3Dプリンティング完全ガイド：種類、プロセス、仕組み、材料、活用事例

3Dプリンティング（積層造形）とは？

3Dプリンティング、または積層造形（アディティブマニュファクチャリング）は、CADモデルまたは3Dデジタルモデルから三次元オブジェクトを構築する技術です。

「3Dプリンティング」という用語は、材料（プラスチック、液体、粉末粒子など）がコンピュータ制御下で積層・結合・固化され、三次元オブジェクトが形成される様々なプロセスを指します。通常は層ごとに積み重ねられます。

1980年代には、3Dプリンティング技術は機能的または美観上のプロトタイプ製造のみに適していると考えられ、当時は「ラピッドプロトタイピング」という用語がより適切でした。

2019年以降、3Dプリンティングの精度、再現性、材料多様性が向上し、一部プロセスは産業グレードの生産技術と見なされるようになり、「積層造形」という用語が3Dプリンティングとほぼ同義で使用されるようになりました。

3Dプリンティングの主な利点の一つは、手作業では設計不可能な非常に複雑な形状や幾何学（中空部品、内部トラス構造による軽量化など）を製造できる点です。2020年現在、熱溶解積層法（FDM）が熱可塑性フィラメントを連続的に使用する最も一般的な3Dプリンティングプロセスです。

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3Dプリンティングの発明者

最古の3Dプリンティング製造装置は、名古屋市工業研究所の小玉英雄（Hideo Kodama）によって開発され、彼は3Dモデル製造のための2つの積層法を発明しました。

3Dプリンティングはいつ発明された？

1920年代のラルフ・ベイカー（Ralf Baker）の装飾品製造に関する研究（特許US423647A）を基に、小玉英雄のレーザー硬化樹脂ラピッドプロトタイピング初期研究が1981年に完了。その後30年間で発明が拡張され、1984年にステレオリソグラフィーが導入されました。

3D Systemsのチャック・ハル（Chuck Hull）が1987年に最初の3Dプリンターを発明し、ステレオリソグラフィープロセスを使用。その後、選択的レーザー焼結（SLS）、選択的レーザー溶解（SLM）などが発展。

1990年代〜2000年代に高価な3Dプリンティングシステムが開発されたが、2009年に特許が切れるとコストが劇的に低下し、より多くのユーザーが技術を利用できるようになりました。

3Dプリンターの仕組み

3Dプリンターは本質的に、微小ノズルから溶融プラスチックを押し出し、コンピュータ制御で精密に移動させながら造形します。1層プリントし、乾燥を待ってから次の層を上から重ねます。モデル造形に使用されるプラスチックは極めて重要です。

3Dプリンティングは積層造形ファミリーの一員で、従来のインクジェットプリンターと類似の方法を3Dで使用します。最高水準のソフトウェア、粉末状材料、精密ツールを組み合わせて、ゼロから三次元オブジェクトを作成します。以下は3Dプリンターがアイデアを形にする主なステップです。

3Dモデリングソフトウェア

あらゆる3Dプリンティングプロセスの最初のステップは3Dモデリングです。精度を最大化するため（3Dプリンターは魔法のように造形したいものを推測できない）、すべてのオブジェクトは3Dモデリングソフトウェアで設計する必要があります。従来製造法では困難な複雑・精密な設計も可能です。

ここでCADソフトウェアが活躍します。モデリングにより、製品を微細なレベルまでカスタマイズ可能。3Dモデリングソフトウェアの精密設計能力が、3Dプリンティングを多くの業界で真のゲームチェンジャーたらしめています。

このモデリングソフトウェアは、個々に適合する歯列矯正アライナーを設計する歯科業界や、ロケットの最も複雑な部品設計を行う宇宙産業などで特に重要です。

モデルのスライシング

モデル作成後、「スライス」します。人間のように3次元を概念化できない3Dプリンターのため、エンジニアはモデルを層にスライスしてプリンターが最終製品を作れるようにします。

スライシングソフトウェアはモデルの各層をスキャンし、プリンターがその層を再現するためにどう動くかを指示します。スライサーは3Dプリンターにモデルの「充填」位置も指示します。

