3Dプリンターの使用方法

3Dプリンター本体を使用するためには、まずいくつかの工程を踏まなければいけません。上述したように、実際の“モノ”を形成するには設計図を引き、それをデータとして3Dプリンターに送らなければいけません。以下は3Dプリンターで造形物や製品を形成するまでの流れと、それ以降を示したものです。まずは大枠の流れを掴むようにしましょう。

3DCADでデータ(設計図)を作成
STLデータへの出力チェック・データ変換
スライスソフトを用いて造形ツールパスデータへ変換
3Dプリント(造形)
副材の除去
仕上げ
3DCADでデータ(設計図)を作成
上述したように、自身の思い描く造形物を3Dで再現させるには、設計図、すなわち3Dデータが必要になります。3Dデータを作成する方法は「3DCADソフトを利用してモデリング」「2DCADのデータを3Dに変換」「3Dスキャナを用いて現物から3Dデータを抽出」といった3つに分かれており、方法によって特徴や労力の程度は様々です。

3DCADソフトを利用してモデリングする方法では、どんな造形物でも自由に設計できるというメリットがあります。ただ一方で3DCADソフトそのものの操作を覚えなくてはいけないため、最初はなかなか作業が前に進まないかもしれません。ただ慣れてしまえば、自由度が一気に上がるため、時間に余裕がある人は覚えてしまったほうがよいでしょう。

2DCADのデータを3Dに変換する方法は、製造現場でよく用いられる方法です。そのため、3D化させるための元データは、容易に手配できるでしょう。しかし、元データによってはうまく3Dの形状を再現できない場合もあります。元データの入手が簡単な分、ある程度完成してからの修正に時間がかかると考えてよいでしょう。

3Dスキャナを用いて現物から3Dデータを抽出する方法は、世に出ていないものや2Dのデータすら残っていないレアな製品に対して用いられます。もし昔の製品を復元させたい場合は、有効でしょう。

ただスキャンの精度に寄ってしまうことがあり、スキャンする機器によっては正確な寸法まで再現することは難しい場合もあります。またデータ作成中にノイズが混じってしまうことも少なくありません。結果として3Dデータを取り込んだ後に細かい修正が必要となります。

ちなみに3DCADではなく、3DCGソフトでも3Dモデリングは可能です。
ただ3DCGソフトは、基本的にアニメーションの作成、キャラクターの作成が目的のソフトであるため、構造が整合しきれてない3Dモデルが形成されてしまう可能性があります。もし建物や施設といった構造の整合が必須な造形物を手掛ける場合は3DCADを利用しましょう。

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STLデータへの出力・チェック
3Dデータを作成した後に行うのはSTデータへの出力とチェックです。基本的に作成された3Dデータは、それぞれのソフトが採用する形式で保存されます。しかし一般的な3Dプリンターで扱えるようにするためには、『STL形式』と呼ばれる形式に変換する必要があるのです。

そもそもSTL形式のSTLとは「Stereolithography」の略称で、3CADソフト用のファイルフォーマットの1つです。この形式に変換することで、3Dデータとして描いた立体の形状が極々小さな三角形で構成されるようになり、曲面の滑らかさを表現可能となります。

そのため、非常に汎用性の高い形式なのです。変換用のソフトもありますが、今はほとんどの3DCADソフトにSTLデータ出力のサポート機能が搭載されているので、そちらを使用しても問題ないはずです。

ただ一方で、STL形式は整合性のないデータも立体形状に生成してしまうというリスクを抱えています。もし整合性のないデータが存在してしまうと、3Dプリンター本体でいざ造形しようとしても、正しく立体物を造形することができません。

そこで行うのが、出力されたSTLデータの整合性事前チェックです。チェックツールの種類は豊富で、もともとスライスソフト内に組み込まれているものもありますが、もし精度を高めたいのであれば有料のチェックツールを使用した方が良いでしょう。中にはチェックで判明したエラーを自動で補正してくれるものもあるため、良く選んで取り入れてください。

スライスソフトを用いて造形ツールパスデータへ変換

3DデータをSTL形式のデータに変換し、そしてSTLデータの整合性がチェックできた後は、実際に3Dプリンターに出力するためのデータに変換します。ここで3Dプリンター用のデータに変換出来て、初めて正確な造形が可能になるのです。

3Dプリンターにはさまざまな出力方式がありますが、基本的に用いられているのは「スライスソフトを用いて造形ツールパスデータへ変換する」といった方式です。ただ3Dプリンターによって造形ツールパスデータの形式が異なるため、スライスソフトはその3Dプリンターに合ったものでないといけません。

