7 つの主要な 3D プリント技術、すべてご存知ですか?

多くの素人は、3D プリントは単に熱いノズルから材料を押し出して積み重ねて形を作るだけだと考えていますが、実際には 3D プリントはそれ以上のものです。本日、Antarctic Bear は 3D プリントプロセスの 7 つの主要なカテゴリを紹介します。3D プリントの初心者でも、さまざまな 3D プリントプロセスを明確に区別できます。

実際、3D プリンティングは積層造形とも呼ばれ、いくつかの異なる 3D プリンティングプロセスをカバーする包括的な用語です。テクノロジーはまったく異なりますが、主要なプロセスは同じです。たとえば、3D プリントは本質的にデジタル技術であるため、すべての 3D モデルから始まります。部品または製品は、最初にコンピュータ支援設計 (CAD) ソフトウェアを使用して設計されるか、デジタル部品ライブラリから電子ファイルとして取得されます。次に、設計ファイルは特別なビルド準備ソフトウェアによって 3D 印刷用のスライスまたはレイヤーに分割され、3D プリンターが従うパスの指示が生成されます。次に、これらのテクノロジの違いと、それぞれの一般的な用途について学習します。

なぜ7種類なのですか？
付加製造の種類は、製造する製品や使用する材料の種類によって分けられ、国際標準化機構 (ISO) では 7 つの一般的な種類に分類されています (ただし、これら 7 つの 3D 印刷カテゴリでは、増加する技術的サブタイプとハイブリッド技術をカバーするのも困難です)。 :

●材料押し出し ●還元重合 ●粉末床溶融結合 ●材料噴射 ●バインダー噴射 ●指向性エネルギー堆積 ●シート積層

1. 材料の押し出し

△材料押し出し3Dプリント

材料の押し出しは、その名前が示す通り、材料がノズルから押し出されます。通常、材料は加熱されたノズルから溶融されて押し出されるプラスチックフィラメントです。プリンターは、ソフトウェアを通じて学習したプロセスパスに沿って、ビルドプラットフォーム上に材料を配置します。その後、フィラメントは冷却されて固化し、固体を形成します。これは 3D プリントの最も一般的な形式です。一見単純に聞こえるかもしれませんが、押し出される材料にはプラスチック、金属、コンクリート、バイオゲル、さまざまな食品などが含まれるため、実際には非常に広範なカテゴリになります。このタイプの 3D プリンターの価格は 100 ドルから 7 桁までさまざまです。

●材料押出のサブタイプ：熱溶解積層法（FDM）、建築3Dプリント、マイクロ3Dプリント、バイオ3Dプリント●材料：プラスチック、金属、食品、コンクリートなど●寸法精度：±0.5％（下限±0.5mm）
●一般的な用途: プロトタイプ、電気筐体、形状および適合テスト、治具および固定具、精密鋳造パターン、ハウジングなど。
●利点:最も低コストの 3D プリント方法、幅広い材料に対応●欠点: 一般的に材料特性 (強度、耐久性など) が低く、一般的に寸法精度が低い

1. 熱溶解積層法（FDM）

△FDM部品は、さまざまな3Dプリンターで金属またはプラスチックから作ることができます

FDM 3D プリンターは数十億ドル規模の市場であり、メーカーからは基本モデルから高度なモデルまで数千種類のマシンが提供されています。 FDM マシンは Fused Filament Fabrication (FFF) と呼ばれ、まったく同じ技術です。すべての 3D 印刷技術と同様に、FDM はデジタルモデルから始まり、それが 3D プリンターがたどることができるパスに変換されます。 FDM では、3D プリンターのスプールに 1 本 (または一度に数本) のフィラメントが装填され、押し出しヘッドのプリンターのノズルに供給されます。プリンターのノズルが必要な温度まで加熱され、フィラメントが柔らかくなり、連続した層が結合して固体部品を形成できるようになります。

プリンターは、XY 平面上の指定された座標に沿って押し出しヘッドを移動させながら、最初の層を形成し続けます。次に、押し出しヘッドが次の高さ (Z 平面) まで上昇し、断面を印刷するプロセスが繰り返され、オブジェクトが完全に形成されるまで層ごとに積み重ねられます。オブジェクトの形状によっては、たとえばモデルに急なオーバーハングがある場合など、印刷中にモデルを保持するためのサポート構造を追加する必要がある場合があります。これらのサポートは印刷後に削除されます。一部のサポート構造材料は、水または他の溶液に溶ける場合があります。

△FDM 3Dプリンターは、愛好家、中小企業、製造業者向けに幅広いマシンを提供しています（出典：Creality、Raise3D、Stratasys）

2.3Dバイオプリンティング

△3Dバイオプリンティングは従来の3Dプリンティングに似ていますが、原材料は大きく異なります

3D バイオプリンティングまたは 3D バイオプリンティングは、生きた細胞や栄養素などの有機または生物学的材料を組み合わせて、組織に似た自然な 3 次元構造を作成する付加製造プロセスです。言い換えれば、バイオプリンティングは、骨組織や血管から生体組織まで、あらゆるものを生成できる 3D プリンティングの一種です。これは、組織工学、薬物試験および開発、革新的な再生医療療法など、さまざまな医療研究および応用に使用されています。 3D バイオプリンティングの実際の定義はまだ進化しています。本質的に、3D バイオプリンティングは FDM 3D プリンティングと同様に機能し、材料押し出しのグループに属します。（ただし、押し出し法はバイオプリンティングの唯一の方法ではありません。）

3D バイオプリンティングでは、針から吐出される材料 (バイオインク) を使用して印刷層を作成します。バイオインクとして知られるこれらの材料は、主に細胞などの生体物質と、構造成長のための分子足場やサポートを提供する栄養素として機能するコラーゲン、ゼラチン、ヒアルロン酸、シルク、アルギン酸塩、ナノセルロースなどのキャリア材料で構成されています。

3. 建築用3Dプリント

△建築3Dプリント

建築用 3D プリントは、材料押し出しの急速に成長している分野です。この技術では、非常に大きな 3D プリンター (通常は高さ数十メートル) を使用して、コンクリートなどの建築資材をノズルから押し出します。これらの機械は通常、ガントリーまたはロボットアームシステムの形で提供されます。 3D 建築印刷技術は現在、住宅、建築物、井戸から壁までさまざまな建設プロジェクトで使用されています。一部の研究者は、労働力の必要性が減り、建設廃棄物も減るため、建設業界全体を大きく変える可能性があると指摘している。

