現在の3Dプリント材料についてお話しましょう

3Dプリンティングは、重要なコア技術として、従来の製造業の方法と原理を完全に変えており、各国の製造業の発展を測る技術的な指標となっています。著名な3Dプリントコンサルティング会社であるWohlers Associatesが最近発表した「Wohlers Report 2018」によると、積層造形業界全体が2017年に21%成長し、市場価値は12億5,000万米ドルを超えたことが示されています。業界データによれば、2020年までに3Dプリント市場の価値は210億ドルに達すると予想されています。

3Dプリント製造技術は、主に、精密な立体設計、強力な成形設備、製品の性能と成形プロセスを満たす材料という3つの要素で構成されています。

現在、3D プリント材料は 200 種類以上あり、通常、耐熱性、柔軟性、安定性、感度に対する要件が非常に高く、すべて 3D プリント装置とプロセス用に特別に開発されています。

今日、3D プリントの嵐が世界を席巻していますが、その重要な部分である 3D プリント材料が、間違いなくこの嵐をかき立てるのに一役買っていることがわかります。 3D プリントの「インク」である 3D プリント材料は開発が難しく、コストもかかるため、現在でも 3D プリントエコシステムの構築における制約要因となっています。

「料理上手は米なしでは料理ができない」ということわざにあるように、3D プリントにとって 3D プリント材料の重要性は自明です。今日は、これらの 3D プリント材料について詳しく見てみましょう。

エンジニアリングプラスチック エンジニアリングプラスチックは、3Dプリント材料の中で最も広く使用されているタイプであり、市販の3Dプリント材料の90％以上を占めています。FDM装置で使用され、強度、耐衝撃性、耐熱性、硬度、耐老化性に優れたプラスチックです。主に熱可塑性材料と熱硬化性材料が含まれます。現在、一般的なエンジニアリングプラスチックは主に以下のカテゴリに分類されます。

ABS : 現在最も人気のある FDM 熱可塑性プラスチックの 1 つで、通常はフィラメントの形態です。優れたホットメルト強度と衝撃強度を備えており、熱溶解積層法 3D 印刷に適したエンジニアリングプラスチックです。利点は、印刷された部品が優れた機械的強度と高い安定性を備えていることです。可溶性サポート材と一緒に使用することもできます。さまざまな色から選択でき、色をカスタマイズすることもできます。たとえば、Stratasys の ABS plus 素材は、FDM 技術の助けを借りて、アイボリー、ホワイト、ブラックなどの 9 色を提供できます。

PC : FDM テクノロジーと組み合わせて耐久性のあるモデル、ツール、または最終製品の部品を作成できる白色エンジニアリングプラスチック。 PC 素材は ABS プラスチックに比べて強度、耐高温性、耐衝撃性などの利点が優れているため、超強力なエンジニアリング製品の応用における最終部品として使用できます。 PC材料で作られたサンプルは直接組み立てて使用することができ、自動車製造、航空宇宙、医療機器などの分野で広く使用されています。

PA : 高い機械的強度、一定の柔軟性、耐熱性、耐摩擦性を備えています。 Stratasys の FDM Nylon 12 は、優れた強度特性と耐疲労性を備え、中程度の腐食性化学物質にも耐性があるため、繰り返しの閉鎖、スナップフィット、耐振動部品に適しています。Stratasys の FDM Nylon 6 は、他の熱可塑性プラスチックよりも優れた強度と靭性を備えており、厳しい機能テストにも耐えることができます。自動車、航空宇宙、消費者製品、工業製造業界の製品メーカーや開発エンジニアにとって理想的な選択肢です。

感光性樹脂 感光性樹脂は硬化速度が速いため、表面乾燥性に優れています。製品は成形後の外観が滑らかで、透明から半透明のつや消しまで可能です。液体の流動性が良好で、光硬化性が即時に得られるため、液体感光性樹脂は高精度の製品を印刷するための 3D 印刷消耗品として好まれる材料となっています。現在、主なカテゴリは 3 つあります。

オリゴマー：不飽和結合を含む低分子量ポリマー。種類は多数ありますが、最も一般的なものは各種アクリル樹脂です。ポリマーは光硬化性材料の中で最も基本的な材料であり、粘度、硬度、破断伸びなど、感光性樹脂の基本的な物理的および化学的特性を決定します。

