ポリマーを使用した3D印刷：2021年に知っておくべきことすべて
ポリマー3D印刷の詳細：テクノロジー、有望な開発、アプリケーションなど。
主要な化学会社が現在3D印刷の世界に加わり、業界の主力がこの技術の機能をさらに進歩させているため、ポリマー3D印刷は大幅に後押しされています。
最新の開発に遅れずについていくために、以下では、ポリマー3D印刷における最もエキサイティングな革新と、このテクノロジーによって提供される機会について詳しく説明します。ただし、最初に、業界全体で使用されている一般的なポリマー3D印刷技術について見ていきましょう。
ポリマー3D印刷は、2020年に117億ドルの収益を生み出すと予測されました。これには、ハードウェア、材料、および3D印刷部品の合計の売上が含まれます。
以下では、この成長を推進する主要なテクノロジーについて見ていきます。
1980年代のステレオリソグラフィー（SLA）の出現は、3D印刷時代の始まりを示しました。 SLAは、優れた表面仕上げを備えた見栄えの良い部品を製造するための理想的なテクノロジーです。 SLAパーツは、その精度と高解像度により、主にフォームとフィットのコンセプトモデル、または成形アプリケーションのマスターパターンとして使用されます。
SLAは、液体の光硬化性樹脂に依存しています。これらはUVレーザーによって層ごとに選択的に硬化され、樹脂を固化します。
SLA部品は優れた表面仕上げを提供しますが、他の添加剤技術で製造された部品よりも耐久性が低い傾向があります。また、SLA材料は紫外線に敏感であるため、太陽光に過度にさらされると機械的特性が変化し、屋外での使用には適さない場合があります。
SLAフォトポリマーには、さまざまなカラーオプションと、いくつかの特殊材料（キャスタブル、耐久性、高温、医療グレード）があります。
SLAの材料の選択肢は絶えず拡大しています。過去12か月間、Formlabs、Henkel、Zortrax、DSMなどから新しい3D印刷樹脂に関する複数の発表がありました。
最近のニュースから抽出できるのは、3D印刷樹脂の開発が新しいレベルに到達したことです。企業は、特に医療、歯科、エンジニアリングの分野で高度なアプリケーションに非常に重点を置いています。
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溶融フィラメント製造（FFF）として知られる溶融堆積モデリング（FDM）は、産業用途で最も人気のある3D印刷方法の1つです。市場調査会社のCONTEXTによると、出荷による最大の収益は2020年にこのカテゴリのマシンからのもので、約1億5,000万ドルに達しました。
FDMは、1990年代に市販され、手頃な価格でユーザーフレンドリーなプロトタイピングテクノロジーとして機能しました。それ以来、FDMは、より優れた信頼性、精度、および材料の選択を提供するように進化し、製造支援などの多くの生産アプリケーションに適しています。
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FDMは、ノズルから印刷プラットフォームに一度に1層ずつ押し出される熱可塑性フィラメントを使用します。 FDMパーツの主な制限の1つは異方性です。つまり、それらの機械的特性はすべての空間次元で同じではありません。これにより、部品が弱くなる可能性があります。
さらに、FDMはSLSやSLAなどの他の3Dテクノロジーに比べて印刷速度が遅いため、一般的に量産には実用的ではありません。
現在、メーカーは、弾性TPUから耐久性のある強化ABS、PEEKなどの高性能材料まで、さまざまなFDMフィラメントを自由に使用できます。生産グレードの熱可塑性プラスチックが利用できるため、FDMは機能的で耐久性のある製品を生産するのに理想的です。
選択的レーザー焼結（SLS）は、強力なレーザーを使用してプラスチック粉末材料を溶融する積層造形プロセスです。 SLSは、高精度、速度、信頼性、およびサポート構造の欠如の組み合わせにより、機能的なプロトタイピングと少量生産の両方に使用されます。
SLSは通常、ポリアミド（ナイロン）粉末を使用します。PA11とPA12は、柔軟なTPU材料に加えて、最も一般的に使用される2つのポリアミドです。
ただし、企業は継続的に新しい材料の提供を追加しています。たとえば、2018年に、エボニックはSLS用の世界初の柔軟なプラスチックPEBAベース（ポリエーテルブロックアミド）粉末をリリースしました。
