最速の3Dプリンタ：FDM、SLA光造形、SLS 3Dプリントの造形速度比較

SLA光造形方式はレジンを使用する3Dプリント方式の総称ですが、一般的には底部が透明になったタンクに光を照射することで液体レジンを硬化させながら、造形面をタンク内で下降させて逆さまに一層ずつ積層していくことで造形します。主なものは、レーザー型の光造形（SLA光造形）、デジタルライトプロセッシング（DLP）、マスク式光造形（MSLA、またはLCD 3Dプリント）です。

一般的な造形速度は使用する光造形3Dプリンタの方式によって異なりますが、現時点で最速となるのはMSLAおよびDLP方式です。FormlabsのForm 4やForm 4Lなどに代表される最新世代のMSLA 3Dプリンタは、強力なプリントエンジンと高度な光学システムの組み合わせにより各層をほぼ瞬時に硬化させることができます。

• SLA光造形方式の造形速度は、造形品を1点だけ造形した場合とビルドチャンバーいっぱいに造形した場合とで変化がほぼありません。レーザー方式のSLA造形方式ではレジンを硬化させるためにレーザーが広い範囲を移動する必要がありますが、MSLAやDLP方式では各層一体をほぼ瞬時に硬化させることができます。レイヤー全体が一度に硬化するため、複数点の造形でも1点だけの造形でもスピードにはほとんど差がなく、高いスループットを実現できます。
• SLA光造形の造形速度は、プリンタのコンポーネントに左右されます。特に造形エンジンと光学システムの品質・性能はレジンタンクに到達する光の量に影響するため、造形速度に直接影響する要素となります。また、Form 4で使用できる2層の柔らかいフィルムが搭載されたレジンタンク、リリーステクスチャ、レジンの高速自動供給機能、レジンの高速化熱機能など、そのほかの要素も造形時間の短縮につながっています。
• SLA光造形方式は後処理が必要ですが、そのほとんどは自動化できます。SLA光造形は造形後にアルコールやエーテルで洗浄して余分なレジンを除去する必要があり、最適な材料特性を引き出すために二次硬化が必要な場合もあります。ただし、洗浄・二次硬化のどちらのステップも高度な後処理装置によって自動化が可能です。

Form 4とForm 4Lは、Fast Modelレジンなど高速造形に特化して開発された材料を使った場合に、最大時速100mm/時というスピードを実現できるよう設計されています。Form 4で行う造形はどの材料を使ってもほとんどが2時間以内に完了するため、1日数回にわたって試作・検証プロセスを繰り返せます。Form 4Lでは、ほとんどの造形が6時間以内に完了します。プリンタの最大高さいっぱいのモデルでも、ビルドプラットフォーム全体を覆うような複数モデルの大量造形でも、1日以内に完成するため、大型モデルと複数の小型パーツのどちらも同日中の試作・検証が可能になります。

どの3Dプリント方式も時代とともに造形速度の高速化が進んでいますが、光造形プリントの進化には敵いません。これが日ごと、週ごとに積み重なれば、高速造形による高スループットのメリットは非常に大きくなります。Form 4やForm 4Lでは、射出成形のような高い生産性を誇る技術に匹敵する速度を実現します。ビルドチャンバーいっぱいの造形を数時間で1日に何度も造形できるようになることで、金型製作にかかる高額な間接費を心配することなく中程度の射出成形機にも劣らない生産量を実現できます。

SLS 3DプリントはFDMよりも高速ですが、それは高出力のレーザーを粉末に照射することで、FDM方式の押出ノズルがプリントベッドの上を移動するよりも速く造形面を走査できるためです。ただし高出力のレーザーも、DLP方式やMSLA方式の光造形3Dプリンタの光源が点滅する速度に比べるとスピードは劣ります。

その他、厳密には造形速度ではないものの、SLS 3Dプリント工程ではビルドチャンバーの冷却時間も考慮する必要があります。レーザーが粉末を高温で一気に焼結するため、後処理を行う前にビルドチャンバーを冷却する必要があり、これが工程全体にかかる時間を増加させることになります。

しかしこの造形＋冷却にかかる時間は、生産においてあまり大きな弊害にはなりません。SLSの場合、単一の造形時間としては他の方式より長くなるものの、最大造形サイズが大きく造形中は未焼結パウダーが造形品を支えるため、ビルドチャンバーの中で「入れ子」になるよう高密度にパッキングすることで一度にたくさんの造形品を作ることができ、全体的なスループットが他の方式より優れています。

