3Dプリンターの種類と開発方法

3Dプリンティング技術によるものづくり(アディティブ・マニュファクチャリング)の本格活用が進んでいます。
以前は実製品ではなく試作用途や、治具・工具の製作に用いることが中心でしたが、技術進歩と共に実製品の部品製造に3Dプリンターを用いるケースが増加しています。

それに伴い、3Dプリンターの研究開発も盛んです。
本項では、3Dプリンターの代表的な種類と、3Dプリンター自体を開発する方法について、微小液滴観測の観点からお話いたします。

3Dプリンターの種類

3Dプリンターの代表的な種類(方式)をまとめました。

方式名 解説
FDM(熱溶解積層)方式 樹脂を熱で溶かしてソフトクリームのように層を重ねていく方式。
インクジェット方式 材料である紫外線硬化樹脂を産業用インクジェットヘッドで噴射して、UV照射し固めて造形する方式。
光造形方式 紫外線硬化樹脂のプールにUV照射し固めて造形する方式。
バインダージェット方式 材料ではなく結合材を産業用インクジェットヘッドで噴射し造形する方式。
パウダーベッド方式 金属の造形を可能にする方式。金属粉末を用いてレーザーや電子ビームで溶融結合する。
BMD方式 金属の造形を可能にする方式。
金属インクジェット方式 液体状の微細な金属粒子を産業用インクジェットヘッドで噴射し造形する方式。
インクジェット方式
(3Dバイオプリンター)
産業用インクジェットヘッドで細胞を高精度に配置する、再生医療として注目されている方式。

上記のとおり、産業用インクジェットヘッドを用いた方式が目立ちます。
事実、3Dプリンター開発においてインクジェット技術はとても重要な要素です。

そこで、産業用インクジェットヘッドを用いた3Dプリンター開発について言及します。

産業用インクジェットヘッドを用いた3Dプリンター開発

産業用インクジェットヘッドは、3Dプリンターのインク(材料)や結合材を精緻に噴射し、積層するインクジェット3Dプリンターのコアパーツです。

インクジェットと言うと、家庭にもある身近なインクジェットプリンターがなじみ深いものとしてありますが、産業用インクジェットヘッドは、より高い精度を求められる産業用アプリケーションに適した高精度・高安定性のインク吐出を可能にします。

産業用インクジェットヘッドを用いた3Dプリンター開発では、様々な条件を最適化しながら問題解決を続けていく必要があります。
課題となるポイントをご紹介いたします。

噴射材料は様々、標準波形に頼れない

産業用インクジェットヘッドの世界では、(インク)メーカーが各ヘッド毎に対応を確認しているインクがあります。
その対応確認済みのインクを用いるときには、どのような電気信号によってインクジェットヘッドを駆動させれば良いかという情報があります(標準波形)。

しかし、自社で3Dプリンター開発を行なう場合、使う材料は様々です。材料以外の調整も多く行なう必要があるため、インクジェットヘッドの駆動波形も自分たちで最適解を求めていかなければなりません。

着弾位置の制御は重要

3Dプリンターは非常に微小な液滴を飛ばして層を重ねる仕組みのため、適切に層が積み上がるよう着弾位置の制御が重要です。

この制御がうまく行かなければ、安定して形状を再現し上に積上げていくことは不可能です。

そのためには微小液滴の性質も知っておく必要があります。産業用インクジェットヘッドから吐出された微小な液滴は、あまりに小さいため空気の動きの影響を受けます。
装置内の可動部や温度差異が起こす気流の影響をケアする必要があるでしょう。

詰まりや不吐出ノズルのチェックが必要

3Dプリンターの造形品質の善し悪しに、「段差(積層痕)が目立つか否か」というものがあります。
インクジェットヘッドで噴射し固める毎に1つの層が形成され、この「層の厚さ」が厚いほど積層痕が目立ちます。

その層を薄くするには、各ノズルに不吐出が無く、安定して吐出することが求められるでしょう。

3Dプリンター開発には観測が必要

産業用インクジェットヘッドを用いる3Dプリンターの研究開発での課題解消には、実際何が起こっているのか観測する必要があります。

観測と調整を素早く行える産業用インクジェットヘッドを用いた3Dプリンター研究開発のための専用ツールをご紹介いたします。

飛翔液滴観測システムjetXpert

jetXpert(ジェットエキスパート)は、産業用インクジェットヘッドを用いた3Dプリンター開発のトータルソリューションです。