デスクトップ3Dプリンターが3D印刷をどのように変革しているか

デスクトップ3D印刷は、過去10年間でいくらか革命を遂げました。消費者市場を念頭に置いて始まった技術は、産業、専門家市場の重要な部分になりました。より安価で高速な生産を可能にすることで、デスクトップ3Dプリンターはますます産業環境の重要な部分になりつつあります。

しかし、この移行を後押ししたのは何であり、デスクトップ3D印刷と3D印刷全体の現在と将来にとってそれは何を意味するのでしょうか。

RepRap：デスクトップを介した3D印刷の民主化

2018年、3D印刷業界はRepRapプロジェクトの10周年を祝いました。これは、デスクトップ3D印刷の進化に役立つプロジェクトです。

RepRap、ラピッドプロトタイパーの複製の略 は、独自のコンポーネントの多くを印刷できる低コストのデスクトップ3Dプリンターを作成するというアイデアから始まりました。プロジェクトの目標は野心的でした。これらのデスクトップ3Dプリンターをできるだけ多くの人の手に渡せるようにすることです。

バース大学のエイドリアンボウヤー博士が率いるオープンソースプロジェクトは、日曜大工（DIY）コミュニティで大きな成功を収めました。しかし、デスクトップ3D印刷の場合、その影響ははるかに深いものでした。

2008年からRepRapの動きが順調に進んでいることで、低コストのデスクトップ3Dプリンターメーカーの新しい作物が出現しました。たとえば、2009年に設立されたMakerBotは、3Dプリントを通じて生産を変革するというビジョンを推進する企業の1つとして浮上しました。

RepRapムーブメントの成功に基づいて、MakerBotは、独自の3Dプリンターと3Dプリント製品を構築したい消費者向けのオープンソースDIYキットを作成することから始めました。

2012年にMakerBotで最も認知された3DプリンターであるReplicator2がリリースされたのは、消費者向けの3D印刷バブルの高さと一致していました。 Makerbotは、デスクトップ3Dプリンターが主流の家庭に浸透することに賭けている一般的な業界の視点から、消費者向け3D印刷の新時代を切り開くことを望んでいました。

ご存知のように、3D印刷革命は実現しませんでした。少なくとも、消費者市場では実現しませんでした。

大量消費者が採用する際の主な障害は、マシンの操作に必要な複雑さのレベルでした。限られた材料の選択肢と設計スキルの必要性と相まって、3Dプリンターは、消費者に優しい製品ではありませんでした。

消費者市場を確立するための闘争は、多くのデスクトップ3Dプリンターメーカーを廃業に追いやった。ただし、消費者市場から専門家市場や企業市場に移行することで生き残り、繁栄した企業もあります。

消費者から産業へ

デスクトップ3D印刷はまだ消費者市場でそのニッチを見つけていませんが、テクノロジーは工業生産業界の重要な部分になっています。

デスクトップ3D印刷セグメントは、過去10年間で指数関数的に増加しています。 2009年には推定1,816台のシステムが販売され（Wohlers Report 2015）、2017年には50万台を超えるまで急増しました（Wohlers Report 2018）。

産業用アプリケーション向けのデスクトップ3D印刷の台頭の背後にある重要な要因は、より小型で大型のシステムの数分の1のコストである産業用システムの需要です。

今日のデスクトップ3Dプリンターは、プロの環境で幅広い用途があり、ラピッドプロトタイピング、ツーリング、および最終部品の製造のための手頃なツールを提供します。

Ultimaker：DIYキットからファクトリーフロアソリューションまで

おそらく、消費者から産業用3D印刷への飛躍に成功した企業の最も顕著な例のひとつは、FFF3DプリンターメーカーであるUltimakerです。

「Ultimakerは、2012年から2013年の間に起こった消費者の誇大宣伝全体を実際に受け入れたことはありませんでした」とUltimakerの北米社長であるJohnKawolaはAMFGとのインタビューで述べています。

