3Dプリント Vol.1-1

【1時限目】3Dプリント基礎の基礎を知ろう

3Dプリントとは、主に樹脂や石膏、金属を素材として、3Dデータから実際の立体物を生成することを指し、そのための出力装置を、紙への印刷になぞらえて3Dプリンタと呼んでいます。

概念自体は80年代から存在しており、価格が数百万円クラスの業務用のものは、大手の家電メーカーや建築設計会社、デザイン事務所などに導入されて、製品開発段階でのモックアップ作製や、素早く試作品を作って検討するラピッドプロトタイピングの分野で活用されてきました。

一般の消費者が目にすることが多い3Dプリンタの出力例は、幾何学的オブジェや、キャラクターのフィギュアでしょう。前者は、メーカーが自社製品の造形能力の高さを示す目的で作られることが多く、後者はアニメファンなどを対象に、徐々に商業化の波に乗りつつあります。

メイカーズたちが製品の試作や小ロットでの量産に３Dプリンタを利用するのは、金型を作らずに済み、設計変更も容易に行えるから。一人一人に個別のフィッティングが求められる義手や義足の製造にも取り入れられ、意外なところでは、砂糖菓子やチョコレート製の飾りを造形する3Dプリンタもあります。

あるいは、電子書籍が台頭する中で、紙媒体の書籍に3Dプリントでケースを付けて販売するというユニークな試みも行われています。アメリカ在住の作家、チャンネ・リー氏による『On Such a Full Sea』の立体ケース付きリミテッド・エディションは、限定200冊を150ドルで販売したところ、すぐに売り切れました。

さらには、セメントを用いて実際に住める建築物を3Dプリンティングで建てるアイデアも実用化され、将来的には宇宙基地なども、かさばる加工済みの部材を運搬して建設するのではなく、素材や現地で精製された原料を使った3Dプリント方式で作られる可能性も論じられています。

ディテール再現に優れる光造形方式による3Dプリントの例。【URL】https://jp.xyzprinting.com

熱溶解積層方式によるカラフルな3Dプリント作品の例。【URL】http://ja.3dsystems.com

【2時限目】3Dプリントの方式を知ろう

3Dプリントの方式には大きく分けて4つの種類があります。1つ目は、液状の樹脂で満たしたトレイにレーザ光線を当てて硬化させる「光造形方式」。2つ目は、薄く敷き詰めた金属などの粉末素材にレーザ光線を照射して焼結させる「粉末焼結方式」（用途は異なりますが、石膏の粉を接着剤の噴霧で固化するバリエーションもあります）。3つ目は、インクジェットノズルから液状の樹脂を噴霧し、同時に紫外線などを当てて硬化させる「インクジェット方式」。そして4つ目は、熱により溶解した樹脂を積層して固形化させる「樹脂溶解積層方式」です。

このうち、最初の3方式は精密な生成物が得られる反面、大掛かりで精度の高い機構が必要となるため、コストがかさむ傾向にあります。また、樹脂液や金属粉の管理、処理にも配慮しなくてはならず、パーソナルユースにはハードルが高いのが実状です。

これらに対し、樹脂溶解積層方式は精密さやディテールの再現度合いではほかの3方式に劣るものの、製図用のX−YプロッタにZ軸の動きを加えたような、比較的単純な機構で実現でき、樹脂も安価に調達可能なため、家庭用3Dプリンタでの採用率が一番高い方式になっています。

4つのプリント方式

光造形方式

液状樹脂をレーザで硬化させ、薄い層を数多く重ねて造形する方式です。時間はかかるものの、非常に精密な出力結果が得られるので、比較的小さなサイズの高精度な造形に向いており、イヤリングなどのジュエリー分野で商業利用されることもあります。

【URL】https://youtu.be/IEUbJ9sccXc

粉末焼結方式

高温で焼結する金属などの粉末素材をレーザ照射で硬化させてプリントしていきます。ギヤのように精密で剛性の高い部品も造形できるのが特長。やはりジュエリーなどから、ハイエンド用途ではチタンの粉末素材を使ってロケットエンジンのパーツのような精密部品の製造にも利用されています。

