業務用3Dプリンターの課題と将来性！微細加工を可能にした技術 | 業務用3Dプリンター メディア厳選おすすめメーカー3選

業務用3Dプリンターの課題と将来性！微細加工を可能にした技術

2023/09/28

業務用3Dプリンターとは立体モデルを作成する機械です。大変便利な機械ですが、開発されてから歴史は浅く、まだまだ課題が残されています。しかし、今後ますます発展する業界でもあります。

業務用3Dプリンターを取り巻く様々な課題

業務用3Dプリンターとは立体モデルを作成する機械です。プレス成型に使用する金型をはじめ、工業製品などの試作品や少量生産品の製造など、幅広く用いられています。1980年代に開発された機械で歴史もまだ浅く、さまざまな問題点や課題があります。

◇操作性

業務用3Dプリンターの課題として挙げられるのが操作性です。

業務用3Dプリントを行う際は、必ずパラメーターの設定が必要ですが、扱ったことがない人には難しく扱えないといった問題があります。

このパラメーターの設定によって、プリントの仕上がりが変わってしまうため重要な部分です。

そのため、ある程度自動化する必要があり、一部の機種は自動化が進んでいるものの、まだ進んでいない機種が多いのが課題です。

◇精度

次に課題なのが精度です。

特に金型でよく用いられているFDM3Dプリンターは、積み上げてつくる積層造形と1個ずつつくるという特性があります。この特性により、金型量産と比べると厳密な精度は出せず、毎回完璧に同じ仕上がりになりません。

課題を解消するためにも、業務用3Dプリンターの性能向上が期待されます。

◇安定性

業務用3Dプリンターの安定性も課題の一つです。業務用3Dプリンターは、材料、形、機械の3つの要素が造形の安定性に大きく影響します。

安定性が悪いと次のような問題が発生します。

・FDM3Dプリンターの場合

FDM3Dプリンターはフィラメントをノズルで溶かし、積層して物体を造ります。安定性が悪いと起こるのがフィラメントの熱収縮です。

熱収縮とは、フィラメントが溶けて積層され、冷却される過程で樹脂が収縮する現象で、これにより物体が反りや剥がれてしまうことがあります。

・光造形3Dプリンターの場合

光造形3Dプリンターは、UVレジンに紫外線を照射することで硬化させます。

レジンの種類によって温度や粘度、露光時間が異なり、加熱・露光時間が不十分だと失敗する可能性が高いです。

このような問題が発生してしまうと時間や材料も無駄になるうえ、動作が停止してしまうケースもあり、業務に支障が出てしまいます。

◇見た目・仕上がり

積層跡が目立つなど、見た目・仕上がりも課題として挙げられます。

造形方法によりますが、業務用3Dプリンターは100ミクロンなどで積層する方法が多く、FDM3Dプリンターは業務用3Dプリンターの中でも特に積層跡が残ります。

他の3DプリンターもFDM3Dプリンターではありませんが、積層跡が残ってしまい研磨や塗装が必要です。積層跡が目立つ場合は研磨や塗装などで目立たなくなりますが、素材の固さによっては手間がかかります。

