概要：Stratasys SAF™ パウダーベッドフュージョン（PBF）技術は、赤外線吸収剤と熱を利用してポリマー粉末を融合させ、等方性かつ高精度な部品を製造します。航空宇宙、自動車、医療などの分野において、効率的なネスト配置、高速サイクル、リサイクル可能な材料、および拡張性の高い生産を実現します。
3Dプリンティングというテーマが複雑で難しそうに感じられるなら、それはあなただけではありません。考慮すべき点はたくさんあります。しかし、学べば学ぶほど、その全体像がはっきり見えてくるはずです。 まずは、市場に存在するさまざまな積層造形（AM）技術、つまり3Dプリンティングの手法について理解を深めることから始めるとよいでしょう。その一助となるよう、この記事では、そうした技術の一つである「パウダーベッドフュージョン」について詳しく解説します。これにより、その用途や適した場面、導入を検討すべきタイミングをより深く理解できるようになるでしょう。
粉末床溶融（Powder Bed Fusion）3Dプリンティングは、レーザーや電子ビームなどの高エネルギー源を用いて粉末材料を層ごとに選択的に溶融・融合させ、3次元物体を作り出す積層造形プロセスです。この手法では、デジタル設計に基づいて、微細な粉末材料のベッドから部品を造形します。各部品を囲む未使用の粉末が自然なサポートとして機能するため、追加の足場（金属を除く）を必要とせずに複雑な形状を作成することが可能です。
粉末床溶融プロセスは、使用される加熱方法によって、大きく以下のカテゴリーに分類されます：
いずれのアプローチも、粉末ベッドから部品を造形するという基本原理は共通していますが、溶融メカニズムや適した材料が異なり、それによって最適な用途も変わります。PBF市場のシェアの大部分は金属が占めていますが、本ブログ記事では特にポリマーPBF 3Dプリンティングに焦点を当てます。
粉末床溶融プロセスは、一連の精密な工程に分けられます。まず、予熱した粉末を積層プラットフォーム全体に薄く敷き詰めます。次に、熱エネルギー源がデジタルモデルの断面形状に従って粉末を選択的に溶融させます。1層が溶融すると、積層プラットフォームがわずかに下降し、予熱した粉末の新しい層が追加されて溶融されます。
この層ごとの積層は、部品が完全に形成されるまで続けられます。造形が完了すると、部品は粉末ベッド内で冷却されます。冷却後、残った余分な粉末は除去され、多くの場合、将来の造形で再利用されます。設計要件によっては、ビーズブラスト、染色、または蒸気平滑化などの追加の後処理工程が必要になる場合があります。
粉末床溶融（PBF）材料に影響を与える要因の一つに、経時的な劣化があります。印刷プロセスへの曝露により、材料の熱的特性が低下します。その結果、PBFプロセスでは、使用済みの粉末を新しい粉末と混合して補充する必要があります。その割合は、使用する特定の粉末床溶融技術やプリンターの性能によって異なります。使用不能となった粉末は、プロセスの副産物として廃棄物となります。
他の3Dプリンティング技術と同様、PBFプロセスは、従来の製造方法と比較して、ほぼ無限の設計の自由度に加え、時間とコストの効率化を実現します。しかし、他の積層造形法とは一線を画す特徴がいくつかあります：
見過ごされがちなパウダーベッド3Dプリンティングのもう一つの利点は、ほぼ等方性（全方向に一貫した機械的特性を持つ）な部品を製造できることです。これは、重要な荷重を支える機能部品にとって有利です。対照的に、他のいくつかのAMプロセスでは、強度などの特性が積層軸によって異なる異方性の部品が生成されます。これにより、部品形状全体で機械的特性にばらつきが生じ、ある方向では強度が高く、別の方向ではそれほど強くないといった状況が発生します。
多くの3Dプリンティングプロセスとは異なり、ポリマーPBF部品は本質的にリサイクル可能な熱可塑性樹脂から作られるため、プロセスの持続可能性が高まります。これは、3Dプリンティングが量産へと拡大する中で特に重要な点です。
粉末積層造形がもたらす利点により、何らかの製造を行うほぼすべての産業で活用されています。
