JP2016087906A - Method and device for producing steric structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光反応性樹脂をステージの回転による塗布により供給し、立体物を造形する回転テーブルを使用する立体構造物製造方法及び装置に関する。 The present invention relates to a method and an apparatus for manufacturing a three-dimensional structure that uses a rotary table that supplies photoreactive resin by coating by rotating a stage and forms a three-dimensional object.
光(UV紫外線も含む)硬化樹脂等やその他の材料を用いた積層造形装置においては、材料を1層毎に供給し必要な部分に対しての硬化等を行い、その後に材料が載置されているテーブル等を上下させてから次の材料を供給し、その作業を繰り返すことにより三次元の立体造形を行っている(例えば特許文献4参照)。材料の供給方法においてはいろいろな構造が存在するが、その中で回転するテーブルの上方に半径方向に伸びた供給装置から材料を線状に供給し、テーブルの回転による場所の移動により材料をテーブル全体に供給する構造が知られている(例えば特許文献1,2,3参照)。
In additive manufacturing equipment using light (including UV and ultraviolet) curable resins and other materials, materials are supplied layer by layer to cure necessary parts, and then the materials are placed. The next material is supplied after raising and lowering the table and the like, and the operation is repeated to perform three-dimensional three-dimensional modeling (see, for example, Patent Document 4). There are various structures in the material supply method, and the material is linearly supplied from a supply device extending in the radial direction above the rotating table, and the material is moved to the table by moving the place by rotating the table. Structures that supply the whole are known (see, for example,
積層造形装置(三次元プリンター等)を用いた立体物の造形では、金属や石膏などの粉末材料、溶解プラスチック、光硬化樹脂などによる造形手法が提案または実用化されているが、いずれも造形時間の多くを材料の供給および硬化、そしてテーブルの上下動などの積層プロセスが占めている。
回転テーブルを用いた半径方向に伸びた供給装置による材料の供給では回転速度を上げる事により材料の供給を早くすることは可能であるが、半径方向に伸びた供給装置による供給を用いるとテーブルの内側と外側において回転速度が違うため半径方向に一律に供給をしたのでは材料が全体に均一に供給されてない可能性もあり、そのため供給の後には必ず表面をならすという作業が必要になる。
言い換えれば、従来の積層造形装置では造形時間が長くかかるという課題、及び表面をならす追加工程が必要になるという課題があった。
本発明は、上記問題点を解決することを目的とする。
In the modeling of three-dimensional objects using layered modeling equipment (three-dimensional printers, etc.), modeling methods using powder materials such as metal and gypsum, dissolved plastics, and photo-curing resins have been proposed or put into practical use. The majority of this is accounted for by lamination processes such as material supply and curing, and table vertical movement.
In the material supply by the supply device extending in the radial direction using the rotary table, it is possible to speed up the material supply by increasing the rotation speed. However, if the supply by the supply device extending in the radial direction is used, Since the rotational speed is different between the inner side and the outer side, if the material is uniformly supplied in the radial direction, there is a possibility that the material is not uniformly supplied to the entire surface. Therefore, it is necessary to always smooth the surface after the supply.
In other words, the conventional additive manufacturing apparatus has a problem that it takes a long modeling time and an additional process for smoothing the surface.
The present invention aims to solve the above problems.
