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日本バーチャルリアリティ学会誌第 20 巻 1 号 2015 年 3 月

3D プリンタと VR

特集 ■ 3D プリンタと VR

3D プリンタ最新情報と今後の可能性

小林広美

スリーディー・システムズ・ジャパン

Kobayahi Hiromi

1．はじめに米国製造最大手のゼネラル・エレクトリック社 (GE)の会長兼 CEO のジェフ・イメルト氏は，こう語っている．
「タービンブレードは，少しの形状の違いが燃焼ポイン
トやエンジンが機能する方法に影響し，結果的に何兆円ものコスト削減につながる．現在の製造方法は，ある意味，削り取っていく手法である．素材のブロックをスクラッチから切ったり削ったりしてパーツを作る．一方 3D プリン
トは，史上初めて，積み重ねる方向でパーツを作る．そのため，廃棄材は少なくて済み，ツーリングは安く済み，サイクルタイムは短縮できる，つまり我々にとって「ホーリーグレイル（聖杯）」なのである．（抜粋）」

図 1 従来法と 3D プリント法の違い（口絵にカラー版掲載）

GE 社は，試作品の作成，医療機器やジェット・エンジンのパーツの作成の 50% で 3D プリントが必要になるどで作成する．その 3 次元形状を，薄くスライス化し，と話しており，すでにジェット機のエンジン開発に 3D薄板を重ね合わせたような 2 次元スライスデータを複数プリンタを活用することを決めている．

枚作成する．そのスライスデータと同一の形状になる

2012 年 8 月，米国オバマ大統領が発表した国家プロジェ

ように，材料を紫外線やレーザなどで固めて物理的にクトから「21 世紀の産業革命」として，一躍有名になっ0.1mm 厚などの薄い層（レイヤー）を作る．それを一た 3D プリンタ．日本でも，2013 年に安倍内閣が「日本層ずつ接着しながら高さ方向に積み重ねていき，最終的再興戦略」として 3D プリンタを国家戦略に組み込んだ．には，設計データと同一の立体模型ができる．

3D プリンタは，昨今では従来工法では不可能な製品

Additive Manufacturing（付加製造）と呼ばれる 3D プの生産手段となりつつあり，企業の戦略的ツールとなっリント法（図 1 下段）は , 従来の切削工具で金属や樹脂てきている．ここでは，そんな 3D プリンタの最新状況を削り取っていく Subtractive Manufacturing：切削加工とと今後の可能性について探りたいと思う．

は , 全く異なる発想の手法である．
3D プリント法には , 切削加工に比べていくつかの明

2．3D プリント＝積層造形（成形）法

らかな特徴がある：（1）中空や入れ子状など成形でき

一般に “3D プリント ” と呼ばれる「積層造形法」は，る形状の自由度の高さ，（2）同一時間内で “ 異なる形

1980 年代に発明された成形技術である．これは，光硬状のパーツを複数 ” 製造できる，（3）データからほぼ化樹脂や熱可塑性樹脂などの材料を薄い層にして「必要全自動で同じ品質のパーツを繰り返し作れる , などであな分だけ，固めて積み重ねる」ことで，立体模型を自動る．一方制約としては，（1）利用できる材料が限定さ造形するという，当時は画期的な方法であった．

れる，（2）積層という性質上，どうしても階段状の積まず，コンピュータ上で 3D データを 3 次元 CAD な層跡が残る，（3）同じ形状を大量生産する場合，射出34

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成型品に比べ材料費が高く造形時間がかかる，など．メリットを活かし , スピードが求められる試作品，さらにカスタム生産，少量多品種生産で威力を発揮している．
3．3D プリンタ市場性
3D プリンタはこの 30 年で高機能化や低価格化が進み，世界中で積極的に導入されている．アメリカの業界調査レポートの Wohler’s Report は，2013 年度の 3D プ
リンタ関連市場が 30 億ドル（約 3,000 億円）に達し，年間成長率は 32% を維持，2020 年までに 2 兆円産業になると予測している．

