3D プリンティング 40 年後: ニッチな技術から大量応用まで、どのくらいの距離があるのでしょうか? | 馮瑞レポート

3D プリンティング 40 年後: ニッチな技術から大量応用まで、どのくらいの距離があるのでしょうか? | 馮瑞レポート
出典: フリーズキャピタル

10年以上前、3Dプリンティングは本格的に普及していました。 2012年、『タイム』誌は3Dプリント業界を「米国で最も急成長している10の業界」の1つに挙げました。同年、中国3Dプリント技術産業連盟が正式に設立され、多くの場所に3Dプリント産業団地が建設されました。ドイツは2013年に製造業のインテリジェンスレベルの向上を目指すインダストリー4.0開発戦略を提案しており、3Dプリンティングは4.0戦略の重要な部分を占めています。

3D プリンティングは世間の注目から消えていった後も、その発展は止まっていません。

2019年、GEアビエーションは3Dプリント部品を使用した世界初のターボプロップエンジンを開発しました。 2022年には、生物学的3Dプリンターが心筋組織と毛細血管を生産しました。 2023年、Meta（旧Facebook）は最新バージョンのOpenAI人工知能を搭載した3Dプリントロボットの開発を発表しました。

今月、中国の研究チームは幹細胞分離、工場培養、組織構築技術を利用して、大型のニベの組織を模倣した魚の切り身を培養した。

過去数十年間で 3D プリンティングはどのように発展してきましたか?現在、どのような分野で導入されていますか？今後どのような展開があるのか​​？このレポートでは、3D プリンティングに焦点を当て、以下の問題について検討します。

●3D プリントは最新の AIGC テクノロジーとどのように融合するのでしょうか?
●3D プリントが最初に航空宇宙と歯科の分野に登場したのはなぜですか?
●バイオテクノロジーと3Dプリンティングを組み合わせることで、どんなひらめきが生まれるのでしょうか？
●ハイブリッド処理が 3D プリンティングの未来である理由は何ですか?
●3Dプリントのメリットとデメリットは何ですか？

新しい視点をもたらすことができれば幸いです。 3D プリンティングに興味がある方、または最先端技術分野でビジネスを始めたい方は、この記事の著者である Frees Capital 副社長 Yan Qianhang ([email protected]) までお問い合わせください。


/ 01 /
3DプリントでAIの手が生まれる

3D プリントは、「少量の砂から塔を建てる」と理解できます。 3D プリンティングは、積層造形とも呼ばれ、デジタル モデル ファイルを基に、粉末金属、プラスチック、その他の材料を層ごとに積み重ねて印刷し、最終的に 3 次元オブジェクトを形成する製造方法です。

0 次元の点、1 次元の線、2 次元の面など、いずれの場合でも、最終的には集合して 3 次元のエンティティを形成できます。


日常生活と同じように、子どもたちは砂でお城を建てたり、積み木で好きな形を作ったりします。砂は0次元の点として考えることができます。砂は継続的に蓄積され、積み重ねられると3次元の状態になります。

3D プリントの出発点はデジタル モデルであり、終点は実際の物理的な実体です。したがって、3D プリントは、幾何学モデルを実際のオブジェクトにリアルにマッピングすることと同等です。 3D プリントは、現在人気の大型モデルに非常に適しています。大型モデルを通して設計モデルを出力し、3D プリンターを使用してオブジェクトを製造することができます。

AIGC や大型モデルが AI にとっての絵筆のようなものだとすれば、3D プリント技術は現実世界で何もないところから物体を作り出すことができる手のようなものです。

2022年12月、OpenAIはわずか数秒でテキストから3Dアセットを生成できるPoint-Eモデルをリリースしました。

2023年5月、OpenAIはより高品質のモデルを生成できるアップグレードモデル「Shap-E」を再度リリースしました。 3D プリント技術により、AI によって迅速に生成されたこれらの 3D アセットは、物理世界の実際のモデルに自動的に変換できます。

▲OpenAIが公開したアップグレードモデル「Shap-E」で生成された3Dアセット。画像ソース: github
Meta（旧Facebook）も2023年に最新バージョンのOpenAI人工知能を搭載した3Dプリントロボットを開発したと発表した。

▲画像出典：3dnatives.com
3Dプリンティングに関しては、近年の議論は過去30年間の製造や材料科学の観点から徐々に全く新しい分野へと移行しています。 3D プリントの分野における人工知能の急速な応用は、3D モデルの従来の作成方法に挑戦しています。従来の生産方法は、主にデザイナーやエンジニアの専門的な能力に依存しています。

