SLA光造形方式3Dプリントのガイド

SLA光造形3Dプリントは、槽（バット）またはタンクに満たした液体レジンに光源を照射することで硬化させ、3次元のオブジェクトを造形します。従来のトップダウン式のSLA光造形3Dプリンタは、液体レジンを満たした槽の上に光源が配置されていました。2011年、Formlabsの共同創設者であるMax Lobovsky、David Cranor、Natan Linderが、光源をレジン層の下に配置する反転型の光造形方式を開発しました。レジンの最下層から断面に光を走査し、一層を硬化するごとに造形面が上に引き上げられ、直前に硬化した層の下に液体レジンが流れ込む形になります。

反転型光造形方式の発明により、透明かつ柔らかいフィルムを底部に搭載したレジンタンクなど、その後もさまざまな重要な技術革新が起こりました。底部のフィルムが柔軟なことで造形品にかかる剥離力が緩和されるこのレジンタンクの設計により、より大容量の反転型SLA光造形3Dプリンタの開発が可能になりました。

SLA光造形3Dプリンタでは「レジン」と呼ばれる光硬化性レジンを使って造形を行います。SLA光造形用のレジンに特定の波長の光を照射すると短い分子鎖同士が結合し、モノマー（単量体）とモノマーが少数重合したオリゴマーが結合して重合体（ポリマー）となることで、硬質または軟質形状に硬化します。

過去10年間の間にさまざまな光造形3Dプリント工程が新たに開発されましたが、それらは主に使用する光源の種類によって分類できます。主なものは、レーザー型の光造形（SLA光造形）、デジタルライトプロセッシング（DLP）、マスク式光造形（MSLA、またはLCD 3Dプリント）です。

光源の照射方向や光源の種類に違いはあるものの、SLA光造形3Dプリントの仕組みは複雑なものではありません。造形が終わると、造形品表面に残った余分な液体レジンを除去するために、アルコールまたはエーテルによる洗浄が必要です。洗浄後、材料によっては、重合を完全に終わらせ、最適な材料特性を引き出すために二次硬化が必要になる場合があります。特定の用途での使用や審美性の向上のために、着色、コーティング、電界めっき処理などの表面処理を追加で施すことも可能です。

SLA方式は1980年代初頭、日本の研究者である小玉秀男博士が光硬化性樹脂を紫外線で硬化させるという、現代の積層造形法を発明したことに端を発します。光造形（Stereolithography）という用語は、1986年にSLA方式の特許を取得し、3Dシステムズ社を設立して実用化したチャールズ（チャック）・W・ハル氏が考案したもので、ハル氏は、紫外線で硬化する材料を薄い層にし、連続して「プリント」することで立体物を作る方法であるとしました。初期はSLA光造形3Dプリンタは、価格が10万ドルを超える大型の産業機であることが多く、導入には複雑なインフラ整備とメンテナンスが必要でした。

そのため、SLA光造形方式による3Dプリントは、幅広い支持を集めた最初の3Dプリント技術とはならなかったのです。2000年代の終わりに他の3Dプリント方式の特許が切れ始めると、小型の3Dプリンタが登場します。小型のFDM（熱溶解積層）方式3Dプリンタが誕生したことで、アディティブマニュファクチャリングがより多くの人の手に届く存在となりました。押し出し方式が手頃な価格で利用できるようになったことで、3Dプリントが初めて広範に普及し認知度も高まりましたが、FDM 3Dプリンタでは工業グレードのニーズを満たせずにいました。

Formlabsは2015年にForm 2を発表し、それに続いてさらに幅広い材料をリリースしました。これにより、SLA光造形方式は大幅に信頼性が高まり、さまざまな業界のユーザーにもご活用いただけるようになりました。

機能が充実したことで、カスタム部品や高精度部品が求められるエンジニアリング、プロダクトデザイン、製造、歯科、ジュエリー、その他多岐にわたる業界で3Dプリントの活用が広まりました。

活用できる用途が増えるにつれ、SLA光造形方式はますます広く受け入れられるようになりました。現在最も普及している3Dプリント方式は、FDM方式、SLA光造形方式、SLS（粉末焼結積層造形）方式の3つです。

2019年、FormlabsはForm 3およびForm 3L SLA造形方式3DプリンタでLow Force Stereolithography™（LFS）を導入し、プリント工程で硬化済みの層をタンクの底から剥がす際に造形品にかかる剥離力を大幅に軽減することに成功しました。この高度な光造形技術により、表面品質と造形精度が大幅に向上しました。また、造形中にかかる圧力も低く抑えることで、サポート材の除去が簡単になるライトタッチサポートを実現し、後処理工程も効率化できます。LFSの導入により、Silicone 40Aレジンのように柔らかく伸縮性のあるレジンや、Rigid 10Kレジンのようにガラス充填率の高いレジンなど、量産にも使用できる高機能材料の使用も可能になりました。

