JP3088046B2 - 三次元形状造形物の成形方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、三次元形状造形物の
成形方法に関し、詳しくは、光の照射によって硬化する
光硬化性樹脂を用いて、立体的な三次元形状を有する造
形物を成形製造する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光硬化性樹脂を用いて三次元形状造形物
を成形する方法は、複雑な三次元形状を、成形型や特別
な加工工具等を用いることなく、簡単かつ正確に形成す
ることができる方法として、各種の製品モデルや立体模
型の製造等に利用することが考えられている。具体的に
は、例えば、特開昭６１−１１４８１７号公報や特開昭
６３−１４１７２４号公報、特開昭６０−２４７５１５
号公報などに開示された方法がある。

【０００３】例えば、特開昭６３−１４１７２４号公報
の方法は、樹脂液の中に沈めた昇降自在な成形台を、樹
脂液の液面直下に配置して、液面にレーザ光を照射し、
成形台の上の樹脂液層を光硬化させて光硬化層を形成
し、つぎに、成形台を少し沈めた後、前記同様の作業を
行うという工程を繰り返すことにより、複数層の光硬化
層を積み重ねていく。その他の方法も、まず、光硬化性
樹脂に所定パターンで光を照射して光硬化層を形成し、
このような光硬化層を順次積み重ねて、所望の三次元形
状を備えた造形物を得るようにしている点では、共通し
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記した従
来の方法では、三次元形状として、下方よりも上方が大
きくなった、張り出し形状、すなわち、ひさし部を有す
る形状を採用すると、このひさし部で造形物が変形した
り形状精度が悪くなったりするという問題があった。

【０００５】図６は、従来の方法で、ひさし部を有する
造形物を成形した場合を示している。造形物Ｍは、一定
の厚みを有する光硬化層ｍを下から上へと順番に積み重
ねて形成されている。各光硬化層ｍを形成する際には、
レーザ光などを照射しながら光硬化層ｍの端から順番に
直線状に繰り返し走査する、いわゆるラスター走査を行
って、光硬化層ｍの全面に光を照射して光硬化を起こさ
せる。造形物Ｍの上端には、側方に大きく張り出したひ
さし部ｈが設けられている。

【０００６】光硬化性樹脂を光硬化させて光硬化層ｍを
形成するときには、光硬化性樹脂が硬化収縮を起こすの
で、硬化収縮応力が発生する。この硬化収縮応力が、光
硬化層ｍの一部に集中的に作用すると、その部分の光硬
化層ｍが変形を起こしてしまう。光硬化層ｍのうち、先
に形成された光硬化層ｍの上面に接触している部分で
は、下側の光硬化層ｍに接合され、硬化収縮応力を下側
の光硬化層ｍの全面に分散させて支持することができる
ので変形を起こすことは少ないが、ひさし部ｈでは、そ
の一辺のみで造形物Ｍの本体部分とつながっているだけ
なので、ひさし部ｈの先端側が変形し易くなる。

【０００７】具体的には、図６の(a) や(b) に示すよう
に、ひさし部ｈが上方に反り返るような変形を起こすこ
とが多い。なお、図６の(a) と(b) は、光硬化層ｍを形
成する際の光の走査方向を違えた場合を示している。図
６の(a) は、ひさし部ｈの張り出し方向と平行に光を走
査している。この場合には、光硬化層ｍに生じる硬化収
縮応力が、最後に光硬化する先端側に集中して、先端辺
が大きく上側に反ることになる。図６の(b) は、ひさし
部ｈの張り出し方向と直交する方向に光を走査している
が、この場合には、光硬化層ｍに生じる硬化収縮応力
が、先端の隅部に集中して、この先端隅部が大きく上側
に反ることになる。

【０００８】このような問題があるため、従来の方法で
は、大きなひさし部を有する造形物Ｍを成形することが
できず、成形できる造形物Ｍの三次元形状に大きな制約
を受けることになっていた。そこで、この発明の課題
は、造形物の一部にひさし部があっても、このひさし部
が変形したり形状精度が悪くなったりすることなく、高
精度な造形物を得ることのできる方法を提供することに
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する、こ
の発明にかかる三次元形状造形物の成形方法は、光硬化
性樹脂に光を照射して光硬化層を形成し、この光硬化層
を複数層積み重ねて所望の三次元形状を有する造形物を
成形する方法において、先に形成された下層の光硬化層
よりも側方に張り出したひさし部を有する光硬化層を形
成する際に、ひさし部領域のうち、輪郭を含む骨組部分
を光硬化させた後、輪郭の内側全面を光硬化させる。

