第 8 章成形
積層造形
積層造形（アディティブ・マニュファクチャリング）は、一般に 3D プリントとして知られ、必要な場所にだけ材料を足しながら、通常は薄い 1 層ずつ、コンピューターのモデルから直接、部品をつくります。部品のための型、ダイス、切削工具をつくる必要がないので、1 点もの、複雑な内部形状、素早い設計変更にかかるコストが小さくなります。この章の 10 の工程は、主に、材料の足し方と固定の仕方が違います。
基本の考え方
ここにある工程は、どれも 3D モデルを薄い層、または経路の積み重ねにスライスし、それを 1 つずつ重ねてつくります。パンを塊から削り出す代わりに、1 枚ずつ重ねてつくるようなものです。何も削り取らないので、どんな工具でも届かない形が可能になります。国際規格 ISO/ASTM 52900 は、材料の足し方によってこれらの工程を 7 つのグループに分類しています。ノズルから押し出す（材料押出）、光で樹脂の槽から硬化させる（液槽光重合）、粉末床で溶融結合する（粉末床溶融結合）、粉末床で接着する（バインダージェッティング）、液滴として噴射する（マテリアルジェッティング）、集束したエネルギービームで着地点で溶かす（指向性エネルギー堆積）、溶接した板を積み重ねる（シート積層）です。ボリューメトリック造形は、層なしで樹脂の体積全体を一度に硬化させる、より新しい方法です。
この章の 10 のプロセス
8.1ショートFDM(熱溶解積層)溶かしたプラスチックのフィラメントを、動くノズルから押し出す(材料押出)レッスンを開く
8.2光造形(SLA/DLP)レーザーやプロジェクターで、液状の樹脂を層ごとに硬化させる(液槽光重合)レッスンを開く
8.3選択的レーザー焼結(SLS)レーザーが、粉末床のナイロン粉末を融合させ、ゆるい粉末が部品を支える(粉末床溶融結合)レッスンを開く
8.4レーザー粉末床溶融結合(金属、SLM/DMLS)レーザーが金属粉末の薄い層を溶かす(粉末床溶融結合)レッスンを開く
8.5バインダージェッティングインクジェットヘッドで粉末を接着し、その後に部品を硬化または焼結する(バインダージェッティング)レッスンを開く
8.6マテリアルジェッティング(PolyJet)樹脂の液滴を噴射し、UV 光で硬化させる(マテリアルジェッティング)レッスンを開く
8.7指向性エネルギー堆積(DED/LMD)レーザーが部品の上に溶融池をつくり、吹き込んだ粉末が金属を加える(指向性エネルギー堆積)レッスンを開く
8.8ワイヤーアーク積層造形（WAAM）溶接ロボットが、アークで溶かしたワイヤーをビードとして積み上げる（指向性エネルギー堆積）レッスンを開く
8.9超音波積層造形（UAM）超音波振動で金属箔を溶かさずに接合し、ミリングで整える（シート積層）レッスンを開く
8.10ボリューメトリック造形（CAL）あらゆる角度からの光が、回転するバイアルの樹脂を一度に硬化させる（ボリューメトリック造形）レッスンを開く並べて比較
| プロセス | ひとことで | 向いている用途 | ロットサイズ | 精度 |
|---|---|---|---|---|
| 8.1FDM(熱溶解積層) | 溶かしたプラスチックのフィラメントを、動くノズルから押し出す(材料押出) | 安価なプロトタイプ、治具、趣味の部品 | 1 から数百 | 約 ±0.2–0.5 mm |
| 8.2光造形(SLA/DLP) | レーザーやプロジェクターで、液状の樹脂を層ごとに硬化させる(液槽光重合) | 精細なモデル、歯科用部品、ジュエリーの原型 | 1 から数千 | 約 ±0.05–0.1 mm |
