JP2003326607A - 三次元物体光造形方法及び造形装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 造形時にサポート部分を形成しなくても、既
硬化層を光照射面に対して平行に保持できるようにす
る。 【解決手段】 光照射により変質し得ると共に特定の化
学反応により除去可能なシートに含浸された物質３３を
巻回す供給ローラ３１と、供給ローラ３１から供給され
る物質３３を巻き取って回収する回収ローラ３２と、供
給ローラ３１及び回収ローラ３２の間で物質３３の下方
に上下動可能に配設された台座３４と、台座３４に対応
する位置にある物質３３に所定パターンで光照射を行う
光照射手段２１と、光照射手段２１により光照射されて
変質した物質３３からなる硬化層３３ｂを未変質の物質
３３から分離するカッタ装置３５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、三次元物体光造形
方法及び造形装置に関する。詳しくは、光照射により変
質し得る物質を特定の化学反応により除去可能なシート
に含浸させることによって、この物質の一面に所定パタ
ーンの光を照射して形成される硬化層を順次積層する際
に、既硬化層上に載置される未硬化の物質を既硬化層に
より平行に支持できるようにした三次元物体光造形方法
及び造形装置に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、三次元物体光造形装置として、紫
外線硬化性樹脂を使用した光造形装置が知られている。
この光造形装置は、容器内に充填された紫外線硬化性樹
脂と、この樹脂の上面に光を照射する光源装置と、この
光源装置からの光を所定パターンで上記樹脂の表面に照
射させる光制御手段と、上記樹脂の表面を順次に更新し
て積層させる積層手段とを含んでいる。

【０００３】このような光造形装置によれば、先づ樹脂
の表面の薄層部分に対して、光源装置からの紫外線を、
光制御手段により所定パターンにして、選択的に照射す
る。これにより、この薄層部分は、所定パターンの部分
が紫外線により露光され、硬化することにより、硬化層
を形成する。

【０００４】続いて、積層手段により、この硬化層をそ
の厚さ分だけ下降させて、その表面に、再び未露光の樹
脂の薄層部分を形成する。そして、再度樹脂の表面の薄
層部分に対して、同様に選択的に紫外線を照射すること
により、上記硬化層の上に、新たな硬化層が積層され
る。かくして、上記操作を繰り返すことにより、それぞ
れ所定のパターンを有する硬化層が積層され、未露光の
樹脂を除去することによって、積層された硬化層によ
り、三次元物体が形成されることになる。

【０００５】ところで、上記三次元物体光造形装置にお
いては、紫外線露光により形成された既硬化層が、未露
光の樹脂の薄層部分を、光照射面に対して平行になるよ
うに支持することが不可能である。従って、形成される
べき三次元物体に対して、所謂サポート部分を同時に形
成するようにして、このサポート部分によって、既硬化
層を平行に保持するようにしている。これにより、紫外
線露光により形成された既硬化層が、未露光の樹脂の薄
層部分を、光照射面に対して平行に支持するようにして
いる（例えば、特許文献１参照）。

【０００６】

【特許文献１】特開昭６２−３５９６６号公報（第３−
１０頁、第３図）

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな三次元物体光造形装置においては、上述のように、
形成すべき三次元物体に、上記サポート部分が一体に形
成されていることから、三次元物体の造形後に、このサ
ポート部分を除去する必要がある。このサポート部分の
除去は、一般に、ヤスリまたはグラインダー等による加
工によって行なわれるが、その際に、厚さ方向の寸法精
度が低下する可能性が高い。さらに、このサポート部分
の除去の自動化は極めて困難であることから、三次元物
体の自動造形は、実質的に不可能であった。

【０００８】また、サポート部分をできるだけ少なくす
るという観点から、造形時に三次元物体の向きが制限さ
れることがあり、設計の自由度が小さくなってしまうと
いう問題点があった。

【０００９】これに対して、粉体を熱反応によって選択
的に溶解・接着させることにより、三次元物体を造形す
る方法も、例えば丸山洋二他著「光造形法」（１９９０
年刊、日刊工業新聞社）に示されているが、熱反応は、
光化学反応に比較して、造形の制御が困難である。従っ
て、この方法によって、高精度の造形物体を形成するこ
とは困難である。

