JP6530264B2 - 三次元造形装置および三次元造形方法 - Google Patents

Description

本発明は、三次元造形装置および三次元造形方法に関し、さらに詳細には、光を照射すると硬化する光硬化性樹脂を用いて三次元造形物を作製する三次元造形装置および三次元造形方法に関する。

従来より、可視光または紫外光などの光の照射により硬化する光硬化性樹脂を用いて三次元造形物を作製する三次元造形装置および三次元造形方法が知られている。

こうした三次元造形物の作製に用いられる三次元造形装置としては、例えば、所定の形状に硬化させた光硬化樹脂を積層して立体造形を行う吊り上げ積層構造方式が用いられる。

この吊り上げ積層構造方式は、液体状態の光硬化性樹脂を貯留する樹脂槽の底面に光を透過する透光板を配置し、当該透光板の下方側に備えたプロジェクタなどの光照射手段により所定の画像を照射し、樹脂槽内の光硬化性樹脂を所定の画像の形状に硬化させることを特徴としている。

光硬化性樹脂を貯留する樹脂槽は、透明なアクリル板の表面に光を透過可能なコーティング材（例えば、シリコン樹脂である。）によりコーティング層が形成されている。

三次元造形物の作製の際には、樹脂槽に対して所定の画像を一層分ずつ照射し、三次元造形物が完成するまで繰り返し光が照射される。

樹脂槽に対して繰り返し光の照射を行うことで、樹脂槽を形成するシリコン層は劣化して樹脂槽が白濁することにより、樹脂槽に光が透過しなくなる。

そして、樹脂槽に光が透過しなくなった状態で使用を続けていると、三次元造形物の樹脂が固まらなくなり造形に失敗することとなるが、ユーザーは造形に失敗してはじめて樹脂槽が劣化していることに気づくものであり、造形開始前に樹脂槽が使用可能であるか否かを確認することができないという問題点があった。

なお、本願出願人が特許出願時に知っている先行技術は、上記において説明したようなものであって文献公知発明に係る発明ではないため、記載すべき先行技術情報はない。

本発明は、従来の技術の有する上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、三次元造形物の造形開始前に樹脂槽が使用可能であるか否かを確認することが可能な三次元造形装置および三次元造形方法を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明は、樹脂槽にＩＣタグを搭載し、樹脂槽の上限照射時間を管理可能であるようにしたものである。

即ち、本発明は、液体状態の光硬化性樹脂を貯留する樹脂槽の底面に光を透過する透光板を配置し、上記透光板の下方側に備えた光照射手段により所定の画像を照射し、上記樹脂槽内の上記光硬化性樹脂を上記所定の画像の形状に硬化させて三次元造形物を作製する三次元造形装置において、樹脂槽に配置され上記樹脂槽の光照射可能時間を記録する少なくとも１つの記録手段と、上記記録手段から上記樹脂槽の光照射可能時間を読み込む読込手段と、三次元造形の際に上記樹脂槽に対して照射する所定の画像たる三次元造形物の断面形状の画像データより、三次元造形物を作製するために照射する光の合計照射時間を算出する第１の算出手段と、上記樹脂槽の光照射可能時間と上記合計照射時間とに基づいて新たな上限照射時間を算出する第２の算出手段と、上記記録手段に記録された上記樹脂槽の光照射可能時間を、上記新たな上限照射時間に書き換える書換手段とを有するようにしたものである。

また、本発明は、液体状態の光硬化性樹脂を貯留する樹脂槽の底面に光を透過する透光板を配置し、上記透光板の下方側に備えた光照射手段により所定の画像を照射し、樹脂槽内の光硬化性樹脂を上記所定の画像の形状に硬化させて三次元造形物を作製する三次元造形装置による三次元造形方法において、樹脂槽に配置され上記樹脂槽の光照射可能時間を記録する少なくとも１つの記録手段から、上記樹脂槽の光照射可能時間を読み込む読込工程と、三次元造形の際に上記樹脂槽に対して照射する所定の画像たる三次元造形物の断面形状の画像データより、三次元造形物を作製するために照射する光の合計照射時間を算出する第１の算出工程と、上記樹脂槽の光照射可能時間と上記合計照射時間とに基づいて新たな上限照射時間を算出する第２の算出工程と、上記記録手段に記録された上記樹脂槽の光照射可能時間を、上記新たな上限照射時間に書き換える書換工程とを有するようにした。

