JP3786467B2 - 立体形状物の光造形装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は立体形状物の光造形装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
樹脂による立体モデルを造形する方法としては、従来より金型成型法が知られている。しかしながら、この金型成型法では、金型の作製に長い時間および多額の費用を必要とし、また、立体モデルを完成させるまでに多くの工程が必要となるため煩雑であるなどの問題があった。
【０００３】
このような問題を解決するための方法として、金型を必要としない光造形法が提案されている（例えば特開昭６２−３５９６６号公報、特開平２−１１３９２５号公報、特開平６−６４０４８号公報、特開平７−１２５０７９号公報参照）。この光造形法は、液状の光硬化性樹脂よりなる未硬化層（ｎ）に対して立体モデルのスライス形状データ（ｎ）に基づいて選択的に光を照射することにより樹脂硬化層（ｎ）を形成し、この樹脂硬化層（ｎ）上に新たな光硬化性樹脂を供給して未硬化層（ｎ＋１）を形成し、この未硬化層（ｎ＋１）に対してスライス形状データ（ｎ＋１）に基づいて選択的に光を照射することにより樹脂硬化層（ｎ＋１）を形成する工程を繰り返すことにより、硬化樹脂層の積層体からなる立体モデルを造形する方法である。
【０００４】
図２は、上記のような光造形法に使用される光造形装置の基本的な構成を示す説明図である。図２において、１は固定ベース、２は光硬化性樹脂３を収容する収容容器、４は光硬化性樹脂３の液面に向けて光を照射するための光源装置、５は硬化樹脂層の積層体６を支持する支持ステージである。支持ステージ５は昇降可能に設けられ、例えば、図２に示す状態から支持ステージ５を降下させると、積層体６の上面６Ａには、光硬化性樹脂３が供給されて降下量に相当する厚みの未硬化層が形成される。
【０００５】
しかしながら、この光造形法においては、同一の形状を有する立体モデルを多数造形する場合において相当に長い時間を必要とするという問題がある。また、この方法に適用できる樹脂材料に制限があるため、所期の物性を有する立体モデルを造形することができないという問題もある。
【０００６】
このような問題を解決するための手段として、光硬化性樹脂を用いる光造形法により耐熱性の硬化樹脂からなる型（以下「樹脂製型」ともいう。）を造形し、得られた樹脂製型により、所期の物性を発現することのできる樹脂材料を用いて成型加工を行う立体モデルの造形方法が考案されている。この造形方法によれば、光造形法による簡便さが失われることなく、所期の物性を有する立体モデルを多数造形することができる。
【０００７】
しかして、光造形物を構成する硬化樹脂について、耐熱性および物理的性能（補強効果）を向上させるための手段として、光硬化性樹脂組成物に充填材を配合することが効果的である。斯かる充填材としては、粉末状および繊維状の無機充填材などが挙げられる。
【０００８】
然るに、光硬化性樹脂組成物に配合される充填材は、通常、光硬化性樹脂よりも密度が高いものであるため、収容容器内の光硬化性樹脂組成物において、充填材の沈降が生じやすい。そして、沈降により充填材の分散状態が不均一となる光硬化性樹脂組成物を使用して光造形を行う場合には、得られる光造形物（立体形状物）は、所期の耐熱性および物理的性能を発現することができないという問題がある。また、収容容器内の光硬化性樹脂組成物のうち、液面付近における充填材の分散割合が経時的に変化（減少）する場合には、得られる光造形物は、造形開始時に形成された下層部分と、造形終了時に形成された上層部分とにおける充填材の含有割合が異なり、その結果、当該光造形物の物性が部位によってばらついてしまうという問題もある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものである。本発明の目的は、収容容器内の光硬化性樹脂組成物に沈降しやすい充填材が配合されている場合であっても、当該充填材の沈降を抑制することができ、全ての部位にわたり所期の物性を発現しえる均質な立体形状物を造形することのできる立体形状物の光造形装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の立体形状物の光造形装置は、容器内に収容された、光硬化性樹脂にこれよりも密度が高い充填材が分散配合されている液状の光硬化性樹脂組成物に対し選択的に光を照射して樹脂硬化層を形成する工程を繰り返すことにより、当該樹脂硬化層の積層体よりなる立体形状物を造形するための光造形装置であって、前記容器の下方の底面付近に位置する光硬化性樹脂組成物を当該容器の上方の液面付近に移送する循環手段を備えてなることを特徴とする。
【００１２】
本発明の立体形状物の光造形装置においては、循環手段の作動・停止を制御する制御手段を備えてなることが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の光造形装置を構成する循環手段は、容器内に収容された光硬化性樹脂組成物のうち、容器下方（底面付近）に位置する組成物を容器上方（液面付近）に移送する手段である。そして、充填材の分散割合が経時的に増加する傾向にある容器下方に位置する組成物が容器上方に移送されることにより、光硬化性樹脂組成物における充填材の分散割合を、容器内の全域にわたって均一に維持することができると共に、液面付近における充填材の分散割合を安定化させることができる。この結果、液面付近において形成される硬化樹脂層より構成される立体形状物は、全ての部位にわたり所期の物性を発現するこのできる均質性に優れたものとなる。
【００１４】
以下、本発明の立体形状物の光造形装置について詳細に説明する。図１は本発明の光造形装置の一実施形態を示す説明図であり、同図において、１０は固定ベース、１１は固定ベース１０の垂直支柱、２０は光硬化性樹脂組成物Ｒ（以下、単に「組成物Ｒ」ともいう。）の収容容器、３０は組成物Ｒの液面に選択的に光を照射するための光源装置、４０は硬化樹脂層の積層体Ｈを支持する支持ステージ、４１はステージ面、５０はスキージ機構、６０は組成物Ｒの循環手段、７０は制御手段である。
【００１５】
