光造形3Dプリンターとは？仕組み・種類・メリットと選び方

SLA方式は、レーザーなどの光を走査し、断面形状を線として描画しながら樹脂を硬化させる方式です。細かな形状を制御しやすい一方、造形時間は描画面積や配置数の影響を受けます。

SLA方式では紫外線を点状にレジンに当てて造形するため、複雑で細かいものでも、3Dデータの再現性を高めた造形が可能です。ただしDLP方式やLCD方式と比較すると照射する紫外線の範囲が狭いぶん、造形のスピードは遅くなります。

また、独自の技術による特徴的な3dプリンタ―を開発している企業もあります。

BMF Japan 株式会社では、独自PµSL（Projection Micro-Stereolithography）技術に基づいた、高精細・高精度の産業用3Dプリンター「microArch®シリーズ」を開発し、従来の切削加工や金型では難しい複雑微細構造の造形を実現しています。

画像引用：BMF Japan 株式会社

PµSLは、DLP方式をもとに開発した独自の光造形技術でグラフからもわかるように、X-Y精度、Z精度ともに最高レベルの解像度を誇ります。一般的な光造形（DLP）とおなじように、UVによる樹脂硬化を重ねることで造形し、投影レンズの精密な制御により数マイクロメートルから数百ナノメートルの解像度を実現します。

造形事例_マイクロスプリング

DLP方式は、プロジェクターから断面画像を投影し、一層分を面単位で硬化させる方式です。同じ層に複数部品を配置しても露光時間が大きく変わりにくく、造形時間を短縮できる場合があります。実際の精度は投影解像度、投影範囲、光学系、材料、補正制御などに左右されます。

DLP方式では材料に対して紫外線を当てる範囲が多いため、造形スピードが早いのが特徴です。ただし照射する範囲が広くなれば広くなるほど、精度が粗くなる傾向があります。

初期費用は高くなりますが3Dプリンター本体のメンテナンス性が高く、消耗品が少ないためランニングコストをおさえられるのも、DLP方式の特徴です。

LCD方式は、液晶パネルをマスクとして利用し、その下に配置した光源から一層分を面露光する方式です。比較的導入しやすい装置が多い一方、液晶パネルは消耗部品であり、交換頻度や保守費用を確認する必要があります。

LCD方式はDLP方式と同じく、面状に紫外線を照射するため、高速造形が可能です。初期費用はDLP方式よりも安い傾向にあります。一方で、LCDパネルは造形時の熱や紫外線によって劣化するため定期的に交換が必要となり、ランニングコストが高くなる点に注意しましょう。

SLA・DLP・LCDという方式名だけでは、完成部品の精度や品質は決まりません。装置を比較するときは、カタログ上の解像度だけでなく、公差、再現性、造形範囲、積層ピッチ、材料、後処理、保守体制を確認することが重要です。

DLP方式やLCD方式は一層分を面単位で露光するため、部品の配置数や形状によっては造形時間を短縮できます。ただし、総造形時間は積層数、露光条件、剥離動作、材料、造形方向によって変わります。

光造形3Dプリンターは、液体状の光硬化性樹脂を一層ずつ硬化させて造形するため、材料押出方式と比べて、細かな輪郭や滑らかな表面を得やすい傾向があります。

ただし、表面が滑らかであることと、寸法精度が高いことは同じではありません。完成品の寸法精度は、光学系、画素・スポットサイズ、積層ピッチ、材料の収縮、造形方向、サポート配置、洗浄、二次硬化などの影響を受けます。

寸法精度を重視する場合は、カタログ上の解像度だけで判断せず、公差、繰り返し再現性、最小壁厚、最小穴径などを確認し、実際の3Dデータを用いたテスト造形で評価することが重要です。

光造形3Dプリンターは、透明性の高い材料を選ぶことで透明度の高い仕上がりが実現します。たとえば内部構造を可視化するスケルトンモデルなども、光造形3Dプリンターなら造形可能です。

