3Dプリント技術：革新的なアプリケーション

現在、3Dプリンティング技術は、自動車製造、航空宇宙・防衛、消費財、電気・電子機器、生物医学用途、文化・創作ジュエリー、建設工学、教育など、さまざまな分野で広く利用されている。

3Dプリンティング産業研究の世界的権威である「Wohlers Report 2020」（統計では航空宇宙と防衛の用途を分けている）によると、自動車製造は3Dプリンティング技術の最大の応用分野であり、使用量の16.4%を占めている。図1-16に示すように、家電が15.4%、航空宇宙が14.7%で、僅差でこれに続く。

また、調査によると、2020年以前は3Dプリンティングは主にモデル製造に使用され、24.6%のアプリケーションを占め、主にさまざまな製品開発プロセスにおけるデザイン検証や機能テストに使用されており、3Dプリンティングの開始以来最大の市場となっている。

しかし、2020年以降は、図1-17に示すように、3Dプリンティング技術を使用した最終製品の直接製造が30.9%に増加し、3Dプリンティング技術の最大の用途となる。これは、3Dプリンティングがラピッドプロトタイピングから最終製品の直接製造へと大きく進化していることを示している。

経済学者のカルロタ・ペレスは、技術主導の産業サイクル革命はそれぞれ約60年続き、最初の30年は基盤技術の発明段階、後半の30年は技術の応用が加速する段階であると指摘している。1986年に米国で初めて3Dプリンティング機器を製造した3Dシステムズが誕生して以来、2021年は後半の30年の始まりにあたる。

そのため、3Dプリンティング技術の応用が加速し、応用価値が高まり、関連産業が大きく変化することが期待されている。ここでは、生物医学、航空宇宙、工業生産の各分野における3Dプリンティング技術の代表的な応用例を紹介し、3Dプリンティングの将来的な応用の限界とリスクについて論じる。

生物医学における3Dプリンティングの応用

応用シナリオに基づくと、生物医学における3Dプリンティングの現在の用途には、主に術前計画モデル、手術ガイド、インプラント、医療補助ツールが含まれる。さらに、再生医療と組織様臓器のためのバイオプリンティングは、生物医学工学研究のフロンティアを表しており、生物医学における3Dプリンティングの将来の開発と応用の主な方向性である。

(1) 術前計画モデル

術前計画モデルでは、患者のCT画像データを再構成技術で3次元モデルに変換し、3Dプリンティングでモデルを具現化する。これらのモデルにより、病理の3次元視覚化が可能になり、2次元の断面画像を理解し評価するという課題に対処することができる。

病気の位置、空間的な解剖学的構造、形状、体積に関する直感的で正確な情報を医師に提供し、複雑な手術計画の策定、術前リハーサル、術後の結果評価を支援することで、手術の精度と安全性を大幅に向上させる。

最新の3Dプリンティング技術により、柔らかい質感と硬い質感を組み合わせた素材を製造できるようになり、外科手術の切開が容易になり、外科医の触感が向上します。これはまた、若い医療専門家のトレーニングやスキル向上にも役立つ。

ケーススタディ1-1：3Dプリンターによる術前モデルが複雑な脳腫瘍摘出手術を支援

患者病歴要約：40歳の女性患者が2ヵ月以上続く頭痛に悩まされ、視力障害を伴っていた。診察の結果、頭蓋内動脈に囲まれた脳腫瘍が発見され、リスクは高いが手術が示唆された。

当院では、図1-18に示すように、患者のCT画像とMRI画像を統合し、図1-19に示すように、頭蓋骨、動脈、静脈、腫瘍を含む頭蓋内の状況を正確に復元するために3次元再構成を行った。その後、珠海セナト新技術有限公司のWJPモデル3Dプリンタを使用して、図1-20に示すように、再構成された頭蓋モデルのフルカラー3Dプリントが作成された。

この3Dモデルの助けを借りて、医師は腫瘍周辺の血管の分布をはっきりと観察することができ、術中の判断に役立てることができた。腫瘍に包まれている血管を特定することで、外科医は重要な血管構造を保護しながら腫瘍を正確に切除することができた。

11時間に及ぶ手術の結果、この患者の脳の鞍部にあった髄膜腫は、周囲の両側前大脳動脈、中動脈、内頚動脈を無傷のまま、分割切除することに成功した。手術は大成功であった。

ケーススタディ1-2：3Dプリントされた術前モデルが肝切除手術を支援-母子で肝臓を共有

病歴要約：56歳の女性患者が悪性肝腫瘍と肝硬変と診断された。正常なヒトの肝臓は約1500cm³であるが、この患者の肝臓は765cm³しかなく、重度の機能欠損があった。病院は肝移植が唯一の有効な治療法であると判断し、マッチングの結果、彼女の21歳の息子が適切なドナーであることが判明した。

ドナー肝とレシピエント肝を正確に切除し、血管と胆管を正確に吻合することが肝要であり、高い手術手技が要求された。当院では、患者さんの肝臓と息子さんの肝臓の術前CTデータをもとに、それぞれ図1-21（a）と図1-22（a）に示すような3次元再構築を行った。

再建された肝臓は、図1-21(b)と1-22(b)に示すように、珠海セナト新技術有限公司のWJPモデル3Dプリンターを用いて1:1スケールでプリントされ、病変の範囲と隣接する臓器や組織との3次元空間的関係を正確に評価し、手術アプローチと切開位置を計画することができた。

