JPH07119064B2 - 立体モデル製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光硬化性流動物質を用いて所望形状の固体を形
成する立体モデル製造法に関する。

〔従来の技術〕

光硬化性流動物質を容器内に収容して、該物質に光エネ
ルギ集中照射を行ないながらその照射個所を水平に移動
させ、造形対象の所定の断面形状に相当する薄い光硬化
性物質の固化層を形成し、その後該固化層表面に新たな
光硬化性流動物質層を付加し、再び光エネルギ集中照射
を行なって前記固化層に連続する断面形状の固化層を形
成する操作を繰り返すことにより、所定断面形状の固化
層を順次積層して所望形状の立体物を形成する光学的造
形法が特公昭63−40650号公報に提案されている。同公
報に記載の方法によれば、変性ポリウレタンメタクリレ
ート、オリゴエステルアクリレート、エポキシアクリレ
ート、ウレタンアクリレート等の光硬化性樹脂液を用い
て複雑な形状の立体モデルを製造することが可能であ
る。通常、この方法により立体モデルを製造する場合、
１つの断面形状の固化層を形成後、次の断面形状の固化
層を形成するために前記固化層上に所定の厚さの未硬化
の光硬化性流動物質を供給する必要がある。この操作は
前記公報に記載の方法では容器内に所要量の光硬化性流
動物質を追加注入し、容器内の光硬化性流動物質上面
（以下便宜上「液面」と呼ぶ）高さを所定量上昇させて
前記固化層を光硬化性流動物質中に所定深さだけ浸漬さ
せることにより行なっている。この立体モデル製造方法
においては１回に形成する固化層の厚さは0.1mmから1mm
程度と極めて薄いため前記固化層を浸漬させる深さもそ
れに応じて小さくなっている。

ところがワークの固化層上面は、光照射により完全に硬
化して乾燥状態になっているため、光硬化性流動物質と
のなじみが悪く、上述のように浸漬深さが極めて小さい
と、固化層外縁部には表面張力により、周囲の光硬化性
流動物質の湾曲した自由表面が形成されてしまい、固化
層上面への周囲の光硬化性流動物質の導入が阻止される
という問題が生じていた。

このため実際に上記方法を用いて立体モデルを製造する
場合には容器内に上下動可能な基盤を浸漬して、この基
盤上に前記固化層を積層する方法がとられており、１つ
の固化層を形成後基盤を一旦10〜50mm程度と大きく下降
させて、製作中のモデル（以下“ワーク”という）を光
硬化性物質中に沈下させ、ワークの前記固化層上面と周
囲の光硬化性物質液面との間に十分大きな高低差を設
け、周囲の光硬化性物質を固化層上面に流入させた後、
再度基盤を上昇させて所定の浸漬深さを得る操作を行な
っている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述の方法ではワークを一旦大きく沈下させてから所定
浸漬深さまで上昇させる必要があり、基盤の上下動作
や、基盤を所定浸漬深さに調整した後の液面静定までに
時間がかかるため、１つの固化層形成後に次の光照射を
開始するまでの準備期間が長くなる問題があった。この
立体モデル製造法は極めて薄い固化層（厚さ0.1〜1mm）
を積層して立体モデルを完成させるため、１つのモデル
を製造する際、上記操作を1000回以上行なう場合があ
り、上記準備期間がモデル製造時間に与える影響は大き
い。特にワーク断面積が大きい場合には流動物質導入の
ための基盤上下動作もそれに応じて大きく設定する必要
があり、更に、流動物質がワークの固化層上面を覆うま
での時間も長くなるため、上記操作に相当長時間を要し
ていた。

また、上述の方法では光硬化性流動物質表面は大気に曝
されているため、流動物質表面は気温の変化の影響を受
けて温度が変化し、光照射による硬化速度が変動する問
題があった。

