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よくわかる光造形方式3Dプリンター -仕組み・選び方~SLA方式・DLP方式・LCD方式・インクジェット方式~

よくわかる光造形方式3Dプリンター -仕組み・選び方

3Dプリンターの数ある造形方式の中で最も一般的で歴史が長いものが光造形方式です。この記事では光造形方式の種類や特徴、選び方、業界事例など網羅的にお伝えします。

光造形方式3Dプリンターは紫外線で樹脂を固めて造形する

家庭用・業務用3Dプリンターで広く普及している造形方式、光造形方式の原理を説明します。
光造形方式3Dプリンターは、レジンと呼ばれる液体状の樹脂に、紫外線を照射することで樹脂を固め、造形していきます。表面が滑らかな造形物を造形することができるということで人気の高い造形方式です。

光造形方式3Dプリンターとは

光造形方式とは、光硬化性を備えた液体樹脂材料に、UVレーザーを照射し固めながら造形する3Dプリンターの造形方式のことです。一般的には造形後に洗浄して、二次硬化装置で光を当てながら硬化させることで、部品として利用します。

材料となる光硬化性の樹脂に、熱硬化性樹脂を混ぜ、熱処理を加えることで強度向上させる方式をとるCarbonなどのメーカーや、液体樹脂に金属粉やセラミックス粉をまぜ混錬し、造形した後に脱脂・焼成することで金属やセラミックスなどの部品を造形するSKファインなどのメーカーも存在します。

光造形方式の主要な種類とその違い:SLA方式、DLP方式、LCD方式、インクジェット方式

光造形方式にはSLA方式・DLP方式・LCD方式・インクジェット方式の4タイプに分けられます。それぞれの特徴と違いについて1つずつ詳しく紹介します。

SLA方式(Stereo Lithography Apparatus)

SLA方式は、光硬化性の液体樹脂に点状のUVレーザーを照射し、1層ずつ樹脂を固めて積み重ねることで造形していく造形方式です。光造形方式の中で最も歴史のある造形方式です。

レーザーを1点に集中させて照射するため、複雑で細かな構造のものであっても、3Dモデルデータ通りの造形が可能です。また点でレーザー光を点に集約させる原理上、造形時の出力を大きくしやすく、大型なものでも造形できる点が特徴となっています。

一方で、点状のUVレーザー光を一筆描くするように形状をなぞりながら造形するので、他の光造形方式に比べると造形スピードが遅くなってしまうことがあります。この点を払拭するためにレーザーを複数配置するなどの取り組みや、レーザーを反射させるミラーの機構を工夫し、描画を早くする取り組みなどもあります。

レーザー光を液体樹脂の底面から照射する場合、造形物を固定するビルドプレートを上からつるし、液体材料のプールから引き揚げながら造形するボトムアップ式(吊り下げ式)と、レーザーを上部から照射し、ビルドプレートを下に配置するボトムダウン式の装置がありますが、どちらの場合でも、サポート材が必要になります。

光造形の場合、液体材料が充填されたプール(バット)の中で造形されますので、造形中に浮力が働き、ほかの工法よりもサポート材を抑えて配置しても造形できますが、造形材とサポート材が同じ材質になってしまうので、サポート除去は、作業者が手でおこなわなければならないでしょう。

また小型装置では材料の劣化は気にならないかもしれませんが、大型装置の場合、液体材料を数百リットル格納するため、液体樹脂の温度や投入後の経過時間などをもとに材料劣化を判断しながらパラメータを調整するなどの工夫も必要になってくると言います。

数十万円程度で購入できるエントリーモデルから数千万円レベルの産業用装置まで、幅広い機種が存在しています。

DLP方式(Digital Light Processing)

DLP方式は、光硬化性の液体樹脂(レジン液)にプロジェクター光を照射して、樹脂を固め造形していく方式です。SLA方式が点状の紫外線を照射するのに対し、DLP方式では面状の紫外線を照射する点に違いがあります。面で紫外線を照射するためSLA方式に比べると造形スピードに優れています。

注意すべきなのは、点で紫外線を照射するSLA方式と異なり、造形範囲が広くなればなるほど(大きな造形物になるほど)完成物の解像度が粗くなったり、ゆがみが出たりする可能性が高まります。オフィスで利用するプロジェクターと同じ現象です。対策として、プロジェクターと同じく、解像度が高い装置を利用すること、ゆがみがないように適切にセットすることで解消ができますが、解像度の高いプロジェクターはコストが高い傾向にあります。

「ゆがみ」に関しては、小さなものを1つだけ作るのであれば、差はわかりにくいのですが、大きなものを複数作る場合、同じものを作ろうとしても少しずつ大きさや形が異なってきます。適切なセッティングを心掛けるのと、購入前に、想定している部品を実際に複数試験発注して仕上がりを確認することが重要になってくるかもしれません。