手術は大成功で、息子の肝臓のおかげで母親の命は延びた。

(2) サージカルガイド

デジタルで設計され、3Dプリンターで製造されるサージカルガイドは、術前計画を術中に実行に移すための重要なツールである。重要な血管や神経への外傷を避け、出血を減らし、手術の安全性を高めるのに役立ちます。

このような製品の印刷に一般的に使用される材料には、高分子ナイロンや高強度で弾力性のある樹脂（例えば、手術中ののこぎりに耐える必要がある骨切りガイド）、十分な強度を持つ透明樹脂（例えば、歯科用インプラントガイド）、高い強度を必要としないガイド（例えば、仙骨神経穿刺ガイドや脳出血穿刺ガイド）用の標準的な樹脂やPLA材料などがある。

(3) インプラント

3Dプリンティング技術は、個々のニーズに完璧に合わせ、体内にうまく埋め込むことができるインプラントを製造することができる。これらのインプラントは、制御可能な微小孔サイズで製造することができ、インプラントのヤング率を下げることができる。 金属材料そのため、従来のインプラントにはない利点があります。

このような3Dプリントインプラントの一般的な材料は次のようなものである。 チタン 図1-23と1-24に示すように、合金粉末が使用されている。椎間固定装置、頭蓋骨、下顎関節のような小関節など、過度な荷重負担や摩擦を必要としないインプラントについては、研究者はPEEK（図1-25）のような新素材の使用を模索している。 マグネシウム合金.

ケーススタディ1-3：世界初の3Dプリントアトラス椎骨

患者病歴要約：2014年、12歳の男性が、図1-26に示すように、癌病巣がアトラス椎に位置するユーイング肉腫と診断された。国際的な標準治療は、切除された癌性アトラスの空洞をチタンメッシュケージで支え、メッシュの穴と前面のチタンプレートとスクリューを組み合わせて固定し、脊椎固定を達成して頸椎の安定性を再構築することである。

しかし、チタンメッシュの支持力と接触面積には限界があり、回転や様々な曲げ力に対する抵抗力も弱い。応力遮蔽」の存在により、術後にメッシュケージに隣接する椎骨が潰れ、椎間高さを維持することが困難になることが多い。さらに、チタンプレートの厚みは、患者の嚥下障害を引き起こすこともある。

術後は、頭部と肩甲骨にピンを挿入し、上下に装具を装着して頭部を固定する必要がある。安静時、頭部はベッドに触れることができない。この状態を3～4ヶ月、場合によっては6ヶ月維持しなければならず、患者に大きな苦痛を与える。

この患者は北京大学第三病院（PUTH）整形外科の劉中軍教授によって治療され、頸椎後方および前方アプローチによる2回の手術の後、図1-27に示すように、世界初の3Dプリンターによるカスタムアトラス椎骨が装着された。この手術の成功により、従来の治療法の欠点が克服され、患者の命が救われた。

(4) 医療補助用具

従来の医療補助器具は、石膏鋳造や低温熱可塑性樹脂成形によって得られることが多い。しかし、石膏の吸水・収縮特性により、模型の変形が発生し、工具の精度に影響を与える可能性があり、製造工程は技術者の個人的な経験に依存しすぎている。

光学式3Dスキャンで得られた体表面情報に基づき、患者のCTやMRIデータ、コンピューター支援による精密設計と組み合わせて3Dプリンティング技術で製造された、カスタマイズされた軽量のリハビリ補助具は、人間工学により適合している。患者一人ひとりのニーズに応え

図1-28に示すように、3Dプリントされた様々な種類の医療補助器具は、術後の回復や手術以外のリハビリテーションの装具効果を向上させる。今後の3Dプリンター医療補助具の発展には、新しいタイプの義肢、聴覚や言語機能の補正補助具、外骨格ロボットのような新しい障害者生活支援システムが含まれる。

これらの製品の印刷に一般的に使用される材料には、高分子ナイロン材料（強度と弾力性に優れた各種装具など）、TPU材料（各種足部バイオメカニクス補正具など）、PLAまたは高強度樹脂材料（過度の力を必要としない一部のリハビリ用固定支持具など）がある。

ケーススタディ1-4：脊柱側弯症治療のための3Dプリンターによるカスタマイズ脊柱側弯症装具

患者病歴要約：2018年、14歳の女性患者は脊椎側弯症と診断され、脊椎全長X線に示されたCobb角は13°であったが、適切な治療を受けなかった。2020年1月の経過観察では、コブ角が27°に増加していた。患者は上海交通大学医学部付属上海第九人民病院3Dプリンティングセンターで治療を受けた。

彼女は3Dプリンターで作られた脊柱側弯症矯正器具を装着され、6ヵ月後、患者の脊柱は完全に矯正された。患者の脊椎側弯症の進行を図1-29に示す。

3Dプリンティングセンターでは、患者の具体的な状態に基づいて、3Dボディスキャナーで患者の体の3次元表面データを取り込み（図1-30）、X線データと組み合わせてコンピューター支援設計を行い、完全にカスタマイズされた側弯症装具モデルを作成した。さらに、図1-31に示すように、これを3Dプリンターで側弯症装具として具現化した。