収容容器２０は、光不透過性材料（例えばステンレス等の金属材料）より構成されている。光源装置３０は、例えばレーザー発振器や紫外線ランプよりなる光源部（図示省略）と、組成物Ｒに対して選択的に光を照射するための光走査機構（図示省略）とを備えてなる。支持ステージ４０は、垂直支柱１１に沿って昇降可能に設けられており、図１に示す状態から支持ステージ４０を降下させると、積層体Ｈの上面には、組成物Ｒが供給されて降下量に相当する厚みの未硬化層が形成される。スキージ機構５０は、光硬化性樹脂の液面（未硬化層の上面）を平滑化するための機構である。
【００１６】
循環手段６０は、循環ポンプ６１と、液吸引側配管６２と、液吐出側配管６３とにより構成されている。ここで、循環ポンプ６１としては、ベローズ型ポンプ、一軸偏心ネジ式ポンプ、ロータリーポンプ、ロブロータリーポンプ、ギヤーポンプ、ダイヤフラム型ポンプなどを挙げることができる。これらのうち、高粘度のスラリーを移送できること、摩擦部分が少ないこと、運転時の発熱が少ないこと等の観点から、ベローズ型ポンプ、ダイヤフラム型ポンプ、ロブロータリーポンプが好ましい。
【００１７】
液吸引側配管６２は、収容容器２０の下方側壁に形成された開口２０Ａと、循環ポンプ６１との間を連結する配管であり、液吐出側配管６３は、循環ポンプ６１と、収容容器２０の上方側壁に形成された開口２０Ｂとの間を連結する配管である。なお、収容容器２０の開口２０Ａと開口２０Ｂとは、水平方向（紙面の前後．左右方向）においても対角線上に配設されており、これにより、収容容器２０内における循環効果（組成物の均質性）を更に向上させることができる。
【００１８】
なお、循環ポンプ６１、液吸引側配管６２および液吐出側配管６３の各内部の接液面における材質は、配管内における発熱やシェアによる組成物自体の劣化、充填材を流動させることによる磨耗損傷などが生じないよう、光硬化性樹脂の種類、充填材の種類および配合割合、組成物の温度などの造形条件に応じて適宜選定することが好ましい。
【００１９】
また、図１に示すような循環手段６０の他に、同様の構成を有する予備の循環手段を設けることにより、循環手段６０にトラブルなどが生じても、操作を中断させることなく光造形を行うことができる。また、複数の循環手段を併用することにより、循環効果を更に向上させることもできる。
【００２０】
制御手段７０は、例えばパーソナルコンピュータよりなり、この制御手段７０によって、立体形状物のＣＡＤデータに基づくスライス形状データ群が算出される。また、これらのスライス形状データ群に基づいて、光源装置３０（点灯・消灯・走査・停止）、支持ステージ４０（上昇・降下・停止）、スキージ機構５０（作動・停止）および循環手段６０（作動・停止）が制御される。
【００２１】
組成物Ｒを構成する樹脂成分である光硬化性樹脂としては、例えば変性ポリウレタン（メタ）アクリレート、オリゴエステル（メタ）アクリレート、ウレタン（メタ）アクリレート、エポキシ（メタ）アクリレート、感光性ポリイミド、アミノアルキド、エポキシ化合物、ビニルエーテル、オキセタン、スピロオルソエステル化合物、ビニルエーテル−マレイン酸、チオール−エンなどのモノマーおよびオリゴマーを挙げることができ、これらは単独でまたは２種以上組み合わせて使用することができる。さらに、組成物Ｒには、光が照射されることにより分解してラジカルまたはカチオンを発生する光重合開始剤、保存安定性、その他の特性を向上させるための添加剤が含有されていてもよい。
【００２２】
組成物Ｒを構成する充填材としては、粉末状および繊維状の無機充填材などを挙げることができ、具体的には、ガラス粉、シリカ粉、アルミナ、アルミナ水和物、酸化マグネシウム、水酸化マグネシウム、硫酸バリウム、硫酸カルシウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、ケイ酸塩鉱物、ケイソウ土、ケイ砂、ケイ石粉、酸化チタン、アルミ粉、ブロンズ、亜鉛粉、銅粉、鉛粉、金粉、銀粉、ガラス繊維、チタン酸カリウムウィスカー、カーボンウィスカー、サファイアウィスカー、ベリリアウィスカー、炭化ホウ素ウィスカー、炭化ケイ素ウィスカー、窒化ケイ素ウィスカーなどを使用することができる。ここに、充填材の平均粒子径・平均繊維長としては通常１〜５０μｍとされる。組成物Ｒにおける無機充填材の配合割合としては、光硬化性樹脂と光重合開始剤との混合物１００容量部に対して、例えば１００〜１４０容量部とされる。
【００２３】
組成物Ｒの組成としては、例えば、光硬化性樹脂として、「ＳＡ−１００２」（三菱化学（株）製）５０重量部、「ＦＡ−５１３Ａ」（日立化成（株）製）２５重量部、Ｎ−ビニルピロリドン２５重量部；光重合開始剤として、「イルガキュア（Ｉｒｇａｃｕｒｅ）６５１」（チバガイギー社製）０．２５重量部；安定化剤としてｐ−メトキシフェノール０．１重量部からなる樹脂混合物１００容量部に、無機充填材として、ガラスビーズ「ＧＢ０４５ＺＣ」（東芝バロティーニ（株）製）１６０容量部を分散混合させたものを例示することができる。
【００２４】
上記のような構成の本発明の光造形装置によれば、以下のようにして立体形状物が造形される。
【００２５】
（１）造形すべき立体形状物のＣＡＤデータを制御手段７０に入力すると、当該制御手段７０は、立体形状物の高さ方向に等間隔のスライス形状データ群を算出する。
【００２６】
（２）制御手段７０からの制御信号を受けた支持ステージ４０は、そのステージ面４１が組成物Ｒの液面から１層分に相当する深さレベルに位置するまで降下する。これにより、ステージ面４１上には、組成物Ｒが供給されて未硬化層（第１層）が形成される。
【００２７】
（３）制御手段７０からの制御信号を受けたスキージ機構５０が作動する。これにより、組成物Ｒの液面が平滑化されて未硬化層（第１層）の厚みが均一化される。
【００２８】
（４）制御手段７０により算出されたスライス形状データ（第１層のデータ）に基づいて、光源装置３０からの光が未硬化層（第１層）に対して選択的に照射される。これにより、光照射された部分は光重合により硬化し、樹脂硬化層（第１層）が形成される。
【００２９】
（５）制御手段７０からの制御信号を受けた支持ステージ４０が、更に１層分降下する。これにより、樹脂硬化層（第１層）上には、組成物Ｒが供給されて未硬化層（第２層）が形成される。
【００３０】
（６）制御手段７０からの制御信号を受けたスキージ機構５０が作動する。これにより、組成物Ｒの液面が平滑化されて未硬化層（第２層）の厚みが均一化される。
【００３１】
（７）制御手段７０により算出されたスライス形状データ（第２層のデータ）に基づいて、光源装置３０からの光が未硬化層（第２層）に対して選択的に照射される。これにより、光照射された部分は光重合により硬化し、樹脂硬化層（第２層）が形成される。