図 2 3D プリンタ製品ポジションマップ

製品が多様化し開発サイクルが短くなっていることから，3D プリンタは大企業から中堅，中小企業にも広がっている．現在では，自動車，航空宇宙，家電，電子機器などの工業分野（設計製造）をはじめ，建築・土木，教育，医療・歯科，エンタテイメント，宝飾品や，ファッション，アートまで，広く応用されつつある．最近は特に，少量ロットのカスタム生産，オンデマンド製品の生産方法としても注目されている．
4．様々な積層造形方式と特徴
米国スリーディー・システムズ（3D Systems）は，

図 3 PJP

1984 年に創始者のチャック・ハルが世界初の積層造形となる「 光造形 技術（Stereolithography）」の 特許を取得，1987 年に世界初の光造形装置 SLA™-1 を商用化．
“Manufacturing The Future（未来を製造する）” というスローガンで，3D スキャンから 3D プリントまでソリューション展開している．実は 3D プリンタにはオールマイティなものはなく，方式と利用する材料によって適用分野も異なる（図 2）．

図 4 CJP（口絵にカラー版掲載）

4.1．熱溶融方式（PJP:Plastic Jet Printing）
ABS，PLA（ポリ乳酸），ナイロンなどの熱可塑性樹ていく．PJP に比べて造形時間が早く，表面が滑らかな脂を，ヒータ内蔵の Extruder（ヘッド）内で溶かし糸状仕上がりとなり，主に形状確認に使われる．にして，プラットフォーム上に積層していく方式．家電

4.3．カラージェット方式（CJP:Color Jet Printing）

量販店でも販売されている低価格帯の個人向け 3D プリ

造形材料となる石膏パウダ（ProJet x60）または樹脂ンタはほとんどがこの方式である．家庭，デザイナ，クパウダ（ProJet 4500）を薄く敷き詰めて，その上にカラーリエータ，教育分野，入門用に使われている．本体は安インクとバインダをインクジェットノズルから噴射し一く作れるが，仕上がりは積層段差や荒さが残り，一筆書層ずつ固めて積層する．モノクロから，最大 600 万色のきのように造形するので時間も少しかかる（図 3）．

フルカラーでのモデルの製作が可能．特徴は，①造形ス

4.2．フィルム転写方式（FTI:Film Transfer Imaging）

ピードの速さ，②材料を 100% リサイクルできる，ラン光硬化性アクリルレジンを透明フィルムの上に薄く敷

ニングコストの安さ，③連続諧調のフルカラー造形．特き，データの形状に従って紫外線をフィルムの下から透にプレゼンテーション用，ミニチュアフィギュア，デザ過・照射させて一層分を固める方 式，固まった部分はイン検討モデルや，ビルや住宅などの建築模型，立体地造形プレートに固定され，上から下に向かって積層され図，医療模型などに広く活用されている．また，石膏の35

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3D プリンタと VR特性を利用し，ダイレクト鋳造型や成型用型としても使われている（図 4）．
4.4．マルチジェット方式（MJP:MultiJet Printing）
ProJet3500, 5000, 5500X シリーズで採用されている方式．紫外線硬化性アクリル樹脂と，サポートの役目を担うためのワックスを，ピエゾ式インクジェットヘッドから噴射し，LED の UV 光によって硬化させる手順を繰り返して立体モデルを造る．高解像度，微細性（積層ピッチ 16 ～ 32μm）により積層段差の目立たない極め

図 5 MJPて滑らかなモデル表面や，高い寸法精度を実現した．また，ProJet 5500X は，エラストマーのブラック，PC ライクのクリア，ABS ライクのホワイトのうち，2 種類の材料を混ぜ合わせて一つのパーツとしてプリントする複合マテリアル対応大判プリンタである（図 5）．
4.5．光造形方式（SLA:Stereolithography）
世界で初めて実用化され最も歴史が長い積層造形シス

図 6 SLAテムが光造形である．エポキシーなどの “ 光硬化性樹脂(photopolymer)” を VAT と呼ばれる樹脂槽に溜め，半導体の紫外線レーザなどを光源としたスポット光を，ガルバノミラーを使ってスキャンし樹脂表面に当てて断面形状を硬化させ，一層ずつ固めながら立体的な樹脂モデル
を 高 精 度 で 造 形 す る．iPro，ProX950，ProJet6000/7000
がこの光造形法を採用，様々な高機能マテリアルが利用できるため，自動車業界を始め，多くの本格的試作から

