JP2000211033A

JP2000211033A - 光造形法

Info

Publication number: JP2000211033A
Application number: JP11017486A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Furuta; 慧古田; Takeshi Jo; 毅徐
Original assignee: NTT Data CMET Inc
Current assignee: CMET Inc
Priority date: 1999-01-26
Filing date: 1999-01-26
Publication date: 2000-08-02
Anticipated expiration: 2019-01-26
Also published as: JP4113629B2

Abstract

(57)【要約】【課題】後処理工程の際に造形物がひずむことを抑制
することができる光造形法を提供する。【解決手段】光硬化性液の液面の所定範囲に光を照射
することにより硬化層を形成し、その硬化層を複数積み
重ねることにより三次元形状を造形する工程と、前記工
程で造形した造形物の変形を拘束した状態で、その造形
物に硬化促進エネルギを付与する工程とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、後処理工程の際に
造形物がひずむことを抑制するように改善された光造形
法に関する。

【０００２】

【従来技術】光造形法では、光硬化性液に光を照射し、
光硬化性液を硬化させて一定の厚みの硬化層を造形し、
この硬化層を順次積み重ねることにより任意の３次元形
状を有する物体を造形する。このような光造形法で造形
された造形物は、そのままでは耐熱温度が低いため、耐
熱性の要求される自動車のエンジン周りの部品やコピー
機等のランプ周りの部品に適用することは困難であっ
た。例えば、光造形法で造形した自動車エンジンのイン
テークマニホールドの造形物をエンジンに取付け、エン
ジンの燃焼効率や吸気効率を実験する場合、時間の経過
に伴いエンジンの熱で造形物が変形してしまうという問
題があった。あるいは、造形直後の造形物は未硬化液を
含み、これが時間の経過とともに硬化して形状をひずま
せるという問題がある。このために造形後に後処理し
て、耐熱性を高め、時間経過にともなうひずみの発生を
抑制する技術が開発され、例えば特開平２−２４１２７
号に開示されているように、造形後造形物に硬化促進エ
ネルギを付与（加熱）し未硬化液を硬化させる技術が知
られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記技術では、光造形
法で造形した造形物内の未硬化液を硬化させるために硬
化促進エネルギを付与（加熱）する場合、未硬化液が硬
化する際に造形物が変形しやすいという問題があった。
例えば光造形法で造形した造形物がオーバハング部を有
する場合、このオーバーハング部がひずんで変形してし
まう場合があった。このように従来の方法では、造形後
造形物に硬化促進エネルギを付与する（加熱する）と造
形物が変形してしまうという問題があった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記した課題は、請求項
１記載の光造形法により解決される。請求項1 記載の光
造形法では、光を照射することにより造形物を造形した
後、造形物の変形を拘束した状態で硬化促進エネルギが
付与される。このため、造形物の中に含まれる未硬化液
が硬化する際の体積収縮が生じても、それに抗して造形
物の変形が拘束される。したがって、造形物は硬化促進
エネルギ付与後もその形状を維持することができる。こ
こで、硬化促進エネルギとは、光を照射することにより
造形された造形物の中に含まれる未硬化液を硬化するた
めに造形物に付与されるエネルギである。造形物に付与
されるエネルギとしては、使用する光硬化性液によって
決まり、熱によっては硬化しない光硬化性液を使用した
場合は、造形物にレーザ光等を照射することによる光エ
ネルギを使用し、熱により硬化する性質を有する光硬化
性液を使用した場合は、造形物を加熱することによる熱
エネルギのみを使用しても良いし、また光エネルギの
み、熱エネルギと光エネルギの両者を組合わせたものを
使用しても良い。ただし、熱エネルギを硬化促進エネル
ギとして使用すると、造形物の周囲を光を透過しない物
質で覆い、造形物の変形を拘束した場合にも適用するこ
とができるため好ましい。熱エネルギを付与する際に
は、熱風炉や電気炉等の種々の加熱炉を使用することが
できるが、空気循環式加熱炉で熱エネルギを付与するこ
とが好ましい。空気循環式加熱炉を使用した場合は、炉
内の空気が循環することにより炉内に入れられた造形物
を均一に加熱することができるからである。また、造形
物の変形を拘束した状態は、例えば、容器中に造形物を
収納し、造形物と容器との隙間に支持体や柱等を配設す
ることにより実現することができる。また、造形物を容
器中に収納すること無く、専用の支持具を作製しそれに
よって行うこともできる。造形物の変形を拘束するため
の支持体や柱等の配置箇所は、造形物の形状や光硬化性
液への光の照射方法等により異なり、その配置箇所は、
重力方向のみならず変形する可能性のある箇所に配置す
ることが好ましい。例えば、硬化する際の体積収縮率の
相違に基づく内部応力により、造形物の変形（造形物の
そり変形）が生じる場合には、そり変形が生じないよう
な位置に配置することが好ましい。逆に、変形が生じる
可能性の少ない部分については、その変形を拘束する必
要が無く、自由空間内（大気に開放した状態）で硬化促
進エネルギを付与しても良い。

