積層造形と3Dプリントを解説：主要な洞察とアプリケーション

積層造形と3Dプリントという用語が何を意味するかについて、多くの混乱があります。

それも無理はありません。両用語は非常に似たプロセスに関連しているからです。

積層造形と3Dプリントの両方とも、材料の薄い層を徐々に積み上げてオブジェクトを作成するプロセスを説明します。

この記事では、積層造形と3Dプリントが 정확히 何であるか、それらがどう関連しているか、何に使用されるかを正確に説明します。

3Dプリントにおける積層造形の用途

従来の製造では、部品はしばしば大きな材料ブロックから削り出されます。つまり、開始ブロックから材料を減らして部品を形成します。当然、これにより大量の廃棄物が発生します。機械職人が金属や木材の固体ブロックを完成品に削り出す動画を見たことがあるなら、廃棄される材料の量の多さに驚いたことでしょう。

対照的に、積層造形では、材料の層を積み上げて完成部品を形成します。どうやって動作するか？それは使用されるタイプの積層造形によります。

米国材料試験協会（ASTM）によると、積層造形には7つのカテゴリがあります：

1. 光造形（VAT Photopolymerization） — 液体フォトポリマー樹脂の層からオブジェクトを構築し、紫外線で硬化
2. 粉末床溶融結合（Powder Bed Fusion） — 材料粉末の層からオブジェクトを構築し、熱や強力なレーザーで溶融（融合）。一般的な技術には選択的レーザー焼結（SLS）が含まれる
3. マテリアルジェッティング（Material Jetting） — オブジェクトの各層をプリントヘッドで構築し、液体材料の液滴をビルド面に堆積させて急速に固化。完了後、各層を紫外線で硬化
4. シートラミネーション（Sheet Lamination） — 金属のシートやリボンからオブジェクトを構築し、超音波溶接で結合。シートラミネーションは完全な積層技術ではない。余分な材料は通常、CNC加工などの従来製造技術で除去する必要がある
5. マテリアル押出法（Material Extrusion） — 材料をノズルを通して引き出し、加熱してビルドプラットフォームに層ごとに堆積。この場合、各層が溶融状態で堆積されるため、層を硬化させる追加プロセスは不要
6. 指向性エネルギー堆積（Directed Energy Deposition） — 既存コンポーネントの修理や材料追加に使用される複雑な積層造形技術の範囲を包含。ほとんどの実装では、溶融材料がノズルを通じてターゲット面に堆積し、そこで固化。原理はマテリアル押出法と類似だが、ノズルが複数方向に動けて、異なる形状のターゲット面に対応できる点が異なる
7. バインダージェッティング（Binder Jetting） — 3Dプリントとしても知られる

この記事は積層造形のための3Dプリントに特化しているため、この1つを詳しく見ていきます。

積層造形（3Dプリント）プロセスとは

3Dプリントは2つの材料を使用します：

1. 粉末ベースの材料（通常はプラスチック、金属、セラミック）
2. バインダー（層間の接着剤として機能）。ほとんどのバインダーは液体形態

「3Dプリント」という用語は、バインダージェッティングが2Dプリントと視覚的に類似していることから来ています。標準的なインクジェットプリンタ内部では、プリントヘッドがX軸とY軸に水平に移動して、紙にインクの滴を堆積させます。

同様に、3Dプリントでオブジェクトを構築するには、プリントヘッドがマシンのX軸とY軸に水平に移動し、造形材料と結合材料の交互の層を堆積させます。各層が完了すると、オブジェクトを保持するビルドプラットフォームがわずかに降下し、次の層をプリントできるようになります。

プリントされるオブジェクトのサイズによっては、完了するまでに数百、数千、甚至は数万の層が必要になる場合があります。プロセスの様子を知るには、エッフェル塔の3Dプリントタイムラプス動画をご覧ください。

積層造形と3Dプリントソフトウェアの重要性

3Dプリントを含むすべての積層造形技術は、コンピュータ支援設計（CAD）のようなデジタル設計技術に依存しています。実際、3Dプリントの目的そのものが、デジタル設計を実世界のオブジェクトに変えることです。

過去には、エンジニアはCADソフトウェアと厳密なシミュレーションモデリング技術を組み合わせて、実世界で堅牢で効果的なオブジェクトを設計していました。しかし問題がありました。CNC加工や射出成形などの従来製造技術には特定の制約があり、それ以外では「完璧な」オブジェクトを製造することが不可能でした。

ここでCADと3Dプリントの調和のとれた関係が活きます。3Dプリントの最も重要な利点の一つは、従来製造技術の制約なしでデジタル設計を実世界で製造できることです。

CADと3Dプリントにより、製造を設計主導にできるのに対し、歴史的には設計プロセスが従来製造技術で可能なことによって主導されていました。これにより、エンジニアはこれまで以上に設計の自由を得て、多くの業界で大きなブレークスルーを促進しました。

ほとんどの商用CADソフトウェアが積層造形用モジュールを導入していますが、Spatialの3D SDKを使用すれば、積層造形用のカスタムCADアプリケーションの構築は非常に簡単です。詳細はwww.spatial.comをご覧ください。

積層造形と3Dプリントの違いを学ぶ

1. 積層造形の7つの主要タイプ
2. 3Dプリントによる6つの医療ブレークスルー
3. 積層造形プロセスでCADを最大限に活用する方法

従来製造技術に対する3Dプリント積層造形のメリット

もちろん、設計の自由度だけが3Dプリントの従来製造技術に対する唯一の利点ではありません。その他の主な利点には：

• 積層造形と3Dプリント材料で、複雑かつ軽量な構造を製造可能。

3Dプリントが従来技術では構築できないオブジェクトの製造を可能にすることはすでに述べました。しかし、層ごとに構築されるため、高度に複雑な部品を単一ピースで構築できることも注目に値します。同時に、利用可能な材料の範囲により、複雑な3Dプリント部品でも低重量と高引張強度の両立が可能です。

