SLS（粉末焼結積層造形）方式3Dプリントのガイド

SLS（粉末焼結積層造形）方式3Dプリントは、高強度・高機能部品を製作できる方式としてさまざまな業界のエンジニアや製造業者から信頼されています。

本ガイドでは、SLS（粉末焼結積層造形）方式の造形プロセス、現在市場に出ているさまざまなプリンタや材料、SLSプリンタの作業手順、活用例、アディティブマニュファクチャリングの他の手法や従来の製造手法と比較してSLS 3Dプリントが適している用途などについて、幅広く解説します。

SLS（粉末焼結積層造形）方式は、高出力レーザーを照射することで粉末状のポリマーを焼結し、3Dモデルをもとに造形するアディティブマニュファクチャリング技術です。

SLS 3Dプリントは、エンジニアや製造業者に何十年も選ばれている技術で、造形単価が低く、生産性が高く使用する材料も確立されていることから、ラピッドプロトタイピングから少量のバッチ生産、量産前のテスト生産、カスタム生産に至るまで幅広い用途に適しています。

SLS 3Dプリンタや材料、ソフトウェアの近年の進化によってより幅広い業種にも応用できるようになった今、これまでは数えるほどのハイテク産業しか導入できなかったツールを活用する企業が年々増えてきています。

高性能SLS 3Dプリントを身近に実現する、Formlabs Fuseシリーズ SLS 3Dプリンタ誕生。

1. 造形：ビルドチャンバー内のプラットフォームにパウダーが薄く敷き詰められます。プリンタが原材料の融点より少し低い温度までパウダーを加熱します。これにより、モデルの形に沿ってレーザーを照射してパウダーを固形化する際、レーザー照射箇所の温度が上がりやすくなります。レーザーで3Dモデルの横断面を走査し、材料の融点より少し低い温度までパウダーを熱します。その結果、パウダーの粒が機械的に焼結し、造形品として固形化されていきます。造形中は未焼結パウダーが造形品を支えるため、専用のサポート材が必要ありません。一層でレーザー走査が終わると、ビルドチェンバーの中でプラットフォームが次の層まで下がります。下降する距離は通常50ミクロンから200ミクロンの間です。この一連の動作が各層で繰り返されることで、造形品が出来上がります。

2. 冷却：造形が完了したら、ビルドチャンバーをプリンタ庫内に入れたまま一次冷却します。ビルドチャンバーの温度が下がったらプリンタから取り出し、その後さらにプリンタの外で二次冷却します。こうすることで機械的特性を最大限発揮させ、造形品に反りなどが発生するのを防ぐことができます。

3. 後処理：二次冷却が完了したら、ビルドチャンバーから造形品を取り出し、余分なパウダーを除去します。未焼結パウダーは回収して次のプリントで再利用することができます。取り出した造形品には、ブラスト処理または研磨による後処理を施して表面品質を整えます。

作業工程の詳細については、下記の「SLS方式3Dプリントの作業手順」セクションでも解説しています。

造形中は未焼結パウダーが造形品を支えるため、専用のサポート材が必要ありません。そのため、SLSは内部構造、アンダーカット、薄肉構造や中空構造など、複雑な形状の造形に最適です。

SLS 3Dプリント品は、射出成形品に匹敵するほどの高い強度と優れた機械特性を備えています。

粉末焼結積層造形方式は、テキサス大学オースティン校のカール・デッカード博士とジョー・ビーマン博士が1980年代中期に開発した最初のアディティブマニュファクチャリング（AM）技術の一つです。それ以降、樹脂、金属、ガラス、セラミック、その他様々な複合材料など、幅広い材料を使った製造に応用されてきました。現在では、粉末をベースとしたSLSやMJFなどのアディティブマニュファクチャリング技術を総称してPBF（粉末床溶融結合法）と呼んでいます。