【０００５】上述した造形物の変形を拘束する場合に
は、請求項2 に記載するように、前記造形物を粒状物質
中に埋め込んで行うことが好ましい。粒状物質中に埋め
込むことにより造形物の変形を拘束することにより、造
形物の形状がどのようなものであっても、造形物の全て
の部位を支持することができる。また、粒状物質中に造
形物を埋め込むと、造形物が硬化する際の内部応力等に
より造形物が変形しようとした場合にも、粒状物質間に
働く摩擦力や、粒状物質に働く重力が造形物に作用する
ことにより、造形物の変形を拘束するため、内部応力等
による造形物の変形を防止することができる。粒状物質
としては、収納容器内で造形物の形状に応じて比較的自
由に流動する物質であることが好ましい。粒状物質にあ
る程度の流動性があると、容器内に粒状物質を満たした
状態で造形物を粒状物質内に埋め込むことが容易となる
からである。ここで、粒状物質内への造形物の埋め込み
は、造形物を容器に収納した後、容器と造形物の間に粒
状物質を充填することによって行っても良い。したがっ
て、粒状物質としてはある程度の流動性のある、例え
ば、粉状、粒状あるいは球状を有するガラス類、シリカ
・アルミナ等のセラミックス類、アルミニュウム・鉄・
鉛等の金属類、木材、プラスチック類、若しくは石、砂
等を使用することができる。ただし、粒状物質の流動性
が良すぎて造形物の変形を抑制できない場合には、例え
ば粒状物質を充填した状態で周囲を密閉することにより
流動を抑制するようにしても良い。ここで、硬化促進エ
ネルギとして光エネルギを使用する場合においては、粒
状物質には光を透過するものを使用する必要があり、硬
化促進エネルギとして熱エネルギを使用する場合は、加
熱温度付近において粘着性が生じ粒状物質相互の移動を
妨げる性質を有しないことが好ましい。また、熱エネル
ギを使用する場合は、造形物を均一に加熱するために、
熱伝導性の高いアルミニュウム・鉄・鉛等の金属性の粒
状物質を使用することが好ましい。また、粒状物質の粒
径は、比較的小さなオーバーハング部を支持する必要か
ら10ｍｍ以下であることが好ましく、また、加熱処理後
の造形物に付着した粒状物質を取り除きやすくするため
に０．１ｍｍ以上であることが好ましい。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明に係る光造形法の一実施の
形態について説明する。まず、本発明の光造形法の概略
を説明する。

