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3D printing, also called additive manufacturing, is the construction of a three-dimensional object from a CAD model or a digital 3D model.[1][2][3] It can be done in a variety of processes in which material is deposited, joined or solidified under computer control,[4] with the material being added together (e.g. plastics, liquids, or powder grains being fused), typically layer by layer.
In the 1980s, 3D printing techniques were considered suitable only for the production of functional or aesthetic prototypes, and a more appropriate term for it at the time was rapid prototyping.[5]As of 2019, the precision, repeatability, and material range of 3D printing have increased to the point that some 3D printing processes are considered viable as an industrial-production technology; in this context, the term additive manufacturing can be used synonymously with 3D printing.[6] One of the key advantages of 3D printing[7] is the ability to produce very complex shapes or geometries that would be otherwise infeasible to construct by hand, including hollow parts or parts with internal truss structures to reduce weight while creating less material waste. Fused deposition modeling (FDM), which uses a continuous filament of a thermoplastic material, is the most common 3D printing process in use as of 2020.[8]
The umbrella termadditive manufacturing (AM) gained popularity in the 2000s,[9] inspired by the theme of material being added together (in any of various ways). In contrast, the term subtractive manufacturing appeared as a retronym for the large family of machining processes with material removal as their common process. The term 3D printing still referred only to the polymer technologies in most minds, and the term AM was more likely to be used in metalworking and end-use part production contexts than among polymer, inkjet, or stereolithography enthusiasts.
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意味が進化し、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に使用され、もう一方は産業用最終用途部品メーカー、機械メーカー、およびグローバル技術標準化団体でより正式に使用されるようになりました。最近まで、3Dプリンティングという用語は、低価格または機能の低い機械と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作業領域全体に材料を追加または接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 ]製造業界の専門家の中には、積層造形が3Dプリンティングに加えて他の技術または製造プロセスの他の側面を含むという区別をしようとしている人もいます。[ 11 ]
同義語または上位語として使わ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生産レベルの後継として）、オンデマンド製造（ 2D印刷の意味でオンデマンド印刷を反映）などがあります。ラピッドとオンデマンドという形容詞を製造という名詞に適用することが2000年代に斬新だったという事実は、ほとんどすべての生産製造が、手間のかかる工具開発に長いリードタイムを要していた以前の産業時代の長きにわたるメンタルモデルを明らかにしています。今日では、減法加工という用語は機械加工という用語に取って代わるものではなく、あらゆる除去方法を網羅する用語が必要な場合にそれを補完するものです。アジャイルツーリングとは、モジュール式の手段を使用して、迅速なプロトタイピングと工具および治具のニーズへの対応を可能にするために、積層造形または3D印刷方法で製造される工具を設計することです。アジャイルツーリングは、コスト効率が高く高品質な方法を用いて、顧客や市場のニーズに迅速に対応することができ、ハイドロフォーミング、プレス加工、射出成形などの製造プロセスで使用できます。
3Dプリンティングと積層造形という用語はどちらも同じものと見なされることもありますが、一部の標準化団体は両者を区別しています。米国規格協会（ANSI）によると、ISO/ASTM 52900などの国際規格では、積層造形は3Dモデルデータから部品を構築し、材料を層ごとに追加していくプロセスと定義されています。これに対し、3Dプリンティングは、プリントヘッドまたはノズルタイプの装置のバリエーションを通して材料を堆積させることで物体を作成するものと説明されています。[ 12 ]産業および技術分野では、積層造形が好まれる用語であることが多く、3Dプリンティングは一般の人々により多く使用されています。
3Dプリンティングの一般的な概念と手順は、マレー・レインスターが1945年の短編小説「Things Pass By」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（現在では家や船を作るのに使われている素材）をこの可動アームに供給します。アームは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。」[ 13 ]
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小説「商売道具」の中で、この物質について言及している。彼はその作品の中で、これを「分子スプレー」と呼んでいる。
1971年7月27日、ヨハネス・F・ゴットヴァルトは、1969年7月11日に出願した「液体金属記録装置」に関する米国特許第3596285A号を取得しました[ 14 ]。この装置は、再利用可能な表面上に取り外し可能な金属構造物を形成し、すぐに使用したり、再溶解して再び印刷するために回収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、迅速なプロトタイピングと制御されたオンデマンド製造によるパターンの3Dプリンティングを記述した最初の特許であると思われます。
特許には次のように記載されている。
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、インクを用いた筆記、その他の記号、文字、またはパターンの形成を含む。本明細書で使用される「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、表面に塗布して記号、文字、またはパターンを形成するのに適した流動性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タイプである。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により、本発明による満足のいく印刷が達成されている。
しかし、このような大規模かつ連続的な表示に必要な材料に関して言えば、従来知られていた消費率で消費され、かつ規模の拡大に比例して増加すると仮定すると、その高コストは、前述の目的を満たすプロセスや装置を広く享受することを著しく制限するだろう。
したがって、本発明のさらなる目的は、上記のような工程における材料の使用を最小限に抑えることにある。
本発明のさらなる目的は、このような工程で使用される材料を回収して再利用することにある。
本発明の別の態様によれば、筆記等を行うための装置は、情報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取り外すための機構とを備える。
