セラミック 3D プリントの一般的な材料、一般的なプロセス、後処理

はじめに：セラミック材料は、硬度、滑らかさ、耐高温性など、多くのユニークな特性を備えており、さまざまな分野で広く使用されています。 3D プリントされたセラミックは、陶器やアート作品などの装飾目的だけでなく、医療部品や高温航空宇宙部品などの工業用途にも使用できます。素材自体の特性上、3D プリントのプロセスでは通常、専用の 3D プリンターが使用され、プリントは後処理プロセスを経る必要があります。最終的なセラミック部品の作成には、通常のプラスチック印刷よりも時間がかかることがよくあります。では、セラミック 3D プリントで最も一般的に使用される材料は何でしょうか?セラミック 3D プリントプロセスにはどのような種類がありますか?後処理とは何ですか?

材料

△ 3Dプリント用のセラミック材料には、フォトレジンや粉末など、さまざまな形態があります。

セラミック 3D プリントのユニークな点は、もちろんその材料です。芸術の世界では、「セラミック」と「粘土」という用語は、陶器を作るのに使用されるさまざまな材料を説明するために、同じ意味で使われることがよくあります。粘土は確かに陶器の一種ですが、すべての陶器が粘土で作られているわけではありません。実際には、セラミックは、焼成と呼ばれる高温で加熱すると硬化するさまざまな材料で構成されています。

陶器の 3D プリントに最もよく使用される材料は次のとおりです。

●テラコッタは最も一般的に使用される陶器の 1 つで、多孔質の性質と材料の入手しやすさから、植木鉢によく使用されます。その赤い色合いは、窯で焼いたときに形成される酸化鉄によるもので、粘土は FDM システムで押し出すことができ、ほとんどの粘土セラミックよりも丈夫です。

●磁器はシリカと粘土の混合物です。硬質磁器、軟質磁器、ボーンチャイナの3種類があります。硬質釉陶磁器は高級磁器に使用される種類で、主にカオリンと石英および長石を混ぜて作られています。ソフト生地は同様の材料で作られていますが、低温で焼くため、最終製品はハード生地ほど硬くありません。現在、ボーンチャイナは骨灰、カオリン、長石から作られています。磁器は、FDM 押し出しプロセスを使用して製造することも、セラミックフォトレジストの形で 3D プリントすることも、粉末の形でバインダージェッティングを使用して結合することもできます。

陶器は、表面の質感を改善し、防水性を高めるために、焼成前に泥漿（粘土と水の非常に流動性の高い混合物）で仕上げられることがよくあります。焼成はされますが、その過程でガラス化（ガラス状化）されないため、表面は磁器よりも粗いです。 Wasp は、セラミック 3D プリンターを製造する最も有名な企業の 1 つです。

●ストーンウェアは高温で焼成された非多孔質の陶器です。防水性はありますが、美観上の理由から釉薬が塗られることが多いです。 3D プリントでは、石器が最もよく使用されます。

セラミックフィラメント

△陶器に加えて、セラミックフィラメントは、この時計ケースのような他の美的用途にも非常に適しています。

特殊な3Dプリンターを使用してセラミック材料を直接押し出す機能に加えて、通常のFDM 3Dプリンターで印刷できるセラミックベースのフィラメントもあります。これらのフィラメントは通常、ポリマーベースのバインダーとセラミック材料の複合材です。他のフィラメントと同様に、スプールに巻き付けられますが、通常、最終的な加熱段階を通過する前に非常に脆くなります。焼成プロセス中にポリマーは燃え尽きてセラミック材料だけが残りますが、一部のフィラメントではポリマーをセラミック材料から分離するために別の脱バインダープロセスが必要になります。

市場には、Spectrum Filament、LayCeramic、Zetamix など、セラミックフィラメントを製造している企業がいくつかあります。これらのフィラメントは、陶器などの標準的な陶器材料よりもはるかに高価になる傾向があります。 LayCeramic の価格は、直径 2.85 mm で 1 キログラムあたり約 140 ドルですが、Zetamix のジルコニアベースのフィラメント (直径 1.75 mm) は 1 キログラムあたり約 650 ドルです。

セラミック3Dプリント

△ワスプ粘土押し出し機

現在、セラミックを 3D プリントする方法は数多くあり、それぞれに長所と短所があります。セラミックを印刷する最もコスト効率の良い方法は押し出しですが、精度も最も低くなります。樹脂印刷とバインダージェッティングはより高い精度を提供しますが、高価です。

押し出し3Dプリント<br /> 粘土押し出しベースの 3D 印刷システムは、陶器用途のセラミック部品を製造する最も一般的な方法です。最も人気のある粘土押し出しシステムの 1 つは、Wasp のデルタ粘土プリンターのラインです。このプリンターは、空気圧を使用して粘土を押し出しノズルから押し出すか、モーター駆動のオーガーを使用して材料を押し出します。

セラミックフィラメントの出現により、一般的な FDM マシンを使用して陶器を印刷できるようになりました。ただし、脱脂処理により、印刷物は縮んで小さくなります。たとえば、LayCeramic フィラメントは、ポリマーがすべて燃え尽きると 4 分の 1 ほど収縮するため、収縮段階でも一体型のままになるように陶器の形状を設計する際には細心の注意を払う必要があります。壁の厚さは厚く設計する必要があり、Zetamix はジルコニアフィラメントを 2 mm の厚さに設計することを推奨しています。これらの複合材を使用する場合、通常はより広いノズル径が好まれ、標準の 0.4 mm ノズルではなく 0.6 mm ノズルが推奨されます。また、ノズルは硬化鋼または研磨材に耐えられる鋼である必要があります。

