JPH071594A - 光造形装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 底面を透明プレートとした一層分の硬化物層
を成形する薄形造形槽の下方から槽内の光硬化性樹脂に
光エネルギーを照射して、樹脂液面上に配置した造形ベ
ースプレートの下面に樹脂の硬化物層を成形する規制液
面方式による光造形装置であって、造形槽内に対して常
に一層分の硬化物層に相当する均一な層厚の樹脂を供給
して、オーバーハング状部分を有するデザインの造形物
でも、オーバーハング状部分の下方に突出する硬化物層
の表面に不要硬化物を発生させない光造形装置を提供す
る。 【構成】 底面が透明プレートからなる光硬化性樹脂造
形槽の下方に、前記光硬化性樹脂を硬化するための移動
可能な光照射装置を備え、前記樹脂造形槽の上方に造形
物を積層固着するための造形ベースプレートを備えた規
制液面方式による光造形装置において、前記樹脂造形槽
に、積層造形物の層厚に相当する分量の光硬化性樹脂を
前記造形槽内へ均一に供給するための樹脂の供給及び回
収用循環装置と、樹脂液面のスキマー装置とを設けたこ
とを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、底面が透明プレートか
らなる光硬化性樹脂造形槽の下方から、光照射装置によ
る光エネルギーを槽内の光硬化性樹脂に照射して、槽内
の樹脂液面上に配置した造形ベースプレートの下面に樹
脂の硬化物層を成形し、前記造形ベースプレートを造形
槽の透明プレートから離反する方向へ移動することによ
り、造形ベースプレートに、順次硬化物層の積層された
造形物を成形していく方式の光造形装置の改良に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、樹脂造形槽内の光硬化性樹脂
に光エネルギーを照射して、三次元の造形物を成形する
光造形法として各種のものが知られており、これらのう
ち、広く知られている方法としては、１９９０年１０月
３０日，日刊工業新聞社発行の刊行物、丸谷洋二外４名
著「光造形法」の第７９頁乃至第８３頁に記載されてい
るように、光硬化性樹脂が作る液面の上方から光を照射
して硬化物層の積層された造形物を成形していく自由液
面方式と、透明プレートと造形ベースプレートとの間隔
を造形すべき一層の厚みに一致させて、透明プレートを
介して光を照射することにより硬化物の積層された造形
物を順次成形していく規制液面方式とがある。

【０００３】前記の自由液面方式は、光硬化性樹脂の貯
留された造形槽内の液面よりも僅かに下側に造形ステー
ジを配置して、造形槽の上方に設けた光照射装置より光
エネルギーを槽内の光硬化性樹脂に照射することで、造
形ステージの上面に硬化物層を成形し、次いで前記造形
ステージの位置を若干下方に沈めることによって、既に
硬化した層の表面に樹脂を流動させ、この流動により充
填された樹脂液面に光を照射して、次の硬化物層を成形
するという工程を繰り返すことで目的とする積層造形物
を成形する。

【０００４】一方の規制液面方式は、底面が透明プレー
トからなる光硬化性樹脂造形槽の下方から、光照射装置
による光エネルギーを槽内に貯留された光硬化性樹脂に
照射して、槽内の樹脂液面上に配置した造形ベースプレ
ートの下面に樹脂の硬化物層を成形し、前記造形ベース
プレートを造形槽の透明プレートから離反する方向へ引
き上げることにより、造形ベースプレートの下面に次の
硬化物層を成形するという工程を繰り返すことで目的と
する積層造形物を成形する。

【０００５】

【発明が解決すべき課題】前者の自由液面方式による光
造形法では、造形槽内の樹脂液面よりも僅かに下側に配
置した造形ベースプレートの上の樹脂に、上方から光を
照射することで硬化物を成形した後に、この硬化物の上
面に次の硬化物層を成形するために、この成形する硬化
物層の厚みに相当する深さだけ造形ベースプレートを沈
めることになるが、その場合、単に造形ベースプレート
を所定の深さだけ沈めただけでは、樹脂自体の粘性や表
面張力の作用によって、既に成形された硬化物層の表面
に樹脂を均等かつ平滑に供給することができず、供給さ
れた樹脂が均等かつ平滑になるまで所定の時間を必要と
するので、能率よく連続的に次の硬化物層を成形できな
いという問題がある。

