さまざまな業界における3Dプリント技術の応用に関する議論

メディアからの注目が高まり、国の政策による支援も強化されたため、3Dプリント技術は一般の人々にとってもはや馴染みのない言葉ではなくなっており、3Dプリントの応用も盛んな傾向を示しています。市場調査会社Analysys Internationalによれば、世界の3Dプリント市場は2013年から2018年にかけて年平均45.7%の成長が見込まれている。このグラフから、中国市場における 3D プリントの生産額が 2018 年に 200 億元に達し、2016 年のほぼ 2 倍になることが容易にわかります。 2018年には、世界の3Dプリンティング生産額は162億米ドルに達し、2015年の3倍になります。まだ発展の初期段階にある市場としては、3D プリンティングは非常に好調に推移しています。新しい 3D 印刷技術分野の継続的な出現、生物学的 3D 印刷技術の飛躍的進歩、金属印刷技術の向上により、3D 印刷業界の規模と見通しは向上しています。したがって、3D プリント業界は活気があり、繁栄している業界であると言えます。

現在、3D プリンティングはどの業界で使用されていますか?金型製造、工業デザイン等の分野では、展示サンプル、外観部品、アートワーク等の模型印刷に利用されています。ジュエリー、履物、工業デザイン、建築、土木建設、自動車、航空宇宙、歯科および医療産業、教育、地理情報システム、土木工学、砲撃などの分野で使用されています。現在では、一部の製品の直接製造や大量生産に徐々に利用され始めています。 3D プリント技術の応用が成功したことにより、3D プリント技術の普及が大きく促進されました。

3Dプリント技術が初めて中国に導入されたのは大学キャンパスでした。教育業界と3Dプリント技術は最も深いつながりがあると言えます。教育分野における 3D プリント技術の応用上の利点も非常に明白です。
教師の観点から見ると、3D プリンターで印刷された教材は、生徒の知覚を広げ、触覚体験を強化し、通常の授業の欠点を補うことができます。同時に、教師は学習教材を抽象的なものから具体的なものへ、具体的なものから視覚的なものへ、視覚的な複雑さから認知的な単純さへと変換します。これにより、生徒の思考が強化され、より明確になり、論理的思考力と理解力が強化され、教師の指導改革が根本的に実現され、生徒の学習効率が倍増します。特に中学校の教師にとって、3Dプリンターの登場は、抽象的な知識を教える際に生徒の想像力が不足するという問題を解決します。例えば、肉眼では観察できない生物内の DNA 分子構造を、3D プリントを使用して表現することができます。

学生の観点から見ると、3D プリントの使用から得られるのは直接的な経験です。たとえば、モデリングソフトウェアを使用して 3 次元モデルを作成すると、設計の経験を積むことができます。これらの具体的な経験は、学習者の学習に対する直接的な洞察を提供します。 3Dプリント作品は、デモンストレーションや展示を通じて、学習者が「観察体験」を得られるよう支援し、学習プロセスへの学生の深い参加を実現し、学生の興味を高め、学生の自信を高め、学習成果を向上させます。 3D プリントは、抽象的な概念やデザインを現実世界に導入し、抽象的な概念や科学的プロセスを視覚化し、思考能力を向上させます。学生にとって、3D プリントは、直感的で効率的な物理モデルを使用して製品の設計コンセプトを表現し、学生の創造性をより正確に表現し、科学に対する学生の興味を刺激し、学生が 3 次元的に知識を習得して理解することを促進し、創造的思考を広げ、より良い学習成果を達成することができます。

初等教育においては、小学校から体系的な論理的思考力の訓練や空間感覚の涵養を始めるのが最も適切な時期です。論理的思考により、子どもたちは科学的な思考方法を使用して学習能力を最大限に高め、回り道を避け、自信を高めることができます。ほとんどの教師や親は、幼い頃から子供の脳の潜在能力を発達させることの重要性を理解しており、簡単な指導も行いますが、科学性や体系性が欠けていることが多く、実際には子供が正しい思考パターンを形成する重要な時期を遅らせてしまいます。 3D プリントはこれらの問題を解決できます。 3Dプリントに関する知識を普及させることで、学生はテクノロジーの魔法とその魅力を体験することができます。シンプルな 3D モデリングの指導により、ゼロからオブジェクトを構築する過程で、オブジェクトのコンポーネント、構造、構築順序について考えることができ、それによって生徒の論理的思考を訓練することができます。モデリングソフトウェアの使用を通じて、学生は3次元空間の概念を理解し、空間と方向の感覚を確立することができ、学生の基礎学習に役立ちます。最後に、絵画や労働スキルなどの実践的なコースと組み合わせて、学生の芸術的達成度と美的感覚を養うことができます。

