■テクニカルレポーター：カニャンタ・ムバンガ（Kanyanta Mubanga）

■概要：

3Dプリンティングはもはや単なる概念ではなく、今日、企業は競争上の優位性を得るために3Dプリンティングを利用しています。業界各社が独自のデバイス、ソフトウェア、材料を市場に投入しているため、その空間をナビゲートすることは非常に困難です。そこで、産業用プリンタに投資する前に考慮すべき点をいくつかまとめてみました。産業用3Dプリンティングで最も普及している技術をいくつか取り上げ、各カテゴリーに少なくとも1台の3Dプリンタを掲載して、検索を始める際の基準となるようにしました。

3Dプリンタの登場

新素材、自動化、コスト削減、新デバイスのスピードアップが、アディティブ・マニュファクチャリングの普及を後押ししています。

少し前までは、3Dプリンティング（3DP）やアディティブ・マニュファクチャリング（AM）は、ほとんどプロトタイピングにしか使われず、未来のゲームチェンジャーと言われていた時代もありました。しかし、この技術の発展は目覚しいもので、もはや単なる期待ではなく、産業の進化における次の大きな出来事でもありません。新素材、自動化の可能性、コスト削減、新しいデバイスのスピードは、航空宇宙、自動車、ヘルスケア、歯科、宝飾品業界などの領域で、生産にこの技術を広く採用することを後押ししています。

2019年のアーンスト・アンド・ヤングのレポートでは、調査対象企業の2社に1社が、2022年までにアディティブ・マニュファクチャリングを使って製品を作ることを期待していることが明らかになりました。その証拠は、年が明ける前からあった。痛烈な例として、Covid-19の大流行で世界のサプライチェーンが破壊されたとき、多くの病院がPPEのニーズを満たすために地元の3Dプリントに目を向けたことが挙げられます。

3Dプリンティングが未来であるならば、未来はすでにここにあるようです。

なぜ3Dプリントなのか？

3Dプリンタは、射出成形、研磨、CNCフライス加工などの従来のプロセスに比べ、ビジネスに大きな利点をもたらします。3Dプリンタは、幾何学的に複雑なモノリシックオブジェクトを製造できますが、通常、漏れや機械的な故障が発生する接合部やシール面などの構造的な弱点がありません。

3Dプリンタは、複雑な部品を製造することができ、従来の方法の設計上の制限を回避し、工具、機械加工、組み立ての時間と費用を節約することができます。

また、部品を一体で製造できるため、部品の組み立てに必要な金型や機械加工などの工程にかかる時間やコストを削減することができます。つまり、3Dプリンタは、従来の製造工程を妨げる多くの設計上の制約がなく、完全にカスタマイズされたコンテンツを製造することができ、企業が従来の方法を使用する際に発生する小ロット生産、製品設計の変更に伴うコストも発生しません。

3D業界の混雑した市場をうまく立ち回る

しかし、その一方で、この業界はまだ十分に成熟しているとは言えません。アディティブ・マニュファクチャリングの傘下には、多くのプレイヤーが存在します。ダイナミックに進化し続ける市場において、どの企業も絶え間なく革新を続け、独自の手法を押し進めています。その結果、技術や材料の多様性が生まれると同時に、細分化された空間が形成され、その中を進むことが困難になっています。

この記事は、アディティブマニュファクチャリングソリューションへの投資を考えている方に、より詳しい情報を提供することを目的としています。まず、選択する際に留意すべき点をいくつか挙げ、次に産業用3Dプリンティング分野で主流となっているさまざまな種類の技術を探ります。各カテゴリーで少なくとも1つのデバイスを推薦し、容量、精度、材料特性などの側面から、その特徴について説明します。

【キーポイント】－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－

アディティブ・マニュファクチャリングは、産業界にとって必要不可欠な存在に急成長しています。しかし、この急成長により、市場は細分化され、その舵取りは非常に困難なものとなっています。