米国やヨーロッパには3Dプリント住宅が数十軒存在し、月や火星で見つかった材料を使って将来の探検のための住居を建設する3D建設技術を開発する研究も進行中だ。コンクリートの代わりに地元の土を使って印刷することも、より持続可能な建設方法として注目を集めています。

2. 還元重合

△レーザーによる還元重合

バット重合法 (樹脂 3D 印刷とも呼ばれます) は、光源を使用してバット内のフォトポリマー樹脂を選択的に硬化 (または固める) する 3D 印刷プロセスの一種です。つまり、光は液体プラスチックの特定の点または領域に正確に照射され、それを硬化させます。最初の層が硬化した後、ビルドプラットフォームが (プリンターによって異なりますが) わずかに (通常は 0.01 ～ 0.05 mm) 上または下に移動し、次の層が硬化して前の層に結合します。このプロセスは、3D パーツが形成されるまで層ごとに繰り返されます。 3D 印刷プロセスが完了したら、オブジェクトを洗浄して残りの液体樹脂を除去し、部品の機械的特性を高めるために後硬化 (太陽光の下または UV チャンバー内) を行います。

バット重合の最も一般的な 3 つの形式は、ステレオリソグラフィー (SLA)、デジタル光処理 (DLP)、および液晶ディスプレイ (LCD) (マスクベースステレオリソグラフィー (MSLA) とも呼ばれる) です。これらのタイプの 3D 印刷技術の基本的な違いは、光源と、それを使用して樹脂を硬化させる方法にあります。

△バット重合法は光を利用して感光性樹脂を層ごとに硬化させる

一部の 3D プリンターメーカー、特にプロ仕様の 3D プリンターを製造しているメーカーは、独自の特許取得済みの光重合のバリエーションを開発しているため、市場ではこの技術に異なる名前が付けられている場合があります。産業用 3D プリンターメーカーの Carbon は、デジタル光合成 (DLS) と呼ばれる槽重合技術を採用しています。Stratasys の Origin は、その技術をプログラマブル光重合 (P3) と呼んでいます。Formlabs は、低力立体造形 (LFS) と呼ばれる技術を提供しています。また、Azul 3D は、大面積高速印刷 (HARP) の形で槽重合を初めて商品化しました。また、リソグラフィーベースの金属製造（LMM）、投影マイクロステレオリソグラフィー（PμSL）、金属やセラミック繊維などの機能性添加剤を液体樹脂に導入する充填フォトポリマー技術であるデジタル複合材製造（DCM）もあります。

●3Dプリント技術の種類：ステレオリソグラフィー（SLA）、液晶ディスプレイ（LCD）、デジタル光処理（DLP）、マイクロステレオリソグラフィー（μSLA）など。
●材質：フォトポリマー樹脂（鋳造用、透明、工業用、生体適合性など）
●寸法精度：±0.5%（下限は±0.15mmまたは5nm、μSLA使用時）
● 一般的な用途: 射出成形ポリマーのプロトタイプと最終用途部品、ジュエリー鋳造、歯科用途、消費者向け製品 ● 利点: 滑らかな表面仕上げ、細かい特徴の詳細

1. ステレオリソグラフィー（SLA）

△ ステレオリソグラフィー (SLA) 3D Systems、DWS、Formlabs の SLA 3D プリント例

SLA は世界初の 3D プリント技術です。ステレオリソグラフィーは 1986 年にチャック・ハルによって発明され、彼はその技術の特許を取得し、それを商品化するために 3D Systems を設立しました。現在、この技術は、幅広い 3D プリンターメーカーから愛好家や専門家に提供されています。 SLA はレーザー光線を使用して樹脂の容器を狙い、印刷領域内のオブジェクトの断面を選択的に固め、層ごとに構築します。ほとんどの SLA プリンターは、部品を硬化させるために固体レーザーを使用します。このバレル重合の欠点の 1 つは、ポイントレーザーがオブジェクトの断面をトレースするのに、光をフラッシュして一度に層全体を硬化させる次の方法 (DLP) よりも時間がかかることです。しかし、レーザーはより強力な光を生成でき、これは特定のエンジニアリンググレードの樹脂に必要です。

△SLA 3Dプリンターは、1つまたは複数のレーザーを使用して、一度に1層の樹脂を追跡して硬化させます。

マイクロステレオリソグラフィー（μSLA）

マイクロステレオリソグラフィーでは、2 マイクロメートル (μm) ～ 50 μm の解像度で微細な部品を印刷できます。参考までに、人間の髪の毛の平均的な幅は 75 ミクロンです。「マイクロ3Dプリンティング」技術の一つです。 μSLA では、感光性材料 (液体樹脂) を UV レーザーにさらします。違いは、特殊な樹脂、レーザーの複雑さ、そして信じられないほど小さな光点を作り出すレンズの追加にあります。

△NanoscribeとMicrolight3Dは、TPP 3Dプリンターの2大メーカーです（出典：Nanoscribe、Microlight3D）

2光子重合（TPP）

もう 1 つのマイクロ 3D 印刷技術である TPP (2PP とも呼ばれる) も、レーザーと感光性樹脂を使用するため、SLA に分類できます。μSLA よりも小さい部品 (最小 0.1 ミクロン) を印刷できます。 TPP は、特殊な樹脂の容器内の狭いスポットに焦点を合わせたパルスフェムト秒レーザーを使用します。このスポットは、樹脂内でボクセルとも呼ばれる単一の 3D ピクセルを固めるために使用されます。ナノメートルからマイクロメートルまでのこれらの小さなボクセルは、事前に定義されたパスで層ごとに固化されます。 TPPは現在、研究、医療用途、マイクロ電極や光センサーなどのマイクロ部品の製造に使用されています。

