3Dプリンターとは?データ作成方法から活用事例まで徹底解説

矢野経済研究所の調査報告書「3Dプリンタ材料の世界市場に関する調査を実施(2019年)」では、3Dプリンター材料の市場は、2018年度の1,813億円から年平均21.2%で成長していき、2023年には約4,750億円になると予測されています。3Dプリンターの材料の多様化と高機能化によって、市場は大きく伸びています。

製造業をはじめ、医療や航空業界でも3Dプリンターを活用する企業が増えています。さらに、新型コロナウイルス感染症(COVID-19)の影響で、小ロットの試作品が自動で製造できる機材として3Dプリンターは注目を集めました。本稿では、そのような魅力溢れる3Dプリンターについて詳しく解説します。

3Dプリンターとは

3Dプリンターは、3次元ソフトウェアで作成されたデータを元に、現実の物体を作りだす機械です。

インクを用いて紙面にプリントする従来のプリンターとは異なり、3次元データを元に樹脂や金属の材料を用いて立体構造物を完成させます。3Dプリンターの種類は様々ですが、3Dデータさえあれば物体の再現が可能です。

3Dプリンターの歴史

3Dプリンターは、工業用機器として自動車や電化製品の部品を製造するために利用されてきました。1990年代、3Dプリンターの導入費用は、約1,000万円ほどかかり、高額装置として知られていました。

また、その頃は、3Dプリンターではなく「ラピッドプロトタイピング」と呼ばれていました。ラビッドプロトタイピングは英語にすると「Rapid Prototyping」で、Rapid(素早く)Ptorotyping(試作する)という意味を持ちます。

この装置は、中小企業が導入するには高価過ぎましたが、特許の期限が切れて格安の3Dプリンターが登場したことで、2010年代後半から再注目されるようになりました。

参考資料:日本電産株式会社「ラピッドプロトタイピング」

参考資料:RICOH「3Dプリンターとは?」

3Dプリンターのメリット

1.コスト削減と開発期間の短縮
外注に依頼していた試作品も、3Dプリンターを導入すると、社内で開発が完結します。外部とのやり取りが排除され、開発期間を大幅に短縮することが可能です。さらに、試作工数とコストを削減できることもメリットです。

2.アイデアの創出
ひらめいたデザインを造形することで、アイデア創出の場が増えます。現場で創出したイメージがすぐに完成します。

3.設計品質の向上
手軽に造形できるため、細かい形状や動きの確認が容易になります。複数のパーツを組み立てて作っていたものも、3Dプリンターを使うことによって接合部のない1つのものとして完成させることが可能です。そのため耐久性も強化され、全体の品質の向上につながります。

4.セキュリティーの確保
試作品の製造を内製化することによって、外部にデータを持ちだす必要がなくなります。そのため、セキュリティー面の向上にも役立ちます。

5.商品開発の幅が広がる
今まで実現できなかった形状が3Dプリンターでは作成可能です。試作品が気軽に造形できるため、商品開発の幅が広がるのもポイントです。

参考資料:canon「3Dプリンターができること」

3Dプリンターのデメリット

・導入コストがかかる
3Dプリンターは低価格になってきましたが、それでも導入コストはかかります。大量生産が目的であれば、1つあたりの作成コストが高くなることも考えられるでしょう。アイディア創出のためなら問題ありませんが、生産目的になると導入コストが高くなることがあります。

参考資料:i-maker「3Dプリンターが日本のモノづくりに与える影響と本当の使い道とは」

3Dプリンター用データの作成方法

3Dプリンター用データの作成方法は、「3DCAD」 「3DCG」 「3DSCAN」の3つがあります。

3DCAD

3DCAD(3次元コンピュータ支援設計)は、建築設計や工具の試作品設計などの製造現場で利用されているソフトです。詳細情報が記載できるため、完成品の精度を高められます。そのため、製造物の完成精度を重視したい方は、3DCADの導入を検討してみてください。

3DCG

3DCG(3次元コンピュータグラフィックス)は、3次元空間にある仮想的な立体物を、2次元に変換できるソフトです。3DCADと比較した場合、細かな設定には向いていません。

