3Dプリントプロセス

1970年代後半から、いくつかの3Dプリントプロセスが発明されました。プリンターはもともと大きく、高価で、製造できるものが非常に限られていました。

現在では、多数の付加的プロセスが利用可能になっています。プロセス間の主な違いは、部品を作成するために層を堆積させる方法と、使用する材料にある。たとえば、選択的レーザー溶融（SLM）または直接金属レーザー焼結（DMLS）、選択的レーザー焼結（SLS）、溶融堆積モデリング（FDM）、溶融フィラメント製造（FFF）など、材料を溶かして層を作る方法もあれば、立体リソグラフィー（SLA）など、別の高度な技術を使って液体材料を硬化させる方法もあります。積層造形（LOM）では、薄い層を形に合わせてカットし、接合します（例：紙、ポリマー、金属）。インクジェット技術を使用した粒子堆積法では、個々の滴の形で材料の層を印刷します。ホットメルト材料からの固体インクの各滴は、実際には1つの粒子または1つのオブジェクトを印刷する。カラーホットメルトインクは、CMYKの個々の滴を互いに印刷し、1～3層が溶融した1色のオブジェクトを生成します。複雑な3Dモデルは、スライスされたCADファイルで定義されたレイヤーに、多くの重なり合うドロップを融合させてプリントされます。インクジェット技術では、3Dプリンターのインクジェットプリントの設定により、3Dモデルをソリッド構造またはオープンセル構造にすることができます。それぞれの方法には利点と欠点があるため、オブジェクトを構築するための材料として、パウダーとポリマーを選択できる会社もあります。また、耐久性のあるプロトタイプを製造するために、標準的な市販のビジネスペーパーを造形材料として使用することもあります。マシンを選択する際の主な考慮事項は、一般に、速度、3D プリンタのコスト、プリントされたプロトタイプ、材料の選択とコスト、およびカラー機能です。

金属を直接扱うプリンタは、一般に高価です。しかし、より安価なプリンターで型を作り、それを使って金属部品を作ることができます。

タイプ	テクノロジ	材料
インクジェットテクノロジ	ドロップオンデマンドまたは連続（シングルまたはマルチノズル）粒子蒸着	Hot-melt materials (wax, 熱可塑性プラスチック、金属合金）
材料押出	FDM（Fused Deposition Modeling）またはFFF（Fused Filament Fabrication）およびペレット成形または粒子成形	熱可塑性プラスチック。共晶金属、食用材料、ゴム、モデリングクレイ、塑像
	ロボキャスティングまたはミグ溶接 3D 印刷または直接インク書き込み (DIW) または押し出しベースの金属（EAM）およびセラミックス（EAC）の付加製造	金属-結合材混合物（金属粘土と貴金属粘土を含む）, セラミック-バインダー混合物（セラミック粘土、セラミックスラリーを含む）、サーメット、金属基複合材料、セラミック基複合材料、金属（MIG溶接）
	Composite Filament Fabrication (CFF)	ナイロンまたは短い炭素繊維とナイロン+フォームカーボン、ケブラーで補強されています。ガラスおよび高温繊維用ガラス
光重合	ステレオリソグラフィー（SLA）	フォトポリマー（プレセラミックポリマー含む）
	デジタル光処理（DLP）	フォトポリマー
	Continuous Liquid Interface Production (CLIP)	Photopolymer + Thermally activated chemistry
Powder Bed	Powder bed and inkjet head 3D printing (3DP)	ほとんどすべての金属合金を。粉体ポリマー、石膏
	電子ビーム溶解（EBM）	チタン合金を含むほぼすべての金属合金
	選択的レーザー溶解（SLM）	チタン合金、コバルトクロム合金、ステンレス鋼, アルミニウム
	選択的加熱焼結（SHS）	熱可塑性粉末
	選択的レーザー焼結（SLS）	サーモプラスチック、金属粉末, セラミックパウダー
	直接金属レーザー焼結 (DMLS)	ほとんどすべての金属合金
ラミネート	ラミネートオブジェクト製造 (LOM)	紙。金属箔プラスチックフィルム
Powder fed	Directed Energy Deposition	Amost any metal alloy
Wire	Electron beam freeform fabrication（電子ビーム自由曲面加工法 (EBF3)	ほとんどすべての金属合金

インクジェット技術編集

液体材料を含むノズルを吸収性表面の上に引き、材料を吸い出すことができます。静電的に大きな噴射口から引き抜く、加圧して材料を流す、液圧を高めてスプレーや個々の液滴の形で短時間に噴出させる、など。ペン先が付いた万年筆は、ウィッキング素材の一例です。ホースは、流体の流れの一例です。ノズルはどんな材料でも作ることができ、1つの流体室を持つシングルノズルでも、1つまたは複数の流体室を持つマルチノズルでもかまいません。今日のインクジェットプリンタ製品は、これらのインクジェットスタイルの任意のバリエーションであることができます。

