バインダーの噴射と材料の噴射:3D プリンティング技術の主な違い

バインダー ジェッティングとマテリアル ジェッティングは、一見すると類似点がある 2 つの関連する 3D プリンティング テクノロジです。詳しく調べると、違いはさらに大きくなります。バインダージェッティングは、材料に適応可能なパウダーベッドプロセスです。モデルのスライスは、バブル ジェットまたはインクジェットの方法でさまざまな接着剤を噴射して、スライスの画像を印刷/接着することにより、下のスライスに接着および固定されます。

マテリアル ジェッティングでもバブル ジェット テクノロジーが使用されますが、モデル スライスはビルド テーブルに直接印刷されます。通常、変性アクリル樹脂またはエポキシが使用されます。バインダージェッティングでは、広範囲の材料で比較的低解像度の部品をコスト効率よく迅速に製造できます。一方、材料ジェッティングでは、詳細なプラスチックのプロトタイプやモデルに適した高解像度が得られます。適用可能なテクノロジーの選択は、解像度、素材、生産量などのプロジェクト固有の要件によって異なります。

この記事では、プロセス、長所と短所、材料の選択、種類などの観点から、バインダー ジェッティングと材料ジェッティングの違いについて説明します。

バインダージェッティングとは何ですか?

バインダージェッティングは、通常は金属、砂、石膏、セラミックなどの粉末材料を層ごとに堆積させる積層造形プロセスです。液体結合剤（通常はポリマー）が粉体層上に選択的に堆積され、粒子を接着します。このプロセスでは、接触時または後硬化ステップを通じてバインダーを固化させることにより、3D モデルの各スライスを作成します。 

バインダーは、圧電ノズルやサーマル (バブル ジェット) ノズルなどのインクジェット スタイルのヘッドを使用して塗布されます。堆積されると、バインダーはその層内の粒子を互いに結合させ、また以前に印刷された層と結合させます。結合していないパウダーは緩んだままであり、構築中に自然なサポート構造として機能します。印刷領域のエッジでは、毛細管現象によりバインダーが周囲の粉末にわずかに染み出し、特に微粉末の用途では解像度とエッジの鮮明度が低下する可能性があります。このブリード ゾーンは、高解像度の機能を実現するための主な制限の 1 つです。 

一部のバインダー ジェッティング システムには、フルカラー顔料を堆積するための追加の印刷ステージが組み込まれており、詳細なマルチカラー プロトタイプの作成が可能です。これらの色はパーツ内に埋め込まれており、浸透、研磨、シーリングなどの後処理ステップに耐えることができます。

詳細については、バインダーのジェッティングに関するガイドを参照してください。

バインダーのジェッティングの図。

バインダー ジェッティング 3D プリントの長所と短所は何ですか?

バインダージェッティングには長所と短所があり、多くの場合、プロジェクトの選択は明確な決定となります。このアプローチの利点は次のとおりです。

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他の多くの 3D プリント プロセスよりもビルド時間が短縮され、特に大型パーツやバッチプリントの場合に顕著です。

原材料（粉末と結合剤）は一般に低コストであり、プロセスでは周囲の粉体層を越える支持構造が必要ないため、大量生産の費用対効果が高い

材料の無駄が少なく、後処理が簡単で、未使用のパウダーは簡単に回収して再利用できます。

金属（ステンレス鋼、青銅、アルミニウムなど）、セラミック、砂、石膏など、幅広い材料の互換性

従来の方法では製造が困難または不可能な複雑な形状や内部特徴を製造できる

比較的シンプルなハードウェアとスケーラブルなパウダー ベッドのセットアップにより、大規模なビルドボリュームを実現できます。

広く報告されているバインダー ジェッティングの欠点は次のとおりです。

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バインダー ジェッティングによって製造された部品は結合粉末から形成されるため、通常、粒状または多孔質の表面テクスチャを持ちます。以前のシステムでは粒子サイズが約 100 µm の粉末が使用されていましたが、最新のシステムではこれが約 10 µm に縮小されました。それにもかかわらず、表面の平滑性は、SLA やマテリアル ジェッティングなどの他の印刷方法に比べて依然として劣っています。

緑色のパーツは機械的に弱いため、耐荷重用途には適していません。焼結により強度は向上しますが、このプロセスにより収縮や歪みが生じ、寸法精度に影響します。焼結を行ったとしても、収縮や熱歪みにより寸法精度を維持するのが困難になる場合があります。

バインダー噴射部品は、多くの場合、顕著な内部多孔性を示します。適切な強度や密度を達成するには、金属浸透、熱間静水圧プレス（HIP）、焼結などの追加の手順が必要となり、コストと複雑さが増加します。

解像度は中程度です。印刷端でのバインダーのにじみにより、SLA やマテリアル ジェッティングなどの高解像度テクノロジーと比較してディテールが低下します。

材料特性は一般に、強化フィラメントを使用する SLS、DMLS、FDM などの方法で達成される特性よりも劣ります。

微粉末を扱う場合には、安全上の懸念が存在します。金属やセラミックの粉塵は吸入や汚染のリスクを引き起こすため、適切な換気と個人用保護具（PPE）が必要です。

バインダー ジェッティング 3D プリントの例は何ですか?

