貴金属の3Dプリント–新しいアプローチ？

SmarTechによる最近の調査では、積層造形の貴金属材料市場は2028年までに2億5,000万ドルと評価されています。これは、3D印刷がまだ開発の初期段階にあるものの、着実に成長している分野であることを示しています。金、銀、プラチナなどの貴金属の3D印刷は、高度なカスタマイズと設計の自由度を備えた、低バッチのハイエンドアプリケーションに最適です。これを念頭に置いて、宝飾品、時計製造、歯科、電子機器などの業界は、これらの材料を使用した3D印刷から多大な恩恵を受けることができます。

貴金属を使用した3D印刷がどのように機能するか、テクノロジーの限界、そしてアプリケーションが将来どのように進化する可能性があるかを見ていきます。

直接および間接製造

3D印刷の貴金属には、主に2つのアプローチがあります。直接製造と間接製造 。間接製造では、3D印刷を使用して、従来のプロセス用の金型や金型などのツールを製造します。一方、直接3D印刷とは、設計から直接パーツを作成することを指します。

間接製造 貴金属を使用すると、インベストメント鋳造で使用されるワックスパターンを3Dプリントする必要があります。ステレオリソグラフィー（SLA）は通常、キャスタブルなワックスのような樹脂からそのようなパターンを作成するために使用されます。このプロセス中、UV光レーザーは液体フォトポリマー（樹脂）の層上を移動し、材料を選択的に固化します。ワックスのパターンが完成したら、石膏などの耐熱材料で覆い、オーブンに入れてワックスを溶かし、硬化した石膏型だけを残します。このプロセスは「ロストワックス」とも呼ばれます。次に、溶融した貴金属を型に流し込み、ワックスによって残されたスペースを埋めます。

このプロセスは、ジュエリーメーカーが非常に複雑なカスタムジュエリーをデザインできるようにする一方で、手彫りモデルに関連する時間と労力を節約するのに役立つため、ジュエリー業界にとって特に有益です。現在、3Dプリンター市場では、ワックスパターンの作成に適した幅広いSLAマシンが提供されています。

対照的に、直接3D印刷 、メーカーはCADファイルから直接貴金属部品を作成できます。貴金属を使用した直接3D印刷で最も一般的に使用される2つの3D印刷技術は、直接金属レーザー焼結（DMLS）とマテリアルジェッティングです。

直接製造の詳細

直接製造は、間接3D印刷と比較してまだ初期段階です。直接金属レーザー焼結（DMLS）は、金属部品を製造するための最も一般的な積層造形法の1つですが、貴金属粉末のレーザー焼結は、これらの材料を扱うことの本質的な難しさもあって、おそらくごく最近になりました。

貴金属粉末も、研究と開発に費用がかかります。さらに、金や銀などの多くの貴金属は、反射率が高く、熱伝導性があります。これは、一般的なAMレーザーでは、材料を完全に溶かして均質な部品を作成することができないことを意味します。しかし、課題にもかかわらず、いくつかのAMメーカーは、DMLSを使用して貴金属材料を処理できる機械を開発しました。

市場に出回っている機械

たとえば、ドイツのメーカーEOSは、英国を拠点とする貴金属会社Cooksongoldと提携して、2014年にEOS PRECIOUS M 080 3Dプリンターを発売しました。このシステムでは、金や銀からプラチナまで、さまざまな貴金属粉末合金を使用できます。およびパラジウム合金。

同様に、ジュエリー会社のBoltensternは、PRECIOUS M 080を使用して、金とプラチナで3Dプリントされた「Embrace」ジュエリーコレクションを作成しました。このテクノロジーは、複雑なデザインの作品を作成しながら、カスタマイズのレベルの前に達成不可能なことを可能にしました。コレクションには、ブレスレット、イヤリング、リング、ネックレス、カフリンクなどのジュエリーが含まれていました。