ドイツの3DプリンターメーカーであるEOSは、認定されたPEEK材料に加えて、SLSシステム用に炭素繊維強化PEKK熱可塑性プラスチックも提供しています。新しいPEKK熱可塑性プラスチックは、航空宇宙および産業用途でアルミニウム部品を置き換えることができると言われています。
特に、EOSは現在、PEEKやPEKKなどの高性能熱可塑性プラスチックを処理できるSLSシステムであるEOSP800を提供している唯一のメーカーです。
歴史的に、SLSテクノロジーは、企業が取得するのに費用がかかりました（数十万ドルの費用がかかります）。ただし、2014年にこの技術の特許は失効し、Formlabs Fuse1ベンチトップ3Dプリンターなどのより手頃な代替品が生まれました。
2016年に市場に投入されて以来、HPのマルチジェットフュージョン（MJF）は、工業用グレードの機能部品とプロトタイプの製造に新しい次元を開きました。
SLSと同様に、この技術はナイロン粉末を使用しています。ただし、MJFは、レーザーを使用する代わりに、粉末の各層に溶融剤を滴下し、それを赤外線光源で溶融することで動作します。
SLSと比較して、MJFは、冷却プロセスを高速化し、粉末の除去を支援するHPの革新的な後処理ステーションにより、より高速なワークフローを提供します。 Jet Fusion 300/500シリーズは、フルカラーの3D印刷機能も提供します。
HPのMultiJet Fusionにはいくつかの制限があります。たとえば、現在限られている材料の選択（PA11、PA12、PA12にガラスビーズを充填）などです。
ただし、HPはオープンプラットフォームモデルを推進しており、材料開発者とのコラボレーションを促進しています。このアプローチを通じて、HPは、エボニック、BASF、ルブリゾールなど、このテクノロジーに適した新素材の開発に取り組んでいる50社を超える企業と提携しています。
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マテリアルジェッティングは、液体の光反応性材料をビルドプラットフォームにレイヤーごとに堆積させるインクジェット印刷プロセスです。 SLAと同様に、MaterialJettingはUV光の下で固化する樹脂を使用します。
マテリアルジェッティングの主な利点の1つは、印刷プロセス中に2つ以上のフォトポリマーを組み合わせて、ハイブリッド特性を備えた部品を作成できることです（たとえば、剛性と柔軟性を組み合わせる）。さらに、この技術はフルカラーの部品を製造できるため、最終製品の外観を持つプロトタイプに最適です。
マテリアルジェッティングで使用される樹脂は、SLAで使用される樹脂と似ていますが、粘度が低く、インクのような形をしています。それらのコストも通常は高くなります。
この技術の限界の中には、印刷された部品の機械的特性が低いことがあります。これにより、材料の噴射部品は一般に機能的なアプリケーションには不適切になります。
プロトタイピングは、ポリマー3D印刷の主要なアプリケーション分野の1つです。 3D印刷技術の進化により、プロトタイプははるかに高速に作成できるようになり、より耐久性があり、視覚的に魅力的です。
2017年に最も多くのプリンターを購入したと言われている自動車産業は、プロトタイピングを目的としたポリマー3D印刷の著名なユーザーです。ここでは、あらゆる種類の3D印刷技術が、フォームとフィットの両方、および機能、テスト、検証の両方に活用されています。
一例として、StratasysのJ750 PolyJet 3Dプリンターを使用して、自動車用のテールライトカバーなどの部品を設計および検証しているAudiがあります。
フルカラーのマルチマテリアルプロセスとして、Stratasys Polyjet 3D印刷により、最終製品の外観を備えた物理的なプロトタイプを作成できるため、製品開発プロセスが大幅に簡素化および加速されます。
工具用の3D印刷は、この技術の最も有望な用途の1つとして浮上しています。治具や固定具からインベストメント鋳造パターンまで、ポリマー3D印刷は、より速く、より安価で、カスタマイズされたツールへの扉を開きます。
一般に、企業は、比較的手頃な価格と使いやすさから、FDMおよびSLAテクノロジを使用してツールを作成します。
自動車メーカーのフォードは、Ultimaker FDM3Dプリンターを使用してカスタムツールを作成していると報告されています。
