JP3558095B2

JP3558095B2 - 光造形方法

Info

Publication number: JP3558095B2
Application number: JP32047894A
Authority: JP
Inventors: 弘之楢原; 悟五十嵐; 勝政斎藤
Original assignee: JSR Corp
Current assignee: JSR Corp
Priority date: 1994-12-22
Filing date: 1994-12-22
Publication date: 2004-08-25
Anticipated expiration: 2019-08-25
Also published as: JPH08174680A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、感光性樹脂液を用いた積層法による三次元形状を有する積層体の造形方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
感光性樹脂を用いて三次元形状を造形する方法としては、造形しようとする形状をコンピュータなどを用いて等高断面輪郭データとし、これに従って紫外線レーザーを感光性樹脂に選択的に照射して重合硬化させ、積層により造形する光造形方法が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで産業界における光造形方法の主な利用分野は、意匠模型等の製造である。これらの分野では、成形体の曲面の質が問題とされ、模型表面の滑らかさが期待される。しかしながら上記のような造形方法では、三次元形状を複数の薄い層に分割するため、模型表面に段差が発生し、表面の滑らかさが損なわれる。特に、模型表面の傾斜角が小さくなると表面粗さが大きくなる。
【０００４】
また、光造形方法により造形された造形模型を元型として型をとり、異なった素材のものに形状を転写しようすると、この段差がそのまま転写されてしまう。さらに、型取りなどの段階で、段差が引っ掛かり型がうまく作れないなどの問題もあった。
【０００５】
これらの問題を解決する方法としては、層厚さを薄くして段差を減少させる方法がある。しかしながら、層厚さを薄くして層の数をたとえばｎ倍にすると、表面粗さは約１／ｎとなるが、同時に造形時間がｎ倍となる。
【０００６】
このため従来では、光造形方法により得られた積層体表面の段差を２次加工によりなくし、表面を滑らかにしていた。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記のように、各硬化層間の段差が小さく、表面粗さの小さな積層体を造形することができるような光造形方法を提供することを目的とするものであって、感光性樹脂液の表面に光を照射して硬化層を形成し、この硬化層を複数積層して所望の三次元形状を有する積層体を造形する光造形方法において、
（Ａ−１）感光性樹脂に光を照射してＮ層目の硬化層を形成する工程、
（Ｂ−１）このＮ層目の硬化層が感光性樹脂液面の上に出るように積層体を引き上げることにより、Ｎ層目の硬化層と（Ｎ−１）層目の硬化層との段差部分に感光性樹脂液を滞留させる工程、
（Ｃ−１）Ｎ層目の硬化層が感光性樹脂液面上に出た状態で前記段差部分に滞留した感光性樹脂液を硬化させる工程、
（Ｄ−１）積層体を（Ｎ＋１）層目を形成する位置まで引下げる工程
を含む光造形方法である。
【０００８】
上記目的は、感光性樹脂液の表面に光を照射して硬化層を形成し、この硬化層を複数積層して所望の三次元形状を有する積層体を造形する光造形方法において、
（Ａ−２）感光性樹脂に光を照射してＮ層目の硬化層を形成する工程、
（Ｂ−２）このＮ層目の硬化層を感光性樹脂液面の上に出るように積層体を引き上げることにより、Ｎ層目の硬化層と（Ｎ−１）層目の硬化層との段差部分に感光性樹脂液を滞留させる工程、
