「三次元機械加工は、機械工学グレードのポリマーの加工を容易にするのに役立ちます。さらに、従来の迅速製造技術とは異なり、プロトタイプや軽量の幾何学的部品を迅速に作成できます。」
プラスチック加工業界において、3D プリンティングは、3D デジタル青写真から 3D デザインを作成する積層造形技術です。これは、設計専門家にとって、本格的な生産を開始する前に、美観から機能までをテストするためのプロトタイプを作成する際に役立ちます。
これは、CNCシステムによって誘導され、材料を層ごとに積み重ねて、最短時間で3次元部品を作成するものです。一般的に、3Dプリンティングは複雑なデザインの製造に高速かつ効率的です。しかし、 金属3Dプリントのコスト 材料費、専用設備、後処理の必要性などから、一般的にプラスチック3Dプリントよりもコストは高くなります。それでもなお、複雑な形状、少量生産、高性能部品の製造においては、依然として実用的な選択肢となっています。
さらに、その導入コストは従来の技術に比べて比較的低くなります。製造業におけるその精度と寸法精度により、建築設計から航空宇宙部品のプロトタイプに至るまで、あらゆる分野で大きな注目を集めました。
この記事では、3D プリントのプロセス、種類、産業用途について説明します。 3D プリント プロジェクトを成功させるために必要なヒントについても説明します。
3D プリントとは何ですか?どのように機能するのでしょうか?
3D印刷
3D プリンティングは、部品や製品を作成するための積層造形技術です。 3D サーフェスの所定の仮想イラストまたは数学的描写は、MatterControl 2.0、Tinkercad、Blender、UVTools、WebPrinters、Ultimaker Cura などのソフトウェアでキュレーションされます。デザインが完成したら、ファイルを印刷する準備が整います。ここでは、部品の構成に応じて、設計を数百から数千の水平レイヤーまたは垂直レイヤーにスライスすることによってブレークダウンします。次に、スライスされたモデルが 100D プリンターに供給されます。
3D プリンティング プロセスでは、部品または製品が形成されるまで、プラスチック材料が連続した層に順番に配置されます。このプロセスは材料の押し出しとして知られています。これらのプリンタは特にコンパクトで、少量から大量の部品を生産するのに比較的経済的です。さらに、3D プリント材料はプラスチックから低コストのエンジニアリンググレードのポリマーまでその範囲を拡大しています。通常、インフラストラクチャには最小限の予算が必要です。主な利点の 3 つは、3D プリンティングでは、従来の方法とは異なり、プロトタイプの形成に使用する材料が少なくて済むことです。部品設計機能に加えて、思い浮かぶほぼすべての概念設計を標準の 3D プリンタで複製できます。標準的な小型 300D プリンタの価格は通常、約 400 ドルから XNUMX ドルの範囲です。
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3Dプリンターの主要部品
3Dプリンターは、プロトタイプデザインを作成するために連携して動作する複数の固定部品と可動部品で構成されています。機械の構造はさまざまなものによって異なります。 3Dプリントの種類ほとんどの3Dプリンターには、以下の表に記載されている5つの主要コンポーネントが含まれています。
表： 3Dプリンターの主要部品
| 部品 | Functionality |
| プリントヘッド | これは 3D プリンターの発熱体で、その後プラスチック材料を堆積して製品を作成します。 |
| ビルドトレイ | 加熱または非加熱によって実際のデザインが作成される場所は、目的の 3D プリント技術の種類によって異なります。 |
| モーションコントローラー | これは、3D プリント プロセスを調整するために使用される主要な部分です。これには次のような機械ユーティリティが含まれています。モーター、ベルト、ネジ、エンドストップ。 |
