FFF/SLA/SLS: 3 つの主要な 3D 印刷技術の長所と短所

出典: ウェイコン・ルイボ

一般的に 3D プリンティングとして知られる付加製造は、ますます価値が高まっているビジネスツールです。社内製造では、従来のアウトソーシングに比べてコストを大幅に削減でき、より多くの設計反復を作成する自由度が高まります。現在市場に出回っている 3 つの主流の消費者向け 3D 印刷技術は、FFF (溶融フィラメント製造)、SLA (光造形)、SLS (レーザー焼結) です。それぞれのテクノロジーには独自の利点と制限がありますが、ビジネスニーズに最適なのはどれでしょうか?

すべての 3D 印刷技術は、共通の原理に基づいています。つまり、3D CAD モデルを水平に切断して個々の断面を作り、それを順番に重ねて印刷して 3 次元オブジェクトを形成します。ただし、FFF、SLA、SLS テクノロジーでは、これらの断面を印刷するために異なる成形技術が使用されます。

FFF（熱溶解積層法）
FFF は使いやすく、強力な化学薬品に依存しないため、最も一般的に使用されている 3D 印刷技術です。 FFF で使用される原材料は、主にフィラメントと呼ばれるスプールの形で印刷されます。ワイヤの幅は 1.75 mm または 2.85 mm の一定で、通常はスプールに巻かれた熱可塑性プラスチックです。 FFF 印刷プロセスでは、加熱されたノズルを通してフィラメントを押し出します。このノズルは通常、モーションシステムに取り付けられており、ビルド領域内でフィラメントを移動させます。ノズルは高温でワイヤーを溶かし、それを構築プラットフォーム上に堆積させ、そこでワイヤーは冷却されて固まり、層を形成します。次に、ビルドプレートが数ミリメートル下に移動して別の層の印刷を開始し、モデルが完成するまでこのプロセスが繰り返されます。

利点 機器の操作は簡単で、日常のメンテナンスも比較的簡単です。機器とプロセスは、他の 3D 印刷方法よりも手頃な価格で安価です。プロセスは比較的環境に優しく、強力な化学薬品を使用する必要がありません。機器はデスクトップに直接置いたり、ラックに取り付けたりできます。プロセス全体が独立して動作し、追加の機器は必要ありません。材料は多様で、さまざまなエンジニアリング特性があります。機器の価格が比較的低いため、複数のプリンターを同時に操作でき、柔軟でスケーラブルな製造と短い納期を実現できます。

デメリット 最終部品には通常、層線が見えます。層間の接着は、部品の機械的強度にある程度影響します (異方性機械的特性)。

重要なポイント
FFF デスクトップ 3D プリンターは、操作とメンテナンスが簡単で、印刷プロセスに強力な化学薬品や後処理を必要としないため、オフィス環境に最適です。消耗品の種類は豊富で、他の方法に比べて比較的安価です。消耗品はフィラメントの形でスプールに巻かれており、使いやすく、長期間保管できます。

FFF 3D プリント部品にはサポート構造が必要な場合がありますが、CAD 設計プロセスで製造方法を考慮すればこれを回避できます。デュアル押し出しシステムにより、1 つの印刷物に 2 つの材料を使用することが可能になり、さらに同じ材料を複数の色で使用して美観を向上することもできます。 2 種類の互換性のある材料を使用することで、機械的特性に変化を持たせることもできます。もう 1 つの可能性としては、溶解可能なサポート構造を印刷できる水溶性 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印刷できるリリースサポート材料などの特殊なサポート材料を使用することです。専用のサポート材を使用することで、最終部品の表面仕上げが滑らかになり、後処理のステップが少なくなり、高品質の部品が得られます。

SLA（ステレオリソグラフィー）
もう一つの主要な 3D プリント技術は、原料として UV 硬化樹脂を使用する SLA です。樹脂をガラス容器に注ぎ、ビルドプラットフォームをその中に沈めます。 UV レーザーまたは DLP プロジェクターが樹脂に UV 光を照射し、CAD データの水平層に選択的に硬化させます。次に、プラットフォームを容器から持ち上げて、硬化していない樹脂を平らにし、完全なオブジェクトが形成されるまでこのプロセスを繰り返します。

利点 複雑な形状、高品質の表面仕上げ、高いディテールレベルにより、SLA は小型から中型の部品に最適です。機器は小型で、操作も比較的簡単です。この方法を使用すると、異なる特性を持つ複数の材料を印刷できます。

