選択的レーザー焼結（SLS）：最先端技術、先進材料、拡大する応用

[画像クレジット: 3D Hubs]
 
選択的レーザー焼結（SLS）は、産業用途で最も人気のあるポリマー3Dプリント技術の一つです。30年以上前に出現して以来、SLSは機能プロトタイピング、そして最近では生産にも対応できる技術へと着実に成熟してきました。
 
この進化を牽引しているのは、ハードウェアと材料分野での継続的イノベーション、そして技術採用者が新しいSLS応用を開発しようとする意欲です。
 
本記事では、SLSの最近の動向を見て、技術の現在の能力と将来の機会について学びます。
 
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SLSの簡単な歴史

 
レーザー焼結は高出力レーザーで粉末材料を一層ずつ融着させます。SLSプリントの主な利点の一つは、設計にサポート構造が不要なこと。プリント中、すべての空洞が未使用粉末で自動的に埋まるため、SLSプリントは自己支持性を持ちます。
 
SLSプリントの概念は1980年代初期に考案されましたが、最初の産業用SLSプリンターが商業化されたのは1992年——DTMのSinterstation 2000（後に3D Systemsと合併）。これに続き、1994年にEOSのEOSINT P350が登場。
 
以来、幅広い（かつ成長中の）マシンが市場参入し、産業文脈でのより高速・大規模プリントの時代が始まりました。
 

SLSハードウェアの注目すべき進展

 

EOSのSLS技術の進化

 
ドイツのポリマー・金属3Dプリント企業EOSは、おそらく市場最大のSLSスペシャリストです。2016年時点で世界中に約3,000台を導入し、うち51%がSLSシステムと主張。
 
30年の歴史を通じ、EOSはSLSをプロトタイピングと生産の両方でさまざまな応用に適した成熟技術へ進化させてきました。
 
この道のりのマイルストーンの一つが、2006年のFORMIGA P 100発売。導入から長年経っても、プラスチック分野の産業用3Dプリント品質基準を設定しました。
 
2012年、EOSはFORMIGA 100の後継機FORMIGA P 110を発売。3D Hubsのプリンターガイド2018調査で「ベストレーザー焼結マシン」に選ばれました。
 

総造形サイズ200×250×330mmのP 110は、よりコスト効率の良い少量プリントと、高度に複雑な形状の中型プロトタイプビルド・パーツを可能にしました。
 
2018年にP 110はFORMIGA 110 Velocisへ強化。改良された加速ヒーティングシステムとリコートプロセス、30ワットレーザービームで高速にポリマー材料を予熱するソフトウェア制御を搭載。
 
さらなる技術改良と調整により、Velocisは生産性を最大20%向上、ビルドエリアの温度分布を改善し、より均質なパーツ品質を実現。
 
高温SLS
 
SLSで最も一般的な材料はナイロンですが、EOSはPEEKのようなより先進的な材料、通常高温でプリント必要なものも処理可能にしたいと考えました。
 
これにより、約385℃までのポリマー処理が可能な初の高温SLSプラットフォーム、EOSINT P 800が2008年に発表。SLS技術を新たな熱可塑性樹脂、すなわちPEEKへ拡張しました。
 
10年後、EOSは高温3DプリンターレンジにEOS P 810を追加。新システムは、カーボンファイバー強化PEKK材料に最適化された世界初の高温レーザー焼結システムと謳われています。
 
継続的イノベーション：FDRとLaserProFusion技術
 
EOSのSLS技術分野での改良とイノベーションは継続中。例えば今年のFormnextで、EOSはポリマーベースのFine Detail Resolution（FDR）3Dプリント技術を披露。COレーザーで、微細ディテール解像度表面と最小壁厚0.22mmの繊細かつ堅牢なポリマーコンポーネントを3Dプリントします。
 
EOSは、粉末ベース産業用3Dプリント向けCOレーザーソリューションを開発した初のメーカーと主張。現在の大多数のSLSマシンは1基または数基のCO₂レーザーを使用。
 
COレーザータイプは、現在のSLS技術の半分のサイズと言われる超微細レーザービームを生成。この追加精度の重要な帰結は、極めて微細な表面を持つパーツを生み出す新しい露光パラメータです。
 
