従来のSLAプリンターは、液体レジンで満たされた大きなレジンタンクを使用して構築され、その最上層は、タンクの上にあるレーザーによって選択的に硬化されました。これらのシステムは、大型で法外に高価であり、複雑なインフラストラクチャが必要であったため、フォーチュン500企業に限定されていました。

Formlabsは、2011年にForm 1で逆ステレオリソグラフィー3Dプリンティングを導入しました。逆SLAプロセスでは、光源（Form 1ではレーザー）が、透明な底を持つレジンタンクを通して部品の断面を硬化させます。これは、薄いレジンの層だけが必要であり、いつでも硬化できるレジンが利用可能であることを意味します。この技術により、はるかに小型のプリンター（作業台に置けるサイズ）でレジン部品を製造することが可能になりました。

FormlabsのLow Force Stereolithography™（LFS）プリントエンジン（SLA 3Dプリンティングの進化した形態）を示すグラフィック。

2015年のForm 2のリリースと、それに続く材料の拡張により、SLA 3Dプリンティングは、さまざまな環境の専門家にとって劇的に信頼性が高く、有用なものになりました。

2019年、Formlabsは、Form 3およびForm 3L SLA 3Dプリンターとともに、Low Force Stereolithography（LFS）を導入しました。これは、柔軟な底を持つレジンタンクを使用して、硬化した部品をタンクの底から分離し、印刷プロセス中の部品にかかる力を劇的に低減します。

この進化したステレオリソグラフィーは、劇的に改善された表面仕上げと印刷精度を提供します。低い印刷力により、簡単に引き剥がせるライトタッチサポート構造を使用でき、ビルドボリュームが大きくなり、本番環境に対応した高度な材料の可能性が開かれます。

DLP 3Dプリンティングとは？

デジタルライトプロセッシング（DLP）3Dプリンティングは、レーザーの代わりにプロジェクターを使用して、液体レジンを層ごとに硬化させるレジン3Dプリンティングプロセスです。

DLPプリンターの光源は、半導体チップ上にマトリックス状に配置された多数のマイクロミラーデバイスを使用して投影されます。これらのマイクロミラーデバイスはそれぞれ、部品の1つのボクセル（または3Dピクセル）を表します。マイクロミラーデバイスの数とビルドエリアのサイズが部品の解像度を決定します。

デジタルライトプロセッシング（DLP）3Dプリンティングを示すグラフィック。

部品の断面全体に光が一度に投影されるため、各層が非常に迅速に硬化します。このため、DLP 3Dプリンターは一般的に高速な印刷速度を提供します。

逆SLA 3Dプリンティングが、上から下へ印刷する従来の大型プリンターではなく、デスクトップ機を生み出したのと同様に、逆DLPプリンターも、よりコンパクトなデスクトップ機として、より手頃な価格で利用しやすくなっています。

MSLA 3DプリンティングまたはLCD 3Dプリンティングとは？

マスクドステレオリソグラフィー（MSLA）3Dプリンティング技術は、光源が選択的にマスクされる（覆われる）光重合プロセスを指します。MSLAプリンターは通常、LCDスクリーンを使用して光をマスクし、部品の目的の断面のみを硬化させるため、LCD 3Dプリンティングと相互に交換可能に使用されることがよくあります。ただし、MSLAは、光源の種類やマスキング技術に関係なく、マスクされたレジン3Dプリンティングを指すため、他の技術を指す場合もあります。

FormlabsのLow Force Display™（LFD）プリントエンジン（MSLA 3Dプリンティングの進化した形態）を示すグラフィック。

レジン3DプリンティングにおけるLCDスクリーンの使用は、レーザーベースのSLA 3DプリンティングとDLP 3Dプリンティングの開発に続き、ディスプレイ技術の急速な進歩によって可能になりました。これらの技術が他の電子機器で広く採用されたことで、最近では、ピクセルサイズが小さく、レジンを硬化させるために一般的に使用される波長である405nmの光透過率が高いLCDを設計することが可能になりました。

LEDが光を一度に投影するため、MSLA 3Dプリンターはレジンの各層をほぼ瞬時に硬化させ、DLP 3Dプリンターに匹敵する高速な印刷速度を提供します。

LCDスクリーンが密集しているほど、ピクセルは小さくなり、部品の可能な解像度は高くなります。ただし、ピクセルが小さいほどトレードオフがあります。ピクセル密度が高い、つまりピクセルが小さいほど、光透過率が低くなり、液体レジンに到達する光のパワーが低下し、印刷速度が遅くなります。

