産業用3Dプリンターの最新技術・材料・応用事例

Industrial 3D Printers : Latest Technology, Materials, and Application Examples

第1章　産業用3Dプリンター概論

1　3Dプリンターの誕生から今日まで～ラピッドプロトタイピングからアデティブマニュファクチャリングへの変遷～　　(安齋正博)
1.1　はじめに
1.2　3Dプリンターという言葉
1.3　3Dプリンターを使うための要素技術の昨今
1.4　3Dプリンターの泣きどころ
1.5　ラピッドプロトタイピング(RP)
1.6　ラピッドツーリング(RT)とラピッドマニファクチャリング(RM)
1.6.1　鋳造によるハードツーリング
1.6.2　金属粉末焼結ハードツーリング
1.6.3　金属光造形と高速ミーリングとの複合加工技術
1.7　3Dプリンターの応用がもたらすもの
1.8　おわりに

2　3Dプリンタの将来と次世代技術開発　　(京極秀樹)
2.1　はじめに
2.2　産業用3Dプリンタの課題
2.2.1　装置
2.2.2　制御ソフトウェア
2.2.3　金属粉末
2.3　次世代型産業用3Dプリンタ技術開発
2.3.1　事業の背景および目的
2.3.2　開発目標
2.3.3　事業内容
2.3.4　次世代3D積層造形技術開発
2.4　産業用3Dプリンタの将来展望
2.4.1　次世代型産業用3Dプリンタの製造技術の獲得・展開
2.4.2　設計・製造技術の革新
2.4.3　次世代型産業用3Dプリンタによる製造技術の革新
2.5　おわりに

第2章　各種積層造形技術と今後の展望

1　光造形法の現状と活用　　(吉田俊宏)
1.1　はじめに
1.2　光造形装置とは
1.3　当社の光造形装置について
1.4　当社の取り組みに関して
1.5　最新樹脂材料について
1.6　光造形アプリケーション
1.7　光造形精密鋳造について
1.8　光造形の将来

2　樹脂溶融型3Dプリンターの要素技術　　(當間隆司)
2.1　はじめに
2.2　フィラメント
2.2.1　射出成型との差
2.2.2　フィラメントの形状バラツキ
2.3　造形ヘッド
2.3.1　吐出ブロック
2.3.2　ヒーター
2.3.3　スリーブ
2.3.4　吐出ヘッドのアッセンブリ
2.4　送り込み機構(エクストルーダー)
2.4.1　フィラメント側の負荷
2.4.2　ヘッド側の負荷
2.4.3　送り機構
2.5　造形テーブル
2.5.1　テーブル剛性と昇温速度
2.5.2　平面性と温度
2.5.3　テーブルの組み込みの注意事項
2.6　ヘッド駆動機構
2.6.1　単層造形機構(XY平面の駆動機構)
2.6.2　昇降機構
2.7　最後に

3　インクジェット法　　(山口修一)
3.1　はじめに
3.2　インクジェット技術について
3.2.1　吐出方式
3.2.2　オンデマンド方式
3.2.3　インクジェットヘッド
3.2.4　インクジェット吐出液材料
3.3　インクジェット法による各種造形方法
3.3.1　結合剤噴射法(Binder jetting)
3.3.2　材料噴射法(Material jetting)
3.4　今後の展望
3.5　おわりに

4　粉末床溶融結合法　　(早野誠治)
4.1　粉末床溶融結合(PBF)法
4.2　市販されているPBF装置
4.2.1　米国3D Systems社
4.2.2　独国EOS社
4.2.3　日本アスペクト社
4.2.4　独国Concept Laser社
4.2.5　スウェーデンArcam社
4.2.6　Mining and Chemical Products Limited(MCP)社
4.2.7　Phenix Systems社
4.2.8　3D Micromac社
4.2.9　独国Sintermask社
4.2.10　米国Desktop Factory社
4.2.11　米国Hewlett-Packard(HP)社