「私たちは常に、すでにかなり筋金入りのメーカーや愛好家であった人々がすでに必要な機器を自宅に持っている消費者市場に本当の違いを見ました。そして、それは3Dプリントにとって良い市場だと思いました。一般的な誇大宣伝は、誰もが3Dプリンターを持っているだろうと考えるようになりました。少なくとも当時はそうではなく、おそらく今日まで、それは真実ではないことが判明したと思います。」

2011年に設立されたUltimakerは、DIYキットの製造から、VolkswagenAutoeuropaやJabilなどに採用されている産業用デスクトップシステムの製造に移行しました。

Ultimakerの最初のマシンであるUltimakerOriginalは、2011年に開発され、キットとしてメーカーコミュニティに配布されました。このマシンは、最大21 x 21 x 20.5cmのオブジェクトを20ミクロンの解像度で印刷できます。愛好家には十分ですが、この機械は、産業用途に必要な速度、品質、および材料の選択に欠けていました。

それ以来、Ultimakerは、産業用アプリケーションに適したデスクトップソリューションを開発するための戦略的な動きを遂げてきました。

2013年、同社はUltimaker 2をリリースしました。これは、より大きなUltimaker2 +システムに進化しました。 1年後、同社はUltimaker 3マシンの発売により、その技術をプロ市場に向けて新たな一歩を踏み出しました。

Ultimaker 2と比較して、3番目のモデルは10 cm高いビルドボリュームと、以前のシステムでは利用できなかった新しいデュアル押し出し機能を誇っています。

二重押し出しは、ユーザーが2つの材料、たとえば標準材料と溶解可能な支持材料、または異なる色の2つの材料で印刷できるため、特に有益です。

2018年、同社は最新のデスクトップ3DプリンターであるUltimakerS5をリリースしました。

二重押し出しUltimakerS5は、Ultimaker3の21.5x 21.5 x 30.0cmと比較して33x 24 x 30 cmの大きなビルドボリュームを持ち、最大280℃の印刷温度に達することができます。これにより、PCやナイロンなどの高温エンジニアリング材料に特に適しています。

ユースケース：ハイネケン

世界最大の醸造会社の1つであるハイネケンは、スペインの醸造所でUltimakerのS5プリンターを使用して、さまざまなカスタムツールとスペアパーツを製造しています。

デスクトップ3D印刷を採用したハイネケンは、従来の製造部品やツールとは対照的に、このテクノロジーによって70〜90％のコスト削減を報告しています。また、本番稼働時間も大幅に増加しています。

同社は、3D印刷を使用して、機械コンポーネントの設計を最適化することもできます。たとえば、チームは再設計し、品質センサーで使用される金属部品をコンベヤーベルトに3D印刷しました。これは、以前はボトルを頻繁に倒していたものです。

ハイネケンの例は、工場のフロアで多数のアプリケーションを可能にするために、デスクトップ3Dプリンターがどれだけ進化したかを示しています。

Formlabs：SLAをデスクトップにもたらす

デスクトップFFF3D印刷と同様に、デスクトップステレオリソグラフィー（SLA）システムの採用はここ数年で始まっています。

FFF 3D印刷の場合と同様に、2000年代の終わりにいくつかのSLA特許が失効したことが、デスクトップSLA3D印刷の台頭の背後にある触媒でした。この変化する状況を利用した1つの会社は、Formlabsでした。

2012年に設立されたFormlabsは、同じ年に最初のデスクトップSLAマシンであるForm1をリリースしました。同社は当初からプロのユーザーを対象として、「真のプロのマシンのパワーと解像度」をデスクトップにもたらすために、Kickstarterで約300万ドルを調達しました。

当時、SLAマシンの市場は、大多数の中小企業がアクセスできない、より大きく、より高価な産業用3Dプリンターによって支配されていました。

フォームの導入に伴い、この現状を変更し、SLAをより手頃でアクセスしやすいものにしたいという要望が生まれました。

この点に関する重要なマイルストーンの1つは、FormlabsのForm2マシンのリリースです。 Form 2は、14.5×14.5×17.5 cmのビルドボリュームと強力な光学エンジンを備えており、高品質で信頼性の高い印刷を可能にします。