AIGC および AI 3D スキャンおよび再構築アプリケーションを使用すると、初心者ユーザーでも簡単に独自の 3D モデル アセットを大量に作成できます。

ChatGPT のような論理機能を備えた大規模言語モデルの急速な台頭により、単純な言語対話を通じて 3D プリントを実現する可能性が見えてきました。従来の複雑な 3D 印刷プロセス プログラミングにおいても、大規模な言語モデルは大きな可能性を示しています。将来的には、この種の大規模言語モデルは、3D プリントを行う際にユーザーにとって信頼できる「マスター」になる可能性があります。

人工知能と 3D プリントは人々の未来への想像力を広げました。しかし、他の分野の新技術に頼る場合と比較すると、3D プリントが現在直面している、機械特性の限界や表面精度の不十分さといった中核的なプロセス問題は、依然として 3D プリント技術自体で解決する必要があります。

これらの課題は、技術革新の新たな機会をもたらします。起業の観点から見ても、投資の観点から見ても、3D プリントのプロセスとアプリケーションの現在の限界を解決できる新しいテクノロジーを獲得することが成功への鍵となるかもしれません。

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3D プリントの背後にある産業哲学:
減算と加算

現代の 3D プリント技術はどこから来たのでしょうか?

▲画像出典：scitechdaily
日本の名古屋工業技術研究所の児玉秀夫氏は、感光性ポリマーの容器を使用して 3D モデルの積層造形を行う方法を発明しました。

1980年5月、久田秀夫氏はこの技術に関する最初の特許を申請しました。

1983年、アメリカ人のチャック・ハルは、レーザーを使用して感光性樹脂の成形を触媒し、3Dプリント部品を製造するSLA印刷技術（Stereo Lithography Appearance、光硬化技術）の発明に成功しました。

1986 年、Chuck Hull は SLA テクノロジーに基づく 3D システムズ社を設立しました。

同社は1987年に世界初の商用3Dプリントシステムを発売した。

その後20年間にわたり、さまざまな新しい3Dプリント技術（FDM、SLM、CLIPなど）が登場し続け、プリントの基本材料も感光性樹脂から金属粉末、バイオインク、コンクリートなどへと拡大しました。
3D プリント技術がまだ普及していなかった 2003 年の早い時期に、インビジブル ブラケットではすでに 3D プリント技術を使用して歯の模型が作成されていました。目に見えない歯列矯正の分野は、商品の大量生産を実現するために 3D プリント技術を採用した最も初期の民間サブセクターの 1 つであると言えます。 3D プリンターが最初に歯科分野で広く使用されるようになった理由について、以下で詳しく説明します。

2008年、初めて人々が3Dプリントされた義肢（膝、足、関節など）を装着して街を歩きました。

3D Systems は 2012 年に、箱から出してすぐに使用できる世界初の 3D プリンターである Cube を発売しました。

▲キューブプリンターと印刷物。画像出典: Amazon
2008年にFDM、2013年にSLAの主要特許が失効したことで、関連技術は徐々にオープンソース化され、消費者向け3Dプリント市場には多くの新規参入者が参入し、初めて3Dプリントがサークルから抜け出して一般公開されました。

ハードウェアの面では、2014年以降、消費者向け3Dプリンターの人気が急上昇しています。3D Systemsや3D Printersなどの企業は、よりコスト効率が高く、ユーザーフレンドリーな製品を発売しています。人々は、3Dプリント技術があらゆる職業や家庭に浸透する未来を待ち望み始めています。

破壊的な製造技術革命が起こりつつあります。人工知能がもたらすインテリジェンスとハードウェアの継続的な進歩により、3D プリント技術の爆発的な進歩はすぐそこまで来ているように思えます。

それからほぼ10年経った今でも、3Dプリントは依然として希少な商品であり、業界の特定のニッチな分野や海外のマニアのスタジオでしか見られないものでした。

3D プリントの品質、材料、ユーザー エクスペリエンス、限られたアプリケーション シナリオについては常に論争がありましたが、これが 3D プリント技術の発展を妨げることはありませんでした。歯科と航空宇宙の分野では、新しい 3D プリント技術により、業界のコストが着実に削減され、効率が向上しています。

