光造形3Dプリンタガイド：SLA光造形 vs. DLP vs. MSLA vs. LCD

3Dプリントにおける「解像度」は、プリンタ本体やメーカーごとに特徴や基準が異なり、標準化が難しい要素です。造形品の精度は、液体レジンを硬化させる光のサイズ、形状、出力分布、そしてレジンの散乱性、ブリードアウト、重合特性など、さまざまな要素によって左右されます。例えば、レジンの種類によっては他のレジンよりも光を散乱させやすく、そのために意図しない箇所まで硬化してしまい、繊細なディテールをうまく表現できないことがあります。

解像度という言葉はもともと、紙にインクを印刷するプリンタで「ドット/インチ」またはDPIと呼ばれていたものですが、X軸とY軸方向をカバーするインクと考えるとイメージしやすいかもしれません。3Dプリントの普及に伴って「Z軸解像度」という概念が導入されたため、3Dプリントの「解像度」の定義や測定基準がさらに複雑になりました。

最高の解像度を誇る3Dプリント方式やメーカーを決めるには、XY平面でパーツを正確にトレースする能力と、Z軸の最小積層ピッチの両方を考慮する必要があります。ただし、意図したパターンを正確にトレースできるかどうかは、いくつかの要素によって左右されます。

レーザー式SLA光造形3Dプリンタの解像度は、レーザー焦点サイズ、レーザー焦点の出力分布、ガルバノメーターがXY平面で光を配置する精度、およびZ軸の最小積層ピッチという4つの要素によって決まります。

レーザー焦点サイズは、一見すると表現可能な最小サイズを表しているように見えますが、実はそうではありません。部品が1点のドットや球のみで構成されている場合であれば、部品自体が最小のサイズとなるため、表現可能な最小サイズとレーザー焦点サイズは同じものを指すことになります。しかし、部品全体が1点のドットや極小の球状から成るというのは、現実にはほとんどあり得ません。普通の部品であれば、レーザーは焦点サイズよりも小さな形状やフィーチャーでもトレースすることができます。XY平面上を自身の焦点サイズよりも小さな単位で移動できるため、非常に小さなフィーチャーの「外側」をトレースすることができるからです。

例として、Form 3+のレーザー焦点サイズは85ミクロンですが、XY軸解像度は25ミクロンです。XY軸解像度とは、XY面（水平方向）の造形の精密さを意味します。

DLP方式3Dプリンタの解像度は、ピクセルサイズ（X軸・Y軸の両方）、光パワーとその均一性、アンチエイリアスの使用、レーザー使用のSLA光造形方式と同様のZ軸の最小積層ピッチによって決まります。

ピクセルサイズが小さいほど解像度が高くなり、この点はテレビや携帯型電子機器など、身近な製品と似ています。DLP方式3DプリントにおけるXY軸解像度は、プロジェクターが1層内で表現可能な最小フィーチャーであるピクセルサイズによって決まります。これは、プロジェクターの解像度（最も一般的なものはフルHDと呼ばれる1080p）と光学窓からの距離によって変わります。そのため、デスクトップサイズのDLP方式3Dプリンタのほとんどが、XY軸解像度が35～100ミクロン程度で固定されています。

DLP方式の3Dプリンタの解像度は、造形サイズが大きくなるにつれて低下します。これは、ピクセル数を大幅に増やしたプロジェクターが存在しないためです。そのため、大容量の造形をする場合はピクセル数は変えずに光源との距離を遠ざけねばならず、解像度と造形品質が低下します。 

MSLA方式3Dプリンタの解像度は、LCDのピクセルサイズ、光源のコリメートと均一性、アンチエイリアスの使用、およびZ軸の最小積層ピッチによって決まります。 

DLP方式の3Dプリンタと同様に、ピクセルが小さいほど解像度が高くなります。しかし、ピクセルの小ささは1つの要素に過ぎません。MSLA 3Dプリンタでは、LCDのピクセルを通過しても拡散しないよう、高度にコリメート（平行化）した光線が必要です。また、LCDのどのピクセルを通っても光線がレジンに均等に照射され、ムラなく硬化するよう、光線は常に高度に均一な状態でなければなりません。

Z軸の最小積層ピッチについては、それほど複雑ではありません。光造形3Dプリンタのほとんどが、平均25～200ミクロンの積層ピッチに対応できます。反転型の光造形3Dプリンタの場合、積層ピッチは造形面とレジンタンク底部の間にある、レジンの垂直方向の深さによって決まります。つまり、各層で硬化されるレジンの高さです。 

