3Dプリンティング
Additive process used to make a 3D object

3Dプリンターの動作中のタイムラプス
Part of a series on the
History of printing
Techniques
Woodblock printing200
Movable type1040
Intaglio (printmaking)1430
Printing pressc. 1440
Etchingc. 1515
Mezzotint1642
Relief printing1690
Aquatint1772
Lithography1796
Chromolithography1837
Rotary press1843
Hectograph1860
Offset printing1875
Hot metal typesetting1884
Mimeograph1885
Daisy wheel printing1889
Photostat and rectigraph1907
Screen printing1911
Spirit duplicator1923
Dot matrix printing1925
Xerography1938
Spark printing1940
Phototypesetting1949
Inkjet printing1950
Dye-sublimation1957
Laser printing1969
Thermal printingc. 1972
Solid ink printing1972
Thermal-transfer printing1981
3D printing1986
Digital printing1991

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次元の物体を構築する技術です。[1] [2] [3]コンピュータ制御下で材料を堆積、結合、または固化する様々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、または粉末粒子を融合させる）。

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年現在[update]、3Dプリンティングの精度、再現性、および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ています。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、中空部品や内部トラス構造を持つ部品などがあり、軽量化と材料の無駄の削減が可能です。熱可塑性材料の連続フィラメントを使用する熱溶解積層法（FDM）は、 2020年現在、最も一般的な3Dプリンティングプロセスです。[8][update]

用語

2000年代に、積層造形（AM）という包括的な用語が人気を博しました [9] 。これは、材料を様々な方法で積み重ねるというテーマに着想を得たものです。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、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、積層技術を表す包括的な用語としての意味合いを進化させました。一方は消費者メーカーコミュニティやメディアによって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ました。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の追加または結合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プリンティングに加えて他の技術や製造プロセスの他の側面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。アジャイルツーリングは、費用対効果が高く高品質な方法を用い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、その他の製造プロセスに使用できます。

歴史

1940年代と1950年代

3Dプリンティングで使用される一般的な概念と手順は、 1945年の短編小説「Things Pass By」でマレー・レンスターによって初めて説明されました。「しかし、このコンストラクターは効率的で柔軟性があります。私はマグネトロニックプラスチック（今日では家や船の材料となっています）をこの可動アームに供給します。光電セルでスキャンした図面に従って空中に図面を描きます。しかし、プラスチックは描画アームの先端から出てきて、…図面に従ってのみ硬化します。」[12]

これは、1950年11月号のAstounding Science Fiction誌に掲載されたレイモンド・F・ジョーンズの小説「Tools of the Trade」でも説明されています。彼はその物語の中でこれを「分子スプレー」と呼んでいました

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、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、再溶解して再び印刷したりするための連続インクジェット金属材料装置です。これは、ラピッドプロトタイピングと制御されたオンデマンド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

本明細書で使用される「印刷」という用語は、限定的な意味ではなく、インクによる書き込みやその他の記号、文字、またはパターンの形成を含む。ここで使用される「インク」という用語は、染料または顔料含有材料だけでなく、マーキングによって記号、文字、または情報のパターンを形成するために表面に塗布するのに適した流動性の物質または組成物を含むことを意図している。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ている。

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に関して言えば、これまで知られている速度で消費され、サイズの増加に比例して増加する場合、高コストは、前述の目的を満たすプロセスまたは装置の広範な享受を著しく制限することになるだろう。

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再利用のために回収することである

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、知能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構成とを備える。

1974年、デビッド・E・H・ジョーンズは、ニューサイエンティスト誌の定期コラム「アリアドネ」で3Dプリンティングの概念を提示しました。[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、名古屋市工業試験場の児玉秀夫は、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、紫外線照射領域は、マスクパターンまたは走査型光ファイバー送信機によって制御される。[17] 彼はこのXYZプロッターの特許を出願し、それは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高く評価されず、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日にレイセオン・テクノロジーズ社に付与された 米国特許第4323756号特許（逐次堆積法による物品の製造方法）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源の使用について記述しており、基板上に「層」を形成して物品を製造する初期の参考文献となっています。

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およびシステムの特許を出願しました（US 4665492）。[21]この出願は、米国特許商標庁（USPTO）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、マスターズが所有する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ものでした。 [22] [23]

1984年7月16日、アラン・ル・メオーテ、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プロセスの特許を出願しました。[24]フランス人発明者の出願は、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）によって放棄されました。[25]主張された理由は「ビジネス的視点の欠如」でした。[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、1986年に商品化した。[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人のメンバー[27]でチームが編成された。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日出願、1992年8月4日付与）は、ニューハンプシャー州にCAD-Cast, Inc.を設立し、1991年8月22日に社名をVisual Impact Corporation（VIC）に変更した。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（後に3D Systems CorporationのChuck Hull氏[29]に譲渡）に譲渡されたUS4575330特許が出願されました。これは、入射放射線、粒子衝撃、化学反応、あるいは紫外線レーザーを用いてフォトポリマーを硬化させることで、個々の薄片または層を追加するステレオリソグラフィー製造システムに関するものです。Hull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で3次元物体を生成するシステム」と定義しました。[30] [31] Hull氏の貢献は、STL（ステレオリソグラフィー）ファイル形式と、今日の多くのプロセスで一般的に使用されているデジタルスライスおよびインフィル戦略でした。1986年、Charles "Chuck" Hull氏はこのシステムの特許を取得し、彼の会社である3D Systems Corporationが設立され、最初の商用3DプリンターであるSLA-1を発売しました。[32] を発売しました。

これまでのほとんどの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）です。これはプラスチック押出成形の特殊な応用で、1988年にS・スコット・クランプ氏によって開発され、彼の会社であるストラタシス社によって商品化されました。ストラタシス社は1992年に最初のFDMマシンを販売しました。[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年のドル換算で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、材料堆積のための新しい技術が開発されました。犠牲材料と支持材料も一般的になり、新しい物体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インクジェットプリントヘッドを用いた粉末床プロセスを指し、 1993年にMITでエマニュエル・サックスによって開発され、ソリゲン・テクノロジーズ、エクストゥルーデ・ホーン・コーポレーション、Zコーポレーションによって商品化されました。[要出典]

