1 はじめに: 3D プリンティングは爆発的な成長期を迎えようとしています<br /> 3D プリントは、遅くて高価で、試作品を作ることしかできず、産業化にはまだ遠い、クールな技術だという認識がまだあるとしたら、それは近年の 3D プリントの発展があなたの想像をはるかに超えているからかもしれません。実際、1980年代に発明され、さまざまなコンセプトの誇大宣伝を経てきた3Dプリンティングは、ついに真の産業爆発期の到来を告げているようだ。なぜ今なのか？私たちの根拠は、第一に、3Dプリント技術は近年急速な発展を遂げ、徐々に当初のボトルネックを突破し、量的変化から質的変化へと進化し、産業分野に参入する可能性を持っていることです。第二に、3Dプリントは科学研究の成果を製品に変換する段階を過ぎ、技術製品を大量かつ広くさまざまな分野に適用して産業化を実現する段階に変わりました。
これら 2 つの点を理解するには、まず 3D プリントの技術的原理、プロセス フロー、利点、ボトルネックを理解する必要があります。このレポートは2つの部分に分かれています。第1部では、3Dプリントの技術原理と近年達成された技術革新について詳しく説明し、第1の基礎を分析します。第2部では、3Dプリントの産業用途を整理し、第2の基礎を分析します。これら 2 つの点を明確にすると、3D プリントが第 3 次産業革命をもたらすという予測が、漠然とした概念から、より具体的かつ認識可能で制御可能なものになりつつあることがわかります。
2 3Dプリントの技術的原理とプロセスフロー
2.1 3Dプリントの技術的原理
3D プリンティングは、一般に「3 次元印刷技術」または「ラピッド マニュファクチャリング技術」と呼ばれ、一連の「付加製造」技術の総称です。通常はコンピュータの3次元設計モデルに基づいており、ソフトウェアによる階層化とCNC成形システム（3Dプリンター）、レーザービーム、ホットメルトノズルなどを通じて、金属粉末、セラミック粉末、プラスチック、細胞組織などの特殊な接着材料を層ごとに積み重ねて結合し、最終的に重ね合わせて成形することで物理的な製品を生産します。
3Dプリント技術は、情報技術、精密機械、材料科学などの科学技術を統合し、設計アイデアを特定の機能を備えたプロトタイプに自動的かつ直接的かつ迅速かつ正確に変換したり、部品を直接製造したりすることができ、過去20年間の製造分野で最も重要な成果の1つとして高く評価されています。
2.2 3Dプリントプロセス
3D プリントのプロセスは、一般的に、3 次元モデリング、製品成形、完成品の後処理の 3 つのステップに分かれています。簡単に言うと、3Dプリントする前に、まずコンピューターモデリングソフトウェア（既製のモデルファイルも可）で製品をモデル化するか、スキャニングデバイスで動物モデル、人物、ミニチュアの建物などの印刷製品の3Dモデルを取得し、モデル情報を3Dプリンターが認識できる中間ファイル（STLファイルデータ）に変換して、3Dプリンターに送信する必要があります。プリンターはファイル内の断面情報を読み取り、液体、粉末、またはシート材料を使用してこれらのセクションを層ごとに印刷し、各層のセクションをさまざまな方法で結合して固体エンティティを作成します。
図 1 3D 印刷プロセス 出典: e-works Digital Enterprise Network、Guosen Securities Postdoctoral Workstation。
2.2.1 3Dモデリング<br /> 3D モデリング プロセスは、まず CAD などのコンピュータ モデリング ソフトウェアを使用してモデル化され、次に構築された 3D モデルが層ごとの断面データ、つまりスライス データに「分割」され、プリンターが層ごとに印刷できるようにします。コンピュータ モデリング ソフトウェアと 3D プリンター間の連携のための標準ファイル形式は STL ファイル形式です。 STL ファイルは三角形を使用してオブジェクトの表面を近似します。三角形が小さいほど、解像度の高いサーフェスが生成されます。 3 次元ファイルは、デザイナーがオブジェクトを設計したり、実際のオブジェクトをスキャンしたりすることで生成されます。 PLY はスキャンによって 3D ファイルを生成するスキャナです。生成された VRML または WRL ファイルは、3D プリントの入力ファイルとしても使用されます。
2.2.2 製品形成<br /> プリンターはファイル内の断面情報を読み取り、液体、粉末、またはシート材料を使用してこれらの断面を層ごとに印刷し、さまざまな方法で層を結合して固体を作成します。この技術のユニークな特徴は、ほぼあらゆる形状のオブジェクトを作成できることです。プリンタで印刷される断面の厚さ（Z 方向）と平面方向の解像度（XY 方向）は、dpi（インチあたりのピクセル数）またはミクロン単位で計算されます。一般的な厚さは 100 ミクロン、つまり 0.1 mm ですが、Objet Connex シリーズや 3D Systems の ProJet シリーズなどの一部のプリンターでは、16 ミクロンという薄い層を印刷できます。平面方向は平面レーザープリンタと同等の解像度で印刷できます。印刷された「インク滴」の直径は通常 50 ～ 100 ミクロンです。
2.2.3 完成品の後処理<br /> さまざまな印刷技術と印刷材料の特性により、3D プリンターの解像度がアプリケーションの要件を満たせない場合があります。より高い解像度のオブジェクトを得るには、完成品の後処理が必要です。具体的な方法は、まず3Dプリンターで少し大きめの物体を印刷し、表面を研磨して表面が滑らかな「高解像度」の物体を得るというものです。印刷工程ではサポートを使用しますが、例えば逆さまの物体を印刷する場合はサポートが必要となり、印刷が完了したら完成品の後処理でサポートを取り除きます。
3Dプリントの3つの技術的利点
3D プリンティングは一連の「付加製造」技術の総称であり、いわゆる「付加製造」は従来の製造における「減算製造」に相対するものです。従来の製造業における製品形成には、一般的に金型製作、鋳造または鍛造、切断、部品の組み立てなどの工程が必要です。従来の製造業と比較すると、積層造形は複雑な工程、大型の工作機械、または多数の人手を必要としない「ボトムアップ」製造方法です。3Dモデリングデータから任意の形状の部品を直接生成できます。したがって、従来の製造業と比較して、3D プリントの技術的な利点は主に次の点に反映されます。
3.1 製品構造の複雑さの限界費用は極めて低い<br /> 従来の製造方法では、物体の形状が複雑になるほど、製造コストが高くなり、時間がかかります。複雑な構造物を製造する場合の 3D プリントの限界費用はほぼゼロです。複雑な形状の物体を製造するのに、単純なブロックをプリントするよりも多くの時間、スキル、コストがかかることはありません。これは、従来の製造業における製造コストの計算方法を打ち破ります。したがって、製品の構造が複雑になるほど、3D プリント技術の利点は明らかになります。特に従来のプロセスでは改善できない機能部品の場合、高度にカスタマイズされた部品では、コスト効率の面で明らかな利点があります。これは主に、小型部品や大型部品など、精度やプロセスの詳細に対する要求が高い一部の製造製品に適用されます。
図 2 従来の製造技術と 3D 印刷技術の比較 出典: 3D Science Valley、Guosen Securities Postdoctoral Workstation。
例えば、F-22軍用戦闘機の胴体隔壁はチタン合金の鍛造品で作られており、従来の技術では、重さ1トンの複雑なチタン合金構造を加工するのに約2,500万元のコストがかかります。 LAMは3Dプリント技術を採用し、非常に高価な原材料を90％節約します。また、特別な金型を製造する必要もありません。元々は材料費の1～2倍に相当していた加工コストは、今では元の10％にまで下がります。わが国の大型旅客機C919の機首エンジニアリングプロトタイプのチタン合金製メイン風防一体型窓フレームも、3Dプリント技術を使用して製造されました。製造期間はわずか55日で、部品のコストは20万ドル未満でした。
