【分析】伝統陶磁器への3Dプリント技術の応用の進展

この投稿は、Little Soft Bear によって 2017-9-7 15:01 に最後に編集されました。

近年、「3Dプリント」という概念は人々にますます身近になり、テクノロジー業界で最もホットな技術用語となっています。理論的には、すべてのアイデアを実際の製品に変えるのに必要なものは、3D プリンターといくつかの材料だけです。車、家、骨、さらには食べ物までもが 3D プリントで作ることができます。 2013年初頭、オバマ米大統領は一般教書演説で「3Dプリンティングは、ほぼすべての製品の製造方法に革命を起こす可能性を秘めている。これは他の分野でも実現できる」と指摘した。英国の雑誌「エコノミスト」は、3Dプリンティングが他のデジタル生産モデルとともに第三次産業革命の実現を促進すると考えている。

1 3Dプリントの概要
1.1 3Dプリントの概念
3D プリント (3 次元印刷、3DP) は、本質的にはラピッドプロトタイピング技術であり、成形装置が粉末材料の蓄積を使用して物理モデルを作成します。 3Dプリントは、従来の製造における材料除去処理方法とは異なり、付加原理に従います。つまり、物体は粉末の層で構成されているため、「付加的」技術とも呼ばれます。あらゆる 3D オブジェクトを 2 次元平面の重ね合わせとして考えると、理論的にはすべてのオブジェクトを印刷できることになります。

1.2 3Dプリントの歴史
3D プリンティングは 1984 年に Charles Hull によって初めて研究されました。 1986 年 3 月 11 日、3D プリントに関する最初の特許「ステレオリソグラフィーによる三次元物体製造装置」が正式に公開されました。その原理はステレオリソグラフィーです。その後、熱溶解積層法 (FDM) と選択的レーザー焼結法 (SLS) という 2 つの 3D 成形技術が登場しました。ステレオリソグラフィー、熱溶解積層法、選択的レーザー焼結法は、3D ラピッドプロトタイピングを実現する主な方法であり、3D 印刷技術の発展に非常に強固な基盤を築いたため、現在の多くの 3D 印刷技術は依然としてその技術的特徴を保持していると言えます。

1993年、マサチューセッツ工科大学（MIT）が出願した「3次元印刷技術」（3D印刷技術）の特許が正式に公開されました。既存のインクジェット技術を活用した3D成形技術です。それ以来、3D プリント機器は継続的に更新および開発され、多くの科学研究機関の研究方向になりました。 3Dプリント技術は発展を続け、想像もできなかった多くの製品が印刷されました。 2005年、Zコーポレーションは市場初の高解像度カラー3Dプリンター「Spectrum Z510」の開発に成功しました。 2010年11月、世界初の3Dプリント自動車「Urbee」が発売されました。 2011年7月、英国の研究者が世界初の3Dチョコレートプリンターを開発しました。 2011年8月、サウサンプトン大学のエンジニアたちは世界初の3Dプリント航空機を開発しました。 2013年11月、米国テキサス州オースティンの3Dプリント会社が「Solid Concepts」を利用して、3Dプリントされた金属製銃を設計・製造しました。

1.3 3Dプリントの仕組み
3D プリンティングは主に、インクジェットプリントヘッドに蓄えられた液体接着剤を使用して、金属またはセラミックの粉末材料を継続的に結合して固化します。このプロセスは粉末供給ベッドの最上層から始まり、インクジェットプリントヘッドが選択されたターゲット領域に応じてバインダーを放出し、粉末が結合して薄い層を形成します。 3D プリンターが層を構築した後、ピストンの動作によってビルドプラットフォームを下げ、次に新しい粉末層を追加してローラーを介して「平面」を形成し、印刷を繰り返します。印刷が完了したら、印刷されたオブジェクトの周りの緩いサポートパウダーをブラシで払い落とすか、取り除くことができます。しかし、科学技術の継続的な発展により、一部の3D印刷装置は粉末供給ベッドで印刷するのではなく、粉末、接着剤、その他の添加剤を直接混合して「セラミックインク」を形成し、プリンターの原理によりこのセラミックインクを直接キャリアに印刷します。成形体の形状と幾何学的寸法はコンピューターによって制御されます。

