JP2007190811A - 三次元造形物造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 効率良く光造形を行うことができる三次元造形物造形方法を提供する。
【解決手段】 支持台５の上部表面は、光硬化性物質２の液面より、所定量だけ下に位置するようにされている。この状態で、紫外線２次元発光ダイオードアレイ４を、所定の２次元パターンが形成されるように発光させる（ａ）。すると、紫外線が照射された部分の光硬化性物質２が硬化し、成形物６が形成される（ｂ）。この状態から支持台５を予め決められた量だけ降下させると、支持台５の上面が光硬化性物質２で満たされる（ｃ）。この状態で、紫外線２次元発光ダイオードアレイ４を、所定の２次元パターンが形成されるように発光させる。すると、紫外線が照射された部分の光硬化性物質２が硬化し、成形物６が形成される（ｄ）。この操作を繰り返すことにより、（ｆ）で示すように、目標パターンの３次元形状を有する成形物６が形成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光造形法用樹脂組成物を用いて三次元造形物を造形する方法に関するものである。

光造形法は、その名が示すように、金型を全く用いず、液状の光硬化性物質（光造形法用樹脂組成物）に紫外光を照射して所定のパターンを硬化させ、これを層状に積層させて、最終的に立体成型品を得る方法である。その方法の例を図６に示す。

容器３１の中に、光硬化性物質３２を注入して充満させる。容器３１中には支持台３３が設けられており、光硬化性物質３２中を昇降可能とされている。支持台３３の上部表面は、光硬化性物質３２の液面より、所定量だけ下に位置するようにされている。この状態で容器３１の上方より、紫外線ビームを照射して２次元的に走査し、所定のパターンを光硬化性物質３２の表面上に描画する（ａ）。すると、紫外線が照射された部分の光硬化性物質３２が硬化し、成形物３４が形成される（ｂ）。

この状態から支持台３３を予め決められた量だけ降下させると、成形物３４の上面が未硬化の光硬化性物質３２で満たされる。この状態で、容器３１の上方より、紫外線ビームを照射して２次元的に走査し、所定のパターンを光硬化性物質３２の表面上に描画する（ｃ）。すると、紫外線が照射された部分の３２が硬化し、成形物３４が形成される（ｄ）。この操作を繰り返すことにより、（ｆ）で示すように、目標パターンの３次元形状を有する成形物３４が形成される。形成が終了したところで、成形物３４を支持台３３から剥離し、容器３１から取り出す。

しかしながら、従来の光造形法においては、細い紫外線ビームを２次元走査させることによりパターンを描画しているため、描画に時間がかかるという問題点がある。これを解決するために、マスクを使用して一括露光を行う方法も提案されているが、マスクの種類が非常に多くなり、かつ、マスクのハンドリングが必要となって、実用的でないという問題点がある。又、マスクを使用した場合には、マスクを透過した光に回折が生じてしまい、細かなパターンが作製できないという問題点がある。

本発明はこのような事情によりなされたもので、新規な方法により、効率良く光造形を行うことができる三次元造形物造形方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、光造形法用樹脂組成物の表面に一括露光を行うことにより、前記一括露光のパターンに対応した硬化樹脂層を形成する操作を繰り返して、前記硬化樹脂層が複数積層された三次元造形物を形成する三次元造形物造形方法であって、前記一括露光を行う露光方法が、前記光造形法用樹脂組成物の表面に、光源から直接的に露光を行う方法であることを特徴とする三次元造形物造形方法である。

本手段においては、一括露光を行っているので、描画方式に比べて短時間でパターンの形成をすることができ、しかも、マスク等を使用せず直接的に露光を行っているので、多量のマスク等を必要とせず、かつ、これらのハンドリングが不要である。なお、「直接的に露光を行う」とは、マスク等のパターン形成手段を介さずに露光を行うことを意味し、たとえばレンズ系により、光源の像を形成し、その光源の像が光造形法用樹脂組成物の表面に形成されるような露光方式を含むものである。