Formシリーズは2024年現在、販売台数が14万台、製作された造形品は4億個以上にのぼるなど、世界をリードする工業品質の3Dプリンタとなりました。

2024年、Formlabsは次世代のMSLAプリントエンジン、Low Force Display™（LFD）を搭載したForm 4とForm 4Bを新たに発表し、これまでより一段上のパワフルさとアクセスしやすさを実現した光造形3Dプリントを誕生させました。

デスクトップサイズおよびベンチトップサイズの高出力3Dプリンタがより手頃な価格で入手できるようになったことで、新しい生産の形が生まれています。企業は3Dプリントによる生産力を段階的に拡大し、サプライチェーンの一部を内製化することで、不確実な市場環境にも柔軟に適応できる能力を身につけています。また、新たな材料により、これまでにはない新しい用途開発も可能になります。

LFDプリントエンジンの要となるのはバックライトユニットです。60個のLEDによる高出力光をコリメートレンズで均一に照射します。レンズアレイを通してエリア一帯に満遍なく光線を投影することで、より平行かつ均一な照射が可能になり、明暗のムラを排除します。

その後、光はレーザーユニット 4（LPU 4）を通過し、フィルタとマスクによって造形品の形状に変形されます。光がレジンタンク内の液体レジンに到達すると、その面一体が硬化して層になります。一層分が出来上がるとビルドプラットフォームが持ち上がり、Z軸が出来上がった層をレジンタンクの底から剥離します。

これまでのSLA光造形方式では剥離時にかかる力が大きな課題となり、ユーザーは3Dプリンタ選定の際に信頼性、造形品質、造形スピードのいずれかを諦めなければなりませんでした。新登場のForm 4では、剥離にかかる力を最小限に留めることで、造形品質、信頼性、造形速度を最大限に引き出します。LPU 4の上部には独自のマイクロテクスチャが施された光学フィルム「リリーステクスチャ」が搭載されており、タンクとLPUの間に空気の通り道を作ることでレジンタンクがLPUに吸着してしまうのを防ぎます。

お好みのCADソフトウェアまたは3Dスキャンデータを使って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。次に、デジタルファイルを造形準備ソフトウェアにインポートします。このソフトウェアで造形設定を行うとともに、造形用にデジタルモデルをスライスしてレイヤー化します。Formlabsの造形準備ソフトウェアPreFormは無料でダウンロードが可能で、サポート材の自動生成やモデルの方向づけを行うことができます。

3Dプリンタに慣れている上級者の方は、ここでSLA光造形用に特別な設計を施したり、 材料の節約のために内部を空洞にしたりすることも可能です。

無線、USB、またはイーサネット（有線）経由でインターネットに接続し、造形準備ソフトウェアから3Dプリンタにプリント用ファイルを送信します。

反転型のSLA光造形3Dプリンタは、取り外し可能なレジンタンクとビルドプラットフォームを使用するため、材料の変更や新しいプリントジョブの開始も簡単に行えます。Formlabs製品のように高度なSLA光造形プリンタの場合、造形中に材料を自動的に補充するカートリッジ方式を採用しているため、設定が正しく行われていることを確認して造形を開始した後は、造形が完了するまで中断することなく作業を続けることができます。

FormlabsのSLA光造形3Dプリンタでは、オンラインプラットフォームのDashboardを使ってプリンタ、材料、チームを遠隔管理することも可能です。

ビルドプラットフォームから造形品を取り出す方法はSLA光造形3Dプリンタの種類によってさまざまですが、ほとんどの場合は手作業で造形品を造形面から剥がす作業が必要になります。FormlabsのBuild Platform Flexでは、造形品をビルドプラットフォームから素早く簡単に取り外すことができ、手作業にかかる時間が削減できるだけでなく、引き剥がしによる造形品の損傷を防ぐことでより高品質な部品を製作できます。

ビルドプラットフォームから造形品を取り外した後は、造形品表面に付着している未硬化レジンを除去するために、イソプロピルアルコール（IPA）またはエーテルで造形品を洗浄する必要があります。FormlabsのForm Washと大容量Form Wash Lは、洗浄工程を高効率化する設計で余分なレジンを簡単に除去して後処理にかかる時間を短縮します。

