3Dプリンタの制作時間は、上述した要素の数値によって長くなる場合があるので、短縮したい場合は、以下の方法を参考にしてください。
樹脂の話で解説しておりますが、基本的には金属造形も考え方は同じとなります。
ヘッドスピードを上げる
ヘッドスピードを上げることで、3Dプリンタの制作時間を短縮できます。
ヘッドスピードは、必ずしも一定の速度でプリントしなければならないわけではありません。
造形物の一部分のみ、ヘッドスピードを上げて作ることも可能です。
ただし、ヘッドスピードの速度は造形物の品質の高さに影響を及ぼすため、速すぎると塗りつけが甘くなる場合があります。
積層ピッチを厚く設定する
積層ピッチの厚みを増やせば、造形物の制作時間を短縮できます。
積層ピッチの厚みが薄くなると、積み上げる層の数が増えるため、結果的に制作時間が長くなってしまいます。
ただし、積層ピッチを厚くしすぎると、層を積み上げる際にできる積層痕が目立ちやすくなるため、
注意しなければなりません。
充填率を低くする
充填率を低くすると、造形物の制作時間を減らすことができます。充填率の数値が高いほど、制作時間がかかってしまいます。
また、使用する素材の量も増えるため、原材料にかかるコストも上がりやすいです。
ただし、充填率は造形物の強度に直結しているため、低くしすぎると壊れやすくなるので注意が必要です。
シェルの厚みを薄くする
シェルの厚みを薄くすると、造形物の制作時間の短縮につながります。
小さくて精密な造形物を作る場合は、外壁が1枚になるようにシェルの厚みを薄くすると、仕上がりがきれいになります。
一方で、大きなサイズの造形物をプリントする場合は、シェルの厚みが薄くなると強度が低くなるので、
造形物の大きさによって適したシェルの厚みを設定するようにしましょう。
ノズルサイズを大きくする
直径幅が大きいノズルサイズを使用すると、造形物の制作時間が短くなります。排出口から素材が多く流れるため、効率良くプリントできます。
ノズルサイズの大きさは積層ピッチの厚みに比例するので、造形物の強度や仕上がりを含めてバランスを考えなければなりません。
また、最初から最後まで大きなノズルサイズを使用すると、造形物の表面や底面の仕上がりが雑になる場合もあります。
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最終製品に3Dプリンターが使われ始めた理由は、以下のとおりです
グローバル化によって多品種小ロット生産が求められる
業務用3Dプリンターの低価格化
3Dプリンターの多様化
下記から、順番に見ていきましょう。
理由①：グローバル化によって多品種小ロット生産が求められる
3Dプリンターが最終製品に使われる理由のひとつが、「製造業のグローバル化」です
従来の製造業では、少品種大量生産といって少ない品種を数多く生産する方式が採用されていました。しかし、経済の発展が成熟した現代においては、価値観や生活スタイルなどが大きく変化しています。消費者の需要が多様化しているため、製品のサイクルも早くなっているのが現状です。
そして世界の市場で勝つためには、高付加価値化・カスタマイズ化が必須であり、一種類あたりの数量を減少させて、機能や精度を高度化することが求められます。
3Dプリンターを活用すれば、多品種小ロット生産に対応できます。
多品種小ロットのメリット
以下は、多品種小ロット生産のメリットです。
在庫の量を最小限に抑えることが可能
一人ひとりのニーズに応えられる
多品種小ロット生産は、在庫の量が少なくなります。
在庫管理が楽になるだけでなく、市場からの需要の変動を見て生産量を調整することも可能です。一方の少品種大量生産は、大量の売れ残りを抱えてしまうリスクがあります。売れ残りの在庫を抱えてしまうと、かなりの損害が発生してしまいます。
また、顧客の要望に応えられるのも、多品種小ロットならではのメリットです。
デザイン、品質、機能、コストなどを一人ひとりの希望に合わせて提供することで、顧客満足度を高めることができます。大量生産の場合はきめ細かい顧客ニーズに対応することが難しく、ある程度妥協してもらう必要があるでしょう。
多品種小ロットのデメリット
多品種小ロット生産のデメリットは、以下のとおりです。
生産効率は低い
資材のコストは上がる可能性がある
多品種小ロット生産は、生産効率は高くありません。
顧客の要望に合わせて多品種で生産するため、品種による準備や生産ラインの切替が必要になってしまうからです。少品種大量生産では、同じ製品を長く作り続けることができるため、ラインを停止する必要はありません。
生産効率の低下に加えて、資材のコストが上がることでコスト上昇リスクもあります。
多品種少ロット生産は、不定期に多くの種類の材料を少量ずつ仕入れる必要があります。定期的に大量の材料を仕入れられる大量生産と比べると、コストは高くなってしまうのです。
理由②：業務用3Dプリンターの低価格化
