積層造形
ナノスケール3Dプリンティング、商業化に向けて準備完了か
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3Dプリンティングは現在大流行しています。付加製造プロセスとしても知られ、三次元または3Dプリンティングでは、金型を使用せずにデジタルモデルを用いてオブジェクトが作成されます。このプロセスでは、薄い材料層をいくつも重ね合わせます。
発明者は1984年にこの技術を開発しましたが、技術の進歩により実用的な製造プロセスとなったのは最近になってからです。
多くの業界のメーカーは、この技術を用いて製品の大量生産前に迅速に試作を行います。試作をより速く、簡単に、低コストで行えることで、3Dプリンティングはイノベーションと実験を促進します。
今日、3Dプリンティング事業は急速に拡大しており、継続的な進歩と研究が技術のさらなる向上を支えています。3Dプリンティングへの関心が高まる中、科学者は現在、マイクロスケールとナノスケールの両方で製造技術に取り組んでいます。
3Dプリンティングは大量生産には遅すぎますが、ナノスケール3Dプリンティングはこの問題を解決できる可能性があり、近く実用化が期待されています。
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ナノスケール3Dプリンティングとその可能性
3Dプリンティング技術が導入されて以来、製造生産性は向上し続けています。この向上は主に、従来の製造方法の構造的・空間的制約を取り除き、設計の自由度を大幅に高めたことによります。さらに、材料効率が高く、低廃棄または無廃棄の製造が可能である点も評価されています。3Dプリンティングは、小規模メーカーにとってコストと市場投入までの時間を削減する重要な役割も果たしています。
しかし、3Dプリンティングのほとんどの応用はセンチメートルスケールに限定されています。これを超えると、機械的および材料的な課題が主に研究用途に留める要因となります。したがって、3Dプリンティングを大量製造規模に拡大し、単なる試作を超えて進化させるためには、サイズ、材料、コストに関する課題に対処する必要があります。
このため、多くの研究者がさまざまなサイズスケールで複数の材料を使用しており、ナノスケール3Dプリンティングが注目されています。ナノテクノロジーは100ナノメートル未満の測定を扱い、肉眼では見えないほど微小なスケールです。
ナノスケール3Dプリンティングの領域では、ナノメートル単位で測定されたオブジェクトを3Dプリントすることが目標です。この技術は、付加製造における有望な飛躍であり、原子単位での組み立てを可能にします。
ナノスケール技術の可能性は、バッテリー、ナノロボティクス、マイクロエレクトロニクス、医療機器、半導体、センサー技術など、さまざまな産業における効率と生産性の向上に及びます。これらの分野は、精度を損なうことなくナノスケールでの高精度な製造から大きな恩恵を受けるでしょう。
しかし、ナノスケールを含む3Dプリンティングプロセスは依然として遅く、使用できる材料の種類にも制限があります。特にナノスケール印刷ではこの傾向が顕著です。
2022年、研究者は力に対する耐性が高く、保護機能を提供し、同密度の他の材料の2倍のエネルギーを吸収できる材料を用いた新しいナノスケール3Dプリンティング手法を開発しました。この進歩により、ドローン、衛星、マイクロエレクトロニクスなどの分野で多数の応用が可能になります。
3Dプリンティング技術を採用する上でのもう一つの大きな課題はコストです。使用される材料は高価であり、特定の仕様で製品を製造できることに依存する3Dプリンティング機械自体も高価です。
さらに、ソフトウェア、技術保守、システム統合にかかる費用がこの手法の総コストをさらに増大させます。このような高コストのため、3Dプリンティングは小規模かつ高度に専門化された生産においてより実現可能です。
この分野の研究はさまざまな課題に取り組むためにしばらく続いています。例えば、数年前に研究チームが実証したのは、滑らかな特徴を持つ複雑なナノスケール3Dオブジェクトを高速で生成する3Dプリンティング技術です。
しかし、多くのデバイスの進化に対する可能性があるにもかかわらず、ナノスケール3Dプリンティングは依然として極めてコストが高く抑えられません。新たな研究により、コストと参入障壁を大幅に削減するアプローチが見つかり、商業化が可能になるかもしれません。
光を用いた微小金属構造の高速・低コスト印刷方法
最新の研究が、低強度光に基づくナノサイズ金属構造の新しい印刷方法を開発しました。この新しい光ベースのアプローチは、現在使用されている方法に比べて最大480倍の高速で、しかも低コストです。
この新しい研究は「超発光光投影（SLP）による金属ナノ構造のスケーラブル印刷」と呼ばれ、ジョージア工科大学機械工学プログラムの助教授であるSourabh K. Saha氏と、Saha氏の研究室の博士課程学生であるJungho Choi氏が共同で実施しました。
