マルチジェットフュージョン 3D プリンティング (MJP): 原理、プリンター、アプリケーション、材料、代替手段

マルチジェットフュージョン（MJF）は、3Dプリントの分野では比較的新しい技術ですが、わずか数年でMJFは産業化に向けて動き始めました。現在、MJF は、自動車部品、工場ツール、整形外科用装具、消費財など、さまざまな製品の部品を製造するための信頼性の高い技術として、製造業者に広く使用されています。

MJF 3Dプリンターの最新シリーズはJet Fusion 5400シリーズです。まずはHP Jet Fusion 5420Wプリンターを紹介します。通常のダークグレーのナイロン素材の印刷に加えて、白いナイロン素材の印刷も可能です。この新しい白色材料ソリューションは、より鮮やかな色とより優れた光の屈折を実現する後処理の機会を提供するため、医療、自動車、消費財業界で求められています。

MJFは履物にも応用されており、フランスのスポーツブランドDecathlonと提携しただけでなく、高級ブランドBotterとも提携して3Dプリントコンセプトのスポーツシューズを発売しました（上の写真参照）。このシューズは柔軟な TPU 素材でプリントされており、これはサイクリング用品メーカーの Posedla がカスタム 3D プリント自転車サドル「Joyseat」に選んだ素材でもあります。

△リーボック/ボッターとデカトロンの3Dプリントコンセプトシューズ、3Dプリントマルチジェットフュージョン技術を採用

マルチジェット核融合の技術的原理

HP Jet Fusion 5420W ソリューション

Multi Jet Fusion は、インクジェット印刷、ジェット印刷可能な材料、高精度低コストのメカニクス、材料科学、イメージングにおける HP の数十年にわたる研究を基に、HP が 2016 年に市場に導入した 3D 印刷技術です。簡単に言えば、この技術は液体バインダーを使用して粉末ポリマー材料を層ごとに融合するもので、複数のインクジェットヘッドを使用することからその名前が付けられています。 HP の Multi Jet Fusion を、同社の金属プリンターで使用される Metal Jet 印刷プロセスと混同しないでください。Metal Jet ではプラスチックの代わりに金属粉末が使用される点を除けば、両者は非常に似ています。この記事では、プラスチックのみを使用するマルチジェットフュージョン技術に焦点を当てています。

△MJFプロセスは5つのステップに分かれています

MJF は、国際標準化機構 (ISO) によって定義された 7 つの 3D 印刷技術カテゴリの 1 つに正確には該当しませんが、バインダージェッティングの一種です。すべてのバインダージェット 3D 印刷技術では、インクジェットプリントヘッドを使用して、液体材料を粉末材料の層にスプレーします。従来、プラスチックまたはポリマーのバインダージェッティングは「冷たい」技術でしたが、HP は印刷プロセスに熱を導入し、プロセスを大幅に変更しました。

MultiJet Fusion 印刷プロセスでは、プリンターが印刷ベッド上に材料粉末の層を敷きます。次に、インクジェットヘッドが粉末の上を移動し、目的の部品のデジタルモデルに基づいて、粉末に定着剤と詳細化剤を塗布します。赤外線ヒーターもプリントの上を移動します。フュージング剤を加えた箇所では、その下の層が「融合」しますが、ディテール剤にさらされた部分は完全に融合せず、フュージング剤が塗布されなかった部分は粉状のままになります。溶融していない粉末が溶融した材料を支え、サポートが不要になります。印刷プロセスを完了するには、印刷された部品が入っている粉末ベッド全体を別の処理ステーションに移動させます。このステップでは、溶けていない粉末の大部分が真空によって吸い取られ、再利用できるようになります。

△HP 3Dプリントにより、トリプルオーガストレースエンジニアリングは軽量かつ強度の高い部品をより速く生産できる

Multi Jet Fusion は、多くの業界で応用できる多用途のテクノロジーであり、試作から現場テスト用の機能プロトタイプの作成、最終部品の製造まで、開発プロセスのあらゆる側面でメーカーを支援します。

マルチジェット核融合の応用分野<br /> MJF で成功を収めた業界には次のようなものがあります。

●車
MJF 3D プリンティングは、自動車および車両メーカーが部品の生産コストを削減し、運用効率を向上させるのに役立ちます。スペインの自動車部品サプライヤー (Continental Automotive Spain SA) は、MJF プリンティングを使用して、新しい部品の処理にかかる時間を短縮する空気圧グリッパーを開発しました。ジャガー・ランドローバーでは、自動車エンジニアが HP Multi Jet Fusion を使用して工場労働者向けの次世代保護具を開発しています。また、ゼネラルモーターズの新しい 15,000 平方フィートの Additive Industrialization Center では、プロトタイプ部品、ツール、固定具、最終用途部品の製造用に、3D プリンター群に HP MJF マシンを組み込んでいます。