図 7 DMP最終製品の生産まで活用されている（図 6）．
4.6．粉末焼結方式（SLS:Selective Laser Sintering）

4.8．その他

sPro, ProX550 シリーズで採用されている粉末造形方

この他に，砂糖やチョコレートを素材にして食品を立式（SLS）は，主にナイロン（ポリアミド 12）を主とし体プリントする ChefJet や，セラミック素材をプリントた樹脂粉末材料を，スライスデータに従って一層ずつ，して陶器のマスターを作る CeraJet など，新素材の製品

CO2 レーザの熱で焼結させることを繰り返してモデルも 2015 年にリリース予定である．

を造形していく．極めて丈夫で耐久性の高いモデルを造形できることが大きな特徴で，オーダメイド性の高いも5．「ものづくり」の様々な段階で活用される 3D プリンタのや，小ロットものの，最終製品の生産に用いられてい開発設計部門での 3D プリンタの導入は，試作の内製る事例が最も多いのがこの方式である．

化を実現し，その結果，外注費の大幅削減，開発期間の4.7．金属粉末造形方式（DMP-Direct Metal Printing）

短縮，製品品質の向上に大きく貢献している．例えばシファイバレーザによって金属粉末（スチール，ステン

チズン時計様では，3D プリンタ導入後，製品開発試作にレス，アルミ，コバルトクロム，チタン合金，セラミッおいて半年で装置購入金額の約 5 倍のコスト削減，治具クスなど）を焼結して立体化する．高精度，高解像度，の製作では 3 ～ 4 週間が 2 ～ 3 日に短縮した（図 8）．

高密度であるため，医療，タイヤ金型，航空宇宙，ツー同時に，短時間で多品種の立体モデルができること

リング，自動車などの，主に最終パーツ製造や金型製作で，社内でのプレゼンテーションや会議，顧客との商に利用されている．最少 100mm から最大 0mm の造形

談，展示会など，販売・マーケティングにも活用され，サイズまで ProX100,200,300,400 の 4 機種で展開．製造・売上に貢献する（コミュニケーション）．そして，生産生産に直結するため，今，最も期待されている方式であ準備の段階では，直前にならないと決定できない多種多る（図 7）．

様な「治具」類を短時間でプリントすることで生産性を

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図 11 pq 社のカスタム・アイウェア
図 8 左：3D プリントモデル，右：3D プリントした治具（写真提供：シチズン時計様）

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図 12 3D プリントした最終製品の例（口絵にカラー版掲載）

ドイツの pq 社は，顧客の顔のサイズ（鼻の高さ，目の距離など）を計測して，その人にフィットしたカスタム化したアイウェアを，SLS で生産している（図 11）．
また FOB(Freedom of Creation) 社や Freshfiber 社 は，3D プリントした家具やスマホ・ケースで 3D プリント
図 9 ななつ星 in 九州のエンブレム型でしか作れないデザインの，新発想の製品を開発し，

図 10 バイオコンパチ材料のカスタム補聴器

ネットで販売している（図 12）．

大幅に上げたり，真空注型，真空成型のマスタ型や，プ7．医療分野での活用レス，鋳造用の簡易型として利用すれば，実際の試作成医療は究極のカスタム仕様で，まさに 3D プリンタが型品が短時間・低コストで作れる（ラピッド・ツーリン

求められるアプリケーションである．CT, MR, 超音波なグ）．最近の例では，九州を周遊する豪華列車「ななつどの患者固有の医療診断データを 3D 化し，模型から手星 in 九州」のエンブレムの鋳造マスターとして，光造術支援器具やインプラント開発まで利用できる．術前の形パーツが利用された（図 9）．

シミュレーションや検討会議で，3D プリントした患者さらに，ポリアミドや金属など強度・衝撃性・耐熱性の模型が使われることは多くなっている（図 13）．に優れた材料や，生体適合性に優れたバイオコンパチの光硬化樹脂を成形すれば，最終パーツの少量ロット生産に活用できる（図 10）．
6．3D プリンタを活用した新しい生産メソッド
金型を作らずにデータから直接成形できる 3D プリン
ト法は，将来の新しい製造手法として着目されており，「少量のカスタムメード」, 「オンデマンド型の製品開発と生産システム」を実現するための基盤技術となりつ

