Jingge 3D プリント | 第 56 号材料注入技術 - 3D プリントの名にふさわしい

多くの場合、ニックネームは本名よりも有名です。たとえば、私たちは皆、シャオミンについて聞いたことがありますが、シャオミンが誰であるかを知っている人はいません。
今日は、静兄がそんな名前の話をします。例えば、誰もがよく知っている3Dプリントは、戸籍簿に「Additive Manufacturing」という名前が載っていますが、それに間違いはありません。

ただ、メディア関係者が「付加製造」を一般の人に説明するのは難しすぎるため、プリンターを使って立体物を印刷する技術だと説明し、「付加製造」という愛称が広まったのです。その印象は非常に深く、今日、多くの人が景兄弟に会ったとき、インク以外に3Dプリントで印刷できる材料は何かと尋ねました。

実際、積層造形法では、金属、セラミック、ポリマーなどの工業製品から、家の建設、宇宙探査、食べ物まで、さまざまなものを印刷できます。

しかし、積層造形における加工技術は、実際には 3D プリンティングと呼ばれています。このプロセスは、マテリアルジェッティング（MJ）成形技術です。また、バインダージェット成形という兄貴分もあります (詳細については、「Jingge 3D 印刷 | 問題 46 バインダージェット成形技術」を参照してください)。

マテリアルプリンティングとは、印刷インクを使用したノズルを使用して、形成材料を層ごとに印刷する技術です。得られる製品は3次元であるため、3Dプリンティングと呼ばれます。

▲図1 MJの技術プロセス（Stratasysより編集）

歴史
1994 年頃、Solidscape (当時は SandersPrototype と呼ばれていました) が、ワックスを溶かしてプリントヘッドで印刷する最初の商用デバイスを発売しました。他に理由はありませんでした。シンプルで安価で、とにかく機能したからです。その後、1996 年に 3D Systems が加わり、Thermojet シリーズとして知られるようになったマシンを発売しました。このマシンも、加熱すると溶けるシンプルで安価な材料を印刷するマシンでした。 1998 年までに、イスラエルの Objet が設立され、テクノロジーの流れに新風を吹き込みました。Objet は感光性樹脂材料を印刷します。短時間材料印刷技術分野は三脚三脚を形成しています。

その後、2011 年に Solidscape は Stratasys に買収され、その後、2012 年に Objet も Stratasys と合併しました。そうなると、残っている大手企業は Stratasys と 3DS の 2 社のみとなり、主な材料は依然として感光性樹脂とワックスです。

▲図2 材料印刷技術 3DSとStratasys
もちろん、Xjetのように異なる素材分野から参入するスタートアップ企業もあります。さらに読む：「イスラエルのXJetナノ粒子射出成形による新しい金属3Dプリント技術の詳細説明」
技術的背景
この狭義の 3D 印刷技術 (マテリアルジェッティング技術、以下 MJ と略す) は、まさに 2D 印刷技術の延長線上にあるものであり、2D プリンターのノズルを直接使用するという事実からもそのことが十分に証明されています。 MJ は、開発当初から HP、キヤノン、富士フイルムなどの大手企業の支援を受けてきましたが、従来のプリンターノズルという既存の基盤に依存していたために損失を被りました。老子が言ったように、災難の影の中に祝福が潜んでいる。

1. 材料要件
一般的に言えば、MJ 原材料の粘度と表面張力は一定の範囲内にある必要があります。粘度が高すぎると、印刷が難しくなります。結局のところ、インクジェットプリンターでそのような粘度の高いインクを使用したことはありません。また、表面張力は適切な範囲内でなければなりません。そうでないと、液滴に分離するのが難しくなります。通常、張力を調整するために界面活性剤が追加されます。また、印刷温度は高すぎてもいけません。そうでないと、プリントヘッドが損傷します。たとえば、3D Systems の一部のデバイスではホットメルト材料が使用されています。動作温度が 130°C の場合、材料の粘度は 18 ～ 25 cp、表面張力は 24 ～ 29 dyn/cm です (出典: 3D Systems)。

i. 緊張
液体の表面張力とは、エネルギーを最小に保つために表面の分子を内側に引っ張る力です。簡単に言えば、液体の総表面積を最小に保つ力です。この理解には一定の外部条件が必要ですが、今日私たちが話している内容には十分です。
ノズルを使用して材料を印刷する場合、連続した液体を多数の小さな液滴に分散させる必要があり、これにより表面積が大幅に増加します。つまり、表面張力を克服するために多くの作業を行う必要があります。したがって、表面張力の大きさは、液滴形成の難しさや液滴のサイズに関係します。