上記目的を達成するため、本発明は、ステージ上に塗布した光反応性樹脂の層に光を照射して樹脂層を反応させつつ積層し、立体物を作成する立体構造物製造装置であって、前記ステージを回転駆動装置に連結し、吐出装置から前記ステージ上に吐出した光反応性樹脂を前記ステージの回転により発生する遠心力によって前記光反応性樹脂を滴下箇所から周囲に広げ前記ステージ上に光反応性樹脂を塗布するようにしたことを特徴とする。
また本発明は、前記光反応性樹脂の滴下箇所が前記ステージの中央部であることを特徴とする。
また本発明は、前記ステージの回転速度を可変とし、前記ステージの回転数を変えることでステージの回転加速度により形成される光反応性樹脂の膜の厚さを変化させることができるようにしたことを特徴とする。
また本発明は、前記光反応性樹脂の粘度に応じて前記ステージの回転数を変更し、該ステージ上の光反応性樹脂の膜厚を制御するようにしたことを特徴とする。
また本発明は、前記ステージの上方に色付け装置を配備し、ステージ上の光反応性樹脂に色を付けるようにしたことを特徴とする。
また本発明は、ステージ上に光反応性樹脂を塗布し、光反応性樹脂の層に光を照射して樹脂層を反応させつつ積層し、立体物を作成する立体構造物製造方法であって、前記ステージ上に光反応性樹脂を滴下し、該滴下した光反応性樹脂を前記ステージの回転による遠心力によってステージの周囲に広げ、該ステージ上に光反応性樹脂の層を形成するようにしたことを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, the present invention is a three-dimensional structure manufacturing apparatus for creating a three-dimensional object by irradiating light to a layer of a photoreactive resin applied on a stage and laminating the resin layer while reacting. The stage is connected to a rotational drive device, and the photoreactive resin discharged from the discharge device onto the stage is spread from the dropping point to the periphery by the centrifugal force generated by the rotation of the stage. A photoreactive resin is applied to the substrate.
Further, the invention is characterized in that the dropping portion of the photoreactive resin is a central portion of the stage.
In the present invention, the rotational speed of the stage is variable, and the thickness of the photoreactive resin film formed by the rotational acceleration of the stage can be changed by changing the rotational speed of the stage. It is characterized by.
Further, the present invention is characterized in that the number of rotations of the stage is changed in accordance with the viscosity of the photoreactive resin, and the film thickness of the photoreactive resin on the stage is controlled.
Further, the present invention is characterized in that a coloring device is provided above the stage to color the photoreactive resin on the stage.
The present invention is also a method for producing a three-dimensional structure in which a photoreactive resin is applied on a stage, the photoreactive resin layer is irradiated with light and laminated while reacting the resin layer to create a three-dimensional object. The photoreactive resin is dropped on the stage, the dropped photoreactive resin is spread around the stage by the centrifugal force generated by the rotation of the stage, and a layer of the photoreactive resin is formed on the stage. It is characterized by that.
本発明は、ステージ上に滴下した光反応性樹脂をステージの回転による遠心力でステージ上に広げて均一に供給することができ、ステージ上に迅速に光反応性樹脂を塗布することができるため、造形時間を短縮化することができる。また遠心力によりステージ上に広げるため、粘度の高い光反応性樹脂などでも回転速度を制御することにより簡単に供給をする事ができる。そしてステージ上には一定の膜厚で供給することができるので、リコータなど均す作業が不要となり、造形時間の一層の短縮も可能となる。 In the present invention, the photoreactive resin dropped on the stage can be spread and uniformly supplied on the stage by centrifugal force caused by the rotation of the stage, and the photoreactive resin can be applied quickly on the stage. The modeling time can be shortened. Moreover, since it spreads on a stage with a centrifugal force, even a highly reactive photoreactive resin can be easily supplied by controlling the rotation speed. And since it can supply with a fixed film thickness on a stage, the work of leveling, such as a recoater, becomes unnecessary, and it becomes possible to further shorten modeling time.
本発明に係る光反応性樹脂を使った造形装置2は、基本形態として、容体4,遠心力を付与するステージ6、ステージの回転駆動軸14、光反応性樹脂の吐出装置8、露光または描画等による光照射装置12、ステージ6、6aまたは回転駆動軸14の回転角と同期して光照射装置12を駆動する駆動装置(図示せず)とから少なくともなるものである。
そして望ましい基本形態としては、遠心力を付与するステージ6は回転加速度をも付与するステージである。
また応用形態としては、特に光反応性樹脂を均一に塗布するために、上記基本形態に加え、気流制御装置30をも備えた造形装置2である。
また別の応用形態としては、更に光反応性樹脂を均一に塗布するために、上記基本形態に加え、均し手段10をも備えた造形装置である。
また別の応用形態としては、特に高さの高い造形物を製造するために、上記基本形態に加え、ステージの昇降機構(図示省略)、または均し手段の昇降機構(20)、または光反応性樹脂の吐出装置の昇降回転部(16)をも備えた造形装置である。
以下に本発明の構成を添付した図面を参照して詳細に説明する。なお図1〜4は本発明の基本構成を含んだ応用形態として示すものであり、使用する光反応性樹脂は光硬化樹脂すなわち光によって液体から固体状へ硬化する樹脂として説明する。
本発明に係る光硬化樹脂を使った造形装置2は、容体4,吐出装置8、均し手段10、露光または描画等による光照射装置12を備えている。ステージ6は、筒状の容体4の内部に配置され、円盤状のステージ本体6aを有し、該本体6aの上面に樹脂を塗布するための平坦な面が形成されている。
The
And as a desirable basic form, the
Further, as a form of application, in particular, in order to uniformly apply the photoreactive resin, the
Further, as another application form, in addition to the basic form described above, in order to uniformly apply the photoreactive resin, the modeling apparatus is provided with a leveling means 10.
