テクノロジーの探求丨セラミック 3D プリント技術はゲームのルールをどのように変えるのでしょうか?

中国では紀元前8000～2000年頃（新石器時代）に陶器が発明されました。一般的なセラミック材料には、粘土、アルミナ、カオリンなどがあります。セラミック材料は一般に硬度は高いが可塑性は低い。食器や装飾品として使われるほか、科学技術の発展にも重要な役割を果たし、さまざまな創造的な用途があります。

現代のセラミック材料の応用方向は次のようにまとめることができます。
①構造用セラミックス - 建築用レンガ、パイプ、屋根・床タイルなどに使用されます。 ②耐火セラミックス - 鉄鋼やガラスの製造における窯のライニングやるつぼに使用されます。
③家具用陶磁器 - 食器、装飾タイル、美術品、浴室用家具（トイレ・洗面台等）を含む。
④ テクニカルセラミックス - 高度なセラミック材料は、高い機械的、化学的、熱的、電気的耐性を備えており、航空、自動車、軍事、医療の用途で一般的に使用されています。

セラミック材料の応用は、2 つの大きなトレンドにより、これまで以上に注目を集めています。一方では、3D プリント技術の発達により、高度なセラミック材料の加工が可能になりました。
一方、セラミック材料は、生体適合性や食品適合性製品などの最終用途に最適な材料となります。
さらに、セラミック技術は理想的な機械的特性と 3D 印刷機能を備えており、これまでは不可能だった複雑で高解像度の形状のセラミック部品を成形できます。

操作が簡単、スピードが速い、高精度といった3Dプリント技術の利点は、セラミックに新たな活力を吹き込んでいます。海外では、ハードウェアやプロセスの開発、材料開発、アプリケーション開発、市販および独自のセラミック 3D プリントサービスを提供する専門サービスなど、多くの研究が行われています。 3DCeram や Lithoz など、セラミック 3D プリントに重点を置く企業が登場しました。国内のセラミック3Dプリント技術も急速に発展し、大学を中心に技術探索企業（Shiwei Technology、Xunshi Technology、Changlang 3D Technology、Bolimaiなど）の出現という良好なパターンを形成しています。

セラミックスと3Dプリント技術<br /> 3D プリント用のセラミック材料の形態には次のものがあります。
① スラリー：セラミック成分とその他の溶剤や添加剤を物理的、化学的方法によって混合したもの。
② 溶融堆積プロセスに使用されるセラミックワイヤ。
③セラミック粉末、セラミック粉末、鉱化剤、バインダー等の混合物であり、レーザー焼結、接着等に使用される。
④ セラミックシートをプレスして成形し、接着したもの。

現在、セラミック 3D プリント成形技術は主に次のように分けられます。
① 光造形技術
②バインダージェッティング技術
③サスペンションホットメルトデポジション技術、
④ナノセラミックジェット技術……

注目すべきは、最近、ハルビン工業大学のチームがセラミックコーティングにおける新しいセラミック3Dプリント技術と材料（ナノ構造とナノ改質球状粉末材料）を開発し、この研究開発が3Dプリントセラミック材料の国際的なギャップを埋めたことです。この技術により、3Dプリンターであらゆる種類のセラミック製品を印刷できるようになり、紛失したり破損したりした貴重な陶芸作品も印刷できると報告されています。

バインダージェッティング技術では、これらの技術を使用してセラミックグリーンボディを印刷し、高温での脱バインダーと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。

セラミック 3D プリントの一般的な用途<br /> セラミック3Dプリント技術と材料は、航空宇宙、軍艦や船舶、自動車や電車、冶金、電気、石油、工学機械などの分野に適しており、国家のハイエンド設備のレベル向上に大きな意義を持っています。

セラミック 3D プリントは、医療用途で徐々に人気が高まっています。医療におけるセラミックの応用は、材料特性の違いによって 2 つのカテゴリに分けられます。

1つは、ジルコニウム酸化物、アルミニウム酸化物、シリコン窒化物などの高性能セラミックです。これらのセラミック材料は劣化しません。優れた機械的特性、耐摩耗性、低い熱伝導率と電気伝導性、優れた生体適合性により、永久インプラント、義歯、その他の医療機器の製造に広く使用されています。

もう 1 つのタイプは、ハイドロキシアパタイトや炭酸三カルシウムなどの分解性セラミック材料です。これらのセラミック材料は骨の無機成分に似ているため、分解性インプラントの製造に使用されます。その典型的な用途は、骨修復スキャフォールドの製造です。治癒過程で物質を分解することで、細胞に必要なイオンを供給し、細胞が内側に成長するためのスペースを作り出すことができます。

