3D プリンタ 書籍
 
No.1946

◎ 「実製品生産」に向けて!!
        “造形プロセス” “材料“ “装置” 各要素の課題と対応策!

産業用3Dプリンター
最新技術と先進分野への応用


―医療、自動車、航空、建設、金型、鋳型―

発刊日 : 2018年6月29日  体 裁 : A4判 264頁   定 価:70,000円(税抜) ISBN:978-4-86104-709-1


 
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■ 執筆者(敬称略) 

(株)ストラタシス・ジャパン 三森 幸治 早稲田大学 田中 龍一郎
(株)東芝 岡田 直忠 自治医科大学 益子 敏弘
(株)野村総合研究所 光谷 好貴 (株)アールテック 小杉 隆司
デンカ(株) 小西 邦彦 筑波大学 大城 幸雄
ユニチカ(株) 長谷川 健二 ソルベイジャパン(株) 堀内 英臣
東京理科大学 佐々木 信也 東京理科大学 金原 克範
豊橋科学技術大学 横井 敦史 東京理科大学 川村 康文
豊橋科学技術大学 武藤 浩行 清水建設(株) 兼光 知巳
首都大学東京 筧 幸次 清水建設(株) 小崎 賢一
名古屋工業大学 渡辺 義見 (地独)北海道立総合研究機構 戸羽 篤也
横浜国立大学 小島 東作 (株)ホワイトインパクト 田内 英樹
武藤工業(株) 當間 隆司 広島大学 竹澤 晃弘
丸紅情報システムズ(株) 丸岡 浩幸 山口県産業技術センター 村川 収
(株)マイクロジェット 山口 修一 山口県産業技術センター 永田 正道
東レエンジニアリング(株) 山田 高光 山口県産業技術センター 松田 晋幸
金属技研(株) 増尾 大慈 経営コンサルタント 谷村 勇平
新東工業(株) 小林 祐次 芝綜合法律事務所 牧野 和夫
大阪大学 中野 貴由 大日本印刷(株) 茂出木 敏雄
香川大学 四宮 あや    

■ 目  次

第1章 3Dプリンターの今後の市場動向

第2章 3Dプリンター用樹脂系材料開発

第3章 3Dプリンター用金属、無機材料の開発

第4章 3Dプリンター造形技術の開発

第5章 後処理技術

第6章 医療分野での応用

第7章 工業製品分野での応用

第8章 事例から学ぶ3Dプリンター事業化と導入

第9章 3Dプリンタ/3Dデータをめぐる権利化への対応


◇第1章 3Dプリンターの今後の市場動向 ◇

第1節 3Dプリンティングによる 部品製造と造形用樹脂の動向
1.3Dプリンターによる部品製造(Direct Digital Manufacturing)が製造業にもたらす経営的メリット
 1.1 製品数量規模に対するDDM経済性
 1.2 製品形状複雑度に対するDDM経済性
 1.3 製品ライフサイクルに於けるDDM活用領域
 1.4 DDMがもたらす3つの変革
 1.5 DDMへの移行を阻む技術要因
2.実用事例と市場
 2.1 3Dプリンティングの活用事例
 2.2 3Dプリンティング樹脂型を活用した金属成型の動き
 2.3 部品製造のための3Dプリンターの進化
 2.4 材料の動き

第2節 金属3Dプリンターの市場動向
1.金属3Dプリンターの全般的な動向
2.粉末床溶融法造形装置の動向
 2.1 レーザビーム方式
 2.2 電子ビーム方式
3.指向性エネルギー堆積法造形装置の動向
 3.1 造形機能のみの指向性エネルギー堆積法装置
 3.2 造形機能および切削機能を有する指向性エネルギー堆積法装置
4.バインダジェッティング法造形装置の動向

第3節 3Dプリンターが開く新たなビジネスチャンス
1.3Dプリンターの持つ三つの特徴
 1.1 多品種生産対応
 1.2 オンデマンド生産対応
 1.3 新形状・新機能の実現
2.IoT時代のものづくりと3Dプリンター
 2.1 IoT時代のものづくり
 2.2 IoT時代のものづくりにおける3Dプリンターの役割
 2.3 3Dプリンターが開く新たなビジネスチャンス

 

