業務用3Dプリンターを知る！導入に役立つ3Dプリンタの基礎

　 　 　

ますます激化する開発競争。消費者ニーズの移り変わりによって、さまざまな業界で製品ライフサイクルが短くなっており、その開発サイクルにも短期化の波が押し寄せています。
そのようななか、競争力を高めて維持していくためには、短期間で試作ができる「業務用3Dプリンター」の活用がカギとなっています。

この記事では、ミクロンオーダーの光造形で業界をリードするBMF社（Boston Micro Fabrication）に、はじめてでもよくわかる業務用3Dプリンターの業界動向と、導入に役立つ造形方式の種類についてお聞きしました。

業務用3Dプリンターの用途を知る！

趣味やDIYなど個人向け3Dプリンターが浸透するなか、ものづくりの現場でも、新たな加工法として「業務用3Dプリンター」の活用が注目されています。
どのような業界で、どのように活用されているのか？その一部をご紹介いたします。

〈3Dプリンターの業界別用途例〉

業務用3Dプリンターの活用例〈自動車業界〉

自動車業界での3Dプリンターの活用は、当初試作開発が中心でした。しかし近年では、エンドユーザー向けの小ロット部品を業務用3Dプリンターで製造する企業が増えています。
ある国内部品メーカーでは、需要が少なく量産が難しい「廃版部品」の復刻を3Dプリンターで実現しています。小ロットではありますが、試作品だけでなく市販品への活用が進められています。

業務用3Dプリンターの活用例〈電子部品業界〉

半導体をはじめとした電子部品の高度化には、3Dプリンターの活用が不可欠になっています。
特に半導体素子の微細化では、切削が苦手とする「複雑に入り組んだ加工」が必要なため、3Dプリンターのメリットを活かすことができます。

［事例］チップアレイソケット

マイクロプロセッサと回路基板を接続する、チップアレイソケットの例です。
3Dプリンターを活用することで、切削では難しい1,500個ものマイクロホールを一体成形しています。

［事例］ランドグリッドアレイ

半導体実装に使われる、ランドグリッドアレイの例です。
3Dプリンターを活用することで、階段構造が含まれた2,500個もの台形穴を一体成形しています。

業務用3Dプリンターの活用例〈医療業界〉

医療機器では、患者ごとの部品カスタマイズや、生体適合材料への対応が求められます。
人工関節やステントなどの「インプラント」では既に、患者ひとりひとりに合わせた部品製作の用途で、小ロットを得意とする業務用3Dプリンターが採用されています。
また手術技能の向上に効果的な「臓器モデル」を、透明樹脂で製作することで、血管構造を精密に再現することも可能です。

［事例］内視鏡部品

内視鏡カメラに使われる、ハウジング部品の例です。
内視鏡は患者の痛みや不快感を軽減するため小型化が進んいますが、3Dプリンターによる複雑構造の一体成形によって小型化を実現しています。

［事例］ステント

血管などの管状部分を内部から拡げる、医療器具の例です。
これまでステントの多くは金属製でしたが、3Dプリンターによって生体適合材料への対応が実現しています。

［事例］オルガノイドモデル

新薬開発や癌の精密診療、再生医療などに使われるオルガノイドモデル（3次構造の培養細胞）の例です。
これまでの技術では、体積が限られてしまい、完全な臓器組織を生成することができませんでした。
3Dプリンターによって、より大きく複雑な臓器組織を生成することができます。

［事例］ラミネートべニア

歯の形、歯の色、歯並びを改善する、ラミネートべニアの例です。
これまでの切削加工では、最小厚さ400μm〜が一般的でしたが、3Dプリンターによって、最小厚さを40μmまで薄くすることができました。ジルコニアセラミックス製により、歯の表面の耐摩耗性・耐齲蝕性・天然エナメル質の保護を効果的に改善することができます。

業務用3Dプリンターの活用例〈航空宇宙業界〉

航空宇宙で必要とされる部品は、複雑形状の小ロット部品がメインです。これらの部品を試作しようとすると、膨大なコストとリードタイムが必要になります。
一方で3Dプリンターを活用することで、これらの課題を解決することが可能です。3Dプリンターの採用で、新製品開発や部品の安定供給に必要な、コストとリードタイムの削減が実現しています。
航空宇宙における3Dプリンターの活用は、海外メーカーが中心です。大手航空機メーカーでは、エンジン関連部品を構造から見直すことで、従来モデルから20%の燃費向上を実現した例もあります。