【０００６】また、この自由液面方式による光造形法で
は、硬化物層の成形に従って造形ベースプレートを順次
沈下させるので、造形槽内に予め多量の樹脂を貯留して
おく必要があるが、前記のように、硬化物層の成形がこ
のように多量の樹脂を貯留した造形槽内の液面近くで行
われるためには、槽内の樹脂温度を常に所定の温度に管
理して樹脂粘度をコントロールすると共に、樹脂の熱膨
張や収縮による液面位の変化を防止しないと、造形ベー
スプレートを沈下する過程で樹脂の供給不良とか、成形
される各硬化物層間の剥離を生ずることになるので、造
形槽に例えば、電気ヒーター等の加温装置を備えて、絶
えず温度管理に留意しなければならないという問題があ
る。

【０００７】一方、後者の規制液面方式による光造形法
では、底面が透明な樹脂造形槽の下方から光を照射して
槽内に配置した造形ベースプレートと槽の底面との間に
硬化物層を成形した後、造形ベースプレートを順次上方
に引き上げて、既設硬化物層と槽の底面の透明プレート
との間に、予め槽内に貯留された所定の樹脂容量によっ
て順次硬化物層を成形していくので、造形槽内における
樹脂の自由液面の性状や樹脂粘度等の要因を受けずに、
目的とする造形物を成形することができ、造形槽の容量
に比例して大きな形状の造形物を成形できるという利点
を有する。

【０００８】しかしながら、この規制液面方式による光
造形法によって、例えば、図６に示すように、光硬化性
樹脂３を貯留した樹脂造形槽１内に、既に成形された第
一層目硬化物４の外縁４ａが第二層目硬化物５の外縁５
ａに対してオーバーハングしており、この第二層目硬化
物５の下面に、第三層目硬化物６の外縁６ａが前記第二
層目硬化物５の外縁５ａよりも突出しているようなデザ
インの積層造形物を成形する場合には、底面の透明プレ
ート２を通して、第二層目硬化物５の外縁５ａよりも外
側の領域にある槽内の樹脂３ａに対して光を照射するこ
とになるので、第二層目硬化物５の外縁５ａよりも外側
に突出した第三層目硬化物６の突出部６ｂの上面に不要
な硬化物６ｃが付着成形されてしまうという問題が生ず
る。

【０００９】このように、外縁が引っ込んだ前層の下
に、外縁が前層よりも突出した次層を成形する場合に、
次層の突出部上面に不要硬化物が付着成形されるのは、
光照射として紫外線レーザーを用いた場合でも、また、
半導体レーザーを用いた場合でも、硬化深度の違いはあ
るが、同様に生ずることにかわりはない。

【００１０】光照射装置として、紫外線レーザーを用い
る場合と半導体レーザーを用いる場合の相違による光硬
化性樹脂の硬化プロフィールを見た場合、図７ａに示す
ように、例えば、Ａｒ（アルゴン）レーザー、Ｈｅ−Ｃ
ｄ（ヘリウム−カドミウム）レーザー等の紫外線レーザ
ーの場合では、硬化深度が浅く、幅ｔ１に対する深さｈ
１の関係は１：０．５から３程度であるのに対して、図
７ｂに示すように、半導体レーザーの場合は、硬化深度
が深く、幅ｔ２に対する深さｈ２の関係は１：５０から
２００程度もあり、深度ｈ２が５０ｍｍ程度に到達する
迄の時間も数秒から十数秒という特徴をもっている。

