第四次産業革命を牽引するテクノロジー

産業革命という言葉がある。みなさんも一度は聞いたことがあるのではないだろうか。産業革命とは18世紀半ばから19世紀にイギリスでおきた社会構造の変化のことだ。そして現代では新たな技術革新により、第四次産業革命が起きていると言われている。そのテクノロジーのひとつに数えられているのが、「3Dプリンター」だ。

すでに3Dプリンターについては、ほとんどの人がその存在についてくらいは知っているだろう。「ああ、立体物をプリントできる機械だよね」と。しかし、以下のような声も未だに聞こえてくる。

「もちろん3Dプリンターは知っているけど、どんな仕組みか知らないな・・・」

「3Dプリンターを買ってみる前に、どんな仕組みになっているか知りたい」

そこで今回はあらためて3Dプリンターの仕組みについて紹介してみようと思う。具体的には以下の3点を解説する。

・3Dプリンターとは何か？

・3Dプリンターの仕組み

・3Dプリンターを使うメリット

今回の記事をご一読いただければ、3Dプリンターに対する基本的な知識が手に入るようになっている。

時代の先端技術を知りたい方や3Dプリンターの購入を検討されている方は、ぜひ参考にしていただきたい。

3Dプリンターとは何か？

まずここでは3Dプリンターとは、どんな技術なのかを紹介したい。

3Dプリンターとは文字どおり、立体物(3D)を出力する機材のことだ。

私たちがよく知るプリンターは送信されたデータを基に、用紙(2D)にインクを吹き付けることでデータを印刷している。送信されるデータは当然、縦と横しか持たない平面のデータなので、平面のデータができあがる。それに対し3Dプリンターは送信されたデータを基に樹脂を積層しながら、立体物を出力していく。送信されるデータには縦と横の他に、高さが含まれるため立体物の出力が可能となるのだ。

また2Dプリンターは平面上しかデータを再現できないため、その表現には限界がある。それに対して3Dプリンターは立体的であるために様々なデータが再現可能となっている。例えば商品や金型の試作品、医療品のモデル、はては家財道具までも出力可能だ。

後ほど詳述するが、3Dプリンターを用いることのメリットとしては、例えば商品会議などにおいて実際のプロダクトの形状を物質的に確認しながら、議論を進めることができる。すでに3Dプリンターで作る試作品は、様々な仕事の現場で貴重な役割を果たしている。これは2Dプリンターではできなかったことだ。下の図は2Dプリンターと3Dプリンターの分かりやすい比較図なので、参考にしてほしい。

3Dプリンターで造形品を出力する仕組み

ここでは3Dプリンターが造形品を出力する上でのプロセスと造形方式について紹介したい。3Dプリンターはいかにして立体的な造形品を出力しているのだろうか。
 

3Dデータを作成する

最初に行うのが3Dデータの作成だ。こちらは出力物の設計書にあたるデータになり、このデータがなければ3Dプリンターは何も出力することができない。この3Dデータは一般的に3DCADソフトや3DCGソフトを使って作成され、その作成は「モデリング」と呼ばれている。あるいは現在であれば無料データサイトも多数あるため、そうしたサイトから3Dデータをダウンロードすることもできる。

【2020年度版】 おすすめの3Dプリンター用無料データ掲載サイト

3Dモデリングの基礎知識と初心者がつまずきやすいポイント・前編

【2020年度版】3dプリンターのデータ作成方法とオススメ作成ソフト4選

3Dプリンターで印刷

次に①で作ったデータを基に、造形品の出力を行う。消しゴムサイズの小さい物であれば、平均的に1.5時間程度で出力することができる。大きいものは出力に丸一日を要する場合もある。ただし、この必要時間は3Dプリンター機材によっても変わるため、あくまでも目安としての時間だ。また、素材によっては製造後に冷却作業や洗浄、やすりがけなどが必要になる場合もある。造形方法は複数あり、以下のとおりだ。

 
造形方式①：熱溶解積層方式

この方式では文字どおり、溶けた樹脂をノズルから押し出し一層一層を積み重ねていく。その積み重ねによって、対象のデータを製造します。カラーバリエーションが豊富でカラフルな造形に向いている。

 
造形方式②：光造形方式

この方式も文字どおり、光を使って造形していく。光（UV）で固まる樹脂を利用して、一層一層を積み重ねていく方式だ。最も古い造形方式であり、高精細な造形品の製造に向いている。かつては光造形の3Dプリンターは高価なものが多く、一般ユーザーには手が出し難い印象があったが、近年では安価で高性能な光造形3Dプリンターが増えており、主流となりつつある。