2 伝統的なセラミック3Dプリントの研究の進歩

当初、セラミック分野における 3D プリント技術の応用は主にモデル作成であり、3D プリントされた繊細な金型を使用して再成形し、精巧なセラミック製品に成形していました。しかしその後、3Dプリントによって徐々に本物のセラミック製品を生産できるようになりました。 2009年、トルコのイスタンブールに拠点を置くデザインスタジオUnfoldは、陶磁器の3Dプリントを実現することを目的とした「Stratigraphic Manufactury」というプロジェクトを立ち上げました。過去2年間、多くの外国企業や科学研究グループが伝統的な陶磁器の3Dプリント技術の研究に携わり、多くの進歩を遂げてきました。 2012 年 10 月、Unfold Design Studio は最新の研究結果を「deseen」誌に掲載しました。自社開発の3Dプリンター装置を使用し、様々な形状の日用品セラミック製品の印刷に成功しました。一部の製品は釉薬をかけて焼成されており、素晴らしい結果と優れた品質を生み出します。オーストリアの3Dプリント会社Lithozは、リソグラフィーベースのセラミック製造技術（LCM）を開発しました。

LCM 技術を活用して開発された最新の 3D プリンター CeraFab 7500 は、アルミナ、ジルコニアなどの高精度、高密度、高強度のセラミックを印刷することができ、セラミック材料の 3D 印刷のリーダーとなっています。ポーランドの Tytan 3D 開発チームのメンバーである Janusz Wojcik 氏と Pawel Rokita 氏は、ユーザーが印刷材料を自由に選択できる Delta 3D プリンターの開発に成功しました。プリンターはアルミフレームを採用し、すべての機械部品はプロ仕様の部品で、モーターと電子制御システムはプリンターの上部に取り付けられています。プリントの大きさは直径約20cm、高さ約35cmです。カートリッジにはさまざまなセラミック材料を保管でき、硬化可能な砂質材料も使用できます。オランダのアイントホーフェン出身のアーティスト、オリヴィエ・ファン・ヘルプト氏は、大人の身長ほどあり、大量の陶器を印刷できる3Dプリンターの開発に成功した。完成したプリントは、高さ 80 cm、半径 21 cm に達し、非常に細かいディテールが表現されます。オリヴィエ・ファン・ヘルプトはさまざまな種類の粘土を試し、印刷用フィラメントとして適したセラミック原料を開発しました。

イスラエルを拠点とするスタジオアンダーは、史上最大のセラミック3Dプリンターの発売に成功した。[16] 3D プリンターは、セラミックやほぼすべての種類のペースト材料を印刷できます。さらに、カラーセラミックの3Dプリントも開始しました。

英国ブリストルの西イングランド大学（UWE）は、セラミックの3Dプリントのための改良技術を開発した。この技術は、図 10 に示すように、美しいティーカップや複雑な装飾などの陶器製食器をカスタマイズするために使用できます。この技術は、セルフグレージング 3D プリントセラミックと呼ばれます。 UWEファインプリント研究センター（CFPR）所長のスティーブン・ホスキンス教授は、同センターが開発した3Dプリント可能なセラミック素材を「ViriClay」と名付け、白色セラミック食器業界で幅広い応用が期待されている。 1990年代初頭から、清華大学、西安交通大学、華中科技大学、北京航空航天大学、西北工業大学などの国内大学は、主に航空、機械、医学、生物学、金型、自動車、軍事産業の分野で3Dプリント材料技術を積極的に研究してきました。例えば、清華大学は長年にわたり生物学分野の3Dプリント技術に取り組んでおり、中国初の細胞3Dプリンターを開発し、ほぼすべての細胞アセンブリに適した汎用マトリックス材料を特定しました。西北工業大学は国産大型航空機C919の主要主翼部品の研究開発を完了し、北京航空航天大学はチタン合金や超高強度鋼を使用した大型主要部品の製造技術で画期的な進歩を遂げた。

2013年には、シリコン粉末を原料とし、デキストリンをバインダーとして3Dプリントラピッドプロトタイピング技術を用いて多孔質シリコンブランクを作製し、反応焼結によりネジやナットなどの高多孔性窒化ケイ素セラミック部品を得た。全体的に見ると、中国では伝統陶磁器の分野で 3D プリントの成果は多くなく、3D プリント技術を使用して陶磁器のモデルを作成し、それを再成形する研究もいくつかあります。例えば、龍泉青磁の芸術家、梅紅玲さんは3Dプリント技術を使って青磁の牛の樹脂型を作り、それを焼き上げて初めての文鎮サイズの磁器の牛を作りました。細部まで本物そっくりで、青磁文化における特別な芸術作品となっています。