上で述べたように、3D プリントの別名の 1 つは付加製造です。工業製造の分野には、2 つの主要な製造アイデアがあります。1 つは減算型製造、もう 1 つは加法型製造です。


減算的製造業は産業革命から始まりました。電車、船、モーター、自動車などの伝統的な機械製品はすべて、減算型製造の製品です。減算的製造では、さまざまな方法で原材料を切断したり除去したりして、部品やツールを作成します。このプロセス中に、材料が失われます。たとえば、現代の金属製造業では、旋削、フライス加工、平削り、研削、穴あけなどの切削工程が減算的製造技術として使用されています。

3D プリントのプロセスでは、材料が継続的に追加され、形成されます。これは、減算型製造プロセスと正反対であるため、付加製造と呼ばれます。

本質的に、減算型と加法型の最も基本的な違いは、減算型の材料と成形プロセスが分離されているのに対し、加法型の材料と成形プロセスが結合されていることです。カップリングとデカップリングは、システム エンジニアリングでよく使用される概念です。

結合とは、さまざまな部分間の接続の度合いとして理解できます。結合度の高いシステムでは、さまざまな部分間の依存関係が強くなります。低結合システムでは、各部分は互いに独立しています。デカップリングとは、結合度の高いシステムを結合度の低いシステムに変更することを意味します。

減算的アプローチで物体を生産する場合、どのような鍛造方法や加工技術を使用しても、元の材料から形成された物体まで、元の材料の機械的特性と強度がほぼ維持されます。

例えば、減速機を製造する場合、ギア鋼から鍛造されたギアブランクを材料として使用し、これを切断して最終製品を得ます。最終的には、ギアの材料の機械的特性は主にブランクによって決まります。

付加製造は結合プロセスであり、物体の最終的な機械的特性と微細構造は成形プロセスと密接に関連しています。整形外科用インプラント材料は、非常に典型的な例です。インプラント材料の多孔度を変えることで、インプラント材料の強度を調整し、さまざまな種類の人体組織に適したものにします。これは通常の金属材料加工技術では実現が困難です。

具体的には、2 つのツール製造のアイデアにはそれぞれ長所と短所があります。

減法印刷の利点は、大量生産に適していること、成形精度が高く表面品質が優れていること、減法印刷技術が成熟しており敷居が低いこと、減法技術を使用して印刷された製品は仕上がりの機械的特性が優れていることです。

減算加工の欠点は、複雑な部品や小型部品の加工が難しいことです。第二に、減算技術を使用する場合、材料利用率は比較的低くなります。例えば、航空機製造の分野では、航空機のミッドフレームを例にとると、150kgの成形部品を作るのに約3トンのブランク材が必要になります。

▲画像出典：NCミリタリービジネスセンター
付加製造は小ロット生産に適しており、加工性に優れ、非常に複雑な幾何学的構造を生産できます。付加製造は利用率が高く、製造プロセスがシンプルです。

例えば、歯列矯正の分野では、歯の模型や人工冠、歯のベニアなどの製作において、従来の方法だと製作サイクルに6～7日かかることが多いのですが、3Dプリントを活用すれば製作時間は数十分程度に短縮されます。

しかし、積層造形には欠点も明らかです。加工した物体の機械的強度が制限される可能性があり、全体的な品質は減算技術を使用して作られた製品ほど良くない可能性があります。例えば、一般的な航空機エンジンブレードに相当する金属材料は、3D プリントを使用して製造することが困難です。エンジンは過酷な高温作業環境で動作し、エンジンの性能要件を満たすには、サブトラクティブ成形用の単結晶チタン合金などの非常に特殊な金属材料が必要です。

加法プロセスと減法プロセスの背後にある基本的なロジックを理解することで、3D プリントにまだ欠陥がある理由と、3D プリントが現在は一部の業界でしか使用できず、より広範囲に使用できない理由をより明確に理解できます。

/ 03 /
3Dプリントのプロセス

3Dプリントの開発の歴史を理解したところで、3Dプリントの具体的なプロセスに焦点を当ててみましょう。

従来の製造プロセスと比較して、3D プリント プロセスは複雑ではなく、モデル設計、処理計画、印刷、後処理という 4 つの主要なステップで構成されます。これらの手順により、3D プリントはデジタルの世界を実際の物理世界にマッピングします。

