JP2000006252A - 光造形物の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コンピューター等で設計された三次元モデル
を上下多数層に平行スライスした際の各断面パターンに
基づいて、光硬化型樹脂をレーザー光で硬化させて各パ
ターンの硬化樹脂薄層を一層ずつ形成して積層すること
により、設計モデルを具象化した樹脂造形物を得る光造
形物の製造方法として、水平面に沿う底面を備える形態
の設計モデルを光造形法によって造形する場合に、昇降
台座の上面が傾斜していても、底面が厳密に水平面に沿
った樹脂造形物を容易に且つ確実に造形し得る手段を提
供する。 【解決手段】 モデル本体１０の底部に該本体１０を支
えるサポート部２０を付加し、このサポート部１１を一
体化した設計モデルを平行スライスした際の各断面パタ
ーンにて、前記レーザー光の照射による硬化樹脂薄層の
積層形成を行い、得られた樹脂立体物Ｗ２のサポート部
２０を除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コンピューター等
で設計された三次元モデルを上下多数層に平行スライス
した際の各断面パターンに基づいて、光硬化型樹脂をレ
ーザー光で硬化させて各パターンの硬化樹脂薄層を一層
ずつ形成して積層することにより、前記設計モデルを具
象化した樹脂造形品を得る光造形物の製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車、航空機、建造物、家電、
玩具、日用雑貨等の各種工業分野における製品や部品の
設計・デザイン構成をＣＡＤ、ＣＡＭ、ＣＡＥ等のコン
ピューター上で行う手法が広く普及しつつある。このよ
うな手法によれば、設計者やデザイナーのイメージ通り
に三次元モデルを画面上で視覚化して表現できると共
に、画像処理による部分的な形状変更や寸法の拡縮、デ
ータ入力による強度等の機械的特性の算出や検証も容易
であるため、製品開発の期間短縮、製品の品質向上、斬
新なデザインの選択等に繋がることが期待される。

【０００３】しかるに、このようなコンピューター上で
設計された三次元モデルを具象化した実体モデルを製作
する場合、旧来のような職人的な手作り作業やＮＣ（数
値制御）工作機械による切削作業では、多大な手間と時
間がかかるため、コンピューターシステムの利用価値が
半減する上、外形を主体とした造形になることから、中
空部や複雑な内部構造を有するものは予め適当な分割形
態として設計して製作後に組み立てる必要があった。

【０００４】そこで、最新の技術として、三次元の設計
モデルのデータから直接に立体樹脂モデルを製作する光
造形法が登場している。この光造形法では、例えば図１
（イ）に示すようにコンピューター１にて三次元モデル
Ｍを設計し、この三次元モデルＭをコンピューター１上
で同図（ロ）に示すように厚さ数十〜数百μｍ単位の上
下多数層Ｐ₁ 〜Ｐ_n に平行スライスしたときの各断面パ
ターンのデータを作成する。そして、同図（ハ）に示す
ように、紫外線硬化型樹脂の如き光硬化型樹脂の溶液２
を収容した造形槽３内に、平板状の昇降台座４が昇降自
在に配置されると共に、この造形槽３の上方にＸ−Ｙス
キャナー付きのレーザヘッド５が配置された造形装置を
用い、このレーザヘッド５の制御装置（図示省略）に設
計モデルＭの前記断面パターンのデータを入力して自動
的に造形する。

【０００５】この造形は、まず同図（ハ）の如く、昇降
台座４の上面位置を溶液２の液面２ａから前記スライス
した層Ｐ₁ 〜Ｐ_n の一層分の厚みに相当する深さに設定
し、液面２ａにレーザヘッド５からレーザビーム５ａを
照射して最下位の層Ｐ₁ の断面パターンに沿って走査す
ることにより、該断面パターンの形状を有する硬化樹脂
薄層からなる層Ｐ₁ を形成し、次いで昇降台座４を前記
一層分の厚みだけ下降させて層Ｐ₁ 上に溶液２を行き渡
らせ、この位置で同様にレーザビーム５ａの照射によっ
て硬化樹脂薄層からなる層Ｐ₂ を層Ｐ₁ 上に形成し、以
降同様にして一層分ずつ昇降台座４を下降させながら層
Ｐ₃ から最上位の層Ｐ_n まで順次形成し、最終的に同図
（ニ）の如く硬化樹脂薄層からなる層Ｐ₁ 〜Ｐ_n が積層
一体化した樹脂造形物Ｗを造形したのち、昇降台座４を
液面２ａ上へ上昇させて該樹脂造形物Ｗを取り出し、要
すれば研磨や塗装等の後処理を施して完成品とする。な
お、図では省略しているが、通常の光造形装置にはリコ
ーターが付設されており、このリコーターを昇降台座４
の下降毎に液面２ａに沿って往復させ、もって先に形成
した硬化樹脂薄層上に溶液２を確実に行き渡らせるよう
にしている。

