詳細分析 | 3Dプリント技術とポリマー材料

3Dプリントのアイデアは、19世紀のアメリカにまで遡ることができます。3Dプリントまたはラピッドプロトタイピングテクノロジーとも呼ばれ、材料を積み重ねることでデジタルモデルから直接3次元の物体を生成するテクノロジーです。記録によれば、3Dプリント技術は1980年代に実用化され、「ラピッドプロトタイピングマニュファクチャリング」と名付けられました。現在、3Dプリント技術は、製品設計、製造プロセス、製造設備、材料準備、バイオメディカルなどの分野に全面的かつ重大な変化をもたらし、第三次産業革命の重要な象徴となり、世界各国から大きな注目を集めています。わが国の3Dプリント産業は遅れて始まり、全体的な技術レベルは高くなく、産業化の規模も比較的小さいですが、発展の勢いは良好で、ポリマー材料への応用はまだ探索段階にあります。

3Dプリント技術の原理と特徴
1. 技術原理
3D プリント技術は、基本的にレーザー成形技術と同じです。簡単に言えば、レイヤー処理と付加成形を使用して材料を層ごとに追加することで 3D エンティティを生成します。「プリンター」と呼ばれる理由は、その技術的原理によるものです。3Dプリンターの積層プロセスは、インクジェットプリンターの積層プロセスと非常に似ています。まず、コンピュータを使用して必要な部品の 3 次元モデルを設計します。次に、プロセス要件に基づいて、モデルを一定の規則に従って一連の順序付けられたユニットに離散化します。通常は、一定の厚さに従って Z 方向に離散化され、元の 3 次元 CAD モデルが一連のレイヤーになります。次に、各レイヤーの輪郭情報に基づいて処理パラメータが入力され、システムが自動的に CNC コードを生成します。最後に、一連のレイヤーが形成され、自動的に接続されて 3 次元の物理的エンティティが得られます。

2. 利点 1. 最も直接的な利点は、スクラップを除去して材料の利用率を向上させ、生産ラインを放棄することでコストを削減するのではなく、材料を節約することです。
第二に、外観の曲線上にデザインを表現できるだけでなく、高い精度と複雑さを実現できます。
3. 従来のツール、固定具、工作機械、金型は必要なくなり、あらゆる形状の部品をコンピューターグラフィックスデータから直接生成できます。
4つ目は、コンピュータ内の設計を自動的、迅速、直接的、正確にモデルに変換し、部品や金型を直接製造できるため、製品開発サイクルを効果的に短縮できることです。
5. 3D プリントは数時間以内に完了します。これにより、設計者と開発者はフロアプランから物理的なものへと飛躍することができます。
6. 組み立て済み製品を印刷できるため、組み立てコストを大幅に削減できます。大量生産方法にも挑戦できるかもしれません。

3. デメリット どのような製品も機能的であるべきですが、今日では材料などの制約により、3D プリントで製造された製品の実用性は疑問視されています。 ①強度の問題：家や車は確かに「印刷」できますが、風雨に耐えられるかどうか、道路をスムーズに走行できるかどうかは、依然として直面しなければならない問題です。 ②精度の問題：階層化製造の「段差効果」により、各層は非常に薄いですが、特定のミクロスケールでは、一定の厚さの「段差」レベルが形成されます。製造するオブジェクトの表面が円弧である場合、精度に偏差が発生します。 ③材料の制限：現在3Dプリンターに使用できる材料は非常に限られており、石膏、無機粉末、感光性樹脂、プラスチックなどにすぎません。 3Dプリントに使用できる材料はまだ非常に単一で、主にプラスチックであり、プリンターも単一の材料に非常にこだわります。

ポリマー材料における3Dプリント技術の応用
1. ポリマー原料の種類 3D プリントの重要な部分として、材料も重要な役割を果たします。現在、一般的に使用されている 3D プリントのポリマー材料には、ポリアミド、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ABS などがあります。光硬化型 3D プリントで使用されるポリマーには多くの種類がありますが、その中で最も一般的に使用されるものには、ポリウレタンアクリル樹脂、エポキシアクリル樹脂、ポリアクリル樹脂、アミノアクリル樹脂などがあります。

2. 一般的な申請プロセス 現在広く使用されている3Dプリンティングポリマー材料技術には、ステレオリソグラフィー（SLA）、熱溶解積層法（FDM）、選択的レーザー焼結法（SLS）などがあります[5]。

ステレオリソグラフィー ステレオリソグラフィー 3D 印刷 (SLA) の動作原理は、インクジェット印刷の原理に似ています。デジタル信号の制御により、ノズル作業室内の液体感光性樹脂が瞬時に液滴を形成し、圧力をかけたノズルによって指定された位置に噴射されます。感光性樹脂は紫外線によって硬化され、硬化後に層ごとに蓄積されて成形部品が得られます。成形プロセスは次のとおりです。まず、部品の断面の形状に応じて、プリントヘッドをX軸とY軸に沿って移動するように制御し、所定の断面の関連するソリッド領域にソリッド材料を印刷し、サポート領域にサポート材料を印刷し、紫外線下で硬化させます。次に、印刷プラットフォームをZ軸に沿って一定の高さまで下げ、プリントヘッドは次の層の印刷と硬化を続けます。このプロセスは、ワークピースが完成するまで層ごとに繰り返されます。最後に、ワークピース内のサポート材料が除去され、目的のワークピースが得られます。

