JP6557563B2 - 三次元造形装置 - Google Patents

Description

本発明は、三次元造形物を造形する三次元造形装置に関する。

従来より、可視光または紫外光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三次元造形物を造形する三次元造形装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような三次元造形装置により三次元造形物を造形するには、まず造形物保持板を下降させ、槽に貯留された光硬化性樹脂に浸漬させる。そして、光硬化性樹脂を貯留する槽に対して光学装置により光を照射する。これにより、光を受けた光硬化性樹脂が硬化し、一層目の樹脂層が形成される。その後、造形物保持板が上方に移動し、当該造形物保持板の移動により生じた、前記樹脂層と槽との隙間に光硬化性樹脂が流れ込む。この光硬化性樹脂に対して光学装置により光が照射されると、光を受けた光硬化性樹脂が硬化し、一層目の樹脂層上に二層目の樹脂層が形成される。以後、同様の動作が繰り返され、所望の形状を有する三次元造形物が造形される。

特開２０１０−８９３６４号公報

ところで、例えば三次元造形物を造形ヘッドにより造形し、インクヘッドにより当該三次元造形物に対して着色を行う三次元造形装置がある。しかしながら、このような三次元造形装置では、液滴により造形物を形成するため、液滴と液滴との間に隙間が生じてしまう。特に、層と層との境界においては大きな段差が生じている場合があり、境界付近の着色は困難であった。そのため、三次元造形物の品質を向上することが求められていた。また、三次元造形物の処理速度をより上げることができる三次元造形装置が望まれている現状があった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、三次元造形物の品質を向上することができ、処理速度を上げることができる三次元造形装置を提供することである。

本発明に係る三次元造形装置は、光の照射により硬化する液体の光硬化性樹脂を用いて三次元造形物を造形する三次元造形装置であって、前記光硬化性樹脂を貯留し、少なくとも底部が光透過性材料で形成された樹脂槽と、前記樹脂槽の下方に配置され、前記樹脂槽の前記底部を介して前記光硬化性樹脂に光を照射する第１光学装置と、前記樹脂槽の上方に配置され、下降したときに前記樹脂槽内の前記光硬化性樹脂に浸漬し、上昇するときに前記光が照射されて前記光硬化性樹脂が仮硬化した光硬化性樹脂層を吊り上げて保持する樹脂層保持部材と、前記樹脂層保持部材を昇降させる第１駆動部と、前記樹脂層保持部材を水平移動させる第２駆動部と、前記第１駆動部の動作および前記第２駆動部の動作をそれぞれ制御する制御装置と、光硬化型インクを吐出するインクヘッドと、光透過性材料で形成され、前記インクヘッドにより吐出された前記光硬化型インクを受け、前記光硬化型インクが前記第１光学装置または他の光学装置からの光により仮硬化して形成されたインク層を保持する転写部材と、を備え、前記制御装置は、前記仮硬化した状態の前記インク層を保持する前記転写部材に対して前記仮硬化した状態の前記光硬化性樹脂層を保持する前記樹脂層保持部材を相対的に移動させて前記仮硬化した状態の前記光硬化性樹脂層を前記仮硬化した状態の前記インク層に押し付けることにより前記光硬化性樹脂層に前記インク層を転写するように構成されている。

本発明に係る三次元造形装置によれば、光硬化性樹脂層が光の照射により仮硬化状態となり、インク層が光の照射により仮硬化状態となる。そして、仮硬化された光硬化性樹脂層に仮硬化されたインク層が転写される。これによって、光硬化性樹脂層にインク層を浸透させることができる。これにより、光硬化性樹脂層に対する着色を品質良く行うことができ、また仮硬化状態の光硬化性樹脂層に対して仮硬化状態のインク層が馴染み易く迅速に着色を行うことができるので処理速度が上がる。さらに、本発明では光硬化性樹脂層ごとにインク層が転写される。これにより、複数の光硬化性樹脂層の積層体である三次元造形物に対する着色を品質良く行うことができる。以上により、造形の処理速度を上げつつ、三次元造形物の品質を向上することができる。