1974年、デビッド・E・H・ジョーンズは、雑誌「ニュー・サイエンティスト」の連載コラム「アリアドネ」で3Dプリンティングの概念を提唱した。[ 15 ] [ 16 ]
初期の積層造形装置と材料は1980年代に開発された。[ 17 ]
1980年4月、名古屋市産業研究所の児玉秀雄は、マスクパターンまたは走査ファイバー送信機によって紫外線照射領域を制御する光硬化性熱硬化性ポリマーを用いた3次元プラスチックモデルの製造のための2つの積層造形法を発明した。[ 18 ]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）。[ 19 ]彼の研究成果は、1981年4月と11月に学術論文として発表された。[ 20 ] [ 21 ]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（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「逐次堆積による物品の製造方法」は、数百または数千の金属粉末の「層」とレーザーエネルギー源を使用する方法を記述しており、「層」を形成し、基板上に物品を製造する初期の文献となっている。
1984年7月2日、アメリカの起業家ビル・マスターズは、コンピュータによる自動製造プロセスおよびシステムに関する特許（US 4665492）を出願した。[ 22 ]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おり、マスターズが所有する3つの特許のうちの最初のもので、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。[ 23 ] [ 24 ]
1984年7月16日、アラン・ル・メオーテ、オリヴィエ・ド・ウィッテ、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た。[ 25 ]フランスの発明家によるこの出願は、フランスのゼネラル・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。[ 26 ]その理由は「事業の見通しがない」とされた。[ 27 ]
1983年、ロバート・ハワードはRHリサーチ（後に1984年2月にハウテック社と改名）を設立し、熱可塑性（ホットメルト）プラスチックインクを使用したカラーインクジェット2Dプリンターであるピクセルマスターを開発し、1986年に商品化しました。[ 28 ]エクソンオフィスシステムズ、ダンベリーシステムズ部門、インクジェットプリンターのスタートアップ企業、そして3Dプリンティング業界で人気者となったハウテック社グループのメンバー数名からなる6名[ 28 ]がチームを結成しました。ハウテック社のメンバーの1人はリチャード・ヘリンスキーで、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）を担当しました。彼はニューハンプシャー州の会社であるCAD-Cast社（後に1991年8月22日にビジュアルインパクトコーポレーション（VIC）に改名）を設立しました。同社のプロトタイプVIC 3Dプリンターは、シングルノズルインクジェットで印刷された3Dモデルを示すビデオプレゼンテーションとともに入手可能です。別の従業員であるハーバート・メンヘネットは、1991年にニューハンプシャー州の会社HMリサーチを設立し、ハウテック社のインクジェット技術と熱可塑性材料をSDIのロイデン・サンダースとバリスティック・パーティクル・マニュファクチャリング（BPM）のビル・マスターズに紹介しました。メンヘネットはBPMで数年間勤務しました。BPM 3DプリンターとSPI 3Dプリンターはどちらもハウテック社のスタイルのインクジェットと材料を使用しています。ハウテック社に雇われ、インクジェットの開発を支援したジェームズ・K・マクマホンは、後にサンダース・プロトタイプで働き、現在はハウテック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であるレイヤー・グロウン・モデル・テクノロジーを運営しています。マクマホンは、エクソンで1972年にドロップオンデマンドインクジェットを発明し、シングルノズル設計インクジェット（アルファジェット）の理解を広げた1978年の特許を保有していたスティーブン・ゾルタンと協力して、ハウテック社のホットメルトインクジェットを完成させた。このハウテック社のホットメルト熱可塑性樹脂技術は、金属精密鋳造、特に3Dプリンティングジュエリー業界で人気がある。[ 29 ]ロイデン・サンダースは、1993年にサンダースプロトタイプ社（SPI）でモデルメーカー6プロを製造する前に、ヘリンスキーの特許のライセンスを取得した。モデルメーカー6プロの最初の顧客は、1993年後半から1995年にかけて、SDI施設から1マイル離れたニューハンプシャー州ミルフォードにあるヒッチナー・コーポレーションのメタルキャスティングテクノロジー社で、ゴルフクラブや自動車エンジン部品を鋳造していた。
1984年8月8日、UVP社に譲渡され、後に3D Systems CorporationのChuck Hullに譲渡された特許US4575330が出願された[ 30 ]。これは、個々のラミナまたは層を、入射放射線、粒子衝撃、化学反応、または紫外線レーザーで光重合体を硬化させることによって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彼自身の特許である。Hullはこのプロセスを「形成するオブジェクトの断面パターンを作成することによって3次元オブジェクトを生成するシステム」と定義した[ 31 ] [ 32 ]。Hullの貢献は、STL（ステレオリソグラフィー）ファイル形式と、今日多くのプロセスで共通している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を発売しました[ 33 ]。
現在までのほとんどの3Dプリンター、特に趣味用および消費者向けモデルで使用されている技術は、溶融堆積モデリング（FDM）と呼ばれるプラスチック押出成形の特殊な応用であり、1988年にS.スコット・クランプによって開発され、彼の会社ストラタシスによって商品化され、1992年に最初のFDMマシンが販売された。[ 29 ]
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）かかった。[ 34 ]
金属の焼結や溶融のための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年代と1990年代には通常、それぞれ個別の名称で呼ばれていました。当時、金属加工はすべて、現在では非付加的プロセス（鋳造、加工、プレス加工、機械加工）と呼ばれるプロセスで行われていました。ロボット溶接やCNCなど、これらの技術には多くの自動化が適用されていましたが、ツールやヘッドが3Dワークエンベロープ内を移動して、ツールパスに従って原材料の塊を所望の形状に変換するという考え方は、金属加工においては、CNCフライス加工、CNC放電加工など、金属を添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。しかし、後に積層造形と呼ばれることになる、金属を添加する自動化技術が、この前提に疑問を投げかけ始めていました。 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[ 35 ]やスプレー材料[ 36 ]など、材料堆積のための新しい技術が開発されました。犠牲材料や支持材料もより一般的になり、新しい形状の物体を作ることが可能になりました[ 37 ] 。
3Dプリンティングという用語は、元々は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使用する粉末床プロセスを指しており、 1993年にMITのエマニュエル・サックスによって開発され、Soligen Technologies、Extrude Hone Corporation、およびZ Corporationによって商業化された。
1993年には、当初Sanders Prototype, Inc.という社名で、後にSolidscapeと社名変更したインクジェット3Dプリンター会社が設立され、可溶性サポート構造を備えた高精度ポリマージェット製造システム（「ドットオンドット」技術に分類される）を導入した。[ 29 ]
1995年、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た。
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、主に製造業や研究業でのみ使用されていました。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、建築業や医療業で最も多く見られましたが、一般的な製造品の製造や大規模なプロトタイプの作成ではなく、低精度のモデリングやテストによく使用されていました。[ 38 ]
2005年、ユーザーは部品の約70%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。そのオリジナルの設計図は、 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。[ 39 ]
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。このプロジェクトは、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ており、非常に協調的なプロジェクトとなっています。[ 40 ]
