セラミックス、次世代の3Dプリント材料の障壁を打ち破る

セラミック材料の応用は、一連の傾向により、これまで以上に注目されるようになりました。一方では、一部の AM 技術により高度なセラミック材料を処理できるようになり、他方では、最終用途、生体適合性、さらには食品適合性製品に最適な材料としてセラミック材料を使用できる低コストの技術が登場しています。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することが可能になります。
大手産業グループがセラミック 3D 印刷技術の研究に直接関与するようになるにつれ、AM 業界をリードする市場予測会社である SmarTech Publishing は、ハードウェア、ソフトウェア、材料、アプリケーション (技術的および従来型) を含むセラミック AM 市場が 2027 年までに 10 億ドルに達し、航空宇宙、医療、工業製造、さらには消費財への急速な導入が進むと予測しています。これらの理由から、3DPMN は今月、セラミック付加製造におけるすべての技術、アプリケーション、市場の進化に特化した専用フォーカスグループである Ceramic AM Industry Focus を立ち上げました。次の 2 部構成の記事では、レイチェルパークが、主要なプロセスと主要な新しいアプリケーションの観点から、セラミック 3D プリントの世界における最新の開発について説明します。 ——3DプリンティングメディアネットワークのCEO、デイビッド・シャー氏

背景機能的な素材としての陶器は、陶器の容器が作られた紀元前 12,000 年まで遡り、人類の歴史に深く根付いています。工業用セラミック材料の歴史は、屋内配管、下水道タイル、浴室やキッチンの設備にセラミックが広く使用されていた 20 世紀初頭にまで遡ります。

基本的な定義として、セラミック材料は、通常少なくとも 30% が結晶である無機の非固体金属材料です。天然の粘土は伝統的にセラミック材料のベース材料として使用され、現在でも主流となっていますが、今日ではすべてのセラミック材料の基本要件ではありません。

セラミック材料は一般的に次の 4 つのタイプに分けられます。
構造用セラミック -建築用レンガ、パイプ、屋根/床タイルなどに使用されます。
耐火セラミック -鋼鉄やガラスの製造用の窯のライニングやるつぼに使用されます。
白い家具 -これには、食器、装飾タイル、アートワーク、バスルーム家具（トイレ/シンクなど）が含まれます。
テクニカルセラミックス –機械的、化学的、熱的、電気的耐性に優れた先進的なセラミック材料で、航空宇宙、自動車、軍事、医療の分野でよく使用されます。通常、粘土は含まれていません。

3D プリンティングと積層造形の世界では、セラミック材料はポリマーや金属材料のカテゴリーに比べてまだ追い上げの段階にあります。セラミック 3D プリントについては、これまでも重要な研究が行われており、商業利用も増加していますが、他の材料カテゴリほど普及していません。
Zcorp システムで Tethonite 粉末を使用して Tethon3D のバインダージェッティング技術で製造されたセラミック部品

もう 1 つは、Nervous が Formlabs システムで Porcelite を使用して作成したステレオリソグラフィープリントです。3D プリント用のセラミック材料が特別なのは、3D プリンターから出力された部品は、製造後に、従来の製造方法で製造されたセラミック部品と同じ二次処理、つまり焼成 (焼結とも呼ばれる) と艶出し (用途によって異なります) を経る必要があることです。プロセスの 3D 印刷段階では、希望する部品の形状を生成しますが、セラミック材料の性質上、壊れやすい状態のままであり、これをグリーンパーツと呼びます。通常は 800°C を超える温度で行われる焼結または焼成の二次プロセスでは、基本的にコンポーネントに「強度」が追加され、材料の最終的な特性が決まります。

前述のように、セラミック 3D プリンティングは、ハードウェアとプロセスの開発、材料の開発、アプリケーションの開発、市販および独自のセラミック 3D プリンティングサービスを提供する専門サービスの出現など、過去 10 年間でますます多くの研究と新しい商業組織の注目を集めています。

現在、セラミック材料に使用できる 3D 印刷プロセスには、バインダージェッティング、材料押し出し、タンク光重合法、つまりステレオリソグラフィー (SLA) とデジタル光処理 (DLP) の 3 つが主に存在します。

セラミックス用バインダージェッティング<br /> 工業用（技術用）セラミック材料の処理に使用できるバインダージェッティングシステムの主要な 3D 印刷ハードウェアサプライヤーには、3D Systems（以前の ZCorporation の買収とその後の開発を通じて）、Voxeljet、ExOne などがあります。このプロセスは、テクニカルセラミック材料の粉末床と、粉末を選択的に結合する液体バインダー材料に依存します。

DG Shape（旧Roland DG社）は、セラミック材料の3Dプリント用バインダージェッティングシステムを開発している別のハードウェアサプライヤーです。プロトタイプは昨年のformnextで発表されました。 Johnson Matthey (JM) は、バインダージェッティングプロセスに基づく最近の別の商用 AM 提案を指摘しています。創立 200 周年を迎える JM のアプローチは、ユーザーの進化を反映しています。同社は長年にわたりプロトタイピング用途に 3D 印刷技術を使用しており、2009 年以来、触媒の製造や独自の技術セラミック材料の開発といった大量生産用途向けに、独自のバインダージェッティングプロセスの開発に多額の投資を行ってきました。同社は現在、社内の 3D プリント生産アプリケーションを拡張し、産業パートナーにサービスとサポートを提供しています。

