3Dプリンターは多機能ですが、「3Dプリンターはプラスチックしか印刷できないのでは？ 今回は、3Dプリンターがどんな素材を使えるのかについて調べてみます。

コンシューマー向け3Dプリンターは、主にPLA、ABS、PETGなどのプラスチックを使用します。 これらは温度によって軟化したり硬化したりするため、熱可塑性プラスチックと呼ばれています。 他にも、金属用のSLSやDMLSなどの3Dプリント技術を使えば、多くの材料を3Dプリントできます。 コンクリートやワックスも3Dプリント可能です。

3Dプリンターで使用される素材については、この記事に載せた以外にも役立つ情報がありますので、ぜひ読み進めてみてください。

3Dプリンターのインクには何が使われているのか？

3Dプリンターで使用するインクの素材は、基本的に3種類です；

• 熱可塑性樹脂（フィラメント）
• 樹脂
• 粉体

これらの素材は、さまざまな種類の3Dプリンターを駆使してプリントを行うので、これからそれぞれの素材について見ていきましょう。

熱可塑性樹脂（フィラメント）

熱可塑性プラスチックは、特定の温度に加熱すると柔軟性や成形性が増し、冷却すると硬化するポリマーの一種です。

3Dプリンターで3Dオブジェクトを作るための「インク」「材料」として使われるのが、フィラメントや熱可塑性プラスチックです。 Fused Deposition Modeling、FDM 3Dプリンターと呼ばれる技術で使われます。

複雑な工程を必要とせず、フィラメントを加熱するだけなので、3Dプリントの中では最もシンプルなタイプでしょう。

最もポピュラーなフィラメントはPLA（ポリ乳酸）で、次いでABS、PETG、TPU、ナイロンがあります。

フィラメントの種類はもちろん、ハイブリッドやカラーなど、3Dプリントできる熱可塑性樹脂の種類は実に豊富です。

例えば、AmazonのこのSainSmart Black ePA-CF Carbon Fiber Filled Nylon Filamentがそうですね。

フィラメントの中には、印刷しにくいものや、特性が大きく異なるものがあり、プロジェクトに応じて選択することができます。

熱可塑性フィラメントを使った3Dプリントでは、材料をエクストルーダーで機械的にチューブ内に送り込み、ホットエンドと呼ばれる加熱室に送り込みます。

ホットエンドはフィラメントが軟化する温度まで加熱され、通常直径0.4mmのノズルの小さな穴から押し出すことができます。

3Dプリンターは、Gコードファイルと呼ばれる命令で動作します。Gコードファイルは、3Dプリンターの温度、プリントヘッドの位置、冷却ファンのレベル、その他3Dプリンターを動作させるためのあらゆる命令を正確に伝えます。

G-Codeファイルは、Thingiverseなどのウェブサイトから簡単にダウンロードできるSTLファイルを加工して作成します。 加工ソフトはスライサーと呼ばれ、FDMプリントではCuraが最も有名です。

フィラメント3Dプリントの工程を最初から最後まで紹介した短いビデオを紹介します。

実は、「究極の3Dプリント用フィラメント＆材料ガイド」という記事で、数種類のフィラメントと3Dプリント材料を紹介しているんです。

樹脂

次に、3Dプリンターが使用する「インク」は、熱硬化性の液体で、特定の紫外線波長（405nm）を照射すると固まる感光性のある「フォトポリマー樹脂」という素材です。

この樹脂は、通常ホビークラフトなどに使用されるエポキシ樹脂とは異なります。

3Dプリンター用樹脂は、SLA（ステレオリソグラフィー）と呼ばれる3Dプリンター技術で使用されます。 この方法では、各層の形成方法によって、より高いレベルのディテールと解像度をユーザーに提供します。

