大規模プラスチック 3D プリントの応用シナリオと利点は何ですか?

3D プリント業界における主要なソリューションの 1 つは、大規模な 3D プリントです。プラスチック製品用の大型 3D プリンターは主に溶融押し出し技術に基づいており、信頼性が高く、使いやすく、メンテナンスも簡単です。最も人気のある材料には、印刷の課題が比較的少ない PLA 材料が含まれます。その他の複合材料はより高度な用途に使用され、より優れた機械的特性を備えています。

ここで、明らかな話題が浮かび上がります。大規模 3D プリントの応用分野はどこにあり、大規模 3D プリントを使用する利点は何でしょうか?

設計とコンセプトモデリング

設計分野では、サイズによって設計された製品の迅速な製造が制限されることがよくあります。大型部品の迅速な 3D プリントが実現可能になったことで、設計のアイデアをすぐに現実のものに変え、さまざまな製品に適用できるようになりました。後処理により、最終モデルを製品に近づけることができます。

▲すべてのパーツはBigRep Wide 3D 3Dプリント技術を使用して作られています
利点: フルサイズのプロトタイプまでの時間を短縮します。木材、フォーム、グラスファイバーの使用など、従来の方法で模型を製造する技術は、時間がかかるだけでなく、費用もかかります。大規模な 3D 印刷技術は、コストを節約するだけでなく、自由曲面の独自の形状を実現し、設計の反復プロセスを加速します。

適切な形状: 一度に 3D プリントすることも、複数のパーツに分けてプリントしてから組み立てることもできます。

エンターテイメントと広告

大規模な 3D 印刷技術により、独自のマーケティング要素やプロモーション要素を作成できます。 3D プリント技術が登場する前は、この業界の部品や展示品のほぼすべてが手作業で作られていました。従来のプロセスと比較して、大規模な 3D プリントでは手作業が大幅に削減され、時間とコストが節約されます。さらに、3D プリント技術は、エンターテインメント業界や広告業界における製品設計においても自由な創造性を生み出しています。

工業製造業

大規模 3D プリントは工業製造の分野にも導入されつつあり、大規模 3D プリントと工業製造の組み合わせは可能であるだけでなく、特有の課題を解決する可能性も秘めています。

· 金型と製造

3D プリントは、1 つまたは複数のカスタム設計された製品を生産するための効率的な方法を提供します。最終部品を製造するには、3D プリントによって大型の金型を入手し、複合構造の最終ツールとして使用することができます。樹脂が金型に注入されると、最終部品が形成されます。加工・仕上げ後、レーシングカーに装着されます。

利点: 大規模な 3D 印刷では、従来の非 3D 印刷方法と比較して最終使用部品の製造時間を大幅に短縮できるほか、CNC マシンを使用して同じ部品を製造する場合と比較してコストを大幅に節約できます。

照明パネルの新しいデザインのもう一つの素晴らしい例が、同様の大規模な 3D 印刷プロセスを使用して作成されました。 CNCを使用する場合と比較して、生産時間が50％短縮され、コストも削減されます。
▲すべてのパーツはBigRep Wide 3D 3Dプリント技術を使用して作られています
実際、3D プリント技術は大規模な金型製造に新たな参入ポイントをもたらしました。早くも2014年に世界的な話題を呼んだLocal Motorsは、IMTSで電気自動車Stratiの完成車を3Dプリントした。使用された3Dプリント装置は、米国エネルギー省傘下のオークリッジ国立研究所（ORNL）が開発した高速大型3Dプリント装置「BAAM」だ。

BAAM 技術は、アメリカ海兵隊 (NSWC) の破壊的技術研究所 (DTL) チームと Carderock 部門によって開発された潜水艦の 3D プリントにも使用されています。チームは2016年8月に作業を開始し、大型産業用3Dプリンター「Big Area Additive Manufacturing（BAAM）」を使用して潜水艦の6つの炭素繊維部品を製造し、それを全長30フィートの潜水艇に組み立てた。同様の大きさの潜水艦は80万ドルもかかり、製造には約3～5か月かかります。 3D プリントにより、製造コストが 90% 削減され、生産時間も節約されます。

ボルボ・コンストラクションやキャタピラーといった建設機械業界などの伝統的な業界でも、3Dプリントが生産やビジネスにもたらす「美しさ」や、より迅速かつ低コストで新製品を開発する方法を模索しています。

米国のオークリッジ国立研究所（ORNL）は、アメリカ機器製造協会、全米流体産業協会などの団体と共同で、世界初の3Dプリント掘削機を開発した。この掘削機には、3D プリント装置を使用して直接製造されたキャブ、ブーム、熱交換器の 3 つの部品が含まれています。掘削機のブームの長さは約2.1メートル、重さは約181キログラム。ORNLが新たに開発した大型金属部品3Dプリント装置で製造された。プリント材料は低コストの金属。ブームには油圧部品専用のチャネルが組み込まれている。この掘削機のキャブは、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の学生エンジニアリング設計チームによって設計されました。キャブは、自然界のアーチ状の枝からヒントを得たバイオニックデザインを採用しています。キャブの重量は約68キログラムです。設計チームによると、このキャブは従来の設計よりも25％軽量でありながら、強度は保証されています。キャブは、ORNL の BAAM (Large Format Additive Manufacturing) 3D 印刷装置と炭素繊維強化複合材料を使用して製造されました。

