【分析】3Dプリント技術と応用動向

2012年4月、イギリスの有名な雑誌「エコノミスト」は、世界の産業界が第三次産業革命を経験していると指摘する特別レポートを発表しました。これまでの革命とは異なり、この革命は製造業の発展に大きな影響を与えるでしょう。その代表的な技術の1つが3Dプリント技術です。タイム誌も3Dプリンティングを「米国で最も急成長している10の産業」の1つに挙げています。 2013年以降、国内のメディア、学術界、金融界も3Dプリント技術に注目し始め、各レベルの政府部門も3Dプリント技術に注目し、開発計画を策定し始めました。本稿では、膨大な文献と実践研究に基づき、3D プリント技術の概念、プロセス、材料、設備、商用化の状況を紹介し、さらにこれに基づいて、3D プリント技術の応用動向とそれが人類の将来の生産とライフスタイルに与える影響について展望します。

1. 3Dプリント技術の概念と分類
3D 印刷技術は、学術的には「付加製造」技術として知られており、付加製造または増分製造とも呼ばれます。 2009年に米国材料試験協会（ASTM）が設立した3Dプリンティング技術委員会（F42委員会）が発表した定義によると、3Dプリンティングは、従来の材料加工方法とは全く逆の方法で、3次元CADモデルデータを基に、層ごとに材料を追加して製造する方法です。この方法は、対応する数学モデルと完全に一致する３次元物理実体モデルを直接製造する製造方法を採用する。 3D 印刷技術の内容は、製品ライフサイクルの前端での「ラピッドプロトタイピング」と生産サイクル全体にわたる「ラピッド製造」に関連するすべての印刷プロセス、技術、機器カテゴリ、アプリケーションを網羅しています。 3D プリントに関わる技術には、CAD モデリング、測定、インターフェースソフトウェア、CNC、精密機械、レーザー、材料など、複数の分野の統合が含まれます。 3D プリントには次のような特徴と利点があります。

①デジタル製造：CADなどのソフトウェアを使用して製品構造をデジタル化し、機械設備を駆動してデバイスの加工・製造を行う。デジタルファイルはインターネット経由で送信することもでき、分散型の製造生産モデルを実現する。
②次元削減製造（積層製造）：つまり、3次元物体を2次元の層構造に分解し、それを層ごとに積み重ねて3次元物体を形成する。したがって、原理的には、3D プリント技術はあらゆる複雑さの構造を生成でき、製造プロセスはより柔軟になります。
③堆積製造：「ボトムアップ」積層方式は、不均一な材料や機能傾斜を持つデバイスを実現するのに有利です。

④ 直接製造：組み立てや接合などの複雑な工程を必要とせず、高性能で成形が難しい部品を「印刷」により直接一発製造できます。
⑤ 迅速な製造： 3Dプリントの製造プロセスは短く、完全に自動化されており、現場で製造できるため、製造がより迅速かつ効率的になります。

3D プリント技術の発展は、1970 年代後半から 1980 年代前半にまで遡ります。当時、米国 3M 社のアラン・ヘバート (1978 年)、日本の児玉秀夫 (1980 年)、米国 UVP 社のチャールズ・ハル (1982 年)、日本の丸谷洋二 (1983 年) がそれぞれ独立してこの概念を提唱しました。 1986 年、チャールズハルは、3D 印刷技術の発展における画期的な出来事となったステレオリソグラフィー法 (SLA) を開発しました。同年、世界初の3Dプリンター機器会社である3D Systemsを設立した。同社は1988年に世界初の3DプリンターSLA-250を製造しました。1988年、アメリカ人のスコット・クランプ氏が別の3Dプリント技術である熱溶解積層法（FDM）を発明し、ストラタシスを設立しました。現在、ナスダックに上場している 3D プリント機器メーカーはこれら 2 社のみです。

