常識を覆す「ゼロからの創造」！世界の金属・非金属材料のサポートフリー3Dプリント技術11種の目録

南極のクマの紹介: 地球の重力の影響により、大きな吊り下げ度を持つ多くの 3D プリント部品は、事前に設計されたサポート構造を介して実現する必要があり、そうしないと吊り下げられた構造が自重で崩壊してしまうことは誰もが知っています。そのため、サポートフリーの 3D プリントは常に常識に反してきました。しかし、科学技術は人類本来の常識を何度も打ち破ることで進歩してきました。これまでは考えもしなかった、できなかったことが、次々と実現されるようになってきました。今日は、Antarctic Bear が、現在登場している 11 種類のサポートフリー 3D プリント技術をまとめて紹介します。
SLMフリーフロートメーカー：SLMソリューションズ代表製品：サポートフリー金属3Dプリント技術（FreeFloat）発売日：2021年6月23日
2021年6月、SLMソリューションは、業界のルールを変更するクロスエラ製品 - サポートフリーメタル3D印刷技術（フリーフロート）を発売しました3Dプリントの前処理プロセスは非常に時間がかかり、材料の設計の自由を制限します複数のテクノロジーでは、最終的にはパート印刷に必要なサポート構造を削減します。 3) 内部冷却チャネルの直径を大きくして冷却性能を向上 3) より精密な薄肉構造とよりシャープなエッジ構造を印刷 4) 部品の表面仕上げを向上 5) 複雑な形状の反りを低減 △ サポートフリーの金属3Dプリント技術を使用してSLMソリューションが製造した部品
VELO3D サポートフリージオメトリメーカー: VELO3D代表製品: サポートフリージオメトリサポート不要の金属3Dプリント技術/サファイアDMLSシステムリリース時期: 2021年9月
VELO3DMetal は 2014 年に設立され、カリフォルニア州サンフランシスコベイエリアに本社を置くデジタル製造会社です。直接金属レーザー焼結 (DMLS) 積層造形システムと印刷準備ソフトウェアの開発会社であり、サポートフリージオメトリのサポートフリー金属 3D 印刷技術を発明しました。同社は2018年の国際製造技術展（IMTS）で初めてSapphire DMLSシステムを公開した。 Sapphire システムの鍵となるのは、部品の変形をシミュレートして予測し、サポート構造を排除する VELO3D の Smart Fusion テクノロジーです。 Smart Fusion プロセスは、部品の設計を調整して変形のバランスを取り、フィードフォワード閉ループ溶融プール制御と現場計測データを組み合わせて、実質的にサポート構造のない部品を製造します。
△Velo3D Sapphire金属3Dプリンターのビルドチャンバーは円筒形です。今年9月のRAPID+TCT2021展示会で、VELO3DはSapphire 3D製造プリンターで初めてサポートフリーの3D金属印刷機能を発表しました。これにより、金属積層造形におけるサポート構造の必要性が減り、無限の設計革新が可能になります。さらに、VELO3D は、VELO 3D メーカーが使用できる Flow™ 印刷準備ソフトウェア、Sapphire® レーザー粉末ベッド AM システム、Assure™ 品質保証ソフトウェアを含む完全なソリューションを開発しました。同社の特許取得済み 3D 印刷技術である SupportFree Powder Bed Fusion は、印刷プロセス中にサポートを使用しないため、競合他社よりも優れています。
△ サポートフリー3Dプリントデモ
Incusメーカー: Incus 代表製品: 液体フォトポリマー金属3Dプリント製造(LMM)技術リリース時期: Formnext 2019

Formnext 2019 において、Incus は Stereolithography Metal 3D Manufacturing (LMM) テクノロジーを初めて公開しました。同社の Hammer シリーズのマシンは、光重合技術を使用して、ヒートシンクやドリルビットなどの精密な構造と優れた表面の滑らかさを備えた高精度の金属部品をコスト効率よく 3D プリントします。今日の製造市場では、複雑な形状の大量生産や機能プロトタイプを実現できる 3D プリント技術に対する需要が高まっています。Incus は、部品の小ロット生産に加えて、LMM 技術は低コストの優れた技術であると述べています。品質は金属射出成形（MIM）に匹敵します。同社の主力製品であるHammer Lab35 3Dプリンターは、横方向解像度35μm、印刷速度最大100cm3/hの産業グレードの光エンジンを使用して、優れた機械的特性を持つ200グラム未満の部品を印刷できると言われています。さらに、使用する原料は自立型であるため、サポート構造を必要とせずに、単一の印刷プラットフォーム上にさまざまな形状を体積最適化して配置できます。
△サポートなし液体光硬化金属3Dプリンターの主要構造
ゲルディスペンシング印刷技術 (GDP)
イスラエルの企業 Massivit 3D は、特に多くのサポートを必要とする張り出し構造や多角度構造など、大型の物体を印刷するための独自の 3D 印刷技術を開発しました。

