写真とテキスト付き！すべてのセラミック 3D プリント技術を 1 か所に

展示会：2019年第12回上海国際粉末冶金、超硬合金、先進セラミックス展要点：3Dプリント展示エリアを含む、先進技術と伝統技術の統合時間：2019年3月25日〜27日場所：上海万博展示コンベンションセンター

著名な市場調査会社MARKETS AND MARKETS（M&M）が発表した調査レポートによると、3Dプリントセラミック市場の世界規模は、2016年の2,780万米ドルから2021年には1億3,150万米ドルに拡大し、年平均成長率（CAGR）は29.6％になると予想されています。

また、このレポートでは、現時点では北米が依然として3Dプリントセラミックの市場シェアが最大で、今後もトップの座を維持すると予想されていることが示されています。ヨーロッパは2位で、アジア太平洋地域は追い上げ、今後5年間で世界で最も高い成長率を達成すると予想されています。セラミック3Dプリント市場は、主に3Dプリント用セラミック粉末材料市場、3Dプリントセラミック製品市場、および関連機器・技術市場で構成されており、大きな発展の可能性を秘めています。

セラミック3Dプリント技術の詳しい説明<br /> セラミック部品の3Dプリントには、セラミックスラリーの構成、3次元モデルの描画とスライス、3Dプリント成形、焼結などのプロセスが含まれます。胚や金型を必要とせず、材料を追加することでコンピューターグラフィックスデータに基づいて任意の形状のオブジェクトを直接生成できるため、製品の製造プロセスが簡素化され、生産開発サイクルが短縮され、効率が向上し、コストが削減されます。

3Dプリントセラミックプロセス

現在、セラミック 3D 印刷技術は、主にインクジェット印刷技術 (IJP)、熱溶解積層技術 (FDM)、積層造形技術 (LOM)、選択的レーザー焼結技術 (SLS)、およびステレオリソグラフィー技術 (SLA) に分けられます。これらの技術を使用して印刷されたセラミックグリーンボディは、高温での脱脂および焼結後にセラミック部品を得るために使用できます。それぞれの印刷技術は、成形方法や使用する原材料によって長所と短所があり、発展の度合いも異なります。

1. 熱溶解積層法（FDM）
メルトデポジションモデリング法は、1988年にアメリカの学者スコット・クランプによって開発されました。この方法では、熱可塑性フィラメントを原料として使用します。フィラメントは、XY方向に移動できる液化装置によって溶融され、ノズルから排出されます。関係する部品の各層の形状に応じて、部品はラインごと、層ごとに堆積されます。 FDM で使用される原材料には、ポリプロピレン、ABS 鋳造ワックスなどがあります。

FDM は、コストが低く、構造が簡単で、原材料の利用効率が高く、有毒ガスや化学物質による汚染がないなどの利点がありますが、作成された試作品の表面に明らかな縞模様が現れ、断面に垂直な方向の強度が低く、成形速度が比較的遅く、ノズルが詰まりやすく、メンテナンスが不便であるという欠点もあります。

2ダイレクト書き込みフリーフォーム（DIW）
直接描画自由成形技術は、セラミックを硬化特性を持つセラミック懸濁液に調製します。Z軸上のコンピュータ制御スラリー供給装置は、針からセラミック懸濁液を絞り出しながら、XY平面内を移動します。pH値、光、熱放射などの硬化因子の作用により硬化し、層ごとに蓄積されてセラミック部品ブランクを形成します。

DIW は、UV やレーザー照射を必要とせず、室温で形成できるという利点があります。高密度の焼結体を製造できますが、水ベースのセラミック懸濁液の安定性が低く、保存期間が短いという欠点もあります。有機ベースのセラミックスラリーは安定性が高く、保存期間が長いですが、低温の脱脂プロセスが必要であり、製造コストが高くなります。

3インクジェット印刷技術（IJP）
インクジェット印刷法は、ブルネル大学のエヴァンス氏とエディリシングル氏によって開発されたもので、ナノセラミック粉末を含む懸濁液をノズルから直接噴射して、セラミック部品に堆積させる。現在使用されているセラミック材料には、ZrO2、TiO2、Al2O3などがあります。

IJP は、成形原理が簡単で、プリントヘッドのコストが低く、工業化が容易であるなどの利点がありますが、インクジェットプリントヘッドが詰まったり、印刷高さが制限されたり、内部の多孔質構造モデルを印刷できなかったりします。また、粉末の粒度分布が均一で、流動性が良好で、高温化学特性が安定していることも必要です。

4 3次元印刷プロセス（3DP）
3DプリントはMITによって開発されました。まず、作業台に粉末を広げ、ノズルからバインダーを選択した領域に吹き付けて粉末を結合させ、層を形成します。次に、作業台を下げて粉末を充填し、部品全体が完成するまで上記のプロセスを繰り返します。現在、原料としては、酸化ジルコニウム、ジルコンサンド、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、酸化ケイ素などのセラミック粉末が使用されています。

