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：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、表面上は類似しているように見える2つの関連する3Dプリンティング技術です。しかし、詳しく調べると、その違いは非常に大きくなります。バインダージェッティングは材料適応性に優れた粉末床プロセスです。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方式で多様な接着剤を噴射し、スライスの像を印刷・接着することで、下のスライスに結合・キーイングされます。

マテリアルジェッティングもバブルジェット技術を使用しますが、モデルスライスを直接ビルドテーブルに印刷します。一般的に変性アクリル樹脂やエポキシを使用します。バインダージェッティングは、幅広い材料で比較的低解像度の部品をコスト効率よく迅速に生産できますが、マテリアルジェッティングは、詳細なプラスチック試作やモデルに適した高解像度を提供します。適用技術の選択は、解像度、材料、生産量など、プロジェクトの具体的な要件に依存します。

本記事では、プロセス、長所と短所、材料選択、タイプなどの観点から、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

バインダージェッティングは、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）を粉末床に選択的に堆積させ、粒子を互いに接着させます。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結合剤が固化することで、3Dモデルの各スライスが作成されます。

結合剤は、圧電式またはサーマル（バブルジェット）ノズルなどのインクジェット式ヘッドを使用して適用されます。一度堆積すると、結合剤はその層の粒子を互いに、および以前に印刷された層に結合させます。未結合の粉末は loose のまま残り、ビルド中の自然なサポート構造として機能します。印刷領域の端では、毛細管現象により結合剤が周囲の粉末にわずかに浸透し、特に微細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。この浸透ゾーンは、高解像度フィーチャーの達成における主要な制限の一つです。

一部のバインダージェッティングシステムは、フルカラー顔料を堆積させる追加のプリントステージを組み込んでおり、詳細な多色試作の作成を可能にしています。これらの色は部品内部に埋め込まれ、浸透、研磨、シーリングなどの後処理ステップにも耐えることができます。

詳細については、弊社のバインダージェッティングガイドをご覧ください。

バインダージェッティングのイラスト。

バインダージェッティング3Dプリンティングの長所と短所

バインダージェッティングには長所と短所があり、プロジェクトへの採用可否を明確に判断する材料となることが多いです。主なメリットは以下の通りです：

1. 多くの他の3Dプリンティングプロセスよりも高速なビルドタイム、特に大型またはバッチ印刷の部品において。
2. 原材料（粉末と結合剤）が一般的に低コストであり、周囲の粉末床以外のサポート構造を必要としないため、大量生産にコスト効率が良い。
3. 材料廃棄が少なく後処理が簡単で、未使用粉末を容易に回収・再利用可能。
4. 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、幅広い材料に対応。
5. 従来の製造方法では困難または不可能な複雑な形状や内部フィーチャーの製造が可能。
比較的シンプルなハードウェアと拡張可能な粉末床セットアップにより、大型ビルドボリュームを実現可能。

広く報告されているバインダージェッティングのデメリットは以下の通りです：

1. バインダージェッティングで製造される部品は、結合粉末から形成されるため、通常は粒状または多孔質な表面テクスチャを持ちます。初期のシステムでは粒子サイズが約100µmでしたが、現代のシステムでは約10µmまで削減されています。それでも、表面平滑性はSLAやマテリアルジェッティングなどの他の印刷方法に劣ります。
2. グリーンパーツは機械的に弱く、荷重を負担する用途には不向きです。焼結により強度を向上させられますが、収縮と歪みが生じ、寸法精度に影響を与えます。焼結後でも、収縮と熱歪みにより寸法精度の維持は困難です。
3. バインダージェッティング部品は多くの場合、著しい内部多孔性を示します。金属浸透、熱等方圧縮（HIP）、焼結などの追加ステップが必要で、コストと複雑さが増します。
4. 解像度は中程度で、印刷エッジでの結合剤の浸透により、SLAやマテリアルジェッティングなどの高解像度技術と比較してディテールが劣ります。
5. 材料特性は一般的に、SLS、DMLS、強化フィラメントを用いたFDMなどの手法で達成されるものに劣ります。
6. 微細粉末の取り扱いには安全上の懸念があります。金属やセラミックの粉塵は吸入や汚染のリスクを伴うため、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プリンティングの事例