ただし、透明度の高い樹脂は経年劣化によって造形物の色が黄ばんでしまうデメリットがあります。造形当初の透明性を長期間維持することが難しい点には注意が必要です。

光造形方式の3Dプリンターで製作した造形物には余分な樹脂が付着するため、その樹脂の洗浄と除去が必要です。

樹脂の除去は水やエタノールなどを使用して洗浄しますが、表面以外にもこまかいすき間の液体樹脂もしっかり除去しなければいけません。さらに洗浄液に長時間つけ過ぎると造形物が解けてしまうことがあります。洗浄液のつけ過ぎにも注意しながらの洗浄が求められます。

洗浄後に出た廃液の処理にも注意が必要です。廃液にはレジンが含まれているため、そのまま下水に流してはいけません。自治体で定められた方法で廃液を処理する必要があります。

使用したレジンの種類や3Dプリンターの性能などによっては、造形時の紫外線の照射だけでは完全に硬化せず、半硬化となることがあります。半硬化の状態の造形物は本来の強度などの性能が発揮できず、そのままでは変形や破損の恐れがあるため二次硬化が必要です。

造形物の状態によっては洗浄後の二次硬化が必要となり、手間がかかることもデメリットと言えます。

光造形3Dプリンターでの造形は、造形が崩れ落ちないためにサポート材を用いて造形を進めていきます。そのため造形後、洗浄と必要に応じて二次硬化後にサポート材の除去が必要です。

造形物が精巧または複雑であればあるほどサポート材がたくさん付着する傾向にあるため、除去の手間は大きくなります。さらにサポート材は除去後廃棄するため無駄になってしまうのもデメリットです。

サポート材の除去の手間や無駄を克服するには、造形後にペーパーややすり、ブラスト研磨機などで造形物を研磨をする方法や、サポート材なしで造形（プラットフォームに直付けする）ができる3Dプリンターを使う方法があります。

一方で、造形後の後処理を簡単にする材料の開発も進んでいます。

BMF Japan 株式会社では、硬化後に熱アルカリで溶解可能な「可溶性樹脂」を開発しました。「可溶性樹脂」はPDMSキャスティングや射出成形用のモールド印刷に適しており、硬化後に熱アルカリによって溶解可能なことで、製造業の造形に関する課題へフレキシブルに対応可能です。

可溶性樹脂によって、精密で複雑な三次元微細構造を持つPDMSデバイスを簡単かつ迅速に作製できます。また、可溶性樹脂を使用して射出成形用のモールドを印刷してから、一般的なエンジニアリングプラスチックで射出成形を行うことで、光硬化性材料の限界を突破し、従来の射出成形や直接3Dプリントでは製造できない特殊な部品を手に入れることができます。

可溶性樹脂とPDMSキャスティングプロセス

光硬化性樹脂の耐候性、耐熱性、耐薬品性は材料によって異なります。長期間の屋外使用や紫外線環境を想定する場合は、材料仕様を確認し、必要に応じて耐候性材料、表面処理、コーティングを検討します。

最大造形サイズだけでなく、一度に配置する部品数や必要な生産量も確認します。大きな造形範囲と微細形状の再現性は、装置によってバランスが異なります。

画素サイズやレーザースポット径だけで、完成品の精度を判断することはできません。公差、再現性、壁厚、穴径、造形方向による差を、サンプル造形で確認します。

強度、靭性、耐熱性、生体適合性、耐薬品性、透明性など、使用環境に必要な特性を整理します。材料の認証や用途制限も確認が必要です。

造形後の工程は品質と作業時間に影響します。特に内部流路や微細穴では、未硬化樹脂を排出・洗浄できるかを設計段階で確認します。

外観確認用モデル、治具、精密試作、マイクロ流体部品では必要な性能が異なります。導入前に自社データでテスト造形を行い、造形条件、材料、保守、技術支援を含めて評価することをおすすめします。