前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記直接的に露光を行う方法が、光源として紫外線２次元ＬＥＤアレイを使用し、その光を、直接、前記光造形法用樹脂組成物の表面に照射する方法であることを特徴とするものである。

本手段においては、紫外線２次元ＬＥＤアレイを光源として使用しているので、２次元パターンを一括して形成することができ、かつ、直接露光が可能である。

前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、前記光源と前記光造形法用樹脂組成物との間に、前記光造形法用樹脂組成物と混じり合わず、前記光源からの光によって硬化しない、紫外線に対して透明な物質（緩衝物質）を介在させたことを特徴とするものである。

光源を直接光造形法用樹脂組成物に接触させると、紫外線照射を行った際、硬化した光造形法用樹脂組成物が光源にも付着し、それ以後の紫外線照射の妨げとなる場合がある。本手段においては、光源と光造形法用樹脂組成物との間に、光造形法用樹脂組成物と混じり合わず、光源からの光によって硬化しない、紫外線に対して透明な物質を介在させているので、このようなことの発生を防ぐことができる。

従来法では、光造形法用樹脂組成物は未硬化の状態で流動性を有しているので、光造形装置が駆動されるときの振動や、環境の振動（例えば、建屋の揺れや、他の装置から伝わる外乱振動）によって、光造形法用樹脂組成物の表面（液面）が波打つことがある。このような不安定な液面状態で紫外線を照射して硬化させると、形成された成型物の表面の平面性が確保できない。

しかし、本手段によれば、特に緩衝物質として液体を用いると、光造形用樹脂成型物の照射表面が緩衝物質で被覆されることになり、上記のような振動があっても成型面の平面性を確保できる。

前記課題を解決するための第４の手段は、前記第３の手段であって、
（１）上部が開放された容器中に光造形法用樹脂組成物を入れ、その上部に前記光造形法用樹脂組成物より比重の小さい前記緩衝物質を入れ、
（２）前記容器中を上下運動可能な支持台を設け、
（３）前記緩衝物質を介して、前記光源からの光により前記光造形法用樹脂組成物の表面を一括露光し、その後、前記支持台を所定ピッチ下降させ、（３）の動作を繰り返すことにより、三次元造形物を形成することを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第５の手段は、前記第３の手段であって、下部に注入口を有する密閉容器であって、その下部が紫外線を透過し、支持台が前記密閉容器の内壁に密接して上下にスライド可能なものを使用し、
（１）最初に前記支持台を上方にスライドすることにより、前記注入口から、前記光造形法用樹脂組成物より比重の大きな前記緩衝物質を前記容器内に吸入し、
（２）続いて、前記支持台を上方に所定ピッチスライドすることにより、前記注入口から前記光造形法用樹脂組成物を吸入し、
（３）前記容器の下部から前記緩衝物質を介して、前記光源からの光により前記光造形法用樹脂組成物の表面を一括露光し、
（２）と（３）の動作を繰り返すことにより、三次元造形物を形成することを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第６の手段は、前記第３の手段であって、上部に注入口を有する密閉容器であって、その上部が紫外線を透過し、支持台が前記密閉容器の内壁に密接して上下にスライド可能なものを使用し、
（１）最初に前記支持台を下方にスライドすることにより、前記注入口から、前記光造形法用樹脂組成物より比重の小さな前記緩衝物質を前記容器内に吸入し、
（２）続いて、前記支持台を下方に所定ピッチスライドすることにより、前記注入口から前記光造形法用樹脂組成物を吸入し、
（３）前記容器の上部から前記緩衝物質を介して、前記光源からの光により前記光造形法用樹脂組成物の表面を一括露光し、
（２）と（３）の動作を繰り返すことにより、三次元造形物を形成することを特徴とするものである。

