JP5632699B2 - 光造形装置 - Google Patents

Description

本発明は、光を照射することにより硬化する光硬化性樹脂を用いて所望する立体造形物を造形する光造形装置に関する。

従来から、紫外線などの光を照射することにより硬化する光硬化性樹脂を用いて、所望する立体（三次元）状の造形物（以下、「立体造形物」という）を製作する所謂光造形装置が知られている。光造形装置は、主として、光硬化性樹脂が貯留された樹脂槽内において立体造形物を支持するステージ上の上方に向かって立体造形物が造形される自由液面方式（下記特許文献１参照）、同樹脂槽内においてステージの下方に向かって立体造形物が造形される規制液面方式（下記特許文献２参照）、および同樹脂槽内において交差させた光の交点位置を制御することにより立体造形物を造形する光交点制御方式がある。

特開２００６−２９７９５３号公報 特開２００３−３９５６４号公報 特開昭６３−２５１２２７号公報

しかしながら、上記特許文献１，２に記載された自由液面方式および規制液面方式においては、１層の造形に光の照射工程とテーブルの変位工程とが各々必要であるため、１層の造形に時間が掛かって造形効率が悪いという問題がある。この場合、上記特許文献１に記載された自由液面方式の光造形装置においては、光硬化性樹脂の表面（液面）を硬化させて立体造形物が造形されるため、樹脂槽に貯留した光硬化性樹脂の表面の安定に時間が掛かるとともに、同表面の平滑度が損なわれると立体造形物の造形精度が著しく低下する。また、上記特許文献２に記載された規制液面方式の光造形装置においては、光硬化性樹脂を貯留した樹脂槽の底部で立体造形物の造形が行われるため、樹脂槽の底部または同底部に配置した透明フィルムに固着して造形される立体造形物の引き剥がしによって立体造形物の造形精度が低下することがある。

また、上記特許文献３に記載された光交点制御方式の光造形装置においては、樹脂槽内に照射された光の強度（光量）が樹脂槽内を進行するに従って減衰するため、樹脂槽内における光の深度に応じて光硬化性樹脂が硬化し難くなり立体造形物の造形時間が増大するとともに造形精度が低下することがあるという問題点があった。

本発明は上記問題に対処するためなされたもので、その目的は、簡単な構成で短時間に精度良く効率的に立体造形物を造形することができる光造形装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の特徴は、光を照射することにより硬化する光硬化性樹脂を貯留する樹脂槽と、樹脂槽内に配置される中空体で構成されるとともに同中空体の外表面に光硬化性樹脂を硬化させる光が透過可能な光透過部を有した光源収容体内に前記光を照射するための光源部が設けられた光照射手段と、樹脂槽内にて光透過部に対向配置されて前記光の照射によって硬化した光硬化性樹脂を付着させるための保持体と、光照射手段から照射される前記光を保持体に向けた状態で保持体に沿う方向および同保持体に接近および離隔する方向にそれぞれ光照射手段を相対的に変位させる光源変位手段とを備え、保持体は、軸状に形成されており、光源変位手段は、光照射手段を保持体の周囲に沿って相対的に変位させる公転変位手段と、光照射手段を保持体の軸線方向に沿って相対的に変位させる軸線変位手段とを備えることにある。

このように構成した本発明の特徴によれば、光造形装置は、光硬化性樹脂を貯留する樹脂槽内において、光硬化性樹脂を硬化させる光を照射するための光源部を光源収容体内に設けた光照射手段に対向させて、硬化した光硬化性樹脂、すなわち、立体造形物を保持する保持体を配置して光照射手段と保持体とを相対的変位させることにより保持体上に立体造形物を造形している。これにより、光造形装置は、光照射手段と保持体とを相対変位させながら光硬化性樹脂を連続的に硬化させるため、従来技術における光の照射工程とテーブルの変位工程とを別々に行なう必要がないとともに光硬化性樹脂の表面の安定化を待つ必要もないため、効率的に立体造形物を造形することができる。また、光造形装置は、立体造形物の造形過程において立体造形物に外力を加える工程、例えば、従来技術における透明フィルムの引き剥がし工程がないとともに、光照射手段が保持体に隣接しているため光硬化性樹脂を硬化させる光の減衰が極めて少ない。これらの結果、本発明に係る光造形装置は、簡単な構成で短時間に精度良く効率的に立体造形物を造形することができる。

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また、本発明の特徴によれば、光造形装置は、保持体が軸状に形成されるとともに、光照射手段が保持体の周囲および軸線方向に沿って相対変位する。これにより、光造形装置は、保持体の周囲に保持体の軸径に相当する孔部を有した状態で立体造形物を造形する。このため、例えば、立体造形物が指輪などのリング状形状や管のような筒形状である場合には、内径部を精度良くかつ短時間に造形することができる。

また、本発明の他の特徴は、前記光造形装置において、さらに、光源収容体が筒体で構成されるとともに、同筒体で構成された光源収容体を軸線回りに回転させる自転手段を有し、光照射手段は、光透過部が前記筒体の周囲に形成されており、光源変位手段は、公転変位手段が保持体を軸線回りに回転させることを特徴とする光造形装置。

