3Dプリント解説：第1回－原材料から現代のイノベーションまで

第1部：原材料

積層造形（一般に3Dプリントとして知られる）は約40年の歴史がありますが、多くの人々にとってまだ黎明期のように感じられます。過去10年間で3Dプリント技術は、それ以前の30年間よりも大きく進化し、試作と少量生産においてこれまで以上に実用的になりました。これらの進歩により、製造業者が最新イノベーションと生産プロセスの高速化への可能性を探る中で、積層造形は確実に世間の注目を集めています。

MarketsandMarketsの調査によれば、3Dプリント材料市場は2016年の5億3,010万ドルから2021年までに14億ドル以上に成長すると推定されています。この成長は、プリントに使用される材料オプションの拡大に大きく起因しています。当初は限られたプラスチックしか使用できませんでしたが、新しい機械でははるかに幅広い材料でプリント可能になっています。

 

3Dプリント材料市場が直面する課題

3Dプリントに使用される材料は、プリントプロセスの効率と最終製品の品質を決定します。積層造形が急成長しているにもかかわらず、従来の製造・加工方法に代わる実用的な選択肢となるには、まだ多くの課題を克服する必要があります。これらの課題の多くは原材料に直接関連しています：

• 原材料コスト

3Dプリントは、他の製造技術が提供する規模の経済の恩恵を受けていません。積層造形はまだ比較的遅く、主に試作やごく少量生産に使用されるため、大量材料割引がありません。

• 材料種類の制限

過去10年間で3Dプリントプロジェクトに利用可能な材料の種類は劇的に拡大しましたが、選択肢はまだかなり限られています。現在、材料選択は3Dプリント技術の制約と設計による制限の影響を受けます。

• 原材料の入手性

積層造形用原材料は、特に設計が金属やセラミックスなどの希少物質を要求する場合、依然として調達が困難な場合があります。

前述の市場成長に伴い、これらの問題は近い将来に解決される見込みです。3Dプリントがメーカーにとってより一般的な手法になれば、材料価格は指数関数的に下落し、選択肢は拡大し、あらゆる材料タイプがより容易に入手可能になるでしょう。

 

3Dプリント材料市場のステークホルダー

積層造形の成功的な成長は、原材料サプライチェーンのさまざまな貢献者間の協力に大きく依存します。主要ステークホルダー：

• 材料サプライヤー
• プリンターメーカー
• プリントサービスビューロー
• エンドユーザー

これら各参加者が新たなイノベーションを市場にもたらすにつれ、技術は進化し続けます。サプライチェーンの各リンク間の協力により、ステークホルダーは技術の方向性と成長を導くことができます。

 

3Dプリント材料の種類

3Dプリント材料は通常、フィラメント、粉末、液体の形で提供されます。使用されるタイプは4つの主要カテゴリーに分類されます：

• プラスチック
  • 光重合性樹脂 － エポキシとハイブリッド、アクリレート、ポリアミド、ニトリルゴム
  • プラスチック粉末 － PA、TPU、PEEK、PP、PS
  • プラスチックフィラメント － ABS、PLA、PCとブレンド、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート、熱可塑性ポリウレタン

• セラミックス
  • セラミック粉末

• 金属
  • アルミニウムと合金
  • ステンレス鋼
  • インコネル、コバルトクロム、ニッケル合金
  • チタンと合金
  • その他

• その他
  • バインダー入り砂
  • 感光性樹脂

 

光重合性樹脂

光重合性樹脂は、世界の積層造形材料市場でトップシェアを占め、今後もシェア拡大が予想されます。光重合性樹脂は、Polyjetとステレオリソグラフィ3Dプリンターで使用される液体樹脂で、UV光による重合プロセスの助けを借りて硬化・キュアリングされ、プラスチック部品と試作を形成します。光重合性樹脂は一般に、バインダー、モノマー、光開始剤などの主要成分を含みます。光開始剤は光重合性樹脂の主要成分で、光エネルギーを化学エネルギーに変換します。光重合性樹脂は、医療、軍事、エレクトロニクス用途の部品作成にプリントされます。

 

プラスチック粉末

プラスチック粉末も重要な市場シェアを占める3Dプリント材料です。ポリアミド、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）、熱可塑性ポリウレタン（TPU）などのプラスチック粉末は、車両の軽量化による燃費向上と排出ガス削減を目的として選択されます。

プラスチック粉末で部品をプリントする主なプロセスは、一般的に堆積モデリングとレーザー焼結で、短納期で比較的コスト効率が良いです。これが試作用途でのプラスチック粉末需要を牽引しています。

ポリアミドは、手頃な価格、加工しやすさ、優れた仕上げにより、試作用途で最も使用される材料であり続けるでしょう。ポリアミドはプロフェッショナルな3Dプリント会社で最も人気のある材料の一つです。

TPUは、高弾性、耐熱性、耐摩耗性、高せん断強度を要求される部品製造に適しています。PEEKは半結晶性熱可塑性樹脂で、高温でも保持される優れた機械的・化学的耐性を持ちますが、高価なため最も要求の厳しい用途に限定されます。

 

プラスチックフィラメント

プラスチックフィラメントは、溶融積層法（FDM）3Dプリンターの熱可塑性原料です。プラスチックフィラメントは部品に優れた強度を与え、成形しやすいです。多数の材料オプションの中で、ABSとPLAが圧倒的に一般的なフィラメント材料です。耐水性と靭性はABSの好ましい特性で、機能部品のプリントに理想的な材料です。PLAはプリントしやすく生分解性があり、消費者向け部品のプリントに人気があります。最も高価な材料の一つであるワックスまたはMoldlayは、インベストメント鋳造パターンのプリント材料です。シェル焼成工程で溶融除去できます。

 

金属

金属は通常、工具と試作部品のプリントに使用されます。鋼は、優れた強度と耐久性により、自動車、産業、食品加工、医療用途で広く採用されています。また、代替案の中で最も経済的です。316Lや17-4PHなどのステンレス鋼、マルエージング鋼合金がこのカテゴリーで一般的です。

3Dプロセス用のその他の金属には、アルミニウム、チタン、インコネルなどの高価値非鋼材料、高強度合金が含まれます。このセグメントで最も一般的な材料：

• アルミニウム合金
• コバルトクロム合金
• ニッケル基合金
• チタン合金

 

積層造形の進化

市場予測は3Dプリントの未来を示唆しますが、積層造形トレンドを把握する最善の方法は、技術のステークホルダーになることです。インプローでは、砂型鋳造、インベストメント鋳造、精密加工などの製造サービスを提供し、積層造形における熱心なプレーヤーとしての地位確立に注力しています。

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