JP2010094893A - 三次元造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】環状の三次元造形物を作成する際に造形時間を短縮する。
【解決手段】光の照射により硬化する光硬化樹脂を用いて環状の三次元造形物を作製する三次元造形装置において、光を出射する光源と、上記光源から出射された光を反射して、所定の方向に沿って走査する走査手段と、上記走査手段により反射されたレーザー光を受光する位置に配置され、かつ、上記所定の方向に沿う中心軸を回転中心として回転可能な回転体とを有し、上記光源から出射された光により硬化し、かつ、塗布後放置しても形状が変化しない所定の粘度を有する光硬化樹脂材料を上記回転体に塗布し、上記走査手段により上記光源から出射された光を所定の方向に走査するとともに上記回転体を回転させながら、上記回転体に塗布された光硬化樹脂材料を硬化する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、三次元造形装置に関し、さらに詳細には、光を照射すると硬化する光硬化樹脂を用いて環状の三次元造形物を作製する際に用いて好適な三次元造形装置に関する。

なお、本明細書において、環状とは、円形の環状や多角形状の環状あるいはそれらの一部を切り欠いた形状のものを含むものとする。

従来より、可視光または紫外光などの光の照射により硬化する性質を有する光硬化樹脂を用いた三次元造形装置が知られている。

こうした三次元造形装置は、例えば、以下のような手法により三次元造形物を作製している。

即ち、光硬化樹脂を貯留する貯留槽内に、造形物の土台となる三次元造形物保持板を沈めておき、当該貯留槽に対して外部より光を照射する。

そして、上記貯留槽内に配置された造形物保持板表面に、造形物が所定の液層厚さ分だけ硬化するようにして造形物を造形する。

さらに所定の液層厚さ分だけ造形物保持板を移動させ、既に硬化した三次元造形物の上に新たな造形物の層を硬化させる。

こうした硬化した三次元造形物の上に新たな造形物の層を硬化させるという動作を順次繰り返し、造形物の層を積層して、三次元造形物の作製を行うようになされている。

ここで、上記した従来の三次元造形装置は、自由液面方式あるいは規制液面方式を採用している。

ここで、自由液面方式による三次元造形装置は、貯留槽の上方側より光を照射し、貯留槽内の造形物保持板を下げながら、三次元造形物の層を積層する作業を繰り返し、三次元造形物を作製するというものである。

一方、規制液面方式による三次元造形装置は、貯留槽として光を透過する底面を有する貯留槽を用いる。

そして、貯留槽の下方側より光を照射し、貯留槽内の造形物保持板と底面との間に三次元造形物の層を造形し、造形物保持板を引き上げながら、三次元造形物の層を積層する作業を繰り返し、三次元造形物を作製するものである。

ところで、上記した自由液面方式や規制液面方式による三次元造形装置は、いずれも、平面状に硬化させた光硬化樹脂材料を積層し、三次元造形物を作製していくという手法を行っている。

そのため、自由液面方式の場合には、１層ごとの造形が終了すると、三次元造形物保持板を下方側に移動させ、その後に液面が安定するまで待ち、次の層の造形を行うものであった。

また、規制液面方式の場合には、１層ごとの造形が終了すると、規制面である貯留槽の底面から造形物を剥がし、次の層の造形位置に造形物保持板を移動させ、その後に液面が安定するまで待ち、次の層の造形を行うものであった。

従って、従来の三次元造形装置においては、上記したような手間と時間とを要するという問題点があった。

また、上記した従来の三次元造形装置は、貯留槽に貯留された光硬化樹脂材料たる樹脂モノマー中で造形を行っている。

従って、作成中の三次元造形物を貯留槽中で固定しておく必要があり、このため、三次元造形物保持板のようなサポートを用いていた。

しかしながら、サポートを付加するにも知識や技術が必要であり、操作を行うにあたり試行錯誤を繰り返すことになり、多大な時間を要していたという問題点があった。

一方、指輪、ブレスレットあるいは時計バンドなどの環状形状の三次元造形物を作製する際には、従来の三次元造形装置により層毎に造形を行う手法では、積層数が多くなり時間がかかるという問題点があった。

さらに、従来の三次元造形装置は、上記したように貯留槽や造形物保持板ならびに造形物保持板を作動するための機構などが必要であるため、装置全体が大型化せざるを得ないという問題点があった。

