Fuse1レビュー 真に生産可能なレーザー焼結(SLS)3Dプリンター登場

Fuse 1真に生産可能な3Dプリンターが登場

Fuse 1はFormlabsが発表から約4年ごしにリリースした革新的な3Dプリンターです。もともとFormlabsはForm 3やForm 2といったSLA(光造形)タイプの3Dプリンターのメーカーとして知られていますが、Fuse 1は全く異なる原理、異なる機能を持つ3Dプリンターです。

Formlabsの表現を借りるならば「真に生産可能な3Dプリンター」ともいえる存在です。

今回は一足早く、Formlabsジャパンでの取材をもとに、小ロット生産、最終品製造の未来を拓くFuse 1のレビューをご紹介します。

Fuse 1の何が革新的なのか??

これまで3Dプリンターは星の数ほど登場してきましたが、さまざまな課題によって、最終品レベル、小ロット生産を実現する3Dプリンターは限られてきました。

価格、精度、品質という面から、ほとんどの人が利用できる用途が試作品、プロトタイピングの領域で、最終品製造は高価格機種のみに限定されていました。

しかしFuse 1の登場によって最終品製造の道が大きく広がるといえるでしょう。

ここではまず、Fuse 1の原理や機能はともかく、モノづくりに与える影響、革新性について現状の登場している3Dプリンターや他の加工方法と合わせてご紹介したいと思います。

これまでの最終品が作れる3Dプリンターには導入するまでに数多くのハードルがありましたが、Fuse 1はそのハードルをある意味下げた3Dプリンター言えるでしょう。

Fuse 1の革新性① 圧倒的な低い初期導入コスト・ランニングコスト

これまで最終品レベルが作れる3Dプリンターは1台数千万円クラスの機種が中心で、材料や年間保守費用などのランニングコストも高く導入には高いハードルがありました。

例えば、以下のような造形方式、機種が中心です。

  1. 高価格帯のFDM3Dプリンター:庫内温度の機能を備え、本物の熱可塑性樹脂が使用できるストラタシスの3Dプリンター
  2. HPのマルチジェットヒュージョンの3Dプリンター
  3. レーザー焼結・溶融の3Dプリンター:金属中心の高価格帯の生産設備に近い機種

そのため、導入したとしても初期導入コストとランニングコストを上回る費用対効果がないと使えませんでした。

例えば、年間の開発・試作コストで数千万円以上の費用が掛かっている企業か、受託やパーツ製造で年間数千万円以上の生産がある企業のみになります。

一方、Fuse 1の場合、初期導入コストで約500万円、材料コストが71,000円(6㎏、税別)、初年度の年間保守費用が248,000円(税別)になり、従来のハイエンド機と比べてはるかに低コストで最終品レベルの造形が可能となります。

Fuse 1の革新性② 初心者でも簡単に使えるワークフロー

Fuse 1の革新的なポイントの一つが、従来にはないスムーズなワークフローです。これはFormlabsの製品に共通して言える点ですが、初心者でも簡単に使うことができるワークフローです。

特にレーザー焼結法(SLS)3Dプリンターはこれまで、導入して使用するまでが非常にハードルが高い機種でした。

ハイエンドな機種は防塵対策や防爆対策を施す必要があり、またチャンバー内部に窒素ガスを充てんさせることから、機械を導入する以前に周辺の環境そのものを工事などによって整えなければなりません。

一方、低価格なレーザー焼結3Dプリンターは、造形前の粉末材料の準備やプリンタの調整などが煩雑で、造形後の粉末材料の後処理が不十分なために、掃除や材料の再利用が難しいという現状があります。

しかしFuse 1では、独自技術によって窒素ガスを使用しなくてもレーザー焼結可能で、また後処理機であるFuse Siftと連携することで、3Dプリントから後処理、材料の再利用までをほぼ自動化しスムーズなワークフローを提供してくれます

Fuse 1の革新性③ 高強度で最終品が作れるクオリティ

Fuse 1では、ナイロン12とナイロン11という2種類の材料に対応しており、高強度で高品質な造形を可能にします。特にレーザー焼結法は、微細な粉末材料を焼き固めながら形にしてくため、他の3Dプリント技術と比べても、反りなどがほぼ無く、高精度で高強度な造形が可能です。