一般的な3Dプリンター用樹脂は、スタンダード樹脂、ラピッド樹脂、ABSライク樹脂、フレキシブル樹脂、ウォーターウォッシャブル樹脂、タフ樹脂です。

3Dプリント用の樹脂の種類は？ Best Brands & Types」については、より詳細な記事を書きましたので、お気軽にそちらをご覧ください。

ここでは、SLA3Dプリンターの仕組みについて、その流れを紹介します：

• 3Dプリンターを組み立てたら、液晶画面の上にある樹脂を入れる容器「レジンバット」に樹脂を注ぎます。
• ビルドプレートが樹脂バット内に下降し、樹脂バット内のフィルムの層と接続を作る
• 作成する3Dプリントファイルには、レイヤーを作成する特定の画像をライトアップする指示が送られます
• この光の層が樹脂を固める
• その後、ビルドプレートが上昇し、吸引力が発生することで、樹脂バットフィルムから作成した層が剥がれ、ビルドプレートに付着する。
• 3Dオブジェクトが作成されるまで、光像を露光して各層を作成し続けます。

本来、SLA3Dプリントは逆さまに作成するものです。

SLA 3Dプリンターは、0.01mmまたは10ミクロンまでの解像度を持つことができるため、驚くような細部を作り出すことができますが、標準的な解像度は通常0.05mmまたは50ミクロンです。

FDM 3Dプリンターは通常0.2mmが標準ですが、ハイグレード機では0.05mmに達するものもあります。

樹脂は皮膚に触れると毒性があるため、皮膚に触れないようにニトリル手袋を使用して取り扱う必要があります。

樹脂3Dプリントは、未硬化の樹脂を洗い流し、樹脂モデルを3Dプリントするために必要な支持体をきれいにし、外部のUVライトで硬化させて3Dプリント物を固めるという後処理が必要なため、工程が長くなってしまうのです。

粉体

3Dプリンターでは、あまり一般的ではありませんが、粉体を「インク」として使用する産業が伸びています。

3Dプリンターで使用する粉末は、ポリマーや金属を微粒子化したもので、使用する金属粉末の品質と印刷工程が印刷の仕上がりを左右する。

3Dプリントに使用できる粉末には、ナイロン、ステンレス、アルミニウム、鉄、チタン、コバルトクロムなど、いくつかの種類があります。

Inoxiaというサイトでは、多くの種類の金属粉を販売しています。

また、SLS（選択的レーザー焼結）、EBM（電子ビーム溶解）、バインダージェッティング、BPE（結合粉末押出し）など、粉末を使った3Dプリントにはさまざまな技術があります。

最もポピュラーなのは、SLS（Selective Laser Sintering）と呼ばれる焼結技術である。

Selective Laser Sinteringの工程は、以下のように行われます：

• パウダーリザーバーには、ナイロンに代表される熱可塑性パウダー（丸くて滑らかな粒子）が充填されています。
• パウダースプレッダー（ブレードやローラー）がパウダーを広げ、ビルドプラットフォーム上に薄く均一な層を作る
• レーザーがビルドエリアの一部を選択的に加熱し、決められた方法でパウダーを溶かします
• ビルドプレートは層を重ねるごとに下に移動し、そこでパウダーが再び広がり、レーザーで焼結される。
• この作業は、あなたのパートが完成するまで繰り返されます
• プリントはナイロンパウダーのシェルに包まれ、ブラシで剥がすことができます。
• あとは、ハイパワーエアーのようなものを使った特殊なシステムで、残りを掃除することができます

SLSの工程がどのようなものなのか、簡単に動画でご紹介します。

このプロセスは、粉末を焼結して、融点よりも多孔質の固体部品を形成することで行われます。 つまり、粉末粒子を加熱することで、表面が溶接されるのです。 この利点として、プラスチックと材料を組み合わせて3Dプリントを作ることができることがあげられます。