第3章　造形材料開発の最新動向

1　材料から見た3Dプリンター　　(萩原恒夫)
1.1　はじめに
1.2　3Dプリンター
1.2.1　3Dプリンターとは
1.2.2　3Dプリンターとその材料
1.2.3　材料押出し法(溶融樹脂積層法;FDM)
1.2.4　パーソナル3Dプリンター(FDM方式)
1.2.5　液槽光重合法(光造形)用液状光硬化性樹脂
1.2.6　廉価版光造形機
1.2.7　粉末床溶融結合法(粉末焼結;SLS, SLM)用材料
1.2.8　結合剤噴射法(インクジェット法)
1.2.9　材料噴射法
1.2.10　シート積層法
1.2.11　指向エネルギー堆積法(Directed Energy Deposition)
1.3　ハイブリッド型積層造形装置
1.4　材料から見た3Dプリンターの今後の行方

2　粉末床溶融結合(PBF)造形向けポリアミド材料　　(宮保淳)
2.1　3Dプリンター技術としての粉末床溶融結合(PBF)造形
2.2　樹脂粉末を用いるPBFの概要
2.3　PBF材料としてのポリアミド
2.4　PBFに最適な長鎖脂肪族ポリアミド
2.5　ポリアミド11とポリアミド12の違い
2.6　アルケマ社のPBF向けポリアミド材料
2.6.1　Orgasol®(オルガソル) Invent Smooth(OIS)
2.6.2　Rilsan®(リルサン)Invent Natural(RIN)
2.7　おわりに

3　インクジェット粉末積層法における各種材料　　(山口修一)
3.1　はじめに
3.2　結合剤噴射法における材料
3.3　材料噴射法における材料
3.4　今後の動向
3.5　おわりに

4　3Dプリンター造形用材料:ポリ乳酸と高耐熱ポリアミド　　(川瀬至道、迫部唯行、上田一恵)
4.1　はじめに
4.2　PLA
4.2.1　PLAの特徴
4.2.2　PLAの用途
4.2.3　Material Extrusion用材料としてのPLA
4.3　Material Extrusion用フィラメント
4.3.1　Material Extrusion方式の3Dプリンターと造形材料について
4.3.2　PLAのエナンチオマー
4.3.3　フィラメントの作製方法と真円性および結晶化
4.3.4　今後の可能性と留意点
4.4　材料の展開

5　LPW社における積層造形装置用低コスト・高品質粉末の開発動向　　(木寺正晃)
5.1　はじめに
5.2　金属の積層造形システムの歴史と日本の現状
5.3　英国LPWテクノロジー社について
5.4　金属の積層造形のマーケット
5.5　高品位粉末とLPW社
5.6　おわりに

6　3Dプリンター造形用粉体材料の開発　　(吉川大士)
6.1　ノリタケにおける3Dプリンターの利活用
6.2　3Dプリンター用造形粉開発の経緯
6.3　3Dプリンター用石膏材料の要求特性
6.3.1　3D成形のための速い硬化
6.3.2　造形時変形抑制のための適度な水分保持力
6.3.3　均一な粉敷きのための粉体転がり性
6.3.4　3Dデータ通りの成形のための粉体粒度
6.4　ノリタケ製材料の技術的特徴
6.4.1　石膏用硬化促進剤の添加量適正化
6.4.2　樹脂成分・量の適正化
6.4.3　粉体材料の転がり性向上と粒度適正化
6.5　造形例
6.6　今後の展望

7　3Dゲルプリンターが先導する化学系メイカーズ革命　　(古川英光)
7.1　はじめに
7.2　二枚目の名刺
7.3　広がらなかった高強度ゲルブーム
7.4　ゲルプリンターで,誰もが高強度ゲルを作れるようになる
7.5　3Dゲル造形物の評価
7.6　3Dデジタルデータのもたらす意味
7.7　材料のデジタル化:その社会実装へのアプローチ
7.8　化学系のメイカーズ革命を起こそう!

