一口に金属3Dプリンターと言っても、さまざまなタイプがあります。ここでは、代表的な造形方式2つと現在注目を集めている造形方式2つをピックアップしてご紹介します。
（1）パウダーベッド方式
2020年j時点で、金属3Dプリンターで最も採用されているのが、パウダーベッド方式です。
パウダーベッド方式とは、金属粉末を敷き詰めたところにレーザービームや電子ビームを照射し、造形部分の金属のみを溶かして固めていく造形方式です。レーザービームを使用する方式を、「SLM方式」や「SLS方式」と呼ぶこともあります。
パウダーベッド方式のメリットは、造形精度が高いこと。造形方式のメリットではないですが、パウダーベット方式の金属3Dプリンターは多くのメーカーがリリースしているため、製品の選択肢が多いというのもメリットの一つです。
一方、デメリットとしては、金属粉末を一層敷き詰めて、レーザービームや電子ビームを照射してという動作を繰り返すため、造形に時間がかかります。また完成時には、造形物の周囲に使用されなかった金属粉末が付着しているため、それを取り除く手間もかかります。この造形に使用されなかった金属粉末は再利用が可能です。
（2）メタルデポジッション方式
メタルデポジッション方式も、金属3Dプリンターの代表的な造形方式の1つです。指向性エネルギー堆積法と呼ぶこともあります。
メタルデポジッション方式とは、金属粉末の噴射とレーザービームの照射を同時に行い、造形部分に溶けた金属を積層、凝固させていく造形方式です。
メタルデポジッション方式のメリットは、パウダーベッド方式よりも造形スピードが速く、金属粉末の除去作業も必要ないこと。さらに、一から造形するだけでなく、レーザークラッディングという、摩耗部分を肉盛り修復する加工もできます。
一方、デメリットは、パウダーベッド方式よりも造形できる形状に制限があり、造形精度も劣ることです。
（3）ADAM方式
Markforged社の金属3Dプリンター「Metal X」で採用されているのが、ADAM方式です。
ADAM方式では、樹脂を使用する通常の3Dプリンターで用いられているのと同じFDM方式で、材料を押し出して積層していきます。
FDM方式の3Dプリンターと異なる点は、まず材料。ADAM方式の金属3Dプリンターでは、熱を加えることで柔らかくなる熱可塑性樹脂に、金属粉末を混ぜたものを使用します。
そして、FDM方式の3Dプリンターの場合は、造形が終わると完成ですが、ADAM方式の金属3Dプリンターの場合は、完成までにさらにいくつかの工程が必要です。
熱可塑性樹脂は、金属粉末を接合する役割を持つバインダーなので、造形物からこれを取り除く脱脂と呼ばれる作業を行います。
その後、造形物を炉に入れて焼結させることで、初めて完成した金属部品になるのです。焼結する際に造形物が収縮するため、ADAM方式の金属3Dプリンターでは、完成寸法よりも大きく造形されます。
ADAM方式のメリットは、高強度／高密度で精度も高い金属部品を、従来の金属3Dプリンターよりも大幅に短い時間で造形できること。また金属粉末が飛び散ることがないため、粉塵爆発の心配がなく、より安全に造形することができます。
そして、ADAM方式の最大のメリットは、導入費用が、従来の金属3Dプリンターの10分の1程度に抑えられることです。これまで導入コストの問題でなかなか金属3Dプリンターに手が出せなかった企業も、導入を検討することができるでしょう。
デメリットを挙げるとすれば、脱脂や焼結の工程が必要なため、完成までにやや手間がかかるという点です。
（4）バインダージェット方式
バインダージェット方式は、ADAM方式と共に現在注目を集めている方式の一つです。
金属粉末を敷き詰めたところに液体のバインダーを噴射し、金属粉末を固めていく造形方式で、パウダーベッド方式のレーザービームや電子ビームを、液体のバインダーにしたものと考えていただくとわかりやすいと思います。
バインダーを噴射するので、金属3Dプリンターの造形だけでは完成品にならず、ADAM方式と同じように、脱脂、焼結の工程を経てようやく完成した金属部品になります。
バインダージェット方式のメリットは、造形スピードが速いこと。また敷き詰めた金属粉末が上の層を支えてくれるため、サポート材が不要で、複雑な形状の造形も可能です。
一方、デメリットは、ADAM方式と同じく、脱脂や焼結の工程が必要でやや手間がかかるという点でしょう。
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2相ステッピングモーターの励磁方式には、1相励磁、2相励磁、1-2相励磁があります。制御対象によって、 このステッピングモーターの励磁方式を適切に選ぶ必要があります。
１相励磁方式はコイルの１相を励磁する方式です。１ステップ辺りの角度精度がよく、消費電流が小さいというメリットがあります。 しかしモーター回転中の減衰振動が大きく、脱調などの同期外れを起こしやすくなります。
２相励磁方式は、コイルの２相を励磁する方式です。１相励磁方式と比べると約2倍のトルクを得ることができます。 減衰振動が小さく、広い範囲のパルスレートに応答します。広く用いられている励磁方式です。
１－２相励磁方式は、１相励磁と２相励磁を次々に切り替えて励磁を行う方式です。ステップ角度が細かくできるので、微細な 位置決めをすることができるのがメリットです。
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3Dプリンタが世に生み出されたことで、製造業のものづくりにおける環境に少しずつ変化が出始めました。
3Dプリンタを使うメリットとして、試作品を作る期間の短縮、開発コストの削減などがあげられます。
また、従来の方法では難しかった複雑な製品を作れるようになったことも大きな利点でしょう。
ただ、3Dプリンタを使うということは、当然3Dデータの作成をする必要があるという壁がありますね。
