少し前までは、材料の層を重ねていく機械を使用して 3D オブジェクトを作成する 3D プリンティングのアイデアが斬新に思えました。コンピューターから何かを印刷すると言った場合、ほとんどの人は依然として、紙にトナーやインクを乗せる 2 次元印刷を思い浮かべます。さて、多くの人は 3D プリントが何であるかを知っていますが、おそらく「3D プリンターはどのように動作するのですか?」と疑問に思っているでしょう。
3D プリンティングでは、積層造形 (AM) と呼ばれる一連の製造技術が使用されます。 AM は、オブジェクトにマテリアルをレイヤーごとに追加してオブジェクトを作成する手段です。 AM は、ASTM International (旧称 American Society for Testing and Materials) によって確立された現在の用語です 。
この記事では、3D プリントの歴史とテクノロジーから、自宅での独自の 3D モデルのプリントを含む幅広い用途まで、3D プリントの幅広い範囲について説明します。まず、3D プリンティングがどのように始まり、現在どのように発展しているかを見てみましょう。
3D プリントの歴史
積層造形の最も初期の使用は、1980 年代後半から 1990 年代前半にかけてのラピッド プロトタイピング (RP) でした。プロトタイプを使用すると、製造業者はオブジェクトの設計をより詳細に検討し、完成品を製造する前にテストする機会も得られます。 RP を使用すると、メーカーはこれらのプロトタイプを以前よりもはるかに迅速に、多くの場合、設計を考えてから数日以内、場合によっては数時間以内に製造できるようになります。
RP では、設計者がコンピュータ支援設計 (CAD) ソフトウェアを使用してモデルを作成し、機械がそのソフトウェア モデルに従ってオブジェクトの構築方法を決定します。オブジェクトの断面を層ごとに「印刷」してオブジェクトを構築するプロセスは、3D プリンティングとして知られるようになりました。
3D プリンティング技術の最も初期の開発は、マサチューセッツ工科大学 (MIT) と 3D Systems という会社で行われました。 1990 年代初頭に、MIT は 3D プリンティングという名前で商標登録した手順を開発し、正式には 3DP と略しました。 2019 年 9 月の時点で、MIT は 6 社に製品で 3DP プロセスを使用および促進するライセンスを付与しました 。
サウスカロライナ州ロックヒルに本拠を置く 3D Systems は、1986 年の設立以来、さまざまな 3D プリンティング アプローチを開拓し、使用してきました。光造形装置 (SLA) や選択的レーザー焼結 (SLS) などのテクノロジーの一部は商標登録されています。 )、それぞれについてはこの記事で後述します。 MIT と 3D Systems は依然として 3D プリンティング分野のリーダーですが、他の企業もこれらの AM テクノロジーを基盤として革新的な新製品をプロフェッショナル市場に投入しています。
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現在、RP に貢献したのと同じ 3D プリント技術の一部が完成品の作成に使用されています。このテクノロジーは、機械が印刷できる細部の細かさから、印刷完了時にオブジェクトを洗浄して仕上げるのに必要な時間に至るまで、さまざまな面で進化し続けています。プロセスは高速化し、材料や設備は安価になり、金属やセラミックなど、より多くの材料が使用できるようになりました。現在、印刷機は小型車ほどの大きさから電子レンジほどの大きさまであります。
積層造形は、コンピュータ数値制御 (CNC) 加工と呼ばれる別の一般的な製造プロセスと比較されたり、誤解されたりすることがあります。ただし、CNC は AM とは逆のサブトラクティブ マニュファクチャリングの一例です。 CNC 加工では、石から彫像を一度に 1 層ずつ彫刻するのと同じように、完成品が残るまで、既存のブロックから材料が除去されます。
この分野に関する背景情報を理解したところで、いくつかの 3D プリント テクノロジを見てみましょう。
ダイレクトおよびバインダー 3D プリント
3D プリンティングへのアプローチの 1 つは、ダイレクト 3D プリンティングです。ダイレクト 3D プリンティングは、1960 年代から 2D プリンティングで利用可能になっているインクジェット技術を使用します 。 2D インクジェット プリンタと同様に、3D プリンタのノズルは前後に移動して流体を吐出します。ただし、2D 印刷とは異なり、ノズルまたは印刷表面が上下に移動するため、複数の材料層で同じ表面を覆うことができます。さらに、これらのプリンターはインクを使用しません。厚いワックスとプラスチック ポリマーが塗布され、固化して頑丈な 3D オブジェクトの新しい断面が形成されます。