【００１０】本発明は、以上の点に鑑み、造形時にサポ
ート部分を形成しなくても、既硬化層を光照射面に対し
て平行に保持できるようにした三次元物体光造形方法及
び造形装置を提供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明に係る三次元物体光造形方法は、光照射によ
り変質し得る物質の一面に所定パターンの光を照射する
ことにより硬化層を形成し、この硬化層を所定ピッチだ
け移動させた後、この硬化層の上に上記物質を載置し
て、再び所定パターンの光を照射することにより、順次
に硬化層を積層させるようにした三次元物体光造形方法
において、この物質は、特定の化学反応により除去可能
なシートに含浸され、光照射によりこの特定の化学反応
に影響され得ない様態に変質することを特徴とするもの
である。

【００１２】本発明に係る三次元物体光造形方法によれ
ば、光照射により変質し得る物質の一面に所定パターン
の光を照射することにより硬化層を形成し、この硬化層
を所定ピッチだけ移動させた後、この硬化層の上に上記
物質を載置して、再び所定パターンの光を照射すること
により硬化層を順次積層する場合に、この物質に剛性を
付与できるので、既硬化層上に載置される未硬化の物質
を、この既硬化層により平行に支持できる。

【００１３】この既硬化層上に載置される未硬化の物質
は、例えば、フッ酸での溶解反応により除去可能なガラ
ス繊維から成るシートに含浸され、光照射により溶解反
応に影響され得ない様態に変質された後、この溶解反応
により未露光部分がシートと共に溶解除去される。

【００１４】従って、この既硬化層を支持するためのサ
ポート部分が不要になるので、ヤスリまたはグラインダ
ー等によりサポート部分を除去する必要がなくなるた
め、三次元物体の厚さ方向の寸法精度を向上できると共
に、三次元物体を容易に自動造形できるようになる。

【００１５】本発明に係る三次元物体光造形装置は、光
照射により変質し得ると共に特定の化学反応により除去
可能なシートに含浸された物質を巻回す供給ローラと、
この供給ローラから供給される物質を巻き取って回収す
る回収ローラと、これら供給ローラ及び回収ローラの間
でこの物質の下方に上下動可能に配設された台座と、こ
の台座に対応する位置にある物質に所定パターンで光照
射を行う光照射手段と、この光照射手段により光照射さ
れて変質した物質からなる硬化層を未変質の物質から分
離するカッタ装置とを備えることを特徴とするものであ
る。

【００１６】本発明に係る三次元物体光造形装置によれ
ば、光照射により変質し得ると共に特定の化学反応によ
り除去可能なシートに含浸された物質が供給ローラに巻
回され、この供給ローラから供給されて回収ローラによ
り巻き取られる。これら供給ローラ及び回収ローラの間
で、この物質の下方で上下動可能に配設された台座に対
応する位置にある物質に、光照射手段により所定パター
ンで光照射が行われる。この光照射により変質された物
質からなる硬化層が、カッタ装置により未変質の物質か
ら分離されると共に、台座により下方に移動され、この
硬化層上に再びシートに含浸された物質が供給ローラに
より供給される。

【００１７】従って、シートにより剛性を付与した物質
を既硬化層上に供給できると共に、この既硬化層上に載
置される未硬化の物質を、この既硬化層により平行に支
持できる。このため、この既硬化層を支持するためのサ
ポート部分が不要になるので、ヤスリまたはグラインダ
ー等によりサポート部分を除去する必要がなくなる。よ
って、三次元物体の厚さ方向の寸法精度を向上できると
共に、三次元物体を容易に自動造形できるようになる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、この発明の好適な実施例を
図１乃至図５を参照しながら、詳細に説明する。尚、以
下に述べる実施例は、本発明の好適な具体例であるか
ら、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本
発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定す
る旨の記載がない限り、これらの態様に限られるもので
はない。

【００１９】図１及び図２は、本発明による方法を適用
した三次元物体光造形装置の第一の実施例を示してい
る。図１及び図２において、三次元物体光造形装置１０
は、造形槽１１と、この造形槽１１内に収容された、光
照射により変質し得る物質、この場合、光照射によって
硬化し得る物質に粉体材料を混入した造形材料１２と、
この造形槽１１内にて、硬化させた造形材料１２が載置
される台座１３を有している。

