JP7092125B2 - 造形装置および光ヘッドユニット - Google Patents

Description

本技術は、規制液面法を用いて、材料の積層により３次元の造形物を形成する造形装置、また、これに用いられる光ヘッドユニットに関する。

特許文献１に記載の光造形装置は、規制液面法を利用して樹脂を積層して３次元の造形物を形成する造形装置である。具体的には、この光造形装置は、紫外線硬化樹脂を収容する収容容器を備え、その収容容器は紫外線硬化樹脂の液面を規制するガラス窓を有する。また、この光造形装置は位置規制機構を備える。位置規制機構は、ガラス窓に下方から力を加えてそのガラス窓の位置を規制することにより、ガラス窓の自重による下方へのたわみを防止する。これにより、ガラス窓が略平面になるため、硬化層の面精度が向上し、積層精度が向上する。（例えば、請求項１、明細書段落［００２９］参照。）。

特開2009-137048号公報

一般的に、規制液面法による造形法では、各層の造形終了ごとに規制面から硬化層を引き剥がす必要がある。各層の造形面積が大きくなるほど、引き剥がしに必要な力が大きくなる。この場合、造形物が崩れたり、造形物が台座（造形物が積層されていくステージ）から剥がれたりするおそれがあり、歩留まり低下につながる。

一方、引き剥がし作業に時間をかければそのような問題を抑えることができるが、その場合、造形速度が低下するという問題がある。

本開示の目的は、規制面からの材料の硬化層の引き剥がしを容易にし、造形速度を向上させた造形装置、またこれに用いられる光ヘッドユニットを提供することにある。

上記目的を達成するため、一形態に係る造形装置は、ステージと、規制体と、光照射部と、移動機構とを具備する。
前記ステージは、ステージ面を有する。
前記規制体は、前記ステージ面に対向する規制面を含む表面と、前記規制面に設けられた光触媒層とを有し、前記ステージ面に形成される造形物を構成する材料の積層方向での位置を前記規制面により規制する。
前記光照射部は、前記規制体の前記光触媒層を介して前記材料に光を照射する。
前記移動機構は、前記ステージと前記規制体とを相対的に移動させる。

規制面に光触媒層が設けられるので、光が光触媒層を介して材料に照射されることで光触媒層の表面に気体が発生する。その気体が材料の硬化を抑制するので、規制面からの硬化層の引き剥がしが容易になり、また、造形速度が向上する。

前記規制面は平面でなっていてもよい。

前記表面は、前記規制面以外の領域をさらに含み、前記規制面が前記規制面以外の領域より前記ステージに近い位置に配置されるように構成されていてもよい。そして、少なくとも前記規制面に前記光触媒層が設けられていてもよい。

できるだけ材料の規制範囲が狭い規制面により材料が規制されることにより、硬化した材料の引き剥がしをさらに容易にすることができる。

前記光照射部は、前記規制面と前記ステージとの間にある１次元状のスリット領域にある前記材料に、光を照射してもよい。

前記光触媒層は、異なる複数の材料による複数層構造でなっていてもよい。これにより、光触媒層における光の透過率を制御できるので、発生する気体量を制御できる。その結果、引き剥がしに要する力を選択的に設計できる。

前記光触媒層は、酸化チタンおよび酸化タンタルのうち少なくとも一方を含んでいてもよい。

前記光照射部は、450nm以下の波長を有する光を照射するように構成されていてもよい。

前記光触媒層の表面粗さは100μm以下であってもよい。

一形態に係る光ヘッドユニットは、上記造形装置に用いられ、上記規制体と、上記光照射部とを具備する。

以上、本技術によれば、規制面からの樹脂硬化層の引き剥がしが容易になり、造形速度が向上する。

なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。

図１は、実施形態１に係る造形装置を示す図である。 図２は、実施形態２の例１に係る造形装置の構成を示す。 図３は、実施形態２の例２に係る造形装置の構成を示す。 図４は、他の実施形態として実施形態３に係る光触媒層を示す拡大断面図である。

