下圖為某產品的試制品以及所使用的試制模具(圖1)。該產品是被稱為“保濕凝膠襪”的足部保健用品，由AKAISHI公司(總部位于靜岡市)研制開發。
圖1 利用三維打印機制作的射出成型用試制模具：頂層模具、底層模具、內部模具均為應用聚砜(PPSF/PPSU)材料三維打印機制作而成。試制品采用厚度2.5mm的彈性材料，和制成品具有相同厚度和材質。進行射出成型時的樹脂溫度在200℃以上。
保濕凝膠襪的材質為彈性材料，厚度為2.5mm。雖然外形看起來很簡單，但內部設計制造了細小的突起。在對彈性材料進行射出成型時，不但需要200℃以上的高溫，而且射出速度也要非常快。因此，要求模具具有高耐熱性和高強度。
高耐熱性的樹脂模具
AKAISHI公司在開發保濕凝膠襪時，之所以利用三維打印機(三維積層造形)來制作試制模具，是因為“希望試制品與制成品具有相同材質”(該公司商品開發部門功能設計組&模具制造組負責人村岡真)。由于產品需要很柔軟的感覺，所以，不僅要評測靜態形狀和大小，而且要評測用戶實際穿著時會怎樣變形，以及是否產生収縮等感覺。但是，利用三維打印機直接制作的試制品無法實現這種特性，而且如果需要反復制作模具，也就意味著無法降低成本，以及短工期。
因此，該公司決定嘗試利用三維打印機來制作試制模具。為此引進了可以溶融熱可塑性樹脂的同時形成積層的三維打印機，從而快速低廉地制作出了所需要的模具。
但是，如上所述，為進行保濕凝膠襪成形，模具要求具有高耐熱性和高強度。所以，該公司在三維打印機可以使用的多種樹脂中選擇了聚砜(PPSF/PPSU)。這種材料耐熱溫度高達約200℃，在所有可用材料中為最高。
盡管如此，該公司在使用PPSF/PPSU材料的試制模具時，還是進行了一些改進。首先是脫模性。根據使用原理，使用三維打印機會使模具表面產生微細的段差，從而會降低脫模性。雖然對模具表面進行了輕微打磨，仍然不能完全消除段差。所以，該公司在該模具表面涂布了某種粉末(界面活性劑)，從而提高了脫模性。
其次是強度。射出成型機以最大速度澆注樹脂時，模具到底能否承受住?“說實話，我們心里沒底”(村岡真)。和普通模具比起來，試制模具雖然制作上比較快速、而且成本低廉，但如果每次成形時都出現破損，其優勢也就蕩然無存了。所以，該公司另外制作了成形時需要承受最大力道的注塑口部分。這樣一來，即使萬一出現破損，也可以將損失控制在最小限度。
將利用三維打印機制作的PPSF/PPSU材料試制模具安裝到射出成型機上進行成形時，順利地制造出了試制品。“雖然將溫度提高至300℃，但注塑口部分依然沒有出現破損，不過由于是初次嘗試，我們堅持了安全優先的原則。”(村岡真)。作為試制品使用的模具，雖然能夠經受住20～30次的澆注已經足夠，但該模具估計可承受100次以上的澆注。
這樣做的結果是，試制模具制作時間從以前的1周縮短至1個晚上。為節約成本，模具整體沒有制成實心，而是進行了改進。從背面觀察時，采取了以加強筋對成形面進行強化的構造，最大限度地降低了材料費，減為以前的約1/10。
按照產品材質而區別使用
AKAISHI公司最初引進的三維打印機與上述有所不同，可使用的材料為ABS樹脂中的1種。最初曾經以健康器具等為核心，利用ABS樹脂來制造試制品*1。(*1 該三維打印機是在利用三維數據進行的試制過程中，作為切削加工的補充輸出機械來引進的。)
但是，對于類似彈性材料的柔軟材質材料，則無法用ABS樹脂的試制品進行替代。雖然僅僅是確認形狀也并非不能使用，但在健康器具上，人體接觸部分的硬度等直接影響到使用的感覺。“因此我們考慮，如果不能采用三維打印機直接造形，那么，是否可以制作射出成型模具來進行成型呢?”(村岡真)。
