JP2005053024A - ３次元積層造形装置及び３次元積層造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 未硬化の樹脂層に対し、ＤＭＤプロジェクターから出力される紫外光を照射することによって面露光を行い、これにより、露光工程に要する時間を大いに短縮することができる３次元積層造形方法、及び、そのための装置を提供する。

【解決手段】 この３次元積層造形方法は、造形しようとする立体物の断面形状を、紫外光を主光源とするＤＭＤプロジェクター（露光手段１２）によって樹脂組成物１４の露光面に投写して樹脂組成物１４を硬化させる工程を繰り返し、樹脂組成物１４を積層していくことを特徴としており、かつ、一層分の断面形状を複数箇所及び／又は複数回に分けて投写したり、一層分の断面形状を投写する際、その断面形状を投写する工程と、その断面形状を内側及び／又は外側にオフセットさせた形状を投写する工程とが実行されることを特徴としている。

【選択図】 図１

Description

本発明は、光硬化性樹脂に光を照射して硬化させる工程を繰り返し実行することにより、立体物を造形する光造形法に関し、特に、樹脂表面全体について面露光を行うことにより、短時間で立体物を造形することができる３次元積層造形方法、及び、そのための装置に関する。

従来より、光造形法用の樹脂組成物として、様々な種類のものが開発され、実用に供されている。例えば、特開２００１−４９１２９号公報には、温度変化によって可逆的かつ急速にゾル−ゲル相転移を引き起こす機能を有する「可逆的急速相転移性樹脂成分（例えば、常温でゲル状態であり、かつ、約８０〜１００℃でゾル状態に変移する組成物）」と、光照射により硬化する「光硬化性成分」とを含むことを特徴とする光造形法用樹脂組成物に関連する技術が開示されている。

また、特開２００３−１１２３５号公報には、上記のような光造形法用樹脂組成物を用いて光造形法を実施するための装置（光造形装置）が開示されている。

特開２００１−４９１２９号公報 特開２００３−１１２３５号公報

上記の光造形装置をはじめとして、従来の３次元積層造形装置は、未硬化の樹脂層に対し、レーザー光やビーム光を縦横に走査させて、描画的に露光を行っていた。このため、造形速度が非常に遅く、例えば、高さ１０ｃｍ程度のモデルの造形に、１０時間以上の時間を要していた。

尚、描画的な露光を行うのではなく、未硬化の樹脂層の全面を対象として光を一度に照射する「面露光」という露光方式も知られている。この方式による場合、描画的な露光を行う場合と比べ、露光時間を大いに短縮することができる。但し、面露光方式を採用した従来の３次元積層造形装置は、液晶シャッターやフォトマスクを用いて面露光を実現していたため、精度、耐久性、経済性等の面で、種々の問題があった。

具体的には、液晶シャッターを用いると、画素（ピクセル）の大きさの影響で、造形物の輪郭線がいわゆる「ギザギザ」になってしまい、高品質の造形物を得ることが困難であった。また、光源として紫外線を用いた場合、液晶が紫外線によって容易に劣化してしまい、耐久性の点で問題があった。

一方、フォトマスクを用いる場合、一層ごとに、透明ガラス等にトナーを定着させて断面形状に応じたマスクを作成する必要があり、一つの造形物を作成するに際して大量の資材が必要となる。そこで、透明ガラスを洗浄して再利用することも考えられるが、装置が大型化し、製造コストも嵩んでしまうという問題がある。また、透明ガラスの代わりに透明フィルムを使用し、使用後は廃棄する（いわゆる「使い捨て」）という方法も考えられるが、ランニングコストが高くなるだけでなく、省資源化の観点からも問題がある。

本発明は、未硬化の樹脂層に対し、ＤＭＤプロジェクターから出力される紫外光を照射することによって面露光を行い、これにより、露光工程に要する時間を大いに短縮することができ、かつ、高品質の造形物を得ることができる３次元積層造形方法、及び、そのための装置を提供することを目的とする。

尚、ここに言う「ＤＭＤプロジェクター」とは、アメリカのテキサスインスツルメント社で開発されたＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）素子を用いたプロジェクターのことである。また、「ＤＭＤ素子」は、約５０万から１３１万個もの極小ミラーが、標準のロジックデバイスに敷き詰められており、それぞれ光スイッチとして作動する光半導体チップである。

本発明に係る３次元積層造形方法は、造形しようとする立体物の断面形状を、紫外光を主光源とするＤＭＤプロジェクターによって樹脂組成物の露光面に投写して当該樹脂組成物を硬化させる工程を繰り返し、当該樹脂組成物を積層していくことを特徴としている。尚、樹脂組成物は、温度変化によって可逆的かつ急速にゾル−ゲル相転移を引き起こす機能を有する可逆的急速相転移性樹脂成分と、光照射により硬化する光硬化性成分と、を含む樹脂組成物であることが好ましい。

尚、「紫外光を主光源とする」とは、照射される光の波長が３００〜４００ｎｍの紫外領域の光がもっとも多くなるように、それ以外の波長をできるだけカットした光を用いることを意味する。

