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新時代の到来 3Dプリンタ特集

新時代の到来 3Dプリンタ特集

昨今、IT業界で持てはやされている新技術。それが…3Dプリンタです。
「ほうほう、たいそうな機械らしいな」「立体を作る機械らしいね」「最近安くなったみたいだな」と、
感想をもたれたこともあるのではないのでしょうか。

しかし、漠然と把握はしていても、「どうやって立体を作っているの?」とか、
「なんで最近、急に安くなって騒がれ始めたの?」といった点までご存知の方は少ないのでは?

「別に興味ないな〜」…と言われてしまうとそれまでなのですが…。

この「3Dプリンタ」おそらく形を変えながらより身近な存在に近づき、
「自動車」や「冷蔵庫」、「TV」や「パソコン」といった「生活の必需品」にまで進化する可能性を秘めているのです!

本特集では3Dプリンタの「仕組み」や「歴史」などについて、わかりやすく、それでいてちょっと詳しくご紹介いたします。
今知っておいて損はない「3Dプリンタ」のあれこれ。はじまりです。

実は日本人の発明!?意外と歴史の古い『3Dプリンタ』

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ここ数年で急に「3Dプリンタ」が騒がれはじめた印象がありますが、突然、技術が確立したわけではありません。

実は「3Dプリンタ」と同様の機能を持つ機械は、1台「数百万〜数億円」もする製造業向けの「業務用高額工作機械」として、1980年代から存在していました。
最近騒がれるようになったのは「低価格化」が進み「個人で入手も可能になった」という点が最大の理由なのです。

そして「米国発」の印象の強い「3Dプリンタ」ですが、基本概念である「素材を何層も積み上げて立体を作る」という考えは、
なんとある日本の方が最初に発明した方法なのです!

日本で誕生!3Dプリンタの基本概念

その方とは小玉秀男さん(2015年4月現在:快友国際特許事務所所属・弁理士)
※「弁理士」とは国家ないし国際資格を有する、特許に関する専門家です。

小玉さんは名古屋市工業研究所の企画課に勤められていた1970年代後半、
当時のコンピュータによる「3D-CAD(3次元設計)」を目にする機会があり、興味を持ちつつも不満を感じていました。

当時の「3D-CAD」は3次元図形の作成は可能なものの、図形を斜め上から見ることしかできなかったのです。
せっかくの3D図形の映像も、左右などからの形は頭の中でイメージするしかありません。
現在では考えられない制約ですが、モノクロの「インベーダーゲーム」がようやく町に現れはじめた頃の話です。
回転する3D図形の画面表示などは夢のまた夢でした。

「試作品をデザインしてもイメージが沸かない」との感想を持った小玉さんは、「3次元図形を回転表示させる方法」ではなく、「3次元図形を手軽に作れないか?」と考えたのです。

そして「半導体加工技術(露光による電気回路製造)」、「光に反応して変質する材質(フォトレジスト)」などに関する知見を得る機会があり、これらを組み合わせた「ある仕組み」を思いつきました。

それは…

光で固まる液体に、3D図面に沿った光を当てて、
固めた層を薄く薄く積み上げれば、立体図形が作れる!

図解:光による立体図形作成の仕組み
図解:光による立体図形作成の仕組み

「3Dプリンタ」の基本概念となる「層を重ねて立体を作る」という仕組みの誕生です。

小玉さんは特許申請について周囲の方に相談しますが、「業務上の発明ではない」と受け取られ、あまり協力を得られません。
そこで通常業務の後、勤め先の特許を手本にコツコツと特許出願書を作成し、1980年、ついに「立体図形作成装置」として特許を出願したのでした。

失われる機会

その後小玉さんは手作りで「立体図形作成装置」の実験機を作成。試作品としてミニチュアの家屋やヒマラヤ山脈の立体図形を完成させます。
※小玉さんは大学時代に地球物理学を専攻、ヒマラヤで定点観測を行ったことがありました。