△マイクロ3Dプリント：TPP技術

2. デジタル光処理（DLP）

△Anycubic、Carbon、ETECのDLP 3Dプリントパーツ

DLP 3D プリンティングでは、レーザーではなくデジタル光プロジェクターを使用して、各レイヤーの単一の画像 (または大きな部品の場合は複数の露光) をレイヤーまたは樹脂に同時にフラッシュします。 DLP (SLA よりも一般的) は、ビルド内の部品の数に関係なく、各レイヤーの露光にまったく同じ時間がかかることから、1 回のバッチでより大きな部品や大量の部品を製造する場合に使用されます。これにより、SLA のポイントレーザー方式よりも効率的になります。各レイヤーの画像は正方形のピクセルで構成され、ボクセルと呼ばれる小さな長方形のブロックで形成されたレイヤーになります。光は、発光ダイオード (LED) スクリーンまたは UV 光源 (ランプ) を使用して樹脂に投影され、デジタルマイクロミラーデバイス (DMD) を介して構築表面に投影されます。

△デジタルライトプロセッシング（DLP）樹脂3Dプリンターは、趣味用から本格的な製造用まで多岐にわたります

最新の DLP プロジェクターには通常、光源として数千個のミクロンサイズの LED が搭載されています。オンとオフの状態は個別に制御され、XY 解像度が向上します。すべての DLP 3D プリンターが同じように作られているわけではありません。光源のパワー、光源が通過するレンズ、DMD の品質、および 300 ドルのマシンを構成する他の多くの部品は、20 万ドル以上のマシンと比べて大きく異なります。

トップダウンDLP
一部の DLP 3D プリンターでは、光源がプリンターの上部に取り付けられており、樹脂槽の上ではなく下に向けて光を照射します。これらの「トップダウン」マシンは、画像レイヤーを上からフラッシュし、一度に 1 つのレイヤーを硬化させてから、硬化したレイヤーをバットに戻します。ビルドプレートが下がるたびに、バットの上部に取り付けられたリコーターが樹脂の上を前後に移動し、新しい層を平らにします。メーカーによれば、このアプローチでは、印刷プロセスが重力に逆らって行われないため、より大きな印刷物でもより安定した部品出力が得られるという。下から上に印刷する場合、ビルドプレートから垂直に吊り下げられる重量には制限があります。樹脂バットは印刷時に印刷物を支えるため、サポート構造の必要性が減ります。

△ BMF Precision の MicroArch S230 は、2 ミクロンという微細なポリマーやセラミック部品を印刷できます (出典: BMF Precision)

投影型マイクロステレオリソグラフィー（PμSL）

PμSL はバケット集約自体が独自のタイプであるため、DLP のサブカテゴリに分類されます。これは別のマイクロ 3D 印刷技術です。 PμSL はプロジェクターからの UV 光を使用して、特別に配合された樹脂の層をミクロンレベル (解像度 2 ミクロン、層の高さは 5 ミクロンまで) で硬化します。この付加製造技術は、低コスト、精度、速度、そしてポリマー、生体材料、セラミックなど、さまざまな材料を扱えることから、成長を続けています。マイクロ流体工学や組織工学からマイクロ光学やバイオメディカルマイクロデバイスに至るまで、幅広い用途への可能性を示しています。

リソグラフィーベースの金属製造 (LMM)

DLP のもう一つの遠い親戚であるこの 3D 印刷方法では、光と樹脂を使用して、外科用ツールやマイクロメカニカル部品などの用途向けの小さな金属部品を作成します。 LMM では、金属粉末を感光性樹脂に均一に分散させ、プロジェクターを通して青色光を照射することで選択的に重合させます。印刷後、グリーン部品のポリマー成分が除去され、炉内で焼結処理されて仕上げられる全金属製の脱脂部品が残ります。材質には、ステンレス鋼、チタン、タングステン、真鍮、銅、銀、金などがあります。

△Incus 3DプリンティングのLMM技術を使用して作られたマイクロメタル3Dプリント部品

3. 液晶ディスプレイ（LCD）

△ Elegoo、Photocentric、Nexa3D の LCD 3D プリント部品。

液晶ディスプレイ (LCD) はマスクステレオリソグラフィー (MSLA) とも呼ばれ、デジタルマイクロミラーデバイス (DMD) の代わりに LCD スクリーンを使用する点を除いて、前述の DLP と非常によく似ています。これは、3D プリンターの価格に大きな影響を与えます。 DLP と同様に、LCD フォトマスクはデジタル表示され、正方形のピクセルで構成されています。 LCD フォトマスクのピクセルサイズによって、印刷の粒度が決まります。したがって、XY 精度は固定されており、DLP の場合のようにレンズのズーム度やスケーリングには依存しません。 DLP プリンターと LCD 技術のもう 1 つの違いは、後者ではレーザーダイオードや DLP 電球のような単一の点光源ではなく、数百の個別エミッターの配列が使用されることです。

△現在、LCD樹脂3Dプリント技術は、民生用機械から産業用機械へと移行している。

DLP と同様に、LCD は特定の条件下では SLA よりも高速な印刷時間を実現できます。これは、レーザースポットで断面領域をトレースするのではなく、層全体を一度に露光するためです。 LCD ユニットのコストが低いため、この技術は低価格のデスクトップレジンプリンターの世界で主流の技術となっていますが、これは専門的に使用されていないという意味ではなく、一部の産業用 3D プリンターメーカーは、この技術の限界を押し広げて素晴らしい結果を生み出しています。

3. パウダーベッドフュージョン

△ 粉末床溶融結合

パウダーベッドフュージョン (PBF) は、熱エネルギー源が構築領域内の粉末粒子 (プラスチック、金属、セラミック) を選択的に溶かして、層ごとに固体オブジェクトを作成する 3D 印刷プロセスです。パウダーベッドフュージョン 3D プリンターは、通常、ブレード、ローラー、またはワイパーを使用して、プリントベッド全体に粉末材料の薄い層を広げます。レーザーからのエネルギーが粉末層上の特定の点を融合し、次に別の粉末層が堆積されて前の層に融合されます。このプロセスは、物体全体が製造されるまで繰り返され、最終製品は未溶融の粉末に囲まれて支えられます。

△金属レーザー粉末床溶融結合プロセス

PBF は、消費財、機械、ツールなどの最終用途向けに、強度、耐摩耗性、耐久性などの高い機械的特性を備えた部品を生産できます。この市場セグメントの 3D プリンターはますます手頃な価格になってきていますが (約 25,000 ドルから)、産業技術と見なされています。