【００３２】
（８）上記（５）〜（７）と同様の操作（未硬化層の形成・液面の平滑化・樹脂硬化層の形成）を繰り返すことにより、樹脂硬化層の積層体よりなる立体形状物が造形される。
【００３３】
本発明の光造形装置においては、光造形法による立体形状物の造形操作が行われている間に、あるいは、造形操作を開始する前工程として、循環手段６０による組成物Ｒの循環（底面付近に存在する組成物の液面付近への移送）が行われる。すなわち、収容容器２０内に収容された組成物Ｒのうち、充填材の分散割合が経時的に増加する傾向にある底面付近に位置する組成物は、開口２０Ａから収容容器２０外に移出され、液吸引側配管６２、循環ポンプ６１および液吐出側配管６３を移動して、開口２０Ｂから収容容器２０内に移入される。これにより、底面付近に存在していた組成物（充填材高分散状態）と、液面付近に存在している組成物とが混合される。この結果、組成物Ｒ中における充填材の分散割合が、容器内の全域にわたって均一に維持されると共に、液面付近における充填材の分散割合が安定化して、分散割合の経時的変化（減少）が抑制される。従って、液面付近において形成される硬化樹脂層の積層体よりなる立体形状物は、造形開始時に形成された下層部分と、造形終了時に形成された上層部分とにおける充填材の含有割合が同等となり、その結果、全ての部位にわたり所期の物性を発現するこのできる均質性に優れたものとなる。
【００３４】
また、収容容器２０に形成されている開口２０Ａと開口２０Ｂとは、水平方向においても対角線上に配設されているので、収容容器２０内における循環効果（組成物の均質性）を更に向上させることができ、特に、同一の樹脂硬化層における物性の均質性を向上させることができる。
【００３５】
本発明の光造形装置を構成する循環手段６０は、造形操作中において常時作動させる必要はなく、好ましい循環効果が維持される範囲内において、間欠的に作動させてもよい。例えば、スキージ機構５０による液面の平滑化および光照射による硬化処理を行っている時には循環手段６０を停止させてもよく、これにより、液面の揺らぎを防止することができる。このような間欠的な作動を行わせるための制御は、制御手段７０によって容易に行うことができる。
【００３６】
循環手段６０による単位時間あたりの組成物の移送量（循環ポンプ６１の送液能力）は、以下のようにして見積もることができる。
【００３７】
図３は、収容容器２０内に組成物Ｒが収容されている状態を示す斜視図である。同図において、８０は組成物Ｒ内において微小体積を有する仮想立方体、９０は組成物Ｒ内における仮想水平面である。なお、収容容器２０を構成する側壁の一部、側壁に形成された開口および循環手段の図示は省略している。
【００３８】
ここで、組成物Ｒにおける充填材粒子の配合割合（均一分散状態）を「ρ0 」〔ｇ／ｃｍ3 〕、組成物Ｒの液面付近における充填材粒子の分散割合を「ρ1 」〔ｇ／ｃｍ3 〕、組成物Ｒの底面付近における充填材粒子の分散割合を「ρ2 」〔ｇ／ｃｍ3 〕とする。
【００３９】
収容容器２０に収容された組成物Ｒ全体における充填材粒子の沈降は、個々の充填材粒子の独立した運動の総和として捉えることができる。沈降が生じている場合に、仮想立方体８０に着目すると、この仮想立方体８０の上面からの充填材粒子の流入と、仮想立方体８０の下面からの充填材粒子の流出は同時に発生している。この仮想立方体８０の付近において組成物Ｒの性質が著しく変化していないとすると、仮想立方体８０に流入する充填材粒子の数量（重量）と、仮想立方体８０から流出する充填材粒子の数量（重量）は等しく、仮想立方体８０の充填材粒子の数量（重量）は変化しないと考えてよい。一方、仮想立方体８０の上面が組成物Ｒの液面に接していると考えた場合、当該上面からの充填材粒子は流入されないため、仮想立方体８０に存在する充填材粒子の数量（重量）は減少する。また、仮想立方体８０の下面が収容容器２０の底面に接していると考えた場合、当該下面からの充填材粒子は流出されないため、仮想立方体８０に存在する充填材粒子の数量（重量）は増加する。この結果、収容容器２０の中間レベルにおいては充填材粒子の分散割合はほぼ一定であり、液面付近においては経時的に充填材粒子の分散割合（ρ1 ）が減少して最終的には充填材粒子が存在しなくなり、底面付近においては経時的に充填材粒子の分散割合（ρ2 ）が増加して最終的には充填材粒子による沈殿物が生じる。
【００４０】
上記のモデルから、仮想水平面９０における単位面積を単位時間あたり通過した充填材粒子の重量をｗ〔ｇ／（ｃｍ2 ・ｍｉｎ）〕、仮想水平面９０の面積をｓ〔ｃｍ2 〕とすると、充填材粒子の単位時間あたりにおける沈降重量Ｗ〔ｇ／ｍｉｎ〕は下記式１で求めることができる。
【００４１】
【数１】
（式１）：Ｗ＝ｗｓ
【００４２】
そして、循環手段６０による単位時間あたりの組成物の移送量（送液能力）をＶ〔ｃｍ3 ／ｍｉｎ〕とすると、単位時間あたりρ2 ・Ｖ〔ｇ／ｍｉｎ〕の充填材粒子が容器上方（液面付近）に供給されることになる。このうちρ1 ・Ｖ〔ｇ／ｍｉｎ〕に相当する充填材粒子は、組成物が移送される以前から液面付近に存在しているため、充填材粒子の単位時間あたりにおける実質的な移送重量Ｗp 〔ｇ／ｍｉｎ〕は下記式２で求めることができる。
【００４３】
【数２】
（式２）：Ｗp ＝（ρ2 −ρ1 ）Ｖ
【００４４】
循環手段６０を作動させた上で定常状態に達したときには、単位時間あたりにおける沈降重量Ｗと、単位時間あたりにおける実質的な移送重量Ｗp とが等しくなるために、下記式３の関係が成立する。
【００４５】
【数３】
（式３）：ｗｓ＝（ρ2 −ρ1 ）Ｖ
【００４６】
一方、上記のモデルから、液面付近における充填材粒子の分散割合ρ1 の減少量と、底面付近における充填材粒子の分散割合ρ2 の増加量とが等しいことが理解され、この増加量・減少量を＋Δρ・−Δρとすると、ρ1 およびρ2 は、それぞれ下記式４および式５のように表すことができる。なお、ρ1 およびρ2 の何れも、０より小さくなることはなく、また充填材の種類などに依存する最大値を超えることはない。
【００４７】
【数４】
（式４）ρ1 ＝ρ0 −Δρ
（式５）ρ2 ＝ρ0 ＋Δρ
【００４８】
そして、循環手段６０を作動させることにより、分散割合の変化量Δρを、造形物に要求される耐熱性やヤング率などによって規定される許容値よりも小さくする必要があるので、この許容値をρt とすると、下記式６が成立し、この式６に上記式３を代入して下記式７が導入される。
