3Dプリントアプリケーション
3D印刷 3Dプリンティングはもはやラピッドプロトタイピングだけにとどまりません。製造業界では、数多くの用途で3Dプリンティングが幅広く活用されており、この記事ではその中でも特に一般的な10の用途を紹介します。航空宇宙部品、射出成形金型、自動車部品、医療用インプラントなどが、これらの用途の代表例です。
基本的に、3Dプリンティング（積層造形とも呼ばれる）とは、デジタル3Dモデルから物理的な部品を層状に積み重ねて製造する技術です。エンジニアは、材料押出成形、粉末床溶融結合、光重合、材料噴射、バインダー噴射などの方式から選択します。
企業はこれらの3Dアプリケーションを特定することでメリットを得られます。なぜなら、各業界はそれぞれ異なる技術を採用しているからです。材料の多様性を重視するならFFFが好ましい技術であり、詳細な設計を必要とするアプリケーションにはSLAが適しており、滑らかな仕上がりを実現するにはマテリアルジェッティングが適している、といった具合です。
3Dプリンティング技術と産業用途を適切に組み合わせることは、業務の円滑な流れや収益に影響を与える重要な経営判断です。そこで、この3Dアプリケーションガイドが役立ちます。10種類の産業用途と、それらに適した技術について、以下をお読みください。
3Dプリントとは何ですか？
3Dプリンティングとは、デジタル3Dモデルから物理的な部品やパーツを層状に積み重ねて造形する技術です。その積層造形という性質から、「積層造形」とも呼ばれます。
3Dプリンティングの基礎
3Dプリンティング技術には様々な種類があるが、最も代表的なものは溶融堆積モデリング（FDM）または溶融フィラメント製造（FFF）である。 3DプリンターはX軸、Y軸、Z軸に沿って移動します。X軸は左右方向の移動、Y軸は前後方向の移動、Z軸は上下方向の移動を担います。 フィラメントが造形プレート上に堆積する際の供給、加熱、押し出しは、様々なプリンター部品によって実現されます。主な部品としては、ヒーターブロック、ノズル、押出モーター、制御基板などが挙げられます。 3Dプリンティングに関するより詳細な語彙と用語は、積層造形の一般原則を網羅したISO/ASTM 52900:2021(en)に記載されています。1]
3Dプリンティングの公差と精度
3D公差と精度
3Dプリント部品においては、特に航空宇宙、医療、自動車などの業界において、精度が極めて重要です。プリントされたすべての部品は、仕様に適合し、製造基準を満たす必要があります。 最先端技術と革新的な戦略により、様々な業界における精密な要求に応えることが可能です。
以下は、一般的な3Dプリンティング技術の許容範囲を示す表です。.
|
3Dプリント技術 |
標準寸法公差 |
|
SLS |
± 0.3% (± 0.3 mm) |
|
SLA |
± 0.5% (± 0.2 mm) |
|
FDM |
± 0.5% (± 0.5 mm) |
|
カーボン DLS |
± 0.1% (± 0.1 mm) |
|
DMLS |
±0.2%（±0.1～0.2mm） |
ご注意ください：これらは固定の公差ではありません。実際に達成可能な3D公差は、材料、機械の性能、および後処理によって異なります。
Bodaは、試作品製作から本格的な量産まで、高精度かつ詳細なカスタム3Dプリント部品および製品を提供し、±0.025mmの精密な公差を実現します。
当社の 3D印刷 今すぐサービスをご利用いただけます。
3Dプリンティングが人気な理由 – メリット
近年、3Dアプリケーションは、多様な素材の使用、複雑な製品の製造、等方的な機械的特性、滑らかな表面仕上げといった利点から、様々な業界で人気が高まっている。 これらの利点は、使用する3Dプリンティングの種類に応じて最適化することができ、それについては次に説明します。
材料の多様性 3Dプリンティングにおける材料の多様性は、主にFFF（溶融積層造形）方式で顕著に表れます。複数の種類の3Dプリント製品を求める場合は、この技術を優先的に検討すべきでしょう。FFF方式は価格も手頃で拡張性も高いため、様々な規模のプロジェクトに対応できます。
複雑な製品 3Dプリンティングを使えば、複雑な形状の部品も簡単に作成できます。SLA（光造形）技術はまさにこの機能を備えています。この利点は、ジュエリー製作において特に役立ちます。
SLA 3Dプリントジュエリー
しかし、複雑な部品だからといって必ずしも製造が容易とは限りません。部品の製造可能性は、設計の方向性、支持構造、材料、および後処理工程によって大きく左右されます。
等方性機械的特性 高い等方性機械的特性とは、3Dプリントされた部品が全方向において優れた機械的特性を有することを指します。この利点は主にSLS（選択的レーザー焼結）技術で見られます。
滑らかな仕上げ 3Dプリントされた部品は表面が滑らかです。これは、材料噴射方式でプリントされた部品の顕著な特性です。
今すぐプロリアンをお試しください!
