積層造形（アディティブマニュファクチャリング）完全ガイド：種類・プロセス・応用

積層造形（アディティブマニュファクチャリング）とは

積層造形（AM）、通称3Dプリンティングは、より軽量で強靭な部品・システムの創出を可能にする、産業生産への変革的アプローチです。その名の通り、材料を「付加」して物体を作ります。

積層造形（AM）または積層製造（ALM）は、3Dプリンティングの産業用名称です。CAD（コンピュータ支援設計）ソフトや3Dオブジェクトスキャナでハードウェアを制御し、材料を通常層ごとに堆積させて立体物を造るコンピュータ制御プロセスです。

GE Additiveによれば、これはアナログからデジタルプロセスへの移行によって可能になった技術的進歩の一つです。過去数十年、通信、イメージング、建築、エンジニアリングはそれぞれデジタル革命を経験しました。今、AMが製造業にデジタルの柔軟性と効率をもたらします。

積層造形では、CADソフトや3Dスキャナでハードウェアを制御し、材料を精密な幾何学形状で層ごとに堆積させます。名前が示す通り、材料を「足して」物体を作ります。従来の製造では、切削、彫刻、フライス、成形などで材料を「削り取る」ことが多かったのと対照的です。

「3Dプリンティング」や「ラピッドプロトタイピング」という用語が積層造形を指して使われることもありますが、それぞれは実際には積層造形の部分集合（サブセット）に過ぎません。

積層造形は多くの人にとって新しく見えますが、実は数十年前から存在しています。適切な用途では、性能向上、複雑形状の実現、製造簡素化という理想的な三位一体を実現します。そのため、積層造形に積極的に取り組む人々には多くの機会があります。

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AMの発明者は？

3Dプリンティングの初期製造装置は、名古屋市工業研究所の児玉秀雄によって開発されました。彼は3Dモデルを作る2つの積層手法を発明しました。

積層造形の仕組み

CADや3Dオブジェクトスキャナの助けを借りて、積層造形は精密な幾何学形状を持つ物体の創出を可能にします。これらは層ごとに積み上げられ、従来製造のように余分な材料を切削などで除去する必要がありません。

3Dプリンティング、ラピッドプロトタイピング、積層造形は、一般的に同一プロセスを指す用語として使われます。複雑な構造とコンポーネントが、材料を段階的に積層することで作られます。

この技術は30年以上前からありますが、最近になって人気が高まり、単なる3Dプリント試作手段ではなく、完全に機能するコンポーネントの製造手段となっています。重工業から医療まで、提供される精密技術を活用しようとするセクターに3Dプリンティング業界が対応しており、可能性はほぼ無限大です。

積層造形が科学に新たな機会をもたらす一方で、その概念と仕組みは驚くほどシンプルです。

積層造形技術

1. 焼結

焼結では、材料を液化させずに熱で固体塊を作ります。これは従来の2D複写（トナーを選択的に溶かして紙に像を形成）に似ています。

2. 直接金属レーザー焼結（DMLS）

DMLSでは、レーザーで金属粉末の各層を焼結し、金属粒子同士を付着させます。DMLS装置は高解像度で、望ましい表面特性と必要な機械的特性を持つ物体を生成します。SLSでは、レーザーで熱可塑性粉末を焼結し粒子を付着させます。

3. 直接金属レーザー溶解（DMLM）と電子ビーム溶解（EBM）

一方、DMLMとEBMでは材料を完全に溶融させます。DMLMではレーザーで金属粉末の各層を完全溶融、EBMでは高出力電子ビームで金属粉末を溶融します。両技術とも、高密度で非多孔質な物体の作成に最適です。

4. 光造形（SLA）

光造形（SLA）は光重合を用いてセラミック物体を造形します。プロセスは、光重合性樹脂で満たされた容器にUVレーザーを選択的に照射するものです。UV硬化型樹脂は耐トルク性があり、極端な温度に耐える部品を生成します。