インクジェット用のインク材料は、流体がノズル開口部を通過するのに十分低い粘度である必要があるだけです。材料を溶かして液状にすることも可能です。これをホットメルトインクと呼びます。

インクジェットのパイオニアはテレタイプ社で、1966年に静電プル方式のテレプリンター「インクトロニック」を発売したのが始まりです。このプリンターには40個のジェットがあり、1秒間に120文字という画期的な速度を実現しました。

1972年にドロップオンデマンドインクジェットが発明される前は、連続インクジェットが1950～60年代に普及していました。連続式立体インクは、ワックスベースと低温の金属合金を使用していました。このホットメルトインクで印刷すると、立体的なアルファベットの文字が印刷できたが、誰も3Dプリンティングとは認識しなかった。 1971年、若きエンジニア、ヨハネス・ゴットワルドは、看板用の大きな文字を金属で印刷する液体金属記録装置の特許を取得したが、テレタイプ社はこの発見を無視した。

ドロップオンデマンド（DOD）インクジェット 1972年に圧電素子による「スクイズ」技術を使って、1回のスクイズで1滴を吐出するインクジェットが発明されました。初期の DOD ジェットでは、水性インクのみが使用されました。オリフィスの形状や直径、ノズル孔の数など、さまざまな実験が行われた。シングルノズルインクジェットは、Exxon Office Systems社で「Alpha Jets」と呼ばれ、印刷の改良のために雇われた多くの初期の発明家たちによって印刷が研究された。アルファジェット」は複雑すぎるという理由で却下された。

ニューハンプシャー州のR.H.リサーチというロバート・ハワードが経営する小さな会社が1982年から1983年にかけて印刷の研究を行い、シングルノズルインクジェットが適合する可能性があると判断し、彼はエクソンの発明家に連絡を取り、このプロジェクトのためにAl Hockという人物を選びました。アル・ホックは、トム・ピアとデイブ・ルッツをニューハンプシャーに招き、この新しい事業を検討することにし、2人はその仕事を引き受けた。そして、エクソン社に残っていたジェット機の専門家、ジムとキャシー・マクマーンに連絡を取り、彼らもまた、後にハウテック社と呼ばれることになるこのベンチャー企業の創設者としてのオファーを受けたのである。数ヵ月後、ハウテック社のアルファジェット機は順調に動き始めた。ハウテック社の経営陣は、インクジェットのテスト結果をもとに、ガラスノズルをテフゼルに変更することを決めた。テフゼルは、新しい熱可塑性ホットメルトインクを使用して高温でインクジェットを動作させ、ノズル構造に振動を与えることなく、迷光滴を発生させることを可能にしたのです。 1回のスクイーズで、1秒間に1〜16,000滴の液滴を吐出させることができました。このノズルは製造可能で、「ピクセルマスター」は誕生した。 1つのプリントヘッドに32個のインクジェットシングルノズルがあり、CMYK4色（1色8噴射）を印刷する。その仕組みは、毎分121回転で回転するプリントヘッドが、均一な大きさと形の液滴を正確に配置するもので、グラフィック業界向けのサブトラクティブカラー文字・画像印刷として開発された。このホットメルトインクでCMYKの層を印刷する技術は、リチャード・ヘリンスキーによる3D特許の先駆けであった。数年後（1993年）、この特許は、業界初のデスクトップ型ラピッドプロトタイププリンター「モデルメーカー6プロ」のメーカーであるサンダースプロトタイプ社（ソリッドスケープ社に改名）に最初にライセンス供与されました。このプリンターと新しい製品は、このハウテックスタイルインクジェットと熱可塑性インクを使用しています。熱可塑性で印刷されたモデルは、燃焼中に灰が出ず、インベストメント鋳造に最適でした。熱可塑性インクの滴下印刷は正確で精密なため、高品質な表面仕上げのモデルができ、宝石商や細部にこだわるCADデザイナーの間で人気があります。 1ページを4分で印刷するよう設計されたハウテック・インクジェットは、今では4日間連続で印刷するケースもあるほどです。

Material extrusionEdit

Schematic representation of estrusion deposition; a) filament of plastic material is fed through a heat moving head b) which melts and extrudes it deposit, layer after layer, in the desired shape c).The filamentは、加熱したヘッドから送り出され、溶かして押し出します。各層が蒸着されるたびに、移動プラットフォームe)が下降する。この種の技術では、張り出した部品を支えるために、追加の垂直支持構造d)が必要とされる