現在、PBFの中で最も広く普及しているのは、樹脂粉末でのSLS（粉末焼結積層造形）方式と、金属を主原料とするDMLS（直接金属レーザー焼結）方式またはSLM（レーザー粉末焼結積層造形）方式の2種類です。つい最近までは樹脂製・金属製どちらのPBF 3Dプリンタも非常に高額かつ扱いが難しいプリンタばかりであったため、航空宇宙業界向けの部品や医療器具など高付加価値製品や特注部品の少量生産でしか使われていませんでした。

それが近年の目覚ましい技術革新により、樹脂を使用したSLS方式も、SLA光造形方式やFDM（熱溶解積層）方式など他の3Dプリント技術と同様、手頃な価格で導入できる小型プリンタの誕生によって活用範囲の拡大が期待されています。

SLS方式の3Dプリンタの造形工程は前述したとおりです。プリンタごとに違う点は、照射するレーザーの種類、最大造形サイズ、そしてプリンタの複雑さです。温度調節機能や粉末の混合機能、積層方法もプリンタごとに異なります。

SLS方式では、造形工程全体で高い精度と厳格な管理が求められます。例えば、パウダーと造形中のパーツの温度の変動幅は、予熱、焼結、取り出し前の保管の全段階で常に2°C以内に保ち、温度変化によって造形品に反りや変形が発生しないようにする必要があります。

SLSは、3Dプリントの専門業者の間では何十年も前から広く採用されてきた技術です。しかし、その複雑さ、要件の厳しさや設備費用の高さなどから、導入できる業者は受託メーカーや大企業などに限られていました。

さらに、従来型の工業用SLS 3Dプリンタには特殊な換気空調（HVAC）システムと工業用電力が必要で、最も小型の機種でさえ10m²の設置面積が必要です。現場への設置やトレーニングなど、立ち上げまでにも数日間かかります。加えて、プリント工程が複雑で習得が難しいことから、専門知識のある専任技術者が必要となります。

価格は、安価な機種でも一式揃えると$200,000を軽く超えてしまうため、従来型の工業用SLS 3Dプリンタを導入できるのは、資金力がある少数の事業者に限られていました。

FDMやSLA光造形等の他の方式と同様、SLSにも低価格でコンパクトなプリンタが最近の市場には登場していますが、当初それらのプリンタには、造形品質の問題や複雑で手間のかかる後処理工程などかなりの妥協点があり、工業用や生産現場で広く使われることはありませんでした。

FormlabsのFuse 1はこの課題を克服し、優れた造形品質、省スペース、プリントから後処理までの一貫した作業手順の簡素化を実現し、従来の工業用SLSプリンタの数分の一の価格で導入できる業界初のベンチトップサイズの工業用SLS 3Dプリンタとして誕生しました。次世代機であるFuse 1+ 30Wはさらにパワーアップし、Fuse 1よりも高いレーザー出力と粉末の取り扱い能力で、対応可能な材料の幅も広がり、ハイエンド機と同等の造形品質と高いスループットを実現します。

Fuseシリーズ SLS方式3Dプリンタは単一のレーザーを使用し、ビルドチャンバーも小型化しているため、加熱出力も少なくて済みます。また、消費電力も低く、稼働に必要なのは標準のAC電源だけなので、特殊なインフラを整備する必要もありません。Fuse 1 + 30Wプリンタに搭載されているオプションの不活性ガス（窒素）充填機能では、プリンタ内に不活性ガス環境を作り出し、未焼結パウダーの質を維持することで材料のリフレッシュ率を低く抑えます。つまり、次のプリントで新しいパウダーよりも再利用パウダーの使用比率を増やすことができ、粉末のロスを最小限に抑えながら造形品の表面品質も向上させます。

さらに、特許出願中のSurface Armorテクノロジーにより、各造形品の表面外周に半溶融状のシェルを形成することで熱を均等に保ち、優れた機械的特性と表面品質、安定性と高いリフレッシュ率を実現します。

また、造形品の取り出し、パウダーの回収と保管、新品パウダーと再利用パウダーの自動ミキシングまで全てを1台で担う粉末回収ステーションFuse Sift、そして造形品のブラスト処理と研磨を完全自動で行うFuse Blastとともに、Fuseシリーズは全工程をオールインワンで提供します。

