JP2004042545A

JP2004042545A - 光固化着色造形方法及び装置

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Publication number: JP2004042545A
Application number: JP2002205814A
Authority: JP
Inventors: Kenji Yamazawa; 山澤　建二; Hideo Tashiro; 田代　英夫
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2002-07-15
Filing date: 2002-07-15
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2022-07-15
Also published as: JP3712202B2

Abstract

【課題】外周壁なしで着色部を短時間に形成でき、着色領域の微細化が容易であり、多色造形やフルカラー造形も容易にできる光固化着色造形方法及び装置を提供する。
【解決手段】光硬化性樹脂２の未硬化層２ａを形成する未硬化層形成工程（Ａ）と、未硬化層に着色用色素８を滴下し同時に色素の滴下位置に硬化光９を照射する着色硬化工程（Ｂ）とを有する。光硬化性樹脂２の未硬化層２ａに色素８が滴下されると同時にその滴下位置に硬化光９が照射されて硬化するので、従来の外周壁なしで着色部を短時間に形成できる。
【選択図】　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光固化造形法による着色造形方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光固化造形法は、ラピッドプロトタイピング（Ｒａｐｉｄ　Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ）　又はステレオリソグラフィー（Ｓｔｅｒｅｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）　とも呼ばれ、光硬化性樹脂を光で硬化させて３次元物体を創成するものである。
【０００３】
図３は光固化造形法の原理図であり、（Ａ）まず３次元ＣＡＤやＸ線ＣＴなどにより作製した３次元モデル１のデータを、コンピュータ上で水平にスライスして断面形状データを作り、（Ｂ）次に、液状の光硬化性樹脂２の液面に、スライスデータに沿ってレーザ光３を走査しながら照射する。光硬化性樹脂は、レーザ光が照射された部分だけがある厚みをもって硬化し、断面形状データどおりの硬化層４が形成される。（Ｃ）次に、この硬化層４（造形物）を載せたテーブル５をモデル１をスライスしたピッチだけ移動し、硬化した層の上面に未硬化の薄い樹脂層を形成する。その際、通常ブレードと呼ぶ部材でリコート（Ｒｅｃｏａｔ）と呼ぶ平坦化操作を行い、未硬化樹脂液の表面を均一にならす。そして同様にレーザ光３を断面形状どおりに走査しながら照射し、硬化した層は直前の硬化層４と一体下する。（Ｄ）Ｂ及びＣの工程を繰り返すことにより、対象となる３次元モデルが造形される。
【０００４】
上述した光固化造形法は、ＣＡＤデータから型を介さずに直接３次元物体が創成できる特徴を有し、精密鋳造などのマスタモデルの製作，地図や立体像の製作等の多くの分野で用いられている。また、この光固化造形法の精度と効率を高めるために、「光学的造形法」（特公平５−３３９００号）、「光硬化造形法における積層平板造形法」（特公平７−９４１４９号）、「均一化された面露光式光硬化造形装置」（特開平９−１４１７４７号）等が出願されている。
【０００５】
更に、光固化造形法により着色造形物を製造する手段として、特開２００２−３６３７４号が開示されている。この方法は、硬化性樹脂を積層造形して成形した複数の層を備え、前記複数の層のうち少なくとも１層が、着色剤を添加して形成した着色領域を有する着色造形物の製造方法であって、前記着色領域の輪郭線に沿う所定幅の領域を硬化することにより外周壁６を形成する工程（Ａ）と、前記外周壁内の液相状の領域７に着色剤８を添加する工程（Ｂ）と、前記着色領域を硬化する工程（Ｃ）と、を含むものである。
