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3Dプリンタ入門（2017年7月）
- 1. 3DdoFactory 小原 照記 3Ｄプリンタについて ©3DdoFactory ※注意 3Dプリンタについての情報は、2017年7月時点で作成したものになります。
- 3. 自己紹介 岩手県北上市で3DCADを中核としたデジタルものづ くりエンジニアの育成と企業のサポート・導入のお 手伝いをしています。 保有資格として、 Autodesk Expert Elite、Fusion 360 ユーザー試験（日本人初の合格者）、 Inventor Professional、 3次元 CAD 利用技術者試験1級、3次元設計能力検定試験優秀賞、CATIA 認定技術者 Expert、SOLIDWORKS 認定資 格である最高峰の CSWE、3D プリンタ活用技術基礎など 小原 照記（テルえもん） https://3ddofactory.com/contact ＜お問い合せ＞
- 5. 1960年代 1970年代 1980年代 1990年代 2000年代 2010年代 3Dプリンターの歴史 ©3DdoFactory 2DCAD 普及開始 3DCAD 開発開始 PCで動く 2DCAD 大企業で 3DCAD 普及 中小企業 3DCAD 普及開始 3Dデータの 作成から 活用へ 1980年 児玉秀男氏 世界初の光造形の 特許出願 1987年 米3DSystems社 世界初の光造形機 発売 1988年 米Stratasys社 熱溶解積層(FDM)の 特許取得 2009年 米Stratasys社 熱溶解積層(FDM)の 特許が失効 20年 2012年10月 クリス・アンダーソン 「MAKERS」ベストセラー 2013年2月 オバマ大統領 3Dプリンタに6000万ドル の補助金 2013年8月 日本 経産省 3Dプリンタ開発に45億円
- 6. ブームの終焉？？ • 3Ｄデータが必要 ・・・⤵ • 低価格な3Dプリンターでは・・・⤵ • 材料費が高い・・・⤵ • 造形スピードが遅い・・・⤵ • 精度が悪い・・・⤵ ©3DdoFactory
- 21. 3Dデータを3Dプリンタで造形するまでの流れ ©3DdoFactory データ 変換 3Dプリンタ へデータ 転送 データ 配置 3Dプリンタ で造形 3D データ 作成 データ修正 厚みのない形状 ギリギリに 接する形状 モデリングソフト 3Dプリンタのドライバ 3Dプリンタ 例 造形条件の設定 スライスデータ作成 材料費、造形時間を確認 取り出し、 サポート 材除去 後処理 完全自動 完全手作業 STLデータ スライスデータ
- 22. 3Dデータの作成 • 3DCAD・CG • 3Dスキャナ • 写真⇒3Dデータ化 • ネットからダウンロード ©3DdoFactory
- 23. 3Dデータ作成から3Dプリンタでの造形例 ©3DdoFactory 3DCAD or CG絵・写真 現物 3Dスキャナ 3Dプリンタ STL データ
- 24. STLデータとは？ ©3DdoFactory 三角形の面のみでモデルを表現するデータフォーマット。 ほとんど全ての3DCADソフトでSTL形式でデータを出力可能。 Standard Tessellation LanguageまたはStereo Lithographyの略 3DCADデータ STLデータ
- 34. 3Ｄプリンタの造形方法 ① 材料押出 ② 液槽光重合 ③ 材料噴射 ④ 結合剤噴射 ⑤ 粉末床溶融結合 ⑥ シート積層 ⑦ 指向性エネルギー堆積 ©3DdoFactory
- 35. ©3DdoFactory ワークの上をプリンターのヘッドが動き、 溶けた樹脂をノズルから押し出しながら 積層する 熱可塑性樹脂 溶融樹脂 ノズル ＜メリット＞ ＜デメリット＞ 比較的強度がある 価格が比較的安い 層の断層が目立ちやすく階段状になる ＜主な材料＞ ABS樹脂、PC樹脂 1kg:3,000円～ ①材料押出（読み方：ざいりょうおしだし） 英語：material extrusion 【他の名称】 ・熱溶解積層法 ・FDM (Fused Deposition Modeling) ・FFF(Fused Filament Fabrication)
