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進化する光造形・DLP|マイクロナノを実現するPμSL光造形とは【vol.3】

進化する光造形・DLP|マイクロナノを実現するPμSL光造形とは【vol.3】

更新日時:
2022/04/07 (2021/11/26 公開) 編集者:甲斐 智
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付加加工 | 超精密3Dプリンター |
       

製造業の現場で使われている「業務用3Dプリンタ」
業務用3Dプリンタにはさまざまな種類がありますが、そのなかでも主流なのが「光造形」とよばれる造形方式です。

いま試作開発の現場では、ミクロンオーダーを実現する精度の高い光造形技術の登場によって、金型などの高額な初期投資からの転換がはじまっています。

この記事では、ミクロンオーダーの光造形で業界をリードするBMF社(BMF, Boston Micro Fabrication)に、光造形のメリットと同社独自の光造形アプローチ「PμSL技術」についてお聞きしました。

微細構造を実現するマイクロナノ光造形・DLPについて|本記事は連載でお送りしています!すべての記事はこちら
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光造形の特徴とメリット

微細構造を実現するマイクロナノ光造形・DLPについて|光造形の特徴とメリット

3Dプリンタのなかでももっとも歴史が古い「光造形」、その誕生は1980年代にまでさかのぼります。
タンク(液槽)に張られた液体状の「光硬化樹脂」にUV(紫外線)をあて、樹脂を一層ずつ硬化させながら積み重ねるため、液槽光重合(えきそうひかりじゅうごう) ともよばれます。

製造業で3Dプリンタといえばこの「光造形」を指すことが多く、3Dプリントを代表する定番の造形方式として多くの現場で使われています。

光造形のメリット

  •  表面(積層面)が滑らかで、微細な造形ができる
  •  シャープなエッジで、複雑な造形ができる
  •  発熱が少ないため、造形中の熱膨張・収縮が起こらない
  •  透明材質の造形ができるため、機能モデルなどの試作にも最適

光造形のデメリット

  • × 造形時間がかかり、量産には不向き
  • × 造形できる材質が限られる

光造形「DLP方式」と「SLA方式」の違い

光造形は、光のあてかた(露光)によって、DLP方式とSLA方式の2つに分類されます。
それぞれに得意・不得意があるため、導入時には造形ワークのサイズや製作数を事前に把握しておくことがポイントです。

光造形:DLP方式

微細構造を実現するマイクロナノ光造形・DLPについて|光造形:DLP方式

DLP(Digital Light Processing)は、面露光方式ともよばれる造形方式です。
プロジェクタを使い面照射で一括露光するため、SLA方式とくらべ造形スピードが速いのが特徴です。
照射面積が広くなるほどプロジェクタの解像度が落ちるため、大型の造形には向いていません。

光造形:SLA方式

微細構造を実現するマイクロナノ光造形・DLPについて|光造形:SLA方式

SLA(Stereo Lithography Apparatus)は、レーザー方式ともよばれる造形方式です。
レーザーを使い線状に露光するため、DLP方式とくらべ大型の造形ができますが、造形には時間を要します。

BMF独自のマイクロナノ光造形「PμSL」とは

微細構造を実現するマイクロナノ光造形・DLPについて|BMF独自のマイクロナノ光造形(DLP)「PμSL」とは

現在、製造業で使われている「業務用3Dプリンタ」は、光造形のDLP方式が主流です。
より高い造形精度がもとめられるなか、BMFではDLP方式をもとに、PµSL(Projection Micro-Stereolithography)とよばれる独自の光造形技術を開発しました。

超高解像度の面露光で、マイクロレベル(髪の毛の100分の1以上)の精密な造形ニーズに応えています。

〈精密造形のひみつ〉面露光の光量を均一化
微細構造を実現するマイクロナノ光造形・DLPについて|面露光の光量を均一化することによって、超高解像度を実現
面露光の光量を均一化することによって、超高解像度を実現しています。
【A】従来のDLP:不均一な光量→ 解像度がダウン
【B】BMFのDLP:均一な光量→ 解像度がアップ

PμSL技術(DLP)による光造形の流れ

微細構造を実現するマイクロナノ光造形・DLPについて|PμSLによる光造形の流れ

PμSLでは、一般的な光造形(DLP)とおなじように、UVによる樹脂硬化を重ねることで造形します。
投影レンズの精密な制御により、数マイクロメートルから数百ナノメートルの解像度を実現します。

〈Step.1 液体樹脂の投入〉

微細構造を実現するマイクロナノ光造形・DLPについて|液体樹脂の投入

樹脂タンク・スクレーパ・台座をセットし、液体樹脂を樹脂タンクに注ぎます。

〈Step.2 一層目の積層〉

微細構造を実現するマイクロナノ光造形・DLPについて|一層目の積層

膜システムを設置し、装置に各種パラメータを入力。
台座が上昇し、第一層のUV投光→樹脂硬化がはじまります。

〈Step.3 次工程の準備〉

微細構造を実現するマイクロナノ光造形・DLPについて|次工程の準備

第一層が硬化。台座が下降し、造形物が液体樹脂で覆われます。
その後スクレーパにより、膜システムの気泡などを除去します。

〈Step.4 二層目の積層〉

微細構造を実現するマイクロナノ光造形・DLPについて|二層目の積層

台座がふたたび上昇し、第二層のUV投光→樹脂硬化がはじまります。
Step.2〜4の作業を繰り返し行い、造形を行います

〈精密造形のひみつ〉膜システム
微細構造を実現するマイクロナノ光造形・DLPについて|膜システム
BMF独自の「膜システム」により、樹脂の鎮静化を促進し、積層厚を均一化。
造形時間の短縮と、精密造形を実現しています。

