JP2015027738A

JP2015027738A - 三次元造形装置

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Publication number: JP2015027738A
Application number: JP2013157241A
Authority: JP
Inventors: 大草　圭吾; Keigo Okusa; 圭吾大草
Original assignee: Roland DG Corp
Current assignee: Roland DG Corp
Priority date: 2013-07-30
Filing date: 2013-07-30
Publication date: 2015-02-12

Abstract

【課題】より短時間で硬化層の下方側に確実に樹脂を充填することができる三次元造形装置を提供する
【解決手段】光硬化性樹脂を用いて三次元造形物を作製する三次元造形装置において、所定の画像を投影する投影手段（１４，１６）と、液体状態の光硬化性樹脂を貯留するとともに、Ｙ軸方向に移動自在に配設され、その底面を介して貯留する光硬化性樹脂に画像が投影される容器１２と、Ｚ軸方向たる上下方向に移動自在に配設されるとともに、容器内に位置し硬化した光硬化性樹脂の土台となる保持手段１８と、光硬化性樹脂に対して所定の画像を投影し、保持手段において所定の液層厚さの硬化層が形成されると、保持手段を所定の液層厚さ以上の高さまで上昇させ、容器をＹ軸方向に所定量移動させた後、保持手段を所定の液層厚さの高さ位置まで下降するように制御する制御手段２０とを有するようにした。
【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性樹脂を用いて三次元造形物を作製する三次元造形装置に関する。

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特性を備えた液体状態の光硬化性樹脂を用いて三次元造形物を作製する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としては、例えば、所定の形状に硬化させた光硬化性樹脂を積層して立体造形を行う吊り上げ積層構造方式が用いられる。

この吊り上げ積層構造方式は、液体状態の光硬化性樹脂を貯留する容器の底面に透光板を用い、まず、当該透光板の下側にプロジェクタなどにより所定の画像を照射し、この容器内に配置された三次元造形物の土台となる造形物保持板の下面において所定の液層厚さ分だけ光硬化性樹脂を硬化させて、造形物保持板の下面に所定の液層厚さの硬化層を形成する。

次に、造形物保持板の下面と、容器の底面たる透光板との間で硬化した硬化層を透光板から剥離し、所定の液層厚さ分だけ造形物保持板を上昇させる。

その後、透光板の下側から所定の画像を照射し、造形物保持板の下面に形成された硬化層に、さらに所定の液層厚さ分だけの光硬化性樹脂を硬化させて、硬化層を積層させる。

そして、こうした動作を順次繰り返すことにより、光硬化性樹脂の硬化層を積層させて立体造形を行って三次元造形物を作製することとなる。

こうした吊り上げ積層構造方式による三次元造形装置によれば、上記した動作を順次繰り返し行うことにより、所定の液層厚さ分だけの硬化層が順次積層されているので、所望の形状の硬化層を作製することで、所望の形状の三次元造形物を作製することができるものである。

ここで、こうした吊り上げ積層構造方式の三次元造形装置においては、造形物保持板を所定の液層厚さ分だけ上昇させる際に、透光板から硬化層を剥離するために造形物保持板を所定の液層厚さ以上の高さＨ１まで上昇させなければならない。

しかしながら、吊り上げ積層構造方式の三次元造形装置は、光硬化性樹脂を貯留する容器が固定的に配設されているとともに、当該容器に貯留された光硬化性樹脂は所定の粘度を有している。

このため、造形物保持板を所定の液層厚さ分だけ上昇させる際には、造形物保持板を高さＨ１（透光板から硬化層を剥離するための高さである。）以上の高さＨ２まで上昇させることにより、光硬化性樹脂の表面を水平状態とし、その後、造形物保持板を所定の液層厚さ分の高さ位置まで下降するようにしていた。

即ち、こうした三次元造形装置においては、造形物保持板を所定の液層厚さ分だけ上昇させる際には、造形物保持板を、容器底面から硬化層を剥がすための高さＨ１以上の高さＨ２まで上昇させることにより、光硬化性樹脂の表面が水平状態となる時間を確保し、その後、造形物保持板を所定の液層厚さ分の高さ位置まで下降するようにしていた。

