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【完全版】市場成長が予想される「3Dプリンティング」を徹底解説

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本記事は、What Is 3D Printing? Working Principle | Types | Applications
翻訳・再構成したものです。
配信元または著者の許可を得て配信しています。

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3Dプリンティングのコンセプトは、David E.H. 1974年のジョーンズ。しかしながら、モデルを作成するための方法と材料は、1980年代初頭まで開発されていませんでした。

 

「3Dプリンティング」という用語は、さまざまな材料で部品や製品を製造するための幅広い機能を提供する数多くのプロセスや技術を網羅しています。 近年、これらのプロセスは大幅に発展し、現在では多くのアプリケーションで重要な役割を果たすことができます。

 

この概要記事は、3Dプリントのさまざまなタイプとプロセス、それらの機能、現在の市場での用途と利点について説明することを目的としています。 非常に基本的な質問から始めましょう。

 

3Dプリンティングとは?

3Dプリンティングは、積層造形とも呼ばれ、3次元デジタルモデルまたはCADモデルから物理オブジェクトを作成するプロセスです。 それは、実際のオブジェクトを構築するために材料が結合または固化されるさまざまなコンピュータ制御技術を含みます。

 

典型的には、材料(粉末粒子または一緒に融合される液体分子など)は、ミリメートル単位で層ごとに追加されます。 これが、3Dプリンティングが積層造形プロセスとも呼ばれる理由です。

この画像は、3Dプリンターが3次元オブジェクトレイヤーを印刷する方法を示しています。by layer | 3D Logics

 

1990年代、3D印刷技術はラピッドプロトタイピングと呼ばれていました。 それらは美的または機能的なプロトタイプの製作にのみ適していました。 それ以来、私たちは長い道のりを歩んできました。

 

今日の3Dプリント技術は、他の方法では手動で作成することが不可能である複雑な構造と形状を作成するのに十分に進歩しています。

 

3Dプリンティングの精度、材料範囲、再現性は、シンプルなプロトタイプから、環境に優しい建物、航空機の部品、医療機器、さらには ヒト細胞。

 

それはどのように正確に機能しますか?

すべての3D印刷技術は同じ原理に基づいています。3Dプリンターは(入力として)デジタルモデルを取り、レイヤーごとにマテリアルを追加することにより、それを物理的な3次元オブジェクトに変換します。

 

これは、さまざまな切削工具を使用してソリッドブロックから目的の構造を構築する、射出成形やCNC機械加工などの従来の製造プロセスとは大きく異なります。 ただし、3Dプリントには切削工具は必要ありません。オブジェクトは、構築されたプラットフォーム上で直接製造されます。

プロセスは、デジタル3Dモデル(オブジェクトの設計図)から始まります。 ソフトウェア(プリンター固有)は、3Dモデルを薄い2次元レイヤーにスライスします。 次に、それらをプリンターが実行するための機械語の一連の命令に変換します。

 

プリンタの種類とオブジェクトのサイズによっては、印刷が完了するまでに数時間かかります。 印刷されたオブジェクトは、多くの場合、最適な表面仕上げを実現するために後処理(サンディング、ラッカー、ペイント、または他のタイプの従来の仕上げタッチなど)を必要とし、追加の時間と手間がかかります。

 

さまざまなタイプの3Dプリンターは、さまざまな方法でさまざまな素材を処理するさまざまなテクノロジーを採用しています。 おそらく、3Dプリンティングの最も基本的な制限は、材料と用途の点で、万能のソリューションがないことです。

 

3Dプリントのタイプ/プロセス

ISO / ASTM 52900規格に従って、すべての3D印刷プロセスは7つのグループに分類できます。 それぞれに長所と短所があり、通常はコスト、速度、材料特性、幾何学的制限などの側面が関係しています。

 

1.バット光重合

SLAの図:レーザー(a)は、液体の光重合樹脂で満たされたタンク(b)の透明な底(c)を選択的に照明します。 吊り上げプラットフォーム(e)は、固化した樹脂(d)を徐々に引き上げます。

 

バット光重合に基づく3Dプリンターは、オブジェクトを作成するために紫外線光源で硬化されるフォトポリマー樹脂で満たされたコンテナーを備えています。 バット重合の3つの最も一般的な形式は

 

1a)ステレオリソグラフィー(SLA):1984年に発明されたSLAは、紫外線レーザーを使用して化学モノマーとオリゴマーを架橋し、3次元固体のボディを構成するポリマーを形成します。 プロセスは高速で、ほとんどすべての構造を構築できますが、コストがかかる可能性があります。