| 8.3選択的レーザー焼結(SLS) | レーザーが、粉末床のナイロン粉末を融合させ、ゆるい粉末が部品を支える(粉末床溶融結合) | サポートなしで、丈夫な機能性プラスチック部品 | 数十から数万 | 約 ±0.3 mm |
| 8.4レーザー粉末床溶融結合(金属、SLM/DMLS) | レーザーが金属粉末の薄い層を溶かす(粉末床溶融結合) | 複雑な金属部品、格子構造、内部流路 | 1 から数千 | 約 ±0.1 mm |
| 8.5バインダージェッティング | インクジェットヘッドで粉末を接着し、その後に部品を硬化または焼結する(バインダージェッティング) | 砂型、フルカラーモデル、量産の金属部品 | 数十から数万 | 約 ±0.2 mm（金属では収縮がより大きい） |
| 8.6マテリアルジェッティング(PolyJet) | 樹脂の液滴を噴射し、UV 光で硬化させる(マテリアルジェッティング) | リアルな多材料・多色のプロトタイプ | 1 から 100 | 約 ±0.1 mm |
| 8.7指向性エネルギー堆積(DED/LMD) | レーザーが部品の上に溶融池をつくり、吹き込んだ粉末が金属を加える(指向性エネルギー堆積) | 補修、クラッディング、部品への機能追加 | 1 から数十 | 機械加工前で約 ±0.5 mm |
| 8.8ワイヤーアーク積層造形（WAAM） | 溶接ロボットが、アークで溶かしたワイヤーをビードとして積み上げる（指向性エネルギー堆積） | 長さ数メートルの大型金属部品 | 1 から数十 | 機械加工前で約 ±1 mm |
| 8.9超音波積層造形（UAM） | 超音波振動で金属箔を溶かさずに接合し、ミリングで整える（シート積層） | 埋め込みセンサー、流路、異種金属 | 1 から数十 | 約 ±0.05 mm（機械加工後） |
| 8.10ボリューメトリック造形（CAL） | あらゆる角度からの光が、回転するバイアルの樹脂を一度に硬化させる（ボリューメトリック造形） | 速くてなめらかな小型部品、研究 | 1 から数十 | 約 0.1–0.3 mm のフィーチャー |
このファミリー内での選び方
- 予算を抑えたプラスチックのプロトタイプ： まず FDM から始め、見た目や細かいディテールが重要になったら SLA かマテリアルジェッティングへ。
- 強いプラスチック部品を数量でつくる： SLS。緩い粉末がすべての部品を支え、1 回の造形に多くの部品を詰め込めるからです。
- 複雑な金属部品： ディテールと精度ならレーザー粉末床溶融結合。小さな部品を低コストで多数つくりたいならバインダージェッティング。
- 大型の金属部品や補修： 精度なら指向性エネルギー堆積（DED）、大きさと速さなら WAAM。どちらも機械加工する前提で計画しましょう。
- 特殊なケース： センサーを埋め込む、または異種金属を接合するなら UAM。層のない小さな樹脂部品を数秒でつくるならボリューメトリック造形。
キーワード
- 積層ピッチ
- プリントする各スライスの厚さ。薄いほど細かいディテールが出ますが、造形時間は長くなります。
- サポート
- プリント中にオーバーハングを支え、あとで取り除く、一時的な材料。
- フォトポリマー
- 光、通常は紫外線に当たると硬化する液状の樹脂。
- 粉末床
- 造形エリアに敷き詰められた粉末の薄く平らな層で、選択的に溶融結合または接着されます。
- 溶融池
- 造形中のレーザーやアークの下にできる、溶けた金属の小さな水たまり。
- 焼結
- 粉末を、完全には溶かさずに、粒子どうしが結合するまで加熱すること。
- ニアネットシェイプ
- 最終形状に近くつくられ、軽い機械加工だけで済む部品。
- 後処理
- サポートの除去、硬化、熱処理、機械加工など、プリント後に行うすべての作業。