JP2008213161A

JP2008213161A - 光造形方法

Info

Publication number: JP2008213161A
Application number: JP2007050055A
Authority: JP
Inventors: Kimitaka Morohoshi; 公貴諸星; Toshio Teramoto; 俊夫寺本
Original assignee: JSR Corp
Current assignee: JSR Corp
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2007-02-28
Publication date: 2008-09-18

Abstract

【課題】凹部上に精度よく均一に硬化樹脂層を積層し、造形することができる光造形方法を提供すること。
【解決手段】本発明に係る光造形方法は、光硬化性組成物８に光を照射して、組成物８の硬化層９を形成し、硬化層９の上に、組成物８を再度供給し、光を照射して、組成物８の硬化層９をさらに形成し、これを繰り返すことにより、硬化層９が積層一体化した立体形状物の光造形方法であって、組成物８の供給を、スプレー塗布により行うものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、光硬化性樹脂液に選択的に光を照射して硬化性樹脂層を形成し、当該硬化性樹脂層を順次積層して立体モデルを形成する光造形方法に関する。

近年、例えば、電子機器に用いられるネジ及びモータ等の機械部品等の設計及びデザイン構成を、ＣＡＤ等を用いてコンピュータ上で行うようになっている。このようなコンピュータ上で設計された三次元モデルに基づいて立体モデルを造形する方法として、例えば光積層造形方法（以下、光造形方法という。）がある。以下に、従来の光造形方法の一例を示す。

従来の光造形方法では、造形する立体モデルを複数の層にスライスして得られる断面群のデータに基づいて造形する。通常、最初の最下段の断面に相当する領域において、光硬化性樹脂液の液面に光線を照射する。すると、光照射された液面部分の光硬化性樹脂液は光硬化し、立体モデルの一断面の硬化樹脂層が造形される。次いで、この硬化樹脂層の表面に未硬化状態の光硬化性樹脂液を所定の厚みでコートする。この場合、この硬化樹脂層を所定の厚み分だけ、樹脂槽に満たされた光硬化性樹脂液に沈めてコートする。そして、この表面に所定パターンに沿ってレーザ光線走査を行い、光照射したコート層部分を硬化させる。硬化した部分は、下部の硬化樹脂層に積層一体化される。以後、光照射工程で扱う断面を隣接する断面に切り替えながら、光照射と光硬化性樹脂液のコートを繰り返すことによって、所望の立体モデルを造形する（特許文献１および２参照）。

また、光硬化性樹脂液を造形テーブル上に塗布し、リコーターブレードにより所定の厚みに薄く延ばした後、光照射して硬化積層を形成することもできる。この工程を繰り返し、所望の立体モデルを造形する方法も知られている。
特開昭５６−１４４４７８号公報特開昭６２−３５９６６号公報

上述の光造形方法は、いずれも平面上への造形には適しているが、それ以外の形状、特に、凹部上に精度よく均一に硬化樹脂層を積層し、造形することができなかった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、凹部上に精度よく均一に硬化樹脂層を積層し、造形することができる光造形方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明に係る光造形方法は、光硬化性組成物に光を照射して、前記組成物の硬化層を形成し、前記硬化層の上に、前記組成物を再度供給し、光を照射して、前記組成物の硬化層をさらに形成し、これを繰り返すことにより、前記硬化層が積層一体化した立体形状物の光造形方法であって、前記組成物の供給を、スプレー塗布により行うものである。

また、前記造形物を形成する工程では、１００ｍｍ^２以下の投影領域を単位として光を照射すれば、より精度よく造形物を形成することができる。そして、前記造形物を形成する工程では、デジタルミラーデバイスによって反射された光によって前記光硬化性組成物を硬化することができる。

