3D印刷ははるかに主流のテクノロジーになり、印刷機はほぼすべての価格帯で利用できます。3Dプリンターが必要なほとんどの人は、おそらく余裕のあるモデルを見つけることができます。それにもかかわらず、3D印刷はまだ非常に新しいため、その仕組みを知っている人はほとんどいません。
これが、「 3Dプリントはどのよう(How)に機能するのか」という質問に答える良い機会である理由です。最終的には使用しなければならない可能性が非常に高くなります。
加法混色と減法混色の3D印刷(Additive vs Subtractive 3D Printing)
3Dプリントには大きく分けて2つのカテゴリーがあります。自分で購入できる3Dプリンターは、ほとんどすべて「付加的な」マシンです。つまり、オブジェクトが完成するまでマテリアル（通常はレイヤー）を追加して3Dオブジェクトを作成します。「3Dプリンター」と聞いて人々が考える3Dプリンターは、ほとんどの場合、相加的な種類のものです。
サブトラクティブ3Dプリントは非常に異なります。ここでは、一定量のマテリアルから始めて、完成したオブジェクトだけが残るまでマテリアルを削除します。大理石で彫像を作る彫刻家は、減算法を使用しています。サブトラクティブマシンは通常、大規模なワークショップや産業環境で見られます。CNCフライス盤（コンピューター数値制御）システムは、おそらく最もよく知られている例です。
これからは、平均的な消費者に関連する添加剤マシンにのみ集中します。サブトラクティブマシンは、机の上に置くものと同じ3Dプリンターの拡張ファミリーに属していることを知っておいてください。
熱溶解積層法、ステレオリソグラフィーおよび選択的レーザー焼結(Fused Deposition Modelling, Stereolithography and Selective Laser Sintering)
アディティブ3D印刷の3つの主な方法は、FDM（熱溶解積層法）、ステレオリソグラフィー（SLA）、および選択的レーザー焼結（SLS）です。
FDMは、最も一般的な民生用システムです。これらのタイプのプリンタでは、材料のフィラメントがホットプリントヘッドを通過します。プリントヘッドは3D空間に正確に配置され、正確にプログラムされた指示に従って材料の層を堆積します。FDMにはさまざまなアプローチがありますが、すぐに説明します。
ステレオリソグラフィー(Stereolithography)は、消費者向けシステムではあまり一般的ではありません。これらのプリンターは、レーザーを使用して液体樹脂を硬化させて固体プラスチック材料にします。通常、オブジェクトは樹脂のバットから「引っ張られ」、材料から上昇するにつれて層ごとに形成されます。近年、SLAプリンターはよりコンパクトで手頃な価格になっています。したがって、最終モデルのタイプによっては、FDMプリンターの真の代替手段になります。
選択的(Selective)レーザー焼結（SLS）は、強力なレーザーを使用してポリマー粉末を溶融します。実際の粉末は印刷の支持構造として機能するため、このタイプの印刷には特別な足場は必要ありません。SLSは、デスクトップにあるFDMの一種ではありません。それは今のところまだ産業技術です。
Cartesian＆Deltaロボットプリンター(Cartesian & Delta Robot Printers)
最も一般的なタイプのFDMプリンターは、デカルト3Dプリンターです。名前はデカルト座標を指します。それが私たち全員が学校で学んだXYZ座標です。(XYZ)プリントヘッドは、プリントボリュームスペース内の任意のXYZ座標に移動できます。計算は簡単で、プリンタはかなり手頃な価格で、印刷品質は正確です。
ただし、XYZ座標の粒度によっては、曲面が滑らかでない場合があり、手動で仕上げる必要があります。
Deltaロボットプリンタは別のアプローチを取ります。プリントヘッドは、3本のレール上を走る3本のアームに取り付けられています。各アームの高さを変えることで、プリントヘッドを振ることができます。このデザインにより、プリントヘッドを真のカーブでスイングさせることができ、印刷ボリューム内で背の高いオブジェクトを印刷することもできます。
基本的に、レールが長いほど、モデルの高さを高くすることができます。デルタロボットプリンタは、XYZ座標ではなく、三角法を使用してプリントヘッドの位置を計算します。その結果、デカルトプリンターとまったく同じ印刷解像度に到達できなくなります。
デルタロボットの概念を実際に理解するには、実際の動作を確認する必要があります。Johann Rochollによるこのビデオを見てください。そうすれば、すぐにコンセプトを理解できます。
(Notice)アームのアーティキュレーションと、プリントヘッドがいかに自由かつスムーズに動くかに注目してください。
3Dプリンターの資料(3D Printer Materials)
3Dプリンターはさまざまな素材を使用しますが、消費者向けアプリケーションで最も一般的な2つのプラスチック、ABSとPLAがあります。
ABS（アクリロニトリルブタジエンスチレン）は、(Acrylonitrile Butadiene Styrene)レゴ(LEGO)のレンガでできているのとまったく同じプラスチックです。このプラスチックは、冷却時に反りやすく、加熱されたプリントベッドを備えたプリンタが必要です。非常に耐衝撃性がありますが、特に強力ではありません。試作品や耐荷重性のない最終部品の製作に適しています。
PLA（ポリ乳酸(Polylactic Acid)）は、融点が低く、反りが少なく、取り扱いが簡単で、印刷の失敗が少ないです。また、実際の使用には非常に脆いですが、見ることだけを目的とした滑らかで詳細なモデルを作成するには優れています。
幸いなことに、ほとんどの消費者向け3Dプリンターは、これらの安価な素材の両方で動作します。したがって、必要に応じてそれらを変更できます。
