DLP® 3Dプリンティングについて知っておくべきすべて

概要：デジタルライトプロセッシング（DLP）3Dプリンティングは、投影された光を用いて光硬化性樹脂を硬化させ、優れた精度、滑らかな表面仕上げ、そして機能的な材料特性を備えた部品を製造します。速度、信頼性、幅広い材料対応性を兼ね備えたDLPは、プロトタイピングと量産を橋渡しし、自動車、航空宇宙、産業、医療、民生用途向けに、等方性で高性能な部品を提供します。 StratasysのP3™プログラマブル光重合技術は、閉ループプロセス制御と特許取得済みの空気圧式分離システムによりDLPをさらに進化させ、卓越した精度、再現性、および表面品質を実現します。  

DLPプリンティングとは？

DLP®は光投影技術です。DLP 3Dプリンティングは、高性能な材料を活用して、滑らかな表面を持つ高精度な部品を製造するために使用され、製造された部品に機能性を付与します。  

このため、この技術は生産用部品に非常に適しており、少量生産における射出成形の優れた代替手段となります。 

DLPプリンティングは、デジタルライトプロセッシング（DLP）プロジェクターを用いて液体の光硬化性樹脂を急速に硬化させ、層全体を同時に固化させて3Dオブジェクトを構築する、樹脂ベースの3Dプリンティング技術です。

デジタルライトプロジェクターは、層全体の画像を同時に投影し、1回の露光で液体の光硬化性樹脂を硬化させます。樹脂は、プロジェクターから放出される特定の波長のUV光にさらされると急速に固化します。各層が硬化すると、ビルドプラットフォームが正確に上昇し、次の断面のために新しい樹脂がその下に流れ込むようにします。この全層投影方式により、他の樹脂ベースの3Dプリント技術と比較して、より高速なプリントが可能になります。

DLPは光を投影するデジタル方式であり、画面上の個々のピクセル（色、輝度、コントラスト）を制御します。DLPの中核となるのは、デジタルマイクロミラーデバイス（DMD）を用いて、光を目的のピクセルに反射させる仕組みです。  

1987年にテキサス・インスツルメンツによって初めて開発されたDMDは、数千個の微小なミラーで構成されています。10年後、デジタル・プロジェクション社はこの技術を用いて、世界初のDLPプロジェクターを開発しました。  

このプロジェクターは、各ミラーを個別に制御し、光をスクリーンに向けて反射させるか、あるいはスクリーンから遠ざけて（ビームダンプへ）反射させることができます。さらに、ミラーを高速で「オン」と「オフ」に切り替えることで、色（またはグレースケール）の実効輝度を調整することが可能です。 

3DプリンティングにおけるDLPの活用

DLPプリンターにおいて、実際のDLPプロジェクターは、複雑な3Dプリンティング装置を構成する部品の一つに過ぎません（もっとも、極めて重要な部品ではありますが）。DLP 3Dプリンターには、主に4つの構成要素があります： 

• レジン槽 
• ビルドプラットフォーム 
• DLP光源 
• 膜／分離機構 

これらが互いに連携して3Dパーツを印刷する仕組みは以下の通りです：1. バットには光硬化性樹脂（光にさらされると硬化するプラスチックの一種）が入っています。2. バットの底（ビルドプラットフォームの下）にある柔軟な膜が下方に拡張し、樹脂の薄い層が流れ込みます。

3. DLPプロジェクターは、3Dプリント部品のスライス画像をバット内の樹脂表面に投影することで、そのスライス全体を一度に硬化させます。4. メンブレンが上方に収縮してビルドプラットフォームに接触し、メンブレンとビルドプラットフォームの間に挟まれた薄い樹脂層が硬化します。5. ビルドプラットフォームが上昇し（ごくわずかに、これがZ軸の解像度です）、その下にさらに樹脂が流れ込むようにします。 

6. 部品が完成するまで、各スライスに対して手順2～5を繰り返します。 

DLPは積層造形の世界においてどのような位置づけにあるのか？

積層造形（AM）はいくつかの方法で分類できますが、おそらく最も単純な方法は、使用される材料から始めることです。大まかに単純化すると、材料のカテゴリーは以下の通りです： 

• 金属 
• プラスチック／ポリマー 
• 熱可塑性樹脂 
• 熱硬化性樹脂（フォトポリマーとも呼ばれる） 

あらゆる種類のプラスチックは、より流動性のある、あるいは成形可能な状態から「最終的な」状態へと変化します。熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂の主な違いは、この変化の可逆性にあります。熱可塑性樹脂は、硬化して「恒久的な」状態になる際、完全な双方向のプロセスを経ます。  

このプロセスは逆転させることができ、元の原料の状態に戻すことができます。対照的に、熱硬化性樹脂は、その名前が示す通り、一度硬化するとその状態が固定されます。プラスチックが硬化すると、元の状態に戻すことはできません。 

