業務用・家庭用3Dプリントの問題点とその解決方法

• 3Dプリント技術が登場してから数十年が経つが、現在の状況は、その能力と可能性への期待に応えられているとは言えない。
• 家庭用3Dプリントの技術には多くの課題があり、この記事では一般的な問題に対する解決策を紹介する。
• 製造や建設などの産業において、この技術の応用は増加の一途を辿っている。まだ障壁はあるが、イノベーションとサステナビリティの実現には大きな可能性がある。

3Dプリントは第二次世界大戦後に着想され、1980年代には製造業界の有望な分野となった。2010年代に登場した低価格なデスクトップ型3Dプリンターの登場により、この技術はデザインとものづくりの関係を根底から覆す、時代を象徴する存在となっている。ただ、ひとつ問題がある。それは成果物のクオリティの低さだ。

3Dプリント技術 (アディティブマニュファクチャリング) が優れたアイデアであることに変わりはない。重工業では活用されるようになったこの技術には、未開拓の大きな可能性が秘められている。だが家庭用3Dプリントの実践は、ソーシャルメディア、eコマース、クラウドコンピューティングなど、変革をもたらす他のデジタル時代のテクノロジーに比べて遅れを取っている。3Dプリント技術の問題点を詳細に説明するため、まずは樹脂ベースSLAやDLPなどの光造形3Dプリント技術より堅牢な材料を使用する、家庭用のFDM (熱溶解積層方式の略; FFFとも呼ばれる) の3Dプリント技術を取り上げよう。後半では製造や建設、その他の産業の分野における3Dプリントの応用に焦点を当てて検討する。

FDM方式による家庭用3Dプリントの問題点と解決策

家庭用3Dプリンターの大半では、その機能を単一の大きな可動部分が担っている。だがプラットフォームに材料を接着し、デジタルのデザインを元に物理的にオブジェクトを作成するプロセスでは、より小さな可動部品が数多く使用されており、そのどれもが失敗の原因となり得る。こうした失敗の原因の多くは共通しており、有効な解決策も存在する。

問題1: リンギング

押出機 (3Dプリンターの「ヘッド」) は、停止したり急に方向を変えたりする際に、慣性の影響を受ける。慣性とは、物体の急な加速や減速時に、その質量にかかる力を指す。ソースファイルの設計指示に従って押出機が方向転換する際、その慣性によってわずかな振動が起こり、その結果として方向転換した箇所に特徴的な波模様 (「リンギング」や「ゴースティング」と呼ばれる) が生じることがある。

解決策1: 速度を落とす

時速100kmで運転中にカーブを曲がると、時速30kmのときより慣性を感じるはずだ。3Dプリンターの押出機の場合も同じであり、その対処法も「スピードを落とすこと」になる。大抵の家庭用機器には、機器上のメニューや、パソコンやスマートフォンアプリから簡単に操作できるコントロールが用意されており、そこに押出機の速度を調整する設定があるはずだ。材料の押出時はゆっくりかつ慎重に進める必要があるが、それ以外ではスピードを上げることで時間を短縮できる。

解決策2: 機械的な不具合の解消

リンギングやブレの原因がソフトウェアによるものでない場合、意外にもネジの緩みが理由であることが少なくない。留め具を外した時のわずかな振動や、筋交いやブラケットの極小の裂け目などが、押出機に人間の目では認識できないほど小さな揺れを生じさせることもある。動作中のプリンターを観察することで、振動箇所を突き止め、問題の原因となっていた単純な機械上の不具合を解明できるかもしれない。

問題2: ベッドへの接着不良

プリントヘッドにかかる過剰な慣性が問題となるのと同様、前に押し出された層の慣性がすべてを台無しにすることもある。最初の層がビルドプラットフォームに適切に接着していないと動いてしまい、続く層がわずかにずれて重ねられ、カオス理論によりデジタル版とは似ても似つかないものが出来上がる。

解決策1:プラットフォームを完全に水平にする

家庭用3Dプリンターの上位機種には、ネジやノブでベッドを調整できるものが多い。完全に水平ではない場合、一点や一方がわずかに高くなっている可能性がある。そのため一部の箇所で押出機がベッドから離れ、材料がうまく接着しない原因となる。

