3Dプリンティング技術と材料製造設備

3Dプリンティング技術は1990年代に誕生しました。その特殊な積層造形原理により、複雑な構造部品を迅速かつ一体的に成形できるため、製造分野における革新的な技術とみなされています。3Dプリンティングは学術的にはラピッドプロトタイピング製造（RPM）として知られています。製造プロセスの技術的な区分は積層造形（AM）と呼ばれています。

3Dプリンティングの原理

3Dプリンティングは、粉末金属やプラスチックなどの接着剤を用いたデジタルモデルファイルを基に、層状に印刷することで物体を構築するラピッドプロトタイピング技術の一種です。その基本原理は離散積層原理です。積層の経路、制限、方法が離散的に取得され、材料が「重ね合わされて」三次元物体が形成されます。まず、CADソフトウェアシステムで3Dモデルを取得するか、測定機器で部品の表面データを測定し、3Dモデルに変換します。次に、CADモデルを処理し、特定の方向（通常はZ方向）に沿ってCADモデルを離散化し、平面スライスを層状に分割します。その後、離散層状情報を成形プロセスパラメータ情報と組み合わせて成形機の数値制御コードに変換し、専用のCAMシステムで材料を規則的かつ正確に制御して3Dソリッド部品を形成します。

金属3Dプリンティング用粉末の準備

金属3Dプリンティング技術では、金属粉末材料に厳しい要求が課せられるため、良好な球形度、狭い粒度分布、低酸素含有量、高純度といった条件を満たす必要があり、そのため粉末材料の製造装置にも高い要求が課せられます。金属3Dプリンティング用粉末の製造技術には、主に実空気噴霧式粉末装置、プラズマ噴霧式粉末装置、高周波プラズマ球状化装置の3種類があります。

中でも、湖南天機真空気噴霧粉末製造装置は、高効率な[密着型超音速ガス噴霧器]というコア技術を採用しており、粉末の品質基準を満たし、空気消費量を削減し、製造コストを低減します。同時に、酸素濃度の上昇を抑制するオンライン酸素含有量検出システムを搭載しており、3Dプリンティング用球状粉末製造のための優れたツールです。

3Dプリンティング（積層造形とも呼ばれる）は、複数の異なる3Dプリンティングプロセスを包括する総称です。これらの技術はそれぞれ全く異なるものですが、基本的なプロセスは同じです。例えば、3Dプリンティングは本質的にデジタル技術であるため、すべてデジタルモデルから始まります。部品や製品は、コンピュータ支援設計（CAD）ソフトウェア、またはデジタル部品ライブラリから取得した電子ファイルを使用して設計されます。次に、設計ファイルは専用の造形準備ソフトウェアによって3Dプリンティング用のスライスまたはレイヤーに分割され、3Dプリンターがたどるパス指示が生成されます。次に、これらの技術の違いとそれぞれの一般的な用途について学びます。

積層造形の種類は、製造する製品の種類や使用する材料の種類によって分類することができ、国際標準化機構（ISO）は7つの一般的なタイプに分類している（ただし、これらの7つの3Dプリンティングのカテゴリーは、増え続ける技術のサブタイプやハイブリッド技術を網羅するには不十分である）。

● 材料押出成形

●還元重合

● 粉末床溶融

● 材料射出

● 接着スプレー

●指向性エネルギー堆積

● シートラミネート加工

3Dプリンティングの分類

ステレオリソグラフィー（SLA）は、光硬化性樹脂の光重合の原理に基づいています。つまり、液体材料は特定の波長と強度の紫外線照射下で急速に光重合し、液体から固体へと変化します。液体タンクに光硬化性樹脂を充填し、偏向ミラーの作用によりレーザービームを液面上で走査します。光スポットが走査された部分で液体が硬化します。1層の走査が完了すると、照射されていない領域はまだ液体樹脂のままです。昇降プラットフォームがプラットフォームを下降させ、形成された層を樹脂層で覆い、スクレーパーが粘度の高い樹脂の液面を平らにし、次の層を走査します。新しく硬化した層は前の層にしっかりと接着され、これを繰り返して部品全体が製造され、3次元の固体モデルが得られます。

積層ソリッド製造技術（LOM）は、レーザー切断と薄い材料（裏面にコーティングされた紙など）の接着によって部品を成形する技術であり、積層ソリッド製造とも呼ばれます。このプロセスでは、まずホットメルト接着剤を塗布した紙を加熱ローラーで圧着し、その上にレーザーを配置します。このとき、積層CADモデルから得られたデータに基づいて、紙の層を部品の内外輪郭に切断し、次に新しい紙の層をその上に重ね、ホットプレス装置で接着した後、再度レーザー切断を行います。この方法は、成形速度が高く、コストが低いという特徴があります。

選択的レーザー焼結（SLS）は、溶融可能な粉末や非金属粉末（パラフィン、プラスチック、樹脂砂、ナイロンなど）をレーザービームで層ごとに選択的に加熱し、焼結温度まで達させて成形する技術です。最初の層の焼結が完了すると、ワークベンチが次の層の高さまで下がり、次の層の粉末を敷き詰め、2層目をスキャンします。新しく焼結された層は前の層にしっかりと接合され、このプロセスが繰り返されることで、最終的にCADモデルに対応する焼結された三次元物体が完成します。

FDMの基本原理は、断面形状の情報に基づいて加熱ノズルをXY平面とZ方向に移動させることです。ワイヤ材料（プラスチックワイヤ、パラフィンワイヤなど）はワイヤ供給機構によってノズルに送られ、ノズル内で加熱・溶融した後、作業台上に選択的に塗布され、急速に冷却されて断面形状の層が形成されます。この層が幾重にも重なり合うことで、最終的にラピッドプロトタイプが完成します。この成形プロセスの原理は、精密鋳造用のワックス型や鋳造用の雌型を作るのに利用できます。これは、マイクロメカニカル製造を発展させる効果的な方法です。

機会と課題

現在、3Dプリンティング業界は航空宇宙、自動車、医療機器などの分野に注力しており、規模は拡大を続け、技術レベルも向上しています。多額の研究開発投資、イノベーション助成金、優遇政策といった関連政策支援が、業界の発展を後押ししています。同時に、3Dプリンティング業界は材料、機械的な制約、コストなど、多くの課題にも直面しています。積層造形業界はイノベーションと経済変革の交差点に位置しており、未来は挑戦と機会に満ちています。