3Dプリンター

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3Dプリンターの一例
3Dプリンターの一例
Airwolf 3D

3Dプリンター(スリーディープリンター、英語: 3D printer)とは、通常の紙に平面(二次元)的に印刷するプリンターに対して、3DCAD3DCGデータを元に立体(3次元のオブジェクト:製品)を造形する機器。日本語では立体印刷機(りったいいんさつき)[1]とも言う。

通常は積層造形法(additive manufacturing)[2]によるものを指す。3次元のオブジェクトを造形することを3Dプリント: 3D printing)、三次元造形(さんじげんぞうけい)と呼ぶ[3][4]

歴史[編集]

初期のものは1980年代に開発され実用化していったが、それらは高価であるばかりでなく、特殊な制御を求められるものであった。

1980年、小玉秀男光造形法を発明[5]し、また1983年にチャック・ハル英語版.stl(Standard Triangulated Language)という3Dデータの保存方式を発明し、1986年3D Systems Corpを起業して、翌1987年「SLA 1」として商品化した。これが初の3Dプリンターとされる[6][7][8][9]この後も、1990年代半ばまでに様々な技術開発と製品が出されたが、それぞれ別々の名で呼ばれ、積層造形法(additive manufacturing)はそれらを表す共通の言葉として漠然と用いられていた。

1990年、3D印刷ともっとも広く関連づけられるPlastics extrusion技術が、Stratasys社により"fused deposition modeling (FDM)"(熱溶解積層法)として商品化された。

1995年、Z Corporation社が、MITが開発した製品を初めて"3D printing (3DP)"の商標で販売した。これにより、Ink jet material depositionを行う機器をおおまかに他と区別して3Dプリンターと呼ぶようになっていった。

2000年代半ばまでは安くても数百万円するため企業など事業所で導入されるのが主であったが、オープンソースによるFab@HomeRepRapの開発が進み、2009年に基本特許の保護期間が終了[10]したのに伴って数万円~数十万円のものが発売され始め、個人や家庭でも導入されるようになっていった[6]

2008年から2011年にかけて、低価格の個人用3Dプリンタ市場は毎年平均346%もの爆発的成長を遂げ[11]、2013年には7万台が売られたと見積もられている[12]

2010年頃は、3D Systems,Stratasysなど上位3社で業界シェアの80%以上を占め、特に、ストラタシス社のDimension/uPrintシリーズの業界シェアが約50%と高く、事実上の業界標準となっていた[13]。2012年に3D SystemsがZ Corporationを併合して[14]、二社の争いになった。

2014年2月には精密な造形に適したレーザー焼結法の特許の保護期間が終了してこの方式に複数の企業が参入した[15][16]

近年では3Dスキャナを搭載した機種や熱溶解積層法以外のより精密な造形に適した光造形法等の低価格化も進み、普及に拍車をかけている。また、新規参入が相次ぎ、新たな開発競争の段階を迎えている[17]


方式[編集]

3Dプリンター

手法や機種によって多少の違いはあるが、コンピュータ上で作った3Dデータを設計図として、その断面形状を積層していくことで立体物を作成するというのが基本的な仕組みである。液状の樹脂に紫外線などを照射し少しずつ硬化させていく光造形方式、熱で融解した樹脂を少しずつ積み重ねていくFDM方式(Fused Deposition Modeling, 熱溶解積層法)、粉末の樹脂に接着剤を吹きつけていく粉末固着方式などの方法がある[18]

光造形法[編集]

紫外線を照射することで硬化する液体樹脂を用いた造形法。初期のラピッドプロトタイピングはこの手法から始まり、ステレオリソグラフィーレーザーリソグラフィーなどともいわれた。紫外線の照射によりラジカル重合、もしくはカチオン重合する樹脂を用い、絞った紫外線レーザービームで樹脂を選択的に硬化させて立体物を造形する手法であり、面一括露光により造形する手法も開発されている。

粉末法[編集]

