3D プリンティングの起源:発明とイノベーションの詳細なタイムライン

積層造形としても知られる 3D プリンティングの開発は、数十年にわたる科学研究、技術革新、特許活動、商品化によって形作られてきました。これらの取り組みは、強力な機械的特性と迅速な納期を備えた、低コストで高精度の部品の製造を可能にする技術の広範な採用という形で結実しました。高品質コンポーネントの効率的な生産という、3D プリンティング プラットフォーム全体にわたる中心的な目的は一貫していますが、利用可能なプロセスと材料の範囲は急速に拡大し続けています。ハードウェア、ソフトウェア、材料科学のイノベーションにより、さまざまな業界に合わせた、より複雑で特殊なソリューションの開発が推進されています。

この記事では、3D プリンティングとは何か、その基本原理、そして進行中のイノベーションにより、3D プリンティングがどのようにしてますます多用途かつ洗練された製造ソリューションに変化していくのかについて説明します。

3D プリントの歴史的な起源は何ですか?

3D プリンティングの起源は、材料とデジタル製造における急速な実験が行われていた 1980 年代初頭に遡ります。 1983 年、3D Systems の共同創設者である Chuck Hull は、最初の商業的に実行可能な積層造形技術であるステレオリソグラフィー (SLA) を開発し、特許を取得しました。 SLA は、紫外線 (UV) 光を使用してフォトポリマー樹脂を層ごとに選択的に硬化させ、高精度で 3 次元オブジェクトを構築します。

この基礎的なイノベーションは現代の 3D プリンティング時代の始まりとなり、選択的レーザー焼結 (SLS) や溶融堆積モデリング (FDM®) などの他の主要テクノロジーの基礎を築きました。これらの補完的な方法により、印刷可能な材料と用途の範囲が拡大し、最終的には航空宇宙、自動車、ヘルスケア、消費財などの業界で 3D プリンティングが注目を集めるようになりました。 

3D プリントはいつ始まりましたか?

3D プリンティングは、Chuck Hull が SLA-1 (STL-1 とも呼ばれる) として知られる最初の光造形 (SLA) マシンを開発した 1980 年代初頭に始まりました。この先駆的なシステムは、紫外線 (UV) 光が液体フォトポリマー樹脂の層を選択的に硬化させて固体の三次元構造を形成するプロセスである光重合を使用しました。 

ハル氏は 1984 年にこの革新的な特許を申請し、1986 年に正式に認められました。同年、彼は 3D Systems を共同設立し、SLA テクノロジーの商業化を開始し、積層造形の産業市場への正式な参入を示しました。この画期的な成果は、ラピッド プロトタイピングの新しい方法を導入しただけでなく、複数の分野にわたる 3D プリンティング テクノロジーのさらなる発展の基礎を築きました。

3D プリントはどのようにして始まったのですか?

3D プリンティングの商業化は、3D Systems が最初の光造形 (SLA) マシンを市場にリリースした 1988 年に始まりました。このイノベーションは製品開発に変革的な影響を与え、デザイナーやエンジニアが前例のない速度と幾何学的複雑さで物理的なプロトタイプを作成できるようになりました。これにより、ラピッド プロトタイピングの新時代が導入され、設計のテスト、反復、改良が容易になりました。

その直後、Stratasys は、よりコスト効率の高い代替手段を提供する熱溶解積層モデリング (FDM®) を導入しました。 FDM は SLA に比べて解像度の低い部品を製造しましたが、最終用途の材料に近い特性を持つ熱可塑性プラスチックを利用しているため、機能的なプロトタイピングや予備的な製品検証には魅力的でした。

これらの開発は、初期のサービス局と社内プロトタイピング ラボの台頭を促進し、開発サイクルを短縮し、より迅速な設計検証を可能にすることで設計ワークフローに革命をもたらしました。その結果、3D プリントはすぐにエンジニアリング、製品設計、製造戦略において不可欠なツールとなりました。

SLA 3D プリントの図。

最初の 3D プリンターはいつ導入されましたか?