【００１０】光硬化性樹脂としては、従来の三次元形状
造形物の成形方法でも用いられている各種の光硬化性樹
脂が用いられる。具体的には、ウレタン、ウレタン−ア
クリレート、エポキシ、エポキシ−アクリレート系の光
硬化性樹脂などが挙げられる。光硬化性樹脂の供給方
法、光の照射方法、光硬化層の形成方法、光硬化層の積
み重ね方法など、三次元形状造形物を成形するための基
本的な技術は、従来知られているような通常の方法や装
置がそのまま適用できる。

【００１１】この発明は、造形物の三次元形状として、
少なくともその一部に、ひさし部を有するものに適用す
る。ひさし部とは、上下に光硬化層を積み重ねて形成す
るときに、下層の光硬化層よりも、その上に形成する光
硬化層の一部が、側方に張り出した部分が存在する場合
を意味している。ひさし部の具体的な形状や張り出し量
などは、成形する造形物の形状に合わせて任意に設定さ
れる。ひさし部は、１層の光硬化層のみで構成される場
合もあるが、複数層の光硬化層を積み重ねて構成される
場合もある。

【００１２】ひさし部を構成する光硬化層を形成する際
に、光の照射領域のうち、下層の光硬化層の上に相当す
る領域については、通常の光の照射方法で光硬化性樹脂
を光硬化させればよい。具体的には、作業効率の良い前
記ラスター走査による光の照射が適用される。ひさし部
となる領域に光を照射するときには、このひさし部領域
のうち、輪郭を含む骨組部分に光を照射して光硬化させ
た後、輪郭の内側全面に光を照射して光硬化させる。

【００１３】骨組部分とは、少なくとも、ひさし部の外
縁に沿った、いわゆる輪郭を含むとともに、必要に応じ
て、輪郭の内側領域を縦横に区切る格子を含んでいる。
輪郭および格子は、ひさし部の変形を阻止できる程度の
強度や剛性を発揮できる太さの線状に形成される。輪郭
の内側に配置される格子の本数や方向は、ひさし部の形
状や面積によって、ひさし部の変形を阻止するのに必要
な強度を発揮できるように設定される。ひさし部が小さ
ければ、格子は少ないか全く無くてもよい場合もある。

【００１４】上記のような骨組部分を光硬化させた後、
輪郭の内側全面に光を照射するには、前記したラスター
走査のような通常の光硬化層に対する光の照射方法が適
用される。このとき、輪郭の内側の未硬化の光硬化性樹
脂に主に光を照射すればよいが、輪郭および格子からな
る骨組部分にも十分に光が照射されるようにしておく
と、骨組部分をさらに硬化させることができ、強度や剛
性をより高めることができる。

【００１５】ひさし部が、複数層の光硬化層で構成され
る場合、それぞれの光硬化層について、前記のような骨
組部分の光硬化と、輪郭の内側全面の光硬化の２段階に
分けて光硬化を行ってもよいし、ひさし部の最も下層に
なる光硬化層のみに、前記２段階の光硬化方法を適用す
るだけでもよい。さらに、下から何層かだけの光硬化層
に、前記２段階の光硬化方法を適用して、それよりも上
の層については、通常のラスター走査などで全面に光を
照射して光硬化させるようにしてもよい。

【００１６】

【作用】ひさし部を有する光硬化層を形成する際に、ひ
さし部となる光の照射領域で、輪郭を含む骨組部分を光
硬化させた後、輪郭の内側全面を光硬化させるようにす
ると、まず、骨組部分が光硬化することによって、ひさ
し部となる領域に、ひさし部の輪郭を含んで光硬化した
骨組構造が形成される。骨組部分は、広い面積を端から
順番に光硬化させるのではなく、線状に光硬化させるの
で、硬化収縮応力が一個所に集中的に加わってその部分
が変形するようなことはなく、光の照射パターン通りの
正確な形状を有する骨組構造が形成される。

【００１７】つぎに、この骨組構造の内側すなわち輪郭
の内側全面に光を照射して光硬化させれば、ひさし部全
体の光硬化が行える。このときに、硬化収縮応力が発生
しても、硬化する光硬化性樹脂の周囲に、先に硬化して
いる骨組構造が存在しているので、新たに硬化部分が変
形することはない。特に、骨組構造の中央空間で硬化収
縮応力が発生しても、周囲の骨組構造で均等に支持する
ことができるので、光硬化層の一部を垂直方向に反らせ
るような力が発生する心配はない。

【００１８】しかも、輪郭の内側全面に光を照射する際
には、骨組構造にも光が照射されることになるので、骨
組構造の光硬化がさらに進行して、強度および剛性がよ
り高くなる。その結果、骨組構造の内側で光硬化性樹脂
の光硬化に伴う硬化収縮応力が発生しても、確実に支持
もしくは吸収することができる。