更に、上記方法では表面が大気に接触しているため、流
動物質表面に大気中の酸素が吸着される問題があった。
ウレタンアクリレート、エポキシアクリレート等のアク
リル系光硬化性樹脂は、酸素の存在化では阻害反応を生
じて光硬化反応が生じにくくなる性質（酸素阻害）を有
しており、上記方法でこれらの光硬化性樹脂を用いた場
合、硬化速度が遅くなるため固化層形成時間が長くなる
という時間が生じている。

本発明は上記問題を解決するために、１つの固化層形成
後次の固化層形成を開始するまでの準備期間を短縮し、
同時に気温の変化及び酸素阻害による影響を排除してモ
デル製作時間を大幅に短縮することができる立体モデル
製造法を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の立体モデル製造法は、光照射による固化層形成
を光硬化性物質の定常液面下で行なうことを特徴とす
る。

すなわち、本発明によれば、下部に開口を有する容器内
に光硬化用光源を設け、該容器内部を圧力流体で加圧し
ながら光硬化性流動物質に挿入し、容器内圧力により前
記流動物質の容器内への侵入を防止すると共に前記開口
下部に前記圧力流体と前記流動物質との境界面を形成
し、該境界面に前記光源から光照射を行ないつつ前記開
口と共に照射個所を移動させて光硬化性流動物質の連続
した固化部を形成することを特徴とする立体モデル製造
法が提供される。

また、本発明によれば、 光硬化性流動物質液面に向けてノズルから圧力流体を連
続的に噴射し、前記液面に所定深さの凹部を生じさせ、
該凹部内液面に、光硬化用光源から光照射を行ないつ
つ、前記ノズルと前記光源とを移動して、光硬化性流動
物質の定常液面下に連続した平板状の固化物を形成する
ことを特徴とする立体モデル製造法が提供される。

〔作用〕

本発明の第１の方法によれば、光硬化性流動物質中に挿
入した容器開口下部に形成される流動物質液面を光照射
により固化させながら、容器を移動させて前記照射個所
を移動させることにより、液中に所望形状の固体が形成
される。固化部分は常に液面下にあるため、前記容器を
移動させることにより、該固化部分は直ちに流動物質に
覆われる。また、光照射を定常液面化で行なうため、照
射個所は気温の変化の影響を受けない。更に、容器内の
加圧を、酸素を含まない流体で行なえば、容器開口下部
の液面に酸素が吸着されることがない。

また、本発明の第２の方法によれば、ノズルからの噴流
により生じた光硬化物質液面の凹部に光照射を行ないな
がら、ノズルと光硬化用光源とを同時に水平移動させる
ことにより液中に固化層が形成される。前記凹部はノズ
ルと共に移動するため、形成された固化部分は直ちに液
中に没する。照射個所は常に定常液面化であり、気温変
化の影響を受けず、また、ノズルから酸素を含まない流
体を噴射すれば前記凹部内の液面への酸素吸着を防止で
きる。

〔実施例〕

本発明による立体モデル製造法の一実施例を第１図に示
す。

第１図において１は光硬化性樹脂２を収容した容器を、
３は上下動可能に設けられたテーブルを、４は内部に光
硬化用光源を設置した光照射器である。テーブル３の上
下移動と照射器４の水平及び垂直方向の移動はそれぞ
れ、図示しない駆動装置により行なわれ、それぞれNC工
作機等に公知の方法で位置及び速度が制御される。

照射器４は、第２図に示すように一端に開口12を有する
略円筒上の中空容器11から成り、容器11内部には接続口
13を介して接続された加圧手段（図示せず）から加圧用
流体が供給されている。

また容器11内部には例えば光学ファイバ等の導光手段14
を介して外部に設けたレーザ発振器（図示せず）等の高
エネルギ光が供給される。15は導光手段14からの光束を
開口12近傍の所定個所へ集光させる集光器である。

