添加剤の製造と3D印刷：重要な違​​いを理解します

導入

頻繁に使用されることが多いですが、3D印​​刷と添加剤の製造は同義語ではありません。むしろ、3D印刷は、添加剤製造として知られるより広範な産業プロセスの特定の形式です。

簡単に言えば、このように考えてみてください。すべての3Dプリンターは添加剤の製造を行いますが、すべての添加剤が3Dプリンターと呼ばれるものによって行われるわけではありません。すべての車が車両であると言っているようなものですが、すべての車両が車であるわけではありません（トラック、オートバイ、バスなどもあります）。

同様に、3Dプリンティングは人気のあるタイプの添加剤製造であり、特にプロトタイピングと個人プロジェクトでのアクセシビリティと使用で知られていますが、添加剤製造の全範囲はそれをはるかに超えています。

概要のためのテーブル：

この区別を本当に理解するために、まずの基礎的な概念を掘り下げましょう 3D印刷。

3D印刷とは何ですか？

その中心で、 3D印刷 層ごとに材料を追加することにより、デジタルデザインから3次元オブジェクトを作成するプロセスです。より大きなブロック（機械加工や彫刻など）から材料を除去する従来の減算の製造方法とは異なり、3D印刷はオブジェクトをゼロから構築します。この「添加剤」アプローチは、その動作の基本です。

通常、基本的なプロセスには以下が含まれます。

1. 3Dモデルの作成： これは通常、コンピューター支援設計（CAD）ソフトウェアを使用して作成されることが多い、または既存のオブジェクトをスキャンすることにより、多くの場合作成されるデジタルデザインから始まります。
2. モデルのスライス： デジタル3Dモデルは、特殊なソフトウェアによって数百または数千の薄い水平層に「スライス」されます。
3. 物質的な堆積： 3Dプリンターは、これらのスライスを読み取り、各スライスの断面に従って、オブジェクト全体が形成されるまで、層ごとに材料層を正確に堆積させるか、固化します。

いくつかの一般的なテクノロジーは、3D印刷の練習を支えており、それぞれが異なる材料とアプリケーションに適しています。

• 融合堆積モデリング（FDM） /融合フィラメント製造（FFF）： これはおそらく、多くのデスクトップ3Dプリンターで使用される最もよく知られているテクノロジーです。熱可塑性フィラメントを加熱ノズルから押し出し、材料を溶かし、レイヤーでビルドプラットフォームに堆積させることで機能します。
• ステレオリソグラフィ（SLA）： この方法では、UVレーザーを使用して、層ごとに液体フォトポリマー樹脂樹脂を治します（強化）。レーザーは、樹脂のvat内のオブジェクトの断面を追跡し、固化します。
• 選択的レーザー焼結（SLS）： SLSは、高出力レーザーを使用して、ポリマー粉末の小さな粒子を固体構造に選択的に融合します。各層が固化した後、新しい粉末の層がビルドエリアに広がります。
• デジタル光処理（DLP）： SLAと同様ですが、デジタルプロジェクタースクリーンを使用して画像の層全体を一度にフラッシュし、樹脂を迅速に硬化させます。

歴史的に、そして主に、3Dプリンティングは次の主要なアプリケーションを発見しました。

• プロトタイピング： 大量生産前のテストと反復のための設計の物理モデルを迅速に作成します。これにより、設計サイクルとコストが大幅に削減されます。
• 愛好家のプロジェクトと教育： アクセシビリティが向上し、個人プロジェクトに人気があり、カスタムアイテムの作成、および教育環境での設計とエンジニアリングについて学ぶための貴重なツールとしてです。
• カスタムツールとフィクスチャ： 多くの場合、従来の方法よりも低コストでより速い転換で、特定の製造タスク用のオーダーメイドのツールまたはジグを生産します。

これらのアプリケーションには非常に用途が広いものの、3Dプリントは、多くの場合、プラスチックや樹脂を使用した比較的小規模の生産に焦点を当て、最終用途の重要な部品ではなく設計反復に重点を置いていることを意味します。