ii. 粘度
アスファルトのような粘性を持つ素材は、印刷どころか、直接押し出すことさえ困難であることは想像に難くありません。ノズルが印刷できる材料の粘度についてですが、直感的に言えば、印刷できる最大の粘度は、常温で調理に使う菜種油の状態です。ヨーグルトの粘度など考える必要はありません。パラフィンは130℃で約10cpの粘度があり、そのまま使用できるため、Solidscapeでは最初にパラフィンを選択しました。
粘度比 - 適切な粘度を得るために、材料の温度を適切に上げるか、高粘度の材料を低粘度の溶剤で希釈または懸濁します。
たとえば、多くのフォトポリマー材料の粘度は加熱によって低下させる必要があります。温度が高すぎるとプレポリマーが重合し始め、粘度が増加してノズルが詰まる可能性があります。
一部の粉末材料では、安定剤を選択して懸濁混合物を形成し、適切な粘度を得ています。たとえば、Xjet が最近開発している金属およびセラミックの低温インクジェット焼結技術などがその例です。

iii. 温度
プリンタノズルには多くの電子部品が含まれているため、高温条件下では連続動作できず、通常は 160°C 未満である必要があります。金属の場合、直接溶かして印刷する場合は、低温合金を選択する必要があります。例えば、Bi-Pb-Sn-Cd-In合金の融点はわずか47℃です。もちろん、単体で見ると、水銀は室温で液体ですが、ガリウムは手で持つと溶ける固体です。

▲図3 低温合金インクジェット印刷技術のサンプル
iv. 収縮率
物質が液体から固体に変化すると、相変化、光硬化、低温焼結により物質の体積がわずかに変化します。液体と固体の差が小さい材料は、印刷後に精度の高い製品を簡単に製造できます。逆に、液体と固体の体積差が大きい材料は収縮し、成形精度が低下します。

2. プロセス要件

印刷精度に影響する要因には、印刷頻度、ジェットの速度、ノズルの移動方法 (ラスター vs. ベクター)、および 3D 印刷技術における一般的な要因が含まれます。
インクジェット印刷では、一般的に 2 つのプリンターノズルが使用されます。1 つは瞬間加熱により泡を発生させて液滴を絞り出すもので、もう 1 つは圧電セラミックを振動させて液滴を絞り出すものです。ただし、熱印刷は敏感な材料を損傷する可能性があるため、MJ テクノロジーではほとんどの場合、圧電セラミック押し出しが使用されます。

▲図4 材料印刷技術における液滴生成方法（左が圧電式、右が加熱式）
圧電セラミックスが液滴を形成する方法は、波形や振幅などを制御して液滴のサイズや速度を操作することもできるため、より多様な材料を使用できます。

▲図5 圧電ノズルは波形周波数によって液滴のサイズと形状を制御します
液滴がベースプレートまたは形成された材料の前の層に到達すると、印刷された形状を維持するために、液滴はすぐに固体または半固体になる必要があります。硬化には、冷却固化、光硬化、低温焼結の 3 つの主な方法があります。対応する材料は、ワックス、金属などの低融点ポリマー、感光性樹脂、ナノ粒子（XJet）です。

応用分野
他の付加製造プロセスと同様に、MJ の適用シナリオは機器の所有者によって決定されます。しかし、MJ テクノロジーがより大きな利点を持つ業界はまだいくつかあります。 Stratasys は、産業、建築、消費者、医療、教育の各分野にわたる以下の事例を自社の Web サイトで提供しています。

▲図6 材料印刷技術の応用分野（画像提供：Stratasys）
その中で、以下の分野は応用において一定の利点を有しています。

産業分野での概念設計：MJ技術は、印刷時に顔料印刷と併用できるため、フルカラーに近いデバイスが得られます。同時に、複数の材料を混合することで、機能的なグラデーション材料を印刷できます。
消費者向けジュエリー：インクジェット印刷技術の精密な制御により、材料印刷で高精度のワックスモデルを取得でき、その後ロストワックス法で精巧なジュエリーを作成できます。

▲図7 ロストワックスジュエリーとワックスモデル（画像提供：Solidscape）
医療分野における補聴器: 補聴器の 3D プリントは、この業界における革命的な変化です。最初のサプライヤーが 3D プリントを採用してから、業界全体が 3D プリントに移行するまで、わずか約 500 日しかかかりませんでした。

機器価格
利用可能な材料の種類と成形スペースのサイズに応じて、材料印刷成形装置の価格は、約 20,000 米ドルから約 700,000 米ドルの範囲になります。材料の消費量に関しても、大型設備は非常に高価です。まず、Objet1000 を満杯にするには約 4 万ドルかかります。材料の単価は 1000 ドル/kg ですが、銀の価格は 643 ドル/kg と非常に高価です。