本発明によれば、三次元造形物の品質を向上することができ、処理速度を上げることができる三次元造形装置を提供することが可能である。

本発明の一実施形態に係る三次元造形装置の斜視図である。 本発明の一実施形態に係る光硬化性樹脂を仮硬化させるときの状態を示す図である。 本発明の一実施形態に係る光硬化性樹脂層にインク層を転写させて各層を本硬化させるときの状態を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る本硬化を行う状態を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る転写部材の図である。 本発明の他の実施形態に係る転写部材の図である。

以下、本発明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において、符号Ｆ、Ｒｅ、Ｌ、Ｒ、Ｕ、Ｄは、それぞれ前、後、左、右、上、下を表している。以下の説明では、左、右、上、下とは、図１の三次元造形装置１００の正面にいる作業者から見た左、右、上、下をそれぞれ意味することとする。また、図１の三次元造形装置１００から上記作業者に近づく方を前方、遠ざかる方を後方とする。但し、これらは説明の便宜上の方向に過ぎず、本実施形態に係る三次元造形装置１００の設置態様を何ら限定するものではない。

図１に示すように、三次元造形装置１００は、例えばデスクトップサイズの箱型に形成されている。三次元造形装置１００は、本体部１、複数の脚部２と、カバー部３とを備えている。本体部１は筐体である。本体部１の内方には、後で述べる樹脂槽や光学装置などが設けられている。脚部２は、本体部１の底部の四隅に設けられている。カバー部材３は、例えば透明素材により形成されている。カバー部材３は、本体部１の内部空間を閉鎖する位置（図１の状態の位置）と、上方に向けて開くことにより前記内部空間を開放する位置との間で回動自在に設けられている。造形時には、カバー部材３は閉じられた状態となる。造形後には、カバー部材３が開けられ、本体部１の内方より三次元造形物が取り出される。

図２に示すように、三次元造形装置１００の本体部１（図１参照）には、樹脂槽４と、光学装置５と、樹脂層保持部材６と、駆動部７ａ，７ｂと、制御装置８と、インクヘッド９と、転写部材１０と、駆動部１１と、駆動部１２ａ，１２ｂと、が設けられている。なお、三次元造形装置１００の本体部１には、光学装置５により出射された光を反射して樹脂槽４内の液体状の光硬化性樹脂Ｒに照射する図示しないミラーがさらに設けられている。なお、駆動部７ａ，７ｂとしては、例えばステッピングモータ等の各種モータを用いればよい。駆動部１１および駆動部１２ａ，１２ｂも同様である。

樹脂槽４は、平面視において矩形状の容器である。樹脂槽４には、液体状の光硬化性樹脂Ｒが貯留されている。光硬化性樹脂Ｒとは、光を照射することにより硬化することが可能な樹脂のことである。樹脂槽４の底部４ａは、光透過性材料で形成されている。この光透過性材料として、例えば透明な樹脂またはガラス等を採用すればよい。本実施形態では、樹脂槽４の底部４ａは、透明なアクリル樹脂で形成されている。なお、樹脂槽４の全てを光透過性材料により形成してもよい。樹脂槽４の底部４ａに、光硬化性樹脂Ｒが固着してしまうことを抑制するシリコン層などの層が設けられていてもよい。

光学装置５は、例えばプロジェクタである。光学装置５は、光を発する光源であれば、プロジェクタに限定されるものではない。光学装置５は、例えば紫外光などの光を出射する。光学装置５は、樹脂槽４の下方に配置されている。光学装置５は、樹脂槽４の底部４ａを介して光硬化性樹脂Ｒに光を照射する。詳細には、光学装置５は、後述するように、樹脂層保持部材６が樹脂槽４内の光硬化性樹脂Ｒに浸漬し、上昇するときに樹脂層保持部材６の近傍の光硬化性樹脂Ｒに対して光を照射する。この際、上述のミラーの角度が適宜変更されることにより、光の照射位置が適宜変更され、所望の形状の光硬化性樹脂層ＲＳが形成されるようになっている。光学装置５には、駆動部１１が接続されている。光学装置５は、駆動部１１により樹脂槽４の下方の位置と転写部材１０の下方の位置との間で移動可能に構成されている。

