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3Dプリンターの仕組みと特徴を解説！おすすめ3Dプリンターをご紹介！
⇛画像参照：ユピテルが提案する、ライフスタイルを豊かにする情報コラム
まるでドラえもんの道具に出てきそうな機械「3Ｄプリンター」について皆さんはどのくらい知っていますか？
3Ｄデータをもとに立体物を造形できる機械となりますが、実は1980年代には3Dプリンターの先駆けとなる技術が誕生していました。
本記事では「3Ｄプリンター」の仕組みや特徴、歴史について詳しく解説していきます。
また、おすすめの3Ｄプリンターもご紹介していきますので、是非、最後までご覧ください。
3Ｄプリンターの歴史 ～開発者は日本人！？～
こちらでは3Dプリンターの仕組みを知る前に歴史についてご紹介致します。
3Dプリンターどういった時代背景と共に成長してきたのか？どういった流れでブームが起こってるのか？
3Dプリンターの歴史
3Dプリンターの元となる「光造形法」を開発したのは、名古屋市工業研究所の小玉 秀男氏が世界初の開発者となります。
新聞印刷の仕組みを応用して、3次元製造にさせたものが3Dプリンターの始まりと言われています。
光造形法とは、光（紫外線）を使って液体状の樹脂を固める技術です。
光造形法を使用して何層にも積み重ねて立体的に仕上げることができます。
1981年に小玉 秀男氏は光造形法についての論文を日米で発表します。
小玉 秀男氏は特許申請を行いますが、海外へ留学をしている最中に審査期限が切れて無効になってしまいます。
その後、大阪府立工業研究所の丸谷洋二氏とチャック・ハル氏がそれぞれ光造形法の実用化に関する特許を申請しました。
そして、1987年にはチャック・ハル氏が設立した3D System社が世界初の3Dプリンターを発売することに成功しました。
当時3Dプリンターの導入には、何千万円クラスという膨大な費用がかかるため、大企業が試作段階で使用するのが主流でした。
また、当時は使える材料の種類は少なく、造形物の強度も耐用性も低水準のものばかりでした。
チャック・ハル氏が3Dプリンターを発売した3年後の1990年に、現在主流となっているFDM方式を採用した3Dプリンターを、アメリカのStratasys（ストラタシス）社が開発し、製品化に成功しました。
FDM（Fused Deposition Modeling）方式は日本語で熱溶解積層方式とも呼ばれ、その名の通り、熱で溶かして樹脂を1筆書きで積み重ねて造形する方法です。
ではなぜ、1980年代から存在する3Dプリンターが最近になって注目され始めたのか？
それは、2009年にStratasys（ストラタシス）社が保有していたFDM方式の基本特許が期限切れとなり、他のベンチャー企業が多数3Dプリンター業界へと参入してきました。
その結果として、個人用の安価な3Dプリンターが市場に多く流通されるようになり、3Dプリンターブームが起こりました。
発売当初は1億円以上していたプリンターが、企業が参入してきた事により数百万円～数千万円程度でクオリティの高い機器の購入が可能になりました。
さらにブームを加速させたきっかけが、2012年に米国のオバマ大統領が3Dプリンターを教育現場に導入するなどの支援をする活動を行っていました。
2013年には3Dプリンターに関する話題がメディアを中心に増え始め、大きな注目を集める「3Dプリンターブーム」が訪れました。
そのキャッチフレーズは「3Dプリンターは何でも作れる箱！」でした。
このブームの背景には、家庭用の3Dプリンターが手頃な価格で市場に登場し始めたことがあります。
これにより、大手企業や専門家だけでなく、一般消費者も個人用フィギュアや自作のプラモデルなどを作成することが可能になり、購買層が一気に拡大しました。
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3Ｄプリンターの仕組みについて
3Dプリンターは先に説明した通り、CADなどの3Dデータをもとにしてプラスチック（樹脂）、金属、カーボンなどの材料を用いて造形することができます。
また、3Dプリントを行う場合は、以下の手順でプリントが行われます。
1．3Dデータの作成
最初に行うことは3Dデータの作成です。
基本的にはCADを使用して3Dデータを作成しますが、近年では3Dデータの無料提供や外部委託などで3Dデータを入手することができます。
2．STLデータ形式に変換する
データの作成・入手が完了したら、STLデータ形式に変換する必要があります。
STL形式に変換することで、ほとんどの3Dプリンターで読み込むことができますが、古いソフトですと出力をサポートしていない場合もあります。
3．ツールパスデータへの変換
STL形式に変換したデータをツールパスデータに変更します。
変更には3Dプリンター専用のソフトが必要になるので注意してください。
大手メーカーの製品であれば、専用のソフトが用意されていることがほとんどですが、一部は用意されていないこともあるので、こちらも注意が必要です。
4．データを3Dプリンターに送る