図 13 医療での応用例（口絵にカラー版掲載）

つある．3D プリンタによるエンドユース品の生産には，主に以下のようなメリットがある．
・金型設計・製作，射出成型などの多くの製造メソッドを省略できる（時間・コスト）
・自由な形状表現ができるため，今まで作れなかった製品が作れる（差別化，軽量化，高機能）・在庫を持つ必要がなく，オンデマンドでデータを 3Dプリントして製造：保守部品製造に期待
・工場は大規模な製造ラインが必要ない・データと成形が直結しているため，ワンオフ，カスタマイズ，フルオートメーションが容易

図 14 Bespoke Innovations 義足カバー

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10．エンターテインメント，フィギュア，記念品

3D プリンタを生産手段として使っている例として
は，年間 1700 万以上のユーザに提供されているアライ

自分や家族の肖像をフィギュアというカタチで残してン・テクノロジー社の「インビザライン」マウスピース

いく，3D フィギュア製作の分野では，ハンドヘルドタ

歯科矯正，CONFORMIS 社の外科手術支援ツールがあイプの 3D スキャナ＆ソフトウェアツール＆フルカラーる．その他，再生医療，術中の固定器具や型の製作な3D プリンタが利用されている．このサービスは現在，どがある．また，Bespoke Innovations™ 社（http://www.

青山 3D サロン（http://aoyama3dsalon.jp/）他，全国の 3D

bespokeinnovations.com/) は，個人向けにフィット性，デ写真館で提供されている．

ザイン性の高い義足などの装身具を 5000 ドル前後で製
11．バーチャルリアリティと 3D プリント

造・販売し，障害者の価値観やライフスタイルまでを変3D CG をベースにして仮想空間を生成するバーチャえている（図 14）．

ルリアリティでも 3D プリントが助けになっている．3D
CG データと実体を合成して現実を拡張する Augmented

8．オンデマンド 3D プリント事業

Reality(AR), Mixed Reality(MR) では，実体となるパーツオンデマンド 3D パーツ製造サービス（Quickparts®http://の製作に 3D プリンタが使われることがある．

www.quickparts.com/）は 3D データさえあれば世界中からオンラインでパーツの注文ができる仕組みである．元々オ

また，3D プロジェクションマッピングのコンテンツンデマンド印刷を手掛けていた東京リスマチック（http://開発でも 3D プリンタが活用されることがある．プロジェ

www.lithmatic.net/）は，2012 年より新規事業として立体造クションする立体映像は，対象物との高度なマッピング形出力サービスを開始，オンライン入稿による高品質＆フ技術やソフトウェアによる調整が必要であるが，対象物

ルカラー 3D プリントパーツを法人企業中心に，短納期では建築物など大型だったり，アクセスが限られたり，簡提供している．コンテンツ配信大手の DMM.COM（http://単に調整することが難しい場合がある．そこで対象物をmake.dmm.com/）も様々な 3D プリンタを設備として装備

3D スキャンし，そのデータを 3D プリントして実物のし，ネットからのプリントサービスに対応．秋葉原には，ミニチュアを作り，そこに縮尺をかけた映像を投影し，誰でも “ ものづくり ” のできる環境を整え，個人の発信力マッピングを調整し，コンテンツを仕上げていく．フルを強力に支援している．

カラーの 3D プリントを使えば，実際の建物に映像を投影した時の発色までもある程度確認することができる（図 17）．

9．建築，土木，住宅販売など
フルカラー 3D プリンタは，建築や地図情報（GIS）

12．宇宙開発の模型製作にも利用されている．製作コストは手作業に比較して 1/3 以下へ削減され，時間も劇的に短縮，よりデータと 3D プリンタさえあれば場所を問わずモノづ複雑な模型も作成可能になった．プレゼンやコンペではくりができるのも 3D プリンタの大きなメリットであ圧倒的に有利となり，競争力を上げ，新規ビジネスの獲る．「宇宙空間で行う製造（in-space manufacturing）に得に繋がっている（図 15）．
2014 年 3 月には国土地理院 が日本全国の立体地図
データ GIS を web で公開した（http://cyberjapandata.gsi.
go.jp/3d/)．「誰でも・簡単に・日本全国どこでも」地図を 3 次元で得られる（図 16）．