樹脂層保持部材６は、例えば板状に形成されている。樹脂層保持部材６は、平面視において例えば矩形状に形成されている。樹脂層保持部材６は、光硬化性樹脂層ＲＳの形成時には樹脂槽４の上方に配置されている。樹脂層保持部材６には、駆動部７ａ，７ｂが接続されている。樹脂層保持部材６は、駆動部７ａにより昇降自在に構成され、駆動部７ｂにより水平方向に移動自在に構成されている。樹脂層保持部材６は、光硬化性樹脂層ＲＳを保持する。詳細には、樹脂層保持部材６は、樹脂槽４に向かって下降したときに当該樹脂槽４内の光硬化性樹脂Ｒに浸漬し、その状態から上昇するときに光学装置５からの光により仮硬化した光硬化性樹脂を吊り上げて光硬化性樹脂層ＲＳとして保持する。つまり、光硬化性樹脂層ＲＳは、樹脂層保持部材６の下面に接触している。上記の仮硬化とは、光硬化性樹脂層ＲＳを後述のインク層ＩＳに押し付けた際に、当該光硬化性樹脂層ＲＳとインク層ＩＳとが互いに接合される状態にあることをいう。

制御装置８は、コンピュータで構成されている。制御装置８は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、当該中央演算処理装置が実行するプログラムを格納したＲＯＭ、ＲＡＭなどとを備えている。制御装置８は、駆動部７ａ，７ｂの動作、駆動部１１の動作および駆動部１２ａ，１２ｂの動作をそれぞれ制御する。また、制御装置８は、光学装置５による光の照射および非照射を制御する。さらに、本実施形態では、制御装置８は、光硬化性樹脂層ＲＳにインク層ＩＳを転写する際に、駆動部７ａ，７ｂの動作および駆動部１２ｂの動作をそれぞれ制御する。詳細については後述する。

インクヘッド９は、インク層ＩＳの形成時には転写部材１０の上方に設けられている。インクヘッド９には、駆動部１２ａ，１２ｂが接続されている。インクヘッド９は、駆動部１２ａにより昇降自在に構成され、駆動部１２ｂにより水平方向に移動自在に構成されている。インクヘッド９は、転写部材１０の上方の位置と、当該転写部材１０から樹脂槽４と逆側の方に離間した退避位置との間で移動するようになっている。インクヘッド９は、図示しないインクジェットノズルを備えている。インクヘッド９のインクジェットノズルは、光硬化型インクを吐出する。インクジェットノズルは、例えば４つの第１〜第４インクジェットノズルを含む。第１インクジェットノズルは、例えばイエロー（Ｙ）に着色されたインクを吐出する。第２インクジェットノズルは、例えばマゼンタ（Ｍ）に着色されたインクを吐出する。第３インクジェットノズルは、例えばシアン（Ｃ）に着色されたインクを吐出する。第４インクジェットノズルは、例えばブラック（Ｋ）に着色されたインクを吐出する。なお、インクヘッド９の側部には、残留インクを除去するブレード９ａが設けられている。

転写部材１０は、薄板状に形成されている。本実施形態では、転写部材１０はプレートである。転写部材１０は、光透過性材料により形成されている。この光透過性材料として、例えば透明な樹脂またはガラス等を採用すればよい。本実施形態では、転写部材１０は、透明なアクリル樹脂で形成されている。転写部材１０は樹脂槽４の側方に設ければよい。図２に示すように、転写部材１０は樹脂槽４の右方に設けられている。転写部材１０の上面には、インクヘッド９により光硬化型インクが吐出される。転写部材１０に吐出された光硬化型インクは、光学装置５により光が照射されることにより仮硬化する。これにより、転写部材１０上にインク層ＩＳが形成される。上記の仮硬化とは、インク層ＩＳに光硬化性樹脂層ＲＳが押し付けられた際に、当該インク層ＩＳと光硬化性樹脂層ＲＳとが互いに接合される状態にあることをいう。

