3Dプリンティング技術 は、従来の製造方法を覆す画期的な製造技術です。これは革命的な製造技術¨であり、 “ としても知られている；アディティブ・マニュファクチャリング“.この記事では、以下のいくつかの側面に焦点を当てる。 3Dプリント材料 また、3Dプリンティングの材料や技術の開発に関する研究も行っている。
3Dプリンティングの原理
3Dプリントの基本原理は次のとおりである。物理的なラミネーションで、まずプリントされるオブジェクトのデジタルモデルが作成され デジタルレイヤリングが実施され、各レイヤーの2次元処理パスまたはトラックが得られる。次に、適切な材料が選択され、対応するプロセスが各層に適用される。次に、適切な材料と対応するプロセスが選択され、上記の層ごとの二次元デジタルパスによって駆動されながら、印刷対象物が層ごとに印刷される。最終的な物体は累積的に製造される。
高い加工柔軟性と迅速な市場対応により、3Dプリンティング技術は、工業モデリング、パッケージング、製造、建築、美術、医療、航空、航空宇宙、映画などの分野で確固たる地位を築いている。
現在、3Dプリンティングの分野には20種類近くのプロセスシステムがあり、その中で最も代表的で成熟したプロセスは、ステレオリシグラフィー装置（SLA）、積層造形（LOM）、溶融積層造形（FDM）、選択的レーザー焼結（SLS）、選択的レーザー溶融（SLM）、3次元印刷・接着（3DP）の6つである。
これら6つの3Dプリンティングプロセスの原理は同じだが、使用される印刷材料が異なるため、それぞれの特性や具体的な用途は異なる。印刷材料は現在、3Dプリンティングにおけるホットな研究テーマであり、3Dプリンティングプロセスのさらなる発展と応用におけるボトルネックとなっている。この論文はまた、印刷材料が3D印刷プロセスのさらなる発展と応用におけるボトルネックであることを強調している。
3Dプリンティング技術と材料
エスエルエー
SLAプロセスは、1984年にチャールズ・ハルによって米国で特許を取得し、3Dシステムズによって商業化された。
現在、このプロセスに使用できる材料は、主に感光性液体樹脂、すなわち感光性樹脂である。この種の感光性樹脂材料は主に双性イオン、反応性希釈剤、開始剤を含む。
ロム
マイケル・フェイギンは1984年にLOMプロセスを導入し、一般的にSLAよりも大型部品、特に自動車産業の製造に適している。
LOMプロセスにおける印刷材料には、薄層材料、バインダー、コーティング工程の3つの側面がある。薄層材料は紙、プラスチックフィルム、金属箔などに分けられ、現在は主に安価な紙が使用され、バインダーは一般的にホットメルト接着剤である。紙素材の選択、ホットメルト接着剤の構成、コーティング工程はすべて、コストを考慮しつつ、最終的なプロトタイプ部品の品質を確保することを基本としている。
多重伝送装置
FDMプロセスは、米国のストラタシス社が開発したFDM製造システムで最も広く使用されている。
現在この工程で使用できる材料は、主に溶融しやすい低融点材料である。一般的なプロセスでは、フィラメント状材料は供給ローラーを通してノズルに供給される。 一般的なプロセスでは、フィラメント状材料は供給ロールによってノズルのキャビティー内で加熱される。
SLS
SLSプロセスは、Selected Area Laser Sinteringプロセスとしても知られ、1989年にテキサス大学オーティング校のデチャードによって開発された。この材料を基に、SLSプロセスと同じカテゴリーでDMLSプロセスシステムも導入された。
SLSプロセスで使用される材料は、ナイロンパウダー、ナイロンコーティングされたガラスパウダー、ポリカーボネートパウダー、ポリアミドパウダー、ワックスパウダー、金属パウダー（多くの場合、印刷後に再焼結や銅メッキが施される）、熱硬化性樹脂でコーティングされた微細な砂、ワックスコーティングされたセラミックパウダー、ワックスコーティングされた金属などのさまざまな種類のパウダーである。
材料に関しては、SLSプロセスはパラフィンやプラスチックのような低融点材料だけでなく、ステンレスを含む金属、さらにはセラミックスのような高融点材料も直接形成することができます。SLSプロセスは、パラフィンやプラスチックのような低融点材料だけでなく、ステンレスを含む金属や、セラミックスのような高融点材料まで直接形成することができます。金属やセラミック材料から高強度、高硬度の部品やコンポーネントをプリントできることが、SLSプロセスが業界で台頭している理由のひとつです。これが、SLSプロセスが注目され、業界で最も有望なアプリケーションを持つ主な理由です。SLSプロセスがこれほど注目され、最も有望な用途がある主な理由。
SLM
SLSプロセスの上記の欠点に対して、ドイツのフラウンホルファー研究所は1995年、同じくディスクリートスタックプラス原理を用いたSLM技術を提案した。このプロセスはSLSの長所だけでなく、形成される金属の密度が高く、機械的特性も優れている。このプロセスはSLSの利点を持つだけでなく、形成される金属の密度が高く、機械的特性も優れている。複雑な金属部品の製造に革命をもたらした。
SLM材料には、鉄基合金、ニッケル基合金、アルミニウム合金、チタン合金がある。
鉄基合金はエンジニアリングにおいて重要な役割を担っているため、鉄基粉末のSLM成形に関する研究は、最も広く集中的に行われてきた。
3DP
