新しい体積造形技術は、従来の3Dプリンティングのレイヤーごとの制約を克服しています。特別に調合された樹脂にパターンを投影することで、ホログラフィックとアップコンバージョン光開始により、デザイン全体を同時に製造することができます。この記事では、最適化された製造結果を求める産業にとって、光ベースの体積製造がもたらす革命的な意味を分析します。

体積造形3Dプリンティング：瞬時にオブジェクト全体を造形

ローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）の研究者は、革新的な新しい 3Dプリンティング ホログラフィック・プロジェクションを利用し、ワンステップで素早くオブジェクトを造形する方法です。従来の3Dプリンティングでは、物体を層ごとに造形しますが、複雑な形状の場合、時間がかかることがあります。LLNLの技術は、医療用イメージング技術にヒントを得た体積印刷プロセスによって、このような制限を克服します。

この方法は、液状のフォトポリマー樹脂を通してフォトニックパターンを投影するために複数のレーザーを使用することで機能します。3Dオブジェクトのデータがエンコードされたこれらのホログラムのような画像は、樹脂槽内で重ね合わされ、同時に硬化して目的の固体構造になります。投影されたレーザービームが交差する場所では、光強度が最も高くなり、液体樹脂から物体の形状を効果的に「引き出す」ことができます。これにより、レイヤーやサポート材を必要とせずに、複雑なデザインを迅速に製作することができます。

ホログラフィック製造プロセスの仕組み

3つのレーザー光源が、未硬化の樹脂溶液が入ったフォトポリマー槽に異なる角度からビームを照射します。デジタルホログラム 3D CAD ファイルを使用して、対象物のデータに従って各レーザービームを空間的に変調します。レーザーパターンが樹脂槽内で交差すると、光強度が局所的に増加します。この局所的な光重合により、光強度が材料の活性化しきい値を超えると、樹脂内の分子結合の硬化が始まります。

レーザー光が重なり合うことで、3Dオブジェクトの形状が液体から直接ソリッド構造へと徐々に引き出されていきます。このプロセスは、デザイン全体がワンショットで造形されるまで続きます。レーザーパターンをさまざまな角度から投影することで、この技術は、レイヤーを重ねたり支持構造を使用したりすることなく、真の容積印刷を実現します。従来の3Dプリンターでは数時間かかっていた複雑な形状全体が、わずか数秒で製作できます。

従来のレイヤーベースの利点 3Dプリンティング

複雑なデザインをより速く印刷

オブジェクト全体を一度にプリントできるため、段階的なレイヤリング方法と比較してプリント速度が劇的に向上します。内部構造、可動部品、またはトポロジー的に最適化された設計を持つ複雑な形状はすべて、レイヤーの積層による時間的ペナルティなしに、はるかに高速に製造できます。迅速な製造が不可欠な医療や防衛の用途では、この迅速なボリュームメトリック・アプローチが大きなメリットをもたらします。

サポート構造不要

ベースからオブジェクトを構築する必要がないため、サポート構造の配置や除去を心配することなく、オーバーハング、空洞、複雑な形状を自由に設計できます。これにより、印刷可能な形状の範囲が大幅に広がり、後処理が簡素化されます。また、溶解サポートによる材料の無駄をなくし、コストを削減します。

フルボリューム硬化による高解像度

投影された光パターンで対象物の体積全体を同時に硬化させることで、レーザーのセットアップと樹脂の特性によって許容される最高の解像度で、微妙な表面の細部まで忠実に再現することができます。これは、連続的に積層されたフィルムが異なる露光を受け、フィーチャーのZ軸方向の伸びにつながるレイヤーワイズ硬化方式よりも優れています。フルボリュームの光重合により、より微細な形状を実現できます。

要約すると、LLNLのホログラフィック3Dプリンティングは、投影技術の利点をステレオリソグラフィにもたらし、複雑な部品やデバイスをサポートなしで迅速に製造するパラダイムシフトを実現します。この方法は、製品設計、生物医学インプラント、および工業用大量生産において、ワンステッププリンティングが従来のレイヤーワイズプロセスよりも大きな利点をもたらすことができる、大きな可能性を示しています。樹脂処方、光学系、ソフトウェアの改良を続けることで、この斬新な3Dプリンティング手法をさらに進化させることができるでしょう。

定置型容積製造用アップコンバーティング樹脂

レーザースキャンによる硬化制御

ハーバード大学の研究者は、アップコンバート・ナノ粒子を含む3Dプリンティング用の新しい樹脂を開発しました。このナノ粒子は、赤外光を吸収し、より高いエネルギーの青色光として再放出することができる特別なものです。感光性樹脂に組み込むと、紫外線ではなく赤外線レーザーで硬化させることができます。