この成果を元に国内論文誌、米国の学会誌にも投稿し、「光による造形方法」は世界に向けて発信されたのでした。

が、しかし…。

実験装置を見学にくる企業などもあったようですが、残念なことに実用化・製品化に興味を持つ企業はなく、この発明に対して勤め先の評価も低いものでした。

企業から良い反応が得られないまま論文の公開から1年が経った1982年、小玉さんが特許出願した内容とよく似た論文が、米国で発表されました。
米国の大手化学メーカー「3M」社に勤めていたアラン・ハーバート氏によるものです。
ハーバート氏は小玉さんよりも2年ほど早い1978年から「光による造形法」の研究に着手しており、小玉さんと同様の方法にたどり着いたのです。

この論文の発表を知った小玉さんは手紙を書き、「(この技術は)誰も相手にしてもらえない」といった趣旨の内容を書いたところ、ハーバート氏からも「私も3M社では評価されない」との返信が。
ハーバート氏の研究は3M社内で「事業化の可能性低し」と判断され、研究開発は停止。
特許出願もされず、やむなく個人の論文として発表した、
という実情だったのです。

小玉さんは「3M社でも同様」との知らせでこの発明に対して自信を喪失。
さらに勤め先からは「成果の出る研究を」と研究内容の変更を指示されたこともあり、
転身を考えるようになります。

そして1985年、資格取得と共に名古屋市工業研究所を退社。弁理士としての道を選んだのでした。

…なお、後に判明することですが、特許を出願した「立体図形作成装置」において、その「権利」を主張するために必要な「審査請求」の提出を、小玉さんは失念していました。

発明復活!は、したものの…

一方、同時期に同様の立体作成方法を研究していた人物に、米国のチャック・ハル(チャールズ・W・ハル)氏がいました。

小玉さんの特許を目にしたのかどうか定かではありませんが、小玉さんと同様の「光による造形法」を使用した立体作成装置の研究開発をしており、インターネットもソフトウェアも満足になかった1980年代に、3D用のデータである「STL形式(拡張子:.stl)」を開発。着実に事業化へ向けて活動していました。

そしてハル氏は、小玉氏とよく似た「光造形方法」について、1984年頃から日本を含め各国で特許を申請。
勤め先では事業化しない方針となったため独立し、「3D Systems」社を創業。
1987年に世界初の業務用3D光造形装置を発売し、「3D Systems」社は急成長を成し遂げたのです。

同年の1987年秋、弁理士として活動していた小玉さんのもとに、ある企業から打診がありました。

「海外で面白い技術があり、それの日本特許を取得するには『億単位』で前金を支払う必要があるのだが、その価値はあるか?」

まさしく小玉さんが特許を出願した技術とほぼ同じものでした。
慌てて自分の特許について確認したところ、権利主張のための「審査請求」が出されておらず、
「特許出願から7年以内(当時:現在は3年以内)」という審査請求提出期限が半年前に切れていたばかりだったのです…。

こうして「光造形法」は米国発祥で製造業に浸透し、「3Dプリンタ」と呼ばれる機器の元祖となりました。

日本発の技術でありながらあと少しのところで協力を得られずに普及のチャンスを逃し、パイオニア精神溢れる米国が一歩先んじる結果となるあたり、
「いかにも日本らしく、米国らしい」と感じられるところではないでしょうか。

のちに小玉さんは「もし審査請求していたら、日本では40億以上、米国でも特許を取っていたらもうヒト桁上の特許料が発生していたかも」
「特許管理の重要性を身をもって経験した」
と述懐されていたそうです。

なお、小玉さんは、ハル氏とともに、英国のランク財団が優れた発明を表彰する「ランク賞」というものを受賞し、発明者としての栄誉と賞金を得ることができました。
※その際、受賞賞金はハル氏を上回っており、「発明者=小玉さん」ということが暗に認められていました。
また、小玉さんと同時期に光造形について研究しつつ、評価されなかったハーバート氏も、3D Systems社に迎えられ、近年までコンサルタントとして活躍されていた、とのことです。

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低価格化の秘密がここに。光造形だけじゃない、3D図形作成方法!