3Dプリンティングの10の主要用途
後述するように、3Dプリンティングの主な用途は、ラピッドプロトタイピング、ツーリング、航空宇宙、自動車、および産業用最終製品部品です。その他の用途としては、射出成形金型、医療・歯科用インプラントおよび機器、歯科矯正用アライナーおよびクラウン、消費者向け製品、教育・研究などが挙げられます。
1. ラピッドプロトタイピング
ラピッドプロトタイピングとは、CAD設計を迅速に物理モデルに変換する技術です。この分野における3Dプリンティングは、設計・製造プロセスの初期段階で、適合性、形状、機能性を検証することを可能にします。欠陥を早期に発見できれば、金型への投資を行う前に変更を加えることができます。
2. 工具、治具、固定具
製造工程における精度と再現性を確保する上で、治具や固定具の役割は非常に重要です。3Dプリンティングを機械加工の代替手段として用いることで、メーカーはこれらの部品をより迅速かつ低コストで製造できるようになります。これは通常、少量生産の特殊工具において有効です。
3Dプリントされた治具と固定具
3. 航空宇宙部品
航空宇宙分野でよく用いられる3Dプリント部品には、ハウジング、ダクト、燃料噴射装置、ブラケットなどがある。メーカーは、射出成形に伴う初期金型投資を回避するために、こうした部品の製造に積層造形技術を採用している。
ロケット用3Dプリント燃料噴射装置
4. 自動車および関連産業部品
カスタム用途であれ交換用途であれ、自動車部品の製造には莫大な初期設備投資が必要となる場合があります。 3Dプリント自動車 射出成形よりも、ソリューションの迅速な反復、小ロット生産などをより実用的に実現できる。自動車部品メーカーは、この利点を活用して、より効率的なビジネス展開を図っている。
例えば、複雑な 3Dプリントされたバイク部品 数時間以内に完了できます。正確な製造時間は、部品のサイズ、材質、印刷技術、および後処理の要件によって異なります。
5. 産業用最終用途部品
試作品とは異なり、最終製品部品は機械や設備に直接的かつ実用的に使用されます。これらの部品が複雑で、比較的少量しか必要とされない場合、従来の方法よりも積層造形を用いる方が経済的に合理的です。
6. 医療用／歯科用インプラントおよび機器
義肢、インプラント、その他の患者関連機器は、要件に正確に合致するように設計・製造されなければなりません。3Dプリンティングの寸法精度は、患者の安全要件を満たす、カスタムメイドの安全なソリューションを提供します。一般的な既製医療機器では、同等のサービスを提供できない場合があります。
医療用3Dプリント
さらに、部品は用途に応じて適切な検証、試験、および規制遵守を必要とします。ISO 13485は、製造業者が生産におけるトレーサビリティと品質を維持するのに役立つフレームワークの1つです。2]
7．歯列矯正装置とクラウン
歯科および矯正歯科業界も3Dプリンティングの大きな市場であり、特にアライナーやクラウンの製造に利用されています。この技術は、これらの部品に求められる高い精度要件を満たしています。高度な歯科技工所では、カスタムソリューションと標準ソリューションの両方に3Dプリンティング技術を活用できます。
8.消費者製品
3Dプリント可能な消費者向け製品の範囲は、眼鏡や履物など多岐にわたるため、驚くほど広範です。射出成形のように金型費用がかからないため、小規模企業でも経済的な負担をかけずに製品をカスタマイズし、差別化することができます。
9. 教育と研究
学術界や教育現場では、3Dプリンティング技術を用いて実験装置、模型、試作品などを製作している。これらの製品は、研究者や学生が実際の工学分野で使用される物品やプロセスに触れる機会を提供する。
10. 防衛および軍事用途
3Dプリンティングは、防衛・軍事関連機関において、少量生産部品や現場修理部品の製造に広く用いられている技術です。特に、部品交換の迅速性が従来の調達方法よりも重要となる遠隔地での作戦においては、この技術は極めて重要な役割を果たします。
