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特集

Additive Manufacturing 技術の現在Ⅰ

特付加製造（Additive Manufacturing）
を核とした新しいものづくり

集

新野 俊樹
ではなく，材料の付着を利用したシステム技術であること

1．はじめにになる。「3D プリンター」と言うと，材料を配置することに目がいきがちであるが，造形された部品の強度などの物付加製造技術（Additive Manufacturing 技術，以下 AM 技術）は，理的な性能を担保するには，精密に材料を配置するのみな

2012 年頃から 3D プリンター もしくは 3D プリンティン

らず，材料と材料を適当な強度で接合することが重要になグの呼称で広く一般の方々にまで知られるようになり，る。商業的に利用されている装置に採用されている接合方

ブームが始まった当初はデータさえ入れればどんな品物で法には，溶着と接着があり，さらに，主材料を接合材料でも作れてしまう「魔法の箱」といった言われ方もされてい接合していくものと，接合剤をそのまま構造材として用いた。もちろんそんな魔法は存在するわけもなく，現在ではるものとがある。前述したAM技術の定義は「付着」と「デーその反動である種の「がっかり」感が広がっているというこタ」にしか言及していないとても粗い定義であるが，ISO/とは否めない。しかしながら，AM 技術を従来とは全く異

ASTM は，以上の材料の接合方法に加えて，材料の形態，なる加工技術の 1 つとしてとらえ，その特徴に合わせた使材料の供給方法によって，AM 技術を以下の 7 つのカテゴい方をすれば新たなものづくりの創出も可能で，これまでリーに分類している（図 1）。にそのような用途が散見され始めている。本稿では AM 技

1．液槽光重合（Vat photopolymerization；VPP）

術を概観し，AM 技術によって期待される新たなものづく

2．粉末床溶融結合（Powder bed fusion；PBF）りについて考察する。

3．結合剤噴射（Binder jetting；BJT）
4．材料押出（Material extrusion；MEX）

2．定義と分類

5．材料噴射（Material jetting；MJT）
6．指向性エネルギー堆積（Directed energy deposition；DED）

AM技術は，ISOとASTM（American Society for Testing and

7．シート積層（Sheet lamination；SHL）

Materials）により「材料を付着させることによって，3 次元形

なお，各分類はさらにいくつかの具体的な加工法を包含状データから部品を作る技術」と定義されている。また，

しているが，一般名詞としての呼称が確定するものは多く補足として「多くの場合，層を重ねることによって」とも記なく，商標と名称が混乱している状況である。

述してあり，「積層造形」などと呼ばれることも多いが，定商業化されている技術に限定すれば，DED 以外のすべ

義に従えば技術の本質は層を重ねることではなく，「材料てのカテゴリーに樹脂を加工できる技術がある。それらのの付着」と「3 次元形状データ」の 2 点にある。定義には明確

うち，シート積層以外では，接合剤を構造材として用いるに書かれていないが，3次元形状データを用いることから，ものがあり，さらに熱可塑性樹脂を加工して構造材料としデータから人の手を介さずに自動的に 3 次元形状を実体化て利用可能なものは，PBF，MEX が主である。

することが暗に示されており，AM 技術は単なる加工技術

一方，金属の AM 技術は，金属粉やナノ粒子を成形し，その後脱バインダ等の処理を経て，最終的に金属粉を焼結

Innovation in Products and Services throughAdditive Manufacturing Technologies
Toshiki NIINO
1995 年 東京大学工学系研究科精密機械工学
専攻博士後期課程 博士（工学）
現 在 東京大学生産技術研究所 教授
E-mail niino@iis.u-tokyo.ac.jp

することによって部品を得る間接的なものと , 金属粉や溶接棒を溶融堆積して構造物を得る直接的なものの 2 通りある。初期の頃は，前者のプロセスが利用されていたが，材料に制限があることや結果的に得られる部品が多孔性になることからその利用は限定的であった。後者はおおまかに言うと肉盛り溶接を自動化したものであり，初期の頃はそ2020 年 2 月 25 日受理

第 84 巻

第 4 号（2020）（3）

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分類
分類（英語）
主な材料
材料の形態
接合方法

液槽光重合
粉末床溶融結合
Vat photopolymerization, VPP Powder bed fusion, PBF
光硬化性樹脂熱可塑性樹脂，金属，セラミックス
液体
粉末
光重合・接着溶接

