3Dプリンターが住宅から顎の手術まであらゆるものをどのように変えているのか

1945 年に出版されたマレー・レンスターの短編小説「Things Pass By」には、おそらく 3D プリンターに関する最初の記述が含まれています。

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。マグネトロニックプラスチック（今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。アームは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。

実用的な3Dプリンター、あるいは積層造形（additive manufacturing）は1980年代から存在していました。アメリカのビル・マスターズ氏は、いくつかの理論実験を経て、最初の商用3Dプリンターの基礎となるいくつかの技術を開発し、特許を取得しました。それから40年が経ち、3Dプリンターは非常に安価で使いやすくなり、興味のある人なら誰でも購入できるようになりました。

急速な発展

長らく、この技術は、最終設計を射出成形などのより成熟した安価なプロセスで製造する前に、プロトタイプを迅速に作成する手段としてのみ使用されていました。また、3Dオブジェクトを様々なプラスチック材料で印刷することしかできなかったのも長らくの事実ですが、近年、その用途と材料はともに拡大しています。

「近年、3Dプリンターは大きく進化しました。ハードウェアとソフトウェアの両方が進化しましたが、より重要なのはエコシステムが成熟したことです。プリンターは、PLA（ポリエステルの一種）や樹脂から、スチール、ケブラー、さらには有機材料まで、様々な素材に対応できるようになりました。25年以上の開発期間を経て、ここ2～3年で、特にソフトウェアがより使いやすく、ユーザーフレンドリーになったことで、3Dプリンターは真のブームを迎えています。今や、3Dプリンターは専門家向けから産業界、そして一般消費者向けへと進化を遂げています」と、3DプリンターとAIを組み合わせた新会社を立ち上げたばかりのゲーム開発者であり起業家でもあるクリス・フォザリンガム氏は語る。

ブライアン・ラウドン

グラスゴーを拠点とするデザインコンサルタント、ブライアン・ラウドン氏によると、古くから実績のある技術でさえ、近年大きく進化しているという。これは特に、フィラメントプリンター（FDMまたはFFF（Fused Filament Fabricationの略）とも呼ばれる）において顕著だ。これは、例えばABS樹脂などの長い繊維を流し込む、多くの人がよく知っているタイプの3Dプリンターだ。

2009年にFDM（熱溶解積層法）の主要特許が失効した後、低価格のコンシューマー向けプリンターが爆発的に増加し、様々な趣味に3Dプリンターを活用できるようになりました。大幅な値下げは、私のような小規模なデザイン・エンジニアリングスタジオにも追い風となりました。この市場において、中国のBambu Labsは、3D技術を極限まで追求した新型プリンターで、急速に大きなインパクトを与えています。彼らは、プリンターの振動などを活用する技術によって、従来の数倍の印刷速度を実現し、高速でありながらも美しいプリントを実現しています。

「以前は丸一日かかっていた作業が、今では1時間で完了します」とブライアン・ラウドン氏は語る。今では午前中にアイデアを思いつき、CADモデルを作成し、午後には初期プロトタイプを完成させることができる。

液体ポリマーを使用する樹脂ベースのプリンターも大幅に高速化しました。

新しい素材が新しい可能性を開く

クリス・フォザリンガム氏と同様に、ブライアン・ラウドン氏も、現代の3Dプリンターで使用できる多くの新素材が開発の重要な要素であると指摘し、その一例として、カーボンファイバー製のフィラメントを製造するMarkforged社を挙げています。このフィラメントにより、高い強度と耐熱性が求められる継手などの部品の印刷が可能になります。

近年、金属は積層造形（AM）の材料として大きな注目を集めています。例えば、ヨーテボリのチャルマース工科大学の研究者たちは、鋳造や鍛造と同等の特性を実現できる材料の開発に向けて大きな進歩を遂げています。

コンクリートもその一例です。現在、世界中で多くの企業が、巨大な3Dプリンターを用いて様々な建物を現場で製造しています。3Dプリンターは層状に家を建てる技術です。日本のあるメーカーは最近、最先端の技術と数千年の歴史を持つ技術を融合させた新たな技術を開発しました。Lib Workは土、石灰、天然繊維を使用し、その建物は最高レベルの地震安全性を実現しています。

2024年、メイン大学は世界最大の3Dプリンターを発表しました。このプリンターは最大29メートルの長さの物体を印刷できます。「未来の工場1.0」と呼ばれるこのプリンターは、主に歴史的建造物の改修のための住宅部材の製造に使用される予定です。1時間あたり最大227キログラム、1日あたり5トン以上の印刷が可能で、これは並大抵のことではありません。

ミカエル・ウォーラーステッド

これまで不可能だった構造物を作成できる

ウプサラ大学の教授、セシリア・パーソン氏は、付加製造技術の発展がもたらすもう一つの刺激的な成果、つまり、これまでは不可能だった形状や構造を作成できる可能性について語ります。

3D プリンターはこれまで不可能だったことを実現できるのでしょうか?

