3Dプリンター 造形方式と素材について

3Dプリンターについて

3Dプリンターとは

3Dプリンターとは、3DCAD、3DCGデータを元に3D（3次元）の立体造形を行う製造機器です。積層工法（積層造形）を使い立体物を製造します。

2009年にFDM（溶融堆積モデリング）の特許が失効したことで、数万円～数十万円の個人・家庭用の3Dプリンターが普及していきました。それにより、これまでは高額で製造に時間を要したオーダーメイドのものでも、個人レベルで安価に素早く造形することが可能になりました。

3Dプリンターの活用事例

近年は3Dプリンターの値段も一層手頃になり、機種も増えて使用素材が多様化し、造形精度も向上しています。それにより、製造業以外の様々な分野でも活用されています。

• 製造（自動車 / 航空機パーツ / 玩具 / 金属パーツ / 鋳型など）
• 建築、インテリア（住居 / 模型 / 椅子 / 照明 / 食器など）
• 食品（ピザ / チョコレート / 菓子類など）
• 医療（臓器 / 骨 / 製剤など）
• ファッション（靴 / アクセサリー / ドレスなど）

3Dプリンターの造形方式について

3Dプリンターには、家庭用と業務用マシンがあります。

家庭用3Dプリンターは数万円程度で入手することが可能ですが、造形物の品質は業務用よりも落ちてしまいます。また、以下のように積層方式を分類することができます

熱溶解積層型　FDM（Fused Deposition Modeling）

主に低価格の家庭用3Dプリンターで使われている方式で、熱に溶ける樹脂をヘッドから押し出しながら1層ずつ積み上げていく方式です。

本体価格や材料費も安い一方で、他の種類と比べると精度や仕上がりが粗くなります。

特徴：	安価 / プロトタイプ・治具制作向き
強度：	★★★★☆
再現性：	★★☆☆☆
速度：	★★★☆☆

光造形型　SLA（Stereo Lithography Apparatus）

液体樹脂を紫外線で硬化する積層方式で、細かな形の造形も高精度に作成をすることが可能です。その一方で、本体価格や材料費は高く、仕上がりまでの時間も要するために、量産には向きません。

特徴：	高精細 / 大型造形向き
強度：	★★★☆☆
再現性：	★★★★☆
速度：	★★★☆☆

インクジェット型

液状の紫外線硬化樹脂をヘッドから噴射して紫外線で硬化させて積み重ねていく方式です。

複雑な造形物も、高解像度なカラーで高精度に作成することができる一方で、維持費が高いことと、出力物の耐久性は弱く、直射日光に当たると硬化して形状変化をしてしまうことがあります。

特徴：	高精細 / 多素材対応
強度：	★★★☆☆
再現性：	★★★★☆
速度：	★★★☆☆

粉末焼結型　SLS（Selective Laser Sintering）

粉末樹脂などの材料にレーザーを照射して焼結させていく方式です。

金属やナイロンなどの粉末樹脂などの様々な材料を利用することができ、複雑な造形が可能です。

特徴：	多素材対応 / 高額 / プロダクション向き
強度：	★★★★★
再現性：	★☆☆☆☆
速度：	★☆☆☆☆

粉末固着（接着）方式

石膏などの粉末材料に接着剤を吹き付けて積層する方式です。

材料費が安く、発色のある造形物の作成が可能です。

造形スピードも速いのですが、出力物は衝撃に弱く、壊れやすいために注意が必要です。

特徴：	多素材対応 / 高額 / プロダクション向き
強度：	★☆☆☆☆
再現性：	★☆☆☆☆
速度：	★★★★☆

3Dプリンターの素材(マテリアル)について

FDM方式の家庭用3Dプリンターでは、主に「ABS」と「PLA」の2つの素材（フィラメント）が使用されます。

また、「ABS」や「PLA」に異素材を混ぜ込んだものを、「合成フィラメント（複合材料）」と言います。炭素繊維を混ぜた「合成カーボンフィラメント」など、3Dプリンター用のフィラメントは様々なものがあります。

ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene）

ABSは、一般的なプラスチック製品に使用されています。

曲げや伸びに対して丈夫で靭性（衝撃に対する粘り強さ、靭性が低い＝脆い）があり、研磨などの後加工に適しています。ABSは高温でないと出力できず、冷やすと収縮し反りやすい性質があるために、大きな造形物になるとひずみが生じて変形してしまうことがあります。また、湿気でも反りやすくなるために、注意が必要です。

特徴：	プロトタイプ・プロダクト向き / 後加工可 / 反りやすい
強度：	★★★★☆
靭性：	★★★★☆
耐熱性：	★★★☆☆
耐候性：	★★☆☆☆

PLA（Poly Lactic Acid）

PLAはポリ乳酸と呼ばれ、コーンやイモ類などの自然由来の素材を原料にしたエコプラスチックです。

硬くて反りにくいために安定して出力ができるために、大きい造形モデルやプロトタイプの制作に向いています。一方で、高温には弱く、靭性に乏しい性質があります。そのため、出力後の研磨などの表面仕上げや塗装処理には不向きです。

特徴：	プロトタイプ向き / 反りにくい / 大型造形可 / 脆い
強度：	★☆☆☆☆
靭性：	★☆☆☆☆
耐熱性：	★☆☆☆☆
耐候性：	★★☆☆☆

PC（ポリカーボネート）

PCは、熱可塑性プラスチックの一種で、軽量でありながら非常に強度があます。さらに、耐熱性や耐候性、耐衝撃性にも優れていることから、自動車部品や家電製品などの最終用途部品生産で使用されています。しかし、PC対応機種が現状ではまだ多くありません。

特徴：	プロダクト向き / 軽量で強度有り / 耐衝撃性有り
強度：	★★★★☆
靭性：	★★★★☆
耐熱性：	★★★★☆
耐候性：	★★★★☆

PET(Poly Ethylene Terephthalate)／PETG

PETは、透明性・耐久・耐熱性があり、ペットボトルの素材として知られています。

PETG（PETの強化材料）は、さらに透明性が高く、ABS並みの強度・耐久性・耐熱性を持ちながら、反りなどが少なくPLAのような出力時の安定性を併せ持つ素材として優れた性質を持っています。

特徴：	特徴：透明性 / 強度有り / 吸湿性有り
強度：	★★★★☆
靭性：	★★★☆☆
耐熱性：	★★★★☆
耐候性：	★★★☆☆

※注）各メーカーにより、素材特性に差が生じることがあります。詳細はメーカー各社にお問い合わせ下さい。

その他の素材

この他の素材を、積層方式に合わせて分類すると、以下のようになります。

• 熱溶解積層型： ポリフェニルスルホン（PPSU）
• 光造形型：エポキシ系樹脂 / アクリル系樹脂
• インクジェット型：アクリル系 / ABSライク / ポリプロピレンライク / ラバーライク / 光硬化性樹脂 / ワックス
• 粉末焼結型：粉末樹脂 （SLS ナイロン,セラミック,エストラマー,ポリプロピレン） / 金属（SLM 銅,青銅,ニッケル,チタン）
• 粉末固着式積層方式：粉末樹脂（石膏,プラスチック,デンプン,セラミック,石膏） / 金属(チタン・ニッケルなど)

用途に合わせて機種や素材を選ぶと良いでしょう。

ライタープロフィール Taiki YUZAWA