ツールパスデータに変換したら、3Dプリンターと接続し、造形を開始します。
機種によって造形方法が異なりますので、購入前にチェックをしておきましょう。
5．サポート材の後処理
造形が完了したら後処理を行います。
後処理では造形物についたサポート材を取り除く必要があります。
その際はニッパーやラジオペンチなどで除去しましょう。
3Dプリンターを頻繁に使う方であれば、専用の特殊な溶液を使う方もいます。
細部まで除去することができたり、時間短縮にはなりますが、設備や溶剤を使うので、専門的な知識が必要になります。
仕上げ加工
サポート材の処理が完了したら、仕上げ工程に移ります。
造形物が完成したら表演には、凹凸がありますので、研磨を行なうことで滑らかな仕上がりにすることもできます。
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3Ｄプリンターの特徴 ～7つの造形方法～
3Dプリンターの大きな特徴として光造形方式・FDM方式を含む7つの造形方式が存在します。
今回は７つすべての造形方法について簡単に紹介していきます。
光造形方式
光構造方式は液体の樹脂にレーザーを照射し、樹脂を固めて積み重ねることで立体的に造形する方式です。
高精度で細かな造形が可能となっております。
しかし、太陽光などの二次硬化が進むと、壊れやすくなります。
FDM方式（熱溶解積層方式）
FDM方式は熱で溶かした樹脂をノズルから出し、積層させて造形する方式です。
プラスチック製のような強度があり、材料のカラーバリエーションが豊富で実物に近い造形が可能となっております。
しかし、積層させて造形するため、断層が目立つ仕上がりとなってしまいます。
結合剤噴射方式（インクジェット方式）
結合剤噴射方式はインクジェットのノズルから光硬化性樹脂を結合材として噴射し何層にもかけて造形する方式です。
造形の速度が速く、面倒なサポート材の除去が不要なためトータルしてスピーディーな造形が可能となっております。
しかし、耐久性が低いため、試作品段階で良く使用されています。
材料噴射方式 （インクジェット方式）
材料噴射方式はインクジェットのノズルから樹脂を噴射し、紫外線で固めて造形する方式です。
複数の素材を混ぜることができ、硬度と色合いを自由にカスタムすることができます。
しかし、太陽光などの熱で劣化が進んでしまうのでなるべく陽が当たらないところで保存しておきましょう。
SLS方式（粉末床溶融結合方式）
SLS方式は粉末状にした材料にレーザーを当て熱着する方式です。
高精細な造形が可能となっております。
また、金属の材料を使って造形ができ、そのまま商品化にすることも可能となっております。
しかし、仕上がりが表面にざらつきが発生してしまいます。
シート積層方式
シート積層方式は薄いシート(材料)を何重にも重ねて、接着剤や超音波等で造形する方式です。
PVC・金属・紙などの材料を使用することができ、複数の素材を合わせて使用することも可能です。
しかし、材料の廃棄が他の方式より多く出てしまいます。
指向性エネルギー堆積方式
指向性エネルギー堆積方式は金属の材料(粉末状)を噴射しながらレーザー光で溶接し造形する方式です。
金属での造形のため、耐久度が非常に高く部品製作に使用されるケースもあります。
しかし、表面が少し粗い仕上がりになるため、後処理が重要となってきます。
3Ｄプリンターのメリット・デメリット
こちらでは3Ｄプリンターを導入することによるメリットとデメリットをお伝えします。
導入を検討されている方はメリットとデメリットをよく理解してから3Dプリンターを購入しましょう。
試作品作成時間の大幅短縮
3Dプリンターを導入することで試作品を作成する時間を大幅に短縮することができます。
通常、試作品を作るにはいくつもの工程を行う必要があるため数週間かかりますが、3Dプリンターを使用することで1日以内で作ることができ、アイデアをそのまま形にすることができます。
そうすることで、試作品をすぐに確認できることで、問題点を早めに気付くことができます。
材料の選定や製造工程を試作品作成後に決めることができます。
開発コストの削減
通常は試作品を作成する際は外注もしくは自社製造を行い、材料費・人件費の費用がかかります。
ただ、3Dプリンターを導入することで人件費が削減ができます。
高額なコスト
3Dプリンターは法人用と個人用で金額は異なりますが、仕上がりが良い造形をするには個人用では20～30万円、法人用では300～400万円の導入コストがかかります。
また、3Dプリンターを使っていく上で材料費やメンテナンス費、修理費などのランニングコストも比較的高くなってしまいます。
耐久性の低さ
先に説明した通り、3Dプリンターは材料(主に樹脂)を何層も積み重ねて造形するため、必然的に耐久性が低くなってしまいます。
また、造形方式によっては太陽光などの光によって形が変形してしまいます。
大量生産に向かない
3Dプリンターで造形する場合、時間と材料のコストが通常より高くなってしまいます。
3Dプリンターでは試作品を作り、製品は専用の機械で作るのが一般的となっております。
時間の観点からも、1つの試作品を作成するのに10時間以上かかるものもありますので大量生産には不向きです。