1989年、C. R.デシャールは、高強度レーザーを使用して材料粉末を焼結して形成する選択的レーザー焼結（SLS）法を発明しました。 1993年、MITのエマニュエル・サックス教授が新しい3Dプリント技術を発明しました。この技術はインクジェットプリンターに似ており、金属やセラミックなどの粉末に接着剤を吹き付けて材料を一つずつ成形し、焼結して最終製品を形成します。この技術の利点は、生産速度が速く、価格が安いことです。その後、Z社はMITからその技術を使って3Dプリンターを製造する許可を得て、「3Dプリンター」という名称が生まれました。その後、イスラエルのハナン・ゴトハイト氏が1998年にオブジェ・ジオメトリーズ社を設立し、2000年に北米のオフィス環境で使用できる商用3Dプリンターを発売しました。

2 材料と設備
3D プリンター機器メーカーは主に米国、ドイツ、イスラエル、日本、スウェーデンに集中しており、米国が先頭に立っています。そのうち、ストラタシスと3Dシステムズの2つの米国企業は、世界の主流プロセス製品ラインの90％を統合しています。 2011 年に 3D Systems は Z Corporation を買収しました。 2012年、ストラタシスはイスラエルのオブジェット社を買収し、リソース統合を完了しました。 3Dプリントは材質によってブロック材、液体材、粉末材に分けられます。米国材料試験協会 (ASTM) 3D 印刷技術委員会 (F42 委員会) の規格によると、現在 3D 印刷プロセスには 7 種類あり、使用される材料は表 1 に示されています。