【００１１】従って、前記図６のような、外縁が引っ込
んだ前層の下に、外縁が前層よりも突出した次層を成形
する際に、光照射として紫外線レーザーを用いた場合に
は、半導体レーザーの場合よりも硬化深度が浅いとして
も、図８に示すように、第二層目硬化物５の外縁５ａよ
りも外側に突出した、層厚Ｔをもつ第三層目硬化物６の
突出部６ｂの上面に、厚さｔという不要な硬化物６ｃが
付着成形されることになる。

【００１２】また、同様に光照射として半導体レーザー
を用いた場合には、硬化深度が紫外線レーザーの場合よ
り深いために、図９に示すように、第二層目硬化物５の
外縁５ａよりも外側に突出した、層厚Ｔをもつ第三層目
硬化物６の突出部６ｂの上面に、該第三層目硬化物６の
層厚Ｔよりも遙に厚さｔの大きい不要硬化物６ｄが付着
成形されることになる。

【００１３】一方、光造形法のように所定の層厚の硬化
物層を順次積層して、目的とする造形物を成形する方法
においては、図８及び図９に示すような、夫々の積層硬
化物層４，５，６の間を有効に固着して層間剥離を防止
するために、例えば、図８示した不要硬化物６ｃの厚さ
ｔに相当する程度の所定の根入れ深さをもたせる必要が
ある。

【００１４】このように、各積層硬化物層間を所定の根
入れ深さにより、相互に固着する必要性を考慮した場
合、前記のように硬化深度の浅い紫外線レーザーを用い
た場合でも、図８に示すように、層厚Ｔをもつ各硬化物
層の間に不要硬化物６ｃの厚さｔに相当する所定の根入
れ深さを与えることができるので、層間剥離を防止でき
るという意味では好ましいと言える。

【００１５】しかしながら、従来の規制液面方式の光造
形法では、図６及び図８に示したように、予め樹脂造形
槽１内に貯留された所定の容量の樹脂２によって順次硬
化物層４，５，６を成形していくので、前記のような外
縁５ａが引っ込んだ前層５の下に、外縁６ａが前層５よ
りも突出した次層６をもつデザインの積層造形物を成形
する場合には、外縁６ａが前層５よりも突出した次層突
出部６ｂの上面に造形槽内の樹脂３ａが存在していて、
この部分の樹脂３ａに光が照射される限り、硬化深度の
浅い紫外線レーザーを用いたとしても、前記次層突出部
６ｂの上面に前記の厚さｔに相当する不要硬化物６ｃの
発生することを避けることができず、これが造形不良の
原因となるという致命的欠陥を有している。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、従来における
上記のような光造形法の問題点に鑑み、規制液面方式に
より所定の層厚からなる積層硬化物層を成形する目的
で、外縁が引っ込んだ前層の下に、外縁が前層よりも突
出した次層を成形する際に、次層突出部の上面に光照射
装置による硬化深度に伴った不要硬化物を発生すること
なく、所望の三次元的積層造形物を成形することのでき
る光造形装置の提供を目的としたものである。

【００１７】本発明の光造形装置は、上記の目的を達成
するための具体的な手段として、底面が透明プレートか
らなる光硬化性樹脂を貯留した樹脂造形槽の下方に、前
記光硬化性樹脂を硬化するための水平及び垂直方向に対
して移動可能な光照射装置を備え、前記樹脂造形槽の上
方には、造形物を積層固着するための造形ベースプレー
トを備えた規制液面方式による光造形装置において、前
記樹脂造形槽に、積層造形物の層厚に相当する分量の光
硬化性樹脂を前記造形槽内へ均一に供給するための樹脂
の供給及び回収用循環装置と、樹脂液面のスキマー装置
とを設けたことを特徴とする。