 
造形方式③：粉末焼結方式

この方式では粉末状の材料にレーザー光線あてて、各層を積層していく。大型サイズの造形に適している方式とされている。

 
造形方式④：インクジェット方式(材料噴射方式)

この方式ではまず樹脂を液状化させ、その上でインクジェットのように吹き付け積層していく。その後、紫外線を当てつつローラーで形を整えていく。

 
造形方式⑤：マテリアルジェッティング

こちらの方式は方式④と同様に液状化した樹脂を噴射して積層する。紫外線で固める方式のため、より高精細な造形品の製造に向いている。

 
造形方式⑥：バインダージェッティング(結合材噴射方式)

こちらの方式も噴射する造形方式だが、吹き付ける対象が材料の粉末になっている。より細かく説明すると、粉末状の材料に対して接着剤を噴射していく形だ。造形速度に優れている反面、材料メインが粉であるため、ザラついた仕上がりとなる。

3Dプリンターで何ができる？最低限知りたい基礎知識と造形方法・活用法！

3Dプリンター第三の方式「粉末造形方式」とは何か？ その5つの分類と特徴について
 

3Dプリンターを利用するメリット

最後に3Dプリンターを利用するメリットについてご紹介しよう。具体的なメリットは以下の2つとなる。ここでは工場で使用する歯車を例に挙げて、説明してみたいと思う。

 
開発期間の短縮

3Dプリンターを利用することで、開発期間の短縮をすることができる。なぜなら、3Dプリンターは材料と図面さえあれば、すぐにでも出力が行えるからだ。例えば顧客である工場に歯車を販売したい場合、当然先方はモデル品を要求してくる。ここで歯車の製造先へモデル品の発注をかけていたのでは、契約にこぎ着けるまでそのぶんの時間を要することになる。その結果、販売チャンスを失ったり、その期間に得られたであろう利益を得られないなど機会損失のリスクが発生する。しかし、3Dプリンターを利用した場合はどうだろうか。その場で試作品が出力できるため、実際のモデルを見ながら顧客と議論を行うことができる。モデルを決定後、すぐに契約ができるため開発期間の短縮につながる。

 
コストの削減

3Dプリンターを利用することはコストの削減にもつながる。なぜなら、立体品を製造することで、設計図面やデータ上では分からなかった不具合や問題点に早くに気づけるからだ。その結果、図面の修正という最低限の手直しで済む。やはり百聞は一見に如かず。図面上で完璧な設計となっていても、実際に触ってみたら使いづらいなどの問題点に気づくということは往々にして起こる。実際に製造してから問題点に気づいたのでは、後の祭りだ。モデル品を手早く製造できるため、いち早く問題点に気づけるのが3Dプリンターを活用することのメリットの一つだ。またすぐにほしいだけの数を出力することができるため、オンデマンド製造に対応しやすいというのもポイントだ。無駄な在庫を抱えなくて済めば、そのぶん、無駄なコストは掛けずに済む。売れ残り以上の無駄はない。

まとめ

いかがだっただろうか？

今回は3Dプリンターの仕組みについてあらためて紹介してみたが、最後にもう一度、振り返ってみよう。

まずは3Dプリンターとはどのような技術かを紹介した。3Dプリンターとは文字どおり、立体物(3D)を印刷する機材のことだ。立体物を自由に出力できることにより、試作品や金型の代用品・医療品のモデルなどが安価に素早く製造できるようになった。

次に3Dプリンターがどのような仕組みで、造形品を出力しているかを紹介した。製造の順序はいたって平凡だが、造形方式は数多くあり、それぞれにメリットや特徴が存在している。

最後に3Dプリンターを利用するメリットを紹介した。3Dプリンターを利用することで、開発期間の短縮やコストの削減といったメリットを得ることができる。

もちろん、ここで紹介したのは3Dプリンターについてのほんの部分的で初歩的な知識だ。弊社サイトには3Dプリンターについての様々な記事が掲載されているため、もしこの記事をきっかけに3Dプリンターに興味が湧いたという方は、是非とも様々な記事を読んで深掘りしてみてほしい。

そして、何より、3Dプリンターは今後の「ものつくり」を支えていく貴重な存在になっていくことが間違いない技術だ。知識を得た際には是非とも実際に3Dプリンターを手にして、この新しい「ものつくり」の世界に参加してみていただきたい。