ゲルディスペンシング印刷技術で使用されるプリンターには、感光性材料に UV 光源を照射するための可動式クレーンフレームが必要です。紫外線が当たると、その部分の感光性ゲルが固体ポリマーに固まります。同社の独自ソフトウェアと特殊な感光性ゲルと組み合わせた分散ゲル印刷技術により、サポートなしで垂直の壁や天井を簡単に印刷できます。

この技術は、FDM と SLA の両方の利点を組み合わせたものです。FDM に似た動作方法を使用し、SLA の動作原理に基づいて印刷します。 FDM マシンのノズルを UV ランプとして想像してください。UV ランプは印刷パスに沿って高速に移動し、パス上のゲルを硬化させます。

Xolo体積3D印刷発売元：xolo社代表製品：サポートフリー光硬化3D印刷 - X線体積3D印刷技術発売時期：2020年12月 △X線クロスレイ体積光硬化3Dプリンター
2020年12月23日、ドイツの科学者らはトップジャーナル「ネイチャー」に「線形体積3D印刷のためのxolography」と題する論文を発表し、この技術を基にXoloという会社を設立した。この論文では、放射線体積測定 3D 印刷と呼ばれる 3D 印刷技術が発表されました。この技術により、最大 25 ミクロンの特徴解像度と毎秒 55 立方ミリメートルの硬化速度で物体を 3D 印刷することが可能になります。ホログラフィー法は、他の 3D 印刷プロセスのように、オブジェクトを積み重ねて 3D 印刷するわけではありません。代わりに、透明な樹脂容器にさまざまな角度から「光のシート」を投影し、光の波長を選択してデュアルカラー光開始剤 (DCPI) と呼ばれる分子を活性化します。これにより、樹脂の重合がトリガーされ、単層シートが固まります。 Xolo はまた、モデルがどんなに複雑であっても、X 線ステレオリソグラフィー 3D 印刷技術ではサポート構造は必要ないと主張しています。これは、印刷ジョブの緩んだ部分が周囲の粘着性樹脂によって一時的に支えられるためです。 Xolo 氏は、感光性樹脂材料のモノマーの架橋により密度が変化し、重力下での部品の沈下速度が異なると説明した。印刷速度が速く、樹脂の粘度が高いため、この影響は最小限に抑えられ、部品の沈みは製造が完了した後にのみ目立ちます。さらに重要なことに、この論文では、この技術の印刷速度は 2 光子 3D 印刷技術の 10,000 ～ 100,000 倍であることが示されています。さらに、2光子技術では非常に小さな物体しか印刷できず、印刷速度も非常に遅いです。しかし、X線体積3Dプリンティングでは、1時間あたり約1リットルの材料を3Dプリントして硬化させることができます。より強力なレーザー光源とより微細な樹脂を使用すれば、印刷速度は大幅に向上します。
△X線クロスレイ写真ボリューム3Dプリント技術原理

ドイツ・フラウンホーファー研究所発行元：ドイツ・フラウンホーファー研究所とラピッドシェイプ代表製品：TwoCure（デュアルキュア）新樹脂3Dプリント技術発売時期：2017年11月 △ TwoCure技術プリント製品
2017年11月、ドイツのフラウンホーファー研究所とラピッドシェイプ社は、印刷サポート構造をまったく必要としないTwoCureと呼ばれる新しい樹脂3D印刷技術を共同で開発しました。 TwoCure テクノロジーの秘密は、その名の通り「光硬化」と「熱硬化」という 2 つの方法を使用することにあります。実際の作業では、DLP（デジタル光処理）技術と同様にプロジェクターを使用して物体の断面画像を樹脂に投影し、「光硬化」を実現して物体を層ごとに印刷します。しかし同時に、加熱によって「光硬化」していない樹脂も（これも層ごとに）「熱硬化」し、「ワックス」のような状態になります。そして、全体のプロセスの中で、この部分は補助的な役割を果たします。
△TwoCure技術原理
BlackBelt発売元: BlackBelt 代表製品: コンベアベルト 3D プリンター通常のプリンターと比較すると、BlackBelt の最大の違いは次の 2 つです。1 つ目は、垂直昇降プラットフォーム (Z 軸) がコンベアベルトに置き換えられているため、連続印刷と超長印刷を実現できることです。下の図に示すように、最後にコレクターを追加すると、人間の監視なしで連続印刷が可能になります。ローラーラックを設置すると、印刷長さをさらに増やすことができ、理論的には無限大になります。コンベアベルトは強力な接着力を持ち、厳しいテストに合格した炭素繊維複合材料で作られているため、印刷プロセス中の印刷の安定性を確保できることを指摘しておく必要があります。

