テクノロジー予測: 将来の 3D プリント技術

著者: アラン・イールズ、ヴィノド・バイヤ

ほぼ毎日、ユーザーから Antarctic Bear 3D Printing Network に「3D プリントの開発動向はどのようなものですか?」という質問が寄せられています。将来的にはどんなチャンスがあるでしょうか？次の記事「3Dプリンターの未来」
現在、3D プリンターはより高速かつ使いやすくなり、さまざまな材料を処理したり、アクティブなコンポーネントやシステムを印刷したりできるようになりました。3D プリンターの将来の用途は、ラピッドプロトタイピングに限定されません。
プリンターと印刷方法、設計・印刷ソフトウェア、印刷材料の連携した開発により、3D 印刷技術は今後も発展し続けるでしょう。

3D プリンティング、つまり付加製造は、1980 年代から何らかの形で存在してきました。しかし、3D プリント技術はまだ利用できないか、ほとんどの完成品生産や大規模な商業生産をコスト効率よく実行することができません。 3D プリント技術のこれらの欠点は近い将来克服されるだろうという期待が高まっています。

一連の技術開発の動向は人々の期待を裏付けています。現在、台頭している中級レベルの 3D プリンターは、デスクトップサイズと低価格を確保しながら、ハイエンドシステムの機能をもち始めています。製品範囲全体にわたって、3D プリンターの速度は常に向上しています。現在開発中のハイエンドシステムは、既存の最高級マシンよりも 500 倍速い印刷速度を実現できる可能性があります。しかし、主要な特許技術の有効期限が切れようとしているため、この現象によりイノベーションのペースが加速する可能性があります。

最近の PwC の調査では、100 社を超える工業メーカーを対象に調査が行われました。同様の研究が Antarctic Bear 3D Printing の Web サイトでも実施されています。そのうち、工業メーカーの 3 分の 2 はすでに 3D プリント技術を使用しています (図 1 を参照)。一方、大多数のメーカーは、まだ 3D プリント技術を試用しているか、ラピッドプロトタイピングに使用しているだけです。 3D プリント技術の発展以来、ラピッドプロトタイピングが焦点となっています。将来の発展の予測に重点を置く市場調査会社Analysys Internationalは、3Dプリンターとサービスの世界市場が2013年の25億ドルから2018年には162億ドルに増加し、年平均成長率（CAGR）45.7%を達成すると予測しています。

3D プリント技術の上記のような発展傾向にもかかわらず、3D プリント業界も課題に直面しています。ラピッドプロトタイピングは依然として重要ですが、テクノロジーを大規模に活用できる「ゲームチェンジャー」ではなくなりました。 3D プリンティング業界は、より完全な機能を備えた完成品やコンポーネントの印刷に重点を置く必要があり、印刷数はプロトタイプの出力数をはるかに上回るはずです。たとえば、補聴器や補聴器のメーカーは既成の技術を使用しています。さらに、従来生産された製品や部品を補完または置き換え、他の手段では生産できないアイテムを作成するために、3D プリントが必要です。

貴社では現在 3D プリント技術をどのように活用していますか?

出典: PwCおよびZprymeの調査と分析

表1: さまざまな業界における3Dプリント技術の最新の応用

設計と生産戦略を改善するために、多くの業界では市場で入手可能な 3D プリントソリューションが使用されています (表 1 を参照)。プリンターと印刷方法、設計・印刷ソフトウェア、印刷材料の連携した開発により、3D 印刷技術は今後も発展し続けるでしょう。今回の「PwC テクノロジー予測」では、上記の 3 つの側面を調査します。この記事では、3D プリンターと印刷方法のトレンドを、パフォーマンス、マルチマテリアル管理、完成品の製造能力の観点から評価します。今後の記事では、ソフトウェアと素材そのものについて調査する予定です。

3Dプリント業界の最新状況 3D 印刷では、何千もの材料の層が他の材料または「インク」（最も一般的なのはプラスチックポリマーまたは金属）の層に追加されて印刷されます。多くの印刷技術は、多くの場合、材料に依存します (特集記事「3D 印刷技術」を参照)。たとえば、熱溶解フィラメント造形法 (FFF) ではプラスチック、感光性ポリマーを使用するステレオリソグラフィー、金属レーザー焼結などが利用されます。