3D 印刷技術の種類: 選択的レーザー焼結法 (SLS)、レーザー粉末床溶融法 (LPBF)、電子ビーム溶融法 (EBM)
●材質：プラスチック粉末、金属粉末、セラミック粉末●寸法精度：±0.3％（下限±0.3mm）
● 一般的な用途: 機能部品、複雑なパイプ (中空設計)、小ロット部品生産 ● 利点: 機能部品、優れた機械的特性、複雑な形状 ● 欠点: 機械コストが高い、材料コストが高い、構築速度が遅い

1. 選択的レーザー焼結法（SLS）

△SinteritのSLS 3Dプリント部品

選択的レーザー焼結法 (SLS) では、レーザーを使用してプラスチック粉末から物体を作成します。まず、ポリマー粉末の入った箱をポリマーの融点より少し低い温度まで加熱します。次に、再コーティングブレードまたはワイパーを使用して、非常に薄い層の粉末材料 (通常 0.1 mm の厚さ) をビルドプラットフォーム上に堆積します。レーザーは、デジタルモデル内に配置されたパターンに従って表面のスキャンを開始します。レーザーは粉末を選択的に焼結し、物体の断面を固めました。断面全体がスキャンされると、ビルドプラットフォームは 1 層の厚さ分だけ下に移動します。再コーティングブレードは、最後にスキャンした層の上に新しい粉末層を堆積し、レーザーはオブジェクトの次の断面を、以前に固化した断面の上に焼結します。

△SLS 3Dプリント部品は、手動または自動で粉末を除去して洗浄できます。

すべてのオブジェクトが作成されるまで、これらの手順を繰り返します。焼結されていない粉末は、物体を支えるために所定の位置に留まるため、サポート構造の必要性が軽減されるか、または不要になります。部品を粉末床から取り出して洗浄したら、他の後処理手順は必要ありません。部品は研磨、コーティング、着色することができます。 SLS 3D プリンターには、サイズだけでなく、レーザーの出力と数、レーザーのスポットサイズ、ベッドの加熱のタイミングと方法、粉末の分散方法など、多くの差別化要因があります。 SLS 3D プリントで最もよく使用される素材はナイロン (PA6、PA12) ですが、柔軟な部品は TPU やその他の素材を使用して印刷することもできます。

△SLS 3Dプリンターはポリマー粉末とレーザーを使用して固体部品を形成します

2. マイクロ選択的レーザー焼結（μSLS）

μSLS は、以下に説明する SLS またはレーザー粉末ベッド融合 (LPBF) に該当する技術です。これは SLS のようにレーザーを使用して粉末材料を焼結しますが、材料は通常プラスチックではなく金属であるため、LPBF に似ています。これは、顕微鏡レベルの解像度（5 μm 未満）で部品を作成できるもう 1 つのマイクロ 3D 印刷技術です。

△3D MicroPrintによる金属3Dマイクロプリント

μSLS では、金属ナノ粒子インクの層を基板に塗布し、乾燥させて均一なナノ粒子層を生成します。次に、デジタルマイクロミラーアレイを使用してパターン化されたレーザーを使用してナノ粒子を加熱し、目的のパターンに焼結します。この一連の手順を繰り返して、μSLS システムで 3D パーツの各層を構築します。

3. レーザー粉末床溶融結合法（LPBF）

△ SLM 精度を示す Xact Metal テストピース (出典: Xact Metal)

すべての 3D 印刷技術の中で、この技術には最も多くの別名があります。この金属 3D 印刷方法は正式にはレーザー粉末床溶融結合法 (LPBF) として知られていますが、直接金属レーザー焼結法 (DMLS) や選択的レーザー溶融法 (SLM) とも広く呼ばれています。この技術の開発初期に、機械メーカーは同じプロセスに独自の名前を付けましたが、それは現在でも使用されています。機械的な詳細の一部は異なりますが、これら 3 つの用語はすべて同じプロセスを指していることに注意することが重要です。

粉末床融合のサブタイプである LPBF は、金属粉末の床と 1 つ以上の (最大 12 個) 高出力レーザーを使用します。 LPBF 3D プリンターはレーザーを使用して、モデルが完成するまで分子レベルで金属粉末を層ごとに選択的に融合します。 LPBF は、航空宇宙、医療、産業用途の複雑な金属部品を作成するためによく使用される、高精度の 3D 印刷方法です。

△サンドビックのLPBF金属3Dプリント

SLS と同様に、LPBF 3D プリンターはスライスに分割されたデジタルモデルから始まります。プリンターは粉末をビルドチャンバーに充填し、スクレーパー（ワイパーのような）またはローラーを使用して、粉末をビルドプレート上に薄い層で広げます。レーザーは粉末の上に層をトレースします。次に、ビルドプラットフォームが下方に移動し、別の粉末層が塗布されて最初の層と融合し、オブジェクト全体が構築されます。ビルドチャンバーは密閉され、密封されており、多くの場合、窒素やアルゴンの混合物などの不活性ガスで満たされています。これは、溶解プロセス中に金属が酸化しないようにし、溶解プロセスからの破片の除去を助けるためです。印刷後、部品は粉末床から取り出され、洗浄され、多くの場合、応力緩和のために二次熱処理が行われます。残った粉末はリサイクルされます。

LPBF 3D プリンターの差別化要因には、レーザーの種類、強度、数などがあります。小型でコンパクトな LPBF プリンターには 30 ワットのレーザーが 1 つ搭載されている場合もありますが、産業用バージョンには 1,000 ワットのレーザーが 12 個搭載されている場合もあります。 LPBF マシンでは、ステンレス鋼、ニッケル超合金、チタン合金などの一般的なエンジニアリング合金が使用されます。 LPBF プロセスで使用できる金属は数十種類あります。

△One Click Metal、Farsoon、Kurtz ErsaのLPBF 3Dプリンター。

3. 電子ビーム溶解法（EBM）

△電子ビーム溶解法（EBM）

EBM は電子ビーム粉末床溶融結合法 (EB PBF) とも呼ばれ、LPBF に似た金属 3D 印刷方法ですが、ファイバーレーザーの代わりに電子ビームを使用します。この技術は、チタン製の整形外科用インプラント、ジェットエンジンのタービンブレード、銅コイルなどの部品の製造に使用されています。