この充填により、3Dプリントオブジェクトに内部格子構造と柱が生成され、形状保持と強度向上に寄与。スライス完了後、3Dプリンターに送信され実際のプリントプロセスが開始されます。

3Dプリンティングプロセス

3Dオブジェクトのモデリングとスライシングが完了すると、いよいよ3Dプリンターが主役になります。プリンターは直接3Dプリンティングプロセスでは従来のインクジェットプリンターと同様に動作し、ノズルが前後に動きながらワックスやプラスチック類似ポリマーを層ごとに吐出、層が乾燥するのを待って次の層を追加。本質的に何百・何千もの2Dプリントを積み重ねて三次元オブジェクトを作ります。

3Dプリンティング材料

プリンターがオブジェクトを最大限に再現するために使用する材料は多様です。主な例：

• ABS（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）: 成形容易で高靭性のプラスチック材料。レゴブロックと同じ素材。
• カーボンファイバーフィラメント: 強度が必要だが超軽量であるオブジェクト作成に使用。
• 導電性フィラメント: 実験段階だが、配線不要で電気回路プリント可能。ウェアラブル技術に有用。
• フレキシブルフィラメント: 曲げ可能でタフなプリントを生成。腕時計からスマホケースまで幅広く対応。
• メタルフィラメント: 微細金属粉末とポリマー接着剤で構成。スチール、真鍮、青銅、銅で金属のルックアンドフィールを再現。
• ウッドフィラメント: 微細木材粉末とポリマー接着剤を混合。木目調オブジェクトプリントに使用。プリンター温度により明るい・暗い木目調を表現可能。

3Dプリンティングプロセスは、箱や球のようなシンプルなプリントなら数時間、フルサイズ住宅のような大型詳細プロジェクトなら数週間かかります。

3Dプリンティングの活用事例

3Dプリンティングは多くの技術と材料を包含し、想像できるほぼすべての業界で使用されています。様々な用途を持つ異なる産業のクラスターとして捉えることが重要です。

主な例：

1. 消費財（アイウェア、フットウェア、デザイン、家具）
2. 産業製品（製造ツール、プロトタイプ、機能的最終部品）
3. 歯科製品
4. 義肢・装具
5. 建築スケールモデル・模型
6. 化石再構築
7. 古代遺物レプリカ
8. 法医学的証拠再構築
9. 映画小道具

3Dプリンティング技術の種類

主な3Dプリンティング技術：

• ステレオリソグラフィー（SLA）
• 選択的レーザー焼結（SLS）
• 熱溶解積層法（FDM）
• デジタル光造形（DLP）
• マルチジェットフュージョン（MJF）
• ポリジェット（PolyJet）
• 直接金属レーザー焼結（DMLS）
• 電子ビーム溶解（EBM）

1. ポリマー3Dプリンティングプロセス

プラスチック向け一般的な3Dプリンティングプロセスと、それぞれが製品開発者、エンジニア、デザイナーにとって最大のメリットを発揮する場面を整理します。

2. ステレオリソグラフィー（SLA）

ステレオリソグラフィー（SLA）はオリジナルの産業用3Dプリンティングプロセスです。SLAプリンターは高精細、滑らかな表面、厳しい公差の部品生成が特徴。SLA部品の高品質表面は見た目が良いだけでなく、部品機能もサポートします（例：アセンブリ嵌合テスト）。

医療業界で広く使用。一般的用途：解剖学モデル、マイクロ流体デバイス。当社では3D SystemsのVipers、ProJets、iPros 3DプリンターをSLA部品に使用。

3. 選択的レーザー焼結（SLS）

選択的レーザー焼結（SLS）はナイロン系粉末を溶融・固化して固体プラスチックを生成。SLS部品は真の熱可塑性材料で作られるため耐久性があり、機能テストに適し、活きヒンジやスナップフィットも可能。

SLAと比較して部品は強靭だが表面は粗い。SLSはサポート構造不要で、ビルドプラットフォーム全体を使用して複数部品を1回のビルドでネスト配置可能。他プロセスより多量生産に適する。多くのSLS部品は将来的に射出成形される設計のプロトタイピングに使用。当社SLSプリンターには3D Systems開発のsPro140を使用。