中学校の授業では、数学、物理、化学などの科目は抽象的な概念が多く、生徒の想像力が欠けているため、教育効果が理想的でないことがよくあります。中学校の教育用ツールや機器は、通常、専門の教育機器製造組織によって製造されており、比較的ゆっくりと更新されます。また、マルチメディアコースウェアに表示される教育コンテンツモデルでは、生徒が教育機関に直接接触して観察することができません。 3D プリントにより、すべての教師がモデルを簡単に印刷し、教科書から抽出した 2 次元情報を具体的な 3 次元形式で提示し、教育内容の要件に合わせてカスタマイズされた教育モデルを設計できるようになります。同時に、3D プリントは、学校が特別な教育モデル、特に解剖学、材料の分子構造、文化遺産、史跡などの入手が難しいモデルを作成するのに役立ちます。科学者たちは、恐竜の骨の化石標本を3Dスキャナーでスキャンし、3Dプリンターで縮小モデルを作成した。これを基に、先史時代の環境における恐竜やその他の生物の運動原理の研究に役立つ、正常に動くモデルを作成した。

教育業界における 3D プリントの応用は徐々に拡大していますが、実際には教育業界における 3D プリント技術の応用にはまだいくつかの制限があります。 3D プリントは教育に応用されています。海外で提案された STEAM 教育コンセプトは、中国で広く賞賛されています。多くの人が海外の教育モデルをそのままコピーしました。多くの中国の学生は、海外の独立した自由な学習スタイルに慣れていません。教師にとって、教師は 3D プリント装置を使用して 3D プリント授業を行う方法を理解していません。学校の 3D プリント装置は、人気のある科学展示物になったり、教師が教材を印刷したりするために使用したりすることがよくあります。私たちは、3Dプリント技術の応用を通じて、学生の学習と実践スキルを向上させたいと考えています。これは美しい願いとなっています。教育はすべての家族を結びつけるもので、親は当然のことながら、生徒の学習状況を最も心配しています。課外授業や特別な技能の学習に学生を参加させるように手配することは、ほぼすべての中国の学生が直面する状況です。学生の放課後の時間は最小限に圧縮されているため、3Dプリント授業の実施は保護者の支持を得るのが難しい。

保護者からのサポート不足、生徒の適応不足、教師のスキル不足、教育モデルの不一致などが、3D プリント教育の進歩の障害となっています。中国の教育の実情に合わせて中国のSTEAM教育とメーカー教育を発展させ、現地の状況に適応させることによってのみ、3Dプリント教室の導入を真に推進することができるのです。それで私たちは何をすべきでしょうか?カリキュラム設計においては、学校ベースのカリキュラムに対応した知識ポイントを指導に合わせて設計します。

小学生向けの 3D プリントラボは、若い生徒の創造性と実践能力を刺激し、手と脳の協調性と空間想像力を養うことを目的としています。

中学校および高等専門学校の生徒の場合、カリキュラム設定により、科目の適用がより包括的になります。 3D プリンター機器の操作指導と 3D デザインコースの指導を組み合わせています。また、3Dプリントは国が重視する重要な最先端技術プロジェクトであり、今後数年間で企業に広く使用されるようになるが、最前線のオペレーターに大きなギャップがある。専門的な 3D モデリングコースとラボを持つことは、中等技術学校の入学者にとって宣伝のハイライトになります。

大学や科学研究機関にとって、3D プリント教室は教育の場であるだけでなく、科学研究の場でもあります。したがって、大学の 3D プリント実験室の構成はより包括的になり、機器の数と機器の機能の両方が他の 2 種類の 3D プリント実験室よりも優れています。日本の四国大学は、将来一般に公開される大規模な CAD 教室を建設するために、32 台の Dreamer 3D プリンターを購入しました。日本の東京工業大学もロボット設計に関連した3Dプリンティング研究室を設立しました。購入した機器は、Flashforge Technology の Dreamer 機器です。