ただし、3D印刷に精通している人なら誰でも、印刷プロセスがワークフローの一部にすぎないことを知っています。 SLAでは、高品質の結果を得るには、洗浄や硬化などの後処理操作が必要ですが、多くの場合、手動で実行されます。

Formlabsは、ソリューションをプロフェッショナル市場にさらに拡大するには、プロセスを可能な限り合理化する必要があることを理解していました。

これを念頭に置いて、FormlabsはForm2用のFormWashおよびFormCure後処理アクセサリをリリースしました。WashおよびCureステーションは、印刷物のクリーンアップと硬化を支援し、手動の後処理ステップの一部を自動化します。

自動3D印刷の成長傾向に対応するため、同社は2017年にスケーラブルな3D印刷生産のためのForm Cellプラットフォームのデモを行いました。このソリューションは、5台のForm 23DプリンターとFormWashおよびFormCureモジュールを含むエンクロージャーで構成され、移動ロボットによって管理されます。ガントリー。

ユースケース：Northwell Health

ニューヨーク州最大のヘルスケアプロバイダーであるNorthwellHealthは、Form Cellの初期のユーザーの一人であり、このマシンを使用して患者固有の解剖学的モデルと手術ガイドを作成しました。

Northwell Healthの外科医は、3D印刷されたパーソナライズされた解剖学的モデルを使用することで、困難な手術に効果的に備えることができ、手術室で過ごす時間を短縮できます。 Northwell Healthの見積もりによると、後者は、手術室のコストを回避することで、年間最大1,750,000ドルの節約につながる可能性があります。

SLAをデスクトップに導入し、テクノロジーを継続的に改善することで、Formlabsは産業市場での地位を固めることができました。同社はSLA3Dプリンターの世界最大の売り手であり、40,000を超えるシステムが販売されていると報告されています。

Formlabsは、他のテクノロジーに移行する機会を見出し、2017年に最初のパウダーベースのデスクトップSLSシステムであるFuse 1も発表しました。これは、今年初めに導入されたSLA3Dプリンターの最新ラインであるForm3と大判Form3L — Formlabsは、プロ仕様のデスクトップ3Dプリンターの大手メーカーの1つとしての地位を維持するように見えます。

RIZE：デスクトップ3D印刷を持続可能なものにする

ハードウェアメーカーのRIZEによると、産業用機械をデスクトップ形式に適合させることは多くの利点をもたらしますが、方程式の一部にすぎません。産業用デスクトップ3D印刷が本格的に普及するためには、よりシンプルで安全に使用できるようにする必要があります。

RIZEのCEOであるAndyKalambiは、AMFGとの最近のインタビューで、次のように述べています。

「この種のアプローチにより、3D印刷は、組織内のさまざまな利害関係者が使用するツールになる可能性があると考えています。」

RIZE One 3Dプリンターを皮切りに、同社はAugmentedDepositionと呼ばれる独自の3D印刷プロセスを開発しました。このプロセスは、FFFテクノロジーとマテリアルジェッティングの原理を組み合わせて、3Dプリントされたパーツをテキストまたはグラフィックでマークします。最近、メーカーはフルカラーのXRIZE3Dプリンターをリリースしました。

3D印刷プロセスを簡素化するために、RIZEの3Dプリンターは、パーツと自動生成されたサポート構造の間に特別なリリースインクを噴射します。これにより、印刷が完了したら、ユーザーはサポート素材をすばやくはがすことができます。

また、機械は排出物のない材料を使用しているため、この技術はオフィスでの使用に完全に安全です。

RIZEは、安全性と使いやすさに重点を置くことで、プロトタイピングプロセスの簡素化とスピードアップを目指す製品開発会社にとって特に魅力的なテクノロジーを実現しました。

