3Dプリンティング
3Dプリンティングはどのように機能するのですか？
積層造形法の一つに3Dプリンティングがあります。これは、材料の塊や型を必要とせず、材料の層を積み重ねて融合させることで実際の物体を作り出すため、「積層造形」と呼ばれます。従来の技術よりも複雑な形状を造形でき、多くの場合、造形速度が速く、初期費用も安価で、使用できる材料の種類もますます増えています。エンジニアリング分野では、特にプロトタイプの作成や軽量形状の開発において、この技術が広く活用されています。
積層造形と3Dプリンティング
「3Dプリンティング」という用語は、メイカー文化、アマチュアや愛好家、デスクトッププリンター、FDMのような手軽な印刷技術、ABSやPLAのような安価な材料と頻繁に関連付けられます。これは、RepRapムーブメントから生まれた手頃な価格のデスクトッププリンター、例えば初代MakerBotやUltimakerなどが、3Dプリンティングの民主化と2009年の3Dプリンティングブームに貢献したことが一因です。
3Dプリンティング技術：革新的な製造業の未来
3D 印刷 歴史
3Dプリンティングの概念製品は1970年代に始まった。1981年、層状印刷製造方法を初めて記述した日本の科学者、児玉博士は3Dプリンティングを試み、紫外線で重合する感光性樹脂を用いたSLA（光造形）3Dプリンティング技術を自ら開発した。
数年後、アメリカの科学者チャールズ・ハルもSLA技術に関する詳細な研究を行い、1986年にSLAの最初の特許を出願した。彼は3D Systemsを設立し、1988年に最初の商用製品であるSLA-1を発売した。（下の写真）
SLAは最も初期に開発された3Dプリンティング技術と言えるが、SLS（選択的レーザー焼結）やFDM（溶融堆積モデリング）はいつ後に登場したのだろうか。
1988年、アメリカ人のカール・デッカードはテキサス大学でSLS技術の特許を取得しました。これは、レーザーで粉末粒子を局所的に融合させて造形する3Dプリンティング技術です。同年、ストラタシスの創設者の一人であるスコット・クランプは、溶融堆積モデリング（FDM）の特許を申請しました。1980年から1990年にかけて、3Dプリンティングの主要3技術はすべて特許化され、この業界の急速な発展期が始まりました。
ヨーロッパでは、EOS GmbHが3Dプリンティング用の設計システム「Stereos」システムを開発しました。現在、同社の3Dプリントモデルは、プラスチックや金属向けのSLS 3Dプリンティング技術（選択的レーザー焼結）において世界中で使用されています。
1992年、FDM（溶融堆積モデリング）3Dプリンティング技術の特許がストラタシス社によって取得され、同社は多くの専門家や個人の多様なニーズに応える3Dプリンターを開発した。
1993年から1999年にかけて、3Dプリンティング業界では様々な技術が登場しました。同時に、新しいCADソフトウェアや3Dモデリングソフトウェアも次々と開発され、例えば、初期の参加企業の1つであるSanders Prototype（現在はSolidscapeと呼ばれている）などが挙げられます。
3Dプリンティングの多分野にわたる応用
2008年、初の3Dプリント義肢が登場し、メディアにおける3Dプリンティングの存在感をさらに高めました。3Dプリンティングは従来の部品だけでなく、人体修復にも応用できることが発見されたのです。この驚くべき医療用3Dプリンティングプロジェクトは、生体肢のすべての部品を組み合わせ、後から組み立てることなく「そのまま」プリントすることが可能です。今日では、3Dスキャン技術と組み合わせることで、3Dプリントされた医療用義肢や装具は、患者のニーズを満たすために、より安価かつ迅速に製造できるようになっています。さらに、これらの義肢はますます最適化され、患者の形態に合わせて調整されています。3Dプリンティングは、マスパーソナライゼーションに新たな可能性をもたらしています。（画像を追加）
