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3Dプリンターとは?おすすめの種類や選び方をご紹介

3Dプリンターとは?おすすめの種類や選び方をご紹介

3Dプリンターは立体的な造形ができる印刷機です。

さまざまな用途に使われ、価格帯や印刷方法によって多様な機種があります。

オリジナルデザインのアクセサリーを立体化したり、ミニチュアの試作品を作ったり、そんなときに3Dプリンターが活躍します。

3Dプリンターとは何か、おすすめの種類や選び方を紹介します。

 

■3Dプリンターとは

 

自宅で年賀状や写真、オフィスで書類などを印刷するとき、プリンターは馴染みの深い周辺機器ではないでしょうか。コピーやFAXの受信にも使われています。最近では、データさえあればコンビニエンスストアの複合機から写真や書類をプリントアウトできるようになりました。

 

一般的なプリンターはインクを使って紙に印刷します。紙は縦と横の長さがある平面つまり2Dです。このような2Dプリンターに対して、3Dプリンターは縦と横に加えて高さのある立体つまり3Dを出力します。これが「3Dプリント」です。

 

プリントという言葉が使われていますが、3Dプリンターは紙ではなく、空間に樹脂などを積み重ねて立体化するため「造形」という表現が適切かもしれません。

 

登場したばかりの頃、3Dプリンターは高価で特殊な機器でした。しかし技術の進歩によって小型で安価な製品が登場し、家庭で簡単に使えるようになりました。

 

3Dプリンターを使う用途としては、大きく分けて家庭における個人用途と、企業における産業用途の2つがあります。

 

家庭で使われる個人用途の3Dプリンターは小型で低価格です。3万円~10万円の価格帯で購入できる機種があります。さらにプロレベルの造形をめざすなら、20万円、30万円クラスの機種を選択するとよいでしょう。産業用途のいわゆる業務用3Dプリンターは高性能であり、数百万円もの投資が必要な大規模な装置です。

 

3Dプリンターの用途に目を向けると、個人用途では、フィギュアやミニチュアを作成、アクセサリーや生活必需品を自作する趣味における活用が代表的です。

 

制作例をひとつあげると、スマートフォンケースを自作できます。インターネット上からデータをダウンロードして3Dプリントしたり、彫刻のようなアート作品を販売したり、パソコンのディスプレイ上で楽しんでいた趣味の世界を立体化できる楽しさがあります。

 

産業用途としては、試作品(プロトタイプ)の製作に使われています。子どもたちに科学の教育を行うSTEM教育にも活用されるようになりました。デジタルで造形する新しい体験を提供します。

 

業務用3Dプリンターの用途は、試作品や教育だけにとどまりません。ものづくりの現場では治具(じぐ)に使われています。治具は部品などの穴を開けたり削ったりするときに固定する器具ですが、多品種と小ロットの部品が求められる現在、製造コスト削減を実現しています。

 

建築分野では、驚くべきことに巨大な3Dプリンターを使って住宅のプリントアウトが実用化されるようになりました。災害時における仮設住宅の建設にも貢献しています。わずか1日ほどあれば自由な形の家を安く建てられるからです。

 

医療分野においては義足や義手などのほか、実際に動かせる心臓や入れ歯の基礎部分の造形、3D スキャンしたデータから患部をプリントアウトして研修医のトレーニングなどに活用されています。航空宇宙の分野でも、ロケットをまるごと3Dプリンターで製造するスタートアップが登場しました。

 

このように未来的な造形を実現する夢のような道具が、3Dプリンターです。

 

最先端の3Dプリント技術を家庭で使うことにより、実用的なオリジナルグッズの製作から、自宅を「工房」としてアートや製品の販売を目的とした創造的な活動まで、さまざまな夢を実現できます。

■3Dプリンターの印刷方式について

 

実際にどのようにして立体をプリントするのでしょうか。

 