そのため、3Dプリンターを購入するときに専用のスライスソフトも購入するか、専用のスライスソフトがついてくる3Dプリンターを用意するようにしましょう。

3Dプリント(造形)
STLデータを造形ツールパスデータに変換できたら、いよいよ造形の工程に移ります。まずは、造形ツールパスデータを3Dプリンターに読み込ませるのですが、方法は主に2パターンあります。

1つは、3DプリンターとPCを接続し専用のソフトを起動させて行う方法、もう1つは造形ツールパスデータをUSBメモリに保存し、それを3Dプリンターに直接つないで読み込ませて、3Dプリンター本体から造形する方法です。

もし細部にこだわった設定や制御を行いたい場合は、PCと3Dプリンターを直接つないだ方法で行う方が良いでしょう。ただまた3Dプリンターによっては条件に細かな違いがあるため、どちらの方法で造形を行うかは、3Dプリンターを選ぶときまでに決めておくべきです。

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副材の除去
3Dプリンターによって造られた造形物には、ほぼすべてに形状を保持するための副材が付着しているはずです。したがって、造形後はこの副材を除去する作業を行います。

副材の除去方法は主に2つあります。1つ目は、素手もしくは工具を用いて物理的に副材を造形物から剥離する方法です。この方法のメリットは、誰でも可能であることと、特別な知識や設備が必要ないため、安価に行えるという点です。しかし、複雑な造形物になるほど剥離しにくくなり、副材が残ってしまう可能性もあります。最悪の場合、造形物まで破損させてしまうかもしれません。

2つ目は、副材を溶かす専用の液を用いて溶解しつつ剥離する方法です。素手や工具ではなかなか届かない部分に付着した副材も容易に除去できますし、衝撃による造形物破損の心配も必要ありません。

しかし、普段見ない特殊な溶液を使うため、用いる場合は専門的な知識と設備が必要です。どちらの方法を選ぶにしてもメリット・デメリットはつきものなので、造形物の構造や設備環境などを踏まえたうえで除去方法を選びましょう。

仕上げ加工
造形物によって異なりますが、造形物に最終処理として仕上げ加工を施すと、より美しい造形物になる可能性があります。とくに凹凸をはっきり見せたいときや、滑らかな仕上がりにしたい箇所などは研磨を行なった方が完成度の高い造形物になるはずです。

どこまでこだわりを見せるかは人それぞれではありますが、せっかく造ったのですから、とことんこだわり抜いたものにしたほうが達成度は高いでしょう。

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3Dプリンターでの造形に必要なサポート部とは?

先ほどから、何度が登場している「サポート部」ですが、3Dプリンターで造形をするなら、サポート部については必ず理解しておく必要があります。

サポート部とは、簡単に言うと、3Dデータには存在しない、造形物が崩れたり倒れたりしないようにするための仮の支えです。

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アルファベットのYの斜めに迫り出した部分や、HやTの宙に浮いた部分、また、材料の収縮によって変形しやすい部分などをサポート部で支えておくと、その部分の落下や破損、変形などを防ぐことができるのです。

このようにお伝えすると、サポート部はたくさんあった方が良いと考える方もいらっしゃると思いますが、サポート部は必要最低限にしましょう。

サポート部がたくさんあった方が、精度が高まる場合が多いのですが、サポート部は後工程で除去する必要があり、あまりに多すぎると後工程の手間が増えたり、きれいに除去するのが困難になったりするからです。またサポート部が多いと、その分材料費もかさんでしまいます。

先ほど、サポート部は、3Dプリンターの専用ソフトウェア(スライスソフト)で自動的に設定してくれることも多いとお伝えしましたが、3Dプリンターを活用する上では、手動で最適な設定ができるスキルを身につけられるとベストです。

こればっかりは経験が物を言うため、何度も造形を繰り返して、このデザインのパターンはこのくらいのサポート部が必要、この角度ならサポート部は不要、この位置のサポート部は仕上がりに影響するから移動といった判断を徐々にしていけるようになるしかありません。

造形方式によっては、造形物とサポート部を別の材料で造形することが可能です。サポート部専用の材料を使用すれば、洗浄するだけでサポート部をきれいに除去できるなど、後工程が楽になります。

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一方、造形物とサポート部を同じ材料で造形しなければならない造形方式もあります。この場合は、必ず、一つ一つのサポート部を手作業で除去しなければなりません。なるべくサポート部を細くするなどして、後処理がしやすくなる工夫をするのがおすすめです。