ナイロン(Nylon)フィラメントは別のオプションであり、材料として木や金属を使用するプリンターもあります。次世代プリンターは、一度に複数のフィラメントを処理できるため、混合材料またはマルチカラー印刷が可能です。
典型的な3D印刷プロセス(The Typical 3D Printing Process)
自分で3Dプリントを作成したことがない場合は、ユーザーの観点から実際に3Dプリントがどのように機能するかについて興味があるかもしれません。3Dプリンターの使用は、レーザーまたはインクジェットプリンターで2Dプリントをノックアウトするほど簡単ではありませんが、思ったほど難しくはありません。
マニュアルに従ってプリンターをセットアップし、キャリブレーションとレベリングを正しく行った後、最初に印刷するモデルが必要です。
ZbrushやAutoCAD( Zbrush or AutoCAD)などを使用して独自のモデルを作成できますが、ほとんどの人はオンラインサイトからモデルをダウンロードする可能性があります。最初に立ち寄るのは間違いなくThingiverseです。これは、おそらくユーザーが送信したモデルの中で最も有名なコレクションです。ただし、多くの選択肢(alternatives)があります。
互換性のある形式のモデルを入手したら、プリンターに付属のソフトウェアでモデルを開きます。見た目も動作も異なりますが、基本的な考え方は同じです。また、最初に3DモデルをMeshmixerで処理することもできます。これにより、3Dモデルがソリッドで印刷に適していることが保証されます。
3Dプリンターソフトウェアでは、モデルのサイズと品質を選択し、ソフトウェアがモデルを各印刷レイヤーを表す「スライス」に変換します。また、モデルの作成中にモデルをサポートするために印刷する必要のある「足場」も計算します。印刷が完了すると、このようなものを壊すことができます。
すべての準備作業があなたの後ろにあるので、印刷を始めることができます。品質設定によっては、長い間待たされる場合があります。高品質のプリントは、数時間から数日までさまざまです。ありがたいこと(Thankfully)に、一部の3Dプリンターでは、アプリを介してリモートで印刷の進行状況を監視できます。
印刷が完了したら、ベッドから取り外して、足場から外します。多くの場合、欠陥を取り除くためにサンドペーパーと特殊な切削工具を使用してモデルを仕上げる必要があります。モデルをペイントする人もいます！唯一の本当の限界はあなたの創造性です。
3Dプリンターを購入したい場合は、これらが最適です(best picks)。予算が限られている場合は、ポケットに優しいオプションです。
HDG Explains : How Does 3D Printing Work?
3D printing has becomе a much more mainstream technology, with рrinting machines avaіlable at just about every price point. Most people who want a 3D printer can probably find a model they can afford. Deѕpite thiѕ, 3D printing is still so new that few people know how it works.
This is why now is a good time to answer the question “How does 3D printing work?”. There’s a very good chance you’ll have to use one eventually!
Additive vs Subtractive 3D Printing
There are two broad categories of 3D printing. The 3D printers that you can buy yourself are almost all “additive” machines. In other words, they build 3D objects by adding material (usually in layers) until the object is complete. The 3D printers people think of when they hear “3D printer” is almost always of the additive variety.
Subtractive 3D printing is very different. Here you start with a fixed amount of material and then remove material until only the finished object is left. A sculptor making a statue out of marble is using a subtractive method. Subtractive machines are usually found in large workshops and industrial settings. CNC milling (computer numerical control) systems are probably the best-known example.
We’ll only be concentrating on additive machines from here on out, since they’re relevant to the average consumer. Just know that subtractive machines belong to the same extended family of 3D printers as the one you might put on a desk.