複雑な製品構造の生産の実現により、少なくとも次のような派生的なアプリケーション価値ももたらされます。
3.1.1 軽量 3Dプリントはさまざまな複雑な構造を直接製造できるため、構造設計を通じて軽量製品を実現し、貴重な原材料を節約しながら製品の重量を減らすことができます。航空、風力タービンブレード、スポーツ用品、造船、鉄道機関車などの分野で幅広く使用できます。具体的には、3D プリントによる構造設計による軽量化を実現する主な方法として、中空サンドイッチ/薄壁強化構造、中空格子構造、一体構造、特殊形状のトポロジー最適化構造の 4 つがあります。
図3 3Dプリントによる軽量化製品の例（左：中空サンドイッチ構造、右：特殊形状のトポロジー最適化構造）
出典: 3D Printing Network、Guosen Securities Postdoctoral Workstation。
3.1.2 外出先での冷却<br /> 射出成形は、従来の製造業で広く使用されているプロセスです。金型の品質は射出成形の生産効率、製品品質、ひいては製品の付加価値を直接決定するため、最小サイクル時間内でプラスチック製品をいかに効率的に冷却するかがコンフォーマル冷却金型の設計および製造プロセスにおける重要な考慮事項となり、このプロセスにおいて冷却は重要な役割を果たします。従来、金型内の冷却チャネルは二次処理によって実現されていました。クロスドリリングによって直管の内部ネットワークが作成され、流量と方向を調整するための流体プラグが組み込まれています。この方法の制限は、チャネルネットワークの形状が制限されるため、冷却チャネルが金型の表面から遠くなり、冷却効率が低くなることです。それだけでなく、追加の処理および組み立て時間のリスクや、死角チャネル ネットワークがブロックされるリスクにも直面する必要があります。さらに、複雑なケースでは、コンフォーマル冷却チャネルの処理を予約するために、金型を製造用にいくつかの部分に切断し、その後金型全体に接合する必要があり、これにより製造リンクが追加され、金型の寿命が短くなります。
3D プリント製造では、クロス ドリリングの制限がなくなり、金型の冷却面に近い内部チャネルを設計して、角を滑らかにし、流れを速くし、冷却剤への熱伝達効率を高めることができます。冷却要件に応じて、一定の速度で熱を放散して熱放散の均一性を促進することを目的として、さまざまな冷却回路を設計することもできます。
図 4 モバイル冷却における 3D 印刷技術の応用例 出典: 3D 印刷ネットワーク、Guosen Securities Postdoctoral Workstation。
3.1.3 無制限の設計スペース<br /> 伝統的な製造技術と職人は限られた形状の製品を生産し、形状を生産する能力は使用されるツールによって制限されます。 3D プリントは製品構造の複雑さにあまり影響されないため、現在製造プロセスによって制限されている製品設計は、3D プリント技術の助けを借りてこれらの制限を打ち破り、巨大な設計空間を切り開くことができます。
エアバスやアルコニック（金属3Dプリントを専門とする企業）などの企業は、3Dプリント技術を活用した人間の未来の生活シーンを描いています。飛行機、車、建物、さらには宇宙探査もまったく異なる形をとるでしょう。これは完全にSFではありません。実際、いくつかの技術はすでに存在しています。アルコニックは、これらのアイデアの実現時期を2062年と設定しています。
図 5 Arconic が想定する 2062 年の 3D 印刷技術の応用シナリオ 出典: Arconic、Guosen Securities Postdoctoral Workstation。
3.2 小規模、カスタマイズ、多様化
3D プリントのコストは規模に比較的左右されません。3D プリンターはさまざまな形状を印刷でき、さまざまな材料で 3D モデルを印刷できます。モデルやプロトタイプが必要な業界であれば、どの業界でも使用できます。そのため、従来の製造業のように特別な金型を設計したり、特別な生産設備を構成したりする必要はありません。そのため、3D プリンティングは小規模でカスタマイズされた多様な製品の製造に適しており、従来の製造業の需要と供給の関係を変え、顧客のニーズに基づいた高度にパーソナライズされた生産を可能にします。
たとえば、医療分野では、3D プリントを使用して患者の内臓や組織のモデルを印刷し、正確な手術計画の策定に役立てることができます。また、人工器官、補聴器、歯科手術テンプレートなどの体外医療機器は、すでに 3D プリントによって特定の患者向けに詳細にカスタマイズされています。例えば、軍事分野では、機械整備チームは3Dプリント技術を利用して、現場で完成品の一部を加工し、緊急事態における機械プラットフォームの整備を確実に行うことができます。これまでは、ほとんどの場合、陸上戦闘用戦車や装甲車などの装備は、損害が一定の割合を超えると、コスト上の理由からそのまま廃棄されていました。高精度モデルの迅速な製造の分野では、3D プリントの優位性は従来のプロセスでは代替できません。
3.3 インターネット遺伝子を持って生まれる<br /> 製造業とインターネットの統合発展は「第13次5カ年計画」の重要な中核となり、「中国製造2025」戦略計画を実現するための重要な手段となっている。 3D プリントの本質はデータ駆動型の製造方法です。モデリングからスライス、印刷まで、データとインターネットの遺伝子が自然に備わっています。 3Dプリンティングは、インターネット情報技術プラットフォームを通じてモノのインターネット、ビッグデータなどの技術と密接に統合され、インテリジェントな製造を実現し、インダストリー4.0を実現するための重要な方法の1つになります。
まず、製品の設計・開発の面では、「誰もが製品を開発できる」ことを実現します。 3D プリントは、CAD 分析および製品開発検証プラットフォームの構築をサポートします。このようなプラットフォームでは、3D プリント技術によって、特に複雑な構造の製造において、設計アイデアを物理モデルに素早く変換できます。企業や個人は、自らのニーズに応じて、製品を全面的に設計・開発することができます。自社の資源を開発に活用できるだけでなく、社会全体や世界の資源を開発に活用することもできます。これにより、従来の生産方法における設計と製造の間の生産資源と加工技術の障壁が打ち破られ、人の役割が十分に発揮され、イノベーションと起業家精神が流れ出します。同時に、これらの製品のデータはデータベースに蓄積され続け、知識や経験はインターネットを通じて共有され、新たなイノベーションを刺激するでしょう。この革新的な機能が解放されれば、将来には想像の余地が膨大に広がるでしょう。
2つ目は、生産・製造面における「分散型製造」の実現です。複雑なプロセス、プリンター購入コストの高さ、不安定な印刷ニーズなどにより、すべての 3D 印刷顧客が 3D プリンターを購入する必要はありません。オンラインとオフラインの機能を統合したIoTクラウドプラットフォームを構築することで、遊休の3Dプリント設備を相互接続して共有することができます。プラットフォームは製造ニーズに基づいて周囲のプリント設備に注文を発送し、パーソナライズされたカスタマイズの応答速度を大幅に向上させ、大規模なカスタマイズされた3Dプリントサービスを実現します。プラットフォーム自体が上流と下流のリソースをリンクするため、3Dプリント設計プロトタイプ、データ提供、設備サービス、プロセス処理などのメリットを迅速に蓄積できます。