△Invent Medicalの3DプリントラプターマスクはHP Multi Jet Fusion 3Dプリンターで製造されている

●医療技術<br /> 3D プリントとデジタル製造の利点はパンデミックの間も拡大し続け、サプライチェーンのギャップを埋め、設計から部品までのスピードを向上させました。 HP とそのパートナーおよび顧客のグローバルネットワークは、緊急のニーズに対応し、現地での製造を可能にする新しいエコシステムを形成するために、500 万個を超える部品を 3D プリントしました。

医療および歯科業界では、3D プリントアプリケーションと大量パーソナライズ製品の爆発的な成長が見られます。テネシー州ナッシュビルの SmileDirectClub では、カスタムの歯型を作成するために 60 台の HP Multi Jet Fusion プリンターが 24 時間稼働しています。HP Jet Fusion 3D プリンターは、矯正器具業界にも変化をもたらし、カスタマイズ可能な医療用義肢の製造を可能にしています。Invent Medical では、HP White PA12 を使用してカスタムの矯正器具や義肢を製造し、小児医療に新しい印刷後の着色の可能性を提供しています。

△ アイウェアは、HP Multi Jet Fusion 3Dプリンティングを使用して製造される最も急成長している消費者向け製品カテゴリーの1つです。

●消費財<br /> 多くの種類の消費者製品では、複雑な形状の部品を少量ずつ生産する必要があります。世界有数の食品・飲料会社ペプシコは、映画「ブラックパンサー」とのタイアップ商品として飲料缶を覆う小さなフェイスマスクをデザインしようとしたが、行き詰まった。ペプシコは、スーパーヒーローマスクの細かいディテールと深い黒色を作成するために、さまざまな 3D プリント技術をテストしました。最終的に、MJF は生産速度と耐久性の高さで際立っていました。HP はスポーツ用品やアイウェア業界の顧客とも協力しています。Oakley は Multi Jet Fusion を使用することで、アイウェアやその他のスポーツ用品の製品開発フェーズを短縮しています。スミス氏がカスタム3DプリントしたI/O MAG Imprintスキーゴーグルのフレームは、TIME誌の2022年ベスト発明品の1つに選ばれました。

マルチジェット核融合の利点と欠点

△ HP MJFマシンを製造ソリューションとして表現

アドバンテージ
●印刷速度が速い
●量産サイクル
●精巧な印刷で細部まで精巧に表現
●個人印刷コストが低い
●自由なデザイン、サポート不要
●粉末リサイクルにより廃棄物を削減
●後処理でパーツに色を付ける機能
●高品質な表面仕上げ
●一貫した機械的特性

欠点
●プリンターの初期投資が高額
●すべての独自素材
●曲線や中空のジオメトリを生成できない
●最終製品は染料を含まないグレーです（新しい Jet Fusion 5420W ソリューションで印刷する場合を除く）

HPのMJFマシンラインナップ

HP 3D Jet Fusion 4200 シリーズ 3D プリンター

HP には、HP Multi Jet Fusion 3D プリンターとサポート機器の 2 つの主要なセットがあります。2016 年に発売された HP 3D Jet Fusion 4200 (それ以降にいくつかのアップグレードが行われています) と、2019 年に発売された HP Jet Fusion 5200 シリーズです。また、2019 年に発売された 5420W 2023 もあり、これは印刷システムが白色パーツ専用である点を除いて、5200 シリーズとほぼ同じです。 HP には、主にプロトタイプ作成に使用されていた他の MJF マシンがありますが、現在は廃止されています。

4200シリーズ
4200 シリーズは、少量生産と大量生産の両方を対象とした HP 初の部品であり、工業用プロトタイプの作成や最終部品の生産に最適です。ビジネスの規模に合わせて拡張できる使いやすいソリューションとして宣伝されている 4200 は、HP 独自の定着装置、リファイナー、および材料を使用し、外部タンクが処理ステーションから再利用材料を抽出して別の材料と交換できるようにします。

自動化された材料混合およびロードシステムにより、ワークフローが合理化され、労力が削減されます。また、マシンには密閉された開梱および材料収集システムと冷却モジュールが組み込まれているため、完成したプリントベッドを取り外して新しいものに交換し、ダウンタイムを最小限に抑えることができます。

