JP2000263652A - 光造形法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 トラップＶ現象を防止することができる光造
形技術を提供する。 【解決手段】 光硬化性液の自由液面に光を照射するこ
とにより造形希望形状を造形する光造形法であり、前記
造形希望形状をスライスした各断面における硬化必要領
域が、硬化不要領域を取り囲んでいるかどうかを判定す
る工程と、前記判定工程において判定した結果、硬化必
要領域が硬化不要領域を取り囲む場合に、硬化必要領域
の少なくとも一個所に未硬化の開口部が形成されるよう
その断面を造形する工程と、前記開口部が形成された断
面より後に造形される断面を造形する際に、前記開口部
を硬化する工程とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光造形技術に関す
る。特に、本発明は光硬化性液の自由液面に光を照射す
ることにより光硬化性液を硬化させて任意の３次元形状
を有する物体を造形する自由液面法による光造形技術に
関する。

【０００２】

【従来技術】自由液面法による光造形技術とは、光硬化
性液の液面が何ら規制を受けることなく重力により水平
に保ち、その水平に保たれた液面上に光を照射すること
により光硬化性液を硬化し、任意の3 次元形状を有する
物体を造形する技術をいう。自由液面法による光造形技
術を、図８に基づいて説明する。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。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１０８の厚み分だけ液面から沈める（Ｚ方向
に動かす）。この状態で、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（自由液面）上で
走査させ硬化させる。次に、テーブル１０６を次に硬化
させる層の厚み分だけＺ方向に動かす。そして、造形物
１１０の上面と光硬化性液１０８の液面との間の距離を
均一とするため、リコータ１１２をＸ軸方向に往復動さ
せる。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光硬化性液１０８を硬化させ
る。このような手順を繰り返すことにより、一定の厚み
を持った硬化層を積み重ね希望形状を有する物体１１０
をテーブル１０６上に造形する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記技術で造形する各
断面の中には、図７（ａ）に示すように、その断面にお
ける硬化必要領域（光を走査させる領域）Ｋが、硬化不
要領域Ｍを取り囲むような形状（閉じた形状）を有して
いる場合がある。このような断面を硬化させると、縦断
面を示す図７（ｂ）に示すように、硬化不要領域Ｍ内の
光硬化性液の液面が、硬化必要領域Ｋの外部にある光硬
化性液の液面（基準液面）に対して凹形状となったり、
凸形状となるTrapped volume現象（以下、トラップＶ現
象という）を生じる場合がある。トラップＶ現象が生じ
た状態で各断面が造形され続けると、徐々に造形物１１
０の上面が水平でなくなり、リコータ１１２を往復動さ
せる際に、リコータ１１２と造形物１１０が干渉し造形
物１１０が破壊される場合があった。

【０００４】そこで、本発明は上述した問題を解決する
ためになされたものであり、その目的は、トラップＶ現
象を防止することができる光造形技術を提供することを
目的とする。

【０００５】

【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、造形希望形状をスライスした各断面におけ
る硬化必要領域が、硬化不要領域を取り囲んでいるかど
うかを判定する。そして、硬化必要領域が硬化不要領域
を取り囲む場合には、硬化必要領域の少なくとも一個所
に未硬化の開口部が形成されるようにその断面が造形さ
れる。この開口部は、その開口部が形成された断面より
後で造形される断面を造形する際に硬化される。このよ
うに請求項１記載の光造形法では、硬化必要領域の一部
に未硬化の開口部が形成されるため、硬化必要領域に閉
じ込められた光硬化性液の表面張力が低下し、硬化必要
領域に囲まれて閉じこめられた光硬化性液がこの開口部
から外部に流出、若しくは外部の光硬化性液がこの開口
部より流入するためにトラップＶ現象を防止することが
できる。また、この開口部は他の断面を造形される際に
硬化されるので、開口部を形成しても造形物の形状が変
化することはない。ここで、硬化必要領域が硬化不要領
域を取り囲む場合とは、完全に硬化必要領域が硬化不要
領域を取り囲む場合のみを言うのではなく、例えば、硬
化必要領域が略閉じた形状を有するためにその内部の未
硬化の光硬化性液にトラップＶ現象が生じる場合等も該
当する。したがって、硬化必要領域が硬化不要領域を取
り囲むかどうかの判断は、造形モデルの形状・大きさ・
肉厚、積層ピッチ、光硬化性液の性質等によってその基
準が異なることとなる。また、開口部とは、硬化必要領
域に囲まれて内部に閉じ込められた未硬化の光硬化性液
と、硬化必要領域の外部にある光硬化性液との間で、相
互に光硬化性液が流出入できるものであればどのような
ものでも良い。