SLA方式同様に、造形物を支えるサポート材が必要になります。また造形材とサポート材を同じ材質で行う必要があります。

プロジェクターの性能向上と廉価化が進み、数十万円から購入できる廉価機も登場してきました。

LCD方式(Liquid Crystal Display)

LCD方式はDLP方式と同様に、面でUV光を照射するタイプの3Dプリンターで、スピーディな造形が可能です。LCD方式は、液晶パネルのLCDパネルを用いて紫外線を照射します。

DLP方式の場合は、プロジェクターから照射しますので、解像度やゆがみの問題を考慮する必要があったのですが、LCD方式では高解像度のパネルを使用することで安価に克服が可能となりました。その結果、光造形方式の3Dプリンターの廉価化、高速化のために多く採用されるようになりました。

一方で、LCDパネルは熱と紫外線に弱いため、定期的な交換が必要になります。そのため、DLP方式と比べると導入コストは抑えられることが多いですが、中長期でのランニングコストは高くなる傾向にあります。

参考情報:材料噴射方式 / MJT(Material Jetting)

光硬化性の液体樹脂を噴射しながらUV光を照射しながら、造形するタイプの3Dプリンターです。一般的には、光造形方式に分類せず材料噴出方式として別にカテゴライズされるのですが、「光硬化性の樹脂に光を当てて造形」する方式なので、合わせてご紹介しておきます。

SLA、DLP、LCD方式と違って、液体材料のプールの中で造形を行わないため、高性能な機種では、複数の樹脂材料を混ぜ合わせたり、使い分けたりすることができます。フルカラーでの造形や、サポート材に水溶性サポート材を利用することも可能です。材料を混ぜ合わせることで色や硬度の調整ができる点に特徴があります。

一方で、液体材料の中で造形しないため、サポート材は多めに配置する必要が出てきます。また空気中に液体樹脂を噴出しながら造形するため、表面性が劣る場合があります。この点を補うために、インクジェットノズルの性能や噴出制御の高度化、造形速度を落とすなどの工夫を行い、造形品質を高めた機種なども発売されています。

外観確認用の試作や博物館などの展示物などに利用されています。

光造形方式3Dプリンターのメリット

1. 表面性の高さ、なめらかさ

光造形方式の3Dプリンターの最も大きなメリットは、表面性の高さです。光造形方式と並んでよく利用されているFDM方式との比較でいうと、光造形方式の3Dプリンターではなめらかな造形が可能なので、FDM方式では気になる積層痕が、さほど目立たず仕上がってきます。

2. 透明な部品の仕上がり

透明材料を利用する際に白く濁ったように見えてしまうFDM方式とはことなり、クリアな透明感を実現できる機種も増えてきました。

光造形方式3Dプリンターのデメリット

対候性が低い

光硬化性の樹脂材料を原料としている光造形方式ですが、太陽光に長期間さらされると、部品の劣化がすすみやすいという短所があります。白くなる白化がおこったり、もろくなったりします。

後処理が必要

造形後に液槽から引き揚げたばかりの部品は、材料の溶液が付着しています。液体材料は光で硬化してしまうため、引き揚げた後に専用の溶剤で洗浄する必要があります。洗浄後、二次硬化プロセス(乾燥させながら追加で光を当て硬化させる工程)を処理することで、部品の強度を上げる場合、その処理を行う必要があります。

部品とサポート材が同じ材質になる

光造形方式では、液体材料を充填した液槽(バット/プール)に対してUV光を当てるため、部品の材質とサポート材の材質を使い分けることができません。FDM方式では利用できる機種が増えてきた水溶性サポート材が利用できないため、サポート除去が手間に感じる場合もあるでしょう。

液体材料は有害物質として慎重に扱う必要あり。レジンアレルギーにも注意

FDM方式で用いられる材料フィラメントは管理が容易ですが、光造形方式に利用する光硬化性の液体樹脂は、光を当てると硬化するため、光が当たらないように保管する必要があります。(光造形方式の装置の透明カバーに着色がされているのも、紫外線を遮るための着色となっています)。

また液体材料自体に、有害な物質が含まれていたり、刺激臭があるので、取り扱い中も換気に気を配って作業する必要があります。有機溶剤作業用防毒マスクがあると安心です。

服や作業机、床にこぼしてしまうと、しみになって取れません。また手や指に液体材料が付着したり、刺激臭に触れていると体質によっては皮膚が炎症を起こすレジンアレルギーを発症する場合があるため、安全第一で作業を行う必要があります。材料充填や洗浄時は、ゴム手袋(ニトリルグローブの粉なしなど)を着用し、素手での取り扱いを避けましょう。