業務用3Dプリンターの活用例〈建設業界〉

産業用3Dプリンターのなかには、コンクリートなどの建築材料に対応したものもあります。
大規模な3Dプリンター設備を活用することで、従来の建築では難しかった曲線的で複雑なデザインの建物を、短時間で建てることが可能です。
3Dプリンターによる建設方法は、主に「分割造形した部品を、現地で組み立てる」方式と、「大型3Dプリンターを使い、現地で造形する方式」に分類されます。いずれの場合も、施行期間の短縮とコスト削減が実現します。

業務用3Dプリンターの活用例〈研究分野〉

研究機関では予算が限られることも多く、コストを抑えつつ研究期間を短縮する必要があります。
産業用3Dプリンターを活用することで、さまざまな研究試料を一個から製作することができ、形状違い・材料違いによる性能比較も効率的に行うことができます。

［事例］流体コネクタ

流体実験や創薬に使われる、マイクロ流体チップです。
3Dプリンターによって、生体材料を使った内部空洞が含まれる複雑形状を一体成形しています。

［事例］遺伝子配列解析装置用バルブ

DNA塩基の並びを解析するための装置部品です。
3Dプリンターによって、医学や生物学の研究スピードが飛躍的に向上しています。

個人向け3Dプリンターとの違いは？

近年は、低価格の個人向け3Dプリンターも普及していますが、「業務用3Dプリンター」と「個人向け3Dプリンター」では、精度や機能・価格に大きな違いがあります。

〈個人向け3Dプリンターとの比較〉

精度面の違い

個人向け3Dプリンターの精度はそれほど高くありません。積層面の段差が大きかったり、造形物の表面にざらつきが見られる場合もあります。
一方で、業務用3Dプリンターの精度は一般向けの数十倍あり、ミクロンオーダーの滑らかな仕上げも可能です。量産に近い試作の造形や、高い精度が求められる高機能部品の造形は、業務用3Dプリンターの採用が必要となります。

価格面の違い

個人向け3Dプリンターは、趣味や教育用途で購入できる価格帯で、数万円から数十万円程度が相場です。
一方で業務用3Dプリンターは数百万から数億円と幅が広く、機能や材料、規模によって大きく異なります。

機能面の違い

個人向け3Dプリンターの機能は、業務用3Dプリンターと比べて限定的です。多くは樹脂材料向けですが、近年では個人向けでも金属材料に対応したものも販売されています。
一方で業務用3Dプリンターは幅広い材料に対応しており、複数の材料を組み合わせた造形や、一般向けでは難しいセラミックなどの高機能材料にも対応しています。
また加工プロセスの自動化や、複雑な制御システムも業務用3Dプリンターの特徴のひとつです。

業務用3Dプリンターの動向

業務用3Dプリンターは、ここ数年で新たな分野での活用が広がっています。
例えば、これまで切削では加工が難しかったセラミックに、3Dプリンターが活用されはじめています。特に高機能なファインセラミックスは、自動車・航空宇宙・電子部品・医療など幅広い分野でニーズがあり、3Dプリンターの拡大が予想されています。

また、3Dプリンターを使って食品を製造する研究も進められています。
特定の栄養素を組み込んだり、味や形状を再現することができ、代替肉を3Dプリンターで造形する事例も増えてきています。

その他にも、再生可能な材料や環境に配慮したバイオプラスチックへの対応など、サステナビリティを重視した3Dプリンターも開発されており、今後もさまざまなニーズに対応した業務用3Dプリンターの開発が進められると予想されます。

業務用3Dプリンターのメリット・デメリット

業務用3Dプリンターを開発プロセス・生産プロセスに活用する際のメリット・デメリットをご紹介します。

〈メリット・デメリット〉

開発プロセスにおけるメリット

開発プロセスでは、アイデア創出や開発サイクルの短縮など、さまざまなメリットが得られます。

アイデアの創出

業務用3Dプリンターは、従来の加工では難しかった形状を造形できるため、新たな製品開発のアイデア創出につながります。
また3Dプリンターですぐに試作し、実際に触れたり使ってみたりすることで、頭の中では生まれなかった、新たなアイデアを生み出すこともできます。

