実用情報 | 3Dプリント開発の歴史の解説

実用情報 | 3Dプリント開発の歴史の解説
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3Dプリント技術は、デジタル化、人工知能、新素材の応用を特徴とする生産・製造方法であり、第3次産業革命の象徴として知られています。従来の工業生産・製造モデルを変えました。PLA、ABS、金属材料を加熱・溶融し、層ごとに積み重ねることで、非常に短時間で製品を印刷・製造できます。印刷時間が短く、コストが低く、製品が常に変化するのが特徴。特に、構造が複雑な一部のハイテク製品の場合、その利点はより顕著になります。 3D プリント技術は、製品設計、科学研究、建築、医療、製造、航空宇宙、ジュエリー、パーソナライズされたアクセサリーなど、幅広い用途があり、ますます重要な役割を果たすことになります。


3D プリントは突然人気が出て、どこからともなく現れた新しい技術のように思えます。実際、新しい技術は一夜にして実現できるものではありません。 3D プリンティングは、正式に登場してから現在広く応用されるまで、約 30 年の歴史があります。したがって、これを「前世紀の考え方、前世紀の技術、そして今世紀の市場」と呼ぶのが通例です。
3D プリント技術の核となる製造コンセプトは、19 世紀後半に米国で生まれました。1980 年代後半までに、3D プリント技術は成熟し、広く使用されるようになりました。 1892年、アメリカは積層法を用いて立体地図模型を製作する技術の特許を登録した。 1860年、フランス人のフランソワ・ウィレームは、マルチカメラ立体彫刻（フォトスカルプチャー）の特許を申請しました。 1979年に東京大学生産技術研究所の中川武夫教授が積層造形法を発明しました。 1980年に日本の研究者児玉秀夫氏が光モデリング法を提案しました。日本人は3Dプリントのいくつかの手法を開発しましたが、それ以来20年以上にわたってこれらの科学的手法を実用化したのはアメリカ人でした。

商業的な3Dプリント製造技術に初めて取り組んだのは、アメリカの発明家チャールズ・ハルでした。 1986年、チャールズは勤めていたUV製品会社を辞め、「3D Systems」という会社を設立し、3Dプリント技術の開発に注力し始めました。この会社は世界初の3Dプリンター機器を製造した会社で、当時は「ステレオリソグラフィー」と呼ばれていた技術で、液体感光性樹脂の光重合の原理に基づいて機能していました。 1988年、チャールズはステレオリソグラフィー技術をベースにした世界初の非常に大型の3Dプリンター、SLA-250を製作しました。

1988 年、アメリカ人のスコット・クランプが新しい 3D 印刷技術である熱溶解積層法を発明しました。このプロセスは、製品の概念モデリングや形状および機能のテストには適していますが、大型部品の製造には適していません。 1989年、アメリカのデッカード社は選択的レーザー焼結技術を発明しました。この技術の特徴は、ナイロン、ワックス、ABS、金属、セラミック粉末など、幅広い材料を選択でき、すべて原材料として使用できることです。 1992年、アメリカのヘリス社がレイヤーバイレイヤー製造技術を発明しました。

1995 年以前は、3D プリンティングに名前はありませんでした。当時、研究分野でより受け入れられていた名前は「ラピッド プロトタイピング」でした。 1995 年、マサチューセッツ工科大学の 2 人の上級生であるジムとティムは、便利なラピッドプロトタイピング技術を卒業論文のテーマに選びました。何度も議論と検討を重ねた結果、2人は当時すでに普及していたインクジェットプリンターを使うというアイデアにたどり着きました。彼らはプリンタカートリッジのインクを接着剤に置き換え、スプレーした接着剤を使って粉末を粉末床に接着し、立体的な物体を印刷しました。彼らは興奮してこの印刷方法を 3D 印刷と呼び、改造したプリンターを 3D プリンターと呼びました。それ以来、「3D プリンティング」という用語は徐々に普及し、すべてのラピッドプロトタイピング技術が 3D プリンティングの傘下に含まれるようになりました。
200年以上前にワットが蒸気機関を発明し、近代産業革命の先駆けとなったように、3Dプリンティングも産業革命を引き起こす、あるいは第三次産業革命そのものになる可能性があると信じている人も多くいます。しかし、忘れてはならないのは、近代産業革命を引き起こしたのは蒸気機関ではなく、機械動力を社会の主流概念と発展の主な手段にしたのが蒸気機関だったということです。この概念が第2次産業革命を引き起こしました。したがって、3Dプリントは第3次産業革命にはなりません。新しい産業革命を生み出したいのであれば、それは人類の概念の新たな転換を誘発することによって達成されなければなりません。