これは3Dプリントにとって大きな利点があります。赤外レーザーを樹脂槽内に正確に集光し、アップコンバージョンによって青色光の極小焦点を生成することができます。レーザービームをバット内で走査することで、この青い点が移動可能な「ホットスポット」として機能し、どこに当たっても樹脂を選択的に硬化させることができます。これにより、オブジェクトをレイヤーごとに構築する必要のない、真の容積印刷が可能になります。

3Dプリンティングプロセスは、アップコンバージョン樹脂をバットに装填し、3Dモデルファイルに従ってレーザースキャン経路を計画するソフトウェアを使用することで機能します。その後、レーザーはこれらの経路をトレースし、アップコンバージョンと光開始によって焦点の局所的な樹脂硬化を引き起こします。徐々に、支持構造を必要とせずに、物体全体が同時に製造されます。複雑な内部形状や可動部品も、1回の固定プリントバッチで製造できます。

アプリケーションと今後の展開

赤外レーザー光によってロック解除されたアップコンバート樹脂を使用するこの定常体積印刷法は、従来のレイヤーベースの3D印刷技術に比べていくつかの利点があります：

• 印刷速度の大幅な向上。オブジェクト全体がレイヤー単位ではなく一度に製造されるため、製造時間が数時間から数分に短縮されます。
• サポート構造なし。オーバーハング、空洞、可動部は、後処理で除去する必要のある仮支持体なしで自由にプリントできます。
• 高解像度の細部。オブジェクトボリューム全体が同時に硬化するため、レイヤープロセスで一般的なZ軸方向のフィーチャー変形の問題が解消されます。

初期の用途としては、スピードが重要なラピッドプロトタイピングが考えられます。その他の用途としては、精密な歯科用モデル、複雑な多孔質構造を持つ医療用インプラント、共形冷却チャンネルや入れ子構造を持つ消費者向け製品の設計などがあります。

さらなる開発の目標は、アップコンバート・ナノ粒子の配合を改良して効率を高め、必要なレーザー出力を下げることです。3Dスキャナーと制御ソフトウェアを改良することで、レーザーの焦点幅の限界で、より微細な幾何学的細部をプリントできるようになるかもしれません。生体組織に適合する新しい樹脂は、3Dバイオプリンティングを含む再生医療への応用を拡大する可能性があります。

将来的には、アップコンバージョンによるインスタント3Dプリンティングは、レイヤーを使用せず、スタートボタンを押すだけで物体を製造する方法に革命をもたらすと期待されています。技術が進歩すれば、造形速度と設計の自由度を求める多くの産業において、従来のレイヤー単位の3Dプリントに代わって、定常的な体積造形が行われるようになるかもしれません。

マイクロCALとガラス樹脂の組み合わせ

東京大学の研究者は、マイクロCAL（Continuous Activator and Liquid）と呼ばれるレーザーベースのマイクロステレオリソグラフィーシステムと特殊なナノコンポジットガラス樹脂を組み合わせて、微細なガラス構造を3Dプリントする新しい技術を実証しました。

micro-CALでは、レーザーが液体樹脂槽内を連続的に走査し、物体を層ごとに積み上げるのではなく、局所的に凝固を触媒します。ガラス印刷のために、研究チームは、感光性プレセラミックポリマーバインダーに無機ナノ粒子を分散させたハイブリッド樹脂を調合しました。

レーザーがこの特殊なガラス樹脂にmicro-CALを用いて走査パターンを描くと、2光子重合が起こり、パターン化された樹脂が徐々に硬化します。後工程の熱処理により、硬化した樹脂が分解し、無機フィラーが固化して、ミクロンスケールの解像度で強固な透明ガラス構造体が形成されます。

高解像度と表面品質の印刷

ガラスのmicro-CAL 3Dプリンティングで達成された解像度は、従来の積層造形法を大幅に上回りました。50μmの表面形状が、光学部品の限界に近づく6nm以下の表面粗さで、大面積にわたって再現性よく製造されました。

スパイラルマイクロレンズ、フレネルレンズ、フォトニック結晶などの複雑な3Dガラス構造がプリントされ、この技術の設計の柔軟性が実証されました。2Dパターンしか作製できない従来のリソグラフィとは異なり、真の3D形状は1回の連続プロセス工程で達成されました。

潜在的な用途と影響

この研究は、微小光学素子製造の新たな道を開くものです。バイオメディカルイメージング、マイクロ流体工学、化学センシングなどの分野では、ラボオンチップ技術にプリントガラス光学系を活用することができます。その他の用途としては、低侵襲手術装置、埋め込み型オプトエレクトロニクス、コンパクトな消費者向け製品などがあります。

