JP2648222B2 - 中空球を含有する光硬化性組成物を用いる立体像形成法 - Google Patents

中空球を含有する光硬化性組成物を用いる立体像形成法

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光硬化による三次元物体の造形に関し、さら
に詳しくは中空球の形態でありまた断熱材として役に立
つ照射偏向物質を含有する光硬化性材料を利用する方法
に関する。
光硬化による三次元模型製作用造形装置は種々提案さ
れている。ヨーロッパ特許出願第250,121号（Scitex Co
rporation,Ltd.,1987年６月６日付）にはこの技術分野
に関するHull等による種々の方法を含む文献が要約され
ている。付加的な背景としては、1988年６月21日にFudi
mに特許された米国特許第4,752,498号に記載されている
ものがある。
これらの方法は固化させようとしている領域あるいは
体積を順次に照射することによって段階的に三次元物体
の立体領域を形成することに関する。種々のマスキング
技術の他に、直接レーザー描画法、すなわち、光硬化性
ポリマーを所望のパターンに従ってレーザービームで照
射し、三次元模型を一層ずつ重ねていく方法の使用も記
載されている。
しかしながら、これらの方法は、すべて、ベクトル走
査の利点を、露光状態を一定に保ち、剛性の三次元物体
の本件部を通じて各層毎のすべての硬化部分の最終厚さ
をほぼ一定にする手段と組合わせて利用する実用的な方
法を認識していない。
さらに、上記従来方法は、方法、装置のパラメータを
制御して実用的かつ有用に利用する特殊な操作範囲内の
非常に重要な相互関係も認識していない。このような操
作範囲としては、材料の光硬化応答性に依存した一定露
光レベルの範囲、光硬化の解像度、深さに依存する最大
加速度でのビームの最短移動距離の範囲ならびに光硬化
性組成物の感光度に依存する最大ビーム強さの範囲があ
る。
たとえば、Scitex特許は均一な露光を達成するために
ホストマスクあるいはラスタ走査を使用することを示唆
しているが、ベクトル走査の場合に露光を一定に保つた
めの解決は示唆していない。ホトマスクを使用すると、
時間、費用が過剰にかかるし、ラスタ走査も以下に示す
多数の理由のためにベクトル走査に比して望ましいもの
ではない。すなわち、ラスタ走査では、 造形しようとしている物体が全体積のほんの小さな部
分である場合でも全域を走査する必要がある、 たいていの場合に記憶すべきデータ量がかなり増加す
る、 記憶したデータの取り扱いが全体として難しい、 CADベースのベクトル・データをラスタ・データに変
換する必要がある。
一方、ベクトル走査の場合には、剛性物体の形状に対
応する領域のみを走査すればよく、記憶すべきデータ量
も少ないし、データもより容易に取り扱うことができ、
「CADベース機の90％を超える機種がベクトル・データ
を発生、利用している」（Lasers ＆ Optronicsの1989
年１月第８第１号56頁）。その利点にも拘らずレーザー
ベクトル走査がこれまで広く利用されてこなかった主た
る理由は、レーザーのような現在のたいていの活性線照
射のために利用できる偏向装置の光学部材、たとえば、
鏡の慣性に関する問題を持っているということである。
このような偏向装置は性質上電気機械的であるから、い
かなるビーム速度を達成する際にもそれに伴なう加速度
には限界がある。この避けることのできない速度の不均
一性は許容できない厚みの変化を生じさせる。特に、高
強度での露光が直前に行われていない層部分の場合に
は、高いビーム速度を使用する必要があり、したがっ
て、長い加速時間が必要となり、これがまた不均一な厚
さの原因となる。低強度のレーザーを使用する場合に
は、固体物体の造形に時間がかかりすぎるので、良い結
果が得られない。さらに、本発明についての以下の説明
で明らかにするように少なくとも前述の深さ、露光レベ
ルの関係が観察されないかぎりベクトル走査の有用性は
さらに低下する。
立像形成の分野における関連技術では組成物自体に関
する限り非常に一般的な用語を除いて、特に配慮はなさ
れていない。
即ち、通常使用される組成物には多数の種々の問題が
存在する。このような問題は：深さ方向へ光硬化が過剰
になり通常それに伴って幅方向への光硬化が不十分とな
ることである。この問題は剛性物体の片持ち部分または
他の部分（この部分は基板上に直接存在しない）で特に
ひどくなり；光硬化中の重合熱の局部損失による感光度
が損われ；光硬化している場所から熱が放散することに
より解像度が損われ；照射偏向物質と該光硬化性組成物
の残りとの間の比重の差により保存安定性が減少する。
従って本発明の目的は光硬化の深さを制限すると同時
に光硬化の幅を増加してそれによりすべての方向におい
て解像度のバランスがより良く保たれるようにするため
に光硬化性組成物中に屈折率が大きく異なった照射偏向