3. 従来のセラミック3Dプリントの特徴

伝統的な陶磁器の製造は複雑な工程です。陶磁器製品には、最初の原材料の加工から最終的な焼成まで、密接に関連し、不可欠な数十の工程が必要です。セラミックの 3D プリント技術により、時間を大幅に節約し、プロセスを簡素化し、人件費や原材料、エネルギー消費を大幅に節約できます。最も明らかな違いは原材料の加工段階にあります。伝統的なセラミック原料は、一般的に、そのプロセス特性に応じて、プラスチック原料、無垢原料、溶剤原料、機能性原料の 4 つのカテゴリに分類されます。その中で、プラスチック原料は主に生産において可塑化と結合の役割を果たしており、セラミック成形の鍵となっています。プラスチック原料は、素材に可塑性とスリップ射出成形特性を与え、乾燥時の素材の強度と機械的強度、熱安定性、焼成後の化学的安定性などを確保し、カオリン、ベントナイト、磁器粘土、木粘土、蘇州粘土などを含み、粘土セラミックスの形成の基礎となっています。しかし、粘土鉱物の起源は複雑で、組成も不均一であるため、可塑性、チキソトロピー性、結合形式、収縮性、耐火性などの特性に大きな違いがあります。そのため、セラミックブランクの配合とプロセスはセラミック生産地域によって異なりますが、粘土自体が永久接着剤であるということだけが一定です。つまり、従来のセラミックブランクの配合では、ブランクの性能を向上させるために他の接着剤が追加されることはほとんどありません。しかし、伝統的な陶磁器を3Dプリントすると、粘土の特性や加工方法が大きく変わります。伝統的なプラスチック粘土は、粉砕、ボールミル粉砕、フィルタープレス、泥練り、熟成などのプロセスを経て準備する必要があります。

しかし、プラスチック粘土を3Dプリントに使用した場合、3Dプリントの原料はゲル化材料や固体体積分率の高い懸濁スラリーに近いため、細かさ、流動性、可塑性などの点で問題が生じます。泥の良好なレオロジー特性を実現するには、粘土自体の接着力だけでは十分ではありません。バインダーやその他の可塑剤を使用する必要があります。添加剤の改質により粉末は優れた特性を持ち、粒子間の接着効果を生み出し、粘度を下げ、流動性を高め、正常な 3D 印刷を保証します。一般的に使用される結合剤には、デンプン、デキストリン、CMC、アラビアゴム、樹脂、ゲル、その他のポリマー物質が含まれます。さらに、焼成プロセス中に、これらの添加剤の主な化学成分は分解され、揮発するため、ブランクに明らかな影響はありません。実際、バインダーは主にスラリーの流動性を向上させるために、伝統的な陶磁器の釉薬にもよく使用されます。従来のセラミック3Dプリント製造プロセスでは、従来のセラミック粘土の準備モードを変更することで、原材料の選択範囲が広がります。また、接着剤のゲル可塑化により、可塑性の低い原材料や不毛な原材料も高可塑性の原材料に置き換えることができるため、資源問題が緩和されます。

従来のセラミック 3D プリントの 4 つの課題

セラミック 3D プリントは他の技術に比べて比類のない利点があり、創造的なセラミック製品を生産できるため、各製品は芸術作品のように鑑賞と余韻に値します。しかし、大きな課題にも直面しています。伝統的な陶磁器の製造において、最大の問題は粘土の種類、3D プリントされた陶磁器の色、釉薬効果、CAD データモデリング、焼成中の陶磁器の安定性などから生じる可能性があります。 1つ目は粘土の種類と品質です。現在の研究の進捗状況から判断すると、すべての粘土が3Dプリントに適しているわけではありません。海外では成功した経験もありますが、まだ秘密にされています。粘土自体は薄片状の粒子の一種で、水やバインダーを加えるとチキソトロピー性が生じ、積み重ねた後の強度に大きな影響を与え、大型製品は崩れやすくなります。陶磁器の色に関しては、現在の陶磁器インクの色の種類は比較的限られています。より豊かでリアルな色を得るためには、陶磁器インクの分野でさらなる研究が必要になるかもしれません。第二に、3D プリント機器はまだ広く普及しておらず、この技術を使用できる専門家を見つけるのは困難です。

3D プリントを行う場合は、デジタル 3D モデルが必要です。現時点では、コンピュータ支援設計ソフトウェアの不足も大きなボトルネックとなっています。第三に、精密な寸法と複雑な構造を持つセラミックス物体を効果的に積み重ねることができたとしても、焼結中に複雑な焼結体の残留応力をどのように除去するかという技術的な問題も解決する必要があります。 3Dセラミック製品の品質安定性、製品サイズ、吸水率などについては、さらなる検討が必要です。陶芸は数千年にわたる窯の火で鍛えられた伝統産業であり、3Dプリンターは人間の思考を変えるまったく新しい技術です。この2つがぶつかり合うとき、どんな火花が散るのか、まだわかりません。しかし、3D プリント技術が近い将来、製造業界に大きな変化をもたらすと信じる理由があります。同時に、セラミック 3D プリントでは、セラミック粉末自体の材料や釉薬の装飾などに高い要件が課されることも明確に認識する必要があります。 3D プリントはモデリングにおいて飛躍的な進歩を遂げましたが、伝統的な陶芸文化と職人技を完全に覆すには、まだ長い道のりが残っています。

編集者: 南極熊著者: 王超

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