複数の産業用ポリマー 3D 印刷技術の詳細な比較: VOXELJET HSS、HP MJF、SLS

はじめに：今日のポリマー3Dプリント市場は急速に成長しています。関連レポートによると、ポリマーパウダーの消費量は2021年を通じて43.3％増加し、感光性樹脂を上回って最も使用される3Dプリント材料になりました。その結果、産業用 3D プリンター OEM 間の競争はかつてないほど激しくなり、高速焼結 (HSS)、マルチジェット融合 (MJF)、選択的レーザー焼結 (SLS) などの技術によりメーカーに豊富な選択肢が与えられています。
HSS 技術は、2000 年代初頭にラフバラー大学のニール・ホプキンソンとエボニックのシルビア・モンシャイマーによって同時に発明されたもので、バインダージェッティングに似た粉末ベースの 3D 印刷プロセスであり、印刷速度が速く、大型部品を製造できることで知られています。 voxeljet は 2016 年にこの技術の商用化ライセンスを取得して以来、独自の HSS バージョンを開発し、2017 年に最初の HSS 3D プリンターを発売しました。同社はその後、VX200 HSS や VX1000HSS など、HSS 搭載の 3D プリンターを数機種追加し、製品ラインを拡大してきました。
同様に、MJF もバインダージェッティングの傘下の技術です。 HP Inc. は、自動車や消費者製品などの業界で機能プロトタイプや最終用途生産向けのエンジニアリンググレードのポリマー部品を提供しています。
HSS や MJF (インクジェットベースのプロセス) とは異なり、SLS はレーザー粉末ベッド融合の一種です。この方法では、高出力レーザービームとスキャンシステムを使用して、ポリマー粉末の層に部品を 3D プリントします。
すべてのプロセスが同様の特性と表面仕上げを提供するため、これらのポリマー印刷技術が競合相手と見なされることは珍しくありません。この概要では、これら 3 つのテクノロジーの詳細と、それらの違いについて説明します。
△voxeljetVX1000 HSS。画像はvoxeljetより。
インクジェット印刷バトル: HSS vs. MJF
それで、HSS はどのように機能するのでしょうか?まず、加熱されたビルドプラットフォーム上にポリマーパウダーの薄い層を塗布します。次に、インクジェットプリントヘッドがプラットフォーム上を移動し、粉末床の選択された領域に赤外線反応性インクを噴霧します。インクを注入した粉末は赤外線にさらされると熱を吸収し、焼結して固い層に融合し、印刷されていない部分は粉末のまま残ります。次に、ビルドプラットフォームが下げられ、新しい粉末の層が堆積され、3D パーツが印刷されるまでこのプロセスが層ごとに繰り返されます。
MJF は多くの点で HSS に似ています。 HSS プロセスと同様に、 MJFでは、フラックスとも呼ばれる放射線吸収液をポリマー粉末床の特定の領域に噴霧します。その他の領域の境界、つまり印刷されない領域は、リファイナーと呼ばれる補助液で冷却されます。スプレー作業が完了すると、赤外線ランプを使用して造形エリア全体を照射し、接着剤が塗布された部品を融合させます。精製剤を吹き付けた境界は融合されずに残ります。
voxeljet の VX1000 プリンターの巨大なサイズは別として、 2 つのテクノロジーの主な違いは、使用される液体の量です。 Voxeljet の 3D プリンターは結合粉末材料と非結合粉末材料の温度を個別に制御できるため、HSS では 2 番目の冷却剤は必要ありません。彼らは、異なる波長の 2 つの赤外線エミッターを使用することでこれを実現しました。つまり、正確なエッジ定義を実現するために精製剤は必要ありません。
改良により、MJF の解像度は 1200dpi ですが、HSS は 360dpi しかありません。しかし、部品の解像度を決定する重要な要素は依然として粉末の粒子サイズであるため、この場合、プリントヘッドの解像度が高いほど、必ずしも部品の精度が高くなるわけではありません。実際、HSS 液滴は個々のポリマー粒子（通常は約 55 μm の幅）よりもわずかに大きいため、粒子間の交差部分を完全に覆うことができ、これが焼結の発生に極めて重要になります。
△HSSとMJFの解像度の比較。 voxeljetからの画像