【００１８】

【作用】この発明に係る光造形装置は、樹脂造形槽に設
けた樹脂の供給及び回収用循環装置と、樹脂液面のスキ
ーマー装置とによって、樹脂造形槽における透明プレー
トの上面に、積層造形物を構成する一層分の硬化物層に
相当する分量の光硬化性樹脂を、安定して供給すること
ができるので、外縁が引っ込んだ前層の下に、外縁が前
層よりも突出した次層を成形する際に、次層突出部の上
面を樹脂の存在しない空間として、下方からの光照射装
置による硬化作用を受けても次層突出部の上面に不要硬
化物が発生することがなく、従って、積層造形物を構成
する各層の硬化物層を常に安定した精度のある厚みに成
形することができる。

【００１９】

【実施例】次に、本発明に係る光造形装置の構成を、図
面に示した実施例について説明すると、図１に示すよう
に、樹脂造形槽１１は、周辺が樋状の樹脂回収溝１４に
よって囲まれた、深さのあまり大きくない比較的浅い皿
形で、底面が透明ガラス等の透明プレート１２からなっ
ており、この樹脂造形槽１１の下側に、該造形槽内の光
硬化性樹脂１３に光エネルギーを照射するための光照射
装置１５が、コンピュータ１６の制御によってＸ，Ｙ，
Ｚ軸方向に対して移動可能な駆動装置１７を介して設け
られ、更に、前記光硬化性樹脂１３の液面には、前記コ
ンピュータ１６の制御によって上下方向に移動可能な、
ガラス板等からなる造形ベースプレート１８が配置され
ている。

【００２０】また、前記樹脂造形槽１１における前記透
明プレート１２の周囲を形成する周縁部１９は、後に述
べる樹脂硬化物層２０の厚さに相当する高さに調整され
ており、これら周縁部１９の上縁に、前記樹脂造形層１
１の一方側から他方側にかけて移動することにより、造
形槽１１内に供給充填される光硬化性樹脂１３の表面を
均一に均すためのスキマー装置２２が設けられており、
更に、前記樹脂造形槽１１には、該造形槽の周囲に設け
られる前記樋状の樹脂回収溝１４によって、光硬化性樹
脂１３を造形槽１１の内外へ供給したり回収するための
循環装置２１が設けられている。

【００２１】前記樹脂の供給及び回収用循環装置２１
は、樹脂造形槽１１の周辺を形成する周縁部１９と一体
をなす前記樹脂回収溝１４と、前記スキマー装置２２の
作動により、樹脂造形槽１１内から前記樹脂回収溝１４
内に流入した樹脂１３を、回路２４を介して樹脂造形槽
１１の外部にいったん貯留しておくための樹脂循環槽２
３と、前記樹脂回収溝１４内の樹脂１３を前記樹脂循環
槽２３へ送り込み、かつ、前記樹脂循環槽２３内の樹脂
１３を供給ノズル２６を介して再び前記樹脂造形槽１１
内へ送り出すための循環ポンプ２５とからなっている。

【００２２】また、前記スキマー装置２２は、樹脂造形
槽１１の側面と平行に配置された駆動モータ２７により
回転するベルト２８と、このベルト２８に連結されて、
造形槽１１の周縁部１９上に接触しながら該造形槽１１
の一方側から他方側へ移動して、前記樹脂循環槽２３か
ら造形槽１１内に供給される樹脂１３の余分な量を周囲
の樹脂回収溝１４内へ排出して、造形槽１０内の樹脂１
２を常に造形槽周縁部１９の高さと一致させるための均
し板２９とからなっている。

【００２３】図３は、前記スキマー装置の別の実施例を
示している。この実施例のスキマー装置３０は、樹脂造
形槽１１の周縁部１９上に接触しながら該造形槽１１の
一方側から他方側へ移動する均し板３１の前方に、ブラ
ケット３３を介して下縁が透明プレート１２の上面と接
触するような排液板３２を一体的に取り付けると共に、
前記均し板３１には前記樹脂循環槽２３から送られる樹
脂１３を、この均し板３１と前記排液板３２との間から
造形槽１１内に供給するための樹脂供給ノズル３４が設
けられている。