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前述の「3Dプリンタの歴史」でご紹介した「光造形法」ですが、
この方法には弱点もあります。その最たるものは「費用」でした。

  • 高出力な光源
  • 正確に光線を発射するための装置
  • 固体化する特殊な液体(光硬化性樹脂)の価格
  • 空調設備
  • 完成品を洗浄する設備

等々、ともかく装置と運用・管理に費用がかかるのです。
「非常に精細で滑らかな表面で作成ができる」というメリットがあるため、
業務用としては成功しましたが、個人で購入するような価格ではありませんでした。
1台1億円もザラだったとか…。

1980年代半ば、「歴史」の項目でご紹介したとおり「3D Systems社」が特許を持っていたため、価格競争などが起きることもなく、
高額なまま一社独占の体制ができあがりかねない状況でしたが、そんな甘い話はありません。

1988年、同じ米国の企業「ストラタシス(Stratasys)社」が、画期的な技術を引っさげ、3D Systems社に挑戦します。

低価格化への技術・その名は『FDM』!

ストラタシス社が開発した新技術、それは、

「熱溶解積層法」(fused deposition modeling)、略してFDM
※「fused ≒ 融解、溶かした」「deposition ≒ 堆積」「modeling ≒ 造形」

その仕組みをカンタンに説明すると、
「熱すると溶け、冷ますと固まる樹脂を薄く重ね上げることで、立体図形を作成する方法」となります。

この技術は「3D Systems社」の「光造形法」から1年遅れて特許を取得された、後発の技術でしたが、
「光造形法」よりもずっと単純な仕組みで製造機を作ることができました。
「光造形法」の機械で「1台1億円」だったのものが、
この方式の機器なら「数百万〜数千万円」で購入できたのです。

具体的な製造過程は以下のとおり。

図解:FDMの図形作成の仕組み
図解:FDMの図形作成の仕組み

仕組みだけ見れば実にシンプル。

この技術の特許を1988年に取得したストラタシス社は、格安の3D図形製造機を片手に3Dプリンタ市場に躍り出るや、
3D Systems社を抜き去り、現在シェア世界一を誇るまでになりました。
※余談ですが、世界の3Dプリンタ市場は実は「ストラタシス社」「3D Systems社」の2社で70%を占めています。

さてこの「FDM」という造形法。
昨今の「格安3Dプリンタ」のほとんどがこの造形法を使用しています。
富士通WEBMARTで販売中の3Dプリンタも「FDM」を使用しているのですが、ご紹介したとおり、1988年には既に確立されていた技術です。

約20年もの間、一体どこで眠っていたのでしょう?
近年になって、何か価格が下がる技術革新でもあったのでしょうか?

答えは『ストラタシス社の特許が有効だったので、他社が手が出せなかった』です。

1988年の特許取得以降20年間、この技術はストラタシス社(もしくは使用料を支払った大企業)の独占技術であり、
利益率の高い企業向け製品にしかほぼ活用されなかったのです。

なんともがっかりな話なのですが、この技術で世界シェア1位の座に輝いたことを考えれば止むを得ません。
正しく「発明者の権利」が守られた結果でした。

そして特許取得後20年経った2009年。この特許が失効!
高価になりがちな光造形法と比べ、遥かにシンプルな「FDM」の技術が誰でも使用できるようになりました。
※「光造形法」の特許は2006年に失効済み。

あとは、皆さんご存知のとおり、大小企業がこぞって開発、発売する『格安3Dプリンタ戦国時代』が到来したのです。

最近の「個人向け3Dプリンタ発売競争」は、2009年の特許失効から始まっていたのでした。

…さて、実はもうひとつ。さらなる「戦国時代」を生みかねない造形法の技術があります。
この技術の「特許」は2014年2月に失効したばかり!
3Dプリンタの「第三極」に位置する造形技術をご紹介しましょう。

今後が期待される『レーザー粉末焼結法』!

