3Dプリンティング入門：原理、種類、主要応用を徹底解説

3Dプリンティングの概念は、1974年にDavid E.H. Jonesによって提唱されました。しかし、モデルを製作するための方法と材料が開発されたのは1980年代初頭になってからです。

「3Dプリンティング」という用語は、さまざまな材料で部品や製品を製造するための幅広い機能を提供する多数のプロセスと技術をカバーしています。近年、これらのプロセスは大幅に発展し、多くの応用で重要な役割を果たせるようになりました。

この概要記事では、3Dプリンティングのさまざまな種類とプロセス、それらの仕組み、現在の市場における用途と利点について説明します。基本的な質問から始めましょう。

3Dプリンティングとは？

3Dプリンティングは、積層造形（アディティブ・マニュファクチャリング）とも呼ばれ、三次元デジタルモデルまたはCADモデルから物理的なオブジェクトを作るプロセスです。材料が結合または固化されて実際のオブジェクトを構築するさまざまなコンピュータ制御技術が関与します。

通常、材料（粉末粒子や液体分子が融合されるなど）がミリメートルスケールで層ごとに追加されます。これが3Dプリンティングが積層造形プロセスと呼ばれる理由です。

3Dプリンターが三次元オブジェクトを層ごとに印刷する様子を示す図 | 3D Logics

1990年代には、3Dプリンティング技術はラピッドプロトタイピングと呼ばれていました。審美的または機能的なプロトタイプの製造にのみ適していました。それ以来、大きく前進してきました。

今日の3Dプリンティング技術は、手作業では不可能な複雑な構造や形状を作成できるほど高度になっています。

3Dプリンティングの精度、材料の範囲、再現性は、環境に優しい建物、航空機部品、医療機器、さらには人間の細胞の層を使った人工臓器まで、シンプルなプロトタイプから複雑な最終製品までほぼあらゆるものを構築できるレベルに達しています。

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具体的にどのように機能するのか？

すべての3Dプリンティング技術は同じ原理に基づいています：3Dプリンターはデジタル3Dモデル（入力として）を受け取り、材料を層ごとに追加することで物理的な三次元オブジェクトに変換します。

これは、射出成形やCNC加工のような従来の製造プロセスとは大きく異なります。これらはさまざまな切削工具を使用して固体ブロックから目的の構造を作ります。一方、3Dプリンティングは切削工具を必要とせず、オブジェクトはビルドプラットフォーム上に直接製造されます。

プロセスはデジタル3Dモデル（オブジェクトの設計図）から始まります。プリンター専用のソフトウェアが3Dモデルを薄い二次元層にスライスし、それらをプリンターが実行するための機械語の命令セットに変換します。

プリンターの種類とオブジェクトのサイズによって、印刷には数時間かかります。印刷されたオブジェクトは、最適な表面仕上げを得るために後処理（サンディング、ラッカー、塗装、その他の従来の仕上げ）を必要とすることが多く、これには追加の時間と手作業がかかります。

さまざまなタイプの3Dプリンターは、異なる技術を用いて、異なる材料を異なる方法で処理します。おそらく、材料と応用の観点から見た3Dプリンティングの最も基本的な制限は、万能のソリューションが存在しないことです。

3Dプリンティングの種類/プロセス

ISO/ASTM 52900規格によると、すべての3Dプリンティングプロセスは7つのグループに分類できます。それぞれに関連する長所と短所があり、通常はコスト、速度、材料特性、幾何学的制限などの側面が関係します。

1. 槽光重合（Vat Photopolymerization）

SLAのイラスト：紫外線レーザー(a)が、液体光重合性樹脂で満たされたタンク(b)の透明な底面(c)を選択的に照射する。リフティングプラットフォーム(e)が固化した樹脂(d)を徐々に引き上げる。

槽光重合方式の3Dプリンターは、光重合性樹脂で満たされた容器を持ち、紫外線光源で硬化させてオブジェクトを作成します。槽重合の3つの最も一般的な形式は以下の通りです。

1a) ステレオリソグラフィー（SLA）： 1984年に発明されたSLAは、紫外線レーザーを使用して化学モノマーとオリゴマーを架橋させ、三次元固体を構成するポリマーを形成します。プロセスは高速でほぼあらゆる構造を構築できますが、コストがかかる場合があります。

