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3Dプリンターにも使用されている光造形についての基礎知識


光造形の基礎知識


光造形は、代表的な3次元造形法の一つであり、紫外線をあてると、固まる液体性の樹脂(光硬化性樹脂)を用いた方法です。その方法は光硬化性樹脂を満たしたタンクに、紫外線レーザーをあてて樹脂の表面に造形物の断面を描き固まらせます。この作業を繰り返し、立体物を作り出します。0.5mm程度の厚さでも造ることができます。
光造形方式とは、3Dプリンターの中でもっとも歴史の古い方式で、原理的な技術は1980年に小玉秀男氏によって発明されました。そして1984年に、Charles (Chuck) W. Hull氏により米国特許出願されて、1987年にCharles (Chuck) W. Hull氏は、現在アメリカのサウスカロライナ州ロックヒルを拠点する3Dシステムズ社を設立し、世界で初めて光造形を製品化したのです。
光造形の原理の産みの親でもある、小玉秀男氏は1980年名古屋市で開催された「印刷ショー」で、光硬化性樹脂に出会いました。この会場で初めて、活字の部分が透明で他の部分が不透明のマスク(写真のネガの様に白黒が反転されたマスク)の下に液体の光硬化性樹脂を置き、上から紫外線を照射すると、みごとな新聞の版下が出来上がったのを見たそうです。ショーのこと、半導体の製造で何回もマスクを変えて露光した実習のこと、3次元CAD出力において「設計された立体イメージを他人に分かりやすく伝える方法に工夫が望まれる。」という問題意識を持っていたことなどが元となり、ひらめいたことがきっかけです。
そして語源は、「Charles (Chuck) W. Hull氏」によるもので、1986年、Hull氏は光造形の方法を広めビジネス化するために、3Dシステムズ社を設立しました。最新の構築数学モデルを光造形のプロセスに取り入れ、そのプロセス内で作られるであろう物体の正確さを調べる「設計アルゴリズム」というものを開発しました。同時期、日本でも原理が開発されましたが、特許は出願されていたものの、審査請求期間内に審査請求がされなかったため、成立しなかったようです。

光造形法と3Dプリント


光造形は3Dのデータを、素早く正確に立体化する技術です。具体的には、コンピュータ上の立体のデザインをつくるシステムで、作りたいものの3次元立体形状データを入力していきます。
次に、コンピュータ上でデータを等間隔にスライスし、その断面のデータを作っていきます。そして、液状の光硬化性樹脂をタンクいっぱいにはり、そこに事前に作成したデータを読み取り、レーザー光線を樹脂にあてていきます。光が当たった樹脂は固まりますので、断面データに対応した形が形成されるという仕組みです。その後下にテーブルを下げ、次の硬化を行います。再び、同様に次の層の断面データに対応するように樹脂を硬化していきます。
これを繰り返すことにより、作りたい形の立体物を作っていきます。つまり一層一層重ねて、立体を作成していくという方法です。したがって層を薄くすればするほど、高精度の成形を行うことができ、厚くすればするほど素早く成形を行うことができます。
光造形のメリットは、3Dプリンターと比較して1層1層が細かく、より大きなサイズの物にも対応できることです。今後造形時間がさらに短くなる可能性もあるといわれていますが、製作スピードは一般的な3Dプリンターより早く、また高精度といったメリットがあります。
さらに、表面処理や塗装などの加飾ができます。より量産品に近い試作品を作成可能です。樹脂自体への着色はできませんが、仕上げ・塗装など加飾をすることにより、量産品と同等に仕上がった試作品へと近づきます。
いくつかの製品を一度に製作できることやいろいろな大きさにも対応でき、くさんの部品を一気につくることもでき、納期を短縮することが可能です。3Dプリンターは早いうちの形状確認試作を作るときに向いている反面、光造形は展示会や出展・プレゼンなど見栄え重視の模型製作ができるのです。

私たちの身近にも実は使用されている!光造形を使ったもの


開発段階におけるデザイン開発、設計生産、形状確認、機能検討用試作品(航空宇宙、自動車、建築、家電、民生機器、玩具、情報通信等の幅広い分野)、営業用サンプル、加工用冶具などに利用でき、多目的に用いられています。また、形状確認、機械部品、試作品の作成手段などに多く利用されています。
厚みのある製品検証や、量産前の形状チェック、複製品を製作するためのモデルとしても用いられ、。最近では、個人が購入できる(パーソナル3Dプリンター)レベルの機種も登場しつつあるのが現状です。
さらに、医療分野でも重宝されており、CTスキャナー、MRIなどの測定データを基に、患部の立体模型の作製などで活用されています。そして、医療機関で撮影されたCT・MRIなどのデータからつくられた骨や臓器のモデルは、医師のシミュレーションまたは手術の模擬練習などにも使用されています。


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