2Dプリンターは印字のヘッドが動いて紙に印字します。現在3Dプリンターは、細長いノズルから樹脂を押し出して下から上に層を積み上げる方式が主流になっています。たとえると、ソフトクリーム製造機がコーンの上にクリームを巻いていく感じです。立体的な一筆書きのイメージを想像するとよいでしょう。

 

このような3Dプリンターの印刷方式を「熱溶解積層方式」といいます。

 

略称としては、FDM(Fused Deposition Modeling)が一般的に知られています。ISOの材料押出方式(Material Extrusion)のほか「フィラメント」という素材を使うことからFFF(Fused Filament Fabrication)とも呼ばれます。

 

フィラメント(filament)という言葉から、電球や真空管の中にある細長い線を思い出すかもしれません。細かい糸状の構造をフィラメントといいますが、熱溶解積層方式では細長い糸状の樹脂に熱を加えて溶かして、素材を積み上げることによって立体を造形します。その素材のことです。ちなみにSnapmakerもFDM方式を採用しています。

 

FDM方式の3Dプリンター装置の各部分と動きについて解説すると、まずコイル状に巻かれたフィラメントは、「エクストルーダ」という部分で高温により液状に溶かされます。エクストルーダの先にあるノズルから解けたフィラメントを噴出し、ビルド・プラットフォームあるいは造形ステージと呼ばれる台の上で積み重ねていくことで立体化します。

 

立体は、X軸(横)、Y軸(縦)、Z軸(高さ)の3軸がありますが、たとえばSnapmaker A350の場合には、エクストルーダがX軸、エクストルーダを支える部分がY軸とZ軸に動くことで造形します。3Dプリンターの機種や構造によって、エクストルーダの動く方向は異なり、ビルド・プラットフォームが上下する場合もあります。

 

ノズルから噴出した素材が1層を作るとエクストルーダとノズルが1層分だけ上がって樹脂を積み重ねていきます。最上部の層を積み上げて完成です。

 

FDM方式は、2009年に特許期限が終わったことを契機に普及しました。コストパフォーマンスに優れている上に安全に造形できるメリットがあります。反面、精度の高い造形向きではありませんでした。しかし最近では、フィラメントとFDM方式の3Dプリンターの進化により、きめ細かな造形ができる機種が登場しています。

 

3Dプリンターの印刷方式には、熱溶解積層方式のほかに次のような3Dプリント方式があります。

 

・光造形方式

・インクジェット方式

・粉末床溶融結合方式

・粉末接着方式

 

光造形方式は、液状の樹脂に紫外線をあてて硬化させ造形方式です。SLA(Stereo Lithography  Apparatus)方式とも呼ばれます。高精度で複雑な造形に向いていますが、硬化させるまで時間がかかること、エポキシ系樹脂を使用するため材料のコストがかかることというデメリットがあり、量産向きではありません。

 

インクジェット方式は、正式には材料噴射法(Material Jetting)といいます。2Dプリンターのインクジェットと似た方式で、機種によってはカラー印刷が可能です。ゴムの質感などをリアルに表現できます。しかしFDM方式より耐久性が弱く、太陽光で劣化することがあります。

 

粉末床溶融結合方式は、PBF(Powder Bed Fusion)方式またはSLS(Selective Laser Sintering)方式といわれ、金属の造形に用いられてきました。金属粉末を敷き詰めた床に、レーザーや電子ビームの熱源から照射し、熱によって固めます。

 

粉末接着(Binder jetting)方式は、もともと石膏に結合剤を吹き付けて固める方式であり、色付けしやすいため、フィギュア製作などに用いられていました。デザインの確認には適していますが、粉末が飛散するため防じん対策が必要です。

 

家庭用3DプリンターとしてはFDM方式が主流ですが、さまざまな3Dプリンターの種類と特徴を知っておくとよいでしょう。

 

■3Dデータの作成について

 

3Dプリンターから出力するためには、3Dデータが必要です。3Dデータを準備する方法には次の3つがあります。

 

・ソフトウェアで使ってオリジナルの3Dデータを作成する

・スキャナを使って現実の立体を読み込む

・インターネットから作成済みの3Dデータをダウンロードする

 