上記の3番目のレーザー焼結法を利用した3Dプリンターで、ナイロン12とナイロン11(他の材料は今後追加される予定)を使用することで高品質で高強度な3Dプリントを実現します。

Fuse 1の革新性④ 高い生産性

Fuse 1はレーザー焼結法なため、3Dプリントする概念が他の造形法式とは異なります。例えばFDMや光造形、インクジェットといった3Dプリント方式では、複数プリントする際に横に並べるのが一般的です。

しかしFuse 1は材料であるパウダーを敷き詰めながら積層していくため、縦方向に積み上げて作ることができます。いわばチャンバー内に多数のモデルを一度にプリントするという仕組みです。

この方法によって1度に複数パーツを生産することが可能です。

Fuse 1の革新性⑤ サポート無であらゆる形状に対応

Fuse 1の革新的な点の一つがサポート無で造形できる点です。ナイロンパウダーを面で積層してくことから、サポート材をつけることなく積層ができます。

オーバーハングやブリッジといった3Dプリンターならではのサポートが必要な形状も、Fuse 1ではサポート不要です。

Fuse 1:SLSソリューションの構成

Fuse 1は単体ではなく、Fuse Siftや周辺機器と合わせて一つのソリューションを提供します。基本的には以下のような構成で成り立っており、後処理を行うFuse Siftと連動することで、スムーズなワークフローを提供します。

  • Fuse 1:3Dプリントする。
  • Fuse Sift:後処理とパウダーの再利用を行う。
  • Build Chamber:ナイロンパウダーが充填され造形物が作られるチャンバー。複数あると次の造形もスムーズに行える。
  • Powder Cartridge:造形後にナイロンパウダー再利用するためのカートリッジ

Fuse 1

Fuse 1が3Dプリンター本体です。SLSはこれまで高価格な3Dプリンターでしたが、これまでのSLS 3Dプリンターの10分の1の価格で従来と同等かそれ以上の高品質な3Dプリントを実現します。

材料は現在2種類に対応しており高強度なナイロン12と靭性が高いナイロン11の2種類が使用可能です。品質は最終品の製造ができる高強度と高精度を実現、165×165×300mmの大型造形を可能にしました。また材料の再利用ができるリフレッシュレートも業界最高水準の30%~50%を実現しました。

革新的な3Dプリンターでデジタルものづくりの未来を築きます。

Fuse 1の概要

  • 造形エリア:165×165×300mm
  • 最⼤パーツサイズ:159×159×295mm
  • 積層ピッチ:110ミクロン

Fuse Sift

Fuse SiftはFuse 1にとって必須の後処理ツールです。SLS 3Dプリンターは非常に細かいナイロンパウダーを使用するため、造形後の後処理に手間がかかります。

造形物についたパウダーを取り除き、さらに残ったパウダーを回収して再利用するにはそれなりの設備が必要です。

Fuse SiftはこうしたSLS(レーザー焼結)3Dプリントの後処理のワークフローをより簡単に自動化するために開発されました。

Fuse 1でプリントが完了したビルドチャンバーをそのままFuse Siftにセットし、ふるいにかけてバキュームで吸引することでかんたんに後処理が可能です。

Build Chamber

Build Chamberは、ナイロンパウダーが充填され造形物が作られるチャンバーです。Fuse 1で造形を行い、造形後はチャンバーごと取り出しFuse Siftで後処理を行います。

Build Chamberが複数あるとワークフローがスムーズになります。

Powder Cartridge

Powder CartridgeはFuse Siftで後処理を行った後、再利用したパウダーと新しいパウダーを混合して保管し、Fuse 1にパウダー供給するためのカートリッジです。

レーザー焼結(SLS)3Dプリンターとは

Fuse 1は、レーザー焼結といわれる方式の3Dプリンターです。本来は、Selective Laser Sintering、略してSLSといわれ、日本語だと「選択的レーザー焼結」という呼び方をされています。