2 「インク」という用語は、3D プリントでノズルから押し出されたり排出されたりする材料を指します。インクジェット印刷方式に加えて、「インク」という用語は他の方式にも適用されます。

3Dプリント技術
• ステレオリソグラフィー (SLA): この 3D 印刷技術では、紫外線ビームを使用して液体樹脂を硬化させ、層ごとに接続します。
• 熱溶解積層法 (FFF): 溶融した熱可塑性プラスチックの流れがノズルから押し出され、材料の層が形成されます。各層は前の層と接続されます。一般的なインクには、ABS（アクリルブタジエンスチレン）やポリ乳酸ポリマーなどがあります。
• 選択的レーザー溶融法 (SLM): SLM は SLS に似ていますが、違いは SLM が粉末材料を溶融することです。粉末は極めて高い温度で溶かされます。
• 電子ビーム溶解 (EBM): EBM は SLS に似ていますが、EBM ではエネルギー源として電子ビームを使用します。
• ターゲットレイヤードマニュファクチャリング (LOM): このプロセスでは、材料の層 (金属、プラスチック、紙など) を層ごとに接続し、さまざまな形状にカットします。場合によっては、切断後に製品の形状を整えるために、さらに加工（成形や穴あけなど）が必要になることがあります。

今日、ラピッドプロトタイピングが広く普及する中、3D プリンターがラピッドプロトタイピングの分野を超えたチャンスをつかむには、次の 3 つの側面で一定のレベルまで発展する必要があります。

パフォーマンス: 速度、解像度、自動化、使いやすさ、信頼性、再現性などの主要なパフォーマンス機能を向上させます。

マルチマテリアル機能と汎用性: 単一のオブジェクトを印刷するときに複数のマテリアルを混合する機能など、複数の異なるマテリアルを組み合わせることができます。

完成品: 複数のコンポーネントを備えた完全に機能するアクティブシステムの機能を印刷します。コンポーネントには、組み込みセンサー、バッテリー、電子機器、微小電気機械システム (MEMS) などが含まれる場合があります。

現在、3D プリンターは、高コスト・高性能と低コスト・低性能という 2 つの極端なタイプに集中しています (表 2 を参照)。ハイエンドプリンターは通常、企業や 3D プリントサービスビューローを対象としており、ローエンドプリンターは通常、オープンソースの RepRap プリンターの派生製品であり、消費者や愛好家を対象としています。

過去 1 年間で、中級レベルのプリンターが利用可能になりました。多くの新規参入企業や既存ベンダーの中級プリンターは、低価格で幅広いハイエンド機能を提供しています。たとえば、FSL3D や Formlabs のプリンターは、ステレオリソグラフィーを使用する高解像度の小型モデルを備えており、価格はわずか数千ドルです。 MarkForged のデスクトッププリンターは、カーボンファイバー複合材で印刷でき、価格は 5,000 ドル未満です。 CubeJet の 3D 印刷システムも 5,000 ドル未満の価格で、カラフルなオブジェクトを印刷でき、低価格でありながらプロフェッショナルなパフォーマンスを提供します。

3. RepRap は最も古いデスクトップ 3D プリンターの 1 つであり、あらゆるマシンに適用できます。 RepRap 3D プリンターはあらゆる機械を正確に複製できます。詳細については、http://reprap/org/wiki/RepRap を参照してください。

4. ブライアン・ヒット：「CubeJet は、消費者に優しい仕様のプロフェッショナル 3D 印刷技術を 5,000 ドル以下で提供します。」Engadget、2014 年 1 月 7 日。

図2: 新興のプリンタ市場は、高性能、低価格という新しいカテゴリーを定義しています。

プリンターのパフォーマンスは多くの機能によって決まりますが、プリンターにとっての主な課題は速度と使いやすさです。

ガートナーは、2016 年末までに、企業やその他の機関の価値 (機能とパフォーマンス) 要件を満たし、価格が 1,000 ドル未満の 3D プリンターが開発されると予測しています。今後数年間でプリンターの開発が加速すると予想されますが、開発の範囲と性質は印刷技術やサプライヤーによって大きく異なります。

