セラミック3Dプリント技術の特徴とPEPとDLPの違い

出典: サブリメーション 3D

セラミック3Dプリント技術と応用材料

セラミックは、高い機械的強度と硬度、良好な化学的安定性、優れた音響、光学、電磁気、熱特性により、化学、機械、電子、航空宇宙、生物医学などの分野で広く使用されています。従来のセラミック製造工程では、通常、セラミック粉末とバインダーを混合し、射出成形、圧縮成形、鋳造、ゲル鋳造などによって目的の形状に成形します。成形体は高温脱脂と焼結によりさらに緻密化されます。しかし、従来の製造プロセスでは金型が必要であり、全体的な生産サイクルが長く、非常に複雑な構造のセラミック部品を形成することができません。さらに、セラミックは非常に硬度が高く脆いため、加工が非常に困難です。 3D プリンティング技術は、インテリジェントで、金型を必要とせず、正確で、高度に複雑な製造能力を備えており、セラミック部品の製造に新たなアプローチを提供します。

▲セラミック3Dプリント技術の分類@Journal of the European Cermic Society、追加情報あり

セラミック 3D プリントの成形原理の違いにより、押し出し成形原理に基づくワイヤ熱溶解積層技術 (FDM)、粉末押し出し印刷技術 (PEP)、スラリー直接描画技術 (DIW)、感光性重合成形原理に基づくステレオリソグラフィー技術 (SLA)、デジタル光処理技術 (DLP)、2 光子重合技術 (TPP)、粉末結合成形原理に基づくインクジェット印刷技術 (IJP)、3 次元印刷技術 (3DP)、粉末焼結成形原理に基づく選択的レーザー焼結技術 (SLS)、選択的レーザー溶融技術 (SLM) に分類できます。

▲セラミック3Dプリント技術の比較詳細はJournal of the European Cermic Societyに掲載、追加情報あり

セラミック 3D プリント材料は、粉末、顆粒、スラリー、ワイヤに分けられます。主なものとしては、アルミナ、酸化ジルコニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、TCP、ハイドロキシアパタイトなどです。セラミック 3D プリントは、航空宇宙、原子力、半導体製造、医療用インプラント、光センサー、高温耐摩耗部品など、幅広い用途に使用されています。

▲PEPプロセスで製造されたさまざまなセラミック材料の応用サンプル@Sublimation 3D

PEPとDLPの技術的特徴と違い

この記事では、異なるテクノロジーの可能性を最大限に活用し、補完的な利点を形成し、アプリケーションの成長ポイントを探ることを目的として、DLP と PEP という 2 つの異なるセラミック印刷プロセスを検討します。厳密に言えば、3D プリントはセラミック部品の製造プロセスにおける単なる成形プロセスです。最終的な部品の性能は、材料の準備、脱脂、焼結などのプロセスにも左右されます。より高い部品性能を得るためには、浸透や等方圧プレスなどの後処理プロセスと組み合わせる必要がある場合があります。光重合成形に基づく 3D 印刷技術は、成形精度、部品の表面品質、機械的特性において大きな利点を示しており、さまざまなセラミック 3D 印刷プロセスの中でも、将来性が広いプロセスの一種であると一般的に考えられています。

現在市販されている市販のセラミック 3D プリントデバイスの中で、DLP プリンターが最も人気があります。 SLM などの高エネルギーレーザーを必要とする装置と比較して、装置コストと精密セラミック部品の製造において大きな利点があります。 PEP は、Sublimation 3D が発表した間接添加技術で、3D プリントと従来の焼結技術を組み合わせたものです。3D プリントの柔軟な成形と、従来の粉末冶金の成熟した後処理技術を活用しています。複雑な構造形状を 3D プリンターで作成し、その後、脱脂および焼結プロセスで後処理して、最終的に一貫した性能を備えた高密度のセラミック構造部品を得ます。 DLP と PEP はどちらも独自の利点を持っていますが、主に次のような明らかな違いもあります。

DLP と PEP テクノロジーの違い

成形原理: PEP 技術は粉末押し出しに基づいていますが、DLP 技術は光硬化に基づいています。成形原理には、2 つの技術の間に本質的な違いがあります。

材料の選択：PEP技術は金属やセラミックの粉末材料に適用できますが、DLP技術は感光性樹脂材料をベース材料として適用でき、使用できる材料は限られています。

コストとメンテナンス: PEP テクノロジーは設備コストが低く、メンテナンスが容易ですが、DLP テクノロジーではより複雑な光源と光学システムが必要になる場合があり、メンテナンスも比較的複雑です。

印刷速度と精度: PEP は点線面成形を採用し、DLP 技術はデジタル光層ごとの硬化を採用しているため、印刷速度と精度に優れ、特に細かいディテールの印刷に適しています。

適用範囲: PEP 技術は複雑な形状の大型セラミック構造部品の製造に適していますが、DLP 技術は微細構造のセラミック部品の迅速な製造に適しています。

セラミック 3D プリントにおける PEP の利点と展望<br /> セラミック 3D プリント技術のさまざまなルートには、さまざまなアプリケーションの焦点もあります。たとえば、IJP と 3DP は高密度または多孔質のセラミック部品の製造に適していますが、DIW と FDM プロセスは中空格子セラミック構造の印刷に適しています。 DLP テクノロジーは、微細構造、寸法精度、表面品質に優れており、歯科、電子機器、宝石、玩具など、これらの機能に対する要件が高いアプリケーションに適しています。 PEP 技術は、コスト効率、材料の適応性、従来のプロセスとの互換性の点で多くの利点があり、特に暗色セラミック材料 (炭化ケイ素や窒化ケイ素など) で作られた大型構造部品の積層造形に適しています。ただし、成形技術の影響に加えて、材料が応用シナリオの鍵となることに留意する必要があります。技術的なルートに関係なく、最終的には、さまざまなセラミック材料の応用シナリオにプロセスサポートを提供するものと定義できます。

▲PEPは軽量シリコンカーバイドミラー焼結部品を準備中@Sublimation 3D

▲PEPプロセスで製造された大型シリコンカーバイド反射鏡の完成品@上海珪酸塩研究所

PEP 技術は、大規模な高性能構造セラミックス、内部多孔質複合構造セラミックス、セラミックスベースの複合材料の応用開発において独自の利点を持っています。また、PEP技術の注目すべき特徴は、さまざまなセラミック粉末原料を柔軟に使用できることであり、航空機器、宇宙技術、原子力産業、国防、太陽光発電半導体、バイオメディカルなどの分野で、より多くのセラミック材料に深く開発され、適用されることが期待されています。印刷された部品の表面仕上げには限界があるものの、精度の低さや表面品質の悪さといった欠点は、バイオセラミックススキャフォールド用途においては、これらの部品にとって有利な構造特性に変換される可能性があります。

PEP 技術は現在、宇宙用ミラー、高温炉、熱交換器、ウェーハキャリア、アンテナカバー、フィルター触媒、人工骨などのセラミックアプリケーションにおいて比較的成熟した事例があります。同時に、PEP 技術は、グリーンで環境に優しく、持続可能な開発の特性により、エネルギー消費と環境汚染の削減に役立ち、製造業における現在の環境保護の傾向と一致しており、大きな市場の可能性を秘めています。

セラミック3Dプリント技術の特徴とPEPとDLPの違い

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