買うべきか、買わざるべきか？

産業用3Dプリンターに投資する前に、考慮すべき点がいくつかあります。

新しい3Dプリンタは、具体的にどのようなビジネスプロフェッショナルに対応するのでしょうか？

3Dプリンタには、万能なものはありません。3Dプリンティングにはさまざまなアプローチがあるため、この技術で何を達成したいかを正確に判断し、この投資に対するリターンを計算することが重要です。通常、印刷したい材料や複合材料がどれほど多様であるか、最終的な印刷物に求める機械的特性は何か、そして、これらのニーズが1台の装置で対応可能かどうかにかかっています。

インハウスAM戦略の導入準備はどの程度できていますか？

社内に産業用3Dプリンタを導入するよりも、3Dプリンティング・サービスをアウトソーシングした方が良い場合があります。3Dプリントを必要とするほとんどの部品が1台のプリンタで製造できるのであれば、この目的に最適化されたデバイスを取得することは賢明な判断でしょう。印刷サイズがニーズに合っているか、材料の特性（硬度、弾性、伸展性など）が印刷に適しているか、選択した3Dプリンタを設置するためのインフラ（電源、床面積、換気など）があるかどうかを確認する必要があるだけです。

しかし、3Dプリントのニーズによって材料や性能の特性が異なる場合は、3Dプリントサービスをアウトソーシングして、オンデマンドでパーツをプリントしてもらうとよいでしょう。また、両方を組み合わせて、最も一般的な用途は社内で行い、それ以外はアウトソーシングすることも可能です。

プリンターのランニングコストは？

ニーズに合った技術が決まったら、デバイスのトータルコストにも目を向けたいものです。機器の購入費用とは別に、どのような印刷資材が必要なのか、その費用や入手方法、資材はどの程度まで再利用可能なのか、などを考えてみましょう。また、安全装置などのランニングコスト、換気や配管などのインフラ整備、後処理にかかる時間や労力なども別途必要になる場合があります。また、プリンタには専門的な知識が必要なのか、それとも既存のスタッフで操作できるのか。長い目で見れば、この技術を大規模に導入するには、関連する諸経費があまりにも高額になる可能性があるのです。

【キーポイント】－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－

産業用3Dプリンタの総所有コストは、かなり高くなる可能性があります。購入に踏み切る前に、他の選択肢を検討し、それが自分にとって正しい選択であることを確認してください。3Dプリントサービスをアウトソーシングする方がよいかもしれません。

産業用3Dプリンタ タイプ別

最も一般的に使用されている産業用金属3Dプリント方法は、選択的レーザー溶融（SLM）をベースとしています。このプロセスは、材料を加圧し、固化させるのに十分な温度まで加熱しますが、液化することはありません。これらの方法は、おおよそ次のようなプロセスに相当します。

ソフトウェアが3Dモデルを2Dのレイヤーにスライスし、3Dプリンターが最終的なプリントを構築するために使用します。特殊な粉末を3Dプリントベッドの表面に広げ、レーザービームが3Dパーツの各層を溶かしたり焼いたりします（技術によって異なる）。

1つの層が完成すると、プリントベッドが少し下がり、リコートシステムがベースプレートに新しいパウダーの層を広げます。レーザービームによる溶融または焼結プロセスが繰り返され、新しい層がそのすぐ下の層に付着します。

金属プリンターの多くは、レーザーや電子ビームを使用して、粉末の層を焼結または溶解して完全な3Dオブジェクトを作成します。

金属プリンタの多くは、レーザーや電子ビームを使用して、粉末の層を焼結または溶解して完全な3Dオブジェクトを作成します。

EBM（Electron Beam Powder Bed Fusion）プリンタでは、プロセスは似ていますが、レーザービームの代わりに電子ビームを使用してパウダーを溶かします（焼結ではありません）。これはより高速なプロセスですが、精度とトレードオフの関係にあります。

