机上の「ガラス工場」を使えば、プラスチックを印刷するのと同じくらい簡単にガラスを3D印刷できる

出典: ディープテック

3D プリンティングは製造業の未来を形作ります。

3D プリント技術が成熟するにつれて、その応用範囲は拡大し続けています。 2020年には世界中で200万台以上の3Dプリンターが販売されたとされており、プラスチック、金属、さらにはセラミックまでもが対象となっているようです。あらゆるものが印刷できるようになっているようです。

しかし、ガラスの 3D プリントは、製造業界にとって常に大きな課題でした。

最近、スウェーデンのスタートアップ企業であるNobulaが、高速かつ高精度のガラス3Dプリント技術を提供しました。この技術の普及により、複雑なガラス構造の高コストという悩みが大きく解決され、ガラスの3Dプリントがプラスチックのプリントと同じくらい簡単になります。

図 | Nobula ガラス 3D プリンター (出典: Liu Chunxin)

机の上のガラス印刷が現実に

ガラスは非常に古い素材です。エジプトでは紀元前3500年頃からガラス製品が作られていました。中国では戦国時代の透明なガラスのコップも発掘されています。

ガラスは透明性と安定性に優れているため広く使用されており、医療、光学、航空宇宙、固体電池、芸術、宝飾品などの市場で複雑なガラス製品の需要も高まっています。しかし、実際にはガラスは成形や加工が非常に難しい素材です。

一方、ガラスの融点は非常に高く、純粋なシリカガラスの融点は2000℃にも達します。また、ガラスは脆いため、物理的な加工も極めて困難です。

一方、ガラス製造の分野では、従来の方法では、大規模で精度が低く、単純なガラス構造しか生産できません。高精度で複雑なガラス構造の製造には、かなりの費用がかかります。

マサチューセッツ工科大学（MIT）の学者たちは2015年に3Dプリントガラスソリューションを提案したが、この技術は従来のガラス製造と重複しており、非常にコストがかかり、業界の問題を真に解決することはできません。市場では、より多様化したガラス 3D プリント技術が早急に必要とされています。

「レーザーとガラスに関する当社の知識に基づき、Nobulaはより汎用的なガラス3Dプリントソリューションを提供できると考えています。2020年に、当社のチームはついにDGLD（直接ガラスレーザー堆積）技術を開発し、その商業的可能性と価値を見出しました」とNobulaのCEO兼共同創設者であるLiu Chunxin博士は述べています。

図 | 劉春新博士とチームメンバー (左) KTH 准教授 Michael Fokine、(右) 博士課程学生 Taras Oriekhov (出典: 劉春新)

Nobula は、スウェーデンの KTH 王立工科大学 (KTH) のレーザー物理学グループの博士研究プロジェクトから生まれました。チームはレーザー溶融技術をベースに、デスクトップレベルのガラス 3D 印刷技術を開発しました。

印刷プロセス中、チームは複数のレーザービームを使用してガラス線を溶かし、再凝固させて3D形成を行ったとみられる。印刷プロセスは実際にはプラスチック印刷の FDM 技術に似ていますが、違いは DGLD 技術が 400 ～ 2000℃ の印刷温度で動作できることです。

「この温度制御により、超高純度シリカを含むあらゆるガラス材料を印刷することができ、将来的には金属やポリマーも当社のシステムで印刷できるようになります」とLiu Chunxin氏は付け加えた。

現在、Nobula 社はこの 3D 印刷技術に関して 2 つの国際特許を申請しており、1 つは 3D プリンター用、もう 1 つはガラスフィラメント用です。

渡り鳥を追跡するための「ガラスのバックパック」を印刷

最も一般的な材料の 1 つであるガラスは、バイオメディカル、航空宇宙、マイクロ流体工学、情報通信など、多くの分野でかけがえのない役割を果たしています。ガラス 3D プリント技術は、複雑なガラス製品のコストを大幅に削減し、サプライチェーンのサイクルを短縮し、材料の損失を減らし、生産プロセスにおける炭素排出量を削減できるため、より多くの用途の可能性が生まれます。

「ガラス3Dプリンティングは、現時点ではほぼ空白の分野であるが、複数の潜在的市場にわたる応用の見込みがあると言える」と劉春鑫氏は述べた。

現在、Nobula は主にバイオメディカルと光学分野を視野に入れたガラス印刷に取り組んでいますが、3D 印刷技術の向上に伴い、徐々に応用分野が拡大していく予定です。

