JPH0832432B2 - 立体構造物及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光及び光硬化性流動物質を用いて所望形状
の固体に形成された立体構造物に関する。

〔従来の技術〕

従来、鋳型製作時に必要とされる製品形状に対応する
模型、若しくは切削加工の倣い制御用又は形彫放電加工
電極用の模型の製作は、手加工により、或いはNCフライ
ス盤等を用いたNC切削加工により行われていた。しかし
ながら、手加工による場合は、多くの手間と熟練とを要
するという問題が存し、NC切削加工による場合は、刃物
の刃先形状変更のための変換や、摩耗等を考慮した複雑
な工作プログラムを作る必要があると共に、加工面に生
じた段を除くために更に仕上げ加工を必要とする場合が
あるという問題が存していた。

このような問題に対処すべく、本出願人は、光硬化性
樹脂を選択的に硬化させて所除形状の固体を得る方法を
提案している。

該方法は、連続した硬化部分が得られる厚みの光硬化
性流動物質層に対し、所望形状の固体の断面形状に従っ
て光エネルギ集中照射を行い、所定の硬化部分を形成し
た後に該硬化部分表面に新たな光硬化性流動物質層を付
加し、該硬化部分に連続する断面形状について再び光エ
ネルギ集中照射を行い、新たな硬化部分を形成する、と
いう操作を繰返し行って所望の立体を得る光学的造形法
である（特公昭63−40650号公報参照）。

しかしながら、上記方法においては、以下に示す問題
があった。即ち、 （ａ）光照射に基づく硬化部分形成時に、収縮量相違に
基づき、或いは該硬化部分の膨潤により、反り又は変形
が発生する。

（ｂ）硬化部分の上下層間に、密着性不良による隙間が
生ずる。

（ｃ）基盤面に対し極めて僅かな面積で接する球体の如
き形状の固体を製作する途上において、硬化部分が、基
盤面から剥離し又は基盤面に対し傾斜して、正確な固体
造形を継続し得なくなる。

特に、光照射の１度の走査により形成される幅の帯状
硬化部分、例えば0.2mm〜2.0mmの肉厚部分を作製する場
合には、上記（ａ），（ｂ）の問題が顕著に現出してい
た。即ち、複数度の走査により形成される広幅の硬化部
分においては、各走査部分が下方及び側方の硬化部分と
付着して相互に下層からの遊離を防止し合うのである
が、１度の走査の幅の硬化部分を形成する際には、上記
のような相互作用が得られず、密着性不良による隙間が
生じ易いという問題があった。

また、上記したように、硬化部分は、極めて薄い肉厚
を有するため、僅かの収縮量相違に基づき、反りを発生
し易く、更に膨潤し易いという問題が存する。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の目的は、上記問題点を解決し、所望形状の固
体形成を確実に行うことができ、更に硬化部分形成時に
おける形状歪の発生を防止でき、高い精度の固体造形を
有する立体構造物を提供することにある。

〔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次のような技術的構
成を採用するものである。即ち、本発明に係る立体構造
物は基本的には、合成樹脂により形成された立体的形状
を有する物体であって、少なくとも該物体の一部に当該
物体の垂直軸方向と平行な少なくとも一個の薄板状補助
支持体が形成されている事を特徴とする立体構造物であ
り、より具体的には該薄板状補助支持体を当該立体構造
物の変形しやすい部分に積極的に配置するものである。

又、当該薄板状補助支持体は該立体構造物の外周部の
少なくとも一部に設けても良く又当該立体構造物の内部
に設けても良く更にはその両者に設けたものであっても
良い。

以下本発明に係る立体構造物の構造及びその製造方法
について具体例をもとに説明する。

まず本発明に係る立体構造物を製造するための基本的
な方法について述べるならば、当該立体構造物は例えば
次に示すような方法によって製造しうるものである。即
ち光により硬化する光硬化性流動物質を容器内に収容
し、該流動物質中に光照射を行いつつ、該光照射箇所を
前記容器内の該流動物質の表面に対し水平に造形対象の
形状に応じて相対移動させ、所望形状の固体を基盤面上
に形成するにあたり、前記基盤面と所望形状固体との
間、前記所望形状固体の変形発生のおそれがある箇所、
又は該箇所と所望形状固体の他の箇所との間に延びる補
強用の薄板状支持体を複数硬化形成しつつ前記固体形成
を行うものである。前記薄板状支持部はそれの形成後に
必要に応じて除去することが出来る。