共有イメージを形に

製品開発を潤滑に進めるためには、図面による打ち合わせだけでなく、関係者との製品イメージの共有が重要です。
3Dプリンターでアイデアをすぐに形にすることで、開発ミーティングの質を高めることができます。

評価試験の品質向上

製品の量産には、さまざまなシーンを想定した評価試験が必要です。
3Dプリンターを活用することで、評価試験のサイクルを短期間で回すことができ、繰り返し評価によって品質を高めることができます。

試作コスト・リードタイムの大幅短縮

3Dプリンターによる試作は、従来の切削加工で必要な外注先との調整や、射出成形で必要な試作金型の準備が不要になるため、試作にかかるリードタイムとコストの大幅短縮につながります。

生産プロセスにおけるメリット

3Dプリンターは、生産プロセスにおいても以下のようなメリットがあります。

小ロット生産のコスト削減

製品によっては、小ロット生産や一品ものの生産を行う場合があります。
射出成形では金型を製作する必要がありますが、金型のコストは製品単価に上乗せされるため、3Dプリンターを使うことで製造コストを削減することができます。

在庫管理コストの削減

製品によっては、突発的な需要に備えてある程度の在庫を確保しておく必要があります。
3Dプリンターを使うことで、必要なタイミングで必要な製品を製造することができ、在庫管理コストを削減することができます。

業務用3Dプリンターのデメリット

業務用3Dプリンターを生産プロセスに採用するには、いくつかのデメリットもあります。

強度・耐久性に制約がある

3Dプリンターは一層ずつ材料を積み重ねながら造形するため、層と層の結合力によっては、強度が弱くなってしまうことがあります。
積層後に焼結をすることで強度を高める手法もありますが、経年劣化することもあり注意が必要です。

造形材料に制約がある

3Dプリンターは、造形方式ごとに使用できる材料が決まっています。
複数の材料を使用したい場合は、それぞれに対応した3Dプリンターを導入する必要があり、設備投資の負担が増えてしまうことになります。

一般的な樹脂加工との比較

業務用3Dプリンターを開発プロセス・生産プロセスに活用する際のメリット・デメリットをご紹介します。

射出成形と3Dプリンターとの比較

射出成形で樹脂成形をする場合、製品ごとに金型を製作する必要があります。
金型の製作には数か月の期間と多額のコストが必要なため、少量生産ではコストが見合いません。
一方で、3Dプリンターであれば金型が不要なため、試作に必要な期間を大幅に短縮することができます。
また複雑な形状の樹脂部品でも高い精度で成形ができるため、射出成形では難しい製品形状にも対応することができます。

切削加工と3Dプリンターとの比較

切削加工で樹脂加工をする場合、材料の多くが切粉となって排出されるため、材料のムダが多く製品単価が上がってしまいます。また切削工具が入らない箇所は加工することができないため、複雑形状の加工には向いていません。
一方で、3Dプリンターであれば材料のムダがありません。一層ずつ積層していくため、切削加工では難しい複雑に入り組んだ中空部品の加工にも対応することができます。

業務用3Dプリンターの造形方式を知ろう

樹脂造形向けの業務用3Dプリンターには、さまざまな造形方式があります。
それぞれの造形方式の特徴と用途について解説します。

〈業務用3Dプリンターの造形方式〉

光造形方式（SLA／DLP）

光造形方式は「液相光重合方式」ともよばれ、液体状の光硬化性樹脂にレーザーや紫外線（UV）を照射することで、硬化・積層させる造形方式です。
レーザー光を使用するSLA方式（Stereo Lightgrapy）と、プロジェクタ光を使用するDLP方式（Direct light Proccessing）に分類されます。

光硬化性樹脂は直射日光に弱く、耐久性が低いため、屋外で使用する製品や耐久性が必要な製品には向いていません。表面の滑らかな造形が可能なため、デザイン性の高い製品に向いています。

熱溶解積層方式（FDM／APF）

熱溶解積層方式は「材料押出法」ともよばれ、熱可塑性樹脂を加熱し溶融させた状態でノズルから押出し、一層ずつ積層・固化させる造形方式です。
樹脂フィラメントを使用するFDM方式（Fuse Deposition Modeling）、樹脂ペレットを使用するAPF方式（Arburg Plastic Freeforming）に分類されます。

