３Ｄプリンターが起こす産業革命所属：工学ゼミ１年４組３５番中島洋哉第１章はじめに第１節テーマ設定の理由今、製造、建築、教育、医療や福祉など、世界中の幅広い分野で「３Ｄプリンター」が注目されている。近年急速な成長を遂げた３Ｄプリンターがなぜ注目されているのかに興味を持った。そして、３Ｄプリンターについて研究することで、これからの工業・産業の流れを掴めると考えたため、このテーマを選んだ。また、ときどき３Ｄプリンター関連の事件が報道されているのを見て、３Ｄプリンターの問題について、研究したいと考えていた。第２節研究のねらい３Ｄプリンターの仕組みや活用法を理解し、新たな可能性について考える。３Ｄプリンターの短所・問題点について研究し、解決策を考える。第３節第１項研究内容と方法研究の内容なぜ３Ｄプリンターが注目されるのか３Ｄプリンターの仕組み３Ｄプリンターの技術１.光学造形方式２.粉末焼結積層造形３.熱溶解積層法バイオプリンティング３Ｄプリンターの持つ課題第２項研究の方法文献とインターネットを使って調べる。第２章第１節研究の展開なぜ３Ｄプリンターが注目されるのか「２００８年から２０１１年にかけて、個人用の３Ｄプリンター市場は毎年平均３４６％もの爆発的成長を遂げ、２０１３年には７万台が売られたと見積もられている」（ウィキペディアより）。この言葉からも分かるように、近年、３Ｄプリンターへの関心が高まっている。注目される理由は数多くあるが、その中でも大きな理由を挙げていく。商品デザインを支援できる３Ｄプリンターは既に商品デザインの現場で活用されている。試作段階の商品を３Ｄ 1 プリントし、実際に触れることで、デザイン上の欠点を見つけることができる。また、「検証用モデル」なども作成できる。これは、各パーツの形状や動作の可否を確認するのに必要なものだ。これらは、熟練の職人によって作られてきた。そのため、完成までに時間がかかり、多額のコストもかかった。しかし、３Ｄプリンターを活用することで、モデルを数時間で作成でき、コストもわずかになる。そのおかげで、時間とコストを節約してより良い商品を作れるようになった。また、従来の方法では難しかった中空などの複雑な造形も可能になった。デジタル情報から製造できるこれは、３Ｄプリンターで最終的な製品を製造してしまおうという考えである。これはまだ実用には至っていないが、将来的に可能になると言われている。家庭に一つ３Ｄプリンターがあれば、製品の３Ｄデータを入手（または作成）することで、店舗に行かずに商品を手に入れられる。これが可能になれば、わたしたちが買いに行くものは製品の素材のみになるだろう…。個人に適した製品の製造ができる３Ｄデザインを修正することで一人ひとりに合った製品の製造が、少コストで可能になった。これは義肢の製造にも活用できる。海外では、３Ｄプリンターによる義顔の制作が行われた。腫瘍の摘出手術で顔の左半分を失ったＥｒｉｃさんは、ＣＴと顔面スキャナを使い顔面の３Ｄデータを復元し、３Ｄプリンティングすることで、失った顔面左半分を取り戻した。医療に応用できる生きた細胞を使い、３Ｄプリンターで臓器を「製造」する試みもなされている。これを「バイオプリンティング」と言う。患者自身の細胞を使うことで拒絶反応や感染症のリスクは少なくなり、臓器提供を待つ必要もなくなる。この研究は日本の有名大学や企業の研究室でも行われている。 ※バイオプリンティングについては、第 4 節で詳しく解説する。環境にやさしいものづくり３Ｄプリンターが環境にやさしいといわれる理由は二つある。一つは、３Ｄプリンターの製造法、「加算的製造法」によるためだ。従来のものづくりは、素材を切り落としたり穴を開けたりする「減算的な」製造法が主流だった。この製造法では素材の余りが出てしまい、効率的ではない。