3D プリントされた部品を研磨して洗練された表面仕上げを実現するために、エンジニアはコーティング、サンドブラスト、手仕上げ方法など、さまざまな工業仕上げ技術を使用しました。 3D プリントでは複雑な部品を製造できますが、特に熱溶解積層法 (FDM) を使用して製造された部品では、最初の印刷物に粗い表面や明らかな層線が現れることがよくあります。このため、部品層を追加または削除することで未完成部品の粗い表面を滑らかにすることができる後処理は、部品製造において非常に重要な部分です。この記事では、Antarctic Bear が市場で主流の表面仕上げ処理である蒸気平滑化と振動研磨を体系的に紹介して比較し、それぞれの処理と各方法の長所と短所を理解しやすくします。
スチームスムージング<br /> 蒸気スムージングは化学蒸気スムージングとも呼ばれ、印刷された部品を蒸発する溶剤環境にさらして表面を処理する技術です。工業用蒸気平滑化プロセスでは、最大限の露出を実現するために、単一または複数の部品を密閉チャンバー内に慎重に吊り下げる必要があります。 FA 326 などの化学溶剤混合物がキャビティ内に注入され、噴霧され、部品上で凝固して硬化し、制御された溶融によって表面の凹凸が除去されます。チャンバーの温度が上昇すると、残留溶媒が蒸発して回収されます。最終部品は防水性となり、滑らかな内部、正確な寸法、元の材料の体積を維持します。スチーム スムージングで最良の結果を得るには、3D プリントのスチーム スムージング専用に設計された工業グレードの機器を使用して、制御された環境でプロセスを実行することをお勧めします。 DIY アプローチに興味がある人のために、蒸気平滑化、またはこの場合は溶剤含浸は、アセトンまたはエタノールを化学溶剤として使用して実現できます。ただし、注意を払い、適切な安全対策と設備が整っていることを確認することが重要です。
△左側が蒸気平滑部、右側が標準表面処理（写真提供：ProtoLabs）
振動研磨<br /> 一方、振動仕上げでは、表面を整えるために化学薬品は使用されません。代わりに、3D プリントされた部品の表面を強化するために研磨媒体を使用します。このプロセスでは、複数の 3D プリント部品が、選択された研削媒体と複合潤滑剤が充填された振動ドラム内に配置されます。機械の電源を入れると、バレルが動き始め、部品と研削媒体の間に機械的な摩擦が生じます。この減算プロセスにより、材料の最外層が最小限に抑えられ、丁寧に除去され、部品の表面品質が向上します。振動仕上げには特別な手段と設備が必要であり、振動とタンブリングの 2 つの方法があります。振動法は、特に大きくて詳細度の低いオブジェクトに適しており、目的の結果をより早く達成できます。
振動仕上げでは、研磨材またはチップの選択が重要です。研磨破片はセラミック、プラスチック、または鋼で作られており、それぞれ異なる結果を生み出します。セラミック研磨剤は、バリを除去して光沢のある表面を得るのに特に適しています。密度が高いため高圧に耐えることができ、ステンレス鋼、金属、プラスチック部品の加工に適しています。プラスチック研磨剤は、優しい作業を必要とする柔らかく細かい表面に最適です。ピラミッド型と円錐型の 2 つの形状があります。さらに、ワルサー・トロワル社は、手の届きにくい場所にある極小の繊細な部品用のニップル型研磨材を開発しました。スチール研磨材は主に球形で、材料をほとんど除去しないため、金属、銀、アルミニウム部品の研磨や機械的洗浄に特に適しています。滑らかで傷のない表面を実現します。
△セラミック製の研磨材は高圧にも耐えられます。 (出典: Vibrafinish)
振動による精密研磨プロセスでは、研磨剤に加えて、潤滑剤、つまり化合物も必要です。コンパウンドは、部品の摩耗を吸収して除去するだけでなく、部品の洗浄や脱脂にも使用されます。金属部品の酸洗い処理には酸性化合物を選択できます。加工後は乾燥が必要です。部品は振動乾燥機で乾燥することができ、加熱された乾燥媒体（トウモロコシの芯粉、ナッツ粉、木片など）と一緒に置いて振動させます。また、ベルト乾燥機は、内部に通路や穴がある敏感でかさばる部品に特に適しています。ベルト乾燥機では、3D プリントされた部品がベルト上の熱風システムを通過し、このようにして乾燥されます。
蒸気平滑化および振動仕上げプロセスは、処理される部品の数と複雑さに応じて、10 分から数時間かかる場合があります。
適合素材<br /> Vapor Smoothing は、ほとんどの 3D プリント ポリマーおよびエラストマーと互換性があります。蒸気平滑化に適した一般的な材料には、アクリロニトリルスチレンアクリレート (ASA)、アクリロニトリルブタジエンスチレン (ABS)、高衝撃性ポリスチレン (機械によって異なります)、ナイロン 11 (PA 11)、ナイロン 12 (PA 12)、ポリプロピレン (PP)、およびポリカーボネート/アクリロニトリルブタジエンスチレン (PC-ABS) などがあります。ただし、TPU および特定の特殊フィラメントにはスチーム スムージングは推奨されないことに注意してください。アセトン、メチルエチルケトン (MEK)、テトラヒドロフラン (THF)、ジクロロメタン (DCM)、エチルアセテートなどの各溶剤には、それぞれ独自の有効性と適用上の考慮事項があります。
ただし、振動仕上げは他のさまざまな材料とも互換性があります。たとえば、振動による微細仕上げは、ポリエチレン (PE)、ポリプロピレン (PP)、ポリエチレンテレフタレート (PET) などの熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、エラストマーで作られた 3D プリント部品だけでなく、アルミニウム、ステンレス鋼、真鍮、銅などの金属にも使用できます。これにより、FDM/FFF や粉末床融合などのさまざまな 3D 印刷技術の後処理方法として使用できる、より汎用性の高い方法になります。