前記薄板状支持体は、固体形成後に容易に除去され得
るように形成されてもよい。即ち、該支持体形成時にお
いては、照射する光の露光量を、所望形状固体の形成時
における露光量に比して弱め、或いは照射光の直径を、
所望形状固体形成時における照射光の直径より細くして
該支持体を形成してもよい。これにより、該支持体の機
械的強度が低くなり、該支持体の除去が容易になると共
に、前記支持体除去に基づく痕跡が軽減される。

前記光硬化性流動物質としては、光照射により硬化す
る種々の物質を用いることができ、例えば変性ポリウレ
タンメタクリレート、オリゴエステルアクリレート、ウ
レタンアクリレート、エポキシアクリレート、感光性ポ
リイミド、アミノアルキドを挙げることができる。

該光硬化性流動物質に、予め顔料、セラミックス粉、
金属粉等の改質用材料を混入したものを使用してもよ
い。

前記光としては、使用する光硬化性物質に応じ、可視
光、紫外光等、種々の光を用いることができる。該光
は、通常の光としてもよいが、レーザ光とすることによ
り、エネルギレベルを高めて造形時間を短縮し、良好な
集光性を利用して造形精度を向上させ得るという利点を
得ることができる。本発明に於ける上記の薄板状補助支
持体は当該立体構造物の必要な部分に適宜設けるもので
あって、該補助支持体の枚数は一枚であっても良く、又
複数枚であっても良い。その枚数は当該立体構造物の形
状によりそれが必要とする部位によって適宜決定するこ
とが出来る。更に該薄板状補助支持体が複数枚を必要と
する場合にはそれぞれの補助支持体が互いに平行に設け
ることが好ましい。又当該立体構造物の形状により、よ
り強度の高い補助支持体を必要とする部位に於いては、
該薄板状補助支持体を複数枚用いると共にその少なくと
も一部の薄板状補助支持体同士を互いに所定の角度を有
して交差させる様にしても良い。

係る例の好ましい形としては、該薄板状補助支持体が
互いに直角に交差して格子状に形成されているもの或い
は菱形を形成しているもの等である。係る具体例に於け
る該複数枚の薄板状補助支持体の配置間隔は任意に設定
しえるのであって、当該立体構造物の形状から要求され
る強度との兼ね合いで決定する事が出来る。該薄板状補
助支持体を形成するに当たっては、該立体構造物の外周
部の少なくとも一部に設ければ良いが、当該立体構造物
の外周部全体に形成するものであってもよい。一方、該
薄板状補助支持体を当該立体構造物の内部に設けるもの
に有っては、該薄板状補助支持体を該立体構造物の内部
の全体に亘って設けても良く、又当該内部の一部にのみ
設けるものであっても良い 又他の例としては、当該立体構造物の外部と内部との
両方に設けるものであっても良く、この場合には一つの
該薄板状補助支持体が該立体構造物を貫通した形で形成
されたものであっても良く、更には当該立体構造物の内
部と外部とで異なる薄板状補助支持体を構成形成するも
のであっても良い。

〔実施例〕

以下に、本発明の実施例を、添付図面を参照しつつ説
明する。

第１図は、本発明にかかる立体構造物100を光学的造
形法により、製造する工程を段階的に示す。該装置は、
光硬化性流動物質（Ａ）を収容する容器（図示せず）
と、上下方向に延びる支持棒（１）の下端部に支持され
たベースプレート（２）と、前記容器上方の光源から発
せられた光を該容器中の流動物質（Ａ）上面近傍で点状
に収束させる光収束器（４）とを備え、流動物質（Ａ）
に対し光照射位置を相対的に移動させるようになってい
る。光源及び光収束器（４）は、容器外に固定されてお
り、該容器に対し、主に水平方向に移動する。光収束器
（４）は、上記凸レンズに換えて、例えば凹面鏡とする
こともできる。光収束器（４）に至る光路は、ミラーと
自由空間とにより構成してもよく、光ファイバにより構
成してもよい。また、ベースプレート（２）を支持する
支持棒（１）の上端部も容器外に固定され、該容器に対
し垂直方向に移動する。