なお、本願出願人が特許出願時に知っている先行技術は、上記において説明したようなものであって文献公知発明に係る発明ではないため、記載すべき先行技術情報はない。

本発明は、従来の技術の有する上記したような種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、環状の三次元造形物を作成する際に造形時間を短縮することができるようにした三次元造形装置を提供しようとするものである。

また、本発明の目的とするところは、従来に比べて装置全体の小型化を可能にした三次元造形装置を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明は、所定の粘度を有する光硬化樹脂材料を用いて、その表面に当該光硬化樹脂材料を塗布した回転体を回転させながら、当該回転体に塗布した当該光硬化樹脂材料に光を照射するようにしたものである。

即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、光の照射により硬化する光硬化樹脂を用いて環状の三次元造形物を作製する三次元造形装置において、光を出射する光源と、上記光源から出射された光を反射して、所定の方向に沿って走査する走査手段と、上記走査手段により反射されたレーザー光を受光する位置に配置され、かつ、上記所定の方向に沿う中心軸を回転中心として回転可能な回転体とを有し、上記光源から出射された光により硬化し、かつ、塗布後放置しても形状が変化しない所定の粘度を有する光硬化樹脂材料を上記回転体に塗布し、上記走査手段により上記光源から出射された光を所定の方向に走査するとともに上記回転体を回転させながら、上記回転体に塗布された光硬化樹脂材料を硬化するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記光硬化樹脂材料は、数μｍ以下の粒子径を有する粉体と上記光源から出射された光の照射により硬化する樹脂モノマーとを混合したものである。

また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、本発明のうち請求項１または２のいずれか１項に記載の発明において、さらに、上記回転体に隣接する位置に所定の間隙をおいて配置され、かつ、内部に貯留した光硬化樹脂材料を上記間隙から排出する貯留槽と、上記貯留槽に接続され、上記貯留槽内部の光硬化樹脂材料を加圧して上記間隙から押し出す加圧機構と、上記貯留槽に隣接して配置され、かつ、上記間隙の大きさを調節自在なブレードとを有するようにしたものである。

本発明は、以上説明したように構成されているので、環状の三次元造形物を作成する際に造形時間を短縮することができるようになるという優れた効果を奏する。

また、本発明は、以上説明したように構成されているので、従来に比べて装置全体を小型化することができるという優れた効果を奏する。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明による三次元造形装置の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。

図１には、本発明の実施の形態の一例による三次元造形装置の概略構成斜視説明図が示されており、また、図２には、図１に示す三次元造形装置の概略構成断面説明図が示されている。

この三次元造形装置１０は、光硬化樹脂材料を硬化させる光を照射する光照射手段として、レーザー光を照射する光学ユニット１２を備えている。

また、三次元造形装置１０は、Ｙ軸方向（図１を参照する。）に沿う中心軸Ｏを回転中心としたＡ矢印方向（図１および図２を参照する。）に回転可能な回転体として、円柱形状の回転体３０を備えている。

そして、回転体３０には、回転体３０をＡ矢印方向に回転するための駆動装置３１が接続されている。この駆動装置３１の作動により、回転体３０はＡ矢印方向に回転される。

さらに、三次元造形装置１０は、回転体３０に隣接する位置に所定の間隙を置いて配置された貯留槽３２を備えている。この貯留槽３２には、光硬化樹脂材料が貯留されている。

ここで、上記した所定の間隙とは、貯留槽３２から光硬化樹脂材料が排出される排出口３２ａにあたるものであり、この間隙は、後述するドクターブレード３６の移動によって、その大きさを調節自在に設定されている。

また、貯留槽３２には、貯留している光硬化樹脂材料を貯留槽３２から押し出すために加圧する加圧機構３４が接続されている。

そして、貯留槽３２の光硬化樹脂材料排出口３２ａに隣接して、ドクターブレード３６が配設されている。

このドクターブレード３６は、貯留槽３２より押し出される光硬化樹脂材料の量を微調整するとともに、回転体３０の表面に塗布された光硬化樹脂材料の厚みを調整する。

ここで、光学ユニット１２としては、例えば、従来のレーザープリンターに組み込まれている光学系をそのまま使用することが可能であるが、本実施の形態においては、以下に説明する構成のものを用いるものとする。

即ち、光学ユニット１２は、ＵＶレーザー光を出力するレーザー光源（図示せず。）を備えている。

そして、そのレーザー光源の後段には、レーザー光源よりのレーザー光を透過して平行光とするコリメートレンズ１４が配置されている。

さらに、コリメートレンズ１４の後段には、コリメートレンズ１４から出射されたレーザー光を透過するフィルター１６が配置され、フィルター１６の後段には、フィルター１６よりの光を透過するシリンダレンズ１８が配置されている。

