ポリマー3Dプリント完全ガイド：2021年の最新技術、革新、アプリケーション

ポリマー3Dプリントへのディープダイブ：技術、有望な開発、アプリケーション等。

大手化学企業が相次いで3Dプリント分野に参入し、業界の主力企業が技術能力をさらに前進させる中、ポリマー3Dプリントは大きな追い風を受けています。

最新動向を追うため、以下ではポリマー3Dプリントにおける最もエキサイティングな革新と技術がもたらす機会を掘り下げます。まずは、産業界で広く用いられている一般的なポリマー3Dプリント技術を探ります。

ポリマー3Dプリント：技術

ポリマー3Dプリンターは3Dプリントハードウェア分野を支配しています。出荷収益、設置ベース、この分野での開発件数、あらゆる面でリードしています。

ポリマー3Dプリントは2020年にハードウェア、材料、3Dプリント部品の売上を合わせて117億ドルの収益を生み出したと予測されています。

以下、この成長を牽引する主要技術を見ていきます。

光造形（バットポリマリゼーション）

ステレオリソグラフィー（SLA）

1980年代にステレオリソグラフィー（SLA）が登場し、3Dプリント時代の幕開けを告げました。SLAは優れた表面仕上げの美しいパーツ製造に最適な技術です。高精度・高解像度のため、SLAパーツは主に形状・適合確認用コンセプトモデルや、鋳造用マスターパターンとして使用されます。

SLAは液体光硬化性レジンを使用し、UVレーザーで層ごとに選択的に硬化させ、レジンを固化させます。

SLAパーツは優れた表面仕上げを提供しますが、他の積層技術で製造されるパーツより耐久性が劣る傾向があります。また、SLA材料はUV光に敏感なため、日光への過度な曝露で機械的特性が変化し、屋外使用には不向きです。

SLAフォトポリマーは多様なカラーオプションに加え、特殊材料（鋳造用、耐久性、高温、医療グレード）も用意されています。

SLAの材料選択肢は常に拡大中です。過去12ヶ月で、Formlabs、Henkel、Zortrax、DSMなどから複数の新レジン発表がありました。

最近のニュースから読み取れるのは、3Dプリントレジン開発が新段階に達していることです：企業は医療、歯科、エンジニアリング分野の先進アプリケーションに極めて注力しています。

関連記事：デジタル歯科&クリアアライナー製造における3Dプリント

材料押出法

FDM/FFF

熱溶解積層法（FDM）、別名フィラメント積層造法（FFF）は、産業用途で最も人気のある3Dプリント手法の一つです。市場調査会社CONTEXTによると、2020年の出荷収益でこのカテゴリーの機器が最大となり、約1億5,000万ドルに達しました。

FDMは1990年代に商業化され、手頃でユーザーフレンドリーなプロトタイピング技術として機能してきました。以来、信頼性、精度、材料選択肢が向上し、製造治具など多くの生産用途に適するようになりました。

関連記事：航空機キャビン向け3Dプリント

FDMは熱可塑性フィラメントをノズルから押し出し、造形台上に一層ずつ積層します。FDMパーツの主な制限の一つは異方性で、機械的特性が全空間方向で等しくありません。これによりパーツが弱くなる可能性があります。

さらに、FDMはSLSやSLAのような他の3D技術と比較してプリント速度が遅く、一般的に量産には非現実的です。

今日、メーカーは弾性TPUから耐久・強化ABS、PEEKのような高性能材料まで、多様なFDMフィラメントを利用できます。生産グレード熱可塑性材料の利用により、FDMは機能的で耐久性のある製品製造に最適です。

粉末床溶融法

選択的レーザー焼結（SLS）

選択的レーザー焼結（SLS）は、強力なレーザーでプラスチック粉末材料を溶融融着させる積層造形プロセスです。高精度、速度、信頼性、サポート構造不要の組み合わせにより、SLSは機能プロトタイピングと少量生産の両方で使用されます。