バインダー ジェット プリンティングの最も一般的な用途の 1 つは、製品のパッケージやフィギュアなど、ストレスのない用途に必要な写真用小道具の作成です。バインダージェッティングは、比較的精度が低く、表面仕上げが粗い金属部品を迅速に製造するための実用的な手段として報告されることが増えています。このような部品は、特性が適切であれば用途が制限されていますが、比較的迅速な生産と低コストで非常にうまく機能します。

Xometry 製のステンレススチール製バインダー ジェット部分

マテリアル ジェッティングとは何ですか?

マテリアル ジェッティングは、インクジェットまたはバブル ジェット印刷法を使用して、液体フォトポリマーまたはワックスのビルドおよびサポート材料をビルド プラットフォーム上に直接供給する 3D プリンティング テクノロジです。印刷された材料は、テーブルが下降してモデルの次のスライスが適用される前に、印刷プロセスで部分的または完全に硬化されます。

印刷プロセスでは、通常、2 つ (またはそれ以上) の関連するマテリアルが層構造に適用されます。造形材料は通常、熱硬化ポリマーまたは UV 光硬化ポリマーで、硬質、半柔軟性、または擬似エラストマーにすることができます。プロセスの一部のバリエーションでは、構築材料としてワックスを使用し、熟練した職人技を必要とせずに最高品質のインベストメント鋳造マスターを直接生産できます。サポート材料は追加のプリンター ヘッドによって同時印刷されます。このようなサポート材料は、化学的に可溶性であるか、モデルに完全に結合するが後で除去できる構築材料の水溶性バージョンのいずれかになります。高度なシステムでは、印刷中に異なる造形材料を混合したり交互に使用したりできる場合があります。これにより、パーツの機械的特性が領域 (例:柔らかいものから硬いもの) や材料の切り替えによって異なる特性グラデーションが可能になり、同じパーツの形状内で機能的な動作を変更することができます。

詳細については、マテリアル ジェッティングに関するガイドを参照してください。

材料の噴射の図。

マテリアル ジェッティング 3D プリントの長所と短所は何ですか?

マテリアル ジェッティングの利点は次のとおりです。

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市販の機器の中で最高の優れた印刷解像度を提供します。細かいディテールや薄いセクションを含む複雑なモデルの印刷に最適です。

このクラスの一部のマシンは、2 つのマテリアルを 0 ～ 100% の可変比率で同時に印刷できます。これにより、可変マテリアル プロパティとカスタム マテリアル プロパティの作成が可能になり、また、非常に限定された程度ではあるが、一部のカラー バリエーション オプションも作成できるようになります。

高次元の精度と再現性を提供します。機械のキャリブレーションが徹底的かつ正確に実行されると、印刷された部品はデジタル デザインとほぼ一致します。

このプロセスのマシンタイプは、光造形（SLA）などの他の高解像度テクノロジーと比較して比較的高速です。

利用可能なフォトポリマー マテリアルには、リジッド（さまざまな色）、フレキシブル（ショア A 30 ～ 90 のゴム状）、透明（レンズ/ウィンドウの品質）、生体適合性のオプションが含まれます。材料ファミリーは継続的に拡大しており、材料特性は成形プラスチックの特性に近づくまで徐々に改善されています。

ビルドと同時プリントされたサポート マテリアルは簡単に取り外し可能で、過度なコストやクリーンアップの困難を伴うことなく、複雑なオーバーハングやジオメトリの完全性を維持します。

SLA とは異なり、マテリアル ジェッティングでは UV チャンバーで後硬化する必要がないため、後処理ステップが簡素化されます。強力な UV ランプが同じプロセスで樹脂の上を通過するため、印刷後すぐに樹脂が硬化します。

いくつかの欠点は次のとおりです。

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使用されるフォトポリマー材料は高価から非常に高価であり、通常は単一ソースで提供されます。

独自のフォトポリマー樹脂に限定されており、他の一部のテクノロジーで利用できる幅広いオプションがありません。

多くの場合、一部の 3D プリント テクノロジーと比較して、ビルドボリュームが小さくなります。

特定の複雑なサポートを除去するのは、繊細で熟練した手作業の作業となる場合があります。美しい仕上げを実現するには、通常、追加の後処理ステップが必要になります。

機器のメンテナンスと基本的な日常の OPEX は熟練した作業であり、高コストの単一ソース コンポーネントが必要です。これにより、印刷ごとのコストが大幅に増加し、この点でのコスト削減は悲惨な結果を招く可能性があります。

マテリアル ジェッティング 3D プリントの例は何ですか?