本発明に係る光造形方法によれば、凹部上に精度よく均一に硬化樹脂層を積層し、造形することができる光造形方法を提供することができる。

以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能である。
実施の形態１
図１を用いて、本発明にかかる３次元構造体の製造方法に使用される光硬化造形装置（以下、「３次元構造体の製造装置１００」という）の一例について説明する。３次元構造体の製造装置１００は、光源１、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）２、レンズ３、造形テーブル４、スプレーノズル５、制御部６、記憶部７を有している。

光源１は、レーザ光線を発生させる。光源１には、例えば、４０５ｎｍのレーザ光を発生させるレーザダイオード（ＬＤ）や紫外線（ＵＶ）ランプが用いられる。光源１の種類は、光硬化性樹脂組成液の硬化波長との関係において選択されるものであり、本願発明の光造形方法又は、光源１の種類を限定するものではない。

デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）２は、テキサス・インスツルメンツ社によって開発されたデバイスであり、ＣＭＯＳ半導体上に独立して動くマイクロミラーが数十万〜数百万個、例えば、４８万〜１３１万個敷き詰められている。かかるマイクロミラーは、静電界作用によって対角線を軸に約±１０度、例えば、±１２度程度傾けることが可能である。マイクロミラーは、各マイクロミラーのピッチの１辺の長さが約１０μｍ、例えば、１３．６８μｍの四角形の形状を有している。隣接するマイクロミラーの間隔は、例えば１μｍである。本実施の形態で用いたＤＭＤ２の全体は、４０．８×３１．８ｍｍの四角形状を有し（うち、ミラー部は、１４．０×１０．５ｍｍの四角形状を有する。）、１辺の長さが１３．６８μｍのマイクロミラー７８６、４３２個により構成されている。当該ＤＭＤ２は、光源１から出射されたレーザ光線を個々のマイクロミラーによって反射させる。そして、制御部６によって所定の角度に制御されたマイクロミラーによって反射されたレーザ光のみを、集光レンズ３を介し、硬化樹脂層９上にスプレー塗布された光硬化性樹脂組成液８に照射する。

ＤＭＤ２によって反射されたレーザ光線が集光レンズ３を介して硬化樹脂層９上の光硬化性樹脂組成液８に照射される単位領域を投影領域という。個々のマイクロミラーの角度を制御して、反射させたレーザ光線を光硬化性樹脂組成液８に照射するか否かをマイクロミラー毎に決定することにより、投影領域内で選択的に光を照射するパターンを決定する。

レンズ３は、ＤＭＤ２によって反射されたレーザ光線を硬化樹脂層９上の光硬化性樹脂組成液８に導き、投影領域を形成する。レンズ３は、凸レンズを用いた集光レンズであってもよいし、凹レンズを用いてもよい。凹レンズを用いると、ＤＳＭの実サイズよりも大きな投影領域を得ることができる。本実施の形態にかかるレンズ３は、集光レンズであって、入射光を約１５倍縮小し、硬化樹脂層９上の光硬化性樹脂組成液８に集光している。

造形テーブル４は、硬化させた樹脂を順次堆積させた硬化樹脂層９を載置する平板状の台である。この造形テーブル４は、図示しない駆動機構、即ち移動機構によって、水平移動及び垂直移動が可能である。この駆動機構により、所望の範囲に亘って３次元構造体の製造を行うことができる。

スプレーノズル５は、予め定められた量の光硬化性樹脂組成液８を、硬化樹脂層９上の所定位置に、均一厚さにスプレー塗布する。光硬化性樹脂組成液８の粘度は１〜１００ｍＰａ・ｓであることが好ましい。これ未満では、組成液中の固形分量が少なすぎて乾燥が遅くなり、均一厚さとすることが困難になる。一方、これを越えると、粘度が上がりすぎ組成液を均一にスプレーするのが困難になるため好ましくない。また、光硬化性樹脂組成液８中の溶剤量は特に限定されず、上記粘度は溶剤量により適宜調整することができる。スプレーの吐出圧はスプレーノズル５の径及び光硬化性樹脂組成液８の粘度にもよるが、０．０１〜０．５ＭＰａであることが好ましい。吐出圧がこれ未満では組成液の飛沫の大きさが均一にならない可能性がある。一方、これを超えると吹き付けた飛沫が舞ってしまい、均一に塗布することが困難になる。上記スプレー塗布により、平面以外の形状、特に、凹部上に精度よく均一に硬化樹脂層を積層し、造形することができる。

