3Dプリントについてゼロから学ぶ

伝説によると、女媧は自らをモデルにして黄色い土から人間を創った。彼女はまず、人間を一匹ずつつまんでみましたが、長い時間をかけて、人間を世界中に急速に広めることは難しいことに気づきました。考えてみれば、簡単な計算問題をやってみましょう。1人作るのに5分かかったとしても、今日の世界の70億人を作るには、6,600年以上かかります。中国文化には5,000年の歴史があり、つまり女媧は今も人々を作り続けているということです。そこで女媧は賢くロープ（籐だという人もいます）を取り、それに黄色い泥をつけて投げました。すごい！突然、大量の人間が誕生した。

私たちのほとんどは、実は「3Dプリント」されているのです。もちろんこれは単なる神話に過ぎませんが、人類は手工芸を手に入れたその日から、ただ振るだけで形を変えることができるロープを切望してきました。もちろん、何万年もの間、人類は科学が生まれ、機械が製造され、電気が生まれ、そしてついに今日 3D プリントが誕生するまで、それについて考えることしかできませんでした。
3D プリンティングの前身はラピッドプロトタイピングであり、1980 年代に工業デザインと製造プロセスに適用されました。現在一般的に使用されている 3D プリント技術はすべて、基本的にその時代に開発されました。それどころか、3D プリンティングという名前は遅れて登場しました。1995 年に、MIT 卒業生のジム・ブレッドとティム・アンダーソンの 2 人が初めて「3D プリンティング」の概念を提案しました。

この技術を「3Dプリンティング」と名付けた理由は、印刷ファイルのような製品を製造するというプロトタイプのコンセプトに加えて、この技術が最終的にはプリンターのように何千もの家庭に普及することを期待しているからです。

原理と分類
3D プリント技術にはさまざまな種類がありますが、考え方は同じです。専門用語では「分散材料製造」と呼ばれます。誰もが簡単に理解できる例を挙げてみましょう。1 人の作業員がキャビネット 1 台を作るのには長い時間がかかります。スピードを上げたい場合、人員を増やす必要があります。しかし、人数が固定されている場合、製造プロセスをスピードアップする他の方法はあるでしょうか。それは、積み木を山積みにして、それを特定の形に積み上げて接着してくれる人を探すことです。前提条件は、その人たちが説明書を理解できることです。

分散材料製造とは、生産する製品を小さな部品に分割し、個別に製造してから積み重ねるプロセスです。ただ、これらの分割された部品は非常に小さく、技術の進歩により製造精度が向上し続け、分割された部品はますます小さくなります。 3D プリンターは、指示に厳密に従う組み立て作業員と考えることができます。そして、それらの小さな部品は、3D プリントの「インク」です。

3Dプリントは木を積み重ねるようなもので、すべての道はローマに通じます。原理は同じですが、実現方法はさまざまです。簡単に言えば、選択的レーザー焼結法、熱溶解積層法、ステレオリソグラフィー、積層固体製造法に分けられます。

選択的レーザー焼結法とは、大量の金属粉末を置き、レーザーを使って少しずつ溶かして焼結し、形を作る方法です。この方法は信頼性が高く、金属部品の製造に使用できますが、設備が高価で高度な技術が必要です。現在は、少数のメーカーが同じコンセプトで家庭用モデルを開発している以外は、基本的には航空宇宙産業や自動車製造業など高精度かつ最先端の産業分野で使用されています。

熱溶解積層法は比較的理解しやすい方法で、原材料を溶かして半流動体にし、ノズルからフィラメント状に引き出して積み重ねて形を作るもので、つまようじ細工の製作に少し似ています。フィラメントの直径がこの3Dプリンターの精度です。これは現在、主流の 3D プリンターで使用されている最も一般的な方法です。

主流の 3D プリンターの原理は実際には同じです。光硬化と積層固体製造のプロセスは似ています。どちらも、3 次元のオブジェクトを 2 次元のオブジェクトに変換し、それを層ごとに積み重ねます。ステレオリソグラフィーは減算プロセスであるのに対し、層状の物理的製造は加算プロセスであるというだけです。現在、光硬化成形法は、高精度と強力な制御性の利点があり、精巧なチェスの駒などの細かい工芸品の製造に適していますが、設備が高価で大きな面積を占めます。家庭用のモデルもありますが、まだあまり普及していません。積層物理製法は主に手工芸品を作るために使われており、コストが安く材料の幅が広いのが利点だが、家庭用に普及させる考えは基本的にない。

3Dモデリングと3Dプリントのプロセス

ハードウェアの話が終わったら、ソフトウェアの話に移りましょう。3Dプリントをするには、機材だけでは不十分です。3Dプリンターには組み立てマニュアルが必要で、このマニュアルが3Dモデリングになります。

AutoCAD、Solidworksなどの古いCADソフトや、3DMAX、MayaなどのCGソフトをはじめ、市販されているほぼすべての3Dモデリングソフトは、3Dプリンターで使用できる3Dモデルを作成できます。ファイル形式に互換性があるかどうか、解釈や変更が容易かどうかなど、いくつかの小さな問題があります。

