バインダージェット 3D プリントにおいて、高 DPI が高品質と同義ではない 5 つの理由

出典: ExOne
翻訳：武漢易志科技

バインダージェッティングの世界における最大の誤解の 1 つは、一見単純な測定基準である dpi (1 インチあたりのドット数) に関するものです。名前が示すように、dpi は、プリントヘッドが 1 インチあたりに生成できるインク滴の数を正確に表す実際の測定値です。 dpi 値が高いほど、最終部品の精度と表面解像度が高くなるという想定は、3D 印刷ではよくある誤解です。これは、層が薄いほど自動的に品質が高くなるというポリマー印刷の誤解と同じくらい間違っています。 (そうではありません!) どちらの場合も、他にも考慮すべき点が多数あります。

それでは、dpi についてお話しましょう。このテーマに関する興味深い議論のために、ExOne のテクニカルフェローであり、バインダージェッティングの世界的専門家である Dan Brunermer 氏に話を伺いました。彼は2001年からこの仕事をしています。彼は初期の金属バインダージェッティングシステムである R2 を開発しました。このシステムは今でも生産に使用されています。

「そうですね、最初の問題はパウダーです」とダンは説明しました。「パウダーがなければ dpi は役に立ちません。」
理由1：パウダー バインダージェッティングシステムのプリントヘッドは、紙に印刷する代わりに、金属、砂、その他のセラミックなどの粉末材料に印刷します。ダンが説明するように、これらの粉末はすべて同じ大きさの完全に丸い小さな物体ではありません。

微視的なレベルでは、粉末の山は、丸い形や球形、非球形（角張った粒子や面状の粒子を含む）など、さまざまな特性を持っています。さらに、粉末粒子はすべて同じ大きさではありません。粉末は通常 D50 に分布しており、粉末の半分は特定の値を超える直径を持ち、残りの半分は特定の値未満の直径を持ちます。 D50 が 22 ミクロンの場合、粒子の半分はこの値以下になり、残りの半分はこの値以上になります。

さらに、粉末の入った袋を機械に入れると、粉末は、グラスの中に置かれたさまざまな大きさのビー玉の束に似た方法で整列したり圧縮されたりします。小さなビー玉は大きなビー玉の間の隙間に押し込まれます。正確に言うと、混合物です。

バインダージェッティングにおけるプリントヘッドの目的は、その名の通り簡単です。つまり、十分なエネルギーで十分な量のバインダーを粒子に滴下し、X、Y、Z 方向で粒子を完全に濡らす、つまり飽和させて、必要な場所で隣接する粒子と結合できるようにすることです。
微視的なレベルでは、これは結合剤がこの混合粒子の袋に当たる必要があることを意味し、基本的に各粒子を個別に粘液で囲み、隣接する粒子にくっつくようにします。印刷に使用する粉末によっては、プリントヘッドがさまざまなバインダー粘度に対応しなければならない場合もあります。粉末によっては薄いバインダーが適しているものもあれば、厚いバインダーが適しているものもあります。

さて、ちょっと数学です。 1200dpi プリントヘッドは、最も頻繁に使用される産業用プリントヘッドの 1 つです。このプリントヘッドによって生成される各液滴は 21.17 ミクロンに相当し、これは人間の髪の毛の断面積の約半分に相当します。

では、1200 dpi のプリントヘッドを使用して、D50 が 30 ミクロンの金属粉末 (標準的な機械加工された AM 金属粉末) のベッドにバインダーを印刷すると仮定すると、バインダーは粉末粒子に当たったときに 1200 dpi の許容範囲を維持するでしょうか?

いいえ。それは、個々の粒子の半分自体が、実際にはその上に噴霧された液滴よりも大きいからです。この場合、Brunnamo 氏は次のように説明しています。「基本的に dpi を無駄にしていることになります。dpi がどれだけ高くても、無駄です。」

理由2: 層の厚さ さて、例を変えて、1200 dpi プリンターでは粉末のサイズは問題にならないと仮定しましょう。 D50 が 9 ミクロンの粉末を使用すると、最大粒子サイズは約 14 ミクロンとなり、バインダー液滴サイズの 21.7 ミクロンよりもはるかに小さくなります。ここで、一般的な層の厚さである 50 ミクロンで印刷します。プリントベッド上で 1200 dpi を維持できますか?