制御部６は、露光データを含む制御データに応じて光源１、ＤＭＤ２、造形テーブル４、スプレーノズル５を制御する。制御部６は、典型的には、コンピュータに所定のプログラムをインストールすることによって構成することができる。典型的なコンピュータの構成は、中央処理装置（ＣＰＵ）とメモリとを含んでいる。ＣＰＵとメモリとは、バスを介して補助記憶装置としてのハードディスク装置などの外部記憶装置に接続される。この外部記憶装置が、制御部６の記憶部７として機能する。記憶部７として機能するフレキシブルディスク装置、ハードディスク装置、ＣＤ−ＲＯＭドライブ等の記憶媒体駆動装置には、フレキシブル等の可搬型記憶媒体が挿入される。記憶媒体にはオペレーティングシステムと協働してＣＰＵなどに命令を与え、本実施形態を実施するための所定のコンピュータプログラムを記憶することができる。

記憶部７には、造形しようとする３次元構造体を複数の層にスライスして得られる断面群の露光データを含む制御データが格納されている。制御部６は、記憶部７に格納された露光データに基づいて、主としてＤＭＤ２における各マイクロミラーの角度制御、造形テーブル４の移動（即ち、３次元構造体に対するレーザ光の照射範囲の位置）を制御し、３次元構造体の造形を実行する。

コンピュータプログラムは、メモリにロードされることによって実行される。コンピュータプログラムは圧縮し、又、複数に分割して記憶媒体に記憶することができる。さらに、ユーザ・インターフェース・ハードウェアを備えることができる。ユーザ・インターフェース・ハードウェアとしては、例えば、マウスなどの入力をするためのポインティング・デバイス、キーボード、あるいは視覚データをユーザに提示するためのディスプレイなどがある。

以下、本実施の形態にかかる３次元構造体の製造装置１００による３次元構造体の製造動作について説明する。まず、スプレーノズル５に未硬化状態の光硬化性樹脂組成液８を供給する。造形テーブル４は初期位置にある。スプレーノズル５は、供給された光硬化性樹脂組成液８を所定量だけ造形テーブル４上にスプレー塗布する。

光硬化性樹脂組成液８を塗布した直後の膜は、多量の有機溶剤を含んでいる。したがって、溶剤除去のために加熱を施すことも可能である。加熱を施す場合においては例えば、ホットプレート、オーブン、赤外線ヒーター等を使用することも可能である。また、このときの加熱条件は、溶剤種や塗布膜厚に依存するが、例えば４０〜１５０℃で、１分間行われる。このように、加熱を施す場合、塗膜の有機溶剤は完全に除去されている必要は無く、本発明の実施の妨げにならない範囲において、例えば数質量％の溶剤が残存していても問題はない。

光源１から出射したレーザ光線は、ＤＭＤ２に入射する。ＤＭＤ２は、記憶部７に格納された露光データに応じて制御部６により制御され、レーザ光線を光硬化性樹脂組成液８に照射する部分に対応したマイクロミラーの角度を調整する。これにより、そのマイクロミラーを反射したレーザ光線が集光レンズ３を介して光硬化性樹脂組成液８に照射され、その他のマイクロミラーを反射したレーザ光線は、光硬化性樹脂組成液８に照射されない。光硬化性樹脂組成液８へのレーザ光線の照射は、例えば０．４秒間行われる。このとき、光硬化性樹脂組成液８への投影領域は、例えば、１．３×１．８ｍｍ程度であり、０．６×０．９ｍｍ程度まで縮小することもできる。投影領域の面積は、通常、１００ｍｍ^２以下であることが望ましい。