現在、市販されている 3D プリンターは合計 7 種類のプロセスをカバーしており、その中で SLA、SLS、FDM、3D プリントが主なものです。ステレオリソグラフィー（SLA）は、紫外線を使用して液体感光性樹脂の表面をスキャンし、毎回一定の厚さの薄い層を生成し、下から層ごとにオブジェクトを生成します。利点としては、原材料の利用率がほぼ 100% であること、寸法精度が高いこと (±0.1mm)、表面品質が優れていること、非常に複雑な構造のモデルを作成できることなどが挙げられます。欠点としては、高価であること、使用できる材料の種類が限られていること、完成品が光の下で徐々に崩壊してしまうことが挙げられます。選択的レーザー焼結 (SLS) 印刷では、高出力レーザーを使用して粉末を加熱して焼結し、部品を形成します。 SLS プロセスの利点は、金属材料やナイロン、ポリカーボネート、ポリアクリレート、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、高密度ポリエチレンなどのさまざまな熱可塑性プラスチックを印刷できること、印刷中にサポートが不要であること、印刷された部品が優れた機械的特性と高い強度を備えていることです。欠点は、材料粉末が比較的緩いこと、焼結後の成形精度が高くないこと、高出力レーザーが高価なことです。熱溶解積層法（FDM）では、ホットメルトノズルを使用してプラスチック繊維材料を溶かし、ノズルから押し出します。その後、指定された場所に堆積し、形状に固化します。このプロセスは、歯磨き粉を絞り出す方法に似ています。利点は、価格が安く、サイズが小さく、生産操作が比較的簡単であることです。欠点は、成形部品の表面に明らかな縞模様があり、製品層間の結合強度が低く、印刷速度が遅いことです。
3D プリントでは、インクジェットプリンターのノズルと同様の作業方法が使用されます。このプロセスは、選択的レーザー焼結法と非常に似ていますが、レーザー焼結法がノズル接合に変更され、ラスタースキャナーがバインダー注入ヘッドに変更されている点が異なります。利点は印刷速度が速く、価格が安いことですが、欠点は印刷された製品の機械的強度が低いことです。
3 現在の主な問題点3D プリント技術は大きな進歩を遂げましたが、依然として以下の問題が残っています。
①3Dプリント消耗品。消耗品は現在、3D プリント技術の広範な応用を制限している主な要因です。これまで開発されてきた材料は主にプラスチック、樹脂、金属などですが、3Dプリント技術をより多くの分野に応用するには、より多くのプリント可能な材料を開発し、材料の特性に基づいて加工、構造、材料の関係を詳細に研究し、品質試験の手順と方法を開発し、材料の性能データの規範基準を確立する必要があります。さらに、適切な材料を見つけることも、いくつかの重要な産業分野では大きな課題となっています。たとえば、エアバスのコンセプト航空機のシミュレーション構造では、胴体が透明で高硬度であることが求められています。これらの要件を満たすには、新しい複合材料を開発する必要があります。 XeroxPARC 研究センターの研究者はプリンタブルエレクトロニクスの新しいプロセスに取り組んでいますが、利用できる原材料は多くありません。印刷材料に関しては、イスラエルの Objet がリーダーです。同社は最近、マルチマテリアル3Dプリンター「Connex」シリーズ向けに39種類の新しい「デジタルマテリアル」を開発し、顧客が選択できる基本マテリアルの数が107種類になったと発表した。これらの材料は、質感、靭性、剛性、強度が異なります。同社は現在、同社が提供するベースマテリアルから合成された 90 種類の「デジタルマテリアル」を提供しており、これによりデザイナー、エンジニア、メーカーは最終製品の材料特性を非常に正確にシミュレートすることができます。 Connex マルチマテリアル 3D プリンターを使用すると、ユーザーは 1 つのモデルで、硬度や透明度が異なる最大 14 種類のマテリアルを使用できます。さらに、工具鋼、ステンレス鋼、チタン合金、ニッケル基合金、銀、金などの金属材料の 3D プリントが緊急に必要とされていますが、これらの印刷技術はまだ十分に開発されていません。
②3Dプリンター本体現在、複数の材料で作られた製品を同時に印刷できる 3D プリンターは世界に 1 台しかないと言われています。 3D プリント技術はまだ未発達であるため、ラピッドプロトタイピング部品の精度と表面品質は直接的なエンジニアリング用途の要件を満たすことができず、プロトタイプとしてしか使用できません。 3D プリント製品は積層造形プロセスを使用しているため、層がどれだけしっかりと接続されていても、現状では従来の鍛造品と比較することは困難です。
③3Dプリントの価格。現時点では、3D プリンティングには規模の経済の利点がなく、価格面での優位性もまだ明らかではありません。現在、印刷材料1kgのコストは数百元から4万元程度であるため、3D印刷技術はしばらくの間、従来の製造技術を完全に置き換えることはできません。しかし、単品小ロット、パーソナライズカスタマイズ、ネットワークコミュニティ生産の面では、ほとんどの製品では、1個印刷しても100個印刷しても価格はほぼ同じであるため、3Dプリントには比類のない利点があります。
④知的財産権の保護3D プリント技術の重要性は、資本と労働の分配パターンを変えることだけでなく、知的財産権のルールを変える能力にもあります。この技術の出現により、製造業の成功はもはや生産規模ではなく創造性に依存するようになりました。しかし、創造性だけに頼るのは危険です。模倣者や革新者は、市場に新製品を簡単かつ迅速に投入することができ、過去の音楽業界と同様に、著作権侵害の脅威に直面する可能性があります。
⑤3Dプリンターの操作スキル。 3D プリント技術は生産にデジタルモデルに依存していますが、一般ユーザーがコンピュータ支援設計ツール (CAD) の使い方を習得するのは依然として困難です。しかし、社会の発展に伴い、将来的にはますます多くの学生がこの分野のスキルを学び、習得するようになり、企業もいくつかの簡単な製品データベースを提供するようになるため、ユーザーはコンパクトカメラの発展と同様に、3D設計スキルを習得しなくてもモデルを作成できるようになります。 ⑥政策面3D テクノロジーの研究開発には、多額の政府投資や業界からの財政支援が必要です。例えば、医療分野では、食品医薬品規制当局の承認が得られないと、多くの臨床医療製品の適用が遅れる可能性があります。
4 応用分野と動向4.1 世界的な商業化状況米国の技術コンサルティングサービス協会である Wohlers Associates が発表した 2012 年の年次レポートによると、世界の 3D プリンティング業界の 2011 年の売上高は 17 億 1,400 万米ドルでした。この技術の現在の市場浸透率は 8% です。したがって、レポートでは、3D プリンティングの市場機会は控えめに見積もって 214 億米ドルであるとしています。楽観論者は、現在の市場浸透率はわずか 1% であり、3D プリンティングの市場機会は 1,700 億ドルに達すると考えています。現在、3Dプリンティング技術市場の年間成長率は29.4%です。この業界の市場規模は 2015 年までに 37 億ドルに達し、2019 年までに 65 億ドルに成長すると予測されています。 3D プリント技術の市場規模を図 1 に示します。