このように構成した本発明の他の特徴によれば、光造形装置は、筒体の周囲に光透過部を形成した光源収容体を軸線回りに自転させる自転手段を備えるとともに、光源変位手段が保持体を軸線回りに回転させている。これにより、光造形装置は、立体造形物の造形過程において、光源収容体への光硬化性樹脂の付着を防止しながら光照射手段を変位させることなく保持体の周囲に光を照射することができる。この結果、光造形装置の構成を簡単にすることができるとともに、立体造形物の造形精度を向上させることができる。

また、本発明の他の特徴は、前記光造形装置において、光照射手段は、樹脂槽の外に設けられたレーザ光源と、レーザ光源から照射されたレーザ光を光源収容体内に導くとともに光透過部を介して保持体に向けて出射する光学系からなる導光手段とを備えることにある。

このように構成した本発明の他の特徴によれば、光造形装置における光照射手段は、樹脂槽の外に設けられたレーザ光源と同レーザ光源から照射されたレーザ光を光源収容体内に導くとともに光透過部を介して保持体に向けて出射する光学系とを含んで構成されている。この場合、光源収容体内に設けられる光学系は、レーザ光源から出射されたレーザ光を主として反射、屈折、回折または集光させる光学素子、例えば、光ファイバー、ミラー、プリズム、回折格子またはレンズなどを適宜組み合わせて構成される。これによれば、樹脂槽内に配置される光源収容体を小型化することができ、光造形装置の構成を簡単にすることができるとともに、立体造形物の造形精度を向上させることができる。

また、本発明の他の特徴は、前記光造形装置において、光源収容体は、光透過部の外表面に光硬化性樹脂の付着を抑制する付着抑制処理が施されていることにある。

このように構成した本発明の他の特徴によれば、光造形装置は、光源収容体における光透過部の外表面に光硬化性樹脂の付着を抑制するための付着抑制処理が施されている。この場合、付着抑制処理としては、例えば、光源収容体における光透過部の外表面にフッ素樹脂（テフロン（登録商標））やシリコーンを塗布するコーティング処理を用いることができる。これによれば、立体造形物の造形過程において、光源収容体における光透過部の外表面に光硬化性樹脂の付着が防止されるため、立体造形物の造形精度を向上させることができる。

また、本発明の他の特徴は、前記光造形装置において、光硬化性樹脂は、着色されていることにある。

このように構成した本発明の他の特徴によれば、光造形装置における樹脂槽に貯留される光硬化性樹脂が着色されている。これにより、照射された光が硬化前（液状）および硬化後（固体）の光硬化性樹脂を透過しないため、光の進行方向線上に空間を介して２つ以上の立体造形物が造形される所謂オーバハング形状を有した立体造形物を造形することができる。

本発明に係る光造形装置の全体構成を模式的に示す概略構成図である。 図１に示す光造形装置において、立体造形物を構成する第１層目を造形する過程の一部を模式的に示す概略構成図である。 図１に示す光造形装置において、立体造形物を構成する第１層目を造形する過程の次の一部を模式的に示す概略構成図である。 図１に示す光造形装置において、立体造形物を構成する第１層目を造形する過程の次の一部を模式的に示す概略構成図である。 図１に示す光造形装置において、立体造形物を構成する第３層目を造形する過程の一部を模式的に示す概略構成図である。 本発明の変形例に係る光造形装置の全体構成を模式的に示す概略構成図である。 本発明の他の変形例に係る光造形装置の全体構成を模式的に示す概略構成図である。

以下、本発明に係る光造形装置の一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る光造形装置１００の全体構成を模式的に示す構成概略図である。なお、本明細書において参照する各図は、本発明の理解を容易にするために一部の構成要素を誇張して表わすなど模式的に表している。このため、各構成要素間の寸法や比率などは異なっていることがある。また、本明細書において参照する各図は、図示左右方向をＸ軸方向とし、図示奥行方向をＹ軸方向とし、図示上下方向をＺ軸方向とする。この光造形装置１００は、光（紫外線）を照射することにより硬化する性質を有する光硬化性樹脂に選択的に光を照射することにより、作業者が所望する立体造形物を造形する機械装置である。

（光造形装置１００の構成）
光造形装置１００は、樹脂槽１０１を備えている。樹脂槽１０１は、液体状の光硬化性樹脂１０２を貯留するためのアルミニウム製の容器であり、上面が開放された有底円筒状に形成されている。この樹脂槽１０１の底部中央部には、樹脂槽１０１内に光硬化性樹脂１０２を供給および排出するための配管１０１ａの一端が接続されている。この配管１０１ａの他端側には、樹脂槽１０１内に対して光硬化性樹脂１０２を供給および排出するための送液ポンプ（図示せず）を介して同光硬化性樹脂１０２を貯留する貯留タンク（図示せず）が接続されている。なお、図１は、樹脂槽１０１の内部の理解を助けるため樹脂槽１０１を透明化して示している。