本実施例においては、立体モデル製造開始にあたり、ま
ず第１図（Ａ）に示すようにテーブル３を光硬化樹脂２
の液面に対して所定深さまで沈下させる。テーブル３を
沈下させる深さは、以下に説明する操作により形成する
固化層の厚さより大きくなるように設定される。次に液
面上方から照射器４を樹脂液２に挿入し、テーブル３と
所定間隔を隔てて対向させる。照射器４の容器11には、
このとき接続口13から加圧流体が供給され、容器11内圧
を上昇させて樹脂液２の容器内への侵入を防止する。上
記加圧流体としては窒素ガス、アルゴンガス等の不活性
ガスや空気等の気体、若しくは流動パラフィンや水等の
液体を用い、樹脂液２が光硬化する際に加圧流体が樹脂
固化面に付着しないようにする。容器内を加圧すること
により第２図に示すように樹脂液２は加圧流体により開
口12の直下まで押し下げられ、樹脂液２と加圧流体との
境界に液面2aが形成される。この液面2aと開口12との距
離は容器11内に供給する流体圧力を変えることにより調
節される。この液面位置調節のため、容器11内には液面
での光反射を利用して非接触センサ（図示せず）若しく
は他の公知の液面センサを設けて液面位置を検出し、加
圧流体圧力を調節して液面を開口12から一定の距離に保
持するようにすることもできる。

照射器４を樹脂液２に挿入後、照射器４の上下位置及び
／又は加圧流体圧力を調節することにより、前記液面2a
とテーブル３との距離は形成する固化層厚さに等しくな
るように保持される。この状態で導光手段14から光束を
照射し、集光器15により液面2a上の一点に収束させる。
これにより液面2aの照射個所と、その下部のテーブル３
との間の樹脂液２が硬化し、テーブル上に固化物を形成
する。照射器４をこの状態から所定の軌跡を描くように
制御して水平移動させるとテーブル３上には立体モデル
の最下層断面形状に対応した固化層5aが形成される（第
１図（Ａ））。次に光照射を止め、テーブル３を固化層
一層分の厚さに相当する距離だけ下降させる（第１図
（Ｂ））。その後最度光照射を行ないつつ照射器４を水
平に移動させると前記固化層上に別の固化層5bが形成さ
れる（第１図（ｃ）、第２図）。この操作を繰り返すこ
とにより、テーブル３上に所定断面形状の固化層を積層
し（第１図（ｂ））、所望の形状の立体モデルを得るこ
とができる。

本実施例によれば樹脂の硬化は液中で行なわれ、固化部
分は、照射器４を移動させると直ちに樹脂液に覆われる
ので固化層上に所定厚さの樹脂液を導入する操作は不要
である。従って１つの固化層形成完了後次の固化層形成
開始までに要する時間は、テーブル３を所定量（0.1〜1
mm程度）下降させる時間のみとなり、所要時間が大幅に
短縮される。また、樹脂液の硬化が液中で行なわれるた
め気温の変化が照射部分まで及ばないので硬化速度が変
動することはない。更に本方法の有利な点は、容器11に
供給する加圧流体として酸素を含まないものを使用すれ
ば、アクリル系光硬化樹脂等の酸素阻害を生じる樹脂を
用いた場合でも従来より硬化速度を大幅に上げることが
できることである。酸素阻害を防止することにより光硬
化速度は通常２〜４倍、最高30倍程度まで上昇させるこ
とができ、モデル製作時間は大幅に短縮される。また、
本方法によれば加圧流体の加熱温度制御を行なうことに
より樹脂液の光照射個所を加熱し、硬化速度を増大でき
るため、最適な条件で硬化作業を行なうことができる。