このように、三次元造形装置においては、硬化層の下方側に樹脂を充填するための時間を設ける必要があり、こうした時間が三次元造形装置における造形時間を長くしてしまうことが問題点として指摘されていた。

このため、より短時間で硬化層の下方側に確実に樹脂を充填することができる三次元造形装置の提案が望まれていた。

また、容器底面の透光板の上面には、剥離性の向上を図るためにシリコン樹脂などのコーティング材によりコーティングがなされている。

しかしながら、三次元造形装置においては、光硬化性樹脂を貯留した容器が固定されているため、透光板のほぼ同じ位置にプリジェクタから所定の画像が投影することとなり、これにより、所定の画像が投影される領域のコーティング材が劣化して白濁してしまうことが問題点として指摘されていた。

なお、本願出願人が特許出願のときに知っている先行技術は、文献公知発明に係る発明ではないため、本願明細書に記載すべき先行技術文献情報はない。

本発明は、上記した従来の技術に対する要望および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、より短時間で硬化層の下方側に確実に樹脂を充填することができる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、光硬化性樹脂を貯留する容器底面の透光板のコーティング材が劣化し難くなる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、光の照射により硬化する光硬化性樹脂を用いて三次元造形物を作製する三次元造形装置において、所定の画像を投影する投影手段と、液体状態の光硬化性樹脂を貯留するとともに、ＸＹＺ直交座標系のＹ軸方向に移動自在に配設され、その底面を介して貯留する光硬化性樹脂に上記投影手段から画像が投影される容器と、Ｚ軸方向たる上下方向に移動自在に配設されるとともに、上記容器内において硬化した光硬化性樹脂の土台となる造形物保持手段と、上記容器に貯留された光硬化性樹脂に対して上記投影手段から所定の画像を投影し、上記造形物保持手段において所定の液層厚さの硬化層が形成されると、上記造形物保持手段を上記所定の液層厚さ以上の高さまで上昇させるとともに、上記容器をＹ軸方向に所定量移動させた後、上記造形物保持手段を上記所定の液層厚さの高さ位置まで下降するように制御する制御手段とを有するようにしたものである。

また、本発明は、上記した発明において、上記容器では、光硬化性樹脂と接する上記底面の表面には、硬化した光硬化性樹脂の剥離性向上のためのコーティング材がコーティングされてい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、より短時間で造形物保持板の硬化層の下方側に確実に樹脂を充填することができるという優れた効果を奏するものである。

また、本発明は、上記したように構成されているので、光硬化性樹脂を貯留する容器底面の透光板のコーティング材が劣化し難くなるという優れた効果を奏するものである。

図１は、本発明による三次元造形装置の一部を破断した状態の概略構成説明図である。図２は、容器の概略構成説明図である。図３（ａ）は、容器の移動機構を示す説明図であり、また、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＩ矢視図である。

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。

まず、図１には、本発明による三次元造形装置の一部を破断した状態の概略構成説明図が示されている。

この図１に示す三次元造形装置１０は、底面１２ａが透光板により形成されるとともに、可視光または紫外光などの光の照射により硬化する液体状態の光硬化性樹脂を貯留する容器１２と、容器１２の底面１２ａへミラー１４を介して画像を投影するプロジェクタ１６と、ＸＹＺ直交座標系のＺ軸方向（上下方向）に移動可能であり、容器１２内で硬化された光硬化性樹脂を保持する造形物保持部１８とを有して構成されている。

なお、この三次元造形装置１０の全体の動作は、マイクロコンピューター２０により制御されている。

より詳細には、容器１２は、例えば、アクリル樹脂製であり、ベース部材２２の上面２２ａに配設され、底面１２ａの透光板の上面には、硬化した樹脂の剥離性を向上させるために、底面１２ａを透過した光を透過可能なコーティング材（例えば、シリコン樹脂である。）によりコーティングがなされている。

そして、ベース部材２２内に配設されるプロジェクタ１６からミラー１４を介して投影される画像が、容器１２内に貯留される光硬化性樹脂に投影されるようになされている。

また、容器１２は底面１２ａにおいて、プロジェクタ１６から画像が投影される領域たる画像投影領域を、Ｙ軸方向に沿って２つ並べることができる大きさとなっている（図２を参照する。）。