最終製品に3Dプリンターが活用され始めたのは、低価格化もひとつの理由です。
3Dプリンターは、「FFF（熱溶解方式）の特許切れ」や「製造するメーカーの参入が増加したこと」などにより、業務用・家庭用ともに安価になってきています。
たとえば、業務用3Dプリンターを中心に取り扱うFLASHFORGEには、「Creator4S」という最終製品まで対応できる機種があります。従来の3Dプリンターが苦手とする大型の造形を可能にする機種であり、大型モデルでも分割することなく、一体化した状態での造形が可能です。
理由③：3Dプリンターの多様化
3Dプリンターの多様化が進んでいることも、最終製品に活用される理由です。
特に3Dプリンター用材料は、著しく多様化が進んでいます。
ほかにも、直近では金属の利用意向は増えていて、金属3Dプリンターを製造するメーカーも多くなっています。従来は5,000万円以上だった装置が、今では半値近くで購入できるようになっていることも原因といえるでしょう。
また、フルカラー材料を活用すれば塗装工程を省くことができるので、大幅なコストの削減にもつながります。
多様化した3Dプリンターを活用すれば、さまざまな素材の製品をつくることが可能です。
かつて3Dプリンターは、試作で使われることがほとんどでした。
その際に利用した3Dプリンターの性能や試作の出来栄えなどに手ごたえを感じた企業などは、最終製品に3Dプリンターを活用しようという動きが出てきているのです。
また、試作段階から最終製品と同水準の試験を行う企業なども、できあがった製品の品質や機能性を高く評価したあと、最終製品に3Dプリンターの導入を検討する場合もあるようです。
満足度の高さも、最終製品に3Dプリンターが選ばれる理由のひとつといえます。
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これまでの試作品や治具の製作には、一般的に切削工法が用いられることが多かったのですが、1点あたりにかかるコストが高いなどの理由から、3Dプリンターが普及し始めました。
ここでは、3Dプリンターに用いられる3Dプリント（積層法）と従来工法の切削加工との違いを詳しくご説明します。
3Dプリント（積層法）とは
3Dプリント（積層法）とは、3DCADデータをもとにスライスされた2次元の層を一層ずつ重ねていくことで、立体物を造形する加工方法のことです。
立体物の余分な部分を削ったり切ったりして完成品の形に近づけていくのではなく、3Dプリンターで立体物を造形した時点ですでに完成品の形をしているのが積層法である、とお伝えするとわかりやすいかもしれません。
例えば球体を造形する際、3Dプリンターにデータを流し込んで造形を始めれば、初回の造形でデータ通りの球体ができあがります。そこに後追いで手を加える必要はありません。
切削加工とは
一方、切削加工とは、さまざまな工具を使って物体を切り削り、目的の形に削り出していく方法です。
大きめの材料から不要な部分を取り除く手法で、「除去加工」とも呼ばれています。
手間はかかりますが非常に高い精度を誇っており、実際の製品と同じ材料で試作をしたり、最終製品のパーツを製作したりする際に利用されることが多いです。
ただし、後述しますが、複雑な造形には向いていません。
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今回は3Dプリンター初心者の方向けの情報として、一般的なFDM式3Dプリンター（安価で手軽なパーソナル向けの3Dプリンター）で主に使用されている2つの素材、「PLA」と「ABS」について書いていこうと思います。
今更かもしれませんが、皆さんは今使っている3Dプリンターでどの素材を使っているか意識していますか？
世の中にはメーカー推奨品から中国製のサードパーティ製品まで無数に3Dプリンター用の素材（=フィラメント）が存在しています。メーカーによっては推奨でなくカートリッジ式などで指定の素材しか使えないものもあるので、それを使っているという方も多いかもしれません。
例えば、XYZプリンティング社のダ・ヴィンチ1.0などの機種ではメーカーが販売しているABS樹脂しか使用することが出来ませんでした。メーカー指定品は機体に最適化されていますし色も豊富にあるので特に困ることはないかもしれませんが、やはり他社製フィラメントを使用したいという声があったのか、1.0Aという新しいモデルではPLA・ABSの両方に対応し、今年新たに発売された「プロフェッショナルモデル」と位置づけられたダ・ヴィンチProではその縛りが撤廃され、他社製ABSだけでなくPLA素材にも対応しました。
パーソナル向け3Dプリンター製品のパイオニア的存在、Makerbot社のReplicatorシリーズについては、ほとんどのモデルでPLA素材には対応しています。Replicator2Xという機種ではABS素材にも対応しました。Makerbot社では推奨のフィラメントを販売していますが、中にはもちろん他社製フィラメントを使用している人もいます。