3次元空間にある立体物を2次元に変換できるため、デザイン性を重視したモノづくりに適しています。フィギュアなどの試作品を製造する場合に3DCGが良く利用されます。

3DSCAN

3DSCANは、3Dスキャナーを使用して物体の3次元データを取り込む方法です。対象物を3次元の座標(x,y,z)にプロットして自動でデータを生成していきます。3DCADや3DCGと比較すると精度は落ちてしまいますが、設計が不要という強みを持っています。

STLファイルへの変換

3DCADや3DCGで作成したデータは、STLファイルに変換します。STLファイルは、3Dプリンター業界を牽引してきたリーディングカンパニー3DSystems社によって開発されたもので、多くの3DCADソフトはSTLファイル形式をサポートしています。STLファイルの検証では、表面に厚みがないか、穴が空いていないかを確かめます。

上記では、自分自身でデータを作成する方法をご紹介しましたが、配布サイトを利用するという方法もあります。3Dプリンターデータの作成方法に関する詳細の情報は、下記の記事をご覧ください。

3Dプリンターデータの作成方法~医療・製造・アパレル編~

また、3DCADや3DCGのソフト導入を検討している方は、下記の記事を参考にしてみてください。

【2020年最新版】おすすめ3Dプリンター用3DCADソフト7選

参考資料:株式会社エヌエスエス「【活用事例】3Dモデリング無し。3Dスキャンから3Dプリント出力<わさびのデジタル化編>」

3Dプリンター造形方式

3Dプリンター造形方式は、下記5つに分類されます。

  • 熱熔解積層方式
  • 光造形方式
  • インクジェット方式
  • インクジェット粉末積層方式
  • 粉末焼結積層造形方式

熱溶解積層方式

熱溶解積層方式とは、フィラメント材料を高温で溶かし、ノズルから出力させながら一層一層積み重ねて立体物を造形する方式です。

2009年に一部の特許期限が切れたことによって、価格破壊が起こり、様々な企業で3Dプリンターが導入されるようになりました。熱溶解積層方式は現在、3Dプリンターの中で最も良く使われている造形方式です。

光造形方式

光造形方式は、液体状の光硬化性樹脂を紫外線レーザーで一層ずつ硬化させて積層していく造形方式です。近年、光造形方式の3Dプリンターの価格破壊が起こっており、熱溶解積層方式よりもキレイに仕上げられる点が大きな注目を集めています。

インクジェット方式

インクジェット方式は、インクジェットヘッドから噴出した樹脂を紫外線で固形化していく造形方式です。機種によっては、複数の素材を選択して混ぜられる点も大きな注目を集めています。

インクジェット粉末積層方式

インクジェット粉末積層方式は、ヘッドから光硬化性樹脂を結合材として噴射し、粉末を一層ずつ固めていく方式です。光硬化性樹脂の色を変えることで、粉末を容易に着色できるため、デザイン関連の確認やフィギュアの製作に向いています。

粉末焼結積層造形方式

粉末焼結積層造形方式は、粉末状の素材にレーザーを照射して焼結させる方式です。高精細かつ耐久性のある造形物を製作でき、金属素材も使用できるというメリットがあります。また、縦方向にも造形できるため、効率よく物体を作り出すことが可能です。

