ステレオリソグラフィー (SLA) 3D プリントとは何ですか?

光造形法（SLA）は、ラピッドプロトタイピングでよく用いられる3Dプリンティング技術の一つです。この技術では、感光性樹脂を原料として使用します。本稿では、光造形法による3Dプリンティングの基本原理、技術の動作原理、工程ごとの詳細な流れ、および適切な材料について解説します。

光造形法（SLA）の概要

光造形法（SLA）は、開発された初期のラピッドプロトタイピング技術の一つです。また、今日では最も深く研究され、最も成熟し、最も広く利用されているラピッドプロトタイピング技術の一つでもあります。

光造形法では、感光性樹脂を原料として使用します。特定の波長と強度を持つレーザー（紫外線）を感光性樹脂の表面に照射します。これにより、樹脂は点から線へ、そして線から面へと順に硬化し、一層分の造形が完了します。次に、造形プラットフォームを一層分だけ垂直方向に昇降させ、次の層にレーザーを照射して硬化させます。この硬化と移動のサイクルを繰り返し、層を積み重ねることで三次元の立体部品を造形します。

ステレオリソグラフィーの原理

ステレオリソグラフィー技術は、1986年に米国マサチューセッツ工科大学のチャールズ・ハルによって初めて開発され、1987年に特許を取得しました。これは最も初期に登場した3Dプリンティング技術であり、現在では最も成熟し、最も広く利用されている3Dプリンティング技術です。主に感光性樹脂を原料とし、紫外線レーザー装置を用いてコンピュータ制御下で層ごとに硬化させていきます。SLAプロセスは、表面品質と寸法精度が高く、複雑な形状のプロトタイプを、シンプルかつ高速で、完全自動で印刷することができます。

光造形印刷の印刷効果は、印刷装置だけでなく、感光性樹脂材料の性能にも大きく左右されます。使用する印刷材料は、適切な粘度を備えている必要があります。硬化後には一定の強度を持ち、硬化中および硬化後の収縮や歪みが小さいことが求められます。さらに重要なのは、高速かつ高精度な印刷を実現するためには、感光性樹脂が適切な感光特性を備えている必要があるということです。比較的低エネルギーの照射下で完全に硬化し、樹脂の硬化深度も適切でなければなりません。

SLAの動作原理を図に示します。コンピュータ制御の下、紫外線レーザー部品は、設計モデルの積層部分のデータに従って、液体感光性樹脂の表面を点ごとにスキャンして照射します。これにより、照射された領域の薄い感光性樹脂層が重合反応を起こして固化し、硬化した薄い層が形成されます。1層分の硬化が完了すると、ビルドプラットフォームはZ軸に沿って1層分の厚さだけ下降します。液体の流動特性により、印刷材料は自動的に、以前に硬化した樹脂の表面に新しい液体樹脂層を形成します。そのため、照射部品は次の層の硬化処理を直接実行できます。新しく硬化した層は、以前に硬化した部分にしっかりと接着します。照射と下降のプロセスは、部品全体が印刷されるまで繰り返し行われます。ただし、印刷が完了した後、プロトタイプは樹脂から取り出され、後硬化処理を受ける必要があります。最終製品は、強い光照射、電気めっき、塗装、または着色処理によって得られます。

感光性樹脂の中には粘度が非常に高いものがあるため、各層が照射・硬化された後、短時間で液面が均一にならない場合があることに注意が必要です。これは、造形物の精度に影響を与えます。そのため、ほとんどのSLA装置にはスクレーパーブレードが装備されています。造形プラットフォームが下降するたびに、スクレーパーが削り取り動作を行います。これにより、樹脂が次の層に非常に均一に塗布されます。光硬化後、より高い精度が得られ、最終的な造形物の表面はより滑らかで平坦になります。

SLA技術の特徴は、高精度、良好な表面品質、そしてほぼ100%の原材料利用率です。特に複雑な形状や非常に細かいディテールを持つ部品の造形に適しており、小型部品のラピッドプロトタイピングに最適です。しかし、欠点としては、装置と印刷用原材料の両方の価格が比較的高いことが挙げられます。

現在、SLA技術は主に金型や模型の製作に用いられています。また、原材料に他の成分を添加することで、精密鋳造におけるワックスパターンの代替としても利用できます。SLA技術は印刷速度が速く精度も高いという利点がありますが、印刷材料が感光性樹脂をベースとしているため、硬化過程で必然的に収縮が生じ、応力や変形を引き起こすという問題があります。そのため、収縮が少なく、硬化が速く、強度が高い感光性材料が緊急に必要とされていることが、現状この技術の普及における大きな課題となっています。