他の分野と比較すると、医療分野における3Dプリント技術の応用はそれほど多くありません。専門家は、3D プリンティング業界への 7 億ドルの投資のうち、ヘルスケアが占める割合はわずか 1.6% であると推定しています。しかし、今後 10 年間でこの数字は 21% に増加するでしょう。最近の調査によると、ヘルスケア分野は大きな変革を迎えようとしていることが分かっています。市場調査会社MarketsandMarkets.comによると、2020年までに医療分野における3Dプリンティングは21億3,000万米ドルの生産価値を生み出すだろう。 3D プリントされたインプラント歯などの医療用物品は大きな成功を収めており、3D プリント技術の急速な発展により、業界では毎日 50,000 個を超えるカスタム歯列矯正ブラケットがプリントされています。医療業界は、3D プリント技術の応用に最適な業界となっています。

では、医療業界における 3D プリント技術の利点は何でしょうか?手術ガイドを作成し、病変の状態を修復し、医師が正確な判断を下し手術計画を立てるのを支援します。医師が診断を確定できず、患者が治療を求めて走り回るのに比べ、3Dプリント技術の支援を受けた治療はコストと時間コストを大幅に削減できます。 3D プリント技術は手術ガイドの製造に限定されません。医療機器、医薬品、歯列矯正、人体インプラント、整形手術にも応用できます。3D プリント臓器技術が飛躍的に進歩すれば、医療業界での応用範囲は想像を超えるものになるでしょう。

病院に行ったことがある人なら誰でもこの状況を知っているでしょう。患者が医師に体調不良の箇所を伝えると、医師は血液検査からCTスキャンまで一連の検査を指示することがよくあります。つまり、これらはすべて、医師が患者の状態をよりよく診察し、確認できるようにするためです。しかし、現実には、医師が患者のために一連の検査を手配した後でも、発疹がまだ確認できないのです。その理由は、いくつかの病状が非常に複雑であったり、病変が血管が密集した部分に現れたりして、医師が治療計画を立てるのが難しいからです。このとき、3D プリント技術の利点が反映されます。手術前に患者のCTやMRIデータをもとに3次元モデリングを行い、3Dプリンターで出力して医療用モデルを作成します。 3Dプリント医療モデルの主な機能は、医師が手術前に手術部位の3次元構造を直感的に確認できるようにし、手術計画を立てやすくすることです。特に複雑な手術の場合、手術のリスクを軽減し、手術の成功率を向上させるのに役立ちます。手術ガイドは、医師が手術を補助するための重要なツールです。3D プリント技術は、特殊な形状やカスタマイズされたガイドの製造に特に適しています。

整形外科手術から心臓手術、肝臓手術まで、ますます多くの手術で 3D プリントされた医療モデルが使用され始めています。例えば、北京清華長庚病院の初代執行長である董家紅教授は、同病院の肝胆膵外科チームを率いて、3Dプリント技術を使用して胆道がんの精密根治切除手術を10件成功させました。 3D技術を用いた胆道がんの精密根治切除は我が国では初めてのことです。手術前に手術計画を正確に策定するために、専門家は3Dプリント技術を考え出しました。 3Dプリントは、患者の肝臓、胆嚢、膵臓とそれに対応する病変を1:1の「実物」の形で医師に提示します。病変の範囲と隣接する臓器組織との3次元空間関係を正確に評価することで、専門家チームは手術計画を立てました。手術中、専門家はモデルを手術室に持ち込み、リアルタイムで比較します。3Dプリントモデルを調整し、最適な解剖学的位置に配置することで、主要な手術手順を直感的にリアルタイムでナビゲートし、重要な部分をすばやく特定して配置します。病変と血管を正確に特定することで、重要な血管の接続をリアルタイムでガイドし、手術の精度を向上させ、手術のリスクを効果的に軽減します。