また、造形しようとする立体物の一層分の断面形状の投写を複数箇所及び／又は複数回に分けて投写することが好ましく、更に、その断面形状を投写する工程と、その断面形状を内側及び／又は外側にオフセットさせた形状を投写する工程とを実行することが好ましい。

一方、本発明に係る３次元積層造形装置は、樹脂組成物を露光させるための手段として、紫外光を主光源とするＤＭＤプロジェクターを有していることを特徴としている。

本発明に係る３次元積層造形方法による場合、造形しようとする立体物の断面形状の画像を投写する紫外光が、樹脂組成物の露光面全体に対して照射され、これにより未硬化樹脂層の露光が行われるようになっているので（面露光）、６０ｍｍ／Ｈｒ以上の造形速度を実現することができ、従来の造形装置のように、レーザー光やビーム光を縦横に走査させて描画的に露光を行う場合と比べ、露光工程の所要時間を大いに短縮することができる。

また、レーザー発信装置や、レーザー光或いはビーム光を縦横に精密に走査させるための手段等、高価な装置を用いずに構成することができるので、製造コスト、ランニングコストを抑制し、経済性を向上させることができる。

また、造形しようとする立体物の一層分の断面形状の投写を複数箇所及び／又は複数回に分けて投写するようにした場合には、硬化させようとする面積が大きい場合でも、重合熱による造形物の「反り変形」を好適に回避することができる。

更に、断面形状を投写する工程と、その断面形状を内側及び／又は外側に、所定量オフセットさせた形状を投写する工程とを実行するようにした場合、造形しようとする立体物の輪郭を平滑化することができる。

以下、添付図面に示す実施例に基づいて、本発明「３次元積層造形装置」を実施するための最良の形態について説明する。

図１は、本発明に係る３次元積層造形装置１の実施例の説明図である。この図において、２は樹脂組成物を供給するための樹脂供給部であり、３は樹脂組成物の供給口である。４は樹脂組成物を均すためのリコータであり、所定方向へ移動可能なように構成されている。

５は樹脂組成物の成形が行われるエレベータであり、上下方向へ移動可能なように構成されている。また、６は樹脂供給部２から供給された樹脂組成物の余剰分を回収するための樹脂回収部であり、７は樹脂組成物の回収口である。また、８，９は断熱プレートであり、１０は樹脂供給管、１１は樹脂回収管、１２は露光手段である。

この造形装置１は、上記のような要素のほか、樹脂回収部６よりも低い位置に配置された、樹脂組成物貯留用のタンク、このタンクから樹脂供給部２へと樹脂組成物を圧送するためのポンプ、光照射を行うための露光手段、制御手段等を有している。

尚、本実施例においては、温度変化によって可逆的かつ急速にゾル−ゲル相転移を引き起こす機能を有する可逆的急速相転移性樹脂成分（常温でゲル状態であり、かつ、約８０〜１００℃でゾル状態に変移する組成物）と、光照射により硬化する光硬化性成分とを含む光造形法用の樹脂組成物（例えば、成分としてウレタンアクリレート系紫外線硬化性樹脂やエポキシ系紫外線硬化性樹脂、シンジオタクチックポリメチルメタクリレート、及び、アイソタクチックポリメチルメタクリレートを含む組成物）が使用される。

ここで、この造形装置１を使用して実施される３次元積層造形方法について説明する。まず、図１の（１）に示されているように、エレベータ５を基準面Ｂから一層分（例えば、０．２ｍｍ）降下させる（塗布のための降下）。そして、リコータ４が樹脂供給部２の供給口３よりも外側（この図において右側）にある状態において、タンクから樹脂供給管１０を介して、所定量の樹脂組成物１４を圧送し、供給口３から樹脂供給部２の上面に供給する。

次に、図１の（２）に示すように、リコータ４を、樹脂供給部２側から樹脂回収部６側へと移動させることによって、エレベータ上面５ａ（或いは、既にエレベータ５上に積層された下位の樹脂組成物層の上面）の全面に、樹脂組成物１４を均一な厚さにて塗布、供給する。

そして、図１の（３）に示すように、露光手段１２を用いて光照射を行い、樹脂組成物１４の一部を光硬化させる。樹脂組成物への光照射が終了したら、エレベータ５を更に一層分降下させる。本実施例の造形装置１は、以上のような工程を、順次、複数回繰り返すことによって、最終的には、立体的な造形物を層状に形成していくことができるようになっている。

尚、本実施例の造形装置１においては、露光手段１２として、紫外光を主光源とするＤＭＤプロジェクターが使用されている。このプロジェクターの基本的な構成要素となるＤＭＤは、半導体（ＣＭＯＳ ＳＲＡＭ）の上に、数十万個の超小型ミラー（約２０ミクロン角）がマトリックス状に敷き詰められてなるものであり、２次元画像のデジタルデータ（メモリアドレス出力）に応じて、各ミラーの角度を、二方向（オンとオフ）にそれぞれ独立して変化（±１０°）させることができるようになっている。

