セラミック3Dプリントを理解するのに役立つ記事

この投稿は、Little Soft Bear によって 2017-4-21 11:18 に最後に編集されました。

陶磁器は、数千年の歴史を持つ、精巧で実用的な伝統的な無機材料です。セラミック材料は硬くて脆いため、加工や成形が特に困難です。従来のセラミック製造プロセスでは、単純な 3 次元形状の製品しか製造できず、コストと時間がかかります。セラミック3Dプリント技術の発展により、複雑なセラミック製品の製造が可能になりました。操作が簡単、スピードが速い、精度が高いなど、3Dプリント技術の利点は、セラミックに新たな活力を吹き込んでいます。海外でも多くの研究が行われており、3DCeramやLithozなどセラミック3Dプリントに注力する企業も登場しています。現在、国内のセラミック3Dプリント技術はまだ十分に成熟していない。清華大学や西安交通大学などの科学研究機関が現在研究を進めており、Ten Dimension Technologyなど、挑戦する企業も現れている。

材料と用途 セラミック材料は、高強度、高硬度、耐高温性、低密度、良好な化学的安定性、耐腐食性などの優れた特性を備えた三大固体材料の1つです。現在、3Dプリントで作製される主なセラミックとしては、アルミナセラミック、ジルコニアセラミック、リン酸カルシウムセラミックなどがあります。

幅広い用途を持つセラミック材料セラミック3Dプリントは、複雑な構造と高精度を備えた多機能セラミックを生産することができ、建築、工業、医療、航空宇宙などの分野で広く使用されます。セラミックコア、整形外科用代替品、触媒などへの応用の見通しは良好で、私たちの生活に大きな変化をもたらすでしょう。
原材料 成形技術と最終的な性能要件に応じて、適切な原材料が選択され、一般的にはセラミック粉末、バインダー、添加剤が含まれ、一定の割合で均一に混合されます。
3D プリント用のセラミック材料の形態には次のものがあります。
スラリーは、物理的または化学的手段によって形成されたセラミック成分とその他の溶剤および添加剤の混合物です。
溶融堆積プロセス用のセラミックワイヤ。
セラミック粉末、セラミック粉末、鉱化物、バインダーなどの混合物、レーザー焼結、接着などに使用される。
プレス成形され接着されたセラミックシート。

3D プリント 3D プリント技術を使用してセラミック部品を形成し、特定の形状と構造を持つセラミック本体を取得します。具体的な方法については、本文後半の各種セラミック3Dプリント成形技術の紹介をご覧ください。

グリーンボディの後処理 セラミック本体は洗浄、表面強化、修復、乾燥などの後処理が行われ、本体の強度、精度などの特性が要件を満たしていることが保証され、その後の熱処理プロセスに役立ちます。

脱脂および焼結 そのままのグリーン体を炉内に入れ、設定された温度システム、焼成雰囲気、圧力に従って熱処理します。このプロセスは、2 つの段階に分かれています。1 つは、600°C 以上に加熱してグリーン体中の有機物を除去する段階です。これは欠陥が発生しやすい非常に敏感な段階です。もう 1 つは、1000°C 以上に加熱して緻密化を達成し、セラミックを形成する段階です。これは、粒成長、粒界形成、セラミック強度の達成のプロセスであり、製品の最終性能を決定します。焼結が完了して冷却すると、最終的なセラミック製品が得られます。

セラミック 3D プリント技術 現在、セラミック 3D 印刷技術は、主にインクジェット印刷技術 (IJP)、熱溶解積層技術 (FDM)、積層造形技術 (LOM)、選択的レーザー焼結技術 (SLS)、およびステレオリソグラフィー技術 (SLA) に分けられます。これらの技術を使用して印刷されたセラミックグリーンボディは、高温での脱脂および焼結後にセラミック部品を得るために使用できます。それぞれの印刷技術は、成形方法や使用する原材料によって長所と短所があり、発展の度合いも異なります。

インクジェット印刷技術 (IJP)
主に3Dプリントとインクジェット成膜に分けられます。 3DプリントはMITによって開発されました。まず、作業台に粉末を広げ、ノズルからバインダーを選択した領域に吹き付けて粉末を結合させ、層を形成します。次に、作業台を下げて粉末を充填し、部品全体が完成するまで上記のプロセスを繰り返します。使用される接着剤にはシリコン、ポリマー接着剤などがあります。 3Dプリント法はセラミック体の組成や微細構造を容易に制御できるが、後処理が必要であり、精度や強度が低いという欠点がある。

インクジェット堆積法は、ブルネル大学のエヴァンスとエディリシングルによって開発されたもので、ナノセラミック粉末を含む懸濁液をノズルから直接噴射し、セラミック部品に堆積させる方法です。このプロセスの鍵となるのは、均一に分散したセラミック懸濁液を準備することです。現在使用されているセラミック材料には、ZrO2、TiO2、Al2O3 などがあります。開発を制限する要因は主にセラミックインクの構成とインクジェットプリントヘッドの詰まりです。