印刷工程では、各層を溶かし、焼結し、粉体層を下げ、それを繰り返すことで完成させる。

選択的レーザー溶融（SLM）プリンター

EOS M400

EOSのDMLSプリンタは最大7.0m/sの速度が可能で、高温用途のニッケル合金などの材料カタログを備えています。

ドイツのメーカーEOSは、ハイエンドのダイレクトメタルレーザー焼結（DMLS）プリンタで、2つのバージョンを用意しています。1,000ワットのレーザーを1台搭載した「EOS M400」と、400ワットのレーザーを4台搭載し、粉末の溶融と融着を促進し、印刷物の表面仕上げを向上させるように設計された「EOS M400-4」があります。

どちらのモデルも、400×400×400mmという産業用途に十分な造形ボリュームを備えています。また、スキャン速度は最大7.0m/sです。フォーカス径は、M400が約90ミクロン、M400-4が約100ミクロンと、若干大きくなっています。

EOSは、デバイスに使用する材料をすべてカタログで提供している。高温用ニッケル合金、医療用などの画像機器に使用される純タングステン合金、熱交換器用の銅、貴金属など、さまざまな産業分野で使用される高性能合金が用意されている。

また、EOSは、CADデータの造形パラメータの作成・調整、生産のモニタリング、マシンパーク全体のモニタリングや印刷ジョブやプリンターの状態に関する通知を送信するダッシュボードを提供するソフトウェアアプリケーション群も提供しています。

EOSPrint 2は、造形速度、表面品質、パラメータなど、印刷ジョブに関連する要素を最適化し、印刷がスムーズに行われるようにするためのアプリケーションである。

また、品質管理用の「EOStateモニタリング」、IoT接続用の「EOSコネクトコア」、EOSネットワーク全体のプリンターを監視できる「EOSコネクトマシンパーク」などの専門ソリューションも用意しています。

DMP Factory 500（DMPファクトリー500）

3Dシステムズのダイレクトメタルプリンティングソリューションは、5つのモジュールで構成され、同時にタスクを実行することで待ち時間の短縮と効率化を実現しています。

3Dシステムズのダイレクトメタルプリンティング（DMP）ファクトリー500は、AMの世界を変えるものとして注目されている金属3Dプリンタである。DMP Factory 500は、金属用3Dプリンタとして、もう一つの興味深い提案です。

モジュール化されていることで、複数の工程を同時に行うことができます。そのため、印刷、デパウダリング、材料のリサイクル、新規構築の準備などを同時に行うことができ、待ち時間や関連コストを大幅に削減し、効率化を図ることができます。

このシステムは5つのモジュールで構成され、それぞれが特定のタスクを実行します。

プリンターモジュール（PTM）、部品の脱粉や未使用粉のリサイクルを行うパウダーマネジメントモジュール（PMM）、造形プラットフォームと粉体を大気から密閉し、プリンターモジュールとパウダーマネジメントモジュール間で移動できるリムーバブルプリントモジュール（RPM）、プリンターモジュールとパウダーマネジメントモジュール間でリムーバブルプリントモジュール移動用のトランスポートモジュール（TRM）、印刷ジョブ中の段階間にリムーバブルプリントモジュール一時格納するパーキングモジュール（PAM）等がある。

Factory 500は、最大500×500×500mmの造形ボリュームがあり、EOS M400よりもかなり大きく、500Wのレーザーを3台搭載しています。

ソフトウェア面では、3Dシステムズが提供する「3DXpert」があり、設計から後処理まで、3Dプリントの全工程をサポートするツールを備えています。この価格帯の機器に付属しているのであれば、標準装備されていると思われる機能はすべて備えています。プリントプレートのセットアップ、サポート構造の生成、プリントパラメータの調整、ビルドシミュレーション機能による熱応力パラメータの観察などが可能で、実際のプリントの前に必要な調整を行うことができるのです。

