Lithozは、高壁厚、大型、高密度を特徴とするLIS技術を搭載したセラミック3Dプリンター、CeraMax Vario V900を発売しました。

はじめに: 現在、高性能セラミックの 3D プリントの主なプロセスは、ステレオリソグラフィー (SLA) とバインダージェッティング (BJ) です。これら 2 つの技術にはそれぞれ異なる利点があり、セラミック 3D プリントの発展に重要な貢献をしてきました。しかし、これらの 3D 印刷技術には、焼結段階で完全に脱結合できないため、壁厚が大きく、サイズが大きく、密度の高い酸化物セラミック製品を製造できないなど、依然として一定の制限があります。
2022年6月2日、南極熊はオーストリアのLithozが新型セラミック3Dプリンター「CeraMax Vario V900」をリリースしたことを知りました。水性スラリーを使用しているため、有機バインダーの含有量は2～3％と低く、最大壁厚40mmの完全高密度大型セラミック部品を生産できます。これはセラミック製造技術における新たな突破口です。

この新しい装置は、LIS (Laser Induced Slip Casting) レーザー誘起スリップキャスティング技術を使用しており、さまざまな産業用途のセラミック製品を印刷することができ、従来のセラミック処理方法と比較して一定の経済的利点があります。

▲CeraMax Vario V900 セラミック 3D プリンターは、サイズ、厚い壁、完全な密度を兼ね備えており、大型部品や黒のセラミック印刷にも使用できます (出典: Lithoz)

1. LISレーザーグラウト技術の原理と開発の歴史

LIS 技術の研究開発は、2017 年に Günster 教授のチームがドイツ連邦材料試験研究所 (BAM) で LSD 層状スラリー堆積プロセス (Layer-wise Slurry Disposition) を研究し、テストしたときに始まりました。 LSD は粉末ベースの選択的レーザー焼結プロセスですが、印刷基板として乾燥セラミック粉末とセラミックスラリーの両方を使用するため、堆積が促進されます。

しかし、LSD プロセスを使用してセラミックを印刷する場合、まだいくつかの問題があります。たとえば、スラリーには高濃度の水分が含まれているため、印刷されたグリーンボディは熱に非常に敏感です。乾燥プロセス中に水分が急速に蒸発し、グリーンボディが破裂することがあります。粉末層を除去し、レーザーをセラミックスラリー懸濁液に直接照射することで、プロセスフローが簡素化されるだけでなく、品質の問題なしにグリーンボディを加熱できるようになります。改良された技術は、LIS プロセスと呼ばれるもので、セラミック積層造形 (AM) 技術のまったく新しい形です。技術的なプロセスには主に次の 6 つのステップが含まれます。

▲LISプロセスフロー（BAM、J. Günster教授提供）

① 成形台にスラリーを塗布します。

②波長10.6μmのCO2レーザーを使用して、現在の層のパターンに合わせてスラリーを局所的に乾燥させます。
③ スラリーをさらにもう一層塗ります。
④レーザーでスラリーを再度乾燥させます。
⑤ 必要な幾何学的形状を持つ完全なグリーンボディが印刷されるまで、上記のプロセスを層ごとに繰り返します。この段階では、グリーンボディはまだ浮遊状態にあります。
⑥ 最後の層を印刷した後、印刷プラットフォームが持ち上げられ、余分なスラリーが流れ出て、グリーンボディが残ります。

上記は LIS プロセスのさまざまなステップを示しています。BAM チームによると、これは「新しい付加製造アプローチ」であり、粒子の充填密度が高く、原材料の粒子サイズにほとんど制限がないセラミックグリーンボディを製造できるとのことです。そのため、LIS 技術は、酸化アルミニウムや酸化ジルコニウムなどの工業用セラミックの製造によく使用される材料、さらには窒化ケイ素や炭化ケイ素などのセラミックも直接処理することができます。

現在、CeraMax Vario V900 マシンは、100 mm x 100 mm または 250 mm x 250 mm (x/y) の 2 つの異なるビルドサイズを提供しています。

▲CeraMaxVario V900 印刷プラットフォーム、最大 250 mm x 250 mm x 290 mm (出典: Lithoz)

Lithozによると、デバイスの正式リリース前に、顧客がCeraMax Vario V900セラミック3Dプリンターを4台注文したとのこと。このデバイスの技術的パラメータは以下のとおりです。

Lithoz CeraMaxVario V900 の技術パラメータ表

2. LIS技術がセラミック3Dプリントを変える

CeraMax Vario V900 と LIS テクノロジーを既存のセラミック 3D プリンターシステム (SLA、BJ) と比較すると、高性能セラミック部品を製造するまったく新しい方法であり、セラミック 3D プリントに新たな可能性をもたらすことがわかります。主な利点は次のとおりです。

