積層造形
特定の科学機器にアクセスできない？心配無用 – 付加製造で印刷しよう
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世界中で科学機器の需要が増加しています。ある推計によると、科学機器市場規模は2022年の約280億米ドルから2028年には340億米ドル以上に成長し、年平均成長率は3.2％になる見込みです。
さまざまなタイプの科学機器は、人為的エラーのリスクを減らし、反復プロセスを自動化することで科学開発を加速します。これにより、科学者が概念やソリューションを考案する時間が確保されます。
Technology Networksの最高経営責任者であるMikael Hagstroemによれば、ラボ作業員の時間の70％が、管理業務、準備作業、データの検索・クレンジング、報告などに無駄になる可能性があります。
科学機器は多くの時間を節約し、プロセスを効果的に簡素化するため、適切なタイミングで特定の科学機器にアクセスできないと苛立つことがあります。しかし、現在ではそのような入手困難について不満を言う理由はほとんどありません。
付加製造（一般的に3Dプリンティングとして知られる）は救いの手となっています。付加製造が特定の科学機器へのアクセスを支援する方法については、今後のセクションで詳しく見ていきます。しかし、さらに掘り下げる前に、付加製造または3Dプリンティングが何かを簡単に概観しましょう！
付加製造とは何か？
MIT Sloan School of Managementが公開した付加製造に関する解説では、これを『オブジェクトを一層ずつ構築して作成するプロセス』と定義しています。『減材製造（素材の固体ブロックを削り取って最終製品を完成させる）とは逆の手法です。』
一般的に、付加製造プロセスは以下の3段階のシーケンスに従います。
- まず、実験室で設計が作成されます。これはコンピュータ支援設計（CAD）や類似のソフトウェアを使用して行うことができます。または、印刷したいオブジェクトを直接スキャンすることも可能です。
- 第2ステップでは、ソフトウェアが設計を段階的に層状のフレームワークに変換し、付加製造または3Dプリンティング機械がそれに従います。
- 最終ステップは、プロセスが3Dプリンティングと呼ばれる理由でもあり、層状フレームワークを3Dプリンターに送信し、直ちにオブジェクトの作成を開始させます。
付加製造または3Dプリンティングは、ポリマー、金属、セラミック、フォーム、ゲル、バイオマテリアルなど、さまざまな材料に対応しています。
MITの材料科学・工学博士課程の学生であるArvind Kalidindiによれば、
「2つの部品を局所的に結合する方法さえ見つければ、3Dプリントできます。」
この汎用性とほぼ普遍的な互換性により、3Dプリンティングや付加製造は特定の科学機器の製造に適しています。以下にいくつかの例を見てみましょう。
3Dプリントされたポータブル質量分析計コンポーネントとその他
質量分析計は化学物質を識別できる装置です。質量分析計は犯罪現場から地質調査まで、さまざまな応用分野で使用され、多目的に活用されています。
MITの研究者グループは、質量分析計のコアコンポーネントとして機能する3Dプリント質量フィルターを開発しました。四重極として知られるこの小型フィルターは、従来のものに比べて格段に軽量かつ低コストです。耐熱ガラスセラミックや樹脂で作られた商用グレードの質量フィルターは10万米ドル以上かかりますが、付加製造由来のこの質量フィルターは数ドルで数時間で製造可能です。
MITのMicrosystems Technology Laboratoriesの主任研究科学者であるVelasquez-Garciaによれば、「他にも小型化された四重極フィルターはありますが、プロフェッショナルグレードの質量フィルターと比較できません。サイズとコストが性能に悪影響を与えずに小さくできれば、このハードウェアには多くの可能性があります。」
上記の例は最新の成果の一つですが、同様の例は過去にも科学技術R&Dの分野で報告されています。例えば、McGill Universityの研究者はラボオンチップ診断技術を開発し、多くの実験室機器の使用を置き換え、ミニチュア技術として機能させています。このチップは3Dプリンティングを用いて30分で製造可能です。報告によると、このソリューションは医療従事者が「現場で特定のニーズに合わせたソリューション」を作成できるように支援するとされています。