4. ポリジェット（PolyJet）

PolyJetは別のプラスチック3Dプリンティングプロセスですが、ひねりがあります。色や材料など複数特性を持つ部品を作成可能。設計者はエラストマーやオーバーモールド部品のプロトタイピングに活用。単一剛性プラスチック設計ならSLまたはSLSの方が経済的。

しかし、オーバーモールドやシリコーンゴム設計のプロトタイピングでは、PolyJetにより開発初期段階での金型投資が不要になり、設計の反復・検証を高速化しコスト削減が可能。

5. デジタル光造形（DLP）

デジタル光造形はSLAと同様に液体樹脂を光で硬化させます。主な違いはDLPがデジタル光プロジェクションスクリーンを使用するのに対し、SLAはUVレーザーを使用する点。

これによりDLP 3Dプリンターはビルド層全体を一度にマッピング可能で、ビルド速度が向上。DLPプリントはラピッドプロトタイピングによく用いられますが、高スループットにより少量生産のプラスチック部品製造にも適しています。

6. マルチジェットフュージョン（MJF）

SLSと同様にMJFもナイロン粉末から機能部品を構築。粉末をレーザーで焼結する代わりに、MJFはインクジェットアレイでナイロン粉末ベッドに融解剤を塗布、その後加熱要素が層ごとに通過して融着させます。

これによりSLSより均一な機械的特性と改善された表面品質を実現。MJFプロセスのもう一つの利点はビルド時間短縮で、製造コスト低減につながります。

7. 熱溶解積層法（FDM）

熱溶解積層法（FDM）はプラスチック部品向けの人気デスクトップ3Dプリンティング技術。FDMプリンターはプラスチックフィラメントをビルドプラットフォーム上に層ごとに押出。安価で迅速に物理モデル作成可能。

機能テストに使用できるケースもあるが、表面粗さと強度不足により技術的制限あり。

8. 直接金属レーザー焼結（DMLS）

金属3Dプリンティングは金属部品構築の新たな可能性を開きます。Protolabsで金属3Dプリントに使用するプロセスは直接金属レーザー焼結（DMLS）。複数金属部品を単一コンポーネントに統合したり、内部流路や中空構造を持つ軽量部品製造に広く使用。

DMLSはプロトタイピングと生産両方に適し、部品は切削や鋳造など従来金属製造法と同等の致密度。複雑形状の金属コンポーネント作成により、有機構造模倣が必要な医療用途にも適しています。

9. 電子ビーム溶解（EBM）

電子ビーム溶解は電磁コイルで制御される電子ビームで金属粉末を溶解する金属3Dプリンティング技術。ビルド中、プリントベッドは真空条件下で加熱。材料により加熱温度が決定されます。

3Dプリンターの使い方（ステップバイステップ）

多くの技術が共通の基本ステップを共有しますが、各3Dプリンターの機能により難易度は異なります。

ステップ1 – 設計を3Dプリント用に準備

この時点で、プリント対象パートが準備できており、材料を選択済みであることが重要です。このパートはCAD（コンピュータ支援設計）で自作、3Dスキャンから取得、既存デザイン在庫から選択など可能です。

プリント開始前に、設計を3Dプリンターが理解できる「座標」に変換し、使用材料など重要パラメータを伝える必要があります。

これは「スライシング」と呼ばれ、3Dデザインを層にスライスする工程だからです。通常、スライシングまたはプリント準備ソフトウェアと呼ばれるプログラムで実行。

ステップ2 – プリンターをセットアップ

このステップを最初に行っても構いません。または、定期的に同タイプ部品をプリントする場合は不要な場合も。

プリント前に、正しい材料がロードされているか確認。ノズル径も選択可能で、小径ノズルは高精細、大径ノズルは高速プリント。

ステップ3 – ファイルをプリンターに送信

準備が整ったら、ファイルを3Dプリンターに転送。主に2通り：

1. データストレージデバイス（USBドライブ等）にファイルをロードし、プリンターに挿入、プリンターインターフェースからプリントジョブ開始。
2. ネットワーク対応プリンターにローカルネットワークまたはクラウド経由でリモート送信。同じ場所にいない場合に特に有用。