たとえば、ボストンエンジニアリングはRIZEのマシンを3D印刷機能に追加しましたが、3Dプリンターを特別に装備された3D印刷ラボに配置する代わりに、ボストンエンジニアリングチームはオフィスからそれを操作します。これにより、チームはプロトタイプを1日で印刷できます。これに対して、ラボでプロトタイプを製造する場合のリードタイムは2〜3日です。

エンジニアリンググレードの素材をデスクトップ3D印刷に持ち込む

デスクトップ3Dプリンターの背後にある技術が産業市場向けに進化し続けるにつれて、適切な材料の範囲も進化しています。標準のPLAおよびABSに加えて、産業用デスクトップ3Dプリンターは、エンジニアリンググレードの材料をサポートできるようになりました。

これにより、以前は大型の産業用機械でしか利用できなかった高性能材料への扉が開かれました。これらの高性能材料は、機能的なプロトタイプから低コストのツールやスペアパーツまで、幅広いアプリケーションに使用できます。

Markforged：複合ポリマー3D印刷

この分野での重要な進歩の1つは、複合ポリマー3D印刷の導入です。

ポリマー複合材料は、通常、コア材料と強化材料の2つのコンポーネント（繊維など）でできている材料です。ガラス、カーボン、アラミドなどの繊維で強化されたポリマーは、強度、剛性、耐久性が追加された部品を作成します。

Markforgedは、連続炭素繊維強化3D印刷をデスクトップに導入した最初の企業であると報告されています。同社は2014年に、炭素繊維、グラスファイバー、またはケブラーの連続ストランドで強化されたナイロン部品を3D印刷する機能を備えた、最初の複合3DプリンターであるMarkOneを発売しました。

それ以来、Markforgedは、Mark TwoおよびOnyxシリーズ、X3、X5、およびX7産業用3Dプリンターを含む、多数のアップグレードを発表しました。すべてのシステムは、同社のContinuous Filament Fabrication（CFF）テクノロジーに基づいています。

CFFは押し出しベースのプロセスであり、1つのノズルが炭素繊維、グラスファイバー、またはケブラーの連続ストランドを堆積し、2番目のノズルがナイロンなどのベース材料を配置します。

CFFテクノロジーの導入は、従来のデスクトップ押し出し3Dプリンターでは利用できなかった機能のロックを解除したため、3D印刷のターニングポイントになっています。 Markforgedの技術によって可能になった複合材料を使用して、メーカーはABSの最大8倍、アルミニウムの20％の強度を持つ複合部品を作成できます。

Siemens Gas＆Powerは、Markforged複合3Dプリンターを使用してカスタムツールを製造している企業の一例です。ハウジングツーリングの最近のケースでは、同社はカスタム丸鋸ハウジングをMarkforged独自の複合Onyx素材で3Dプリントしました。その結果、リードタイムが3週間から数日に短縮され、1つのツールで8,000ドル以上が節約されました。

Markforgedは、炭素繊維を使用して印刷する新しい方法を開発することにより、デスクトップ3D印刷の機能を大幅に拡張しました。伝えられるところによると、同社は2018年に2,500台のプリンターを出荷し、産業用デスクトップ3D印刷が橋渡しに役立っている製造には多くのギャップがあることを証明しています。

ポリマーから金属への移行

ポリマー材料は、歴史的に主要なデスクトップ3D印刷材料でした。しかし、この現状は、2017年から2018年の間にオフィス向けの金属システムが導入されたことで混乱しました。

MarkforgedとDesktopMetalは、デスクトップメタルの3D印刷を可能にするのに役立った2つの会社です。

MarkforgedのMetalXとDesktopMetalのStudioSystemはどちらも、プラスチックでカプセル化された金属粉末を使用してグリーンパーツを作成し、それを炉で焼結する押出しベースの3Dプリンターです。このアプローチにより、従来のより高価な金属3Dプリンターと比較して、はるかに手頃なオプションになります。これは主に、より安価な金属射出成形材料によって可能になった運用コストの削減によるものです。