すなわち、図４に模式的に示すように、外周壁形成工程（Ａ）において、造形工程中モデルの側面から一定距離に未硬化の溝部７を形成し、着色剤添加工程（Ｂ）において、溝部に着色樹脂８を滴下し、着色領域硬化工程（Ｃ）において滴下部にレーザ光９を照射して固化し着色するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図４に示した従来の着色造形方法は、以下の問題点があった。
（１）着色箇所毎に外周壁形成、着色剤添加及び着色領域硬化の３工程を行う必要があるため、工程数が多くなり造形に時間がかかる。
（２）２色以上の多色造形を行う場合には、各色毎に外周壁６を形成するか、先行する着色部で外周壁６を兼ねさせる必要があり工程が非常に複雑となる。そのため、多色造形やフルカラー造形は非常に困難であった。
（３）外周壁６を必要とするため、着色領域の微細化が困難である。そのため、色分解能を高めることが困難だった。
【０００７】
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、外周壁なしで着色部を短時間に形成でき、着色領域の微細化が容易であり、多色造形やフルカラー造形も容易にできる光固化着色造形方法及び装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、光硬化性樹脂（２）の未硬化層（２ａ）を形成する未硬化層形成工程（Ａ）と、該未硬化層に着色用色素（８）を滴下し同時に該色素の滴下位置に硬化光（９）を照射する着色硬化工程（Ｂ）とを有する、ことを特徴とする光固化着色造形方法が提供される。
【０００９】
また、本発明によれば、光硬化性樹脂（２）の液面（２ｂ）に硬化光（９）を照射する光照射装置（１２）と、光照射による硬化層（４）を液面下に沈降させる沈降装置（１４）と、沈降した硬化層上を未硬化層（２ａ）で被覆するリコート装置（１６）と、前記光硬化性樹脂の液面に着色用色素（８）を滴下する色素滴下装置（１８）とを備え、前記光照射装置（１２）と色素滴下装置（１８）は、光硬化性樹脂の液面に着色用色素を滴下し同時に該色素の滴下位置に硬化光を照射するようになっている、ことを特徴とする光固化着色造形装置が提供される。
【００１０】
上記本発明の方法及び装置によれば、前記光照射装置（１２）と色素滴下装置（１８）により、着色硬化工程（Ｂ）において光硬化性樹脂（２）の未硬化層（２ａ）に着色用色素（８）を滴下し同時に該色素の滴下位置に硬化光（９）を照射することができる。
【００１１】
従って、光硬化性樹脂（２）の未硬化層（２ａ）は、色素（８）が滴下されると同時にその滴下位置に硬化光（９）が照射されて硬化するので、従来の外周壁なしで着色部を短時間に形成できる。また、色素（８）の滴下は例えばインクジェットプリンタ用のヘッドを用いることにより微細化が可能であり、硬化光（９）の照射も例えばレーザ光を用いることにより微細化できるので、着色領域の微細化が容易である。更に、それぞれのヘッドを例えば３原色用に別個に設けることにより、多色造形やフルカラー造形も容易にできる
【００１２】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記未硬化層に対し着色用色素（８）を垂直に滴下し、同一位置に硬化光（９）を斜めに照射する。
この構成により、積層段差を軽減できる。
【００１３】
また、前記光照射装置（１２）の光照射ヘッド（１３）と、前記色素滴下装置（１８）の色素滴下ヘッド（１９）とは、同一位置に色素を滴下しかつ硬化光を照射するように一体に連結されている。
この構成により、光照射ヘッド（１３）と色素滴下ヘッド（１９）を常に同一位置に色素を滴下しかつ硬化光を照射するように保持することができる。
【００１４】
また、光照射ヘッド（１３）と色素滴下ヘッド（１９）を光硬化性樹脂の液面に沿って二次元的に位置制御する液面位置制御装置（２０）を備える。
この構成により、光硬化性樹脂の液面に沿って二次元的に光照射ヘッド（１３）と色素滴下ヘッド（１９）を移動し、着色硬化層を自由に形成することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１６】
図１は、本発明による光固化着色造形装置の全体構成図である。この図において、本発明の光固化着色造形装置は、光照射装置１２、沈降装置１４、リコート装置１６、色素滴下装置１８及び液面位置制御装置２０を備える。