以下、本技術に係る実施形態を、図面を参照しながら説明する。

１．実施形態１

１．１）造形装置の構成

図１は、実施形態１に係る造形装置を示す図である。造形装置１００は、ステージ１７と、造形槽１９と、光ヘッドユニット４０とを備える。

造形槽１９は、造形物Ｐの材料となる液体の光硬化性樹脂Ｑを収容する。以下では、できる限り、光硬化性樹脂Ｑを単に「材料」と言う。溶媒および感光材の他、材料自身に機能性を付加する金属やセラミックス等の微粒子が、材料に混合されていてもよい。

ステージ１７は、造形物Ｐが形成される面であるステージ面１８を有する。ステージ１７は、少なくとも造形時には造形槽１９内に配置され、造形槽１９内に収容された材料に没している。

光ヘッドユニット４０は、ステージ１７のステージ面１８に対向して配置可能に構成される。光ヘッドユニット４０は、光源２２を有する光照射部２０を有する。

造形槽１９の上部の開口には、規制体１０が配置されている。規制体１０は、表面である規制面１３と、その規制面１３に設けられた光触媒層１５とを有する。規制体１０は、ステージ面１８に形成される造形物Ｐを構成する材料の位置（その積層方向での位置）をその規制面１３により規制する。規制面１３は、規制体１０の、ステージ面１８に対面する側、つまり下面側に設けられている。

本実施形態では、光触媒層１５が規制面１３の実質的に全面に設けられているが、ステージ１７の幅の範囲内で設けられていてもよい。

規制体１０は、例えば平板状に構成され、規制面１３は例えば平面に形成されている。規制体１０は、ガラス、アクリル等、光照射部２０からの光を実質的に透過する材料で構成される。規制面１３の一部に光触媒層１５が設けられる場合、光触媒層１５は、規制面１３のうち、光照射部２０からの光が透過する領域をカバーする範囲に設けられていればよい。

光触媒層１５は、例えば酸化チタン、または酸化タンタルを主成分とする材料により構成される。光触媒層１５の厚さは、特に限定されず、光の透過率、製造しやすさ、コスト等に合わせて最適な値に設定される。その厚さは、例えば数μm～1mmである。

光触媒層１５の表面粗さ（Rms）は、特に限定されないが、例えば数百μm以下に設定される。後述するように、材料の硬化層の積層ピッチが例えば数百μm以下とされるので、それ以下とされることが好ましい。より好ましくは100μm以下とされる。

光照射部２０は、規制体１０の光触媒層１５を介して、ステージ１７（あるいは硬化層）上の未硬化の材料に光を照射するように構成される。光は、赤外線、可視光線、または紫外線であり、限定されない。好ましくは、半導体製造におけるフォトリソグラフィ工程で用いられる光の波長である450nm以下のピーク波長を有する光が用いられる。

光照射部２０の光源２２としては、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）、ＬＤ（Laser Diode）、あるいはＣＣＦＬ（Cold Cathode Fluorescent Lighting(Lamp)）等が用いられる。

光照射部２０は、典型的にはライン光源を有する。ライン光源の長さ方向（そのラインに沿う方向）は、ステージ面１８に平行な面内の一方向であるｙ方向に一致する。そして造形装置１００は、そのステージ面１８に平行な面内において、ｙ方向に直交するｘ方向に光照射部２０を移動させるｘ移動機構３１を備える。ｘ移動機構３１により光照射部２０が走査されるごとに１層の材料の硬化層が形成される。

また、造形装置１００は、鉛直方向であるｚ方向にステージ１７を移動させるｚ移動機構３２を備える。ｚ方向は、硬化層の積層方向に一致する。１層の硬化層が形成されるごとに、ｚ移動機構３２がステージ１７を所定の距離だけ下降させていくことにより、硬化層が積層される。これにより、立体の材料の硬化物である造形物Ｐが形成される。その所定の距離、すなわち積層ピッチは、例えば数十μm～数百μmである。

