3Dプリント
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3Dプリンターの動作をタイムラプスで撮影

3Dプリンティングは、積層造形とも呼ばれ、CADモデルまたはデジタル3Dモデルから3次元オブジェクトを構築する技術です。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]これは、コンピュータ制御下で材料を堆積、結合、または固化するさまざまなプロセスで実行できます。[ 4 ]材料は、通常は層ごとに追加されます（例：プラスチック、液体、または粉末粒子が融合されます）。

1980年代には、3Dプリンティング技術は機能的または美的プロトタイプの製造にのみ適していると考えられており、当時はラピッドプロトタイピングというより適切な用語が使われていました。[ 5 ] 2019年の時点で、3Dプリンティングの精度、再現性、材料の範囲は向上し、一部の3Dプリンティングプロセスは工業生産技術として実行可能と見なされるようになりました。この文脈では、積層造形という用語は3Dプリンティングと同義に使用できます。[ 6 ] 3Dプリンティングの主な利点の1つ[ 7 ]は、手作業では構築が不可能な非常に複雑な形状や幾何学形状を製造できることです。これには、材料の無駄を減らしながら重量を減らすために中空の部品や内部トラス構造を持つ部品が含まれます。熱溶解積層法（FDM）は、熱可塑性材料の連続フィラメントを使用し、2020年の時点で最も一般的な3Dプリンティングプロセスです。[ 8 ]

用語

2000年代には、材料を様々な方法で積み重ねるというテーマに触発されて、積層造形（AM）という包括的な用語が普及しました[ 9 ]。対照的に、減算造形（subtractive manufacturing ）という用語は、材料除去を共通プロセスとする広範な機械加工プロセス群のレトロニムとして登場しました。3Dプリンティングという用語は、依然として多くの人々にとってポリマー技術のみを指し、AMという用語は、ポリマー、インクジェット、またはステレオリソグラフィーの愛好家よりも、金属加工や最終用途部品の製造の文脈で使用される傾向がありました。

2010年代初頭までに、「3Dプリンティング」と「積層造形」という用語は、積層技術の代替的な包括的用語としての意味合いを帯びるようになりました。一方は消費者メーカーコミュニティやメディアで一般的な言葉として使用され、もう一方は産業用最終部品メーカー、機械メーカー、および世界的な技術標準化団体によってより正式に使用されています。最近まで、「3Dプリンティング」という用語は、価格や性能が低い機械に関連付けられていました。[ 10 ] 3Dプリンティングと積層造形は、これらの技術が自動制御下で3D作業領域全体にわたって材料を追加または結合するというテーマを共有していることを反映しています。Additive Manufacturing誌の編集長であるピーター・ゼリンスキーは、2017年に、これらの用語は日常的な使用では依然として同義語であることが多いと指摘しましたが、 [ 11 ]一部の製造業界の専門家は、積層造形は3Dプリンティングに他の技術や製造プロセスの他の側面を加えたものから構成されるという区別をしようとしています。[ 11 ]

同義語または上位語として使用されてきた他の用語には、デスクトップ製造、ラピッド製造（ラピッドプロトタイピングの論理的な製造レベルの後継として）、オンデマンド製造（2D の意味でのオンデマンド印刷を反映）などがあります。形容詞のラピッドとオンデマンドを名詞の製造に適用することが2000 年代に目新しいことであったという事実は、ほとんどすべての製造生産で面倒なツール開発に長いリードタイムを要した以前の産業時代に長く支配的だったメンタルモデルを明らかにしています。今日、サブトラクティブという用語は機械加工という用語に取って代わったわけではなく、あらゆる除去方法をカバーする用語が必要な場合にそれを補完しています。アジャイルツーリングは、付加製造または 3D 印刷方法で製造されるツールをモジュラー手段を使用して設計し、迅速なプロトタイピングとツールおよび固定具のニーズへの対応を可能にすることです。アジャイルツールは、コスト効率が高く高品質な方法を使用して顧客と市場のニーズに迅速に対応し、ハイドロフォーミング、スタンピング、射出成形などの製造プロセスで使用できます。

歴史

1940年代と1950年代

3Dプリンティングの一般的な概念と手順は、マレー・レンスターが1945年の短編小説『過ぎゆくものたち』の中で初めて説明しました。「しかし、このコンストラクターは効率的かつ柔軟性に富んでいます。私は、磁気プラスチック（今日では家や船の材料として使われている）をこの可動アームに送り込みます。光電セルでスキャンした図面に沿って空中に絵を描きます。しかし、プラスチックは描画アームの先端から出てきて、…描画に沿ってのみ硬化します。」[ 12 ]

レイモンド・F・ジョーンズも、 1950年11月号の『アスタウンディング・サイエンス・フィクション』誌に掲載された短編「Tools of the Trade」の中で、この物質について描写しています。彼はこの物語の中で、この物質を「分子スプレー」と呼んでいます。

1970年代

1971年、ヨハネス・F・ゴットワルドは液体金属レコーダー（米国特許3596285A）の特許を取得しました。 [ 13 ]これは、インクジェット方式の金属材料連続装置で、再利用可能な表面に取り外し可能な金属加工物を形成し、すぐに使用したり、再溶解することで再び印刷に利用したりできます。これは、ラピッドプロトタイピングとオンデマンド制御によるパターン製造を備えた3Dプリンティングを記述した最初の特許と思われます。

特許には次のように記載されています。

本明細書において、「印刷」という用語は限定的な意味ではなく、インクを用いた書き込み、その他の記号、文字、またはパターンの形成を含む。本明細書において「インク」という用語は、染料または顔料を含む材料だけでなく、表面に塗布してマーキングによって記号、文字、または情報パターンを形成するのに適した流動性の物質または組成物も含むものとする。好ましいインクはホットメルト型である。本発明の要件を満たす市販のインク組成物の範囲は現時点では不明である。しかしながら、導電性金属合金をインクとして使用することで、本発明による良好な印刷が達成された。

しかし、このような大型で連続的なディスプレイに必要な材料は、これまで知られていた速度で消費され、サイズの増加に比例して増加する場合、高コストによって、前述の目的を満たすプロセスまたは装置の広範な享受が著しく制限されることになります。

したがって、本発明のさらなる目的は、示されたクラスのプロセスにおける材料の使用を最小限に抑えることである。

本発明のさらなる目的は、このようなプロセスで使用される材料を回収して再利用できるようにすることである。

本発明の別の態様によれば、書き込み等のための組み合わせは、インテリジェンスパターンを表示するためのキャリアと、キャリアからパターンを除去するための装置とを備える。

1974年、デイビッド・E・H・ジョーンズは、ニューサイエンティスト誌の連載コラム「アリアドネ」の中で3Dプリンティングの概念を提示した。[ 14 ] [ 15 ]

1980年代

初期の積層造形装置と材料は1980年代に開発されました。[ 16 ]

1980年4月、名古屋市工業研究所の児玉秀夫氏は、光硬化性熱硬化性ポリマーを用いて三次元プラスチックモデルを製造するための2つの付加的な方法を発明した。この方法では、紫外線照射領域をマスクパターンまたは走査型ファイバートランスミッターで制御する。[ 17 ] 彼はこの XYZ プロッターの特許を出願し、1981年11月10日に公開された。(JP S56-144478) [ 18 ] 彼の研究成果は、1981年4月と11月にジャーナル論文として発表された。 [ 19 ] [ 20 ] しかし、彼の一連の発表に対する反応はなかった。彼の装置は研究室ではあまり評価されず、上司も興味を示さなかった。彼の研究予算は年間わずか6万円、つまり545ドルだった。 XYZ プロッターの特許権の取得は断念され、プロジェクトは終了した。

1982 年 4 月 6 日に Raytheon Technologies Corp に付与されたUS 4323756 特許 (連続堆積による物品の製造方法)では、数百または数千の粉末金属の「層」とレーザー エネルギー ソースの使用について説明されており、基板上での「層」の形成と物品の製造に関する初期の参照を示しています。

1984年7月2日、アメリカの起業家ビル・マスターズは、コンピュータ自動化製造プロセスとシステム（ US 4665492 ）の特許を申請しました。[ 21 ]この申請は、米国特許商標庁に史上初の3Dプリンティング特許として記録されています。これは、マスターズが取得した3つの特許のうち、今日使用されている3Dプリンティングシステムの基礎を築いた最初の特許でした。[ 22 ] [ 23 ]

1984年7月16日、アラン・ル・メホーテ、オリヴィエ・ド・ウィット、ジャン・クロード・アンドレは、ステレオリソグラフィー法に関する特許を出願した。[ 24 ]フランス人発明家による出願は、フランス・ゼネラル・エレクトリック社（現アルカテル・アルストム）とCILAS（レーザーコンソーシアム）によって放棄された。[ 25 ]放棄理由は「事業的視点の欠如」であった。[ 26 ]