ガラス樹脂を使用したマイクロCAL 3Dプリンティングの採用は、産業界全体の能力を変革する可能性があります。カスタマイズ可能な内視鏡、ウェアラブルディスプレイ、環境センサー、バイオ研究プラットフォームなどの可能性があります。メーカーは、調整可能なフォトニクス、マイクロ流体制御、光学アッセイを統合する新しい方法を見出すかもしれません。

継続的な開発努力は、特殊な屈折率や化学物質のためのガラス材料ツールキットの拡張を目指しています。さらに微細なナノスケールの解像度とスループットに向けて印刷パラメーターを最適化することで、科学技術全体の破壊的イノベーションを促進できる可能性があります。

レイヤーベースの3Dプリントよりも高速

体積造形3Dプリンティングは、従来のレイヤーごとの積層造形に代わる破壊的な選択肢として登場しました。LLNLのホログラフィックリソグラフィーとハーバード大学のアップコンバージョンベースの方法は、レイヤーの段階的な積層をバイパスして、オブジェクト全体を同時に硬化させます。

これにより、生産速度は数時間ではなく数秒で測定されます。LLNLは、ホログラムをフォトポリマー樹脂に投影し、複合レーザー干渉パターンを利用して複雑なデザインを迅速に硬化させます。ハーバード大学のアプローチでは、赤外レーザー走査システム内で特定の波長に感応する調整可能なアップコンバーティング・ナノ粒子を使用しています。

どちらも静止したフルボリュームファブリケーションによって支持構造や後処理が不要になる一方で、各手法には用途に応じて独自の利点があります。LLNLの方法は、医療および産業用途に適した幅広い材料適合性と高解像度能力を提供します。ハーバード大学のアップコンバージョン樹脂システムは、制御された実験室条件下での高速プリント速度を必要とするラピッドプロトタイピングや製造状況に適しています。

硬化メカニズムと材料の違いにより、設計、解像度、スループット、処理環境に基づく特定の生産ニーズに最適化するための可変オプションが提供されます。

結論

体積造形3Dプリンティングは、従来のレイヤーごとの積層造形の限界の多くに対処する上で大きな進歩を遂げました。LLNLのホログラフィックリソグラフィーやハーバード大学のアップコンバージョンベースのアプローチのような方法は、光のパターンを投影することで、感光性樹脂内に複雑な形状を1回の迅速なステップで直接作製できることを示しています。

インクリメンタルなレイヤー構築を排除することで、これらの技術は、幾何学的な複雑さの制約を取り除きながら、プリント時間を数時間からわずか数秒に短縮します。サポート構造が不要になり、デザインの可能性が広がります。樹脂量による同時硬化により、解像度と表面品質も向上します。

まだ研究開発段階ですが、医療、消費者製品、精密工学などの業界では、定置型ボリューム3Dプリンティングの実際の用途が現れ始めています。光源、樹脂、プロセス制御をさらに改良することで、特定の製造ニーズに合わせて性能を最大化することができます。

体積造形技術が成熟するにつれ、従来の3Dプリンティングの概念を覆すことが期待されています。スタートボタンを押すだけで、オンデマンドでオブジェクト全体をプリントできる能力は、サプライチェーンの大小を問わず、デジタルファブリケーションの革命を予感させます。これは、新しいフォトニック材料と光ベースの3Dプリンティング原理によって促進される、真の即時生産への進化を意味します。

よくあるご質問

体積造形3Dプリンティングの主な利点は何ですか？

容積法では、レイヤーごとに段階的に加工するのではなく、完全なオブジェクトを同時に加工することができます。これにより、幾何学的な複雑さの制限を回避しながら、印刷時間を数時間から数分に大幅に短縮できます。支持構造も不要です。

ホログラフィックやアップコンバージョンはどのように機能するのですか？

ホログラフィック・リソグラフィーは、フォトポリマー樹脂に干渉パターンを投影し、デザインを素早く硬化させます。アップコンバージョンは、ナノ粒子を使用して赤外光を樹脂内の局所的な青色光のホットスポットに変換し、3D硬化を導きます。どちらも層を重ねることなく、対象物を完全に固化させます。

どのような用途に最適ですか？

Volumesシステムは、スピードが要求されるラピッドプロトタイピングや製造に最適です。歯科用モデル、バイオプリンティング、マイクロ流体工学、カスタマイズされた電子機器、精密工学などの用途があります。解像度と材料を改良することで、バイオメディカルや光学デバイスの用途が広がる可能性があります。

克服すべき主な課題は何ですか？

解像度を上げ、特殊な樹脂を開発し、光源とスキャンシステムを強化し、後処理とスケーリングを改良するためには、継続的な作業が必要です。各コンポーネントを最適化することで、より微細なディテールと高いスループットを可能にし、より多くの産業でボリュームプリンティングが競争できるようになります。