このように、サポート部は3Dプリンターで造形する上で、欠かせない存在です。

3Dプリンターを選ぶ際には、各製品のサポート部の造形についてもしっかり確認しておくことをおすすめします。

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3Dプリンター出力ができる生体適合性樹脂の種類

生体適合樹脂とは
生体適合性樹脂は、生体(人体や動物)との適合性を持った樹脂です。主に医療用器具、食品生産ラインで使用する部品やトレーなどに使用されています。直接人体に埋め込まれる器具の素材になっていることもあります。

この記事では3Dプリンター出力対応の生体適合性樹脂を3つ紹介します。いずれもISO10993認証とUSPCLASS VI認証を取得している素材です。

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ISO10993とは
ISO 10993(生体適合性の国際標準規格)は、医療機器に関する毒性・アレルギー反応・刺激性が十分に低いことを検証・評価するための一般的な国際ガイドラインです。

海外輸出を検討される場合は、これら安全性に関するデータを要求されることもあります。

USP CLASS Ⅵとは
USPは米国で製造販売される全ての処方薬、市販薬、栄養補助剤やその他ヘルスケア製品に対して規格を策定しています。

USP CLASS VIの適合性は通常、医療機器メーカーの基本要件であり、USP CLASS Ⅵは最高レベルのカテゴリーに位置付けされています。

ABS-M30i
ABS-M30iは生体適合性のあるABSで、色はアイボリーです。

FDM(熱溶解積層方式)3Dプリンターで造形することができ、ガンマ線滅菌やエチレンオキサイド滅菌(EtO滅菌)に対応しています。ABSがベースの素材であるため、機械的強度に優れています。

PC-ISO
生体適合性のあるポリカーボネートです。色はホワイトとナチュラルの2種類あります。

耐熱温度が120℃以上と耐熱性に優れ、ABS-M30iと同様にガンマ線やエチレンオキシドを使用して滅菌することができます。製薬、医療分野で広く使われている素材です。

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ULTEM1010
NSF51食品接触認定を受けたFDM3Dプリンター用素材です。ISO 10993/USPクラスVI認定も受けた生体適合性を持ち合わせています。色は褐色です。

FDM対応素材の中で耐熱温度200℃以上と最も高い耐熱性があり、耐薬品性と引張強度においても優れています。熱膨張係数が低く、温度による変形に高温の蒸気が当たるような環境下での使用に適しています。

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3Dプリンターの特性

3Dプリンターは立体的なものをデータから作れる画期的な技術ですが、どのような形でも作りあげられるわけではありません。作りたいものをイメージし、3Dプリンターの用途や特性を把握したうえでものづくりを進めましょう。

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3Dプリンターで用いる材料は多種多様
3Dプリンターは当初、ABS樹脂[作成者3]やPLA樹脂が使用されていました。最近では、耐候性・耐熱・耐薬品性に優れた素材や、摩耗性に優れ高温条件下でも機構部品として利用されるエンジニアリングプラスチックも使用できるようになりました。また、3Dプリンターではアクリル樹脂、熱可塑性ポリウレタン、金属なども使えるようになっています。

このように使用できる材料が増えたことから、多くの業種で3Dプリンターが導入されるようになりました。活用している業種は幅広く、製造業をはじめ、医療、建築、教育、自動車、フィギュア製造販売や宇宙・航空機業界にまで使い道が広がっています。

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3Dプリンターの機種によって使用できる素材には限りがある
さまざまな素材を扱えるようにはなったものの、3Dプリンターの機種によっては、素材が1種類しか使えない機種もあります。このようなプリンターは多くの場合、いわゆるローエンド機種に分類されます。

これに対し、いわゆるハイエンド機種では、多種多様な材料を組み合わせて使えるものが少なくありません。幅広い用途での活用を検討する場合も、ハイエンド機種1台でカバーできる範囲は広くなったといえるでしょう。

ものづくりの時短を実現できる
これまでさまざまなものを作りあげる際、専門の業者に試作品を含めた製作の依頼をしていたため、完成までに時間も費用もかかっていました。

3Dプリンターを導入すると試作品を自社内で製作できるため、外注する際の費用や、コミュニケーションに費やす日数、試作品のできあがりを待つ時間を削減でき、ものづくりの時間や費用を圧縮できます。

ただし、3Dプリンターは3Dデータを読み込んでから、造形物が完成するまでに最低数時間、金属などの造形物によっては数十時間程度を要します。試作品の製作は時短が可能ですが、ある程度の数量の同じ形のものを製作すること(いわゆる量産)には向かないことに留意しましょう。

