JP2010064348A - 光造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光造形動作のサイクルタイムが短く、造形不良の発生が少なく抑えられるようにした光造形装置を提供すること。
【解決手段】樹脂タンク６内の光硬化性樹脂７の液面に、スキャナミラー２を介してＵＶレーザ１によるレーザ光Ｌを照射し、三次元ＣＡＤデータを水平方向に輪切りにして変換された等高線データに従ってスキャナミラー２を動作させることにより、光硬化性樹脂７の液面におけるレーザ光Ｌの照射位置を移動させ、光硬化性樹脂７の液面部分の硬化と積層を繰り返すことにより、テーブル３の上に立体形状モデルＭの造形が得られるようにした光造形装置ＬＦにおいて、粘度測定手段９を設け、光硬化性樹脂７の粘度が報知手段１０によりデジタル数値により表示されるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、光硬化性樹脂による立体造形品の作製装置に係り、特に液状の光硬化性樹脂にレーザ光を照射し、当該照射部分を硬化させて立体造形品を作製する光造形装置に関する。

光造形装置とは、よく知られているように、光造形技術を用いた装置のことで、例えばエポキシ系の樹脂等からなる液状の光硬化性樹脂を容器内に保持し、光硬化性樹脂の液面又は底面に紫外線などのレーザ光を照射し、三次元ＣＡＤデータを水平方向に輪切りにして変換された等高線データに従って照射位置を移動させ、硬化と積層を繰り返すことにより、立体形状モデルの造形が得られるようにしたものであり、この技法によれば三次元ＣＡＤデータからそのまま短時間で立体形状モデルが造形でき、このため試作モデル等の作製に適した造形方法として優れている。
ここで光硬化性樹脂の底面にレーザ光を照射する方式の光造形装置としては、例えば特許文献１の開示を挙げることができる。

そこで、ここでは、図５により、光硬化性樹脂の液面にレーザ光を照射する方式の光造形装置の一例について説明する。
まず、この図５では、光造形装置の全体をＬＦで表わしている。そして、この光造形装置ＬＦにおいて、１はＵＶ(紫外線)レーザ、２はスキャナミラー(光走査用の反射鏡)、３はテーブル、４はエレベータ機構、５はリコータ、６は樹脂タンク、７は光硬化性樹脂、８は制御装置である。
そして、まず、ＵＶレーザ１は、光硬化性樹脂７の硬化特性に対応した波長のレーザ光Ｌを発生し、光硬化性樹脂７を硬化させるための光の発生源としての働きをする。

次に、スキャナミラー２は、図示してない走査駆動機構を備え、制御装置８により制御されてレーザ光Ｌの反射方向を二次元方向に変化させ、光硬化性樹脂７の液面にレーザ光Ｌを二次元走査させる働きをする。
テーブル３は、造形過程の当初から形状モデルＭを載置する働きをするもので、このため、エレベータ機構４により、形状モデルＭが載置される部分が水平を保った状態で、樹脂タンク６の中で上下に移動させられるようになっている。
エレベータ機構４は、上記したように、テーブル３を保持し上下に移動させる働きをするもので、その動作は制御装置８により制御されるようになっている。

リコータ５は、図示してない移動機構に保持され、光硬化性樹脂７の液面に沿って平行移動することにより、光硬化性樹脂７の液面を静定し、当該液面から泡を除去する働きをする。
樹脂タンク６は、光硬化性樹脂７の容器となるもので、通常、有底の筒形又は有底の箱形に作られている。
そして、制御装置８は、光造形装置ＬＦ全体の制御を司るもので、このため造形すべき形状モデルの三次元ＣＡＤデータを、図示してない三次元ＣＡＤシステムから入力し、当該三次元ＣＡＤデータを水平方向に輪切りにした等高線データに変換し、これに応じてスキャナミラー２を制御して光硬化性樹脂７の液面がレーザ光Ｌで二次元走査され、これと共にＵＶレーザ１、エレベータ機構４などを制御し、立体モデルＭが光硬化性樹脂７の中で造形されるように全体の動作を制御する。