【０００６】このような光造形法によれば、コンピュー
ター上の設計モデルのデータから自動的に樹脂製の実体
モデルを製作でき、しかも設計モデルを平行スライスし
た際の各層に相当する硬化樹脂薄層を下位側から順に形
成して積層一体化することから、中空部や複雑な内部構
造を有するモデルでも全く支障なく一体物として設計通
りに忠実に具象化できる。従って、得られる樹脂造形物
は、形状確認用や営業用のサンプルのみならず、試作品
として流体力学的特性等の特性試験に供したり、部品と
して機械装置に組み込んで実機テストを行ったり、更に
は型マスターとしてアルミニウム製品や合成樹脂製品等
の量産用成形型の製作に利用することが可能となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかして、設計モデル
Ｍが図１（イ）（ロ）で示すものを含めて水平面に沿う
底面を備える形態である場合、従来の光造形では、昇降
台座４上に直接に該底面を含む最下位の層Ｐ₁ から造形
してゆく手法が採用されていた。しかるに、昇降台座４
は、その製作精度上や昇降機構を介した取付け精度上の
技術的な限界から、取付け時点で上面４ａが厳密には水
平面に一致していない場合が多く、また樹脂造形物の荷
重を片持ち状で支えるために、経時的に該昇降台座４自
体の変形や昇降ガイド部を含めた支持部の狂いを生じ、
これらによって上面４ａが水平面に対してある程度の傾
斜状態になることも避けられない。

【０００８】従って、従来の光造形の手法では、水平面
に沿う底面を備える形態の設計モデルＭを造形対象とし
た場合に、昇降台座の上面の傾斜により、この上に直接
に設ける最下位の層が下面を水平面に対して傾斜した状
態で形成されてしまい、得られる樹脂造形物は傾斜状の
底面を有して設計モデルからの具象化精度に劣るものと
なる。そして、このように底面が傾斜する場合、その設
計モデルが例えば図２（イ）に示すように底面１１に直
交する垂直軸心Ｏを設定したものＭ１であれば、図２
（ハ）に示すように該造形物Ｗ１を水平面Ｆ上に載置し
た際に軸心Ｏが垂直にならないため、実体モデルとして
適さず、とりわけ部品として機械装置に組み込んで実機
テストを行ったり、型マスターとして量産用成形型の製
作に利用することが困難になる。また造形後の切削加工
によって樹脂造形物Ｗ１の傾斜した底面１２を水平面Ｆ
に沿う状態まで修復することも可能ではあるが、この加
工には多大な時間及び労力を要するため、製作コストの
増大によって光造形法の利点が相殺されてしまう上、切
削によって寸法短縮を招く懸念もある。