8　光造形法における材料開発　　(高瀬勝行)
8.1　はじめに
8.2　光造形用樹脂の基本構成
8.3　光造形の応用分野と光造形用樹脂に対する要求特性
8.4　光造形用樹脂の耐熱性
8.5　光造形用樹脂の靭性
8.6　光造形用樹脂の透明性
8.7　光造形用耐熱・透明・靭性樹脂の物性紹介
8.8　おわりに

第4章　3Dプリンターを用いた応用技術と応用事例

1　3Dプリンターの各種方式と応用事例　　(春日寿利)
1.1　はじめに
1.2　3Dプリンターによる造形の仕組みの基本
1.3　3つの製品カテゴリと7つの3Dプリントエンジン
1.4　3D Systems 3Dプリンター製品紹介
1.4.1　パーソナル3Dプリンター
1.4.2　プロフェッショナル3Dプリンター
1.4.3　プロダクション3Dプリンター
1.5　おわりに

2　マイクロ波成形技術(ゴム型で熱可塑性樹脂を成形する技術)　　(栗原文夫)
2.1　はじめに
2.2　原理
2.2.1　微粒子充填
2.2.2　選択加熱
2.2.3　真空型締め
2.3　マイクロ波加熱の特徴
2.4　熱可塑性樹脂のマイクロ波加熱特性
2.5　光成形プロセス
2.6　マイクロ波成形機
2.7　マイクロ波成形品の性能
2.7.1　寸法精度
2.7.2　機械的特性
2.7.3　樹脂の種類
2.8　光成形品の特徴
2.8.1　ウエルド
2.8.2　厚肉成形品・肉厚変化のひけ
2.8.3　表面結晶化度と摩擦磨耗特性
2.8.4　透明成形体の残留歪
2.8.5　表面転写性(ナノインプリント)
2.9　今後の展開

3　光造形技術における透明材料を活用した流体可視化への応用　　(小泉卓也)
3.1　はじめに
3.2　様々な積層方法
3.2.1　光造形方式
3.2.2　熱溶融堆積方式
3.2.3　インクジェット方式
3.2.4　粉末床溶融結合方式
3.3　透明・可視化
3.3.1　透明+耐熱樹脂「TSR-884B」
3.3.2　透明+靭性樹脂「TSR-890」
3.4　まとめ

4　3Dプリンターを用いた鋳造用鋳型の作製技術と活用事例　　(戸羽篤也)
4.1　鋳造法における鋳型製造プロセス
4.2　3Dプリンターによる鋳型造型の利点
4.3　3D積層鋳型造型機
4.4　国内における鋳型造型用3Dプリンター開発の取り組み
4.5　3Dプリント鋳型を用いたリバースエンジニアリング
4.6　まとめ

5　金属光造形複合加工装置LUMEX Avance-25について　　(天谷浩一)
5.1　概要
5.2　金属光造形複合加工法とは
5.2.1　金属光造形法
5.2.2　金属光造形複合加工法
5.3　金属光造形複合加工装置の紹介
5.3.1　機械の構成
5.3.2　機械仕様
5.4　LUMEX Avance-25によるプラ金型製作
5.4.1　プラ金型の設計
5.4.2　プラ金型の高機能化
5.4.3　従来工法との比較
5.5　LUMEX Avance-25による高機能部品製作事例
5.5.1　軽量化を実現した事例(ブリスク)
5.5.2　複雑形状を実現した事例(歯)
5.6　結言

6　金属積層造形装置を用いた金属部品や金型への応用事例および今後の展開　　(中本貴之)
6.1　はじめに
6.2　炭素鋼粉末のSLM造形物の高密度化および高強度・高硬度化
6.3　低合金鋼粉末のSLM造形物へのプラズマ窒化処理による耐摩耗性の向上
6.4　おわりに

7　レーザー溶融3D積層造形による医療デバイスの開発事例および今後の展開　　(松下富春、藤林俊介)
7.1　緒言
7.2　造形品の品質
7.2.1　造形工程
7.2.2　純チタン積層造形品の機械的性質
7.2.3　表面性状
7.2.4　形状および寸法精度
7.3　医療デバイスの開発事例
7.3.1　医療応用を意図した多孔体の造形とその特性
7.3.2　デバイスの設計
7.3.3　医療デバイスの具体例
7.4　結言

8　電子ビーム積層造形装置を活用した医療機器開発への取り組みと適用事例および今後の展開　　(福田英次)
8.1　電子ビーム積層造形法
8.2　電子ビーム積層造形装置を活用した医療機器開発
8.2.1　人工関節の形状のカスタマイズ
8.2.2　人工関節の表面形態制御
8.2.3　人工関節の低弾性率化
8.2.4　生体にやさしいチタン合金の適用
8.3　今後の展開

