【南極熊3Dプリント文化】3DP立体プリント成形：3Dプリントの多彩な世界

この投稿は Little Raccoon によって 2017-3-27 19:33 に最後に編集されました。

本日ご紹介するのは 3DP テクノロジーです。 3DP テクノロジーは、1993 年に MIT のエマニュエルサックス教授のチームによって発明されました。サックス教授はこの技術を基に、3Dプリントの分野で40件以上の特許を取得し、まったく新しい産業を生み出しました。この技術は、電子製品のセラミック部品、金型、医療機器などの分野で広く使用されています。
3DP成形は国内の学者からも注目を集めています。西安交通大学、天津大学、清華大学、中国科学技術大学、華中科技大学などの国内大学は、3DP技術に関する徹底的な研究を実施し、いくつかの分野で独自の特徴を形成しています。

1 3DPテクノロジーの原理

3 次元印刷 (3DP) は、インクジェット粉末技術やバインダージェット成形とも呼ばれ、米国材料試験協会の付加製造技術委員会 (ASTMF42) では、3DP の科学的な名称をバインダージェッティングと定義しています。 3DP 技術は、マサチューセッツ工科大学の Emanuel M. Sachs、John S. Haggerty らによって発明されました。特許申請は 1989 年に提出され、特許は 1993 年に付与されました。 1995 年、MIT は商用アプリケーション向けに 3DP テクノロジのライセンスを Z Corporation に供与しました。 Zコーポレーションは、3DP技術のライセンスを取得した後、1997年から一連の3DPプリンターを発売してきました。その後、同社は3D Systemsに買収され、3D SystemsのColorJetシリーズプリンターに発展しました。

下の写真は、ワックスやエポキシ樹脂を混ぜたデンプンを粉末原料として使って印刷したZ社の製品です。
ZコープZ860

3DP 印刷技術で使用される原材料は、主にセラミック、金属、石膏、プラスチック粉末などの粉末材料です。各層の粉末は接着剤を使用して結合され、層ごとに積み重ねられて形成されます。通常のフラットパネルインクジェットプリンターと同様に、粉末材料を結合し、着色顔料を加えることで、色鮮やかな物体を印刷することができます。 3DP 技術は現在、比較的成熟したカラー 3D 印刷技術であり、他の技術では一般的にカラー印刷を実現することは困難です。多くのレーザー焼結技術と同様に、3DP は粉末床をベースとして使用しますが、違いは、3DP では高エネルギーレーザーを使用して溶融および焼結するのではなく、インクジェットプリントヘッドを使用して粉末にバインダーをスプレーすることです。

3DP プリンターの内部構造 (画像提供: Antarctic Bear)

3DP装置の粉末噴霧装置は、制御システムの制御下で、プラットフォーム上に粉末の層を均一に広げます。粉末噴霧プリントヘッドは、X軸とY軸の動きを担当し、モデルスライスによって得られた断面データに従って移動し、選択的に接着剤を噴霧して、最終的に平面パターンを形成します。一つの断面パターンが完成すると、印刷テーブルが１層厚単位だけ下降し、その間に粉末塗布ローラーが粉末塗布動作を行い、その後、次の断面印刷動作が再度行われる。このように粉末供給、粉末散布、バインダー噴霧の工程を繰り返し、最終的に立体成形部品が完成します。

3DP 粉末接合成形プロセス (画像提供: Antarctic Bear)

2 利点と制限事項<br /> 現在、多くの金属レーザー焼結 3D プリンターが市場を席巻しており、3DP 技術の市場シェアは小さいものの、金属積層造形において依然として重要な役割を果たしています。しかし、レーザー焼結などの技術が成熟するにつれて、3DP技術が依然として競争力を持っているのか疑問視する声も増えています。 3DP テクノロジーは、他のテクノロジーの欠点を補い、金属 3D プリントのギャップを埋めるものだと私たちは考えています。

利点 1. 3DP テクノロジーは色彩が豊富で、さまざまな素材から選択でき、24 ビットのフルカラー印刷機能を備えたテクノロジーです。これは、このテクノロジーの最も競争力のある機能の 1 つでもあります。 2. 3DP 技術には粉末床がありますが、粉末床の溶融プロセスがなく、成形プロセス中に残留応力は発生しません。そのため、3DP はサポート構造を必要とせずに、粉末床を介して吊り下げ構造を完全にサポートできます (SLS と同様)。 3. 3DPノズルはレーザーポイントスキャンではなくアレイスキャン（2Dアレイ）が可能なため、印刷速度が速く、大型部品の印刷が可能です。 4.レーザーは不要、機器は比較的安価

3DP 印刷技術装置に基づくアレイノズル (画像提供: ExOne)

技術的な制限 1. 精度と仕上がりが理想的ではありません。主に人形やコンセプトモデルの作成に使用されますが、複雑な構造と多くの詳細を備えた薄いオブジェクトの作成には適していません。 2. 3DP 技術を使用して印刷されたワークピースは、粉末でのみ接着できます。接着剤の接着能力は限られており、強度が比較的低いため、基本的には概念的なプロトタイプを作成するためにのみ使用できます。 3. 3DP 技術では、焼結などの面倒な後処理が必要です。したがって、多くの金属直接製造および成形技術に比べて優位性がない可能性があります。

3 3DPアプリケーション

フルカラー印刷のプロトタイプ（代表企業：ZCorp） 3DP技術はMITの研究所で実装された後、すぐに特許化され、1990年代には多くの企業がさまざまな材料に基づいて使用権を取得しました。非金属材料の分野でよく知られている企業としては、主に石膏を原料として使用している ZCorp (現在は 3D Systems に買収) があります。 ZCorp の製品の最大のハイライトは、接着剤に色を付けてカラフルな印刷モデルを作成できるフルカラー 3D プリンターです。
世界初のカラー3Dプリンター、Spectrum Z510は、2005年にZCorpによって発売されました。

3DP技術で印刷されたフルカラーポートレート

3DP 技術を使用して印刷されたフルカラーの自動車部品 (画像提供: ZCorp)

3D Systems のフルカラー印刷技術を使用して作成されたモデル (画像提供: 3ders.com)

メタルダイレクトフォーミング（ExOne） 3DPを使用した金属印刷技術は、ExOneによって商品化されています。 ExOne はナスダック上場企業です。2005 年に、50 年以上の歴史を持つ精密特殊加工および自動化ソリューションのプロバイダーである Extrude Hone から分離され、3D プリント事業に注力しています。

現在、ExOne はステンレス鋼を主な金属材料として、金属、石英砂、セラミックなどさまざまな工業材料から作られた製品を製造しています。 3DP技術を使用して金属部品を製造する場合、金属粉末を特殊な接着剤で結合して形状を形成し、その後3Dプリンターから取り出して炉で焼結し、完成した金属製品を得ます。

3DP 技術を使用して製造された金属部品 (画像提供: ExOne)

砂型鋳造（代表企業：VoxelJet）砂型鋳造は金属製品を間接的に製造する方法です。 3DP テクノロジーを使用すると、鋳物砂から鋳型が作られ、その後、従来の技術を使用して金属鋳造に使用できます。 3DP 技術を使用した金型の製造を専門とする会社は、ドイツの VoxelJet です。VoxelJet が製造する装置は、鋳造金型の製造に使用できます。

Voxeljet で作られた砂型と砂型を使用して鋳造された金属部品砂型鋳造を使用して作られた金属部品のフローチャート (画像提供: VoxelJet)

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