3D プリンティングにおける材料の押し出し:定義、歴史、アプリケーション、およびワークフロー

3D プリンティングの文脈では、押出とは、半液状のスラリーまたはペーストをオリフィスまたはダイを通して絞り出し、材料の円筒形 (またはその他の) 形状のラインを作成するプロセスです。その後、硬化または硬化して、押出された材料の新しい層をその上に置くことができます。溶融堆積モデリング (FDM) と溶融フィラメント製造 (FFF) の両方がこの技術を使用して印刷します。 

S. スコット クランプの最初のバージョンの FDM プロセスではグルーガンが使用されていましたが、この技術はさらに洗練され、より正確かつ柔軟になりました。材料の押出では、ポリマー フィラメント、ポリマー ペレット、ワックス フィラメントとペレット、セラミック スラリー、ポリマー結合金属粉末フィラメントなど、さまざまな材料を使用できます。

この記事では、3D プリントに関連する材料押し出しのプロセス、歴史、アプリケーションについて定義し、説明します。

3D プリントにおける材料の押し出しとは何ですか?

3D プリンティングの分野では、押出プロセスは、接着準備の整った材料を加熱したノズルに押し込んで、連続した層に堆積させることを意味します。各レイヤーは事実上、3D オブジェクトの 2D 「スライス」です。ほとんどのプリンターは、材料を印刷可能にするために、ポリマーまたはワックスをゲル状の状態まで加熱します。これらの材料は、ゲル化状態（つまり、粘度調整剤）または固体状態で望ましい特性を与える添加剤で修飾することができます。  

詳細については、3D プリンターについて知っておくべきことに関するガイドを参照してください。

材料の押し出しにはどのような材料が使用されますか?

材料押出機は、次のものを印刷するように設計できます:

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PLA、ABS、ASL、ナイロンなどのポリマーが一般的であり、幅広い添加剤が使用されます。他のものは技術的にはワックスですが、機能はポリマーとほぼ同じです。

セラミックを 3D プリントして (一般に芸術的な) 陶器を形成します。この目的のためのノズルは、プラスチック押出機の 10～50 倍のサイズです。

コンクリートやさまざまな建築材料は、3D プリントのオプションとして最近注目を集めています。このアイデアは建物全体を印刷することであり、そのプロセスは主に規模だけが FDM と異なります。

材料の押し出しはどこで使用されますか?

材料の押し出しは主に FDM プロトタイピングで使用されます。この積層造形法は、最も安価で最も利用しやすいオプションであるため、この目的では他の方法よりも人気があります。 FDM プロトタイプは、マーケティングや製品開発などのさまざまな業界で使用されています。部品は迅速に製造され、通常は開発者が機能をテストするのに十分な機能を備えています (部品が 1 ～ 2 mm 未満でない限り)。ただし、プロトタイプは高性能の製品ではありません。

最初の材料押出技術はいつ登場しましたか?

材料押出技術は、SF 作家マレー レンスターによって 1945 年の短編小説「Things Pass By」で初めて予測されました。しかし、実際のプロセスは 1980 年代後半に実用化され、Stratasys によって商業化されました。これが 3D プリンティング分野のバックボーンとなりました。

材料押出の登録名は何ですか?

Stratasys は、材料押し出しを「溶融堆積モデリング」 (FDM) という名前で登録しました。特許は期限切れになっているが、その名前に対する権利はまだ残っているが、Stratasys はそれを厳しく監視していないようだ。 FDM という呼称の方が広く理解されていますが、他の多くのメーカーは自社のプロセスを「溶融フィラメント製造」(FFF) と呼んでいます。 

材料押出プロセスとは何ですか?

3D プリンティングの領域における材料の押し出しには、ポリマーまたはワックスの原料を温度制御されたノズルに押し込むことが含まれます。これにより、材料が粘性流体または流体に近い状態に柔らかくなり、ビルド テーブルまたは既存のプリント モデル レイヤーに適用できるようになります。各レイヤーは事実上 2 次元ですが、結合して 3D 構造を作成します。

ポリマー（またはワックス）は、ゲル化状態に達するまでノズル内で加熱されます。材料は十分に溶けて屈曲し、周囲の（より冷たい）材料と結合する必要がありますが、塗布点から流れ去るほど液体であってはなりません。その後、押し出された材料は急速に冷却されて固化し、その上に次の層を適用できるようになります。

材料押し出しの利点は何ですか?