わが国の3Dプリント技術の研究は比較的早く始まりました。米国が3Dレーザープリントの研究開発計画を機密解除してから3年以上経った1999年に、中国は関連する研究開発を開始しました。一般的に言えば、中国は米国より15年遅れてスタートしましたが、その進歩は非常に顕著であり、実際にいくつかの分野では米国を上回っています。冷静に我が国の3Dプリント業界を見てみると、状況は一部の記事で言われているほど楽観的ではありません。現在、わが国では3Dプリントの研究開発に携わる企業や研究機関は20～30社しかなく、総合的な力もそれほど強くありません。当社が大型チタン合金部品において最高であるという事実を除けば、他の分野で誇れるものは何もありません。伝統的な精密機械や重機製造における材料や加工技術の問題により、我が国で生産される製品の品質はドイツや日本ほど良くなく、中には韓国やスペインなどの国の製品よりも悪いものもあります。これは、3Dプリント技術を使用して追いつき、突破口を開くことが急務となっている分野です。 3D プリンティングはラピッドプロトタイピングの問題のみを解決するものであり、材料自体の特性に対処する必要があります。

専門性の問題はさておき、3D プリンティングは実は私たちの生活に微妙な影響を与えています。

トラブルメーカー

世界初の3Dプリント銃が米国テキサス州オースティンでテストに成功した。これまで、3D プリントを真剣に受け止める人は多くなかったが、この作品は彼らの考えを大いに変えた。技術的に言えば、この銃は弾丸以外のほぼすべての部品が3Dプリンターで作られており、基本的な動作原理は普通の銃と変わりません。この銃を製造したアメリカの民間団体は、まず3Dプリントを使って銃の部品を製造し、それからそれらを組み立てた。
医療用遺物

3D プリント技術は数十年前に軍事の「ラピッドプロトタイピング」技術から発展したものであり、医療はその力を最も発揮できる分野の一つです。 3Dプリント技術の「直接デジタル製造」を利用することで、多くの患者が従来の臓器移植の長いサイクルを省略することができます。おそらく、あなたは気づかないうちに、この一見ハイエンドなテクノロジーに触れているかもしれません。

最近、江西省で発生した結合双生児の症例では、復旦大学付属小児病院が国内で初めて3Dプリント技術を使用して、股関節結合双生児の脊椎と皮膚の癒合を比例的に修復し、子供の骨と皮膚の結合の位置と程度を直感的に示し、術前の仮想切開と皮弁の反転を可能にし、手術計画の設計と改善に大きく役立ちました。これは、わが国の小児病院で結合双生児の分離手術を3Dプリント技術で正確に支援した初めてのケースです。

人口の高齢化や技術の進歩などの要因により、米国における脊椎固定手術は過去数十年で 70% 増加しました。しかし、この手術の問題点は、従来の方法で使用される骨移植片と金属器具が、インプラントの移動や破損などの合併症を引き起こすことが多く、修復するために別の手術が必要になることが多く、患者のリスクが増大することです。

3D プリントを使用して、患者の骨の治癒と融合を促進するナノ構造の特徴を持つ海綿骨構造の正確なレプリカが作成されました。インプラントの生体力学的特性により、既存の骨への成長が可能になり、二次的な骨移植の必要性がなくなります。ドイツの脳神経外科医ウーヴェ・スペッツガー教授は、頸椎の変性疾患を患う患者が3Dプリントされたチタン融合インプラントを移植する手術を受けたと発表した。このような手術が成功裏に行われたのは歴史上初めてのことだ。

14歳のミリアム・ストーツァーさんと15歳のポール・フォルティンさんという2人の10代の製作者は、3Dプリント技術を使って、人の目の動きを追跡し、それを使って車椅子の動きを制御できる高度で実用的な装置を開発した。この発明により、二人の若者はヨーロッパ最大の青少年科学コンテスト「ユーゲント・フォルシュト」の決勝に出場した。 2人の若者は、この発明によって障害や麻痺のある患者が目だけで生活上の簡単な問題を解決できるようになることを望んでいる。