3D印刷が伴うものを確立したので、私たちは理解を包み込む用語に引き上げることができます。 添加剤の製造

添加剤の製造とは何ですか？

3Dプリンティングはしばしばプラスチック製のプロトタイプを製造するデスクトップマシンになりますが、 添加剤の製造（AM） はるかに広く、より洗練された産業プロセスを定義します。 3Dデジタルモデルに基づいて、レイヤーごとに材料層を追加することでオブジェクトを構築するのは、技術ファミリーの正式で業界認識の用語です。 3Dプリントが氷山のアクセス可能な先端と見なされる場合がある場合、添加剤の製造は、表面の下の広大で複雑で強力なバルクを表し、高性能で機能的なエンド使用部品の生産に焦点を当てています。

添加剤の製造は、単なるプロトタイピングを超えて、幅広い産業用アプリケーションを包含し、堅牢な生産、厳しい品質管理、および要求の厳しい運用環境に耐えることができる部品の作成に焦点を当てています。モデルだけでなく、エンジニアリングソリューションについてです。この広範な概念には、レイヤーごとの構造の中核原理が含まれますが、これらに限定されません。

添加剤製造の重要な差別化要因は、それが採用する広範な材料の範囲であり、これは多くの場合、要求の厳しい業界に必要な特定のパフォーマンス特性のために設計されています。

• 金属： これは、産業用アプリケーションにとって本当に輝いている場所です。選択的レーザー融解（SLM）、電子ビーム融解（EBM）、および指示されたエネルギー堆積（DED）などの技術は、粉末金属（例：チタン、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル合金）または金属ワイヤーを融合するために使用され、航空宇宙、自動車、医療産業のための信じられないほど強力で複合メタリックコンポーネントを作成します。
• 高性能ポリマー： 一般的なプラスチックを超えて、AMは、産業用途を要求するのに適した優れた機械的強度、温度抵抗、および化学的不活性を提供する高度なポリマー（例：Peek、Ultem、Nylon 12）を利用しています。
• 複合材料： 添加剤の製造は、ポリマーマトリックス内に補強繊維（炭素繊維やグラスファイバーなど）を組み込んで、軽量でありながら信じられないほど強力な複合部品を作成することもできます。
• セラミック： 特殊なAMプロセスは、高温、摩耗、腐食に耐性のあるセラミックコンポーネントを生成できます。これは、航空宇宙および生物医学分野で役立ちます。
• 砂： 産業用鋳造の場合、AMはデジタルデザインから直接砂型やコアを印刷し、鋳造プロセスを劇的に高速化できます。

本質的に、添加剤の製造は、さまざまな業界で直接使用するために、デジタル設計を機能的で高品質で、しばしば非常に複雑な物理製品に変換し、設計と生産で可能なことの境界を押し広げることです。

両方の用語を明確に理解することで、添加剤の製造を3D印刷として一般的に認識しているものと真に区別する重要な違いを明確にすることができます。

添加剤の製造と3D印刷の主な違い

3D印刷は添加剤の製造の一種ですが、これらの技術の完全な範囲と機能を評価するには、それらの区別を理解することが不可欠です。違いは、主にスケール、典型的なアプリケーション、使用される材料、およびその出力の予想される精度と品質にあります。

スケールとアプリケーション：プロトタイピングから生産まで

• 3D印刷： 多くの場合、小規模な操作に関連付けられている3D印刷は、広く採用されています 迅速なプロトタイピング 、教育目的、趣味のプロジェクト。その強みは、デザイン、テストフォームとフィットを視覚化し、概念を効率的に繰り返すための物理モデルを迅速に作成することにあります。強調は、通常、最終的な製品のパフォーマンスではなく、概念化の速度と手頃な価格です。
• 添加剤の製造： これは、添加剤技術の産業用グレードのアプリケーションを指します。それは向けられています 大規模な生産 機能的で最終用途の部品とコンポーネントの。添加剤の製造は、直接的なデジタル製造、大量のカスタマイズ、および従来の方法で不可能またはコストが抑制される複雑な幾何学の生産を促進します。ここでの焦点は、最終製品のサプライチェーンへの堅牢なパフォーマンス、信頼性、統合にあります。

