JP4578211B2 - 光造形方法および装置 - Google Patents
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その理由としては、(1)紫外線は波長が短く造形面に深く侵入しないため、造形面への光線の侵入深度の調節が容易で、薄くて厚さの均一な光硬化した樹脂層を順次形成することが可能で、高い造形精度で寸法精度に優れる造形物を製造できること;(2)一方、可視光線および赤外線は波長が長く造形面に深く侵入するため、造形面への光線の侵入深度の調節が困難で、所定の厚さを有し且つ厚さの均一な光硬化した樹脂層を形成しにくく、そのため寸法精度に優れる立体造形物の製造が困難であること;(3)紫外線で硬化し且つ可視光線や赤外線で硬化しない紫外線硬化性樹脂組成物を用いると明るい場所でも光造形作業を行うことができるのに対して、可視光線で硬化する光硬化性樹脂組成物を用いると、光照射していない部分も雰囲気中の可視光線によって硬化してしまい、所定の形状パターンに光硬化することができず造形作業を暗室で行う必要があり、光硬化性樹脂組成物の取り扱い性および造形時の作業性に極めて劣ること;(4)赤外線で硬化する光硬化性樹脂組成物を用いると所定の鮮明な輪郭を有する光硬化した形状パターンの形成が困難で、寸法精度に優れる造形物が得られにくいことなどが挙げられる。
特に、本発明の目的は、高価な紫外線レーザー装置を用いずに、例えば、高圧水銀ランプ、超高圧水銀ランプ、水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプなどのような安価な光源を用いて、外観および寸法精度に優れる高品質の立体造形物を、高い造形精度を保ちつつ、速い造形速度で、経済的に製造することのできる実用化技術を提供することである。
しかも、前記方法による場合は、Z方向での光の侵入深度および樹脂組成物の硬化深度が均一になるだけでなく、X方向およびY方向でも光硬化が均一に行われるため、立体造形物の外観、寸法精度などが一層良好になり、しかも硬化ムラや強度ムラがなく、力学的特性にも優れる立体造形物が製造できることを見出した。
また、本発明者は、前記方法の実施に当たっては、光源として高輝度放電ランプ、特に超高圧水銀ランプまたは高圧水銀ランプを用い、紫外線硬化性樹脂組成物として波長365nmの紫外線で硬化する紫外線硬化性樹脂組成物を用い、且つ光線選択透過手段として波長が365±20(nm)の範囲にある紫外線の50%以上を選択的に透過させるがそれ以外の波長の光線の70%以上を遮蔽する光学フィルターなどの光線選択透過手段を用いると、目的とする外観、寸法精度、形状、強度などに優れる立体造形物を、低コストで生産性よく製造できることを見出し、それらの種々の知見に基づいて本発明を完成した。
(1) 紫外線硬化性樹脂組成物よりなる造形面に、微小ドットエリアでの遮光および透光が可能な複数の微小シャッターを線状または面状に配置した描画マスクを介して制御下に光を照射して所定の形状パターンを有する光硬化した樹脂層を形成した後、該光硬化した樹脂層の上に1層分の紫外線硬化性樹脂組成物を施して造形面を形成し、該紫外線硬化性樹脂組成物よりなる造形面に描画マスクを介して制御下に光を照射して所定の形状パターンを有する光硬化した樹脂層を更に形成する工程を、目的とする立体造形物が形成されるまで繰り返す光造形方法であって;
描画マスクと、紫外線硬化性樹脂組成物よりなる造形面の間の光路に投影レンズを配置し;
描画マスクと投影レンズの間の光路に、光源から放射される光に含まれる紫外線のうち、波長が、A±B(nm)[式中、Aは光源から放射される光に含まれる複数の紫外線ピークのうちの1つの紫外線ピークの波長(nm)を示し、Bは0〜20の数を示す]の範囲にある紫外線を通過させるがそれ以外の波長の光線を遮蔽する光線選択透過手段を配置して、波長が前記したA±B(nm)(AおよびBは前記と同じ)の範囲にある紫外線を紫外線硬化性樹脂組成物よりなる造形面に選択的に照射して光造形を行う;
ことを特徴とする光造形方法である。
(2) 前記光線選択透過手段が、波長がA±B(nm)(AおよびBは前記と同じ)の範囲にある紫外線の透過率が50%以上であって、且つ前記以外の波長の光線の70%以上を遮蔽する光学フィルターである前記(1)の光造形方法;および、
