3D プリント (パート 1)

パート 1:原材料

アディティブ マニュファクチャリング (より一般的には 3D プリンティングとして知られている) は 40 年近く前から存在していますが、多くの人はまだこの技術が初期段階にあるように感じています。 3D プリント技術は、過去 30 年間よりも過去 10 年間でさらに進化しており、これまで以上にプロトタイピングや少量生産が可能になりました。これらの進歩により、製造業者が最新の技術革新と生産プロセスをスピードアップする方法を模索するにつれて、アディティブ マニュファクチャリングは世間の注目を集めるようになりました。

MarketsandMarkets の調査によると、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、主にオブジェクトの印刷に使用される材料のオプションの拡大に起因する可能性があります。 3D プリンターはもともと限られた種類のプラスチックを使用していましたが、新しいマシンはより幅広い素材で印刷できます。

3D プリント材料市場が直面する課題

3D プリントで使用される材料によって、プリント プロセスの効率と最終製品の品質が決まります。しかし、アディティブ マニュファクチャリングの急速な成長にもかかわらず、この技術が従来の製造方法や機械加工方法に代わる実行可能な方法になるには、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、次のような原材料に直接関係しています。

• 原材料費

3D プリンティングは、他の製造技術が提供するスケールメリットの恩恵を受けません。アディティブ マニュファクチャリングはまだ比較的遅く、主にプロトタイプまたは非常に少量の生産に使用されます。つまり、大量の材料の大幅な割引はありません。

• 限られた素材の範囲

過去 10 年間で 3D プリント プロジェクトで使用できる材料の種類は劇的に拡大しましたが、その選択肢は依然としてかなり限られています。現在、材料の選択は、3D 印刷技術の制約と、設計によって課せられる制限の影響を受けます。

• 原材料の入手可能性

積層造形の原材料は、特に設計で金属やセラミックなどの希少な物質が必要な場合は、調達が難しい場合があります。

これらの問題は、前述の市場の成長が発生するにつれて、近い将来に対処する必要があります。 3D プリントがメーカーにとってより一般的な方法になるにつれて、材料の価格が指数関数的に下がり、オプションが拡大し、すべての材料タイプがより簡単に入手できるようになります.

3D プリント材料市場の利害関係者

アディティブ マニュファクチャリングの成功は、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。主な利害関係者は次のとおりです。

• 材料サプライヤー
• プリンター メーカー
• 印刷サービス局
• エンドユーザー

これらの参加者のそれぞれが新しいイノベーションを市場にもたらすにつれて、技術は進歩し続けます。サプライ チェーンの各リンク間のコラボレーションにより、利害関係者は技術とその成長の方向性を決めることができます。

3D プリント素材の種類

3D プリント材料は通常、フィラメント、粉末、または液体で提供されます。使用されるタイプには、次の 4 つの主要なカテゴリが含まれます。

• プラスチック
  • フォトポリマー – エポキシおよびハイブリッド、アクリレート、ポリアミド、ニトリルゴム
  • プラスチック パウダー – PA、TPU、PEEK、PP、PS
  • プラスチック フィラメント – ABS、PLA、PC およびブレンド、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

• 陶器
  • セラミックパウダー

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

• その他
  • バインダー付きサンド
  • 感光性樹脂

フォトポリマー

フォトポリマー樹脂は、世界のアディティブ マニュファクチャリング材料市場の主要なシェアを占めており、近い将来、その市場シェアを拡大​​することが期待されています。フォトポリマーは、Polyjet および Stereolithography 3D プリンターで使用される液体樹脂であり、紫外線の助けを借りて重合プロセスによって硬化および硬化し、プラスチック部品およびプロトタイプを形成します。フォトポリマーは一般に、バインダー、モノマー、光開始剤などのいくつかの主要成分を含んでいます。光開始剤はフォトポリマーの主成分で、光エネルギーを化学エネルギーに変換します。フォトポリマーは、医療、軍事、電子機器の部品を作成するために印刷されます。

プラスチック パウダー

プラスチック パウダーは、大きな市場シェアを獲得しているもう 1 つのタイプの 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 パウダーは、車両の軽量化を目的として選択され、燃料効率を高め、排出量を削減します。

プラスチック パウダーを使用してパーツをプリントする主なプロセスには、堆積モデリングとレーザー焼結が含まれます。一般に、レーザー焼結は所要時間が短く、比較的費用対効果が高くなります。これにより、特にプロトタイプ用途向けのプラスチック粉末の需要が高まっています。

ポリアミドは、価格が手頃で、加工が容易で、仕上げが優れているため、試作用途で最も使用される材料として今後も使用される可能性があります。ポリアミドは、プロの 3D 印刷会社が使用する最も人気のある 3D 印刷材料の 1 つです。

TPU は、高い弾性、耐熱性、耐摩耗性、および高いせん断強度を必要とする部品の製造に適しています。 PEEK は、高温まで保持される優れた機械的および耐薬品性を備えた半結晶性熱可塑性樹脂です。ただし、価格が高いため、PEEK は最も要求の厳しい用途にのみ使用が制限されています。

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、溶融堆積モデリング 3D プリンター用の熱可塑性原料です。プラスチック フィラメントは、部品に並外れた強度を提供し、成形が容易です。幅広い材料オプションの中で、ABS と PLA は最も一般的なフィラメント材料です。耐水性と靭性は ABS の好ましい特性であり、機能部品を印刷するのに理想的な材料です。 PLA は印刷が容易で生分解性があり、消費者部品を印刷するための一般的な材料オプションです。最も高価な材料の 1 つであるワックスまたはモールドレーは、インベストメント キャスティング パターンを印刷するための材料です。シェルの焼き付け工程で溶けてしまうことがあります。

金属

金属は通常、ツーリングや試作部品の印刷に使用されます。鋼は、強度と耐久性に優れているため、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、鋼は代替品の中で最も経済的です。 316L や 17-4PH などのステンレス鋼およびマルエージング鋼合金は、このカテゴリ内の一般的な材料です。

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、その他の高強度合金などの高価値の非鋼材が含まれます。このセグメントで最も一般的な資料は次のとおりです。

• 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

アディティブ マニュファクチャリングの進化

市場予測から 3D プリンティングの将来がどうなるかがわかりますが、アディティブ マニュファクチャリングのトレンドを常に把握する最善の方法は、テクノロジーの利害関係者になることです。 Impro では、砂型鋳造、インベストメント キャスティング、精密機械加工など、さまざまな製造サービスを提供しており、積層造形の熱心なプレーヤーとしての地位を確立することに注力しています。

3D プリンティングの未来について詳しく知るには、このトピックに関する 3 部構成のシリーズのパート 2 に注目してください。このトピックでは、テクノロジー自体に焦点を当てます。また、無料の電子ブック「3D プリンティングと従来の製造方法」を今すぐダウンロードすることもできます。