1983年、ロバート ハワードはRHリサーチ社を設立し、のちの1984年2月にHowtek, Inc.と改名して、熱可塑性(ホットメルト)プラスチック インクを使用するカラー インクジェット 2D プリンター Pixelmaster を開発しました。Pixelmaster は 1986年に商品化されました。[ 27 ] Exxon Office Systems、Danbury Systems Division、インクジェット プリンターの新興企業、および 3D 印刷業界で有名になった Howtek, Inc グループのメンバーから6 名[ 27 ]が集められ、チームが編成されました。Howtek のメンバーの 1 人であるリチャード ヘリンスキー (特許 US5136515A、粒子堆積による 3 次元物品の構築方法および手段、1989 年 11 月 7 日申請、1992 年 8 月 4 日認可) は、ニューハンプシャー州に CAD-Cast, Inc. を設立し、その後 1991 年 8 月 22 日に Visual Impact Corporation (VIC) に改名しました。この会社のVIC 3Dプリンターのプロトタイプは、シングルノズルインクジェットで印刷された3Dモデルを紹介するビデオプレゼンテーションで入手できます。別の従業員Herbert Menhennettは、1991年にニューハンプシャー州でHM Researchという会社を設立し、Howtek社のインクジェット技術と熱可塑性材料をSDI社のRoyden Sanders氏と、彼が数年間勤務したBallistic Particle Manufacturing (BPM)社のBill Masters氏に紹介しました。BPM 3DプリンターとSPI 3Dプリンターは両方ともHowtek社のスタイルのインクジェットとHowtek社のスタイルの材料を使用します。Royden Sanders氏は、1993年にSanders prototype, Inc (SPI)でModelmaker 6 Proを製造する前に、Helinksiの特許のライセンスを取得しました。インクジェットの開発を支援するためにHowtek社に雇われたJames K. McMahon氏は、後にSanders Prototypeで働き、現在はHowtekのシングルノズルインクジェットとSDIプリンターのサポートを専門とする3Dサービスプロバイダー、Layer Grown Model Technologyを運営しています。ジェームズ・K・マクマホンは、エクソン社で1972年にドロップオンデマンド・インクジェットを発明したスティーブン・ゾルタンと共に働き、1978年に特許を取得しました。この特許は、シングルノズル設計のインクジェット（アルファジェット）の理解を深め、ハウテック社のホットメルトインクジェットの完成に貢献しました。ハウテック社のホットメルト熱可塑性樹脂技術は、金属インベストメント鋳造、特に3Dプリントジュエリー業界で人気を博しています。[ 28 ]サンダース（SDI）の最初のModelmaker 6Pro顧客は、ニューハンプシャー州ミルフォードにあるヒッチナー・コーポレーション社のMetal Casting Technology社で、1993年末から1995年にかけて、SDI施設から1マイル（約1.6km）離れた場所でゴルフクラブや自動車エンジン部品の鋳造を行っていました。

1984年8月8日、UVP社に譲渡され、後に3Dシステムズ社のチャック・ハル氏に譲渡されたUS4575330特許が出願された。 [ 29 ]これは彼自身の特許で、ステレオリソグラフィー製造システムに関するもので、個々の薄片または層は、入射放射線、粒子衝撃、化学反応、または単に紫外線レーザーでフォトポリマーを硬化させることによって追加される。ハル氏はこのプロセスを「形成する物体の断面パターンを作成することによって3次元物体を生成するシステム」と定義した。[ 30 ] [ 31 ]ハル氏の貢献は、今日多くのプロセスで一般的に使用されているSTL（ステレオリソグラフィー）ファイル形式とデジタルスライスおよびインフィル戦略であった。 1986年、チャールズ・「チャック」・ハルはこのシステムの特許を取得し、彼の会社である3Dシステムズ・コーポレーションが設立され、1987年か1988年に最初の商用3DプリンターであるSLA-1を発売した[ 32 ]。

現在までにほとんどの3Dプリンター、特に趣味や消費者向けのモデルで使用されている技術は、熱溶解積層法（FDM）と呼ばれるプラスチック押出成形の特殊な応用技術であり、1988年にS.スコット・クランプ氏によって開発され、同氏の会社ストラタシス社によって商品化され、1992年に最初のFDMマシンが販売されました。[ 28 ]

1980年代に3Dプリンターを所有するには30万ドル以上（2016年の価値で65万ドル）の費用がかかりました。[ 33 ]

1990年代

金属の焼結または溶融のための AM プロセス (選択的レーザー焼結、直接金属レーザー焼結、選択的レーザー溶融など) は、1980 年代から 1990 年代には、通常、独自の個別の名前で呼ばれていました。当時、すべての金属加工は、現在では非付加的と呼ばれるプロセス (鋳造、製造、スタンピング、機械加工) によって行われていました。これらのテクノロジには多くの自動化(ロボット溶接やCNCなど) が適用されていましたが、ツールまたはヘッドが 3D 作業領域内を移動し、ツールパスを使用して原材料の塊を目的の形状に変換するというアイデアは、金属加工では、CNCフライス加工、CNC EDMなど、金属を追加するのではなく除去するプロセスにのみ関連付けられていました。ただし、後に付加製造と呼ばれる、金属を追加する自動化技術は、その前提に挑戦し始めていました。 1990年代半ばまでに、スタンフォード大学とカーネギーメロン大学では、マイクロキャスティング[ 34 ]やスプレー材料[ 35 ]などの新しい材料堆積技術が開発されました。犠牲材料や支持材料も一般的になり、新しい物体の形状が可能になりました。[ 36 ]

3D プリンティングという用語は、もともと標準およびカスタムのインクジェットプリント ヘッドを採用した粉末床プロセスを指し、 1993 年にMITのEmanuel Sachs によって開発され、Soligen Technologies、Extrude Hone Corporation、Z Corporationによって商品化されました。

1993年には、当初サンダース・プロトタイプ社、後にソリッドスケープ社と名付けられたインクジェット3Dプリンター会社が設立され、可溶性サポート構造（「ドット・オン・ドット」技術に分類される）を備えた高精度ポリマージェット製造システムを導入しました。[ 28 ]

1995 年にフラウンホーファー協会は選択的レーザー溶融プロセスを開発しました。

2000年代

2000年代初頭、3Dプリンターはまだ比較的新しい技術であり、ほとんどの消費者が手にするには高価すぎたため、製造業と研究業界でのみ広く利用されていました。2000年代に入ると、この技術が産業界でより大規模に利用されるようになり、特に建築業界と医療業界で顕著になりましたが、一般的な工業製品の製造や大型の試作ではなく、低精度のモデリングと試験に利用されることが一般的でした。[ 37 ]

2005年に、ユーザーは約70%の部品を印刷できる3Dプリンターの設計図を設計・配布し始めました。このプリンターの元々の設計図は、 2004年にバース大学のエイドリアン・ボウヤーによって考案され、プロジェクト名はRepRap（Replicating Rapid-prototyper）でした。[ 38 ]

同様に、2006年にはエヴァン・マローン氏とホッド・リプソン氏によってFab@Homeプロジェクトが開始されました。このプロジェクトの目的は、ユーザーが独自に開発し、フィードバックを投稿できる低コストでオープンソースの製造システムを設計することであり、非常に協力的なプロジェクトとなっています。[ 39 ]

当時、一般に公開されていた3Dプリント用ソフトウェアの多くはオープンソースであり、多くの個人ユーザーによって迅速に配布・改良されました。2009年には、熱溶解積層法（FDM）印刷プロセスの特許が失効しました。これを機に、新たなスタートアップ企業の波が到来しました。その多くは、こうしたオープンソースイニシアチブの主要な貢献者によって設立され、一般の人々にとってよりアクセスしやすい商用FDM 3Dプリンターの開発を目指していました。[ 40 ]

2010年代

さまざまな付加製造プロセスが成熟するにつれ、金属の除去が、3D作業領域内を移動するツールまたはヘッドを介して行われる唯一の金属加工プロセスではなくなり、原材料の塊を層ごとに目的の形状に変換することが明らかになりました。2010年代は、エンジンブラケット[ 41 ]や大型ナット[ 42 ]などの金属製の最終用途部品が、棒材またはプレートから機械加工されるのではなく、ジョブ生産で（機械加工の前または代わりに）成長した最初の10年でした。金属加工では、鋳造、製造、スタンピング、機械加工が付加製造よりも一般的であるのが現状ですが、AMは現在大きく進出し始めており、付加製造向けの設計の利点により、エンジニアにとって今後さらに多くのことが起こることは明らかです。