3D プリントの 4 つの技術的ボトルネック<br /> 物事には二面性があります。これまで、3D プリントの技術的なボトルネックは主に以下の点に集中していました。
4.1 大規模生産の効率の低さ<br /> 従来の製造技術は規模の経済性が大きく、低コストで大量の製品を生産することができ、主に均質製品の大量生産市場をターゲットにしています。 3D プリントのコストは規模に比較的左右されません。単一ボディの統合成形ではワークフローが完全に固定されており、製造規模の限界費用が低くなります。1 つの製品を印刷するには 10 時間かかり、10 個の製品を印刷するには 100 時間かかります。このような単一統合成形技術は、大規模な生産効率の面では、伝統的な製造業の「業界内グレード部品加工+組み立て」ほど効率的ではありません。後者は、製造システム全体の生産能力を動員しているためです。半製品加工とグレード加工は、プロセス効率をほぼ最大化することができ、業界全体の組立ラインを形成するのに相当します。したがって、大規模で標準化された製品の製造では、規模の経済を形成できないため、製品の生産時間が長くなり、製品価格が高くなります。
さらに、現在の3Dプリントボディは、長期にわたる高強度の負荷に耐えることができず、長期的には、単一のマシンのメンテナンスコストと難易度は、産業チェーンを平らに広げる従来のプロセスよりもはるかに高く、大規模生産のコストが過度に高くなることになります。調査によると、3Dプリントで石膏製品を作るのに約24時間かかり、製品の市場価格は約6万元です。従来の射出成形方法で製造する場合、大量生産のため1日あたり約120個を製造でき、1個あたり約50元で販売されます（平安証券、2016年）。
4.2 原材料の種類とコストの制限<br /> 積層造形プロセスで使用される材料はすべて特別に作られています。3D プリンターでは通常、金属、ナイロン、生体材料などの特定の印刷材料が使用されます。材料の特性は、印刷された製品の効率と性能に高い相関関係があります。原材料の種類とコストは、現在 3D プリンティングが直面している最大のボトルネックです。
まず、原材料の適合性の問題があります。 3D プリント技術の材料の性能と適用性に関する基本的な要件は、液化、フィラメント化、粉末化が可能であり、プログラム制御下で印刷後に再結合できること、3D プリントの連続生産のニーズを満たすために安定した性能を備えていること、導電性、水溶性、耐摩耗性などの特性を備えた多機能であること、グリーンで環境に優しく、人体に安全で環境に優しいことなどです。しかし、現段階では3Dプリント材料がまだ十分に成熟しておらず、材料の精度や強度も十分ではありません。工業分野で応用できる金属材料は10種類以上あります。アルミニウムシリコン合金、チタン合金、ニッケル合金、ステンレス鋼は比較的成熟していますが、完成品の密度と機械的安定性は従来の鋳造方法ほど良くないと一般的に考えられています。バイオマテリアルの分野では、既存の材料で印刷された構造は生体適合性が悪く、気孔率が小さく、気孔分布が不均一で、細胞の付着、成長、再生率が低いため、まだ模倣や薬物監視の段階にあり、特定の機能性を実現できません。個人消費の分野では、石膏、感光性樹脂、ABSプラスチックなどが主流です。つまり、産業分野や民生分野における何千もの材料の需要と比較すると、既存の材料は十分とは言えません。
第二に、材料コストが高いため、適用分野が制限されます。 3D プリント技術に適した材料は限られており、高度に特殊化されているため、現時点では大量生産は少なく、材料コストは高いままです。例えば、3Dプリントに使用される石膏粉の市場価格は1グラムあたり約6元、デスクトップ3Dプリンターに使用される輸入プラスチックフィラメントの市場価格は1キログラムあたり50〜500元の範囲であり、小さなおもちゃを印刷するコストは簡単に数百元に達する可能性があります。材料コストは、3D プリント製品が高価である重要な理由の 1 つであり、特に民間分野での適用範囲が制限されます。
図 6 Taobao で最も人気のある 3D プリント用 ABS フィラメントのトップ 3。出典: Taobao、Guosen Securities Postdoctoral Workstation。
上記の分析から、3D プリントの 2 つの技術的ボトルネックは、主に 3D プリント装置自体の印刷効率と、使用される原材料の種類とコストの制限から生じていることがわかります。印刷効率が低いということは、3D プリントが大規模生産を達成するにはほど遠いことを意味します。印刷設備と原材料は高価で、印刷効率が低いため、3D プリント製品のコストが高くなります。さらに、原材料の種類が限られているため、3D プリントの産業応用の範囲が制限されます。 3D プリントの効率は、原材料の品質とプロセス技術に密接に関係しています。したがって、3D プリント技術の進歩は、原材料の品質と価格の進歩だけでなく、3D プリント機器の性能にも左右されます。
5 3Dプリンティングの技術進化：ボトルネックを突破し、量的変化から質的変化へ<br /> 上記の分析を通じて、3Dプリント技術の飛躍的進歩は、3Dプリント機器の性能だけでなく、原材料の品質と価格の飛躍的進歩にも左右されることを指摘します。これは、創業以来30年以上にわたり、3Dプリント業界全体の取り組みの方向性でした。 3D プリント設備はもはや扱いにくく遅いものではなく、効率と信頼性が絶えず向上しています。3D プリント材料はもはや見た目は良いが役に立たないものではなく、新しい材料が絶えず開発され、使用され、コストが徐々に低下しています。3D プリントのアプリケーション ソリューションはもはや小規模プロジェクトだけではなく、複数の分野で徐々に産業用途に導入されています。つまり、3Dプリント技術の急速な発展は、量的変化から質的変化へと徐々に積み重ねられ、多くの要因が集まって3Dプリントの潜在力を促進し、元々の技術的なボトルネックを段階的に突破し、3Dプリントが産業分野に参入し始めました。
図7 3Dプリントイベント
出典: Guosen Securities ポスドクワークステーション。
5.1 印刷技術：新しい技術が次々と登場し、効率と信頼性が全面的に向上
3D 印刷技術は 1980 年代に登場し、チャールズ ハルによって発明されました。1986 年、彼は自身が発明した SLA 技術に基づいて 3D Systems を設立しました。1989 年、スコット クランプは自身が発明した FDM 技術に基づいて Stratasys を設立しました。これら 2 社は、現在でも 3D プリント業界の発展方向をリードしています。その後、SLS、LOM、3DPなどの技術や、これらの技術を活用する企業が登場しました。これら 5 種類の技術は、従来の 5 種類の 3D 印刷技術と呼ばれます。 3Dプリントの約30年間の発展の中で、最初の20年間はこれら5つの伝統的な技術を中核としてアップグレードに費やされました。3Dプリント技術はラピッドプロトタイピング技術とも呼ばれ、製造された部品はすべてプロトタイプまたは「モデル」であり、まだ実用的な製品機能を備えていませんでした。
金属 3D プリンター (SLM) の出現により、3D プリンティングは「ラピッドプロトタイピング」から「ラピッド製造」へと移行しました。 SLM技術の概念は、1995年にドイツのフラウンホーファーレーザー技術研究所（ILT）[1]によって提案され、その後SLMソリューションとの協力により、2003年に最初のプロフェッショナルSLM装置が発売されました。この技術革新により、3D プリント技術で産業用途の材料を直接処理できるようになり、産業、医療、航空宇宙分野における 3D プリントの大きな応用可能性を人々に認識させることが可能になります。成功事例が徐々に増えるにつれ、関連研究はより深く広範囲な方向に発展し、特に過去5年間で新技術が次々と登場し、技術開発の激しさは史上最高に達しました（図8）。現在、世界中のすべての付加製造研究開発企業の目標は非常に明確です。それは、より速く、より正確に、より大規模に、より信頼性の高いものを作ることです。
