JP4034758B2 - 光造形ファブリケーション法を利用した金属構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光造形ファブリケ−ションによって光硬化性樹脂よりなる立体的な３次元構造物を製造する方法、特に精度として１μｍ程度、原理的にはより微細な精度を有する立体的な３次元構造物を製造する方法によって得られた３次元構造物を型として金属構造体を製造する方法に関する。

光造形法はＣＡＤシステムによって所望の立体形状を設計したデ−タをコンピュ−タで高さ方向に等間隔の水平面で切断してスライス図形のデ−タ群を作製し、他方、液状の光硬化性樹脂を満たしたタンク内に液面よりｄの位置にテ−ブルをセットし、先に作製したスライス図形デ−タの中で最下端のものを取り出し、このスライス形状に沿ってレ−ザビ−ムをガラス等の透明な板で規制されている液面に照射して前記スライス図形デ−タに対応した形状を有する厚さｄの平板状の樹脂板を成形し、次にテ−ブルをｄだけ降下させ、固化した樹脂板上に未硬化の樹脂液が厚さｄとなるように存在させ、これに第２層のスライス図形デ−タの形状に沿ってレ−ザビ−ムを前述の場合と同様に液面上を走らせて固化させ、第１層の場合と同様に第２層のスライス図形デ−タに対応した形状を有する厚さｄの平板状の樹脂板を成形する。しかして、この第２層の固化部分は第１層の固化部分と自然に接合する。このようにして第３層、第４層・・・・と順次同様の操作を行うことによって、全体が固化した所望の立体形状をした成形物が得られる。（第１図参照）。すなわち、光造形法は、このようにスライス図形デ−タをもとにして順次光硬化樹脂を硬化させて三次元構造物を製造する方法である。

ところで、光硬化性樹脂は、一般に粘度が高いので樹脂を注入すると液面に凹凸が生じ、これらが元の平滑な水平面に戻るためにはある程度の時間を要する。この時間的なロスを防止するため、通常樹脂液の液面をガラス等の透明な規制板を使用して液面の水平面を保ち、この規制板を通して樹脂液面に光を照射している。
しかし、この方法では硬化した樹脂と透明な規制板との間の接着性が問題となり、このために得られる３次元構造物の精度は数ｍｍ程度のものに制約される。また、精度を高めるためにレ−ザビ−ムの径を小さくして樹脂の硬化部分の径を小さくする必要がある。しかし、レ−ザビ−ムの径を小さくすると、ビ−ムの焦点深度が深さ方向に大となり、その結果、硬化部が長くなって、ミクロンオ−ダの硬化精度を有する構造物を得ることはできなかった。

そこで、本発明者は上記の欠点を改良し、上記製造方法において、３次元微細構造物を高精度で製造するため種々検討した結果、本発明を完成したもので、本発明の目的は高精度をもって３次元微細構造物を光造形ファブリケ−ション法によって製造する方法を提供するものであり、且つ、該成形物を型として金属構造体を製造する方法を提供するものである。

本発明の要旨は、液状の光硬化性樹脂を用い光造形法により３次元構造物を製造する光造形ファブリケ−ション法において、透明な板で規制された液状の光硬化性樹脂の液面に気泡を介して光を照射して光硬化性樹脂を硬化させて得られた光硬化性樹脂よりなる３次元構造物内に金属を鋳込んだ後、光硬化性樹脂を溶解除去して金属構造物を製造することを特徴とする金属構造体の製造方法（以下、第１発明という）であり、この金属構造体の製造方法において、液状の光硬化性樹脂中に光透過度調整剤を添加して光の樹脂中への透過度を調整することことを特徴とする金属構造体の製造方法（以下第２発明という）である。

すなわち、第１発明では気泡によって樹脂と透明規制面との間を常時分離させて樹脂と規制面との間の接着を防止し、これによって精度を高め、また、第２発明においては、光透過度調整剤を液状の光硬化性樹脂中に添加し、レ−ザビ−ムの樹脂中へレ−ザビ−ムの透過深度を制限し、レ−ザビ−ムの径に対する透過深度の長さの比、即ちアスベクト比を１に近づけて硬化形状を球形にして精度を高めることにより得られた高精度の３次元構造物を型として金属構造物を製造するのである。
本願発明の方法によって得られる成形物の精度は極めて高く、微細のものであり、従来、この種の物の成形法であるシリコンプロセス、異方性エッチング、放電加工、ＬＩＧＡプロセス、レ−ザＣＶＤ法等に比して次のような長所を有する。
１．完全な３次元構造の実現が可能である。
２．高精度の物が得やすい。
３．高アスペクト比のものを製造することができる。
４．高速生産性、量産性を有する。
５．装置が簡単で低コシトで作成できる。
６．ランニングコストも低い。
７．有毒ガスや爆発性ガスは一切使用しないので安全性が高い。
８．省スペ−ス
９．金属等樹脂以外の素材でも容易に転写可能である。