バインダージェット印刷の最も一般的な用途の一つは、製品パッケージやフィギュアなど、ゼロストレス用途で必要とされる写真撮影用小道具の製作です。ますます、比較的低精度で粗い表面仕上げの金属部品を迅速に製造する実用的な手段として、バインダージェッティングが報告されています。このような部品は用途が制限されますが、特性が適合する場面では、比較的高速な生産と低コストで十分に機能します。

Xometryによるステンレス鋼製バインダージェットパーツ

マテリアルジェッティングとは

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方式を用いて、液体光重合体やワックスのビルド材料およびサポート材料を直接ビルドプラットフォームに供給する3Dプリンティング技術です。印刷された材料は、ビルドテーブルが降下し、モデルの次のスライスが適用される前に、プリントプロセスで部分的または完全に硬化されます。

プリントプロセスでは、一般的に層構築において2種類（以上）の関連材料を同時に適用します。ビルド材料は通常、熱硬化またはUV光硬化型のポリマーで、剛性、半柔軟性、疑似エラストマー特性を持たせることができます。一部のバリエーションではワックスをビルド材料として使用し、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製造できます。サポート材料は追加のプリンターヘッドによって共に印刷されます。このサポート材料は、化学的に溶解性があるか、ビルド材料と完全に結合しながら後で除去可能な水溶性バージョンです。高度なシステムでは、印刷中に異なるビルド材料を混合または交互に使用できます。これにより、部品の領域ごとに機械的特性を変化させる特性勾配（例：柔らかいから剛性へ）や、同一形状内での機能的挙動を変える材料切り替えが可能になります。

詳細については、弊社のマテリアルジェッティングガイドをご覧ください。

マテリアルジェッティングのイラスト。

マテリアルジェッティング3Dプリンティングの長所と短所

マテリアルジェッティングのメリットは以下の通りです：

1. 市販機器の中で最高のプリント解像度を提供。微細なディテールと薄いセクションを持つ複雑なモデルの印刷に最適。
2. このクラスの一部の機械では、0～100%の可変割合で2材料を同時印刷可能。これにより、カスタム材料特性の可変作成や、限定的ながら色変化オプションが可能。
3. 高い寸法精度と再現性。マシンのキャリブレーションが徹底され正しく実施されていれば、印刷部品はデジタル設計と緊密に一致します。
4. ステレオリソグラフィー（SLA）などの他の高解像度技術と比較して、このプロセスのマシンタイプは比較的高速。
5. 利用可能な光重合体材料には、剛性（様々な色）、柔軟性（ゴムライク、30～90ショアA）、透明（レンズ/窓品質）、生体適合性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、材料特性は徐々に成形プラスチックに近づいています。
6. ビルドと共に共印刷されるサポート材料は容易に除去可能で、過度なコストや清掃の困難さなしに、複雑なオーバーハングや形状の完全性を維持。
7. SLAとは異なり、マテリアルジェッティングはUVチャンバーでの後硬化を必要とせず、後処理ステップを簡素化。樹脂は印刷直後に、同じプロセスで強力なUVランプが通過することで硬化します。

いくつかのデメリットは以下の通りです：

1. 使用される光重合体材料は高コストから非常に高コストで、一般的に単一供給源。
2. 独自の光重合体樹脂に限定され、他の一部技術で利用可能な幅広いオプションが欠如。
3. 一部の3Dプリンティング技術と比較して、ビルドボリュームが小さいことが多い。
4. 特定の複雑なサポートの除去は、繊細で熟練を要する手作業プロセスとなり得る。コスメティックな仕上げを得るために、追加の後処理ステップが一般的に必要。
5. 機器のメンテナンスと日常的なOPEXは熟練を要するタスクであり、高コストの単一供給源コンポーネントを必要とします。これはプリント単価を大幅に押し上げ、この点でのコスト削減は災厄的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プリンティングの事例