図 8 付加製造分野における特許出願件数 出典: Castle Island、Guosen Securities Postdoctoral Workstation。
注：図中の青い線は1995年から2014年までの特許出願件数、ピンクの線は2001年から2014年までの特許出願件数の成長率です。
さまざまな新興技術の中には、原材料の形態、ユニット製造メカニズム、エネルギー供給方法に基づいて、市場に数十種類の異なる 3D プリント技術が存在します。これらの技術の長所と短所を比較するには、技術を分類する必要があります。 ASTM[2]が開発した積層造形規格の分類構造に基づくと、既存の3Dプリンティング技術は3つのレベルに分類できます（図9）。第 1 レベルには、設計、材料とプロセス、用語、テスト方法に基づく技術分類基準が含まれます。第 2 レベルには、材料の分類と処理技術の分類に基づく技術分類基準が含まれます。第 3 レベルは、アプリケーション産業の需要レベルで、適用可能な材料の分類と処理技術の分類に基づく技術分類基準が含まれます (図 9)。この報告書は、材料分類と加工技術分類に基づく第 2 レベルの技術分類基準を採用しています。
図 9 ASTM 積層造形分類構造 出典: 3D Science Valley、Guosen Securities Postdoctoral Workstation。
ASTM F2792規格によれば、3Dプリント技術は、加工技術に基づいて、光重合技術、粉末床溶融技術、バインダー噴射技術、材料噴射技術、積層技術、材料押し出し技術、直接エネルギー堆積技術、ハイブリッド積層製造技術の8つの主要技術に分類されます（図10）。
図 10: 処理技術に基づいて分類された 8 つの主要な 3D 印刷技術 出典: hybridmanutech.com、Guosen Securities Postdoctoral Workstation。
5.1.1 3Dプリンティング光重合技術（VAT光重合）
この技術原理を使用するプロセスには、SLA 光硬化ラピッドプロトタイピング、DLP デジタル光処理、3SP スキャン、回転、選択的光硬化、CLIP 連続液体インターフェース製造などがあります。
代表的な適用材料としては、感光性樹脂が挙げられます。
光重合技術は最も早く開発されたラピッドプロトタイピング技術であり、最も集中的に研究され、最も成熟し、最も広く使用されているラピッドプロトタイピング技術の 1 つでもあります。光重合技術では、主に液体の感光性樹脂を材料として使用し、これを（レーザーヘッドまたは投影、および化学的方法によって）層ごとに固化させて、最終的に完全な製品を得ます。
光重合技術の利点は、成形速度が速く、プロトタイプの精度が高いことであり、高精度の要件と複雑な構造を持つプロトタイプの作成に非常に適しています。光重合技術を採用した最も有名な産業グレードの 3D プリンターは、オブジェットです。このメーカーの 3D プリンターは 123 種類以上の感光性材料を提供しており、最も多くの材料をサポートしている 3D プリント装置となっています。
5.1.2 3Dプリンティングパウダーベッドフュージョン（PBF）
この技術原理を使用するプロセスには、SLS選択的レーザー焼結、DMLS、SLM選択的レーザー溶融、EBM電子ビームレーザー溶融、SHS選択的熱焼結、MJFマルチノズル溶融などがある。
代表的な適用材料は、プラスチック、金属粉末、セラミック粉末、砂などです。
粉末床溶融法は米国テキサス大学で初めて提案され、1992年に商用成形機が開発されました。粉末床溶融結合技術は、レーザーやその他の熱源の照射下で粉末材料を焼結する原理を利用し、層ごとに積み重ねて形成する工程をコンピューターで制御します。粉末床溶融技術も積層成形を採用しています。違いは、最初に粉末材料の層を敷き、材料を融点近くまで予熱し、次にレーザーを使用して層の断面をスキャンして粉末の温度を融点まで上げ、焼結して結合を形成することです。その後、モデル全体が完成するまで、粉末の敷設と焼結のプロセスが繰り返されます。
粉末床溶融結合技術は、多くの粉末材料を使用して、対応する材料の完成品を作ることができます。焼結製品は精度が良く、強度が高く、金属製品の製造に主な利点があります。この技術は、レーザー焼結によって金属部品を直接的または間接的に焼結することができ、最終製品の強度は他の 3D 印刷技術よりもはるかに優れています。
パウダーベッドの融解技術は非常に明白ですが、第二に、加工されたものが必要です。ハイエンド製造の分野で。
5.1.3 3Dプリンティングバインダー噴射技術
この技術原則を使用するプロセスには、3DP（名前3D印刷の原点）が含まれます。
典型的な該当する材料は、プラスチックパウダー、金属粉末、セラミックパウダー、ガラス、砂などです。
バインダージェット3Dプリントテクノロジーは、1993年にMITによって開発されました。1993年に、卒業生のジムブレッドとティムアンダーソンがインクジェットプリンターソリューションを修正して、制約された溶媒をパウダーベッドに押し出し、3D印刷という名前が生まれました。バインダージェットテクノロジーの実用的な原則は、最初に粉末の層を敷き、次にノズルを使用して形成する必要がある領域に接着剤を吹き付け、材料粉末を断面して部品の断面を形成し、層、噴霧、結合を繰り返し、層ごとに層を積み上げて、最終的な印刷部品を取得することです。
バインダージェットテクノロジーの利点は、速い成形速度、サポート構造、幅広い材料、および他のテクノロジーで現在達成が困難なカラー印刷製品を出力する機能です。バインダージェットテクノロジーの典型的な機器は、3Dの写真スタジオで使用される製品である3DSのZPRINTERシリーズです。
バインダージェットテクノロジーには、粉末結合によって直接生成される最終製品の強度もあり、第2に使用できます。さらに、製造に関連する材料粉末の技術は比較的複雑で費用がかかるため、現在、バインダージェットテクノロジーは主に専門分野で使用されています。
5.1.4 3D印刷材料噴射技術
このテクノロジーの原則を使用したプロセスには、ポリジェット、SCPスムーズ曲率印刷、MJMマルチジェットモデリング、プロジェットが含まれます。
典型的な該当する材料は次のとおりです。光感受性樹脂、樹脂、ワックスなど。
マテリアルジェットテクノロジーは、主にアレイノズルを使用しています。数百から数千のアレイノズルスプレー液体光感受性樹脂、化学樹脂、またはホットメルト材料をプラットフォーム層に塗ります。操作中、ジェットプリントヘッドはXY平面に沿って移動します。材料がワークベンチに噴射されます。ジェット印刷を完了して1つの層の硬化後、機器の組み込みワークベンチは、成形層の厚さを極端に正確に落とし、ノズルは材料を噴霧して次の層を印刷して治療します。このプロセスは、ワーク全体が印刷されるまで繰り返されます。
材料噴射技術の利点は、処理の精度が高く、16ミクロンという低い層の厚さ、および優れた製品の詳細です。さらに、材料の桟橋技術は、異なる素材を同時にジェットできると同時に、複数の材料と複数の色を同時に印刷するのに適しているため、製品のさまざまな色、透明性、剛性、その他の側面のニーズを満たすことができます。
材料ジェットテクノロジーの適用における現在のボトルネックは、一般的に言えば、印刷プロセスの材料消費量よりも高くなっています。
5.1.5 3Dプリンティングラミネーションテクノロジー（シートラミネート）
このテクノロジーの原則を使用したプロセスには、LOMラミネーションテクノロジー、SDL選択的堆積積層、UAM超音波添加剤製造が含まれます。
