3D プリントの究極ガイド:利点、欠点、主要なテクノロジー

3D プリントとは何ですか?

3D プリンティングは、幅広いプラスチックや金属から部品を製造するために使用される積層造形技術です。プラスチックを一度に 1 層ずつ押し出す FDM (溶融堆積モデリング) から、レーザーを使用して金属粉末を一度に 1 層ずつ最終部品に融合する DMLS (直接金属レーザー焼結) まで、さまざまな技術が利用可能です。 詳細については、3D プリントに関するガイドを参照してください。

3D プリントの長所は何ですか?

3D プリントのプロは次のとおりです。

1.オンデマンドで印刷

3D プリントでは、プリントを開始するために非常に限られたセットアップが必要です。セットアップ プロセスと 3D プリント機は、プリントする部品の種類に関係なく同じです。必要なのは部品の 3D モデルを変換することだけで、通常は OEM またはサードパーティ ソフトウェアで処理されます。変換が完了すると、ファイルは USB-A コネクタ、ワイヤレス、または SD カードを介してプリンタにロードされます。次に、材料は通常、液体フォトポリマー、フィラメント、または粉末としてプリンターに追加されます。その後、印刷プロセスは人間の介入なしで続行されます。部品が完成したら、サポート構造の除去などの後処理が必要になる場合があります。オンデマンド クラウド サービスでは 3D モデルが必要なだけで、3D プリンターに投資することなく商品を 3D プリントして発送します。 

2.手頃な価格

3D プリンティングプロセスは、射出成形などの他の製造技術と比較すると、手頃な価格です。これは、低から中程度の生産量と部品の複雑性が高い場合に特に当てはまります。というのも、3Dプリンターの価格は200ドルからで、中古の3Dプリンターはさらに安いからだ。材料費も、たとえば ABS の場合、1 kg あたり 15 ドル程度である場合もあります。ただし、3D プリント材料は一般に、同等の基準となる原材料コストよりも高価です。これは、特定の印刷プロセス用の原材料、つまり FDM 用のフィラメント スプールや SLS 用の微粉末を準備する必要があるためです。この追加の原材料コストにもかかわらず、3D プリントでは完全に高密度ではないため、使用する材料は少なくなります。 

3.環境に優しい

3D プリントは、金属や熱可塑性プラスチックなどのリサイクル可能な材料を使用しているため、環境に優しいと考えられています。部品は、集中化された重製造工場から出荷されるのではなく、必要な場所で正確に印刷することもできます。これにより、輸送に伴う大幅なエネルギーコストが削減されます。 3D プリントの付加的な性質により、無駄も少なくなります。

4.クイックプロトタイピング

3D プリントは低コストであり、オンデマンドでプリントできるため、プロトタイプの開発に最適です。 3D プリント部品は 1 日以内に製造できます。これにより、射出成形などの他の一般的なテクノロジーに典型的な初期の工具コストを支払うことなく、新しいコンセプトを迅速に反復することができます。 

5.アクセシビリティ

3D プリンティングは、過去 10 年間で広く普及してきました。これは、2009 年に期限切れとなる Stratasys が保有していたいくつかの重要な特許に遡ることができます。それ以来、3D プリンティングのオープンソースの性質により、低コストの消費者向け 3D プリンティング マシンの開発が可能になりました。ユーザー ベースの増加により、3D プリントのベスト プラクティス、障害発見、一般的な最適化手法に関する、アクセスしやすいオンライン ナレッジの大規模な作成が可能になりました。これにより、他のテクノロジー分野では非常にまれな、前例のないアクセシビリティが可能になりました。

6.先進医療

医療業界での 3D プリンティングの導入により、患者に合ったカスタムのインプラント、プロテーゼ、臓器のバイオプリンティングの開発を通じて、個別化された医療が大幅に増加しました。医療業界で使用するために、多くの生体適合性材料も開発されています。