光硬化型 3D プリント材料は、光硬化型固体材料とサポート材料で構成されています。サポート材料は、硬化方法の違いにより、相変化ワックスサポート材料と光硬化型サポート材料に分けられます。光硬化性支持材料は一般に感光性樹脂として知られており、主にポリマー、反応性希釈剤（活性モノマー）、光開始剤、およびその他の添加剤で構成されています。海外では感光性樹脂の3Dプリントにおいて、先行して研究に着手したことや、3Dプリンターが感光性樹脂の研究に実験設備のサポートを提供できることから、比較的成熟した成果を上げています。現在、最も優秀な海外企業はイスラエルのOBJET社と米国の3D Systems社です。この2社が3Dプリント用感光性樹脂市場の大部分を占めています。しかし、これらの企業は感光性樹脂を自社のコア技術と位置付け、その成果を公表することはほとんどなく、自社が製造する光硬化型3Dプリンターとセットで販売している。

光硬化型立体造形法によって生分解性足場材料を調製するためのポリマー原料には、ポリ(ジヒドロキシプロピルフマレート) (PPF)、ポリ(D,L-ラクチド) (PLA)、ポリ(-カプロラクトン) (PCL)、ポリカーボネート、および感光性分子で修飾されたタンパク質多糖類などの天然ポリマーが含まれます。液状樹脂原料の粘度を下げるためには、光重合反応に関与できるジエチルフマレート（DEF）やN-ビニルピロリドン（NVP）、重合反応に関与しないエチルラクテートなどの小分子溶剤や希釈剤を添加する必要がある。この技術で得られる3D造形材料は、調整可能な気孔サイズ、多孔度、連結性、気孔分布を備えている。

熱溶解積層法 FDM (熱溶解積層法) では、ホットメルトノズルを使用して、溶融材料をコンピューター制御の経路に沿って押し出して堆積させ、固化させて形状にします。層ごとに堆積と固化を行った後、最後にサポート材料を除去して、目的の 3 次元製品が得られます。 FDM 技術で使用される原材料は通常、ABS、ポリアミド、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの熱収縮性ポリマーです。この技術の特徴は、成形品の精度が高く、表面品質が良好で、成形機の構造が簡単で、環境汚染がないなどです。ただし、動作温度が比較的高いことが欠点です。

近年、FDM 技術を用いたバイオメディカルポリマー材料の製造が注目を集めており、特に脂肪族ポリエステルを原料とする生分解性ステント材料の製造は大きな進歩を遂げています。材料の特性は、圧力勾配、メルトフローレート、温度勾配などの影響を受けます。ポリエステルと無機粒子の複合材料は、溶融堆積成形に使用して 3D スキャフォールド材料を作成することもできます。

選択的レーザー焼結法 選択的レーザー焼結法 (SLS) では、レーザービームを使用してコンピューターで指定されたパスに沿ってスキャンし、作業台上の粉末状の原材料を溶かし、結合して固めます。 1層スキャンしたら、作業台を移動させて固化した層の表面に新たな粉末原料を散布し、1層ずつスキャンして結合させることで、3次元材料が得られます。紫外線を使用して液体樹脂原料の重合または架橋反応を層ごとに誘発する SLA 技術とは異なり、SLS 技術はレーザーを使用して高温を発生させ、粉末原料の表面を溶かして結合し、3 次元材料を形成します。 SLS 技術で一般的に使用される原材料には、プラスチック、セラミック、金属粉末などがあります。処理速度が速く、支持材を必要としないという利点がありますが、成形品の表面が粗く、後処理が必要なという欠点があります。処理中に粉塵や有毒ガスが発生し、継続的な高温によりポリマー材料の劣化、生物活性分子の変形、または細胞のアポトーシスが発生する可能性があります。この技術は、ハイドロゲル足場を準備するためには使用できません。生分解性ポリマーを原料として使用し、SLS 技術を活用することも、外部形態と内部構造を制御できる 3D 医療用ポリマー材料を準備する効果的な方法です。スキャフォールドの性能に影響を与える主なパラメータには、粒子サイズ、レーザーエネルギー、レーザースキャン速度、部分ベッド温度などがあります。

3Dプリント技術におけるポリマー材料の応用の紹介
（１）機械製造：3Dプリント技術は、航空機部品、自転車、ライフル、レーシングカー部品などの製造に使用されています。

（２）医療産業：医療分野では、義歯、大腿骨頭、膝などの骨関節の製造に３Dプリントが利用されており、技術はますます成熟しつつあります。

（3）建設業界：エンジニアやデザイナーは、3Dプリンターで印刷された建築モデルを受け入れています。この方法は、高速、低コスト、環境に優しく、精巧に作られており、デザイナーの要件を完全に満たしています。同時に、多くの材料を節約できます。

（4）自動車製造業：3Dプリント技術を活用し、自動車会社向けのオートマチックトランスミッションハウジングを製造。自動車会社はさまざまな過酷な条件下でトランスミッションをテストしており、部品の一部は3Dプリントを使用して製造されています。形状が確定したら金型を作り、伝統的な製造方法に従って量産します。これによりコストが大幅に削減されます。

結論
3D プリント技術は製造業の発展における新たなトレンドであり、3D プリント技術やその他のデジタル生産モデルの出現は、第 3 次産業革命の実現を促進するでしょう。ポリマー成形技術は、複雑な統合ポリマーデバイスの製造に完全に適用でき、ポリマー医療産業は3Dプリント技術の発展の機会をもたらします。同時に、ポリマー材料は3Dプリント技術に軽量、高強度、耐腐食性などの特性を提供します。

出典: ポリマー物理学

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