第３図は本発明の方法の別の実施例を示す図である。本
実施例では、第２図の光学系14,15は樹脂液２の液面よ
り上に位置させ、ノズル21を用いて加圧流体を液面に連
続的に噴射する。これにより樹脂液表面は噴流に押され
て凹部22を形成する。第２図の方法と同様にこの凹部22
の深さは液面センサを用い、噴流の噴射圧力を調節する
ことにより一定に保たれる。本実施例では光照射は前記
凹部22の底部液面22aに行なわれる。第１図の方法と同
様、ノズル22と導光手段14及び集光器15を水平に移動さ
せることにより、凹部22も移動し、液面22aの照射個所
も水平に移動するため、樹脂液２の定常液面下には平板
状の固化層５が形成される。第１図の方法と同様にテー
ブル３の下降と光照射とを繰り返すことにより同様の立
体モデルが形成されることがわかる。本方法において
も、凹部22の移動と共に固化部分は液中に没するため、
固化層上への樹脂液の導入操作を行なう必要はない。
又、第１図の方法と同様にノズル９から噴出する加圧流
体を酸素を含まないものとし、或いは加圧流体の温度制
御を行なうことにより最適な硬化条件を設定できる。

本発明は上記実施例に限定されるわけではなく、種々の
変更が可能である。例えば第２図の実施例において、導
光体14を用いて光束を照射しているが、導光体を用いず
に、反射鏡を用いて光を照射個所に導くことも可能であ
る。この場合容器11の開口12と対向する端面を貫通して
集光器15を設け、集光器15と容器11の壁面との間を気密
に保持することによっても同様の構成が得られる。又、
第３図において、導光体14、集光器15をノズル21の外部
に設ける代わりに、ノズル21の内部に設置して、第２図
と類似の構造にすること等も可能である。

〔発明の効果〕

本発明は上述のように光照射による固化層形成を樹脂液
の定常液面下で行なうことにより以下の効果を得ること
ができる。まず、第１に固化層表面は常に液中に没して
いるため、固化層上部への樹脂液導入操作が不要とな
り、従来テーブルの大きな上下動作に要していた時間が
不要となる。また、樹脂液液面の静定を待つ必要がない
ため、１つの固化層形成完了後次の固化層形成開始まで
に要する時間を大幅に短縮できる。

第２に、光照射を行なう樹脂液層は定常液面下にあり、
気温変化の影響が少いため、樹脂の硬化速度を一定に保
つことができる。

第３に、定常液面下にある樹脂液に光照射を行なうこと
により、光照射部を大気から遮断できるため、酸素阻害
を生じる樹脂の場合でも大きな硬化速度が得られる。

更に、第４に樹脂液の定常液面高さが変動して照射位置
が影響を受けないため、従来必要とされていた樹脂液の
液位制御が不要となる。

以上の効果により本発明によれば、立体モデル製造に要
する時間を大幅に短縮することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による立体モデル製造法の一実施例を示
す略示図、第２図は、同上実施例の光照射器の構成を示
す断面図、第３図は本発明による立体モデル製造法の別
の実施例を示す図である。 １……容器、２……光硬化性樹脂、３……テーブル、４
……光照射器、５……固化層、11……容器、12……開
口、13……接続口、14……導光手段、15……集光器、21
……ノズル、22……凹部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】下部に開口を有する容器内に光硬化用光源
   を設け、該容器内部を圧力流体で加圧しながら光硬化性
   流動物質に挿入し、容器内圧力により前記流動物質の容
   器内への侵入を防止すると共に前記開口下部に前記圧力
   流体と前記流動物質との境界面を形成し、該境界面に前
   記光源から光照射を行ないつつ前記開口と共に照射個所
   を移動させて光硬化性流動物質の連続した固化部を形成
   することを特徴とする立体モデル製造法。
2. 【請求項２】光硬化性流動物質液面に向けてノズルから
   圧力流体を連続的に噴射して、前記液面に所定深さの凹
   部を生じさせ、該凹部内液面に、光硬化用光源から光照
   射を行ないつつ、前記ノズルと前記光源とを移動して、
   光硬化性流動物質の定常液面下に連続した平板状の固化
   物を形成することを特徴とする立体モデル製造法。