SLA と SLS がラピッド プロトタイピング業界をどのように変えるか

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投稿日:2018 年 7 月 13 日 |遺言により、WayKen プロジェクト マネージャー

技術の発展により、3D プリントは単なる概念から現実へと進化しました。産業の飽和により、製造業者は製品を製造するだけでなく、革新的な方法を使用してより短い時間でより多くの製品を生産し、生産量を増やすことを主な目的としました。そのため、最近のメーカーはさまざまなラピッド プロトタイピング技術を使用しています。これらの革新的な方法は、時間を節約するだけでなく、費用対効果にも優れています。最近採用されているラピッド プロトタイピング手法の 1 つは、3D プリントの使用です (SLA プロトタイピングと SLS プロトタイピング)。 ）。 3D プリントは、時間とコストを節約するだけでなく、製品の 3D CAD モデルから最高の機能プロトタイプを作成します。

3D プリントの歴史

3D プリンティングの概念は 1981 年に遡り、名古屋市工業研究所がマスク パターンを使用して UV 露光領域を制御する 3 次元モデルを製造するために、光硬化性熱硬化性ポリマーを利用したのが始まりです。しかし、当時は材料や 3D モデリング ソフトウェアの制限により、その使用は少なくなりました。早くも 2000 年に、中国は商業用ラピッド プロトタイピング装置を輸入しており、その主な用途の 1 つが産業用 3D プリンティングでした。 2013 年に、NASA の 2 人の従業員であるサマンサ スナベスとマシュー フィードラーが、手頃な価格の 3D プリンターである Gigabot の最初のプロトタイプを発表したとき、産業界で一般的な言葉になりました。

3D プリント:ラピッド プロトタイピングの主要トレンド

イノベーションによるコストの削減から効率の向上まで、多くの人々が 3D プリントが製造業の未来に与える影響に興奮しています。しかし、実際には、すでに業界だけでなく国内の顧客にも大きな影響を与えています.

国内の 3D プリンターは、R​​&D 製品として、および業界での 3D モデルの設計に使用されています。しかし、それが産業顧客向けの製品であるというのは間違いです。現在、その大規模なアプリケーションにより、民間の顧客の間で広く人気が高まっています。主な理由は、3D プリントで使用される材料が時間の経過とともに安価になり、容易に入手できるようになったためです。さらに、3D プリンターは、CNC フライス加工、旋盤、精密研削などの従来のサブトラクティブ ツール ルームの方法と比較して、はるかに少ないスペースを占有します。

現在、モデリング ソフトウェアが利用できるようになったことも、この技術の開発に役立っています。通常、モデルは STL 形式で保存されます。STL 形式は、CAD モデルの三角形分割に基づくデータを格納するラピッド プロトタイピング用の CAD ファイル形式です。しかし、この形式はファイルを多数の格子構造に保存するために使用され、エラーが発生しました。しかし、新しいソフトウェアは、ファイルを Additive Manufacturing File Format (AMF) で保存するため、エラーの数が少なくなります。さらに、これらのソフトウェアには使いやすいインターフェースがあり、家庭用ユーザーだけでなく産業用ユーザーも製品の 3D モデルを簡単にモデル化できます。

最近の調査によると、2020 年までに 670 万台の 3D プリンターが世界中で出荷され、これは 2016 年の 14 倍になります。新しいテクノロジーが 3D プリンターの使用を改善するにつれて、テクノロジーは製造業をより高い栄光の高みへと導き続けます

図 1:2015 年から 2020 年までの 3D プリンターの世界出荷台数

3D プリント技術

3D プリント技術に関しては、最も一般的に使用されている技術が 2 つあります。SLA ラピッド プロトタイピングと SLS ラピッド プロトタイピングです。

1. SLA ラピッド プロトタイピング

Stereolithography としても知られる SLA ラピッド プロトタイピングは、光重合技術を使用して層ごとに異なるプロトタイプ、モデル、パターンを作成するために使用される 3D 印刷技術の一種です。光重合は、光の作用で分子が結合してポリマーを形成するプロセスです。基本的にはレジン（原型を作る材料）を光と紫外線で固めます。このようにして、SLA ラピッド プロトタイピングを使用して、必要なプロトタイプがレイヤーごとに作成されます。