この脊柱側弯症装具は、完全にパーソナライズされたデザインと中空構造により、通気性がよく軽量であるため、患者が1日20時間以上装着しても快適であった。

航空宇宙分野における3Dプリンティングの応用

国際的には、航空宇宙分野における加工が困難で大型かつ複雑な金属部品のための、低コスト、短サイクル、高性能の3Dプリンティング製造技術の研究と探求が続けられてきた。ボーイング、ロッキード・マーチン、ノースロップ・グラマンなどの企業や、米国のロスアラモス国立研究所などの機関は、20年以上にわたって継続的な研究開発に投資してきた。

中国でも、北方大学の王華明教授と北西理工大学の黄偉東教授が率いるチームが数十年にわたる継続的な研究開発を行い、革新的な研究成果を上げている。

例えば、王学術院長のチームは、世界で初めて航空機用大型チタン合金耐荷重部品のレーザー成形プロセス、設備、応用における主要技術を突破し、「大型部品」成形の問題に取り組み、中国の航空機設備で最大かつ最も複雑なチタン合金主要耐荷重一体部品を生産し、総合的な機械的特性は鍛造部品に達するか、それを上回った。

(1) 航空宇宙分野における3Dプリンティング応用の利点

3Dプリンティング技術は、新しい製造技術として、航空宇宙分野で明確な利点があり、主に次のような面で明らかなサービス上の利点がある：

機器軽量化のボトルネック解消

航空宇宙兵器装備品にとって、軽量化は永遠の研究テーマである。軽量化は、飛行中の飛行装備品の敏捷性を高めるだけでなく、ペイロード容量を増やし、燃料を節約し、飛行コストを削減するからである。

航空宇宙機器や軍事機器における極限の軽量化と信頼性の追求は、大型の複雑な一体構造や精密な複合構造部品の製造を特に困難にしており、高度な航空宇宙機器や軍事機器の開発におけるボトルネックの一つとなっている。

例えば、新しい航空機、宇宙船、エンジンは、ますます一体型構造部品を使用するようになり、個々の部品のサイズと複雑さが継続的に増加している。さらに、チタン合金、高温合金、超高強度鋼など、従来の熱間加工や機械加工では加工が非常に困難な合金材料の使用も大幅に増加している。

3D技術を応用することで、複雑な部品構造を最適化することができ、性能を確保しながら軽量設計が可能になるため、軽量化を実現することができる。また、部品構造を最適化することで、応力を最も合理的に分散させることができ、疲労亀裂のリスクを低減し、耐用年数を延ばすことができます。

同時に、適度に複雑な内部流路構造による温度制御も可能で、構造設計と材料使用の最適な組み合わせを実現している。

材料利用率の向上と製造コストの削減

航空宇宙製造分野では、従来の製造方法で生産される多くの部品の材料利用率が低く、一般的に10%を超えず、2%から5%しかないこともある。材料の無駄が多いということは、機械加工工程が複雑で、生産サイクルが長いことを意味する。

難加工部品の場合、機械加工サイクルが大幅に増加するため、製造サイクルが大幅に延長され、製造コストが上昇する可能性がある。金属3Dプリンティング技術は、ニアネットシェイプ技術として、材料の利用率が高く、製造コストは部品の内部の複雑さに影響されません。

JSF航空機の揚力ファン用チタン合金製一体ブレードローターの製造を例にとると、従来の「減法」製造では、1500kgの鍛造ブランクから始まり、従来のフライス加工後に最終部品の重量は100kgとなり、その結果、図1-32に示すように、材料利用率はわずか6.67%となり、製造サイクルは非常に長くなる。しかし、3Dプリンティング技術を使用すれば、最大80%の材料節約を達成できる。

新しい航空宇宙機器の研究開発サイクルの短縮化

3Dプリンティング技術の最も優れた利点の1つは、機械加工や金型を必要とせず、研究開発者が設計した3Dモデルから物理的な部品を直接製造できることで、高性能で大型の構造部品の製造工程を大幅に短縮できる。

例えば、図1-33に示す中国の大型航空機C919のメインウインドシールドフレームの製造では、北翔大学の王華明教授のチームが独自に開発した金属3Dプリンティングプロセス技術を使用した。部品の3Dモデルデータを受け取ってから、完成した部品を納入して取り付けるまで、わずか40日、120万元しかかからなかった。

一方、この部品を海外に発注すると、少なくとも2年かかり、金型費用は1300万元になる。同様に、図1-34に示すように長さが3メートルを超えるC919の中央翼スパーでは、従来の製造方法では鍛造のために超トネージプレスが必要であり、時間と労力がかかり、原材料を浪費する。

しかも当時、中国にはこのような大型構造部品を生産できる設備がなかった。この部品を海外に発注した場合、発注から取り付けまでに2年以上かかるため、航空機の研究開発の進捗に大きな支障をきたし、大型機の国内生産率にも影響を与えることになる。

ノースウェスタン工科大学の黄偉東教授のチームは、独自に開発した金属3Dプリンティング装置と技術を使用し、約1カ月で部品を製造した。COMACによる性能テストに合格した後、中国の大型航空機C919の最初のプロトタイプに採用された。

1980年代から1990年代にかけて、伝統的な製造方法を用いると、J-10戦闘機のような新世代の戦闘機の開発には少なくとも10年から20年近くかかっていた。3Dプリンティング技術の応用により、中国はわずか3年で空母艦載機のJ-15戦闘機を導入し、第3世代の空母艦載戦闘機マトリックスに直接参入した。

