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Jun 22, 2023

これらは最も重要な 3D プリント材料です

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3D プリンティングの人気の高まりと進歩に伴い、それに応じて特殊な材料の必要性も高まっています。 この記事では、3D プリントで使用される最も重要なプラスチック、金属、その他の材料の概要を説明します。

現在、業界ではさまざまな 3D プリント材料が使用されています。 プラスチックに加えて、金属もますます人気が高まっています。 これらの金属材料は、特に、製造ツール (ラピッド ツーリング) や最終コンポーネント (ラピッド マニュファクチャリング) の製造のための積層造形の分野で使用されます。 しかし、ほとんどの産業および個人ユーザーは依然として 3D プリントにプラスチックを使用しています。 長い間、3D プラスチック プリントは主にプロトタイプやモデルの製造に使用されてきました。 しかし現在では、最終コンポーネントと製品全体が、付加的に加工されたポリマーを使用して作成されることが増えています。

しかし、ポリマーや金属材料の影で、他の 3D プリント材料もますます新しい応用分野を見つけています。 これらには、砂、セラミック、ガラス、コンクリートが含まれます。 産業用金型製作の分野では砂材料の重要性がますます高まっており、多くの鋳物工場が 3D サンド プリンターを利用して金型を製作しています。 3Dコンクリートプリンティングも近年急速な技術発展を遂げています。 たとえば、2020 年には、ドイツ初の 3D プリント住宅用建物がコンクリートで建設されました。

次の材料が使用されます。

PLA (ポリ乳酸)

PLA は、最も人気のある 3D プリント材料の 1 つです。 ポリエステルのカテゴリーに属する合成ポリマーです。 PLA はコーンスターチなどの再生資源から得られるため、生体適合性があり、リサイクル可能です。

ABS などの他のポリマーと比較して、PLA はわずか 70 °C の低い融解温度で加工できます。 これにより、この資料はアマチュア ユーザーにとっても興味深いものになります。 さらに、PLA は通常、冷却プロセス中も寸法が安定しており、変形がほとんどありません。 また、印刷可能な PLA が多数の色で利用できるようになったことは、プロユーザーと個人ユーザーの両方にメリットをもたらします。 ただし、PLA は重い負荷や熱に耐えることができないため、高応力コンポーネントには使用できません。

PLA 以外にも、他の生分解性ポリマーが開発中であるか、すでに入手可能です。

ABS（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）

PLA とは別に、ABS は 3D プリントで最も広く使用されているプラ​​スチック素材の 1 つです。 この合成ポリマーは、アクリロニトリル、1.3 ブタジエン、スチレンから作られています。 ABS の最大の利点のいくつかは、ABS によって実現できる剛性、靭性、強度です。 そのため、最終製品の製造にも試作にも適しています。

ただし、耐候性は特に優れているわけではありませんが、PLA よりは優れています。 さらに、ABS は比較的安価で、多くの色が用意されています。 ただし、特にアマチュア ユーザーにとって、この素材には決定的な欠点があります。ABS は 220 ～ 250 °C の温度で印刷されるためです。 したがって、加熱されたプリントルームまたはプリントベッドを使用することをお勧めします。 これが、コンポーネントを制御された方法で冷却し、変形を防ぐ唯一の方法です。

PEEK（ポリエーテルエーテルクトン）

PEEK は、ポリエーテル エーテルのグループに属する合成ポリマーです。 これにより、温度耐性も備えた、弾力性の高いコンポーネントを製造することが可能になります。 生体適合性があり、化学薬品にも耐性があります。 PEEK は、同様の特性を持つ金属よりも約 70% 軽量ですが、同等の熱的および機械的安定性を備えています。 これらの特性により、自動車、化学、航空宇宙産業で人気のある材料となっています。 PEEKの加工温度は360～380℃なので、一般的にアマチュアユーザーには不向きです。 この高温には、制御された方法で部品を冷却できる加熱されたビルド チャンバーも必要です。

HIPS (耐衝撃性ポリスチレン)