▍モデル設計

モデル設計段階では、3D プリントは主にジェネレーティブ デザインの技術を使用します。

ジェネレーティブデザインはトポロジー最適化技術をベースとしており、軽量化や放熱性能の向上など、与えられた設計目標のもと、要件を満たしながらも複雑な構造を持つ設計を直接生成します。このような複雑な構造は、従来の削り出し製造プロセスでは実現が難しく、内部を空洞にしながらも強度を保つ構造を作ることは困難です。現在では、これらの問題は 3D プリントによって解決できます。

市場にはすでに、3D プリントや工業デザイン ソフトウェアに注力しているスタートアップ企業が存在します。例えば、Fengrui は、新世代のインテリジェント設計トポロジー最適化 SaaS プラットフォームを独自に開発する中国で数少ない企業の 1 つである Enterprise Youjie Future に投資しています。

▍処理計画

処理計画段階では、3D プリント モデルを段階的に「スライス」し、処理ステップを分解して、印刷軌道計画を生成する必要があります。さらに、3D プリント モデル用のサポート構造を設計する必要があります。印刷プロセス中は、オブジェクトが安定性を維持するために何らかのサポートを必要とします。

▍印刷

処理計画が完了したら、一連の処理コードをプリンターに送信する必要があります。印刷技術には、選択的レーザー焼結法、選択的レーザー溶融法、ステレオリソグラフィー法など、さまざまな種類があります (詳細は下の図を参照)。


▲3Dプリント関連技術。画像ソース: Yiduデータ▍後処理

印刷は終わりを意味するものではなく、サポート構造の除去、着色、仕上げ、研磨などの非常に複雑な後処理も含まれます。後処理工程は主に、3Dプリント自体の欠点を補い、成形品の精度や表面品質を向上させることを目的としています。

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3Dプリントの利点


▍幾何学的複雑さ
3D プリントにより製造の柔軟性が向上し、高度にパーソナライズされたカスタマイズが可能になります。複雑な構造を持つデザインも 3D プリントで実現できます。

▍材料の複雑さ 3D テクノロジーを使用すると、多孔質構造や複数の材料でできた構造を印刷できるため、オブジェクトの強度や機能性などをさまざまなレベルで変化させることができます。

▍階層的複雑さ 従来の処理技術では、マルチスケールのクロス処理を実現することが困難です。 3D プリント技術の範囲は非常に広く、同じ技術原理を使用してミクロからマクロまでの製造をカバーできます。
マイクロ製造規模では、2016年に科学者が3Dプリントの分野で2光子直接書き込み技術を使用して、世界最小の胃腸検査用内視鏡を開発しました。

▲画像出典：マクロ製造規模の格武哲。2020年、河北理工大学のチームが長さ28メートルの「趙州橋」の新バージョンを印刷した。

▲河北理工大学が3Dプリントした趙州大橋の全景。画像出典：河北日報 ▍機能の複雑さ 産業分野では、複雑な構造では各部品を個別に加工してから組み立てる必要があります。複雑な部品の統合は、産業分野で 3D プリントの需要が最も大きい分野です。

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3Dプリントの欠点

3D プリンティングが特定の分野に適用できない現在の欠点は何ですか?あるいは、適用したとしても、欠陥を補うためにコストが増加するのでしょうか?

まず、機械的特性には限界があります。

▲画像出典：3Dプリント技術参考
3Dプリントでは、材料の表面や内部に未溶融粉末、微小亀裂、気孔などの欠陥が生じる可能性があり、強度、耐摩耗性、耐疲労性などの部品の機械的特性は、減算製造部品ほど良好ではありません。成形品の性能を確保するためには、高価な原材料とより保守的なプロセス設計を使用する必要があり、最終的にはコストと時間が増加します。

第二に、表面精度が不十分です。

旋削、フライス加工、研削などの減算技術を使用すると、対象物の表面精度が高くなります。 3D プリントを使用する場合、後処理で研削または化学研磨を続けるしか選択肢はありません。しかし、これらの後続のプロセスによりコストが増加します。

▲左の写真は3Dプリントで直接造形したもの、右の写真は後加工を施した物です。画像ソース: 3D 印刷技術リファレンス 限られた機械的能力と不十分な表面精度は、他の分野での 3D 印刷技術の応用を制限する 2 つの大きな欠点です。 3D プリンティングをより多くの分野に適用するには、これらの欠点を改善するか、後続のプロセスの効率を改善する必要があります。

/ 06 /
3Dプリントの理由
航空宇宙と歯科で最初に実装されましたか?