使用される材料：プラスチックからパフォーマンス合金まで

• 3D印刷： 一般に、主に狭い範囲の材料を利用します 熱可塑性科学 （PLA、ABS、PETGなど） フォトポリマー樹脂 。これらの材料は一般に、処理が容易で、安価で、高機械強度または特定の環境抵抗が最も重要でない非クリティカルな部品や視覚プロトタイプに最適です。
• 添加剤の製造： 高性能を含む、かなり広く、より高度な材料を採用しています 金属 （例えば、チタン合金、ニッケルベースの超合金、ステンレス鋼）、エンジニアリング ポリマー （例：Peek、Ultem）、Advanced 複合材料 、そしてさらに 陶器 。これらの材料は、特定の機械的、熱的、化学的特性に対して選択され、航空宇宙、医療、および自動車産業での要求の多い用途に部品の作成を可能にします。

精度と品質：寛容から認証まで

• 3D印刷： 改善中に、消費者およびエントリーレベルの産業3Dプリントが持っているかもしれません エラーに対する耐性の増加 寸法精度と表面仕上げのための厳しい要件以下。主な目標は、多くの場合、代表的な物理モデルを迅速に作成することです。ここでは、マイナーな欠陥が受け入れられる可能性があります。
• 添加剤の製造： 要求 精度、精度、および品質管理が大幅に高くなります 機能的なエンド使用部品の場合。添加剤の製造を介して生産されたコンポーネントは、しばしば厳密なテスト、材料財産の検証、および業界標準（航空宇宙認定、医療機器規制など）の遵守が必要です。後処理ステップ（熱処理、機械加工、表面仕上げなど）も、必要な機械的特性と表面の品質を達成するために、添加剤の製造においても重要であり、全体的なプロセスの複雑さと精度を高めます。

それを説明する最も正確な方法は、3Dプリンティングが添加剤製造のサブセットであることです

関係：彼らは同じですか？

いいえ、それらは同じではありませんが、複雑にリンクされています。 3D印刷と添加剤の製造との関係を理解する最も正確な方法は、それを認識することです 3Dプリンティングは、添加剤製造のサブセットです .

おなじみの類推を使用して考えてみてください： すべての正方形は長方形ですが、すべての長方形が正方形であるわけではありません。

• A 矩形 4つの直角を持つ四辺形のより広いカテゴリです。
• A 四角 4面すべてが長さが等しい特定のタイプの長方形です。

同様に：

• 添加剤の製造 機能的なエンド使用部品にさまざまな材料と技術を使用して、レイヤーごとにオブジェクトを構築する包括的な産業用グレードのプロセスです。それはより広い「長方形」です。
• 3D印刷 は、特定の、しばしばアクセスしやすく、より普及した添加剤の製造内の方法であり、通常はプロトタイピング、小規模の生産、および幅の範囲の材料（しばしばプラスチック）に関連付けられています。これは、より大きな「長方形」内のより具体的な「正方形」です。

したがって、誰かが3D印刷を参照する場合、彼らは本質的に添加剤の製造を実行する方法を説明しています。ただし、添加剤の製造について議論する際には、一般の人々が通常「3D印刷」に関連付けているものをはるかに超える、はるかに幅広い高度な技術、材料、アプリケーションを網羅しています。 「添加剤の製造」という用語は、重要なアプリケーションに不可欠な産業意図、精度、およびパフォーマンス能力を強調し、「3Dプリント」は、レイヤーごとに3次元オブジェクトレイヤーを作成するというより一般化された概念を強調することがよくあります。

添加剤製造の利点

添加剤の製造は変革的な技術として浮上しており、従来の製造方法よりも説得力のある利点を提供しています。これらの利点は、航空宇宙からヘルスケアまで、多数の業界での採用の増加を促進しています。

カスタマイズと複雑さ

添加剤製造の最も重要な利点の1つは、その比類のない能力を作成する能力です 非常に複雑なジオメトリ 機械加工や成形などの従来の技術を使用して、不可能または非常に高価な複雑な内部構造。この設計の自由により、エンジニアは次のようになります。

• パフォーマンスの最適化： 強度を損なうことなく材料の使用を減らす内部格子またはハニカムデザインを備えた軽量構造を作成します。
• アセンブリの統合： 複数の部品を単一の複雑なコンポーネントに組み合わせ、アセンブリ時間、潜在的な故障ポイント、および全体の重量を短縮します。
• 特定のニーズに合わせて製品を調整します。 患者固有の医療用インプラントから、新しい金型や広範なリツールを必要とせずに、特定の製造プロセスのためのオーダーメイドのツールまで、真にカスタマイズされた製品を生産します。

廃棄物の減少

より大きな材料のブロックから始まり、望ましい形状が達成されるまで過剰を除去する減算的製造とは異なり（多くの場合、かなりの廃棄物をもたらす）、添加剤の製造は本質的に 材料効率の良いプロセス .

