光造形法
ステレオリソグラフィーの模式図：発光装置（a）レーザーまたはDLP（デジタル光重合装置）が、液体の光重合樹脂が充填されたタンク（b）の透明な底部（c）を選択的に照射する。固化した樹脂（d）は、昇降台（e）によって徐々に引き上げられる。
SLAで製造された部品
最終製品をシミュレートするためのさまざまなコンポーネントを備えた回路基板の SLA 印刷モデル。

ステレオリソグラフィー（SLAまたはSL 、バット光重合、[ 1 ]光学製造、光凝固、または樹脂印刷とも呼ばれる）は、光が化学モノマーとオリゴマーを架橋させてポリマーを形成する光化学プロセスを使用して、モデル、プロトタイプ、パターン、および製造部品を層ごとに作成するために使用される3D印刷技術の一種です。[ 2 ]これらのポリマーは、3次元固体の本体を構成します。この分野の研究は1970年代に行われましたが、この用語は、 1984年にチャック・ハルがこの方法の特許を申請したときに造られ、1986年に付与されました。[ 3 ] ステレオリソグラフィーは、開発中の製品、医療モデル、コンピューターハードウェアのプロトタイプの作成や、その他多くのアプリケーションのプロトタイプの作成に使用できます。ステレオリソグラフィーは高速でほぼすべてのデザインを製造できますが、高価になる場合があります。

歴史

ステレオリソグラフィーは、初期から広く利用されている3Dプリンティング技術です。1980年代初頭、日本の研究者である児玉秀夫氏は、紫外線を用いて感光性ポリマーを硬化させる、現代的な積層型ステレオリソグラフィー技術を初めて発明しました。[ 4 ] [ 5 ] 1984年、チャック・ハル氏が自身の特許を出願する直前に、アラン・ル・メホート氏、オリヴィエ・ド・ウィット氏、ジャン・クロード・アンドレ氏がステレオリソグラフィープロセスの特許を出願しました。[ 6 ]フランス人発明者による特許出願は、フランス・ゼネラル・エレクトリック社（現アルカテル・アルストム）とCILAS （レーザーコンソーシアム）によって放棄されました。ル・メホート氏は、この放棄はフランスにおけるイノベーションの問題を反映していると考えています。[ 7 ] [ 8 ]

「ステレオリソグラフィー」（ギリシャ語：stereo-solid、 lithography）という用語は、 1984年にチャック・ハルがこの製法の特許を出願した際に造語された。[ 2 ] [ 9 ]ハルは、紫外線で硬化する媒体を使用して、下層から上層まで物体の薄い層を連続的に「印刷」することで3D物体を作成する方法としてステレオリソグラフィーの特許を取得した。ハルの特許では、液体フォトポリマーで満たされた槽の表面に焦点を合わせた紫外線の集中ビームについて説明されている。ビームは液体フォトポリマーの表面に焦点を合わせ、架橋（ポリマー内の分子間結合の生成）によって目的の3D物体の各層を作成する。これは、技術者が設計のプロトタイプをより時間効率的に作成できるようにするために発明された。[ 4 ] [ 10 ] 1986年に特許が認められた後、[ 2 ]ハルはそれを商業化するために世界初の3Dプリント会社である3D Systemsを共同設立しました。[ 11 ]

自動車産業におけるステレオリソグラフィーの成功により、3Dプリンティングは産業的地位を獲得し、この技術は多くの研究分野で革新的な用途を見つけ続けています。[ 10 ] [ 12 ]ステレオリソグラフィープロセスの数学的モデルを構築し、提案された物体が3Dプリンティングを使用して構築できるかどうかを判断するためのアルゴリズムを設計する試みがなされてきました。[ 13 ]