そして、このＤＭＤを内蔵したプロジェクターにおいては、光源からミラー群に向けて出射された紫外光が、各ミラーの角度によって、二つの反射光、即ち、オン状態のミラーの反射光と、オフ状態のミラーの反射光とに分離され、このプロジェクターからは、オン状態のミラーの反射光のみが外部へ出力され、画像が投写されるようになっている。

本実施例の造形装置１においては、造形対象となるモデルの断面形状を示す２次元画像のデジタルデータがＤＭＤプロジェクター（露光手段１２）に入力され、その画像に応じた紫外光（オン状態のミラーの反射光）が出力され、エレベータ５の上に積層された樹脂組成物の最上層の表面（露光面）にその画像が投写されるようになっている。そして、ＤＭＤプロジェクターから断面形状の画像が投写されると、最上層の樹脂組成物は、その投写された画像の通りに硬化することになる。

このように、本実施例の造形装置１においては、造形すべき断面形状の画像を投写する紫外光が、樹脂組成物の露光面全体に対して照射され、これにより未硬化樹脂層の露光が行われるようになっているので（面露光）、従来の造形装置のように、レーザー光やビーム光を縦横に走査させて描画的に露光を行う場合と比べ、露光工程の所要時間を大いに短縮することができる。

また、本実施例においては、造形しようとする立体物の一層分の断面形状を、複数回に分けて投写できるようになっている。具体的には、造形しようとする立体物の一層分の断面形状を投写する際、その断面形状を投写する工程と、その断面形状の輪郭線を内側及び／又は外側に、所定量（例えば、０．３ｍｍ）オフセットさせた形状を投写する工程とが実行されるようになっており、これにより、造形しようとする立体物の輪郭を平滑化（スムージング）することができる。尚、「オフセットさせた形状」のデータは、装置内の制御システムにおいて、断面形状のデータから自動生成されるようになっている。

また、ＤＭＤプロジェクターから露光面に一回で投写させることができる面積を超える断面面積の立体物を造形する場合には、その断面形状を均等に分割（例えば、４分割、或いは、９分割）し、一層分の断面形状を複数回に分けて投写させることもできる。

尚、一回の面露光により、露光面の全体を露光させようとする場合、急激に重合熱が発生する場合がある。特に、硬化させようとする面積が大きいような場合には、重合熱が発生しやすい。重合熱が発生すると、造形物において「反り変形」が生じるおそれがある。本実施例においては、一層分の断面形状を複数箇所に分けて投写できるようになっているので、硬化させようとする面積が大きいような場合であっても、重合熱の発生を抑え、「反り変形」を回避することができる。一方、硬化させようとする面積が小さい場合には、重合熱はあまり問題とならないため、一回の面露光によって、露光面の全体を露光させるようにしても差し支えない。

また、本実施例においては、前述の通り、リコータ４によって、エレベータ上面５ａに樹脂組成物１４が塗布、供給されるように構成されているが、本発明に係る３次元積層造形装置１における樹脂供給方式は、この方式に限定されるものではなく、例えば、樹脂組成物１４をあらかじめフィルム状にしておいて、これを順次エレベータ５上へと供給するという方式を採用することもできる。

更に、ＤＭＤプロジェクターから樹脂組成物１４の露光面へ紫外光を投写する方法についても、直接投写する方法のほか、マイクロレンズを配置した透過型スクリーンを通して投写する、という方法を適用することもできる。このような透過型スクリーンを通して紫外光を投写する方法を採用した場合、平行光を照射できるように構成した場合であっても、装置をコンパクトなものとすることができる。

本発明に係る３次元積層造形装置１の実施例の説明図である。（実施例１）

符号の説明

１：３次元積層造形装置、
２：樹脂供給部、
３：供給口、
４：リコータ、
５：エレベータ、
５ａ：エレベータ上面、
６：樹脂回収部、
７：回収口、
８，９：断熱プレート、
１０：樹脂供給管、
１１：樹脂回収管、
１２：露光手段、
１４：樹脂組成物、
Ｂ：基準面、

Claims (5)

1. 造形しようとする立体物の断面形状を、紫外光を主光源とするＤＭＤプロジェクターによって樹脂組成物の露光面に投写して当該樹脂組成物を硬化させる工程を繰り返し、当該樹脂組成物を積層していくことを特徴とする、３次元積層造形方法。
2. 前記樹脂組成物が、温度変化によって可逆的かつ急速にゾル−ゲル相転移を引き起こす機能を有する可逆的急速相転移性樹脂成分と、光照射により硬化する光硬化性成分と、を含む樹脂組成物であることを特徴とする、請求項１に記載の３次元積層造形方法。
3. 造形しようとする立体物の一層分の断面形状を、複数箇所及び／又は複数回に分けて投写することを特徴とする、請求項１に記載の３次元積層造形方法。
4. 造形しようとする立体物の一層分の断面形状を投写する際、その断面形状を投写する工程と、その断面形状を内側及び／又は外側にオフセットさせた形状を投写する工程とが実行されることを特徴とする、請求項３に記載の３次元積層造形方法。
5. 樹脂組成物を露光させるための手段として、紫外光を主光源とするＤＭＤプロジェクターを有していることを特徴とする３次元積層造形装置。

Images