ステレオリソグラフィーのプロセス

光造形（SLA）技術のプロセスは、一般的に前処理、プロトタイプ製作、洗浄、硬化処理の4つの段階に分けられます。

1. 前処理段階では、主に印刷モデルのデータ準備作業が行われます。具体的には、CAD設計モデルのデータ変換、配置方向の決定、サポート材の追加、レイヤーへの分割などの手順が含まれます。
2. 光造形プロセスは、SLA装置による実際の印刷プロセスです。正式な印刷を行う前に、SLA装置を事前に起動して、感光性樹脂原料の温度が所定の適切な温度に達するようにする必要があります。紫外線レーザーの起動にも時間がかかります。
3. モデルの洗浄作業は主に、余分な液状樹脂を拭き取り、プロトタイプのサポート材を取り除いてトリミングし、層ごとに硬化させることで形成された段差状のテクスチャを研磨することから成ります。
4. 様々な光造形法において、一般的に後硬化処理が必要であり、例えば紫外線オーブンを用いた全体的な後硬化処理などが挙げられる。

ステレオリソグラフィーの特徴

光造形技術の利点は、成形速度が速く、試作品の精度が高いことです。高精度が求められ、複雑な構造を持つ小型部品の製作に非常に適しています。

しかし、光造形法によるラピッドプロトタイピング技術には2つの欠点がある。第一に、感光性樹脂原料には一定の毒性があるため、作業者は使用時に保護措置を講じる必要がある。第二に、光造形法で製造された製品は外観は非常に優れているものの、材料強度は実際の製造製品には及ばない。このことが、この技術の発展を大きく制限し、その用途を主にプロトタイプの設計検証に限定している。工業用製品にするには、その後、一連の加工工程が必要となる。

SLA技術の設備コスト、メンテナンスコスト、材料コストは、 溶融堆積モデリング（FDM） そして他の技術も存在します。そのため、ステレオリソグラフィー技術に基づく3Dプリンターは現在、主に専門分野で使用されています。デスクトップレベルのアプリケーションはまだ初期段階にあります。

具体的には、SLA方式の3Dプリンティング技術の利点は以下のとおりです。

• SLA技術は比較的早い時期に登場し、長年の開発を経て高い技術的成熟度を獲得している。
• 印刷速度が速く、感光反応プロセスが簡便で、製品の製造サイクルが短く、切削工具や金型が不要です。
• 印刷精度が高く、従来の技術では製作が困難な複雑な構造や形状の試作品や金型を印刷できます。
• ソフトウェアの機能は充実しています。オンライン操作とリモート制御に対応しており、生産自動化に役立ちます。

他の印刷技術と比較した場合、SLA技術の欠点は以下のとおりです。

• SLA機器は一般的に高価であり、使用および保守コストも非常に高い。
• 有毒液体の精密な取り扱いが求められ、作業環境にも厳しい要件が課せられる。
• 材料の制約により、使用可能な材料は主に樹脂に限られています。そのため、印刷製品の強度、剛性、耐熱性は非常に限られており、長期保管には適していません。

SLA方式3Dプリンター用材料

SLAは様々な樹脂材料に適しています。耐熱性、滑らかな表面仕上げ、耐摩耗性など、部品の最終用途に応じて材料を選択できます。樹脂の価格は大きく異なります。標準的な材料は1リットルあたり約70元ですが、鋳造用樹脂や歯科用樹脂などの特殊な材料は1リットルあたり約500元です。

許容範囲と容量

Getzshapeでは、 3Dプリントサービス 当社は、SLA、SLS、SLM、FDMという4つの主要な技術を網羅しています。当社のSLA 3Dプリンティングの許容誤差と能力は以下のとおりです。

SLAプリント部品の仕上げ

• サンディング3Dプリント部品における基本的かつ重要な表面仕上げ工程です。目の粗さの異なるサンドペーパーを使用して、積層痕を除去し、表面を滑らかにします。
• 絵画まず、表面を研磨して滑らかにします。次に、塗料の密着性を高めるためにプライマーを塗布します。その後、カラー塗料をスプレーまたはブラシで塗布します。塗装によって積層痕を完全に隠し、部品に美しい色合いを与え、表面を滑らかに仕上げることができます。ディスプレイモデル、試作品、最終製品など、幅広い用途で使用されています。
• 研磨部品の表面を滑らかで光沢のある状態に仕上げます。基本的な研磨の後、専用の研磨剤や工具を用いて表面を磨きます。この工程により、小さな傷が除去され、部品に光沢が出ます。