つまり、3D プリンティングは医療分野のあらゆる側面に徐々に浸透しつつあるのです。

考古学的福音

文化遺産や史跡の保護は、考古学界にとって常に課題となってきました。文化遺産は再生不可能な資源であるため、一度破壊されると再生が困難です。例えば、西安にある秦の始皇帝の兵馬俑。発掘された当初は色が鮮やかで、生き生きとした表情をしていたが、今では本来の魅力を失ってしまい、風化が激しく、黄土のように色もくすんでいる。 21世紀、科学技術の発展のスピードは驚異的で、考古学のレベルは以前よりもはるかに高く、文化財や史跡の保護も強化されています。 3Dプリント技術で文化遺産を「再現」できれば、多くの後悔を間違いなく埋め合わせることができるだろう。文化遺産の 3D プリントに関する多くのニュースは期待を裏切りませんでした。

スマートデジタルミュージアムの構築により、多くの博物館や文化遺産修復作業員が3Dプリントや3Dスキャン技術を使用して、荒廃した古代文化遺産を復活させ始めており、文化遺産を修復するだけでなく、古代文化の継承も可能になっています。数年前、陝西省博物館は3Dプリント技術を使用して、国宝である鹿の形をした金色の怪物のレプリカを作成した。 3D プリント技術は、立体スキャン、データ収集、塗装モデルの印刷などの一連の手順を通じて、文化遺産に触れることなく修復したり、複製したりすることができます。これは文化遺産の修復、識別、保存にとって大きな意義を持ちます。

住宅問題と月への移住

3Dプリンターは何でも印刷できるので、大規模な建物を印刷することは可能ですか？世界初の3Dプリント住宅は現在、オランダのアムステルダム北部の運河沿いに建設中であり、13の部屋を備え、コンクリートは構造的なサポートとしてのみ使用される。 2014年8月21日、上海では、上海張江ハイテクパークの青浦パークに、現地移転プロジェクトのオフィススペースとして、3Dプリント建物10棟が正式に納品され、使用が開始されました。これらの「プリント」された建物の壁は、建設廃棄物から作られた特殊な「インク」でできています。コンピューターで設計された図面と計画に従って、大型の 3D プリンターを使用して層ごとに印刷されます。10 棟のキャビンの建設には、わずか 24 時間しかかかりませんでした。

さらに、欧州宇宙機関は著名な建設組織と提携し、将来的にはロボットと3Dプリンターを月に持ち込み、月の土や岩石の粉末を材料として、3Dプリント技術によって短期間で完全に機能する宇宙ステーションを建設する予定だと言われています。

3Dプリンティングは自動車やドローンなどの分野でも私たちの生活に浸透し、私たちのライフスタイルを変えています。おそらく将来、偉大な人物が 3D テクノロジーに関する新しいアイデアを考案し、人間の思考習慣を変え、社会の発展を次の産業革命へと導くことになるでしょう。現在、わが国の3Dプリント産業化のレベルはそれほど高くなく、一般的には新技術の産業化の初期段階にあります。具体的には、産業規模は高くなく、技術革新システムは健全ではなく、産業政策システムはまだ完璧ではありません。現在の状況下では、国家政策の強力なサポートに頼って、3Dプリント市場を徐々に開放し、3Dプリント技術が将来、新しい産業技術のモデルとなる準備をする必要があります。

以下に、Antarctic Bear が 3D プリントの 1 世紀にわたる開発の歴史をわかりやすくまとめました。

1860
フランス人のフランソワ・ウィレームは、マルチカメラ立体彫刻（Photosculpture）の特許を申請しました。

1986
1986 年、チャールズ W. ハル (写真) は、3D プリンター機器を製造する世界初の会社、3D Systems を設立しました。彼は現在一般的に使用されている STL ファイル形式を開発しました。

1988
3D Systemsは設立から2年後の1988年に、SL（ステレオリソグラフィー）技術をベースにした世界初の産業用3DプリンターSLA-250を発売しました。同年、スコット・クランプは別の安価な 3D 印刷技術である熱溶解積層法 (FDM) 技術を発明し、1989 年に Stratasys を設立しました。

1989
1989 年、テキサス大学オースティン校の CR Dechard が選択的レーザー焼結法 (SLS) を発明しました。 SLS は最も広範囲の材料を使用します。理論的には、セラミック、ワックス、ナイロン、さらには金属など、ほぼすべての粉末材料を印刷できます。

1991
1991 年、Helisys は初のレイヤーバイレイヤープロトタイピング (LOM) システムを発売しました。

1992
設立から3年後の1992年、ストラタシスはFDM技術をベースにした初の産業用3Dプリンターを発売しました。
1992 年に、DTM は最初の選択的レーザー焼結 (SLS) プリンターを導入しました。