間違いなく、3Dプリント技術は空軍の開発に「中国のスピード」を生み出している。

部品修理効率の向上とメンテナンスコストの削減

航空宇宙機器の損傷した部品の修理とメンテナンスは、常に重要な問題であった。部品修理にLENS（Laser Engineered Net Shaping）3Dプリンティング技術を使用することで、航空宇宙機器に新しいメンテナンス方法が導入される。例えば、高性能の一体型タービンブレードの場合、1枚のブレードが損傷すると、タービンローター全体がスクラップに直面し、数百万ドル相当の直接的な経済的損失が発生する。

現在のところ、LENSのレイヤー・バイ・レイヤー印刷の特性に基づいて、損傷したブレードは特殊な基板とみなすことができる。そのため レーザークラッド 局部的に損傷した部分に蒸着することで、部品は元の外観を取り戻し、元の素材が要求する性能を満たすか、それ以上の性能を発揮することができる。

さらに、3Dプリントプロセスは制御可能なため、修理による悪影響は非常に限定的です。防衛軍にとって、これはスペアパーツ倉庫を必要とせず、現場で効果的なソリューションを提供できることを意味し、パーツの修理効率を大幅に改善し、メンテナンスコストを削減する。

将来的には、3Dプリンティング技術が戦場の最前線に配備され、戦場での部品の直接印刷が実現し、製造、流通、保管といった中間工程が不要になるかもしれない。

現在、米海軍は "Print the Fleet "プロジェクトを開始し、部品のプリント、資格認定、配送に関する一連の手順を開発し、海上で艦艇の航空機部品を製造するという目標を達成するために、軍事用のさまざまな3Dプリント技術と材料を評価している。

将来的には、3Dプリント技術が宇宙ステーションにも導入され、宇宙空間での部品の直接3Dプリントが実現するかもしれない。2014年8月、NASAは真空環境で動作可能な3Dプリンターを国際宇宙ステーションに輸送し、宇宙飛行士はテストピースだけでなく、機能的な構造部品もプリントした。

中国も2020年5月に初の軌道上3Dプリンティング実験を実施し、図1-35に示すように、連続炭素繊維強化複合材料の宇宙3Dプリンティングを世界で初めて実現した。

(2) 申請事例

以下は、中国における航空宇宙分野での3Dプリンティング応用の3つの事例である。

ケーススタディ1-5：「天文1号」2.0バージョン7500N可変推力エンジン用ドッキングフランジフレームの3Dプリント

2021年5月15日07時18分、「天文1号」着陸機と軌道周回機は分離し、図1-36に示すように火星表面への軟着陸に成功した。その後、火星探査機「周隆」はテレメトリ信号の送信に成功した。火星着陸に使用された7500N可変推力エンジンは、月面着陸に使用されたエンジンの2.0バージョンであった。

改良された「天文1号」2.0バージョン7500N可変推力エンジンは、図1-37に示すように、従来の嫦娥月面プロジェクトの7500Nエンジンと同じ性能と推力を持ちながら、重量と体積は3分の1しかなく、より最適化されたコンパクトな構造となっている。

このため、エンジンのドッキング・フランジ・フレームは初めて一体で3Dプリントされ、ソリッド・バーや鍛造品から余分な材料を大きく取り除くことによる変形を回避し、重量も効果的に削減された。

ケーススタディ1-6新世代有人宇宙船試験機の帰還カプセルのための特大一体化チタン合金フレームの3Dプリント

2020年5月8日13時49分、中国航天科技総公司宇宙技術研究院が開発した中国新世代有人宇宙船試験機の帰還カプセルは、東風着陸場の指定区域に着陸することに成功した。

試験機の飛行ミッションが成功裏に完了したことは、中国の新世代有人宇宙船のプロトタイプとなり、キャビンの構造、材料、制御システムなどの分野における一連の新技術の重要なブレークスルーとなった。

重要な技術的ブレークスルーのひとつは、直径4mの一体型チタン合金フレームの設計と3D成形で、軽量化、サイクル短縮、コスト削減などの目標を達成した。新世代の有人宇宙船試験機の帰還成功は、特大の主要構造部品のための一体型3Dプリンティング技術の試験成功の証でもある。

図1-38は、新世代有人宇宙船試験機の帰還カプセルの着陸状況と、3Dプリンティングによって得られた特大の一体型チタン合金フレームを示す。

ケーススタディ1-7：嫦娥4号リレー衛星「牽橋」用スキュー反力輪ブラケットの3Dプリント

2018年5月21日、嫦娥4号中継衛星「Queqiao」が西昌衛星発射センターで打ち上げに成功した。深宇宙でのその作業軌道は、人類が月の裏側の謎をさらに解明するのに役立つだろう。打ち上げ能力が限られているため、「Queqiao」の重量指標は非常に厳しかった。衛星の重い部品の1つであるスキューリアクションホイールブラケットは、軽量化のために設計された。

トポロジーの最適化は、アルテアのInspireソフトウェアを使って行われ、設計哲学を「設計する」から「設計する」へと変えた。 製品構造 まず製品の性能を確認し、それから製品の性能を決定する」から「まず製品の性能を決定し、それからトポロジー最適化によって最終的な製品構造を得る」ことで、軽量設計を実現する。

