JP2015136857A - 光造形装置及び光造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】生産性の低下を抑制しつつ高精度に造形可能な光造形装置及び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、光硬化性樹脂液５１に光を照射して硬化樹脂層５３を形成する工程を繰り返すことにより、硬化樹脂層５３が積層されてなる３次元構造体を造形するものである。硬化樹脂層５３を形成する工程において、光硬化性樹脂液５１に対してシート光Ｌｓを照射しつつ、シート光Ｌｓと交差する第１の光線Ｌ１を照射することにより、シート光Ｌｓと第１の光線Ｌ１との交差領域に硬化樹脂層５３を形成する。シート光Ｌｓの照射位置を移動させ、硬化樹脂層５３を形成する工程を繰り返す。【選択図】図１

Description

本発明は光造形装置及び光造形方法に関する。

近年、光硬化性樹脂液に光を照射して選択的に硬化樹脂層を形成する工程を繰り返すことにより、当該硬化樹脂層が積層されてなる３次元構造体を造形する光造形方法が注目されている。このような光造形方法では、３次元ＣＡＤ（Computer Aided Design）による設計データから３次元構造体を所定ピッチでスライスした複数の断面データを作成し、各断面データに基づいて光硬化性樹脂液に光を照射して層状に硬化させ、硬化樹脂層を順次積層して３次元構造体を造形する。スライスピッチを小さくするほど、高精度に造形することができる。

光造形方法としては、特許文献１に開示されているように、光造形物を支持するステージを槽に収容された光硬化性樹脂液の液面から徐々に降下させ、光硬化性樹脂液の液面において硬化樹脂層を順次形成していく自由液面方式が一般的である。

特開平８−２０７１４４号公報

発明者は、上述の光造形方法に関し、以下の課題を見出した。
例えば、特許文献１の光造形方法では、硬化樹脂層を１層形成する毎に、ステージを降下させ、その硬化樹脂層上を光硬化性樹脂液により覆った後、光を照射して次の硬化樹脂層を形成する。すなわち、各硬化樹脂層を形成する間に、ステージを降下する時間、光硬化性樹脂液が硬化樹脂層上に流れ込む時間、さらに流れ込んだ光硬化性樹脂液が硬化樹脂層上において安定するまでの時間を要する。そのため、高精度に造形するためにスライスピッチを小さくするほど、生産性は低下してしまうという問題があった。

本発明は、上記を鑑みなされたものであって、生産性の低下を抑制しつつ高精度に造形可能な光造形装置及び光造形方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る光造形方法は、
光硬化性樹脂液に光を照射して硬化樹脂層を形成する工程を繰り返すことにより、当該硬化樹脂層が積層されてなる３次元構造体を造形する光造形方法であって、
前記硬化樹脂層を形成する工程において、
前記光硬化性樹脂液に対してシート光を照射しつつ、前記シート光と交差する第１の光線を照射することにより、前記シート光と前記第１の光線との交差領域に前記硬化樹脂層を形成し、
前記シート光の照射位置を移動させ、前記硬化樹脂層を形成する工程を繰り返すものである。
本発明の一態様に係る光造形方法では、従来方法における光硬化性樹脂液が硬化樹脂層上に流れ込む時間、流れ込んだ光硬化性樹脂液が硬化樹脂層上において安定するまでの時間が不要となる。従って、スライスピッチを小さくした際の生産性の低下を抑制しつつ高精度に造形することができる。

前記シート光及び前記第１の光線の照射エネルギ密度のそれぞれを、前記光硬化性樹脂液のゲル化点における臨界照射エネルギ密度よりも小さくし、前記シート光及び前記第１の光線の照射エネルギ密度の合計を、前記臨界照射エネルギ密度よりも大きくすることが好ましい。当該条件により、シート光と第１の光線との交差領域に硬化樹脂層を形成することができる。

デジタルミラーデバイスによって反射された前記第１の光線を、前記光硬化性樹脂液に照射することが好ましい。これにより、光線を走査させる必要がなくなり、生産性が向上する。
また、光硬化性樹脂液を多光子吸収材料から構成することが好ましい。このような構成により、より高精度に造形することができる。
さらに、前記シート光と交差する第２の光線を更に照射してもよい。より生産性を高めたり、より大型の造形物を造形したりすることができる。