Main article: Fused deposition modeling

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RepRapPro Fisher プリンタで FDM を使用してロボットモデル (Make magazine のロゴ) を印刷しているタイムラプス動画。

Fused Filament Fabrication (FFF) は、商標名 fused deposition modeling (FDM) でも知られており、ポリマーフォイル熱風自動溶接システム、ホットメルト接着、自動ガスケット蒸着から派生したものです。この原理は、1980年代後半にS.Scott Crumpによってさらに開発され、1990年にストラタシスが商品化した。この技術の特許が切れた後、オープンソースの大規模な開発コミュニティが形成され、このタイプの3Dプリンターを利用した商用およびDIYモデルがRepRapプロジェクト（Self-replicating rapid prototyper）として知られるようになった。その結果、この技術の価格はその誕生以来 2 桁下がり、3D 印刷の最も一般的な形式となりました。

溶融積層造形では、モデルまたはパーツは、すぐに硬化して層を形成する材料の小さなビーズまたはストリームを押し出すことによって製造されます。熱可塑性またはその他の低融点材料または混合物のフィラメントを押出ノズルヘッド (3D プリンター押出機) に供給し、フィラメントを溶融温度まで加熱して造形台上に押し出します。最近では、フィラメントの代わりにプラスチックの粒子やペレットを使用する、フューズドペレットデポジション（またはフューズドパーティクルデポジション）が開発されています。ノズルヘッドが材料を加熱し、流量をオン・オフします。通常、ステッピングモーターやサーボモーターが押出ヘッドを動かし、流量を調整するために採用されている。プリンターには通常3軸の可動部があります。コンピュータ支援製造（CAM）ソフトウェアパッケージは、モーターを制御するマイクロコントローラーに送信されるGコードを生成するために使用されます。アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン (ABS)、ポリカーボネート (PC)、ポリ乳酸 (PLA)、高密度ポリエチレン (HDPE)、PC/ABS、ポリフェニルサルホン (PPSU) およびハイインパクトポリスチレン (HIPS) などさまざまなポリマーを使用してもよいでしょう。一般に、ポリマーはバージン樹脂から製造されるフィラメントの形をしている。オープンソースのコミュニティには、消費者使用後のプラスチック廃棄物をフィラメントに加工することを目的としたプロジェクトが複数存在する。リサイクルボットのように、プラスチック材料を細断し、フィラメントに押し出す機械がこれにあたる。また、PTFEチューブなどのフッ素樹脂は、高温に耐えることができるため、このプロセスで使用されています。この能力は、フィラメントの移送に特に役立ちます。

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3D ガラスプリンター、溶融ガラスの堆積

金属とガラスも同様に3Dプリントに使用できるかもしれませんが、これらははるかに高価で、一般には芸術作品に使用されています。しかし、WAAM (Wire arc additive manufacturing) の開発により、金属の 3D 印刷のコストは下がりました。

FDM は、製作できる形状のバリエーションにやや制約があります。たとえば、FDMでは通常、鍾乳洞のような構造を作ることはできません。なぜなら、造形中にサポートされなくなるからです。そうでない場合は、薄い支持体を構造体に設計する必要があり、仕上げの際にそれを取り除くことができます。通常、3Dモデルを平らなレイヤーの集合に変換するスライサーと呼ばれるソフトウェアが、この種の形状の製造を可能にするために、これらのサポートやその他のリソースの追加を担当します。

Powder bed fusionEdit

Schematic representation of granular binding: a) moving headが選択的に（接着剤を落とすかレーザー焼結で）粉末ベッドe）の表面を結合し、移動プラットフォームf）がベッドを徐々に下げ、固まったオブジェクトd）が結合されなかった粉末の中に静止する。新しい粉末は、レベリング機構b)によって、粉末リザーバーc)からベッドに連続的に追加される

もうひとつの3Dプリント手法は、粒状ベッドでの材料の選択的な融合です。この技術は、層の一部を融合し、次に作業領域の上方に移動して、別の層の粒状体を追加し、作品が構築されるまでこのプロセスを繰り返します。このプロセスでは、未融合の媒体を使用して、製造される部品のはみ出し部分や薄い壁を支えるため、部品の一時的な補助支持の必要性を減らすことができる。例えば、選択加熱焼結では、サーマルプリントヘッドが粉末状の熱可塑性プラスチックの層に熱を加えます。層が完成すると、粉末ベッドが下に移動し、自動ローラーが新しい材料の層を追加して焼結し、モデルの次の断面を形成します。レーザーではなく、それほど強くないサーマルプリントヘッドを使っているので、レーザーを使うよりも安価で、デスクトップサイズに縮小することが可能です。