【０００９】本発明は、上述の事情に鑑みて、特に水平
面に沿う底面を備える形態の設計モデルを光造形法によ
って造形する場合に、昇降台座の上面が傾斜していて
も、その傾斜方向の如何に関わらず、前記底面が厳密に
水平面に沿った樹脂造形物を容易に且つ確実に造形し得
る手段を提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る光造形物の製造方法は、図面の参照符
号を付して示せば、三次元の設計モデルＭ１を上下多数
層Ｐ₁ 〜Ｐ_n に平行スライスした際の各断面パターンに
基づいて、造形槽３に収容した光硬化型樹脂溶液２の表
面部をレーザー光５ａの照射によって硬化させて各断面
パターンの硬化樹脂薄層を下位側から一層ずつ形成する
と共に、この硬化樹脂薄層の形成毎に該樹脂溶液２中に
浸漬した昇降台座４を一層分ずつ下降させることによ
り、該昇降台座４上で硬化樹脂薄層を順次積層一体化し
て設計モデルＭ１を具象化した樹脂造形物Ｗ２を得るに
当たり、前記設計モデルＭ１が水平面に沿う底面１１を
備える形態であるとき、モデル本体１０の底部に該本体
１０を支えるサポート部２０を付加し、このサポート部
１１を一体化した設計モデルＭ１を平行スライスした際
の各断面パターンにて、前記レーザー光５ａの照射によ
る硬化樹脂薄層の積層形成を行い、得られた樹脂立体物
Ｗ２のサポート部２０を除去することを特徴としてい
る。

【００１１】上記構成によれば、水平面に沿う底面１１
を備える形態の設計モデルＭ１を光造形によって具象化
する際、昇降台座４上にまずサポート部１１が積層形成
され、このサポート部１１上にモデル本体１０が積層形
成されることから、昇降台座４の上面４ａが傾斜してい
ても、また該傾斜方向がどのような方向であっても、サ
ポート部１１の下端面が該上面４ａの傾斜に対応した傾
斜状態になるだけである。そして、モデル本体１０の底
面１１を含む硬化樹脂薄層は、その一層前に形成された
サポート部１１の上端を構成する硬化樹脂薄層の水平表
面上に形成されるから、この硬化樹脂薄層の下面にて構
成される前記底面１１は厳密に水平面に一致することに
なる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明に係る光造形物の製造方法
で対象とする三次元モデルは、既述のようにＣＡＤ、Ｃ
ＡＭ、ＣＡＥ等のコンピューター上で直接に設計しても
よいし、旧来の図面等によって設計したものを立体モデ
ルとしてイメージ化して三次元ＣＡＤ等に入力してもよ
い。そして、このような設計モデルを光造形法にて実体
モデルとして具象化するために、まずコンピューター上
で処理して上下多数層に水平スライスした際の各断面パ
ターンのデータを作成し、このデータに基づいて、レー
ザー光による光硬化型樹脂の硬化によって前記の各断面
パターンの硬化樹脂薄層を下位側から一層ずつ形成し、
これら硬化樹脂薄層を昇降台座上で順次積層一体化する
ことによって設計モデルを具象化した樹脂造形物を得
る。設計モデルを水平スライスする際の層厚は、一般に
数十〜数百μｍの範囲である。

【００１３】本発明において前記の設計モデルから光造
形法にて実体モデルを作製するには、通常の光造形装置
を使用して従来同様に操作すればよい。この光造形に用
いる光硬化型樹脂としては、一般に紫外線硬化型樹脂が
使用されるが、遮光等によって造形及び保存環境を適切
にすれば可視光域での硬化特性を有する樹脂も使用可能
となる。しかして、この光硬化型樹脂を前記の各断面パ
ターンで硬化させるレーザ装置としては、使用する光硬
化型樹脂を高感度で硬化させる波長域及び出力のレーザ
光を出射でき、且つＸ−Ｙスキャナーやガルバノメータ
ーミラー等による描画露光機能を具備するものであれば
よく、例えばＨｅ−Ｃｄレーザ、Ａｒレーザ、Ｎｄ：Ｙ
ＡＧレーザ等の紫外線レーザが一般的に使用される。

【００１４】以下、本発明に係る光造形物の製造方法の
実施例について、図２（イ）で示す設計モデルＭ１を造
形対象として具体的に説明する。なお、これら実施例に
おける光造形の操作及び機構は前記従来と同様であるた
め、その説明を省略する。

【００１５】設計モデルＭ１は、下部より上方へ外径が
３段階に縮小した軸状形態であり、軸心Ｏが底面１１に
対して垂直になるように設定されている。この設計モデ
ルＭ１を従来の手法によって光造形すると、図２（ロ）
に示すように、昇降台座４が傾斜している場合に、その
傾斜した上面４ａの上に直接、該設計モデルＭ１を上下
多数層に平行スライスした最下位の硬化樹脂が形成され
るから、最終的に得られる樹脂造形物Ｗ１は傾斜した底
面１２を有するものとなり、同図（ハ）に示すように水
平面Ｆ上に載置した際の軸心Ｏが垂直線Ｓに対して角度
をなす傾斜姿勢になるから、厳密な実体モデルとして不
都合である。