これら、第５の手段、第６の手段では、密閉容器を用いているので、成型物表面は振動の影響を受けにくく、高度の平面性を得ることができる。

前記課題を解決するための第７の手段は、前記第２の手段であって、前記紫外線２次元ＬＥＤアレイの１ピクセルによって露光される前記光造形法用樹脂組成物の形状が、前記１ピクセルの形状より大きいことを特徴とするものである。

本手段においては、紫外線２次元ＬＥＤアレイの１ピクセルによって露光される前記光造形法用樹脂組成物の形状が、前記１ピクセルの形状より大きいので、２次元ＬＥＤアレイが１ピクセルの大きさより小さいことによって発生する非露光エリアを無くすことができる。

前記課題を解決するための第８の手段は、前記第２の手段であって、前記紫外線２次元ＬＥＤアレイの１ピクセルによって露光される前記光造形法用樹脂組成物の形状が、前記１ピクセルの形状より小さく、前記紫外線２次元ＬＥＤアレイを２次元的に走査して複数回露光を行うことにより、前記紫外線２次元ＬＥＤアレイの１ピクセルによって露光される前記光造形法用樹脂組成物の形状を、前記１ピクセルの形状と同じか大きくすることを特徴とするものである。

紫外線２次元ＬＥＤアレイが１ピクセルの大きさより小さいので、そのまま直接照射したのでは、非露光エリアが発生する可能性がある。そこで、本手段においては、紫外線２次元ＬＥＤアレイを２次元的に走査して複数回露光を行うことにより、この非露光エリアを無くしている。

本発明によれば、効率良く光造形を行うことができる三次元造形物造形方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態である三次元造形物造形方法を示す図である。容器１の中に、光硬化性物質２を入れ、さらにその上に、光硬化性物質２より比重が小さく、紫外線を透過させ、光硬化性物質２と混じり合わず、かつ、光源からの光によって硬化しない緩衝物質３を入れる。そして、緩衝物質３の表面に接するか緩衝物質３に少し浸漬されるように、紫外線２次元発光ダイオードアレイ４を配置する。この例においては、光硬化性物質２として、オキセタン系樹脂（ＳＣＲ９５０（株式会社ディーメック製）、比重1.10）を、緩衝物質３としてジメチルシリコンオイル（ＳＨ２００オイル（東レ・ダウコーニング株式会社製）、比重0.76）を使用している。容器１中には支持台５が設けられており、光硬化性物質２中を昇降可能とされている。支持台５の上部表面は、光硬化性物質２の液面より、所定量だけ下に位置するようにされている。この状態で、紫外線２次元発光ダイオードアレイ４を、所定の２次元パターンが形成されるように発光させる（ａ）。すると、紫外線が照射された部分の光硬化性物質２が硬化し、成形物６が形成される（ｂ）。

この状態から支持台５を予め決められた量だけ降下させると、支持台５の上面が未硬化の光硬化性物質２で満たされる（ｃ）。この状態で、紫外線２次元発光ダイオードアレイ４を、所定の２次元パターンが形成されるように発光させる。すると、紫外線が照射された部分の光硬化性物質２が硬化し、成形物６が形成される（ｄ）。この操作を繰り返すことにより、（ｆ）で示すように、目標パターンの３次元形状を有する成形物６が形成される。形成が終了したところで、成形物６を支持台５から剥離し、容器１から取り出す。

この実施の形態においては、緩衝物質３を用いて光硬化性物質２と紫外線２次元発光ダイオードアレイ４とが直接接触することを避けるようにしている。これは、光硬化性物質２と紫外線２次元発光ダイオードアレイ４とが直接接触すると、紫外線照射を行ったときに、固化した光硬化性物質２が紫外線２次元発光ダイオードアレイ４の表面にくっついて、それ以後の照射を妨げることになるのを防ぐためである。緩衝物質３は、液体であっても気体（空気を含む）であってもよい。