FormlabsのLow Force Display™（LFD）プリントエンジンは、Form 4およびForm 4L用に開発されたMSLA 3Dプリンティングの進化した形態です。LFDは、バックライトアレイ、ライトプロセッシングユニット、リリーステクスチャー、オンボードカメラなど、まったく新しい技術セットを導入し、柔軟なフィルムタンク、レジンカートリッジ、自動レジンハンドリング、インテリジェント制御システムなどの重要な改善と組み合わせることで、プロフェッショナルが必要とする速度、信頼性、部品品質をすべて1台のプリンターで提供します。

SLA、DLP、MSLA/LCD 3Dプリンティングプロセスの比較

レーザーベースのSLA、DLP、MSLA/LCD 3Dプリンターはすべてステレオリソグラフィープロセスであり、すべて光源を使用して液体レジンを硬化させます。これらのレジン3Dプリンティング技術のいくつかの違いは、その光源の精度、解像度、品質、耐久性、光処理ソリューション、およびそれらを中心に構築されたその他の技術に由来します。ワークフローや用途などのその他の違いは、各システムのソフトウェア、付属品、および利用可能な材料に応じて、メーカーごとに大きく異なります。

解像度

3Dプリントの解像度は、機械やメーカー間で説明し、標準化するのが難しい場合があります。結局のところ、プリントの品質と精度は、レジンを硬化させる光のサイズ、形状、パワー分布、さらにはレジンの散乱、にじみ、重合特性など、多くの要因に依存します。たとえば、一部のレジンは他のレジンよりも光を散乱させやすく、これにより余分なレジンが硬化し、プリントのフィーチャーの詳細が少なくなってしまう可能性があります。

解像度は、かつて紙とインクのプリンターでは「1インチあたりのドット数」またはDPIと呼ばれていましたが、X軸とY軸をカバーするインクとして簡単に理解できました。3Dプリンティングが普及するにつれて、Z軸が追加されたことで、3Dプリント解像度の定義と測定基準がさらに複雑になりました。

どの3Dプリンティング技術とメーカーが最も高い解像度を提供するかを決定するには、XY平面で特定のフィーチャーを描画する機能と、最小のZ軸層の高さの両方を考慮する必要があります。ただし、目的のパターンを正確に描画する機能は、多くの要因に依存します。

レジン3Dプリンターは、ラピッドプロトタイピングやツーリングなどの用途で、溶融堆積モデリング（FDM）3Dプリンターなどの他の3Dプリンティングプロセスよりもはるかに優れた解像度を提供します。解像度は、最終製品と設計レビューの成功を分けるものになる可能性があります。

レーザーベースのSLA 3Dプリンターの解像度は、レーザーのスポットサイズ、レーザースポットのパワー分布、検流計がXY平面で光を配置するために使用する精度、および最小Z軸層の高さの4つの要因によって決定されます。

一見すると、レーザースポットサイズが可能な最小フィーチャーサイズを示すように見えますが、これは真実ではありません。もし部品全体が単一の円形の点または球で構成されている場合、最小フィーチャーサイズはレーザースポットサイズによって決定されるのは事実です。なぜなら、レーザー自体よりも小さいものを硬化させることはできないからです。ただし、非常に小さな点や球状の部品は現実的ではありません。実際の部品の場合、レーザーは、自身のスポットサイズよりも小さいインクリメンタルな距離でXY平面を移動できるため、そのスポットサイズよりも小さい形状やフィーチャーを描画できます。これは、非常に小さなフィーチャーの「外側」をトレースすることによって行われます。

たとえば、Form 3+のレーザースポットサイズは85ミクロンですが、XY解像度は25ミクロンです。この場合、XY解像度とは、プリンターがXY平面または水平平面で描画できる精度を指します。

DLP 3Dプリンターの解像度は、X軸とY軸の両方で測定されるピクセルサイズ、光のパワーと均一性、アンチエイリアシングの使用、およびレーザーベースのSLAプリンターと同様に最小Z軸層の高さによって決定されます。

テレビや携帯電子機器などの身近な技術と同様に、ピクセルサイズが小さいほど解像度が高くなります。DLP 3Dプリンティングでは、XY解像度は、プロジェクターが単一の層内で再現できる最小フィーチャーであるピクセルサイズによって決定されます。これは、プロジェクターの解像度（最も一般的なのはフルHD（1080p））と、光学窓からのプロジェクターの距離に依存します。このため、ほとんどのデスクトップDLP 3Dプリンターは固定のXY解像度を持ち、通常は35〜100ミクロンです。