デメリット 消耗品は手袋なしでは安全に扱えず、悪臭があり、可燃性があります。後処理にはさらに硬化が必要です。消耗品は粘着性があり、適切に硬化しないと職場の汚染につながる可能性があります。サポート構造は常に必要であり、印刷された表面に残留物が残ります。1 回の印刷で複数の材料や色を組み合わせることはできません。デスクトップ SLA プリンターのビルドボリュームは、他の 2 つのテクノロジーに比べて比較的小さいです。パーツには穴が開いており、未硬化の樹脂が閉じた構造から排出される必要があります。

重要なポイント
SLA は複雑な形状や細かいディテールを持つ部品の印刷に適していますが、ほとんどの場合、印刷された部品にはサポート構造を使用する必要があります。

FFF と比較すると、後処理はより複雑なプロセスです。部品はイソプロピルアルコールなどの強力な化学薬品で洗浄し、処理する前に UV オーブンで硬化させる必要があります。強力な化学薬品が使用されるため、取り扱いや後処理には換気の良い場所が必要です。

原料は樹脂で、可燃性があり、不快な臭いがし、保存期間が限られています。新しい樹脂と古い樹脂を混ぜることはできないため、材料が無駄になり、コストが増加します。原材料の価格は他の技術に比べて比較的高いです。

SLS（選択的レーザー焼結）
3 番目の主要な印刷技術は SLS であり、通常はポリマーである粉末原料を使用します。粉末は容器に保管され、再コーティングブレードが構築領域に薄い層の材料を塗布します。高出力レーザーが材料の小さな粒子を融合して、CAD データの単一の水平層を形成します。次に、コンテナを数ミリメートル移動させて新しい層を開始し、再コーティングブレードをビルド領域上でスライドさせて、新しい原材料の層を堆積します。未溶融粉末はふるい分けして回収し、ふるい分けた粉末を未使用の粉末と混合します。このプロセスは、完全なモデルが形成されるまで繰り返されます。

利点 完成した部品は、表面が「ざらざら」しているものの、層間に目に見える隙間はありません。完成した部品は、あらゆる方向で比較的高い機械的特性を持っています（等方性機械的特性）。
印刷にサポート材は不要

デメリット 装置は大型で、オフィス環境には適していません。原料は粉末であり、吸入すると危険です。材料や色を切り替えるのは簡単ではありません。装置と消耗品は購入費用が高く、操作とメンテナンスには熟練した労働力が必要で、さらにコストがかかります。プロセスには後処理ステーションと粉末回収ステーションが必要で、追加コストがかかります。容器の容量をすべて使用しないと経済的ではありません。

重要なポイント サポート構造を必要とせずに複雑な形状を自由に設計できるため、設計の自由度が大幅に高まり、最終製品に印刷の隙間がなくなります。コストが障害となっています。SLS は、初期設定とメンテナンスの点で、3 つの主要な 3D 印刷技術の中で最も高価なソリューションです。機器の複雑な性質上、それを操作するには熟練した労働力も必要となり、さらにコストがかかります。

大量の粉末を使用しないようにするために、可能な限り最大容量で印刷することをお勧めします。そのため、個々の部品の小ロットには適していません。 SLS プロセスは、高出力レーザーの使用とプロセスによって発生する粉塵により危険を伴う可能性があり、また装置のサイズも大きいため、設置には専用のスペースが必要です。

結論これら 3 つの主要な印刷技術にはそれぞれ独自の使用例があります。 SLA は、複雑な機能と詳細を備えた小さなオブジェクトに最適です。 SLS は、毎回造形ボリューム全体を埋めるため、大規模、大量生産、工業用印刷に最適です。

FFF 3D 印刷技術は手頃な価格で、印刷が簡単で、用途が広いため、社内に 3D 印刷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人員を必要としません。従来の方法と比較して、企業は開発時間とコストを大幅に削減でき、プロセスはより柔軟になり、反復的な方法で製品を開発できます。 FFF は、すべての主要な印刷技術の中で後処理と煩雑さが最も少なく、オフィス環境での使用においては他の選択肢よりも大幅に優れています。さらに、FFF 3D 印刷技術が広く普及しているため、無料で利用できる情報やリソースが豊富にあります。

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