この記事の前半で説明したラピッド プロトタイピング (RP) は、ダイレクト 3D プリンティングの成長の主要な要因となっています。 1994 年に、Solidscape として知られる会社が製造した ModelMaker マシンは、インクジェット アプローチを RP に適用する最初の商業的に成功した技術となりました。
バインダー 3D プリンティングは、ダイレクト 3D プリンティングと同様に、インクジェット ノズルを使用して液体を塗布し、それぞれの新しい層を形成します。ただし、直接印刷とは異なり、バインダー印刷では、各印刷層を形成するために一緒になる 2 つの別々の材料 (微細な乾燥粉末と液体接着剤またはバインダー) が使用されます。バインダー 3D プリンターは、各層を形成するために 2 つのパスを作成します。最初のパスで粉末の薄いコーティングをロールアウトし、2 番目のパスでノズルを使用してバインダーを塗布します。次に、新しい粉末層を収容するために構築プラットフォームがわずかに下がり、モデルが完成するまでプロセス全体が繰り返されます。
前述した MIT の 3DP プロセスでは、このバインダー アプローチが使用されています。 MIT は企業に 3DP を使用する製品開発のライセンスを与えていますが、資格を得るには、企業は粉末とバインダー材料の独自の組み合わせを使用する必要があります。バインダー 3D プリントには、ダイレクト 3D プリントに比べていくつかの利点があります。まず、ノズルから塗布される材料の量が少ないため、直接印刷よりも高速になる傾向があります。もう 1 つの利点は、金属やセラミックなど、さまざまな色や素材をプロセスに組み込むことができることです。
熱溶解積層モデリング (FDM) は、ダイレクト 3D プリンティングと似ていますが、同一ではありません。 Stratasys, Inc. によって商標登録されている FDM プロセスには、非常に小さなノズルを使用して、溶融プラスチックを密集したラインに射出することが含まれます。 FDM は、ミリメートルの何分の 1 という小さな特徴を持つオブジェクトを作成できます。 [ソース： ]
光重合
光重合は、液体プラスチックの液滴を紫外線レーザーにさらす 3D プリンティング技術です。この露光中に、光は液体を固体に変換します。この用語は、固体プラスチックの化学組成を表す光とポリマーを意味するルーツ写真に由来しています。
2000 年代、Piedmont Triad Center for Advanced Manufacturing (PTCAM) は、ノースカロライナ州で金属加工スキルの実地トレーニングを提供する学校と企業のパートナーシップでした。 PT CAM のトレーニングの一部には、3D Systems のステレオリソグラフィー装置 (SLA) が組み込まれていました。 SLA は光重合を使用し、フォトポリマーと呼ばれる液体プラスチックのバット全体にレーザーを照射します。インクジェット3D 印刷と同様に、SLA は印刷が完了するまでこのプロセスを層ごとに繰り返します。
焼結
焼結は、粒子を溶かして融合させてオブジェクトの連続する各断面を印刷するもう 1 つの積層造形技術です。選択的レーザー焼結 (SLS) は、3D プリンティングで使用される焼結形式の 1 つです。 SLS は、UV レーザー ビームを利用して難燃性の粉末材料を溶かし、その後固化して印刷層を形成します。これは 2D プリンタの背後にあるメカニズムに似ています。トナーを溶かして紙に付着させ、画像を作成します。
金属の製造では、ある種の溶解と再成形が必要になることが多いため、焼結は金属物体の構築と自然に適合します。金属を焼結材料として使用する一例は、3D Systems によるものです 。 LaserForm A6 で作成されたオブジェクトには、ダイカストなどの他の手段で作成された金属製品に比べていくつかの利点があります。最大の利点の 1 つは、SLS が達成できる高レベルの精度です。
ここまで、3D プリンティングがどのように発展してきたか、そして広く採用されている 4 つの 3D プリンティング テクノロジーについて見てきました。次に、3 次元オブジェクトを印刷する一般的なプロセスを見てみましょう。これは、使用するアプローチに関係なく当てはまります。
3D プリントのプロセス