これまで製造業に携わってきた作業員たちにとって、畑違いであるパソコンでのデータ作成は至難の業です。
そこで、製造業における次世代の躍進の一歩として、学校教育で3Dプリンタが導入される動きが出始めています。
特にアメリカやイギリスの動きがさかんで、すべての学校に3Dプリンタを導入することを目標にしたり、教育カリキュラムを変更して子供の頃から3Dデータを扱えるようにしたりと次世代の製造業を後押ししています。
日本ではさすがに小中学校では導入できませんが、大学や専門学校ではすでに3Dデータの勉強が行われており、今の学生たちがものづくりを新しい時代へと発展させていく準備が進みつつある状況です。
ですが、まだ現状では3Dプリンタを中心とした製造業の未来は遠いというのが正直なところでしょう。
今の3Dプリンタのデメリットとして、製造物の耐久性が低いため、現状の技術では試作品を作る以外の使い方に乏しかったり、製造コストの面から大量生産が難しいなどの欠点があります。
また、3Dプリンタ自体の導入コストが高く、その影響からあまり普及も進んでいないという背景もあり、3Dプリンタで作った製品を大量生産できるのはもう少し先の話になりそうです。
それでも3Dプリンタが世に出てからこれまでの躍進は目覚ましいものがあります。
もしかしたら10年後20年後には、3D技術を駆使した新時代のものづくりが中心となっているかもしれません。
これから先、製造業の未来はどう変化していくのか。新しい技術をたずさえた若い世代に多いに期待したいものですね。
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3Dプリンターを使えば、身近なものからこれまで作ることが困難だったものまで、いろいろな造形、ものづくりができます。3Dプリンターの本体は見たことがあるけれど、実際に3Dプリンターを使って何が作れるのかが分からないという方に、いくつかの実例をご紹介します。
スマートフォンカバー
自分だけのオリジナルスマートフォンカバーを作ることができます。量販店などでお気に入りのスマートフォンカバーがなかなか見つからなかったとしても、3Dプリンターを活用すれば自分が考えたデザインで、自分の手にフィットする厚みや大きさのものを造形することができます。このように3Dプリンターは、世界に一つしかないユニークなものを簡単に作れるのです。思いつきで実物がすぐ手に入るスピード感も大きな魅力です。
フィギュア・模型
かつてのフィギュアは、原型を作成してシリコンなどで金型を作成し、そこに材料を流して固まったものを一つ一つ筆やブラシなどを使って手で着色していくという、非常に時間のかかる作業が必要でした。今では3Dプリンターを使い、造形から着色まで一気に仕上げることができます。3Dプリンターの登場で、自分だけのオリジナルフィギュアを販売するクリエイターも増えているとか。
キーホルダー・おもちゃ
落書きで書いた子どもの絵をパソコンでスキャンし、データ化。それを3Dプリンターで造形してオリジナルのキーホルダーやキャラクターグッズのおもちゃとして造形する方が増えています。世界でたった一つだけの貴重なアイデアを具現化して、お子さんがそれで夢中に遊ぶ、考えるだけでも素敵ですね。
自動車
なんと、実際に人間が乗って動かすことのできる自動車を3Dプリンターで作ることができます。アメリカのアリゾナ州にあるLocal Motorsでは、Stratiという世界初の3Dプリンターで造形した走行可能な自動車を作っています。ただし全ての工程を3Dプリンターで製作しているわけではなく、構成部品の約70％をまかなっているとのこと。
医療用模型
医療の現場では、義手や義足の制作などでも3Dプリンターが活躍しています。人間の体は成長とともに変化していくため、義手や義足は成長過程で何度も交換する必要があり、今までは体にフィットするものを作るために非常に長い時間と手間が必要でした。しかし3Dプリンターを使えば、これまでよりも圧倒的に早い時間で、個人にフィットしたものを造形することができます。
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切削加工による試作
切削加工は試作品製作において最も利用されてきた成形方法です。実際の製品と同じ材料で精度よく製作ができます。
しかし、1つあたりのコストが高く、外注する場合製品のサイズや複雑さに依存しますが、1週間以上の納期が必要となります。
射出成形による試作
射出成形で試作品製作をおこなう場合、アルミ材などを使用した簡易金型と呼ばれる金型強度やコストを下げた金型で製作されます。
さまざまな材料の製品を作ることができ、実際の製品に最も近い性能を出せます。
しかし、コストや納期は、切削や3Dプリンタと比較して大幅に劣ります。
3Dプリンタによる試作
3Dプリンタによる試作は、切削加工や射出成型と比べてとにかく短納期であることがメリットになります。
図面に落とし込む必要がなく組み立ての手順などの考慮もいらないため、手間なく試作品が作れます。
デザインやサイズなど複数の案を作って比較をしながら設計が進められるので、手戻りの防止につながります。
しかし、製品で使う材料で造形しても同じ機能を持たないので強度などの機能評価には向きません。
以上のように、どの成形方法にも一長一短があり、設計の各プロセスで上手な使い分けが必要となります。
一般的に3Dプリンタは、開発プロセスの初期段階における、デザイン性、組み付け性、部品の干渉や動作確認などで活用されます。
そして、開発プロセス中盤では、液体や気体などの流体実験、放熱性の実験などで活用し成功しているメーカーもあります。
一方、切削加工や射出成形は、設計の中盤から後半にかけて、実際の製品と同じ材料、同じ生産方式によって得られる試作品で、量産品と同等の評価をおこなったり、成形性（生産性）や品質のバラつきを確認したりするような活用がされています。
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