現在、3D プリント技術は、ヘルスケア、航空宇宙、自動車、スポーツ用品などの分野で活用されています。 3D プリント技術は、特に航空宇宙や歯科の分野で広く使用されています。これら 2 つは典型的な高付加価値、高単価産業です。3D プリント技術は、これら 2 つの産業の製品成形の効率を向上させるのに役立ちます。

▍航空宇宙

20 世紀以降、ほぼ最新かつ最高の製造技術が初めて航空宇宙分野で使用されてきました。
たとえば、50年前のCNC技術（コンピュータ数値制御）や、今日の3Dプリント技術などです。

なぜ航空宇宙部門は新しいテクノロジーに適しているのでしょうか?

航空宇宙産業は、高付加価値、高単価、小ロット、高反復、マルチ SKU の典型的な産業です。部品 1 個のコストは数十万から数百万にも達することがあります。軽量、複雑な構造の一度限りの成形、材料の節約、柔軟な検証と反復といった航空宇宙産業の製造ニーズは、3D プリントの特性と非常に一致しています。

「ハンマー」と「釘」は完璧に一致しており、航空宇宙は産業界において3Dプリントが最も広く使用されている分野であると言えます。

たとえば、2019年にGE Aviationは3Dプリント部品を使用した世界初のターボプロップエンジンを開発しました。

エンジンのミッドフレームアセンブリは、もともと 300 個を超える個別の部品から組み立てられていました。 General Aviation は、構造の最適化を通じて、中間フレーム アセンブリを単一部品構造に変換し、3D プリントの助けを借りて一体成形を実現しました。 3D プロセスにより、中間フレーム コンポーネントが軽量化されるだけでなく、製造コストも削減されます。

▲ターボプロップエンジンのミドルフレームアセンブリは、従来の300個の部品から1個に最適化されました。画像出典: 3Dprint.com
さらに、アメリカ航空宇宙局（NASA）は3Dプリント技術を使用してロケットエンジンのノズルを製造し、2014年に点火とテストに成功しました。

NASAのエンジニアは、「従来の製造方法を使用すると、163個の個別の部品を製造して組み立てる必要がありますが、3Dプリントでは2つの部品しか必要ないため、時間と費用を節約できるだけでなく、ロケットエンジンの性能が向上し、故障の可能性も減ります」と述べています。

▍歯科

3D プリントは航空宇宙分野だけでなく、歯科分野でも広く使用されています。

歯科分野のニーズは非常に個別的であり、特に歯列矯正の過程では歯が各段階で変化するため、カスタマイズされた段階的な技術的ソリューションが必要になります。現在、歯科矯正の分野では、ワイヤー矯正器具は徐々に人々の目から消え、目に見えない矯正器具に取って代わられつつあります。

目に見えない矯正器具の技術は、歯科、コンピューターサイエンス、生体力学、3D プリント、材料科学など、複数の分野の知識を必要とする典型的な学際的技術です。目に見えない矯正器具を作るには、多くのステップで 3D プリント技術が必要です。たとえば、歯科医が歯列矯正計画を設計する場合、3D ダイナミック設計ソフトウェアを使用する必要があります。歯科模型を作るには3Dプリンターも必要です。

▲画像出典：Chuangxiang 3D 従来の歯列矯正用歯型の製作には、複数回の型取り、製作、調整が必要であり、ある程度の精度誤差が生じます。 3D プリント技術は、デジタルモデリングを通じてモデルエラーを減らし、より正確な歯のモデルを作成できます。

3D プリントされた物体には機械的特性が限られていることを上で述べました。なぜこの技術は歯科や航空宇宙の分野で今でも広く使用されているのでしょうか?