本発明の一態様に係る光造形装置は、
光硬化性樹脂液に光を照射して硬化樹脂層を形成する工程を繰り返すことにより、当該硬化樹脂層が積層されてなる３次元構造体を造形する光造形装置であって、
前記光硬化性樹脂液に対して照射するシート光を生成するシート光源と、
前記シート光と交差する第１の光線を生成する第１光源と、
前記シート光源を移動させる移動手段と、を備え、
前記移動手段により前記シート光の照射位置を移動させ、前記シート光と前記第１の光線との交差領域に前記硬化樹脂層を形成する工程を繰り返すものである。
本発明の一態様に係る光造形装置では、従来方法における光硬化性樹脂液が硬化樹脂層上に流れ込む時間、流れ込んだ光硬化性樹脂液が硬化樹脂層上において安定するまでの時間が不要となる。従って、スライスピッチを小さくした際の生産性の低下を抑制しつつ高精度に造形することができる。

前記第１光源によって生成された前記第１の光線を反射するデジタルミラーデバイスを更に備え、前記デジタルミラーデバイスによって反射された前記第１の光線を、前記光硬化性樹脂液に照射することが好ましい。これにより、光線を走査させる必要がなくなり、生産性が向上する。
また、前記シート光と交差する第２の光線を生成する第２光源を更に備えていてもよい。より生産性を高めたり、より大型の造形物を造形したりすることができる。

本発明により、生産性の低下を抑制しつつ高精度に造形可能な光造形装置及び光造形方法を提供することができる。

実施の形態１に係る光造形装置の模式的断面図である。 ３次元構造体を所定ピッチｐでスライスすることにより得られる断面データを示すイメージ図である。 単位面積当たりの照射エネルギ（照射エネルギ密度）と硬化厚みとの関係を示すグラフである。 実施の形態２に係る光造形装置の模式的断面図である。 実施の形態２に係る光造形装置の模式的断面図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（実施の形態１）
まず、図１を参照して、実施の形態１に係る光造形装置について説明する。図１は、実施の形態１に係る光造形装置の模式的断面図である。図１に示すように、実施の形態１に係る光造形装置は、収容槽１１０、ステージ１２１、ロッド１２２、シート光源１３１、第１光源１３２、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ：Digital Mirror Device）１４１、記憶部１５０、制御部１６０を備えている。
なお、当然のことながら、図１に示した右手系ｘｙｚ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。図１におけるｘｙ平面は水平面を構成し、ｚ軸方向が鉛直方向である。より具体的には、ｚ軸のプラス方向が鉛直上向きとなる。

収容槽１１０は、上部が開放された箱形の槽である。収容槽１１０の内部に、例えば紫外線硬化性樹脂液などの光硬化性樹脂液５１が収容される。ここで、シート光源から出射された光は、収容槽１１０の側壁を介して収容槽１１０内の光硬化性樹脂液５１に照射される。そのため、収容槽１１０は、光透過性を有しており、例えばガラス、透明樹脂などから構成されている。光硬化性樹脂液５１は多光子吸収材料であることが好ましい。多光子吸収材料を用いることにより、造形物５２をより高精度に造形することができる。

ステージ１２１は、収容槽１１０内において形成される造形物５２を支持するための台座である。換言すると、収容槽１１０内に設けられたステージ１２１上において、造形物５２が形成されていく。ステージ１２１は、ロッド１２２により支持されており、上下方向（ｚ軸方向）に移動することができる。そのため、収容槽１１０内から造形物５２を容易に取り出すことができる。なお、ステージ１２１、ロッド１２２を用いずに、収容槽１１０の底面上に造形物５２を直接形成してもよい。すなわち、ステージ１２１、ロッド１２２は必須の構成要素ではない。