3D プリンティングの採用は、保守的な考え方が探求を容易にする、より迅速でテスト可能なプロセスに取って代わられたため、最初は数年かけて行われた有機的なプロセスでした。 3D CAD-CAM システムの同時出現と相まって、製品デザインはより柔軟になり、芸術性が薄れた分野になりました。

1989 年に導入された最初の SLA マシンは革命の到来を告げましたが、その変化はゆっくりとしたものであり、今も進行中です。

最初の 3D プリンターを発明したのは誰ですか?

最初の 3D プリンタは Chuck Hull によって発明され、1986 年に特許を取得しました。同じ頃、Scott Crump は 1988 年に熱溶解積層モデリング (FDM®) を開発し、SLA の直後に FDM 技術の商業化が始まりました。 SLA と FDM という 2 つのイノベーションが連携して、最新の 3D プリンティング エコシステムの基礎を築きました。

3D プリントの歴史の中で 1980 年代に起こった重要な出来事は何ですか?

1980 年代、次のような独創的な出来事が 3D プリントの起源と初期の歴史を形作りました。

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1983 年に、Chuck Hull は、最初期の 3D プリント テクノロジーである SLA となるコンセプトを初めて開発し、1988 年に 3D Systems によって商品化されました。

カール デッカードとジョセフ ビーマンは、1986 年にテキサス大学で選択的レーザー焼結 (SLS) を開発し、積層造形におけるもう 1 つの基礎技術を開発の初期段階にもたらしました。

Scott Crump は 1989 年に熱溶解積層モデリング（FDM®）の特許を取得し、Stratasys による FDM® ベースの 3D プリンタの商品化の基礎を築きました。

これらのマイルストーンは 3D プリンティングの誕生を記念し、その後数十年間にわたって継続的かつ急速に進化するための準備を整えました。

3D プリントの歴史の中で 1990 年代に起こった重要な出来事は何ですか?

1990 年代には、次の重要な出来事が 3D プリンティングの進化の加速に貢献しました。

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3D Systems や DTM Corporation などの企業による SLA および SLS テクノロジーの商用化により、価値が高く、ツールコストがより高い多くの設計分野での採用が増加しました。

Stratasys の FDM テクノロジーをはじめとしたデスクトップ 3D プリンタの導入により、趣味や愛好家だけでなく企業にとっても 3D プリントが利用しやすくなりました。

素材、印刷技術の進歩、代理店との競争の激化、ユーザーのコスト削減、後処理方法の改善により、アプリケーションがあらゆる業界に拡大

ラピッド プロトタイピング アプリケーションとラピッド ツール アプリケーションの開発により、製品開発サイクルと製造プロセスが合理化されます。

これらのマイルストーンにより、3D プリンティングは、急速に普及し、ほぼ普遍的な分野で応用される革新的なテクノロジーとして確固たるものとなりました。

3D プリントの歴史の中で 2000 年代に起こった重要な出来事は何ですか?

2000 年代には、次のような重要な発展と技術的出来事が 3D プリントの進歩を推進しました。

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直接金属レーザー焼結（DMLS）や電子ビーム溶解（EBM）などの新しい 3D プリント テクノロジーの開発により、複雑な形状を備えた高密度の完成サイズの金属部品の製造が可能になりました。

MakerBot、Ultimaker、Prusa Research などの企業による低コストのデスクトップ 3D プリンタの導入により、3D プリント テクノロジーへのアクセスが個人や中小企業にまで普及しました。

医療用インプラント、プロテーゼ、初期のバイオプリンティング、患者固有のサージカル ガイドなどに 3D プリントを使用して、医療分野への応用を拡大する

素材の継続的な改良と拡張、印刷プロセスとソフトウェアの多様化により、3D 印刷テクノロジーの機能と精度が向上しました。

この時期の開発の最も重要な効果は、積層造形の謎が解明され、少なくとも高レベルのプロセスには小規模から中規模の完成品を製造できる可能性があるという考えが受け入れられるようになったことでした。

3D プリントの歴史の中で 2010 年代に起こった重要な出来事は何ですか?