別の見方をすれば、硬化後のプラスチックに熱を加えた場合に何が起こるかということです： 

• 熱可塑性樹脂は溶融し（必要に応じて再硬化させることができる）
• 熱硬化性樹脂は燃焼し（元の成形可能な状態には戻りません） 

特定の積層造形技術は（通常）、1つの材料カテゴリでのみ機能します。 

ISOは、AM技術を7つの主要なグループに分類しています： 

この概要から、DLPが他の槽内光重合方式
と最も密接に関連していることは明らかです。とはいえ、DLPをいつ使用するのが最適か、また他の方法が望ましいのはどのような場合かを判断するためには、あらゆる形態のポリマー3Dプリント技術を比較検討することが有用です。

DLP 3Dプリントで使用される材料

DLPでは、さまざまな特性を持つ材料を使用して3Dプリントが可能です。その385 nmのUV光源は、幅広い樹脂材料の硬化に最適です。互換性のあるすべての材料に共通する点は、フォトポリマーでなければならないということです。（DLPプリントのプロセス全体は、光による樹脂の硬化に基づいていることを思い出してください。） 

DLP用フォトポリマーは、以下の機能別カテゴリーに分類できます： 

• 汎用 
• 高強度 
• エラストマー 
• 耐熱性 
• 医療用 
• その他／特殊用途 

耐熱性の高い材料は脆くなりやすい傾向がある一方、弾力性や靭性の高い材料は耐熱性が低い傾向があります。用途に最適な材料を決定する際には、この点を念頭に置いておく必要があります。 

汎用DLP材料

これらの材料は、DLPによる3Dプリントにおいて万能な素材と言えます。以下の利点があります： 

• 優れた総合的な特性 
• 印刷・加工が容易 
• 幅広い用途に適している 

高靭性DLP材料

タフな材料は、衝撃や繰り返しの動きに耐えることができます。弾性にはばらつきがあるものの、一般的に高い衝撃強度を備えています。タフなDLP材料は、模倣する熱可塑性樹脂の種類によって分類できます。例：

• ABS 
• 耐衝撃性ポリプロピレン 

DLP 3Dプリント用エラストマー

これらの材料は、様々な形態でゴムを模倣しており、次のような用途に用いられます： 

• シールおよびガスケット 
• 振動吸収 
• 「弾力性のある」ゴム 

エラストマー系フォトポリマーは、以下の特性によって評価されます： 

• ショア硬度（数値が高いほど硬い材料とされる） 
• 引裂強度 
• 破断伸び 

一般的に、ショア値が低い材料ほど伸びやすく（破断時の伸び率が高い）、硬いエラストマーは形状・嵌合・機能のプロトタイプに適しています。一方、柔らかいエラストマーはシールやガスケットに広く使用される傾向があります。 

耐熱性DLP材料

これらは、持続的な熱への暴露に耐えることができるDLP材料であり、通常は熱変形温度（HDT）の測定値によって定量化されます。また、難燃性、発煙性、および毒性（FST）に関する認証を取得している場合もあります。耐熱性材料は湿気に対しても強い傾向があり、長期的な寸法安定性が向上します。 なお、耐熱性材料は通常、他の種類の材料に比べて脆い傾向があります。繰り返しのひずみ、衝撃、または落下リスクを伴う用途では、これらの材料の使用を避けるべきです。 

医療用DLP材料

高精度かつ滑らかな表面仕上げにより、DLPは医療機器の印刷に適しています。これには、関連する規制要件および規格に基づいて認証された、専用の医療用グレードの材料が使用されます。 

特殊用途のDLP材料

上記の一般的なカテゴリーは多くの用途に使用できます。特殊な特性（例：静電気放電（ESD）保護、難燃性）が求められる用途には、その他の特殊用途材料を使用できます。これらの3D材料は、それらが代替する従来の熱可塑性材料によって分類できます。例えば： 

• ナイロン6/12 
• PBT（ポリブチレンテレフタレート） 
• ESD材料
• ケイ酸アルミニウム 
• ABS（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン） 
• ポリプロピレン 
• TPU（熱可塑性ポリウレタン） 

DLP 3D プリンティングのための設計

積層造形のための設計（DfAM）とは、3Dプリントが実際のプリンターから始まるだけではないという考え方です。それは部品の設計から始まります。現在の設計は、従来の生産方法の制約を考慮して行われています。しかし、根本的に異なる生産方法を扱う以上、部品設計は不適切な制約に縛られるべきではありません。DfAMにより、積層造形の可能性を最大限に引き出すことができます。 

なぜ積層造形に適した設計が必要なのか？

生産部品に積層造形を用いる場合、AMの真の利点を最大限に引き出すためには、この技術に適した設計が不可欠です。優れたDfAMは、品質、機能性、スループットの向上に寄与し、結果として総コストの削減と、積層造形による生産の適用範囲の拡大につながります。さらに、積層造形に適した設計を行うことで、複数の部品を単一の統合部品に集約できる場合が多く、組み立て作業の労力を削減できるほか、精密な手作業による組み立て工程にしばしば伴う品質上の課題も軽減できます。  

