消費者向けデスクトップ3Dプリンターで印刷できる熱可塑性樹脂にはさまざまな種類があります。それにもかかわらず、ほとんどの場合、ユーザーはポリラクチド（PLA）フィラメントに目を向けます。材料の中で最も安価であるだけでなく、取り扱いも最も簡単です。早くも180℃で押し出すことができ、テーブルを加熱しなくても良好な結果が得られます。 PLA印刷オブジェクトの欠点は、比較的もろく、高温に耐えられないことです。軽量コンポーネントのプロトタイピングまたは印刷には、PLAが最適です。ただし、多くのユーザーはすぐにその機能を超えます。
次のステップは通常、ポリエチレンテレフタレート（PETG）です。 PLAよりも作業はそれほど難しくありませんが、信頼性が高く、高温に耐えることができます。一般に、機械的に応力がかかった部品を作成するのに適しています。しかし、さらに強力で耐熱性の高い部品を作成する必要がある場合は、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ABS）、ポリカーボネート（PC）、またはナイロンに切り替えることができます。そして、これが問題の始まりです。これらの材料は250°Cを超える温度で押し出され、最良の結果を得るには、密閉チャンバーをお勧めします。これらのプリンターは、愛好家が喜んで協力する予算範囲のトップにあります。
このような産業用3DプリンターであるApiumP220は、約30,000ドルから始まります。
ただし、最も高価な産業用3Dプリンターは、ポリエーテルイミド（PEI）またはポリアリールエーテルケトンファミリー（PAEK、PEEK、PEKK）などのさらに強力なプラスチックを使用できます。 ..。これらのプラスチックで作られたコンポーネントは、はるかに軽量でありながら金属を置き換えることができるため、航空宇宙用途に適しています。
このようなプラスチックは400°Cのオーダーの温度で押し出す必要があり、操作には密閉されたチャンバーが必要であり、その温度は常に100°Cを超えます。この種の最も安価なプリンターは数万ドルの費用がかかり、一部のモデルは6桁もかかります。
当然のことながら、それほど昔のことではありませんが、すべての3Dプリンターについて同じことが言えます。かつては設備の整った研究所だけがそのような機械を使用していましたが、現在は世界中のハッカーや愛好家の作業台にあります。高温3Dプリンターの場合、同じ競争が価格の低下から始まるかどうかを予測することは困難ですが、技術を民主化するための最初のステップはすでに実行されています。
エンジニアリングの難しさ
簡単に言えば、これらのいわゆるをサポートするマシン。 「エンジニアリングプラスチック」では、3Dプリンターとストーブのハイブリッドである必要があります。もちろん、これが主な問題です。プリンター自体（私たちが机の上で見慣れているタイプと品質）は、そのような状況では生き残れません。消費者向けプリンターがPEIおよびPEEKプラスチック部品を製造するには、真剣にリサイクルする必要があります。それが2016年にNASALulzBot TAZ4から入ってきたものです。
高温印刷をサポートするために再設計されたLulzBotTAZ 4
最初に、絶縁体をTAZ 4に適合するように設計し、加熱用に35W赤外線ランプのセットを取り付ける必要がありました。このような状況では、プリンターの電子機器は自然に過熱するため、屋外に持ち出す必要がありました。
ステッパーモーターも過熱します。しかし、それらを実行する代わりに、ラングレーリサーチセンターのチームは、圧縮された空気が循環する各モーターに冷却シュラウドを作成することを決定しました。多くのデスクトップ3Dプリンター
と同様に、TAZ4は複数の印刷コンポーネントを使用します。それらはABSであるため、PEEKをサポートするように設計されたチャンバー内ですぐに崩壊します。それらはPCから印刷されましたが、この素材でさえ、常に使用するには十分な耐久性がありませんでした。古典的なRepRapの伝統では、チームは、商業的にUltemと名付けられたPEIプラスチックから、最も変更されたプリンターで最後の3番目のコンポーネントセットを印刷しました。