• ネットシェイプの生産に近い： 部品に正確に必要な材料のみがレイヤーごとに使用されます。これにより、従来の方法と比較して、多くの場合70〜90％の材料廃棄物が大幅に削減されます。
• 環境に優しいアプローチ： 材料消費の削減は、コストを削減するだけでなく、より持続可能な製造業の慣行にも貢献し、資源の保存と環境への影響を最小限に抑えるための世界的な取り組みに沿っています。

速度と効率

Additive Manufacturingは、特に複雑な部品やカスタマイズされた部品には、生産のタイムラインに関してかなりの利点があります。

• より速い生産時間： 多くのアプリケーション、特にプロトタイピングや小規模から中程度のバッチ制作では、AMは、広範なセットアップ、ツール、または複数の処理手順を必要とする従来の方法よりもはるかに速く部品を生成できます。
• リードタイムの​​短縮： 複雑なツールや金型を必要とせずにデジタルデザインから物理的な部分に直接移動する能力は、概念から完成品までのリードタイムを劇的に短縮します。この敏ility性により、企業は市場の需要により迅速に対応し、製品開発サイクルを加速できます。
• オンデマンド製造： AMは、「プリントオンデマンド」機能を促進し、大規模な在庫の必要性を減らし、ローカライズされた生産を可能にし、効率をさらに向上させ、オーバーヘッドを削減します。

添加剤の用途

添加剤製造のユニークな機能、特に複雑な幾何学を作成し、高性能材料を使用し、カスタマイズを促進する能力は、幅広い産業にわたって変革的な採用につながりました。それはもはや単なるプロトタイピングツールではなく、ミッションクリティカルで高度に専門化されたコンポーネントを作成するための実行可能な方法です。

航空宇宙

航空宇宙産業は、極端な条件に耐えることができる軽量で高性能の部品の重要な必要性によって推進された、加法製造の重要な早期採用者および受益者です。

• 航空機用の軽量部品の製造： AMは、強度を損なうことなく、コンポーネント（ブラケット、空気ダクト、構造要素など）の重量を大幅に減らすことができる格子のような複雑な内部構造を作成することを可能にします。軽量航空機の消費燃料は少なく、運用コストの節約と排出量の削減につながります。
• カスタムエンジンコンポーネント： 添加剤の製造は、複雑なタービンブレード、燃料ノズル、および従来の方法で達成することができない最適化された冷却チャネルとジオメトリを備えた他のエンジン部品を生産するために使用されます。これにより、エンジンの効率とパフォーマンスが向上します。
• オンデマンド交換部品： オンデマンドで部品を印刷する機能により、特に従来のスペアパーツが不足している場合がある古い航空機の場合、大規模な在庫の必要性が低下し、メンテナンスと修理プロセスを高速化します。

健康管理

アディティブマニュファクチャリングは、個別化医療と革新的な医療機器を可能にすることにより、ヘルスケアに革命をもたらしています。

• カスタマイズされたインプラントと補綴物の作成： 患者のリーブの特定の解剖学的スキャンに基づいて、AMはカスタムフィットの外科用ガイド、頭蓋インプラント、整形外科インプラント（股関節と膝の置換など）、および患者の解剖学的構造と完全に一致する義肢の手足を生成し、より良いフィット感、快適性、および結果をもたらすことができます。
• 組織と臓器のバイオプリント： 主に研究段階にありますが、バイオプリントは生細胞を含む「バイオリンク」を使用して、ヒト組織、そして最終的には潜在的に臓器を模倣する3D構造を作成します。これは、薬物検査、疾患モデリング、および再生医療に大きな約束を抱えていますが、移植のための機能的臓器印刷は長期的な目標です。
• 手術モデル： 外科医は、患者スキャンに由来する3D印刷された解剖学的モデルを使用して、複雑な処置を計画し、精度を改善し、外科時間を短縮できます。