しかし、専門家以外の人にとっては、これらのソフトウェアは高価すぎて不便です。現在、OpenSCAD、Tinkercad、Meshmixer など、いくつかの無料のオープンソースソフトウェアが 3D プリントのモデリングによく使用されています。ここで特に言及すべきは OpenSCAD です。これはプログラムコードをコンパイルすることで絵を描くことができ、関連するコードを入力すればグラフィックスを生成することができます。現在、多くのウェブサイトがこのコードをオープンソースとして使用しているため、OpenSCAD を十分に学習すると、STL ファイルを使用せずに追加のモデリング方法が得られます。

OpenSCAD コード入力の例

Tinkercad のインターフェースはとても興味深いですね。しかし、このような取扱説明書だけでは十分ではなく、3D プリンターが「聞く」ことができるように翻訳する必要もあります。元のグラフィックファイルが 3D プリンターに入る前に、制御ソフトウェアによって処理され、グラフィックが 3D プリンターの動作手順に「スライス」される必要があります。この種のソフトウェアのほとんどもオープンソースなので、選択肢は豊富です。一般的なものとしては、Cura、makerwat、Repetier、slic3r などがあります。ユーザーは、自分の 3D 印刷機器に適したソフトウェアを選択できます。

Repetier インターフェースでこれらのタスクを完了したら、3D プリンターに印刷を開始するよう指示できます。現時点では、小さなプロジェクトを印刷するのに約 10 分から数十分かかります。コーヒーを 1 杯淹れて、辛抱強く待つことができます。
3Dプリント製品の粗さはプリンターの精度によって異なります。また、材料の硬化プロセスは完全に制御可能ではなく、より複雑な作品を印刷する場合、材料の溢れや変形は避けられないことが多いため、実際の状況に応じて後処理や修正を行うことができます。これらの手順を完了すると、3Dプリントされた作品が完成します。

3D モデリングを初めて行う初心者にとっては、インターネット上に多数の既成製品が用意されており、それらから始めるのが良いでしょう。 Thingiverse は最大のウェブサイトの 1 つです。また、古いオープンソースウェブサイト GitHub にも多くの作品が掲載されています。その他のプロジェクトはクリエイティブフォーラムで見つかりますが、ここでは 1 つ 1 つ紹介しません。これらの公開作品を通じて、ソフトウェアに慣れ、3Dを理解し、ゆっくりと修正し、ある程度の経験を積んだ後、独自の作品を作成し、オープンプラットフォームに公開してみんなと共有することができます。そうすることで、初心者からメーカーへと変身することができます。

Thingiverse インターフェース

3Dプリントロボット

3D プリントでロボットを作るのも、興味深い体験です。ただし、単に小さな物体をプリントするだけの場合と比べると、追加のプログラミングと組み立てのプロセスが必要になります。はるかに複雑ではありますが、プロジェクトの Web サイトに詳細な製造手順が記載されているので、それほど手間をかけずに独自の 3D プリントロボットを作ることができます。

3D プリントロボットは、主に 3D プリント可能な部分と 3D プリント不可能な部分 (意味不明なようですが、笑) の 2 つの部分に分かれています。指定された3Dプリント部品は3Dプリントで製作できますが、回路基板、モーター、ボルト、ナットなどのその他の部品は購入によってのみ入手可能です。熟練したメーカーであれば、完全に独立してオリジナルの3Dロボットを作成することもできます。 3D プリントを初めて使用するほとんどの人にとって、インターネット上には 3D ロボットのオープンソースプロジェクトが多数あります。上記で紹介した GitHub には、試してみる価値のある興味深い作品が多数あります。

GitHub を例にとると、まずは Web サイトで試してみたい 3D プリントロボット作品を見つけます。 GitHub にある 3D プリント可能なパーツのほとんどは OpenSCAD をベースに作られているため、プログラムコードをコピーして OpenSCAD に入力するだけで 3D モデリングが可能になります。 3D モデリングが完了すると、前の手順に従って 3D プリンターに渡され、印刷されます。

GitHub のオープンソースプロジェクト metabot

次に、モーター、回路基板、Bluetooth モジュール、ボルトやナットなどのコネクタなど、必要なその他の部品がないか部品リストを確認します。ほとんどのオープンソースプロジェクトでは、部品の調達リンクが提供されます。直接購入するのが不便な場合は、モデルを記録して自分で購入することもできます。もちろん、プログラム関連のコンポーネントを除いて、他の部分は多少任意であり、実際の状況に応じて変更できます。
チップを搭載した回路基板ができたら、プログラムを回路基板にインポートできます。これには、ある程度の専門的なスキルと関連機器が必要ですが、それほど複雑ではありません。インターネット上にさまざまなチュートリアルがありますし、熟練者にアドバイスを求めることもできます。関連するプログラムファイルは同じプロジェクト Web サイトで提供されているため、既製のものをそのまま使用できます。

最後のステップは組み立てです。Web ページで提供されている組み立て手順に従って、すべての部品を組み立てます。これは、実践的な能力をテストするものです。手助けとなるハードウェアやソフトウェアはありません。これらの手順を完了すると、かわいい 3D プリントロボットが完成します。

もちろん、時間に余裕があれば、このプロジェクトを自分で変更し、それに基づいて独自の 3D ロボットを作成することもできます。 3Dプリントロボットを作るのに約10〜20時間かかりますが、これは新しい形のレジャーや娯楽とみなすことができ、そこから多くの新しい知識を学ぶこともできます。

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出典：中国科学普及協会

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