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。

底面が透明で、後に柔軟性も備えるようになったレジンタンクなど、いくつかの重要な技術革新が反転型光造形方式の発明につながりました。このレジンタンクの設計により、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ため、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プリンタは、「レジン」と呼ばれる光に反応する熱硬化性材料を光で硬化させます。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ポリマー（重合体）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、LCD 3Dプリントとも呼ばれることが多い）です。

光の照射方向や光源の種類にかかわらず、SLA光造形3Dプリントの作業手順はシンプルです。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す。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。

しかし、SLA光造形方式が最初に広く普及した3Dプリント技術だったわけではありません。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プリンタでは多様な業務上のニーズをすべて満たすことはできませんでした。

Formlabsは2015年にForm 2を発売し、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、さまざまな環境で働く業務ユーザーがSLA光造形3Dプリントをより導入しやすくなりました。2019年、FormlabsはForm 3およびForm 3L SLA光造形3DプリンタでLow Force Stereolithography™（LFS）を導入しました。レジンタンク底部に柔らかなフィルムを搭載したことで、硬化後の層を優しく剥がせるようにし、造形中に各層にかかる負荷を劇的に低減します。

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。SLA光造形方式は、FDM（熱溶解積層）方式、SLS（粉末焼結積層造形）方式とともに現在最も普及している、プラスチックを使用する3つの3Dプリント方式の一つです。Formシリーズは、継続的な改良を経て世界をリードする業務用光造形3Dプリンタとなり、2026年時点で15万台を販売し、5億点を超える造形実績を誇ります。

2024年、Formlabsはパワフルで導入しやすい光造形3Dプリントをさらに進化させ、デスクトップサイズのForm 4と生体適合性材料対応のForm 4B、さらに大容量の光造形3DプリンタForm 4LとForm 4BLをリリースしました。Form 4シリーズは、FormlabsがForm Studio 1にも搭載した次世代MSLAプリントエンジンLow Force Display™（LFD）を搭載しています。

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、サプライチェーンを内製化するとともに、不確実な市場環境に対する柔軟性と適応力を高めることができます。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。LEDによる高出力光をコリメートレンズで均一に照射し、光はレンズアレイを通過することでさらに平行かつ均一になり、暗い部分や明るい部分のムラがなくなります。

その後、光はライトプロセッシングユニット 4（LPU 4）を通過し、フィルタとマスクによって造形する層の形状に整形されます。光がレジンタンク内の液体レジンに到達すると、その面全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、精密な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造形品質、信頼性、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。Form 4とForm 4Lでは、底面に柔らかいフィルムを搭載したレジンタンクと、新しいリリーステクスチャによって剥離力を最小限に抑えます。リリーステクスチャは独自の微細な凹凸を持つ光学フィルムで、空気の流れを作ることにより、レジンタンクがLPUに吸着するのを防ぎます。

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用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の造形準備用ソフトウェアPreFormは無料でダウンロードが可能で、サポート材の生成や造形方向の設定を自動で行えます。

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。

通常は無線インターネット接続、USB、またはイーサネット経由で、造形準備用ソフトウェアからプリンタに造形データを送信します。

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となっているため、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無人でプリンタを運転することができます。

FormlabsのSLA光造形3Dプリンタでは、Form Mobileアプリでプリントの進捗を確認でき、オンラインのDashboardでプリンタ、材料、チームのリモート管理が簡単に行えます。

ビルドプラットフォームから造形品を取り外した後は、イソプロピルアルコール（IPA）、Formlabsレジン Washing Solution、またはエーテルで洗浄し、表面に残った未硬化レジンを除去します。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高強度の光による均一な二次硬化を実現します。

Form Studio 1でプリントした造形品は、Form WashとForm Cure、または洗浄と二次硬化を1台で行える手頃な価格のForm Studio Wash+Cureで後処理が可能です。

