ガラス 3D プリント: 材料、プロセス、アプリケーション

ガラス 3D プリントは、積層造形分野の新興技術です。一度に 1 層ずつ印刷できる溶融ラインを作成できます。このプロセスは熱溶解積層法 (FDM) プリンターと非常に似ていますが、動作温度は FDM の約 10 倍高くなります。 3D プリントガラスは、ガラスのカスタマイズされた製造の新しい方法を提供し、科学者や芸術家から幅広い注目を集めています。次に、Antarctic Bear は、ガラス 3D プリントの動作原理、プリンターのコンポーネント、およびさまざまな業界でのガラス 3D プリントの応用について詳しく紹介します。

ガラス 3D プリント: 基礎

△ガラスプリント

ガラスの 3D プリントは、木材や金属を充填したフィラメントほど簡単には製造できません。木材や金属を充填したフィラメントでは、木材や金属の小さな粒子をフィラメント全体に分散させて、素材の質感を模倣することができます。しかし、真のガラス 3D プリンターは、印刷するために純粋なガラスを必要とします (印刷のために樹脂にガラス粒子を追加する方法を見つけた人もいます)。現在、最も一般的に使用され、主流となっているのは依然として FDM プリンターであるため、Antarctic Bear はこれらのプリンターに焦点を当て、最終的に最もガラス樹脂印刷を紹介します。

ガラスを砕いて溶かし、プリンターに必要なフィラメントを作るまで、多くのステップがあります。現在、この分野では多くの人が独自の在庫材料を生産しています。次に、3D プリンターを使用して、溶融ガラスを線状に層ごとに印刷します。プロセス全体は FDM と似ていますが、最大の違いは、ガラス 3D プリンターではより多くの熱が必要になることです。高温のノズルにより、印刷温度は最大 1,300 °C、チャンバー温度は最大 400 °C になります。

材料

△瓶から破片、ガラス棒、版画まで！

ガラスには、ソーダ石灰ガラス、アートガラス、クリスタルガラスなど多くの種類があり、リサイクルされたガラス瓶などのガラスでさえ、異なる材料で作られた異なるフィラメントと異なる温度を使用して 3D プリントできます。

Maple Glass Printing 社の Maple 3 などのガラス 3D プリンターでは、プリンター上部の穴からガラス棒が挿入され、加熱要素を経てノズルへとつながります。破砕機を通過した後、廃ガラスは Vitri-Glass 装置に入り、ガラス棒に変換されます。この装置は溶融ガラスを棒状に引き伸ばし、ガラス 3D プリンター用の直径 3.5 ～ 6 mm のガラス棒を製造できます。ガラスの 3D プリントはリサイクルに適しており、ガラスは特性を劣化させることなく何度もリサイクルすることができます。

印刷工程

△プリントシェル

上記の手順により、ガラス棒の準備が整い、プリンターにセットして印刷できるようになります。これらのガラス棒はスプールに巻かれておらず、印刷中は継続的にプリンターに装填する必要があることに注意してください。 MIT の Neri Oxman 研究グループが作成した装置のように、一部のプリンターにはガラス棒の押し出しが組み込まれています。

ガラス 3D プリンターは、ガラスの種類に応じて、ガラス棒またはガラス片の温度を約 1,300 °C まで上げて、押し出しに十分な柔らかさにする必要があります。ガラスがどのような形状であっても、プラットフォーム上に印刷するにはこの極度の熱に達する必要があります。

現在のほとんどの 3D プリンターや CNC マシンと同様に、ガラス 3D プリントでは G コードを使用して印刷指示を中継します。プリントチャンバー内では、印刷中の部品は完成するまで 400 °C に保たれ、その後ゆっくりと室温まで冷却され始めます。後処理は、最終用途に応じて異なります。この技術はまだ開発の初期段階にあり、この分野が発展するにつれて、プリンターの具体的な設定が変わる可能性があると思います。

ガラス印刷と従来のガラス製造

△ガラスメーカー

3D プリントガラスは、すぐに従来のガラスの大量生産方法に挑戦することはないでしょう。 3D プリントされたプラスチックと同様に、このタイプのガラス製造は、従来の方法 (この場合は吹きガラス) では実現が困難または不可能なニッチなモデル、カスタムモデル、または複雑なモデルに最適です。

ガラス吹きは複雑で体力を要する工芸であり、専門的に行うには何年もの訓練が必要です。ガラスの製造は、時々特注のガラスを必要とする人や、この分野に不慣れな人にとっては大きなハードルとなる可能性があります。ガラス 3D プリンターがあれば、この材料をプラスチックと同じくらい簡単に製造できるようになります。ガラス3Dプリンターの改良に取り組んでいるMITの研究者らは、ガラス吹きでは不可能な内部表面の制御を含め、印刷されたガラス表面の質感を制御できると述べている。