さらに、アルミ合金の3Dプリンターを用いて一体加工を行い、軽量化を実現した。図1-39は、中継衛星「牽橋」用スキューリアクションホイールブラケットの印刷物と衛星への組み付けを示している。

工業生産における3Dプリンティングの応用

当初、工業生産における3Dプリンティング技術は、主に製品開発中のプロトタイピングに活用され、デザイン、構造、組み立てテストを検証していた。例えば、新製品を量産する前に、設計上の問題点を迅速に特定するために製品を評価する必要があります。

組み立て、干渉チェック、機能テスト、製造性や組み立て検査のために、製品の実際の動作条件をシミュレートすることができる。さらに、3Dプリンティング技術で真空鋳造やインベストメント鋳造用のマスターモールド、射出成形用金型などを作成する金型製作にも使用できます。

これらを従来の製造工程と組み合わせて、大量生産用の金型を製造する。30年以上の開発期間を経て、3Dプリント技術は現在、一部の金型の直接プリントを含め、最終部品の直接製造のために産業分野で広く使用されている。また、コンフォーマル冷却射出成形金型のプリントも可能で、従来の射出成形金型に比べて大きな利点がある。

(1) 製品開発と検証

従来の製品開発と検証には、一般的にCNC加工が用いられてきたが、中空、くり抜き、高精度、薄肉、不規則な構造を持つ複雑な製品の加工には限界があった。CNCで加工できるものがあったとしても、コストが非常に高いため、構造的に単純で、厚みがあり、重量のある部品に適している。

3Dプリンティングは、加工速度が速い、1回で造形できる、製品の複雑さにコストが左右されないなどの利点がある。現在では、製品開発中の設計検証、組み立て検証、小ロットテストなど、さまざまな業界で広く使用されています。製品開発や検証に使用される一般的な3Dプリント材料には、フォトポリマー樹脂や高分子ナイロン材料などがあります。

フォトポリマー樹脂材料は、表面は滑らかだが強度が低い部品を作ることができ、高分子ナイロン材料は、より高い強度と靭性が要求される製品に適している。図1-40に3Dプリンターによる製品開発・検証事例のイメージを示す。

(2) 金型製造

従来の機械加工法では、プラスチック金型は一般に直通の冷却チャネルを使用しますが、これは図1-41(a)に示すように、薄肉部品やキャビティの深い部品の冷却には効果がありません。金属3Dプリント技術では、図1-41(b)に示すように、コンフォーマル冷却チャネルを備えた金型を直接プリントすることができ、金型冷却の死角がなくなります。

コンフォーマル冷却射出成形金型には、次のような明確な利点がある：

冷却効率を効果的に改善し、冷却時間を短縮し、射出生産効率を向上させることができ、一般的に20%から40%まで改善される。

冷却の均一性を高め、製品の反りや変形を抑え、寸法を安定させることで、製品の品質を向上させる。

ケーススタディ1-8：3Dプリンターによるコンフォーマル冷却射出成形金型コア

ある顧客の汎用パネルプラスチック部品が、金属3Dプリントされたコンフォーマル冷却コアを使用して製造された。金型サイクルタイムは55秒から43秒に短縮され、生産量は1日当たり1300個から1670個に増加し、生産効率は28%向上した。同部品の1日の売上高は、もともと39,000元であったが、3Dプリント使用後は50,100元に増加した。

射出材料費、減価償却費、動力費を差し引くと、1日の利益は2,100元増加した。このような金型が1セット（年間180日稼動）あれば、2,100×180＝378,000元の追加利益をもたらすことができる。10セットの場合、利益は378万元増加し、表1-1に示すように、非常に良好な収益を示すことができる。

表1-1：金属3Dプリンターによるコンフォーマル冷却コアの製造前後の生産比較

ケーススタディ1-9：エアコンファンブレード用3Dプリントコンフォーマル冷却金型コア

図1-42(a)に示すような、ある顧客のスプリットエアコンのファンブレードは、もともと図1-42(b)に示すように、金型の中間部分にベリリウム銅のコアが入っていた。ベリリウム銅材は、熱伝導が速く冷却効果は高いが、耐摩耗性に劣り、寿命は鉄製部品の4分の1で、約3万個で交換が必要となり、金型メンテナンスの負担が増えていた。

その後、図1-42(c)に示すように、3Dプリント金型用鋼鉄コアが採用され、合理的なコンフォーマル冷却水通路の設計により、12万個以上の生産が可能となり、射出成形の生産効率も向上した。この金型は全部で66セットあり、1年後、すべて3Dプリンターで作られた金型用鋼製コアに交換し、その結果、表1-2に示すように、総コストが30万元以上節約された。

表1-2：金型ベリリウム銅コア部品と3Dプリントコア部品の使用コスト比較表。

(3) インベストメント鋳造

精密鋳造としても知られるインベストメント鋳造は、使い捨てのパターンを作成するためにワックス材料を使用することが多いため、一般的に "ロストワックス鋳造 "として知られている。インベストメント鋳造用のワックスパターンは、3Dプリンティングを使用して製造されることが多い。

