主流の 3D 印刷技術の紹介と、最も人気のあるプロセスは何ですか?

南極のクマの紹介：この号では、クマ愛好家のためにいくつかの主流の 3D 印刷プロセスを簡単にまとめ、1990 年から 2020 年の第 3 四半期までにどのプロセスが最も人気があったかを数えます。

積層造形（AM）とは、3次元モデルデータに基づいて材料を積層することで部品や物体を製造するプロセスを指します。 3次元印刷（3D印刷）とは、プリントヘッド、ノズル、またはその他の印刷技術を使用して材料を積み重ねることで部品や物体を製造するプロセスを指します。この用語は、積層造形法の同義語としてよく使用されるため、「3D印刷」とも呼ばれます。

△チタン製の3Dプリントノズル。製造形態は一般的に層ごとに堆積する形で部品を構築する。同時に、ISO/ASTM は 7 つの異なるタイプの積層造形技術を国際的に認定しています。

1. 光硬化 - 紫外線を点ごとまたは層ごとに照射することで、液体樹脂を選択的に硬化させます。
粉末床溶融結合（PBF） - エネルギー源（通常はレーザーまたは電子ビーム）を使用して、粉末状の金属またはポリマーを溶融結合します。
バインダージェッティング - 金属粉末または砂の上に堆積したバインダーが幾何学的形状を形成します。金属の場合、通常、印刷後に粉末を溶かすために焼結が必要です。
4. 材料の噴射 - 材料の液滴が正確に堆積され、幾何学的なボディを構築します。
5. シート積層 - 超音波溶接、ろう付け、接着剤、または化学的手段によって材料シートを積み重ねて積層する。
6. 材料の押し出し - ポリマーフィラメントやペレットなどの材料が加熱され、ノズルから押し出されます。
7. 指向性エネルギー堆積法 (DED) - 金属粉末またはワイヤがレーザーまたは電子ビームによって作成された溶融池に供給され、そのプロセスは溶接に似ています。

さらに、「ハイブリッド製造」とは、付加製造と従来の減算技術を組み合わせたプロセスを指します。たとえば、CNC マシンに DED プリントヘッドを装備すると、同じマシンで材料の 3D プリントとミリングの両方が可能になります。

同時に、Antarctic Bear は、これら 7 つのシリーズそれぞれに異なる 3D プリントのサブカテゴリがあることを強調する必要があります。たとえば、指向性エネルギー堆積法 (DED) は、粉末またはワイヤを使用して金属部品を製造するために使用できます。ステレオリソグラフィーには、ステレオリソグラフィー (SLA) とデジタル光処理 (DLP) が含まれます。SLA はポイントスキャンですが、DLP は一度に 1 つのレイヤーを硬化します。

機械メーカーは独自のプロセスを採用していたり、異なる用語を使用している場合もあります。以下に、3D 印刷プロセスの 7 つのカテゴリに加えて、いくつかのテクノロジタイプを示します。

△ デジタル光合成（DLS）は樹脂ベースの3Dプリントプロセスです
1. デジタル光合成（DLS）
Digital Light Synthesis (DLS) は、Carbon が開発した独自の樹脂ベースの 3D 印刷プロセスです。

DLS はどのように機能しますか?
デジタルライト合成は、ステレオリソグラフィーに基づいています。どちらのプロセスでも紫外線硬化樹脂を使用します。ただし、ステレオリソグラフィーとは異なり、Carbon のプロセスは各層の後で一時停止しません。樹脂は酸素透過膜の上の「デッドゾーン」を連続的に流れ、部品の断面を表す紫外線画像が酸素透過窓に投影され、樹脂が硬化します。ビルドプラットフォームが樹脂バットから上昇すると、パーツは上下逆さまになります。

どのような材料が使用できますか？
Carbon の DLS 樹脂製品には、エラストマー、フレキシブル、リジッド、医療グレードのポリウレタン、シリコーン、シアネートエステル、エポキシ、ウレタンメタクリレート、歯科用材料が含まれます。
△Carbonのデジタル光合成3Dプリントプロセス
どのような後処理が必要ですか?
印刷後、パーツをビルドプレートから取り外し、すべてのサポートを取り外します。一部の材料はオーブンで熱硬化させる必要があり、完了するまでに 4 ～ 13 時間かかります。熱により二次化学反応が開始され、部品が強化されるため、洗浄と硬化後のさらなる後処理が不要になります。

DLS を使用する理由は何ですか?
Carbon の DLS 3D 印刷プロセスの連続性により、部品の層線が回避され、射出成形部品に匹敵する表面仕上げが実現します。 DLS パーツは防水性があり、等方性があり、どの方向にも同じ強度を持っているとも言われています。試作品を作る方法を提供するだけでなく、生産部品の製造の代替としても使用できます。

