JP3694970B2 - 光造形装置及び光造形方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液状光硬化性組成物に紫外線、可視光線あるいは赤外線を選択的に照射して所定形状の薄い硬化層を形成し、その硬化層を順次積層して所定の三次元物体を得る光造形装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液状光硬化性組成物を満たした造形タンクを有する光造形装置が知られていた（例えば特公平７−１０５６６）。
ここに液状光硬化性組成物とは例えば光硬化性樹脂などをいう。以下液状光硬化性組成物のことを「液状組成物」あるいは単に「組成物」ともいう。
【０００３】
図６、７に従来の光造形装置の概略図を示す。図６は正面断面図、図７はその側面断面図である。この装置は液状組成物１０を満たした造形タンク１１、造形タンク内に設けられた上下方向に移動可能なテーブル１２、テーブル１２の左右方向に一体となって走行可能なナイフ１３ａ、１３ｂとディッパー１４によって基本的に構成されている。
図６、７に示すようにディッパー１４は支持棒１５、１５’とローラ１６によって保持されており、図示していない駆動装置によってテーブル１２の左右方向に走行させられる。ディッパー１４は、ローラ１６がローラーガイド１７に導かれるので、テーブル１２上方（図６に示す位置▲２▼）では、ディッパー下端位置がテーブル１２上面から一定距離を保ちながら水平に走行し、テーブル１２の外側では、下降上昇して図６に示す位置▲１▼、▲３▼で組成物の液中に浸る。
【０００４】
この装置を用いて三次元物体を造形するには、次のようにする。
（１）テーブルの下降
テーブル１２を液状組成物１０の液面から一層の硬化層厚さ（例えば５０μ）だけ下降させる。
（２）コーティング
次に左右方向に一体に固定された２枚のナイフ１３ａ、１３ｂとディッパー１４が、図６に示す▲１▼の位置から、テーブル１２上方（▲２▼の位置）を経て▲３▼の位置まで移動すると、ディッパー１４によってテーブル１２上に組成物が供給されるとともにディパーの後方にあるナイフ１３ａによって供給された組成物の表面が平滑化され（以下、組成物をテーブル表面に供給し、組成物表面を平滑化して一層分の液状組成物層を形成することを「コーティング」という）。
コーティングは原則として、ディッパーとナイフの一回の走行（一回の片道走行の意味、以下同じ）で行われ、テーブルの左から右の走行によってコーティングがなされると、次はテーブルの右から左へのコーティングがなされる。
（３）光照射による硬化層の形成
その後テーブル上面のコーティングされた層に光を選択的に照射して１層分を硬化さる。
（４）その後、テーブルの下降、テーブル上への組成物のコーティング、光照射による硬化層の形成の手順を順次繰り返し、硬化層を積層させて三次元物体を造形するのである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の装置を用いて光造形を行なうと、次のような問題点があった。
（１）ディッパーとナイフが一体構造であるため、ディッパーをテーブル上を移動させると必ずナイフもそれにつれて移動するので、コーティングをする際のディッパーによる組成物供給とナイフによる組成物表面の平滑化が同時になされていた。
しかし適切なコーティングを行うためには、組成物の供給回数より、ナイフによる平滑化の回数がより多く必要な場合や、逆に組成物の供給回数より、ナイフによる平滑化の回数が少なくてよい場合などがある。
▲１▼前者の場合としては例えば中空部がある三次元物体を造形する際、中央部に未硬化の液状組成物が残る、いわゆる中海状態が生じる場合である。
この場合には硬化層を何層も積層していくと、図４に示すような硬化した部分と中央の未硬化液との境界に硬化層の面よりも高いでっぱりが生じ、これを放置して積層を続けて行くと、ナイフがこのでっぱりに引っかかって停止するという不都合があった。
▲２▼また後者の場合としては、広い断面を有する三次元物体を造形する場合である。この場合には、ディッパーの１回の走行では供給する組成物の量が不足するので、ディッパーのみを複数回走行させた後、ナイフを１回走行させて平滑化したいのであるがそれができず、毎回平滑化を行うために、均一なコーティングができなかった。
