大型3Dプリンティングの応用分野、現状、トップクラスの大型3Dプリンター

はじめに: 大規模 3D プリンティングには複数の技術と材料が関わっており、多くの分野で応用されてきました。実際、「大きい」の定義は相対的であり、固定された基準はありません。一般的に言えば、家、船、大型家具はすべて大型アイテムです。メーカー、アーティスト、企業が大規模な製品のニーズを満たすために 3D プリントを選択するにつれて、大規模な 3D プリントは徐々に市場の主流になってきました。研究者たちは、3D プリンターのサイズを段階的に拡大し、技術的な限界を突破して、より多くの、より大きな製品を印刷しています。では、大規模 3D プリントの応用分野は何でしょうか?大型3Dプリンターはどうでしょうか？

製品のサイズは技術や材料によって決まることが多く、精度とサイズのバランスを見つける必要があるため、適切な 3D プリンターを選択することが成功の鍵となります。大型の物体はセクションごとに印刷して組み立てる方が最適であることが多いため、ソフトウェアは大型製品の作成にも大きな役割を果たします。大型 3D プリント製品には、以下のものが含まれますが、これらに限定されません。
●ディスプレイ、小道具、看板●住宅および建築要素●工業および金属部品●家具および車両

ディスプレイ、小道具、看板

△オランダのナチュラリス生物多様性センターには独自の3Dプリント研究所があり、ビルダーエクストリーム1500プロ3Dプリンター2台を使用してティラノサウルスレックスのレプリカを作成した。

●ティラノサウルス・レックスがいない恐竜博物館は、本当の博物館とは言えません！日本恐竜博物館は、実際のティラノサウルス・レックスの化石を3Dスキャンしたモデルに基づいてレプリカを3Dプリントしました。長さ12メートル、高さ5メートルのレプリカは、PLAプラスチックフィラメントを材料として使用し、2台のBuilder Extreme大型3Dプリンターを使用して印刷されました。

● 博物館の学芸員、映画のセットや小道具のデザイナー、遊園地、会議や博覧会の展示メーカーなども、生産をスピードアップするために大型 3D プリンターを選択しています。スピードとコストの利点に加えて、コンピューター支援設計 (CAD) ソフトウェアも大きな役割を果たし、手作業による彫刻や二次創作の必要性を排除します。さらに、超軽量フォームから極めて耐久性の高いカーボンファイバー入りナイロンまで、多種多様な素材が揃っています。

△ アーティストは、2020年のドバイ万博のために再現された高さ17フィートのミケランジェロのダビデ像の3Dプリントレプリカの石膏を覆った。

●高さ17フィートのミケランジェロのダビデ像の3Dプリント版は、フィレンツェの観光を促進するためにドバイ万博2020で展示されました。非常に精細なレプリカを製作できるほど大きなポリマー 3D プリンターでは不可能だったため、14 個の印刷可能なパーツに分解して手作業で組み立て、大理石の外装は手作業で塗装しました。 3D プリントされたデイビッド号の内部は格子メッシュ構造になっており、重量をわずか 550 kg に抑え、適切に梱包して輸送できる一定の強度を備えています。

△ ドイツのStyles Werbetechnikは、Tractus3Dの大型FDMプリンターを使用して、従来の方法よりも速く照明付き看板文字を製造しています。

●ドイツの看板会社Styles Werbetechnikは、屋外看板の製造に大規模な3Dプリント技術を選択しました。同社は生産をスピードアップしたいだけでなく、文字入れも社内で行い、海外メーカーの標準的な文字デザインに依存しないようにしたいと考えていました。同社によれば、ポリマー FDM 印刷を使用することで、輪郭のある文字を作成するための無限のデザインの可能性が開かれるという。たとえば、照明付き看板に使用される文字の深さは、従来の方法では最小 60 mm に制限されますが、3D プリントでは 30 mm まで減らすことができます。 3D プリンターはプロセス中に監視する必要がないため、夜間や週末にも稼働させることができ、生産時間を短縮できます。

△スミソニアン博物館、STEM分野の女性リーダーの等身大像120体を3Dプリント

2022年、ワシントンD.C.のスミソニアン協会は、女性科学者を称える展覧会を開催し、実物大の3Dプリント像120体を展示した。「IfThenSheCan – The Exhibit」と呼ばれるこの展覧会は、これまでに制作された女性像の最大のコレクションであり、シリーズの各像は FDM 技術を使用して印刷されています。