メリットは手頃な価格だけではありません。フォードのテクニカルリーダーであるハロルドシアーズ氏によると、3D印刷は、「人間工学的にオペレーターにとってより適切なツールを作成することで、人々が仕事をするのを支援しています。これはおそらくソフトなメリットですが、オペレーターがより幸せで快適に仕事をすることができれば、確かに役立ちます。彼らはまた、品質を向上させるだけのより良い仕事をするでしょう。」
さらに、現在入手可能な3D印刷可能な熱可塑性材料は、金属工具に取って代わるほど強力な場合もあります。これにより、組み立てプロセスがはるかに簡単になり、カスタム工具のコストが削減されます。
医療業界は、ポリマー3D印刷を早期に採用した企業の1つでした。今日、このテクノロジーは、3D印刷された手術ガイドやツールから、手術前の計画のための人間の臓器のレプリカまで、この分野で多くの用途が見出されています。
ますます、3D印刷は、低コストの補綴物や、ライナーやブリッジなどの歯科用デバイスを含むカスタム医療デバイスを直接製造するために使用されています。
3D印刷によって完全に変革された業界のセクターの1つは、補聴器です。現在、補聴器の90％以上が、SLA3D印刷技術を使用して世界中で製造されています。
パンデミックの発生以来、ポリマー3D印刷は、人工呼吸器バルブ、安全ゴーグル、保護フェイスシールド、テスト綿棒の製造のための実行可能な技術としての地位も確立しています。
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消費財企業は、マスカスタマイゼーションのオプションとしてプラスチック3D印刷にますます注目しています。 3D印刷は、労働集約的で費用のかかる工具を必要とせず、複雑なオブジェクトを費用効果の高い方法で作成できるため、消費者に合わせたパーソナライズされた製品の製造を可能にします。
3Dプリントを模索しているブランドの1つは、フットケア製品のプロバイダーであるDr. Scholl’sです。テクノロジー企業Wiivvと提携して、カスタム3Dプリントインサートを作成しています。
Dr Scholl’sは、Wiivv Fitテクノロジーを使用して、各ユーザーの足の400ポイントを数枚の電話の写真でマッピングするカスタマイズアプリを提供しています。このプロセスは5分もかからないのですが、インサートを設計して、顧客の足の正確な仕様に合わせて印刷することができます。
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Formnext 2018で発表されたEOSのLaserProFusionテクノロジーは、連続添加剤生産を可能にするために開発されている革新的なポリマー3D印刷テクノロジーです。このプロセスは、プラスチック材料を印刷するために最大5kWの出力に達することができる最大100万個のダイオードレーザーに依存しています。
システムがいつ市販されるかは不明ですが、この発表は3D印刷技術の工業化を示すもう1つの指標です。
この技術は大量生産プロセスとして進歩しており、最近の高速光重合の導入はこの傾向を加速させただけです。
この分野のほとんどすべての主要なプレーヤーは、射出成形ボリュームに近い機能性樹脂部品を印刷できるシステムを導入しています。
2014年、Carbonは高速デジタルライトシンセシステクノロジーを発表しました。これは、20cm /時の速度で印刷できるM23Dプリンターに進化しました。
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2016年、3D Systemsは、高速の自動化されたSLA（図4システム）の採用を発表しました。最近のデータは、図4生産部品の印刷速度が最大65 mm /時間、プロトタイピング速度が最大100 mm /時間であることを示しています。
その後、EnvisionTEC（Desktop Metalが買収）、Nexa3D、Origin（Stratasysが買収）、NewProなどの他の企業が続きました。
3D印刷のプロセス速度は、長い間、その最も弱い側面の1つでした。これは、特に、自動車や消費財などの大量連続生産によって推進される業界での採用の障害です。これらの業界では、生産効率を維持するために、製品をできるだけ短い時間枠で製造および納品する必要があります。
現在、高速重合の進歩により、部品をより大量に3Dプリントしたいメーカーにとって実行可能なオプションがあります。