2009年は、FDM（熱溶解積層法）の特許が一般消費者向け市場に参入した年であり、FDM 3Dプリンターの広範なイノベーションへの新たな道が開かれた年でした。デスクトップ3Dプリンターの価格が下がるにつれて、より多くの人々が3Dプリンティング業界の発展に注目できるようになりました。
2013年、バラク・オバマ米大統領は一般教書演説で3Dプリンティングを未来の主要な生産方式として言及し、「3Dプリンティング」は一躍時の人となった。現在、3Dプリンティングは人々の意識の中で非常に重要な位置を占めている。ますます多くの中小企業が、3Dプリンティングによる低コストのプロトタイピングを活用し、反復開発、イノベーション、生産プロセスに完全に統合している。
3Dプリントのコンセプトカー
建築分野への応用という点では、3Dプリンターで建てられた住宅は既に現実のものとなっている。2018年には、人々が初めて3Dプリンターで建てられた住宅に入居した。その住宅は1022平方フィート（約95平方メートル）の広さがあり、非常に住みやすい。印刷には合計2日間かかった。
製造と3Dプリンティングの類似点と相違点に関する3Dプリンティングの分類システム
中空の球体を例にとってみましょう。表面には十数個の花模様があります。これを従来の機械加工で加工すると、非常に手間がかかり、模様を一つずつ修正しなければなりません。一方、3Dプリンティングを選択すれば、材料の無駄がないため、積層造形とも呼ばれ、材料を徐々に積み重ねて物理的な部品を製造する方法となります。従来の方法では、まず原型を作り、余分な材料を取り除き、残った材料で必要な形状を作ります。問題が見つかった場合は、金型を開いて修正する必要があります。一方、3Dプリンティングでは材料を少しずつ積み重ねていくため、完成品をすぐに確認できます。
3Dプリンティング技術の実現
3Dプリンティング技術は工業生産に応用されています。3Dプリンティングに必要なのは実物ではなく、デジタルモデルです。目の前の実物を3Dプリントしたい場合は、コンピューターでモデリングするか、3Dスキャナーで実物をデジタル化して3Dモデルを作成する必要があります。そうすれば、わずか15分でプリントアウトできます。現在、3Dプリンティング技術はFDM、DLP/SLA、SLSの4つの主要なカテゴリに分けられます。
SLS（レーザー焼結成形プロセス）
SLSは、レーザー照射による高温条件下で溶融する比較的ハイテクな粉末です。作業台に薄い粉末層を広げ、レーザービームで層の断面をスキャンして温度を融点まで上昇させ、焼結と結合を実現し、粉末の塗布、焼結、研削、乾燥を繰り返してモデルを形成します。実際、3Dプリンティングは2Dプリンティングを何度も繰り返したものです。オブジェクトを非常に薄くスライスすると、各ピースに形状があることがわかります。すべての形状を組み合わせると、3次元構造のオブジェクトが得られます。そのため、レーザーを使用してグラフィックを描画します。SLS成形部品の環境（温度、湿度、化学腐食）に対する耐性は熱可塑性材料のそれと似ています。一方、SLA成形部品の耐性は比較的低く、たとえば、エポキシ樹脂で成形されたSLAワークピースは湿気や化学腐食に弱く、38℃を超える環境では軟化して反りますが、成形精度は高いです。
SLA（光造形法）成形プロセス
SLAは光硬化技術であり、現在中国では比較的発展している。「ステレオリソグラフィー」とは、レーザー光で液体樹脂の表面に造形物の第一層の形状を描き、その後、造形プラットフォームを一定の距離（0.05～0.025mm）だけ下げ、硬化した層を液体樹脂に浸す、という工程を繰り返すものである。使用される樹脂は感光性樹脂であり、レーザー光を照射すると固化し、造形速度と精度に優れている。