基于以上考慮，該公司引進的是不僅能使用ABS樹脂，還能使用聚碳酸酯(PC)和PPSF的三維打印機。首先，利用耐熱性和強度都很優良的PPSF材料制作了試制模具。但是，試制類似細刷的產品模具時，彈性材料的試制品不容易從模具上取下。原因是，在以PPSF材料可實現的最小積層厚度(0.254mm)范圍內發生的模具表面段差，會使成形制品的表面產生巨大摩擦力。
因此，該公司這次采用PC材料制作了模具。因為PC材料可以實現比PPSF更薄的0.127mm積層厚度。結果，彈性材料的試制品順利地從磨具上取了下來(圖2)。同時，PC材料無論在耐熱性方面還是強度方面都無可挑剔。
結果，該公司得出結論，“彈性材料的試制品幾乎都可以利用PC材料模具來實現”(村岡真)(圖3)。不過，正如本文開頭介紹的那樣，由于即使采用彈性材料，在需要更高耐熱性和強度時，試制品還是會發生破損等情況，因而沒有使用PC材料，而是使用了PPSF/PPSU材料的模具(圖4)。
圖2 以聚碳酸酯(PC)制作的試制模具：在細長突起(直徑約1.5mm)密集排列的電刷試制方面，要求具有高脫模性。由于PC可以進行高精度(細小段差)造形，適于這種形狀的試制模具。
圖3 利用PC試制模具進行滾輪成形而制造的按摩器具：為了檢驗該產品(按摩器具)的使用感覺，接觸用戶肌膚的部分要使用和制成品相同的材質。因此，利用三維打印機制作出的試制模具進行滾輪成形，除此之外，部件直接利用三維打印機進行了試制。
另外，在進行PA和聚丙烯(PP)材料的試制品成形時，該公司根據產品的材質而對試制品的制作方法和材質進行了調整(圖5)。例如，因耐熱性問題而要使用PPSF材料的模具等。如上所述，產品材質即使采用彈性材料，模具的材質基本上仍以PC材料為主，有時會根據需要而使用PPSF。產品材質為PA時，可用PC材料進行試制品直接造型而起到替代作用，所以，根據情況會分別采用射出成型和直接造型兩種方式。
圖4 破損的試制模具：射出壓力大時，進行成形可能導致模具出現破損。AKAISHI公司為防止忘記這樣的失敗教訓，保留了破損的試制模具。
圖5 試制方法的區別使用：產品材質為ABS和PC時，將考慮是否使用以三維打印機直接造形的試制品。當需要PA、PP和彈性材料的試制品時，以三維打印機制造PPSF或者PC模具，進行射出成型。而材質為PA時，PC的直接造形也將成為選項之一。
該公司為了進一步發揮三維打印機的優勢，目前正在嘗試對制作的模具表面進行電鍍。這一措施也是為了解決積層造形永恒的課題——段差*2而導入的。如果通過電鍍提高了脫模性，那么可用材料的種類將有望大幅增加。(*2 現在雖然對表面進行了簡單打磨，但聚氨酯等對于模具段差的附著力很強，無法進行成型。)
該公司不僅進行自家產品的試制，還開始從外部承攬設計和試制業務*3。所以，該公司希望充分利用三維打印機優勢，不斷增加試制模具等業務的訂單數量。(*3 AKAISHI公司開展這項業務時，曾經新組建了稱作Modeling group的部門。此外，該公司在官方網站之外，還另外推出了介紹Modeling業務的網站(URL：http://3dmodeling.jp/)。 )
沖壓加工也使用樹脂模具
通過三維打印機來制作射出成型使用的試制模具，可以提高試制工藝的效率。三維打印機原本就擁有多種方式，可用的材料也極為豐富。除了利用三維打印機進行試制品直接造型之外，如果考慮借助三維打印機制作的模具，能夠快捷低廉地獲得的試制品就隨之擴大到更大范圍。
