詳細説明:バインダージェッティング3Dプリント技術

GE による Arcam と SLM Solutions の買収により、3D プリンティングファミリーにおける粉末床溶融結合プロセスは、メディアで注目される存在としての地位を確立しました。粉末床溶融成形プロセスは、特に金属材料などの完全密度構造材料の成形と製造において独自の利点を持っています。しかし、3Dプリントの分野では、1本の蔓に7つの花が咲いているとも言えます。本日ご紹介するのは、金属、セラミック、砂型など、さまざまな材質や機能を持つデバイスを成形できるバインダージェット成形技術です。ジン兄弟にとって幸運なことに、博士課程の学生であるバイ・ユンがバインダージェッティング技術のあらゆる側面について専門的な解説をしてくれます。

著者について:
Bai Yun はミズーリ S&T 大学で機械工学の学士号を取得し、現在はバージニア工科大学 DREAMS ラボで機械工学の博士号取得を目指しています。著者の主な研究分野は、バインダージェッティング技術と熱伝導性材料 (純銅など) の付加製造です。著者の博士研究には、バインダージェッティングにおけるナノマテリアルの応用も含まれています。

コンセプト
バインダージェッティングは、その名の通り、バインダーを噴霧することで粉末を成形する積層造形技術です。多くのレーザー焼結技術と同様に、バインダージェッティングも粉末床を基礎として使用しますが、この技術では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し、選択した領域に粉末の層を結合する点が異なります。各粉末層はバインダーの浸透によって前の粉末層と結合し、3 次元構造のオブジェクトが層ごとに作成されます。バインダージェッティングは、ポリマー材料、金属、セラミック材料の製造に使用できます。金属やセラミック材料に使用する場合、インクジェット印刷で形成されたプロトタイプ（緑色の部分）を高温で焼結してバインダーを除去し、粉末粒子間の融合と接続を実現し、一定の密度と強度を備えた完成品を得る必要があります。

バインダージェッティングの発明は、主に MIT の 2 人の教授 (Emanuel Sachs 氏と Michael Cima 氏) によって、1980 年代後半から 1990 年代前半にまで遡ります。当初、この技術の特許名は「3次元印刷」と呼ばれていました。著者は、バインダージェッティングのプロセスは、印刷材料が紙から粉末に変更されることを除けば、一般的な家庭用インクジェットプリンターのプロセスと非常に似ているため、このような名前が付けられたのではないかと推測しました。 3D プリンティングという名前はその後、他の付加製造技術にも広く使用されるようになったため、ASTM 規格でカスタマイズされた名前である BinderJetting を使用する人が増えましたが、この名前に馴染みがないと感じる人もいました。

応用
· プロトタイプのフルカラー印刷<br /> バインダージェッティング技術はMITの研究室で実現された後、すぐに特許化され、1990年代には多くの企業が使用権（ライセンス）を取得し、さまざまな材料をベースに商品化しました。非金属材料技術を習得した企業の中では、ZCorp が比較的よく知られています。同社は石膏を主材料とし、水を主成分とする結合剤と石膏の反応を利用して成形を行っています。 ZCorp の製品の最大の特徴はフルカラー印刷です。これは、Objet のような企業がまだ登場していなかった時代に、フルカラー印刷が可能な唯一の技術となりました。紙のインクジェットプリンターと同様に、バインダーに顔料を塗布し、粉末にベースカラー（CMYK）を混ぜて着色することで、立体的に多色モデルを作成できます。この方法で作成されたモデルは、主にラピッドプロトタイピングや製品設計に使用されます。 ZCorp は 2012 年に 3D Systems に買収され、3DS カラージェットシリーズのプリンターに開発されました。

· フルデンシティメタルダイレクトフォーミング<br /> バインダージェッティングを使用した金属印刷は、ExOne (旧 ProMetal) によって商品化されています。金属部品を製造する場合、金属粉末を熱硬化性ポリマーを主成分とするバインダーで結合させてグリーンパーツを形成し、グリーンパーツを3Dプリンターから取り出して炉に入れて焼結し、金属製品を得ます。焼結部品の密度は一般的に低いため、高密度の完成品を得るために、ExOne では焼結プロセス中に低融点合金 (銅合金など) を部品に浸透させます。 ExOne の初期の製品は主にステンレス鋼で作られていましたが、現在ではさまざまな金属材料 (ニッケル合金インコネルなど) やセラミック材料 (タングステンカーバイドなど) から選択でき、特殊な後処理技術を施せば 100% の密度に達することができます。

砂型鋳造
バインダージェッティング金属を製造するもう一つの間接的な方法は砂型鋳造です。鋳物砂はバインダージェッティングによって鋳型に成形され、その後従来の金属鋳造に使用できます。この製造方法の特徴は、従来の鋳造の特徴や材料の選択肢を継承しながら、積層造形の特徴（複雑な構造を製造できるなど）も併せ持っていることです。 Voxeljet は、鋳造金型製造に特化したバインダージェッティング装置を製造するヨーロッパの別のメーカーですが、直接的な金属製造には携わっていません。