MITの別チームは、マルチマテリアル3Dプリンティングを用いて、内蔵ヒーティングエレメントを備えた自己加熱流体デバイスを作成しました。これらは流体を操作し化学反応を促進できる小型機械です。複数の大型ハイエンド機械を同時に使用する代わりに、この技術は血液や液体の微小サンプルで疾病を検出することが可能です。
遠隔地から科学機器へアクセスする
3Dプリンティングによる科学・実験機器は、物理的・地理的な距離という制約を取り除くのにも役立っています。以前は、3Dプリンターを操作できる熟練したオペレーターが現場にいる必要がありました。しかし、COVID-19のパンデミックが始まったことで、付加製造の分野でリモート作業を可能にするソリューションが登場しました。
例えば、MakerBot CloudPrintは、エンジニアリングチームが遠隔または分散した場所から効果的に作業できるソリューションを提供しました。そのクラウドベースの3Dプリンティングプラットフォームは、複数拠点に存在するチームにシームレスなワークフローを提供します。複数拠点で働くエンジニアは、ブラウザ上でスライスやプリント準備を直接行うことで、これらの3Dプリンターと効果的に協働できます。
このデバイスはキューイングとモニタリング機能を内蔵しており、ユーザーはどこからでも接続されたMakerBotプリンターへのアクセスを追加、監視、制御できます。また、プリント進捗を集中管理・監視するダッシュボードも備えており、ライブカメラ映像でジョブの最新ステータスを取得できます。
このようなソリューションにより、多くの科学機器メーカーにとってワークフローがスムーズでシームレス、かつコスト効果の高いものとなっています。
付加製造/3Dプリンティングの恩恵を受ける科学機器メーカーのタイプ
宇宙研究機器メーカーは、付加製造や3Dプリンティングから大きな恩恵を受けるセグメントの一つです。科学研究は、宇宙探査プロジェクトが提示する極端な条件下でバルク材料を測定するための3Dプリント実験装置の構築方法を示しています。
2022年、Nature Journalが言及した研究では、ナノ流体の表面張力を測定するための3Dプリントデバイスが開発され、測定結果は商用デバイスと同等であることが示されました。
この研究は、材料押出し3Dプリンティング手法を用いて、極端な条件下でバルク材料の選択された機械的・物理的特性を測定する計測機器の可能性も調査しています。
付加製造や3Dプリンティングの恩恵を受ける別のタイプの科学機器メーカーは、エレクトロニクス分野に属します。レーザー式付加製造プロセスの精度により、マイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）を作成できます。このプロセスで加速度計やジャイロスコープなどの精密部品を開発できます。
教育機器製造も、付加製造を効率的に活用できる別の分野です。学生が精密に設計されたハードウェアや産業用グレードの材料で実験できる3Dプリンターがあります。
これらの施設の共通点は、単一プラットフォームでさまざまな原料を扱える点です。安全に使用でき、個人用保護具がほとんど不要、あるいは極少量で済みます。付加製造装置は、簡単でシームレスな制御とモニタリングを可能にする組み込みソフトウェアを備えています。
多くの企業がさまざまな産業向けに付加製造や3Dプリンティングを容易にしています。次に、そうした企業のいくつかを見ていきましょう。
#1. Markforged
Markforgedは、産業用3Dプリンター機械、金属や連続繊維、複合材料などの高性能素材、そしてワークフローを改善するエンタープライズソフトウェアを含む、付加製造ソリューションの全領域を提供しています。
Markforgedは金属3Dプリンター、産業用複合材料3Dプリンター、デスクトップ複合材料3Dプリンターの3種類を提供しています。これらのソリューションは航空宇宙、自動車、消費財、教育・研究、エレクトロニクス製造、エネルギー、政府・防衛、産業機器、医療などの業界で利用されています。
Markforgedの最も人気のある製品の一つはFX10で、同社の次世代産業用複合材料3Dプリンターです。このデバイスはビジョンモジュールとレーザーマイクロメータ、迅速なローディングとユーザー介入を削減する高度なマテリアルチャンバー、7インチタッチスクリーン、そして最大60℃に加熱できるビルドチャンバーを備えています。