【００４９】
【数５】
（式６）ρt ＞Δρ＝（ρ2 −ρ1 ）／２
（式７）Ｖ ＞ ｗｓ／２ρt
【００５０】
上記式７に示されるように、循環手段６０による単位時間あたりの組成物の移送量（送液能力）Ｖは、仮想水平面９０における単位面積を単位時間あたり通過する充填材粒子の重量ｗ（充填材の沈降の程度）、仮想水平面９０の面積ｓ（収容容器２０の底面積）、および充填材粒子の分散割合の変化量の許容値ρt から見積もることが可能となる。
【００５１】
なお、以上のようにして見積もられる移送量Ｖは、必要最小限のものであり、ｗｓ／２ρt の２〜５倍程度に設定することが好ましい。具体的には、光硬化性樹脂と光重合開始剤との混合物１００容量部に対して５０〜７０容量部の無機充填材を配合してなる組成物を、底面積が３００〜２０，０００ｃｍ2 である収容容器２０に収容した場合において、循環手段６０による移送量Ｖ（ｃｍ3 ／ｍｉｎ）は、０．２〜１０5 の範囲とされ、好ましくは２〜１０4 の範囲、更に好ましくは２０〜２０００の範囲とされる。
【００５２】
以上、本発明の光造形装置の一実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、例えば、▲１▼ 装置全体のコンパクト化を図るために、光硬化性樹脂組成物の循環手段を収容容器の内部に配置すること、▲２▼ 収容容器内における光硬化性樹脂組成物を均一化するための他の手段（例えば組成物の攪拌手段、対流手段など）を併用すること、など種々の変形を加えることができる。また、本発明の光造形装置において、充填材を含有しない光硬化性樹脂組成物を用いて立体形状物を造形することができることは勿論である。
【００５３】
【実施例】
＜光硬化性樹脂組成物の調製＞
「ＳＡ−１００２」（三菱化学（株）製：環状構造を有する多官能モノマー）５０重量部、「ＦＡ−５１３Ａ」（日立化成（株）製：環状構造を有する単官能モノマー）２５重量部、Ｎ−ビニルピロリドン（単官能モノマー）２５重量部、「イルガキュア６５１」（チバガイギー社製：光重合開始剤）０．２５重量部、ｐ−メトキシフェノール（安定化剤）０．１重量部を混合することにより樹脂混合物を調製した後、この樹脂混合物１００容量部に対して、ガラスビーズ「ＧＢ０４５ＺＣ」（東芝バロティーニ（株）製：粒径分布約５〜６５μｍ）１６０容量部を分散配合させることにより、光硬化性樹脂組成物を調製した。
【００５４】
＜実施例＞
図１に示したような本発明の光造形装置を用い、循環手段６０を作動させた状態で、硬化樹脂層（厚さ２００μｍ）の積層体よりなる四角柱状の立体形状物（１２０ｍｍ×５０ｍｍ×高さ６０ｍｍ）を１２時間かけて造形した。なお、光硬化性樹脂組成物の収容容器２０は、容積が２０ｃｍ×１５ｃｍ×１００ｃｍであるものを使用し、光源装置３０の光源としてはアルゴンレーザーを使用した。また、循環手段６０の循環ポンプ６１としてはべローズ型ポンプを使用した。
【００５５】
本実施例において、単位面積を単位時間あたり通過する充填材粒子の重量ｗは０．９８ｍｇ／ｍｉｎ、収容容器２０の底面積ｓは３００ｃｍ2 である。また、充填材の分散割合の変化量の許容値ρt は３．６ｍｇ／ｃｍ3 とした。この許容値ρt は、充填材の重量分率に換算すると約０．１％となる。これらのデータを上記式７に代入すると（ｗｓ／２ρt ）の値は約４１ｃｍ3 ／ｍｉｎとなるが、本実施例において循環手段６０による移送量の実測値は約１４０ｃｍ3 ／ｍｉｎであり、（ｗｓ／２ρt ）の約３．４倍であった。
【００５６】
以上のようにして造形された立体形状物について、光造形開始時に形成された下層部分（形状物端面から５ｍｍ）、および光造形終了時に形成された上層部分（形状物端面から５ｍｍ）から試験片を作製し、それぞれの部分について、密度から求められる充填材の重量含有率、物理的性能の指標となる弾性率および耐熱性の指標となる熱変形温度（ＨＤＴ）を測定した。結果を表１に示す。
【００５７】
＜参考例＞
循環手段６０を作動させなかったこと以外は実施例と同様にして光造形を行い、造形された立体形状物の下層部分および上層部分について、充填材の重量含有率、弾性率および熱変形温度（ＨＤＴ）を測定した。結果を併せて表１に示す。なお、光造形を開始してから６時間後における収容容器２０内の組成物は、硬化樹脂層の形成が行われる液面付近（液面から深さ２ｍｍ程度）において充填材が存在しない状態であった。
【００５８】
【表１】
【００５９】
表１の結果から明らかなように、実施例により造形された立体形状物は、下層部分と上層部分とにおける重量含有率に殆ど変化がなく、何れの部位においても良好な物理的性能および耐熱性を発現するこのできる均質性に優れたものである。これに対して、参考例により造形された立体形状物は、上層部分における充填材の重量含有率が小さくて良好な物理的性能および耐熱性を有するものではない。このように、参考例により造形された立体形状物は、その部位によって物理的性能や耐熱性にバラツキのある均質性に劣るものであることが理解される。
【００６０】
【発明の効果】
本発明の光造形装置によれば、光硬化性樹脂組成物に沈降しやすい充填材が配合されている場合であっても、当該充填材の沈降を抑制することができ、全ての部位にわたり所期の物性を発現しえる均質な立体形状物を造形することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光造形装置の一実施形態を示す説明図である。
【図２】光造形法に使用される光造形装置の基本的な構成を示す説明図である。
【図３】収容容器内に組成物が収容されている状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 固定ベース
２ 収容容器
３ 光硬化性樹脂
４ 光源装置
５ 支持ステージ
６ 硬化樹脂層の積層体
１０ 固定ベース
１１ 垂直支柱
２０ 収容容器
２０Ａ，２０Ｂ 開口
３０ 光源装置
４０ 支持ステージ
４１ ステージ面
５０ スキージ機構
６０ 循環手段
６１ 循環ポンプ
６２ 液吸引側配管
６３ 液吐出側配管
７０ 制御手段
８０ 仮想立方体
９０ 仮想水平面
【発明の属する技術分野】
本発明は立体形状物の光造形装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
樹脂による立体モデルを造形する方法としては、従来より金型成型法が知られている。しかしながら、この金型成型法では、金型の作製に長い時間および多額の費用を必要とし、また、立体モデルを完成させるまでに多くの工程が必要となるため煩雑であるなどの問題があった。