(3) 光源が超高圧水銀ランプまたは高圧水銀ランプであり、前記ピーク波長Aが365nmであり、紫外線硬化性樹脂組成物として波長が365±B(nm)(Bは前記と同じ)の範囲にある紫外線で硬化する紫外線硬化性樹脂組成物を用いる前記した(1)または(2)の光造形方法;
である。
(4) ・紫外線硬化性樹脂組成物よりなる造形面を形成する手段;および、
・波長がA±B(nm)[式中、Aは光源から放射される光に含まれる複数の紫外線ピークのうちの1つの紫外線ピークの波長(nm)を示し、Bは0〜20の数を示す]の範囲にある紫外線と、前記以外の波長の光線を含む光を放射する光源;
を有し、当該光源から光硬化性樹脂組成物よりなる造形面に至る光路に、
・微小ドットエリアでの遮光および透光が可能な複数の微小光シャッターを線状または面状に配置した描画マスク;
・波長がA±B(nm)(AおよびBは前記と同じ)の範囲にある紫外線を透過させるが、前記以外の波長の光線を遮蔽する光線選択透過手段;および、
・投影レンズ;
を、造形面に向かって、前記した順序で備えていることを特徴とする光造形装置である。
(5) 前記光線選択透過手段が、波長がA±B(nm)(AおよびBは前記と同じ)の範囲にある紫外線の透過率が50%以上で、且つ前記以外の波長の光線の遮蔽率が70%以上の光学フィルターである前記(4)の光造形装置;
(6) 光源が、高輝度放電ランプである前記(4)または(5)の光造形装置;
(7) 光源が超高圧水銀ランプまたは高圧水銀ランプであり、前記光線選択透過手段が波長が365±B(nm)(Bは前記と同じ)の紫外線を透過させるがそれ以外の波長の光線を遮蔽する光学フィルターである前記(4)〜(6)のいずれかの光造形装置;および、
(8) 描画マスクが微小ドットエリアでの遮光および透光が可能な複数の微小液晶シャッターを線状または面状に配置した液晶描画マスクである前記(4)〜(7)のいずれかの光造形装置;
である。
本発明による場合は、Z方向だけでなく、X方向およびY方向でも紫外線硬化性樹脂組成物の光硬化をより均一に行えるため、立体造形物全体の造形精度および寸法精度が一層向上し、しかも硬化ムラや強度ムラのない力学的特性にも優れる立体造形物を製造することができる。
さらに、本発明による場合は、光源として高価な紫外線レーザー発射装置を用いずに、例えば、高圧水銀ランプ、超高圧水銀ランプ、水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプなどのような安価な光源を使用し、それらの光源から放射される光に含まれる紫外線のうちの波長がA±B(nm)[式中、Aは光源から放射される光に含まれる複数の紫外線ピークのうちの1つの紫外線ピークの波長(nm)を示し、Bは0〜20の数を示す]の範囲にある紫外線を有効に利用して、前記した高品質の造形物を速い造形速度で且つ経済的に製造することができる。
本発明では、紫外線硬化性樹脂組成物よりなる造形面に、微小ドットエリアでの遮光および透光が可能な複数の微小シャッターを線状または面状に配置した描画マスクを介して制御下に光を照射して所定の形状パターンを有する光硬化した樹脂層を形成した後、該光硬化した樹脂層の上に1層分の紫外線硬化性樹脂組成物を施して造形面を形成し、該紫外線硬化性樹脂組成物よりなる造形面に描画マスクを介して制御下に光を照射して所定の形状パターンを有する光硬化した樹脂層を更に形成する工程を、目的とする立体造形物が形成されるまで繰り返して立体造形物を製造する。
紫外線硬化性樹脂組成物よりなる造形面に対して、波長がA±B(nm)の範囲にある紫外線を選択的に造形面に照射することにより、造形面に照射される紫外線の強度(光エネルギー)が均一またはほぼ均一になり、それに伴って造形面での紫外線の侵入深度および硬化深度、特にZ方向の侵入深度および硬化深度が均一化されてバラツキがなくなる。その結果、造形精度が格段に向上し、例えばZ方向を横切る横穴などの穴、中空部、凹凸部などを有する立体造形物を製造する場合にも、それらの箇所での塞がり、潰れ、変形などが生じず、設計どおりの高い寸法精度を有する立体造形物を製造することができる。
造形面に照射する紫外線としては、造形面に照射される光エネルギーの一層の均一化、それによる造形精度の更なる向上の点から、波長がA±B(nm)の範囲にある紫外線のうちでも、波長がA±15(nm)の範囲にある紫外線が好ましく用いられ、波長がA±10(nm)の範囲にある紫外線がより好ましく用いられ、波長がA±5(nm)の範囲にある紫外線が更に好ましく用いられ、波長A(nm)の紫外線が一層好ましく用いられる。