この熱可塑性ポリマーは、ポリブタジエンを重合してポリステロールにすることによって製造されます。 HIPS は非常に高い硬度と衝撃強度を備えており、ABS などの素材とは異なります。 おそらく HIPS の最も重要な特性は、一部の化学薬品に対する溶解性であり、業界ではリモネンがよく使用されます。 この溶解性により、他のポリマーの担体材料として特に適しています。 機械的にではなく化学的に除去されるため、最終コンポーネントの厳しい公差を満たすことが容易になります。

PA(ナイロン/ポ​​リアミド)

ナイロンはもともとシルクの代替品として開発されました。 引張強度が高く、毒性がなく、約 250 °C で溶けます。 3D プリントでのナイロンの使用はまだ比較的新しいです。 しかし、生成される印刷物は丈夫で傷つきにくいため、ますます人気が高まっています。 他の産業で広く使用されているため、安価であり、ほとんどの一般的な化学物質によって損傷されることはありません。

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ナイロンは約 250 °C の高温を必要としますが、これは多くのアマチュアプリンターが処理できる温度を超えています。 また、ナイロンをプリントベッドに接着させるのは、ABS や PLA よりも困難です。 通常、印刷中に接着するには加熱されたプリントベッドと白い接着剤の両方が必要です。

PET（ポリエチレンテレフタレート）

PET は飲料ボトルとしてよく知られています。 この材料の主な利点は、食品と接触しても安全であり、包装に使用できることです。 さらに、密閉された構築チャンバーを必要とする溶解プロセス中に蒸気が生成されません。 PET は加熱された構築チャンバーが必要ないため、民間の 3D プリンティング ユーザーに特に人気があります。 さらに、PET は比較的堅牢であると同時に柔軟性を保ちます。 したがって、ガジェットや日用品を印刷するアマチュア ユーザーに最適です。

3D 洞察

これらは積層造形によって解決しなければならない問題です

PETG（グリコール含有PET）

PETGはグリコールで修飾されたPETです。 この変更により、材料の高い透明性が実現されます。 また、グリコールの添加により印刷性が向上します。 したがって、より低い融解温度およびより少ない結晶化を達成することができる。 さらに、PETG は PET と比較して粘度 (靭性) が低いため、より迅速に押し出すことができます。 PETGは耐候性があるため、花瓶やガーデン家具や設備によく使用されます。

以下の金属が使用されています。

アルミニウム

アルミニウム合金は、優れた強度と熱特性を兼ね備え、軽量で柔軟な仕上げオプションを備えています。 これらの理由から、この材料は自動車産業や航空宇宙産業で広く使用されています。 アプリケーションには、プロトタイプと最終コンポーネントの両方のハウジング、エアダクト、エンジン部品、生産ツールおよび金型が含まれます。 ポルシェとマーレは、この材料の性能を実証しています。積層造形による高性能アルミニウム ピストンが、このポルシェ 911 GT2 RS で初めて使用されています。 730 馬力を誇るこの車は、ポルシェがこれまでに製造した中で最も強力な車両の 1 つです。

チタン

チタンは、金属 3D プリンティングで最もよく知られた合金の 1 つです。 優れた機械的特性と非常に低い比重を兼ね備えています。 この材料は耐食性があり、航空宇宙などのさまざまな要求の厳しい技術環境で使用されています。 アプリケーションには、機能的なプロトタイプ、最終用途の固体部品、医療機器、スペア部品が含まれます。

ステンレス鋼

ステンレス鋼合金は炭素が少なく、非常に耐食性に優れています。 また、ステンレス製の部品は強度にも優れています。 3D プリントされたステンレス鋼は、高い延性と優れた熱特性も備えています。 ステンレス鋼は、食品に安全な用途、機械部品、生産ツールに使用できます。 その他の用途には、配管、耐久性のあるプロトタイプ、スペアパーツ、医療機器、ウェアラブルなどがあります。