その他の3Dプリント

△高精度プリンターは価格も高くなる

互換性のある樹脂 3D プリンターとバインダージェッティングシステムを使用してセラミックを製造することもできます。これらのマシンは主に技術的なセラミックの用途に使用されますが、フォトポリマーシステムを使用して、小型で非常に精巧な装飾陶器部品も製造できます。印刷する前に、Formlabs のセラミック樹脂や Tethon3D の Porcelite などのセラミックとポリマーの混合物を準備する必要があります。セラミック樹脂は重量があるため、印刷が難しい場合があります。ほとんどのプラスチックよりもはるかに重いため、作業面に滑らかで平らなコーティングを施すのが困難な場合があります。

バインダージェッティングシステムは、粉末ベッドシステムを使用して高精度のセラミック部品を製造する Kwambio のセラミックプリンターなどのセラミック部品の印刷にも使用できます。粉末状のセラミックは、独自のバインダーを使用して層ごとに結合され、釉薬をかけて焼成されるまで、印刷された部品の形状、つまり「グリーン状態」を維持します。バインダージェッティングセラミックスは、専用の機械を必要とする非常に特殊なプロセスであるため、すべてのバインダージェッティングプリンターで製造できるわけではありません。こうした 3D 印刷方法を使用して陶器を作成することは可能ですが、必要な機械は非常に高価で、多くの場合 5 桁から始まります。したがって、これらの方法は一般消費者には手の届かないものです。

後処理

△伝統的な陶器と同様に、3Dプリントされた陶器は窯で焼く必要がある

セラミック材料に直接印刷する押し出しシステムの場合、使用する材料と部品のサイズに応じて、印刷物を 1 ～ 2 週間乾燥させておくことができます。乾燥した版画はその後、窯で焼かれます。この工程は素焼きと呼ばれます。最後に釉薬を塗り、釉薬焼きします。窯は高価なので、焼成工程を外注する人も多くいます。工程は伝統的な陶器を焼く場合と同じであるため、通常は特殊な窯や釉薬は必要ありません。

通常の FDM プリンターで印刷されたセラミックフィラメントの場合、後処理は少し複雑になります。一部のフィラメントは、プリントを焼成する前に脱脂する必要があります。たとえば、Zetamix のジルコニアフィラメントでは、部品の印刷後に 2 段階のプロセスが必要です。まず、部品をアセトンの化学槽に入れて結合剤を溶かし、次に粉末を詰めたるつぼで焼成して残った結合剤を熱で除去する必要があり、このプロセスには2日以上かかります。セラミック複合ワイヤの使用を開始する前に、特定の材料の使用方法は大きく異なる可能性があるため、製造元の指示をよく読んでください。

応用

△3Dプリンターは一部の陶芸家の芸術活動の一部となっている

セラミック 3D プリントは、新世代のアーティスト、彫刻家、建築家にインスピレーションを与え、従来のセラミックプロセスでは不可能な形状の華やかで精巧なオブジェクトを作成できるようにしました。陶器から建築デザインのアプリケーションまで、デザイナーたちは陶器を作る新しい方法を見つけています。ジョナサン・キープ、ケイト・ブラックロック、エムレ・カンなどの陶芸家は、3D プリントを使用して、美術館や個人のコレクション向けに魅力的でユニークな陶芸作品を制作してきました。

近年、3D プリンターは粘土を押し出してユニークな屋根瓦、人工サンゴ礁、さらには建物全体を作成するために使用されています。オランダの歴史的な都市デルフトの青いセラミックのアーチや、セラミックモルフォロジーズによる 3D プリントされたセラミックパビリオンなどは、セラミック 3D プリントの可能性を示しています。

印刷サービス

△セラミック3Dプリントの簡単な方法

セラミックの 3D プリントと後処理は、特殊な機械と、プリントされた部品が窯の中でどのように反応するかについての知識を必要とする、かなり複雑なプロセスであるため、3D プリントサービスが市場に登場しました。単にアイデアを試しているだけで、完全なセットアップを自分で購入するつもりがない場合は、これが間違いなく最適な方法です。

Kwambio は、パウダーベッド技術をベースに独自のセラミック 3D プリンターを開発した、セラミック 3D 印刷サービス専門会社です。同社の Web サイトにはセラミック部品の設計ガイドが掲載されており、設計に問題がある場合は、部品を製造する前にエンジニアがフィードバックを提供します。ファイルまたはスケッチを Web サイトにアップロードし、セラミック部品が届くのを待つだけです。

プリンタオプション

△Eazaoは比較的手頃な価格のセラミック3Dプリンターを提供している

前述のように、3D プリンターはカオリンや磁器粘土から石器やテラコッタまであらゆるものを印刷できます。プリンターの推奨事項は次のとおりです。

● Eazao Zero:これは比較的経済的な押し出し機で、箱から出してすぐに使用でき、価格はわずか 899 ドルです。Eazao Zero はほとんどの粘土を押し出すことができ、エアコンプレッサーを必要としないため、デスクトップでの使用に最適です。造形容積は 150 x 150 x 240mm で、0.4 mm から 1 mm の層を生成でき、0.6 mm から 1.5 mm の押し出しノズルで動作できます。全体的に、これは独自の陶芸作品を作り始めるのに非常に費用対効果の高い方法であり、陶器の製造プロセス全体を完了したい場合は、1,099 ドルで電気窯も提供されています。

● Delta Wasp 2040:この有名な粘土プリンターは約 3,500 ドルで、高さ 40 cm までの部品を製造できます。オープンデルタロボットなので、印刷プロセス中に印刷対象の部品と対話することができます。これは、制作中に変更を加えたいアーティストにとって便利です。 Delta Wasp 20240 は、磁器や陶器などのさまざまなセラミックミックスに使用できます。さらに、Wasp は赤い陶器用粘土ミックスを 16 ドル (12.5 kg) で販売しています。

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