[南極のクマ-3Dプリント文化] 3Dプリント技術の父: チャールズ・W・ハル

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3D プリント技術の父: チャールズ W. ハル

チャールズ・W・ハル（別名チャンク・ハル）は、1939 年 5 月 12 日にコロラド州クリフトンで生まれました。コロラド州のグランド・ジャンクション中央高校を卒業し、1961 年にコロラド大学で工学物理学の学士号を取得しました。

1983 年、ハルは家具や紙製品のコーティングを硬化させるために紫外線を使用する紫外線機器メーカーである UVP (Ultraviolet Products) の副社長に就任しました。ハル氏は毎日、社内のさまざまな紫外線ランプをいじりながら、もともと液体だった樹脂が紫外線に触れるとどのように固まっていくかを観察している。ある日、彼は突然、感光性ポリマーの表面に紫外線を一層ずつ照射して層ごとに固体化し、これらの薄い層を何百、何千と積み重ねることができれば、想像できるあらゆる三次元物体を作れるだろうと気づきました。

1984 年 7 月 16 日、アラン・ル・メホーテ、オリヴィエ・ド・ウィット、ジャン・クロード・アンドレの 3 人のフランス人が SLA の特許を登録しようとしましたが、フランスのゼネラル・エレクトリック社と CILAS (レーザー連盟) によって「商業的応用価値がない」という理由で拒否されました。 3 週間後、UVP はハル氏を発明者として世界初の SLA 特許を申請しました。
1986 年 3 月 11 日、ハルは特許番号 US4575330A の特許許可を取得しました。彼は「ステレオリソグラフィーによる三次元物体製造装置」と題する特許で、「ステレオリソグラフィー」（略して SLA）という用語を生み出しました。これが後に、紫外線を使って感光性樹脂を触媒し、層ごとに積み重ねて形成するステレオリソグラフィー技術となりました。

図 1 は、Chuck Hull が発明した SLA の動作原理を示す概略図です。高度なエンジニアリング描画ソフトウェアは、オブジェクトのコンピュータモデルを何千ものデジタル断面にスライスし、それを SLA 印刷機に送信します。樹脂タンク２１には感光性樹脂液が充填されている。印刷プラットフォーム２９は樹脂に浸漬され、樹脂液面２３から一定の距離（下層に印刷するために必要な層の高さ）を保つ。感光性樹脂の液面に対して上方からレーザー光２６（一般に紫外線）を照射する。レーザーはガルバノメーターによって反射され、プログラムに従って各層のパターンを描画します。レーザーを照射することで感光性樹脂が硬化します。印刷プラットフォーム 29 は、ソフトウェアによって制御され、一定の距離 (印刷される下層の高さ) だけ下方に移動する。感光性樹脂は、印刷された層を覆うまで流れます (感光性樹脂の粘度が高く流動性が悪い場合は、この層を塗布するためにスクレーパーが必要です)。この手順は、オブジェクト全体が印刷されるまで繰り返されます。

図1: HuerのSLA動作原理の概略図

アメリカ企業で働くことで得た特許は最終的にはその企業のものとなるが、ハル氏の上司にはこの新技術の開発を支援するための追加リソースがなかった。そこでハル氏は UVP を離れ、自分のビジネスを立ち上げました。1986 年に、彼はカリフォルニアで 3D Systems (現在では世界最大の 3D 印刷機器メーカー 2 社のうちの 1 社) を設立し、SLA 技術の商業化に取り組んでいます。 1988年、3D Systemsは、光学写真用にアクリル樹脂を使用し、サイズが非常に大きい、独自に開発した初の3DプリンターSLA-250を生産しました。 SLA-250 の発売は、3D プリント技術の発展の歴史において画期的な出来事となり、その設計コンセプトとスタイルは、その後のほぼすべての 3D プリント機器に影響を与えました。しかし、当時の技術条件の制限により、そのサイズは非常に大きく、有効な印刷スペースは非常に狭かったです。

図2: ハルが発明した最初の光硬化型3Dプリンター、SLA-250

1990 年に、3D Systems は UVP から US4575330A 特許を購入しました。ハル氏は、自身の技術コンセプトが液体に限定されないことに気付き、再提出した特許では、「固化できる材料」や「物理的状態を変えることができる材料」であれば、SLA 技術を実装できると特に強調しました。 3D Systems は 1988 年に SLA 技術に基づく最初の 3D プリンターを販売しました。その後数十年にわたり、オフィスや家庭に適したデスクトップマシンや工場での使用に適した産業用マシンなど、さまざまなモデルの 3D プリンターを発売しました。同社は米国デラウェア州に登録されており、1990年代初頭に米国のNASDAQに上場し、2011年にニューヨーク証券取引所に移行しました。

数十年にわたる開発を経て、3D Systems は 1,000 件近くの特許を保有しています。ハルが登録したすべての特許には、スライスデータの準備に三角形モデル (STL ファイル形式) を使用する方法や、交互に露光する戦略など、今日の 3D 印刷技術の多くの基本的な技術的手法が含まれています。現在、3D Systems が発明した 3D プリンターは、数え切れないほど多くの産業および商業の分野で使用されています。医療業界では、3D Systems の印刷装置を使用して、患者の下顎骨や顔の構造のモデルを作成しています。自動車の安全関連企業は、3D Systems の技術を使用して衝突試験ロボットを製造しています。時計業界では、プロトタイプの評価と人間工学設計に 3D Systems の技術を使用しています。あらゆる分野の人々が、3D Systems の 3D 印刷技術が世界にもたらした変化を享受しています。

1984 年当時、ハル氏は、迅速製造に関する彼の特許が 30 年以上後にこれほど普及するとは思ってもいなかっただろう。 2014年、ハルは人類の科学技術の発展に顕著な貢献をした個人やチームに授与される欧州発明家賞にノミネートされました。同年、ハルは全米発明家の殿堂（NIHOF）入りを果たし、ヘンリー・フォードやスティーブ・ジョブズなどの著名人の仲間入りを果たし、人類に永続的な貢献を果たした発明家となった。

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