マテリアル ジェッティング 3D プリント パーツの例は次のとおりです。

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精度と表面品質が重要な歯冠、ブリッジ、義歯の精密なモデル

インベストメント鋳造用の詳細なワックス パターン。特に、細かいディテールと滑らかな表面が必要なジュエリーや小さな金属部品に適しています。

航空宇宙コンポーネントのエンジニアリング プロトタイプは、最終生産前のフィット感、形状、空力テストに使用されます。

カスタム デバイス エンクロージャ、小型コンポーネント ハウジング、設計評価ユニットなどの家電製品のプロトタイプ

複雑な内部チャネルを備えたマイクロ流体デバイスは、診断、ライフ サイエンス、研究に使用されています。これには、マイクロディスペンス ノズルやテスラ型マイクロバルブなどの複雑な部品が含まれますが、これらは従来の方法で製造するにはコストがかかるか非現実的です。

バインダー ジェッティング 3D プリントとマテリアル ジェッティング 3D プリントのどちらが優れていますか?

バインダージェッティングと材料ジェッティングのどちらを選択するかは、材料の適合性、解像度、コスト、後処理の要求など、アプリケーションの特定の要件によって異なります。一般に、材料の噴射は、精度、表面仕上げ、および複雑な細部が重要となる高解像度の印刷タスクに好まれます。硬質またはゴム状ポリマー、透明部品、または生体適合性コンポーネントを含むアプリケーションに最適です。また、これは、高精度のインベストメント鋳造で使用されるワックス部品を直接印刷するための主要な方法でもあります。バインダー ジェッティングにより柔軟な材料は進歩しましたが、これらの部品は通常、機械的強度と精度が不足しているため、機能的または構造的な用途には適していません。

一方、バインダージェッティングは、現在、溶解プロセスを行わずに金属部品を 3D プリントする唯一の実用的な方法です。また、鋳造用途の砂型や中子を製造するための頼りになる技術であり、ビジュアル モデルやプレゼンテーション モデルのフルカラー プリントに最適なオプションでもあります。マテリアル ジェッティングでは金属を印刷できませんが、ポリマー部品の精度、マテリアルの柔軟性、微細なフィーチャの再現性の点でバインダー ジェッティングを上回ります。

プロセス条件の違い

バインダージェッティングはパウダーベースの技術です。液体結合剤を粉末の層 (金属、砂、セラミックなど) に堆積させます。印刷後、結合していない緩い粉末が除去され、印刷された部品は焼結や溶浸などの後処理ステップを受ける場合があります。対照的に、マテリアル ジェッティングでは、インクジェット スタイルのプリントヘッドを使用して、フォトポリマーの小さな液滴をビルド プラットフォーム上に直接堆積します。これらの液滴は印刷中に UV 硬化され、サポート材料は別のノズルを使用して同時に堆積されます。印刷が完了すると、サポートは水または化学洗浄によって除去されます。

種類の違い

バインダー ジェッティング 3D プリントには、単一マテリアル バインダー ジェッティング、マルチマテリアル バインダー ジェッティング、カラー バインダー ジェッティング、サンド バインダー ジェッティング、金属またはセラミック バインダー ジェッティング、ポリマー バインダー ジェッティング、ハイブリッド バインダー ジェッティングなどのいくつかの分類があります。

単一材料バインダー ジェッティングでは、単一の粉末が使用され、結合剤が堆積されてオブジェクト レイヤが作成され、オブジェクト レイヤが下のレイヤに結合されます。マルチマテリアルバインダージェッティングでは、通常、金属、セラミック、ポリマーの交互層で複数の粉末材料を使用します。それぞれの粉末材料に適した結合剤を選択することで、複数材料、複合材料、または特性が段階的に変化した部品の印刷が可能になります。 