2. ナノ粒子噴射（NPJ）
NanoParticle Jetting (NPJ) は、Xjet が開発した 3D 印刷プロセスです。これは、粉末材料の懸濁液を使用して部品を製造する材料噴射技術です。

NPJはどのように機能しますか?
NPJ は、金属またはセラミック材料のナノ粒子を懸濁させた液体を噴射して部品を作製し、同時にサポート材料を噴射します。成形プロセスは 250°C に加熱されたベッド上で行われ、液体は排出される際に蒸発し、印刷された 3D オブジェクトの本体とサポートに含まれる結合剤の量がわずかである状態で、粒子があらゆる方向に付着できるようになります。

どのような材料が使用できますか？
Xjet は、316L ステンレス鋼と 2 つのセラミック材料 (酸化ジルコニウムと酸化アルミニウム) を使用してナノ粒子の噴射をサポートします。材料はカートリッジを介して機械に取り付けられ、処理や取り扱いは必要ありません。

△ナノ粒子注入技術を用いたセラミック部品
どのような後処理が必要ですか?
印刷後、NPJ パーツには少量のバインダーが残っており、サポート構造が存在する場合があります。支持材は水溶性であり、水浴で溶解することができます。必要に応じて、この段階で機械加工や研磨を行うことができます。

NPJ で作られた部品の例。可溶性サポート材がそのまま残っています。
ナノ粒子噴射を使用する理由は何ですか?
このプロセスでは、一度に多数の小さな部品を製造することができます。 XJet によれば、材料噴射プロセスは、小さな部品の場合は ±25 ミクロン以内、大きな MIM/CIM 部品の場合は ±50 ミクロン以内で一滴ずつ制御できます。最小の特徴サイズは 100 ミクロンで、層の高さは 8 ～ 10 ミクロンであるため、細かいディテールが可能になります。

NPJ は懸濁物質を使用するため、粉末プロセスに必要なふるい分けなどの工程が不要です。この材料は、特殊なガス、真空、圧力を必要とせず、通常の大気中で印刷でき、簡単にリサイクルできます。

ナノ粒子噴射の用途としては、医療業界における補聴器、手術器具、クラウン、ブリッジ、ドリルガイド、航空宇宙および自動車向けの耐熱・耐摩擦部品、電気業界向けのセンサーなどがあります。

3. 超音波積層造形（UAM）

Fabrisonic 社が開発したこのプロセスでは、金属ストリップを融合して積み重ねることで金属ワークピースを作成します。この作業は、積層造形が進むにつれてワークピースを CNC ミリングできるハイブリッドマシンで行われます。金属ストリップを積み重ねて構築することで、構築速度が速くなり、大きな部品を実際に製造できるようになります。

△動画：超音波積層造形と粉末床溶融結合の融合
UAM はどのように機能しますか?
UAM では、材料は溶かされるのではなく、超音波溶接によって接合されます。このタイプの溶接では、金属を固体のままにしたまま高周波振動を使用して表面を接合します。このように層ごとに溶接することで、強固な部品が作られます。

△この固体付加プロセスにより、異なる金属で部品を製造することができます。高周波超音波振動と一定の圧力下で、超音波運動が摩擦によって酸化物を分解し、金属と金属を直接接触させます。

△このプロセスでは、最小限の加熱で薄い金属ストリップと基板の間に固体の原子結合または溶接を形成します。複数の層を次々に溶接して高さを増やし、固体部品が構築されるまでこのプロセスを繰り返します。その後、CNC プロファイルミリングを使用して、必要な許容誤差と部品の可能な限り最高の表面仕上げを実現できます。

超音波積層造形を使用する理由は何ですか?
より軽い金属で作られた構造物に硬い金属の外面を組み込むことで、耐久性と軽量な部品を実現できます。あるいは、チタンとアルミニウムなど、2 つの非常に異なる金属を組み合わせてハイブリッド層を形成し、両方の特性を融合した構造を作成することもできます。

この技術は、付加製造と減算製造の実用性を組み合わせて、複雑な形状と内部通路を持つ部品の製造を可能にします。 UAM と機械加工を駆使して製造された部品の優れた寸法精度と滑らかな表面は、ハイブリッド製造の可能性を示しています。

4. 選択的熱可塑性電子写真プロセス（STEP）
Evolve Additive Solutions が開発した選択的熱可塑性電子写真プロセス (STEP) 技術は、2D イメージングと独自の IP を組み合わせて、入力層を正確に位置合わせし、射出成形と同等かそれ以上と言われる等方性特性を持つ完全に高密度の最終部品に結合します。
△STEPは、高速、大量積層造形と工場現場の統合のために設計されています

どのような材料が使用できますか？
同社によれば、STEPの候補材料は射出成形に使用できるポリマーと同じだという。ただし、この材料をトナーとして供給するには、Evolve 独自の材料エンジニアリング技術が必要です。