3D プリントが矯正インソール、バイオニックハンド、補聴器などのリハビリテーションデバイスにもたらす真の価値は、精密なカスタマイズの実現だけでなく、手作業による生産を精密で効率的なデジタル製造技術に置き換え、生産サイクルを短縮できることです。すでに3Dプリントによる大量カスタマイズ生産を実現している補聴器シェル業界を例に挙げてみましょう。従来、技術者は患者の外耳道のモデルを使用して射出成形用の金型を作成する必要がありました。その後、紫外線を通してプラスチック製品が得られます。補聴器の最終的な形状は、プラスチック製品に音孔をあけ、手作業で加工することで得られます。このプロセス中にエラーが発生した場合は、モデルを作り直す必要があります。 3D プリンターを使用して補聴器を作成するプロセスは、3D スキャナーを使用して患者の外耳道のシリコン型または印象を設計することから始まります。スキャンされたデータは、CAD ソフトウェアを使用して 3D プリンターで読み取ることができる設計ファイルに変換されます。デザイナーはソフトウェアを通じて 3D 画像を修正し、最終的な製品の形状を作成できます。 EnvisionTec プリンターは、約 60 ～ 90 分で 65 個の補聴器シェルまたは 47 個の補聴器モデルを印刷できます。さらに、3Dプリントされたリハビリテーション機器は、リハビリテーション機器のコストも大幅に削減できます。現在、義肢の市場価格は数千円から数万円の範囲で推移しており、カスタマイズしたリハビリ用義肢はさらに高価です。 3Dプリント義肢のコストはわずか数百元で、パーソナライズされたカスタマイズによりユーザーのニーズをよりよく満たすことができます。 3D プリント技術はカスタマイズされた価値の製造コストを削減できます。

△左手を失った米国の7歳の女の子が最近、画期的な3Dプリント義手を受け取った。費用はわずか50ドル（約310元）

骨腫瘍や交通事故などによる骨欠損、顎顔面損傷、頭蓋骨修復などは一般的な修復製品では治療できず、3Dプリント製品は効果的な解決策を提供します。特に、これらのプリント義肢は患者自身の特性に合わせて調整されます。しかし、「テーラーメイド」という 4 つの単語は、インプラント製造分野における 3D プリント技術の重要性の 1 つを要約しているにすぎません。この分野における 3D 印刷技術のもう一つの重要性は、インプラントと統合されたバイオニック骨梁微細孔構造を印刷できるため、人間の骨の成長を促進できることです。この重要性は、3D プリントされた標準化されたインプラントにも存在します。従来、骨梁構造はインプラント表面をコーティングすることで実現されていましたが、これでは人工関節の長期生存率を保証することができませんでした。 2015年、北京大学第三病院整形外科の劉忠軍教授のチームは、脊椎腫瘍の治療後の安定性を回復するための脊椎手術インプラントとして、3Dプリントされたカスタマイズされた人工軸椎を世界で初めて応用しました。

現在の 3D バイオプリント臓器は機能的および構造的にまだ完全には整っていませんが、薬物スクリーニング検査や病気の研究において役割を果たし始めています。一般的な薬物スクリーニング技術の臨床転換率は低く、最も適した薬物試験対象は実は人体です。しかし、このアプローチは現実的ではありません。第一に、人間は初期の薬物スクリーニング作業を行うことができず、第二に、患者は個人によって大きく異なり、複雑な身体構造を持っているからです。ヒト細胞を使って体外で組織を構築し、その後薬剤をスクリーニングすることは、人体を置き換える効果的な方法です。例えば、杭州ジーンビジョン社が量産可能な3Dプリント肝臓ユニットは、メルク製薬社によって薬物毒性試験に使用されています。肝臓は薬物の毒性を司る重要な臓器であり、人工肝臓の需要は大きい。成人の肝臓は、肝臓の構造と機能の基本単位である肝小葉と呼ばれるユニットが50万～100万個集まって構成されています。肝小葉の構造を模倣して肝臓ユニットを作製することが、人工肝臓作製の重要なステップです。組織を3Dプリントし、ヒト細胞で病理モデルを構築することで、化学薬品や生物薬品の人体における薬理活性を正確に反映することができ、薬物スクリーニングの成功率が向上します。 3D バイオプリンティングの理想的な目標は、移植可能な複雑な人間の臓器を印刷することです。科学者たちは現在、この目標に向けて取り組んでいます。これらには、臨床応用に近い軟骨細胞を使用して 3D プリントされた耳軟骨、実験段階にある 3D プリントされた血管、科学研究用の生物学的脳組織、薬物試験用の人工組織または臓器が含まれます。

