3Dプリンターにはどんな素材が使われているのでしょうか？ プラスチック、金属など

3D プリンティングの分野には多くの複雑さがありますが、テクノロジーの背後にある理論は非常にシンプルです。 3D プリンティングは、大きなものから材料を取り出して成形する (人間が何千年もの間、物を作成するために使用してきた方法) の代わりに、製造基板に材料を追加するため、より専門的な用語で積層造形と呼ばれます。

それは静かな革命であり、現在、材料の革新によりこの分野は想像を絶する高みへと押し上げられています。

テクノロジーとしての 3D プリンティングには、真の主流になる前に解決すべき問題がまだたくさんあります。 それでも、それは素材次第です。 多くの人は今でも 3D プリンティングをポリマーと同一視していますが、これは 2010 年代の消費者の関心の高まりから名残れた考え方です。

実際には、使用される歴史、用途、材料はさらに広範囲に及びます。 そして、他の材料も積層造形で普及するにつれて、ものの製造はより安く、より速く、より安全になり、より持続可能なものになるでしょう。

ポリマープラスチックは依然として最も広く普及している 3D プリント材料ですが、ファンタジーのチェスの駒やかわいいデスクトップモデルにのみ適していると考えているなら、その多用途性に驚くかもしれません。

3D プリント ポリマーはフィラメントまたは樹脂で提供されます。 名前が示すように、フィラメントは長い糸状になっており、印刷押出機を通過するときに加熱され、前の層の上に置かれるときに成形されます。

樹脂はステレオリソグラフィー (SLA) またはデジタル光処理 (DLP) で使用されます。この場合、材料は液体樹脂のタンクから出てきて、押し出されるときに光にさらされ、前の樹脂の上に置かれるときに光によって硬化して固体の層になります。 。

それで、どれが一番良いのでしょうか？ 一般にフィラメントは強度が必要な大きな部品に適しており、樹脂は後処理の必要性が少ない小さな部品に適しています。

ただし、製造プロセス自体に固有の材料の癖は別として、伝統的な製造で使用される基準は広く適用できます。 材料は重要な接合部において十分な強度を持っていますか? 耐荷重面はオブジェクトの残りの部分の質量を引き受けますか? アプリケーションに対して十分な柔軟性があるでしょうか?

最も普及している 3D プリント材料であるポリ乳酸 (PLA) は、コーンスターチなどの再生可能資源から作られる生分解性プラスチックです。 PLA には、軽量で民生用途に最適な低融点など、多くの利点があります。 また、強度が高く、加熱しても他の素材に比べて膨張しにくく、他の素材との密着性にも優れています。

PLA は非常に用途の広い製造材料であるため、使い捨て刃物、家電製品や電子部品、食品包装などの「砕ける」プラスチック、釣り糸、おむつ、女性用衛生用品など、家庭や職場のいたるところに PLA が使用されていることに気づかないかもしれません。

アクリロニトリル ブタジエン スチレン (ABS) は、柔軟性とともに強度が必要な用途 (レゴ ブロックを思い浮かべてください) に適しています。 耐久性があり、安価で軽量で、3D プリントヘッドから簡単に押し出すことができます。

ABS は安価でありながら強靭で剛性があるため、多くのポリマーよりも優れた耐衝撃性と衝撃吸収性を備えており、自転車のヘルメットやゴルフクラブのヘッドなどの製品に最適です。

射出成形も可能なので、少し奇抜な形状にも適しています。クラリネットやオーボエなど、複雑な内部構造を持つ楽器を思い浮かべてください。 車のバンパーバー。 そして双眼鏡。

名前が示すように、このプラスチックは水やソーダのボトルのポリエチレンテレフタレートに関連していますが、グリコールで修飾されているため、「G」が追加されています。 高い強度と柔軟性を持ち、より広く使用されている PLA と比較すると、優れた耐熱性を備えています。

PETG は、頑丈で滑らかである必要があり、過度の収縮が起こりにくい用途に最適です。 優れた接着特性を持っていますが、他のポリマーよりも「粘着性」が高いため、押出機のノズルでの凝集が他のポリマーよりも多くの問題を引き起こす可能性があります。

また、滅菌できるため、食品包装に最適なプラスチックと考えられています。

多くの種類がありますが、樹脂 3D プリントとは、小さなタンクから液体を押出機に送って加熱または硬化乾燥させるプロセスを指し、「バット重合」とも呼ばれます。 液体レジンはフォトポリマーであり、光が当たると反応/固化するもので、いくつかの種類があります。