【００２０】この台座１３は上下動可能に支持されたエ
レベータ１４により支持されている。上記造形槽１１の
前端（図において右端）には供給タンク１５が設けられ
ている。この造形槽１１の後端（図において左端）には
回収タンク１６が設けられている。この供給タンク１５
及び回収タンク１６はパイプ１７により連結されてい
る。この回収タンク１６内の造形材料１２はギヤ１８に
よってパイプ１７を介して供給タンク１５内に給送され
る。この造形槽１１の上端の両側縁に沿ってレール１９
が水平に延びており、このレール１９に沿って移動する
ように、ローラ２０が設けられている。

【００２１】さらに、台座１３上には造形材料１２の上
面に所定パターンの光を照射する露光装置２１が載置さ
れている。そして、エレベータ１４，ローラ２０及び露
光装置２１は制御装置２２により制御されるようになっ
ている。

【００２２】上記造形材料１２は、例えば、光照射によ
る付加重合によって硬化する液体状の光硬化性樹脂に、
粉体を混入したものが使用される。

【００２３】台座１３は、制御装置２２により駆動制御
されるエレベータ１４により、造形槽１１内にて、造形
すべき三次元物体の各硬化層の厚さと同じ寸法のピッチ
で下降されるようになっている。

【００２４】上記ギヤ１８は、互いに反対方向に回転駆
動されることにより、回収タンク１６内の造形材料１２
を下方に向かって圧送する。従って、造形材料１２は、
パイプ１７を介して供給タンク１５内に給送される。

【００２５】上記ローラ２０は、レール１９に沿って後
方（図において左方）に向かって水平に移動することに
より、供給タンク１５の上に押し出された造形材料１２
ａを台座１３の上方に移動させると共に、その表面を平
滑化する。この場合、供給タンク１５の上縁は、ローラ
２０の最下端と同じ高さに設定されている。

【００２６】露光装置２１は、光源装置、例えば紫外線
レーザ等の造形材料１２の光化学反応を誘引する光ビー
ムを発生するレーザ発振器と、この光源装置からの光ビ
ームを台座１３の上方に位置する造形材料１２の表面に
所定パターンで選択的に照射させる光制御手段、例えば
所定の軌跡に従って走査する制御光学系から構成されて
いる。この制御光学系は、例えば光ビームを透過または
遮断するための音響光学素子と、光ビームの方向を変動
させるためのガルバノミラー等の光偏向装置と、この光
偏向装置を駆動するための駆動回路とから構成されてい
る。

【００２７】これにより、露光装置２１は、制御装置２
２により駆動回路が制御されることによって、所定の光
走査条件、即ち、光ビームの強度，走査速度，走査間隔
等に基づいて、造形材料１２の表面に光ビームの軌跡を
描くことになる。この場合、光走査条件は、制御装置２
２に前以て入力された三次元物体の形状データを変換す
ることにより得られる。

【００２８】制御装置２２は、例えば三次元ＣＡＤ等に
より造形すべき三次元物体の形状データが前以て入力さ
れており、この形状データに基づいて、エレベータ１
４，ローラ２０及び露光装置２１を制御する。そして、
制御装置２２は、エレベータ１４を制御することによ
り、このエレベータ１４に支持された台座１３を、造形
すべき三次元物体の各硬化層の厚さと同じ寸法のピッチ
で下降させる。

【００２９】また、制御装置２２は、ローラ２０を制御
することにより、供給タンク１５上に押し出された造形
材料１２ａを、台座１３上に、あるいは台座１３上に形
成された硬化層の上に、平滑化する。さらに、制御装置
２２は、露光装置２１を制御することにより、台座１３
上に、あるいは台座１３上に形成された硬化層の上に平
滑化された造形材料１２の表面に、所定パターンの光を
照射する。