当時一般に利用可能だった3Dプリンティング用ソフトウェアの多くはオープンソースであり、そのため多くの個人ユーザーによって急速に配布され、改良されました。2009年に溶融堆積モデリング（FDM）印刷プロセスの特許が失効しました。これにより、新しいスタートアップ企業の波が到来し、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、その多くは一般の人々にとってより利用しやすい商用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。[ 41 ]
さまざまな積層造形プロセスが成熟するにつれて、金属除去が、3D 作業領域内を移動するツールやヘッドによって行われ、原材料の塊を層ごとに目的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はすぐに明らかになりました。2010 年代は、エンジン ブラケット[ 42 ]や大型ナット[ 43 ]などの金属最終用途部品が、バー材やプレートから必ず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) 造形されるようになった最初の 10年間でした。金属加工では、鋳造、加工、プレス加工、機械加工の方が積層造形よりも依然として一般的ですが、AM は現在大きな進歩を遂げ始めており、積層造形のための設計の利点により、エンジニアは今後さらに多くのことが起こることは明らかです。
AMが大きな進歩を遂げている分野の一つが航空業界です。2016年には約38億人の航空旅行者がおり[ 44 ] 、燃費効率が良く製造しやすい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）のような大手OEM（相手先ブランド製造業者）にとって、これはコスト削減、不適合部品数の削減、エンジンの軽量化による燃費向上、そして旧式の製造方法では実現不可能な新しい複雑な形状の発見の方法としてAMに注目していることを意味します。航空宇宙分野におけるAM統合の一例は、2016年にエアバスがGEのLEAPエンジンの最初のものを納入したことです。このエンジンには3Dプリントされた燃料ノズルが統合されており、部品点数が20から1に削減され、重量が25%削減され、組み立て時間が短縮されました。[ 45 ]燃料ノズルは、複雑な内部構造の最適化された設計が可能で、低応力で回転しない部品であるため、ジェットエンジンにおける積層造形に最適な入り口です。同様に、2015年にPWは、PurePower PW1500Gで最初のAM部品をボンバルディアに納入しました。低応力で回転しない部品にこだわり、PWはコンプレッサステータと同期リングブラケット[ 46 ]を選択し、この新しい製造技術を初めて展開しました。AMはジェットエンジンの製造プロセスにおける部品総数の中で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、および「性能とコストの観点からの最適化された設計」[ 47 ]によって、投資に対するリターンはすでに明らかになっています。
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が複数現れた。 [ 48 ]
2012年、Filabotはプラスチックの循環利用システム[ 49 ]を開発し、FDMまたはFFF 3Dプリンターでより幅広い種類のプラスチックを印刷できるようにしました。
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で動作する機能性電子機器の3Dプリントを可能にする、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造形プラットフォーム（VIPRE）を実証した 。[ 50 ]
プリンターの価格が下がり始めると、この技術に興味のある人々は、より自由に、そして自由に、自分の好きなものを作ることができるようになった。2014年の時点では、業務用プリンターの価格は依然として高く、2,000ドルを超えていた。[ 51 ]
「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使ってバインダー材料を粉末層に一層ずつ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や選択的レーザー溶融など、より幅広い積層造形技術を包括する用語として一般的に使われるようになっています。米国および世界の技術規格では、このより広い意味での「積層造形」という用語が正式に用いられています。
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%）溶融堆積モデリング（FDM ）と呼ばれる材料押出技術です。 [ 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つの中で最も安価であり、このプロセスの人気につながっています。
2020年現在、3Dプリンターは、ほとんどの人が3Dプリンティング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あれば、200米ドル未満で十分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。[ 52 ]
2021年11月、スティーブ・ヴァーゼという名のイギリス人患者が、ロンドンのムーアフィールズ眼科病院から世界初の完全3Dプリント義眼を受け取った。[ 53 ] [ 54 ]
2024年4月、世界最大の3Dプリンターである「未来の工場1.0」がメイン大学で公開された。これは長さ96フィート、つまり29メートルの物体を作ることができる。[ 55 ]
2024年、研究者たちは機械学習を用いて人工骨の構造を改善し[ 56 ]、衝撃吸収の記録を樹立した[ 57 ] 。
2024年7月、研究者らはAdvanced Materials Technologies誌に 、3Dプリンティング技術を用いて天然血管と同等の強度と耐久性を持つ人工血管を開発したことを記述した論文を発表した。[ 58 ]このプロセスでは、3Dプリンターに組み込ま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。[ 58 ]
2025年10月、ノースブリストルNHSトラストは、デイブ・リチャーズという名の英国人サイクリストが、ノースブリストルNHSトラストに新設されたブリストル3D医療センターで作成されたフルフェイスの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・デイヴィーが率いるこのプロセスでは、高度なスキャンと医療グレードの樹脂を使用して、重度の火傷後の彼の顔の特徴を再現した。これは、英国における統合医療3Dプリンティング施設のマイルストーンとなった。[ 59 ]
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、工学分野で急速に重要性を増している。3Dプリンティングのビジョンは、設計の自由度、個別化[ 60 ] 、分散化[ 61 ]、そして従来は代替手段では不可能だったプロセスの実行である[ 62 ] 。これらの利点には、より迅速なプロトタイピング、製造コストの削減、製品のカスタマイズの増加、製品品質の向上などが含まれる[ 63 ]。
さらに、3Dプリンティングの能力は、軽量構造[ 64 ]や修理・メンテナンス[ 65 ]といった従来の製造業を超えて、義肢[ 66 ] 、バイオプリンティング[ 67 ]、食品産業[ 68 ] 、ロケット製造[ 69 ] 、デザイン・アート[ 70 ]、再生可能エネルギーシステム[ 71 ]などの分野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生成と配給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も使用できます。
3Dプリンティングのもう1つの利点は、この技術が複雑な形状を高精度で製造できることです。[ 72 ]これは、マイクロ波工学の分野で特に重要であり、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の製造に使用できます。[ 73 ]
積層造形プロセスは、余分な材料を削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。[ 74 ]これにより、材料コストと環境負荷の両方が削減されます。[ 75 ]また、廃棄物の削減により、材料の製造と廃棄のためのエネルギー消費も削減され、二酸化炭素排出量の削減につながります。[ 76 ] [ 77 ]
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、または普通のデジタル カメラとフォトグラメトリー 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、印刷前に特定して修正できます。[ 78 ] 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、ステレオリソグラフィ ファイル フォーマット (STL)で保存できます。これは、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、積層造形用の事実上の CADファイル フォーマットです。STL は、関係する表面の数が多いため、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 フォーマットである積層造形ファイル フォーマット (AMF)が導入されました。AMF は、曲線三角形分割を使用して情報を保存します。[ 79 ]
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ファイルに次のような種類のエラーを生成します[ 80 ] [ 81 ] 。
