3Dプリンターとは？仕組みが異なる造形方式6種についてやさしく解説！

3Dプリンターはアイデアを形にする装置として、多くの方に注目されています。専門知識がなくても扱える3Dプリンターは増えてきたものの、初心者にとって選択肢が多く、迷いやすい傾向があります。この記事では3Dプリンターの仕組みや各種造形方式の特徴、目的に合った機種の選び方をまとめました。

記事を読めば、個人のものづくりはもちろん、教育や設計・試作の現場でも3Dプリンターを効果的に活用できるようになります。あなたの目的にぴったりの1台を見つけるための参考にしてください。

3Dプリンターとは3次元データをもとに立体造形物を製作する装置

3Dプリンターの基本的な動作原理と一般的な用途を解説します。

3Dプリンターの基本的な動作原理

3Dプリンターはプラモデルのパーツのような単純な形状から複雑な構造まで、設計図があれば比較的容易に製作できる装置です。3Dプリンターの基本的な動作プロセスは以下のとおりです。

1. 3D設計データを読み込む
2. 3Dデータを層状に分割する（スライス処理）
3. 層ごとの造形指示に従って材料を順に加工・成形する

3Dプリンターでは3Dデータをもとに、立体物を造形できます。従来の製造方法では困難だった複雑な内部構造も、3Dプリンターであれば無理なく造形できます。

3Dプリンターの一般的な用途

3Dプリンターは製品開発の初期段階で活用されており、試作から設計の改良、量産までの工程を効率化できます。3Dプリンターを活用すれば以下のものが製作可能です。

• 教材・研究に使われる部品や試作品
• ホビー用品
• 建築模型
• アート作品
• 宝飾デザイン

個人の創作活動においても、3Dプリンターはアイデアを形にする手軽な手段として普及しています。
» 国土交通省「建設用3Dプリンターに関する報告書」(外部リンク)

3Dプリンターの仕組み

3Dプリンターの仕組みについて以下の3つを解説します。

• 積層製造技術の基本原理
• 3Dプリンターで使用される主要な素材
• 3Dプリンターの基本構造と主要部品

積層製造技術の基本原理

積層製造技術とは材料を薄い層にして一層ずつ積み重ね、立体の形を作る方法です。具体的な積層製造技術の工程は以下のとおりです。

1. 3Dデータを多数の薄い輪切りデータ(スライスデータ)に分割する
2. スライスデータに沿って材料を土台の上に正確に積層する
3. 一層ごとに熱や光を使って層を固める
4. 設計図の高さになるまで2〜3の作業を繰り返す

積層製造技術の特徴は、大きな塊から不要な部分を削り出す従来の製造方法とは異なり、ゼロから材料を少しずつ足す点です。3Dプリンターがあれば複雑な内部構造や中空構造でも、積層製造技術を活用し簡単に造形できます。

3Dプリンターで使用される主要な素材

3Dプリンターで使用される主要素材は以下のとおりです。

素材カテゴリー	代表的な素材	特徴	主な用途
プラスチック系フィラメント	PLA、ABS、PETG、TPU、ナイロン	扱いやすい素材が豊富である	試作、趣味用造形物
光硬化性樹脂	スタンダードレジン、タフレジン、クリアレジン	細部表現に優れた表面が滑らか	精密模型、ジュエリー原型
金属粉末	チタン合金、ステンレス鋼、アルミニウム	強度と耐久性に優れる	機能部品、金属製品
セラミック粉末	アルミナ、ジルコニア	耐熱性と耐摩耗性が高い	特殊部品、産業用部品

家庭用の3Dプリンターではプラスチック系フィラメントが主に使われています。特に、扱いやすく安全性も高いPLAは初心者におすすめの素材です。精密な造形が求められる場合には、光造形方式のプリンターで使用される光硬化性樹脂が適しています。

強度が必要な用途には金属粉末の素材が適しています。素材選択は3Dプリンターの造形方式に強く依存するため、使用する機種の対応材料を確認することが重要です。
» 経済産業省「金属積層造形技術動向調査(2021）」

3Dプリンターの基本構造と主要部品

3Dプリンターは多くの部品が連携して動き、3Dデータを忠実に再現した立体物を作り出します。3Dプリンターの主な構成部品は以下のとおりです。

• フレーム
• 造形プラットフォーム(ベッド)
• プリントヘッド(エクストルーダー)
• 材料供給機構
• 駆動機構
• 制御基板(マザーボード)
• 電源ユニット
• ユーザーインターフェース

3Dプリンターのフレームは、全体の骨組みとして各部品を支えます。造形プラットフォームは、立体物を造形するための土台です。プリントヘッドは材料を加熱し、ノズルの先端から溶かした材料を押し出します。各部品の性能や精度は、最終的な造形品質に大きく影響します。