（２）次にディッパーが組成物の液中から液上へ上昇したり、液上から液中に没する場合には組成物液面が波立つので、組成物を供給した後、しばらくたってからナイフによる平滑化を行い、精度の高いコーティングを行いたいときがあるが、従来のものではナイフはディッパーと共に移動するので、不可能であった。
（３）次に組成物の粘度によって、均一なコーティングを迅速に行うためのディッパーの移動速度と、ナイフの移動速度は異なるが、従来のものは一体となっているため、移動速度が同じなので最適のコーティングができなかった。
（４）次に従来の造形装置ではディッパーの左右に一枚づつナイフがあり、ディッパーとナイフが往復走行する際に往きと帰りの両方でコーティングができるようになっている。しかし、往きと帰りで同じ厚さの均一なコーティングができるためには、両方のナイフとテーブルの間隔が一定でなければならず、これを事前に調整することが難しかった。
（５）さらに図６に示すように、ディッパーはテーブルの外側でないと組成物液中に浸ることができないので、造形しようとする三次元物体が小さく（断面が小さく）テーブルのごく一部のみを使用して光造形する場合にもディッパーとナイフはテーブルの端から端まで走行するので、迅速な光造形ができなかった。
【０００６】
すなわちこの発明の目的は、造形する三次元物体の形状、用いる組成物の粘度が変化しても、事前の準備が大変でなく、高精度で均一なコーティングを迅速に行うことができる光造形装置あるいは光造形方法を提供せんとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するものとして、この発明は次に説明するような光造形装置及び光造形方法を採用した。
この発明のうち光造形装置は、液状光硬化性組成物を一層ずつ露光することにより、順次硬化させ積層して三次元物体を製作する光造形装置において、液状光硬化性組成物を満たした造形タンクと、前記造形タンク内に設置され上下方向に移動可能なテーブルと、前記造形タンク内の液状光硬化性組成物を前記テーブル上に供給するための水平方向及び上下方向に移動可能な供給手段と、前記供給手段によってテーブル上に供給された液状光硬化性組成物表面を平滑化して液状光硬化性組成物層を形成するための水平方向に移動可能なナイフを具備し、前記供給手段と、前記ナイフは各々別の駆動装置により、その前後の位置関係を逆にするように制御され、互いに妨げることなく水平方向に走行することができることを特徴とするものである。
【０００８】
この発明のうち光造形方法は、請求項１又は２記載の光造形装置を用いて、造形タンク内のテーブルを１層の光硬化層の厚さだけ下降させ、その後に上下方向及び水平方向に移動可能な供給手段が、前記テーブル上を移動することにより前記テーブル上に前記造形タンク内の液状光硬化性組成物を供給し、ナイフが前記テーブル上を移動することによってその表面を平滑化して液状光硬化性組成物のコーティング層を形成し、その後コーティング層に光を選択的に照射して光硬化させ、前記テーブルの下降、コーティング層の形成、光硬化の一連の工程を順次繰り返し行い光硬化層を一層ずつ積層して三次元物体を製作する光造形方法において、前記供給手段およびナイフの各々の水平方向の走行回数、順序、待ち時間、走行速度、走行ストロークの設定が自由に行えることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明によれば、テーブル上に液状光硬化性組成物を供給する供給手段を走行させる駆動装置と、供給された液状組成物の表面を平滑化するナイフの駆動装置が別個独立であり、供給手段とナイフは互いに他の走行を妨げず、それぞれの走行回数、順序、待ち時間、走行速度、走行ストロークなどの設定が自由に行えるので、三次元物体の形状、使用する組成物の種類、粘度の違いに応じて、最適の組成物の供給と平滑化を行うことができ、高精度で均一なコーティングが迅速に行える。
【００１０】
【発明の実施の形態】
最初に図１〜３に示す本発明の第１の実施形態について説明する。図１は第１の実施形態の正面断面図、図２は側面断面図、図３は斜視図である。
第１の実施形態の構成は次のとおりである。
【００１１】