STL 生成の「修復」と呼ばれるステップでは、元のモデルのこのような問題が修正されます。[ 84 ] [ 85 ]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、このようなエラーが多く含まれることがよくあります。 [ 86 ] 3D スキャンは、多くの場合、点から点への取得/マッピングによって行われます。3D再構成には、エラーが含まれることがよくあります。[ 87 ]
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。スライサーはモデルを一連の薄い層に変換し、特定のタイプの3Dプリンターに合わせた指示を含むGコードファイルを生成します。たとえば、FDMプリンターはFDMファイル形式を使用します。[ 88 ]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プリンターに指示するために使用する）で印刷できます。
プリンターの解像度は、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100 μm (250 DPI )ですが、一部のマシンでは16 μm (1,600 DPI)という薄さの層を印刷できます。[ 89 ] 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 ～ 0.1 μm (2,540,000 ～ 250,000 DPI)です。 [ 90 ]このプリンターの解像度では、メッシュ解像度を0.01 ～ 0.03 mm、弦長を0.016 mm 以下と指定すると、特定のモデル入力ファイルに対して最適な STL 出力ファイルが生成されます。[ 91 ]解像度を高く指定すると、印刷品質の向上なしにファイルが大きくなります。
現代的な手法でモデルを製作する場合、使用する手法やモデルのサイズ、複雑さによって、数時間から数日かかることがあります。積層造形システムを用いると、通常は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や、同時に製作するモデルのサイズと数によって大きく異なります。
プリンターで印刷された解像度と表面仕上げは、一部の用途には十分ですが、後処理や仕上げ方法を用いることで、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といった利点が得られます。
3Dプリント部品の表面仕上げは、研磨やビーズブラストなどの切削加工法を用いて改善することができます。寸法精度が求められる部品を滑らかにする場合、除去される材料の体積を考慮することが重要です。[ 92 ]
アクリロニトリルブタジエンスチレン（ABS）などの印刷可能なポリマーの中には、アセトンや類似の溶剤をベースとした化学気相プロセス[ 93 ]を使用して表面仕上げを滑らかにして改善できるものがある。
積層造形技術の中には、後処理工程としてアニーリングを行うことでメリットが得られるものがあります。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[ 94 ] 、曲げ強度[ 95 ] 、耐衝撃性[ 96 ]、耐熱性[ 96 ]などの機械的特性が向上します。ただし、加熱と冷却により反りや収縮が生じる可能性があるため、寸法精度が求められる用途にはアニーリングは適さない場合があります[ 97 ]。積層造形された部品、特にミッションクリティカルな部品は、密度を向上させ、微細構造を構成してプリント部品に必要な機械的性能を得るために、熱間等方圧プレスによる後処理が行われます[ 98 ] [ 99 ] 。
積層造形または切削加工ハイブリッド製造（ASHM）は、3Dプリント部品を製造し、切削加工（切削加工）を使用して材料を除去する方法です。[ 100 ]切削加工は、用途の要件に応じて、各層の後に行うことも、3Dプリント全体が完了した後に行うこともできます。これらのハイブリッド方式により、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。[ 101 ]
従来の積層造形プロセスの層状構造は、造形プラットフォームに対して湾曲または傾斜している部品表面に階段状の段差を生じさせます。この効果は、使用す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。[ 102 ]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。これらの方法は、より高い品質が求められる場所で層の高さを低くします。[ 103 ]
3Dプリント部品に塗装を施すと、ほとんどの3Dプリント技術では実現できないような、さまざまな仕上がりや外観が得られます。このプロセスは通常、表面処理、プライマー処理、塗装などのいくつかのステップで構成されます。[ 104 ]これらのステップは、部品の表面を準備し、塗料が適切に密着するようにするのに役立ちます。
積層造形技術の中には、複数の材料を同時に使用できるものがあります。これらの技術は、複数の色や色の組み合わせで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することが可能です。
一部の印刷技術では、造形中に突出部を支えるための内部サポート材を製作する必要があります。これらのサポート材は、印刷完了後に機械的に除去するか、 PVAなどの水溶性サポート材を使用する場合は溶解する必要があります。
市販の金属3Dプリンターの中には、金属部品を金属基板から堆積後に切断するものもあります。GMAW 3Dプリンティングの新しいプロセスでは、アルミニウム[ 105 ]や鋼[ 106 ]を除去するために基板表面の改質が可能です。
従来、3D プリンティングは、ポリマー材料の製造と取り扱いの容易さから、印刷用ポリマーに重点が置かれていました。しかし、この方法は急速に進化し、さまざまなポリマー[ 108 ]だけでなく、金属[ 109 ] [ 110 ]、チョコレート[ 111 ]、セラミック[ 112 ]も印刷できるようになり、3D プリンティングは製造のための汎用性の高いオプションとなっています。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。[ 113 ]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 オペレーターによって設定され、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。最初に印刷された特許取得済みの材料は、加熱され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。
チャールズ・ハルは、UVP Corp で UV マスク光源を使用して UV 硬化アクリル樹脂で簡単なモデルを作成する最初の特許を 1984 年 8 月 8 日に出願しました。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 製品です。SLA-1 ベータは 1988 年 1 月に Baxter Healthcare、Pratt and Whitney、General Motors、AMP に出荷されました。最初の量産型 SLA-1 は 1988 年 4 月に Precision Castparts に出荷されました。UV 樹脂材料はすぐにエポキシ系樹脂材料に変わりました。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に UV オーブンで硬化する必要がありました。後硬化装置 (PCA) はすべてのシステムに付属して販売されました。初期の樹脂プリンターでは、各層でモデル上に新しい樹脂を移動す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た。UVPは1990年1月に3D Systemsに買収された。[ 114 ]
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、数多くの材料が使用されていたことがわかる。また、マスクランプを用いたUV硬化樹脂は、Cubital社のItzchak Pomerantz氏がSoldier 5600で導入し、Carl Deckard氏（DTM）はレーザー焼結熱可塑性粉末を、そして3D Systems社が最初の発表を行う前には、Michael Feygin氏が接着剤付きレーザーカット紙（LOM）を積層して物体を形成する技術を開発していた。スコット・クランプも押出成形による「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、ドロップ堆積法は1984年のハルの特許の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、彼は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、その後1994年にBPMを設立して独自の3Dプリンター製品を発売した。[ 114 ]
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ライクなプロセスから、積層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る。[ 115 ]
既存の多くの3Dプリンティング技術の欠点は、一度に1種類の材料しか印刷できないため、同じ物体に異なる材料を組み込む必要がある多くの用途が制限されることです。マルチマテリアル3Dプリンティングは、複雑で異質な材料の組み合わせを持つ物体を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プリンティングのピクセル要素）ごとに材料を指定する必要があります。
