3Dプリンターについて

業務用セラミック3Dプリンター市場が急成長！開発動向や技術を解説

2024/03/27

従来のプラスチックや金属とは異なるセラミック素材を用いた3Dプリント技術は、世界各国で注目を集めています。大手企業や新興企業の参入により、革新的な技術や製品が次々と登場し、市場競争が激化しています。特に、新型コロナウイルスの影響で医療機器の需要が増加し、セラミック3Dプリント技術がますます重要視されています。

国内外のメーカーがセラミック3Dプリンターを開発

粉末状のセラミック材料を使用して3Dオブジェクトを作成するセラミック3Dプリンター市場が、世界各国で急成長を遂げています。従来のプラスチックや金属を材料とする3Dとは異なった用途に活用できるセラミック3Dプリンターは、さまざまな分野で活躍しています。

◇セラミック3Dプリント市場は急成長の見通し

2010年代後半から普及し始めたセラミック3Dプリンター市場は、需要の増加に伴って著しい成長を見せています。特に北アメリカ、ヨーロッパ、アジア太平洋では市場が急速に拡大しており、2019年に9,870万ドルと評価された世界の3Dプリンティングセラミック市場は、2027年までには3億700万ドルに達すると予測されています。

セラミック3Dプリント市場の急成長の理由のひとつに、大手企業だけでなく、小規模なスタートアップ企業も3Dプリンティング分野に参入し始めたことが挙げられます。これにより、市場にはより多くの革新的な技術や製品が導入され、競争が促進されました。

◇コロナ禍も成長を後押し

新型コロナウイルス感染症の流行は、セラミック3Dプリント市場の成長を後押しする一因となりました。コロナ禍により、人工呼吸器や検査装置などの医療機器への需要が急増しました。

医療機器に使用される複雑なセラミック部品を短時間で製造できるセラミック3Dプリント技術は、医療分野での需要に応えるのに適していることから、国内外のメーカーがセラミック3Dプリンターの開発に着手し始めます。

セラミック3Dプリントにおける課題

画像出典先：日刊工業新聞社

セラミック3Dプリントを業務用として活用する際に、考慮しておかなければならないポイントが2つあります。セラミックならではの収縮や割れなどをできるだけ少なくし、プリントの精度を高めていくのが今後の課題と言えます。

◇収縮

セラミックは加熱による焼成が必要な素材です。熱を加えることによって原料粒が密着して硬くなる過程は「セラミック焼成」、または「焼き締め」と呼ばれています。セラミック3Dプリンターを使用したセラミック加工においても、加熱する際に20％程度の収縮が生じます。

このため、高精度な部品の作製は難しいとされていたセラミック3Dプリントですが、収縮が少ない選択的レーザー溶融（SLM）方式のプリンターも登場しており、プリントの精度は年々向上しています。

◇後処理で生じる割れ

セラミックスの3Dプリントでは、造形後の後処理工程が不可欠ですが、その過程で割れが生じる課題があります。具体的には、造形後の成形体には未硬化のペースト材料が残っており、これを有機溶剤などで洗浄します。その後、脱脂工程と焼成工程が行われますが、この段階で製品が割れることがあります。

これは、焼成工程において急激な温度変化や均一な加熱がうまく行われない場合に起こります。また、原材料の配合や造形条件の適切さなどによっても影響を受けることがあります。

このような割れの課題は、3Dプリンター用のセラミックス材料に多く含まれる樹脂材料の性質に起因する可能性があります。具体的には、焼成工程で樹脂分が十分に除去されず、内部に残った状態で焼成されることで、内部応力が生じて割れが発生することが考えられます。また、焼成時の温度制御や均一な加熱が不十分な場合にも割れが生じやすくなります。

この課題に対処するためには、原材料の改良や造形条件の最適化が必要です。また、焼成工程においては適切な温度プロファイルや均一な加熱を実現することが重要です。さらに、造形後の成形体の内部に残った樹脂材料を効果的に除去する方法の開発も必要です。

セラミック3Dプリント技術におけるイノベーション

セラミック3Dプリンター市場の拡大と並行して、技術的なイノベーションも盛んに行われています。素材の面での改良はもちろんのこと、造形の高速化・高精度化も推進され、セラミック3Dの品質は日々進化しています。

◇セラミック材料の改良

セラミック材料は、強度や耐摩耗性に優れているのが特徴です。超硬金属よりも遥かに優れ、ダイヤモンドに迫る硬度を持つセラミックは、さまざまな分野での活躍が期待されています。

特に、AGCセラミックスが開発した「Brightorb」と呼ばれる3Dプリンター用セラミックス造形材は0.1mmという極薄の積層で、しかも収縮率1％以下での造形が可能となる優れた素材です。これ以外にも、樹脂を使用しない造形なども開発されています。

◇造形の高速化および高精度化

造形の高速化と高精度化も、格段に進化しつつあります。光造形法においては、従来の紫外線ではなくて遠赤外線で造形を行う技術が開発され、1秒間に1mmという高速造形が実現しつつあります。

また、中空構造や多孔質構造といった複雑な形状であっても、外形寸法がほとんど変わらないレーザー溶融法も登場しています。レーザー溶融法によってより高精度の造形が可能になれば、電気炉や医療機器などのニーズにも対応できるようになります。

セラミック3Dプリンターが開発を促進

セラミック3Dプリンターを導入することによって、製品の開発期間を短縮し、コストを削減できるばかりではなく、住宅や芸術などの分野への応用も期待されています。

◇開発期間の短縮とコスト低減を実現

従来のセラミック部品製造では、金型作成や脱脂焼結といった手順が必要で、部品を作り直す際には再び金型を作成する必要がありました。しかし、航空宇宙産業などの大規模なプロジェクトでは、複数の部品が同時に開発され、直列で検証されます。この過程で金型修正や作り直しには多大な時間とコストがかかりました。

そこで、3Dプリンターを使用することで、セラミック部品の開発期間を短縮しコストを削減できます。3Dプリンターを使用すれば、金型の作成が不要でプロトタイプまで一気に製造できます。このことは、大規模プロジェクトにおいて並行して進める部品開発の効率化につながります。結果として、開発期間が半減し、コストも削減されることが期待されます。

◇今後は住宅や芸術などの分野にも応用が可能に

日々進歩しているセラミック3Dプリントに注目したセレンディクスは、日本初の3Dプリンター住宅メーカーとして未来の家づくりを目指しています。30坪の広さで価格帯が300万円という、夢のような住宅の実現が可能な3Dプリント住宅が開発されれば、車と同じでマイホームが買えることになります。

セレンディクスが使用しているセラミック製印刷素材BRIGHTORBは、造形後の製品に釉薬（ゆうやく）をかけてから再焼成するため、陶磁器と全く同様の質感や着色が可能です。このため、BRIGHTORBは陶芸など、芸術の分野でも既に活用されています。

セラミック3Dプリンター市場は急成長を遂げ、世界各国で注目を集めています。大手企業やスタートアップ企業の参入により、市場には革新的な技術や製品が導入され、競争が促進されました。特に、新型コロナウイルス感染症の流行により、医療機器への需要が増加し、セラミック3Dプリント技術が注目を浴びました。

セラミック3Dプリント技術の課題としては、収縮や割れの問題が挙げられます。しかし、技術の進歩により、収縮が少ないプリンターや高精度な造形技術が開発され、品質は向上しています。また、セラミック3Dプリント技術を活用することで、製品開発期間の短縮やコスト削減が実現され、住宅や芸術などの分野への応用も期待されています。