HP 3Dプリンター現場写真

Antarctic Bear 3D Printing Network は、米国で開催された展示会で、HP が独自に開発した初のマルチジェット融合 3D プリンターを発表したことに注目しました。この工業グレードのデバイスは、フルカラーを簡単に実現できるだけでなく、直径わずか 21 ミクロンの粒子を 1 秒あたり 3 億 5000 万個排出できるため、その精度と速度は通常の 3D プリンターよりもはるかに高くなっています。そのうち、速度は熱溶解積層法（FDM）や選択的レーザー焼結法（SLS）の装置の10倍以上になることもあります。

このマシンがなぜこれほど注目を集めたのでしょうか? Antarctic Bear は、その理由は HP の有名な名前だけでなく、同社が使用する新しい 3D 印刷技術である Multi Jet Fusion (MJF) にあると考えています。この技術は、主に 2 つの独立したサーマルインクジェットアレイを使用して、フルカラーの 3D オブジェクトを生成します。印刷中、一方が左右に動いて材料を排出し、もう一方が上下に動いてスプレー、着色、堆積を行い、完成品に希望の強度と質感を与えます。その後、2 つのアレイは方向を変えて、カバレッジと生産性を最大化します。次に、すでに形成された構造にディテール剤をスプレーします。その後、堆積が行われた部分と堆積が行われている部分に外部加熱が適用されます。これらの手順は、オブジェクト全体が層ごとに印刷されるまで繰り返されます。

HP 3D プリンターで印刷された作品を見た後、Antarctic Bear は心の中に新たな希望を抱きました。機能的な 3D プリントされたオブジェクトが徐々に一般的な工業生産に応用されるようになるだろう、と。

HPが3Dプリンターのコンセプトを初めて世界に披露したのは、2014年10月29日。当時エグゼクティブバイスプレジデントだったディオン・ワイスラー氏（現CEO）は、このイベントで「Blended Reality」というコンセプトに言及し、人間の創造性を刺激できるエコシステムを構築したいと語りました。その後、3Dプリンター開発のHPビジョンを提唱し、現在HPの3Dプリンター製品に採用されているMulti Jet Fusion Process（Antarctic Bear注：Antarctic Bearはマルチノズル溶融技術と呼んでいます）を実演しました。

HPは家庭用フラットベッドプリンターの分野ではすでに世界的大手だが、今回は家庭用製品に注力せず、同社が発売したMulti jet Fusion（以下、MJF）は産業グレードの製品だ。

MJF には、ワークフローを簡素化してコストを削減し、迅速なプロトタイピングを実現すること、画期的な経済的メリットを伴うコンポーネント製造を実現すること、使用のハードルを下げ、さまざまな業界での新しいアプリケーションをサポートするオープンな材料およびソフトウェアイノベーションプラットフォームなどの利点があります。 HPの3Dプリンティング事業のプレジデントであるスティーブン・ニグロ氏は、HPのマルチノズルフュージョン3Dプリンティングソリューションは、業界に革新的な方法で高速、高品質、低コストの効果的な組み合わせを実現すると述べました。これにより、企業やメーカーは、顧客へのソリューションの設計および提供方法を再考できるようになります。

実際、現在目にする HP 3D プリンターは 2 年前の技術コンセプトを採用しています。それでも、熱溶解積層法（FDM）、ステレオリソグラフィー（SLA）、レーザー焼結（LS）などの他のよく知られた技術と比較すると、まだ新鮮な息吹と言えます。

仕組み

図 1. HP Multi Jet Fusion ワークベンチ (画像提供: HP Multi Jet Fusion テクノロジーテクニカルホワイトペーパー)

それで、この機械はどのように動作するのでしょうか? HP が公開したホワイトペーパーと最新の YouTube ビデオから、このマシンの中核はワークベンチにある 2 つのモジュール、エネルギーを備えたマテリアルコーター (図 1A) と HP サーマルインクジェットアレイ (図 1B) であることが依然として非常に明確です。編集者は、これら 2 つのモジュールをそれぞれ「粉末敷設モジュール」と「サーマルノズルモジュール」と名付けました。「粉体散布モジュール」は、その名の通り、作業台上で粉体材料を散布するために使用されます。このモジュールは 3 つの部分で構成されており、中央に粉末散布ノズルがあり、両側にエネルギー源があります。「サーマルノズルモジュール」は、化学試薬である溶融剤とディテーリング剤を噴霧するために使用されます。編集者は、これらを「溶融試薬」と「ディテーリング処理試薬」と名付けました。もちろん、このモジュールにはエネルギー源もあります。このプリンターのハイライトは「サーマルプリントヘッドモジュール」で、1 インチあたり毎秒 3,000 万滴の速度で化学試薬を噴霧します。