光硬化性樹脂１０２は、紫外線が照射されることにより液状体から固体状に変化する合成有機性材料であり、主として、多官能性のアクリル系モノマーおよびアクリル系オリゴマーの単体物または混合物に光重合開始剤および各種添加剤(例えば、安定剤、フィラー、着色剤など)を加えて構成されている。本実施形態においては、光硬化性樹脂１０２は、添加剤の一つに着色剤を用いることにより黄色に着色している。なお、光硬化性樹脂１０２は、紫外線以外の光、例えば、赤外線や可視光線によって硬化する性質のものを使用することもできる。

樹脂槽１０１内には、樹脂槽１０１の上方から下垂した状態で光源収容体１０３および保持体１０４がそれぞれ配置されている。光源収容体１０３は、樹脂槽１０１内に貯留された光硬化性樹脂１０２を硬化させるための光（紫外線）を樹脂槽１０１内にて照射する光源部を収容するための有底の筒状体である。本実施形態においては、透明なガラス材を図示Ｚ軸方向（上下方向）に延びる細長い有底円筒状に形成して構成されている。この光源収容体１０３の外周面には、同外周面への光硬化性樹脂１０２の付着を防止するためにフッ素樹脂（テフロン（登録商標））コーティング処理が施されている。

保持体１０４は、この光造形装置１００によって造形される立体造形物ＷＫを樹脂槽１０１内にて保持するために光源収容体１０３に平行な状態で対向配置された棒体である。より具体的には、保持体１０４は、樹脂槽１０１内で照射された光（紫外線）によって硬化した光硬化性樹脂１０２を連続的に付着させて一体的な塊状の立体造形物ＷＫを造形するための基礎部分となる部材である。この保持体１０４は、光硬化性樹脂１０２に浸漬されて立体造形物ＷＫが形成される部分が同部分より図示上部側の部分より外形が太く形成されている。また、この保持体１０４は、立体造形物ＷＫとなる光硬化性樹脂１０２と親和性の良い素材で構成されることが好ましい。本実施形態においては、光硬化性樹脂１０２と同様の熱硬化性の架橋アクリル系樹脂を棒状に形成して構成されている。なお、保持体１０４は、光硬化性樹脂１０２への浸漬によって溶解しない樹脂系以外の素材、例えば、各種金属素材（例えば、炭素鋼、ステンレス材、アルミニウム材、銅材など）を用いることができる。

これらの光源収容体１０３および保持体１０４は、樹脂槽１０１の上方に配置された支持ベース１０５によってそれぞれ支持されている。支持ベース１０５は、光源収容体１０３と保持体１０４とを相対変位可能な状態で支持する略板状の部材であり、樹脂槽１０１の上方において図示左右方向に水平に延びて形成されている。この支持ベース１０５は、後述するコントローラ１２０によって作動が制御される図示しない支持ベース変位機構によって支持されており、樹脂槽１０１に対して図示Ｚ軸方向に昇降変位するように構成されている。支持ベース１０５における一方（図示右側）の端部側には、光源収容体１０３を回転駆動可能に保持する収容体支持機構１０６が設けられている。

収容体支持機構１０６は、支持ベース１０５を図示Ｚ軸方向に貫通した状態で光源収容体１０３を支持するとともに同光源収容体１０３の軸線回りに回転可能な状態で着脱自在に保持する機械装置である。この収容体支持機構１０６は、光源収容体１０３を回転駆動するための駆動モータ１０６ａと、支持ベース１０５の内部にて駆動モータ１０６ａの回転駆動を光源収容体１０３の回転駆動に変換するベルト、歯車およびプーリからなる動力伝達機構（図示せず）とを備えて構成されている。駆動モータ１０６ａは、コントローラ１２０によって作動が制御される電動サーボモータであり、支持ベース１０５の一方の端部に固定的に設けられている。

支持ベース１０５によって保持された光源収容体１０３の内部には、ミラー体１０７が配置されている。ミラー体１０７は、光源収容体１０３の上方に配置される光源１０９から照射されるレーザ光Ｌを光源収容体１０３に対向配置される保持体１０４に向けて反射させる光学系であり、主としてミラー１０７ａと支持棒１０７ｂとで構成されている。ミラー１０７ａは、光源収容体１０３内に向って照射されるレーザ光Ｌを保持体１０４に向けて反射させる反射鏡であり、支持棒１０７ｂの図示下方の先端部に固定されている。支持棒１０７ｂは、光源収容体１０３内においてミラー１０７ａを支持する棒体であり、図示上方の先端部がミラー昇降機構１０８によって支持されている。

ミラー昇降機構１０８は、光源収容体１０３内のミラー体１０７を光源収容体１０３の軸線方向（図示Ｚ軸方向）に沿って変位させるための機械装置であり、支持ベース１０５における収容体支持機構１０６の上方に設けられている。このミラー昇降機構１０８は、ミラー体１０７の支持棒１０７ｂを図示Ｚ軸方向に変位させるための駆動モータ１０８ａと、駆動モータ１０８ａの回転駆動を支持棒１０７ｂの直線変位に変換するためのラックおよびピニオンからなる動力伝達機構（図示せず）を収めた伝達部１０８ｂとを備えて構成されている。駆動モータ１０８ａは、コントローラ１２０によって作動が制御される電動サーボモータであり、支持ベース１０５の一方の端部上部に設けられた伝達部１０８の側面に固定的に設けられている。

