先進的なセラミック光重合3Dプリント

この投稿はCoco Bearによって2022-6-17 23:41に最後に編集されました。

はじめに: 積層造形は、カスタマイズされた高度なセラミック部品を迅速に製造する方法として、ますます注目を集めています。セラミック積層造形は、設計の自由度を向上させ、複雑な構造のセラミック部品を製造することができます。セラミック付加製造の多くの方法の中でも、セラミック光重合技術は、その高精度と高固形分含有量で際立っています。Antarctic Bear は、高度なセラミック光重合技術に関する情報をまとめました。見てみましょう!

先端セラミック材料は、耐熱性、硬度、金属やプラスチックよりも高い耐摩耗性、断熱性などの優れた特性を備えています。最も要求の厳しい環境で強度と信頼性の高い材料が必要な場合、高度なセラミック材料の特性が重要な役割を果たします。セラミック材料は、その熱的、電気的、生体適合性により、自動車産業におけるさまざまなセンサーやメカニカルシール、医療産業における骨インプラントや義歯、宇宙衛星の熱シールドなどの用途に使用されています。

しかし、従来のセラミック製造方法では高価な金型が必要になることが多く、小規模なセラミック部品の製造が困難でした。セラミック積層造形技術は、カスタマイズされたセラミック部品をより低コストかつ短時間で製造することで、これらの問題に対処できます。さらに、3D プリントセラミックは、機能の最適化の点で従来の方法よりも柔軟性が高く、複雑な構造を生成することができます。以下では、セラミックステレオリソグラフィーのさまざまな用途とプロセスのさまざまな段階、および特定の考慮事項について説明します。

光重合セラミック3Dプリント

△ ステレオリソグラフィーの概要（出典：i.Materialise）
セラミックの付加製造は、バインダージェッティング、直接インク書き込み、選択的レーザー焼結などのさまざまな技術を使用して実行できます。しかし、これらの技術はいずれも高固形分部品の製造には適していないため、その用途は大きく制限されます。光重合は、高密度の構造部品を製造できる最も成熟したセラミック添加剤製造技術です。数あるセラミック 3D プリント技術の中でも、セラミック光重合技術は、高精度かつ高固形分の部品を製造できる点で際立っていると言えます。 ISO/ASTM 52900:2015 によれば、光重合とは、樹脂 3D プリンターの DLP プロセスや SLA プロセスなど、「光活性化重合によって液体フォトポリマーを選択的に硬化させる付加製造プロセス」です。

応用

セラミック光重合技術により、形状の自由度が高く、コストも低いカスタマイズされたセラミック部品の製造が可能になります。そのため、他の製造方法では実現できない製品も光硬化によって実現可能となり、多くの分野でこの技術の恩恵を受けています。 Antarctic Bear では、いくつかのアプリケーションをリストしています。

△LithozのLithaBone HA 400は骨置換インプラントとして使用可能（出典：Lithoz）

●歯科<br /> 歯科業界では、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、ガラスセラミック材料を使用して、漸進的還元光重合によりさまざまなセラミック歯科修復物（コーピング、クラウン、ブリッジなど）が製造されてきました。さらに、美観と高い強度を兼ね備えた完全に解剖学的なクラウンの低侵襲修復のための商用ソリューションにもこの技術が応用されています。

●組織工学<br /> 組織工学の分野では、骨の修復のためにバイオセラミックスで作られたカスタマイズされた足場を作成することができます。セラミックの光重合により、牛の海綿骨などの自然界に見られる構造を、複雑な形状と化学組成で模倣することが可能になります。セラミック光重合技術は、頭蓋骨や上顎インプラントなどを 3D プリントするためにも使用できます。

●その他のエンジニアリングアプリケーション<br /> 自動車産業、触媒、熱交換器など、エンジニアリングにおけるセラミック光重合技術の応用は他にも数多くあります。セラミック光重合技術は部品の形状最適化を実現し、より優れた性能を得ることができます。

