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【いまさら聞けない】3Dプリンターの使い方!CADデータ作成から造形まで~運用プロセス徹底解説~

3Dプリンターの使い方!CADデータ作成から造形まで~運用プロセス徹底解説~

製造業の在り方を大きく変えると言われる3Dプリンターですが、3Dプリンターを購入するだけではモノづくりはできません。実際に3Dプリンターで造形した部品を利用するには、造形するための3Dモデルデータを準備し、3Dプリンターが造形できるデータにエクスポートし、3Dプリンターが造形します。その後サポート材を除去し、表面を研磨等で整え、塗装などを施します。こうした一連の工程をとりあげながら、3Dプリンターの使い方を紹介していきます。本稿を通じ、3Dプリンター運用の流れについて大まかなイメージを掴んで頂ければ幸いです。

3Dプリンターによる造形手順

3Dプリンターによる立体造形は、「前工程(データ作成・準備)」→「造形(印刷)」→「後工程(後処理)」の順に行います。3Dプリンターを使った印刷は、3Dデータがあってこそ可能です。まず最初は3Dデータを用意しなければなりません。また、後工程とは、表面を研磨したり塗装したりする工程です。

造形プロセス必要な設備・備品など
前工程(データ作成・準備)3Dデータ
3DCADソフト、3DCGソフト
データ検証ソフト
データ変換ソフト(スライサーソフト)
造形工程(印刷)3Dプリンター
造形用材料
小物(FDM方式の場合、スティックのりなど)
後工程(後処理)サポート除去用具
洗浄、研磨用品
塗装用品
3Dプリンターによる造形手順

以下では、それぞれの工程について順に解説していきます。

前工程(データ作成・準備)

実際に3Dプリンターで3Dモデルデータを造形する前工程では、まずデータの作成・準備を行います。

データ作成工程は、3Dプリンターに入力する設計図を作る工程です。3Dプリンター運用の難しさはここに集約されていると言っても過言ではなく、逆に言うと、この工程の後は、ほぼ自動で3Dプリンターが造形を実行してくれます。

データ作成は、技術者の習熟度によって要する時間が大きく異なる工程です。初心者が1週間掛かるような作業も、3Dモデリング技術のベテランならば1時間で終わる、ということが起こり得ます。

①3Dモデルデータ作成

3Dモデル データを作成する方法はさまざまです。大まかに分類すれば、以下の4種類が挙げられます。

・3Dモデリングソフトを使って3Dモデルデータを作成する
・配布されている3Dモデルデータを利用する
・実物を3Dスキャンし3Dモデルデータを制作する
・外部に3Dモデルデータの制作を委託する

3Dモデリングソフトを使って3Dモデルデータを作成する

3DCG作成ソフトや3DCADソフトなどを使って、3Dモデルデータを作ることを、デザインまたは設計すると呼びます。設計に使うことができるアプリケーションは有償・無償のさまざまなソフトウェアが存在します。これらデータ作成ソフトを使って3Dプリントしたい造形物を形作ることができれば、自由な造形が実行できます。

一方、3Dモデルデータを作るためには、ソフトウェアの操作方法以外にも、設計対象部品に関する理解や知識、経験が必要です。また実際に3Dプリンターで造形するには、造形に使う3Dプリンターの性能や、材料に関する知識、後処理に関する知識も必要でしょう。

配布されている3Dモデルデータを利用する

初心者がゼロから3Dモデルデータを作るためには、適切な学習が必要ですし、作業時間を確保する必要があります。自分でゼロから3Dモデルデータを作成できない場合でも、有償で設計を依頼したり、配布されている3Dデータを活用することが可能なので、必ずしも自分一人、自社だけの力でモノづくりを行う必要はありません。

配布されているデータの著作権などに注意は必要ですが、使用上問題のない許諾付きの無料データなども配布されていますので、とりあえず3Dプリンターでなにかを造形したいという場合は、無料データを探すとよいでしょう。ダウンロードしたデータに少しずつ手を加え、望む形にしていけば、データ作成ツールの習熟にも繋がります。