さらに、容器１２は、ベース部材２２の上面２２ａにおいて、Ｙ軸方向（前後方向）に移動自在に配設されており、プロジェクタ１６からミラー１４を介して投影される画像がを底面１２ａ内に投影することが可能な範囲で移動することができるよう設計されている。

具体的には、容器１２は、ベース部材２２の上面２２ａに形成された開口部２２ａｂの左方側および右方側に、Ｙ軸方向に延設された一対のガイドレール２６上に摺動自在に配設されている。なお、この開口部２２ａｂを介してプロジェクタ１６からの画像が容器１２の底面１２ａに照射されることとなる。

この容器１２の側面１２ｂには、容器１２の右方側においてプーリー３０、３２に無端状に張設されたベルト２８と接続する接続部材５０が配設されており、この接続部材５０によってベルト２８と接続することにより、ベルト２８の移動に伴って容器１２が一対のガイドレール２６上を移動することができる。

プーリー３０は、一対のガイドレール２６の前方側においてＸ軸方向に延設されたシャフト３４の右方側端部に設けられており、このシャフト３４の左方側端部にはプーリー３６が配設されている。

また、プーリー３２は、一対のガイドレール２６の後方側においてＸ軸方向に延設されたシャフト３８の右方側端部に設けられており、このシャフト３８の左方側端部には、プーリー４０が配設されている。

そして、プーリー３６とプーリー４０とには、無端状にベルト４２が張設されている。

さらに、シャフト３４にはギア４４が設けられており、このギア４４はギア４６に係合している。なお、ギア４６は、モーター４８の回転軸４８ａの先端部に配設されている。

したがって、容器１２は、モーター４６の駆動によりギア４６が矢印Ｃ方向に回転すると、プーリー３０、３６が矢印Ｄ方向に回転し、プーリー３０、３６が矢印Ｄ方向に回転することによりベルト２８、４２が矢印Ｅ方向に移動する。

これにより、ベルト２８に接続された接続部材５０を介して容器１２がＹ軸方向に沿って前方側から後方側に移動することとなる。

また、容器１２は、モーター４６の駆動によりギア４６が矢印Ｆ方向に回転すると、プーリー３０、３６が矢印Ｇ方向に回転し、プーリー３０、３６が矢印Ｇ方向に回転することによりベルト２８、４２が矢印Ｈ方向に移動する。

これにより、ベルト２８に接続された接続部材５０を介して容器１２がＹ軸方向に沿って後方側から前方側に移動することとなる。

なお、こうした移動機構としては、上記した構成に限られるものではなく、従来より公知の種々の技術を用いることができる。

プロジェクタ１６は、ベース部材２２内に配設されるとともに、マイクロコンピューター２０から出力された画像データに基づく画像をミラー１４を介して、容器１２の光硬化性樹脂に投影するようになされている。

なお、プロジェクタ１６から投影する画像は、作製する三次元造形物の形状を水平方向に分割して複数の層に分けた複数の画像である。

そして、プロジェクタ１６は、この複数の画像を順番に、一定時間毎に１層分ずつ投影するように、マイクロコンピューター２０に制御されている。

造形物保持部１８は、ベース部材２２の上面２２ａの後端部２２ａａに立設した立設部材２４において、Ｚ軸方向に摺動自在に設けられている。

そして、造形物保持部１８は、モーターなどの駆動手段（図示せず。）の駆動により、立設部材２４の前面２４ａにおいてＺ軸方向に移動することとなる。

また、造形物保持部１８は、下面１８ａにおいて、容器１２内で硬化する光硬化性樹脂と密着して三次元造形物を保持する土台となる。

以上の構成において、三次元造形装置１０により三次元造形物を作製する場合には、作業者が三次元造形物の作製を指示する操作を行うと、マイクロコンピューター２０から予め記憶された画像データがプロジェクタ１６に出力される。

なお、この予め記憶された画像データは、作製する三次元造形物の形状を水平方向に分割して複数の層に分けた各層の画像を表すデータであって、一定時間毎に一層分の画像データがマイクロコンピューター２０からプロジェクタ１６に出力される。

