バインダージェッティング3Dプリント技術は大きな可能性を秘めています。業界に参入するには、これらの業界チェーンサプライヤーをご覧ください。

「すでに多くの伝統的な製造業大手が当社に協力を申し出て、バインダージェッティング 3D プリントに取り組み始めています。しかし、上流の部品や材料の良質なサプライヤーが見つからないことが多く、どのように始めればよいのかまったくわかりません。」

2023年8月、南極熊は国内のバインダージェット3Dプリント主制御ボードメーカーである上海栄悦科技を訪問した。同社は主に産業用インクジェット印刷制御システムを業務としており、2016年から自社の技術蓄積を生かして、バインダージェット3Dプリント技術に特化した専用主制御ボードとそれをサポートする印刷制御ソリューションを開発してきた。同社トップの鄭行建氏は業界の現状について、「産業チェーンがあまりにも不完全で、実現が難しい」と明かした。

有望な 3D 印刷技術であるバインダージェッティングでは、粉末にバインダーを選択的にスプレーして粒子間の結合を形成し、製品のパーソナライズ、迅速なプロトタイピング、さらには最終部品の大量生産が可能になります。しかし、海外と比較すると、中国におけるバインダージェッティング技術の研究は比較的遅れて始まりました。多くの人がこの業界に参入したいと思っても、適切な上流スペアパーツ産業チェーンサプライヤーが見つからない、またはどのサプライヤーがより信頼できるかわからないことがよくあります。より多くの企業や起業家がこの分野で製品の開発と応用に従事できるようにするために、Antarctic Bearは国内外のバインダー3Dプリント業界チェーンサプライヤーのリソースをまとめ、バインダージェッティング技術の発展を促進したいと考えています。

バインダージェッティング積層造形 (BJAM) 技術は、一般的な金属 3D 印刷技術です。この技術は、パウダーベッドプロセスに基づいています。インクジェットプリントヘッドは、バインダーを層ごとにスプレーし、パウダーベッドに選択的に堆積させて、3 次元の固体部品ブランクを結合および印刷します。印刷されたブランクは、均一な熱環境に置かれ、脱脂および焼結されて密度が高まり、優れた機械的特性を持つ部品が得られます。

1. バインダーシステム
BJAM テクノロジーには、高効率、低コスト、幅広い材料システム、優れた表面品質、常温印刷、サポート構造が不要など、独自の利点があります。 BJAM プリント金属部品の品質に影響を与える要因は、材料とプロセスに分けられます。材料要因には、粉末とバインダーの特性が含まれます。粉末の特性によって、粉末床の品質、グリーンシートの密度、および緻密化効果が決まり、グリーンシートの形状と強度はバインダーの影響を受けます。

適切なバインダーを選択することが、BJAM テクノロジーの鍵の 1 つです。まず、バインダーはインクジェットプリントヘッドと互換性がある必要があります。バインダーが適切な粘度、表面張力などの特性を持っている場合にのみ、ノズルで形成された単一の液滴が直径数ミクロンの何千もの小さな穴をスムーズに通過し、安定して高速に画像印刷を実現できます。同時に、印刷されたブランク構造の完全性を確保するために、接着剤には十分な接着強度が必要です。さらに、バインダーと粉末の良好な相互作用、クリーンな燃焼特性、長い保存期間、環境汚染のリスクがないことも求められます。

△バインダージェッティングにおけるバインダーと粉末の相互作用

BJAM テクノロジーで使用されるバインダーは、有機バインダーと無機バインダーの 2 種類に分けられます。

無機バインダーの結合強度は比較的高いが、高温焼結時に残留する残留物を除去することは困難である。したがって、無機バインダーを選択する際には、残留部分を金属材料の添加剤として考慮し、金属材料の性能を向上または強化する必要があります。
有機バインダーの主成分は炭素、水素、酸素であり、焼結後の残留物は比較的少ないです。ノズルは接着剤によって溶解される材料に応じて適合されます。