住宅と建築要素

△Iconの3Dプリントサステナブルハウス

大規模な3Dプリントプロジェクトといえば、もちろん住宅プロジェクトは欠かせません。単純に 3D プリントされた建物はほとんどありませんが (多くの場合、鉄筋や従来の木造フレームなどの構造サポートが必要または組み込まれています)、3D プリント技術は、そのスピード、労力の節約、構造的耐久性により、住宅やホテルに役立ちます。世界の建設3Dプリント市場は、今後5年間で約20%成長すると予想されています。

●下の写真の2階建ての建物は、建築設計・エンジニアリング会社Hannah and Civeと3Dプリンターを提供したPeri 3D Constructionによって完成しました。 4,000平方フィートのこの家は匿名の入札者に売却され、完成までには合計2年かかる予定だ。 3Dプリント建設業界ではよく知られているプリンターであるPeri社のCobod Bod2ガントリープリンターは、階段やその他の機能的な構造物を作成するための特殊なコンクリート混合物を押し出すために使用され、このプロジェクトでの合計印刷時間は330時間でした。

△米国初の完全3Dプリント2階建て住宅がヒューストンに建設される

●3Dプリンターは、建物の建設だけでなく、ファサードや歴史的建造物の修復などの建築要素、壁、ディスプレイ、部屋の仕切りなどのインテリアデザインにも広く使用されています。 3D プリントされた床、3D プリントされた橋、3D プリントされた人工サンゴ礁もあります。建設においてはコンクリートのような材料だけが選択肢となるわけではなく、ポリマーも役割を果たします。 Branch Technology は、ロボットポリマー押し出し機を使用して彫刻から宇宙居住地まであらゆるものを作成する大規模な 3D 印刷を専門としています。 BranchClad と呼ばれる革新的な建築パネルシステムは、建物のファサードに新たな可能性をもたらします。米国の宇宙ロケットセンターにある新しいスペースキャンプの運用側に設置された月面を見てください（下図）。月のデジタルスキャンを使用して作成されたこれらのファサードは、月の表面を驚くほど忠実に再現しています。月の模様の正型を3Dプリントし、石膏材料でコーティングしました。

△ブランチテクノロジーの新しい3Dプリント月面壁が、米国宇宙ロケットセンターの新しいスペースキャンプの運用側に設置されました。

工業用および金属部品

△Relativity SpaceのStargate金属3Dプリンター

●ロケット製造会社のRelativity Space社は、同社の3Dプリントロケット「Terran 1」が高さ35.2メートル、直径2.3メートルで、これまでで最大の単一の3Dプリント構造物であると主張している。同社の次世代ロケット「テランR」も同様に大きい。どちらも、ロボットアームの指向性エネルギー堆積技術を使用して、同社のStargate 3Dプリンターで独自の金属から3Dプリントされました。レラティビティ・スペース社は、ロケットが打ち上げ時のストレスに耐えられたことは大きな成果であり、金属3Dプリント法の構造的完全性を証明したと述べた。

△オランダのマキシマ女王がMX3D金属3Dプリント橋を正式にオープンしました。

●Joris Laarman Lab が設計したアムステルダムの運河にかかる金属製の橋は、ロボットアーク積層造形技術を使用して MX3D によって印刷されました。長さ12メートルのステンレススチール製の「スマートブリッジ」には、アムステルダムの研究者が建築環境におけるモノのインターネットシステムの役割を研究するのに役立つ埋め込み型センサーネットワークが含まれています。ジェネレーティブデザインとトポロジー最適化技術を使用して開発されたこの構造は、非常に軽量です。 MX3D ブリッジでは、芸術や彫刻における金属 3D プリントの使用も紹介されます。

●以下は、イタリアのトリノ王立庭園にアーティストのマリアグラツィア・アバルドとパオロ・アルベルテッリが設置した別の MX3D プリント作品です。「クジラの通路」と呼ばれるこの880キロの彫刻は、地面を通り過ぎるクジラのひれを表現している。このプロジェクト中に作成されたすべてのモデルは 3D プリントされました。

