3D プリントはどのように機能しますか?

積層造形法の一つに3Dプリンティングがあります。これは「付加的」な製造方法であり、材料の塊や金型を必要とせず、材料の層を積み重ねて融合させるだけで実際の物体を作製できます。従来の技術よりも複雑な形状を造形でき、多くの場合迅速で、固定的なセットアップコストも低く、使用できる材料の種類もますます増えています。エンジニアリング分野では、特に軽量形状の試作や開発において、3Dプリンティングが広く活用されています。

積層造形と3Dプリンティング

「3Dプリンティング」という言葉は、メイカーカルチャー、アマチュアや愛好家、デスクトッププリンター、FDMのような手軽な印刷技術、ABSやPLAのような安価な材料と結び付けられることが多い。これは、RepRapムーブメントから生まれた、オリジナルのMakerBotやUltimakerといった手頃な価格のデスクトッププリンターが、3Dプリンティングの民主化と2009年の3Dプリンティングブームに貢献したことが一因である。

3Dプリンティング技術：革新的な製造業の未来

3D 印刷 歴史

3Dプリントのコンセプト製品は1970年代に始まりました。1981年には、初めて層ごとに印刷する製造方法を提唱した日本の科学者、児玉博士が3Dプリントに挑戦し、紫外線で重合する感光性樹脂を用いたSLA（ステレオリソグラフィー）3Dプリント技術を自ら開発しました。

数年後、アメリカの科学者チャールズ・ハルもSLA技術について詳細な研究を行い、1986年にSLAの最初の特許を申請しました。彼は3D Systemsを設立し、1988年に最初の商用製品であるSLA-1を発売しました。（下の写真）

SLAは最も早く開発された3D印刷技術と言えるが、その後SLS（選択的レーザー焼結法）とFDM（熱溶解積層法）が登場したのはいつだろうか？

1988年、アメリカ人のカール・デッカードはテキサス大学でSLS技術の特許を取得しました。これは、レーザーを用いて粉末粒子を局所的に融合させて印刷する3Dプリント技術です。同年、ストラタシスの創業者の一人であるスコット・クランプは、熱溶解積層法（FDM）の特許を申請しました。1980年から1990年にかけて、3Dプリントの主要3技術がすべて特許を取得し、この業界の急速な発展期の幕開けとなりました。

ヨーロッパでは、EOS GmbHが3Dプリント用の設計システム「Stereos」を開発しました。現在、同社の3Dプリントモデルは、産業分野でプラスチックや金属のSLS 3Dプリント技術（選択的レーザー焼結法）に世界中で利用されています。

1992年、多くの専門家や個人のさまざまなニーズを満たす3Dプリンターを開発したStratasys社が、FDM（熱溶解積層法）3D印刷技術の特許を取得しました。

1993年から1999年にかけて、3Dプリント業界では様々な技術が登場しました。同時に、Sanders Prototype（現在のSolidscape）のように、新しいCADソフトウェアや3Dモデリングソフトウェアが次々と開発されました。Sanders Prototypeは、初期の参加者の1人が開発したソフトウェアです。

3Dプリンティングの多分野アプリケーション

2008年には、最初の3Dプリント義肢が登場し、メディアにおける3Dプリントのシェアがさらに高まりました。3Dプリントは従来の部品の印刷だけでなく、人体の修復にも応用できることが認識されました。この画期的な医療用3Dプリントプロジェクトは、生体肢体のすべての部品を組み合わせ、後工程の組み立てを必要とせずに「そのまま」印刷することができます。今日では、3Dスキャンと組み合わせることで、3Dプリントされた医療用義肢や装具は、患者のニーズを満たすために、より安価かつ迅速に製造されるようになっています。さらに、これらの義肢は患者の体型に合わせて最適化され、適応していくようになっています。3Dプリントは、マスパーソナライゼーションの新たな可能性をもたらします。(画像を追加)

2009年はFDM特許が大量消費分野に進出した年であり、FDM 3Dプリンターの広範な革新への新たな道が開かれました。デスクトップ3Dプリンターの価格が下落するにつれ、3Dプリント業界の発展にますます多くの人々が注目するようになりました。

2013年、バラク・オバマ米大統領は一般教書演説で3Dプリンティングを未来の生産方式の主流として言及し、「3Dプリンティング」はまさに流行語となりました。今や、人々の意識の中で3Dプリンティングの地位は非常に高く、ますます多くの中小企業が3Dプリンティングによる低コストの試作を活用し、反復、イノベーション、そして生産プロセスに3Dプリンティングを全面的に取り入れています。

3Dプリントのコンセプトカー

建設用途に関しては、3Dプリント住宅は今や現実のものとなりました。2018年には初めて3Dプリント住宅に人々が入居しました。この住宅は1022平方フィート（約91平方メートル）の広さで、居住性に優れています。3Dプリントには合計2日かかりました。

製造業と3Dプリンティングの類似点と相違点に関する3Dプリンティングの分類システム

くり抜かれたボールを例に挙げましょう。表面には十数個の花が散りばめられています。従来の機械加工で加工すると非常に手間がかかり、模様を一つ一つ修正しなければなりません。3Dプリントなら材料の無駄がないため、積層造形とも呼ばれます。つまり、材料を少しずつ積み重ねていく方法で物理的な部品を製造します。従来の方法では、まず胚を作り、余分な材料を取り除き、残った材料で必要な形状を作ります。問題が見つかった場合は、型を開けて修正する必要がありますが、3Dプリントでは少しずつ材料を積み重ねていくため、完成品をすぐに確認できます。