業界分布の観点から見ると、民生用電子機器分野が依然として約 20.3% を占めており、その他の主な用途は自動車、医療/歯科、産業/商業機械、航空宇宙分野です。 3D プリンティング技術産業の分布を図 2 に示します。 3Dプリンティング技術の主な応用機能の配分比率を図3に示します。現在、3D プリンター機器の主な需要市場は、ヨーロッパ、アメリカ、アジアです。 2011年の機器市場シェアの分布から判断すると、北米が40.2%を占めて第1位となり、次いでヨーロッパ、アジアとなっています。 3D プリンター機器数の地域別分布を図 4 に示します。 3Dプリンター設備の設置台数では米国が最大で、日本は2位です。
3D プリント技術製品およびサービスの世界的な収益を図 5 に示します。図 5 では、棒グラフの上部はサービス収益を表し、下部は製品 (機器や材料など) 収益を表します。図 5 から、3D プリント機器、材料、サービスの経済規模が同程度であることが容易にわかります。 2010 年の売上高は 13 億 2,500 万米ドルでしたが、2011 年には 17 億 1,400 万米ドルとなり、成長率は 24.1% となりました。 3D プリント機器と材料は、製品収益の大部分を占め、2011 年には 8 億 3,400 万ドルに達しました。 3D プリント製品の豊富な種類により、印刷材料の急速な発展が促進されました。 2001年から2011年までの印刷資材の世界販売量は図6の通りです。世界経済危機の影響で2009年に若干減少した以外は、年間成長率は基本的に10%から20%を維持しています。 4.2 応用分野3D プリンターは、モデルやプロトタイプを必要とするあらゆる業界で使用できます。現在、3Dプリント技術は、工業デザイン、文化芸術、機械製造（自動車、オートバイ）、航空宇宙、軍事、建築、映画・テレビ、家電、軽工業、医療、考古学、彫刻、宝石などの分野に応用されています。技術自体が発展するにつれて、その応用分野は拡大し続けるでしょう。これらのアプリケーションは、主に次の 10 の側面に反映されます。
①設計案の検討。 3D プリントされた物理モデルの助けを借りて、さまざまな専門分野 (設計、製造、マーケティング、顧客) の担当者が、製品の実装計画、外観、人間工学などの物理的な評価を実施できます。
②製造工程と組立検査。 3D プリントは、製品部品のあらゆる構造詳細を正確に生成できます。3D プリントされたソリッドモデルを設計ファイルと組み合わせることで、部品や金型のプロセス設計を効果的にガイドしたり、製品の組み立て検査を実施して構造およびプロセス設計のエラーを回避したりできます。
③機能サンプルの製作と性能試験。 3D プリントの物理的なプロトタイプ自体には、一定の構造特性があります。同時に、3D プリント技術を使用して金属部品を直接製造したり、溶融 (ワックス) 鋳型を作成したりすることもできます。その後、金属部品の精密鋳造を通じて、機能部品や特殊な要件を持つサンプルも印刷して製造できます。
④ 迅速な金型製作と小ロット生産。 3Dプリントしたプロトタイプをテンプレートとして、シリコン、樹脂、低融点合金などで急速成形することで、数十～数百個の部品の小ロット生産が容易に実現できます。
⑤建物全体と装飾展示の評価3D 印刷技術は、モデルの真の色と質感の印刷の特性を実現し、建物の全体的なレイアウトと構造スキームを表示および評価するための建物設計モデルを迅速に作成できます。
⑥科学計算データ実体の可視化。コンピュータ支援エンジニアリングや地理地形情報などの科学計算データを 3D カラーで印刷して、幾何学的構造や分析データを物理的に視覚化できます。
⑦医学および医療工学。医療用CTデータの3次元再構成技術を通じて、3Dプリント技術を使用して臓器や骨などの立体モデルを製造し、手術計画の設計をガイドできるほか、組織工学や方向性薬物送達スケルトンの印刷や製造にも使用できます。
⑧ ジュエリーや日用品の急速な発展とパーソナライズされたカスタマイズ。 3D プリントを使用してワックスモデルを作成し、精密鋳造を使用してジュエリーや工芸品の迅速な開発とパーソナライズされたカスタマイズを実現します。
⑨アニメスタイルの評価。アニメーションモデリング評価の助けを借りて、アニメーションモデルを迅速に製造し、アニメーションモデリング設計をガイドおよび評価することが可能になります。
⑩電子機器の設計・製造。 3D プリンティングは、ガラスや柔軟な透明樹脂などの基板上に、RFID、太陽光発電デバイス、OLED などの電子・光学デバイスを設計・製造するために使用できます。