9　金属積層造形装置を用いた歯科補綴物への応用事例　　(樋口鎮央)
9.1　はじめに
9.2　鋳造プロセスへのAM技術の応用
9.3　製作方法
9.4　材料および方法
9.4.1　生体親和性について
9.4.2　金属イオンの溶出について
9.4.3　内部気孔について
9.5　設計の自由度
9.6　レーザークラウンの適応製品
9.7　レーザーシンタリングのこれからの適応製品
9.7.1　インプラントブリッジなどへの応用
9.7.2　インプラント印象採得時のベリフィケーションインデックスへの応用
9.7.3　インプラントオーバーデンチャーへの応用
9.7.4　レーザーサブペリインプラントへの応用
9.7.5　テーラーメイドチタンメッシュプレートへの応用
9.7.6　義歯のクラスプや金属床への応用
9.8　レーザーシンタリングの将来展望

10　3Dプリンターで成形するカスタムメイド人工骨―主に粉末固着法による人工骨成形の基礎と応用―　　(安齋正博)
10.1　はじめに
10.2　AMにおける粉末固着積層法
10.3　粉末固着積層法を応用した人工骨の製作
10.4　その他のAMを用いた人工骨の製作
10.5　おわりに

11　3Dプリンターを用いた超軟質心臓シミュレーターへの応用　　(竹田正俊)
11.1　はじめに
11.2　時間および原価管理システム「CMAX」の構築
11.3　いのちを救うプロジェクト
11.4　再現性にこだわった技術革新
11.5　独自性と今後の波及効果
11.6　How to makeからWhat to makeへ

12　Additive Manufacturingに特化したプロセス管理・自動化システム　　(矢田拓)
12.1　現在のAM技術
12.2　AMを用いた生産
12.2.1　AM生産における課題
12.2.2　AM生産の成功事例
12.3　AMプロセスを管理する専用システム
12.3.1　一元管理と自動化
12.3.2　効率的な生産
12.3.3　トレーサビリティと品質管理
12.3.4　シームレスな統合
12.4　まとめ

第5章　市場動向と今後の展望

1　3Dプリンタ最新情報と今後の可能性　　(小林広美)
1.1　はじめに
1.2　3Dプリント=積層造形(成形)法
1.3　3Dプリンタ　市場性
1.4　3D Systems社について
1.5　様々な積層造形方式と特徴
1.6　「ものづくり」の様々な段階で活用される3Dプリンタ
1.7　3Dプリンタを活用した新しい生産メソッド
1.8　医療分野での活用
1.9　オンデマンド3Dプリント事業
1.10　エンターテインメント,フィギュア,記念品
1.11　建築,土木,住宅販売など
1.12　バーチャルリアリティと3Dプリント
1.13　宇宙開発
1.14　個人レベルに広がる3Dプリンタ
1.15　Google “ProJect Ara”カスタム生産ラインに組み込まれる3Dプリンタ
1.16　最後に

2　マイクロ・ナノ光造形法による次世代造形技術　　(丸尾昭二)
2.1　はじめに―光造形からマイクロ・ナノ光造形へ―
2.2　2光子マイクロ光造形法の原理と特徴
2.3　2光子造形法の進化―加工分解能・加工速度の向上とハイアスペクト化―
2.4　2光子造形法の応用―高機能ラボオンチップの開発―
2.5　無電解めっきによる金属化マイクロマシンの開発
2.6　シリコーン樹脂型を用いた3次元構造体の複製技術
2.7　新規な感光性材料による機能構造体の作製―アモルファスカーボン構造体の形成―
2.8　セラミックス材料を用いた鋳型技術による機能構造体の創製
2.9　まとめと今後の展望

3　金属の積層造形技術の今後の展開と国際標準化の動向　　(芦田極)
3.1　はじめに
3.2　3Dプリンターの多様化と材料の変遷
3.3　3Dプリンターによる金属部品の製作
3.3.1　3Dプリンターによる金属部品の間接造形
3.3.2　3Dプリンターによる金属部品の直接造形
3.3.3　金属積層造形技術の開発課題
3.4　国際標準化の動向
3.4.1　ISOとASTMの相違点
3.4.2　ASTM F42とISO/TC261の共同作業
3.4.3　Additive Manufacturingに関する規格の傾向
3.5　金属3Dプリンターの今後の展開