従来は粉末焼結積造形方式の3Dプリンターが低価格で購入できるとして導入されていましたが、近年は光造形プリンターの価格が下がっているため、注目を集めています。

滑らかで高細精の造形を実現できる光造形プリンターに関する詳細情報は、下記の記事をご覧ください。

【光造形3Dプリンター徹底ガイド】基礎から人気メーカーまで総まとめ

参考資料:JMC「熱溶融積層法を学ぶ」

参考資料:RICHO「3Dプリンターの造形方式の違い」

参考資料:LINTEC「インクジェット方式の仕組み」

3Dプリンターに使用する素材

分類 種類 特徴 利用用途
主要フィラメント PLA樹脂 ジャガイモに含まれるデンプンの植物由来のプラスチック素材 食品用トレイ・農業用フィルム・家電製品の部品
ABS樹脂 フィラメント素材の中でも汎用性の高いプラスチック素材 住宅用建材・自動車の部品・家電製品の部品
特殊フィラメント ポリアミドナイロン樹脂(PA) 高耐熱性や耐久性を向上させたエンジニアリングプラスチック素材 工業製品の部品
耐衝撃性ポリスチレン(HIPS) ポリスチレンのような透明性はないですが、耐衝撃性が大幅に向上した素材 フィギュア
ポリカーボネート(PC) 透明性と難燃性、耐衝撃性を持つエンジニアリングプラスチック素材 カメラレンズ
ポリエチレンテレフタレート(PETG) 耐熱性や耐寒性に優れており、耐薬性も持つ素材 フリース
ポリアセタール(POM) 耐摩耗性に優れて、自己潤滑性がある素材 ギア・ベアリング・グリップ・楽器のパーツ
ポリプロピレン(PP) UV硬化樹脂のため、光造形法の3Dプリンターの材料として利用できる 洗剤の容器、収納ケース
ポリビニルアルコール(PVA) 親水性が高くて、水に溶ける素材 フィルム
エラストマー(TPE) 耐摩耗性、耐衝撃性、柔軟性、引張強度、耐薬品性に優れる素材 医療用の手袋、マスク
サポート材 試作品を造形する際に必要な材料で、造形後は取り除く
その他 木の質感を再現できるフィラメントや銅粉を混ぜたフィラメントなどが開発されている

3Dプリンターフィラメントの各素材の詳細が知りたい方は、下記の記事をご覧ください。

3Dプリンターフィラメントの種類別の特徴と利用用途を徹底解説!!

また、全日空のエンジンブレードが金属積層製造技術で製造されるなどして、近年は金属用フィラメントが注目を集めています。注目されている金属用3Dプリンターについては下記の記事をご覧ください。

【金属用3Dプリンター徹底ガイド】基礎から人気メーカー7社まで総まとめ

参考資料:RICHO「使用できる材料と特性:造形材料・素材の特徴」

3Dプリンター主要メーカー

メーカー名

特徴

DMM 日本で3Dプリンターが認知されてから、いち早くサービスを提供している国内3Dプリンターのパイオニア的存在です。
出力代行サービスは、樹脂・金属など20種類以上の豊富な素材から選択できて短納期で使い勝手が良いと評判を集めています。
XYZプリンティング 家庭用から業務用まで、幅広い3Dプリンターを開発しているメーカーです。
フルカラープリントに対応した「PartPro200xTCS」や1時間で20mmの高速プリントを実現した「MfgPro230xS」など幅広い3Dプリンターを取り扱っています。
Hictop 業界最安値の3Dプリンターを販売しているメーカーです。
家庭用・業務用の3Dプリンターが10万円以内で購入することができ、独自開発のフィラメントも取り扱っています。 低価格の3Dプリンターですが、2種類のフィラメントを同時造形できる「デュアル造形」タイプの3Dプリンターも取り扱っています。
Qidi Technology 操作が簡単でコンパクトで持ち運びやすい3Dプリンターを開発しているメーカーです。タッチパネルで操作が可能なタイプの3Dプリンターも取り扱っており、誰でも簡単に操作ができると評判を集めているメーカーです。
キーエンス インクジェット方式を採用した3Dプリンターを取り扱っているメーカーです。
高精細3DプリンターAGILISTAは、色彩豊かな造形ができるとして高い評判を獲得しています。
Anycubic 光造形の3Dプリンター「Photon」が人気のメーカーです。 光造形の3Dプリンターは、熱溶解積層方式と比較すると滑らかに仕上がり、高額機器として知られていました。Photonは光造形の3Dプリンターが10万円以下で購入できるとして大きな注目を集めています。
インタービジネスブリッジ合同会社 熱溶解積層式(FDM)のコンパクトサイズの3Dプリンターでありながら、産業用向けの高精細な造形が可能と話題の「MAESTRO 2.5EX」をリリースしています。

上記は、主要メーカーの特徴について解説しましたが、より詳細の情報が知りたい方は、下記の記事をご覧ください。

【製造業向け】おすすめの業務用3Dプリンター7選と選び方を徹底解説!