JM のアプリケーションで興味深いのは、同社がバインダージェッティングプロセスを他の付加製造プロセスよりも簡単にスケールアップでき、部品の強度が従来の製造方法と同等かそれ以上である点を挙げていることです。さらに、セラミック AM の限界とみなされることが多い特性である多孔性は、実際には触媒の製造に有利となる可能性があります。

WASP によるセラミック 3D プリントの芸術
セラミック材料の押し出し<br /> 材料押し出しは最も広く使用されている 3D 印刷プロセスであり、低コストのデスクトップシステムだけでなく、大型の産業用機械にも適しています。さまざまな材料用のさまざまな押出機の開発には、粘土やセラミック充填ポリマーも含まれます。

イタリアの WASP 組織は、おそらく、押し出しプロセスを使用した 3D プリントセラミック材料の機能と可能性を最も広範囲に実証した企業です。 WASP の最終目標は、住宅地に豊富に存在する材料を使用して、低コストで持続可能な住宅プロジェクトを生産するための大規模な 3D プリンターを開発することです。同社が開発しているものの鍵となるのは、調整可能な流体密度押出機の開発です。液体堆積モデル (LDM) WASP 押出機は、粘土、セラミック、磁器、アルミナ、ジルコニウム、先進セラミックスと互換性があります。」

セラミック材料用のデスクトップ押し出しシステムを開発した他の企業としては、粘土 3D プリンターの LUTUM シリーズを開発した VORM VRIJ、FFD 150H システムを開発している 3D Figo、最近では 3D Potterbot 7 および Clay XYZ プリンターを開発している DeltaBots などがあります。先月、Kickstarterで資金調達に成功しました。
Vorm VRIJ のマルチマテリアルセラミック部品 VIRJ は、WASP と同様の使命を持つオランダの夫婦チームで、主に持続可能性を重視していますが、アートやデザインにも明確に重点を置いています。 LUTUM シリーズには、単一のエクストルーダーを備え、造形容積が 45 x 44 x 45 cm の LUTUM mini、単一のエクストルーダーが標準装備されているがデュアルエクストルーダーで構成できる造形容積が 45 x 44 x 75 cm の LUTUM MXL、デュアルエクストルーダーを備え、2 色印刷が可能な LUTUM Dual (実験的) システムの 3 つの 3D プリンターがあります。

同社によれば、DeltaBotsの3D Potterbot 7は、Z軸で最大36インチの「厚い粘土」セラミック製品を印刷できるという。この機能は、1mm から 16mm までのノズルサイズを備えた独自の押し出し機によって再び実現されます。

Figo-3D は FFD 150H 3D 印刷システムを開発しました。FFD は Fused Feedstock Deposition の略です。同社によれば、このシステムの前提は、CIMとMIMの両方の観点からセラミックと金属の両方の材料を処理できることだという。 FFD 150 H の造形体積は 15 x 15 x 12 cm です。

光重合法<br /> SLA プロセスの創始者として、3D Systems はさまざまなセラミック充填 SLA 樹脂を提供しています。フランスの企業 3D Ceram は、光硬化性セラミックスラリー (アルミナ、ジルコニア、またはハイドロキシアパタイト (HA)) を 3D プリントするためのハードウェアシステムを開発しました。 Ceramaker 900 システムは販売とサービスの両方で提供されており、最小 25 ミクロンの解像度で 30 x 30 x 11 cm の体積を構築します。
Lithoz LCM システム 3D Ceram と同様に、オランダの ADMATEC は、DLP プロセスと充填樹脂 (アルミナ/ジルコニア/溶融シリカ) を使用して高密度セラミック部品を製造するために、ADMAFLEX テクノロジーに基づく独自のハードウェアを開発しました。密度 >99%+ を主張するこのプロセスは、当初 (そして現在も) サービスとして提供されていましたが、2016 年からは ADMAFLEX 130 システムの形で購入できるようになりました。

オーストリアに拠点を置く Lithoz も同様の背景を持ち、3D プリントセラミック企業の歴史的モデルに従っています。この場合、Lithoz はハードウェア、ソフトウェア、特別に開発されたセラミック材料とサービスを含むセラミック製造のバリューチェーン全体に焦点を当てています。 High-Performance Ceramics 独自の Lithoz AM プロセスは、リソグラフィーベースのセラミック製造 (LCM) として知られており、技術的な高性能セラミック材料を使用して、従来の成形部品と同じ材料特性を持つ部品を製造します。このプロセスの商業化は、2006 年にウィーンのトゥーンで開催されたプロジェクトの結果です。

3D Ceram 最大のセラミックメーカーであるイスラエルの XJet は、プロセス革新の面では、独自の NanoParticle jetting テクノロジーに基づいた直接セラミックインクジェット印刷システムを商品化しています。本質的に、このプロセスでは、セラミックナノ粒子を含む極薄の液滴層を噴射してシステム構築トレイ上に堆積させ、プロセスの極めて高い温度により分散された液体が蒸発すると、セラミック部品が直接生成されます。興味深いことに、XJet がセラミックス分野に参入した主な理由は歯科業界であり、これが主要な用途となる可能性が高いことがわかりました。

出典: 3Dプリンティングオンライン

セラミックス、次世代の3Dプリント材料の障壁を打ち破る

CeramTec は、高品質と生産性の技術ニーズに対応するために XJet Carmel 1400C ソリューションを採用しました。

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