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3Dプリンターの種類

ひとことで3Dプリンターと言っても、造形方法や使える材質は様々な種類があります。
ここでは3Dプリンターの造形方法とそれぞれのメリット・デメリットについてご紹介します。

3Dプリンターの製造方式一覧
熱溶解積層方式(FDM法)
光造形方式(STL法)
粉末焼結方式(SLS法)
インクジェット方式
粉末積層方式

熱溶解積層方式(FDM法)

FDM造形とはFused Deposition Modeling=熱溶解積層方式の造形方法の事で、業務用でも使われている熱に溶ける樹脂を、一層ずつ積み上げていき造形していく造形方法になります。
溶けた樹脂はすぐに冷えて固まるため、危険性が少なく扱いやすいのが特徴です。

1980年代後半にStratasysという会社が特許を取得していますが、2009年に特許期限が切れたために、FDM造形を採用した3Dプリンターがたくさん出回り、市場価格が暴落するという事態に陥りました。

材料はABSまたはPLAと呼ばれる取り扱いが容易で安全性の高い樹脂が使用されるため、数百万円する業務用の3Dプリンターはもちろん、この数年では流行り始めてきた家庭でも使用することが可能なパーソナル3Dプリンターで最も採用されている方式です。

ハイエンドな3Dプリンターになるとポリカーボネートなどの素材も使えるため、造形したものを加工や人間の手を加えずにそのまま使えるほど高い制度の工業製品を生み出すことが可能となりますが、その半面パーソナル3Dプリンターでは、表面の仕上がりが他の方式と比べると粗く、積層の縞模様が目立ってしまう傾向があります。
また、表面の仕上げも、場合によっては繊維状になって、造形されている材料が剥がれてしまうなどやりづらさもあります。
とはいえ、ハンドリングの良さと、特にパーソナル3Dプリンタの低価格化によって、最も使用されている3Dプリンターの一つであることは間違いありません。

この方式のプリンターの用途として、業務用の3Dプリンターの場合には、工業製品における試作が最も多いでしょう。
ABSは材料としての強度とともに粘りもあるため、あまり細かい造形は必要なく、ある程度の機械的な強度も求めらるような場合でも対応できます。
なお、パーソナル3Dプリンターの場合には、個人で使うための最終製品も作成しているでしょう。
寸法精度が求められるパーツ/製品などに対しては不向きですが、それ単体でできているものなどで、個人が趣味で使用するものであれば、充分に実用に耐えうるものは造形可能です。

粉末焼結積層造形の特徴
・最も一般的な造形方式
・価格帯の安いパーソナル3Dプリンターが多く普及している
・危険性が少なく扱いやすい
・積層の縞模様が目立ってしまう傾向がある


熱溶解積層方式の主な材質
・ABS樹脂
・PLA樹脂
 ≫ 3Dプリンターの材質の種類一覧はこちら

熱溶解積層方式の主な3Dプリンター
・UPシリーズ
・Replicatorシリーズ
・Mojo
 ≫ 3Dプリンターの比較はこちら

光造形方式(STL法)

光造形方式は最も歴史が古く、世界で最初に1987年に3Dシステムズ社で実用化されたものがこの方式の3Dプリンターです。
それゆえ製造業などでは、3Dプリンターという言葉よりも光造形やRPといった言葉の方が浸透している場合があります。
光造形方式で使用する樹脂は、光硬化性のものになります。
この方式では、光硬化性のポリマーのプールにレーザー光線などを当てて、その光の当たったところだけが硬化します。
一層の造形が終わると、造形台が下がり次の層の造形を行います。(なお、造形台がプールの中に沈んでいく代わりに、台を上に引き上げ、逆さまにぶら下がるように造形する光造形機も存在します)
この作業を形が成すまで繰り返します。

この方式は非常に微細な造形が可能で、機種によってはジュエリーのモックアップや月経の出力にも利用できるほど、表面もスムーズで高精細な出力が可能です。
また、ひと手間加えることで、透明度を高めることも可能です。
さらに、小さくて軽量のものであれば、比較的安価で製造することができます。

しかし、樹脂単価が高いので、量産には向かず、大きなものや、重いものを作るには、コストパフォーマンスが悪いというデメリットが存在します。
また、現在はパーソナル用のプリンターも発売されておりますが、原材料となる液体ポリマーが人体に対して有毒であるため注意が必要です。

粉末焼結積層造形の特徴
・最も歴史が古い造形方式
・光硬化性のポリマーのプールにレーザー光線を照射して造形
・微細な造形が可能
・表面もスムーズで高精細な出力が可能
・原材料となる液体ポリマーが人体に対して有毒


光造形方式の主な材質
・エポキシ系樹脂
・アクリル系樹脂
 ≫ 3Dプリンターの材質の種類一覧はこちら

光造形方式の主な3Dプリンター
・Gプリンター
・Form2
・MiiCraft
・ACCULAS
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粉末焼結積層造形

FDM方式の3Dプリンターの場合には材料は固体でしたが、材料が粉末の形で用意される場合もあります。
材料が粉末の形で提供される場合の出力方式は主に2種類ありますが、そのうちの1つがレーザー光線により材料粉末を焼結させる粉末焼結方式です。
粉末焼結方式は光造形法と似たような方式で、ステージ上にある粉末をレーザー光線を照射させて焼結させます。粉末が硬化したらステージを下げます。
この作業をスライスした分繰り返し造形を行います。

