新しい AM マシン、材料がニッチを埋める

Dec 02, 2023

積層造形用の新しい機械や材料のメーカーは、工具製造や機械工場での生産など、自社が満たすニッチ市場向けの製品を宣伝しています。 彼らは持続可能性についても話しています。

実際、Desktop Metal の子会社である Forust は、基本的に木を接着して戻す Forust と呼ばれる新しい 3D プリント プロセスを採用しています。 このプロセスでは、バインダージェッティングと 2 つの木材産業副産物、おがくずとリグニンが使用されます。 紙の製造、住宅や家具の建築時に​​残ったおがくずの一部が回収されます。 フォラストのウェブサイトによると、残りは焼却または埋め立てられるという。

「これを見たとき、私たちは『この基本的に無料の原材料を入手でき、それを接着して完成品に戻す方法を見つけられれば、木を再構築できる』と言いました」と、バーリントンのデスクトップ メタル社 CTO、ジョナ・マイヤーバーグ氏は述べています。 、マサチューセッツ州「これらのプロセスから木材を取り出し、それを接着して、通常は木から切り出される木材片を形成できます。」

Forust を使った AM は、砂を使った 3D プリントに似ていると彼は言いました。 おがくずに自然な木目を印刷できるだけでなく、穴を開けると隙間に木目が現れます。

「これは、材料をリサイクルするという、私たちにとってより大きなプロジェクトの先鋒となるものです」とマイヤーバーグ氏は語った。 「新鮮な原材料を使用するのではなく、どのように材料を再利用するか? それが今後 20 年間の私たちの大きな使命です。」

また、Desktop Metal の新製品は、機械工場向けに設計されたメタル バインダー ジェッティング システムである Shop System です。

他のメーカーからの新製品としては、独自のセラミック配合を考案するための樹脂、企業のセラミックス プリンターで使用する新素材、初のデスクトップ モデルを提供する産業用 AM 機械メーカー、独自のツールパスを作成するプリンターと CNC の組み合わせなどが挙げられます。

サンフランシスコの Mantle Inc. は、ハイブリッド AM-CNC マシンのソフトウェアに自動ツールパス作成を組み込むことを決定しました。 これは、熟練した機械工が不足していることと、これらの機械が作業を行うための段階的な戦略を作成するために顧客が投資する時間と費用を考慮したものです。

「これは当社のソリューションで提供される価値の非常に重要な部分であると考えています」と Mantle 社の最高商業責任者、Paul DiLaura 氏は述べています。

Mantle 社のソフトウェア責任者である Nilesh Dixit 氏は、GE Digital のモノのインターネット ソフトウェア Predix でアプリケーションを作成するチームを熱心に率いていました。

Mantle 社のプリンタ用ソフトウェアは、印刷ノズルから押し出される金属ベースの流動性ペーストのためだけでなく、ツールパスを作成する必要があるという点で二重の役割を果たしています。 また、部品の作成時にプリント ボックス内で行われるフライス加工の正しいパスを見つけ出す必要もあります。

その仕組みは、部品の 1 つまたは複数のスライスがビルド プレート上に約 100 µm の層で印刷され、その後加熱および乾燥され、ペーストからほぼすべての液体溶媒が除去されます。 その後、ペースト中の金属粒子が固まり、「その時点ではかなり密度が高くなります」とディラウラ氏は語った。 「印刷されたものの形状を保持できるほど十分に硬いですが、十分に柔らかいので非常に簡単に機械加工できます。」 印刷と機械加工のプロセスの最後に、部品は焼結炉に入れられ、そこで 8 ～ 10% 収縮します (他の 3D プロセスで印刷された金属部品は、さらに 17 ～ 25% 収縮する可能性があるとディローラ氏は述べています)。