3Dプリントされた歯の模型は患者に直接使用されるのではなく、歯科医が矯正器具を作るのを助けるための歯の模型を作るためにのみ使用されます。ほとんどの矯正器具はポリマー材料で作られており、歯の模型に押し付けられて成形されます。3D プリントは移行期間中のニーズのみを解決します。しかし、現在では、より高度な 3D プリント技術を使用して矯正器具を製造している機関がいくつかあります。

航空宇宙分野でも同様です。通常、極めて高い精度が求められるデバイスでは、3D プリント材料は使用されません。多くのロケットも使い捨てです。

/ 07 /
バイオ3Dプリンティング、
人間の想像を超えた技術

3Dプリンティングは、航空宇宙や歯科の分野に加え、今後は生物学的3Dプリンティングでもさらに広く利用されることが期待されています。バイオ 3D プリンティングとは、生きた細胞を含む混合物をベース材料として使用し、生きた組織や臓器を印刷することを指します。
生物学分野における 3D プリントの応用は、ほとんどが探索段階にあります。浙江大学の何勇氏などの学者のまとめによると、生物学的 3D プリンティングは、おおまかに 4 つのレベルに分けられます。

最初のレベルは、現在手術経路計画に広く使用されている 3D プリントなどの生体適合性の要件のない構造を製造することです。

第 2 レベルは、チタン合金関節や欠損修復用のシリコン人工関節など、生体適合性が求められる製品や非分解性製品を製造することです。

3 番目のレベルは、活性セラミック骨や分解性血管ステントなどの生体適合性および分解性製品を製造することです。

第 4 レベルは狭義の生物学的 3D プリンティングであり、薬物スクリーニングやメカニズム研究のために細胞モデル、肝臓ユニット、皮膚、血管などを印刷するなど、生きた細胞を操作してバイオニック 3 次元組織を構築します。

現在、生物学の分野では、オルガノイドは生体内の微小環境をシミュレートするための最良の技術の 1 つとして知られています。オルガノイドは、特定の培養条件下で一次組織、胚性幹細胞、または人工多能性幹細胞を使用して体外で生成される微小臓器です。

人々は肝臓、膵臓、胃、心臓、腎臓、さらには乳房など、さまざまなオルガノイドを作成してきました。オルガノイドは、がん研究、薬物スクリーニング、精密医療に使用されています。しかし、これは、直接培養された微小組織の小片における生体内微小環境をシミュレートするだけであり、より大規模なシミュレーションにはまだまだ遠い。

3D プリント技術を使って心臓や肝臓を直接印刷できれば、薬のテストや医薬品開発の支援にも活用できます。 2016年、3Dバイオプリンティング企業であるOrganovoは、ロシュ・ファーマシューティカルズと共同で薬物検査を実施し、その結果、3Dプリントされた肝臓組織を使用して複数の薬物の毒性レベルを区別できることが示されました。

小さなオルガノイドと比較すると、これらのバイオニック臓器は、より大規模に生物組織を複製し、生体内環境のより豊富なシミュレーションフィードバックを提供します。

▲研究室では、改良された6軸ロボットを使用して血管や心筋組織を印刷しています。画像出典: バイオアクティブマテリアル
「バイオアクティブマテリアルズ」に掲載された研究によると、2022年に研究室が6軸ロボットを生物学的3Dプリンターに改造し、心筋組織を印刷したという。この心筋組織にも毛細血管があり、体外でも6か月間拍動を続けます。

2022年にはこのような印刷能力を持つ研究室が存在するため、将来的には3Dプリントされた生体臓器が薬物検査にさらに広く利用されるようになるかもしれません。

もちろん、3D プリンティングは医薬品開発だけでなく、生物学分野全体に利益をもたらし、バイオテクノロジーの研究開発にフィードバックされる可能性があります。

2019年、Micromachines誌は、研究者らが生物学的3D技術を改良することで感覚ニューロンを印刷したとする研究を発表しました。感覚ニューロンは末梢神経系の重要な構成要素です。将来、より多くの種類の神経細胞の印刷に成功すれば、研究者は脳科学技術の効果をより直感的に観察できるようになり、より正確な脳科学治療技術を開発できるだろう。

/ 08 /
3Dプリント技術の未来 - ハイブリッド処理

今日まで、3D プリントの応用分野は十分に広まっていません。

3D テクノロジーでは大規模生産が難しいため、3D プリント テクノロジーは主に製品設計の実験や少量生産に使用されます。

オンライン製造プラットフォームHUBSは、3Dプリント技術をどのように応用しているかを調査したレポートを2022年に発表しました。

回答者の62%はプロトタイプ作成に3Dプリント技術を使用することを選択し、17%は単一バッチの部品製造に、11%は複数バッチの部品製造に、8%は工業製造用の固定具の製造に、2%は靴の印刷などの美的デザインに使用しました。