| マザーボード | 電気部品を内蔵するコア部分です。次のような 3D プリンターのすべての機能を制御します。材料の堆積の速度と量。 |
| 電源 | 電源は、3D プリンターのすべての電気部品に電力を供給するために使用されます。 |
プラスチック 3D プリントの種類
以下に、最も一般的なタイプの 3D プリント技術のいくつかを示します。
- 光造形法（SLA）
- 溶融堆積モデリング（FDM）
- 選択的レーザー焼結（SLS）
- デジタルライトプロセス (DLP)
- ポリジェット
- マルチジェットフュージョン
光造形法（SLA）
SLA3D印刷
SLA は、最初の商用 3D プリンティング技術として強調されています。液体フォトポリマーのバッティングタンクを使用し、最初に温めてその後の層を硬化させて目的の部品材料を形成します。
SLA は、高解像度の詳細なプロトタイプ、複雑な部品、インベストメント鋳造用のパターンを迅速に複製できます。さらに、設計者が組み立てられたエンジニアリング製品の適合性をテストするための詳細なコンポーネントの例を成形するのに役立ちます。
表: SLA および用途で使用されるプラスチックの種類
| 材料 | 用途 | 精度レベル |
| ポリプロピレン、ABS、およびガラス入りポリカーボネート | 治具、治具、鋳型の試作 | 0.1 mmから0.2 mm |
溶融堆積モデリング（FDM）
FDM3D印刷
溶融堆積モデリングは、プラスチック フィラメントを溶かし、加熱ノズルから連続層で押し出し、プロトタイプ製品を形成することによって機能します。 FDM の解像度と寸法精度は、SLA に比べて比較的低くなります。さらに、紫外線に長時間さらされると損傷しやすくなります。
材料の適合性に関しては、アイテムの製造のために、さまざまな頑丈な熱可塑性プラスチックを柔軟なエラストマー上に堆積させることができます。概念実証モデルや単純なものから複雑なプロトタイプまで幅広く使用されています。
表: 適合する材料と用途
| 材料 | 用途 | 精度レベル |
| PET、ABS、ETG、PLA | フィットテスト、治具、治具、インベストメント鋳造パターンのプロトタイプが組み込まれています。 | 0.1 mmから0.2 mm |
選択的レーザー焼結（SLS）
SLS ナイロン 3D プリント部品
名前が示すように、強力な熱可塑性粉末にレーザーを焼結して機能テスト用のプロトタイプを構築します。このレーザーはプラスチック材料を溶かし、加熱ノズルを通して層ごとに溶融させて製品を構築します。このプロセスでは、プロセス中にすべての材料が細心の注意を払って消費されます。通常、製品開発中にサポート構造は必要ありません。さらに、SLS によって作成された 3D パーツは、溶融堆積や SLA 技術よりも弾力性があり、寸法安定性が高くなります。さらに、射出成形品に比べて部品の強度が高くなります。
表: 適合する材料と用途
| 材料 | 用途 | 精度レベル |
| ナイロン6、ナイロン11、ナイロン12、ポリアミド12 | フィットテスト、治具、治具、インベストメント鋳造パターンのプロトタイプが組み込まれています。 | 0.1 mmから0.2 mm |
デジタルライトプロセス (DLP)
デジタル光処理
DLP のプロセスは SLA に似ています。これには、レーザー光ではなく従来の光源が使用されます。一般に、DLP は SLA よりも比較的安価で、高品質の部品を製造します。さらに、パーツ全体を一度にインプリントするため、このプロセスは比較的高速です。表面仕上げに加えて、これらのプリンタは多くの場合、最終用途製品の非常に滑らかな表面テクスチャを生成します。
表: 適合する材料と用途
| 材料 | 用途 | 精度レベル |
| ポリ塩化ビニル、ABS、ポリプロピレン | 歯科用副木、装飾品、増幅器、宝石の鋳造 | 0.1 mmから0.2 mm |
マルチジェットフュージョン（MJF）
マルチジェット印刷部品