ケーススタディ1-10：ジュエリーのインベストメント鋳造のための3Dプリントワックスモデル

投資 キャスティング・プロダクション ジュエリーの製造工程は、図1-43に示すような様々なステップを経て進行する：(a)製品の3Dデザインモデル、(b)3Dワックスプリンターでワックスパターンを印刷、(c)ワックス支持体を溶解、(d)完成したワックスモデルを得る、(e)ワックスツリーを作成、(f)ワックスツリーを金型に入れる、(g)石膏を流し込んで石膏型を形成し、真空状態にする；(h）石膏型を高温で焼いてワックスを焼き切り、石膏ネガ型を得る；（i）金属を溶かす；（j）金属を石膏型に鋳造し、石膏を水に溶かす；（k）半完成品を塩酸で洗浄し、乾燥させる；（l）金属製ジュエリーツリーを解体する；（m）研削と研磨を行う；（n）最終的なジュエリー製品を得る。

(a) 製品の3Dデザインモデル
(b）3Dワックスプリンターで印刷したワックスパターン（白い部分はサポート材）
(c) ワックス・サポートの溶解
(d) 完成したワックス・パターンの入手
(e) ワックスツリーの作成
(f) ワックスツリーを金型に入れる
(g) 石膏を注入して石膏型を形成し、真空にする。
(h) オーブンでの高温焼成によるワックスの焼失と石膏ネガ型の生成
(i) 金属溶解
(j) 石膏型への金属鋳造と水による石膏の溶解
(k) 塩酸による半製品の洗浄と乾燥
(l) 金属製ジュエリーツリーの解体
(m) 研磨と研磨
(n) ジュエリー最終製品の入手

(4) 砂型鋳造

砂型鋳造は、鋳物砂（一般的には珪砂）とバインダーから鋳型と中子を作り、金属鋳物を製造する。この伝統的な製法では通常、砂型や中子用の木型を手作業または半手作業で作成する必要がある。

しかし、3Dプリンティング技術を使えば、砂型や中子を設計データから直接プリントできるため、従来の砂型鋳造に比べて、鋳型の作成効率が大幅に向上し、生産サイクルが短縮され、製造コストが削減され、精度が向上する。また、薄肉で複雑な内部構造を持つ部品の鋳造も可能になる。

ケーススタディ1-11：薄肉クラッチハウジング鋳造用3Dプリント砂型

薄肉のクラッチハウジングが砂型鋳造で製造され、寸法は465mm×390mm×175mm、重量は7.6kgで、上下の部品に分かれている。ドイツのVoxeljet社は高品質のGS09砂を使って、図1-44(a)に示すような極めて薄い壁の砂型を3Dプリントした。その後、図1-44(b)と(c)に示すように、G-AlSi8Cu3合金を使って鋳造した。

全製造工程は5日以内で完了し、製造されたクラッチ・ハウジングは、テストに合格して後に量産された部品と同じ性能を持っていた。

ケーススタディ1-12：レーシングカーのインテークマニホールド鋳造用3Dプリント砂型

スロットルボディとエンジンの吸気バルブの間にあるインテークマニホールドは、スロットルから入った空気が分割されるため、マニホールドと呼ばれる。つまり、マニホールド内のガス通路の長さはできるだけ等しくなければならない。

ガスの流れ抵抗を減らして吸入量を増やすには、インテークマニホールドの内壁を滑らかにする必要がある。レーシングカーのインテークマニホールドには多くの干渉部があり、砂型鋳造とその後の機械加工に課題があります。Voxeljetは、複雑さの正確な要件を満たすため、インテークマニホールドモデルを4つのパーツに分割して砂型を3Dプリントし、組み立て時の変形の問題を回避しました。

図1-45（a）に示すように、マニホールドの寸法は854mm×606mm×212mm、砂型の総重量は約208kg、印刷時間は15時間であった。印刷時間は15時間であった。 鋳造アルミニウム合金 図1-45(b)に示すように、インテークマニホールドの重量は約40.8kgであった。

(5) シリコーン成形

シリコーン成形とは、試作品を真空下でシリコーン型に入れ、そこに液状の樹脂を流し込んで元の部品を再現する方法です。これらのレプリカは射出成形品に近い性能を持ち、顧客の要求に合わせて色をカスタマイズすることができる。

材料は真空または低圧注湯法で注湯され、真空注湯は主に家電製品のケーシングのような小型から中型部品の製造に使用され、低圧注湯は主に自動車のバンパーのような大型部品に使用される。

従来、シリコーン鋳型の試作部品はCNC機械加工で作成されていたが、シリコーン鋳型の3Dプリント試作部品は、一般的にSLAプロセスを通じてフォトポリマー樹脂材料を使用して迅速に作成される。1つのシリコーン鋳型は約10～20個を製造でき、精度は±0.2mm/100mm、鋳造厚さは最小0.5mm、最適は1.5～5mm、最大鋳造サイズは約2mである。

プロセスの流れは以下の通りである：

試作品の作成：製品の3Dデータをもとに3Dプリンターで試作品を製作する。

シリコン型の作成：原型を作った後、型枠を作り、原型を固定し、スプルーとベントホールを作る。スプルーは材料の注入口で、「ゲート」とも呼ばれる。スプルーのサイズと形状は、材料の流動特性と部品のサイズに基づいて設計する必要があります。