続いて、三次元造形装置１００において三次元造形物を造形する流れについて説明する。図２に示すように、まず、駆動部７ａにより樹脂層保持部材６を樹脂槽４内の光硬化性樹脂Ｒに浸漬させ、この状態から樹脂層保持部材６を上昇させる。この際に、光学装置５により光を光硬化性樹脂Ｒに対して照射する。照射時間は、例えば５秒〜１５秒である。これにより、光を受けた光硬化性樹脂Ｒは仮硬化し、光硬化性樹脂層ＲＳが形成される。この光硬化性樹脂層ＲＳは、樹脂層保持部材６に保持された状態で樹脂槽４の上方に吊り上げられる。このような光硬化性樹脂槽ＲＳを形成している間に、仮硬化状態のインク層ＩＳを形成するようにする。詳しくは、インクヘッド９により転写部材１０上に光硬化型インクが吐出される。そして、転写部材１０上の光硬化型インクに対して光を照射することにより、転写部材１０上に仮硬化した状態のインク層ＩＳを形成する。照射時間は、例えば１秒〜２秒である。

続いて、図３に示すように、転写部材１０の上方に配置されたインクヘッド９を駆動部１２ｂにより当該転写部材１０の上方の位置から水平移動させて退避させる。その後、光硬化性樹脂層ＲＳを保持した樹脂層保持部材６を駆動部７ｂにより転写近接位置Ｐに向けて水平移動させた後、駆動部７ａにより当該樹脂層保持部材６を下降させることによって、光硬化性樹脂層ＲＳをインク層ＩＳに押し付ける。これにより、光硬化性樹脂層ＲＳにインク層ＩＳを転写する。この際、樹脂層保持部材６は、光硬化性樹脂層ＲＳの下面がインク層ＩＳの上面に接触してから当該インク層ＩＳの厚み未満の距離を下降するように制御される。これにより、樹脂層保持部材６がインク層ＩＳの厚み以上の距離を下降することに起因して光硬化性樹脂層ＲＳおよびインク層ＩＳがそれぞれ潰れてしまうようなことを防ぐことができる。

上記のような転写が終了すると、続いて、インク層ＩＳが転写された光硬化性樹脂層ＲＳに対して光学装置５により光が照射される。照射時間は、例えば５秒〜２０秒である。これにより、光硬化性樹脂層ＲＳおよびインク層ＩＳがそれぞれ本硬化する。これによって、三次元造形物の一層目の層が形成されることとなる。以上のような造形処理を層ごとに繰り返す。これにより、所望形状の複数の層で構成された三次元造形物を造形することができる。

以上のように、本実施形態によれば、光の照射により光硬化性樹脂層ＲＳが仮硬化状態にされ、光の照射によりインク層ＩＳが仮硬化状態にされる。そして、仮硬化された光硬化性樹脂層ＲＳに仮硬化されたインク層ＩＳが転写される。これによって、光硬化性樹脂層ＲＳにインク層ＩＳを浸透させることができる。これにより、光硬化性樹脂層ＲＳに対する着色を品質良く行うことができ、また仮硬化状態の光硬化性樹脂層ＲＳに対して仮硬化状態のインク層ＩＳが馴染み易く迅速に着色を行うことができるので処理速度が上がる。さらに、光硬化性樹脂層ＲＳごとにインク層ＩＳが転写される。これにより、複数の光硬化性樹脂層ＲＳの積層体である三次元造形物に対する着色を品質良く行うことができる。以上により、造形の処理速度を上げつつ、三次元造形物の品質を向上することができる。

また、本実施形態によれば、光硬化性樹脂層ＲＳにインク層ＩＳを転写した後、当該インク層ＩＳおよび光硬化性樹脂層ＲＳをそれぞれ本硬化させることにより、インク層ＩＳと光硬化性樹脂層ＲＳとを接合することができる。また、光硬化性樹脂Ｒに光を照射して当該光硬化性樹脂Ｒを仮硬化させる光学装置５を、光硬化性樹脂層ＲＳおよびインク層ＩＳをそれぞれ本硬化させる際にも用いることで、光硬化性樹脂Ｒを仮硬化させて光硬化性樹脂層ＲＳを形成するための光学装置と、光硬化性樹脂層ＲＳおよびインク層ＩＳをそれぞれ本硬化するための光学装置との２台を設ける必要がなく、コストアップを避けることができる。