【００１６】しかるに、本発明では、該設計モデルＭ１
をモデル本体１０として、その底部に該本体１０を支え
るサポート部２０を付加し、このサポート部１１を一体
化した設計モデルＭ１を平行スライスした際の各断面パ
ターンに基づいて、光造形を行う。すなわち、この方法
では、図３（イ）に示すように、昇降台座４が傾斜して
いても、その傾斜した上面４ａの上にまずサポート部１
１が複数回の硬化樹脂薄層の積層によって形成されてゆ
き、このサポート部１１の上端を構成する硬化樹脂薄層
の水平表面上に、モデル本体１０の底面を含む最初の硬
化樹脂薄層が積層形成され、最終的にサポート部１１に
てモデル本体１０を支承した形態の樹脂造形物Ｗ２が造
形される。

【００１７】この樹脂造形物Ｗ２では、サポート部１１
の下端面は昇降台座４の傾斜した上面４ａに対応して傾
斜した面に沿うことになるが、モデル本体１０の底面１
１は厳密に水平面に一致する。従って、この樹脂造形物
Ｗ２の造形後に不要なサポート部１１を除去して得られ
るモデル本体１０は、設計モデルＭ１を忠実に具象化し
た実体モデルとなり、図３（ロ）のように水平面Ｆ上に
載置した際に軸心Ｏが垂直線と合致するから、形状確認
用や営業用のサンプルのみならず、設計通りの精密な試
作品として流体力学的特性等の特性試験に供したり、部
品として機械装置に組み込んで実機テストを行ったり、
更には型マスターとしてアルミニウム製品や合成樹脂製
品等の量産用成形型の製作に好適に利用できる。

【００１８】また、この方法では、光造形における昇降
台座４の上面４ａの傾斜度合や傾斜方向に関係なく、前
記のように厳密に水平面に一致する底面を形成できるか
ら、光造形装置の各部取付けに要する精度が緩和され、
それだけ組立て製作が容易になると共に、長期使用に伴
う変形や取付け状態の狂いによる昇降台座４の傾斜を生
じてもモデル本体の底面を含む形成精度には影響がない
から、光造形装置を長期にわたって支承なく使用でき
る。

【００１９】なお、樹脂造形物Ｗ２からのサポート部１
１の除去は、該サポート部１１を適当なカッターにて切
り取るか、治具にて折り取り、要すれば研摩して結合部
の痕跡を消去すればよい。しかして、サポート部１１
は、薄片状等の除去し易い形態とすればよいから、その
除去作業は傾斜状態の底面を水平面に沿う状態まで切削
する場合に比較して格段に容易である。

【００２０】サポート部１１は、モデル本体１０の形状
や樹脂造形物としての重量等に応じて様々な形態及び配
置構成に設定でき、例えば、図４（イ）に示すように、
内側のリブ付き弧状サポート２０ａ…と外側のリブ付き
弧状サポート２０ｂ…とを環状配置させ、中央に横断面
十字状サポート２０ｃを設けた構成や、同図（ロ）に示
すように長短のリブ付き帯板状サポート２０ｄ…，２０
ｅ…と横断面十字状サポート２０ｃ…とを放射状に配置
した構成等とすればよい。しかして、これらサポート２
０ａ〜２０ｅとしては、造形後のカッターや治具による
除去を容易にするために、例えば図５に示すように、モ
デル本体１０に結合した帯状片２１に対し、この帯状片
２１より突出するリブ片２２…の上端がモデル本体１０
から離れる形にするのがよい。