本発明は、以上説明したように構成されているので、三次元造形物の造形開始前に樹脂槽が使用可能であるか否かを確認することができるようになるという優れた効果を奏する。

図１（ａ）は、本発明による三次元造形装置の実施の形態の一例を示した概略構成説明図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すＩＢ矢印方向から三次元造形装置を見た場合の概略構成矢視説明図である。 図２は、本発明による三次元造形装置を制御するマイクロコンピューターの機能的構成の一例を示したブロック構成説明図である。 図３（ａ）は、本発明による三次元造形装置において作成される一層分の画像データの一例を示す概念説明図であり、図３（ｂ）は、本発明による三次元造形装置において作成される一層分の造形マップの一例を示す概念説明図である。 図４（ａ）は、本発明による三次元造形装置において算出される合計照射時間を示す概念説明図であり、図４（ｂ）は、本発明による三次元造形装置において作成される上限照射時間マップの一例を示す概念説明図であり、図４（ｃ）は、本発明による三次元造形装置において作成される更新上限照射時間マップの一例を示す概念説明図である。 図５（ａ）（ｂ）は、本発明による三次元造形装置において作成される上限照射時間マップの一例を示す概念説明図である。 図６（ａ）（ｂ）は、本発明による三次元造形装置における樹脂槽の変形例を示した概略構成説明図である。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明による三次元造形装置および三次元造形方法の実施の形態の一例について詳細に説明する。

なお、本実施の形態においては、吊り上げ積層構造方式の三次元造形装置について説明する。

図１（ａ）（ｂ）を参照しながら説明すると、三次元造形装置１０は、基台となるベース部材２８と、ベース部材２８の上面にＹ軸方向に沿って延設される一対のガイドレール１４と、透光板より形成される底面１２ａを有し、内部に光の照射により硬化する光硬化性樹脂を貯留可能なアクリル樹脂などの材料よりなる槽であって、ガイドレール１４のレール部１４ａに沿って着脱自在にベース部材２８の上面に配設される樹脂槽１２と、樹脂槽１２の側面部に配設されて樹脂槽１２が光を照射される時間である光照射可能時間を記録するＩＣタグ１２ｂと、一方のガイドレール１４内に埋め込まれるように配設されてＩＣタグ１２ｂに記録された情報の読み込み、および、情報の書き換えを行うＩＣタグリーダライター１６と、ベース部材２８内に配設され、樹脂槽１２の底面１２ａへ三次元造形物の断面形状を示す画像データを投影するプロジェクタ２０と、ベース部材２８内に配設され、プロジェクタ２０が照射する光を樹脂槽１２の底面１２ａに照射するように光を屈折させるミラー１８と、樹脂槽１２まで降下した状態で、樹脂槽１２において光照射されるとその下面側に有する造形面２２ａにおいて光硬化性樹脂が硬化するものであって、造形面２２ａに硬化した光硬化性樹脂を保持したまま昇降可能な造形物保持部２２と、樹脂槽１２の後方側の領域にＺ軸方向に沿って立設され、造形物保持部２２をＺ軸方向に移動可能に保持する立設部材２４と、三次元造形装置１０の全体の動作を制御するマイクロコンピューター２６とを有して構成されている。

なお、造形物保持部２２および造形物保持部２２を支持する立設部材２４の機構については、従来より公知の技術であるため、その詳細な説明は省略することとする。

より詳細には、樹脂槽１２に備えられたＩＣタグ１２ｂには、樹脂槽１２が光照射に耐久可能な光照射可能時間が予め記録されている。なお、光照射に耐久可能な光照射可能時間とは、樹脂槽１２が白濁することによる三次元造形の失敗を招くことなく三次元造形を行うことが可能な樹脂槽１２固有の光照射可能時間を意味するものであり、以下、本明細書においては、「上限光照射時間」と適宜に称することとする。

こうした上限光照射時間は、樹脂槽によって異なるものであるため、それぞれの樹脂槽に配設されたＩＣタグに上限光照射時間が記録されており、後述するように、その記録内容を更新することが可能である。

ＩＣタグリーダライター１６は、ＩＣタグ１２ｂが有する情報を、非接触で読み取り、書き込みを行うことが可能なリーダー／ライター装置により構成され、ＩＣタグ１２ｂより上限光照射時間を取得し、取得した上限光照射時間をマイクロコンピューター２６へ通知する。

