3D プリントとは何ですか?ついに3Dプリントをわかりやすく説明してくれる人が出てきた

出典: Big Data DT、著者 Olaf Diegel 他

積層造形（一般に 3D プリンティングと呼ばれます）は、2 次元で材料を層ごとに追加するだけで、複雑な 3 次元構造を直接形成するデジタル製造技術です。

付加製造とは？付加製造 (AM) は、レイヤーごとのアプローチを使用して仮想 3D モデルから物理的な部品を徐々に構築するさまざまなテクノロジをカバーします。従来の減算型製造プロセスでは、目的の部品が得られるまで、材料のブロックから不要な材料をすべて除去します (手作業で彫刻するか、フライス盤、旋盤、CNC マシンなどの機器を使用します) (図 1-1a)。

減算型製造プロセスと比較して、積層型製造はゼロから始めて、部品が完成するまで前の層の上に新しい層を順番に「印刷」することで部品を構築します (図 1-1b)。使用される特定の積層製造技術に応じて、各層の厚さは数ミクロンから約 0.25 mm まで変化し、現在、さまざまな積層製造プロセスに適用できる材料が多数存在します。
▲図 1-1 減算的製造と積層的製造積層的製造の概念は、地形の 3 次元表現として階層化された地形図や、既存の位相モデルに紙の地図を巻き付けて地形の 3 次元モデルを生成するなど、これらの位相モデルを使用して 3 次元地図を生成するいくつかの方法が導入された 19 世紀後半から 20 世紀初頭にまで遡ります。

フォト彫刻も 19 世紀後半に始まりました。これは、対象物の周囲をさまざまな角度から撮影した一連の写真から、さまざまな角度から撮影した写真をテンプレートとして使用して対象物を彫刻するというものでした。したがって、感光性材料を使用してモデルを作成するいくつかの方法は、初期の減法的な製造プロセスから生まれました。

現代の付加製造は、20 世紀半ば、オットー・ジョン・ムンツが 1951 年に特許を申請したことから始まりました。これは本質的に、感光乳剤に印刷された 2 次元の透明な写真のスタックです。この特許は、現代のステレオリソグラフィーの起源と考えられています。彼は透明な写真乳剤を層状に選択的に露光し、各層で物体の断面を露光するシステムを開発しました。

現代のステレオリソグラフィーマシンと同様に、部品の構築に使用されるビルドプラットフォームが徐々に下げられ、感光乳剤と定着剤の次の層が前の層の上に追加されます。印刷プロセスが完了すると、システムはオブジェクトの 3 次元画像を含む透明な固体シリンダーを生成します。このシステムの欠点は、最終的な三次元立体を二次加工（手作業による彫刻または光化学エッチング）によってシリンダーから除去する必要があることです。

その後の数十年間で、一連の新しいテクノロジーが登場しました。 1968年、スウェインソンは2本のレーザー光線の交差部で3次元的に重合する感光性ポリマーを選択してプラスチックモデルを直接製造する技術を提案した（特許はフォーミグラフィック・エンジンに譲渡された）。

バテルは「光化学処理」と呼ばれる作業も行っており、これは対応する材料を交差するレーザー光線にさらすことによって生じる光化学架橋またはポリマー分解によって物体を製造する作業である。

1971 年、Ciraud は、粉末床溶融結合法などの現代の直接堆積積層造形技術の父とも言える粉末プロセスを提案しました。

1979 年、ハウスホルダーは初期の粉末ベースの選択的レーザー焼結プロセスを開発し、平面状の粉末層を順次堆積させ、各層の局所的な位置を選択的に固化することを提案しました。硬化プロセスは、マスクの選択や熱スキャンプロセス（レーザースキャンなど）の制御など、熱を使用し、熱を制御することによって実現できます。

その他の注目すべき初期の AM の取り組みには、名古屋工業研究所の児玉氏が開発したステレオリソグラフィー関連の技術の多くや、ハーバート氏が児玉氏と共同で開発した UV レーザーを制御するシステムなどがありました。このシステムは、x-y プロッターのミラーシステムの助けを借りて、レーザービームをフォトポリマー層に照射してモデルの各層をスキャンし、次にビルドプラットフォームとビルド層を樹脂の容器内で 1 mm 下げて、このプロセスを繰り返すものです。

図 1-2 は、初期の積層造形部品の例を示しています。
図 1-2 ハウスホルダー、コダマ、ハーバート、マンリケス・フレイレ、ブーレルが提案した初期の積層造形部品の例 (イスマイル・フィダン、デイブ・ブーレル、IS&T: The Society for Imaging Science 提供)
今日知られているような商業的な付加製造は、市販のシステムの開発によって、1986 年に Charles W. Hull によるステレオリソグラフィーの特許によって初めて本格的に始まりました。この特許は元々 UVP Inc. が所有していましたが、UVP Inc. は元従業員の Charles W. Hull に特許のライセンスを供与し、彼はこの技術を使用して 3D Systems を設立しました。

