JPH0790604B2 - 光造形法 - Google Patents

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法の改良に関するも
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５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。

【０００９】この場合、照射される光が例えば紫外線レ
ーザーのような硬化深度の浅いものであっても 光の硬
化深度は目的とする第三層硬化物６の層厚よりも上方部
分、つまり第二層目硬化物５の外縁５ａよりも外側の領
域にある槽内の樹脂３ａに対しても及ぶことになるの
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の上面に厚さｔのような
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。

【００１０】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、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５に
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ことは必要なことであると言え
る。

【００１１】しかしながら、従来の規制液面方式の光造
形法では、図５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６
ｂ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。

【００１２】

【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自由に成形すること
のできる光造形法の提供を目的としたものである。

【００１３】本発明に係る光造形法は、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
からなる樹脂造形槽内に積層硬化物の層厚に相当する分
量の光硬化性樹脂を貯留した後、前記造形槽の上方に配
置した造形ベースプレートを前記造形槽の樹脂液面に接
触させて、前記造形槽の下方より該造形槽内の樹脂に光
を照射し、造形ベースプレートの下面に所定層厚の硬化
物層を成形する規制液面方式による光造形法において、
前記樹脂造形槽内にいったん硬化物の層厚よりも多い分
量の光硬化性樹脂を供給して、該樹脂の表面を均し板等
により所定の液面高さとなるよう均一に整えてから、光
照射により造形槽内に所定層厚の硬化物層を成形し、次
いで前記造形ベースプレートを次の硬化物層が成形され
るための層厚Ｐに相当する距離だけ移動する際に、前記
造形ベースプレートを、前記均し板等により樹脂液面の
高さが整えられる所定の高さ位置まで移動させ、次いで
前記造形ベースプレートを下面の前記硬化物層が前記造
形槽内の樹脂液面下に沈む位置までいったん下降させた
後、前記造形ベースプレートを前記下降位置から、次の
硬化物層が成形される層厚Ｐに相当する距離まで上昇さ
せることを特徴とする。

【００１４】

【作用】この発明の光造形法では、樹脂造形槽内にいっ
たん硬化物の層厚よりも多い分量の光硬化性樹脂を供給
して、該樹脂の表面を均し板等により所定の液面高さと
なるよう均一に整えるので、造形槽内に貯留される樹脂
を常に目的とする一層分の硬化物が得られる所定の液面
に維持することができる。そのため、前記のような、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、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
とを防止できる。

【００１５】また、光照射により造形槽内に所定層厚の
硬化物層が成形された後には、前記造形ベースプレート
を次の硬化物層が成形されるための層厚Ｐに相当する距
離だけ移動するが、その際、造形ベースプレートを前記
均し板等が樹脂液面の高さを整えるのに支障がない程度
の高さ位置Ｚまで移動させた後、該造形ベースプレート
を、下面の既設硬化物層が前記造形槽内の樹脂液面下に
沈む位置までいったん下降させてから、次の硬化物層が
成形される層厚Ｐに相当する距離まで上昇させるので、
既設硬化物層と下方の樹脂液面との間を表面張力により
隙間なく確実に接触させることができ、従って、前記の
ような特殊なデザインの造形物の成形に際しても、次層
突出部の上面に不要硬化物が発生せず、しかも順次積層
される硬化物層の間に層間剥離の生じない有効な固着状
態を与えることができる。

【００１６】

【実施例】次に、本発明に係る光造形法を図面に示す実
施例により説明すると、図２はこの光造形法の実施に使
用する造形装置を示しており、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１
６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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】次に本発明の光造形法を説明すると、図３
ａ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の均し
板２９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。

【００２１】このようにして、硬化物層２０ａが成形さ
れたのち、図１及び図３ｂに示すように、造形ベースプ
レート１８の下面１８ａをＡで示す液面位置から、スキ
マー装置２２の均し板２９が樹脂液面の高さを整えるの
に支障がない程度の距離ｚをもった高さ位置Ｂまで上昇
退避移動させる。なお、図１では、この退避距離ｚは造
形ベースプレート１８の下面１８ａを基準としている
が、実際には、造形ベースプレート１８の下面に硬化物
層が順次積層されていくので、造形ベースプレート１８
の下面に最終的に所定の長さの積層造形物が成形された
ときでも、均し板２９による樹脂液面の調整が行えるの
に支障がない程度の高さを見越した距離とする。

【００２２】また、前記のように、造形ベースプレート
１８の下面に硬化物層２０ａが成形されると、造形槽１
１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、図３ｃのように、造形槽１１内に新しい
樹脂１３を補給する。この新しい樹脂１３の補給に際し
ては、樹脂を造形槽周縁部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て、図１に示ような、所定の硬化
物層を成形するための層厚Ｐに相当した液面高さとす
る。

【００２３】次いで図１及び図３ｃに示すように、造形
ベースプレート１８を、前記の高さ位置Ｂから造形槽１
１の液面Ａ方向へ下降させる。その際、造形ベースプレ
ート１８を下降する距離は、図１のように、前記既設硬
化物層２０ａの下面が樹脂１３の液面に接触する位置、
つまり造形ベースプレート１８の下面１８ａを基準にし
た場合は、前記距離ｚから樹脂の層厚ｐを差し引いたｚ
−ｐの位置としても理論的に差し支えない。しかし、造
形ベースプレート１８の下降距離を該プレート下面１８
ａがｚ−ｐの位置、つまり既設硬化物層２０ａの下面が
液面Ａと接触する位置まで下降すると、次の第二層目硬
化物層の成形が確実に行えないというような場合が生ず
る。