しかし、アルゴリズムが孤立していて単一であるため、このプロセスには複雑な問題が伴う可能性があります。Spec2Fab トランスレータの構築など、これらの問題を解決しようとする商用デバイスもありますが、進歩はまだ非常に限られています。[ 116 ]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概念が提示されています。[ 117 ] この新しい概念により、複数の薬剤を組み合わせることができ、多くのリスクが軽減されると期待されています。マルチマテリアル 3D プリンティングのアプリケーション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くなります。
3Dプリンティングの金属組織材料も研究されている。[ 118 ] CIMP-3Dは各材料を分類することで、複数の材料で体系的に3Dプリンティングを実行できる。[ 119 ]
3Dプリンティング と積層造形におけるマルチマテリアル構造の使用により、4Dプリンティングと呼ばれるものの設計と作成が可能になりました。4Dプリンティングは、印刷されたオブジェクトが時間、温度、またはその他の種類の刺激によって形状が変化する積層造形プロセスです。4Dプリンティングにより、形状、特性、または機能を調整できる動的な構造を作成できます。4Dプリンティングを使用して作成されたスマート/刺激応答性材料は、自己組織化、自己修復、多機能性、再構成、形状変化などの計算された応答を生成するように活性化できます。これにより、形状変化材料と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。[ 120 ]
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活用法を見出す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生み出す可能性も秘めています。この技術と材料の汎用性は、宇宙、商業、医療分野を含む、複数の産業分野における進歩につながる可能性があります。これらの産業全体で4Dプリンティングをより実用的なものにするためには、再現性、精度、および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オプションとなるためには、いくつかの課題を克服する必要があります。4Dプリンティングの課題には、印刷されたスマート材料の微細構造が、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点が含まれます。さまざまな外部刺激に一貫して反応し、目的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プリンティングのさまざまな技術タイプに対応した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材料、印刷技術、および設計の構造的・幾何学的要件を考慮に入れる必要があります。[ 121 ]
積層造形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。
技術としては、ジェット噴射、押出成形、添加剤摩擦攪拌堆積、粉末床溶融法、バインダージェット噴射、ステレオリソグラフィー、コンピュータ断層撮影法、液体代替法、積層法、指向性エネルギー堆積法、選択的粉末堆積法、極低温製造法などがある。
3Dプリンティングまたは積層造形は、製造、医療、産業、社会文化分野（文化遺産など）で、商業的に成功した技術を生み出すために使用されてきました。[ 122 ]最近では、3Dプリンティングは、さまざまな医療品、義肢、スペアパーツ、修理品を製造するために、人道支援および開発分野でも使用されています。[ 123 ]積層造形の初期の応用は、製造スペクトルのツールルーム側でした。たとえば、ラピッドプロトタイピングは、最も初期の積層造形バリアントの1つであり、その使命は、以前はCNCフライス加工、旋削加工、精密研削などの切削加工ツールルーム方法でのみ行われていた新しい部品やデバイスのプロトタイプの開発のリードタイムとコストを削減することでした。[ 124 ] 2010年代には、積層造形は生産にさらに大きく進出しました。
食品の積層造形は、食品を層ごとに押し出して三次元の物体を作ることで開発されています。チョコレートやキャンディーなどのさまざまな食品、クラッカー、パスタ[ 125 ] 、ピザ[ 126 ] [ 127 ] などの平たい食品が適しています。NASAは、食品廃棄物を減らし、宇宙飛行士の食事のニーズに合うように設計された食品を作るために、3Dプリント食品を作成する目的でこの技術を研究しています。[ 128 ] 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、肉の食感と栄養価を模倣した繊維質の植物由来の肉代替品をカスタム3Dバイオプリンターを使用して製造できる技術を開発しました。[ 129 ] [ 130 ]
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は3Dプリントのビキニ、靴、ドレスを試作している。[ 131 ]商業生産では、ナイキはアメリカンフットボール選手向けの2012年型ヴェイパーレーザータロンフットボールシューズのプロトタイプ製作と製造に3Dプリンティングを使用し、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で製造している。[ 131 ] [ 132 ] 3Dプリンティングは、企業がオンデマンドで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プリントできる段階に達している（ただし、レンズはプリントできない）。メガネのオンデマンドカスタマイズは、ラピッドプロトタイピングで可能になる。[ 133 ]鎧のデザイン戦略は、自然からインスピレーションを得て、AMを使用してそれらのデザインをプロトタイプ化することで強化できる。[ 134 ]
自動車、トラック、航空機において、積層造形はモノコック構造や胴体構造の設計・製造、そしてパワートレインの設計・製造の両方を変革し始めている。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る。 [ 135 ]これらのシステムの多くは、量産方式を採用する前に迅速なプロトタイピングに利用されている。その他の代表的な例としては、以下のものがある。
AMが銃器に与える影響は、既存企業向けの新しい製造方法と、DIY銃器製造の新たな可能性という2つの側面に関わっています。2012年、米国を拠点とするグループDefense Distributedは、「3Dプリンターを持っている人なら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プリント銃器の設計計画を発表しました。 [ 144 ] [ 145 ] Defense Distributedが計画を発表した後、3Dプリンティングと広く普及した消費者レベルのCNC加工[ 146 ] [ 147 ]が銃規制の有効性に及ぼす影響について疑問が呈されました。[ 148 ] [ 149 ] [ 150 ] [ 151 ]
3Dプリンティングを中心とした治療法の外科的応用は、1990年代半ばに骨再建手術の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、この研究の自然な延長であり、真に個々の患者に適合するパーソナライズされたインプラントにつながりました。[ 152 ] 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の仮想計画とガイダンスは、全関節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。[ 153 ] [ 154 ]その一例が、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スプリントです。 [ 155 ]また、骨統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、整形外科用インプラント（金属）の連続生産に積層造形を使用することも増えています。補聴器および歯科業界は、カスタム3Dプリンティング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。[ 156 ]
3Dプリンティングは無機材料だけに限定されるものではなく、3Dプリンティングによって可能になった生物医学分野の進歩も数多く存在する。2012年現在3Dバイオプリンティング技術は、バイオテクノロジー企業や学術機関によって、インクジェット印刷技術を用いて臓器や身体部位を構築する組織工学用途への応用可能性について研究されてきた。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、血管系を含む三次元構造を形成するために徐々に構築される。[ 157 ] 3Dプリンティングは、生きた人間の体内で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考えられてきた。 [ 158 ] 2018年には、3Dプリンティング技術が初めて発酵における細胞固定化のためのマトリックスの作成に使用された。3Dプリントされたナイロンビーズに固定化されたPropionibacterium acidipropioniciによるプロピオン酸生産がモデル研究として選ばれた。これらの3Dプリントされたビーズは高密度の細胞付着とプロピオン酸生産を促進することができ、他の発酵バイオプロセスにも応用できることが示された。[ 159 ]