プロセス所要時間

造形時間は部品サイズ、造形設定など複数要因で決まります。仕上げ品質も重要で、高品質アイテムほど時間がかかります。

AMは数分から数時間、数日かかる場合もあります。速度、解像度、材料量が重要な要因です。

積層造形材料

3Dプリント物体の作成に多様な材料が使用可能です。AM技術では、先進金属合金でジェットエンジン部品を作ることも、チョコレート菓子など食品を作ることもできます。

• 熱可塑性樹脂： 積層造形で最も人気の材料クラス。ABS、PLA（ポリ乳酸）、PC（ポリカーボネート）がそれぞれ異なる利点を持つ。水溶性PVA（ポリビニルアルコール）は、後で溶解除去する一時サポート構造に典型的に使用。
• 金属： 貴金属（金、銀）から戦略金属（ステンレス、チタン）まで多様な金属・合金が使用される。
• セラミックス： ジルコニア、アルミナ、リン酸三カルシウムなど多様なセラミックスが使用実績あり。ガラス粉末と接着剤を交互に焼成し、全く新しいガラス製品クラスを創出することも可能。
• 生化学材料： 医療用途では、シリコン、リン酸カルシウム、亜鉛からなる硬化材料で、新骨成長時の骨構造支持に使用。幹細胞から作るバイオインクで血管から水疱まで幅広く形成する研究も進行中。

積層造形プロセスの種類

それぞれ独自の規格を持つ複数のAMプロセスが存在します：

• バインダージェッティング
• 指向性エネルギー堆積（DED）
• 材料押出（マテリアルエクストルージョン）
• 粉末床溶融（パウダーベッドフュージョン）
• シート積層（シートラミネーション）
• 槽光重合（バットポリマライゼーション）
• マテリアルジェッティング

1. バインダージェッティング

粉末材料とバインダーの2材料を使用。バインダーが粉末層間の接着剤役を果たします。バインダーは通常液体、造形材料は粉末形態です。

プリントヘッドが機械のX/Y軸に沿って水平移動し、造形材料とバインダーを交互に層ごと堆積。各層後、造形物はビルドプラットフォーム上で降下します。

結合方式の都合上、材料特性がコンポーネント用途に必ずしも適さず、造形速度は速いものの、後処理で全体工程が大幅に延びることがあります。

他の粉末系プロセス同様、造形物は粉末ベッド内で自立支持され、完成後に非結合粉末から取り出されます。

バインダージェッティング - ステップバイステップ

• ローラーで粉末材料をビルドプラットフォーム上に敷く
• プリントヘッドが必要箇所にバインダー接着剤を堆積
• モデルの層厚分だけビルドプラットフォームを降下
• 前層上に新しい粉末層を敷く。粉末が液体で結合した箇所に物体が形成
• 非結合粉末は物体周囲にそのまま残留
• 物体全体が完成するまで工程を繰り返す

2. 指向性エネルギー堆積（DED）／電子ビーム溶解（EBM）

DEDには「レーザーによるネットシェイピング」「指向性光造形」「直接金属堆積」「3Dレーザーコーティング」など複数の呼称があります。既存コンポーネントの修復や材料追加に用いられる、より複雑な印刷プロセスです。

典型的なDED装置は、マルチアックスアームに搭載されたノズルから溶融材料を指定面に堆積させ、そこで凝固させます。原理は材料押出に似ますが、ノズルが多方向に動け、特定軸に固定されません。

4軸・5軸機械によりあらゆる角度から材料堆積が可能。堆積時にレーザー、電子ビーム、プラズマアークで材料を溶融。ポリマー・セラミックスにも使えますが、通常は金属粉末・ワイヤーで使用。典型用途は構造部品の修復・メンテナンス。

指向性エネルギー堆積 - ステップバイステップ

• 4軸または5軸アーム（ノズル付き）が固定物体周りを移動
• ノズルから物体の既存表面へ材料を堆積
• 材料はワイヤーまたは粉末形で供給
• 堆積時にレーザー、電子ビーム、プラズマアークで材料を溶融
• さらに材料を層ごとに追加・凝固させ、既存物体上に新たな材料特徴を創出または修復

3. 材料押出（マテリアルエクストルージョン）

溶融積層造法（FDM）は一般的な材料押出プロセスで、Stratasysの商標です。材料をノズルで引き込み加熱し、層ごとに堆積。ノズルは水平移動し、プラットフォームが各層後に上下動します。低価格ホーム/ホビー3Dプリンタで広く採用されている手法です。

最終モデル品質に影響する要因は多岐にわたりますが、これらをうまく制御できれば大きな潜在力と実現性があります。FDMも他の3Dプリンティング同様に層ごとに積み上げますが、一定圧力下で連続ストリームとしてノズルから材料を追加する点で異なります。