製造業界では、新製品の設計と開発を始めるのに数億ドルを費やし、製品を完全に市場に投入するまでに数年を要していました。現在では、3D プリントにより、コストは当初のコストのほんの一部に抑えられ、時間も大幅に短縮できます。

最近、パデュー大学の複合材料製造およびシミュレーションセンター、Thermwood Corporation、Applied Composites Engineering (ACE)、および Techmer PM の合同チームが、PSU 複合材料金型を 3D プリントしてヘリコプターの部品を製造するという目標を達成しました。

▲3DプリントされたPSU複合プラスチック金型は、大型ヘリコプター部品の製造に使用されています
3D Science Valley によれば、炭素繊維強化 PSU プラスチックが 3D 印刷プロセスにうまく適用されたのはこれが初めてかもしれないとのことです。ヘリコプターの金型は、Thermwood の Large Additive Manufacturing (LSAM) システムを使用して、1 回限りのプロセスで 3D プリントされ、機械加工されました。 Thermwood が開発した LSAM システムは、積層造形と機械加工を巧みに組み合わせたものです。3D プリントで大まかなモデルのアウトラインを完成させ、CNC フライス盤を使用して部品を正確な寸法に加工します。3D プリントプロセス中に、機械加工と切断を同時に行うことができます。ヘリコプター部品の金型の製造に使用されるこの大型 3D プリンターの構造容積は 10×20 フィートです。

一般的に、大規模な 3D プリントにはロボットアームが不可欠です。 Thermwood の他に、ロボットアームで 3D プリントを使用している企業としては、BAAM、MX3D、Thermwood、Branch Technology、3D Systems、LittleArm、Arevo Labs、Stratasys などがあります。

2016年、BAAMシステムは、米国オークリッジ国立研究所の風力・水力発電技術局によって、巨大な風力タービンブレードの金型の製造に使用されました。ブレード金型は最大 13 メートルの長さがあり、BAAM システムによってバッチで印刷されます。 3D Science Valleyの市場調査によると、Thermwoodと同様に、両方の金型は炭素繊維複合材料の3D印刷技術を使用しています。違いは、BAAMシステムの3D印刷作業が完了した後、ブレードをガラス繊維ラミネートの層で覆い、滑らかな表面を得るのに対し、Thermwoodは機械加工を使用して余分なプラスチック材料を取り除き、正確な金型表面を得ることです。

しかし、Thermwood は、3D プリントとプラスチック材料の切断を 1 つのデバイスに統合した業界の先駆者と言えます。しかし、3D Science Valleyの市場調査によると、大型プラスチック製品の混合加工については楽観的な企業が増えているという。イタリアの機械加工専門企業CMSは2017年9月、ドイツのフラウンホーファー工作機械・成形技術研究所（Fraunhofer IWU）と新たな提携を結び、熱可塑性複合材料の3Dプリントと5軸フライス加工のハイブリッドシステムを共同開発すると発表しました。 Fraunhofer IWU は CMS と緊密に協力し、3D プリントと機械加工を組み合わせて高品質の熱可塑性複合部品を製造するシステムである CMS Kreator を開発します。 CMS Kreator はさまざまな構成とサイズで提供され、さまざまな熱可塑性プラスチックベースの材料に対応します。 3D Science Valley は、この装置が多くの分野や業界で使用でき、精密な試作品や特殊部品の製造にも使用されることを知りました。

溶融押出技術、および溶融押出技術と機械加工技術の組み合わせに加えて、イスラエルの別の会社であるMassivitは独自の大きなトリックを使用しました。同社の大規模な新しい3D印刷装置はGDPと呼ばれ、Gel Dispensed Printingの略です。この技術は、FDMとSLA技術の組み合わせに似ています。印刷速度が非常に速く、非常に大きなオブジェクトを印刷できます。

光硬化プロセスで使用される液体樹脂とは異なり、GDP 技術で印刷される材料はゲル状です。ゲルで印刷されるため、液体よりも早く硬化します。また、印刷層の厚さが大きく、ゲル自体が自立できるため、印刷工程中にサポート材がほとんど必要なく、サポート材の後処理の作業負荷も軽減され、3Dプリンターでサポート材を印刷する時間も節約できます。本文でも述べたように、大規模な 3D プリントはエンターテインメント業界や広告業界で活用されており、Massivit はソニーのコマーシャルや映画「アングリーバードゴーストバスターズ」のプロモーションなど、いくつかの大手ブランドの大規模プロジェクトに携わってきました。これまで、こうした小道具や販促資料は、発泡スチロールのブロックを彫るなどの手作業で作られており、時間と労力がかかっていました。 3D プリントは、大量のパーソナライズされたローカライズされた製造方法を可能にするデジタルプロセスであり、時間に敏感でパーソナライズされた厳しい広告やプロモーションのニーズに非常に適しています。

3D プリント業界の発展は、大きなものがもたらす偉大な知恵を私たちにますます明らかにしていると言えます。

出典: 3Dサイエンスバレー

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