JP4072568B2 - 最適な照射、積層条件による高精度光造形法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光硬化樹脂を硬化させて樹脂モデルを製造するための最適な照射、積層条件による高精度光造形法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
従来は、単位硬化形状の補正を実施するためには、コンピュータに入力された立体図形の断面輪郭を算出し、立体図形を形成する面の傾きから擬似的な３次元オフセットを行なっていたため、走査が面倒で、完全な補正が実施しにくいなどの問題点があった。
【０００３】
また従来の方法では樹脂液層の中に硬化物を載せる昇降台があり、これを積層しながら沈めていたために、昇降台により押し出された樹脂が昇降台の上に流れ込み、造形物がゆらいでしまうことがある。
【０００４】
さらに従来の方法では、溢れた樹脂を補助タンクに流し込む必要があるため、専用の補助タンクを必要とする。
【０００５】
従来の方法では、光ビームを樹脂液面に対して垂直な方向または樹脂液面に対して垂直な方向に中心を固定し、円弧を描くように照射を行なうために立体を形成する面に沿った積層ができない。
【０００６】
従来の方法では顔料等を樹脂に混入することにより、単一の色をつけることができるが、造形物を構成する樹脂の色を部分的に変化させるためには、樹脂の入れ替え作業などを必要とし、実用的でない。
【０００７】
造形物に未硬化の樹脂が残っていた場合に光が照射されると形状が変化する場合がある。これは従来悪質なものとされ、利用不可能であった。
【０００８】
造形物は液状の樹脂の色で造形されるのが一般的である。このため、造形途中の形状を確認することは困難である。
【０００９】
液状の樹脂に、顔料、染料、粉末などを混入して、光に吸収および散乱を起こさせて硬化形状を生成させることがあるが、そこで生成される硬化形状は限られた形状しか生成することができない。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そこでこの発明に係る最適な照射、積層条件による高精度光造形法は、レーザ光の走査速度や照射方向を変えることで単位硬化形状の大きさを変化させたり、光硬化樹脂層の積層間隔を部分的に変化させることにより、加工精度の向上または加工時間の短縮をすることを特徴とするものである。
【００１１】
またこの発明において説明する立体造形装置は、樹脂容器中にピストンを内蔵したシリンダを設け、ピストンに樹脂固着台を取り付けてシリンダ内に昇降自在に保持するとともに、ピストンの下降によって樹脂液をシリンダ外の樹脂容器中に排出して樹脂固着台上に逆流しないようにし、また樹脂容器中の光硬化樹脂液を樹脂固着台上に設けた樹脂噴出口から吐出させた上、樹脂固着台の光硬化樹脂液を平滑板でならして一層分の樹脂膜を形成し、樹脂膜に光源からの光ビームを照射して一層分の造形物を得、これを繰り返して造形物を積層しながら造形するようにしたことを特徴とするものである。
【００１２】
さらに、造形物の内部局部に未硬化樹脂を残留させて造形する。後に、光を照射して、未硬化樹脂が硬化収縮する力を用いて、造形物の形状を変化させて（または変化しようとする力を得て）作用させる。
【００１３】
予め樹脂の中に光発色剤を混入し、安定した硬化形状を得るとともに、硬化した樹脂の色を変化させて、未硬化樹脂との識別を容易にする。
【００１４】
この発明の最適な照射、積層条件による高精度光造形法は以上のように構成したので、樹脂の硬化広がりと、樹脂の収縮による変形の補正を実施することができ、精密な加工が可能となった。
【００１５】
コンピュータに入力された原立体図形に補正を施してから断面を算出し、造形を行なうので、サポートの必要箇所を自動診断することにより、サポートの不足による加工の失敗がない。
【００１６】
また光ビームによる塗りつぶし走査を実施する箇所は、内部に未硬化樹脂が残らない範囲で輪郭走査より速い走査速度で照射加工することにより、後硬化の進行による立体の歪みがない。
【００１７】
サーフェスデータやソリッドデータをもとに精密な厚さを制御した造形が可能になる。
【００１８】
走査速度を変化させることで光ビームによる単位硬化形状の大きさを変化させ、レーザ出力の連続制御を必要としないため、装置を簡単に実現できる。
【００１９】