1993
1993年、マサチューセッツ工科大学（MIT）のエマニュエル・サックス教授は、すでに2次元プリンターで使用されていたインクジェット印刷技術に似た3次元印刷技術（3DP）を発明しました。 3Dプリンティング専門資格認定試験およびトレーニング教材

1995
1995年、ZコーポレーションはMITからライセンスを取得し、3DP技術をベースにしたプリンターの開発を開始しました。
注: MIT が発明した 3 次元印刷技術 (3DP) は、「3D 印刷」の数ある成形技術の 1 つにすぎません。私たちが通常「3D プリンティング」と呼んでいるものは、MIT の 3DP テクノロジーを特に指しているわけではありません。

1996
1996 年、3D Systems、Stratasys、Z Corporation (以下、ZCorp) はそれぞれ新世代のラピッドプロトタイピング装置を発売しました。それ以来、ラピッドプロトタイピングは「3D プリンティング」として広く知られるようになりました。

1998
1998年、オプトメックはLENSレーザー焼結技術の開発に成功しました。

2000
2000 年、Objet は紫外線センサーと液滴噴射技術を組み合わせて SLA 技術を更新し、製造精度を大幅に向上させました。

2001
2001 年、Solido は第 1 世代のデスクトップ 3D プリンターを開発しました。

2003
2003年、EOSはDMLSレーザー焼結技術を開発しました。

2005
2005年、ZCorpは世界初の高精度カラー3Dプリンター「Spectrum Z510」を発売し、3Dプリントをカラフルにしました。

2007
2007年、3DプリントサービスのスタートアップであるShapewaysが正式に設立されました。Shapewaysは、ユーザーにパーソナライズされた製品のカスタマイズのためのネットワークプラットフォームを提供しています。

2008
2008 年、自己複製型 3D プリンターの開発を目指して、最初のオープンソース デスクトップ 3D プリンターである RepRap がリリースされました。 RepRap は、写真に示すように、2005 年に英国バース大学の上級講師である Adrian Bowyer 氏によって開始されたオープン ソースの 3D プリンター プロジェクトです。このプロジェクトの目標は、工業生産を民主化し、世界中の誰もが RepRap コンポーネントを低コストで印刷し、そのプリンターを使用して日用品を製造できるようにすることです。デスクトップレベルのオープンソース 3D プリンターは、3D プリント普及の新しい時代を切り開きました。
ヒント: RepRap プリンターの創設者である Adrian Bowyer 氏が、以前に 3D デジタル幾何学モデリングの研究を行っていたことは注目に値します。
2008 年、Objet Geometries は、複数の異なる印刷材料を同時に使用できる初の 3D プリンターである、革新的な Connex500™ ラピッド プロトタイピング システムを発表しました。

2009
2009 年、Bre Pettis 氏はチームを率いて有名なデスクトップ 3D プリンター会社 ─ MakerBot を設立しました。MakerBot プリンターは、R​​epRap オープン ソース プロジェクトから生まれました。 MakerBot は、購入者が独自の 3D プリンターを組み立てることができる DIY キットを販売しています。国内メーカーも模倣品を出し始め、個人向け3Dプリンター製品の市場が活況を呈した。
2010
2010 年 12 月、バイオプリンティング技術に重点を置く再生医療研究会社 Organovo は、バイオプリンティング技術を使用して完全な血管を印刷するための最初のデータ リソースをリリースしました。
2011
2011年、英国サウサンプトン大学のエンジニアたちは世界初の3Dプリント航空機を設計し、試験飛行を行った。ドローンの製作には7日間かかり、費用は5,000ポンドだった。 3D プリント技術により、航空機は楕円形の翼を使用できるようになるため、空気力学的効率が向上します。このような翼を従来の技術で製造すると、通常は高価になります。
2011年、Kor Ecologicは世界初の3Dプリント自動車「Urbee」を発売した。これは、巨大な3Dプリンターを使用して車体全体を印刷した史上初の自動車です。外装部品もすべて3Dプリントで製造されています。
2011年7月、英国の研究者が世界初の3Dチョコレートプリンターを開発しました。
2011 年、i.materialise は 14K ゴールドと標準スターリングシルバー素材の印刷を提供する世界初の 3D 印刷サービス プロバイダーになりました。これにより、ジュエリーデザイナーは実質的に新しい低コストの生産方法を手に入れることができます。