【００１７】
光照射装置１２は、レーザ発振器１２ａ、光シャッタパワー制御器１２ｂ、ドライバ１２ｃ、光ファイバ１２ｄ、及び光照射ヘッド１３からなる。
【００１８】
レーザ発振器１２ａは、光硬化樹脂２を硬化させるのに適したレーザ光（例えばＵＶ）を放射する必要があり、例えばＡｒレーザ、Ｈｅ−Ｃｄレーザ、等が好ましい。光シャッタパワー制御器１２ｂは、モジュレータ（シャッター）及びアイリス（絞り）を内蔵し、レーザ光の強度をドライバ１２ｃにより調節する。光ファイバ１２ｄは可撓性の光ファイバからなりレーザ光を光シャッタパワー制御器１２ｂから光照射ヘッド１３まで導く。
【００１９】
光照射ヘッド１３は、ビームエキスパンダー、レンズ及び反射ミラーを内蔵し、レーザ光９を適当な直径（例えば約０．０５ｍｍ）のビーム光にし、反射ミラーでレーザ光を光硬化樹脂２の液面の所定位置（光硬化位置）に斜めに集光するようになっている。
【００２０】
上述した構成により光照射装置１２から導入した硬化光９（レーザ光）を光硬化樹脂２の液面の所定位置（光硬化位置）に斜めに集光させ、この部分の樹脂を光硬化させることができる。また特に斜めに集光させることにより硬化部の輪郭部分の硬化が弱まり、積層段差を軽減できる。なお、レーザ発振器１２ａ及び光照射ヘッド１３は、上述した構成に限定されず、周知の別の構成のものであってもよい。
【００２１】
沈降装置１４は、図１に示すようにｚ軸方向に下降可能な昇降テーブル１４ａを有するＺ軸位置制御装置であり、このテーブル１４ａを下降させることにより、光照射による硬化層４を液面下に沈降させるようになっている。また、光硬化樹脂２の液面２ｂは、図示しない液面保持装置により、必要な樹脂量を補給し、液面を常に一定に保持するようになっている。
【００２２】
リコート装置１６は、硬化層４の上面で水平に移動するリコータ１６ａを有し、このリコータ１６ａの水平移動により未硬化層２ａの上面を平滑にならし、沈降した硬化層４の上を未硬化層２ａで被覆するようになっている。
【００２３】
色素滴下装置１８は、色素滴下ヘッド１９を有し、このヘッドから光硬化性樹脂の液面の所定位置（光硬化位置）に垂直に着色用色素８を滴下するようになっている。色素滴下装置１８は例えばインクジェット装置であり、好ましくは３原色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）のヘッド１９をそれぞれ別個に備えるのがよい。
またこのヘッド１９の下面は未硬化層２ａの上面から隙間（例えば２ｍｍ前後）を隔てており、この隙間からレーザ光９が斜めに入射する。
【００２４】
上述した光照射装置１２の光照射ヘッド１３と、色素滴下装置１８の色素滴下ヘッド１９とは、常に同一位置に色素を滴下しかつ硬化光を照射するように一体に連結されている。また、液面位置制御装置２０は、光照射ヘッド１３、色素滴下ヘッド１９及びリコータ１６ａが固定された水平移動ロッド２０ａを有し、これらを光硬化性樹脂の液面に沿って二次元的に自由に位置制御し、着色硬化層を自由に形成できるようになっている。
【００２５】
更に、図１において、２２は制御用ＰＣ、２３は記憶装置であり、記憶装置２３に記憶されたＣＡＤデータ及び積層データの基づき制御用ＰＣ２２により、光照射装置１２、沈降装置１４、リコート装置１６、色素滴下装置１８及び液面位置制御装置２０を制御するようになっている。
【００２６】
図２は、本発明による光固化着色造形方法の工程図である。本発明の光固化着色造形方法は、未硬化層形成工程（Ａ）と着色硬化工程（Ｂ）とからなる。この図において、未硬化層形成工程（Ａ）はステップ（１）と（４）に相当し、着色硬化工程（Ｂ）はステップ（２）と（３）に相当する。
【００２７】
ステップ（１）において、硬化層４の上面に光硬化性樹脂２の未硬化層２ａをリコータ１６ａで形成する。
【００２８】
ステップ（２）において、インクジェット装置１８により未硬化層２ｂに着色用色素８を滴下し、同時に色素の滴下位置にレーザ装置から硬化光９（ＵＶ光）を照射して着色箇所を硬化させる。なお本発明では未硬化層２ｂに対し着色用色素８を垂直に滴下し、同一位置に硬化光９を斜めに照射する。