PLA樹脂の特徴
PLA樹脂はポリ乳酸と呼ばれるもので、トウモロコシなどを原料にしたエコプラスチックです。
3Dプリント素材としてのPLAの特徴を簡潔に挙げると
・出力時の温度（≒融点）がABS樹脂に比べ低い
→低い温度での出力が可能（およそ180-230℃程度）。一方50℃程度の温度でも力が加わると歪んでしまう。
・反りにくい
→ABS樹脂に比較して。長いものや面積の大きく薄いもののプリントでは特に重要。
・硬い
→中々削れない。やすりがけなどの後加工が大変。
・靭性に乏しい
→硬いために限度を超えた力がかかると一気に割れてしまう。これは3Dプリント物全てに言えることだが積層方向に水平の力に対しては特に脆い。
ABS樹脂の特徴
対するABS樹脂の特徴と言えるのは以下の通りです。ABS自体は一般的なプラスチック製品に広く使われていますね。フィラメントも多少違えど近い特性を持ちます。
・出力時の温度（≒融点）がPLA樹脂に比べ高い
→高い温度でないと出力できない（230-260℃程度）。100℃くらいまでは変形しにくい。
・反りやすい
→温度が下がった時の樹脂の収縮量がPLAよりも大きいため。薄く長い、平たいものの出力は苦手。
・加工しやすい
→PLAに比べてやすりがけなどが格段に楽。サポート材を外すのも非常に容易。
・靭性がある
→PLAに比べやや柔軟性があるので、曲げや伸びに対しても耐性がある。
PLAとABSを比較するとこのようになります。
では、なぜ機種によってそれぞれの素材を出力できる、できないがあるのでしょうか。
まず言えるのは、ABSの方が3Dプリンターでの出力が難しい、ということです。理由としては先に挙げたように出力に高い温度が求められること――これはつまりノズルの温度を高く上げられなければいけないということ――があります。また、温度が急激に下がると出力中に大きく反ってしまうor割れてしまうため、造形エリア全体を囲うようにして高い温度を保ってやる必要もあります。造形物の定着と割れ防止のためには土台そして空間を温める機能、つまりヒーテッドベッドを装備した機体にしなければいけません。こうした機能を備えていないとABSの出力は困難なのです。
先に挙げたUP pulsやAfiniaはやや特殊で、ヒーテッドベッドは装備していますが造形エリア自体は囲われていません。反りを防ぐためパンチドボード（細かい穴の空いた土台）を採用して定着力を高めています。しかしそれでも造形物の割れは出てしまうことがあるようで、ユーザーの中には囲いを自作して使用している方もいます。
ABSは出力にやや難がある一方で、造形物の研磨しやすさや切削性は良好です。サポート材も簡単に外せます。出力がABS限定の機種は、こうしたメリットから3Dプリンターの性能を最大限発揮するためにABSのみという選択をしていると考えられます。
対してPLAは、出力が楽で非常に安定しているということが出来ます。ABSに比べ冷却時の収縮が少ないため反りや割れが起きにくく、またヒーテッドベッドや造形エリアの温度もABSほどの高温を求められません。一部製品ではヒーテッドベッドなしで糊やテープなどを用いて造形物を固定するものもあります。硬いので出力後に研磨したりする用途には不向きですが、安定して出力したいのであればPLAが最適でしょう。
目的別にすると……
・PLA
→デザインしたものの形状確認や、後加工の少ない実用品、大きいもの、耐摩耗性を確保したいもの向き
・ABS
→後加工で研磨などを行う試作品や、プラモデル・フィギュアのパーツ、稼働機構を持たせたいもの向き
となるでしょうか。
PLA・ABSそれぞれに得意なことがあるので、場面によって使い分けていけると良いですね。どちらか一方しか出力できない機種をお持ちという方も、ご自身の機体が使える素材ではどう出力するのが最適かを考えて運用するだけで、様々な課題が解決していくことと思います。
また、サードパーティ製の製品を使用して機体のトラブルが発生した場合ほぼ自己責任となります。注意しましょう。メーカーが推奨している素材は大抵機体の性能に最適化されるよう素材を調整したり、混ぜものをしていたりと、それなりの理由とクオリティの担保があります。
とはいえ、FDM式3Dプリンターでは他にも柔軟性のある素材や木や金属の混ぜ物が入った素材なども種類豊富にあります。そちらについてもまた後日ご紹介します。
今回はPLAとABS樹脂の特性に絞って紹介をしましたが、いかがでしたでしょうか。皆さんの3Dプリントのお役に立てば幸いです。
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今回は、何をどうすれば3Dプリンタを使って立体造形物を作ることができるのかを解説します。まず、出力の大まかなフローを紹介した上で、出力のために必要な情報（データ）の作成、さらに最終的な出力のための設定について説明します。書類を印刷する紙のプリンタと違って、3Dプリンタは加工機の一種であるため、きちんと立体を作るための最低限の設定について理解していきましょう。