物質を導入すること；感光度および解像度を改良するた
めに熱絶縁性である照射偏向物質を用いること；保存安
定性を改良するために該光硬化性組成物の残りに匹敵す
る比重を有する照射偏向物質を用いることにより上記の
問題を解決することにある。
ヨーロッパ特許出願第250,121号（Scitex Corp.,Lt
d.）には収縮を減ずるため照射透過粒子を含有する固化
しうる液体を用いる三次元模型製作装置が開示されてい
る。
米国特許第4,504,565号（Baldvinsら）には像が強い
放射線への露光により形成されうる照射像形成性組成物
が記載されており、この組成物は（ａ）中空セラミツク
微小球および（ｂ）組成物の強い放射線への露光の間破
壊されずそして強い放射線への露光により形成された像
をマスクしない結合剤物質からなるものである。
本発明は光硬化の深さを制限すると同時に光硬化の幅
を増加してそれによりすべての方向において解像度のバ
ランスがより良く保たれるようにするために照射偏向物
質を含有する光硬化性組成物を利用することにより活性
線照射を好ましくは直接描画用レーザーによって与えら
れるようなビーム形態で用いて一層ずつ三次元に光硬化
した立体物体を直接造形する方法に関する。このように
して形成した一体となった三次元物体または部材の一体
性も大きく改良されている。中空球の形態である照射偏
向物質はまた熱絶縁性でありそして該光硬化性組成物の
残りに匹敵する比重を有することが好ましい。
本発明は次のとおり要約することができる。
（ａ）エチレン系不飽和モノマー、光開始剤および微小
中空球からなる光硬化性液体組成物の層を形成させ、 （ｂ）活性線に露光することにより光硬化性液体組成物
の層の少なくとも一部を光硬化させ、 （ｃ）活性線に予め露光した層の上に光硬化性液体組成
物の新しい層を導入し、 （ｄ）活性線に露光することにより前記の新しい液体の
層の少なくとも一部を光硬化させ、 ここで微小中空球の屈折率と光硬化性液体組成物中の
他の物質の屈折率との差の絶対値は０ではなく、そして （ｅ）工程（ｃ）および（ｄ）を連続して繰り返して 前記光硬化性液体組成物の連続層から一体となった三
次元物体を正確に造形する方法。
本発明はエチレン系不飽和モノマー、光開始剤および
微小中空球からなる光硬化性組成物を用い、かつ前記微
小中空球は断熱材で第１屈折率を有し、該組成物の残り
は第２屈折率を有し、また第１屈折率と第２屈折率との
差の絶対値は０ではないものとしかつ、活性線照射を好
ましくは直接描画用レーザーによって与えられるような
ビーム形態で用いることによって、一層ずつ三次元に光
硬化した立体物体を直接造形する方法に関する。
前述のように、光硬化による三次元模型製作用造形装
置が多く提案されている。ヨーロツパ特許出願第250,12
1号（Scitex Corp.Ltd.,1987年６月６日付）にはこの技
術分野に関するHull等による種々の方法を含む文献が要
約されている。さらに従来技術が米国特許第4,752,498
号に記載されている。
好ましい態様では本発明を実施するための装置をブロ
ツク図で第１図に図示した。本装置およびその操作を下
記に示す。
第１図に示した活性線照射装置（10）好ましくは高出
力レーザーを使用して一定の強度を有する活性線ビーム
（12）を供給する。この照射ビーム（12）を変調器（1
4）に通過させ、そこでその強度を変調することが出来
る。変調ビーム（12′）は次いで２枚の鏡（20）および
（22）を組立てたベクトルスキヤナーのような偏向装置
（16）を通過し、各鏡はそれぞれ異なったモータ（24）
および（26）により別々に駆動される。
モータ（24）により駆動されて鏡（20）が回転するこ
とによりビームはＸ方向に偏向され、一方鏡（22）の回
転によりビームはＹ方向に偏向され、そしてＸ方向はＹ
方向に垂直である。即ち活性線ビーム（12″）は容器
（44）中の光硬化性組成物の表面（46）に存在する所定
の部分に向って制御可能に偏向される。それによって光
硬化性組成物（40）の表面（46）に最も近い薄層（48）
が層（48）の最大厚さに等しい深さまで光硬化される。
ビームの複合運動はベクトル型運動であることが好まし
く、ビームはベクトル方式で運動するかまたは走査され
ると言われる。電気機械的な偏向装置（16）の慣性によ
り、薄層（48）上でのビーム（12″）の速度も偏向装置
（16）の慣性および電気機械的特性により制限される。
モータ（24）および（26）によるそれぞれ２枚の鏡
（20）および（22）の偏向は第２コンピユータ制御装置
（34）で制御され、一方造形中の立体物体の形状に対応
する画像データは第１コンピユータ制御装置（30）中に
記憶される。
第２コンピユータ制御装置（34）は変調装置（14）、
偏向装置（16）および第１コンピユータ制御装置（30）
と、それぞれ制御／フイードバツクライン（50）、（5
4）および（58）を経由して接続されている。コンピユ