後処理を排除することは、3D印刷業界で長年の夢でした。そして、Rizeのテクノロジーは、後処理の問題点を取り除くことを約束します。米国を拠点とする3Dプリンターのメーカーは、材料の押し出しとインクジェットを組み合わせたハイブリッドAugmented Polymer Deposition（APD）テクノロジーを開発しました。
この組み合わせにより、印刷プロセスが終了した後、それ以上の後処理操作を必要とせずに、手で簡単に取り外すことができる支持構造の印刷が可能になります。
APDテクノロジーは、プロトタイピング、ツーリング、および生産アプリケーション向けの等方性、フルカラー、工業用強度の部品の製造に使用されています。
昨年、同社は新機能も導入しました。これにより、ユーザーはこのテクノロジーを利用して、QRやバーコードなどの安全な情報を一部に3Dプリントできます。これにより、たとえば、エンジニアは特定の部品のすべての情報をデジタルで保存し、デジタル在庫を維持することができます。
産業用アプリケーションにFDMを広く採用する上での主な障壁の1つは、ビルドエンベロープのサイズです。これは、ドイツの企業BigRepが、信じられないほど大規模で高性能な3Dプリンターのラインで繰り返し克服しようとしている障壁です。
formnext 2018で、BigRepは、産業用に向けた2つの次世代3DプリンターであるBigRep PRO（1005 x 1005 x 1005 mm）とBigRep EDGE（1500 x 800 x 600 mm）を発表しました。
どちらのシステムにも独自のMeteringExtruder Technology（MXT）が搭載されており、他の大規模なオプションとは一線を画しています。この新しい押出機技術は、フィラメントの供給、溶融、押し出しを明確に分離し、より高速な印刷速度とより高い精度と品質を実現します。たとえば、BigRep PROは、市場で入手可能な他のFDMマシンと比較して、フィラメントスループット率が5倍、平均押出率が3倍であると言われています。
MXTは、BigRepがドイツの化学会社BASFと共同で製造しているASA / ABSやナイロンなどのプロ仕様の素材で動作するように最適化されています。
特に、BigRep PROには、Bosch Rexrothによる最先端のCNC制御システムとドライブが組み込まれており、IoTとデータ処理機能を実現しています。これは最終的に、プリンターのインダストリー4.0ビジョンへの統合を加速するのに役立ちます。
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ますます多くの3Dプリンターメーカーが大量生産に目を向けており、StratasysのスピンオフEvolve AdditiveSolutionsも例外ではありません。
ほぼ10年の開発の後、同社は昨年、ポリマー用の新しい生産速度の「STEP」（選択的トナー電子写真プロセスの略）技術を発表しました。
EvolveのSTEPプロセスは、特に、利用可能な最速の3D印刷技術よりも50倍高速であると言われているため、積層造形による大量生産への新しいアプローチを提供します。
さらに、同社は、この技術により、美的仕上げだけでなく強度の点でも、従来の方法で製造されたものと同等の品質の部品を製造できると主張しています。さらに、STEPテクノロジーは、マルチマテリアルおよびフルカラー印刷機能を提供します。
Evolveはまだ商品化から2年先ですが、彼らの技術は注目を集めるものになるでしょう。
3D印刷業界の主力であるStratasysも、急速に拡大している生産グレードの3D印刷システムの分野でその存在感を高め続けています。同社は、パウダーベッドフュージョン（PBF）ベースの3Dプリンターの次のラインを発表しました。
新しいHシリーズ生産プラットフォームは、大量生産のニーズを満たすように特別に設計された選択的吸収融合（SAF）テクノロジーを搭載しています。
SAFは、粉末ベースの3D印刷プロセスです。ただし、SLSはレーザーを使用してポリマー粒子を選択的に融合しますが、SAFはまったく異なることを行います。
SAFは、逆回転ローラーを使用して粉末層をプリントベッドにコーティングし、プリントヘッドが吸収液を選択的に滴下して部品の層を形成します。画像化された層は、プリントベッドのスパン全体にIRランプを通過させることによって融合され、選択された領域が融合します。
