JP2004042546A - Method for lamination-molding functional material - Google Patents
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Abstract
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機能性材料の積層造形方法に関する。
【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4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5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、上述した従来の光固化造形法では、3次元形状を有する模型等は製造できるが、これに導電性等を付加した3次元機能構造体(例えば3次元配線)を造形することはできなかった。
【0007】
本発明は、かかる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、3次元形状を造形すると同時にその一部に導電性等の機能を付加した3次元機能構造体を造形することができる機能性材料の積層造形方法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、光硬化性材料(2)の未硬化層(2a)を形成する未硬化層形成工程(A)と、該未硬化層に所定のパターンの硬化層(4)を形成する硬化層形成工程(B)と、形成した硬化層の間の未硬化層を除去する未硬化層除去工程(C)と、除去した未硬化層領域に機能性材料(11a)を含む光硬化性材料(11)を供給する機能性材料供給工程(D)と、該機能性材料を含む光硬化性材料(11)を硬化させる機能性材料硬化工程(E)とを有する、ことを特徴とする機能性材料の積層造形方法が提供される。
【0009】
上記本発明の方法によれば、未硬化層形成工程(A)と硬化層形成工程(B)により新たな未硬化層(2a)に所定のパターンの硬化層(4)を形成することができる。また、未硬化層除去工程(C)により形成した硬化層の間の未硬化層を除去し、機能性材料供給工程(D)により除去した未硬化層領域に機能性材料(11a)を含む光硬化性材料(11)を供給することにより、形成した硬化層の間の未硬化層を機能性材料(11a)を含む光硬化性材料(11)に置換することができる。更に、機能性材料硬化工程(E)により機能性材料を含む光硬化性材料(11)を硬化させることにより、3次元形状を造形すると同時にその一部に導電性等を付加し、3次元機能構造体を造形することができる。
【0010】
本発明の好ましい実施形態によれば、光硬化性材料(2)は、光硬化性樹脂または光硬化性粉末である。
光硬化性樹脂または光硬化性粉末のどちらを用いても、同様の工程により、3次元機能構造体を造形することができる。
【0011】
前記機能性材料(11a)は、樹脂、金属、有機物、無機物、傾斜材の粉末または溶融体である。
これらの機能性材料(11a)を用いることにより、3次元配線や傾斜機能材等を構成することができる。
【0012】
前記未硬化層除去工程(C)は、吸引装置による未硬化層の吸引、又は送風装置による未硬化層の吹き飛ばしによる。
この方法により、形成した硬化層(4)の間の未硬化層を容易に除去することができる。
【0013】
【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。
【0014】
図1は、本発明の積層造形方法の第1実施形態を示す工程図である。この実施形態では光硬化性材料2として光硬化性樹脂を用いる光固化造形装置を用いる。この光固化造形装置は、光照射装置12、沈降装置14、リコート装置16、機能材滴下装置18及び吸引装置20を備える。
【0015】
光照射装置12は、レーザ光源12a及びガルバノミラー12bを備え、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)を放射し、ガルバノミラー12b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)に集光するようになっている。
【0016】
沈降装置14は、上下方向に昇降可能な昇降テーブル14aを有し、このテーブル14aを下降させることにより、光走査による硬化層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。
【0017】
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。
【0018】
機能材滴下装置18は、機能材滴下ヘッド18aを有し、このヘッドから光硬化性樹脂の所定位置に機能性材料11aを含む光硬化性材料11を滴下するようになっている。機能材滴下装置18は、例えばインクジェット装置である。
機能性材料11aは、樹脂、金属、有機物、無機物、傾斜材の粉末または溶融体である。例えば、溶融金属を用いることにより電気抵抗の小さい3次元配線(3次元プリントパターン)を構成することができる。また、溶融金属の組成を途中で変更して半導体や傾斜機能材等を構成することができる。なお、溶融金属のように単独で凝固する材料の場合には、光硬化性材料11の比率を小さくし、あるいは光硬化性材料なしで機能性材料11aのみを滴下してもよい。
【0019】
吸引装置20は、未硬化層を吸引するための吸引装置、例えば真空ポンプの吸引口である。なお、吸引装置20の代わりに未硬化層を吹き飛ばすことができる送風装置を用いてもよい。
【0020】
上述した光照射装置12、機能材滴下装置18及び吸引装置20は、光硬化樹脂2の液面および液面より1ステップ分高い位置で、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できるようになっている。
【0021】
図1において、本発明の機能性材料の積層造形方法は、未硬化層形成工程(A)、硬化層形成工程(B)、未硬化層除去工程(C)、機能性材料供給工程(D)及び機能性材料硬化工程(E)からなり、この順で順次実施される。
【0022】
未硬化層形成工程(A)では、テーブル14を下降しリコータ16により、硬化層4の上面に光硬化性材料2の未硬化層2aを形成する。
