バインダージェッティングメタル 3D プリント: デスクトップメタル、HP、Markforged

この投稿はCoco Bearによって2023-7-28 20:52に最後に編集されました。

積層造形分野では、現在、積層造形業界のトップ 3 社である Desktop Metal、HP、Markforged を含め、金属バインダージェッティング 3D プリンターを製造している企業はわずか数社です。次に、Antarctic Bear は各製品の特性を分析し、ユーザーが最も適切なサプライヤーを選択できるように支援します。まず、金属バインダージェッティング技術とは何か、何に使用されるのか、そしてこの技術の主なプリンターについて説明します。

△コブラゴルフクラブ、HPと提携し金属バインダージェット技術でパターを量産

メタルバインダージェッティングとは何ですか?

バインダージェッティングが非常に効率的かつ高速である理由の 1 つは、一度に数十個、さらには数百個の部品を印刷できることです。プリンターソフトウェアは、プリンターの全容量に合わせて部品をネストするのに役立ちます。

バインダージェッティングは、液体バインダーを使用して粉末金属材料を層ごとに結合し、強力で複雑な形状を作成する 3D 印刷方法です。金属、プラスチック、砂、その他の粉末材料であっても、コアバインダージェッティングプロセスは同じです。

印刷が進むにつれて、金属粉末がビルドチャンバー内に堆積され、その後ローラーが印刷プラットフォーム上に薄い層の粉末を圧縮します。インクジェットノズルを備えたプリントヘッドがプリントプラットフォーム上を移動し、プリントプラットフォーム上に接着剤の液滴を選択的に (部品の断面の形状で) 塗布します。バインダーは粉末粒子をまとめます。 1 つの層が完了すると、ビルドプラットフォームが下方に移動し、ローラーが表面にさらに金属粉末を再度塗布します。このプロセスは、部品が完成するまで、新しい層を下の層に結合して繰り返されます。

HP、Markforged、Desktop Metal の金属バインダージェッティングテクノロジーの中核要素は同じですが、それぞれ独自の (多くの場合は特許取得済みの) 内部メカニズム、材料、ソフトウェアアプローチがあり、速度、部品の品質、使いやすさ、プロセス効率の面で利点が得られます。

HP Metal Jet S100バインダージェット3Dプリンターは高精度を実現

解像度と高精度の詳細
HP、Markforged、Desktop Metal はすべて、30 ～ 50 ミクロンの範囲の層の高さを提供します (人間の髪の毛の幅は約 70 ミクロンです)。解像度は、1 インチあたりのドット数 (DPI) で測定されます。バインダージェッティングでは、DPI はバインダー堆積の解像度または粒子サイズを表すために使用されます。DPI 値は、バインダーが粉末床にどれだけ細かく堆積されるかを表します。 DPI 値が高いほど、プリンターは接着剤をより正確に、より小さな増分で塗布できるため、最終的な 3D プリントオブジェクトの詳細がより細かくなり、解像度が高くなります。

DPI は、部品のサイズに簡単に変換できないため、やや曖昧な測定単位です。 Markforged は最大 DPI が 8,000 x 1,600 であると主張していますが、DPI はバインダージェット印刷の全体的な解像度と品質に影響を与える要素の 1 つにすぎないことに注意してください。使用される粉末材料の種類、層の厚さ、プリンターの全体的なメカニズムと調整などの他の要因も、部品の最終的な精度レベルを決定する上で重要な役割を果たします。

Desktop Metal の X シリーズは、解像度をボクセルで報告します。ボクセルは、プリンターが作成できる最小の特徴サイズを表す 3D ピクセルです。 X シリーズの解像度は約 30 ミクロンのボクセルです。 X シリーズは寸法公差が 1% 未満であると主張しており、デスクトップメタルプリントシステムの寸法公差は ±2.0% です。