●水性スラリーを使用しているため、有機バインダー含有量は2～3％と低くなっています。
● バインダー含有量が少ないため、追加の脱バインダーは不要です。● アルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素、炭化ケイ素などの暗色セラミック材料を印刷できます。● グリーンウェアを直接処理できます。● 従来のプロセスと同じ壁厚を実現できます。● 収縮を事前に正確に計算できます。● 複雑な3次元構造を実現できます。

LIS プロセスでは、わずか 2 ～ 3% という極めて低い有機バインダー含有量の水ベースのスラリーを使用します。 CO2 レーザーは局所的な加熱によって構造を印刷し、スリップ鋳造と同様の緻密化を引き起こします。さらに、有機物がほとんど含まれない水性懸濁液を使用しているため、LIS 技術で印刷されたグリーンボディには開いた微細孔構造があります。グリーン体が 2～3 K/分の速度で均一に加熱されると、含まれる少量の有機物が完全に除去され、その後の脱脂および焼結のステップは不要になります。 LIS 3D プリント技術を使用すると、スリップキャストなどの従来のプロセスでのみ実現可能な壁の厚さを簡単に生成できます。 LIS 技術で印刷されたセラミック部品の壁厚は約 40 mm に達します。部品のサイズに関係なく、最終製品の密度は非常に良好であり、これはセラミック 3D 印刷技術における新たなマイルストーンです。

▲厚さ300μmの新しいスラリー層が堆積されている

LIS プロセスのもう 1 つの利点は、従来のセラミックプロセスと同様に、グリーンボディを粉砕、研削、または穴あけできることです。しかし、3D プリントを使用すれば、非常に複雑な 3D 構造を生産することが可能になります。 CeraMax Vario V900 は、積層造形プロセスを使用して、工業グレードの高密度シリコンカーバイドを印刷することを初めて可能にしました。 LIS テクノロジーは、現在使用されている積層造形テクノロジーの範囲に新たな次元を追加します。

▲CeraMax Vario V900で印刷した酸化アルミニウムサンプル（a）と炭化ケイ素サンプル（b）のSEM画像

3.LIS技術はセラミック印刷のコストを効果的に削減します<br /> Lithoz が発売した CeraMax Vario V900 プリンターは、技術的なブレークスルーを実現するだけでなく、セラミック 3D プリントのコストも削減できます。例えば：

● 材料コスト: 既存の成熟したセラミック工業材料を LIS プロセス用にわずかに調整するだけで使用でき、材料の単価は従来のプロセスとほぼ同じです。
● 変換コスト: グリーンボディの印刷が完了すると、乾燥、仕上げ、焼結などの従来の後処理手順に直接入ることができます。したがって、LIS テクノロジを導入するには、生産プロセスにわずかな変更を加えるだけで済みます。
● 時間コスト: CeraMax Vario V900 は印刷速度が非常に速く、1 層の印刷を完了するのに約 30 ～ 40 秒しかかかりません。
● 金型コスト: 従来のプレス工程によるセラミック部品の製造にはカスタマイズされた金型が必要であり、金型への投資は約 5,000 ～ 20,000 ユーロです。 LIS プロセスを使用すると金型コストを節約できます。これは、小ロット生産やプロトタイプ製造にとって特に重要です。
● 金型納期：金型の製造コストに加え、金型納期を約3～6週間節約できます。
● 初期サンプル作成コスト: 完全にデジタル化された成形プロセスに基づいて、材料特性を正確に予測できるため、複数のサンプル作成テストを効果的に回避できます。
● エネルギーコスト: 収縮率を正確に計算できるため、部品を印刷した後はサンプル焼成が 1 回のみ必要となり、エネルギーコストが大幅に削減されます。
● 機械のダウンタイムコスト: 従来のプロセスサンプル準備中に加圧や金型交換によって発生するダウンタイムコストを削減します。

▲CeraMaxVario V900は大型で高品質なセラミック部品を印刷可能（出典：Lithoz）

Lithoz 社は、CeraMaxVario V900 を使用することで、注文の受領から完成部品までの生産注文を 1 週間以内に完了できると述べています。 CeraMax Vario V900 は既存のセラミック産業チェーンに迅速に統合でき、高度な製造プロセスにより生産効率が大幅に向上します。印刷された部品は簡単に後処理できます。レーダーカバー、航空宇宙衛星ミラー、セラミックリングやノズル部品など半導体や機械産業でよく使われる部品、さらにはバスルーム製品や手工芸品のデザインにも幅広く使用できます。

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