バインダージェッティング 3D プリント技術を選択する理由は何ですか?専門家のアドバイスに耳を傾けましょう

はじめに: バインダージェッティングは、市場で広く使用されている積層造形プロセスです。その動作原理は他の 3D 印刷方法と似ています。違いは、液滴接着剤と粉末原料に基づいていることです。適合する材料には、金属、砂、セラミック、複合材料などがあります。
バインダージェッティングは、目的のコンポーネントを層ごとに生成するプロセスです。使用するバインダーと粉末によっては、焼結などの後処理手順が必要になる場合があります。この 3D プリントプロセスは、材料と設計の柔軟性が高く、大型部品を製造できるため、多くのメーカーが採用を検討している重要なテクノロジーとなっています。しかし、バインダージェッティングの統合を検討する際に、企業は何を考慮すべきでしょうか?この技術の利点と課題は何ですか?この記事の専門家たちは意見を述べ、問題点を説明しています。

最初の専門家は、ExOne のプロダクトマネージャーである Andreas Müller 氏です。彼の主な仕事は、砂型 3D プリンターの機能を開発および改善することです。 ExOne は、バインダージェッティング 3D プリンター、特に砂を使用するシステムの大手メーカーの 1 つです。 2人目の専門家は、Lino3DのゼネラルマネージャーであるLefteris Havouzis氏です。このギリシャ企業は現在、金属バインダージェッティングを含むいくつかのプロセスに関する専門知識を活かして、企業やメーカーの付加製造プロジェクトをサポートしています。最後の専門家は、マルチプロセス 3D プリントによるセラミックの初のカスタム生産センターである Novadditive の創設者兼社長である Vincent Poirier 氏です。
△左から：アンドレアス・ミュラー、レフテリス・ハヴォウジス、ヴァンサン・ポワリエ
バインダージェッティングはどのように機能しますか?
他のすべての付加製造プロセスと同様に、バインダージェッティングでは材料の層を積み重ねて部品を製造します。この場合、粉末床の理想的な粒子は球形で、直径は 1 ミクロンです。粉末粒子を互いに接着させるために、プリントヘッドを使用してボード上の目的の場所にバインダーをスプレーします。このプロセスは、最終的なオブジェクトが得られるまで層ごとに繰り返されます。 ExOne の Andreas Müller 氏は次のように付け加えています。「紙に印刷するのと同じように、オブジェクトが完成するまで、デジタル設計ファイルのマップを使用して、レイヤーごとにプロセスを繰り返します。印刷後、部品がいっぱいのジョブボックス全体を約半日で印刷し、部品を印刷領域から取り外すことができます。使用する材料と接着剤によっては、追加の硬化および後処理手順が必要になる場合があります。」
ご覧のとおり、このプロセスが適切に機能するには、3D プリント材料とバインダーという 2 つの材料が必要です。バインダージェッティングで特に興味深いのは、市場にある材料の多様性です。
△接着剤噴射プロセス（画像提供：ExOne）
バインダージェット法における材料の柔軟性
バインダージェッティング技術は、金属、セラミック、砂、複合粉末など、幅広い材料に対応しています。そのため、多くの種類のアプリケーションを解決できる技術です。たとえば、砂バインダージェッティングは、鋳型の必要性を回避し、より大きな設計の自由度を提供するため、鋳造コアまたは鋳型の設計で人気があります。アンドレアス・ミュラー氏は次のように説明しています。「ExOne の砂 3D 印刷では、鋳物用の砂とバインダーを使用して、金属鋳造用の鋳型と中子を作成します。砂は他の複雑なデザインにも印刷され、樹脂に浸透して耐久性のある最終用途部品を形成します。印刷媒体とバインダーの組み合わせは、各アプリケーションに合わせてカスタマイズされます。当社の 3D プリンターは、シリカ砂やセラミック砂など、さまざまな砂型鋳造材料を処理できます。フラン、フェノール、無機バインダーなどのさまざまなバインダーを使用して、アルミニウムやマグネシウムから鉄や鋼まで、さまざまな合金を鋳造できます。」
ここで金属に目を向けてみると、素材も多様化しています。レフテリス・ハヴォウジス氏は次のように語っています。「一般的に、すべての合金は効果的に焼結できます（主にステンレス鋼、工具鋼、ニッケル基超合金、クロムコバルト合金などの鉄系合金、および耐火合金などの溶接が難しい合金）。最も重要な点は、バインダージェッティングは溶接が難しい合金に使用できることです。これはレーザー積層プロセスでは実現が困難です。」
△金属粉末のバインダー噴射（画像提供：ExOne）
プロセス的には、印刷後の焼結工程が重要な工程です。 3D プリンターから出力された後、グリーンパーツと呼ばれる部品は気孔が多く、非常に脆くなるため、最終的な機械的特性を得るために熱処理を施す必要があります。粉末を使用する他の金属プロセスとは異なり、金属バインダージェッティングでは、周囲の粉末が部品を支えるため、印刷サポートは必要ありません。
