3Dプリンティング(積層造形)

石をのみとハンマーで削って彫刻を作ると、削れ落ちた石の粉はすべてごみになってしまいます。従来の工場で代表的な部品の作り方のひとつが、こうして大きな金属やプラスチックのかたまりを削る切削加工(削って作る方法)です。この方法は、形によっては完成品よりも捨てられる材料のほうが多くなることもあります。

一方、3Dプリンティングは、ミルフィーユのように生地とクリームを一層ずつ重ねていくイメージで、底から少しずつ積み上げていきます。コンピューター上の設計図を何千枚もの薄い断面に切り分け、材料をまず薄い2次元の平面状に敷き、その上に次の層を続けて重ねては固めていく仕組みです。

このように底から一層ずつ材料を足していくので、学術的には積層造形(Additive Manufacturing)と呼ばれます。削らずに必要な部分にだけ材料をのせるため、原材料のむだを大きく減らせる、環境にやさしい製造技術として注目されています。

また、型をあらかじめ彫って作る金型が要らないので、設計ファイルを修正するだけで、いつでもすぐに新しい形を作り出せます。大量生産の工場とは違い、試作品を素早く作って試すのにぴったりの方法です。

もう少し正確に言うと、3Dプリンターが層を重ねる方法は、使う材料や固めるエネルギーによっていくつかの方式に分かれます。いちばん広く使われているのは、熱でとける樹脂のひもをグルーガンのように熱してとかし、ノズルから薄く押し出して固める方式です。

光を受けると固まる液体の樹脂(光硬化性樹脂)に紫外線レーザーを当て、ごく薄い層を一枚ずつ固めていく精密な方式もあります。表面がとてもなめらかで精度が高いため、歯列矯正用マウスピースの型となる模型や、精巧なフィギュアを作るときによく使われます。

飛行機や自動車に入る部品を作るときは、細かい金属の粉を薄く敷き広げ、強力なレーザーで一瞬のうちにとかして固める技術を使います。このようにさまざまなエネルギーで材料を結合させることで、プラスチックだけでなく金属やセラミックスまで、丈夫な立体物に仕上げられます。

方式ごとに、完成品の強度や精度、作る速さは大きく変わります。そのため、作りたいものの用途や使う材料の特性に合わせて、最適な積層の工程を選ぶ必要があります。

従来の刃物で削る道具では、奥深くを掘り込んだり、複雑にからみ合った網目状の内部構造を一体で加工したりすることは、ほとんど不可能でした。ところが積層造形は、内側の底の層から順に積んでいくので、外側は閉じていて中は空っぽという構造も簡単に実現できます。

飛行機や人工衛星に使われる重要な部品を、鳥の骨のように中は空洞で外側は丈夫な網目状に作れば、強度を保ったまま重さを大きく減らせます。軽くなった分だけロケットや飛行機の燃料が節約できるため、航空宇宙産業で積極的に取り入れられています。

さらに医療の分野では、患者さん一人ひとり違う骨の形に合わせたオーダーメイドの人工関節が作られています。生きた細胞をインクのように層状に重ねて人工皮膚や血管組織を作るバイオプリンティングにまで、オーダーメイド製造の領域を広げているのです。

複雑な組み立て部品を、いくつもまとめて結合した状態で一度に出力できるので、部品の数が減り、耐久性も高まります。設計の限界を超えてものづくりができる、新しい可能性を開いてくれたと言えるでしょう。