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3Dプリンティングといえば、金属の高い強度と耐久性から、金属3Dプリンティングを取り上げる価値がある。主に、金属3Dプリンティングは積層造形と同義であり、レイヤーを1つ1つ積み重ねて製品を作成することを扱う。
様々な金属3Dプリント技術があります。そのため、耐久性、コスト、表面仕上げ、スピードを完璧に組み合わせるために、材料の種類を選択することができます。ここでは、金属3Dプリンティングのプロセス、作業、種類、用途に関する完全なガイドを紹介します。
メタル3Dプリンティング技術とは？
金属3Dプリンティングは、焼結、溶融、溶接によって層状の金属部品を製造する積層造形技術である。金属3Dプリントは通常、操作に金属粉末を使用します。一般的に、3D金属印刷には、ステンレス3D印刷、スチール、アルミニウム、コバルトクロム、チタンなど、さまざまな金属合金や金属が使用されます。
3Dプリンターの金属加工は、主にSLMとDMLSを中心に展開される。では、その仕組みを見てみよう：
金属3Dプリントのプロセスに移る前に、造形プラットフォームを紹介しよう。通常、金属パーツは、パーツと同じ素材で作られた支持構造体を介してパーツに取り付けられる。ビルドプラットフォームは主に、高温による歪みや曲げを防止する。
ステップ1
最初のステップは、ビルドチャンバーを不活性ガス、すなわちアルゴンで満たすことにより、金属粉末の酸化の可能性を最小限に抑えることである。次に、ビルドチャンバーを最適な温度で加熱する。
ステップ2
金属粉末の薄い層を広げた後、部品の断面を高出力レーザーでスキャンする。
その結果、金属粒子が融合し、別の層が形成される。同様に、金属部分の全領域を監視して、完全な固形製品の形成を保証する。
ステップ3
スキャニング・プロセスが終わるとすぐに、ビルド・プラットフォームは下方に移動し、リコーターを使って2層目の薄い金属層を広げる。このプロセスは、最終製品の形成まで繰り返される。
ステップ4
製品が成形され、ビンが室温まで冷えると、余分な金属粉を技術者が手作業で取り除く必要がある。その後、部品をビルドプラットフォームから取り外すことなく熱処理する。ここで、ビルドプラットフォームは部品の残留応力を緩和する役割を果たす。
最後に、機械加工または切削加工によって、コンポーネントをビルドプラットフォームから切り離します。これで、その部品をさらなる後処理に使用することができます。
金属3Dプリント技術にはどのような種類がありますか？
先に述べたように、金属粉末は金属印刷機の重要な要素である。したがって、あらゆる種類の金属3Dプリント技術の違いは、粉末を金属部品に融合させることにある。これらの技術には、3D金属プリンターの動作のために異なるソースが関与している。
|
金属3Dプリント技術の分類 |
|||||||
| 種類 |
パウダーベッド・フュージョン |
バインダー・ジェット | 材料噴射 | 材料押出 | 桶重合 | 直接エネルギー蒸着 |
シートラミネート |
| サブタイプ |
DMLS SLS MJF |
バインダー噴射 | マテリアル・ジェッティング DOD | 多重伝送装置
FFF |
エスエルエー
DLP クリップ |
レーザーDED
アークDED 電子ビームDED |
ロム エスエルコム PSL データリンク制御言語 |
| 材料 | スチールEBM、
ステンレススチール、 チタン、 コバルト銅、 アルミニウム |
タングステンカーバイド、ニッケル基合金 ステンレス |
ステンレス |
チタン合金、ニッケル合金、アルミニウム合金、銅、ステンレス鋼 |
樹脂 |
ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金、コバルト合金 |
紙、金属、セラミック、ポリマー、 |
以下では、その主な種類と働き、用途について見ていこう：
1.パウダーベッドフュージョン
