先進の3Dプリンティング材料：性能、アプリケーション、イノベーションの包括的ガイド

3Dプリンティングの膨大な種類の中で、3Dプリンティング材料の選択は、あらゆるプロジェクトにおいて意図した目標の達成を左右する。3Dプリンティングの可能性を定義する重要な要素の1つは、利用可能な材料の多様性です。各材料は、その応用特性が異なります。中でも、PLA、ABS、PETG、ナイロンは、その使いやすさと様々な用途への適応性から人気が高い。

チタン、ステンレス鋼、そしてアルミニウムのような他の金属は、主に工業用に使用されます。これらの用途では、強度と耐久性が極めて重要である。セラミックは、高温耐性と耐摩耗性の能力から使用される。カーボンのような繊維は、強度と軽量の特徴を提供し、樹脂、特にフォトポリマーは、歯科や宝飾品を含む産業における精密作業に使用されます。

選択された材料によって、それぞれの役割があり、積層造形分野にいくつかの特徴を加える。この記事では、3Dプリンティングで使用される材料の開発、性能比較、適切な用途、コスト比較について詳しく説明します。このガイドが終わる頃には、材料について明確に理解できるようになるでしょう。あなたの3Dプリンティングの要件に最も適しているのはどれかを知ることができます。

3Dプリンティング材料の種類

ポリマー

ほとんどの3Dプリンティング材料はポリマーであり、それは汎用性が高く、多くの分野で使用できるからである。. PLA は、環境にやさしく、作業が簡単だという評判がある。そのため、初心者のユーザーや試作品の作成に適している。ABSは、厳しい用途に理想的な強度と安定性を提供します。PETGはPLAとABSの両方の特性を持ち、使用済み部品に強度と耐薬品性を提供します。同時に、ナイロンは最も頑丈で柔軟性があり、耐摩耗性に優れた素材で、高負荷のかかるエンジニアリング用途に適しています。一部のポリマーは高い強度を持ち、一般的に航空宇宙分野で使用されますが、他のポリマーは柔軟性があるため回路基板に使用されます。.

ポリマー材料は、1980年代のステレオリソグラフィの実用化から始まった3Dプリンティング技術の進歩において極めて重要な役割を担ってきた。ポリアミドやPLAといった重要なポリマーの歴史は20世紀初頭にあり、重要なAM前駆体は1920年代と1940年代に開発された。FFFとSLSが最初に開発されたのは1980年代から1990年代初頭で、コンピュータの技術拡張の恩恵を受けた。

2000年初頭に特許が切れたことで、3Dプリンティング技術の導入は医療や航空宇宙など他の産業にも広がった。2010年以降、インテリジェント・ポリマーのような改良された材料が、AMをプロトタイピングから直接ツーリングや最終製品の生産へと拡大した。さらに、より安価で入手可能なソフトウェアやオープンソースのツールが、一般向けの3Dプリンティングを後押しした。

ポリマーと複合材料の3Dプリントプロセス

積層造形は一般的な3Dプリンティングプロセスです。しかし、FFF、SLA、MJ、BJ、PBFプロセスを使って、ポリマーやポリマー複合材料から造形物を作るには、選択的レーザー焼結やダイレクトメタルレーザー焼結が確立されているため、ポリマーから造形物を作るには推奨されません。

どの手法も、形状や状態、その他の物理的特性など、ポリマーの条件によって適用可能性や特徴が異なるのが特徴だ。しかし、3Dプリンティングの特定の技法を選択するたびに、特定の材料との互換性、使用可能なコスト、解像度の要件、使用する形状の複雑さなど、いくつかの制限を考慮する必要があります。

この総説では、これらの方法を紹介・説明し、使用できるポリマーの種類を概説し、その長所と短所を以下の図に示す。

ソース https://www.researchgate.net/figure/Schematic-representations-of-3D-printing-techniques13_fig2_373843699

写真出典 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238521005178

写真出典 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238521005178

金属

チタン、ステンレス鋼、アルミニウムなどの必須金属は、その強度、柔軟性、軽量性から、産業用途のグローバル3Dプリンティングにおいて重要な役割を担っている。チタンは航空宇宙や医療に最適です。ステンレス鋼は汎用性が高く、頑丈です。アルミニウムは軽く、熱を伝えやすい。