【URL】https://youtu.be/-qbLxL3KBKE

インクジェット方式

紙に印刷するカラープリンタで主流となっている、インクジェットの印刷技術を3Dプリントに応用したもので、多層構造の回路基板なども出力可能な方式です。フォトプリンタに近い原理で動作し、インクの代わりに液状樹脂を使います。フルカラー出力も可能な点が大きなメリットです。

【URL】https://youtu.be/s4m5skH0sGw

樹脂溶解積層方式

溶けた樹脂の層を重ね、ファンや自然冷却による固化で造形する方式。価格も安く、そこそこ強度のある造形ができるため、個人向けの3Dプリンタでもっとも多く採用されています。構造が比較的単純で参入しやすいことや、樹脂素材がリールに巻かれたフィラメント状で扱いが楽であることなども普及を促した要因です。

【URL】https://youtu.be/YUJF0t9wv9s

【3時限目】プリント用の設計図を手に入れよう

3Dプリントを行うにあたって、まずは3Dデータを用意する必要があります。最近ではプリント用のデータを共有できるWEBサイトがいくつか存在し、クオリティの高い作例がたくさん手に入るのでオススメです。

また、iPhoneで撮影した立体物をデータ化してくれる3Dスキャンアプリを使うのもよいでしょう。手軽に3Dデータを作ることができます。

実際にファイルをダウンロードして使う際に覚えておきたい注意点として、3Dデータにはいくつかの形式があります。代表的なものとしては、STL、OBJ、3DSの３つの形式があり、STLは、業界最大手の3Dシステムズによって開発された、3Dプリンタ界における標準的な造形用のデータ形式です。OBJは、多くの3Dモデリング、レンダリングソフトで使われており、3DSも、3Dモデリング、レンダリング、アニメーションツールで多く採用されている形式です。

そのほかに、粉末石膏を使うフルカラー3Dプリンタ向けのPLYやVRML形式もありますが、いずれの形式も無償のソフトで相互に変換が可能なので、自分のプリンタに対応する形に変換して使いましょう。

3Dデータの主な入手方法

共有サイトで探す

動画におけるユーチューブ的な共有WEBサイトが3Dデータにもあり、インテリアからiPhoneケース、おもちゃ、アクセサリに至るまで、数多くの作品を無料でダウンロードできます。定番サイトは、シンギバース（【URL】http://thingiverse.com）で、ユーザ間の情報交換も活発です。新興ながら、開設から1000日間で50万作品を集めたスケッチファブ（【URL】https://sketchfab.com/）も要チェックです。

さまざまな投稿作品を眺めるだけでも楽しいシンギバースのWEBサイト。

3Dスキャナでコピーする

もし、実在するものを3Dプリンタで複製したい場合には、3Dスキャナを使ってデータ化する方法があります。対象物が小さければ、ターンテーブルタイプの製品に乗せて自動取り込みができ、大きければハンドヘルドタイプの製品でスキャン可能です。ただし、１、２回のスキャンのために購入するにはかなり高価なので、後述する3Dプリントの出力サービス店舗でスキャンサービスを利用するのも手です。

3DシステムズのSense（左）は５、６万円、メーカーボット（右）の製品は７万円代から。

3Dスキャンアプリを使う

スマートフォンやタブレット用の3Dスキャンアプリを使って、実像のあるものをデータ化することも可能です。デバイス内蔵のカメラ機能で、被写体の周囲から角度を少しずつ変えながら20～40枚程度の写真を撮ることにより、クラウド上で高度な処理が行われ、フルカラーの3Dデータが生成される仕組みになっています。オートデスクの「123D Catch」というアプリは、基本無料で、やや手間と時間はかかりますが、試す価値は大いにあるでしょう。

iPhoneなどで撮影した写真を3Dデータに変換できます。

123D Catch

CADで作る

造形物のアイデアがあれば、CAD系のツールを使って自作することもできます。オートデスクは用途別に入門用のCADソフトを、WEBベースやMac用、スマートデバイス用に基本無料で提供しており、同社のMac向けのハイエンドCAD「Fusion 360」も、教育・個人利用ならば実質的に無料で利用可能です。また、簡単なCADソフト「SketchUp」にも無償版があるので、使い比べて選ぶのがオススメです。