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光造形3Dプリンターのデメリット

光造形3Dプリンターは多くのメリットを有している一方で、いくつかのデメリットもあります。

造形後の処理に手間がかかる
光造形3Dプリンターでできた造形物は、いくつかの後処理が必要となります。

プリントしてすぐの造形物は、余分なレジンが付着しているため、基本的に無水エタノールで洗浄を行わなくてはなりません。洗浄する理由は、硬化していないレジンは素手で触ると、皮膚が荒れてしまったり、かぶれてしまったりと危険を伴うためです。

プリントした造形物が硬化不良の場合は、別途紫外線を照射できる機器を使って、二次硬化する必要もあります。

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また、多くの造形物は、造形が崩れ落ちてしまわないためにも、支えや土台となる「サポート材」を必要とします。サポート材は洗浄などの処理をしたあと、不要となるため除去しなければなりません。造形物が複雑な構造であるほど、サポート材が多く付く傾向にあるので、除去するには時間がかかってしまいます。

光造形3Dプリントした製品は太陽光に弱い
光造形3Dプリントされた製品は、太陽光に弱いため注意が必要です。

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光造形の材料として用いるレジンは、紫外線を照射することで、硬化させています。紫外線を含む太陽光が長時間当たると、変形や破損といったトラブルを招きます。

そのため、光造形3Dプリンターで作った造形物は、屋外で使用するなどの用途では使わないようにしてください。

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ロボット産業の展望と必要な技術革新

ここまで、ロボット市場の現状と、ロボットが求められる背景について見てきました。とりわけ製造現場では、今後もロボットの活躍が大いに期待されることでしょう。

そこで、次に、産業用ロボットが普及することで製造現場が具体的にどのように変化していくのか、その際に製造メーカには何が求められるのかを解説します。

(1)産業用ロボット普及による製造現場への変化
産業用ロボットの普及が進めば、生産活動や搬送作業などの業務はオートメーション化され、人手がかからなくなるでしょう。機械学習のサポートを行いつつ、システム異常などを改善していくことで、自動化の精度も向上します。

5G技術の導入などにより、生産活動の自動化がさらに進めば、自宅やサテライトオフィスなどの遠隔地から、生産の運用管理を行うことも不可能ではありません。また、新しい価値を提供する製品の研究開発に力を入れることもできます。

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(2)製造メーカが今後意識しておくべき技術革新
ロボット産業においてもグローバル競争が激化している状況であり、生産システムの低コスト化は言うまでもなく重要です。ただ、価格競争を前提とした対策では先細りも懸念されるため、技術力でのグローバルトップを走ることを前提に、トータルコストに着目した生産システムの開発と普及が必要となります。

そのためには、具体的に以下のような要素技術の革新に注力しなければなりません。

①機械要素
機械要素においてロボットの駆動に関わるサーボモータは、動力伝達損失や各種部品の摩耗損失などのさまざまな要因によって、エネルギー伝達率が60から70%に止まっています。引き続き個別の機械要素の改善は必要ですが、システム全体のエネルギー効率向上が必要です。

また、駆動部には潤滑オイルが使用されており、クリーンルーム内でのロボット使用普及拡大のためには、オイルレスやシーリング機構の発展なども欠かせません。

②情報・電力伝達要素
ロボットの動力源は電力であり、送電用ケーブルが使用されています。また、電子制御が必要な機器については、信号伝達系のケーブルも同時接続されています。ケーブルを使用するが故に、産業用ロボットの設置に制約が生まれてもいます。

ロボットのケーブル接続技術も各社にとって強みを出せる領域であり、無線での送電や信号送受信が実現できれば、更なる普及が期待できるでしょう。

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③材料要素
機械要素や情報・電力伝達要素の技術革新には、材料面からのアプローチも重要です。各メーカが材料レベルからの研究開発を行うのは困難ですが、材料メーカとの協業によってこれまでの課題をクリアできる可能性もあります。

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業務用3Dプリンターを選ぶ上で重要な5つのポイント

さて、では具体的にどの業務用3Dプリンターを購入すべきなのか。その上で重要なポイントがいくつかある。

①用途

まず何より、どのような用途で3Dプリンターを用いるのかを明確にしておく必要がある。たとえば試作品の出力が目的だとしても、形状確認程度の簡易的な試作品でよいのか、あるいは強度などの機能的な部分の確認も含む本格的な試作品が良いのか、など目的に応じて様々ある。

基本的に3Dプリンターは1台導入するだけでも汎用性は非常に高いのだが、第一義的な用途がぼやけてしまうと、導入する3Dプリンターの費用対効果を計算することも難しい。そのため、まずは用途をはっきりとした上で、それに最適な機種を選ぶ必要がある。