そして、硬化層を形成した後に、所定の液層厚さ分だけ造形物保持部１８を上昇させる際には、所定の液層厚さ分以上の高さＨ１まで造形物保持部１８を上昇させるとともに、容器１２をＹ軸方向に移動させるようにする。

なお、この高さＨ１は、従来の技術による三次元造形装置において、容器底面から硬化層を剥離するために造形物保持板を上昇させる高さＨ１であり、造形物保持板に形成された硬化層の下方側に樹脂を充填するために上昇させる高さＨ２より下方側に位置する。

具体的には、三次元造形物の作製が指示されると、マイクロコンピューター２０から、作製する三次元造形物の第１層目の画像データをプロジェクタ１６に出力し、プロジェクタ１６から当該画像データに基づく画像を、容器１２に貯留された光硬化性樹脂に投影する。このとき、容器１２は、Ｙ軸方向における最も前方側に位置した状態（図１の実線で示す状態である。）とし、後方側に位置する画像投影領域Ｂにプロジェクタ１６からの画像が投影される。

次に、一定の時間が経過すると、マイクロコンピューター２０の制御により、造形物保持部１８を所定の液層厚さ分以上の高さＨ１まで上昇させる。これにより、容器１２の底面１２ａから硬化層を剥がす。

そして、容器１２をＹ軸方向における最も前方側に位置した状態から最も後方側に位置した状態（図１の破線で示す状態である。）へ移動する。これにより、プロジェクタ１６から投影される画像は画像投影領域Ａに投影されることとなる。

その後、造形物保持部１８を所定の液層厚さ分の高さ位置まで下降させ、マイクロコンピューター２０から、作製する三次元造形物の第２層目の画像データをプロジェクタ１６に出力し、画像投影領域Ａにプロジェクタ１６から当該画像データに基づく画像を投影する。

さらに、一定時間が経過すると、マイクロコンピューター２０の制御により、造形物保持部１８を所定の液層厚さ分以上の高さＨ１まで上昇させるとともに、容器１２をＹ軸方向における最も後方側に位置した状態から最も前方側に位置した状態へ移動する。

その後、造形物保持部１８を所定の液層厚さ分の高さ位置まで下降させ、マイクロコンピューター２０から作製する三次元造形物の第３層目の画像データをプロジェクタ１６に出力し、画像投影領域Ｂにプロジェクタ１６から当該画像データに基づく画像を投影する。

そして、こうした動作を順次繰り返す頃により、光硬化性樹脂の硬化層を積層させて、三次元造形装置１０において三次元造形物を作製することとなる。

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１０は、ベース部材２２上において容器１２をＹ軸方向に移動自在な構成とし、容器１２内で硬化された光硬化性樹脂を保持する造形物保持部１８をＺ軸方向で移動自在な構成とした。なお、容器１２は、底面１２ａにおいて画像投影領域をＹ軸方向に沿って２つ並べることができる大きさとした。

そして、所定の液層厚さ分を硬化し、造形物保持部１８に所定の液層厚さ分の硬化層を形成した後に、造形物保持部１８を所定の液層厚さ分だけ上昇させる際に、造形物保持部１８を所定の液層厚さ分以上の高さＨ１まで上昇させ、容器１２をＹ軸方向に移動し、その後、造形物保持部１８を所定の液層厚さ分の高さ位置まで下降するようにした。

これにより、本発明による三次元造形装置１０においては、造形物保持部１８を所定の液層厚さ分だけ上昇させる際に、造形物保持部１８の下面１８ａに形成された硬化層の下方側に確実に光硬化性樹脂が充填されるようになる。

このため、本発明による三次元造形装置１０においては、造形物保持部１８を所定の液層厚さ分だけ上昇させる際に、造形物保持部１８を所定の液層厚さ以上の高さＨ２（高さＨ１より高い高さ位置である。）に上昇させ、光硬化性樹脂の表面を水平状態とした後に、総計物保持部１８を所定の液層厚さ分の高さ位置まで下降するようにした従来の技術により三次元造形装置と比較して、より短時間で硬化層の下方側に樹脂を充填することができる。