例えばFuse 1+ 30Wでビルドチャンバーいっぱいに造形した場合、勤務時間外となる夜の間に造形とプリンタ庫内での冷却が完了し、日中にプリンタ庫外で二次冷却を行うことで、同日中の部品製作を24時間365日連続で行うことができます。

• SLS 3Dプリンタの造形速度は造形品のサイズによって変動します。 X/Y軸方向に大きい部品は、レーザーがより広い範囲をトレースする必要があるため、造形に時間がかかります。Fuse 1+ 30Wのレーザーの経路を効率的に最適化することで、Formlabsは造形時間を最大25%短縮することに成功しました。
• SLSはプリンタのコンポーネントも造形速度に影響を与えます。特にレーザー出力の強度によって大きく変動し、例えば、Fuse 1+ 30Wは30Wの高出力レーザーを使用することで、高いスループットを実現しています。標準的なプリントジョブは僅か7時間、ビルドチャンバーを95%満たした高密度なプリントジョブは14時間以内で完了します。
• SLS造形品にも後処理が必要ですが、非常に効率的です。Fuse SiftやFuse Blastのような装置で多くの工程を自動化でき、サポート材の取り外しも不要なため後処理作業にかかる時間が大幅に短縮され、ユーザーは造形完了から後処理完了まで最短15分で工業品質の部品を手に入れることができます。

SLSは単一の部品を可能な限り速く造形したいという場合にはあまり向いていませんが、製造単価の安さ、高い生産性、後処理の効率性、定評のある材料により、メーカーに広く支持されています。また、少量生産や量産前のテスト生産を行う際に、射出生成に代わるコスト効率の高い方法になります。

各3Dプリント方式は材料を積層することで造形するため、モデルがZ軸方向に大きくなればなるほど造形に時間がかかります。

しかし、サイズや造形数がX軸およびY軸方向に大きくなっても、必ずしも造形時間が延びるとは限りません。レイヤー全体を一度に硬化できるMSLAやDLPなどの3Dプリント方式であれば、ノズルが長距離を移動するFDM方式やモデルを一つずつトレースしなければならないレーザーベースのSLA光造形やSLS方式に比べて造形速度が速くなります。

3Dプリントの解像度（高精細さ）の測定方法を理解するには、特に異なる方式で比較を行う場合、造形品を縦方向のZ軸、横歩行のX軸とY軸という3つの軸で分析する必要があります。Z軸解像度はレイヤーの高さに大きく影響され、X/Y解像度は使用する3Dプリント方式によってさまざまな要因に影響されます。

どの方式の3Dプリンタでも造形速度に影響が出るのは積層ピッチ（Z軸解像度）です。積層ピッチが厚くなるほど完成までに必要な全体の積層数が少なくなり、造形時間が短くなります。

FDM方式の3Dプリンタの場合、造形時間と解像度の間には大きなトレードオフがあります。つまり積層ピッチが厚いと造形に必要な層数が少なくなるため全体的な造形時間は短縮されますが、積層痕が目立ちやすくなり、表面品質の滑らかさが損なわれます。

一部のFDM方式プリンタでは、ノズルがフィラメントを堆積させる速度や造形エリア上を移動する速度を上げるオプションを提供しています。さらに、より大きなノズルを取り付けることで一度により多くの材料をより速く積層することができますが、X/Y/Z軸すべての精細さが低下してしまいます。これらのオプションはいずれも、精度や解像度（精細さ）の低下、表面品質の劣化、その他の望ましくない結果をもたらすことになります。

SLA光造形方式は、積層ピッチに関係なく高精細な造形を実現します。光造形3Dプリンタは液体レジンに対して非常に正確に光を照射することができるため、積層ピッチを厚くしても表面品質の高い造形品を作ることができます。曲面では積層痕が若干目立つものの、積層ピッチ50ミクロンで造形したものと100ミクロンで造形したものを比べてみても、ほとんどの場合、造形時間が2倍になっていることがわかるほどの違いは見て取れません。X/Y軸解像度はプロジェクターやLCDスクリーンの解像度、またはレーザー焦点サイズやその制御精度によって決まりますが、これらはハードウェアの仕様によって定義されるものであり、かつ一般的に他の方式よりも優れています（積層ピッチ50ミクロン以下の場合）。