FDM/FFF 3D プリントに適用される材料の押し出しには、いくつかの利点があります。

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ポリマーは低温で印刷できるため、印刷装置はシンプルで安価です。 

プロセスのメンテナンスはほとんど必要ありません。マシンの設定が最適化されると、プリンターは非常に長期間にわたって監視なしで稼働できます。

押し出し可能な材料は、3D プリント分野で最も安価な材料の 1 つです。これらは、さまざまな競合サプライヤーから入手可能です。

モデルは、幅広い用途で使用できる十分な外観および機械的基準を達成できる

FDM/FFF プリンタは他の 3D プリンタよりも安価で、低いオーバーヘッドで動作します。これにより、どの 3D プリント システムよりも低価格で提供されます。

材料押し出しの欠点は何ですか?

材料の押し出しの欠点は次のとおりです。

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材料の押し出しを使用して印刷されたパーツは、材料の通常の強度のわずか 20% しか示さない可能性があります。モデルは本質的に弱い傾向があります。

見た目の仕上げには、多くのことが望ましくないことがよくあります。 FDM は、X-Y 方向または Z 軸のいずれにおいても高解像度で印刷できません。安価なシステムよりも高価な機器の方が優れています。ただし、このプロセスは、細かいディテールがなく、正確な表面仕上げを必要としない比較的粗いモデルに最適です。 

材料は適用時に熱いため、多くのモデルは内部応力を保持しており、冷えるにつれて変形します。より高価なプリンタには加熱されたビルド チャンバーが搭載されており、この影響を軽減できます。

一部の素材では層内の結合が非常に不十分です。これにより、極度の異方性特性が生じます。一部の材料は他の材料よりも接着性に優れていますが、その特性には常にトレードオフが存在します。 

材料の噴射と材料の押し出しの違いは何ですか?

材料のジェッティングと材料の押し出しは、いくつかの点で異なります。

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プロセス: 押し出しでは、部分的に溶けた材料が線と点で塗布されます。最小点解像度は直径 0.5 mm ～ 1 mm です (プリンタおよび特定のプラスチックまたはワックスによって異なります)。マテリアル ジェッティング プロセスは一桁精度が高く、多くの場合 0.05 mm 未満のドット サイズで液体樹脂を塗布します。

レイヤー構造: 押し出しベースのシステムでは、単一のアプリケーター ノズルを (常に) 使用してモデルを構築するため、構築速度が制限されます。材料噴射プロセスでは、最大幅 100 mm のインクジェット プリントヘッドを使用して、1 回のテーブル パスで層の幅の広いストライプを「描画」します。この追加の幅により、各レイヤーの構築が大幅に高速化されます。

Z レイヤー ビルド: 押出ベースのシステムには、比較的厚い層を構築できるという利点があります。これらは 0.1 mm より薄いことはほとんどなく、多くの場合、厚さは 0.5 mm に達することがあります。材料 噴射層の厚さは通常 16 μm ～ 50 μm です。これは、Z 高さを構築するためにより多くのレイヤーが必要になることを意味し、各レイヤーは高速に印刷されるにもかかわらず、全体的にビルドが遅くなります。

設備の費用: 押出ベースの FDM/FFF テクノロジーはシンプルであり、このマシンはあらゆる 3D プリンターの中で最も安価なものになります。マテリアル ジェッティングは繊細かつ複雑であるため、装置は一般に FDM/FFF よりも 1 ～ 2 桁高価です。

概要

この記事では、3D プリント技術に適用される材料の押し出しの概念をレビューしました。材料押出の詳細について、およびそれがアプリケーションに適切なテクノロジーであるかどうかを判断するには、Xometry の担当者にお問い合わせください。

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