△ 金属バインダージェット3Dプリントでは、液体バインダーを金属粉末の層に吹き付けて形状を固めます。

金属粉管理<br /> 印刷後、部品はビルドをサポートする未使用の粉末でカプセル化され、多くの場合、印刷サポートなしで複雑な形状が可能になります。この段階では、粉末床上の部品を加熱し、冷却後に粉末から部品を取り出す必要がある硬化または乾燥のステップが必要になる場合があります。

粉末を除去して次の造形に備えるには、脱粉末ステーションと粉末管理システムと呼ばれる 1 つまたは 2 つの追加機器が必要になる場合があります。バインダージェッティングは「コールド」プロセスであるため、レーザーパウダーベッドシンタリングとは異なり、より多くの金属粉末 (99% 近く) を再利用できるため、コストを削減できます。

△HP Metal Jetバインダージェッティングシステムを使用して3Dプリントされた燃料バルブ

部品は基本的に粉末から作られており、ポリマーバインダーで結合された金属粒子で構成されています。このいわゆる「グリーンパーツ」（ビスケット）は壊れやすく、そのままでは使えません。次のステップは、金属部品から残った接着剤を除去して、96% ～ 99% の金属部品を作成することです。部品は炉に入れられ、熱処理（焼結と呼ばれるプロセス）が行われ、結合剤が燃え尽きて部品が固まります。その他の後処理には、金属部品の細孔を別の材料で充填して、目的のマトリックスまたは複合材料を生成することが含まれます。炉の温度と部品の焼結時間に応じて、密度は 99% (射出成形と同じ品質) または多孔質は最大 60% になります。多孔性は、特定の用途では望ましい効果です。

△デスクトップメタルショップシステムズ社製バインダージェット成形部品展示

印刷パラメータと材料の選択<br /> 印刷、硬化、焼結のパラメータは、特定の部品の形状、材料、および必要な密度に合わせて調整されます。最良の部品を得るために、プリンターメーカーが開発した設定に従って印刷ソリューション (プリンター、硬化ステーション、炉) を設定できます。

プリンターメーカーは、限られた金属粉末のリストを提供しています。ほぼすべての MIM 粉末はバインダージェット成形が可能ですが、各材料ごとに最適なパラメータを見つけるための研究開発が必要です。プリンターメーカーが各粉末のパラメータの開発に時間を費やすのは経済的に不可能なので、通常は数種類のパラメータのみを提供し、特別なものが必要な場合は独自に開発するか、協力して作業します。接着剤は通常、各メーカー独自のものであり、特定の接着剤噴射プリントヘッドノズルで動作するように調整されています。

金属バインダージェッティングの価格<br /> 金属バインダージェッティングはより高価で、プリンターユニットのみの場合でも 6 桁の金額から始まります。 HP、Markforged、特にDesktop Metalはパッケージや構成が異なるため、価格帯を絞り込むのは困難です。これらのシステムの主な消費者は、3D プリントサービスビューローや金属契約製造業者など、他社向けに金属部品を製造する企業です。バインダージェッティングプリンターは、これらのソリューションの速度とスループットにより、CNC 加工や金属射出成形に比べて高い投資収益率を実現できるため、製造業において大きな利点があります。

金属バインダージェッティングを使用する理由

△デスクトップメタル金属バインダージェット3Dプリンターで製作した複雑な金属部品

バインダージェッティングは、従来の金属射出成形やその他の形式の金属 3D 印刷に比べていくつかの利点があります。この技術は、プリントヘッドが通常、他の技術で使用されるレーザーや電子ビームよりも高速に動作するため、速度とスループットの点で特に優れています。さらに、ビルドチャンバー内に部品を詰めて積み重ねることができるため、スペースをほぼすべて活用できます。イリノイ工科大学の材料・機械・航空宇宙工学部の助教授アミール・モスタファイ氏の研究によると、バインダージェッティングは、材料やプロセス、壁の厚さなどの寸法や形状の詳細が同じであるため、他の製造分野、特に金属射出成形で主流になると予想されています。