2012
2012年、オランダの医師とエンジニアは、LayerWise社製の3Dプリンターを使用してカスタム顎義歯を印刷しました。その後、83歳の女性に移植された。その老婦人は慢性の骨感染症を患っています。現在、この技術は新しい骨組織の成長を促進するために使用されています。
2012年、英国の有名な経済雑誌「エコノミスト」の表紙記事（写真参照）は、3Dプリンティングが世界第三次産業革命を引き起こすと主張した。
2012年3月、ウィーン大学の研究者らは、2光子リソグラフィーを用いた3Dプリントの最小限界を突破し、厚さ0.3mm未満のレーシングカーモデルを実証したと発表しました。
2012年3月、オバマ米大統領は、全米に15の製造業イノベーション研究所を設立するために10億ドルを投資することを提案した。
2012年7月、ベルギーのルーヴェン国際大学の研究グループが、ほぼ完全に3Dプリントされた小型レーシングカーをテストしました。車速は時速140kmに達した。
2012 年 9 月、2 つの大手 3D プリント企業、Stratasys とイスラエルの Objet が合併を発表しました。合併後の会社の社名は Stratasys のままとなり、急成長を遂げている 3D プリントおよびデジタル製造業界における Stratasys のリーダーシップがさらに確立されます。
2012年10月、MITのチームがFormlabsを設立し、世界初の安価で高精度なSLAパーソナル3DプリンターForm 1をリリースしました。国内メーカーもSLA技術をベースにした個人向け3Dプリンターの開発を始めた。
同じ時期に、中国3Dプリント技術産業連盟が正式に設立されました。国内の様々なメディアが3Dプリンティングに関するニュースを大々的に報道し始めた。
2012年11月、中国は大型構造物の主要部品のレーザー成形技術を習得した世界で唯一の国であると発表した。
2012年11月、スコットランドの科学者たちは3Dプリンターを使って初めて人間の細胞から人工肝臓組織を印刷した。

2013
2013年5月、米国分散防衛機構は、完全に3Dプリントで作られた世界初のプラスチック製銃（撃針は金属製）を発表し、テストに成功しました。同年11月、アメリカのソリッド・コンセプツ社は、17-4ステンレス鋼部品33個とクロム・ニッケル・インコネル合金部品625個で構成された世界初の3Dオールメタルガンを製造し、50発の弾丸発射に成功した。
2013年、2人のアメリカ人メーカー（父と息子）が、液体金属ジェット印刷（LMJP）プロセスをベースにした、1万ドル未満の家庭用金属3Dプリンターを開発しました。同年、米国の別のメーカーチームが、主にジュエリー、金属チェーン、装飾品、小型金属部品などの小型金属製品を印刷するデスクトップ型金属3Dプリンター「Mini MetalMaker」を開発しました。価格はわずか1,000ドルです。
2013年8月、NASAは2万ポンドの推力と6,000度の温度に耐えられる3Dプリントロケット部品をテストした。
2013年、マッキンゼーは3Dプリンティングを12の破壊的技術の1つとして挙げ、2025年までに3Dプリンティングが世界経済に2,000億ドルから6,000億ドルの貢献をすると予測しました。

2014
2014年7月、米国サウスダコタ州のFlexible Robotic Environments（FRE）社は、金属3Dプリント（付加製造）、旋盤（切削、レーザースキャン、超音波検査、プラズマ溶接、研削・研磨・穴あけなどの減算製造）、3Dスキャン機能を組み合わせた新開発のフル機能製造装置VDK6000を発表しました。
2014年8月、海外の22歳のメーカー、Yvode Haas氏が、3DP技術を使用したデスクトップ3Dプリンター「Plan B」を発売した。技術詳細は完全にオープンソースで、組み立てコストはわずか1,000ユーロだ。
2014年10月、3社の外国メーカーによって設立されたSintratec社は、SLS技術を使用した3Dプリンターをわずか3,999ユーロで発売した。

2015
2015 年 3 月、アメリカの Carbon3D 社は、酸素と光を使用して樹脂材料からモデルを連続的に排出する新しい光硬化技術である Continuous Liquid Interface Production (CLIP) を発表しました。この技術は、現在のどの 3D 印刷技術よりも 25 ～ 100 倍高速です。Antarctic Bear 3D Printing Network にぜひご注目ください。

さらに読む:
3Dプリント技術は中国の伝統的な製造業を過去のものにするのか？イランは3Dスキャンとプリント技術を使って歴史的建造物を修復する計画

出典: 資料10
建築、外科、医学、生物学、インプラント

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