次の材料が使用されます。

セラミックス

原則として、セラミックは液体状態で事実上あらゆる形状や形状に加工できるため、3D プリント材料として適しています。 現在では、セラミックスを使用した 3D プリント技術により、大きな孔や亀裂のない 3D プリント オブジェクトを製造できるようになりました。 セラミック部品は高い強度、耐久性、耐火性を備えています。 現在、セラミック 3D プリント材料は歯科産業や航空宇宙産業で使用されています。 主な用途は歯科インプラントです。

砂

砂中子と鋳型の積層造形は、従来の中子製造技術では不可能だった中子を形成する独自の能力を備えているため、近年多くの鋳物工場の注目を集めています。 これは、「バインダー ジェッティング」として知られるプロセスによって行われます。反応性樹脂、通常はアプリケーション用に配合されたフルフリル アルコール (FA) ベースのバインダーが基材に塗布されます。 通常、基材は酸触媒で前処理されたケイ砂ですが、ジルコンや合成セラミックなど、金属鋳造に使用される他のさまざまな骨材を使用することもできます。 このようにして、モールドが一層ずつ作成されます。

砂を使用した中子と鋳型の作成には、いくつかの明確な利点があります。歪みやパーティング ラインの必要性が大幅に減少するため、鋳造品の部品の複雑さは通常の砂型鋳造よりもはるかに複雑になります。 より複雑な金型を作成できます。 複数のコアを 1 つに結合できます。 モジュラーボリュームでは、いくつかの異なるコア形状を組み合わせることができます。

積層造形

高精度の 3D プリント技術で素材の利点を最大限に活用

コンクリート

コンクリートを使用した 3D プリンティングは、フィラメント 3D プリンティングと同様に機能します。 ただし、フィラメントのスプールの代わりに、コンクリートが押し出されます。 理論的には、標準的なコンクリートまたはモルタルを使用できます。 ただし、大規模な建築プロジェクトの場合は、3D コンクリート プリント用に特別に開発された材料を使用することをお勧めします。 たとえば、最初の 3D プリント住宅の建設には、ハイデルベルク セメントの I.Tech3D が使用されました。 これは、3D プリント用に最適化された、すぐに使用できる乾燥モルタルです。 この材料には鉱物成分と添加剤が含まれており、押出後の寸法安定性を維持しながら、プリントヘッドに簡単にポンプで送られるようにする必要があります。

ガラス

3D プリントプロセスを使用してガラスオブジェクトを作成するのは簡単ではありません。 積層プロセスを使用してガラスを製造しようと試みた研究グループは世界中でほんのわずかです。 中には、溶けたガラスを印刷してオブジェを作った人もいました。 これには、非常に高い温度と耐熱性の装置が必要になるという欠点があります。 他の製品では、室温で印刷でき、後で焼結してガラスになる粉末セラミック粒子を使用しました。 しかし、それらから作られたオブジェクトの複雑さはこれまでかなり低いものでした。

チューリッヒ工科大学の研究者は2019年、市販のSLAプリンターで加工できる特殊な樹脂の開発に成功した。 SLA 印刷により、非常に複雑で微細な構造を作成することができます。 部品が硬化した後、2 つの異なる温度で焼き付けられます。 これにより、最終的にオブジェクトがガラスに凝縮されます。

優れた多用途性、軽量、カスタマイズされた特性を備えた複合材料は、高性能産業でよく使用されます。 複合材料の例には、炭素繊維強化ポリマー複合材料およびガラス繊維強化ポリマー複合材料がある。 炭素繊維強化ポリマー複合構造は、その高い比剛性、強度、良好な耐食性、および好ましい疲労挙動により、航空宇宙産業で使用されています。 同時に、ガラス繊維強化ポリマー複合材料は 3D プリンティングのさまざまな用途に広く使用されており、そのコスト効率と性能により大きな応用可能性を秘めています。 これらの材料は、高い熱伝導率と比較的低い熱膨張係数を特徴としています。 さらに、ガラス繊維は燃えず、製造プロセスの硬化温度の影響を受けないため、3D プリント用途での使用に非常に適しています。

この記事は最初に Mission Additive に掲載されました。

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