応用分野

△アートとテクノロジーの融合は魔法のよう

ガラス 3D プリントに取り組んでいる多くの企業や科学者は、現在ガラス 3D プリントのメリットが期待できる主な分野として、芸術、建築、光学、研究、宝飾品などを挙げています。オックスマンは芸術、材料科学、構造工学を組み合わせて、驚くべき構造物を作り上げています。

芸術的な媒体として、3D プリントされたガラスは、独特の曲率と内部形状を持つ正確で再現性のある堆積線を実現できます。ガラス構造を通過すると、光が層の線や表面の質感に沿って散乱、反射し、美しく魅惑的なオーロラ効果が生まれます。

ガラス印刷を推進するもう一つの用途は科学研究です。ガラス製品は、その強度、化学的不活性、透明性により、複数の STEM 分野においてかけがえのない実験資産であり、カスタマイズが必要です。一例として、研究者が極めて微量の材料を用いて制御された実験を行うために使用するマイクロ流体デバイスがあります。これらのデバイスには複雑な内部チャネルネットワークが含まれており、現在は製造に時間がかかりますが、ガラス 3D プリントによって状況が改善する可能性があります。ただし、この技術はまだ広く利用可能ではありません。

マイクロ流体工学などの用途に必要な小さくて複雑な機能の場合、FDM スタイルのアプローチは理想的ではない可能性があり、樹脂印刷によりより高い解像度を実現できます。Glassomer というスタートアップはこれを目指しています。

プレキシガラス

△ガラス印刷で作製した実験用マイクロ流体デバイス

Glassomer は、カールスルーエ工科大学の研究室である NeptunLab によって設立されたドイツのスタートアップ企業で、非晶質シリカを含む液体ガラス樹脂を使用してガラスの 3D プリントを可能にしています。このスタートアップ企業によれば、ガラス含有樹脂はどのデスクトップ樹脂3Dプリンターでも印刷できるという。

後処理では、ポリマーバインダーを溶かし、ガラス粒子を融合させて固体の透明な部分にするために、1,300 °C に達する温度のオーブンで印刷物を焼結する必要があります。同社は、材料が溶けているにもかかわらず、部品はあらゆる方向に収縮した後も形状を維持すると主張している。このタイプのガラス印刷では、表面粗さが数ナノメートルまで小さく、複雑な物理的構造の製造が可能になります。この樹脂で印刷する場合の主な制限は、壁の厚さです。1 cm より厚くないと、ガラスの内部が割れてしまいます。

ビジネス機器

△ガラス3Dプリント装置

新しい技術であるガラス 3D プリントには、まだ多くの人が関わっていません。ガラス 3D プリントの分野では、上記でいくつかの企業が紹介されましたが、そのほとんどはまだ研究開発段階にあります。 Maple Glass Printing は、商業用ガラス 3D 印刷装置を提供する唯一の企業になります。

オーストラリアに拠点を置く Maple Glass Printing は、プリンターにガラスを使用することでガラスのリサイクル率を高め、持続可能な創造を推進し、埋め立て地にプラスの影響を与えることを目指しています。現在、彼らはプリンターの第 3 世代である Maple 3 を開発中です。

Maple 3 は公式ウェブサイトで発売価格 45,000 ドルで購入できます。リサイクルガラスから独自のガラス糸を作りたいユーザーは、高スループットの自動ガラス糸押し出し機である Vitri-Glass を 15,000 ドルで購入できます。

現在、商業用ガラス3Dプリントを専門に扱うメーカーは多くありませんが、多くの研究開発を推進することで、このような技術をより早く市場に投入できると信じています。

△これらの微細構造はガラス樹脂でできています

ガラス 3D プリントの将来には期待できることがたくさんあります。 MIT は高度なガラス 3D 印刷技術に取り組んでおり、印刷温度を約 1,000 ～ 1,400 °C からわずか 250 °C まで下げることができる極低温ソリューションを開発しました。低温ガラス製造により、プリンターの安全性が向上し、エネルギー消費量が削減されるだけでなく、ガラスの特性を変える添加剤を加えることも可能になります。

全体的に見ると、ガラス 3D プリントはまだ初期段階にあり、特に普及の面ではまだ大きな成長の余地があることがわかります。商業用機器を販売する企業の協力により、ガラス 3D プリントの将来がより効率的で使いやすくなり、拡大と成長が続くことを期待しています。

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