圖6 利用三維打印機制造的沖壓加工用樹脂模具：在燃燒器試驗中，雖然金屬沖壓部件必不可少，但如果在試制階段制作模具，反復試驗的話則會導致成本和時間的浪費。如果可以利用樹脂模具進行金屬沖壓加工，這一課題就可以迎刃而解。三菱重工得出結論認為，對于厚度5mm以上的鎳合金平板，可以采用以三維打印機制作的樹脂模具進行沖壓加工。
作為模具的使用方式，不僅可以用于射出成型，此外，還可用于沖壓加工。在三菱重工的高砂制作所，為進行燃氣輪機燃燒器構成部件的試制，正在研究采用以三維打印機制作的樹脂模具(圖6)。
樹脂模具可以用于以沖壓成型來使厚度5mm以上的鎳合金平板彎曲。目前正處在“將樹脂模具安裝于沖壓機上，從而確認能否使金屬板彎曲的階段”(三菱重工原動機業務本部葉片和燃燒器制造部生產技術課課長原口英剛)。
此外，高砂制作所正在將三維打印機用于精密鑄造領域的脫蠟鑄造(LOST WAX)利用的部分模具。雖然模具主體為金屬，但因設計變更等需要改變形狀時，則以三維打印機制作一部分模具，同時再配合普通模具進行蠟模成形。
高砂制作所最初引進三維打印機是在2006年。在那之前，曾經從外部采購利用光硬化性樹脂進行三維積層造形所生產的試制品，但是“由于價格高、交貨慢、以及過程麻煩等原因，每年只能在大約5件重要部件上加以使用”(原口英剛)。外部采購的成本為50萬～100萬日元，不但時間上需要數個星期，而且和供貨方之間的談判、保密合同和數據傳送等都非常繁瑣。
在研究如何更加容易、而且快捷低廉地獲得試制品的時候，高砂制作所偶然獲得了某三維打印機半年時間的免費使用權。借著這個機會,該公司對以后引進三維打印機時，將可能有哪些用途，開始走訪設計和制造一線。此時，親眼看到利用三維打印機制作的立體模型實物后，由切身體驗終于產生了需求。
高砂制作所根據調查結果得出結論，對強度的要求是最高的。雖然也有人強調透明性和精度等，但在設計評審(DR)和形狀確認(初期討論)等用途上，實際不需要那么高的精度(圖7)。
與上述相比，作為組裝性驗證和制造現場的夾具等使用時，如果出現損壞就將豪無用處。在實施流量試驗等功能試驗時，由于試驗機內部經常形成高圧，所以必須認真擰緊螺栓。
因此，決定優先確保強度，從而選擇了可以溶融ABS樹脂等熱可塑性樹脂，同時形成積層的三維打印機*4。(*4 在高砂制作所，共有4臺樹脂熔融三維打印機正在運轉。 )
圖7 燃燒器的試制品：利用不同顏色對部件的種類進行區分，更加容易把握部件的關系。由于比實物更小、更輕，從而可以輕松地從多個角度來觀察確認形狀。
在那之后，對精度的要求也越來越高。例如，作為教學用途等的試制品，需要將渦輪葉片1枚1枚進行準確的再現(圖8)。所以，引進了以粘接劑來固定石膏等粉末材料的高精度三維打印機。這就形成了2種三維打印機區別使用的體制。
圖8 用于教學的渦輪小型模型：為了提高對新入員工和海外合作伙伴的教學效果，利用三維打印機制作了立體模型。由于是采用設計數據而制作的，產品形狀得到了忠實的再現，在文字和圖紙上難以完全表現的構造和功能的說明方面具有很大作用。軸和葉片等部件分別一一造形，再進行組裝。
現在，高砂制作所不僅進行試制時，還在其它眾多情況下采用了三維打印機。例如，在制造一線，正在用于劃線的夾具(圖9)和涂布遮蔽夾具等。由于可以在短時間內以低成本制造出少量夾具和量規，現在能夠輕而易舉地制造出原來難以制造的夾具。
圖9
