3Dプリンティングとも呼ばれる積層造形は、商業化以来35年近く進化を続けてきました。航空宇宙、自動車、防衛、エネルギー、輸送、医療、歯科、そして消費財といった業界では、幅広い用途に積層造形が活用されています。
積層造形がこれほど広く普及していることから、積層造形が万能なソリューションではないことは明らかです。ISO/ASTM 52900用語規格によると、ほぼすべての市販の積層造形システムは、7つのプロセスカテゴリーのいずれかに分類されます。これらのカテゴリーには、材料押出法（MEX）、浴光重合法（VPP）、粉末床溶融結合法（PBF）、バインダースプレー法（BJT）、材料スプレー法（MJT）、指向性エネルギー堆積法（DED）、シートラミネーション法（SHL）が含まれます。ここでは、販売台数に基づく人気順に並べています。
エンジニアやマネージャーを含む業界の専門家の間では、積層造形が製品やプロセスの改善に役立つ場合と役立たない場合を見極める人が増えています。歴史的に、積層造形を導入するための主要な取り組みは、この技術に精通したエンジニアによって進められてきました。経営陣は、積層造形が生産性の向上、リードタイムの​​短縮、そして新たなビジネスチャンスの創出にどのように貢献するかについて、より多くの事例を目にしています。AMは従来の製造方法のほとんどに取って代わるものではありません。しかし、起業家にとって製品開発と製造能力の武器となるでしょう。
積層造形は、マイクロ流体工学から大規模建設まで、幅広い用途に使用されています。AMのメリットは、業界、用途、求められる性能によって異なります。組織がAMを導入するには、ユースケースに関わらず、十分な理由が必要です。最も一般的なのは、概念モデリング、設計検証、適合性および機能性の検証です。カスタム製品開発を含む、量産用のツールやアプリケーションの作成にAMを活用する企業が増えています。
航空宇宙用途では、重量が重要な要素となります。NASAマーシャル宇宙飛行センターによると、0.45kgのペイロードを地球周回軌道に乗せるには約1万ドルの費用がかかります。衛星の重量を軽減することで、打ち上げコストを削減できます。添付画像は、複数の導波管を1つの部品に統合したSwissto12社の金属AM部品です。AMにより、重量は0.08kg未満にまで軽減されます。
エネルギー業界では、バリューチェーン全体で積層造形（AM）が活用されています。一部の企業にとって、AM活用のビジネスケースは、プロジェクトを迅速に反復し、最短時間で可能な限り最高の製品を製造することです。石油・ガス業界では、部品やアセンブリの損傷により、1時間あたり数千ドル以上の生産性損失が発生する可能性があります。AMを操業復旧に活用することは、特に魅力的です。
DEDシステムの大手メーカーであるMX3D社が、パイプ修理ツールのプロトタイプを発表しました。同社によると、損傷したパイプラインの修理費用は1日あたり10万ユーロから100万ユーロ（11万3157ドルから113万1570ドル）に上る可能性があるとのことです。次ページに示す治具は、CNC部品をフレームとして使用し、DEDでパイプの円周を溶接します。AMは廃棄物を最小限に抑えながら高い堆積速度を実現し、CNCは必要な精度を提供します。
2021年、北海のTotalEnergies社製石油掘削リグに3Dプリント製のウォータージャケットが設置されました。ウォータージャケットは、建設中の油井における炭化水素回収量を制御するために不可欠な要素です。この場合、積層造形技術を用いることで、従来の鍛造ウォータージャケットと比較してリードタイムが短縮され、排出量が45%削減されるというメリットがあります。
積層造形のもう一つのビジネスケースは、高価なツールの削減です。Phone Scope社は、スマートフォンのカメラを望遠鏡や顕微鏡に接続するデバイス用のデジスコープアダプターを開発しました。毎年新しいスマートフォンが発売されるため、企業は新しいアダプターのラインアップをリリースする必要があります。AMを活用することで、企業は新しいスマートフォンの発売に合わせて交換が必要となる高価なツールにかかる費用を削減できます。
他のプロセスや技術と同様に、積層造形は新しいものや従来とは異なるものとして扱うべきではありません。これは製品開発や製造プロセスの改善を目的としており、付加価値を生み出すべきです。その他のビジネスケースとしては、カスタム製品やマスカスタマイゼーション、複雑な機能、部品の統合、材料と重量の削減、性能向上などが挙げられます。
AMの成長ポテンシャルを実現するには、課題への対応が不可欠です。ほとんどの製造アプリケーションにおいて、プロセスの信頼性と再現性は不可欠です。部品やサポート材の除去、そして後処理工程の自動化といった後工程の自動化は、その実現に役立ちます。自動化は生産性の向上と部品1個あたりのコスト削減にもつながります。
最も関心の高い分野の一つは、粉末除去や仕上げといった後処理の自動化です。アプリケーションの量産プロセスを自動化することで、同じ技術を何千回も繰り返すことができます。問題は、具体的な自動化手法が部品の種類、サイズ、材質、プロセスによって異なる可能性があることです。例えば、自動化された歯科用クラウンの後処理は、どちらも金属で作られているにもかかわらず、ロケットエンジン部品の加工とは大きく異なります。