1993年には、当初はSanders Prototype社、後にSolidscape社と改名されたインクジェット3Dプリンター会社が設立され、可溶性支持構造（「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、フラウンホーファー研究機構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入れるには高価すぎたため、主に製造業と研究業界でのみ使用されていました。2000年代には、この技術の大規模な利用が産業界で見られるようになり、特に建築業界と医療業界で顕著でしたが、一般的な製造品の製造や大規模な試作ではなく、低精度のモデリングとテストに使用されていました。[37]

2005年、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。この最初の設計図は、 2004年にバース大学のエイドリアン・ボウヤーによって設計され、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・マローンとホッド・リプソンによってFab@Homeプロジェクトが開始されました。これは、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を目的としたプロジェクトであり、非常に協力的なプロジェクトでした。[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ったため、多くの個人ユーザーによって迅速に配布され、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。これにより、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、これらの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開始することを目標としていました。[40]

2010年代

様々な積層造形プロセスが成熟するにつれ、金属除去は、工具またはヘッドが3D作業領域内を移動し、原材料の塊を層ごとに所望の形状に変換する唯一の金属加工プロセスではなくな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]などの金属最終用途部品が、棒材や板材から機械加工されるのではなく、ジョブプロダクションで（機械加工の前または代わりに）成長させられるようになった最初の10年間でした。金属加工においては、鋳造、製造、スタンピング、機械加工が積層造形よりも普及しているのが現状ですが、AMは現在、積層造形のための設計の利点を活かして、大きな進出を始めていますの利点を考えると、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 年には航空旅行者が約 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、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、2015年にPWはPurePower PW1500Gに最初のAM部品をボンバルディアに納入しました。低応力で非回転部品にこだわり、PW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[45]を選択し、この新しい製造技術を初めて導入しました。AMはジェットエンジン製造プロセスにおける部品の総数の中ではまだ小さな役割しか果たしていませんが、部品数の削減、迅速な生産能力、そして「性能とコストの点で最適化された設計」によって、投資収益率はすでに明らかになっています。[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、フィラボト社はプラスチックの循環型循環システム[48]を開発し、FDMまたはFFF方式の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・クック氏とマノス・M・テンツェリス氏は、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テッドエレクトロニクス積層造形プラットフォーム（VIPRE）を実証しました。[49]

プリンターの価格が下がり始めると、この技術に関心のある人々は、欲しいものを作るためのアクセスと自由度が向上しました。2014年時点では、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ごとに堆積させるプロセスを指していました。最近では、電子ビーム積層造形や選択的レーザー溶融など、より多様な積層造形技術を包括する用語として、この用語が一般的に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、このより広い意味で 「積層造形」という公式用語を使用しています。

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[update]（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光造形法（SLA）と選択的レーザー焼結法（SLS）よりも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、[要出典] 、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プリントの世界に参入できる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マシンでは200ドル未満でまともな品質のプリンターを見つけることができます。これらのより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プリント義眼を受け取りました。[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（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用いて合成骨の構造を改善し[55]、衝撃吸収の記録を樹立しました。[56]

2024年7月、研究者たちはAdvanced Materials Technologies誌に 、3Dプリント技術を用いた人工血管の開発に関する論文を発表しました。この血管は、天然の血管と同等の強度と耐久性を備えています。[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ました。[57]

3Dプリントの利点

積層造形、つまり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で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、[58]分散化[59]、そしてこれまで代替方法では不可能だったプロセスの実行です。[60]これらの利点には、試作の高速化、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あります。[61]

さらに、3Dプリンティングの機能は、軽量構造[62]や修理・メンテナンス[63]などの従来の製造業を超えて、義肢[64] 、バイオプリンティング[65]、食品産業[66] 、ロケット製造[67 ]、[デザインとアート]、 [68]、再生可能エネルギーシステム[69]への応用にまで広がっています。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1つの利点は、複雑な形状を高精度かつ正確に製造できることです。[70]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ます。[71]

付加製造プロセスでは、余分な材料を切り取る従来の方法とは異なり、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。[72]これにより、材料コストと環境への影響の両方が削減されます。[73]この廃棄物の削減は、材料の製造と廃棄にかかるエネルギー消費も削減し、二酸化炭素排出量の削減に貢献します。[74] [75]

一般原則

モデリング

3Dプリンティングに使用される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スキャナー、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で作成された3Dプリントモデルは、他の方法よりも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、印刷前に特定して修正できます。[76] 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、実際の物体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形分割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、多数の表面が関係するため、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、曲線の三角形分割を使用して情報を保存します。[77]

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調べる必要があります。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。 [78] [79 ]

  • 穴
  • 面法線
  • 自己交差
  • ノイズシェル
  • マニフォールドエラー[80]
  • オーバーハングの問題[81]

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。[82] [83]一般的に、 3Dスキャンによって取得さ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。[84 ]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行わ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。[85]

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、特定の種類の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。[86]このGコードファイルは、3Dプリントクライアントソフトウェア（Gコードを読み込み、3Dプリントプロセス中に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

プリンター解像度は、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。典型的な層の厚さは約100μm（250DPI）ですが、 一部の機械では16μm（1,600DPI）という薄い層を印刷できます。[87] X-Y解像度はレーザープリンター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（2,540,000～250,000DPI）です。[88]このプリンター解像度では、メッシュ解像度を0.01 ～0.03mm 、弦長を0.016mm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。[89]より高い解像度を指定すると、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分間のビデオのタイムラプス（3分30秒）

現代の方法による模型の製作には、使用する方法や模型のサイズと複雑さに応じて、数時間から数日かかる場合があります。積層造形システムは通常、この時間を数時間に短縮できますが、使用する機械の種類、同時に製作する模型のサイズと数によって大きく異なります。

仕上げ

プリンターで得ら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、より滑らかな表面、着色など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、除去する材料の量を考慮することが重要です。[90]