解決策2: 隙間に注意

押出機のノズルからビルドプラットフォーム (または既に押し出された層) までの距離も、大抵は調整可能だ。最も一般的な3Dプリント材料であるポリマー (プラスチック) を使用する場合、フィラメントがプレートへわずかに「押し付けられる」程度の距離にノズルを配置することで、適切に接着させることができる。形状や材料に応じて、うまく機能する距離を見つけよう。各層の厚みが0.2mm程度であることを考えると、理想的な距離を見つけるには極めて微妙な調整が必要だ。

解決策3: 最初の層はゆっくりと

第1層の押出を丁寧に行わないと、ビルドプラットフォームにうまく接着しない。この層がずれたり動いたりすると、それ以降の層の中心がずれてしまう。設定を変更し、1層目は他の層よりもゆっくりと積層させ、材料が冷えて接着するまでの時間を十分に確保すること。

解決策4: 冷却設定

またもや物理学の話だ。プラスチックは冷えると収縮するので、第1層が収縮して、ビルドプラットフォームとの接着が脆くなったり剥がれたりすることがある。ビルドプラットフォームは、形状の残り部分が積層される間、冷却速度を制御するために一定温度まで加熱される。そのため、モデルの複雑さやディテールによっては、材料の第1層のベッド上での冷却速度が速すぎたり遅すぎたりすることがある。これは必要な出力に応じて、デバイス設定やファームウェアで変更することが可能だ。

問題3: 糸引き

糸引きとは、3Dプリント製のレーシングカーやダースベイダーの頭部、小さな家具などに、フィラメントがクモの巣のように糸状にかかることを指す。これは動作を停止しているはずの押出機からプラスチックが漏れ出ることによるもので、「にじみ」とも呼ばれる。

解決策1: リトラクション

押出機のノズルは、仕様により材料の押出を止めるべき箇所では、モデルから引き戻される (リトラクション)。ソフトウェアやファームウェアの設定やモデルの複雑さにもよるが、ノズルが十分に引き込まれていなかったり、そのスピードが遅かったりすると、モデルの表面に不要な糸引きが残ってしまうことがある。

解決策2: 温度設定

材料の温度設定が高すぎると、ノズルが正常に引き戻されても、ノズル内部の材料が (温度上昇により柔らかくなっているため) ノズルから微量に漏れ出し、押出機が次の面に移動する際にモデルに付着してしまう場合がある。

解決策3: 移動距離

押出機の面と面の間の移動時間が短時間であれば、熱された材料がノズルから漏れることはない。移動が長時間になるほど、にじみが発生しやすくなる。スマートビルドソフトウェアなら、押出のない空間での長時間の移動をできる限り少なくするよう計画できる。長距離の移動に関する他の解決策としては、押出機の設定を変更したりプログラムしたりすることで押出のない空間をより速く移動させ、材料が漏れ出る時間を与えないようにする。

業務用3Dプリントは製造と建設をどう変えるか

想像してみて欲しい。アディティブマニュファクチャリング技術を使用して、必要な場所で必要な材料を調合できる世界を。建設業界は、適切な方法により、3Dプリンターを用いて製造を根底から覆すことができる可能性がある。何かを構築、作成する際に3Dプリンターとプラスチックや鉄粉、コンクリートや臓器の有機構造などの原材料を用意し、それを使用する場所で印刷するのだ。3Dプリントでは、必要な形状を得るために大きな塊から材料を削り取るのではなく、必要な材料を必要なだけ使用するため、ほとんど無駄がない。

建設業界は、地球上で最もサステナビリティの低い産業のひとつだ。2003年には、建設現場に搬入される建築資材の30％が最終的に廃棄されてしまったと推定されている。年間の建設廃棄物は、2025年までに世界で22億tに達すると予測されている。

しかも、それには材料の調達、加工、運搬を行う車両や機械による化石燃料の使用は考慮されていない。現場での3Dプリントは、建築現場へのコンクリートや木材の搬入や廃棄物の運搬の必要性を低減できる可能性がある。また切削機械加工による製造工程で生じる端材の山 (正しくかつ安全に廃棄、再利用する必要がある) を減らす、あるいはなくすことができる。