この圧力を一定に保ち、一定速度で押し出すことが精密な結果の鍵です。層間結合は温度制御または化学的手段で行います。材料はコイル形で機械に供給されることが多いです。

材料押出 - ステップバイステップ

• 第1層：ノズルが物体最初スライスの断面積上に必要箇所へ材料を堆積
• 以降の層を前層の上に追加
• 材料が溶融状態で堆積するため、層同士が堆積時に融着

4. 粉末床溶融（パウダーベッドフュージョン）

粉末床溶融には以下の一般的印刷技術が含まれます：DMLS、EBM、選択的加熱焼結（SHS）、選択的レーザー溶解（SLM）、選択的レーザー焼結（SLS）。

PBFプロセスは、レーザーまたは電子ビームで粉末材料を溶融・融着させます。EBMプロセスは真空環境が必要ですが、金属・合金で機能部品を作れます。全PBFプロセスで、粉末材料が前層上に分配されます。

分配機構にはローラーやブレードなど複数あります。ベッド下のホッパーやリザーバーで新鮮な材料を供給。DMLSはSLSと同じですが、プラスチックでなく金属を使用します。

プロセスは粉末を層ごとに焼結。選択的加熱焼結は、加熱サーマルプリントヘッドで粉末を溶融させる点で他と異なります。同様に層間でローラーが粉末を敷き、プラットフォームがモデル分降下します。

粉末床溶融 - ステップバイステップ

• 通常0.1mm厚の材料層をビルドプラットフォーム上に敷く
• レーザーでモデルの第1層（第1断面）を融着
• ローラーで前層上に新しい粉末層を敷く
• さらに層・断面を融着・追加
• モデル全体が完成するまで繰り返し。未融着の粉末は位置に残留するが、後処理で除去

5. シート積層（シートラミネーション）

シート積層プロセスには、超音波積層造形（UAM）と積層物造形（LOM）があります。UAMでは金属シート・ストリップを超音波溶接で接合。追加のCNC加工と非結合金属除去が必要で、溶接工程中に行うことが多いです。LOMは類似の層ごとアプローチですが、材料に紙を使い、溶接でなく接着剤を使用。印刷中にハッチング法を用いて造形後除去しやすくします。

積層物は主に美観・視覚モデル用で、構造用途には不向き。UAMはアルミ、銅、ステンレス、チタン等の金属を使用。低温プロセスで内部形状創出が可能。異種材料結合が可能で、金属を溶融しないため比較的低エネルギー。

シート積層 - ステップバイステップ

• 材料をカッティングベッド上に位置決め
• 接着剤で前層上に材料を固定
• レーザーやナイフで層から必要形状を切り出し
• 次の層を追加
• ステップ2と3を逆順にしたり、材料を先に切ってから位置決め・接着したりも可能

6. 槽光重合（バットポリマライゼーション）

液体光重合性樹脂の槽（バット）を使用し、そこからモデルを層ごとに構築。紫外線（UV）光で必要箇所の樹脂を硬化させながら、プラットフォームが造形物を下方向へ移動させ、各新層を硬化させます。

液体で物体を形成するため、構築フェーズ中に材料からの構造的支持はありません。粉末系プロセスでは非結合材料が支持になりますが、この場合サポート構造の追加が必要になることが多いです。

樹脂は光重合プロセスまたはUV光で硬化。モータ駆動ミラーで光を樹脂表面に走査。樹脂が光に触れると硬化します。

光重合 - ステップバイステップ

• ビルドプラットフォームを樹脂槽の上部から層厚分下降
• UV光で樹脂を層ごとに硬化。プラットフォームはさらに下降し、前層上に追加層を構築
• 一部機種は層間でブレードを動かし、次の層構築用の滑らかな樹脂基盤を整える
• 完了後、槽から樹脂を排出し物体を取り出し

7. マテリアルジェッティング

2Dインクジェットプリンタと同様に物体を造形。連続式またはドロップオンデマンド（DOD）方式で、材料をビルドプラットフォーム上に噴射します。

材料は表面またはプラットフォーム上に噴霧され、そこで固化し、モデルが層ごとに積み上がります。材料は水平移動するノズルから堆積。機種により複雑さと材料堆積制御手法が異なります。材料層はUV光で硬化・硬化させます。

材料を滴下形で堆積させる必要があるため、使用可能材料は限られます。粘性があり液滴形成能を持つポリマーとワックスが適しており、広く使用されています。

マテリアルジェッティング - ステップバイステップ

• プリントヘッドをビルドプラットフォーム上に位置決め
• 熱式または圧電式で、必要箇所にプリントヘッドから材料液滴を堆積
• 液滴が固化し第1層を形成
• 以降、前層上に同様に層を積み上げ
• 層を冷却硬化、またはUV光で硬化。後処理でサポート材除去