実物を3Dスキャンし3Dモデルデータを制作する

作りたい物の模型や実物が存在するならば、それらの形状をスキャンし、データとして取り込むことができます。3Dスキャンのためには専用の装置が必要となりますが、こちらの方法ならば、データ作成の手間を大幅に短縮することが可能です。

外部に3Dモデルデータの制作を委託する

最後に、実物模型が存在せず、配布データには望む形状が見つからず、自社にデータ作成をする技術もない場合には、外部のデータ作成サービスを利用するという手もあります。

ただし、外部に委託しているだけでは、自社での3Dモデリング技術育成に繋がりません。3Dプリンターの利点は、形状や仕様を細かく、かつ素早く調整できることです。データ作成を委託していては仕様変更に時間が掛かり、3Dプリンターの利点を最大限に発揮できません。

データを作成するためには、人的コストと時間的コスト、さらに将来への人材育成を考慮して、適切な方法を選択すべきでしょう。

データの作成に関してはこちらの記事もご参照ください。

設計データは単一部品または単一製品のみ格納されている場合でも、実際に造形する際は、複数部品を同時に造形したい場合もあるでしょう。そういった場合は、複数部品を混載させた造形用データを用意する必要があります。

②データの検証/出力/変換

作成または入手した3Dモデルデータはそのまま立体形状に造形できるか事前検証が必要です。その後ソフトウェア固有のファイル形式の場合、STLファイルやOBJファイルなどの中間ファイルに出力し、3Dプリンターの造形用ソフトウェアに読み込ませます。その後、造形用ソフトウェアが対応する3Dプリンターが造形できるツールパスなどのデータに変換します。産業用3Dプリンターの多くは専用の造形用ソフトウェアを用意しています。

データの検証

設計ソフト上では問題がないように表示されていても、造形可能な現実的な厚みを持っていなかったり、3Dモデルとして立体物として完結できていない(閉じていない)場合があります。その場合は、3Dプリンターで意図通りの造形を行うことができません。こうしたデータ不備による造形失敗を防ぐためにSTL検証ソフトや3DCAD向け検証ツールと呼ばれるソフトウェアを使ってデータを検証する必要があります。

要注意ポイントは「厚み」と「閉じる」

3DCGデータを使ってコンセプトモデルをデザインし、3Dプリンターで造形する際などには特に注意が必要です。厚みが十分に設定されていない板ポリゴンでは3Dプリンターでは造形に失敗します。造形する機種に応じた厚みを設定しておく必要があります。またポリゴンの裏側が見えてしまうといったように「閉じていないデータ」は、3Dプリンターで造形できません。CGで検証する際は問題なくても造形用データとして整合性が取れている状態に整える必要があります。完全に立体であるかどうかを検証しておくことが必要になることを意識するようにしましょう。

3DCAD向けの検証ツールが利用できる場合は、3DCADモデルに含まれる微小な要素や要素間の微小な隙間などよくある不具合の原因を自動検知してくれます。後工程での禍根を残さないためにも修正していきましょう。

「事前シミュレーション」は今後ますます重要に

また3Dプリンターによる造形に対応したCAMソフトでは、材料と装置の組み合わせを選択し造形用データを読み込ませると、実際に造形した際のシミュレーションを行うことができる場合もあります。この造形条件では、シミュレーション上「角がだれる」、「形状がゆがむ」などの結果をもとに、形状を変化させたりサポートの密度を変えるなどの造形条件を変えるなど、調整を行うことで失敗を未然に防ぐことができます。

造形には数時間から数十時間がかかることも珍しくありません。失敗すると時間だけでなく材料も無駄になってしまいます。大きな金属部品を造形する場合は、造形コストが数百万円に及ぶこともあるでしょう。事前のシミュレーションができる場合は、実施した結果で微調整を行い、造形品質を追い込んでいく努力が必要です。