洗浄が完了したら、造形品を乾燥させます。その後、材料の種類によっては、造形品の強度と性能の向上、および材料特性を最大限に引き出すために二次硬化が必要になる場合があります。FormlabsのForm Cureと大容量Form Cure Lは、庫内温度と光の照射を正確に制御することで均一で高密度な硬化を実現します。

最後に、造形品からサポート材を取り除き、表面に残ったサポート材の痕をサンドペーパー等で研磨して表面を滑らかに仕上げます。SLA光造形品は、特定の用途や仕上げのために、機械加工や下地処理、着色、組立が可能です。

さらに、後処理の後にサンディングやコーティング、電解めっき処理、ブラスト処理などの表面処理を施すことでさらに洗練された仕上がりになります。光造形品に高度な表面処理を施すことで、造形品にUV耐性を付加して屋外での使用に適する特性にしたり、金属やCerakoteなどのセラミックコーティング、電解めっき処理により機械的強度を強化するなど、様々な効果を得ることができます。

より多くの企業が量産だけでなく迅速な試作・検証プロセスを実現するために3Dプリントを利用するようになったことで、3Dプリント方式の選定基準として造形速度がさらに重視されるようになりました。すべての方式で造形速度の向上が行われているものの、SLA光造形方式は現在利用できる3Dプリント方式の中でも最速の方式として確固たる地位を確立しています。

光造形3Dプリント方式の種類により、造形速度は異なります。一般的に、レーザーを使用するSLA光造形方式は、光源を1回照射するだけで層の断面全体を一度に硬化させることができるDLP方式やMSLA（LCD）方式よりも、各層の硬化スピードが緩やかです。

Formlabsは、業界をリードする造形速度の実現を目指してきました。Form 4では、Fast Modelレジンなどの特別設計の材料を使用することで1時間あたり100mmという造形速度を実現できるほか、どの材料を使ってもほとんどの造形を2時間以内に完了させることができます。造形可能な最大高さいっぱいの造形品でも、ほとんどの材料で5時間以内に造形が完了するため、設計チームは1日に何度も試作・検証プロセスを繰り返すことができます。

これが日ごと、週ごとに積み重なれば、高速造形による高スループットのメリットは非常に大きくなる。Form4では、射出成形のような高スループットを誇る技術のスピードにも匹敵する速度を実現します。ビルドチャンバーいっぱいの造形を数時間で1日に何度も造形できるようになることで、金型製作にかかる長い製作期間や高い初期費用を心配することなく中程度の射出成形機にも劣らない生産量を実現できます。

SLA光造形用のレジンは非常に万能性が高く、何百種類もの材料が使用できます。軟質なものから硬く剛性が高いもの、ガラスやセラミック等の副材料を含むもの、荷重たわみ温度が高いものや耐衝撃性等の機械的特性を備えたものなど、その種類は非常に豊富です。義歯のような特殊なものから、製造業における実製品用材料に近い試作用のもの、高い負荷のかかる状況下でも機能し、様々な検証試験に耐えられるよう調合されたものまで、多岐にわたります。

また、SLA光造形3Dプリンタメーカーの多くは、クローズド型のシステムで独自のレジンを開発・製造していますが、どのようなレジンでも使用可能なオープンプラットフォームを提供するメーカーや、他社のレジンをホワイトラベル化するメーカーもあります。

これらのレジンはSLA光造形3Dプリンタ用に特化して開発されているため、射出成形のような従来のプラスチック製造方式で使用されるナイロンやABSのように、馴染みのある熱可塑性プラスチックの特性を完全に再現しているわけではありません。特定の用途に最適なレジンの種類を把握するには、検証の実施、データシートやアプリケーションガイドの確認が必要になるかもしれません。しかし、どんな用途でも必ず対応できるSLA光造形用レジンがあります。多岐にわたる機械的特性と審美的な特性を備えていることで、最適化・効率化された手順を確立できるためです。

精度と高精細さは、製造から歯科業界に至るまでどの業界でも最重要視されている要素の一つですが、SLA光造形プリントは現在市場に出ている3Dプリントソリューションの中で最も高い精度を実現できる方式の1つです。

精度とはCADモデルの寸法をどれだけ忠実に再現できるかを意味し、高精細さとは同じ寸法を繰り返し製造できる能力のことを指します。機械加工で実現できる精度と比較した場合、工業用SLA光造形方式の3Dプリンタは標準的な機械加工と精密機械加工の中間に位置します。ただし、精度は光造形3Dプリンタを製造するメーカーによって異なり、レジンの硬化に使用する光源の種類、コンポーネントの品質、および各コンポーネントを組み合わせて一つの製品として機能させるためのエンジニアリングおよびキャリブレーションに依存する場合があります。また、精度は材料にも依存します。硬い材料は柔軟な材料よりも精度が高く、造形もしやすくなります。