Fused Deposition Modelling, Stereolithography and Selective Laser Sintering
The three main methods of additive 3D printing are FDM (fused deposition modelling), stereolithography (SLA) and selective laser sintering (SLS).
FDM is the most common consumer-grade system. With these types of printers a filament of material is passed through a hot print head. The print head is precisely positioned in 3D-space and deposits a layer of material according to exact programmed instructions. There are different approaches to FDM, but we’ll get to that in a moment.
Stereolithography is much less common in consumer systems. These printers use lasers to cure a liquid resin into a solid plastic material. Usually, the object is “pulled” from a vat of resin, forming layer by layer as it rises from the material. In recent years SLA printers have become more compact and affordable. So it’s a real alternative to FDM printers, depending on what type of final model you settle on.
Selective laser sintering (SLS) uses a powerful laser to fuse a polymer powder. The actual powder acts as a support structure for the print, so this type of printing doesn’t need special scaffolding. SLS is not a type of FDM you’ll find on the desktop. It’s still an industrial technology for now.
Cartesian & Delta Robot Printers
The most common type of FDM printer is the cartesian 3D printer. The name refers to cartesian coordinates. That’s the XYZ coordinates we all learned in school. The print head can be moved to any XYZ coordinate within the print volume space. The math is simple, the printers are pretty affordable and print quality is precise.
However, depending on how granular the XYZ coordinates are, curved surfaces might not be as smooth as they could be, requiring some manual finishing work.
Delta robot printers take a different approach. The print head is mounted to three arms that run on three rails. By varying the height of each arm, the print head can swing. This design allows for the print head to swing in true curves and also allows for tall objects to be printed within the print volume.
Basically, the longer the rails are, the taller the model can be. Rather than XYZ coordinates, delta robot printers use trigonometry to calculate print head position. The end result is that they can’t reach quite the same print resolution as cartesian printers.
To really understand the delta robot concept, you need to see it in action. Have a look at this video by Johann Rocholl and you’ll quickly get the concept.
Notice the articulation on the arms and how freely and smoothly the print head can move.
3D Printer Materials
3D printers use a variety of materials, but there are two plastics that are by far the most common in consumer-grade applications: ABS and PLA.
ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) is exactly the same plastic that LEGO bricks are made of. This plastic is susceptible to warping when cooling down and needs a printer with a heated print bed. It’s quite impact resistant, but not particularly strong. It’s suitable for making prototype parts and even final parts that aren’t load-bearing.
PLA (Polylactic Acid) has a low melting point, doesn’t warp much, is easy to work with and has fewer failed prints. It’s also far too brittle for any practical use, but it is brilliant for creating smooth, detailed models that are only meant to be looked at.
The good news is that most consumer 3D printers will work with both of these inexpensive materials. So you can change them out as your needs require.
Nylon filament is another option and there are even printers that use wood or metal as a material. Next-generation printers can also handle more than one filament at a time, allowing for mixed material or multi-color prints.
The Typical 3D Printing Process
If you’ve never made a 3D print yourself, you’re probably curious about how it actually works from a user perspective. While using a 3D printer isn’t as easy as knocking out 2D prints on a laser or inkjet printer, it’s not nearly as difficult as you might think.
After setting up the printer according to the manual, with calibration and levelling done correctly, you first need a model to print.
You can make your own model, using something like Zbrush or AutoCAD, but most people are likely to download a model from an online site. The first stop should definitely be Thingiverse, which is quite possibly the most famous collection of user-submitted models. However, there are many alternatives.
After getting a model in a compatible format, you’ll open it up in the software that came with your printer. They all look and work differently, but the basic concept is the same. You may also want to first treat a 3D model with Meshmixer, which ensures that a 3D model is solid and suitable for printing.
In the 3D printer software, you’ll pick the size and quality of the model and the software will convert it into “slices” representing each print layer. It will also calculate the “scaffolding” that has to be printed to support the model while it’s being made. This stuff can be broken off when the print is done.
With all that prep work behind you, the print can begin. Depending on the quality settings, you might be in for a long wait! High quality prints vary from a few hours to a few days. Thankfully, some 3D printers let you monitor the progress of your print remotely via an app.
Once the print is done, you’ll remove it from the bed and then break it free of the scaffolding. In many cases you’ll have to finish the model using sandpaper and special cutting tools to remove imperfections. Some people even paint their models! The only real limit is your creativity.
If you’re itching to buy a 3D printer, these are our best picks and if you’re on a budget, these are more pocket friendly options.
