JP3770179B2 - 光造形方法および光造形装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、未硬化状態の光硬化性樹脂の自由液面に電磁波を照射して、これを層状に順次硬化させ、それによって、所望の３次元構造物を造形する、光造形方法および光造形装置に関するもので、特に、未硬化状態の光硬化性樹脂の自由液面の迅速な整定化を図るための改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光造形技術は、電磁波を照射することによって光硬化性樹脂が硬化する現象を利用しながら、得ようとする３次元構造物を薄く輪切りにした形状を有するものを、光硬化性樹脂の硬化によって得られた硬化層によって造形し、この造形を３次元構造物の端から順に実施して、目的とする３次元構造物を造形しようとするものである。
【０００３】
このような光造形方法として、典型的には、自由液面法と規制液面法とがある。
【０００４】
自由液面法は、たとえば特開昭６２−３５９６６号公報等に記載されているように、未硬化状態の光硬化性樹脂が収容された容器内であって、未硬化状態の光硬化性樹脂の自由液面よりわずかに下方の位置にステージを配置し、容器の上方から電磁波を光硬化性樹脂に照射することによって、ステージの上面に硬化層を作製し、次いで、ステージを下方へわずかに移動させて、既に作製された硬化層を未硬化状態の光硬化性樹脂の自由液面の下方に沈め、再び、電磁波を未硬化樹脂に照射して、次の硬化層を形成し、以下、同様の工程を繰り返して、目的とする３次元構造物を製造しようとするものである。
【０００５】
他方、規制液面法は、底面を透明とした容器内に未硬化状態の光硬化性樹脂を収容し、容器の下方から電磁波を照射することによって、容器内に配置したステージと容器の底面との間に硬化層を造形し、次いで、ステージを上方へ引き上げて、既に作製された硬化層と容器との間に再び硬化層を造形し、以下、同様な工程を繰り返して、目的とする３次元構造物を造形しようとするものである。
【０００６】
このような光造形方法では、常に、新しい光硬化性樹脂が電磁波の照射部分に供給される必要があるが、上述した規制液面法では、硬化層と容器の底面との間に新しい光硬化性樹脂を供給することが比較的困難であり、そのため、高速で造形を実施することが困難であるという問題がある。また、硬化層がステージ上で造形された後、ステージを上方へ引き上げる際、硬化層が容器の底面から円滑に剥離されず、硬化層が無理に引き剥がされることによって、造形物が破壊されることがあるという問題も有している。
【０００７】
これに対して、前述した自由液面法によれば、規制液面法において遭遇する、硬化層の容器底面からの円滑な剥離が阻害されることがあるという問題を招くことはない。
【０００８】
また、電磁波の照射部分に常に新しい光硬化性樹脂を供給するという課題に対しても、自由液面法によれば、比較的容易に対処することができる。たとえば、ステージ上に硬化層を造形した後、一旦、ステージを大きく下降させて、硬化層を光硬化性樹脂中に十分に沈下させ、それによって、新しい光硬化性樹脂を硬化層の上に供給した状態とし、次いで、光硬化性樹脂の自由液面から硬化層の上面までの深さが所定の値になるまでステージを上昇させることを行なったり（オーバーディップ法）、あるいは、既に造形された硬化層の表面をスキージで操作し、新しい光硬化性樹脂が行きわたるようにしたりすることによって、上述した課題を解決することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
この発明にとって興味ある光造形方法は、特に、上述の自由液面法による光造形方法である。
【００１０】
しかしながら、自由液面法では、規制液面法においては遭遇しない問題に遭遇する。すなわち、自由液面法によれば、ステージの下降に伴って、既に造形された硬化層が下降されたとき、硬化層の上方に未硬化状態の光硬化性樹脂が自然に流れ込むが、この流れ込んだ光硬化性樹脂の自由液面が動揺したままの状態で電磁波を照射すると、得られた３次元構造物の形状および寸法に関して高い精度を得ることができない。したがって、少なくとも電磁波の照射時には、光硬化性樹脂の自由液面が平滑化すなわち整定化されていなければならない。
【００１１】
しかしながら、このように光硬化性樹脂の自由液面を平滑にするための整定化工程には、たとえば１ないし数分間といった比較的長い時間を要し、また、整定化工程は、数１００回程度実施されることが多い。その結果、この自由液面の動揺が収まるのを待つ時間のために、造形に要する時間の短縮化を図ることが困難である。
【００１２】