シート光源１３１は、例えばレーザシート光源であって、ｘｙ平面に平行な平面状の光（シート光）Ｌｓを出射する。上述の通り、シート光源１３１から出射されたシート光Ｌｓは、収容槽１１０の側壁を介して光硬化性樹脂液５１に照射される。シート光Ｌｓの厚みは、３次元構造体のスライスピッチｐに一致するように調整されている。また、シート光源１３１は、矢印で示すように、移動手段により上下方向（ｚ軸方向）に移動することができる。具体的には、硬化樹脂層５３が形成される度に、シート光源１３１がスライスピッチｐだけ上方（ｚ軸方向プラス側）へ移動する。このように、下側から上側へ硬化樹脂層５３を順次形成し、積層することにより、造形物５２を形成する。なお、詳細には後述するように、硬化樹脂層５３はシート光Ｌｓのみの照射によっては形成されず、シート光Ｌｓと光線Ｌ１との交差領域に硬化樹脂層５３が形成される。

第１光源１３２は、例えば紫外線ランプ及び集光レンズを備えており、光線（第１の光線）Ｌ１を出射する。光線Ｌ１はＤＭＤ１４１により反射され、上側（ｚ軸方向プラス側）から光硬化性樹脂液５１に照射される。なお、詳細には後述するように、硬化樹脂層５３は光線Ｌ１のみの照射によっては形成されない。

ＤＭＤ１４１は、シート光Ｌｓとの交差位置における光線Ｌ１の照射スポットの形状が、３次元構造体の断面形状となるように、制御部１６０により制御されている。実施の形態１に係る光造形装置では、ＤＭＤ１４１が使用されているため、光線Ｌ１を走査する必要がなく、生産性に優れている。但し、ＤＭＤ１４１を用いずに、光線Ｌ１を走査させてもよい。なお、ＤＭＤ１４１を用いて光線Ｌ１を３次元構造体の断面形状全体に照射するのではなく、複数の領域に分割して照射してもよい。生産性は低下するが、低出力で安価な第１光源１３２を用いることができる。

記憶部１５０には、３次元構造体を所定ピッチｐでスライスした断面データが格納されている。図２は、３次元構造体を所定ピッチｐでスライスすることにより得られる断面データを示すイメージ図である。図２に示すように、３次元ＣＡＤによる３次元構造体の３次元設計データから当該３次元構造体を所定ピッチｐでスライスした複数の断面データが作成される。図２の例では、ｚ軸を中心軸とする円錐台の３次元設計データをｘｙ平面に水平な平面により所定ピッチｐでスライスしている。これにより、直径の異なる複数の円が断面データとして得られる。実施の形態１に係る光造形装置では、この各断面データに応じた硬化樹脂層５３が順次形成され、積層されていくことにより、造形物５２が形成される。

制御部１６０は、記憶部１５０に格納されたデータに基づいて、シート光源１３１、第１光源１３２、ＤＭＤ１４１を制御する。具体的には、制御部１６０は、シート光源１３１から出射されるシート光Ｌｓの照射エネルギ密度、シート光Ｌｓの厚み、シート光源１３１の上方向への移動を制御する。また、制御部１６０は、第１光源１３２から出射される光線Ｌ１の照射エネルギ密度を制御する。さらに、制御部１６０は、シート光Ｌｓとの交差位置における光線Ｌ１の照射スポットの形状が、３次元構造体のその高さでの断面形状となるように、ＤＭＤ１４１を制御する。

上述の通り、実施の形態１に係る光造形装置では、シート光Ｌｓと光線Ｌ１との交差領域に位置する光硬化性樹脂液５１のみが硬化され、そこに硬化樹脂層５３が形成される。換言すると、シート光Ｌｓ及び光線Ｌ１がそれぞれ単独で照射されている位置では、光硬化性樹脂液５１は硬化しない。すなわち、シート光Ｌｓ及び光線Ｌ１には、照射エネルギに関する条件が存在する。

図３を参照して、シート光Ｌｓの照射エネルギ密度Ｅｓ及び光線Ｌ１の照射エネルギ密度Ｅ１について説明する。図３は、単位面積当たりの照射エネルギ（照射エネルギ密度）と硬化厚みとの関係を示すグラフである。図３の横軸は照射エネルギ密度（単位任意）、縦軸は硬化厚み（単位任意）である。なお、図３の横軸は対数表示である。図３に示すように、照射エネルギ密度の対数と硬化厚みとは線形関係にある。そして、照射エネルギ密度がゲル化点における臨界照射エネルギ密度Ｅｃを超えないと、光硬化性樹脂液５１は硬化しない。