そのプロセスでは、マルチジェットフュージョンは、どちらも機能プロトタイプの開発にナイロンパワーを使用するため、SLS と似ています。これらの 3D プリンターは、インクジェット クラスターをナイロン パウダーに重ね合わせ、発熱体を融着させることで製品を層ごとに構築します。 MJF は、さまざまな色の最終用途製品の製造を支援し、対象部品の解像度を高めます。さらに、製品の形成にかかるリードタイムは最小限であり、特に 3D プリンティング技術においては経済的な技術と考えられています。
表: 適合する材料と用途
| 材料 | 用途 | 精度 |
|
PA 12 黒、ポリプロピレン PA 12 40% ガラス入りブラック |
プロトタイプ、医療機器、 ベローズ、バッフル、治具、固定具 |
２０ mm |
ポリジェット
Polyjet は、従来のインクジェット プリンターと動作が著しく似ている従来の 3D プリント技術を指します。これは、UV 光を焼結してビルド プレート上にフォトポリマーを滴下して製品を形成することで機能します。 Polyjet 3D プリンターは、SL や SLS よりも安価です。製品設計者は、アセンブリの初期設計の適合性をテストするためにプロトタイプが必要な場合、ポリ ジェットを使用できます。さらに、多色および多素材の部品を鍛造することもできます。
表: 適合する材料と用途
| 材料 | 用途 | 精度 |
| ポリプロピレン、ABS、ゴム状素材、光学的に透明な素材 | オーバーモールディングおよびエラストマーのプロトタイプ | ２０ mm |
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金属3Dプリンティング技術
プラスチック以外にも、 3D印刷材料 また、機能的なプロトタイプや最終製品部品の製造には、高強度金属もいくつか使用されます。一般的に使用されるのは、ステンレス鋼、アルミニウム、銅、タングステン、チタンなどです。これらの金属材料には、以下の3Dプリントプロセスが一般的に用いられます。
- 電子ビーム溶解（EBM）
- 直接金属レーザー焼結（DMLS）
電子ビーム溶解（EBM）
電子ビーム溶解というのは、 金属3Dプリント プロセス。名前が示すように、高エネルギー電子ビームを使用して金属粉末をその後の均質な層に融合させ、要求仕様に応じた製品を形成します。印刷チャンバー内を 0.0001 mbar 以下の真空にすることで機能します。材料を融合するのに必要な最適温度は約600～700℃です。 ℃。他の 3D プリント技術と比較して、EBM はスピーディーでコスト効率が高いです。さらに、耐久性の高い部品を製造できるため、CNC 機械加工や鋳造技術の代替として使用できます。
表: 適合する材料と用途
| 材料 | 用途 | 精度 |
| タンタル、タングステン、バナジウム、チタン | 航空宇宙、自動車、医療部品 | 無し |
直接金属レーザー焼結（DMLS）
DMLS は、もう 3 つの金属 XNUMXD プリント技術です。金属レーザー直接焼結との比較 3D プリントと CNC 加工の比較、柔軟性、再現性、精度、および迅速な生産の利点が提供されます。さらに、これは、複雑で詳細なプロトタイプを作成する場合に特に効率的なオプションです。一般に、金属を削減し、さまざまな部品アセンブリを軽量または単一のコンポーネントに変えます。
表： 適合する材料と用途
| 材料 | 用途 | 精度 |
| ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル合金、銅。等。 | 航空宇宙、自動車、模倣医療プロトタイプ | ２０ mm |
添加剤 vs.サブトラクティブマニュファクチャリング
添加剤 vs.サブトラクティブマニュファクチャリング
積層造形では、材料を連続した層に追加して製品を作成します。対照的に、サブトラクティブ マニュファクチャリングでは、既存の部品から材料を除去して、希望の形状に成形します。これらの基本的なアプローチは、材料の柔軟性と優れた精度により、製造業界全体で広く使用されています。さらに、これらの技術は、大量バッチの経済的なオプションとして爆発的に普及しました。
