JP2005231333A - 規制液面方式による光造形装置の造形ベース - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は規制液面方式による光造形装置の造形ベースの、造形当初の乱反射による光エネルギーを吸収することにより硬化暴走を抑制するとともに、造形ベースへ固着される造形物の剥離離脱を容易ならしめ、高度な造形精度を有し切断工具を必要としない安全な造形装置を提供する。
【解決手段】 造形当初の平面硬化物層を固着せしめる部位が含浸性構造物である造形ベースとして、その形体である広さ厚み堅さを維持する造形ベース基材１２へ、層状の含浸性構造物１４が粘着層１３によって貼付された多層成形体である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光硬化性の樹脂に所望する任意形状に光エネルギーを照射して、得られた層状の平面硬化物を積層し、３次元造形物を形成する光造形装置の改良に関するものである。

光硬化性の樹脂に光エネルギーを照射して３次元造形物を造形する光造形法は、各種のものが知られており、特に、最近では日刊工業新聞社発行の「光造形法」（１９９０年１０月３０日発行・著者：丸谷洋二，大川和夫，早野誠治，斉藤直一郎，中井孝）により広く理解されるようになっている。

光造形法としては、光硬化性樹脂を貯留した上面開放形樹脂槽内の液面近くに配置した造形テーブルを樹脂の自由液面から順次降下させて、この自由液面に上方から光エネルギーを照射することにより、造形テーブル上に得られる樹脂硬化物を順次沈下積層しながら造形物を成形する自由液面法が一般的に知られており、また、別の方法としては、底面を光の透過窓である透明プレートとした樹脂槽内に、透明プレートと造形ベースにより規制された光硬化性樹脂を配置し、光エネルギーを樹脂槽下方より造形ベース方向へ照射して透明プレートと造形ベースとの間の樹脂を樹脂硬化物層として順次引き上げ積層させる規制液面法が、例えば実開平７−３３６２９号、特開平７−１５９４号、特開平７−１５９５号により知られている。

しかしながら、規制液面方式による光造形装置の造形ベースには吸光性のよい黒色素材や表面に吸光を目的とした粗面処理を施すことで、光エネルギーの乱反射を防ごうとしているが、実際の造形手順において、造形開始当初の造形ベースと光エネルギーの供給面である透明プレート間の間隙は照射光による硬化深度以内の僅少な間隙であり、従来の施策では乱反射による光エネルギーを吸収しきれずに硬化暴走を抑制できないという構造上の欠陥を有している。

また別名引き上げ方式とも言われる規制液面方式における現実問題として、造形当初においては造形精度を得ることより、造形ベースへの接着性のほうが優先されるという命題があり、むしろ光エネルギーを過剰に照射することにより造形ベースへの接着力の増大を図っているという問題もある。

このようにして造形された造形物は、造形ベースヘ強固に固着されており指力腕力等の手動作による離反が困難であるため、造形ベースからの離反には鋸などの刃物によって切断しなければならず、造形物に付加的な構築形状である切りしろを余分に造形する必要があるとともに、切断のための工具が必要となる。

切りしろは切断のために設けられた付加的な構築物であるから、余分な造形時間を強いられるものであるとともに、造形物の剥離離脱にあたる切りしろ部分の切断作業中にモデル自体を破損させてしまう危険と、切断工具による怪我に対しても危険が大きく造形装置としての大きな問題点を有している。

本発明に係る規制液面方式による光造形装置の造形ベースは、上記のような従来における光造形装置の問題点を解消することを目的として開発されたものであり、課題を解決するための具体的な手段として、樹脂槽内の光硬化性樹脂に、樹脂槽下方より所望する任意形状に光エネルギーを照射して、樹脂槽底面と樹脂液内に配置される積層転写面に規制された間隙領域の樹脂を層状に硬化させ得られる平面硬化物を、順次上方へ引き上げつつ３次元造形物を成形する規制液面方式による光造形装置であって、当初の平面硬化物層を固着せしめる部位が含浸性構造物であることを特徴とする光造形装置の造形ベース。