適切な典型的な材料は、紙、プラスチック、金属箔などです。
積層技術の基本原則は次のとおりです。レーザー切断システムは、コンピューターによって抽出された断面輪郭ラインデータに従って、背面にホットメルト接着剤でシート材料をカットします。層を切断した後、摂食メカニズムはシート材料の新しい層を重ね、さまざまなラミネーション技術（熱結合、接着化学法、または超音波溶接、ろう付けなど）を使用して、切断層を結合し、切断プロセスを再度繰り返します。層ごとに接着および切断することにより、最終的に3次元オブジェクトが作成されます。
積層技術は、従来の切断技術と添加剤の製造の組み合わせです。従来の切断プロセスとは異なるため、切断には大きな原材料を使用することはありませんが、元のコンポーネントモデルを複数の層に分割し、層ごとにカットします。ラミネートテクノロジーの利点は、セクション全体を印刷する必要がないため、レーザービームを使用してカットする必要があるため、成形速度は速くなります。
ラミネート技術の典型的な代表は、世界で最も成熟した迅速なプロトタイピング製造技術の1つであるロムラミネーションテクノロジーです。 Lom Layered Entity Manufacturingは、現在中国企業が習得している多くの3D印刷技術の中で唯一の重要な技術です。
現在のラミネート技術の最先端の代表は、UAM超音波添加剤製造技術であることは注目に値します。このテクノロジーは、ドイツのファブリソニックから来ています。そのユニークさは、超音波溶接とCNC機械加工機を組み合わせたテクノロジーを使用しているため、超音波添加剤（UAM）テクノロジーと呼ばれています。
UAMは主に超音波を使用して、通常の金属シートから引き出された金属層を溶かして3D印刷を完了します。製造プロセスには、最大20,000 Hzの頻度の超音波波を金属シートに適用し、超音波の振動エネルギーを使用して2つの表面間の摩擦を引き起こし、分子層間の融合を形成し、同じ時代の罰金を使用して、メタルを使用して、金属製のメタルを使用して、金属シート層を継続的に溶接します。
UAMメソッドの最大の特徴は、使用できる金属材料がアルミニウム、銅、ステンレス鋼、チタンを含むことを実現できることです。超音波溶接の性質により、UAMプロセスは固体状態であり、融解を伴わないため、結果として生じる結合は望ましくない冶金学的変化を経験しません。このプロセスは、センサー、電子回路、アクチュエーターなどのいわゆる「スマートマテリアル」を、損傷を引き起こすことなく密な金属構造に完全に埋め込むために使用できます。これにより、電子デバイスの設計に新しい可能性がもたらされます。 2016年、NASAのLangley Research CenterはFabrisonicと協力してFabrisonicのUAM 3Dプリンターを使用してFBGセンサーを宇宙船の金属部分に埋め込み、長期間にわたって部品のひずみを監視しました。
5.1.6 3D印刷材料押出技術
この技術的原則を使用したプロセスには、FFF電気融合ワイヤメイキングとFDM溶融押出が含まれます。
使用する典型的な材料は、プラスチックフィラメント、液体プラスチック、泥（建設用）です。
材料押出技術は、フィラメントのホットメルト材料を加熱して溶かし、細かいノズルでノズルを通して押し出ることです。ホットメルト材料が溶けた後、ノズルから噴霧され、生産パネルまたは固化材料の以前の層に堆積します。
材料押出技術の典型的な代表は、FDMメルト押出技術です。 3D印刷技術の中で、FDMは最も単純な機械構造を持ち、最も低い製造、メンテナンス、材料コストを備えています。 FDMテクノロジーを使用したデスクトップは、主に材料を使用していますが、生産中に強い臭気があります海外の3Dプリンターは、PLAを材料として使用するように切り替えました。
FDMテクノロジーの利点は、製造業と低コストであることです。 -0.2mm。いくつかのハイエンドモデルは0.1mmの層の厚さをサポートできますが、温度の影響を大きく受けます。さらに、ほとんどのFDMモデルは、エッジでの層状堆積によって生成される「ステップ効果」を持つ製品を生成し、表示されるものの3D印刷効果を達成することを困難にしているため、FDMは高精度要件を持つ急速な成形場ではめったに使用されません。
5.1.7 3D印刷直接エネルギー堆積技術（DED、指示されたエネルギー堆積）
この原理を使用したプロセスには、LMDレーザー金属堆積、レンズレーザーネット製造、DMDダイレクトメタル堆積（DM3D）が含まれます。
典型的な適切な材料は、金属ワイヤー、金属粉末、セラミックなどです。
直接的なエネルギー堆積技術は、金属材料にとって非常に重要な添加剤製造方法です。金属粉末または金属ワイヤーを原材料として使用し、基板上の金属を直接溶かし、高エネルギーの熱源の作用下で層ごとに層を蓄積し、成形して、部品の迅速な成形と製造を完了します。直接的なエネルギー堆積技術には、レーザー、プラズマ、電子ビームのいくつかの異なる熱源が含まれます。このタイプのテクノロジーは、レーザー形成（レンズ）とレーザーが堆積物に直接送られた材料に直接送られています次に、必要な精度を実現するためにCNC加工に依存します。
直接的なエネルギー堆積技術は堆積効率が高く、その最大の利点は軸に限定されないことです。したがって、ロボットを介して大規模な機械加工と自動化を簡単に実現することができます。さらに、直接エネルギー堆積技術は部品の修理に最適であり、同じ部分で複数の材料を使用できます。
5.1.8ハイブリッド添加剤製造技術（ハイブリッド）
この技術原則を使用するプロセスには、ambit、ハイブリッド製造技術によって提案された名前が含まれます。
典型的な適切な材料は、金属粉末、金属ワイヤー、セラミックなどです。
ハイブリッド添加剤製造技術とは、現在のCNC CNC加工工作機械に適した添加剤製造方法を指します。 Ambitは、一連のツールヘッドとドッキングプラットフォームで構成されるマルチタスクシステムです。ほとんどのCNC工作機械（CNC）を製造用のレーザー融合技術に基づいて、非常に短い時間でこれらの機能を切り替えることができます。
ハイブリッド添加剤の製造技術は、Ambitツール変数堆積ヘッドを既存のCNCに追加して金属3Dプリントを実現することにより、CNCのアップグレード機能として添加剤製造のアプリケーションを拡張する新しい方法を提供します。さらに、ハイブリッド添加剤の製造技術は、完成した材料の削除、仕上げ、検査を完了するために自動化されたプロセスを採用しているため、単一の技術では独立して完了できない仕上げタスクを完了します。
5.2材料技術：新しい材料の範囲を拡大し、パフォーマンスを改善し、コストを削減する
3Dプリント材料は、3Dプリントの開発を制限する主なボトルネックになり、3Dプリントの革新の崩壊の重要なポイントと難しさでもあります。 3D印刷原料が過去に業界の発展を制限する重要なボトルネックになった主な理由の1つは、3D印刷市場がまだ栽培されていないこと、下流の需要が不十分であり、出力が小さく、R＆Dが不十分であるため、開発は遅いことです。近年、3D印刷業界の工業化の加速により、材料分野での研究開発のペースも加速し、新しい材料の範囲が継続的に拡大し、パフォーマンスは徐々に削減され、コストが徐々に削減され、アプリケーションの範囲が継続的に拡大されています（図11）。特に、世界中の国は、たとえば、新しい材料を7つの戦略的な新興産業の1つとしてリストしています。
図11 3D印刷材料とアプリケーションフィールドの分布出典：GridLogicStechnologies Pvt Ltd、3Dprinting Technology Insightレポート。
主流材料の開発方向の観点から、3D印刷材料には、主にポリマー材料、金属材料、セラミック材料、複合材料が含まれています。
5.2.1ポリマー材料