Markforgedは2023年3月に第4四半期および2022年通期の業績を発表しました。第4四半期の売上は2021年同四半期の2660万ドルから11％増の2970万ドルとなりました。通期売上は2021年の9120万ドルから11％増の1億0100万ドルとなりました。一方、粗利益は2021年の5290万ドルから4％減の5070万ドルとなりました。
#2. Hewlett Packard
もう一つの大規模テック企業で、3Dプリンティングを広く普及させることに多額の投資を行っているのがHewlett‑Packard（HP）です。HPの3Dプリンティングソリューションは、航空宇宙、消費財・エレクトロニクス、教育、医療・ヘルスケア、産業、製造サービス、成形繊維、義肢・装具、輸送・自動車など幅広い業界で利用されています。これらの中で特に教育分野は、特定の科学機器へのアクセスが必要とされる領域です。HPのマルチジェット融合技術は、工学から建築まで、教育・研究機関内の複数の学問領域で部品や機能的プロトタイプを構築するのに役立ちます。
HPのJet Fusion 3Dプリンティングソリューションは、開発ラボ、付加製造ラボ、大学サービス局、病院・医療3Dラボなどで実施される基礎的および高度な3Dラボ研究の両方を支援します。
HPQ 価格チャート
HPは2023年11月21日に2023会計年度の通期および第4四半期の業績を発表しました。HP Inc. (HPQ ) とその子会社（「HP」）は、前年同期比で15％減（為替換算で12％減）の537億ドルの純売上高を記録しました。第4四半期の純売上高は138億ドルで、前年同期比で6％減（為替換算で5％減）となりました。
#3. Formlabs
Formlabsは、2011年にMITの大学院生3名によって設立され、産業レベルのプロフェッショナル品質を手頃な価格で実現できる最初の3Dプリンターを作るというミッションでスタートしました。それ以来、同社は世界最大級のプロフェッショナルSLA（ステレオリソグラフィ）および選択的レーザー焼結（SLS）3Dプリンターのサプライヤーへと成長しました。
Formlabsのポートフォリオは、手頃な価格帯の産業品質デスクトップ3Dプリンター、大型フォーマット3Dプリンター、医療向けの高度なデスクトップ3Dプリンターを組み合わせた構成になっています。プリンターは20種類以上の機能性樹脂に対応し、試作やエンドユース部品の製造が可能です。また、ナイロン11、ナイロン12、TPU、ポリプロピレン、ガラス、炭素充填ナイロンコンポジットなど、少なくとも6種類の高性能産業用材料にも対応しています。プリンターは常温環境での使用が可能で、PU樹脂のみが湿度管理用のドライキャビネットを必要とします。さらに、空気環境や窒素雰囲気でも動作し、材料特性の向上やリフレッシュレートの低減が実現します。
2021年に公開された報告によると、同社はソフトバンクグループのビジョンファンド2が主導した1億5000万ドルの資金調達ラウンドを受け、企業価値を20億米ドルに倍増させました。以前は、2018年8月にNew Enterprise Associates（NEA）から1500万ドルの資金調達を行い、企業価値は10億米ドルを超えていました。
付加製造：科学研究分野のゲームチェンジャー
科学研究には最先端の機械が必要ですが、これらは高額であり、研究機関や独立した研究者の手が届きにくいことがあります。その点、3Dプリンティングや付加製造は開発が容易で低コストであるため、こうしたケースにおいては大きな恩恵となります。さらに、精度において商用機器と同等の結果を提供できるため、より大規模な企業や機関だけが手に入れられる高価な機器に代わる選択肢となります。
加えて、付加製造は物流上の課題も解決します。必要な時に正確な科学機器を持ち込むことは、コストと時間がかかる作業です。この点でも3Dプリンティングはその課題を解消します。
さらに、科学機器は重量があり複雑で、遠隔地への輸送が困難なことが多いです。宇宙探査や地質調査のシナリオで見られるように、ポータブルな3Dプリンターと原料を現地に持ち込むことで、現場で機器を開発できるという利点が一層明確になります。
以上の要因により、付加製造は科学機器へのアクセスを、より手頃で手間のかからないものへと新たな地平を切り開きます。