4.3 人間の生産とライフスタイルへの影響3D プリント技術の応用は、次の 3 つの側面で従来の製造業に大きな変化をもたらすでしょう。 1 つ目は、製造プロセスに大きな変化をもたらすことです。 3D プリンティングにより、原材料の切断と組み立ての生産モードが変わり、材料と処理時間が節約されました。たとえば、航空宇宙産業で使用される金属部品は通常、高価な固体チタンから機械加工されますが、材料の 90% が除去されるため、切断された材料は航空機には役立ちません。エアバスの親会社EADSの研究者らは、チタン粉末から印刷されたこれらの部品は、従来の方法で固体チタンから機械加工された部品と同等の耐久性を持ちながら、原材料の使用量は90パーセントも少ないと述べている。 2つ目は、製造技術の大きな飛躍を推進することです。 3Dプリンティング技術は、CAD/CAM技術、レーザー技術、光化学、制御、ネットワーク、材料科学などの技術と知識を統合したハイテクです。 3D プリント技術の継続的な成熟は、新材料技術とインテリジェント製造技術の大きな飛躍を促進し、それによって関連産業の発展を推進します。 3つ目は、製造モデルに革命的な変化をもたらすことです。
3D プリンティングは、第二次産業革命で生まれた組立生産ラインに代表される大規模生産方式を変え、製品生産をパーソナライゼーションとカスタマイズへと変革する可能性があります。 3Dプリンターの普及と応用により、製品が市場に投入されるまでの時間が短縮されます。消費者は設計図をダウンロードし、3Dプリンターを使用して数時間以内に製品を「印刷」するだけで済みます。これにより、大規模な生産ライン、多数の生産労働者、大量の部品在庫が不要になり、いわゆる「社会化製造」が実現します。「社会化製造」のもう一つの利点は、製造資源ネットワークとインターネットを通じて、効率的なサプライチェーン、マーケティング、ユーザーサービスネットワークを迅速に構築できることです。これは、アジャイル製造、リーン製造、持続可能な開発を実現するための生産モデルです。
5 結論3D プリント技術と商用アプリケーションの発展により、「大規模なパーソナライズされたカスタマイズ」が重要な生産モデルになるでしょう。 3D プリンティングと現代のサービス産業の密接な統合により、新しいサブ産業と新しいビジネスモデルが生まれ、新たな経済成長ポイントが生まれます。 3Dプリント技術の発展によってもたらされた製品技術、製造技術、管理技術の進歩により、企業は市場の需要に迅速に対応する能力を獲得し、特にグローバル市場に適応できる豊かで多様な顧客基盤を形成し、遠隔カスタマイズ、オフサイト設計、現地生産と販売という新しい協調生産モデルを実現し、生産モデル、ビジネスモデルなどの面で根本的な変化をもたらしました。
著者: Li Xiaoli、Ma Jianxiong、Li Ping、Chen Qi、Zhou Weimin (上海工業技術研究所、上海ナノテクノロジーおよび産業発展促進センター)

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