この新技術は、フィルターユニット、流体チャネル、プラグ、その他電子部品、眼鏡などの消費財の3Dプリントに利用可能。
 
FDR技術が繊細なコンポーネントに焦点を当てる一方、もう一つ——まだ商業化されていない——EOSのソリューションであるLaserProFusion技術は、最大生産性向けに設計されています。
 
EOSはLaserProFusionシステムに最大100万基のダイオードレーザーを搭載し、5キロワット以上の累積レーザー出力を実現可能。この技術は主に量産要件を満たすことを目的とし、EOSは多くの用途で射出成形の代替になり得ると述べています。
 

 
最初のSLS 3Dプリンター発売から26年、EOSはSLS技術の顕著な進歩の主要な推進力の一つであり続けています。SLSを量産ソリューションとするビジョンを継続的に追求し、それがついに現実になりつつあります。
 

FarsoonのFlight Technology

 
SLS技術をさらに高速・高精度化しようとするもう一社がFarsoon。同社は新しいFlight Technologyでファイバーレーザーの力を活用。
 
現在のSLSマシンはCO₂レーザーを使用しますが、中国の3Dプリンターメーカーは標準CO₂レーザーをファイバーレーザーに置き換えました。
 
ファイバーレーザーシステムは、粉末床により多くのパワーを供給し、材料へのエネルギー分布を改善可能。ファイバーレーザービームがより小さなレーザースポットサイズを実現するためです。これはより高いパワー密度につながり、粉末をより短時間で焼結できます。
 
ファイバーレーザーに加え、Farsoonは新しいスキャンシステムも開発し、20m/s超のスキャン速度を実現。これは同等技術の約4倍。さらにレーザーからの追加パワーで、0.3mmの微細フィーチャーが可能になります。
 
大量生産向けSLS 3Dプリント導入を推進するよう設計されたFlight Technologyは、この方向への確実な一歩です。
 

2種類の粉末でプリントするSLS 3Dプリンター

 
EOSなど既存SLSプレーヤーが概して直線的イノベーションに注力する中、ベルギーのスタートアップAerosintは、2種類の異なる粉末でプリント可能なSLSシステムを開発するというラジカルなアプローチを採用。これにより、一方の粉末を安価なサポート材として使用可能になります。
 
通常、SLSマシンの未焼結サポート粉末はパーツ造形用材料と同じで、高価になりがち。もちろん、粉末が100%再利用可能なら問題ありませんが、現在は不可能。
 
理由の一つは、SLSプロセスでポリマーが長時間高熱にさらされ、化学変化により焼結特性が予測困難になること。現在、この問題を克服するには「使用済み未焼結」粉末を約50%のバージン粉末と混ぜてリフレッシュするしかありません。
 
あるサービスプロバイダーの試算では、月間500kg購入粉末のうち「25%がパーツになり、25%が廃棄、50%が次のビルド用にリフレッシュされる」とのこと。
 
安価なサポート材とパーツ用第2材料を使い分けられるマシンがあれば、SLSプロセスユーザーに大幅なコスト削減をもたらせます。
 
Aerosintの技術「選択的粉末堆積」は、ビルドエリアを通過する回転ドラムから粉末材料を選択的に堆積させることでこれを実現。1ドラムで1材料を堆積するため、マルチ粉末堆積には最低2ドラムが必要。
 

 
Aerosintの技術は本質的にラインバイラインで、最大200mm/秒のプリントレートを達成可能。これは今日のSLSリコーター移動速度と比較可能。
 
この技術の成熟は、粉末廃棄削減、材料コスト削減、後処理時間短縮など、メーカーに機会の海を解き放ちます。
 

SLS 3Dプリンターのコンパクト化

 
2014年、オリジナルSLS特許の切れを機に、技術をより手頃にしようとする新しい企業群がSLS市場に登場。
 
このシフトで「ベンチトップSLS 3Dプリンター」が誕生。「デスクトップ」と呼ぶには小さくないが、作業台に置けるほどコンパクト。ベンチトップ3Dプリンターの出現で、プロシューマーと中小企業が、産業用SLSシステムの資金やスペースがなくても技術にアクセス可能になりました。
 
Sinterit、Sharebot、Sintratec、そして最近ではFormlabsといったスタートアップが、コンパクトフォームSLS 3Dプリントの競争に参入。
 