オートデスクのTinkercadで設計した3Dデータです。

※入手難度は下の項目ほど高くなります。

【4時限目】3Dデータを出力しよう

３Dデータを出力する場合、自分で3Dプリンタを購入するか、次ページで説明する出力サービスを利用する方法があります。数年前から3Dプリンタのキットや、普及型の完成品を購入して楽しんできた筆者の感覚として、もの作りでは、思いついたときに出力して試行錯誤できることが重要なので、特にホビーユースであれば、１台手元に置いて活用することをオススメします。

もちろん、精度では圧倒的に出力センターのほうがきれいにプリントできますが、オンラインでの注文はデータ送付から出力結果の受け取りまで数日待つ必要があり、修正のやりとりに時間がかかります。また、１回ごとの費用も無視できません。

エントリーモデルの3Dプリンタでしたら、作品サイズにもよりますが、出力サービスに10回程度発注するコストで購入できる製品もあるので、うまく使い分ければ大幅な費用の節約になるでしょう。

そう割り切れば、樹脂溶解積層型の3Dプリンタを購入するのがベターです。本体価格もこなれてきて、10万円を切る機種が多く販売され、素材となるフィラメントも1キロあたり3～4000円台で購入できるので、手軽に3Dプリントを楽しむことができます。

オススメ入門用3Dプリンタ

iPadからのワイヤレスプリントも可能で、設置場所の自由度が高い。

設計がコンパクトなため、最大造形サイズも小さくなりますが、設計を工夫すれば、大きな作品も小さな部品の組み合わせで作れます。

やや高めの価格設定ですが、ブランドを確立したメーカーの安心感があります。

ロッドではなく、硬質アルミのレールを用いた剛性の高い駆動メカニズムが特長。

【5時限目】出力サービスを使おう

前ページで、手元の3Dプリンタと出力サービスをうまく使い分けて…と書きました。わかりやすい例は、自分の3Dプリンタで試しの出力を何度か行い、必要に応じて設計を変更して、満足できたところで出力サービスに発注するという流れです。

シンギバースの作例写真を見ても、樹脂溶解積層方式の3Dプリンタを使って十分なクオリティで出力できるものもあれば、アート系やファッション系のアイテムの中には、もっと高品質な出力結果が欲しいものもあります。そういう作品をデザインした場合、完成度の確信が持てない状態で出力サービスに発注するのは、クオリティの面でも費用面でもハイリスクです。家で試しの出力が行えるのであれば、出力サービスは仕上げで利用するのが賢い使い方です。

また、素材を選んで発注できるのも出力サービスのメリットです。樹脂でもさまざまな色や特徴（木やゴムの質感など）を備えたものを選べたり、樹脂だけでなく金属素材を使うことも可能。あるいは、記念のフィギュアの制作を3Dスキャンから出力までトータルで提供するなど、独自のノウハウをサービス化しているところもあるので、そういう部分を積極的に利用するのも面白いでしょう。

初心者でも安心して使える4つのサービス

素材の種類が豊富

DMM.make

3Dデータの作り方の動画解説や、出力可能なデータのルールが公開されており、見るだけでも参考になります。造形用の素材も、ABSライクやナイロン樹脂はもちろん、アルミ、ジュラルミン、チタン、シルバー、ゴールド、プラチナなど17種類の豊富な選択肢が揃っています。さらに、作った3Dデータを販売できるクリエイターズマーケットもあるので、いろいろな楽しみ方ができるでしょう。

価格は素材と体積で決まり、データをアップロードすると見積もりが出ます。単純な指輪の場合、石膏の1000円台、樹脂の2000円台からプラチナの15万円台まで見積もり可能です。

【URL】http://make.dmm.com

アドバイスが親切

オフィス24スタジオ

東京・西新宿と有楽町駅前に実店舗を構えており、3Dデータを持ち込むか、その場で3Dスキャンして出力します。超細密3Dプリントとフルカラー3Dプリントを基本に、15分1200円で利用できる3Dプリント／スキャンのセルフサービスも提供されています。素材は、アクリル樹脂（超細密）、石膏（フルカラー）、ABS樹脂（セルフ）、PLA樹脂（同）の４種類から選べます。

価格は重量や出力時間をベースとした算出基準を示す価格表があります。たとえば、3Dスキャン代込みのフィギュア製作で、高さ15センチのモデルが4万9000円（２体目以降は2万4500円）です。

【URL】http://www.office24studio.jp/

価格設定が安くてうれしい

あッ 3Dプリンター屋だ!!