Saha氏によれば、微小構造の製造と加工に取り組む際、コストと速度は「科学界で大いに過小評価されている」要因です。科学界では見過ごされがちですが、これらの指標は「研究成果を実験室から産業へと移行する際」に実世界で非常に重要です。
「これらの指標を考慮した製造技術があって初めて、ナノテクノロジーを社会的利益に最大限活用できるようになる。」
– Saha氏が述べた
Choi氏とSaha氏は、知的財産権がジョージア工科大学研究法人に帰属するSLP特許出願の発明者でもあります。
週刊査読付き科学誌『Advanced Materials』に掲載されたこの新しい研究は、研究者らがナノスケールの金属構造を光ベースで印刷する手法を開発し、これが高速、低コスト、かつスケーラブルであることを明らかにしました。
したがって、この技術は、コストが高く速度が遅いとされる付加製造分野を変革する可能性があります。このブレークスルーは、市場に出回っている技術に比べて35倍低コストです。
実際、ナノサイズの金属構造を印刷できることに依存する多くの技術的進歩がいくつかの分野で見られます。この手法はナノパターニングと呼ばれ、センサー、電子デバイス、フォトニクス、太陽エネルギー変換、バイオ医療・診断、その他のシステムが含まれます。
ナノスケール印刷に関しては、高強度光源が必要と考えられています。その一例がフェムト秒レーザーで、焦点に極めて短いレーザーパルスを提供します。
実際に有益ではあるものの、この装置は非常に高価です。価格が最大で50万ドルに達するため、ほとんどの研究所や小規模事業者にとっては実用的ではありません。
Saha氏が指摘するように、このコストがブレークスルーが実世界で実用化されることを困難にし、結局はラボプロジェクトに留まってしまう原因です。彼は次のように述べました：
「科学コミュニティとして、我々はこれらのナノ材料を迅速かつ手頃な価格で十分に製造する能力がなく、これが有望な技術がしばしばラボに限定され、実世界の応用に移行しない理由です。」
したがって、次に当然の疑問として、そんな高強度ツールは本当に必要か？という点です。答えは否定的で、Saha氏は次のように述べました：
「我々の仮説は、求める印刷タイプを得るためにその光源は必要ないということでした。」
その結果、研究者はフェムト秒レーザーのように焦点を合わせられる低強度の低コスト光源を探し始め、商業的に入手可能なスーパー発光ダイオード（SLED）にたどり着きました。
SLEDは、スーパー発光に基づくエッジエミッティング半導体光源で、レーザーダイオードの明るさと高出力と、従来のLEDの低コヒーレンスを組み合わせたものです。SLEDが放出する光は、フェムト秒レーザーに比べてかなり低強度です。
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低強度光ベースの投影方式ナノサイズ印刷
この研究で、Choi氏とSaha氏は初の投影方式印刷技術の開発を目指しました。このシステムは、デジタル画像を光学画像に変換し、ガラス表面に投影するデジタルプロジェクターのように動作するよう設計されています。
しかし、この印刷技術で生成される画像はより鮮明に焦点が合っています。この鮮明さは、スーパー発光光の独自の特性を活用し、欠陥を最小限に抑えた画像を生成することによります。
このSLP（スーパー発光光投影）技術は、低強度光で回折限界未満（光の回折限界よりも短い寸法）のナノ構造を高速で印刷します。研究者は、ダイオードベースのスーパー発光光の空間的・時間的コヒーレンス特性を活用しました。
研究では、金属塩と他の化学物質を用いて光を吸収できる透明インク溶液を開発しました。投影システムからの光が溶液に当たると化学反応が起こり、溶液が金属に変換されます。これらの金属ナノ粒子がガラス表面に付着し、ナノ構造を形成します。
投影方式の印刷技術であるため、構造全体を一度に印刷できます。点ごとに印刷するのではなく、一括で行うため、従来の方法よりも高速です。
光ベースの投影方式ナノサイズ金属印刷のテストにより、画像が鮮明に焦点が合っていれば、低強度光でも機能することが確認されました。
Choi氏とSaha氏によれば、商業的に入手可能なハードウェアを使用すれば、他の研究者も迅速に同様の作業を再現できるとのことです。使用されたSLEDのタイプは約3,000ドルと、コストもそれほどかかりません。
このようにして、研究は中小企業、研究機関、さらには個人がこの技術を活用し、イノベーションのために実験できるようにします。Choi氏によれば：
「現在、これらの高価な技術にアクセスできるのはトップ大学だけであり、たとえそうであっても共有施設にあり、常に利用できるわけではありません。」
さらに、Choi氏は次のように述べました：
