3Dプリンターの仕組み：データから完成品になるまで

3Dプリンターは、デジタルモデルの断面を順番に作り、重ね合わせて立体物にします。 修理中に外したネジを入れる、浅いトレーを想像してみてください。底の部分を水平に切った断面は、中身の詰まった長方形です。底より上の断面は、四角い枠のようになります。これらを順番に積み重ねると、上が開いたトレーができます。

この層を3Dプリンター用に計算するのが、スライサーというソフトです。各層を作る仕組みは方式によって異なります。フィラメント式は軟らかくした樹脂で線を描き、LCD光造形式は光のパターンで各層の形を硬化させます。

1. 作りたい形を用意する

CADでトレーを設計する、既存のモデルをダウンロードする、3Dスキャンを出発点にする、といった方法があります。単純な長方形のトレーなら、実物をスキャンするより必要な寸法で設計するほうが簡単なことが多いでしょう。ネジを入れるくぼみも含め、ファイルが立体的な形を表していることが重要です。

機械に対応したスライサーでモデルを開き、寸法を確認します。手のひらサイズにしたいトレーが仮想ビルドプレート上で切手ほどに見えるなら、拡大率を直しましょう。モデルを回転して内側も見てください。上から見た輪郭だけでは、かたまりと中がくぼんだトレーを見分けにくいことがあります。

2. スライスして、いくつかの層を確認する

プリンターと材料のプロファイルを選び、仮想ビルドプレート上にモデルを置きます。このフィラメントの例では、開口部を上にして平らに置きます。スライス後にプレビューを1層ずつ確認すると、下の層には底を埋める経路が、その上には壁だけが見えるはずです。くぼみが縁まで埋まって表示される場合は、印刷を始める前にモデルを確認してください。

モデルは物の形を表し、スライス後のファイルは特定の機械で作るための情報を持ちます。STLは、たとえばトレーの表面形状を表せます。フィラメント用スライサーは通常、移動や押し出しの指示を含むG-codeを出力します。光造形では、層の画像と露光設定を持つファイルを使う機種もあります。ELEGOO Mars 4はGOO形式に対応する一例です。機械を変えるときは、モデルに戻って適切なプロファイルでスライスし直しましょう。

3. プリンターと材料を準備する

フィラメント式では、エクストルーダーがスプールから材料を送り、加熱ノズルへ押し込みます。選んだ材料設定が実際のフィラメントと合っているか、ビルドプレートが説明書どおりに取り付け・準備されているかを確認します。安定した最初の層が、その上の壁を支えます。最初の線がはがれる場合は、トレー全体を作る前にプリンターのキャリブレーションガイドを確認してください。

LCD光造形では、液体の光硬化性レジンを入れたタンクとビルドプレートを使います。対応するレジンと推奨プロファイルを選びます。ボトルを開ける前に、レジンの安全データシートと機械の説明書に沿って、取り扱いと洗浄の作業場所を準備しましょう。

4. 層ができる様子を見る

フィラメント式ではノズルの動きに注目

FDM 3Dプリンターは、加熱した樹脂をノズルから細く押し出します。トレーの底では、外周を描いてから、その内側に隣り合う線を並べます。新しい樹脂は、冷える過程で隣や下の材料と接合します。底ができると、ノズルは壁の経路をたどり、中央を空けたまま積み上げます。次の層では、ノズルと造形物の相対的な高さが変わります。

LCD光造形式では光の働きに注目

LCD 3Dプリンターは、液体レジンの必要な部分を同時に露光して1層を作ります。一般的な下から照射する機構では、ビルドプレートがタンクの透明フィルムに近づき、レジンが入る薄い隙間を作ります。タンクの下には光源があります。LCDはマスクとして働き、層の画像に合わせて光を通します。光が当たったレジンは硬化し、最初はビルドプレート、その後は造形中の物体に接合します。硬化した層がフィルムから離れ、隙間にレジンが流れ込むと、次の露光が始まります。

トレーに底、壁、くぼみが必要な点は同じです。ただし、配置する向きやサポートは、機械と方式に合わせます。フィラメント式で平置きするためのFDM用ファイルには、光造形に必要な露光画像や適切なサポートの情報は含まれていません。

粉末を使う方式は？

樹脂のSLSでは、粉末を薄く広げ、その層の必要な断面をレーザーで結合します。周囲の固まっていない粉末が造形中の部品を支えます。各方式の材料や用途は、3Dプリントの基礎解説で紹介しています。

5. 造形物を取り外して確かめる

フィラメントで作ったトレーは、指示に従ってプレートと造形物を冷まし、造形面に適した方法で取り外します。仮のサポートがあれば除去します。平らな場所に置いて四隅ががたつかないか確認し、使う予定の場所にも入れてみましょう。こうした確認が次の修正につながります。

光造形の部品は、取り出した直後に未硬化のレジンが表面に残っていることが一般的です。使用する洗浄液や硬化設定も含め、メーカーの洗浄・乾燥・二次硬化の指示に従ってください。サポートを外すタイミングも、材料と形状によって異なります。以下のELEGOO公式チュートリアルでは、3分25秒ごろから後処理を紹介しています。

造形中によく気になること

曲面に線が見えるのはなぜ？

曲面は、薄い段差を重ねて近似しています。特に緩やかな斜面では、その段差が目立ちやすくなります。積層ピッチを小さくすると段差を目立ちにくくできますが、層数は増えます。使うモデルとプロファイルでプレビューと予想時間を確認しましょう。

インフィルとサポートはどう違う？

インフィルは、フィラメントで造形する部品の外壁の内側に設ける充填構造で、完成後も残ります。サポートは造形中に必要な部分を支え、通常は後で取り除きます。トレーのネジを入れる空間は、設計された形の一部です。インフィルを増やすと変わるのは部品の実体部分の充填で、ネジを入れるくぼみが埋まるわけではありません。

プリントにはどのくらい時間がかかる？

フィラメントのトレーでは、プリンターと材料のプロファイルでスライスした後の予想時間を確認します。高さ15 mm、一定の積層ピッチ0.2 mmなら75層です。底を埋める層と壁だけの層では経路が異なり、スライサーはその長さと速度から時間を計算します。幅、サポート、プロファイルが変われば、同じ層数でも時間は変わります。

LCD光造形の計算例として、サポートを含むモデル全体の高さを30 mm、積層ピッチを0.05 mmとすると、600層になります。露光、剥離、待機を含む1層の完全なサイクルが平均10秒と仮定すれば、合計は約100分（1時間40分）です。これは仮定したサイクル時間による計算例です。実際の機械設定を使い、初期層の長いサイクルも考慮してください。同じ高さのモデルを1枚のプレートに複数配置すると各層の露光を共有できるため、個数を2倍にしても造形時間があまり増えない場合があります。準備、洗浄、乾燥、二次硬化の時間は別に見込みましょう。