3D プリンティングとしても知られる積層造形は、商業利用されてから 35 年近く進化し続けています。航空宇宙、自動車、防衛、エネルギー、輸送、医療、歯科、消費者産業は、幅広い用途に積層造形を使用しています。
このように広く採用されていることから、積層造形が万能のソリューションではないことは明らかです。ISO/ASTM 52900 用語標準によれば、ほぼすべての商用積層造形システムは 7 つのプロセス カテゴリのいずれかに分類されます。これらには、材料押出（MEX）、光浴重合（VPP）、粉末床融着（PBF）、バインダースプレー（BJT）、材料スプレー（MJT）、指向性エネルギー蒸着（DED）、およびシートラミネーション（SHL）が含まれます。ここでは、販売個数に基づいて人気順に並べ替えています。
エンジニアやマネージャーなど、ますます多くの業界専門家が、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について学び始めています。これまで、積層造形を実装するための主要な取り組みは、テクノロジーに精通したエンジニアによってもたらされてきました。経営陣は、積層造形によって生産性が向上し、リードタイムが短縮され、新たなビジネスチャンスが創出される例をさらに多く見ています。AM は、ほとんどの伝統的な製造形態に取って代わるものではありませんが、起業家の製品開発および製造能力の武器の一部となるでしょう。
積層造形には、マイクロ流体工学から大規模建築まで幅広い用途があります。AM の利点は、業界、アプリケーション、および必要なパフォーマンスによって異なります。組織には、ユースケースに関係なく、AM を導入する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、設計の検証、適合性と機能の検証です。カスタム製品開発など、大量生産用のツールやアプリケーションを作成するためにこれを使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の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のに約1万ドルかかるという。衛星の重量を軽減すると、打ち上げコストを節約できます。添付の画像は、複数の導波管を 1 つの部品に組み合わせた Swissto12 金属 AM 部品を示しています。AMでは0.08kg以下まで軽量化。
積層造形は、エネルギー業界のバリュー チェーン全体で使用されています。一部の企業にとって、AM を使用するビジネス ケースは、プロジェクトを迅速に反復して、最短時間で可能な限り最高の製品を作成することです。石油およびガス業界では、部品やアセンブリが損傷すると、1 時間当たり数千ドル以上の生産性が失われる可能性があります。AM を使用して運用を復元することは、特に魅力的です。
DED システムの大手メーカー MX3D は、パイプ修復ツールのプロトタイプをリリースしました。同社によれば、パイプラインが損傷すると、1日当たり10万～100万ユーロ（11万3157ドル～113万1570ドル）の費用がかかる可能性があるという。次ページの治具はCNC部品をフレームとして使用し、パイプの周囲をDEDで溶接しています。AM は無駄を最小限に抑えながら高い蒸着速度を実現し、CNC は必要な精度を実現します。
2021 年、3D プリントされたウォーター ケーシングが北海の TotalEnergies 石油掘削装置に設置されました。ウォータージャケットは、建設中の井戸での炭化水素回収を制御するために使用される重要な要素です。この場合、積層造形を使用する利点は、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% 削減されることです。
積層造形のもう 1 つのビジネス ケースは、高価な工具の削減です。Phone Scope は、携帯電話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 アダプターを開発しました。新しい電話機が毎年リリースされるため、企業は新しいアダプターの製品ラインをリリースする必要があります。AM を使用することで、企業は新しい電話機の発売時に交換する必要がある高価なツールにかかる費用を節約できます。
他のプロセスやテクノロジーと同様、積層造形は新しい、または異なるものとみなされているため、使用すべきではありません。これは、製品開発および/または製造プロセスを改善するためです。価値を付加する必要があります。他のビジネス ケースの例には、カスタム製品とマス カスタマイズ、複雑な機能、統合された部品、材料と重量の削減、パフォーマンスの向上などがあります。
AM が成長の可能性を実現するには、課題に対処する必要があります。ほとんどの製造用途では、プロセスの信頼性と再現性が必要です。部品やサポートの材料の除去と後処理を自動化する後続の方法が役立ちます。自動化により生産性も向上し、部品あたりのコストも削減されます。
最も注目されている分野の 1 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、同じテクノロジーを何千回も繰り返すことができます。問題は、特定の自動化方法が部品の種類、サイズ、材料、プロセスによって異なる可能性があることです。たとえば、自動歯冠の後処理は、ロケット エンジン部品の処理とは大きく異なりますが、どちらも金属で作ることができます。