◇第2章 3Dプリンター用樹脂系材料開発 ◇

第1節 ABS系樹脂の基礎と高機能化 応用展望
1.ABS樹脂の基礎知識
 1.1 ABS樹脂の歴史
 1.2 ABS樹脂の製造方法
2.ABS樹脂の特徴
 2.1 ABS樹脂の組成と特徴
 2.2 ABS樹脂の成形加工方法
3.ABS樹脂の高機能化
 3.1 透明ABS
 3.2 耐熱ABS
 3.3 その他

第2節 材料押出型3Dプリンター用PLAフィラメントと共重合ポリエステルフィラメント(感温性フィラメント)の開発
1.材料押出型3Dプリンター
2.フィラメント
3.PLAフィラメントの開発
 3.1 開発の経緯と目標
 3.2 PLAのエナンチオマーの影響
 3.3 フィラメントの作製方法
 3.4 フィラメントの力学的性能
4.材料押出型3Dプリンター用フィラメントの動向について
5.感温性フィラメントの開発
 5.1 当社共重合ポリエステル開発の歴史
 5.2 感温性フィラメントの開発
 5.3 感温性フィラメントの性能
 5.4 今後に向けて

 

◇第3章 3Dプリンター用金属、無機材料の開発 ◇

第1節 金属3Dプリンタによる新しい摺動表面の創製
1.マルチスケール表面テクスチャリング
2. 金属3Dプリンタを活用した3次元微細構造を有するトライボ表面の創製
 2.1 油供給キャピラリー構造 
 2.2 3DテクスチャとDLCコーティングのハイブリッド構造
 2.3 摩擦制御のための形状可変構造


第2節 3Dプリンター用複合粉末原料の開発
1.複合粒子の作製と微構造設計
 1.1 粉末設計と高機能化
 1.2 複合粒子の作製
2.付加製造技術のための粒子設計
 2.1 複合粒子の活用
 2.2 易焼結性のための粒子設計
 2.3 レーザー吸収特性向上のための粒子設計

第3節 金属3Dプリンターのスーパーアロイ(超合金)への適用と航空宇宙分野応用
1.スーパーアロイとその3D積層造形
 1.1 スーパーアロイ (superalloy)
 1.2 積層造形プロセス
 1.3 造形後の組織と機械的特性
2.ニッケル基超合金の積層造形における課題
 2.1 レーザ積層造形における高温での延性低下
 2.2 延性改善
 2.3 再結晶形成による強度低下
 2.4 タービン高温部品の加工

第4節 3Dプリンター用金属粉末の内部欠陥抑制
1.ヘテロ凝固理論とヘテロ凝固核粒子を用いた鋳造アルミニウムの結晶粒微細化
 1.1 ヘテロ凝固理論
 1.2 ヘテロ凝固核物質と結晶相との格子マッチング評価
 1.3 D022構造のAl3Tiヘテロ凝固核
 1.4 L12構造化した(Al1-xMex)3Tiヘテロ凝固核
2.ヘテロ凝固核粒子を添加した積層造形用金属粉末
 2.1 ヘテロ凝固核粒子を添加するコンセプト
 2.2 Ti-6Al-4Vの初晶β相に有効なヘテロ凝固核の探索
 2.3 Ti-6Al-4Vの一層造形に及ぼすTiCヘテロ凝固核粒子の影響
 2.4 Ti-6Al-4Vの積層造形に及ぼすTiCヘテロ凝固核粒子の影響

 

◇第4章 3Dプリンター造形技術の開発 ◇

第1節 産業用3Dプリンタプリンターの開発状況と最新技術動向
1.産業用3Dプリンタプリンターの開発状況と最新技術動向
2.パーツの量産
3.金属焼結型3Dプリンター
4.低コスト化手法

第2節 樹脂溶融型3DプリンタMR−5000とBi−Matrix複合化の開発
1.Additive工法と3Dプリンタ
 1.1 材料複合化の問題点
 1.2 材料複合化の解決策
2.  Bi-Matrix複合体
 2.1 貼り付け困難な素材の貼り合せ
 2.2 熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂の複合化
 2.3 複合化による誘電率の制御
 2.4 弾性の異方化
3.Value 3D Resinoid MR-5000