マテリアルジェッティングで3Dプリントされた部品の例には以下が含まれます：

1. 精度と表面品質が重要な歯科用クラウン、ブリッジ、義歯の精密モデル。
2. ジュエリーや小さな金属部品など、微細なディテールと滑らかな表面を必要とするインベストメント鋳造用の詳細なワックスパターン。
3. 最終生産前のフィット、形状、空力試験に使用される航空宇宙コンポーネントのエンジニアリング試作。
4. カスタムデバイスエンクロージャ、微小コンポーネントハウジング、設計評価ユニットなど、家電製品の試作。
5. 診断、ライフサイエンス、研究で使用される複雑な内部チャネルを持つマイクロ流体デバイス。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、従来の方法では高コストまたは非現実的な複雑な部品が含まれます。

どちらが優れているか：バインダージェッティングかマテリアルジェッティングか

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の選択は、材料互換性、解像度、コスト、後処理要求など、アプリケーションの具体的な要件に依存します。マテリアルジェッティングは一般的に、精度、表面仕上げ、微細ディテールが重要な高解像度印刷タスクで好まれます。剛性またはゴムライクなポリマー、透明部品、生体適合性コンポーネントを扱う用途に最適です。また、高精度インベストメント鋳造用のワックス部品を直接印刷する主要な方法でもあります。バインダージェッティングでも柔軟性材料での進歩はありますが、それらの部品は通常、機械的強度と精度に欠け、機能的または構造的用途には不向きです。

一方、バインダージェッティングは現在、溶融プロセスなしで金属部品を3Dプリントする唯一の実用的な方法です。また、鋳造用途の砂型とコアの製造のための主要技術であり、視覚またはプレゼンテーションモデル用のフルカラー印刷の最良の選択肢です。マテリアルジェッティングは金属をプリントできませんが、ポリマー部品の精度、材料の柔軟性、微細フィーチャーの再現性においてバインダージェッティングを上回ります。

プロセスの観点からの違い

バインダージェッティングは粉末ベースの技術です。液体結合剤を金属、砂、セラミックなどの粉末層に堆積させます。印刷後、未結合の loose 粉末を除去し、印刷された部品は焼結や浸透などの後処理ステップを経る場合があります。対照的に、マテリアルジェッティングはインクジェット式プリントヘッドを使用して、微小な光重合体液滴を直接ビルドプラットフォームに堆積させます。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。印刷完了後、サポートは水または化学洗浄で除去されます。

タイプの観点からの違い

バインダージェッティング3Dプリンティングにはいくつかの分類があります：シングル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/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。

シングルマテリアルバインダージェッティングでは、単一の粉末を使用し、結合剤を堆積させてオブジェクト層を作成し、下の層に結合させます。マルチマテリアルバインダージェッティングでは、一般的に金属、セラミック、ポリマーの交互層として複数の粉末材料を使用します。各粉末材料に適した結合剤の選択により、マルチマテリアル、複合、特性勾配部品の印刷が可能になります。

カラーバインダージェッティングにはフルカラー3Dプリンティングが含まれます。一般的に石膏ビルド材料と印刷可能な結合剤を、各層でのフルカラーインクジェット印刷と組み合わせ、フルカラープリントを実現します。サンドバインダージェッティングは、金属鋳造用の砂型とコアを作成するために微細な砂をビルド材料として使用します。金属/セラミックバインダージェッティングは、金属またはセラミック粉末をビルド材料として使用します。印刷後、グリーンパートは焼結され、金属粒子が全密度まで収縮/融合し、結合剤が焼失します。ポリマーバインダージェッティングは、ポリマー粉末の積層に特化し、多くの場合、粒子を溶着する溶剤系結合剤を使用します。

場合によっては、バインダージェッティング装置が上記の複数のモードで動作可能です。また、ビルドに適用される適切なプロセスにおける領域選択性を可能にするため、他の3Dプリンティング技術と統合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。