【０００３】
このような問題を解決するための方法として、金型を必要としない光造形法が提案されている（例えば特開昭６２−３５９６６号公報、特開平２−１１３９２５号公報、特開平６−６４０４８号公報、特開平７−１２５０７９号公報参照）。この光造形法は、液状の光硬化性樹脂よりなる未硬化層（ｎ）に対して立体モデルのスライス形状データ（ｎ）に基づいて選択的に光を照射することにより樹脂硬化層（ｎ）を形成し、この樹脂硬化層（ｎ）上に新たな光硬化性樹脂を供給して未硬化層（ｎ＋１）を形成し、この未硬化層（ｎ＋１）に対してスライス形状データ（ｎ＋１）に基づいて選択的に光を照射することにより樹脂硬化層（ｎ＋１）を形成する工程を繰り返すことにより、硬化樹脂層の積層体からなる立体モデルを造形する方法である。
【０００４】
図２は、上記のような光造形法に使用される光造形装置の基本的な構成を示す説明図である。図２において、１は固定ベース、２は光硬化性樹脂３を収容する収容容器、４は光硬化性樹脂３の液面に向けて光を照射するための光源装置、５は硬化樹脂層の積層体６を支持する支持ステージである。支持ステージ５は昇降可能に設けられ、例えば、図２に示す状態から支持ステージ５を降下させると、積層体６の上面６Ａには、光硬化性樹脂３が供給されて降下量に相当する厚みの未硬化層が形成される。
【０００５】
しかしながら、この光造形法においては、同一の形状を有する立体モデルを多数造形する場合において相当に長い時間を必要とするという問題がある。また、この方法に適用できる樹脂材料に制限があるため、所期の物性を有する立体モデルを造形することができないという問題もある。
【０００６】
このような問題を解決するための手段として、光硬化性樹脂を用いる光造形法により耐熱性の硬化樹脂からなる型（以下「樹脂製型」ともいう。）を造形し、得られた樹脂製型により、所期の物性を発現することのできる樹脂材料を用いて成型加工を行う立体モデルの造形方法が考案されている。この造形方法によれば、光造形法による簡便さが失われることなく、所期の物性を有する立体モデルを多数造形することができる。
【０００７】
しかして、光造形物を構成する硬化樹脂について、耐熱性および物理的性能（補強効果）を向上させるための手段として、光硬化性樹脂組成物に充填材を配合することが効果的である。斯かる充填材としては、粉末状および繊維状の無機充填材などが挙げられる。
【０００８】
然るに、光硬化性樹脂組成物に配合される充填材は、通常、光硬化性樹脂よりも密度が高いものであるため、収容容器内の光硬化性樹脂組成物において、充填材の沈降が生じやすい。そして、沈降により充填材の分散状態が不均一となる光硬化性樹脂組成物を使用して光造形を行う場合には、得られる光造形物（立体形状物）は、所期の耐熱性および物理的性能を発現することができないという問題がある。また、収容容器内の光硬化性樹脂組成物のうち、液面付近における充填材の分散割合が経時的に変化（減少）する場合には、得られる光造形物は、造形開始時に形成された下層部分と、造形終了時に形成された上層部分とにおける充填材の含有割合が異なり、その結果、当該光造形物の物性が部位によってばらついてしまうという問題もある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものである。本発明の目的は、収容容器内の光硬化性樹脂組成物に沈降しやすい充填材が配合されている場合であっても、当該充填材の沈降を抑制することができ、全ての部位にわたり所期の物性を発現しえる均質な立体形状物を造形することのできる立体形状物の光造形装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の立体形状物の光造形装置は、容器内に収容された、光硬化性樹脂にこれよりも密度が高い充填材が分散配合されている液状の光硬化性樹脂組成物に対し選択的に光を照射して樹脂硬化層を形成する工程を繰り返すことにより、当該樹脂硬化層の積層体よりなる立体形状物を造形するための光造形装置であって、前記容器の下方の底面付近に位置する光硬化性樹脂組成物を当該容器の上方の液面付近に移送する循環手段を備えてなることを特徴とする。
【００１２】
本発明の立体形状物の光造形装置においては、循環手段の作動・停止を制御する制御手段を備えてなることが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の光造形装置を構成する循環手段は、容器内に収容された光硬化性樹脂組成物のうち、容器下方（底面付近）に位置する組成物を容器上方（液面付近）に移送する手段である。そして、充填材の分散割合が経時的に増加する傾向にある容器下方に位置する組成物が容器上方に移送されることにより、光硬化性樹脂組成物における充填材の分散割合を、容器内の全域にわたって均一に維持することができると共に、液面付近における充填材の分散割合を安定化させることができる。この結果、液面付近において形成される硬化樹脂層より構成される立体形状物は、全ての部位にわたり所期の物性を発現するこのできる均質性に優れたものとなる。
【００１４】
以下、本発明の立体形状物の光造形装置について詳細に説明する。図１は本発明の光造形装置の一実施形態を示す説明図であり、同図において、１０は固定ベース、１１は固定ベース１０の垂直支柱、２０は光硬化性樹脂組成物Ｒ（以下、単に「組成物Ｒ」ともいう。）の収容容器、３０は組成物Ｒの液面に選択的に光を照射するための光源装置、４０は硬化樹脂層の積層体Ｈを支持する支持ステージ、４１はステージ面、５０はスキージ機構、６０は組成物Ｒの循環手段、７０は制御手段である。
【００１５】
収容容器２０は、光不透過性材料（例えばステンレス等の金属材料）より構成されている。光源装置３０は、例えばレーザー発振器や紫外線ランプよりなる光源部（図示省略）と、組成物Ｒに対して選択的に光を照射するための光走査機構（図示省略）とを備えてなる。支持ステージ４０は、垂直支柱１１に沿って昇降可能に設けられており、図１に示す状態から支持ステージ４０を降下させると、積層体Ｈの上面には、組成物Ｒが供給されて降下量に相当する厚みの未硬化層が形成される。スキージ機構５０は、光硬化性樹脂の液面（未硬化層の上面）を平滑化するための機構である。
【００１６】