真空脱気された液状のシリコーンが、製品を完全に覆うように型に流し込まれる。その後、シリコーンの硬化を促進するために型が焼かれ、8時間後にシリコーン型が切り開かれて2つに分かれ、原型が取り出されてシリコーン型の作成が完了する。

真空注型：シリコーン型を閉じた後、真空鋳造機に入れ、空気を抜くか低圧環境を作り、材料を注入する。

充填後、60～70℃の一定温度で30～60分間硬化させ、脱型する。必要に応じて、70～80℃で2～3時間の二次硬化を行う。材料が硬化した後、金型を取り出して開き、複製された製品を得る。このサイクルを繰り返して、小ロットのレプリカを製造する。

シリコーン成形技術は、射出成形技術に比べて速く、コストが低く、生産サイクルが短いため、開発費と研究開発期間が大幅に短縮される。

自動車部品の開発と設計によく使われ、エアコンハウジング、バンパー、エアダクト、カプセル化された通気口、インテークマニホールド、センターコンソール、ダッシュボードなど、性能試験や走行試験用のプラスチック部品を少量生産する。図1-46は、3Dプリントされたプロトタイプを使って作られたシリコン型と複製部品の2つの例を示している。

(6) 最終用途製品（自動車軽量化）

3Dプリンティング技術は、航空宇宙、軍事、医療、自動車、家電、民生用電子機器などさまざまな分野で、最終用途の部品や製品を直接製造するためにますます利用されるようになっている。自動車製造分野では、研究者や企業が3Dプリンティングを使用して部品や車両全体を直接製造する試みを続けています。

例えば、フォード・モーター・カンパニーは、世界中の30以上の工場で100台近いさまざまな3Dプリンターを稼働させており、この技術に数十年にわたって投資してきた。フォードは3Dプリンターを開発や検証だけでなく、最終的な部品やツールの製造にも使用している。

メルセデス、BMW、アウディ、フォルクスワーゲン、トヨタ、キャデラック、テスラ、フェラーリ、ランボルギーニ、ポルシェといった大手自動車メーカーも、車両の開発や製造に3Dプリンティングを幅広く活用している。

軽量化は世界的な自動車業界のトレンドであり、自動車の軽量化の追求は今後さらに極端になっていくだろう。自動車の軽量化は、強度と安全性を確保しつつ、パワーと航続距離を向上させ、燃料消費量を削減し、排気ガス公害を低減し、さらには自動車のハンドリングと安全性を向上させながら、自動車の車両重量を大幅に削減することを目的としている。

金属を3Dプリントした自動車部品は、従来の部品よりも40-80%軽く、CO2排出量を16.97g/km削減できる。一部の軽量部品は、性能を高めながら重量を減らす複雑な内部格子構造を特徴としています。

軽量化には、高強度鋼やチタン合金の使用など、材料、設計、プロセスの側面が含まれる。 アルミニウム合金構造、統合、トポロジー設計を最適化し、高度な製造プロセスを採用することで、部品の性能を向上させ、軽量化を実現する。

3Dプリンティング技術の進化に伴い、直接製造して使用できる自動車部品はますます増えており、3Dプリンティングは自動車製造業界におけるアップグレードの新たな波を引き起こそうとしている。

ケーススタディ1-13：BMW i8 Roadsterのコンバーチブル・トップ・ブラケットとウィンドウ・ガイド・レールの3Dプリント

BMWグループは一貫して、自動車業界の3Dプリンティング技術導入のパイオニアである。BMW i8ロードスターでは、図1-47（a）に示すように、3Dプリンティング技術を利用して金属製のコンバーチブル・トップ・ブラケットを製造し、量産にそのまま使用している。

この3Dプリントされた金属製ブラケットは、コンバーチブルトップカバーをスプリングヒンジに接続し、ゴム製ダンパーやより強力な（そしてより重い）スプリングやドライブユニットなどの騒音防止手段を追加することなく、ルーフの折りたたみと展開を容易にする。このブラケットは、ルーフの全重量を持ち上げたり、押したり、引いたりする必要があり、鋳造では不可能な複雑な形状が必要です。

最終的な設計では、図1-47(b)に示すように、金属3Dプリント技術を使って軽量な格子構造を作り出し、屋根の支持を最適化すると同時に、開口時のカバーの倒壊を防ぐために変位を最小限に抑えた。この3Dプリントブラケットは、軽量化技術の著しい進歩を評価する2018年Altair Enlighten賞を受賞し、授賞式ではその革新的なデザインが大きな注目を集めた。

図1-48に示すように、BMW i8ロードスターに直接使用されたもう1つの最終用途3Dプリント部品はウィンドウ・ガイド・レールです。ナイロン3Dプリンティングのおかげで、このガイド・レールはわずか5日間で開発され、24時間以内に100個以上のウィンドウ・ガイド・レールを製造することができる量産体制に移行した。この部品はBMW i8ロードスターのドア内部に取り付けられ、ウィンドウがスムーズに動作するようになっている。

BMWが公開している生産情報によると、BMW i8ロードスターの重量は2018年に44%削減された。同社はこれまでに3Dプリンティングで100万個以上の部品を生産している。2018年だけでも、BMWグループの3Dプリンティング生産センターの生産量は20万部品を超え、前年比で42%増加した。