LASERTEC 6600 DED hybrid（LASERTEC 6600 DED ハイブリッド）

DMG Moriの装置は、アディティブ・マニュファクチャリングとサブクリティブ・マニュファクチャリングの両方を同じ装置で行うことができます。

DMG Moriは、アディティブとサブトラクティブの両方の製造が可能なハイブリッド装置を提供しています。1台の装置で溶接と切削の両方を行うことができ、金属部品の製造と補修の両方を可能にする装置である。

LASERTEC 6600 DED ハイブリッドは、その代表的な装置の一つである。当初は複合加工機であったNT6600DCGをベースに、DMG Mori精機が溶接機とミーリング機を搭載した。レーザーで金属粉末を溶着させる「DED（ダイレクト・エネルギー・デポジション）」技術を用いた積層造形（AM）装置を搭載した。

LASERTEC 6600 DED ハイブリッドは、1,040 × 610 × 3,890 mm の造形量を持ち、試作品や少量生産の単品成形部品、複雑な形状の部品に適しています。

P-50

また、デスクトップメタル社は、金属3Dプリントのプロセスを、一部のレーザー粉末床溶融技術に比べて100倍も高速化することを目的とした装置「P-50」を有しています（デスクトップメタル社の試算による）。これにより、部品1個あたりのコストを従来の製造技術と競合できるレベルまで下げることができます。

P-50は、シングルパスジェッティングと呼ばれる技術を使用しています。造形サイズは490×380×260mmで、双方向印刷に対応し、プリントバーは1,200dpiを実現しています。

【キーポイント】－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－

アディティブ・マニュファクチャリングの最大手である3D システムズ社とEOS社は、SLM金属プリンターをお探しなら、素晴らしい選択肢を用意しています。しかし、レーザークラッディングやシングルパスジェッティングのような他の技術も、ユースケースによっては魅力的な提案となります。

選択的レーザー焼結法（SLS）プリンター

EOS P810

P810は、難燃性、耐紫外線性に優れた部品を生産することができます。特に航空宇宙分野をターゲットにしています。

P810は、EOSがボーイング社と共同で設計したデュアルレーザーSLSプリンターです。このプリンタはHT-23という材料にのみ対応するように設計されており、航空宇宙分野の高性能部品に対する業界の要求を満たすことを目的としたソリューションですが、他の産業にも応用できる可能性があります。

HT-23は、炭素繊維を23％使用した素材で、難燃性、耐紫外線性に優れ、航空宇宙産業のFAR25.853、モビリティ産業のEN45545の規格にそれぞれ適合しています。つまり、P810は、高温に耐えられる軽量で高強度のプリントを作ることができるのです。炭素繊維の積層部品の代替や、アルミニウム部品の代替としても利用できます。

P810は、700×380×380mmの造形容積を誇り、70Wのレーザーを2台使用、材料のリフレッシュ率は40％、造形速度は2.7L/h、包装密度は5％と、生産時間や部品当たりのコスト低減に貢献する要素も備えています。

HT1001P

HT1001Pは、ローディング、ビルド、冷却、ブレイクアウトの各ステーションを備えたモジュール設計で、連続生産をサポートし、ダウンタイムを最小限に抑えることができます。

HT1001Pは、Farsoon Technologies社が開発したポリマーレーザー焼結装置である。ファースン社はこれをCAMSシステム（コンティニュアス・アディティブ・マニュファクチャリング・ソリューション）と呼んでいます。ローディング、ビルド、冷却、ブレイクアウトの各ステーションからなるモジュール設計になっています。HT1001Pは、造形間のダウンタイムを最小限に抑えたサイクルでの連続生産をサポートし、自動化が容易で、既存の生産設定に容易に統合できるソリューションとして設計されました。

HT1001Pは、1,000×500×450mmの造形ボリューム、最大15.2m/sのスキャン速度に対応する100Wレーザーのデュアルシステム、未使用の粉末を自動的に供給に戻す閉ループの粉末処理システムなどを備えています。

このシステムは、同社独自のBuildStarとMakeStarソフトウェアによって支えられており、オープンなマシンキーパラメーター、リアルタイムでの造形パラメーター修正、3次元の視覚化、診断機能などの機能を備えていると、同社は強く指摘している。