循環手段６０は、循環ポンプ６１と、液吸引側配管６２と、液吐出側配管６３とにより構成されている。ここで、循環ポンプ６１としては、ベローズ型ポンプ、一軸偏心ネジ式ポンプ、ロータリーポンプ、ロブロータリーポンプ、ギヤーポンプ、ダイヤフラム型ポンプなどを挙げることができる。これらのうち、高粘度のスラリーを移送できること、摩擦部分が少ないこと、運転時の発熱が少ないこと等の観点から、ベローズ型ポンプ、ダイヤフラム型ポンプ、ロブロータリーポンプが好ましい。
【００１７】
液吸引側配管６２は、収容容器２０の下方側壁に形成された開口２０Ａと、循環ポンプ６１との間を連結する配管であり、液吐出側配管６３は、循環ポンプ６１と、収容容器２０の上方側壁に形成された開口２０Ｂとの間を連結する配管である。なお、収容容器２０の開口２０Ａと開口２０Ｂとは、水平方向（紙面の前後．左右方向）においても対角線上に配設されており、これにより、収容容器２０内における循環効果（組成物の均質性）を更に向上させることができる。
【００１８】
なお、循環ポンプ６１、液吸引側配管６２および液吐出側配管６３の各内部の接液面における材質は、配管内における発熱やシェアによる組成物自体の劣化、充填材を流動させることによる磨耗損傷などが生じないよう、光硬化性樹脂の種類、充填材の種類および配合割合、組成物の温度などの造形条件に応じて適宜選定することが好ましい。
【００１９】
また、図１に示すような循環手段６０の他に、同様の構成を有する予備の循環手段を設けることにより、循環手段６０にトラブルなどが生じても、操作を中断させることなく光造形を行うことができる。また、複数の循環手段を併用することにより、循環効果を更に向上させることもできる。
【００２０】
制御手段７０は、例えばパーソナルコンピュータよりなり、この制御手段７０によって、立体形状物のＣＡＤデータに基づくスライス形状データ群が算出される。また、これらのスライス形状データ群に基づいて、光源装置３０（点灯・消灯・走査・停止）、支持ステージ４０（上昇・降下・停止）、スキージ機構５０（作動・停止）および循環手段６０（作動・停止）が制御される。
【００２１】
組成物Ｒを構成する樹脂成分である光硬化性樹脂としては、例えば変性ポリウレタン（メタ）アクリレート、オリゴエステル（メタ）アクリレート、ウレタン（メタ）アクリレート、エポキシ（メタ）アクリレート、感光性ポリイミド、アミノアルキド、エポキシ化合物、ビニルエーテル、オキセタン、スピロオルソエステル化合物、ビニルエーテル−マレイン酸、チオール−エンなどのモノマーおよびオリゴマーを挙げることができ、これらは単独でまたは２種以上組み合わせて使用することができる。さらに、組成物Ｒには、光が照射されることにより分解してラジカルまたはカチオンを発生する光重合開始剤、保存安定性、その他の特性を向上させるための添加剤が含有されていてもよい。
【００２２】
組成物Ｒを構成する充填材としては、粉末状および繊維状の無機充填材などを挙げることができ、具体的には、ガラス粉、シリカ粉、アルミナ、アルミナ水和物、酸化マグネシウム、水酸化マグネシウム、硫酸バリウム、硫酸カルシウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、ケイ酸塩鉱物、ケイソウ土、ケイ砂、ケイ石粉、酸化チタン、アルミ粉、ブロンズ、亜鉛粉、銅粉、鉛粉、金粉、銀粉、ガラス繊維、チタン酸カリウムウィスカー、カーボンウィスカー、サファイアウィスカー、ベリリアウィスカー、炭化ホウ素ウィスカー、炭化ケイ素ウィスカー、窒化ケイ素ウィスカーなどを使用することができる。ここに、充填材の平均粒子径・平均繊維長としては通常１〜５０μｍとされる。組成物Ｒにおける無機充填材の配合割合としては、光硬化性樹脂と光重合開始剤との混合物１００容量部に対して、例えば１００〜１４０容量部とされる。
【００２３】
組成物Ｒの組成としては、例えば、光硬化性樹脂として、「ＳＡ−１００２」（三菱化学（株）製）５０重量部、「ＦＡ−５１３Ａ」（日立化成（株）製）２５重量部、Ｎ−ビニルピロリドン２５重量部；光重合開始剤として、「イルガキュア（Ｉｒｇａｃｕｒｅ）６５１」（チバガイギー社製）０．２５重量部；安定化剤としてｐ−メトキシフェノール０．１重量部からなる樹脂混合物１００容量部に、無機充填材として、ガラスビーズ「ＧＢ０４５ＺＣ」（東芝バロティーニ（株）製）１６０容量部を分散混合させたものを例示することができる。
【００２４】
上記のような構成の本発明の光造形装置によれば、以下のようにして立体形状物が造形される。
【００２５】
（１）造形すべき立体形状物のＣＡＤデータを制御手段７０に入力すると、当該制御手段７０は、立体形状物の高さ方向に等間隔のスライス形状データ群を算出する。
【００２６】
（２）制御手段７０からの制御信号を受けた支持ステージ４０は、そのステージ面４１が組成物Ｒの液面から１層分に相当する深さレベルに位置するまで降下する。これにより、ステージ面４１上には、組成物Ｒが供給されて未硬化層（第１層）が形成される。
【００２７】
（３）制御手段７０からの制御信号を受けたスキージ機構５０が作動する。これにより、組成物Ｒの液面が平滑化されて未硬化層（第１層）の厚みが均一化される。
【００２８】
（４）制御手段７０により算出されたスライス形状データ（第１層のデータ）に基づいて、光源装置３０からの光が未硬化層（第１層）に対して選択的に照射される。これにより、光照射された部分は光重合により硬化し、樹脂硬化層（第１層）が形成される。
【００２９】
（５）制御手段７０からの制御信号を受けた支持ステージ４０が、更に１層分降下する。これにより、樹脂硬化層（第１層）上には、組成物Ｒが供給されて未硬化層（第２層）が形成される。
【００３０】
（６）制御手段７０からの制御信号を受けたスキージ機構５０が作動する。これにより、組成物Ｒの液面が平滑化されて未硬化層（第２層）の厚みが均一化される。
【００３１】
（７）制御手段７０により算出されたスライス形状データ（第２層のデータ）に基づいて、光源装置３０からの光が未硬化層（第２層）に対して選択的に照射される。これにより、光照射された部分は光重合により硬化し、樹脂硬化層（第２層）が形成される。
【００３２】
（８）上記（５）〜（７）と同様の操作（未硬化層の形成・液面の平滑化・樹脂硬化層の形成）を繰り返すことにより、樹脂硬化層の積層体よりなる立体形状物が造形される。
【００３３】