光源１０９は、光硬化性樹脂１０２を硬化させることができる光線、具体的には紫外線からなるレーザ光線Ｌを出射する光学素子であり、コントローラ１２０によって作動が制御される。この光源１０９は、光源収容体１０３内のミラー１０７ａに向ってレーザ光Ｌを出射する向きでミラー昇降機構１０８の上部に固定台１０９ａを介して支持されている。なお、この光源１０９は、光硬化性樹脂１０２を硬化させる光線を出射する光源であればよいため、光硬化性樹脂１０２の性質に応じて出射する光線が選定されるものである。

支持ベース１０５の中央部には、保持体支持機構１１０が設けられている。保持体支持機構１１０は、保持体１０４を光源収容体１０３と平行な状態で支持した状態で同保持体１０４の軸線回りに回転可能かつ図示Ｘ軸方向に（支持ベース１０５の長手方向）に沿って変位可能な状態で着脱自在に保持する機械装置である。この保持体支持機構１１０は、保持体１０４を回転駆動するための駆動モータ１１０ａ、および保持体１０４を着脱自在に保持するとともに駆動モータ１１０の回転駆動を保持体１０４の回転駆動に変換する複数の歯車からなる伝達機構（図示せず）を収めた可動ベース１１０ｂを備えている。駆動モータ１１０ａは、コントローラ１２０によって作動が制御される電動サーボモータである。これにより、保持体支持機構１１０は、保持体１０４を同保持体１０４の軸線回りに回転可能な状態で着脱自在に保持する。

また、保持体支持機構１１０は、可動ベース１１０ｂを直線変位させるための駆動モータ１１０ｃと、支持ベース１０５の内部にて駆動モータ１１０ｃの回転駆動を可動ベース１１０ｂの直線変位に変換するベルト、プーリ、直線ガイドなどからなる伝達機構（図示せず）とを備えている。この場合、駆動モータ１１０ａは、コントローラ１２０によって作動が制御される電動サーボモータであり、支持ベース１０５の他方側の端部底面に固定的に設けられている。これにより、保持体支持機構１１０は、可動ベース１１０ｂの変位を介して保持体１０４を図示Ｘ軸方向に直線変位させる。

この光造形装置１００は、前記した送液ポンプ（図示せず）、駆動モータ１０６ａ，１０８ａ，１１０ａ，１１０ｃおよび光源１０９の各作動を制御するコントローラ１２０を備えている。コントローラ１２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどからなるマイクロコンピュータによって構成されており、図示しないインターフェースを介して接続される外部コンピュータ装置１３０からの指示に従って図示しない造形加工プログラムを実行することにより、送液ポンプ（図示せず）、駆動モータ１０６ａ，１０８ａ，１１０ａ，１１０ｃおよび光源１０９の各作動を制御して立体造形物を造形する。なお、この造形加工プログラムは、予め前記ＲＯＭに記憶されている。

外部コンピュータ装置１３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスクなどからなるマイクロコンピュータによって構成されており、キーボードおよびマウスからなる入力装置１３１からの指示に従って、図示しない各種プログラムを実行することにより光造形装置１００（コントローラ１２０）の作動を制御する。また、外部コンピュータ装置１３０は、液晶ディスプレイからなる表示装置１３２に、光造形装置１００の作動状態および加工プログラム等の各実行状態などを適宜表示させる。すなわち、本実施形態において外部コンピュータ装置１３０は、個人向けパーソナルコンピュータ（所謂パソコン）を想定している。なお、外部コンピュータ装置１３０は、光造形装置１００の作動を制御することができれば、どのような形式のコンピュータ装置であってもよい。

（光造形装置１００の作動）
次に、本発明に係る光造形装置１００の作動について説明する。まず、作業者は光造形装置１００と外部コンピュータ装置１３０とを図示しないインターフェースを介して接続し、光造形装置１００および外部コンピュータ装置１３０の電源をそれぞれ投入する。これにより、光造形装置１００および外部コンピュータ装置１３０は、図示しない所定のプログラムを実行することにより作業者からの指令の入力を待つ待機状態となる。

次に、作業者は、外部コンピュータ装置１３０に図示しない造形物描画プログラムを実行させて造形対象となる立体造形物ＷＫを外部コンピュータ装置１３０上で生成する。この場合、外部コンピュータ装置１３０上において立体造形物ＷＫを表す３次元画像データは、ベクタ（ベクトル）形式によって表されている。そして、作業者は、外部コンピュータ装置１３０を操作して、光造形装置１００に加工データの生成を指示する。

