SLAとSLSがラピッドプロトタイピングに革命をもたらす理由

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投稿日：2018年7月13日 | 著者：Will、WayKenプロジェクトマネージャー

技術発展により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、メーカーの主目的は製品製造だけでなく、より短期間でより多くの製品を生産する革新的手法の活用、生産増加にあります。そのため、現代のメーカーは様々なラピッドプロトタイピング技術を採用しています。これらの革新的手法は時間短縮だけでなくコスト効率も良いです。今日採用されているそのようなラピッドプロトタイピング技術の一つが3Dプリント（SLAプロトタイピング & SLSプロトタイピング）です。3Dプリントは、時間とコストの節約に加え、製品の3D CADモデルから最高の機能プロトタイプを生成します。

3Dプリントの歴史

3Dプリントの概念は1981年にまで遡ります。名古屋市工業研究所が光硬化性熱硬化ポリマーを用いて、マスクパターンでUV露光領域を制御し三次元モデルを造形しました。当時は材料と3Dモデリングソフトウェアの制約で用途は限定的でした。2000年代初頭には中国も商用ラピッドプロトタイピング装置を輸入し、主な用途は産業用3Dプリントでした。2013年、NASA職員のサマンサ・スネイブスとマシュー・フィドラーが手頃な価格の3Dプリンタ「Gigabot」の最初のプロトタイプを発表し、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流トレンド

コスト削減から革新による効率向上まで、多くの人々が3Dプリントの製造業の未来への影響に期待しています。しかし真実は、すでに産業界と一般消費者の両方に大きな影響を与えているということです。

家庭用3DプリンタはR&D製品として、業界での3Dモデル設計に使用されます。しかし、産業用顧客向け製品のみと言うのは間違いです。材料が時間とともにより安価で入手しやすくなったことで、今や一般消費者にも広く普及しています。さらに、3DプリンタはCNCフライス、旋盤、精密研削など従来の減法工具室方式と比較して遥かに少ないスペースで済みます。

現在利用可能なモデリングソフトウェアの存在も、この技術の発展を後押ししています。一般的にモデルはSTL形式で保存されます。これはラピッドプロトタイピング用のCADファイル形式で、CADモデルの三角形分割に基づいてデータを格納します。しかしこの形式は大量の格子構造でファイルを保存し、エラーを生み出していました。新しいソフトウェアではAdditive Manufacturing File Format（AMF）でファイルを保存し、より少ないエラーを生成します。さらに、これらのソフトウェアはユーザーフレンドリーなインターフェースを持ち、一般消費者も産業ユーザーも製品の3Dモデルを容易に作成できます。

最近の調査では、2020年までに世界で670万台の3Dプリンタが出荷されると予測されており、これは2016年の14倍です。新技術が3Dプリンタの用途を改善し続ける中、この技術は製造業をさらなる栄光の高みへ導き続けるでしょう。

図1：2015〜2020年の世界3Dプリンタ出荷台数

3Dプリント技術

3Dプリント技術には、最も一般的に使用される2つの技術があります：SLAラピッドプロトタイピング & SLSラピッドプロトタイピング。

1. SLAラピッドプロトタイピング

SLAラピッドプロトタイピング（ステレオリソグラフィーとも呼ばれる）は、光重合の技術を用いて、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3Dプリント技術の一種です。光重合とは、光の作用下で分子が結合してポリマーを形成するプロセスです。つまり、プロトタイプ作成に使用されるレジン（材料）が光と紫外線で固化されます。こうして、SLAラピッドプロトタイピングを用いて所望のプロトタイプが層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、フォトポリマー槽上に事前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UV放射に感応するため、レジンが固化し、所望プロトタイプの単一層を形成します。こうして、レジンの層が固化され、所望プロトタイプが形成されるまで続きます。

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持ちますが、その汎用性は使用されるレジンにあります。技術発展に伴い、材料エンジニアは標準エンジニアリング熱可塑性材料の特性に匹敵する、SLAプロトタイピング用の様々なレジンを創り出しました。

用途

SLAラピッドプロトタイピングは、その誕生以来、様々な業界で製品開発に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プ製品は、技術導入以来医療で使用されています。コンピュータスキャンから得られたデータに基づき、患者の身体各部位の解剖学的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支援に用いられます。外科医は手術支援に、義肢装具士はカスタムフィットインプラント製造にこれらのモデルを使用します。

図3：SLAラピッドプロトタイピングで生成されたモデル

・プロトタイピング

SLAラピッドプロトタイピングは、比較的低コストで均一/不均一形状材料のプロトタイプ作成にも使用されます。SLAラピッドプロトタイピング手法で作成されたプロトタイプは機械加工可能で、様々な金属鋳造オペレーションのパターン形成が可能です。

2. SLSラピッドプロトタイピング

選択的レーザー焼結（通称SLSラピッドプロトタイピング）技術は、粉末材料の固化剤としてレーザーを使用します。主に使用される粉末材料はナイロンです。ナイロンは印象的な機械的特性を持つエンジニアリング熱可塑性プラスチックで、軽量かつ安定しています。このタイプの3Dプリンタは、レーザーを粉末材料に自動的に照射し、所望構造を作成するために固化させます。SLSラピッドプロトタイピングは、材料が焼結されるのではなく溶融されるSLM（選択的レーザー溶解）とは異なります。