▲画像出典：オンライン製造プラットフォームHUBS
コストの面では、3D プリントは従来の金属加工プロセスとは大きく異なります。従来の技術には規模の経済性があり、処理量が一定レベルに達すると限界費用は非常に低くなります。 3D プリントのコストが減少する速度は、従来のプロセスの限界費用が減少する速度よりもはるかに遅いです。


写真には 2 本の線があります。オレンジ色の線は従来の製造コストを表し、青色の線は 3D プリントの製造コストを表しています。

2本の線の交点が損益分岐点となります。製品の製造数量がこの点より左にある場合、3D プリントの方が有利になります。製品の量が適切であれば、従来の処理方法の方が利点が多くなります。
これは、3D プリンティングが航空宇宙および歯科分野以外で広く使用されていない理由も説明しています。

ほぼすべての業界には損益分岐点があります。一部の業界ではすでに 3D プリント技術の導入を試みていますが、まだ広く普及していません。

携帯電話製造の分野では、2013 年にモトローラが 3D Systems と提携して 3D 技術を活用し、スマートフォンの部品を製造すると発表しました。衣料品製造業界では、2020年にマサチューセッツ工科大学（MIT）の研究者らが、繊維の印刷コストを削減できる新しい3Dプリント方法を開発しました。

今後、3D プリンティングの技術が進歩して、全体のコストが下がり、損益分岐点が図の緑の線のように右側に移動されるでしょうか。そうなれば、3D プリンティングは、いくつかの新しい分野でさらに応用範囲を広げることができるかもしれません。

ハイブリッド処理は、3D 印刷技術の精度を向上させ、コストを削減する方法の 1 つになる可能性があることがわかりました。

▍混合処理

ハイブリッド加工とは、3Dプリントとカッティングのハイブリッド、電気加工と超音波加工のハイブリッドなど、2つの異なる加工機構を1つの装置で完結する加工を指します。減算加工の利点は成形品の表面品質が高いことであり、加法加工の利点は柔軟性と複雑な成形能力であり、ハイブリッド加工は両方のタイプのプロセスの特性を組み合わせたものです。

2020年10月、米国商務省は、ハイブリッド積層造形、リソグラフィーソフトウェア、5nm製造技術など、6つの新興技術を商務省の輸出管理規則の管理リストに追加しました。ハイブリッド積層製造には、ハードウェア製造装置とコンピュータ数値制御ソフトウェアが含まれます。

米国がハイブリッド積層造形技術と半導体技術を組み合わせているという事実は、これらの技術の重要性を証明するのに十分です。

▲画像出典：米国商務省 ハイブリッド処理を実現するには、ハードウェアとソフトウェアの両方に取り組む必要があります。既存のハイブリッド加工技術には、CNC+3Dプリントハイブリッド加工やレーザー研磨+3Dプリントハイブリッド加工などがあります。


香港科技大学の 3D プリント研究所は、中国の 3D プリント分野でトップクラスの研究所の 1 つです。現在、実験室はCNCと3D印刷のハイブリッドテクノロジーを使用して、添加剤および減算プロセスの代替を実現できるレーザー添加剤および減算ハイブリッド処理ソフトウェアとハ​​ードウェアプラットフォームを作成しています。

実験室は、金属製のプリントヘッドをデュアルスピンドル5軸加工センターに統合しました。以前は、3D印刷は主にX、Y、およびZの3つの軸を使用しました。

印刷機は、印刷プロセスと切断プロセスを繰り返し交互に行い、最終的にオブジェクトの表面に滑らかなミラー効果を与えます。従来の3D印刷技術を通じて鏡効果を達成することは困難です。

▲画像出典：世界をリードする工作機械メーカーである香港科学技術大学DMGも同様の戦略を採用しています。 DMGには、ハイブリッド処理のハードウェア機能がありますが、それに合わせて成熟したプロセスソフトウェアはまだありません。現在、DMGはCNCおよび3D印刷の独立した処理のみを実現できますが、これは理想的なハイブリッド処理から依然として長い道のりです。

業界がより懸念しているのは、この新しいフュージョンテクノロジーが元の独立した3D印刷とCNC減算の製造に取って代わり、新しい処理方法になることができるかどうかです。

医療機器の分野では、典型的な3D印刷アプリケーションは、手術カテーテルなどの内部フローチャネル構造です。

外科的カテーテルがミクロンまたはミリメートルのスケールに到達する場合、従来の処理方法を使用してこれを達成することは困難です。 3D印刷技術のみを使用する場合、製造されたカテーテルの表面は非常に粗く、化学研磨でしか後処理できないため、コストが増加します。