【００２４】このスキマー装置３０では、所定の硬化物
層の成形が終了した時点で、均し板３１と排液板３２と
を矢印の方向へ移動すると、排液板３２が造形槽１１内
に残された樹脂１３を全て樹脂回収溝１４内へ排出す
る。その間に後方の均し板３１に取り付けられた樹脂供
給ノズル３４より新しい樹脂１３が造形槽１１内へ補給
され、この補給された樹脂１３の余剰分が均し板３１に
より樹脂回収溝１４内へ排出され、造形槽１１内の樹脂
を適量に維持する。

【００２５】この光造形装置による積層硬化物の成形工
程を説明すると、図４ａに示すように、造形槽１１内の
透明プレート１２の上に樹脂１３が供給されて、前記ス
キマー装置２２もしくは３０により、樹脂１３の表面が
造形槽周縁部１９の高さと一致する位置に整えられる
と、造形槽１１内に積層造形物の積層ステップの一層分
に相当する樹脂１３が貯えられたことになるので、この
樹脂１３の液面に造形ベースプレート１８を接触させ
て、造形槽１１の下方の光照射装置１５より透明プレー
ト１２を通して光エネルギーを照射し、第一層目の硬化
物層２０ａを成形する。

【００２６】このようにして、硬化物層２０ａが成形さ
れたのち、図４ｂのように、前記造形ベースプレート１
８をスキマー装置２２の走行に支障のない位置まで上昇
退避させる。目的とする硬化物層２０ａが成形される
と、造形槽１１内の樹脂１３は硬化物槽２０ａに相当す
る体積分が消費されるので、造形槽１１内に新しい樹脂
１３を補給する。

【００２７】造形槽１１内に新しい樹脂１３を補給する
際には、第一層目の硬化物層２０ａが成形された後の残
された樹脂１３の上に新しい樹脂１３を補給するように
してもよいが、その際、例えば図３に示したスキマー装
置３０を用いて、槽内に残された樹脂１３をいったん全
て槽外に排出し、槽内の樹脂１３を全て新しい樹脂１３
に置き換えてやることが好ましい。

【００２８】その理由は、目的とする硬化物層２０ａが
成形された後に残された樹脂１３というのは、多少なり
ともレーザー光に被曝されて硬くなっているために、こ
の古い樹脂１３の上に新しい樹脂１３が補給されると、
新旧の樹脂に粘度の差異を生ずることとなり、その状態
で光を照射して次の硬化物層を成形した場合に好ましく
ない硬化条件を与えることになるからである。

【００２９】図４ｃのように、造形槽１１内に新しい樹
脂１３を補給する際には、造形槽周縁部１９よりも高く
なるように供給し、次いで前記のようにスキマー装置の
均し板２９により余剰樹脂を排出したのち、図４ｄのよ
うに、造形ベースプレート１８を下降して既設硬化物層
２０ａを樹脂１３の液面に接触させ、次の硬化物層２０
ｂを積層成形する。以下前記と同様な工程を繰り返すこ
とにより、図４ｅのように、既設硬化物層２０ｂの下面
に次の硬化物層２０ｃを積層成形する。

【００３０】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明に係る光造
形装置は、造形槽内の樹脂をスキマー装置によって造形
槽周縁部と同じ高さに均した状態で造形ベースプレート
もしくは既設硬化物層をこの樹脂液面に接触させ、底面
の透明プレートを通して、造形ベースプレートもしくは
既設硬化物層と透明プレートとの間の樹脂に下方から光
を照射するので、成形される各積層ステップの形状とし
て、図５のように、外縁５ａが引っ込んだ前層２０ｂの
下に、外縁６ａが前層２０ｂよりも突出した次層２０ｃ
を成形するような場合でも、次層突出部６ｂの上面に樹
脂が存在しない空間とすることができ、従って、下方か
らの光照射装置による硬化作用を受けても次層突出部６
ｂの上面に不要硬化物が発生することがなく、光照射装
置の硬化深度に影響を受けない造形を実現することが可
能となり、この種の光造形装置の実用的可能性を高める
ことができる。

