光造形（SLA）3Dプリント：技術、材料、メリットの包括的ガイド

SLA（光造形）は、商業化された最初の3Dプリント技術の一つです。アクリルやその他のレジンを使用し、紫外線（UV）レーザーで硬化させます。この技術はさまざまな形で再解釈され、材料の選択肢も大幅に拡大しました。現在では、剛性、柔軟性、耐熱性、耐薬品性、生体適合性など、多様なレジンオプションが利用可能です。Xometryは2018年からこのプロセスを即時見積もりしており、最も人気のある3Dプリントプロセスの一つです。

SLAプロセスは、コンポーネントの3Dモデルを取り込み、それを固体プラスチックに変換します。コンピュータモデルはまずデジタルに「スライス」され、プリンターが各スライスを前のものと順次結合できるようにします。SLAマシンは試作部品、テストコンポーネント、医療補助具、工具、外観テストピースなどをプリントします。

この記事では、SLA技術の利点、材料、用途などについて背景理解を提供します。

SLA 3Dプリントとは？

SLAは、走査UVレーザーを使用して感光性レジンの表面層を硬化させる3Dプリントプロセスです。レジンは槽に供給され、大多数のSLAマシンでは部品は逆さまに造形されます。各層ごとにビルドプレートが上方向に移動し、まるで液体ポリマーから部品が成長しているかのように見えます。マシンは、設計内のオーバーハングを支えるために必要なサポート構造もプリントしなければなりません。

このプロセスで使用されるUV感光性光重合体は総称して「レジン」と呼ばれます。これらは光触媒型アクリル単量体で、UVレーザー光に露出すると架橋します。この原理により、レーザービームの幅程度の微細なディテールを作成できます。

SLAモデルは部分的に硬化した状態でプリントされることがあります。これらのモデルは、架橋プロセスを完了するための追加UV露出という後処理を必要とします。この追加工程は、UVビームの後方散乱と回折により完全に硬化しなかった部分的に固化したレジンを除去するのに役立ちます。後硬化の有無にかかわらず、すべての部品はプリント完了後に洗浄して表面のレジンを除去する必要があります。洗浄は一般的にイソプロピルアルコール浴で行われます。プリントされたサポート足場の除去はその後に行います。

詳細については、3Dプリントに関するすべての記事をご覧ください。

SLAプリントタグ

SLA 3Dプリントの光源とは？

SLA 3Dプリントの光源は、ステレオリソグラフィーマシンの硬化メカニズムとして機能するUVレーザーです。この光源は、レジンに使用される触媒に正確に調整されています。ただし、メーカーによって異なる波長を使用します。最も一般的なSLAレーザーは、395 nm波長のレーザーダイオードシステムです。約300 µmの直径にコリメートされたビームで300〜500 mWの出力を発生します。その他のさまざまなレーザー光源が一部の装置に搭載されており、それらの周波数帯域に適した触媒が使用されます。他のタイプのUV光源は、全層ステレオリソグラフィーで使用されます。これらのランプは、微小ミラーで構成されるプロジェクター（デジタル光処理/DLPプリンターの場合）またはLCDマスク（通常、マスクドステレオリソグラフィー/MSLAと呼ばれる）を採用しています。

SLA 3Dプリントが使用される分野

SLA 3Dプリントは以下のような用途で使用されます：

• 試作： 微細なディテールを含められるため、SLAプリント部品はエンジニアリングテストモデルとして使用できます。
• 製造： 高い応力耐性を要求されない状況での機能部品を作成。
• エンジニアリングと製品設計： SLA部品は手作業で仕上げ塗装でき、高品質なプレツーリングプロトタイプを作成可能。
• ジュエリー： SLAマシンはジュエラー向けの外観テスト品を製作可能。
• 歯科： SLAは軟組織、歯、骨インプラント材料、ポリウレタンおよびシリコーン成形用の鋳造キャビティなど、さまざまな歯科製品を作成可能。
• 医療： SLAプロセスは専用材料を使用して医療用インプラントを製造可能。