チタン強度と生体適合性

チタンは、特に強度、優れた耐食性、生体適合性が求められる用途で、3Dプリンティングで好まれる金属となっている。その軽量かつ強靭な構造は、航空宇宙部品に理想的です。これは、強度を損なうことなく質量を最小限に抑えることが重要な、次世代の航空機にとって特に重要です。

チタンの生体適合性は医療産業での使用に適しています。特に、人体と一体化するインプラントや補綴物の製造に重宝されています。

チタンの高い融点と反応性が3Dプリントを困難にしている。EBMやSLMのような特殊な方法は、印刷環境を制御し、酸化を防ぐために必要である。

次の図は、SLMを使用して3Dプリントチタン部品を作成するための一般的なワークフローを示しています：

ステンレススチール汎用性と耐久性

もうひとつの一般的な3Dプリンティング素材はステンレス鋼だ。弾力性があり、耐食性に優れていることで知られている。強度、柔軟性、耐食性の優れた組み合わせを提供します。そのため、自動車部品から家庭用品まで、ほとんどすべての産業での使用に適している。

3Dプリンティングにおけるステンレス鋼の場合、DMLSとバインダージェッティングは、2つの製造プロセスの柔軟性と3Dプリンティング形状の精度の高さから、様々な形状やフレームワークで使用することができます。

また、激しい磨耗や損傷に耐え、極端な環境条件下でも機能するよう設計された機能部品の製造にも役立っている。

以下は、ステンレス鋼のDMLSプロセスの図で、各層がどのように融合され、剛性の高い頑丈な部品ができるかを示しています。

アルミニウム軽量かつ高導電性

アルミニウムは密度が低く、熱伝導性、電気伝導性に優れているため、3Dプリンティングでは非常に人気があります。これらの特性により、軽量化と放熱が不可欠な自動車製造や電気用途で特に重要な素材となっています。

3Dプリンティングで使用できるアルミニウム合金、AlSi10Mgは、SLSまたはDMLSによってプリントされる。これらの技術により、従来のプロセスでは作れなかったり、コストがかかったりする複雑な形状の小型軽量部品を作ることができる。

この特性はまた、アルミニウムが次のような部品に使用される理由にもなっている。 ヒートシンク熱交換器や電気機器のエンクロージャーなど。

この図は、アルミニウムのSLSプロセスを示しています。このプロセス特有の高度な精度と制御により、最終製品の要求される機械的特性が達成可能であることを示しています。

セラミックス

セラミックは、その優れた高温特性と耐摩耗性により、3Dプリンティングに広く使用されている。これらの材料は、高度な耐熱性と耐腐食性を示したため、航空宇宙、自動車、エネルギー産業などに適応するはずである。

例えば、タービンブレード、ヒートシールド、その他の高性能エンジン製品などの特定の用途では、その耐久性と熱安定性により、セラミック部品の統合が必要となります。

3Dプリンティングでセラミックスを作る技術には、SLSやバインダージェッティングなどがあり、従来の方法ではなかなか作れない形状を作ることができる。

さらに、セラミックの使用は、その高い硬度と低い摩擦係数のため、摩耗特性が非常に重要な用途で重要性を増しています。セラミック・ライナーやノズルが装置の耐久性を高め、修理費用を最小限に抑えることができる製造業や鉱業のような産業では不可欠です。

洗練されたセラミック3Dプリンティング技術により、精巧な形状と厳しい寸法制御を備えた複雑な部品が製造され、過酷な使用条件下でも高い性能を発揮します。

複合材料

CFRPのような高性能素材は非常に人気があり、3Dプリンティングの方法に影響を与えている。 強度と剛性 と軽量である。炭素繊維複合材料は、その引張強度と剛性が最も評価されるため、航空宇宙、自動車、スポーツ用品産業など、高強度かつ軽量な材料が求められる用途で大きな需要がある。

ポリマーマトリックスに炭素繊維を適用することで、従来の材料に比べて強度を高めながら軽量化した部品を作ることができる。

また、3Dプリンティングに複合材料を統合することで、他の技術では不可能な、型にはまらない形状を使用した構造体の設計が可能になります。これらの複合材料はその後、炭素繊維フラットライン/リボン、またはこれらの整列した繊維の方向性をさらに制御し、方向性を持つ他の複合材料アプローチで溶融堆積モデリング（FDM）により加工されます。