言葉は難しそうに聞こえますが、簡単に言うと、材料にレーザービームを照射して焼き固めるように形にしていく技術です。

2014年に特許が切れることで、各社が開発を行い、数多くの機種が登場しています。

Fuse 1はこのレーザー焼結法による革新的な3Dプリンターで、発表から約4年が経過しようやく実現しました。

Fuse 1の3Dプリントの流れ

それではFuse 1で3Dプリントする際の流れについてご紹介しましょう。Fuse 1では、基本的にFormlabsの設計思想に則って、ユーザーフレンドリーなインターフェースをしています。

PreFormでプリント設定

Form 3やForm 2などと同じく専用ソフトウェアPreFormでプリント設定を行い、データをFuse 1に送ります。

PreFormでの設定は、チャンバー内がソフトウェア上で再現され、そこに造形モデルを配置していきます。

SLS レーザー焼結3Dプリンターは、粉末材料を積層に合わせて積み上げていくことから、サポート材を必要としません。その一方で再利用できる材料の比率が決まっていることから、平面に可能な限り造形モデルを配置したほうが材料の無駄をなくすことができます。

Fuse 1にデータを送りプリントを開始

Fuse 1にはナイロンパウダーとビルドチャンバーをセットし、プリントを開始します。材料の供給などは全て自動で行われ、除圧システムを搭載していることからパウダーを飛散させることなく造形が可能です。

造形を開始する前にはタッチパネルに造形前チェックリストが表示されるので、準備が問題ないかどうか手順を確認しチェックします。

その後Optical Cassetteをセットし造形を開始します。

造形が完了後、他の3Dプリンターとの違いは冷却時間が必要な点です。造形中のFuse 1内部は200℃近い高温になり、造形が完了すると徐々に冷却が始まり100℃以下になってからビルドチャンバーの取り出しが可能です。

Fuse Siftで後処理

取り出されたビルドチャンバーはそのままFuse Siftに移行することができます。セットしたFuse Siftからパウダーごと造形モデルを取り出し、“ふるい”で余分なパウダーを取り除きながら吸引し造形モデルを取り出します。

後処理が完了したら残ったパウダーは再利用が可能です。

Fuse 1の造形物のレビュー

Fuse 1はナイロン12による高強度造形が可能で、さらにサポート無、反り無の高精度での造形が可能です。下記はFormlabs取材時に配布された造形サンプルですが、Fuse 1の特長を反映した造形モデルです。

アタッシュケースサンプル

Fuse 1で実現できることの多くがこのサンプルに詰まっています。内部の折り畳みの形状と外側のケース部分の二つの造形物から構成されていますが、強度、精度、細かさ、薄さ、エンボス加工(凸)、デボス加工(凹)、篏合、スナップフィットなどあらゆる要素をみることができます。

強度

非常に高い強度を誇っています。スナップフィット部分は何度も繰り返し取り外ししても全く折れる気配がありません。

精度

外側のケースの造形部分ですが、二つ折りで閉じた際にもぴったりと寸法があっています。また留め具部分も正確に造形できています。

細かさ

スナップフィット部分の模様やエンボス加工、デボス加工など緻密な造形が可能です。

エンボス加工(凸)

Formlabsのバタフライのロゴがエンボス加工で表現されています。綺麗にロゴが表現されています。

デボス加工(凹)

Formlabsのロゴタイプ、パウダー使用量80gの表記などはデボス加工で表現されています。こちらも文字がしっかりと識別できるクオリティです。

薄さ

Fuse 1では、独立した壁をプリントする場合、垂直は0.6mm、水平は0.3mmで造形が可能です。本サンプルでも肉厚が1mm~0.5㎜程度の板が表現されています。