バインダージェッティングの利点:
● 幅広い材料選択: バインダージェッティングは、現在入手可能な幅広い粉末材料と互換性があり、粉末金属は他の多くの従来の製造プロセスで最大密度まで焼結されるため、用途において粉末床溶融結合を上回る可能性があり、すべての付加製造プロセスの中で最も幅広い材料選択が可能です。理論的には、バインダージェッティングは、あらゆる粉末金属材料と補助的な結合液で使用できます。実際には、金属バインダージェッティング 3D プリンターは、特定の材料と「互換性」があります。これは、それらの材料には対応するバインダーがあり、徹底的に現場テストされているためです。

冷間加工：バインダージェット印刷プロセスは室温で行われるため、熱残留応力に関連する問題が回避され、ビルドボックス内の部品の周りの粉末は高度にリサイクル可能となり、材料コストを節約できると研究者らは述べた。

大量印刷: バインダージェットプリンターは、ビルドチャンバーのサイズの点では最大の金属 3D プリンターではありませんが、バインダージェッティングにより、1 回の印刷でさまざまなパーツをネスティングできます。この大量生産能力は、複雑な部品やプロトタイプバージョンを大量に印刷したい企業に最適です。この技術は、複数の顧客からの注文を 1 つのビルドに統合できるため、3D プリントサービスビューローに好まれています。

●サポート不要: バインダージェッティングで製造されるあらゆる部品形状では、粉末床が十分なサポートを提供するため、サポート構造の必要性が大幅に減少します。つまり、設計の自由度が高まり (特に内部チャネルの作成)、材料の無駄が減り、サポートを除去する時間と労力が削減されます。

● 高速: バインダージェッティングは高速で生産性が高いため、大量の部品をコスト効率よく生産できます。バインダージェッティングは単一レーザー粉末ベッドフュージョン金属 3D プリントよりも高速ですが、すべてのタイプのレーザー粉末ベッドフュージョンよりも高速というわけではありません。

●多様な出力：バインダージェッティングは、焼結温度と時間に応じて多孔度を制御したさまざまな密度を生成できるため、幅広い用途に使用できます。

バインダージェッティングの欠点:
●多段階：バインダージェッティングは、追加の機器を必要とする後処理ステップを必要とする多段階のプロセスです。

● 歪みのリスク: バインダーを噴射した部品をより高密度にするプロセス (焼結) により、形状が歪む可能性があります。ただし、事前に適切な計算（プリンターソフトウェアの助けを借りて）を行うことで、これを回避できるはずです。

手作業: 部品をプリンターから後処理機械に移動し、印刷された部品の粉末を除去する作業は、通常、手作業で行われます。部品の形状によっては、粉末除去の自動化が一部可能になる場合があります。

△Markforged Metalバインダージェットマシンで作られた金属部品

バインダージェッティング金属部品の品質<br /> 上記のすべての理由から、金属バインダージェッティングは金属部品の製造にとって非常に魅力的な技術ですが、さらに非常に重要な点が 1 つあります。それは軽量化です。バインダージェッティングでは、ソリッドパーツではなく複雑なパターンの充填材を含むパーツを印刷できるため、結果として得られるパーツは大幅に軽量化され、同時に非常に強度も高くなります。バインダージェッティングの多孔性特性は、インプラントなどの医療用途の最終部品の軽量化にも利用できます。

他の積層造形プロセスと同様に、バインダージェッティングでは、内部の通路や構造を持つ複雑な部品を製造できるため、溶接の必要性がなくなり、部品の数と重量が削減されます。バインダージェッティング用に金属部品を再設計すると、材料の使用量と廃棄物を大幅に削減できます。バインダージェット成形された部品は、特に内部チャネルにおいて高い表面平滑性を示します。

△バインダージェット金属部品は、金属部品の密度をさらに高めるために炉内で焼結する工程を必要とする。

多くの利点があるにもかかわらず、市場には成熟した金属バインダージェットプリンターはまだほとんど存在しません。 Antarctic Bear は、Desktop Metal、HP、Markforged のプリンターを紹介します。

