Comparing FFF, SLA, and SLS technologies

FFF、SLA、SLSの各テクノロジーの比較

用途

積層造形(通称3Dプリンティング)は、ビジネスにとってますます貴重なツールとなっています。社内製作を行うことにより、外注する場合に比べてコストを大幅に削減でき、設計の反復回数を自由に増やせるようになります。現在利用されている主要な消費者向け3Dプリンティングテクノロジーは、FFF(熱溶解積層法)、SLA(光造形法)、SLS(選択的レーザー焼結法)の3つです。各テクノロジーに独自のメリットや制限がありますが、自社のビジネスニーズに最適なテクノロジーはどれでしょうか。

All 3D printing technologies are based on a common principle – a 3D CAD model is sliced horizontally into separate cross-sections, that are then printed sequentially on top of each other to form a three-dimensional object. However, FFF, SLA, and SLS technologies take fundamentally different approaches to printing these cross-sections.

FFF (fused filament fabrication)

FFF is the most commonly used 3D printing technology, due to its ease of use and lack of reliance on harsh chemicals. FFF uses a thick string of raw material, commonly referred to as filament. Filament is a constant width of either 1.75 mm or 2.85 mm, and is typically a thermoplastic that is delivered on a spool. The FFF process extrudes the filament through a heated nozzle, which is mounted on a motion system that moves it around a build area. Melted filament from the nozzle is deposited onto a build plate, where it cools and solidifies to form a layer. The bed then moves down by a fraction of a millimeter to start another layer. The process is repeated until the complete object is formed.

FFF 3D printing
FFF方式の3Dプリンティング

利点

  • 装置が比較的簡単に操作およびメンテナンスできる

  • 装置とプロセスの費用が他の主要な3Dプリンティング方式よりも手頃で、費用対効果が高い

  • 比較的クリーンなプロセスで、強い化学物質を使用する必要がない

  • 装置がコンパクトなので、デスクトップに設置することも、ラックに取り付けることもできる

  • プロセス全体が単一のステーション上で行われるので、装置を追加する必要がない

  • さまざまなエンジニアリング特性を持つ多種多様な材料が利用できる

  • 装置が比較的低価格なので、複数のプリンターを併用することによって柔軟かつスケーラブルな製造が可能になり、リードタイムも短くなる

欠点

  • 最終部品に目に見えるレイヤーラインが残ることが多い

  • レイヤーの接着品質が部品の機械的強度(異方性の機械的特性)に影響する可能性がある

重要なポイント

FFFは、装置の操作とメンテナンスが簡単なほか、プロセスで強い化学物質や後処理ステーションを使用する必要がないため、オフィス環境に最適です。きわめて多種多様な消耗品があり、それらが他の方式に比べて安価です。消耗品はスプールに巻かれたフィラメントの形で供給されるので、使いやすく、長期間保存できます。

FFF方式で3Dプリントする部品にはサポート構造が必要になる場合がありますが、製造方式を考慮に入れてCAD設計プロセスを進めることにより、それを回避できます。デュアルノズルを使えば、1回のプリントで2つの材料を使用できます。同じ材料を複数の色で使用することにより、見た目を美しくすることができます。また、2種類の適合する材料を使用することにより、機械的特性を変化させることもできます。他には、溶解可能なサポート構造をプリントできる水溶性のPVAサポート材料や、部品から簡単に剥がせるサポート構造をプリントできるBreakawayサポート材料など、専用のサポート材料を使用することも可能です。専用のサポート材料を使用すると、最終部品の表面仕上げが滑らかになるので、最小限の後処理で高品質の部品が製作できます。

SLA(光造形法)

もう1つの主要な3Dプリンティングテクノロジーは、UV硬化性樹脂を原材料として使用するSLAです。樹脂を底がガラスの容器に入れて、容器内にビルドプラットフォームを沈めます。次に、UVレーザーまたはDLPプロジェクターで樹脂にUV光を照射し、樹脂を選択的に硬化させて、CADデータから水平状のレイヤーを作ります。プラットフォームは容器内を上昇し、硬化していない樹脂を平らにします。このプロセスは、オブジェクトの全体が形成されるまで繰り返されます。

