3D プリント材料の総合ガイド
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3Dプリント技術 近年、3Dプリンティングは製造業と製品設計に革命をもたらしました。積層造形法としても知られる3Dプリンティングは、プラスチック、金属、セラミック、複合材などの材料を使用して層ごとにオブジェクトを構築します。 3Dプリントのハードウェアと材料は進歩し続けているますます多くの業界でこの技術が採用されています。しかし、現在では利用できる機械や材料の選択肢が非常に多いため、初心者にとっては圧倒されるかもしれません。このガイドは、一般的な 3D 印刷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プリント技術の種類と推奨される材料
3D プリントのレイヤリング プロセス中に材料を融合する方法はいくつかあります。
- 熱溶解積層法（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を通してビルドプレート上に押し出します。 一般的には ABS と PLA プラスチックが使用されます。
- ステレオリソグラフィー（SLA） 走査ミラーによって照射された紫外線レーザー光線を使用して、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短いように配合されています。
- 選択的レーザー焼結（SLS） 微細なプラスチック、セラミック、または金属の粉末を高出力レーザーで焼結します。サポート構造は必要なく、複雑な内部構造を生成できます。
- だ直角 まその他 らアセル S興味深い （DMLS) 高強度金属合金の加工用に特別に設計された同様の粉末床技術です。
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することができます。3D 印刷の技術と材料が進歩するにつれて、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可能性を追求し続けています。 高度なフィラメント 耐久性のある最終製品を印刷可能:
- ASA（アクリロニトリルスチレンアクリレート）ABS に近い紫外線耐性と屋外耐候性を備えています。
- PC（ポリカーボネート）場合によっては機械加工された金属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産します。ただし、層間の良好な接着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フィラメントウェアラブルやカスタムグリップなどの用途向けに、優れた曲げ性を備えたゴムのようなプリントを可能にします。
- PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）PEEK フィラメントは強力な化学薬品や滅菌処理に耐えるため、医療機器や科学ツールの製造に適しています。ただし、PEEK フィラメントは価格が法外に高いため、業界以外での採用は厳しく制限されています。
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専有領域でした。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ています。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 プリンターは、ハードウェア コストの低下によりアクセスが拡大しています。ほとんどのプリンターは、結合金属堆積法を使用して、最大 70% の金属粉末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 – 高い強度と耐腐食性
ステンレス鋼の印刷 屋外での使用や化学薬品にさらされる部品に優れた寸法安定性をもたらします。結合金属堆積の層接着により、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。部品は焼結後に機械加工、タップ加工、研磨され、従来製造されたステンレス鋼に似た特性が得られます。
2. チタン – 非常に軽くて強い
航空宇宙産業では、アルミニウムを上回る強度対重量比のため、チタン合金を頻繁に使用しています。 複雑なチタン部品を3Dプリント 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。チタン粉末の高価格は、軽量金属部品を求めるモータースポーツなどの業界以外では依然として障壁となっています。
3. アルミニウム – 手に入りやすい代替金属
アルミニウムは軽量で耐腐食性があるため、幅広く使用されています。金属3Dプリントにより、過去にアセンブリとして製造されたカスタムアルミニウム部品を統合することが可能になります。ツールのプロトタイプ、ロボット部品、設計モデルはすべて、 3Dプリントアルミニウムプリンターのコストがさらに下がると、中小企業は外部サプライヤーに頼ることなく、迅速なアルミニウムツールを活用できるようになります。
セラミックスとエキゾチックな素材の3Dプリント
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を効率的に加工するには、極めて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の羽根車やミサイル誘導システムなどの部品は、以前は専門の鋳造所以外では製造不可能でした。 3D プリンティングでは、複雑なセラミック部品を焼結する粉末床技術により、これらの障壁を排除します。