「SLS法」(≒ Selective Laser Sintering)とも、「粉末焼結積層造形法」とも呼ばれます。

テキサス大学の研究室にいた教授と学生が取得し、企業創業のきっかけとなったこの特許は、
2014年2月に失効したばかりで、格安3Dプリンタとしての登場も期待されています。
実際、スイスの企業が50万円前後の商品の発売を開始していますので、数年後にはひょっとすると…

カンタンに言うと、
「熱で溶ける粉末を、レーザーで焼いて固めて、3D図形を作っていく」
という方法です。

図解すると、以下のとおり。「光造形法」と少し似ています。

図解:レーザー粉末焼結法の仕組み
図解:レーザー粉末焼結法の仕組み

メリットとして、「比較的固いものを製造できる」という点があります。 「光造形」なら「光に反応する樹脂」、「FDM」なら「熱で液体化する樹脂」という制約がありましたが、「レーザー粉末焼結法」であれば、ある種の「金属」での作成も可能です。

つまり「強度を持たせた、『硬いもの』が作れる」ということ。
身の回りのもので、作成・代用できるものが一気に増える可能性があるのです。

身近な存在になることを期待したいですね。

なお、余談ではありますが、このSLS法、あの「小玉さん」も実は思いついていて、研究ノートにしたためてあったそうです。
ただ、こちらは特許出願や論文化さえしておらず、小玉さんはそのことを後に悔やまれていたんだとか。

もっとも基本的な方法である、「光造形法」「FDM」「レーザー粉末焼結法」の3種類をここまでご紹介してきました。
その他にも、インクジェットプリンタの方式を応用した「インクジェット方式」や、インクジェット方式+レーザーを使用しない「粉末固着式積層法」、光造形法の応用「プロジェクション方式」等々、多数の種類があります。

今後も様々な方法が検討、開発されていくでしょう。

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すでに目の前まで来ている『未来』。3Dプリンタで作る世界

詳細説明を見る

3Dプリンタの「歴史」、そして「仕組み」についてご紹介いたしました。

大変な技術であるという点では、ご理解いただけたのではないでしょうか?

ただ、やはりいまひとつ、「なぜこうも騒がれるのか?」と疑問に持つ方もいらっしゃるかと思います。
「要は、試作品が簡単に作れる、ってだけでしょ?」

とんでもない!!

そこで本特集の最後は、3Dプリンタが導く脅威の未来世界について、その一端をご紹介いたします。
この機械の向こう側に、『輝く未来』が見えている人が大勢いることを、きっと実感できるでしょう。

こんなものまで!?3Dプリンタ・プロデュース
衣
服

つまりです。

実際に米国には既に、特定の素材と3Dプリンタを使用し、水着や靴を製造・販売している会社もあったりします。

将来的には、3Dプリント可能な繊維を使用し、スキャンした個人の体格データに合わせ、自由なデザインの衣服を自宅で作ってしまうことができる!というわけ。

現在「衣類用3Dプリンタ」を鋭意開発中の会社もあって、注目の分野といえます。

食
食

なんと食べ物を3Dプリンティングしてしまおう、というお話。

粉末の「たんぱく質」「脂肪」「香料」などを材料にした上で、「水」と「油」を混ぜ合わせながら成形するのだとか。材料が増えれば、理論上はどんな食物も造形でき、現在開発中の機器でも、シンプルなピザなら15分ほどで作れてしまうとか。 もちろん「砂糖」などを使った「飴」なども既に実現されており、その造形は「飴細工職人も真っ青」といったレベルの、複雑かつ美しいものに仕上がっています。