As another application form, in addition to the basic form described above, a stage lifting mechanism (not shown), a leveling mechanism lifting mechanism (20), or a photoreaction is used in order to produce a particularly high-shaped object. It is the modeling apparatus provided also with the raising / lowering rotation part (16) of the discharge apparatus of a functional resin.
Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. 1 to 4 are shown as application forms including the basic configuration of the present invention, and the photoreactive resin used will be described as a photo-curing resin, that is, a resin that is cured from a liquid to a solid by light.
The
本体6aの下面の中心は、回転及び昇降駆動装置(図示省略)に連結する駆動軸14の上端が固定されている。吐出装置(ディスペンサー)8のアーム部8aの先端には、ステージ6の中心に向けて、所定量の光硬化樹脂を吐出するための吐出部8bが設けられている。使用される光硬化樹脂は吐出が可能な液状であるが、吐出が可能であれば粘度が高くても問題は無い。吐出装置8のアーム部8aは、昇降回転部16の回転軸16aに連結体18を介して昇降可能及び回転可能に連結している。
At the center of the lower surface of the
該連結体18は、回転軸16aと連結体18との間に形成されたスクリューとナットの構成(図示省略)及び動作切り換え機構(図示省略)により、回転軸16aの回転と連動して回転し、または、回転軸16aの回転に伴って回転軸16aに沿って昇降することができるように構成されている。アーム部8aの先端の吐出部8bは、アーム部8aに配備された樹脂供給管(図示省略)に連結し、該樹脂供給管から未硬化の光硬化樹脂が供給されるように構成されている。本装置には樹脂供給タンク(図示省略)が設けられ、タンク内の樹脂がポンプ(図示省略)によって前記樹脂供給管を通じ、前記吐出部8bに供給されるように構成されている。
The connecting
均し手段10はリコータやローラナイフなどの公知の成型具から成り、本実施形態ではリコータを用いている。均し手段10は、昇降回転部20の回転軸20aに連結体22を介して昇降可能及び水平方向に回転可能に連結している。該連結体22は、スクリューとナット等から成る回転及び昇降伝達機構(図示省略)及び動作切り換え機構(図示省略)により、回転軸20aの回転と連動して水平方向に回転し、または、回転軸20aの回転に伴って回転軸20aに沿って昇降することができるように構成されている。
The leveling means 10 includes a known molding tool such as a recoater or a roller knife. In this embodiment, a recoater is used. The leveling means 10 is connected to a rotating shaft 20a of the lifting / lowering rotating
光照射装置12は、レーザー24とレーザースキャナ26(図2参照)から構成される描画装置、あるいは、DLP(デジタルライトプロセッサー)デバイス、あるいは液晶などの偏光ユニットから構成されるプロジェクターなどの露光装置等により構成されている。そして光照射装置12は、時間ごとに造形データを出力する造形データ生成装置(図示省略)と接続されており、造形データ生成装置の出力データが入力されている。さらにステージ6、6aまたは回転駆動軸14の回転角と同期して造形データ生成装置に適切な造形データを出力するよう同期信号を与えると共に、光照射装置12を回転角に応じて駆動する光照射装置駆動装置(図示省略)が設けられている。なお光照射装置12は、照射部がステージ6の上面に対向して本装置の機体に支持されている。なおステージ6が上下方向に固定されている場合には、照射部を昇降可能としてステージ6との距離を一定に制御する構造にしても良い。容体4の底には、樹脂供給タンク(図示省略)に樹脂を戻すためのパイプ(図示省略)が取り付けられている。容体4の周壁にはアーム部8aや均し手段10のステージ6に対する水平方向の移動及び上下方向の移動を可能とする逃げ機構が設けられている。
The
