3D プリントの可能性は何でしょうか?

出典：中央規律検査監督委員会ウェブサイトニュース

△写真は、寧夏回族自治区銀川市にある世界初の1万トン鋳造3Dプリントインテリジェント工場の作業場の内部です。（ファイル写真）
△写真は、西安ポリライトアディティブテクノロジー株式会社が3Dプリントした「アルミニウム合金格子構造」展示品です。写真は新華社記者の劉暁氏によるもの。中国初の建築3Dプリント展示ホールが数日前に広東省で正式にオープンした。外から見ると普通の家と変わらない2階建ての建物ですが、実はレンガやタイルを一切使わず、建物全体が粘着剤を混ぜた素材で作られています。

3Dプリンターがあったら、何を作ることができますか？答えは、小さな精密部品、ビスケット、金型、衣類から、大型の医療機器、産業機器、さらには自動車、ロケット、建物に至るまで、あらゆるものが製造できるということです。将来的には 3D プリンターでほぼ世界を創造できるようになると言う人がいるのも不思議ではありません。

2018年、3Dプリンティングは中国の戦略的新興産業の分類に正式に含まれました。 3D プリンティングは、新たな最先端技術として、将来の製造業に無限の可能性を秘めており、従来の製造業の考え方を覆すものでもあります。近年、中国の3Dプリント技術は急速に発展し、応用シーンも増え、製造業の変革とアップグレードを加速させる重要な手段となっている。

大同の雲岡石窟は数千マイル離れた杭州に「移設」された

積層造形法、通称 3D プリンティング。従来の原材料を削り取る減法製造とは異なり、積層造形は特定の材料を層ごとに積み重ねることで物体を構築します。バイオメディカル、航空宇宙、建設など、多くの分野で活用できます。

スキャンして3次元データを取得し、コンピュータープログラミングを通じてモデルをプリンターにインポートすることで、本物の肺と全く同じ肺モデルを3Dプリンターから印刷することができます。今年6月、貴州省人民病院胸部外科は初めて3Dプリント技術を使用し、3次元モデルによる精密な肺部分切除手術を完了した。このモデルは、患者の肺の病変の位置を正確に再現するだけでなく、各血管まで本物そっくりに再現します。

医療機器、臓器モデル、人体に移植可能な生体組織など、さまざまな細部を形作ることができる 3D プリントの利点は、医療分野におけるさまざまな金型に対する高い基準を満たしています。山西付加製造研究所のゴン・タオ所長は、鋳型は鋼鉄や石膏などの材料から手作業で作られており、大量生産する前に何度も製品の検証と修正をしなければならないと語った。 3D プリンターは、コンピューターグラフィックスデータから直接あらゆる形状の部品を生成し、複雑で繊細な形状を高い精度で作成できます。

3D プリントのこの特徴は、医療だけでなく、文化遺産の複製や修復への応用にも非常に適しています。つい最近、山西省大同市の雲岡石窟が数千マイル離れた浙江省杭州市に「移転」された。浙江大学美術考古博物館には、世界初の可動式3Dプリント洞窟である雲岡石窟「音楽洞」があり、元の洞窟のスタイルと千年以上の風化によって残された微妙な痕跡を忠実に再現しています。メーカーはデジタルコレクションの力を借りて、元の洞窟の1:1レプリカを作成し、軽量素材で110個のモデルを印刷し、それらを積み木のように組み立てて現在のレプリカ洞窟を作りました。レプリカなのでじっくり観察できるだけでなく、実際に手を伸ばして触ることもできるので、とても楽しめます。

3Dプリントは、繊細で細心の「刺繍技術」に優れているだけでなく、橋や家の建設などの大規模なプロジェクトにも適しています。

今年4月、蘇州江堤防改修プロジェクトの建設プロセスに3Dプリント技術が直接使用されました。レンガを積んだりコンクリートを流し込んだりする必要はなく、プリンターのノズルが現場で前後に動くだけです。ノズルから高強度モルタルが少しずつ流れ出て、設定されたプログラムに従って江南風の形状を形成します。