2010 年代には、開発のペースがさらに加速し、3D プリンティングを表す機能がますます多様化する中で、さまざまな軌道が形成されました。その一部は次のとおりです。

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バイオプリンティング技術の進歩により、この期間中に生体組織による成長に合わせてコラーゲン フレームワークを印刷できるようになりました。この頃、技術の発展に伴い、医学研究や移植の可能性を目的とした生細胞プリンティングの実験が増加し始めました。

航空宇宙および自動車業界における 3D プリンティングの成長。航空機やロケットの燃焼室部品や自動車のプロトタイプ、修復部品などの最終用途部品の製造、さらには「大量」生産に向けた探求も行われています。

セメント タイプのペーストの液体押出による建築構造用の大規模積層造形技術の開発による、3D プリントの建築への浸透

航空宇宙、自動車、医療用途向けの高解像度、高密度の金属部品を製造できる金属 3D プリント システムの導入。 2 つの基本的なアプローチが開発されました。それは、印刷後に焼結されるポリマー接合パーツと、最終的なオフマシン完成コンポーネントに直接適用される局所溶解です。

教育、メーカー スペース、DIY コミュニティでの 3D プリントの導入により、イノベーションと創造性が促進されます。

3D プリントの歴史の中で 2020 年代に起こった重要な出来事は何ですか?

2020 年代の 3D プリントにおける重要な出来事は次のとおりです。

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3D プリントは、個人用保護具 (PPE)、人工呼吸器の実験、鼻咽頭ぬぐい液の製造において大きな役割を果たしたことは広く知られています。その多くは宣伝目的であり、実際の使用には適していませんでしたが、この分野に対する知名度の影響は甚大でした。

環境に優しい素材やプロセス、リサイクルや循環経済への取り組みへの注目が高まっています。これには、FFF/FDM 用のリサイクルされた生物学的原料のフィラメントの使用を増やすこと、水溶性で生物学的に不活性なサポート素材の使用を増やすこと、さまざまなプロセスでの廃棄物と毒性を削減する取り組みが含まれます。

NASA、米軍、民間企業は、宇宙船や宇宙船のコンポーネントのプロトタイピングや製造に積層造形を利用し始めました。

医療用途や再生医療向けに複雑な組織や臓器を印刷する技術の進歩は続いていますが、これは一般的に実験段階にとどまっています。

原子スケールの積層造形プロセスの研究は非常に初期段階にあり、小規模ですが急速に発展しています。

さまざまな業界で、マスカスタマイゼーション、スペアパーツの製造、工具製作のための 3D プリントの利用が増加している

既存のテクノロジー、まったく新しいプロセス、プロトタイプの特性や最終用途部品の特性ではなく「本物」に向けた材料の多様化の新しい商用化のリリースのペースは、依然として加速しています。

食品業界における 3D プリントはいつ始まりましたか?

食品業界における 3D プリンティングは、2010 年代初頭に実験で勢いを増し始めました。食品の 3D プリントの概念は数年前から検討されてきましたが、注目すべき開発は 2011 年から 2012 年頃に研究者やシェフが食品材料を押し出すために改造された 3D プリンターの実験を始めたときに始まりました。基本コンセプトは、すでに長い歴史を持つケーキや菓子の複雑な 3D 手作業のデコレーションと自動化という点だけが異なります。

食品の付加製造における初期の先駆者の 1 つは、バルセロナに本拠を置く Natural Machines で、2014 年に Foodini 3D フード プリンターを導入しました。その後、さまざまな企業、研究機関、料理の専門家が、菓子やチョコレートからパスタ、肉代替品、さらには食事全体に至るまで、カスタマイズされた視覚的に魅力的な食品を作成するための 3D プリント テクノロジーの可能性を模索してきました。

詳細については、食品における 3D プリントに関する完全ガイドをご覧ください。

義肢の 3D プリントはいつ始まりましたか?