DLP 3Dプリンターの解像度は、ビルドボリュームが大きくなると低下します。これは、より多くのピクセルを持つプロジェクターが大幅に利用できないためです。したがって、メーカーは同じピクセル数で光源からの距離を大きくする必要があり、その結果、解像度と印刷品質が低下します。

MSLA 3Dプリンターの解像度は、LCDのピクセルサイズ、光源のコリメーションと均一性、アンチエイリアシングの使用、および最小Z軸層の高さによって決定されます。

DLP 3Dプリンターと同様に、ピクセルが小さいほど解像度が高くなりますが、ピクセルが小さいことは単なる要因の1つに過ぎません。MSLAプリンターは、高度にコリメートされた光を必要とします。つまり、光線は平行であり、LCDスクリーンのピクセルを通過しても拡散しません。また、レジンのすべてのピクセルを介して均一な光パワーで硬化するように、光は非常に均一である必要があります。

幸いなことに、最小Z軸層の高さはそれほど複雑ではありません。ほとんどのレジン3Dプリンターの標準層の高さは25〜200ミクロンです。逆レジン3Dプリンターの場合、層の高さは、ビルドプラットフォームとレジンタンクの底部の間に挟まれたレジンの垂直方向の深さによって定義されます。これは、各層で硬化されるレジンの高さに相当します。

要するに、レジン3Dプリンティングにおいて解像度は本当に重要なのでしょうか？答えはイエスですが、解像度自体はしばしば視覚的な指標に過ぎません。ある程度の指標は提供しますが、精度、正確さ、印刷品質とは必ずしも直接相関しません。高い解像度、つまりXY次元でピクセルまたはレーザースポットサイズが小さく、Z次元で層が小さいことは、通常、速度において大きなトレードオフを伴います。層が増えるほどエラーの可能性も高まるため、信頼性においても同様です。

実例については、さまざまな解像度のSLAおよびMSLA 3Dプリンターが、表面仕上げ、寸法精度、最小フィーチャーサイズに関してどのように機能するかを評価した当社の研究をお読みください。

寸法精度と正確さ

3Dプリンティングはアディティブプロセスであるため、各層は寸法精度の不正確さの機会を生み出します。各層が構築されるにつれて、意図した断面形状からの非常に小さな偏差が蓄積し、全体的な精度に影響を与えます。精度は、3Dプリンティングプロセスの種類、ハードウェア設計、レジン特性、プリント設定、および後処理ワークフローなど、さまざまな要因に依存します。一般に、レジン3Dプリンターは最も正確で精密な3Dプリンティングプロセスです。精度と正確さの違いは、技術そのものよりもモデルやメーカーによって異なります。

レジン3Dプリンティングでは、精度に影響を与える最初の主要な要因は、プリンターの光学性能、特にレジンを硬化させる光のサイズ、形状、均一性です。Form 3+やForm 3B+のようなプロフェッショナルなレーザーベースの3Dプリンターは、高品質の検流計と広範なキャリブレーションを使用して、レーザーの光がレジン上の意図した位置に正確に照射され、偏差なくレーザー経路をたどることを保証します。

DLP 3Dプリンターの精度は、ライトプロジェクターの解像度とパワー、マイクロミラーデバイスの品質とキャリブレーションによって影響を受けます。DLPプリンターは、ビルドエリアの端のピクセル歪みによって精度が制限されることがよくあります。これは、マイクロミラーデバイスが光源からさらに離れた場所に光を投影しなければならない場所です。

寸法精度と正確さは、電子回路アセンブリのピンホールのような特徴を持つアセンブリの一部となる3Dプリント部品にとって重要です。

LCDおよびMSLA 3Dプリンターの精度は、光源の均一性とコリメーション、およびLCDスクリーンのピクセルサイズと品質によって影響を受けます。ほとんどのLCDプリンターは光源の上にレンズを持っていますが、ほとんどが非常に基本的なレンズであり、不均一な光、暗いスポット、または歪みにつながり、不正確な部品につながる可能性があります。LCDスクリーンの品質も非常に重要です。高品質であれば、LCDスクリーンは、どこをマスクし、どこを光が通過させるかをスクリーンに指示するソフトウェアのプログラミングに、より忠実に応答します。