「3Dプリントは建物を一挙に形にすることができ、建築資材を60％節約できると同時に、建設プロセス中の工程損失も削減できる」と中国建築技術センター材料工学研究所の副所長、ホウ・リャン氏は述べた。印刷は機械自動化操作を採用しているため、人手もほぼ半分節約できるという。

今年5月に宇宙に打ち上げられた我が国の新世代有人宇宙船試験船には「3Dプリンター」が搭載されていることは特筆に値する。我が国が宇宙で3Dプリント実験を行うのは今回が初めてで、プリント材料は航空宇宙分野で広く使用されている軽量で高強度の材料、炭素繊維強化複合材料です。

現在、金属材料印刷技術の進歩により、航空宇宙も 3D 印刷の最も有望な応用分野の 1 つとなっています。ラピッドプロトタイピング、単一ピースのカスタマイズされた航空宇宙機器部品、複雑な構造部品や大規模な特殊部品の製造のいずれであっても、3D プリントは理想的な技術手段です。この実験の成功により、「宇宙でのものづくり」はもはや遠い未来の話ではないと感じられるようになりました。

かつては数ヶ月かかっていた砂型の作成が、今ではわずか数時間で完了する

寧夏回族自治区銀川市にある世界初の1万トン級鋳造3Dプリントスマート工場の作業場では、高さ5メートルを超える白色鋳造砂型コア3Dプリンターがスマート組立ライン上で整然と稼働している。これらのデバイスはすべて同社が独自に開発したものだ。

従来の鋳造工場と比較すると、この工場はクレーン、模型、重労働、温度差、廃棄砂、粉塵排出がないという特徴があります。ここでは、鋳造生産が迅速かつ容易になります。かつては製造に数か月かかっていた砂型が、今ではわずか数時間で製造できます。これらの鋳物は国内販売だけでなく海外にも輸出されています。

工場を所有するShared Equipment Co., Ltd.の3Dプリント部門のマーケティングディレクターであるLi Zhe氏は、従来の加工製造と比較して、3Dプリントには生産プロセスの短縮、柔軟な設計、コストの節約、製造の難易度の低減などの利点があると述べた。この技術の産業応用は、鋳造業界の変革とアップグレード、インテリジェント鋳造製造、将来のインテリジェント鋳造工場の構築に革新的な影響を与えるでしょう。

近年では、設備の共有化だけでなく、部品や機械の完成品の製造に3Dプリントを活用する製造会社が増えています。この新しい技術は、従来の製造業の概念とモデルを変えました。

最近、ハルビン電気グループのハルビン電気モーター工場有限公司で、国産初の積層造形衝動タービンの実ランナーの開発に成功しました。このランナーが将来の発電所での使用において期待に応えれば、3D プリント技術がインパクトランナーの製造に実現可能であることが証明され、企業にとって、これまでは製造が困難または不可能であった超小型および超大型のインパクトランナーを製造するためのソリューションが提供されることになります。

「当初、私たちは模型インペラの製造に3Dプリントに注目し始めました。模型インペラは1つ1つ個別に製造されており、3Dプリントの技術的特徴と完全に一致して、可能な限り短い時間で製造を完了したいと考えています。」ハルビン電機工場有限公司大型モーター研究所の副所長である王環茂氏は、「約2年間の研究開発を経て、模型タービンの水圧試験に使用できる中国初の3Dプリント非金属模型インペラの製造に成功しました。研究開発の過程で、3Dプリント技術のより広い市場は金属プリントの分野と実際の機械インペラにあることに気づきました。」と述べました。

複雑なローターはどのように印刷されるのでしょうか?ハルビン電機工場有限公司大型モーター研究所の研究員である程光富氏は記者団に次のように語った。「印刷する部品の数学的モデルを対応するソフトウェアにインポートして、スライスと印刷の経路を計画し、その後、データを変換してロボットに転送します。最後に、ロボットは与えられた操作プログラムに従って溶接ガンを運び、ランナーの3D印刷を完了します。」