また、3Dプリンターの購入金額が気になる方は、下記の記事をご覧ください。

3Dプリンター価格を5つの造形方式別に徹底解説!| あわせて知っておきたい「補助金」の存在について

3Dプリンターの導入方法

3Dプリンターを導入する方法として下記3つの導入方法がございます。

  • 購入
  • レンタル
  • 出力代行サービス(造形代行)

購入

3Dプリンターを自社専用機として購入した場合、自社内で製造するため短納期製造が可能です。また、社内に3Dプリンターに関するノウハウを蓄積していくことができます。

しかし、フィラメントなど、材料の在庫を抱える必要や導入費用がかかるなどのデメリットが発生するため、これらを考慮した上で購入を検討しなければなりません。

実際に3Dプリンターを購入する際は、メーカーに見積金額を提示してもらい、製品デモを受けて検討して購入する流れとなります。

3Dプリンターを社内に導入して活用する方法に関しては、下記の記事で詳しく説明しているので、ぜひご覧ください。

製造業での3Dプリンターの使い方とは?基本的な使い方と活用事例5選

レンタル

3Dプリンターのレンタルの魅力は、在庫を抱える必要がないことです。また、実際に機器を利用して購入を検討することができます。導入前の検討にも3Dプリンターのレンタルはおすすめです。

機種にもよりますが、レンタル後に本格導入する場合は、差額で購入できるメーカーもあります。便利なレンタルサービスですが、レンタル可能な機種に限りがあることがデメリットです。

出力代行サービス(造形代行)

3Dプリンターの出力代行サービスの魅力は、3Dプリンターに関するノウハウを必要としないことです。在庫を抱える必要もなく、すべてを代行することができます。しかし、代行業者に製造を依頼するため、1度の製造料金が高くつき、納期が遅いなどのデメリットがあります。

しかし、MM総研の調査報告書「国内法人における3Dプリンターの導入実態調査(2019年)」では、2021年度の3Dプリンター出力代行サービスは、2017年比で約3.2倍になると予測されており、依頼数は増えているようです。

試作品は不定期で製造するため、必要な時に、必要なだけ使用できる出力代行サービスが高い支持を得ています。 実際に、出力代行サービスを利用したい方は、下記の記事で詳しく説明しているので、ぜひご覧ください。

3Dプリンター出力サービスのメリットとは?製造業での活用事例とおすすめ業者を徹底解説

3Dプリンターの活用事例

最後に、実際の3Dプリンターの活用事例をご紹介します。

製造業

3Dプリンターの造形技術は高精細になってきており、航空機や自動車の部品製造にも採用されています。また、ロボットパーツの試作品としても3Dプリンターが活用され始めています。

従来であれば、パーツを分類して造形する必要がありましたが、機能性を損なうことなく、一度の造形で製造が可能になり、3Dプリンターを導入する企業が増えています。

医療分野

新型コロナウイルスの感染拡大に伴い、3Dプリンターを活用した医療物資の支援が行われました。3Dプリンターのノウハウを活かして、防護具のフェイスシールドを製造したジャパン・メディカル・カンパニーは6,000個のフェイスシールドを医療機関に届けました。

また、マスクや人工呼吸器の3Dプリンター用データが無償で配布されるなど、医療物資支援活動の動きが出ています。

参考資料:READY FOR「新型コロナと闘う医療現場に、1つでも多くのフェイスシールドを」

アパレル業界

アパレル業界でも、大手グローバルブランドを中心に3Dプリンターが導入され始めています。サンプルの造形をはじめ、量産に至るまでの期間を半分程度に短縮することを可能にしました。機会損失を減らしたり、生産過剰による廃棄を抑えたりとイメージアップにも貢献しています。

参考資料:RAISE3D「今後に期待!3Dプリンターとアパレル業界の発展が始まる!?」

《まとめ》

3Dプリンターを活用したモノづくりは広がっています。ITジャーナリストの見解によれば、有望分野とされる航空業界だけでも1兆円のコスト削減につながるそうです。

また、世界的に猛威を振るう新型コロナウィルスの影響で、サプライチェーンの分断化による生産停止など多大な被害が発生している状況です。

インダストリー 4.0 とは? デジタルトランスフォーメーションによって実現する全体最適

そのため、製造業などでは3Dプリンターを活用した、同ウイルスとの共存を見据えた「リスク回避型バリューチェーン」の構築に乗り出す企業が増えています。復興計画のためにも、3Dプリンターの導入を、ぜひ検討してみてください。