例えば、Form 4/Bで大型モデル（81～150mm程度のフィーチャー）を3Dプリントする場合、Greyレジンを使用すると一般的な寸法公差は±0.3%（下限は±0.15mm）になります。小型部品や特定の用途で使用する部品の場合、表面精度をさらに最適化することもできます。Precision Modelレジンで歯科用の修復モデルを3Dプリントした場合、造形表面の95%以上でデジタルモデルとの差異を50μm以内に収めることができます。

Formlabs SLA光造形3Dプリンタは密閉型・加温機能付きで、毎回ほぼ同一条件で造形できるため、高い再現性が得られます。また、原材料を溶かす熱可塑性樹脂ベースの技術と比較して造形温度が低いことも、精度の向上に影響しています。光造形方式は熱の代わりに光を使用するため、造形プロセスは室温に近い温度で行われます。その結果、完成した部品は熱膨張や熱収縮などによる変形に悩まされる心配がなくなります。

Form 4に搭載のLFDプリントエンジン、その中でも特にLPU 4に搭載されている高解像度液晶ディスプレイとコリメートレンズにより、造形品断面が非常に精密な仕上がりになります。リリーステクスチャとレジンタンク底面の柔らかいフィルムのおかげで造形中の剥離力が低減されたことで、精度再現性が高く、高精細な造形品が出来上がります。 

SLA光造形3Dプリンタは、滑らかな表面品質と精細なディテールを持つ部品の製作に最適です。光造形による3Dプリント品は後処理作業がほとんど不要でありながら、射出成形など従来の製造方法に匹敵する外観を簡単に実現できます。一方、FDM方式による3Dプリント品は積層痕が目立ちやすく、SLS方式の3Dプリント部品はざらついた質感の表面が特徴です。

光造形で実現できる造形品質は、量産による消費者向け製品のような外観と手触りの実製品用部品の製作に適しているほか、ラピッドツーリングなどの二次工程も可能になります。

SLA光造形プリンタはFDMプリンタよりも表現可能な最小サイズが小さく、SLS 3Dプリンタのような繊細な表現が得意です。光造形3Dプリンタで使用する光源は、フィラメント押出機よりもはるかに精密な形状に制御できるため、より細かなフィーチャーや薄壁構造にも対応できます。また、光源はSLS 3Dプリンタで粉末の焼結に使用するレーザーよりも低出力で済むため、より高い精度で硬化が可能になり、結果的により細かな表現が可能になります。

3Dプリントでは一度に一層ずつ積層して造形するため、造形品質は造形中の向きによって強度にばらつきが生じ、X、Y、Z軸で特性が異なる場合があります。

FDM（熱溶解積層）のような造形方式の場合、造形中に層ごとに変化が生じるため異方性が生じてしまうことでも知られています。こうした異方性を解決するためには、異方性が許容できる用途にだけFDM方式を用いるか、造形品の形状でこの欠点をカバーできるよう設計面で調整を行う必要があります。

一方で、SLA光造形方式では優れた等方性を備えた造形品を製作できます。造形品に等方性を持たせるためには、造形プロセスと材料科学を統合することで、多くの要素を緻密に制御する必要があります。造形中は、レジンの成分は共有結合状態となるものの上下の層同士はグリーン状態のままとなります。

グリーン状態の間、レジンは光重合性化合物を維持するため上下の層同士が結合可能な状態となり、最終的にレジンを硬化する時に等方性と水密性が加わります。分子レベルでは、X、Y、Z面の違いはありません。治具や実製品用部品、機能確認用試作など、意図した通りに機能することが求められる部品の製作が可能です。

カスタム部品や少量製作で作る水密性部品やガスタイト（空気の漏れない）部品も、海洋研究や水中ロボット工学、持続可能な技術工学、石油・ガス産業、防衛産業など、さまざまな業界で必要とされています。3Dプリント方の中にはこういった部品に最適なソリューションを提供できるものもありますが、「アディティブマニュファクチャリング部品は多孔質で加圧環境では使用できない」というのが一般的な認識です。

しかし近年、この仮説は完全に覆されるようになっています。SLA光造形方式では、水密エンクロージャや完全防水の部品を製作できます。米国海洋大気庁（NOAA）やロードアイランド大学などの機関は、低コストで高品質なSLA光造形3Dプリント製の試験および研究装置を導入することで、海洋研究で驚異的な前進を遂げています。