ータ制御装置（30）中に記憶されている画像データはコ
ンピユータ制御装置（34）に供給され、処理後モータ
（24）および（26）を回転させ、それに応じて鏡（20）
および（22）を動かしてビームが薄層（48）上の所定の
位置に向うように偏向させる。鏡（20）と（22）の相互
の運動に関する電気的フイードバツクは偏向装置により
ライン（54）を経由して第２コンピユータ制御装置（3
4）に与えられる。
光硬化性液体の連続層を導入しレーザーのような活性
線に露光する方法は一般に２つの方法による。第１の方
法では容器中に液体溜めが存在し光硬化性液体を追加し
て導入する必要はない。このような場合可動テーブルま
たはフロアが液体を支える。まずテーブルまたはフロア
はその上に存在する光硬化性液体の一部分およびテーブ
ルまたはフロアの端部の周辺および／またはその下方の
容器中に存在する液体の一部分で上昇される（例えばテ
ーブルは液体が使用される時テーブルの下方に流れるよ
うに存在する）。テーブルより上方の液層部分が露光お
よび光硬化された後、テーブルは降下して光硬化性液体
の別の層が前の層の上面に流れ込み、続いて新しく塗布
された液層上の所定の領域が露光される。必要ならば最
終の三次元物品の形状により、２つ以上の液体層の厚さ
を光硬化することができる。このテーブルまたはフロア
を降下させて露光する操作は所望の三次元物品が形成さ
れるまで継続する。
第２の方法は可動テーブルまたはフロアを使用する必
要はないが、露光ステツプの後光硬化性液体の新たな量
が容器中に導入され、前に露光された光硬化した液体と
光硬化性材料との両方を含む層上に新たな液体層を形成
させるものである。液体を導入する方法では臨界は存在
しないが、むしろ連続した液体層を光硬化する能力が存
在する。
第１図では、最初に可動テーブル（41）は表面（46）
から一定の短い距離で光硬化性組成物（40）の中に位置
決めされ、そして薄層（48）は表面（46）とテーブル
（41）との間におかれる。テーブルの位置決めは配置装
置（42）によりなされるが、その位置は次に第１コンピ
ユータ制御装置（30）によりその中に記憶されたデータ
に従って制御される。剛性物体の形状の第１層に対応す
る画像データはコンピユータ制御装置（30）からコンピ
ユータ制御装置（34）に供給され、そこで偏向装置（1
6）から得られたフイードバツクデータとともに処理さ
れ、そしてそれを制御するため変調装置（14）に供給さ
れ、その結果ビームが薄層（48）の所定の位置にベクト
ル方式で動く場合でも露光は一定に保たれる。
剛性物体の第１層が完成されると可動テーブル（41）
は第１コンピユータ制御装置（30）からの指令によって
配置装置（42）により短い所定の距離だけ降下される。
コンピユータ装置（30）からの同様の指令に従って層形
成装置例えばドクターナイフ（43）は表面（46）を平滑
化の目的で掃引する。次に同様の操作で剛性物体が完成
されるまで第２、第３およびその次の層を造形する。
上記および以下の説明において、好ましくはビームの
形態、さらに好ましくはレーザービームの形態である活
性線はしばしば光と呼ばれるが他のものをも意味する。
これはここに記載された特定の実施例にかんがみて説明
をより明確にするためになされたものであって本発明の
範囲を限定するものではない。しかしながら好ましい活
性線は紫外（UV）、可視および赤外（IR）光を含む光で
ある。これらの３つの波長域の光の中では紫外線がさら
に好ましい。
立体像形成のための光硬化性組成物の配合はその走査
がベクトル型、ラスタ型および他のいかなる型であるか
を問わず所望とする硬化と特徴を受け入れるために非常
に重要であり、以下の説明においては特に断らない限り
どの型の走査をも意味する。しかしながら、種々の型の
走査のうちベクトル型が好ましい型の走査である。
立体像形成のための光硬化性組成物は少なくとも１種
の光硬化性モノマーまたはオリゴマーおよび少なくとも
１種の光開始剤を含有すべきである。本発明の目的にと
ってモノマーおよびオリゴマーと言う用語は実質的に同
じ意味を有しそれらは相互に交換して使用されることが
ある。
単独でまたは他のモノマーと組み合わせて使用できる
適当なモノマーとしてはｔ−ブチルアクリレートおよび
メタクリレート、1,5−ペンタンジオールジアクリレー
トおよびジメタクリレート、N,N−ジエチルアミノエチ
ルアクリレートおよびメタクリレート、エチレングリコ
ールジアクリレートおよびジメタクリレート、1,4−ブ
タンジオールジアクリレートおよびジメタクリレート、
ジエチレングリコールジアクリレートおよびジメタクリ
レート、ヘキサメチレングリコールジアクリレートおよ
びジメタクリレート、1,3−プロパンジオールジアクリ
レートおよびジメタクリレート、デカメチレングリコー
ルジアクリレートおよびジメタクリレート、1,4−シク
ロヘキサンジオールジアクリレートおよびジメタクリレ
ート、2,2−ジメチロールプロパンジアクリレートおよ
