レーザー3Dプリントはどのように精密にモデルを彫刻するのか？

3Dプリントといえば、まず最初にプラスチックフィラメントの積層を思い浮かべるかもしれません。しかし、高速ガルバノスキャナーに基づくレーザー3Dプリント技術——ステレオリソグラフィー（SLA）——があり、「光で彫刻する」かのように繊細なモデルを作成でき、同時に「マッチヘッド」欠陥を回避することも可能です。高精度と効率の両立はどのように実現しているのでしょうか？

一般的な溶融積層法（FDM）が溶かしたプラスチックフィラメントを積み重ねて物体を造形するのとは異なり、SLAは液体の光感受性樹脂を使用します。紫外線レーザーが当たった部分の樹脂を硬化させ、ガルバノメーターが「光のペン」のように機能してレーザーを制御し、各層の輪郭を描きます。こうして描かれた層が積み重ねられ、モデルが形成されます。このとき、高速ガルバノメーターと知的制御システムが、レーザーを「素早く正確に描く」ための鍵となります。

ガルバノメーターはレーザー3Dプリンティングにおける「精密ナビゲーター」です。鏡とスキャニングモーターから構成され、レーザーをXおよびY方向に高速でスキャンさせる役割を果たします。これは、従来のXY軸移動式プラットフォームよりも高速かつ安定しています。しかし、高速動作時には、ガルバノメーターに遅れが生じることがあり、例えば角が「丸くなる」現象や、速度変化による樹脂の不均一な硬化が発生し、「マッチの頭」のような外観（マッチヘッド効果）を引き起こすことがあります。

その解決策は、ガルバノメーターに知的制御方式を追加することです：

• 速度計画アルゴリズムを使用して、さまざまなコーナーでの最大速度を計算します（180°のコーナーでは約750mm/s、20°のコーナーでは最大2500mm/s）。これにより、正確なコーナー通過が可能になります。
• 速度に応じてリアルタイムでレーザ出力を調整し、樹脂の硬化エネルギーを均一に保ち、異常な固化を回避します。
• 3Dモデルファイルの効率的な読み込みも重要です。GcodeやSLCなどのファイルは数百メガバイトになることがあり、そのまま読み込むと遅く、特定の層をプレビューすることも困難です。研究者たちはセグメント化されたマルチチャネルキャッシュを使用—ファイルを分割し、並列で解析し、バイナリ検索を用いて目的の層を素早く特定—することで、効率を大幅に向上させています。
• 輪郭を解析した後、レイキャストアルゴリズムを使用して内側と外側の輪郭を区別します（交点が奇数回なら内側の輪郭、偶数回なら外側の輪郭）。ルールに従って順序を調整し、「輪郭ツリー」を構築することで、レーザーが「間違った境界を描く」ことを防ぎます。

今日、SLA技術は、小型の歯科モデルから大型の工業部品まで、非常に詳細なモデルを印刷することが可能であり、ジュエリー製造、工業用プロトタイピング、医療用補綴などに使用されています。これは単なる「材料の積み重ね」ではなく、「光とアルゴリズムで細部を彫刻する」プロセスです。今後は、より高精度で個別対応された製品がさらに広がることが期待されています。