SLAはカーボンDLSやPolyJet 3Dプリントと同様に、粉末やフィラメントではなく光硬化性液体レジンを使用します。各層ごとに非常に薄く、均一で完全に高密度な液体レジン層が広げられます。そのため、同じ層厚でも、SLAプリントは押出痕や粉末状の表面層なしではるかに滑らかな表面仕上げになります。

Christian Tsu-Raun

Team Lead, Manual Quoting

SLA 3Dプリントで使用される材料

SLA 3Dプリンターでプリント可能な材料：

1. 汎用アクリルレジン： さまざまな靭性と透明度で利用可能。
2. 柔軟性ポリウレタンエラストマー： 柔軟な部品に使用。
3. 剛性ポリウレタン： 外観品質が良く、汎用材料より耐久性があり、製品試験や試作ピースに適している。
4. 剛性レジン： 化学的・熱的に安定しており、エンジニアリングテスト部品に適している。
5. 歯科・医療用レジン： 医療用途に安全で、高速造形、高品質仕上げ、マウスガード、スプリントなどの透明なアイテム製作に適している。
6. ESDレジン： 製造用の静電気安全ジグの製作に適している。

Accura Xtreme Gray材料で作られたSLA Xometryロゴ

SLA 3Dプリントが初めて使用されたのはいつ？

SLA 3Dプリントは1980年代に児玉秀雄によって初めて考案されました。彼は未硬化レジン槽からUV硬化ポリマーを使用して薄いプラスチックスライスを「プリント」した最初の人物です。1984年、チャック・ハルがこのプロセスをステレオリソグラフィーと命名し、特許を取得。この特許は、「オブジェクトの相互に結合した連続する『スライス』を積層することによる『3Dオブジェクトの作成方法』」を保護しました。

マシンのUVレーザーは、タイトな解像度で精密なディテールを作る上で不可欠です。レジンプールの表面を走査し、材料内で架橋を誘導します。SLAは、積層スライスを使用した最初の成功した積層造形プロセスを代表します。この技術は、3D Systems社のもとで80年代半ばから後半にかけて市場に投入されました。

SLA 3Dプリントの仕組み

SLA 3Dプリントは、UVレーザーをX-Y平面で動かすことで機能します。UV光は液体単量体レジン内の触媒を引き金とします。プリントプレートはレジンプールの表面から始まり、レーザーがレジンと固体プレート表面の両方に当たった領域が重合し、ビルドプレートに固定されます。その「層」が完了すると、ビルドプレートが上昇し、次の層が前の層に固定されるようになります。このプロセスを繰り返すことで、部品が液体プールから成長しているように見えます。プリントは通常部品の底面から始まり、部品は逆さまにプリントされます。

取り出し後、部品は未硬化レジンを除去するために洗浄する必要があります。その後、サポート足場要素を切り取ります。

SLAプリントのプリントパラメータ

SLAマシンのプリントパラメータは通常、メーカーによって固定されています。変更可能なのは部品の向きと層高のみです。表1は、一般的な2タイプのSLAプリンターの向きを比較したものです：

設定	ボトムアップSLAプリンター（デスクトップ）	トップダウンSLAプリンター（産業用）
典型的な層高	25〜100 µm	25〜150 µm
寸法精度	±0.5%（下限：±0.010〜0.250 mm）	±0.15%（下限：±0.010〜0.030 mm）
造形サイズ	最大 145 × 145 × 175 mm	最大 1500 × 750 × 500 mm

表1. SLAプリンターの特性

SLA 3Dプリントを際立たせるもの

SLAは、非常に多様な特性と外観品質を持つ幅広い材料レンジによって、他の3Dプリントシステムやプロセスと区別されます。SLA材料は市場登場以来、大幅に改善・多様化しました。SLAのもう一つの差別化要因は表面仕上げで、業界最高水準の一つです。最大のSLAマシンは自動車産業向けに設計され、車体パネル、ダッシュボードなどを一体造形できます。