電子ビームはより多くのエネルギーと熱を生成しますが、これは特定の金属や用途には望ましいものです。さらに、EBM はビームの散乱を防ぐために不活性ガス環境ではなく真空チャンバー内で実行されます。ビルドチャンバーの温度は最大 1,000 °C に達し、場合によってはそれ以上になることもあります。電子ビームは電磁ビームを使用して操縦されるため、レーザーよりも高速に移動でき、分割して複数の領域を同時に照射することもできます。

△ JEOL、GE Additive、Wayland Additive の電子ビーム溶融 (EBM) 金属 3D プリンター。

EBM が LPBF よりも優れている点の 1 つは、導電性材料と銅などの反射性金属の両方を処理できることです。 EBM のもう 1 つの特徴は、ビルドチャンバー内で個々のパーツをネストまたは積み重ねることができることです。パーツを必ずしもビルドプレートに取り付ける必要がないため、出力量が大幅に増加します。電子ビームは通常、レーザーよりも厚い層と粗い表面特徴を生成します。ビルドチャンバー内の温度が高いため、EBM 印刷された部品では、印刷後の熱処理による応力緩和が必要ない場合があります。

4. マテリアルジェッティング

△材料噴射

マテリアルジェッティングは、ビルドプレート上に材料の小さな液滴を堆積させて硬化、つまり固化する 3D 印刷プロセスです。オブジェクトは、光にさらされると固まるフォトポリマーまたはワックスの液滴を使用して、一度に 1 層ずつ構築されます。材料噴射プロセスの性質上、同じ物体に異なる材料を印刷することが可能です。この技術の応用例の 1 つは、さまざまな色や質感の部品を製造することです。

3D 印刷技術の種類: マテリアルジェッティング (MJ)、ナノ粒子ジェッティング (NPJ)
●材質：感光性樹脂（標準、鋳造、透明、耐高温）、ワックス●寸法精度：±0.1mm
● 一般的な用途: フルカラー製品プロトタイプ、射出成形金型のようなプロトタイプ、少量生産の射出成形金型、医療用モデル、ファッション ● 利点: テクスチャ加工された表面仕上げ、フルカラー、複数の材料が利用可能 ● 欠点: 材料が限られている、精度が求められる機械部品には適していない、視覚目的で使用される他の樹脂技術よりもコストが高い

1. マテリアルジェッティング（M-Jet）

△ストラタシスのマテリアルジェッティング3Dプリント部品

ポリマーのマテリアルジェッティング (M-Jet) は、感光性樹脂の層をビルドプレート上に選択的に堆積し、紫外線 (UV) で硬化させる 3D 印刷プロセスです。層が堆積され硬化した後、ビルドプラットフォームが 1 層分下げられ、このプロセスが繰り返されて 3D オブジェクトが構築されます。 M-Jet は、樹脂 3D プリントの高精度とフィラメント 3D プリント (FDM) の速度を組み合わせて、リアルな色と質感を持つ部品やプロトタイプを作成します。

すべてのマテリアルジェッティング 3D 印刷技術が同じように作られているわけではありません。プリンターメーカーや専用素材によって違いがあります。 M-Jet マシンは、複数列のプリントヘッドから列ごとにビルド材料を配置します。このアプローチにより、プリンターは構築速度を犠牲にすることなく、単一のライン内で複数のオブジェクトを製造できるようになります。モデルがビルドプラットフォーム上に正しく配置され、各ビルドライン内のスペースが最適化されている限り、M-Jet は他の多くのタイプの樹脂 3D プリンターよりも速く部品を製造できます。

△ストラタシス、DPポーラー/3Dシステムズ、ミマキのマテリアルジェッティング3Dプリンター

M-Jet で製造されるオブジェクトにはサポートが必要です。サポートは、後処理段階で除去される溶解可能な材料から構築プロセス中に同時に印刷されます。 M-Jet は、マルチマテリアル印刷とフルカラーで作られたオブジェクトを提供する数少ない 3D 印刷技術の 1 つです。マテリアルジェッティングマシンには趣味用バージョンはありません。これらのマシンは、コンセプトをテストし、製品をより早く市場に投入するために正確なプロトタイプを作成したい自動車メーカー、工業デザイン会社、アートスタジオ、病院、およびあらゆる種類の製品製造業者の専門家向けです。バット重合技術とは異なり、M-Jet ではプリンター内の UV 光によって各層が完全に硬化するため、後硬化は必要ありません。

エアロゾルジェット

エアロゾルジェットは、Optomec という会社が開発した独自の技術で、主に 3D プリントエレクトロニクスに使用されます。抵抗器、コンデンサ、アンテナ、センサー、薄膜トランジスタなどのコンポーネントは、エアロゾルジェット技術を使用して印刷されます。大まかに言えばスプレー塗装に似ていますが、工業用コーティングプロセスと異なるのは、完全な 3D オブジェクトを印刷できる点です。

電子インクはアトマイザー内に配置され、直径 1 ～ 5 ミクロンの液滴を生成します。次に、エアロゾルミストは堆積ヘッドに送られ、シースガスによって集中され、高速粒子スプレーが生成されます。プロセス全体を通じてエネルギーが使用されるため、この技術は指向性エネルギー堆積と呼ばれることもありますが、この場合の材料は液滴の形であるため、材料噴射に含めます。

プラスチックフリー成形

ドイツの企業 Arburg は、押し出しと材料噴射を組み合わせたプラスチックフリーフォーミング (APF) と呼ばれる技術を開発しました。市販のプラスチック粒子を使用し、射出成形工程中に溶融して排出ユニットに移動します。高周波ノズル閉鎖により、直径 0.2 ～ 0.4 ミリメートルの小さなプラスチック液滴が毎秒最大 200 個、急速に開閉する動きが発生します。液滴は冷却すると硬化物質と結合します。通常、後処理は必要ありません。サポート材が使用されている場合は、それを除去する必要があります。