重量のある材料と切削機械加工の使用は、整備された道路を必要とする大型トラックや、重機を軌道に乗せるのに必要な高価な宇宙船が利用可能な地域や国に限定される。宇宙船が着陸場所で調達した材料を使って構造体を3Dプリントし他の惑星にコロニーを形成する計画のように、3Dプリントはアクセス困難な場所により多くのものを構築する可能性を開く。

製造のプリプロダクションにおける3Dプリント

3Dプリント技術が世界各地の製造業界へすぐに普及することはないだろうが、この技術は既にプリプロダクションをより安価、迅速で革新的なものにしている。

ツールや機器、部品のプロトタイプ開発には、実際の製造に使用される製造インフラと同じもの、つまり旋盤やフライス盤を備えた工場を必要とするのが常だった。

3Dプリント技術を使用すれば、メイカースタジオやガレージ、空き部屋のテーブルといった小規模な作業空間で迅速に開発を行い、より多くのイテレーションを経ることで、より迅速かつ低コストで最適なデザインを発見できる。これにより、製造業は1000億円規模の工場オーナーの手を離れることになる。現在のテック系大企業がガレージからスタートしたのと同様、未来の製造革命もそこから始まるのだ。

実際には、既に始まっている。3Dプリント技術は、ものづくりの手法を革新していく次世代の人々に、図面から離れ、凝り固まったワークフローで作業する産業レベルのメーカーよりも優れた方法で開発やプロトタイプ作成を行う手段を提供する。

3Dプリント技術の限界

ここまでの話から、民主化されたメーカーのユートピアが地球を気候変動とゴミから救うというイメージを思い描いたのであれば、それは現実の世界とは大きくかけ離れたものだ。家庭用、業務用のどちらの領域でも悩みの種となる、3Dプリント技術の限界をいくつか紹介しよう。

限界1: 材料

ポリマー製のオフィス玩具やペーパーウェイトはクールだとしても、これが全く新しい産業の主流になるはずもないことは最初から分かっていた。従来の製造方法がほぼ全ての材料に対応しているのに対して、デスクトップ型の3Dプリンターで溶解と押出が可能な物質は限られている。

それでも、現在の自動車やノートパソコン、テレビなどは、ほぼ無限の数のユニットへ製造コストを分散させることで価格を抑えるという、強靭なプロセスで製造されている。仮に3Dプリント技術を使用した製造のコストが下がったとしても (実際には下がってはいない)、材料毎に異なるアディティブ技術が必要となる。例えば金属、ゴム、プラスチック、ガラスなどを材料とする自動車を構築する場合、コンポーネント毎に異なる3Dプリンターが必要となる。これら全ての物質を3Dプリントできる技術が、もし存在すると仮定すればの話だが (実際にはまだ存在しない) 。

限界2: コスト

コスト要素その1: 装置

10万円以下の3Dプリンターも多数存在するが、そのターゲットはいわゆるデスクトイ市場であり、製造業ではない。ユニットあたりの性能で見れば、3Dプリントは従来の製造業にはまだまだ及ばない。ラピッドプロトタイピングを超える事業規模の製品製造に必要な3Dプリンターは数十万円から数千万円であり、ちょっとした修理や趣味のために導入したい人には到底手の届かない価格だ。

コスト要素その2: 材料

自ら3Dプリンターを購入してプリントするより、3Dプリントサービスを利用する方がコストがかかるのには理由がある。それは必要となる材料の問題が大きい。3Dプリント技術が一般化することで材料コストは低下するだろうが、より大型で頑丈な形状を実現するには重量のある材料を使用する必要があり、CNCや旋盤を使用する実績を持った切削機械加工のパイプラインのユニットあたりのコストは、分散されることでアディティブマニュファクチャリングよりずっと小さなものになる。

重工業メーカーは、個々の部品の材料費をほとんど無視できるほど大量に原材料を購入できる。対して、最も一般的なポリマーベースの3Dプリント材料であるポリ乳酸 (PLA) は、1kgあたり20-50ドルだ。より特殊なエンジニアリング材料であれば、60-120ドルになる。