SLSでは通常ポリアミド（ナイロン）粉末を使用し、PA11とPA12が最も一般的な2大ポリアミドに加え、柔軟なTPU材料も用いられます。

しかし、企業は継続的に新材料を追加しています。例えば2018年、エボニックがSLS向け世界初の柔軟プラスチックPEBA基（ポリエーテルブロックアミド）粉末をリリースしました。

ドイツの3DプリンターメーカーEOSも、同社SLSシステム向けにカーボンファイバー強化PEKK熱可塑性材料を認定PEEK材料に加えて提供開始。新PEKK熱可塑性材料は航空宇宙・産業用途でアルミニウム部品を置換可能とされています。

特筆すべきは、EOSが現在、PEEKやPEKKのような高性能熱可塑性材料を処理できるSLSシステム（EOS P800）を提供する唯一のメーカーであることです。

歴史的にSLS技術は企業導入コストが高かった（数十万ドル単位）。しかし2014年の特許切れにより、Formlabs Fuse 1ベンチトップ3Dプリンターのようなより手頃な代替機が登場しました。

マルチジェットフュージョン（MJF）

2016年の市場投入以来、HPのマルチジェットフュージョン（MJF）は産業グレード機能部品とプロトタイプの生産に新たな次元を開きました。

SLSと同様にナイロン粉末を使用しますが、レーザーの代わりに各粉末層へ融着剤を滴下し、赤外線光源で融着させます。

SLSと比較し、MJFはHPの革新的な後処理ステーションにより冷却プロセスを高速化し、粉末除去を支援することで、より高速なワークフローを提供します。Jet Fusion 300/500シリーズはフルカラー3Dプリント機能も備えます。

HPのMJFにはいくつか制限があり、例えば現在の材料選択肢が限定的（PA11、PA12、ガラスビーズ充填PA12）です。

しかし、HPはオープンプラットフォームモデルを推進し、材料開発者との協業を促しています。このアプローチを通じ、HPはエボニック、BASF、ルブリゾールを含む50社以上と提携し、本技術向け新材料開発に取り組んでいます。

関連記事：

–HPの3Dプリント技術の進化：ポリマーから金属AMへ

–AMFGとHPの互換性がAMシステム接続性を推進

マテリアルジェッティング

マテリアルジェッティングは、液体光反応性材料を造形台へ層ごとに堆積させるインクジェット印刷プロセスです。SLAと同様にレジンを使用し、UV光で固化させます。

マテリアルジェッティングの主要メリットの一つは、プリントプロセス中に2種類以上のフォトポリマーを組み合わせられることで、ハイブリッド特性を持つパーツ（剛性と柔軟性の組み合わせ等）が製造可能です。さらに、フルカラーパーツ製造が可能で、最終製品外観のプロトタイプに最適です。

マテリアルジェッティング用レジンはSLA用と類似していますが、インクのような低粘度形態をしています。コストも一般的に高めです。

技術の制限として、プリントパーツの機械的特性が劣るため、マテリアルジェッティングパーツは一般的に機能用途には不向きです。

ポリマー3Dプリント：機会とアプリケーション

ポリマー材料による産業3Dプリントは、生産部門と製品開発部門の双方に幅広い可能性を開きます。以下に最も顕著なものを概説します。

ラピッドプロトタイピング

プロトタイピングはポリマー3Dプリントの主要用途分野の一つです。3Dプリント技術の進化により、プロトタイプをより速く、より耐久性高く、視覚的に魅力的に製造できるようになりました。

2017年に最多プリンター購入を記録したとされる自動車業界は、ポリマー3Dプリントをプロトタイピング目的で顕著に活用しています。ここではあらゆる3Dプリント技術が形状・適合確認だけでなく、機能的テストと検証にも活用されています。

一例としてアウディは、Stratasys J750 PolyJet 3Dプリンターを用いてテールライトカバーなどの自動車部品を設計・検証しています。

フルカラー・マルチマテリアルプロセスであるStratasys PolyJet 3Dプリントにより、最終製品ルックの物理プロトタイプを構築可能で、製品開発プロセスを大幅に簡素化・加速します。