ステレオリソグラフィー（SLA）プリンター

ProX 950

ProX 950は大判のSLAプリンターで、表面仕上げが非常に良い大型の物体を一度に製作するのに適しています。

SLAプリンターは、その表面仕上げの質の高さで知られています。また、精度が高く、さまざまなプラスチック素材に対応できます。さらに、大容量の造形が可能なことも大きな特徴です。この技術のパイオニアである3Dシステムズ社が、これらの品質を最もよく発揮できるデバイスを持っているのは当然でしょう。

ProX 950は、1,500×750×550mmという非常に大きな造形量を持つ大判のSLAプリンターです。例えば、自動車のダッシュボードを一度にプリントすることが可能です。このプリンターでは、機械的特性の異なるさまざまな樹脂を使用することができます。

ソフトウェア面では、CADデータから最終的な3Dプリントまでの工程をサポートする独自のソフトウェアパッケージ「3D スプリント」を用意しました。CADデータやポリゴンデータを作成するためのオプションや、SLAプリンターだけでなく、CJP、DLP、MJP、SLSといった他の技術を使った3Dシステムズのプリンターの3Dプリント工程を管理するための機能を備えています。

デジタル光造形プリンター

Figure 4 printers（フィギュア４プリンター）

フィギュア 4 プロダクションは、小さな部品を大量に生産するために設計された、小型のDLP独立型プリンターの配列です。

3Dシステムズのフィギュア4プロダクションは、製造スループットを最大化するために設計された産業用DLPプリンターである。DLPは、SLAと同様の技術です。違いは、単一の光ビームではなく、樹脂の層全体を硬化させるためにプロジェクターを使用する点です。

同社のウェブサイトによると、フィギュア4プロダクションは、工業用、歯科用、カスタム用のさまざまな材料を使用して、年間100万個以上の部品を製造することができます。印刷可能な体積は124.8 × 70.2 × 346 mmなので、実質的には小型のDLPスタンドアローンプリンターの配列と言えます。

フィギュア4プロダクションは、より小さなパーツの生産をスケールアップしたい場合に最適な選択肢です。ProX 950などのような大判の3Dプリンタではありません。メーカーが言うように、このプラットフォームは、製品の高速なイテレーション、マスカスタマイゼーション、ブリッジ製造、少量生産に適しています。

ProX 950と同様に、フィギュア4プロダクションは、ファイルの準備と制作に同社独自の3D スプリントソフトウェアを使用し、3D コネクトを使用してクラウド統合機能を実現することも可能です。

連続液体界面活性剤（CLIP)

樹脂を使った技術でもう一つ注目すべきは、CLIP（連続液体界面生産）です。カーボン社独自の技術であるデジタル・ライト・シンセシス（デジタル光合成）は、このアプローチに基づくものです。このプロセスでは、デジタル投光と酸素透過性光学系を用いて、樹脂プリントの典型的な機械的特性、解像度、表面仕上げを備えた耐久性のあるパーツを迅速に製造することができます。

カーボン社の「L1」は、造形体積400×250×460mmの大判3Dプリンターです。カーボンは、高弾性から生体適合性、耐熱性、高強度まで、さまざまな特性を持つ材料を揃えている。この汎用性と大量生産が可能なことが、アディダスのようなグローバルブランドにとって魅力的な選択肢となっています。

【キーポイント】－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－

SLAプリンティングのパイオニアである3D Systemsは、DLPのような樹脂ベースの技術を使用する3Dプリンターに関して、当然ながら圧倒的な知名度を誇っています。耐久性のある最終用途のパーツを大量に生産する場合は、カーボン社の画期的なL1 3Dプリンターも注目に値します。

マルチジェット（MJP）プリンター

ProJet MJP 2500 series（プロジェットMJP 2500シリーズ）

プロジェット MJP 2500シリーズプリンタ（MJP 2500W、2500、2500 Plus）は、ワックスパターン、エンジニアリング、硬質プラスチックをプリントするためにさまざまな材料と連携しています。

