【３Ｄプリンター】3Dプリンターの造形方式種類

3Dプリンターの造形方式には複数種類の造形方式があります。その方式ごとに特徴があり、造形物の精度や造形できるサイズなども変わってきます。また造形方式ごとに対応材料も異なります。よってそれぞれの造形方式の特徴を理解し、比較をしたうえで造形したいモデルに適した造形方式を選択する必要があります。

3Dプリンターの造形方式はISOにて7種類に分類されています。 ISO17296-2:2015 AM Part2:プロセス分類の概要

1　液槽光重合法 / Vat PhotoPolymerization（光造形）

一般的には「光造形」や「SLA (Stereolithography)」と呼ばれる方式。液槽に光硬化性樹脂（紫外線硬化性樹脂）を入れ、液面に向かって上面または下面側から光を照射し１層ずつ硬化させ積層する方法です。断面に光を当てる方法としては、レーザをガルバノミラー等で走査する方法、またはプロジェクタを使用して断面形状を一括で露光する方法があります。通常、レーザで走査する方式を「SLA」、各層の断面画像を一括露光する方式を「DLP（Digital Light Processing）」と呼び分けられています。

2　材料噴射法 / Material Jetting

一般的には「インクジェット式」と呼ばれる方式。液体の光硬化性樹脂やワックスをノズルからインクのように吹き付け、すぐに紫外線を照射したり熱を加えて固形化します。一層積層するごとに造形ベッドが下がり次の層を積層します。ノズルからはモデル材とサポート材が供給されますがサポート材はモデル材とは異なる材料とすることが多いです。また、複数のモデル材を混ぜ合わせることが可能なため、カラー表現や異なる材料を混合して新たな物性を得ることも可能です。

3Dプリンターメーカによって仕様が若干異なり、3Dsysytems社は「MJP(Multi Jet Printing）」、Stratasys社は「Polyjet」と呼称しています。

３　結合材噴射法 / Binder jetting

平らに敷き詰めた金属、セラミックス、樹脂、石膏などの粉末にノズルから選択的に液体の結合材（Binder）を噴射して固形化する方式。金属3Dプリンターの場合は単一材料での扱いになりますが、樹脂3Dプリンターの場合は結合材に着色して吹き付けることでカラー表現も可能です。造形後に焼結や含浸処理が必要な場合があります。通常、サポート不要で造型が可能な方式です。

４　粉末床溶融結合法 / Powder Bed Fusion（粉末造形、PBF）

一般的には「粉末焼結」や「SLS」「SLM」「EBM」と呼ばれる方式。金属3Dプリンターおよび樹脂3Dプリンターで用いられる方式で、平らに敷き詰めた金属、セラミックス、樹脂などの粉末にレーザや電子ビームを照射してモデルの断面形状に溶融結合させる。一層積層するごとに造形ベッドが下がり次の層を積層します。基本的には単一の材料を使った造形となります。通常、樹脂粉末であればサポート不要ですが、金属3Dプリンターの場合にはサポートが必要になります。

５　材料押出法　/ Material Extrusion（MEX、FDM）

恐らく3Dプリンターの中一番知られている方式。材料を押し出して造形する方式ですが、中でもノズルの先端で樹脂を熱により溶融して造形する「熱溶解積層法（FDM）」が広く一般家庭にも普及しています。「FFF」も同様の意味で使われます。樹脂のフィラメントやペレットを溶融してノズルから押し出し、造形物の断面輪郭に沿って移動しながら積層することによりモデルを作成します。材料は主にABSやASA、PC、PEEK、ULTEMなどの熱可塑性の樹脂が用いられ、これらの材料を吐出ノズルの手前に設置したヒーターにより溶融します。また、樹脂だけでなく金属3DプリンターでもFDMタイプのプリンターがあり、金属のワイヤーやスティック状の材料を使用します。

６　指向性エネルギー体積法　/ Directed Energy Deposition（DED）

「レーザデポジション」や「LMD」「DMP」と呼ばれることもあります。金属3Dプリンター用の方式で、レーザ、電子ビーム、プラズマアークなどの指向エネルギービームで金属粉末やフィラメントの金属を溶融し、肉盛溶接する方式です。金属粉末を吹きつけるのと同時にレーザを照射してモデルの輪郭形状に溶融・凝固させながら積層することでモデルの形状に固形化します。