3Dプリンターの6種の造形方式と仕組み

3Dプリンターの主な造形方式は以下の6種類です。

• 熱溶解積層方式(FDM/FFF)
• 光造形方式(SLA/DLP)
• 粉末焼結方式(SLS)
• 材料噴射方式
• バインダージェット方式
• 指向性エネルギー堆積法

3Dプリンターで高品質な製品を作成するには、作成したい形状や使用する材料に適した造形方式を選ぶことが重要です。
» 特許庁「3Dプリンタ技術動向調査(2019)」(外部リンク)

熱溶解積層方式(FDM/FFF方式)

熱溶解積層方式は糸状の材料を熱で溶かし、一層ずつ積み重ねて立体を造形する方式です。FDM方式やFFF方式とも呼ばれ、試作品や小物づくり、教育用途など幅広く普及しています。熱溶解積層方式はプリンター本体や材料の価格が比較的安く、操作も容易です。

熱溶解積層方式ではプラスチックのフィラメントをノズルで加熱し、溶かした材料を押し出しながら積層します。熱溶解積層方式の3DプリンターはPLAやABS、PETG、TPUなど使用できる素材が豊富です。

ただし熱溶解積層方式には、積層の模様が目立ちやすく表面がやや粗くなるデメリットがあります。

光造形方式(SLA方式/DLP方式)

光造形方式は液体状の特殊な樹脂に紫外線を当てて一層ずつ固める技術を利用しています。SLA方式はレーザー光で点ごとに、DLP方式はプロジェクターで面全体に光を当てます。光造形方式は細かな造形が可能で表面が滑らかに仕上がるため、精密さが求められるジュエリーや精密部品の試作に適しています。

光造形方式は3Dプリンター本体や材料のコストがFDM/FFF方式と比較し同程度か少し高く、造形後には洗浄や二次硬化などの後処理装置の別途購入が必要です。

粉末焼結方式(SLS方式)

粉末焼結方式(SLS方式)は粉末状の材料にレーザーを当てて焼き固め、一層ずつ積み重ねる方式です。粉末焼結方式には以下の特徴があります。

• 周囲の未焼結粉末が造形物を支える
• 複雑な形状でもサポート材を必要としない
• 高強度な機能部品を製作できる
• ナイロンなどのポリマー粉末を使用する
• 実際の使用に耐える部品を製造できる

粉末焼結方式は強度や耐熱性に優れた造形物を作れるため、実用部品の製造にも使われます。ただし3Dプリンター本体は高価（300万円～）で、粉末焼結方式は専用の設置環境が必要です。

材料噴射方式(Material Jetting)

材料噴射方式はインクジェットプリンターのように液体材料を微小な粒子で吹き付け、紫外線で即座に硬化させる方式です。材料噴射方式では細かいデザインを高精度に再現でき、複数の材料や色を同時に使用できる3Dプリンターもあります。材料噴射方式で使われるサポート材は水溶性と紹介されることが多いものの、実際にはアルカリ性溶液（苛性ソーダ水溶液など）で溶解除去するタイプが主流であり、取り扱いには注意が必要です。

材料噴射方式はデザイン性重視の試作品や模型製作に適していますが、3Dプリンター本体と材料のコストは上がります。コストは高価で個人での導入は難しいです。

バインダージェット方式

バインダージェット方式は粉末材料に接着剤(バインダー)を吹き付けて固める方法です。バインダージェット方式は、粉末の層に必要な部分だけバインダーを噴射しながら積層します。周囲の粉末が支えとなるため複雑な形状でもサポート材が不要で、金属や砂、石膏などに対応しています。以前は石膏に使用できる廉価なプリンターがありましたが、現在は樹脂や金属用途の高価なプリンターばかりのラインナップとなっています。

3Dプリンター本体や専用材料のコストは高価で個人での導入は難しいです。

指向性エネルギー堆積法

指向性エネルギー堆積法は、レーザーや電子ビームなどの指向性エネルギー源を用いる積層造形技術です。ノズルから金属粉末やワイヤーを供給し、エネルギー源で溶融・凝固させながら造形します。指向性エネルギー堆積法は、大型金属部品の製作や補修・改良に適した方法です。

3Dプリンターで立体物を作成する手順

3Dプリンターで立体物を作成する手順は以下のとおりです。

1. 3Dデータの作成
2. スライサーソフトでの設定
3. 3Dプリンターへのデータ送信
4. 造形プロセスと監視
5. 後処理と仕上げ作業

1.3Dデータの作成

3Dプリンターで立体物を作成するには3Dデータの作成から始めます。3Dデータの作成はパソコンで、3DCADソフトウェアや3Dモデリングソフトウェアを使うことが一般的です。3Dスキャナーで読み取る方法では現物を3Dスキャナーでスキャンし、形状データをパソコンに取り込みます。

