フィラメント方式とレジン方式の3Dプリンティング

一般に、市場には主に2種類の代表的な家庭用3Dプリンターがあります。レジン3Dプリンター（mSLA/DLP）とフィラメント3Dプリンター（FDM/FFF）です。この2種類のプリンターの主な違いは、3Dの実物モデルを作るために使用する材料です。レジン3Dプリンターはレジン材料を使用し、FDM 3Dプリンターはプラスチックポリマー材料を使用しますが、違いはそれだけではありません。プリンターの動作原理、準備、造形モデルの特性など、さまざまな点が異なります。ここでは、市場にある2種類の主要な3Dプリンターについて詳しく説明します。

フィラメント3Dプリンティング

フィラメント3Dプリンティングは、1988年にScoot Crump（Stratasys）によって初めて導入され、熱可塑性樹脂の押し出しによってモデルを造形します。基本的な仕組みは、ヘッドが接着剤ガンのように材料を押し出しながら、XYZ軸に沿って機械的に移動するというものです。熱可塑性樹脂は溶融温度で簡単に押し出すことができ、常温で固化しても特性が変化しないため、追加の後処理や洗浄は必要ありません。このため、フィラメント3Dプリンティングは幅広い市場、特に一般消費者市場で最も普及しています。

フィラメント3Dプリンターの使用は、有毒な材料を使わないため、ほとんど危険がありません。また、機械を安全に密閉できるため、子どもがいる環境でも安心して使用できます。

フィラメント3Dプリンティングの特徴

• フィラメント3Dプリントは乾式プロセスです。プロセス中に有毒な材料は使用しませんが、ABS、ASA、ナイロンなどの高温材料をプリントすると、健康に良くない fumesが発生します。
• フィラメント材料は、一定の直径を持つプラスチック製のワイヤーで、送り出され、溶融され、より細い直径で押し出されます。この工程により、材料の強度と耐久性は低下します。材料が同じであっても、工業用射出成形と比較することはできません。ただし、3Dプリンティングのプロセスでは、射出成形ではモデルを作れない場合でも、非常に複雑な形状を造形できることがあります。
• フィラメント3Dプリンティングには、標準的な熱可塑性ポリマーだけでなく、金属や木材を混合した材料、さらにはカーボンファイバーやガラスファイバーで強化した材料まで、非常に多くの種類があります。この複合材料の種類は急速に増えており、3Dプリンティングはほぼすべての産業で利用できるようになっています。
• フィラメント3Dプリンティングはレジンより安全なプロセスであるため、家庭でのプリンター使用に適しています。機械部品を使用するため本体価格はやや高くなりますが、後処理のコストはほとんど必要ありません。
• 理論上、フィラメント材料に使用期限はありませんが、温度や湿度によって時間とともに劣化する材料もあります。PLAは、真空パックで正しく保管すれば、実際には約1年間使用できます。ABSやPETGなどの材料は、3年後でも問題なくプリントできる場合があります。
• フィラメント3Dプリンティングには、材料を小さなノズルから押し出すことによる制限があります。最小クラスのノズル（0.15-0.2mm）でも積層痕が見えます。そのため、フィラメントプリンティングでは極端に細かいディテールを再現することはできません。
• 頑丈さ、耐久性、高い耐荷重性、高温耐性は、フィラメント3Dプリンティングの主な特徴です。一部の産業用フィラメント材料は、実用上250Cを超える温度にも耐えられます。材料が安価であることも、3Dプリンティングが普及している主な理由の1つです。
• 3DプリンティングのフィラメントはXYZ軸の移動によって造形されるため、複数材料や複数色のプロセスを実現しやすく、簡単に導入できます。プリンターが安価になっているため、マルチカラー3Dプリンティングは現在市場で人気があります。単一の押出機を使用する場合でも、一時停止・再開機能を使えば、ユーザーは層の間で簡単に色を変更し、魅力的な作品を作ることができます。

フィラメント3Dプリンティングの用途

フィラメント3Dプリンティングは、レジン3Dプリンティングよりも幅広い用途があります。試作品、医療機器、リバースエンジニアリング、製品開発、コスプレ、個人の趣味、アート作品、家庭用品、ガジェットなどに使用されています。こうした多様な3Dプリンティング用途に対応するため、フィラメントメーカーはPLAやABSから、PETG、ASA、カーボンファイバー、ナイロン、TPU、PC、さらには金属フィラメントまで、多くの種類の3Dプリンターフィラメントを開発しています。

レジン3Dプリンティング

レジン3Dプリンティングの方式は、1984年にChuck Hull（3D Systems）によって初めて実用化され、ステレオリソグラフィー（SLA）と呼ばれました。この技術では、光硬化性ポリマーとUVライトを使用して、液状ポリマー材料を硬化させます。この材料はレジンポリマーの形態でのみ使用でき、有毒であり、硬化後の造形物もほかのポリマー材料と比べてそれほど硬くありません。初期の3Dプリンターは、製品の量産ではなく試作を目的として、主に産業用途で使用されていました。そのため、SLA 3Dプリンターはこの主な用途に十分対応できました。その後、レジン3Dプリンティングは、主に投影ディスプレイを使って対象物を硬化・造形する技術であることから、ディスプレイや照明技術の発展とともに2010年頃に急速に普及しました。