スラリー押出技術（FDMに類似）
プラスチック 3D プリントの熱溶解積層法 (FDM) と同様に、基本的にはフィードローラー、ガイドスリーブ、ノズルの 3 つの構造コンポーネントの組み合わせによって実現されます。まず、ホットメルトフィラメント材料（セラミック粉末を混合したスピンドル）がフィードローラーを通過し、従動ローラーとアクティブローラーの連携によりガイドスリーブに入ります。ガイドスリーブの低摩擦特性により、フィラメント材料はノズルに正確かつ連続的に入ります。ノズル内で材料を加熱・溶融し、ノズルから押し出します。押し出されたセラミックポリマー複合材料は温度差により固化し、設計された原形通りに3Dプリントされます。
一部のプロセスでは、高粘度のセラミックスラリーを原料として使用し、これをノズルから直接押し出し、空気中で乾燥して固化させます。

この技術は、さまざまな材料の組み合わせを実現できますが、最小押し出し直径が制限され、構造的に制限され、精度が低いため、陶芸工芸品や多孔質材料のバイオ製造に適しています。この技術には、支持構造の設置、ノズルの高温化、原材料に対する高い要件が必要です。

レイヤードオブジェクト製造 (LOM)
薄材料の積み重ねプロセス。薄材料の選択的切断とも呼ばれます。フィルム材料（接着剤を含む）をレーザーで直接切断し、昇降テーブルを移動させて、新しい層のフィルム材料を切断して前の層の材料に重ね、熱接着およびプレス部品の作用で形状に接着します。これは、層から立体部品に直接進むプロセスです。
成形速度が速く、層状の複雑な構造の部品の製造に適しており、サポート構造は必要なく、後処理工程も比較的簡単です。テープキャスティング法でセラミックシート材料を製造することができます。テープキャスティング法でセラミックシート材料を製造する技術は国内外で比較的成熟しており、原材料の入手も便利で迅速です。しかし、使用するフィルム材料は切断して積み重ねる必要があるため、大量の材料廃棄が避けられず、利用率の向上が求められています。同時に、印刷工程で使用されるレーザー切断により、印刷コストが増加します。複雑で中空の部品の印刷には適していません。層間の段差がより顕著になり、最終製品の境界を研磨する必要があります。

選択的レーザー焼結（SLS）
セラミック 3D プリントは、主に、圧力ローラー、レーザー、作業台の 3 つの構造コンポーネントの調整によって実現されます。加圧ローラーで作業台上に粉末を広げ、コンピューター制御のレーザー光線で指定範囲をスキャンします。レーザースキャンにより粉末内のバインダーが溶けて層状構造を形成します。スキャンが完了すると、作業台が下がり、加圧ローラーが新しい粉末層を塗布します。レーザーで再度スキャンされた後、前の固化したシートセラミック層と結合します。同じ手順を繰り返して、最終的に完成品を印刷します。

セラミックスを直接焼結することは難しいため、セラミックス粉末にバインダーを加えたり、原料をコーティングしたセラミックス構造にしたりする必要があります。バインダーの種類と量、およびバインダー添加後のセラミックの低密度と機械的特性の悪さが、この技術の開発を常に制限し、高精度、高強度、高密度のセラミック部品を得ることを困難にしてきました。同時に、レーザーを使用するため、この技術ではセラミック部品の印刷コストが高く、その後のメンテナンスも比較的面倒です。

ステレオリソグラフィー（SLA）
フォトステレオリソグラフィー技術とも呼ばれます。光源の種類と作用モードに応じて、レーザースキャン硬化（SLA）とDLP（デジタル光処理）表面硬化プロセスに分けられます。

SLA テクノロジーは、レーザースキャン露光によって単層硬化を実現します。紫外線レーザービームにより、原層の設計された断面に応じて、作業タンク内のセラミック感光性樹脂混合液が点から点へ、線から線へ、線から面へと集中して固化されます。 xy 方向に表面が固まった後、リフティングプラットフォームを z 軸方向に移動して、セラミック部品の 3D プリントを層ごとに完了します。 DLP テクノロジーは、表面光源の投影露光によって単層硬化を実現します。紫外線下で硬化できる液体樹脂をバインダーとして、セラミック粉末やその他の原料と混合してセラミックスラリーを調製します。コンピュータが紫外線を制御し、各セクションの輪郭線に従って対応する領域に照射します。スラリーは急速に固まって輪郭の層を形成し、層ごとに重ねられます。新しく固まった層は前の層と結合し、成形が完了するまでこのプロセスが繰り返されます。
光硬化技術の開発は比較的成熟しており、複雑な構造や高精度が求められる部品の製造に適しています。一部の企業は光硬化型 3D プリント装置を開発しています。

