南極のクマがセラミック3Dプリント技術の理解を手助けします

この投稿は Little Soft Bear によって 2016-7-7 18:03 に最後に編集されました。

最近、オランダに拠点を置く3Dプリントの新興企業であるAdmatecは、自社のADMAFLEX技術を使用した高性能セラミック3DプリンターADMAFLEX130を今年9月に75,000ユーロの価格で市場に投入すると発表した。この3Dプリンターは二酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、石英、さらには窒化ケイ素、炭化ケイ素、ハイドロキシアパタイトなどの材料も印刷できると言われており、業界の注目を集めています。

周知のとおり、3D プリントの現在の研究のホットスポットは主に材料と設備に集中しており、印刷材料が 3D プリントを制限するボトルネックとなっています。現在、3Dプリント材料には主にエンジニアリングプラスチック、感光性樹脂、ゴム材料、金属材料、セラミック材料が含まれます。最初の4種類の材料の応用技術は比較的成熟していますが、セラミック材料は独自の特性により、応用上の難しさが多くあります。

1. セラミックプリントの難しさは何ですか？
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ていることが知られています。セラミック材料は、航空宇宙、医療などの業界で広く使用されています。しかし、セラミック材料は硬くて脆いため、加工や成形が特に難しく、現在、国内のセラミックの直接急速成形技術はまだ成熟しておらず、研究段階にあります。

3Dプリントで使用されるセラミックパウダーは、セラミックパウダーと感光性樹脂（バインダーパウダー）の混合物であるためです。克服すべき困難は次のとおりです。
1. セラミック粉末とバインダー粉末の比率は、セラミック部品の性能に影響します。バインダーが多いほど、硬化しやすくなります。ただし、後処理中に部品の収縮が大きくなり、部品の寸法精度に影響します。バインダーが少ないほど、硬化が難しくなります。
2. 感光性樹脂は融点が低いため、液状樹脂の粘度が高く流動性が悪いため、各層が固まった後、短時間で液面を滑らかにすることが難しく、実体の成形精度に影響を与えます。
3. 直接レーザー焼結中のセラミック粉末の液相表面張力は大きく、急速凝固プロセス中に大きな熱応力が生じ、より多くの微小亀裂が形成されます。
そのため、上記の困難を克服するためには、印刷に適したセラミック材料（比率成分）を開発し、ラピッドプロトタイピングプロセス中に精密な制御を行う必要があります。

2. セラミック 3D プリント技術同社によれば、ADMAFLEX130 はセラミック部品を迅速に大量生産することができ、従来の射出成形プロセスによる生産よりも経済的です。同時に、ADMAFLEX 130 は、市場の既存の 3D プリンターに比べて大幅に改善されており、表面粗さは 1 ミクロン以内に制御でき、寸法誤差は CAD モデルの 0.3% 以内に制御できます。
ADMAFLEX 技術は DLP (デジタル光処理) 技術に基づいて開発されており、本質的には SLA (ステレオリソグラフィー) 技術であることがわかっています。

SLA プロセスでは、感光性樹脂を材料として使用します。システムの制御下で、紫外線レーザーが液体感光性樹脂をスキャンし、層ごとに固化します。SLA プロセスでは、非常に正確な幾何学的 3 次元モデルを簡単かつ完全に自動的に作成できます。図に示すように、SLAテクノロジーの基本原理は次のとおりです。

1. まず、液体タンクに液体感光性樹脂を充填します。ヘリウムカドミウムレーザーまたはアルゴンイオンレーザーから放射される紫外線レーザービームは、コンピューターの制御下で、ワークピースの層状断面データに従って、液体感光性樹脂の表面を線ごと、点ごとにスキャンします。これにより、スキャンされた領域の樹脂の薄層が重合反応を起こし、固化してワークピースの薄層を形成します。
2. 樹脂の層が硬化すると、ワークベンチは層の厚さ分下に移動し、以前に硬化した樹脂の表面を新しい液体樹脂の層で覆います。スクレーパーは、レーザースキャンして次の層を硬化させる前に、粘度の高い樹脂の表面を平らにします。液状樹脂は粘度が高く流動性が悪いため、各層が固化した後、短時間で液面を素早く平滑にすることが難しく、実体の成形精度に影響を与えます。スクレーパーで削り取った後、必要な液体樹脂が前の層に均一に塗布されるため、レーザー硬化後の精度が向上し、成形されたワークピースの表面がより滑らかで平坦になります。
3. 新しく硬化した層は前の層にしっかりと結合し、このプロセスはワークピース全体が積み重ねられるまで繰り返され、最終的に完全な 3 次元モデルが得られます。

現在の3Dプリント市場は約70億ドルで、世界の製造市場のわずか0.04％を占めるに過ぎません。また、3Dプリントは一般的に製品開発段階での試作品の製作に使用され、大規模な量産は多くありません。 3D プリント技術は 25 年以上前から存在していますが、大量生産に比べて規模の経済性がないため、まだ製造方法として好まれるには至っていません。 3D プリントが材料印刷における技術的な困難の一部を克服できれば、人々は製品を生産するために 3D プリントを選択することが多くなると思います。これにより、社会全体の材料利用効率が向上します。統計によると、生産ライン上の原材料の約30％がさまざまな方法で廃棄されており、積層製造方法としての3Dプリントは材料利用を大幅に向上させます。

出典: Tongrun Technology Investment

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