セラミック光重合プロセス

1. 原材料

△ 開発中のセラミック感光性サスペンション（出典：Italo Leite de Camargo、All3DP経由）

セラミック 3D プリントサプライヤーは、自社の機器と互換性のある原材料を提供しています。そのため、市場にはさまざまなセラミック原料（アルミナ、ジルコニア、ハイドロキシアパタイト）が流通しています。さらに、世界中の多くの研究者が原材料の開発と最適化に取り組んでおり、いくつかの研究により、高品質のセラミック懸濁液の配合が実現しています。

セラミックタンク光重合の原料は、感光性樹脂、セラミック粉末、添加剤を混合した懸濁液です。懸濁液は、プロセス要件、つまり高いセラミックフィラー含有量と適度な粘度を満たす必要があります。ただし、固形物の含有量が多いほど粘度が高くなるため、両方の要件を同時に満たすことは困難です。さらに、懸濁液の沈殿は一般に無視できないものとなります。最後に、懸濁液のレオロジー挙動に関連するいくつかの要件を満たす必要があります。したがって、セラミック粒子は適切な粒子サイズと比表面積を持つ必要があり、樹脂とセラミック粉末間の相互作用を促進するために効果的な分散剤を選択する必要があります。配合中は、均一な懸濁液を調製するための適切な調製方法も必要であり、たとえば、セラミックスラリー混合物は通常、ボールミルで数時間処理されます。

2. 3Dプリンター

△3DCeramのセラミック3Dプリンター C100 Easy（出典：3DCeram Sinto、YouTube経由）

セラミック懸濁液の固形分含有量が高いため、粘度が高くなります。そのため、市販の樹脂 3D プリンターのほとんどは、セラミック部品の製造には適していません。セラミック材料を加工する場合、通常は専用の再コーティングシステムを備えた特殊な装置が使用されます。セラミック光重合 3D プリンターのほとんどはここ 5 年ほどで登場したばかりですが、Lithoz や 3DCeram などの有名企業の中には、この分野で長年にわたり活動しているところもあります。

自家製のプロトタイプと一般的な 3D プリンター (通常は樹脂部品の製造に使用) を使用した研究がますます重要になり、この技術を研究室や小規模産業に拡大できるようになりました。ただし、非産業用 3D プリンターには依然として大きな制限があり、通常は固形分含有量の少ないセラミックスラリーに適しているため、部品の機械的特性が低下します。

3. 後処理

△チャンバー炉によっては、後処理温度が1,500℃を超える場合があります（出典：サーモフィッシャーサイエンティフィック）

セラミックの光重合は間接的なプロセスです。つまり、セラミック粉末とバインダーからなる「グリーン」ボディが製造され、最終的なセラミック部品を得るためには、脱バインダー後の焼結を経る必要があります。この後処理は、上図に示すように、先端セラミック加工における伝統的な設備である炉内で行われる熱処理です。

まず、脱脂工程でバインダー（樹脂と添加剤）が熱分解により除去されます。その後、焼結工程では、セラミック部品の密度を高めるために、粒子を完全に溶融させることなく、グリーンボディを高温（場合によっては 1,500°C を超える）にさらします。

△ 脱脂と焼結からなる後処理（出典：Italo Leite de Camargo、All3DP経由）

上記で説明および図示した後処理は、セラミック部品を得るための重要な要素です。 3D プリントされたブランクには除去する必要がある有機物質が大量に含まれています。したがって、部品の破損を避けるために十分な加熱速度を使用する必要があります。部品の破損は、部品が完全に粉砕されたり、コンポーネントが変形したり、肉眼では見えないものの性能を損なう可能性のある亀裂が生じたりします。

後処理は時間のかかる段階であり、多くの場合数時間かかります。研究者はそのようなプロセスを最適化するために広範な研究を行ってきました。プロセス全体の所要時間は、部品の形状、使用される接着剤の量、使用される接着剤の熱分解特性など、いくつかの要因によって異なります。さらに、セラミック部品の壁が非常に厚い場合、その厚さが熱分解プロセスを妨げるため、脱脂プロセス中に亀裂が生じる可能性があります。そのため、多くのサプライヤーは、セラミック光重合法で製造される部品の最大壁厚を 10 mm 未満に制限しています。

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