Voxeljetインクジェット印刷とHSS高速焼結技術の材料開発と量産への応用

2022年10月28日、ドイツのVoxeljet AGとAntarctic Bearが共同でオンラインライブ放送を開催し、インクジェット3Dプリント材料の開発と量産アプリケーションを紹介しました。このライブ放送は、Weijieの営業部長である Wang Zeli 氏が司会を務めました。

ドイツの voxeljet 社はインクジェット砂 3D 印刷技術の発明者であり、インクジェット砂 3D 印刷技術の世界をリードしています。独自の PMMA 粉末インクジェット接合印刷技術は、プロトタイプの開発や精密鋳造に使用できます。 voxljet China は、voxljet の中国本社です。中国で VX2000 機器を組み立て、製造し、世界市場に供給し、中国で全製品を販売しています。当社は中国のお客様向けに、ローカライズされた砂型、ワックス型、ポリマー粉末印刷サービスも提供しています。

現在、Weijieの3Dプリント技術は、砂、プラスチック、セラミック、HSSの4つの主要な材料システムをサポートしています。今回のライブ放送では、主にセラミックとHSSの2つの主要なシステムを紹介します。

従来のレーザー焼結プリンターは、粉末状のプラスチックポリマーを溶かすために単一点レーザーを使用しており、コストが高く、処理に時間がかかります。英国シェフィールド大学機械工学部の教授であるニール・ホプキンソン氏は、レーザーの代わりに赤外線ランプとインクジェットプリントヘッドを使用し、HSS高速焼結技術を発明しました。これは革命的な技術です。高速焼結技術を開発する目的は、既存の技術をこの技術に置き換え、3Dプリントに大量生産能力を持たせることです。 SLS技術やMJF技術と比較して、HSS高速焼結技術には多くの利点があります。

HSS 技術プロセスは主に 4 つのステップで構成されます。まず、ナイロン 12 や TPU などのポリマー材料粉末の層を敷きます。次に、インクジェットプリントヘッドを使用して、焼結が必要な部分に赤外線を効果的に吸収できる特殊なインクを塗布します。次に、焼結が必要な部分に赤外線を照射して、インクが材料粉末を溶かして凝固させるのに十分なエネルギーを吸収するようにします。上記のステップを繰り返して、オブジェクト全体を印刷します。

したがって、HSS テクノロジーには多くの利点があります。
● 印刷速度が速いため、大量生産に明らかな利点があり、従来の射出成形プロセスに匹敵することもできます。
●粉末の溶融速度はレーザー加熱よりも遅いため、材料へのダメージが軽減され、焼結品質が向上します。
● 材質選択の幅が広がります。
●100％リサイクル粉末が使用可能です。
●水性、油性、アルコール系の接着剤が使用できます。

VXJET 社が開発した材料開発用 HSS 装置 VX200 プリンターは、コンパクトな設計と高度な統合性を備え、砂、ワックスモデル、セラミック、ポリマーなどの材料に適しています。スクレーパーとローラーの 2 セットの粉末散布システムを備えています。

現在、VoxelのHSS設備は材料提携を開始しており、Covestro、Evonik、BASFなどの国際材料会社の材料を採用することができます。

実現可能性認証に合格した材料には、PA12、TPU、PP、PBT、EVA、PEBA、PA12GF、PA11、TPEなどがあり、一部はVX200印刷認証に合格しており、PA12は量産認証を完了しています。

WeijieはAGCと共同でセラミック材料の開発に取り組んでおり、現在、印刷可能であることが検証されている材料には、SiC、SiO2、Al2O3、TiO2、ZrO2などがあります。

量産のニーズに応えるため、Weijie は複数の生産設備、集中供給・搬送ロボットなどの自動化設備を設置して部品の大量生産を実現する HSS 高速焼結の量産ソリューションを開発しました。

その後、王澤立氏は大量生産の例をいくつか挙げた。例えば、下のドローン用2ストロークエンジンはVX1000装置を使って生産された。各層に130個の部品を配置でき、1箱に780個を印刷できる。総印刷時間は23時間で、部品1個あたりの平均処理時間は100秒だ。

PMMA 材料を印刷した量産事例は、寸法が 320×280×100mm の航空機エンジンブレードの製造です。製造の難しさは、局所的な厚さがわずか 0.5mm であるという事実にあります。

PMMAインテークマニホールドの量産では、VX1000モデルを使用し、各層に21個配置し、1箱あたり105個を生産しました。印刷時間は23時間、1個あたりの平均印刷時間は14分でした。

砂型鋳造の分野では、VJETの最大の砂型3Dプリンターは現在、長さが最大4メートルで、一度に12トンの砂型を印刷できる。また、超大型鋳物用の砂型を一度に60トン印刷できる10メートル級のプリンターも開発中だ。代表的な量産適用事例としてはBMWが挙げられます。従来の製造との統合により、複雑な金属部品の積層造形が可能になります。生産ラインは 5 台の VX1300X システムを組み合わせており、年間数十万個の部品を印刷できます。 3Dプリント技術による自由な設計により、自動車エンジンの冷却効率が20％向上しました。

さらに、voxel は、給液システムと液体供給システムの組み合わせを使用して、4 台または 6 台のプリンターを統合し、コストを節約する後処理補助機械システムの組み合わせにより、より大規模な生産ニーズを満たす VX2000 システムソリューションも提供しています。

最後に、王澤氏はこのライブ放送の核となる内容を要約した。

● voxeljet の VX200 プリンターは、特に材料開発に適しています。
● voxeljet のインクジェット 3D プリント技術は、徐々に大量生産のトレンドになりつつあります。
●Weijie はユーザーのニーズに応じて適切な 3D プリントおよび自動化技術を選択できるため、ユーザーのアプリケーションを成功に導く鍵となります。

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