星に願いをかける前に寝る

金属3Dプリンターにはいくつかの造形方法があります。おもな造形方法とそれぞれの特徴、メリットを見ていきましょう。

パウダーベッド方式
パウダーベッド方式は、これまで主要とされてきた造形方法です。[作成者5]金属粉末を敷き詰めたところに電子ビームやレーザーを照射して、造形に必要な部分だけを溶かし固めます。一層ずつ溶かし固めていくため時間はかかりますが、金属としての特性も正しく発現するため、幅広い分野に利用できるのが特徴です。


一方、導入に費用がかかる、造形物の表面がざらつくといったデメリットがある点に注意が必要でしょう。

なお、パウダーベッド方式には、レーザー方式と電子ビーム方式があります。レーザー方式ではレンズで集約して機械的に照射方向を制御しますが、電子ビーム方式では電気的に照射方向を制御できるので溶融工程が早いのが特徴です。

熱溶解積層（FDM）方式
熱溶解積層（FDM）方式は、これまで樹脂3Dプリンターに採用されてきた造形方法です。金属3Dプリンターにおける熱溶解積層（FDM）方式では、熱を加えると軟化する熱可塑性樹脂と金属粉末を溶かして押し出し、一層ずつ固めます。

デポジション方式
デポジション方式は、「指向性エネルギー堆積法」とも呼ばれる造形方法です。金属粉末を吹き付けながらレーザーや電子ビームを照射して溶かし、造形する部分に積み上げて固めます。

耐久性が高く、造形のスピードも速いため、大型の造形物を製作する際に適しているでしょう。ただし、表面の仕上がりは荒く、基本的には後加工が必要となる傾向にあります。


バインダージェット方式
バインダージェット方式は、金属粉末を敷き詰めた部分に液体の結合材であるバインダーを吹きつけて固める造形方法です。この方式も造形後に焼結の工程が必要になります。素早く造形できるメリットがある一方、強度が弱く、造形できる微細形状に制約があるといったデメリットがあります。

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サポート材は、3Dプリンターでものづくりする上でモデルを支える役割を担います。

飛行機のモデルを作る場合に、機体の羽は宙に浮いており、このような箇所を再現するためには支えが必要です。支えがなければ、せり出した羽の部分が固化する前に崩れてしまいます。

このようなトラブルを防止して、美しいモデルを作るためにもサポート材の仕組みについて学んでおきましょう。

サポート材を使う目的と必要性
サポート材を使う目的は(1)造形物の型崩れを防止する(2)造形物の反りを抑えることです。


(1)造形物の型崩れを防止する

サポート材は造形物の型崩れを防止してくれます。例えば、飛行機の羽など宙に浮く箇所のあるモデルをつくる場合、重さで羽が崩れてしまうこともあるでしょう。重力に耐え切れず、羽が落ちてしまう問題はサポート材でモデルを支えることで解決できます。

(2)造形物の反りを抑える

3Dプリンターの材料は温度によって、膨張や収縮を引き起こします。例えば、ノズルから蓄層された樹脂は急激に冷やされ、液体から固体に状態変化するときに造形物が反れてしまうのです。このような反りを防止するためにサポート材を使用します。

3Dプリンターの造形プロセス
3Dプリンターは押出ノズルから材料を出力して、積み上げてモデルを作っていきます。


［仕組み］

サポート材で土台をつくる
土台の上にモデルを積み上げる
モデルが固まるまで待つ
固まったら、モデルに付着しているサポート材を取り除く
押出ノズルの本数別の造形方法
ノズルからモデルとサポート材が出力されるものだと説明しましたが、3Dプリンターの機種によりノズルの本数が異なります。ノズルの本数により、モデルの造形方法が変わることを理解しておきましょう。

押出ノズル1本
必然的にモデルとサポート材が同じ材料になります。そのため、モデルとサポート材が密着しやすいです。モデルからサポートが上手く取り除けないと苦労してしまうかもしれません。

このような場合は、カッターやペンチなど工具を使用して取り除いてください。モデルに傷を付けたり、破損したりしないように細心の注意を払いましょう。

押出ノズル2本
片方から造形物、もう片方からサポート材が出力できます。このような仕組みにより、別々の材料が利用できることが大きな特徴です。水で溶けるものや手で簡単に剥がせるサポート材を使用できます。

そのため、複雑な構造の造形物を出力したい場合や特殊なサポート材を使用したい場合は、押出ノズル2本が搭載されている3Dプリンターを購入てみてください。

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建築の用途で用いる3Dプリンターは、従来の工法と比べて以下のメリットが得られます。