結局、光造形3Dプリントでは「解像度」は重要なのでしょうか？答えはイエスですが、解像度そのものは、製品をよく見せるための曖昧な指標に過ぎません。ある程度の目安にはなりますが、必ずしも精度や正確さ、造形品質と直結しているわけではありません。解像度が高い（XY軸解像度とZ軸解像度のピクセルまたはレーザー焦点サイズが小さい）ほど、速度や信頼性という点では大きなトレードオフが生じることがよくあります。これは、積層数が多いほどエラーの可能性が高くなるためです。

実際の例として、解像度の異なるSLA光造形やMSLA 3Dプリンタを表面品質や寸法精度、表現可能な最小サイズの観点から評価した記事もご覧いただけます。

3Dプリントは層を積み重ねることで造形していくため、各層で寸法精度に誤差が生じる可能性があります。積層されていくにつれ、意図した断面形状からわずかに生じたズレが重なり、結果として全体的な精度に影響を及ぼす可能性があります。精度は、3Dプリント方式、ハードウェアの設計、レジンの特性、造形設定、後処理の作業手順など、さまざまな要因に左右されます。一般的に、3Dプリント方式の中で最も正確かつ精密な造形ができるのは光造形3Dプリンタです。精度と精細さの違いは、方式よりもモデルやメーカーによって異なります。

光造形3Dプリントで精度を左右する主な要素は、プリンタの光学性能です。具体的には、サイズや形状、レジンを硬化させる光の均一性です。Form 3+やForm 3B+のような工業用レーザー式光造形3Dプリンタは、高品質のガルバノメータと徹底的なキャリブレーションにより、レーザー光が意図した箇所に正確に照射され、レーザーの経路からズレることなくまっすぐ照射されるようになっています。

DLP方式3Dプリンタの精度は、プロジェクターの解像度と出力、マイクロミラーデバイスの品質とキャリブレーションに影響されます。DLP方式プリンタでは、マイクロミラーデバイスが光源から離れた箇所に光を投影しなければならない場合、造形品のエッジでピクセルに歪みが発生しやすく、実現できる精度に限界があります。

LCDおよびMSLA方式3Dプリンタの精度は、光源の均一性とコリメーション、およびLCDのピクセルサイズと品質に影響されます。LCDプリンタは光源にレンズが付いているものがほとんどですが、その多くは非常に基本的なもので、明暗のムラやダークスポット、歪みなどが発生し、精度の低い造形品に仕上がる可能性があります。また、LCDの品質も非常に重要です。品質が高いLCDの場合、ソフトウェアのプログラミングと連動して光を遮るべき箇所と通すべき箇所を指定できます。

Formlabsのレーザーユニット4（LPU 4）は、50ミクロンのピクセルサイズと事前に調整済みのアンチエイリアス機能を備えたカスタムLCD搭載で、優れた寸法精度を実現します。Form 4のバックライトユニットは、60個のLEDと平凸レンズアレイ、光学バッフル板を用いて超高出力光を均一に照射し、高出力でも高度にコリメートされた平行な光を作り出します。

精度に大きな影響を与える2つ目の要素は、造形中に造形品にかかる負荷です。反転型光造形3Dプリンタは、いずれも造形中に2種類の負荷が発生します。1つは剥離力で、1層分の造形が完了した後、造形面が上昇し、硬化した層がレジンタンクから引き剥がされる際にかかる負荷です。もう1つは上から下方向にかかる荷重で、造形面が下降し、造形品を液体レジンの中に押し込む際に各層にかかる負荷です。これら2種類の負荷が、各層にズレや変形を引き起こし、最終的に寸法精度の低下につながることがあります。

一部のプリンタでは、硬化済みの層を優しく引き離せるよう、レジンタンクに柔らかいフィルムを採用し、剥離力を最小限に抑えているものもあります。このようなタンクなら剥離力は低減できるものの、2つの問題があります。まず、一般的に使用されるフィルムは耐久性が低く、交換作業が頻繁に発生することです。また、吸引力が発生しやすく、柔らかいフィルムがLCDに吸着して剥離力が急激に上がってしまうことがあります。

工業用MSLAプリンタのForm 4は、底部に2層の柔らかいフィルムを採用したレジンタンクを使用することで剥離力を最小限に抑えながら、頑丈で破損しにくい設計になっています。また、Form 4にはリリーステクスチャと呼ばれる独自のマイクロテクスチャ光学フィルムも搭載されており、レジンタンクとLCDの間に空気の通り道を作ることでフィルムの吸着を防ぎ、さらに高い精度を実現します。