Fuseシリーズのようなベンチトップ型の工業用SLS方式3Dプリンタは、最大造形サイズの観点では従来のSLSプリンタの最小機よりも若干小さくなるものの、ビルドチャンバーが小さいことで設置面積が大幅に削減でき、作業手順も簡素化され、コスト削減が可能になります。

この比較情報は、Formlabs Fuseシリーズ ベンチトップ型工業用SLSプリンタをEOS社と3D System社の従来型のSLSプリンタと比較した結果に基づいています。

SLS 3Dプリントは、イノベーションを加速させ、エンジニアリング、製造やヘルスケアなど、幅広い業界の製品開発に活用されている。

3D CADや3Dスキャナでモデルをデザインし、そのデータを3Dプリント可能な拡張子（STLまたはOBJ）に変換してエクスポートします。各SLSプリンタでは、ソフトウェアによる造形設定の微調整が可能で、モデルの向きや配列の自動調整、造形時間の算出、造形用にデジタルモデルを各層にスライスすることができます。セットアップが完了したら、無線または有線で接続したプリンタに造形準備ソフトウェアからプリントファイルを送信します。

準備作業は、使用するプリンタの種類によって異なります。従来のSLSプリンタの多くでは、準備方法やメンテナンス方法を学ぶために徹底的なトレーニングやツール、物理的な訓練が必要でした。

一方、Fuse シリーズのプリンタではSLSの作業手順が簡素化・効率化され、モジュール化したコンポーネントによってノンストップの造形と最初から最後まで一貫したパウダーの取り扱いが可能です。

造形前のチェックがすべて終われば、プリント準備は完了です。SLS 3Dプリントの所要時間は、造形品の大きさ、密度や形状の複雑さにより、短くて数時間、長いと数日かかることもありますが、高出力レーザーのおかげで、Fuse 1+ 30Wのビルドチャンバーいっぱいの分量をプリントする場合でも、殆どは24時間以内に完了します。

造形完了後は、次の工程に移る前にプリンタ内でビルドチャンバーを一度冷却させる必要があります。初期冷却が終わったら、ビルドチャンバーをプリンタから取り出し、スペアのビルドチャンバーがあれば装着して次の造形を開始できます。

ビルドチャンバーを取り出した後、造形品を取り外して後処理に進む前に、二次冷却が必要です。二次冷却をすることで、造形品が最適な機械的特性を発揮でき、後処理中に反り等の変形が発生するのを防ぐことができます。表示された造形時間のうち、実際には約半分程度がこの冷却時間に割り当てられることが多いのです。

SLS方式の造形品は、他の3Dプリント工程と比べても後処理にかかる時間・労力が最小限で済みます。また、サポート材が不要なため、造形品の量が増えても常に同じ品質で造形が可能です。

冷却後は、出来上がった造形品をビルドチャンバーから取り出し、造形品の周囲に残るパウダーを除去します。パウダーの除去には、Fuse Depowdering Kitのように安価で購入できる手作業でのパウダー回収装置から、粉末の飛散を防ぐ陰圧ブースを備えたオールインワン型のパウダー回収・再利用装置Fuse Siftまで、様々な装置が利用できます。いずれも造形品から未焼結パウダーを取り除き、保管・計量・ミキシングをして次のプリント時に再利用します。

造形品に付着した余分なパウダーは、回収後にフィルターで大粒を取り除いた後、再利用が可能です。未焼結のパウダーは高温に晒されたことで品質が若干劣化しているため、新しいパウダーと混ぜ合わせてから次のプリントで再利用することをお勧めします。パウダーを再利用できることが、SLSが最も無駄の少ない製造工程の1つとなっている理由です。

SLS 3Dプリントでは、プリント完了後に造形品を粉末から取り出した後、完全に粉末を取り除き、粉っぽさのない表面に仕上げるためには事実上、ブラスト処理がマストになっています。ブラスト処理を施すことで、造形品の表面に付着する粉じんやFormlabsのFuseシリーズの特許技術である半焼結状のSurface Armorを完全に取り除くことができます。

