プリンターの種類と違いについて

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3Dプリンタは、デジタルデータに基づいて物理的なモデル（3Dオブジェクト）を作成する自動化された積層造形プロセスです。どのタイプの3Dプリントも、既存のレイヤーの上に（または下に）レイヤーを追加してオブジェクトを作成するという同じ原理に基づいています。現時点では、完全に万能であらゆる用途に対応できる3Dプリント技術は存在しません。そのため、どのような目的でどのようにプリンタを使うかを決めることが重要です。 

• FFFプリンタ
  • 直交型プリンタ
  • CoreXYプリンタ
  • デルタプリンタ
  • ポーラープリンタ
• SLA (光造形装置)
  • マスク式光造形装置 (MSLA)
  • 光造形装置 (SLA)
  • ダイレクト／デジタル光源処理造形装置 (DLP)
• SLS (選択的レーザー焼結法)

FDM/FFFプリンタ

FDMはFused Deposition Modeling（ストラタシスの商標）、FFFはFused Filament Fabrication（オープンソース）の頭文字を取ったものです。ポリマーを加熱・溶融し、ノズル/エクストルーダー/プリントヘッドを通してプラットフォーム上に押し出し、モデルを造形する3Dプリンタ全般を指します。プリントに使う材料は、直径1.75mm、場合によっては2.85mmのフィラメントスプールとして提供されます。プリンタの種類による違いは、エクストルーダーとプリント基盤がどのように動いてモデルを作るかによります。 

直交型プリンタ

直交型プリンタは、Y（前後）、X（左右）、Z（上下）の直交座標系の軸に沿って、少なくとも3つのモーターでプリンターの部品を動かすのが特徴です。普及率が高く、価格も安いことから、個人向けのデスクトッププリンタのほとんどが直交型プリンタです。

プリントされるモデルは、プリントのためにレイヤーにスライスされる必要があります。Y軸とX軸は1つのレイヤーでプリントする座標を定義し、レイヤーの準備ができたらZ軸はプリントベッドを動かすかエクストルーダーを動かして、ノズルを1層上に移動させることになります。オーバーハングがある場合、その下にサポートを追加することができます。

直交型プリンタの最大のメリットは、もっとも一般的なものであるということです。ネット上にはたくさんのヒントやコツ、問題の解決策があります。また、プリンタの部品も簡単に見つけることができます。

欠点としては、直交プリンタは、高速プリントに使用した場合、軸の重さのためにプリントの品質が低下することが挙げられます。また、通常、すべての軸を動かすため、プリンターの体積は造形物の体積よりかなり大きくなります。

CoreXYプリンタ

直交プリンタと同様に、CoreXYデザインもY軸とX軸の2つのモーターとタイミングベルトで緯度と経度の座標を決定し、Z軸でプリントの高さを決定します。Core XYの違いは、XとYの動きが互いに依存し、非常に特殊なベルトデザインによって行われることです。この場合、プリント面はエクストルーダーに合わせて持ち上がります。ただし、CoreXYプリンタの特徴は、印刷面が可動することだけではありません。このプリンタの特徴は、XYベルトの設計とその動きにあります。

X軸とY軸がかなり軽くなっているので、直交プリンタで高速プリントしたときに現れるような課題が起きにくいようになっています。また、プリント面を横に移動させる必要がないため、全体の体積の多くをビルドボリュームにできる設計になっています。

CoreXYプリンタはベルトの長さが長いため、直交プリンタと比較してベルトの問題が大きくなります。また、経路が複雑なため、これらの問題の修復も困難です。フレーム製で非常に安定している一方で、完全に正方形でなければ寸法精度は悪くなってしまいます。

デルタプリンタ

デルタプリンタでは、プリント面は静止しており、3つのモーターが連動し、ホットエンドを緯度・経度・高さで移動させることができます。これらのモーターは3本の柱を制御し、これらの柱はアームでエクストルーダーと接続され、ホットエンドを動かすことになります。このホットエンドを支えるアームが三角形をしていることから、プリンタスタイルの名称（Δ＝デルタ）となっています。このタイプのプリンタは、より速くプリントできるように設計されています。