AM が大きく進出している分野の一つが航空業界です。2016 年の航空旅行者数は約 38 億人に達し、[ 43 ]燃費が良く製造が容易なジェットエンジンの需要はかつてないほど高まっています。プラット・アンド・ホイットニー (PW) やゼネラル・エレクトリック (GE) などの大手 OEM (相手先ブランド製造) にとって、これはコスト削減、不適合部品数の削減、エンジン重量の軽減による燃費向上、旧式製造方法では実現不可能な非常に複雑な新しい形状の実現手段として、AM に目を向けることを意味します。航空宇宙産業への AM 統合の一例としては、2016 年にエアバスが GE のLEAPエンジンの初号機を納入したケースが挙げられます。このエンジンには 3D プリントされた燃料ノズルが組み込まれており、部品点数が 20 個から 1 個に削減され、重量が 25% 軽減され、組み立て時間も短縮されました。[ 44 ]燃料ノズルは、複雑な内部構造の最適化設計を可能にし、低応力で非回転部品であるため、ジェットエンジンにおける積層造形（AM）の最適な導入部です。同様に、PW社は2015年にボンバルディア社にPurePower PW1500G用の最初のAM部品を納入しました。低応力で非回転部品にこだわり、PW社はコンプレッサーステーターとシンクロリ​​ングブラケットを選択しました[ 45 ]。AMはジェットエンジン製造プロセスにおける部品点数全体の中ではまだ小さな割合を占めていますが、部品点数の削減、迅速な生産能力、そして「性能とコストの面で最適化された設計」によって、投資収益率は既に現れています。[ 46 ]

技術が成熟するにつれて、3Dプリンティングが発展途上国の持続可能な開発に役立つ可能性があると推測する著者も現れ始めました。 [ 47 ]

2012年にフィラボット社はプラスチックのループを閉じるシステム[ 48 ]を開発し、FDMやFFFの3Dプリンターでより幅広いプラスチックを印刷できるようになりました。

2014年、ベンジャミン・S・クックとマノス・M・テンツェリスは、最大40GHzで動作する機能的な電子機器の3Dプリントを可能にした、初のマルチマテリアル垂直統合型プリントエレクトロニクス積層製造プラットフォーム（VIPRE）を実証した。[ 49 ]

プリンターの価格が下がり始めると、この技術に興味を持つ人々はよりアクセスしやすくなり、自由に自分の好きなものを作ることができるようになりました。2014年時点でも、商用プリンターの価格は依然として高く、2,000ドルを超えていました。[ 50 ]

「3Dプリンティング」という用語は、もともとインクジェットプリンターのヘッドを用いて粉末床にバインダー材料を層状に堆積させるプロセスを指していました。近年では、電子ビーム積層造形法や選択的レーザー溶融法といった、より幅広い積層造形技術を包括する用語として、広く使われるようになりました。米国および世界の技術規格では、この広義の意味で 「積層造形」という公式用語が使用されています。

最も一般的に使用されている3Dプリントプロセス（2018年時点で46％）は、熱溶解積層法（FDM）と呼ばれる材料押し出し技術です。[ 8 ] FDM技術は、他の2つの最も人気のある技術であるステレオリソグラフィー（SLA）と選択的レーザー焼結（SLS）の後に発明されましたが、FDMは通常、3つの中で最も大幅に安価であり、それがこのプロセスの人気につながっています。

2020年代

2020年現在、3Dプリンターは、ほとんどの人が3Dプリントの世界に入り込めるほどの品質と価格のレベルに達しています。2020年には、エントリーレベルの機種であれば200ドル未満で、それなりの品質のプリンターが見つかります。これらの手頃な価格のプリンターは、通常、熱溶解積層法（FDM）プリンターです。[ 51 ]

2021年11月、スティーブ・ヴァーゼという名の英国人患者が、ロンドンのムーアフィールズ眼科病院で世界初の完全3Dプリント義眼を移植された。[ 52 ] [ 53 ]

2024年4月、世界最大の3Dプリンター「ファクトリー・オブ・ザ・フューチャー1.0」がメイン大学で公開されました。このプリンターは、長さ96フィート（約29メートル）の物体を製造できます。[ 54 ]

2024年、研究者たちは機械学習を利用して合成骨の構造を改良し[ 55 ]、衝撃吸収の記録を樹立した[ 56 ] 。

2024年7月、研究者らはAdvanced Materials Technologies誌に 、3Dプリント技術を用いた天然血管と同等の強度と耐久性を持つ人工血管の開発に関する論文を発表した。[ 57 ]このプロセスでは、3Dプリンターに統合された回転スピンドルを使用して水性ゲルから移植片を作成し、それを生分解性ポリエステル分子でコーティングした。[ 57 ]

2025年10月、ノース・ブリストルNHSトラストは、英国のサイクリスト、デイブ・リチャーズ氏が、ノース・ブリストルNHSトラスト内に新設されたブリストル3Dメディカルセンターで作製されたフルフェイス3Dプリント義肢を受け取ったと報告した。上級再建科学者エイミー・デイビー氏が主導したこのプロセスでは、高度なスキャン技術と医療グレードの樹脂を用いて、重度の火傷後のリチャーズ氏の顔の特徴を再現した。これは、英国における統合型医療用3Dプリント施設における画期的な出来事となった。[ 58 ]

3Dプリントの利点

積層造形、すなわち3Dプリンティングは、その多くの利点により、エンジニアリング分野において急速に重要性を増しています。3Dプリンティングのビジョンは、設計の自由度、個別化、[ 59 ]分散化[ 60 ]、そしてこれまで代替手法では不可能だったプロセスの実行です。[ 61 ]これらの利点には、試作の迅速化、製造コストの削減、製品のカスタマイズ性の向上、製品品質の向上などが挙げられます。[ 62 ]

さらに、3Dプリンティングの能力は、軽量構造[ 63 ]や修理・メンテナンス[ 64 ]などの従来の製造業を超えて、義肢[ 65 ] 、バイオプリンティング[ 66 ]、食品産業[ 67 ] 、ロケット製造[ 68 ] 、デザインとアート[ 69 ]、再生可能エネルギーシステム[ 70 ]などに応用されています。3Dプリンティング技術は、持続可能なエネルギーの生成と分配に不可欠なバッテリーエネルギー貯蔵システムの製造に使用できます。

3Dプリンティングのもう一つの利点は、複雑な形状を高精度かつ正確に製造できる技術である。[ 71 ]これは特にマイクロ波工学の分野で重要であり、3Dプリンティングは従来の製造方法では実現が難しい独自の特性を持つ部品を製造するために使用できる。[ 72 ]

付加製造プロセスでは、従来の方法で余分な材料を削り取るのとは異なり、必要な場所にのみ材料を追加することで、廃棄物を最小限に抑えます。[ 73 ]これにより、材料コストと環境への影響が削減されます。[ 74 ]この廃棄物の削減により、材料の製造と廃棄にかかるエネルギー消費も削減され、二酸化炭素排出量の削減にも貢献します。[ 75 ] [ 76 ]

一般原則

モデリング

3Dプリントに使用されるCADモデル
3D フォト ブースで撮影した 2D 写真から 3D モデルを生成できます。

3Dプリント可能なモデルは、コンピュータ支援設計（CAD）パッケージ、3Dスキャナ、または通常のデジタルカメラと写真測量ソフトウェアを使用して作成できます。CADを使用して作成された3Dプリントモデルは、他の方法に比べてエラーが比較的少なくなります。3Dプリント可能なモデルのエラーは、印刷前に識別して修正できます。[ 77 ] 3Dコンピュータグラフィックス用の幾何学的データを準備する手動モデリングプロセスは、彫刻などの造形芸術に似ています。3Dスキャンは、実際のオブジェクトの形状と外観に関するデジタルデータを収集し、それに基づいてデジタルモデルを作成するプロセスです。

CADモデルは、CADモデルの表面の三角測量に基づいてデータを保存する、積層造形における事実上のCADファイル形式であるステレオリソグラフィーファイル形式（STL）で保存できます。STLは、多数の表面を扱うため、トポロジー最適化された部品や格子構造のファイルサイズが大きくなるため、積層造形には適していません。この問題を解決するために、2011年に新しいCADファイル形式である積層造形ファイル形式（AMF）が導入されました。AMFは、曲線の三角測量を用いて情報を保存します。[ 78 ]

印刷

STLファイルから3Dモデルを印刷する前に、まずエラーがないか確認する必要があります。ほとんどのCADアプリケーションは、出力STLファイルに以下の種類の エラーを生成します[ 79 ] [ 80 ] 。

  • 穴
  • 面法線
  • 自己交差
  • ノイズシェル
  • 多様なエラー[ 81 ]
  • オーバーハング問題[ 82 ]

STL生成における「修復」と呼ばれるステップは、元のモデルのこのような問題を修正します。[ 83 ] [ 84 ]一般的に、 3Dスキャンによって得られたモデルから生成されたSTLには、これらのエラーが多く含まれることがよくあります。 [ 85 ]これは、3Dスキャンがポイントツーポイントの取得/マッピングによって達成されることが多いためです。3D再構築にはエラーが含まれることがよくあります。[ 86 ]

完成したSTLファイルは、「スライサー」と呼ばれるソフトウェアで処理する必要があります。このソフトウェアは、モデルを一連の薄い層に変換し、特定のタイプの3Dプリンター（ FDMプリンター）に合わせた指示を含むGコードファイルを生成します。[ 87 ]このGコードファイルは、3D印刷クライアントソフトウェア（Gコードを読み込み、3D印刷プロセス中に3Dプリンターに指示を出すために使用します）で印刷できます。