粉末床溶融法は、最も頻繁に使用されるダイレクト金属3Dプリント技術である。これらの機械の動作原理は、粉末の微細な層を広げ、熱源を使用して部品の断面を粉末層に溶融させるというものです。
このプロセスについて詳しく知るには、その一般的なタイプを見てみる必要がある。最高の金属3Dプリンターといえば、まず頭に浮かぶのはDMLSとSLSだろう。一般的に、SLM（選択的レーザー焼結）、DMLS（直接金属レーザー焼結）、MJF（マルチジェット融合）は、粉末床融合の一種です。これらのタイプについて一つずつ説明しよう：
DMLS
ダイレクトメタルレーザー焼結は、あらゆる金属合金からパーツを作ることができるため、高い評価を得ている。他の3Dプリンティング法は、特定の金属合金やポリマーベースの材料にしか対応していない。DMLSの作業はSLSとよく似ているが、違いは分子レベルにある。金属粉末を溶かすのではなく、焼結させるだけだ。最終的には、溶融技術に比べて多孔質の部品が少なくなります。
また、この金属焼結3Dプリンターの場合、金属粉末を溶かすための熱を必要としないため、必要なエネルギーも少なくて済む。このプロセスは、特にアンダーカット、空洞、抜き勾配を持つ製品を作成するために使用されます。その主な用途は、機能的なプロトタイプ、工具、医療機器や器具などです。
SLS
この方法を使うことで、非常に高密度で強度の高い印刷物を得ることができる。一般的に、小さな粉末粒子を三次元部品に接合するために高出力レーザーが使用される。層が融合されると、ローラーがベッド上を移動し、次の粉末層の分布を確保する。その後、ルースパウダーの大部分は手作業によるブラッシングで除去される。
メタルSLSプリンターは、プロペラやギアなどの機械部品を扱うのに理想的です。さらに、このプロセスでは、自動車、航空宇宙、医療産業用の部品も製造されます。
MJF
マルチジェット・フュージョン技術は、スイープアームを使用する。まず、スイープアームがパウダーの層を塗布し、次にインクジェットで構成される2番目のアームが、特定のワークピースにバインダー剤を選択的に付着させる。さらにインクジェットは、バインダーの周囲にディテーリング剤を塗布することで、滑らかで精密な表面を提供する。
PBFの利点
以下は、粉末床溶融法の一般的な利点である：
- 様々な形状を製造することができます。
- 製品に最高の機械的特性を与える。
デメリット
この方法には、高額な費用、造形サイズの制限、廃棄物の発生、金属粉末の危険な取り扱いといった欠点がある。
2.バインダージェット
3Dプリントにおけるバインダージェット技術は1990年代に開発された。その目的は、低コストで印刷可能な金属を開発することであった。
この方法は、砂、金属粉末、セラミック、ポリマーなどの粉末状の3Dプリント材料をプリンター内に堆積させることから始まる。その後、バインダー剤がインクジェットで塗布され、各層が造形プラットフォームにプリントされる。このプロセスを繰り返しながら、印刷が完了するまで、各層の後に粉末を再コーティングする。
この技術は、短期間で高品質の部品や加工工具を大量に生産することができる。さらに、砂型鋳造の鋳型、リアルな模型、低コストの試作品の製造にも応用できるかもしれない。
メリット
このテクニックを使うことで、次のようなメリットが期待できる：
- 低コスト。
- 2mmの寸法精度。
- 優れたカラープロダクション。
デメリット
その顕著な利点のほかに、結果はまだ的を得ていない。低強度の用途にしか使えない。
3.材料噴射
ポリジェットとしても知られるマテリアル・ジェッティングは、3Dプリンターのシートメタルではかなりポピュラーな技術である。ワックスやフォトポリマー（液体）のような粘性のある光反応性材料を使用します。粘性があるため、微細な液滴を形成して層を形成する。一般的に、この方法はUV光を利用して材料を部品上で固化させる。製品が完成するまで、主に層ごとに作られる。
この技術は、さまざまなブランドや医療モデルの鮮やかなビジュアルのプロトタイプを作成するプロトタイピングなどの用途に使用できる。
メリット
- 精度は薄層あたり0.01ミリと高い。
