3Dプリンターの使い方 ～加工手順や導入の注意点を解説～

立体物を造形する3Dプリンターを、自社の事業に取り入れたいとご相談いただくことが多々あります。本コラムでは、3Dプリンターの造形方式や加工手順、導入時の注意点などを解説します。併せて、3Dプリンターを活用する際に便利な3Dデータ作成サービスや、3Dプリント委託サービスについて紹介します。


3Dプリンターにはさまざまな造形方式があり、造形方式によるメリット・デメリットを理解し、用途に応じて使いわけることが重要です。ここでは、造形方式ごとの特徴とメリット・デメリットを紹介します。

造形方式の中で最も古くからあるのが「光造形」です。光造形とは、その名のとおり、光を液体の紫外線硬化樹脂に照らすことで、樹脂を固めて形を作る造形方式です。メリットとしては、「造形物の細部まで再現できる」「透明材料が使用できる」などが挙げられます。デメリットとしては、「紫外線などが原因で劣化しやすい」「後処理としてサポート材の除去や2次硬化・洗浄が必要である」などが挙げられます。

光造形には「VAT方式」と「吊り下げ方式」があります。VAT方式の場合、上から紫外線レーザーを当てて形を作ります。見た目を美しく整えるための「研磨仕上げ」をしやすい点が特徴です。おもに、試作や可視化モデル、フィギュアモックなどに使われます。一方、吊り下げ方式の場合、下からプロジェクターやレーザー、LCDで紫外線を照射します。表面を滑らかに仕上げることが可能で、粘り強さをあわせ持つため、微細形状の組み付けに使用するとよいでしょう。

「粉末造形」とは、熱によって、粉末状の樹脂材料を溶かして固めることで形を作る造形方式です。この方式を用いると、表面がザラザラとした造形物ができあがります。メリットとしては、「強度や耐久性のある物を造形できる」「異方性が少ない（等方性が高い）」「サポート材が不要である」などが挙げられます。デメリットとしては、「滑らかな表面で造形するには不向きである」ことが挙げられます。

粉末造形には「SLS方式」と「Multi Jet Fusion方式」があります。SLS方式の場合、レーザーの熱で樹脂を溶かしながら造形します。材料が粘り強さに優れているため、自動車部品の性能を評価するための試験にも使われます。一方、Multi Jet Fusion方式の場合、2種類のインク（エージェント）とヒーターの熱を用いて造形します。具体的には、まず2種類のインクを樹脂材料に噴射し、次にヒーターの熱で材料に噴射された黒いインクの部分だけを溶かし、固めていきます。SLS方式と比較して、面で照射するMulti Jet Fusion方式は、１層にかかる造形時間が短く、生産性に優位性があります。また強度と解像度に優れた材料のため、最終製品にも適しているといえるでしょう。

「インクジェットUV」の特徴は、ノズルから材料を噴射し、紫外線を当て、一層ずつ積み上げながら硬化させ、高精細かつリアルに造形できることです。そのためインクジェットUVは、細かい形状を確認する際のサンプル製作に適しています。メリットとしては、「光造形と比べて、細かい形状の再現が可能」「一層ずつ積み上げた際にできる積層痕が目立たない」「サポート材が水溶性のため、溶かして除去できる」などが挙げられます。デメリットとしては、「光造形と比べて、強度が劣る」「太陽光などが当たることで劣化が起こりやすい」「大型の造形には不向きである」などが挙げられます。

ここでは、3Dプリンターで造形するために必要なものを6つ紹介します。
3Dプリントを行う方法は大きくわけて二つあります。一つは自分で3Dプリンターを購入して出力する方法、もう一つは出力サービスを利用して製造を委託する方法です。

3D CADソフトは、3Dプリントするデータを作る際に使用します。3D CADソフトは点や線、面を組み合わせ、3Dデータを作ります。3D CADソフトの代わりに3DCGツールを使用しても、3Dプリントするデータを作ることができます。3Dプリントするデータの作り方がわからない方には、必要な3Dデータを提供しているサイトから3Dプリンター用のデータをダウンロードする方法があります。

スライスソフトは、データコードを変換する際に使用します。3D CADソフトなどでデータを作成しても、そのままでは3Dプリンターは読み取りできません。スライスソフトを使用してデータコードを変換することで、3Dプリンターは3Dデータを読み取れるようになります。

場合により、作成した3Dデータにエラーが生じている可能性があります。そのような時はSTL修正ツールを使用することで、3Dプリンターが3Dデータを読み取れるように修正されます。スライスソフトではSTL修正できない場合におすすめです。

3Dプリンターとは、立体を造形する機械のことです。3D CADソフトなどで作成した3Dデータに従って、一層ずつ材料を積み重ねることで造形します。

3Dプリンターで造形するためには、材料が必要です。造形方式により使用する材料が異なる点に注意が必要です。たとえば、光造形の場合はアクリル系やエポキシ系の樹脂など、粉末造形の場合はナイロンやポリプロピレンなど、インクジェットUV硬化の場合はアクリル系樹脂などを使用します。

3Dプリンターでパーツを製作するには3Dデータが必要不可欠です。3Dデータの作成方法はおもに5つあります。ここでは、それぞれの方法を紹介します。

CADとは「Computer aided Design」の略です。英語が意味するとおり、「コンピュータを用いて設計すること」または「設計するためのツールを意味する言葉」です。