使い残した液体材料も、材料を洗浄する際に使う有機溶剤も、未処理のまま下水道に流すことは不法投棄にあたる場合があります。適切な処理を装置ベンダーと確認の上、環境を汚染しない処理を心掛ける必要があります。

材料の劣化にも配慮を

光硬化性樹脂にレーザーを当てながら造形している光造形方式の3Dプリンターは、絶えず材料の劣化が起こっていることを忘れてはいけません。デスクトップ機では数L程度の材料ですが、大型機では数百リットルの材料が材料タンクに入っています。ノウハウのあるサービスビューロでは、材料の劣化状況を見ながら造形条件を調整しているといいます。

光造形方式のよく見かける失敗事例

光造形の3Dプリンターでの造形ならではの失敗事例をいくつかご紹介します。

①よくある失敗事例-「材料の剥離」による形状崩壊、外観不良

3Dプリンターで造形する際に、立体的な3Dモデルを何層にも輪切りにして、その平面を塗りつぶすように3Dプリンターで造形し、層を重ね合わせていきます。造形物が重い場合や、形状が複雑で密着面が小さい場合、速度を上げすぎるとレーザー光による硬化が十分でなく、層と層が剥離してしまうことがあります。

剥離対策としては、造形する形状や造形物の重さを考慮して、サポート材を適切に配置する、造形速度を調整するなどの工夫が必要となります。光造形方式は液槽の中で造形します。液体材料の浮力を考慮に入れサポート材がピンポイントでしか入っていない場合もあるとおもいますので、形状が安定しない場合、サポート材を配置する密度を変える、該当箇所のみ強化するなどの工夫をおこなってみましょう。

②よくある失敗事例 - 「液だれ」による表面性低下

光造形方式の3Dプリンターは光で硬化する液体樹脂材料を利用しています。そのため、造形後にすぐ洗浄を行わないと、表面に付着した光硬化性の樹脂が意図しない形で表面に固着してしまいます。また洗浄が十分でないと洗い残しがおなじように固着して、後処理に非常に苦労する場合もあります。

液だれ対策として、造形完了後に光に触れる時間を最小限にしたうえで、早く洗浄する、丁寧に洗浄することが必要になります。

③よくある失敗事例 - 「気泡」の混入

事前の液体材料の材料の攪拌が十分でなかったり、造形速度を上げすぎると、造形中に、部品の中に気泡が混入してしまう場合があります。気泡が混入すると透明な部品の場合、透明度が損なわれるうえに、気泡が目立ち、外観不良につながります。着色する場合でも、気泡の量や位置によっては強度の低下につながるため、造形品質が低下してしまっている状態と言えるでしょう。

気泡の混入を防ぐためには、造形速度を調整し確実に造形していくことが必要です。機種による個体差や材料や形状、光源の劣化度など要素は無数にありますが、安全値を考慮しながら確実な造形を行っていくことが品質の維持向上につながります。

光造形方式3Dプリンターの導入検討と選び方:導入目的に明確に持って臨むこと

いままでご紹介してきた造形方式以外にも、光造形方式の弱点を補うために、Carbon社やLUXCREO社などの3Dプリンターでは、光硬化性樹脂で造形を行い洗浄した後に、二次硬化を乾燥とUV光照射以外にも、熱処理を加え強度を高める方式をとっています。日進月歩で進化する光造形方式の3Dプリンターですが、予算や使い方、求める機能によって選択肢が大きく変化していきます。

シェアラボ編集部がおすすめする基本的な購入戦略は「段階的に高いものを購入」という方針です。いきなり数千万円のハイスペックな機種を購入することは大きなリスクを伴います(経営的にも、導入担当者へのプレッシャー的にも)。まずは手ごろな機種を購入し、できる作業を把握し、できない作業を外部のサービスビューロに依頼するというメリハリをつけて、年度予算を検討していきましょう。

形状確認用の試作品を必要とする機会が多数あって、充分な作業スペースや換気環境、廃液処理環境を用意できるのであれば、光造形方式の3Dプリンターはおすすめできます。

ここではいくつかの利用シーンを考慮に入れて、おすすめの光造形方式の3Dプリンターをご紹介していきましょう。

光造形方式3Dプリンターの選び方:手軽に試作品を内製したい

Formlabs社の「Form 3シリーズ」

Formlabs社の3Dプリンター「Form3+」「Form3B+」

100万円以下で造形できる試作用3Dプリンターとしてこの2機種はお勧めできます。「Form 2に比べるとForm 3は造形の安定感が格段に向上した」とFrom 3シリーズを多数導入するサービスビューロが評価しているほどです。

廉価帯光造形方式の機種として3代目にあたりForm 3はForm 2よりも造形の安定性が大きく改善しました。ガルバノミラーの機構を大幅に改善したことで、造形領域の両端でもゆがみが少なく造形ができるようになったということで、取り扱う複数のサービスビューロが高い評価を与えています。