データの出力

3Dモデルデータは作成したソフトウェアによってファイル形式が異なります。そのままでは3Dプリンターが造形に用いることができない場合もあるため、STLファイルやOBJファイルなどの中間データに出力する必要があります。3Dプリンターに付属のソフトウェアで自動処理できる場合もあります。

データの変換

3Dモデルデータを造形に利用する3Dプリンターが解釈できるツールパスに変換する工程です。材質、質感(テクスチャ)、色彩情報なども解釈できる3Dプリンターの場合はツールパス以外の情報も含めた造形指示データに変換されることになります。この役割を持つソフトウェアをスライスソフトや造形準備ソフトウェアと呼びます。

無料配布されているデータを使いたい場合などは、自社で使う3Dプリンターに合わせて、データ形式を変更しなければならない場合もあります。

材料と利用する3Dプリンターを指定すれば、造形時に3Dプリンターに設定するべきパラメーター設定を自動設定してくれるソフトウェアもあります。

造形工程(印刷)

3Dプリンターで造形するプロセスです。一度造形指示を出してしまえば自動で3Dプリンターが造形を行うので大した準備も不要、という機種もあります。一方で3Dプリンターによっては事前にさまざま準備をしないと造形が安定せず不具合が発生する場合もあります。

造形前の下準備

3Dプリンターによっては事前に暖気しておかなければ造形が開始できません。FDM方式のような造形物をビルドプレート上に造形していく機種の場合、そりを防ぐためにスティックのりなどをビルドプレート(またはステージ)に塗布しておくなどの準備が必要な場合もあります。造形庫内の温度管理ができない3Dプリンターの場合、造形を行う室内の温度に気を配る必要があるかもしれません。材料フィラメントや材料粉体は、保存時に湿気を防ぐ手立てを講じておかないとそりや膨張が発生するかもしれません。このように造形前に3Dプリンターを装置として十全に稼働させる準備が必要な場合があります。

パラメータ設定

また造形に使う3Dプリンターと材料を指定すれば、造形時の各種パラメータ設定を自動で設定してくれる3Dプリンターも存在しますが、別途主導でパラメータ設定を変更できる場合もあります。また自動設定の造形で造形しても造形品質が安定せず、意図通りに造形できない場合もあります。

そうした場合は、造形後の仕上がりを見て、仮説を立て、改善のためにパラメータ設定を変更していく必要があります。各種設定の最適化は、実際に造形できた造形物を観察・評価し、改善のために何が必要か考察の上、パラメーターを調整していく作業です。造形物のピン角がたたない、表面がだれる、など造形結果を分析し、材料の溶融温度を上げる、下げる造形時の吐出量を増やす、減らす、吐出スピードを速くする、遅くするなどの設定値の組み合わせで、最適な造形パラメータを探っていきます。

最適な組み合わせを探るこの作業をレシピ開発とよび、データさえおくれば最適な造形物が用意できると思われがちな3Dプリンターを利用したモノづくりにおいて、大きく出来栄えを左右する重要な作業となっています。

後工程(後処理)

ビルドプレートからの取り外しとサポート材除去

造形が完了した後に、ビルドプレート(またはステージなど)から造形物を取り外す必要があります。丁寧にゆっくり取り外さないと造形物にダメージが入り、形状が崩れてしまう場合があります。金属3Dプリンターの場合、手作業ではビルドプレートから造形物を取り外すことができない場合もあります。パウダーベッド方式(PBF方式)の場合、材料プールから造形した部品を発掘する必要があります。

またサポート材がある場合、サポート材を除去します。樹脂3Dプリンターの場合、水溶性サポート材などを用いると除去工程がスムーズにすすむことでしょう。金属3Dプリンターの場合、サポート除去後のバリ取りに切削、研磨を行う必要があるかもしれません。

研磨・塗装などの後加工

造形物を部品として取り出したのちに、さらに研磨を行う場合、CNC工作機などで切削を行う場合、加工原点を適切に指定し、切削加工機用にツールパスを作成する必要があります。