- 36. ©3DdoFactory 本体相場価格 1万円～1億円 Stratasys社 FORTUS 360mc S 最大造形サイズ 355×254×254mm 材料の種類 ABS/PC/PC-ABS 積層ピッチ 0.127/0.178/0.254mm 価格：1400万円 Stratasys社 Dimension SST 1200es ※花巻市起業化支援センター保有 価格：548万円 ※岩手県工業技術センター保有 最大造形サイズ 355×254×254mm 材料の種類 ABS 積層ピッチ 0.254/0.33mm 超音波清浄機 超音波清浄機 ①材料押出 機種のご紹介
- 37. ①材料押出 機種のご紹介 ©3DdoFactory 本体相場価格 1万円～1億円 3DSystems社 Cube 最大造形サイズ 140×140×140mm 材料の種類 ABS/PLA 積層ピッチ 0.2mm 価格：16万円 Stratasys社 FORTUS 900mc 最大造形サイズ 914×609×914mm 材料の種類 ABS/PC/PPSF 積層ピッチ 0.178/0.254/0.33mm 価格：1億円 3DSystems社 CubeX 最大造形サイズ 275×265×240mm 材料の種類 ABS/PLA 積層ピッチ 0.1/0.25/0.5mm 価格：40万円 ﾎｯﾄﾌﾟﾛｼｰﾄﾞ社 Blade-1 最大造形サイズ 100×100×100mm 材料の種類 ABS/PLA 積層ピッチ 0.1～0.4mm 価格：13万円
- 40. ②液槽光重合 機種のご紹介 ©3DdoFactory 本体相場価格 50万円～8000万円 シーメット社 NRM-6000 最大造形サイズ 610×610×500mm レーザーの種類 半導体レーザー 材料の種類 光硬化性樹脂 積層ピッチ 最小積層ピッチ0.05mm ※岩手県工業技術センター保有 価格：4000万円 3DSystems社 iPro8000 最大造形サイズ 750×650×550mm レーザーの種類 半導体レーザー 材料の種類 光硬化性樹脂 積層ピッチ 0.05mm～0.015mm ※宮城県産業技術総合センター保有 価格：4000万円 【昇降式】
- 41. ②液槽光重合 機種のご紹介 ©3DdoFactory 【吊り上げ式】 Formlabs Form2 最大造形サイズ 145 x 145 x 175 mm レーザーの種類 Class 1 laser, 405nm violet laser 材料の種類 光硬化性樹脂 積層ピッチ 最小積層ピッチ0.025mm 価格：55万円（税別）
- 42. ©3DdoFactory ノズルから液体の紫外線硬化樹脂を噴射し て紫外線で固め積層していく液体の樹脂 液滴噴射 ノズル 紫外線 ＜メリット＞ ＜デメリット＞ 複数の素材を選択できたり、混ぜたりすること が可能。表面が滑らかにできる。 太陽光での劣化が起こりやすい。 サポート材が必要。 ＜主な材料＞ アクリル系樹脂、PPライク、ABSライク ③材料噴射（読み方：ざいりょうふんしゃ） 英語：material jetting 【他の名称】 ・インクジェット式 ・マテリアルジェッティング ・MJP(MultiJet Printing) ・PolyJet
- 43. ③材料噴射 機種のご紹介 ©3DdoFactory 本体相場価格 500万円～7,000万円 Stratasys社 Objet30 最大造形サイズ 300×200×150mm 材料の種類 アクリル系光硬化性樹脂 積層ピッチ 最小積層ピッチ0.028mm ※いわてデジタルエンジニア育成センター保有 価格：400万円 キーエンス社 アジリスタ 最大造形サイズ 297×210×200mm 材料の種類 光硬化性樹脂 積層ピッチ 0.015mm/0.02mm ※北上コンピュータ・アカデミー保有 価格：550万円 水につける ｳｫｰﾀｼﾞｪｯﾄ