部品はAM向けに最適化されているため、より高度な機能や内部チャネルが追加されることがよくあります。PBF（ポリブチレンブルー）では、粉末を100%除去することが主な目標です。Solukonは自動粉末除去システムを製造しています。同社は、ビルドプレートに取り付けられたままの金属部品を回転・振動させるSmart Powder Recovery（SRP）と呼ばれる技術を開発しました。回転と振動は、部品のCADモデルによって制御されます。部品を正確に動かし、振動させることで、捕捉された粉末はほぼ液体のように流れます。この自動化により、手作業が削減され、粉末除去の信頼性と再現性が向上します。
手作業による粉末除去の問題や限界は、たとえ少量生産であっても、AM を大量生産に活用することの実現可能性を阻害する可能性があります。Solukon の金属粉末除去システムは不活性雰囲気下で動作し、未使用の粉末を回収して AM 装置で再利用することができます。Solukon は顧客調査を実施し、2021 年 12 月に調査結果を発表しました。その結果、最大の懸念事項は労働衛生と再現性であることが示されました。
PBF樹脂構造から粉末を手作業で除去するのは、非常に時間がかかります。DyeMansionやPostProcess Technologiesといった企業は、粉末を自動で除去する後処理システムを開発しています。多くの積層造形部品は、媒体を反転させて排出し、余分な粉末を除去するシステムに装填できます。HPは独自のシステムを開発しており、Jet Fusion 5200の造形チャンバーから20分で粉末を除去できると言われています。このシステムは、溶融しなかった粉末を別の容器に保管し、再利用またはリサイクルして他の用途に使用します。
後処理工程の大部分に自動化を適用できれば、企業はその恩恵を受けることができます。DyeMansionは、粉末除去、表面処理、塗装のためのシステムを提供しています。PowerFuse Sシステムは、部品のローディング、滑らかな部品のスチーム処理、そして部品のアンローディングを行います。同社は部品を吊り下げるためのステンレス製ラックを提供しており、これは手作業で行われます。PowerFuse Sシステムは、射出成形金型に似た表面を成形できます。
業界が直面する最大の課題は、自動化がもたらす真の機会を理解することです。100万個のポリマー部品を製造する必要がある場合、部品の種類にもよりますが、従来の鋳造または成形プロセスが最適なソリューションとなる可能性があります。AMは、金型製造および試験における初回生産ロットで利用できる場合が多くあります。自動化された後処理により、AMを用いて数千個の部品を信頼性と再現性をもって製造できますが、部品ごとに異なるため、カスタムソリューションが必要になる場合があります。
AMは産業界とは一切関係ありません。多くの組織が、製品やサービスの適切な機能につながる興味深い研究開発成果を発表しています。航空宇宙業界では、Relativity Space社が独自のDED技術を用いた世界最大級の金属積層造形システムを製造しており、同社はこの技術をロケットの大部分の製造に活用したいと考えています。同社のTerran 1ロケットは、1,250kgのペイロードを低地球軌道に打ち上げることができます。Relativity社は2022年半ばに試験ロケットの打ち上げを計画しており、より大型の再利用可能なロケット「Terran R」の計画も既に進めています。
Relativity Space社のTerran 1とRロケットは、未来の宇宙飛行の姿を再考する革新的な方法です。積層造形のための設計と最適化が、この開発への関心を高めました。同社によると、この手法により、従来のロケットに比べて部品数を100分の1に削減できるとのことです。また、原材料から60日以内にロケットを製造できるとも述べています。これは、多くの部品を1つに統合し、サプライチェーンを大幅に簡素化した優れた例です。
歯科業界では、積層造形法を使用して、クラウン、ブリッジ、外科用ドリリングテンプレート、部分入れ歯、アライナーを製造しています。Align TechnologyとSmileDirectClubは、熱成形透明プラスチックアライナーの部品を製造しています。Invisalignブランド製品の製造元であるAlign Technologyは、3D Systemsバスで多くの光重合システムを使用しています。同社は2021年、1998年にFDAの承認を受けて以来、1,000万人以上の患者を治療したと述べています。典型的な患者の治療が10個のアライナーで構成されている場合（これは低い見積もりです）、同社は1億個以上のAM部品を製造しています。FRP部品は熱硬化性であるため、リサイクルが困難です。SmileDirectClubは、HP Multi Jet Fusion（MJF）システムを使用して、他の用途にリサイクルできる熱可塑性部品を製造しています。
これまで、VPPは矯正器具として使用できる強度特性を備えた薄く透明な部品を製造することができませんでした。2021年、LuxCreoとGraphyは、その解決策となる可能性のある製品を発表しました。2月現在、Graphyは歯科器具の直接3Dプリントに関してFDAの承認を取得しています。直接プリントすれば、エンドツーエンドのプロセスが短縮され、簡素化され、コスト削減につながる可能性があります。