また、マイクロコンピューター２６においては、三次元造形物の作製に必要な合計照射時間と、三次元造形を行った場合の新たな上限光照射時間とを算出し、新たな上限光照射時間をマイクロコンピューター２６からＩＣタグリーダライター１６へ通知する。そして、ＩＣタグリーダライター１６において、上記新たな上限光照射時間をＩＣタグ１２ｂに書き込み、ＩＣタグ１２ｂの情報を更新することが可能である。

上記ＩＣタグリーダライター１６により得られた樹脂槽１２の上限光照射時間にもとづいて、マイクロコンピューター２６は以下に説明するように三次元造形装置１０を制御する。

次に、図２を参照しながらマイクロコンピューター２６の構成について説明すると、マイクロコンピューター２６は、作製する三次元造形物の断面形状より後述する画像データを作成する画像データ作成部２６ａと、作成する三次元造形物のすべての画像データについて、画像データごとに後述する造形マップを作成する造形マップ作成部２６ｂと、すべての造形マップの各ブロック（後述する。）ごとの照射時間の合計である合計照射時間を算出する照射時間算出部２６ｃと、上限照射時間マップ（後述する。）をＩＣタグ１２ｂより取得するＩＣタグ情報取得部２６ｄと、後述する更新上限照射時間マップを作成する上限照射時間算出部２６ｅと、樹脂槽１２内に三次元造形物を作製可能な領域が存在するか否かの判定を行う造形位置判定部２６ｆと、造形位置判定部２６ｆの判定結果に基づいて警告する警告部２６ｇと、画像データに基づいた光をプロジェクタ２０から照射して三次元造形物の作製を実行する造形処理実行部２６ｈと、ＩＣタグリーダライター１６へＩＣタグ１２ｂの変更指示を行うＩＣタグ情報変更指示部２６ｉとを有する。

以上の構成において、プロジェクタ２０から画像データを一層分ずつ樹脂槽１２の底面１２ａの光照射可能な範囲に繰り返し投影し、すべての層の画像データの投影を行うことにより三次元造形物を作製する。

次に、図３、図４および図５を参照しながら三次元造形装置１０により三次元造形物を作製する際の作製手順について説明すると、マイクロコンピューター２６に三次元造形データが入力されると、マイクロコンピューター２６の制御により以下に説明する各処理が実行される。

また、本実施の形態においては、本発明の理解を容易にするために、一層分の三次元造形を行うために樹脂槽１２に照射される時間を１５秒とし、また、造形する層は３層であるものとする。

まず、画像データ作成部２６ａにおいて、三次元造形データに基づいて画像データが作成される。

ここで、画像データ作成部２６ａにおいて作成される画像データは、プロジェクタ２０より樹脂槽１２に投影される三次元造形物の断面形状を示す画像である。図３（ａ）に、一層分の画像データを示している。図３（ａ）に示す画像の形状が、樹脂槽１２に対して投影される。即ち、画像の形状が、樹脂槽１２に対して光照射される領域の形状であり、画像の形状以外の領域については、樹脂槽１２に対して光が照射されない。

次に、造形マップ作成部２６ｂにおいて、画像データ作成部２６ａにおいて作成された画像データについて、一層ごとに対応する造形マップを作成する。

ここで、造形マップとは、画像データと同一の面積を有する領域を所定の面積のブロックごとに分割して、各ブロックごとの光照射時間をまとめたデータであって、作製する三次元造形物の各層の画像データについて対応する造形マップがそれぞれ作成される。図３（ｂ）に、一層分の造形マップを示している。

即ち、一層分の造形マップは、一層分の画像データの内容に基づいて当該画像データに対応して作成され、画像データ上の画像を有する領域に対応する位置に存在するブロックに対しては一層分の光照射時間である１５秒を割り当てられて記録し、画像がない領域に対応する位置に存在するブロックに対しては光照射時間は０秒であると記録するように作成される。

次に、照射時間算出部２６ｃにおいて、作成されたすべての層の造形マップの各ブロックに記録された照射時間を各ブロックごとに合計し、合計照射時間を算出する。

ここでは、図４（ａ）に示すように、すべての造形マップについて、それぞれの造形マップの対応するブロックごとに合計照射時間を算出する。

例えば、図３（ａ）に示す画像データを樹脂槽１２に対して３回投影する場合、図３（ｂ）に示す一層分の造形マップによれば、各層ごとに画像の形状を有する領域に対応する位置に存在するブロックについて１５秒投影するものであるから、３回投影する場合には合計照射時間が４５秒となり、他の領域のブロックについては合計照射時間が０秒となる。