ただし、ハイブリッド印刷を使用すると、内側のフローチャネル表面が滑らかになり、コストが削減される可能性があります。

現在、業界はハイブリッド処理の開発の可能性について楽観的です。ハイブリッド処理は多くのプロセスを1つのマシンに統合するため、添加剤テクノロジーの処理効果、減算技術の柔軟性、およびコストが低くなる可能性があります。

/ 09 /
要約する

3D印刷は、本質的に現実世界にマッピングされたデジタル抽象モデルです。将来的には、3D印刷は、仮想性と現実をリンクするAIの下流の実行層の重要なコンポーネントになります。

GPT大規模モデルが実際の物理的な世界と衝突したい場合、これらの手を3D印刷する必要があります。

3D印刷のアプリケーション分野では、航空宇宙産業と歯科産業が最前線にいます。両方の産業はコストの破損ポイントの左側にあるため、業界のニーズは3Dプリントの特性と完全に一致しています。 3Dプリンティングは、セグメント化された業界が製造プロセス全体でコストの利点を達成するのに役立ちます。

3Dプリンティングの将来の成長は、基礎となるテクノロジーの革新から生まれ、それにより、より新しいアプリケーションシナリオを促進し、コストが壊れても右にシフトします。

このレポートでは、これらの技術が産業の製造コスト構造を根本的に変更していないため、特定の分野であまり多くの反復技術をリストしませんでした。新しいテクノロジーが新しいシナリオを拡張したり、既存のシナリオにより多くのスケールアップをもたらすことができることを願っています。

添加剤および減算的なハイブリッド処理やバイオ3D印刷などの新しいパラダイムを変える方向に焦点を当てています。前者は伝統的な製造分野にあり、3Dプリンティングが自動車や椅子などのより多くの民間のシナリオに入ることができます。後者は、生物学的および製造技術の交差点であり、生物学的分野での薬物検査と開発を支援し、バイオテクノロジー研究に戻ってきます。






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視点: 3D プリントを従来の産業と深く統合する方法

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吊り下げられたサポートを外さない4S生物学的3D印刷方法

出典: EFL Bio3Dプリンティングとバイオ製造コラーゲン (Col) 異方性は、組織特有の細胞...

Panxing New Metal | SLM Metal 3DプリントTC4チタン合金粉末の特性と成形性能

Antarctic Bear の紹介: 3D プリントは、高い設計自由度を提供し、複雑な形状やカス...

鋳造における3Dプリント技術の産業応用が未来を変える

中国は製造業の発展と転換・グレードアップを促進するため、「中国製造2025」計画を打ち出しており、当...

az-ia.net は、FDM 3D 印刷をレイヤーごとに可能にする改良された 2D インクジェット キットをリリースしました。

デスクトップ 3D プリンターは長い間、小型で安価な製品しか製造できないデバイスだと考えられてきまし...

ノースウェスタン大学とフェルミ国立加速器研究所の3Dプリント技術により、単結晶YBCO超伝導体の高性能で複雑な設計が可能に

2025年3月4日、アンタークティックベアは、ノースウェスタン大学とフェルミ国立加速器研究所の研究...

鍾時珍教授の3Dプリント医療作品が中国3Dプリント文化博物館に収蔵されている

この投稿は Little Raccoon によって 2017-9-13 18:57 に最後に編集され...

3YOURMINDとARKEMAが新しいオンラインプラットフォームEASY 3Dを立ち上げ

この投稿は Bingdunxiong によって 2022-12-1 17:06 に最後に編集されまし...

3Dスキャン→3Dプリント、Huawei Honor V10の神レベルのアクセサリー

このようなシナリオを想像できますか?携帯電話を使って顔のデータをスキャンし、3Dプリント技術で生成し...

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フランスのProdwaysが3DBioCADと提携し、米国の歯科市場に進出

2020年2月20日、Antarctic Bearは海外メディアから、フランスの3Dプリンターメー...

プレビュー: 「人工知能 + 医療画像」に焦点を当てて、精密医療がどのように発展するかを見てみましょう

この投稿は、Little Soft Bear によって 2017-7-12 10:25 に最後に編集...

連泰科技、錦江靴博覧会で金属3Dプリンターを発表

2023年4月19日から22日まで、第24回中国（錦江）国際靴博覧会が錦江国際会議展示センターで開...