その利点はあるものの、粉末積層造形による3Dプリンティングには、慎重な検討を要する点も存在します。
装置のコストは、積層造形技術の中でも最も高い部類に入ります。
材料の選択肢は拡大しつつありますが、他のポリマー系AM技術の方がより多くの選択肢を提供しています。
用途によっては、FDM®、PolyJet™、または P3™ DLP 技術などの他の AM 形式の方が適している場合があります。これらは、設備や環境に関する同様の考慮事項がないためです。また、これらの技術は、より幅広い材料を提供します。
PBF（粉末積層造形）技術は約40年の歴史を持つが、その進化は止まることなく、新たな開発によってその性能は向上し続けている。
これらの革新が相まって、粉末床溶融技術はより利用しやすく、効率的で、強力なものになりつつあります。
ストラタシスは、現在H350™パウダーベッド3Dプリンターに採用されているSAF®（Selective Absorption Fusion®）技術を通じて、粉末ベースの溶融積層（PBF）分野に自社のAM（アディティブ・マニュファクチャリング）の専門知識を活かしています。SAF技術は、産業用プリントヘッドによって塗布される赤外線吸収剤と赤外線ヒートランプを用いて、ポリマー粉末を選択的に溶融させます。
既存のポリマーPBF技術の課題を解決するために設計されたH350プリンターとSAF技術の革新は、市場に存在する他のPBF技術とは一線を画す、製造業者にとってのいくつかの重要なメリットをもたらします。
SAF技術の設計目標の一つは、運用コストを最小限に抑え、ワークフローを効率化しつつ、特に大量生産される最終用途部品において、製造現場での積層造形技術の活用を可能にすることでした。しかし、さらに重要なのは、SAF技術が現在のポリマー系PBF技術の改良を目的として開発されたという点です。
H350 3DプリンターとSAF技術が、現在のパウダーベッド式3Dプリンティングの課題を解決する主な点は以下の通りです：
H350プリンターは、競合システムで採用されている双方向方式とは異なり、特許取得済みの単方向プリントモードを採用しています。さらに、H350プリンターは高解像度サーマルカメラを使用しており、その精度は他システムよりも100倍優れています。この組み合わせにより、プリントベッド全体で一貫した熱制御が可能となり、ビルド全体を通じて高精度な部品と高い歩留まりを実現します。
H350プリンターは、材料の無駄を事実上ゼロに抑えつつ、最大43%のネスト密度を実現します。現在市販されている他のポリマー粉末積層造形システムでは、約10%～12%の密度が限界です。また、H350プリンターは消耗品の使用量も少なくて済みます。これらの要因が相まって、運用コストの削減とスループットの向上につながり、部品単価の低減を実現します。
GrabCAD Print Pro™ソフトウェアは、追加費用なしでジョブのトレーサビリティを備えた自動ビルドレポートを生成できます。これは競合システムでは不可能な機能です。印刷設定もカスタマイズ可能で、用途に応じて必要に応じて調整できます。
競合製品との直接比較テストに基づき、H350プリンターは同クラスにおいて、印刷部品1キログラムあたりのエネルギーコストが最も低くなっています。また、設置面積も小さいため、競合システム1台分のスペースに2台のプリンターを設置することが可能です。設置スペースが小さくなることで、温度・湿度管理の必要性が低減され、技術全体のカーボンフットプリント削減に寄与します。
PowderEase™ T1アクセサリーは、自動ブレイクアウト、部品取り出し、粉末供給機能により、粉末の取り扱いを効率化します。これにより、印刷後の部品処理に必要な労力が大幅に削減され、お客様は他の業務に集中できるようになります。また、手作業による粉末の取り扱いを減らし、粉塵への曝露を制限し、未使用の粉末をより効率的に回収することで、職場の安全性と効率性を向上させます。
これらの利点に加え、SAFテクノロジーにおける傑出したサステナビリティの革新の一つが「SAF ReLife PA12」です。この機能により、SAFおよびその他の粉末ベースのテクノロジーで使用済みのPA12廃棄粉末を、H350 3Dプリンターで再利用することが可能になります。この環境に配慮したアプローチにより、二酸化炭素排出量を最大90%削減でき、廃棄物を効果的に価値ある資源へと転換します。