△ マリアグラツィア・アバルドとパオロ・アルベルテッリがデザインし、MX3Dで3Dプリントされた「Whale Pass」

● 大規模な金属 3D プリントは多くの産業分野で使用でき、海洋、石油・ガス、重機業界の企業は大型部品をより迅速に、多くの場合は現場で製造できるようになります。たとえば、以下の船舶用プロペラは、WAAM テクノロジーを使用して 3D プリントされ、ほぼ正確な形状が生成され、その後、より厳しい許容誤差に合わせて機械加工されました。この場合、WAAM は鍛造に代わるもので、より少ない原材料を使用して、必要な場所の近くで実行できます。

△この船舶用プロペラはWAAM技術の産業応用の最初の例の一つである。

●3Dプリント金属は、鍛造や鋳造では実現できない形状を3Dプリントで作成できるため、部品の軽量化にもつながります。プリンターメーカーのSLM Solutionsによると、航空機の着陸装置部品（下図）の大きさは455 x 295 x 805 mmで、世界初のレーザー粉末床融合3Dプリント部品とのこと。この部品は従来の鍛造部品よりも 15 パーセント軽量であるだけでなく、この技術により納期も短縮されます。この部品は車輪からの荷重を航空機構造に伝達するシステムの一部であるため、強度を高めるためにチタンで作られています。材料の選択により、コーティングを必要とせずに耐腐食性を保ちながら、部品に強力な機械的特性が与えられます。この部品は、クアッドレーザー SLM 800 3D プリンターを使用して印刷されました。「付加製造は、テスト用の部品を迅速に提供することで、認定および認証段階での時間を節約するのに役立ちます。私たちは、鍛造プロセスを使用すると数か月かかる主要部品を数日で製造できます」と、SLM ソリューションズのグローバルサービスおよびソリューション担当エグゼクティブバイスプレジデント、ゲルハルトビアロイトゲブ氏は述べています。 ”

△民間航空機の前部着陸装置部品を3Dプリント

●金属部品を鋳造するための大型金型の3Dプリントは、大規模3Dプリントの重要な用途です。鋳造が必要な金属工業部品の場合、金型製作の工程は手間がかかり、時間がかかります。砂 3D プリンターを使用すると、製造業者は実物大のモデルを必要とせずに、砂から直接鋳物や鋳型を 3D プリントできます。 Voxlejet の VX4000 は世界最大の砂型 3D プリンターで、バインダージェッティング技術を使用して、1 回の印刷プロセスで巨大な型だけでなく、数千個の型を製造します。

△VoxlejetのVX4000プリンター（出典：Voxeljet）

家具と車両

△WASP 3Dプリンターで一体製造された椅子。

●インテリアデザイナーも、複雑なデザインやユニークな素材の使用を可能にするために、大型の 3D プリントを選択するケースが増えています。 3D プリント家具に使用される最も一般的な材料はポリマー、特にリサイクルプラスチックですが、コンクリートや金属も使用できます。ガンビアにあるこの子供サイズの机（下の写真）は、3D プリントが実際のニーズを解決している例です。軽量で耐久性のあるこのデザインは、リサイクルプラスチックから製造できるため、プラスチック廃棄物の問題も解決します。このモデルは、飲料ボトルによく使用される素材である PETG プラスチックを使用して、The Industry Sweden の Magnum 3D プリンターで印刷されました。

△ガンビアで3Dプリントされた学校用家具のコンセプトをテストする試作品の机。おそらくリサイクルプラスチックを使用している

●美しい 3D プリントの椅子やテーブルの例は無数にありますが、その中には、Colossus XS 3D プリンターでプリントされた軽量の発泡 PLA 素材を使用して作られた NYXO Visionary Design の素敵なコーヒーテーブルのコレクション (下記) もあります。

△Primavera Sculptural Tableシリーズは、ドバイを拠点とする建築および製品デザイン会社NYXO Visionary Designによって設計され、Colossus XSプリンターでColorFabb PLAを使用して印刷されました（出典：Colossus）

下の写真に示す長さ 7.72 メートルの 3D プリントボートは、これまでで最大の 3D プリントボートおよび最大の物理的な 3D プリントオブジェクトとしてギネス世界記録に登録されました。このボートは、メイン大学の先端構造複合材センターで2019年に印刷されました。プラスチックと木材セルロースで作られており、3Dプリントにはわずか72時間しかかからず、重さは2.2トンです。