3Dプリンティングは、製薬分野の研究者にも利用されています。ここ数年、AM技術を用いた薬剤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、新しい製剤に材料を利用する独自の方法を提供します。[ 160 ] AM製造では、錠剤化、鋳造成形など、製薬分野の従来の手法では不可能な方法で、製剤の開発に材料や化合物を使用できます。さらに、3Dプリンティング、特に溶融堆積モデリング（FDM）の場合の大きな利点の1つは、患者固有のニーズに合わせて、剤形をパーソナライズできることです。[ 161 ]近い将来、3Dプリンターは病院や薬局に導入され、患者のニーズに応じてパーソナライズ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。[ 162 ]
3Dプリンティングは医療機器にも活用されている。新型コロナウイルス感染症のパンデミック時には、ボランティアが個人所有の3Dプリンターを使って様々な個人用保護具（例えばフェイスシールドのフレームなど）を製作することで、不足していた個人用保護具の供給を補った。
歯科では、トレー、サージカルガイド、スプリント、リテーナー、修復物など、患者固有の器具を作成するために積層造形が使用されています。3D プリントされた器具の使用は、樹脂 3D プリントの精度の向上と生体適合性樹脂の開発によって促進されており、規制当局の承認を得て、一時的および永久的なクラウン、ブリッジ、義歯を直接プリントすることが可能になっています。[ 163 ]
3D プリンティング、特にオープンソースの 3D プリンターは、教室に浸透しつつある最新のテクノロジーです。[ 164 ] [ 165 ] [ 166 ]高等教育は、デスクトップおよび業務用 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肯定的な指標と見ています。[ 167 ]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。[ 168 ] [ 169 ]このような主張の証拠は、学生が教室で低コストで迅速なプロトタイピングを行えることと、オープンソースの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の両方から得られます。[ 170 ]さらに、世界中の図書館も、教育やコミュニティが利用できる小型の 3D プリンターを設置する場所となっています。[ 171 ] 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。[ 170 ] [ 172 ]
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、普及の目的で集中的に使用されるようになりました。[ 173 ]多くのヨーロッパや北米の博物館は3Dプリンターを購入し、遺物の失われた部分を積極的に再現しています[ 174 ]。また、ボリビアのティワナクなどの考古学的遺跡も再現しています。 [ 175 ]メトロポリタン美術館や大英博物館は、博物館のショップで販売されているお土産を作るために3Dプリンターの使用を開始しました。[ 176 ]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、誰もが自宅で3Dプリントできる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のThreedingを通じて販売しています。[ 177 ]イラン生まれの米国人アーティスト、モレシン・アラーヤリは、イランの文化遺産を再構築する3D彫刻プロセスの使用をフェミニスト活動とみなしている。アラーヤリは3Dモデリングソフトウェアを使用して、2014年にISIS戦闘員によって破壊された一連の文化遺産を再構築している。[ 178 ]
建築資産の表現に 3D プリンティングを適用する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、従来の方法で測量され、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 プリンティング用に最適化されました。チームは部品の構築技術をテストし、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 プリンティングの制限と模型を作成するプロジェクトの予算のために選択されました。3D プリンティングは、銀行の作成された 3D モデルによって可能になった機能の 1 つにすぎませんでしたが、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他のアプリケーションのためにモデリングを継続しませんでした。[ 179 ] 2021 年、Parsinejad らは、3D プリンティングの準備ができた 3D 再構築のための手測量方法をデジタル記録 (写真測量法の採用) と包括的に比較しました。[ 179 ]
世界初の3Dプリント鋼鉄橋が2021年7月にアムステルダムで公開された。オウデザイズ・アハテルブルクワル運河に架かる全長12メートルのこの橋は、4,500キログラム以上のステンレス鋼をロボットアームでプリントして作られた。完成まで6ヶ月かかった。[ 180 ]
3Dプリントされたソフトアクチュエータは、3Dプリンティング技術の応用分野として成長しており、3Dプリンティングアプリケーションの中で確固たる地位を築いています。これらのソフトアクチュエータは、特に生体医療分野において、人間とロボットの相互作用が不可欠な、軟組織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、従来の製造方法で製造されており、デバイスの手動製造、後処理/組み立て、そして製造の成熟度が達成されるまでの長い反復作業が必要です。現在の製造プロセスの煩雑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アプローチを模索しています。そこで、3Dプリントされたソフトアクチュエータは、カスタムの幾何学的、機能的、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を、より迅速かつ低コストで革新するために導入されました。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、およびファスナーを使用する必要がなくなります。
回路基板の製造には、イメージング、穴あけ、メッキ、ソルダーマスクコーティング、命名規則の印刷、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、複雑なデザインを製造しながら、これらの工程の多くを不要にします。[ 181 ]ポリマーインクは、ビルドのレイヤー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。[ 182 ]現在の回路基板の製造は、デザインによっては面倒なプロセスになることがあります。指定された材料が集められ、画像が印刷、現像、エッチングされる内層処理に送られます。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されます。次に、コアはラミネーション用に準備されます。回路基板のビルドアップであるスタックアップが構築され、層が接着されるラミネーションに送られます。次に、ボードが測定され、穴あけされます。多くの工程はこの段階から異なる場合がありますが、単純なデザインの場合、材料はメッキプロセスを経て、穴と表面がメッキされます。外側の画像は印刷され、現像され、エッチングされます。画像が定義された後、材料は後ではんだ付けするためにソルダーマスクでコーティングする必要があります。次に、コンポーネントを後で識別できるように命名規則が追加されます。次に、表面仕上げが追加されます。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記入が必要な書類を除いて、ボードは梱包され、出荷されます。3D 印刷の利点は、最終的な外形が最初から定義され、イメージング、パンチング、またはラミネーションが不要であり、電気接続が銀ポリマーで行われるため、穴あけと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、最終的な書類も大幅に削減されます。通常のプロセスでは完了までに数週間かかる複雑な設計も 3D 印刷でき、製造時間を大幅に短縮できます。
2005 年、学術誌は 3D 印刷技術の芸術的応用の可能性について報告し始めました。[ 183 ] 市販の機械は、装飾品などの実用的な家庭用品を製造できるようになってきています。実用的な例としては、動作する時計[ 184 ]や、家庭用木工機械などに使用する歯車の印刷などがあります。 [ 185 ]家庭用 3D 印刷に関連する Web サイトには、背中かき、コートフック、ドアノブなどが掲載される傾向がありました。[ 186 ] 2017 年現在、家庭用 3D 印刷は、趣味家や愛好家を超えて消費者層にまで広がっています。いくつかのプロジェクトや企業が、家庭用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。この取り組みの多くは、 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、対象としており、学術界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より、2019年現在世界中で推定200万人が趣味用に3Dプリンターを購入している。[ 187 ]
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、数十年にわたり存在してきました。しかし、3Dプリンターが主流となり、個人や趣味のコミュニティが個人使用、非営利配布、または販売目的で製品を製造し始めた場合に、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。