3DPの技術と装置は、米国のマサチューセッツ工科大学（MIT）によって開発された。セラミック、金属、プラスチックの粉末など、主に粉末状の材料を使用し、接着剤とともにノズルから噴射して、部品の断面を材料に印刷する。
これらのパウダーをノズルでスプレーし、パーツの断面をパウダーに印刷します。印刷プロセスは紙へのカラー印刷に似ており、カラフルな3次元印刷のために3色のバインダーとノズルシステムを設定することで実現できる。セラミック工芸品の3Dプリントは、すでに多くの用途が見つかっている。このプロセスは、SLA、LOM、SLS、FDMに次いで最も有望な3Dプリントプロセスのひとつであり、生体組織工学的構造の構築に使用されることが多くなっている。
現在、3Dプリンティング分野では、6つの3Dプリンティングプロセスが使用されている。このシステムで広く使用されているプリンティング材料は、形状的には、液状の感光性樹脂材料、薄い材料（紙、プラスチックフィルム）、低融点フィラメント、粉末材料の4種類に大別され、組成的には、現在生産に使用されているほぼすべての種類の材料をカバーしている。金属・合金、セラミックスなど
3Dプリンティングの特性から、さまざまなアプリケーションの要件と組み合わせて、新しい印刷材料、特にナノ材料、非均質材料、他の方法では製造が困難な複合材料、合金材料の高密度金属部品を製造するための直接印刷、機能勾配材料、生物学的材料などの開発。また、3D印刷材料のシリアル化、標準化、グリーン化、環境保護を推進し、&”3D印刷+”のコンセプトで、継続的に拡大する3D印刷材料の開発方向である 伝統的な製造業との3D印刷技術の綿密な統合は、3D印刷材料の生産の継続的な拡大のための開発方向である。
Additional FAQs: 3D Printing Technology and Materials
1) Which 3D printing process should I choose for functional metal parts?
- Selective Laser Melting (SLM) or Electron Beam Melting (EBM) for near‑fully dense, high‑strength parts in Ti‑6Al‑4V, IN718, AlSi10Mg. SLS/DMLS can work for certain metal/polymer composites or green parts that are later sintered.
2) What’s the practical difference between SLS and SLM?
- SLS typically sinters without fully melting, enabling polymers and some metal/binder mixes; SLM fully melts metal powder to achieve higher density and mechanical properties comparable to wrought after post‑processing.
3) How do I compare materials for FDM, SLA, and SLS?
- FDM: thermoplastics (PLA, ABS, PC, PA‑CF) with good toughness and heat‑resistant grades; SLA: photopolymers with excellent resolution/surface but UV/creep sensitivity; SLS: nylon (PA11/PA12), TPU, filled PA for strong, isotropic‑leaning parts without supports.
4) What post‑processing steps most improve performance?
- For metals: heat treatment, HIP, machining, shot peening, surface finishing, coatings. For polymers/resins: thermal anneal, UV post‑cure (SLA/DLP), media blasting, dyeing, infiltration/sealing.
5) How should powders and resins be stored for quality?
- Keep powders dry and inert (≤25% RH), track reuse cycles and sieve between builds; store resins in opaque containers at recommended temperature, avoid moisture exposure, and follow lot‑traceability per ISO/ASTM 52907/52931.
2025 Industry Trends: 3D Printing Technology and Materials
- Metals at scale: More serial production using SLM/EBM with digital material passports tying powder lots to in‑process monitoring.