東京都中野区、「サブカルチャーの殿堂」と名高い中野ブロードウェイの地下1階という立地に、一目でわかる名前で運営されているユニークなショップ。「一般的な消費者が低価格の3Dプリンタを手にしたときに何ができるのか？」を実践的に検証することを目的として開設されたショップで、樹脂溶解積層型の3Dプリンタやハンドヘルド型の3Dスキャナが安価に利用できます。

価格は、3Dプリンタの利用が材料費込みで1時間あたり980円と、非常に安価です。3Dスキャンが1回1500円～（胸像の場合）、3Dデータのモデリングアシストが1時間あたり2500円です。

【URL】http://www.tokyo-maker.com

同好の士が集まる場

FabCafe Tokyo

東京・渋谷の道玄坂上にあり、カフェとデジタルファブリケーションという２つのカルチャーを組み合わせ、さまざまな人々の交流の場として「クリエイティブの循環」を作り出すことを目的に開設されたショップです。樹脂溶解積層方式２製品と光造形方式１製品の２種類の3Dプリンタがあるほか、ハンドヘルドタイプの3Dスキャナもあります。

価格は樹脂溶解積層方式の場合で、その場で申し込む30分あたり800～1500円のプランと、オンラインで予約する3時間あたり4000円のプランがあります。光造形方式でのプリントはオンライン予約でのみ受け付けているため、前もって予約してから来店する必要があります。

【URL】http://fabcafe.com/tokyo/

SPECIAL COLUMNFabミニ四駆への道

〈 第1話 〉カスタムして楽しむミニ四駆街道

ファブ時代の最先端レース

3Dプリンタに興味があっても、実際に何を作っていいものか、悩む人もいるでしょう。アイデアとやる気次第ですが、モチベーションを上げるために何らかの目標が欲しい、という人にオススメなのが「Fabミニ四駆」です。

今年６月に第３回目のレース開催が予定されているこのイベントは、タミヤ製の「ミニ四駆」キットを元に、3DプリンタなどのFabツールを使ってカスタマイズした車両を作って競うもの。カスタマイズは、最低どこか１カ所（カルFabクラスの場合）でもよく、究極的にはシャーシを含む全パーツ（マジFabクラスの場合）に施せるため、筆者はこのイベントをアイデアを形にする良い機会だと考えています。

左表のルールを見るとわかるように、カルFabクラスでは、極端にいえばエンブレムなどを自作して貼るだけでも規定を満たせるので、マニアだけでなく多くの参加者が集まります。一方のマジFabクラスは、異なる素材の一括出力で造形されたタイヤや、センサ内蔵シャーシを持つものなど、実験的なマシンもあって刺激的なレースになります。優勝狙いの猛者もいれば、完走を目指す人から、イロモノ（？）系までバラエティに富むのは、市民マラソンに近い感覚といえるでしょう。

このコーナーでは、３Dプリントのノウハウを紹介しつつ、筆者の次世代マシンの開発過程を公開していく予定なので、ご期待ください。

Fabミニ四駆カップ2015を彩った車両たち

タミヤ純正パーツでミニ四駆定番の改造を施したシャーシに、3Dプリンタなどで造形されたボディが目立つカルFabクラス参加車両。

純正キット付属のパーツ以外、すべてFabツールで改造されたマジFabクラス参加車両。シャーシごとFabされたマシンもありました。

たまたまコースとの相性が良く、Fabミニ四駆カップ2015のマジFabクラスで優勝した筆者のマジFab車両。ファブリックボディのBMWショーカーをイメージしました。

優勝特典として参戦した、Fabミニ四駆台湾大会で撮影した現地参加者の車両。右の三輪レーサの後輪はなんとハブレス構造です。