【００１９】

【実施例】ついで、この発明の実施例について図面を参
照しながら以下に説明する。図１〜図５へと、三次元形
状造形物の成形方法を工程順に示している。図５に示す
ように、造形物１０として、下方の直方体部分１２と、
直方体部分１２の上端に側方に張り出したひさし部１４
を備えたものを成形する。造形物１０を、複数の光硬化
層２０を積み重ねることによって構成し、複数の光硬化
層２０を下層から順番に、ａ〜ｈの符号を付けて区別し
ている。ひさし部１４は、ｆ〜ｈの３層の光硬化層２０
で構成されている。

【００２０】まず、図１に示すように、ａ〜ｅの光硬化
層２０については、通常の成形方法と同様に、レーザ光
３０をラスター走査して、矩形状の光硬化層２０を、端
から順番に光硬化させる。但し、図では、説明を判り易
くするために、光硬化性樹脂液やこの樹脂液を溜める樹
脂液槽、光硬化層の支持部材などの構造を省いて表して
おり、これらの基本的な構造部分は、通常の成形方法と
同様の構成が採用される。

【００２１】図２に示すように、前記ひさし部１４を構
成する光硬化層２０のうちの、最初のｆの光硬化層２０
を形成するときには、まず、光硬化層２０のうち、下の
ｅの光硬化層２０と重なる領域では、前記同様のレーザ
光３０のラスター走査によって光硬化させる。つぎに、
図３に示すように、下のｅの光硬化層２０よりも側方に
張り出した領域で、ひさし部１４の輪郭２２ａ、およ
び、輪郭の内側を十字状に横断する格子２２ｂで構成さ
れる骨組部分２２にレーザ光３０を照射して光硬化させ
る。レーザ光３０の照射は、通常、骨組部分２２の経路
に沿って、一回だけ走査すればよいが、必要であれば、
骨組部分２２の経路に沿って、何度か繰り返し走査する
ようにしてもよい。

【００２２】骨組部分２２が形成された後、図４に示す
ように、ひさし部１４の輪郭２２ａの内側全体に、通常
のラスター走査を行ってレーザ光３０を照射する。これ
によって、骨組部分２２の内側空間２４の未硬化の光硬
化性樹脂も光硬化して、ひさし部１４を構成するｆの光
硬化層２０が形成される。ひさし部１４を構成する光硬
化層２０のうち、ｇの光硬化層２０を形成する際には、
その下に同じ大きさのｆの光硬化層２０が既に形成され
ているので、通常のラスター走査によるレーザ光３０の
照射を行っても、光硬化層２０が変形を起こす可能性は
少ない。但し、ひさし部１４の張り出し量が多かった
り、ｆの光硬化層２０だけでは強度や剛性が不足する場
合には、ｇの光硬化層２０を形成する際にも、ｆの光硬
化層２０を形成したときと同様にして、骨組部分２２の
光硬化と輪郭の内側全体の光硬化の２段階に分けて、光
硬化層２０を形成することができる。ｈの光硬化層２０
についても、ｇの光硬化層２０と同様にして形成するこ
とができる。

【００２３】

【発明の効果】以上に述べた、この発明にかかる三次元
形状造形物の成形方法によれば、造形物のひさし部を構
成する光硬化層を形成する際に、ひさし部の領域を、ま
ず、輪郭を含む骨組部分を光硬化させた後、輪郭の内側
全面を光硬化させるという、２段階の工程に分けて実施
することにより、光硬化性樹脂の硬化収縮応力で光硬化
層が反るのを良好に防止することができ、ひさし部の変
形や形状精度の低下を防止することができる。

【００２４】その結果、造形物の三次元形状として、従
来の方法では成形不可能であった大きなひさし部を有す
るものや複雑なひさし部を有するものであっても、正確
に成形することが可能になり、光硬化性樹脂を用いる三
次元形状造形物の成形方法の利用範囲あるいは用途の拡
大に大きく貢献することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施例となる方法の、途中の１工
程を示す斜視図

【図２】 図１の次の工程を示す斜視図

【図３】 図２の次の工程を示す斜視図

【図４】 図３の次の工程を示す要部の斜視図

【図５】 成形された造形物の構造を示す斜視図

【図６】 従来技術の問題点を説明する斜視図

【符号の説明】

１０ 造形物 １４ ひさし部 ２０ 光硬化層 ２２ 骨組部分 ２２ａ 輪郭 ２２ｂ 格子 ２４ 内側空間 ３０ レーザ光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−169222（ＪＰ，Ａ) 国際公開89／10801（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B29C 67/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光硬化性樹脂に光を照射して光硬化層を
   形成し、この光硬化層を複数層積み重ねて所望の三次元
   形状を有する造形物を成形する方法において、先に形成
   された下層の光硬化層よりも側方に張り出したひさし部
   を有する光硬化層を形成する際に、ひさし部領域のう
   ち、輪郭を含む骨組部分を光硬化させた後、輪郭の内側
   全面を光硬化させることを特徴とする三次元形状造形物
   の成形方法。