MSLA 3Dプリンタ Form 4のリリーステクスチャは、レジンタンクとLCDの間に空気の通り道を作り、吸着を防いで精度を高める。

精度に影響を与える最後の要素は、プリンタ内の液体レジンの特性です。液体レジンの硬化は、レジンの温度や均質性、散乱性、粘度など、多くの変数に左右されます。これら変数がわずかでも変化すると、硬化すべきレジンの量に増減が発生し、硬化済みの層のサイズや形状に最大で数百ミクロンのズレが生じる可能性があります。ほとんどの光造形3Dプリンタではこれらの変数を制御していないため、寸法精度が予想外に変化してしまうことがよくあります。

Form 4は、さまざまな方法でこの問題に対処しています。まず、正確なヒーター、赤外線温度センサー、高速レジンミキサーを使用し、液体レジンの温度と均質性を正確に制御します。また、Formlabs独自の材料を開発・製造することで、全材料の反応性、粘度、散乱性といった特性を厳密に制御しています。さらに、Form 4は高度なスライスソフトウェア、プリンタ本体のキャリブレーション、事前検証済の造形設定を用いて、個々の材料の特性を自動的に補正します。

繰り返しになりますが、3Dプリンタの精度と高精細さは3Dプリント方式だけでなく、ハードウェア本体の設計、液体レジンの特性、造形設定、キャリブレーション、そして後処理の作業手順に依存するのです。

反転型のSLA光造形方式が導入される前は、光造形3Dプリンタは造形サイズが大きく、非常に高価なものでした。反転型光造形3Dプリンタの登場でこの技術がより身近になったとはいえ、従来のプリンタに比べると大型のプリントができないものが大半でした。造形サイズが大きくなると剥離力も大きくなり、造形を成功させることが非常に難しかったためです。

反転型のSLA光造形方式（大容量のタンクの代わりにレジンを必要なだけ使用する）と新たな剥離技術の組み合わせにより、現在では従来の大容量光造形3Dプリンタに10万ドル以上も投資することなく、これまでより大きなモデルも造形できるようになりました。大容量の光造形3Dプリンタは、消費者製品、プロダクトデザイン、ヘルスケアなどの業界にとっては理想的なソリューションであり、ヒューマンスケールの部品の製作などを可能にしています。

どのサイズの光造形3Dプリンタを選ぶべきか検討中の場合は、まず用途を考えてみると良いでしょう。レーザーを使用する光造形3Dプリンタには主に、デスクトップサイズ、ベンチトップサイズ、工業用サイズの3種類があります。

工業用サイズのプリンタは過去数十年に渡り、トップダウンの光重合プリンタで必要となる大きな設置面積とインフラ整備、高額な購入費用とメンテナンス費用のすべてを賄うことのできる大企業に多く採用されてきました。

反転型SLA光造形プリント方式が開発されたことでデスクトップサイズの光造形3Dプリンタが実現したわけですが、導入メーカーが増えるにつれ、各方向の造形面が100～200mm程度の立方体の小型プリンタが主流になりました。例えば、FormlabsのForm 3+は最大造形サイズが145 × 145 × 193mm、Form 4の場合は30%拡大した200 × 125 × 210mmです。

さらに、反転型SLA光造形方式の登場と剥離技術の改善により、ベンチトップサイズの光造形3Dプリンタも実現しました。最大造形サイズ335 × 200 × 320mmを誇るForm 3Lのようなベンチトップ3Dプリンタは、ヒューマンスケールの消費者製品の試作品製作に優れているだけでなく、3Dプリントした成形型を使って実製品を製作することもできます。

DLP方式の3Dプリンタの場合、解像度と最大造形サイズが互いに影響を与える関係にあります。解像度は、使用可能なピクセル/ボクセル数を定義するプロジェクターによって決まります。プロジェクターを光学窓に近づけるとピクセルが小さくなり解像度が上がりますが、造形可能な範囲が制限されてしまいます。より解像度の高い4Kや8Kプロジェクターを使用するメーカーもありますが、これらは非常に高価なため本体価格が高くなります。

大容量のDLP方式プリンタは依然として、反転型トップダウンが主流で、一度に大量のレジンを使用する必要があります。そのため、デスクトップサイズのコンパクトなDLP方式3Dプリンタは、一般的に用途を限定して最適化されています。こういった3Dプリンタでは最大造形サイズが小さく、解像度が高いため、ジュエリーのように小型で繊細な形状の造形に適しています。