セラミック 3D プリント会社 セラミック3Dプリント技術の急速な発展に伴い、国内外でセラミック3Dプリント技術の産業化に注力する企業が数多く登場しており、その技術原理は主にステレオリソグラフィーです。現在、これらの企業は材料や設備の研究開発に一定の進展があり、セラミック3Dプリンターの販売や印刷サービスの提供を開始しています。

3Dセラム
2001 年に設立され、有名なフランスの磁器の首都リモージュに拠点を置く同社は、セラミック 3D プリントの分野における世界的リーダーの 1 つです。同社は10年以上前、機能性セラミックの製造にステレオリソグラフィー（SLA）を使用することを決定しました。 2005 年、3DCeram はリモージュ大学の Brie du CHU 教授と共同で、3D プリントされたセラミックインプラントを発売しました。徐々に他の市場も開拓し、現在では産業、航空、宝石、時計などさまざまな分野のお客様と良好な協力関係を築き、それらのお客様にセラミックのサンプルを印刷しています。

同社の製品である大型産業用セラミック3Dプリンター「CERAMAKER」は2015年に発売されました。印刷フォーマットは300×300×150mmで、光源にはレーザーを使用し、200um以上の細部を正確に表示できます。
デスクトップセラミック 3D プリンター C30: ドイツの Rapidshape 社と共同開発。印刷フォーマットは 50 x 40 mm。
3DMIX 印刷材料: プリンター用の印刷材料。開発されている材料には、アルミナ (Al2O3)、酸化ジルコニウム (ZrO2)、ハイドロキシアパタイト (HAP)、リン酸三カルシウム (TCP) などがあります。 FCP サービス: 複雑な形状のセラミック製品を製造するお客様のニーズを満たす、高速応答印刷サービス。

リソズ
ウィーン工科大学から独立したオーストリアの高性能セラミック 3D プリント会社。 2014年には、著名な3DプリンターメーカーであるEOSの創設者兼CEOであるハンス・J・ランガー博士から投資を受けました。

Lithoz の特許技術であるリソグラフィーベースのセラミック製造 (LCM) により、高精度、高精細、高密度、高強度のセラミックオブジェクトの 3D プリントが可能になります。 LCM 技術は、均一に分散したセラミック粒子を含む感光性樹脂の選択的硬化に基づいています。この技術では、セラミック粒子間のバインダーとしてフォトポリマーを使用し、高密度のセラミックグリーンボディを正確に製造できます。このアプローチの中心となるのは、最新の LED 技術を使用して各層の情報を感光性樹脂に変換する、特別に設計されたイメージングシステムです。この画像化技術と特殊な投影光学系を組み合わせることで、非常に微細なディテールを備えた小さな構造物を生成することができます。

プリンター CeraFab 7500 の精度は 50um、印刷フォーマットは 76*43*150mm です。

3D フォーム
オランダの 3D プリントの先駆者。オランダのデザインアカデミーアイントホーフェン卒業生のデザイナーデュオ Yao と Marlieke によって設立されました。 2015 年初頭、3D プリントとセラミックの専門知識を組み合わせることで、粘土を原料とする効率的で信頼性の高いセラミック 3D プリンター LUTUM を開発しました。数回の反復を経て、プリンターの Mini バージョンと XL バージョン、および 2 色セラミック 3D プリントを実現できる LUTUM Dual を発売しました。

LUTUM® Mini: 造形容積 43x43x45 cm (4,495 EUR)
LUTUM® Dual: 造形体積 40x40x45 cm (まだ実験段階、6,284 EUR)
LUTUM® MXL: 造形容積 43x43x78 cm (5,395 EUR)

2016 年、VormVrij 3D は粘土 3D プリンターの LUTUM シリーズのアップグレード版をリリースしました。一連の革新を通じて、プリンターの解像度が向上し、食べられる材料の印刷も可能になりました。

10次元テクノロジー 清華大学、北京大学、中国科学院を中心メンバーとして、中国で初めて高性能 DLP 光硬化セラミック 3D プリンターを発売した企業です。テンディメンションテクノロジーは研究開発志向を貫き、10年以上の製造現場の経験を統合し、長期にわたる設備と材料の研究を経て、2016年末に高性能セラミック光硬化3Dプリンター「AUTOCERA」を発売しました。 2017年2月、最初のAUTOCERAが性能試験を完了し、北京理工大学に納入されました。
AUTOCERA は高精度、材料節約、オープンパラメータなどの特徴を備えており、特にセラミック研究に携わる大学や研究機関に適しています。

セラミック 3D プリント技術の応用展望は非常に広く、市場の潜在力も大きく、現在人気の研究分野となっています。今後も材料や設備の研究開発が重要かつ困難な点であり、産業応用が徐々に実現されるでしょう。

出典: セラミック 3D プリンティング詳しい情報:
金属 3D プリントは非常に人気があり、オランダのセラミック 3D プリント会社 Admatec もこの分野に参入したいと考えています。
粘土セラミック3Dプリンター、優れた精度

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