図２は、本発明の第２の実施の形態である三次元造形物造形方法を示す図である。密閉容器１１の中に、支持台１２が上下方向に移動可能に設けられている。この支持台１２は、ピストンを兼ねており、上昇するとき、液体を吸入口１４から密閉容器１１の中に吸入するようになっている。密閉容器１１の底面は紫外線を通す材料で構成されており、密閉容器１１の底面には、紫外線２次元発光ダイオードアレイ１３が配置されている（ａ）。

この状態で支持台１２を上昇させ、吸入口１４から、光硬化性物質より比重が大きく、紫外線を透過させ、光硬化物質と混じり合わず、かつ、光源からの光によって硬化しない緩衝物質１５を密閉容器１１内に吸入する（ｂ）。続いて、支持台１２を上昇させ吸入口１４から、光硬化性物質１６を厚さが所定厚さとなるように密閉容器１１内に吸入する（ｃ）。この状態で、紫外線２次元発光ダイオードアレイ１３を、所定の２次元パターンが形成されるように発光させる。すると、紫外線が照射された部分の光硬化性物質１６が硬化し、成形物１７が形成される（ｄ）。

次に、支持台１２をさらに上昇させ、吸入口１４から、光硬化性物質１６を厚さが所定厚さとなるように密閉容器１１内に吸入する（ｅ）。この状態で、紫外線２次元発光ダイオードアレイ１３を、所定の２次元パターンが形成されるように発光させる。すると、紫外線が照射された部分の光硬化性物質１６が硬化し、成形物１７がさらに形成される（ｆ）。この操作を繰り返して、第１の実施の形態と同じように、目標パターンの３次元形状を有する成形物１７が形成される。形成が終了したところで、密閉容器１１の底面を開放し、支持台１２を下げて、成形物１７を密閉容器１１の外に出し、支持台１２から剥離する。この例においては、緩衝物質１５として、フロリナートＦＣ−７７（住友スリーエム株式会社製、比重1.78）を、光硬化性物質１６としてオキセタン系樹脂（ＳＣＲ９５０（株式会社ディーメック製）、比重1.10）を使用している。

図３は、本発明の第３の実施の形態である三次元造形物造形方法を示す図である。図３において、図２と同じ要素には同じ符号を付してその説明を省略することがある。密閉容器１１の中に、支持台１２が上下方向に移動可能に設けられている。この支持台１２は、ピストンを兼ねており、下降するとき、液体を吸入口１４から密閉容器１１の中に吸入するようになっている。密閉容器１１の上面は紫外線を通す材料で構成されており、密閉容器１１の上面には、紫外線２次元発光ダイオードアレイ１３が配置されている（ａ）。

この状態で支持台１２を下降させ、吸入口１４から、光硬化性物質より比重が小さく、紫外線を透過させ、光硬化物質と混じり合わず、かつ、光源からの光によって硬化しない緩衝物質１５を密閉容器１１内に吸入する（ｂ）。続いて、支持台１２を下降させ吸入口１４から、光硬化性物質１６を厚さが所定厚さとなるように密閉容器１１内に吸入する（ｃ）。この状態で、紫外線２次元発光ダイオードアレイ１３を、所定の２次元パターンが形成されるように発光させる。すると、紫外線が照射された部分の光硬化性物質１６が硬化し、成形物成形物１７が形成される（ｄ）。

次に、支持台１２をさらに下降させ、吸入口１４から、光硬化性物質１６を厚さが所定厚さとなるように密閉容器１１内に吸入する（ｅ）。この状態で、紫外線２次元発光ダイオードアレイ１３を、所定の２次元パターンが形成されるように発光させる。すると、紫外線が照射された部分の光硬化性物質１６が硬化し、成形物１７がさらに形成される（ｆ）。この操作を繰り返して、第１の実施の形態と同じように、目標パターンの３次元形状を有する成形物１７が形成される。形成が終了したところで、密閉容器１１の上面を開放し、支持台１２を上げて、成形物１７を密閉容器１１の外に出し、支持台１２から剥離する。この例においては、緩衝物質１５として、ジメチルシリコンオイル（ＳＨ２００オイル（東レ・ダウコーニング株式会社製）、比重0.76）を、光硬化性物質１６としてエポキシ系樹脂（ＴＳＲ−８２１（ＪＳＲ株式会社製）、比重1.12）を使用している。