積層造形のメリット

• 導入コストの継続的低下
• 材料廃棄とエネルギーの節約
• 試作コストの大幅削減
• 少量生産がより速く、より安価に
• 在庫保有量の削減
• レガシーパーツの再現・最適化が容易
• 部品信頼性の向上
• アセンブリを単一パーツに統合可能
• AI駆動設計手法を独自にサポート
• ラティス構造を独自にサポート

積層造形の応用分野

航空宇宙

AMは軽量化と複雑幾何学設計を両立する部品製造に優れ、軽量・高強度な航空宇宙部品の製造に最適なソリューションとなります。

2013年8月、NASAはSLM造形ロケットインジェクターの熱試験に成功（20,000ポンド推力生成）。2015年、FAAが商用エンジン用初の3Dプリント部品を承認。CFMのLEAPエンジンには19個の3Dプリント燃料ノズル搭載。2017年パリ航空ショーでは、FAA認証取得のボーイング787構造部品（チタンワイヤー製）が展示されました。

自動車

CNN報道によると、マクラーレンレーシングチームがF1マシンに3Dプリント部品を採用。リアウィング交換部品が5週間→約10日で製造可能に。同チームは既に50種類以上の部品を積層造形で製造。

自動車業界ではAMのラピッドプロトタイピング潜在力に注目が集まり、量産部品への適用も進んでいます。例：アルミ合金で排気管・ポンプ部品、ポリマーでバンパーを製造。

医療・ヘルスケア

ニューヨーク大学医学部では、300名の患者を対象に、積層造形による患者固有の多色腎癌モデルの有効性を評価する臨床研究を実施。術前評価と手術中ガイダンスへの支援効果を検証。

世界的医療機器メーカーStrykerが、オーストラリアでの研究プロジェクトを資金提供。骨がん患者向けに、積層造形技術でオーダーメイド・オンデマンドの3Dプリント手術用インプラントを作成。

総じて、AM製医療機器の安全性・有効性実証に伴い、医療分野での積層造形応用は拡大中。独自の合成臓器製造も有望視されています。

製品開発

AMの設計自由度の可能性が実現されるにつれ、かつて不可能だった設計概念が成功裏に再構築されています。積層造形は、かつて設計者を縛っていた制約から解放し、創造的ポテンシャルを解き放ちます。

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よくある質問（FAQ）

積層造形とは？

積層造形（AM）、通称3Dプリンティングは、より軽量で強靭な部品・システム創出を可能にする産業生産への変革的アプローチ。名前の通り、材料を「付加」して物体を作る。

積層造形プロセスとは？

特定の3Dプリンティングプロセス。デジタル3D設計データに基づき、材料を層ごとに堆積させてパーツを構築。例：削り出しでワークを作る代わりに、微粉末材料を層ごとに積み上げてパーツを作る。

積層造形の種類は？

積層造形の種類：

1. バインダージェッティング
2. 指向性エネルギー堆積
3. 粉末床溶融
4. シート積層
5. 材料押出
6. マテリアルジェッティング
7. 槽光重合

積層造形の意味は？

物体を1層ずつ積み上げて作るプロセス。固体ブロックから材料を削り取って最終製品を完成させる「減材製造」の対極にある。

積層造形で作られる製品は？

一般的用途：環境制御システム（ECS）ダクト、カスタム化粧品グレード航空機内装部品、ロケットエンジン部品、燃焼器ライナー、複合材用工具、油圧・燃料タンク、UAV部品。3Dプリンティングは複雑・統合部品を高強度で提供。

なぜ「積層造形」と呼ばれる？

従来の製造・鍛造では、大きな素材から切削・除去して最終製品を得る。問い「なぜ積層造形と呼ばれるか？」へのシンプルな答え：ビルドプロセスが原材料を「減らす」のでなく「足す」から。

積層造形と3Dプリンティングは同じ？

両用語に違いはない。3Dプリンティングと積層造形は同一プロセスの同義語。両方とも、CADファイルから材料を層ごとに接合してパーツを構築するプロセスを指す。

ステレオリソグラフィーとは？

光造形（SLA）は、CAD図面から固体プロトタイプ、パターン、製品を構築する積層造形プロセス。CAD駆動レーザービームで編み上げるように固体プラスチックプロトタイプを構築可能。

積層造形のメリットは？

積層造形のメリット：

• 導入コストの継続的低下
• 材料廃棄とエネルギーの節約
• 試作コストの大幅削減
• 少量生産がより速く、より安価に
• 在庫保有量の削減
• レガシーパーツの再現・最適化が容易