ケーススタディ1-14：ブガッティ・シロンのブレーキキャリパーの3Dプリント

ブガッティ・シロンは、0-400km/h加速をわずか42秒で行うことができ、物理学の限界に挑戦しています。ブガッティの成功は、システムの継続的な最適化と、新素材とプロセスの成功に起因しています。なかでも新型シロンのブレーキは、フロントとリアのキャリパーにそれぞれ8ピストンと6ピストンを備え、世界で最も強力なものとなっている。

従来、ブガッティ・シロンのブレーキ・キャリパーは高強度アルミニウム合金製で、重量は4.9kgでした。新しいキャリパーは、バイオミミクリーの原理に基づいて構造的に最適化され、航空宇宙グレードのチタン合金から3Dプリントされたもので、図1-49に示すように、重量はわずか2.9kg、40%の軽量化に成功している。

新しいキャリパーの開発は非常に速く、最初のコンセプトから最初のプリント部品ができるまで、わずか3カ月しかかからなかった。最も時間がかかったのは、ノギスのシミュレーションと最適化だった。 強度と剛性 その後、印刷工程をシミュレーションし、スムーズな完成を確認する。

ノギスのサイズは長さ41cm、幅21cm、高さ13.6cmで、4レーザー溶融システムを使って印刷され、印刷には45時間かかった。印刷後、部品とベースプレートは700℃の炉で熱処理された。 アニール 残留応力を除去し、寸法安定性を確保するために、10時間かけて炉とともに冷却した。

その後、ワイヤーカットでパーツを取り外し、サポートを除去し、物理的および化学的な方法を組み合わせて研磨し、パーツを改善した。 疲労強度 そして、その後の車両使用における長期耐久性を向上させる。最後に、ネジ山加工（ピストンを接続するための加工）がフライス盤で行われ、11時間を要した。

3Dプリンティングの将来的応用の限界とリスク

3Dプリンティング技術は、その普及の過程で強力な応用上の利点を実証してきたが、同時に多くの限界やリスクにも直面している。これらの問題を明確に理解し、解決または回避することによってのみ、3Dプリンティングはその利点を十分に活用し、その応用範囲と領域を拡大し続けることができる。

(1) 制限事項

3Dプリンティング機能の限界

現在、ほとんどの3Dプリンターには次のような顕著な問題点がある：第一に、装置のサイズが小さく、一般的に印刷寸法は400mm×400mm×40mm程度に集中し、1000mmを超えるものはほとんどない。第二に、効率が比較的低く、部品の印刷時間が長く、コストが高い。三つ目、 表面粗さ と寸法精度はまだ理想的とは言えない。

例えば、精密鋳造ではRa3.2μm以上、さらにはRa1.6μm以下の表面粗さを達成することができるが、レーザー3Dプリントの金属部品では現在、Ra6.4μm前後、一般的にはRa10μm以上が最良のレベルであり、電子ビーム粉末床3Dプリントでは表面粗さはRa20～30μmである。

第4に、材料が限られている。各3Dプリントプロセスのタイプは、非常に限られた数や種類の材料に制限されており、一部の分野の要求を満たすことができない。

表1-3に、国内外の主なSLM装置メーカーとそのパラメータを示す。

3Dプリンティングの健康への影響

金属3Dプリンターの操作や後処理に従事する労働者は通常、100ミクロン以下の金属粉末に接触する。これらの微粒子は肺や粘膜に入りやすく、呼吸器系や神経系の障害を引き起こす可能性がある。これらのリスクを軽減するためには、防護服や防毒マスクの着用が不可欠である。

さらに、金属3Dプリンティングでは、加工中の酸化を防ぐためにアルゴンや窒素などの不活性ガスが必要になることが多い。これらの不活性ガスが漏れた場合、人体では検出できず、被害者が気づかないうちに吸い込んでしまうという深刻なリスクがある。私たちが呼吸する空気には21%の酸素が含まれており、漏洩によって19.5%を下回ると、酸素欠乏を引き起こし、危害を及ぼす可能性がある。

特に密閉された空間ではこの可能性が高いため、金属3Dプリンターのユーザーはこの潜在的な危険性を認識し、予防策を講じる必要がある。

3Dプリンティング製造における安全上の危険性

金属3Dプリントの作業場では、チタン、アルミニウム、マグネシウムのような金属の空気中の粉が濃縮され、発火源に遭遇すると、燃えたり、爆発したりする可能性がある。粉末が微細であればあるほど、燃焼しやすくなります。したがって、金属粉末の保管、加工、後処理は、着火源や静電気を避けなければならない。

さらに、粉末の流出は環境リスクをもたらす可能性がある。2014年、米国の労働安全衛生局（OSHA）は、金属3Dプリンティング施設が適切な消火用具を装備せず、オペレーターが火傷を負うという安全上の問題を指摘した。この火災は不適切な機器の取り扱いによるものでしたが、この事故は依然として重要な安全上の注意喚起となっています。

（2）リスク

3Dプリンティング技術は技術の進歩を促し、利便性を提供する一方で、さまざまな用途において細心の注意を払うべきリスクをもたらす。

例えば、3Dプリンターで製造された銃器は個人の安全や公序良俗に、3Dプリンターで製造された医薬品は薬物規制や健康に、3Dプリンターで製造された商品は商標権や著作権、知的財産権を侵害する可能性があり、さらに3Dプリンターは個人情報のセキュリティや財産の安全性、倫理規範にもリスクをもたらす可能性がある。