硬化層形成工程(B)では、光照射装置12により未硬化層2aにレーザ光9を照射し、所定のパターンの硬化層4を形成する。
未硬化層除去工程(C)では、テーブル14を上昇し吸引装置20により形成した硬化層4の間の未硬化層2aを除去する。
機能性材料供給工程(D)では、機能材滴下装置18により除去した未硬化層領域に機能性材料11aを含む光硬化性材料11を滴下する。
機能性材料硬化工程(E)では、光照射装置12により機能性材料を含む光硬化性材料11を硬化させる。
【0023】
上述した(A)〜(E)のステップで、1層分の機能性材料の積層造形が完了する。次いで、(A’)に示すように、テーブル14を下降しリコータ16により、硬化層4の上面に光硬化性材料2の未硬化層2aを形成する。この工程は未硬化層形成工程(A)と実質的に同一である。
【0024】
上述した(A)〜(E)のステップを繰返すことにより、図3(A)に模式的に示す3次元機能構造体を製造することができる。この3次元機能構造体は、機能性材料を含む機能部と、機能性材料を含まない骨格部からなる。
この図では、機能部を内部に、骨格部を外部に設けているが、本発明はこれに限定されず、外部に機能部を設けてもよい。また、骨格部をなくし機能部のみで全体を構成することもできる。
【0025】
図2は、本発明の積層造形方法の第2実施形態を示す工程図である。この実施形態では光硬化性材料2として光硬化性粉末を用いる光固化造形装置を用いる。この光固化造形装置は、光照射装置12、沈降装置14、リコート装置16、機能材滴下装置18及び吸引装置20を備える。
【0026】
沈降装置14は、上下方向に昇降可能な昇降テーブル14aを有し、このテーブル14aを下降させることにより、光走査による硬化層4を未反応の粉末の下に沈降させるようになっている。また、光硬化性粉末2の上面は、材料供給槽15aから必要な粉末を補給し、粉末表面を常に一定に保持するようになっている。なお15bは材料排出槽である。
【0027】
リコート装置16は、粉末表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。
【0028】
光照射装置12、機能材滴下装置18、及び吸引装置20は図1の第1実施形態と同様である。
【0029】
図2において、本発明の機能性材料の積層造形方法は、未硬化層形成工程(A)、硬化層形成工程(B)、未硬化層除去工程(C)、機能性材料供給工程(D)及び機能性材料硬化工程(E)からなり、この順で順次実施される。
【0030】
未硬化層形成工程(A)では、テーブル14を下降しリコータ16により、硬化層4の上面に光硬化性材料2の未硬化層2aを形成する。
硬化層形成工程(B)では、光照射装置12により未硬化層2aにレーザ光9を照射し、所定のパターンの硬化層4を形成する。
未硬化層除去工程(C)では、テーブル14を上昇し吸引装置20により形成した硬化層4の間の未硬化層2aを除去する。
機能性材料供給工程(D)では、機能材滴下装置18により除去した未硬化層領域に機能性材料11aを含む光硬化性材料11を滴下する。
機能性材料硬化工程(E)では、光照射装置12により機能性材料を含む光硬化性材料11を硬化させる。
【0031】
上述した(A)〜(E)のステップで、1層分の機能性材料の積層造形が完了する。次いで、(A’)に示すように、テーブル14を下降しリコータ16により、硬化層4の上面に光硬化性材料2の未硬化層2aを形成する。この工程は未硬化層形成工程(A)と実質的に同一である。
【0032】
上述した(A)〜(E)のステップを繰返すことにより、図3(B)に模式的に示す3次元機能構造体を製造することができる。この3次元機能構造体は、機能性材料を含む機能部と、機能性材料を含まない骨格部からなる。
この図では、機能部を内部に、骨格部を外部に設けているが、本発明はこれに限定されず、外部に機能部を設けてもよい。また、骨格部をなくし機能部のみで全体を構成することもできる。
【0033】
上述した本発明の方法によれば、未硬化層形成工程(A)と硬化層形成工程(B)により新たな未硬化層2aに所定のパターンの硬化層4を形成することができる。また、未硬化層除去工程(C)により形成した硬化層の間の未硬化層を除去し、機能性材料供給工程(D)により除去した未硬化層領域に機能性材料11aを含む光硬化性材料11を供給することにより、形成した硬化層の間の未硬化層を機能性材料11aを含む光硬化性材料11に置換することができる。更に、機能性材料硬化工程(E)により機能性材料を含む光硬化性材料11を硬化させることにより、3次元形状を造形すると同時にその一部に導電性等を付加し、3次元機能構造体を造形することができる。
【0034】
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。
【0035】
【発明の効果】
上述したように、本発明の機能性材料の積層造形方法は、3次元形状を造形すると同時にその一部に導電性等の機能を付加した3次元機能構造体を造形することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の積層造形方法の第1実施形態を示す工程図である。
【図2】本発明の積層造形方法の第2実施形態を示す工程図である。
【図3】本発明の積層造形方法による3次元機能構造体の模式図である。
【図4】光固化造形法の原理図である。
【図5】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 光硬化性材料(光硬化性樹脂、光硬化性粉末)、
2a 未硬化層、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、11 光硬化性材料、11a 機能性材料、
12 光照射装置、12a レーザ光源、ガルバノミラー12b、
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 機能材滴下装置、18a 機能材滴下ヘッド、
20 吸引装置[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method of layering a functional material by a photo-solidification molding method.