3D CADソフトを用いた表現方法は、3つあります。1つ目は「ソリッド」で、点と線を用いて体積で立体を表現する方法です。内部が空洞ではなく、詰まった状態の造形物の製作に適しています。2つ目は「サーフェス」で、点と線を用いて作った面を組み合わせ、立体を表現する方法です。薄い形状を造形します。具体例としては、空き箱などが挙げられます。サーフェスで作られた造形物は内部が空洞で、その点がソリッドとは異なります。3つ目は「ワイヤーフレーム」で、線のみ用いて立体を表現する方法です。データ量が少なくて済むことから、表現スピードが速い点がメリットです。

CGとは「Computer Graphic」の略です。英語が意味するとおり、「コンピュータを用いて、立体画像データを完成させること」または「完成した立体画像データを表す言葉」です。3DCGツールは、曲線のある造形に適しています。また、3Dデータを作成するには、2種類のツールがあります。1つは「ポリゴンベース」で、四角形または三角形の面を組み合わせ、3Dデータを作成する方法です。もう1つは「スプラインベース」で、曲面を用いて3Dデータを作り出す方法です。

対象物をスキャンして3Dデータ化することが可能です。これをリバースエンジニアリングといいます。
3Dスキャナーには2種類あります。1つは「接触式3Dスキャナー」です。対象物に直接センサーを接触させてスキャン（測定）することで、形状の情報を読み取り、3Dデータ化します。精度に優れていますが、対象物が柔らかかったり入り組んでいたりする場合、うまくセンサーで読み取ることができず、3Dデータ化しにくいというデメリットがあります。

もう1つは「非接触式3Dスキャナー」です。対象物に直接触れることはなく、レーザー光を対象物に当てることで、形状情報を読み取り3Dデータ化します。メリットとしては、入り組んだ形状を読み取れる点です。ただし、金属などの光沢がある対象物や、黒色で特徴の少ない対象物はレーザーが読み取りづらく、この方法による3Dデータ化は向いていません。

3Dデータを無料配布しているサイトからSTLファイルをダウンロートすれば、3Dデータを作る必要がありません。ただし、商用利用できないデータもあるので、必ず事前にライセンスや利用規約を確認するようにしましよう。また、必要条件を満たすデータが必ずしもあるとは限りません。

「ダウンロードで入手できるデータの中に希望するデザインがない」「自社でデータを作成することが厳しい」場合、外部の3Dデータ作成サービスを活用する方法があります。手書きの図面やイラスト、写真といった素材を渡して、3Dデータを作成してもらうことも可能です。

準備した3Dデータを用いて、3Dプリンターで造形する手順を紹介します。

3Dデータを3Dプリンターで使用するには、「STLファイル」を出力する必要があります。STLとは、「Standard Triangulated Language」の略称です。STLは小三角形の集合体（ポリゴン）で形成されているため、出力時の設定でデータを軽くしすぎると曲面の滑らかさが損なわれてしまうことがあります。またデータ変換時に「モデルに穴が開いている」「面が裏返っている」といったエラーが発生することがあるため、出力後は必ず確認する必要があります。

STLファイルを確認して問題がなければ、スライスソフトを用いて3Dデータを造形用データへ変換します。これは3Dプリンターを動かすために、3Dデータを1層ずつスライス化してスライスデータ（Gコード）に変換することをいいます。3Dプリンターごとにコード形式が違うため、注意が必要です。スライスソフトは3Dプリンターに対応したものでなくてはなりません。

造形データを3Dプリンターに転送し、造形を開始します。まず、3Dプリンター本体に必要な材料をセットします。3Dプリンターの造形方式や機種による違いはありますが、造形に必要な環境、付帯設備、パラメータ管理などの専門知識などが求められます。

光造形の場合、造形後に洗浄や2次硬化、サポート材の除去などが必要です。サポート材とは、造形過程に発生する、形状を保つための支持形状のことです。粉末造形の場合、周囲の粉末材料が造形物を支持するため、サポートが不要です。ただし周囲に付着した粉末を除去するためにブラスト処理が必要です。

3Dプリンターは、一層ずつ積み重ねて造形するため、造形物の表面に積層痕が残ることがあります。しかし、仕上げ加工を施すことで、滑らかで美しい仕上がりを実現することが可能です。まず、紙やすりなどを用いて研磨します。紙やすりを使う時は、目の粗いものから徐々に目の細かいものにしていくとよいです。研磨した後は、サフェーサーで下地処理を行い、エアブラシや筆などを用いて好きな色合いや風合いに塗装することで、より美しく仕上がります。

3Dプリンターは、多品種少量生産に適していますが、大量生産には適していません。また、初期投資やランニングコストがかかるため、導入にはどの程度の経費が必要なのかを確認しておきましょう。このほか、専門知識や技術を持った人材の雇用や、在籍従業員への教育も必要となります。場合により、外部に委託するという選択肢もあります。

3Dプリントを気軽に注文できるサービス「SOLIZEオンライン3Dプリント」は、見積りから発注までのプロセスをすべてオンラインで完結します。樹脂材料のラインアップが豊富で、造形実績が多い点も魅力です。十分なセキュリティ対策により、3Dデータを安全にアップロードできます。3Dプリントに関心のある方は、ぜひ一度お見積りください。3Dプリントを活用して、生産効率化を実現させましょう。