主な技術仕様を見ると、MJF システムの最大造形体積は 380 x 294 x 380 mm であるのに対し、voxeljet VX1000 HSS の最大造形体積は 1000 x 540 x 180 mm (PA12 の場合) です。印刷速度に関しても、VX1000 HSS は 7300cm3/h という速度で独自の利点を備えています。一方、最も生産性の高い MJF 3D プリンターの印刷速度は 5058cm3/h です。
2 つのプロセスのもう 1 つの大きな違いは、HSS の 3D プリントに対するオープンソースアプローチです。 Voxeljet のお客様は、マシンのすべてのプロセスパラメータに自由にアクセスでき、支障なく独自の材料に合わせてビルドを調整できます。これにより、ユーザーは材料サプライヤーと直接粉末価格を交渉できるため、大幅なコスト削減が実現します。互換性のあるポリマーのリストは長く、PA12、TPU、PP などが含まれており、これらは市販されているか、まもなく入手可能になります。さらに、概念実証に成功したものには、PA613、PEBA、EVA が含まれます。
一方、MJF 3D プリンターは、PA12、PA11、PP を処理できます。どちらの技術でも、印刷されていない粉末材料の回収と再処理が可能になります。
△MJF 3Dプリンターの造形室。写真提供：Protolabs。
SLS 3D プリントをミックスに追加 完全性を期すために、この比較では SLS 3D プリントについても言及します。 SLS 3D プリンターの仕組みは次のとおりです。レーザーは最初に部品の最初の層の 2D 断面を粉末の層にスキャンします。これにより、粉末が完全に溶けるのではなく、分解されて 1 つの固体層に融合されます。最初の層が完了すると、ビルドプラットフォームが下方に移動し、リコーターが既存の粉末床の上に薄く均一な材料の層を敷き詰めます。この印刷と再塗装のサイクルは、ビルド全体が完了するまで繰り返されます。
最大の SLS システムは、最大 1 メートルの大きさの部品を、Z 高さで約 48 mm/時の印刷速度 (ボックスの使用状況によって異なります) で印刷できます。
Powder Bed Fusion エコシステムは、3D 印刷業界で最も先進的なものの 1 つであり、今日の産業グレードの SLS システムはあらゆる形態のポリマー粉末と互換性があることを意味します。これには、PA6、PA11、PA12、TPU、PP、PAEK、PEEK などが含まれます。
△EOS産業用ポリマー3Dプリンターのビルドチャンバー。写真提供：EOS。
HSS vs MJF vs SLS: 機械的特性 各 3D プリント技術の機械的特性を評価するために、さまざまなサプライヤーから提供された引張試験データを調べました。データは、各技術について合計 15 個の引張試験済みドッグボーン試験片 (X 軸に沿って 5 個、Y 軸に沿って 5 個、Z 軸に沿って 5 個) をカバーしており、それぞれ PA12 で 3D 印刷され、ISO 527 規格に従ってテストされています。
まず、どのポリマー印刷技術が最も強力な部品を生産するかを判断するために、平均極限引張強度 (UTS) を調べました。これは、コンポーネントが破損する前に耐えることができる最大の引張応力です。このラウンドの競争では、 SLS 印刷された試験片の平均強度が最も高く (45.17MPa)、次いで MJF (43.10MPa)、HSS (40.60MPa) となりました。これら 3 つの技術に対応する最大破断荷重は、それぞれ 1885.01N、1782.7N、1659.1N です。
興味深いことに、voxeljet の公式 PA12 データシートでは、XY の UTS 値は 52 (+/- 1) MPa で、Z の UTS 値は 46 (+/- 2) MPa です。この違いの理由は、材料データシートに記載されているデータが、機械データに合わせて最適化されたプロセスパラメータを使用した印刷を参照しているためです。対照的に、この研究のために印刷された犬の骨は、精度と詳細さを最適化したパラメータで印刷されました。したがって、顧客は、voxeljet のオープンソース戦略に沿って、独自のアプリケーションに最適化された仕様で部品を印刷することを選択できます。
