【レビュー論文】バインダージェット3Dプリントにおける欠陥の種類、形成メカニズム、影響、除去方法

出典: 赤外線フィルムと結晶

はじめに：最近、ハルビン工業大学の赤外線薄膜および結晶チームは、欠陥の観点からバインダージェッティングプロセス（バインダージェッティング、BJ）の包括的なレビューを実施しました。 BJ成形メカニズムによると、BJ関連の成形欠陥は、スライス欠陥、粉末敷設欠陥、単層印刷欠陥、多層印刷欠陥、粉末剥離欠陥の5つのカテゴリに初めて体系的に分類されています。バインダーと粉末ベッドの相互作用によって生じる異常に特に重点が置かれており、これが BJ を従来の AM プロセスと根本的に区別するものであり、バインダー AM の分野における造形品質に関する基礎研究にとって非常に重要です。関連する結果は、CAS Zone 1 TOP ジャーナル Journal of Materials Research and Technology (IF: 6.4) に、「バインダージェッティング 3D プリント欠陥の種類、形成メカニズム、影響、および除去方法のレビュー」というタイトルで掲載されました。

記事リンク
https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.11.045

01
序文

バインダージェッティング（BJ）は1993年にMITで発明されました。その形成プロセスは主に粉末-バインダー-粉末の結合方法に依存しているため、BJ は 316L、銅、チタン合金、SiC、WC など、粉末拡散プロセスを完了できるほぼすべての材料を印刷できます。 BJ によって印刷された複雑な構造部品を図 1 に示します。さらに、BJ は入力エネルギーが最も少ない 3D プリント方式であるため、熱残留応力が低く、生産性が高く、粉末のリサイクル性に優れているなどの利点があります。したがって、BJ には大きな発展の可能性があります。現在、成形プロセスにおける欠陥の背後にあるメカニズムの理解不足が、BJ 技術の開発における大きな障害となっています。広く研究されているレーザー印刷方法と比較すると、BJ 欠陥に関する報告はまだ散在しており、包括的な分析が不足しています。

図1 BJプリント部品

現在、BJ の研究レビューは主に印刷用接着剤、印刷材料、印刷プロセスパラメータに焦点を当てています。これらのプロセスにおける欠陥の結合効果は見落とされがちです。詳細かつ徹底的な概要を提供するレポートはありません。 Diniらは、BJ成形プロセスにおけるバインダー注入プロセスと焼結プロセス、および欠陥とその軽減方法に焦点を当てました。しかし、彼らは、「にじみ」、「弱い結合」、「せん断」などの問題を含む、粉末層内の結合剤の蓄積と浸透によって引き起こされる包括的な欠陥を無視しました。 Pastre らは、BJ 形成中に遭遇する欠陥とその影響要因について予備的なレビューを実施しました。しかし、彼らの議論は、マクロレベルの欠陥についての包括的ではない孤立した要約に限定されています。粉末上の粉末拡散の制限とバインダー上のスプレープロセスの要件は無視されます。さらに、これらの欠陥のメカニズム、相互関係、および克服戦略の詳細な概要は提供されていません。全体として、現在まで BJ 欠陥を特に対象とした包括的なレポートは存在しません。これは、このレビューの主な目的でもあります。つまり、現在の BJ 形成プロセスで発生する欠陥を包括的に概説し、欠陥形成のメカニズムとそれを克服するための戦略について詳細な研究を実施することです。

図2 BJ印刷原理とそれに対応する欠陥分類の概略図

02
スライス欠陥

印刷モデルが取得されると、3D 印刷の最初のステップは、3D コンピューター支援設計 (CAD) モデルを層ごとに製造するための 2D 平面に変換することです。単層印刷面の厚さと CAD モデルの任意性が存在するため、印刷部分の境界を CAD モデルと正確に一致させることが難しく、印刷されたグラフィックスと CAD モデルの間に差異が生じます。私たちはこれらの違いを「スライス欠陥」と呼んでいます。研究者たちは、スライスの欠陥を主に「階段効果」とみなしている。関連する研究は少ないものの、接着剤の浸透によって生じる浸透誤差は無視できない。印刷プロセス中のスライス欠陥によって生じる精度の低下を減らし、後処理サイクルを短縮することは依然として課題であり、解決するには BJ スライス欠陥の詳細な調査が必要です。