【０００６】また、ある断面に形成される開口部が、そ
の断面と隣接する断面に形成される開口部と重なる場
合、この部分で大きなひずみが生じる。このため、造形
物の形状精度を劣化させるため好ましくない。請求項２
記載の光造形法では、前記各断面に形成される開口部
が、その断面に隣接する断面に形成された開口部と重な
らないように形成されるためこのような問題が生じな
い。

【０００７】請求項１記載の光造形法は、請求項３記載
の光造形装置により好適に実施することができる。請求
項３記載の光造形装置では、前記造形希望形状に関する
データから、その造形希望形状をスライスした各断面に
おける硬化必要領域が、硬化不要領域を取り囲んでいる
かどうかを判定する。そして、硬化必要領域が硬化不要
領域を取り囲んでいる場合に、その硬化必要領域の少な
くとも一個所に開口部が形成され、かつ、その開口部が
その断面に隣接する断面に形成される開口部と重ならな
いように、各断面の硬化必要領域に関するデータを修正
する。そして、この修正された硬化必要領域に関するデ
ータに基づいて各断面を硬化する。したがって、請求項
３記載の光造形装置では、各断面のデータを予め修正す
ることにより、硬化必要領域が硬化不要領域を取り囲ん
でいる断面については開口部が形成されるため、トラッ
プＶ現象を防止して円滑な造形を行うことができる。ま
た、各断面に形成される開口部の位置が隣接する断面に
形成される開口部の位置と重ならないので、開口部を原
因とする造形物に生じるひずみを防止することができ
る。

【０００８】

【発明の実施の形態】まず、本発明に係る光造形技術の
概要について説明する。本発明では、ある断面において
硬化必要領域が硬化不要領域を取り囲むような場合に
は、閉じた硬化必要領域の一部に開口部を形成すること
とした。開口部を形成することにより光硬化性液の表面
張力が低下し、トラップＶ現象を防止することができ
る。なお、開口部を形成したままでは希望形状が造形で
きないので、このような開口部は後に造形する断面を造
形する際に一緒に硬化することとした。特に、光造形技
術では、図６（ａ）に示すように、光が走査される走査
線ｓにおける光硬化性液の硬化する深さＨは、一層分の
厚みＴの２倍強程度（硬化層２層分強）とすることが一
般的である。これは、図６（ｂ）に示すように、光が走
査される走査線ｓにおける硬化する深さＨを、一層分の
厚みＴと同じ厚さとすると、硬化層同士が着かないため
である。したがって、図６（ｃ）に示すように、ある断
面ｎにおいて硬化必要領域の一部に開口部Ｐを形成した
場合であっても、次の断面ｎ＋１を造形する際にその開
口部Ｐは硬化されることとなる。したがって、開口部を
形成したとしても、各断面を造形する際に照射する光エ
ネルギは変える必要が無い。