義肢の 3D プリントは、2010 年代初頭から中期にかけて、概念や視覚化のレベルを超えて注目を集め始めました。このコンセプトはそれ以前にも研究環境で検討されていましたが、長期的に機能する成果はほとんどありませんでした。

初期の重要な開発の 1 つは、2011 年に南アフリカの大工リチャード ヴァン アズがアメリカの小道具メーカーのアイヴァン オーウェンと協力して、リアムという名前の少年のために 3D プリントで義手を作成したときに起こりました。 「ロボハンド」として知られる彼らの設計はオープンソースでオンラインで広く共有され、3D プリント技術を使用して手頃な価格でカスタマイズ可能な補綴装置を作成することへの関心が高まりました。それ以来、3D プリントは、パーソナライズされた軽量でコスト効率の高い義肢やコンポーネントを製造できるため、義肢分野での利用が増えています。材料の改良、機能の広範囲な分散、アプローチの意味への深い理解により、この分野における継続的なイノベーションが推進されています。

詳細については、義肢における 3D プリントに関する完全ガイドをご覧ください。

3D バイオプリンティングはいつ始まりましたか?

生きた細胞を使用して三次元の生物学的構造を作成するプロセスである 3D バイオプリンティングは、2000 年代初頭に研究分野として登場しました。 3D バイオプリンティングの最も初期のデモンストレーションの 1 つは、2003 年にクレムソン大学の研究者トーマス ボーランドがインクジェット ベースのバイオプリンターを使用して生体適合性の足場に生きた細胞を印刷する技術を開発したときに発生しました。これは、3D バイオプリンティング技術の開発における重要なマイルストーンとなりました。 

その後の材料科学、生物工学、積層造形技術の進歩により、複雑な組織や器官様構造をプリントできる、より洗練された 3D バイオプリンティング システムの開発が行われました。現在、3D バイオプリンティングは、組織工学、再生医療、創薬、個別化医療における応用に大きな期待を抱いています。

3D プリントの現状は何ですか?

3D プリンティングは、プロトタイピング ツールから、幅広い方法と材料にわたる成熟した工業グレードの製造技術に進化しました。積層造形は現在、生体医工学におけるマイクロスケールのコンポーネントから大規模な建築および航空宇宙構造に至るまで、さまざまなスケールのアプリケーションをサポートしています。その範囲は、自動車、航空宇宙、防衛、消費財、ヘルスケア、エネルギー、さらには食品やバイオプリンティングなどの業界にまで及びます。

現在、3D プリンティングには、ポリマー押出、樹脂光重合、パウダーベッドフュージョン、バインダージェッティング、マテリアルジェッティングなどの特殊技術の多様なエコシステムが含まれています。これらの方法は、アプリケーションに応じて、速度、材料特性、解像度、コスト効率を最適化するように調整されています。この分野は多様化と拡大を続けており、付加プロセスは大量部品と高度にカスタマイズされたコンポーネントの両方の生産ラインに統合されています。材料科学、ソフトウェア、プロセス オートメーション、ハイブリッド マニュファクチャリングにおけるイノベーションがこの変化を加速し、3D プリントが世界中のデジタル マニュファクチャリング戦略の中心的な役割を担うよう推進しています。

コア技術が進歩するにつれて、積層造形はそのルーツであるプロトタイピングを超えて進化しており、サプライ チェーンの回復力を強化し、軽量でオンデマンドの生産を促進し、持続可能な製造を促進するための戦略的資産となっています。

今日の 3D プリントにおける重要な進歩とは何ですか?

いくつかの重要な短期的かつ将来を見据えた開発が、次の期間の 3D プリンティングの状況を形成しています。例は次のとおりです。

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研究者らは 3D バイオプリンティングで大きな進歩を遂げており、再生医療、薬物検査、個別化されたヘルスケアのための複雑な組織や器官のような構造のプリンティングが進歩しています。これらは、代替臓器の構築が一般的になる可能性を秘めています。

建設、航空宇宙、自動車分野向けの大判 3D プリンティングへの投資が増加しています。地球外建設用のポリマー結合レゴリスなどの新しい技術と材料により、建築コンポーネント、機体セクション、車両構造部品の印刷が可能になりました。これにより、月面の土壌を使用した月面建設などのアプリケーション向けの現場資源利用（ISRU）コンセプトがサポートされます。