そこで、この発明の目的は、上述した問題を解決し得る、すなわち、得られた３次元構造物の精度を高めることができるとともに、造形速度を向上させることができる、自由液面法による光造形方法および光造形装置を提供しようとすることである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明は、未硬化状態の光硬化性樹脂の自由液面を整定化する工程と、未硬化状態の光硬化性樹脂の整定化された自由液面の所定の領域に電磁波を照射することによって、この所定の領域において、未硬化状態の光硬化性樹脂の自由液面近傍における液層部分を硬化させ、それによって、硬化された光硬化性樹脂からなる硬化層を造形する工程と、この硬化層を未硬化状態の光硬化性樹脂の自由液面の下方に沈めるように硬化層を移動させる工程とが繰り返されることによって、３次元構造物を造形する、光造形方法にまず向けられる。
【００１４】
この発明に係る光造形方法では、前述した技術的課題を解決するため、上述の未硬化状態の光硬化性樹脂の自由液面を整定化する工程において、未硬化状態の光硬化性樹脂に対して、遠心力が付与されることを特徴としている。
【００１５】
この発明は、また、上述したような光造形方法を実施するために用いられる光造形装置にも向けられる。
【００１６】
この発明に係る光造形装置は、所定の軸線まわりに回転可能であり、かつ未硬化状態の光硬化性樹脂を収容している、容器と、この容器の回転に従って生じる遠心力が付与された未硬化状態の光硬化性樹脂の自由液面の所定の領域に電磁波を照射するための電磁波源と、電磁波の照射によって硬化された光硬化性樹脂からなる硬化層を保持するためのものであって、容器内の遠心力が付与された未硬化状態の光硬化性樹脂内に位置しながら容器とともに回転し、かつ自由液面から離隔し得るように移動可能に設けられた、ステージとを備えることを特徴としている。
【００１７】
上述した容器は、たとえば、円筒状の内周面を規定する形状を有し、この円筒状の内周面上に未硬化状態の光硬化性樹脂が収容されても、あるいは、球面、回転放物面、回転楕円面のような回転曲面状の内周面を規定する形状を有し、この回転曲面状の内周面上に未硬化状態の光硬化性樹脂が収容されてもよい。
【００１８】
上述のように、容器が回転曲面状の内周面を規定する形状を有している場合、ステージは、容器の回転中心軸線を通る位置に配置されてもよいが、好ましくは、容器の回転中心軸線が通る位置からずれた位置に配置される。
【００１９】
また、ステージは、硬化層の底面より小さい面積をもって硬化層の底面に接触するサポート部を有していることが好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の第１の実施形態による光造形装置１を図解的に示す断面図である。
【００２１】
光造形装置１は、矢印２で示すように、所定の軸線３まわりに回転可能な容器４を備えている。容器４は、この実施形態では、円筒状の内周面５を規定する形状を有していて、より具体的には、ドラム状をなしている。容器４内であって、円筒状の内周面５上には、未硬化状態の光硬化性樹脂６が収容されている。
【００２２】
また、光造形装置１は、容器４の回転に従って生じる遠心力７（その方向を矢印で示す。）が付与された未硬化状態の光硬化性樹脂６の自由液面８の所定の領域に、矢印で示すような電磁波９を照射するための電磁波源１０を備えている。電磁波９としては、たとえば、光線、電子線、イオンビーム、Ｘ線等の活性化電磁波が有利に用いられる。また、電磁波源１０としては、好ましくは、レーザ光源が用いられる。
【００２３】
光造形装置１は、また、電磁波９の照射によって硬化された光硬化性樹脂６からなる硬化層１１を保持するためのステージ１２を備えている。ステージ１２は、容器４内の遠心力７が付与された未硬化状態の光硬化性樹脂６内に位置しながら容器４とともに回転する。また、ステージ１２は、矢印１３で示すように、自由液面８から離隔し得るように移動可能に設けられている。
【００２４】
なお、図１において、硬化層１１は、ある程度工程が進んだ状態のものが図示されている。
【００２５】
ステージ１２において採用される好ましい構成が図２に示されている。図２を参照して、ステージ１２は、硬化層１１の底面１４より小さい面積をもって硬化層１１の底面１４に接触するサポート部１５を有している。図２に示したサポート部１５は、硬化層１１の底面１４に対して、実質的に点接触または線接触の状態を実現するようにされている。また、この実施形態では、サポート部１５とステージ１２との接触状態についても、実質的に点接触または線接触の状態を実現するようにされている。
【００２６】
サポート部１５は、目的とする３次元構造物を得た後、硬化層１１をステージ１２から取り外すことを容易にするとともに、硬化層１１を含む造形物が造形中に転がるなどの問題が生じないようにするためのものである。