3D プリントのパフォーマンスの傾向プリンターのパフォーマンスは多くの機能によって決まりますが、プリンターにとっての主な課題は速度と使いやすさです。

人々はプリンターがより速く印刷することを期待しています 単純な製品であっても、3D プリントには長い時間がかかり、通常は数時間、場合によっては数日もかかります。段階的な改善や、場合によっては印刷強度の変更により、プリンターの印刷プロセスを高速化できます。「より高品質のオリジナルを使用することから、レーザーの設計と動きを最適化することまで、印刷を高速化する方法はたくさんあります」と、FSL3D の主任エンジニアであるアンドリュー・ボグリー氏は述べています。 FSL3D はデスクトップステレオリソグラフィープリンターのサプライヤーです。たとえば、Form1+ は Formlabs のステレオリソグラフィープリンターで、レーザーは前世代のプリンターである Form1 のレーザーより 4 倍強力で、Form1 より 50% 高速に印刷されます。

今日のほとんどのプリンターは、材料を塗布するために単一のプリントヘッドを使用します。同時に印刷できるプリントヘッドの導入により、材料をより速く排出できるようになり、印刷速度が向上するとともに、複数の異なる材料や同じ材料の異なる色の組み合わせも可能になります。複数のプリントヘッド設計により、1 つのプリントヘッドで 1 つのアイテムを印刷するのにかかる時間で、アイテムの複数のコピーを複製することもできます。プリントヘッドやプリンターヘッドの数が増えると、印刷速度も比例して上がります。

愛好家向けに、Robox はデュアルヘッドプリンターを提供しています。 Robox 社によれば、デュアルジェットプリンターはシングルジェットプリンターよりも 3 倍速く印刷できるという。

5. ピート・バシリエ：「3D プリント技術はビジネスにどのような影響を与え、新たな機会を生み出すのか？」ガートナー G00249922、2014 年 4 月

6. Signe Brewater：「Formlabs が Form1+ をリリース – より高速で信頼性の高い SLA 3D プリンター」Giagaom、2014 年 6 月 10 日。
http://gigaom.com/2014/06/formlabs-reveals-the-form-1-s-faster-and-more-reliable0sla-3d-printer 「こうした（業務用3D）プリンターの個々の修理費用は、人々が慣れている家庭用電化製品の修理費用よりもはるかに高額だ」とミシガン工科大学のジョシュア・ピアス教授は語った。

大きなアイテムを印刷する場合、プリンターの速度は特に重要になります。より大きなオブジェクトを作成する場合、プリンターヘッドから押し出す材料の量が多くなりますが、プリンターヘッドの材料処理速度は通常一定です。オークリッジ国立研究所と工作機械メーカーのシンシナティ・インコーポレイテッドが協力してこの問題を解決しました。現在、両機関は大規模な積層造形システムを開発している。この設計では、大型プリントヘッド (ポリマーをより速く排出するため)、高速レーザーカッター (インチではなくフィートで動作するため)、および高速モーター (範囲内に入ったときにプリントヘッドをより速く移動するため) が組み合わされています。最終的に、両機関が開発したシステムは、既存のラミネート機よりも 10 倍大きく、200 ～ 500 倍の速度でポリマーマスターを印刷できるようになります。

プリントヘッドの動きを制御するために、3D プリンターはさまざまな方法またはアーキテクチャを使用します。平面上で 2 次元的に移動するプリントヘッドを備えた、カルテシアンプリンター構成は現在非常に人気があります。 Deltabor プリンター (デルタロボットプリンターとも呼ばれます) の機械アームは、ロボットのような平行四辺形です (図 3 を参照)。「三角形プリンターは基本的に直交プリンターよりも優れています。三角形プリンターには大きな利点があり、その 1 つが速度です」とミシガン工科大学 (MTU) の准教授、ジョシュア・ピアス氏は予測しています。 Joshua Pias 氏は、オープンソース 3D プリンターの積極的な開発者でもあります。三角形の構成により、プリントヘッドが軽量になり、ポイント間を移動する際の移動経路が短くなるため、速度が向上します。

プリンターはより自動化され、使いやすくなります 既存の 3D プリンターはさまざまなタスクを自動化できます。ただし、趣味人向けのプリンターの中には、エラーを最小限に抑えるために、プリントヘッドの定期的なクリーニング、ベースの水平調整、手作業による修正、および人間による監視を必要とするものもあります。「これらのプリンターの個々の修理費用は、人々が慣れている家電製品の修理費用よりもはるかに高額です」とジョシュア氏は語った。人間的要素を削減または排除することは可能であり、これが今後数年間のイノベーションの鍵となるでしょう。