図4：SLSラピッドプロトタイピングのプロセスを示す図

SLSラピッドプロトタイピングは、SLAラピッドプロトタイピングと同様に、コンピュータ支援設計を用いて、焼結粉末の助けを借りて所望プロトタイプを開発します。高出力レーザー（主に二酸化炭素レーザー、小さな粒子を粉末形態で融合させる融合源）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走査し、所望プロトタイプの形状で焼結材料を選択的に融合させます。断面走査後、粉末ベッドが下げられ、新しい材料層が上面に適用され、所望製品が形成されるまで繰り返されます。

SLSラピッドプロトタイピングで使用されるナイロン材料により、高い機械的強度、衝撃耐性、軽量、耐水性を持つプロトタイプの作成に有用です。低コスト生産と高生産性により、この技術はラピッドプロトタイピングで産業界にかなり普及しています。

用途

SLSラピッドプロトタイピングは、その誕生以来、様々な業界で製品開発に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、少量で高品質パーツが要求される業界で人気です。その一つが航空宇宙産業で、航空機向けプロトタイプが必要とされます。航空機やその他航空宇宙機器は少数生産で数十年運用されるため、SLSラピッドプロトタイピングは航空機産業向け高品質パーツ製造に使用されます。

図5：エアバスがSLSラピッドプロトタイピングで製造したコンパートメントパネル

・複雑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モデルを用いて複雑な形状のジオメトリを生成するために産業界で広く使用されています。SLSラピッドプロトタイピングは、レーザーの作用下で材料を融合させる多様な材料でプロトタイプを生成できるためです。サポート構造が不要なことも、高品質パーツを生産する業界で広く人気がある理由です。

図6：SLSラピッドプロトタイピングで設計されたプロペラ

SLAとSLSの比較

1. 使用原材料

SLS - 原材料はナイロンパウダー、ポリカーボネートカーボンパウダー、塩化ビニルパウダー等、高性能なものまで多岐にわたります。
SLA - 原材料は液体ポリマーで、熱可塑性材料と比較可能な品質ではありません。

2. 材料収縮

SLS - 材料収縮は2〜4%の範囲。
SLA - 材料収縮は0.4%未満で、より詳細なパーツ製造が可能。

3. 造形サイズ

SLS - 最大1500 × 750 × 500 mmのプロトタイプ製造可能。
SLA - 最大145 × 145 × 175 mmのプロトタイプ製造可能。

4. 表面仕上げ

SLS - 材料仕上げは粗くややルーズ。
SLA - 材料仕上げは比較的滑らか。

5. 強度

SLS - 使用原材料により生成パーツの強度は高い。
SLA - 生成材料の強度は比較的低い。

6. 機械加工オペレーション

SLS - 生成プロトタイプはフライス、旋盤、ドリル等の機械加工が容易。
SLA - プロトタイプ強度が低いため機械加工は困難、細心の注意が必要。

7. 耐摩耗性

SLS - 耐摩耗性は熱可塑性材料と類似。
SLA - 環境条件への耐性は劣る。エポキシレジン使用で大幅に改善可能。

図7：SLSラピッドプロトタイピングで生成されたモデル

メリット：SLAとSLSを用いた3Dプリント

より短期間で製品を大量生産するため、3Dプリントは必須ツールです。この技術採用により享受できる多くのメリットがあります。

1. コスト効率

コスト効率は3Dプリントの主なメリットの一つです。このプロセスで生成されるプロトタイプの強度と仕上げは修正を必要とせず、コストを節約します。さらに、製品を大量生産できることも大幅なコスト削減になります。

2. 速度

この技術により、産業従事者は従来の産業プロセスと比較して遥かに短時間で、より多くの製品をより高速に生産できます。ユーザーはCADモデルのみを必要とし、プリンタはそのモデルを使用し、遥かに短時間で製品を開発します。さらに、設計されたプロトタイプは高品質と強度を持ち、この技術が産業界と一般消費者の両方で世界中に普及しています。

3. 保管スペースの削減

3Dプリンタは、これまで産業界で採用されてきた従来の大量生産機械と比較して遥かに少ないスペースを消費します。さらに、それら機械の工具は重く高価ですが、コンパクトな3Dプリンタは遥かに少ないスペースで済みます。

4. リスクの軽減

3Dプリントにより、高価なプロトタイプを生産する前にCADモデルで設計を検証できます。それによりCADモデルが修正されます。さらに、テスト金型の製造は、すでに製造された金型を変更するより遥かに安価です。

5. フィードバック

プロトタイプがあれば、実際に製品を生産する前に市場ポテンシャルをテストできます。実際の生産前に購入者の反応を知ることで、製品の将来展望を予測し、市場供給のために大量生産すべき製品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

標準機械加工オペレーションを大量生産に使用すると、すべてのパーツは同じ設計や欠陥（あれば）で機械や金型から出てきます。しかし3Dプリントの場合、顧客や市場ニーズに応じた製品のカスタマイズ、パーソナライゼーションの余地が常にあります。

結論

SLAプロトタイピングとSLSプロトタイピングの両方は、技術世界における偉大な革命の一つと見なされています。機能プロトタイプの生産は、プロトタイプの特性要件に応じてこれら2つの技術を採用することで、もはや困難なタスクではありません。SLAは表面仕上げに優れ、SLSは高強度製品の生産に優れます。両者ともトップクラス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大量生産に使用できます。