ｘ移動機構３１およびｚ移動機構３２により「移動機構」が構成される。

１．２）光触媒層の作用

光照射部２０からの光が光触媒層１５を介して材料に照射されると、光触媒層１５から気体、例えば酸素が発生する。酸素が発生すると、光照射による材料の硬化作用を抑制する。その抑制度は酸素量による。光触媒層１５の表面に発生する酸素により材料の硬化作用は抑制されるが、その直下では、材料は、通常の光硬化作用により硬化する。

これにより、材料が硬化する時の、規制体１０に加えられる収縮力による規制面１３の歪みや撓みを抑制できる。また、規制体１０から材料の硬化層が引き剥がされる時に、規制面１３が硬化層から受ける張力を緩和できる。その結果、規制面１３（光触媒層１５）から硬化層が非常に剥がれやすくなる。

また、引き剥がしが容易になることにより、各硬化層の平面精度が高められ、各硬化層の厚さが高精度に制御される。これにより、精密な形状の造形物Ｐを製造することができる。

さらに、このように規制体１０からの硬化層の引き剥がしが容易になるので、造形速度を上げることができる。すなわち、速く引き剥がした場合に硬化した造形物Ｐが破損するという問題が解消されるので、歩留まりを高めつつ、造形速度を上げることができる。

本技術の比較例として、Carbon社のCLIP（Continuous Liquid Interface Production）技術がある。CLIP技術は、樹脂材料を収容する容器の外面側に酸素透過性材料の窓を設け、その窓を介して光を樹脂材料に照射する。その窓が規制面として機能する。この場合、容器の外面側に酸素透過性材料の窓が設けられるため、空気中の酸素が窓の全面を介して樹脂材料中に進入する。その結果、規制面からの硬化層の引き剥がしが不要になるため、造形速度は向上するが、樹脂材料の酸化が促進され、樹脂材料の劣化が早まる。したがって、樹脂材料を再利用できず、コスト高になる。

これに対し、本技術では、光を照射した領域だけ酸素が発生するので、照射領域周囲における光照射されていない樹脂の劣化を抑えることができる。本技術は、能動的に酸素を発生させる領域を選択できるという点で、上記比較例に対して有利である。

２．実施形態２

２．１）例１

次に、実施形態２に係る造形装置について説明する。これ以降の説明では、上記実施形態１に係る造形装置１００が含む部材や機能等について実質的に同様の要素については同一の符号を付し、その説明を簡略化または省略し、異なる点を中心に説明する。

図２は、実施形態２の例１に係る造形装置２００の構成を示す。光ヘッドユニット８０は、規制体５０と、光源２２を有する光照射部２０とを有する。例えば、図示しない支持部材や連結部材により、光照射部２０と規制体５０とが一体的に支持され、ｘ移動機構３１（図１参照）により一体的に移動可能に構成されている。

規制体５０の外面である表面５３には光触媒層１５が設けられている。表面５３は、規制面５３ａおよびそれ以外の領域５３ｂを含む。規制面５３ａが規制面以外の領域５３ｂよりステージ１７に近い位置に配置されるように、規制体５０は構成されている。具体的には、表面５３を含む規制面５３ａは曲面でなり、例えば規制体５０は、円筒形状の一部、例えば半円筒形状を有する。

光照射部２０は、規制面５３ａと、ステージ１７（またはステージ１７上の硬化層）との間にある１次元状のスリット領域にある材料に、光を照射する。この１次元方向は、半円筒形の規制体５０の軸方向、つまりｙ軸に沿う方向である。