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、アセトンなどの溶剤 をベースにした化学蒸着法[91]を用いて表面仕上げを平滑化し、改善することができます

一部の積層造形技術は、後処理工程としてアニール処理を施すことでメリットを得ることができます。3Dプリント部品をアニール処理すると、部品の再結晶化により内部層の結合が向上します。これにより、破壊靭性[92] 、曲げ強度[93] 、耐衝撃性[94] 、耐熱性[ 94 ]などの機械的特性が向上します。部品のアニール処理は、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、寸法精度が求められる用途には適さない場合があります。[95]

積層造形または減算造形ハイブリッド製造（ASHM）は、3Dプリント部品を製造し、機械加工（減算造形）を使用して材料を除去する方法です。[96]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方法により、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。[97]

従来の積層造形プロセスの層構造は、造形プラットフォームに対して湾曲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と、造形プロセス内の部品表面の向きに大きく依存します。[98]この効果は、「可変層高さ」または「適応層高さ」を使用することで最小限に抑えることができます。これらの方法は、より高い品質が必要な場所で層の高さを下げます。[99]

3Dプリントされた部品を塗装することで、ほとんどの3Dプリント技術では実現できないような幅広い仕上げと外観を実現できます。このプロセスには通常、表面処理、下塗り、塗装など、複数のステップが含まれます。[100]これらのステップは、部品の表面を準備し、塗料が適切に付着することを保証するのに役立ちます。

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

一部の印刷技術では、構築中に張り出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。これらのサポートは、 PVAなどの水溶性サポート材を使用する場合は、機械的に除去するか溶解する必要があります。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、堆積後に金属部品を金属基板から切断する必要があります。GMAW 3Dプリントの新しいプロセスでは、基板表面を改質してアルミニウム[101]や鋼鉄[102]を除去することができます。

材料

アムステルダムにある世界初の3Dプリント金属橋、ストーフ橋 [nl]の詳細[103]

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重点を置いていました。しかし、この方法は急速に進化し、様々なポリマー[104]だけでなく、金属[105][106]、チョコレート[107]、セラミック[108]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次元物理モデルのレイヤーごとの製造は、「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。」[109]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た堆積速度によって制御され、コンピューターファイルに保存されます。最も初期の印刷特許取得済み材料は、加熱された金属合金を用いてパターンを印刷するためのホットメルト型インクでした。

チャールズ・ハルは1984年8月8日、UVP社でUVマスク光源を用いてUV硬化アクリル樹脂を用いた簡単な模型を製作する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オートファクト・エクスポジションで3Dシステムズが発表した最初のSL製品でした。SLA-1ベータ版は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。どちらの場合も、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洗浄した後、UVオーブンで硬化する必要がありました。すべてのシステムには後硬化装置（PCA）が付属していました。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の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。[110]

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・クランプ氏も、押し出し成形による「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年にハル氏の特許取得の1週間後にウィリアム・E・マスターズ氏によって特許取得されていましたが、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する必要がありました。[110]

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プリンティング

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。[111]

既存の多くの3Dプリント技術の欠点は、一度に1つの材料しか印刷できないため、同じ物体に異なる材料を統合する必要がある多くの潜在的な用途が制限されることです。マルチマテリアル3Dプリントは、複雑で異質な材料配置の物体を1台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。ここでは、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、複雑化を伴う可能性があります。Spec2Fabトランスレータの構築など、いくつかの商用デバイスがこれらの問題の解決を試みていますが、進歩はまだ非常に限られています。[112]それにもかかわらず、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。[113] 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でき、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プリンティングの用途がますます増えるにつれて、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プリンティングの金属組織材料も研究されています。[114]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プリントを実行できます。[115]

4Dプリンティング

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作製が可能になりました。4Dプリンティングは、印刷された物体が時間、温度、また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す。4Dプリンティングは、調整可能な形状、特性、または機能を備えた動的な構造の作製を可能にします。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、形状シフトといった計算された反応を生み出すように活性化されます。これにより、形状変化材料や形状記憶材料のカスタマイズされた印刷が可能になります。[116]

4Dプリンティングは、材料（プラスチック、複合材料、金属など）の新たな用途や使用法を見つけ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可能性を秘めています。この技術と材料の汎用性は、宇宙、商業、医療など、複数の産業分野の進歩につながる可能性があります。4Dプリンティングの再現性、精度、材料の範囲を拡大することで、これらの産業全体でこのプロセスをより実用的にすることができます 

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、克服しなければならない課題がいくつかあります。4Dプリンティングの課題には、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でなければならないという事実が含まれます。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を開発する必要があります。また、4Dプリンティングの様々な技術タイプ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、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。[117]

プロセスとプリンター

3Dプリンティングで作られたガジェットを販売するショップの3Dプリンター

ISO/ASTM52900-15は、その意味において、積層造形（AM）プロセスの7つのカテゴリーを定義しています。[118] [119]それらは次のとおりです

プロセス間の主な違いは、部品を作成するために層を堆積する方法と、使用される材料にあります。それぞれの方法には長所と短所があるため、一部の企業は、物体を造形する材料として粉末とポリマーの選択肢を提供しています。[120]また、耐久性のあるプロトタイプを作成するために、標準的な市販のビジネス用紙を造形材料として使用する企業もあります。機械を選ぶ際の主な考慮事項は、一般的に速度、3Dプリンターと印刷されたプロトタイプのコスト、材料の選択とコスト、およびカラー機能です。[121]金属を直接扱うプリンターは一般的に高価です。しかし、より安価なプリンターを使用して金型を作成し、それを使用して金属部品を製造することができます。[122]