【００３１】また、光照射装置による露光量が過大にな
っても過深度硬化や、樹脂の滞留等に起因する樹脂の相
互近接硬化による造形不良を抑止することができと共
に、容量の小さい樹脂造形槽とすることができるので、
槽内に供給する樹脂を常に造形物の成形に必要な量だけ
とし、余剰樹脂は循環装置により絶えず槽内に供給でき
るので、造形作業を円滑に能率よく行うことができると
いう効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光造形装置の構成を示す一部欠切
正面斜視図。

【図２】図１の光造形装置の構成を示す断面図。

【図３】スキーマー装置の別の実施例を示す断面図。

【図４】本発明の光造形装置による硬化物層の成形工程
を示す説明図。

【図５】本発明の光造形装置による硬化物層の成形状態
を示す部分断面図。

【図６】従来の光造形法の一例を示す断面図。

【図７】光照射装置として紫外線レーザーを使用した場
合と半導体レーザーを使用した場合における光硬化性樹
脂の硬化プロフィールの相違を示す説明図。

【図８】図６の光造形法を紫外線レーザーで行った場合
の硬化物層の部分拡大図。

【図９】図６の光造形法を半導体レーザーで行った場合
の硬化物層の部分拡大図。

【符号の説明】

１１：樹脂造形槽 １２：透明プレート １３：光硬化性樹脂 １４：樹脂回収溝 １５：光照射装置 １６：コンピュータ １７：駆動装置 １８：造形ベースプ
レート １９：造形槽周縁部 ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ：硬化物層 ２１：循環装置 ２２：スキマー装置 ２３：樹脂循環槽 ２４：回路 ２５：循環ポンプ ２６：供給ノズル ２７：駆動モータ ２８：ベルト ２９：均し板 ３０：スキーマー装
置 ３１：均し板 ３２：排液板 ３３：ブラケット ３４：供給ノズル

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【手続補正書】

【提出日】平成５年８月３日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図３】

【図５】

【図４】

【図６】

【図７】

【図８】

【図９】

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 底面が透明プレートからなる光硬化性樹
   脂を貯留した樹脂造形槽の下方に、前記光硬化性樹脂を
   硬化するための水平及び垂直方向に対して移動可能な光
   照射装置を備え、前記樹脂造形槽の上方には、造形物を
   積層固着するための造形ベースプレートを備えた規制液
   面方式による光造形装置において、前記樹脂造形槽に、
   積層造形物の層厚に相当する分量の光硬化性樹脂を前記
   造形槽内へ均一に供給するための樹脂の供給及び回収用
   循環装置と、樹脂液面のスキマー装置とを設けたことを
   特徴とする光造形装置。
2. 【請求項２】 前記樹脂の供給及び回収用循環装置が、
   造形槽の周囲に設けられた樹脂回収溝と、回収された樹
   脂を貯留するための樹脂循環槽と、前記樹脂回収溝の樹
   脂を前記樹脂循環槽へ送り、かつ、前記樹脂循環槽内の
   樹脂を前記樹脂回収溝へ送るための循環ポンプとからな
   っている請求項１の光造形装置。
3. 【請求項３】 前記スキマー装置が、造形槽の周縁部上
   に接触して槽の一方側から他方側へ移動される均し板
   と、造形槽の外部側面に配置された前記均し板を駆動す
   るための駆動装置とからなっている請求項１の光造形装
   置。
4. 【請求項４】 前記スキマー装置が、造形槽内で前層を
   造形した後に透明プレート上に残った不要樹脂を排除す
   るための排液板と、造形槽内へ次層造形用の樹脂を供給
   するためのノズルと、前記ノズルより供給された樹脂の
   液面を造形槽の周縁部の高さと同じ面に均すための均し
   板とからなっている請求項１の光造形装置。