材料として最もよく使用されるのが、ナイロン樹脂の粉末ですが、機種によっては銅・青銅・チタン・ニッケルなどの金属系の材料が使用できます。
ナイロン樹脂の粉末を使用する場合などは、非常に柔軟性もあるパーツとして仕上がるため、スマートフォンのカバーなどのように大きく曲げてはめるような場合にも、特に問題なく使用することができます。
表面の仕上がりは光造形ほどは細かい造形が得意ではないことと、出力したままの仕上げでは、表面が粉っぽいなどの特徴があります。
また、硬化後に造形物は沈まないのでサポート部は不要です。
大手の3Dプリンター出力サービスでは、この方式がよく使用されかつ出力費用も安価におさまる場合が多いです。

粉末焼結積層造形の特徴
・ナイロン樹脂や金属系など様々な材料を利用可能
・非常に柔軟性かつ耐久性のある造形物も作れる
・硬化後に造形物は沈まないのでサポート部が不要
・表面が粉っぽいためつるつるした質感を求められるものには向かない


粉末焼結方式の主な材質
・ナイロン樹脂
・セラミック
・エストラマー
・ポリプロピレン
・金属
 ≫ 3Dプリンターの材質の種類一覧はこちら

粉末焼結方式の主な3Dプリンター
・ProX500
・ラファエル550
・RICOH AM S5500p
 ≫ 3Dプリンターの比較はこちら

インクジェット方式

インクジェット方式というと、家庭やオフィスで普段使用している紙のプリンターを思い出すかもしれません。
紙のインクジェットプリンターの場合には、印刷用氏の上に、液状のインクをヘッドから細かい粒子にして吹き付けて文字を印刷していきます。

3Dプリンターの場合には、インクの代わりに液状の樹脂を吹き付けていきます。
液状の紫外線硬化樹脂を噴射して、それを紫外線などの特定の波長の光で照らすことにより硬化させ積層させる方法です。

この方式の3Dプリンターでは、一般に積層ピッチがFDM方式より薄く、より細かい造形をすることが可能です。
また、表面の仕上がりもFDM方式よりも滑らかに仕上がる特徴があります。
そのため、出力したいパーツに対して細かい造形がある場合などに向いています。
また、高速に造形できることも特徴にひとつです。

メーカによって比較的ハイエンドな機種の場合には、様々な材料の選択が可能ですが、最もポピュラーなもんはアクリル系の樹脂になります。
ただしアクリル系の樹脂は、ABSなどに比べるとあまり粘りがなく、力を加えることで簡単に折れてしまう場合があります。
したがって、機械的な強度が求められるパーツはもとより、スマートフォンおかばーなどのようにある程度曲げてはめる必要があるものの場合には、力のかかった部分が簡単に破損してしまいます。
ただし、ハイエンド機種の場合には、ABSライクやPPライク、ラバーライクなどの様々な性質を持った材料を利用できたり、複数の材料を混ぜて使用できるものもあります。

なお、この方式では光硬化性樹脂を使用するため、造形終了後も時に直射日光などが当たり続ければ、硬化し続けることになり、最終的には変形してしまうことがあるため、長期間保存しておかなければならないようなものにはあまり向かない場合もあります。

インクジェット方式の特徴
・高精度な物が造形可能
・アクリル樹脂に加えて、ABSライクやPPライク、ラバーライクなどの材質が使える
・高速にモデルを作ることが可能
・造形物の表面の仕上がりが滑らかに仕上がる


インクジェット方式の主な材質
・アクリル系
・ABSライク
・PPライク
・ポリプロピレンライク
・ラバーライク
 ≫ 3Dプリンターの材質の種類一覧はこちら

インクジェット方式の主な3Dプリンター
・Projetシリーズ
・Objetシリーズ
・Stratasys J750
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粉末積層方式

先ほど説明した粉末焼結方式と同じように、材料として粉末を使用する造形方法です。
粉末積層方式は石膏やでんぷんなどの安価な粉末を樹脂で接着して固め造形します。
そのため粉末固着式積層法とも呼ばれています。

材料コストが安価であり、また造形のスピードも比較的早いのが特徴ですが、この方式の最も大きな特徴は、カラーで出力できるということです。
この方式では、白い石膏の粉などに対して造形と同時に造形物の外側に神の印刷などに使用するインクジェットプリンターのインクを吹きつけて着色していきます。
したがって、3DCGによるキャラクターのテクスチャーなどもCGで定義した通りに出力できるため、出力後の塗装などが必要ありません。

色付きで出力できるという優れた特徴がある一方で、非常に脆いとい欠点も抱えています。
材料はあくまで接着剤で固めているものなので、砕けやすくちょっとした衝撃で簡単に破損してしまいます。
用途としては、3DCGでモデリングしたフィギュアのサンプルや、建築模型、ランドスケープなどの土木分野だどで特に色付きで出力して立体的かつビジュアルに確認することが目的で、強度などを求めない造形物に対してよく使用されます。

粉末積層方式の特徴
・材料コストが安価
・着色機能を備えた装置が多く、フルカーラー出力が可能
・きめの細かい造形物が作れる
・造形物の強度が非常に脆い
・サポート部は必要なし


粉末積層方式の主な材質
・石膏ベースパウダー
・プラスチックライクパウダー
・デンプンベースパウダー
・セラミックベースパウダー
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粉末積層方式の主な3Dプリンター
・ZPrinterシリーズ
・Projetシリーズ
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