ソフトウェアを使ってオリジナルの3Dデータを作成することを「モデリング」と呼びます。このときモデリングのためのソフトウェアが必要です。プロが利用している高度なソフトウェアから、機能や期間を限定した体験版、無償で提供されているフリーウェアまでさまざまな製品がありますが、初めて利用する場合は、体験版やフリーウェアから始めるとよいでしょう。

 

3Dデータの種類には、3Dソフトウェア別の独自形式と、ソフトウェアを問わずに受け渡しができるデータがあります。受け渡しができるデータのことを「中間ファイル」といいます。たとえば一般的な中間ファイルには「STL(Stereolithography)形式」があります。

 

ファイルの見分け方は、拡張子に注目します。拡張子はWindowsでは「sample.txt」のようにピリオドの後に続く3~4文字です。mac OSの場合には、ファイルを選択してCommandキー+Iキーによって確認できます。

 

3Dプリントをする際には、STLなどの形式のファイルを「スライサーソフトウェア」によって印刷できるように変換します。無料のソフトウェアもありますが、ファイルの作り方によっては指定通りに出力できない場合があるので注意が必要です。

 

3Dデータの作り方には、次のような注意点があります。

 

・面に厚みがあること

・ポリゴンがすべて表の面で構成されていること

・境界面に穴が空いていないこと

・正しい変換精度であること

・大きさの単位が間違っていないこと

 

まず厚みのない3Dデータはプリントアウトできません。画面表示は立体に見えていても、厚みのない面(サーフェス)で構成されているモデリングデータは、3Dプリンター側で立体に認識できないからです。厚みの設定が大切です。

 

次にSTLファイルのポリゴンには裏と表があり、すべてのポリゴンが表になっている必要があります。造形が閉じていて、境界面には穴が空いていないことが重要です。

 

その他、3Dデータを変換するときの精度が正しくない場合は、丸みを帯びた面がきれいに表現されない、円が多角形になるなどの不具合が生じます。精度は高ければよいというわけではなく、精度が高すぎると出力に時間がかかることがあります。大きさの単位は、3Dデータ上ではインチで設定してもミリ単位で出力されることに注意しましょう。

■3Dプリンターで使えるフィラメント・作れるものについて

 

3Dプリンターのフィラメントには、主にABS樹脂とPLA樹脂があります。

 

ABS樹脂は、アクリロニトリル(A)、ブタジエン(B)、スチレン(S)という3種類のプラスチックを組み合わせた素材です。加工しやすく耐久性に優れていますが、造形時に約230~260度の高温で溶かさなければなりません。造形した後で反り返らないように、ビルド・プラットフォームを温める必要があります。

 

PLA樹脂のPLAは「Poly-Lactic Acid」の頭文字で、トウモロコシやジャガイモなどの天然素材から抽出したポリ乳酸という植物性プラスチックです。ABS樹脂と比較して熱収縮がないため反りにくく、ノズルに詰まらないメリットがあります。ただし60度以下でも柔らかくなるため熱に弱く、もろくて壊れやすいことがデメリットです。

 

これらのフィラメントで作ることができるものを挙げてみましょう。

 

・模型や玩具

フィギュア、恐竜・動物・魚などの玩具、チェス・将棋・オセロなどの駒、麻雀牌、バッジ、積み木やブロック、スタンプなど

 

・実用品と便利グッズ

スマートフォンケース/スタンド、電源などのケーブルの結束器具、メガネケース/スタンド、マスク、花瓶、小物入れ、クリップ、ペンケース、ブックスタンド、ドアプレート、ネームホルダー、コップや皿などの食器、グラスホルダー、エッグホルダーなど

 

・STEM教育などに使うモデル

ロボットの部品、実験用具、分子構造の模型、天体のモデル、恐竜や動物の骨格、人体のモデルなど

 

・製品開発のプロトタイプ、モックアップ

建築物や都市開発の模型、自動車のモックアップ、家電製品のモックアップ、ペットボトルなどのプロトタイプなど

 

