台湾3Dプリントの現況と発展

侯帝光

機械工程学科教授

学生事務長

台湾国立聯合大学

2016.11.28

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侯帝光 Max T. Hou

• 1991 学士、中原大学機械学科• 1993 修士、清華大学動力機械工程学科

• 1993-95 陸軍歩兵少尉• 1995-97 アシスタントエンジニア、慶衆汽車

• 1997-99 副研究員、石材工業発展センター

石製シンク石材加工用CNC

Volkswagen T4

車体溶接

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侯帝光

• 1999-2003博士、清華大学動力機械工程学科

• 2003-04ポスドク、清華大学動力機械工程学科

• 2004-06助教授、中華科技大学

• 2006-10助教授、中華科技大学

• 2010-15副教授、聯合大学• 2015-Now教授、聯合大学

微小電気機械システムMEMS, Micro-Electro-Mechanical Systems

微小電気機械システムの応用

クアッドコプター

マイクロアクチュエータ

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概要

• 3Dプリント• 技術の種類• 応用• 学術研究• 台湾3Dプリントの現状• 今後の展開

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3Dプリント• 3Dプリント(3D printing)という言葉が登場する前は、ラピッドプロトタイピング(RP，rapid prototyping)と呼ばれる。

• RP：金型の正式製作前に、サンプル製作、サンプル検査を行い、設計上の問題を確認。

• 1981年、名古屋市工業研究所小玉秀男氏が光硬化ポリマーを利用し、3D造形モデルを製作。

• 1984年、アメリカのチャック・ハル(Chuck Hull)氏が光造形法(stereolithography)を発明し、UVレーザで高分子フォトポリマーを硬化させ、原材料をラミネート化させる。

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3Dプリント

• 技術競合– FDM、DLP、SLA、LOM、SLS、SLM、EBM…

• 早期RPは専門メーカーでのみで生産~購買、メンテナンスのコスト高

• 現在使用者が増加~ゲームマニア、印刷業者及び愛好家

• 今後~一般市民へ

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技術の種類

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Fused Deposition Modeling (FDM)熱溶解積層法

溶融沉積法FDM [1]FDM成品、半成品

ワイヤー

材料リール

加熱ノズル

溶融物質

硬化モデルプラットフォーム

FDM製品は機械的強度に優れているが、表面が粗く、後処理が必要。

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Digital Light Processing (DLP)デジタル光処理

作業プラットフォーム

モーター

デジタル光処理

光源

フォトポリマー

DLP操作工程[4]

DLP 製造され立体オブジェクトはきめ細かく、表面仕上げが不要だが、機械的強度がやや劣る

レンズ

デジタル光処理[3]

Stereolithography (SLA)光硬化

DLP：オブジェクトを徐々に光硬化樹脂から取り出すSLA：オブジェクトを徐々に光硬化樹脂に沈める両者が使用する光源は異なる

スキャンシステムレーザー

レーザー光線

感光性樹脂

すでに硬化した樹脂層

SLA作業工程[6]光硬化[5]

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Laminated Object Manufacturing (LOM)積層目的物製造

積層目的物製造[7]LOM作業工程[8]

レーザー光線

加熱ロッド

LOMは、レーザーやツールで薄い樹脂膜を必要な形状にカットし、これを一層一層接着剤で貼り付け、立体化する。 11

原料供給

Powder Bed + Inkjet Head 3D printing粉末式3Dプリント

粉末供給

ローラレベリング

粉末供給ピストン

ピストン構築

粉末床

接着剤フィーダー

インクジェットヘッド

粉末式3Dプリント[9]作業工程[10]

プラットホームに粉末層を敷き、プリンタヘッドから接着剤を吹き付け、必要部分を接着させる。更に上に一層粉末を敷き、接着剤を吹き付け粉末を粘結させる。最後に接着剤を吹き付けていない部分の粉末を吹き飛ばし再利用に回す。接着剤で粘結された部分が立体オブジェクトとなる。 12

Selective Laser Sintering (SLS)レーザー焼結

走査ミラーレーザー

ローラー

粉末製造プラットホーム

ピストンレーザー焼結[11]SLS作業工程[12]