マントル氏が「TrueShape」と呼んでいるこのプロセスにより、ユーザーはコンフォーマルな冷却チャネルや非常に深い形状を切断できると同氏は述べた。

ディローラ氏は、「フライス加工のおかげで、工具に必要な精度を実現できる」とマントル社が自社の機械で埋めたいと考えている450億ドルのニッチ市場であると述べた。

「私たちは、当初はツールコンポーネントだけに集中することを決定しました」とディラウラ氏は語った。 「これらは主に、金型や金型用のインサート、キャビティ、コアです。私たちが取り組んでいるものの大半は、射出成形ツール、キャビティ、コアだと思います。これは、当社の顧客の大多数が興味を持っていることですが、私たちもこれまでに取り組んできました」ダイカスト、金属成形、スタンピングなど、当社の工具鋼材料が関連するすべての作業に対応します。」

同社はまた、ディローラ氏が「手を使わない」操作と表現した方法で、ほぼ誰でも自社のマシンを簡単に使えるようにすることを決定した。

「先日、工具メーカーのオーナーをオフィスに迎えましたが、彼は私たちが印刷したこの特定の部品を見て、『これの作り方を誰かに教えるには1年はかかるだろう』と言いました。そして彼はちょっとびっくりしていました」私たちのシステムを使ったトレーニングはまったく必要ないという事実によって、それが解消されました」とディローラ氏は語った。

マントルには 2 つの材料があります。P2X は P20 工具鋼と同様に機能しますが、耐食性と耐摩耗性が向上しています。 H13 は標準の H13 工具鋼と同様に機能し、通常は 50 ～ 52 ロックウェル C まで硬化できます。

Mantle が最初のマシンを提供している一方で、産業用および歯科用プリンターのメーカーである Nexa3D は、最初のデスクトップ モデルである XiP (「ジップ」と発音) を発表しました。 Nexa3D のデスクトップ事業部門。 「私たちは大量の生産部品を製造できることがわかっている産業用機械を持っています…しかし、どうやってその最終状態に到達するのでしょうか? 私たちは部品を設計する必要があります。」

Nexa3D は、デスクトップ上で部品を設計したい顧客に新しいプロセスや異なる材料を強制したくなかったため、XiP の潤滑剤サブレイヤー光硬化 (LSPc) プロセスは、同社の産業用プリンターのプロセスと似ています。 このため、設計チームと研究開発チームは「迅速に行動し続けることができる」とカリー氏は語った。

Nexa3D のテクノロジーである XiP は、バット重合、別名ステレオリソグラフィーのカテゴリーに分類されます。 機械の内部では、光源が液体フォトポリマー樹脂のバットを下から照らします。 光源はレンズ システムを通過して、LCD スクリーンに当たる均一な光面を形成します。これは、特定の部分層の形状の光に対するマスクとして機能します。 層が硬化した後、層はバットの膜表面から分離、または「剥離」され、部品が完成するまで新しい層が追加されます。

「LSPc は高度なフィルム技術であり、当社の部品をバット膜から非常に簡単に解放できるようになります」とカリー氏は述べています。 「これにより、その部分にかかる力が軽減されます。」

部品からフィルムを剥がす際に力がかかるとワークピースが変化し、その後の印刷障害につながる可能性があります。 Nexa3D のようなより高度なメンブレン技術を使用すると、部品が所定の位置に留まり、より高速な印刷が可能になるため、ユーザーはより高い信頼性でより正確に印刷できると彼は説明しました。

「より少ない力で剥がすことができれば、より早く次の層に戻ることができます」とカリー氏は言う。

Nexa3D の反転ビルド プロセスにより、リザーバー内のレジンの量は 1 層と同じ厚さだけで済み、液体レジンの節約に役立つ可能性があります。

XiP のビルド エンベロープのプロセスは室温で行われ、50、100、または 200 µm の層が配置されます。

設計段階でのプロトタイプの反復作成に加えて、工業環境では、XiP は電子機器の筐体、治具、工具、固定具に適しています。 歯科医院や研究室では、歯を白くするトレイ、口の副子、外科的インプラント計画用のモデルの作成に好まれるかもしれません。

ネブラスカ州オマハのセラミック材料および 3D プリンター メーカー Tethon 3D は、2021 年 9 月に樹脂の Genesis シリーズの特許を取得しました。 Genesis ラインは、ステレオリソグラフィー、CLIP、LCD、および DLP 積層造形法によってセラミック製品を作成するための複合マトリックスとして使用されます。