部品は AM 用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 の場合、主な目標は粉末を 100% 除去することです。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および振動させるスマートパウダーリカバリー（SRP）と呼ばれる技術を開発した。回転と振動は部品の CAD モデルによって制御されます。パーツを正確に動かしたり、揺すったりすることで、捕らえた粉体がまるで液体のように流れます。この自動化により手作業が軽減され、粉末除去の信頼性と再現性が向上します。
手動による粉末除去の問題と限界により、たとえ少量であっても、AM を大量生産に使用する可能性が制限される可能性があります。Solukon 金属粉末除去システムは不活性雰囲気で動作し、未使用の粉末を収集して AM 機械で再利用できます。ソルコンは顧客調査を実施し、2021 年 12 月に調査結果を発表し、2 つの最大の懸念は労働衛生と再現性であることを示しました。
PBF 樹脂構造から粉末を手動で除去するに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構築しています。多くの積層造形部品は、媒体を反転して排出して余分な粉末を除去するシステムにロードできます。HP には、Jet Fusion 5200 のビルド チャンバーから粉末を 20 分で除去すると言われている独自のシステムがあります。このシステムは、別の容器に未溶解の粉末を保管し、他の用途で再利用またはリサイクルします。
ほとんどの後処理ステップに自動化を適用できれば、企業は自動化から恩恵を受けることができます。DyeMansion は、粉体除去、表面処理、塗装のためのシステムを提供します。PowerFuse S システムはパーツをロードし、滑らかなパーツをスチーム処理してアンロードします。同社は吊り下げ部分を手作業で行うステンレスラックを提供している。PowerFuse S システムは、射出成形金型と同様の表面を生成できます。
業界が直面している最大の課題は、自動化がもたらす本当の機会を理解することです。100 万個のポリマー部品を作成する必要がある場合、部品によって異なりますが、従来の鋳造または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 は、多くの場合、ツールの生産およびテストにおける最初の生産実行に使用できます。自動化された後処理により、AM を使用して数千の部品を確実かつ再現可能に生産できますが、これは部品固有であり、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可能性のある興味深い研究開発結果を発表しています。航空宇宙産業では、Relativity Space は独自の DED 技術を使用した最大規模の金属積層造形システムを製造しており、同社はこれを自社のロケットの大部分の製造に使用したいと考えています。そのテラン 1 ロケットは、1,250 kg のペイロードを地球低軌道に届けることができます。Relativityは2022年半ばに試験ロケットを打ち上げる予定で、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を計画している。
Relativity Space の Terran 1 および R ロケットは、将来の宇宙飛行がどのようなものになるか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引き起こしました。同社によれば、この方法により従来のロケットに比べて部品点数が100分の1に削減されるという。同社はまた、60日以内に原材料からロケットを製造できると主張している。これは、多くの部品を 1 つに結合し、サプライ チェーンを大幅に簡素化する好例です。
歯科業界では、積層造形はクラウン、ブリッジ、外科用穴あけテンプレート、部分入れ歯、アライナーの製造に使用されます。Align Technology と SmileDirectClub は、3D プリンティングを使用して、透明プラスチック アライナーを熱成形するための部品を製造しています。Invisalign ブランド製品のメーカーである Align Technology は、3D Systems バスで光重合システムの多くを使用しています。同社は2021年、1998年にFDAの承認を得て以来、1000万人以上の患者を治療してきたと発表した。典型的な患者の治療が10枚のアライナーで構成されているとすると、これは低く見積もられたことになるが、同社は1億個以上のAM部品を生産したことになる。FRP部品は熱硬化性の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プラスチック部品を製造します。