びジメタクリレート、グリセロールジアクリレートおよ
びジメタクリレート、トリプロピレングリコールジアク
リレートおよびジメタクリレート、グリセロールトリア
クリレートおよびトリメタクリレート、トリメチロール
プロパントリアクリレートおよびトリメタクリレート、
ペンタエリスリトールトリアクリレートおよびトリメタ
クリレート、ポリオキシエチル化トリメチロールプロパ
ントリアクリレートおよびトリメタクリレートおよび米
国特許第3,380,831号に開示されたような同様の化合
物、2,2−ジ（ｐ−ヒドロキシフエニル）−プロパンジ
アクリレート、ペンタエリスリトールテトラアクリレー
トおよびテトラメタクリレート、2,2−ジ（ｐ−ヒドロ
キシフエニル）−プロパンジメタクリレート、トリエチ
レングリコールジアクリレート、ポリオキシエチル−2,
2−ジ（ｐ−ヒドロキシフエニル）プロパンジメタクリ
レート、ビスフエノール−Ａのジ−（３−メタクリルオ
キシ−２−ヒドロキシプロピル）エーテル、ビスフエノ
ール−Ａのジ−（２−メタクリルオキシエチル）エーテ
ル、ビスフエノール−Ａのジ−（３−アクリルオキシ−
２−ヒドロキシプロピル）エーテル、ビスフエノール−
Ａのジ−（２−アクリルオキシエチル）エーテル、1,4
−ブタンジオールのジ−（３−メタクリルオキシ−２−
ヒドロキシプロピル）エーテル、トリエチレングリコー
ルジメタクリレート、ポリオキシプロピルトリメチロー
ルプロパントリアクリレート、ブチレングリコールジア
クリレートおよびジメタクリレート、1,2,4−ブタント
リオールトリアクリレートおよびトリメタクリレート、
2,2,4−トリメチル−1,3−ペンタンジオールジアクリレ
ートおよびジメタクリレート、１−フエニルエチレン−
1,2−ジメタクリレート、ジアリルフマレート、スチレ
ン1,4−ベンゼンジオールジメタクリレート、1,4−ジイ
ソプロペニルベンゼンおよび1,3,5−トリイソプロペニ
ルベンゼンが挙げられる。
分子量が少なくとも300であるエチレン系不飽和化合
物例えばアルキレンまたは炭素数２〜15のアルキレング
リコールから製造されたポリアルキレングリコールアク
リレートまたは１〜10個のエーテル結合を有するポリア
ルキレンエーテルグリコールおよび米国特許第2,927,02
2号に開示された化合物例えば特に端末結合として存在
する場合複数の付加重合しうるエチレン系結合を有する
化合物もまた有用である。特に好ましいモノマーとして
はエトキシル化トリメチロールプロパントリアクリレー
ト、エチル化ペンタエリスリトールトリアクリレート、
ジペンタエリスリトールモノヒドロキシペンタアクリレ
ート、1,10−デカンジオールジメチルアクリレート、ビ
スフエノール−Ａオリゴマーのジ−（３−アクリルオキ
シ−２−ヒドロキシプロピル）エーテル、ビスフエノー
ル−Ａオリゴマーのジ−（３−メタクリルオキシ−２−
ヒドロキシルアルキル）エーテル、ウレタンジアクリレ
ートおよびメタクリレートおよびそのオリゴマー、コプ
ロラクトンアクリレートおよびメタクリレート、プロポ
キシル化ネオペンチルグリコールジアクリレートおよび
メタクリレートおよびその混合物が挙げられる。
本発明において単独でまたは組み合わせて使用される
有用な光開始剤の例は米国特許第2,760,863号に示され
ており、ビシナルケトアルドニルアルコール例えばベン
ゾイン、ビバロイン、アクロインエーテル例えばベンゾ
インメチルおよびエチルエーテル、ベンジルジメチルケ
タール；α−メチルベンゾイン、α−アリルベンゾイ
ン、α−フエニルベンゾインを含むα−炭化水素−置換
−芳香族アシロイン、１−ヒドロキシルシクロヘキシル
フエノールケトン、ジエトキシフエノールアセトフエノ
ン、２−メチル−１−〔４−（メチルチオ）フエニル〕
−２−モルホリノ−プロパノン−１が含まれる。
開始剤としては米国特許第2,850,445号、同第2,875,0
47号、同第3,097,096号、同第3,074,974号、同第3,097,
097号および同第3,145,104号に開示されている光還元性
染料および還元剤並びにフエナジン、オキサジン、キノ
ン類の染料、ミヒラーケトン、ベンゾフエノン、アクリ
ルオキシベンゾフエノン、米国特許第3,427,161号、同
第3,479,185号および同第3,549,367号に開示されている
ようなロイコ染料を含む水素供与体を有する2,4,5−ト
リフエニルイミダゾリルダイマーおよびその混合物を使
用できる。
米国特許第4,162,162号に開示されているような増感
剤もまた光開始剤とともに有用である。前記の光開始剤
または光開始剤系は光硬化性組成物の全重量に基づいて
0.05〜10重量％で存在する。
熱的に不活性であるが185℃以下で活性線光に露光す
ると遊離基を生成する適当な他の光開始系としては共役
した炭素環式環系内に二つの環内炭素原子を有する化合
物である置換されたまたは未置換の多核キノン類例えば
9,10−アントラキノン、２−メチルアントラキノン、２
