閉鎖式内部空洞を持つ多材料部品の薄膜DLP方式による3Dプリント

内部に隠れた空洞でより軽い3D造形を実現する

人工骨、ソフトロボット、微小流路など、興味深い3Dプリント品の多くは内部に空洞を持つことが求められます。現行の人気樹脂プリンタでは、これらの密閉空間に液状樹脂が入り込み、除去が困難になるため設計が難しくなります。本論文は「薄膜DLP」と呼ぶ新しい光硬化液を用いた3D印刷法を提案し、内部空洞を確実に空に保ちながら、単一部品内で複数材料を組み合わせることを容易にしています。

液体が閉じ込められることの重大さ

多くのデスクトップおよび産業用樹脂プリンタは、作製中のプラットフォームを液体樹脂の入った槽に下げ、層ごとに光で硬化させる方式を採ります。この古典的な構成は滑らかな表面や細かいディテールに適していますが、封止された内部空洞があるとそこに樹脂が溜まり逃げ場がなくなるという見えにくい欠点があります。閉じ込められた余分な樹脂は部品を想定より重くし、機械的挙動を歪め、時間経過で漏れやにじみを生じさせることもあります。エンジニアは排水孔や部分的な開口で対処してきましたが、しばしば元の設計を妥協せざるを得ません。

液体を載せる新しい方法

薄膜DLP法は槽を廃し、代わりに透明なフィルム上に非常に薄く厳密に制御された液層を広げます。回転するプラットフォームがその薄いコーティングに部品を押し当て、下方からデジタルプロジェクターで紫外光を照射して、その層で必要な領域だけを硬化させます。各層がフィルム上のごく少量の樹脂で始まるため、固化層が剥離した後に閉鎖空洞内に残る液量は非常に少なくなります。柔らかなワイパー群と、必要に応じた軽度の溶剤による短時間の洗浄が残留滴を除去し、次の層形成に備えます。

きれいな空洞と調整可能な剛性

このプロセスを用いて、研究者たちは内部が真に空であると仮定した場合にほぼ一致する最終重量を持つ球や他の中空形状を印刷できました。残留樹脂による余分な質量は1％未満で、従来の槽型印刷で理想重量の2倍以上になっていたのに比べて大幅に少ない値です。層間で素早い溶剤洗浄を加えることで、X線スキャンは内部に泡（キャビティ）が詰まった試験ブロックで最小0.75ミリメートル程度の穴が確実に形成できることを示しました。これらの小さな密閉泡を立方体内部に規則的に配したことで、泡の大きさを変えるだけで立方体の剛性や弾性を調整できました。ある材料では、外形を変えずに剛性を最大25倍に変化させることに成功しています。

単一印刷での材料ミックス

このシステムは一度に薄い液層しか扱わないため、通常異なる樹脂切り替えで起きる混ざり合いを減らします。著者らは複数樹脂供給を用いて、硬いプラスチック、軟らかいゴム様材料、そして水溶性のサポート樹脂を組み合わせた部品を印刷しました。水で溶解する材料のみで支えられた格子状の「ヒルベルト曲線」を作り、普通の水で支え材が消えて清潔な自立構造を残しました。また、硬い歯、軟らかい歯茎、可溶性サポートを一体で印刷した入れ歯モデルを示し、後組立てではなく一体物として作製しました。別の例では、導電性樹脂を絶縁体の内部経路として組み込み、最大4センチメートル離れた金属物体を検出できる近接センサを形成しています。

今後の展開

薄膜DLPアプローチは、樹脂3D印刷が閉じ込められた液体や面倒な支え材除去に縛られないことを示しています。層ごとに存在する樹脂量を厳密に制御し余剰を払拭することで、密閉空洞を持つ軽量物の作製、内部からの剛性調整、そして同一印刷内で導体や軟材のような機能材料を織り込むことを可能にします。専門外の読者にとってのポイントは明快で、今後の3D印刷デバイス—医療インプラントからソフトロボットや組み込み電子機器に至るまで—は、表面の滑らかさや精密さを損なうことなく、内部がより軽く、賢く、複雑になる可能性があるということです。

引用: Sun, B., Diaco, N.S., Chen, X. et al. Thin-film DLP 3D printing of multi-material parts with closed-cell internal voids. npj Adv. Manuf. 3, 15 (2026). https://doi.org/10.1038/s44334-026-00076-x

キーワード: 3Dプリント, デジタルライトプロセッシング, 薄膜コーティング, 多材料製造, 軽量構造