上記光源及び光収束器（４）の移動制御、又は支持棒
（１）の移動制御は、NC等の自動制御や人手による制御
等、適宜に行うことができる。また、光源から発せられ
る光の移動を伴う場合には、該光移動を、ポリゴンミラ
ーや電磁力により任意角度に旋回し得るガルバノミラー
等によって行うことができる。

上記装置を用いて、例えば中空の球状固体である立体
構造物100の造形を行うには、まず、光硬化性流動物質
（Ａ）を容器内に収容し、ベースプレート（２）を、上
方からの光照射により流動物質（Ａ）上面からベースプ
レート（２）上面に及ぶ連続した硬化部分が得られる深
さとなるように流動物質（Ａ）中に沈め、位置決めす
る。そののち、流動物質の硬化に必要なエネルギレベル
の光を光源から発し、光収束器（４）でもって該光を点
状に収束させつつベースプレート（２）の上に帯状硬化
部分（３′）を得る（第１図（ａ）参照）。

硬化部分（３′）が得られたのち、流動物質（Ａ）上
面から該硬化部分上面までの深さが、これら両面間に及
ぶ連続した硬化部分が光照射により得られる深さ、即ち
前記硬化部分を形成したと同じ深さとなるようベースプ
レート（２）を沈降させ、前述と同様の光収束器（４）
を介する集中光照射を選択的に行うことにより、前記硬
化部分上に新たにこれに連続する硬化部分を得る。この
所定パターンの帯状硬化部分を形成して積層する操作を
繰り返して得られる支持体（３）は、その肉厚が、例え
ば約0.1mm〜0.3mmと極めて薄い複数の板状体として構成
されており、等間隔をおいて垂直に延びている。更に、
これらベースプレート（２）の沈降と、光照射による硬
化部分の形成とを繰り返し行い（第１図（ｂ）及び第２
図参照）、薄板状支持体（３）と共に球状固体（５）を
形成する（第１図（ｃ）参照）。

このように、支持体（３）が固体（５）とベースプレ
ート（２）との間に介在するように固体形成を行うた
め、丸い底面を有する硬化部分がベースプレート（２）
から剥離したり、該ベースプレート（２）に対し傾斜し
たりすることがなく、球状固体（５）の形成を円滑且つ
確実に行うことができる。また、中空部（５′）を有す
る球状固体（５）は、全体的な球形状の歪や部分的な凹
凸の発生等、造形時における樹脂の収縮、膨潤、層間剥
離による歪を生じ易い。そこで他の具体例としてその造
形にあたり、中空部（５′）内を貫いて球状固体（５）
の外側へ垂直方向に延びる複数の補強用の薄板状支持体
（３）を同時に形成するため、光照射による硬化部分形
成時の変形発生を防止することができる。

固体（５）の形成後、支持体（３）の下端部を破断し
てベースプレート（２）から固体（５）を分離する（第
１図（ｄ）参照）。支持体（３）は、上述の如き薄い板
状体により構成されているため、機械的強度が弱く、容
易に該ベースプレート（２）上で破断することができ、
またベースプレート（２）に対する接触面積が小さいた
め、該ベースプレート（２）との接触面から容易に剥が
すこともできる。

つぎに、ベースプレート（２）から分離した支持体
（３）を、必要に応じて、第１図（ｅ）に示すように、
固体（５）から適当な手段で除去する。これにより、破
損、変形等を伴うことなく所望の球状固体（５）を得る
ことができる。

更に、支持体（３）を上記平板の平行配置の如き一定
パターンの繰り返しで形成する場合は、つぎの利点を得
ることができる。本発明では、光硬化性流動物質を収容
した容器と光照射箇所との相対移動の集積により造形を
行うものであるので、相対移動経路のプログラミングに
よりコンピュータ支援の下に、設計及び加工（造形）を
行うのに極めて適している。所望形状の固体を本発明で
造形する際に、変形発生のおそれある箇所に支持体を設
けることは、造形精度上有利であるが、固体の形状設計
（CAD）時に薄板状支持体の位置や形状をも逐一決定す
るのは、設計者にとって極めて面倒なことである。しか
しながら、薄板状支持体を、一定パターンの繰り返しで
形成するようにすれば、形状設計（CAD）段階と切離し
て造形手順等の決定（CAM）の際に、薄板状支持体のパ
ターンを選択又は決定して容易に行うことができるとい
う利点がある。