積層間隔を部分的に変化させることにより加工精度を制御することができる。
【００２０】
レンズまたはホログラムから構成される小型の光制御装置により光ビームの照射方向、光分布を変化させることにより、立体図形の面に滑らかにフィットする硬化形状を作って加工することで加工精度を向上させることができる。
【００２１】
シリンダを樹脂液層の中に配置して樹脂液をピストンで下降させ、樹脂液が溢流しないようにすることにより、造形物が揺らぐのを防止し、加工精度をよくすることができる。
【００２２】
ピストンによって排出される樹脂を樹脂容器中に設けたシリンダ外の樹脂容器上部に移動させ、これを樹脂固着台上に吐出させて積層加工することにより、補助タンクを必要とせず、加工装置を小型にできる。
【００２３】
光反応性を有する光硬化樹脂は、温度による特性の変化が大きいが、ピストンの圧力等で樹脂容器から部分的に取り出した樹脂を供給する場合に、供給する樹脂の温度を制御すれば光ビームの照射を行なう液面から順次恒温に保つことができるので、省エネ効果があり、装置が簡単となるほか、温度制御が速やか行なえるとともに、樹脂の長寿命化にもつながる。
【００２４】
波長依存性の発色剤を用いて多波長の光ビームによる照射を行なうことにより、部分的または全体を創成する硬化物の色を選択的に変化させることができる。
【００２５】
内部局部に未硬化樹脂を残留させて造形した造形物は、後に、光を照射して、未硬化樹脂が硬化収縮する力を用いて、造形物の形状を変化させる（または変化しようとする力を得て）ことができる。
【００２６】
予め樹脂の中に光発色剤を混入することにより、顔料、染料、粉末などの混入では得られない硬化形状を得ることができる。また造形加工中に、造形物を変色したものとして容易に識別することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下図面に基づき、この発明の実施の形態について説明する。
【００２８】
図１ないし図３は、本発明を具体化した光硬化樹脂を積層することによって立体造形物を得る高精度光造形装置の実施例である。
【００２９】
１は樹脂容器で、この樹脂容器１内にはシリンダ２が設けられていて、シリンダ２は樹脂液中に浸されている。上記シリンダ２内には、ゴムパッキング１０を介してピストン９が昇降可能に内蔵され、樹脂容器１に付設したピストン昇降台７によって昇降操作される。このピストン９は、通常シリンダ２内の樹脂液をその下方から押し出しながら下降するようになっている。
【００３０】
ピストン９には樹脂固着台４が設置してあり、レーザビームの照射によって固着した造形物をこの樹脂固着台４に付着させながらピストン９を下降させて樹脂液中に沈め、それと同時にピストン９がシリンダ２内の樹脂を押し出すようになっている。押し出された樹脂液はシリンダ２の外側の樹脂容器１内に移るため樹脂液の水位が上昇し、この樹脂液は樹脂汲み上げポンプ１１によって汲み上げられる。
【００３１】
シリンダ２の上端面には平滑板３が設けられており、モータ５で駆動される。したがって樹脂汲み上げポンプ１１により汲み上げられた樹脂をシリンダ２上に設けた樹脂噴出口８から吐出させて供給し、モータ５を駆動して平滑板３を操作することにより、平滑板３はシリンダ２の上端面に沿って移動して一層分の薄い樹脂膜を形成する。６はシリンダ２の上端面に付設した平滑板３のガイド、１２は樹脂容器内上部に設けた固形物混入防止網である。
【００３２】
上記樹脂容器１の上部には、レーザ光等からなる光ビームを樹脂膜に照射する光源が設置されている（図示せず）。この光源から照射される光ビームは、レンズまたはホログラムを用いて照射方向を変化させることにより、立体図形の面に滑らかにフィットする硬化形状を作って加工することが可能であり、加工精度を向上させることができる。
【００３３】
光反応性を有する光硬化樹脂は、温度による特性の変化が大きいため、ピストンの圧力等で樹脂容器から部分的に取り出した樹脂を供給する配管系や樹脂噴出口８の近辺にヒータ等の温度制御手段を設けておくことが望ましい。この温度制御手段で供給する樹脂の温度を制御すれば、光ビームの照射を行なう液面から順次恒温に保つことができるので、省エネ効果があり、装置が簡単となるほか、温度制御が速やか行なえるとともに、樹脂の長寿命化にもつながる。
【００３４】
また、樹脂液に波長依存性の発色剤を混入させておき、多波長の光ビームによる照射を行なえば、部分的または全体を創成する硬化物の色を選択的に変化させることができ、非常に便利である。