図 2:SLA ラピッド プロトタイピングのプロセスを示す図

UV 放射は、フォトポリマー バット上に事前にプログラムされた形状を構築するために使用されます。フォトポリマーは紫外線に敏感であるため、樹脂が固化し、目的のプロトタイプの単層を形成します。このようにして、目的のプロトタイプが形成されるまで、樹脂の層が固化されます。

SLA プロトタイプ製品は、すべての 3D ラピッド プロトタイピング技術の中で最高の解像度と表面仕上げを備えていますが、その汎用性は使用する樹脂にあります。技術の発展に伴い、材料エンジニアは、標準的なエンジニアリング熱可塑性材料の特性と一致する特性を持つ、SLA プロトタイピングで使用されるさまざまな樹脂を作成しました。

用途

SLA ラピッド プロトタイピングは、当初から製品開発のためにさまざまな業界で広く使用されています。

· 医療モデリング

SLA ラピッド プロトタイピングされた製品は、技術が導入されて以来、医療で使用されています。コンピューター スキャンから得られたデータに基づいて、患者の体のさまざまな領域の解剖学的 3D モデルを作成するために使用されます。これらのモデルは、診断と治療の補助に使用されます。外科医はこれらのモデルを手術の補助として使用し、義肢装具士はこれらのモデルを使用してカスタム フィッティング インプラントを製造します。

図 3:SLA ラピッド プロトタイピングによって作成されたモデル

· プロトタイピング

SLA ラピッド プロトタイピングは、均一/不規則な形状の材料のプロトタイプを比較的低コストで作成するためにも使用されます。 SLA ラピッド プロトタイピング法によって作成されたプロトタイプは機械加工が可能で、さまざまな金属鋳造操作のパターンを形成できます。

2. SLS ラピッド プロトタイピング

一般に SLS ラピッド プロトタイピング技術と呼ばれる選択的レーザー焼結では、レーザーを粉末材料の固化剤として使用します。主に使用される粉末材料はナイロンです。ナイロンは、優れた機械的特性を備えたエンジニアリング熱可塑性樹脂であり、軽量で安定しています。このタイプの 3D プリンターは、必要な構造を作成するために粉末状の材料にレーザーを自動的に向けて固化させます。 SLS ラピッド プロトタイピングは、SLM のような選択的レーザー溶融とは異なります。材料は、SLS ラピッド プロトタイピングのように焼結されるのではなく、溶融されます。

図 4:SLS ラピッド プロトタイピングのプロセスを示す図

SLA ラピッド プロトタイピングと同様に、SLS ラピッド プロトタイピングでは、コンピュータ支援設計を使用して、焼結粉末を使用して必要なプロトタイプを開発します。これは、必要なプロトタイプを形成するために、粉末の形の小さな粒子の融合源である高出力レーザー、主に二酸化炭素レーザーを使用します。レーザーは、CAD モデルによって生成された断面をスキャンし、必要なプロトタイプの形状で焼結材料を選択的に融合します。断面がスキャンされた後、粉末床が下げられ、目的の製品が形成されるまで、材料の新しい層が上に適用されます.

SLS ラピッド プロトタイピングで使用されるナイロン素材は、機械的強度が高く、耐衝撃性、軽量性、防水性に優れたプロトタイプの作成に役立ちます。低コストの生産と高い生産性により、この手法はラピッド プロトタイピングの業界で非常に人気があります。

用途

SLS ラピッド プロトタイピングは、当初から製品開発のためにさまざまな業界で広く使用されています

· 航空宇宙産業

SLS ラピッド プロトタイピングは、高品質の部品が少量で必要とされる業界で非常に人気があります。そのような産業の 1 つは、航空機のプロトタイプが必要とされる航空宇宙産業です。航空機やその他の航空宇宙用車両の製造数は少なく、何十年にもわたって使用され続けているため、SLS ラピッド プロトタイピングを使用して、航空機産業向けの高品質の部品を製造しています。

図 5:エアバスが SLS ラピッド プロトタイピングを使用して作成したコンパートメント パネル

· 複雑な形状のプロトタイピング

SLS ラピッド プロトタイピングは、CAD モデルを使用して複雑な形状のジオメトリを作成するために、業界で広く使用されています。これは、SLS ラピッド プロトタイピングでは、さまざまな材料を使用してプロトタイプを作成し、レーザーの作用で融合させることができるためです。構造をサポートする必要がないため、高品質の部品を製造する業界で広く普及しています。

