【詳細説明】3Dプリントの波による改質プラスチックの開発展望

この投稿は Little Soft Bear によって 2017-6-15 10:20 に最後に編集されました。

2017年5月22日、マレーシアのマリンドエアはボーイング737MAX8の初商業飛行を完了し、単通路航空機市場に新たな時代を開きました。ボーイング社は5月16日にシアトルでこの航空機の納入を祝ったばかりだ。このベストセラーモデルは、これまでに世界中の 87 社の顧客から 3,700 件以上の注文を受けています。一方、ゼネラル・エレクトリック（GE）の航空部門のエンジニアたちは、3Dプリント技術の研究に今も忙しく取り組んでいる。
その直前には、3D プリンターで「印刷」した 19 個の燃料ノズルが 737MAX の LEAP-1B エンジンに取り付けられました。この技術は、航空業界における積層造形 (つまり 3D 印刷) のこれまでの最も象徴的な応用例です。祝う暇もなく、彼らは新たな旅に出ました。以前、GEの関係者は、2020年までに3Dプリントされた航空エンジン燃料ノズルの数は4万個に達すると述べていた。

自動車分野では、3Dプリント技術を活用してオンデマンドで自動車部品を製造することがトレンドになりつつあります。ダイムラーはこれまでに、引き出し、カバー、固定ストリップ、アダプターなどを含む 780 個の自動車部品を 3D プリントしました。下の写真の車載紙幣収納ボックスもその一つです。ダイムラーは、3Dプリント技術の使用により、特に個々の顧客のニーズに合わせた自動車スペアパーツの製造がより迅速、柔軟、かつ経済的になると述べた。対照的に、従来の射出成形プロセスは、追加のツールの開発を必要とするだけでなく、大量の材料の無駄と在庫の蓄積も引き起こすため、はるかに「肥大化」しているように見えます。

「分散型製造」のトレンドにおける3Dプリントの波
なぜ3Dプリンティングは従来の製造業に影響を与えるのでしょうか。3Dプリンティング技術会社Hubsの共同創設者であるブラム・ズワルト氏は、鮮明な例を挙げて次のように述べました。「自宅近くの3Dプリンティング技術会社で製品をカスタマイズすれば、会社はそれをプリントアウトして、短時間で玄関先に届けることができます。すると、工場は基本的に倒産するでしょう。1,000台の機械を同じ場所に置くのではなく、1,000か所に1,000台の機械を置いてはどうでしょうか？」ダイムラーの責任者であるハルトムート・シック氏も、「3Dプリンティングは自動車部品の製造方法を変えています」と述べています。「ご存知のように、3Dプリンターは通常大きくないため、世界中のどの工場でも簡単に設置できます。これにより、顧客のニーズに迅速に対応できるようになり、部品の輸送に当初費やしていたコストを節約することもできます。」

Bram Zwart 氏は、「分散型製造」のシナリオについて言及しました。 2015年のダボス会議では早くも、「分散型製造」が最も重要な技術トレンドの1つとして挙げられていました。プライスウォーターハウスクーパースが最近発表した最新の調査レポートによると、米国国内の製造業者の約3分の2がさまざまな程度で3Dプリント技術を使用しており、2014年以前の35％と比較して大幅に増加しています。そのうち56％は、今後3〜5年以内に同業他社の半数以上が3Dプリントを使用すると考えています。シーメンスは、今後 5 年以内に 3D プリントのコストが 50% 低下し、速度が 5 倍に増加すると予測しています。コンサルティング会社ガートナーは、3Dプリンティングの市場シェアは2015年にはわずか16億ドル（約110億1000万人民元）だったが、2018年までに134億ドル（約922億3000万人民元）に達すると予測している。

新しい材料の開発と最適化は、3Dプリンティングにとって依然として大きな課題です。 3D プリント技術は、過大評価されていた時期から比較的成熟した段階に入りましたが、将来はまだ課題に満ちています。前述のPwCのレポートでは、インタビューを受けたメーカーが、3Dプリント技術の障害として、設備コストの高さ、専門的な人材と技術の不足、最終製品の品質とプリンターの速度の不確実性などを挙げていることを指摘している。注目すべきは、ほぼ同時期に、製造業者は製品品質の不確実性が最大の障害（47%）であり、次いで専門的な人材と技術の不足、そしてコストの問題であると考えていることである。製品品質の不確実性は、加工技術の安定性に影響を受けるだけでなく、既存の材料が大規模な工業生産における 3D 印刷プロセスのすべての要件に完全に適応できないという事実に根本的に起因します。