前記当初の平面硬化物層を固着せしめる部位が含浸性構造物である造形ベースとして、その形体である広さ厚み堅さを維持する基材体へ、層状の含浸性構造物が粘着層によって貼付された多層成形体であることを特徴とする。

前記貼付多層成形されている造形ベースの基材体がプラスチック、金属、木材、紙等の応力部材であり、含浸性構造物が植物性繊維、有機化合物系繊維、無機化合物系繊維、紙、発泡スポンジ材であり、粘着層がアクリル系のり、ゴム系のり、ブチルゴム系のりのいずれかからなる材料から構成されていることを特徴とする。

本発明では規制液面方式による光造形装置の造形ベースとして、造形物の固着面に含浸性構造物を使用することが出来、含浸層の中に浸透した樹脂そのものが光エネルギーを吸収しつつ硬化し、含浸性構造物体と固着力を発揮するので、過剰に光エネルギーを照射する必要がないにも関わらず固着不良による落下事故がなく、照射光束の乱反射による形状精度の不具合がない高度な造形精度を有する造形物を提供することができる。

また層状の含浸性構造物を有する多層成形された造形ベースからは造形物を容易に剥離することができるので、刃物類などの切断工具を必要とせず格段の安全向上と、造形物に対しても破損事故の心配が無くなるとともに、切りしろという構築物が全く不要となり、これに相応する造形時間、樹脂材料、レーザ消耗を削減でき経済的である。

従来の造形ベース基材表面への化学的な接着力に期待する方法とは異なり、含浸性構造物内に含浸した光硬化性樹脂が、その構造体と一体硬化物となることによって造形物の造形ベースへの固着力を得ているので、造形ベース基材の材質を自由に選択できることにより、軽量かつ２次加工の容易な合成材料や発泡材料、紙などの材質が利用できるようになり産業上のリサイクル効率の向上に貢献できるとともに製造価格を低廉に抑制することが可能である。

本発明に係る光造形装置の造形ベースの構成を、図１に示す規制液面方式による造形装置により説明すると、２は液状の光硬化性樹脂３を貯留する樹脂造形槽であり、この樹脂造形槽２は透明プレート４を底面に配置した容器形状をなしている。

前記透明プレート４の上方には、エレベータ装置８によって上下動することが可能であり、造形ベース基材１２、粘着層１３、層状の含浸性構造物１４からなる造形ベースが透明プレート４に対峙して取り付けられた造形テーブル１が設けられており、光エネルギーを照射するための光照射装置６が、コンピュータユニット９の制御によって樹脂造形槽２の下方に設けられた縦横方向に自由に移動するＸ−Ｙプロッタ５である走査機構部に載荷配置されている。

図１に示す光造形装置では樹脂造形槽２の底面に配置された透明プレート４を通して光硬化性樹脂３に供給されるために、層状の含浸性構造物１４に固着した積層造形物１０のみならず透明プレート４にも固着硬化を生じ、次層の積層造形のためのエレベータ装置８による引き剥がし作業が困難となる。

このとき積層造形物１０の応力を超えてしまうと造形物は破壊されてしまうことになるので、フッ素樹脂やシリコン樹脂などの高分子素材７を塗布または貼付する方法で、光エネルギー照射面である透明プレート４からの積層造形物１０の剥離を促進する。

Ｘ−Ｙプロッタ５、エレベータ装置８および光照射装置６は、前記コンピュータユニット９により制御されるが、このコンピュータユニット９は所望する３次元形状の積層造形用の積層スライス毎の平面形状を演算し、更にこれに光照射装置６が所望する平面形状を描画するように、光エネルギー照射の走査速度や走査幅などの属性データの計算も同時に行なう。