[0002]
[Prior art]
The photo-solidification method is also called rapid prototyping or stereolithography, and is a method of curing a photocurable resin with light to create a three-dimensional object.
[0003]
FIG. 4 is a diagram showing the principle of the photo-solidification method. (A) First, data of a three-dimensional model 1 produced by three-dimensional CAD or X-ray CT is sliced horizontally on a computer to create cross-sectional shape data. (B) Next, the liquid surface of the liquid
[0004]
The photo-solidification method described above has the feature that a three-dimensional object can be created directly from CAD data without going through a mold, and is used in many fields such as production of master models such as precision casting and production of maps and stereoscopic images. Have been. Further, in order to enhance the accuracy and efficiency of the photo-solidification molding method, "optical molding method" (Japanese Patent Publication No. 5-33900) and "laminated flat plate molding method in light curing molding method" (Japanese Patent Publication No. 7-94149). , "Uniform surface exposure type photocuring molding apparatus" (JP-A-9-141747) and the like have been filed.
[0005]
Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-36374 discloses a means for producing a colored molded article by a photo-solidification molding method. This method comprises a plurality of layers formed by laminating and molding a curable resin, and at least one of the plurality of layers is a method for producing a colored molded article having a colored region formed by adding a coloring agent. Then, a step (A) of forming an outer
That is, as schematically shown in FIG. 5, in the outer peripheral wall forming step (A), an
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional photo-solidification modeling method, a model or the like having a three-dimensional shape can be manufactured, but a three-dimensional functional structure (for example, three-dimensional wiring) having conductivity added thereto cannot be formed. Was.
[0007]
The present invention has been made to solve such a problem. That is, an object of the present invention is to provide a method for forming a three-dimensional shape and, at the same time, providing a method for forming a three-dimensional functional structure in which a function such as conductivity is added to a part of the three-dimensional shape. is there.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, an uncured layer forming step (A) for forming an uncured layer (2a) of the photocurable material (2), and a cured layer (4) having a predetermined pattern is formed on the uncured layer. A cured layer forming step (B), an uncured layer removing step (C) for removing an uncured layer between the formed cured layers, and a photocurable material containing a functional material (11a) in the removed uncured layer region A functional material supply step (D) for supplying the material (11); and a functional material curing step (E) for curing the photocurable material (11) containing the functional material. A method for additive manufacturing of a functional material is provided.
[0009]
According to the method of the present invention, the cured layer (4) having a predetermined pattern can be formed on the new uncured layer (2a) by the uncured layer forming step (A) and the cured layer forming step (B). . In addition, the uncured layer between the cured layers formed in the uncured layer removing step (C) is removed, and the light containing the functional material (11a) in the uncured layer region removed in the functional material supplying step (D). By supplying the curable material (11), the uncured layer between the formed cured layers can be replaced with the photocurable material (11) including the functional material (11a). Further, by curing the photo-curable material (11) containing the functional material in the functional material curing step (E), a three-dimensional shape is formed, and at the same time, a part of the three-dimensional shape is added with conductivity and the like, thereby providing a three-dimensional function. The structure can be shaped.
[0010]
According to a preferred embodiment of the present invention, the photocurable material (2) is a photocurable resin or a photocurable powder.
Regardless of whether a photocurable resin or a photocurable powder is used, a three-dimensional functional structure can be formed by the same process.