歯の修復と治療にかかるコストは、歯科医院や技工所が考慮しなければならない重要な要素です。多くの先進的な歯科医院や技工所は、効率性を高めてコストを削減するためにデジタル口腔技術を導入しています。近年、ソフトウェア設計による歯科修復が普及し、多くの歯科医院、歯科技工所、または専門の義歯メーカーが 3D プリント技術を導入しています。 3D プリントと組み合わせたデジタル歯科技術により、標準化された生産チェーンと一致する高精度、低コスト、高効率の歯科データが歯科業界にもたらされました。 3Dサイエンスバレーは、3Dプリントを含むデジタル歯科技術のより重要な意義は、医師が模型や義歯、その他の歯科製品を手作業で作るのにかかる時間を削減し、口腔疾患の診断や口腔外科手術そのものに集中できるようになることだと考えています。歯科技工士は、医師の診療室から遠く離れていても、患者の口腔データを入手できれば、医師の要求に応じて正確な歯科製品をカスタマイズすることができます。

技術が成熟し、市場での受け入れが増えるにつれて、医療業界における 3D プリント技術の応用には、より高い精度だけでなく、生産時間の短縮とコストの削減も必要になります。同時に、業界のアプリケーション標準も加速的に導入されます。工業化された生産がトレンドになるでしょう。

では、建設業界での応用状況はどうでしょうか? 3Dプリント技術は強力なパーソナライゼーション性能を備えており、従来の技術と比較して、製品の複雑さに影響を受けないという最大の利点があります。非常に複雑な自由形状製品を製造する場合、3D プリント技術のコストは従来の製造技術よりも大幅に低くなります。したがって、3D プリント技術は、前述のメビウスの帯の建物の製造に独自の利点をもたらします。建物製作にかかる時間も大幅に短縮されます。 3Dプリントに使われる材料は、地元で入手できる砂や砂利、セメント、ガラス繊維などであることが多く、コストが削減されています。

現在、建設業界は主に建物の装飾、建物の模型、そして物理的な住宅建設という3つの側面に重点を置く必要があります。現在、3Dプリントは建築装飾の分野で比較的成熟しており、ウォーターキューブ、上海万博ホール、国家大劇場など、数百の建設プロジェクトにパーソナライズされた装飾部品がうまく適用されています。建設業界では、設計者は 3D プリンターを使用して建築モデルを印刷します。これは、高速で低コスト、環境に優しく、優れた方法です。 3D プリントモデルは、建築のアイデアを障壁なく視覚化し、伝えるための最良の方法です。デザイナーの要件を完全に満たし、多くの材料と時間を節約します。 3D プリントされた建物は非常に迅速に建設でき、別荘はわずか数日で完成します。

写真は上海での使用のために納品された 3D プリント住宅の最初のバッチを示しています。

3D プリント住宅には大きな利点があるものの、宣伝するのはまだ難しいです。その理由は、家のフルサイズ印刷では、機器のサイズに対する要件が高く、製造がより困難で、印刷精度が低いためです。写真はメビウスの輪を製造している会社、D-Shape です。大規模な建築用3Dプリンターを製造しています。しかし、印刷精度も非常に低いです。機械が大きくなればなるほど、製造が難しくなると言えます。さらに重要なのは、機械が大きくなるほど、印刷精度と印刷速度が悪くなることです。そこで、セグメント化されたアセンブリ印刷を試みる人も現れました。建物はモジュール化されており、各部品は共有倉庫で印刷され、UI後に現場で組み立てられます。メリットは住宅サイズの制限を解消できることですが、デメリットは現場での組み立て作業に手間がかかり、コストが増加することです。将来的には、分割印刷や複数の小型デバイスの同時操作が、ハウスプリントサイズの制限に対する良い解決策となるでしょう。

さらに、3Dプリント建築物の素材も注目されています。ガラス繊維と接着剤を混ぜたセメント、コンクリート、砂利で印刷すると、強度要件を満たすことができません。人々は低コストで高強度の材料を見つけることに熱心です。建築材料の研究は、3D プリント建設業界への入り口となるでしょう。

3D プリンティングは現在、小ロット、小型、高精度、複雑な形状の部品やコンポーネントの加工と製造に適しています。ジュエリーは、「小ロット」、「小型」、「高精度」、「複雑な形状」という特徴を備えています。それでは、ジュエリー業界における 3D プリントの応用についてお話ししましょう。