Fuse 1では、穴は最小で1mmまで開けることが可能です。本サンプルでは4パターンの穴が施されています。

ネジ切

Fuse 1ではネジ切も正確に造形が可能です。他の造形法式とは違い、膨張したり反ったりしないため、データ通りのネジ切が再現されています。

材料コスト

本サンプルでは材料使用量が80gです。1個当たりのコストは@1,000円ほど(すべて新しいパウダーの場合)で造形が可能です。

ミニFuse 1サンプル

ミニFuse 1の造形サンプルでも細かい造形物が表現されていますが、この造形サンプルではサポート材がつかない構造が表現されています。

サポート材がつけずに造形が可能

SLS レーザー焼結法は粉末パウダーを敷き詰めながら積層していくことからサポート材がつきません。このミニFuse 1は蓋を開けることが可能で、内部にビルドチャンバーが格納されています。ビルドチャンバーの周囲や上部のOptical Cassetteが入る部分は完全に上部にくっついており、サポート材を付けずにオーバーハングやブリッジが造形できます。

材料コスト

このみにFuse 1のサンプルは110gの材料使用量で@1,400円ほどの材料コスト(すべて新しいパウダーの場合)です。造形時間は36個1度に造形し、約60時間かかりました。

Fuse 1の材料

Fuse 1では、現在2種類の材料が使用可能です。一つがナイロン12で、もう一つがナイロン11になります。それぞれ高強度で高精細ですが、特長が異なります。

ナイロン12

ナイロン12は高強度かつ環境安定性が高い材料です。FDM 3Dプリンター用のナイロンフィラメントとは違い、吸湿することなく、高精度で造形が可能です。最終品から機能性プロトタイプ、治工具まで幅広い用途に使用が可能です。

ナイロン12の用途

  • 最終品
  • 小ロット生産
  • 機能性プロトタイプ
  • 治工具、固定具
  • 生体適合材、滅菌可能な部品

ナイロン11

ナイロン11はナイロン12同様高強度ですが、より靭性が高く折り曲げ可能な延性をもっています。曲げたりより衝撃性を求められるパーツや機能性プロトタイプに最適です。

ナイロン11の用途

  • 最終品
  • 小ロット生産
  • 耐衝撃性が求められる治工具、プロトタイピング
  • 薄壁を持つダクトや筐体
  • スナップフィット、ヒンジ、グリップ
  • 義肢、装具

材料の交換に関する注意点

Fuse 1は現在のナイロン12とナイロン11が使用可能で、今後も材料を開発していく方向です。ただし材料交換には細心の注意が必要になります。

Fuse 1本体の材料投入口やFuse Siftは基本的に使用しているパウダーが飛散している状態です。そのため、材料を交換する際には、前の材料を十分にぬぐい取り、完全に除去するまで綺麗にする必要があります。

使用済みパウダー材料の再利用について

Fuse 1の材料である使用済みナイロンパウダーは再利用が可能です。再利用時は、ナイロン12が、新しいパウダーを30%以上+再利用パウダーが70%以下、ナイロン11が、新しいパウダーを50%以上+再利用パウダーが50%以下で混合します。

Fuse 1はチャンバー内が200℃近い高熱の状態で加熱されるため、たとえレーザービームがあたっていない部分でも1度造形してしまうと再利用パウダーになります。そのため効率的なモデル配置が欠かすことができません。

例えば、下記のようにチャンバー内に可能な限り造形モデルを敷き詰めると、造形に不要な部分のパウダー材料の量が少なくなり、材料の無駄をなくすことができます。

一方、チャンバー内に1個の造形モデルを配置すると、そのモデルの高さ分の材料が再利用分になってしまいます。大型の高コストの造形物を作る以外には、なるべく面に敷き詰めて造形するとより効率的な利用方法が可能です。

Fuse 1の価格:初期導入コストとランニングコスト

Fuse 1はFuse 1本体に加えFuse Siftと周辺のパーツ類などが必要になります。ここではFuse 1の初期導入コストとランニングコストについてご紹介します。

Fuse 1の初期導入コスト

Fuse 1を使用するためには下記の初期導入コストがかかります。

  • Fuse 1本体:2,585,000円
  • Fuse Sift:1,369,000円
  • Fuse 1 Build Chamber:532,000円
  • Fuse 1 Powder Cartridge:18,000円
  • Fuse 1 Printer Stand:36,000円
  • バキューム:353,000円
  • ナイロン12パウダー(3㎏×2):71,000円
  • 合計:4,964,000円(税別)