プラスチック材料は、優れた熱流動性、急速冷却接着性、高い機械的強度を備えているため、3D プリント製造分野で急速に応用され、開発されてきました。プラスチック材料の溶融接着特性により、樹脂プラスチックは徐々にセラミック、ガラス、無機ゲル、繊維、金属などに使用されるようになり、3Dプリントの基本材料になりました。プラスチック3Dプリント消耗品の技術開発は、3Dプリント業界の発展を大きく促進することが予測されます。3Dプリントの波の中で、改質プラスチックを消耗品として使用する3Dプリント材料も、多くの開発機会をもたらすでしょう。

3D プリントプラスチックの種類 従来のプラスチック材料とは異なり、3D 印刷技術では、プラスチック材料の性能と適用性に対する要求が厳しくなっています。最も基本的な要求は、溶融、液化、粉末化後に流動性があり、3D 印刷後に凝固、重合、硬化した後に優れた強度と特殊な機能があることです。 3D プリントに適したプラスチック材料には、エンジニアリングプラスチック、バイオプラスチック、熱硬化性プラスチック、感光性樹脂、プレポリマー樹脂、ポリマーゲルなどがあります。改質プラスチックの産業発展に合わせ、3Dプリントに用いられるエンジニアリングプラスチックやバイオプラスチックを中心に紹介します。

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、優れた強度、耐候性、熱安定性により、特に工業製品の製造において幅広い用途があります。そのため、エンジニアリングプラスチックは、最も広く使用されている3Dプリント材料となり、特にアクリロニトリルブタジエンスチレン共重合体（ABS）、ポリアミド（PA）、ポリカーボネート（PC）、ポリフェニルサルフォン（PPSF）、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）などが使用されています。

バイオプラスチック：3Dプリントバイオプラスチックには、主にポリ乳酸（PLA）、ポリエチレンテレフタレート-1,4-シクロヘキサンジメタノール（PETG）、ポリヒドロキシ酪酸（PHB）、ポリヒドロキシバレレート（PHBV）、ポリブチレンサクシネート（PBS）、ポリカプロラクトン（PCL）などが含まれ、生分解性が良好です。バイオプラスチックは、優れた流動性、急速な凝固、ノズル詰まりへの耐性、環境への優しさ、生体適合性などの理由から、バイオメディカル製品の 3D プリントで広く使用されています。

3Dプリントプラスチックの改良方向 現在、ほぼすべての汎用プラスチックを 3D プリントに使用できますが、各プラスチックの特性の違いにより、3D プリントのプロセスと製品のパフォーマンスに影響が出ます。現在、3D プリントにおけるプラスチック材料の応用に影響を与える主な要因は、印刷温度が高く、材料の流動性が悪いため、作業環境に揮発性成分が存在し、印刷ノズルが詰まりやすく、製品の精度に影響を与えること、一般的なプラスチックは強度が低く、適用範囲が狭いため、補強が必要であること、冷却の均一性が悪く、成形が遅いため、製品の収縮や変形が起こりやすいこと、機能的でインテリジェントなアプリケーションが不足していることなどです。 3Dプリント産業の鍵は材料です。3Dプリントの最も成熟した材料であるプラスチック材料には、まだ多くの問題があります。プラスチックの強度の影響を受け、プラスチック材料の応用分野は限られており、完成品の物理的および機械的特性は劣っています。高温処理が必要で、低温流動性が悪く、硬化が遅く、変形しやすく、精度が低いです。新材料分野でのプラスチックの拡大が不足しています。このため、3D プリントプラスチック改質技術の開発は現在、次の 4 つの方向に重点を置いています。

1. 流動性改質 プラスチックの流動改質を実現するには、潤滑剤などを用いた改質が挙げられます。しかし、潤滑剤を多量に使用すると揮発分が増加し、製品の剛性や強度が弱まるため、高剛性・高流動性の球状硫酸バリウムやガラスビーズなどの無機材料を添加することで、プラスチックの流動性が悪いという欠点を補うことができます。粉末プラスチックの場合、流動性を高めるために、粉末の表面をタルク粉、雲母粉などの薄片状の無機粉末でコーティングすることができます。さらに、流動性を確保するために、プラスチック合成中に直接マイクロスフィアを形成することもできます。