ドローン技術における3Dプリンティング
用途と3Dプリンティング技術の比較表
この表は、3Dプリンティングの用途と最適な技術、そしてその組み合わせの理由を対応付けたものです。
|
用途 |
理想的な3Dプリント技術 |
理由 |
|
ラピッドプロトタイピング |
FFF/SLA |
詳細、低コスト、迅速 |
|
工具、治具、固定具 |
FFF |
低コスト、耐久性 |
|
航空宇宙コンポーネント |
パウダーベッドフュージョン（PBF） |
航空宇宙グレードの部品、複雑な形状 |
|
自動車部品および関連部品 |
FFF / PBF |
機能部品、迅速な反復 |
|
産業用最終用途部品 |
PBF / FFF |
コスト効率に優れた、少量生産の複雑な部品 |
|
医療・歯科用インプラントおよび機器 |
PBF / マテリアルジェッティング |
生体適合性、精度 |
|
歯列矯正用アライナーとクラウン |
SLA/DLP/LCD |
透明樹脂、厳密な公差 |
|
消費者製品 |
バット光重合 |
多彩なデザイン、滑らかな仕上がり |
|
教育と研究 |
FFF |
低価格 |
|
防衛および軍事用途 |
DED |
現場修理用の少量生産部品 |
今すぐプロリアンをお試しください!
主な3Dプリント技術
主な3Dプリンティング技術には、材料押出成形（FDM/FFF）、粉末床溶融結合（PBF）、光造形（SLA、DLP、LCD）、材料噴射（PolyJet、MultiJet）、バインダー噴射、シート積層、指向性エネルギー堆積（DED）などがあります。
以下の表は、これらの各技術に関連する材料と用途をまとめたものです。
|
3Dプリント技術 |
一般的な資料 |
一般的なアプリケーション |
|
材料押出成形（FDM/FFF） |
ABS樹脂、ナイロン、ポリカーボネート、繊維強化複合材 |
治具・固定具、機能プロトタイプ、標準最終用途部品 |
|
パウダーベッドフュージョン（PBF） |
金属粉末、TPU、ナイロン（PA11、PA12） |
航空宇宙部品、医療部品、複雑な形状 |
|
光造形（SLA、DLP、LCD） |
鋳造用樹脂、標準樹脂、透明樹脂 |
歯科矯正用アライナーとクラウン、消費者向け製品、精密プロトタイプ、ジュエリー |
|
材料噴射（ポリジェット、マルチジェット） |
フォトポリマー樹脂 |
解剖学的および医学的モデル、設計検証 |
|
バインダー噴射 |
金属粉、砂 |
金属部品、砂型鋳造用鋳型 |
|
シートラミネート |
プラスチックシート、紙、金属箔 |
コンセプトモデル、建築モデル |
|
有向エネルギー堆積（DED） |
金属粉または金属線 |
航空宇宙機器の修理、工具の修理、一般的な金属部品の修理 |
3Dプリント部品の耐久性
3Dプリント部品の耐久性は、材料、チャンバー温度、ソフトウェア設定、部品設計、および後処理によって異なります。 例えば、ナイロン12タフパウダー（SLS）は、高い構造強度、耐衝撃性、延性を備えているため、非常に耐久性に優れています。燃料タンクコネクタや燃料ラインなどの部品製造において、航空宇宙分野で広く使用されています。
同時に、3Dソフトウェアの設定によって、必要な耐久性を確保する必要があります。特に、材料の密度と積層方向は、部品の完全性と耐久性にとって非常に重要です。
3Dプリンティングに関連する費用
3Dプリンティングのコストに影響を与える要因としては、部品設計の複雑さ、材料費、注文量、3Dプリンティング技術、および後処理要件などが挙げられる。
それぞれの要素がどのように作用するかを説明します。
部品設計の複雑さ 複雑な内部形状は印刷に時間がかかり、コストが増加します。また、サポート構造や壁の厚さも使用する材料の量に影響し、3Dプリントのコストに影響します。
材料費 印刷時の材料の量、材料の種類、および廃棄物の量は、コストに直接影響します。材料の種類で言えば、金属は一般的にプラスチックよりもかなり高価です。