②サイズ、精度、強度、カラー

用途が定まったなら、それに合わせて3Dプリンターに求める造形サイズや造形精度、強度、フルカラーが必要かどうか、などが決まってくる。その際、優先順位を明確にしておくことも肝心だ。もちろん、全てをパーフェクトに備えている機種があればそれに越したことはないが、そうした機種は価格も高くなる傾向にある。まず絶対に欠かせないポイントが何なのかを絞り出しておけば、微妙な選択において混乱を回避することにも繋がるだろう。

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③造形方式

これは②とも重なるが、求める仕様に対して、それにふさわしい造形方式を検討する必要がある。造形方式にはそれぞれ得意分野、不得意分野があるため、何をもっとも重要視するか(精度なのか、速度なのか、強度なのか、など)によって、取るべき選択肢が変わってくる。

ここでは簡単に現在の主な造形方式を紹介する。

VPP(液槽光重合)
一般に光造形方式と呼ばれる方式で、光硬化性樹脂に紫外線レーザー光などを照射することで必要な部分を硬化させ、積層させる。照射位置を特定してUVを当てていくSLA方式や広範囲に一度にUVを照射するDLO方式などがある。特徴は滑らかさと高精度な造形。価格帯としては大型のものでは1000万円を超えるものもあるが小型業務用であれば100万円前後のものもある。

MEX(材料押出方式)
一般に熱溶解積層方式と呼ばれる方式で、糸状にした樹脂(フィラメント)を加熱し溶解した上でノズルから押し出して積層していく。最も一般的な方式とされてきたが、現在は他の方式の機種が増え、また低価格化したことで、様々な選択肢の一つになりつつある。近年では金属と樹脂を混合したフィラメントもあり、造形後に樹脂を除去することで金属のオブジェを造形することができる機種などもある。

BJT(バインダージェット方式)
これは粉末状の材料に対してバインダー(結合材)を噴射して固化させる造形方式。樹脂、金属、砂、石膏などの様々な材料を用いることができる。また、材料が樹脂や石膏の場合、バインダーを着色することでフルカラー造形も可能。

DED(指向性エネルギー堆積)
この方式はレーザーデポジションとも呼ばれ、粉末、あるいはフィラメント状の金属をレーザーや電子ビームなどで溶融することで積層していく方式。主に金属の造形に用いられる。価格は小型で低価格なものでも3000万円ほど。一般には1億円を超えるものが多い。

PBF(粉末床融結合法)
この方式は敷き詰められた粉末材料の指示した部分をレーザーやビーームによって焼結して造形する方式。金属や樹脂、セラミックなどの材料を使うことができ、価格帯は数千万円から1億円越えまで。樹脂のみに対応した機種であれば500万円程度のものも。

MJT(材料噴射方式)
この方式はノズルからモデル材、サポート材を噴射し、紫外線の照射や加熱、冷却によって硬化する方式。構造が複雑な造形物を高い精度で出力することができ、またフルカラーにも対応している。価格帯は幅広く、サイズの小さいものであれば200万円程度。ただ大きなサイズになると1億円を超えるものもある。

SHL(シート積層方式)
この方式は、薄いシート状の材料を一層ずつ断面形状に合わせた輪郭線で切断し、接合と積層を繰り返していくことで造形していく。樹脂や紙、金属などの材料を用いることができる。硬化に熱や紫外線を用いないことが特徴。

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④材料

上の方式と同様に用途や仕様に沿った材料を考える必要がある。つまり、③と④は同時に検討する必要があるのだが、材料に関しては、廃棄などに特別な手続きが必要な材料、あるいは特別な環境整備が必要なものもあるため、そうした点も加味して考慮したほうがいい。

大まかな材料のバリエーションとしては樹脂、金属、砂、石膏がある。

一般的に言われる特徴として樹脂のみに対応した3Dプリンターは安価である傾向があるが、一方で樹脂は強度や耐久性が低いという問題がある。金属は対応している3Dプリンターが数千万円から1億円以上と非常に高価で、付帯設備も必要になる場合が多いが、強度や耐久性は高く、製造業においては汎用性が非常に高い。石膏はフルカラー対応するかによって値段が大幅に変わる。砂は一般に鋳造用の金型の出力に用いられる。

⑤予算に合わせて機種を絞り込む

用途を定め、それに見合った性能、出力方式、材料が分かったら、その条件に見合った機種を選定することにになる。もちろん予算も重要なポイントだ。必ずしも予算いっぱいに高額な機種を購入する必要もない。あるいは求める条件だとどの機種も予算オーバーになってしまうという場合、少し遡って代替案を探ったり、先述したものづくり補助金などの利用を検討してみるのが良いだろう。

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