プリンタ解像度は、層の厚さとX-Y解像度を1インチあたりのドット数（dpi）またはマイクロメートル（μm）で表します。一般的な層の厚さは約100μm （ 250  DPI）ですが、一部のマシンでは16μm（1,600 DPI）という薄い層を印刷できます。[ 88 ] X-Y解像度はレーザープリンタの解像度に匹敵します。粒子（3Dドット）の直径は約0.01～0.1μm（2,540,000～250,000 DPI）です。[ 89 ]このプリンタ解像度では、メッシュ解像度を0.01～0.03 mm、弦長を0.016 mm以下に指定すると、特定のモデル入力ファイルに最適なSTL出力ファイルが生成されます。[ 90 ]解像度を高く指定すると、印刷品質は向上せずにファイルサイズが大きくなります。

溶融ポリマー堆積法を用いてPLAから物体が作られる様子を撮影した80分間のビデオの3分30秒のタイムラプス

現代の手法による模型の製作には、使用する方法や模型のサイズや複雑さに応じて、数時間から数日かかる場合があります。積層造形システムでは、使用する機械の種類や、同時に製作する模型のサイズや数によって大きく異なりますが、通常は数時間程度に短縮できます。

仕上げ

プリンタで生成される解像度と表面仕上げは、一部の用途には十分ですが、後処理と仕上げの方法により、寸法精度の向上、表面の滑らかさの向上、着色などのその他の変更などの利点が得られます。

3Dプリント部品の表面仕上げは、サンディングやビーズブラストなどの減算的手法を用いることで改善できます。寸法精度が求められる部品を平滑化する場合は、除去する材料の量を考慮することが重要です。[ 91 ]

アクリロニトリルブタジエンスチレン（ABS）などの一部の印刷可能なポリマーでは、アセトンまたは類似の溶剤をベースにした化学蒸気プロセス[ 92 ]を使用して表面仕上げを滑らかにし、改善することができます。

いくつかの積層造形技術では、後処理ステップとしてアニーリングを行うことでメリットが得られます。3Dプリント部品をアニーリングすると、部品の再結晶化により内部層の結合が強化されます。これにより、破壊靭性[ 93 ] 、 [ 94] 、[ 95 ]、 [ 96 ] 、耐熱性[ 97 ]などの機械的特性が向上します。部品のアニーリングは、加熱と冷却による反りや収縮を引き起こす可能性があるため、寸法精度が要求される用途には適さない場合があります。[ 98 ]一部の積層造形部品、特にミッションクリティカルな部品は、密度を向上させ、印刷部品に必要な機械的性能が得られるように微細構造を構成するために、熱間静水圧プレスで後処理されます。[ 99 ] [ 100 ]

積層造形法（ASHM）または切削造形法（Subtractive Manufacturing）によるハイブリッド製造法は、3Dプリント部品を製造し、機械加工（切削造形）を用いて材料を除去する手法です。[ 99 ]機械加工は、アプリケーションの要件に応じて、各層ごとに完了することも、3Dプリント全体が完了した後に完了することもできます。これらのハイブリッド手法により、3Dプリント部品はより優れた表面仕上げと寸法精度を実現できます。[ 100 ]

従来の積層造形プロセスにおける層構造は、造形プラットフォームに対して曲面または傾斜した部品表面に階段状の効果をもたらします。この効果は、使用される層の高さ、および造形プロセスにおける部品表面の向きに大きく依存します。[ 101 ]この効果は、「可変層の高さ」または「適応型層の高さ」を使用することで最小限に抑えることができます。これらの手法は、より高い品質が求められる箇所の層の高さを低下させます。[ 102 ]

3Dプリントされた部品に塗装を施すことで、ほとんどの3Dプリント技術では実現できないような多様な仕上がりと外観を実現できます。このプロセスは通常、表面処理、プライミング、塗装といった複数のステップで構成されます。[ 103 ]これらのステップは、部品の表面を整え、塗料が適切に付着することを確実にするのに役立ちます。

一部の積層造形技術では、複数の材料を同時に使用できます。これらの技術では、複数の色や色の組み合わせを同時に印刷できるため、必ずしも塗装を必要としない部品を製造することができます。

一部の印刷技術では、造形中にオーバーハングした部分を支えるために内部サポートを構築する必要があります。PVAなどの水溶性サポート材を使用する場合は、印刷完了後にこれらのサポートを機械的に除去するか、溶解する必要があります。

一部の市販の金属3Dプリンターでは、堆積後に金属基板から金属部品を切断する必要があります。GMAW 3Dプリンティングの新しいプロセスでは、基板表面を改質することでアルミニウム[ 104 ]や鋼[ 105 ]を除去することができます。

材料

世界初の3Dプリント金属橋、アムステルダムのストーフ橋の詳細[ 106 ]

従来、3Dプリンティングは、製造と取り扱いが容易なポリマー材料の印刷にポリマーが中心でした。しかし、この方法は急速に進化し、様々なポリマー[ 107 ]だけでなく、金属[ 108 ] [ 109 ] 、チョコレート[ 110 ]、セラミック[ 111 ]も印刷できるようになり、3Dプリンティングは製造における多用途の選択肢となっています。3次元物理モデルの層ごとの製造は、「成長を続けるCAD業界、より具体的にはCADのソリッドモデリングの側面から生まれた」現代的な概念です。1980年代後半にソリッドモデリングが導入される前は、3次元モデルはワイヤーフレームとサーフェスで作成されていました。[ 112 ]しかし、いずれの場合も、材料の層はプリンターと材料特性によって制御されます。3次元材料層は、プリンターオペレーターが設定し、コンピューターファイルに保存される堆積速度によって制御されます。最も初期の印刷特許素材は、加熱した金属合金を使用してパターンを印刷するためのホットメルトタイプのインクでした。

1984年8月8日、チャールズ ハルは、UVP Corp.でUVマスク光源を使用してUV硬化アクリル樹脂を使用して簡単なモデルを作成するための最初の特許を申請しました。SLA-1は、1978年11月にデトロイトで開催されたAutofact Expositionで3D Systemsが発表した最初のSL製品でした。SLA-1 Betaは、1988年1月にバクスターヘルスケア、プラットアンドホイットニー、ゼネラルモーターズ、AMPに出荷されました。最初の量産型SLA-1は、1988年4月にプレシジョンキャストパーツに出荷されました。UV樹脂材料はすぐにエポキシベースの材料樹脂に変更されました。いずれの場合も、SLA-1モデルは、未硬化の境界樹脂を除去するために溶剤クリーナーですすいだ後、UVオーブンで硬化する必要がありました。すべてのシステムで後硬化装置（PCA）が販売されました。初期の樹脂プリンターでは、各層でモデルの上に新しい樹脂を移動させるためにブレードが必要でした。層の厚さは0.006インチで、SLA-1のHeCdレーザーモデルは12ワットで、表面を毎秒30インチの速度で走査しました。UVPは1990年1月に3D Systemsに買収されました。[ 113 ]

歴史を振り返ると、1980年代にはラピッドプロトタイピング分野の特許取得に、樹脂、プラスチック粉末、プラスチックフィラメント、ホットメルトプラスチックインクなど、様々な材料が使用されていたことがわかります。3D Systemsが最初の発表を行う前には、Cubital社のItzchak PomerantzがSoldier 5600にマスクランプUV硬化樹脂を、Carl Deckard（DTM）のレーザー焼結熱可塑性粉末、そしてMichael Feyginが積層して造形する粘着性レーザーカット紙（LOM）も導入されていました。スコット・クランプも押し出し成形された「溶融」プラスチックフィラメントモデリング（FDM）に取り組んでおり、液滴堆積法は1984年にハルの特許から1週間後にウィリアム・E・マスターズによって特許取得されていたが、1994年にBPMを設立して独自の3Dプリンター製品を発売する前に、1992年にビジュアルインパクトコーポレーションの3Dプリンターがハウテック社のインクジェットを使用して導入した熱可塑性インクジェットを発見しなければならなかった。[ 113 ]

個人用 3D プリンターで最も一般的なポリマーは、ポリ乳酸(PLA) とPETGです。

マルチマテリアル3Dプリント

マルチマテリアル3DBenchy

マルチマテリアル3Dプリンティングを実現するための取り組みは、VoxelJetのような強化されたFDMのようなプロセスから、レイヤードアセンブリのような新しいボクセルベースの印刷技術まで多岐にわたります。[ 114 ]

既存の3Dプリント技術の多くは、一度に1種類の材料しか印刷できないという欠点があり、異なる材料を同一の物体に統合する必要がある多くの用途が制限されています。マルチマテリアル3Dプリントは、複雑かつ異種混合の材料配置を持つ物体を単一のプリンターで製造できるようにすることで、この問題を解決します。この場合、最終的な物体の体積内の各ボクセル（または3Dプリントのピクセル要素）に材料を指定する必要があります。

しかし、このプロセスは、孤立したモノリシックなアルゴリズムのために、多くの複雑な問題を抱える可能性があります。Spec2Fabトランスレータの構築など、いくつかの商用デバイスはこれらの問題を解決しようと試みていますが、進展は依然として非常に限られています。[ 115 ]とはいえ、医療業界では、3Dプリントされた錠剤やワクチンのコンセプトが提示されています。[ 116 ] この新しいコンセプトにより、複数の薬剤を組み合わせることが可能になり、多くのリスクを軽減することが期待されています。マルチマテリアル3Dプリントの用途が拡大するにつれて、日常生活とハイテク開発のコストは必然的に低下するでしょう。