透明樹脂は、非常に精細な表面や仕上げが必要な小物に使用されます。 無色、透明、軽く、滑らかで、耐水性があるため、後処理で研磨または塗装される製品に最適です。

ほとんどの樹脂 3D プリント部品は、誤ったエッジや余分な堆積物を除去するために、ある種のクリーンアップを必要とします。このプロセスは通常、アルコール溶液を使用して行われます。 ウォッシャブル樹脂はそのような化学処理を必要とせず、水で後処理して滑らかに仕上げることができます。

曲げや圧縮後に最終製品を元の形状に戻す必要がある場合に使用されるこれらのゴム状樹脂は、ハンドル、ショックアブソーバー、または持続的なねじれや屈曲に耐える必要がある部品のプロトタイプに最適です。

樹脂は美観的なパーツや機能しないプロトタイプに最適で、樹脂を作成する光重合には 3 つの主要なタイプがあります。

プリンターのベッド上に置かれた樹脂にミラーを使用して 1 つまたは複数のレーザー ビームを照射し、新しい層が適用されるたびにオブジェクトを硬化させます。

フラッシュ光は、小さなミラーのネットワークによってビルド表面に向けられ、層全体を一度に硬化または固定します。

ステレオリソグラフィーと同じですが、単一層のマスクを含む LCD スクリーンを通して光源が照らされるため、各ステップで光がその層のみを硬化できる点が異なります。

今日の 3D プリンティングに関する議論はポリマーの枠をはるかに超えており、実際、これは積層造形の歴史全体に当てはまります。この分野の最初の動きには金属加工が含まれていました。

現在、従来の製造でのみ使用されていた材料の多くが、3D プリントの世界に向けて積極的に開発されています。

3D プリンティングのスーパーパワーの 1 つは複合材料で、大理石、セラミック、木材などの素材を模倣するために使用できます (ただし、加熱した木材パルプを瞬時に硬化させる明日の神秘的なプロセスを想像するのは、それほど大きな飛躍ではありません)。

3D プリント用の木材フィラメントは、約 70% が PLA で、30% はおがくずまたは類似の木材繊維から作られています。

明らかな利点は、最終製品がプラスチックではなく木のような見た目、感触、さらには匂いさえあることです。 美的用途に最適であり、PLA 樹脂単独よりも脆くなりません。

従来の製造と同様に、カーボンファイバーは非常に強力でありながら、同じ性能を持ちながら非常に軽量であるため、自動車、航空、航空宇宙、レース業界にとって天からの恵みとなっています。

炭素は摂氏 3,600 度付近まで溶けないため、消費者やプロシューマー市場にはほとんど手が届きません。 冷めても縮まないので、成形したレイヤーが最終出力に近づきます。 炭素繊維フィラメントもより専門的な取り扱いが必要ですが、これは鉄鋼と鉄のサプライチェーンを深刻に混乱させる手段を持っています。

金属は加工が難しいです。 粉末の状態では、はるかに高い温度に加熱するか、はるかに強い力で 3D プリンター押出機に押し込む必要があります。 しかし、それでも工場スタッフと環境にとっては、巨大で熱く、汚く、臭くて危険な製錬所よりもはるかに健康的です。

このプロセスをより手頃な価格で民主化しようとする動きもあり、シリコン型や白熱した溶融鉄といった大規模なインフラストラクチャの代わりに、少量の部品や特殊な部品を迅速に再調整できるようになりました。

コストと量の削減も可能です。 たとえば、NASA は積層造形を使用して、従来の方法の約半分の部品でロケット燃料ポンプを製造しました。

医療分野では、金属は人体内の腐食作用に耐えなければならない代替の骨や関節に理想的な素材です。 また、体の外側を飾るために、デザイナーと顧客は金属を使用してユニークな 3D プリント ジュエリーを作成できます。

新世代の 3D プリント材料に関して、最も緊急に必要とされているのは建築材料かもしれません。

ボストンの企業がロシアで 24 時間以内に 11,000 ドル未満で 3D プリント住宅を建設できることには、従来の建築技術と比較すると明らかなメリットがありますが、それだけではありません。

世界的に、建設は大気汚染の 23%、飲料水汚染の 40%、埋立地の 50%、温室効果ガス排出の 40% の原因となっています。

3D プリント住宅はお金と時間を節約し、より質の高い低コスト住宅や緊急住宅を実現することができます。 また、資材を現場に運んだり廃棄物を運び出したりする必要性も大幅に減り、建設の持続可能性がさらに高まります。