施工期間の短縮
建築3Dプリンターは、従来の工法に比べて施行期間を大幅に短縮できるのがメリット。過去に24時間未満で住宅が建築された事例もあるほどです。そのため、災害などで突然住宅を失ってしまった人たちへ仮住居の提供としても期待が寄せられています。


また、3Dプリンター建築で大きく時間がかかる、外壁の塗装などの仕上げ工程も、3Dプリンターで印刷できる設計に変更し、ロボット化を進める検討がされており、今後の発展次第ではさらに施工期間を短縮できるようになるでしょう。

曲線構造に対応できる
従来の工法では曲線形状の建築は難しく、コストが大きくかかるものでした。しかし建築3Dプリンターであれば、材料を積層していく仕組みから、曲線構造の建築物にも対応しやすくなります。曲線形状が容易になることで、建築物のデザイン性の向上が期待できるほか、限られた土地での建築も可能です。


コストの削減
建築3Dプリンターは、使用する資材や建築に必要な人手が少なく済むほか、施工にかかる期間も短縮できることから、コストの削減にも寄与します。また、エネルギー消費量、CO2排出量、廃棄物の削減も期待でき、環境に優しい建築が行えるのもメリットです。

建築にかかるコストを削減することで、これまでよりも建築物を安い価格で提供できるようになります。
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①3DCADソフト（モデリングソフト）を使用

3DCAD とは、立体物（立方体や直方体、円錐など）をソフト内で組み合わせていくことで最終的に自分の作りたい形状をデザインするツールのこと。

＜メリット＞

●形状や構造、寸法すべてにおいて正確なデータを作成できる。

※3Dプリンターのスペックによって3Dデータの再現性（仕上がりの良さ）は異なります。

●必要なものをカスタマイズしてオリジナルのものを作成できる。

●自分のイメージ通りのものを作成することができる。

＜デメリット＞

●知識や技術を身に着ける必要がある。

●既存のデータをダウンロードするより、データを一から作成する分、3Dデータを用意する時間がかかる。


②3DCGツールを使用

CG（computer　graphic）ツールを利用し、3Dデータを作成する方法。

滑らかな曲線・曲面を表現することに長けているツールのため、フィギュアなどの作品作りに向いている3Dデータ作成方法です。

＜メリット＞

丸みを帯びたデータの作成に向いている

＜デメリット＞

角ばったデータの作成に向いていない



③3Dスキャナーで実物をスキャン

スキャナーとは立体物をスキャンし3Dデータ化する機械です。

形や性能、価格は様々です。高いものは100万円台するものもあるため、長期的に利用する予定がないようであれば外注サービスを使用することもできるため、購入を検討する際は使用用途を予め明確にしておくことがおすすめです。

④3Dデータをオンライン上でダウンロード

作成した3Dデータを無料でシェアし合うサイトから、作りたいものの3Dデータをダウンロードする。またはアーティストの方などは3Dデータを販売している場合もあるので、3Dデータを購入しダウンロードする。

上記のようにオンライン上でデータをダウンロードするとすぐに印刷を始めることができます。

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3Dスキャナーには、企業向けの高価なマシンもあれば、家庭向けの比較的安いマシンまでいろいろなものがあります。企業向けの製品は0.03mmという高い精度でのスキャンが可能です。一方家庭用のものは性能は劣りますが、数万円で購入できるので手に入りやすいです。３Dスキャナーを買う時は以下のようなポイントを意識しましょう。



・スキャン方式で選ぶ
３Dスキャンの方法にはいくつか種類があり、大別すると「接触式」と「非接触式」の2つに分けられます。接触式はセンサーや「探針」と呼ばれるもので物体に接触して凹凸を測定するタイプです。非接触式はレーザーなどを使って物体に接触せずに測定するタイプです。接触式は精度が高いですが測定に時間がかかるのに対し、非接触式は高速測定ができます。



・据え置きタイプかハンディタイプで選ぶ
非接触式の３Dスキャンには、対象物を置く「据え置きタイプ」と、スキャナーを手で持って対象物を読み込み「ハンディタイプ」とがあります。ハンディタイプは手振れの問題があって据え置きタイプより精度が落ちますが、据え置きタイプが読み取りにくい部分を読めるというメリットがあります。

・サポートがしっかりしているものを選ぶ
各メーカーで購入後のサポート体制は違うので、できるだけ補償が手厚く、修理コストも安い製品を選択すると良いでしょう。せっかく買うなら長く使いたいですよね。使い方が日本語で説明されているというのも評価ポイントになります。またサポートとは違いますが、消耗品や材料のコストが安いものを選ぶと、コスパよく使えて便利です。

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