 

1b)デジタルライトプロセッシング(DLP):アークランプなどの従来の光源(レーザーの代わり)を利用します。 オブジェクトの各層は液体樹脂のバットに投影され、リフティングプラットフォームが上下に移動すると、層ごとに固化します。

 

1c)連続液界面製造(CLIP):ステレオリソグラフィーに似ていますが、連続的で最大100倍高速です。 CLIPは、他のテクニックでは作成できなかった、側面が滑らかなゴムのような柔軟なオブジェクトを作成できます。

 

2.材料押出

材料の押し出しの図:ノズル(1)が材料(2)をビルドプラットフォーム(3)に堆積しています。

 

このプロセスでは、固体の熱可塑性材料のフィラメントが加熱されたノズルに押し込まれ、材料が溶融して、所定の経路に沿ってビルドプラットフォームに堆積します。 この材料は最終的に冷却されて固化し、3次元の物体を形成します。 このプロセスで最も一般的に使用される手法は

 

2a)溶融堆積モデリング(FDM):ナイロン、熱可塑性ポリウレタン、ポリ乳酸などの熱可塑性材料の連続フィラメントを使用します。

 

2b)ロボキャスティング:ノズルがビルドプラットフォームを横切って移動している間に、小さなノズルからペースト状の材料が押し出されます。 このプロセスは、押し出し後も形状を維持するために材料の乾燥または固化に依存しないため、FDMとは異なります。

 

3.シート積層

一部のプリンターは、印刷のコストを下げるために、ビルド材料として紙とプラスチックを使用しています。 この技術では、粘着性のプラスチック、紙、または金属ラミネートの複数の層が連続して接合され、レーザーカッターまたはナイフを使用して形状に切断されます。

 

層の解像度は、材料フィードストックによって定義できます。 通常、コピー用紙は1~数枚です。 このプロセスを使用して大きな部品を作成できますが、最終製品の寸法精度は、ステレオリソグラフィーの寸法精度よりもかなり低くなります。

 

4.指向性エネルギー堆積

指向性エネルギー堆積技術は、ハイテク金属産業や急速製造アプリケーションで一般的に使用されています。 印刷装置は、多軸ロボットアームに固定されたノズルを含む。 ノズルは、金属プラットフォームをビルドプラットフォームに堆積させ、レーザー、プラズマ、または電子ビームによって溶融させて、固体オブジェクトを形成します。

 

このタイプの3Dプリントは、アルミニウム、ステンレス鋼、チタンなど、さまざまな金属、傾斜機能材料、複合材料をサポートしています。 完全に新しい金属部品を構築できるだけでなく、既存の部品に材料を取り付けて、ハイブリッド製造アプリケーションを可能にすることもできます。

 

5.マテリアルジェッティング

材料噴射プロセスで印刷された部品

 

材料噴射は、インクジェット用紙プリンターと同様に機能します。 このプロセスでは、感光性材料を小径のノズルから液滴として塗布し、紫外光で硬化させて、パーツごとに層を形成します。

 

この技術で使用される材料は、熱硬化性フォトポリマー(アクリル)です。 マルチマテリアル印刷と幅広い材料(ゴムのような透明な材料を含む)も利用できます。

 

マテリアルジェッティング3Dプリンティングは、滑らかな表面仕上げで高い寸法精度の部品を構築できるため、ビジュアルプロトタイプと商用ツールの両方を製造するための魅力的なオプションです。

 

6.バインダージェッティング

バインダージェッティングで砂岩にプリントされたフルカラープリント| 画像クレジット: 3D Hubs

 

バインダージェットでは、粉末の基材と液体バインダーの2つの材料を使用します。 粉末はビルドチャンバー内の均一な層に分散され、バインダーはジェットノズルを通して適用されます。これにより、粉末粒子が「接着」され、目的のオブジェクトがビルドされます。

 

ワックスまたは熱硬化性ポリマーは、多くの場合、その強度を高めるために結合粉末と混合されます。 3Dプリントが完了すると、残った粉末が収集され、別の構造のプリントに使用されます。

 

この手法はインクジェットのようなプロセスに非常に似ているため、インジェクト3Dプリンティングとも呼ばれます。 主にエラストマー部品、オーバーハング、カラフルなプロトタイプの印刷に使用されます。

 