Sharebotが最初にベンチトップSLSマシンを市場投入。SnowWhiteは2016年から顧客へ出荷開始。SintratecとSinteritのシステムがダイオードレーザー搭載であるのに対し、SnowWhiteはハイエンドプロ機で一般的なより強力なCO2レーザーを搭載。
 
レーザーと小型の100×100×100mm造形ボリューム（わずか300gの粉末でプリント可能）により、SnowWhiteシステムは特に材料開発用途に適しています。
 
この分野のもう一つの大手はポーランド企業Sinteritで、Sinterit Lisaシステムがこの成長セグメントのフロントランナー。6,990ユーロから、造形ボリューム150×200×150mm、最小層解像度0.075ミクロンで、多額の資本をかけずにSLS技術導入を望む中小企業に適しています。
 

 
昨年、同社は最新ベンチトップSLS 3Dプリンター「Sinterit Lisa Pro」も発表。
 
このセグメントでの潜在的な重大イノベーションは、デスクトップステレオリソグラフィーのリーダーFormlabsが2017年に発表したFuse 1というSLS 3Dプリンター。造形ボリューム165×165×320mm、ファイバーレーザー搭載、価格約1万ドル、2020年中盤に商業リリース予定。
 
2010年代初頭の安価なデスクトップFDMとSLA/DLP 3Dプリンターの洪水が業界を混乱させ、AM業界の成長に大きく貢献したように、手頃なSLSも同じ道を辿る可能性があります。これは最終的にSLSのリーチをより幅広い業界とユーザーへ拡張するでしょう。
 

SLS材料の進化

 
最初のSLS 3Dプリンターで最も一般的に使用されたのはナイロン。軽量性、強度、耐久性で評価される人気エンジニアリングサーモプラスチックです。ナイロン（ポリアミド（PA）としても知られる）は衝撃、化学薬品、熱、UV、水、汚れに対して安定しており、ラピッドプロトタイピングと生産の両方に最適。
 
今日でもナイロンは最も人気のSLS材料ですが、技術と3Dプリント材料の進歩により、ナイロンベース複合材——カーボンファイバー、ガラスファイバー、アルミニウムを混ぜてポリアミドの機械的・熱的特性をさらに向上させた材料——が登場。
 
ナイロンに加え、今日のSLS 3DプリンターはPEEK、PEKK、フレキシブルTPU、難燃性ポリマー、帯電防止ポリマーも処理可能。高性能材料処理の可能性は技術イノベーションと密接に結びついています。EOSの例のように、同社はまず高温3Dプリンターを作る必要があり、それからPEEKのような材料プリントが可能になりました。
 

新しいSLS材料

 
SLS向け新材料開発のペースも励みになります。
 
イタリアの3Dプリント企業CRP Technologyは、おそらくSLS材料の主要な独立開発者の一つで、Windformブランドで知られています。同社はナイロンベース複合材とゴムライクプラスチック粉末のラインナップを提供。
 
Windformラインの最新追加はWindform FR1とWindform FR2——航空機用途（インテリアパーツ、コックピットコンポーネント、エアダクト、エアアウトレットバルブ）、輸送用パーツ（車両インテリア、ハウジング、エンクロージャーアセンブリ）、消費財・電子機器（照明、家電）に適した難燃性複合材。
 
化学メーカーDSMも最近、SLS向け材料開発に着手。昨年、ポリブチレンテレフタレート（PBT）粉末をリリース。興味深いことに、DSMはこの材料がSLS 3Dプリント向けに商業利用可能になった初のPBT粉末だと明記。PBTは絶縁特性により電子業界で用途を持つエンジニアリングサーモプラスチック。
 
さらに、化学大手BASFの子会社Forward AMがUltrasintブランドでSLS材料ラインナップを提供。難燃性Ultrasint Polyamide PA6 Black FR材料がこのレンジの最新で、高剛性と良好な熱安定性を誇ります。Forward AMによると、車両防火要件を満たす新コンポーネント製造に既に採用済み。
 
BASFとDSMの両社が最近、フランスメーカーProdwaysからSLS 3Dプリンターを導入。SLSキャパシティ増強により、両化学メーカーはSLS 3Dプリント向け先進材料開発を加速できます。
 