HP メタルジェッティング S100

HPメタルジェットS100

数十年にわたり、HP のインクジェットテクノロジーは幅広い印刷市場をリードしてきました。 HPは2014年に初めてMetal Jetと呼ばれるポリマー3Dプリンティングに取り組み始めました。 HP Metal Jet は、MIM と同様に 97% を超える焼結密度を実現するバインダージェッティングテクノロジーです。 Metal Jet は長年にわたり Cobra Golf などの一部のメーカーに提供されてきましたが、最新バージョンの Metal Jet S100 ソリューションは 2023 年に初めて顧客に提供される予定です。 HP 独自の特徴は、インクジェットサーマル内に熱素子を搭載し、粉末金属ベッドにバインダーを正確に供給するだけでなく、加熱して液体バインダーの一部を除去することです。

△フォルクスワーゲンはHPメタルジェットを使用してカスタマイズされた部品を提供するコンセプトを開発

HP は、最終的な焼結炉を省略して、プロセスのすべての部分を統合するという優れた仕事をしました。使いやすさの鍵となるのは、各ステップを制御するソフトウェアと、プリンターから硬化ユニット、電源オフおよび回復ステーションまで簡単に押し込むことができるローリングビルドユニットです。 HP は金属粉末処理の自動化に重点を置いています。未使用の粉末は粉末除去ステーションに集められるため、ユーザーは粉末を「扱う」必要はまったくありません。その後、ユーザーはビルドユニットを粉末管理ステーションに転がすだけで、そこで粉末は混合され、ふるいにかけられ、別のビルドユニットに自動的にロードされます。最終部品は、寸法および表面仕上げの要件を満たすように機械加工および研磨することができます。

HP は、S100 を 17-4 PH および 316L ステンレス鋼ですぐに使用できる状態で提供していますが、MIM で一般的に使用される他の金属や顧客のアプリケーションに固有の金属を顧客と協力して開発するとしています。さらに、HP は、お客様が HP Metal Jet テクノロジーから最大限の価値を引き出せるよう、オンボーディング、メンテナンス、プロフェッショナルサービスの包括的な範囲を提供しています。

マークフォージドPX100

△マークフォージドPX100

Markforged は、金属およびポリマー押し出し技術を使用する大手 3D プリンターメーカーの 1 つですが、金属バインダージェッティングへの拡大を目指して、2022 年にスウェーデンの金属バインダージェッティングメーカー Digital Metal を買収しました。 2023 年、Markforged は Digital Metal DMP Pro バインダージェッティングプリンターを Markforged PX100 としてブランド変更し、2 つのサイズで提供を開始しました。

Digital Metal は、かつて世界最大かつ最古の金属粉末製造業者の 1 つである Höganäs の一部であり、金属粉末の販売を増やすための技術を研究するために 2004 年に設立されました。 PX100 は、もともと市場性のある装置としてではなく、金属バインダージェッティングで高品質の部品を製造できることを証明するために設計されたため、少々過剰設計でした。しかし、Markforged によれば、この種のエンジニアリングによって得られる精度と部品の品質こそが、他社製品と一線を画すものだという。

△MarkforgedのPX100は、消費者製品や医療機器などの用途向けの微細金属3Dプリントに特化しています。

マシンのベースは花崗岩の板で、これはデバイスを安定させ、印刷中の振動を排除するために必要です。PX100 は、他の金属バインダージェット印刷ソリューションのほぼ 2 倍の重さです。スムーズなリニアモーターとエアベアリングにより、機械は約 1 ミクロンの精度を実現します。

同社のバインダージェッティングソリューションは、小型で複雑な金属部品の大量生産に重点を置いています。 250 × 217 × 186 の印刷ボリュームにより、より大きな部品を製造でき、時計の文字盤や医療機器など、一度に数百または数千の小さな部品を製造できるため、顧客はこのソリューションを選択します。 Markforged は、粉末除去と粉末管理の両方をカバーするアクセサリの完全なエコシステムを提供し、手動バージョンと自動バージョンから選択できます。