選択的レーザー焼結 (SLS) は、1980 年代半ばにテキサス大学オースティン校の Carl Deckard 博士と Joseph Beaman 博士によって、DARPA の後援のもと開発され特許が取得されました。

選択的レーザー溶融（SLM）は、粉末顆粒の融合に焼結を使用せず、高エネルギーレーザーを使用して粉末を完全に溶かし、従来の製造金属と同様の機械特性を持つ層状方法で完全に緻密な材料を作り出します。

電子ビーム溶解（EBM）は、金属部品（チタン合金など）用の類似のタイプの積層造形技術です。 EBMは、高真空中で電子ビームを使って金属粉末を一層ずつ溶かしながら部品を製造する。融点以下で動作する金属焼結技術とは異なり、EBM 部品はボイドがありません。

バインダージェッティング編集

バインダージェッティング 3D プリント技術は、通常は粉末状の材料の層上に結合接着剤を堆積させることです。材料は、セラミックベースまたは金属であることができます。この方法は、インクジェット3Dプリントシステムとしても知られています。作品を制作するには、プリンターがプラットフォームの土台の上を移動するヘッドを使ってモデルを構築し、粉末（石膏、または樹脂）の層を広げ、部品の断面にインクジェットのようなプロセスで結合剤を印刷することによって、1層ずつ堆積させていきます。これをすべての層が印刷されるまで繰り返す。この技術により、フルカラーの試作品、オーバーハング、エラストマー部品などを印刷することができる。ボンドパウダー印刷の強度は、ワックスや熱硬化性ポリマーの含浸によって高めることができます。

StereolithographyEdit

光重合の模式図；発光装置a）（レーザーまたはDLP）が液体の光重合樹脂で満たされたタンクb）の透明底c）に選択的に照射し、固化した樹脂d）が昇降台e）により徐々に引き揚げられる

主な論文。 Stereolithography

Stereolithography (SLA) プロセスは、液体材料を固体形状に光硬化（光重合）することに基づいており、Chuck Hull によって 1986 年に特許が取得されました。ほとんどの場合、露光された液体ポリマーは、アクリレート中の炭素二重結合の付加反応によって駆動される架橋によって硬くなります。重合は、フォトポリマーが発色団を含む場合に光にさらされると起こり、そうでない場合は、感光性分子の添加を利用して溶液と反応させ重合を開始させる。モノマーが重合すると架橋が起こり、ポリマーになる。この共有結合により、溶液の性質が変化する。その後、ビルドプレートが少しずつ下に移動し、液状のポリマーに再び光が当たります。この工程を、モデルができあがるまで繰り返す。その後、液状ポリマーは槽から排出され、固体モデルが残る。 EnvisionTEC Perfactoryは、DLPラピッドプロトタイピングシステムの一例です。

Objet社のPolyJetシステムなどのインクジェットプリンタシステムは、パーツが完成するまでフォトポリマー材料を超薄層（16～30μm）でビルドトレイ上に噴射します。各フォトポリマー層は、噴射後にUV光で硬化されるため、後硬化の必要がなく、すぐに取り扱い・使用できる完全硬化型モデルを作ることができます。複雑な形状をサポートするためのゲル状のサポート材は、手作業やウォータージェットで除去されます。また、エラストマーにも適しています。また、フォトポリマーをレイヤーバイレイヤーで印刷し、中間UV硬化を行い、眼科用矯正レンズを製造できるインクジェット印刷装置も販売されています。この場合、眼鏡レンズにはオーバーハングが不要なため、支持構造は不要です。オランダのLuxexcel社がこの技術と印刷プラットフォームを商品化しました。

多光子光重合で用いられる3次元微細加工技術により、超小型の形状を作ることができます。この手法では、集光レーザーを用いて、目的の3次元物体をゲルのブロックにトレースします。光励起の非線形性により、レーザーが照射された部分のみゲルが硬化し、残りのゲルは洗い流される。

また、LEDで固めた合成樹脂を用いる方法もある。

マスク画像投影法による立体造形では、3Dデジタルモデルを水平面の集合でスライスしている。各スライスは2次元のマスク画像に変換される。次に、光硬化性液体樹脂の表面にマスク画像を投影し、樹脂に光を照射して層の形状に硬化させる。この技術は、硬化速度の異なる複数の材料で構成された物体の作成に利用されている。研究用システムでは、光を下から投射することで、樹脂を均一な薄層に素早く広げることができ、製造時間を数時間から数分に短縮することができます。 Objet Connex などの市販の装置では、小さなノズルから樹脂を塗布します。