この新しいプロセスの良いところは、高い印刷速度とスケーラビリティを提供すると報告されていることです。現在、SAFテクノロジーに基づく3Dプリンターの商用利用は、2021年の第3四半期に予定されています。
StratasysのSAFがそのビジョンを実現する場合、確立されたSLSおよびマルチジェットフュージョンプロセスの実行可能な代替手段になる可能性があります。
アディティブマニュファクチャリング業界では、過去6か月間で買収と合併が相次ぎ、その多くはポリマーAMセクターでした。
M＆A活動は、AMの分野では目新しいものではありませんが、最近の発表には、生産の焦点という重要な共通点があります。
ポリマー3D印刷における最近のM＆Aの動きのハイライトは次のとおりです。
プロセスと材料のポートフォリオを拡大して、単一の流通ネットワークを介して動作する単一の親ソースからのより多くのオプションを含めるというこの要望により、より多くの顧客の要求に応えることができます。
再現性と信頼性に重点を置いて大規模にこれを行うことは、ポリマー3D印刷の大きな前進です。
軽量化は、航空宇宙やモータースポーツなどの一部の業界にとって特に目標です。航空機や車両を軽量化することで、燃料消費量を削減し、車両の性能を最適化できます。
これらの業界は一般に、軽量化のために金属軽量化ソリューションに依存していますが、ポリマー3D印刷材料の最近の進歩は、いくつかの刺激的な機会を提供します。炭素繊維、ULTEM、PEEKなどの高性能熱可塑性プラスチックを3D印刷できるということは、一部のアプリケーションでは金属をプラスチックに置き換えることができることを意味します。
ある分析によると、アルミニウム製の航空機ブラケットをPEEKの代替品に置き換えると、重量が5％から9％減少する可能性があり、航空機の燃料消費量に多大な影響を与える可能性があります。
金属部品を3D印刷されたプラスチックに置き換えることも、メンテナンスプロセスをスピードアップするのに役立ちます。あるサービスビューローは、Stratasys FDMナイロン12CFカーボン充填熱可塑性プラスチックを使用して、金属機械部品の代替品を製造しました。スペアパーツを3D印刷すると、従来の製品よりもはるかに高速に製造された優れたコンポーネントが得られました。
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ポリマー3D印刷材料のリサイクルと再利用は、ポリマーAMを社内で採用する際に考慮すべき重要な要素です。
フィラメントベースの3D印刷では、リサイクルが一般的であり、多くの企業がリサイクルプラスチックからプラスチックフィラメントを製造しています。
ただし、フィラメントのような熱可塑性プラスチックは、再溶解するだけで簡単にリサイクルできますが、熱硬化性プラスチックは再溶解できないため、リサイクルできません。
粉末ベースのポリマー3D印刷では、粉末の再利用も完全に簡単ではありません。ほとんどの場合、再利用するには、「使用済みだが未融合の」粉末を約50％のバージン粉末と混合する必要があります。 PEEKのような一部の高性能パウダーでは、リフレッシュレートが大幅に低下し、場合によっては、余分なパウダーを再利用できなくなります。
では、どうすればポリマー3D印刷材料で持続可能な印刷ができるでしょうか。 1つの方法は、より良い設計を通じて無駄を最小限に抑えることです。さらに、地元の廃棄物センターまたはリサイクルセンターに連絡して、3Dプリントされたポリマーを安全に処分できるかどうかを確認してください。
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支持体の除去、樹脂または粉末の除去などの除去プロセスは、ポリマー3D印刷で最も一般的に使用される後処理操作です。これらは通常、手動で実行されるため、多くの時間と労力がかかります。
この段階をさらに複雑にしているのは、それぞれが独自の後処理要件を持つ複数の3D印刷技術を使用したい場合があるという事実です。
後処理操作を改善するために、Rösler、PostProcess Technologies、AMT、DyeMansionなどの企業は、AMユーザーが後処理を合理化するのに役立つソリューションを開発しています。
現在、最大のトレンドは、選別、材料の除去と粉末除去、平滑化と染色、および検査をカバーする、エンドツーエンドの後処理ソリューションの作成です。