第１の実施形態は図１に示すように、液状組成物１０を液面レベルＬまで満たした造形タンク１１と、そのタンク内に設置された上下方向に移動可能なテーブル１２と、そのテーブル１２の上方に設置され、後述する駆動装置によってテーブル上方を水平走行しながらテーブルの外側では上下移動可能な液状組成物１０の供給手段であるディッパー１４と、このディッパー１４の駆動装置とは別の駆動装置によってテーブル１２上方を水平に走行することができるように設置されたナイフ１３ｃによって基本的に構成されている。光造形を行うにはテーブルの上下方向の移動、ディッパーおよびナイフの駆動、光の照射をしなければならないがこれらの操作はコンピュータによって制御される。
【００１２】
１０は液状光硬化性組成物であり、光を照射すると硬化する性質を有する液体上の公知の樹脂である。
１１は、一連の光造形を行うのに必要なだけの液状組成物を収納しておくための造形タンクであり、１２はディッパーとナイフによってコーティングされた液状組成物層をその上面に形成するためのテーブルであって、光を照射して断面形状を硬化させた後、硬化層の一層分の厚さだけ下降して次のコーティングに備える（図１に示すテーブル１２の左右端の距離を以下「テーブル長さ」という）。
【００１３】
１３ｃはナイフであり、図１の紙面と直角方向にテーブル幅とほぼ同じ幅を有する（図２参照）。ナイフ１３ｃは保持ビーム１８に取り付けられ、タイミングベルトとモータ２１によって水平方向に走行させられる（図３参照）。図２にはナイフが一枚のものが示されているが、図５に示すように示すような先端が複数枚に分かれたナイフでもよい。図５に示すようにこのナイフは保持ビーム１８に取り付けられるが、先端の２枚の刃先が同じ高さになるように製作されているので、従来必要であった２枚のナイフの高さを同一にする事前調整が不要となる。１４はディッパーであり、ディッパーの支持棒１５、１５’及び保持ビーム１９、２０によって支持され、従来のものと同じようにテーブル左側（図１に示す位置▲１▼）、右側（図１に示す位置▲３▼）で組成物の液面に浸され、テーブル上では水平に走行する。図１ではディッパー１４全体が組成物液中に全没した状態が示されているが、ディッパー１４の一部が液中に浸されるだけでもよい。
図３にはその駆動装置が示されており、水平方向の走行はモータ２２と連結されたタイミングベルトによって保持ビーム１９が左右に移動することで達成され、図示していないラックとピニオン機構とモータ２３によって上下方向に移動可能である。
図３に示すようにナイフ１３ｃ、その保持ビーム１８及びそれを支持する２本のレールはディッパー１４を最も下に下げた状態でディッパーとその支持具及びその駆動装置の内側に設けられており、ディッパーが走行する際には、ナイフ１３ｃの位置は造形タンク１１の壁際に位置するように制御されるのでナイフ１３ｃとディッパー１４は互いに妨げることなく走行可能である。
なおナイフやディッパーの駆動装置は上述したものに限られずタイミングベルト以外にワイヤー、台形ネジ、ＬＥＭＡ、ボールネジをモータで駆動するものや、油圧シリンダ、リニアモータ、あるいはソレノイドを用いるもの等でもよい。
【００１４】
次に第１の実施形態を用いて光造形を行なう手順を説明する。
ディッパー１４とナイフ１３ｃの走行はそれぞれ別個の駆動装置によってなされ、一方の走行が他方によって妨げられず、その走行回数、走行速度、ディッパーの走行とナイフの走行の組合せが自由に選択できるので第１の実施形態を用いると次のような光造形が可能となる。
【００１５】
（１）中空部分が存在する三次元物体の造形
このような三次元物体を造形する場合には、ディッパー１４がテーブル１２の左右の組成物液中から上昇してテーブル１２上を１回走行した後液中に浸され、ナイフ１３ｃをテーブルの左右方向に１回走行させてコーティングするのを原則とするが、積層回数が所定の回数に達する毎に、ディッパー１４の１回の走行後に複数の所定回数だけナイフ１３ｃを走行させるようにする。
このようなディッパーとナイフの操作を行うと、硬化層の積層によって周辺の硬化部分と中海の境界に成長する硬化層のでっぱりをナイフ１３ｃを押し止めるほど発達する前に除去することができる。一般に光硬化によって三次元物体を造形するには相当時間がかかり、夜も自動運転で造形を続けるのが普通であるが、誰も監視していない夜中にナイフがでっぱりに引っかかって停止してしまうという従来生じていた不都合は、第１の実施形態では生じず、迅速な光造形が可能となる。
