JPH08207144A

JPH08207144A - 光造形物支持ステージ

Info

Publication number: JPH08207144A
Application number: JP7016121A
Authority: JP
Inventors: Kyoichi Deki; 恭一出来; Shinji Sugioka; 晋次杉岡; Keiichi Ujiie; 啓一氏家; Hiroshige Haneda; 博成羽田
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 1995-02-02
Filing date: 1995-02-02
Publication date: 1996-08-13

Abstract

(57)【要約】【目的】光造形装置の構成部材として樹脂供給手段を
別途設けなくても、その表面に、光照射により第１層硬
化層となる未硬化樹脂層を迅速かつ確実に形成すること
ができ、光造形装置の構成部材として掃引手段を別途設
けなくても、その表面に、第１層硬化層を強固に固着さ
せることができる光造形物支持ステージを提供するこ
と。【構成】樹脂収容槽に収容された光硬化性樹脂に光照
射して選択的に樹脂硬化層を形成し、この硬化樹脂層を
積層して立体的な光造形物を形成する自由液面方式の光
造形装置に用いられる光造形物支持ステージであって、
前記樹脂収容槽内において昇降自在に設けられ、上面１
０Ａから下面１０Ｂに至る貫通孔Ｐが複数形成されたプ
レート１０よりなり、前記貫通孔の上面における開口面
積が８．５×１０^-5ｍｍ²以上２０ｍｍ²以下であるこ
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、自由液面方式の光造形
装置に用いられる光造形物支持ステージに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、工業製品においては、曲面を多用
したデザインが要求されており、また、部品の実装密度
が非常に高いものとなっている。このため、コンピュー
タによって立体形状物のデザインを取り扱う技術が発達
し、いわゆる三次元ＣＡＤシステムによって三次元立体
モデルを設計する手段が普及しつつある。そして、この
ような立体形状物の製造においては、従来、三次元ＣＡ
Ｄシステムによって設計された三次元立体モデルのデー
タを直接利用した数値制御によるフライス加工法が利用
されている。しかし、このような方法では、所期の立体
形状物を得ることは困難であり、実際上、浮き彫り彫刻
程度のものしか作製することができない。特に、内部構
造を有する立体形状物を数値制御による工作機械で忠実
に削り出すことは事実上不可能である。

【０００３】このような問題を解決する方法の１つとし
て、光硬化性樹脂に光を照射して選択的に樹脂硬化層を
形成する工程を繰り返すことにより、当該硬化樹脂層が
積層されてなる三次元立体像を形成する光造形法が提案
されている〔例えば、電子通信学会論文誌Ｖｏｌ．Ｊ６
４−Ｃ，ＮＯ．４（１９８１年４月）２３７〜２４１
頁、「レーザ研究」（第１８巻第７号４４８〜４５５
頁）参照〕。

【０００４】この光造形法においては、一般的には以下
のようにして三次元立体像が形成される。先ず、三次元
ＣＡＤシステムなどによって目的とする三次元立体モデ
ルを設計し、これにより定義された数値モデルを高さ方
向に等間隔の水平面で切断して複数のスライス層に分割
し、これらのスライス層の各々の水平断面のスライス図
形データを作成する。次に、これらのスライス図形デー
タうち、三次元立体モデルのスライス層における最下層
となる第１層のデータを取り出し、この第１層のスライ
ス図形データに基づいて光硬化性樹脂にレーザ光を照射
して走査する。これにより、光硬化性樹脂におけるレー
ザ光が照射された部分は、縮重合反応が生じて硬化す
る。照射光は樹脂中で吸収されて減衰するため、光硬化
性樹脂の硬化はその表面から下側に一定の厚みで生じ、
その結果、薄板状の第１層硬化層が形成される。そし
て、この第１層硬化層上に、所定の厚みとなるように未
硬化の光硬化性樹脂を供給して未硬化樹脂層を形成した
後、第１層に続く第２層のスライス形状データに基づい
て、上記と同様にレーザ光を照射して走査することによ
り、第１層硬化層の上面に連続して接合された状態で第
２層硬化層が形成される。このような光照射による硬化
層形成工程を、予め分割された全スライス層に対応した
回数だけ繰り返すことにより、複数の硬化層が一体に積
層されてなる三次元立体像（光造形物）が形成される。

【０００５】図１は上記の光造形法に用いる光造形装置
の概略を示す説明図である。図１において、１は液状の
光硬化性樹脂Ｒを収容する樹脂収容槽、２は光硬化性樹
脂Ｒの液面に選択的にレーザ光を照射するレーザ装置、
３は光造形物の支持ステージである。支持ステージ３は
剛性を有する板状体（プレート）よりなり、昇降機構
（図示省略）に接続されて樹脂収容槽１内において昇降
可能に設けられている。また、同図において、ｆ₁、ｆ
₂およびｆ₃は、それぞれ、支持ステージ３の表面３Ａ
に積層形成された、第１層硬化層、第２層硬化層および
第３層硬化層である。