SLA後処理のオプション

SLA後処理は、未硬化の「湿った」レジンを除去することから始まります。ボトムアッププリンターは後処理前に排水が必要ですが、トップダウン装置ではその遅延は不要です。どちらの場合も、部品は残留液体を除去するために洗浄する必要があります。手動スプレーブース洗浄がまだ一般的ですが、この洗浄段階の自動ソリューションも販売されています。一部のレジンは追加のUV照射による後硬化を必要とします。完了後、サポート足場を手動または自動装置で除去します。この時点でモデルは通常完成と見なされます。サンディングや塗装などのさらなる処理は、通常、部品の外観を改善することを目的としています。

SLA 3Dプリントのメリット

SLA 3Dプリントには幅広いメリットがあります。表2に示します：

メリット
材料特性	サプライヤーによって多様な材料特性が利用可能。
柔軟性	疑似エラストマー材料を提供できる3Dプリントプロセスは少ないが、SLAはその良い選択肢。
部品表面仕上げ	SLAは優れた表面仕上げの部品を生成。高仕様仕上げに適し、塗装も容易。
部品の微細ディテール	適切な装置、レジン、サービスプロバイダーを選べば、SLAは微細ディテールに強い。0.1 mmのフィーチャーは容易に実現可能。
解像度の均一性	SLAはZ軸方向に高解像度だが、X-Y方向は劣る。プロセス選択と造形向きへの配慮が重要。
複雑部品の製造	SLAは複雑な部品を精密に再現可能。
曲面	曲面上のZステップはほぼ検出不可。
プリントプロセス	プリンターのZ軸方向に部品が高すぎなければ、プリントプロセスは高速。

表2. SLA 3Dプリントのメリット

SLA 3Dプリントのデメリット

SLAマシンのデメリットを表3に示します：

デメリット	説明
部品コストが高い	プリントレジンは1リットルあたり200ドル。
耐摩耗性	ほとんどのSLA材料は摩擦や摺動の状況で性能が劣るため、可動アセンブリには不向き。高強度SLA材料は良いがコスト増。
装置コストが高い	産業用SLAマシンは20万ドル、デスクトップ機でも3,750ドルから。
レーザーベースシステム	レーザーベースシステムは非常に慎重な安全監視と訓練を必要とする。
要求の厳しい機械メンテナンス	レーザーと液体レジンにより、機械メンテナンスが要求が厳しく、実施が困難。
異なる解像度	X-Y平面の解像度とZ軸方向の解像度が異なるため、一部の微細ディテールが正しく出ない可能性がある。
選択的な材料特性	よりシンプルで一般的なレジンで作られた部品は脆く、定常荷重下でクリープする傾向がある。

表3. SLA 3Dプリントのデメリット

SLA 3Dプリントはあなたのコンポーネントやプロジェクトに適していますか？

ほとんどの場合、答えはイエスです。SLA 3Dプリントは多種多様なプロジェクトに適合します。オペレーターは単に仕事に適した材料を選ぶだけです。しかし、3Dプリント技術の選定は難しいプロセスです。多くの方式が重複する要件と能力を持っています。SLAは、滑らかな表面、微細ディテール、高解像度を必要とする部品に最適です。

まとめ

Xometryは、ステレオリソグラフィー（SLA）3Dプリントサービスを含む幅広い製造サービスと、試作から量産まであらゆるニーズに対応する付加価値サービスを提供しています。今すぐ即時見積もりをご請求ください。

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Dean McClements

Dean McClementsは、機械工学の優等学士号を持ち、製造業界で20年以上の経験を持つエンジニアです。Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace、Hyster-Yaleなどの大手企業で重要な役割を担い、エンジニアリングプロセスとイノベーションへの深い理解を培ってきました。

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