次に、プリントヘッドの移動面（X、Y軸）が水平から傾斜に変更されるため、ほとんどの形状は印刷時にサポートを必要としませんが、特定の形状を印刷する場合は、最初にサポートとして機能する「開始構造」を印刷する必要があります。下の写真のように、戦闘機の前端はコンベアベルトに接触しないため、印刷する前にまずくさび形の構造（赤い部分）を印刷する必要があります。開発者によると、BlackBelt の最適な印刷角度は 45° ですが、この数値は特定のニーズに応じて 15°、25°、34° に調整することもできます。

MIT ゲル 3D プリンティング発行元: MIT 技術: ラピッドリキッドプリンティング (RLP)

アメリカの有名な大学であるマサチューセッツ工科大学（MIT）の最新の研究であるラピッドリキッドプリンティング（RLP）は、同校のセルフアセンブリラボとミシガン州の家具メーカー Steelcase が共同で開発しました。この技術の最大の特徴は、印刷にサポートがまったく必要なく、サイズが非常に大きいことです。これは、プロセス全体が空気中ではなくゲル内で行われるためです（下図参照）。

ゲルは印刷プロセス中にサポートと安定性を提供します。実際の印刷中、ノズルは 2 つの液体ポリウレタン材料を押し出します。その後、材料は数分以内に化学的に固まります。最後に、硬化した構造物を取り出してすすぐだけで、最終製品が得られます。ゲルを入れる容器は非常に大きく作ることができるため、この方法では印刷サイズも当然非常に大きくなります。また、ゲルが容器全体を満たすため、あらゆる印刷構造を一度に形成できます。また、この方法では、原料としてポリウレタンだけでなく、ゴムやプラスチックなどの他の一般的な工業原料も使用できます。そのため、現在の 3D プリント業界に大きな変化をもたらし、最終的には多くの業界、特にカスタマイズされたオフィス家具に適用されることが期待されています。
ボーイングの宇宙懸架3Dプリント技術発売元：ボーイング代表技術：宇宙懸架3Dプリント技術リリース時期：2016年2月4日 △宇宙懸架3Dプリント技術の原理の簡単な図航空大手のボーイングは、新しい3Dプリント技術である宇宙懸架3Dプリント技術を開発しました。この技術の最大の特徴は、印刷された物体が宙に浮いた状態となり、360 度自由に回転できることです。こうすれば、周囲に3Dプリンターが多数あっても、材料を適当に積み上げてしまう心配がありません。この技術により、特定の形状に対する 3D プリントの制限が完全に打ち破られ、複雑な部品の全体的な 3D プリントが可能になります。
△3Dプリント材料は回転することができ、3Dプリンターは物体の表面の底に材料を追加することもできます。△ボーイングが開発した宇宙懸架3Dプリント技術地球上のあらゆるものと同様に、重力の制約から逃れることは不可能であることは誰もが知っています。そのため、物体を印刷するときは、上から下への方法で物体を印刷するためのサポートとしてプリントベッドが必要ですが、ボーイングのこの技術は、この制限を完全に取り除きます。複数のプリンターを使用して、反磁性を持ち、過冷却すると超伝導体になる材料を同時に押し出します。実際、3D プリントされたオブジェクトは磁場によってサポートされているため、プリンターはオブジェクトのどの側にも材料を配置できます。従来の 3D プリンターは上から下にしか印刷できませんが、空間サスペンション 3D プリント技術では、この順序の制約から完全に解放されます。この技術により、印刷されたオブジェクトのすべての部分が吊り下げられます。これは、将来の 3D プリントされたオブジェクトにはサポート構造が不要になる可能性があることを意味します。
