建築模型の3Dプリントガイド

建築模型の3Dプリントは、採用する手段によって異なります。そのため、特定のユースケースに適したプリント技術を選択することが重要です。 

建築模型の3Dプリント技術として最も人気が高いものには、光造形（SLA）、熱溶解積層法（FDM）、粉末焼結積層造形方式（SLS）、バインダージェットなどがあります。

光造形は世界初の3D造形技術として1980年代に発明され、現在プロフェッショナルな用途で最もよく使われる技術の1つです。SLA方式のレジン3Dプリンタは、レーザーを使った光重合という工程を通じて液体レジンをプラスチック固体に硬化させます。

光造形（SLA）方式で3Dプリントされたパーツ（SLAパーツ）は、3Dプリント技術の中で最も高い精細度と精度を誇ります。また、SLAパーツは最も滑らかな表面仕上げを誇るため、塗装も容易となります。

SLA方式では非常に詳細なプレゼンテーション模型を作成でき、クライアントや一般向けにコンセプトやアイデを紹介するために最適な選択肢です。 

Draftレジンなどの高速プリント材料により、SLA方式はほとんどのパーツで最速の3Dプリントプロセスでもあります。デスクトップ型SLAプリンタの造形能力はコンパクトですが、Form 3Lなどの大型のSLA方式3Dプリンタを利用することで、建築家や模型製作者は極めて大規模なスケールの模型を製作できます。

熱溶解積層法（FDM）は FFF（Fused Filament Fabrication）とも呼ばれ、ホビー向け3Dプリンタの登場により、一般消費者の間で最も広く支持されている3Dプリント方式です。FDM方式の3D造形では、 熱可塑性材料を溶解させ、それをプリンタのノズルからビルドエリアに押し出して積層することでパーツを造形していきます。

FDMの精細度や精度は、ここで紹介する4つの3Dプリント方式の中では最も低いため、ディテールの凝った複雑な形状の設計データやパーツをプリントするのには最適な方法ではありません。比較的大きなモデルを高速かつ低コストで製作できるため、設計の初期段階で製作する基本的なコンセプトデザイン模型に適しています。 

粉末焼結積層造形方式は、産業用途で最も広く使われているアディティブマニュファクチャリング技術です。SLS 3Dプリンタは、高分子粉末の微粒子を溶融するために高出力レーザーを使用します。造形中は、未融合粉末が造形中のパーツを支える役割を果たします。そのため、専用のサポート構造を設ける必要がありません。 

SLSは、内部の特徴、アンダーカット、薄壁や凹面等、複雑な形状の造形手法として適しています。SLSプリンタで造形したパーツは、優れた機械的特性を持つため、構造部品にも適しています。

バインダージェット3Dプリント技術はSLSプリントと似ていますが、熱ではなく色つきの結合材を使用して粉末状の砂岩材料を結合します。バインダージェットプリンタは、鮮やかなフルカラーの3D建築模型を製作できます。

バインダージェットで製作したパーツは、表面に穴が多く極めてもろいため、静的な用途に限って使用することが推奨されます。

マインツ応用科学大学建築研究所のチームは、中世ドイツの都市、ヴォルムス、シュパイヤー、マインツを、3Dプリントした大規模スケール模型で復元しました。

今日では、ほとんどの建築家がすでにデジタル空間で作業を行っており、BIM（RevitやArchiCAD）、Rhino 3D、SketchUpなどの建築用CADソフトウェアを使用して、デジタルCAD設計を作成しています。しかし、これらのデジタルファイルは、必ずしも3Dプリントでダイレクトに物理的なスケールモデルを作成するために使用できるわけではありません。 

CADモデルから3Dプリント可能なファイルへの移行を成功させるには、3Dプリントのための設計、通常の模型製作の制約と3Dプリント用ファイルの準備との関係に加え、正しいスケールの選択から後処理に向けた組立の設計に至るまでのアプローチの方法と賢明なモデリング判断について、基本的な理解が必要となります。

建築模型は従来、さまざまな材料とコンポーネントを使って組み立てられていました。3Dプリンタは、こうした数多くのコンポーネントをできるだけ少ない数のパーツに融合させますが、それでも多少の組立が必要となります。その理由は以下の2つです。