−エチルアントラキノン、２−ｔ−ブチルアントラキノ
ン、オクタメチルアントラキノン、1,4−ナフトキノ
ン、9,10−フエナントラキノン、ベンズアントラセン−
7,12−ジオン、2,3−ナフタセン−5,12−ジオン、２−
メチル−1,4−ナフトキノン、1,4−ジメチル−アントラ
キノン、2,3−ジメチルアントラキノン、２−フエニル
アントラキノン、2,3−ジフエニルアントラキノン、レ
テネキノン、7,8,9,10−テトラヒドロナフタセン−5,12
−ジオンおよび1,2,3,4−テトラヒドロベンズアントラ
セン−7,12−ジオンが挙げられる。また、α−アミノ芳
香族ケトン、トリクロロメチル置換シクロヘキサジエノ
ンおよびトリアジンまたは塩素化アセトフエノン誘導体
のようなハロゲン化化合物、第三アミンの存在下でのチ
オキサントンおよびチタノセンがある。
光硬化の好ましいメカニズムはフリーラジカル重合で
あるが光硬化の他のメカニズムの適用も本発明の範囲内
にある。前記の他のメカニズムとしてはカチオン重合、
アニオン重合、縮合重合、付加重合などが挙げられるが
これに限定されるわけではない。
他の成分例えば顔料、染料、エキステンダー、熱抑制
剤、中間層一般には界面定着剤例えばオルガノシランカ
ツプリング剤、分散剤、界面活性剤、可塑剤、被覆補助
剤例えばポリエチレンオキシドにどもまた光硬化性組成
物がその本質的な特性を保持する限り該組成物中に存在
させてもよい。
本明細書において、光硬化性組成物と光硬化した組成
物とは明確に区別されるべきである。前者は未だ照射さ
れていないものを意味し、後者は照射されてすでに光硬
化したものを意味する。
組成物が照射ビームに対して透明である場合は光硬化
の深さは光硬化の幅よりも相当大きいがこれは主に使用
されるビーム例えばレーザービームなどが良好に平行に
されそして焦束されるからである。組成物の環境中で照
射に対して透明な不活性粒子状物質を添加すると重合ま
たは一般には光硬化により収縮度が減少しそして単位体
積当りたり収縮される活性組成物の量が減じるため感光
度がしばしば増加するというような一定のよく認識され
た利点が得られる。
光硬化の深さが大きいという点は基板により支持され
ている領域内ならば非常に大きな問題という程ではない
が、これは深さが基板の表面上の液体層の厚さにより主
に決定されるからである。しかしながら、液体の厚さが
非常に大きな場合片持ちの支持されていない領域では光
硬化の深さがもなや基板により制御または限定されない
ためこれは重大な欠陥となる。実際にはこの点が普通の
二次元像形成と立体即ち三次元像形成との間の差を最も
顕著に示す領域である。これは制御不可能な露光のバラ
ツキがある場合に、特に重要であり、それにより厚さの
バラツキおよび解像度の低下がもたらされる。従って厚
さを制御する方法が必要とされる。
光硬化の深さの制御が欠ける外にも解像度をどう考察
するべきかというもう一つの問題がある。非常に限定さ
れた場合を除き解像度または許容範囲の一部はすべての
次元で比較され得るべきであることが強く望まれてい
る。上記したような稀な場合を除き最終的な解像度が必
ず劣ったものとみなされるため一方の次元で高い解像度
を有し他方の次元で非常に劣った解像度を有しても大し
た意味をなさない。透明な組成物の場合は深さ対幅の比
率は高く、したがって幅方向の解像度は結果的に深さ方
向の解像度よりも高くなる。実際のところ解像度は寸法
に対して逆比例し、従って深さ対幅の比率が例えば５で
ある場合、他の因子が積極的な役割を果たさない時には
幅の解像度は深さの解像度より５倍優れている。即ち、
透明度の高い組成物は一般に望ましくないことになる。
深さ対幅の比率の範囲は7:1〜1:1が好ましく3:1〜1:1が
より好ましい。
光硬化性組成物の透明度を減少させる即ち換言すれば
不透明度とも呼ばれる光学濃度を増加させるという課題
はむしろ簡単な仕事のように考えられそしてもし感光度
および他の重要なパラメータを考慮しなければその通り
である。例えば組成物中の照射吸収物質を添加すると幅
に対して相当の影響を及ぼす事なく光硬化の深さが減少
する。典型的な吸収物質は染料である。組成物のモノマ
ーおよびオリゴマーもまた程度は異なるが吸収物質とし
て働く。しかしながら染料または他の吸収物質を使用す
る場合、それにより吸収された照射部分は光硬化を直接
促進させるには役立たない。
光硬化の深さを減少させる吸収の手段として光開始剤
を考慮すると、このことが起こるためには光開始剤はあ
る一定の高い含有量を超える必要があることが理解され
よう。組成物中の光開始剤の含有量が０から漸増するに
つれて感光度が増加するが、それと同時に光硬化の最深
部における低い材料不足領域ではフリーラジカルの数の
増加によりポリマーがさらに多く形成するため深さも増
加する。照射開始が過剰量の光開始剤によりかなりの程
度阻止される場合にのみ、光硬化の深さが減少し始め