この光造形装置によれば、複雑な形状の部品でも比較的低コストで、短い時間で試作することができ、このため従来から広く実用に供されているが、ここで近年は、造形時間の短縮や造形精度の向上に加え、更に、より広範囲な用途にも対応できるように、機械的強度の向上や耐熱性の向上にも目が向けられるようになっている。
そして、このときの機械的強度の向上や耐熱性の向上に有効な方法として最近着目されている方法として、光硬化性樹脂中にガラスやセラミックなどのフィラー(filler)を混合させる方法があり、これも従来技術として知られるようになっている。

ところで、このフィラーを混合させるようにした光造形装置の場合、フィラーが光硬化性樹脂中で沈降し、樹脂タンクの底部にフィラーが徐々に沈殿する。このため形状モデルの造形が長時間にわたると沈殿したフィラーが堆積し、放置すると堆積したフィラーが硬化し、除去が極めて困難になってしまう。
また、このフィラーの沈降の結果、樹脂タンク内で光硬化性樹脂の表層部と底層部で樹脂粘度に違いが生じ、形状モデルの品質に支障をきたす虞がある。
そこで、従来技術による光造形装置では、図６に示すように、光造形装置ＬＦに攪拌装置１１を設置し、これにより樹脂タンク６内の光硬化性樹脂７を定期的に攪拌し、これによりフィラーの沈降が抑えられ、堆積が発生しないようにする処理(攪拌処理という)している。

また、光造形装置では、形状モデルの造形を長時間行っていると、樹脂の種類には係わり無く、装置から形状モデルを取り出す作業に際して生じてしまう造形屑や、造形不良が発生した際に生じてしまう造形屑が樹脂タンクの底部に沈降し堆積するが、この堆積した造形屑は、その後の造形の際に浮遊してしまうので、これも形状モデルの品質に支障をきたす原因になり、場合によっては造形すら続行できなくしてしまう虞がある。

そこで、従来技術による光造形装置では、光硬化性樹脂を樹脂タンクから全て取り出した上でタンク内を清掃し、造形屑を取り除く処理(フィルタ処理という)を人手により定期的に実行したり、図７に示すように、光硬化性樹脂を循環させる手段と濾過手段とを備えた異物除去装置１２を光造形装置の樹脂タンク６に設置し、この異物除去装置１２によりフィルタ処理が定期的に得られるようにしていた。
特開２００３−１４５６２９号公報

上記従来技術は、光硬化性樹脂を攪拌すべき時期(攪拌処理タイミングという)とフィルタ処理の実行時期(フィルタ処理タイミングという)の把握に配慮がされておらず、光造形装置の的確な動作管理に問題があった。
従来技術の場合、上記した攪拌処理タイミングとフィルタ処理タイミングは、当該光造形装置の使用者である作業者が知識や経験に基づいて決定している。
この結果、作業者の判断が的確になされない場合、従来技術では攪拌処理やフィルタ処理が不必要な時点で実行され、光造形装置による光造形動作のサイクルタイムが長くなってしまったり、必要な時点で実行されなかったことにより、造形不良が発生してしまったりするのである。

また、従来技術の場合、攪拌処理タイミングとフィルタ処理タイミングの決定が作業者の判断に依存している結果、安全性を見越した判断結果になり易く、攪拌処理タイミングとフィルタ処理タイミングの頻度が高くなってしまう傾向がある。
このため従来技術では、攪拌処理とフィルタ処理に必要以上の時間がとられてしまい、この点でも光造形装置による光造形動作のサイクルタイムが長くなってしまう虞があり、更には充分な造形結果が得られない段階で造形処理が終了されることによる造形不良の発生も状況として無視できないという問題があった。

本発明の目的は、攪拌処理タイミングとフィルタ処理タイミングが物理的に得られ、これにより光造形動作のサイクルタイムが短く、造形不良の発生が少なく抑えられるようにした光造形装置を提供することにある。
ここで、物理的に得られるとは、人の判断に依存しないで得られることを意味する。

上記目的は、容器内の光硬化性樹脂にレーザ光を照射し、当該照射部分を硬化し積層して立体造形品を作製する光造形装置において、前記容器内の光硬化性樹脂の粘度を検出する粘度測定手段と、前記粘度測定手段により検出した前記容器内の光硬化性樹脂の粘度を数値として表示する報知手段とを設け、前記容器内の光硬化性樹脂の粘度が、前記立体造形品の作製中も含めて随時、認知できるようにして達成される。