PμSL技術(DLP)と一般的な3D造形との比較

微細構造を実現するマイクロナノ光造形・DLPについて|PμSL技術(DLP)と一般的な3D造形との比較
〈一般的な3D造形との比較〉
方式 解像度 造形スピード 造形サイズ 特徴
光造形(PμSL)
2μm
高速
小型
精密な造形に最適
光造形(SLA)
〜50μm
低速
〜中型
大型の造形に最適
熱溶解積層(FDM)
〜200μm
低速
〜大型
コストパフォーマンスが高い
インクジェット
600dpi
高速
〜大型
大型・高速造形に最適
〈一般的な3D造形との比較〉
方式 解像度 造形スピード 造形サイズ 特徴
光造形(PμSL)
2μm
高速
小型
高精度で高速、精密な造形に最適
光造形(SLA)
〜50μm
低速
〜中型
中精度で低速、大型の造形に最適
熱溶解積層(FDM)
〜200μm
低速
〜大型
低精度で低速、コストパフォーマンスが高い
インクジェット
600dpi
高速
〜大型
大型・高速造形に最適

これらの方式は優劣ではなく、造形ワークや用途に合わせた使い分けがポイントです。
各方式の違いは、下記ページもご参照ください。

〈BMFの光造形(DLP)〉
微細構造を実現するマイクロナノ光造形・DLPについて|BMFの光造形(DLP)

表面が滑らかで、シャープなエッジを実現。
(公差25ミクロン)

〈一般的な光造形(DLP)〉
微細構造を実現するマイクロナノ光造形・DLPについて|一般的な光造形(DLP)

表面が粗く、エッジが曖昧。
(200ミクロン以下の微細構造はむずかしい)

PμSL技術(DLP)による光造形の例

微細構造を実現するマイクロナノ光造形・DLPについて|PμSL技術(DLP)による精密造形の例

BMFのPμSL技術(DLP)は、高度な光エンジン・光学機器・モーションコントロール・ソフトウェアによる複合技術で、解像度・造形サイズ・造形スピードのバランスに優れています。

PμSL技術(DLP)の造形例:200ミクロンの小穴

微細構造を実現するマイクロナノ光造形・DLPについて|200ミクロンの小穴を、50ミクロン間隔で造形

200ミクロンの小穴を、50ミクロン間隔で造形

PμSL技術(DLP)の造形例:65ミクロンの薄壁

微細構造を実現するマイクロナノ光造形・DLPについて|パイプラインの壁厚を65ミクロン(全高4mm)で造形

パイプラインの壁厚を65ミクロン(全高4mm)で造形

3Dプリンタでセラミックを造形?
微細構造を実現するマイクロナノ光造形・DLPについて|3Dプリンタでセラミックを造形?
BMFでは樹脂材料だけではなく、セラミックスにも注目し材料開発に取り組んでいます。
PμSL技術によりアクリル樹脂に劣らない造形精度で、3Dプリントが可能です。

マイクロナノ造形におけるTPP技術との違い

微細構造を実現するマイクロナノ光造形・DLPについて|マイクロナノ造形におけるTPP技術との違い

現在、マイクロナノ造形を実現する光造形には「PμSL」と、超高速パルスレーザーを利用して、感光性材料を固化させる「TPP(二光子重合技術)」の2つの技術があります。

微細構造を実現するマイクロナノ光造形・DLPについて|PμSL技術(DLP)の工業用アプリケーション
PμSL技術(DLP)は、さまざまな工業用アプリケーションで実用化されています

TPPの造形精度は100ナノメートルに到達しており、ドイツやリトアニアなどで製品化が進んでいますが、「コスト・スピード・サイズ・材料」の点から、実用化にはまだ課題があるのが現状です。
そのため工業用途では、「PμSL」が多く選ばれています。

微細構造を実現するマイクロナノ光造形(DLP)まとめ

この記事ではミクロンオーダーの光造形で業界をリードするBMFに、光造形のメリットと同社独自の光造形アプローチ「PμSL技術」についてお聞きしました。

現在、光造形による3Dプリント技術は2つの方向に進化しています。
ひとつは大型造形を実現する「マクロ造形」、そしてもうひとつが精密造形を実現する「ミクロ造形」です。
これらの技術は優劣ではなく、造形ワークや用途に合わせた使い分けが重要です。

ミクロンオーダーの高精度・高解像度3Dプリントにご興味がある方は、BMFまでお気軽にお問い合わせください。

 

開発エンジニア・研究機関の方へ
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ミクロンオーダーの3Dプリントにご興味がある開発エンジニア・研究機関の方へ。
超精密3Dプリンターの実機見学やサンプルモデルについて、お気軽にお問い合わせください。

東京オフィスでは、解像度10μm/公差±25μmの造形精度を実現する「超精密3Dプリンター〈microArch® S140〉」を設置して、みなさまのお越しをお待ちしております。

\実機見学やサンプルデモはお気軽に!/

お問い合わせはこちら(公式サイト)

BMF Japan株式会社について

会社名 BMF Japan株式会社
所在地 〒103-0022 東京都中央区日本橋室町4-4-3 喜助日本橋ビル5F Nano Park
設立 2019年10月01日
事業内容 3Dプリンターの製造、販売
3Dプリンターによる造形モデルの製作(試作)、販売
公式サイト https://www.bmfjapan.jp

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この記事の編集者・プロフィール

甲斐 智(KAI Satoshi)
甲斐 智(KAI Satoshi)

1979年 神戸生まれ
多摩美術大学修了後、工作機械周辺機器メーカーの販売促進部門
15年以上に渡り、工作機械業界・FA業界のWebマーケティングに携わる
メーカーでは各種技術専門誌へ寄稿
文部科学省「学校と地域でつくる学びの未来」参加企業

所属
掲載・登録
SNS・運営サイト

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