次はヤング率です。これは引張剛性の尺度です。ヤング率が高いということは、弾性荷重を受けてもわずかに変形する硬い部品であることを意味します。一方、ヤング率が低いということは、荷重を受けてもより柔軟で弾性が高い部品であることを意味します。今回、 HSSが最も硬い部品（1.82 GPa）を生成し、次いでSLS（1.73 GPa）、MJF（1.43 GPa）となりました。
最後に、延性の尺度である破断時の伸びがあります。この測定値は、部品が破損する前に、元の長さのパーセンテージとしてどの程度伸ばせるかを示します。興味深いことに、XY 平面では、SLS 印刷された部品の延性が最も高く (17.53%)、次いで MJF (16.87%)、HSS (8.88%) となっています。しかし、Z 平面では、MJF が最も多くの延性部品 (14.40%) を生産し、次いで SLS (9.32%)、HSS (6.36%) となりました。
HSS vs MJF vs SLS: 寸法精度 次に、各 3D プリント技術の寸法精度を比較したいと考えました。これを実現するために、4 つの異なる部品形状に対して計測スキャンを実行しました。各部品形状は 3D プリントされ、3 回スキャンされました (HSS、MJF、SLS で 1 回ずつ)。私たちは、部品の 12 回のスキャンを元の STL ファイルと比較し、表面のさまざまなポイントでの印刷の偏差と不正確さを計算することができました。使用した 3D スキャナーは、精度が ±30 μm の GOM ATOS II 400 です。
△測定テスト結果。画像提供: 3D Printing Industry 計測データを見ると、 SLS で印刷された 4 つの部品の寸法が STL モデルの予想寸法に最も近く、平均偏差がわずか 0.0084 mm であったため、全体的に最も正確でした。 HSS の平均不正確さは 0.0527 mm でしたが、MJF は 0.0603 mm でさらに遅れていました。
しかし、平均値だけでは全体像はわかりません。寸法誤差の標準偏差値を見てみると、実はSLSが0.1232mmと最も高い分布を示しています。 2番目はMJFで0.1074mmですが、HSSのスキャン誤差差は最小で、わずか0.0925mmです。したがって、SLS で印刷された部品は平均的にはサイズに忠実になりますが、最も一貫性と再現性を提供するのは実際に HSS プロセスです。

これを説明するために、上の図に示す 4 つの幾何学的形状の 1 つ (サポートフレーム) を詳しく見てみましょう。ベル曲線の限界は、99.6% の点が存在する領域を定義します。たとえば、 SLS 3D プリントで印刷された寸法の 99.6% は、-0.366 mm と 0.388 mm の予想値の範囲内でした。 MJF の場合、これらの数値は -0.402mm と 0.154mm です。最後に、HSS の場合、印刷サイズの 99.6% が -0.313 mm ～ 0.155 mm の範囲内でした。
HSS および MJF 部品の大部分は、意図した寸法よりも大きくなっているのではなく、小さくなっていることに注意することが重要です。これは、赤外線ランプを使用してポリマー部品を焼結および溶融し、密度と強度を高めるという、これらの 3D 印刷方法に固有の加熱ステップに起因すると考えられます。残念ながら、これによりパーツが縮小される影響もあるため、印刷の準備中にビルドを縮小してこの影響を相殺するのが最善です。
技術ベンチマーク: 詳細な解像度を示す 3D キューブ これら 3 つのプロセスの印刷機能をさらに評価するために、いくつかの物理的な 3D 印刷ベンチマークを評価しました。最初のテストは、PA12 素材で印刷された 3 つの正方形のセットでした。このデザインはいくつかの小さな立方体で構成されており、それぞれがグリッドの形状や動くギアのシステムなど、3D プリントされた独自の機能を備えています。
Cube は、多くの可動部品を備えた動的印刷テストであり、3 つのテクノロジ間の表面品質の違いを判断するのに適した方法を提供します。今回は、各キューブの組み立てやすさ、キューブの動きの全体的な滑らかさ、3 つの手法間の細部の解像度を検討しました。
△3Dプリントキューブ - MJF（左）、SLS（中央）、HSS（右）。写真提供：3D Printing Industry。