プリンターには、プリンター用の粉末を準備するためのダウンドラフトテーブル、手動または半自動の粉末除去ステーション、および手動または半自動の粉末除去ステーションに接続して新しい粉末を自動的に分配し、粉末除去ステーションから収集された粉末と混合し、120 kg/時の容量でふるいにかける全自動の粉末処理システムがあります。このプロセスでは加熱、硬化、乾燥のステップが不要なため、長時間の冷却や加熱は必要なく、バッチ間の時間は 15 分程度と短くなります。

デスクトップ金属生産システム P-50

△デスクトップ金属生産システムP-50は、同社の主力金属3Dプリンターであり、市場最速のプリンターです。

Desktop Metal の主力製品である金属バインダージェッティング 3D プリンター、Production System P-50 は、大規模生産向けの高速金属ソリューションです。生産システムは 2017 年に開始され、それ以来、数回のアップグレードと改善が行われてきました。 Desktop Metal の優れた特徴には、「シングルパス注入」技術と「定波伝播技術」が含まれます。

バインダージェッティングには、粉末を堆積し、それを薄い層に広げ、次にバインダーを堆積するという手順が含まれます。シングルパスジェッティングでは、これら 3 つのプロセスを 1 つの統合ステップに組み合わせ、統合キャリッジの 1 回のパスで完全なレイヤーを印刷できます。これらの手順を同時に実行することで、各レイヤーをわずか 3 秒で完了できます。プロダクションシステムの印刷速度は3つのブランドの中で最も速いです。同時に、波拡散技術により、各層の粉末密度が一定に保たれます。

Production System 金属バインダージェット 3D プリンターは、2 つの粉末ディスペンサーを備えた統合キャリッジを備えています。

この生産システムは、チタンやアルミニウムなどの反応性金属部品の製造に必要な、ビルドチャンバー内の不活性環境を維持するガス管理システムを備えています。印刷後、まだ粉末に包まれた部品はオーブンに入れられ、「バインダーを活性化」し、より丈夫なグリーン部品が完成します。完成したビルドボックスは、次に、粉末除去ステーションに移動され、そこで粉末が除去され、部品が焼結される準備が整います。

左側は焼結中に不均一な収縮と反りが発生した部品です。右側は、印刷前に部品設計の変形を予測して修正できる Desktop Metal のシミュレーションソフトウェアを使用して調整した後の同じ部品です。

ソフトウェア面では、Desktop Metal は、バインダージェッティング技術を使用して 3D プリントされた金属部品の収縮と変形を予測して修正できる便利な「Live Sinter」シミュレーション機能を提供します。わずか 20 分で焼結可能で印刷可能な形状を実現し、最終部品の精度も非常に高くなります。

スキャンベースの調整後、Live Sinter は複雑な変形効果を補正し、目標寸法の 1% 以内に収まる部品を製造し、偏差は +/- 0.3% まで低く抑え、歪み、反り、その他の一般的な焼結の課題を回避し、サポートやセットアップ担当者に関連するコストと時間を削減します。生産システムでは、ステンレス鋼、銅、金、銀、反応性金属など 16 種類の金属を使用して部品を生産しますが、Desktop Metal は顧客と協力して他の材料オプションも実装します。

デスクトップメタルP-1
Desktop Metal は、バインダージェッティングの研究開発と大量生産の間のギャップを埋めるために P-1 を設計しました。 P-1（2020年に発売）は、旧バージョンのP-50と同じ部品品質を提供します。小型で低速ですが、P-50 と同じ解像度と品質の部品を生産し、材料、接着剤、設計プロセスをよりコスト効率よく開発できます。デスクトップメタルプロダクションシステム P-1 と P-50 はどちらも、不活性環境を含む制御された雰囲気を提供し、粉末のダイナミクスに干渉する可能性のある湿度などの特性を厳密に管理し、アルミニウムやチタンなどの反応性材料の安全な印刷を可能にします。