特UV レーザ

赤外線レーザ

スキャナー
エレベータ

結合剤噴射
Binder jetting, BJT
石膏，耐火物，他模型用材料
粉末
接着

光硬化性樹脂リコータローラ

インクジェットヘッド

スキャナ
熱可塑性粉末リコータ-リコータ

集模式図

説明

光硬化性の樹脂をレーザー等 粉末床の表面付近を熱により選択 粉末床に結合剤を噴射して選択的の光で選択的に固体化的に溶融・固化に固体化

分類
分類（英語）
主な材料
材料の形態
接合方法

材料押出
Material extrusion, MEX
熱可塑性樹脂フィラメント溶接

材料噴射
Material jetting, MJT
ワックス，光硬化性樹脂
固体もしくは液体溶接，光重合・接着

指向性エネルギー堆積
Directed energy deposition, DED
金属
粉末または固体
溶接

シート積層
Sheet lamination, SHL
樹脂，紙，金属シート，テープ接着，溶接

レーザー

フィラメント赤外線レーザスキャナ

ノズル
シールドガス＋金属粉末

模式図

シートフィーダ

溶融池
素地

説明

液体もしくは可塑化された固体
液状の材料をノズルから噴射し堆をノズルから押出し，堆積する
積した後に固体化と同時に固体化

図1

材料を供給しつつ，各種ビーム等 箔状の材料に断面形状と同等で熱エネルギーの発生位置を制御 の形状を付与し，積層して結合して，材料を選択的に溶融・結合AM 技術の分類の加工条件などが明らかになっておらず，あまり利用され形状にも大きく影響される。また，凝固した層の上に新たていなかったが，2005 年あたりから，金属の直接造形技な層を載せ，さらにその層が収縮することにより大きな変術が一般に利用され始めている。一方で，2015 年頃から形が生じることもある。これらの問題を解決する処方箋はは間接的な方法による金属部品の加工法が再度見直されてまだ完成しておらず，PBF では粉末床の予熱や部品の配置

おり，金属粉を含んだ MEX 用のフィラメントも販売され方向の工夫等により，変形によって粉末供給装置と部品のるようになっている。

干渉が起こらない程度に抑制している。また，プラスチッ
クのPBFでは，凝固時と冷却時の収縮が樹脂によっては5％3．性能と特長程度あるため，この収縮を予想するには経験を要し，寸法誤差を全体寸法の 0.1％程度以下にするためには多くの場3.1

AM 技術の性能合試行錯誤が必要である。これらの問題を解決するため，

前節で述べたように，AM 技術の定義はとても広いの

現在，造形シミュレーションの開発が盛んにおこなわれてで，その性能，たとえば精度や微細性を一言でまとめて語いる。

ることにはあまり意味がない。ここでは部品の直接加工に部品強度については，一般的に金属では鍛造材と同等程利用されることが期待される PBF，DED 等肉盛り溶接系

度，樹脂では射出成形品の 70％から 90％程度の強度が得のプロセスに限定して考えてみる。溶接系のプロセスではられている。また，金属では一般的に疲労強度が低くなる凝固時の収縮と，その後常温まで冷却する際の収縮の 2 つことが知られている。の収縮を予測しないと良い精度は得られない。さらに積層以上を踏まえると，従来の製品の工法を AM 技術に単純造形では，凝固した層の上に新たな層を堆積するため，凝に置き換えるのは，あまり得策ではなく，以下で述べる特固・収縮のプロセスはとても複雑であり，各部の収縮は，長を活用して，従来なかった製品の生産や，従来とは異な溶接時のスキャン方法はもちろんのこと，部品の大きさやる規模の生産に利用することが好ましい。

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（4）

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3.2

AM 技術の迅速性

3.3

AM 技術が提供する形状の複雑性を創成していくため，除去加工における工具と部品の干渉が排除された結果，除去加工や付着加工では作れない複渉，成形加工における型と部品の干渉の問題がなく，前述雑な形状の製造が可能になり，AM 技術は従来の工法に比した変形の問題等々を考えなければ，任意の形状を加工すべて圧倒的な形状の複雑性を提供できる。トポロジー最適ることができる。このことは形状データから複雑な処理を化による構造部品の軽量化は，材料力学に従えばこういう経ずに部品を加工できる迅速性という AM 技術の特長につ形を作ったほうが軽くなることはわかっていたが，加工のながる。

制限により実際には作ることができなかった部品を，AMAM 技術の迅速性は 1990 年代から Rapid Prototyping（RP）技術によって初めて生産できるようになったという，AMとして模型製造に用いられている。当時は 3 次元 CAD が技術活用のお手本とも言える利用法である。図 3 は金属の盛んに開発されてきた時期でもあり，RP は 3 次元 CAD のPBF で製造された熱交換器である。熱交換器の熱媒の流れ出力装置として重宝されていた。その後，機構部品や流体には，層流になると熱交換の効率が低下し，乱流が増える部品の機能確認をおこなうための機能模型製造に用いられと流路抵抗が増大するという二律背反がある。このことはるようになり，さらに 2000 年代前半には競技車両用の部流路設計に流体力学を用いた最適化をおこなうことで，熱品など使用回数の少ない用途に実用部品として用いられる交換器の機能向上ができることを示している。このようにようになった。この頃から Rapid Manufacturing（RM）というAM 技術により自由な形状が加工できるようになったこと概念が用いられるようになり，戦闘機の部品など少量生産で，材料力学，流体力学のみならず，様々な基礎科学に基品に用いられるようになった 。少量生産品においては，づいた形状最適化を実際に利用できるようになり，新たな金型等設備コストの削減，補用品生産のための金型の保管ものづくりが創出されると期待できる。