2. ナノ粒子噴射（NPJ）

△ナノ粒子噴射技術とXJet 3Dプリンターで作製した金属部品

分類が難しい数少ない独自技術の 1 つである NanoParticle Jetting (NPJ) は、XJet という会社によって開発され、数千のインクジェットノズルを備えたプリントヘッドアレイを使用して、数百万の超微細な材料の液滴を超薄層でビルドトレイに同時に噴射し、同時にサポート材料も噴射します。金属またはセラミックの粒子が液体中に浮遊しています。このプロセスは高温で行われ、噴霧時に液体が蒸発し、ほとんど金属またはセラミック材料だけが残ります。得られた 3D パーツにはバインダーの痕跡のみが残り、これは焼結後のプロセスで除去されます。

5. 接着剤噴射

△ 接着剤噴射

バインダージェッティングは、液体バインダーが粉末層の領域を選択的に結合する 3D 印刷プロセスです。この技術タイプは、粉末床溶融結合と材料噴射の特徴を組み合わせたものです。 PBF と同様に、バインダージェッティングでは粉末材料 (金属、プラスチック、セラミック、木材、砂糖など) を使用し、マテリアルジェッティングと同様に、液体バインダーポリマーがインクジェットから堆積されます。金属、プラスチック、砂、その他の粉末材料であっても、バインダージェッティングプロセスは同じです。

まず、ビルドプラットフォームに薄い層の粉末を塗布して、ブレードを再コーティングします。次に、インクジェットノズルを備えたプリントヘッドがベッド上を通過し、バインダーの液滴を選択的に堆積させて粉末粒子を結合します。 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、ブレードが表面を再コーティングします。セクション全体が完了するまでこのプロセスが繰り返されます。

バインダージェッティングは、印刷プロセスに熱が関与しないという点で独特です。バインダーはポリマー粉末を結合させる接着剤として機能します。印刷後、部品は未使用の粉末に包まれ、通常は硬化するまで放置されます。その後、部品は粉末容器から取り出され、余分な粉末が収集されて再利用できるようになります。ここからは、砂を除いて材料に応じて後処理が必要になります。砂は通常、プリンターから取り出してすぐにコアや型として使用できます。粉末が金属またはセラミックの場合、加熱を伴う後処理はバインダーを溶かし、金属のみを残します。プラスチック部品の後処理には、多くの場合、表面仕上げを改善するためのコーティングが含まれます。また、ポリッシング、ペイント、および砂ポリマーバインダージェット部品を磨くこともできます。

バインダー噴射は高速で、生産率が高いため、他のAMメソッドよりも費用効果的に大量の部品を生産できます。メタルバインダー噴射は、さまざまな金属で使用でき、最終用途の消費財、工具、およびバルクスペアパーツで人気があります。ただし、Polymer Binder Jettingの材料オプションは限られており、構造特性が低い部品を生成します。その価値は、フルカラーのプロトタイプとモデルを作成する能力にあります。

●3D印刷技術のサブタイプ：金属バインダー噴射、ポリマーバインダー噴射、砂バインダー噴射●材料：砂、ポリマー、金属、セラミックなど。
●寸法精度：±0.2 mm（金属）または±0.3 mm（砂）
●一般的なアプリケーション：機能的な金属部品、フルカラーモデル、砂の鋳造、および金型●利点：低コスト、大規模なビルドボリューム、機能的な金属部品、優れた色の繁殖、速い印刷速度、サポートフリーの設計柔軟性●デッカージ：金属のマルチステッププロセスは耐久性がありません

1。金属バインダー噴射

hp HPは金属ジェットテクノロジーを使用してステンレス鋼の3D部品を印刷します

バインダー噴射は、従来の製造技術の能力をはるかに超えた複雑な形状を備えた固体金属オブジェクトを製造するためにも使用できます。 Metal Binder Jettingは、金属部品の大量生産と軽量化を達成するための非常に魅力的な技術です。バインダージェットは、固体ではなく、複雑なパターン化された充填物で部品を印刷できるため、結果として生じるパーツは大幅に軽量ですが、強度を保持します。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。

一般に、金属バインダー噴射部品の材料特性は、金属部品の大量生産のために最も広く使用されている製造方法の1つである金属射出成形によって生成される金属部品の材料特性に匹敵します。さらに、バインダー噴射部品は、特に内部チャネルで、表面の滑らかさの改善を示しました。

△メタルバインダージェット3Dプリンターは、最終用途向けに細かく詳細な固体金属部品を生成します

金属バインダージェット部品は、優れた機械的特性を実現するために印刷後に二次処理が必要です。プリンターから新鮮な部分は、本質的にポリマーバインダーと一緒に結合した金属粒子で構成されています。これらのいわゆる「緑の部分」は脆弱であり、そのまま使用することはできません。印刷された部品が金属粉末のベッド（脱線と呼ばれるプロセス）から除去された後、それらは炉で熱処理されます（焼stingと呼ばれるプロセス）。印刷パラメーターと焼結パラメータは、特定の部分のジオメトリ、材料、望ましい密度に合わせて調整されています。ブロンズまたは他の金属は、バインダー噴射部分のボイドに浸透するために使用されることがあり、したがって、気孔率はゼロになります。

2。プラスチック接着剤噴射

△プラスチック接着剤噴霧

プラスチックバインダー噴射は、粉末と液体のバインダーも使用するという点で、金属バインダー噴射と非常によく似たプロセスですが、アプリケーションは非常に異なっています。印刷すると、プラスチック部品はパウダーベッドから取り外され、洗浄され、通常はさらに処理されずに使用できますが、3D印刷プロセスで見つかった強度と耐久性がありません。プラスチックバインダーの噴射部品には、強度を高めるために別の材料で満たすことができます。ポリマーを使用したバインダー噴射は、医療モデリングと製品プロトタイピングのためにマルチカラー部品を生産する能力に使用されます。

3。サンドバインダー噴射

sand砂バインダースプレー

砂バインダー噴射は、プリンターと印刷プロセスの違いにより、プラスチックバインダー噴射と区別されます。大きな砂鋳造型、パターン、コアの生産は、バインダー噴射技術の最も一般的な用途の1つです。プロセスの低コストと速度は、従来のテクニックを使用して数時間以内に細かいパターンデザインを作成することが困難であるため、ファウンドリにとって優れたソリューションになります。