これは 1988 年に最初の商用 SLA マシンにまで発展し、それ以来ほぼ毎年、利用可能なシステム、技術、および材料が飛躍的に増加しています。

積層造形に関連する用語も、過去 30 年間で大きく変化しました。利用可能なさまざまなテクノロジーの主な用途はコンセプトモデルと試作プロトタイプの作成であったため、1990 年代のほとんどの期間、レイヤーごとの製造テクノロジーを表すために使用された主な用語はラピッドプロトタイピング (RP) でした。

ソリッドフリーフォームファブリケーション (SFF) やレイヤードマニュファクチャリングなどの他の用語も長年にわたって使用されてきました。

しかし、2009 年初頭、ASTM F42 付加製造技術委員会は、業界で使用される用語の標準化を試みました。会議で、多くの業界の専門家が最適な用語について議論した後、最終的に「付加製造」という用語に落ち着きました。今日、「付加製造」は業界標準の用語と見なされています。

ASTM F2792 10e1 付加製造技術標準用語文書では、付加製造は「3 次元モデルのデータに基づいてオブジェクトを生成するために材料を層ごとに接続するプロセス」と定義されています。このプロセスは、従来の機械加工などの減算型製造プロセスとは逆のものです。

最終製品が得られるまで大きなブロックから材料を除去する減法製造とは異なり、ほとんどの加法製造プロセスでは過剰な廃棄物は生成されません。積層造形用に設計された部品を、従来の製造方法で製造された単一の部品と比較すると、前者では余分な材料を除去するのにそれほど時間がかからないため、準備時間とコストが削減され、廃棄物も少なくなります。

しかし、これは、AM が従来の製造方法よりも常に安価な部品を生産するという意味に誤解されるべきではありません。実際には、積層造形は比較的時間がかかり、コストのかかる技術であるため、多くの場合、その逆が当てはまります。ただし、AM の経済的側面に関する考慮事項は、使用される AM テクノロジの種類や、使用できる多くの設計パラメータに大きく依存します。これらについても、本書で説明します。

業界では「付加製造」という用語がよく使用されていますが、一般の人々にとってより理解しやすい用語であるため、多くの人気メディアでは依然として「付加製造」を「3D プリンティング」と呼んでいることに留意する必要があります。 3D プリンティングという用語は、主に趣味の印刷に使用される低価格のデスクトップ 3D プリンターに焦点を当てているのに対し、付加製造という用語はハイエンドの工業生産システムに焦点を当てていると考える人もいます。

付加製造プロセスチェーン<br /> すべての付加製造は仮想 3D CAD モデルの作成から始まります。このプロセスは、ほぼすべての 3D コンピュータ支援設計 (CAD) ソフトウェアを使用して実行できます。

ただし、積層造形用の CAD モデルは、完全に閉じた「水密」なボリュームの形式である必要があります (たとえば、立方体モデルには、継ぎ目に隙間がなく、6 つの面がすべて含まれている必要があります)。モデルの面の 1 つが欠落しているか隙間がある場合、その面は無限に薄い表面として表現され、印刷できません (図 1-3) (ただし、一部の AM ソフトウェアでは、エラーの重大度に応じてモデルを自動的に修復できます)。
▲図1-3 無限に薄い面の集合で構成されているため、印刷できない非防水オープンサーフェスモデル。CAD ファイルを AM マシンで認識できるファイル形式に変換する必要があります。現在、AM マシンで認識できる最も一般的に使用されているファイル形式は STL ファイル (Standard Triangle Language、Stereolithography Language、Standard Tessellation Language とも呼ばれます) であり、これにより元の CAD ファイルを三角形パッチファイルに変換できます。 STL ファイルの解像度が高いほど、含まれる三角形の数が多くなり、モデルの品質が向上します (図 1-4 を参照)。

▲図 1-4 STL ファイルの解像度の例最近、AMF (Additive Manufacturing File Format) や 3MF (3D Manufacturing Format) などの新しい積層造形ファイル形式が提案されています。これらの形式は、色や材質などの情報をファイルに追加し、曲線三角形を使用してモデルの品質を向上させるため、やや時代遅れの STL 形式を大幅に改善します。これらのファイル形式がリリースされたとき、3MF は AMF よりも魅力的に思えました。

3MF または 3D Manufacturing Format は、3MF コンソーシアムによって開発および公開されたファイル形式です。このファイル形式は、AM 専用に設計された XML ベースのデータ形式です。STL 形式では表現できない材質、色などの情報が含まれています。

3MF ファイル形式は、Autodesk、Dassault Systems、Netfabb、Microsoft、SLM Solutions、HP、Shapeways、Materialise、3D Systems、Siemens PLM Software、Stratasys などの企業で採用されています。