エントリーレベルの工業用アディティブマニュファクチャリング向け樹脂の価格は50ドル/kg程度だが、150-400ドル/kgになることもある。つまり十分な量のポリマー原料がより手軽な価格で購入できるようになった頃には、そのコストは従来の製造に投資した額を桁違いに上回ることになる。

限界3: 知識

3Dプリント技術の知識格差は諸刃の剣だ。ファイル、デバイス、OS間で異なる独自のフォーマットや規格が数多く存在するため、3Dプリントは当初語られていたほど簡単なものではない。利用するには、少なくともCADや他の3Dデザインシステムの原理やハードウェアの仕組みについて、ある程度の専門知識が必要だ。

一方、技術にこだわり過ぎて本末転倒となり、3Dプリント技術の核心を完全に見失ってしまうことも多い。これまでアクセサリー、部品、プロトタイプなどに使用されてきたが、この分野の進歩を停滞させている要因のひとつが想像力の欠如だ。3Dプリント技術はどこへ向かっているのか？ この技術の限界は？ より良い世界をもたらすには、システム、プロセス、材料はどう連携すべきか？

1つの部品が従来の製造方法で作られたものと張り合うことはできないかもしれないが、問題はそこではない。その部品やプロトタイプはアディティブ技術を使用して作られた別の部品とつながることができるかもしれない。システム全体の中におけるつながりの存在に目を向ければ、従来の手法に代わる個々のプロセスや部品が明らかとなり、この技術の経済的側面により説得力が加わるかもしれない。それこそが、3Dプリント技術推進に必要な知識だ。

3Dプリント技術でビジネスを拡大する

これまではキャッチフレーズやトレンドに踊らされ、3Dプリント技術がもたらす本当の機会を見失いがちだった。だがチャンスは実在する。

Statistaの予測によると、アディティブマニュファクチャリング市場は2023年まで年率17％で成長し、アディティブマニュファクチャリングの製品とサービスの市場は2020年から2026年の間に、ほぼ3倍になる。

さらにMENAFN (The Middle East North Africa Financial Network: 中東北アフリカ金融ネットワーク) は先日、3Dプリント用フィラメント (原料プラスチック)の市場は2025年まで、23.7％の複利成長が見込まれると報告している。

消費者市場が沸き立ち、混乱し、興味を失い、次のトレンドに移る間に、大小のメーカー各社は可能性の限界への挑戦を続け、約束された製造業のユートピアの到来を告げようとしている。以下のような分野で進歩が確認できる。

複合材料を使用した3Dプリント技術

プリント技術と材料が利用可能であれば、ワンステップで全コンポーネントが揃った完成品を作成することが可能だ。たとえ、それが異なる材料から作られているものであっても。

こんな3Dプリント技術を想像してみて欲しい。1台の押出機で、配線や通風ダクトが設置済みの壁をプリント。あるいはゴムと金属からなるギアとベルトのシステムをプリントする技術だ。

有機材料

ドナーに代わる3Dプリント製の移植用臓器という構想から数年が経った。その技術はまだ十分ではないが、意外な分野でその基礎が築かれつつある。

• KFCは一般的にはハイテクとは無縁の企業だと考えられているが、2020年には3Dプリント技術の研究所に、チキンナゲットに使用する鶏肉の味と食感を再現する人工肉の研究を依頼している。
• MITの科学者たちは、3Dプリント材料の主成分に、広く使用されている石油由来プラスチックでなく植物セルロースの使用を検討している。
• また、既に3Dプリント製の抗ウイルス材料が登場している。開発元によると、これは面に付着した新型コロナウイルスに有効で、主に公共施設での使用を想定した、ウイルスやバクテリアを死滅させるドアハンドルカバーなどの製品を作成するとしている。

未来

数々のテクノロジー分野が、そのスタート段階で躓いている。確かに3Dプリント技術の採用サイクルの上昇時期に飛びついた人々の多くは幻滅して去り、それを一時的な流行とみなすことになった。時期尚早な成熟期を迎えてしまったと言えるかもしれない。だが初期のイテレーションは期待外れだったにしても、第一世代の壮大な期待と怪しげな話、見出しの先には、工場やメイカー、ホビイスト、そして産業界の日々の発見が示されている。3Dプリント技術の時代は、すぐそこにあるのだ。

この記事は、2015年3月に掲載した原稿の改訂版です。