【００３０】本発明実施例による三次元物体光造形装置
１０は、以上のように構成されており、先づローラ２０
が、図３にて矢印で示すように、レール１９に沿って水
平に移動されることにより、造形槽１１内の造形材料１
２の表面が平滑化される。このとき、台座１３は、その
上面が、造形槽１１の上縁付近にて、平滑化された造形
材料１２の表面と同一レベルにある。

【００３１】この場合、造形材料１２を構成する粉体が
磁性体材料から成り、ローラ２０が非磁性体から構成さ
れていると、ローラ２０による造形材料１２の表面の平
滑化の際に、造形槽１１内に磁場をかけることにより、
造形材料１２は、ローラ２０の表面に付着するようなこ
とがなく、確実に平滑化されることになる。

【００３２】また、造形材料１２を構成する粉体が電気
レオロジー効果を有する粉体から構成されていると、ロ
ーラ２０による造形材料１２の表面の平滑化の際に、造
形槽１１内に電場をかけることにより、造形材料１２
は、粘性が増加することにより、ローラ２０の表面に付
着するようなことがなく、確実に平滑化されることにな
る。ここで、電気レオロジー（Electrorheological)効
果とは、絶縁性の油を分散媒とする粒子分散系の粘度が
外部電場に応答して変化する効果をさす。このような粉
体としては、フジクラ化成のＥＲ粉体を用いてもよい。

【００３３】その後、ギヤ１８が図３の矢印方向に互い
に反対方向に回転することにより、回収タンク１６内の
造形材料１２がパイプ１７を介して供給タンク１５内に
給送される。これにより、供給タンク１５内の造形材料
１２は、上方に向かって押し上げられて、ローラ２０の
最下縁より上方に押し出されることになる。

【００３４】続いて、図４に示すように、台座１３が一
ピッチ分だけ下降され、ローラ２０が、再びレール１９
に沿って（図示の場合、左方に）水平に移動されること
により、ローラ２０は、造形材料１２に対して垂直方向
に圧力をかけながら、この造形材料１２を台座１３上に
移動させ、且つ平滑化することになる。これにより、こ
の造形材料１２の表面は、台座１３の表面に平行に保持
される。さらに、過剰な造形材料１２は、回収タンク１
６内に回収される。

【００３５】かくして、台座１３上に、台座１３の一ピ
ッチ分に等しい厚さの造形材料の薄層が形成されること
になる。ここで、図５に示すように、露光装置２１によ
り、造形材料１２の薄層の表面に対して、所定パターン
の光を照射する。これにより、この造形材料１２の薄層
は、光照射部分が硬化する。

【００３６】最後に、ローラ２０が、レール１９に沿っ
て（図示の場合、右方に）水平移動されることにより、
ローラ２０は、薄層形成のための待機状態に戻される。

【００３７】以上の造形材料１２の薄層形成を繰り返す
ことにより、台座１３上に、順次に薄層、即ち光照射に
よる所定パターンの硬化層が積層されることになる。最
後に、台座１３上から積層された造形材料１２の硬化層
を取り外して、各硬化層の未露光部分を除去する。かく
して、所望の形状の三次元物体が形成されることにな
る。

【００３８】図６は、本発明による方法を適用した三次
元物体光造形装置の第二の実施例を示している。即ち、
図６において、三次元物体光造形装置３０は、供給ロー
ラ３１に巻回され且つ回収ローラ３２に巻き取られる長
尺のシート状の造形材料３３と、この供給ローラ３１と
回収ローラ３２の間の領域で、造形材料３３の下方に上
下動可能に配設された台座３４と、この台座３４に対向
するように造形材料３３の上方に配設されたカッタ装置
３５と、この台座３４に対応する造形材料３３の上面に
所定パターンの光を照射する第一の実施例と同様な露光
装置（図示せず）とから構成されている。

【００３９】上記造形材料３３は、特定の化学反応によ
って除去可能なシートと、このシートに含浸された、光
照射により上記特定の化学反応に影響され得ない様態に
変質する光化学反応物質から構成されている。尚、具体
的には、シートとしては、ガラス繊維が使用され、光化
学反応物質としては、光重合反応を起こす光硬化樹脂、
好ましくは紫外線硬化樹脂が使用される。これにより、
フッ酸のタンクに浸漬することにより、造形材料３３
は、シートを構成するガラス繊維が溶解すると共に、光
硬化樹脂は溶解することなく、その形状が残ることにな
る。