【０００７】まず、図1 に基づいて光を照射することに
より造形物を造形する方法について説明する。ここで、
造形される物体１１０は３次元形状を有するが、説明の
便宜上、同図では、高さ方向と横方向のみを図示してい
る。なお、光を照射することにより造形物を造形する方
法としては、既存のあらゆる装置によって実現すること
ができるが、ここでは図1 に示すように光硬化性液の液
表面にレーザ光等の光を走査することにより造形物を造
形する場合を例に説明する。まず、最初に容器１０４内
を光硬化性液１０８で満たし、この光硬化性液１０８内
に配設されたテーブル１０６を、硬化させる光硬化性液
の厚み分ｔだけ液面から沈める（Ｚ方向に動かす）。こ
の状態で、図示省略した光源からの光１００を、偏向器
（ガルバノメータミラー）１０２の角度を変化させるこ
とにより、光硬化性液１０８の表面上で走査させ硬化さ
せる。次に、テーブル１０６を次に硬化させる層の厚み
分ｔだけＺ方向に動かす。そして、同様に光源からの光
１００を光硬化性液１０８の表面上で走査させ硬化させ
る。このように、一定の厚みｔを有する硬化層を積み重
ねることにより、希望形状を有する造形物１１０がテー
ブル１０６上に造形される。

【０００８】一般的に上述した手順で造形された造形物
１１０の硬化の程度は、光硬化性液１０８に照射された
光エネルギに比例して硬化率が高くなるという性質を有
する。光硬化性液１０８に照射される光１００のエネル
ギ分布は図2 に示す通りとなるため、光の照射される中
心からの距離（Ｘ方向）が大きくなるに従い、また光硬
化性液１０８の表面からの距離（Ｚ方向：深さ）が大き
くなるほど照射される光エネルギが低くなることが分か
る。したがって、造形物の硬化の程度も、光の照射され
る中心からの距離（Ｘ方向）が大きくなるに従い、また
光硬化性液の表面からの距離（Ｚ方向：深さ）が大きく
なるほど低くなる。なお、図2 では横軸にビーム中心か
らの距離（Ｘ方向）を示し、縦軸に光硬化性液の表面か
らの距離（Ｚ方向：深さ）を示している。図中、同一の
線で結ばれた場所は同一のエネルギ分布であることを示
す。ここで、光の照射される中心からの距離（Ｘ方向）
が大きくなることによる硬化の程度の相違については、
光１００を走査する間隔（光の照射される中心間の距
離）を調整することにより、ある程度解消することがで
きる。しかしながら、硬化層における深さ方向（Ｚ方
向）の硬化の程度の相違については解消することはでき
ない。このため、各層における深さ方向と光硬化性液の
硬化の程度は、図3 に示すように、造形物の表面付近で
は硬化の程度は大きいが、表面から深くなるに従って硬
化の程度が減少するものと考えられる。図3 では、縦軸
に光硬化性液の表面からの距離、横軸に光硬化性液の硬
化の程度を示す。すなわち、光造形法で造形した各硬化
層の底面近辺では、樹脂のモノマーあるいはオリゴマー
が架橋していない状態で存在する率が高くなると考えら
れる。そして、このような架橋していないモノマーやオ
リゴマーの存在により、造形物が加熱されこれらのモノ
マーやオリゴマーが架橋（硬化）すると、その体積収縮
率の相違により造形物が変形することになると推察され
る。

【０００９】したがって、本発明に係る光造形法では、
上述したような手順で造形される造形物１１０を光硬化
性液１０８から取り出した後に、さらに硬化促進エネル
ギを付与することにより造形後の変形（耐熱性の向上）
を防止するものである。

【００１０】なお、造形物１１０に硬化促進エネルギを
付与する前に、光硬化性液１０８から取り出された造形
物１１０の表面から光硬化性液を洗い落とすことが好ま
しい。これは、光硬化性液が造形物１１０に付着した状
態で硬化促進エネルギを付与すると、付着した光硬化性
液まで硬化することとなり造形物１１０の形状精度が低
下するためである。造形物１１０から光硬化樹脂を洗い
落とすのは、洗浄剤等を用いて行えば良い。次に、造形
物１１０に硬化促進エネルギを付与することとなるが、
この際、造形物１１０の変形を拘束した状態で行うこと
が必要となる。これにより、未硬化の樹脂（モノマー分
子）が架橋（硬化）する際の体積収縮による変形が拘束
されるため、硬化促進後の造形物の変形が防止できる。

