アディティブ マニュファクチャリングの概要

Nessan Cleary は、3D プリンティングの簡単な紹介と、現在利用可能なさまざまなタイプの 3D プリンターについて詳しく説明します。

「3D プリンティング」という用語は、印刷の方法にはあまり多くはなく、少なくともグラフィックス印刷の世界の誰もが理解できる方法ではないため、少し誤解を招きます。とはいえ、ワイドフォーマットの専門家の多くは、CAD ファイルを使ってパッケージング、展示スタンドのポイント、その他の 3D オブジェクトを作成することに慣れているため、3D プリントはそれほど難しいことではありません。

基本的なコンセプトは、オブジェクトのデザインを取得し、スライス ソフトウェアを使用してそれをレイヤーにスライスすることです。次に、3D プリンターがオブジェクトを作成します。一度に 1 つのレイヤーを配置し、オブジェクトが完成するまで各レイヤーを前のレイヤーの上に追加します。多くの 3D プリンターは、プリンターの造形チャンバー内で複数のオブジェクトを並べて印刷するように設定できますが、各オブジェクトの大きさによっては、このプロセスが非常に遅くなる場合があります。

現在、3D プリンティングはプロトタイプ、治具、金型、最終部品の製造に広く使用されており、ますます受け入れられる製造プロセスになりつつあります。このため、3D プリンティングは積層造形としても知られています。さまざまな 3D プリント テクノロジが多数あり、ここですべてをリストすることはできません。そのため、このストーリーでは、いくつかの主要なタイプと、それらのテクノロジで使用できる素材について説明します。理解すべき TLA (3 文字の頭字語) が非常にたくさんあることに注意してください。

キャプション: MakerBot は、メソッド FFF 3D プリンター用にいくつかの特殊素材を導入しました。

おそらく最も一般的な方法は、溶融フィラメント製造 (FFF) であり、溶融堆積モデリング (FDM) とも呼ばれます。熱可塑性フィラメントのスプールを原料として使用します。フィラメントは加熱された押出機に供給され、フィラメントが溶融して層を形成します。材料が冷えるにつれて層が結合して物体を形成します。デスクトップサイズの FFF/FDM プリンタは数多くあり、価格が比較的安いにもかかわらず、そのほとんどが非常に機能的です。解像度は押出機のノズルの細さに依存し、高解像度と印刷速度の高速化はトレードオフになります。

ABS などの硬質プラスチックから TPU などの柔軟なオプション、さらには強度を高めるためにナイロンやカーボンファイバーを織り込んだより珍しい素材まで、素材の選択肢は豊富です。

キャプション: Formlab は、これらのデスクトップ Form 3 および Form 3L ステレオリソグラフィー 3D プリンターを開発しました。

次のステップは、フォトポリマー樹脂ベースの材料を使用するステレオリソグラフィー (SLA) です。このプロセスは、バットにフォトポリマー液を充填することから始まります。次に、紫外線のビームがこの液体の表面に最初の層のパターンを描き、光が当たった場所で液体を固化させる化学反応を引き起こします。ビルド プラットフォームを下げ、樹脂をさらに追加し、最初のレイヤーの上に 2 番目のレイヤーをトレースします。底が透明な水槽を使用し、底面から光を当てて水槽の底から上に向かって造形する場合もあります。

これらのプリンタもほとんどがデスクトップ マシンであり、通常は FFF/FDM プリンタよりも高価ですが、プロトタイピングや成形用のキャストの製造、歯科用および医療用の生体適合性樹脂などの用途向けに、より特殊な材料の範囲があります。一般に、細部まで滑らかな仕上がりになりますが、強度が不足します。

デジタル ライト プロセッシング (DLP) は SLA 印刷のバリエーションですが、レーザーの代わりにデジタル ライト プロジェクターを使用して完全なレイヤーの画像を照射します。これはレーザーでレイヤーをトレースするよりもはるかに高速です。

3D プリントの最も古い形式の 1 つは、選択的レーザー焼結 (SLS) です。プラスチックから金属、セラミックやガラスに至るまで、粉末から始まるあらゆる種類の材料に適しています。粉末は造形チャンバー内で広げられ、レーザーが粉末にパターンを書き込みます。レーザーは、最初の層を形成するために加熱された粒子のみを融合させます。次に、チャンバーのベッドが下げられ、より多くの粉末が広げられ、オブジェクトが完成するまで各層が最後まで融合されるまでこのプロセスが繰り返されます。

このプロセスにより、多くの内部フィンを必要とするタービン ラジエーターなど、信じられないほど複雑なオブジェクトの製作が可能になります。ただし、SLS マシンは適切な温度制御と、もちろん高出力レーザーを必要とするため、高価になる傾向があるため、主に商業用途に限定されています。

SLS に似ているのは、選択的レーザー溶解 (SLM) であり、直接金属レーザー溶解としても知られています。さまざまなグレードのアルミニウムや合金鋼など、金属合金の選択肢が豊富にあります。この方法でも金属オブジェクトの製造に高出力レーザーが使用されますが、粉末粒子を単に一緒に焼結するのではなく、金属粉末を完全に溶かすため、部品の密度が高くなります。ビルド チャンバーには通常、火災や爆発の可能性を制限するためにアルゴンなどの不活性ガスが充填されていますが、これも慎重な取り扱いが必要であり、商業用途にのみ適しています。

電子ビーム溶解 (EBM) も同様の方法で機能します。この場合、レーザーは電子ビームを生成して金属粉末を溶かしますが、不活性ガスではなく真空が必要です。最高 1000℃ の高温が必要ですが、非常に強力で緻密な物体を製造することができ、特にチタン合金に適しています。

キャプション: ここでは、バインダー ジェッティングを使用する HP Jet Fusion 5200 3D プリンターと、別の処理ステーションが示されています。

バインダー ジェッティングでは、インクジェット プリントヘッドを使用して接着剤を噴射し、文字通り粉末を接着します。粉末状の材料をベッド上に広げ、接着剤を噴射して粉末同士を結合させることで、1層目のパターンを粉末内に書き込みます。ベッドが下がり、さらに粉末が全体に広がり、オブジェクトが完成するまでこのプロセスが層ごとに繰り返されます。通常、オブジェクトを焼成して残りのバインダーを溶かし、すべての層が単一のオブジェクトに完全に融合されるようにする別の仕上げステップがあります。

このプロセスは、プラスチック、金属、セラミック材料での使用に適応できます。インクジェット プリントヘッドを使用する大きな利点は、生産性を高めるためにヘッドを追加するなど、プロセスをスケールアップするのが比較的安価であることです。

インクジェット プリントヘッドは、別の方法であるマテリアル ジェッティングにも使用できます。この方法では、材料自体を適切な場所に正確に堆積させて各層を形成できます。これはプラスチック、金属、セラミックにも適しています。ただし、材料の噴射にはグラフィック プリンタと同じ問題がいくつかあります。つまり、大きな粒子がプリントヘッドを詰まらせるリスクと、印刷が完了したら材料の噴射に使用される液体キャリアを除去する必要があるということです。

結論として、どのタイプの 3D プリンタに投資するかを選択するのは、主に、プリンタのコスト、使用する材料、完成品に必要な品質と強度の間のバランスを見つけることによって決まります。

数か月後にこのテーマに戻り、3D プリンターが使用できるアプリケーションのいくつかを見ていきますので、楽しみにしていてください。

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