3D プリント材料の総合ガイド
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3D プリンティング技術は近年、製造と製品設計に革命をもたらしました。積層造形としても知られる 3D プリンティングでは、プラスチック、金属、セラミック、複合材料などの材料を使用してオブジェクトを層ごとに構築します。 3D プリンティングのハードウェアと材料の機能が進化し続けるにつれて、このテクノロジーを採用する業界が増えています。しかし、現在では非常に多くの機械や材料の選択肢が利用できるため、初心者にとっては圧倒されてしまう可能性があります。このガイドは、一般的な 3D プリント技術と材料の包括的な概要を提供することを目的としています。
3D プリンティング技術の種類と推奨される材料
3D プリントの積層プロセス中にマテリアルを融合するには、いくつかの方法があります。
- 溶融堆積モデリング (FDM)プリンターは、加熱された熱可塑性フィラメントをノズルからビルド プレート上に押し出します。 ABS および PLA プラスチックが一般的に使用されます。
- 光造形 (SLA)では、走査ミラーから誘導された紫外線レーザー ビームを使用して、液体樹脂を硬化プラスチックに凝固させます。樹脂は低粘度で硬化時間が速いように配合されています。
- 選択的レーザー焼結 (SLS) は、高出力レーザーを使用して、微細なプラスチック、セラミック、または金属の粉末を焼結します。サポート構造は必要なく、複雑な内部機能を作成できます。
- ダイレクトメタル レーザーインターリング( DMLS )は、高強度金属合金の加工用に特別に設計された同様のパウダー ベッド技術です。
マテリアル ジェッティングやバインダー ジェッティングなどの他の方法では、フルカラーで印刷したり、特殊な金属合金を使用したりできます。 3D プリンティング技術と材料の進歩に伴い、その可能性は広がり続けています。
3D プリントにおけるプラスチック
材料エンジニアは、FDM 印刷用の熱可塑性プラスチックの機能を推進し続けています。耐久性のある最終用途製品を印刷できる高度なフィラメントをいくつか紹介します。
- ASA (アクリロニトリル スチレン アクリレート) は、 ABS に近い耐紫外線性と屋外耐候性を備えています。
- PC (ポリカーボネート) は、場合によっては金属機械加工部品を置き換えることができる超強力なプラスチック部品を生成します。ただし、層間接着を良好にするには印刷のノウハウが不可欠です。
- TPU (熱可塑性ポリウレタン) と柔軟な TPE フィラメントにより、ウェアラブルやカスタム グリップなどの用途に優れた屈曲性を備えたゴムのようなプリントが可能になります。
- PEEK (ポリエーテル エーテル ケトン) は、強力な化学薬品や滅菌手順に耐えることができるため、医療機器や科学ツールの製造に適しています。しかし、PEEK フィラメントの価格は法外に高いため、業界外での採用は大幅に制限されています。
金属3Dプリント
最近まで、金属は航空宇宙および医療分野の高価な SLS または DMLS 産業用プリンターのみが担当していました。ステンレス鋼、チタン、ニッケル、アルミニウム合金が一般的に使用されます。ワークショップ、大学、デザイン スタジオ向けに設計された小型の金属 3D プリンタは、ハードウェア コストの削減によりアクセスが拡大しています。ほとんどは結合金属蒸着を使用して、最大 70% の金属粉末含有量を含む複合フィラメントを押し出します。
1. ステンレス鋼 – 高強度と耐食性
ステンレス鋼を印刷すると、屋外での使用や化学物質にさらされる部品に優れた寸法安定性が得られます。結合金属蒸着の層接着により、サポートなしでブリッジやオーバーハングを印刷することもできます。部品は、伝統的に製造されたステンレス鋼に似た特性を得るために、焼結後に機械加工、タップ加工、研磨を行うことができます。
2. チタン – 非常に軽くて強い
航空宇宙産業では、強度対重量比がアルミニウムを上回るチタン合金が頻繁に使用されます。 複雑なチタン部品を一体型で 3D プリントすることで、機械加工されたチタン構造を弱める溶接接合部を回避します。チタン粉末の価格の高さは、軽量金属部品を求めるモータースポーツなどの業界の外では依然として障壁となっている。
3. アルミニウム – 入手可能な代替金属
アルミニウムは軽量で耐食性があるため、広く使用されています。金属 3D プリントを使用すると、過去にアセンブリとして構築されたカスタム アルミニウム部品を統合することができます。ツーリングのプロトタイプ、ロボットコンポーネント、デザインモデルはすべて、 3D プリントされたアルミニウムの恩恵を受けています。プリンターのコストがさらに下がるため、中小企業は外部のサプライヤーに依存せずに迅速なアルミニウム工具を活用できるようになります。
セラミックスおよびエキゾチックマテリアルの 3D プリンティング
アルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素で作られた工業用セラミックスを効率的に加工するには、非常に高い温度と精密な工具が必要です。セラミック製のポンプ インペラやミサイル誘導システムなどの部品は、これまで専門の鋳造工場以外で製造することは不可能でした。 3D プリンティングは、複雑なセラミックコンポーネントを焼結するパウダーベッド技術により、これらの障壁を排除します。
さらに、可能性はセラミックだけにとどまりません。金属やセラミックの粉末をバインダージェッティングで使用する研究が進むにつれ、銀や金などの希少で貴重な素材も 3D プリントできるようになります。この技術は、実際の銅またはグラフェンペーストから印刷された導電性トレースを統合するカスタマイズされた医療用インプラントまたは電子機器を容易にする可能性があります。私たちは、3D プリントされたセラミックス、ガラス、エキゾチックな材料にわたる可能性を探求し始めたばかりです。
複合材料と 3D プリンティング
プラスチック、金属、セラミックは依然として製造に使用される従来の材料ですが、ポリマーと他の強化材を組み合わせた複合材料は、従来の方法では達成できない優れた機械的特性を提供します。
1. 3D プリントされた炭素繊維複合材料
カーボンファイバーフィラメントを使用した FDM 印刷により、軽量で剛性の高いポリマーが部品に充填されます。ナイロンよりも強く、アルミニウムに近い耐摩耗性コンポーネントを印刷するには、硬いフィラメントを使用する硬化スチール ノズルが必要です。アプリケーションはカスタム クアッドコプター フレームから高性能自動車部品まで多岐にわたります。
2. 金属と木材を充填した複合材料
溶融堆積モデリングでは、標準的な ABS および PLA プラスチックと金属粉末または木材パルプを簡単に組み合わせて、美的特性、熱的特性、および機能的特性を変更することもできます。真鍮、銅、ブロンズを注入したプリントは、プラスチックの軽量さを保ちながら、視覚的には機械加工された金属に似ています。木材で満たされた嘆きは、家具のプロトタイプ用にリアルな木目パターンもキャプチャします。
理想的な 3D プリント材料の選び方
現在、あらゆる用途や予算に合わせて非常に多くの機械や材料が利用できるため、印刷技術を設計目標や材料要件に適切に適合させるには、次の重要な要素を調査および考慮する必要があります。
- 部品の機能 - 負荷や過酷な環境条件にさらされますか?