デルタプリンターのエクストルーダーは非常に軽量です。それが3つのモーターを制御することと相まって、このプリンタを高速プリントに最適なものにしています。このプリンタは、複雑な計算で動きを作るため、早くから32ビットシステムを採用していました。また、動いているときの見た目のクールさも魅力のひとつです。 

デルタプリンタは、どれもプリント面が比較的小さく、円形をしています。そのため、ビルドスペースはかなり制限されます。また、プリント速度が速いため、プリントの精度が低くなります。また、複雑な作業や情報不足だけでなく、全体的に部品の不足とコストがかかるため、プリンタに問題が発生した場合、トラブルシューティングや修理が非常に難しく、デスクトッププリンタとして使用するのは一般的ではありません。また、このプリンタは、軽量化するためにボーデンタイプのエクストルーダーと連携する必要があり、使用できるフィラメントが限定されることがあります。

ポーラープリンタ

このプリンタは、直交座標型のような正方形ではなく、円形のグリッド上に点がある極座標系を採用しています。プリント面は横に動くだけでなく、回転もします。これにより、エクストルーダーは上下にしか動かず、造形面積も広くなっています。このプリンタは、フレームがとても軽いのが特徴です。

この技術はまだ開発中です。そのため、プリンタが非常に高価になり、問題が起きたときに部品やテクニカルサポートを見つけるのが難しくなっています。

SLA

(光造形機)

バット重合プリントの基本原理は、感光性液体（樹脂）を入れたバットを熱源で一層ずつ硬化させて対象物を作るというものです。

プリントされたオブジェクトはほぼ完全に滑らかで、驚くほど精細で、レイヤー高さは最小で25～100ミクロンと、人間の目にはほとんど見えません。この技術の最大の欠点は、プリント面積が小さくなることと、液体樹脂の毒性です。樹脂が皮膚に触れないようにしたり、樹脂の蒸気を吸い込まないようにする必要があります。

プリントオブジェクトは、プリント終了後すぐに使用することはできません。これはオブジェクトの表面に残っている未固化の樹脂が原因で、少し柔らかくてべたべたした感じになるからです。イソプロピルアルコールで洗浄し、UVライトでさらに硬化させることをお勧めします。

マスク式光造形機 (MSLA)

各レイヤーの形状を半透明のマスクとして液晶画面に表示し、高性能なUV LEDで露光を行います。UV光はディスプレイの白画素しか通過できません。液晶ディスプレイの解像度が一定なので、プリントオブジェクトのXY解像度も一定になります。また、この方法では1度に全層を硬化させるので、プリント台上にオブジェクトが何個あっても大丈夫です。

光造形装置 (SLA)

露光は紫外線レーザーで行われます。レーザーは2枚のミラーで制御され、各層を徐々に「描画」していく動きをします。1つのレイヤーを固めるのに必要な時間は、固めるべき領域の大きさによって決まります。つまり、プリント台上にあるオブジェクトの数が多ければ多いほど、プリントにかかる時間は長くなります。

ダイレクト／デジタル高原処理造形機 (DLP)

デジタルプロジェクターにより、レイヤー全体を一気に固める。プロジェクターから照射された部分が固化されます。この方法の利点は明白で、プリント台上にオブジェクトがいくつあっても、各レイヤーは同じ時間で固化されます。

SLS

選択的レーザー焼結法

3Dプリント技術のもう一つのタイプはSLSとDMLSで、焼結と呼ばれるプロセスを使用します。基本的には、新しいレイヤーをプリントするたびに、シリンダーがプラットフォーム上に微細な粉末の薄い層を広げ、それをレーザーで焼結して必要な形状にします。プリントが終わると、オブジェクト全体がプリント用粉末で覆われます。そのため、プリントオブジェクトに穴を開け、そこから余分な粉を流し込む必要があります。余分な粉は次のプリントに再利用できるので、材料の無駄がほとんどありません。また、レイヤーがほとんど見えないというメリットもあります。このプリンタは、一般に広く普及しているわけではありません。産業用として使われることが多いため、価格も高く、安いものでも6,000ドル（約100万円）程度からになります。

世の中には、「ジェッティング」やコンクリートや金属のプリンタなど、さまざまな手法を用いた技術や設計があります。それらは価格や特許の関係で、ほとんどが産業用途にとどまっているため、ここでは割愛させていただきます。