（Ｃ−２）Ｎ層目の硬化層が感光性樹脂液面上に出た状態で前記段差部分に滞留した感光性樹脂液のみに光を照射して、感光性樹脂を硬化させる工程、
（Ｄ−２）積層体を（Ｎ＋１）層目を形成する位置まで引下げる工程
を含む光造形方法によっても達成することができる。
【０００９】
また上記目的は、感光性樹脂液の表面に光を照射して硬化層を形成し、この硬化層を複数積層して所望の三次元形状を有する積層体を造形する光造形方法において、
（Ａ−３）感光性樹脂に光を照射してＮ層目の硬化層の少なくとも一部を形成する工程、
（Ｂ−３）このＮ層目の硬化層を感光性樹脂液面の上に出るように積層体を引き上げることにより、Ｎ層目の硬化層と（Ｎ−１）層目の硬化層との段差部分に感光性樹脂液を滞留させる工程、
（Ｃ−３）Ｎ層目の硬化層が感光性樹脂液面上に出た状態で（Ｎ−１）層目の硬化層の形状に従って光を照射して、前記段差部分に滞留した感光性樹脂を硬化させるとともにＮ層目の未硬化の感光性樹脂を硬化させる工程、
（Ｄ−３）積層体を（Ｎ＋１）層目を形成する位置まで引下げる工程
を含む光造形方法によっても達成することができる。
【００１０】
【作用】
本発明の光造形方法は、Ｎ層目の硬化層を形成した後、Ｎ層目の硬化層を感光性樹脂液面上に引上げ、Ｎ層目の硬化層と（Ｎ−１）層目の硬化層との段差部分に感光性樹脂を滞留させ、この状態で前記段差部分に滞留した感光性樹脂を硬化させているので、各硬化層間の段差がほとんどなく、表面が滑らかな積層体を造形することができる。
【００１１】
【発明の具体的説明】
以下、本発明に係る光造形方法について図面を参照しつつ具体的に説明する。図１は、本発明に係る光造形方法の製造工程を模式的に示す図である。図２は、製造例で製造した評価模型の概略斜視図である。図２中２１は１０度の傾斜を有する面であり、２２は２０度の傾斜を有する面であり、２３は３０度の傾斜を有する面であり、２４は４０度の傾斜を有する面であり、２５は５０度の傾斜を有する面であり、２６は６０度の傾斜を有する面であり、２７は７０度の傾斜を有する面であり、２８は８０度の傾斜を有する面であり、２９は９０度の傾斜を有する面である。
【００１２】
本発明に係る光造形方法は、まず感光性樹脂１に光５を照射してＮ層目の硬化層７を形成する工程（以下「工程（Ａ−１）」という）を行う。エレベータ２を引き下げることにより、積層体１０上（またはベースプレート３上）に１層分の厚さの感光性樹脂１を回り込ませ、光５でＮ層目を描画し、感光性樹脂を硬化させＮ層目の硬化層７を形成するとともに、Ｎ層目の硬化層７と（Ｎ−１）層目の硬化層８とを接合させる。すなわち、図１（ａ）に示すように、ベースプレート３上に１層の厚さの感光性樹脂１を回り込ませ、光５でＮ層を描画し、感光性樹脂１を硬化させる。
【００１３】
なお、本発明では感光性樹脂として従来公知の感光性樹脂をすべて用いることができる。また、感光性樹脂を硬化させるための光は、用いる感光性樹脂にもよるが赤外線、可視光線、紫外線、紫外線レーザーなどが用いられる。
【００１４】
次に、このＮ層目の硬化層７が感光性樹脂液面の上に出るように積層体１０を引き上げることにより、Ｎ層目の硬化層７と（Ｎ−１）層目の硬化層８との段差部分に感光性樹脂液を滞留させる工程（以下「工程（Ｂ−１）」という）を行う。続いて、Ｎ層目の硬化層７が感光性樹脂液面上に出た状態で前記段差部分に滞留した感光性樹脂液４を硬化させる工程（以下「工程（Ｃ−１）」という）を行う。すなわち、例えば図１（ｂ）に示すように、ベースプレート３を上昇させて、前記Ｎ層目の硬化層に（Ｎ−１）層目の硬化層８の形状に従って光５を照射する。
【００１５】
Ｎ層目の硬化層７が感光性樹脂液面の上に出るように積層体１０を引き上げると、Ｎ層目の硬化層７の周縁部と（Ｎ−１）層目の硬化層８との段差部分に感光性樹脂液が滞留し、段差を埋めて斜面を形成する。この段差部分に滞留した滞留感光性樹脂液４を硬化させると、段差がほとんどない積層体が得られる。