モータースポーツ分野では、レースカー試験用の機能部品製造において3Dプリントが定番技術となっています。アルファロメオ・ザウバーF1チームは、フロントウイング、ブレーキダクト、サスペンションカバー、エンジンカバー、内部ダクト、風洞モデル用ハンドデフレクターなどの製造にSLSとSLA 3Dプリントを広範に活用しています。

より効率的な治工具

治工具への3Dプリント活用は、技術の最も有望な用途の一つとして浮上しています。治具・固定具からロストワックス鋳造用パターンまで、ポリマー3Dプリントはより速く、安く、カスタマイズ可能なツールへの扉を開きます。

一般的に企業は、相対的な手頃さと使いやすさからFDMとSLA技術を治工具製造に採用しています。

自動車メーカーのフォードは、Ultimaker FDM 3Dプリンターでカスタムツールを作成していると報告されています。

メリットはコスト削減にとどまりません。フォードのテクニカルリーダー、ハロルド・シアーズ氏によれば、3Dプリントは「オペレーターにとってより人間工学的に正しいツールを作ることで、人々が仕事をしやすくしています。これはソフトなメリットかもしれませんが、オペレーターがより快適に仕事できれば、より良い仕事をし、品質向上につながります。」

さらに、現在利用可能な3Dプリント可能熱可塑性材料の中には金属ツールを置換できるほど強度のあるものもあり、組立プロセスを大幅に容易にし、カスタムツールコストを下げます。

医療アプリケーション

医療業界はポリマー3Dプリントの早期採用者の一つでした。今日、手術ガイド・ツールから術前計画用の人体臓器レプリカまで、多くの用途で技術が活用されています。

ますます、低コスト義肢やアライナー、ブリッジなどの歯科デバイスなど、カスタム医療機器の直接生産に3Dプリントが用いられています。

3Dプリントによって完全に変革された業界セクターの一つが補聴器です。今日、世界中の補聴器の90%以上がSLA 3Dプリント技術で製造されています。

パンデミック発生以来、ポリマー3Dプリントは人工呼吸器バルブ、安全ゴーグル、保護フェイスシールド、検査用綿棒の生産においても実用的技術として確立しました。

関連記事：2021年のヘルスケアにおける3Dプリント：どこまで来ているか？

カスタマイズ消費財

消費財企業は、マスカスタマイゼーションの選択肢としてプラスチック3Dプリントを注視しています。3Dプリントは労働集約的で高コストな金型を必要とせず、複雑なオブジェクトをコスト効率よく作れるため、消費者に合わせたパーソナライズ製品の生産を可能にします。

フットケア製品プロバイダーのDr. Scholl'sは、テクノロジー企業Wiivvと提携し、カスタム3Dプリントインソールを製造しています。

Wiivv Fit Technologyを用いて、Dr. Scholl'sはカスタマイズアプリを提供。数枚のスマホ写真で各ユーザーの足の400ポイントをマッピングします。5分未満のこのプロセスで、インソールを顧客の足の正確な仕様で設計・プリントできます。

関連記事：
• フットウェア向け3Dプリント

• 3Dプリントが消費財業界にもたらす5つのメリット

ポリマー3Dプリントにおけるエキサイティングな技術開発

3Dプリント業界は、新しいポリマー3Dプリント技術の開発と既存技術の改良で飛躍的進歩を遂げています。以下に、ポリマー3Dプリント分野における最近の最も重要な技術開発を概説します。

EOSの新LaserProFusion技術

Formnext 2018で発表されたEOSのLaserProFusion技術は、シリアル積層生産を可能にするために開発中の革新的ポリマー3Dプリント技術です。最大100万個のダイオードレーザーが最大5kW出力に達し、プラスチック材料をプリントします。