なお、本発明において、「波長がA±B(nm)の範囲にある紫外線の透過率」とは、紫外線(A±B)選択透過手段を通る前の光に含まれる波長がA±B(nm)の範囲の範囲にある紫外線の光エネルギー強度に対する、紫外線(A±B)選択透過手段を透過した直後の波長がA±B(nm)の範囲にある紫外線の光エネルギー強度の割合(%)をいう。光源から放射された光を他のフィルターや分光手段などを通さずに、光源から放射された直後と同じエネルギー強度を維持した状態で紫外線(A±B)選択透過手段を通した場合には、紫外線(A±B)選択透過手段における前記「波長がA±B(nm)の範囲の範囲にある紫外線の透過率」は、光源から放射された光に含まれている波長がA±B(nm)の範囲にある紫外線の光エネルギー強度に対する、紫外線(A±B)選択透過手段を透過した直後の波長がA±B(nm)の範囲にある紫外線の光エネルギー強度の割合(%)に相当する。
一般に、紫外線の波長が短くなるに従って、使用可能な紫外線硬化性樹脂組成物の種類が少なくなり、しかも安価で且つ良好に使用できる光学部品や材料が少なくなるので、波長A(nm)の紫外線としては、330〜390nmの波長域、特に350〜390nmの波長域に含まれる紫外線のうちから、特定波長の紫外線を選択して用いることが好ましい。
そのうちでも、超高圧水銀ランプおよび高圧水銀ランプから放射される光には、光硬化した樹脂層を短時間に形成し得る光強度を有する波長の紫外線、特に波長365nmの紫外線が含まれていて、しかも波長365nmの紫外線とそれ以外の波長を有する光線の分離が容易であることなどの点から好ましく用いられ、特に超高圧水銀ランプがより好ましく用いられる。
また、光源は、描画マスクの背部側に描画マスクと共に移動可能に設けてもよいし、または造形精度の向上、造形速度の向上、装置の軽量化、保守性の向上などの目的で、光源を固定位置に動かないように設けると共に光源からの光を光ファイバー、ライトガイドやその他の光伝達手段を通して描画マスクの背部に導き、光ファイバーやライトガイドやその他の光伝達手段から描画マスクを介して、造形面に光を照射するようにしてもよい。
また、造形速度の向上のために複数の光源を用いて集光し光エネルギーを高くさせる方式を採ってもよい。特に光ファイバーやライトガイドなどを使用する場合は複数光源を集光させ易いというメリットがある。
図3は、本発明の光造形に使用する光造形装置の要部の具体例を示したものである。
図3において、1は光源、2はロッドレンズ、3は反射ミラー、4はフレネルレンズ、5は液晶描画マスク、6は波長がA±B(nm)の範囲の範囲にある紫外線を透過させるがそれ以外の波長の光線を吸収および/または反射して除く光学フィルターなどの紫外線(A±B)選択透過手段、7は投影レンズおよび8は紫外線硬化性樹脂組成物よりなる造形面を示す。
また、図3に示した光造形装置では、光源1からの光をロッドレンズ2、反射ミラー3、フレネルレンズ4を経て液晶描画マスク5に導いているが、光源1からの光をそのまま直接フレネルレンズ4を経て液晶描画マスク5に導くようにしてもよい。
また、図3に示した光造形装置において、液晶描画マスク5の上流側の任意の光路位置に、光源1から放射された光に含まれる、光硬化に用いられない短波長の紫外線(例えば波長が300nm以下の紫外線、または波長が340nm以下の紫外線など)を吸収および/または反射して除去するためのフィルターを必要に応じて配置してもよく、そのようなフィルターを配置した場合には、液晶描画マスク5に到達する光に液晶描画マスクの劣化をもたらす短波長の紫外線が含まれないことにより、液晶描画マスク5の寿命を長くすることができる。また、光源1から放射された光に含まれる可視光線および/または赤外線の除くためのフィルターを光源1と紫外線(A±B)選択透過手段6との間の光路の適宜の位置に配置してもよく、その場合には、紫外線(A±B)選択透過手段6による波長がA±B(nm)の範囲にある紫外線の選択透過を良好に実施することができる。
(1) 図3に示す光造形装置を使用して、直径の異なる4個の円筒状の横穴A〜Dを5mm間隔で水平に貫通させた図4に示す立体造形物(立体造形物のサイズ;光造形時のX方向×Y方向×Z方向=34mm×10mm×23mm)を製造した。図4に示す立体造形物において、4個の横穴の設計上の直径は、A=3mm、B=2.5mm、C=2mm、D=1.5mmであった。