（1）エンジニアリングプラスチック<br /> エンジニアリングプラスチックとは、産業部品またはシェル材料として使用される工業用プラスチックを指します。エンジニアリングプラスチックは、現在最も広く使用されている3D印刷材料です。
1）ABS
ホットな融解と衝撃強度が良好であるため、ABS材料は、溶融堆積を介した3D印刷の最初の選択肢となっています。現在、ABSは主に事前に作られたシルクと粉末に使用されており、そのアプリケーションスコープは、ほぼすべての毎日の必需品、エンジニアリング用品、およびいくつかの機械用品をカバーしています。近年、ABSはアプリケーション分野で徐々に拡張されただけでなく、ABSの強力な接着性と強度の助けを借りて継続的に改善しました。
2014年、International Space StationはABSプラスチック3Dプリンターを使用して、世界最大の3D印刷材料会社であるStratasysによって開発された最新のABS-M30が、その機械的パフォーマンスよりも67％高く、ABSのアプリケーション範囲を拡大しています。
図12 ABS材料を使用して印刷されたギアと車両チェーンモデル出典：Stratasys、Guosen Securities Postdoctoral Workstation。
2）PA
PAは強度が高く、ある程度の柔軟性があるため、3Dプリントによる機器部品の製造に直接使用できます。 3Dプリントで製造されたPA炭素繊維複合プラスチック樹脂部品は、強度と靭性が高く、工作機械で金属工具の代わりに使用できます。さらに、PAの接着と粉末特性により、セラミックパウダー、ガラス粉末、金属粉末などと混合できます。また、セラミックパウダー、ガラス粉末、金属粉末の低温3D印刷を結合することで実現できます。世界中のPAエンジニアリングプラスチックの専門家として、Solvay Company 3D印刷サンプルは、PAエンジニアリングプラスチックに基づいて、エンジン周辺部品、ドアハンドルグローブ、ブレーキペダルなどに使用されます。従来の金属材料をエンジニアリングプラスチックに置き換えると、最終的に車の軽量の問題が解決しました。
3）PC
PC は優れた強度を持ち、ABS 素材よりも約 60% 高いため、超強度エンジニアリング製品の用途に適しています。世界中のPAエンジニアリングプラスチックの専門家として、Solvay Company 3D印刷サンプルは、PAエンジニアリングプラスチックに基づいて、エンジン周辺部品、ドアハンドルグローブ、ブレーキペダルなどに使用されます。ドイツのバイエル社が開発したPC2605は、防弾ガラス、樹脂レンズ、ヘッドライトカバー、宇宙飛行士のヘルメットマスク、スマートフォン本体、機械ギアなど、特殊形状の部品の3Dプリントに使用できます。
4）PPSF
PPSFは、耐熱性、靭性、および耐薬品性が最も高く、炭素繊維とグラファイトの複合処理を通じて、さまざまな迅速なエンジニアリング材料で最高の性能を発揮します。
5）ピーク
PEEKは、優れた耐摩耗性、生体適合性、化学的安定性、人体の骨に最も近いヤング率などの利点があり、理想的な人工骨代替材料であり、人体への長期インプラントに適しています。熱溶解積層法の原理に基づく3Dプリント技術は安全で便利であり、レーザーを使用する必要がなく、後処理も簡単で、PEEK材料と組み合わせてバイオニック人工骨を製造することができます。
6）EP
EP（エラストプラスチック）、または弾性プラスチックは、Shapewaysによって新たに開発された3D印刷物です。名前が示唆するように、Elasto Plasticは新しいソフト3D印刷材料です。「レイヤーごとの焼結」原理をABSのように採用しますが、印刷製品は非常に良好で弾力性があります。この素材は、3Dプリントシューズ、携帯電話ケース、3Dプリント衣類などの製品を作るために使用できます。
図13 EP材料を使用して印刷された靴と携帯電話のケース出典：Stratasys、Guosen Securities Postdoctoral Workstation。
7）耐えられます
Stratasysは、さまざまな分野のアプリケーションニーズを満たすことができる高度な模倣ポリプロピレン材料である新しい3D印刷材料Endurを発売しました。エンデル材料は、高強度、良好な柔軟性、および高温抵抗を備えています。 Endurには、優れた模倣ポリプロピレン特性があり、可動部品、魅力的な部品、小さな箱や容器を印刷することができます。
図14エンデュール材料を使用して印刷されたペンホルダー出典：Stratasys、Guosen Securities Postdoctoral Workstation。
8）ナイロンナイロン材料は、白い粉末の粉末材料です。焼結部品は特別な後処理を必要とせず、高い引張強度を実現できます。色の選択は、PLAやABSの色ほど幅が広くありませんが、スプレー塗装、浸漬などを通じて色の選択とポストカラーを選択できます。材料の熱変形温度は110°であり、自動車、家電製品、電子消費財、アートデザイン、工業製品で広く使用されています。
図15ナイロン素材を使用して印刷されたハンドボード部品出典：Stratasys、Guosen Securities Postdoctoral Workstation。
（2）バイオプラスチック
3D印刷されたバイオプラスチックには、主にポリラトン酸（PLA）、ポリエチレンテレフタレート-1,4-シクロヘキサンミタノール（PETG）、ポリ - ヒドロキシブチレート（PHB）、ポリヒドロキシバリレート（PHBV）、ポリブチレンコサイン酸（PBS）などが含まれます。
1）PLA
PLA（ポリ乳酸）、またはポリラクチン酸は、おそらく最初の3D印刷で使用される最高の原料であり、さまざまな半透明の色と光沢のあるテクスチャーを備えています。環境に優しいプラスチックとして、ポリラトン酸は活性堆肥に対して生分解性である可能性があります。これは、再生可能なリソース（再生不可能なリソースではなく、コーンデンプンとサトウキビの杖）に由来しています。シンガポールの南洋理工大学のTan KH氏らは、PLAを組織工学用スキャフォールドの製造に応用する研究において、3D技術を使用して生分解性ポリマー材料を成形し、高多孔性のPLA組織工学用スキャフォールドを製造しました。スキャフォールドの組織分析により、成長能力があることがわかりました。
図16強力なPLAマテリアルを使用して印刷されたエレクトリックギター出典：Stratasys、Guosen Securities Postdoctoral Workstation。
2）PETG
PETGは、サトウキビベースのグリコールを使用して、サトウキビベースのグリコールが原料として生成されたバイオベースのグリコールを使用して合成されたバイオベースのプラスチックです。優れた熱成形、靭性と気象抵抗、短い熱成形サイクル、低温と高収量があります。新しい3D印刷資料として、PETGにはPLAとABSの両方の利点があります。 3D印刷中、材料の収縮率は非常に小さく、疎水性が良好であり、限られたスペースに保存する必要はありません。 PETGの収縮率が低く、温度が低いため、印刷プロセス中に臭気はほとんどありません。これにより、3Dプリントの分野のPETG製品は、より広範な開発とアプリケーションの見通しを備えています。
3）PCL
PCL は、融点がわずか約 60°C と低い生分解性ポリエステルです。ほとんどの生体材料と同様に、薬物送達デバイス、縫合糸などの特殊な目的に使用されることがよくあります。同時に、PCL には形状記憶機能もあります。 3D プリントでは、融点が低いため、非常に高い印刷温度を必要としないため、省エネの目的を達成できます。医療分野では、心臓ステントなどの印刷に使用できます。