着色用色素８は単色でもよく、あるいは複数のヘッドを用いて多色又はフルカラーでもよい。ステップ（３）は、ステップ（２）を繰返し、一層が終了した状態を示している。なおこの図で、Ｒ，Ｇ，Ｂは赤、緑、青の３原色を示している。
【００２９】
ステップ（４）では、テーブル１４ａが下降し、リコータ１６ａで硬化層４の上面に新たな未硬化層２ａを形成する。このステップは実質的にはステップ（１）と同一である。
【００３０】
上述した未硬化層形成工程（Ａ）と着色硬化工程（Ｂ）を繰返すことにより、（Ｃ）に模式的に示す着色造形物を製造することができる。この着色造形物は、複数（この例では３原色）の着色部と、着色のない透明部とを有する。
この図では、着色部を内部に、透明部を外部に設けているが、本発明はこれに限定されず、外部に着色部を設けてもよい。また、透明部をなくし着色部のみで全体を構成することもできる。
【００３１】
上述した本発明の方法及び装置によれば、光照射装置１２と色素滴下装置１８により、着色硬化工程（Ｂ）において光硬化性樹脂２の未硬化層２ａに着色用色素８を滴下し同時に該色素の滴下位置に硬化光９を照射することができる。
【００３２】
従って、光硬化性樹脂２の未硬化層２ａは、色素８が滴下されると同時にその滴下位置に硬化光９が照射されて硬化するので、従来の外周壁なしで着色部を短時間に形成できる。また、色素８の滴下は例えばインクジェットプリンタ用のヘッドを用いることにより微細化が可能であり、硬化光９の照射も例えばレーザ光を用いることにより微細化できるので、着色領域の微細化が容易である。更に、それぞれのヘッドを例えば３原色用に別個に設けることにより、多色造形やフルカラー造形も容易にできる。
【００３３】
なお、本発明は上述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００３４】
【発明の効果】
上述したように、本発明の光固化着色造形方法及び装置は、外周壁なしで着色部を短時間に形成でき、着色領域の微細化が容易であり、多色造形やフルカラー造形も容易にできる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光固化着色造形装置の全体構成図である。
【図２】本発明による光固化着色造形方法の工程図である。
【図３】光固化造形法の原理図である。
【図４】光固化造形法により従来の着色造形手段の模式図である。
【符号の説明】
１　３次元モデル、２　光硬化性樹脂、
２ａ　液面、２ｂ　未硬化液、
３　レーザ光、４　硬化層、５　テーブル、６　外周壁、
７　液相領域（未硬化溝部）、８　着色剤（着色用色素）、
９　レーザ光（硬化光）、
１０　光固化着色造形装置、
１２　光照射装置、１２ａレーザ発振器、１３　光照射ヘッド、
１４　沈降装置、１４ａ　昇降テーブル、
１６　リコート装置、１６ａリコータ、
１８　色素滴下装置、１９　色素滴下ヘッド、
２０　液面位置制御装置、
２２　制御用ＰＣ、２３　記憶装置

Claims

光硬化性樹脂（２）の未硬化層（２ａ）を形成する未硬化層形成工程（Ａ）と、該未硬化層に着色用色素（８）を滴下し同時に該色素の滴下位置に硬化光（９）を照射する着色硬化工程（Ｂ）とを有する、ことを特徴とする光固化着色造形方法。
前記未硬化層に対し着色用色素（８）を垂直に滴下し、同一位置に硬化光（９）を斜めに照射する、ことを特徴とする請求項１に記載の光固化着色造形方法。
光硬化性樹脂（２）の液面（２ｂ）に硬化光（９）を照射する光照射装置（１２）と、光照射による硬化層（４）を液面下に沈降させる沈降装置（１４）と、沈降した硬化層上を未硬化層（２ａ）で被覆するリコート装置（１６）と、前記光硬化性樹脂の液面に着色用色素（８）を滴下する色素滴下装置（１８）とを備え、
前記光照射装置（１２）と色素滴下装置（１８）は、光硬化性樹脂の液面に着色用色素を滴下し同時に該色素の滴下位置に硬化光を照射するようになっている、ことを特徴とする光固化着色造形装置。
前記光照射装置（１２）の光照射ヘッド（１３）と、前記色素滴下装置（１８）の色素滴下ヘッド（１９）とは、同一位置に色素を滴下しかつ硬化光を照射するように一体に連結されている、ことを特徴とする請求項３に記載の光固化着色造形装置。
光照射ヘッド（１３）と色素滴下ヘッド（１９）を光硬化性樹脂の液面に沿って二次元的に位置制御する液面位置制御装置（２０）を備える、ことを特徴とする請求項３に記載の光固化着色造形装置。