ステップ4 – 3Dプリント実行

あとは待つだけ！仕事中なら他の作業をしながらプリンターに任せられます。

プリント時間はプリントオブジェクトのサイズ・詳細レベルとプリンタータイプにより変動。小型部品や粗いプロトタイプなら数時間。夜間稼働なら翌日完成が多い。大型詳細プリントなら数日かかることも。

3Dプリンティングの用途

3Dプリンティングはレクリエーション・プロフェッショナル両面で、様々な業界で活用可能。医療、エンジニアリング、ファッションなど多岐にわたります。

近年、3Dプリンティングは異なる製造プロジェクト・プロセスのプロトタイプとツール作成における持続可能でコスト効率の良いソリューションと見なされています。従来、プロトタイプ入手は時間とコストがかかり、外部メーカー依存でした。3Dプリンティングなら社内でオブジェクト、ツール、プロトタイプを迅速に複数個製作可能。

好例は靴メーカーのCamper。社内3Dプリンティングにより、約1.5ヶ月かかっていたモデリング・設計プロセスを数日で完了できるようになりました。

よくある質問（FAQ）

3Dプリンティングとは？

3Dプリンティングまたは積層造形は、デジタルファイルから三次元立体オブジェクトを作るプロセス。3Dプリントオブジェクトの作成は積層プロセスで達成。積層プロセスでは、オブジェクトが完成するまで材料の連続層を積み重ねます。各層はオブジェクトの薄い断面スライスと見なせます。

3Dプリンティングは、フライス盤などで金属やプラスチックを切削・中空化する減法製造（サブトラクティブマニュファクチャリング）の対極にあります。3Dプリンティングにより、従来製造法より少ない材料で複雑形状を製造可能。

3Dプリンティングはどう動作する？

3Dプリンターは本質的に、微小ノズルから溶融プラスチックを押し出し、コンピュータ制御で精密に移動させながら造形。1層プリントし、乾燥を待って次の層を上から重ねる。モデル造形に使用されるプラスチックは極めて重要。

3Dプリンティングの種類は？

主な3Dプリンティング種類：

1. ステレオリソグラフィー（SLA）
2. 選択的レーザー焼結（SLS）
3. 熱溶解積層法（FDM）
4. デジタル光造形（DLP）
5. マルチジェットフュージョン（MJF）
6. ポリジェット（PolyJet）
7. 直接金属レーザー焼結（DMLS）
8. 電子ビーム溶解（EBM）

3Dプリンティングとは正確には？

3Dプリンティング、別名積層造形は、コンピュータ作成設計を用いて三次元オブジェクトを層ごとに作成する方法。材料層を積み上げて3Dパーツを作る積層プロセス。

3Dプリンティングは高い？

3Dプリントコストは$3から数千ドルまで幅広い。3Dモデルなしに正確なコスト算出は困難。材料、モデル複雑さ、労働力が価格に影響。3Dプリントサービスはエントリーレベル3Dプリンターより高額になることも。

何でも3Dプリントできる？

いいえ、材料と形状の面からは何でもプリントできるわけではありません。3Dプリンターは、加熱で軟化する熱可塑性樹脂（PLA等）のように特定特性を持つ材料を必要とします。適切な向きとサポートがあれば、ほぼあらゆる形状・構造・オブジェクトをプリント可能。

3Dプリンティングは未来？

3Dプリンティングが製造業全体をすぐに支配するわけではないが、アナリストは大幅な成長を予測し、2023年までに市場規模327.8億ドル（約32.78 billion USD）に達すると予測。

3Dプリンターで何が作れる？

デザイナーは3Dプリンターで製品モデルとプロトタイプを迅速作成するが、最終製品製造にもますます使用される。3Dプリンターで作られるアイテム：靴デザイン、家具、ジュエリー用ワックス鋳型、ツール、三脚、ギフト・ノベルティ、玩具など。

家庭用3Dプリンターで何が作れる？

家庭で役立つ3Dプリントアイデアとプロジェクト：

• 頑丈なスマホ/タブレットスタンド（多様なサイズ対応）
• スマホアンプ/スピーカーで音量アップ
• ミニRaspberry Piノートブック
• タッチスクリーンRaspberry Pi
• Lightningケーブルセーバー
• イヤホンケース
• USBケーブルホルダー
• デスクケーブルホルダー