多くの製造技術が存在しますが、CNC 加工と 3D プリントの XNUMX つは、その多用途な利点から最も広く採用されています。それらの違いを評価してみましょう。
表: アディティブ マニュファクチャリングとサブトラクティブ マニュファクチャリング
| 側面 | サブトラクティブ・マニュファクチャリング | 積層造形 |
| 素材の使用法 | さまざまな固体ブロック、バー、プラスチック、金属のロッドに対応 | 熱可塑性樹脂、高強度、剛性、弾性、キャスタブル（ワックス状）材料が使用されます。 |
| 工具とセットアップの費用 | ツールのコストは高くなりますが、初期セットアップのコストは低くなります。 | 工具コストは低いが、初期セットアップ費用が約 2000 ドル、ミッドレンジ 10000D プリンタの場合は 3 ドルかかる |
| 生産速度 | 通常、大量のバッチ生産では時間がかかり、より高価になります。 | 比較的、生産速度が速く、大規模な生産に効率的です。 |
| 設計の複雑さ | あらゆる複雑な幾何学的デザインを作成できます。たとえば、ネジ山、穴、ネジ、シリンダーなど | また、複雑な設計の作成も容易になりますが、より詳細な部品やコンポーネントに限定されます。 |
| 精度 | 公差約0.025mm | 公差0.1mm程度 |
関連： アディティブ マニュファクチャリング vs サブトラクティブ マニュファクチャリング
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3D プリントの応用
3D プリンティング技術は、いくつかの製造分野に広く普及しています。航空、自動車、建設、医療、試作、製造業界で広く使用されています。
航空業
航空産業と防衛産業では、3D プリンティング技術により、航空機の重要なコンポーネントを正確に成形する方法が導入されました。これらの業界では、さまざまなエンジンコンポーネントの機能と性能を向上させるために、複雑な形状と軽量の部品が必要です。したがって、OEM 設計者やサプライヤーは、軽量部品を短期間で生産できる経済性の恩恵を受けられます。いくつかの例には、ブレース、マウント、タービンブレードと中央フレーム、機能プロトタイプ、防衛システムの構造コンポーネントなどがあります。
自動車
3D プリンティングは、特にレーシングカー向けの高速プロトタイピングと軽量コンポーネントを提供することで、自動車産業を爆発的に成長させました。三菱自動車や化学工業、BASF などの確立されたセクターは、すでに 3D プリンティング技術を導入しています。一般に、溶融堆積モデリングは、カスタム 3D プリント プロトタイプや最終用途部品を構築するために使用されます。一般的な例としては、自動車のダッシュボード、HVAC ダクト、通気口、内装シートのプロトタイプ付属品などがあります。
試作と製造
3Dプリントされたプロトタイプ
と比較して 3D プリンティング vs.射出成形, 射出成形金型の製造には通常数週間かかります。したがって、これらの金型は一般に 3D プリントよりも高価で、最大で 100 ドルから 1000 ドルかかります。上で説明したように、3D プリントを採用する主な範囲は、複雑な形状のプロトタイプを作成することです。さらに遠く、 3Dプリントされた猫、 美的 消費者向けの複雑なモデルや建築上のニーズは 3D プリントを通じて作成できます。
これらの高度な機能技術により、手頃な予算で部品をわずか数時間で納品できます。さらに、カスタム 3D プリントは、初期の設計をテストおよび反復するためのプロトタイプを作成するのに最適です。プロトタイプを作成するための最も収益性の高い手法は、SLS と DMLS です。
メディケア
3D プリントされた骨構造
ヘルスケア分野では、3D プリンターは整形外科用のデバイスや金属歯冠を鋳造するためのインプラントの設計に使用されています。さらに、人間の構造物の工具や足場構造の製造にも役立ちます。これらの足場は、細胞と組織に組織の成長と再生のための枠組みを提供します。さらに、カスタム 3D プリントは、パーソナライズされた補綴物や患者固有のデバイスを複製するのに役立ちます。のような;補聴器、矯正具のインソール。これに加えて、3D プリントされた骨、皮膚、組織、臓器も患者のケアに貢献します。