SLSの後処理

 
SLS技術はサポート構造の設計と除去を不要にしますが、後処理課題がないわけではありません。最大の課題は、パーツ表面に残る余分な粉末、時にはパーツ内部に閉じ込められた粉末を除去する必要があること。
 
現在、これらの課題は手作業洗浄・クリーニング、ビードブラスト、タンブリングなど従来技術で対処。
 
しかし、これらの手法は多くの手作業介入を必要とし、繊細な形状を損傷するリスクを高め、最終パーツの品質にばらつきを生みます。
 
表面仕上げでは、SLSパーツはサンディングと、通常3Dプリント向けに設計されていない半自動装置で平滑化されることが多いです。これらのアプローチでは、SLSプリンターの能力をフル活用し、より大量生産へスケールすることは実用的ではありません。
 
幸い、複数の業界プレーヤーがSLSパーツ後処理の自動化ソリューションを開発中。
 
例えばPostProcess Technologiesは、Thermal Atomized Fusillade（TAF）技術を駆使したソリューションを提供。互いに垂直な2つの単軸ジェットストリーム（圧縮空気、洗剤、懸濁固形物で構成）がターゲットブラストシーケンスを提供し、360°パーツ回転で最大表面露出を実現。
 
英国企業AMTも、年内に自動脱粉ソリューションを発売予定。
 
最終的に、手作業から自動脱粉への移行は、SLS 3Dプリントワークフローを大幅に最適化します。手作業時間削減だけでなく、企業がSLS生産をより効率的にスケールできるようにするからです。
 

SLS応用：生産用途での利用拡大

 
SLS技術はプロトタイピングで使われ続ける一方、機能パーツテストや生産応用でもますます人気です。
 
航空宇宙
 
航空宇宙業界では、例えば航空機インテリアパーツの製造にSLSを使用。一例はUAE最大手航空会社Emirates。同社は3Dプリントで航空機キャビンコンポーネント、ビデオ監視シュラウドとエアベントグリルを製造。後者は既に認証取得し、Emirates機で機上試験中。
 
Emiratesは3D Systemsと提携し、SLS技術と3D SystemsのDuraForm ProX FR1200ナイロン材料でビデオ監視シュラウドを製造。航空機インテリアキャビンパーツに求められる難燃性閾値を満たします。
 

消費財
 
消費財業界では、ChanelがマスカラブラシへのSLS 3Dプリント活用を先駆け。フランスの3DプリントサービスプロバイダーErpro Groupと協業し、現在マスカラブラシを数百万本3Dプリント。
 

 
SLS技術でブラシ設計を最適化——例えばSLS技術で実現される粗い粒状テクスチャが、マスカラのまつげへの密着性を向上。
 
美容製品に加え、SLSは医療とフットウェア分野でもカスタマイズインソールとサンダル製造で利用拡大中。
 

モータースポーツ
 
モータースポーツでは、従来技術では許されない速さで車両設計を革新しテストするのに技術が貢献。
 
Alfa RomeoのザウバーF1チームは、モータースポーツ企業がSLS 3Dプリントをどう活用できるかの好例。
 
SLSは主にAlfa Romeo F1カーの空力開発（風洞実験）と、多様なラミネート金型、コア、複雑なシリアルパーツに使用。
 
生産では、Sauber Engineeringが開発した粉末ベース材料を使用。特に軽量かつ高剛性コンポーネントが必要な場合に採用され、F1ブレーキ換気と量産前車両・プロトタイプのボディコンポーネント、幅広い即用可能建設要素まで対応。
 
SLS応用の限界はありません。最近のSLS材料と技術の進展を考えると、この言葉は特に真実味を帯びます。
 

SLS：ポリマー3Dプリントのベストチョイスの一つ

 
SLS 3Dプリント市場は継続的進化の状態にあります。ベンチトップシステムの導入で技術が民主化される一方、産業用SLS機器メーカーはSLSを生産ツールとして確立するソリューションにより注力。
 
その結果、SLS技術で達成されるプロジェクト量は着実に増加。
 
その証拠として、Sculpteoのレポートによると2019年の3Dプリントプロジェクトの75%以上がSLS手法を使用。ここでの教訓は、SLSがポリマー3Dプリントのベストチョイスの一つと見なされていること。近い将来も遠い将来もこれは変わらないと信じています。