- 滑らかな表面仕上げを提供する。
- このプロセスは、素材部品に幅広いカラーレンジを提供する。
デメリット
マテリアルジェットの欠点は、機械的用途には不向きであることと、低速印刷プロセスであることである。
4.材料の押し出し
その名が示すように、この3Dプリント技術は、融点に近い材料を小さな開口部に通す押し出しの原理で動作する。この技術は、複合金属3Dフィラメントと熱可塑性材料を所定の経路上に堆積させて層を形成することで機能する。材料の押し出しに一般的な材料は、PLA、PA、ABS、TPU、カーボンファイバーなどです。
通常、金属3Dプリント部品の材料押し出しは、電子筐体、インベストメント鋳造パターン、治具などに適用される。
材料の押し出しには2つのサブタイプがある：
- FDM（溶融堆積モデリング）
- FFF（フューズド・フィラメント・ファブリケーション）
1) FDM
FDM技術では、まずプラスチックフィラメントを液化し、次に必要な形状（CADモデルで設定済み）に再凝固させる。通常、押出ノズルを加熱することでプラスチックを溶かします。溶融した材料は層を形成する傾向があり、硬化後、3Dオブジェクトになります。
2) FFF
FFF技術はFDMとまったく似ている。しかし、FDM部品はFFF部品よりも強いと考えられています。FFFの動作に関して言えば、加熱されたプリント環境が欠けており、これが製品の精度を低下させる重要な要因となっています。
メリット
金属押出成形の大きな利点をいくつかご紹介しましょう：
- 低コスト
- 高い安全性で簡単に操作できる。
- デリケートな部品に高速印刷を提供します。
デメリット
材料の押し出しは、ノズルの半径が限られているため、精度と速度の点で好ましくない。また、技術者は製品の最終仕上げ品質を維持する必要がある。
5.槽内重合
バット光重合は、この技術の重要な材料として光重合体のみを使用する付加製造プロセスの1つである。通常、フォトポリマー樹脂には様々な色があります。通常、紫外線を使用して樹脂を硬化させ、完璧な表面仕上げを実現します。
また、光重合プロセスは、液体のフォトポリマーの分子が異なる波長の光を浴びることで起こる。その結果、分子同士が素早く結合し、固体に固まる。
バット重合技術は、宝飾品やさまざまな歯科・臨床用途のような細かいディテールを持つ製品の製造に一般的である。
この3D技術にはさらに種類がある：
- SLA（ステレオリソグラフィー）
- DLP（デジタル・ライト・プロセッシング）
- CDLP（連続デジタル・ライト・プロセッシング）
1) SLA
SLAは、タイトな抵抗値、高い細部レベル、滑らかな表面仕上げを提供することで最もよく知られている。このタイプの作業では、ビルドプラットフォームを樹脂で満たされた容器に浸す。この間、樹脂タンクの底とビルド・プラットフォームの間には、1層の高さしか残らない。その後、Gコードの助けを借りてガルバノメーターがレーザービームの経路をトレースし、部品上に層を形成します。
その後、特定の部品の断面を新しい材料で再コーティングする。同じ手順で、この再コーティングされた表面に新しいコーティングを形成することができる。
2) DLP
デジタル・ライト・プロセッシング方式は、その名の通り、光と感光性ポリマーを使って印刷する。SLAとの違いは光源だけである。アークランプなどの異なる投影光源を使用する。さらに、SLAよりも高速とされている。
DLPは、玩具、歯型、宝石型、フィギュア、その他多くの細かい製品を形成するために、樹脂に複雑なパターンを印刷するのに理想的です。
3) CDLP
CLIPは、様々な形状の平滑面オブジェクトを生成する最速のVAT重合技術である。この技術では、UVプロジェクター、酸素、感光性樹脂を明示的に使用して3Dオブジェクトを作成します。
ビルドプラットフォームは感光性樹脂のウェルにわずかに浸かっている。このビルドプラットフォームが上昇すると、UV光が樹脂と反応し、材料が硬化する。この時点で、UV光と酸素が調整され、樹脂ウェルから上昇する間に部品の形状が変化する。CDLPの重要な目的のひとつは、真に等方的な部品の機械的特性を生み出すことです。