る。しかしながら、光硬化物体の性質が低下し始める。
これは生成するフリーラジカルの濃度が増加するにつれ
て分子量が減少するためであり、したがって構造用特性
が低下する。同時にフリーラジカルが過剰に存在する場
合それらは互いに結合し始めそして光開始の役目を果た
すことなくエネルギーを吸収する。従って、光開始剤は
限定された方法では光硬化の深さを制御するための手段
として役に立つことができるが、他の望ましくない現象
が同時に発生しこの目的のためにそれ自体で使用される
場合その有用性をかなり減少する。
本発明の１態様として分散された粒状固体物質の分離
相が、深さ／幅関係を制御するために、本明細書で照射
偏向と称する光の反射、屈折または散乱またはその何れ
かの組み合わせを含む所定の条件下で利用されうる。も
し他のすべてを一定に保つならば微小中空球の分離相の
含量が増加するにつれて深さを犠牲にした幅が増加す
る。照射光は吸収されるのではなく正に偏向されるの
で、照射光はあまり損失しないため感光度は実質的に失
われない。従って、本発明の好ましい態様において利用
されうる微小中空球は光硬化性組成物に不透明度を与え
るため、その環境においても実質上不透明である。
透明性および非透明性（半透明性、不透明度、吸光
度）の現象はそれらが生じる範囲内の環境および条件に
おいて検査される場合重要であることに注意する必要が
ある。例えば媒体中に分散された粉末は、それが本質的
に照射光を吸収しないだけでなくまた媒体と実質的に同
じ屈折率を有しその結果粉末および媒体の各粒子の界面
においてまたはその周囲において光の偏向が生じない場
合照射光に対して透明である。同一の粉末が実質的に異
なる屈折率の液体中で分散された場合、それは半透明ま
たは不透明（光の少なくとも１部を遮蔽して粉末を含有
する媒体を通して直接に進行する）として現われ、換言
すればそれは不透明として現われる。従って半透明性お
よび不透明度は通過する光の量に関する吸光度と同様の
最終結果を有しうる。
光硬化性組成物に最適特性を付与する光−微小中空球
の量は下記に示すような多くの因子およびゲインバラン
ス（balance of gains）の関数でありそして特定の情況
に応じてその時「最適」と考えられているものを構成す
るようにする。従って、どのようにして最適特性を達成
しうるかを示すために絶対数を与えるよう試みることは
適切ではない。当業者が本発明を実施できるようにする
ためそして彼らが所望の結果について最適であると考え
る一連の特性を選択するためにこれらの因子を支配する
相互関係を示すことがより一層的確である。光硬化の深
さを少なくとも10％、より好ましくは少なくとも20％そ
してさらにより好ましくは少なくとも40％まで減少させ
るために十分な量の微小中空球が組成物中に存在するの
が好ましい。深さ対幅の比がこのような追加によって増
加しないことも好ましい。何れの場合においても、微小
中空球の量は与える偏向の程度に応じて５〜70重量％で
あってよい。粒子径および屈折率の両方に関してあまり
極端でない場合、組成物中の微小中空球の量は10〜60重
量％の範囲内にあることが好ましくそして最も好ましく
は20〜45重量％である。前述したように微小中空球のよ
うな物質は収縮を減少させそして感光度を増加させるの
にも望ましい。
最初に、前述したような光硬化性組成物中における分
散物質の分離相の個々の単位を「粒子」と呼ぶならば、
平均粒径として測定された最大粒度は光硬化の深さ（し
かし必ずしも幅ではない）よりも小さくなるであろう。
ほとんど総ての粒子が光硬化の深さよりも小さいばか
りでなく粒子の少なくとも90％が光硬化の深さの半分よ
り小さいのが好ましく、さらに粒子の少なくとも90％が
光硬化の深さ10分の１より小さいのが好ましい。
これらの目的を効果的にするために粒子の大部分がビ
ーム照射の波長の約半分より大きいことが好ましい。波
長の約半分では粒子の散乱収率は最大値となり、一方そ
れは粒が小さくなるにつれて急速に減少する。一方、粒
度が照射光の波長の約半分より増加すると散乱収率も徐
々に低下し始める。粒度が更に増加すると、屈折および
反射の現象が優勢になり始める。実際はすべての粒子が
実質的に同じ大きさを有するという限定された状態だけ
が存在し、これを単分散系と称する。一般に、すべての
タイプの組合せの活性線照射偏向を与える粒度分布が存
在する。粒子の屈折率が高くなればなる程散乱が高くな
るということも考慮すると、微小中空球の含有量を増減
し、光硬化の深さを制御することにより、実際には任意
の所望の不透明度を達成することができる。微小中空球
の分離相は光硬化性組成物の残りと異なった屈折率を有
すべきである。この２つの屈折率は好ましくは少なくと
も0.01だけ、より好ましくは少なくとも0.02だけそして
さらにより好ましくは少なくとも0.04だけ異なるべきで
ある。
微小中空球の相の屈折率は上記の限界内にある限り光
硬化性組成物のそれよりも高いことが好ましい。