【００４０】そして、供給ローラ３１及び回収ローラ３
２が、図示しない制御装置により、適宜に回転駆動制御
されることにより、シート状の造形材料３３が、間欠的
に供給ローラ３１から繰り出されて、回収ローラ３２に
巻き取られるようになっている。

【００４１】台座３４は、図示しない制御装置により駆
動制御されることにより、造形材料３３の厚さに等しい
ピッチで下降されるようになっている。

【００４２】カッタ装置３５は、図示しない制御装置に
より下降されることにより、造形材料３３を、枠３３ａ
に沿って切断することにより、硬化層３３ｂを分離する
ようになっている。

【００４３】尚、上記露光装置は、図１乃至図５に示し
た第一の実施例の露光装置２１と同じ構成であり、同様
の構成の制御装置（図示せず）によって制御されるよう
になっている。

【００４４】このように構成された三次元物体光造形装
置３０によれば、先づ台座３４は、その上面が、造形材
料３３の下面に接触する位置にある。

【００４５】ここで、図示しない露光装置により、造形
材料３３の表面に対して、所定パターンの光を照射す
る。これにより、この造形材料３３は、光照射部分が硬
化し、特定の化学反応により影響しないように変質する
と共に、好ましくは、台座３４の表面に接着される。
尚、二回目以降は、造形材料３３の硬化層３３ｂは、前
回の硬化層３３ｂの上に接着されることになる。

【００４６】続いて、カッタ装置３５が下降することに
より、この造形材料３３は、その枠３３ａが切断される
ことにより、硬化層３３ｂの部分が、分離される。切断
終了後、カッタ装置３５は、上昇して元の位置に戻され
る。

【００４７】その後、台座３４が、一ピッチ分だけ下降
されると共に、供給ローラ３１及び回収ローラ３２が回
転駆動されて、造形材料３３が給送され、次の新たな枠
３３ａが、台座３４に対向する領域に持ち来される。

【００４８】以上の造形材料３３の硬化層３３ｂの形成
を繰り返すことにより、台座３４上に、順次に光照射に
よる所定パターンの硬化層３３ｂが積層されることにな
る。最後に、台座３４上から積層された造形材料３３の
硬化層３３ｂを取り外して、特定の化学反応により、各
硬化層３３ｂの未露光部分が溶解される。かくして、所
望の形状の三次元物体が形成されることになる。

【００４９】このように上述の第二の実施例では、光照
射により変質し得る物質を特定の化学反応により除去可
能なシートに含浸させることによって、この物質に剛性
を付与できるため、既硬化層は、その上に載置された未
硬化の物質を平行に支持できる。よって、この既硬化層
を支持するためのサポート部分が不要になる。

【００５０】従って、サポート部分が不要であることか
ら、このサポート部分をヤスリまたはグラインダー等に
よる加工によって除去する必要がないので、三次元物体
の厚さ方向の寸法精度を向上できると共に、三次元物体
を容易に自動造形できるようになる。

【００５１】また、サポート部分を考慮することなく、
三次元物体の造形が可能であることから、造形時の三次
元物体の向きが制限されるようなことはなく、設計の自
由度が大きくなる。

【００５２】尚、上述した実施例においては、露光装置
２１は、レーザ発振器からの光ビームを光偏向装置によ
り走査するようになっているが、これに限らず、造形材
料の表面に所定パターンの光を照射するものであればよ
く、例えば紫外線ランプからの紫外光を、制御手段によ
り指令された所定パターンに従ってマスクを行なう液晶
シャッタにより制御して、所定パターンの光を造形材料
の表面に照射するようにしてもよい。この場合、液晶シ
ャッタの制御パターンは、制御装置２２に前以て入力さ
れた三次元物体の形状データを変換することにより得ら
れる。

【００５３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明に係る三次元
物体光造形方法によれば、特定の化学反応により除去可
能なシートに含浸されると共に、光照射によりこの特定
の化学反応に影響され得ない様態に変質する物質の一面
に所定パターンの光を照射することにより硬化層を形成
し、この硬化層を所定ピッチだけ移動させた後、この硬
化層の上に上記物質を載置して、再び所定パターンの光
を照射することにより、順次に硬化層を積層させるよう
になされる。