また、シリンダレンズ１８の後段には、Ｂ矢印方向（図１を参照する。）に回転自在に構成され、シリンダレンズ１８から出射されたレーザー光を反射して、Ｙ軸方向（図１を参照する。）に沿ってレーザー光を走査するポリゴンミラー２０が配置されている。

そして、ポリゴンミラー２０の後段には、ポリゴンミラー２０により反射されたレーザー光を透過する第１走査レンズ２２が配置され、第１走査レンズ２２の後段には、第１走査レンズ２２から出射されたレーザー光を透過する第２走査レンズ２４が配置されている。

そして、三次元造形装置１０においては、光硬化樹脂材料として、レーザー光を受光することで硬化する所定の粘度を有するスラリー状の流動体であって、粉体と通常の三次元造形装置において用いられる光硬化樹脂材料（以下、「樹脂モノマー」と適宜に称するものとする。）とを混合した流動体を用いるものとする。

なお、上記した所定の粘度とは、回転体３０の表面に塗布して成形中放置しても流れ落ちることがなく、かつ、ヘラなどを用いて広げることができる程度の粘度であるものとする。

また、上記した粉体としては、樹脂、ワックス、金属、セラミックまたは無機塩類などを用いることが可能である。しかしながら、その粒子径は、数μｍ（例えば、３〜７μｍである。）以下であることが好ましい。

なお、粉体として用いる樹脂としては、粒子が樹脂モノマーに溶解する恐れがない架橋アクリル樹脂やエポキシ樹脂などの架橋構造の樹脂を使用することが好ましい。

また、粉体として用いるワックスとしては、樹脂硬化時の反応熱で融解する恐れがないポリプロピレンワックスなどの高融点ワックスを使用することが好ましい。

ここで、樹脂モノマーと粉体とを混合して粘土状にする際には、粒子間の空隙率以下の体積の樹脂モノマーを粉体と混合することとする。

その理由は、空隙率を超えて樹脂モノマーを混合した場合には、混合物は流動するようになるため、回転体３０に塗布した未硬化部分の形状を保持することができず、造形することが不可能になるためである。

なお、本願発明者の過去の実験においては、粉体としてガンツ化成株式会社製の架橋アクリル樹脂パウダー「ガンツパール」を用い、樹脂モノマーとしてＴＥＳＫ社製の可視光硬化樹脂を用いて、三次元造形装置１０で用いる光硬化樹脂材料を作製可能であることが確認されている。

そして、本実施の形態においては、粉体として、光の拡散を防ぐため、樹脂モノマーに近い架橋アクリル樹脂ビーズを用いるものとする。

以上の構成において、本発明による三次元造形装置１０を用いて三次元造形物を作製する際の動作について、以下に説明するものとする。

はじめに、回転体３０に接続された駆動装置３１を作動して、回転体３０を回転させておく。

次に、貯留槽３２に接続された加圧機構３４を駆動し、貯留槽３２の排出口３２ａより光硬化樹脂材料が押し出されるように、図２に示すＤ矢印方向へ圧力を加える。

そうすると、押し出された光硬化樹脂材料により、回転体３０の表面が被覆されることになる。

このとき、排出口３２ａ近傍に配置されたドクターブレード３６を図２に示したＣ矢印方向における適宜の位置に移動させておくと、ドクターブレード３６の位置に応じて、回転体３０の表面に塗布される光硬化樹脂材料の厚みが調整される。

次に、光学ユニット１２のレーザー光源（図示せず。）を駆動し、レーザー光を発振させる。

それと同時に、ポリゴンミラー２０より反射するレーザー光が所望の位置に走査されるようにポリゴンミラー２０を回転させて、レーザー光源から出射されたレーザー光のラインスキャンを行い、回転体３０の表面に塗布される光硬化樹脂材料の所望の位置にレーザー光を照射する。

このレーザー光のラインスキャンと回転体３０の回転とを同時に行うことにより、軸方向および円周方向へのレーザー光の走査を同時に進行することが可能になる。

これにより、回転体３０の表面に塗布された光硬化樹脂材料が硬化し、回転体３０の表面に環状の三次元造形物を作製することができる。

なお、回転体３０の表面に塗布された光硬化樹脂材料を硬化する際に、光硬化樹脂材料の硬化により作製された三次元造形物を、回転体３０から容易に取り外し可能とするため、当該三次元造形物と回転体３０とが密着して硬化しないようにすることが好ましい。