カラーバインダーの噴射にはフルカラー 3D 印刷が含まれます。通常、石膏造形材料と印刷可能な結合剤を組み合わせて、各層にフルカラーインクジェット印刷を行い、フルカラー印刷を行います。サンドバインダージェッティングでは、金属鋳造用の砂型と中子を作成するための構築材料として細かい砂を使用します。金属またはセラミックのバインダー ジェッティングでは、金属またはセラミックの粉末を造形材料として使用します。印刷後、グリーンパーツは焼結され、金属粒子が最大密度まで収縮/融合され、結合剤が焼き尽くされます。ポリマー バインダーのジェッティングはポリマー パウダーの層形成に特有のもので、多くの場合、粒子を結合する溶媒結合剤が使用されます。

場合によっては、バインダ噴射装置は、リストされた複数のモードで動作することができます。また、他の 3D プリンティング技術と統合して、ビルドに適用される適切なプロセスでの領域選択を可能にすることもできます。これは、ハイブリッド バインダー ジェッティングとして知られています。

材料噴射技術には、方法と材料によって区別されるいくつかの分類もあります。ポリマー材料の噴射は、液体またはゲルの形でポリマー インクを堆積する、材料噴射の最も一般的かつ初期の形式です。これらのポリマーは通常、その場で UV 硬化され、限られた後処理で迅速かつ完成した印刷を実現します。マルチマテリアル ジェッティングでは、リジッド タイプやエラストマー タイプなどの複数の材料 (通常は 2 つ) を同時に蒸着して、段階的な特性、段階的な色、部品の突然の材料変化を構築します。 

フルカラー ジェッティングは、フィギュア、建築モデル、アートワークの制作用にフルカラーで高解像度のコンポーネントを提供する特殊なカテゴリです。セラミックまたは金属材料のジェッティングでは、セラミックベースまたは金属材料をポリマー懸濁液に堆積させ、最終的なセラミック密度を達成するために焼結できる複雑なセラミック部品を作成します。マイクロ流体材料のジェッティングは、研究、診断、および流体論理デバイスでのアプリケーション向けに、正確なチャネル形状を備えたマイクロ流体デバイスを作成するために使用されます。ワックス材料の噴射は、ジュエリーのロストワックス鋳造でのパターン作成に使用されます。ワックス パターンは、金属部品製造用の犠牲マスターとして直接印刷されます。

使用素材の違い

マテリアル ジェッティングは、硬質、エラストマー、ワックス素材のポリマー モデルに直接組み込まれます。一方、バインダー ジェッティングでは、一般にポリマー結合剤を使用して、金属からセラミック、砂に至るまでのさまざまな粉末材料を接着します。

申請条件の違い

マテリアル ジェッティングは、アセンブリの評価、機構の性能のテスト、および必要に応じて成形部品の代替に使用できる機能および設計の評価プロトタイプに適しています。ワックス プロトタイプは、インベストメント鋳造の製造に直接使用でき、すべてのスプルーおよびチャネル パーツが事前に取り付けられ、単一の段階で一体化された状態で印刷されます。

一方、バインダーの噴射では、比較的精度が低く、機械的特性が劣る視覚試験コンポーネントが得られます。これらは、形状と美しさの視覚的評価に適しており、パッケージングの例や写真の小道具などの色が重要なプロトタイプを直接作成できます。

マシン特性の違い

バインダージェッティングマシンは、粉末を層状に配置して拭き取り、場合によってはローラーで高さまで詰め込みます。これらの機械は、プロセスのこの側面で材料の取り扱いが難しいため、機械が比較的複雑になり、粉末が研磨性が高く機械の衛生状態が悪い場合には信頼性の問題が発生する可能性があります。さらに、接着剤を供給するマシンの噴射コンポーネントは比較的シンプルな単一のプリントヘッドであり、タスクのカスタマイズがほとんど必要なく、シンプルさと信頼性を提供します。

マテリアル ジェッティングでは、同様の原理のジェッティング システムを使用して、ビルド ポリマーをビルド プラットフォームに直接供給します。これらのヘッドは高度にカスタマイズされているため、セットアップとメンテナンスに重大な問題が発生し、OPEX で継続的に多大な労力が費やされます。バインダージェッティングマシンは信頼性が高く、メンテナンスの手間がかかりません。マテリアル ジェッティング マシンは繊細な精密機器であり、定期的かつ熟練した毎日、毎週、そして煩雑なメンテナンスとセットアップが必要です。