それに比べて３Ｄプリンターは、製品をゼロから作るため、無駄な素材を消費しない。 2 もう一つは、運輸コストがかからない点だ。商品を消費者に届けるためには、「運輸」が必要不可欠となる。この運輸のために、石油をはじめとする多くの資源が費やされ、環境問題へとつながっている。それに比べて３Ｄプリンターは、３Ｄデータを送受信するのみなので、運輸コストがかからない。このよう理由から、３Ｄプリンターは世界中の多くの分野から注目されているのだ。第２節３Ｄプリンターの仕組みここからは３Ｄプリンターの典型的な仕組みについて説明する。基本的な仕組みは、コンピュータ上で作った３Ｄデータを設計図として、断面形状を何層にも重ねることで立体物を作成する。金属やプラスチック、石膏など、様々なものを素材にできる。チョコレートなども素材にできる。＜大まかな流れ＞造形ベッド（各層を造形するための作業台のようなもの）の上に、最下層が形成される ↓ 造形ベッドが一段下がる←－－┐ ↓ ｜繰り返し前の層の上に次の層が形成される―┘ しかし、「突出部」や「孤立部」がある場合、どうするのか。「Ｌ」「Ｙ」「Ｔ」「Ｍ」を例にして考える。まず、「Ｌ」は積層部が土台となるので問題ない。「Ｙ」は斜めの突出部があるが、４５°以下の角度は作成できる。しかし、「Ｔ」は横棒が９０°に伸びており、このままでは作成できない。同様に「Ｍ」でも造形中に中心部が浮いた状態になってしまうため、作成できない。この問題を解決するために、「サポート材」が使用されている。ハイエンドのモデルでは、サポート材噴出用の二つ目のノズルが備わっている。このノズルから「突出部」、「孤立部」を支えるほかの素材を噴出することで、難しい形状も作成できる。サポート材は水につけて溶かすことで取り除くことができる。第３節３Ｄプリンターの技術１ . 光学造形方式３Ｄプリンターの初期からあり、業務用３Ｄプリンターとして広く普及している方式だ。紫外線の光などに当たると硬化する硬化性樹脂（フォトポリマー）を素材とする。 3 この液状のフォトポリマーを造形ベッド（水面間際に設置される）の入ったタンクの中にため、３Ｄデータをもとにして紫外線センサーが断面形状を形成していく。長所非常に精密な作業ができる。（各層 0.05ｍｍ、レーザー精度 0.025ｍｍ）短所太陽光に弱い。素材・本体ともに高価である。２．粉末焼結積層造形ローラーを使って粉末の層を用意し、レーザーを断面形状に当てる。レーザーの熱によって粉末が「焼結」、すなわち部分的に融解し、周囲の粒と結合する。この方式では、プラスチックやナイロン、金属、砂など様々な素材を使用できる。ナイロンなどのプラスチック素材を使えば、非常に精密な造形が可能だ。長所航空機の部品の製造にも利用できる。短所表面がざらざらした質感になる。３．熱溶解積層法「サーモプラスチック」や「バイオプラスチック」などを素材とし、熱せられたプリントヘッドから造形ベッドへ素材を噴出して各層を造形する。個人用３Ｄプリンターで主流となっている方式である。 4 長所素材は様々な色があり、安価である。短所ほかの方式に比べて精度が低く、表面に凹凸が見られる。第４節バイオプリンティング将来実現すると期待されている３Ｄプリンターの応用技術が、「バイオプリンティング」である。バイオプリンティングは、生きた細胞の自然の力を活かす。方法は様々だが、あるバイオプリンターでは「バイオペーパー」を使う。そして、目的の器官や内臓を作るのに必要な細胞をすべて混ぜ合わせた「球状バイオインク」を使う。バイオプリンティングは図のように進められる。まず片方のプリントヘッドからバイオペーパーが押し出され、層を形成する。次にもう片方のヘッドから球状バイオインクが出力される。