DMLS、SLM、EBMなどの技術を使って、金属粉末で3Dプリントすることができます。

3Dプリンターはプラスチックしか印刷できないのか？

3Dプリンターで最も一般的な素材はプラスチックですが、3Dプリンターはプラスチック以外の素材もプリントすることができます。

その他、3Dプリンターで使用できる素材は以下の通りです：

• 樹脂
• 粉体（ポリマー＆ランプ；金属）
• グラファイト
• カーボンファイバー
• チタン
• アルミニウム
• シルバーとゴールド
• チョコレート
• 幹細胞
• アイアン
• ウッド
• ワックス
• コンクリート

FDMプリンターでは、ホットエンドから押し出すために、燃焼させるのではなく、加熱して軟化させることができる材料もあります。 3Dプリンターには、人が作ることのできる材料の能力を拡大する技術がたくさんあります。

主なものは、レーザー焼結技術で粉末を利用して3Dプリントを作るSLS方式の3Dプリンターです。

家庭用・業務用でよく使われる樹脂製3Dプリンターも、液状の樹脂を紫外線で固める「光重合法」を採用し、後加工を経て高品質な仕上がりになります。

3Dプリンターはプラスチックだけでなく、当該3Dプリンターの種類によっては他の素材もプリントすることができます。 上記に挙げた他の素材をプリントしたい場合は、関連する3Dプリント技術を取得してプリントする必要があります。

3Dプリンターはどんな素材でも印刷できるのか？

柔らかくしてノズルから押し出すことができる素材や、粉末状の金属を束ねて物体を形成することができます。 重ねたり、重ねたりできる素材であれば3Dプリント可能ですが、この特性に当てはまらないものも多くあります。 コンクリートはもともと柔らかいので3Dプリント可能です。

3Dプリントハウスは、コンクリートを混ぜて非常に大きなノズルから押し出し、時間が経つと固まるというものです。

3Dプリンターは、コンクリート、ワックス、チョコレート、そして幹細胞のような生体物質など、たくさんの新しい素材を登場させてきました。

3Dプリンターで作られた家はこんな感じです。

お金を3Dプリントできるのか？

3Dプリンターの製造工程上、お金を3Dプリントすることはできませんし、お金には偽造防止のためのマークが埋め込まれています。 3Dプリンターは主にPLAやABSなどの素材を使ってプラスチック製のものを作るので、紙を使って3Dプリントすることは絶対にできません。 小道具の金属コインを3Dプリントすることは可能です。

お金は、3Dプリンターでは再現できないようなマークや糸がたくさん入っています。 たとえ3Dプリンターでお金のようなものを作ることができても、お札を構成する固有の性質がないため、お金として使用することはできません。

お金は紙に印刷され、3Dプリントの多くはプラスチック、つまり樹脂を固めたものです。 これらの素材は、紙のように機能することはなく、お金のように扱うことはできません。

調査によると、世界のほとんどの国の現代通貨には、少なくとも6種類の技術が組み込まれているそうです。 お札を正確に印刷するために必要なこれらの方法のうち、1つか2つ以上に対応できる3Dプリンターはないでしょう。

米国をはじめとする多くの国では、最新のハイテク技術を駆使した偽造防止機能を備えた紙幣を製造しており、3Dプリンターによる印刷は困難です。 これは、3Dプリンターに当該紙幣を印刷するのに必要な技術がある場合にのみ可能なことです。

3Dプリンターは、お金のそっくりさんを印刷しようとすることしかできず、お金を印刷するのに適した技術や材料を持っていません。

PLAなどのプラスチック素材を使い、メタリック塗料を吹き付けてプロップコインを作る人も多いようです。

また、立体的な型を作り、貴金属の粘土を使い、粘土を押して形を作り、それを焼成して金属を作るという手法もあります。

CADソフトで簡単なデザインを作り、3Dプリントしたコインを一時停止させて、中にワッシャーを入れて重くし、残りのコインを完成させるというスクリプトを作成したYouTuberを紹介します。

Thingiverseの3D Printed Bitcoinのファイルをダウンロードして、自分で3Dプリントした例を紹介します。