即ち、光硬化樹脂材料の硬化により作製された三次元造形物と回転体３０との間に所定の間隙、即ち、当該三次元造形物と回転体３０との間に未硬化の光硬化樹脂材料を存在させることが好ましい。

上記のようにして三次元造形物の作製を完了すれば、光学ユニット１２のレーザー光源の駆動を停止し、また、光硬化樹脂材料を加圧している加圧機構３４の駆動を停止し、回転体３０を回転する駆動装置の作動を停止する。

そして、回転体３０より完成した三次元造形物を取り外し、これにより所望の三次元造形物を得ることができる。

以上において説明したように、本発明による三次元造形装置は、所定の粘度を有するスラリー状の光硬化樹脂材料を、回転する回転体に塗布して硬化させるようにしたものである。

従って、本発明による三次元造形装置によれば、材料の塗布および光の照射を一連の動作で連続して行うことができ、従来の三次元造形装置に比べて造形にかかる時間を大幅に短縮することが可能になる。

また、本発明による三次元造形装置は、ポリゴンミラーによりラインスキャンを行うと同時に回転体を回転させることで、回転体の幅方向のスキャンと円周方向のスキャンとを同時に行うことが可能である。

このため、従来の三次元造形装置に比べて、造形にかかる時間を大幅に短縮することができ、短時間で環状の三次元造形物を作製することが可能になる。

また、本発明による三次元造形装置においては、貯留槽内に三次元造形物保持板などのサポートを付加する必要がなく、また、大量の材料を必要としなくなるため、大きな貯留槽を準備する必要が無くなる。

それにより、従来の三次元造形装置と比較して、装置全体を小型化することができるようになるとともに、三次元造形物保持板などのサポートを操作するなどの煩雑な作業を行う必要がない。

また、本発明による三次元造形装置は、レーザー光をポリゴンミラーの回転により走査するものであるため、従来の三次元造形装置と比べて振動の発生が少なく、高精細な走査を実現できるものである。

そして、本発明による三次元造形装置は、回転体上に塗布されたスラリー状の光硬化樹脂材料に対してレーザー光を照射して三次元造形物を製造するため、スラリー状の光硬化樹脂材料が硬化した部分を支持することになり、アンダーカット部分も精度良く造形することが可能となる。

なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（８）に示すように変形することができるものである。

（１）上記した実施の形態においては、回転体として円柱形状の回転体３０を用いたが、これに限られるものではないことは勿論である。即ち、回転体としては、任意の形状のものを用いることができ、中実の柱形状のものの他、中空の筒形状のものを用いることができる。また、その外形も円形の他に、三角形や四角形あるいは五角形以上の多角形形状でもよい。つまり、本発明においては、回転体として、円筒形状や六角柱形状などのものを用いることができる。

（２）上記した実施の形態においては、光硬化樹脂材料について、単に環状の三次元造形物を作製する際に用いる材料で説明したが、これに限られるものではないことは勿論である。例えば、三次元造形物を消失原型とする場合は、金属や無機塩やセラミックは、それ自体が消失後の残渣となるため、使用することができないものである。そのため、消失原型用途の場合は、灰分の少ない樹脂やワックス粒子を用いる。

（３）上記した実施の形態においては、粉体として架橋アクリル樹脂ビーズを用いた光硬化樹脂材料を使用する場合について説明したが、これに限られるものではないことは勿論である。例えば、光硬化樹脂材料として銀粘土を用いて銀細工製品を作製してもよいものである。こうした銀粘土を用いた場合、レーザー光源として高出力レーザーを用いれば、実用可能な三次元造形物としてシルバーリングを作製することができる。

ここで、こうした銀粘土について、より詳細に説明すると、純銀パウダーと光硬化樹脂の混合物である。なお、造形後焼成して樹脂を燃焼除去するとともに、銀粒子を焼結することにより銀細工製品が製作できる。

（４）上記した実施の形態においては、三次元造形装置に貯留槽を用いる例を示したが、貯留槽を用いずに、回転体上に光硬化樹脂材料を直接塗布してもよいものである。

例えば、指輪１個の造形用に用途に合わせて内容量が１０ｍｌから５０ｍｌ程度のラミネートチューブに光硬化樹脂材料を充填したものを用意し、作業者が回転体上に絞り出し、所望の厚さに成形し、硬化させるようにしてもよいものである。