自動車

自動車セクターは、迅速な発展と特殊なコンポーネントの生産の両方のために添加剤の製造を活用しています。

• カスタムカーの部品の生産とツーリング： AMは、特殊車両の少ない生産、クラシックカーの修復、パフォーマンスカー向けの高度にカスタマイズされたコンポーネントに使用されます。また、組み立てラインを最適化するジグ、備品、その他の製造ツールを印刷するためにも広く使用されています。
• 新しいデザインの迅速なプロトタイピング： 自動車産業は、インテリアコンポーネントからエンジン部品まで、新しいデザインのプロトタイプを迅速に作成し、新しい車両モデルの設計とテストサイクルを迅速に作成するための3Dプリントに大きく依存しています。
• 電気自動車用の最適化されたコンポーネント（EV）： EVSが進化するにつれて、AMは、効率と範囲を改善するために、軽量のバッテリーエンクロージャー、最適化された冷却システム、特殊なモーターコンポーネントの製造のために調査されています。

課題と制限

革新的な可能性と多くの利点にもかかわらず、添加剤の製造にはハードルがないわけではありません。現在、いくつかの課題と制限は、特定のアプリケーションでの広範な採用とパフォーマンスに影響を与えています。これらを理解することは、現実的な期待と、この分野での将来の発展を導くためには重要です。

料金

添加剤の製造に関連する初期投資と継続的な運用費用は重要な場合があります。

• 機器への初期投資は高くなる可能性があります： 工業用グレードの添加剤製造機、特に金属または高度なポリマーを処理できるものは、実質的な資本支出を表しています。これは、中小企業や、より重要でないアプリケーションのためにAMを採用するための障壁となる可能性があります。
• 材料コストは大幅になる可能性があります： AMに必要な特殊な粉末、フィラメント、または樹脂は、従来の製造プロセスで使用されている従来のバルク材料よりも、キログラムあたりのかなり高価です。これは、高性能金属合金またはカスタムエンジニアリングポリマーに特に当てはまります。
• 運用コスト： 一部のプロセスのエネルギー消費、専門的なガス要件（金属印刷用のアルゴンなど）、および熟練したオペレーターの必要性も、全体的なコストに貢献します。

スケーラビリティ

AMはカスタマイズと少量生産に優れていますが、多くの場合、大量製造のためのスケールアップは依然として課題です。

• 生産の拡大は困難な場合があります： 添加剤の製造の層ごとの性質により、射出成形やスタンピングなどの大量の従来のプロセスと比較して、ビルドレートが遅くなることがよくあります。 AMで何百万もの同一の部品を効率的に生産することは、困難で時間がかかる場合があります。
• 大量の要求に応える： 何百万ものユニットを必要とする消費財または自動車部品の場合、従来の製造方法は依然として経済的および速度の優位性を保持しています。現在、AMは複雑な、カスタマイズされた、または低から中程度のボリューム生産の実行に適しています。
• 後処理ボトルネック： 多くのAM部品には、目的の機械的特性と表面の品質を実現するために、重要な後処理（サポート構造の除去、熱処理、表面仕上げ、機械加工）が必要です。これらの手動または半自動の手順は、時間、コストを追加し、生産ワークフロー全体のスケーラビリティを制限することができます。

材料特性

追加された部品の一貫した予測可能な材料特性を確保することは、研究開発の継続的な分野です。

• 一貫した材料特性を確保する： 層ごとのビルドプロセス、迅速な加熱および冷却サイクル、および内部応力の可能性は、部品内の異方性特性（方向によって異なる特性）または微視的な欠陥（たとえば、多孔性）につながる可能性があります。これは、特に重要なアプリケーションの疲労強度、延性、全体的な信頼性に影響を与える可能性があります。
• 材料選択の制限： 互換性のある材料の範囲は成長していますが、従来の製造に比べてさらに制限されています。すべての材料を添加的に処理できるわけではなく、従来の製造された部品と同じ材料性能を達成することは、特定の合金やポリマーにとって困難な場合があります。
• 資格と認証： 航空宇宙や医療のような高度に規制された産業にとって、厳しいパフォーマンスと安全基準を満たすために、適格で認定された添加部品を適格で認証することは、複雑で時間がかかり、高価なプロセスです。