1. 造形サイズの制約：Form 3Lなどの大型の3Dプリンタを使用しない場合、モデルを複数の部品に分割し、3Dプリンタの造形サイズに収める必要がある場合があります。

2. 内部のディテールまたは素材特性を見せる必要性：特定のモデルはコンポーネントを分解して、各部の詳細な設計内容を見せる必要があります。

建築模型内のさまざまなコンポーネントのサイズと形状は、3Dプリントのため建築模型を準備する際に考慮すべき重要なポイントです。一般的に、大きな模型、複数のコンポーネントを持つ模型、入り組んだ特徴のある模型は、組立用に3Dプリント可能なコンポーネントに分割されます。パーツは、化学的に接着させるか、機械的な組立方式で容易に結合させることができます。パーツを結合した時に継ぎ目が分からないようにシームレスに結合するには、SLAやSLSなどの技術で各パーツを極めて正確にプリントする必要があります。

最良の結果を得るためには、以下のような組立のモデリング戦略を採用する必要があります。

• 継ぎ目で模型を分割する：継ぎ目で模型やコンポーネントを分割することで、プリント完了後に容易に組み立てられるような取り扱いやすいコンポーネントを作成できます。模型を分割するための最もシンプルな方法は、直線的なカットです。別の方法としては、各プリントがそれぞれの位置を一致させるようにする特徴を設計に加える方法があります。

• コンポーネント単位で模型を分割する：模型によっては、構造部品で分割したり、プログラムによってパーツキットに分解したりするのに適したものがあります。そうしたコンポーネントを別々にプリントし、後から部位ごとに組み立てることも、他とは切り離した建物全体の単一コンポーネントとしてプリントすることもできます。

CAD技術の進歩により、3Dプリント可能なファイルの開発プロセスは劇的に簡素化されました。最新のCADプラットフォームには専用の3Dプリントモジュールが搭載されており、建築家がCAD設計をプリント可能なモデルに変換できるようになっています。ただし、この段階では1:1スケールで作業していることに注意が必要です。プリントスケールで正確な寸法を得るには、簡単な変換が必要となります。

使用するCADプラットフォームによっては、建築模型の開発において考慮すべき重要なポイントがあります。CAD固有の考慮点には、以下などが挙げられます。

1. BIMワークフロー：パラメトリックモデリングを利用するAutodesk RevitやGraphisoft ArchiCADなどのBIMソフトウェアで3Dプリント可能なモデルを開発する場合、コンポーネント管理が必要となります。ダクト、二重窓、冷暖房システムなどのコンポーネントは3Dプリントに変換されないため、削除する必要があります。ただし、ドア、窓、壁、床板など他のパーツは厚みを増す必要があります。

2. 表面モデリングワークフロー：このワークフローは、3Dプリントのみを目的に2D図面を開始する、より簡単なアプローチです。簡素化された図面をエクスポートして縮小し、外形ができるまで押し出しとトリミングを行います。

ホワイトペーパーをダウンロードすると、一般的な建築用CADソフトウェアのエコシステムのワークフローをステップ・バイ・ステップで確認できます。

建築模型の3Dプリントにおける次のステップは、デジタルな3Dモデルを3Dプリントが理解できる言語に変換することです。そのためには、PreFormなどのスライスソフトウェアまたは造形準備用ソフトウェアを使用する必要があります。初めての方でも経験豊富な方でも、スライスソフトウェアは一般的に直感的に使用できます。このようなソフトウェアは、補強が必要な壁、サポート構造がない部分、3Dプリントに影響を与える閉ざされた空間などのディテールをハイライトし、プリント前に対処できるようにしてくれます。また、精細度、建築プラットフォームの位置、サポート構造などの設定を最適化することも可能です。

設計の背景にあるコンセプトを表現するうえで材料が果たす役割は大きく、重要です。材料の色や質感は必ずしも完全に再現する必要はありませんが、他の材料と区別するのに役立つことがあります。モデルをコンポーネントごとに分割すると、さまざまな3Dプリント材料でパーツをプリントしたり、それぞれ他の色に塗ったりすることができるようになるため、材料特性を表現できるようになります。

後処理については、利用する3Dプリント技術により異なりますが、一般的には模型のサンディング、接合、塗装が含まれます。

以下に、3Dプリントプロセス別の概要を示します。