1b) デジタルライトプロセッシング（DLP）： レーザーの代わりにアークランプなどの従来の光源を使用します。オブジェクトの各層が液体樹脂の槽に投影され、リフティングプラットフォームが上下するにつれて層ごとに固化されます。

1c) 連続液体インターフェース生産（CLIP）： ステレオリソグラフィーに似ていますが、連続的で最大100倍高速です。CLIPは、他の技術では作成できないゴムのような柔軟なオブジェクトを滑らかな側面で生成できます。

2. 材料押出（Material Extrusion）

材料押出のイラスト：ノズル(1)が材料(2)をビルドプラットフォーム(3)に堆積させる。

このプロセスでは、固体熱可塑性材料のフィラメントが加熱ノズルを通って押し出され、材料が溶融し、所定の経路に沿ってビルドプラットフォームに堆積されます。この材料は最終的に冷却・固化し、三次元オブジェクトを形成します。このプロセスで最も一般的に使用される技術は以下の通りです。

2a) 溶解積層造形（FDM）： ナイロン、熱可塑性ポリウレタン、ポリ乳酸などの熱可塑性材料の連続フィラメントを使用します。

2b) ロボキャスティング： 小さなノズルからペースト状の材料を押し出しながら、ノズルをビルドプラットフォーム上で移動させます。このプロセスは、押出後の形状保持に材料の乾燥や固化に依存しない点でFDMとは異なります。

3. シート積層（Sheet Lamination）

一部のプリンターは、コストを下げるために紙とプラスチックを造形材料として使用します。この技術では、接着剤付きプラスチック、紙、または金属のラミネートを複数層連続的に接合し、レーザーカッターやナイフで形状に切り出します。

層解像度は材料原料によって定義されます。通常、コピー用紙1〜数枚分の範囲です。大きな部品の製造に使用できますが、最終製品の寸法精度はステレオリソグラフィーよりもかなり低くなります。

4. 指向性エネルギー堆積（Directed Energy Deposition）

指向性エネルギー堆積技術は、ハイテク金属産業とラピッドマニュファクチャリング応用で一般的に使用されます。印刷装置には、マルチ軸ロボットアームに固定されたノズルが含まれます。ノズルが金属粉末をビルドプラットフォームに堆積させ、レーザー、プラズマ、電子ビームで溶融させて固体オブジェクトを形成します。

このタイプの3Dプリンティングは、アルミニウム、ステンレス鋼、チタンなどを含むさまざまな金属、機能勾配材料、複合材料をサポートします。完全に新しい金属部品を構築できるだけでなく、既存部品に材料を追加することもでき、ハイブリッド製造応用を可能にします。

5. 材料ジェッティング（Material Jetting）

材料ジェッティングプロセスで印刷されたパーツ

材料ジェッティングは、インクジェットプリンターと同様の仕組みで動作します。このプロセスでは、感光性材料が小径ノズルを通じて滴状に適用され、紫外線で硬化され、層ごとにパーツを構築します。

この技術で使用される材料は、熱硬化性フォトポリマー（アクリル）です。マルチマテリアル印刷と、ゴムのような材料や透明材料を含む幅広い材料も利用可能です。

材料ジェッティング3Dプリンティングは高い寸法精度と滑らかな表面仕上げでパーツを構築できるため、視覚的プロトタイプと商用ツールの両方の製造に魅力的なオプションとなっています。

6. バインダージェッティング（Binder Jetting）

バインダージェッティングで砂岩にフルカラー印刷されたもの | Image credit: 3D Hubs

バインダージェッティングは、粉末基材と液体バインダーの2つの材料を使用します。粉末がビルドチャンバー内で均等な層に分布し、バインダーがジェットノズルを通じて適用され、粉末粒子を「接着」して目的のオブジェクトを構築します。

ワックスや熱硬化性ポリマーが結合粉末と混合され、強度を高めることがよくあります。3Dプリントが完了すると、余った粉末が回収され、別の構造の印刷に使用されます。

この技術はインクジェットのようなプロセスと非常に似ているため、「インジェクト3Dプリンティング」とも呼ばれます。主にエラストマーパーツ、オーバーハング、カラフルなプロトタイプの印刷に使用されます。