更に、コンピュータユニット９はＣＡＤを内蔵し、３次元モデルのＣＡＤ入力から積層造形データの演算制御を行なうもの、あるいは３次元モデルの設計は他のコンピュータで行なうもの、あるいはＣＴスキャナー、ＭＲＩ、３次元形状測定機による３次元立体形状の認識を行なう装置とのデータ授受により、該装置の積層造形制御を行なうものなど多様な組み合わせが考えられる。

本実施例に示す光照射装置６はダイオード励起固体レーザを用い、その波長は可視光領域の５３２ｎｍ、出力は５ｍＷであり、光硬化性樹脂３は日本化薬（株）製可視光硬化性の樹脂を供している。

光硬化性樹脂３は光源波長によって、紫外線により硬化するもの、あるいは可視光により硬化するものなどがあり、また樹脂基材においてはアクリル系の樹脂、あるいはエポキシ系の樹脂をあげることができるが、使用する光エネルギー照射装置固有の出力強度および出力波長域において充分硬化する性能があれば、いずれも好適に使用することができる。

図２に示す本発明の光造形装置による造形ベースと従来の造形ベースの構造を比較説明する断面図を用いて、本発明の造形ベースの構造を説明すると、図２（ａ）のように造形ベース基材１２の造形物を固着せしめる側面に粘着層１３により粘着固定された層状の含浸性構造物１４を設けている。

造形ベースの基材体としては、従来の光造形装置の場合図２（ｂ）に示すように造形物１０の第１層目の硬化物層は造形ベース基材１２の造形物の固着面１６に直接接着する必要があることから、例えばアクリル系の光硬化性樹脂にはアクリル系のアクリライト樹脂板とうように化学的に接着の相性の良い基材体の材質を選択せざるをえなかった。

本発明において光硬化性樹脂と造形ベースとの固着力は、多層成形された造形ベースの含浸性構造物に期待されるので、造形ベース基材１２の役目はその形体である広さ厚み堅さを維持できればよいことになり、例えば製造価格を廉価にする場合には、紙、木材、スチレンボードなどの材質、あるいは強度を必要とする場合は、プラスチック、金属などをそのニーズにあわせて選択的に使用することが可能となり、本実施例においていずれの材質も基材体として差異なく良好に使用している。

含浸性構造物としては本実施例においてはケント紙を用いているが、木綿等の植物性繊維、ポリエステルやレーヨン素材の有機化合物系繊維、ガラスや炭素繊維などの無機化合物系繊維、また加工品である和紙、西洋紙などの紙材、発泡ポリウレタンなどのスポンジ材を好適に使用することができ、層厚は０．１ミリ程度から５ミリ程度までの厚みのものが、光硬化性樹脂の粘度や光照射装置の強度に合わせて選択的に各種材料を組み合わせて使うことが可能である。

粘着層としては、光硬化性樹脂の材質に犯されない種類の粘着材料が選択される必要があるが、本実施例に供した日本化薬（株）製可視光硬化性の樹脂にはアクリル系のり、ゴム系のり、ブチルゴム系のりのいずれの材質も粘着層として差異なく良好に使用している。

図１に示した規制液面法による光造形装置について、その造形プロセスを説明すると樹脂造形槽２の透明プレート４上に所定量の光硬化性樹脂３を供給貯留したあと、造形テーブル１を樹脂造形槽２の透明プレート４と層状の含浸性構造物１４とのお互いの面が間隙なく接するように降下待機させることにより、含浸性構造物の内部に光硬化性樹脂３を含浸充満状態とする。

つぎに前記コンピュータユニット９により所望する１層目の平面形状の被照射部分を演算して、得られたデータにより光照射装置６を載荷するＸ−Ｙプロッタ５を走査することにより、光エネルギーを含浸性構造物の内部に充満した状態の光硬化性樹脂３に照射すると、図３（ａ）に示すように層状の含浸性構造物内で固化した硬化物１５が得られる。