図3: 直交座標と三角形のプリンタ構成

出典: PwC

7. オークリッジ国立研究所、「ORNL とシンシナティインコーポレイテッドが商業用大規模積層造形システムの開発で協力」、プレスリリース、2014 年 2 月 17 日。
一般的なエラーや信頼性の問題を引き起こす機能 (サポート構造の生成、部品の配置方向など) を自動化すると、アマチュアプリンターの使いやすさが向上する可能性があります。たとえば、コンポーネントプラットフォームが水平でない場合、印刷量に影響が出る可能性があります。 Robox、XYZprinting、MakerBot プリンターなどの多くのプリンターには自動化機能が備わっており、プリンターをプラットフォームで調整できます。私たちは将来、印刷プロセスをリアルタイムで監視し、設計上の欠陥や偏差（CAD（コンピュータ支援設計）ツールで作成された3Dモデルと比較して）を検出し、適切な介入を可能にするフィードバックシステムを開発することを構想しています。これらの機能を自動化すると、印刷手順の信頼性と再現性が向上する可能性があります。

3Dプリンター材料加工の最新動向 ほとんどのプリンターは、プラスチック、金属、セラミック、木材、生体材料など、1 つの材料のみで動作します。より有用な製品を製造し、市場を拡大するために、3D プリンターは 1 回の印刷サイクルで複数の異なる材料を処理する必要があります。主に材料自体に関連するさまざまな要因により、この要件は特に困難になります。たとえば、ほとんどのステップは、狭い範囲の温度出力または光周波数に適合する理想的な材料を中心に展開されます。プリンターは、熱または光を使用して、通常は材料を液化または固化することにより、材料を特定の形状に操作します。その他の可能性のある材料については、現在の最先端技術では、プリンターが材料の形状を効果的に操作することができません。

マルチマテリアル機能の開発により、一部の印刷方法が他の方法よりも優れたものになる可能性があります。 FFF 印刷は、追加のポリマーを処理する際にプリントヘッドの数を増やすことができるため、現在の技術を拡張することなく、幅広い材料に適応できる大きな可能性を秘めています。 Hyrel 3D、XYZprinting、MakerBot は現在、数千ドル未満の価格でマルチヘッドプリンターを提供しています。

「Voxeljet などのインクジェット技術は、マルチマテリアル印刷の現在と未来を担っています」と Bogli 氏は予測しています。一部の印刷方法では、選択的レーザー溶融などのインクジェットのような技術が使用されます。インクジェット技術では複数のプリントヘッドを使用できるため、粉末化「ベース」と呼ばれるさまざまな材料を処理できます。したがって、異なる材料で作られた部品やコンポーネントを一度に印刷できます。現在、Voxeljet、Stratasys、3D Systems のハイエンドプリンターがこのテクノロジーを提供しています。

インクジェット印刷は 1970 年代から 2D プリンターで使用されてきましたが、Objet (現在は Stratasys の一部) によって 3D プリンターに導入されたのは約 7 年前です。 Objet は、インクジェット技術を 3D プリンターに適用するプロセスを PolyJet と呼んでいます。インクジェット技術では、2 つ以上のベース材料 (異なる化合物) を噴射することで、硬質プラスチックからゴムのような材料、不透明な物質から透明な物質まで、新しい特性を持つ材料を作成できます。最近ではインクジェット技術により多色印刷が可能になりました。たとえば、Stratasys Objet500 Connex3 プリンターは、マルチマテリアルおよびマルチカラーの 3D プリントをサポートしています。部品は 14 種類の異なる材料特性と 10 種類の原色で印刷されました。

8. Stratasys Objet500 Connex3、マルチマテリアルとマルチカラーの可能性を最大限に引き出す方法、2013 年。

図 4: 下の図のハンドフリッププロトタイプは、異なる色の柔らかいポリマー材料と硬いポリマー材料を組み合わせています。このヘッドフォンのプロトタイプのセットは、さまざまな色の複数の素材を組み合わせています。