なお、所望の固体形状が、例えば立方体、直方体形状
等、ベースプレート（２）の上面に対し安定性を有する
形状である場合には、該固体形成をベースプレート
（２）上において直ちに行い、変形発生のおそれある箇
所から、又は該箇所だけにおいて、補強用の薄板状支持
体（３）の形成を行ってもよい。

第３図から第８図の各々は、本発明において光学的造
形法に基づき得られた、球に近似した形状の中空固体
（15）及び薄板支持体の種々の形状例を示す。

第３図は、ベースプレート（２）上において、中空固
体（15）の中間高さ位置まで垂直に延びた複数の薄板状
支持体（13）を示す。該支持体（13）は、中空固体（1
5）の中空部（15′）内には形成されていない。該薄板
状支持体（13）は、等間隔に平行に配設されており、特
に固体（15）の下半部を形成する際における形状歪の発
生を防止し、固体（15）造形時において、該固体（15）
のベースプレート（２）に対する安定性を付与する。

第４図は、中空固体（15）の上端部を超えた位置まで
薄板状支持体（23）が形成されている点を除き、第３図
に示した支持体（13）と同様の構成である。この薄板状
支持体（23）は、固体（15）の下半部だけでなく上半部
を形成する際における形状歪の発生をも防止し、より高
精度の固体造形を可能とする。

第５図は、中空固体（15）の外側部だけでなく中空部
（15′）内にも薄板状支持体（33）が形成されている点
を除き、上記の支持体（13）と同様の構成である。この
薄板状支持体（33）は、固体（15）の下半部を形成する
際において、該下半部の外側からだけでなく内側からも
補強し、極めて高い精度で固体（15）の下半部における
形状歪の発生を防止する。

第６図から第８図は、前の各例の平行な薄板状支持体
に替えて、平面視格子状の薄板状支持体を形成したもの
であり、補強を強化してより高精度の造形を可能にす
る。

第６図は、ベースプレート（２）上において、中空固
体（15）の下側部分の位置まで垂直に延び且つ水平方向
に直角に交差するよう格子状に配設された複数の薄板状
支持体（43）を示す。

第７図は、中空固体（15）の上端部を超えた位置まで
薄板状支持体（53）が形成された例、第８図は、中空固
体（15）の中空部（15′）内にも薄板状支持体（63）が
形成された例を示す。

又第９図の様に支持体を立体構造物本体５の外側に張
り出して格子状に形成するものであってもよい。

なお、上記実施例においては、薄板状支持体を平行或
いは格子状に配置されたパターンとしたが、これらに限
定されるものではなく、例えば放射状同心円状等のパタ
ーンを採用することもできる。又本発明においては上記
した平行に配列された薄板状支持体と放射状に配列され
た同支持体或いは１つもしくは同心円状に配列された円
筒状の薄板状支持体とを組合せたものであっても良い。

〔発明の効果〕

以上から明らかなように、本発明によれば、つぎの効
果を得ることができる。

即ち、基盤面と所望の立体構造物との間、前記所望の
立体構造物の変形発生のおそれある箇所、又は該箇所と
所望の立体構造物の他の箇所との間に延びる補強用の薄
板状支持体を少なくとも１つ或いは複数硬化形成しつつ
前記固体形成を行い、該形成後に前記薄板状支持体を必
要に応じて除去するので、所望形状の固体形成を確実に
行うことができ、更に硬化部分形成時における形状歪の
発生を防止でき、高い精度の固体造形をもつ立体構造物
を製造し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｅ）は本発明の１実施例にかかる立体
構造物の光学的造形法の例を段階的に示す説明図、第２
図は第１図（ｂ）における状態を一部を切欠いて示す斜
視図、第３図〜第８図の各々は、本発明に基づき得られ
る所望形状立体構造物及び薄板状支持体の種々の形状例
を示し、第３図（ａ）はその第１の形状例を示す縦断側
面図、第３図（ｂ）は第３図（ａ）のＩ−Ｉ線に沿う断
面図、第４図（ａ）は第２の形状例を示す縦断側面図、
第４図（ｂ）は第４図（ａ）のII−II線に沿う断面図、
第５図（ａ）は第３の形状例を示す縦断側面図、第５図
（ｂ）は第５図（ａ）のIII−III線に沿う断面図、第６
図（ａ）は第４の形状例を示す縦断側面図、第６図
（ｂ）は第６図（ａ）のIV−IV線に沿う断面図、第７図
（ａ）は第５の形状例を示す縦断側面図、第７図（ｂ）
は第７図（ａ）のＶ−Ｖ線に沿う断面図、第８図（ａ）
は第６の形状例を示す縦断側面図、第８図（ｂ）は第８
図（ａ）のVI−VI線に沿う断面図である。第９図は本発
明の他の具体例を示す図である。 １……支持棒、２……ベースプレート、 3,13,23,33,43,53,63……薄板状支持体、 ４……光収束器、５……所望形状固体、 Ａ……光硬化性流動物質、100……立体構造物。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斉藤 直一郎 神奈川県藤沢市大庭3910 藤沢西部団地２ ―９―952