IAAC発行元：スペイン・カタルーニャ国立建築研究所（IAAC）代表製品：反重力造形技術 △「MATAERIAL」反重力3Dプリント技術重力の制限により、現在の3Dプリント技術では水平制御プラットフォーム上でのみプリントを完了できます。スペインのカタルーニャ高等建築学院（IAAC）とオランダのアムステルダムにあるヨリス・ラールマン・スタジオの研究者グループは、反重力3Dプリント技術「MATAERIAL」を開発した。この技術は、3Dプリントの過程で機械がモデルの傾き、滑らかさ、鋭角を処理する方法を調整できるため、目の前でプリントされたモデルが崩壊するという悲劇を目にすることがなくなる。
彼らの目標は、反重力モデリング技術を使用して、従来の製造スペースとサポート材料の制限から解放され、ほぼあらゆるサイズと形状のオブジェクトを作成することです。この技術は、ホットメルトポリマーを押し出すことができ、さまざまな角度で安定した構造に瞬時に固化できます。垂直のファサードに簡単に取り付けることができ、多方向印刷が可能です。印刷された曲線は、サポートなしで空間内でほぼ自由に伸びます。
△「MATAERIAL」技術は、2次元印刷層の代わりに3次元曲線を使用する
ADAM発行元: シェフィールド大学付加製造研究センター (ADAM) 技術: アンカーフリー選択的レーザー焼結 (ASLS)
イギリス第4の都市シェフィールドにあるシェフィールド大学の積層造形研究センター（ADAM）のニール教授と彼のチームは、低温溶融金属粉末を3Dプリントモデルに焼結し、3Dプリント構造物のサポートの制約を取り除く新しいレーザー焼結技術を開発した。この技術は「アンカーフリー選択的レーザー焼結技術」と呼ばれている。アンカーフリー選択的レーザー焼結技術は、冶金学における「共晶合金」技術に基づいています。この合金は、より低い温度（共晶点）で急速に凝固します。たとえば、アルミニウムの融点は摂氏660度、シリコンの融点は摂氏1414度です。しかし、シリコン-アルミニウム合金の共晶点は摂氏577度しかありません。この硬化プロセスをさらに加速できれば、応力点にサポート構造がなくても、最も複雑な形状のものを作ることができるようになります。

△「共晶合金」技術の簡略図上図は「共晶合金」技術の簡略化されたプロセスを示しています。まず、粉末床を加熱して 2 つの粉末を混合します。2 つの粉末をレーザー焼結して新しい共晶合金を作ります。最後に、粉末床の温度を共晶点温度に制御して、モデルの温度を均一に冷却します。モデルを組み立てるためにサポート構造に頼る必要があることは、3D印刷プロセスにおける大きな障害です。サポートは「アンカー」のようなものです。モデルの印刷は、このアンカーポイントを中心に構築する必要があります。この方法でのみ、機械は張り出した部分を印刷できます。アンカーフリーの選択的レーザー焼結技術は、従来の印刷方法を変えます。印刷プロセス中に、特定の構造にかかる過度の圧力を伝達または軽減するために、通常、アンカーポイント（つまり、サポートポイント）を追加する必要があります。アンカーフリーの選択的レーザー焼結技術は、モデルを低温で急速に固化させて圧力を軽減できます。

結論
3Dプリント技術自体は、非常にコストを節約できるプロセス技術です。3Dプリントをサポートフリーにできれば、製造業において真の「ゼロロス」が実現します。したがって、企業の膨大なエネルギー、材料、時間のコストを節約できることが、この技術の最大の価値です。
3D プリントはとてもクールに聞こえますが、実際に触ったことがある人なら誰でも、その長くて必要な、退屈で面白くないサポート除去プロセスが常に憂鬱な問題であり、数え切れないほどの 3D プリント愛好家を落胆させてきたことを知っています。したがって、このサポートフリーの 3D 印刷技術が実際に適用されれば、消費者はモデルの後処理に多くの時間と労力を費やす必要がなくなることを意味します。アンタークティックベアは、これも破壊的な技術革新になると信じており、この技術の成功に非常に大きな期待を寄せています。

常識を覆す「ゼロからの創造」！世界の金属・非金属材料のサポートフリー3Dプリント技術11種の目録

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