以下本発明について詳細に述べる。
本発明で用いる光造形ファブリケ−ション法は、先に述べた光造形法と、その操作は何等異ならない。そして、本発明で使用する光硬化性樹脂についても光造形法で使用されるものは何れも使用することができ、例えば、ポリエステルアクリレ−ト、ポリウレタンアクリレ−ト、ノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノ−ル型エポキシ樹脂等で、これにアセトフェノン系、ベンゾイル系、ベンジルケタ−ル系或いはケトン系の光開始剤を添加したものである。

また、照射に使用する光としては、Ｈｅ−Ｃｄレ−ザ、アルゴンレ−ザ、クリプトンレ−ザ等の紫外線レ−ザや、キセノンランプ、水銀ランプ等の紫外線ランプ等である。
ＣＡＤシステム上で設計した数値モデルをコンピュ−タで高さ方向に等間隔の水平面で切断してスライス図形（断面図形）のデ−タを作成するに際してスライスの間隔が細かい程、表面形状が細かく好ましいが、通常、１μｍ〜５μｍの範囲に設定して行なう。
また、液面を規制する透明な規制板は従来よりこの種の光造形法において使用されているものであれば良い。

第１発明においては、気泡を介して光を照射するのであるが、気泡の大きさ等は単に透明な規制板と硬化された樹脂とが接着しなければどのような寸法でも良く、通常径が１ｍｍ以下のものが好ましく、また、気泡が先端部より移動しないように光源の鏡胴先端部が凹状に形成されていることが好ましい。
第２発明における透過度を調整する手段としては光吸収剤或いは染料等を添加すればよく、具体的にはアクリル系染料等が挙げられる。

本発明を図面をもって説明する。図１は光造形方法の説明図である。図において液状樹脂液１を入れた容器２をＸＹステ−ジ３上に載置する。樹脂液内には液面規制板４が置かれ、その液面を平らにする。ＸＹステ−ジ３はＣＡＤシステムデ−タによって制御用コンピュ−タを作動し、これにより左右前後に移動し、また規制板４はＺ軸ステ−ジ３’によって上下に移動でき、この上下移動は制御用コンピュ−タ９によってコントロ−ルされる。この樹脂面の上方に光源５が固定されており、光源５の光はシャッタ−６及び集光レンズ７を通して樹脂の表面に集光される。
あるＣＡＤシステムより得られたスライス第１層のデ−タを制御用コンピュ−タによってＸＹステ−ジ制御、シャッタ−制御及び２軸ステ−ジ制御によって第１層のデ−タにもとづいた形状の硬化樹脂板を得る。続いて第２層……と順次それぞれの樹脂板を得て最終的に全体像のものを創製する。

このような装置において、第１発明では気泡を介して光を照射するのであるが、その状態を図２に示す。図２において、光束は集光レンズ７を通り、透明規制板４の中央に設けて凹状部内にある気泡８を介して集光させて樹脂を硬化させる。
本発明の方法によって得られた光硬化樹脂よりなる成形物を鋳型とし、これに電鋳により金属を埋込んだ後、樹脂を除去することによって、微細な金属成形物が得られる。

次に実施例をもって、更に具体的に本発明を説明する。
実施例１
図１において、透明規制板の中央に図２に示すような凹状部を設け、この中に気泡８を存在させた装置を用いて、レ−ザビ−ムを集光して樹脂を硬化して３次元構造物を成形した。光硬化性樹脂としては、アクリル系樹脂を使用し、これに光透過度調整剤としてアクリル系染料を添加して光透過度を調整してアスペクト比（入射光の焦点深度／入射光の径）を１０とした。得られた３次元構造物の寸法は１００×１００×１００μｍで作成に要した時間は約１時間程度であった。

光造形ファブリケ−ション法の説明図 本発明にかかる光造形ファブリケ−ション法における集光部分の拡大説明図

符号の説明

１ 液状光硬化性樹脂液 ２ 容器 ３ ＸＹステ−ジ
３’ Ｚ軸ステ−ジ ４ 透明規制板 ５ 光源
６ シャッタ− ７ 集光レンズ ８ 気泡
９ 制御用コンピュ−タ−

Claims (2)

1. 透明な板で規制された液状の光硬化性樹脂の液面に気泡を介して光を照射して光硬化性樹脂を硬化させて得られた光硬化性樹脂よりなる３次元構造物内に金属を鋳込んだ後、光硬化性樹脂を溶解除去して金属構造物を製造することを特徴とする金属構造体の製造方法。
2. 請求項１記載の金属構造体の製造方法において、液状の光硬化性樹脂中に光透過度調整剤を添加して光の樹脂中への透過度を調整することことを特徴とする金属構造体の製造方法。
   

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