この技術により、製造プロセスが10倍高速化し、射出成形と同等の生産性を達成するとされています。

商用化時期は不明ですが、この発表は3Dプリント技術の産業化が進むまた一つの指標です。

高速光重合

SLAとDLPプロセスを含む光重合は、過去数年で大きく進化しました。

この技術は量産プロセスとして前進し、最近の高速光重合の導入がこのトレンドをさらに加速させています。

この分野のほぼ全主要プレイヤーが、射出成形に近いボリュームで機能的レジンパーツをプリントできるシステムを導入しています。

2014年、Carbonが高速Digital Light Synthesis技術を導入し、M2 3Dプリンターで時間あたり20cmの速度でプリント可能に進化しました。

関連記事：Carbon共同創業者フィリップ・デシモーネ氏に聞く、3Dプリントによる大量生産への移行

2016年、3D Systemsが高速・自動化SLAのアプローチであるFigure 4システムを発表。最近のデータではFigure 4 Productionのパーツプリント速度は最大65mm/時間、プロトタイピング速度は最大100mm/時間に達しています。

EnvisionTEC（Desktop Metalが買収）、Nexa3D、Origin（Stratasysが買収）、NewProなど他社も追随しています。

プロセス速度は長らく3Dプリントの最も弱い側面の一つでした。これは特に、自動車や消費財のように大量直列生産に駆動される業界での採用障壁となってきました。これらの業界では、生産効率を維持するため、できるだけ短いタイムフレームで製品を製造・納品する必要があります。

今、高速光重合の進歩により、より大量に3Dプリントしたいメーカーにとって実行可能な選択肢が生まれています。

Rizeの拡張ポリマー堆積（APD）技術

後処理の排除は3Dプリント業界の長年の夢でしたが、Rizeの技術がそのペインポイントを解消すると約束しています。米国の3Dプリンターメーカーが開発したハイブリッド拡張ポリマー堆積（APD）技術は、材料押出とインクジェットを組み合わせています。

この組み合わせにより、プリント完了後に手で簡単に除去できるサポート構造のプリントが可能になり、更なる後処理操作が不要になります。

APD技術は、等方性、フルカラー、産業強度パーツをプロトタイピング、治工具、生産用途で製造するのに使用されてきました。

昨年、同社は新機能も導入：QRコードやバーコードのような安全な情報を技術の助けでパーツ上に3Dプリント可能になりました。これにより、例えばエンジニアが特定パーツの全情報をデジタルで保存し、デジタル在庫を維持できます。

BigRepの大型FDM 3Dプリント

FDMの産業用途への幅広い採用の主要障壁の一つは造形エンベロープのサイズです。ドイツ企業BigRepは、驚異的に大型で高性能な3Dプリンターラインでこの壁を繰り返し打ち破ろうとしています。

Formnext 2018で、BigRepは次世代3Dプリンター2機種——BigRep PRO（1005×1005×1005mm）とBigRep EDGE（1500×800×600mm）を発表し、産業用途向けに展開しました。

両システムは独自のMetering Extruder Technology（MXT）を搭載し、他の大型オプションと一線を画します。この新エクストルーダー技術はフィラメント供給、溶解、押出を明確に分離し、より高速なプリント速度とより高い精度・品質を実現。例えばBigRep PROは、市場の他FDM機比で5倍のフィラメントスループットと3倍の平均押出レートを提供するとされています。

MXTは、BigRepがドイツ化学大手BASFと共同開発するASA/ABS、ナイロンなどプロフェッショナルグレード材料での動作に最適化されています。

特筆すべきは、BigRep PROがボッシュ・レックスロスの最新CNC制御システムとドライブを搭載し、IoTとデータ処理機能を実現していることです。これは最終的にプリンターのインダストリー4.0ビジョンへの統合を加速させます。

関連記事：大型3Dプリントの印象的な4つのアプリケーション

EvolveのSTEP技術

ますます多くの3Dプリンターメーカーが量産を視野に入れており、StratasysスピンオフのEvolve Additive Solutionsも例外ではありません。