積層造形に適した設計方法

ステップ1 – 部品と用途を検討する： 

• その用途に適したAM材料は利用可能か？ 
• プリンターの造形領域内に収まりますか？ 
• 200 μm（0.2 mm）未満の細部や壁は存在しますか？ 
• オーバーハングはありますか？ 
• 重要な表面にサポートが必要ですか？ 
• 樹脂が逃げられない箇所はありますか？  

ステップ2 – AM材料の選択： 

• 剛性 
• 靭性 
• 耐熱性 
• エラストマー 
• 特殊用途 
• その他 

ステップ3 – プリント部品の向きを検討する： 

• 高さ（Z軸）は、プリント時間に最も大きな影響を与える要素です。可能であれば、高さが最小になるようにパーツの向きを設定してください。 
• 設計上の平らな面をビルドヘッドに接するように配置することで、サポートを少なくして安定した印刷が可能になりませんか？ 

部品の配置は表面品質にも影響します： 

• 最も良好な表面仕上げが得られるのは、ビルドプラットフォームに対して完全に平行にプリントされた平面です。当然ながら、この配置ではデザインの自由度は大きく制限されます。  
• 次善の表面品質は、ビルドヘッドに対して角度がついた（垂直な平面ではない）曲面または平面を持つパーツです。ほとんどのパーツの表面は、このカテゴリーに該当します。  
• 最も難しい表面の向きは、ビルドプラットフォームに対して垂直な平面です。Z方向の微細な層の線が目立つためです。これは、堅牢なビルドプラットフォーム構造を備えたプリンター（Origin® Twoなど）を使用し、安定した均一なZ軸を実現することで、ある程度軽減できます。 

ステップ4 – サポートの必要性を検討する： 

• その部品にはサポートが必要ですか？ 
• サポートの戦略はどのようなものですか？
•  重要な表面にサポートが必要か？ 
• サポートの高さはどれくらいになるでしょうか？ 高いサポートほど、厚みが必要になります。 
• グリーン強度（予備硬化強度）が低い材料は、より多くのサポートを必要とします。 

ステップ5 - 洗浄と後硬化： 

• 
  部品の設計時には、洗浄プロセスを考慮することが重要です。エラストマーのような高粘度樹脂は、硬質材料などの低粘度樹脂に比べて洗浄が困難になります。 
• 
  また、非常に高密度なラティス構造も、洗浄が難しく、時間がかかる場合があります。DfAMで成功するための鍵は、一歩引いてシステムレベルから部品を見直し、重量、性能、スループットの観点から部品を最適化することです。 

DfAMの例：サポートとネスティングの考慮事項

例えば、下図に示すベンチュリバルブ（断面図）は、左図に示す向き（3つのポートが下向き、1つが上向き）で印刷される限り、完全に自立しています。もし逆の向きで印刷された場合、中央の内部流体出口（赤でマーク）にはサポートが必要になります。 

しかし、この部品を大量に印刷するには、ネスト密度が重要な役割を果たします。すべての部品が同じ向きだと、1回の印刷で収まる数が減り、スループットが低下します。そのため、両方の向きを使用する必要があり、そのうちの1つにはサポートが必要となります。DLPでサポート材を使用すること自体は問題ではありませんが、このケースでは課題となりました。サポートを追加する論理的な方法は、次のようなものになります（緑色の線）： 

しかし、閉じたチューブ内部にサポート構造を配置すると、それらをきれいに除去することはほぼ不可能になります。その代わりに、設計をわずかに変更することで、ベンチュリバルブはどちらの向きでも完全に自立するようになりました： 

この解決策では、側壁と中央の内部流体出口を接続する自立式のブレース（青色で強調表示）を追加し、サポートのないポートを支えつつ、気流を妨げないようにしています。 

DLP 3Dプリンティング技術の今後の動向 

DLP 3Dプリンティング技術は、すでに高品質で再現性が高く、完全に機能する部品の製造に活用されています。そして、その性能はさらに向上する見込みです： 

• 新たな特性を持つ材料の増加、さらなる性能向上、そしてより幅広い業界標準への対応 
• プリンター性能の向上、プリンター製造における規模の経済、および単一のビルドでより多くのパーツを配置可能にするソフトウェアの進歩により、1パーツあたりのコストが継続的に低減 
• スループットの向上 
• 植物由来または再生可能資源から作られた、環境に配慮した樹脂 
• マルチマテリアル3Dプリンティング 
• 再現性の向上、エラーの低減、手作業の最小化、および生産規模の拡大を実現する、さらなる自動化（自動キャリブレーションなど）。 

この方法にはいくつかの利点があります： 

• 極めて高い表面仕上げ品質が得られます。 
• 繊細な形状も、分離工程で破損することなく印刷できます。
•  大きな断面形状の造形が可能です。 
• 必要なサポート材が少なくて済む（つまり、後処理の手間が軽減される）。 
• 幾何学的自由度が最大限に高まります。