光造形法

光造形法とは

光造形法は、紫外線レーザーなどの光を用いて光硬化性樹脂を硬化させ、一層ずつ積層することで立体物を造形する技術です。主にラピッドプロトタイピングや3Dプリンターで用いられ、試作品や模型、パターンなどの製造に活用されています。

歴史

光造形法（英語名: stereolithography）という言葉は、1986年にチャールズ・（チャック）W・ハルによって作られました。彼は、紫外線で硬化する樹脂を用いて立体物を造形する装置の特許を取得し、この技術を普及させるために3Dシステムズ社を設立しました。この技術は、樹脂を満たした槽の表面に紫外線を集光して照射し、出力物の断面形状を硬化させるという自動化された複雑な工程です。また同時期、日本でも原理が開発されましたが、特許出願後の審査請求期間内に手続きが行われず、特許は成立しませんでした。

技術

光造形法では、光硬化性樹脂の液槽表面に、部品の断面パターンを紫外線レーザーで照射して硬化させ、この層を重ねることで立体物を造形します。レーザーで露光され硬化した層が順番に積層され、立体物が形成されます。パターンを照射した後、光造形機の昇降機が硬化した厚さ分だけ下降し、未硬化の樹脂が均一に塗布されます。これにより、新しい液面が以前に硬化した層と結合し、完全な立体部品が形成されます。

造形後、完成した部品は液槽から取り出され、化学槽で未硬化の樹脂を洗浄し、紫外線オーブンでさらに硬化させます。光造形法では、部品を固定し、重力による変形を防ぐために支持構造体が必要です。支持構造体は、3DCADモデルで自動的に生成されるか、手作業で作成されます。完成後、支持構造体は手作業で取り除かれます。また、光造形法には、液槽の上部から照射する方式、透明の底部から照射する方式、ベルト上に樹脂を塗布して照射する方式などがあります。露光方式にも、レーザー光をガルバノメータで走査する方法や、DLPプロジェクタでパターンを照射する方法があります。安価な3Dプリンターでは、紫外線LEDランプとLCDパネルで露光し、高解像度化やモノクロLCDで光量を増やすことで、出力精度と速度を向上させています。

インクジェット式

液槽内に樹脂を満たす方式以外に、インクジェットプリンターのようにノズルから樹脂液滴を供給し、周囲から紫外光を照射して硬化させる方式もあります。この方式は構造がやや複雑になりますが、無駄になる樹脂を減らすことができ、ランニングコストを抑えることが可能です。複数のノズルで異なる樹脂を供給することで、サポート材の除去を容易にしたり、フルカラーでの出力も可能です。

利点と欠点

光造形法の利点は、造形速度の速さです。数時間から1日程度で機能部品を製造できます。また、精度が高く、細部まで再現できるため、MEMS部品の作成にも用いられます。試作品は機械加工にも十分な強度を持ち、射出成形、熱成形、金属鋳造などの原型としても利用可能です。

一方、光造形法の欠点は、造形できる素材が光硬化性樹脂に限られることです。かつては高価だった光硬化性樹脂も、最近では一般向けの機種が登場し、価格が大幅に下がっています。水洗い可能な樹脂も登場しており、利便性が向上しています。しかし、光硬化性樹脂は化学的に不安定であり、経年劣化による変形や破損が生じやすい点には注意が必要です。また、アレルギーの原因となる場合もあるため、取り扱いには注意が必要です。

関連項目

* 光造形法 (医療)

参考資料

Ilios modular 3d Printer by GizmoForYou
Super Precise Kudo3D Titan 1 SLA 3D Printer
Pegasus Touch by FSL3D Laser SLA 3D Printer
Formlabs Form 1 a low cost Stereolithography printer
How Stereolithography (3-D Layering) Works from HowStuffWorks.com
Rapid Prototyping and Stereolithography animation
Video of micro-stereolithography for biomedical applications

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