3D プリンターがどのアプローチを使用しても、全体的な印刷プロセスは通常同じです。 Ian Gibson、David W. Rosen、Brent Stucker は著書「」の中で、一般的な AM プロセスの次の 8 つのステップを挙げています。
- ステップ 1: CAD –コンピューター支援設計 (CAD) ソフトウェアを使用して 3D モデルを作成します。このソフトウェアは、特定の材料に関する科学データを使用して、特定の条件下で物体がどのように動作するかの仮想シミュレーションを作成することで、完成品に期待できる構造的完全性に関するヒントを提供する場合もあります。
- ステップ 2: STL への変換 – CAD 図面を STL 形式に変換します。 STL は、Standard tessellation language の頭字語で、1987 年に 3D Systems のステレオリソグラフィー装置 (SLA) マシンで使用するために開発されたファイル形式です 。ほとんどの 3D プリンタは、Z Corporation の ZPR や Objet Geometries の ObjDF などのいくつかの独自のファイル タイプに加えて、STL ファイルを使用できます。
- ステップ 3: AM マシンへの転送と STL ファイルの操作 –ユーザーは、3D プリンターを制御するコンピューターに STL ファイルをコピーします。そこで、ユーザーは印刷のサイズと向きを指定できます。これは、2D プリントアウトを設定して両面印刷、または横向きと縦向きで印刷する方法に似ています。
- ステップ 4: マシンのセットアップ –各マシンには、新しい印刷ジョブの準備方法に関する独自の要件があります。これには、プリンターが使用するポリマー、バインダー、その他の消耗品の補充が含まれます。また、基礎として機能するトレイの追加や、一時的な水溶性サポートを構築するための材料の追加についても説明します。
- ステップ 5: ビルド –マシンに任せます。ビルドプロセスはほとんど自動です。各層の厚さは通常約 0.1 mm ですが、さらに薄くしたり厚くしたりすることもできます 。オブジェクトのサイズ、使用される機械、材料によっては、このプロセスが完了するまでに数時間、場合によっては数日かかる場合があります。定期的にマシンをチェックして、エラーがないか確認してください。
- ステップ 6: 削除 –印刷されたオブジェクト (場合によっては複数のオブジェクト) をマシンから削除します。高温の表面や有毒化学物質から身を守るために手袋を着用するなど、怪我を避けるための安全対策を必ず講じてください。
- ステップ 7: 後処理 –多くの 3D プリンターでは、印刷されたオブジェクトに対してある程度の後処理が必要になります。これには、残っている粉末を払い落としたり、印刷物を浸して水溶性サポートを除去したりすることが含まれます。一部の素材は硬化するのに時間がかかるため、このステップでは新しいプリントが弱くなる可能性があるため、破損したりバラバラにならないように注意が必要な場合があります。
- ステップ 8: アプリケーション –新しく印刷されたオブジェクトを使用します。
3D プリンティング革命
3D プリンティング ソリューションの可用性と手頃な価格の増加により、このテクノロジーは多くの業界の人々にとって魅力的なものになりました。たとえば、自動車業界は、新しい自動車部品設計のラピッド プロトタイピングに 3D プリンティング テクノロジーを長年使用してきました。上の写真は、Piedmont Triad Center for Advanced Manufacturing (PTCAM) によって作成されたマニホールドのプロトタイプを示しています。
医療用途
医療専門家は、補綴物の印刷など、さまざまな用途に 3D プリンティングを積極的に採用しました。従来の専門家が作成した義手は高価になる可能性がありますが、3D プリンターを使用すればわずか 50 ドルで義手を作成できます。いくつかの専門的な 3D プリンター メーカーが、歯科治療用に特別に設計された機械を販売しています。
航空宇宙工学への応用
航空宇宙産業のエンジニアは、設計のテストと改善を支援するだけでなく、その機能の良さを誇示するためにも 3D プリントを取り入れています。
芸術的応用
3D プリントには、興味深い美的用途もいくつかあります。デザイナーやアーティストは、アート、ファッション、家具を制作する創造的な方法でそれを使用しています。 3D プリントを使用するグラフィック アーティストの Torolf Sauermann 。
