COVID-19が浮き彫りにした3Dプリンティングの医療分野における重要な役割

COVID-19パンデミックへの対応初期において、3Dプリンティングはスター的存在として注目を集め、連日のようにヘッドラインを飾りました。まるで誰もが地元の病院のために何かを印刷しているかのようでした。

数ヶ月後、3Dプリンティングが個人防護具（PPE）や人工呼吸器部品の製造にどう活用できるかを伝える記事は減少しました。しかし、このテクノロジーのウイルス対策における役割は進化を続けています。

COVID-19が襲来したとき、米国をはじめ世界中が不意打ちを食らいました。PPEの需要が爆発的に増大する中、フェイスシールド、人工呼吸器、マスクの在庫が枯渇したのです。

この差し迫った状況に直面し、個人や企業は事態を打開する方法を必死に模索しました。3Dプリンターを備えた人々にとって、決断はシンプルでした：それらを部品製造に活用することです。

数日以内に、ホビイスト、ジョブショップ、受託製造業者、大手企業が一斉に積層造形装置を稼働させ、PPEの印刷を開始しました。人工呼吸器用分岐管、代替マスク案、フェイスシールドなど、無数のCADファイルが光の速さで世界中を駆け巡りました。これらの設計は多くの場合、印刷プロセスに最適化されており、前処理と後処理の時間と労力を削減しました。

設計は3Dプリンティングによってほぼ瞬時に実体のある製品となりました。この技術はインダストリー4.0への移行のポスターチャイルドであり、セットアップ時間がほぼゼロだからです。適切な材料を装填し、よく設計されたCADまたはスライスファイルをアップロードし、パラメータを入力し、プリントボタンを押せば、数分から数時間で部品が完成します。

初期対応における課題と教訓

しかし、PPE不足の解消に3Dプリンティングを頼ることには欠点もありました。多くの病院が、必要な仕様を満たしていないとして寄付された印刷部品を廃棄せざるを得ませんでした。例えば、ある3Dプリンティングプロセスでは気密性のある部品を印刷できず、特定のマスク部品が使用不能となっていました。

これを受け、国立積層造形イノベーション研究所、国立衛生研究所（NIH）、食品医薬品局（FDA）、退役軍人省が連携し、実用的な設計を迅速に審査・承認する仕組みを構築しました。この取り組みは印刷活動の標準化に貢献しました。それでも、多くのメイカーはこの設計クリアリングハウスの存在を知らないままだった可能性があります。

COVID-19への即時対応におけるもう一つの欠点は、製品全体の組み立てではなくコンポーネントに焦点が当てられたことです。例えば、フェイスシールド用の印刷ヘッドバンド設計は承認されたものの、透明シールドやゴムバンドといった補完部品は従来のチャネルで調達されました。これらの材料も3Dプリンターで印刷可能ですが、通常は高価で、限られた産業用機械でしか処理できません。そのため、これらのアイテムの大量生産は非現実的でした。やがて、よりコスト効率の良いソリューションが登場するにつれ、これらの限定的な用途でさえ淘汰されていきました。

裏方に回った真のインパクト

では、3DプリンティングのCOVID-19対策へのインパクトは一過性のものだったのでしょうか。決してそうではありません。実は、よりコスト効率の良い生産技術への「裏方のインプット」へと移行していったのです。

PPE対応が示すように、3Dプリンターは設計コンセプトを迅速に反復し、実用的な製品を手に入れることに優れています。初期のスピードと低い立ち上げコストは、機能的なプロトタイピングに最適です。しかし、設計が固まれば、他の技術がより良い選択肢となるのが一般的です。最初の3Dプリント部品のコストは射出成形金型より安価ですが、一度金型が完成すれば、単体ユニットあたりの時間と変動コストは極めて低くなり、大量生産が必要な場合は3Dプリンターを凌駕します。結局、3DプリンティングがCOVID-19対策に与えたインパクトは、既存プロセスのサポートにあります。

ツーリングによる従来製造の支援

この技術がそれを支える一つの方法がツーリング（治工具製作）です。ワークの保持から美観上の特徴の位置決めまで、用途は多岐にわたります。一般的に、コンシューマー向けの材料押出式デスクトッププリンターでツールを製造できます。中でもCOVID-19対策で最も有用だった用途の一つが、射出成形金型用の3Dプリントインサートの作成です。特に粉末床溶融結合方式の3Dプリンターを用いた商業的文脈で行われます。こうしたシステムは、射出金型で使用可能な高度に複雑な金属インサートを印刷できます。内部に内蔵されたコンフォーマル冷却チャネルにより、液体冷却剤（通常は水）を流し、成形部品を圧縮する熱い金属を能動的に冷却します。従来は直線的に穴をあけていましたが、プリントツールではチャネルを従来不可能な形で曲げたりねじらせたりできます。その結果、これらのインサートを用いた射出金型はより速く冷却され、サイクルタイム短縮と部品生産量の増加を実現します。

結論：柔軟性と進化の証明

COVID-19は3Dプリンティングにスポットライトを当てました。新設計を迅速に反復し、PPE不足に対応する部品を製造する能力により、この技術は初期対応において貴重かつ高度に柔軟な一部であることを証明しました。好ましい設計が承認・確定されるにつれ、3Dプリンティングはプリントツーリングにより従来の製造プロセスを支援する方へとシフトしていきました。過去も現在も、PPE製造とCOVID-19対策において貴重な役割を果たし続けています。

Cullen Hilkene氏は3Diligentの創業者兼CEOです。