技術的特徴: 利点と制限
バインダージェッティングは、金属やセラミック材料の積層造形に使用できる最も初期の技術の 1 つです。現在、多くの金属レーザーまたは電子ビーム焼結 3D プリンターが市場を独占していますが、バインダージェッティングは市場シェアは小さいものの、依然として金属積層造形におい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、バインダージェッティングはまだ競争力があるのか、それとも廃止されるべきなのかという疑問の声がよく聞かれます。筆者は、バインダージェッティングには、他の技術の欠点を補い、金属積層造形におけるいくつかのギャップを埋める特性があるため、非常に価値があると考えています。

技術的な利点:
1) 選択できる材料の種類が多く、新しい材料を開発するプロセスも比較的簡単です。バインダージェッティングの成形プロセスは主に接着剤と粉末の結合に依存しているため、多くの材料を接着剤によって形に結合できます。同時に、従来の粉末冶金法で焼結できる金属やセラミック材料も多数存在するため、バインダージェッティングを使用して製造できる可能性を秘めた材料も数多くあります。同時に、バインダージェッティングプリンターでは、機器や材料の主なパラメータを変更することなく、材料を柔軟に選択できます。現在、バインダージェッティング法で直接製造できる金属材料としては、ステンレス鋼、銅合金、ニッケル合金、チタン合金など多岐にわたります。

2) レーザーや電子ビームを使用して焼結（または溶融）することが困難な一部の材料の加工に適しています。たとえば、一部の材料は表面反射率が強いため、レーザーエネルギーを吸収しにくく、レーザー波長に対する要件が厳しい場合があります。また、一部の材料は熱伝導率が強いため、溶融領域の形成を制御することが難しく、完成品の品質に明らかに影響します。しかし、バインダージェッティング技術ではこれらの問題は発生しません。

3)粉末が溶融しないため、成形プロセス中に残留応力は発生しません。したがって、追加のサポート構造なしで、吊り下げ構造を粉末ベッドで完全にサポートできます。印刷プロセス中に部品全体を粉末の底部のベースに固定する必要はありません (SLS と同様)。したがって、構造設計の自由度が高く、印刷後にサポートを削除する必要がありません。

4) 大規模製造や大量部品生産に最適です。バインダージェッティングプリンターは密閉された空間に設置する必要がなく、ノズルも比較的安価なため、コストを大幅に増加させることなく、非常に大きな粉末ベッドと大きなノズルを製造することが可能です。追加ノズルは、レーザーのポイントツーポイントスキャン（ラスタースキャン）ではなくアレイスキャン（2Dアレイ）を実行できるため、大型部品を印刷する場合にも印刷速度は許容範囲内であり、複数のノズルを使用することでさらに速度を上げることができます。たとえば、ExOne の鋳型印刷用 Exerial プリンターの製造サイズは 2.2m×1.2m×0.7m です。 Voxeljet は、傾斜した粉末ベッド設計を使用して、1 次元で無限に拡張された部品を作成します。

Voxeljet VXC 800 連続成形プロセス (Exone)
5) 印刷精度は高いです。例えば、ホガナス社の製品は、加工後の精度と滑らかさが非常に高く、非常に繊細なジュエリーを作るのに使用できます。

ホガナスアートデザイン (ホガナス)
6) 設備コストが比較的低い。数百万ドルもする金属 3D プリンターに比べると、ExOne のプリンターははるかに安価です。

技術的な制限:
どのような技術にも欠点があり、バインダージェッティングも例外ではありません。

1)最も重要なのは、金属やセラミック材料を直接製造する場合の低密度の問題です。金属射出成形や金型プレスなどの粉末冶金プロセスと比較すると、バインダージェッティング成形の初期密度（グリーン密度）は低いため、焼結後に最終製品が 100% の密度に達することは困難です。この特性は、緩い構造を必要とする一部の用途（人工骨、自己潤滑ベアリングなど）には有益ですが、高い強度を必要とするほとんどの用途には不十分です。ただし、いくつかの後処理方法の助けを借りれば、多くの金属材料は依然として 100% の密度に達することができます。

2)バインダージェッティングでは、最初に印刷してから焼結するという面倒なプロセスが、多くの直接成形金属積層造形技術と比較してしばしば批判され、プロセス全体に時間がかかります。したがって、少量の部品を製造する場合、バインダージェッティングは他の技術と比較して時間消費の点で有利ではない可能性があります。

つまり、バインダージェッティングは現時点ではそれほど主流の金属積層造形技術ではありませんが、前述の特徴により、一部の分野では非常に競争力があります。もちろん、この技術自体のいくつかの欠点も、その幅広い応用を制限しています。バインダージェッティングに関する長期にわたる研究を通じて、著者はこの技術の将来性について非常に楽観的であり、新しい技術の進歩によってバインダージェッティングの特性がさらに促進されることを期待しています。この記事を執筆する過程で、筆者も、いわゆる世界最高の積層造形技術は存在しないことを痛感しました。重要なのは、各技術の長所をいかに活かし、最も適切な分野に応用するかです。

出典: Jingge 3D Printing

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