本発明の造形ベースの硬化物接触部位の構造を説明する断面図である図３によりこの操作を説明すると、光エネルギーの照射光束１１が光硬化性樹脂３が充満した層状の含浸性構造物１４に進入すると含浸した樹脂が含浸性構造物の繊維質あるいは多孔質形状であるその構造体と一体となって硬化する、すなわち多層成形体である造形ベースに噛合して有力な固着状態になる。

層状の含浸性構造物１４に含浸した光硬化性樹脂３に光エネルギーの照射光束１１が進入するとき、光エネルギー自身が光硬化性樹脂３に吸収されることにより含浸した樹脂を硬化できるのであり、従来の問題点であった図２（ｂ）に示す造形物の固着面１６の表面で光エネルギーが乱反射に起因する造形暴走を及ぼすことがない。

また従来の造形装置では本実施例と同様の造形物を、造形物の固着面１６上に有効な接着力を得るためのＸ−Ｙプロッタ５によるレーザ走査速度としては、積層造形物本体のレーザ走査速度の５倍量に匹敵する５ｍｍ／秒であるが、本発明の含浸性構造物である造形ベースへ固着させるためのレーザ走査速度は積層造形物本体と同様の２５ｍｍ／秒で有効であり、造形ベースへ接着する目的で過剰に光エネルギーを供給する必要は全くないことが分かる。

層状の含浸性構造物内で固化した硬化物１５が得られた後、造形テーブル１を樹脂造形槽２の透明プレート４と層状の含浸性構造物１４の間に積層造形物の積層厚に相当する間隙をつくるように上昇待機させ、コンピュータユニット９により所望する１層目の平面形状の被照射部分を演算して、得られたデータにより光照射装置６を載荷するＸ−Ｙプロッタ５を走査することにより、光エネルギーを透明プレート４と層状の含浸性構造物１４の間に貯留された状態の光硬化性樹脂３に照射することにより１層目の造形物層を得ることができる。

このようにして第１層目の造形物層を造形し、第２層目の積層造形の用意として前記と同様な手順により、順次積層造形物１０と透明プレート４との間に積層厚に等しい間隙を用意した後、光照射装置６により所望する硬化物層を連続的に造形し、以下同様な操作を繰り返すことにより順次造形物層を積層して、目的とする所定の３次元積層造形物を成形する。

このようにして造形された積層造形物１０は図４（ａ）に示すように、本発明に係る造形ベース基材１２、粘着層１３、層状の含浸性構造物１４からなる造形ベースに固着された状態で光造形装置による造形作業を終了している。

造形ベースに固着した状態で、評価鑑賞に供する場合には、造形ベースをこのまま造形テーブル１から離脱すればよい。

積層造形物１０を造形ベースから取り除く場合は、まず図４（ｂ）のように造形ベース基材１２に粘着層１３で粘着貼付されている層状の含浸性構造物の端部１７を指先等でつまみ、層状の含浸性構造物１４を剥離するきっかけをつくる。

このとき層状の含浸性構造物１４からつまみ部となるべろ状の形状をあらかじめ粘着層１３からはみ出した状態になるように配置しておくと利便性が良い。

層状の含浸性構造物１４は、アクリル系のり、ゴム系のり、ブチルゴム系のりのいずれかからなる粘着剤である粘着層１３によって造形ベース基材１２に粘着貼付された状態であるため、これら粘着剤は接着による固着とは異なりその粘着応力以上の力で引き剥がすことが可能であり、図４（Ｃ）及び図４（ｄ）のように粘着層１３から積層造形物１０が層状の含浸性構造物１４に含浸硬化した状態で剥離離脱することができる。

このとき造形ベース基材１２と粘着層１３の粘着力が粘着層１３と層状の含浸性構造物１４より微弱である場合は、粘着層１３は層状の含浸性構造物１４の側面に粘着貼付したまま造形ベース基材１２から剥離離脱されることになる。

引き続いて、層状の含浸性構造物１４を積層造形物１０から剥離離脱する手順及び作用を図５を用いて説明すると、まず図５（ａ）に示すように積層造形物１０と層状の含浸性構造物１４に含浸硬化したままの状態で噛合しており有力な固着状態にある。

