7 つの主要な積層造形テクノロジーを探索する

積層造形とは、材料を追加して段階的に部品を構築するプロセスを指します。この材料には、金属、セラミック、プラスチック、フォトポリマー、さらには食品も含まれます。 ISO/ASTM は、さまざまな種類の積層造形技術をすべて 7 つのカテゴリに分類しています。

この記事では、これらの各タイプの積層造形プロセスがどのように機能するか、またその用途、利点、相違点について説明します。

1.バインダーのジェッティング

Xometry によってバインダー ジェッティングによって製造されたステンレス スチール パーツ。

バインダー ジェッティングは、粉末材料の薄層に結合剤を選択的に堆積させて部品を作成する、パウダー ベッド ベースの積層造形技術です。このプロセスは、プリンターがビルド プラットフォーム上に通常はプラスチック、金属、砂、セラミックなどの粉末の均一な層を配置することから始まります。リコーティングブレードを使用して、パウダーの正確な層がビルドプラットフォーム上に確実に分配されます。これは通常、リコータ ブレードによって行われ、プリント領域の隣にある粉末保管ビンから材料を転送します。保管ビン内の材料が持ち上げられ、リコータブレードが必要な層の高さでビルドプラットフォーム全体に保管ビンからパウダーを掃き出します。次に、インクジェット ヘッドが粉末上を移動し、現在の層の部品断面の形状に結合剤を粉末上に塗布します。フルカラーのプラスチック パーツの場合、結合剤には複数色のパーツを作成するための着色剤も含まれています。

次に、プリント ベッドが 1 層の高さだけ下に移動します。再コーティングブレードは、前の層の上に別の粉末層を分配し、プロセスが続行されます。バインダーが金属を噴射する場合、気孔を除去して機械的強度を向上させるために、印刷後に部品を焼結する必要があります。あるいは、青銅のような低融点金属粉末を主材料に混合することもできます。印刷されたパーツが加熱されると、ブロンズが溶けて、一次金属合金の粉末粒子間の隙間を埋めます。

以下の表 1 は、バインダー ジェッティングの一般的な材料、用途、利点を示しています。

表 1. バインダーのジェッティングの概要

マテリアル アプリケーション 利点

材料

• 砂
• プラスチック (PMMA、ABS、PA、PC)
• セラミックス
• 金属 (ステンレス鋼、チタン合金)

アプリケーション

• 砂型鋳造型
• マルチカラーのプロトタイプ
• 他の金属印刷プロセスと比較した場合、金属部品が安価

利点

• ビルドボリュームが大きい
• マルチカラーパーツ
• サポートは必要ありません
• 未使用のパウダーはリサイクル可能
• さらに多くのプラスチックが利用可能

2.粉末床融合 (PBF)

粉末床融合 (PBF) は、高出力の集中エネルギー源を使用して粉末を融合する一連の積層造形技術を指します。エネルギー源には、レーザー (SLM または DMLS) または電子ビーム (EBM) を使用できます。金属粉末とプラスチック粉末の両方を PBF で使用できます。このプロセスは、最初にパウダーの薄い層 (多くの場合予熱) をビルド プラットフォーム上に配置することで機能します。これは、層の高さの一貫性を確保するためにリコータブレードを使用して実現されます。次に、集束エネルギー ビームによって粉末粒子が溶解され、部品の現在の断面層が形成されます。次に、ビルド プラットフォームは 1 層下に移動します。さらに粉末の層が追加され、このプロセスが繰り返されます。

金属には高出力のエネルギー ビームが必要であり、DMLS および SLM 印刷には不活性雰囲気が必要です。 EBM の場合、ビルド ボリュームは真空状態に保たれる必要があります。 PBF マシンは、特にマルチビーム プリンタを使用する場合に、高速に印刷できます。 EMB はビームを 1 つだけ使用しますが、ビームは非常に高速にリダイレクトできるため、マルチビーム機能をシミュレートできます。