素材粉末を層状に敷き詰め、高出力のレーザービームや(導電性の素材では)放電などで直接焼結(粉末焼結式積層法)したり[19][20]、インクジェット方式でバインダを添加して固めたりする(粉末固着式積層法)などして造形を行う手法。前者では、ナイロンなどの樹脂系材料、青銅ニッケルチタンなどの金属系材料などが利用できる。後者ではスターチ(デンプン)、石膏などの材料が知られ、ランニングコストを抑えた3Dプリンタに利用されることが多い。

熱溶解積層法(FDM法)[編集]

熱可塑性樹脂を高温で溶かし積層させることで立体形状を作成する造形法。 ラピッドプロトタイピング・3Dプリンタの造形方式の中では唯一、本物の熱可塑性樹脂が使用でき、ABS樹脂ポリカーボネート樹脂・PC/ABSアロイ・PPSF/PPSU樹脂・ULTEM(ポリエーテルイミド、PEI、: polyetherimide)樹脂など熱可塑性の様々なエンジニアリングプラスチックが使用できる。 米国ストラタシス社がこの方式の特許を持っていたが、基本特許は切れた。この系統に含まれるものとして、レーザビーム中に粉末やガス状化合物を吹き込んで、金属や化合物の積層物を製作するものもある。

シート積層法[編集]

シートを積層させ、形状を作る造型法。数種類あり、カッティングプロッタで切り込みを入れた紙をで積層する方式や 光硬化樹脂をシートにインクジェットで出力してから転写する方式や水溶性の紙に熱硬化性樹脂や光硬化樹脂のモノマーをしみこませて一層の積層毎に加熱または紫外線照射、加圧して硬化する方法がある。上記の粉末法の基材をシートに置き換えたもの。

インクジェット法[編集]

液化した材料またはバインダを噴射して積層させ、形状を作る造形法。インクジェットプリンターの原理を応用している。インクジェットプリンタのカラーインクを使用して、カラー造形物も作成されている。光硬化樹脂を噴射して噴射後、短波長の光を照射して硬化する方法やワックスを噴射する方法等がある。材料の無駄が少なく、歯科技工宝飾品に使用されるロストワックスの原型のように比較的精密なものを作るために適する。オーバーハングの部分のために水溶性のサポート材を出力したり、フルカラー出力に対応した機種もある。

鋳造・射出成型や切削との比較[編集]

3Dプリントは金型を作っての成形や切削による造形などの従来手法と比較されることが多い。3Dプリンタをはじめとした積層造形では鋳型の製造や治具の作成を必要としないと言う特徴から、設計段階での試作のように頻繁に形状を変更して迅速に実態が欲しい場面(ラピッドプロトタイピング)や、医療機器のように個々の患者に合わせて形状を変更するような製品の製造、航空宇宙分野のようにそもそも従来手法のコストがさして低くないチタン部品の製造などに向いているとされる。

作る造形物という意味では、

  • 切削では削ることの出来なかった中空形状・複雑な内部形状も3Dプリンターであれば造形が可能
    • 中空構造を容易に作成できる事から、強度を要求されない部品の軽量化が非常に容易
  • 部品を製造するのではなく、一体化された所謂アセンブリされた状態を一度で造形する
  • 複数の異なる材料を使用しての一体造形が可能。
  • 誰が何個作っても毎回同じ物が出来る。
  • 複数のモデルを一度に作ることが出来る。

操作という意味では、

  • 操作者の技術力に依存しない。
  • 機器の取り扱いが容易。造形に人手をあまり要さない。

という特徴を持つ。 一方、欠点は以下の通りである。

  • 現状では大量生産への適用が難しい
    • 現状では基本的に従来手法と比較して高価・低速なため
  • 要求される精度が高くなるとリニアに製作時間が増加する
    • 層の厚さが精度と直結するため
  • (FDM法)強度を求められる部品への適用が難しい
    • 使用可能な樹脂の制限や層間の剥離のため
  • (FDM法)接地部よりも上部の方が広い漏斗型の形状では支持材を使用する必要があり、後行程で除去する必要がある

用途[編集]