LCD方式3Dプリンタの性能は、LEDアレイと同サイズのマスキングLCDが基本となるため、造形サイズが大きくなっても高い精度と高精細さを維持することができます。大容量のLCDまたはMSLA光造形3Dプリンタは、LCDのピクセルサイズが同じで、LED光源を同じ均一性を維持しながらコリメートできれば、コンパクトサイズのプリンタと同等の精度が得られます。

ただし、レーザー式のSLA光造形方式3Dプリンタとは異なり、LEDとLCDの面積が1平方cm増えるごとにコストがわずかに増加します。レーザー光造形プリンタの場合、造形品のサイズに関わらず同じレーザーを使用することができます。ただし、Form 3Lのようにベンチトップサイズの大容量レーザー光造形プリンタの場合、造形スピードの観点からレーザーユニットを2基搭載していることが一般的です。

光造形3Dプリンタで造形する層は、Z軸方向で物理的および化学的に結合しているため、上下の層の区別がつきにくく、より滑らかな外観になります。

Clearレジンのような透明材料を使用すると表面の滑らかさで部品全体の透明性が向上するため、半透明部品が必要な場合や部品の内部構造を見せたい場合などに理想的です。

Form 3+やForm 3Lのようなレーザー式の3Dプリンタは、ほぼ完全に滑らかな表面を実現できることが人気の理由です。レーザーの焦点サイズが小さく、曲線エッジでしっかりと丸みを出すことができ、造形品全体の外観は非常に滑らかになります。

DLP方式とLCD方式の3Dプリンタも一般的に表面品質が驚くほど滑らかで、サンディングや研磨の手間がほとんど不要で射出成形プラスチック品に匹敵する表面を演出できます。しかし、DLP方式もLCD方式も長方形のボクセルやピクセルを通して光を投影するため、これまではX軸とY軸に目に見える「段差」や「エイリアス」によるアーチファクト（ノイズ）が発生していました。これらはボクセル線、またはピクセル線と呼ばれています。

しかし近年、DLP方式やLCD方式の3Dプリンタで、ピクセルサイズの非常に小さな高解像度プロジェクターやLCDが使用されるようになったほか、特定のピクセルを部分的にオンにするアンチエイリアシング技術も使用されるようになりました。その結果、最新のDLP方式やLCD方式の3Dプリンタでは、レーザー式のSLA光造形方式とほとんど見分けがつかないほどの表面品質を実現できるようになっています。

小型モデルを造形する場合、レーザー式の光造形3DプリンタはDLP方式やLCD方式の3Dプリンタに匹敵する速度を実現します。広い範囲にレーザーを照射してレジンを硬化させる必要がないため、各層を迅速に完成させられるのです。しかし、中型〜大型のモデルやバッチ量産の場合、レーザー方式の3DプリンタはDLP方式やMSLA方式に比べて大幅に遅くなります。

歯科技工所など、高速造形が収益に影響する業界ではDLP方式が人気です。しかし、造形面全体で光学的な歪みが生じやすく、高精度を実現するには高度なキャリブレーションが必要になります。また、同じような性能を持つLCD 3Dプリンタよりも高価です。

Form 4のように高度なMSLA技術を搭載したプリンタなら、最速かつ最も信頼性の高い3Dプリントが可能になります。各層一体を一度に硬化できることが造形速度の向上につながる最大の要素ですが、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。

量産用にMSLAプリンタの導入を検討する場合、プリンタのコンポーネントの品質と信頼性が重要な考慮点になります。一般的なLCDは3Dプリンタで発生するような環境に適した設計になっていないため、LCD方式はプリンタは寿命が短い、という評判が生まれます。Form 4のレーザーユニット4の場合、60万～190万層もの造形に耐えることができ、かつ交換が必要になった場合もユーザー自身の手で簡単かつ低コストで交換が可能です。

デスクトップサイズの光造形3Dプリンタの場合、生産量の拡大も容易に行えます。利用しやすいサイズなので複数台のプリンタを追加しやすく、簡単により多くの部品を製造できるようになります。一部のプリンタには、造形後の作業を自動化する外付けオプションもあります。Formlabsでは、光造形プリンタForm3/B/+に外付け可能なForm Autoという高度な自動化装置を提供しており、造形品の取り外しを自動化することで24時間365日の連続造形を可能にします。Formlabsのオートメーション製品のような自動化装置を使えば、3Dプリント工程で必要となるタッチポイントを減らし、小型で同じような形状のモデル（歯科モデルや矯正モデルなど）のほぼ連続製作を可能にします。