ほぼ10年の開発を経て、同社は昨年、ポリマー向け新しい生産速度「STEP」（Selective Toner Electrophotographic Processの略）技術を発表しました。

EvolveのSTEPプロセスは、積層造形による量産への新しいアプローチを提供します。利用可能な最速3Dプリント技術の50倍の速度とされています。

さらに、同社は従来工法で製造されたものと同等品質のパーツ製造が可能と主張——審美的仕上げだけでなく強度でも。また、STEP技術はマルチマテリアルとフルカラープリント機能を提供します。

Evolveはまだ商業化まで2年ありますが、その技術は注目に値します。

StratasysのSAF

3Dプリント業界の老舗Stratasysも、急拡大する生産グレード3Dプリントシステム分野でのプレゼンスを拡大し続けています。同社は粉末床融合（PBF）ベースの次期3Dプリンターラインを発表しました。

新Hシリーズ生産プラットフォームは、量産ニーズに特化して設計された選択的吸収融合（SAF）技術で駆動されます。

SAFは粉末ベースの3Dプリントプロセスですが、SLSがレーザーでポリマー粒子を選択的に融着させるのに対し、SAFは全く異なるアプローチを取ります。

SAFは逆回転ローラーで粉末層を造形台にコートし、プリントヘッドが吸収流体を選択的に滴下してパーツ層を形成。イメージングされた層をIRランプで造形台全幅に渡って照射し、選択領域を融着させます。

この新プロセスの利点は、高いプリント速度と拡張性を提供すると報告されています。SAF技術ベースの3Dプリンターの商用化は現在2021年第3四半期予定です。

StratasysのSAFがビジョン通りの性能を発揮すれば、確立されたSLSとマルチジェットフュージョンプロセスへの実行可能な代替となり得ます。

ポリマー3Dプリントトレンド

ポリマー3Dプリント市場の統合

積層造形業界では過去6ヶ月で多くの買収・合併が見られ、その多くがポリマーAMセクターでした。

AM分野でのM&A活動自体は新しくありませんが、最近の発表には共通する重要な点があります：生産焦点です。

最近のポリマー3Dプリント分野でのM&Aハイライト：

• 2020年9月、コベストロがDSMレジン&機能材料ライン（DSM積層造形含む）買収意向を発表。
• 2020年12月、StratasysがOrigin買収を発表。
• 2021年1月、Desktop MetalがEnvisionTEC買収意向を発表。

企業が結集し、製品を強化し、産業AM生産に向けた説得力あるソリューションを提示しているのは心強い傾向です。

単一の親ソース・単一流通ネットワークを通じてプロセスと材料ポートフォリオを拡充し、より多くの選択肢を提供することで、より多くの顧客要望に応えられるようになります。

繰り返し精度と信頼性に焦点を当てて大規模にこれを行うことは、ポリマー3Dプリントにとって大きな前進です。

金属の代わりにプラスチックを使用

航空宇宙やモータースポーツのような一部業界では、軽量化が特定の目標です。航空機や車両を軽くすることは燃費削減と車両性能最適化に貢献します。

これらの業界は一般的に金属軽量化ソリューションに依存してきましたが、ポリマー3Dプリント材料の最近の進歩がエキサイティングな機会を提供しています。カーボンファイバー、ULTEM、PEEKのような高性能熱可塑性材料を3Dプリントできることは、一部用途で金属をプラスチックに置換できることを意味します。

ある分析によれば、アルミニウム航空機ブラケットをPEEK代替品に置換すると5〜9%の軽量化が可能で、航空機燃費に多大なボトムラインインパクトを与えます。

金属部品を3Dプリントプラスチックで置換することは、メンテナンスプロセスの高速化にも有益です。あるサービスビューロは、Stratasys FDM Nylon 12CFカーボン充填熱可塑性材料を用いて金属機械部品の代替品を製造。3Dプリントにより、従来製造品より優れたコンポーネントがはるかに速く生産されました。