【００１６】
積層体１０を引き上げる幅は、図１（ｂ）では硬化層の厚さであるが、本発明では積層体１０を引き上げる幅は、硬化層の厚さ以上であれば特に制限されない。積層体１０を引き上げる幅が硬化層の厚さの２層分以上であると、不要な感光性樹脂が流れ落ちるため好ましい。
【００１７】
次に、積層体１０を（Ｎ＋１）層目を形成する位置まで引下げる工程（以下「工程（Ｄ−１）」という）を行う。積層体１０を（Ｎ＋１）層を形成する位置まで引き下げることにより、Ｎ層目の積層体７の上に１層分の厚さの感光性樹脂１を回り込ませる。すなわち、図１（ｃ）に示すように、ベースプレート３を次の（Ｎ＋１）層を形成する深さまで沈下させる。
【００１８】
続いて図１（ｄ）に示すように、（Ｎ＋１）層を描画して感光性樹脂を硬化させるとともに、下部の硬化層と接合させる。
積層体１０を（Ｎ＋１）層目を形成する位置まで引下げる際には、一旦積層体１０を（Ｎ＋１）層目を形成する位置より下方に引下げ、その後積層体１０を（Ｎ＋１）層目を形成する位置まで引き上げてもよい。
【００１９】
光５で（Ｎ＋１）層目を描画すると、感光性樹脂１が硬化し（Ｎ＋１）層目の硬化層９を形成するとともに、Ｎ層目の硬化層７と（Ｎ＋１）層目の硬化層９とが接合する。
【００２０】
前記工程（Ａ−１）、工程（Ｂ−１）、工程（Ｃ−１）および工程（Ｄ−１）を形状の最終層まで繰り返すことにより立体模型を造形することができる。
なお、光を照射する際には、滞留した感光性樹脂液が動かないようにすることが望ましい。
【００２１】
本発明の光造形方法は、Ｎ層目の硬化層を形成した後、このＮ層目の硬化層を上昇させ、Ｎ層目の硬化層の周縁部に未硬化の感光性樹脂が滞留させて、この未硬化の感光性樹脂を硬化させているので段差がほとんどない積層体を造形することができる。
【００２２】
以上、本発明に係る光造形方法について説明したが本発明は上記例に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内で種々変形可能である。
たとえば、以下のように行うこともできる。
【００２３】
まず、前記工程（Ａ−１）と同様にしてＮ層目の硬化層を形成する工程（以下「工程（Ａ−２）」という）を行う。
次に、前記工程（Ｂ−１）と同様に、このＮ層目の硬化層が感光性樹脂液面の上に出るように積層体を引き上げることにより、Ｎ層目の硬化層と（Ｎ−１）層目の硬化層との段差部分に感光性樹脂液を滞留させる工程（以下「工程（Ｂ−２）」という）を行う。
【００２４】
続いて、Ｎ層目の硬化層が感光性樹脂液面上に出た状態で、段差に滞留した感光性樹脂にのみ光を照射して、前記段差部分に滞留した感光性樹脂液を硬化させる工程（以下「工程（Ｃ−２）」という）を行う。
【００２５】
次に、前記工程（Ｄ−１）と同様に、積層体を（Ｎ＋１）層目を形成する位置まで引下げる工程（以下「工程（Ｄ−２）」という）を行う。
前記工程（Ａ−２）、工程（Ｂ−２）、工程（Ｃ−２）および工程（Ｄ−２）を形状の最終層まで繰り返すことにより立体模型を造形することができる。
【００２６】
このような方法によっても、Ｎ層目の硬化層を形成した後、このＮ層目の硬化層を上昇させ、Ｎ層目の硬化層の周縁部に未硬化の感光性樹脂が滞留させて、この未硬化の感光性樹脂を硬化させているので前記と同様の作用効果を奏することができる。
【００２７】
本発明の光造形方法は、さらに変形可能であり、たとえば、以下のように行うこともできる。
まず、感光性樹脂に光を照射してＮ層目の少なくとも一部を形成する工程（以下「工程（Ａ−３）」という）を行う。エレベータを引き下げることにより、積層体上（またはベースプレート上）に１層分の厚さの感光性樹脂を回り込ませ、光でＮ層目の少なくとも一部を描画し、感光性樹脂を硬化させＮ層目の少なくとも一部を形成する。ここではＮ層目の周縁部のみを硬化させるか、Ｎ層目の光照射パターンの全面を複数の連続もしくは不連続な線状に硬化させるか、あるいはＮ層目の光照射パターンの全面を任意の間隔を有する複数の点状に硬化させる。