【００５４】この構成によって、既硬化層上に載置され
る未硬化の物質を、この既硬化層により平行に支持でき
る。従って、造形時にサポート部分を形成しなくても、
既硬化層を光照射面に対して平行に保持できるので、ヤ
スリまたはグラインダー等によりサポート部分を除去す
る必要がなくなる。このため、三次元物体の厚さ方向の
寸法精度を向上できると共に、三次元物体を容易に自動
造形できるようになる。

【００５５】本発明に係る三次元物体光造形装置によれ
ば、光照射により変質し得ると共に特定の化学反応によ
り除去可能なシートに含浸された物質を巻回す供給ロー
ラから供給される物質を巻き取って回収する回収ローラ
を備え、光照射されて変質した物質からなる硬化層を供
給ローラ及び回収ローラの間でカッタ装置により分離す
るものである。

【００５６】この構成によって、シートにより剛性を付
与した物質を既硬化層上に供給できると共に、この既硬
化層上に載置される未硬化の物質を、この既硬化層によ
り平行に支持できる。従って、造形時にサポート部分を
形成しなくても、既硬化層を光照射面に対して平行に保
持できるので、ヤスリまたはグラインダー等によりサポ
ート部分を除去する必要がなくなるため、三次元物体の
厚さ方向の寸法精度を向上できると共に、三次元物体を
容易に自動造形できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第一の実施例としての三次元物体光造形装置１
０の槽部分を示す斜視図である。

【図２】三次元物体光造形装置１０の全体構成を示す断
面図である。

【図３】積層開始前の三次元物体光造形装置１０を示す
断面図である。

【図４】平滑化時の三次元物体光造形装置１０を示す断
面図である。

【図５】光照射時の三次元物体光造形装置１０を示す断
面図である。

【図６】第二の実施例としての三次元物体光造形装置３
０の要部を示す斜視図である。

【符号の説明】

１０，３０・・・三次元物体光造形装置、１１・・・造
形槽、１２，１２ａ・・・造形材料、１３，３４・・・
台座、１４・・・エレベータ、１５・・・供給タンク、
１６・・・回収タンク、１７・・・パイプ、１８・・・
ギヤ、１９・・・レール、２０・・・ローラ、２１・・
・露光装置、２２・・・制御装置、３１・・・供給ロー
ラ、３２・・・回収ローラ、３３・・・シート状造形材
料、３３ａ・・・枠、３３ｂ・・・硬化層、３５・・・
カッタ装置

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光照射により変質し得る物質の一面に所
   定パターンの光を照射することにより硬化層を形成し、
   当該硬化層を所定ピッチだけ移動させた後、当該硬化層
   の上に前記物質を載置して、再び所定パターンの光を照
   射することにより、順次に硬化層を積層させるようにし
   た三次元物体光造形方法において、 前記物質は、 特定の化学反応により除去可能なシートに含浸され、 前記光照射により当該特定の化学反応に影響され得ない
   様態に変質することを特徴とする三次元物体光造形方
   法。
2. 【請求項２】 前記物質は、 フッ酸での溶解反応により除去可能なガラス繊維から成
   るシートに含浸され、 前記光照射により前記溶解反応に影響され得ない様態に
   変質した後、当該溶解反応によって未露光部分を前記シ
   ートと共に溶解除去されることを特徴とする請求項１に
   記載の三次元物体光造形方法。
3. 【請求項３】 光照射により変質し得ると共に特定の化
   学反応により除去可能なシートに含浸された物質を巻回
   す供給ローラと、 前記供給ローラから供給される前記物質を巻き取って回
   収する回収ローラと、 前記供給ローラ及び回収ローラの間で前記物質の下方に
   上下動可能に配設された台座と、 前記台座に対応する位置にある前記物質に所定パターン
   で前記光照射を行う光照射手段と、 前記光照射手段により光照射されて変質した前記物質か
   らなる硬化層を未変質の前記物質から分離するカッタ装
   置とを備えることを特徴とする三次元物体光造形装置。