レジン3Dプリンティングの特徴

• レジン3Dプリンティングは、材料からモデルの洗浄などの後処理まで液体を扱うため、湿式印刷プロセスとも呼ばれます。レジン3Dプリンティングでは、IPAなどの有毒な化学物質も使用します。そのため、レジン3Dプリンティングは現在でも産業用プロセスと見なされています。15歳未満の子どもがいる家庭での使用は推奨されません。
• 3Dプリンター本体は安価ですが、レジンと後処理材料には高いコストがかかります。近年の技術により、レジン3Dプリンティングの本体価格は大幅に下がりました。しかし、UVレジン材料、補助機器、消耗品には依然として高い費用がかかります。ユーザーは、PPE（個人用保護具）や後処理の洗浄に使うIPAなど、一度使用する消耗品も必要です。
• 非常に精細な3Dプリントができることが、このプリンターの主な利点です。レジン3Dプリンティングでは、原材料が液体であるという特性により、非常に細かいモデルを作成できます。積層解像度は10ミクロン（0.01mm）、XY解像度は18ミクロン（0.018mm）まで下げることができます。これは、ディスプレイ技術によってそのミクロンレベルで画素を表示できるおかげです。このため、レジン3Dプリンティングは、大型モデルよりも主にミニチュアや小型品の製作に使用されます。
• レジン材料は有毒であり、プリントされた部品（硬化レジン）も依然として有毒と見なされます。FDM/FFF 3Dプリンティングで使用される熱可塑性樹脂とは異なり、レジン材料は何らかの理由で健康に害を及ぼす可能性があります。プロセス全体で完全に硬化・洗浄する必要があり、簡単ではありません。このため、レジン3Dプリント品は食品に接触する用途には使用しないでください。さらに、プリント中にプリンターから照射されるUVも健康に害を及ぼす可能性があります。
• レジン3Dプリンティングは大型モデルの造形が困難です。低価格のレジン3Dプリンターは、ボトムアップ式の機械構造を採用しています。3Dプリントする物体は、サポート構造によってプラットフォームに固定しなければなりません。モデルが重力に逆らう必要があるため、プロセス中に頻繁に失敗が発生します。このため、かさばる技術モデルは、アートモデルと比べてレジンでのプリントがより困難です。
• レジン3Dプリンティングでは、一度に1種類の材料しか使用できません。レジンでマルチカラー印刷（XY）を行う方法はありません。レジン3Dプリンターの機械的な動きは、Z軸方向のみです。プリント中に材料を交換することも推奨されません。プロセス中はUV硬化が完全に完了していないためです。プリントを一時停止・再開すると、失敗する可能性が高くなります。
• 未硬化のレジン3Dプリンティング材料には使用期限があり（約12-18か月）、化学的特性が変化しないよう、期限内に使用する必要があります。

レジン3Dプリンティングの用途

レジン3Dプリンティングの用途は、使用する3Dプリンター用レジンの種類に大きく左右されます。最も一般的なレジンは、標準レジンまたは硬質レジンと呼ばれます。このレジンでプリントしたモデルは壊れやすい傾向があります。そのため、標準レジンは通常、ディスプレイ用モデルにのみ使用されます。機能部品や耐久性が必要なフィギュア向けには、高靭性レジンやABSライクレジンが開発されています。レジン3Dプリンティングは、医療、ジュエリー、エンジニアリング、歯科など、多くの産業分野で利用されています。

どちらの材料が優れているか：レジンとフィラメント

3Dプリンティングでは、レジンとフィラメントのどちらにも長所と短所があります。レジンの主な長所は、細部の再現性と滑らかさで、小型で高精度なプリントに適しています。短所は、コストが高いこと、印刷速度が遅いこと、後片付けが大変なこと、毒性のリスクがあることです。フィラメントの長所は、体積あたりのコストが低いこと、印刷が速いこと、安全性が高いこと、大型の造形物をプリントできることです。一方、小型プリントでは品質が劣ります。また、柔軟素材や複合材料など、より多くの材料を選択できます。ミニチュア、コスプレ用品、歯科模型など、小型で細部の多いプリントには、レジンのほうが高品質に仕上がります。大型プリント、試作、使いやすさを重視する場合は、フィラメントが適しています。

具体的なプリント用途と、どの特性を最も重視するかを検討してください。高性能なプリンターを使えば、どちらの材料でも非常に高い品質を実現できます。用途と予算に応じてそれぞれのトレードオフを比較し、レジンかフィラメントかを選びましょう。FDM 3Dプリンターは、レジン3Dプリンターよりも普及しています。主な理由は、フィラメントがレジンよりもはるかに安価だからです。

結論

フィラメント3Dプリンティングは、レジン3Dプリンティングと比べても、依然として人気があります。レジン3Dプリンティングは、家庭向けのプロセスというより、現在でも準産業用プロセスと見なされています。レジン3Dプリンティングの利点は、細部の再現性と高速印刷です。一方、フィラメント3Dプリンティングは家庭で使いやすく、非常に簡単で、材料も安価です。さらに、後処理がほとんど必要ないため、誰でも3Dプリンティングを利用できます。

執筆者：James Madison