本発明の光造形装置においては、光造形法による立体形状物の造形操作が行われている間に、あるいは、造形操作を開始する前工程として、循環手段６０による組成物Ｒの循環（底面付近に存在する組成物の液面付近への移送）が行われる。すなわち、収容容器２０内に収容された組成物Ｒのうち、充填材の分散割合が経時的に増加する傾向にある底面付近に位置する組成物は、開口２０Ａから収容容器２０外に移出され、液吸引側配管６２、循環ポンプ６１および液吐出側配管６３を移動して、開口２０Ｂから収容容器２０内に移入される。これにより、底面付近に存在していた組成物（充填材高分散状態）と、液面付近に存在している組成物とが混合される。この結果、組成物Ｒ中における充填材の分散割合が、容器内の全域にわたって均一に維持されると共に、液面付近における充填材の分散割合が安定化して、分散割合の経時的変化（減少）が抑制される。従って、液面付近において形成される硬化樹脂層の積層体よりなる立体形状物は、造形開始時に形成された下層部分と、造形終了時に形成された上層部分とにおける充填材の含有割合が同等となり、その結果、全ての部位にわたり所期の物性を発現するこのできる均質性に優れたものとなる。
【００３４】
また、収容容器２０に形成されている開口２０Ａと開口２０Ｂとは、水平方向においても対角線上に配設されているので、収容容器２０内における循環効果（組成物の均質性）を更に向上させることができ、特に、同一の樹脂硬化層における物性の均質性を向上させることができる。
【００３５】
本発明の光造形装置を構成する循環手段６０は、造形操作中において常時作動させる必要はなく、好ましい循環効果が維持される範囲内において、間欠的に作動させてもよい。例えば、スキージ機構５０による液面の平滑化および光照射による硬化処理を行っている時には循環手段６０を停止させてもよく、これにより、液面の揺らぎを防止することができる。このような間欠的な作動を行わせるための制御は、制御手段７０によって容易に行うことができる。
【００３６】
循環手段６０による単位時間あたりの組成物の移送量（循環ポンプ６１の送液能力）は、以下のようにして見積もることができる。
【００３７】
図３は、収容容器２０内に組成物Ｒが収容されている状態を示す斜視図である。同図において、８０は組成物Ｒ内において微小体積を有する仮想立方体、９０は組成物Ｒ内における仮想水平面である。なお、収容容器２０を構成する側壁の一部、側壁に形成された開口および循環手段の図示は省略している。
【００３８】
ここで、組成物Ｒにおける充填材粒子の配合割合（均一分散状態）を「ρ0 」〔ｇ／ｃｍ3 〕、組成物Ｒの液面付近における充填材粒子の分散割合を「ρ1 」〔ｇ／ｃｍ3 〕、組成物Ｒの底面付近における充填材粒子の分散割合を「ρ2 」〔ｇ／ｃｍ3 〕とする。
【００３９】
収容容器２０に収容された組成物Ｒ全体における充填材粒子の沈降は、個々の充填材粒子の独立した運動の総和として捉えることができる。沈降が生じている場合に、仮想立方体８０に着目すると、この仮想立方体８０の上面からの充填材粒子の流入と、仮想立方体８０の下面からの充填材粒子の流出は同時に発生している。この仮想立方体８０の付近において組成物Ｒの性質が著しく変化していないとすると、仮想立方体８０に流入する充填材粒子の数量（重量）と、仮想立方体８０から流出する充填材粒子の数量（重量）は等しく、仮想立方体８０の充填材粒子の数量（重量）は変化しないと考えてよい。一方、仮想立方体８０の上面が組成物Ｒの液面に接していると考えた場合、当該上面からの充填材粒子は流入されないため、仮想立方体８０に存在する充填材粒子の数量（重量）は減少する。また、仮想立方体８０の下面が収容容器２０の底面に接していると考えた場合、当該下面からの充填材粒子は流出されないため、仮想立方体８０に存在する充填材粒子の数量（重量）は増加する。この結果、収容容器２０の中間レベルにおいては充填材粒子の分散割合はほぼ一定であり、液面付近においては経時的に充填材粒子の分散割合（ρ1 ）が減少して最終的には充填材粒子が存在しなくなり、底面付近においては経時的に充填材粒子の分散割合（ρ2 ）が増加して最終的には充填材粒子による沈殿物が生じる。
【００４０】
上記のモデルから、仮想水平面９０における単位面積を単位時間あたり通過した充填材粒子の重量をｗ〔ｇ／（ｃｍ2 ・ｍｉｎ）〕、仮想水平面９０の面積をｓ〔ｃｍ2 〕とすると、充填材粒子の単位時間あたりにおける沈降重量Ｗ〔ｇ／ｍｉｎ〕は下記式１で求めることができる。
【００４１】
【数１】
（式１）：Ｗ＝ｗｓ
【００４２】
そして、循環手段６０による単位時間あたりの組成物の移送量（送液能力）をＶ〔ｃｍ3 ／ｍｉｎ〕とすると、単位時間あたりρ2 ・Ｖ〔ｇ／ｍｉｎ〕の充填材粒子が容器上方（液面付近）に供給されることになる。このうちρ1 ・Ｖ〔ｇ／ｍｉｎ〕に相当する充填材粒子は、組成物が移送される以前から液面付近に存在しているため、充填材粒子の単位時間あたりにおける実質的な移送重量Ｗp 〔ｇ／ｍｉｎ〕は下記式２で求めることができる。
【００４３】
【数２】
（式２）：Ｗp ＝（ρ2 −ρ1 ）Ｖ
【００４４】
循環手段６０を作動させた上で定常状態に達したときには、単位時間あたりにおける沈降重量Ｗと、単位時間あたりにおける実質的な移送重量Ｗp とが等しくなるために、下記式３の関係が成立する。
【００４５】
【数３】
（式３）：ｗｓ＝（ρ2 −ρ1 ）Ｖ
【００４６】
一方、上記のモデルから、液面付近における充填材粒子の分散割合ρ1 の減少量と、底面付近における充填材粒子の分散割合ρ2 の増加量とが等しいことが理解され、この増加量・減少量を＋Δρ・−Δρとすると、ρ1 およびρ2 は、それぞれ下記式４および式５のように表すことができる。なお、ρ1 およびρ2 の何れも、０より小さくなることはなく、また充填材の種類などに依存する最大値を超えることはない。
【００４７】
【数４】
（式４）ρ1 ＝ρ0 −Δρ
（式５）ρ2 ＝ρ0 ＋Δρ
【００４８】
そして、循環手段６０を作動させることにより、分散割合の変化量Δρを、造形物に要求される耐熱性やヤング率などによって規定される許容値よりも小さくする必要があるので、この許容値をρt とすると、下記式６が成立し、この式６に上記式３を代入して下記式７が導入される。
【００４９】
【数５】
（式６）ρt ＞Δρ＝（ρ2 −ρ1 ）／２
（式７）Ｖ ＞ ｗｓ／２ρt
【００５０】
上記式７に示されるように、循環手段６０による単位時間あたりの組成物の移送量（送液能力）Ｖは、仮想水平面９０における単位面積を単位時間あたり通過する充填材粒子の重量ｗ（充填材の沈降の程度）、仮想水平面９０の面積ｓ（収容容器２０の底面積）、および充填材粒子の分散割合の変化量の許容値ρt から見積もることが可能となる。