メリット
- 高品質できめ細かい仕事を提供する。
- さらに、高速印刷も可能だ。
デメリット
バット重合の利点に加え、強度に欠け、印刷後も紫外線が樹脂に影響を与えることがある。さらに、時間の経過とともに樹脂が反ったり曲がったりすることもある。
6.直接エネルギー蒸着：
3Dプリンティングにおける直接エネルギー堆積法は、一般的に工業部品の補修に用いられる複雑な技術である。このプロセスでは、ワイヤーまたは粉末状の金属のみが使用される。さらに、余分な支持構造を必要とせず、レーザーや電子ビームのような高エネルギー源を使用して、印刷と同時に材料を溶かします。
しかし、用途に応じて、この技術はDMD、LENS、EBAMなどとも呼ばれる。
産業分野でのこの技術の用途は、損傷したパドルやタービンブレードの修理である。
メリット
- より大きな部品をより高い効率で製造することができる。
- 他の金属3Dプリントサービスと比較して、高速プリントが可能です。
- このプロセスは、優れた機械的特性を持つ高密度製品を生み出す。
デメリット
この方法の総合的な性能が優れているのは間違いないが、比較的非常に高価である。加えて、この工法は支持構造を使用しないため、オーバーハングの可能性がない。
7.シートラミネート
シート・ラミネーションは、レイヤー・バイ・レイヤー現象に従って3D金属部品を形成する。この方法では、薄い金属シートが積層され、最終的に1つのピースとなり、切断によって3Dオブジェクトに変換することができる。積層には、超音波溶接、ろう付け、接着などが含まれる。この方法で印刷工程が完了すると、機械加工や穴あけ加工によって出来上がった製品を修正する。
メリット
- 素材が扱いやすい
- 追加のサポートシステムは不要
- 標準的な材料を使用することでコストを削減
- 後処理後、より速い印刷時間を提供します。
デメリット
シート・ラミネーション技術では、材料の選択肢が限られている。また、ラミネート後に余分な材料を取り除くのが難しい場合もある。なにより、この方法は多くの無駄を生む。
SLMとDMLSに関する金属3Dプリンティングの特徴
1.3Dプリンタのパラメータ
このパラメータは、機械メーカーがすでにプリンターに設定しているものである。通常、20ミクロンから50ミクロンの層高が使用される。一方、システムの一般的な造形サイズはほぼ250 * 150 * 150 mmであるが、より大きなものも市場に出回っている。
さらに、SLMとDMLSでは、5%以下の粉末金属がサポート構造の形で無駄になる。しかし、最大限の粉末はリサイクル可能である。
2.レイヤーの接着
金属をプリントできるDMLSおよびSLM 3dプリンターで製造される部品は、高い熱特性と等方性の機械的特性を備えています。これらのソリッドパーツは、ごくわずかな内部空隙を特徴としています。また、他の従来の技術と比較して、高い強度と硬度を有しています。
しかし、表面粗さが高いため、疲労しやすい。
3.軽量構造
金属3Dプリントでは、軽量パーツを得るために格子構造が一般的に使用されます。また、有機的で軽量なデザインを得るために、トポロジー最適化アルゴリズムを使用することもあります。
4.サポート構造
サポート構造は、SLMおよびDMLS 3Dプリンターにとって、高い処理温度の結果に対処するために非常に重要です。これらの構造の3つの重要な機能は以下の通りである：
- これは、反りを防ぐために、ワークピースをビルドプレートに取り付ける役割を果たす。
- それは、次の層を形成するのに役立つ。
- 部品から熱を奪う重要な役割を果たす。したがって、部品は急速に冷却される。
最終評決
さまざまな金属3Dプリント技術には、いくつかの利点がある一方で、ある種の欠点もあることがお分かりになったかもしれません。特に、3Dプリンターと金属粉末のコストが比較的高いことを考慮すると、最善の解決策は、オンデマンドでカスタマイズされた3Dプリントを入手することです。