以下の表 2 は、粉末床溶融の典型的な材料、用途、および利点を示しています。

表 2. 粉末床溶融の概要

マテリアル アプリケーション 利点

材料

• 金属 (アルミニウム、チタン、銅、コバルト クロムなど)
• ナイロン
• セラミックス

アプリケーション

タービンブレード、ロケットエンジンの燃焼室、熱交換器などの機能金属部品

利点

• 未使用の粉末はリサイクル可能
• 幅広い金属オプション

3.指向性エネルギー堆積

指向性エネルギー堆積 (DED) は、金属のみに使用される添加材料プロセスです。既存の金属部品の修理によく使用されます。この修復機能が可能になるのは、3 軸に制限されている他の印刷プロセスとは異なり、DED は 5 つの動作軸で印刷できるためです。 DED プリンタは、複雑な形状を持つ既存のパーツを操作できます。

このタイプの積層造形は修理に限定されず、新品の部品を印刷することもできます。 DED は、粉末または金属ワイヤを印刷ノズルに向けることによって機能します。次に、レーザーまたは電子ビームで材料を溶かし、基材と融合させます。溶接可能な金属であれば、DED を使用して作成または修理できます。溶接プロセスと同様に、DED 印刷にはシールド ガス (レーザー ビーム) または真空 (電子ビーム) が必要です。ガスは、ビームによって積極的に溶解されている領域のみをカバーします。あるいは、ビルド ボリューム全体を不活性ガスで飽和させることもできます。これには、密閉された気密なビルド ボリュームが必要です。

以下の表 3 は、DED の典型的な材料、用途、利点を示しています。

表 3. 指向性エネルギー堆積の概要

マテリアル アプリケーション 利点

材料

金属 (コバルト クロム、チタン、インコネル、タンタル、ニオブ、ステンレス鋼)

アプリケーション

• 部品の修理
• 高度な航空宇宙コンポーネント

利点

• 大きな部品 (1000 mm3) を印刷可能
• 既存の部品を修理できる
• 幅広い金属や合金を印刷できる

4.材料の噴射

Xometry の PolyJet サービスを使用して作成された、研磨およびクリア コーティング仕上げのフルカラー パーツ。

材料噴射では、一連のインクジェット ノズルを利用して材料をビルド プラットフォーム上に堆積させ、部品を作成します。このプロセスでは、原料としてフォトポリマーを使用する必要があります。これは、まずビルド プラットフォーム上にフォトポリマーの層を堆積することで機能します。次に、UV 光源がフォトポリマー上を移動して硬化します。その後、ビルド プラットフォームが下に移動し、プロセスが繰り返されます。

印刷材料の UV 光硬化はこの積層造形プロセスの不可欠な部分であるため、材料ジェッティングによって印刷できるのは、その多くがフォトポリマーであるプラスチックのみです。マテリアル ジェッティングによってパーツを正常に印刷するには、サポート構造が必要です。

以下の表 4 は、典型的な材料、用途、および材料噴射の利点を示しています。

表 4. 材料噴射の概要

マテリアル アプリケーション 利点

材料

• フォトポリマー樹脂
• デジタル マテリアル (複合フォトポリマー)
• ワックス

アプリケーション

• 機能的な製品のプロトタイプ
• フルカラーの解剖学的モデル

利点

• 無駄が非常に少ない
• 複数のマテリアルと複数色のパーツが可能
• 高速処理
• 高解像度

5.シートラミネート

シート積層は、粉末や液体を堆積または融合するのではなく、材料のシートを積み重ねて接着することによって部品を構築する層状積層造形プロセスです。紙、ポリマーシート、複合材料、一部の金属など、さまざまな素材に使用できます。このプロセスでは通常、低解像度の部品が生成されますが、高い生産速度と低コストが実現するため、特定のプロトタイピングや産業用途には有利です。 

このプロセスでは、薄いシートを順番に配置し、各層をパーツの断面に合わせてカットします。これらのシートは、材​​料に応じてさまざまな技術を使用して前の層に接着されます。一部のシステムでは、接着前または接着後にレーザーまたはナイフでシートからパーツの形状を切断します。パーツの周囲の余分な材料は、構築中または構築後に除去できます。 