【００２７】
サポート部１５は、硬化層１１を構成する光硬化性樹脂６と同じ材質で構成される。そのため、目的とする３次元構造物を造形する前段階において、同様の工程に従って、サポート部１５を造形するようにしてもよい。
【００２８】
図２に示すように、硬化層１１の底面１４が曲面をなしている場合には、ステージ１２についても、図１および図２に示すように、同様の曲面をなしていることが好ましい。なぜなら、これによって、サポート部１５の体積をより小さくすることができるからである。
【００２９】
たとえば図１に示すような光造形装置１を用いて実施される光造形方法において、光硬化性樹脂６に対しては、（１）粘性が低いこと（自由液面を整定化しやすいため）、（２）硬化速度が高いこと（造形速度を高めるため）、（３）積層３次元重合が可能であること（隣り合う硬化層１１間で十分な結合強度を得るため）、（４）硬化精度が高いこと、（５）硬化時の体積収縮率が低いこと（得られた３次元構造物の不所望な反りを防ぐため）という条件が要求される。
【００３０】
このような条件を満たすため、光硬化性樹脂６としては、逐次重合性を持ちかつ重合物の収縮歪みの少ない、たとえば、カチオン重合硬化エポキシ樹脂、オキセタン系樹脂、ラジカル重合硬化ウレタンアクリレート系樹脂、イミド系樹脂等を有利に用いることができる。また、光硬化性樹脂６において、必要に応じて、たとえばセラミック粉末等の固体粉末を分散させることも可能である。
【００３１】
容器４に回転が与えられ、等速円運動に達した後、所定の時間の経過後に、未硬化状態の光硬化性樹脂６の自由液面８は整定化される。この整定化に際して、遠心力７が光硬化性樹脂６に及ぼされているので、光硬化性樹脂６に単に重力加速度のみが及ぼされている場合に比べて、光硬化性樹脂６の自由液面８がより強く拘束されることになり、したがって、より短時間で自由液面８を整定化することができる。
【００３２】
等速円運動する容器４に与えられる回転速度は、未硬化状態の光硬化性樹脂６の粘度および容器４の内周面５の径方向寸法等によっても異なるが、たとえば、１０〜１０００ｒｐｍ程度とされる。
【００３３】
図１に示したようなドラム状の容器４の場合には、等速円運動に達する前および等速円運動を終えた後において、光硬化性樹脂６が容器４からこぼれやすいため、図示しないが、容器４の回転中に光硬化性樹脂６を供給しかつ排出するための機構が設けられていることが好ましい。
【００３４】
図１に示した光造形装置１を用いながら、次のようにして、光造形方法が実施される。
【００３５】
まず、前述したように、容器４が等速円運動する状態にされる。この状態において、容器４の中心軸線３から光硬化性樹脂６の自由液面８までの距離が決まり、この距離にある自由液面８を基準として光造形が進められる。
【００３６】
基準となる自由液面８は曲面である。この曲面に沿って、得ようとする３次元構造物の積層曲面データが、たとえばＣＡＤのスライシングデータから換算して求められ、この積層曲面データに基づいて、目的とする３次元構造物を造形するために必要な電磁波９の照射パターンがたとえばコンピュータにより求められる。そして、この求められた照射パターンに応じて、電磁波源１０が制御される。電磁波源１０として、たとえばレーザ光源が用いられる場合には、レーザのスイッチを制御したり、照射すべき位置に電磁波９としてのレーザ光を導くようにガルバノミラーを制御したりすることが行なわれる。
【００３７】
このような電磁波源１０の制御の下、未硬化状態の光硬化性樹脂６の自由液面８が整定化された後、自由液面８の所定の領域に電磁波９が照射される。これによって、所定の領域において、未硬化状態の光硬化性樹脂６の自由液面８近傍における液層部分が硬化される。その結果、硬化された未硬化樹脂６からなる硬化層１１がステージ１２上に造形される。
【００３８】
次に、上述のようにして造形された硬化層１１を未硬化状態の光硬化性樹脂６の自由液面８の下方に沈めるため、ステージ１２が、自由液面８から離隔するように矢印１３で示す方向に移動される。その結果、硬化層１１の上方に、新しい未硬化の光硬化性樹脂６が流れ込む。
【００３９】
なお、硬化層１１の上面が光硬化性樹脂６によって濡れにくい場合には、硬化層１１を造形した後、一旦、ステージ１２をたとえば１０〜５０ｍｍ程度と比較的大きく下降させ、硬化層１１を光硬化性樹脂６内に十分に沈下させた後、自由液面８から硬化層１１の上面までの深さがたとえば０．１〜０．５ｍｍ程度となるまで、ステージ１２を上昇させてもよい。
【００４０】
また、上述した方法に代えて、あるいは上述した方法に加えて、自由液面８に適合した形状のブレードを有するスキージを操作して、硬化層１１の上面に新しい光硬化性樹脂６を付与するようにしてもよい。