APF方式では、射出成形と同等の材料を使うことができるため、射出成形で量産する製品と同等の試作を低コスト・短納期で製作することができます。またファイバーなどの添加物や、金属粉末などを混錬することで、さまざまな性能を付加することもできます。

インクジェット方式

インクジェット方式は「材料噴射法」ともよばれ、インク状の液体材料を噴射し、材料に合わせて加熱・冷却・紫外線光などで硬化させる造形方式です。
光硬化性樹脂以外にも、金属やシリコンが用いられることがあり、幅広い材料に対応しています。
インクジェット方式は、積層を薄くできるため、高い精度を実現することが可能です。また液体材料に着色することで、デザインモデルやフィギュアなど、フルカラーの造形も実現できます。
一方で、強度はそれほど強くなく、造形後に洗浄が必要となる点には注意が必要です。

バインダージェット方式

バインダージェット方式は「粉末固着方式」や「結合剤噴射法」ともよばれ、粉末状の材料に結合剤を噴射し、熱反応や化学反応によって硬化させる造形方式です。造形速度が速く、生産性に優れています。
硬化の際に加熱やレーザーなどが不要なため、大規模な設備は必要ありません。しかし、強度がそれほど高くないため、樹脂材料の場合は加工後に含侵処理を行う場合があります。
必要な強度がどの程度かを把握し、後処理が必要かどうか判断することが重要です。

粉末焼結方式（SLS／MJF）

粉末焼結方式は「粉末床溶融結合法」ともよばれ、粉末状の材料の必要な部分にレーザー等を照射することで、焼結により硬化させる造形方式です。樹脂材料を用いる場合には、レーザーで焼結するSLS方式（Selective Laser Sintering）と、結合剤や熱で造形するMJF方式（Multijet Fusion）に分類できます。
3Dプリンターによる造形の中でも強度に優れていますが、表面のざらつきが残る場合があり、材料となる粉体の管理には注意が必要です。

シート積層方式

シート積層方式は、重ね合わせたシート材料を輪郭線で切断する造形方式です。層（シート）を接着には特殊な接着剤が用いられます。
材料の硬化に「熱」や「光」が要らないため、設備の簡素化が可能です。

業務用3Dプリンターの選び方

現在、さまざまなメーカーが業務用の3Dプリンターを開発・製造しています。
そのなかから自社の用途に合った一台を選択するには、まず「仕様」と「造形方式」を決める必要があります。

〈業務用3Dプリンターの造形方式〉

① 仕様を明確にする

はじめに造形物に必要な精度と、材料・造形サイズを明確にします。
どの程度の解像度が必要か？また積層ピッチはどの程度か？これらは一般的に、求める表面の滑らかさから決めることができます。
また使用したい材料、もしくは類似の材料に対応しているかどうか？造形サイズはどのくらい必要か？によって、3Dプリンターに求められる仕様を明確することができます。

② 造形方式を決める

次に、造形方式を決める必要があります。
解説したように3Dプリンターは造形方式によって、対応材料や造形物の特徴が大きく異なります。
試作用途か？量産用途か？また設備に必要なスペースを確保できるかどうか？などを、総合的に判断することが重要です。

③ 機種を選定する

「仕様」と「造形方式」が決まったら、それに対応した機種を選定します。
業務用3Dプリンターは、造形精度・造形サイズ・造形スピードによって大きく価格が変わるため、目的にあった最適な仕様を選ぶことが、費用を抑えるポイントとなります。

3Dプリントの受託造形サービスも活用しよう！

3Dプリンターの導入に迷う場合、3Dプリントの受託造形サービスを活用するという選択肢もあります。
3Dプリンターメーカー各社では、自社の3Dプリンターを活用した受託造形サービスを行なっているところも多いため、用途に合ったサービスを選択するといいでしょう。

業務用3Dプリンターを知る！まとめ

この記事では、ミクロンオーダーの光造形で業界をリードするBMF社に、はじめてでもよくわかる業務用3Dプリンターについてお聞きしました。
今後、競争力のある製品の開発には、3Dプリンターの導入がカギとなってくるでしょう。
ミクロンオーダーの高精度・高解像度3Dプリントにご興味がある方は、BMFまでお気軽にお問い合わせください。

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