上述のように、シート光Ｌｓ及び光線Ｌ１をそれぞれ単独で照射しても、光硬化性樹脂液５１が硬化しないようにする。そのため、シート光Ｌｓの照射エネルギ密度Ｅｓ及び光線Ｌ１の照射エネルギ密度Ｅ１はいずれも臨界照射エネルギ密度Ｅｃよりも小さくする。すなわち、Ｅｓ，Ｅ１＜Ｅｃとする。
他方、シート光Ｌｓ及び光線Ｌ１の両方を照射した場合には、光硬化性樹脂液５１が硬化するようにする。そのため、シート光Ｌｓの照射エネルギ密度Ｅｓ及び光線Ｌ１の照射エネルギ密度Ｅ１の合計が臨界照射エネルギ密度Ｅｃよりも大きくする。すなわち、Ｅｃ＜Ｅｓ＋Ｅ１とする。
従って、シート光Ｌｓの照射エネルギ密度Ｅｓ及び光線Ｌ１の照射エネルギ密度Ｅ１が、以下の式（１）を満足するように調整する。
Ｅｓ，Ｅ１＜Ｅｃ＜Ｅｓ＋Ｅ１・・・（１）

硬化厚みは、スライスピッチｐに同じであるから、図３に示すように、シート光Ｌｓの照射エネルギ密度Ｅｓ及び光線Ｌ１の照射エネルギ密度Ｅ１の合計（Ｅｓ＋Ｅ１）は、このスライスピッチｐに応じて決まる。ここで、シート光Ｌｓの照射エネルギ密度Ｅｓは、シート光源１３１の出力及び照射時間に比例する。同様に、光線Ｌ１の照射エネルギ密度Ｅ１は、第１光源１３２の出力及び照射時間に比例する。従って、シート光Ｌｓの照射エネルギ密度Ｅｓ及び光線Ｌ１の照射エネルギ密度Ｅ１は、シート光源１３１及び第１光源１３２の出力及び照射時間により調整することができる。

次に、図１、２を参照して、実施の形態１に係る光造形方法について説明する。
まず、図２に示すように、３次元ＣＡＤによる３次元構造体の３次元設計データから当該３次元構造体を所定ピッチｐでスライスした複数の断面データを作成する。

次に、図１に示すように、光硬化性樹脂液５１に浸漬させたステージ１２１の直上に水平なシート光Ｌｓ（厚みｐ）を照射しつつ、シート光Ｌｓと交差する光線Ｌ１を上側から照射する。ここで、１層目の断面データに基づいて、シート光Ｌｓとの交差位置における光線Ｌ１の照射スポットの形状を制御する。これにより、シート光Ｌｓと光線Ｌ１との交差領域に１層目の断面データに対応する硬化樹脂層５３が厚みｐで形成される。光線Ｌ１の光軸はシート光Ｌｓに対して垂直でなくてもよいが、垂直であることが好ましい。

ここで、図３を参照して詳細に説明した通り、シート光Ｌｓ及び光線Ｌ１がそれぞれ単独で照射された領域では、光硬化性樹脂液５１が硬化しないように、シート光Ｌｓの照射エネルギ密度Ｅｓ及び光線Ｌ１の照射エネルギ密度Ｅ１はいずれもゲル化点における臨界照射エネルギ密度Ｅｃよりも小さくする。
他方、シート光Ｌｓ及び光線Ｌ１の交差領域では、光硬化性樹脂液５１が硬化するように、シート光Ｌｓの照射エネルギ密度Ｅｓ及び光線Ｌ１の照射エネルギ密度Ｅ１の合計は臨界照射エネルギ密度Ｅｃよりも大きくする。