【００４１】
以上のような未硬化状態の光硬化性樹脂６の自由液面８を整定化する工程と、未硬化状態の光硬化性樹脂６の自由液面８に電磁波９を照射することによって、硬化層１１を造形する工程と、硬化層１１を自由液面８の下方に沈めるように硬化層１１を移動させる工程とが繰り返されることによって、目的とする３次元構造物が造形される。
【００４２】
上述したような未硬化状態の光硬化性樹脂６の自由液面８を整定化する工程では、遠心力７が光硬化性樹脂６に対して及ぼされているため、短時間で自由液面８の整定化を達成することができる。たとえば、目的とする３次元構造物が３０ｍｍ程度の高さを有している場合、上述した工程の繰り返しは３００〜６００回程度となるため、３００〜６００回程度の整定化工程が必要である、したがって、このように多数回必要とする整定化工程の各々において、それに要する時間の短縮を図ることができるので、３次元構造物を得るための全体としての造形速度も高めることができる。
【００４３】
図１に示した光造形装置１において、電磁波源１０は、容器４とともに回転するようにしても、固定的に設けられてもよい。電磁波源１０が容器４とともに回転するように構成されると、光硬化性樹脂６の自由液面８の所定の領域に対する電磁波９の単位時間当たりの照射量を多くすることができ、そのため、より短時間で硬化層１１を作製することができる。他方、電磁波源１０を固定的に設けた場合には、電磁波９の回転方向のスキャンが不要となり、たとえば、得ようとする３次元構造物が円筒形状のような回転対称体である場合、これを容易に作製することができる。
【００４４】
図３は、この発明の第２の実施形態による光造形装置２１を図解的に示す断面図である。図３において、図１に示した要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【００４５】
図３に示した光造形装置２１は、矢印２２で示すように、所定の軸線２３まわりに回転可能である、容器２４を備えている。この実施形態では、容器２４は、回転曲面状の内周面２５を規定する形状を有していて、より具体的には、実質的に半球状をなしている。未硬化状態の光硬化性樹脂６は、容器２４の回転曲面状の内周面２５上に収容される。
【００４６】
また、光造形装置２１は、容器２４の回転に従って生じる遠心力７が付与された未硬化状態の光硬化性樹脂６の自由液面８の所定の領域に電磁波９を照射するための電磁波源１０を備えている。
【００４７】
光造形装置２１は、また、電磁波９の照射によって硬化された光硬化性樹脂６からなる硬化層１１を保持するためのものであって、容器２４内の遠心力７が付与された未硬化状態の光硬化性樹脂６内に位置しながら容器２４とともに回転し、かつ矢印１３で示すように自由液面８から離隔し得るように移動可能に設けられた、ステージ１２を備えている。ステージ１２は、この実施形態では、容器２４の回転中心軸線２３が通る位置に配置されている。
【００４８】
この光造形装置２１を用いての光造形方法は、前述した図１を参照して説明した光造形方法と実質的に同様である。この実施形態では、容器２４の回転に従って付与された遠心力７により整定化された光硬化性樹脂６の自由液面８は、回転曲面状となる。
【００４９】
また、この第２の実施形態の場合にも、特に断わらない限り、前述した第１の実施形態と同様の説明を援用することができる。
【００５０】
図４は、この発明の第３の実施形態による光造形装置３１を図解的に示す断面図である。図４に示した光造形装置３１は、図３に示した光造形装置２１と多くの点で共通しており、したがって、図４において、図３に示した要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、以下に、異なる構成についてのみ説明する。
【００５１】
図４に示した光造形装置３１では、ステージ１２が、容器２４の回転中心軸線２３が通る位置からずれた位置に配置されることを特徴としている。この実施形態によれば、図３に示した実施形態の場合に比べて、光硬化性樹脂６における硬化層１１を造形する部分での自由液面８の整定化にあたって、遠心力７の作用をより効果的に用いることができる。
【００５２】
この光造形装置３１を用いての光造形方法についても、第１および第２の実施形態による光造形装置１および２１を用いての光造形方法と実質的に同様に実施することができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係る光造形方法によれば、未硬化状態の光硬化性樹脂の自由液面を整定化するにあたって、未硬化状態の光硬化性樹脂に対して遠心力が付与されるので、単なる重力加速度の付与だけの場合に比べると、自由液面をより迅速に整定化することができる。したがって、造形された３次元構造物の形状および寸法に関する精度を高めながら、造形速度を高めることができる。