図3 スライス欠陥の模式図

この欠陥は、形成される液滴のサイズが小さくなるにつれて減少します。これが、研究者がより小さな液滴を印刷しようとする最も重要な理由の 1 つです。しかし、既存の BJ 印刷システムでは、インク滴が小さくなるとプリントヘッドの解像度が高くなり、プリントヘッドの安定性が低下し、製造コストが高くなります。そのため、より高解像度で安定したプリントヘッドが、高精度の BJ 形成の基盤となります。単層印刷情報を変更して局所的なインク量制御を実現できるグレースケール印刷方法が徐々に注目を集めていることは注目に値します。隣接する印刷位置間のグレースケールの違いを利用して接着剤の流れを抑制し、局所的な有効飽和度を制御することができます。

03
粉末拡散欠陥

粉末ベッドベース (PBB) 印刷方法では、粉末拡散プロセスの欠陥がよく見られます。特に、BJ におけるグリーン体の強度は、他の PBB 印刷方法に比べて一般的に弱いです。強度が低いということは、グリーン部品が粉末散布プロセスパラメータの選択に対してより敏感であることを示しています。粉末の密度によって、BJ プリントされた部品の密度がほぼ決まります。高い粉末密度を達成しながら粉末拡散欠陥を回避することは困難です。印刷材料が異なれば、粉末の配置プロセスパラメータが問題を解決する鍵となります。

粉末拡散効果に影響を与える要因を表 1 にまとめます。粉末の粒子サイズは、その流動性と粉末層の密度に密接に関係しています。適切な粒度分布を選択することが、粉末の拡散効果と密度のバランスをとる鍵となります。粉末拡散性能は、PBB 印刷法、特に低強度のグリーン体の印刷用の BJ として、材料が BJ プロセスによって形成可能かどうかを評価する上で間違いなく重要な指標です。効果的な粉末散布プロセスにより、BJ パウダーの潜在能力を最大限に引き出すことができます。現状の粉体散布設備は限界に達しているようです。粉末の拡散効果を高めるために粉末表面の改質を研究することは、PBB 印刷の将来にとって有望な方向性となる可能性があります。

04
単層印刷の欠陥

BJ積層成形の特性上、粉末塗布後のバインダーの選択的堆積（単層印刷プロセス）が成形プロセスの基本となります。単層印刷プロセスは、印刷プロセスに応じて、バインダー噴射 (セクション 4.1)、粉末床とのバインダー接触 (セクション 4.2)、およびその場での加熱 (セクション 4.3) の 3 つの部分に分けられます。このプロセスの一部については優れたレポートを発表した研究者もいるが、欠陥に関する包括的なレポートはほとんどない。単層印刷の欠陥は成形プロセス中に特定するのが困難ですが、最終的な印刷部品の性能への影響は無視できません。これらの欠陥の原因と影響を体系的に解明することは非常に重要であり、これは BJ にとって重要な意味を持ちます。