• ワンオフ生産が安価。

3Dプリントの大きな利点の一つは、金型や特別な組み立て治具を必要としないことです。その結果、少量のワンオフオブジェクトを簡単に、はるかに低コストで製造できます。

• 廃棄物が少ない。

すでに述べた通り、3Dプリントは積層製造技術であるのに対し、多くの従来技術は材料除去を伴います。この事実だけで、3Dプリントは他の一般的な製造技術よりもはるかに少ない廃棄物で済みます。

• 市場投入までの時間が短い。

シンプルに言えば、3Dプリントほど迅速に設計と構築を可能にする技術はありません。これは特にプロトタイプの構築とテストにおいて価値があります。このため、3Dプリントはその最も一般的な用途の一つである迅速なプロトタイピングと同義語になっています。

迅速なプロトタイプ構築のための積層造形用3Dプリント

迅速なプロトタイピングとは、物理的なオブジェクト、部品、モデルを高速で生産することです。

CNC加工などの従来製造技術から、3D溶接などのより現代的な技術まで、あらゆる製造技術を迅速なプロトタイピングに利用できます。しかし、明らかな理由から、3Dプリントのような積層技術が最も一般的に使用されます。

名前が示す通り、迅速なプロトタイピングは主に一連のプロトタイプを構築するために使用され、最適な設計が見つかるまで迅速にテストして破棄できます。この設計と製造への反復的アプローチは常に人気があり、積層造形プロセスの進化によりさらに効果的になりました。

3Dプリントと組み合わせた迅速なプロトタイピングには、メーカーにとって3つの明確なメリットがあります：

• 非常にコスト効率が良い。 プロセスの大部分が自動化されているため、完了に必要なスタッフは少数です。同様に、材料と製造プロセスは、代替製造技術よりも安価にセットアップできます。
• 速度。 迅速なプロトタイピングにより、メーカーはこれまで以上に速く設計を生産・破棄し、各反復から学び、最終製品にますます近づけます。これは市場投入までの時間（TTM）の短縮につながり、多くの場合重要な競争優位性となります。
• リスク低減。 製造上のミスは非常にコストがかかります。追加プロトタイプの製造に必要なコストと時間の投資が低いため、迅速なプロトタイピングは量産段階でのコストのかかるエラーのリスクを大幅に低減します。

3Dプリントは何に使用されるか？

この時点で、製造以外での3Dプリントへの注目とメディアの関心の多くは、消費者向けアプリケーションに向けられています。ノートパソコンと1000ドル未満で、誰でも想像できるほぼあらゆるオブジェクトを設計・構築できることは、間違いなく「クール」です。

しかし、3Dプリントの真の価値は商用アプリケーションにあります。3Dプリントを活用している主要業界には：

航空・宇宙 — 3Dプリントは航空業界に明確なメリットがあります。最も顕著なのは、強力で軽量な材料を使用して、プロトタイプを高速かつ低コストで構築できることです。現在、シートバックテーブルやヘッドレストなどの内装品からエンジンコンポーネントや武装まで、あらゆるものの製造に3Dプリントが使用されています。

ますます大型の3Dプリンタの開発により、近い将来、航空機エンジン全体でさえ3Dプリントで構築されるようになるかもしれません。

ヘルスケア — 過去には、インプラントと義肢の入手可能性が、患者ケアへの大きなコストのかかる障壁でした。しかし、ここ数年、3Dプリントは幅広い手術用切断ガイド、義肢、さらには患者固有のインプラントの開発に使用されてきました。

材料が進化するにつれ、業界はターンアラウンドタイムとコストを削減しながら、ますます軽量で強力、安全な製品を3Dプリントで構築できるようになりました。

自動車 — 数十年にわたり、自動車業界は3Dプリントと他の積層造形技術をプロトタイプ生産に使用してきました。当初は、利用可能な材料が実用に十分な堅牢性を持っていなかったため、これが自動車業界での3Dプリントの唯一の実用的な用途でした。

しかし、材料が進化するにつれ、3Dプリントは業界でより大きな役割を果たすようになりました。現在、この技術は製造中に必要なさまざまな金型、熱成形ツール、グリップ、ジグ、治具の生産に日常的に使用されています。つまり、3Dプリントは他の製造技術を補完するために使用されています。

それだけではありません。3Dプリントは、ボディシェルや内部コンポーネントなど、特定の車両に合わせたカスタム部品の製造にも同様に貴重です。

建築 — 建築業界は、プロジェクトが建設された後の様子をクライアントと投資家に示すためにスケールモデルに依存しています。これらのモデルは歴史的に手作業で構築され、完成までに数百人時を要することがよくありました。当然、3Dプリントはすべてを変えました。

建築プロジェクトはすでにコンピュータソフトウェアで設計されているため、3Dプリントの自然な候補です。今では、CADファイルが完成したらすぐにプリントに送れるため、膨大な時間を節約し、正確なモデルレプリカを保証できます。

3Dプリントと積層造形の今後

これまで、広範な商用採用は、テクノロジーの最先端を行くことで知られる業界（製造、航空、自動車、ヘルスケアなど）に限定されてきました。

しかし、ハードウェアと材料が常に改善されているため、3Dプリントが今後数年で成長し続けることは疑いありません。

3Dプリント住宅から自動車まで、私たちが日常的に使用するほぼすべてのものが、この一見SFのような技術で構築される日は遠くありません。