マテリアルジェッティング技術にも、方法と材料によって区別されるいくつかの分類があります。ポリマーマテリアルジェッティングは最も一般的で最古の形式で、液体またはゲル状のポリマーインクを堆積させます。これらのポリマーは一般的にその場でUV硬化され、限定的な後処理で迅速かつ仕上げられた印刷が可能です。マルチマテリアルジェッティングは、通常2つの複数材料（剛性とエラストマータイプなど）を同時堆積させ、勾配特性、勾配色、部品内での急激な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、建築模型、芸術作品の制作のためにフルカラーと高解像度コンポーネントを提供する特殊カテゴリです。セラミック/金属マテリアルジェッティングは、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可能な複雑なセラミック部品を作成します。マイクロ流体マテリアルジェッティングは、研究、診断、流体論理デバイスでのアプリケーション向けに、精密なチャネル形状を持つマイクロ流体デバイスの作成に使用されます。ワックスマテリアルジェッティングは、ロストワックス鋳造でのパターン作成にジュエリーで使用されます。ワックスパターンは、金属部品生産のための犠牲マスターとして直接印刷されます。

使用材料の観点からの違い

マテリアルジェッティングは、剛性、エラストマー、ワックス材料のポリマーモデルを直接構築します。一方、バインダージェッティングは一般的にポリマー結合剤を使用し、金属からセラミック、砂まで多様な粉末材料を接着させます。

アプリケーションの観点からの違い

マテリアルジェッティングは、アセンブリの評価、機構性能のテスト、必要に応じて成形部品の代替として使用できる、機能的および設計評価用試作に適しています。ワックス試作は、スプルーとチャネル部品が事前に取り付けられ、単一工程で一体化した状態でインベストメント鋳造の直接生産に使用できます。

一方、バインダージェッティングは、比較的低精度で機械的特性が劣る視覚テストコンポーネントを提供します。これらは形状と美観の視覚的評価に適し、写真撮影用小道具などの包装例や色彩重視の試作を直接生産できます。

マシン特性の観点からの違い

バインダージェッティングマシンは、層ごとに敷き詰められ、ワイピングされ、場合によってはローラーで高さまで圧縮される粉末を扱います。このプロセスのこの側面における困難な材料ハンドリングタスクにより、これらのマシンは比較的複雑であり、粉末が研磨性でマシンの衛生状態が悪い場合、信頼性の問題を引き起こす可能性があります。また、結合剤を供給するマシンのジェッティングコンポーネントは、比較的シンプルな単一プリントヘッドであり、タスクへのカスタマイズがほとんど不要で、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は、ビルドポリマーを直接ビルドプラットフォームに供給するという原理では類似のジェッティングシステムを使用します。これらのヘッドは高度にカスタマイズされており、セットアップとメンテナンスの面で大きな問題を生じ、OPEXにおいて継続的な高い労力を要します。バインダージェッティングマシンは信頼性が高く低メンテナンスです。マテリアルジェッティングマシンは、定期的で熟練を要する日次、週次、侵襲的なメンテナンスとセットアップを必要とする繊細な精密機器です。

CADソフトウェアの観点からの違い

マテリアルジェッティングとバインダージェッティングの両技術は、標準的な3D CADファイル形式を使用し、通常は.STLファイルとしてエクスポートされ、次に独自またはサードパーティのスライシングソフトウェアを使用してスライスされ、印刷用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解像度は細かく設定し、層高さはマシンの能力に合わせて、その高精度を最大限に活用する必要があります。テッセレーションと表面ディテールへの慎重な注意が、印刷中の複雑なフィーチャーの忠実度を維持するために不可欠です。

バインダージェッティング、特にフルカラー印刷の場合、重要な違いがあります：.STLファイル形式は本質的にカラーデータをサポートしていません。これらのケースでは、追加の独自ファイル拡張子（.WRL、.3MF、カラー拡張形式など）が使用されるか、カラー情報が別途埋め込まれ、スライシング時にジオメトリと組み合わされます。このステップは、各プリント層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。

コストの観点からの違い

バインダージェッティングマシンの価格は通常、3万ドルから20万ドルで、より優れた能力とビルドボリュームが必要に応じて上昇します。一方、マテリアルジェッティングマシンは、中程度の解像度と限定的なビルド速度を持つデスクトップサイズのマシンで約2万ドルから始まり、マルチマテリアル印刷が可能なより高度で精密なマシンでは75万ドルまで上昇します。これらには高度に熟練した操作・メンテナンス労働力と、限定的な付属機器が必要です。