3Dプリンターの時間あたり運転コストは？

3Dプリンターの平均消費電力は約125Wで、時間あたりコストは1.58セント（kWh単価12.69セント換算）。

3Dプリンターで収益化できる？

はい、3Dプリンターで収益化可能。3Dプリント品販売、デジタル商品販売、地域での3Dプリントサービス提供など多様な方法があります。

3Dプリンターで食べ物は作れる？

はい、一部3Dプリンターで菓子、ペストリー、チョコレート、ピザ、様々な料理の作成が可能。フード3Dプリンターはキッチンでの自由度と創造性を高め、場合により食品ロス削減にも貢献。

最も3Dプリンティングを活用している業界は？

航空宇宙。 Boeing、Airbus、NASAすべてが3Dプリンティングを活用。低コストで軽量部品を迅速製造できる能力は航空宇宙プロフェッショナルにとって価値大。

3Dプリンターでできないことは？

3Dプリント不可能な形状：

• ベッドとの接触が少ない形状（球体等）
• 非常に細かい羽毛のようなエッジを持つモデル
• 大きなオーバーハングや中空プリント
• 超大型オブジェクト
• 薄壁形状

なぜ3Dプリンティングが普及しない？

一方で、3Dプリンターは複雑ガジェットの再現には程遠い。ほとんどの3Dプリンターは一度に1-2材料しか堆積できず、金属、ガラス、プラスチックなど複数材料を含むスマートフォンのような製品製造は容易ではない。

3Dプリンティングの長所と短所は？

3Dプリンティング分野の3人のプロフェッショナル（Mages含む）に長所短所をヒアリング：

• 長所: ものづくりが簡単に
• 短所: 大量生産には非効率
• 長所: 新しい形状を実現
• 短所: 印刷材料に課題
• 長所かつ短所: 雇用への影響
• 長所: 環境に優しい
• 短所: 規制上の課題

3DプリンティングはCNC加工に取って代わる？

3Dプリンティング製造の普及に伴い、「3DプリンティングがCNC加工に取って代わるか？」と多くの人が質問。良いニュースは、どちらか一方を選ぶ必要はないこと。両方とも製造業でそれぞれの役割を持っています。

3Dプリンターにコンピューターは必要？

3Dプリンター使用にコンピューターは必須ではありません。ほぼすべての3DプリンターにSDカードリーダーがあり、ファイル読み取り・プリント開始が可能。SDカードにファイルがあればコンピューター不要。

3Dプリンティングの危険性は？

3DプリンターからのVOCs（揮発性有機化合物）にはスチレン（既知の発がん性物質）やカプロラクタム（急性リスク分子）など有害化学物質を含む。また、肉眼不可視の超微細粒子も放出。

3Dプリンターの「インク」は何？

従来の3Dプリンターは粉末金属とプラスチックをインクとして使用。超強力鋼や人工骨製造には最適だが、皮膚移植など柔軟性が必要な生体適合材料には不向き。

3Dプリンター自作コストは？

簡単な内訳：DIY 3Dプリンターキット約$200から；ホビースト$500〜$1,500；プロフェッショナルFDM 3Dプリンター約$2,500から；大型プロフェッショナルFDM約$4,000から。

3Dプリントプラスチックの強度は？

低コストで使いやすく、重要なことに比較的高強度。また、ヒートベッド不要で低温プリント可能だが、引張強度は7,250 psi（約50 MPa）。

金属3Dプリント可能？

金属3Dプリンティングは部品製造の在り方を変革。低〜中量生産では、従来製造プロセスより高速・低コスト・低労力で部品製造可能。

3Dプリンターの消費電力は？

ノズル205℃、ヒートベッド60℃の平均的3Dプリンターは平均70ワット消費。10時間プリントで0.7kWh、約9セント。消費電力は主にプリンターサイズとヒートベッド・ノズル温度に依存。

3Dプリンターの使用難易度は？

3Dプリンティングは習得困難？ 3Dプリンティングはまだ初期段階で、ユーザーフレンドリーとは言えない。プリンターは繊細で気難しく、初心者には圧倒的に感じられる。独自設計を作るには特定の複雑なソフトウェア学習も必要。