この指示に応答して、外部コンピュータ装置１３０は、図示しない加工データ生成プログラムを実行することにより前記生成した３次元画像データに基づいて加工データを生成する。具体的には、外部コンピュータ装置１３０は、３次元画像データによって表わされた立体造形物ＷＫを同心円状に複数の層に分割したリング状の各層ごとの断面形状を表わす断面画像データを生成した後、同断面画像データにおける各断面形状を表す断面画像データをビットマップ形式で表された画像データに変換する。本実施形態においては、立体造形物ＷＫを同心円状に約３０μｍの厚さの層に分割する。なお、立体造形物ＷＫを同心円状に分割する際の各層の厚さは、１０μｍ〜１００μｍの厚さが適当である。

次に、作業者は、外部コンピュータ装置１３０を操作して光造形装置１００による立体造形物ＷＫの造形を指示する。この指示に応答して外部コンピュータ装置１３０は、生成した加工データを光造形装置１００のコントローラ１２０に出力する。これにより、光造形装置１００は、外部コンピュータ装置１３０から順次出力されるリング状の各層ごとの断面画像データを順次記憶して立体造形物ＷＫの造形を開始する。具体的には、光造形装置１００のコントローラ１２０は、図示しない造形加工プログラムを実行して送液ポンプ（図示せず）の作動を制御して樹脂槽１０１内を光硬化性樹脂１０２で満たすとともに、保持体支持機構１１０の作動を制御して保持体１０４を光源収容体１０３に位置決めする。

この場合、コントローラ１２０は、駆動モータ１１０ｃの作動を制御することにより光源収容体１０３の表面に対して保持体１０４を、造形する１層分の厚さ量に相当する隙間を介した位置に位置決めする。本実施形態においては、光源収容体１０３の表面に対して約３０μｍの隙間を介した位置に保持体１０４を位置決めする。なお、コントローラ１２０は、造形する１層分の厚さ量に所定の隙間（例えば、数μｍ〜数十μｍ）を加えた隙間を介した位置に保持体１０４を位置決めするようにしてもよい。

次に、コントローラ１２０は、立体造形物ＷＫを構成する一つ目の層（第１層）の断面形状を保持体１０４の表面に造形する。具体的には、コントローラ１２０は、駆動モータ１０６ａを駆動させて光源収容体１０３を一定速度で回転駆動させた後、駆動モータ１１０ａを駆動させて保持体１０４を一定速度で回転させる。この場合、コントローラ１２０は、光源収容体１０３と保持体１０４とが互いに同じ回転速度でかつ互いに異なる回転方向（反対方向）にそれぞれ回転（自転）するように駆動モータ１０６ａ，１１０ａの作動をそれぞれ制御する。

そして、コントローラ１２０は、ミラー１０７ａに対向する保持体１０４の外周面上の位置に応じて光源１０９の作動を制御して光源１０９からレーザ光Ｌを出射させる。光源１０９から出射されたレーザ光は、光源収容体１０３内に入射した後、ミラー１０７ａに達するとともに同ミラー１０７ａによって保持体１０４側に反射される。ミラー１０７ａによって反射されたレーザ光Ｌは、ミラー１０７ａに対向する光源収容体１０３の透明な側壁を透過して保持体１０４上に照射される。

これにより、保持体１０４と光源収容体１０３との間に存在する光硬化性樹脂１０２はレーザ光Ｌの照射により硬化する。すなわち、光源１０９、ミラー体１０７および光源収容部１０３が、本発明に係る光照射手段に相当する。また、この場合、光源収容体１０３が回転するとともに光源収容体１０３の表面にコーティング処理が施されているため、硬化した光硬化性樹脂１０２は、光源収容体１０３の外表面に付着することなく保持体１０４の表面に付着する。

そして、保持体１０４がミラー１０７ａに対して一回転することにより保持体１０４の外周面上には、図２に示すように、ミラー１０７ａに対向する保持体１０４の外周面上にリング状の立体造形物ＷＫが造形される。次いで、コントローラ１２０は、保持体１０４がミラー１０７ａに対して一回転し終えると、駆動モータ１０８ａの作動を制御してミラー体１０７を図示Ｚ軸方向における図示上方に変位させる（図示矢印参照）。この場合、コントローラ１２０は、保持体１０４の外周面上に形成された立体造形物ＷＫに対して連続した立体造形物ＷＫを形成することができるレーザ光Ｌの照射位置にミラー体１０７を変位させる。

そして、コントローラ１２０は、前記と同様にして、新たに位置決めされた保持体１０４の外周面に対してミラー１０７ａに対向する保持体１０４の外周面上の位置に応じて光源１０９の作動を制御して光源１０９からレーザ光Ｌを出射させる。これにより、保持体１０４の外表面には、図３に示すように、前記造形されたリング状の立体造形物ＷＫ１の上方の一部に重なりながら新たなリング状の立体造形物ＷＫ２が隣接して造形される。このような保持体１０４へのミラー１０７ａの位置決めおよび保持体１０４へのレーザ光Ｌの照射を繰り返し実行することにより、図４に示すように、立体造形物ＷＫを構成する第１層の断面形状が保持体１０４の表面に造形される。