これら第２、第３の実施の形態においては、緩衝物質１５を用いて密閉容器１１の底面又は上面と光硬化性物質１６とが直接接触することを避けるようにしている。これは、密閉容器１１の底面又は上面と光硬化性物質１６とが直接接触すると、紫外線照射を行ったときに、固化した光硬化性物質１６が４の密閉容器１１の底面又は上面にくっついて、それ以後の照射を妨げることになるのを防ぐためである。

以上の例においては、紫外線２次元発光ダイオードアレイからの光で直接光硬化性物質を照射していたが、紫外線２次元発光ダイオードアレイを光硬化性物質から離れた位置におき、レンズ型等により、紫外線２次元発光ダイオードアレイの実像を、光硬化性物質の表面に結像させるようにしてもよい。このようにすると、紫外線２次元発光ダイオードアレイの表面が汚れる可能性が低くなり、場合によっては緩衝物質を使用する必要がなくなる。

図４は、紫外線２次元発光ダイオードアレイの１ピクセル分を表す図である。２１が１ピクセル分の領域を示し、この領域は、発光ダイオード２２より大きくなっている。通常は、発光ダイオード２２の表面にマイクロレンズを配置し、紫外線２次元発光ダイオードアレイから放出される光の開口角を決めている。図４において、領域２３が、光硬化性物質が露光される領域を示す。図に示すように、この領域２３は、紫外線２次元発光ダイオードアレイの１ピクセル分の領域より大きくなっている。よって、必ず、光硬化性物質の表面の全領域を発光ダイオードからの光で照射可能である。従って、光硬化物質が照射されないで、硬化されるべき部分が未硬化で残ることが無くなる。

逆に、発光ダイオードの表面にマイクロレンズにより、発光ダイオードから放出される光が、発光ダイオードの形状とほぼ同じ形状を持って、広がらないで放出されるようにされている紫外線２次元発光ダイオードアレイがある。この例を図５に示す。１ピクセル分の領域２１より小さな発光ダイオード２２と同じ面積だけが照射される。この場合には、１ピクセル内で、照射されない領域ができてしまうことになる。

これを防ぐには、紫外線２次元発光ダイオードアレイを図５の矢印のように、２次元的に走査して、露光されない部分がないようにすることが好ましい。たとえば、最初に１の領域を露光し、以下、２→３→……８→９の領域が順に照射されるように紫外線２次元発光ダイオードアレイを走査すればよい。

本発明の第１の実施の形態である三次元造形物造形方法を示す図である。 本発明の第２の実施の形態である三次元造形物造形方法を示す図である。 本発明の第３の実施の形態である三次元造形物造形方法を示す図である。 紫外線２次元発光ダイオードアレイの１ピクセル分を表す図である。 発光ダイオードから放出される光が、発光ダイオードの形状とほぼ同じ形状を持って、広がらないで放出されるようにされている紫外線２次元発光ダイオードアレイを使用して、走査により非露光部分をなくす方法を説明するための図である。 従来の光造形法を示す図である。

符号の説明

１…容器、２…光硬化性物質、３…緩衝物質、４…紫外線２次元発光ダイオードアレイ、５…支持台、６…成形物、１１…密閉容器、１２…支持台、１３…紫外線２次元発光ダイオードアレイ、１４…吸入口、１５…緩衝物質、１６…光硬化性物質、１７…成形物、２１…１ピクセルの領域、２２…発光ダイオード、２３…照射される領域

Claims (8)