これを繰り返すことで、３次元の物体が形成されるのである。（図は血管のバイオプリンティングのイメージ）海外ではすでに人間の肝臓のレプリカの製造にも成功しており、決して遠い未来の話ではないことが分かる。第５節３Ｄプリンターの持つ課題ここまで３Ｄプリンターの持つ利点について書いてきた。しかし、３Ｄプリンターには今後解決しなければならない大きな課題がある。違法物の作成 5 ２０１４年、国内で「３Ｄプリンターで拳銃を作成して逮捕される」という事件が発生した。驚いた人も多いだろうが、もともと３Ｄプリンター業界では懸念されていたことだ。海外には３Ｄプリンターで作れる拳銃の３Ｄデータもアップロードされており、入手するのは難しくない。また、個人用の３Ｄプリンターの精度が上がるにつれて、「鍵」や「印鑑」の作成も容易になるだろう。この問題を解決するために、私は３Ⅾプリンター本体に「フィルタリング」機能を付けるのが良いと考えた。あらかじめ拳銃などの形状を違法物として登録しておけば、それらを出力しようとしたときに、規制をかけることができると思う。知的所有権の侵害そして、もう一つの問題は「知的所有権の侵害」だ。３Ｄプリンターが普及すれば、個人用の「３Ｄスキャナ」も普及するだろう。身の回りにあるものを３Ｄスキャナで取り込み、３Ｄプリンターで出力する…。こんなことが可能になったら、知的所有権は保護できなくなるだろう。この問題は現在インターネット上であふれている、音楽や動画の違法アップロード・著作権侵害の問題に似ていると思った。この問題は決定的な解決策もなく、大きなネットモラルの問題となっている。知的所有権の問題は、３Ⅾプリンターが普及すれば避けられない問題になるだろう。この問題のために「購入した３Ⅾデータを保存できない仕組み」を作るべきだと思う。３Ⅾデータを保存させないことで「１度の購入で大量の生産」、「第三者への３Ⅾデータの転売」を防ぐことができる。しかし、各家庭に３Ⅾスキャナが普及してしまえば、この対策も効果がなくなってしまうと思う。知的所有権の問題は、非常に難しい問題だということが分かった。第２章感想まとめ今回「３Ⅾプリンター」について調べて、各方式の特徴について理解したが、いずれも欠点が目立つように感じた。現在の用途に合わせての使用ではなく、様々な場面で使える３Ⅾプリンターが求められると思う。また、３Ⅾプリンターの品質の改良とともに、法律やモラルに関する問題の解決が重要だということに気付いた。現在インターネット上で起こっているような問題が３Ⅾプリンターでも起こらないようにするために、早くからの法律や対策ソフトの整備が効果的であると思う。そして、今回最も衝撃を受けたのが、「バイオプリンティング」だ。今まで想像できなかった画期的な方法で先進医療に影響を与える技術に期待するとともに、機械で作られた臓器で生活するということに、抵抗感を抱いた。自分の細胞から作れる安心感と、機械が作る抵抗感に、社会はどのような反応をするのかにも興味を持った。今回調べたことで、10 年後には３ⅮプリンターがＰＣのように社会になじんでいると確信した。今では考えられないような、画期的な方式が主流になっているかもしれない。３ Ⅾプリンターが抱えている問題は大きいが、期待が大きいのも事実だ。これからも３Ⅾプリンターの進化に目を向けて、より理解を深めていきたい。 6 第３章参考文献クリストファー・バーナット「３Ｄプリンターが創る未来」日経ＢＰ社武内孝夫「３Ｄプリンターがわかる本」洋泉社ウィキペディア「３Ｄプリンター」「３Ｄプリンターによって顔と生活を取り戻した男の話」 http://www.gizmodo.jp/2013/04/3d_67.html 「方式別３Ｄプリンターの特徴」 http://makerslove.com/118.html 7