（3）ThermoSet Plastic <BR /> エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル、フェノール樹脂、アミノ樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコン樹脂、芳香族ヘテロシシクリック樹脂などの熱硬化性樹脂は、高強度と耐火性を持ち、3Dプリンティングパウダーレーザーレーザーシンターリングプロセスを使用するのに非常に適しています。ハーバード大学エンジニアリングカレッジアンドウェイズサイエンスアンドWYSS Institute of Bioengineeringの材料科学者は、軽量の建物で使用するための構造部品の建物に3Dプリントできる3Dプリンティのエポキシベースの熱硬化性熱セッティング樹脂材料を共同で開発しました。
（4）感光性樹脂<br /> 感光性樹脂は、ポリマーモノマーとその良好な液体の流動性と即時の光補強特性により、3D印刷消耗品の高精度製品印刷の好ましい材料になりました。感光性樹脂は、硬化速度と優れた表面乾燥性能を持っています。特に、感光性樹脂は、臭気が低く、刺激成分が低いため、個人のデスクトップ3D印刷システムに非常に適しています。
一般的な光感受性樹脂には、SOMOS次の材料、樹脂SOMOS11122材料、SOMOS19120材料、エポキシ樹脂が含まれます。
1）次の材料は、白い材料、新しいPCのような材料であり、非常に良好な靭性を備えており、基本的には選択的レーザー焼結（SLS、選択的レーザー焼結）によって作られたナイロン材料の性能を達成し、精度と表面の品質が向上します。 SOMOSの次の材料で作られたコンポーネントは、これまでで最高の剛性と靭性を備えていますが、絶妙な仕上がり、正確な寸法、そして主に自動車、家電製品、電子消費者財、その他のフィールドで使用される光の美しい外観を維持しています。
図17 3D印刷されたラジエーターファンと耳栓スリーブ出典：Stratasys、Guosen Securities Postdoctoral Workstation。
2）SOMOS11122材料は、優れた防水性と寸法の安定性を備えた本物の透明なプラスチックのように見え、ABSやPBTを含むさまざまなエンジニアリングプラスチック特性を提供できます。これは、自動車、医療、電子製品での使用に適しています。
3）SOMOS19120材料はピンクで作られています。これは特別な鋳造材料です。形成された後、プリシジョンキャストワックスフィルムのプロトタイプを直接交換して、金型を開発するリスクを回避し、サイクルを大幅に短縮し、低灰と高精度の特性を持つことができます。
4）エポキシ樹脂は、非常に低い灰の含有量を獲得することができます。
（5）ポリマーポリマーゲルは、アルギン酸ナトリウム、セルロース、植物のゲル、ペプトン、ポリアクリル酸などのポリマー材料を優れています。イオン強度、温度、電界、化学物質が変化すると、それに応じて変化し、ゲルの膨張または体積変化に使用され、ゲルメッシュの制御性を使用できます。
（6）ゴム製の材料は、さまざまなグレードの弾性材料の特性を持っています。 3Dプリントゴム製品には、主に家電、医療機器、自動車インテリア、タイヤ、ガスケットなどが含まれます。
5.2.2金属材料
3D印刷で使用される金属粉末は、一般に、高純度、良好な球形、狭い粒子サイズ分布、低酸素含有量が必要です。現在、3Dプリントに使用されている金属粉末材料には、主にチタン合金、コバルトクロミウム合金、ステンレス鋼、アルミニウム合金材料、金や銀などの貴金属粉末材料が含まれています。金属の優れた機械的強度と導電率により、金属材料は、特に石油化学工学アプリケーション、航空宇宙、自動車製造、射出型、射出合金鋳造、食品加工、医療、製紙、電力産業、宝石、ファッションなどを含む、3D印刷の分野で多くの利点があります。
（1）鉄金属
1）ツールスチールツールスチールメタルマテリアルの適合性は、その優れた硬度、耐摩耗性、変形抵抗、および高温で最先端を維持する能力から生まれます。カビH13ホットワーキングツールスチールはその1つであり、不確実な時間のプロセス条件に耐えることができます。
2）ステンレス鋼のステンレス鋼は、3D印刷された高強度ステンレス鋼製品の表面がわずかに粗く、ピットがあります。ステンレス鋼には、さまざまな光沢とマットの表面があり、宝石、機能的なコンポーネント、小さな彫刻のための3D印刷としてよく使用されます。
オーステナイトのステンレス鋼316Lは、強度と腐食抵抗が高く、航空宇宙、石油化学的アプリケーション、および食品加工および医療分野でも使用できます。
マルテンサイトステンレス鋼15-5phは、マルテンサイトエージング（沈殿硬化）ステンレス鋼としても知られており、高強度、良好な靭性、腐食抵抗を持ち、さらに硬化する可能性があり、フェライトフリーです。現在、それは航空宇宙、石油化学、化学産業、食品加工、製紙、金属加工産業で広く使用されています。
マルテンサイトステンレス鋼17-4phは、最大315の強度と靭性を持ち、レーザー処理状態に優れた延性をもたらすことができます。
2）高温合金高温合金は、高強度、安定した化学的特性、形成が困難、従来の処理技術の高コストにより、航空産業用途向けの主要な3D印刷材料になりました。長期的な研究と3D印刷技術のさらなる開発により、3D印刷によって製造された航空機部品は、機械加工労働とコストの利点により広く使用されてきました。
（2）非鉄金属
1）金属3Dプリントで使用されるチタン合金は、主にチタン合金5グレード5とチタン合金23です。耐食性、低い重力、生体適合性と組み合わせて、航空宇宙と自動車の製造において、耐久性のある耐性があるため、非常に理想的な用途があります。チタン合金の純度レベルは23で、これは神レベルの歯科および医療チタングレードです。 3D印刷技術によって製造されたチタン合金部品は、非常に高い強度で正確な寸法を備えています。英国の会社であるMetalysisは、チタンパウダーを使用したインペラやターボチャージャーなどの自動車部品を成功裏に印刷しました。
図18 3D印刷されたタイヤ時計とタービンインペラー出典：Stratasys、Guosen Securities Postdoctoral Workstation。
2）アルミニウム合金現在、金属3D印刷で使用されるアルミニウム合金には、主にアルミニウムシリコン12とアルミニウムシリコン10マグネシウムが含まれています。アルミニウムシリコン12は、優れた熱特性を備えた軽量の添加剤の金属パウダーです。状況。さらに、マグネシウム - アルミニウム合金は、軽量と高強度の優れた特性により、製造の軽量の需要に広く使用されてきました。
図19 Canonは3D印刷技術を使用して、トップSLRカメラマグネシウムアルミニウム合金特別曲線上のカバーソースを作成します。
3）铜基合金应用于市场的铜基合金，俗称青铜，具有良好的导热性和导电性，可以结合设计自由度，产生复杂的内部结构和冷却通道，适合冷却更有效的工具插入模具，如半导体器件，也可用于微型换热器，具有壁薄、形状复杂的特征。
4）镓及其合金镓(Ga)主要用作液态金属合金的3D打印材料，它具有金属导电性，其黏度类似于水。不同于汞(Hg)，镓既不含毒性，也不会蒸发。镓可用于柔性和伸缩性的电子产品，液态金属在可变形天线的软伸缩部件、软存储设备、超伸缩电线和软光学部件上已得到了应用。
北卡罗琳州立大学化学和生物分子工程的副教授Michael Dickey利用镓(Ga)与铟(In)的液态金属合金通过3D打印技术在室温下创造了一种三维的自立式结构，这一奇迹的诞生得益于镓-铟合金在空气中与氧气发生反应形成了一层能够保持零件形状的氧化膜。这一技术在3D打印中被用于连接电子部件。
(3) 稀贵金属
3D打印的产品在时尚界的影响力越来越大。世界各地的珠宝设计师受益最大的就是将3D打印快速原型技术作为一种强大，且可方便替代其他制造方式的创意产业。在饰品3D打印材料领域，常用的有金、纯银、黄铜等。
图表20 3D打印的叶形金戒指、菌丝银戒指、黄铜戒指。
