武漢 Yizhi の Cai Daosheng: 最高の量産グレードの MBJ (金属バインダージェッティング) 3D 印刷速度はどれくらいですか?

はじめに: MBJ (メタルバインダージェッティング) は大量生産に大きな利点があり、航空宇宙、医療、電子機器などの分野で広く使用されています。では、優れているとされる生産レベルの MBJ の印刷速度はどのくらいでしょうか? MBJ システムの印刷速度を向上させるにはどうすればよいでしょうか?武漢易志科技の蔡道勝氏はこれについて意見を述べた。

EasyMFGは2013年12月に設立されました。同社の中核研究開発チームは華中科技大学出身で、20年以上にわたり3Dプリント業界に深く関わっており、国家技術発明賞2等賞、湖北省科学技術進歩賞1等賞、多くの省・省級賞を受賞しています。また、多くの国家「863」重点プロジェクト、国家重点研究開発計画、国家CNC重点プロジェクト、国家支援計画、湖北省重点科学技術革新プロジェクトなど、多くの大規模プロジェクトを主宰、参加してきました。SLS、SLM、SLAなど、さまざまな主流の3Dプリント関連技術における独自の沈殿と蓄積に依存し、鋳造業界向けの「バインダージェッティング金属3Dプリントシステム」、「サンドプリンター」、「フルカラー3Dプリンター」を独自に開発しました。その中でも、最新のコア製品「バインダージェッティング金属3DプリントシステムMBJ」は、中国で初めて商業化された製品です。

1. MBJテクノロジーの紹介

バインダージェッティング (BJ) の発明は 80 年代後半から 90 年代前半に遡り、主に MIT の 2 人の教授 (エマニュエルサックスとマイケルシーマ) によるものです。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。これは、バインダージェッティングのプロセスが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と思われます。その後、ASTM 規格によってカスタマイズされた名前である「バインダージェッティング」がより広く使用されるようになりました。

バインダージェッティング 3D 印刷技術は、大量生産可能な金属部品の印刷アプリケーション市場向けに生まれました。この技術は、3D 印刷プロセス中に大量の熱を発生しないため、他のほぼすべての金属 3D 印刷プロセスと比較して独特であり、高速印刷が可能になり、金属 3D 印刷プロセスにおける残留応力の問題を回避できます。高効率、高速、低設備コスト、追加サポートの必要がないことから、業界では、数兆ドルの市場潜在力を持つ、真の大量生産が可能で、社会化された大規模製造に参入できる技術ルートであると一般的に考えられています。この技術は、この技術に対する業界の先入観を驚くべき方法で変えつつあります。MIT Technology Review は、この技術を 2018 年の世界トップ 10 の画期的技術の 1 つに挙げ、その重要性は「大きな金属物体を迅速かつ低コストで製造できることで、製造業界に破壊的な変化をもたらす可能性がある」とコメントしています。蔡道勝氏は、一般的に金属BJ技術は近年注目を集め始めたばかりであり、技術の成熟度は依然として向上していると述べた。

形成原理: BJ テクノロジーは、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します。各層の粉末は接着剤の浸透によって前の層と結合し、層を積み重ねることで立体物が作成されます。この技術は、ポリマー材料、金属、セラミック材料の製造に適用可能です。金属やセラミック材料に使用する場合、一定の密度と強度を持つ完成品を得るためには、試作品を高温で焼結してバインダーを除去する必要があります。

技術的な利点:
●高いワイヤー成形効率

●熱源がないので成形応力が小さく、サポートフリーの積層印刷が可能

●成形と緻密化工程を分離することで大量生産が可能

●低コスト。チタン合金を例にとると、BJのコストはSLMより70％低くなります。

△大量生産におけるBJと他の従来プロセスの比較

上の図は、大量生産における BJ と他の従来のプロセスの比較です。 AM1.0 技術 (FDM や PBF など) のコスト損益分岐点は通常 100 〜 1,000 個であり、小ロット生産に適しています。図からわかるように、他の AM 技術と比較して、BJ は大量生産に非常に適しており、コストが非常に低いです。ただし、大量生産が 100K に達すると、従来の製造 (鋳造、MIM) と比較してコストの優位性が徐々に低下します。これは主に、印刷速度の制限によるものです。では、量産レベルの MBJ の印刷速度はどれくらいで、優れていると言えるのでしょうか。

蔡道勝氏は、現在多くのメーカーがMBJ技術を導入する際に「最大印刷量」を利用して「実際の印刷速度」を曖昧にしていると述べた。実際の速度は、1 層あたり 15 秒から 60 秒の間がほとんどで、一流メーカーの生産設備では 1 層あたり 10 秒から 20 秒の速度で印刷します。全体的な速度はまだ比較的低いです。生産レベルのBJのコストをさらに削減したい場合は、印刷速度を13秒未満にし、最終目標は7秒程度にする必要があります。