次に、ＩＣタグ情報取得部２６ｄにおいて、ＩＣタグ１２ｂより樹脂槽１２の上限照射時間マップを取得する。

ここで、上限照射時間マップとは、造形マップの領域に対応する樹脂槽１２の底面１２ａの領域を、造形マップにおけるブロックと対応するようにその面積と同一の面積のブロックごとに分割して、各ブロックごとの上限照射時間を示すものである。

本実施の形態においては、樹脂槽１２は未だ光照射が行われていない初期状態であるものとし、初期状態の上限照射時間マップは、すべてのブロックの上限照射時間が６０秒であるものとする（図４（ｂ）を参照する。）。

次に、上限照射時間算出部２６ｅにおいて、ＩＣタグ情報取得部２６ｄにより取得された上限照射時間マップについて、造形マップにより得られた合計照射時間を反映して、新たな上限照射時間を算出し、新たな上限照射時間マップ（更新上限照射時間マップ）を作成する処理が行われる。

即ち、ＩＣタグ１２ｂに記録されていた上限照射時間マップの上限照射時間から、造形マップにより得られた合計照射時間が差し引かれ、新たな上限照射時間を算出し、図４（ｃ）に示す更新上限照射時間マップが作成される。

こうした更新上限照射時間マップにおいて記録されている時間は、樹脂槽１２に光照射可能な残り時間を表している。

例えば、図４（ｃ）に示す例においては、上限照射時間が６０秒のブロックと１５秒のブロックとが存在するが、いずれのブロックにおいても照射可能時間がプラス値として残っていることから、図３（ａ）に示す画像データを用いて樹脂槽１２に対して光照射可能である。

一方、更新上限照射時間マップで、照射可能時間がマイナス値になるブロックが存在する場合には、樹脂槽１２の底面１２ａにおいてそのブロックに対応する領域には光照射することができないことを意味する。

次に、造形位置判定部２６ｆにおいて、更新上限照射時間マップについて、照射可能時間がマイナス値になっているブロックの有無を確認する。

図４（ｃ）に示す上限照射時間マップの例においては、上記において説明したように、すべてのブロックにおいて照射可能時間が残っているため、すべての領域において三次元造形が可能と判定される。この場合、続いて、造形処理実行部２６ｈにおいて造形処理が実行され、三次元造形物が作製される。

一方、図５（ａ）に示す更新上限照射時間マップの例のように、上限照射時間マップ上において、三次元造形物を造形しようとしている位置（以下、適宜に「造形予定位置」と称する。）に上限照射時間がマイナス値のブロック、即ち、照射可能時間が上限に達しているブロックがある場合、その領域を造形可能でない領域として、その他の領域で造形可能な領域が存在するか否かを判定する。

ここでは、例えば、図５（ｂ）に示す領域ａや領域ｂなどを造形可能な領域として判定する。

また、更新上限照射時間マップ上の多くのブロックの照射時間が上限に達しているなどして造形可能な領域を確保できないときは、造形可能な領域がないものと判定する。

次に、警告部２６ｇにおいて、造形位置判定部２６ｆの判定結果に基づいて、警告が表示される。

造形位置判定部２６ｆにおいて、造形予定位置が造形可能でない領域であると判定され、その他の領域に造形可能な領域が存在すると判定された場合、警告部２６ｇにおいて、判定結果として、造形可能な他の領域に造形位置を変更するよう警告が表示される。即ち、ユーザーに対して、図６（ｂ）に示す領域ａまたは領域ｂなどの領域へ造形位置を変更するように促す。

造形位置の変更が行われると、造形処理実行部２６ｈにおいて造形処理が実行され、ユーザーにより決定された造形位置において三次元造形物を造形する処理が行われる。

一方、造形位置判定部２６ｆにおいて、造形予定位置が造形可能でない領域であり、かつ、その他の領域に造形可能な領域が存在しないと判定された場合、警告部２６ｇにおいて、判定結果として樹脂槽１２を変更するように警告を表示する。

ＩＣタグ情報変更指示部２６ｉは、上記新たな上限照射時間を示す更新上限照射時間マップをＩＣタグ１２ｂに書き込むために、ＩＣタグリーダライター１６に更新上限照射時間マップが通知される。

ＩＣタグリーダライター１６は、更新上限照射時間マップによりＩＣタグ１２ｂに記録される上限照射時間マップを書き換える。

こうしてＩＣタグ１２ｂに書き換えられた上限照射時間マップが、次の造形の際に参照されることとなる。

以上において説明したように、本発明による三次元造形装置および三次元造形方法においては、樹脂槽１２にＩＣタグ１２ｂを搭載するようにし、樹脂槽１２の上限照射時間を管理可能であるようにした。