これにより、本発明による三次元造形装置１０によれば、三次元造形物を作製する時間たる造形時間を短縮化することができるようになる。

さらに、本発明による三次元造形装置１０においては、容器１２の底面１２ａの透光板における画像が投影される画像投影領域が２箇所あり、硬化層を１層形成する毎に画像投影領域を交換するため、容器の底面の透光板のほぼ同じ領域にのみ画像が照射される従来の技術による三次元造形装置と比較して、透光板上にコーティングされたコーティング剤の劣化が生じにくくなる。

なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（５）に示すように変形するようにしてもよい。

（１）上記した実施の形態においては、容器１２をＹ軸方向（前後方向）に移動自在な構成としたが、これに限られるものではないことは勿論であり、容器１２をＸ軸方向（左右方向）に移動自在な構成としてもよいし、あるいは、容器１２をＸ軸方向およびＹ軸方向に移動自在な構成としてもよい。

なお、容器１２をＸ軸方向に移動自在とする際には、容器１２は、底面１２ａにおいて画像投影領域をＸ軸方向に沿って２つ並べることができる大きさとする。

また、容器１２をＸ軸方向およびＹ軸方向に移動自在とする際には、容器１２は、底面１２ａにおいて、画像投影領域をＸ軸方向に沿って２つ並べるとともに、Ｙ軸方向に沿って２つ並べることができる大きさとする。

（２）上記した実施の形態においては、容器１２をＹ軸方向に移動する際に、プロジェクタ１６から投影される画像データが変更するたびに、容器１２をＹ軸方向の最も前方側および最も後方側に移動するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、容器１２をＹ軸方向に一定量ずつ移動するようにしてもよい。

（３）上記した実施の形態においては、プロジェクタ１６は、容器１２に貯留された光硬化性樹脂にミラー１４を介して画像を投影するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、プロジェクタ１６は、ミラー１４を介することなく光硬化性樹脂に画像を投影するようにしてもよい。

（４）上記した実施の形態においては、容器１２は、底面１２ａにおいて画像投影領域をＹ軸方向に沿って２つ並べるようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、底面１２ａにおいて画像投影領域をＹ軸方向に沿って３つ以上並べるようにしてもよい。

この場合には、硬化層を一層形成する毎に、容器１２をＹ軸方向に所定量移動して画像投影領域を変えるようにする。

（５）上記した実施の形態ならびに上記した（１）乃至（４）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、吊り上げ積層構造方式の三次元造形装置に用いることができる。

１０三次元造形装置、１２容器、１４ミラー、１６プロジェクタ、１８造形物保持部、２０マイクロコンピューター、２２ベース部材、２４立設部材

しかしながら、三次元造形装置においては、光硬化性樹脂を貯留した容器が固定されているため、透光板のほぼ同じ位置にプロジェクタから所定の画像が投影されることとなり、これにより、所定の画像が投影される領域のコーティング材が劣化して白濁してしまうことが問題点として指摘されていた。

Claims

光の照射により硬化する光硬化性樹脂を用いて三次元造形物を作製する三次元造形装置において、
所定の画像を投影する投影手段と、
液体状態の光硬化性樹脂を貯留するとともに、ＸＹＺ直交座標系のＹ軸方向に移動自在に配設され、その底面を介して貯留する光硬化性樹脂に前記投影手段から画像が投影される容器と、
Ｚ軸方向たる上下方向に移動自在に配設されるとともに、前記容器内において硬化した光硬化性樹脂の土台となる造形物保持手段と、
前記容器に貯留された光硬化性樹脂に対して前記投影手段から所定の画像を投影し、前記造形物保持手段において所定の液層厚さの硬化層が形成されると、前記造形物保持手段を前記所定の液層厚さ以上の高さまで上昇させるとともに、前記容器をＹ軸方向に所定量移動させた後、前記造形物保持手段を前記所定の液層厚さの高さ位置まで下降するように制御する制御手段と
を有することを特徴とする三次元造形装置。
請求項１に記載の三次元造形装置において、
前記容器では、光硬化性樹脂と接する前記底面の表面には、硬化した光硬化性樹脂の剥離性向上のためのコーティング材がコーティングされている
ことを特徴とする三次元造形装置。