【００３５】
次に、図４ないし図９に基いて形状補正の方法について説明する。
【００３６】
例えば、図４のように円筒状の造形を行なう場合、円筒２１に沿った精度の高い造形を行なうには、円筒２１の形状から単位硬化形状の補正量だけずれたビーム中心図形２２を予め作成し、この断面にビーム中心位置を合わせて造形すれば円筒２１の外側へ硬化物が飛び出さず、精度の高い造形ができる。
【００３７】
そのためには先ず、硬化物の無い例えば紫外線硬化型の光硬化樹脂表面にレーザビーム等の光ビームを１走査させるときに生じる１本の硬化物の断面を単位硬化形状２３と定義する。この単位硬化形状２３の１例を図５に示す。
【００３８】
この単位硬化形状２３を使用してコンピュータで入力された原立体図形に補正を施すには、先ず電子顕微鏡などを用いて単位硬化形状２３を写し取るか、コンピュータによるシミュレーションにより形状を求めておく。この形状を生成するビームの照射位置を中心Ｏとして平面上に積層する場合の補正量は、単位硬化形状２３の端面と中心Ｏの距離で求められる。このように求めた補正量２４は図５のように図示することができる。この補正量２４はコンピュータに記憶し、参照できるようにしておく。なお単位硬化形状２３は、走査速度、光ビームの例えばレーザ光強度により変化するので、サンプルをいくつか取り、実際使用する補正量２４としてはこのようにして予め保管したものを使用する。
【００３９】
次に得ようとする立体形状は多数の面によって構成されているので、図６のように単位硬化形状２３の面を補正量２４だけシフトすれば、コンピュータ上でビーム中心位置図形を作ることができる。その後ビーム中心位置図形の断面を算出し、これに基いて光ビームを走査しながら照射することによって、高精度な立体図形を作り出せる。
【００４０】
図７は中空部分を備えた立体図形の厚さ部分を塗りつぶし走査する方法について説明するためのものである。
【００４１】
この場合、先ずコンピュータに入力された所定の厚さを有する原立体図形３１に対して、厚さ方向の両側に単位硬化形状２３の補正を施して原立体図形３１から一定の距離離れた一対の図形３２，３３を作成する。次いでこの図形３２，３３に基いて断面を算出し、上記一対の図形３２，３３の間を、内部に未硬化樹脂が残らない範囲で輪郭走査より速い走査速度で光ビームによって塗りつぶし走査を行なうことにより、より高速に一定の厚さで加工することが可能となる。なお未硬化樹脂が残留すると、造形した立体を取り出してから強い光が当たると硬化が進行し、形状が変化してしまう。反対に過剰に光エネルギーを与えると加工速度が遅くなり、実用的でない。したがって、積層間隔中に未硬化樹脂が残らない範囲で高速に積層を進めるものが最適である。
【００４２】
図８は立体図形に滑らかにフィットする単位硬化形状を得るための装置について説明するためのものである。
【００４３】
図８は、レンズ１３を使用した場合を例示している。これによれば、通常の単位硬化形状２３を光ビーム２５の光軸に対して所定の角度傾斜させた単位硬化形状２３'を得ることができる。このようにして、液面に対して斜めにビームを照射して単位硬化形状を変化させることにより、立体形状によりフィットした積層が可能になる。
【００４４】
図９はこの発明の最適な照射、積層条件による高精度光造形法の加工工程を示すフローチャートである。
【００４５】
〔実施例〕予め樹脂（トリメチロールプロパントリアクリレート、１、６−ヘキサンジオールジアクリレート｛１対１の混合液を主とする｝）中に可視光開始剤（ＢＴＴＢ／ケトクマリン｛４対１の混合｝）を少量、ＵＶ開始薬光（２−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニルプロパン−１−オン）を少量、光発色剤（４、４'、４"−トリスジメチルアミノイトリフェニルメタン）を少量混入し、アルゴンレーザの波長５１４．５ｎｍおよびヘリウム−カドニュムレーザの波長３２５ｎｍの２波長を用いて、選択的に照射することで、２色の立体形状を造形する。
【００４６】
図１０は、未硬化樹脂を故意に残留させて造形した造形物である。後に、これらをランプ等で照射し、ａは、線などを束ねる材料へ用いる。ｂは、コネクター等に用いる。ｃは、積算露光計に用いた例である。
【００４７】