△HP Jet Fusion 5200シリーズ一式（出典：HP）

5200シリーズ
5200 シリーズは、数千または数十万の部品の大量生産に特化した HP の 3D プリンターです。 4200 と比較すると、ランプ電力がアップグレードされ、効率と速度が著しく向上しています。 5200 シリーズには、5210 や 5210 Pro などのバリエーションがあり、ランニングコスト、サイズ、材料の互換性、内部コンポーネントのアップグレードなど、さまざまな違いがあります。

5420シリーズ<br /> プリンター、後処理ステーション、ビルドユニットはグレーのパーツを印刷することはできませんが、同社独自の白色ナイロン PA 12 素材を印刷することはできます。白い部分で印刷する利点の 1 つは、グレーや黒よりも明るい色で染色しやすいことです。染色された MJF 部品は非常に一般的であるため、業界の顧客は明るい色の最終用途部品を製造するソリューションを求めていました。

5420W で製造された白色部品は、細胞毒性を含む複数の生体適合性仕様テストにも合格しており、最大 132°C の温度で複数サイクル、最大 30 分間殺菌することができます。すでに 5200 シリーズプリンターをお持ちで、5420 にアップグレードしたい場合は、HP がアップグレードキットを提供しています。

多重ジェット核融合のための材料

△BASFとHPがMJF向け新工業グレードポリプロピレンの開発で協力

当初、Multi Jet Fusion はナイロン PA 12 パウダーとのみ互換性があります。しかし、この技術が市場に登場してから数年の間に、利用可能な材料の範囲は拡大し、新しい材料が今も開発され続けています。マルチジェットフュージョンはパウダーベッドフュージョンの一種ですが、パウダーベッド対応の材料すべてが MJF に適しているわけではなく、MJF の部品表はパウダーベッドフュージョンの部品表よりもはるかに小さくなります。 2020年、HPはBASFと提携して、耐久性と耐薬品性に優れた新しいポリプロピレンを開発しました。同社の最新製品は、再利用性に優れたPA 12 W（Wは白色を表し、5420Wプリンターで使用可能）です。また、Lubrizolは最新のMJF互換素材であるEstane 3D M88A TPUを発売しました。

MJF 対応の素材には以下のものがあります:

●高再利用性（HR）PA12ナイロン
●HR PA 12 ガラスビーズ（GB）
●HR PA 12W（ホワイト）
人事PA11
●BASFの生産技術により実現したHR PP
●Lubrizol の Estane 3D TPU – M95A
●BASFのUltrastint TPU01
●エボニック/HPのTPA
●エスタン 3D TPU M88A

△ HP Jet Fusion 580でフルカラー印刷した部品

HP はかつてフルカラーの Multi Jet Fusion テクノロジーを提供していましたが、残念ながら 2021 年に HP Jet Fusion 380 マシンの販売を中止しました。一部のオンデマンド 3D 印刷サービスではまだプリンターが提供されていますが、HP ではサポートされなくなりました。フルカラーの 3D プリントをお探しの場合は、3D Systems ProJet CJP 260Plus、Mimaki 3DUJ-2207、または Stratasys J750 および J55 を検討してください。

マルチジェット核融合の代替

△Voxeljet X200 HSSとStratasys H350 SAFはどちらもインクジェット技術を使用してナイロン粉末を結合し、MJFと同様に熱で溶かします。

選択的吸収融合 (SAF)は、3D プリンターおよび材料メーカー Stratasys の独自の粉末床融合技術です。 SAF は赤外線吸収液を使用してナイロン粉末粒子を層状に融合し、部品を作成します。工業グレードの圧電プリントヘッドが指定された領域に流体を噴射し、部品の各断面を作成します。その後、赤外線エネルギーにさらされると、液体のある部分が溶けて融合します。部品が完成するまでこのシーケンスを繰り返します。ストラタシスのSAF 3DプリンターはH350です

△ Voxeljetは、レーザーを使用せず高速印刷を可能にする高速焼結（HSS）と呼ばれるポリマー粉末床融合技術を提供しています。

MJF と同様に、SAF はレーザーを使用する技術よりも高速にナイロン部品を製造する方法です。どちらの方法も、Voxeljet の高速焼結 (HSS)に似ています。 HSS のプラスチック材料の範囲は広く、ナイロンや TPU だけでなく、ポリプロピレン (PP) やエチレン酢酸ビニル共重合体 (EVA) も含まれます。

マルチジェットフュージョン 3D プリンティング (MJP): 原理、プリンター、アプリケーション、材料、代替手段

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