しかしながら、層状の含浸性構造物内で固化した硬化物１５は、図５（ｂ）、図５（ｃ）、図５（ｄ）に示すような手順で、層状の含浸性構造物の端部１７を持ち、積層造形物１０から離反方向に片隅から丸めるように剥離離脱力を加えると、積層造形物１０から容易に層状の含浸性構造物内で固化した硬化物１５を破壊しながら剥離離脱することが可能である。

これは層状の含浸性構造物内で固化した硬化物１５は、元来層状であるが故に、面圧として大きく有力な固着力を発揮しているが、それを支える造形ベース基材１２面から取り除かれた状態では、積層造形物の第１硬化層を層状の含浸性構造物１４ごと引き剥がし破壊するのは容易であり、このようにして造形した積層造形物を取り出すことが可能である。

含浸性構造物の構造体である繊維質や多孔質自体は、造形を実施している間においてはその積層造形物と含浸性構造物との固着力を内部構造物として補強するものであるが、積層造形物を含浸性構造物から剥離する場合においてはその破壊索となるのである。

これまで本実施例での説明は、含浸性構造物が造形ベース基材に粘着貼付された多層成形物として説明してきたが、造形ベース基材自体が含浸性構造物である構成でも、造形物の造形ベースへの固着性能や乱反射を吸収するという効果はなんら変わらない。

また規制液面方式による光造形装置として、光源がＸ−Ｙプロッタを用いたレーザ走査による露光手段を本実施例で説明したが、ランプ光や面発光ＬＥＤ、液晶フォトマスクなどによる面露光による露光手段もあり、本発明で示した改良をこれら各種造形手段に適用することは充分可能である。

本発明に係る光造形装置を実施するための造形装置の構成を示す正面斜視図である。 本発明の光造形装置による造形ベースと従来の造形ベースの構造を比較説明する断面図である。 本発明の光造形装置による造形ベースの硬化物固着部位の構造を説明する断面図である。 本発明の光造形装置による造形ベースから造形物を剥離離脱する操作を説明する断面図である。 造形物から本発明の光造形装置による造形ベースの繊維層を剥離離脱する操作を説明する断面図である。

符号の説明

１：造形テーブル
２：樹脂造形槽
３：光硬化性樹脂
４：透明プレート
５：Ｘ−Ｙプロッタ
６：光照射装置
７：高分子素材
８：エレベータ装置
９：コンピュータユニット
１０：積層造形物
１１：照射光束
１２：造形ベース基材
１３：粘着層
１４：層状の含浸性構造物
１５：層状の含浸性構造物内で固化した硬化物
１６：造形物の固着面
１７：層状の含浸性構造物の端部

Claims (3)

1. 樹脂槽内の光硬化性樹脂に、樹脂槽下方より所望する任意形状に光エネルギーを照射して、樹脂槽底面と樹脂液内に配置される積層転写面に規制された間隙領域の樹脂を層状に硬化させ得られる平面硬化物を、順次上方へ引き上げつつ３次元造形物を成形する規制液面方式による光造形装置であって、当初の平面硬化物層を固着せしめる部位が含浸性構造物であることを特徴とする光造形装置の造形ベース。
2. 当初の平面硬化物層を固着せしめる部位が含浸性構造物である造形ベースとして、その形体である広さ厚み堅さを維持する基材体へ、層状の含浸性構造物が粘着層によって貼付された多層成形体であることを特徴とする請求項１記載の光造形装置の造形ベース。
3. 貼付多層成形されている造形ベースの基材体がプラスチック、金属、木材、紙等の応力部材であり、含浸性構造物が植物性繊維、有機化合物系繊維、無機化合物系繊維、紙、発泡スポンジ材であり、粘着層がアクリル系のり、ゴム系のり、ブチルゴム系のりのいずれかからなる材料から構成されていることを特徴とする請求項２記載の光造形装置の造形ベース。

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