さらに、可能性はセラミックスだけにとどまりません。バインダージェット法による金属やセラミックス粉末の使用に関する研究が進むにつれ、銀や金などの希少で貴重な材料でさえも3Dプリントできるようになります。この技術は、実際の銅やグラフェンペーストから印刷された導電性トレースを組み込んだカスタマイズされた医療用インプラントや電子機器を促進する可能性があります。私たちは、その可能性を探り始めたばかりです。 3Dプリントセラミック、ガラス、エキゾチックな素材など。
複合材料と3Dプリント
プラスチック、金属、セラミックは製造に使用される従来の材料のままですが、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プリント炭素繊維複合材
FDM印刷による 炭素繊維フィラメント 軽量で剛性の高いポリマーで部品を充填します。 硬いフィラメントには、ナイロンよりも強く、アルミニウムに近い耐摩耗性部品を印刷するための硬化鋼ノズルが必要です。用途は、カスタム クワッドコプター 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
熱溶解積層法では、標準的な ABS および PLA プラスチックを金属粉末または木材パルプと簡単に組み合わせて、美観、熱、機能特性を変更できます。真鍮、銅、青銅を注入したプリントは、プラスチックの軽量性を維持しながら、見た目は機械加工された金属に似ています。木材を充填したラメントは、家具のプロトタイプのリアルな木目パターンを再現します。
理想的な 3D プリント材料の選び方
現在では、あらゆる用途と予算に合わせて非常に多くの機械や材料が利用可能であるため、印刷技術を設計目標と材料要件に適切に一致させるには、次の重要な要素を調査して考慮する必要があります。
- 部品の機能性 - 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、温度限界などの機械的特性
- 材料費 - 特殊なフィラメントは高額になる可能性がある
- 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。
主な特徴を用いた一般的な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 | 強度は中程度、柔軟性は低い、耐久性は中程度 | 180～230℃ | 低い |
| アブソリュート | 強く、適度に柔軟で、耐久性が高い | 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 | 高い強度と柔軟性、優れた耐久性 | 240～260℃ | 高い |
| ピーク | 非常に強く、柔軟性は最小限、耐久性は非常に高い | 360～400℃ | 非常に高い |
| 樹脂 | 強度と耐久性はタイプによって異なり、柔軟性がなく、UV硬化型です。 | 該当なし | 高い |
複雑な造形に挑戦する前に、経験を積むことは依然として重要です。材料の絶え間ない革新により、3D プリンターの機能は年々向上しています。安全性や技術シートなどの定量データを参照することは、エンジニアや設計者が各アプリケーションに最適な材料を選択して認定する際に役立ちます。
3Dプリント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鮮なプリントは、すぐには要件を満たす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、美観、機能性が向上します。
- サポート構造の除去– サポートを分解するか、化学薬品浴で溶解します。
- 研磨とヤスリがけ– 印刷物で目に見えるレイヤー間の表面的な段差を滑らかにします。
- 下塗りと塗装– 特に SLA プリントでは、研磨後に現れるプリント層の段差を隠すために、平滑化、シール、塗装を行う必要があります。
- 部品の結合- 溶剤、エポキシ、または MABS を使用してコンポーネントを接着し、継ぎ目を溶接します。
- メタルプリント– ポリマーを燃やし、粉末を固体金属に融合するには、脱バインダー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、業界全体にわたる最終部品の製造へと拡大を続けています。規模の経済、プリンターのコスト削減、材料の幅広い選択肢により、完全に分散されたオンデマンド生産の未来が実現可能となります。しかし、真の持続可能性は、テクノロジーの進歩に合わせてサプライチェーンを再構築し、リソースを節約できるかどうかにかかっています。
ブレークスルー 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 3D プリンターの材料合成時の廃棄物とエネルギー使用量を最小限に抑えることができます。また、新しい複合材料やテクニカル ポリマーの配合時には、リサイクル性を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めば、3D プリンティングは、気候に優しく、世界中で製造品への公平なアクセスを提供できるようになります。
まとめ
プリンターと材料が進化し、より低コストでより高い精度、強度、機能性を実現できるようになったことで、可能性は無限に広がりました。ここで取り上げた基本的な方法、材料、後処理技術の知識があれば、エンジニアは 3D プリントを活用してまったく新しい製品設計やビジネスを思い描くことができます。3D プリントがさらに普及する中で、責任ある持続可能な実践を維持することで、この技術が世界中で公平で豊かな未来を築くことにつながります。