接着剤は、溶剤系接着剤と水性接着剤に分けられます。水性接着剤は、水を使用して接着剤を溶解および希釈するため、環境に優しいです。通常、水性プリントヘッドが使用されます。これは、プリントヘッドがインクの主成分として水を受け入れることができることを意味します。プリントヘッドが溶剤系インクを使用すると、プリントヘッドが損傷する可能性があります。溶剤系接着剤は、接着剤を溶解・希釈するために有機溶剤を使用します。有機溶剤の排出は厳しく規制されており、接着剤をスプレーするには溶剤系ノズルが必要です。溶剤系接着剤をスプレーするために水系ノズルを使用すると、通常、ノズルが損傷します。
接着剤の結合原理には、化学反応硬化結合、沈殿結合、再結晶結合があります。化学反応硬化は簡単に理解できます。ノズルが粉末に接着剤を噴霧した後、接着剤は特定の条件（加熱など）下で化学反応を起こし、接着および成形用の高強度ポリマー材料を生成します。沈殿接合とは、接着剤の溶剤が蒸発した後に固形物が沈殿して粉末材料を接合するプロセスを指します。再結晶結合では通常、金属塩の飽和溶液を金属塩粉末に沈着させ、再結晶プロセスを利用して相互接続された新しい金属塩結晶を形成します。この結合方法は商業的にはほとんど使用されません。

金属 BJ 印刷技術に携わるメーカーは、独自の特殊接着剤を開発しており、基本的に自社の顧客にのみ販売しているため、市販の接着剤はごくわずかです。長沙マーキュリーは、中国で金属 BJ 印刷技術用の接着剤の開発を専門とする数少ない企業の 1 つです。接着剤の開発には長い時間と多くの実験が必要であり、接着剤はノズルと金属粉末に特別にマッチする必要があり、インク滴のサイズ、射出速度、浸透精度、接着強度を制御する必要があります。同時に、異なるインクを混ぜると、ノズルが詰まりやすくなります。つまり、ノズルと粉末には専用の接着剤が必要であり、専門的な接着剤メーカーが生き残り、発展することが困難です。成熟した従来のデジタルインクジェット印刷業界においても、インクと粉末の組み合わせに影響を与える要因を考慮せずに、異なるプリントヘッドに専用のインクが使用されています。そのため、接着剤メーカーは、市場に出回っているBJ機器のさまざまなノズルと粉末を一致させるために多額の投資を行う必要があり、プロの金属BJ印刷接着剤生産への道は長く困難です。

接着剤メーカーには

長沙マーキュリー：

2021年5月に環境に配慮した水性接着剤を発売しました。
2022年3月には、金属・セラミック粉末のBJAMプロセスに適した第2世代ゼロ残留水性バインダーの開発に成功しました。低残留炭素水性インクは、BJAM の今後の主要な開発方向です。新しい水性環境に優しいインクは残留炭素含有量が極めて低く、炭素元素に敏感な金属材料の大量生産に適しているためです。
高濃度セルフクリーニングインク

サンディテクノロジー:

（接着剤にいわゆる高精度というものはありません。マッチングの悪さからくる精度の問題だけです。上記の仕様は適宜検討する必要があります。）

サンディテクノロジーは、独立した科学研究チームと自社開発の高性能設備を通じて、材料システムの配合開発、成形プロセスの最適化、製品性能の向上などの詳細な研究を行ってきました。鉄系合金、軽金属合金、セラミックなど20種類以上のマトリックス材料向けの水性接着剤と有機溶剤接着剤の5つの主要シリーズの開発と発売に成功しており、接着剤の配合を独自に設計する能力を備えており、新材料や新用途向けのカスタマイズされた接着剤に対するユーザーの開発ニーズを満たすことができます。

