3Dプリントに関する会議を開催すると、次のような点が挙げられます

3D プリント技術は近年、製造、学術、さらには科学技術分野全体で注目されている話題の 1 つです。このため、多くの人が 3D プリント技術は近年登場した技術であると誤解しています。実は、いわゆる3Dプリント技術は1980年代にすでに実現されていました。近年、3Dプリンティングが第4次産業革命を牽引するだろうと興奮気味に語る人が増えています。そこで疑問なのは、もしそのような革命が30年前に起こっていなかったら、なぜ私たちはいまだにこの可能性について幻想を抱いていたのか、ということです。ご存知のとおり、3D プリントの概念と技術はここ数十年で飛躍的な進歩を遂げておらず、現在の用途は主に医療支援と科学研究に限定されており、私たちの生活を真に変えるには程遠い状況です。
3D プリントを批判する会議を開催する場合、避けられない点がいくつかあります。

1. 遅すぎる - キノコはあなたよりも早く成長します
3D プリントは単純に言えば付加製造です。選択的レーザー焼結法 (SLS)、光造形法 (SLA)、熱溶解積層法 (FDM) のいずれであっても、実際にはすべて 2 次元印刷に基づいており、層を積み重ねて製造されます。基本的な製造精度を満たすには、時間をかけなければなりません。手のひらサイズの物体を印刷するには、通常数時間かかります。そのため、一部のキノコは 3D プリントよりも速く成長すると冗談で言う人もいます。この欠点により、3D プリント技術は大量生産のニーズを満たすことができず、その用途は主に科学研究や高価な単一部品のサンプルテスト、または小規模な DIY 玩具の印刷に限定されています。 3D プリンティングは、速度面での不利な点から、まだ完全に象牙の塔から抜け出せていないと言えます。

2 番目に、材料の種類の制限と特性の欠陥 - 最高のツールを持っていても、良い仕事をするのは依然として困難です。
市場には 3D プリント材料の選択肢がますます増えていますが、産業や消費者のニーズを完全に満たすにはまだ遠い状況です。レーザー焼結技術の材料選択肢は、さまざまなグレードのナイロン、TPU やポリスチレンなどの少数のポリマー、およびスチールやチタンなどの合金に限定されています。 SLA 材料は感光性樹脂にさらに制限されます。 FDM は、ABS、PLA、ナイロン、PET などの熱可塑性材料に限定されます。他の材料の印刷プロセスはまだ十分に成熟していません。

当然ながら、これらの資材は現時点では重要な任務を任せることはできず、補助的な手段として使用されていることがほとんどです。例えば、自動車製造に3Dプリントを活用すれば、テスト時間が大幅に短縮され、コストも削減されます。しかし、機械的な観点から見ると、3Dプリントの製造特性により、荷重支持部品の強度と剛性が要件を満たすことができません。外観に関しては、印刷精度がどのように設定されていても、エントリーレベルの 3D プリント製品の印刷層によって最終的な視覚効果が常に低下し、ユーザーエクスペリエンスに大きな影響を与えます。 FDM ノズルをダイヤモンドドリルと見なすと、そのようなダイヤモンドドリルでは当面磁器の作業を行うことはできません。
ライトコクーン 3D プリントコンセプトカーは、現時点ではコンセプトとしてしか存在できない多くの製品の 1 つです。3 つ目は、高価であるため、家を購入したほうがよいということです。
工業用グレードの SLS、SLM、または SLA 3D プリンターの価格は通常 100 万人民元を超え、最も高価なものは数千万人民元に達することもあります。さらに、近い将来、このレベルのプリンターの価格が大幅に下がる可能性は低いでしょう。また、主要な 3D 印刷技術の特許が期限切れになるにつれ、多くのエントリーレベルの 3D プリンターのコストが急落しました。現在、最も人気のあるエントリーレベルの 3D プリンターは主に FDM プリンターと SLA プリンターです。最も安価な XYZprinting da Vinci Jr の価格はわずか 200 ドルです。ただし、これらのデスクトップ 3D プリンターの機能には制限があります。まず、印刷量が非常に少ないため、小さなスツールや椅子を印刷するのは通常は贅沢なことです。第二に、速度が非常に遅いですが、詳しく説明する必要はありません。さらに、印刷品質も低いため、通常は大規模な後処理が必要になります。つまり、良いものは安くはなく、安いものは良くないということです。