FormlabsのLight Processing Unit 4（LPU 4）は、50μmのピクセルサイズと事前に調整されたアンチエイリアシングを備えたカスタムLCDスクリーンを搭載しており、優れた寸法精度を実現します。Form 4のバックライトユニットは、60個のLEDと一連の平凸レンズ、および光学バッフルを使用して、超強力な光の均一なエリア投影を生成し、高出力でも高度にコリメートされた均一な光を生成します。

精度に影響を与える2番目の主要な要因は、印刷中に部品が受ける力です。すべての逆レジンプリンターには、2種類の印刷力があります。剥離力は、各層の剥離プロセス中に発生します。ビルドプラットフォームが持ち上げられ、硬化した層が新しい層が開始される前にレジンタンクから分離するときです。圧縮力は、各層でビルドプラットフォームが下降し、プリントを液体レジンのプールに圧縮するときに発生します。これらの力は、層が移動して歪む原因となり、最終的に寸法精度が低下します。

一部のプリンターは、硬化した層から優しく剥がれ、剥離力を最小限に抑える基本的な柔軟なフィルムレジンタンクを使用しています。これらのタンクは剥離力を低減しますが、2つの主要な問題を抱えています。耐久性のないフィルムを使用しているため、簡単に損傷し、頻繁に交換する必要があります。また、吸引力が発生しやすく、柔軟なフィルムがLCDスクリーンに吸着し、剥離力が突然急増する場合があります。

プロフェッショナルなMSLAプリンターであるForm 4およびForm 4Lは、剥離力を最小限に抑え、損傷に対して非常に耐久性のある二層の柔軟なフィルムタンクを使用しています。Form 4およびForm 4Lには、レジンタンクとLCDスクリーンの間に空気が流れるようにする独自のマイクロテクスチャード光学フィルムであるリリーステクスチャーも搭載されており、吸引力を防ぎ、精度を向上させます。

Form 4 MSLA 3Dプリンターのリリーステクスチャーにより、レジンタンクとLCDスクリーンの間に空気が流れ込み、吸引力を防ぎ、精度を向上させます。

精度に影響を与える最後の主要な要素は、プリンター内の液体レジンの特性です。液体レジンの硬化プロセスは、レジンの温度、均一性、散乱、粘度など、いくつかの変数に依存します。これらの変数のいずれかにわずかな変化があると、レジンの硬化が多すぎたり少なすぎたりし、硬化した層の寸法や形状に数百ミクロンものずれが生じる可能性があります。ほとんどのレジン3Dプリンターはこれらの変数を制御せず、その結果、寸法の精度に頻繁で予測不可能なばらつきが生じます。

Form 4およびForm 4Lは、いくつかの方法でこの問題に対処しています。まず、高精度ヒーター、赤外線温度検知、高速レジンミキサーを使用して、液体レジンの温度と均一性を正確に制御します。Formlabsはまた、独自の材料を開発・製造し、各材料の反応性、粘度、散乱特性を厳密に制御しています。さらに、Form 4およびForm 4Lは、高度なスライスソフトウェア、プリンターのハードウェアキャリブレーション、および検証済みの印刷設定を使用して、各材料の特性を自動的に補正します。

繰り返しになりますが、3Dプリンターの精度と精密さは、技術だけでなく、正確なハードウェア設計、液体レジンの特性、印刷設定とキャリブレーション、および後処理ワークフローにも依存します。

造形ボリューム

逆SLA 3Dプリントが導入されるまで、レジン3Dプリンターは造形ボリュームが大きく、非常に高価でした。その後、逆SLA 3Dプリントにより、この技術がより身近なものになりましたが、これらのプリンターは、高い剥離力により大規模な造形を正常にプリントすることが非常に困難であったため、大幅に小型化される傾向がありました。

現在、逆SLAの組み合わせ（これにより、大きなレジン槽ではなく、必要なだけのレジンを使用できるようになります）と、新しい剥離技術により、従来の大型レジン3Dプリントシステムに10万ドル以上を支払うことなく、より大きな造形ボリュームでプリントすることが可能になりました。消費財、製品設計、ヘルスケアなどの業界にとって、大型レジンプリンターは理想的なソリューションであり、人間サイズの部品のような用途で利用できるようになりました。

どのサイズのレジンプリンターが最適かを評価したい人は、まずアプリケーションを考慮する必要があります。レーザーベースのレジンプリンターには、デスクトップ、ベンチトップ、工業用システムの3つの主要な製品カテゴリがあります。