連続液体界面生産 (CLIP) は、DLP ベースの光重合プロセスを使用してさまざまな形状の滑らかな面の固体オブジェクトを作成する、積層造形のもう 1 つの形態です。 CLIPの連続プロセスは、まず液状のフォトポリマー樹脂のプールから始まります。プールの底の一部は紫外線に対して透明である（「窓」）。この窓から、以前のDLPシステムと同様に紫外線が照射され、オブジェクトの正確な断面を照らします。その光で樹脂を固める。樹脂が下に流れ込み、底面に接触するようにゆっくりと上昇する。 CLIPは、従来のDLPプロセスとは異なり、樹脂の下に酸素透過性の膜があり、樹脂が窓に付着するのを防ぐ「デッドゾーン」（持続的液体界面）が形成されます（窓と重合器の間で光重合が阻害される）。

ステレオリソグラフィーとは異なり、印刷プロセスは創設者によって連続的であると考えられており、従来のDLPプロセスよりもかなり速く、数時間ではなく数分で部品を製造することができます。

最近では、ステレオグラフ3D印刷技術の使用がさらに発展して、セラミック材料の付加製造ができるようになりました。

Computed axial lithographyEdit

Computed axial lithography は、光硬化性樹脂にプリントを作成するためにコンピュータ断層撮影（CT）の原理を逆転させた 3D 印刷の方法であり、プレセラミックスポリマーを光重合してシリコンベースのセラミックスを作成します。カリフォルニア大学バークレー校とローレンス・リバモア国立研究所の共同研究により開発された。他の3Dプリントとは異なり、溶融積層造形や立体造形のように材料を積層して造形するのではなく、樹脂の円筒に投影した2次元画像の積み重ねで造形するのが特徴です。

Liquid additive manufacturingEdit

Liquid additive manufacturing (LAM) is an additive manufacturing technique that deposition a liquid or highly viscous material (e.g. Liquid Silicone Rubber) on a build surface to create objects, which is vulcanised using heat to hard it. このプロセスは、もともとAdrian Bowyer氏によって考案され、その後ドイツのRepRap社によって構築されました。ラミネート加工

一部のプリンタでは、造形材料として紙を使用することができ、その結果、印刷コストを低く抑えることができます。 1990年代には、炭酸ガスレーザーを使って特殊な接着剤を塗った紙から断面を切り取り、それを貼り合わせるプリンタを販売している会社もありました。

2005年にMcor Technologies Ltdは、普通の事務用紙、形状を切り取るタングステンカーバイトの刃、接着剤の選択的な蒸着と圧力を使って試作品を接着する別のプロセスを開発しました。

Directed Energy Deposition (DED) Edit

Powder-fed directed-energy depositionEdit

粉末指向エネルギー蒸着では、高出力レーザーは、レーザービームの焦点に供給金属粉末を溶かすために使用されています。レーザービームは通常、蒸着ヘッドの中心を通り、1つまたは複数のレンズで小さなスポットに集光されます。造形はX-Yテーブル上で行われ、デジタルモデルから作成されたツールパスによって駆動され、オブジェクトを1層ずつ造形していく。各レイヤーが完成するごとに、蒸着ヘッドを垂直に移動させます。金属粉末は、ヘッドの円周上に供給されるか、または内部のマニホールドで分割され、蒸着ヘッドの周囲に様々な形状で配置されたノズルから供給されます。材料特性をよりよく制御するために、不活性ガスで満たされた密閉チャンバーまたは局所的な不活性シュラウドガスが、溶融プールを大気中の酸素から遮断するためにしばしば使用されます。粉末指向性エネルギープロセスは、選択的レーザー焼結と似ていますが、金属粉末は、その時点で部品に材料が加えられている場所にのみ適用されます。このプロセスは、チタン、ステンレス、アルミニウム、その他の特殊材料、複合材料、機能的に等級分けされた材料など、さまざまな材料に対応しています。このプロセスでは、新しい金属部品を完全に作り上げるだけでなく、コーティング、修理、ハイブリッド製造アプリケーションなど、既存の部品に材料を追加することも可能です。

金属ワイヤープロセス編集

Laser Metal Deposition-wire (LMD-w) などのレーザーベースのワイヤーフィードシステムは、開放環境（レーザーを囲むガス）、または密閉チャンバーのいずれかで、レーザーで溶かされるノズルを通してワイヤーを送ります。電子ビーム自由曲面加工は、真空チャンバー内で電子ビーム熱源を使用する。