三次元物体の形状によっては複数回ナイフを走行させるのを一定の積層回数毎にせず、予め定められた複数個の積層回数に達したときに行うようにしてもよい。
【００１６】
（２）大断面を有する三次元物体の造形
このような三次元物体を造形する場合には、ディッパーの１回の走行だけでは充分な量の組成物が供給されないので、ディッパーの大きさと断面積との関係からコーティングに必要な最小のディッパー走行回数が光造形を開始する前に予め定められるので、この走行回数だけディッパーを走行させ、その後で一回ナイフを走行してコーティングを終了し、その後に光照射を行う。
このような操作をするとコーティングに必要なだけの組成物が供給されてから平滑化が行われるため、従来のように毎回平滑化をする場合に生じていたコーティング層の厚さの不均一が生じない。
【００１７】
（３）高精度の三次元物体の造形
特に硬化層の一層分の厚さを精度良く形成するために、ディッパーが上昇、下降して液面を通過する際に発生する波が収まるまで待ってからナイフを一回走行させてコーティングを行う。すなわちディッパーが液中へ浸る速度あるいは液中から出る速度によってその発生する波の収束時間が異なるので、予めその収束時間を求めておき、ディッパーの１回の走行の後、その収束時間が経過した後にナイフを１回走行させてコーティングを終了させるのである。
【００１８】
（４）断面が小さい三次元物体の造形
断面が小さくテーブルの一部しか使用しない光造形の場合には、硬化層積層の初期の段階では、従来通りテーブルの外側でディッパーが下降して組成物液中に浸され、その後上昇してテーブル上を水平走行するが、テーブルが組成物液面から一定量沈むと、ディッパーはその造形物の断面のコーティングをするのに必要最小限の距離だけ、水平方向に走行し、その左右の停止位置で没しているテーブルに接触しない限度で組成物液中に浸される。ナイフもテーブルの外側まで移動する必要はなく、ディッパーが下降する位置より少し外側まで走行して、ディッパーの走行を妨げないようにすればよい。
このようにディッパーとナイフの水平方向の移動距離（ストローク）をテーブル長さより短くすることで迅速な光造形が可能になる。
【００１９】
【発明の効果】
この発明によれば、組成物供給手段の走行とナイフの走行は別個独立であるので、それぞれの走行回数、順序、待ち時間、走行速度、走行ストロークなどの設定が自由に行え、三次元物体の形状、使用する組成物の種類、粘度の違いに応じて、最適の樹脂の供給と平滑化を行うことができ、高精度で均一なコーティングがなされ、迅速な光造形が行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光造形装置の第１の実施形態の正面断面図である。
【図２】図１に示す光造形装置の第１の実施形態の側面断面図である。
【図３】図１に示す光造形装置の第１の実施形態の斜視図である。
【図４】中空部がある三次元物体の造形の際に生じるでっぱりを説明する図である。
【図５】先端が二枚に分かれているナイフの斜視図である。
【図６】従来の光造形装置の正面断面図である。
【図７】図６に示す光造形装置の側面図である。
【符号の説明】
１０ 液状光硬化性組成物
１１ 造形タンク
１２ テーブル
１３ａ、ｂ、ｃ ナイフ
１４ ディッパー
１５、１５’ ディッパー支持棒
１６ ローラ
１７ ローラガイド
１８ ナイフ保持ビーム
１９、２０ ディッパー保持ビーム
２１ ナイフ駆動用モータ
２２ ディッパー水平駆動用モータ
２３ ディッパー上下駆動用モータ

Claims (6)

1. 液状光硬化性組成物を一層ずつ露光することにより、順次硬化させ積層して三次元物体を製作する光造形装置において、液状光硬化性組成物を満たした造形タンクと、前記造形タンク内に設置され上下方向に移動可能なテーブルと、前記造形タンク内の液状光硬化性組成物を前記テーブル上に供給するための水平方向及び上下方向に移動可能な供給手段と、前記供給手段によってテーブル上に供給された液状光硬化性組成物表面を平滑化して液状光硬化性組成物層を形成するための水平方向に移動可能なナイフを具備し、前記供給手段と、前記ナイフは各々別の駆動装置により、その前後の位置関係を逆にするように制御され、互いに妨げることなく水平方向に走行することができることを特徴とする光造形装置。
