3Dプリント技術の35年：模型作りから製造業の未来まで

1983年、アメリカの発明家チャック・ホールは、ステレオリソグラフィー技術を使用した世界初の3Dプリンターを発明しましたが、機械のサイズが大きくコストが高かったため、このコンセプトは市場にすぐには受け入れられませんでした。しかし、1990 年代に安価な 3D 印刷技術 (溶融フィラメント製造法と選択的レーザー焼結法) が開発され、複数の 3D 印刷会社が設立されたため、この技術の開発をサポートする人材とリソースが増えました。

35年前、3Dプリンターでは簡単なモデルしか印刷できませんでしたが、現在では2012年に中国で3Dプリンターで印刷された人工関節が患者に装着され、家庭用3Dプリンターは淘宝網で自由に購入できるようになりました。ますます普及している3Dプリント技術は、まだ模型やいくつかの製品を作る段階にとどまっています。市場をさらに開拓するには、3Dプリントを製造業に導入し、従来の製造方法に革命をもたらす必要があります。

従来の製造方法とは異なり、3D プリントの利点は、金型の製造に多くの時間がかからないこと、製品設計から製造までのサイクルが短いこと、従来の製造方法では製造できない複雑な構造を製造できること、原材料の消費量が少ないことです。しかし、従来の製造方法と比較すると、3D プリントの最終製品は、材料の強度や物理的特性が標準以下、製品の外観が粗い、実際の製造時間が長い、コストが高いなどの欠陥に依然として直面しています。

本日は、3D プリントの 3 つの主要分野である金属プリント、プラスチックプリント、セラミックおよびガラスプリントに焦点を当て、3D プリント技術の現在の開発状況と製造業におけるその展望を分析します。

金属印刷：「粉末」を「金」に変える
現在、金属印刷はレーザーを使用して金属粒子を溶かして成形する直接金属レーザー焼結法 (DMSL) に基づいています。印刷中、レーザーは金属粉末の層をスキャンし、レーザーの高温によって粉末が溶けて 2D 画像が形成されます。金属の層が冷却されて形が整うと、機械は別の粒子の層を適用し、このプロセスを繰り返して 3D 形状を作成します。

直接金属レーザー焼結部品直接金属レーザー焼結技術は、より複雑な構造を印刷することができ、金属ナノ粉末製造技術の成熟に伴い、この技術はより優れた外観と物理的特性を実現できます。しかし、この技術は従来のCNN金属切削・成形技術に比べて製造時間が長く、ナノ金属粉末のコストも非常に高いため、まだ模型製作段階にあります。

プラスチック印刷：百花繚乱

プラスチック 3D プリントは、30 年前に開発された熱溶解フィラメント製造法 (FFF/FDM) から、さまざまな固体、液体、粉末のプリント形式へと発展してきました。固体溶融フィラメント製造法のほかにも、粉末状態選択的レーザー焼結法（SLS）や液体フォトリソグラフィー（CLIP）などさまざまな技術があります。

熱溶解積層法 (FFF/FDM) は最も一般的な 3D 印刷技術であり、プラスチックフィラメントを溶かし、プリントヘッドを動かして 2D 画像の層を構築し、層ごとに 3D 形状を構築します。この技術を使用した 3D プリンターは、場所を取らず操作も簡単なため、非常に人気が高まっています。同時に、この技術は長年にわたって開発されてきたため、市販のさまざまなプラスチックをこの技術のヒューズとして使用できるようになり、材料の面で選択の余地が大きく広がりました。

ヒューズ製造カラフルなヒューズ原材料 (画像ソース WWW.DELL.COM)
しかし、溶融フィラメント製造の欠点は、最終製品が美しくないことです。表面には溶けたプラスチックフィラメントの痕跡が残り、表面を滑らかにするために後処理のフロスト加工と研磨が必要になります。同時に、印刷の縦方向と横方向で内部構造と材料密度が異なるため、製品の物理的異方性が特に顕著になり、重い重量を支える必要がある部品の印刷には適していません。しかし、この技術の利便性とスピード、そして利用可能な材料の多様性により、ブレースや製品モデルの製造に広く使用されています。