△メイン大学が製作した、完全3Dプリントされた実物大のボート

●自転車メーカーも、製造チェーンにおける溶接問題を解決するために 3D プリント技術を選択しました。一体型の 3D プリントフレームは、時間を節約するだけでなく、構造ジョイントに制限されない新しい設計の自由度も実現します。自転車メーカーはすでにチタン、スチール、カーボンファイバー複合材を使用したモデルを生産しています。下記の Urwahn のスチールフレームの電動自転車は、形状、機能、軽量構造、材料のバランスを実現するために金属 3D プリントを使用して大量生産されました。同社によれば、特殊なリアエンドが後輪を弾性的に支え、新しいタイプの乗り心地を生み出し、スチールフレームにモーターとバッテリーが組み込まれているという。

△ウルワーンの3Dプリントスチールフレーム電動自転車

大規模印刷のためのデザインのヒントとソフトウェア

△高さ30フィートの3Dプリント像。この像は365個の3Dプリントパーツから組み立てられており、各パーツは55台の3Dプリンターで28時間かけて印刷されます。

ワンピース 3D プリントは、組み立て作業が不要になり、生産がスピードアップし、継ぎ目や表面がないため構造の完全性が向上するなど、多くの場合理想的です。しかし、印刷したいオブジェクトが大きすぎる場合は、複数の部分に分割する必要があります。では、モデルを 3D プリントに分割するにはどうすればよいでしょうか?

● 大規模な 3D プリントを完成させるには、CAD ソフトウェア (Fusion360 や Solid Works など) でモデルを直接分割することができます。これには、ペグ、バンプと溝、リップ、穴とスロットなどの組み立てと位置合わせの補助を設計できるという利点があります。

大きな物体を接着したり、ネジを使用したりする場合（カーボンファイバー入りナイロンなどのより強力な材料にのみ適しています）は、分割を Cura などのスライサーツールに任せることができます。 Cura のメッシュ作成ツールを使用すると、セグメンテーションが高速かつ自動化されます。

デジタルモデルを手動でセグメント化する場合は、詳細領域またはサポート領域を直接通過しないようにしてください。設計の最も弱い部分、つまりモデルの他の部分よりもはるかに薄い領域での分割は避けてください。

最高品質の大型3Dプリンター

△Gefertec Arc60x WAAM 金属 3D プリンター (出典: Gefertec)

3D プリンターを使用して大型のプラスチック部品、小道具、看板などの部品を作成する場合は、デスクトップフィラメントプリンターと基本的に同じである大判フィラメント 3D プリンターを使用できます。一部のプリンターは、耐久性のあるエンジニアリンググレードの材料を使用して印刷できます。

最大の FDM プリンター (1,600 x 1,200 x 1,300 以上) よりも大きなサイズを作成したい場合は、ロボット 3D プリンター、つまり先端に押し出しヘッドが取り付けられたロボットアームが必要になります。これらはトラックまたは頭上のガントリー上に配置できるため、理論的には、利用可能なトラックのサイズに合わせて印刷できます。最大の 3D プリンターのギネス世界記録は、メイン大学のガントリー押し出しヘッドアセンブリによって保持されており、そのサイズは 30,000 x 6,700 x 3,000 mm です。ただし、このプリンターは販売されていません。ロボットプリンターのもう 1 つの利点は、より経済的なペレットの形でポリマーを使用して印刷することが多いことです。

樹脂 3D プリントは、印刷時間が非常に長くなるため、Kings 1700 Pro や 3D Systems ProX 950 などのいくつかの例外を除き、通常 1,000 mm を超えることはできません。樹脂は一般的に FDM よりも時間がかかります。

△中型コンクリート3Dプリンターは大判アート用途に最適

コンクリート 3D プリンターは、住宅建設だけでなく、あらゆる種類のコンクリート型枠、家具、建物、さらにはプランターや彫刻にも使用される急成長市場です。非常に大きな金属部品の 3D プリントは、通常、ワイヤアーク積層造形 (WAAM) などの指向性エネルギー堆積 3D プリント技術を使用して実現されます。これらのアプローチでは、到達範囲の広いロボットアームに取り付けられた 3D プリントヘッドを使用し、アームのサイズによってのみ制限されます。

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