イタリアを拠点とする機械メーカーのシスマは、貴金属（ブロンズ、金、いくつかの貴金属合金）を使用した3Dプリント用のmysint100システムを発表しました。 2014年には非貴金属粉末。2016年には、同社は3Dプリンターのポートフォリオを拡大し、小規模なシリーズや中規模の製品の製造に適した、より大きなmysint300マシンを使用しました。

3Dプリントプラチナ

プラチナの3D印刷は、特に興味深いユースケースです。この材料は、溶融温度が高く、るつぼや投資用金型材料との反応性が高いため、鋳造が難しいことで有名です。その結果、製造コストが高くなり、特定の機器が必要になり、最終製品に頻繁に欠陥が生じるため、レーザー焼結が鋳造に代わる優れた方法になります。貴金属会社のCooksongoldは、3Dプリントされたプラチナの密度が99.9％を超える可能性があると推定していますが、鋳造されたプラチナの密度は99.2％です。

歯科

歯科業界では、3D印刷の貴金属を歯科修復物に使用して、クラウン、インレー、アンレーの小さなバッチを作成できます。たとえば、歯科用デジタル技術を専門とするArgenは、高貴金属（金およびパラジウム合金）、貴金属（パラジウム）、および非貴金属合金を使用した金属3D印刷にコンセプトレーザーマシンを使用し、必要に応じて完全に緻密なカスタムデンチャーを製造しています。

エレクトロニクス

マテリアルジェッティングは、DMLSとはまったく異なる積層造形プロセスであり、材料の液滴を層ごとに堆積させるプリントヘッドを使用します。次に、これらの液滴は紫外線で固化されます。

貴金属に関しては、マテリアルジェッティングは通常、アンテナ、PCBプロトタイプ、回路、センサーなどの電子デバイスを3Dプリントするために、導電性の高い銀または金のインクとともに使用されます。イスラエルの会社NanoDimensionsは、DragonFly 2020 Pro3Dプリンターでこの分野を開拓しています。 DragonFly 2020 Proは、独自のインクジェット蒸着システムを使用して、導電性（銀）インクと誘電体インクを同時に印刷し、電気的に機能する部品を作成することができます。

貴金属を使用した3Dプリント電子機器の分野におけるもう1つの主要なプレーヤーは、Optomecです。米国の会社は、エアロゾルジェットプリンターのライン専用に、さまざまな貴金属（金、プラチナ、銀、銅）および非貴金属インクを開発しました。ラインの最新の3DプリンターであるAerosolJet HDは、今年初めに市場に参入しました。基盤となる技術には、エアロゾルミストを生成するインクの噴霧器が含まれ、その後、空気力学的集束の助けを借りて基板上に堆積します。

抵抗器からアンテナやセンサーまでの電子部品は、AerosolJetテクノロジーを使用して作成できます。たとえば、カーネギーメロン大学の研究者は、この技術を使用して高温ひずみゲージを3Dプリントすることができました。ひずみゲージは、材料または構造のひずみを測定するために使用されるセンサーであり、コンポーネントの構造上の問題を検出するのに役立ちます。ひずみゲージは銀ナノ粒子から作られ、市販のゲージよりも優れた性能を示し、航空宇宙や原子力や発電システムなどの他の高性能産業に特に有益です。

未来を見据えて

貴金属を扱う場合、間接3D印刷の方が人気がありますが、宝飾品から電子機器まで、直接3D印刷された貴金属の利点が着実に認識されています。ただし、高価な機器から適切な貴金属粉末やインクの開発の難しさまで、幅広い採用への障壁が存在します。

それでもなお、より多くのカスタマイズと市場投入までの時間の短縮の傾向が続くにつれて、さらに先を見据えて、より直接的に3Dプリントされたジュエリーと歯科製品が見られるでしょう。さらに、貴金属インクの分野でより多くの研究が行われています。 3Dプリンテッドエレクトロニクスは、モノのインターネットの進化における次のステップである3Dプリンテッドセンサーとアンテナで、多くの高性能産業に革命を起こす可能性があると考えています。