本実施形態では、材料の規制範囲ができるだけ狭い規制面５３ａに限定される。これにより、硬化層と規制面５３ａとの密着領域の面積が小さくなり、規制面５３ａが受ける、材料の硬化時の収縮力の影響が小さくなる。その結果、高精度な造形物Ｐの製造が可能となる。また、その密着領域が小さいので、硬化した材料の引き剥がしをさらに容易にすることができ、造形速度が上がり、かつ、歩留まりが向上する。

２．２）例２

図３は、実施形態２の例２に係る光ヘッドユニットの構成を示す。規制体９０は、三角形状あるいは台形状を有する。規制体９０の外面である表面９３は、ステージに最も近くなるように配置される規制面９３ａと、それ以外の領域９３ｂとを有する。少なくとも規制面９３ａは平面でなる。規制面９３ａにのみ光触媒層１５が設けられるが、表面９３の全面に光触媒層１５が設けられていてもよい。

このような例２に係る造形装置であっても、上記例１と同様の効果を得ることができる。

３．実施形態３

図４は、他の実施形態として実施形態３に係る光触媒層を示す拡大断面図である。この規制体１３０の光触媒層５５は、異なる複数の材料による複数層構造で構成されている。光触媒層１５は、例えば酸化チタンおよび酸化タンタルが交互に設けられて構成される。層数は３以上であり、例えば数層～20層でなる。

各層の材料の屈折率が異なるので、その層数や各層の厚さなどにより光触媒層５５の光の透過率を制御できる。これにより、光照射による発生する気体量を制御できる。その結果、引き剥がしに要する力を選択的に設計できる。

４．変形例

本技術は、以上説明した実施形態に限定されない。例えば上記実施形態２では、光照射部２０と規制体５０とが一体的に支持されていた。しかし、これらは必ずしも一体でなくてもよく、別々の移動機構により移動するように構成されていてもよい。

上記各実施形態において、ｘ移動機構３１が光ヘッドユニット４０、８０をｘ方向に移動させる代わりに、ステージ１７の移動機構が、ｚ方向の他、ｘ方向にもステージ１７を移動するように構成されていてもよい。

実施形態２において、規制体の形状が円筒、台形等であった。しかし規制体の表面は、楕円面や放物面等の二次曲面であってもよいし、あるいは、曲面と平面とが組み合わされた面であってもよい。

光照射部２０は、光源２２としてライン光源を有していた。しかし、光照射部は点光源を有し、その点光源からの光を材料上でｙ方向にスキャンする機構を有していてもよい。

以上説明した各形態の特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を組み合わせることも可能である。

なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
（１）
ステージ面を有するステージと、
前記ステージ面に対向する規制面を含む表面と、前記規制面に設けられた光触媒層とを有し、前記ステージ面に形成される造形物を構成する材料の積層方向での位置を前記規制面により規制する規制体と、
前記規制体の前記光触媒層を介して前記材料に光を照射する光照射部と、
前記ステージと前記規制体とを相対的に移動させる移動機構と
を具備する造形装置。
（２）
前記（１）に記載の造形装置であって、
前記規制面は平面でなる
造形装置。
（３）
前記（１）に記載の造形装置であって、
前記表面は、前記規制面以外の領域をさらに含み、前記規制面が前記規制面以外の領域より前記ステージに近い位置に配置されるように構成され、
少なくとも前記規制面に前記光触媒層が設けられる
造形装置。
（４）
前記（３）に記載の造形装置であって、
前記光照射部は、前記規制面と前記ステージとの間にある１次元状のスリット領域にある前記材料に、光を照射する
造形装置。
（５）
前記（１）から（４）のうちいずれか１項に記載の造形装置であって、
前記光触媒層は、異なる複数の材料による複数層構造でなる
造形装置。
（６）
前記（１）から（５）のうちいずれか１項に記載の造形装置であって、
前記光触媒層は、酸化チタンおよび酸化タンタルのうち少なくとも一方を含む
造形装置。
（７）
前記（１）から（６）のうちいずれか１項に記載の造形装置であって、
前記光照射部は、450nm以下の波長を有する光を照射する
造形装置。
（８）
前記（１）から（７）のうちいずれか１項に記載の造形装置であって、
前記光触媒層の表面粗さは100μm以下である
造形装置。
（９）
ステージ面を有するステージと、
前記ステージに対向して配置される光ヘッドユニットとを具備する造形装置に用いられる当該光ヘッドユニットであって、
前記ステージ面に対向する規制面を含む表面と、前記規制面に設けられた光触媒層とを有し、前記ステージ面に形成される造形物を構成する材料の積層方向での位置を前記規制面により規制する規制体と、
前記規制体の前記光触媒層を介して前記材料に光を照射する光照射部と
を具備する光ヘッドユニット。