次に、図１に示すように、シート光源１３１をスライスピッチｐだけ上方（ｚ軸方向プラス側）へ移動する。すなわち、シート光Ｌｓの照射位置をスライスピッチｐだけ上方へ移動する。そして、再度シート光Ｌｓ（厚みｐ）を照射しつつ、シート光Ｌｓと交差する光線Ｌ１を上側から照射する。ここで、２層目の断面データに基づいて、シート光Ｌｓとの交差位置における光線Ｌ１の照射スポットの形状を制御する。これにより、シート光Ｌｓと光線Ｌ１との交差領域に２層目の断面データに対応する硬化樹脂層５３が厚みｐで形成される。

このように、１層分の硬化樹脂層５３を形成する毎に、シート光源１３１すなわちシート光Ｌｓの照射位置をスライスピッチｐだけ上方へ移動する。そして、厚みｐのシート光Ｌｓを照射しつつ、シート光Ｌｓと交差する光線Ｌ１を上側から照射することにより、シート光Ｌｓと光線Ｌ１との交差領域に新たな硬化樹脂層５３を順次形成する。その結果、複数の硬化樹脂層５３が積層されてなる造形物５２を形成することができる。

次に、実施の形態１に係る光造形装置及び光造形方法に係る効果について説明する。
上述の通り、スライスピッチｐを小さくするほど、高精度に造形することができる。しかしながら、従来の光造形装置及び光造形方法では、硬化樹脂層を１層形成する毎に、ステージを降下させ、その硬化樹脂層上を光硬化性樹脂液により覆った後、光を照射して次の硬化樹脂層を形成していた。すなわち、各硬化樹脂層を形成する間に、ステージを降下する時間、光硬化性樹脂液が硬化樹脂層上に流れ込む時間、さらに流れ込んだ光硬化性樹脂液が硬化樹脂層上において安定するまでの時間を要していた。そのため、高精度に造形するためにスライスピッチを小さくするほど、生産性は低下してしまうという問題があった。

これに対し、本実施の形態に係る光造形装置及び光造形方法では、硬化樹脂層を１層形成する毎に、光硬化性樹脂液５１に浸漬させたステージ１２１を移動させるのではなく、光硬化性樹脂液５１の外部から照射されたシート光Ｌｓの照射位置を上に移動させ、次の硬化樹脂層を形成する。すなわち、本実施の形態に係る光造形装置及び光造形方法では、従来の光造形装置及び光造形方法に比べ、少なくとも光硬化性樹脂液が硬化樹脂層上に流れ込む時間、さらに流れ込んだ光硬化性樹脂液が硬化樹脂層上において安定するまでの時間が一切不要となり、劇的に生産性が向上する。

そのため、本実施の形態に係る光造形装置及び光造形方法の場合、スライスピッチｐを小さくしても、造形時間は増加しない。それどころか、図３に示すように、硬化厚みは照射エネルギ密度そのものでなくその対数と線形関係にある。そのため、スライスピッチｐ（すなわち硬化厚み）を小さくすると、硬化に必要な照射エネルギ密度は指数関数的に小さくなる。すなわち、シート光源１３１及び第１光源１３２の出力を一定とすれば、スライスピッチｐを小さくすることにより、かえって造形時間を減少させることができる。
以上のように、本実施の形態に係る光造形装置及び光造形方法では、スライスピッチｐを小さくすることによる生産性の低下を抑制しつつ高精度に造形することができる。

（実施の形態２）
次に、図４、５を参照して、実施の形態２に係る光造形装置について説明する。図４、５は、実施の形態２に係る光造形装置の模式的断面図である。実施の形態２に係る光造形装置は、実施の形態１に係る光造形装置に加え、第２光源１３３、ＤＭＤ１４２を備えている。その他の構成は実施の形態１に係る光造形装置と同様であるため、詳細な説明を省略する。

第２光源１３３は、第１光源１３２と同様であって、例えば紫外線ランプ及び集光レンズを備えており、光線（第２の光線）Ｌ２を出射する。光線Ｌ２はＤＭＤ１４２により反射され、上側（ｚ軸方向プラス側）から光硬化性樹脂液５１に照射される。硬化樹脂層５３は光線Ｌ２のみの照射によっては形成されない。

