近年、企業が生産効率の向上に努めるにつれ、積層造形はますます普及している手法となっている。
Mordor Intelligenceによると、イノベーションがさらなる普及を後押しする中、積層造形業界は2026年までに634億6000万ドル規模に成長すると見込まれている。
これまで、メーカーは部品やコンポーネントの製造においてさまざまな機械加工技術に依存してきましたが、一部のメーカーはこうした従来の生産方法の枠を超えて進んでいます。そうしたメーカーが採用した主要な技術の一つが、積層造形です。
この製造方法では、さまざまな技術を用いて、材料を微細な層ごとに積み重ねて製品を作り上げ、3Dプリントによる最終製品を完成させます。
このプロセスでは、コンピュータ支援設計（CAD）を用いて、希望する製品のデジタルモデルを作成します。ソフトウェアが製品の断面レイヤーを形成し、機械が指定された材料（熱可塑性プラスチック、金属、セラミックス、生化学物質など）から3D製品を製造するためのデジタル指示を提供します。このため、積層造形はしばしば3Dプリンティングと呼ばれます。
この技術が最初に開発された当初、製品開発の指針とするため、この手法のより簡易な形態を用いて一点ものの試作品が製作されていました。このプロセスは「ラピッドプロトタイピング」として知られています。
3Dプリンティングもラピッドプロトタイピングも、技術的には「積層造形」という範疇に属しており、単に産業現場で3Dプリンティング技術を活用する異なる手法に過ぎません。この製品製造手法について、さらに詳しく見ていきましょう。
積層造形プロセスの種類
製造業者は長年にわたり、自社製品の製造のために、さまざまな積層造形技術に多額の投資を行ってきました。こうしたさまざまな積層造形技術には、次のようなものがあります：
材料の押出：この方法では、製造業者は熱可塑性ポリマーのスプールを加熱されたノズルに通します。ノズルが印刷ステージ／表面上を移動するにつれて、CAD設計やソフトウェアによって指定された経路に沿って、溶融したポリマーを層ごとに押し出します。この方法は、積層造形において一般に「溶融積層法（FDM）」または「溶融フィラメント造形法（FFF）」と呼ばれています。
ノズルが材料を精密に積み重ねていくにつれて各層が乾燥し、最終的に所望の物体や製品が形成されます。場合によっては、各層の接着や乾燥に温度制御を必要とせず、代わりに化学的な結合剤を用いるプロセスもあります。
粉末床溶融法：このプロセスには、粉末材料の床に向けて集束された高エネルギーの熱源を利用する、いくつかの積層造形技術が含まれます。ソフトウェアの指示に従い、この高エネルギーによって材料が溶融または焼結され、固体の製品が形成されます。
粉末床溶融法には、電子ビーム溶融法（EBM）、直接金属レーザー焼結法（DMLS）、選択的熱焼結法（SHS）、および選択的レーザー焼結法（SLS）が含まれる。
バインダージェッティング：この積層造形プロセスには、プリントヘッド、粉末材料、および液体の結合剤が用いられます。プリンターは粉末層の上を移動しながら、製品の配置位置に液体の結合剤を塗布します。
プラットフォーム／ステージが上昇し、その上にさらに一層の粉末が敷き詰められ、プリンターがさらに結合剤を塗布します。最終的に、完成品は未使用の粉末の中にしっかりと収まります。
直接エネルギー堆積（DED）：DEDでは、レーザー、電子ビーム、またはプラズマアークを用いて、材料を溶融させながら造形ステージ上に堆積させます。これは、材料を溶接して立体的な3Dオブジェクトを形成するプロセスに似ていますが、より微細なレベルで行われます。
槽内光重合：この積層造形プロセスには、ステレオリソグラフィー、デジタルライトプロセッシング、および連続デジタルライトプロセッシングの技術が含まれます。これは、光重合性樹脂を紫外線に照射して固化させるものです。槽内光重合の最も一般的な手法はステレオリソグラフィー（SLA）であり、UVレーザーを用いて液体樹脂を硬化させます。
メーカーは、ミラーを用いてフォトポリマー樹脂の異なる部分を選択的に露光させ、層ごとに硬化させることで、所望の3D製品を形成しています。
シート積層：これには、超音波積層造形（UAM）および積層造形（LOM）が含まれます。前者は、超音波溶接を利用して薄い金属層を接合し、物体を形成する、低エネルギー・低温の技術です。
後者は、紙と接着剤の層を交互に重ねて実体のある製品を作り出すもので、通常は美観を重視しています。
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積層造形技術のメリット
さまざまな業界の大手製造メーカーが、生産のさまざまな分野で積層造形を取り入れています。これは、この製造方式が、従来の切削加工とは大きく異なる、いくつかの利点をもたらすためです。その利点には、次のようなものがあります：
複雑な製品設計：積層造形技術により、メーカーは複雑な製品を容易に製造できるようになります。従来の方法では、複雑な形状を持つ部品は、通常、手作業による組み立てや、その他の方法で部品を結合する必要がありました。
積層造形は、任意の数の異なる材料を用いて、1回のサイクルで複雑な3D形状の部品を効率的に製造する方法です。
製造時間の短縮：機械加工やその他の製造方法では、比較的単純な3D製品を作るのにもさまざまな工具が必要となるため、一般的に製造時間が長くなります。一方、積層造形では、1台のプリンターで1回の処理で製品を作成できるため、製造時間を短縮できます。
さらに、積層造形では、プロセスを開始するために3D CADファイルが必要ですが、これは、金型の準備や製作に多大な時間と労力を要する従来の生産方法とは異なります。
廃棄物の削減：従来の機械加工では、最終製品を成形するために、元の単一の素材から大量の材料を削り取ります。一方、積層造形では、物体を形成するのに必要な分だけの材料を使用するため、廃棄物はごくわずかです。
どの分野で積層造形技術が活用されているのでしょうか？
さまざまな製造業の事業者は、積層造形を多岐にわたる方法で活用しています。例えば：
医療機器メーカーは、3Dプリンティングを活用して、歯科用インプラントなどのバリエーションの多い製品を開発しています。さらに、個々の患者に合わせたコンピュータ支援設計（CAD）を行うことで、より快適な装着感を実現することができます。
自動車業界では、積層造形技術はラピッドプロトタイピングの枠を超え、現在では強靭で軽量な自動車部品の製造に活用されています。その結果、高級車では、より軽量で強靭な炭素繊維製部品を採用することで、性能を向上させることが可能になっています。
航空宇宙・防衛産業でも、軽量かつ高強度の部品を製造するために積層造形が活用されています。何と言っても、航空機やスペースシャトルは、離陸時や飛行中に生じる過大な力に耐えなければならないため、3Dプリントによる積層複合材料部品の採用は、こうした特定の用途において優れた解決策となります。
一般的な個別生産メーカーも、製品開発や試作の迅速化を図るために積層造形技術を採用しており、最小限の実用可能な製品（MVP）から本格生産に至るまでの時間を短縮しています。
本記事で繰り返し述べてきたように、積層造形は、製造業者の具体的なニーズに応じて、さまざまなユースケースにおいて大きなメリットをもたらす技術であることは明らかです。Tulip 、当社の最前線オペレーションプラットフォーム を活用する数多くの製造業者とTulip 、Formlabs オリジナル・エクイップメントFormlabs が運用するプリントファーム全体における3Dプリント製品の生産状況の追跡と管理を支援しています。
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