保持体１０４の表面に第１層の断面形状を造形したコントローラ１２０は、図５に示すように、保持体１０４上に造形した立体造形物ＷＫの一層分の厚さに相当する量だけ保持体１０４を光源収容体１０３から離隔させる（図示矢印参照）。具体的には、コントローラ１２０は、駆動モータ１１０ｃの作動を制御して保持体１０４を保持する保持体支持機構１１０の可動ベース１１０ｂを図示Ｘ軸方向における図示左側に変位させる。これにより、保持体１０４は、保持体１０４上に造形した立体造形物ＷＫの一層分の厚さに相当する量だけ光源収容体１０３から離隔される。

次に、コントローラ１２０は、保持体１０４の表面に形成された立体造形物ＷＫを構成する第１層の表面上に同立体造形物ＷＫを構成する２層目（第２層）の断面形状を造形する。具体的には、コントローラ１２０は、保持体１０４を光源収容体１０３から離隔する直前の図示Ｚ軸方向の位置と同じ位置（第１層を造形し終えた位置）において第２層の断面形状の造形を第１層の断面形状の造形と同様の処理によって行なう。すなわち、コントローラ１２０は、ミラー１０７ａに対向する保持体１０４の外周面上の位置に応じて光源１０９の作動を制御して光源１０９からレーザ光Ｌを出射させて立体造形物ＷＫを造形する。

そして、コントローラ１２０は、保持体１０４を一回転させて一回転分の造形を終えるごとに駆動モータ１０８ａの作動を制御してミラー体１０７を図示Ｚ軸方向における図示下方に変位させる（図示矢印参照）。これにより、保持体１０４の表面に形成された立体造形物ＷＫを構成する第１層の表面上に同立体造形物ＷＫを構成する第２層の断面形状が造形される。このような保持体１０４の一回転分の造形を図示Ｚ軸方向に沿って行なって一層ずつ立体造形物ＷＫの各層を造形する手順により、保持体１０４上に立体造形物ＷＫが次第に造形される。

そして、コントローラ１２０は、立体造形物ＷＫの断面形状を表す全ての断面画像データを用いて立体造形物ＷＫの造形を実行した場合には、光源１０９からのレーザ光Ｌの照射を停止させた後、終了処理を実行して造形加工プログラムの実行を終了する。具体的には、コントローラ１２０は、送液ポンプ（図示せず）の作動を制御して樹脂槽１０１内から光硬化性樹脂１０２を排出するとともに、図示しない支持ベース変位機構の作動を制御して支持ベース１０５を図示Ｚ軸方向における図示上方に変位させることにより保持体１０４および光源収容体１０３を樹脂槽１０１内から搬出する。

次いで、作業者は、造形加工プログラムの実行の終了後、樹脂槽１０１内から搬出された保持体１０４を可動ベース１１０ｂから取り外した後、保持体１０４と立体造形物ＷＫとを分離する。この場合、作業者は、立体造形物ＷＫを保持体１０４の軸線方向に引っ張って保持体１０４から引き抜くことにより立体造形物ＷＫを保持体１０４から分離することができる。また、作業者は、立体造形物ＷＫを造形する際に、保持体１０４と立体造形物ＷＫとの間に保持体１０４から張り出したサポート部を形成しておくことにより、同サポート部を切断することで立体造形物ＷＫを保持体１０４から分離することもできる。これらにより、光造形装置１００による立体造形物Ｗの造形作業が終了する。

上記作動説明からも理解できるように、上記実施形態によれば、光造形装置１００は、光硬化性樹脂１０２を貯留する樹脂槽１０１内において、光硬化性樹脂１０２を硬化させるレーザ光Ｌを照射するためのミラー部１０７を光源収容体１０３内に設けた光照射手段に対向させて、硬化した光硬化性樹脂１０２、すなわち、立体造形物ＷＫを保持する保持体１０４を配置して光照射手段と保持体１０４とを相対的変位させることにより保持体１０４上に立体造形物ＷＫを造形している。これにより、光造形装置１００は、光照射手段と保持体１０４とを相対変位させながら光硬化性樹脂１０２を連続的に硬化させるため、従来技術における光の照射工程とテーブルの変位工程とを別々に行なう必要がないとともに光硬化性樹脂１０２の表面の安定化を待つ必要もないため、効率的に立体造形物ＷＫを造形することができる。また、光造形装置１００は、立体造形物の造形過程において立体造形物ＷＫに外力を加える工程、例えば、従来技術における透明フィルムの引き剥がし工程がないとともに、光照射手段が保持体１０４に隣接しているため光硬化性樹脂１０２を硬化させるレーザ光Ｌの減衰が極めて少ない。これらの結果、本発明に係る光造形装置１００は、簡単な構成で短時間に精度良く効率的に立体造形物ＷＫを造形することができる。

さらに、本発明の実施にあたっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。なお、下記変形例の説明においては、参照する各図における上記実施形態と同様の構成部分に同じ符号または対応する符号を付して、その説明は省略する。

例えば、上記実施形態においては、光源収容体１０３は、透明なガラス材を有底円筒状に形成して構成されている。しかし、光源収容体１０３は、光硬化性樹脂１０２に対する耐性を有するとともにミラー体１０７などの光源部を収容可能な構成であれば、必ずしも上記実施形態における素材および形状に限定されるものではない。例えば、光源収容体１０３は、光硬化性樹脂１０２への浸漬によって溶解しない素材、例えば、各種金属素材（例えば、炭素鋼、ステンレス材、アルミニウム材、銅材など）や樹脂素材などを用いることができる。