【０００６】しかして、最初の硬化層である第１層硬化
層ｆ₁を形成する場合においては、先ず、支持ステージ
３の表面３Ａに、所定の厚みの未硬化樹脂層を形成する
必要がある。

【０００７】（１）この未硬化樹脂層は、支持ステージ
３の表面３Ａを光硬化性樹脂の液面から所定の深さ（第
１層硬化層ｆ₁の厚みｔに相当する深さ）まで沈めるこ
とにより、当該表面３Ａに光硬化性樹脂が流入・供給さ
れて形成される。ここに、未硬化樹脂層の厚み（延いて
は第１層硬化層ｆ₁の厚み）を所期の値に制御するため
には、樹脂収容槽１内における光硬化性樹脂の液面レベ
ルが、支持ステージ３の表面３Ａ上を含めて全ての領域
で等しくなければならない。

【０００８】しかしながら、支持ステージ３の表面３Ａ
を、光硬化性樹脂の液面から所定の深さまで沈めた場合
において、当該光硬化性樹脂の種類によっては、その表
面張力のために、前記支持ステージ３の表面３Ａに流入
されず供給されない、という問題がある（このような状
態を図２に示す。）。斯かる問題については、特開昭６
３−１４１７２４号公報に指摘されているものの、当該
公報において、その解決手段を開示するには至っていな
い。

【０００９】そして、斯かる場合には、図３に示すよう
に、支持ステージ３の表面３Ａ上において樹脂供給ノズ
ル４を矢印方向に走査させ、当該樹脂供給ノズル４に形
成された複数の供給口５から光硬化性樹脂６を供給する
手段、あるいは、図４に示すように、支持ステージ３の
表面３Ａ上において、樹脂含浸ブラシ７を複数有してな
るブラシ機構８を矢印方向に走査させ、前記樹脂含浸ブ
ラシ７により光硬化性樹脂を供給する手段などを設ける
必要があり、このような場合には、光造形装置としての
構成が複雑となるので好ましくない。

【００１０】（２）他方、支持ステージ３の表面３Ａに
未硬化樹脂層を形成する場合において、当該支持ステー
ジ３の表面３Ａを、光硬化性樹脂の液面から所定の深さ
よりも更に深くまで沈めた後、前記所定の深さまで上昇
させることも行われている。このように、支持ステージ
３を所定の深さ以上に沈めることによって、当該支持ス
テージ３の表面３Ａには十分な量の光硬化性樹脂が供給
される。

【００１１】しかしながら、支持ステージ３の表面３Ａ
を所定の深さに上昇させたときに、樹脂収容槽１内にお
ける光硬化性樹脂の液面は直ちに水平となるものではな
く、上昇動作を停止してから数分間は、当該表面３Ａ上
における液面が盛り上がった状態となり（このような状
態を図５に示す。）、斯かる状態で光照射による造形動
作を行うと、第１層硬化層の厚みを所期の値に制御する
ことができないばかりか、第１層硬化層の流出を招くと
いう問題がある。

【００１２】すなわち、支持ステージ３の表面３Ａ上に
おける未硬化樹脂層の厚みがレーザ光の透過深さよりも
大きくなり、支持ステージ３の表面３Ａの界面付近にお
いてはレーザ光が減衰して到達せず、当該界面付近にお
ける光硬化性樹脂は、未硬化もしくは不十分な硬化状態
となり、前記表面３Ａに対する第１層硬化層の固着力の
低下、更には第１層硬化層の流出を招き、その結果、以
後の造形動作を行っても目的とする光造形物を得ること
ができない。

【００１３】なお、支持ステージ３の表面３Ａ上におけ
る液面の盛り上がり（過剰量の樹脂）を強制的に掻き落
とすワイパー機構を設け、光照射による造形動作前にワ
イパー機構を走査・掃引することにより未硬化樹脂層の
厚みを均一なものとすることが行われているが、この場
合にも、光造形装置としての構成が複雑となるので好ま
しくない。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上のよう
な事情に鑑みてなされたものである。本発明の第１の目
的は、樹脂供給ノズルやブラシ機構などの樹脂供給手段
を光造形装置の構成部材として別途設けなくても、その
表面に、光照射により第１層硬化層となる未硬化樹脂層
を迅速かつ確実に形成することができる光造形物支持ス
テージを提供することにある。本発明の第２の目的は、
ワイパー機構などの掃引手段を光造形装置の構成部材と
して別途設けなくても、その表面における過剰量の樹脂
を迅速に除去することができ、その表面に、第１層硬化
層を強固に固着させることができる光造形物支持ステー
ジを提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】斯かる目的を達成するた
めに、本発明の光造形物支持ステージは、樹脂収容槽に
収容された光硬化性樹脂に光照射して選択的に樹脂硬化
層を形成し、この硬化樹脂層を積層して立体的な光造形
物を形成する自由液面方式の光造形装置に用いられる光
造形物支持ステージであって、前記樹脂収容槽内におい
て昇降自在に設けられ、上面から下面に至る貫通孔が複
数形成されたプレートよりなり、前記貫通孔の上面にお
ける開口面積が８．５×１０^-5ｍｍ²以上２０ｍｍ²以
下であることを特徴とする。