3Dプリント技術を活用することで、従来4か月かかっていたローターの製造期間が3か月以内に短縮されました。

「ランナーを製造する従来の鋳造工程には多くの工程があり、多くの種類の作業と労働者が関わっています。労働集約度が高いだけでなく、鋳造ランナーは欠陥、精度の低さ、加工代の大きさ、製品品質と鍛造品の差が大きいといった問題も生じやすいのです。」程光富氏は次のように述べた。「特に高品質のランナーの場合、鍛造された丸ビレット全体を使用し、CNC工作機械でランナーを少しずつ加工する必要があります。私たちは通常これを「全切削」と呼んでいます。この言葉から、この加工方法がどれほど難しいか、サイクルがどれほど長いか、そしてそれに伴うコストが非常に高くなることがわかります。現在、ランナーの製造には3Dプリントが使用され、3Dモデルから製品に直接加工することで、複数のリンクを排除し、処理量を減らし、コストとサイクルを削減しています。」

将来的には、3Dプリントは普通の印刷と同じくらい普及するだろう

「何が欲しいかに関係なく、図面をダウンロードして印刷ボタンを押すだけで、プリンターが残りの作業を処理します。」これは、一部の人々が想像する未来の風景です。この点について、多くの業界関係者は、将来、より多くの3Dプリント応用シーンを実現したいのであれば、その鍵は材料、特に多様化した印刷材料の開発にあると述べています。

「料理が上手な人も、米がなければ料理はできません。材料科学は製造業の基盤です。3Dプリントの応用は材料の特性によって制限され、歩留まりが低いなどの一連の問題を引き起こしています。」清華大学建築学院の博士である于磊氏は、「材料の開発は3Dプリントの発展の前提です。建築分野では、3Dプリントの建物は現在、コンクリート材料の使用に限定されていますが、コンクリートは3Dプリントではあまり柔軟性がありません。」と述べました。

バイオ 3D プリンティングの分野では、特に人体インプラントの場合、材料革新の重要性がさらに顕著になります。

ハイドロキシアパタイトは現在、世界で最も一般的に使用されている人骨模倣材料ですが、使用される酸性結合剤は、移植された患者に術後の痛みを引き起こす可能性があります。同時に、人骨の内部構造は複雑で密度も異なるため、従来の 3D プリントで使用される材料は密度が一定で粉末も単一であり、バイオニック骨のプリントニーズを満たすことができません。

人間の骨の特性にできるだけ近いバイオニック骨を作成するために、西北工科大学機械電気工学部の王ヤネン教授のチームは、さまざまな個人の骨の特性に応じてハイドロキシアパタイト、接着剤、細胞液などを科学的に混合し、人間の環境にもっと受け入れられる印刷材料を形成しました。バイオニック骨プリントに必要な複雑な構造、不均一な密度、複合粉末の要件を満たす 3D プリント制御システムが開発されました。このようにして印刷されたアクティブなバイオニック骨は、天然の骨の組成、構造、機械的特性と非常に一致しており、生体内で「発達」することさえ可能です。

王ヤネン教授は、チームは現在、軟骨と皮膚を3Dプリントする技術を習得していると語った。今後は、真皮の汗腺、毛包、皮脂腺などの構造の安定した印刷技術の探求を継続します。

チップなどの高精度機器の印刷・製造においても、新素材の進歩により、さらなる印刷成果がもたらされるでしょう。先月、西湖大学の周南佳氏のチームは、新たな3Dプリント機能性材料の設計に成功しました。この新材料を突破口として、彼らはミクロンレベルの電子3Dプリントを実現しました。これは現在、国内で最も高精度な電子3Dプリント技術です。

山西付加製造研究所の技術者である朱悦氏は、より多くの新材料を開発し、より高品質の3Dプリント製品を生産することが、この業界の大きな課題であると考えています。今年5月、朱悦氏のチームは3Dプリント用感光性樹脂を独自に開発し、正式に生産を開始し、3Dプリント原材料が海外からの輸入に依存し、コストが高すぎるという過去の状況を変えました。朱悦氏は、次のステップとして、研究所は引き続き材料、印刷プロセス、ソフトウェアデータの研究開発に注力していくと述べ、将来的には3D印刷が通常の印刷と同じくらい普及すると考えている。（王亜輝）

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