SLSはレーザーで加熱し、粉末内の接着剤を一定の温度に上げ、粉末を硬化させる。材料：樹脂、金属粉末共に可。

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Selective Laser Melting (SLM)選択的レーザー溶融

選択的レーザー溶解[13] SLM作業工程[14]

各層で高エネルギーレーザーを使用し、粉末を完全に融解させ結合する。このように一層一層積み重ねて高密度の材料を作る。

レーザー

硬化した金属構造

融解帯粉末層

スキャン方向

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Electron Beam Melting (EBM)電子ビーム積層造形

1.高圧ケーブル2.白熱陰極3.バイアスカップ4.初期陽極5.電子ビーム6.集束コイル7.ヨーク8.ウェルド9.ワークスペース10.真空室

電子ビーム積層造形[15]

EBM作業工程[16]

電子ビームはステアリング制御ができ、加工スペース全体をカバーすることができ、過熱後一定の温度に達すると電子ビームが発射する。

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応用

医療と歯科

3Dプリント義肢(人体応用)[17] 3Dプリント義肢(動物に応用) [18]

[19]3Dプリント歯科用模型 [20]3Dプリント人の顔 17

人の耳、皮膚、骨格組織の再現

研究員が3Dプリントのヒトの耳をネズミの体に移植し、2か月経過後も、耳は正常な形を保ち、血管及び軟骨組織も形成された。

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芸術 / デザイン / 彫像

3Dプリントランプシェード(PLA)[21]

3Dプリント彫像[22]

3Dプリントガラスランプシェード[23]

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食品

3Dプリントピザ[24]

3Dプリント特殊形状の食物[26] 3Dプリントチョコレート[27]

3Dプリントクッキー[25]

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建築

3D列印房子[29]

21

3Dプリント建築模型[28]

3Dプリント複雑な形状の住宅[30]

オランダ式3Dセメントプリント住宅

セメント式3Dプリンターは、高架の上を動くクレーンに似ており、上下移動、回転する3Dプリントヘッドが設置されている。原料がコンクリートに変わっただけで、コンクリートの材料がホースから送られる。

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衣類

リュック[33]

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3Dプリント衣類[31]

3Dプリントヘアーアクセサリー[32]

航空宇宙

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3Dプリントジェットエンジン模型[34] 操作工程[35]

3Dプリント金属模型[36]

ジュエリー

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3Dプリント金属指輪[37] 3Dプリントブレスレット[38]

3Dプリントイアリング[39]

ホンダ3Dプリント電気自動車

3D プリント自動車は、速く、カスタマイズしやすい…等の特徴があるが、コストが高く、大量生産ができず、全ての材料が特殊な環境において毒素を放出する可能性がある。

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学術研究

プリントぬいぐるみ

CAM模型針

製品

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様々な材料

テディベアプリント工程

フェルト

本研究に使用する針

フェルトを使用し、テディベア3Dモ模型をプリントする。

プリント食品

プリントチョコレート模型

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様々な材料

クリーム、砂糖、卵黄等を使用し、様々な大きさの住宅や飛行機の模型をプリントする。右端の写真は油で揚げた製品

プリント食品

ピストン

押し出しノズル

配合済みの“インク”

沈積すると、自身で支えることができる

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様々な材料

プリントガラス

製品

プリント工程

プリント工程

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様々な材料

プリント住宅

材料：コンクリート、無筋

操作工程

製品

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様々な材料

3Dプリント有機電子デバイス

プリンターフレーム

導電層吹き付け

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様々な材料

電圧をかける時、温度変化する場合がある。上図は赤外線画像、右は実際の製品

3Dプリント薬用カプセル

CAD図面FDM方式3Dプリンター

作業図

線材製造プロセス

スクリュー

薬物の放出と時間の関係図

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様々な材料

HPC線材

3D列印高導電性グラフェンでフレキシブルエレクトロニクス

FDM技術で、材料にグラフェンを利用し、フレキシブルのある電子回路をプリントする。

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様々な材料

3Dプリントの生物医学への応用

NIRレーザー

残存腫瘍細胞

光熱治療、骨の再生成

骨芽細胞

ムール貝のナノ構造を模倣

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様々な応用

3Dプリントの生物セラミックススタンドは、ナノサーフェイスを持ち、骨細胞の付着と増生をフォローする。このナノサーフェイスには優れた光熱効果があり、レーザーを応用し、体外から残像腫瘍細胞を殺し再発を防ぐ。