一部の研究者は、ネイティブ CAD 形式から直接印刷する方法に取り組んでいます。これは、モデルの品質を本質的に低下させるすべてのファイル変換プロセスを回避できるため、最も有望な方向性です。ただし、現在の AM システムとデスクトップ 3D プリンターのほとんどは、依然として STL ファイルを使用しています。

次に、CAD ソフトウェアによって生成された STL ファイルを AM マシンのソフトウェアで開き、モデルをソフトウェアの仮想ビルドプラットフォーム (部品が印刷されるプラットフォーム) 上に、印刷に最適な向きで配置します。印刷方向は、最終部品の表面品質と強度に影響します。

たとえば、一部の印刷プロセスでは、層間または印刷の垂直方向に欠陥がある、異方性の高い部品が生成されることがあります。はみ出した部分を確実に印刷できるように、印刷プロセス中にサポート材が使用されることがあります (図 1 ～ 5)。これらの側面は積層造形にとって非常に重要です。
▲図1-5 一部の印刷プロセスに必要なサポート材料の例。その後、積層造形装置のソフトウェアがSTLファイルでモデルをスライスします。一部のソフトウェアでは、印刷解像度（層の厚さ）、材料、充填モード、速度など、その他の印刷パラメータを設定することもできます。

ソフトウェアが部品を組み立てるための指示を印刷機に送信すると、印刷機は部品を層ごとに組み立て始めます。各層の構築方法と使用される材料は、使用される積層製造技術の特定のカテゴリによって異なります。

積層造形プロセスチェーンを図1-6に示します。
▲図1-6 積層造形プロセスチェーン装置が部品の印刷を完了した後、部品を取り外して後処理する必要があります。

後処理には、部品に残った粉末や樹脂の洗浄、サポート材の除去が含まれます。ほとんどの場合、AM マシンで印刷された表面が要件を満たしていない場合は、より細かい表面を得るために機械加工などの追加処理が必要になることがあります。部品の強度を向上させることができる浸透処理や金属部品の熱処理もあります。部品に AM 材料で提供される色以外の色が必要な場合は、部品に色を付けたり塗装したりすることができます。

積層造形の現在の応用<br /> 過去 30 年間にわたり、AM はますます多くの応用分野で使用されてきました。業界の主要な年次状況レポートである Wohlers レポートでは、AM の応用分野を調査するために毎年調査を実施しています。 2018 年の Wohlers レポートでは、図 1-7 に示すように、AM の応用分野に関するデータが提供されています。
▲図1-7 AMの現在の応用分野（Wohlers Associates提供）
注目すべきは、アプリケーションの 43.9% がラピッドプロトタイピング (組み立て、機能モデル、ディスプレイモデル、視覚補助を含む) の分野である一方、AM を直接的または間接的に物理部品を製造するために使用する割合が現在 56% を超えていることです。これらのアプリケーションには、プロトタイプのツールパターン、金属鋳造パターン、ツールアセンブリ、直接生産部品での使用が含まれます。

Wohlers 氏は、成長を続ける製造業務の一環として AM を導入する業界が増えるにつれて、この割合は今後数年間で大幅に増加すると考えています。

AM テクノロジーは登場以来、2 つの異なる分野で発展してきました。特に過去 10 年間で、幅広い材料で高品質の部品を生産できるハイエンドマシンは大きく進歩しました。

同時に、DIY およびデスクトップ 3D プリンターコミュニティも驚異的な成長を遂げており、数百ドルから数千ドルの価格帯のエントリーレベルの積層製造システムが幅広く登場しています。 RepRap、FabLab、Makerbot コミュニティなどのコミュニティ全体が発展し、多くの場合オープンソース形式で積層造形に関する知識を共有し、業界を大きく前進させています。

さらに、付加製造技術を活用する産業が増加していることも注目に値します（図1-8）。
図1-8 積層造形法を採用している業界（Wohlers Associates提供）
近年になってようやく積層造形の品質が向上し、一部の企業がそれを実用的な生産技術として使い始めています。新しいポリマーや金属材料が開発され、機械印刷の速度と精度がさらに向上するにつれて、より多くの積層造形機が主流の生産ラインに導入されるようになるでしょう。

付加製造には、従来の製造技術では製造不可能な部品を作成できる多くの特性もあります。これを知っておくことは、AM をいつ使用し、いつ使用しないかを理解するために重要です。

また、付加製造が従来の製造方法に完全に取って代わることは決してないということも留意することが重要です。これは、価値創造に使用され、製造される部品が積層造形用に特別に設計されている場合、企業にとって大きな価値を生み出すことができる補完的な技術です。以下に、従来の製造方法と比較した AM の利点をいくつか示します。

この記事は、Olaf Diegel、Axel Nordin、Damien Motte による『Design for Additive Manufacturing (DfAM) Guide』を基に作成されています。この本の詳細と購入については、下にスクロールしてください。

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