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】合成樹脂により形成された立体的形状を有
   する物体であって、少なくとも該物体の一部に当該物体
   の垂直軸方向と平行な少なくとも一個の薄板状補助支持
   体が形成されている事を特徴とする立体構造物。
2. 【請求項２】該物体の外周部の少なくとも一部に該薄板
   状補助支持体が形成されている事を特徴とする請求項１
   記載の立体構造物。
3. 【請求項３】該薄板状補助支持体が該物体の内部の少な
   くとも一部に形成されている事を特徴とする請求項１に
   記載の立体構造物。
4. 【請求項４】該薄板状補助支持体が該物体の外部及び内
   部に形成されている事を特徴とする請求項１に記載の立
   体構造物。
5. 【請求項５】複数の該薄板状補助支持体が互いに所定の
   間隔を以て平行に形成されている事を特徴とする請求項
   １乃至４の何れか一項に記載の立体構造物。
6. 【請求項６】複数の該薄板状補助支持体が互いに所定の
   角度を以て形成されている事を特徴とする請求項１乃至
   ４の何れか一項に記載の立体構造物。
7. 【請求項７】複数の該薄板状補助支持体が互いに直角に
   形成されて格子状の補助支持体を形成している事を特徴
   とする請求項６記載の立体構造物。
8. 【請求項８】複数の該薄板状補助支持体が当該立体構造
   物を中心として放射状に配列されて形成されている事を
   特徴とする請求項６記載の立体構造物。
9. 【請求項９】該薄板状補助支持体が円筒状に形成されて
   いる事を特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載
   の立体構造物。
10. 【請求項１０】複数の該円筒状薄板状補助支持体が同心
    円状に配列されて形成されている事を特徴とする請求項
    ９項に記載の立体構造物。
11. 【請求項１１】該円筒状薄板状補助支持体と平板状の薄
    板状補助支持体とが組合せられている事を特徴とする請
    求項９項若しくは10項に記載の立体構造物。
12. 【請求項１２】光により硬化する光硬化性流動物質を容
    器内に収容し、該流動物質中に光照射を行いつつ、該光
    照射箇所を前記容器に対し水平及び垂直方向に造形対象
    の形状に応じて相対移動させ、所望形状の固体を基盤面
    上に形成するにあたり、前記基盤面と所望形状固体との
    間、前記所望形状固体の変形発生のおそれある箇所、又
    は該箇所と所望形状固体の他の箇所との間に延びる補強
    用の薄板状支持部を複数硬化形成しつつ前記固体形成を
    行うことを特徴とする立体構造物の製造方法。
13. 【請求項１３】光により硬化する光硬化性流動物質を容
    器内に収容し、該流動物質中に光照射を行いつつ、該光
    照射箇所を前記容器に対し水平及び垂直方向に造形対象
    の形状に応じて相対移動させ、所望形状の固体を基盤面
    上に形成するにあたり、前記基盤面と所望形状固体との
    間、前記所望形状固体の変形発生のおそれある箇所、又
    は該箇所と所望形状固体の他の箇所との間に延びる補強
    用の薄板状支持部を複数硬化形成しつつ前記固体形成を
    行い、該形成後に前記薄板状支持部を除去することを特
    徴とする立体構造物の製造方法。