3Dプリントの海洋学における応用

3Dプリントで珊瑚に似た性質の模型をプリントし、海洋中の珊瑚の代替とする。

自然

コンピューター生成

プリント

3Dプリント製品

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様々な応用

スイス式古菱歯象骨格の3Dプリント

化石の3D模型を断層スキャンし、更にその模型をプリントする。

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様々な応用

微小構造の3Dプリント

EHD電流体動力3Dプリント技術を使用し、基材に相転移インクを利用し、様々な電圧でインクドロップの直径を替え、10umの微小構造をプリントする。

電圧供給加熱ヘッド

基材

背圧

接地電極

水平移動プラットホーム

Z軸プラットホーム

EHDの実際の操作工程

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様々なサイズ

5軸3Dプリント

5軸3Dプリンター

操作工程

製品40

機械技術

3Dプリント造形品の機械的性質強化1

ガラス繊維材を使用してプリント造形品の外層を被覆し、プリント造形品の強度を強化する。

手作業で被覆

ガラス繊維

プリント方向

3Dプリント円柱体 ガラス繊維で3Dプリント円柱体を強化

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機械的性質

RC1:第1層ガラス繊維RC2:第2層ガラス繊維RC1-1:第1層ガラス繊維及び内部に挿入した深さ5mm厚さ1mmのガラス繊維RC1-2:第1層ガラス繊維及び内部に挿入した深さ5mm厚さ2mmのガラス繊維

3Dプリント造形品の機械的性質強化2

プリント時、炭素繊維を加えてプリント造形品の強度を強化する。

炭素繊維

エクストルーダー

プリントプラットフォーム

PLAフィラメント

炭素繊維ガイドチューブ

ノズル

エレメント部品

PLAガイドチューブ

液化

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機械的性質

異なるプリント方式の機械的性質

異なる角度でサンプルをプリントし、引っ張り試験機と耐圧試験機でサンプルの応力・応変を実測して理論値と比較、理論値と実験値の違いは大きくないことを検証。

個別の結果

理論的結果

プラットフォーム プリント角度

単軸方向強度

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機械的性質

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台湾3Dプリントの現況

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世界3Dプリント産業の現況

市場予測

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Wohlers協会の予測：2017年までに、付加製造は60億米ドルのグローバル市場に発展する。

Wohlers協会の市場調査によると：2012年、世界の付加製造(additive manufacturing)市場は22億米ドルに達した。そのうち、米国が38%、日本が10%、台湾が2%を占めた。

3Dプリントの工業上用途

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工業/商業機械

航空宇宙

自動車

消費製品/電子製品

医療/歯科

学術機構

政府/軍事

建築 その他

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台湾金属3Dプリントの発展

工業技術研究院

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2015-05-21工業技術研究院は金属3Dプリント設備を発表、10c㎥及び25c㎥のワークピースを製作でき、レーザーで溶融させた金属粉末を一層一層重ねて成型する。精細度は50マイクロメートル(µm)、緻密度は99%に達し、チタン合金粉末で製作され、引っ張り強度は950MPa以上に達し、医療器材グレードの規格を満たしており、構造が複雑な金属装飾品、金属金型、医療器材および部品の製作に使用できる。

工業技術研究院

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2016-04-21工業技術研究院は6社の業者を集めて「雷射披覆表処試製連盟（レーザーコーティング表面処理プロトタイプ製作連盟」を設立、先進的なLMD 3Dプリントプロセスを率先して採用することで、金属金型と金属製品部材の表面金属コーティングプロトタイプ製作を導入し、環境に配慮したアディティブ法のプロセスでプロセス効率と製品の競争力を向上する。

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3Dプリント vs メイカー

消費型3Dプリンター

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da Vinci 1.1 Plus

層厚プリント精度: 0.1 mm機械重量: 27kg

Atom 2.0

層厚プリント精度: 0.05 mm機械重量: 8kg

消費型3Dプリンターが最近人気を集めており、新機種が続々と登場している。しかし、タイプと構造は類似している。

Atomは外観デザインが美しく、プリント高さ31.5cm、プリント体積8000立方cm、プリント層高さ精度0.05 mmを達成、プリント品の外観がより滑らかである。