この場合、光源収容体１０３を不透明な素材で構成した場合においては、光源収容体１０３内から保持体１０４に向けてレーザ光Ｌが透過可能な光透過部を設ける必要がある。この点において、上記実施形態では、光源収容体１０３の全体が透明なガラス材で構成されている。すなわち、光源収容体１０３の全体が本発明における光透過部に相当する。しかし、光透過部は、保持体１０４にレーザ光Ｌを照射可能な範囲で設けられていれば必ずしも光源収容体１０３の全体に形成されている必要はなく、光源収容体１０３の一部に形成された構成であってもよい。この場合、光透過部は、光源収容体１０３が自転する構成の場合には、光源収容体１０３の外周面の全周にリング状に設けることができる。また、光透過部は、光源収容体１０３とともにミラー体１０７が自転する構成の場合には、光源収容体１０３の外周面の一部に窓状に設けることができる。

また、上記実施形態においては、保持体１０４にレーザ光Ｌを照射するために光源１０９およびミラー体１０７を用いた。すなわち、光源１０９およびミラー体１０７が本発明に係る光源部に相当するとともに、ミラー体１０７は本発明に係る導光手段に相当する。しかし、光源部は、光硬化性樹脂１０２を硬化可能な光を光源収容体１０３を介して保持体１０４に照射できる構成であれば、必ずしも上記実施形態に限定されるものではない。すなわち、光源１０９はレーザ光以外の光源が用いることができるとともに、導光手段はミラー体１０７以外の光伝搬可能な光学素子（例えば、光ファイバー、ミラー、プリズム、回折格子またはレンズ）を用いた光学系で構成することができる。例えば、光源１０９を紫外線ランプで構成するとともに導光手段を光ファイバーで構成することにより、紫外線ランプから照射された紫外線を光ファイバーによって保持体１０４に導くように構成することもできる。

また、光源部は、必ずしも光を発する光源と同光を導く導光手段とで構成する必要もない。すなわち、光硬化性樹脂１０２を硬化させることができる光を発するＬＥＤや電球を光源部として光源収容体１０３内に直接配置することもできる。例えば、図６に示すように、光硬化性樹脂１０２を硬化させることができる紫外線光Ｌを発するＬＥＤからなる光源１０９をミラー１０７ａに代えて支持棒１０７ｂに保持させる。この場合、光源１０９には、ＬＥＤから発せられた紫外線光を保持体１０４上に集光する集光レンズを備えている。また、この場合、ミラー昇降機構１０８は、ミラー１０７ａに代えて光源１０９を図示Ｚ軸方向に変位させることにより保持体１０４に照射される紫外線光Ｌの位置を変化させる。

また、上記実施形態においては、光源収容体１０３と保持体１０４とを相対的に変位させるために、ミラー昇降機構１０８および保持体支持機構１１０を用いて保持体１０４を光源収容体１０３に対して変位させるように構成した。具体的には、ミラー昇降機構１０８によりミラー体１０７を保持体１０４の軸線方向に沿って変位させるように構成した。また、保持体支持機構１１０により保持体１０４の周囲を光源収容体１０３が周回するとともに保持体１０４が光源収容体１０３に接近および離隔するように構成した。すなわち、ミラー昇降機構１０８および保持体支持機構１１０が、本発明に係る光源変位手段に相当する。そして、これらのうち、ミラー昇降機構１０８が本発明に係る軸線変位手段に相当し、保持体支持機構１１０が本発明に係る公転変位手段に相当する。しかし、光源変位手段は、光源収容体１０３から出射されるレーザ光Ｌを保持体１０４に向けた状態で保持体１０４に沿う方向および同保持体１０４に接近および離隔する方向にそれぞれ光照射手段を相対的に変位させる構成であれば、必ずしも上記実施形態に限定されるものではない。

すなわち、光源変位手段は、保持体１０４に対して光源収容体１０３を変位させるように構成することもできる。例えば、光源変位手段は、静止状態の保持体１０４に対して光源部（光源１０９およびミラー体１０７）および光源収容体１０３を接近および離隔するように構成することができる。また、公転変位手段は、保持体１０４の周囲を光源部（光源１０９およびミラー体１０７）および光源収容体１０３を周回させるように構成することもできる。

また、保持体１０４が平面状の板状体で構成されている場合には、光源部（光源１０９およびミラー体１０７）および光源収容体１０３は必ずしも板状体の保持体１０４の周囲を周回する必要はなく、保持体１０４の平面部に沿って変位するように光源変位手段を構成すればよい。また、軸線変位手段は、ミラー体１０７の変位に加えて光源収容体１０３を変位させるように構成してもよいし、これに変えてまたは加えて保持体１０４をミラー体１０７に対して図示Ｚ軸方向に変位するように構成してもよい。