同じく上記目的は、容器内の光硬化性樹脂にレーザ光を照射し、当該照射部分を硬化し積層して立体造形品を作製する光造形装置において、前記容器内の光硬化性樹脂の粘度を検出する粘度測定手段と、前記容器内の光硬化性樹脂を攪拌する攪拌手段及び前記光硬化性樹脂を循環させ濾過する異物除去手段の少なくとも一方の手段とを設け、前記容器内の光硬化性樹脂の粘度の計測値が、前記立体造形品の作製中も含めて、予め設定してある設定値以上になったとき、前記攪拌手段及び前記光硬化性樹脂を循環させ濾過する異物除去手段の少なくとも一方の手段が動作されるようにしても達成される。

本発明によれば、光硬化性樹脂中のフィラーや造形屑の沈殿と堆積が物理的に検知できるので、常に確実に光造形動作のサイクルタイムの短縮が得られ、造形不良の発生を少なく抑えることができる。

以下、本発明による光造形装置について、図示の実施の形態により詳細に説明する。
ここで、まず、図１は、本発明に係る光造形装置ＬＦの第１の実施形態で、この図において、まず、９は粘度測定手段で、１０は報知手段であり、その他、光造形装置ＬＦを構成しているＵＶレーザ１、スキャナミラー機構２、テーブル３、エレベータ機構４、リコータ５、樹脂タンク６、光硬化性樹脂７、それに制御装置８は、図５で説明した従来技術の場合と同じである。
従って、この図１に示した実施形態は、図５で説明した従来技術による光造形装置に粘度測定手段９と報知手段１０が付加され、これに応じて制御装置８には、粘度信号を処理し報知手段１０を動作させるのに必要な処理機能が付加されたものに相当し、このため、これら粘度測定手段９と報知手段１０を除いた光造形装置ＬＦとしての動作についての説明は割愛する。

まず、粘度測定手段９は、例えばＩＳＯ２５５５、１６５２に規定されている回転式粘度計を用いたもので、その粘度検出部が樹脂タンク６の底部近傍の側壁部から内部に挿入された形で当該樹脂タンク６に取付けられ、これにより光硬化性樹脂７の粘度を検出し、粘度信号Ｖを制御装置８に入力する働きをする。
次に、報知手段１０は、例えばデジタル表示装置を用いたもので、制御装置８から入力される粘度検出結果を数値として表示する働きをする。
このため制御装置８には、粘度測定手段９から供給された粘度信号Ｖを処理し、粘度検出結果を数値として表示するのに必要な信号に変換する機能が付加されている。

次に、この図１の実施形態の動作について説明する。
光造形装置ＬＦとして稼働させ、立体モデルＭを光硬化性樹脂７の中で造形されるように動作しているとき、粘度測定手段９は、光硬化性樹脂７の底層部の粘度の計測を逐次行ない、粘度信号Ｖを制御装置８に供給している。この結果、報知手段１０には、立体造形品の作製中も含めて次々と粘度検出結果が数値として表示されるようになる。
そこで、光造形装置ＬＦの作業者は、報知手段１０に表示される数値により随時、光硬化性樹脂７の底層部の粘度を知ることができ、この結果、作業者は、この粘度の報知結果から攪拌処理タイミングとフィルタ処理タイミングを判断することができる。

ここで、光硬化性樹脂７にフィラーが混合されていた場合、光硬化性樹脂７の粘度が高くなり、その高くなる度合いは、フィラーの混合比率により決まり、混合比率が高くなるに従って粘度も高くなる。
また、造形屑が混入された場合も同じで、造形屑の混入比率が高くなるに従って粘度も高くなる。
そこで、光硬化性樹脂７の底層部の粘度が増したら、フィラーや造形屑の沈降が多くなったことを意味し、従って、この実施形態によれば、的確な攪拌処理タイミングとフィルタ処理タイミングが物理的に決定できるのである。