「私たちはナノスケール3Dプリンティングの能力を民主化したいと考えており、研究が低コストでこのプロセスへのアクセスを拡大する扉を開くことを期待しています。」
このブレークスルーは、新技術が研究室から実際の世界へと展開される実質的な可能性を持っています。
研究は確かに広範な応用可能性を持ち、研究者はこの手法が特に光学およびプラズモニクス分野で有用であると述べています。これらの分野では多様な複雑金属ナノ構造が必要です。
将来的に利用が期待される他の分野としては、スマートフォン、コンピュータ、ウェアラブル向けのより小型で高効率な電子部品があります。さらに、先進的なセンサー、アクチュエータ、ミニチュア通信システム、インプラントや診断装置などの医療機器、カメラやイメージングシステム向けの小型光学、エネルギー回収用の微小デバイス、カスタム特性を持つ新素材の開発などが挙げられます。
ナノスケール3Dプリンティングは、研究をさらに支援し、より実現可能なソリューションの創出に貢献します。
付加製造をリードする企業
それでは、付加製造の分野で先頭に立ついくつかの企業を見てみましょう：
#1. Stratasys
米国拠点の3Dプリンティングソリューションプロバイダーである同社は、付加製造業界の国際的リーダーです。Stratasysは自動車、医療、教育、航空宇宙など多様な業界に3Dプリンターと材料を提供しています。また、モデル、試作、製造ツール、製品部品の作成に使用される多数の付加技術特許を保有しています。
同社の最新3DプリンターF3300は、速度とコストにおいて大幅な改善が施されています。ガントリ速度の向上、押出速度の高速化、そして自動校正により時間を節約し、スループットを向上させます。この機械はエンドユース部品の生産に適しており、試作にも使用可能です。
SSYS 価格チャート
時価総額902.6百万ドルのStratasysの株価は現在13.05ドルで、年初来（YTD）で8.61%下落しています。同社は過去12か月（TTM）の売上高が630.52百万ドルで、EPS（TTM）は-1.61、P/E（TTM）は-8.10です。
#2. 3D Systems
付加製造業界でよく知られた企業である3D Systems (DDD ) は、ハードウェア、ソフトウェア、材料から医療、航空宇宙、防衛、自動車、消費財、一般製造といったさまざまな業界向けの3Dプリンティングソリューションを幅広く提供しています。
3D Systemsの技術には、ダイレクトメタルプリンティング、選択的レーザー焼結（SLS）、マルチジェットプリンティング、カラージェットプリンティング、ステレオリソグラフィ（SLA）、およびSLAベースのバイオプリンティングが含まれます。
昨年後半、同社は患者特化型3Dプリント頭蓋インプラントがバーゼル大学病院での頭蓋形成術に成功したと発表しました。この3Dプリント頭蓋インプラントは市場規模は21億ドルに達すると予測されています。
DDD 価格チャート
時価総額677.845百万ドルの3D Systems Corpの株価は現在5.08ドルで、年初来で20%下落しています。同社は過去12か月（TTM）の売上高が505.95百万ドルで、EPS（TTM）は-0.74、P/E（TTM）は-6.85です。
#3. GE Additive
テクノロジー大手ゼネラル・エレクトリック（GE）の部門であるGE Additiveは、さまざまな市場セグメントの企業がイノベーションを実現できるよう、プリンター、消耗品材料、ソフトウェアソリューションの包括的なラインナップを提供しています。
先月、同社はヨーロッパ最大の付加製造（AM）見本市で金属バインダージェット技術を披露しました。この取り組みで、GE Additiveは航空宇宙以外の新たな産業、医療分野と協力し、視野を拡大しています。バインダージェット技術により、サプライチェーンに問題が生じた際の「代替製造手段」を提供することを目指しています。
(GE.TO )GE 価格チャート
時価総額141.4億ドルのGeneral Electric Coの株価は現在129.93ドルで、年初来で1.8%上昇しています。同社は過去12か月（TTM）の売上高が67.95億ドルで、EPS（TTM）は8、P/E（TTM）は16.24です。また、GEは配当利回り0.25%を支払っています。
最終考察
研究はまだ初期段階にありますが、ナノスケール2Dプリンティングと付加製造の領域は急速に進展しています。すでに見たように、ナノスケール金属印刷をスケーラブルかつ商業的に実用化できる高速・低コストの印刷技術が開発されています。
新たな研究がコストや材料の制限といった課題に取り組み続けることで、参入障壁が取り除かれ、パーソナライズされた持続可能な製品設計が実現します。これにより、医療、ファッション、消費財、先端エレクトロニクスなどの分野での技術利用が広がり、ナノ対応デバイスが実世界で大きく活用される可能性が高まり、3Dプリンティングの市場性が向上します。