また、上記実施形態においては、保持体１０４を段付きの丸棒状に構成した。しかし、保持体１０４の形状は、造形する立体造形物ＷＫの形状に応じて適宜決定されるものではあり、必ずしも段付きの丸棒状である必要はない。例えば、保持体１０４は、多角棒状、平板状、直方体、立方体および球状を単体でまたはこれらを適宜組み合わせた形状で構成することができる。また、保持体１０４は、筒状に形成することもできる。

また、上記実施形態においては、光源収容体１０３の外表面に光硬化性樹脂１０２が付着することを防止するために、光源収容体１０３の外表面にフッ素樹脂（テフロン（登録商標））コーティング処理を施すとともに、光源収容体１０３を収容体支持機構１０６により自転させるように構成した。しかし、光源収容体１０３の外表面への光硬化性樹脂１０２の防止方法は、フッ素樹脂（テフロン（登録商標））コーティング以外のコーティング処理、例えば、シリコーン樹脂を塗布するシリコーンコーティング処理であってもよいし、これらのコーティング処理および光源収容体１０３の自転の一方の方法を採用するものであってもよい。また、光源収容体１０３の外表面への光硬化性樹脂１０２の付着が許容できるまたは効果的に防止することができる環境であれば、これらのコーティング処理および自転処理は省略することができる。

また、上記実施形態においては、光硬化性樹脂１０２に着色剤を添加して黄色に着色した。これにより、図７に示すように、照射されたレーザ光Ｌが硬化前（液状）および硬化後（固体）の光硬化性樹脂１０２を透過しないため、レーザ光Ｌの進行方向線上に空間を介して２つ以上の立体造形物ＷＫが造形される所謂オーバハング形状を有した立体造形物ＷＫを造形することができる。したがって、立体造形物ＷＫがオーバハング形状を有しない場合には、光硬化性樹脂１０２を透明に構成することもできる。

また、上記実施形態においては、樹脂槽１０１を不透明なアルミニウム材で構成した。しかし、樹脂槽１０１を透明なガラス材や樹脂材などの素材で構成することもできる。これによれば、樹脂槽１０１内における立体造形物ＷＫの造形過程を確認しながら立体造形物ＷＫを造形することができる。

ＷＫ，ＷＫ１，ＷＫ２…立体造形物、Ｌ…レーザ光、
１００…光造形装置、１０１…樹脂槽、１０２…光硬化性樹脂、１０３…光源収容体、１０４…保持体、１０５…支持ベース、１０６…収容体支持機構、１０６ａ…駆動モータ、１０７…ミラー体、１０７ａ…ミラー、１０７ｂ…支持棒、１０８…ミラー昇降機構、１０８ａ…駆動モータ、１０８ｂ・・・伝達部、１０９…光源、１０９ａ…固定台、１１０…保持体支持機構、１１０ａ…駆動モータ、１１０ｂ…可動ベース、１１０ｃ…駆動モータ、
１２０…コントローラ、
１３０…外部コンピュータ装置。

Claims (5)

1. 光を照射することにより硬化する光硬化性樹脂を貯留する樹脂槽と、
   前記樹脂槽内に配置される中空体で構成されるとともに同中空体の外表面に前記光硬化性樹脂を硬化させる前記光が透過可能な光透過部を有した光源収容体内に前記光を照射するための光源部が設けられた光照射手段と、
   前記樹脂槽内にて前記光透過部に対向配置されて前記光の照射によって硬化した前記光硬化性樹脂を付着させるための保持体と、
   前記光照射手段から照射される前記光を前記保持体に向けた状態で前記保持体に沿う方向および同保持体に接近および離隔する方向にそれぞれ前記光照射手段を相対的に変位させる光源変位手段とを備え、
   前記保持体は、軸状に形成されており、
   前記光源変位手段は、
   前記光照射手段を前記保持体の周囲に沿って相対的に変位させる公転変位手段と、
   前記光照射手段を前記保持体の軸線方向に沿って相対的に変位させる軸線変位手段とを備えることを特徴とする光造形装置。
2. 請求項１に記載した光造形装置において、さらに、
   前記光源収容体が筒体で構成されるとともに、同筒体で構成された前記光源収容体を軸線回りに回転させる自転手段を有し、
   前記光照射手段は、
   前記光透過部が前記筒体の周囲に形成されており、
   前記光源変位手段は、
   前記公転変位手段が前記保持体を軸線回りに回転させることを特徴とする光造形装置。
3. 請求項２に記載した光造形装置において、
   前記光照射手段は、
   前記樹脂槽の外に設けられたレーザ光源と、
   前記レーザ光源から照射されたレーザ光を前記光源収容体内に導くとともに前記光透過部を介して前記保持体に向けて出射する光学系からなる導光手段とを備えることを特徴とする光造形装置。
4. 請求項１ないし請求項３のうちのいずれか１つに記載した光造形装置において、
   前記光源収容体は、前記光透過部の外表面に前記光硬化性樹脂の付着を抑制する付着抑制処理が施されていることを特徴とする光造形装置。
5. 請求項１ないし請求項４のうちのいずれか１つに記載した光造形装置において、
   前記光硬化性樹脂は、着色されていることを特徴とする光造形装置。
   

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