【０００９】ここで、一つの断面に形成される開口部の
大きさ（開口部の幅Ｂ、長さＬ、数ｎ）は、造形モデル
の形状や、大きさ、肉厚（＝開口部の幅Ｂ）によって異
なる。また、積層ピッチ、樹脂特性により光硬化性液の
表面に発生する表面張力が異なるため、これらの値によ
っても開口部の大きさは影響される。いずれにしても、
硬化不要領域を取り囲む硬化必要領域の半分程度を開口
することにより、トラップＶ現象が防止されると考えら
れる。なお、実際の光造形装置において、このような開
口部を形成するためには、各断面の硬化すべき硬化必要
領域に関するデータ（スライスデータ等）から開口すべ
き場所を指定する必要がある。これは、ＣＡＤデータを
スライスすることにより二次元輪郭線データを作成し、
このデータから開口部を指定するようにしても良い。ま
た、このような手順によることなく、ＣＡＤデータであ
る三次元パーチデータから直接開口部を指定しても良
い。

【００１０】次に、上述した光造形技術を好適に実施す
ることができる光造形装置の一実施の形態について説明
する。まず、図1 に基づいて光造形装置の概略構成につ
いて説明する。図１に示す光造形装置は、光源１３と、
光源１３から出射した光１０が照射される位置（光硬化
性液面上の位置）を制御するための光学系機器（ガルバ
ノメータミラー）１２と、光硬化性液１８を貯留する容
器１４とを備える。

【００１１】光源１３としては、He−CdレーザやArレー
ザ等のレーザ発振器が用いられる。ガルバノメータミラ
ー１２は、偏向ミラーとこれを回動するためのモータと
からなっている。そして、モータが回転することによ
り、偏向ミラーが回転し、光１０の入射角が変更され、
光１０の照射される位置を変更することができる。偏光
ミラーの角度は、制御装置３０により制御され、所定の
位置に光１０が照射されるように制御される。容器１４
は、その内部に光硬化性液１８が貯留されており、この
光硬化性液１８に光１０が照射されることにより、光硬
化性液１８が硬化し造形物１１が造形される。この容器
１４内には、造形物１１を支持するための支持テーブル
２０が配設されている。この支持テーブル２０は、液面
の高さを検知する高精度距離センサー（図示省略）の値
に基づき制御装置３０により、液面からの深さが調整さ
れるようになっている。また、容器１４内には、光硬化
性液１８の液面が水平に保たれるように、光硬化性液１
８の表面上をＸ軸方向に往復動するリコータ２２を備え
ている。リコータ２２は、制御装置３０により制御され
る。

【００１２】次に、ガルバノメータミラー１２、支持テ
ーブル２０、リコータ２２の動きを制御する制御装置３
０について説明する。制御装置３０は、ＣＰＵ、ＲＯ
Ｍ、ＲＡＭ等を備えた一般的なコンピュータにより構成
され、ＲＯＭ等に記憶されたプログラムに従い、ガルバ
ノメータミラー１２等の機器を制御する機能を有する。
また、この制御装置３０は、ＣＡＤ装置により設計した
造形物の３次元データ（ＣＡＤデー）を読み込み、これ
に基づいて各断面の硬化必要領域に関するデータを算出
する機能をも有する。データ処理の詳細については後で
詳述する。

【００１３】次に上述した光造形装置により、図2
（ａ）に示す造形物を造形する手順について説明する。
図３に示すように、まず、制御装置３０に、造形物のＣ
ＡＤデータを読み込む（Ｓ１）。ＣＡＤデータが読み込
まれると、制御装置３０はこのＣＡＤデータに基づいて
造形用データ作成処理を行う（Ｓ２）。すなわち、図2
（ａ）に示すＣＡＤデータから、図2 （ｂ）に示す、造
形物を所定の厚さでスライスした際の各断面のスライス
データを作成し、図2 （ｂ）のスライスデータから図2
（ｃ）に示す開口付きスライスデータを作成するのであ
る。