△プリンター、乾燥炉、粉体ステーション、焼結炉

Desktop Metal の Shop System (4 つのビルドボリューム付き) は、金属 3D プリントを機械工場に導入するために設計されています。2019 年にリリースされたこのソリューションは、専任のエンジニアを必要とせずに、表面仕上げと解像度に優れた金属部品を生産します。この 4 ユニットの完全なシステムには、プリンター、乾燥機、粉末ステーション、炉が含まれます。印刷後、印刷された部品が入ったビルドボックス全体がオーブン内に配置され、熱硬化プロセスが行われます。これにより、粉末を除去する前のグリーン状態の印刷部品にさらなる強度が与えられます。材料によっては、焼結前に溶剤脱脂処理が必要になる場合があります。オーブンを通過した後、粉末に包まれた部品は脱粉ステーションに送られ、未使用の粉末をふるいにかけて回収し、再利用します。その後、部品は炉に入れられ、高温焼結されます。ストアシステムプリンターは、生産システムと同様にシングルパス印刷を使用しますが、双方向印刷は使用しないため、印刷速度が若干遅くなります。

実稼働システムと比較したもう 1 つの違いはサポートです。 Desktop Metal によれば、生産システムではサポートが不要で材料と労力を節約できるが、ショップシステムではセラミックリリースレイヤーインターフェース技術によって取り外し可能なサポートを使用して印刷でき、焼結後に手で分離できるという。

デスクトップメタルX25Pro

△デスクトップメタルX25Pro

デスクトップメタルは、2021年に最大のライバルであるエックスワンを買収した際に、同社の金属バインダージェット技術と特許取得済みの材料を継承した。それ以来、これらのマシンも InnoventX、X25Pro、X160Pro などのアップグレードを受けています。 ExOne は約 20 年前に金属バインダージェッティングを商業化した先駆者の 1 つです。 X シリーズは、Desktop Metal の工場現場や生産システムとは多くの点で異なります。 X シリーズのマシンは、砂、複合粉末、金属粉末の処理に加えて、酸化アルミニウムや窒化アルミニウムなどのセラミック粉末も処理できます。

X シリーズは、同社が Triple ACT (Advanced Compaction Technology) と呼ぶ、印刷プロセス中に金属粉末を分散、拡散、圧縮する特許出願中の手法を特徴としています。同社によれば、Xシリーズシステムは1パーセント未満の寸法公差を達成できるという。これに対し、生産システムの寸法公差は±2.0%です。

X シリーズとショップシステムのもう 1 つの違いはプリントヘッドです。ショップシステムでは安価なサーマルプリントヘッドが使用され、X シリーズおよびプロダクションシステムプリンターではピエゾプリントヘッドが使用されます。 Desktop Metal によると、圧電プリントヘッドは解像度が高く、耐久性も優れ、性能と材料の選択肢も豊富になる可能性があるとのことです。 X シリーズプリンターには、生産システムと同じ不活性環境はありません。 Desktop Metal のさまざまな機械設計アプローチは、さまざまな課題に対処し、さまざまな利点を提供します。

デスクトップメタルX160Pro

△デスクトップメタルのX160 Pro金属バインダージェットシステムは、同社最大の

Desktop Metal の X160 Pro は X25 Pro の大型バージョンで、ほぼ同じ機能を備え、速度もほぼ 2 倍です。 X60 Pro は、高スループットと大型部品の生産向けに設計されており、自動車、航空宇宙、防衛産業で使用される部品を生産するのに十分な総造形容積 160 リットルを備えています。 X160 Pro には 4 つのピエゾプリントヘッド (4,096 個のノズル) があります。 Desktop Metal によれば、X160 には、粉末調整システムや粉末除去システムなどの補助装置用の完全な作業セルが付属しているとのこと。

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