部品の肌をととのえた後、塗装や加飾を行う場合、マスキングなどを行った上で実施します。自社内で設備や技能者がいる場合、社内でも完結できますが、塗装や加飾を外注する場合もあるでしょう。

3Dプリンターで造形した造形物の研磨を数多くこなす後処理業者の方に聞いたところでは「造形物の形状や材質、積層方向などにより、研磨時の仕上がりを最適化すべき」とのことで、後処理も突き詰めると奥が深いということができるでしょう。

製造業で使われる3Dプリンター素材/選び方

新規に部品を設計し造形する場合は、造形素材選択に自由度がありますが、依頼を受けて造形する際に、素材指定がされている場合もあります。素材が指定されている場合、造形に利用する3Dプリンターが指定材料を使って造形できるかを確認する必要があります。

3Dプリンター用に調整された材料には添加剤が配合されており、物性や加工時の手ごたえが従来の製造工法で使っている材料と異なる場合があります。また対応する材料がない場合も存在するでしょう。条件に合致する材料がない場合は、代替材料を選択するか、対応してくれる材料商社や材料メーカーに材料開発依頼を行う必要があります。(コストが合わない場合もあれば、発注量の問題でそもそも対応を断られる場合もあるでしょう。売っていないものは買えません。)

3Dプリンターで安定した形状で造形できるように材料メーカーが材料粉末の粒径や粒形、コーティングや添加剤を変えている場合、同じ材料でも特性が異なります。そのことを明示的に表現するために、ABS樹脂でも呼称がABSライク樹脂と呼ばれる場合があるほどです。このように3Dプリンターメーカーやサードパーティーの材料メーカーが売り出している材料ラインナップをみて、目当ての材料名があったとしても、射出成型用材料などと比べて、材料に明確な違いがある場合があります。

試作ではなく、実際に利用する最終部品として利用する場合は、実際に試験造形を行い要件を満たせるかを事前に確認しておくことが必要です。

3Dプリンター導入経験者に聞いた3Dプリンターならではの悩み

いままで3Dプリンターを使って実際に製品や部品を製作するためのプロセスを、前工程、造形工程、後工程の3つの段階にわけて紹介してきました。それぞれ専門知識をもって取り組むべき作業が存在することがわかったと思います。実際にプロの現場でも、おなじプロセスを経て、モノづくりがおこなわれています。

顧客からの受注を受けて3Dプリンターで造形を行っているプロとして、3Dプリンティングの原理やプロセスを熟知しているサービスビューロでも、苦労がないわけではないようです。シェアラボ編集部で過去に取材した造形のスペシャリストたちのインタヴューからその苦労の一端をご紹介してみます。

3Dプリンター製造での壁(エンジニアの苦手意識/品質管理の難しさ)

まだまだ日本の3D設計への取り組みは普及段階。3DCADでモデルデータを起こしても、加工を依頼する先の加工業者が平面図面しか受け取らない場合もあるとおもいます。またせっかく部品を造形できる目途が立っても、品質管理部門との折衝がうまくいかず、最終部品として利用できない場合もあることでしょう。

そのため、日本のエンジニアの方々も興味はあるものの、3D設計は図面におこすのが面倒で、さらに材料選定や工法選定に至るまで責任を伴う作業についてまだ浸透していない3Dプリンター市場で試行錯誤しながら進むことに苦手意識を持っていることを、実際にご提案する中で実感しました。また、品質管理に関する問題もあります。金属3Dプリンターに関しては国際的な品質基準・規格が定まっておらず、顧客とのやり取りでは、品質管理について都度話し合わなければなりません。この打ち合わせには大変なコストが掛かります。設計 → 開発 → 生産技術 → 工場の責任者と打ち合わせをクリアしても、品質保証部門の人と打ち合わせとなった段階で、すべてがご破算になることも。

シェアラボ編集部の伊福精密社への取材より https://news.sharelab.jp/3dpnews/metal3dp/ifukuseimitsu-metal-3dprinter-220218/

