JPH06297586A - 三次元造形方法 - Google Patents

三次元造形方法

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JPH06297586A
JPH06297586A JP5087043A JP8704393A JPH06297586A JP H06297586 A JPH06297586 A JP H06297586A JP 5087043 A JP5087043 A JP 5087043A JP 8704393 A JP8704393 A JP 8704393A JP H06297586 A JPH06297586 A JP H06297586A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 光硬化性樹脂にレーザ光を照射して所望の三
次元形状の硬化断面層を形成し、これを複数層積層する
ことにより三次元形状を造形する三次元造形方法におい
て、造形物の内部応力の偏りをなくし、反りなどの変形
を防止する。 【構成】 レーザ光を走査し光硬化性樹脂を硬化させて
硬化断面層を造形する際、レーザ光を断面形状の略重心
から外側に向けてリング状、同心多角形状またはスパイ
ラル状に走査することにより、光硬化性樹脂を断面形状
の略重心から外側へ広げるように硬化させ、硬化時の収
縮に伴う内部応力の方向を各断面で分散させ、一定方向
に偏ることを防止する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光を照射するこ
とにより光硬化性樹脂を硬化させ三次元形状を造形する
三次元造形方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、さまざまな三次元形状を造形する
方法として、液体状の光硬化性樹脂にレーザ光を走査さ
せて樹脂の硬化層を形成し、この硬化層を複数層積層さ
せ所望の立体形状を造形する三次元造形方法が広く利用
されてきた。
【0003】以下に従来の三次元造形方法について説明
する。図2は上記三次元造形方法の原理を適用した三次
元造形装置の概略構成を示したものである。
【0004】三次元造形装置は、三次元形状のデータを
処理する部分と、このデータにもとづいて三次元形状を
造形する装置より成る。
【0005】データを処理する部分は、三次元形状を作
成する三次元CADシステム1と、三次元CADシステ
ム1で作成された三次元形状にもとづいて造形装置用デ
ータを計算するEWS(エンジニアリング ワーク ス
テーション)2より構成される。
【0006】一方、三次元形状を造形する装置は、液体
状の光硬化性樹脂7を収容した樹脂タンク10からな
り、この樹脂タンク10に昇降装置6により昇降自在な
形成台13が設けられている。光硬化性樹脂としては、
光照射により硬化する種々の樹脂が利用でき、例えばエ
ポキシアクリレートなどのエポキシ系樹脂や、変形ポリ
ウレタンメタクリレートなどが利用される。
【0007】樹脂タンク10の上方には、レーザ発生装
置5より発生したレーザ光を光ファイバー9を介し、光
硬化性樹脂7の液面にXY方向に自由に走査しながら照
射するレーザXY走査装置4が設けられている。なお、
レーザ発生装置5、レーザXY走査装置4および昇降装
置6はEWS2のデータにもとづいてNC制御装置3に
より制御される。
【0008】次に、上記装置の動作を説明すると、まず
三次元CADシステム1において所望の三次元形状を作
成すると共に、その三次元形状データはSTL(ストレ
ージリスト)フォーマットに変換され、EWS2に送ら
れる。EWS2は前記三次元形状のSTLフォーマット
で表されたデータをXY平面に平行にZ軸で等間隔ΔZ
に切断し、所望の三次元形状を各断面形状のデータの集
合体として表す。なおΔZの値は光硬化性樹脂の種類と
レーザ光のパワーによって決定される。
【0009】次に、形成台13を光硬化性樹脂7の液面
より断面の間隔ΔZだけ下方に位置決めし、形成台13
の上部を厚さΔZの液体状光硬化性樹脂層で覆う。レー
ザXY走査装置4により光硬化性樹脂7の表面に最下部
