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レッスン 8.5成形第 8 章 · 積層造形

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)

バインダージェッティングは、粉末を薄く敷いては、インクジェットヘッドでバインダーと呼ばれる液体の接着剤を各層に印刷して、部品をつくります。紙の代わりに粉末を使う、オフィスのプリンターのような仕組みです。金属部品をバッチで印刷するもっとも速い方法の一つであり、鋳造所が鋳造用の砂型を印刷するのにも使われるため、重要です。

バインダージェッティング：実際の写真
写真：Oak Ridge National Laboratory, CC BY 2.0, 提供： Wikimedia Commons
インクジェットヘッドが粉末を 1 層ずつ接着し、その後、炉で固体にする造形ボックスの断面。層と粒子は実際よりずっと大きく描画1モデルをスライス薄い層に層データプリントヘッド3バインダーの液滴緩い粉末接着された部品もろい、グリーン体2リコーターが敷く供給ピストンが上がる4造形ボックスが 1 層分下がる5硬化、粉末除去粉末は再利用される6炉で焼結金属部品が縮む粉末と部品液状のバインダー機械の部品炉の熱
バインダージェッティングの造形ボックスの断面と、粉末除去、炉での焼結丸数字は下の手順に対応しています。手順 2 から 4 は、層ごとに繰り返されます。

しくみ

  1. モデルをスライスする。 ソフトウェアが3Dモデルを薄い層に切ります。粉末が部品を支えるので、部品は密に詰めて積み重ねられます。

  2. 層を敷く。 供給ピストンが上がり、リコータ(ローラーまたはブレード)が薄く均一な粉末の層を敷きます。金属では通常 0.05–0.1 mm です。

  3. バインダーを噴射する。 インクジェットのプリントヘッドが走査し、部品のスライスがあたる場所にだけ、バインダーの小さな液滴を落とします。接着された粒子はくっつき合い、残りはばらばらのままです。

  4. 下げて繰り返す。 造形ボックスが1層分下がり、ボックスがいっぱいになるまでこのサイクルを繰り返します。印刷中にレーザーも熱も必要ありません。

  5. 硬化と粉末除去。 ボックスを温めてバインダーを硬化させてから、ばらばらの粉末を刷毛で払い、吹き飛ばして再利用します。接着しただけの「グリーン」部品は、チョークのようにもろいです。

  6. 炉で焼結する。 金属部品を融点近くの炉に入れます。そこでバインダーが燃え尽き、粒子同士が融合します。緻密になるにつれ、部品は各方向におよそ 15–20% 収縮します。

主なポイント

材料
ステンレス鋼、工具鋼、銅などの金属。鋳物砂。セラミックス。フルカラーモデル用の石膏
代表的な部品
バッチでつくる小さな金属部品、鋳造用の砂型と中子、セラミック部品、カラーのフィギュア
部品サイズ
金属部品はたいてい握りこぶし大かそれ以下。砂型用プリンターは、長さ数メートルまでのボックスを造形できます
精度
金属:収縮のため焼結後でおよそ ±1–2%。砂型:およそ ±0.3 mm
表面仕上げ
つや消しで少しざらざら。精密鋳造のような質感。ブラストや研磨で仕上げることが多い
向いているロット数
数百から数万個の小さな金属部品。砂型は1個から少量生産まで
金型・設備コスト
金型は不要。装置と炉で数十万ドルから 100 万ドル超
速度
印刷は速く、ボックス1杯で数時間のことが多いが、硬化と焼結で1日以上かかる

強みと限界

強み

  • サポート不要で、ボックス1杯分の部品を速く印刷できる
  • 印刷中に熱を加えないので、反りも残留応力もない
  • 模型なしで、データから直接、砂型と中子を印刷できる
  • 量産では、レーザー粉末床溶融結合より金属部品1個あたりのコストが低い

限界

  • 焼結で部品が収縮するため、厳しい公差が難しい
  • グリーン部品はもろく、慎重な取り扱いが必要
  • 多少のポロシティが残ることがあり、強度は完全に溶融させた金属に及ばない場合がある
  • 薄い壁や大きな平板は、炉の中で垂れたりゆがんだりすることがある

使われる場所

  • 鋳造所エンジンブロック、ポンプハウジング、試作品用の砂型と中子
  • 自動車小さな金属ブラケットや継手。鋳造部品用の型
  • 消費財錠前、工具、メガネ用の鋼部品をバッチで
  • 産業ポンプのインペラ、ノズル、セラミック部品
  • アートとデザイン石膏でつくるフルカラーのフィギュアと建築模型

見分け方

  • つや消しで少しざらついた表面。精密鋳造や焼結金属に少し似ています。
  • サポートの跡がなく、部品の縁が少し丸みを帯びて見えます。
  • 砂型では、砂のようにもろい質感で、曲面にかすかな階段状の段差があります。
  • 同じ形の非常に小さな金属部品を、大量のバッチでつくったもの。

比較

レーザー粉末床溶融結合8.4金属粉末を接着するのではなく、レーザーで溶かします。収縮のない緻密な部品ができますが、遅くてコストも高くなります。金属射出成形(MIM)9.2こちらもグリーン部品をつくって焼結します。金型が必要ですが、非常に大量の生産ではより安くなります。砂型鋳造1.1バインダージェッティングなら、木型や金属の模型なしで、その砂型を直接印刷できます。

動画を見る

Mars Gadgets · 粉末の層、インクジェットのバインダー、焼結を、初心者向けに

AM Media | The Cool Parts Show · 業界のジャーナリストが語る、バインダージェッティングとその焼結工程

CATI: Computer Aided Technology is now GoEngineer · プリンターのデモと、グリーン部品の粉末除去の様子

voxeljet · 印刷した砂型と中子、そして金属の注湯

実写真を見る

覚えておこう

  • バインダージェッティングは、インクジェットの液滴で粉末を1層ずつ接着します。印刷中に熱は加えません。
  • 金属部品はもろい状態で出てくるので、炉で焼結する必要があり、そこで収縮します。
  • 小さな金属部品のバッチや、鋳造用に印刷する砂型に向いています。

積層造形のほかのレッスン

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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8.6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

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