現在、市場には様々な価格帯の自動および手動ブラスト処理装置が出ています。Formlabsの新製品Fuse Blastは、初めて手頃な価格を実現した自動ブラスト装置です。Fuseシリーズと合わせてSLS製品の作業工程を完成させることも、他社製の粉末焼結積層造形方式プリンタでプリントした造形品の後処理も、これ1台で。

ブラスト処理により、SLS 3Dプリントの作業工程で最も作業時間と労力のかかる工程を大幅に削減できます。後処理工程でFuse Siftを補完する装置としてFuse Blastを導入いただくと、造形後のブラスト処理にかかる時間を最短15分にまで短縮できます。これは、手作業の場合にかかる平均作業時間の80%減に匹敵します。

Fuse Blastにオプションで追加いただける研磨装置を使うと、造形後の粉末除去から表面処理まで、すべてオールインワンで完結します。Fuse Blastで研磨までを行うと、ワーク表面から粉っぽさは完全に排除され、滑らかで傷つきにくく、そのまま染色などの表面処理が施せる半光沢の表面品質に僅か15分で仕上がります。圧縮空気で研磨用のビーズを吹き付けることで、SLS 3Dプリント品の特徴であるざらついた表面を生み出す無数の微細な凹凸や穴を削り取り、滑らかな表面に仕上げます。

SLS（粉末焼結積層造形）方式がエンジニアや製造業者に選ばれる理由は、設計の自由度、高い生産性とスループット、造形単価の低さ、実製品用部品として信頼のおける材料が使用できるなど、さまざまです。

SLA光造形方式やFDM（熱溶解積層）方式など、他のアディティブマニュファクチャリング技術はどれも、オーバーハングがある形状のモデルを造形する場合は特殊なサポート材が必要になります。

SLS（粉末焼結積層造形）方式では造形物の周囲で溶融されなかったパウダーが造形物を支えるためサポート材は不要で、以前であれば不可能だった格子構造や可動式の部品、内部構造や溝のある造形品など、複雑な形状のデザインにも対応できます。

エンジニアは通常、最終的な製造工程を想定しながら部品を設計します。この考え方は製造容易性設計（DFM）とも呼ばれています。アディティブマニュファクチャリング（AM）技術の活用範囲を試作品製作だけに絞ると、その試作品として設計できる形状は、従来の製造機械で実製品を作るときに再現できるものに限られてしまいます。

今後、実製品の高速生産技術としてSLS（粉末焼結積層造形）方式を活用できる用途が広がっていけば、設計やエンジニアリングの新しい可能性も広がっていくことでしょう。SLS 3Dプリンタは、従来の製造工程では不可能、もしくは製作費が高額で非現実的だと考えられていた複雑な形状のモデルの造形にも対応できます。また、SLSにより、エンジニアが通常、複数の構成部品を製作して、それを後で組み合わせて作るアセンブリを、初めから一体化した単一の部品として設計・造形することも可能になります。つまり、SLSを導入すれば、これまで強度が十分でなかった継ぎ手の課題を解消したり、組立工程に費やしていた作業時間を節約したりできるようにもなります。

SLS方式は、

SLS方式の3Dプリントは、アディティブマニュファクチャリング（AM）技術の中では、機能性と耐久性が求められる試作品製作や実製品用部品を最も高速に造形できます。パウダーを焼結させるレーザーの走査速度は、FDM（熱溶解積層）方式などの他の工業用積層技術よりも遥かに高速です。

複数の造形品を密接に配置して造形すれば、1回のプリントで造形スペースを最大限に有効活用できます。造形準備ソフトウェアを使うことで、造形品同士の隙間を最小限に抑えて最適化し、誰でも生産性を最大限に高められるようになります、

SLS方式の造形品の機能性と万能性の鍵を握るのは材料です。ナイロン、ナイロン複合材料、TPUはいずれも高品質の熱可塑性プラスチックとして高い信頼を得ています。レーザーで焼結したナイロン製の造形品は、100%に近い密度と、射出成形などの従来の製造法で製作された部品に匹敵する機械的特性を有します。