3Dプリントの金属組織材料も研究されている。[ 117 ]各材料を分類することにより、CIMP-3Dは複数の材料で体系的に3Dプリントを行うことができる。[ 118 ]

4Dプリント

3Dプリンティングとマルチマテリアル構造を積層造形に用いることで、いわゆる4Dプリンティングの設計と製作が可能になった。4Dプリンティングは、印刷された物体が時間、温度、あるいはその他の刺激によって形状を変える積層造形プロセスである。4Dプリンティングは、形状、特性、あるいは機能性を調整可能な動的構造の製作を可能にする。4Dプリンティングを用いて作製されるスマート／刺激応答性材料は、自己組織化、自己修復、多機能性、再構成、形状変化といった計算された反応を生み出すように活性化される。これにより、形状変化性材料や形状記憶材料をカスタマイズして印刷することが可能になる。[ 119 ]

4Dプリンティングは、プラスチック、複合材料、金属などの材料の新たな用途や用途を開拓する可能性を秘めており、これまで実現不可能だった新しい合金や複合材料を開発することも可能にします。この技術と材料の汎用性は、宇宙、商業、医療など、様々な産業分野の発展につながる可能性があります。4Dプリンティングがこれらの産業全体でより実用的になるためには、再現性、精度、そして使用可能な材料の範囲を向上させる必要があります。 

4Dプリンティングが実用的な工業生産の選択肢となるためには、克服すべき課題がいくつかあります。4Dプリンティングの課題としては、印刷されたスマートマテリアルの微細構造が、従来の機械加工プロセスで得られる部品と同等かそれ以上のものでなければならないことが挙げられます。また、さまざまな外部刺激に一貫して反応し、所望の形状に変化できる、新しくカスタマイズ可能な材料の開発も必要です。さらに、4Dプリンティングの様々な技術に対応する新しいソフトウェアを設計する必要もあります。4Dプリンティングソフトウェアは、ベースとなるスマートマテリアル、印刷技術、そして設計の構造的および幾何学的要件を考慮する必要があります。[ 120 ]

プロセス

3Dプリントに使用されるコンピュータ支援設計（CAD）モデル。3Dコンピュータグラフィックス用の幾何学的データを準備する手作業によるモデリングプロセスは、彫刻などの造形芸術に似ています。3Dスキャンは、実物の形状や外観に関するデジタルデータを収集し、それに基づいてデジタルモデルを作成するプロセスです。

付加製造による三次元物体の製造には、さまざまなプロセス、装置、材料が使用されます。

技術には、ジェッティング、押し出し、付加摩擦攪拌堆積、粉末床溶融結合、バインダージェッティング、ステレオリソグラフィー、コンピュータ軸リソグラフィー、液体代替、ラミネーション、指向性エネルギー堆積、選択的粉末堆積、極低温製造などがあります。

アプリケーション

Audi RSQは、ラピッドプロトタイピング産業用KUKAロボットを使用して製造されました。

3Dプリンティングや積層造形は、製造、医療、産業、社会文化分野（文化遺産など）で商業技術の創出に利用されてきた。[ 121 ]最近では、3Dプリンティングは人道支援・開発分野でも医療品、義肢、スペアパーツ、修理品の製造に利用されている。[ 122 ]積層造形が最も早く応用されたのは、製造業の工具室での応用だった。例えば、ラピッドプロトタイピングは最も初期の積層造形の一つで、その目的は、それまでCNCフライス加工、旋削加工、精密研削加工などの切削工具を使った方法でしか行われていなかった、新しい部品やデバイスのプロトタイプ開発のリードタイムとコストを削減することだった。[ 123 ] 2010年代には、積層造形が製造業にかなり大規模に導入された。

食べ物

食品の付加製造は、食品を層ごとに押し出して三次元の物体にする技術として開発されている。チョコレートやキャンディーなどの多種多様な食品、クラッカー、パスタ、[ 124 ]ピザなどの平らな食品が候補となる。[ 125 ] [ 126 ] NASAは、食品廃棄物を削減し、宇宙飛行士の食事ニーズに合った食品を作るために、3Dプリント食品を作成する技術を検討している。 [ 127 ] 2018年、イタリアのバイオエンジニアであるジュゼッペ・シオンティは、カスタム3Dバイオプリンターを使用して、肉の食感と栄養価を模倣した繊維質の植物由来の肉類似品を製造できる技術を開発した。[ 128 ] [ 129 ]

ファッション

3Dプリントのネックレス

3Dプリンティングは衣料品の世界に進出し、ファッションデザイナーたちは3Dプリントのビキニ、靴、ドレスを試作しています。[ 130 ]商業生産では、ナイキが3Dプリンティングを使用して、2012年にアメリカンフットボール選手向けのVapor Laser Talonフットボールシューズの試作と製造を行い、ニューバランスはアスリート向けのカスタムフィットシューズを3D製造しました。[ 130 ] [ 131 ] 3Dプリンティングは、企業がオンデマンドのカスタムフィットとスタイリングを備えた消費者向けメガネを印刷するまでに至っています（ただし、レンズを印刷することはできません）。ラピッドプロトタイピングを使用すれば、メガネのオンデマンドカスタマイズが可能です。[ 132 ]

交通機関

3Dプリントされたジェットエンジンモデル

自動車、トラック、航空機において、積層造形はユニボディと胴体の設計・製造、そしてパワートレインの設計・製造の両方に変革をもたらし始めています。例えば、ゼネラル・エレクトリックは高性能3Dプリンターを用いてタービン部品を製造しています。[ 133 ]これらのシステムの多くは、量産方法を採用する前のラピッドプロトタイピングに利用されています。その他の顕著な例としては、以下のものが挙げられます。

銃器

AMが銃器に与える影響には2つの側面があります。既存企業にとっての新たな製造方法と、DIY銃器製造の新たな可能性です。2012年、米国に拠点を置くグループDefense Distributedは、「3Dプリンターがあれば誰でもダウンロードして複製できる」実用的なプラスチック製3Dプリント銃器を設計する計画を発表しました。 [ 142 ] [ 143 ] Defense Distributedが計画を発表した後、3Dプリントと広く普及している消費者レベルのCNC加工[ 144 ] [ 145 ]が銃規制の有効性に及ぼす影響について疑問が提起されました。[ 146 ] [ 147 ] [ 148 ] [ 149 ]さらに、自然からインスピレーションを得て、AMを用いてそれらのデザインを容易に試作することで、装甲設計戦略を強化することができます。[ 150 ]

健康

3Dプリント中心の治療法の外科的使用は、1990年代半ばに骨再建手術計画の解剖学的モデリングから始まりました。患者に合わせたインプラントはこの研究の自然な流れで、一人一人にぴったり合う真にパーソナライズされたインプラントにつながりました。[ 151 ] 3Dプリントされたパーソナライズされた器具を使用した手術とガイダンスの仮想計画は、人工関節全置換術や頭蓋顎顔面再建術など多くの外科領域に適用され、大きな成功を収めています。[ 152 ] [ 153 ]その一例は、ミシガン大学で開発された気管気管支軟化症の新生児を治療するための生体吸収性気管副子です。 [ 154 ]整形外科用インプラント（金属）の量産における積層造形の使用も、オッセオインテグレーションを促進する多孔質表面構造を効率的に作成できるため、増加しています。補聴器と歯科産業は、カスタム3Dプリント技術を使用した将来の最大の開発分野になると予想されています。[ 155 ]

3Dプリンティングは無機材料だけに限定されず、3Dプリンティングによって多くの生物医学的進歩が可能になった。2012年の時点で、3Dバイオプリンティング技術は、インクジェット印刷技術を用いて臓器や体の部分を構築する組織工学用途での使用について、バイオテクノロジー企業や学界によって研究されてきた。このプロセスでは、生きた細胞の層をゲル培地または糖マトリックス上に堆積させ、ゆっくりと構築して血管系を含む3次元構造を形成します。[ 156 ] 3Dプリンティングは、生きた人間の体内に新しい組織や臓器を生成できる幹細胞を移植する方法として検討されてきました。 [ 157 ] 2018年には、発酵における細胞固定化用マトリックスを作成するために、初めて3Dプリンティング技術が使用されました。3Dプリントされたナイロンビーズ上に固定化されたプロピオニバクテリウム・アシディプロピオニシによるプロピオン酸生成がモデル研究として選ばれました。これらの3Dプリントビーズは高密度細胞接着とプロピオン酸生産を促進する能力があり、他の発酵バイオプロセスにも適応できることが示された。[ 158 ]

