セラミック3Dプリント技術

この投稿は、Arsenal Ball Boy によって 2016-5-13 15:44 に最後に編集されました。

金属 3D プリントは最近大きな進歩を遂げていますが、セラミック 3D プリントに関する議論もさらに白熱しています。
静兄さんは、セラミック3Dプリント分野の専門家である宋玄教授に記事の執筆を依頼し、宋教授がまとめた情報を読者のために公開しました。

ソン教授（Xuan Song）は、南カリフォルニア大学で博士号を取得し、アイオワ大学の助教授を務めています。主な研究分野は、セラミック光硬化成形と新しい付加製造プロセスの開発です。また、国内の有名な DLP 印刷会社である Sprintray の共同設立者でもあります。

セラミック材料は、3つの基本材料の1つであり、その優れた物理的および化学的特性により産業界で広く使用されています。しかし、従来のセラミック製造技術の限界により、業界で使用されるセラミック製品は単純な立体形状のものしか存在しない場合が多くあります。 3Dプリント技術の発達により、複雑なセラミック製品が可能になりました。現在、セラミック材料の 3D プリントで成功しているプロセスには、ノズル押し出し成形、ステレオリソグラフィー成形 (表面露光およびレーザー)、バインダージェット成形、選択的レーザー焼結または溶融成形、スラリー層鋳造などがあります。

上記のプロセスは、従来の 3D 印刷プロセスとそれほど変わりません。主な違いは、セラミック印刷に使用する場合、これらのプロセスで使用される原材料はセラミック粉末またはセラミックスラリーであり、その中でもセラミックスラリーは成形性に優れているため、より広く使用されていることです。以下では、これらのプロセスを 1 つずつ分析し、読者が適切なセラミック印刷プロセスを選択するための参考情報を提供します。

ノズル押し出し成形

ノズル押し出しは、プラスチック 3D プリントの熱溶解積層法 (FDM) 技術に似ています。この技術では、セラミック粉末を混ぜたフィラメントを原料として、フィラメント内のポリマー材料を100℃以上の温度で溶かし、ノズルから押し出します。押し出されたセラミックポリマー複合材料は、温度差により固まります。

図1. ホットメルト堆積セラミックプリンター（米国ラトガース大学開発）
また、一部のプロセスでは、高粘度のセラミックスラリーを原料として使用し、これをノズルから直接押し出し、空気中で乾燥して固化させます。このセラミックスラリーの主成分はセラミック粉末とバインダーであり、バインダーは成形工程中にセラミック粉末を結合する役割を果たします。セラミックスピニングまたはセラミックスラリーのどちらを原料として使用する場合でも、このプロセスで得られた 3 次元モデルには、脱脂と焼結というさらなる熱処理が必要です。脱バインダーと焼結は、従来のセラミック加工技術で使用されるセラミック製品の密度を高める手段でもあります。現在、セラミックのノズル押し出し成形プロセスは、加工精度が比較的粗いという制限があり、主に実験室での研究に集中しており、このプロセスに基づく成熟した 3D プリンターはまだ登場していません。

図2. 凝縮押し出しセラミックプリンター（米国ミズーリ科学技術大学が開発）
ステレオリソグラフィー<br /> ステレオリソグラフィーは、市場におけるセラミック印刷の主要技術であり、比較的成功した商業技術でもあります。この技術では、セラミック粉末、光開始剤、分散剤などを混合した光硬化性接着剤を使用します。プロセス自体は、現在市場に出回っている DLP プリンターや SLA プリンターとほとんど変わりません。一部の製品（Lithozなど）では、光硬化型接着剤の粘度が高いため、成形工程中に材料の充填を高速化するために特殊なスクレーパーコーティングを使用していますが、最終的にはその本質は通常の樹脂成形とあまり変わりません。ノズルから押し出されたブランクと同様に、ステレオリソグラフィーによって生成された 3D モデルも、高温炉で脱バインダーおよび焼結する必要があります。当該会社の製品紹介によれば、このプロセスで製造されるセラミック製品（アルミナ、酸化ジルコニウム、リン酸カルシウムなど）の密度は99％以上にも達する。
図3. Lithozセラミックプリンター同時に、過去1、2年で、研究者は光硬化性セラミック前駆体材料の技術的進歩を遂げており（詳細については、2016年1月1日のScience誌の関連レポートを参照）、セラミック印刷におけるステレオリソグラフィー技術の地位はより強固なものになっています。セラミック前駆体は、高温で熱分解してセラミック材料を生成する高分子化合物であり、炭化ケイ素や酸化炭化ケイ素などの高温セラミックを製造する伝統的な方法です。感光性セラミック前駆体材料の誕生により、高温セラミックの3Dプリントコストが大幅に削減され、幅広い応用の見通しが持てています。また、ステレオリソグラフィーで作られたブランクには多くの有機物が含まれており、脱脂・焼結後の完成品は、当初の設計サイズに比べて30%程度の収縮を示すことがよくあります。これにより、セラミック製造におけるこの技術の使用も制限されます。
図4. サイエンス誌に掲載された米国HRL研究所のセラミック前駆体印刷技術
バインダージェッティング<br /> この技術は、プリントヘッドを通してセラミック粉末にバインダーをスプレーし、粉末粒子を結合します。しかし、限られた文献報告によれば、この技術で製造されたセラミックの密度は高くない。考えられる説明としては、粉末の堆積密度によって制限されるということが挙げられます。
図5. エキソンバインダージェッティング
選択的レーザー焼結または溶融
SLS/SLM は主に金属材料の 3D プリントに使用され、セラミックの製造には広く使用されていません。これは、レーザーを使用してセラミック粉末を直接焼結または溶融する場合、処理中の温度差によりセラミック製品に応力が生じやすく、最終的にはセラミック製品の内部に多数の亀裂が発生する可能性があるためです。粉末層の予熱を使用すると、亀裂形成の可能性を減らすことができますが、同時に精度も低下します。加工中の温度差を減らすことに多くの研究が集中していますが、これは非常に困難であり、これまであまり進歩が見られません。よりシンプルで実現可能な解決策は、セラミック粉末にポリマー化合物をバインダーとして加え、レーザーを使用してこれらのポリマー化合物を焼結し、間接成形を実現することです。しかし、バインダージェッティングと同様に、このプロセスも粉末の堆積密度によって制限され、現在の研究文献で報告されているこのプロセスで処理されるセラミック製品の密度は高くありません。
図6. 選択的レーザー溶融（RPJ、巻：19号：1、2013年）
スラリー層鋳造<br /> ここでは、すべてのセラミックスラリーベースの 3D 印刷技術を総称してスラリーレイヤーキャスティングと呼びます。これらを 1 つのカテゴリにまとめた理由は、これらの技術がセラミック 3D プリントの方向性となる可能性があると著者が考えているためです。セラミック粉末をさまざまな有機バインダーと混合してスラリーを調製し、従来の 3D 印刷技術を使用して形状に加工します。このプロセスは簡単であるだけでなく、効果的です。文献の報告から、スラリーベースのプロセスでは他のプロセスよりも密度の高いセラミックが生成されることがわかります。
図7. セラミックスラリーを原料とするプリンター（台北理工大学が開発）
上記で紹介した技術以外にも、階層化物理製造、電子写真印刷技術など、まだ広く使用されていないか、予備研究段階にある技術もあるため、この記事では取り上げません。
転載元: Jingge 3D Printing レポーター: Song Xuan

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