価格が200,000ドル未満の、MetalXとStudioSystemはどちらも、プロセスをより安価で、オフィスにやさしく、管理しやすくすることで、デスクトップメタル3D印刷の新しい可能性を生み出しました。

たとえば、工具製造会社のBuilt-Riteは、DesktopMetalのStudioSystemを社内で使用することで、3D印刷のメリットを実感できるようになりました。 Studio Systemを使用すると、Built-Riteは、サードパーティのサービスプロバイダーを使用するよりも90％安く、30％速いプロセスで、クイックターン金型アセンブリコンポーネントを作成できます。

このアプリケーションは、工具製造技術の適合性を示すだけでなく、金属デスクトップ3Dプリンターが、以前は金属3D印刷技術に投資する余裕がなかった企業の参入障壁を減らす可能性があることも示しています。

デスクトップ3D印刷フリートの管理

デスクトップAMマシンは比較的安価であり、これまで見てきたように、現在の機能はメーカーのおもちゃの製造にとどまりません。そのため、社内のRPラボであろうと3D印刷サービス事業であろうと、企業が3D印刷への投資を検討している場合、デスクトップ3Dプリンターが最初の選択肢となることがよくあります。

通常、1台のデスクトップ3Dプリンターを扱うことは問題になりませんが、企業が2台目または3台目以上の3Dプリンターに投資すると、ワークフローが当初の見た目よりも複雑であることがすぐにわかります。

3Dプリンターへの投資を増やすことは成長の前向きな兆候ですが、この成長はまったく新しい一連の課題を生み出す可能性もあります。 3D印刷リクエストを使用したメールの絶え間ない流れの管理、3Dファイルの分析と修復、印刷コストの計算、ジョブのスケジュール設定–チームがこれらのタスクを手動で実行し、部門やビジネスの生産性を制限している可能性があります。

これらのプロセスは3Dプリンターの利用を成功させるために不可欠ですが、より高い効率を確保するために改善することができ、改善する必要があります。

これを行う1つの方法は、自動化ソフトウェアを使用することです。たとえば、インスタント価格設定と見積もり機能を備えたWebベースのリクエスト送信ポータルを提供することにより、3D印刷の管理面を合理化できるソリューションがあります。 AMFGなどの自動化ソフトウェアパッケージには、印刷前のファイル準備を簡素化するために、自動化されたファイル変換および修復ツールを含めることもできます。

優れた3D印刷自動化ソフトウェアは、3Dプリンターと統合して、進行中、完了、または失敗した印刷ジョブに関するリアルタイムのマシンステータス更新を提供することもできます。

デスクトップ3D印刷の次は何ですか？

デスクトップ3D印刷は、過去10年間で大きな進歩を遂げました。技術は進歩しており、利用可能な工業用グレードの材料の範囲はかつてないほど広くなっています。業界が専門的な産業用アプリケーションに焦点を移すにつれて、デスクトップ3Dプリンターメーカーも同様になります。

これにより、企業はテクノロジーへの投資をより安価に行えるようになり、採用の障壁が低くなり、手頃な価格、品質、信頼性のしきい値を超えました。

デスクトップ3D印刷の革新のペースは、減速の兆候を示していません。今日、新しいプロセスと材料が開発され、商品化されており、デスクトップ3D印刷は、プロトタイピングから製造にまで及んでいます。自動化におけるソフトウェアの進歩も、デスクトップ3D印刷の管理を容易にし、ワークフローを簡素化し、スケーラビリティの基盤を提供します。

今後は、デスクトップ3D印刷が新しいユースケースを提供し、新しい業界セグメントへの扉を開くことになるでしょう。デスクトップマシンは継続的に高いレベルのパフォーマンスを達成するため、オフィス環境やエンジニアのデスクから工場のフロアまで、標準的なツールになります。