金属シートは通常、圧力下で超音波振動を加えて金属層を溶かさずに融合させる超音波積層造形 (UAM) を使用して接合されます。プラスチック シートは通常、熱または接着剤を使用して熱と圧力を使用して接着されます。複合材料 (アラミド繊維、ガラス繊維、または炭素繊維強化層など) と紙は、通常、接着剤と圧縮を使用して積層されます。シート ラミネートは、ニア ネット シェイプのパーツを作成するためにも使用されます。このパーツは、その後、CNC またはその他のサブトラクティブ技術を使用して機械加工または後処理して、より厳しい公差と表面仕上げを実現できます。

以下の表 5 は、シート ラミネートの一般的な材料、用途、利点を示しています。

表 5. シート積層の概要

マテリアル アプリケーション 利点

材料

• 紙
• セラミックス
• 炭素繊維複合材
• 金属 (アルミニウム、銅、ステンレス鋼、チタン)

アプリケーション

• フルカラーのプロトタイプ
• ニアネットシェイプパーツ

利点

• 低コスト
• 高速
• フルカラーパーツ

6.材料の押し出し

Xometry 製の FDM プリント部品の拡大図。

材料押出は、主に消費者市場での採用により、積層造形の最もよく知られたタイプの 1 つです。材料の押し出しは、FDM (溶融堆積モデリング) または FFF (溶融フィラメント製造) と呼ばれることがよくあります。このプロセスは、プラスチック フィラメントを供給スプールから送り出し、加熱されたチャンバーを通過させてから、プリント ノズルから排出することによって機能します。材料がノズルから出ると、現在のパーツ断面の形でビルド プラットフォーム上に堆積されます。層が完了すると、プリント ヘッドは 1 層の厚さだけ上に移動します。このプロセスは、パーツが完了するまで繰り返されます。

熱可塑性プラスチックと充填熱可塑性プラスチックは、この技術で使用される最も一般的な原材料です。ただし、金属粉末/ポリマー マトリックス材料を使用して金属部品を作成することはできます。最終的な機械的特性を開発するには、炉で後処理する必要があります。

以下の表 6 は、材料押出の典型的な材料、用途、および利点を示しています。

表 6. 材料の押し出しの概要

マテリアル アプリケーション 利点

材料

• 人民解放軍
• ABS
• パソコン
• PETG
• ナイロン
• ウルテム

アプリケーション

• 組立治具
• 機能的なプロトタイプ
• 生産量が少ないコンポーネント

利点

• 低コスト
• 使いやすい
• 本物の熱可塑性プラスチック

7. VAT 光重合

VAT 光重合は、光源を使用して液体フォトポリマー樹脂を選択的に硬化させてパーツを作成する積層造形プロセスです。このカテゴリに属する 2 つの主要なテクノロジーは次のとおりです。

• SLA (ステレオリソグラフィー) – UV レーザーを使用して、パーツの断面を層ごとにトレースして固化します。
• DLP (デジタル ライト プロセッシング) – デジタル プロジェクターを使用してレイヤー全体を一度にフラッシュし、レイヤー全体で樹脂を同時に硬化します。

どちらのプロセスにも、液体フォトポリマー樹脂のタンクが必要です。ビルド プラットフォームは樹脂の表面のすぐ下から始まります。 SLA では、レーザー ビームが樹脂表面全体を走査して、現在の層の望ましい形状を固化します。 DLP では、ライト プロジェクターが 1 回の露光でレイヤー イメージ全体をフラッシュします。層が硬化すると、ビルド プラットフォームが垂直方向 (通常は上方向) に移動し、未硬化の樹脂が部品の下に流れ、次の層が前の層の上で硬化されます。このプロセスは、部品が完全に形成されるまで続きます。パーツがバットから徐々に出てくるため、あたかもビルド プラットフォームが液体樹脂からオブジェクトを引き抜いているように見えます。

以下の表 7 は、VAT 光重合の典型的な材料、用途、利点を示しています。

表 7. VAT 光重合の概要

マテリアル アプリケーション 利点

材料

• 人民解放軍
• ABS
• パソコン
• PETG
• パ
• カーボンファイバー入り ABS
• ピーク

アプリケーション

• ビジュアルプロトタイプ/モックアップ
• 型を作成するためのジュエリーモデル

利点

• 高速
• 非常に細かいディテールが可能

積層造形とは何ですか?