また、レンズ３に、凹レンズを用いることにより、投影領域を６×９ｃｍ程度まで拡大することもできる。投影領域をこのサイズを超えて拡大すると、投影領域に照射されるレーザ光線のエネルギー密度が低くなるため、光硬化性樹脂組成液８の硬化が不十分となることがある。また、レーザ光線の投影領域のサイズよりも大きい３次元構造体を形成する場合には、例えば造形テーブル４を移動機構によって水平移動させることにより、レーザ光線の照射位置を移動させて全造形領域を照射する必要がある。この場合、投影領域毎に１ショットずつレーザ光線の照射を実行していく。

このようにして、投影領域を移動させて、各投影領域を単位としてレーザ光線の照射、即ち露光を実行することによって、光硬化性樹脂組成液８が硬化し、第１層目の硬化樹脂層９が形成される。１層分の積層ピッチ、すなわち、硬化樹脂層１層の厚みは、０．３〜２００μｍであることが好ましく、０．５〜１５０μｍであることがより好ましく、０．７〜１００μｍであることが更に好ましい。厚みが０．３μｍ未満では塗布／光照射の繰り返し数が多く造型に多大な時間が必要となる。一方、厚みが２００μｍを超えると一度に硬化させる厚さが増すため、光照射時の重合熱や硬化収縮により造型物に反りや変形が起こり、精度や外観の悪化を招くおそれがある。

続いて、同様の工程で所望の形状の３次元構造体の２層目を同時に形成する。具体的には、１層目として形成された硬化樹脂層９上にスプレーノズル５より均一厚さに光硬化性樹脂組成液８をスプレー塗布する。塗布された光硬化性樹脂組成液８にレーザ光線を照射することにより、第２層目の硬化樹脂層９を第１層目の硬化樹脂層９の上に形成する。以下同様にして第３層目以降の硬化樹脂層９を順次堆積させる。そして、最終層の堆積の終了後、造形テーブル４上に形成された造形物を取り出す。造形物は、表面に付着した光硬化性液状樹脂組成物を洗浄その他の方法で除去し、必要に応じて紫外線ランプ等により照射し又は加熱して、硬化を更に進行させることができる。

以上のように、本発明における光硬化性樹脂組成液８からなる感光性塗膜は、光照射のみにおいても十分に硬化させることが可能である。しかしながら、用途に応じて、光照射（以下、後露光と称す）や加熱を行うことによって、さらに硬化させることができる。後露光としては、光照射方法と同様の方法で行うことができる。この場合、光照射量は特に限定されるものではないが、高圧水銀灯の場合１００〜２０００ｍＪ／ｃｍ^２が望ましい。

また、加熱方法としては、ホットプレート、オーブンなどの加熱処理を用いて、所定の温度、例えば６０〜１００℃で所定の時間、例えばホットプレート上なら５〜３０分間、オーブン中では５〜６０分間加熱処理を施せばよい。この後処理を施すことによって、さらに良好な特性を有する所定パターンの硬化膜を得ることが可能となる。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない限り種々の変形が可能である。

本発明の実施の形態にかかる光造形装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

１光源
２ＤＭＤ
３レンズ
４造形テーブル
５スプレーノズル
６制御部
７記憶部
８光硬化性樹脂組成液
９硬化樹脂層
１００３次元構造体の製造装置

Claims

光硬化性組成物に光を照射して、前記組成物の硬化層を形成し、前記硬化層の上に、前記組成物を再度供給し、光を照射して、前記組成物の硬化層をさらに形成し、これを繰り返すことにより、前記硬化層が積層一体化した立体形状物の光造形方法であって、
前記組成物の供給を、スプレー塗布により行う光造形方法。
前記造形物を形成する工程では、１００ｍｍ^２以下の投影領域を単位として光を照射することを特徴とする請求項１に記載の光造形方法。
前記造形物を形成する工程では、デジタルミラーデバイスによって反射された光によって前記光硬化性組成物を硬化することを特徴とする請求項１又は２に記載の光造形方法。