溶融フィラメント製造（写真提供：Visual China）
選択的レーザー焼結法 (SLS) の技術原理は、主にレーザーを使用してプラスチック粒子を溶かして形状を形成する直接金属レーザー焼結法の技術原理と非常に似ています。金属レーザー焼結技術と同様に、プラスチック選択的レーザー焼結にも大型の機械と専門家の操作が必要です。同時に、ナノレベルの粒子を実現できる金属レーザー焼結と比較すると、プラスチックにはナノレベルの粒子がないため、製品の最終表面の滑らかさと美観も制限されます。

ただし、この技術では追加のサポート材料を必要としないため、非常に複雑な構造を印刷できます。この技術のもう一つの大きな利点は、原材料が比較的安価で、処理時間が短く、大量生産の主力となる可能性があることです。

選択的レーザー焼結部品 (出典: stratasysdirect.com)

液体フォトリソグラフィー (CLIP) は、液体の原材料を光の影響下で固化するプロセスです。印刷する2D画像は、投影技術によって液体材料と空気の接触面に投影され、固化後、印刷された画像は上方に移動され、次の層を印刷します。この技術の利点は、液体材料が滑らかな表面を形成でき、印刷された製品が美しいことです。

液体フォトリソグラフィー (CLIP) ランニングシューズ (出典: carbon3d.com)
現在この技術を所有しているCarbon3D社はすでにこの技術を使って、アディダス社と共同でランニングシューズ用の超軽量・超弾性ミッドソールを生産している。興味のある富豪は検討してみてはいかがだろうか。

セラミックガラス印刷：まだ成熟していない<br /> セラミックの融点が高いため、セラミック 3D プリント技術はまだ商品化されておらず、セラミック 3D プリントは基本的な溶融フィラメント製造段階にとどまっています。しかし、MITの「ブラックテクノロジー製造工場」メディアラボはすでにガラス製の3Dプリントアートランプシェードを製作している。この技術のヒューズワイヤの直径は効果的に縮小されていますが、印刷された製品の表面は依然として非常に凹凸があります。

ガラス 3D プリント部品 (出典: media.mit.edu)
3D プリント技術は製造業に取って代わることができるでしょうか? 将来的には他に何をもたらすことができるのでしょうか?

より小規模ではあるが、Carbon3D と Adidas のコラボレーションでは、設計から製品化までの期間が短く、比較的複雑な構造を構築できるという 3D プリントの利点がすでに実証されている。金属3Dプリントは、美観と物理的特性の面ですでに伝統的な産業の要件に近づいていますが、生産時間は長く、価格も高くなります。プラスチック 3D プリントは、長い開発の歴史と成熟度により広く使用されていますが、完成品の美観が劣り、物理的特性が基準を満たさないことが主な問題です。

セラミック 3D プリント技術はまだ比較的基礎的な段階にあり、継続的な研究開発が必要です。これらのコスト、技術、性能の問題が解決されなければ、3D プリンティングは広い意味での製造業には程遠いものとなるでしょう。

レンガ積みや労働を必要とせず、空き地さえあれば建てられる3Dプリントのセメント住宅の実験を始める人もいる。この技術は現時点ではまだ「隣のゴキブリが解明した」段階であり、広く普及していない。しかし、考えてみてください。基礎のない家は風で吹き飛ばされる危険があるでしょうか?

チューリッヒのスイス連邦工科大学の研究チームが開発した 3D プリント人工心臓 (出典: www.ethz.ch)
実際、いくつかの研究室では、3D プリントの利点を活用して複雑で精密な構造を作り、臓器を印刷し始めています。スイス連邦工科大学の研究チームは、3D プリントされた心臓を開発しました。この心臓は、血流をシミュレートする限り、通常の心臓と同じように鼓動することができます。しかし、プラスチックは自然の筋肉には太刀打ちできないため、この心臓は45分しか持たず、一瞬の輝きにしかなりません。将来的には3Dプリンティングが臓器製造に大きな役割を果たし、臓器不足の問題を解決できる可能性があると考えられます。

出典: チタニウムメディア

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