2. 請求項１記載の光造形装置において、上記供給手段を最も下の位置に移動させた状態で、上記供給手段と上記ナイフの走行方向から見て上記ナイフ及びその駆動装置が、前記供給手段及びその駆動装置の内部に設置されていることを特徴とする請求項１記載の光造形装置。
3. 請求項１又は２記載の光造形装置を用いて、造形タンク内のテーブルを１層の光硬化層の厚さだけ下降させ、その後に上下方向及び水平方向に移動可能な供給手段が、前記テーブル上を移動することにより前記テーブル上に前記造形タンク内の液状光硬化性組成物を供給し、ナイフが前記テーブル上を移動することによってその表面を平滑化して液状光硬化性組成物のコーティング層を形成し、その後コーティング層に光を選択的に照射して光硬化させ、前記テーブルの下降、コーティング層の形成、光硬化の一連の工程を順次繰り返し行い光硬化層を一層ずつ積層して三次元物体を製作する光造形方法において、前記供給手段が１回あるいは複数回前記テーブル上を移動して前記テーブル上に液状光硬化性組成物を供給する第１工程と、ナイフが１回あるいは複数回テーブル上を移動して前記液状光硬化性組成物の表面を平滑化する第２工程とによって前記コーティング層の形成がなされることを特徴とする光造形方法。
4. 請求項１又は２記載の光造形装置を用いて、造形タンク内のテーブルを１層の光硬化層の厚さだけ下降させ、その後に上下方向及び水平方向に移動可能な供給手段が、前記テーブル上を移動することにより前記テーブル上に前記造形タンク内の液状光硬化性組成物を供給し、ナイフが前記テーブル上を移動することによってその表面を平滑化して液状光硬化性組成物のコーティング層を形成し、その後コーティング層に光を選択的に照射して光硬化させ、前記テーブルの下降、コーティング層の形成、光硬化の一連の工程を順次繰り返し行い光硬化層を一層ずつ積層して三次元物体を製作する光造形方法において、前記光硬化層の積層回数が予め定められた複数個の所定の回数に達したときに、前記供給手段の１回あるいは複数回の移動の後、その供給手段の移動回数より所定の回数だけ多くナイフを移動させてコーティング層の形成工程を行い、それ以外は前記供給手段の１回あるいは複数回の移動の後、その供給手段の移動回数と同じ回数だけナイフを移動させることを特徴とする光造形方法。
5. 請求項１又は２記載の光造形装置を用いて、造形タンク内のテーブルを１層の光硬化層の厚さだけ下降させ、その後に上下方向及び水平方向に移動可能な供給手段が、前記テーブル上を移動することにより前記テーブル上に前記造形タンク内の液状光硬化性組成物を供給し、ナイフが前記テーブル上を移動することによってその表面を平滑化して液状光硬化性組成物のコーティング層を形成し、その後コーティング層に光を選択的に照射して光硬化させ、前記テーブルの下降、コーティング層の形成、光硬化の一連の工程を順次繰り返し行い光硬化層を一層ずつ積層して三次元物体を製作する光造形方法において、液状光硬化性組成物の供給手段の１回あるいは複数回の移動の後、所定の時間経過後に１回あるいは複数回のナイフの移動を行って前記コーティング層を形成することを特徴とする光造形方法。
6. 請求項１及び２記載の光造形装置を用いて、造形タンク内のテーブルを１層の光硬化層の厚さだけ下降させ、その後に上下方向及び水平方向に移動可能な供給手段が、前記テーブル上を移動することにより前記テーブル上に前記造形タンク内の液状光硬化性組成物を供給し、ナイフが前記テーブル上を移動することによってその表面を平滑化して液状光硬化性組成物のコーティング層を形成し、その後コーティング層に光を選択的に照射して光硬化させ、前記テーブルの下降、コーティング層の形成、光硬化の一連の工程を順次繰り返し行い光硬化層を一層ずつ積層して三次元物体を製作する光造形方法において、前記光硬化層の積層回数が増え、前記テーブルの自由表面からの沈下量が所定値になったとき以降は前記供給手段および前記ナイフの水平方向の移動をテーブル上面の一部に限って行い、各々の１回の水平方向の移動距離がテーブル長さよりも短いことを特徴とする光造形方法。

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