マテリアルジェッティング

物体を形成するために3次元材料を堆積する最初のプロセスは、マテリアルジェッティング[28]、または当初は粒子堆積と呼ばれていましたインクジェットによる粒子堆積は、最初、連続インクジェット技術 (CIT) (1950 年代) から始まり、その後、ホットメルトインクを使用するドロップオンデマンドインクジェット技術 (1970 年代) へと進みました。ワックスインクは、最初に噴射された 3D 材料であり、その後、低温合金金属が CIT で噴射されました。ワックスと熱可塑性ホットメルトは、次に国防総省によって噴射されました。オブジェクトは非常に小さく、看板用のテキスト文字と数字から始まりました。オブジェクトは形を持ち、取り扱うことができる必要があります。ワックス文字は紙の文書から転がり落ち、1971 年に看板用の金属文字を作成する液体金属レコーダーの特許につながりました。熱可塑性カラーインク (CMYK) は、各色の層で印刷され、1984 年に初めてデジタル形成された層状オブジェクトになりました。

材料押し出し

熱溶解積層法として知られる3Dプリント技術の概略図。プラスチック材料のフィラメント「a)」が加熱された可動ヘッド「b)」に供給され、溶融して押し出され、層ごとに所望の形状「c)」に積層されます。可動プラットフォーム「e)」は、各層が積層されるごとに下降します。この種の技術では、張り出した部品を支えるために追加の垂直支持構造「d)」が必要です

いくつかの方法では、材料を溶かしたり柔らかくしたりして層を作ります。熱溶解積層法（FDM）としても知られる熱溶解フィラメント造形では、小さなビーズまたは材料の流れを押し出してすぐに硬化して層を形成することでモデルまたは部品が作成されます。熱可塑性樹脂、金属ワイヤ、またはその他の材料のフィラメントを押し出しノズルヘッド（3Dプリンター押し出し機）に送り込み、そこで材料を加熱して流れをオン/オフします。FDMでは、製造できる形状のバリエーションが多少制限されます。別の技術では、層の一部を融合してから作業領域内を上方に移動し、別の顆粒層を追加して、ピースが構築されるまでプロセスを繰り返すことがあります。このプロセスでは、融合していない媒体を使用して、製造中の部品のオーバーハングと薄壁をサポートするため、ピースの一時的な補助サポートの必要性が軽減されます。[123]最近、FFF/FDMは、フィラメントへの変換を避けるために、ペレットから直接3Dプリントするように拡張されています。このプロセスは、溶融粒子製造（FPF）（または溶融粒状製造（FGF））と呼ばれ、より多くのリサイクル材料を使用できる可能性があります。[124]

パウダーベッドフュージョン

粉末床溶融結合法（PBF）には、DMLS、 SLS、SLM、MJF、EBMなどのプロセスが含まれます。粉末床溶融結合法はさまざまな材料に使用でき、その柔​​軟性により幾何学的に複雑な構造が可能になり、[125]多くの3D印刷プロジェクトに適しています。これらの技術には、金属とポリマーの両方を対象とした選択的レーザー焼結法と直接金属レーザー焼結法があります。[126] 選択的レーザー溶融法では、粉末顆粒の溶融に焼結を使用しませんが、高エネルギーレーザーを使用して粉末を完全に溶融し、従来の製造金属と同様の機械的特性を持つ層状の方法で完全に高密度の材料を作成します。電子ビーム溶融法は、金属部品（チタン合金など）用の同様のタイプの積層製造技術です。EBMでは、高真空中で電子ビームを使用して金属粉末を層ごとに溶融して部品を製造します。[127] [128]もう1つの方法は、インクジェット3Dプリントシステムです。これは、粉末（石膏または樹脂）の層を広げ、インクジェットのようなプロセスを使用して部品の断面にバインダーを印刷することで、一度に1層ずつモデルを作成します。積層造形物の製造では、薄い層を形状に合わせて切断し、結合します。前述の方法に加えて、HPは粉末ベースの技術であるMulti Jet Fusion （MJF）を開発しましたが、レーザーは使用しません。インクジェットアレイが融合剤とディテール剤を塗布し、加熱によって結合して固体層を作成します。[129]

バインダージェッティング

バインダージェット3Dプリント技術では、通常は粉末状の材料層に結合接着剤を堆積させ、この「グリーン」状態の部品を硬化させ、焼結させることもあります。材料は、セラミックベース、金​​属、またはプラスチックです。この方法はインクジェット3Dプリントとも呼ばれます。部品を製造するために、プリンターはプラットフォームベース上を移動するヘッドを使用してモデルを構築し、粉末（石膏と樹脂）とバインダーを交互に層状に塗布または堆積させます。ほとんどの最新のバインダージェットプリンターは、バインダーの各層も硬化させます。これらの手順は、すべての層が印刷されるまで繰り返されます。このグリーン部品は通常、バインダーの大部分を脱ガスするためにオーブンで硬化させ、その後、特定の材料に指定された時間-温度曲線で窯で焼結されます

この技術により、フルカラーのプロトタイプ、オーバーハング、エラストマー部品の印刷が可能になります。結合された粉末プリントの強度は、粉末のネックまたは焼結マトリックス間の空間に、粉末材料に応じてワックス、熱硬化性ポリマー、さらには青銅などの他の適合性材料を含浸させることで高めることができます。[130] [131]

光造形法の模式図。発光装置（a）（レーザーまたはDLP ）が、液体の光重合樹脂で満たされたタンク（b）の透明な底部（c）を選択的に照射します。固化した樹脂（d）は、リフティングプラットフォーム（e）によって徐々に引き上げられます。

光造形法

他の方法では、光造形法などの高度な技術を用いて液体材料を硬化させます。光重合は、主に光造形法で液体から固体部品を製造するために使用されます。Objet PolyJetシステムのようなインクジェットプリンターシステムは、パーツが完成するまで、造形トレイ上にフォトポリマー材料を超薄層（16～30μm）でスプレーします。 [132]各フォトポリマー層は、噴射後に紫外線で硬化され、後硬化なしですぐに取り扱い、使用できる完全硬化モデルが作成されます。多光子光重合法で使用される3Dマイクロファブリケーション技術により、超微細構造を作製できます。光励起の非線形性により、レーザーが焦点を合わせた部分のみゲルが固体に硬化し、残りのゲルは洗い流されます。100nm未満の構造サイズや、可動部品や連動部品を備えた複雑な構造も容易に作製できます。[133]さらに別のアプローチでは、 LEDを用いて固化する合成樹脂を使用します。[134]

