3D印刷技術：さまざまな種類の3D印刷
3D印刷は、多くのアプリケーションと利点を備えた、人気のある用途の広い技術です。この用語は、すべての3D印刷技術の総称である積層造形と同義です。アディティブマニュファクチャリングユニットは、一度に1層ずつパーツを構築し、多くの利点をテーブルにもたらします。
さらに、すべての異なるタイプの3D印刷技術により、材料タイプを選択し、表面仕上げ、耐久性、速度、およびコストの適切な組み合わせを得ることができます。この記事では、3D印刷の一般的な方法を見て、プロジェクトに最適な選択を行うためにそれらがどのように機能するかを説明します。
アディティブマニュファクチャリング：簡単な概要
前述のように、アディティブマニュファクチャリングは、3Dプリントのすべての方法を表す総称です。すべての3D印刷技術は、コンピューターのCADデザインを使用して、正確な幾何学的形状をレイヤーに構築します。それがアディティブマニュファクチャリングという名前の由来です。この技術とは対照的に、従来の技術では通常、余分な材料を取り除き、必要な形状を作成する必要があります。
当初、特定の熱可塑性プラスチックが3D印刷に適した唯一の材料でした。プラスチックは多くの高性能産業に必要な物理的特性を備えていないため、これによりコンセプトの適用が制限されました。しかし、さまざまな技術によって金属、セラミック、さらには有機材料などの他の材料を使用できるようになったため、状況は時間とともに改善されました。
それでも、熱可塑性プラスチックは、今日の3D印刷技術で最も人気のある材料の1つです。アクリロニトリルブタジエンスチレン（ABS）、ポリ乳酸（PLA）、ポリカーボネート（PC）、およびポリビニルアルコール（PVA）は、その汎用性と適切な特性により、さまざまな業界で最も一般的な選択肢の1つです。
3Dプリント技術の種類
1 –バインダー噴射
バインダージェットは、部品のさまざまな層を接合するために工業用接着剤に依存する3D印刷の簡単な方法です。バインダージェットでは、入力は、プリンターが結合剤の薄層で堆積する粉末状の重要な材料です。
さらに、このプロセスは、砂、一部のポリマー、金属粉末、セラミック金属化合物などの材料で機能します。これは、低コストの3D印刷方法のひとつであり、短時間で大量生産が可能です。
さらに、0.2mm（金属）の寸法精度に加えて、設計の柔軟性と優れた色再現にはコストがかかります。結果の機械的特性はそれほど良くないため、この手法は低強度のアプリケーションのみに限定されます。たとえば、バインダージェッティングの最も一般的なアプリケーションのいくつかは次のとおりです。
- 金属部品
- 現実的なモデル
- 低コストのプロトタイプ
- 砂型鋳造金型
2 –マテリアルジェッティング
3D印刷技術の種類の中で人気のある別の選択肢は、材料噴射プロセスです。この場合、3Dプリンターは、液化した材料の液滴を使用して各レイヤーを構築します。
このプロセスをユニークなものにする1つの点は、単一のオブジェクトでさまざまなタイプのマテリアルを使用できることです。その結果、最終製品のカスタマイズされた美的外観を与えることができる混合色とテクスチャーでパーツを製造することができます。
一般的に、フォトポリマー樹脂は、このタイプの3D印刷プロセスで実行可能な唯一の材料です。 0.1 mmの寸法精度で最も詳細で最高の表面仕上げを実現しますが、部品は特性が弱く、脆いため、機械的用途には適していません。
マテリアルジェットプロセスの最も一般的なアプリケーションのいくつかを次に示します。
- 美的プロトタイプ
- 射出成形金型のプロトタイプ
- 手の込んだ医療モデル
- デザインプレゼンテーション
3 –材料の押し出し
押し出しは一般的な工業プロセスであり、融点近くの材料を小さな開口部に押し出します。同様に、3D印刷技術も同じ原理で機能します。ほとんどの場合、押し出しプロセスではプラスチックと複合フィラメントが使用されます。たとえば、PLA、ABS、PET、炭素繊維、およびその他の材料は非常に一般的です。
プロセス中、材料は小さなノズルから押し出され、融点まで加熱され、層を形成する所定の経路に堆積されます。
パーツ全体が完了するまで、このプロセスが数回繰り返されます。今日では、押し出し生体材料、食用アイテム、およびその他のさまざまな材料を使用できますが、PLA、ABS、およびその他のプラスチックが最も一般的です。
材料の押し出しは、まともな精度と汎用性を備えた、はるかに低コストの3D印刷技術です。そのため、ほとんどの国内3Dプリンターは、このタイプの3D印刷技術を使用していることがわかります。これは、より一般的で扱いやすいためです。
3D印刷での材料押し出しの最も一般的なアプリケーションのいくつかを次に示します。
- 電子ハウジング
- フォームフィッティング
- 備品
- インベストメント鋳造パターン
4 –バット重合
これは、光源を使用してフォトポリマー樹脂を硬化させる独自の3D印刷プロセスです。これに適した素材は、さまざまな色や形で入手できるフォトポリマー樹脂のみです。この方法は、並外れた表面仕上げを生み出し、精巧で複雑な形状を可能にします。