従って、この実施形態によれば、攪拌処理タイミングとフィルタ処理タイミングの決定が人員の判断に依存することなく、光硬化性樹脂７の底層部の粘度に応じて物理的に与えられることになり、この結果、常に的確なタイミングで攪拌処理とフィルタ処理を実行することができ、光造形装置による光造形動作のサイクルタイムが長くなってしまう虞がなく、必要な時点で実行されなかったことによる造形不良の虞も無くすことができる。
また、この実施形態によれば、攪拌処理・フィルタ処理終了時、光硬化性樹脂７の粘度を測定することにより攪拌処理・フィルタ処理の結果を把握することができるので、最適な攪拌処理・フィルタ処理時間を決定することも可能になる。

ところで、この場合、光硬化性樹脂７の底層部の粘度だけではなく、表層部での粘度も検出して比較するようにしてもよく、このため、粘度測定手段９のほか、更に別の粘度検出手段を用意し、光硬化性樹脂７の表層部での粘度を検出して制御装置８に入力するようにしてもよい。
このとき、粘度検出手段を２基用いるのではなく、駆動装置を使用して粘度測定手段９を可動式にし、上下に移動させて粘度を検出するようにしてもよい。

次に、本発明に係る光造形装置の他の実施形態について説明する。
まず、図２は、本発明の第２の実施形態で、この実施形態は、図６で説明した攪拌手段１１を備えた従来技術に本発明を適用した場合の一実施形態で、この場合、攪拌手段１１は、制御装置８により動作が制御されるように構成され、光造形装置ＬＦについては、要部だけが示されている。
前述したように、光硬化性樹脂７にフィラーが混合されていた場合、光硬化性樹脂７の粘度が高くなり、その高くなる度合いは、フィラーの混合比率により決まり、混合比率が高くなるに従って粘度が高くなり、造形屑が混入された場合も造形屑の混入比率が高くなるに従って粘度が高くなる。

そこで、この図２の実施形態では、制御装置８は、粘度検出手段９により検出される光硬化性樹脂７の粘度を調べ、粘度の計測値が予め設定してある設定値以上になったとき攪拌手段１１を動作させ、光硬化性樹脂７が自動的に攪拌されるように構成してある。
従って、この図２の実施形態によれば、立体造形品の作製中も含めて光硬化性樹脂７の粘度が高くなり、ある粘度値以上になると自動的に攪拌手段１１が動作されるので、常に的確なタイミングで攪拌処理が実行されるようになり、この結果、作業者の判断を待つ必要が無く、光造形装置による光造形動作のサイクルタイムが長くなってしまうのが抑えられ、必要な時点で実行されなかったことによる造形不良の虞も抑えることができる。

ところで、この図２の実施形態においても、第１の実施形態の場合と同じく、光硬化性樹脂７の底層部の粘度だけではなく、表層部での粘度も検出して比較するようにすることができ、この場合、粘度測定手段９のほか、更に別の粘度検出手段を用意し、光硬化性樹脂７の表層部での粘度を検出して制御装置８に入力することになり、このとき、同じく粘度検出手段を２基用いるのではなく、駆動装置を使用して粘度測定手段９を可動式にし、上下に移動させて粘度を検出することになる。このとき、図１の実施形態と同じく、報知手段を設けるようにしてもよい。

次に、図３は、本発明の第３の実施形態で、この実施形態は、図７で説明した異物除去装置１２を備えた従来技術に本発明を適用した場合の一実施形態で、この場合、異物除去装置１２は、制御装置８により動作が制御されるように構成され、光造形装置ＬＦについては、要部だけが示されている。
前述したように、光硬化性樹脂７にフィラーが混合されていた場合、光硬化性樹脂７の粘度が高くなり、その高くなる度合いは、フィラーの混合比率により決まり、混合比率が高くなるに従って粘度が高くなり、造形屑が混入された場合も造形屑の混入比率が高くなるに従って粘度が高くなる。

そこで、この図３の実施形態では、制御装置８は、粘度検出手段９により検出される光硬化性樹脂７の粘度を調べ、立体造形品の作製中も含めて粘度の計測値が予め設定してある設定値以上になったとき、例えばポンプとフィルタからなる異物除去装置１２を動作させ、光硬化性樹脂７が自動的に循環され、造形屑が自動的に濾過されるように構成してある。
このとき造形屑とフィラーの大きさが異なり、造形屑の大きさがフィラーよりかなり大きいことを利用し、フィラーは通過させ、造形屑だけ阻止できるような濾過特性のフィルタを異物除去装置１２に用いる。
従って、この図３の実施形態によれば、光硬化性樹脂７の粘度が高くなり、ある粘度値以上になると自動的に異物除去装置１２が動作されるので、光硬化性樹脂７のフィルタ処理が常に的確なタイミングで実行され、この結果、作業者の判断を待つ必要が無く、光造形装置による光造形動作のサイクルタイムが長くなってしまうのが抑えられ、必要な時点で実行されなかったことによる造形不良の虞も抑えることができる。