図 15 住宅販売用模型( 口絵にカラー版掲載）

図 17 プロジェクションマッピング製作工程で利用される 3D プリンタ
出典：アンビエントメディア 町田聡氏 web site より（口絵にカラー版掲載）

図 16 日本全国の立体地図データ

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をダウンロードしカスタマイズして，お気に入りの一品を作ることもできる（図 19）．
14．Google “Project Ara” カスタム生産ラインに組み込まれる 3D プリンタ
製品のパーソナル化には 3D プリントによるカスタム大量生産が求められる．アメリカでは，グーグル社とモトローラ社が主体の次世代携帯端末（ProJet Ara）を開発中で，その中で 3DSystems は端末のカバーのカスタ

図 18 はやぶさ２に搭載された 3D プリント部品

ムデザインから生産までを担っている．モジュール化された端末は，究極のカスタム化が可能で，ユーザが自由に機能やデザインを選んでオーダできることを想定している．つまり，デイリーで数千個以上の「異なる」デザインのケースを生産するための高速 3D プリント対応の製造設備が必要であり，今までの 3D プリンタ技術では対応できない．現在，新しいプロダクションラインを開発中で，2015 年内に完成させ，Project Ara での初めての運用を目指している．(https://www.youtube.com/
watch?v=4RQYpo2sx_s)

図 19 個人向け 3D スキャナ

15．最後により，今日の宇宙開発や商業化やミッションデザインは「光造形 3D プリンタで部品 2,400 点を 20 時間で製造大きく変わる可能性がある．そのために，3D プリントすることに成功したことで，部品一個あたりの製造時は完璧な方法です．」ミッション用にオンデマンドの間が 30 秒に下がった．これは，一般的な射出成型法のパーツを作ることから，空間に最適な住居を建築するこそれを下回る．(2014 年 6 月 13 日 3DSystems 発表 )」3Dとまで，無重力空間におけるあらゆる製造方法を実験しプリンタのさらなる高速化，性能向上により，ジャストている．

インタイム方式による大量生産への足掛かりになり，2014 年 12 月 3 日に小惑星探査機「はやぶさ 2」を載3D プリンタの大量生産のモノづくり現場への浸透に拍せた H-IIA ロケット 26 号機が打ち上げに成功した．実車がかかることが期待されている．

ははやぶさ 2 に相乗りしているうずまき形の小型探査機

3D プリンタは従来のものづくりの手法を補間し拡張

は 3D プリンタ (SLS) で製作したものである（図 18）．

するものとして，今後 5 ～ 10 年で製造業や人々の生活を変える影響力を持つと言われている．少量・多品種小13．個人レベルに広がる 3D プリンタ

ロット生産，オンデマンド，カスタム生産など，時代の個人向けの 3D プリンタ Cube3® は趣味の DIY 工作，要求に応える成形方法として，3D プリント技術と市場アクセサリーや身の回り品の製作，子供用の玩具やギフは今後も発展していくであろう．急速に変化し続ける環トとしても購入されている．

境に，今後も注目していく必要がありそうである．

従来，ユーザは，3D CAD パッケージなどで 3 次元の設計図を作らないと 3D プリンタを活用できなかっ【略歴】

た．しかし昨今では，低価格や無償の 3D モデリングソ

小林広美（KOBAYASHI Hiromi）

フトにより，3D データ作成の敷居は低くなってきてお

日商エレクトロニクス株式会社入社，ヴァーチャルリり，3D コンテンツのシェアサイトも増え続けている．

アリティーセンター横浜，武蔵野美術大学非常勤講師

10 万円以下で購入できる個人向け 3D スキャナ（Sense®

兼務，SensAble Technologies を経て，2008 年 3D Systemsや iSense®）で人物や現物をスキャンして 3D データをに入社し，現在に至る．外資系企業を中心に，約 20 年作ったり，ネット上にある無償や有償の 3D コンテンツ

間スリーディー関連分野に従事．

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