驚いたことに、チームはプリンターのノズルを400°Cでプラスチックを押し出すことができる別のノズルと交換するのにほとんど問題がありませんでした。人気のあるE3D-v6押出機は、100ドル未満で、その温度を維持できることが証明されています。確かに、チームはサーミスタをより良いものと交換し、Marlinファームウェアを変更して高温に到達できるようにする必要がありました。従来のプリンタでは、温度が高すぎると緊急シャットダウンが発生します。
リサイクルされたLulzBotTAZ4にUltem1010プラスチックから印刷した結果。
結局、NASAのレポートは、LulzBot TAZ4の手直しが完全に成功したことを示しました。彼らは、赤外線ランプをオフにした状態でPEIを印刷する試みが失敗したことを指摘しました。これは、モデルが剥離して反っていたためです。彼らは手直しの費用を示していませんでしたが、当時TAZ 4の費用が2,200ドルだったことを考えると、プロジェクト全体の費用は同様の商業提案の10倍も安くなる可能性があります。
ゼロから始める
NASAの実験では、既存のデスクトップ3Dプリンターを、高温のエンジニアリングプラスチックを使用して、非常に安価に印刷できることが示されました。しかし、このアプローチが理想的な解決策であると信じている人はほとんどいません。繰り返される操作が多すぎるため、NASAのエンジニアはLulzBot開発者による決定の一部を放棄しなければなりませんでした。それでも、この実験は、ゼロから構築されている他のプロジェクトに貴重なベースラインを提供しました。
2020年9月、ミシガン工科大学のチームがケルベロスを展示しましたPEIとPEKKからアイテムを作成できるオープンソースの高温3Dプリンターで、組み立てにわずか1000ドルかかります。チームは、既存の設計を採用することなく、高温印刷を目指してゼロから開発を開始しました。すべての電子機器は、チャンバーの温度を動作温度まですばやく上昇させるキロワットの加熱要素を使用して、密閉されたチャンバーとは別に収納されています。
すべてのステッパーモーターもカメラの外にあります。このため、キネマティクスはデスクトップ3Dプリンターよりも複雑になりますが、Cerberusはモーター用の特別な冷却システムを必要としなくなりました。
ケルベロスの構築は、野心的な愛好家にとって非常に手頃な価格です。簡素化された回路、Arduino Mega2560およびRAMPS1.4に基づく既製の制御電子機器、TAZ 4と同じE3D-v6押出機を備えています。さらに、チームはプリンターを組み立てるための明確で詳細な手順を示しました。これはNASAのレポートには当てはまりません。会う。
機会の拡大
NASAのTAZ4のリワークであろうと、Cerberusのような新しいデザインであろうと、ホームワークショップでのPEIとPEEK印刷の技術的機能は、それらを切実に必要としている人々にすでに利用可能であることは明らかです。 Amazonで200ドルの3Dプリンターを購入するほど簡単ではありませんが、需要が発生した場合、同じ原則に基づいてより安価なマシンが市場に出回ることになります。状況は、過去数年間に市場に参入した手頃な価格のレーザーカッターの現在の波と大差ありません。
世界中のファンがPPEを印刷しています
そのようなマシンの需要はありますか？一年前、答えは今日とは異なっていたかもしれません。しかし、コロナウイルスの大流行との戦いにおいて、誰も予測できなかった個人用保護装置（PPE）の迅速な製造に対する新たな需要があります。
Cerberusの論文で説明されているように、チームは、高温で滅菌できるPPEの印刷に使用できるという理由だけで、手頃な価格の高温3Dプリンターの開発に情熱を注ぐようになりました。チームは、PEKKから印刷されたマスクは、廃棄するのではなく再利用できると考えています。
印刷して繰り返し滅菌できるコンポーネントには、明らかに他の潜在的な医療用途があります。このようなコンポーネントを製造できるポータブルで低コストのマシンは、消耗品や機器にすばやくアクセスできない地球上の場所で命を救う可能性があります。
3D印刷の批評家は、これらのマシンの主な欠点は、作成するアイテムの信頼性により、粗いプロトタイピング以外の目的に使用できることはめったにないことであるとよく言います。しかし、1,000ドルのプリンターが航空宇宙グレードのコンポーネントの生産を開始すると、私たちは前例のないペースで製造革命に向かっています。