- 寸法精度と印刷精度が必要
- 剛性、耐摩耗性、温度制限などの機械的特性
- 材料費 - 特殊なフィラメントにはプレミアム価格がかかる場合があります
- 後処理の容易さ - 一部の素材のプリントサポートは取り外しが簡単です。
- 3D プリンターのモデルと仕様 - 材料の機能は異なります。
主な特徴を使用した人気の 3D プリント材料の比較
| 材料 | プロパティ | 印刷パラメータ | 料金 |
|---|---|---|---|
| 人民解放軍 | 中強度、低柔軟性、中程度の耐久性 | 180～230℃ | 低い |
| ABS | 強度があり、適度な柔軟性があり、耐久性に優れています | 210～250℃ | 中くらい |
| PETG | 強くて柔軟、高い耐久性 | 230～260℃ | 中くらい |
| TPU | 中程度の強度、非常に高い柔軟性、中程度の耐久性 | 220～250℃ | 中～高 |
| ナイロン | 強度と柔軟性が高く、耐久性に優れています | 240～260℃ | 高い |
| ピーク | 非常に強く、最小限の柔軟性、非常に高い耐久性 | 360～400℃ | すごく高い |
| 樹脂 | 種類により強度、耐久性が異なる、柔軟性なし、UV硬化 | 該当なし | 高い |
複雑なビルドを試みる前に、経験を積むことが依然として重要です。絶え間ない材料の革新により、3D プリンターの機能も年々向上しています。安全性シートや技術シートなどの定量的データを参照すると、エンジニアや設計者が各用途に最適な材料を選択および認定する際に役立ちます。
3D プリントされたオブジェクトの後処理
ビルドプレートから取り出したばかりの新しいプリントが、そのままの状態で要件を満たしていることはほとんどありません。さまざまな仕上げプロセスにより、強度、美しさ、機能性が向上します。
- サポート構造の除去– サポートを取り外すか、化学浴で溶解します。
- サンディングとヤスリがけ– プリントで見える層間の表面の段差を滑らかにします。
- 下塗りと塗装– SLA プリントは特に、研磨後に現れたプリント層の段差を隠すために、平滑化し、シールし、塗装する必要があります。
- パーツの結合- 溶剤、エポキシ、または MABS 溶接プールの継ぎ目を使用してコンポーネントを接着します。
- 金属プリント– ポリマーを燃焼させ、粉末を固体の金属に融合させるために、脱結合剤と焼結のサイクルが必要です。
3D プリント材料の未来
3D プリンティングは、ニッチなラピッド プロトタイピングの目的から、さまざまな業界にわたる最終部品の製造へと拡大し続けています。規模の経済、プリンタのコストの削減、幅広い材料の使用により、完全に分散されたオンデマンド生産の未来が現実味を帯びてきます。しかし、真の持続可能性は、テクノロジーの進歩に伴って資源を節約するためにサプライチェーンを再構築するかどうかにかかっています。
再生可能なバイオプラスチックとグリーンケミストリーの画期的な進歩により、3D プリンターの材料合成時の廃棄物とエネルギーの使用を最小限に抑えることができます。新しい複合材料や工業用ポリマーを配合する際には、リサイクル可能性についてさらに考慮する必要があります。企業、研究者、規制当局が協力して取り組むことで、3D プリンティングは気候に優しく、世界中の製造品への公平なアクセスを提供できる可能性があります。
テイクアウト
プリンターと材料が進歩し、より優れた精度、強度、機能性を低コストで提供できるようになり、可能性は無限大です。ここで説明する基本的な方法、材料、後処理技術の知識があれば、エンジニアは 3D プリンティングを活用して、まったく新しい製品設計やビジネスを想像できます。 3D プリンティングがさらに普及するにつれて、責任ある持続可能な慣行を維持することで、テクノロジーが世界中で公平で豊かな未来に向けて構築されることが保証されます。