【００１４】造形用データ作成処理を図４に示すフロー
チャートに基づいて詳細に説明する。まず、制御装置３
０は、読み込まれたＣＡＤデータ（図2 （ａ））から希
望造形物を積層ピッチと等しい間隔でスライスした際
の、そのスライスした各断面において硬化すべき領域に
関するデータ（スライスデータ）を作成する（Ｓ21）。
ＣＡＤデータからスライスデータ（図２（ｂ））を作成
する手順については、公知であるので詳細な説明は省略
する。スライスデータが作成されると、そのスライスデ
ータから各断面における硬化必要領域の形状が特定でき
る。したがって、スライスされた断面の中から一断面を
選択し（Ｓ22）、その硬化必要領域が硬化不要領域を取
り囲むかどうかを判断する（Ｓ23）。硬化必要領域が硬
化不要領域を取り囲む場合には、その硬化必要領域に開
口部を形成する（Ｓ24）。具体的に説明すると、本実施
の形態の場合、各断面の形状は図５（ａ）に示すような
リング状の形状を有する。したがって、その硬化必要領
域のサイズは、横方向の外径Ａ１、横方向の内径Ａ２、
縦方向の外径Ｂ１、縦方向の内径Ｂ２により特定するこ
とができる。硬化必要領域のサイズが特定できれば、そ
のサイズ、光硬化性液の性質等を考慮して、開口部の大
きさ（幅Ｂ、長さＬ）とその個数ｎを決定する。次に、
図５（ｂ）に示すように、その開口部の位置を指定す
る。例えば、造形モデルの高さ方向（Ｚ軸方向）を基準
軸として、その基準軸回りの回転角θで開口部の位置を
指定する。この回転角θは、乱数等によりランダムに決
定しても良いし、前の断面に配置した開口部の位置から
所定の角度回転した位置に形成するように規則的に決め
ても良い。ただし、開口部の位置を決める場合には、隣
接する各断面に形成する開口部の位置が重ならないよう
にする必要がある。開口部の位置が決まると、次に、硬
化必要領域に関するデータと開口部の位置に関するデー
タのブリアン演算により、開口部として指定された領域
については硬化しないように、スライスデータを修正し
た開口付きスライスデータが作成される（図２（ｃ）参
照）。なお、Ｓ23のステップで硬化必要領域が硬化不要
領域を取り囲まない場合には、その断面における硬化必
要領域に関するデータは、Ｓ21のステップで作成された
スライスデータである。選択した断面の造形用データが
作成されると、造形用データが全ての断面について作成
されたかどうかを判断し（Ｓ25）、全ての断面について
行われていない場合には、上述したＳ22〜Ｓ24までのス
テップを繰り返し、全ての断面について行った場合に
は、レーザ走査経路処理、また、必要に応じて３Ｄオフ
セット処理等を行うことにより造形用データの作成処理
が終了する。なお、３Ｄオフセット処理、レーザ走査経
路処理については、公知のデータ処理技術であるので、
ここではその説明を省略する。なお、一般的に造形用デ
ータ作成手順としては、３次元データの処理、スラ
イスデータの作成処理、３Ｄオフセットデータの作成
処理、レーザ走査経路の作成処理、が行われる。ここ
で、上述した実施の形態ではスライスデータを作成した
段階で、そのスライスデータから開口部を指定したが、
これに限らず、３次元データの作成処理の段階で開口
部を指定しても良く、また、３Ｄオフセットデータの
作成処理や、レーザ走査経路の作成処理の段階で開口
部を指定しても良い。

【００１５】各断面における造形用データ作成処理が終
了すると、図3 に示すように、光硬化性液に光を照射す
ることにより造形モデルを造形する（Ｓ３）。具体的に
は、最初に容器１４内を光硬化性液１８で満たし、この
光硬化性液１８内に配設されたテーブル２０を、硬化さ
せる光硬化性液１８の厚み分（積層ピッチ）だけ液面か
ら沈める（Ｚ方向に動かす）。この状態で、光源１３か
らの光１０を、ガルバノメータミラー１２の角度を変化
させることにより、光硬化性液１８の自由液面上で走査
させ硬化させる。なお、光１０を走査させる範囲（硬化
必要領域）は、上述した造形データ作成処理により開口
部が形成された硬化必要領域に関するデータ（開口付き
スライスデータ）に基づいている。次に、テーブル２０
を次に硬化させる層の厚み分（積層ピッチ）だけＺ方向
に動かす。そして、造形物１１の上面と光硬化性液１８
の液面との距離を均一とするため、リコータ２２を光硬
化性液１８の液面上をＸ軸方向に往復動させる。そし
て、この断面の硬化必要領域に関するデータに基づい
て、光源１３からの光１０を光硬化性液１８の表面上で
走査させ硬化させる。このように一定の厚みを持った硬
化層を、順次積み重ねることにより希望形状を有する物
体１１をテーブル２０上に造形する。造形物１１が造形
されると、テーブル２０上から造形物１１が取り外さ
れ、付着した未硬化の光硬化性液を洗い流す等の後処理
を行う（Ｓ４）。