マスク画像投影ベースのステレオリソグラフィーでは、3Dデジタルモデルを一連の水平面でスライスします。各スライスは2次元のマスク画像に変換されます。次に、マスク画像を光硬化性液体樹脂表面に投影し、光を樹脂に投影して層の形状に硬化させます。[135] 連続的な液体界面生成は、液体フォトポリマー 樹脂のプールから始まります。プールの底の一部は紫外線を透過し（「窓」）、樹脂を固化させます。物体はゆっくりと上昇し、樹脂が物体の底部の下を流れ、接触を維持できるようにします。[136]粉末供給型指向性エネルギー堆積法では、高出力レーザーを使用して、レーザービームの焦点に供給された金属粉末を溶融します。粉末供給型指向性エネルギー堆積法は選択的レーザー焼結法に似ていますが、金属粉末は、その瞬間に材料が部品に追加される場所にのみ適用されます。[137] [138]

コンピュータ軸リソグラフィー

コンピュータ軸リソグラフィーは、コンピュータ断層撮影スキャンに基づいて光硬化性樹脂で印刷物を作成する3D印刷手法です。カリフォルニア大学バークレー校とローレンス・リバモア国立研究所の共同研究によって開発されました。[139] [140] [141]他の3D印刷手法とは異なり、熱溶解積層法や光造形法のように材料の層を堆積させてモデルを構築するのではなく、樹脂の円筒上に投影された一連の2D画像を使用してオブジェクトを作成します。[139] [141]他の樹脂を用いた方法よりもはるかに迅速にオブジェクトを構築できることと、印刷物内にオブジェクトを埋め込むことができることが注目に値します。[140]

液体積層造形

液体積層造形（LAM）は、液体または高粘度材料（例：液状シリコーンゴム）を造形面に堆積させて物体を作成し、その後、熱を用いて加硫させて物体を硬化させる3Dプリント技術です。[142] [143] [144]このプロセスは、もともとエイドリアン・ボウヤーによって開発され、その後、ドイツのRepRapによって開発されました。[142] [145] [146]

プログラマブルツーリングと呼ばれる技術は、3Dプリントを用いて仮の型を作成し、従来の射出成形プロセスで充填した後、すぐに溶解します。[147]

ラミネート

一部のプリンターでは、紙を造形材料として使用できるため、印刷コストを削減できます。1990年代には、二酸化炭素レーザーを使用して特殊な接着剤を塗布した紙から断面を切り出し、それをラミネートするプリンターを販売した企業もありました。

2005年、Mcor Technologies Ltdは、通常の事務用紙、形状を切断するためのタングステンカーバイドブレード、接着剤の選択的堆積と圧力を用いてプロトタイプを接着する、異なるプロセスを開発しました。[148]

指向性エネルギー堆積法（DED）

粉末供給型指向性エネルギー堆積法

粉末供給式指向性エネルギー堆積法（レーザー金属堆積法とも呼ばれる）では、高出力レーザーを用いて、レーザービームの焦点に供給された金属粉末を溶融します。レーザービームは通常、堆積ヘッドの中心を通過し、1つまたは複数のレンズによって小さな点に焦点を合わせます。造形はXYテーブル上で行われ、このXYテーブルはデジタルモデルから作成されたツールパスによって駆動され、層ごとに物体を製造します。堆積ヘッドは、各層が完成するにつれて垂直方向に上昇します。一部のシステムでは、5軸[149] [150]または6軸システム[151]（多 関節アーム）を使用しており、空間的なアクセス制限をほとんどまたは全く設けずに、基板（印刷ベッドまたは既存の部品[152]）上に材料を供給することができます。金属粉末はヘッドの円周に沿って供給・分配されるか、内部マニホールドによって分割され、堆積ヘッドの周囲に様々な配置で配置されたノズルから供給されます。不活性ガスまたは局所的な不活性シュラウドガス（場合によっては両者を併用）で満たされた密閉チャンバーは、溶融プールを大気中の酸素から遮断し、酸化を抑制し、材料特性をより適切に制御するためによく使用されます。粉末供給型指向性エネルギー焼結法は選択的レーザー焼結法に似ていますが、金属粉末は、その時点で材料が部品に添加される部分にのみ噴射されます。レーザービームを用いて基板を加熱し、「溶融プール」を形成し、そこに新しい粉末がほぼ同時に注入されます。このプロセスは、チタン、ステンレス鋼、アルミニウム、タングステンなどの特殊材料に加え、複合材料や傾斜機能材料など、幅広い材料に対応しています。このプロセスは、新しい金属部品を完全に製造できるだけでなく、コーティング、修理、ハイブリッド製造用途など、既存の部品に材料を追加することも可能です。サンディア国立研究所が開発したレーザー・エンジニアード・ネットシェーピング（LENS）は、3Dプリントまたは金属部品の修復のための粉末供給型指向性エネルギー堆積プロセスの一例です。 [153] [154]

金属ワイヤプロセス

レーザー金属堆積ワイヤ（LMD-w）などのレーザーベースのワイヤ供給システムは、開放環境（レーザーの周囲にガスがある）または密閉されたチャンバー内で、不活性ガスシールドを使用してレーザーによって溶融されたノズルを通してワイヤを供給します。電子ビーム自由造形法では、真空チャンバー内の電子ビーム熱源を使用します

3Dステージに取り付けられた従来のガスメタルアーク溶接を使用して、鋼、青銅、アルミニウムなどの金属を3Dプリントすることも可能です。 [155] [156]低コストのオープンソースRepRapスタイルの3Dプリンターには、 Arduinoベースのセンサーが装備されており、従来の溶接ワイヤを原料として適切な冶金特性が得られることが実証されています。[157]