【００２１】本発明は、上記実施例で例示したものに限
らず、水平面に沿う底面を有する様々なモデル形態に適
用できる。

【００２２】

【発明の効果】本発明に係る光造形物の製造方法によれ
ば、コンピューター上等で設計された三次元モデルを上
下多数層に平行スライスした際の各断面パターンに基づ
いて、光硬化型樹脂溶液の表面部をレーザー光の照射に
よって硬化させて各断面パターンの硬化樹脂薄層を下位
側から一層ずつ形成して設計モデルを具象化した樹脂造
形物を得る光造形において、水平面に沿う底面を備える
形態の設計モデルを造形する場合に、モデル本体の底部
に当該本体を支えるサポート部を付加し、このサポート
部を一体化した設計モデルを平行スライスした際の各断
面パターンに基づいて光造形を行うようにしているか
ら、昇降台座が傾斜していても、また該傾斜方向がどの
ような方向であっても、得られる樹脂造形物におけるモ
デル本体は底面が厳密に水平面に一致するものとなる。
従って、造形後にサポート部を除去したモデル本体は、
設計通りの精密な実体モデルとして、形状確認用や営業
用のサンプルのみならず、試作品として特性試験に供し
たり、機械装置に組み込んで実機テストを行ったり、更
には型マスターとして量産用成形型の製作するのに好適
に利用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 光造形法の基本原理を説明するものであっ
て、（イ）図は設計した三次元モデルの画像を表示した
コンピューターの正面図、（ロ）図は該三次元モデルを
上下多数層に平行スライスする状態を示す模式図、
（ハ）図は光造形装置による光造形の初期段階を示す概
略縦断側面図、（ニ）図は同光造形装置による光造形の
最終段階を示す概略縦断側面図である。

【図２】 本発明の実施例に適用する設計モデルの従来
の手法による造形を説明するものであって、（イ）図は
設計モデルの斜視図、（ロ）図は造形状態を示す概略縦
断正面図、（ハ）図は得られた樹脂造形物を水平面上に
載置した状態の側面図である。

【図３】 本発明による設計モデルの造形を説明するも
のであって、（イ）図は造形状態を示す概略縦断正面
図、（ロ）図は得られた樹脂造形物を水平面上に載置し
た状態の側面図である。

【図４】 本発明に適用する設計モデルのサポート部の
構成例を示し、（イ）図は環状配置したサポート部を有
する設計モデルの底面図、（ロ）図は放射状配置したサ
ポート部を有する設計モデルの底面図。

【図５】 本発明に適用する設計モデルのサポート部の
細部構造を例示する要部の縦断面面図である。

【符号の説明】

１ コンピューター ２ 光硬化型樹脂溶液 ２ａ 液面 ２ｂ 容器状部の内側の液面 ３ 造形槽 ４ 昇降台座 ４ａ 上面 ５ レーザヘッド ５ａ レーザ光 １０ モデル本体 １１，１２ 底面 ２０ サポート部 ２０ａ〜２０ｅ サポート Ｍ，Ｍ１ 設計モデル Ｗ，Ｗ１，Ｗ２ 樹脂造形物 Ｐ₁ 〜Ｐ_n 平行スライスした層 Ｆ 水平面 Ｏ 軸心

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 内田 尚子 大阪府枚方市春日北町２丁目10番５号 株 式会社ナカキン春日工場内 Ｆターム(参考） 4F213 AA44 WA25 WB01 WL03 WL13 WL62 WL67 WL96

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 三次元の設計モデルを上下多数層に平行
   スライスした際の各断面パターンに基づいて、造形槽に
   収容した光硬化型樹脂溶液の表面部をレーザー光の照射
   によって硬化させて各断面パターンの硬化樹脂薄層を下
   位側から一層ずつ形成すると共に、この硬化樹脂薄層の
   形成毎に該樹脂溶液中に浸漬した昇降台座を一層分ずつ
   下降させることにより、該昇降台座上で硬化樹脂薄層を
   順次積層一体化して設計モデルを具象化した樹脂造形物
   を得るに当たり、 前記設計モデルが水平面に沿う底面を備える形態である
   とき、モデル本体の底部に当該本体を支えるサポート部
   を付加し、このサポート部を一体化した設計モデルを平
   行スライスした際の各断面パターンにより、前記レーザ
   ー光の照射による硬化樹脂薄層の積層形成を行い、得ら
   れた樹脂立体物のサポート部を除去することを特徴とす
   る光造形物の製造方法。