バット重合技術は、多くの場合、さらにいくつかのタイプに特徴付けられます。主なものは次の3つです。
- ステレオリソグラフィー（SLA）
- デジタルライトプロセッシング（DLP）
- マスクされたステレオリソグラフィー（MSLA）
さらに、この技術の応用と多様性をさらに改善する他の複数の形態も研究されています。主なコンセプトは似ています。ただし、これらすべての形式の違いは光源であり、実際には硬化プロセスで不可欠な役割を果たします。
たとえば、バット重合3D印刷を使用する最も一般的なアプリケーションのいくつかを以下に示します。
- 射出成形金型
- ポリマープロトタイプ
- デザインプレゼンテーション
- 歯科用器具
- 医療部品
- ジュエリー業界
5 –パウダーベッドフュージョン
これは、多くのハイエンドアプリケーションで多くの可能性を秘めた最先端のタイプの3D印刷の1つです。粉末床溶融は、小さな領域に熱源を集中させて、粉末形態の材料層間の溶融を誘発することによって機能します。
たとえば、このプロセスはほとんどの熱可塑性プラスチック、セラミック、および金属で機能し、0.3％という並外れた寸法精度を実現します。一般的な3D印刷プロセスには、選択的レーザー焼結（SLS）、選択的レーザー溶融（SLM）、電子ビーム溶融（EBM）、直接金属レーザー焼結（DMLS）、マルチジェットフュージョン（MJF）などがあります。
これを説明するために、粉末床融合技術に依存するいくつかの一般的なアプリケーションを次に示します。
- 機能的な金属部品
- 少量生産
- 中空のデザイン
6 –直接エネルギー沈着
直接エネルギー蒸着は、支持構造を必要とせず、同時に層の蒸着と硬化を行う3D印刷技術です。さらに、この技術は、電子ビーム、強力なレーザー、またはプラズマのいずれかに依存して、融点近くの材料に高エネルギーを与えて層を構築します。
DEDのアプリケーションは、物を作ることだけに限定されません。独自のプロセスでオブジェクトが修復され、一般的に頻繁に表示されます。
最も一般的なタイプのプロセスは、LENS、EBAM、コールドスプレーなどです。さらに、DEDプロセスは金属のみに限定されており、ワイヤーと粉末の両方でうまく機能します。ただし、後処理に多額の費用をかける必要があるため、多くの業界で実行可能なオプションにはなりません。
たとえば、DEDの最も一般的なアプリケーションのいくつかは次のとおりです。
- ハイエンドコンポーネントの修復
- 機能的なプロトタイプ
7 –シートラミネート
その名前が示すように、シートラミネーションは、非常に薄い金属シートを互いに積み重ねて3Dオブジェクトを生成する技術です。ただし、このプロセスは非常に不正確ですが、非常に迅速で経済的な結果が得られます。それにより、機能的なアプリケーションのための限られた道を提示します。
一般に、シートラミネートプロセスでは、このプロセスに紙、ポリマー、または薄い金属シートを使用します。最も一般的な処理技術は、積層物体製造（LOM）と超音波圧密（UC）であり、これらは大量の廃棄物を生成し、使用前に部品をさらに処理する必要があります。
シートラミネートプロセスの最も一般的なアプリケーションのいくつかは次のとおりです。
- 機能しないプロトタイプ
- 設計の実行可能性評価
- プレゼンテーションモデル
- マルチカラープリント
- 鋳造金型
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3Dプリントの一般的なアプリケーション
3D印刷は、多くの場合、ラピッドプロトタイピングに関連しています。これは、今日このテクノロジーの最も一般的なアプリケーションの1つです。しかし、3D印刷の方法は時間とともに進化し、現在いくつかの新しい領域をカバーしています。
今日、さまざまな3D印刷技術が、いくつかの産業部門に不可欠です。 3Dプリント法が革新と成長を推進するために不可欠な役割を果たしている分野のいくつかを次に示します。
1 –航空宇宙
航空宇宙および防衛部門は、そのプロセスに3D印刷を適用することに関して、大きなシェアを占めています。たとえば、航空宇宙分野の3D印刷の種類の市場は、104億ドルを超え、時間とともに成長を続けています。
さらに、ラピッドプロトタイピングは、航空宇宙分野でのさまざまな3D印刷方法の実用的なアプリケーションだけではありません。ツールから軽量コンポーネント、さらには航空機の構造要素の開発に至るまで、このテクノロジーは材料効率を促進し続けています。その結果、品質を損なうことなく全体的なコストを削減する機会が増えます。
2 –自動車
自動車セクターは、大規模な3D印刷タイプの潜在的なアプリケーションに関して次の大きなものです。さまざまなタイプの3D印刷に対する世界的な需要は飛躍的に高まっており、専門家は、近い将来、航空宇宙産業にトップの座を争う厳しい競争をもたらすと信じています。
