異方性強度を実現！ヒルゲンベルグは、FFF 3D プリントを変えると期待されるプラズマセラミックノズルを発売しました。

この投稿は warrior bear によって 2023-9-7 21:08 に最後に編集されました

2023年8月6日、Antarctic Bearは、Hilgenberg CeramicsのAlex Hilgenberg氏がドイツの研究機関と協力して、印刷された各層でプラズマ活性化を行うことができる新しいセラミックノズルを開発したことを知りました。このプロセスには、接着特性の向上、表面殺菌、導電層の追加などの利点があります。
研究者らの設計は、プラスチック表面のプラズマ活性化にヒントを得たもので、研究チームが本研究で FDM 3D 印刷に適用した成熟した技術です。開発されたセラミックノズルは高純度の酸化アルミニウム（Al2O3）で作られており、それ自体が3Dプリントされており、長期的な誘電性能を確保し、一般的なノズルの限界を克服しています。
△セラミックプラズマ3Dプリントノズル。出典: ヒルゲンバーグセラミックス
研究者らは、印刷プロセス中の層接着の問題を克服することを目的としてプラズマノズルを開発しました。FFF 3D 印刷では、新しい層は、すでにわずかに冷却された前の層の上に堆積されます。この冷却により、層間の分子が完全に結合できなくなり、FFF の各層の弱点となります。その結果、印刷物の強度は必然的に等方性になります。
Essentium の電磁 3D 印刷プロセス<br /> 過去にもこの問題を克服する試みはありましたが、おそらく最も注目すべきは、Essentium が開発した「FlashFuse Filament」と呼ばれる電磁 3D 印刷プロセスです。そのアイデアは、フィラメントを通して印刷面まで電流を流し、材料を熱いまま保ちながら「熱溶接」と呼ばれるプロセスで層を重ねていくというものだ。具体的な動作原理は次のとおりです。

フィラメントには、カーボンナノチューブや電気を伝導するその他の特殊材料を含む独自のコーティングが施されています。
フィラメントは一般的な方法で 3D プリントされ、ホットエンドで加熱され、ノズルから押し出されます。
押し出し工程中にプラスチックに特殊コーティングが混合されます。
ノズルに電流を流す。
プラスチックと金属の印刷面を押し出すことによってノズル間に回路が形成されます。
特殊な材料の抵抗により熱が発生します。
押し出されたプラスチックは印刷プロセス全体を通じて理想的な温度に保たれます。

△ Essentium 電磁 3D 印刷プロセスの概要このプロセスには多くの重要な利点があります。まず、押し出されたプラスチックはすべて温度が保たれているため、通常の「ホットとコールド」の層印刷よりもプラスチックをより多く混ぜることができ、層間の結合がはるかに強くなります。第二に、印刷プロセス全体を通じてプラスチックが高温に保たれるため、印刷物が歪むことはありません。カーボンナノチューブのもう一つの利点は、材料の強度が大幅に向上し、層の結合が改善されることと相まって、非常に強力な印刷物を実現できることです。 Essentium は、一部の部品は射出成形部品よりも強度が高いと主張しています。これらの印刷物では剥離がほとんど見られません。
Essentium のアプローチは、加熱チャンバーの必要性を完全に排除する点で印象的です。巨大でほとんど空のチャンバーの代わりに、プラスチックを直接加熱します。実際、プラスチックを加熱するために必要なエネルギーは、成形室を加熱するために必要なエネルギーよりもはるかに少ないです。そしてウォーミングアップ時間もありません。しかし残念なことに、このアプローチは普及していないようです。
△電磁3Dプリントプロセスの開発に使用されるEssentium EM1
Hilgenberg Ceramics の新しいセラミックプラズマノズル<br /> この研究でヒルゲンバーグ氏が開発した新しいセラミックプラズマ活性化法は、より実用的で、実装も容易になる可能性があるようです。研究者たちは、プラズマを応用することで層の接着力を高めることができることに気づいた。どうやら、このアプローチは他の産業用途（包装、プラスチックなど）で何十年も一般的に使用されてきました。しかし、これまで 3D プリンティングに適用されたことはありませんでした。
△セラミックプラズマ3Dプリントノズル構造。出典: ヒルゲンバーグセラミックス
どのように機能しますか?実はとても簡単です。ツールヘッドに特別に設計されたノズルを追加することで実現しました。ノズルは小さなプラズマジェットを生成することができます。 1 つの層が完了すると、ツールヘッドが前の層の上を移動し、プラズマで処理します。これにより、堆積層内の分子が「活性化」され、接着性が高まります。これにより、層のより適切な結合が可能になり、異方性部品の製造が可能になります。
しかし、ノズルはかなり複雑です。セラミック製で、銅でコーティングされており、内部に電極が付いています。通過する空気はプラズマジェットとなり、ノズルから堆積したポリマー上に流れ出ます。研究者たちは、一般的な FFF 3D プリンターに収まるようにノズルを非常に小さくする必要がありました。ノズルのサイズはわずか 40 x 20 x 20 mm で、非常に小さいです。皮肉なことに、このような複雑なデザインは 3D プリントする必要があったことが判明しました。
ノズルも主にセラミックAl2O3で作られています。これは、プラスチックのノズルにグラファイトの堆積物が蓄積し、誘電特性が失われる傾向があるためです。ただし、セラミックノズルは問題なくより長く使用できます。研究チームは、プラズマノズルは接着に加え、表面のエッチング、物体の殺菌、表面層の洗浄などもできることを発見した。
このノズルの設計は特許を取得でき、最終的には商品化される予定だと報じられています。さらに、この方法は低コストであるため、将来的にはデスクトップ FFF 3D プリンターに組み込むことが可能となり、より強力になる可能性があります。