また、図3の光造形装置において、光源1としてオスライム社製の超高圧水銀ランプ「HXPR120W/45C」(出力120W)、ロッドレンズ2として(有)ワイエルティー製「YLT−IRL25」、反射ミラー3として光伸光学工業株式会社製「コールドミラー」、フレネルレンズ4として日本特殊光学樹脂株式会社製のフレネルレンズ、液晶描画マスク5としてカシオ計算機株式会社製のVGA液晶、紫外線(A±B)選択透過手段6として朝日分光株式会社製の光学フィルター「HG0365」[波長幅が365±20(nm)(345〜385nm)の紫外線の透過率80%、その他の光線の遮蔽率ほぼ100%]および投影レンズ7として株式会社ニコン製「EL−Nikkor」を使用した。
(2) 上記(1)に示した図3の光造形装置を使用し、紫外線硬化性樹脂組成物としてシーメット株式会社製「CPX−1000」[硬化感度2.5mJ;紫外線硬化波長365nm;光重合開始剤としてイルガキュア(登録商標)651を含有]を用いて、紫外線硬化性樹脂組成物よりなる造形面8への投影サイズ(液晶描画マスクのサイズ)=40mm×30mm、造形面8での波長365±20(nm)の紫外線の光エネルギー強度2.9mJ/cm2の条件下に、照射時間1sec、照射深度0.1mmの条件下で造形面に光照射して光硬化した樹脂層を形成する操作を繰り返して、図4に示す立体造形物を製造した(光造形時間約2時間)。
(3) 上記(2)で得られた立体造形物における4個の横穴A〜Dについて、その前面部(図4の符号9で示す面)および後面部(図4の符号10で示す面)での穴のX方向とZ方向の直径をそれぞれ測定した。さらに、横穴A〜Dのそれぞれの内部について、その最小の部分の直径と最大部分の直径をそれぞれ測定した。その結果を下記の表1に示す。
(1) 図3に示す光造形装置において、紫外線(A±B)選択透過手段6(朝日分光株式会社製の光学フィルター「HG0365」)を配置しなかった以外は、実施例1と全く同様にして光造形を行って、図4に示す立体造形物を製造した。
(2) 上記(1)で得られた立体造形物における4個の横穴A〜Dについて、その前面部(図4の符号9で示す面)および後面部(図4の符号10で示す面)での穴のX方向とZ方向の直径をそれぞれ測定した。さらに、横穴A〜Dのそれぞれの内部について、その最小の部分の直径と最大部分の直径をそれぞれ測定した。その結果を下記の表1に示す。
(1) 図3に示す光造形装置において、紫外線(A±B)選択透過手段6として、朝日分光株式会社製の光学フィルター「HG0365」の代りに、朝日分光株式会社製の光学フィルター「HG3605」[波長365nmの紫外線(i線)の透過率83%、その他の波長の光線(特に波長が365nmを超え405nm以下の光線)の透過率80%])を配置した以外は、実施例1と全く同様にして光造形を行って、図4に示す立体造形物を製造した。
(2) 上記(1)で得られた立体造形物における4個の横穴A〜Dについて、その前面部(図4の符号9で示す面)および後面部(図4の符号10で示す面)での穴のX方向とZ方向の直径をそれぞれ測定した。さらに、横穴A〜Dのそれぞれの内部について、その最小の部分の直径と最大部分の直径をそれぞれ測定した。その結果を下記の表1に示す。
(1) 図3に示す光造形装置において、紫外線(A±B)選択透過手段6として、朝日分光株式会社製の光学フィルター「HG0365」の代りに、朝日分光株式会社製の光学フィルター「HG3636」[波長365nmの紫外線(i線)の透過率84%、その他の波長の光線(特に波長が365nmを超え436nm以下の光線の透過率78%)]を配置した以外は、実施例1と全く同様にして光造形を行って、図4に示す立体造形物を製造した。
(2) 上記(1)で得られた立体造形物における4個の横穴A〜Dについて、その前面部(図4の符号9で示す面)および後面部(図4の符号10で示す面)での穴のX方向とZ方向の直径をそれぞれ測定した。さらに、横穴A〜Dのそれぞれの内部について、その最小の部分の直径と最大部分の直径をそれぞれ測定した。その結果を下記の表1に示す。
それに対して、比較例1〜3では、紫外線硬化性樹脂組成物よりなる造形面に照射された光(紫外線)が単一波長またはほぼそれに近い紫外線ではなく、波長の異なる複数の紫外線を含む光を造形面に照射したことにより、造形精度が低下し、特にZ方向での光の侵入深度や樹脂の硬化深度が不均一になって、立体造形物における横穴A〜Dの部分的な塞がり、変形などが生じ、設計どおりの正確な寸法を有する立体造形物を得ることができなかった。