3Dプリンティングは製薬分野の研究者にも活用されています。ここ数年、AM技術を用いた薬物送達に関する学術的な関心が高まっています。この技術は、材料を新しい製剤に活用するための独自の方法を提供します。[ 159 ] AM製造は、製剤分野における従来の技術（例えば、錠剤製造、鋳型成形など）では不可能な方法で、材料や化合物を製剤開発に利用することを可能にします。さらに、3Dプリンティング、特に熱溶解積層法（FDM）における大きな利点の一つは、剤形を個別化することで患者の特定のニーズに対応できることです。[ 160 ]近い将来、3Dプリンターは病院や薬局に導入され、患者のニーズに合わせて個別化された製剤をオンデマンドで製造できるようになると予想されています。[ 161 ]

3Dプリンティングは医療機器にも活用されています。COVID -19パンデミックの際には、3Dプリンターが逼迫したPPE （個人用防護具）の供給を補うために活用され、ボランティアが個人所有のプリンターを使って様々な個人用防護具（フェイスシールドのフレームなど）を製作しました。

教育

3Dプリンティング、特にオープンソース3Dプリンターは、教育現場に浸透しつつある最新技術です。[ 162 ] [ 163 ] [ 164 ] 高等教育機関はデスクトップ型および業務用3Dプリンターの主要な購入者であることが証明されており、業界の専門家は一般的にこれを前向きな兆候と見ています。[ 165 ]一部の著者は、3DプリンターがSTEM教育に前例のない「革命」をもたらすと主張しています。 [ 166 ] [ 167 ]このような主張の根拠は、学生が教室で低コストでラピッドプロトタイピングを行えるだけでなく、オープンソースラボを形成するオープンハードウェア設計から低コストで高品質の科学機器を製造できることです。[ 168 ]さらに、世界中の図書館は、教育機関や地域社会が利用できる小型3Dプリンターを収容する場所にもなっています。[ 169 ] 3Dプリンティングの将来的な用途には、オープンソースの科学機器の作成が含まれる可能性があります。[ 168 ] [ 170 ]

Threedingで公開されたエジプトのファラオの3Dプリント彫刻

考古学的遺物の複製

2010年代には、文化遺産の分野で保存、修復、普及を目的とした3Dプリンティングが集中的に利用されるようになった。[ 171 ]ヨーロッパや北米の多くの博物館が3Dプリンターを購入し、遺跡の失われた部分やボリビアのティワナクなどの考古学的遺跡の再現に積極的に取り組んでいる。[ 172 ]メトロポリタン美術館や大英博物館は、 3Dプリンターを使って博物館のお土産を作り始めており、ミュージアムショップで販売している。[174]国立軍事史博物館やヴァルナ歴史博物館などの他の博物館では、さらに進んで、Artec 3Dスキャナーを使って作成した遺物のデジタルモデルを3Dプリントに適したファイル形式でオンラインプラットフォームThreedingで販売しており、誰でも自宅で3Dプリントできるようになっている。[ 175 ]イラン生まれのアメリカ人アーティスト、モレシン・アラヒヤリは、イラン文化財を3D彫刻の手法で再構築することをフェミニスト活動と捉えている。アラヒヤリは、2014年にISIS過激派によって破壊された一連の文化財を3Dモデリングソフトウェアを用いて復元している。[ 176 ]

歴史的建造物や建築構造物の再現

アムステルダムのストーフ橋、世界初の3Dプリント金属橋[ 106 ]

建築資産の表現に3Dプリントを適用するには多くの課題がある。2018年、イラン国立銀行の構造は従来通り調査され、コンピュータグラフィックスソフトウェア（具体的にはCinema4D）でモデル化され、3Dプリント用に最適化された。チームは部品の構築にこの手法をテストし、成功した。手順をテストした後、モデラーはCinema4Dで構造を再構築し、モデルの正面部分をNetfabbにエクスポートした。建物の入り口が選ばれたのは、3Dプリントの制限とマケット制作のためのプロジェクトの予算による。3Dプリントは、作成された銀行の3Dモデルによって可能になる機能の1つに過ぎなかったが、プロジェクトの範囲が限られていたため、チームは仮想表現や他の用途のためのモデリングを継続しなかった。[ 177 ] 2021年、Parsinejadらは、3Dプリントに対応した3D再構成のための手作業による測量方法とデジタル記録（写真測量法の採用）を包括的に比較した。[ 177 ]

世界初の3Dプリント鋼橋が、 2021年7月にアムステルダムで公開されました。アウデザイズ・アフテルブルグヴァル運河に架かる全長12メートルのこの橋は、ロボットアームを使って4,500キログラムを超えるステンレス鋼を3Dプリントし、完成までに6ヶ月を要しました。[ 178 ]

ソフトアクチュエータ

3Dプリントソフトアクチュエータは、3Dプリント技術の成長分野であり、3Dプリントアプリケーションでその地位を確立しています。これらのソフトアクチュエータは、特にバイオメディカル分野や、人間とロボットの相互作用が不可欠な分野において、柔らかい構造や臓器を扱うために開発されています。既存のソフトアクチュエータの大部分は、デバイスの手作業による製造、後処理/組み立て、そして製造が成熟するまでの長い反復を必要とする従来の方法で製造されています。研究者たちは、現在の製造プロセスの面倒で時間のかかる側面に代えて、ソフトアクチュエータを効果的に製造するための適切な製造方法を模索しています。このように、3Dプリントソフトアクチュエータは、カスタムの形状、機能、および制御特性を備えたソフトアクチュエータの設計と製造に革命をもたらし、より迅速かつ安価なアプローチで導入されています。また、すべてのアクチュエータコンポーネントを単一の構造に組み込むことができるため、外部ジョイント、接着剤、および留め具を使用する必要がなくなります。

回路基板

回路基板の製造には、画像形成、穴あけ、めっき、はんだマスクコーティング、名称印刷、表面仕上げなど、複数の工程が含まれます。これらの工程には、強力な溶剤や酸などの多くの化学物質が使用されます。3Dプリント回路基板は、複雑な設計を維持しながら、これらの工程の多くを不要にします。[ 179 ]ポリマーインクは基板の層を作成するために使用され、銀ポリマーは電気を流すためのトレースと穴を作成するために使用されます。[ 180 ]現在の回路基板の製造は、設計によっては面倒なプロセスになる場合があります。指定された材料が集められ、内層処理工程に送られ、そこで画像の印刷、現像、エッチングが行われます。エッチングコアは通常、ラミネーションツールを追加するためにパンチングされます。次に、コアはラミネーションの準備が整います。回路基板の積層体であるスタックアップが構築され、層が接合されるラミネーション工程に送られます。次に、基板の寸法を測り、穴あけを行います。多くの工程はこの段階と異なる場合がありますが、単純な設計では、材料はめっき工程を経て穴と表面をめっきします。次に、外側のイメージを印刷、現像、エッチングします。イメージが定義されたら、後のはんだ付けのために材料をはんだマスクでコーティングする必要があります。次に、部品を後で識別できるように命名法を追加します。次に、表面仕上げを追加します。ボードはパネル形式から単一またはアレイ形式にルーティングされ、電気的にテストされます。ボードが仕様を満たしていることを証明する書類の作成とは別に、ボードは梱包されて出荷されます。 3D 印刷の利点は、最終的なアウトラインが最初から定義されているため、イメージング、パンチング、またはラミネートが不要であり、銀ポリマーで電気接続が行われるため穴あけやメッキが不要になることです。回路基板の製造に必要な材料がないため、最終的な書類作成も大幅に削減されます。通常の処理では完成に数週間かかる可能性のある複雑な設計も、3D 印刷できるため、製造時間が大幅に短縮されます。

石膏ベースの印刷で印刷された1:20スケールの3Dセルフィー

趣味人

2005年、学術雑誌は3Dプリント技術の芸術的応用の可能性について報告し始めました。[ 181 ]既製のマシンは、装飾品などの実用的な家庭用品を生産できるようになりました。実用的な例としては、実際に動く時計[ 182 ]や家庭用木工機械用に印刷された歯車などがあります。 [ 183 ]​​ 家庭用3Dプリントに関連するWebサイトには、背中のかき棒、コートフック、ドアノブなどが含まれる傾向がありました。[ 184 ] 2017年の時点で、家庭用3Dプリントは趣味家や愛好家を超えて一般消費者に届き始めました。いくつかのプロジェクトや企業が、家庭用のデスクトップで使用できる手頃な価格の3Dプリンターの開発に取り組んでいます。この作業の多くは、 DIY /メーカー/愛好家/アーリーアダプターコミュニティによって推進され、対象とされており、学術コミュニティやハッカーコミュニティとのつながりもあります。

価格の低下と品質の向上に後押しされ、2019年時点では世界中で推定200万人が趣味目的で3Dプリンターを購入しています。[ 185 ]

知的財産

3Dプリンティングは、特許、意匠権、著作権、商標など、多くの法的規制が適用される特定の製造業において、数十年にわたり存在してきました。しかし、3Dプリンターが普及し、個人や愛好家コミュニティが個人使用、非営利配布、または販売のために製品の製造を開始した場合、これらの法律がどのように適用されるかについては、判例がほとんどありません。