関連記事：複合材3Dプリント：明るい未来を持つ新興技術

社内導入時のポリマー3Dプリント検討事項

サステナビリティ

ポリマー3Dプリント材料のリサイクルと再利用は、社内でポリマーAMを導入する際の重要な検討事項です。

フィラメントベース3Dプリントではリサイクルが一般的で、多くの企業がリサイクルプラスチックからフィラメントを製造しています。

しかし、熱可塑性材料（フィラメント等）は単に再溶融するだけでリサイクルしやすい一方、熱硬化性プラスチックは再溶融できないためリサイクル不能です。

粉末ベースポリマー3Dプリントでは、粉末再利用も完全には簡単ではありません。ほとんどの場合、「使用済みだが未溶融」の粉末を約50%のバージン粉末と混合する必要があります。PEEKのような一部高性能粉末ではリフレッシュ率が大幅に低下し、場合によっては余剰粉末を一切再利用できません。

では、どうすればポリマー3Dプリント材料でサステナブルにプリントできるか？一つはより良い設計で廃棄物を最小化すること。また、地域の廃棄物・リサイクルセンターに問い合わせ、3Dプリントポリマーの安全な処分能力があるか確認してください。

関連記事：産業3Dプリントはどれくらいサステナブルか？

後処理

サポート除去、レジンまたは粉末除去といった除去プロセスは、ポリマー3Dプリントで最も一般的に用いられる後処理操作です。これらは通常手作業で行われ、多くの時間と労働リソースを消費します。

この段階をさらに複雑にするのは、複数の3Dプリント技術を使用したい場合、それぞれに固有の後処理要件があることです。

後処理操作を改善するため、Rösler、PostProcess Technologies、AMT、DyeMansionのような企業がAMユーザーの後処理合理化を支援するソリューションを開発しています。

現在の最大トレンドは、ソーティング、材料除去・脱粉、平滑化・染色、検査をカバーするエンドツーエンド後処理ソリューションの構築です。

ポリマー3Dプリント導入時、後処理要件を理解することは不可欠です。非最適化な後処理は3Dプリント運用に多大なコストを追加し、自動化によって回避すべきです。

ワークフロー管理

ポリマー3Dプリントを社内導入するには、受注管理、コスト計算、生産スケジューリング、在庫管理等の運用管理アプローチも検討する必要があります。

今日多くの企業は、従来製造向けに開発されたソリューションに依存するか、自社でソフトウェアを開発しています。どちらのアプローチも、可視性に欠け、容易にスケールできないサイロ化ワークフローを生みがちです。

非効率で非スケーラブルなワークフローの罠に陥らないための良い習慣は、3Dプリント要件を念頭に開発されたワークフロー管理・製造実行ソリューションを導入することです。

今日市場にはいくつかの選択肢がありますが、3Dプリントワークフロー全体をカバーするエンドツーエンドソリューションを提供するのはごくわずかです。

詳細については、ホワイトペーパー「積層造形MESソフトウェア：必須ガイド」をご覧ください

ポリマー3Dプリントの未来

リアルなコンセプトモデルから頑強なプロトタイプ、人間工学的ツール、機能的最終用途パーツまで、ポリマー3Dプリントが創出する機会は莫大です。

材料選択肢の拡充と材料コスト削減といった課題は残っていますが、ポリマー3Dプリントの継続的な開発が企業の技術メリット享受をさらに後押しします。

AM業界全体、特にポリマー3Dプリントが最終用途パーツ生産へ移行する中、3Dプリント可能複合材と高性能熱可塑性材料がより大きな牽引力を得ると見られます。

ポリマー3Dプリントが従来プロセスを置換することはないでしょうが、技術は確実に現在の製造能力を拡張し、先進産業アプリケーションをさらに解き放ちます。

ポリマー3Dプリントについて更なる洞察をお求めなら、以下の記事をご覧ください：

ステレオリソグラフィー&デジタルライトプロセッシング：現在地は？

FDM 3Dプリント：現在地は？

SLSの進化：新技術、材料、アプリケーション