選択的粉末堆積法（SPD）

選択的粉末堆積法では、造形粉末と支持粉末がるつぼに選択的に堆積され、造形粉末が目的の形状を取り、支持粉末がるつぼの残りの容積を満たす。次に、充填材を造形粉末と接触するように塗布する。次に、るつぼを窯に入れ、充填材の融点以上かつ粉末の融点未満の温度で焼成する。充填材が溶けると、造形粉末が浸される。しかし、支持粉末は浸されない。これは、支持粉末が充填材によって濡れないように選ばれているからである。焼成温度で、充填材と造形粉末の原子が相互に拡散する場合（銅粉末と亜鉛充填材の場合など）、得られる材料はそれらの原子の均一な混合物（この場合は青銅）となる。しかし、1100℃におけるタングステンと銅のように、原子が相互に融解しない場合は、得られる材料は複合材料となる。形状の歪みを防ぐため、焼成温度は得られる合金の固相線温度よりも低くなければならない。[158]

極低温3Dプリンティング

極低温3Dプリンティングは、液体材料を堆積させながら凍結させることで固体構造を形成する技術の集合体です。各液体層を塗布すると、前の層と印刷環境の低温によって冷却され、固化します。他の3Dプリンティング技術とは異なり、極低温3Dプリンティングでは制御された印刷環境が必要です。製造中に構造が固体のままであることを保証するために、周囲温度は材料の凝固点以下にする必要があり、層間の霜の発生を防ぐために湿度を低く保つ必要があります。[159]材料には通常、水、塩水、スラリー、ハイドロゲルなどの水ベースの溶液が含まれます。[160] [161]極低温3Dプリンティング技術には、急速凍結プロトタイプ（RFP）[160] 、低温堆積製造（LDM）[162]、凍結成形押し出し製造（FEF）[163]などがあります

用途

アウディRSQは、 KUKAのラピッドプロトタイピング産業用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）で商業技術の成功に役立ってきた。[164]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。[165]積層造形が最も早く応用されたのは、製造業の中でも工具室での生産だった。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、 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しか使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。[166] 2010年代には、積層造形が製造業にかなり広範囲に導入された。

食品

食品の付加製造は、食品を層ごとに押し出して立体物を作る技術として開発されています。チョコレートやキャンディー、クラッカー、パスタ[167] 、ピザ[168] [169]などの平らな食品など、多種多様な食品が適切な候補です。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ます。 [170] 2018年、イタリアのバイオエンジニア、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ました。[171] [172]

ファッション

3Dプリントネックレス

3Dプリンティングは衣料品の世界にも進出し、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。[173]商業生産においては、ナイキが3Dプリンティングを用いて、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にカスタムフィットシューズを3D製造しました。[173] [174] 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アイウェアを印刷できるまでに進化しています（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によって、メガネのオンデマンドカスタマイズが可能になります。[175]

輸送

3Dプリントされたジェットエンジン模型

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と製造、そしてパワートレインの設計と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プリンターを使用してタービンの部品を製造しています。[176]これらのシステムの多くは、大量生産方法を採用する前のラピッドプロトタイピングに使用されています。その他の顕著な例は次のとおりです。

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。 [185] [186] 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[187] [188]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。[189] [190] [191] [192]さらに、自然からインスピレーションを得て、AMを用いて容易にプロトタイプを作成することで、防具設計戦略を強化することができます。[193]

健康

3Dプリンティングを中心とした治療法の外科的利用は、1990年代半ばに骨再建手術計画のため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あり、真にパーソナライズされた、一人ひとりの患者にフィットするインプラントの実現につながりました。[194] 3Dプリントされたパーソナライズされた器具を用いた仮想的な手術計画とガイダンスは、人工関節全置換術や頭蓋顎顔面再建術など、多くの外科分野に適用され、大きな成功を収めています。[195] [196]その一例は、ミシガン大学で開発された、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。 [ 197] 整形外科用インプラント（金属）の連続生産における積層造形の使用も増加しています。これは、骨結合を促進する多孔質表面構造を効率的に作成できるためです。補聴器業界と歯科業界は、カスタム3Dプリンティング技術を用いた今後の最大の発展分野になると予想されています。[198]

3Dプリンティングは無機材料に限定されず、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ています。2012年現在[update]、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への応用可能性について、バイオテクノロジー企業や学界によって研究されています。このプロセスでは、生細胞の層がゲル培地または糖マトリックス上に堆積され、ゆっくりと構築されて血管系を含む3次元構造を形成します。[199] 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。 [200] 2018年には、発酵における細胞固定化のためのマトリックスを作成するために、3Dプリンティング技術が初めて使用されました。3Dプリントされたナイロンビーズに固定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産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ました。[201]

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。[202] AM製造は、製剤開発において、錠剤製造や鋳型成形といった製薬分野における従来の技術では不可能な材料や化合物の利用を可能にします。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、剤形の個別化を実現し、患者の個々のニーズに応えることができることです。[203]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た個別化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。[204]

3Dプリンティングは医療機器にも使用されています。COVID -19パンデミックの間、3DプリンターはPPEの供給不足を補うために使用されました。ボランティアが個人所有のプリンターを使用して、さまざまな個人用保護具（フェイスシールドのフレームなど）を製造しました。

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、教室に浸透しつつある最新の技術です。[205] [206] [207] 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指標と見ています。[208]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。[209] [210]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からも得られます。[211]さらに、世界中の図書館は、教育や地域社会へのアクセスのために小型の3Dプリンターを収容する場所にもなっています。[212] 3Dプリンティングの将来の用途には、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。[211] [213]

Threedingで展示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、3Dプリンティングは文化遺産の分野で保存、修復、普及のために集中的に使用されるようになりました。[214]多くのヨーロッパと北米の博物館が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記念碑を積極的に再現しています。[215]メトロポリタン美術館と大英博物館は、3Dプリンターを使用して博物館のお土産を作成し始めており、ミュージアムショップで購入できます。[217]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スキャナーを使用して作成され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プリントできます。[218]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、イランの文化財を3D彫刻のプロセスを用いて再構築することをフェミニスト活動と捉えています。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再構築しています。[219]

歴史的建造物や建築構造物の複製

アムステルダムにある世界初の3Dプリント金属製橋、ストーフブルグ [nl] [103]