テクノロジー

ステレオリソグラフィーは、最も一般的な形態では、紫外線（UV）レーザーをフォトポリマー樹脂の容器に集束させることで機能する積層製造プロセスです。 [ 14 ]コンピュータ支援製造またはコンピュータ支援設計（CAM/CAD）ソフトウェアの助けを借りて、[ 15 ] UVレーザーは、フォトポリマー容器の表面に事前にプログラムされたデザインまたは形状を描画するために使用されます。フォトポリマーは紫外線に敏感であるため、樹脂は光化学的に固化し、目的の3Dオブジェクトの単層を形成します。[ 16 ]次に、ビルドプラットフォームが1層を下げ、ブレードがタンクの上部に樹脂を再コーティングします。[ 5 ]このプロセスは、3Dオブジェクトが完成するまで、デザインの各層で繰り返されます。完成した部品は、表面から湿った樹脂を取り除くために溶剤で洗浄する必要があります。 [ 17 ]

透明な底を持つタンクを使用し、UVまたは濃青色重合レーザーをタンクの底から上向きに照射することで、「ボトムアップ」方式でオブジェクトを印刷することも可能です。[ 17 ]倒立型光造形機は、ビルドプラットフォームを下げて樹脂が充填されたタンクの底に接触させ、その後1層分の高さだけ上方に移動させることで印刷を開始します。次に、UVレーザーが透明なタンクの底を通して、目的のパーツの最下層を描画します。次に、タンクを「揺らし」、タンクの底部を曲げて硬化したフォトポリマーから剥がします。硬化した材料はタンクの底部から剥離し、上昇するビルドプラットフォームに付着したままになります。そして、部分的に構築されたパーツの端から新しい液状フォトポリマーが流れ込みます。次に、UVレーザーが下から2番目の層を描画し、このプロセスを繰り返します。このボトムアップ方式の利点は、造形体積がタンク自体よりもはるかに大きく、ビルドタンクの底部をフォトポリマーで常に満たすのに十分な量のフォトポリマーで済むことです。このアプローチはデスクトップSLAプリンターでは一般的ですが、産業用システムでは正しい向きで印刷するアプローチの方が一般的です。[ 5 ]

光造形法では、重力によるたわみを防いだり、樹脂を充填したブレードからの横圧力に抵抗したり、ボトムアップ印刷の「バットロッキング」中に新しく作成された部分を保持したりするために、エレベータープラットフォームに取り付けられた支持構造を使用する必要があります。支持構造は通常、CADモデルの準備中に自動的に作成されますが、手作業で作成することもできます。いずれの場合も、印刷後に支持構造を手動で取り外す必要があります。[ 5 ]

他の形式のステレオリソグラフィーでは、LCDマスキングやDLPプロジェクターを使用して各層を構築します。[ 18 ] [ 19 ]

3D空間における光のパターンの位置を時間経過とともに制御する、空間光変調の3つの独自の方法

材料

SLA印刷に使用される液体材料は、一般的に「樹脂」と呼ばれ、熱硬化性ポリマーです。様々な種類の樹脂が市販されており、自家製の樹脂を使用することも可能です。材料特性は配合構成によって異なります。「材料は柔らかくすることも硬くすることもでき、ガラスやセラミックなどの二次材料を多く含ませることも、高い熱たわみ温度や耐衝撃性などの機械的特性を付与することもできます。」[ 20 ]近年、いくつかの研究では、環境に優しい[ 21 ]または再利用可能な[ 22 ]材料を使用して「持続可能な」樹脂を製造する可能性が検証されています。樹脂は以下のカテゴリーに分類できます。[ 23 ]