ATOM 2.0

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ATOM本体部品のほとんどが台湾製で、コストは比較的高いが、品質に優れている。ATOM優位性はその簡単、クリーンなスタイルと、安定した高速かつ正確、静かなプリントプロセスにある。新しい冷却システム、ベルト調整器、モジュール化ノズルヘッド設計等の特徴がある。

ATOM固定ノズルヘッド方式で強力な磁石を使用し、その他モジュールの交換が便利。

250mw半導体レーザーモジュール

プリント造形品

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3Dプリント vs 工学教育

機械製作(構造と機構)

アルミ型材 GT2タイミングベルト タイミングプーリー

軸受 カップリング

リニアガイド T型ボルト

角部材、ねじ、T型ナット

校正を経た後完成された構造。

機械部分で学生は機械の基本構造、フィード、加工ユニット、部材精度の機械組立てに対する影響、振動の加工に対する影響を学習できる。

機械製作(電機部分)

3Dプリントの制御コア部分(1)arduino mega 2560 (2)拡張板ramps1.4s (3)LCD液晶パネル (4)A4988ステッピングモータードライバ (5)USBケーブルを含む

42型L38ステッピングモーター

電機部分は学生がArduinoのコンパイル、パラメータの変更、A4988の電圧・電流の調整、モーターが動作時にエラーを生じない適切な値の調整を学習できる。

リミットスイッチ

ホットエンドセット

変換加工ユニット

門型3Dプリンターの基本機能は3Dプリント。射出エンドをレーザーに変えると、レーザー彫刻機となる。

義肢のプリント製作

レーザー彫刻のドラえもん

クアッドコプター脚

実際の運用状況

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機械を製作できる、即ち装置を修理できる

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上図：本校の建築学科が廃棄予定の木工彫刻機を入手したとき、三軸が動かず、制御パネルと現行のコンピュータに互換性がない状況であった。学生は3Dプリンターの組立経験に基づいて、分解し、モーター、制御パネルを交換して調整とメンテナンスを行い、修復を完了して木彫作品を製作した。

木製彫刻図

浮彫作品：龍

異なる構造の機械の製作

Delta型3Dプリンター

小船のプリント製作

チェスセットのプリント製作

大部分の機械はフィードと加工のユニットを備え、コントローラでメカトロニクスシステムを統合。学生は門型3Dプリンターを製作経験があり、Delta型3Dプリンターの製作にこれを生かすことができる。 60

プリントサービス

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工業設計学科で設計したハイヒール、左上隅がプリントした造形品、及び後処理を経た造形品

土木学科で設計した固定シャワーヘッド3Dモデル

固定シャワーヘッド3Dプリント造形品(オレンジ色はPLA、赤色はEVA)

顧客のためにプリント製作した恐竜の 骨格模型

3Dプリントトレーニングクラス

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指導員の陣容は本実験室の院生と大学四年生で構成、受講者は本校各学科の学生である。14時間のレッスンで、受講者の3Dプリンターに対する概念を確立し、自分で3Dモデルを設計し(コンピュータ描画)、専門スタッフがプリントを行う。

日本人学生訪問の際に3Dプリンターを製作

はんだリミットスイッチ

モータードライバ電圧値の大きさを測定

日本人学生が完成した3Dプリンター、携帯電話の座体をプリント中

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今後の展開

今後の展開

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• 金属3Dプリンターは未来の産業発展のポイント

– 高仕事率のレーザー– 材料技術

• メイカームーブメントが消費型3Dプリンター市場を促進

– 機械の信頼性の向上が必須

– プリントサービスのビジネスモデルを発展させることができる

– 材料選択の制限を打破する必要がある

• 機械工程教育は3Dプリンターの設計と実際の製作をcapstone課程とする– 機械工程学科の学生は機械学科の課程理論を検証

– 工作機械産業の入門クラス

– プリントサービスでその他分野に触れ、かつ機械エンジニアの位置づけをより深く知る

– 機械工程学科卒業生の技術的実力を全体的に向上