光硬化の深さを所望のレベルまで減少させると、 微小中空球を含まない組成物と微小中空球それ自体と
の間の屈折率の差の増加、 微小中空球の含有量の増加、 粒度の減少、 活性線照射の結果による屈折率の差の増加が起こる。
本発明は照射光を偏向する目的を果しかつ光硬化性組
成物の残りとかなり異なった屈折率を有するだけでな
く、断熱材でもあるように微小中空球を選択した組成物
を利用することである。これは、光硬化工程中に放出さ
れる熱が重合中の領域に内含されると同時に感光度およ
び解像度を増加するため望ましい。実際に光硬化性組成
物の残りより低い熱伝導率を有する微小中空球の任意の
分離相はこの目的に役立つ傾向がある。しかしながら、
微小中空球の熱伝導率は光硬化性組成物の残りの1/2未
満、より好ましくは1/4未満であることが好ましい。こ
のような条件は気体カプセルをガラス、セラミツクのよ
うな中空球、カーボン中空球およびポリマー中空球など
の形態で用いることにより容易に満たされる。中空球は
熱伝導率がかなり低くしかもより高い照射偏向力を与え
ることから中実の粒子より好ましい。中空ビーズについ
ては1978年Van Nostrand Reinhold社のH.S.Katzおよび
J.V.Milewskiにより編集された「Handbook of Fillers
and Reinforcements for Plastics」の第19章に記載さ
れている。
組成物中に不活性物質が全く存在しないと断熱が過度
になりその結果特に露光度が高いと組成物中の組成が沸
騰する恐れがある。中空球は十分な熱容量を付与して過
度の光硬化熱を放散させるが、それでも断熱を付与して
感光度を増加させる。これらの効果は過度の重合熱を放
散させる別の物質を含まない実施例７記載の試料の形状
のゆがみを、中空ガラス微小球を含む実施例２、3A〜3
C、4Aおよび4Bのゆがみがなく均一な試料と比較するこ
とにより、そしてまた中空微小球を有する試料が感光度
についてかなり改良されているものである実施例4Aの試
料および実施例4Bの試料の微小球の間の予期しない感光
度差を比較することにより説明することができる。
中空球は光硬化性組成物の有機成分により酷似した比
重を有するという別の利点も与える。中空球の比重は光
硬化性組成物の残りの比重の±20％以内であり、より好
ましくは±10％以内であることが好ましい。このことは
実施例５の結果を実施例６の結果と比較することにより
立証される。中空球の場合緩やかな沈降のみが１週間で
生じ、一方中実の微小球の場合激しい沈降がわずか１日
で生じた。シラン処理のような球面上の表面処理も分散
液の安定性に関して極めて有利である。
実施例3A〜3Bで得られた試料に相当する第３図は中空
ガラス球が光硬化の深さに及ぼす作用を示す。露光が増
加するにつれて光硬化の深さは実施例２の試料に相当す
る第２図に示される組成物の場合よりも非常に速く一定
になる。実施例７は上昇直線を与え、それは光硬化の深
さに関して自己限定特性を示さない。
光硬化性組成物の実施例を以下に示すが、これらは例
示のためだけのものであり、本発明の範囲を限定するも
のではない。
実施例 １ （試料調製） 以下の実施例２および３に記載の試料を次の様にして
調製した。
光硬化性組成物をステンレス鋼方形キヤビテイ（厚さ
1 3/4″×1 3/4″×110ミル）中に注ぎ込んだ。過剰の
液体をドクターナイフブレードにより除去した。液体を
上記のアルゴンイオンレーザービームを用いて角形パタ
ーン（1 9/16″×1 1/2″）で露光した。
露光後、固化されたパターンをピンセントでキヤビテ
イから取出し、次いで吸取って乾燥した。このパターン
の正味重量および厚さを測定しそして異なる露光レベル
に対してプロツトした。
他の関係のある事項も観察した。
実施例 ２ 均質混合物が得られるまでメカニカルミキサーを用い
て以下の成分を混合した。
Novacure3704（ビスフエノールＡビス（２−ヒドロキシ
プロピル）ジアクリレート） 70.0 Plasthall4141（トリエチレングリコールカプレート−
カプリレート） 30.0 Irgacure651（2,2−ジメトキシ−２−フエニルアセトフ
エノン） 1.6 試料を実施例１に記載のようにして調製した。光硬化
の深さと露光との関係を第２図に示す。露光されていな
い組成物は透明であるが露光するとわずかに不透明にな
った。
実施例 3A〜3C 均質混合物が得られるまでメカニカルミキサーを用い
て以下の成分を混合した。
試料を実施例１に記載のようにして調製した。光硬化
の深さと露光との関係を第３図に示す。
すべての試料にはほとんどゆがみはなかった。それら
は光硬化の前後で不透明であった。
実施例 4Aおよび4B 均質混合物が得られるまでメカニカルミキサーを用い
て以下の成分を混合した。
組成物4Aおよび4Bの厚い液体膜（110ミル）をポリプ
ロピレンカバーシートで覆いそしてその上に√段階光学