HSS 拷問キューブを組み立てる際、最初の 6 つの面を所定の位置にカチッとはめるのにそれほど力は必要ありません。コーナーは挟むのではなくスライドさせる必要があり、摩擦によりコーナーを所定の位置に固定するのが難しく、ドライバーの使用が必要なものもあります。
3D プリントの機能性に関しては、HSS キューブのボールジョイントはまったく機能せず、ヒンジは機能しましたが固く、スプリングは期待どおりに機能しました。さらに、摩擦が非常に大きかったため、ギアシステムはまったく動かず、一方で大きな立方体自体は、多少の抵抗はあるものの、回転しました。
より複雑なキューブユニットのいくつかを詳しく調べたところ、残留粉末の点ではHSS部品が最もきれいであることがわかりました。実際、格子形状の空洞内に粉末は見つからなかったため、追加の後処理は必要ありませんでした。

次に、SLSキューブを組み立てます。今回は、ジョイントに余分な粉末が入ったため、6 つのクランプ面でさらに困難が生じました。ただし、SLS は表面の質感がより滑らかであるため、スライドインコーナーキューブはそれほど摩擦がなく簡単に組み立てられます。
3D プリントされた機能を見てみると、ボールジョイントは機能せず、ヒンジも機能しませんが、スプリングは正常に機能します。繰り返しになりますが、表面同士の噛み合いが非常に多かったため、ギアシステムは動かなかったのですが、大きなキューブは非常にスムーズに組み立てられました。全体的に、より幅広の SLS アセンブリの滑らかさに非常に感銘を受けました。回転が最も簡単だったからです。
格子構造に少量のナイロン粉末が残留していたため、SLS ビルドで追加の後処理をいくつか実行する必要がありました。これには、組み立て前にキャビティを吹き飛ばし、キューブユニットを手動で振ることが含まれます。

最後に、MJF キューブを組み立てました。 HSS プリントと同様に、最初の 6 面は簡単に固定できましたが、表面の質感が比較的粗いため、部品をコーナーにスライドさせるにはかなりの手作業が必要でした。
興味深いことに、このキューブの 3D プリント機能は、3 つのキューブの中で最高の機能を提供します。 MJF アセンブリは、機能するボールジョイントを備えた唯一のアセンブリであり、ヒンジの動きが最もスムーズで、スプリングは予想どおりに反発しました。しかし、MJF 表面のざらざらした質感と意図しない結合により、ギアシステムは再び動かなくなりました。回転のしやすさはHSSビルドと同様です。
SLS キューブと同様に、個々の要素に少量の残留粉末が見つかりました。同様に、MJF を組み立てる前に、空洞を吹き飛ばし、キューブを手作業で振って、追加の脱粉作業を行う必要がありました。

すべてが完成すると、 HSSおよび MJF 3D プリントされたキューブは SLS キューブよりも明らかに粒状になっており、表面の質感が粗いことがわかりました。 MJF 製のキューブでは、層状の線も確認できます。これは、HSS および SLS で印刷されたキューブが全体的に最高の表面品質を提供していることを意味します。
同じ立方体を 3 つの手法で比較すると、 HSS が最も細かいエッジ、最も鋭い角、最もきれいな薄い壁を実現し、最高の詳細解像度を提供することがわかります。画面の下の方に行くにつれて、SLS の対応画像は少しぼやけ始め、ある程度鮮明さと鮮明さが失われます。最後に、視覚的に最もわかりにくいのは MJF のバリアントです。
技術ベンチマーク: 工業用部品 比較データをさらに補足するために、サービスプロバイダーは PA12 素材で 3D プリントされた 4 つの異なる工業部品の設計を提供しました。各モデルは、HSS、SLS、MJF で 1 回ずつ、合計 3 回 3D プリントされました。以下の部品には、管状要素、サスペンションプロトタイプ、ストラットブラケット、および穴とタワーのセットを備えた一般的なベンチマークモデルが含まれます。拷問キューブと同様に、これらの 3D プリント部品により、3 つのプロセスのパフォーマンスを定性的に評価することができました。
△上段-HSS、中段-SLS、下段-MJF。
管状要素、支柱、サスペンションのプロトタイプを見ると、SLS プロセスが最も滑らかな表面を実現できることが改めてわかります。ここでも、MJF パーツだけが肉眼で層状ラインが見えるものでしたが、voxeljet の HSS 3D プリンターはその中間に位置していました。