また、本実施形態によれば、制御装置８は、光硬化性樹脂層ＲＳにインク層ＩＳを転写する前にインクヘッド９を退避させるように構成されている。これにより、樹脂層保持部材６に対するインクヘッド９の干渉を防ぐことができる。

また、本実施形態によれば、仮硬化は、光硬化性樹脂層ＲＳをインク層ＩＳに押し付けた際に当該光硬化性樹脂層ＲＳとインク層ＩＳとが接合される状態である。それにより、接合前に本硬化すなわち完全に硬化してしまうことによって光硬化性樹脂層ＲＳとインク層ＩＳとが接合されない状態となることを防ぐことができる。

また、本実施形態によれば、転写部材１０はプレートであるので、樹脂層保持部材６に保持された光硬化性樹脂層ＲＳをプレートにより保持されたインク層ＩＳに押し付け易くなる。このため、インク層ＩＳの転写を行い易くなる。

以上、本発明の実施形態について説明した。しかし、上述の実施形態は例示に過ぎず、本発明は他の種々の形態で以下のように実施することが可能である。

上記実施形態では、光学装置５により光硬化性樹脂Ｒに光を照射した後、光学装置５を転写部材１０の下方の位置に移動させ、光硬化型インクに光を照射することとしたが、これに限定されるものではない。光学装置５の位置を変更せずに、光硬化性樹脂Ｒに光を照射し得る位置であって且つ光硬化型インクに光を照射し得る位置に光学装置５を配置した状態で、当該光学装置５からの光の角度をミラーにより変更するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、光学装置５により光硬化性樹脂Ｒに光を照射した後、光学装置５を転写部材１０の下方の位置に移動させ、光硬化型インクに光を照射することとしたが、これに限定されるものではない。光学装置５を転写部材１０の下方の位置に移動させる代わりに、図４に示すように、光学装置５とは別の光学装置５０を転写部材１０の下方に設けるようにしてもよい。転写部材１０に吐出された光硬化型インクは、光学装置５０により光が照射されることにより仮硬化する。この場合、光学装置５により光硬化性樹脂Ｒを仮硬化する際の照射期間と、光学装置５０により光硬化型インクを仮硬化する際の照射期間とは、少なくとも一部重なるようにすることが好ましい。これによって、光学装置５によりまず光硬化性樹脂Ｒの仮硬化を行い、その後に光硬化型インクの仮硬化を行う場合に比べ、処理時間を短縮することができる。これにより、造形の処理速度をさらに上げることができる。

また、上記実施形態では、転写部材１０としてプレートを用いるようにしたが、これに限定されるものではない。図５に示すように、転写部材１０として、回転自在に構成されたローラ１３を採用してもよい。この場合、インク層ＩＳはローラ１３上に形成される。このような構成により、転写時にローラ１３を回転させながら、樹脂層保持部材６に保持された光硬化性樹脂層ＲＳにインク層ＩＳを接合し易くなる。これにより、インク層ＩＳの転写を行い易くなる。

また、上記実施形態では、転写部材１０としてプレートを用いるようにしたが、これに限定されるものではない。図６に示すように、転写部材１０として、支持部材１６，１７に支持されたフィルム１５を採用してもよい。この場合、インク層ＩＳはフィルム１５上に形成される。このような構成により、転写時に、樹脂層保持部材６に保持された光硬化性樹脂層ＲＳを万一インク層ＩＳに押し付け過ぎた場合でも、上記フィルム１５が弾性変形を行うことにより上記押し付けの力を吸収することができる。これにより、光硬化性樹脂層ＲＳおよびインク層ＩＳがそれぞれ押し潰されることを防ぐことができる。

また、上記実施形態では、転写時に、樹脂層保持部材６を移動させることにより光硬化性樹脂層ＲＳをインク層ＩＳに押し付けるように構成したが、これに限定されるものではない。インク層ＩＳを保持した転写部材１０を樹脂層保持部材６に保持された光硬化性樹脂層ＲＳに向けて移動させることにより、当該インク層ＩＳを光硬化性樹脂層ＲＳに押し付けるようにして転写してもよい。