液体マトリックス材料はそれ自体では 3D プリントできませんが、フォトポリマー樹脂の研究開発の出発点となります。 印刷に十分な厚みを得るには、固体粉末を追加する必要があります。 充填された Genesis 樹脂は 365 ～ 405 µm で硬化します。

アルミナ、ジルコニア、シリカ、炭化ケイ素、ヒドロキシアパタイトとジェネシス マトリックスを組み込んだ配合物は、航空宇宙、自動車、金属鋳造、歯科、エレクトロニクス、生物医学産業で使用されています。

Genesis マトリックスは、結合剤がほとんどまたはまったく残らない状態で、炉内で完成部品を焼き切ることができます。 樹脂は、標準的な、柔軟な高負荷配合で入手できます。

Tethon は、樹脂と混合できるさまざまな粉末も販売しており、濃度を変えるために量を調整できます。 Tethon のもう 1 つのパウダーラインは、バインダーの噴射に使用されます。 同社の材料科学者は、いずれかの用途に合わせてカスタム材料を配合することもできます。

Tethon の CEO であるトレント・アレン氏は、「人々は従来のパウダーを使用することを好むことがわかりました。」と述べています。

Genesis やその他の Tethon 3D 樹脂は一般的に研究機関や企業の研究開発ラボで使用されている、と同氏は述べた。

8月、イスラエル、レホヴォトのXJet Ltd.は、セラミック3Dプリンターにアルミナを利用できるようにした。 また、セラミック印刷用のジルコニアや金属 3D プリンター用のステンレス鋼も提供しています。

同社が 3 番目の材料としてアルミナ (酸化アルミニウム) を選択したのは、アルミナが非常に高い機械的強度、高硬度、および非常に優れた電気絶縁特性により広く使用されている工業用セラミックであるためです。 アルミナは、高い耐摩耗性、高い熱伝導率、および高温耐性も備えています。 アルミナとジルコニアはどちらも耐薬品性に​​非常に優れた工業用セラミックであり、非腐食性です。 これらの材料は硬度が高いため、特に焼結後の場合、従来の方法では機械加工することが困難です。

「XJet テクノロジーを使用した XJet システムで製造されるアルミナ部品は、たとえばセラミック射出成形で作成されるアルミナ部品と実質的に同一であるため、同じ方法で機械加工できます」と XJet の最高ビジネス責任者 Dror Danai 氏は述べています。 。 「しかし、そのような部品を実際に機械加工する必要はありません。部品は最終要件に合わせて設計できます。XJet システムでは細部がすべてです。つまり、複雑な形状、細かいディテール、固有の構造、滑らかな表面、内部チャネルなどがあるため、部品を印刷して焼結すれば準備完了であり、さらに機械加工する必要はありません。」

アルミナは、電気絶縁体、ノズルおよびバルブ、機械加工および切削工具、インペラなどに最適です。 医療機器、家庭用電化製品、航空宇宙産業で使用されています。

「私たちは独自の積層造形システム、XJet Carmel 1400C の一部を製造しています」とダナイ氏は述べています。 「これらの部品の 1 つは電気配線用のガイド/ハウジングであり、アルミナはその部品に必要な電気絶縁を提供します。」

Desktop Metal は、中規模生産を行う機械工場向けに設計された Shop System と呼ばれる 3D 印刷システムを作成しました。

「中規模生産について話すとき、それは実際にはプロトタイピングの次のステップです」と CTO Myerberg 氏は述べています。 「そしてそれは本質的に、あらゆるサイズやスケールの部品の生産を行うことを意味します。」

同社の Web サイトでは、Shop System やその他のバインダー ジェッティング プリンタで使用される Desktop Metal 独自の金属粉末の「手頃な材料費」を宣伝しています。

レーザーベースのプロセスでは、使用する粉末について 2 つの重要なことが真実である必要があるとマイヤーバーグ氏は説明しました。

まず、粉末は均一でなければなりません。粉末内の金属は球形であり、球の大きさが同じでなければなりません。 これは、プリンターがパーツを形成する際に常にレーザー エネルギーを適切かつ一貫して使用して粉末を同じ深さまで溶かすために必要です。