製造業を中心に建築医療教育・航空宇宙・先端研究など幅広い分野で普及している。用途は業界によって様々である。製造分野では製品や部品などの「デザイン検討」「機能検証」などの試作やモックアップとして、建築分野ではコンペやプレゼン用の「建築模型」として、医療分野ではコンピュータ断層撮影核磁気共鳴画像法などのデータを元にした「術前検討用モデル」として、教育分野では「モノづくり教育のツール」として、航空宇宙分野ではジェットエンジンやロケットエンジンの機能部品の製作に、先端研究分野ではそれぞれの研究用途に合わせた「テストパーツ」「治具」などの作成用途で使用されている[21]。また、10万円以下で購入可能な低価格3Dプリンター市場の隆盛[22]に伴い、ホビー用途やDIYなどの個人用途での使用も増加しつつある。

昨今では、精細度が良いだけでなく、ラバー(ゴム)系の材料が使えたり、複数の物性の異なる材料を混ぜながらの造形やフルカラーでの造形が可能な3Dプリンタも出て来ている為、用途の幅も広がりつつある。

試作[編集]

3Dプリンターの使用用途としては、実際に製品を作る前にそれぞれの部品を3Dプリンターで出力できるサイズに縮小して出力して、デザインの検証・機能検証などの試作に使われることが多い。大手建設会社では建物の模型を3Dプリンターで出力して客に説明する際に使われている。この3Dプリンターを使用するメリットとしては、安いものでは1cm2あたり20円という安価(FDM法)で試作できる、今までパソコンの画面上でしか見ることができなかったものが、実際に手に取ることができるため、完成したときのイメージが非常にしやすくなる、などが挙げられる。完成したときのイメージがしやすいということは、実際に製作している過程でも、完成形のイメージがしやすいため製作者に迷いが生じにくいということを意味し、作業効率の向上にも繋がりうる。

2005年5月19日(日本では7月9日)に劇場公開された映画『スター・ウォーズ エピソード3/シスの復讐』で使用されたダース・ベイダーのマスクの試作品作成に、日本の3Dプロッタ機器製造販売会社ローランド ディー. ジー.の3Dプロッタ「MDX-20」が使用された。

航空・宇宙分野[編集]

2014年9月には、ドラゴン補給船SpaceX-4で、実験用の宇宙用3Dプリンターが国際宇宙ステーションに運ばれて宇宙でも実験が行われることになった。この3DプリンターはMade in Space社が開発したもので、地球から離れた場所で補給がすぐに出来ない時にも簡単な修理部品を作って対応することが出来るようにすることを目指している[23]。 また、CFMインターナショナル社の最新型ターボファンエンジンLEAP-Xの部品製造にも3Dプリンタが使用されている。

医療分野[編集]

3Dプリンタの活用は医療分野でも注目されている[24]

2014年の段階で、補聴器の製造には既に3Dプリンターが広く活用されており、何百万人もがその恩恵を享受している[24]。また外科領域では主にインプラントの分野で活用が進んでいる[24]

2015年1月2日富士フイルム東京大学医学部附属病院は3Dプリンターを使って皮膚・関節の量産をする技術を確立したと発表[25]

その他[編集]

3Dプリンタの作動音からリバースエンジニアリングする手法が開発された。造形物の90%を再現可能とされる[26]

3Dプリンターに関連する事件[編集]

の部品の図面をダウンロードし、3Dプリンターにより部品を作成することで、殺傷能力のある銃が作成されるという懸念がある。米国では非営利団体「ディフェンス・ディストリビューテッド」が2013年に3Dプリンターで作成できる銃の図面を公開している。これは「リベレーター」と名づけられている。日本では2014年5月8日に3Dプリンターで作成した銃を所持していた大学職員の男が銃刀法違反で逮捕された。

また、2014年7月14日には、漫画家のろくでなし子が、自らの女性器の陰部を3Dデーター化し、それを香川県の会社員に配布したとされるわいせつ電磁的記録頒布の容疑で逮捕される事件があった。データーを3Dプリンターにかけると、石膏などで女性器が再現され、これがわいせつ物に相当するものとみなされた[27]