Formlabsのスタンダードレジンは、様々な用途や業界で求められる部品を製作できるよう、スピードと一貫性を重視した配合になっています。デザインレビュー用の試作品にはマットグレーの色合いを選択し、内部構造の見えるモデルや金型にはClearレジンで透明部品を製作するなど、スタンダードレジンはSLA光造形3Dプリントのパワフルさを発揮できる材料となっています。FormlabsがForm 4用に開発した最新のスタンダードレジンは、造形スピード、機械的特性、高精細さのすべてにおいてこれまでより優れた材料となっています。Fast Modelレジンでは最大時速100mmでの造形が可能になり、Greyレジンでは耐衝撃性が30%も向上しています。

Formlabsのエンジニアリング用レジンは、エンジニアリングや製造業の作業工程で発生する特定のニーズに応えられるよう開発されており、新たな活用法を可能にすると共に既存の作業を合理化し、現地でのテストを簡素化します。これらの材料は、ABS、シリコーン、PEEKなど、業界で馴染みのある材料と同等もしくはそれ以上の性能を備えています。非常に硬く剛性の高い材料から、耐衝撃性の高い丈夫な材料、繰り返しのサイクルによる曲げ伸ばしにも耐えられる柔軟な軟質材料まで、幅広い材料を取り揃えています。ユニークな特性を持つスペシャルティ材料には、ESD対策済みのレジンや難燃性レジン、さらに純セラミックや純シリコン材料など、これまでデスクトップサイズの3Dプリンタでは利用できなかった高機能材料が含まれています。

Formlabs製品は歯科業界に従事する方々に向けて、調整や較正をせずとも常に高精度な造形品を製作できる、簡素化された包括的な作業手順を提供します。多岐にわたる器具を扱う大規模なラボや診療所から、特定の用途に特化した小規模な診療所まで、Form 4Bと歯科用レジンの豊富な材料ライブラリでどなたにも最適なソリューションが見つかります。

Formlabs BioMedレジンは、医療グレードの材料を必要とする医療従事者のために設計されており、高い性能と生体適合性が必要とされる幅広い用途でご利用いただけます。BioMedレジンファミリーの材料はすべてISO 13485認証取得済みの工場で開発・製造され、一般的な消毒・滅菌方法にも対応しています。

Formlabsのジュエリー用レジンは、鮮明なセッティング、シャープなプロング、滑らかなシャンク、表面の繊細なディテールを確実に再現できるように設計されています。カスタムジュエリーを製造する小売店やデザイナーから大規模な鋳造工場まで、顧客が利用できる試着品やすぐに鋳造可能なカスタムジュエリー、再利用可能なジュエリー用金型の原型を製造することができます。

SLA光造形方式3Dプリントは、外注や機械加工のように他の複雑な製造方法にかかる高いコストと長い製作期間を削減できます。3Dプリントなら高額な金型製作や機器を導入することなく、異なる形状のパーツでも同じ装置を使って高速製作可能です。

3Dプリントによる内製は、業界によって活用方法が異なります。MicrosoftやRivianのような大企業の多くは、社内のラボを社内メーカー的な役割で運用することを選択し、エンジニアやデザイナー、製造チームからの製作依頼を一元的に受け付けています。その他の企業、特に設計や試作・検証プロセスの反復に重点を置き、従業員に高度なCAD関連の専門知識がある企業では、各設計者のデスクにプリンタを設置する分散型アプローチが好まれています。Form 4のように手頃な価格でアクセスしやすいデスクトップサイズのプリンタは、このような作業環境を可能にし、変化し続ける従業員やオフィス環境に迅速に対応できます。

一元化されているか否かに関わらず、3Dプリントによる内製化によって従業員が作業工程をよりコントロールしやすくなり、ビジネス全体のコストや不確実性を極力排除できます。

造形数と造形サイズにもよりますが、コンパクトサイズの3Dプリンタへの投資はわずか数ヶ月で回収できる可能性があります。コンパクトサイズの3Dプリンタであれば、初回は必要な生産能力分の台数のみを導入し、その後需要の増加に応じて台数を追加することで、無駄のない生産規模拡大を行うことができます。また、3Dプリンタを複数台導入することで、異なる材料を使った造形を同時並行で行えるようになります。

Formlabsのお客様には、複数の光造形3Dプリンタの管理を容易にする2つのソフトウェアプラットフォームをご利用いただけます。Dashboardは、プリンタのリモート監視を可能にし、管理作業を合理化する無料のソフトウェアプラットフォームです。さらに多くの機能と高度な管理ツールが利用できるFleet Controlでは、自動化の力でプリンタに自動的にプリントジョブを割り当て、複数台のプリンタ管理を効率化します。