▲図8 Objetシリーズ装備比較（装備写真はStratasysより）
技術的な課題
1. 材料

i. 粘度制限
現在のプリントヘッドは従来のインクジェットプリントヘッドに準拠しており、多くの材料の粘度が制限されます。高粘度材料の場合、溶融、溶解、混合によって製造できますが、これでは材料の問題の一部しか解決されず、ノズルの詰まりなどの新たな問題が発生します。たとえば、粉末や溶質が沈殿したり沈降したりしてノズルが永久に詰まることがありますが、この問題は Xjet シリーズの機器ではより顕著になります。

ii. 粉末材料の収縮率の限界
液体から固体への遷移中の材料の収縮率によっても、達成できる精度が制限されます。 3DS が開発した一部のフォトポリマー材料は収縮率が小さいため、プリントヘッドの精度の利点をより有効に活用できます。しかし、固体懸濁物の体積比は一般に50％未満であり、多くの科学研究では、実際の粉末体積比はさらに低くなります。たとえば、有機溶媒に懸濁した酸化ジルコニウム粉末の体積は約15％です。この方法で形成された最終部品は収縮率が大きく、MJ テクノロジールートではより大きな粉末ベースの部品を形成できなくなります。

収縮率の大きい材料は大型部品の印刷に使用できないのはなぜですか?
硬化後に直線的に 20% 収縮する（体積が 50% 減少する）材料を使用しましょう。
たとえば、1cm のデバイスはすべての方向に 2mm 縮小します。不均一な収縮プロセスによって生じる誤差は 1 mm レベルです。
10cmのデバイスであれば、全方向に2cmずつ縮みます。不均一な収縮プロセスによって生じる誤差は 1cm レベルです。さらに、このプロセスでは、大型デバイスは自重によりベースプレートとの摩擦が大きくなり、エラーやストレスが大きくなるということが考慮されていません。

溶剤/懸濁剤を使用するすべての材料において、材料の収縮率が高いという問題が存在します。たとえば、3D プリントセラミック会社 Lithoz の材料である Lithalox HP500 (アルミナ) は、焼結後に密度が 99.3% に達したときに、固化したブランクと比較して線形収縮が 19.7% になります。 Lithoz プロセスでは、材料噴射技術よりもはるかに高い粘度の材料を使用します。

高粘度の材料は印刷できないため、材料印刷技術の粉末体積率は30％以下になります。したがって、同じ密度を達成するために、その線収縮率は約33％になります。懸濁液中の粉末の体積比がわずか 15% の場合、焼結後の収縮率は非常に高くなることが予想されます。

▲図9 Lithozが使用する感光性樹脂とセラミック粉末の混合材料
収縮率が高いため、焼結などの後処理を層ごとに完了することはできず、部品全体の全体的な成形が完了した後に実行する必要があります。したがって、金属やセラミックのランプ材料の加工における低温ナノ焼結技術の利点は失われます。

2. 装備

ノズルの詰まりは、材料印刷技術を使用する機器でよく見られる問題です。そのため、プリンターのノズルのメンテナンスには多くの準備、検査、修理が必要となり、多くのデバイスでは緊急時に備えて予備のノズルも必要になります。
現在のプリンターのノズル技術では、液滴の吐出速度や形状などの制御が非常に限られています。

高粘度材料を使用できるノズルが開発されれば、MJ技術は質的な飛躍を遂げるでしょう。しかし、ある程度の精度と強度を両立することは難しく、強度によって印刷できる材料の粘度が決まります。

現在、プリンターノズルの生産技術は主に日本、米国などの国の企業が担っています。我が国もプリンターノズルの研究開発にさらに投資しており、できるだけ早く大きな進歩を遂げたいと考えています。プリンターノズルの研究開発はこの技術の最優先事項です。

要約する
材料印刷技術という名称が業界全体の名前として使われており、この技術と伝統技術とのつながりが十分に反映されていることは間違いありません。 MJ テクノロジーは既存のテクノロジーを基盤として急速に発展してきましたが、この基盤を大幅に改善することによってのみ、MJ テクノロジーをより広く利用できるようになります。私の国のこの分野における技術基盤はまだ弱く、私たちの同僚は依然として懸命に取り組む必要があります。

さらに読む：「詳細説明：バインダージェット成形3Dプリント技術」

Antarctic Bear は、3D プリントのプロフェッショナルメディアプラットフォームです。クリックしてウェブサイト http://www.nanjixiong.com/ にアクセスしてください。

出典: Jingge 3D Printing

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