2. BJプリントヘッド

△プリントヘッド

ノズルはバインダージェッティング技術の重要な構造部品です。異なる原則に従って、継続的とオンデマンドの 2 つのタイプに分けられます。オンデマンド印刷には、サーマルノズル、圧電ノズル、静電ノズル、超音波ノズルなどがあり、その中でも圧電ノズル印刷は加熱した接着剤を必要とせず、一度にサイズや形状精度の高い部品を素早く形成できるため、BJ印刷の主流技術となっています。圧電インクジェットヘッドには、曲げインクジェットヘッド、せん断インクジェットヘッド、プッシュインクジェットヘッド、押し出しインクジェットヘッドの 4 種類があります。圧電インクジェットヘッド技術は依然として海外の業界大手が主導権を握っています。技術の独立性をさらに強化し、「ボトルネック」技術障壁を回避するために、国内の大学や企業は一連の研究開発を実施し、主に圧電インクジェットヘッドに焦点を当て、海外の圧電インクジェットヘッドに基づいて対応する制御システムを設計しています。

△バインダー3Dプリンターでよく使われるノズル

現在、圧電ノズルのローカライズは依然として非常に困難です。印刷技術には、多分野にわたる分野、精密マイクロ加工、多くの生産レベルのテスト機器を独自に開発する必要があること、海外のノズル技術の独占など、多くの困難が伴うためです。圧電ノズルを自主開発・生産できる国内企業は主に広州愛科技と北京奥潤聯創などがあり、BJ印刷試作メーカーの多くは輸入＋国産品という方式を採用している。現在主流の BJ 技術アプリケーションノズルは、FUJIFILM Dimatix (Polaris、米国)、XAAR (Xar、英国)、RICOH (リコー、日本)、Kyocera (京セラ、日本)、Epson (エプソン、日本) などです。プリントヘッドの性能指標には、主に、インク滴サイズ、ノズル穴の数、プリントヘッドの物理的精度、印刷精度、印刷速度、点火周波数、ノズル幅、粘度範囲、シート範囲、適用インクタイプ、耐熱範囲、耐用年数などが含まれます。

3. 制御システム

印刷品質、印刷速度、印刷安定性は、BJ プリンターの動作パフォーマンスを測定する上で重要な指標です。 BJ 印刷制御システムはインクジェットプリンターのコアモジュールとして、BJ プリンターの印刷品質と印刷速度に直接影響します。 BJ プリンタは、使用する BJ プリントヘッドを決定した後、BJ プリントヘッドの駆動を実現するために、BJ プリントヘッドに適合した BJ 印刷制御システムを開発する必要があります。

インクジェット印刷業界では、通常、ノズルメーカーはノズル印刷制御システムを提供しておらず、ノズルのみを販売しています。ノズルメーカーは、ノズル制御システムを製造する専門企業にノズル駆動技術を開放しています。中国にはすでに、深セン漢生、上海栄悦、北京博源恒信、武漢景峰など、ノズル制御システムを製造する企業が 10 社以上あります。これらの企業は、ノズルのドライバーボードとカードの研究開発を専門とし、ボードシステムを販売しています。ノズルメーカーはノズルを販売し、さまざまな印刷分野での普及に協力しています。しかし、彼らは主にデジタル印刷業界に焦点を当てています。上海栄悦は、BJ 分野に多大な労力を投入してきた数少ない制御システムサプライヤーの 1 つです。

国内のノズル制御システムサプライヤーがBJ分野に参入する前は、海外のBJ制御システムメーカーが市場の大部分を占めていました。しかし、10年近くの現地化プロセスを経て、現在では国内のBJ印刷メーカーの95%以上が国産システムを使用しています。

4. 印刷データ処理システム<br /> 通常、3D プリントのデータ処理には、スライスとパスプランニングが含まれます。「パスプランニング」は、BJ テクノロジでは「RIP」と呼ばれます。バインダージェット 3D プリンティング (BJAM) では、最終的にドットマトリックスデータが印刷されますが、印刷される 3D モデルは座標に基づくベクターデータです。3D CAD モデルをスライスした後、スライスデータをビットマップ化してドットマトリックスデータを取得し、プリンターに送信して印刷する必要があります。したがって、ベクターデータのビットマップ描画の品質は、最終的な印刷製品の精度に直接関係します。これは、RIP（ラスターイメージプロセッサ）ソフトウェアの中心的な動作です。簡単に言えば、その機能は、コンピューターで作成されたレイアウト内のさまざまな画像、グラフィック、テキストを解釈して計算し、印刷デバイスが受信して機械の印刷出力を制御できるラスタードットマトリックスデータに変換することです。