建設用3Dプリント技術
建設用3Dプリント技術
建設業界は通常、電力結合や見通しのスプレーに「建設 3D プリンター」を使用します。これらのプリンターは、制御されたロボット アーム押出機とガントリー システムによって動作し、建設モデル、小さな構造物、建築コンポーネントを丁寧に作成します。さらに、3D プリンティングは、無駄や人的資源の必要性を最小限に抑えることで、より複雑な構造パターンを作成し、機能の統合を向上させるための経済的なソリューションです。
Boda の 3D プリント サービス
Boda は手頃な価格でクラス最高の 3D プリントを提供します プロトタイピングサービス。当社の専門家は、材料の賢明な選択を支援し、最適な結果を得るために設計の改善を支援します。当社の施設には高度な 3D プリンターが装備されており、大切なお客様が選択できる多数の材料オプションを提供しています。
複雑な試作品の製造から大量生産まで、当社は短い納期で品質基準を犠牲にすることなくお客様のご要望にお応えします。今すぐお問い合わせいただければ、すぐにご対応いたします。 3Dプリントサービス 見積もり！
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まとめ
3D プリントには、医療、航空、自動車部品のプロトタイプを迅速に製造する際にいくつかの利点があります。この積層造形技術では、プラスチック、セラミック、食用材料から次のような珍しい金属まで、複数の 3D プリント材料を使用します。チタン、タングステン、銅。
これらのプリンターは、さまざまなコンポーネントの製造の可能性を高め、鋳造、機械加工、射出成形などの従来の技術ではかつては困難であったアフターマーケットの需要を満たすことができました。さらに、生産サイクルタイムも短縮されました。この記事には、3D プリント テクノロジーをより深い側面から包括的に展望する内容が含まれています。したがって、3D プリント技術の出現とその有用性について貴重な洞察を得ることができます。
よくあるご質問
Q1. 3D プリントの制限は何ですか?
3D プリントには利点のほかに、いくつかの制限もあります。これらには次のものが含まれます。限られた材料オプション、後処理要件、および大量生産時のコストの増加。
Q2. 3D プリントに適したプラスチック素材はどれですか?
熱可塑性プラスチック材料は互換性があり、柔軟な 3D プリント材料であるとみなされます。一般的なものには次のようなものがあります。ポリウレタン、ポリカーボネート、PEEK やポリ乳酸 (PLA) などの高性能プラスチック。これらの PLA フィラメントのほとんどは 3D プリンティング用途で押出成形されます。詳しくはこちら 3D プリントをマスターする: 最高の PLA 材料ガイド.
Q3. 3D プリンティングを超えて進行中の進歩はありますか?
はい、未来には積層造形における 4D および 5D プリンティングのような新たな進歩が待っています。これらのイノベーションは、コンポーネントの軽量化と 3D プリンターのパフォーマンスの最適化に貢献し、短期間で製品を完成させる可能性があります。
Q4. 3D プリントの利点は何ですか?
3D プリンターは、部品の製造において完全なカスタマイズを提供します。これらのプリンターは自動化されたガイドラインに従って、製品を完璧に作成します。また、各種産業用最終製品の試作設計にも最適です。
Q5. 3D プリンティング製品の開発中に発生する主な問題は何ですか?
3D プリンターは精密で複雑な形状を正確に生成しますが、温度、印刷速度、フィラメントの絡みなどのプロセス パラメーターが 3D 印刷プロセス中の主な問題となります。
事業紹介
- シャハブディン、TC リー、R. ラムラン、(2019）: 3D プリンティング技術の概要: 技術、材料、およびアプリケーション、Procedia Manufacturing;取得元: サイエンスダイレクト.