上記のいずれの法制度も、3Dプリントに使用されたデザインの配布、または印刷された製品の配布もしくは販売を禁止している可能性があります。知的財産権が有効な場合、これらの行為を行うには、所有者に連絡してライセンスを申請する必要があり、ライセンスには条件と価格が付帯する場合があります。しかし、多くの特許法、意匠法、著作権法には、知的財産（IP）で保護されている発明、デザイン、または美術作品の「私的」または「非営利」使用に関する標準的な制限または例外が含まれています。この標準的な制限または例外により、私的かつ非営利的な使用は知的財産権の適用範囲外となる場合があります。

特許は、プロセス、機械、製造、物質の組成を含む発明を対象とし、その有効期間は国によって異なりますが、通常は出願日から20年です。したがって、ある種類の車輪が特許を取得している場合、そのような車輪を印刷、使用、または販売することは特許侵害となる可能性があります。[ 186 ]

著作権は有形の固定媒体での表現[ 187 ]をカバーし、多くの場合、著者の生存中に加えてその後70年間存続します。[ 188 ]例えば、彫刻家は彫像の著作権を保持しており、他の人は著作権使用料を支払ったり、著作権の期限が切れるのを待ったり、フェアユースの例外内で作業したりすることなく、同一または類似の彫像を印刷するためのデザインを合法的に配布することはできません。

米国の裁判所で問題となった際に、ある特徴が芸術的（著作権で保護される）価値と機能的（特許で保護される）価値の両方を備えている場合、裁判所は、その特徴は、その物品の機能的側面から切り離すことができない限り、著作権で保護されないと判断することが多い。[ 188 ]他の国では、法律と裁判所が異なるアプローチを適用する場合があり、例えば、無許可でコピーされた場合、意匠法の下では非機能的特徴のみが主張できるが、技術的な特徴は有効な特許で保護されている場合にのみ主張できるという理解のもと、有用な装置のデザインを（全体として）工業デザインとして登録することを認めている。

銃規制と銃管理

米国国土安全保障省と合同地域情報センターは、「3次元（3D）印刷能力の著しい進歩、銃器部品用の無料デジタル3D印刷ファイルの入手可能性、そしてファイル共有規制の難しさにより、3D印刷された銃を入手または製造する資格のない銃器探知者による公共の安全に対するリスクが生じる可能性がある」と述べ、「武器の3D印刷を禁止する法案は、その製造を抑止することはできるものの、完全に防止することはできない。たとえ新しい法律によってこの行為が禁止されたとしても、これらの3D印刷ファイルのオンライン配信は、違法に取引される他の音楽、映画、またはソフトウェアファイルと同様に、管理が困難になるだろう」と指摘したメモを発表した。[ 189 ]

インターネットを介した銃の設計図の配布を制限しようとする試みは、DVDリッピングを可能にしたDeCSSの広範な配布を阻止しようとした無益さに例えられてきた。[ 190 ] [ 191 ] [ 192 ] [ 193 ]米国政府が Defense Distributed に設計図を削除させた後も、その設計図はPirate Bayやその他のファイル共有サイトを介して広く入手可能であった。[ 194 ]英国、ドイツ、スペイン、ブラジルからの設計図のダウンロードは多かった。[ 195 ] [ 196 ]米国の一部の議員は、銃の印刷に 3D プリンターが使用されないように規制することを提案している。[ 197 ] [ 198 ] 3D プリンティングの支持者は、そのような規制は無益であり、3D プリンティング業界を麻痺させ、言論の自由の権利を侵害する可能性があると示唆しており、3D プリンティングの初期の先駆者であるHod Lipson教授は、代わりに火薬を規制できると示唆している。[ 199 ] [ 200 ] [ 201 ] [ 202 ] [ 203 ] [ 204 ]

国際的には、銃規制は米国よりも一般的に厳しく、代替銃器が容易に入手できないため、影響はより強く感じられる可能性があると指摘する評論家もいる。[ 205 ]英国当局は、3Dプリント銃の製造は銃規制法に違反すると指摘している。[ 206 ]ユーロポールは、犯罪者は他の武器源にアクセスできるが、技術が進歩するにつれて影響のリスクが高まると指摘した。[ 207 ] [ 208 ]

航空宇宙規制

米国では、FAA（連邦航空局）が積層造形技術の利用ニーズを予測し、このプロセスをどのように規制するのが最善か検討してきた。[ 209 ]航空機部品はすべてFAAの製造承認またはその他のFAA規制カテゴリーに基づいて製造する必要があるため、FAAはこのような製造を管轄している。[ 210 ] 2016年12月、FAAはGE LEAPエンジン用の3Dプリント燃料ノズルの製造を承認した。[ 211 ]航空弁護士のジェイソン・ディクスタイン氏は、積層造形は単なる製造方法であり、他の製造方法と同様に規制されるべきだと示唆している。[ 212 ] [ 213 ]彼は、FAAは既存の規則を変更するのではなく、コンプライアンスを説明するガイダンスに重点を置くべきであり、既存の規制とガイダンスは企業が「品質保証に関する規制ニーズを適切に反映した堅牢な品質システムを開発すること」を許可していると示唆している。[ 212 ]

品質保証

2021年には、ASTM ISO/ASTM52900-21「積層造形における一般原則、基礎、用語」や前述のISO/ASTM52900-15など、最初の規格が発行されました。[ 214 ] [ 215 ] 2023年には、ISO/ASTM 52920:2023 [ 216 ]が、積層造形を用いた産業用積層造形プロセスおよび生産現場における品質レベル確保のための要件を定義しました。ドイツでは以前、DIN規格の草案であるDIN SPEC 17071:2019が発行されていました。

健康と安全

ポリマー原料は、十分に加熱されると超微粒子と揮発性有機化合物（VOC）を放出する可能性があり、これらが相まって呼吸器系および心血管系への悪影響を引き起こすことが知られています。さらに、FFF押出ノズルの温度は通常190℃から260℃に達し、皮膚火傷を引き起こす可能性があります。 バット光重合ステレオリソグラフィープリンターは、高出力レーザーを使用しており、皮膚や目に有害ですが、レーザーは印刷チャンバー内に密閉されているため、印刷中は無害であると考えられています。[ 217 ]

3Dプリンターには、ステッピングモーター、プーリー、ネジ棒、キャリッジ、小型ファンなど、 多くの可動部品が含まれています。これらの部品は、一般的に深刻な怪我を引き起こすほどの電力はありませんが、ユーザーの指、長い髪、ゆったりとした衣服などを挟む可能性があります。ほとんどのデスクトップ型FFF 3Dプリンターには、通常の内部ヒューズや外部トランスフォーマー以外の電気安全機能は追加されていませんが、3Dプリンターの露出部分の電圧は通常12Vから24Vを超えず、一般的に安全と考えられています。[ 217 ]

プリンターの排出ガスに関する研究に関するビデオ

3Dプリントの健康と安全に関する懸念に関する研究は、近年の3Dプリント機器の普及により、新たな段階を迎えており、現在も発展途上にあります。2017年、欧州労働安全衛生機関（ESH）は、3Dプリントのプロセスと材料、この技術が労働安全衛生に及ぼす潜在的な影響、そして潜在的な危険を制御するための方法についてのディスカッションペーパーを発表しました。[ 218 ]

騒音レベルはデシベル（dB）で測定され、家庭用プリンターでは15dBから75dBまで大きく異なります。[ 219 ]フィラメントプリンターの主な騒音源はファン、モーター、ベアリングですが、樹脂プリンターでは通常ファンが騒音の大部分を占めています。[ 219 ]プリンターの騒音を抑える方法としては、防振装置の設置、大口径ファンの使用、定期的なメンテナンスと潤滑、防音筐体の使用などが挙げられます。[ 219 ]

インパクト

付加製造は、今日のような初期段階から始まっており、製造企業は競争力を維持するために、あらゆる利用可能な技術を柔軟かつ常に改善し続ける必要があります。付加製造の支持者たちはまた、この技術開発の波がグローバル化に逆行すると予測しています。なぜなら、エンドユーザーは、他者や企業から製品を購入する貿易に従事するのではなく、自ら製造活動を行うようになるからです。[ 16 ]しかし、新しい付加製造技術を商業生産に真に統合するには、従来の減算的手法を完全に置き換えるのではなく、補完することが重要になります。[ 220 ]

未来学者のジェレミー・リフキン[ 221 ]は、3Dプリンティングは19世紀後半から製造業を支配してきた生産ライン組立に続く第三次産業革命の始まりを告げるものであると主張した[ 222 ]。

社会の変化

ナミビア、ウィントフックの道路標識、3Dプリントを宣伝、2018年7月

1950年代以降、多くの作家や社会評論家が、商業的に手頃な価格の積層造形技術の出現がもたらす可能性のある社会的・文化的変化について、深く考察してきました。[ 223 ]近年、3Dプリンティングは人道支援・開発分野に大きな影響を与えています。分散型製造を促進する可能性は、輸送、倉庫保管、廃棄の必要性を削減することで、サプライチェーンと物流にメリットをもたらしています。さらに、地域生産経済の創出を通じて、社会経済の発展が促進されています。[ 122 ]