- 44. ©3DdoFactory 粉末状の材料に接着剤を噴射し積層していく 粉末 接着剤 ＜メリット＞ ＜デメリット＞ フルカラー造形が可能なものもある サポート材が不要 表面が粗くざらざらした仕上がりになる ＜主な材料＞ 石膏、デンプン ノズル 粉末供給 ④結合剤噴射（読み方：けつごうざいふんしゃ） 英語：binder jetting 【他の名称】 ・インクジェット式 ・バインダージェット ・CJP(Color Jet Printing) ・粉末固着積層造形法
- 45. ④結合剤噴射 機種のご紹介 ©3DdoFactory 本体相場価格 200万円～1億円 3DSystems社 Projet ｘ60シリーズ Projet 260 の場合 最大造形サイズ 236×185×127mm 材料の種類 石膏ベース 積層ピッチ 最小積層ピッチ0.1mm 価格：200万円～1,500万円 Exone社 砂型造形 S-Print HHSの場合 最大造形サイズ 800×500×400mm 材料の種類 粉末（砂） 積層ピッチ 0.24mm 価格：1億2,000万円 ※旧Zprinter 岩手県立大学 土井研究室保有
- 46. 粉末 粉末供給 ©3DdoFactory 粉末状の材料にレーザー光線を あて焼結させて各層を硬化させて積層する レーザー光 焼結 ＜メリット＞ ＜デメリット＞ 耐久性がある。金属系の材料が使用できる サポート材が不要 表面が粗くざらざらした仕上がりになる ＜主な材料＞ ナイロン樹脂、セラミック、金属 ※反りを発生させないためにはサポート材が必要！ ⑤粉末床溶融結合（読み方：ふんまつしょうようゆうけつごう） 英語：power bed fusion 【他の名称】 ・粉末焼結 ・SLS(Selective Laser Sintering) ・DMLS(Direct Metal Laser Sintering) ・EBM(Electron Beam Melting) ・SLM(Selective Laser Melting) ・DLP(Direct Metal Printing)
- 47. ⑤粉末床溶融結合 機種のご紹介 ©3DdoFactory 本体相場価格 4,000万円～1億5,000万円 ARCAM社 EBM A2 最大造形サイズ 200×200×350mm 材料の種類 金属の粉(CoCrMo合金) レーザーの種類 電子ビーム ※東北大学 千葉研究室 価格：5,000万円 磨き 金属積層造形装置 最大造形サイズ 250×250×185mm 材料の種類 ステンレス系、アルミ系、インコネル系、チタン系 レーザーの種類 Ybファイバーレーザー 積層ピッチ 0.01～1.0mm ※岩手県工業技術センター保有
- 48. ©3DdoFactory シート状の素材を積層し、 レーザーで輪郭をカットする。 レーザー光 カット ＜メリット＞ ＜デメリット＞ 比較的安価、高精度 大量の廃棄物が発生する場合がある 紙の場合、吸湿による寸法変化がおこる ＜主な材料＞ 紙、樹脂（PVC）、金属 シート供給 ⑥シート積層 英語：sheet lamination 【他の名称】 ・LOM(Laminated Object Manufacturing)
- 49. ⑥シート積層 機種のご紹介 ©3DdoFactory 本体相場価格 100万円～1,000万円 Solido社 SD300Pro 最大造形サイズ 160×210×135mm 材料の種類 プラスチックシート(PVC) 積層ピッチ 0.168mm 価格：150万円 Mcor社 IRIS 最大造形サイズ 256×169×150mm 材料の種類 A4標準コピー用紙 積層ピッチ 0.1mm 色 100万色以上 価格：558万円