無料の3Dデータ配布サイトも複数あり、データをダウンロードして3Dプリンターに読み込ませることも可能です。

2.スライサーソフトでの設定

スライサーソフトは、3Dプリンターが立体物を造形できるように、印刷データを処理・設定するためのソフトウェアです。スライサーソフトの設定内容によって、完成品の見た目や丈夫さ、完成までにかかる時間が大きく変わります。スライサーソフトで設定する項目は以下のとおりです。

• 積層ピッチ(層の厚さを決める)
• 壁の厚さ(外側の硬さを調整する)
• 充填率(内部の密度を設定する)
• プリント速度(造形時間と精度を調整する)
• サポート材(複雑な形状を支える)

スライサーソフトの設定を正しく行えば造形が失敗しにくくなり、仕上がりもきれいになります。スライサーソフトは、プリンターメーカーが提供するものや、「Cura」などのフリーソフトも人気です。目的や使用機種に合わせてスライサーソフトを選びましょう。

3.3Dプリンターへのデータ送信

スライサーソフトで作成した造形用のデータは、以下3つの方法で送信できます。

• USBケーブル接続
• Wi-Fiなどネットワーク接続
• クラウドサービス経由

パソコンと3Dプリンターを接続すると、造形の進行状況やプリンターの状態をパソコンで確認できます。カメラ機能が搭載された機種や外付けカメラ対応の3Dプリンターを使えば、プリントの進行状況をリアルタイムで監視できます。

4.造形プロセスと監視

3Dプリンターでの造形は、スタートボタンを押すと基本的に自動で進みます。造形のスタートは3Dプリンター本体の画面やパソコンから行います。造形された最初の層が、造形プラットフォーム(ベッド)に正しく取り付けられているかチェックしましょう。

5.後処理と仕上げ作業

3Dプリンターから取り出した直後は表面がざらついていたり、形状を支えるためのサポート材が残っていたりすることがあります。造形物の仕上げ作業の手順は以下のとおりです。

1. 造形物をプラットフォームから慎重に取り込む
2. サポート材を除去する
3. 必要に応じて洗浄や二次硬化を行う
4. 表面をヤスリがけや溶媒処理で滑らかにする
5. 複数パーツを組み立て、塗装で仕上げる

後処理と仕上げ作業を正しく行うと、3Dプリンターで作成した造形の品質と見た目が大きく向上します。

3Dプリンターの選び方

3Dプリンターを選ぶ際は、目的に合った性能と長期運用できる予算バランスを検討することがポイントです。3Dプリンターの選び方を解説します。

造形物に合わせて選ぶ

3Dプリンターにはさまざまな種類があり、得意な機能や使える素材が異なります。目的に合わせた3Dプリンターの選び方は以下のとおりです。

• 精密なフィギュア：光造形方式(SLA/DLP)
• 趣味の小物：熱溶解積層方式(FDM)
• 丈夫な実用品：熱溶解積層方式(FDM)
• 大型の造形物：大型FDM方式
• 高精細な多色試作モデル・デザイン試作： 材料噴射方式
• 大型・フルカラーの建築模型やモックアップ： バインダージェット方式

強度が必要な部品には、材料選択が豊富なFDMの高性能機種や光造形を選びましょう。造形のサイズや仕上がりの質感、必要な強度などを考慮して最適な3Dプリンタを選んでください。

価格で選ぶ

3Dプリンターの価格帯別の特徴と適した用途は以下のとおりです。

• 低価格帯(3〜10万円)： 趣味・教育用途に適したFDM方式/光造形方式のエントリーモデルが中心
• 中価格帯(20万円以上)： 業務用の高精度FDM機や光造形方式、
• 高価格帯（100万円以上）SLS方式や材料噴射方式などの特殊造形機が対象

3Dプリンターの入門用としてはFDM方式や光造形方式が最も手頃で、趣味や学習に適しています。本格的な用途には精度や機能に優れた中〜高価格帯を検討することがおすすめです。初期費用だけでなく、3Dプリンターのランニングコストや保守サポートも長期運用の重要な判断材料になります。

まとめ

3Dプリンターはパソコン上の3次元データをもとに、実物の立体物を造形できる装置です。3Dデータの作成からスライス設定、造形、後処理までの工程を理解することで、誰でも活用の幅を広げられます。

初心者でも目的に合った機種と3Dプリンターの基本知識があれば、ものづくりや製品開発、教育現場などで効果的に利用できます。用途や目的に合わせて最適な3Dプリンターを選択しましょう。

 

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本コラムは外部執筆者が執筆した記事をサンステラで確認し掲載したものです。

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