産業開発の未来は、鋳造所やサプライヤーに大きな要求を課し続けています。砂3D印刷は、その可能性の始まりにあります。印刷後、コアと金型をビルドエリアから取り外し、清掃する必要があります。型は通常、すぐにキャストする準備ができています。鋳造後、型はバラバラになり、最終的な金属部分が除去されます。

4。マルチジェット融合（MJF）

basfとHPは、MJF用の新しい産業用グレードポリプロピレンを開発するために協力しました

既存のカテゴリに簡単に適合せず、実際にはバインダージェットではない別のユニークでブランド固有の3D印刷プロセスは、HPのマルチジェット融合です。 MJFは、粉末材料、液体融合材料、およびディテールエージェントを使用するポリマー3D印刷技術です。それがバインダー噴射とは見なされない理由は、熱がプロセスに加えられ、それがより大きな強度と耐久性のある部分を作成するため、液体は正確に接着剤ではないためです。このプロセスは、印刷プロセスを実行する複数のインクジェットヘッドから名前を取得します。

マルチジェット融合印刷プロセス中に、プリンターはプリントベッドの上に、通常はナイロンの材料粉末の層をレイリングします。この後、インクジェットヘッドはパウダーを通過し、フラックスと精製業者を粉砕します。その後、赤外線加熱装置がプリントの上に移動されます。フラックスを追加する場所はどこでも、基礎となる層が融合し、精製業者のあるエリアは粉状のままです。粉状の部分が落ちて、目的のジオメトリを作成します。また、基礎となる層がそれらの上に印刷された層をサポートするため、これによりサポートのモデリングの必要性が排除されます。印刷プロセスを完了するために、その中の粉末ベッド全体と印刷部品は別の加工ステーションに移動し、ほとんどのゆるい溶けた粉末が掃除機をかけ、再利用できます。

Multi Jet Fusionは、自動車、ヘルスケア、消費財などの複数の業界で使用されている多機能技術です。

△HPジェットフュージョン5200シリーズは、HPマルチジェットフュージョン3Dプリンターの多くのサイズとスタイルの1つです（出典：HP）

6。粉末方向エネルギー堆積

指向エネルギー堆積（DED）は、堆積中に強力なエネルギーによって金属材料が供給および溶ける3D印刷プロセスです。これは、材料（ワイヤまたは粉末）とエネルギータイプ（レーザー、電子ビーム、アーク、超音波、熱など）の形式に応じて多くのサブカテゴリを備えた最も広範な3D印刷カテゴリの1つです。基本的に、溶接と多くの共通点があります。

このテクノロジーは、レイヤーによる層の印刷に使用され、通常はCNC加工を行い、より厳しい許容範囲を実現します。 CNCを使用したDEDの使用は非常に一般的であり、同じマシンのDEDおよびCNCユニットを含むハイブリッド3Dプリンターであるハイブリッド3Dプリントと呼ばれる3Dプリントサブタイプがあります。このテクノロジーは、小さなバッチメタル鋳造と鍛造品に加えて、より速く、より安価な代替品と同様に、航空宇宙、発電、ユーティリティ産業だけでなく、オフショア石油およびガス産業のアプリケーションの重要な修理と考えられています。

ded ded metal 3Dプリンティングテクノロジーは、強固な耐性に処理できる固体金属コンポーネントを迅速に作成できます

●方向エネルギー堆積のサブタイプ：粉末レーザーエネルギー堆積、線形アーク添加剤製造（WAAM）、ワイヤ電子ビームエネルギー堆積、コールドスプレー●材料：さまざまな金属、ワイヤー、粉末形式●寸法精度：±0.1 mm
●一般的なアプリケーション：ハイエンドの自動車/航空宇宙コンポーネント、機能プロトタイプ、最終コンポーネントの修復●利点：高い蓄積率、既存のコンポーネントに金属を追加する能力●短所：サポート構造を作成できないため、複雑な形状はできません。

1。レーザー方向エネルギー堆積

Raserおよび粉末金属を使用した金属の3D印刷

レーザー監督エネルギー堆積（L-DED）は、レーザー金属堆積（LMD）またはレーザーエンジニアリングネットフォーミング（レンズ）としても知られており、金属粉末またはワイヤーを使用して1つ以上のノズルを介して送信し、強力なレーザー融解を介してプラットフォームまたは金属コンポーネントを構築します。ノズルとレーザーが移動するか、部品がマルチ軸ターンテーブルを移動すると、オブジェクトはレイヤーごとに蓄積します。ビルド速度はパウダーベッドよりも速いですが、表面の品質が大幅に低下し、精度が大幅に低下する可能性があります。これには、通常、多くの後処理が必要です。通常、レーザーデッドプリンターには、酸化を避けるためにアルゴンで満たされた密閉チャンバーがあります。それほど反応性の低い金属を扱う場合、局所アルゴンまたは窒素のみで動作することもできます。

このプロセスで一般的に使用される金属には、ステンレス鋼、チタン、ニッケル合金が含まれます。この印刷方法は、ジェットエンジンブレードなどのハイエンド航空宇宙および自動車部品の修復によく使用されますが、部品全体を生産するためにも使用されます。

meltio M450ワイヤ給餌レーザーDED 3Dプリンター、オプトメックレンズCS 600金属粉末給餌レーザーDED 3DプリンターおよびDMG MORI LASERTEC 65 DED POWDER給材レーザーDED 3Dプリンター。

2。電子ビームの指向エネルギー沈着

△電子ビームDED 3D印刷

電子ビームDEDは、ライン電子ビームエネルギー堆積とも呼ばれ、レーザーDEDと非常によく似た3D印刷プロセスです。真空チャンバーで行われ、非常に清潔で高品質の金属を生産できます。ワイヤーが1つ以上のノズルを通過すると、電子ビームによって溶けます。層は個別に構築され、電子ビームはワイヤーがワイヤフィーダーによって供給される小さな溶融プールを形成します。高性能金属と銅、チタン、コバルト、ニッケル合金などの活性金属を扱う場合、電子ビームがDED用に選択されます。