SLS方式でプリントしたPPやナイロン製の造形品で、射出成形によるプラスチック部品を置き換えることができます。他のどの積層造形技術で製作したスナップフィット式の部品や機械継ぎ手よりも高い品質を誇り、他の方式で製作した部品が経年劣化により脆くなりやすい一方、SLS方式の造形品ではその心配がなく、長期的な使用を目的とした機能要件があるプラスチック製品の製作に最適です。

TPUは従来の鋳造による製品を置き換えるのに最適で、丈夫で長持ちする柔らかい部品を製造する場合には、他の3Dプリント方法よりもSLS方式の方が向いています。ラピッドプロトタイピング、治工具のオンデマンド製作、実製品用部品のカスタム生産または少量生産に適しています。

造形単価は通常、所有する設備の運用費、材料費、人件費などを計算に入れて算出されます。

• 設備所有コスト：マシンが使用可能期間中に生産できる部品の数量が多ければ多いほど、各部品の製造単価は下がります。つまり、生産性を上げると1つの部品にかかる設備所有コストが低くなります。高速レーザー走査、造形品の自動パッキングによる造形スペースの最適化、表面処理の簡素化を実現したSLS方式は、樹脂を使ったアディティブマニュファクチャリング技術としては最大の生産性とスループットを誇ります。

• 材料：ほとんどの3Dプリンタでは専用の材料を使用しますが、ナイロンは大量生産品の製造で広く使われている熱可塑性プラスチックの工業用材料で、アディティブマニュファクチャリング（AM）用の原材料としては最も安価な材料の一つです。また、SLS 3Dプリントは原則サポート材を必要とせず、再利用パウダーを使った造形も可能なため、材料のロスを最小限に抑えることができます。

• 作業時間：3Dプリントで肝となるのが、作業時間です。3Dプリント工程の多くは複雑で自動化することが難しく、自動化できない作業は人の介入が必要になるため、人件費などで造形単価が膨らんでしまいます。SLS方式の後処理がシンプルになることで作業時間を削減でき、生産量が増えた場合にも容易にスケールアップして対応できるようになります。

SLS方式の3Dプリンタ導入にはそれなりの初期投資が必要ですが、小型のプリンタよりも速く投資金額を回収できることが多いのです。ベンチトップ型SLS 3Dプリンタの登場により、これまで高額なことがネックだった新規導入のハードルを大幅に下げ、ほとんどの用途で造形単価を下げることに成功しています。

3Dプリントを必要とする案件がごく稀にしか発生しない場合は、外注することも推奨の方法ではありますが、それでも製作コストが高くつき、納期も長くなることを覚悟しなくてはなりません。3Dプリントの最大のメリットの一つは、従来の製造法と比べて遥かに早いスピードで製造できることです。それに対して、外注の場合は造形品が納品されるまでに一週間から数週間かかることもあります。 

SLS（粉末焼結積層造形）方式なら、エンジニアは設計サイクルの早い段階で試作品を製作することができ、そのまま同じプリンタと材料を使って実製品部品も製造できます。SLS方式なら、従来の製造手法で欠かせなかった高額かつ制作期間の長い金型が不要で、部品やアセンブリの試作品の検証・改良も僅か数日間で簡単に完了できます。その結果、製品開発に要する期間を大幅に短縮できるのです。

SLS方式の3Dプリントは、複雑な形状の特注製品でも実製品用の小さな部品でも、造形単価を低く抑えながら高耐久性の材料を使って製作できるため、非常に経済的です。費用対効果の面でも、限定生産や量産移行前のテスト生産などで射出成形に代わってコスト効率を高めることができます。

これまで工業用のSLS 3Dプリンタといえば、一台につき$200,000以上もする、ほとんどの企業にとっては手の出ない高額なプリンタしかありませんでした。

Formlabsは、これまで工業用プリンタにしか搭載されていなかったSLS（粉末焼結積層造形）方式をベンチトップサイズに小型化したFuse 1+ 30Wで、高機能材料を使いながら造形単価を最低限に抑え、省スペース化や作業手順の簡素化を実現しました。

Fuse 1+ 30Wで、外注に頼らない自立した生産や試作品製作が現実になります。