【００２８】
次に、前記工程（Ｂ−１）と同様に、このＮ層目の硬化層が感光性樹脂液面の上に出るように積層体を引き上げることにより、Ｎ層目の硬化層と（Ｎ−１）層目の硬化層との段差部分に感光性樹脂液を滞留させる工程（以下「工程（Ｂ−３）」という）を行う。Ｎ層目の硬化層が感光性樹脂液面の上に出るように積層体を引き上げると、Ｎ層目の硬化層と（Ｎ−１）層目の硬化層との段差部分に感光性樹脂液が滞留し、段差を埋めて斜面を形成する。
【００２９】
続いて、Ｎ層目の硬化層が感光性樹脂液面上に出た状態で、（Ｎ−１）層目の硬化層の形状に従って光を照射して、前記段差部分に滞留した感光性樹脂を硬化させるとともにＮ層目の未硬化の感光性樹脂を硬化させる工程（以下「工程（Ｃ−３）」という）を行う。Ｎ層目の硬化層が感光性樹脂液面上に出た状態で、（Ｎ−１）層目の硬化層の形状に沿って光を照射すると、段差部分に滞留した感光性樹脂が硬化し段差の少ない積層体を形成するとともに、Ｎ層目の未硬化の感光性樹脂が硬化してＮ層目の硬化層を形成する。
【００３０】
次に、前記工程（Ｄ−２）と同様に、積層体を（Ｎ＋１）層目を形成する位置まで引下げる工程（以下「工程（Ｄ−３）」という）を行う。
前記工程（Ａ−３）、工程（Ｂ−３）、工程（Ｃ−３）および工程（Ｄ−３）を形状の最終層まで繰り返すことにより立体模型を造形することができる。
【００３１】
このような方法によっても、Ｎ層目の硬化層を形成した後、このＮ層目の硬化層を上昇させ、Ｎ層目の硬化層の周縁部に未硬化の感光性樹脂が滞留させて、この未硬化の感光性樹脂を硬化させているので前記と同様の作用効果を奏することができる。
【００３２】
【実施例】
以下、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００３３】
【実施例１】
上述した本発明の方法に従って下記条件で、図２に示すような水平面に対し１０〜９０度の範囲の１０度おきの傾斜面を有する評価模型を造形した。
【００３４】
すなわち、感光性樹脂液（日本合成ゴム（株）製、ＳＣＲ２００）の表面に紫外線レーザー光を照射してＮ層目の硬化層を形成した後、このＮ層目の硬化層が感光性樹脂液面の上に出るようにエレベータで積層体を引き上げること（本発明における工程（Ｂ−１）、（Ｂ−２）、（Ｂ−３）に相当し、表１中、本発明における引き上げ条件に該当する）により、Ｎ層目の硬化層と（Ｎ−１）層目の硬化層との段差部分に感光性樹脂液を滞留させた。一定時間保持（表１中、引き上げ量静置時間）後、（Ｎ−１）層目の硬化層の形状に従って紫外線レーザー光を照射して、前記段差部分に滞留した感光性樹脂液を硬化させた。次に、エレベータで積層体を下げ、一定時間保持し感光性樹脂をＮ層目の硬化層の上面に回り込ませた後、積層体を（Ｎ＋１）層目を形成する位置まで引上げ一定時間保持し、紫外線レーザー光を照射して（Ｎ＋１）層目の硬化層を形成した。以上の工程を繰り返すことにより評価模型を造形した。造形後、評価模型に水銀灯を照射し、２時間ポストキュア処理を行った。
【００３５】
【表１】

【００３６】
上記のようにして造形した評価模型の各傾斜面の平均表面粗さを表面粗さ計（ミツトヨ（株）製、サーフコム３００Ｂ）を用いて測定した。
【００３７】
【比較例１】
従来の方法に従って下記条件で、図２に示すような評価模型を造形した。
すなわち、感光性樹脂液（日本合成ゴム（株）製、ＳＣＲ２００）の表面に紫外線レーザー光を照射してＮ層目の硬化層を形成した。次に、エレベータで積層体を下げ、一定時間保持して感光性樹脂をＮ層目の硬化層の上面に回り込ませた後、積層体を（Ｎ＋１）層目を形成する位置まで引上げ一定時間保持し、紫外線レーザー光を照射して（Ｎ＋１）層目の硬化層を形成した。以上の工程を繰り返すことにより評価模型を造形した。
【００３８】