出典: ストラタシス

印刷技術は、異なる種類の材料 (金属やプラスチックなど) を 1 回の印刷サイクルで組み合わせるために、まだ進化する必要があります。現在、マルチマテリアルプリンターは 1 種類の材料 (ポリマーなど) のみで動作し、ほとんどのマルチマテリアルプリンターはプロトタイプ作成に使用され、デザイナーは形状、機能、フィット感、感触を確認できます。図 4 は、Connex3 プリンターで製造されたハンドスプリングとイヤホンのマルチカラープロトタイプを示しています。

異なる種類の材料（金属やプラスチックなど）を 1 回の印刷サイクルで組み合わせるには、印刷技術をさらに発展させる必要があります。現在、この分野の研究機関による開発はまだ初期段階にあり、対応する製品がうまく生産されるまでには少なくとも 5 年かかります。

印刷パッケージシステムの最新動向 さらなる発展としては、完全なシステムまたはサブシステムの印刷があります。ほとんどの完成品は複数の材料から作られているため、新たなマルチマテリアル機能によりこの開発が促進されます。しかし、現在の課題は、センサー、電子機器、テレビなどのコンポーネントの埋め込みです。コンポーネントを埋め込むことで、関連するすべてのコンポーネントを 1 つのオブジェクトに印刷できるようになります。材料、印刷方法、ラミネート、伝統的な生産技術の組み合わせなど、複数の分野で研究開発の取り組みが進行中です。

材料科学における主要な課題は、印刷可能なセンサー、電子機器、テレビなど、さまざまな種類の製品を印刷するための基盤として使用できるインクを開発することです。たとえば、Xerox PARC は現在、回路、アンテナ、電子タグの印刷を可能にし、印刷されたオブジェクトを製品に直接使用できるようにするインクを開発しています。同様に、ハーバード大学工学応用科学学部のジェニファー・ルイス教授は、小型リチウムイオンテレビの基本的な構成要素を印刷インクとして利用している。

将来的には、階層化生産技術は未申告のオブジェクトに限定されなくなります。ルイス氏のチームは、生きた組織を印刷できるバイオインクを開発した。チームは複数のプリントヘッドとカスタマイズされたインクを利用して、複雑な生体組織を印刷しました。印刷された生体組織には、よく発達した小さな血管があります。一部の製薬会社はすでに、3Dプリントされた組織を医薬品の試験に使用しています。

9. Michael Molitch-Hou、「アリゾナ州立大学が金属プラスチック要素の 3D 印刷技術を開発」、3D Printing Industry、2014 年 4 月 2 日。
10. 「携帯電話を印刷してください」エコノミスト（米国）、2012年7月28日。
11. Mike Orcutt、「プリントバッテリー」、MITテクノロジーレビュー、2013年11月25日。
12. ハーバード大学ヴィース生体工学研究所、「生体組織の印刷における大きな進歩」プレスリリース、2014 年 2 月 19 日。
バイオプリンティングでは通常、2 種類のインクが使用されます。 1 つのインクは生体材料であり、もう 1 つはハイドロゲルです。ハイドロゲルは組織や細胞が生き残るための環境を提供することができます。血管印刷における大きな進歩は、第3のインクの開発によるものです。 3 番目のインクには、冷えると溶けるが、熱くなると溶けないという特殊な性質があります。この特性により、科学者は相互接続されたフィラメントのネットワークを印刷し、冷却して材料を溶かすことが可能です。液体はサイフォンを通して引き出され、組織内に中空の管（または血管）のネットワークを作成するために使用されます。この革新は 3D プリント技術によってのみ可能となり、従来の生産方法では実現できない新たな可能性を生み出します。

完全なシステムの印刷は、ナノスケールやマイクロスケールに限定されません。オプトメックは、オーロラ・フライト・サイエンシズおよびストラトスフェリックと協力し、ドローンの電子機器やセンサーを含む翼一式を印刷した。各翼は Stratasys FFF プリンターで印刷されました。印刷されたセンサーと電子機器は、Optomec のエアロゾルジェットシステムを使用して翼に直接適用できます。インクジェット印刷は平らな表面で行われ、わずか 1 ミリメートル離れたプリントヘッドからノズルに小さなインク滴が吐出されます。エアロゾルジェットプロセスでは、ナノ粒子印刷材料を小さな液滴に分解し、その液体をノズルを通して湾曲した、または不規則な形状の印刷面に集中させます。印刷面はノズルから少なくとも 5 mm 離して配置する必要があります。この機能を使用して印刷される電子部品のサイズは、100分の1ミリメートル未満です。

