製造業でのイノベーションを生む最重要技術の1つ、
「アディティブマニュファクチャリング」

まず、造形手法に注目すると、AMでは材料を積み上げて目的物を作り上げるのに対し、SMでは材料を削ったり切断することで作り上げます。AMでは必要な分量の材料だけを使用するため廃棄物が少ない傾向があります。これに対し、SMでは削られた部分が廃棄物として出てきます。つまり、一般にAMの方が環境にやさしい製造手法となり、本質的には省資源化や低コスト化に向く手法だと言えます。ただし、これはAMを実践するための技術・装置・利用法が十分成熟した理想的な場合であり、技術が発展途上の段階では、SMの方が環境面やコスト面などでのメリットが大きい場合もあります。

また、造形対象となる目的物を設計する際の自由度が大きく異なります。AMでは複雑な形状や内部構造の作成が可能です。これに対し、SMでは、工具の取り回しや強度などの制約により、一部の複雑な形状の作成が困難です。このため、複雑な形状の部品を作り上げる際には、造形可能な状態になるまで全体を分割して加工する必要があります。設計の自由度が増せば、性能を理想的に高め、コストを削減するための工夫を盛り込み易くなります。

さらに、現時点では適用可能な材料が異なります。AMでは、現時点では樹脂と金属を材料にした部品加工への適用が中心となります。ただし、近年はセラミックスやガラス、食用の材料なども利用できるようになってきました。適用可能な材料はこれからも増えていく可能性が高いと言えます。これに対しSMは、金属、樹脂、木材をはじめとする既存の材料の多くを対象にできます。ただし、材料が脆く加工中に破損しやすい、高精度で高効率な加工に適した工具がないといった理由で、難加工材となる材料もあります。こうした難加工材では、AMの方がむしろ加工しやすいという例も出てきています。

現時点のAMによる加工は、SMによるものよりも造形物の精度が低く、それが原因で適用先が制限される傾向があります。また、加工に要する時間もAMの方がSMよりも長くなるのが普通です。これら、AMの欠点は、技術的未成熟に起因している部分が多く、これから飛躍的に改善していく可能性があります。

部品の生産手法としてのAMとSMは、それぞれ長所と短所があり、多くの場合、製品開発や製造のさまざまな場面で、目的に応じて使い分けることになります。

液槽光重合 (Vat Photo Polymerization：VPP)では、液体の光硬化性樹脂を使用し、そこに紫外線やレーザーなどの光を照射して硬化させて目的物の2D断面形状を形成。それを1層ずつ積み上げて3D形状を造形していきます。

粉末床溶融結合 (Powder Bed Fusion：PBF)では、金属や樹脂の粉末を敷き詰めた平坦面に、レーザー光や電子ビームなどを選択的に照射し、溶融・焼結させることで、目的物の2D断面形状を形成。それを1層ずつ積み上げて3D形状を造形していきます。金属3Dプリンターで主流となっている技術であり、「選択的レーザー焼結(SLS)」や「直接金属レーザー焼結(DMLS)」と呼ばれる技術は、PBFの具体例です。

結合剤噴射 (Binder Jetting)では、粉末状の材料の上に結合剤の液滴を噴射して粉末を結合させて2D断面層を形成。それを1層ずつ積み上げて3D形状を造形します。樹脂や金属、セラミック、砂など多様な材料を利用して造形可能な点が特徴です。出来上がった造形物は、機械的特性を向上させるため、結合剤の追加や焼結などの後処理が行われることがよくあります。

材料噴射 (Material Jetting )は、液体状の光硬化樹脂またはワックス状の物質の液滴を噴射して、紫外線などで硬化させて2D断面層を形成する技術です。身近なところで利用しているインクジェットプリンターに最も似た原理で動作します。異なる材料を組み合わせて造形できる特長があり、複合的な材料による造形や色付けした造形などが可能です。

指向性エネルギー堆積 (Directed Energy Deposition：DED)は、金属粉末や金属ワイヤーを供給しながら、レーザー光や電子ビームなどで溶融・堆積させて、大きな粘土模型を小さな粘土を継ぎ足しながら全体造形するのと同様の方法で造形していく技術です。一般にこの技術での造形精度はそれほど高くなく、通常は必要な公差を得るために機械加工を併用することになります。ただし、付け足し造形ができるため、損傷した部品の修復などに利用することも可能な利点があります。

シート積層 (Sheet Lamination)は、シート状の薄い材料を積層して、接着や溶接などによって結合させて3D形状を造形する技術です。金属、紙、樹脂または複合材料を使った造形が可能です。積層する各層の輪郭は機械加工によって形成します。比較的安価に実践できる技術ですが、高精度の部品加工にはあまり向いていません。