マッキンゼーの最近のレポート「多面的な未来：2020年のジュエリー業界」によると、現在、オンラインでのジュエリー販売は市場全体の4～5％を占めるに過ぎないが、2020年までにオンラインで販売される高級ジュエリーの割合は10％に達し、ファッションアクセサリーの売上も15％に達すると予想されている。コスト削減に基づくパーソナライズされたオンラインカスタマイズに 3D プリント技術を使用することは、ジュエリー業界の将来の発展における重要なトレンドの 1 つになると考えられます。

3Dプリント技術はますます成熟し、これまで常に高級志向を保ってきたジュエリーのカスタマイズが、より現実的なものになっています。同時に、3D プリントは、過度に複雑な設計のために設計意図を迅速かつ正確に表現することが難しい多くの製造上の問題も解決しました。
この一連のステップを経て、3D プリントされたジュエリーが完成します。 3Dプリント技術は、職人が実現できない複雑な線やくり抜きなどの「ハードな欠陥」を補います。石膏やワックスの模型はすべて、プログラムを設定するだけで機械的に操作できます。コンピューターの設定により、最も複雑で多様な形状でも高精度に印刷できます。

広告業界での応用は、主に発光フォントや看板の製作です。従来の発光フォントの生産は非常に複雑です。文字セットの設計、切断、曲げ、溝入れ、溶接、研磨、塗装には多くのプロセスと人手が必要です。1 つのプロセスで問題が発生すると、その後のすべてのプロセスに直接影響する可能性があります。これが、組立ライン生産の欠点です。そのため、多くの企業は、より便利で迅速な方法で高品質の発光文字製品を生産したいと考えています。 3D プリント技術は、この問題を解決するための新しいアイデアを提供します。 3Dプリントで制作した樹脂タイプの発光文字は美しく、制作も簡単で、手間もほとんどかかりません。 3Dプリントされたフレームは完全に統合され、精密技術によるシームレスな溶接よりも精巧になり、曲げは手作りのものよりも標準化されます。簡単なトレーニングを受けるだけで始めることができ、必要なのはランプを接着してベニヤを張るだけです。発光文字の 3D プリントは、廃棄物を出さず、手動による監視も必要としない付加製造プロセスです。労力と原材料費を大幅に節約できます。 120mmの普通漢字シェルの印刷コストは2元を超えず、これは元の操作方法の約2/3であり、生産コストを削減し、利益を増加させます。最も重要なことは、彫刻、切断、溶接、研磨、塗装などの伝統的な職人技により、必然的に粉塵や騒音公害が発生するということです。 3D発光文字は、グリーンで環境に優しいワイヤー材料を使用し、エネルギー消費量が少なく、無音、無臭、無塵、排出ガスゼロで、真に環境に優しい生産と超低エネルギー消費を実現します。

広告業界における 3D プリント技術の応用は、機器の要件を満たす必要があるだけでなく、周囲のサポート施設やサービスに対する新たな要件も提示します。従来の 3D 印刷モードでは、大きなサイズの発光文字を印刷するのに長い時間がかかり、生産時間を効果的に短縮して印刷速度を上げることができません。そのため、FlashForge は自社開発のスライスソフトウェア FLASHPRINT に対応するアップグレードと最適化を行い、印刷時間を大幅に短縮しました。
従来の広告業界で使用されているモデリングソフトウェアは、迅速なフォント制作の要件を満たすことができません。そのため、FlashForge は広告業界に合わせたデザイン変換ソリューションも開発し、お客様がワンステップ変換を実現し、操作プロセスを簡素化し、使いやすさと実用性を高められるようにしています。

3D プリンティング業界は日々変化しており、業界規模も拡大していますが、まだ新興産業であり、その発展には社会のあらゆる分野の支援と努力が必要です。より多くの業界エリートが細分化された業界で3Dプリントアプリケーションの研究開発に投資し、3Dプリント技術を効果的に活用して業界に新しい製造モデルとアイデアをもたらし、楽しい3Dライフを共同で創造することが期待されます。この記事は浙江フラッシュフォージテクノロジーが南極熊に寄稿したものです。

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