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3Dプリンターを選ぶコツ
こちらでは3Dプリンターを選ぶコツをお伝えします。
3Dプリンターも機種によって特徴や使用用途が変わってきます。
ご自身の目的に合わせた機種を選びましょう。
造形サイズやスペック等の確認
造形サイズやスペック等の確認は必ず行いましょう。
小さい造形をするという目的であれば、造形サイズが大きい3Dプリンターを購入する必要はなくその分、安価に購入できます。
自分に合った造形サイズとスペックを選びましょう。
レビュー、評価の確認
3Dプリンターを初めて購入する場合はレビューや評価を参考にしてみましょう。
「初めて使う人にはおすすめ」や「プラモデル作るのに最適」など用途に合った3Dプリンターを探すことができます。
また、良い評価だけではなく悪い評価も必ず確認しましょう。
購入する前に悪い評価を確認しておくことによって吟味することができます。
～最新版～ おすすめ3Ｄプリンター5選
今回は個人用のおすすめ3Dプリンターを5つ紹介します。
それぞれの3Dプリンターに特徴がありますので、ご自身にあった3Dプリンターを選びましょう。
1|Creality「Ender-3 V3 SE」
価格 30,222円(税込)
造形方式 FDM方式（熱溶解積層方式）
造形サイズ 220x220x250mm
Ender-3 V3 SE は初めて3Dプリンターを使う方におすすめです。
出力スピードも速く、短時間で造形することが可能です。
また、組み立てるパーツが4つしかないため簡単に印刷開始することができます。
⇛公式ページ：Creality「Ender-3 V3 SE」
2|ELEGOO「Neptune 4 Plus」
価格 53,599円(税込)
造形方式 FDM方式（熱溶解積層方式）
造形サイズ 320x320x385mm
Neptune 4 Plusは大きい造形が可能となっており、複数の部品を同時に造形することが可能となっております。
高速マザーボードを使用しており、造形スピードも最大500mm/sという高速印刷が可能です。
さらにWi-Fi接続に対応しており、有線LANが不要なためスペースの確保もしやすくなっております。
3|Creality「K1 Max」
価格 140,000円(税込)
造形方式 FDM方式（熱溶解積層方式）
造形サイズ 300x300x300mm
K1 Maxは造形サイズ300x300x300mmと大型の造形が可能となっております。
造形速度も通常のFDM3Dプリンターより12倍速い仕様となっています。
多様なフィラメントを瞬時に溶かすセラミックヒーターを搭載しており、個人用の3Dプリンター内で最も高性能と評価されています。
4|QIDI TECH「X-Plus 3」
価格 88,349円(税込)
造形方式 FDM方式（熱溶解積層方式）
造形サイズ 280×280×270mm
X-Plus 3は独立チャンバー加熱システムを採用しており、25分でチャンバーを60度まで上げることができます。
また、前機種を上回る高機能を搭載しており高速造形が可能となっております。
本体もシンプルでスタイリッシュ名デザインとなっています。
5|Creality「Ender-3 V3」
価格 63,599円(税込)
造形方式 FDM方式（熱溶解積層方式）
造形サイズ 220*220*250mm
Ender-3 V3は通常の3Dプリンターより12倍速く造形することが可能となっております。
また、高性能なダイレクトドライブ押出機を採用しており、1000時間以上ノズルがつまらないとされています。
また、組み立ても3ステップで簡単に組み立てができます。
金額は高価ですが、それに見合った効果を兼ね備えています。
まとめ
3Dプリンターは近年世間から大きな注目を集めており、その進化と利用範囲の拡大は驚くべきスピードで進化しています。
この記事では、3Dプリンターの基本的な仕組みや特徴、さらにはおすすめの3Dプリンターについて解説しました。
3DプリンターはCADなどの3Dデータを基に、様々な材料を使って立体物を造形する革新的な技術です。
造形方法には、光造形法やFDM方式など、目的に応じた複数の方法があります。
3Dプリンターのメリットとしては、試作品作成時間の短縮や開発コストの削減が挙げられます。
これにより、製品開発においてのさまざまな問題を解決することができます。
一方で、デメリットとしては、高額な初期投資が必要であり、造形物の耐久性にも課題があるため、大量生産には向いていません。
また、材料やメンテナンスのランニングコストも比較的高いです。
3Dプリンターを選ぶ際には、造形サイズやスペックの確認が重要となっており、自分の用途に最適なモデルを選ぶために、レビューや評価を参考にすると良いでしょう。
特に初めて3Dプリンターを使用する場合は、操作の容易さやアフターサポートの質も重要な選択基準となります。
3Dプリンターを導入する時に何を一番重要視しているかを考慮して購入しましょう。
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