7. 粉末床溶融（Powder Bed Fusion）

SLSシステム | DTM – 2500CI

粉末床溶融は、熱源（サーマルプリントヘッドやレーザーなど）を使用して粉末状の材料を凝固させ、物理的なオブジェクトを構築する積層造形のサブセットです。この技術の5つの最も一般的な形式は以下の通りです。

7a) 選択的レーザー焼結（SLS）： ポリアミドやナイロンなどの粉末材料をシンタリングするためにレーザーを動力源として使用します。ここで「シンタリング」とは、材料を液化点まで溶かさずに圧力や熱を加えて固体塊に圧縮・成形するプロセスを指します。

7b) 選択的レーザー溶解（SLM）： SLSとは異なり、この技術は金属粉末を完全に溶融・融合させるように設計されています。従来製造された金属と同様の機械的特性を持つ完全な高密度材料を層ごとに作成できます。これは業界と研究の両方で実装されている急速に発展しているプロセスの一つです。

7c) 電子ビーム溶解（EBM）： このプロセスでは、原料（ワイヤーまたは金属粉末）が真空内に配置され、電子ビームを使用して融合されます。EBMは導電性材料でのみ使用可能ですが、より高いエネルギー密度により優れたビルド速度を持ちます。

7d) 選択的熱焼結（SHS）： 熱プリントヘッドを使用して粉末熱可塑性材料の層に熱を加えます。層が完了するとすぐに粉末ベッドが下がり、新しい材料層が追加され、それがシンタリングされてモデルの次の断面を形成します。この技術は、安価なプロトタイプと機能テスト用パーツの製造に最適です。

7e) ダイレクトメタルレーザー焼結（DMLS）： SLSに似ていますが、金属粉末を使用します。余った粉末がオブジェクトのサポート構造となり、次の3Dプリントで再利用できます。DMLSパーツは主にチタン、ステンレス鋼、アルミニウム、いくつかのニッチ合金などの粉末材料で作られます。カスタム医療部品、石油・ガスコンポーネント、タフな機能プロトタイプに理想的なプロセスです。

応用

過去10年間で、3Dプリンティングは大幅に発展しました。複雑な設計をより安価に迅速に製造できるため、商業製造、医療、建築、カスタムデザインなど多様な業界で不可欠なツールとなっています。

多くの積層造形技術は食品製品の製造に使用できます。最新の3Dプリンターにはレシピがプリロードされており、ユーザーがコンピューターやスマートフォンで遠隔的に食品を作成することも可能です。3Dプリント食品は、食感、色、形、風味、栄養をカスタマイズできます。

この技術は医薬品製剤にも効果的であることが証明されています。3Dプリンティングによって製造された最初の製剤は2015年に生産されました。同年、FDAが最初の3Dプリント錠剤を承認しました。

2014年にISSに送られたゼロG 3Dプリンター

2014年、SpaceXが国際宇宙ステーションに最初のゼロ重力3Dプリンターを配送しました。現在は宇宙飛行士がソケットレンチなどの便利なツールを印刷するために使用されています。

実際、惑星や小惑星での多くの組立プロジェクトは、近隣地域で入手可能な材料をなんらかの形でブートストラップすることになります。3Dプリンティングは、このブートストラッピングの主要なステップの一つです。

現在、テック企業は積層造形とクラウドコンピューティングを統合し、分散型で地理的に独立した分散生産を可能にしています。一部の企業は、ウェブサイトを通じて個人と法人の両方の顧客にオンライン3Dプリンティングサービスを提供しています。

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3Dプリンティングの未来

3Dプリンティングの大きな夢は「誰もが家に工場を持つこと」です。奇妙に聞こえるかもしれませんが、無限にカスタマイズ可能なものを即座に生み出せるマシンを持つことが魅力的であることは否定できません。

コンピューターとスマートフォンが数十億人の人々をエンパワーしたように、3Dプリンターも製造業で同じことを実現するかもしれません。

GrandViewResearchによると、世界の3Dプリント市場は2019年に115.8億ドルと評価され、2027年までに330億ドル以上に達すると予想されています（年率14%成長）。

市場成長を牽引すると予想される要因には、積極的なR&Dと、特に自動車、航空宇宙、防衛、ヘルスケアなどさまざまな業界からのプロトタイピング応用への需要増加が含まれます。