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材料噴射方式 / MJT(Material Jetting) | 3Dプリンターの造形方式

材料噴射方式(マテリアルジェット方式:Material Jetting ) とは、結合剤噴射方式とともにインクジェット方式に分類されます。3Dプリンターのノズルからモデル材とサポート材をステージに噴射し、材料に応じて紫外線の照射や加熱、冷却することで硬化させ、複雑な造形物を高解像度、高精度にモデリングできる造形方式です。

材料噴射方式 / MJT(Material Jetting) | 3Dプリンターの造形方式

材料噴射方式は、使用する材料や材料を噴射するノズルの違いにより、MJ、NPJ、DODなどに分類できるため、それぞれの特徴を解説します。

材料噴射方式 / MJT(Material Jetting)の種類

材料噴射方式に含まれる造形方式の種類について解説していきます。

MJ(Material Jetting)

MJは材料噴射方式のもっとも代表的な手法です。モデル材となる光硬化性樹脂とサポート材となるワックスを複数のノズルから噴射し、紫外線を照射することでモデル材の部分だけを硬化させるプロセスを繰り返して積層する造形方式です。一層分の積層が終わるとモデル材を噴射するステージを下げ、次の積層を行います。

MJでは、モデル材に色や他の材料を混ぜることができるため、フルカラーでの着色やさまざまな硬度のモデルを造形することが可能です。また、造形精度が高く、なめらかな表面のモデルを造形しやすいため、精度が求められる造形物の作成に向いています。

一方でモデル材とサポート材を別の材料にする必要があり、完成品の空洞部すべてにサポート材が必要なので、造形したい形状によっては、コストが高くなってしまう可能性があります。また、モデル材に光硬化性樹脂を使用しているため太陽光に弱く、耐久性はそれほど高くありません。

MJが向いている用途としては、デザインや形状の確認やフィギュアなど屋内で鑑賞するものが挙げられます。その反面、大きな負荷をかけたり、太陽光が長時間当たる屋外などで使用するものには向いていません。

NPJ(Nano Particle Jetting) なの

NPJは、モデル材となるナノサイズの金属粒子と特殊なサポート剤をインクジェットノズルから吹き付ける造形方式です。前述のMJではモデル材に光硬化性樹脂を用いていますが、NPJではステンレススチールなどの金属材料を中心に、近年はセラミックに対応した機種も開発されています。

噴射した材料を硬化させる際に、MJの場合には紫外線を照射します。しかしNPJでは金属材料を使用するため、紫外線を照射しても硬化しません。材料を硬化させる際には、最高300℃という環境でサポート材を蒸発させるとともに、ナノサイズの金属粒子同士を結合させ、造形物の層を形成します。

金属材料を用いた3Dプリンタには指向性エネルギー堆積方式などがありますが、NPJでは数千個のインクジェットノズルから金属ナノ粒子を同時に噴射し層を形成するため、短時間での造形が可能です。また、積層ピッチは2ミクロンと細かく、粉末材料を使用する場合に比べ表面仕上げの精度も高いため、より高精細な造形を可能としています。

また、高圧なレーザーを使用しないため安全であり、材料は専用のカートリッジで供給するため、材料を交換・補充する際の手間も大きくありません。高い安全性を確保しながら効率的な造形が可能です。

NPJで造形した造形物は、基本的に従来の金属製品と同等の性能と考えられるため、性能評価をする試作品などにも活用できます。

DOD(Drop on Demand)

DODは、複数のノズルの中で印刷に必要なタイミングで必要なノズルだけが開閉することで、インクを吹き付ける造形方式です。モデル材としてはシリコンなどを使用しており、加熱して溶かした材料をステージに噴射し、冷却することで硬化させます。

機種によってはさまざまな色、硬度、化学的特性、物理的特性を用いる材料を独立配置できるため、食品安全装置や医療機器、足場など広く活用が進められています。また、今後は導電性材料と絶縁性材料を一度に3Dプリントすることで、複雑な電子部品の製造方法が開発されています。

インクを噴射する仕組みの違いで、ピエゾ式、サーマル式、電磁バルブ式などに分類できます。

ピエゾ式では、圧電素子であるピエゾ素子が持つ電歪(でんわい)現象によりインクを噴射します。サーマル式では、ノズル内で急速に加熱しインクを気化させることで、発生した蒸気の圧力を利用してインクを噴射します。電磁バルブ式は、ノズルに設けられた電磁バルブを必要な位置のみ開けることで、インクを噴射します。

活用が広まっていくことが期待される造形法です。

材料噴射方式は高解像度、高精度に作成できる造形方式

材料噴射方式は、インクジェット方式に分類される造形方式の一つで、さらに使用するモデル材や噴射法の違いによりMJやNPJ、DODに分類されます。さまざまな材料を組み合わせることが可能なため、造形物の色や硬度を調整することができます。

また、複雑な造形物を高解像度、高精度に造形できるため、複雑な形状の3Dデザインやフィギュアなどの造形に活用されています。NPJやDODでは、さらなる技術開発が進められており、活用の幅が広がることが期待される造形法です。

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