【００１１】ここで、造形物１１０の変形を拘束するた
めの方法としては種々の方法があるが、例えば、造形物
１１０の形状に合せて特別な支持具（拘束手段）を作製
しこれにより拘束しても良い。造形物の変形を拘束する
位置は、造形物の変形の原因が何であるかによって異な
る。例えば、図４の（ａ）に示す造形物に硬化促進エネ
ルギを付与する場合を考える。この造形物は、基部１１
２と基部１１２からオーバーハングした平面部１１４を
備える。図４（ａ）に示す造形物において、基部１１２
からオーバーハングした平面部１１４の垂れ下がりを防
止するためには、図４の（ｂ）に示すように平面部１１
４の先端付近を支持体１２０で支持することにより効果
的にその変形を拘束することができる。また、図４
（ａ）に示す造形物において、造形物に存在する内部応
力による平面部１１２のそり変形を防止するためには、
光硬化性液への光の照射方法等によりその変形を拘束す
る位置が異なる。すなわち、内部応力による造形物のそ
りは、既に説明したように、硬化層の表面（光が照射さ
れる面）と底面（光が照射される面とは反対側の面）と
の硬化率の相違により発生する。したがって、光硬化性
液を硬化させる際の、光の照射方法により大きく異なる
こととなる。したがって、造形物の周囲を全て拘束する
ようにすれば、どのような照射方法で造形物を造形した
場合にも適用することができ好ましい。具体的には、粒
状物質内に造形物１１０を埋め込んで硬化促進エネルギ
を付与すれば良い。粒状物質内に造形物１１０を埋め込
む方法としては、容器内に造形物１１０を収納した後、
容器と造形物１１０の隙間に粒状物質を充填すれば良
い。なお、造形物の変形を拘束する拘束力を大きくした
い場合には、粒状物質の上部から荷重を掛けた状態で、
硬化促進エネルギを付与すれば良い。このようにすれば
造形物１１０の変形がさらに拘束されるので、硬化促進
エネルギを付与することによる造形物の変形をより防止
することができる。粒状物質に荷重を掛ける方法として
は、粒状物質の上部に重りを乗せることにより実施する
ことができる。

【００１２】以下、粒状物質内に造形物を埋め込んで造
形物の変形を拘束した状態で硬化促進エネルギを付与し
た例について説明する。まず、光造形法により図５に示
すような二種類のオーバーハング部１１，１２を有する
造形物１０を造形した。すなわち、造形物１０は図５に
示すように、基部１３に対して平面形状を有する平面オ
ーバーハング部１１と、棒状の形状を有するオーバーハ
ング部１２を有する。光造形装置としては、ＮＴＴデー
タシーメット（株）製の三次元光造形機ＳＯＵＰ６００
ＧＡ（商品名）を使用した。光硬化性液としては、旭電
化工業（株）製の紫外線硬化樹脂アデカラスキュアＨＳ
−６７３Ｓ（商品名）を使用した。上記装置において、
積層ピッチ０．１mm、レーザパワー１００mW、レーザビ
ーム径０．２mm、レーザ走査速度１，０００mm／sec 、
レーザの走査間隔０．１ｍｍの条件で造形を行った。造
形後、造形物を光硬化性液から取り出し、洗浄剤を用い
て造形物に付着する未硬化液を洗い落とし乾燥した。上
述した光造形後の造形物の熱変形温度（ＪＩＳＫ７１９
１による）は５０℃であった。

【００１３】次に、図６に示すようにステンレス製容器
２０に平均粒径２ｍｍの粒状アルミニュウム３０を入
れ、その中に洗浄乾燥後の造形物１０を埋め込んで、ス
テンレス製容器２０を熱風乾燥炉に入れ雰囲気温度９０
℃で２時間加熱処理した。その後、粒状アルミニュウム
３０が室温まで下がるの待って、ステンレス製容器２０
から造形物１０を取り出した。加熱後の造形物１０は、
両オーバハング形状部１１，１２が垂れ下がることもな
く、また、平面オーバハング形状部１１にそり変形も発
生しなかった。加熱後の造形物１０について、熱変形温
度（ＪＩＳＫ７１９１による）を測定した結果、８０℃
であった。