本装置の制御装置(図示省略)は、光照射装置12、吐出装置8、回転軸16a,20aの各駆動装置、吐出装置8に光硬化樹脂を供給するポンプの駆動装置、均し手段10の制御部に接続し、これらを制御するように構成されている。図中、30は容体4内に気体(空気や窒素など)を送る気流制御装置(ファン)である。
The control device (not shown) of this apparatus includes a
次に、本実施形態の動作について図3に示すフローチャートを参照して説明する。
造形動作の初期状態では、均し手段10は、ステージ6の表面から離反した上昇位置に設定され且つ、ステージ6の側方に移動した状態に設定されている(ステップ1)。また、吐出装置8の吐出部8bは、ステージ6の中央に対して所定の間隔を存して対向する位置に設定されている。上記初期設定状態において、まずステージ6を所定の速度で回転させる(ステップ2)。
Next, the operation of the present embodiment will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
In the initial state of the modeling operation, the leveling means 10 is set at a raised position separated from the surface of the
次に、吐出部8bから所定の量の未硬化の光硬化樹脂を、ステージ6を所定の速度で回転させた状態で、ステージ6の中央に所定量滴下する(ステップ3)。次にこのステージ6を使用する樹脂と樹脂が積層される厚さの関係を実験的に求めた適正な回転プログラムにより回転させる。ステージ6の中央部に滴下された光硬化樹脂28は、遠心力や加速度で中央部から周囲に均一に広がり、ステージ6上の全域に光硬化樹脂28の薄い塗布膜28aが形成され、ステージ6に未硬化の光硬化樹脂が塗布される(ステップ4)。光硬化樹脂の塗布作業が完了したところで、ステージ6の回転が停止する(ステップ5)。
Next, a predetermined amount of uncured photo-curing resin is dropped from the
次に、均し手段10をステージ6上に移動し、均し手段10を樹脂膜28aに接触させ、ローラカッターの場合は回転させる。同時にステージ6を所定の回転速度で回転し、ステージ6上に塗布された光硬化樹脂をさらに均一の厚さにならし、回転ステージ6上の未硬化の光硬化樹脂成型膜を成型する(ステップ6)。
Next, the leveling means 10 is moved onto the
ステージ6から均し手段10により掻き出された未硬化の光硬化樹脂やステージの回転により端から流れ落ちた樹脂などは、容体4に落下し、容体4の底に貯められる。ステージ6上の光硬化樹脂のならし成型作業が完了すると、ステージ6が停止する。なお、本発明の実施に際し、均し成型は省略することができ、本装置に均し手段10を配備することは必須の構成ではない。
Uncured photocured resin scraped from the
次に、ステージ6上の未硬化樹脂層に対して等高線データに応じた領域に光照射装置12から光が照射され露光または描画が行われる(ステップ7,8)。この時、光照射装置12は、時間ごとに造形データを出力する造形データ生成装置(図示省略)からの出力データが入力されて、露光または描画が行われる。なお露光または描画行われるタイミングであるが、ステージ6、6aまたは回転駆動軸14の位置を回転角の座標として扱うことのできる座標系によって、所定の角度で行われる(0〜360度、または0〜2π)。そのタイミングは光照射装置駆動装置(図示省略)により造形データ生成装置に対して与えられるものである。具体的にはステップ6におけるステージ停止位置の回転座標を読み取り、再度回転を始めてステージが所定の角度に達したところで同期信号として与えられる。また造形データ生成装置は、その同期信号を受けて、その所定回転角度に応じた等高線データを生成し、光照射装置12に出力する。これにより1層目の硬化樹脂層が形成される。ステージ6上の光硬化樹脂は光が当てられた所は硬化し、それ以外の部分は、完全に硬化がされない程度に硬化されており次の積層が上に乗る状態となっている。ステージ6の中央に露光の場合は、均し手段10や吐出装置8は、ステージ6の露光領域から外れる方向に移動させる。ステージ6のスピン塗布工程での回転のスタートは、上述のように、光硬化樹脂の滴下前であっても、または同時であっても、または、光硬化樹脂の滴下後であっても良い。なお説明の都合上、ステップ6において回転を停止させたが、ステージ6の回転は工程ごとに止める必要は無く、通常は回転を止めないで次の工程に進む方がステージおよびその上の造形物に掛かる負荷や回転が止まるまで、または回転が安定するまでの時間なども掛からない。また全体の造形時間を短縮するためには、光照射装置駆動装置が能動的に光照射装置12と回転駆動軸14の両方を駆動するのが最もよい。所定の回転角に応じた等高線データを複数作成しておき、回転駆動軸14を回転駆動させ、所定の回転角ごとに光照射装置12に順次送出すればよい。光照射装置12は中心に設ける必要は無く、ステージの半径方向にずれた場所に吐出装置8及び均し手段10と重ならない、1箇所、または円周方向での複数箇所設けても良く、その場合には照射装置の照射によりその都度待避をさせる構造は無くて良い。本件では照射装置12を中心部上方に設けた場合も想定し、その場合でも動作が可能なように待避構造も開示をしている。