资料来源：Stratasys，国信证券博士后工作站。
5.2.3陶瓷材料<br /> 陶瓷材料主要指硅酸铝陶瓷粉末，具有高强度、高硬度、耐高温、低密度、化学稳定性好、耐腐蚀等优异特性，在航空航天、汽车、生物等行业有着广泛的应用。3D打印的陶瓷制品不透水、耐热（可达600℃）、可回收、无毒，但其强度不高，可作为理想的炊具、餐具（杯、碗、盘子、蛋杯和杯垫）和烛台、瓷砖、花瓶、艺术品等家居装饰材料。但由于陶瓷材料硬而脆的特点使其加工成形尤其困难，特别是复杂陶瓷件需通过模具来成形。模具加工成本高、开发周期长，难以满足产品不断更新的需求。
图表21 3D打印的陶瓷酒杯资料来源：Stratasys，国信证券博士后工作站。
而Formlabs公司在CES 2017上推出的陶瓷树脂，给陶瓷材料带来了新的风向。Formlabs的首席产品官Dávid Lakato认为Form X 陶瓷树脂是目前在3D打印领域最为新颖的材料科学之一，其允许创建结构复杂的几何形状，并以传统的陶瓷制造技术不可能达到的复杂程度制造出来。
5.2.4复合型石膏粉末（全彩砂岩）
3D打印领域里使用较为广泛的材料之一。由全彩砂岩制作的对象色彩感较强，3D打印出来的产品表面具有颗粒感，打印的纹路比较明显使物品具有特殊的视觉效果。当一个设计师希望使用多种颜色打印他们的设计时，他们往往选择的是彩色砂岩。因为它可以打印多种颜色，颜色层次和分辨率都很好。砂岩打印出的的模型较为完美并且栩栩如生。因此全彩砂岩被普遍应用于制作模型、人像、建筑模型等室内展示物。缺点是它的质地较脆容易损坏，并且不适用于打印一些经常置于室外或极度潮湿环境中的对象。
图表22 3D打印的全彩砂岩建筑模型资料来源：Stratasys，国信证券博士后工作站。
5.2.5蓝蜡/红蜡<br /> 采用多喷嘴立体打印（MJM）技术，表面光滑，可用于标准熔模材料和铸造工艺的熔模铸造，蜡模可以用于精密铸造，其在功能上超越了以前纯模型制作与展示功能，是制作珠宝、服饰、医疗器械、机械部件、雕塑、复制品、收藏品的石蜡模型铸造的主要材料之一。
5.2.6复合材料<br /> 复合材料，顾名思义就是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观（微观）上组成具有新性能的材料。这种材料在性能上能相互补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。2016年5月16日，工业级3D打印打印机生产商Envision TEC宣布推出第一款工业级复合材料3D打印机。复合材料技术发展较新，将其应用于3D打印是未来发展的趋势之一。
(1) 碳纤维增强复合材料<br /> 美国硅谷Arevo实验室研发出了高强度碳纤维增强复合材料。従来の押し出し成形や射出成形方法と比較して、3D プリントは、炭素繊維の配向を正確に制御し、特定の機械的、電気的、熱的特性を最適化することで、総合的なパフォーマンスを厳密に設定できます。 3D プリントされた複合部品は一度に 1 層ずつ作成されるため、各層で任意の繊維配向を実現できます。结合增强聚合物材料打印的复杂形状零部件具有出色的耐高温和抗化学性能。
图表23应用增强复合材料技术3D打印的电磁发动机（左）和仿生肌电假手（右）
资料来源：Stratasys，国信证券博士后工作站。
(2) 形状记忆聚合物材料（SMP）
来自麻省理工学院（MIT）和新加坡科技与设计大学（SUTD）的研究人员研发出一种形状记忆聚合物（SMP），在被弯曲、受到极端的压力变形后，经过受热即可恢复到原来的形状。将这种材料应用于3D打印，即产生了所谓的“4D打印”——在3D打印的基础上增加了时间元素。4D打印技术将在太阳能、医学和太空等领域具有广泛的应用。比如，制作出一个软性驱动器，调节太阳能电池板与太阳光线的角度；或者制作微型药物胶囊，利用人体温度作为触发器，当人发烧、体温上升的时候，里面的药物自动释放出来。
图表24形状记忆聚合物材料在温度变化时发生形变资料来源：3D打印世界，国信证券博士后工作站。
5.3技术进化使3D打印进入工业化应用
5.3.1产品性能已媲美乃至超越传统工艺<br /> 最终直接生产零件，是3D打印的目标和未来。在过去的认知中，往往认为3D打印的产品受到制造参数、原材料品质的影响较大，获得的力学性能不稳定，利用3D打印技术和传统的铸造技术得到的同样大小、形状和材质的工件，其工件内部致密度不够，在性能上往往不如不如普通锻造件。这是因为3D打印需要预先制成专用的金属粉末，打印出的金属制品致密度低，最高能达到铸造件致密度的98%，某些情况下低于锻造件的力学性能；某些打印制品表面质量差，需要打磨抛光机加工等后处理；3D打印具有复杂曲面的零部件时，支撑材料难以去除。
而这个问题在目前来看已经不能够成为3D打印的技术瓶颈了。事实上3D打印是能够提高力学性能的。随着3D打印设备工艺的性能改进优化，对金属打印的精度、致密度已经有了极大的提升。从材料角度讲，传统常规工艺采用原始的液体、固体、粉末等材料，材料本身无特殊处理；而3D打印使用的金属粉末材料，是经过特殊处理的，加入了更多成分元素，已经具有了屈伸强度、拉伸强度、延伸率、杨氏模量、硬度、断裂拉伸界点、热膨胀系数、弹性模数、熔度范围、耐腐蚀性、粘合强度等几十项指标。而此类材料的性能是经过研究、测试、引用，已经证明是符合结构件的需求。而且，一般工业应用中直接由3D打印制造出来的金属部件还会再经过一系列地加工后才会进入实用。
目前金属3D打印的部件，经过热处理后，强度应该可以与传统砂型铸造相当甚至优于传统铸造，只不过暂时还不如传统冷加工（CNC、加工中心这类的）金属结构件、单晶铸造等，这在可预见的未来中也是可以达到的。在某些构件如大型钛合金构件上（在航空业中应用较多），是完全能够满足力学性能的。当前学术界与工业界普遍认为，由选择性激光融化技术（Selective Laser Melting，即SLM）直接制造出来的金属3D打印部件所能达到的性能超过了铸造件，并且可以逼近锻造件的质量（Wohlers Report，2013）；近年来澳大利亚RMIT University已经用激光做出钛64打印件，达到了很强的力学性能和延展性。
5.3.2效率提升和材料价格下降将引起成本曲线改变<br /> 一方面，我们应当清晰地认识到3D打印将不会取代传统制造方法。3D打印尤其是金属3D打印，本来就不是为了替代生产已有部件。不管是机加工，铸造，钣金和焊接，传统的工艺都非常成熟，无论成本还是效率，金属3D打印不占优势。3D打印的应用当前仍然主要是在于高精度、小规模、多样化、定制化的生产领域，在该领域的优越性暂时还无法被其他制造方法替代。只不过这些领域的产业化应用尚未被充分发掘，市场尚未培育成熟，
另一方面，虽然当前3D打印技术只在小批量原型及个性化定制方面具有价格优势，但随着将来增材制造技术的提升以及材料价格的下降，其成本曲线将进一步下移，改变与传统制造模式的平衡点，在更大范围内具有性价比的优势，进一步挤占传统制造方式的空间。
图表25 3D打印成本曲线下移将带来与传统制造业均衡点的改变资料来源：3dprint.com，国信证券博士后工作站。
6 結論
3D打印是实现“工业4.0”和“中国制造2025”的重大战略性产业。相比于传统制造工艺，3D打印的技术优势包括对产品结构复杂性的边际成本极低，适用小规模、定制化和多样化生产，先天具有互联网基因，等等。同时，由于其技术原理和当前发展阶段的限制，具有规模化生产效率低、原材料种类和成本限制等技术瓶颈。
然而，3D打印经过30多年的发展，即将迎来真正的产业爆发期。我们作出该判断的依据来自于：第一，3D打印技术近年来取得了较快发展，正在逐步突破原来的瓶颈，由量变进化到了质变，从而具有了进入工业领域的可能；第二，3D打印已经迈过了从科研成果转化为产品的阶段，转向为将技术产品大量而广泛地应用到各个领域从而实现产业化的阶段。
来源：国信证券博士后站
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