画像 | 背中に 3D プリントされたガラス容器を載せたホッキョクアジサシ、撮影: パトリック・オロフソン (出典: 劉春新)

意外な例の一つはテラリウムだ。ノブラ氏はスウェーデンのルンド大学の研究者向けに、ホッキョクアジサシを追跡するための電子機器を内蔵した「鳥用バックパック」を特注で製作した。

このホッキョクアジサシは主に南極と北極に生息し、現在記録されている渡りの期間が世界で最も長い鳥類であると考えられています。毎年南極と北極の間を行き来し、その旅程は数万キロにも及ぶことがあります。

ルンド大学の上級講師で鳥類の専門家であるヨハン・バックマン氏は、ホッキョクアジサシの渡りを追跡し、完全に記録するために、3年間にわたり耐久性があり軽量な素材を探し続けてきました。この目的は、追跡送信機を収納するコンテナを作ることです。

Nobula社製の「ガラス製バックパック」はまさにこの要件を満たしています。極めて高い材料強度を持ち、超軽量、防水性、高温・低温環境に耐えられるだけでなく、送信機を収容するのに十分な内部スペースも備えています。最も重要なのは、コンテナが透明なので、光センサーを制限なく使用できることです。

研究者らはその後、重さがわずか0.5グラムで少なくとも1年間は使用できる電子チップをバックパックに挿入した。このようにして、彼らはホッキョクアジサシの巣と越冬地の間を一緒に追跡し、約 9,000 キロメートルの渡りの旅に出ることができます。

Formnextスタートアップチャレンジが注目を集める

注目すべきは、Nobula は歴史が浅いにもかかわらず、現在 Formnext Startup Challenge で優勝候補にノミネートされた 5 社のうちの 1 社であり、大きな注目を集めていることです。

今年で 7 年目を迎える Formnext Startup Challenge は、付加製造分野の革新的な若手企業を表彰するイベントです。新しい、創造的かつ実行可能なビジネスアイデアに加えて、持続可能性というテーマも重要な役割を果たします。

図 | Nobula が Formnext Startup Challenge のトロフィーを獲得 (出典: Liu Chunxin)

同時に、Formnext は世界最大の 3D プリント展示会でもあり、世界トップクラスの積層造形企業が参加しており、積層造形技術の展示に最適なプラットフォームとなっています。劉春馨氏によると、優勝したNobulaは11月中旬にドイツのフランクフルトで開催される展示会でガラス印刷技術をライブで披露する予定だという。

「世界中の潜在的顧客、投資家、将来のビジネスパートナーとともに、ガラス 3D プリントの将来の用途と可能性を探ることを楽しみにしています。Formnext は、当社のチームが積層造形の最も先進的な開発方向を学び、業界の最新動向を把握するのにも役立ちます」と Liu Chunxin 氏は述べています。

劉春馨氏は次の計画について、2022年に自社のガラス3Dプリントシステムを世界市場に投入し、投資とビジネスパートナーを探すと語った。中国市場はNobulaが注力している市場の一つです。

中国の付加製造は初期段階では欧米に遅れをとっていたものの、世界の主要な付加製造市場の中では中国が最も急速に成長している市場であると報告されています。 2020年の市場規模は44億米ドルで、2027年には145億米ドルに達すると予想されており、世界最大の積層造形市場となり、世界市場の約4分の1を占めることになります。

一方、市場が3Dプリント技術を認識するにつれて、航空宇宙、自動車製造、チップエレクトロニクスなどの下流市場でも3Dプリント技術の受け入れがさらに進み、新しい3Dプリント技術の試行と開発の需要が強くなるでしょう。

図 | 新しい 3D プリンターで印刷されたマイクロミラーマトリックス (出典: Liu Chunxin)

これは、ガラス 3D プリントが中国で幅広い応用シナリオと可能性を秘めていることも意味します。

Nobulaは、2023年から中国とスウェーデンに2つの生産ラインを建設し、さまざまなモデルのガラス3Dプリンターと印刷フィラメントを生産し、中国と世界に3D印刷ソリューションを提供する予定です。

さらに、劉春馨氏は「2021年以降、フォームネクストは深センに欧州以外で初となる支社を設立しており、このプラットフォームを利用して国内市場に当社の技術を広めていくことも楽しみにしています」と述べた。

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