【００５１】
なお、以上のようにして見積もられる移送量Ｖは、必要最小限のものであり、ｗｓ／２ρt の２〜５倍程度に設定することが好ましい。具体的には、光硬化性樹脂と光重合開始剤との混合物１００容量部に対して５０〜７０容量部の無機充填材を配合してなる組成物を、底面積が３００〜２０，０００ｃｍ2 である収容容器２０に収容した場合において、循環手段６０による移送量Ｖ（ｃｍ3 ／ｍｉｎ）は、０．２〜１０5 の範囲とされ、好ましくは２〜１０4 の範囲、更に好ましくは２０〜２０００の範囲とされる。
【００５２】
以上、本発明の光造形装置の一実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、例えば、▲１▼ 装置全体のコンパクト化を図るために、光硬化性樹脂組成物の循環手段を収容容器の内部に配置すること、▲２▼ 収容容器内における光硬化性樹脂組成物を均一化するための他の手段（例えば組成物の攪拌手段、対流手段など）を併用すること、など種々の変形を加えることができる。また、本発明の光造形装置において、充填材を含有しない光硬化性樹脂組成物を用いて立体形状物を造形することができることは勿論である。
【００５３】
【実施例】
＜光硬化性樹脂組成物の調製＞
「ＳＡ−１００２」（三菱化学（株）製：環状構造を有する多官能モノマー）５０重量部、「ＦＡ−５１３Ａ」（日立化成（株）製：環状構造を有する単官能モノマー）２５重量部、Ｎ−ビニルピロリドン（単官能モノマー）２５重量部、「イルガキュア６５１」（チバガイギー社製：光重合開始剤）０．２５重量部、ｐ−メトキシフェノール（安定化剤）０．１重量部を混合することにより樹脂混合物を調製した後、この樹脂混合物１００容量部に対して、ガラスビーズ「ＧＢ０４５ＺＣ」（東芝バロティーニ（株）製：粒径分布約５〜６５μｍ）１６０容量部を分散配合させることにより、光硬化性樹脂組成物を調製した。
【００５４】
＜実施例＞
図１に示したような本発明の光造形装置を用い、循環手段６０を作動させた状態で、硬化樹脂層（厚さ２００μｍ）の積層体よりなる四角柱状の立体形状物（１２０ｍｍ×５０ｍｍ×高さ６０ｍｍ）を１２時間かけて造形した。なお、光硬化性樹脂組成物の収容容器２０は、容積が２０ｃｍ×１５ｃｍ×１００ｃｍであるものを使用し、光源装置３０の光源としてはアルゴンレーザーを使用した。また、循環手段６０の循環ポンプ６１としてはべローズ型ポンプを使用した。
【００５５】
本実施例において、単位面積を単位時間あたり通過する充填材粒子の重量ｗは０．９８ｍｇ／ｍｉｎ、収容容器２０の底面積ｓは３００ｃｍ2 である。また、充填材の分散割合の変化量の許容値ρt は３．６ｍｇ／ｃｍ3 とした。この許容値ρt は、充填材の重量分率に換算すると約０．１％となる。これらのデータを上記式７に代入すると（ｗｓ／２ρt ）の値は約４１ｃｍ3 ／ｍｉｎとなるが、本実施例において循環手段６０による移送量の実測値は約１４０ｃｍ3 ／ｍｉｎであり、（ｗｓ／２ρt ）の約３．４倍であった。
【００５６】
以上のようにして造形された立体形状物について、光造形開始時に形成された下層部分（形状物端面から５ｍｍ）、および光造形終了時に形成された上層部分（形状物端面から５ｍｍ）から試験片を作製し、それぞれの部分について、密度から求められる充填材の重量含有率、物理的性能の指標となる弾性率および耐熱性の指標となる熱変形温度（ＨＤＴ）を測定した。結果を表１に示す。
【００５７】
＜参考例＞
循環手段６０を作動させなかったこと以外は実施例と同様にして光造形を行い、造形された立体形状物の下層部分および上層部分について、充填材の重量含有率、弾性率および熱変形温度（ＨＤＴ）を測定した。結果を併せて表１に示す。なお、光造形を開始してから６時間後における収容容器２０内の組成物は、硬化樹脂層の形成が行われる液面付近（液面から深さ２ｍｍ程度）において充填材が存在しない状態であった。
【００５８】
【表１】
表１の結果から明らかなように、実施例により造形された立体形状物は、下層部分と上層部分とにおける重量含有率に殆ど変化がなく、何れの部位においても良好な物理的性能および耐熱性を発現するこのできる均質性に優れたものである。これに対して、参考例により造形された立体形状物は、上層部分における充填材の重量含有率が小さくて良好な物理的性能および耐熱性を有するものではない。このように、参考例により造形された立体形状物は、その部位によって物理的性能や耐熱性にバラツキのある均質性に劣るものであることが理解される。
【００６０】
【発明の効果】
本発明の光造形装置によれば、光硬化性樹脂組成物に沈降しやすい充填材が配合されている場合であっても、当該充填材の沈降を抑制することができ、全ての部位にわたり所期の物性を発現しえる均質な立体形状物を造形することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光造形装置の一実施形態を示す説明図である。
【図２】光造形法に使用される光造形装置の基本的な構成を示す説明図である。
【図３】収容容器内に組成物が収容されている状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 固定ベース
２ 収容容器
３ 光硬化性樹脂
４ 光源装置
５ 支持ステージ
６ 硬化樹脂層の積層体
１０ 固定ベース
１１ 垂直支柱
２０ 収容容器
２０Ａ，２０Ｂ 開口
３０ 光源装置
４０ 支持ステージ
４１ ステージ面
５０ スキージ機構
６０ 循環手段
６１ 循環ポンプ
６２ 液吸引側配管
６３ 液吐出側配管
７０ 制御手段
８０ 仮想立方体
９０ 仮想水平面
Claims (3)
- 容器内に収容された、光硬化性樹脂にこれよりも密度が高い充填材が分散配合されている液状の光硬化性樹脂組成物に対し選択的に光を照射して樹脂硬化層を形成する工程を繰り返すことにより、当該樹脂硬化層の積層体よりなる立体形状物を造形するための光造形装置であって、
前記容器の下方の底面付近に位置する光硬化性樹脂組成物を当該容器の上方の液面付近に移送する循環手段を備えてなることを特徴とする立体形状物の光造形装置。 - 循環手段の作動・停止を制御する制御手段を備えてなることを特徴とする請求項１記載の立体形状物の光造形装置。
- 樹脂製型の製造に用いられることを特徴とする請求項１または請求項２記載の立体形状物の光造形装置。
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