図 6:SLS ラピッド プロトタイピングによって設計されたプロペラ

SLA と SLS の比較

1.使用原材料

SLS - 使用される原材料はナイロン パウダーとは異なります。ポリカーボネイト カーボン パウダーから塩化ビニル;パウダーなのに高性能。

SLA - 使用される原材料は液体ポリマーであり、熱可塑性材料に匹敵する品質ではありません。

2.素材の収縮

SLS -素材の収縮率は 2 ～ 4% です。

SLA -材料の収縮が 0.4% 未満であるため、より詳細な部品を製造できます。

3.ビルドサイズ

SLS -1500 x 750 x 500 mm までのサイズのプロトタイプを作成できます。

SLA - 145 x 145 x 175 mm までのサイズのプロトタイプを作成できます。

4.表面仕上げ

SLS -素材の仕上がりがざらざらしていて、やや緩いです.

SLA -素材の仕上がりは比較的滑らかです。

5.強さ

SLS -使用される原材料により、製造された部品の強度が高くなります。

SLA - 生産される材料の強度が比較的低い。

6.加工オペレーション

SLS - 作成された試作品は、フライス加工、旋盤加工、穴あけ加工などの機械加工が容易です。

SLA -プロトタイプの強度が低いため、機械加工が難しく、細心の注意が必要です。

7.耐摩耗性

SLS - 耐摩耗性と耐引裂性は、熱可塑性材料と同様です。

SLA - 環境条件に対する耐性が低い。エポキシ樹脂を使用すると、耐性が大幅に向上します。

図 7:SLS ラピッド プロトタイピングによって作成されたモデル

メリット:SLA と SLS を使用した 3D プリント

短期間で製品を大量生産するためには、3D プリントは不可欠なツールです。この手法を採用することで得られるメリットは数多くあります。

1.費用対効果

費用対効果は、3D プリントの主な利点の 1 つです。このプロセスから作成された試作品の強度と仕上げは、お金を節約するための変更を必要としません。さらに、製品は大量生産できるため、多くの費用も節約できます。

2.スピード

この技術により、産業家は、使用される従来の工業プロセスと比較して、より多くの製品を高速でより少ない時間で生産することができます。ユーザーが必要とするのは CAD モデルだけで、プリンターはそのモデルを使用して、はるかに短い時間で製品を開発します。さらに、設計された試作品は高品質で強度が高く、この技術は世界中の産業だけでなく一般市民にも人気があります。

3.ストレージスペースの削減

3D プリンターは、これまで業界で採用されていた従来の大量生産機械と比較して、はるかに少ないスペースを消費します。さらに、これらのマシンのツールは、はるかに少ないスペースしか消費しないコンパクトな 3D プリンターと比較して、重くて高価です。

4.リスクの軽減

3D プリントでは、CAD モデルで高価なプロトタイプを作成する前に、設計を検証することもできます。そのため、CAD モデルはそれに応じて修正されました。さらに、テスト用金型の製作は、既に製作された金型を変更するよりもはるかに安価です。

5.フィードバック

プロトタイプを使用すると、実際に製品を製造する前に、製品の市場の可能性をテストできます。製品を実際に生産する前のバイヤーの反応は、製品の将来の見通しを予測し、市場に供給するために大量生産する製品の数を決定するのに役立ちます.

6.パーソナライゼーション

大量生産に使用される標準的な機械加工操作では、すべての部品が機械または金型から同じデザインまたは欠陥があれば外れます。しかし、3D プリントの場合は、顧客の要求や市場の要求に応じて、カスタマイズや製品のパーソナライズが常に行われます。

結びの言葉

SLA プロトタイピングと SLS プロトタイピングはどちらも、技術の世界における大きな革命の 1 つと考えられています。機能プロトタイプの作成は、プロトタイプの特性の要件に従って、これらの 2 つの手法を使用することで簡単に作成できるため、もはや難しい作業ではありません。 SLA は表面仕上げに適していますが、SLS は高強度製品の製造に適しています。どちらも最先端のラピッド プロトタイピング技術であり、エラーの少ない製品の大量生産に使用できます。