建築資産の表現における3Dプリントの応用には多くの課題があります。2018年、イラン国立銀行の構造は従来の方法で調査され、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ました。チームは部品の構築にこの技術をテストし、成功しました。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にエクスポートしました。建物の入り口は、3Dプリントの制限と模型制作のためのプロジェクトの予算から選択されました。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った機能の1つに過ぎませんでしたが、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その他の用途のためのモデリングを継続しませんでした。[220] 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）を包括的に比較しました。[220]

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キログラム以上のステンレス鋼を3Dプリントして作られました。完成まで6か月かかりました。 [221]

ソフトアクチュエーター

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において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。現在の製造プロセスの面倒で時間のかかる側面の代わりに、研究者たちは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、カスタマイズされた幾何学的、機能的、および制御特性を持つソフトアクチュエータの設計と製造に、より迅速かつ安価なアプローチで革命を起こすために導入されています。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も可能になり、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、画像処理、穴あけ、メッキ、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含まれます。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。[222]ポリマーインクは構造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に使用されるトレースと穴を作成するために使用されます。[223]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可能性があります。指定された材料が集められ、内層処理に送られ、そこで画像が印刷、現像、エッチングさ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加工されます。その後、コアはラミネーションの準備を整えます。スタックアップ、つまり回路基板の積層構造が構築され、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、穴あけ加工を行います。この段階とは異なる工程も多くありますが、シンプルな設計の場合、材料はめっき工程を経て穴と表面にめっきが施されます。次に、外側の画像を印刷、現像、エッチングします。画像が定義された後、後のはんだ付けのために材料にソルダーマスクを塗布する必要があります。次に、部品を識別できるように名称を付与します。そして、表面仕上げを施します。基板はパネル形状から単体またはアレイ形状に配線され、電気試験が行われます。基板が仕様を満たしていることを証明する書類を記入した後、基板は梱包され、出荷されます。3Dプリンティングの利点は、最終的な外形が最初から定義されているため、画像作成、パンチング加工、ラミネーションが不要であり、銀ポリマーで電気接続が行われるため、穴あけやめっきが不要であることです。回路基板の製造に必要な材料が不足しているため、最終的な事務作業も大幅に削減されます。通常の工程では完成までに数週間かかる複雑な設計も、3Dプリントすることで製造時間を大幅に短縮できます。

石膏ベースの印刷を使用して印刷された1/20スケールの3Dセルフィー

愛好家

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。[224]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[225]や、家庭用木工機械用に印刷された歯車などがあります。 [226]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。[227] 2017年の時点で、家庭用3Dプリントは、趣味人や愛好家を超えた一般消費者層に届き始めています。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年現在、[update]世界中で推定200万人が趣味で3Dプリンターを購入しています。[228]

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、多くの法的制度が適用される可能性のある特定の製造業において、数十年前から存在しています。しかし、 3Dプリンターが主流になり、個人または愛好家コミュニティが個人使用、非営利の配布、または販売のためにアイテム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、判例があまりありません

上記の法制度はいずれも、3Dプリントで使用されるデザインの配布、または印刷されたアイテムの配布や販売を禁止している場合があります。知的財産権が関与するこれらの行為を許可するには、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随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、または芸術作品の「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、そのような私的、非営利的な使用は知的財産権の範囲外となる場合があります

特許は、プロセス、機械、製造、物質の組成などの発明をカバーし、国によって異なりますが、通常は申請日から20年という有限の有効期間があります。したがって、ある種類のホイールが特許を取得している場合、そのようなホイールを印刷、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。[229]

著作権は、有形の固定媒体における表現[230]をカバーし、多くの場合、著作者の生涯に加えてその後70年間存続します。[231]例えば、彫刻家は彫像の著作権を保持しているため、他の人は、ロイヤルティを支払ったり、著作権の有効期限を待ったり、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、ある特徴が芸術的（著作権で保護される）メリットと機能的（特許で保護される）メリットの両方を備えている場合、裁判所は、その特徴が物品の機能的側面から切り離せない限り、著作権で保護されないと判断することが多い。[231]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、無許可で複製された場合、意匠法に基づいて主張できるのは非機能的特徴のみである一方、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）工業意匠として登録することを認めている

銃器に関する法律と行政

米国国土安全保障省と統合地域情報センターは、「3次元（3D）印刷能力の著しい進歩、銃器部品用の無料のデジタル3D印刷ファイルの入手可能性、そしてファイル共有の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を求める人々による公共の安全上の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可能性はあるが、完全に防ぐことはできない。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、他の違法に取引される音楽、映画、またはソフトウェアファイルと同様に制御が困難になるだろう」と述べたメモを発表した。[232]

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することの無益さに例えられている[233] [234] [235] [236]米国政府がDefense Distributedに設計図を削除させた後も、設計図はPirate Bayなどのファイル共有サイトを通じて広く入手可能であった。[237]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数は多かった。[238] [239]米国の一部議員は、3Dプリンターが銃の製造に使用されないように規制を提案している。[240] [241] 3Dプリンター推進派は、このような規制は無意味であり、3Dプリンター業界を麻痺させ、言論の自由を侵害する可能性があると指摘し、3Dプリンターの先駆者であるホッド・リプソン教授は、代わりに火薬を規制すべきだと提言している。[242] [243] [244] [245] [246] [247]

国際的には、銃規制は一般的に米国よりも厳しく、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。[248]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。[249] ユーロポールは、犯罪者は他の武器源にアクセスできるものの、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。[250] [251]

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。[252]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はこうした製造に対する管轄権を有している。[253] 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。[254]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。[255] [256]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」ことを可能にすべきだと示唆している。[255]

品質保証

2021年には、最初の規格が発行されました。例えば、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などです。[118] [119] 2023年には、ISO/ASTM 52920:2023 [257]が、必要な品質レベルを確保するために、積層造形を使用する産業用積層造形プロセスおよび生産現場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、これらは相まって呼吸器系および心血管系への健康への悪影響と関連付けられています。さらに、FFF押出ノズルは通常190℃から260℃の温度に達し、皮膚火傷を引き起こす可能性があります。 バット光重合光造形プリンターは、皮膚や目に危険を及ぼす高出力レーザーを使用しますが、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。[258]