４ 樹脂槽
４ａ 樹脂槽の底部
５ 光学装置（第１光学装置）
６ 樹脂層保持部材
７ａ 駆動部（第１駆動部）
７ｂ 駆動部（第２駆動部）
８ 制御装置
９ インクヘッド
１０ 転写部材
１１ 駆動部（第３駆動部）
１２ａ 駆動部
１２ｂ 駆動部（第４駆動部）
１３ ローラ（転写部材）
１５ フィルム（転写部材）
５０ 光学装置（第２光学装置）
１００ 三次元造形装置
ＩＳ インク層
Ｒ 光硬化性樹脂
ＲＳ 光硬化性樹脂層

Claims (8)

1. 光の照射により硬化する液体の光硬化性樹脂を用いて三次元造形物を造形する三次元造形装置であって、
   前記光硬化性樹脂を貯留し、少なくとも底部が光透過性材料で形成された樹脂槽と、
   前記樹脂槽の下方に配置され、前記樹脂槽の前記底部を介して前記光硬化性樹脂に光を照射する第１光学装置と、
   前記樹脂槽の上方に配置され、下降したときに前記樹脂槽内の前記光硬化性樹脂に浸漬し、上昇するときに前記光が照射されて前記光硬化性樹脂が仮硬化した光硬化性樹脂層を吊り上げて保持する樹脂層保持部材と、
   前記樹脂層保持部材を昇降させる第１駆動部と、
   前記樹脂層保持部材を水平移動させる第２駆動部と、
   前記第１駆動部の動作および前記第２駆動部の動作をそれぞれ制御する制御装置と、
   光硬化型インクを吐出するインクヘッドと、
   光透過性材料で形成され、前記インクヘッドにより吐出された前記光硬化型インクを受け、前記光硬化型インクが前記第１光学装置または他の光学装置からの光により仮硬化して形成されたインク層を保持する転写部材と、を備え、
   前記制御装置は、前記仮硬化した状態の前記インク層を保持する前記転写部材に対して前記仮硬化した状態の前記光硬化性樹脂層を保持する前記樹脂層保持部材を相対的に移動させて前記仮硬化した状態の前記光硬化性樹脂層を前記仮硬化した状態の前記インク層に押し付けることにより前記光硬化性樹脂層に前記インク層を転写するように構成されている、三次元造形装置。
2. 前記樹脂槽の下方の位置と前記転写部材の下方の位置との間で前記第１光学装置を移動させる第３駆動部をさらに備え、
   前記制御装置は、前記第３駆動部を制御することによって、前記第１光学装置を前記転写部材の下方の位置に移動させ、
   前記第１光学装置は、前記インク層が転写された前記光硬化性樹脂層に光を照射することにより前記インク層および前記光硬化性樹脂層をそれぞれ本硬化させるように構成されている、請求項１に記載の三次元造形装置。
3. 前記転写部材の下方に前記他の光学装置として配置され、前記転写部材に吐出された前記光硬化型インクに光を照射する第２光学装置をさらに備え、
   前記第１光学装置により前記光硬化性樹脂に光を照射して当該光硬化性樹脂を仮硬化する際の照射期間と、前記第２光学装置により前記光硬化型インクに光を照射して当該光硬化型インクを仮硬化する際の照射期間とが、少なくとも一部重なっている、請求項１または２に記載の三次元造形装置。
4. 前記インクヘッドを前記転写部材に近接させまたは前記転写部材から離反させる第４駆動部をさらに備え、
   前記制御装置は、前記光硬化性樹脂層に前記インク層を転写する前に、前記第４駆動部により前記インクヘッドを退避させるように構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
5. 前記仮硬化とは、前記光硬化性樹脂層を前記インク層に押し付けた際に、前記光硬化性樹脂層と前記インク層とが接合される状態である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
6. 前記転写部材は、プレートである、請求項１〜５のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
7. 前記転写部材は、回転自在のローラである、請求項１〜５のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
8. 前記転写部材は、フィルムである、請求項１〜５のいずれか１項に記載の三次元造形装置。

Images