光造形方式3Dプリンターの選び方:大きなものを造形したい

大きなものの定義は毎年変わるのですが、今日では、最大100cmまでの幅をもった一体造形物を作ることができる機種も登場しました。大型機は造形速度を高めるためにレーザー出力を高くできるように光源を強化したりレーザーの基数を増やしています。

B’fullが扱う大型光造形方式の造形機「ZRapid社の3Dプリンター 」

ガチャガチャの景品やフィギュアなどを光造形方式の3Dプリンターで多品種少量生産するサービスビューロB’full社。自社でも20台以上導入しているZRapid社の3Dプリンターを価格を明確にして売り出すなどの取り組みを開始しています。

光造形方式3Dプリンターの選び方: 透明材料を使いたい

様々な造形装置がある中ですが、透明材料をクリアに造形できる装置はそんなに多くはありません。ここでおすすめしたいのが、DMECとストラタシスのPolyjetシリーズです。

DMEC

D-MECはJSRの子会社として国内に数百社に導入実績がある樹脂3Dプリンターを納入してきた実績があります。装置価格は数千万円からとなっていますが、注目するべきは、透明部品のすっきりした仕上がり。

「透明感が表現できる」と数十台の装置を導入しているサービスビューロの担当者が称賛する仕上がりです。

装置自体の熟成も進んでいる結果といえるでしょうが、スライサーソフトの出来も秀逸なようで、ポリゴンの形状を緻密に積み立てるアルゴリズムを導入している点が違いを生んでいるようです。

ストラタシス

PolyJet™はCMFデータを採用しているストラタシスのフルカラー対応の造形機です。透明部品もしっかり透明感を持っているほか、フルカラーでさまざまなテクスチャを表現しています。

>>ストラタシス、新材料の導入によりデザイナー向けカラー3Dプリンティングの性能を強化

フルカラーで外観を確認したい

社内で3Dモデルデータの造形が可能で、月に何度も塗装を伴う外観試作を必要とする場合、高額だが高性能なフルカラー造形できる装置を検討してみましょう。試作業者に依頼すると1週間から2週間程度かかる部品の制作が数日まで短縮できるため、費用対効果ができるうえに納期短縮にもつながる可能性があります。

ミマキ mimaki

ミマキエンジニアリングのフルカラー3Dプリンター3duj-553はアメリカのスミソニアン博物館で展示物を造形するために導入された実績があります。

1000万色以上の色彩の再現を可能としている世界最高峰の表現力を持っています。「数千万円の装置価格に加え、インク代も高額で、造形にも時間がかかるが、造形者の力量に依存しない安定的な仕上がりが魅力」と試作造形に強いサービスビューロも導入する装置です。

光造形方式3Dプリンターの選び方: 最終部品に使いたい

3Dプリンターで利用できる材料は、もともとの材料に添加剤を加えて3Dプリンターで造形できるように調合されたものです。特に光造形方式の3Dプリンターでは、光硬化性の樹脂をベースに配合されているので、別の工法で使っている材料と大きく物性や振る舞いがことなることも多いかもしれません。その上、機種によってメーカーが保証する材料がことなり、仕様もばらばらですので、目的に合わせて機種や材料の組み合わせを使い分けることが必要になってきます。年々装置の性能や、材料の選択肢は広がっていきます。継続的に知見を増やしていくことが必要です。

Nittokuの光造形方式3Dプリンターでの最終部品製造事例

非接触RFIDの極小部品を光造形方式の3Dプリンターで量産。Nittoku社の取り組みを取材しました。最終部品での利用は大きなハードルです。各社材料分野で製品改善を続け、最終部品製造に取り組む構えを見せていますが、この分野で国内外でさまざまな事例をもっているCarbonは検討するべき価値を持っているといえるでしょう。

おわりに:光造形方式は試作品から最終部品まで活用の幅を広げている

光造形方式はもっとも古くから取り組まれてきた3Dプリンティング技術です。なめらかな表面性を実現できるため、試作品の造形用に、日本でも広く利用されています。装置自体の進化の他に、材料の多様化や二次硬化処理の高度化で、1,2年の耐候性を備え、強度も優れた部品造形も可能になってきたと説明するメーカーも増えてきました。自社での品質管理基準や部品に求める性能を見極め、経営に貢献できる3Dプリンターの活用方法を見つけていくことで、同業他社にはできない取り組みを展開できるチャンスが広がっています。

最後に、20年以上前から光造形方式で試作品などの造形を行ってきた老舗サービスビューロJMC社の取り組みを取材した記事をご紹介しておきます。どうやって光造形方式の3Dプリンターを活用していくべきか考える際のヒントが詰まっています。

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