3DPは、セラミック部品を低コストで大量生産できるという利点がある一方で、接着剤の接着強度が限られているため部品の強度が制限され、優れた機械的特性を持つセラミックデバイスを得ることが難しいという欠点もあります。

5. 選択的レーザー焼結/溶融（SLS/SLM）
SLMのアイデアは、1995年にドイツのフラウンホーファー研究所によって初めて提案されました。SLSとSLMの原理は、接着剤がレーザービームに置き換えられていることを除いて、3D印刷技術に似ています。高出力密度レーザービームがスキャンを開始する前に、まず水平パウダーローラーが処理チャンバー内の基板上に金属パウダーを塗布します。次に、レーザービームは現在の層の輪郭情報に従って基板上のパウダーを選択的に溶かし、現在の層の輪郭を加工し、次に次の層を呼び出し加工するというように、部品全体が加工されるまで層ごとに繰り返します。

SLS/SLM プロセスでは、通常、プラスチック、ワックス、セラミック、金属、またはそれらの複合材料の粉末を使用します。サポートなしで複雑なセラミック部品を準備できるという利点がありますが、接着剤の敷設密度の制限により、セラミック製品の密度が低くなるという問題もあります。

6 ステレオリソグラフィー（SLA）
SLA テクノロジーは、レーザースキャン露光によって単層硬化を実現します。紫外線レーザービームにより、原層の設計された断面に応じて、作業タンク内のセラミック感光性樹脂混合液が点から点へ、線から線へ、線から面へと集中して固化されます。 xy 方向に表面が固まった後、リフティングプラットフォームを z 軸方向に移動して、セラミック部品の 3D プリントを層ごとに完了します。

SLA は成形精度が非常に高く、焼結後のセラミック部品の密度も高いという利点がありますが、後処理と二次硬化に問題があります。また、SLA では屈折率の高いセラミック材料の加工が困難です。

7層状物体製造（LOM）
積層製造工程では、片面にホットメルト接着剤を塗布した箔をホットローラーで加熱し、紙、セラミック箔、金属箔などの材料を接着します。次に、上部のレーザーがレーザービームを使用して、CAD モデルのレイヤーデータに従って部品の内側と外側の輪郭に沿って箔をカットし、新しい箔のレイヤーを重ねて、コンポーネント全体が印刷されるまでこのプロセスを繰り返します。

LOMは、成形速度が速く、層状の複雑な構造の部品の製造に適しており、後処理プロセスが比較的簡単であるという利点がありますが、大量の材料が無駄になるという避けられない現象もあり、利用率を向上させる必要があります。同時に、印刷プロセスで使用されるレーザー切断により、印刷コストが増加します。

概要と展望<br /> セラミック3Dプリント技術の出現は、伝統的な製造モデルを覆し、複雑な構造、統合製造、コスト削減、開発サイクルの短縮に大きな可能性を秘めています。伝統的なセラミック加工技術の限界を打ち破り、多くの学者や起業家の注目を集めています。

現在、海外のセラミック系3Dプリント材料メーカーとしては、主に米国の3D Systems、Tethon 3D、Viridis3D、オーストラリアのLithiozなどが挙げられます。国内の有名企業としては、北京ティアタイム、湖南ファースンハイテク、武漢サンウェイ、北京シーウェイ、浙江シュンシー、深センチャンラン、AVICマットなどがあります。

2012-2017年世界および中国の3Dプリンティング産業規模（単位：億米ドル）
関連データによると、中国には3Dプリントに従事する企業が約200社あり、そのうち70％はデスクトッププリント分野に集中しています。産業用プリンターの生産と研究開発に従事する企業は40〜50社、金属プリントに従事する企業は30社、生物学的プリントに従事する企業は10社近く、材料プリントに従事する企業は20〜30社程度です。我が国は企業数ではすでに外国企業に匹敵するものの、総合力という点では依然として大きな差があります。

現在、国内外の3Dプリントの発展のギャップは次のとおりです。
1) 工業化のプロセスが遅く、市場の需要が不十分である。
2) 米国の3Dプリント製品の急速な製造レベルは中国よりも高い。
3) 焼結材料、特に金属材料の品質と性能は当社製品よりも優れています。
4) セラミック粉末と金属粉末のレーザー焼結プロセスには依然として一定のギャップがあります。
5) 国内企業は3Dプリンター機器の販売を中心に単一の収益構造となっているが、米国企業は機器、サービス、材料がそれぞれ売上収益の3分の1を占める多角化構造となっている。

将来を見据えると、3Dプリントはデジタル化とネットワーク化に基づく新しい製造方法であり、パーソナライゼーションと短いプロセスを特徴とし、直接製造、テーブルサイド製造、マスカスタマイゼーションを実現します。近い将来、3Dプリント技術は陶磁器分野で必ず大きな成果を上げると信じています。

出典: パウダーネットワーク

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