DLP（光造形）成形プロセス
DLPはデジタルライトプロセッシング、レーザーシェーピングテクノロジーとして知られています。DLP 3Dプリンティングテクノロジーは、SLA 3Dプリンティングテクノロジーと多くの類似点があります。生産を鉛筆で円を描くことに例えると、SLAテクノロジーはレイヤーごとに描くことに相当し、DLPは直接スタンプすることに相当します。私たちが追求している大量生産には、効率と材料コストという2つの非常に重要なポイントがあります。従来の製造方法よりも数百倍速く印刷できる3Dプリンター、つまり、深センのLight Prism Technology社が開発した面対面テクノロジーがあります。従来のFDM 3Dプリンティングで中空ボールを印刷するには2〜5時間かかり、最速でも1時間かかりますが、最新の面対面テクノロジーでは約10分で印刷できます。印刷速度は驚異的です。この3Dプリンティングが市場に出回れば、伝統工芸への影響は依然として大きいでしょう。
FDM（溶融堆積成形プロセス）
DLPやSLS技術と比較すると、FDM技術は比較的シンプルなので、ユーザー層が広く、家庭への導入も容易です。プロトタイプは、熱可塑性材料を半溶融フィラメントに押し出し、層ごとに堆積させることで、3D CADデータから直接構築されます。FDM技術の利点は、機械構造がシンプルで、設計が容易で、製造コスト、メンテナンスコスト、材料コストが低く、環境汚染がないことです。そのため、FDMは家庭用デスクトップ3Dプリンターで最も広く使用されている技術でもあります。これは、レーザーを使用せず、低コストである比較的伝統的な印刷方法ですが、精度が高くなく、印刷速度が非常に遅いです。これは誰にとっても最もアクセスしやすい方法であり、一般的に教育市場で使用されています。
3Dプリンティングが製造業と伝統的な職人技に与える影響
3Dプリンティングの利点
（１）カスタマイズ
歯科医療を例にとると、歯並びは人それぞれ異なりますが、3Dプリンティングはカスタマイズ生産と大量生産の間の矛盾を解消し、カスタマイズされたインプラントや矯正器具などを大量生産することができます。
（２）リアルタイムサンプリング
3Dプリンティングの高速性のおかげで、デザイナーは午前中に製品の試作品をデザインし、リーダーは正午には完成品を確認でき、午後6時には別の試作品をデザインし、翌朝には完成品を確認できる。これにより、新製品開発のスピードが大幅に加速する。特に複雑なデザインでなければ、3Dプリンティングは3時間で完成品を製作できるのに対し、従来の試作品製作では毎回4～6週間かかるため、工業デザイン全体のスピードも向上する。
（３）無公害
使用される原材料はすべて環境に優しいため、製造工程全体が無公害生産となります。排ガスや廃水による汚染はなく、残材の無駄もありません。
（４）データ化
デジタル歯科医療が成熟すれば、医師に求められる技術的な負担は大幅に軽減されるだろう。患者は病院で機器を使って2分間スキャンするだけで、あらゆる歯科疾患の原因と解決策を知ることができるようになる。
さらに、3Dプリンティングは矯正歯科にも利用でき、個々のニーズに合わせた透明な矯正器具を製作できます。歯列矯正手術では、歯を左に動かすべきか、前に動かすべきか？何ミリメートル動かすべきか？従来、歯科手術は医師の個人的な経験にのみ頼っていましたが、デジタル歯科医療の登場により、手術の安定性が向上し、医師の技術的なハードルが下がりました。
（５）速い
従来の工業プロセスと比較して、3Dプリンティングは人員や輸送といった事前準備を必要としません。必要なのは機械と原材料だけであり、迅速に生産を開始できます。
（６）自動化
仮想的なイメージと現実の間には、3Dプリンターというたった一つの存在しかないと言えるでしょう。3Dプリンティングによるワンタッチ生産は、人件費と人的ミスを大幅に削減します。