前述の法制度のいずれも、3Dプリンティングで使用されるデザインの配布、または印刷された製品の配布や販売を禁止する可能性があります。これらの行為を行うには、知的財産権が関係する場合、所有者に連絡してライセンスを申請する必要があり、そのライセンスには条件や料金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、知的財産権（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「非商業的」使用に関する標準的な制限または例外規定が含まれています。この標準的な制限または例外規定により、そのような私的、非商業的使用は知的財産権の範囲外となる可能性があります。
特許は、プロセス、機械、製造、物質組成物などの発明を対象とし、国によって異なるものの、一般的には出願日から20年間という有限の有効期間があります。したがって、あるタイプ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、特許の侵害となる可能性があります。[ 188 ]
著作権は、有形の固定媒体における表現[ 189 ]を保護し、多くの場合、著作者の死後70年間存続します[ 190 ] 。例えば、彫刻家は彫像の著作権を保持するため、他の人は、著作権使用料を支払ったり、著作権の満了を待ったり、フェアユースの例外の範囲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。
米国の裁判所でこの問題が提起された際、ある特徴が芸術的（著作権保護の対象となる）価値と機能的（特許保護の対象となる）価値の両方を有する場合、裁判所は、その特徴が物品の機能的側面から分離できない限り、著作権保護の対象とはならないと判断することが多い。[ 190 ]他の国では、法律や裁判所が異なるアプローチを採用し、例えば、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。ただし、無断複製があった場合、非機能的な特徴のみがデザイン法に基づいて主張でき、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に基づいている。
米国国土安全保障省と合同地域情報センターは、「3Dプリンティング機能の著しい進歩、銃器部品用の無料のデジタル3Dプリントファイルの入手可能性、およびファイル共有の規制の難しさにより、資格のない銃を求める者が3Dプリント銃を入手または製造することで公共の安全上のリスクが生じる可能性がある」とし、「武器の3Dプリントを禁止する法案は抑止力にはなるかもしれないが、その製造を完全に阻止することはできない。たとえこの行為が新たな法律で禁止されたとしても、これらの3Dプリントファイルのオンライン配布は、違法に取引される他の音楽、映画、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」と記した覚書を発表した。[ 191 ]
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する試みの無益さに例えられてきた。[ 192 ] [ 193 ] [ 194 ] [ 195 ]米国政府が Defense Distributed に設計図を削除させた後も、それらはPirate Bayやその他のファイル共有サイトを通じて広く入手可能だった。[ 196 ]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。[ 197 ] [ 198 ]米国の議員の中には、3D プリンターが銃の印刷に使用されるのを防ぐために、3D プリンターに関する規制を提案した者もいる。[ 199 ] [ 200 ] 3D 印刷の擁護者たちは、そのような規制は無益であり、3D 印刷業界を麻痺させ、言論の自由を侵害する可能性があると示唆しており、3D 印刷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。[ 201 ] [ 202 ] [ 203 ] [ 204 ] [ 205 ] [ 206 ]
国際的には、銃規制が米国よりも一般的に厳しい地域では、代替の銃器が容易に入手できないため、その影響はより強く感じられる可能性があると評論家が述べている。[ 207 ]英国の当局は、3Dプリンターで銃を製造することは、英国の銃規制法の下では違法であると指摘している。[ 208 ]ユーロポールは、犯罪者は他の武器の入手源にアクセスできると述べているが、技術が進歩するにつれて、その影響のリスクは高まるだろうと指摘している。[ 209 ] [ 210 ]
米国では、FAA は積層造形技術の使用に対する需要を予測し、このプロセスを規制する最善の方法を検討してきました。[ 211 ]すべての航空機部品は FAA の製造承認またはその他の FAA 規制カテゴリーの下で製造されなければならないため、FAA はそのような製造に対して管轄権を有しています。[ 212 ] 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ました。[ 213 ]航空弁護士の Jason Dickstein 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ます。[ 214 ] [ 215 ]同氏は、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上のニーズを適切に反映する堅牢な品質システムを開発する」ことを可能にすると示唆しています。[ 214 ]
2021年には、ASTM ISO/ASTM52900-21「積層造形の一般原則、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。[ 216 ] [ 217 ] 2023年には、ISO/ASTM 52920:2023 [ 218 ]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工業用積層造形プロセスと生産現場の要件を定義しました。以前、ドイツでは、DIN規格の草案であるDIN SPEC 17071:2019が発行されていました。
ポリマー原料は、十分に加熱されると超微粒子や揮発性有機化合物（VOC）を放出する可能性があり、これらが組み合わさると呼吸器系や心血管系の健康に悪影響を及ぼすことが知られています。さらに、FFF 押出ノズルでは通常190 ℃から260 ℃の温度に達し、皮膚の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、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閉じ込められているため、印刷中は無害とみなされています。[ 219 ]
3Dプリンターには、ステッピングモーター、プーリー、ねじ棒、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パワーはありませんが、使用者の指、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以外に電気的な安全機能が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を超えないため、一般的に安全と考えられています。[ 219 ]
3Dプリンティングの健康と安全に関する懸念についての研究は、3Dプリンティング機器の最近の普及により、新しく発展途上にある。2017年、欧州労働安全衛生機関は、3Dプリンティングに関わるプロセスと材料、この技術が労働安全衛生に及ぼす潜在的な影響、潜在的な危険を制御するための手段に関するディスカッションペーパーを発表した。[ 220 ]
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15 dBから75 dBまで大きく変動する可能性があります。[ 221 ]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の原因となっています。[ 221 ]プリンターの騒音を軽減する方法としては、防振装置を設置する、直径の大きいファンを使用する、定期的なメンテナンスと潤滑を行う、防音エンクロージャーを使用するなどがあります。[ 221 ]
今日の黎明期から始まる積層造形は、製造企業が競争力を維持するために、利用可能なすべての技術を柔軟かつ絶えず改良していくことを必要とします。積層造形の支持者はまた、この技術開発の流れがグローバル化に対抗するものになると予測しています。エンドユーザーは、他の人や企業から製品を購入する貿易に従事するのではなく、自社で製造の大部分を行うようになるからです。[ 17 ]しかし、新しい積層造形技術の商業生産への真の統合は、従来の切削加工法を完全に置き換えるというよりも、むしろ補完することの問題です。[ 222 ]
未来学者 ジェレミー・リフキン[ 223 ]は、3Dプリンティングは第三次産業革命の始まりを告げるものであり、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取って代わるものだと主張した[ 224 ] 。
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生じる可能性のある社会文化的変化について深く考察してきた。[ 225 ]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る。分散型製造を促進するその可能性は、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る。さらに、地域生産経済の創出を通じて、社会経済開発が促進されている。[ 123 ]
3Dプリンターが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壊する可能性があると指摘する声もある。[ 226 ]同様に、企業が新しい製品の設計を世界中に簡単に送信できるようになるにつれて、高速貨物輸送サービスの必要性も減少する可能性があると指摘する声もある。[ 227 ]最後に、特定の製品が容易に複製できるようになったことを考えると、広く普及している新技術で知的財産権を保護するために、現在の著作権法に変更が加えられるかどうかは未知数である。