の断面形状に対応した形状にレーザ光を走査し、表面樹
脂層を硬化させて形成台13上に最下断面層を造形す
る。
【0010】このとき、図3に示すように、レーザ光
を、X軸方向にレーザ光の径を基準とし定めた間隔19
ずつずらしながら、矢印18で示すようにY軸に平行に
断面形状17の一方の端から他方の端に向けて走査す
る。
【0011】一断面層が造形されると、昇降装置6によ
り断面の間隔分ΔZだけさらに形成台13を未硬化の光
硬化性樹脂中に沈め、再び先に形成された樹脂硬化層の
上部を厚さΔZの液体状光硬化性樹脂層で覆う。その
後、前記と同様にレーザXY走査装置4により光硬化性
樹脂7の表面に最下断面層に続く第二の断面形状に対応
した形状にレーザ光を走査し、最下断面層の上部に第二
の断面層を硬化させ造形する。
【0012】この工程を立体形状の最高部まで繰り返す
ことにより光硬化性樹脂の硬化層を複数層積層させて三
次元形状が造形される。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】三次元造形装置に使用
される光硬化性樹脂は、レーザ光が照射され硬化する際
に体積比で2〜5%程度収縮する。よって、未硬化の光
硬化性樹脂にレーザ光を照射させると、図4(a)に示
すように、レーザ光が照射される領域41の周囲に未硬
化の光硬化性樹脂43が存在する場合は、領域41にレ
ーザ光が照射され、樹脂が硬化して収縮し42となる
が、この硬化収縮量を補うように周囲の未硬化の樹脂
が、矢印44に示すように供給されながら硬化が進行す
るため、硬化時の収縮による応力は発生しにくい。
【0014】しかし、図4(b)に示すように、レーザ
光が照射される領域47の周囲にすでに硬化した樹脂4
5が存在するときは、未硬化の光硬化性樹脂にレーザ光
を照射した際、領域47中の樹脂は硬化し収縮しようと
するが、周囲からの未硬化の樹脂の供給がないため、す
でに硬化した部分45は硬化中の樹脂に引きよせられ、
張力46が発生する。つまり、樹脂の硬化に伴う収縮に
より先に硬化した部分から後に硬化する部分に向かう方
向に内部応力が発生する。
【0015】さらに、光硬化性樹脂はレーザ光が照射さ
れた時点では、照射された部分のおよそ98%程度しか
硬化しておらず、完全に硬化するにはかなりの時間を要
する。そのため、一度硬化した後、さらに硬化が進行し
成形品の内部で樹脂が収縮し、さらに応力が発生する。
【0016】従って、従来の様に光硬化性樹脂にX軸あ
るいはY軸に平行な向きにレーザ光を走査、例えば、図
5に示すようにレーザ光を直線的に矢印59の向きに走
査すると、レーザ光の照射域は53,54,55,5
6,57と進行し、光硬化性樹脂もレーザ光が走査され
るにつれてレーザ光の走査方向と同じ方向に連続的に徐
々に硬化する。よって、樹脂の硬化に伴う収縮により矢
印58に示すように先に硬化した部分51が後に硬化す
る部分52に引っ張られるように内部応力58が発生し
蓄積される。
【0017】すなわち、従来の走査方法では、内部応力
58が総じて同方向つまりX軸あるいはY軸に平行な向
きに偏るため、結果として成形品が反ってしまうなどの
変形を起こす恐れがあった。
【0018】本発明は、内部応力の偏りを防ぎ三次元形
状の造形において成形品の変形を防止する方法を提供す
るものである。
【0019】
【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、レーザ光を各断面形状の略重心から外側へ向
けてリング状、同心多角形状又はスパイラル状に走査す
ることにより、光硬化性樹脂を各断面形状の略重心から
外側へ広げるように硬化させ、樹脂の硬化断面層を造形
する。
【0020】
【作用】上記本発明の方法によれば、レーザ光を各断面
形状の略重心から外側へ向けて走査することにより、樹
脂の硬化は略重心から外側へ進行し、硬化時の収縮によ
る応力は略重心から外側方向の向きに発生し、応力が全
体として分散する。
【0021】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。な
お、三次元造形装置の構成は図2に示す従来例と同一で