ペースメーカーポンプ (ウィーン工科大学とウィーン医科大学の研究者は、ペースメーカーポンプの製造方法として、光立体造形法に基づく Lithoz の LCM 3D 印刷技術を使用しました。このデバイスは、大動脈内バルーンポンプと組み合わせることで、冠状動脈への血液供給を最適化し、重要な治癒段階における心臓の圧力を軽減します。)
高純度アルミナ製のペースメーカーポンプの部品画像提供：Lithoz（注：写真の部品は実際のサイズの10倍以上の大きさです）パーソナライズされた骨修復装置（リンツのケプラー大学病院は、Lithozのセラミック3Dプリント技術を使用してパーソナライズされた骨修復装置を開発しました。患者の医療画像に基づいて必要な修復装置を設計できるため、手術部位での手動曲げや調整の必要性が軽減されます。）

ジルコニア義歯（ポリミテクノロジーはセラミック3Dプリンターを開発し、3Dプリントジルコニアセラミック義歯生産ラインを立ち上げました。この生産ラインは、患者の歯の模型のデジタルスキャンとモデリング、義歯の3D設計、3Dプリント義歯グリーンボディ、脱脂と高温焼結、グレージングなどのプロセスで構成されています。ポリミの3Dプリントジルコニアセラミック義歯生産ラインは、広範な機械的、特性、生物学的検査に合格しています。2017年10月、同社は医療機器登録証明書を取得し、国内市場に最初の3Dプリントセラミック義歯を正式に発売しました。）

Degradable bone repair implants/scaffolds (① The research team led by Wu Chengtie and Chang Jiang, researchers at the Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, has made a series of research progress in the use of 3D printed bioceramic scaffolds for bone-cartilage regeneration and bone tumor treatment; ② In February 2018, the Department of Orthopedics of Xijing Hospital conducted a clinical trial of 3D printed scaffolds for long-segment bone defect repair. The 3D printed scaffolds are tailored for patients by Xi'an Dianyun Biotechnology Co., Ltd. using filamentless 3D printing technology. The material is a biocompatible ceramic composite material that can gradually degrade while inducing the patient's own new bone formation, and is eventually completely replaced by the patient's new bone tissue. No secondary surgery is required to remove it, reducing the potential risk of long-term presence of the implant in the body; ③ 3D printed degradable ceramic implants are implanted in the human body at Northwestern University)

中国のセラミック3Dプリントは航空用途で優れた利点を持つ
セラミック部品は、高強度、低密度、耐高温性、耐腐食性を備えているため、航空宇宙製造分野で幅広い応用が期待されています。世界のあるエンジン会社は、航空エンジン材料の発展について、アルミニウム合金、ニッケル合金、チタン合金などの金属材料のエンジンでの使用は徐々に減少し、新しい高性能セラミック材料やその他の複合材料に置き換えられるだろうと予測しました。

現在、航空宇宙分野で使用されるセラミック部品は、構造部品（タービン一体型ディスク、ノーズカバー、翼前縁およびフラップ、ミサイルノズルおよびノーズコーンなど）と機能部品（ミサイル、衛星アンテナカバーおよびアンテナウィンドウなど）に分けられます。

世界初、微小重力セラミック3Dプリント（6月、中国科学院宇宙応用工学技術センターの研究者らは、スイスのデューベンドルフで、欧州の無重力航空機を使用し、微小重力環境でのセラミック材料の光造形成形技術テストに世界初成功した。同時に、3Dプリントされたセラミック鋳型を使用した微小重力環境での金属材料鋳造技術テストも世界初完了した。）

微小重力下でステレオリソグラフィーを使用して印刷されたセラミックサンプル。（写真提供：中国科学院宇宙応用工学技術センター）
セラミック4Dプリントシステムが発売（8月、香港城市大学の研究チームが世界初のセラミック4Dプリントシステムの開発に成功しました。4Dプリントは、従来の3Dプリントに4次元目（時間）を加えたものです。4次元では、印刷された物体は、機械力や温度などの外部環境の刺激を受けて、時間の経過とともに形を変えたり、自己組織化したりすることができます。印刷されたセラミックは強度が高く、複雑な形状をしており、エレクトロニクスや航空宇宙の分野で広く使用されることが期待されています。）

セラミックス系アルミニウム合金材料が注目を集めている（Comacと上海交通大学はセラミックス系アルミニウム合金材料を共同で開発しました。材料の総合性能を向上させながら、アルミニウム合金の成形性、加工性を維持するだけでなく、複合材料の高剛性、高強度、高疲労耐性、低膨張、高減衰、高温耐性も備えています。ただし、この材料を本当に民間航空機製品に適用するには、多数のテストと検証を受け、対応する耐空性認証手続きを完了する必要があります。）

結論今後、3Dプリント技術の発展は、より高い精度、インテリジェント性、普遍性、利便性などの主要なトレンドを反映するでしょう。開発できる材料の多様性は、業界を超えた応用に明るい展望をもたらすでしょう。

有名な市場調査会社M&Mが発表した調査レポートも、セラミック3Dプリント技術の将来を裏付けています。現時点では、北米は依然として3Dプリントセラミック市場シェアが最も大きい地域であり、今後もトップの座を維持すると予想されています。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、および関連機器と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。

出典: Dr. Porcelain

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