3Dプリンティングとしても知られる積層造形技術は、商業利用開始から約35年にわたり進化を続けている。航空宇宙、自動車、防衛、エネルギー、輸送、医療、歯科、そして一般消費財といった幅広い産業分野で、積層造形技術が様々な用途に活用されている。
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 用語規格によれば、市販の積層造形システムのほぼすべてが、7 つのプロセス カテゴリのいずれかに分類されます。これには、材料押出（MEX）、浴光重合（VPP）、粉末床溶融（PBF）、バインダー噴霧（BJT）、材料噴霧（MJT）、指向性エネルギー堆積（DED）、シート積層（SHL）が含まれます。ここでは、販売台数に基づいて人気順に並べています。
エンジニアやマネージャーをはじめとする業界関係者の間で、積層造形が製品やプロセスの改善に役立つ場合とそうでない場合を理解する人が増えています。これまで、積層造形を導入する主要な取り組みは、この技術に精通したエンジニアによって主導されてきました。経営陣は、積層造形が生産性の向上、リードタイムの​​短縮、新たなビジネスチャンスの創出にどのように貢献できるかを示す事例をますます多く目にするようになっています。積層造形は従来の製造方法の大部分に取って代わるものではありませんが、起業家が持つ製品開発および製造能力の武器の一つとなるでしょう。
積層造形は、マイクロ流体工学から大規模建設まで、幅広い用途があります。積層造形のメリットは、業界、用途、および要求される性能によって異なります。どのような用途であっても、組織は積層造形を導入する明確な理由を持つ必要があります。最も一般的な理由は、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、大量生産のためのツールやアプリケーションを作成するために積層造形を利用する企業が増えています。
航空宇宙用途において、重量は重要な要素です。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軌道に投入するには約1万ドルかかります。衛星の重量を減らすことで、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製の金属AM部品を示しています。AM技術を用いることで、重量は0.08kg未満にまで削減されています。
エネルギー産業では、バリューチェーン全体で積層造形技術が活用されています。一部の企業にとって、積層造形技術の導入メリットは、プロジェクトを迅速に反復することで、最短時間で最高の製品を生み出すことにあります。石油・ガス産業では、部品やアセンブリの損傷により、1時間あたり数千ドル、あるいはそれ以上の生産性損失が発生する可能性があります。そのため、積層造形技術を用いて操業を復旧させることは、特に魅力的な選択肢となります。
DEDシステムの大手メーカーであるMX3Dは、パイプ補修ツールのプロトタイプを公開した。同社によると、損傷したパイプラインの修復費用は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）にもなるという。次ページに掲載されている治具は、CNC加工部品をフレームとして使用し、DED技術を用いてパイプの周囲を溶接する。AM技術は廃棄物を最小限に抑えつつ高い堆積速度を実現し、CNC加工は必要な精度を提供する。
2021年、北海にあるTotalEnergies社の石油掘削施設に、3Dプリント製のウォーターケーシングが設置されました。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の回収を制御するために用いられる重要な要素です。この事例では、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、リードタイムの​​短縮と排出量の45%削減というメリットが得られました。
積層造形技術のもう一つのビジネス上のメリットは、高価な工具の削減です。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機器用のデジスコ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を開発する必要があります。積層造形技術を用いることで、企業は新しいスマートフォンの発売時に交換が必要となる高価な工具にかかる費用を削減できます。
他のあらゆるプロセスや技術と同様に、積層造形も単に新しい、あるいは異質なものとして利用されるべきではありません。製品開発や製造プロセスを改善するために活用されるべきであり、付加価値を生み出すものでなければなりません。その他のビジネス事例としては、カスタム製品やマス・カスタマイゼーション、複雑な機能、統合部品、材料と重量の削減、そして性能向上などが挙げられます。
AM（積層造形）がその成長の可能性を最大限に発揮するためには、いくつかの課題を克服する必要があります。ほとんどの製造用途において、プロセスは信頼性が高く再現性のあるものでなければなりません。部品やサポート材の除去、および後処理を自動化する手法は、こうした課題解決に役立ちます。自動化は生産性の向上と部品あたりのコスト削減にもつながります。
最も注目されている分野の一つは、粉体除去や仕上げなどの後処理の自動化です。アプリケーションの大量生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可能になります。問題は、具体的な自動化方法が部品の種類、サイズ、材質、プロセスによって異なることです。例えば、自動化された歯科用クラウンの後処理は、ロケットエンジン部品の処理とは大きく異なります。どちらも金属製であるにもかかわらずです。
AM（積層造形）用に部品が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（粉末床溶融結合）の場合、主な目標は粉末を100%除去することです。Solukon社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および振動させる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て揺らすことで、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点や限界は、たとえ少量生産であっても、AM（積層造形）を大量生産に利用する際の実現可能性を制限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月に発表した調査結果によると、最大の懸念事項は作業者の健康と再現性であることが明らかになりました。
PBF樹脂構造から粉末を手作業で除去するのは時間がかかる場合があります。DyeMansionやPostProcess Technologiesなどの企業は、粉末を自動的に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、反転させて媒体を排出することで余分な粉末を除去するシステムに投入できます。HPは、Jet Fusion 5200の造形チャンバーから20分で粉末を除去できる独自のシステムを開発しています。このシステムは、溶けなかった粉末を別の容器に保管し、再利用または他の用途へのリサイクルに使用します。
企業は、後処理工程の大部分に自動化を適用できれば、その恩恵を受けることができます。DyeMansion社は、粉体除去、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、部品をロードし、滑らかな部品を蒸気処理し、アンロードします。同社は、手作業で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います。PowerFuse Sシステムは、射出成形金型に似た表面を作り出すことができます。
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、従来型の鋳造や成形プロセスが最適な解決策となる可能性があります。AM（積層造形）は、金型製作やテストにおける最初の生産段階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高く製造できますが、部品ごとに異なるため、カスタムソリューションが必要となる場合もあります。