また、3Dプリンターにはサポート材と呼ばれるものが付属していますが、このサポート材により跡が残る点も課題です。

これはFDM3Dプリンターと光造形3Dプリンターとで問題が少々異なります。

・FDM3Dプリンターの場合

FDM3Dプリンターのサポート材は、ノズルが1本の場合とノズルが2本で専用サポート材を使用する場合とで異なります。

ノズルが1本の場合は基本的に造形材料をそのままサポート材として使用しますが、このときに取り外ししづらい場合に跡が残る可能性が高いです。

ただし、機種によっては比較的取り外しやすいケースもあります。

ノズルが2本の場合は、サポート専用材料を使用することが多く、水溶性や溶剤で簡単に手で取れるものが多いため、跡が残らないものが多いです。

しかし、専用材料は対応している材料が限定されているケースがあり、機種によって安定性も異なる点も課題といえます。

・光造形3Dプリンターの場合

光造形3Dプリンターは、サポート材を造形材料で形成するため、タッチポイントによっては失敗してしまう可能性があります。

タッチポイントの調整は高価格帯の機種の場合は、自動調整可能なケースがありますが低価格帯の機種だと取り外しづらいケースが多いです。

また、設置面積が大きい場合は、跡が残りやすくえぐれてしまうこともあるため、研磨やパテ埋めが必要です。

一方でインクジェット3Dプリンターやレーザー焼結3Dプリンターは、専用サポート材が付属してかつ簡単に落とせたり、そもそもサポート材が不要というものがあります。

◇プリント時間

3Dプリンターは、造形するものの大きさなどによってプリントに時間がかかってしまうのも課題の一つです。

年々機種のプリント時間のスピードは早まっているものの、まだ大きなものには時間がかかってしまいます。

微細加工も可能にするBMFの技術

業務用3Dプリンターは造形精度が高くなく、製造現場でも実用的な水準に達している機械が少ないことがこれまでの問題でした。

そこで、3DプリンターメーカーBMFが微細造形を可能にした光造形3Dプリンターの一種である、超精密3Dプリンターを開発しました。

この3Dプリンターは、光エンジン、モーションコントロール、精密光学系、高度なソフトウェアを組み込んだBMF独自の技術を採用して開発されたものです。

この技術は「PμSL（Projection Micro-Stereolithography）」と呼ばれるもので、レジンにUVを照射し層全体を素早く光重合させます。

連続露光にも対応しており、解像度・スピード・造形サイズのバランスがとれた3Dプリンターです。

超精密3Dプリンターの登場により、これまでの切削加工などでは難しかった複雑な形状の3Dプリントが可能となり、現在では幅広い分野で活用されています。

例えば、研究機関ではマイクロメカニクスの研究や新素材の開発、医療分野では身体に埋め込む医療チューブなどの開発が進められており、今後さまざまな分野で新しい技術や素材の開発が期待できます。

業務用3Dプリンターの将来性は？市場はさらに拡大していく予想

業務用3Dプリンター市場では、2026年までに1兆円市場に達すると予測されており、将来性が高い分野です。

新型コロナウイルスが蔓延した2020年は、前年度に比べて市場規模が減少し、特に航空産業では伸び悩みをみせました。

一方で医療分野では需要を支える動きがみられ、2021年、2022年と市場規模は徐々に回復し、現在市場規模は増加傾向にあります。

また、これまでは小～中規模生産に適した技術とされてきた3Dプリンターですが、今後は大量生産でも活躍すると予想されます。

さらに、業務用3Dプリンターの高速化、材料の機械的特性や耐熱性が高いものの開発が見込まれるため、今後も幅広い分野で活躍する可能性が高いです。

次のようなものに活用されています。

◇製造業界

製造業界では、部品製作の専用工具や廃盤になった自動車部品、石油・ガスのコントロールバルブ、監視ロボットなど、さまざまなものに活用されています。

3Dプリンターの導入が進んだことで、短期製作や少量生産が可能となり製造の幅が広がりました。

◇医療業界

医療業界では、義歯やインプラント、骨プレートなどに活用されており、3Dプリンターは金属の加工が可能です。

強度が必要な義歯の加工も簡単にできるため、重宝されています。

◇建築業界

建築業界では、アメリカ・中国では、3Dプリンターによる住宅や橋の建設が進んでいます。また、災害時の仮設住宅建設も可能です。

日本では建築法の規制により、活用できませんが人件費削減の面では注目されています。

◇食品業界

食品業界では、一度ペースト状にした食材を味・栄養素を調節し3Dプリンターで立体的に加工する方法で使用されています。このような形で3Dプリンターは、食品ロス低減に貢献しています。

業務用3Dプリンターは、年々需要が高くなってきていますが、まだまだ課題も山積みです。

しかし一方では、年々高速化されており、BMFが開発した微細造形可能な超精密3Dプリンターの登場で造形できるものの幅が広がりました。

そのため、医療業界や研究機関、製造業界など幅広い分野で活躍しており、近年では石油・ガス分野でも活用されています。

また、3Dプリンター市場の将来性としては、今後も右肩上がりで市場規模拡大が予想されており、非常に需要が高い業界です。

今後より技術が発展し、業務用3Dプリンターが抱える課題を解消することで、より精度の高い3Dプリンターが開発され、クオリティの高い製品開発・製造が期待されます。