また、この図３の実施形態においても、第１の実施形態の場合と同じく、光硬化性樹脂７の底層部の粘度だけではなく、表層部での粘度も検出して比較するようにすることができ、この場合、粘度測定手段９のほか、更に別の粘度検出手段を用意し、光硬化性樹脂７の表層部での粘度を検出して制御装置８に入力することになり、このとき、同じく粘度検出手段を２基用いるのではなく、駆動装置を使用して粘度測定手段９を可動式にし、上下に移動させて粘度を検出することになる。更にこのとき、図１の実施形態と同じく、報知手段を設けるようにしてもよい。

次に、図４は、本発明の第４の実施形態で、この実施形態は、図２の攪拌手段１１を備えた本発明の第２の実施形態と、図３の異物除去装置１２を備えた本発明の第３の実施形態を組み合わせた場合の一実施形態で、この場合、攪拌手段１１と異物除去装置１２は何れも制御装置８により動作が制御され、光造形装置ＬＦについては、要部だけが示されている。
既に繰り返し説明したように、光硬化性樹脂７にフィラーが混合されていた場合、光硬化性樹脂７の粘度が高くなり、その高くなる度合いは、フィラーの混合比率により決まり、混合比率が高くなるに従って粘度が高くなり、造形屑が混入された場合も造形屑の混入比率が高くなるに従って粘度が高くなる。

そこで、この図４の実施形態では、制御装置８は、粘度検出手段９により検出される光硬化性樹脂７の粘度を調べ、立体造形品の作製中も含めて粘度の計測値が予め設定してある設定値以上になったとき、まず、攪拌手段１１を動作させ、光硬化性樹脂７の攪拌が自動的に開始されるようにし、次いで異物除去装置１２を動作させ、光硬化性樹脂７が循環され、造形屑が自動的に濾過されるように構成したものである。
従って、この第４の実施形態によれば、光硬化性樹脂７の粘度が高くなったとき、光硬化性樹脂７に含まれているフィラーと造形屑が攪拌され、その上でフィルタ処理が働くので、造形屑の濾過を更に効果的に得ることができる。

以上、いくつかの実施形態により説明した通り、本発明によれば、樹脂タンクに入れてある光硬化性樹脂の状態を検知し、光硬化性樹脂を常に造形に最適な状態に保つようにしているので、フィラーが混合された光硬化性樹脂による光造形に際しても製造工程の効率向上を図ることができる。

本発明による光造形装置の第１の実施形態を示すブロック構成図である。 本発明による光造形装置の第２の実施形態を示すブロック構成図である。 本発明による光造形装置の第３の実施形態を示すブロック構成図である。 本発明による光造形装置の第４の実施形態を示すブロック構成図である。 従来技術による光造形装置の一例を示すブロック構成図である。 従来技術による光造形装置の他の一例を示すブロック構成図である。 従来技術による光造形装置の更に別の一例を示すブロック構成図である。

符号の説明

１：ＵＶ(紫外線)レーザ
２：スキャナミラー(光走査用の反射鏡)
３：テーブル
４：エレベータ機構
５：リコータ
６：樹脂タンク
７：光硬化性樹脂
８：制御装置
９：粘度測定手段
１０：報知手段(測定結果報知手段)
１１：攪拌装置
１２：異物除去装置

Claims (1)

1. 容器内の光硬化性樹脂にレーザ光を照射し、当該照射部分を硬化し積層して立体造形品を作製する光造形装置において、
   前記容器内の光硬化性樹脂の粘度を検出する粘度測定手段と、前記粘度測定手段により検出した前記容器内の光硬化性樹脂の粘度を数値として表示する報知手段とを設け、
   前記容器内の光硬化性樹脂の粘度が、前記立体造形品の作製中も含めて随時、認知できるように構成したことを特徴とする光造形装置。

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