脚注[編集]

  1. ^ MIT、画期的な立体印刷機を構築 〜 10種類の素材を同時使用、製作費も激安[1]
  2. ^ 「2009年にASTMにおいて、F42委員会が設置され、いわゆる除去加工、変形加工に対して、積層を繰り返していく付加加工という意味でアディティブマニュファクチャリング(AM:Additive Manufacturing)と呼ぶことが決定された」 「最近のレーザ積層造形技術の開発動向に追加」 『近畿大学次世代基盤技術研究所報告』 vol.1 (2010) pp.69-76
  3. ^ 酒井仁史 「新たな製造法“アディティブマニュファクチャリング(AM)”その使い所と勘所」 『素形材 2013年2月号』 Vol.54(2013)No.2
  4. ^ CNET Japan 特集 ものづくりを加速させる「3Dプリンタ」 『3Dプリント--現在の動きと今後のトレンドを考える』2014年7月15日
  5. ^ 光造形法の発明
  6. ^ a b 3Dプリンター振興協議会 『3Dプリンターの健全発展に関する声明文』 2014年6月25日
  7. ^ 株式会社 スリーディー・システムズ・ジャパン - 会社案内 2014年6月確認
  8. ^ 30 Years of Innovation | www.3dsystems.com
  9. ^ ハルは2014年欧州特許庁より欧州発明家賞「非ヨーロッパ諸国部門」を受賞した。[2]
  10. ^ 2014年2月の重要特許期限切れで3Dプリンターが爆発的に拡大!
  11. ^ Growth of Personal Printers - TCT - 3D Printing, Additive Manufacturing and Product Development Technology
  12. ^ Personal 3D Printers: Market Forecast and Market Share Analysis: 2013-2022
  13. ^ ウォーラーズ・アソシエイト社 (Wohlers Associates, Inc.) が発行する業界動向と市場占有率などに関する年1回発行のレポート「Wohlers Report(ウォーラーズ レポート)」による
  14. ^ 3D Systems Completes The Acquisition Of Z Corp and Vidar | www.3dsystems.com
  15. ^ レーザー焼結(SLS)の特許切れで低価格3Dプリンターが続々と登場
  16. ^ 2014年2月に特許が切れた3Dプリンターのレーザー焼結法とは?
  17. ^ 特許切れはまやかし、密かに進む3Dプリンターの新たな開発競争
  18. ^ 早野誠治 「-Laser Sintering-
  19. ^ 特許切れ!3Dプリンターは2014年に爆発的に拡大する
  20. ^ 粉末焼結積層造形装置の課題
  21. ^ 京極秀樹 「金属3Dプリンタ先進活用事例」2013年10月28日
  22. ^ 平成25年度 特許出願技術動向調査報告書(概要)
  23. ^ “3-D Printer Could Turn Space Station into 'Machine Shop'”. NASA. (2014年9月2日). http://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/news/3D_in_space/ 2014年9月28日閲覧。 
  24. ^ a b c “3Dプリンターは人命を救う”. 日経デジタルヘルス. (2014年9月26日). http://techon.nikkeibp.co.jp/article/INTERVIEW/20140925/378640/?ST=ndh 2015年1月3日閲覧。 
  25. ^ 産経新聞2015年1月3日朝刊 14版 1面
  26. ^ Acoustic Thievery: Researchers Find a Way to “Hack” 3-D Printers Using Sound
  27. ^ 女性器3Dデータ配布容疑 自称芸術家の女「ろくでなし子」を逮捕(スポーツニッポン2014年7月14日 同15日閲覧)

参考文献[編集]

関連文献[編集]

  • Chris Anderson (2012) "Makers: The New Industrial Revolution(21世紀の産業革命が始まる)" Crown Business(NHK出版)
  • 水野操 (2012) "初心者Makersのための3Dプリンター&周辺ツール活用ガイド" [Kindle版] ASIN: B00AR2UMOK

関連項目[編集]

外部リンク[編集]