[0011]
The functional material (11a) is a powder or a melt of a resin, a metal, an organic substance, an inorganic substance, a gradient material.
By using these functional materials (11a), a three-dimensional wiring, a functionally graded material, and the like can be formed.
[0012]
The uncured layer removing step (C) is performed by suction of the uncured layer by a suction device or by blowing off the uncured layer by a blower.
According to this method, the uncured layer between the formed cured layers (4) can be easily removed.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same reference numerals are given to the common parts in the respective drawings, and the duplicate description will be omitted.
[0014]
FIG. 1 is a process chart showing a first embodiment of the additive manufacturing method of the present invention. In this embodiment, a photo-solidification molding device using a photocurable resin as the
[0015]
The
[0016]
The
[0017]
The recoating
[0018]
The functional
The
[0019]
The
[0020]
The
[0021]
In FIG. 1, the method of lamination molding of a functional material according to the present invention includes an uncured layer forming step (A), a cured layer forming step (B), an uncured layer removing step (C), and a functional material supplying step (D). And a functional material curing step (E), which is sequentially performed in this order.
[0022]
In the uncured layer forming step (A), the table 14 is lowered, and the
In the cured layer forming step (B), the
In the uncured layer removing step (C), the table 14 is raised and the
In the functional material supply step (D), the
In the functional material curing step (E), the
[0023]
In the steps (A) to (E) described above, the additive manufacturing of one layer of the functional material is completed. Next, as shown in (A ′), the table 14 is lowered, and the
[0024]
By repeating the above steps (A) to (E), a three-dimensional functional structure schematically shown in FIG. 3A can be manufactured. This three-dimensional functional structure includes a functional part containing a functional material and a skeleton part containing no functional material.
In this figure, the function part is provided inside and the skeleton part is provided outside, but the present invention is not limited to this, and the function part may be provided outside. Further, the entire structure can be constituted only by the functional parts without the skeleton part.
[0025]
FIG. 2 is a process chart showing a second embodiment of the additive manufacturing method of the present invention. In this embodiment, a photo-solidification molding device using a photocurable powder as the
[0026]
The
[0027]
The recoating
[0028]
The
[0029]
In FIG. 2, the method of lamination molding of a functional material of the present invention includes an uncured layer forming step (A), a cured layer forming step (B), an uncured layer removing step (C), and a functional material supplying step (D). And a functional material curing step (E), which is sequentially performed in this order.
[0030]
In the uncured layer forming step (A), the table 14 is lowered, and the
In the cured layer forming step (B), the
In the uncured layer removing step (C), the table 14 is raised and the
In the functional material supply step (D), the
In the functional material curing step (E), the
[0031]
In the steps (A) to (E) described above, the additive manufacturing of one layer of the functional material is completed. Next, as shown in (A ′), the table 14 is lowered, and the
[0032]
By repeating the above steps (A) to (E), a three-dimensional functional structure schematically shown in FIG. 3B can be manufactured. This three-dimensional functional structure includes a functional part containing a functional material and a skeleton part containing no functional material.
In this figure, the function part is provided inside and the skeleton part is provided outside, but the present invention is not limited to this, and the function part may be provided outside. Further, the entire structure can be constituted only by the functional parts without the skeleton part.
[0033]
According to the method of the present invention described above, the cured
[0034]
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and it is needless to say that various changes can be made without departing from the gist of the present invention.
[0035]
【The invention's effect】
As described above, the additive manufacturing method of a functional material according to the present invention can form a three-dimensional shape and simultaneously form a three-dimensional functional structure in which a function such as conductivity is added to a part thereof. Has excellent effects.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a process chart showing a first embodiment of the additive manufacturing method of the present invention.
FIG. 2 is a process chart showing a second embodiment of the additive manufacturing method of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram of a three-dimensional functional structure according to the additive manufacturing method of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating the principle of the photo-solidification molding method.
FIG. 5 is a schematic view of a conventional colored shaping means by a photo-solidification shaping method.
[Explanation of symbols]
1 3D model, 2 photo-curable materials (photo-curable resin, photo-curable powder),
2a uncured layer, 3 laser beam, 4 cured layer, 5 table, 6 outer wall,
7 liquid phase region (uncured groove), 8 colorant (coloring dye),
9 laser light, 11 photo-curable material, 11a functional material,
12 light irradiation device, 12a laser light source,
14 sedimentation device, 14a lifting table,
16 recoating device, 16a recoater,
18 functional material dripping device, 18a functional material dripping head,
20 Suction device
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