アディティブ・マニュファクチュアリング（積層造形）のプロセス

アディティブ・マニュファクチャリング（積層造形）は、3Dプリントとも呼ばれ、コンピュータ制御で3Dオブジェクトを作成するプロセスです。

その名の通り、プラスチックやセラミック、金属の粉末などの材料をビルドプラットフォームに薄く「追加」し、硬化剤や熱、レーザービームなどを使って固めることで、オブジェクトを作り上げます。

積層造形はどのように機能するのでしょうか？

結局のところ、実際の製造はより大きなプロセスの一部分に過ぎません。この記事では、積層造形の最初から最後までを見てみましょう。

積層造形に慣れていない人は、積層造形のプロセスは設計と印刷の2つだけだと思いがちです。しかし、実際はそうではありません。

積層造形のプロセスは実際にはもっと複雑で、主に4つのステップに分けられます。

Step 1：CADソフトを使ってモデルを設計する

ご想像の通り、積層造形にはCAD（Computer-Aided Design）が重要な役割を果たします。CADは、実際のアプリケーションで使用可能な3Dモデルの設計とテストに使用されます。

業務用のトップCADソフトウェア製品には次のものがあります。

AutoCAD —AutoCADは、1982年にリリースされた最初のCADスイートの1つです。AutoCADは、3Dデザインのためにあらゆる業界で広く使用されており、エキスパートの手にかかれば非常に多機能であることが知られています。

Creo —幅広いデザイン機能を持ち、モデリングプロセス中に寸法計算を完了する機能を備えた、プロダクトデザインの分野のマーケットリーダーです。

SolidWorks —工業製品の設計に広く利用されています。Solidworksには、非常に幅広いエンジニアリングツールと機能が搭載されています。

Step 2：前処理

前処理とは、設計から製造までの間に行わなければならない一連の工程のことです。前処理には2つの主要な活動があります。

1) シミュレーション・モデリング

シミュレーションモデリングは、3Dデザインを製造する前にデジタルでテストするために使用されます。これらのテストは、オブジェクトの実際の構造的整合性を判断するために使用されます。つまり、失敗する可能性があるかどうか、どのように失敗するか、破損せずにどのような力に耐えられるかを判断します。

一般的なシミュレーションモデリング手法には、数値流体力学（CFD）、有限要素解析（FEA）、および非線形応力解析が含まれます。

2）3Dプリント用ファイルの作成

3Dデザインがテストされ、承認されると、いよいよプリントの準備に入ります。そのためには、相互運用性というハードルを越えなければなりません。

相互運用性とは、異なるコンピュータシステムが情報を交換し、利用する能力のことです。積層造形プロセスでは問題は単純で、3Dプリンタのような製造機械が、製造プロセスを可能にするのに十分なCADファイルを「理解」できないことです。

この問題を解決するには、ファイルを積層造形のハードウェアが理解できる一連の命令に変換する必要があります。
これらの命令は、スペイシャルのCGMポリヘドラのような「スライサー」ソフトウェアを使用して作成されます。このソフトウェアは、3Dデザインを2Dのレイヤーまたはスライスに変換し、オブジェクトの製造に必要なツールパスまたはGコードの計算に使用されます。

Step 3: プリンティング

使用されている積層造形技術に応じて、「印刷」フェーズは大きく異なる場合があります。

一般的な3Dプリントでは、市販の3Dプリンターのように、プリントヘッドが粉末材料の層と結合液の層を交互に重ねていきます。これらの層は、最終製品を形成するために、互いに積み重ねられます。このプロセスは、正確には「バインダージェッティング」と呼ばれています。

しかし、他の形態の積層造形は全く異なるものです。

ステレオリソグラフィー（SLA）では、液体バインダーの代わりに強力なレーザーを使用してフォトポリマー樹脂の層を硬化させます。造形サイクルでは、造形プラットフォームを樹脂プールに沈め、そこにレーザーで印刷される層のパターンをトレースします。各層が硬化すると、ビルドプラットフォームは樹脂プールの中に少しずつ下がっていきます。

一方、溶融堆積モデリング（FDM）では、熱可塑性の材料を加熱し、ビルドプラットフォームに層ごとに塗布します。1つの層が乾くと、その上に次の層が塗布されます。

その他の一般的な技術としては、選択的レーザー焼結（SLS）、金属レーザー焼結（DMLS）、電子ビーム溶解（EBM）などがあります。