【表２】

【００３９】
上記のようにして造形した評価模型の各傾斜面の平均表面粗さを実施例１と同様にして測定した。
【００４０】
以上の結果を結果を図３に示す。図３に示すように、本発明の方法によると従来の方法に比べて表面粗さは小さくなり、平均表面粗さが１５μｍ以下となっている。
【００４１】
【実施例２】
積層厚みを３００μｍとした以外は、実施例１と同様にして評価模型を造形した。得られた評価模型の各傾斜面の平均表面粗さを実施例１と同様にして測定した。
【００４２】
【比較例２】
積層厚みを３００μｍとした以外は、比較例１と同様にして評価模型を造形した。得られた評価模型の各傾斜面の平均表面粗さを実施例１と同様にして測定した。
【００４３】
以上の結果を図４に示す。また、図５に実施例２で造形した評価模型の傾斜面（破線）と、比較例２で成形した評価模型の傾斜面（実線）の断面曲線を示す。図４に示すように、本発明の方法によると従来の方法に比べて表面粗さは小さくなり、特に３０度以下の傾斜面ではすべての場合平均表面粗さが１５μｍ以下となっている。また、図５に示すように本発明の方法によると、特に傾斜角が小さい場合、段差が小さく、表面粗さが小さくなっている。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の光造形方法によると、従来の光造形方法に比べて表面粗さの小さな積層体を造形することができ、積層厚みを大きくしても表面粗さの小さな積層体を造形することができる。このため、積層体の段差を取り除くなどの２次加工をする必要がなく、所望する形状の模型などを、低コスト、短時間で得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光造形方法の製造工程を模式的に示す図である。
【図２】実施例で製造した評価模型の概略斜視図である。
【図３】実施例１で造形した評価模型および比較例１で造形した評価模型の斜面の表面粗さを示した図である。
【図４】実施例２で造形した評価模型および比較例２で造形した評価模型の斜面の表面粗さを示した図である。
【図５】実施例２で造形した評価模型および比較例２で造形した評価模型の断面曲線の比較図である。図中破線は実施例２で造形した評価模型の断面曲線であり、実線は比較例２で造形した評価模型の断面曲線である。
【符号の説明】
１０ … 積層体
１ … 感光性樹脂液
２ … エレベータ
３ … ベースプレート
４ … 滞留感光性樹脂液
５ … 光

Claims

感光性樹脂液の表面に光を照射して硬化層を形成し、この硬化層を複数積層して所望の三次元形状を有する積層体を造形する光造形方法において、
（Ａ）感光性樹脂に光を照射してＮ層目の硬化層の少なくとも一部を形成する工程、
（Ｂ）このＮ層目の硬化層が感光性樹脂液面の上に出るように積層体を引き上げる工程、
（Ｃ）Ｎ層目の硬化層が感光性樹脂液面上に出た状態でＮ層目の硬化層と（Ｎ−１）層目の硬化層との段差部分に滞留した感光性樹脂液を硬化させる工程、
を含むことを特徴とする光造形方法。
前記（Ａ）工程において、Ｎ層目の硬化層の少なくとも一部を形成する工程が、Ｎ層目の周縁部のみを硬化させるか、Ｎ層目の光照射パターンの全面を複数の連続もしくは不連続な線状に硬化させるか、あるいはＮ層目の光照射パターンの全面を任意の間隔を有する複数の点状に硬化させるかの、いずれか一であることを特徴とする請求項１に記載の光造形方法。
前記（Ｂ）工程において、積層体を引き上げる幅が硬化層の厚さの２層分以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光造形方法。
前記（Ｃ）工程において、（Ｎ−１）層目の硬化層の形状に従って光を照射して、前記段差部分に滞留した感光性樹脂を硬化させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一に記載の光造形方法。