保守業務を行ってきた観点から見る3Dプリンター安定稼働への苦労

また3Dモデルデータを用意できる場合でも加工装置である3Dプリンター自体の使い方に習熟していないと、使いこなすことができません。ほかの加工装置と同じく、日々のメンテナンスや修理までできる装置での加工と、保守をメーカーや業者に任せきりの装置では、使いこなしの度合いが変わってきます。3Dプリンターの安定稼働は業務で利用する上では気になってくるポイントです。

私たちは過去のサービス実績から事前に豊洲のソリューションセンターの他、各サービス拠点に消耗品や故障が多い部品の在庫を持ち、お客様装置の安定稼働に対する体制を整備しています。

シェアラボ編集部によるJBサービス社への取材より https://news.sharelab.jp/3dp-news/others/jbservice_20220524/

マルチベンダーで3Dプリンターの保守を請け負っているJBサービス社では部品ストックを保有しておく、日次のメンテナンスを行う、不具合時に周辺モジュールも点検、整備するなどの取り組みをおこなっています。

3Dプリンター導入後のトラブルが多い理由~3Dプリンターの機種選びが重要~

光造形方式の3Dプリンターを20年以上使い続けている老舗サービスビューロJMCによると、生産設備としての3Dプリンターはまだ発展途上にあり、利用が盛んな海外では故障や不具合を見越して複数台数装置を導入するバックアップ体制を用意しているということです。

エントリーモデルの3Dプリンターを導入して、実際に試作を行ってみる。そこでできること、できないことを知っていただき、どれくらい稼働させられるか実感していただくことが必要と思います。自社内で試作を行うだけであれば、エントリーモデルの装置と私たちのようなサービスビューロへの発注だけで事足りるかもしれません。それでも数千万円の装置を買う必要があるほど社内需要があるのであれば、目的に即した装置を導入するべきです。

シェアラボ編集部によるJMC社への取材より https://news.sharelab.jp/interviews/jmc-mr-watanabe-20220730/

3Dプリンターで試作を行う際は、担当者や部門内だけでのすり合わせで導入ができるため、日本でも活用が進んできました。また3Dプリンターの性能が向上し、強度のある材料が使えるようになってきたため、社内で利用する治具の製造を3Dプリンターで行う企業も増えてきました。今後試作や治工具を内製化するための3Dプリンター活用は一層進むことでしょう。その際に、自社内で3Dデータの用意を始めた前工程、造形工程、後工程を完結させるケースもふえてくるでしょうし、外注工場と連携して取り組むこともでてくるかもしれません。

最終部品として顧客に提供する部品を3Dプリンターで造形するためには、品質管理という壁をこえなければならないことが現状、大きな課題になっていますが、まずできることから取り組むという姿勢が重要かもしれません。実際に取り組むなかで、自社内で出てきた課題、協力工場から申し送りがあった課題を一つ一つ乗り越えていく際に、本稿を再度見直していただけると幸いです。

おわりに

「3Dプリンターの使い方」は装置の操作方法ではない!「3Dプリンターを活用したモノづくりプロセス」そのもの

新しい工法である3Dプリンティング技術を活用したモノづくりでは、3Dデータを用意し、3Dプリンターで造形し、後処理を行い部品を仕上げるという3つのプロセス全体に気を配る必要があります。

3Dプリンターは使用用途や機種・素材によっても必要なもの・使い方はさまざまなので、自社の使用用途に合わせた3Dプリンター造形に必要なもの・使い方を整理することが大事になってきます。

ほかの工法では先人が解決してきたノウハウが豊富ですが、新しい工法や装置ではトラブルがつきもの。一つ一つ丁寧に対応し、ノウハウを自社内に蓄積したり、相談できるパートナーを開拓していくことが重要になっていきます。

>>3Dプリンターの造形方式の特徴を知る https://news.sharelab.jp/study-knowledge-am/

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