積層造形とは、一度に 1 つの層を積み上げて部品を作成する積層プロセスを指します。これは、材料の固体ブロックから開始し、余分なものを除去して部品を作成するサブトラクティブ マニュファクチャリングとは対照的です。 CNC 加工はサブトラクティブ マニュファクチャリングの一例です。

詳細については、積層造形に関する完全ガイドをご覧ください。

アディティブ マニュファクチャリングは、バインダー ジェッティング、パウダー ベッド フュージョン、指向性エネルギー蒸着、材料ジェッティング、シート ラミネート、材料押出、バット光重合という 7 つのコア プロセスを備えた生産における転換点です。各プロセスには、精度、規模、速度、材料の多用途性など、独自の強みがあります。際立っているのは、材料の無駄な除去から、制御された層ごとの作成への移行であり、重要な航空宇宙部品の修理から詳細なプロトタイプや機能コンポーネントの印刷に至るまでの可能性が開かれています。このテクノロジーは、単一のソリューションとしてではなく、適切なプロセスを適切な課題に適合させることができるツールキットとして提供され、製造をより効率的、適応性のある、革新的なものにします。

積層造形の種類に関するよくある質問

最も頻繁に使用される積層造形のタイプは何ですか?

最も頻繁に使用される積層造形のタイプは、材料押出成形 (FDM/FFF)、シート積層、VAT 重合、および粉末床溶融 (PBF) です。各積層造形技術の採用の程度は、それが使用される業界によって異なることに注意してください。たとえば、航空宇宙産業では、DED と粉末床融合が多用されています。

積層造形プロセスを分類している組織は何ですか?

ASTM International と ISO は、積層造形プロセスの分類を共同で担当しています。 ASTM と ISO は、この記事で説明する 7 つのカテゴリを作成しました。

積層造形プロセスはどのように分類されますか?

積層造形プロセスは、AM の重要な用語とカテゴリを定義する国際規格である ISO/ASTM 52900 に分類されます。これは、層の形成方法と材料の結合方法に基づいて、テクノロジーを 7 つのプロセス タイプに分類します。これらのカテゴリには、材料押出、バット光重合、粉末床融合などの方法が含まれます。この分類は、業界やアプリケーション全体で一貫性を確保するのに役立ちます。

3D プリントは積層造形の一例ですか?

はい、3D プリンティングは積層造形の一形態です。実際、これは最も広く知られており、一般的に使用されている例です。 「3D プリンティング」という用語は、デジタル モデルからレイヤーごとにオブジェクトを構築するすべての積層造形プロセスを指すために非公式に使用されることがよくあります。

詳細については、3D プリンティングと積層造形に関する完全ガイドをご覧ください。

概要

この記事では、7 種類の積層造形プロセスをレビューし、その仕組み、利点、欠点について説明しました。さまざまな積層造形タイプと、それぞれが特定のアプリケーションにどのように最適であるかについて詳しく知りたい場合は、今すぐ Xometry の専門家にお問い合わせください。

Xometry は、プロトタイピングや生産のあらゆるニーズに対応する 3D プリンティングや付加価値サービスを含む、幅広い製造機能を提供します。詳細を確認するか、義務のない無料の見積もりをリクエストするには、当社の Web サイトにアクセスしてください。

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ディーン・マクレメンツ

Dean McClements は機械工学の学士優等学位を取得しており、製造業界で 20 年以上の経験があります。彼の職業上の経歴には、Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace、Hyster-Yale などの大手企業で重要な役割を果たし、そこでエンジニアリング プロセスとイノベーションに対する深い理解を深めました。

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