2. 印刷速度に影響を与える要因

MBJ 印刷プロセスは次の要素で構成されます。
1. ソフトウェア: Slice RIP
2.粉を塗る
3. 印刷：インクジェット速度と浸透速度
4. 単層印刷時間

蔡道勝氏は、MBJ の印刷速度を実際に制限する要因は主に粉末の拡散とインクの浸透であると述べました。他のリンクは、粉末の拡散と浸透の限界の最大時間と一致する必要があります。機械の動きはほぼシームレスである必要があります。粉体の拡散には粉塵の発生を抑える圧縮機能が必要であり、これは粉体の流動性と密接に関係しています。浸透速度を上げる必要がありますが、浸透効果が高すぎると精度に影響します。

具体的な改善の方向性：

1. 機械式ムーブメント：
●粉体散布密度（＞55％）を高めるためには、粉体散布機構に圧縮機能を持たせる必要があり、圧縮には粉体散布ローラーを使用するのが最も一般的な方法です。

●長さ400mmの作業シリンダーの場合、粉末散布機構の最短動作長さは約700mmです。現在、100mm/sの粉末散布速度により、より良い粉末散布密度とより少ない粉塵を確保できます。

●最も理想的な効果は、印刷時間と粉末の敷設時間が等しいことです。

2. プリントヘッドの構成:
●主流の圧電プリントヘッドの物理的解像度は600NPIです。

●1列プリントヘッドでは、1200DPIの印刷を実現するために2回のパス（1回の往復運動）が必要です。

●印刷と粉体塗布は並行して行われます。

●高速印刷の場合、印刷と粉末の配置を同じ方向に行うことが、印刷時間を短縮する最良の方法です。

●粉末塗布機構が粉末を塗布した後、空移動位置に戻るまでの時間は、1回の印刷に要する時間と同等です。約2〜3秒です。

●最高の印刷速度を実現するために、印刷時間と粉末の配置時間が等しい場合、1200DPIの解像度を確保するために2列ノズルが必要です。同時に、粉末配置機構は双方向の粉末配置を確保する必要があります。このとき、複雑さとコストが大幅に増加します。

3. その他の側面:
●ソフトウェア全体では、データ処理時間が粉末の敷設時間よりも短くなるようにする必要があります。

●スライスソフトウェアは、オンラインでのスライス時間が 3 秒未満であることを保証する必要があります。過度に複雑なファイルはオフラインでスライスできます。

●縦横400mmの印刷領域の場合、印刷データの処理時間は5秒以内に完了する必要があります。これは実際には非常に難しく、アルゴリズムとデータ形式の観点から対処する必要があります。

●インクの浸透度は適正レベルである必要があります。浸透性の悪いインクは、短時間の高速印刷時にパウダーを押し出し、パウダーローラーに付着します。浸透性が高すぎると精度に影響し、RIPとノズルのインク滴制御を含むインク量を細かく制御して問題を解決する必要があり、これが砂型印刷と金属印刷にBJ技術を使用する違いと難しさです。

●ノズルの拭き取りなどの補助動作は、粉末塗布工程中に同期して並行して完了する必要があります。高速印刷の場合、印刷と粉末の配置を同じ方向に行うことが、印刷時間を最短にするための最善の方法です。

3. 推奨ソリューションの紹介

△統合ソリューション

EASYMFG 金属機械製品シリーズ△M550Max
M550Max: 比類のない精度と効率で中型から大型の部品の生産に対応するように設計されています。

△M400プロ
M400Pro モデルは、高速で信頼性の高い印刷機能を備えており、小型および中型の部品の迅速な生産向けに設計されています。

△M150InnoM150Inno：バインダージェッティング金属3DプリンターのエントリーモデルであるM150Innoは、材料探索やプロセス革新などの関連分野における大学や研究機関の研究開発ニーズを満たすように設計されています。

デバイスモデル	M550マックス	M400プロ	M150イノ
成形スペース（mm）	長さ550×幅370×高さ200	長さ400×幅220×高さ200	長さ150×幅70×高さ70
部品の精度	±0.05mm
印刷速度	10-15S/層
成形層の厚さ（mm）	0.03-0.1調整可能
粉末供給方法	さまざまな形状の粉末に対応し、ふるい分け、圧縮、粉末供給が可能
封印	密閉構造、不活性ガスを通過可能
印刷方法	ワンパス印刷、粉末塗布と印刷が並行して行われ、高効率
作業シリンダ固定方法	作動シリンダーは交換可能
ノズルの数	圧電ノズル、ノズル幅は作動シリンダの幅に等しい
解決	プリントヘッドNPI: 600; 印刷解像度: 1200
ソフトウェアサポート形式	STL、3MF
電力要件	単相、 220V、10A、50HZ
成形材料	チタン合金、鉄系粉末、銅粉末、ステンレス粉末等