一般的に造形後に削るなど加工が必要なものにはABS樹脂、加工が少なく形だけ確認したいものにはPLA樹脂のフィラメントが向いています。

 

■3Dプリンターの選び方

 

最後に3Dプリンターを選ぶときのポイントです。

 

Snapmaker 2.0 A350は、海外のクラウドファンディングKickstarterで人気を集めた製品で、入門者にも簡単に本格的な3Dプリンティングを始めることができるおすすめの機種です。Snapmaker 2.0 A350の特徴に触れながら、3Dプリンターを選ぶときのチェックポイントに触れていきましょう。

 

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・用途

まず「何を作りたいか?」目的を明確に決めることが大切です。家庭の利用を考えたとき、子どもたちと遊ぶ玩具をプリントする場合と、アクセサリーやオリジナルグッズを販売する場合では3Dプリンターの用途が異なります。作品の公開や販売を目的するときは10万円以上の価格帯にある機種がおすすめです。

 

・印刷方式

家庭用の3DプリンターはFDM方式が主流のため、初心者にはFDM形式の3Dプリンターが推奨です。ただし中級以上のクリエイターで、アクセサリーやフィギュアをきれいに仕上げたいのなら、光造形方式による3Dプリンターの選択肢も考える価値があります。

 

Snapmaker 2.0 A350は3Dプリンターで主流のFDM方式を採用しています。初めて3Dプリンターを扱う方や、趣味やデザインの用途で活用を考えている方に最適です。

 

・サイズと重さ

設置するときの外観サイズはもちろん、どれぐらいの大きさの造形を求めているのか造形サイズを考慮します。Snapmaker 2.0 A350の造形サイズは320×350×330mm、重さは28.5kgです。小型でありながら、十分な広さのビルド・プラットフォームを活用できます。

 

・使いやすさ

3Dプリンターを組み立てるときに面倒な作業がいらないことが大切です。モジュール構造の採用により、Snapmaker 2.0 A350は初心者でも簡単に組み立てられます。

 

3Dプリ記事ンターから出力するときには「スライスソフト」という印刷を設定するためのソフトウェアが必要です。有志の開発者によるオープンソースとしてインターネットから配布されているソフトウェアもありますが、Snapmaker 2.0 A350は専用の「Snapmaker Luban」が付属しています。公式サイトからダウンロード可能です。

 

3Dプリンターは「ノズルの詰まり」が生じやすい機器です。ノイズがつまったときに簡単に解消できるか、メーカー側でテストがされているかなどをチェックします。日本語マニュアルの付属、修理やアフターサポートも要チェックといえるでしょう。

 

・コストパフォーマンス

2Dプリンターのインクと同様、フィラメントは3Dプリントによって消耗します。純正フィラメントにはICチップ搭載の素材があり、種類や残量を3Dプリンターに読み込むとともに自動的に最適な温度に設定します。純正フィラメント以外に、他社のフィラメントが使えると便利ですが、故障が生じる場合があるので注意が必要です。

 

きれいな3Dプリントには、ノズルとビルド・プラットフォームを平行に保つことがポイントです。Snapmaker 2.0 A350には、自動的に位置を調整するオートキャリブレーション機能を備えているため、造形前のセッティングに役立ちます。

■まとめ

3Dプリンターは、立体的な造形によって、趣味やクリエイティブな世界の可能性を拡げる未来派志向の印刷機です。

 

まず、何を作りたいのか用途を明確にすることから始めましょう。趣味のフィギュアを3Dプリントしたいのか、販売目的のアクセサリーやプロトタイプを出力したいのかイメージした上で、3Dプリンターの種類、印刷方法、フィラメントなどを具体的に検討します。

 

Snapmakerは高い技術力によって、世界中から注目を集めています。モジュール構造を採用することにより、今後は高出力レーザーモジュールやデュアルノズル3Dプリントモジュールなどの発売を予定しています。

 

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