ただし、粉末を製造すると、ランダムな方法でさまざまなサイズの球体が作成されます。 グラフ上でサイズをマッピングすると、釣鐘曲線が作成されます。 レーザー印刷に必要な粉末は非常に特殊なサイズである必要があるため、粉末メーカーは粉末バッチの非常に狭い部分のみを使用し、残りの材料は別の用途に使用されます。

「つまり、牛肉のプライムカットと同じように、そのプライムカットは非常に高価なのです」とマイヤーバーグ氏は言う。

2つ目はその化学的性質です。 レーザーで粉末を溶かして部品を作るときは、最終部品に不要な化学物質が閉じ込められないように、粉末を非常にきれいにする必要があります。

「粒子は狭い分布内で同じサイズである必要があり、完全にクリーンである必要があるため、製造コストが非常に高くなります」とマイヤーバーグ氏は述べた。

バインダーの噴射が異なります。 あらゆるサイズの粒子が使用できます。 実際、さまざまなサイズの金属粒子を使用すると、同じサイズの球体よりもしっかりと詰め込むことができるため、プロセスが向上します。 また、印刷された部品は焼結のために炉に入れられ、高温で完全に焼き尽くされるため、粉末上にどのような種類の表面汚染物質があるかは関係ありません。 焼結プロセスにより、金属の気孔も除去されます。

CTO は、Desktop Metal のマシンを微調整するプロセスについても説明しました。

「私たちはユーザーにプロセスを調整するためのあらゆる種類のコントロールを提供しています…なぜなら、人それぞれの役割が異なるからです」と彼は言いました。

たとえば、ユーザーは部分的な出血を無視することができます。 結合剤の球状の液滴が粉体層の表面に浸透すると、広がり、端からにじみ出ることがあります。 非常に細かい特徴を持つ部品の場合、1 つのエッジが隣接するエッジににじみ出る可能性があり、これは望ましくない結果となります。 その場合、ユーザーは端の周りにもう少しスペースを作成できます。 厚い部分では、スプレーされるバインダー接着剤の量を減らすことができます。

「このプロセスは幾何学的に不可知論的でなければなりません」とマイヤーバーグ氏は語った。 「誰でもどんな画像や部品でもプリンタに入力して取り出すことができるべきです。誰もが望むすべての部品をテストすることはできません。私たちができるのは、ガイドラインとルールと回すためのノブだけです。だから私たちはこう言います。本当に細かいフィーチャーが必要な場合は、これらのフィーチャーが互いに混入しないように、ブリード制御を提供できますが、別々に保たれます。」 ブリード コントロールは、ユーザーに提供する数多くのノブの 1 つにすぎません。」

Desktop Metal とは別の脱粉末ステーションは、粉末リザーバーから部品を掘り出し、金属材料を清潔に保つために使用されます。 バインダー噴射部品が掘削されると、他の金属部品と同様に扱うことができます。

「部品を焼結した後、その断面を見て粒子構造を見てみると、それが最初から粉末部品だったとは決して気づかないでしょう」とマイヤーバーグ氏は語った。 「それは鋳造部品のように見えます。バインダージェッティングで私たちが製造している金属、粒子構造、化学的性質は、その化学的性質の他の金属とまったく同じです。それらは伝統的に製造されているのと同じように熱処理でき、その特性を変えることができます。」部品。

「研磨、機械加工、サンドブラストまたはビードブラスト、およびバインダー噴射部品の仕上げを行うことができます。これらはすべて、過去 100 年にわたって開発されてきた優れた後処理方法であり、すべてバインダー噴射部品に適用できます。これは、機械工場内で切削工具のすぐ隣にバインダー ジェッティング プロセスを配置する利点があります。バインダー ジェッティングでは、CNC 機械から得られるような精度や表面仕上げは得られません。平面、円筒穴、ねじ山を得るには、切断する必要があります。必要な精度。」

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