1. 光造形法用樹脂組成物の表面に一括露光を行うことにより、前記一括露光のパターンに対応した硬化樹脂層を形成する操作を繰り返して、前記硬化樹脂層が複数積層された三次元造形物を形成する三次元造形物造形方法であって、前記一括露光を行う露光方法が、前記光造形法用樹脂組成物の表面に、光源から直接的に露光を行う方法であることを特徴とする三次元造形物造形方法。
2. 請求項１に記載の三次元造形物造形方法であって、前記直接的に露光を行う方法が、光源として紫外線２次元ＬＥＤアレイを使用し、その光を、直接、前記光造形法用樹脂組成物の表面に照射する方法であることを特徴とする三次元造形物造形方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の三次元造形物造形方法であって、前記光源と前記光造形法用樹脂組成物との間に、前記光造形法用樹脂組成物と混じり合わず、前記光源からの光によって硬化しない、紫外線に対して透明な物質（緩衝物質）を介在させたことを特徴とする三次元造形物造形方法。
4. 請求項３に記載の三次元造形物造形方法であって、
   （１）上部が開放された容器中に光造形法用樹脂組成物を入れ、その上部に前記光造形法用樹脂組成物より比重の小さい前記緩衝物質を入れ、
   （２）前記容器中を上下運動可能な支持台を設け、
   （３）前記緩衝物質を介して、前記光源からの光により前記光造形法用樹脂組成物の表面を一括露光し、その後、前記支持台を所定ピッチ下降させ、
   （３）の動作を繰り返すことにより、三次元造形物を形成することを特徴とする三次元造形物造形方法。
5. 請求項３に記載の三次元造形物造形方法であって、下部に注入口を有する密閉容器であって、その下部が紫外線を透過し、支持台が前記密閉容器の内壁に密接して上下にスライド可能なものを使用し、
   （１）最初に前記支持台を上方にスライドすることにより、前記注入口から、前記光造形法用樹脂組成物より比重の大きな前記緩衝物質を前記容器内に吸入し、
   （２）続いて、前記支持台を上方に所定ピッチスライドすることにより、前記注入口から前記光造形法用樹脂組成物を吸入し、
   （３）前記容器の下部から前記緩衝物質を介して、前記光源からの光により前記光造形法用樹脂組成物の表面を一括露光し、
   （２）と（３）の動作を繰り返すことにより、三次元造形物を形成することを特徴とする三次元造形物造形方法。
6. 請求項３に記載の三次元造形物造形方法であって、上部に注入口を有する密閉容器であって、その上部が紫外線を透過し、支持台が前記密閉容器の内壁に密接して上下にスライド可能なものを使用し、
   （１）最初に前記支持台を下方にスライドすることにより、前記注入口から、前記光造形法用樹脂組成物より比重の小さな前記緩衝物質を前記容器内に吸入し、
   （２）続いて、前記支持台を下方に所定ピッチスライドすることにより、前記注入口から前記光造形法用樹脂組成物を吸入し、
   （３）前記容器の上部から前記緩衝物質を介して、前記光源からの光により前記光造形法用樹脂組成物の表面を一括露光し、
   （２）と（３）の動作を繰り返すことにより、三次元造形物を形成することを特徴とする三次元造形物造形方法。
7. 請求項２に記載の三次元造形物造形方法であって、前記紫外線２次元ＬＥＤアレイの１ピクセルによって露光される前記光造形法用樹脂組成物の形状が、前記１ピクセルの形状より大きいことを特徴とする三次元造形物造形方法。
8. 請求項２に記載の三次元造形物造形方法であって、前記紫外線２次元ＬＥＤアレイの１ピクセルによって露光される前記光造形法用樹脂組成物の形状が、前記１ピクセルの形状より小さく、前記紫外線２次元ＬＥＤアレイを２次元的に走査して複数回露光を行うことにより、前記紫外線２次元ＬＥＤアレイの１ピクセルによって露光される前記光造形法用樹脂組成物の形状を、前記１ピクセルの形状と同じか大きくすることを特徴とする三次元造形物造形方法。
   

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