さらに、新しい3D印刷技術タイプの開発は、より合理化された自動車と軽量コンポーネントに対する需要の高まりと一致しています。同様に、従来の製造アプローチはこのセクターの現在の需要に追いつくことができず、3Dプリントが次の答えのようです。
今日、ラピッドプロトタイピングはこのセクターの主な用途ですが、将来は本当にエキサイティングであり、より迅速な製品開発とより多くの設計の柔軟性の可能性があります。
3 –ヘルスケア
3Dプリントがヘルスケア分野で重要な役割を果たすもう1つの優れた手段。たとえば、高度なデバイス、補綴物、インプラント、およびその他の個人用ヘルスケアデバイスには、柔軟性とカスタマイズが必要です。幸いなことに、さまざまなタイプの3D印刷方法は、このセクターの動的な要件を満たすための完璧なソリューションです。
さらに、3D印刷技術の重要な用途は、バイオプリンティングです。たとえば、今日の研究者は、幹細胞研究と3D印刷を組み合わせて、人工臓器を作成することに取り組んでいます。これは、生体材料が患者の細胞と同一であるため、命を救い、移植手術に伴うリスクを軽減できる重要な研究です。
4 –工業プロセス
航空宇宙やヘルスケアなどの特定の産業セクターに不可欠であることに加えて、すべての3D印刷タイプは、多くの一般的な産業プロセスでも役割を果たします。たとえば、ラピッドプロトタイピング、ツーリング、およびその他のアプリケーションは、企業が効率を維持し、柔軟性を実現し、全体的なコストを削減するのに役立ちます。
5 –消費財
消費者志向の業界では、特定のブランドまたは製品が市場で最高の選択肢であり続けるために、慎重な計画と柔軟性が必要です。これは、従来の機械加工技術では実現できないことが多い、人間工学に基づいた新しいデザインと珍しい形状を意味します。
さらに、大量生産のための3D印刷は、機能性と美学を組み合わせることにより、現代の要求を満たす最も成功した方法の1つです。製品開発からテスト、プロトタイピング、最終生産まで。その結果、3Dプリントは消費財セクターでますます人気が高まっています。
3Dプリントがより良い選択である理由
テクノロジー業界とは関係がなく、3Dプリントが提供するすべてのメリットについて聞くことはできません。 3D印刷によって提供される用途の広いアプリケーションの量は、その人気の主な要因となっています。
さらに、技術愛好家なら誰でも、無駄がほとんどないかまったくない非常に洗練された部品を簡単に作成できることをお知らせできます。さらに、利用可能なすべての3D印刷技術は、コストと時間の両方を削減しながら、簡単で効率的な変更の快適さを提供することができます。
アディティブマニュファクチャリングが提供するすべてのものの表面を引っ掻くだけの次の利点を見てください。
- リードタイムを短縮する
- 作成されたオブジェクトの高い強度と耐久性
- 独自の特定の部品の製造を可能にします
- 効率的で迅速なソリューションを提供します
- ラピッドプロトタイピングに理想的な選択肢です
3Dプリント技術を選択する際の7つの考慮事項
3D印刷は、前述のように、いくつかの異なるタイプの3D印刷のコレクションを含む広義の用語です。
使用する3D印刷の方法を理解することは、それ自体が課題です。したがって、このタスクには、アプリケーションの技術要件だけでなく、使用可能な各メソッドの長所と短所についての深い知識が必要です。プロジェクトの主要な制約に基づいて決定するのに役立つ1つのアプローチ。たとえば、次の7つの制約は、決定を支援する上で最も重要になる可能性があります。
- 予算
- 幾何学的特性
- 印刷に使用される素材
- 機械的特性
- 生産のスピード
- 部品の数量
- 安全性
3Dプリントの種類に関するよくある質問
3D印刷プロセス内のすべての複雑さを理解することは、困難な作業になる可能性があります。 3Dプリントと積層造形全体についてよく寄せられる質問の一部を以下に示します。
市場にはいくつかの異なる3Dプリンターがありますが、前述の7つの手法、つまりバインダージェッティング、マテリアルジェッティング、マテリアルエクストルージョン、バット重合、パウダーベッドフュージョン、直接エネルギー蒸着、シートラミネーションが多くの業界で最も一般的です。
さらに、これらの技術は幅広い材料をカバーし、33D印刷技術の最も一般的なアプリケーションをカバーするために、機能性、美学、およびコストの完璧なバランスを提供します。
溶融堆積モデリング（略してFDM）は、消費者レベルで最も一般的に使用されている3D印刷技術として際立っています。そのため、このテクノロジーはデスクトップ向けに大幅に洗練され、変更されています。 FDMのほとんどのユーザーは、FDMがより手頃で使いやすいと感じています。
部品の解像度が主な関心事の1つである場合、SLA3Dプリンターを使用するのが最善の選択です。 SLAは、より優れた詳細な印刷を生成し、より正確な部品をより高い精度で製造できるようにします。
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