【００１６】このように上述した実施の形態では、各断
面における硬化必要領域が硬化不要領域を取り囲んでい
る場合には、この断面で硬化すべき硬化必要領域に開口
部が形成されるため、トラップＶ現象を防止することが
できる。トラップＶ現象が防止されるため、造形物とリ
コータの干渉も防止される。また、各断面に形成される
開口部の位置がその断面に隣接する断面における開口部
の位置と重ならないようにデータ処理が行われるため、
光硬化性液の硬化率の違いによって生じるひずみが分散
され、造形物の変形を防止することができる。

【００１７】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明に係わる光
造形技術では、トラップＶ現象を防止することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る光造形装置の概略
構成を説明するための図面である。

【図２】ＣＡＤデータから造形用データを作成する処理
を模式的に説明するための図面である。

【図３】造形物を造形する際の手順を説明するための図
面である。

【図４】造形用データ作成処理の手順を説明するための
図面である。

【図５】一つの断面における硬化必要領域に、開口部を
指定する際の手順を説明するための図面である。

【図６】積層ピッチと照射される光により硬化される光
硬化性液の深さとの関係を説明するための図面である。

【図７】トラップＶ現象を説明するための図面である。

【図８】自由液面法による光造形技術を説明するための
図面である。

【符号の説明】

１０・・光 １１・・造形物 １２・・ガルバノメータミラー １３・・光源 １４・・容器 １８・・光硬化性液 ２０・・支持テーブル ２２・・リコータ ３０・・制御装置

───────────────────────────────────────────────────── 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 AK03 DA12 DB01 DC07 DF01 4F213 AA44 AK03 WA25 WA86 WA97 WB01 WL02 WL05 WL13 WL43 WL93

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光硬化性液の自由液面に光を照射するこ
   とにより造形希望形状を造形する光造形法であり、前記
   造形希望形状をスライスした各断面における硬化必要領
   域が、硬化不要領域を取り囲んでいるかどうかを判定す
   る工程と、前記判定工程において判定した結果、硬化必
   要領域が硬化不要領域を取り囲む場合に、硬化必要領域
   の少なくとも一個所に未硬化の開口部が形成されるよう
   その断面を造形する工程と、前記開口部が形成された断
   面より後に造形される断面を造形する際に、前記開口部
   を硬化する工程とを備えた光造形法。
2. 【請求項２】 請求項1 記載の光造形法であり、前記各
   断面に形成される開口部が、その断面に隣接する断面に
   形成された開口部と重ならないように形成される光造形
   法。
3. 【請求項３】 光硬化性液の自由液面に光を照射するこ
   とにより造形希望形状を造形する光造形装置であり、前
   記造形希望形状に関するデータから、その造形希望形状
   をスライスした各断面における硬化必要領域が、硬化不
   要領域を取り囲んでいるかどうかを判定し、硬化必要領
   域が硬化不要領域を取り囲んでいる場合に、その硬化必
   要領域の少なくとも一個所に開口部が形成され、かつ、
   その開口部の位置がその断面に隣接する断面に形成され
   る開口部の位置と重ならないように前記各断面の硬化必
   要領域に関するデータを修正する手段と、前記修正手段
   により修正された前記硬化必要領域に関するデータに基
   づいて、各断面を造形する手段とを備える光造形装置。