いくつかのアプローチでは、3D プリントと他の製造方法を組み合わせる場合があります。たとえば、iRobot が提出した特許は全自動ロボット 3D プリンターに関するもので、その完成品には複数のコントローラーと、研磨や穴あけなどのプロセスが含まれます。

イノベーションのスピードは、高い期待が実現していることを示唆している
3D プリンター市場は急速に変化しています。有名なベンダー、商人、趣味の印刷業者による多くの革新により、より中レベルのシステムを提供するための実験の場が生まれました。ミッドレベルのシステムは、より低価格でより多くのエンタープライズレベルの機能を提供します。
変化する可能性のあるもう一つの重要な要素は、特許保有者が独自の技術に対して持つ制御力です。重要な FFF 特許は 5 年前に期限切れとなり、オープンソースコミュニティはすぐに低価格のプリンターで FFF テクノロジを活用し、速度、品質、解像度、使いやすさの向上を推進しました。

CIO は 3D プリント技術の使用を促進できますか?
現時点では、3D プリントの影響は製品開発、生産、サプライチェーンに限定される可能性があります。ただし、3D プリントの可能性を最大限に引き出すには、最高情報責任者 (CIO) と IT 部門の連携が不可欠です。その理由は次のとおりです。
• CIO は、3D プリントの破壊的可能性について経営陣の同僚と議論し、3D プリントの破壊的可能性を評価し、3D プリント技術を会社の目標に結び付けることができます。
•3D プリントと関連アクセサリ (スキャナーやカメラなど) は、接続、保護、管理が必要な新しいデバイスです。
•3Dプリンティングは新製品の開発と生産を促進し、収集された関連データは保護、分析され、業務に統合された後、企業に利益をもたらすことができます。
• 生産およびサプライチェーンの変更に対応するために、特定のトランザクションシステムを変更する必要があります。
•3D プリントでは、電子ファイルを使用して製品の正確な複製を作成できるため、知的財産の盗難が困難になります。
3Dプリンティングは情報充実の方向に改革されていきますが、3Dプリンティングの改革には業務運営の大きな変化が必要です。 3Dプリンターは企業でより広く利用されるようになるでしょう。 CIO は、3D プリントがさまざまな部門にもたらすメリットと課題を総合的に考慮し、トレンドを先取りする必要があります。このようにして、CIO は会社が 3D プリントを最大限に活用できるように促進できます。

13. 革命的な「スマートウィング」、オプトメック、2005 年。
14. Cabe Atwell、「iRobert は人間に 3D プリントの方程式の外側での思考を可能にする」、Design News、2013 年 3 月 13 日。
同様に、レーザー焼結に関する多くの特許も 2014 年に期限切れになります。「レーザー焼結、RepRap、FFF を使用した 3D プリンターで急速な革新が見られるようになると思います」とピアス氏は語った。 Metalbot や OpenSLS などのさまざまなグループが、デスクトップレーザー焼結プリンター用のオープンソースコードの開発に取り組んでいます。デスクトップレーザー焼結プリンターの革新が FFF プリンターと同じペースで継続すれば、今後数年のうちに、より低価格のデスクトップ金属プリンターが登場するかもしれません。

現在、3D プリンターとサービスの市場は非常に細分化されており、低価格のプリンターは愛好家を対象としており、機能が限られています。しかし、ハイエンドプリンターは比較的高価であり、有効な市場は限られています。市場開発の鍵は、中価格帯のプリンターを継続的に開発しながら、同時に高性能、マルチマテリアル機能、完全なシステム印刷機能を確保することです。 PwC は、この分野での発展が破壊的市場の拡大を促進する鍵となると考えています。

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PwC のテクノロジー予測テクノロジー予測は、PwC のテクノロジーイノベーションセンター (CTI) によって発行されます。テクノロジー予測では、新たなテクノロジーとトレンドを調査し、ビジネスおよびテクノロジーのエグゼクティブがテクノロジーの機会を活用するための戦略を策定するのに役立ちます。

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