1）

コストの削減などのインパクトがあり，AM 技術の生産性や経済性の向上により適用生産数は徐々に増えていくと考えられる。一方で，AM 技術の利用は生産数を大きくするのではなく，異なるデザインの部品を大量に製造することにも活用されるようになった。Align Technology 社は，アライナーと呼ばれる歯列矯正用の装具の製造に AM 技術を応用した 2）。従来アライナーの製造は，歯列の石膏模型を切断し再配置したものを型として，加熱・軟化させた樹脂板に形状を転写することでおこなっていたが（図 2），型の製造に AM 技術を用いることで，歯列の再配置がデジタル
図3化された結果，アライナーの生産性が圧倒的に向上し，製熱交換器造能力は日産 4 万個に到達している。このように，個人や4．各種展開例

状況に応じてデザインの異なる製品を大量に生産する技術
はマスカスタマイゼーションと呼ばれ，高性能製品の大量

4.1

生産品のコモディティ化が加速される中，今後新たな付加電磁気学の活用価値を提供するビジネスモデルが提案されると予想され，誘電率の周期構造を作ることで，特定の波長の電磁波をAM 技術はその中核を担う製造技術として期待できる。

通過させたり遮断したりする構造はフォトニック結晶と呼ばれている。枝川らは周期構造ではないアモルファス様の構造であっても一定の波長選択性を発現することを理論上確認していた。筆者らは酸化チタンの粉末と樹脂のポリアミド粉末を混合しアモルファス構造を造形することで（図4），波長選択性を実現した 。本例は，電磁気学に基づく
3）デザインの AM 技術による実現に当たる。
4.2

組織工学への応用

図 5a は足場材料の 1 つであるポリカプロラクトン（PCL）粉を PBF によって造形した組織工学担体である 4）。細胞が
図2
第 84 巻増殖するスペースを確保するために担体は 90％の気孔率

石膏模型とアライナー（従来工法）

第 4 号（2020）（5）

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集

材料の付着による形状創成で工具や金型と加工対象の干特AM 技術では，材料を配置，接合することによって形状公益社団法人 化学工学会 http://www.scej.org/

特集を有し，担体内部の細胞に酸素を共有するために流路ネッに従事する時間を従来の手法と，本プロジェクトで開発しトワークが配置されている（図 5b）。この担体を用いて肝臓た CAD を利用したものとで比較したものである。CAD を細胞（肝がん由来細胞 HepG2）を培養し，生体肝の 6％程度の細利用することで，従事時間が 1/3 から 1/4 程度まで低減さ胞密度を得ることに成功している。本担体が有する内部構れていることがわかる。これは，義足ソケットの制作を，造は組織工学に基づく高付加価値形状であり，本例は AMCAD 操作による設計と AM 装置による製造とに分離し，技術による実体化の例と考えることができる。

技能者の製造作業を廃したことの効果であると言える。さ4.3

カスタマイゼーションにおける CAD のインパクト

らに，製品の数と同数の設計が必要となるカスタマイゼー

筆者らは，機能と審美性の両方に優れたスポーツ用義足

ションでは設計コストの低減が成功の重要な鍵となると言ソケットの実現をめざし，①機能性を高めるためのスーえる。

パーエンジニアリングプラスチック（PEEK）の造形技術，②
機能性と審美性に優れたデザイン手法，③義肢装具士のデータ作成を支援する CAD の開発の三位一体の開発をおこなった（図 6）。表 1 は義肢装具士が 1 つの義足の完成まで

図 6 AM 製スポーツ義足ソケット
左：ナイロン製（塗装済み），右：PEEK 製
表1
図4

技能者の作業時間

ベテラン

中堅

若手

従来工法

4h05m

5h15m

7h15m

開発 CAD

1h12m

1h30m

1h36m

低減率

71％

71％

78％

フォトニックアモルファス

5．おわりに
AM 技術の定義は「付着による形状データの実体化」と非常に「粗い」定義であるため，様々な工法を十把一絡げに論じるのは乱暴であるが，あえて評価をすると，精度や材料の強度においては従来の加工法に比べてやや劣るという欠a．組織工学担体の外観点がある一方で，従来の加工法では加工できない形状が加工できる，従来の加工法より迅速に形状が得られるという利点もある。したがって，AM 技術は従来の製品の工法を置き換えるものではなく，製造規模と工法の不一致を埋めたり，科学に基づく最適化の具現に用いたりといった，従来の加工法と相補完的な活用をすることよって高付加価値ものづくりを加速することが期待される。
参考文献
1）Wohlers, T.：Wohlers Report 2005, p.157, Wohlers Associate Inc., CO, USA（2005）
2）https://www.aligntech.com/solutions（accessed 2020/02/24）
3）Imagawa, Edagawa et al.：Phys. Rev. B, 82（11）, 115116（2010）4）Niino, Hamajima et al.：Biofab, 3（3）, 034104（2011）

b．組織工学担体の内部構造
図5174

PCL 製組織工学担体（6）

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