ワークフロー

図 2. ワークフロー図 (画像出典: HP Multi Jet Fusion テクノロジーテクニカルホワイトペーパー)

機械の動作プロセスは次のとおりです（図 2）：「粉末散布モジュール」が上から下にスライドして、作業台上に均一な粉末層を散布します。「サーマルスプレーヘッドモジュール」は化学試薬を左から右に噴霧し、上部の加熱源を通じて指定領域の材料を溶かします。その後、「粉末散布モジュール」で再び粉末を散布し、「ホットノズルモジュール」で再び試薬を散布して加熱し、成形されるまでこのサイクルを繰り返します。「溶解剤」は溶解が必要な部分に吹き付けられ、材料の溶解の品質と速度を向上させ、また「細部処理剤」は溶解部分のエッジ部分に吹き付けられ、滑らかなエッジ面と精密な成形を保証します。

温度制御システム

図 3. 閉ループ温度制御システム (画像出典: hp 公式ウェブサイト)

HP はこのマシンの温度制御システムにも特に重点を置いています。 HP は閉ループ温度制御システムを使用します (図 3)。機械の上部にはヒーターとサーマルカメラが取り付けられており、作業台上の何百もの検出ポイントの温度を測定して、どの領域にさらに熱を吸収する必要があるかを判断します。作業台上の「粉末敷設モジュール」と「サーマルノズルモジュール」はどちらもエネルギー源が装備されていますが、個人的には2つのモジュールのエネルギー源はそれぞれ異なる役割を果たしていると思います。「粉末敷設モジュール」のエネルギー源は、材料を予熱し、大きな温度差による変形を軽減することができ、トップヒーターと同じ効果があります。「サーマルノズルモジュール」のエネルギー源は、溶融と成形の役割を果たします。この理由から、このプリンターのワークベンチには温度を検出する機能のみがあり、加熱する機能はありません。

一見すると、この機械の原理はレーザー焼結と非常に似ています。どちらも材料を加熱して成形しますが、レーザー焼結は化学試薬を使用せず、物理的な反応です。この HP プリンターは、材料の溶融品質と成形性を高めるために 2 種類の試薬を使用しています。これらの試薬の組成とどのような化学反応が起こるかはまだ検証されていません。しかし、一般的には、溶融反応が依然として中心であり、化学試薬を使用して印刷速度と製品品質を向上させます。実際、HP も自社の印刷原理がレーザー焼結と非常に似ていることを知っており、公開したビデオで比較を行っています。以下は、3 分以内にさまざまな原理を使用してギアを作成するのにかかる時間です。
HP 3Dプリンターと他のプロセス、同時に生産されるギアの数FDM：30レーザー焼結：70HP MJF：1000
カラー3Dプリント図4. カラープリントサンプル
カラー印刷に関しては、HP は HP CMYK カラーインクカートリッジを提供しています。CMYK は、シアン、マゼンタ、イエロー、ブラックの略称で、それぞれシアン、マゼンタ、レッド、ブラックです。しかし、HP はこれらの色素を導入せず、代わりに別の試薬である Transforming Agent に重点を置きました。編集者は一瞬この魔法の化学物質にどんな名前を付けるべきか分からなかったが、その名前はまさにトランスフォーマーのように聞こえる。 Transforming Agent は、ボクセル単位で製品のパフォーマンスを変更できます。たとえば、CMYK カラーカートリッジを使用すると、製品のさまざまな領域を選択的に色付けできます。しかし、この変換エージェントを使用しないと、複数の色の製品が入手できないかどうかはわかりません。 HP は変換エージェントの役割については詳しく説明しませんでした。
図5. MJF技術による印刷テクスチャ
一般的に、HP MJF 3D プリンターは、レーザー焼結の原理に大量の化学試薬を追加し、物理反応と化学反応を組み合わせ、印刷速度が速く、印刷品質が優れているという特徴があります。いわゆる中西医学の融合は優れた治療効果があります。もちろん、購入者が支払うお金は治療効果に対するお金ではありません。 HP はフラットパネルプリンターのメーカーとしてすでにリーダー的存在であり、3D プリンティング分野でも今後も進歩し続けると考えています。

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