3Dプリンタの種類と動作原理

 
3Dプリンタには、おもに以下のような方式があります。
 

熱溶解積層(FDM)方式

Fused Deposition Modeling の略で熱溶解積層方式といいます。
ABSやプラスチック樹脂などを、熱で溶かして積み重ね造形します。
低コストで取り扱いも簡単ですが、造形スピードが遅く精度もあまり高くありません。
 
 

光造形(SLA)方式

SLAは、Stereolithography Apparatus の略です。
プロッター方式・ガルバノスキャナ方式とDLP方式に分けられます。
 
・プロッター(Plotter)方式
・ガルバノスキャナ(Galvano Scanner)方式

紫外線レーザーを照射すると硬化する液体樹脂を用いた方式です。
精度が高く細かい造形物が作れますが、コストが高く造形スピードが遅いという難点があります。
同じ方式でもレーザーをモーターでコントロールするものをプロッター(Plotter)方式、鏡でレーザーをコントロールするものをガルバノスキャナ(Galvano Scanner)方式と呼びます。
 
・DLP方式 (Digital Light Processing)

プロジェクタの光で樹脂を硬化させる方式です。
SLA方式に比べ精度はやや落ちますが、面で造形するため造形スピードは速く価格も安価です。
ミッツでは、この方式の3Dプリンタを取り扱っております。
使用できる樹脂などの説明は後述します。
 
 

インクジェット方式

複数のノズルから霧状に噴射した樹脂に、紫外線を照射して積層する方式です。
非常に微細な樹脂で積層するため高精細な造形を得られますが、造形スピードが遅くノズルが目詰まりするため、顔料などで樹脂を着色できません。また、インクジェット方式は現状では高額といえます。
 
 

粉末焼結積層造形

レーザーの照射によって、粉末材料を焼結させて造形する方式です。
金属素材が使用可能であり、樹脂で造形する場合はサポート材が必要ありません。
また造形スピードも速いですが、造形物の表面が粗く装置や設備が高額です。
 
 
 

ミッツで販売する3Dプリンタ

 
M3DS200_Front

ミッツ株式会社では、光造形(DLP)方式の日本製3Dプリンタ M3DS-200を販売しています。

現在、ミッツでは光造形(DLP)方式の3Dプリンタを3機種(床上設置型)を販売しています。

2016年初頭には、低価格卓上型を発売する予定です。
 
M3DS-200の特徴
 
・吊上げ式の造形方式を採用したM3DS-200は、従来の光造形装置に比べて造形に使用する樹脂量を大幅に削減できます。

・樹脂を交換することで、硬いアクリルの造形だけでなく弾力のあるゴムライクの造形が可能です。

・樹脂を硬化させる光源に、LED&レーザーハイブリッド光源搭載のプロジェクタを使用することで、高寿命、低価格、造形の高速化を実現しました。

・またFDMなどの3Dプリンタと異なり、ノズル等の無いシンプルな構造であるためメンテナンスが簡単です。

・造形に必要なサポートの作成やSTLデータの編集、スライスデータの作成が可能なソフト NfDesign CSが付属します。
 
 
 

光造形(DLP)方式のメリットとデメリット

 
ABS樹脂などを使用したFDM(Fused Deposition Modeling/熱溶解積層法)方式の3Dプリンタは、寸法の経年変化が少なく安定した造形が可能です。
しかし、FDM方式は 一筆書きで面を作成するため造形スピードが遅く、積層ピッチ(1層の厚さ)が多くの場合 0.1 mm と粗いため積層痕の目立つ造形となります。

弊社取り扱いの M3DSシリーズで採用しているプロジェクタによる光造形方式(DLP方式)は、プロジェクタから可視光によって、一層の画像を一度に照射する造形であるため、高速な造形スピードを利点としています。また、積層ピッチ 50μm/25μm の高精細で滑らかな造形が可能であり、材料となる樹脂を入れ替えることで、アクリル樹脂やゴムライク樹脂など様々な材質で造形することができます。

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一方、光で硬化する樹脂を使用するため、出力した造形物に太陽光を当て続けると、変形やひび割れなどが発生する場合があるので注意が必要です。そのため、材料となる樹脂は光の当たらない場所に保管しなくてはいけません。

出力後には造形物に付着している樹脂を落とすため、アルコールを使用した洗浄を行います。超音波洗浄機を使用すると作業の効率化が図れます。樹脂やアルコールは においが発生するので、3Dプリンタを換気の良い場所へ設置することが求められます。洗浄に使用したアルコールの廃液は産業廃棄物となりますので、取り扱いに注意が必要です。

3Dプリンタの方式には、それぞれメリットとデメリットがありますが、光造形(DLP)方式は 他社に切削や金型を発注する必要がないため短時間で造形を得られ、機構の確認や不具合の早期発見が簡便となり、納期の短縮や 経費の削減を可能にします。
 
この項のまとめ

○メリット
・高精細で滑らかな造形
・造形スピードが速い
・いろいろな種類の樹脂が使用できる

○デメリット
・太陽光によって、変形やひび割れが発生する場合がある
・換気の良い場所に設置しなくてはいけない
・樹脂やアルコールの取り扱いに注意が必要
 
 
 