【００１６】

【作用】

（１）本発明の支持ステージを下降させて光硬化性樹脂
中に沈めると、当該光硬化性樹脂は、プレートの下面か
ら複数の貫通孔を通ってプレートの上面（支持ステージ
の表面）に流入する。これにより、粘性の高い光硬化性
樹脂であっても、支持ステージの表面に迅速かつ確実に
供給することができ、支持ステージの表面上には所期の
厚みを有する未硬化樹脂層が形成される。従って、光造
形装置の構成部材として樹脂供給手段を別途設ける必要
はない。

【００１７】（２）本発明の支持ステージを、所定の深
さよりも深くまで下降させて光硬化性樹脂中に沈めた
後、所定の深さまで上昇させた場合に、支持ステージの
表面上における液面は、過剰量の樹脂によって一時的に
盛り上がった状態となるが、当該支持ステージの表面
（プレートの上面）上における過剰量の樹脂は、プレー
トの上面から複数の貫通孔を通ってプレートの下面に流
出することにより除去される。これにより、樹脂収容槽
内における光硬化性樹脂の液面は短時間のうちに水平と
なり、未硬化樹脂層の厚みを所期の値（予め設定された
値）に制御することができる。従って、ワイパー機構な
どの掃引手段を光造形装置の構成部材として別途設けな
くても、支持ステージの表面に強固に固着された第１層
硬化層を形成することができる。

【００１８】（３）貫通孔のプレート上面（支持ステー
ジ表面）における開口面積が８．５×１０^-5ｍｍ²以上
であることにより、第１層硬化層の形成に必要な光硬化
性樹脂の支持ステージ表面への流入、過剰量の光硬化性
樹脂の支持ステージ表面からの流出を円滑に行うことが
できる。また、前記開口面積が２０ｍｍ²以下であるこ
とにより、第１層硬化層の形状に影響を与えることはな
い。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。＜実施例１＞図６は、本発明の支持ステージの一例を示
す説明用斜視図である。図６において、１０は剛性を有
する金属製のプレートであり、プレート１０には、その
上面１０Ａから下面１０Ｂに至る貫通孔Ｐが多数形成さ
れている。プレート１０の板厚は例えば２ｍｍ〜１０ｍ
ｍとされる。１１は金属製のロッド部材であり、このロ
ッド部材１１は、その下端においてプレート１０に固定
されており、その上端において図示しない昇降機構に固
定される。

【００２０】図７は、プレート１０を貫通孔Ｐの伸びる
方向に切断した側断面図である。プレート１０に形成さ
れた貫通孔Ｐの開口径ｄは１０μｍ（開口面積：８．５
×１０^-5ｍｍ²）以上５ｍｍ（開口面積：２０ｍｍ²）
以下とされる。貫通孔の開口径が１０μｍ未満である場
合には、当該貫通孔内を光硬化性樹脂が通過しにくくな
り、その結果、第１層硬化層の形成に必要な光硬化性樹
脂をプレート１０の上面１０Ａに流入させることが困難
となるとともに、過剰量の光硬化性樹脂をプレート１０
の上面１０Ａから流出させることが困難となる。また、
貫通孔の開口径が５ｍｍを超える場合には、第１層硬化
層の形成が目的とする形状とは異なるものになりやす
い。

【００２１】また、図７において、隣接する貫通孔の開
口縁間の距離をＸ、当該開口縁からの光硬化性樹脂の侵
出距離をＬとするとき、式〔Ｘ≦２Ｌ〕が成立すること
が好ましい。この関係が保たれている場合において、プ
レート１０を下降させて光硬化性樹脂中に沈めると、当
該光硬化性樹脂が、プレート１０の上面１０Ａ（支持ス
テージの表面）に速やかに供給され、当該上面１０Ａに
おいて均一な未硬化樹脂層が迅速かつ確実に形成され
る。なお、図７において、Ｒ_svは、光硬化性樹脂の蒸気
と吸着平衡にある固体（プレート１０）の表面張力、Ｒ
_lvは光硬化性樹脂の蒸気と吸着平衡にある光硬化性樹脂
の表面張力、Ｒ_slは固液界面の界面張力を示しており、
水平方向の力のつりあいは〔Ｒ_sv＝Ｒ_sl＋Ｒ_lvｃｏｓ
θ〕で与えられる。ここに、θは接触角であり、接触角
θは、光硬化性樹脂の種類およびプレート１０の構成材
料によって決定される。光硬化性樹脂の盛り上がり形状
を半径ｒの円弧で近似すると、図７における侵出位置Ｏ
から、第１層硬化層の厚みｔとなる位置Ｈまでの円弧の
水平方向の長さ、すなわち前記侵出距離Ｌは〔Ｌ＝（ｒ
−ｔ）ｔａｎθ〕で与えられる。