AM（積層造形）は産業界とは何の関係もありません。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。航空宇宙産業では、Relativity Space社が独自のDED技術を用いた最大級の金属積層造形システムを製造しており、同社はこのシステムでロケットの大部分を製造することを目指しています。同社のTerran 1ロケットは、1,250kgのペイロードを低軌道に運ぶことができます。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、すでにTerran Rと呼ばれるより大型の再利用可能なロケットの計画も進めています。
リラティビティ・スペース社のテラン1号機とテランR号機は、未来の宇宙飛行のあり方を再考させる革新的なロケットです。積層造形（3Dプリンティング）の設計と最適化が、この開発への関心を高めました。同社は、この方法によって従来のロケットに比べて部品点数を100分の1に削減できると主張しています。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する優れた事例と言えるでしょう。
歯科業界では、クラウン、ブリッジ、外科用ドリルテンプレート、部分義歯、アライナーの製造に積層造形が使用されています。Align TechnologyとSmileDirectClubは、透明プラスチックアライナーの熱成形用部品の製造に3Dプリンティングを使用しています。Invisalignブランド製品の製造元であるAlign Technologyは、3D Systemsの浴槽で多くの光重合システムを使用しています。2021年、同社は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発表しました。一般的な患者の治療が10個のアライナーで構成されると仮定すると（これは控えめな推定値です）、同社は1億個以上のAM部品を製造したことになります。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、他の用途にリサイクル可能な熱可塑性部品を製造するためにHP Multi Jet Fusion（MJF）システムを使用しています。
従来、VPP（真空粉末印刷）では、歯科矯正器具として使用できる強度特性を備えた薄くて透明な部品を製造することは困難でした。しかし、2021年にLuxCreoとGraphyが解決策となる可能性のある製品を発表しました。Graphyは2月時点で、歯科矯正器具の直接3Dプリントに関してFDA（米国食品医薬品局）の承認を取得しています。直接プリントすることで、製造工程全体が短縮され、より簡単になり、コスト削減につながる可能性があります。
メディアの注目を集めた初期の開発事例の一つは、住宅などの大規模建設用途における3Dプリンティングの利用でした。多くの場合、住宅の壁は押出成形によってプリントされます。床、天井、屋根、階段、ドア、窓、家電製品、キャビネット、カウンタートップなど、住宅のその他の部分はすべて従来の方法と材料を使用して作られました。3Dプリントされた壁は、電気、照明、配管、ダクト、暖房および冷房用の換気口の設置コスト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、従来の壁設計よりも困難です。3Dプリントされた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プリンターで作成した壁にエネルギーを蓄える方法を研究している。建設時に壁にパイプを挿入することで、水を流して暖房や冷房に利用できる。 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はあるが、まだ開発の初期段階にある。
私たちのほとんどは、建築部品やその他の大型物体を3Dプリントする際の経済性についてまだ十分に理解していません。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の製造に利用されてきました。数センチメートルから数メートルまでの小規模な積層造形の利点は、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。積層造形を利用する主な利点としては、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、生産性の向上などが挙げられます。積層造形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しょう。
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であるXaarの子会社、Xaar 3Dの残りの55%の株式を取得した。ストラタシスのポリマーPBF技術は、選択的吸収融合（Selective Absorbion Fusion）と呼ばれ、Xaarのインクジェットプリントヘッドをベースとしている。ストラタシスのH350は、HPのMJFシステムと競合する。
Desktop Metalの買収は目覚ましいものだった。2021年2月、同社は長年にわたり産業用積層造形システムを製造してきたEnvisiontecを買収した。2021年5月には、柔軟性のあるVPPポリマーの開発企業であるAdaptive3Dを買収。2021年7月には、多素材粉体塗装再塗装プロセスの開発企業であるAerosintを買収した。最大の買収は8月に行われ、Desktop Metalは競合他社であるExOneを5億7500万ドルで買収した。
Desktop MetalによるExOneの買収は、金属BJTシステムの著名なメーカー2社を統合するものです。一般的に、この技術は多くの人が考えているレベルにはまだ達していません。企業は、再現性、信頼性、問題発生時の根本原因の理解といった課題に取り組み続けています。それでも、問題が解決されれば、この技術がより大きな市場に普及する余地はまだあります。2021年7月、独自の3Dプリンティングシステムを使用するサービスプロバイダーである3DEOは、顧客に100万個目を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の開発者は、積層造形業界で著しい成長を遂げています。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月にOqtonを1億8000万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効率の向上を目的とした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3350万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年の最新の買収案件の一つとして、ASTM InternationalによるWohlers Associatesの買収が挙げられます。両社は協力して、Wohlersブランドを活用し、世界中でAM（積層造形）の普及を促進することを目指しています。ASTM AM Center of Excellenceを通じて、Wohlers Associatesは引き続きWohlersレポートやその他の出版物を発行するとともに、アドバイザリーサービス、市場分析、トレーニングを提供していきます。
積層造形業界は成熟期を迎え、多くの産業が幅広い用途でこの技術を活用しています。しかし、3Dプリンティングが他のほとんどの製造形態に取って代わることはありません。むしろ、新しいタイプの製品やビジネスモデルを生み出すために利用されています。企業は積層造形技術を用いて、部品の軽量化、リードタイムと工具コストの削減、製品のパーソナライズと性能の向上を図っています。積層造形業界は今後も成長を続け、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、しばしば驚異的なスピードで出現すると予想されます。