3D システム社の積層造形業界における優位性は、3Dスキャナの別のカテゴリーでも改めて明らかになりました。マルチジェット・プリンティングは、プリントヘッドを使用して、樹脂や鋳造ワックスなどのさまざまな印刷材料を造形プラットフォーム上に堆積させるインクジェット印刷プロセスです。各層は、プリントヘッドに搭載されたUVランプがプラットフォーム上を移動し、材料を選択的に硬化させることで、硬化させます。

プロジェット MJP 2500シリーズプリンター（MJP 2500W、2500、2500 Plus）は、ワックスパターン、エンジニアリング、硬質プラスチックを印刷するために、異なる材料で動作します。このプリンターの造形サイズは294×211×144mmなので、ジュエリーや歯科用途に適しています。

これらのプリンターは、他の3D システム製品と同様に、ファイルの準備と作成に同社独自の3D スプリントソフトウェアを使用し、クラウドとの統合には3D コネクトを使用します。

Color printers（カラープリンター）

J55 Prime（J55プライム）

J55 プライムは、パントンバリデーションカラーを含む64万以上のユニークな組み合わせを作成することができます。

ストラタシスは、産業用3Dプリンタの最後のカテゴリーであるカラープリンターを搭載しています。これらのプリンタは、通常、エンジニアリング用途に十分な部品強度を生成しないため、教育、玩具、およびカラープロトタイプによく使用されます。しかし、フルカラー、硬質または透明素材、弾性フレキシブルサーフェス、デジタルABSを使用したプリントを作成できるため、機能プロトタイピングの分野では興味深い存在となっています。

J55 プライムは、140×200×187 mmの造形容積を有しています。5つの材料チャンネルを備え、ビルドプラットフォームが回転する固定式プリントヘッドを搭載しています。ストラタシスによると、静かで無臭のプロセスで、パントンバリデーションカラーを含む64万以上のユニークな組み合わせを作成することができます。

ソフトウェアとしては、ストラタシスはGrabCAD Printを用意しています。このソフトウェアは、CADデザインまたはレンダリングから3Dプリントに至るまで、プリントプロセス全体を支援する機能を備えています。GrabCAD Printは、3MF、OBJ、STPなど、一般的なファイル形式をサポートしています。エクスポートできる形式は、STEP（.stp）、IGES（.igs）、STL（.stl）、ACIS（.sat）、JT（.jt）、VRML（.wrl）ファイルです。

ProJet CJP X60 series（プロジェットCJP X60シリーズ）

プロジェット860Proは、複数のプリントヘッドを搭載し、豊富なカラーとグラデーションをプリントできるフルCMYKの3Dプリンタです。

3D システム社の X60 シリーズは、印象的なカラーバリエーションで高品質なプリントが可能なカラー3Dプリンタです。このプリンタは、さまざまな業種のさまざまな規模の組織に最適です。教育機関、建築会社、消費財メーカー、メディア・エンターテインメント企業などは、これらのデバイスを使用して、たとえば教育用モデルの作成、設計意図を示すプロトタイプの作成、部品の完成形をクライアントに示すことなどができます。

プロジェット860Proは、508×381×229mmの造形ボリュームを持つフルCMYKの3Dプリンタです。複数のプリントヘッドを搭載し、グラデーションを含む幅広いカラー印刷が可能で、パーツを水平・垂直にネストすることができます。

まとめ

かつて未来のテクノロジーと考えられていた積層造形は、すでにここにあります。それがもたらすメリットは、多様な業界において、多くの産業プロセスで日々実証されています。しかし、AM部門はまだ断片的な業界であり、ある程度のかじ取りが必要です。産業用3Dプリンタに投資することを選択した場合、まず、それが自分のニーズに合ったソリューションであることを確認したいものです。このような選択をした場合、足元を固めるために、さまざまな技術に基づく多くの選択肢が検討されるでしょう。