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。

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ります。Form 4やForm 4Lでは、射出成形のような高い生産性を誇る技術に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、金型製作にかかる高額な間接費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高い充填率で含むもの、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を見極めるには、検証の実施やデータシート、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、ほぼあらゆる用途に対応する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特性を選べるため、最適化された効率的な作業手順を簡単に確立できます。

正確度と精度は、製造から歯科まであらゆる業界で極めて重要です。SLA光造形3Dプリントは、現在市場にある3Dプリントソリューションの中でも、最も高い正確度を持つものの一つです。

正確度とは、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ます。一方、精度は同じ寸法をどれだけ繰り返し再現できるかによって定義されます。機械加工で実現できる正確度と比較した場合、業務用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およびForm 4L/4BLでは、Precision Modelレジンを使って、造形表面の99%を超える範囲でデジタルモデルとの差異を100μm以下に抑えた高精度な修復モデルを製作できます。より大型のモデル（81～150mmのフィーチャー）では、Greyレジンを使用した場合のXY方向の寸法公差は通常±0.3%（下限：±0.15mm）です。

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。光造形方式では熱ではなく光を使うため、室温に近い温度で造形が行われ、造形品に熱膨張や収縮に起因する不具合が生じません。

Form 4とForm 4LのLFDプリントエンジン、特にLPU 4に含まれ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、各造形品の断面が非常に高い正確度で再現されます。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、精度の再現性が高く、精密さに優れた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。

SLA光造形品の表面品質は、量産された消費者向け製品のような外観と手触りを備えた実製品の製作に適しています。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）などの押し出し方式の3Dプリントは、造形プロセスで生じる層間の違いにより、異方性を持つことが知られています。こうした異方性により、特定の用途ではFDMの有用性が制限され、補うために造形品の形状をさらに調整する必要が生じます。

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。造形品の等方性にはいくつもの要素が関わります。材料の化学特性と造形プロセスを組み合わせることで、これらの要素を緻密に制御できます。造形中、レジンの成分は共有結合を形成しますが、層を重ねる間、造形品は部分的にしか反応していない「グリーン状態」にあります。

グリーン状態では、レジンに重合可能な官能基が残っており、層をまたいで結合を形成できます。最終硬化によって、造形品に等方性と水密性が付与されます。分子レベルでは、X、Y、Z方向の面の間に違いはありません。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プリント方式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プロトタイプのマットなグレースケールの造形品から、内部が見える模型や成形型用にClearレジンで造形した透明な造形品、ブランドやクリエイティブなビジョンに合わせたColorレジンのカスタムカラーの造形品まで、スタンダードレジンはSLA光造形3Dプリントの主力材料です。Formlabsは、Form 4シリーズ用のレジンとForm Studio 1用のAlphaレジンという、2つのスタンダードレジンのラインを提供しています。

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のエコシステムは、調整や較正を必要とせず毎回正確な造形品を製作できる、シンプルなオールインワンの作業手順を歯科専門家に提供します。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量生産を行う大規模な鋳造工場まで、顧客向けの試着品、すぐに鋳造できるカスタムジュエリー、再利用可能なジュエリー用成形型の原型を製造できます。

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や治工具の製作、段取り作業が不要で、異なる形状の造形品も同じ装置で迅速に製作できます。

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、社内メーカーを運営することを選択し、エンジニア、デザイナー、製造チームが集中ラボにパーツを依頼しています。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導入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・分散化のどちらの場合でも、3Dプリントによる内製化で従業員が作業手順をより管理しやすくなり、事業全体のコストと不確実性を減らせます。

造形する部品数や造形量によっては、デスクトップ型3Dプリンタへの投資は数ヶ月で回収できます。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れば、異なる素材で同時に造形を行う柔軟性を得ることもできます。

Formlabsのプリンタはすべて、造形準備ソフトウェアのPreFormと、プリンタの監視や管理を効率化するDashboardを使用します。模型やコンセプトのプロトタイプにForm Studio 1を使い、機能確認用プロトタイプ、成形型・治工具、実製品用部品の製作へと進む際に、Form 4またはForm 4Lを追加する、などといったことも可能です。