ポリマー3D印刷を採用する場合、後処理の要件を理解することが不可欠です。最適化されていない後処理は、3D印刷操作に多くのコストを追加する可能性があり、自動化によって回避することができ、回避する必要があります。
社内でポリマー3D印刷を採用するには、注文管理、コスト計算、生産スケジューリング、在庫管理などの運用管理へのアプローチも検討する必要があります。
今日の多くの企業は、従来の製造用に最初に開発されたソリューションに依存しているか、ソフトウェアを社内で開発しています。それぞれのアプローチは、多くの場合、サイロ化されたワークフローにつながります。これは、可視性に欠け、簡単に拡張できません。
非効率的でスケーラブルでないワークフローの罠に陥らないように、3D印刷要件を念頭に置いて開発されたワークフロー管理および製造実行ソリューションを実装することをお勧めします。
現在、市場にはいくつかのオプションがありますが、3D印刷ワークフロー全体をカバーするエンドツーエンドのソリューションを提供しているのはごくわずかです。
このようなソリューションの詳細については、ホワイトペーパー「Additive Manufacturing MES Software：TheEssentialGuide」をご覧ください
材料の選択を拡大し、材料コストを確実に削減するなど、いくつかの課題はまだ克服されていませんが、ポリマー3D印刷の継続的な開発は、企業が技術のメリットをさらに享受するのに役立ちます。
AM業界全体、特にポリマー3D印刷が最終部品の製造に移行するにつれて、3D印刷可能な複合材料と高性能熱可塑性プラスチックがより大きな牽引力を獲得していることがわかります。
ポリマー3D印刷は従来のプロセスに取って代わるものではありませんが、このテクノロジーは確かに現在の製造能力を強化し、高度な産業用アプリケーションのロックをさらに解除します。
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ポリマー3D印刷：テクノロジー
ポリマー3Dプリンターは、3D印刷ハードウェアの分野を支配しています。彼らはすべての面でリードしています：出荷収入、設置ベース、そしてこの分野で起こっている開発の数。 
バット重合
ステレオリソグラフィー
材料の押し出し
FDM / FFF
パウダーベッドフュージョン
選択的レーザー焼結 マルチジェットフュージョン
マテリアルジェッティング
ポリマー3D印刷：機会と用途
ポリマー材料を使用した産業用3D印刷は、製造部門と製品開発部門の両方で幅広い可能性を解き放ちます。以下に、それらの中で最も顕著なものの概要を示します。 ラピッドプロトタイピング
モータースポーツ分野では、3D印刷は、レーシングカーのテスト用の機能部品の製造において頼りになるテクノロジーです。たとえば、Alfa Romeo Sauber F1チームは、SLSおよびSLA 3D印刷を幅広く使用して、フロントウィング、ブレーキダクト、サスペンションカバー、エンジンカバー、内部ダクト、風洞車モデルのハンドデフレクターなどの部品を製造しています。 より効率的なツール
医療アプリケーション
カスタマイズされた消費者向け製品
•履物の3Dプリント ポリマー3D印刷におけるエキサイティングな技術開発
3D印刷業界は、新しいポリマー3D印刷技術の開発と、既存の技術の改善において飛躍的な進歩を遂げています。以下に、ポリマー3D印刷の分野における最近の最も重要な技術開発の概要を示します。 EOSの新しいLaserProFusionテクノロジー
この技術により、製造プロセスは10倍速くなり、射出成形と同じレベルの生産性を達成すると言われています。高速光重合
SLAおよびDLPプロセスを含む光重合は、過去数年間で大幅に進化しました。 RizeのAugmentedPolymer Deposition（APD）テクノロジー
BigRepの大規模なFDM3D印刷
EvolveのSTEPテクノロジー
StratasysのSAF
ポリマー3D印刷のトレンド
ポリマー3D印刷市場の統合
企業が集まって製品を強化し、産業用AM生産のための魅力的なソリューションを提示するのを見るのは心強いです。金属の代わりにプラスチックを使用する
社内でポリマー3Dプリントを採用する際の考慮事項
持続可能性後処理
ワークフロー管理
ポリマー3D印刷の未来
現実的なコンセプトモデルから頑丈なプロトタイプ、人間工学に基づいたツール、機能的な最終用途の部品まで、ポリマー3D印刷によって生み出される機会は計り知れません。
3Dプリント