初期の開発でメディアの注目を集めたのは、住宅などの大規模建設における3Dプリントの活用でした。住宅の壁は多くの場合、押し出し成形で造られています。床、天井、屋根、階段、ドア、窓、家電製品、キャビネット、カウンターなど、住宅のその他の部分はすべて従来の工法と材料で作られています。3Dプリントの壁は、電気、照明、配管、ダクト、冷暖房用の換気口の設置費用を増加させる可能性があります。コンクリート壁の内外装の仕上げは、従来の壁のデザインよりも困難です。3Dプリントの壁で住宅を近代化することも重要な検討事項です。
オークリッジ国立研究所の研究者たちは、3Dプリントされた壁にエネルギーを蓄える方法を研究しています。建設中に壁にパイプを挿入することで、水を通し、暖房や冷房に利用できるようになります。 この研究開発プロジェクトは興味深く革新的ですが、まだ開発の初期段階にあります。 この研究開発プロジェクトは興味深く革新的ですが、まだ開発の初期段階にあります。この研究プロジェクトは興味深く革新的ですが、まだ開発の初期段階にあります。この研究プロジェクトは興味深く革新的ですが、まだ開発の初期段階にあります。
建築部品やその他の大型物体を3Dプリントすることの経済性について、まだよく知らない人も多いでしょう。この技術は、橋梁、日よけ、公園のベンチ、建物や屋外環境の装飾要素など、様々な用途に利用されています。小規模（数センチメートルから数メートル）における積層造形の利点は、大規模な3Dプリントにも当てはまると考えられています。積層造形の主な利点は、複雑な形状や特徴の作成、部品点数の削減、材料と重量の削減、生産性の向上などです。もしAMが付加価値を生み出さないのであれば、その有用性は疑問視されるべきです。
2021年10月、ストラタシスは英国の産業用インクジェットプリンターメーカーXaarの子会社であるXaar 3Dの残りの株式55%を取得しました。ストラタシスのポリマーPBF技術（Selective Absorption Fusion）は、Xaarのインクジェットプリントヘッドをベースとしています。ストラタシスのH350マシンは、HPのMJFシステムと競合します。
Desktop Metalの買収は印象的でした。2021年2月には、長年にわたり産業用積層造形システムを製造するEnvisiontecを買収しました。2021年5月には、フレキシブルVPPポリマーの開発企業であるAdaptive3Dを買収しました。2021年7月には、マルチマテリアル粉体塗装リコートプロセスの開発企業であるAerosintを買収しました。最大の買収は、8月に競合企業のExOneを5億7,500万ドルで買収したことです。
Desktop MetalによるExOneの買収により、金属BJTシステムの著名なメーカー2社が統合されました。一般的に、この技術はまだ多くの人が考えるレベルに達していません。企業は、再現性、信頼性、そして問題発生時の根本原因の把握といった課題に取り組み続けています。それでもなお、これらの問題が解決されれば、この技術がより大きな市場に浸透する余地はまだあります。2021年7月、独自の3Dプリントシステムを提供するサービスプロバイダーである3DEOは、100万台目の製品を顧客に出荷したと発表しました。
ソフトウェアおよびクラウドプラットフォーム開発者は、積層造形（AM）業界の著しい成長を目の当たりにしてきました。これは特に、AMバリューチェーンを追跡するパフォーマンス管理システム（MES）において顕著です。3D Systemsは2021年9月、Oqtonを1億8,000万ドルで買収することに合意しました。2017年に設立されたOqtonは、ワークフローの改善とAM効率の向上を実現するクラウドベースのソリューションを提供しています。Materializeは2021年11月にLink3Dを3,350万ドルで買収しました。Oqtonと同様に、Link3Dのクラウドプラットフォームは作業を追跡し、AMワークフローを簡素化します。
2021年の最新の買収の一つとして、ASTM InternationalによるWohlers Associatesの買収が挙げられます。両社はWohlersブランドを活用し、AMの世界的な普及促進に取り組んでいます。Wohlers Associatesは、ASTM AM Center of Excellenceを通じて、Wohlersレポートなどの出版物の発行に加え、アドバイザリーサービス、市場分析、トレーニングの提供を継続します。
積層造形業界は成熟しており、多くの業界で幅広い用途にこの技術が活用されています。しかし、3Dプリンティングは他の製造業のほとんどを置き換えるものではありません。むしろ、新しい種類の製品やビジネスモデルの創出に活用されています。多くの企業は、部品の軽量化、リードタイムと金型コストの削減、製品のパーソナライゼーションと性能向上のためにAMを活用しています。積層造形業界は、新たな企業、製品、サービス、アプリケーション、ユースケースが猛スピードで出現し、今後も成長を続けると予想されています。