溶接は積層造形？

金属コンポーネント製造における溶接の積層造形（AM）応用は、最も急成長している研究開発分野の一つ。レーザー、電子ビーム、アーク溶接などのエネルギー源で、粉末またはワイヤー形態の原材料を溶融・堆積させる。

積層造形のデメリットは？

デメリット：製造コストが高い。積層造形以外の技術ならより速く部品が作れるため、余分な時間がコスト増につながる。また、高品質AM装置は高額になり得る。

積層造形の発明者は？

チャック・ハルは3D Systemsの共同創業者、副社長、CTO。SLA 3Dプリンタ（初の商用ラピッドプロトタイピング技術）と、広く使われるSTLファイル形式の発明者の一人。

積層技術は何に使われる？

• 航空宇宙。 積層造形の先駆的セクターで、量産への道を切り拓く。
• 軍事・防衛。
• 医療。
• 産業製造。
• 自動車
• 宇宙。

積層造形とラピッドプロトタイピングの違いは？

ラピッドプロトタイピングは「プロトタイプを速く作ること」。積層造形は「材料を徐々に付加して製品を作るあらゆる製造プロセス」を指す。

生成的製造と積層造形の違いは？

生成設計は従来手法でも対応可能なほど洗練されているが、積層造形が最も自由度を提供する。理由は明確。生成設計で作られたパーツ例。左2つは3軸フライスと鋳造アルミに最適化。

積層造形の歴史は？

1987年、3D Systemsのステレオリソグラフィー（SL）で積層造形が登場。UV光感受性液体ポリマー薄層をレーザーで固化するプロセス。世界初の市販AMシステム「SLA-1」は、かつて人気だったSLA 250マシンの先駆けとなった。

なぜ3Dプリンティングが発明された？

1988年、クラムプが娘のためにグルーガンでロウを押し出してカエルのおもちゃを作ろうとした際に着想。1989年特許取得、妻と共にStratasys Ltd.を共同設立し、ラピッドプロトタイピングまたは商用製造向け3Dプリンティングマシンの製造・販売を開始。

ステレオリソグラフィーで使われる液体は？

光造形（SLA）は最古の3Dプリンティング技術の一つ。光化学プロセスでレジン材料を3Dプリントする積層造形プロセス。硬化可能な液体フォトポリマーレジンの槽を使用。

3Dプリンティングマシンの発明者は？

チャールズ・ハルはステレオリソグラフィーの発明者。初の商用ラピッドプロトタイピング技術で、一般に3Dプリンティングとして知られる。初期応用は研究開発ラボと工具室だったが、今日では応用は無限大。

積層造形は未来か？

2021年も進展継続。大小ソフトウェア企業が積層技術要件に対応するソフトウェアソリューションに注力。この進化が次世代ソフトウェアツールを生み、AMを産業化へ前進させる。

積層造形は高コストか？

プロセスとコンポーネント設計により、積層生産の変動費は従来生産の5〜50倍になることも（ポリマー・金属加工の例）。

GE Additiveとは？

GE Additiveはマシン、材料、エンジニアリング設計専門知識を提供し、顧客とパートナーシップを組んで積層導入を支援。Concept LaserとArcamマシンが航空宇宙、医療、歯科、宝飾業界の顧客をすでにサポート。

積層溶接とは？

ワイヤーアーク積層造形は、自動MIG溶接またはレーザーホットワイヤー溶接と、直接堆積3Dプリンティングを組み合わせたプロセス。

積層造形と減材製造の違いは？

積層造形は材料を層ごとに付加して物体を構築。減材製造は材料を除去してパーツを作る。

積層造形は成長している？

2020〜2026年の世界市場予測成長。2020〜2023年で年率約17%成長見込み。現在はプラスチック材料が市場主導だが、金属材料が今後の成長を牽引すると予測。

積層造形の持続可能性は？

プロセス自体として、積層造形はより持続可能な生産手段を代表する。特に、3Dプリンティングが最初から余剰材料の使用を排除し、不必要な廃棄物を事実上ゼロにする点で顕著。

積層造形の主な課題は？

現在の製造技術で決まる部品・アセンブリ設計を特定し、AMで性能向上できるか検討すること。AMは従来法では不可能な形状創出を可能にし、設計自由度を高める。

積層造形をシンプルに言うと？

積層造形（AM）または積層製造（ALM）は、3Dプリンティングの産業用名称であり、コンピュータ制御で材料を通常層ごとに堆積させて三次元物体を作るプロセスです。

なぜ積層造形が導入された？

金属積層造形、すなわち3Dプリンティングは、従来製造ルートの設計制約なしに複雑部品を製造する可能性を提供する。