Next, light is irradiated from the
次に、上記の要領で第2層目の作成に移行し(ステップ9)、順次積層動作を行う。光照射は所定角度ごと、すなわち1回転(360度)ごとに行われる。所定角度ごとであればこれに限るものではなく、n回転(nは1以上の整数)ごとに光照射を行ってもよい。
最終層の作成が完了したところで上記造形動作が完了する。吐出装置8は、光硬化樹脂の塗布と露光または描画ごとに、所定ピッチずつステージ6に対して上昇する。吐出装置8の高さを定位置に設定した場合は、吐出装置8に対してステージ6の方が所定ピッチずつ下降する。
なお吐出装置の上昇やステージの下降は先述のとおり、必須のものではない。特に造形物の高さが小さい場合には不要である。また造形物の高さが高い場合にも、光照射装置12の焦点距離を造形回数(造形高さ)に応じて可変し、常にステージ6上に結像するように設定することによって、第1層目と同様な造形を行うことが可能である。
Next, the process proceeds to the creation of the second layer as described above (step 9), and the stacking operation is sequentially performed. Light irradiation is performed every predetermined angle, that is, every one rotation (360 degrees). If it is every predetermined angle, it will not restrict to this, You may light-irradiate every n rotation (n is an integer greater than or equal to 1).
When the creation of the final layer is completed, the modeling operation is completed. The
In addition, as mentioned above, the raising of the discharge device and the lowering of the stage are not essential. This is not necessary especially when the height of the modeled object is small. In addition, even when the height of the modeled object is high, the focal length of the
上記実施形態において、ステージ6へ供給されるスピン塗布の材料は、説明の都合上、光反応性樹脂であるとしたが、可視光、紫外線に限るものではなく,X線,電子ビームなど外部から与えられるエネルギーによって化学反応が生じて硬化または溶解する高分子材料などが使用され、フェノール樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂などが用いられる。このスピン塗布の材料は1種類でなくとも良く、樹脂塗布の材料に、造形(露光または描画)コントロール材料を加えても良い。また粘度調整用に溶剤を加えてもよい。積層動作が終了したステージ6上の光反応性樹脂はステージより取り外す。光を当てて反応している部分とそれ以外の部分はまだ一緒になっている状態であるため、その後不要な部分を溶かす溶剤等により光を当てていない部分または光を当てた部分だけを取り除き、最終的な立体構造物を取り出す。
In the above embodiment, the spin coating material supplied to the
または、樹脂塗布の材料に、次の塗布をコントロールするための表面改質剤を加えても良い。ステージ6の回転により生じる遠心力により樹脂を広く短時間に展開することが可能であり、さらにステージ6に形成される光硬化樹脂の膜厚は、ステージ6の回転塗布期間(ステップ4)中の加速度や回転数により、コントロールが可能である。ここで加速度とは回転塗布期間(ステップ4)中の時間に対する回転数の変化を意味しており、低回転数から高回転数に瞬時に変化する回転力を加えた場合、正加速度が生じ、所望の厚みまで樹脂を薄くすると共に、均一に広げることが可能になる。このスピン塗布において、ステージの回転は実験的に求めた最適な回転速度が選択され、あらかじめ回転塗布期間中の時間経過に対する回転数の変化としてプログラムしておくことが可能である。また、一定回数の積層毎にスピン塗布の回転数などを変えることにより積層膜厚をコントロールすることも可能である。
使用する光反応性樹脂の粘度などにより液滴の落下した後のステージ6上での広がり方や膜厚なども変わるため、使用する光反応性樹脂の粘度などにより、ステージ6の回転数や加速度などを必要な値に変更するようにしてもよい。例えば吐出装置8を複数設け、積層作業の途中で違う光反応性樹脂に切り替える場合などは同じ膜厚にする必要がある場合などには変更して対応しても良い。