本発明の光造形方法および装置は、小型から大型に至る各種の立体造形物の製造に有効に使用することができる。
本発明の方法および装置による場合は、精密部品、電気・電子部品、家具、建築構造物、自動車用部品、各種容器類、鋳物、金型、母型などのためのモデルや加工用モデル、複雑な熱媒回路の設計用の部品、複雑な構造の熱媒挙動の解析企画用の部品、その他の複雑な形状や構造を有する各種の立体造形物を高い造形速度および寸法精度で円滑に製造することができる。
2 ロッドレンズ
3 反射ミラー
4 フレネルレンズ
5 液晶描画マスク
6 紫外線(A±B)選択透過手段
7 投影レンズ
8 紫外線硬化性樹脂組成物よりなる造形面
Claims (8)
- 紫外線硬化性樹脂組成物よりなる造形面に、微小ドットエリアでの遮光および透光が可能な複数の微小シャッターを線状または面状に配置した描画マスクを介して制御下に光を照射して所定の形状パターンを有する光硬化した樹脂層を形成した後、該光硬化した樹脂層の上に1層分の紫外線硬化性樹脂組成物を施して造形面を形成し、該紫外線硬化性樹脂組成物よりなる造形面に描画マスクを介して制御下に光を照射して所定の形状パターンを有する光硬化した樹脂層を更に形成する工程を、目的とする立体造形物が形成されるまで繰り返す光造形方法であって;
描画マスクと、紫外線硬化性樹脂組成物よりなる造形面の間の光路に投影レンズを配置し;
描画マスクと投影レンズの間の光路に、光源から放射される光に含まれる紫外線のうち、波長が、A±B(nm)[式中、Aは光源から放射される光に含まれる複数の紫外線ピークのうちの1つの紫外線ピークの波長(nm)を示し、Bは0〜20の数を示す]の範囲にある紫外線を通過させるがそれ以外の波長の光線を遮蔽する光線選択透過手段を配置して、波長が前記したA±B(nm)(AおよびBは前記と同じ)の範囲にある紫外線を紫外線硬化性樹脂組成物よりなる造形面に選択的に照射して光造形を行う;
ことを特徴とする光造形方法。 - 前記光線選択透過手段が、波長がA±B(nm)(AおよびBは前記と同じ)の範囲にある紫外線の透過率が50%以上であって、且つ前記以外の波長の光線の70%以上を遮蔽する光学フィルターである請求項1に記載の光造形方法。
- 光源が超高圧水銀ランプまたは高圧水銀ランプであり、前記ピーク波長Aが365nmであり、紫外線硬化性樹脂組成物として波長が365±B(nm)(Bは前記と同じ)の範囲にある紫外線で硬化する紫外線硬化性樹脂組成物を用いる請求項1または2に記載の光造形方法。
- ・紫外線硬化性樹脂組成物よりなる造形面を形成する手段;および、
・波長がA±B(nm)[式中、Aは光源から放射される光に含まれる複数の紫外線ピークのうちの1つの紫外線ピークの波長(nm)を示し、Bは0〜20の数を示す]の範囲にある紫外線と、前記以外の波長の光線を含む光を放射する光源;
を有し、当該光源から光硬化性樹脂組成物よりなる造形面に至る光路に、
・微小ドットエリアでの遮光および透光が可能な複数の微小光シャッターを線状または面状に配置した描画マスク;
・波長がA±B(nm)(AおよびBは前記と同じ)の範囲にある紫外線を透過させるが、前記以外の波長の光線を遮蔽する光線選択透過手段;および、
・投影レンズ;
を、造形面に向かって、前記した順序で備えていることを特徴とする光造形装置。 - 前記光線選択透過手段が、波長がA±B(nm)(AおよびBは前記と同じ)の範囲にある紫外線の透過率が50%以上で、且つ前記以外の波長の光線の遮蔽率が70%以上の光学フィルターである請求項4に記載の光造形装置。
- 光源が、高輝度放電ランプである請求項4または5に記載の光造形装置。
- 光源が超高圧水銀ランプまたは高圧水銀ランプであり、前記光線選択透過手段が波長が365±B(nm)(Bは前記と同じ)の紫外線を透過させるがそれ以外の波長の光線を遮蔽する光学フィルターである請求項4〜6のいずれか1項に記載の光造形装置。
- 描画マスクが微小ドットエリアでの遮光および透光が可能な複数の微小液晶シャッターを線状または面状に配置した液晶描画マスクである請求項4〜7のいずれか1項に記載の光造形装置。
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