2. 機能強化と変更 プラスチックの剛性と強度は、材料を強化することで向上できます。たとえば、ガラス繊維、金属繊維、木材繊維を使用して ABS を強化し、3D 溶融堆積プロセスに適した複合材料を作成します。粉末プラスチックは通常、レーザーで焼結され、ガラス繊維を添加したナイロン粉末、炭素繊維を添加したナイロン粉末、ポリエーテルケトンを混合したナイロンなど、複数の材料を配合することで強化および変更することができます。

3. 急速凝固 プラスチックの硬化時間は結晶化度と密接に関係しています。 3D 溶融堆積後のプラスチックの急速な凝固と成形を促進するために、適切な核剤を使用してプラスチックの成形と凝固を促進したり、異なる熱容量を持つ金属をプラスチック材料に配合して凝固速度を加速したりすることができます。

4. 機能化 3D プリントにおけるプラスチック材料の応用は、材料の特殊性により、一部の分野では制限されています。しかし、プラスチックに何らかの機能が付与されれば、3Dプリント製造におけるプラスチックの応用範囲は大幅に拡大するでしょう。たとえば、従来の機能性プラスチック製品は通常、加工時に機能性材料と混合されます。しかし、機能性材料の特殊性により、加工技術と加工設備には非常に高い要件が課せられます。機能性材料の中には、その熱特性の制限により、プラスチックに直接添加できないものもあります。特に、バイオメディカル、導電性材料、温度制御材料、形状記憶材料などに使用される複雑なデバイスの一部は、従来の製造方法では要件を満たすことが困難です。 3D プリントを選択すると、複雑な形状のスマート材料を入手できるだけでなく、複合化により、3D プリント中に機能性材料をプラスチックに直接充填することもできます。

例えば、電磁場、温度場、湿度、光、pH値などの敏感な材料を3Dプリントでプラスチックに使用してスマート材料を得ることができます。金属粉末を有機ポリマーと結合して、形状記憶機能を持つ合金を調製することができます。バイオメディカル分野では、3Dプリント技術を使用して、制御可能な多孔質構造と大幅に強化された機械的特性を備えた二重チャネルポリ乳酸/β-リン酸三カルシウムバイオセラミック複合スキャフォールドを調製します。英国ウォーリック大学は、新しいタイプの導電性プラスチック複合材料を開発しました。この材料の最大の特徴は、人々が自分の希望に合った電子製品を印刷できることで、不要な電子廃棄物を削減できることです。さらに、3D 技術を使用してプラスチックを機能化し、ポリマー光起電材料、ポリマー光電子材料、ポリマーエネルギー貯蔵材料などを製造できます。

3Dプリントプラスチックの開発動向 プラスチック自体の強度の限界により、3Dプリントにおけるプラスチック材料の応用は現在、一般的な製品に限られています。しかし、3Dプリント技術の発展により、従来のプラスチックの性能は大幅に向上し、プラスチックの強力な急速溶融堆積と低温接着特性を利用して、3Dプリント製造分野で広く使用されるようになります。 3D で製品を印刷するために使用できるプラスチック自体に加えて、ガラス、セラミック、無機粉末、金属などの 3D 印刷はすべてプラスチックの接着に依存しています。プラスチック材料は高強度の方向に発展します。改質プラスチックの強度を向上させることで、さまざまな複雑な部品の金属を直接置き換えることができます。安価で軽量であり、ガラスやセラミックなどの製品に代わることもできるため、プラスチック材料は3D製造で広く使用されています。

さらに、プラスチック材料は強度が低いという欠点を回避し、複合化と機能化に向けて発展し、特に多材料複合材料を実現することで、プラスチックに特定の機能を付与することができます。 3D プリンティング技術は、複雑なインテリジェント材料、光電子ポリマー材料、光熱ポリマー材料、光起電ポリマー材料、エネルギー貯蔵ポリマー材料などの新しい材料の製造に使用できます。バイオプラスチックの生体適合性を利用することで、医療用の人体組織への開発が可能になります。 3D プリンティングは、細胞、軟組織、臓器、骨、特に組織工学の用途において大きな可能性を秘めており、独自の利点があります。今後10〜20年は、改良プラスチック材料が依然として3Dプリントの主流材料であり、3Dプリントの波の中で飛躍的な発展を遂げるでしょう。

出典: 新しいプラスチック材料を探す詳しい読み物:
【詳細解説】なぜ積層造形を開発するのか？（優れた）
【詳細解説】なぜ積層造形を開発するのか？（下）

【詳細説明】3Dプリントの波による改質プラスチックの開発展望

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