くさびを置いた。水銀ランプを用いて置光（Du Pont社
のRiston Printer24で2kw、23秒間）すると、組成物4A
の場合は光学くさびの第９段階を通して一体となった固
体膜が形成され、一方組成物4Bの場合はわずか光学くさ
びの第６段階を通して一体となった膜が形成されること
がわかった。
実施例 ５ 実施例4Aの組成物をガラスジヤーの中に入れそして沈
降特性について定期的に検査した。組成物の濁り具合か
ら判断して、１週間でジヤーの底部と上部にわずかな分
離が生じ、一方かなりの量の微小球が懸濁液中に残留し
ていたことがわかった。分散液の均一性を回復させるに
は組成物を緩やかに撹拌するだけで十分であった。
実施例 ６ 実施例5Aの組成物を実施例５に記載のものと同様なガ
ラスジヤーの中に入れそして沈降特性について定期的に
検査した。わずか１日で激しい沈降が生じ、分散液の均
一性を回復させるには組成物を激しく撹拌させる必要が
あった。
実施例 ７ 均質混合物が得られるまでメカニカルスターラーを用
いて以下の成分を混合した。
TMPTA（トリメチロールプロパントリアクリレート100 Irgacure651（2,2−ジメトキシ−２−フエニルアセトフ
エノン） 0.4 この組成物の試料を実施例4Aおよび4Bの場合と同様に
して評価した。一体となった固体膜が光学くさびの第３
段階を通して形成されたことがわかった。固体膜は激し
く変形しそしてポリプロピレンカバーシートは溶融し
た。
実施例 ８ 均質混合物が得られるまでメカニカルスターラーを用
いて以下の成分を混合した。
Novacure3704（ビスフエノールＡビス（２−ヒドロキシ
プロピル）ジアクリレート） 30 TMPTA（トリメチロールプロパントリアクリレート） 30 Plasthall4141（トリエチレングリコールカプレート−
カプリレート） 15 Triton X−100（オクチルフエノールポリエーテルアル
コール） 0.8 Irgacure651（2,2−ジメトキシ−２−フエニルアセトフ
エノン） 2.0 UCAR フエノール樹脂微小中空球（BJO−0930 Union Ca
rbide社製５−127μｍ、密度0.25〜0.35） 15 この組成物の試料を実施例4Aおよび4Bの場合と同様に
して評価した。
赤味を帯びた色の一体となった固体膜が光学くさびの
第６段階を通して形成されたことがわかった。変形は観
察されなかった。
実施例 ９ 本発明の方法を用いて、三次元物体を実施例3Cに記載
の組成物の20個の連続層から造形した。波長350〜360nm
のアルゴンイオンレーザーを照射源として用いた。レー
ザービームの直径は５ミルであった。各層の厚さは５ミ
ルであった。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の方法の好ましい態様を実施するために
用いられる装置のブロツク図である。 第２図は中空球を含有しない光硬化性組成物の場合にお
ける光硬化の深さと露光との間の典型的な関係を示す。 第３図は照射偏向物質として中空ガラス球を含有する光
硬化性組成物の場合における光硬化の深さと露光との間
の典型的な関係を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−13610（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−4538（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−116537（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−208305（ＪＰ，Ａ) 特公 平６−61849（ＪＰ，Ｂ２) 特公 平６−61850（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】（ａ）エチレン系不飽和モノマー、光開始
    剤および微小中空球からなる光硬化性液体組成物の層を
    形成させ、 （ｂ）活性線に露光することにより光硬化性液体組成物
    の層の少なくとも一部を光硬化させ、 （ｃ）活性線に予め露光した層の上に光硬化性液体組成
    物の新しい層を導入し、 （ｄ）活性線に露光することにより前記の新しい液体の
    層の少なくとも一部を光硬化させ、 ここで微小中空球の屈折率と光硬化性液体組成物中の他
    の物質の屈折率との差の絶対値は０ではなく、そして （ｅ）工程（ｃ）および（ｄ）を連続して繰り返して 前記光硬化性液体組成物の連続層から一体となった三次
    元物体を正確に造形する方法。
JP2103204A 1989-04-21 1990-04-20 中空球を含有する光硬化性組成物を用いる立体像形成法 Expired - Lifetime JP2648222B2 (ja)

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