RIP ソフトウェアアルゴリズムは非常に複雑なため、従来のノズル制御システムサプライヤーは通常、RIP アルゴリズムを開発していません。デジタルインクジェット印刷業界にも RIP ソフトウェアサプライヤーは非常に少なく、主に武漢モンテ、深センハンソンなどです。そのため、中国で砂型印刷用の BJ 技術が初めて開発されたとき、制御システムサプライヤーは通常、単純な RIP アルゴリズムを提供していました。砂型印刷の精度要件は高くなかったため、この単純な RIP アルゴリズムで十分でした。しかし、金属 BJ 技術で依然として単純な RIP アルゴリズムを使用すると、データ処理に時間がかかったり、印刷精度が低下したりするなどの問題が発生します。したがって、高速かつ高精度の BJAM 技術を開発するには、インクジェット印刷業界の従来の RIP サプライヤーまたは制御システムサプライヤーが、BJ 印刷技術の特性に基づいて特別な BJ 技術 RIP アルゴリズムを開発するか、BJ 機器メーカーが専門的な BJ 技術 RIP ソフトウェアを独自に開発する必要があります。 RIPアルゴリズムソフトウェアを持つ国内メーカーは武漢易志科技有限公司のみであると報告されています。

5. バインダー3Dプリント装置<br /> 現在、バインダージェッティング 3D 印刷技術の開発と応用は徐々に強力なトレンドを形成しています。国内外のバインダージェッティング 3D 印刷技術メーカーは、この技術の市場潜在力を十分に理解しており、プロトタイプ設計、小ロット開発、スペアパーツ生産、さらには工業規模の大量生産を実現するために、複数の業界向けのバインダージェッティング 3D 印刷装置を積極的に探索して発売しています。

△HP金属バインダー印刷装置

海外では、有名なバインダージェッティング 3D プリントメーカーとして、Desktop Metal、ExOne (Desktop Metal が買収)、voxeljet、Digital Metal (Markforged が買収)、3D Systems、HP、GE Additive などがあり、その他の世界的なテクノロジー企業もバインダージェッティング 3D プリント技術の市場見通しに楽観的で、バインダージェッティング 3D プリント装置を市場に投入しています。例えば、HPはバインダージェッティング技術に基づく金属3Dプリンター「Metal Jet」を発売しました。これは多くの製造会社で使用され、作業効率を最大数十倍向上させ、コストを大幅に削減することに成功しています。GE Additiveは、3D印刷技術の大規模製造能力を向上させるために設計されたバインダージェッティング金属3D印刷システム「Binder Jet Line」を発売しました。航空、エネルギー、自動車などの産業分野で使用されるさまざまな合金を印刷できるようになりました。中国では、バインダージェッティング技術の開始が遅れていたにもかかわらず、Longyuan Molding、Shared Intelligent Equipment、Fenghua Zhuoli、ASKA、Yizhi Technology、Alpha、Zhongliding、Zhengzhou ZTE 3Dなどの代表的なメーカーも登場しています。

南極のクマの概要<br /> 現在、バインダージェッティング技術の研究と応用は主に砂型印刷に集中しており、バインダージェッティングに基づく金属 3D 印刷の分野がそれに続いています。武漢易志、寧夏公興、龍源成型、鳳華卓利などの国内企業は、独自の研究開発設備を通じて、バインダージェッティングの砂型印刷への応用に成功しました。さらに、この技術を金属3Dプリントに応用することで、バインダージェッティング技術に基づく金属3Dプリント設備の開発を実現しました。国内で開発されたバインダージェッティング技術を採用した金属3Dプリンターの中には、特定の種類のセラミック粉末の3Dプリンターも実現できるものがありますが、バインダージェッティング技術に特化したセラミック3Dプリンターはまだ研究開発段階にあります。