これにより、本発明による三次元造形装置および三次元造形方法においては、三次元造形物の造形開始前に樹脂槽１２が使用可能であるか否かを確認することができるようになる。

なお、上記した実施の形態においては、１つの樹脂槽１２に対して１つのＩＣタグ１２ｂを設けて管理するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、１つの樹脂槽に対して２つ以上のＩＣを設けるようにしてもよい。

図６（ａ）（ｂ）には、本発明による三次元造形装置の変形例である樹脂槽１０２を図１に示すＶＩ矢印方向から見た場合の概略構成説明図を示している。

樹脂槽１０２は、２つの領域Ａおよび領域Ｂを有する点と、領域Ａに対応するＩＣタグ１０２ａおよび領域Ｂに対応するＩＣタグ１０２ｂを有する点とにおいて、樹脂槽１２ｂと異なる。

ＩＣタグ１０２ａは、領域Ａの上限照射時間マップを記録しており、ＩＣタグ１０２ｂは、領域Ｂの上限照射時間マップを記録している。

樹脂槽１０２を用いて三次元造形を行う際は、はじめに、一方の領域に対して造形を行うようにする。例えば、領域Ａにおいて造形を行い、領域Ａが上限照射時間に達すると使用可能でなくなるため、樹脂槽１０２を反転させて領域ＢがＹ軸方向における後方側に位置するように向きをかえる。そして、領域Ｂにおいて造形を行い、領域Ｂが上限照射時間に達すると領域Ｂも使用可能でなくなるため、樹脂槽１０２を交換する。

即ち、樹脂槽１０２によれば、樹脂槽１０２全体を交換する回数が減少することとなる。

本発明は、吊り上げ積層構造方式の三次元造形装置および三次元造形方法に用いることができる。

１０ 三次元造形装置、１２、１０２ 樹脂槽、１２ａ 底面、１２ｂ、１０２ａ、１０２ｂ ＩＣタグ、１４ ガイドレール、１６ ＩＣタグリーダライター、１８ ミラー、２０ プロジェクタ、２２ 造形物保持部、２２ａ 造形面、２４ 立設部材、２６ マイクロコンピューター、２８ ベース部材

Claims (2)

1. 液体状態の光硬化性樹脂を貯留する樹脂槽の底面に光を透過する透光板を配置し、前記透光板の下方側に備えた光照射手段により所定の画像を照射し、前記樹脂槽内の前記光硬化性樹脂を前記所定の画像の形状に硬化させて三次元造形物を作製する三次元造形装置において、
   樹脂槽に配置され前記樹脂槽の光照射可能時間を記録する少なくとも１つの記録手段と、
   前記記録手段から前記樹脂槽の光照射可能時間を読み込む読込手段と、
   三次元造形の際に前記樹脂槽に対して照射する所定の画像たる三次元造形物の断面形状の画像データより、三次元造形物を作製するために照射する光の合計照射時間を算出する第１の算出手段と、
   前記樹脂槽の光照射可能時間と前記合計照射時間とに基づいて新たな上限照射時間を算出する第２の算出手段と、
   前記記録手段に記録された前記樹脂槽の光照射可能時間を、前記新たな上限照射時間に書き換える書換手段と
   を有することを特徴とする三次元造形装置。
2. 液体状態の光硬化性樹脂を貯留する樹脂槽の底面に光を透過する透光板を配置し、前記透光板の下方側に備えた光照射手段により所定の画像を照射し、樹脂槽内の光硬化性樹脂を前記所定の画像の形状に硬化させて三次元造形物を作製する三次元造形装置による三次元造形方法において、
   樹脂槽に配置され前記樹脂槽の光照射可能時間を記録する少なくとも１つの記録手段から、前記樹脂槽の光照射可能時間を読み込む読込工程と、
   三次元造形の際に前記樹脂槽に対して照射する所定の画像たる三次元造形物の断面形状の画像データより、三次元造形物を作製するために照射する光の合計照射時間を算出する第１の算出工程と、
   前記樹脂槽の光照射可能時間と前記合計照射時間とに基づいて新たな上限照射時間を算出する第２の算出工程と、
   前記記録手段に記録された前記樹脂槽の光照射可能時間を、前記新たな上限照射時間に書き換える書換工程と
   を有することを特徴とする三次元造形方法。