材料特性の比較

3Dプリンティング材料の工学的応用

ポリマープロトタイピングと消費者製品のための多用途材料

ポリマーは、3Dプリンティング、特にプロトタイピング、消費者製品、教育において不可欠です。PLA（ポリ乳酸）は、安価で印刷速度が速く、環境に優しいだけでなく、光沢のある滑らかな表面であるため、幾何学的なモデルや非使用部品に特に適しており、最も頻繁に使用される材料の1つです。

一方、ナイロンは柔軟性と堅牢性が必要な部品の製造に使用され、機構、ヒンジ、ギア、その他の強制部品に使用される。その強度と耐衝撃性から、ナイロン素材はより高度な用途や、いくつかの分野でのモデルから生産レベルへの移行として使用することができる。

金属工業用高強度材料

金属はその優れた特性から、航空宇宙、自動車、医療機器など、さまざまな産業で必要不可欠な存在となっている。軽量で強度が高いため汎用性が高く、航空機部品や手術器具に適している。ステンレス鋼は、錆びにくいだけでなく、磨耗や損傷に耐える能力を持っているため、信頼性が不可欠であり、部品が長期間過酷な条件にさらされる可能性が高い自動車部品や医療機器での使用に最適な選択肢として選ばれています。

これらの金属は、現代のエンジニアリングや生産工程で重要な、複雑で信頼性の高い部品の作成を容易にします。

セラミックス：高温耐摩耗材料

航空機のタービンブレードや多くの分野の耐熱部品のように、高い強度と熱安定性を必要とする用途に使用される。また、高温下でも非常に高く安定した性能を発揮するため、バイオメディカル用途にも適用され、耐久性に優れ、体組織に適したインプラントを提供します。

このような特性により、セラミックスは工業用および医療用アプリケーションにおける信頼性により、さまざまな条件に耐えることができる。

複合材料軽量・高強度材料

複合材料の使用は、材料の強度と重量が重視される場合、例えば、ドローンの部品やスポーツ材料とみなされる物品に適している。炭素繊維強化ポリマーのようなこれらの材料は、高い引張強度を持ち、軽量であるため、高い強度と操縦のしやすさが要求される部品に適している。

このような分野では、複合材料を取り入れることで、強度を損なうリスクを負うことなく、性能と効果を高めることができる。

3Dプリンティング材料の将来動向

3Dプリンティング技術が進化を続ける中、積層造形に使用される材料にも大きな進歩が期待されている。電極材料は生体適合性と環境配慮の両方を実現できるため、生体適合性と環境配慮は2つの重要なトレンドである。スポットライトが環境配慮にシフトするにつれて、優れた性能を持ちながら環境に優しい材料がトレンドになりつつある。このような材料は医療分野で役立つだろう。生体適合性のあるポリマーや金属がインプラントや義肢に使用され、医療水準を損なうことなく環境への影響を削減する。

加えて、材料ブレンドや複合材料の進歩は、積層造形の可能性をさらに高めると考えられている。その後の世代の複合材料は、高強度／軽量、高い柔軟性、耐熱性など、さらに優れた機械的特性を持つようになり、航空宇宙、自動車、一般消費財への応用が拡大するだろう。ポリマー、金属、セラミックを統合することで、製造のための材料特性の微調整が可能になり、さまざまな産業で3Dプリンティングの新たな進歩の機会が開かれる。

結論

繰り返しになりますが、積層造形プロジェクトで最も重要な要素の1つは、3Dプリンティングで使用される材料です。どの材料も、最終製品の性能、寿命、品質を向上させたり、妨げたり、あるいは変化させたりする特性を備えている。例えば、チタンやアルミニウムは高い強度対重量比を持ち、航空宇宙や自動車に適している一方、PLAやナイロンはそれぞれプロトタイピングや消費財に適している。

この目的のために、利用可能な材料の機械的特性、耐熱性、コストを比較し、メーカーが念頭に置くプロジェクトのニーズに応じて決定することができる。このプロセスは、最終製品の機能性と信頼性を向上させるだけでなく、生産工程や生産ラインにおけるコストの問題を回避することもできる。