積層造形の説明:プロセス、アプリケーション、および材料のオプション

3D プリンティングとも呼ばれる積層造形は、世界中の産業に革命をもたらす最先端の製造プロセスです。マテリアルを削除する従来のサブトラクティブ手法とは異なり、デジタル モデルを使用してオブジェクトをレイヤーごとに加算的に構築する必要があります。

積層造形により、従来の技術では達成が困難または不可能だった複雑な形状の作成が可能になります。さらに、プラスチック、金属、セラミック、複合材料などの幅広い材料互換性を備えており、さまざまな用途に合わせて材料を柔軟に選択できます。アディティブ マニュファクチャリングは、創造的な新製品の開発の機会と、材料使用効率の向上の機会を提供します。

この記事では、積層造形とは何か、そのプロセス、用途、材料、利点、欠点について説明します。

積層造形とは何ですか?

3D プリンティングとしても知られる積層造形 (AM) は、3D デジタル コンピューター モデルに基づいてオブジェクトを層ごとに構築することで製造に革命をもたらします。固体ブロックから材料を削り取る機械加工などのサブトラクティブ法とは異なり、AM では材料を徐々に追加して目的の形状を形成します。この革新的なアプローチにより、比類のない設計の自由度が実現し、複雑な形状やカスタマイズが可能になります。

AM にはさまざまな技術が含まれており、それぞれに独自の利点があります。フィラメント堆積では、熱可塑性材料を溶かしてノズルから押し出しますが、レーザー焼結ではレーザーを利用して粉末材料を層ごとに融合させます。さらに、ステレオリソグラフィーでは、紫外線レーザーまたは LCD スクリーンを使用して、光硬化性液体樹脂を正確な形状に固めます。

歴史的に、AM は航空宇宙、自動車、ヘルスケア、消費財など、さまざまな業界で応用されてきました。当初はラピッド プロトタイピングに使用されていましたが、量産グレードのコンポーネントを含むように進化しました。ただし、層ごとに製造すると、界面に潜在的な弱点が生じる可能性があるため、慎重な設計検討が必要になります。

AM の最大の強みの 1 つは、特定のニーズを満たすためにカスタマイズされたソリューションを可能にするカスタマイズ機能にあります。パーソナライズされた医療インプラントから複雑な建築モデルに至るまで、AM はデザイナーやエンジニアが正確かつ効率的にビジョンを実現できるようにします。

積層造形を発明したのは誰ですか?

チャック・ハルは、ステレオリソグラフィーの発明により、積層造形の先駆者としてよく評価されています。ただし、レイヤーごとの製造という概念は、彼の作品よりも前から存在していました。積層造形のルーツは 1970 年代にまで遡ります。この間、研究者やエンジニアは、オブジェクトをレイヤーごとに構築するためのさまざまな手法を模索し始めました。現代の積層造形の注目すべき先駆者の 1 つは、日本人研究者、児玉英夫の研究です。

児玉氏の 1981 年の論文では、3D オブジェクト製造のためのフォトポリマーの UV 固化について詳しく説明しており、当時の商業的なフォロースルーは限られていたにもかかわらず、基礎を確立しました。カール デッカードは、顧問のジョセフ ビーマンとともに、1980 年代半ばにテキサス大学オースティン校で選択レーザー焼結 (SLS) を開拓し、粉末材料をレーザーで融合させ、積層造形を進歩させました。

積層造形はいつ始まりましたか?

積層造形の商業化は、1980 年代半ばに Chuck Hull によるステレオリソグラフィーの発明によって始まりました。 1986 年にハルはこのシステムの特許を取得し、これが彼の会社 3D Systems Corporation の設立につながりました。その後 1988 年に、3D Systems Corporation は最初の商用 3D プリンタである SLA-1 をリリースしました。

同じ頃、エクソンのスカンクワークス プロジェクトで 3D インクジェット プリンタが開発されましたが、この技術の商業化は 1991 年まで行われませんでした。この商業化の初期段階では、3D Systems Corporation のような企業が出現し、光造形やインクジェット印刷などのプロセスが市場に導入されました。

この画期的な進歩は、その後の積層造形技術と技術の基礎を築きました。長年にわたり、積層造形は材料、プロセス、アプリケーションの進歩により大きく進化してきました。

積層造形のプロセスとは何ですか?

積層造形のプロセスには、いくつかのステップが含まれます。

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まず、CAD プログラムを使用してデジタル 3D モデルを作成します。オブジェクト ジオメトリを含むデザインを STL ファイル形式で保存します。 STL ファイルをスライサー ソフトウェアにインポートして、モデルをスライスし、印刷パスを生成します。素材の種類や速度などの印刷パラメータを調整して最適化します。スライスしたモデルを、3D プリンターが理解できる言語である G コードに変換します。最後に、G コードをプリンターに送信して、オブジェクトをレイヤーごとに印刷するように指示します。

温度、速度、レイヤー高さの設定を調整し、G コード ファイルをプリンターにダウンロードして 3D プリンターを準備します。

選択したマテリアルを付加印刷デバイスにロードします。 3D プリントに使用できる材料には、複合材料、プラスチック、金属、セラミック、紙、さらには細胞やタンパク質などの生体材料も含まれます。

印刷を開始します。プリンターは連続する各レイヤーの G コード命令を解釈し、そのレイヤーに必要な正確な場所に材料を塗布または硬化します。

層間の適切な結合を確保します。これは、溶融堆積モデリング（FDM）などの一部の技術では印刷プロセスの一部として単に行われる場合もありますが、他の技術では、個別の焼結または硬化ステップが必要になる場合があります。

各レイヤーが構築されるときに、印刷オブジェクトが中断されることなく処理を進めることができるようにします。

サポートの取り外しなど、必要な仕上げタスクを実行します。これは、オーバーハングのあるデザインや、印刷中にたるみや変形を防ぐためにサポートが使用される複雑な形状の場合に必要となる場合があります。さらに、最終製品を完成させるには、表面の精製、機械加工、または追加の硬化が必要になる場合があります。

必要に応じて、塗装、メッキ、他のコンポーネントとの組み立てなど、最終仕上げや処理を行う

積層造形の用途は何ですか?

今日、積層造形は多くの業界の製品製造プロセスに不可欠な部分となっています。これには、次のようないくつかの用途があります。

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設計検証、機能テスト、コンセプト検証のためのプロトタイプの迅速かつコスト効率の高い作成が容易になります

医療用インプラント、歯科補綴物、消費財など、高度にカスタマイズおよびパーソナライズされた製品が可能になります

積層造形により、従来の方法では困難だった複雑な形状の製造が可能になります。航空宇宙分野では、内部冷却チャネルを備えたタービンブレードによりエンジン効率が向上します。医学においては、パーソナライズされたインプラントが個々の解剖学的構造に適合し、より早い治癒を促進します。自動車コンポーネントは、パフォーマンスを向上させる軽量で複雑な設計のメリットを享受できます。

高価な工具を使用せずに小ロットまたはカスタマイズされた製造が容易になり、機敏な製造が可能になり、在庫コストが削減されます。

医療分野では、患者に合わせたカスタム インプラント、補綴装置、手術の準備と指導のための解剖学的レプリカ、手術を支援する手術ガイドの製造に利用されています。

強度重量比の向上とカスタマイズ オプションを備えた軽量コンポーネントのプロトタイピング、ツーリング、製造に使用されます。

3D プリントは、教育機関や研究施設で、教育、実験、さまざまな分野での新しい用途の探索のために利用できます。

廃棄物、エネルギー消費、二酸化炭素排出量を削減することで、持続可能な生産の機会を提供する