反応性希釈剤：二重結合を含む小分子溶媒。反応性希釈剤はシステムの粘度を調整し、ポリマーの粘度を下げ、過度の粘度によるノズルの詰まりを防止します。反応性希釈剤も光硬化反応に関与し、重合反応の速度論、重合度、硬化製品の物理的特性に影響を与えます。

光開始剤: 光硬化性材料の品質と光硬化反応の速度を決定する最も重要なコンポーネントです。開始放射線のエネルギーの違いにより、紫外線開始剤と可視光開始剤に分けられます。 UV 光開始剤は保存安定性の利点があるため、現在 3D プリント市場で使用されている光開始剤はすべて UV 光開始剤です。

金属材料
3D プリントの金属材料は、金属粉末、金属箔、金属線の形で存在します。金属材料は現在市場シェアは小さいですが、最も急速に拡大しています。

金属材料は、選択的レーザー焼結法 (SLS)、直接金属レーザー焼結法 (DMLS)、電子ビーム溶融法 (EMB) などの産業グレードの 3D プリンターで使用できます。特定のエンジニアリングプラスチック材料（ABS など）に金属材料を追加すると、FDM マシンに適した特定の金属特性を持つワイヤを製造できます。

金属材料を 3D プリントするプロセスでは、金属の固液相変化、表面拡散、熱伝導などの要素を考慮する必要があり、金属粉末の形態は 3D プリント製品の品質に直接影響します。現在一般的な金属材料には、チタン合金、ステンレス鋼、コバルトクロム合金、アルミニウム合金などがあります。金や銀などの貴金属粉末材料は、宝飾品や芸術作品の印刷に使用されることがあります。

セラミック材料 アルミニウムケイ酸塩セラミック粉末は、3D プリントセラミック製品に使用できます。通常は粉末状で、選択的レーザー焼結 (SLS) プリンターで使用されます。 3D プリントで使用されるセラミック粉末は、セラミック粉末と特定のバインダー粉末の混合物です。

セラミック粉末とバインダー粉末の比率は、セラミック部品の性能に直接影響します。バインダーが多いほど焼結は容易になりますが、後処理中に部品の収縮が大きくなり、部品の寸法精度に影響します。バインダーの量が少ないと、形に焼結することが難しくなります。

セラミック材料は、高強度、耐高温性、耐腐食性などの利点があり、航空宇宙や自動車分野での利用が期待されています。同時に、セラミック素材は幅広い色から選択でき、リアルな形状と豊かな色彩の製品を印刷できるため、手工芸品、建築、バスルーム製品に最適です。

バイオポリマー材料 生物学的 3D プリント材料には、主に足場材料と直接細胞プリント材料が含まれます。スキャフォールド 3D プリント材料は、以下の要件を満たす必要があります。優れた生体適合性、細胞と人体への無毒性。優れた生分解性、完全に分解され、人体に吸収されるか、体外に排出される。優れた機械的特性、一定の機械的強度と可塑性を備え、構造が長期間安定したままで、高い多孔性を持つ。優れた表面適合性、材料表面での細胞の接着と成長を促進する。主に以下のカテゴリーに分かれています。

PLA : さまざまな半透明の色と光沢のある質感を備え、当初 3D プリントに使用された最高の原材料です。再生可能な資源であるトウモロコシデンプンとサトウキビから作られ、無毒で無臭、環境に優しい生分解性プラスチックです。

PETG : 優れた熱成形特性、強靭性、耐候性、短い熱成形サイクル、低温、高収率を特徴とし、PLA と ABS の両方の利点を備えています。

PCL: 低融点の生分解性ポリエステルです。薬物送達デバイス、縫合糸などの特殊な用途によく使用されます。形状記憶性もあります。医療分野では、心臓ステントなどの印刷に使用できます。

その他の 3D プリント材料 炭素繊維素材は、鋼鉄の5倍の強度を持ちながら、わずか3分の1の軽さを誇る新興の3Dプリント素材です。また、耐高温性と耐腐食性という利点もあります。

導電性印刷材料は、回路基板、懐中電灯、ウェアラブル照明装置など、電子的または機械的な機能を備えた 3D 印刷製品の製造に使用できる熱可塑性材料の一種です。

上記の分析を通じて、3D プリント材料についての理解が深まるはずです。また、新材料技術の継続的な開発と革新により、将来的にはより多くの、より実用的な 3D プリント材料が登場すると信じています。

出典: Stratasys 3D プリンティング観察

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