STEP マシンには複数のプリントヘッドがあり、部品に複数の色を使用できますが、複数の材料を使用することもできます。ボクセル単位でさまざまなポリマーを適用することで、単一の材料だけでは実現できない特性の組み合わせを実現できます。

STEP を使用する理由
STEP は、金型処理を待つために数週間かかる可能性があるリードタイムではなく、数日間で数千個のプラスチック部品を入手する方法を提供します。また、金型が不要なため、この数量レベルでの成形よりも単価が低くなります。

このプロセスでは、層跡のない部品を製造できます。STEP は加熱された層を加熱されたコンポーネントと一致させ、FDM などのプロセスよりも完全な融合を実現します。

5. マルチジェットフュージョン（MJF）
このプロセスは、HP が開発した粉末床 3D 印刷プロセスであり、バインダージェッティングに似たプロセスで試薬と粉末を結合します。ポイントツーポイントのレーザーベースの粉末床融合システムとは異なり、MJF は粉末床全体に融合剤と詳細化剤を選択的に分散させ、赤外線を使用して層を融合します。
△ Multi Jet Fusion で作成されたこれらのサンプル部品は、プロセスの設計の自由度と、単一のビルドを構成できる部品の潜在的な多様性を示しています。印刷プロセスではサポート構造を必要としないため、部品を入れ子にして積み重ねて、ビルドボリューム全体を埋めることができます。

Multi Jet Fusion システムは、MJF 3D プリンターと別の後処理ステーションの間で移動して急速冷却と粉末除去を行うことができる交換可能なビルドユニットで構成されています。このモジュール式システムにより、ビルドユニットが循環している間もプリンターと後処理ステーションが連続的に稼働し、部品の生産がスピードアップします。

△ ペリスコープのシェルはHPのマルチジェットフュージョン3Dプリントプラットフォームで作られました
どのような後処理が必要ですか?
ビルドが完了すると、ビルドユニット (カプセル化された部品を含む粉末ベッド全体) がプリンターから取り外され、後処理ユニットに配置されて急速に冷却されます。次に、ビルドユニットは処理ステーションに移動し、そこでゆるんだ粉末が真空によって除去されます。

最終部品は、選択的レーザー焼結（SLS）などのレーザーベースの粉末床プロセスと比較して、高品質の表面仕上げ、微細な特徴解像度、より一貫した機械的特性を備えていると言われています。また、加熱は層ごとに行われ、粉末が部品の下に充填されるため、MJF では SLS よりも反りの発生率が低くなります。

表面仕上げを改善するために、部品をサンドブラストしてから下塗りまたは塗装することができます。用途に応じて、印刷された部品を染色したり、さらに加工したりすることもできます。

どのような材料が使用できますか？
Multi Jet Fusion は、高再利用性 (HR) PA 12 ナイロン、HR PA 12 GB (ガラスビーズ強化ナイロン)、HR PA 11 などのさまざまな HP 熱可塑性プラスチックと互換性があります。

HP は 3D 材料認証プログラムもサポートしており、ポリマー 3D 印刷材料サプライヤーと協力して新しい材料を開発しています。材料パートナーには、Arkema、BASF、The Dressler Group、Evonik、Henkel、Lehmann & Voss & Co.、Lubrizol、Sigma Design が含まれます。

マルチジェットフュージョンを使用する理由<br /> このプロセスにより、わずか 1 日で機能プロトタイプと最終使用の生産部品を迅速に生産できます。各印刷が完了するたびにビルドユニットを後処理用に交換すれば、1 台の MJF プリンターをほぼ連続的に稼働させることができます。使用済みの粉末はリサイクルして再利用できます。

MJF の層ごとの融合は、ポイントごとの 3D 印刷システムよりも高速で、複雑さに関係なく、各層の融合にかかる時間は同じであると言われています。 MJF を使用すると、パーツを垂直方向と水平方向の両方にネストして、ビルドボリューム全体を個別のパーツで埋めることができます。 Multi Jet Fusion では、ツールへの投資や最小注文数量は必要ありません。これらの要素とスピードを組み合わせることで、大量生産において射出成形と競合できるプロセスが実現します。

最も広く使用されている 3D 印刷プロセスはどれですか?
この3年間でその答えは大きく変わったと報告されています。 2020年9月現在、販売数では押出ポリマー（プラスチック）機が最も人気があり、次いで金属粉末床溶融結合機となっています。

△ビデオ: 1990 年第 1 四半期から 2020 年第 3 四半期までの各四半期の 3D プリンター市場を素材とスタイル別に示した Context のデータ。ビデオからわかるように、これらのプリンタータイプは、各四半期の出荷台数にシステム価格 (システム収益とも呼ばれます) を掛けて並べられています。この指標を使用すると、過去 10 年間の金属 3D プリンターの収益の成長は明らかです。

主流の 3D 印刷技術の紹介と、最も人気のあるプロセスは何ですか?

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