第3節 Stratasys社樹脂3Dプリンタの現状と開発
1.Stratasys社の概要
 1.1 Stratasys社の歴史
 1.2 FDM方式3Dプリンタの基本構造と造形原理
 1.3 Polyjet方式の基本構造と造形原理
2.Stratasys社 樹脂用3Dプリンタの現状
 2.1 FDM方式 3Dプリンタの現状
 2.2 Polyjet方式 3Dプリンタの現状
3.Stratasys社 樹脂用3Dプリンタの開発
 3.1 汎用3Dプリンタ製品の開発
 3.2 近い将来に向けてのコンセプト3Dプリンタの開発

第4節 レーザメタルデポジション方式による高速・高性能3次元積層
1.レーザメタルデポジション方式造形装置試作機
2.造形結果
 2.1 高速・高精度造形
 2.2 異種材料の複層造形
 2.3 高解像度造形と表面精度改善
 2.4 オーバハング形状

第5節 インクジェット方式の研究開発用3Dプリンター
1.各造形方式におけるインクジェット技術の応用
 1.1 材料押出法
 1.2 シート積層法
 1.3 結合剤噴射法
 1.4 材料噴射法
 1.5 粉末床溶解結合法
2.インクジェット技術について
 2.1 吐出原理
 2.2 インクジェットヘッド
3.インクジェット方式の研究開発用3Dプリンター

第6節 3Dプリンタによる造形品へのシミュレーションの適用
1.射出成形用金型への適用
2.トポロジー最適化による金型形状の検討
3.造形品の収縮・そり変形、強度

 

◇第5章 後処理技術 ◇

第1節 微細な空孔を除去するためのHIPの最新技術
1.HIP処理の基本事項
2.金属積層造形品の対するHIP処理効果
3.金属積層造形とHIP処理の適応事例

第2節 疲労強度向上のためのショットピーニング
1.ショットピーニングの作用と効果
2.ショットピーニング方法
3.ショットの種類
4.効果の確認・評価
5.疲労強度向上事例
6.3Dプリンタ材へのショットピーニングの影響

 

◇第6章 医療分野での応用 ◇

第1節 医療分野における3Dプリンタの応用展望とテーラーメイド医療時代で生まれるビジネスチャンス
1.金属3Dプリンタを取り巻く環境と医療応用
 1.1 金属3DプリンタとSociety 5.0
 1.2 金属3Dプリンタの分類
 1.3 3Dプリンタのテーラーメイド医療への適用の背景
2.金属3Dプリンタによる高付加価値モノづくり
 2.1 異方性や階層構造を活用したモノづくり
 2.2 パウダー/ソリッド複合体による高付加価値化・機能発現
3.テーラーメイド医療に向けた金属3Dプリンタの応用
 3.1 金属3Dプリンタによる「コト」づくりの重要性
 3.2 伴侶動物治療によるビジネスモデル

第2節 インクジェット紫外線硬化方式3Dプリンターの医学・医療分野へ実用化
1.作成方法
 1.1 医療画像データ作成
 1.2 3D-CGバーチャルシミュレーションと3Dモデル作成
 1.3 3D-CGバーチャルシミュレーションと3Dモデルの比較
2.当施設での各領域への応用
 2.1 法医実務への応用
 2.2 形成外科領域への応用
 2.3 脳神経外科領域への応用
3.インクジェット紫外線硬化方式Connex3 Objet500○Rによる3Dモデル
4.3D モデルの作成における諸問題
 4.1 画像処理・モデリングの問題
 4.2 費用面の問題
 4.3 3Dモデルの管理と保管の問題
5.施設内でのRapid prototyping system構築
6.まとめ

第3節 生体細胞の3次元造形と人工臓器の開発 
1.バイオファブリケーション
2. バイオ3Dプリンティング
 2.1 押し出しによるプリント
 2.2 インクジェットによるプリント
 2.3 静電力によるプリント
 2.4 Regenova?によるプリント
3.人工臓器の開発
 3.1 軟骨
 3.2 腎臓
 3.3 血管

第4節 3Dプリンタを用いた動脈モデルの開発
1.血管モデル
 1.1 血管モデルの作製
  1.1.1 開発の経緯
  1.1.2 画像データの準備
  1.1.3 3D プリンティング
  1.1.4 造形物の表面処理
  1.1.5 シリコン塗布
  1.1.6 ABS溶解
 1.2 使用の実際
  1.2.1 クリッピングに際しての使用法
  1.2.2 血管内治療に際しての使用法
2.考察