7.設計の柔軟性

3D プリンティングは、他のテクノロジーと比べて設計上の制約が少ないです。たとえば、複雑な内部空隙は、CNC 加工や射出成形では、複数の部品からなるアセンブリを使用することなく実現できません。これにより、コストと複雑さが増大します。 3D プリントを使用すると、複雑な部品も単純な部品と同じくらい簡単に印刷できます。 3D プリンティングには依然としてさまざまな DFM (製造のための設計) ガイドラインがありますが、これらは他の製造技術ほど制限的ではありません。 

8.廃棄物の削減

3D プリントでは廃棄物がほとんど発生しません。この廃棄物は通常、SLS 印刷部品の場合、印刷後に除去されるサポート構造の形になります。これらのサポート構造は、可能な限り軽量になるように最適化されています。サブトラクティブ製造技術では、大量の材料を除去する必要があり、大量の廃棄物が発生します。 3D プリンティングのような付加技術は、必要な場所にのみ材料を選択的に追加するように設計されています。これにより、支持構造によって生じる最小限の無駄が相殺されます。 

9.丈夫で軽量なコンポーネント

3D プリントでは、必要な場所に正確にマテリアルを追加するだけです。たとえば、内部ボリュームは、応力集中が高い領域では密度が高く、応力集中が低い領域では密度が低くなるメッシュ構造を持つように作成できます。トポロジー最適化やジェネレーティブ デザインなどの手法では、特定の荷重ケースに合わせてジオメトリが最適化された部品を作成し、構造上の利点がない場所の材料を削除します。これらの技術では、多くの場合、非常に複雑で有機的な形状の部品が生成されるため、他の技術では製造できません。 

10.迅速な設計と製造

3D プリント用に設計する方法を理解するには、その DFM 要件をよく理解する必要があります。他の製造技術よりも厳格ではありません。これにより、エンジニアは他の製造技術に存在する幅広い制限を考慮する必要がなくなり、部品の設計が容易になります。製造に関しては、特に複雑な部品の場合、3D プリントの方が速いことがよくあります。複雑な部品は CNC マシンで複数のセットアップが必要な場合があり、複数のマシンで製造する必要がある場合もありますが、3D プリントでは 1 回のセットアップで部品全体を完了できます。 

3D プリントの短所は何ですか?

3D プリントの短所は次のとおりです。

1.後処理

ほとんどの 3D プリント部品には、何らかの後処理が必要です。通常、後処理には、サポートの除去、UV 光硬化、炉内での焼結、研磨、さらにはベアリング ハウジングなどの高公差機能の機械加工が含まれる場合があります。  

2.著作権に関する懸念

3D プリント オブジェクトは簡単かつ低コストで製造できるため、元の作成者の同意なしにデザインを複製することが簡単になります。インターネット上には無料で利用できるデザインが何百万もあり、知的財産の元の所有者をクレジットしたり補償したりすることなく、あるいは知的財産の所有者がそれを認識することなく、簡単にダウンロードしたりコピーしたりできます。 3D スキャンもより利用しやすくなり、現実世界のオブジェクトをスキャンして複製できるようになりました。 

3.大量

3D プリントは常に少量から中量の生産プロセスでした。これは主に、3D プリント オブジェクトが製造されるレイヤーバイレイヤー方式によるものです。一度に薄い層を配置する必要がある高品質の部品が必要な場合、この問題はさらに大きくなります。 HP マルチジェットなどの一部の印刷テクノロジでは、ボリューム全体を利用して複数のパーツを印刷できます。しかし、それでも、サイクル タイムは他のより成熟した製造テクノロジーに比べて大幅に遅くなります。 

4.材料には限りがあります

3D プリントでは、新しい素材が継続的に追加されています。ただし、より成熟した製造技術と比較すると、これらは依然として制限されています。多くの一般的なプラスチックや金属で部品を印刷することは可能ですが、開発された何千もの合金や化合物を利用することはできません。これは単純に、これらの合金や化合物が 3D プリンティングに適合する形式に変換されていないためです。 