SAFのPBF技術では現在、3種類のパウダーベッドフュージョン用ポリマーが使用されています：
参考までに、SAF技術以外のPBFプロセスでは、これらの材料に加え、以下のような材料も使用可能です：
粉末積層造形（PBF）が他の積層造形技術に比べて利用できる材料が少ないと感じられたなら、その認識は正しいです。 その主な理由は、特定のポリマーを粉末化することの難しさにあります。すべてのプラスチックが、粉末化に適応するために必要なバランスの取れた熱的特性を備えているわけではありません。とはいえ、ポリマーPBFで使用されるナイロン系材料は、幅広い用途をカバーすることができます。さらに、ナイロン系カーボンまたはガラス繊維強化複合材料の開発も進められており、選択肢がさらに広がっています。
ストラタシス社がSAF技術を提供している一方で、他の粉末積層造形プロセスも積層造形業界において重要な役割を果たしています。
各技術にはそれぞれ強みがありますが、StratasysのSAFプラットフォームは、その効率性、再現性、そして優れた経済性において際立っています。
PPBFでは、粒子を融点直下の温度まで予熱し、その後、製造される部品を形成する領域の粒子に選択的に熱を加えて溶融させます。これらの粒子は互いに融合し、その後固化して製造された部品を形成します。
変色は、多くの場合、粉末の熱劣化によって生じます。特に、再利用された粉末が印刷プロセス中に長時間熱にさらされた場合に発生しやすいです。これは、外観と機械的特性の両方に影響を及ぼす可能性があります。
はい、Rilsan® PA11のような材料はバイオベースかつ生体適合性があり、装具や義肢などの医療用途に適しています。医療用グレードのPA12バリエーションも、皮膚接触および限定的な体内使用について認証されています。
PA11は延性が高く、耐衝撃性に優れ、破断伸びも大きいです。一方、PA12は剛性が高く、優れた寸法安定性を持ち、より厳しい公差に対応できます。
使用する技術によって異なります。各サイクルで粉末は熱と酸素にさらされ、その化学構造と造形性が劣化します。ほとんどのシステムでは、再利用バッチの品質を維持するために、20～50％の新品粉末を補充する「リフレッシュ率」を推奨しています。しかし、SAFテクノロジーの穏やかな熱制御により、クリーニング工程で失われる粉末以外の廃棄物を一切発生させることなく、すべての粉末を完全に利用することが可能です。
一般的な兆候としては、層の広がりが悪い、部品の強度が不安定、脆さが増す、表面に目に見える欠陥が生じるなどが挙げられます。また、繰り返し使用すると粒子径が大きくなり、酸化が進むため、溶融性能が低下します。
いいえ。周囲の未溶融粉末がオーバーハングや複雑な形状を支えるため、物理的なサポート構造を必要とせずに精巧な形状を作成できます。これにより、設計と後処理が簡素化されます。
はい。吸湿性が低く、耐薬品性に優れたポリプロピレンを使用することで、防水・気密性のある部品を製造できます。
積層造形（アドディティブ・マニュファクチャリング）のパイオニアであるストラタシスは、パウダーベッドフュージョン（PBF）の分野に新たな基準を打ち立てました。SAFテクノロジーと3Dプリンター「H350」は、ポリマーPBFプロセスを新たな次元へと引き上げ、製造業者に現状の技術と比較して明確なメリットをもたらすよう設計されています。コスト効率、合理化されたワークフロー、そしてサステナビリティへの配慮が融合したSAFテクノロジーとH350プリンターは、パウダーベッドフュージョン3Dプリンティングにおける最適な選択肢です。
詳細については、SAFテクノロジーのウェブページをご覧ください。
3Dプリンティング技術の選び方についてさらに詳しく知りたい場合は、当社の「バイヤーズガイド」をご覧ください。このガイドでは、ストラタシスの各技術の詳細、最適な適用分野、および検討すべきポイントについて包括的に解説しています。
