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デジタルデータからリアルなモノが生まれる
少量生産を可能にするRapid Prototyping

3D CADデータから自動的に立体モデルを製作できるRapid Prototyping。従来は形状確認用の試作が主流だったが、最近では試作品でも製品と同じ材質であったり、ついには少量生産も可能になり、バーチャルとリアルをシームレスにつなぐ機器として注目が集まっている。

光造形機から始まる立体造形の生成
3Dデータがそのままリアルなモノになる

3D CADによるバーチャル設計が普及して設計業務が効率化されたが、実際の製品化への橋渡しとなる試作品製作は手作りが主流だった。せっかく設計業務が効率化されても、試作品製作の段階で時間とコストがかかり、長年の間、リードタイム短縮とコスト削減が課題となっていた。その課題に応えるために登場したのが、短期間(Rapid)にモノを試作(Prototyping)するRapid Prototypingだ。

1980年代後半に実用化された光造形機によって、Rapid Prototyping はその第一歩を踏み出す。光造形機とは、3D CADデータに基づいて液体樹脂へ紫外線を照射し、相互作用によって積層硬化を起こして造形するという、バーチャルとリアルをシームレスにつなぐ画期的な製品である。設計データからそのまま試作品製作を行うことができ、時間短縮に大いに役立った。しかし、登場時は1千万円〜数千万円と大変高価な装置であり、モノづくりの現場で気軽に活用することは難しかった。

Rapid Prototypingが普及するには、まず低価格化の壁を越えなければならなかった。これはやはり、かつての最新技術であった3D CADの普及と同じだ。90年代半ばから本格的な低コスト化の試みが進み、2000年以降は低価格化だけではなく、さまざまな3D造形法によるRapid Prototyping機器が実用化され始めていった。

今では、3D CADの設計データをそのまま立体物としてプリントできる「3Dプリンタ」に注目が集まっている。低価格かつコンパクトな3Dプリンタの登場によって、プロジェクトチーム単位、中堅・中小企業や町工場、学校でも活用できるRapid Prototyping時代がやってきた。

数多く登場する3Dプリンタによって
試作品の造形がイメージ通りに仕上がる

3Dプリンタでは「積層造形法」による立体造形が主流だが、この積層技術にはいくつかの種類がある。インクジェットプリンタの技術を応用して素材をノズルから層状に噴射して形を作成する「インクジェット法」、材料をノズルから吹き出しながら一筆書きのように形を積層して作成する「押し出し法」、粉末を焼結または接着剤で層状に固めていく「粉末積層法」、シート状の素材を切り出しながら積層していく「シート積層法」などの技術が実用化され、さまざまな製品が現れている。

「インクジェット法」として、Objet Geometries社(イスラエル)の「Eden」がある。これは専用の樹脂粉末カートリッジと硬化剤カートリッジを装填し、粉末素材と硬化剤を噴射積層造形する。さらに同社の「Connex500」では半透明樹脂と彩色樹脂と組み合わせた造形や、硬質樹脂と軟質樹脂など性質の異なる素材を組み合わせた造形が可能になっている。

「押し出し法」として、Stratasys社(アメリカ)の「Dimension」シリーズがある。樹脂カートリッジとサポート剤カートリッジの2つの素材を熱で溶かし、ノズルから噴出しながら、上方向に積層固着して造形物を作成する。樹脂はABS樹脂を使用しており、さまざまなカラーに着色された樹脂での造形ができるため、完成品に近い試作品が作成できる。

「粉末積層法」としては、フルカラー3Dプリンタとして話題を集めているZ Corporation社(アメリカ)の「ZPrinter」シリーズがある。石膏粉の粉末を接着剤で層状に固めて造形していく方式で、積層造形中にインクヘッドから色素を噴射することで表面への文字印刷も可能になっている。また、造形物の表面だけでなく、切断面の中まで着色することもできる。

3Dプリンタによる立体生成が
これからの造形現場に与える影響

低価格になったとはいえ、業務機器としていずれも価格は500〜800万円台が中心だが、最近は300万円台の3Dプリンタも登場している。しかし、実際には装置のメンテナンスなど運用費用も必要であり、まだまだ通常の紙に印刷するプリンタを導入するようにはいかない。今後の技術的ブレークスルーによる低価格化がいっそう進むことで、多くのモノづくりの現場で活躍することを期待したい。

また、バーチャルとリアルをシームレスにつなぐ3Dプリンタの可能性は、試作品製作だけにとどまることはない。機器の精度が向上することで、市販される製品そのものが3Dプリンタで製造されていくだろうことは間違いない。

ただ現在のところ、大型の製品や大量生産には向いていないが、小型製品の少量生産であれば3Dプリンタが威力を発揮する段階にきている。一品生産はもちろん、オンデマンドのような多品種小ロット製品では、3Dプリンタによって賄われる日も近いだろう。

既に3Dプリンタの用途は製造業だけでなく、医療など他分野への応用も検討されている。健常な骨を3Dスキャンしたデータを元に、人骨に近い素材で3Dプリンタによるコピーを作成し、その人工骨を利用した研究も行われているという。また、歯科では歯のコピー作成などが実用化の段階に入ってきており、3Dプリンタの持つポテンシャルは想像以上に大きいようだ。

(掲載:2009年1月)

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