3Dプリントとは何ですか？動作原理|タイプ|アプリケーション

3D印刷の概念は、DavidE.H。によって設計されました。 1974年のジョーンズ。しかし、モデルを製造するための方法と材料は、1980年代初頭まで開発されていませんでした。

「3D印刷」という用語は、さまざまな材料で部品や製品を製造するための幅広い機能を提供する多数のプロセスと技術を網羅しています。近年、これらのプロセスは大幅に発展し、多くのアプリケーションで重要な役割を果たすことができるようになりました。

この概要記事は、3D印刷のさまざまなタイプとプロセス、それらがどのように機能するか、および現在の市場でのそれらの用途と利点を説明することを目的としています。非常に基本的な質問から始めましょう。

3Dプリントとは何ですか？

アディティブマニュファクチャリングとも呼ばれる3D印刷は、3次元デジタルモデルまたはCADモデルから物理オブジェクトを作成するプロセスです。これには、実際のオブジェクトを構築するために材料を結合または固化するさまざまなコンピューター制御技術が含まれます。

通常、材料（粉末粒子や液体分子が融合しているなど）は、ミリメートルスケールで層ごとに追加されます。これが、3Dプリンティングが積層造形プロセスとも呼ばれる理由です。

この画像は、3Dプリンターが3次元オブジェクトをレイヤーごとに印刷する方法を示しています| 3Dロジック

1990年代には、3D印刷技術はラピッドプロトタイピングと呼ばれていました。それらは、美的または機能的なプロトタイプの製造にのみ適していました。それ以来、私たちは長い道のりを歩んできました。

今日の3D印刷技術は、他の方法では手動で構築することが不可能な複雑な構造や形状を作成するのに十分なほど高度です。

3D印刷の精度、材料範囲、再現性は、単純なプロトタイプから、環境に優しい建物、航空機部品、医療機器、さらには層を使用した人工臓器などの複雑な最終製品まで、ほぼすべてのものを構築できるようになりました。人間の細胞。

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正確にはどのように機能しますか？

すべての3D印刷技術は同じ原理に基づいています。つまり、3Dプリンターは（入力として）デジタルモデルを取得し、レイヤーごとにマテリアルを追加することで、それを物理的な3次元オブジェクトに変換します。

これは、射出成形やCNC機械加工など、さまざまな切削工具を使用してソリッドブロックから目的の構造を構築する従来の製造プロセスとは大きく異なります。ただし、3D印刷には切削工具は必要ありません。オブジェクトは、構築されたプラットフォーム上で直接製造されます。

プロセスは、デジタル3Dモデル（オブジェクトの青写真）から始まります。ソフトウェア（プリンターに固有）は、3Dモデルを薄い2次元レイヤーにスライスします。次に、それらを機械語の一連の命令に変換して、プリンターで実行します。

プリンタの種類とオブジェクトのサイズによっては、印刷が完了するまでに数時間かかります。印刷されたオブジェクトは、最適な表面仕上げを実現するために、後処理（サンディング、ラッカー、ペイント、またはその他のタイプの従来の仕上げなど）を必要とすることが多く、これには追加の時間と手作業が必要です。

さまざまなタイプの3Dプリンターは、さまざまな材料をさまざまな方法で処理するさまざまなテクノロジーを採用しています。おそらく、材料と用途の観点から、3D印刷の最も基本的な制限は、万能の解決策がないことです。

3Dプリントの種類/プロセス

ISO / ASTM 52900規格に従って、すべての3D印刷プロセスは7つのグループに分類できます。それぞれに長所と短所が関連付けられており、通常、コスト、速度、材料特性、幾何学的制限などの側面が関係しています。

1。バット光重合

SLAの図：レーザー（a）が、液体の光重合樹脂で満たされた（b）タンクの透明な底（c）を選択的に照射します。リフティングプラットフォーム（e）は、固化した樹脂（d）を徐々に引き上げます。

バット光重合に基づく3Dプリンターには、フォトポリマー樹脂が充填された容器があり、紫外線光源で硬化してオブジェクトを作成します。バット重合の3つの最も一般的な形式は次のとおりです

1a）ステレオリソグラフィー（SLA）： 1984年に発明されたSLAは、紫外線レーザーを使用して化学モノマーとオリゴマーを架橋し、3次元固体の本体を構成するポリマーを形成します。プロセスは高速で、ほとんどすべての構造を構築できますが、費用がかかる可能性があります。

