2026年 2月 2月日 - By Andrew Oram
多くの産業が人工知能(AI)の活用による恩恵を期待していますが、現時点では、AI がどこで有効に機能し、どこで信頼できないのかについて、十分な理解があるとは言えません。3D プリンティングは、AI が精度やコストの改善にどのように役立っているのかを検討するうえで、非常に適した分野です。というのも、3D プリンティングには AI と相性の良い特性があるからです。たとえば、フィラメント内の材料比率から後処理に至るまで、成功した造形には多様な要因が関与し、それらは極めて複雑に相互作用します。さらに、結果は、メーカーが制御できない物理環境のわずかな変動にも左右されます。
本記事では、3D プリンティングにおける AI 活用に関する膨大な研究文献の中から、特に興味深い課題に直面した 3 つの研究プロジェクトを取り上げます。これらの論文で示された解決策は、わずか数年前のものであるとはいえ、特にトランスフォーマーや大規模言語モデル(LLM)の登場によって、すでに新しい技術に取って代わられている可能性もあります。しかし、著者たちがたどった思考プロセスそのものは非常に示唆に富んでいます。本記事で紹介する研究を総合すると、AI の活用は一種の「技術」や「芸術」に近いものであるということが見えてきます。
幅広いアプローチ
AI の力は、微妙に相互作用する多数の特徴量を同時に扱えることにあります。論文「A data-driven machine learning approach for the 3D printing process optimisation(データ駆動型機械学習による 3D プリンティング工程最適化)」では、複数の 3D パラメータを同時に分析し、さまざまなプリンタに適用できる手法が提案されています。
この研究の目的は、印刷に関する 3 つのパラメータ――所要時間、フィラメントの長さ、完成物の重量――を算出することでした。
この論文で特に興味深い点は、2 段階の処理プロセスを採用していることです。まず、畳み込みニューラルネットワーク(CNN)が、押出幅やレイヤー高さといった一般的な 3D 設定を入力パラメータとして受け取ります。さらに研究者たちは、オブジェクトの表面積と体積という 2 つの計算パラメータを追加しました。
CNN で扱えるようにするため、面や頂点の数を削減する必要があり、アルゴリズムは各オブジェクトから 5,000 個の頂点をランダムに選択しました。
次に、CNN が生成した複数の新しいパラメータを既存の入力パラメータに加え、それらを別の 多層パーセプトロン(MLP) に入力しました。
研究者たちは、70 個の 3D プリントされたオブジェクトを用いてモデルをテストしました。各オブジェクトは 32 種類の異なる「パラメータセット」で評価されました。その結果、モデルは実際のテスト結果とよく一致し、成功しているように見えました。
自然を超えて
内部に穴やチューブを持つ柱は、実体のある柱よりも強度が高い場合が多くあります。これは、中心から離れた位置にある材料ほど圧力に対する耐性が高いためだと考えられます(ここで引用されている論文は、同じ質量の柱――一方は中実、もう一方は内部構造を持つもの――を比較しているのだと思われます。同じ直径であれば中実の柱の方が強度は高いですが、現実的には重すぎて材料の無駄が大きくなります)。
自然界には、内部が同心円状や格子状に分割された構造を持つ茎や支柱が数多く存在します。たとえば、竹、サボテン、ミント、羽軸、パピルス、貝殻、ハニカム構造などです。こうした構造を 3D プリント物に取り入れることで、性能を向上させることはできるのでしょうか。
従来の製造方法では、任意に複雑な格子構造は製造が非常に困難なため、ほとんど実用的ではありません。しかし、3D プリンティングであれば対応可能であり、実験も現実的になります。
論文「3D [...]