注文量 規模の経済性により、注文量が多いほど部品単価が低くなる傾向がある。
3Dプリント技術 3Dプリンティング技術の中には、他の技術よりもコスト効率の良いものがあります。DMLS/SLM（金属）技術はその特殊性ゆえにコストが高く、一方FDMは通常、時間当たりのコストが最も低くなります。
産業用FDM 3Dプリンティング
後処理要件 これらの要件には、支持材の除去、洗浄、表面仕上げ、硬化、塗装／コーティングが含まれます。
3Dプリンターのメンテナンス
3Dプリンターの最適な性能は、適切な機器の選択だけでなく、専門的なメンテナンス方法によっても左右されます。これには以下の内容が含まれます。
- 毎日のメンテナンス ノズル洗浄、ベッドレベリング、レール潤滑
- 毎週のメンテナンス ベルトの張力調整、ファームウェアとソフトウェアのアップデート、ろ過システムの洗浄
- 毎月のメンテナンス – 電気接続の点検、センサーの校正、ホットレンズの清掃／交換
- 予知保全 – 過去のパフォーマンスログとリアルタイムセンサーデータの分析
3Dプリンティングアプリケーションの将来展望
将来的には、3Dプリンティングの用途はコスト削減、生産速度の向上、そして持続可能性の向上へと発展していくでしょう。こうした流れは、技術開発、サプライチェーンの統合、そして製造業における3Dプリンティングの普及を促進するはずです。
まとめ
3Dプリンティングの黎明期とは異なり、今日の3Dアプリケーションはプロトタイプ作成にとどまらず、航空宇宙、自動車、歯科、消費財、防衛といった主要産業において、真の3Dアプリケーションが活用されている。
SLA方式、バインダージェット方式、FFF方式のいずれを選択するにしても、3Dプリンティング技術は、要求される精度、使用する材料、および生産量に合致している必要があります。 積層造形は、複雑な最終用途部品、少量生産の工具、ラピッドプロトタイピング、およびこの記事で紹介されているその他の3Dプリンティング用途において、より迅速かつ費用対効果の高い方法です。 どの部品の製造を予定されていますか？設計図をアップロードしていただければ、弊社のエンジニアがレビューいたします。製造可能性とコストに基づいて最適な3Dプリント技術をご提案し、無料でお見積もりいたします。
私たちの探検 3Dプリントサービス さあ、今日から会話を始めましょう！
よくあるご質問
3Dプリンティングは、他の従来型の製造プロセスに取って代わるだろうか？
必ずしもそうとは限りません。3Dプリンティングは、特に複雑な形状、少量生産、カスタム部品などにおいて、主に補完的な技術です。積層造形と従来の方法が共存するハイブリッド製造環境で、より一般的になる可能性が高いでしょう。
3Dプリントによる試作品製作に適した材料はどれですか？
金属3Dプリンティングに使用できる材料の範囲は狭く、一般的にはアルミニウムAlSi10Mg、ステンレス鋼316L、インコネル718、チタンTi-6Al-4Vに限られます。これらの材料は通常、DMLS（直接金属レーザー焼結）法を用いて加工されます。
3DプリンティングはCNC加工よりも費用対効果が高いのでしょうか？
それは、量と形状によって異なります。複雑な部品を少量生産する場合、3Dプリンティングは金型費用がかからないため、より費用対効果が高いと言えます。生産量が増えるにつれて、CNC加工の方が費用対効果が高くなります。
CNC加工は、加工コストに関わらず、より強度が高く、より精密な部品を製作する上で、より優れた投資と言える。
機能部品の製造に最も適した3Dプリンティング技術はどれですか？
DMLSとSLSは、優れた寸法安定性と機械的強度を持つため、機能部品の製造において最も普及している3D技術です。例えば、SLSは歯科模型の製造に広く用いられています。
参考情報
【1]https://www.iso.org/obp/ui/#iso:std:iso-astm:52900:ed-2:v1:en