実際、現場での付加的建設は、惑星外探査と定住への最も可能性の高い道であるとさえ示唆されています。

多くのテクノロジーには青天の霹靂の終着点があり、その到達点に向かう過程で社会に漸進的な利益をもたらすことができます。 3D プリントも例外ではありません。

材料科学が完全に発達した世界におけるサブトラクティブ マニュファクチャリングの未来を考えてみましょう。積層造形技術は、最小のデスクトップ ユニットから航空機の格納庫ほどの大きさの巨大なものまで展開されています。 世界規模で業界全体の製造比率が 1:1 になり、必要な材料が使用される材料を超えなくなり、製造上の無駄がなくなることを想像してください。

現在のリサイクル システムは完璧とは程遠く、副産物の輸送は二酸化炭素排出量の負担を増大させるだけです。副産物を生成元で除去するほうがずっと良いように思えます。

また、はるかにコスト効率の高いプロトタイピングも可能です。 デジタル モデルを微調整して新しいバージョンを 3D プリンターに 1,000 回送信することは、単一のテストピースを完成させるためだけにライブプロダクション ワークフロー全体をスピンアップするよりも高速かつ安価です。

さらに、カスタマイズとオンデマンド印刷という全く新しい消費者パラダイムを可能にし、大胆で突飛な、または革新的な新しい形状を作成できます。

旋盤やフライス盤によるサブトラクティブ製造は、比較的単純な 1 つのものを大量に製造するのに最適です。 しかし、ラピッド プロトタイピングに適用されるのと同じように、3D プリントを使用すると、デザインを無限に改良して、1 つのオブジェクトを 10,000 個と実質的に同じ単価で作成できます。

また、3D プリントでは素材を差し引くのではなく追加するため、最も精密な CNC 工作機械でも実現できない、無限に多様で珍しい形状を作成できます。 これは、ジェネレーティブ デザインのような概念を追加する場合に特に当てはまります。ジェネレーティブ デザインのような概念を追加すると、デザインにおける膨大な計算作業の多くが人間の手から解放されます。

そして最後に、小規模なスタジオで大規模な制作環境よりもはるかに迅速にプロトタイプを作成する場合でも、自然災害で家を失った家族を助けるために数日で快適な住居を建設する場合でも、市場投入までの時間が大幅に短縮されます。

材料の機能と進歩により、3D プリンティングはすでにいくつかの業界を永遠に変えています。

製造においては、減算法を使用するか加算法を使用するかという二者択一の命題ではありません。 ロンドンのデザイン会社は、ハイブリッド モデルを作成するために、従来の工場環境に巨大な積層造形ツールをすでに導入しています。

作れるものの可能性も広がります。 ヘルスケアはその好例であり、積層造形された皮膚、チタン製の骨や関節、さらには血管さえもイノベーションに数えられます。

建設の革新はさらに進んでおり、業界を変える大きな可能性を秘めています。 関連する最新の建築基準法で現場を適切に規制するよう求めるのに十分な追加的慣行がすでに確立されています。

社会に利益をもたらすためには、住居が高価であるという事実から始めることができます。 多くの人にはそれらを買う余裕がないので、まともな中古車の費用で 1 日で家を建てることができれば、数千万人が貧困から抜け出すのに役立つ可能性があります。

積層造形は、通常の建設では得られない効率も提供します。 住宅は通常、フレームを組み立て、レンガを積み、屋根トラスの適用という直線的なプロセスで建てられます。これらすべてが、後でガラス職人や配管工が作業できるプロジェクトの準備を整えます。

しかし、2016 年まで遡ると、独自のマルチマテリアル積層法により 3D プリンティングの機能が拡張されていました。 科学があらゆる材料を扱うことができると仮定して、電気配線、空調配管、窓ガラス、塗料を備えた家の壁からプリンターを 1 回のステップで実行できる未来を想像してみてください。

積層技術はまだ多くの人にとって未来的なもののように見えますが、お気に入りの製品の多くがすでに 3D プリントを使用していることに驚かれるでしょう。 それは、積層造形によって効果的に使用できるようになり、いつか家庭に大量に導入されるかもしれない未来の材料について議論する前の話です。

過去の世代のパイオニアたちが木材や金属などを使った積層造形の新たな道を切り開いてきたのと同じように、今日もガレージのどこかで、エアロゲル、グラフェン、カーボン ナノチューブ、電子機器を埋め込んだ布地、またはその他の物質を使って同じことをしているいじくり職人がいます。それは今後数年で当たり前になるでしょう。

この記事は更新されました。 この記事は、Jeff Yoders がこの記事に寄稿しました。

ドリュー・ターニーは、世界を変えたいと思って成長した後、代わりに他の人が世界を変えることについて書くほうが簡単だと気づきました。 彼はテクノロジー、映画、科学、本などについて執筆しています。

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