- High‑temp polymers: PEKK/PEEK, PPSU, and new FR‑rated materials for aerospace/rail interiors.
- Copper and aluminum: Improved laser absorptivity expands LPBF of CuCr1Zr and Sc‑modified Al for thermal management.
- Ceramics growth: DLP/SLA ceramics (alumina/zirconia) ramp for dental/semiconductor tooling.
- Sustainability: Closed‑loop powder/polymer reuse and EPDs increasingly required in RFQs.
2025 Snapshot: Process–Material Benchmarks (Indicative)
| プロセス | Representative materials | Key 2025 metric (post‑process where relevant) | 2023 | 2024 | 2025 YTD |
|---|---|---|---|---|---|
| SLM/LPBF metals | Ti‑6Al‑4V, IN718, AlSi10Mg, CuCr1Zr | Relative density (%) | 99.5–99.8 | 99.6–99.9 | 99.7–~100 |
| SLM/LPBF metals | Ti‑6Al‑4V | HCF fatigue limit (MPa, polished, R=0.1) | 380–430 | 420–470 | 450–500 |
| SLS polymers | PA12, PA11, TPU | Recycled content in production lots (%) | 30–40 | 40–50 | 45–60 |
| SLA/DLP resins | Tough/HI‑temp/ceramic‑filled | XY feature resolution (µm) | 80–120 | 70–100 | 50–80 |
| FDM/FFF | PEKK/PEEK, CF‑PA, PC | HDT at 0.45 MPa (°C) | 150–160 | 160–170 | 165–180 |
Sources:
- ISO/ASTM 52900/52904/52907/52931 standards: https://www.iso.org
- ASTM F2924 (Ti‑6Al‑4V), F3055 (IN718), F3301/F3302 AM practice: https://www.astm.org
- NIST AM‑Bench and metrology resources: https://www.nist.gov/ambench
- SAE/AMS specs for AM materials and processes: https://www.sae.org
Latest Research Cases
Case Study 1: Scaling LPBF Copper Heat Sinks for Power Electronics (2025)
Background: An electronics OEM needed higher thermal performance heat sinks for SiC inverters.
Solution: Adopted LPBF CuCr1Zr with high‑absorptivity lasers; optimized lattice pin‑fins and post‑HIP + aging; introduced digital material passport tying powder O/N/H to melt‑pool monitoring.
Results: Thermal resistance −18% vs. machined baseline; first‑pass yield +12%; porosity <0.1% (CT), conductivity 85–90% IACS after HT.
Case Study 2: DLP Zirconia Dental Frameworks with Faster Sinter Cycles (2024)
Background: A dental lab sought to reduce lead time while maintaining translucency and strength.
Solution: Switched to high‑solid‑load DLP slurry and a shortened two‑step sinter with controlled ramp/soak; implemented inline viscosity and solids monitoring.
Results: Biaxial flexural strength +8% (to ~950 MPa); translucency maintained; throughput +25% with no increase in scrap.
Expert Opinions
- Prof. Amy J. Clarke, Professor of Metallurgy, Colorado School of Mines
- “Digital passports linking powder pedigree and in‑situ signatures to properties are accelerating qualification for safety‑critical AM parts.”
- Dr. Brandon A. Lane, Additive Manufacturing Metrologist, NIST
- “Layerwise monitoring now reliably flags porosity precursors, enabling corrective actions that tighten material property scatter.”
- Dr. Martina Zimmermann, Head of AM Materials, Sandvik Additive Manufacturing
- “Advances in aluminum and copper absorptivity are unlocking thermal management designs that were impractical two years ago.”
Practical Tools and Resources
- ISO/ASTM AM standards library (design, processes, materials): https://www.iso.org
- ASTM AM material specifications and test methods: https://www.astm.org
- NIST AM‑Bench datasets and best practices: https://www.nist.gov/ambench
- Senvol Database for machine–material mappings and allowables: https://senvol.com
- Material data management (Ansys Granta MI) and simulation (Ansys, Simufact Additive)
- OEM application notes and design guides (EOS, 3D Systems, Stratasys, HP, Renishaw)
Last updated: 2025-08-25
Changelog: Added 5 focused FAQs; created a 2025 benchmarks table with sources; included two recent case studies; provided expert viewpoints; compiled practical tools/resources
Next review date & triggers: 2026-02-01 or earlier if ISO/ASTM/SAE standards update, major OEMs release new high‑temp polymers or copper/aluminum grades, or digital passport adoption materially changes qualification practices**