最後に、セラミックス分野では、バインダージェッティングもメーカーが使用する技術の 1 つです。ヴィンセント・ポワリエは次のように説明しています。「理論上は、適切なバインダーが開発され、滑らかに広げられる球状の粒子または粉末が製造できる限り、すべてのセラミック材料はバインダージェッティングに適合します。実際には、このプロセス用に開発されたセラミック材料は、積層造形技術よりも優れていることがよくあります。」したがって、セラミック粉末接合を選択する際には、アプリケーションが重要になります。非常に具体的なプロジェクトを念頭に置いておく必要があります。そうでなければ、この工芸品を選択するのは得策ではありません。アルミナ、酸化ジルコニウム、炭化ホウ素、湿式炭化ケイ素はすべてバインダージェッティングに使用できるセラミックであり、宇宙分野で幅広い応用の見込みがあります。
△砂型バインダージェッティングは、鋳型やコアの製造に広く使用されています（画像提供：BMWグループ）
バインダージェッティングの利点と限界<br /> 前述したように、粉末接合の主な利点の 1 つは、材料の適合性です。しかし、すべては相対的です。たとえば、レーザー付加技術の用途は広範囲にわたりますが、この技術に使用できる金属材料の範囲は限られています。しかし、バインダージェッティングは、目的の用途に応じて粉末とバインダーを組み合わせることができるため、非常に興味深い方向性です。
これは、もちろん機械の能力に応じて、大型部品の製造を可能にする技術でもあります。バインダージェッティングは室温で行われるため、熱変形（反り）のリスクがありません。その結果、ユーザーはより大きく複雑な部品を想像できるようになります。 Lino3D の Lefteris Havouzis 氏は次のように付け加えています。「他の金属 3D 印刷技術と比較して、バインダージェッティングは設計の自由度が高く、より複雑な生産の組み合わせが可能になり、生産時間が短縮されます。変更を加えることなく、同じ印刷で数十種類の異なるバッチを印刷できます。」
部品の数以外にも、プロセスの相対的な速度と単純さについても言及できます。アンドレアス・ミュラーは次のようにコメントしています。「バインダージェッティングは、その高い体積出力で、積層造形法の中でも特によく知られています。積層造形技術の中でも、従来の印刷に最も似ており、方法もシンプルでスピードも速いです。バインダーはインクのように機能し、紙に印刷するのと同じように、粉末の層の上を移動して最終製品を形成します。対照的に、他の多くの 3D 印刷形式では、通常はレーザーまたはノズルなどの単一のポイントを使用して、材料を押し出し、溶かし、または溶接して部品を作成します。このプロセスでは、単一のポイントから各部品を層ごとに引き出すために、より多くの材料と時間が必要です。」対照的に、バインダージェッティングでは、一度に多数のバインダーの液滴を堆積できるため、製造時間が短縮され、生産性が向上します。ただし、後処理手順によりこのプロセスが長くなることに注意してください。
△セラミックスを使用する場合は後処理が必要です（画像出典：WZR）
後処理は、特に金属やセラミックの粉末を扱う場合、バインダージェッティングの最大の制限の 1 つです。脱バインダーと焼結のステップを踏む必要があり、これには時間がかかりますが、最終部品にも影響します。 Lino3D の Lefteris 氏は次のように語っています。「この技術を検討する際、バインダージェッティングにとって重要な段階は焼結段階であり、この段階ではいくつかの現象を考慮する必要があることに留意してください。そのため、バリューストリーム全体を管理できるパートナーと協力することが極めて重要です。」
バインダージェッティングから得られる最初のブランクは、機械的特性が弱い多孔質部品です。 Vincent Poirier 氏は次のように結論付けています。「粉末の沈降能力が優れているほど、プリフォームとセラミック部品の多孔性は低くなります。したがって、適切な粉末を選択し、球形のものを選ぶことが重要です。」
要約する
最も重要なキーワードは統合です。バインダージェッティングは、他の製造技術と同様に、スタンドアロンのソリューションではありませんが、その可能性を実現するには、設計から後処理まで、企業のエコシステムに統合する必要があります。 -レフテリス・ハヴォウジス
砂型3Dプリントは柔軟な生産技術です。砂型鋳造工具の迅速な製造方法として適しており、ユニークな最終製品を生産するためにも使用できます。考慮すべき重要な問題は、これらのニーズを満たすための技術と材料の適切な組み合わせです。 ExOne では、砂の 3D プリントに関する包括的なサポートを提供しており、ヨーロッパのお客様向けにドイツにサービスセンターを設け、さまざまなオプションをお客様にご案内し、生産上の課題を解決するための最適なソリューションを評価しています。 – アンドレアス・ミュラー
セラミックの場合、この技術を明示的に必要とする非常に特殊なアプリケーションが必要です。他のセラミック AM 技術と同様に、あらゆる状況に対応できるわけではありません。さらに、ノウハウは印刷だけにあるのではないことを理解することが重要です。セラミック材料をジェット印刷するコツは、焼結サイクルや焼結収縮などの重要なプロセスを習得することです。これらのプロセスは最終製品にも重要な影響を与えます。 -ヴァンサン・ポワリエ

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