- 50. ©3DdoFactory ⑦指向性エネルギー堆積（読み方：しこうせいえねるぎーたいせき） 英語:directed energy deposition 【他の名称】 ・レーザーデポジション ・LMD(Laser Metal Deposition) ・DMP(Direct Metal Deposition)
- 51. ⑦指向性エネルギー堆積 機種のご紹介 ©3DdoFactory MUTOH Value Arc MA5000-S1 価格：3,000万円 最大造形サイズ 500×500×500mm 材料の種類 金属 積層ピッチ 1.0mm ビード径 3.0mm 本体相場価格 1000万円～2億円
- 52. ©3DdoFactory 造形方法の名称 概要 材料 主なメーカー 材料押出 (material extrusion) 流動性のある材料をノズルから押 出し、堆積させる 熱可塑性樹脂 （米）ストラタシス、（米）3Dシステムズ 液槽光重合 (vatphotopolymeri zation) タンクにためられた液状の光硬化 性樹脂のモノマーを光によって選 択的に硬化させる 光硬化性樹脂モノ マー （米）3D システムズ、（日）シーメット 材料噴射 (material jetting) 材料の液滴を噴射し選択的に堆積 し固体化する 光硬化性樹脂、 ワックス （米）ストラタシス、（米）3Dシステムズ、 （日）キーエンス 結合剤噴射 (binder jetting) 液状の結合剤を粉末に噴射して選 択的に固化させる 石膏、プラスチッ ク （米）3D システムズ 粉末床溶融結合 (powder bed fusion) 粉末を敷いた領域を熱によって選 択的に溶融結合させる 金属（銅、チタン、 ニッケル合金、コ バルトクロム合 金）樹脂（ナイロン、 アミド）セラミック （独）EOS、（米）3D システムズ、（独） SLM ソリューションズ、（ 日） 松浦機 械、（日）アスペクト シート積層 (sheet lamination) シート状の材料を接着させる 紙、樹脂、金属箔 （アイルランド）エムコアテクノロジー、 （米）ソリディオ 指向性エネルギー 堆積 (directed energy deposition) 材料を供給しつつ、熱の発生位置 を制御することによって、材料を選 択的に溶融・結合する 金属 （米）オプトメック まとめ 3Ｄプリンタ造形方法
- 53. ©3DdoFactory まとめ 3Ｄプリンタ造形方法と使用できる材料 合成樹脂 金属 セラミック 紙 砂 ワックス 石膏熱可塑性 樹脂 光硬化性 樹脂 材料押出（熱溶解積層） ○ 液相光重合（光造形） ○ 材料噴射 ○ ○ 結合剤噴射 ○ ○ ○ ○ ○ 粉末床溶融結合 ○ ○ ○ ○ シート積層 ○ ○ 指向性エネルギー堆積 ○
- 66. 3Dプリンターの活用例 ©3DdoFactory • 製造業 – 試作品、鋳型、金型、治具、工具 • 建築 – 家、ビルなどの完成模型 • 医療 – 人工骨、臓器などの模型、歯型 • 教育 – ものづくり教育のツール • 娯楽 – フィギュア、プラモデルなど
- 67. いわてデジタルエンジニア育成センターが 保有している3Dプリンターについて ©3DdoFactory Objet30 製品仕様 造形方式 インクジェット方式 造形サイズ X294 x Y192.6 x Z148.6mm 積層ピッチ 0.028mm 解像度 X600 x Y600 x Z900dpi モデル材料 アクリルライク、PPライク 精度 0.1mm (X=0.042 , Y=0.084 , Z=0.028) 樹脂カートリッジ 4本（モデル材・サポート材各2本 1kg/本） 入力形式 STL/STCファイル 機械寸法 W820 x D620 x H590 機械重量 93kg 電源仕様 単相 110-240VAC 50/60Hz 1.5kW 設置温度 18-25℃ 相対湿度 30-70％ 本体価格：400万円