第5節 3D プリンティングによる患者個別対応型手術モデルの制作
1.3D 模型の効用
2.3D モデリングプログラムの開発
3.3D プリンタを用いた生体レプリカの制作
 3.1 従来からの3D プリンタ技術での課題
 3.2 「3DMed」による個体別生体レプリカの制作
 3.3 手術シミュレーション可能な生体レプリカの開発

第6節 金属3Dプリンタを活用した機能性構造材料の創製  〜骨・骨関節代替用材料
1.金属3Dプリンタによる医療デバイス開発
 1.1 金属3Dプリンタによる整形外科用医療デバイスの研究開発拠点
 1.2 医療用チタン合金の積層造形性、ならびに組織と力学特性
   (Ti-6Al-4V合金を例に挙げて)
2.金属3Dプリンタによる形状・材質制御
 2.1 金属3Dプリンタによる形状のカスタム化
 2.2 骨微細構造の異方性と骨類似異方性構造体の開発
 2.3 金属3Dプリンタ技術による材質制御
3.おわりに

第7節 手術手技支援ツール:臓器の3Dプリンターによる再現性向上技術
      〜視認性向上, 低コスト化をめざした新規3Dプリントモデルの開発〜
1.新しい肝臓3Dプリントフレームモデルの作成プロセス
2.肝臓3Dプリントフレームモデルの作成と運用の実際
3.肝臓3Dプリントフレームモデルを活用した手術シミュレーション
4.考察

第8節 医療分野応用のための薬機法への対応

第9節 医療用3Dプリンターを活用した開発現状と課題およびトレーニング臓器動向

第10節 三次元積層造形技術を用いた医療機器の開発

 

 

◇第7章 工業製品分野での応用 ◇

第1節 3Dプリントによる機能的自動車部品
1.軽量化に対するソリューションの提供
 1.1 対象部品の選定
 1.2 部品の要求特性と確認項目
2.機能部品の性能予測と設計最適化
 2.1 3Dプリント部品の性能予測ツール
 2.2 材料特性
 2.3 加工シミュレーション
 2.4 部品の構造解析
3.Polimotor2としての機能部品設計最適化
 3.1 実験設備と圧力プロファイル
 3.2 機能性部品の設計改善

第2節 3Dプリンタで作製した車体を用いる色素増感太陽電池搭載模型自動車の開発
1.3Dプリンタを用いた理科教材開発について
2.3Dプリンタで作製した車体を用いた色素増感太陽電池搭載型模型自動車の開発
3.3Dプリンタで作製したその他の教材について
 3.1 クリップモーターカー
 3.2 デスクトップロボット

第3節 建設業界での今後の応用展望と最新技術
1.建設業における情報とモノ
 1.1 情報とモノ
 1.2 情報からモノへの変換
 1.3 モノから情報への変換
2.3Dプリンター技術による建設の変化
 2.1 建設物生産の短工期化
 2.2 建設物生産の高度化
 2.3 建設物の高度化
3.技術開発の現状と今後の方向性
 3.1 部品の製作技術
 3.2 部品の組立て技術
 3.3 建設物の改修・解体技術
 3.4 生産の統合化技術
4.今後の課題
 4.1 精度の確保
 4.2 材料の複合化
4.3 ロボットの活用

第4節 建設業界における3Dプリンターの先駆的な活用術
1.作品(スケール、模型サイズ、特徴)
 1.1 都市計画編:環境未来都市構想 グリーンフロート
 1.2 建築編:京橋こども園
 1.3 建築編:日枝神社楼門計画
 1.4 土木編:太田川大橋
 1.5 土木編:シールド工事での適用事例
 1.6 建設機械編:シミズスマートサイト
 1.7 建設機械編:Robo-Welder
 1.8 ディテール編:施工スタディモデル
 1.9 ディテール編:開発検討事例
 1.10 ディテール編:構造モデル
2.課題
 2.1 3Dプリンターの一般的なイメージ
 2.2 実際に使ったイメージ
 2.3 5重苦
3.活用法
 3.1 製作目的
 3.2 機械の特性を知る事
 3.3 目的に沿ったデータ作成