材料押出 (Material Extrusion)は、材料をノズルから押し出しながら、造形物を形成する技術です。この技術では、多くの場合、熱可塑性樹脂（ABS、ナイロン、PEEK、PLAなど）を利用しますが、さまざまな材料を使った造形に利用可能なメリットがあります。また、ペースト状の材料を加工できるため、コンクリートやセラミックでの造形、チョコレートやパン生地などの食品にも適用可能です。

意外に感じる方もいるかもしれませんが、AMを積極活用する代表的な産業として、航空宇宙産業が挙がります。航空宇宙産業で利用が広がっている理由は、AMを使えば、軽量化と高剛性化を両立させた、これまで加工できなかった形状の部品を制作できるからです。航空機や人工衛星などを構成する部品は、過酷で大きな負荷が掛かる環境で利用することが想定されます。同時に、重力に逆らって大空へ大きな物体を飛ばすには、軽量化も最優先で考える必要があります。軽量化と高剛性化の探求は、この業界にとっての永遠の仮題となっています。

AMでは、3D CADで描いた設計データの形状を忠実に再現することが可能です。切削加工などSMを中心とした加工法では、工具の取り回しが難しいとか、材料の加工が困難といった理由で、設計は可能だが加工できない形状がありました。現在、航空宇宙業界では、SMを前提に部品設計してきた人間の設計者の常識を打ち破る発想で、軽量化と高剛性化を徹底追求した形状の部品をコンピュータで自動設計するようになりました。こうした自動設計の手法は、「ジェネレーティブ・デザイン」と呼ばれています。そして、ジェネレーティブ・デザインでは、従来加工法では実現できないが要求仕様はキッチリと満たす設計をすることが多く、AMとの相性がよい技術となっています。また、従来ならば、分割して加工した部品を組み立てて構成していた大きな部品を、AMを利用して継ぎ目なく完成した状態をそのまま加工できるようにもなります。この点も高剛性化に効果があります。

たとえば、Masten Space Systems社は、ロケット・エンジンの製作にAMを活用しています。またBoeing社は、新型エンジン「GE9X」にAMを利用して製作した300点以上の部品を、Airbus社は「A350 WXB」にAMで製作した客室内の部品やチタン製構造部品を搭載しています。それぞれ、ジェネレーティブ・デザインなどを適用して中空構造などを巧妙に盛り込むことで、軽量化・高剛性化を図ると共に、部品点数の削減も実現しています。

AMは、切削加工など従来の部品加工法とはアプローチが大きく異なる技術であり、現時点で豊富な利用実績があるわけではありません。このため、信頼性や品質面などの観点から最終製品に搭載する部品として採用しにくいのではと考える人は一定数います。しかし、実際には信頼性や品質面での要求が極めて厳しい自動車業界でもAMを活用した部品生産が導入されています。

自動車産業では、開発段階での試作品の製作ではAMを広く利用しています。それだけでなく、最終製品の部品を生産する例も出てきています。Porsche社は、フラッグシップ・モデルである「Porsche 911 GT2RS」のエンジンの製作にAMを適用しました。これによって、従来の部品加工法に比べてエンジン重量を約10%軽くしながら、出力を30馬力向上させることに成功しています。一方、トヨタ自動車は過去に販売したクルマの部品を供給する「GRヘリテージパーツプロジェクト」の中で、既に販売を終了している「A70スープラ」や「トヨタGT2000」の補修部品をAMで製作することで復刻しました。

現在、自動車のメンテナンスや修理をする際、部品の取り寄せなどに長い時間を要したり、場合によっては廃番になって修理不能だったりする場合もあります。これからは、ディーラーでAMを使って必要な部品を用意して即時対応する時代がやってくるかもしれません。同様のメンテナンス領域への導入効果は、産業機器など多品種でありながら生産台数が少ない機器でより際立ってくる可能性があります。

医療機器産業もAMの活用が活発な産業です。医療機器の中には、体型やケガ・病気の状況が異なる患者を対象にして、医療器具をパーソナライズして用意する場合があります。迅速に個別対応した医療器具を製作できるAMの適用効果が大きな分野となっています。

義手や義足、さらには人工関節、ステントなどをAMで制作する例が増えています。規格化された製品を利用する場合に比べて、患者ごとにパーソナライズできるため、フィット感や見た目を最適化することができます。これによって、患者の生活の質を高めることが可能になりました。また、歯科でのインプラントや矯正用マウスピースの製作をAMで行う例も増えてきています。

少し変った利用法として、AMを使って手術をする患者の臓器モデルを作製し、手術のシミュレーションに使用する例も出てきています。CTやMRIの画像データを利用すれば、患部の状態を3D模型で再現できます。これを外科医が利用すれば、手術前に詳細な計画を立てることが可能になり、手術のリスク軽減と時間短縮が可能になります。