△振動研磨後の金属部品の前後比較（出典：Acton Finishing）
後処理技術の限界と利点<br /> どちらのプロセスも、表面の外観と性能の点で多くの利点があります。スチームスムージングにより、射出成形に匹敵する滑らかで防水性のある表面仕上げ部品を実現し、部品の伸び、引張特性、曲げ特性を向上させ、特性、強度、精度を維持します。一方、振動仕上げでは防水仕上げは実現できませんが、非常に滑らかな表面を実現し、コーティングの痕跡を除去し、傷や汚れに強い表面を作り出します。振動微細研磨法と蒸気平滑法で処理された部品は、光沢のある外観の滑らかな表面を生み出します。ただし、スチームスムージングでは、振動仕上げ研磨よりも光沢のある表面が得られます。さらに、振動微細研磨処理を施した部品は、明らかに柔らかく、より心地よい触感が得られます。
ただし、スチームスムージングはすべての印刷に最適なソリューションではないことに注意してください。モデルが複雑すぎたり、小さすぎたり、大きすぎたり、平坦すぎたりすると、歪んだり、詳細が失われたり、後でアーティファクトが目立つようになる場合があります。蒸気平滑化後、部品にはブリッジング、ふくれ、噛み跡、エッジの溜まり、斑点、穴、不完全な特徴などの欠陥が現れる場合があります。さらに、柔軟な材料は硬い材料よりも表面欠陥が発生しやすいことにも注意が必要です。したがって、可動部品やジョイントのあるコンポーネントを蒸気で平滑化する場合は、ジョイントの完全性が損なわれたり、蒸気に過度にさらされて固着したりしないように注意する必要があります。
一方、振動仕上げは、さまざまな研磨剤と方法を選択することで、部品の個々の要件、材料特性、構造に適応できるため、蒸気平滑化よりも幅広い 3D プリント部品に適しています。振動仕上げは、プロセスが常に専門家によって専門的に実行される限り、ほぼすべての 3D プリント部品に適しています。ただし、振動仕上げではコンポーネントの形状が失われる可能性があります。たとえば、部品の角や先端が丸くなりすぎて形状が失われることがあります。一方、スチーム スムージングではこのようなことは起こりません。さらに、振動仕上げではさらに乾燥手順が必要になる場合があり、プロセスが長引くことがあります。
応用分野<br /> スチームスムージングは、医療、自動車、航空宇宙などの業界で好まれている技術で、部品を防水、抗菌、化学薬品不使用に処理することができます。振動による精密研磨に関しては、医療、自動車、スポーツ業界が特にこの技術の恩恵を受けています。あらゆる分野において、特に金属部品の滑らかな表面は、コンポーネントの適切な機能と安全な状態を確保するために重要です。しかし、蒸気平滑化と振動仕上げは、コンセプトモデルからプロトタイプ、最終製品まで、製品開発サイクル全体にわたって実装することができ、医療、自動車、消費者製品など、さまざまな業界で広く使用されています。振動式微細仕上げ工程で加工される部品の例としては、自動車産業における自動車部品や、スポーツ産業におけるローラースケートやフィットネス機器などが挙げられます。さらに、ジュエリーや食器は消費者向けに振動研磨されています。自動車業界で蒸気平滑化処理がよく行われる部品の例として、ダッシュボード、ドア ハンドル、センター コンソール要素などの車両の内部部品が挙げられます。蒸気スムージングは、航空宇宙産業でも、翼、空気ダクト、エンジン部品などの航空機部品に使用されています。
△スチームスムージングは航空宇宙産業の航空機部品によく使用されています（画像提供：Fast Radius）
サプライヤーと価格<br /> SPALECK GmbH、VibraFinish、Rohde AG などのさまざまなサービスプロバイダーが、個人の顧客や企業向けに振動精密研磨サービスを提供しています。蒸気平滑化に関しては、Xometry、AMT、DyeMansion、Protolabs、Hubs が、指定された後処理ソリューション マシンを通じて、または材料に基づいて蒸気平滑化サービスを提供する有名なサービス プロバイダーです。 3Faktur は、蒸気平滑化および振動微細研磨サービスを提供するドイツの会社です。 AMT PostPro3D シリーズや Powerfuse S シリーズなどの有名な VaporSmoothing マシンは、Xometry と DyeMansion が提供するソリューションであり、Protolabs と Hubs はそれぞれ SLS と MJFHPA 12、PA 12、MJF Ultrasint™ TPU-01 材料を使用しています。
振動式精密研磨に関しては、Walther Trowal、AVAtec、Garant などのメーカーの大型産業用機械の価格は約 18,000 ～ 21,000 ドル (17,000 ～ 20,000 ユーロ) です。研磨剤2kgの費用は21～44ドル（20～40ユーロ）、コンパウンド5リットルの費用も21～44ドル（20～40ユーロ）程度です。価格は加工する部品の数とサイズによって大きく異なります。蒸気スムージングの場合、部品の複雑さに応じて、部品 1 個のスムージングのサービス料金は 5 ～ 15 ドル (4 ～ 14 ユーロ) になる場合がありますが、多くのメーカーは 10 個以上の部品のバンドルでのみこのサービスを提供しています。蒸気スムージングユニット自体の購入費用は、地域、メーカー、品質によって異なりますが、およそ 10,000 ～ 30,000 ドル (11,000 ～ 33,000 ユーロ) です。
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スチームスムージング、振動研磨、精密仕上げ |
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