3D プリントされたベンチマークモデルから、HSS バリアントには間違いなく最も細かいジオメトリスロットと最も鮮明なテキストがあることがわかります。これはプロセスの精度の証であり、詳細解像度に関しては粒度が dpi よりも重要であることを示しています。しかし、すべてのタワー層を正常に生成できたのはSLS部品のみであり、HSS 部品と MJF 部品では最も薄い尖塔が欠落していました。
興味深いことに、MJF および SLS ビルドからの穴は真の円として印刷されました (当然のことですが)。一方、HSS プロセスからの穴は楕円に近かったです。ただし、HSS は最も薄いエッジと最も鋭いコーナーを提供しますが、SLS と MJF は明らかに鈍いです。
価格と用途 製造業者がこれらのポリマー 3D 印刷技術を日常業務に実際に導入するには、どれくらいのコストがかかるのでしょうか?この質問に答えるために、私たちはいくつかの 3D プリントサービスプロバイダーを調べました。
HSS、MJF、SLS の価格を比較するために、4 つの異なる 3D プリント部品の即時見積りを依頼しました。材料としてナイロン (PA12) を選択し、見積りを平均して各プロセスの包括的な価格表を作成しました。
興味深いことに、HSS 3D プリントは平均部品価格が 15.82 ユーロで、最もコスト効率が高いことが判明しました。 MJF は平均部品コストが 23.89 ユーロ (+51.0%) でこれに続き、SLS は平均コストが 27.50 ユーロ (+73.8%) で最もコスト効率が低いことが判明しました。
技術の類似性により、初期コストを考慮すると HSS と MJF の価格は実際には似ていますが、いくつかの要因により最終的には HSS の方がコスト効率が高くなります。まず、voxeljet VX1000 HSS のサイズにより、大量の部品を印刷できるため、連続生産における部品あたりのコストが削減されます。 HSS も吸収液を 1 つだけ使用しますが、MJF は 2 つの液体を使用します。この材料消費量の違いは運用コストにさらに影響を及ぼします。
アプリケーションの面では、HSS と MJF はどちらも、自動車や消費財などの業界で機能的なプロトタイピングと低ストレスの最終用途生産のための実行可能な方法を提供します。使用例には、電子筐体、コネクタ、ブラケット、カバー、ワイヤクリップ、製造ガイド、チューブなどがあります。
一方、SLS はコストは高くなりますが、より強度の高い部品の製造に適しており、3 つのプロセスの中で唯一、PEEK などの高性能エンジニアリングポリマーを加工できます。したがって、高強度の最終用途部品を必要とする人は、仕事に必要な機械的特性を確実に得るために追加料金を支払う必要があります。
結論では、どのポリマー 3D プリント技術を選択すべきでしょうか?人生の多くのことと同様に、答えは「それは状況による」です。
1. HSS や MJF などのインクジェット技術は、部品の強度に関しては SLS に勝るものはありませんが、予算が限られており、部品に極端な負荷がかからない場合は、HSS が適している可能性があります。 2. 興味深いことに、当社のテストでは、HSS は剛性の高い部品に適しているのに対し、MJF は同じ材料を使用していても、より優れた延性と弾性を提供することも示されました。したがって、部品のたわみを最小限に抑える必要がある場合は HSS が最適な選択肢となる可能性がありますが、曲げと弾性の両方が必要な場合には MJF を使用する必要があります。 3. 寸法精度に関しては、レーザーベースの SLS 3D 印刷はインクジェットベースのプロセスの両方よりも優れていますが、HSS は最高の再現性を示します。これも使用事例によって異なりますが、多くの量産アプリケーションでは、製品の信頼性を確保し、特定の最終品質目標を満たすために、再現性が重要です。
最終的には、3D プリント技術を選択する前に、特定の部品や用途のコスト、リードタイム、材料の選択、機械的特性要件を徹底的に評価することをお勧めします。

複数の産業用ポリマー 3D 印刷技術の詳細な比較: VOXELJET HSS、HP MJF、SLS

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