用途

医療モデリング

頭蓋骨の立体造形モデル

ステレオリソグラフィーモデルは1990年代から医療で使用されており、[ 24 ]コンピュータスキャンのデータに基づいて患者の様々な解剖学的領域の正確な3Dモデルを作成するために使用されます。 [ 25 ]医療モデリングでは、まずCT、MRI、またはその他のスキャンを取得します。[ 26 ]このデータは、人体解剖学の一連の断面画像で構成されています。これらの画像では、異なる組織がさまざまなグレーレベルとして表示されます。グレー値の範囲を選択すると、特定の組織を分離できます。次に関心領域を選択し、そのグレー値の範囲内でターゲットポイントに接続されているすべてのピクセルを選択します。これにより、特定の臓器を選択できます。このプロセスはセグメンテーションと呼ばれます。セグメント化されたデータは、ステレオリソグラフィーに適した形式に変換できます。[ 27 ]ステレオリソグラフィーは通常正確ですが、医療モデルの精度は多くの要因、特にセグメンテーションを正しく実行するオペレーターに左右されます。ステレオリソグラフィーを用いた医療用模型の作成には潜在的なエラーが発生する可能性がありますが、練習と十分に訓練されたオペレーターによってこれらを回避することができます。[ 28 ]

ステレオリソグラフィー模型は、診断、術前計画、インプラントの設計・製造を補助するために用いられます。例えば、骨切り術の計画とリハーサルなどがこれに該当します。外科医は手術計画の補助として模型を使用し、[ 29 ]義肢装具士や技工士も、患者一人ひとりに合わせたインプラントの設計・製造の補助として模型を使用します。例えば、ステレオリソグラフィーで作成された医療用模型は、頭蓋形成術用プレートの作成に役立てることができます。[ 30 ] [ 31 ]

2019年、ライス大学の科学者たちは、生物学研究用途に使用されるステレオリソグラフィー用のソフトハイドロゲル材料を紹介する論文をサイエンス誌に発表しました。 [ 32 ]

プロトタイピング

光造形法は部品の試作によく用いられます。比較的低価格で、不規則な形状であっても正確な試作品を製作できます。[ 33 ]企業はこれらの試作品を製品のデザイン評価や最終製品の宣伝に活用することができます。[ 29 ]

メリットとデメリット

利点

ステレオリソグラフィーの利点の一つは、そのスピードです。機能部品は1日で製造可能です。[ 10 ]部品1つの製造にかかる時間は、設計の複雑さとサイズによって異なります。印刷時間は数時間から1日以上かかる場合もあります。[ 10 ] LCDベースのSLAシステムの独自の利点は、特定の層に詳細や材料を追加しても印刷時間が大幅に増加しないことです。そのため、複数の部品を1回の印刷で組み合わせるスペースがあれば、大幅な時間節約が可能です。

SLA印刷された部品は、FFF/FDM印刷された部品とは異なり、顕著な異方性（構造的不均一性）を示さず、目に見える層状パターンも最小限です。表面品質は一般的に優れています。ステレオリソグラフィーで作成されたプロトタイプや設計図は、機械加工に十分な強度を備えており[ 34 ] [ 35 ] 、射出成形や様々な金属鋳造プロセスのマスターパターンの作成にも使用できます。[ 34 ]

デメリット

ステレオリソグラフィーは事実上あらゆる合成デザインの製造に使用できますが、[ 15 ]コストは歴史的にFFFと比較して不利でしたが、価格は低下しつつあります。2012年以降、[ 36 ] 3Dプリンティングへの関心の高まりにより、他の技術と価格が近い消費者向けSLAマシンがいくつか設計されました。

2016 年以降、SLA 方式と DLP 方式を高解像度、高コントラストの LCD パネルに置き換えることで、価格が200ドルを下回りました。0.01 mm の解像度が達成可能です。

SLAプリントでは、他の方法では必要のない、手作業による後処理（洗浄、乾燥、硬化、そして場合によってはサポート材の除去）が必要です。もう一つの欠点は、フォトポリマーが粘着性があり汚れやすいため、取り扱いに注意する必要があることです。[ 37 ]

これらのプロセスの環境への影響を理解するにはさらなる研究が必要ですが、一般的にSLA技術では生分解性または堆肥化可能な樹脂は開発されていません。一方、他の3Dプリント方法では堆肥化可能なPLA樹脂がいくつか提供されており、液体樹脂から放出されるVOCは健康被害をもたらすだけでなく、嗅覚刺激物質としても知られています。事実上あらゆる熱可塑性樹脂を処理できる FFFと比較すると、材料の選択肢は限られています。

参照

参考文献

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出典

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