第5節 粉末3D積層造形法の鋳造分野への応用
1.鋳造用鋳型の概要
2.粉末3D積層造形法の鋳型製作への適用
 2.1 粉末積層造形による鋳型製作
 2.2 積層造形鋳型による鋳造法の優位点
 2.3 積層造形鋳型鋳造法の現状と課題
3.粉末鋳型造形装置
 3.1 既往の粉末造形製作機
 3.2 無機粉末3D積層造形装置
4.無機粉末による高耐熱鋳型の製作と応用事例
 4.1 無機粉末による高耐熱鋳型の製作
 4.2 実用無機粉末の開発と鋳物製作
 4.3 粉末造形鋳型に関する開発動向

第6節 メッシュ(ラティス)構造による金型作製
1. メッシュ構造によるアルミニウム金型作製を始めるにあたって
2.3D造形で使用するアルミ材料の特徴
3.造形条件
4.金属3Dプリント技術におけるアルミとその他の金属の違い
 4.1 粉塵爆発の発生のリスク
 4.2 アルミニウム材料の特有の装置制御技術
 4.3 造形物を支えるためのサポート形状
 4.4 アルミ3D造形物の機械加工時の問題点
5.真空成形金型の内部をメッシュ化してサイクルタイムを削減
6.金型以外の造形事例とメリット

第7節 3Dプリンターとトポロジー最適化の連携事例
1.トポロジー最適化でのラティス構造設計例
2.均質化法による実効的物性値の評価
3.トポロジー最適化
4.最適化問題の設定
5.最適化の実施
6.試作実験
7.まとめ

 

◇第8章 事例から学ぶ3Dプリンター事業化と導入 ◇

第1節 山口県産業技術センターにおける金属積層造形機の活用
1.金属積層造形機の仕様
2.企業ニーズに基づく形状試作
 2.1 ニーズ調査に基づいた試作造形
 2.2 試作事例
3.文化財の複製品製作
 3.1 文化財の複製品製作の取り組みについて
 3.2 重要文化財金銅鰐口
 3.3 3Dデータの作成
 3.4 青銅材料の造形条件の検討
 3.5 造形姿勢の検討
 3.6 金属積層造形機による造形

第2節 東京理科大学における金属積層造型機の活用
1.研究設備
 1.1 金属3Dプリンタ
2.基盤技術の開発例
 2.1 鉄系材料 
 2.2 耐熱性合金
 2.3 アルミ合金
 2.4 銅合金

第3節 3Dプリンターの産業応用への課題とAI化・オープンソース化の検討
1.3Dプリンター普及に残された課題と解決の方向性は何か
 1.1 要件定義機能
 1.2 標準化
2.次世代3Dプリンターの絵姿と各企業の取り組み事例
 2.1 人工知能化
 2.2 オープンソースソフトウェア
3.次世代3Dプリンター普及促進のための3つの打ち手の提案
 3.1 効果の見える化
 3.2 実験的機械学習
 3.3 ルール形成の仕掛け作り

第4節  3Dプリンターを活用した「新時代」の製品開発事例

第5節 3Dプリンターの現状と今後の可能性

 

◇第9章 3Dプリンタ/3Dデータをめぐる権利化への対応 ◇

第1節 3Dプリンターと知的財産権
1.3Dプリンターに関する「知的財産権」とは
2.3Dプリンターの利用者の行為と知的財産権の侵害可能性
3.3Dプリンターの製造者・販売者の行為と知的財産権の侵害可能性について
4.3Dデータの流通と「知的財産権」の問題について
5.AIを利用した3Dプリンターと知的財産権の問題について

第2節 違法造形物の製造を規制するための3Dプリンタ照合技術
1.提案する3Dプリンタ出力規制技術の概要
 1.1 提案する出力規制システムの概要
 1.2 出力規制システムに要求される照合機能
2.提案する改良型特徴ベクトル変換方式
 2.1 2Dヒストグラムを用いた特徴ベクトル
 2.2 2種の特徴パラメータ算出方法の見直し
3.提案方式の高度な3D形状照合への適用例
 3.1 モデルポーズ耐性照合
 3.2 3D/2Dハイブリッド照合
 3.3 パーツとの部分照合

 

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