SLA 3D printing
SLA方式の3Dプリンティング

利点

  • 複雑な形状の部品でも、3つのテクノロジーの中で最高品質の表面仕上げと最高レベルの精細さを実現できるので、SLAは小型の部品に最適

  • 装置がコンパクトで比較的簡単に操作できる

  • この方式を使用すれば、さまざまな特性を持つ複数の材料をプリントできる

欠点

  • 消耗品は危険性があるため手袋を着用して取り扱う必要があり、不快な臭気をともない、燃えやすい

  • 後処理でさらに硬化させる必要がある

  • 消耗品は粘着性があり、適切に硬化させないと作業場の汚染につながる可能性がある

  • ほとんどの場合サポート構造が必要で、それによって成果物の表面にアーティファクトが残る

  • 1回のプリントで複数の材料や色を組み合わせて使用することができない

  • デスクトップSLAプリンターの造形サイズは、他の2つのテクノロジーに比べて小さい

  • 硬化していない樹脂を閉構造から排出できるように、部品に穴を開けておく必要がある

重要なポイント

SLAは細部の造形を必要とする複雑な形状の部品に適していますが、ほぼすべてのケースでプリントする部品にサポート構造を使用する必要があります。

FFFに比べて後処理がより複雑なプロセスになります。部品をイソプロピルアルコールなどの強い化学物質でクリーニングする必要があるほか、UVオーブンで硬化させてからでなければ手で扱うことができません。強い化学物質を使用するため、よく換気された場所で操作や後処理を行う必要があります。

原材料は、可燃性で不快な臭気をともなう、保存寿命の短い樹脂です。古い樹脂と新しい樹脂を混ぜて使用することができないので、材料の廃棄によってコストが増大します。原材料の価格は、他のテクノロジーに比べて高価です。

SLS(選択的レーザー焼結法)

3つ目の主要なプリント手法はSLSです。SLSでは、粉末状の原材料(通常はポリマー)を使用します。粉末は容器に収容されており、リコーティングブレードによってビルドエリア上に薄く広げられます。高出力レーザーによって材料の小さな粒子が溶解され、CADデータから水平状のレイヤー1層が形成されます。次に、1ミリメートル未満のわずかな厚さの分だけ容器が移動して、新しいレイヤーの形成が始まります。リコーティングブレードがビルドエリア上を横切って原材料の新しいレイヤーを堆積させます。溶解されてない粉末は、ふるいにかけられ、未使用の粉末と混合されてリサイクルされます。このプロセスは、オブジェクトの全体が形成されるまで繰り返されます。

SLS 3D printing
SLS方式の3Dプリンティング

利点

  • 完成した部品は、表面が「ザラザラ」している場合はあるものの、目に見えるレイヤーが残ることはない

  • 完成した部品には、全方向への比較的高い機械特性(等方性機械特性)がある

  • プリント時のサポート材料が不要

欠点

  • 装置が大きいので、オフィス環境には適さない

  • 原材料が粉末で、吸い込むと有害な場合がある

  • 材料や色を簡単に切り替えることができない

  • 装置や消耗品が高額なほか、操作やメンテナンスにスキルが求められるので、追加コストが発生する

  • プロセスに後処理ステーションと粉末リサイクルステーションが必要なので、追加コストがかかる

  • 容器の全容量分を使い切らないと不経済になる場合がある

重要なポイント

サポート構造がなくても複雑で入り組んだ形状を自由に設計できるため、設計の自由度が高く、最終部品のレイヤーラインも目立ちません。

コストが大きな欠点です。初期セットアップとメンテナンスに関して言えば、SLSは3つの主要な3Dプリンティングテクノロジーの中で最も高コストなソリューションです。また、複雑な装置を操作するのにスキルが求められるので、追加コストがかかります。

使用済み粉末が大量に発生しないようにするため、できる限り最大容量でプリントすることをお勧めします。つまり、小規模な生産工程の個々の部品を製作するのには適しません。

高出力レーザーの使用とプロセスから発生する粉塵が原因で、SLSは危険なプロセスになる可能性があります。また、装置のサイズも考慮すると、設置には専用のスペースが必要になります。

まとめ

これら3つの主要なテクノロジーは、それぞれに独自の使用事例があります。SLAは、複雑な機能や細部のある小型のオブジェクトに最適です。SLSは、全容量が毎回充填される、より大規模な大量生産や工業用のプリント工程に最適です。

FFF方式のユーザーは、簡単な準備だけで製作を開始することができます。FFFテクノロジーは、価格が手頃で利用しやすく、汎用性に優れているので、社内3Dプリンティングソリューションを導入する際に追加のスペースや専門のスタッフは必要ありません。企業では、従来の方式に比べて開発期間とコストを大幅に削減できるほか、反復的な方法で製品を開発できるため、プロセスの柔軟性が高まります。FFFは、主要なテクノロジーの中で最も後処理や汚れが少ないので、オフィス環境での利用という点では他のテクノロジーよりも明らかに有利です。さらに、FFF 3Dプリンティングは広く普及しているので、豊富な情報やリソースを無料で利用できます。

FFF 3Dプリンティングによって社内製作を効率化する方法の詳細については、詳細ページをご覧ください。

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