コモンズベースのピアプロダクションと3Dプリンティングやその他の低コスト製造技術の組み合わせに注目する人もいる。 [ 228 ] [ 229 ] [ 230 ]永遠の成長システムの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プラトー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。[ 228 ]さらに、生産手段の民主化、特に物理的なものに関しては、多くの問題や脅威が生じることは事実である。[ 228 ]例えば、高度なナノ材料のリサイクル可能性は依然として疑問視されており、武器製造が容易になる可能性があり、偽造[ 231 ]や知的財産への影響は言うまでもない。 [ 232 ]規模の経済が競争力の基盤であった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を発展させることができると主張することもできるだろう。規模の利点は安価なグローバル輸送に基づいているが、範囲の経済は製造ツールの機能を活用し、インフラコスト（無形および有形の生産資源）を共有する。[ 228 ]また、ニール・ガーシェンフェルド[ 233 ]が「世界で最も開発が遅れている地域の中には、最も先進的な技術を必要とする地域もある」と述べているように、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、特定のニーズに対応してグローバルに考えながら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・サマーズは、 3Dプリンティングをはじめとする各種技術（ロボット、人工知能など）が、定型業務に従事する人々に及ぼす「壊滅的な影響」について論じた。彼の見解では、「すでに製造業で生産業務に従事する男性よりも、障害保険に加入しているアメリカ人男性のほうが多い。そして、人工知能を搭載した資本がホワイトカラーだけでなくブルーカラーの仕事を代替する能力は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、こうした傾向はすべて悪い方向に向かっている」。サマーズは、巨額の富を持つ者が所得税や相続税を「支払わない」ことを可能にする「無数の手段」（例えば、タックスヘイブン、銀行秘密主義、マネーロンダリング、規制裁定取引など）に対処するため、より積極的な協力努力を推奨し、見返りに「大きな社会的貢献」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よう提言している。これには、独占禁止法のより積極的な執行、知的財産の「過剰な」保護の削減、労働者に利益をもたらし富の蓄積への参加を促す可能性のある利益分配制度の奨励、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排除するための金融規制の強化、富裕層の不動産の価値が上昇し続ける原因となる可能性のある土地利用制限の緩和、若者へのより良い訓練と失業労働者への再訓練、エネルギー生産や輸送などのインフラ開発への公的および民間投資の増加などが含まれる。[ 234 ]
マイケル・スペンスは、「今、ますます複雑化する作業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。この労働代替と中間業者排除のプロセスは、サービス部門では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、ロボットや3Dプリンティングが労働を代替する商品生産にも広がっている」と述べている。彼の見解では、デジタル技術のコストの大部分は、ハードウェア（例えば3Dプリンター）の設計、そしてより重要なことに、機械がさまざまなタスクを実行できるようにするソフトウェアの作成という初期段階で発生する。「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（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の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用を償却できる巨大な潜在的グローバル市場があるため、（デジタル技術への）投資のインセンティブは非常に魅力的である。」[ 235 ]
スペンス氏は、企業が世界中の活用されていない貴重な労働力を活用するようにな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における原動力は「労働力の代替によるコスト削減」だと考えている。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」地域密着型でカスタマイズされたものになることは「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ようになるかもしれない。スペンス氏は、労働力がどれほど安価であっても、成長と雇用拡大にとって重要性の低い資産となり、労働集約型でプロセス指向の製造業は効率が悪くなり、先進国と発展途上国の両方で再ローカライゼーション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、労働集約度は低下し、最終的にはすべての国がデジタル技術と、その導入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生じるだろう。スペンスは、「私たちがこれから足を踏み入れる世界では、最も強力なグローバルな流れは、商品、サービス、伝統的な資本ではなく、アイデアとデジタル資本となるだろう。これに適応するには、考え方、政策、投資（特に人的資本への投資）、そしておそらくは雇用と流通のモデルを変える必要があるだろう」と述べている。[ 235 ]
ナオミ・ウーは、中国の教室（丸暗記が主流）で3Dプリンティングを使用してデザイン原理や創造性を教えることを、この技術の最も刺激的な最近の発展と見なしており、より一般的には3Dプリンティングを次のデスクトップパブリッシング革命と見なしている。[ 236 ]
2024年に、遠隔地の女性たちが、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れるように支援するため、プリンターがフアン・フェルナンデス女性グループに寄贈された。[ 237 ]
積層造形技術の発展は環境に大きな影響を与える可能性がある。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って製品を作る。これに対し、積層造形は、製品を作るのに必要な最小限の材料を使って、層ごとに製品を作る。[ 238 ]これにより材料の無駄が減り、原材料の生産を避けることでエネルギーの節約にもつながる。[ 239 ] [ 240 ]
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生産が地域化されるため、製品の輸送の必要性とそれに伴う排出量が削減され、この技術を採用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。[ 241 ]また、AMは消費者が購入した製品を修理するための交換部品を自分で作成し、購入した製品の寿命を延ばすことも可能にする可能性があります。[ 242 ]
積層造形は、製品の最低限の構造的必要部分のみを製造することで、軽量化に大きく貢献する可能性も秘めている。[ 238 ]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る。 [ 243 ]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、その部品を使用することで、製品のライフサイクル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を63%削減できることがわかった。[ 244 ]
しかし、積層造形には環境面でのデメリットもあります。第一に、積層造形は従来のプロセスに比べ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。[ 245 ]第二に、積層造形は切削加工に比べて廃棄物を最大90%削減できますが、リサイクルできない廃棄物が発生する場合があります。[ 246 ]例えば、金属積層造形における材料のリサイクル性には問題があります。航空宇宙産業など、高度に規制された業界では、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場合が多いからです。[ 238 ]積層造形はまだ理論上の材料効率97%のポテンシャルには達していませんが、技術の生産性向上に伴い、それに近づく可能性があります。[ 247 ]
欠点はあるものの、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る。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、欠けた牛乳瓶などの十分にきれいなリサイクル材料を受け入れるものもある。さらに、これらのプリンターは、不良な造形や失敗したプロトタイプ版からの細断材料を使用することができ、プロジェクト全体の廃棄物と材料の取り扱いと保管を削減できる。この概念はRecycleBotで検討されている。[ 248 ]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る。[ 249 ]
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