CAD ソフトウェアの用語の違い

マテリアル ジェッティング テクノロジとバインダー ジェッティング テクノロジはどちらも標準の 3D CAD ファイル形式を使用し、通常は .STL としてエクスポートされます。 ファイルは、独自のまたはサードパーティのスライス ソフトウェアを使用してスライスされ、印刷用のデータが準備されます。マテリアル ジェッティングの場合、.STL 高精度を最大限に活用するには、解像度を細かく設定する必要があり、レイヤーの高さはマシンの能力に一致する必要があります。印刷中に複雑な形状の忠実性を維持するには、テッセレーションと表面のディテールに細心の注意を払うことが不可欠です。

バインダー ジェッティングの場合、特にフルカラー印刷では、.STL という重要な違いがあります。 ファイル形式は本質的にカラー データをサポートしません。このような場合、追加の独自のファイル拡張子 (.WRL、.3MF、カラー拡張フォーマットなど) が使用されるか、カラー情報が個別に埋め込まれ、スライス中にジオメトリと結合されます。このステップは、各印刷レイヤーに正確なテクスチャとカラー マッピングを割り当てるために必要です。

コスト面の違い

バインダージェッティングマシンの価格は通常 30,000 ドルから 200,000 ドルの間で、優れた機能と造形量が必要になるにつれて価格は上がります。一方、マテリアル ジェッティング マシンは、中程度の解像度と制限された構築速度を備えたデスクトップ サイズのマシンで約 20,000 ドルから始まります。マルチマテリアル印刷が可能な、より高度で精密な機械の場合、価格は 75 万ドルに上昇します。これらには、高度なスキルを備えた運用およびメンテナンスの労働力と、限られた補助機器が必要です。

品質の違い

品質は解釈の余地がある用語です。テクノロジー間の品質の違いは、機能に従ってマッピングできます。

マテリアル ジェッティングでは、バインダー ジェッティングよりも高解像度のビルドが可能です。精度と精度が品質の基準である場合、その差は 3 ～ 5 倍になり、材料のジェッティングが有利になる可能性があります。メタルまたはサンド プリントが必要な場合、マテリアル ジェッティングでは対応できないため、品質の面ではバインダー ジェッティングが明確な選択となります。プロトタイプにフルカラー印刷が必要な場合、材料噴射ではこれを実現できませんが、一部のタイプのバインダー噴射装置では実現できます。非金属部品に機能部品と材料の品質が必要な場合、材料の噴射はバインダーの噴射よりも大幅に高い品質を提供します。

精度の違い

精度はさまざまな方法で測定できます。これらの基準を選択する前に、プロジェクトの実際のニーズを考慮することが重要です。

どちらのプロセスも再現性が高いため、複数のパートの一貫性が 2 つのタイプに適しています。バインダーの噴射は材料の噴射よりも解像度が低いため、モデルの精細度は大幅に異なります。バインダーのジェッティングは不正確な性質を持っているため、マテリアルのジェッティングで実現できるものよりも小さなフィーチャの表現の精度が低くなります。

メーカー条件の違い

バインダージェッティングは、運用コストと資本コストが低く、設定コストや継続的な諸経費も大幅に低いため、社内での使用に適しています。ただし、社内セットアップへの投資に見合った必要量を備えている企業はほとんどないため、委託印刷会社にサービスを集中させる傾向が強いです。

驚くべきことに、投資コストと運用コストを正当化するのに十分な需要がある大企業では、材料ジェッティングが社内で選択されるのが一般的です。ただし、このコストで ROI を示すことができる企業はほとんどないため、幅広い機能をサポートし、継続的な投資を正当化するのに十分な需要を引き付けることができる集中型サービス プロバイダーが求められる傾向があります。

バインダーの噴射と材料の噴射に関するよくある質問

マテリアル ジェッティング 3D プリンターは高速ですか?

いいえ。バインダー噴射装置のビルド層の厚さまたは Z 軸解像度は、一般に材料噴射装置の解像度よりも大きいため、バインダー噴射にかかる全体の印刷時間が短くなります。さらに、バインダーの噴射による印刷後のクリーンアップが最小限に抑えられるため、全体的なプロセス速度の差が大きくなります。

マテリアル ジェッティング 3D プリンターで金属を印刷できますか?

いいえ、マテリアル ジェッティングでは直接金属印刷プロセスを提供しません。

バインダー ジェッティング 3D プリンターにはサポートが必要ですか?

バインダーの噴射は、安定した完全なマシンボリュームの粉末塊内に構築されるため、この印刷タイプには別個のサポート構造は必要なく、印刷ジョブに必要な後作業が軽減されます。

概要

この記事では、バインダーのジェッティングと材料のジェッティングを紹介し、それぞれについて説明し、主な違いについて説明しました。バインダーのジェッティングとマテリアルのジェッティングの詳細については、Xometry の担当者にお問い合わせください。

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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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