樹脂の取り扱いについて

 
樹脂の取り扱いには厳重な注意が必要です。
皮膚に樹脂が付着すると、かゆみやかぶれといった症状を引き起こします。

弊社取り扱いの樹脂のみではなく、樹脂を取り扱う際は必ず手袋を着用して下さい。

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左: 市販のゴム手袋
右: 使い捨てニトリルゴム手袋
 
弊社では、使い捨てニトリルゴム手袋の上に、さらにゴム手袋を着用して作業しています。

安全のため手袋を二重に着用しています。
(ゴム手袋の中に入り込んだ樹脂に触れないように、内側に使い捨てニトリルゴム手袋を着用する意味もあります。)

ゴム手袋は購入後2 ~ 3ヶ月使用していますが、使い捨てニトリルゴム手袋は一工程ごとに捨てています。

※樹脂が皮膚に付着した場合、消毒用アルコールでよく手を洗い、さらに石鹸で手を洗った後、お湯で流すようにして下さい。
 
 
 

光造形3Dプリンタの設置場所について

 
弊社3Dプリンタで使用される樹脂は、可視光線で硬化する特徴があり、3Dプリンタ本体は なるべく光の入らない場所へ設置して下さい。
3Dプリンタ本体のカバー部はUVカット仕様になっていますが、樹脂は蛍光灯の光でも緩やかに硬化してしまうため、直射日光が当たる場所での本体の設置は避けてください。本体内部で樹脂が硬化してしまうと致命的な損傷になります。
窓がある部屋に本体を設置する場合は、窓にUVカットフィルムを貼る必要があります。
また、出力された造形物を洗浄したり本体の清掃を行う際にアルコール(イソプロピルアルコール)を使用しますが、樹脂とアルコールはそれぞれ独特なにおいを持つため、換気を行う設備が必要となります。
 
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弊社 作業風景

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樹脂は棚の中に保管しています

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作業部屋には二台の換気扇が設置され、窓にはUVカットフィルムを貼っています

 
 
 

造形の反りについて

 
現在、M3DS-200 の造形にはアクリル系の樹脂を使用していますが、アクリルは吸湿や温度によって反りや歪みが発生する欠点があります。

下画像は、i-Phone のカバーを出力した画像です。

板状の造形に反りが発生しているのが分かります。

アクリルは熱すると柔らかくなるため、造形物を2~3分お湯に浸けた後 手で形を整えることも出来ますが、真っ直ぐにはなりません。造形物を熱する際は 90℃ぐらいのお湯で作業できます。くれぐれも火傷に気をつけて下さい。

現在、反りの少ない樹脂の調査を進めています。
 
 
 

造形の脱落に関して

 
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M3DSシリーズでは、アルミ箔をグリスで貼り付けた造形プレートを、造形台に差し込み固定します。

造形プレートに貼られたアルミ箔に、造形物が出来上がります。

アルミ箔を貼らずに造形を行うと、造形プレートに樹脂がしっかりくっついてしまうため、作業が完了した後に造形物の取り出しが難しくなります。

造形プレートにアルミ箔を貼ることで、作業が完了した際 造形物をアルミ箔ごと剥がして、取り出しを簡便にすることができます。

しかし、造形物が 100g を超える場合、造形作業の最中にアルミ箔が造形物の重さで剥がれ、造形物が脱落してしまう場合があります。

造形作業を行う前に、制御ソフト PRM で樹脂使用量を確認して、100g を超える場合はサポートの作り方の変更やデータを中空にして軽くするなど対策を講じる必要があります。
 
 
 

制御ソフト PRM

 
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制御ソフト PRM を使用して、付属STL編集ソフト NfDesign CS で作成したスライスデータを読み込み、M3DS-200 を操作して実際の造形を行います。
 
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アイコン
 
 
PRM では、以下の操作が出来ます。

・スライスデータの読み込み
・プロジェクタによる照射時間の設定
・造形終了までの時間の確認
・造形に必要な樹脂量の確認
・これまでにプロジェクタを稼動させた時間の確認

※プロジェクタの光源は、20,000 時間を寿命の目安としています。
 
 
 

付属STL編集ソフト NfDesign CS

 
NfDesign
M3DS-200付属のSTL編集ソフト NfDesign CS を使用して、3D CAD/モデリング ソフトで作成したデータを基に、3Dプリンタでの造形に必要なスライスデータを作成します。

NfDesign_Support

 
主な機能
1. データ読込(STLデータ)
2. サポート作成:モデル上の任意の場所に、造形を支えるサポートを作成できます。
3. スライスデータ作成

推奨仕様
OS:Windows7 / 8、 メモリ4GB以上、 グラフィックOpenGL対応
 
 
 

ミッツ 3Dプリンタの造形材料

 
ミッツの3Dプリンタで使用している造形用樹脂は次の通りです。
 
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なおミッツでは樹脂メーカーに協力していただきながら、新たな樹脂の開発に取り組んでいきます。
その成果は、随時 発表して参りますので御期待下さい。

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