Alternatively, a surface modifier for controlling the next application may be added to the resin application material. It is possible to spread the resin widely and in a short time by the centrifugal force generated by the rotation of the
Depending on the viscosity of the photoreactive resin used, the spreading method and film thickness on the
尚、ステージ6、6aまたは回転駆動軸14の回転角は、外部からレーザー光反射などの光学的手段により読み取ってもよいし、回転駆動軸14に直接供えられたロータリーエンコーダーによってもよい。
また所定角度ごとに光照射する方法は、1回転(360度)ごと一括光照射の間欠繰り返しに限るものではない。例えば回転により刻一刻と変わる回転角に応じて変形した等高線データを生成して、連続して光照射するようにしてもよい。このように光照射すると造形がいっそう短時間で進められることとなる。
尚、上記実施形態では、ステージ6に塗布した光反応性樹脂をリコータなどの均し手段10で成型後に光照射装置12で露光し、露光による造形後、次の積層工程に移行しているが、図4に示すように、ライン型のカラーインクジェットヘッド32などの色付け装置を配備し、ステージ6に光反応性樹脂を回転塗布後、ステージ6を回転させながら、ステージ6の光反応性樹脂塗布面にカラーインクジェットヘッド32で光反応性樹脂に対してインクジェット描画を行うようにしても良い。
The rotation angle of the
Further, the method of irradiating light at every predetermined angle is not limited to intermittent repetition of collective light irradiation every rotation (360 degrees). For example, contour line data deformed in accordance with a rotation angle that changes every moment by rotation may be generated and continuously irradiated with light. When light is irradiated in this way, modeling will be advanced in a shorter time.
In the above embodiment, the photoreactive resin applied to the
このとき、ステージ6を回転させながら、ロータナイフなどの均し手段34によってステージ6上の光反応性樹脂の成型を行いつつ、UVランプなどの光照射装置でステージ6の一部を照射して、ステージ6上の光反応性樹脂を硬化させ、色付けされていない造形物上に色を付けるようにしても良い。他の動作は、第1の実施形態の動作と同一である。
At this time, while rotating the
2 造形装置
4 容体
6 ステージ
8 吐出装置
8a アーム部
8b 吐出部
10 均し手段
12 光照射装置
14 駆動軸
16 昇降回転部
16a 回転軸
18 連結体
20 昇降回転部
20a 回転軸
22 連結体
24 レーザー
26 レーザースキャナ
28 光硬化樹脂
30 ファン
32 カラーインクジェットヘッド
34 均し手段
DESCRIPTION OF
Claims (6)
A method for manufacturing a three-dimensional structure in which a photoreactive resin is applied on a stage, and the resin layer is irradiated with light to be cured and laminated to create a three-dimensional object. A photoreactive resin is dropped, and the dropped photoreactive resin is spread around the stage by a centrifugal force generated by the rotation of the stage, and a layer of a photocurable resin is formed on the stage. Three-dimensional structure manufacturing method.
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