エントリーレベルの 3D プリンターには、非常に多くの選択肢があります (productchart.com) 4. 製品チェーンの上流と下流の間の非効率的な接続 - STL ファイルを生成できない場合、何の役にも立ちません。
技術的に言えば、コンピュータ支援設計 (CAD) の一般的な形式である STL ファイルがなければ、3D プリンターは基本的に役に立ちません。 STL モデルを作成するには、CAD ソフトウェアを使用してモデリングする方法と、エントリーレベルのポータブルスキャナーや CT や MRI などの高性能医療用スキャナーなどのスキャナーを使用する方法の 2 つの方法があります。どちらの方法もハードルが高く、ユーザーが専門的なバックグラウンドを持っていない限り、サードパーティのサービスを探す必要があります。このような閾値は、一般的な技術愛好家の体験空間をほぼ完全に圧迫します。

市場の観点から見ると、3D プリントサービスプロバイダーは、製品チェーンにおけるユーザー側の位置について考える必要があります。たとえば、一部の 3D プリントサービスの Web サイトでは、ダウンロード可能な無料モデルを提供しています。問題は、これらのモデルは明らかにユニークなものではないのに、なぜダウンロードして 3D プリント用にアップロードするのかということです。既製品を買ったほうが良いのではないでしょうか？このようなサービスは明らかに 3D プリントのレイヤーで覆われているだけですが、製品コンセプトを改善することなく、3D プリントで従来の製造方法を置き換えることしかできません。言い換えれば、大量消費者市場における 3D プリント技術の主なセールスポイントまたは利点が、個人のカスタマイズに対応できることであるという点に同意するならば、このサービス目的自体は、効率的な大量生産という従来の考え方に反することになります。ユーザーとのコンタクトを効率的かつ便利に形成する方法は、3D プリンティングの専門家が考える必要がある問題です。

3D プリンティングの専門家は、これら 4 つの主要な欠陥を改善してきました。ここでは、近年 3D プリンティングを加速させたイノベーションをレビューすることに焦点を当てます。 3Dプリントの速度が遅いことは、大規模製造を制限する最大のボトルネックとなっていたが、2015年にシリコンバレーのスタートアップ企業Carbon 3Dが、連続液体界面生産（CLIP）と呼ばれる新しい高速3Dプリント技術を発明した。まるで青天の霹靂のように、3D プリンティングは電車の轟音の時代から音速の時代へと移行したのかもしれない。
革命的な CLIP プロセスが Science の表紙を飾りました。3D プリント方法に関係なく、積み重ねたレイヤーの不連続性は問題となり、数センチメートルの大きさのオブジェクトを作成するのには通常数時間かかります。 CLIP テクノロジーはステレオリソグラフィー (SLA) に基づいており、酸素による光硬化の阻害を利用して、感光性樹脂の連続的かつ迅速なプロトタイピングを実現します。従来の技術に比べて 25 ～ 100 倍高速です。
CLIP の原理 CLIP プリンターの底部は、可溶性ポリテトラフルオロエチレンテフロン AF 2400 で作られた酸素透過性と光透過性の窓です。酸素で満たされた樹脂溶液は光硬化反応を起こすことができず、この領域は「デッドゾーン」を形成します。酸素含有量や光の強度などの変数を調整することで、死水層の厚さ（約数十ミクロン）を制御できます。デッドウォーターエリアの上が印刷可能エリアで、投影された光源がCADモデルの層形状に基づいて印刷面に紫外線を照射し、その層の樹脂溶液を固めます。製造プラットフォームは一定の速度で上昇し、固化した樹脂を押し上げて、印刷中の部品を「引き上げ」続けます。
CLIP ベースの Carbon 3D プリンターの技術全体の核心と鍵であり、CLIP と従来の SLA 技術の最大の違いでもあるのは、酸素透過性によって生じるデッドウォーターゾーンの生成です。従来の SLA プロセスは、下図のとおりです。光源を利用して、印刷プラットフォームと樹脂液プールの底部の間の液体感光性樹脂を点単位で固化します。固化した樹脂はプラットフォームによって引き上げられ、分離されて、固体と液体の混合物が底部に付着するのを防ぎます。このプロセス中、液体樹脂が逆流し、プラットフォームが溶液に再び浸され、次の層の硬化が再び始まり、このサイクルが繰り返されます。このプロセスは不連続であり、各層の形成には分離とリフローが伴います。 CLIP テクノロジーはほぼ連続的で中断がなく、印刷速度の制限要因は硬化速度と液体の粘度になります。
従来の SLA と CLIP の比較 (Tumbleston 他、2015 年、Science) 2017 年 3 月、Carbon 3D は第 2 世代の CLIP 3D プリンターをリリースし、印刷スペースをさらに改善しました。注目すべきは、Carbon が「サブスクリプション」に似た購入方法を採用していることです。この機械を1年間運用するには5万ドルかかり、設置とトレーニングには年間1万5000ドルかかる。この価格は従来の 3D プリント大手の製品よりわずかに安いですが、それでも SLA のエントリー価格よりははるかに高いです。