図4 プラグの欠陥

図5 バインダー粉末の衝撃欠陥

図6「ボール」欠陥

05
多層印刷の欠陥

バインダーの堆積によって完全かつ理想的な印刷パターンが実現した後、単層の完璧さが印刷部品の完璧さを意味するわけではないことに注意する必要があります。各レイヤーの累積的な効果により、印刷結果が予測不可能になる可能性があります。 BJ 印刷プロセスでは、層ごとに欠陥が蓄積される原因のほとんどは、プロセスパラメータの誤った選択によって発生します。研究者たちは主にこれらの欠点を克服することに焦点を当ててきました。一般的な多層蓄積欠陥には、「せん断」、「滲み」、「弱い結合」などがあります。以前、セクション 3.3 で「せん断」について説明しました。図 7 に示すように、BJ 印刷された部品の「ブリード」現象は、Harris によって最初に提案されました。これは、高度に飽和した状態での接着剤のマクロ的な流れです。これは通常、印刷された部品の底部に過剰な粉末が付着する形で現れます。この現象は、接着剤が重力による圧力勾配に沿って移動するために発生します。表面上での過度の広がりは「フェザリング」と呼ばれ、通常は水平方向の毛細管力によって発生します。設定された印刷領域を超えるものはすべて総称して「ブリード」と呼ばれると考える学者もいます。明確にするために、ここではブリーディングとフェザリングを「ブリーディング」と呼びます。

図7 「出血」欠陥

バインダーの乾燥と粉体層内の毛細管圧は、「ブリード」現象に影響を与える 2 つの主な要因です。クレイン氏は、乾燥条件が BJ 印刷に与える影響を研究し、バインダーの量が増えると、加熱条件下で「にじみ」現象が発生しないことを発見しました。これは、層間接着剤中の溶剤の蒸発が促進されたためと考えられます。ただし、乾燥時間を長くして接着剤の蒸発を増やすと、プリントヘッドの寿命が短くなります。蒸発溶剤を含まない接着剤の場合、その場での硬化により接着剤硬化の有効飽和度を効果的に高めることができます。

06
粉末除去不良

グリーンボディ印刷プロセスの最後のステップとして、粉末の除去によってグリーンボディの表面粗さがほぼ決まります。現在、BJ 粉末除去プロセスは完全に手動操作に依存しています。したがって、粉体除去におけるオペレーターの熟練度は、粉体除去の品質に直接関係します。粉末除去はワークピースの BJ 成形の精度を制限するが、粉末除去に関する研究はほとんど行われていない。粉末の脱粉に伴う固有の課題のため、研究者は表 2 に示すように、印刷部品のサイズ制限について合意に達しました。印刷される部品の複雑さが減るにつれて、最小サイズの制限は大きくなります。

07
要約と展望

成形体内のバインダー含有量が非常に低いため、BJ は他の 3D 間接成形技術と比較して大きな開発の可能性を秘めています。このレビューでは、BJ 成形プロセスで発生する欠陥をまとめ、分類しました。具体的には、欠陥の原因、それが印刷部品のパフォーマンスにどのように影響するか、そしてそれを克服する方法についての包括的な概要が提示されます。さらに、現在の BJ 形成方法の開発におけるボトルネックについても欠陥の観点から説明します。実際のBJ工業生産における欠陥のリアルタイム監視の参考となり、BJ工業化の発展を促進します。このレビューは、BJ 研究における関連する欠陥のギャップを埋めるものであると考えられる理由があります。主な結論は次のとおりです。
（１）BJ成形工程で発見される欠陥は、スライス欠陥、粉末拡散欠陥、単層印刷欠陥、多層積層欠陥、粉末除去欠陥の５つのカテゴリーに分類できる。従来の3Dプリントとの違いが明らかになりました。数値式と物理モデルは、読者が欠陥の原因と物理的な意味を明確にするのに役立ちます。これらの欠陥の変動とそれが印刷部品に与える影響については、理論的には十分に検討されています。
（２）BJ成形プロセスの核心は、バインダーと粉末の間の基本的な浸透メカニズムにあります。したがって、「ブリーディング」現象は、現在の BJ 欠陥研究の主な焦点となっています。にじみは特定の種類の素材に限定されず、ほぼすべての種類の素材で発生する可能性があります。このような欠陥を克服する鍵は、グリーン体の精度と強度のバランスを決定する飽和の研究にあります。
（３）実際には、この記事で論じた欠陥は通常、単独で発生するものではありません。不適切なプロセスパラメータや材料の選択によって、複数の欠陥が同時に発生する可能性もあります。さらに、印刷された部品の性能は、これらの欠陥の相互作用と密接に関係しています。そのため、BJ印刷では複数の欠陥の影響を考慮する必要があります。

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