各国の「フードプリンタ」の開発においては、
その一部では『NASA』が出資したりもしています。
「スペースシャトル」などで宇宙に関する事業を手がけるあの『NASA』。
進歩したとはいえまだまだ「美味しい」とはいえない「宇宙食」をこれで解決できないものか、各企業に出資して試行錯誤をしているのだそうです。

「フードプリンタ」が実現すると、「外食産業」のスタイルは大きく変化する可能性があります。
「美味しいもの」「凝ったもの」を食べることよりも、
「どんな雰囲気で」「どんなサービスを受けながら」料理を食べるかが、
「外食」をする意味の中心になるのでは?
との予想もあります。

自宅でフレンチもイタリアンも日本食も食べられ、しかも見た目は一流のシェフ以上に凝った造形のものが出来てしまうのであれば、
そういう価値観に変化していくことは、十分考えられますね。

住…!?
住…!?

世界には面白いことを考える人が、後を絶ちません。
「家を3Dプリンタで作る!」と、考える人もいたのです。

現在十分な強度を持った家を作る「巨大3Dプリンタ」が登場しており、立派な外見をもつ一軒家が、更地の状態からわずか「20時間」で造形されたり、「平屋一室」でよければ、1日に「10棟」程度を作成することも可能だとか。
むろん開発段階のため、この性能は今後さらに改善していくことでしょう。

まだまだメンテナンスや特殊な材料などによって費用が掛かりますが、
一度作り出したら完成まで全自動です。
事業が軌道に乗ってコスト面が改善されれば、人件費も抑えられ、
格安住宅の造形が可能となります。

このプリンタが10台もあれば、災害時の仮設住宅などは、少ない作業員だけで1か月あたり3000棟ほども作成できてしまいます。
また、海外でテント暮らしを強いられている避難民向けの住宅を、低コストで作成することも夢ではありません。

この分野での進歩の先には、「面白い発想」というだけではない、非常に実用的な目的があるのです。

医療
医療

この分野については、見聞きしたことがある方も多いと思います。

もっとも有名な例は「義手・義足」等の「整形外科」の分野。

四肢や骨格の欠損などに見舞われた方の状態は個人によって異なり、必要な義手義足などの代替品の形状も変わってきます。うかつに「汎用品」をあてがえば、「ないよりまし」といった程度にしか活用できない可能性もあるでしょう。3Dスキャンによって各個人の状態を確認し、それに合わせた代用器具を3Dプリンタで正確に造形できれば、最適な義手・義足・人工骨を低価格、かつスピーディに提供することができます。
被害にあわれた方の負担軽減、社会復帰に大きく貢献するでしょう。

他方では「医師の育成」や「手術の成功率」への貢献があります。

体組織と似た物質で人工の心臓などを作成することも可能になっているため、本物そっくりな臓器で使って技能の研修が行われ、より実際に近い形での医師教育が可能です。

また、世界的に例の少ない難手術の前に、患者の臓器サンプルを複数作り、患者の負担がより少なく、
効率的な術式を模索し、成功率を高める
ことも可能です。

さらに、この技術が進歩すれば、人間にそのまま埋め込めるオーダーメイドの「人工臓器」がわずかな時間と費用で作成できる可能性があるのです。

人命がかかわるだけに、この分野では3Dプリンタの研究・導入も盛んです。
数年もするだけで、「3Dプリンタによる診察・施術」が一般的になることも、十分考えられます。

宇宙

「持ってって何するつもりなの?」
と思われるかもしれませんが、国際宇宙ステーション(ISS)には「3Dプリンタ」がすでに持ち込まれています。
主な目的は、「無重力空間で3Dプリンティングが可能か否か?」という、まだまだ初期段階の実験のためですが、
目標は、「宇宙船やISSの交換パーツを自前で作ってしまう」ということなんだとか。

宇宙

宇宙船やISSに故障などの問題が発生してしまった際、現在の状態では「足りない修理パーツや交換部品、工具などは別途打ち上げ」が基本です。緊急を要するのであれば、「修理するためだけにロケット打ち上げ」という、とてつもないコストを負担する必要があります。