品質の観点からの違い

品質は解釈の余地がある用語です。技術間の品質差は機能に応じてマッピングできます。

マテリアルジェッティングはバインダージェッティングよりも高解像度のビルドを提供します。精度と正確さが品質の基準であれば、差はマテリアルジェッティング有利で3～5倍の因子となります。金属や砂の印刷が必要な場合、マテリアルジェッティングは対応できず、バインダージェッティングが明確な品質の選択肢となります。試作にフルカラー印刷が必要な場合、マテリアルジェッティングは提供できませんが、一部のタイプのバインダージェッティング装置なら可能です。非金属部品で機能的部品と材料特性が必要な場合、マテリアルジェッティングはバインダージェッティングよりも大幅に高品質を提供します。

精度の観点からの違い

精度は様々な方法で測定できます。これらの基準を選択する前に、プロジェクトの真のニーズを考慮することが重要です。

両プロセスとも優れた再現性を提供するため、複数部品の一貫性は両タイプで適しています。バインダージェッティングはマテリアルジェッティングよりも低解像度を提供するため、モデルの微細さはかなり異なります。バインダージェッティングの不正確な性質により、マテリアルジェッティングで達成可能な小さなフィーチャーの表現精度は劣ります。

メーカーの観点からの違い

運用コストと資本コストが低く、セットアップと継続的なオーバーヘッドも大幅に低いため、バインダージェッティングは社内利用に適しています。しかし、社内セットアップ投資を正当化する需要量を持つ企業は少ないため、契約印刷会社にサービスを集中させる強い傾向があります。

驚くべきことに、マテリアルジェッティングは、投資と運用コストを正当化する十分な需要を持つ大企業では一般的に社内導入の選択肢となっています。しかし、このコストでROIを示せる企業は少なく、幅広い能力をサポートし、継続的な投資を正当化する十分な需要を集められる中央集約型サービスプロバイダーへの傾向は同じです。

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プリンターは高速か？

いいえ。バインダージェッティングマシンのビルド層厚またはZ軸解像度は、一般的にマテリアルジェッティング装置よりも大きいため、バインダージェッティングの方が全体的な印刷時間が短くなります。さらに、バインダージェッティングの印刷後クリーンアップは最小限であり、全体的なプロセス速度の差を広げています。

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るか？

いいえ、マテリアルジェッティングには直接的な金属印刷プロセスがありません。

バインダージェッティング3Dプリンターはサポートを必要とするか？

バインダージェッティングは、安定した完全なマシンボリューム粉末質量内で構築されるため、この印刷タイプには別途サポート構造は不要で、プリントジョブの後処理作業を削減します。

まとめ

本記事では、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を紹介し、それぞれを解説するとともに、それらの主な違いについて議論しました。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についてさらに詳しく知りたい場合は、Xometryの担当者までお問い合わせください。

Xometryは、試作から量産まで、お客様のあらゆるニーズに対応する3Dプリンティングを含む幅広い製造能力と付加価値サービスを提供しています。詳細をご確認いただくか、無料で無義務のお見積もりをご希望の場合は、弊社Webサイトをご覧ください。

免責事項

このWebページに掲載されているコンテンツは、情報提供のみを目的としています。Xometryは、情報の正確性、完全性、妥当性について、明示的か黙示的かを問わず、いかなる種類の表明や保証も行いません。性能パラメータ、幾何公差、特定の設計機能、材料の品質と種類、プロセスなどは、Xometryのネットワークを通じてサードパーティのサプライヤーや製造業者によって提供されるものを代表するものと推測すべきではありません。部品の見積もりを求めるバイヤーは、それらの部品の具体的な要件を定義する責任があります。詳細については、利用規約をご参照ください。

Dean McClements

Dean McClementsは、機械工学のB.Eng Honors卒業生で、製造業界で20年以上の経験を持っています。そのキャリアには、Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace、Hyster-Yaleなどの大手企業での重要な役割が含まれ、エンジニアリングプロセスとイノベーションについて深い理解を培ってきました。

Dean McClementsの他の記事を読む