5.部品の構造

FDM や SLS などの一部の 3D プリント技術では、特性が異方性の部品が生成されます。これは、荷重がかかる方向によって部品の性能が異なることを意味します。通常、部品は Z 軸で最も弱くなります。Z 軸は、3D プリンタのプリント ベッドから上を向く軸として定義されます。 

6.ビルドサイズの制限

3D プリンターには幅広い造形サイズがあります。ただし、生産に一般的に使用されるプリンターは、レーザー切断、水平ミル、金属鋳造などの大規模製造技術よりも製造量が小さくなります。そのため、3D プリントは通常、複雑なコンポーネントの小規模製造に使用されます。一部の特殊な 3D プリンタでは造形ボリュームが非常に大きいため、このルールには例外があることに注意してください。

7.製造業の人員削減

3D プリンティングは高度に自動化されたテクノロジーです。人間による唯一の対話は、部品のセットアップ、取り外し、後処理であり、通常はすべて 1 人で処理できます。実際、一人で複数のマシンを簡単に操作できます。 3D プリンターは、通常は複数の機械、ひいては複数の機械オペレーターを必要とする部品を製造することもできます。これは、3D プリントが適用できる場合、一部のジョブを冗長化できることを意味します。ただし、これは 3D プリンティングに特有の状況ではなく、製造部門全体で発生しています。 

8.設計の不正確さ

3D プリントされたオブジェクトの精度と寸法安定性は不明です。印刷中に部品が反る場合があります。最も正確な 3D プリンターでも、トップクラスの CNC マシンで達成できる精度には匹敵しません。 CNC マシンは、DMLS 3D プリンティングマシンでは 0.4 mm の精度で部品を繰り返し製造できます。 

3D プリントの長所と短所に関するよくある質問

3D プリンターを購入する前に知っておくべきことは何ですか?

3D プリンターを購入する場合は、対象となる用途を理解することが重要です。たとえば、ビジュアル プロトタイプを作成することが目的の場合は、FDM プリンタの方が適している可能性があります。ただし、高応力用途向けの航空宇宙グレードの部品を製造する必要がある場合は、DMLS のようなテクノロジーの方が適しています。 詳細については、3D プリンターを購入する際に考慮すべき 10 の事項に関するガイドをご覧ください。

3D プリントは現在どのような用途に利用されていますか?

3D プリンティングのアプリケーションはさまざまです。これはあらゆる主要産業に浸透しており、自動車、航空宇宙、医療、バイオテクノロジー、さらには食品産業にも応用されています。 3D プリンティングは、股関節の製造に使用される場合もあれば、CNC 加工用の治具など、既存の製造技術に付加価値を与える補助的な役割を担う場合もあります。 詳細については、3D プリントのアプリケーションに関する記事を参照してください。

3D プリントは将来どのような用途に応用されるのでしょうか?

3D プリンティング技術は今後も成熟していきます。現在存在する欠点の多くは、今後 10 年以内になくなるかもしれません。 3D プリンティングは、幅広い用途を備えたより主流の製造技術になる方向に向かっています。より魅力的な進歩の 1 つは、拒絶反応のない移植のための患者固有の臓器の生産です。もう 1 つは、流体チャネル、複数の材料、およびその他のさまざまな補助コンポーネントを一度に部品に印刷した部品の製造です。例としては、次世代の Boston Dynamics Atlas ロボットの脚が挙げられます。

3D プリントには利点がありますか?

はい、3D プリントは利点があり、多くの用途で使用されています。部品の直接製造に使用できない場合、3D プリントは機械や組立オペレーターの効率を向上させるのに役立ちます。

概要

この記事では、3D プリントの長所と短所を紹介し、それらが何であるかを説明し、製造における 3D プリントでそれぞれがどのように役割を果たすかについて説明しました。 3D プリントの詳細については、Xometry の担当者にお問い合わせください。

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ディーン・マクレメンツ

Dean McClements は機械工学の学士優等学位を取得しており、製造業界で 20 年以上の経験があります。彼の職業上の経歴には、Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace、Hyster-Yale などの大手企業で重要な役割を果たし、そこでエンジニアリング プロセスとイノベーションに対する深い理解を深めました。

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