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3Dプリンタの豆知識!粉末造形ってどんなもの?



3Dプリンタとは



3Dプリンタをご存じでしょうか。通常のプリンタと言えば、紙に印刷するものですが、データを元に立体を造形できるのが3Dプリンタです。3Dプリンタ自体は、1980年代から開発され実用化が進みましたが、機械が高価であり、制御も難しいことから普及は進みませんでした。この状況は、2000年代半ばまで続きます。

しかし、2009年に熱溶融方式の基本特許の保護期間が終了したことや、RepRapなどのオープンソースの開発が進んだことにより、安価なものが発売され始め、個人にも普及が進みました。低価格の個人用3Dプリンタは、爆発的な成長を見せており、2008年から2011年の間では毎年平均346%の成長を遂げました。2014年にはレーザー焼結法と呼ばれる、緻密な造形に適した方法の特許保護期間が終了したことにより、複数の企業が参入し、開発が進んでいます。

最近では、光造形法などのより精密な造形が可能な機種や3Dスキャナを搭載した機種の低価格化が進み、さらに普及が進んでいます。新規参入する企業も多く、これからも開発競争が繰り広げられる分野といえるでしょう。3Dプリンタを企業が導入している要因として、ラピッドプロトタイピングが可能なことがあります。ラピッドプロトタイピングとは、高速に試作することを目的とした手法です。製品設計では、初期設計やデザインがある程度進むと、実際の性能などを測定するために試作品を作成することが一般的です。試作品の製作には時間がかかり、コストもかかりますが、実際の質感や触った時の感覚など定量化か困難な項目の評価などがあることから必要とされています。3Dプリンタであれば、自由な形状を造形でき、時間も短縮できることから試作の段階で重宝されており、導入が進んでいます。



製造方式



3Dプリンタの基本的な方式としては、データを基にコンピュータ上で3Dデータを作成し、その断面形状を積層することで立体物を作成するというのが基本です。ここでは、その方式について紹介します。

1つ目が光学造形方式です。最も古くからある手法であり、実績も高く信頼性も高いといえるものです。紫外線を照射することで、硬化する光硬化性樹脂を使った方式であり、表面が滑らかな造形や高精細な造形ができることが特徴です。

2つ目が熱溶解積層法です。熱で溶かした樹脂を押し出しながら積層する方式で、熱可塑性樹脂が使用できることが特徴です。イニシャルコストが比較的安価で、X-Y方向の耐久性や耐熱性もあるので試作品の作成に適しています。素材を溶かして、積層するので断面が目立ちやすいというデメリットもあるため、表面が滑らかな積層が必要な場合は向いていないといえます。

3つ目が粉末造形法です。粉末状の樹脂や金属にレーザーを照射し焼結させる方法であり、高精度で高耐久の作成を実現しています。素材の選択の幅も広く、金属製の素材も使用可能なことから試作品の作成だけでなく最終製品や鋳型の製造も可能です。他にもインクジェット方式やシート積層法などがありますが、全体に共通していることとして、積層して作成することにより鋳型の製造や冶具の作成が不要なこと、試作していくなかで形状が変化しても対応が可能なことがあります。現状では、試作などで3Dプリンタが利用されることが多いですが、低コストで作成可能なことや、複雑な形状でも短時間で製作できることから、今後も研究開発が進んでいくでしょう。



粉末造形とは



3Dプリンタの主要な製造方法のなかに粉末造形という方法があります。ここでは、粉末造形について説明していきます。粉末造形とは、粉末状の樹脂や金属材料にレーザーを照射することにより焼結させ、一層ずつ積層していく方法です。他の方法と比べて、素材選択の自由度が高く、耐久性のある造形物を作成できるので最終製品としての実用がもっとも進んでいる造形方式です。

3Dプリンタでは、製品の作成に積層方式が使われることが多いですが、積層方式は積層方向に対しての強度面が脆いことが弱点とされています。しかし、粉末造形は数ある方式のなかでも強度が高く、ツメ形状やヒンジ形状を作成してもある程度機能することが特長です。

その他にも、型を使わないため短時間、ローコストで作成することができ、サポート材と呼ばれる造形上必要な材料であっても、造形完了後は不要となるものも出ず、複雑な形状の物体を作成可能であることも粉末造形のメリットです。一方で注意点もあり、粉末状の素材をレーザーで焼結していくため、表面がザラザラした感触になること、積層目が残ることがデメリットといえます。試作品の作成では、強度や性能を評価する目的で表面の感触などは評価しない場合には、素地のまま使用し、風流れなどで表面抵抗の重要な試験には、表面処理で面粗さを細かくすることもできるので、粉末造形はテストパーツやプロトタイプの作成に適した造形方法といえるでしょう。実際に使用されているものとしては、エンジンなどの発熱体周辺部品のプロトタイプや外装部品のプロトタイプなどで使用されています。近年では、航空機、ロケット、医療、産業機器の分野では量産部品として採用されており、用途の幅も広いことから、今後も発展していく分野となるでしょう。


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