1b）デジタルライトプロセッシング（DLP）： （レーザーの代わりに）アークランプなどの従来の光源を利用します。オブジェクトの各層は液体樹脂のバットに投影され、リフトプラットフォームが上下に移動すると、層ごとに固化されます。

1c）連続液体インターフェース生成（CLIP）： これはステレオリソグラフィーに似ていますが、連続的で最大100倍高速です。 CLIPは、他の手法では作成できなかった、滑らかな側面を備えたゴムのような柔軟なオブジェクトを作成できます。

2。材料の押し出し

材料の押し出しの図：ノズル（1）がビルドプラットフォーム（3）に材料（2）を堆積しています。

このプロセスでは、固体の熱可塑性材料のフィラメントが加熱されたノズルに押し込まれ、材料が溶けて、所定の経路に沿ってビルドプラットフォームに堆積します。この材料は最終的に冷却されて固化し、3次元のオブジェクトを形成します。このプロセスで最も一般的に使用される手法は次のとおりです

2a）溶融堆積モデリング（FDM）： ナイロン、熱可塑性ポリウレタン、ポリ乳酸などの熱可塑性材料の連続フィラメントを使用しています。

2b）ロボキャスティング： これは、ノズルがビルドプラットフォームを横切って移動する間に、小さなノズルからペースト状の材料を押し出すことを含みます。このプロセスは、押し出し後の形状を維持するために材料の乾燥や固化に依存しないため、FDMとは異なります。

3。シートラミネート

一部のプリンタは、印刷のコストを下げるために、構築材料として紙とプラスチックを使用します。この手法では、接着性のプラスチック、紙、または金属のラミネートの複数の層が連続して結合され、レーザーカッターまたはナイフを使用して形に切断されます。

層の解像度は、材料の原料によって定義できます。通常、1枚から数枚のコピー用紙の範囲です。このプロセスは大きな部品の製造に使用できますが、最終製品の寸法精度はステレオリソグラフィーのそれよりもかなり低くなります。

4。指向性エネルギー兵器

指向性エネルギー堆積技術は、ハイテク金属産業やラピッドマニュファクチャリングアプリケーションで一般的に使用されています。印刷装置は、多軸ロボットアームに固定されたノズルを含む。ノズルはビルドプラットフォームに金属パワーを蓄積し、それがレーザー、プラズマ、または電子ビームによって溶融されて、固体オブジェクトを形成します。

このタイプの3D印刷は、アルミニウム、ステンレス鋼、チタンなど、さまざまな金属、傾斜機能材料、および複合材料をサポートします。完全に新しい金属部品を構築できるだけでなく、既存の部品に材料を取り付けることもできるため、ハイブリッド製造アプリケーションが可能になります。

5。マテリアルジェッティング

マテリアルジェットプロセスで印刷されたパーツ

マテリアルジェッティングは、インクジェット用紙プリンターと同じように動作します。このプロセスでは、感光性材料が小径のノズルから液滴状に塗布され、紫外線によって硬化され、層ごとに部品が構築されます。

この技術で使用される材料は、熱硬化性フォトポリマー（アクリル）です。マルチマテリアル印刷と幅広いマテリアル（ゴムのような透明なマテリアルを含む）も利用できます。

マテリアルジェッティング3D印刷は、滑らかな表面仕上げで高寸法精度の部品を構築できるため、ビジュアルプロトタイプと商用ツールの両方を製造するための魅力的なオプションです。

6。バインダー噴射

バインダージェットで砂岩に印刷されたフルカラープリント|画像クレジット：3Dハブ

バインダージェットは、粉末ベース材料と液体バインダーの2つの材料を使用します。粉末はビルドチャンバー内で均一な層に分散され、バインダーはジェットノズルを介して塗布されます。ジェットノズルは粉末粒子を「接着」して目的のオブジェクトを構築します。

ワックスまたは熱硬化性ポリマーは、強度を高めるために結合粉末と混合されることがよくあります。 3D印刷が完了すると、残った粉末が収集され、別の構造の印刷に使用されます。

この手法はインクジェットのようなプロセスに非常に似ているため、注入3D印刷とも呼ばれます。これは主に、エラストマーパーツ、オーバーハング、カラフルなプロトタイプの印刷に使用されます。