予め樹脂（トリメチロールプロパントリアクリレート、１、６−ヘキサンジオールジアクリレート｛１対１の混合液を主とする｝）中に光発色剤（４、４'、４"−トリスジメチルアミノイトリフェニルメタン）を少量混入し、造形を行なうことにより、樹脂の硬化反応を抑制し、高精度な加工を可能にし、さらに造形途中の形状を容易に変色した色で確認することができる。
【００４８】
【発明の効果】
この発明の最適な照射、積層条件による高精度光造形法は以上のように構成したので、完全な３次元の形状補正を実施することができ、精密な加工が可能となった。
【００４９】
コンピュータに入力された原立体図形に単位硬化形状の補正を施してから断面を算出し、造形を行なうので、サポートの必要箇所を自動診断することにより、サポートの不足による加工の失敗がない。
【００５０】
また光ビームによる塗りつぶし走査を実施する箇所は、内部に未硬化樹脂が残らない範囲で輪郭走査より速い走査速度で照射加工することにより、後硬化の進行による立体の歪みがない。
【００５１】
サーフェスデータやソリッドデータをもとに精密な厚さを制御した造形が可能になる。
【００５２】
走査速度を変化させることで光ビームによる単位硬化形状の大きさを変化させ、レーザ出力の連続制御を必要としないため、装置を簡単に実現できる。
【００５３】
積層間隔を部分的に変化させることにより加工精度を制御することができる。
【００５４】
レンズまたはホログラムを用いて光ビームの照射方向を変化させることにより、立体図形の面に滑らかにフィットする硬化形状を作って加工することで加工精度を向上させることができる。
【００５５】
シリンダを樹脂液層の中に配置して樹脂液をピストンで下降させ、樹脂液が溢流しないようにすることにより、造形物が揺らぐのを防止し、加工精度をよくすることができる。
【００５６】
ピストンによって排出される樹脂を樹脂容器中に設けたシリンダ外の樹脂容器上部に移動させ、これを樹脂固着台上に吐出させて積層加工することにより、補助タンクを必要とせず、加工装置を小型にできる。
【００５７】
光反応性を有する光硬化樹脂は、温度による特性の変化が大きいが、ピストンの圧力等で樹脂容器から部分的に取り出した樹脂を供給する場合に、供給する樹脂の温度を制御すれば光ビームの照射を行なう液面から順次恒温に保つことができるので、省エネ効果があり、装置が簡単となるほか、温度制御が速やか行なえるとともに、樹脂の長寿命化にもつながる。
【００５８】
波長依存性の発色剤を用いて多波長の光ビームによる照射を行なうことにより、部分的または全体を創成する硬化物の色を選択的に変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に使用される高精度光造形装置の一実施例を示す正面図である。
【図２】図１の側面図である。
【図３】図１の平面図である。
【図４】円筒状の造形を行なう場合の光ビームの走査を示す概略図である。
【図５】単位硬化形状と補正量を示す概略図である。
【図６】直方体形状の造形を行なう場合のビーム中心位置図形を示す斜視図である。
【図７】中空部分を備えた立体図形の厚さ部分を塗りつぶし走査する方法について説明する概略図である。
【図８】立体図形に滑らかにフィットする単位硬化形状を得るための装置を示す要部断面図である。
【図９】この発明の最適な照射、積層条件による高精度光造形法の加工工程を示すフローチャートである。
【図１０】（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ未硬化樹脂を故意に残留させて造形した造形物を示す概略図である。
【符号の説明】
１ 樹脂容器
２ シリンダ
３ 平滑板
４ 樹脂固着台
５ モータ
６ ガイド
７ ピストン昇降台
８ 樹脂噴出口
９ ピストン
１０ ゴムパッキング
１１ 樹脂汲み上げポンプ
１２ 固形物混入防止網
１３ レンズ
２１ 円筒
２２ ビーム中心図形
２３，２３' 単位硬化形状
２４ 補正量
２５ 光ビーム
３１ 原立体図形
３２，３３ 図形

Claims (1)

1. レーザ光の走査速度、またはレーザ光の照射方向を変えることで単位硬化形状の大きさを変化させるとともに、光硬化樹脂層の積層間隔を部分的に変化させることにより、加工精度の向上または加工時間の短縮をすることを特徴とする最適な照射、積層条件による高精度光造形法。

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