X と Y の場合、答えは暫定的です。 (これについては後ほど詳しく説明します)。しかし、Z 方向では dpi は維持されません。これは、50 ミクロンのレイヤーが 508 dpi に相当するためです。垂直方向に 1200 dpi を維持するには、21.7 ミクロン以下の層の厚さが必要であり、印刷に必要な層の数は 2 倍になります。

最終的には、プリントヘッドが 50 ミクロンの層と同じ高さを実現するためにさらに 2 回実行する必要があるため、ジョブの速度が 50% 以上低下します。適切な速度と層の厚さで印刷したい場合、「1200 dpi のボクセルは絶対に使用しないでください」と Dan 氏は説明します。

理由3：粉末の圧縮 さて、1200 dpi の信頼性を維持するために適切なサイズの粉末と層の厚さがあると仮定しましょう。ここで、各粉末層が粉末床全体で一貫しており、高いレベルの圧縮が行われていることを確認する必要があります。 D50 約 9 ミクロンの粉末で印刷するのがいかに簡単かご存じない方のために例を挙げると、ケーキを作るときに小麦粉を注ぐと粉が固まるようなものです。広げようとすると雲ができてしまいます。

あらゆる DPI を維持するために、超微細粉末を分配、平準化、圧縮するには、極めて高い精度と制御性を備えた高度に設計された粉末管理システムが必要です。

これは、粉末のサイズに関係なく、X、Y、Z 方向の dpi を維持するために重要です。粉末の層が層ごとに一貫して密着していないと、小さな粒子が十分に密着して接着剤を吸収できないため、穴の開いた紙に 1200 dpi の接着剤を印刷しているような状態になります。

「粉末が均一で密度が高くないと、バインダーが隙間に染み込んで解像度が失われます」とブルンナマー氏は説明する。さらに悪いことに、最終的な形状はそれほど緻密ではなく、微細構造的に健全ではなく、実際には金属部品としてうまく焼結されません。「緻密さは焼結の成功を予測する上で重要な指標です」とダン氏は言う。「バインダージェット成形部品のグリーン密度が高いということは、収縮が少なく、歪みが少なく、許容誤差が小さいことを意味します。」

理由4：ノズル位置制御 時々、精度が高すぎると困難な場合があります。これが、ライフルよりもショットガンで標的を撃つ方が簡単な理由です。（ショットガンは精度ではなく、射程距離を追求する）

超高精度の 1200 dpi プリントヘッドを使用している場合は、すべての液滴がデジタルビットマップターゲットの正確な X 位置と Y 位置に当たるようにする必要があります。ここでは、ソフトウェア、機械制御、およびそれらの相互作用が重要になります。

高 dpi プリントヘッドと、超微細 21.7 ミクロンのインク滴をプリントベッドの正確な X、Y 位置に届けるための標準以下のシステムを使用している場合、実際には目標を達成しているとは言えません。この点では、液滴が小さいほどエラーの余地が少なくなるため、制御システムにとって実際にはより大きな課題が生じます。

ダンはこう言いました。「20 ミクロン以内の精度を持つアクチュエータがなければ、1200 DPI は意味がありません。1200 滴のインクをすべて正しく配置する方法がなければ、1200 DPI は意味がありません。」

理由5: インク滴の品質 ここで、粉末を管理し、プリントヘッドを正確に位置合わせするための適切な粉末、層の高さ、システムがあると仮定しましょう。すべてが 1200 dpi のドロップを出力および受信するように設定されているので、dpi を維持できますか?

すべての 1200 dpi プリントヘッドが同じ品質の 21.7 ミクロンのインク滴を出力するわけではないことをご存知ですか?液滴はさまざまな形状、エネルギー、速度レベルで送達できます。「奇妙なことに」とダンは説明します。「私たちの研究では、完璧ではない液滴でもより良い部品が作れることがわかりました。これはバインダージェッティングと呼ばれ、バインダードロップとは呼ばれませんよね?」

「ノズルの仕組みをよく見ると、粒子を貫通するのに十分な質量とエネルギーを持つ細い流れを噴射しているのがわかります。液滴が遅すぎたり、小さすぎたり、エネルギーが少なすぎたりすると、粉末の表面で跳ね返ってしまいます。私たちは実際に、液滴を液滴というよりジェットのようにしようとしています。」

結論これら 5 つの理由は、dpi がバインダージェット 3D プリントの品質の指標ではない理由のほんの一部に過ぎず、最終的な金属焼結段階で dpi を維持する方法についてはまだ触れていません。

では、バインダージェッティングシステムの品質を判断する最良の方法は何でしょうか?

「究極の答えは、これらすべての変数を考慮して構築、設計、最適化された完全なシステムを持つことです」とダンは言います。「重要なのは特定の数字ではなく、システム全体がどのように機能し、プロセス全体がどのように連携して高解像度、高再現性の部品を実現するかを理解することです。」

バインダージェッティングシステムの精度と表面仕上げを実際に比較するには、競合システムで部品を印刷し、ベンチマークを比較するのが最善の方法です。

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