7。パウダーベッドフュージョン

SLSシステム| DTM – 2500CI

パウダーベッドフュージョンは、熱源（サーマルプリントヘッドやレーザーなど）を使用して材料をパウダー状に固め、物理的なオブジェクトを構築する積層造形のサブセットです。このテクノロジーの最も一般的な5つの形式は次のとおりです

7a）選択的レーザー焼結（SLS）： ポリアミドやナイロンなどの粉末材料を焼結するための動力源としてレーザーを使用しています。ここで、焼結という用語は、液化点まで溶融せずに圧力または熱を加えることによって、材料の固まりを圧縮して形成するプロセスを指します。

7b）選択的レーザー溶融（SLM）： SLSとは異なり、この技術は金属粉末を完全に溶かして融合させるように設計されています。従来の製造された金属と同様の機械的特性を持つ完全に緻密な材料​​を（層ごとに）作成できます。これは、業界と研究の両方で実装されている急速に発展しているプロセスの1つです。

7c）電子ビーム溶解（EBM）： このプロセスでは、原材料（ワイヤーまたは金属粉末）が真空内に配置され、電子ビームを使用して融合されます。 EBMは導電性材料でのみ使用できますが、エネルギー密度が高いため、ビルド速度が優れています。

7d）選択的熱焼結（SHS）： サーマルプリントヘッドを使用して、粉末状の熱可塑性プラスチックの層に熱を加えます。層が完成するとすぐに、粉末床が下に移動し、新しい材料の層が追加されます。次に、この層が焼結されて、モデルの次の断面が形成されます。この手法は、機能テスト用の安価なプロトタイプや部品を製造するのに最適です。

7e）直接金属レーザー焼結（DMLS）： SLSに似ていますが、代わりに金属電力を使用します。残った力はオブジェクトのサポート構造になり、次の3Dプリントに再利用できます。 DMLS部品は主に、チタン、ステンレス鋼、アルミニウム、およびいくつかのニッチ合金などの粉末材料で作られています。これは、カスタム医療部品、石油およびガスコンポーネント、および頑丈な機能プロトタイプにとって理想的なプロセスです。

アプリケーション

この10年間で、3Dプリントは大幅に発展しました。複雑な設計をより安価に迅速に製造するために使用できるため、商業製造や医療から建築やカスタム設計に至るまで、さまざまな業界で不可欠なツールになっています。

食品の製造には、多くの積層造形技術を使用できます。最新の3Dプリンターにはレシピがあらかじめロードされており、ユーザーはコンピューターやスマートフォンでリモートで料理を作成することもできます。 3D印刷された食品は、食感、色、形、風味、栄養をカスタマイズできます。

この技術は、製剤にも効果的であることが証明されています。 3D印刷によって製造された最初の製剤は、2015年に製造されました。同じ年に、FDAは最初の3D印刷された錠剤を承認しました。

2014年にISSに送信されたZero-G3Dプリンター

2014年、SpaceXは最初の無重力3Dプリンターを国際宇宙ステーションに納入しました。現在、宇宙飛行士はソケットレンチなどの便利なツールを印刷するために使用しています。

実際、惑星や小惑星で計画されている多くの組み立てプロジェクトは、近くの地域で入手可能な材料を使用して、何らかの形でブートストラップされます。 3D印刷は、このブートストラップの主要なステップの1つです。

今日、テクノロジー企業は、積層造形とクラウドコンピューティングを統合して、分散型で地理的に独立した分散型の生産を可能にしています。一部の企業は、個人顧客と商用顧客の両方にオンライン3D印刷サービス（Webサイト経由）を提供しています。

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3Dプリントの未来

3D印刷の大きな夢は、「みんなの家にある工場」です。奇妙に聞こえるかもしれませんが、無限にカスタマイズ可能なものを即座に解き放つことができるマシンを所有することは魅力的であることは否定できません。

コンピューターやスマートフォンが何十億もの人々に力を与えてきたように、3Dプリンターも製造業で同じことをするかもしれません。

GrandViewResearchによると、世界の3Dプリント市場は2019年に115.8億ドルと評価され、2027年までに330億ドルを超えると予想されています（年間14％の成長率）。

市場の成長を促進すると予想される要因には、積極的な研究開発と、さまざまな業界、特に自動車、航空宇宙、防衛、ヘルスケアからのプロトタイピングアプリケーションに対する需要の増加が含まれます。