【００１４】このように、光造形法により造形した造形
物を、加熱することにより熱変形温度を５０℃から８０
℃とすることができ、造形物の耐熱性を向上することが
できた。また、造形物１０の加熱時にその変形を拘束し
ているため、オーバーハング形状部１１，１２の垂れ下
がりや、内部応力による平面オーバハング形状部１１の
そり変形を防止することができた。

【００１５】比較例１として、同一の手順で造形した造
形物１０を、図7 に示すようなアルミニュウム製のブロ
ック状の支持具４０で支持して、雰囲気温度９０℃の熱
風乾燥炉に入れ２時間加熱処理した。造形物１０が室温
まで下がった後、乾燥炉から取り出した。加熱後の造形
物１０は、両オーバハング部１１，１２に垂れ下がりは
生じなかったものの、平面オーバハング部１１にそり変
形が生じた。このことから、平面オーバハング部１１の
ようにそり変形が生じ易い部分においては、そり変形を
防止するための拘束手段を必要とすることが分かった。

【００１６】比較例２として、同一の手順で造形した造
形物１０を、図８に示すようなオイル循環式加熱炉５０
の加熱用オイル６０内に沈め、加熱用オイル６０を９０
℃とし２時間加熱した。加熱用オイル６０が室温まで下
がるのを待って、加熱用オイル６０内の造形物１０を取
り出し、溶剤で造形物１０に付着した加熱用オイル６０
を洗い落とした。ここで、加熱用オイル６０としては造
形物１０と同程度の比重となるように調整した塩素化パ
ラフィンを使用した。これは、造形物１０に作用する重
力の影響を軽減するためである。加熱後の造形物１０
は、オーバハング形状部１１，１２に垂れ下がりは観察
できなかったが、平面オーバハング形状部１１にそり変
形が生じた。このことから、加熱用オイル６０を造形物
１０の比重と同程度となるように調整することにより重
力による影響を軽減しても、そり変形までは防止するこ
とができないことが分かった。

【００１７】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明に係わる光
造形法では、光を照射することにより造形した造形物に
後処理として、硬化促進エネルギを付与しても造形物の
形状を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】光を照射することにより造形物を造形する方法
を説明するための図面である。

【図２】光硬化性液に照射された光照射エネルギの分布
状態を示す図面である。

【図３】表面からの距離と光硬化性液の硬化率の関係を
示す図面である。

【図４】造形物の変形を拘束する箇所を説明するための
図面である。

【図５】図１に示す光造形法により造形した造形物の斜
視図である。

【図６】図５に示す造形物を粒状アルミニュウム内に埋
め込んだ状態を示す図面である。

【図７】図５に示す造形物をアルミニュウム製のブロッ
ク材で支持した状態を示す図面である。

【図８】図５に示す造形物をオイル循環式加熱槽により
加熱する状態を示す図面である。

【符号の説明】

１０・・造形物１１・・平面オーバハング形状部１２・・オーバハング形状部１３・・基部２０・・収納容器３０・・粒状物質

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者徐毅東京都大田区蒲田５丁目15番８号エヌ・ティ・ティ・データ・シーメット株式会社内Ｆターム(参考） 4F203 AA44 DA12 DC01 DC07 DK02 DW06 4F213 AA44 WA25 WA53 WA54 WA86 WA87 WB01 WL02 WL05 WL12 WL45 WL93

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光硬化性液に光を局所的に照射すること
により所望の3 次元形状を造形する光造形法であって、
光硬化性液の液面の所定範囲に光を照射することにより
硬化層を形成し、その硬化層を複数積み重ねることによ
り三次元形状を造形する工程と、前記工程で造形した造
形物の変形を拘束した状態で、その造形物に硬化促進エ
ネルギを付与する工程とを備えた光造形法。
【請求項２】請求項１記載の光造形法において、前記
硬化促進エネルギを付与する工程は、前記造形物を粒状
物質中に埋め込んで行われる光造形法。