さらに、使用される消耗品は他の SLA 3D プリンターと同様に自家製の樹脂液であり、コストは 1 リットルあたり最大 124 ～ 474 米ドルです。 Carbon 3D のマーケティングスローガンにあるように、「試作をやめて、生産を始めましょう」とすれば、このような大量生産の粗利益率は非常に低くなる可能性があります。現在、Carbon 3Dはアディダスと提携して3Dプリントシューズを開発するなど、さまざまな分野との連携を開始しています。筆者の理解によれば、この場合、3D プリントはまだ製品製造端末の代替としてのみ機能し、個人のカスタマイズ機能はまだ統合されていないが、これは 3D プリントが実際に消費財市場に参入し、伝統的な生産を部分的に置き換えるためのマイルストーンとなる可能性がある。
Carbon 3D と adidas は Futurecraft 4D を共同開発しました。これまでに、他の 2 つのスタートアップが、自社の技術が CLIP に匹敵するか、それを上回ると主張しています。昨年、バンクーバーのスタートアップ企業である NewPro3D は、CLIP テクノロジーに似た Intelligent Liquid Interface (ILI) テクノロジーを発表しました。 NewPro3D は、CLIP の酸素透過層として機能する吸着性フィルムを使用し、光硬化効果を抑制し、従来の SLA 技術の分離ステップを省略します。 NewPro3D は、Carbon の CLIP は光源の端での硬化効率が十分ではないと主張しており、ILI はこの問題を効果的に解決するため、速度がさらに速くなります。さらに、専門家は、CLIP では液体の逆流を待つ時間の問題が解決されていないと指摘しました。したがって、この新しい技術は、薄いまたは中空の印刷対象物には適していますが、中実または厚い印刷対象物には適していません。 ILI は、不均一な印刷速度を設定することでこの問題を改善します。簡単に言えば、その印刷速度はターゲットの層幅に依存します。
NewPro3DのILIテクノロジー
ILI の圧倒的な速度優位性の主張は珍しいことではない。イタリアのスタートアップ企業 Nexa3D もほぼ同時期に、自社の Self-Lubricant Sublayer Photocuring (LSPC) 3D プリンターのクラウドファンディングを開始した。 LSPc のコア特許技術は、特殊なオイル層を層ごとに放出して自己潤滑フィルムを生成する能力にあります。この自己潤滑層の役割は、CLIPの酸素透過層やILIの吸着膜に似ており、硬化した樹脂をプラットフォームから分離するステップを省略して、印刷プロセスを可能な限り連続操作に近づけることが目的です。

Nexa3D の LSPc3D プリンターレンダリング現時点では、NewPro3D と Nexa3D は製品を正式にリリースしておらず、まだ改善すべき技術的な詳細がいくつかあると考えています。固体リソグラフィー技術に基づく 3D プリントプロセスが全面的に加速し始め、3D プリントの大量生産の夜明けが訪れ始めていることが予測されます。独自のハイテクを持つこれらの新興企業は、必然的に、Stratasys や EOS などの 3D プリント業界の大手企業に刺激を与え、3D プリント業界の市場を再検討させ、バイオメディカル、航空宇宙、機械製造に携わる科学研究機関や大手製造企業から大衆消費者市場へと関心を移すことになるだろう。 3D プリントのこれらの欠点が過去のものになれば、第 4 次産業革命、少なくとも製造業における革命は可能になるかもしれません。

著者/ Liao Zhipeng Floyd: オーストラリアのシドニー大学で計算バイオメカニクスの博士号を取得。現在は、3D プリントとエンジニアリング最適化テクノロジーをベースにしたカスタマイズされたウェアラブルプロジェクトに取り組んでいます。研究分野には、バイオメカニクス分析、骨再構築アルゴリズムの開発、インプラント交換の最適化などがあります。

3Dプリントに関する会議を開催すると、次のような点が挙げられます

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