SLA光造形と同様、SLSでも解像度はあまり気にする必要はありません。SLS 3Dプリンタで使用するレーザーは粒子を正確に融合させることができ、積層痕はほとんど目立ちません。SLSプリンタの場合は、ユーザーによる解像度の変更ができないことがほとんどです。Z軸解像度はそもそも調整できず、X/Y軸解像度もハードウェアの仕様によって定義されます。

材料の選択も、全体の造形時間に測定可能な程度の影響を与えます。FDM、SLA光造形、SLSのいずれの3Dプリンタもポリマーを使って造形する点では同じですが、それぞれ加熱/押出、硬化、焼結、と材料をどう扱うかは全く異なります。

FDM 3Dプリンタの場合、フィラメントの種類によって造形速度に大きな違いが出ます。一般的に、PLAやPETGのような造形しやすい材料が最も造形速度が速くなるフィラメントです。ABSやナイロンのようなエンジニアリング材料の場合は若干スピードが落ちます。一方、TPUのような柔軟性のある材料は、造形成功率を上げるためには造形速度を大幅に遅くする必要があります。

FDM 3Dプリンタで造形を行う場合、最初の数レイヤーがプリントベッドおよび上下の層同士でしっかり固着するよう、常に低速で始めることをお勧めします。造形速度を速くすると造形失敗や全体的な造形品質の低下につながる可能性が高まり、FDM 3Dプリンタで高速かつ高品質の造形を実現するには試行錯誤が必要になります。

SLA光造形の場合、レジンの不透明度やレジンメーカーが添加する光重合開始剤、その他硬化剤の濃度が造形速度に影響します。

例えば、Formlabsレジンの中でも最速のFast Modelレジンは光重合開始剤の濃度が高く、Form 4で100mm/hを超える造形速度でプリントが可能です。これにより、小型モデルであれば数分で、ビルドチャンバーいっぱいに造形する場合でも2時間以内で造形が可能です。

一般的にClearレジンは硬化深度が深く、光源が各層を硬化させるのにかかる時間が短いため、造形速度が若干速くなります。さらに、ガラス充填レジンや歯科用途でデンチャーに使われるような粘性の高いレジンは、低粘度のレジンよりも造形速度が遅くなります。FDM方式と同様、柔軟性のある材料の方が硬質材料よりも造形速度が低下します。

SLS方式3Dプリントで最も広く利用されている材料はNylon 12で、造形速度も最速であることが一般的です。しかし柔軟材料を含む他のすべての材料も、それとほぼ同等の造形速度を発揮します。

3Dプリントの複雑さは（機械加工や射出成形のような従来の工程に比べて）自由が高いというのが一般的な認識ですが、造形速度についてはやや異なります。

FDM、レーザーベースのSLA光造形、SLS 3Dプリントのいずれも、モデルの形状の複雑さが多少なりとも造形時間にネガティブな影響を与えます。これは一部の方式でモデルのX/Y軸のサイズが造形速度に影響するのと似ており、そういったプリンタではレイヤーごとにモデルの形状を描画またはトレースする必要があるため、複雑な形状の場合は時間がかかります。しかし、MSLA方式やDLP方式のプリンタはレイヤー全体を一度に硬化させるため、形状が複雑だからといって造形速度が低下するわけではありません。

もう一つ、造形速度に影響を与える要素としてより重要なのはサポート材の有無です。FDMでもSLA光造形でも、突出部が多く存在するような複雑形状のモデルを造形するには、サポート材が必要になることがあります。そういった場合、造形完了後にサポート材を取り除き、造形品表面に残る凹凸をサンディングして目立たなくする必要があります。

_{FormlabsのSLA光造形3Dプリンタはサポート材の取り外しが「ライトタッチサポート」を採用することで、後処理の手間を削減。}

サポート材が必要なことで、後処理に時間がかかり貴重な材料を余分に使用しなければならないだけでなく、特にFDMやレーザーが一基のみのSLA光造形3Dプリンタでは造形プロセス自体にかかる時間が増える可能性があります。

一方のSLS 3Dプリントでは、未焼結パウダーが造形品を支えるためサポート材が必要ありません。その結果、SLSではサポート材の作成に余分なパウダーや時間を消費することなく造形できます。