射出成形に対抗し、ニューバランスのシューズはHSS高速焼結技術を採用

過去数年間、3D プリンティング業界では、Carbon 社の Digital Light Synthesis や HP 社の Multi Jet Fusion (MJF) テクノロジーなど、積層造形 (AM) をより広範な製造の世界に統合できる数多くの魅力的な新テクノロジーが登場しています。

これらの急速な製造技術は、3Dプリントが非効率的であるという印象を覆しただけでなく、材料技術の急速な発展に伴い、これらの印刷技術は様相を変えながら生産現場に進出し、ナイキからアディダス、ニューバランス、アンダーアーマーに至るまで、靴のミッドソールの大量生産に3Dプリント技術を導入する競争を引き起こしました。

しかし、CLIP 技術や MJF 技術に加えて、社会からまだ広く注目されていないもう 1 つの技術が高速焼結 (HSS) 技術です。具体的には、この技術は、10年以上にわたり高速焼結と呼ばれる新しい方法を開発してきたホプキンソン・ニール氏によって開発されました。注目すべきことに、ホプキンソン氏はその後シェフィールド大学を離れ、その技術を XAAR に移管した。

HSS高速焼結速度はSLSレーザー焼結の100倍です。現在のSLSレーザー焼結機は、粉末プラスチックポリマーを溶融するために単一点レーザーを使用しているため、生産効率がある程度制限されています。ホプキンソンは、レーザーの代わりに赤外線ランプとインクジェットプリントヘッドを使用しています。プリントヘッドは材料を粉末床に素早く正確に供給します。次に赤外線溶融により粉末が固まって形になり、その後次の層が作られます。レーザー焼結よりもはるかに高速です。

HSS は、SLS 部品のコストを削減し、3D プリントを射出成形などの大量生産技術と競争できるようにする手段として考案されました。 SLS で使用される高価なレーザーを交換し、機械の生産能力を高めることで、射出成形と競合できる速度とコストで部品を焼結することが可能になります。

HSS 処理中、インクジェットプリントヘッドが熱可塑性粉末の上に黒の赤外線吸収インクを塗布し、赤外線ランプが粉末を加熱して粒子を溶かし、各層の形状を固めます。

また、このプロセスによる穏やかな加熱により、エラストマーやその他のプラスチックなど、さまざまな材料が利用できるようになります。さらに、HSS では、表面を粗くしたり、窒素を多く含む環境を必要とせずに、100% リサイクルされた粉末を使用できます。

HSS は HP の MJF に少し似ていますが、実際この 2 つのプロセスは非常に似ています。MJF プロセスでは、インクジェットプリントヘッドがフラックスと精製剤を熱可塑性粉末の上に塗布し、その後、赤外線ランプのセットを使用して焼結します。ホプキンソン氏によると、両者の最大の違いは、HSS では精製業者を使用しないことだ。しかし、ホプキンソンは早くも 2003 年に HSS の最初の特許を申請していました。

HSS と MJF は、どちらの方法も粉末床に溶剤を印刷するため、アプローチにおいて大きな類似点と重複点があります。 HP では 2 種類の添加剤をスプレーして使用します。まず第一層の粉末を敷き、次にフラックスを吹き付け、同時に精錬剤を吹き付けて高精細なエッジを作り、次に熱源で粉末を溶かし、このようにして層を積み重ねて対象物の形状にします。

主な違いは、HSS では精製機を使用しないことです。ホプキンソン氏は当時、精製機の使用を検討していましたが、精製機が不要になり、優れた解像度を実現できることを発見しました。さらに、特定の材料専用の複数のプリントヘッドを HSS プロセスに組み込むことで、銀導電性流体などの機能性インクを塗布することができます。

2016年にホプキンソン氏がインクジェットプリンターメーカーのXaarに3Dプリント担当ディレクターとして入社し、HSSは商業化に向けて大きな一歩を踏み出しました。 Xaar は、ノッティンガムの既存の 3D プリントセンターとデンマークのコペンハーゲンの新しいセンターを通じてこの技術を商業化する予定です。

ホプキンソン氏は次のように述べました。「ノッティンガムとコペンハーゲンの新しいセンターの目的は、HSS の商業的可能性を最大限に引き出すことです。当社は、次の 3 つの方法でこれを実現します。i) HSS マシンの設計と開発を継続するとともに、専用マシンを開発して市場に投入します。ii) 材料サプライヤーが HSS 材料を開発して処理できるよう支援します。iii) エンドユーザーが部品処理の目的を実現できるよう支援し、ランニングコスト分析を行って HSS の採用が最も合理的かどうかを判断します。」

▲HSSテクノロジーを採用したニューバランスのスポーツシューズ
もちろん、異なる3Dプリント技術の間にはある程度の競争があります。前述のミッドソールのプリントに関しては、アディダスのFuturecraft 4DはCarbonのデジタル光合成技術を採用し、ナイキはHPのMJF技術との協力を選択しました。 SLSレーザー焼結が業界に残す印象は、表面仕上げが樹脂硬化技術ほど良くなく、製造速度もCLIPやMJFより劣るということです。しかし、SLSは複合材料の焼結に使用でき、炭素繊維などの材料を追加してプラスチックのエンジニアリング機械特性を向上させることができます。さらに、SLS は、軽金属合金の代わりに PEEK 高性能プラスチックを加工することもできます。 HSS高速焼結技術はSLSプロセスよりも100倍高速であり、この技術が靴製造業界に参入するための効率的な基盤を提供します。

ホプキンソンの急速焼結技術は特許知的財産権で保護されており、その所有者はホプキンソンの出身校であるラフバラー大学であることは特筆に値します。この特許は、ドイツの 3D 印刷会社 voxeljet を含む複数の部門にライセンス供与されています。ホプキンソン氏のチームはその研究を基に、電子機器の印刷に使用できる導電性インクなどの印刷材料にまで範囲を広げていく予定だ。

さらに読む：「1足2,400元！ニューバランスが新しい3Dプリントスニーカーを発売

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出典: 3Dサイエンスバレー

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