あるため、各部の説明は省略する。
【0022】図2の構成において、三次元CADシステ
ム1において所望の三次元形状を作成し、その三次元形
状データは三次元CADシステム1によりSTLフォー
マットに変換されEWS2にデータが送られる。EWS
2は前記三次元形状のSTLフォーマットで表されたデ
ータをZ軸で等間隔ΔZに切断し、所望の三次元形状を
各断面形状のデータの集合体として表す。
【0023】次に、形成台13を光硬化性樹脂7の液面
より断面の間隔ΔZだけ下方に位置決めし、形成台13
の上部を厚さΔZの液体状光硬化性樹脂層で覆う。レー
ザXY走査装置4により光硬化性樹脂7の表面に最下部
の断面形状に対応した形状にレーザ光を走査し、形成台
13上に表面樹脂層を硬化させ最下断面層を造形する。
【0024】このとき、本実施例では、図1に示すよう
にレーザ光を断面形状14の略重心16を中心すなわち
走査開始点として、半径をレーザ光の径を基準とした一
定の値ずつ拡大しながらリング状、同心多角形状又はス
パイラル状に走査する。
【0025】一断面層が造形されると、昇降装置6によ
り断面の間隔分ΔZだけさらに形成台13を未硬化の光
硬化性樹脂中に沈め、再び先に形成された樹脂硬化層の
上部を厚さΔZの液体上光硬化性樹脂層で覆う。その
後、前記と同様にレーザXY走査装置4により光硬化性
樹脂7の表面に最下断面層に続く第二の断面形状に対応
した形状にレーザ光を走査し、最下断面層に第二の断面
層を硬化させ造形する。
【0026】このプロセスを立体形状の最高部まで繰り
返すことにより、光硬化性樹脂の硬化層を複数層積層し
て三次元形状が造形される。
【0027】この結果、光硬化性樹脂にレーザ光が照射
され樹脂は各断面の略重心から外側へ向けて硬化し、硬
化時の収縮による応力は略重心から外側方向の向きに発
生する。そのため、成形品の応力は各断面で放射状に分
布し、一定方向に偏ることがなくなるため、成形品が反
るなどの変形を防止できる。
【0028】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、レーザ光
を断面形状の略重心から外側へ向けてリング状、同心多
角形状又はスパイラル状に走査することにより、樹脂の
硬化を略重心から外側へと進行させ、樹脂の硬化に伴う
収縮による内部応力を全体として分散させ、一定方向に
偏ることをなくすことにより、成形品の変形が防止でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明方法でのレーザ光走査パターンを示す平
面図
【図2】三次元造形装置の概略構成図
【図3】従来方法でのレーザ光走査パターンを示す平面
【図4】光硬化性樹脂の硬化パターンを示す平面図
【図5】内部応力の発生原理を説明する概念図
【符号の説明】
1 三次元CADシステム 2 EWS 3 NC制御装置 4 レーザXY走査装置 5 レーザ発生装置 6 昇降装置 7 光硬化性樹脂 8 造形物 9 光ファイバー 10 樹脂タンク 13 形成台 14 断面形状 15 レーザ走査パス 16 略重心 17 断面形状 18 レーザ走査パス 19 レーザ走査間隔

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 所望の三次元形状を、等間隔に切断した
    断面形状に関するデータの集合体として表し、このデー
    タにもとづいて下記(1),(2)の工程を繰り返すこ
    とにより複数層の光硬化性樹脂層を積層し三次元形状を
    造形する三次元造形方法において、レーザ光を前記断面
    形状の略重心から外側に向けてリング状、同心多角形状
    又はスパイラル状に走査することを特徴とする三次元造
    形方法。 (1)未硬化の液体状光硬化性樹脂を充填した水槽の上
    方からレーザ光を走査し、断面形状に対応した形状の表
    面樹脂層を硬化させる。 (2) 硬化した樹脂層を断面の間隔分未硬化の液体状
    光硬化性樹脂中に沈下させる。
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