3D プリンティング業界は、より環境に優しい素材の開発、廃棄物の削減、リサイクル プログラムの実施に努め、持続可能性に重点を置いています。企業は、環境への影響を最小限に抑える生物由来、生分解性、リサイクル素材を模索しています（またはすでに販売しています）

3D プリンティングはデジタル製造エコシステムの中核コンポーネントになりつつあり、マスカスタマイゼーション、オンデマンド生産、分散型製造を可能にします。自動化、リアルタイムのプロセス監視、デジタル設計ソフトウェア、AI による最適化の進歩により、スループットが向上し、コストが削減され、積層造形がインダストリー 4.0 環境に組み込まれています。 

積層造形は、患者固有のインプラントやプロテーゼから生体適合性のあるサージカル ガイドや解剖学的モデルに至るまで、個別化医療を変革しています。医療グレードの材料とバイオファブリケーション技術の進歩により、手術結果、患者の回復、医療効率の向上が促進されています。 

これらの開発は、幅広い技術とアプローチにわたる 3D プリンティング技術の進化と多様化を反映しており、あらゆる市場分野に重大な影響を及ぼします。コアテクノロジーが進化し、多様化する中、3D プリンティングは新たな可能性を解き放ち、製造業やその先の未来を再構築する態勢が整っています。

3D プリンティング技術の開発は 20 世紀後半に行われましたか?

積層造形の夢はテクノロジーよりも古いものですが、デジタル ファイルを実際の物理的な印刷部品に変換するという現実は、20 世紀の最後の数年間に暫定的に実現されただけです。

3D プリントに関して他に知っておくべきことは何ですか?

3D プリンティングにおけるテクノロジーの範囲はこれまでのところ驚異的です。 AI と機械学習のアルゴリズムが 3D プリント プロセスに統合され、デザインの最適化、プリント速度の向上、材料特性の強化が行われています。

研究者たちは、患者由来の生きた細胞を使用して複雑な人間の組織や器官をバイオプリントする能力に近づいています。これは、再生医療と臓器置換に革命をもたらす可能性があります。 3D プリントにより、インプラント、補綴物、手術器具などの医療機器を個々の患者の解剖学的構造に合わせてカスタマイズできます。これにより、手術時間が短縮され、治療結果が向上し、回復時間が短縮されます。

3D プリンティングとナノテクノロジーを組み合わせることで、ナノスケールでの複雑な構造の作成が可能になり、材料科学、エレクトロニクス、ドラッグデリバリーシステムの進歩につながります。これは、研究の最先端における原子スケールの構築に近づいています。

さらに、3D プリンティング技術は宇宙での使用にも応用されています。これにより、長期にわたる宇宙ミッション中に、ツール、スペアパーツ、さらには生息地のオンデマンドでの製造が可能になります。マルチマテリアル 3D プリンティングの進歩により、さまざまなマテリアルを同時に蒸着できるようになりました。これにより、多機能パーツから構築されたカスタマイズ可能なプロパティを備えた複雑な構造の作成が可能になります。

詳細については、3D プリンターの仕組みに関する完全ガイドをご覧ください。

概要

この記事では、3D プリントの歴史を紹介し、その仕組みを説明し、長期にわたる主要な発展に焦点を当てます。 3D プリンティングは、多くの業界で利用される重要なテクノロジーに進化し、製品の設計と製造に革新的なアプローチを提供します。

Xometry は、プロトタイピングや生産のあらゆるニーズに対応する 3D プリンティングやその他の付加価値サービスを含む、幅広い製造機能を提供します。詳細を確認するか、無料で義務のない 3D プリントの見積もりをリクエストするには、当社の Web サイトにアクセスしてください。

著作権および商標に関する通知

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ディーン・マクレメンツ

Dean McClements は機械工学の学士優等学位を取得しており、製造業界で 20 年以上の経験があります。彼の職業上の経歴には、Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace、Hyster-Yale などの大手企業で重要な役割を果たし、そこでエンジニアリング プロセスとイノベーションに対する深い理解を深めました。

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