「はい、できます！私は通常、部品製造と材料の2つの例を挙げます。例えば、構造を最適化することで、材料使用量を最小限に抑えながら強度を維持できます。例えば、軽量部品による燃料節約など、耐久性を高めることができます。つまり、全く異なる種類の設計自由度が得られるということです。さらに、異なる微細構造を持つ材料を開発することもできます。例えば、同じ材料内で異なる微細構造を勾配させたり、金属ガラスのような非晶質材料を開発したりすることも可能です。金属ガラスは従来、薄膜やワイヤーとしてしか作られていませんでしたが、今ではより大きく複雑な部品を製造できるようになりました。」

ブライアン・ラウドン氏はまた、CNC マシンや射出成形などの従来の方法では製造できなかった、極めて効率的な熱交換器などの 3D プリンターによる 3 次元構造の最適化によって、コンポーネントの軽量化を実現する方法についても説明します。

医療技術に大きな変化をもたらす

セシリア・パーソンの研究は、医療技術において積層造形をどのように活用できるかに焦点を当てています。

3Dプリンターは主に3つの用途に使用されています。手術手順の練習や説明のための解剖模型、手術ガイド（患者ごとの手術補助器具）、そして患者ごとのインプラント、あるいは他の製造方法では実現できない、あるいは3Dプリンターならはるかに容易に作製できる特殊な特性を持つインプラントです。これまでのところ、患者ごとのインプラントの例は主に頭蓋骨と顎の手術です。

彼女は、2023年版のTandläkartidningen誌の記事を引用し、3Dプリンターがすでに損傷した顎骨の再建に利用され、患者が他の方法ではどこにも取り付けることができなかった歯科インプラントを受けられるようになっていることを紹介しています。（*外科手術のグラフィック画像にご注意ください。）

パーソン氏が現在研究している分野の一つは、体内の骨が再生するにつれて分解される置換骨などの一時的なインプラント用の分解性材料の開発である。

ハンドルストード — Brian Loudon が 3D プリンターを使用して設計した手首サポート。

ブライアン・ラウドン

ブライアン・ラウドン氏は、様々な医療機器の開発に携わるクライアントとも協力しています。例えば、患者の体にぴったりフィットする様々なタイプのサポートを製造するために、3Dプリンターと3Dスキャナーを組み合わせて使用することがよくあります。

彼はこう説明します。「グラスゴーにある国立義肢装具センターと共同で、関節炎の患者さんのための新しいサポートを開発するために、複数の材料を同時に扱える3Dプリンターも使用しました。完成品は、硬い芯材と柔らかい外面を持つ射出成形で作られますが、マルチマテリアルプリンターを使用することで、同じデザインのプロトタイプを複数作成し、テストすることができました。」

カスタマイズされた設計と柔軟な製造

ブライアン・ラウドン氏は、10年以上にわたり、プロトタイプ作成と設計開発に3Dプリンターを活用してきました。アイデアから物理的なプロトタイプをほぼ瞬時に作成できることのメリットは明らかですが、最終製品の製造にもこの技術がますます活用されていくと見ています。

これは私たちが目にし始めている大きな変化の一つです。まだ大量生産に必要な規模には達していないかもしれませんが、例えばアディダスとナイキは3Dプリンターでミッドソールの製造を開始し、F1ではマクラーレンがマシンに3Dプリンター製の部品を使用しています。大手消費者ブランドが支持するようになった興味深いトレンドは、スペアパーツの印刷です。フィリップスはPrusa Researchと共同で、部品が壊れた際にユーザーがガジェットを捨てるのではなく修理することを奨励する「Philips Fixables」を導入しました。

クリス・フォザリンガム氏は、ユニークでカスタマイズされたデザインを制作できる能力が、消費者が自ら問題を解決し、アイデアを実現できるようになることで、消費者側の大きな成長を牽引すると考えています。彼は、コスプレという趣味において、3Dプリンターが驚くほど精巧な衣装パーツを製作するために使用されている例を挙げています。

3Dプリンターは、様々な趣味において、個人が自分でできること、そしてメーカーの役割を大きく変えてきました。特にミニチュアゲームや鉄道模型においては顕著です。3Dプリンターは、メーカーがこれまで単体で販売していなかったスペアパーツや部品の印刷を可能にします。また、ユーザーは全く新しい部品やアクセサリーを設計・印刷することも可能です。かつては多くの人が段ボール、発泡スチロール、発泡パネルなどの素材を用いて手作業で風景を作り上げていましたが、今日では3Dプリンターの使用は当たり前のものとなっています。