ＤＭＤ１４２は、ＤＭＤ１４１と同様であって、制御部１６０により制御されている。図４では、ＤＭＤ１４１により反射された光線Ｌ１のシート光Ｌｓとの交差位置における照射スポットの形状が、３次元構造体の断面形状となっている。さらに、ＤＭＤ１４２により反射された光線Ｌ２のシート光Ｌｓとの交差位置における照射スポットの形状も、３次元構造体の断面形状となっている。このように、実施の形態２に係る光造形装置では、ＤＭＤ１４１により反射された光線Ｌ１とＤＭＤ１４２により反射された光線Ｌ２とを、シート光Ｌｓとの交差位置において重ねて照射することにより、実施の形態１に係る光造形装置よりも短時間で硬化樹脂層５３を形成することができる。

他方、図５では、ＤＭＤ１４１により反射された光線Ｌ１とＤＭＤ１４２により反射された光線Ｌ２とが、シート光Ｌｓとの交差位置において、重ならないように照射されている。これにより、シート光Ｌｓと光線Ｌ１、Ｌ２のそれぞれとの交差領域に硬化樹脂層５３ａ、５３ｂが形成されている。そのため、実施の形態２に係る光造形装置では、実施の形態１に係る光造形装置では造形することができないような、大きい断面形状を有する３次元構造体も造形することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

５１ 光硬化性樹脂液
５２ 造形物
５３ 硬化樹脂層
１１０ 収容槽
１２１ ステージ
１２２ ロッド
１３１ シート光源
１３２ 第１光源
１３３ 第２光源
１５０ 記憶部
１６０ 制御部
Ｅｓ、Ｅ１ 照射エネルギ密度
Ｅｃ 臨界照射エネルギ密度
Ｌｓ シート光
Ｌ１、Ｌ２ 光線
ｐ スライスピッチ

Claims (8)

1. 光硬化性樹脂液に光を照射して硬化樹脂層を形成する工程を繰り返すことにより、当該硬化樹脂層が積層されてなる３次元構造体を造形する光造形方法であって、
   前記硬化樹脂層を形成する工程において、
   前記光硬化性樹脂液に対してシート光を照射しつつ、前記シート光と交差する第１の光線を照射することにより、前記シート光と前記第１の光線との交差領域に前記硬化樹脂層を形成し、
   前記シート光の照射位置を移動させ、前記硬化樹脂層を形成する工程を繰り返す、
   光造形方法。
2. 前記シート光及び前記第１の光線の照射エネルギ密度のそれぞれを、前記光硬化性樹脂液のゲル化点における臨界照射エネルギ密度よりも小さくし、
   前記シート光及び前記第１の光線の照射エネルギ密度の合計を、前記臨界照射エネルギ密度よりも大きくする、
   請求項１に記載の光造形方法。
3. デジタルミラーデバイスによって反射された前記第１の光線を、前記光硬化性樹脂液に照射する、
   請求項１又は２に記載の光造形方法。
4. 光硬化性樹脂液を多光子吸収材料から構成する、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の光造形方法。
5. 前記シート光と交差する第２の光線を更に照射する、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の光造形方法。
6. 光硬化性樹脂液に光を照射して硬化樹脂層を形成する工程を繰り返すことにより、当該硬化樹脂層が積層されてなる３次元構造体を造形する光造形装置であって、
   前記光硬化性樹脂液に対して照射するシート光を生成するシート光源と、
   前記シート光と交差する第１の光線を生成する第１光源と、
   前記シート光源を移動させる移動手段と、を備え、
   前記移動手段により前記シート光の照射位置を移動させ、前記シート光と前記第１の光線との交差領域に前記硬化樹脂層を形成する工程を繰り返す、
   光造形装置。
7. 前記第１光源によって生成された前記第１の光線を反射するデジタルミラーデバイスを更に備え、
   前記デジタルミラーデバイスによって反射された前記第１の光線を、前記光硬化性樹脂液に照射する、
   請求項６に記載の光造形装置。
8. 前記シート光と交差する第２の光線を生成する第２光源を更に備える、
   請求項６又は７に記載の光造形装置。

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