【００２２】＜実施例２＞図８は、本発明の支持ステー
ジの他の例（プレート２０）を示す側断面図である。本
実施例の支持ステージを構成するプレート２０には、上
面２０Ａにおける開口径ｄ₁が下面２０Ｂにおける開口
径ｄ₂よりも小さい貫通孔Ｐ₂₀が多数形成されている。
ここに、開口径ｄ₁と開口径ｄ₂との比（ｄ₁／ｄ₂）
は１〜０．１とされる。

【００２３】＜実施例３＞図９は、本発明の支持ステー
ジの他の例を示す側断面図である。本実施例の支持ステ
ージは、多数の貫通孔Ｐ₃₀が形成された第１プレート３
０と、この第１プレート３０に対して着脱可能に設けら
れ、前記貫通孔Ｐ₃₀に連通する貫通孔Ｐ₄₀が多数形成さ
れた第２プレート４０とを有してなる。このような構成
を有する本実施例の支持ステージによれば、第１プレー
ト３０に対して着脱可能である第２プレート４０上に光
造形物が形成されるので、当該光造形物を光造形装置か
ら取り外すときに、第２プレート４０ごと取り出すこと
ができる。従って、狭い光造形空間で光造形物の取り外
し作業を行う必要はなく、当該光造形空間から離れた作
業しやすい場所で、第２プレート４０から光造形物だけ
を傷つけずに取り外すことができる。狭い光造形空間で
取り外し作業を行う場合には、ベースプレートに力が加
わり、ベースプレートの水平度等の初期位置決め状態が
損なわれるおそれがあるが、本実施例によれば、そのよ
うな問題は生じない。

【００２４】以上、本発明の実施例について説明した
が、本発明はこれらによって限定されるものではなく、
種々の変更が可能である。例えば、貫通孔の断面（開口
径）は円形である必要はなく、例えば４角形、６角形な
ど特に限定されない。

【００２５】

【発明の効果】本発明の支持ステージによれば、光造形
装置の構成部材として樹脂供給手段を別途設けなくて
も、その表面に、光照射により第１層硬化層となる未硬
化樹脂層を迅速かつ確実に形成することができ、また、
光造形装置の構成部材として掃引手段を別途設けなくて
も、その表面における過剰量の樹脂を迅速に除去するこ
とができ、その表面に、第１層硬化層を強固に固着させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の光造形装置の概略を示す説明図である。

【図２】光硬化性樹脂の液面から所定の深さまで支持ス
テージを沈めたときの状態を示す説明図である。

【図３】支持ステージの表面に光硬化性樹脂を供給する
ための樹脂供給手段の一例を示す説明図である。

【図４】支持ステージの表面に光硬化性樹脂を供給する
ための樹脂供給手段の他の例を示す説明図である。

【図５】光硬化性樹脂中に沈めた支持ステージを上昇さ
せたときの状態を示す説明図である。

【図６】本発明の支持ステージの一例を示す説明用斜視
図である。

【図７】本発明の支持ステージを構成するプレートの側
断面図である。

【図８】本発明の支持ステージの他の例を示す側断面図
である。

【図９】本発明の支持ステージの他の例を示す側断面図
である。

【符号の説明】

１０プレート１０Ａ上面１０Ｂ下面１１ロッド部材２０プレート２０Ａ上面２０Ｂ下面３０第１プレート４０第２プレートＰ，Ｐ₂₀，Ｐ₃₀，Ｐ₄₀ 貫通孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者氏家啓一兵庫県姫路市別所町佐土1194番地ウシオ電機株式会社内 (72)発明者羽田博成兵庫県姫路市別所町佐土1194番地ウシオ電機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】樹脂収容槽に収容された光硬化性樹脂に
光照射して選択的に樹脂硬化層を形成し、この硬化樹脂
層を積層して立体的な光造形物を形成する自由液面方式
の光造形装置に用いられる光造形物支持ステージであっ
て、前記樹脂収容槽内において昇降自在に設けられ、上面か
ら下面に至る貫通孔が複数形成されたプレートよりな
り、前記貫通孔の上面における開口面積が８．５×１０^-5ｍ
ｍ²以上２０ｍｍ²以下であることを特徴とする光造形
物支持ステージ。