１０、５０、９０、１３０…規制体
１３…規制面
１５、５５…光触媒層
１７…ステージ
１８…ステージ面
２０…光照射部
３１…ｘ移動機構
３２…ｚ移動機構
４０、８０…光ヘッドユニット
５３、９３…表面
５３ａ、９３ａ…規制面
５３ｂ、９３ｂ…規制面以外の領域
１００、２００…造形装置

Claims (10)

1. ステージ面を有するステージと、
   前記ステージ面に対向する規制面を含むステージ側表面と、前記規制面に設けられた光触媒層とを有し、前記ステージ面に形成される造形物を構成する材料の積層方向での位置を前記規制面により規制する規制体と、
   前記規制体の前記光触媒層を介して前記材料に光を照射する光照射部と、
   前記ステージと前記規制体とを相対的に移動させる第１の移動機構と
   を具備し、
   前記光触媒層は、互いに屈折率の異なる複数の材料による複数層構造でなり、
   前記光触媒層を構成する各層は、少なくとも、前記光照射部からの光が照射される領域の全面に形成される
   造形装置。
2. 請求項１に記載の造形装置であって、
   前記光触媒層の厚みは、２μm以上１mm以下である
   造形装置。
3. 請求項１又は２に記載の造形装置であって、
   前記規制面は、平面でなる
   造形装置。
4. 請求項１から３のうちいずれか１項に記載の造形装置であって、
   前記ステージ側表面は、前記規制面以外の面領域をさらに含み、前記規制面が前記規制面以外の面領域より前記ステージに近い位置に配置されるように構成され、
   少なくとも前記規制面に前記光触媒層が設けられる
   造形装置。
5. 請求項４に記載の造形装置であって、
   前記光照射部は、前記規制面と前記ステージとの間にある１次元状のスリット領域にある前記材料に、光を照射する
   造形装置。
6. 請求項５に記載の造形装置であって、さらに、
   前記スリット領域が延在する方向と交差する方向に沿って、前記規制体及び前記光照射部を一体的に移動させる第２の移動機構を具備する
   造形装置。
7. 請求項１に記載の造形装置であって、
   前記光触媒層は、酸化チタンおよび酸化タンタルのうち少なくとも一方を含む
   造形装置。
8. 請求項１に記載の造形装置であって、
   前記光照射部は、450nm以下の波長を有する光を照射する
   造形装置。
9. 請求項１に記載の造形装置であって、
   前記光触媒層の表面粗さは100μm以下である
   造形装置。
10. ステージ面を有するステージと、
    前記ステージに対向して配置される光ヘッドユニットとを具備する造形装置に用いられる当該光ヘッドユニットであって、
    前記ステージ面に対向する規制面を含むステージ側表面と、前記規制面に設けられた光触媒層とを有し、前記ステージ面に形成される造形物を構成する材料の積層方向での位置を前記規制面により規制する規制体と、
    前記規制体の前記光触媒層を介して前記材料に光を照射する光照射部と
    を具備し、
    前記光触媒層は、互いに屈折率の異なる複数の材料による複数層構造でなり、
    前記光触媒層を構成する各層は、少なくとも、前記光照射部からの光が照射される領域の全面に形成される
    光ヘッドユニット。

Images