DEDマシンは、実際には印刷サイズの点では限定されません。たとえば、3DプリンターメーカーのSciakyには、1時間あたり3〜9 kgの材料の速度で6メートル近くの部品を生産できるエベドマシンがあります。電子ビームDEDは、最も正確ではありませんが、金属部品を作る最速の方法の1つとして宣伝されているため、胴体などの大きな構造やタービンブレードなどの交換部品を構築するための理想的な機械加工技術です。

△ワイヤ電子ビーム堆積3D印刷

3。ライン制御エネルギー堆積

△ゲーフェルテックアーク添加剤（WAAM）印刷

ワイヤアーク添加剤造形（WAAM）としても知られるワイヤ指向エネルギー堆積は、プラズマまたはアークの形でエネルギーを使用して金属を溶かし、金属層で金属層を溶かし、マルチ軸のターンテーブルなどのロボットアームを介して表面に堆積し、形状を形成する3D印刷です。この方法は、シーリングチャンバーを必要とせず、従来の溶接と同じ金属（場合によってはまったく同じ材料）を使用できるため、レーザーまたは電子ビームを選択するための同様の手法ではなく選択されます。

電気直接エネルギーの堆積は、既存のアーク溶接ロボットと電源を備えたDEDテクノロジーで最も費用対効果の高いオプションと見なされます。しかし、溶接とは異なり、テクノロジーは複雑なソフトウェアを使用して、ロボットアームやツールパスの熱管理を含む、プロセスのさまざまな変数を制御します。この手法には、除去するサポート構造がなく、最終的な部品は通常、必要に応じて、厳密な許容範囲または表面研磨を実現するために必要な場合にCNCマシンです。

gefertecおよびwaam3dワイヤアーク添加剤の製造3Dプリンター。

4。コールドスプレー

coldコールドスプレー

Cold Sprayingは、溶けずにそれらを組み合わせて、熱亀裂や熱応力を生み出すために、超音速速度で金属粉末をスプレーするDED 3D印刷技術です。 2000年代初頭からコーティングプロセスとして使用されてきましたが、最近ではいくつかの企業が、典型的な金属3Dプロセスよりも50〜100倍高いレートで印刷できるため、添加剤の製造にコールドスプレーを使用しており、不活性ガスまたは真空チャンバーを必要としません。

すべてのDEDプロセスと同様に、コールドスプレーは表面の品質や詳細を備えたプリントを生成するものではありませんが、部品はプリントベッドから直接使用できます。

5。直接融解エネルギー堆積

celtedエネルギーの直接エネルギー堆積：XeroxのELEMX 3D液体印刷を使用して作られたアルミニウム部品

溶融直接エネルギー堆積は、熱を使用して金属（通常はアルミニウム）を溶かす3D印刷プロセスであり、レイヤーでビルドプレートに層を堆積させて3Dオブジェクトを形成します。このテクノロジーと金属押出3D印刷の違いは、押し出しが内部に少量のポリマーを含む金属原料を使用して、金属が押し出されることです。次に、ポリマーは熱処理段階で除去され、純粋な金属が溶けます。材料ジェットに溶けた液体または液体をリクケートすることもできますが、一連のノズル堆積液滴の代わりに、液体金属は通常ノズルから流れ出ます。

この技術のバリエーションは開発中であり、溶融金属3Dプリンターはまれです。熱を溶かしてから金属を堆積させるという利点は、他のDEDプロセスよりも少ないエネルギーを使用する能力であり、ワイヤや高度に加工された金属粉末ではなく、リサイクルされた金属を原料として直接使用することができます。

7。シートラミネーション

△シートラミネーション

シートラミネーションは技術的には3D印刷の形式であり、上記の手法とは大きく異なります。その機能は、非常に薄い材料のシートを一緒にスタックしてラミネートして3Dオブジェクトまたはスタックを生成し、機械的またはレーザーでカットして最終形状を形成することです。材料の層は、紙、ポリマー、金属など、材料に応じて、熱や音などのさまざまな方法を使用して融合できます。部品がラミネートされ、レーザーカットまたは希望の形状に処理されると、他の3D印刷技術よりも多くの廃棄物が発生します。

製造業者はシートラミネーションを使用して、バッテリー技術で使用できる比較的高いレートで費用対効果の高い非機能プロトタイプを生産して、印刷プロセス中に使用される材料を交換できるため、複合材料を生産します。

●3D印刷技術の種類：ラミネートオブジェクト製造（LOM）、超音波統合（UC）
●材料：紙、ポリマー、板金●寸法精度：±0.1 mm
●一般的なアプリケーション：非機能プロトタイプ、マルチカラー印刷、鋳造金型。
●利点：迅速に生産できます、複合印刷●欠点：低精度、多くの廃棄物、および一部の部品はポストプロダクションである必要があります

積層添加剤の製造

raminateラミネート添加剤製造

ラミネーションは、材料のシートをラミネートして接着する3D印刷技術であり、次にナイフ（またはレーザーまたはCNCルーター）を使用して、層状のオブジェクトを正しい形状にカットします。他の3D印刷技術のコストが大幅に低下し、使いやすさが低下したため、この技術は最近ではあまり一般的ではありません。

bcn3d粘性リソグラフィーマニュファクチャリング（VLM）樹脂を使用した3D印刷プロセス（出典：BCN3D）

粘性フォトリソグラフィー製造（VLM）： VLMは、BCN3Dの特許取得済みの3D印刷プロセスであり、高粘度の光感受性樹脂を透明な転写フィルムにラミネートすることができます。機械システムにより、樹脂をフィルムの両側から積層することができるため、さまざまな樹脂を組み合わせてマルチマテリアル成分と浸透しやすいサポート構造を取得できます。この技術はまだ商業化されていませんが、ラミネーション3D印刷技術の1つに属することもできます。

複合ベースの添加剤製造（CBAM）：スタートアップの不可能なオブジェクトは、炭素、ガラス、またはケブラーパッドを熱可塑性物質と融合させて部品を作るこの技術を特許化しました。

選択的ラミネート複合材料製造（SLCOM）：現在、デスクトップメタルが所有しているETECとして知られているEnvisionTecは、2016年にこの技術を開発し、繊維繊維複合材料として織物として熱可塑性を使用しました。

注：3D印刷には多くのタイプの3D印刷技術があります。

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