【００５４】
この発明に係る光造形装置によれば、所定の軸線まわりに回転可能であり、かつ未硬化状態の光硬化性樹脂を収容している、容器を備えているので、上述したように、未硬化状態の光硬化性樹脂に対して遠心力を容易に付与することができる。
【００５５】
上述の容器が、円筒状の内周面を規定する形状を有し、この円筒状の内周面上に未硬化状態の光硬化性樹脂が収容されるように構成されると、整定化された自由液面を円筒状に形成することができるので、このような自由液面がたとえば回転曲面状となる場合に比べて、より平面に近く、そのため、得ようとする３次元構造物の積層曲面データが複雑化することを防止することができる。
【００５６】
容器が、回転曲面状の内周面を規定する形状を有し、この回転曲面状の内周面上に未硬化状態の光硬化性樹脂が収容されるように構成されると、容器の等速円運動に至るまでの間および等速円運動を終えた後において、未硬化状態の光硬化性樹脂が容器からこぼれるといった問題を回避することができる。
【００５７】
上述したように、容器が回転曲面状の内周面を規定する形状を有している場合、硬化層を保持するステージが、容器の回転中心軸線が通る位置に配置される場合に比べて、容器の回転中心軸線が通る位置からずれた位置に配置される場合には、電磁波が照射されるべき領域での光硬化性樹脂に対する遠心力をより効果的に及ぼすことができる。
【００５８】
ステージが、硬化層の底面より小さい面積をもって硬化層の底面に接触するサポート部を有していると、造形を終えた３次元構造物をステージから取り外すことが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態による光造形装置１を図解的に示す断面図である。
【図２】図１に示したステージ１２の詳細を示す断面図である。
【図３】この発明の第２の実施形態による光造形装置２１を図解的に示す断面図である。
【図４】この発明の第３の実施形態による光造形装置３１を図解的に示す断面図である。
【符号の説明】
１，２１，３１ 光造形装置
３，２３ 軸線
４，２４ 容器
５，２５ 内周面
６ 光硬化性樹脂
７ 遠心力
８ 自由液面
９ 電磁波
１０ 電磁波源
１１ 硬化層
１２ ステージ
１４ 底面
１５ サポート部

Claims (7)

1. 未硬化状態の光硬化性樹脂の自由液面を整定化する工程と、前記未硬化状態の光硬化性樹脂の整定化された前記自由液面の所定の領域に電磁波を照射することによって、前記所定の領域において、前記未硬化状態の光硬化性樹脂の前記自由液面近傍における液層部分を硬化させ、それによって、硬化された前記光硬化性樹脂からなる硬化層を造形する工程と、前記硬化層を未硬化状態の前記光硬化性樹脂の前記自由液面の下方に沈めるように前記硬化層を移動させる工程とが繰り返されることによって、３次元構造物を造形する、光造形方法であって、
   前記未硬化状態の光硬化性樹脂の自由液面を整定化する工程において、前記未硬化状態の光硬化性樹脂に対して、遠心力が付与されることを特徴とする、光造形方法。
2. 所定の軸線まわりに回転可能であり、かつ未硬化状態の光硬化性樹脂を収容している、容器と、
   前記容器の回転に従って生じる遠心力が付与された前記未硬化状態の光硬化性樹脂の自由液面の所定の領域に電磁波を照射するための電磁波源と、
   前記電磁波の照射によって硬化された前記光硬化性樹脂からなる硬化層を保持するためのものであって、前記容器内の遠心力が付与された前記未硬化状態の光硬化性樹脂内に位置しながら前記容器とともに回転し、かつ前記自由液面から離隔し得るように移動可能に設けられた、ステージと
   を備える、光造形装置。
3. 前記容器は、円筒状の内周面を規定する形状を有し、前記円筒状の内周面上に前記未硬化状態の光硬化性樹脂が収容されている、請求項２に記載の光造形装置。
4. 前記容器は、回転曲面状の内周面を規定する形状を有し、前記回転曲面状の内周面上に前記未硬化状態の光硬化性樹脂が収容されている、請求項２に記載の光造形装置。
5. 前記ステージは、前記容器の回転中心軸線が通る位置に配置される、請求項４に記載の光造形装置。
6. 前記ステージは、前記容器の回転中心軸線が通る位置からずれた位置に配置される、請求項４に記載の光造形装置。
7. 前記ステージは、前記硬化層の底面より小さい面積をもって前記硬化層の底面に接触するサポート部を有する、請求項２ないし６のいずれかに記載の光造形装置。

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