- 68. 本体価格の他にも・・・ ©3DdoFactory Objet30 本体価格：400万円 パソコン 別途必要 制御ソフト ¥150,000 モデル材料 1kg ¥58,000 x2 =116,000 サポート材料 1kg ¥38,000 x2 =76,000 運送費・設置費 ¥200,000 技術指導費 ¥100,000 UPS装置 ¥262,000 ※無停電電源装置 ウォータージェット ¥475,000 年間保守料 ¥500,000 ※あくまで参考価格です 本体以外 ¥1,879,000 (パソコン抜き)
- 69. 3Dプリンターを購入してから・・・ ©3DdoFactory 材料費が高い・・・ 自動配置だと時間が優先され材料費が高くなる・・・ 造形する際にモデルの体積以上にモデル材を使用している・・・ 3Dプリンター用にモデルの修正が必要な場合がある・・・ 材料を入れ替えるのに約160g（9,280円）捨てなければならない・・・ 材料に消費期限がある・・・ 廃棄物の処理・・・ メンテナンスが必要・・・ プリンタヘッドの樹脂が固まらないように、毎日造形しなければならない・・・ サポート材を取り除くのが大変・・・ サポート材を取り除く際に細いところを間違って折ってしまった・・・
- 70. 材料費が高い・・・ ©3DdoFactory モデル材 1kg 58,000円 サポート材 1kg 38,000円 サイズ：40x245x20mm モデル材 90g 5,220円 サポート材 73g 2,774円 造形時間 2時間25分 合計金額 7,994円 サイズ：50x160x10mm モデル材 41g 2,378円 サポート材 21g 798円 造形時間 1時間47分 合計金額 3,176円 材料費は高いが複雑なモデルを高速試作できる 実際に加工できないものまでできてしまうが・・・
- 71. 自動配置だと時間が優先され材料費が高くなる・・・ ©3DdoFactory モデル材 1422g 82,476円 サポート材 797g 30,286円 造形時間 34時間 合計金額 112,762円 モデル材 1182g 68,556円 サポート材 72g 2,736円 造形時間 35時間 合計金額 71,292円 自動配置 手動配置 参考モデルサイズ：100x290x140mm 価格に 大きな差が・・・
- 82. 3Dプリンタ導入のポイント ©3DdoFactory 造形方式は？ FDM、インクジェット、光造形・・・ モデル材は？ 樹脂、金属、砂、粉・・・ サポート材の処理は？ 不要、手作業、溶液につける、加熱 色は？ 透明、白、青、黒、フルカラー 造形サイズは？ 100mm～1000mm ※造形サイズが大きければ良いというわけではない。 精度は？ 0.1mm～ ※積層ピッチ=精度ではないです。 予算は？ 低価格10万円～高価格1億円 保守・メンテナンスは？ 保守なし、数十万円～
- 84. ©3DdoFactory 3Dプリンタの課題 • 精度、解像度、積層ピッチ • 強度 • 材料、色 • 価格 • 造形サイズ • モデラー、モデリング技術 • 著作権 • 造形時間、大量生産
- 86. ©3DdoFactory 3Dプリンターのまとめ • すべてに共通していること – 3Dデータのジオメトリをベースに薄い断面を生成し、そ れを積み重ねて立体を造形すること • 機種によって異なること – どのように材料を積層するか – どの材料を積層するか – どのようにサポート材を作成するか – どのようにサポート材を取り除くのか – 造形できるサイズはいくつか
- 87. ©3DdoFactory まとめ 3Dプリンタとは3次元データを積層造形により実体化する装置。 数万円～1億円までの価格帯があり、造形方式も様々である。 導入の際は事前の情報収集が必須である。 現時点では大量生産に向かず、カスタムメイド向けモノづくりに効果的 3Dプリンタ技術はこれから益々発展する可能性がある 有効な活用方法を考えることが大切である。＝設計力