1. 3Dプリンタによる造形フロー
3Dプリンタで造形物を作る流れ（フロー）は、5つの工程に大きく分類できます（図1）。工程前半は、造形したい物体の元になる3Dデータを準備し、その品質を確認する工程で、3Dプリンタは直接関わりません。最初のステップは3Dデータの作成です。例えば、紙のプリンタで書類を印刷する場合、ワードなどで文書のファイルを作成した上でプリンタにその情報を送って印刷します。3Dプリンタでもこの関係は同じです。つまり、最初に3Dデータを作成するというプロセスが必要になるのです。
2. データの作成と確認
3Dプリンタで立体物を造形するためには3次元の形のデータが必要です。写真やイラストのような画像は2次元の情報しか持っていないため、3Dのプリンタで立体物を造形することができません。
・3D CAD、3D CGによるモデリング
3Dデータを作成する方法はいくつかあります。最も一般的な方法は、3D CADソフト、または3D CGソフトを使用する方法です。CADは、Computer Aided Design（コンピュータ支援による設計）の略で、主に工業製品を作成する際に使用されます。従って、正確な寸法や角度などが求められるものを作るのに向いています。例えば、自分の家で使用している道具が壊れてしまって、代わりになる補修部品を正確に作りたいという時には、CADを使うのがよいでしょう。その一方で、自分のオリジナルキャラクターを作りたいという用途もあるかもしれません。その場合、寸法の正確さよりも、絵を描くような感性や柔軟性が求められるでしょう。そのような3Dデータを造形する際には、3D CGが向いています。CGはコンピュータグラフィックスの略です。
既に立体物の実物があって、それを元にしたいという場合には、3Dスキャナを使ってデータ化する方法もあります。しかし、それなりのスキルが必要とされるのに加え、前述の2つの方法と比較して一般的ではありませんので、ここでは詳しい説明は割愛します。また、3Dデータを自分で作成せずに、有志が有償または無償で公開しているデータ共有サイトからダウンロードして使用することも可能です。その場合、STLファイル（次項で解説）の保存や検証は、基本的に必要ありません。
・STLファイルの保存
3Dデータが作成できたら、ファイルを保存します。他の多くのソフトウェア同様に、各ソフトに固有のネイティブフォーマットがあるだけでなく、異なるソフトウェア間で読み書き可能な共通の3Dデータフォーマットが、3Dデータの形式として存在します。
3. 造形のセットアップ、出力と後処理
造形可能なSTLファイルが準備できれば、あとは出力するだけです。ここからは、直接3Dプリンタが関わる造形のプロセスについて説明します。
・造形のためのセットアップ作業
3Dプリンタで出力する場合には、設定とともにプリンタ制御のためのソフトを使用する必要があります。このソフトの役割は、主に2つあります。1つは、造形物をどの向き・どの位置に配置するのか、積層の一層の厚みをどうするのか、などの設定をすることです。これらの設定は、造形品質や造形のスピードに大きく影響するためとても重要です。これらの詳細については、第5回で説明します。
もう1つの役割はスライサーという機能で、一層ごとにスライスされたデータを3Dプリンタに送ることです。データの転送については、設定ソフトが入ったPCとプリンタの常時接続が必要とされる場合と、一度データをプリンタに送ってしまえば、PCは切り離しても問題ない場合とがあります。後者の場合は、プリンタ自体にも制御ソフトが内蔵されています。また最近では、SDカードやWi-Fiなどで制御のためのデータを送ることができるものも増えています。
この設定を行うソフトは、多くの3Dプリンタで使用できる汎用タイプのものと、個々の3Dプリンタ独自のものがあります。キットで自作するようなものは別にして、購入してすぐに使えるタイプの3Dプリンタには、多くの場合、専用のソフトが用意されています。メーカーが用意した専用のソフトがない場合には、フリーまたは商用で多機種に使用できるものを別途用意するとよいでしょう。
・出力作業
3Dプリンタが造形を始めたら、人手は伴うことはほぼありません。造形が終わるまで、早ければ数10分、長い場合でも数時間から数10間待つだけです。その間、3Dプリンタの横についている必要はないものの、出力に時間がかかる場合には、定期的に状況を確認した方がよいでしょう。出力物が造形プレートから剥はがれてしまうなど、出力がうまくいかないことも、残念ながら珍しくはありません。そのような場合、早めに状況を確認した上で修正を行い、再出力をする必要があります。
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