オランダの会社である Freedom of Creation (FOC) は、レーザー焼結ポリアミドで作られた 3D プリント製品を販売しました。これには、複雑な幾何学模様の照明や、鎖帷子に似たプラスチックの輪がつながって構成される衣服のデザインなどが含まれます。 FOC には、フィリップス、ノキア、ナイキ、アシックス、ヒュンダイなど、多くの企業クライアントがそのデザインおよび印刷サービスを利用しています 。
料理への応用
3D プリンティング技術のよりおいしい応用例は、ユニークな菓子アイテムを作成できる機械を開発したチョコレート業界から生まれました。 3D プリンターは大量生産には適していませんが、コンピューターで設計されたオブジェクトをプロトタイプとして、またはユニークなカスタマイズされたお菓子として作成できます 。
もう少しおいしいものをお探しですか? 3D プリンターを使用するとさまざまな種類の食品を作成できますが、機械に入れるにはピューレにする必要がありますが、ハンバーガーも 3D プリントで作成できます。注意すべき点が 1 つあります。印刷された食品は従来の食品とは食感が異なります 。
3D プリントのコスト
歴史的に、3D プリンティングは高価なテクノロジーでした。記事の前半で説明した PTCAM の SLA には 250,000 ドル以上の費用がかかります。液体プラスチックの価格は 1 ガロンあたり約 800 ドルです。この種の装置を所有する組織は、光造形サービスを他者に販売したり、企業が装置を使用するための時間ブロックを購入したりできるようにする可能性があります。
現在、多くの大型産業用 AM マシンは依然として高価ですが、以前ほどではありません。たとえば、2019 年 9 月、3D Systems の ProJet CPX 3000MJP 3600 は 10 万ドル未満で販売されており、最大 11.75 インチ x 7.3 インチ x 8 インチ (298 ミリメートル x 185 ミリメートル x 203 ミリメートル) の高解像度モデルを作成できました 。
セラミックやアルミニウムよりも物議を醸す
これらの問題の多くは、テクノロジーが進歩するにつれて、時間の経過とともに解決される可能性があります。しかし、他の問題が残る可能性があります。たとえば、ある男性を含め、人々はすでに 3D プリンターを使用して銃を作っています。人々が 3D プリンターを使用して銃、ナイフ、その他の武器を製造することを防ぐ措置を講じることはできるでしょうか?
という懸念もあります。人々は、特許や著作権所有者からオブジェクトを購入するのではなく、設計図を入手してオブジェクトを印刷することができます。それは、特許を取得したものを印刷し、著作権侵害を主張する人 (または数百人) を追跡することかもしれません。
自宅での 3D プリント
まだ一般的ではありませんが、3D プリンターはより多くの家庭、図書館、学校、メーカースペースに登場しつつあります。技術が成熟するにつれて、これらの機械の価格も下がりました。たとえば、2024 年の時点では、a は 1,375 ドルから始まります。同社は、PLA 素材の小型スプールを 12 色の標準色と限定色 (暗闇で光る色など) を追加料金で販売しています。
家庭用のマシンに散財したくない場合は、いつでも自分でマシンを構築できます。たとえば、2007 年の物理学者兼ブロガーは、焼結アプローチを使用して砂糖から物体を製造しました。 CandyFab と呼ばれるこのプロジェクトには、専用 Web サイトがあります。プロジェクトは終了しましたが、プロジェクトと彼がどのようにそれを機能させたかについてはまだ読むことができます。
よりプロフェッショナルなアプローチが必要な場合は、代わりに 3D プリント サービスを購入することもできます。これらのサービスを使用すると、独自の CAD ファイルを送信し、工業用 3D プリンターで作成されたオブジェクトの高品質な製品を受け取ることができます。 3D プリント サービスを提供するオンライン企業には、Shapeways や Ponoko などがあります。これらのサイトでは、オンライン ストアを開設するオプションも提供されており、他の人があなたのデザインの 3D プリントを購入したときに収益を得ることができます。
低価格バージョンはまだ登場していませんが、3D プリントは引き続き、より安価な価格でより優れたプリント品質を提供します。おそらく将来的には、これらの機械は、交換のためにホームセンターに車で行く代わりに、新しい家の鍵を印刷するなどの日常的な問題を解決するために使用される一般的なツールになるでしょう。