添加剤の将来の傾向

添加剤の製造は動的な分野であり、テクノロジー、材料科学、統合の急速な進歩とともに常に進化しています。今後、いくつかの重要な傾向が、その能力をさらに拡大し、主流の製造プロセスとしての役割を強化する態勢が整っています。

材料の進歩

新しい改良された材料の継続的な開発は、AMの多様なアプリケーションの可能性を最大限に発揮するために重要です。

• 改善された特性を備えた新しい材料の開発： 研究者は、添加プロセス専用に特別に最適化された新しい合金、高性能ポリマー、および複合材料を積極的に開発しています。これには、強度と重量の比率の向上、疲労抵抗の改善、優れた熱特性、および生体適合性の向上を伴う材料が含まれます。目標は、従来の製造された部品の特性を一致させるか、それを上回ることです。
• 添加剤製造におけるナノ材料の使用： ナノ粒子およびその他のナノ材料をAMプロセスに組み込むことは、前例のない特性を持つ部品を作成することを約束します。これは、自己修復能力、導電率の向上、または優れた靭性を備えた材料につながり、まったく新しい機能的アプリケーションへのドアを開く可能性があります。
• マルチマテリアル印刷： さまざまな地域でさまざまな特性を持つ部品を作成する単一の印刷内で異なる素材を正確に組み合わせる機能は、重点の領域です。これにより、柔らかく剛性のあるセクション、導電性および絶縁経路、または統合センサーを備えたコンポーネントにつながる可能性があります。

自動化とAI

自動化と人工知能（AI）の統合は、添加剤の製造ワークフローの効率、信頼性、知能を高めるために設定されています。

• プロセスの最適化のためにAIを統合します： AIおよび機械学習アルゴリズムは、設計生成（生成設計）からリアルタイムプロセスの監視と品質管理まで、AMプロセスのすべての段階を最適化するために開発されています。 AIは、潜在的な印刷障害を予測し、最適なビルドパラメーターを提案し、さらには新しい材料の組み合わせを識別できます。
• 自動設計と生産ワークフロー： 自動化により、前処理（自動化された部品配置、サポート生成など）、ビルド中の現場モニタリング、および後処理ステップ（自動サポート除去、表面仕上げなど）が合理化されています。これにより、手動の介入が減少し、スループットが増加し、一貫性が向上します。
• デジタル双子： 添加剤の製造プロセスと部品の「デジタルツイン」を作成すると、リアルタイムの監視、予測メンテナンス、さまざまな条件下でのパフォーマンスのシミュレーションが可能になり、信頼性がさらに向上し、開発サイクルが削減されます。

採用の増加

技術が成熟し、その利点がより広く認識されるにつれて、添加剤の製造は、さまざまな業界でさらに広範な受け入れを見るように設定されています。

• さまざまな業界でのより広範な採用： 航空宇宙や医療を超えて、消費財、エネルギー、建設、さらには食品などの産業は、専門的なアプリケーションのためにAMを探索し、実装しています。焦点は、ニッチな使用から生産チェーン内のより統合された役割にシフトすることです。
• 添加剤製造サービスの成長： 専門のAMサービス局の急増により、企業は機器への大幅な前払い投資なしに技術を活用することができます。これらのサービスプロバイダーは、専門知識、幅広い材料、および生産能力を提供し、よりアクセスしやすくします。
• 分散型製造およびサプライチェーンの回復力： オンデマンドおよびニーズに近い部品を生産するAMの能力は、より回復力のある局所的なサプライチェーンに貢献し、遠くの製造ハブへの依存を減らし、世界的な混乱に関連するリスクを緩和します。
• 標準化と認証： 業界が成熟するにつれて、AMプロセスと材料のより明確な基準と認証経路の開発は、特に高度に規制されたセクターで、より大きな自信を高め、より広い採用を促進します。