熱溶解積層法（FDM）は、最も広く使用されている方法の一つです。3Dプリント技術FDMは、PLA（ポリ乳酸）、ABS（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）などの熱可塑性フィラメントを加熱押出ヘッドで溶融し、材料を層状に積層することで造形物を作成する積層造形プロセスです。1980年代に発明されて以来、FDMはその費用対効果と使いやすさから、試作、教育、小規模生産において人気の選択肢となっています。この記事では、FDMの原理、メリットとデメリット、そして様々な用途について解説します。
熱溶解積層法（FDM）の原理
FDM法は比較的シンプルで分かりやすい原理で動作します。このプロセスは、通常CADソフトウェアを用いて作成される3Dデジタルモデルから始まります。次に、このモデルは3Dプリンターが解釈できるファイル形式（通常はSTL）に変換されます。印刷前に、デジタルモデルは薄い層にスライスされ、プリンターは製造工程でこの層に沿って造形します。これらの層を一つずつ重ねて印刷することで、最終的な造形物が完成します。プリンターがスライスモデルを受け取ると、FDMプリンターは熱可塑性フィラメントのスプールを融点まで加熱し、造形プロセスを開始します。フィラメントは加熱されたノズルから押し出され、プリントベッド上に堆積されます。ノズルはスライスモデルによって定義されたパスに沿ってX、Y、Z軸に沿って移動し、材料は冷却されて固まります。プロセスが進むにつれて、プリンターはオブジェクトを層ごとに構築していきます。材料は前の層に付着し、層が積み重なって固体のオブジェクトを形成します。この層ごとの堆積が、固体ブロックから材料を除去するサブトラクティブ製造プロセスとFDMの違いです。FDMプロセスでは、特にオーバーハングや複雑な形状の場合、サポート構造が必要になる場合があります。これらのサポートは通常、プリントする造形物と同じ材料で作られ、造形物が完成した後に取り外すことができます。
熱溶解積層法（FDM）の利点
1.費用対効果： FDMの主な利点の一つは、その手頃な価格です。これらのプリンターは、選択的レーザー焼結法（SLS）や光造形法（SLA）といった他の3Dプリント技術と比較して、一般的に安価です。さらに、FDMプリントで使用される熱可塑性材料は比較的安価であるため、趣味のユーザー、中小企業、教育機関にとって魅力的な選択肢となっています。
2.使いやすさ：FDMプリンターは、ユーザーフレンドリーなインターフェースとシンプルな操作性で広く知られています。複雑な後処理や大掛かりなセットアップを必要としないため、3Dプリントの経験が浅い方にも最適です。多くのFDMプリンターは組み立て済みで出荷されるため、セットアップにかかる手間は最小限です。
3.幅広い素材の選択：FDMは、PLA、ABS、ナイロン、TPU（熱可塑性ポリウレタン）など、幅広い熱可塑性材料を提供しています。これらの材料は強度、柔軟性、耐熱性がそれぞれ異なるため、ユーザーは特定のニーズに最適な材料を選択できます。さらに、性能向上のために炭素繊維や金属粒子などの他の材料を配合した複合フィラメントもご用意しています。
4.ラピッドプロトタイピング：FDMは特にラピッドプロトタイピングに効果的です。エンジニア、デザイナー、そして製造業者は、形状、フィット感、そして機能をテストするための機能プロトタイプを迅速に作成できるため、設計の反復作業を迅速化できます。これにより、特にスピードが重要となる業界において、開発期間とコストを大幅に削減できます。
5.カスタマイズ：FDMはデザインを簡単にカスタマイズできるため、ユニークなオブジェクトや少量生産のユニークなアイテムの作成に最適です。従来の製造方法とは異なり、FDMは高価な金型やツールを必要とせずに複雑な形状を作成できます。
6.小ロット生産のサポート：FDM技術は小規模生産に適しており、大量生産方法よりも柔軟でコスト効率の高い代替手段となります。そのため、限定版製品、スペアパーツ、または少量生産に最適です。
熱溶解積層法（FDM）の欠点
1.解像度とディテールが低い：FDM法では、SLAやSLSなどの他の3Dプリント技術と比較して、一般的に解像度が低いパーツが作製されます。造形物の表面に層状の模様が見える場合があり、仕上がりが粗くなる可能性があります。表面品質を向上させるには、研磨や平滑化などの後処理が必要になる場合があります。
2.強度制限：FDMで使用される熱可塑性プラスチックは比較的強度が高いものの、他の製造方法で製造された材料ほど耐久性や堅牢性が高いとは限りません。例えば、FDMプリントでは層間強度が低下する可能性があり、応力を受けると破損や剥離が発生しやすくなります。
3. 限られた材料特性：FDMでは幅広い材料が利用可能ですが、高温合金や高強度合金などの一部の特殊材料は使用できません。そのため、航空宇宙産業や特定の自動車部品など、極端な材料特性が求められる用途にはFDMは適していません。
4.印刷時間:FDMプリントは、特に大型または複雑な形状のオブジェクトの場合、かなりの時間がかかります。層ごとに造形していくため、インクジェットプリントや樹脂ベースの方法など、他の技術と比較すると、特に遅くなることがあります。
5.サポート構造：オーバーハングや複雑な内部空洞を持つ複雑な形状の場合、FDMではサポート構造が必要となり、材料使用量と後処理時間の増加につながる可能性があります。可溶性サポート材を使用することもできますが、プリントプロセス全体のコストと複雑さが増す可能性があります。
熱溶解積層法（FDM）の応用
1.プロトタイピング：FDMの最も一般的な用途の一つはプロトタイピングです。デザイナーやエンジニアは、FDMを用いて、テストと反復開発が可能な機能プロトタイプを迅速に作成します。FDMのスピードとコスト効率の高さは、製品開発の初期段階に最適です。
2.教育：FDMは手頃な価格と使いやすさから、教育機関で広く利用されています。学生や教育者に、設計や製造のコンセプトを探求する機会を提供するだけでなく、科学、工学、芸術プロジェクトのためのモデルを作成する機会も提供します。
4.製造と小ロット生産：FDMは、交換部品、特殊工具、特注品など、カスタム部品や製品の小規模生産に使用できます。特に、少量生産や短納期が求められる業界に適しています。
5.ヘルスケア：FDMは、医療分野において、カスタムメイドの医療インプラント、義肢、手術計画のための解剖模型の作成など、様々な用途に活用されています。患者固有の模型を作成できるため、個別化された治療ソリューションが可能になります。
6.航空宇宙および自動車：FDM は、材料特性による制限はあるものの、航空宇宙産業や自動車産業において、部品のラピッドプロトタイピングや、製造プロセスを支援するツールや治具の製造に使用されています。
結論
FDM（熱溶解積層法）は、汎用性が高く、広く利用可能な3Dプリンティング技術であり、ラピッドプロトタイピング、製品開発、小規模製造に革命をもたらしました。コスト効率、使いやすさ、そして材料の柔軟性により、FDMは様々な業界で欠かせないツールとなっています。解像度や材料強度など、いくつかの制限はあるものの、その利点により、プロトタイピングからDIYプロジェクト、小ロット生産まで、多くの用途に最適です。3Dプリンティング技術の進化に伴い、FDMは幅広い分野でカスタムメイドの機能的なオブジェクトを作成するための不可欠な手法であり続けるでしょう。