3Dプリント技術の実現

3Dプリンティング技術は工業生産に応用されています。3Dプリンティングに必要なのは物理的な物体ではなく、デジタルモデルです。目の前にある実物を3Dプリントしたい場合は、コンピューターでモデリングするか、3Dスキャナーで実物、つまり3Dモデルをデジタル化する必要があります。そうすることで、最短15分でプリントアウトできます。現在、3Dプリンティング技術は、FDM、DLP/SLA、SLSの4つの主要なカテゴリーに分かれています。

SLS - レーザー焼結成形プロセス

SLSは、レーザー照射の高温条件下で溶融する比較的ハイテクな粉末です。作業台の上に薄い粉末の層を広げ、レーザービームで層の断面をスキャンして温度を融点まで上昇させ、焼結と結合を実現し、粉末の塗布、焼結、研磨、乾燥を繰り返してモデルを形成します。実際、3Dプリントは2Dプリントを繰り返します。オブジェクトを非常に薄くスライスすると、各ピースに形状があることがわかります。すべての形状を組み合わせると、3次元構造オブジェクトが得られます。そのため、レーザーを使用してグラフィックスを描画します。SLS成形部品の環境（温度、湿度、化学腐食）に対する耐性は、熱可塑性材料の耐性と同様です。一方、SLA成形部品の耐性は比較的低く、たとえばエポキシ樹脂で成形されたSLAワークピースは、湿気や化学物質の影響を受けやすいです。腐食、38℃以上の環境では軟化して反りますが、成形精度は高くなります。

SLA --光造形成形プロセス

SLAは、現在中国で比較的発展している光硬化技術です。「光造形法」とは、レーザービームで液体樹脂の表面に造形物の最初の層の形状を描き、その後、造形プラットフォームを一定距離（0.05～0.025mm）下げ、固化した層を液体樹脂に浸漬するなどの工程を繰り返す方法です。使用する樹脂は感光性樹脂で、レーザービームの照射により固体状態となり、造形モデルは高速かつ高精度です。

DLP - ステレオリソグラフィー成形プロセス

DLPデジタル光処理、レーザー成形技術として知られています。DLP 3Dプリント技術は、SLA 3Dプリント技術と多くの類似点があります。生産を鉛筆で円を描くことに例えると、SLA技術は層ごとに描くことに相当し、DLPは直接スタンプすることに相当します。私たちが追求している大量生産には、効率と材料コストという2つの非常に重要なポイントがあります。従来の製造よりも数百倍速く印刷できる3Dプリンター、つまりフェイスツーフェイス技術があり、これは深センの会社、ライトプリズムテクノロジーによって開発されました。従来のFDM 3Dプリントで中空のボールを印刷するには2〜5時間かかり、最速で1時間かかりますが、最新のフェイスツーフェイス技術で印刷するには約10分しかかかりません。印刷速度は驚異的です。この3Dプリントが市場に出回れば、伝統工芸への影響は依然として大きいです。

FDM --熱溶解積層法

DLPやSLS技術と比較して、FDM技術は比較的シンプルなため、対象ユーザーが多く、家庭に導入しやすいです。プロトタイプは、熱可塑性材料を半溶融フィラメントに押し出し、層ごとに堆積させることで、3D CADデータから直接構築されます。FDM技術の利点は、機械構造がシンプルで設計が簡単で、製造コスト、メンテナンスコスト、材料コストが低く、環境汚染がないことです。そのため、FDMは家庭用デスクトップ3Dプリンターで最も広く使用されている技術でもあります。これは比較的伝統的な印刷方法で、レーザーを使用せず、コストも低いですが、精度は高くなく、印刷速度は非常に遅いです。これは誰にとっても最もアクセスしやすい方法であり、教育市場で広く使用されています。

3Dプリントが製造業と伝統工芸に与える影響

3Dプリントの利点

（1）カスタマイズ

歯科を例にとると、歯は人それぞれ異なりますが、3Dプリントはカスタマイズ生産と大量生産の矛盾を解決し、カスタマイズされたインプラントや矯正器具などを大量生産することができます。

（２）リアルタイムサンプル

3Dプリントの高速性により、デザイナーは午前中に製品のバージョンを設計し、リーダーは正午に完成品を確認できます。その後、午後6時に別のバージョンを設計し、翌朝完成品を確認できます。これにより、新製品の開発速度が大幅に加速されます。特に複雑なものでなければ、3Dプリントは3時間で完成品を製造できますが、従来の校正では毎回4～6週間かかるため、工業デザイン全体の速度も向上します。

（３）汚染がない

 生産される原材料はすべて環境に優しいため、生産工程全体が無公害生産です。廃ガスや廃水による汚染はなく、残材の廃棄もありません。

（4）データ化

デジタル歯科が成熟すれば、医師の技術的要件は大幅に軽減されます。患者は院内で機器を使って2分間スキャンするだけで、あらゆる歯科の問題の原因と解決策を知ることができます。

さらに、3Dプリントは歯列矯正にも活用でき、個人に合わせた透明な矯正器具を印刷できます。整形手術では、歯を左に動かすべきか、それとも前に動かすべきか？何ミリ動かすべきか？かつては歯科手術は医師の経験に頼るしかありませんでしたが、デジタル歯科技術によって手術の安定性が向上し、医師の技術的ハードルは下がりました。

（５）速い

 従来の工業プロセスと比較して、3Dプリンティングは人員や輸送といった事前準備を必要とせず、機械と原材料のみで製造できるため、迅速に生産を開始できます。

（6）自動化

 仮想の想像と現実の間には、たった1台の3Dプリンターしか存在しないと言えるでしょう。3Dプリントによるワンキー生産は、人件費と人的ミスを大幅に削減します。