さらに送料、年間保守費用が発生します。

Fuse 1のランニングコスト

Fuse 1のランニングコストは基本的に材料費と年間保守費用です。

材料費はナイロン12が71,000円(3㎏×2)、ナイロン11が82,000円(3kg×2)です。

年間保守費用はプランごとに異なっており、ベーシックなプランで248,000円(税別)になります。

金型量産加工と比べた場合のメリット

Fuse 1は小さいパーツ類などを複数作る場合においては射出成形などの金型成形と比べて多くのメリットがあります。

例えば、上記でご紹介したFuse 1のミニチュアモデルの大きさでは、1度の造形で36個プリントすることが可能です。100個や200個の小ロット生産であれば、新たに金型を作るよりもはるかに低コストです。

Fuse 1のミニチュアモデルの形状は複雑で金型では作れませんが、あの程度の大きさの造形物を作ろうとすると、現在の造形技術では金型か3Dプリンターのどちらかの選択肢しかありません。

金型量産の場合の費用とFuse 1で作った材料コストで算出した費用はざっくり下記のような感じになります。

■100個作った場合の比較

  • 金型量産の場合:約200万~300万以上 
  • Fuse 1の場合:@1400円×100個=約140,000円

※上記金型の金額は造形物の大きさを想定した場合に最も低いであろうと類推する金額です。形状は考慮していません。

例えばこれまで数は大量生産するほどではないが、ある程度の小ロット100個~500個程度であればFuse 1で量産した方がコストメリットがあります。

またユーザーの要望ごとに微妙に形状が違うカスタマイズ製品なども一度にプリントが可能で多品種少量による小ロット量産の自動化が可能になります。

Fuse 1の最終品生産の実例

Fuse 1で最終品を作る取り組みは既に導入した企業などでも行われています。ここではFuse 1で最終品を生産し始めている企業事例をご紹介しましょう。

Formlabs:Fuse 1とFuse Siftの取付具をFuse 1で生産

最も象徴的なものが、Fuse 1とFuse SiftのパーツをFuse 1で作っている点です。Fuse 1

にはパーツの一部が、Fuse Siftでは、パウダーを混合するための取り付けパーツが実際にFuse 1で作られています。

特にFuse Siftに使用されるパウダーカートリッジを取り付けるパーツは、重量があるカートリッジをしっかりと支え度重なる回転に耐えられる強度が求められます。

Tessy Plastics社:ベルトプーリーをFuse 1で生産

Tessy Plastics社の事例では、ベルトプーリーや取付具の生産にFuse 1を利用しています。このベルトプーリーは開発過程において、急な設計変更の要望にもFuse 1で対応できた事例です。

設計変更の内容が金型を起こさなければ対応できないレベルの変更でしたが、Fuse 1ではダイレクトに3Dプリントが可能で、スピーディに対応することが可能です。

さらにFuse 1でプリントしたこのパーツは生産ラインのパーツとして問題なく稼働しています。

Fuse 1は小ロット・カスタマイズ量産の可能性を広げる3Dプリンター

Fuse 1は、低いランニングコストで最終品レベルの造形ができる革新的な3Dプリンターです。導入した以降は、安い保守費用と1g当たり@13〜15円の材料コストで造形が可能です。これはForm 3やForm 2のレジンよりも安く、高強度なFDM用のカーボンファイバー配合ナイロンフィラメントよりも低コストです。

また、消耗品は材料以外にほぼ無く、1度導入を行ってしまえば、後は非常に低コスト利用できるのが特長です。

上記でご紹介したように、小ロット量産やカスタマイズに対応した多品種量量のカスタマイズ量産にも最適な機種といえるでしょう。

このように、従来は高額すぎて3Dプリンターの最大の可能性である小ロット量産やカスタマイズ量産を利用できなかった方々が、Fuse 1を使いこなすことで、大きなビジネスの可能性を広げることができる3Dプリンターです。

Fuse 1はこうした点からもまさに真に生産可能な3Dプリンターなのです。