もしこれが「特定の原材料だけ普段からストックしておき、現地(ISS)生産が可能」となれば、修理速度はグッと速くなり、費用もグッと安くなります。危険と隣り合わせの宇宙において、その危険性を大幅に下げることが可能になるかもしれません。

さらには
「宇宙ステーションを宇宙空間で3Dプリンタで作ってしまおう」
「現地資源だけで月面基地や火星基地を3Dプリンティングしてしまおう」

という発想もあるのだとか。

宇宙進出を強力に後押しする「ツール」として、3Dプリンタの技術は注目されています。

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以上、3Dプリンタの「歴史」「仕組み」「未来」と、ご紹介させていただきました。

3Dプリンタには日本人を含む多くの人々の努力がつぎ込まれ、驚きの技術により支えられ、
そして様々な可能性が秘められていることがご理解いただけましたでしょうか?

まだまだ制約が多い「3Dプリンタ」ですが、もしもあらゆるものが「3Dプリンティング可能」ということになれば、
「物流」というものは大幅に規模が縮小するのではないか…?
とさえ言われています。

今現在、一部の商品では「購入手続き当日に発送、翌日到着」といった、かつては考えられない超スピーディーな配送が見られるようになりましたが、「3Dプリンティング可能」な商品は、もはやモノそのものを買う必要がなく、「データを購入したら、即座に商品を自宅でプリントアウト」なんてことが出来るようになります。

デリバリー、出前といった分野でも同様。原材料さえ揃っていれば、有名店の「データ」を購入し、自宅でプリントアウト!
ピザ屋さんのミニバイクも、お寿司屋さんお蕎麦屋さんのスーパーカブも無用の長物に…。

人々は「商品」ではなく、すべて「データ」で購入する時代が来る!!
…のかもしれませんね。何年後の話になるかは見当もつきませんが…。

将来の「技術革新」を担うのは、今3Dプリンタを手に入れた「あなた」か、
あなたの背中を見つつ幼少期から3Dプリンタに慣れ親しんだあなたの「お子さん」かも…!

今後も「3Dプリンタ」の世界は、大注目です!!

(注意) 本掲載内容は2015年4月時点での情報を基に作成しています。また、広く理解しやすい内容とするため、「例外的内容」「特殊な内容」「厳密かつ正確な記述」など、一部の情報についてはあえて要約・割愛している場合があります。あらかじめご了承ください。

ムトーエンジニアリング社製国産3Dプリンタ

富士通WEBMARTでは、ムトーエンジニアリング社製国産3Dプリンタ

  • 「パーソナル 3D プリンタ MF-500」
  • 「パーソナル 3D プリンタ MF-1100」
  • 「パーソナル 3D プリンタ MF-1150」※MF-1100のソフトバンドル版

の取扱いを開始いたしました。

個人でも購入可能な低価格、充実の日本語マニュアル、
専用サポート窓口など、海外製3Dプリンタに劣らぬ品質とサービスを実現しています!

この機会に、最新技術の一端にぜひ触れてみてください。

【ご注意】
・造形にはSTL形式(拡張子「.stl」)のデータがあらかじめ必要です。
  3D図形作成ソフト(『MF-1150』ではバンドル済み)をご用意いただき、別途STL形式の3D図形データを作成いただくか、
  ネット上に一般公開されているSTLデータを探し、別途入手していただく必要があります。
・本製品の詳しい仕様等については、本製品のムトーエンジニアリングHP新規ウィンドウが開きますをご確認ください。
・本製品に関するご相談・ご質問は、株式会社ムトーエンジニアリング・カスタマーセンターまでご連絡ください。
  カスタマーセンター:【フリーダイヤル】0120-147-610  (営業時間:9:00〜17:00、土日祝祭日除く、不定休有)

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