【００２４】即ち、上記のように、造形ベースプレート
１８の下降距離を該プレート下面１８ａがｚ−ｐの位置
で止めた場合には、理論的には既設硬化物層２０ａの下
面が液面Ａと接触することになるので、この状態で造形
槽１１の下方から光を照射すれば既設硬化物層２０ａの
下面に第二層目の硬化物層を積層成形することはでき
る。しかし実際には、造形層内の樹脂液層厚ｐは通常数
ミリ程度の薄い層であること、液面精度に不揃いがある
こと、造形ベースプレート１８の移動の微細な操作に熟
練を要すること等の条件により、既設硬化物層２０ａの
下面を正確に液面Ａと接触させることができないことが
あり、もしもそのような好ましくない条件のもとで、下
方から光を照射して造形層内に次の硬化物層を成形して
も、その硬化物層と既設硬化物層とが完全に固着され
ず、積層造形物がが成形の途中で寸断されてしまうとい
うことが生ずる。

【００２５】そのため、造形ベースプレート１８の下降
に際しては、造形ベースプレート１８をいったん該プレ
ート下面１８ａが移動した距離ｚと同じ距離、つまり液
面Ａの位置まで戻し、その後造形ベースプレート１８
を、プレート下面１８ａが樹脂液層厚ｐに相当する距
離、つまり前記ｚ−ｐの位置まで上昇させる。この状態
においては、造形ベースプレート１８の下面の既設硬化
物層２０ａが、いったん造形槽内の樹脂液面Ａ下に完全
に沈む位置まで下降し、その後既設硬化物層２０ａの下
面が樹脂液面Ａと接触する位置まで上昇するので、引き
上げられた既設硬化物層２０ａの下面と造形槽内の樹脂
液面Ａとは液の表面張力により確実に接触した状態とな
る。

【００２６】従って、この状態で造形槽下面より槽内の
樹脂１３に対して光を照射することにより、図３ｄのよ
うに、第一層目硬化物層２０ａの下面に第二層目硬化物
層２０ｂを積層成形することができ、以下同様の方法に
により工程を繰り返すことによって図３ｅ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。

【００２７】

【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
もしくは既成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
既成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４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。

【００２８】また、造形槽内硬化物層が成形された後に
は、前記造形ベースプレートをスキマー装置の均し板等
が樹脂液面の高さを整えるのに支障がない程度の高さ位
置まで移動させた後、該造形ベースプレートを、下面の
既設硬化物層が前記造形槽内の樹脂液面下に沈む位置ま
でいったん下降させてから、既設硬化物層の下面が液面
と接触する距離まで上昇させることで、既設硬化物層と
下方の樹脂液面との間を表面張力により隙間なく確実に
接触させることができ、従って、前記のような特殊なデ
ザインの造形物の成形に際しても、次層突出部の上面に
不要硬化物が発生せず、しかも順次積層される硬化物層
の間に根入れ深さにより層間剥離の生じない有効な固着
状態を与えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光造形法における硬化物層の成形工程
を説明する造形槽の部分拡大断面図。

【図２】本発明の光造形法に使用する造形装置の構成を
示す一部欠切斜視図。

【図３】本発明の光造形法における硬化物層の成形工程
を示す説明図。

【図４】本発明の光造形法による硬化物層の成形状態を
示す部分拡大断面図。

【図５】従来の光造形法の一例を示す断面図。

【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：スキーマー装
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 ｚ：造形ベースプレ
ート移動距離 ｐ：樹脂液層厚 Ａ：液面 Ｂ：造形ベースプレート上昇位置

Claims (1)

【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樹脂造形槽
   内に積層硬化物の層厚に相当する分量の光硬化性樹脂を
   貯留した後、前記造形槽の上方に配置した造形ベースプ
   レートを前記造形槽の樹脂液面に接触させて、前記造形
   槽の下方より該造形槽内の樹脂に光を照射し、造形ベー
   スプレートの下面に所定層厚の硬化物層を成形する規制
   液面方式による光造形法において、前記樹脂造形槽内に
   いったん硬化物の層厚よりも多い分量の光硬化性樹脂を
   供給して、該樹脂の表面を均し板等により所定の液面高
   さとなるよう均一に整えてから、光照射により造形槽内
   に所定層厚の硬化物層を成形し、次いで前記造形ベース
   プレートを次の硬化物層が成形されるための層厚Ｐに相
   当する距離だけ移動する際に、前記造形ベースプレート
   を、前記均し板等により樹脂液面の高さが整えられる所
   定の高さ位置まで移動させ、次いで前記造形ベースプレ
   ートを下面の前記硬化物層が前記造形槽内の樹脂液面下
   に沈む位置までいったん下降させた後、前記造形ベース
   プレートを前記下降位置から、次の硬化物層が成形され
   る層厚Ｐに相当する距離まで上昇させることを特徴とす
   る光造形法。