7.パウダーベッドフュージョン

SLSシステム| DTM – 2500CI

 

パウダーベッドフュージョンは積層造形のサブセットであり、熱源(サーマルプリントヘッドやレーザーなど)を使用して、材料をパウダー状に固め、物理的なオブジェクトを構築します。 このテクノロジーの5つの最も一般的な形式は

 

7a)選択的レーザー焼結(SLS):レーザーを動力源として使用して、ポリアミドやナイロンなどの粉末状材料を焼結します。 ここで、「焼結」という用語は、圧力または熱を加えることによって、固化するまで溶融または溶融せずに、材料の固体塊を圧縮および形成するプロセスを指します。

 

7b)選択的レーザー溶融(SLM):SLSとは異なり、この手法は金属粉末を完全に溶融して融合するように設計されています。 従来の製造された金属と同様の機械的特性を持つ完全な密度の材料(層ごと)を作成できます。 これは、業界と研究の両方で実装されている急速に発展しているプロセスの1つです。

 

7c)電子ビーム溶解(EBM):プロセスでは、原料(ワイヤーまたは金属粉末)が真空内に配置され、電子ビームを使用して融合されます。 EBMは導電性材料でのみ使用できますが、エネルギー密度が高いため、ビルド速度が優れています。

 

7d)選択的加熱焼結(SHS):粉末状の熱可塑性樹脂の層に熱を加えるためにサーマルプリントヘッドを使用します。層が完成するとすぐに、粉末層が下に移動し、材料の新しい層が追加されます。これが焼結されて、モデルの次の断面が形成されます。この手法は、機能テスト用の安価なプロトタイプと部品を製造するのに最適です。

 

7e)ダイレクトメタルレーザーシンター(DMLS):SLSに似ていますが、代わりにメタルパワーを使用します。残った力はオブジェクトのサポート構造になり、次の3Dプリントに再利用できます。 DMLSパーツは、主にチタン、ステンレス鋼、アルミニウム、いくつかのニッチ合金などの粉末材料で作られています。これは、カスタム医療部品、石油およびガス部品、および機能的なプロトタイプの理想的なプロセスです。

 

アプリケーション

この10年間で、3Dプリンティングは大きく発展しました。 複雑な設計をより安価に迅速に製造するために使用できるため、商業製造および医薬品から建築およびカスタム設計に至るまで、さまざまな業界で不可欠なツールとなっています。

 

多くの積層造形技術を使用して食品を製造できます。 最新の3Dプリンターには、搭載されたレシピが搭載されており、ユーザーはコンピューターやスマートフォンでリモートで料理を作成することもできます。 3Dプリントされた食品は、質感、色、形、風味、栄養をカスタマイズできます。

 

この技術は、医薬品製剤にも効果的であることが証明されています。 3Dプリンティングによって製造された最初の製剤は2015年に製造されました。同じ年に、FDAは最初の3Dプリントタブレットを承認しました。

2014年にISSに送信されたZero-G 3Dプリンター

 

2014年、SpaceXは最初の無重力3Dプリンターを国際宇宙ステーションに納入しました。 現在、宇宙飛行士は、ソケットレンチなどの便利なツールを印刷するために使用しています。

 

実際、惑星や小惑星で計画されている多くの組立プロジェクトは、近くの地域で入手可能な材料を使用して、どういうわけかブートストラップされます。 3Dプリントは、このブートストラップの主要なステップの1つです。

 

今日、技術系企業は付加製造をクラウドコンピューティングと統合して、分散型で地理的に独立した分散型生産を可能にしています。 一部の企業は、個人および商用の両方の顧客に(ウェブサイト経由で)オンライン3D印刷サービスを提供しています。

 

3Dプリンティングの未来

3Dプリンティングの大きな夢は、「みんなの家の工場」です。 奇妙に聞こえるかもしれませんが、無限にカスタマイズ可能なものを即座に作り出すことができるマシンを所有することが魅力的であることは否定できません。

 

コンピューターやスマートフォンが何十億もの人々に力を与えてきたように、3Dプリンターも製造において同じことをするかもしれません。

 

GrandViewResearchによると、世界の3Dプリント市場は2019年に115.8億ドルと評価され、2027年までに330億ドルを超えると予測されています(年間成長率14%)。

 

市場の成長を促進すると予想される要因には、積極的なRDや、自動車、航空宇宙、防衛、医療などのさまざまな業界のアプリケーションのプロトタイピングアプリケーションに対する需要の増加が含まれます。

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