歴史的に、VPP は歯列矯正器具として使用するための強度特性を備えた薄くて透明な部品を製造できませんでした。2021 年に、LuxCreo と Graphy は考えられるソリューションをリリースしました。2 月の時点で、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。直接印刷すると、エンドツーエンドのプロセスが短く、簡単になり、コストも低くなる可能性があると考えられます。
多くのメディアの注目を集めた初期の開発は、住宅などの大規模建築用途への 3D プリントの使用でした。多くの場合、家の壁は押し出しによって印刷されます。床、天井、屋根、階段、ドア、窓、電化製品、キャビネット、カウンタートップなど、家の他のすべての部分は伝統的な方法と材料を使用して作られています。3D プリントされた壁は、電気、照明、配管、ダクト、暖房と空調用の通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側と外側を仕上げるのは、従来の壁のデザインよりも困難です。3D プリントされた壁で家を近代化することも重要な考慮事項です。
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、冷暖房のために水を流すことができます。 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。
私たちのほとんどは、建築部品やその他の大きな物体の 3D プリントの経済性についてまだよく知りません。この技術は、橋、日よけ、公園のベンチ、建物や屋外環境の装飾要素の製造に使用されています。小規模（数センチメートルから数メートル）での積層造形の利点は、大規模な 3D プリンティングにも当てはまると考えられています。積層造形を使用する主な利点には、複雑な形状と機能の作成、部品数の削減、材料と重量の削減、生産性の向上が含まれます。AM が付加価値を生まないのであれば、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メーカーXaarの子会社であるXaar 3Dの残り55％株式を取得した。Stratasys のポリマー PBF テクノロジーは、Selective Absorbion Fusion と呼ばれ、Xaar インクジェット プリントヘッドに基づいています。Stratasys H350 マシンは、HP MJF システムと競合します。
Desktop Metalの購入は印象的でした。同社は 2021 年 2 月に、産業用積層造形システムの長年のメーカーである Envisiontec を買収しました。同社は2021年5月、柔軟なVPPポリマーを開発するAdaptive3Dを買収した。2021 年 7 月、デスクトップ メタルは、マルチマテリアル粉体塗装再コーティング プロセスの開発会社 Aerosint を買収しました。最大規模の買収は8月、Desktop Metalが競合企業ExOneを5億7500万ドルで買収した時だった。
Desktop Metal による ExOne の買収により、メタル BJT システムの有名メーカー 2 社が統合されます。一般に、このテクノロジーは多くの人が信じ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、問題が発生した場合の根本原因の理解などの問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の3DEOは、100万分の1を顧客に出荷したと発表した。
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、積層造形業界で大幅な成長を遂げています。これは、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) に特に当てはまります。3D Systems は、2021 年 9 月に 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、ワークフローを改善し、AM の効率を向上させるクラウドベースのソリューションを提供します。マテリアライズは2021年11月にLink3Dを3,350万ドルで買収した。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 1 つは、ASTM International による Wohlers Associates の買収です。両社は協力して、Wohlers ブランドを活用して、世界中で AM の幅広い導入をサポートすることに取り組んでいます。Wohlers Associates は、ASTM AM Center of Excellence を通じて、引き続き Wohlers レポートやその他の出版物の作成に加え、アドバイザリー サービス、市場分析、トレーニングも提供していきます。
積層造形産業は成熟しており、多くの産業がこの技術を幅広い用途に使用しています。しかし、3D プリンティングは他の製造形態のほとんどを置き換えることはできません。代わりに、新しいタイプの製品やビジネス モデルを作成するために使用されます。組織は AM を使用して部品の重量を軽減し、リードタイムと工具コストを削減し、製品のパーソナライゼーションとパフォーマンスを向上させます。積層造形業界は、新しい企業、製品、サービス、アプリケーション、ユースケースが猛烈なスピードで出現し、成長軌道を続けると予想されています。