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、またはゆったりとした衣服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～24Vを超えず、一般的に安全と考えられています。[258]

プリンターの排出物に関する研究に関するビデオ

3Dプリンティングの健康と安全に関する懸念に関する研究は、3Dプリンティングデバイスの近年の普及により、新たな段階にあり、発展途上にあります。2017年、欧州労働安全衛生機関は、 3Dプリンティングに関連するプロセスと材料、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関するディスカッションペーパーを発表しました。[259]

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まで大きく変動する可能性があります。[260]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。[260]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の実施、防音エンクロージャーの使用などが挙げられます。[260]

影響

積層造形は、今日の黎明期から始まり、製造企業が競争力を維持するために、利用可能なあらゆる技術を柔軟かつ常に改善し続けることを要求しています。積層造形の支持者はまた、エンドユーザーが他者や企業から製品を購入するために取引を行うのではなく、自ら製造の大部分を行うようになるため、この技術開発の流れはグローバル化に逆らうものになると予測しています。 [16]しかし、新しい積層技術を商業生産に真に統合することは、従来の減算的な方法を完全に置き換えるのではなく、補完することの問題です。[261]

未来学者の ジェレミー・リフキン[262]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[ 263]の始まりを告げるものだと主張しました

社会変化

ナミビア、ウィントフックの道路標識、3Dプリンティングの広告、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によってもたらされる可能性のある社会的および文化的変化について、深く考察してきました。[264]近年、3Dプリンティングは人道支援および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、廃棄物の必要性を減らすことで、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。[165]

3Dプリンターがますます多くの家庭に普及するにつれて、家庭と職場の従来の関係がさらに崩れる可能性があると示唆する人もいます。[265]同様に、企業が新しい物体のデザイン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可能性があると示唆されています。[266]最後に、特定の物体が現在容易に複製できることを考えると、広く利用可能な新しい技術によって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。

コモンズベースのピアプロダクションと3Dプリンティングおよびその他の低コストの製造技術の結合に注目する人もいます。 [267] [268] [269]永遠の成長システムという自己強化された幻想は、範囲の経済の発展によって克服することができ、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ます[267]さらに、生産手段の民主化、特に物理的な生産手段の民主化により多くの問題や課題、脅威が生じているのは事実である。[267]例えば、先端ナノマテリアルのリサイクル性は依然として疑問視されており、兵器の製造は容易になる可能性がある。偽造[270]や知的財産への影響は言うまでもない。[271]規模の経済が競争の原動力であった産業パラダイムとは対照的に、コモンズに基づくピアプロダクション3Dプリンティングは範囲の経済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グローバル輸送にあるが、範囲の経済は製造ツールの能力を活用してインフラコスト（無形および有形の生産資源）を共有する。[267]そしてニール・ガーシェンフェルド[272]の「世界で最も発展途上の地域のいくつかは、最も先進的な技術のいくつかを必要としている」という言葉に従えば、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特定のニーズに応じてローカルに行動するために必要なツールを提供するかもしれない。

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、若者へ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が挙げられる。[273]

マイケル・スペンスは、「今、ますます複雑なタスクにおいて労働を置き換え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業者排除のプロセスは、サービス部門でしばらく前から進行している。ATM、オンラインバンキング、企業資源計画、顧客関係管理、モバイル決済システムなどを考えてみよう。この革命は商品の生産にも広がり、ロボットや3Dプリンティングが労働を置き換えている」と書いている。彼の見解では、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作成にかかっている。「これが達成されると、ハードウェアの限界費用は比較的低くなり（規模が大きくなるにつれて低下する）、ソフトウェアを複製す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するための巨大な潜在的な世界市場があるため、[デジタル技術への]投資インセンティブは魅力的である。」[274]

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るでしょう」と書いています。[274]

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プリントが使用されていることを、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プリントを次のデスクトップパブリッシング革命と見なしています。[275]

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つことなく、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。[276]

環境変化

積層造形の成長は、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製造方法では、大きなブロックから材料を削り取ることで製品を作成します。対照的に、積層造形は、製品の作成に必要な最小限の材料を使用して、層ごとに製品を作成します。[277]これには材料の無駄を減らすという利点があり、原材料の生産を回避することでさらにエネルギー節約に貢献します。[278] [279]

積層造形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現地生産が可能になり、製品の輸送の必要性とそれに伴う排出量が削減されるため、この技術を導入することで二酸化炭素排出量をさらに削減できると推定されています。[280]また、AMにより、消費者は購入した製品を修理するための交換部品を独自に作成し、製品の寿命を延ばすことも可能になります。[281]

製品の構造上必要最低限​​のものだけを作ることで、積層造形は軽量化にも大きく貢献する可能性があります。[277]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できます。 [282]例えば、積層造形を使用して製造さ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%削減されることがわかりました。[283]

しかし、積層造形の導入には環境面でのデメリットもあります。第一に、AMは従来のプロセスと比較してエネルギー消費量が多いです。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す。[284]第二に、積層造形は切削造形と比較して廃棄物を最大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ります。[285]例えば、航空宇宙産業などの規制の厳しい業界では、安全性が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ことが多いため、金属AMにおける材料のリサイクル性には問題があります。[277]積層造形はまだ理論上の材料効率の潜在能力である97%には達していませんが、技術の生産性向上が進むにつれて、それに近づく可能性があります。[286]

欠点にもかかわらず、研究と産業界はAMの持続可能性を支援するためにさら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一部の大型FDMプリンターは、欠けた牛乳瓶などの十分にきれいなリサイクル材料も受け入れる可能性があります。さらに、これらのプリンターは、欠陥のあるビルドや失敗したプロトタイプバージョンから細断された材料を使用できるため、プロジェクト全体の無駄や材料の取り扱いと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。[287]リサイクル金属から金属粉末を製造するための産業界の取り組みもあります。[288]

参照

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