（５）上記した実施の形態においては、光学ユニット１２内にポリゴンミラー２０を用いてレーザー光を走査したが、これに限られるものではないことは勿論である。例えば、ポリゴンミラー２０に代替するものとしてＭＥＭＳミラーを用いたり、光学ユニット１２内が有するレーザー光源を駆動する台などの上に載置して左右にスキャンするようにしてよい。

（６）上記した実施の形態においては、単に環状の三次元造形物を作製する際に用いる材料で説明したが、これに限られるものではないことは勿論であり、材料を変えることにより作製した三次元造形物を長期保存することが可能になる。

例えば、粉体として加えた樹脂またはワックスは、光硬化樹脂材料たる樹脂モノマーに溶解してしまうため、樹脂モノマーとの相溶性が低く結晶性が高い性質を有するポリプロピレンや架橋樹脂などを粉体として用いて作製した三次元造形物は長期保存可能である。

（７）上記した実施の形態においては、三次元造形物の３Ｄ−ＣＡＤデータを使用せずに三次元造形物を作製する例として説明したが、これに限られるものではないことは勿論である。例えば、ポリゴンミラー２０に対して作製する三次元造形物の幅方向（図１に示すＸＹＺ直交座標系を示す参考図におけるＹ軸方向）の情報を与える制御手段（図示せず。）を接続し、また、ドクターブレード３６に対して作製する三次元造形物の厚さの情報を与える制御手段（図示せず。）を接続することにより、３Ｄ−ＣＡＤデータを用いた三次元造形を行うことが可能になる。

なお、本発明による三次元造形装置によれば、サポートを用いる必要がないので、作製する三次元造形物の３Ｄ−ＣＡＤデータを１層ごとに分割することなく、そのままのデータを用いて造形することができるため、サポート付加に関する知識が不要となり、かつ、サポート付加に要する作業をなくすことができる。

（８）上記した実施の形態においては、光を出射する光源としてレーザー光源を用いる場合について説明したが、これに限られるものではないことは勿論であり、例えば、可視光を出射する光源等を用いることが可能である。

（９）上記した実施の形態ならびに上記した（１）乃至（８）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。

本発明は、例えば、指輪、ブレスレットあるいは時計バンドなどの環状の三次元造形物を作製するためのサンプル試作などの際に利用することができるものである。

図１は、本発明の実施の形態の一例による三次元造形装置の概略構成斜視説明図である。 図２は、図１に示す三次元造形装置の概略構成断面説明図である。

符号の説明

１０ 三次元造形装置
１２ 光学ユニット
１４ コリメートレンズ
１６ フィルター
１８ シリンダレンズ
２０ ポリゴンミラー
２２ 第１走査レンズ
２４ 第２走査レンズ
３０ 回転体
３１ 駆動装置
３２ 貯留槽
３２ａ 排出口
３４ 加圧機構
３６ ドクターブレード

Claims (3)

1. 光の照射により硬化する光硬化樹脂を用いて環状の三次元造形物を作製する三次元造形装置において、
   光を出射する光源と、
   前記光源から出射された光を反射して、所定の方向に沿って走査する走査手段と、
   前記走査手段により反射されたレーザー光を受光する位置に配置され、かつ、前記所定の方向に沿う中心軸を回転中心として回転可能な回転体と
   を有し、
   前記光源から出射された光により硬化し、かつ、塗布後放置しても形状が変化しない所定の粘度を有する光硬化樹脂材料を前記回転体に塗布し、前記走査手段により前記光源から出射された光を所定の方向に走査するとともに前記回転体を回転させながら、前記回転体に塗布された光硬化樹脂材料を硬化する
   ことを特徴とする三次元造形装置。
2. 請求項１に記載の三次元造形装置において、
   前記光硬化樹脂材料は、数μｍ以下の粒子径を有する粉体と前記光源から出射された光の照射により硬化する樹脂モノマーとを混合したものである
   ことを特徴とする三次元造形装置。
3. 請求項１または２のいずれか１項に記載の三次元造形装置において、さらに、
   前記回転体に隣接する位置に所定の間隙をおいて配置され、かつ、内部に貯留した光硬化樹脂材料を前記間隙から排出する貯留槽と、
   前記貯留槽に接続され、前記貯留槽内部の光硬化樹脂材料を加圧して前記間隙から押し出す加圧機構と、
   前記貯留槽に隣接して配置され、かつ、前記間隙の大きさを調節自在なブレードと
   を有することを特徴とする三次元造形装置。

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