3Dプリンターが家庭にどんどん普及するにつれて、家庭と職場の従来の関係がさらに崩れるかもしれないと指摘する人もいます。[ 224 ]同様に、企業が新しい物体の設計図を世界中に送信することが容易になるにつれて、高速貨物サービスの必要性も低下するかもしれないと示唆されています。[ 225 ]最後に、特定の物体が今では簡単に複製できるようになったことを考えると、新しい技術が広く利用可能になったことで知的財産権を保護するために現在の著作権法が変更されるかどうかはまだわかりません。

コモンズに基づくピアプロダクションと3Dプリンティングやその他の低コスト製造技術の結合に注目する人もいる。 [ 226 ] [ 227 ] [ 228 ]永続的な成長システムという自己強化的な幻想は、範囲の経済の発展によって克服でき、ここで社会は生産構造全体をより持続可能でカスタマイズされた生産性のより高い水準に引き上げることに貢献する重要な役割を果たすことができる。[ 226 ]さらに、生産手段の民主化、特に物理的なものに関して、多くの問題や課題、脅威が生じているのは事実である。[ 226 ]例えば、高度なナノマテリアルのリサイクル可能性はまだ疑問視されており、武器の製造はより容易になる可能性があります。偽造への影響は言うまでもなく[ 229 ]、知的財産への影響も懸念されます。[ 230 ]規模の経済を競争の原動力とする産業パラダイムとは対照的に、コモンズベースのピアプロダクション3Dプリンティングは範囲の経済性を生み出す可能性があると主張されるかもしれない。規模のメリットは安価な世界輸送にあるのに対し、範囲の経済性はインフラコスト（無形および有形の生産資源）を共有し、製造ツールの能力を活用する。[ 226 ]そして、ニール・ガーシェンフェルド[ 231 ]の「世界で最も発展が遅れている地域には、最先端の技術がいくつか必要だ」という言葉に倣えば、コモンズベースのピアプロダクションと3Dプリンティングは、地球規模で考えながらも特定のニーズに応じて地域的に行動するために必要なツールを提供する可能性がある。

ラリー・サマーズ氏は、3Dプリンティングやその他のテクノロジー（ロボット、人工知能など）が、定型業務を行う人々にもたらす「壊滅的な影響」について記しています。サマーズ氏の見解では、「すでに製造業の生産作業に従事するアメリカ人男性よりも、障害保険に加入している男性の方が多い。そして、人工知能を具現化した資本が、ブルーカラーだけでなくホワイトカラーの労働をも代替する能力が今後数年間で急速に高まるため、特に低技能労働者にとって、この傾向はすべて間違った方向に向かっている」とのことです。サマーズ氏は、巨額の富を持つ者が所得税と相続税を「支払う」ことを可能にし、見返りに「多大な社会貢献」を要求せずに巨額の富を蓄積することをより困難にする「無数の策略」（例えば、タックスヘイブン、銀行秘密、マネーロンダリング、規制裁定）に対処するため、より積極的な協力的取り組みを提言している。具体的には、独占禁止法のより厳格な執行、知的財産に対する「過剰な」保護の削減、労働者に利益をもたらし富の蓄積に関与する可能性のある利益分配制度のより積極的な奨励、団体交渉協定の強化、コーポレートガバナンスの改善、金融活動への補助金を廃止するための金融規制の強化、富裕層の不動産価格の上昇につながる可能性のある土地利用規制の緩和、若者向けのより良い訓練と失業労働者の再訓練、そしてエネルギー生産や輸送などのインフラ開発への官民投資の拡大などである。[ 232 ]

マイケル・スペンスは、「今、ますます複雑化するタスクにおいて労働を代替する強力なデジタル技術の波が押し寄せている。この労働代替と仲介排除のプロセスは、サービス分野では既にしばらく進行している。ATM、オンラインバンキング、企業資源計画（ERP）、顧客関係管理（CRM）、モバイル決済システムなど、多くの例が考えられる。この革命は商品生産にも広がりつつあり、ロボットや3Dプリンターが労働を代替しつつある」と述べている。スペンスの見解では、デジタル技術のコストの大部分は、初期段階、つまりハードウェア（例えば3Dプリンター）の設計、そしてさらに重要なのは、機械が様々なタスクを実行できるようにするソフトウェアの開発にかかっている。「これが実現されれば、ハードウェアの限界費用は比較的低く（規模が大きくなるにつれて低下する）、ソフトウェアの複製にかかる限界費用は実質的にゼロになる。設計とテストの初期固定費を償却できる巨大な潜在的世界市場が存在するため、（デジタル技術への）投資インセンティブは魅力的である」[ 233 ]

スペンス氏は、企業が世界中で活用されていない貴重な労働力のプールを展開せざるを得なかった以前のデジタル技術とは異なり、現在のデジタル技術の波の原動力は「労働力の代替によるコスト削減」であると考えている。例えば、3Dプリンティング技術のコストが低下するにつれて、生産が「極めて」ローカル化され、カスタマイズ化されることは「容易に想像できる」。さらに、生産は予測された需要ではなく、実際の需要に応じて行われる可能性がある。スペンス氏は、労働力はいかに安価であっても、成長と雇用拡大にとってそれほど重要な資産ではなくなり、労働集約型のプロセス指向型製造業の効率性は低下し、先進国と発展途上国の両方で再ローカル化が進むと考えている。彼の見解では、生産は消滅することはないが、労働集約性は低下し、すべての国は最終的にデジタル技術とその展開と拡大を支える人的資本を中心に成長モデルを再構築する必要があるだろう。スペンスは、「私たちがこれから向かう世界は、商品、サービス、そして伝統的な資本ではなく、アイデアとデジタル資本が最も強力なグローバルフローとなる世界です。これに適応するには、考え方、政策、投資（特に人的資本）、そしておそらく雇用と分配のモデルの転換が必要になります」と書いています。[ 233 ]

ナオミ・ウーは、中国の教室（暗記が標準）でデザインの原則と創造性を教えるために3Dプリントを使用していることを、この技術の最もエキサイティングな最近の進歩と見なし、より一般的には、3Dプリントが次のデスクトップパブリッシング革命になると考えています。[ 234 ]

2024年には、フアン・フェルナンデス女性グループにプリンターが寄贈され、遠隔地のコミュニティの女性たちが、必要な部品を船で輸入するのを待たずに、壊れた機器を修理するための部品を作成できるように支援しました。[ 235 ]

環境の変化

積層造形法の成長は、環境に大きな影響を与える可能性があります。CNCフライス加工などの従来の切削加工法では、大きなブロックから材料を削り取ることで製品が作られます。一方、積層造形法では、製品の製造に必要な最小限の材料を用いて、層ごとに製品を製造します。[ 236 ]これには材料の無駄を減らすという利点があり、原材料の製造を回避することでエネルギーの節約にも貢献します。[ 237 ] [ 238 ]

積層造形法のライフサイクルアセスメントでは、3Dプリンティングによって生産が局所的になるため、製品の輸送の必要性とそれに伴う排出量が減り、この技術を導入することで二酸化炭素排出量がさらに削減されると推定されています。[ 239 ]また、AMによって消費者は購入した製品を修理するために独自の交換部品を作成し、購入した製品の寿命を延ばすことも可能になります。[ 240 ]

製品の構造上必要最低限​​の部品だけを作ることで、積層造形は軽量化に大きく貢献する可能性を秘めている。[ 236 ]これらの軽量部品を使用することで、車両やその他の輸送手段のエネルギー消費量と温室効果ガス排出量を削減することができる。 [ 241 ]例えば、積層造形法で作られた航空機部品に関するケーススタディでは、この部品を使用することで、製品の寿命全体にわたって関連するエネルギーと二酸化炭素排出量が63%削減されることが判明した。[ 242 ]

しかし、積層造形の導入には環境面でのデメリットもある。第一に、AMは従来のプロセスに比べてエネルギー消費量が多い。これは、製品の製造にレーザーや高温などのプロセスを使用するためである。[ 243 ]第二に、積層造形は切削造形に比べて廃棄物を最大90%削減できるにもかかわらず、リサイクルできない廃棄物が発生する可能性がある。[ 244 ]例えば、航空宇宙産業など規制の厳しい業界では、安全上重要な部品の製造にバージンパウダーの使用を強く求める傾向があるため、金属AMにおける材料のリサイクル性には問題がある。[ 236 ]積層造形はまだ理論上の材料効率の潜在的値である97%には達していないが、技術の進歩により生産性が向上するにつれて、この値に近づく可能性がある。[ 245 ]

こうした欠点にもかかわらず、研究と産業界はAMの持続可能性を支えるために更なる進歩を遂げています。高密度ポリエチレン（HDPE）ペレットを溶融する大型FDMプリンターの中には、牛乳瓶の破片など、十分にクリーンなリサイクル材料も使用できるものがあります。さらに、これらのプリンターは、欠陥のある造形物や試作に失敗した製品から細断された材料も使用できるため、プロジェクト全体の無駄や材料の取り扱い・保管を削減できます。このコンセプトはRecycleBotで検討されています。[ 246 ]また、リサイクル金属から金属粉末を製造する産業界の取り組みもあります。[ 247 ]

参照

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