熱溶解積層法

熱溶解積層法（FDM）とは

熱溶解積層法（Fused Deposition Modeling、FDM）は、3Dプリンターにおける造形方式の一つであり、1980年代後半に米国ストラタシス社のスコット・クランプによって開発されました。1990年に同社から商品化され、その商標はストラタシス社が保持していますが、基本特許は2009年に保護期間が終了し、現在では広く利用される技術となっています。

FDMの原理

FDMの基本的な原理は、熱可塑性樹脂のフィラメントを高温で溶かし、それを一層ずつ積み重ねて立体物を造形することです。具体的なプロセスは以下の通りです。

1. 樹脂の供給: 樹脂フィラメントがスプールから供給され、造形ヘッド内のプーリーによって押し出されます。
2. 樹脂の溶解: 押し出された樹脂は、造形ヘッド内のヒーターによって溶解されます。
3. 積層: 溶解した樹脂は、造形テーブルに押し付けられるように一層ずつ積層されます。

この原理自体は非常にシンプルですが、実際には様々な要素が絡み合って、高品質な造形物を実現するには高度なノウハウと経験が必要です。例えば、使用する熱可塑性樹脂の種類によって、収縮率、線膨張率、溶解温度などの条件が異なり、造形物の形状によってもこれらの条件を適切に調整する必要があります。型を使わないため、自由な形状を作成できる反面、これらの条件が複雑に影響しあい、精度の高い造形には、それらを最適化することが重要となります。

FDMの特徴

FDMは、他の3Dプリンティング技術と比較して、いくつかの独自の特徴を持っています。

熱可塑性樹脂の使用: FDMの最大の特徴の一つは、実際に製品に使用される熱可塑性樹脂をそのまま使用できる点です。これにより、作成された試作品は、最終製品に近い物性を持つため、機能検証や強度評価に非常に有用です。
幅広い用途: FDMで作成された造形物は、積層によって作られるため、完全に成形品と同じ物性を得ることは難しいですが、それに近い物性を得ることは可能です。そのため、試作品の製作から治具の作成、最終製品の製造まで、非常に幅広い用途に使用することができます。
材料の多様性: ABS、PLA、PETG、ナイロンなど、さまざまな種類の熱可塑性樹脂が使用できるため、用途に応じて適切な材料を選択できます。

FDMの課題

一方で、FDMにはいくつかの課題も存在します。

積層痕: 造形物が積層によって作られるため、表面に積層痕が残ることがあります。このため、外観品質が求められる場合には、後処理が必要となることがあります。
サポート材: オーバーハング形状を造形する際には、サポート材が必要となる場合があります。このサポート材の除去は、手間がかかる場合があります。

まとめ

FDMは、その汎用性と手軽さから、ラピッドプロトタイピングだけでなく、製造業など幅広い分野で活用されている技術です。今後も、材料開発や造形技術の進化により、さらにその可能性が広がると期待されています。

参考文献

Terry Wohlers (2010) 『Wohlers Report 2010』、Wohlers Associates, Inc.

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