JPH09131800A - 光造形方法及び光造形装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 液状光硬化性組成物に光を照射して薄い層を
光硬化し、順次積層して三次元物体を製作する方法また
は装置において、従来、大量の液状光硬化性組成物をタ
ンクに収納しておき、その液状組成物の中に三次元物体
製作用のテーブルを浸して光造形を行うために、そのタ
ンク内の液状組成物が劣化して破棄しなければならない
という問題点があった。 【解決手段】 硬化層形成に必要なだけの液状組成物を
テーブル上に供給して平滑化された液状組成物の層を形
成し、その後、光をその平滑化された液状組成物層に選
択的に照射して所定形状の硬化層を生成し、以後順次硬
化層を積層して三次元物体を製作する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は液状光硬化性組成物
に紫外線、可視光線あるいは赤外線を選択的に照射して
所定形状の薄い硬化層を形成し、その硬化層を順次積層
して所定の三次元物体を得る光造形装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、液状光硬化性組成物を満たした造
形タンクを有する光造形装置が知られていた（例えば特
公平７−１０５６６）。ここに液状光硬化性組成物とは
例えば光硬化性樹脂又は、硬化後の樹脂の強度、耐熱特
性を増すために添加された強化材入光硬化性樹脂などを
いう。以下液状光硬化性組成物のことを「液状組成物」
あるいは単に「組成物」ともいう。

【０００３】図６に従来の装置の正面断面概略図を示
す。図６において５０は液状組成物１０を満たした造形
タンク、５１は上面が水平なテーブルである。テーブル
５１はアーム５２と一体化しており、昇降装置５３によ
って上下に移動可能である。

【０００４】この装置を用いて三次元物体を造形するに
は、 （１）上面が水平なテーブル５１を液状光硬化性組成物
１０の表面から所定量（例えば５０μ）だけ降下させ
る。 （２）次に図示していない供給装置（例えば底に穴の開
いた小型のバケツ）で造形タンク５０中の液状組成物１
０を汲み上げてテーブル５１の上に供給する。 （３）次に図示していない鉛直な刃を持つドクターナイ
フをテーブル５１上面に平行に移動させて液状組成物表
面を平滑化する。 （４）その後、テーブル上面の液状光硬化性組成物の層
に光を選択的に照射して硬化させ、一層分の硬化厚さの
所定形状を造形する。 （５）その後テーブル５１をさらに一層分の硬化厚さ分
だけ降下させ、 （６）以下（２）〜（５）の手順を順次繰り返して硬化
層を積層し、三次元物体を造形する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の装置
を用いて光造形を行なうと次のような問題点があった。 （１）造形タンクに大量の液状光硬化性組成物を蓄えて
おく必要があるが、液状光硬化性組成物が劣化するので
造形タンク内の液状光硬化性組成物を全て廃棄し新しい
ものと取り替える必要がある。液状光硬化性組成物は非
常に高価なものなので液状光硬化性組成物を廃棄するの
は大変不経済である。 （２）強化剤入りの液状光硬化性組成物は、沈澱が生じ
易いので一定時間毎に攪拌する必要があるが、造形タン
ク内にあるアームやテーブルが障害となるため、攪拌は
困難かつ面倒である。 （３）高粘度液状組成物を用いる場合、テーブルを沈め
る際に液状組成物の粘性により、かなり大きな力が加わ
るので従来の片持ちタイプのテーブルではアームがたわ
みテーブルが傾斜する。そのため三次元物体の仕上がり
精度が悪くなる。 （４）テーブルを上下させる機械部分が液状組成物の中
に没入するため、機械部分に材料が付着しメンテナンス
が大変である。 すなわちこの発明の目的は、大量の液状組成物を必要と
せず、高粘度液状組成物の攪拌が容易であり、三次元物
体の仕上がり精度がよく、テーブルの機械部分のメンテ
ナンスが容易な光造形方法あるいは光造形装置を提供せ
んとするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るものとして、この発明は次に説明するような光造形方
法及び光造形装置を採用した。この発明のうち光造形方
法は、液状光硬化性組成物を一層ずつ露光することによ
り順次硬化させ積層して三次元物体を製作する光造形方
法において、上方よりテーブル上面に液状光硬化性組成
物を供給しながら、テーブル上に形成された液状光硬化
性組成物層の表面平滑化を行う第１工程と、上記液状光
硬化性組成物層に対し光を選択的に照射して所定形状の
硬化した薄層を生成する第２工程と、上記テーブルを上
記硬化した薄層の厚さだけ下降させる第３工程とを含
み、第１工程から第３工程までを順次複数回行うことを
特徴としている。

【０００７】この発明のうち光造形装置は、液状光硬化
性組成物を一層ずつ露光することにより、順次硬化させ
積層して三次元物体を製作する光造形装置において、上
下方向に移動可能なテーブルと、そのテーブルの上方に
設置され、テーブル上面と平行に走行することが可能
な、液状光硬化性組成物の供給手段と、前記供給手段と
共にテーブル上方を走行することができるように設置さ
れたドクターナイフとを備えたことを特徴とするもので
ある。

【０００８】この発明によれば、三次元物体製作に必要
な分量だけ供給手段に液状組成物を蓄えておけばよく、
従来のように造形タンクに予め大量の液状組成物を蓄え
ておく必要がないので、高価な液状組成物が劣化した
り、汚染したりして無駄になることがない。次に強化剤
入り組成物の攪拌は障害物のない供給手段内で行えばよ
いので攪拌は容易かつ簡単である。また液状組成物の粘
度が高いほどテーブル上で液状組成物の層を形成するの
が容易であるため、この発明は高粘度組成物を対象とし
た光造形に最も適する。次にテーブルは液状組成物中に
没入することがないので高粘度液状組成物の場合でも大
きな荷重は掛からない。テーブルに掛かる荷重はテーブ
ル上の液状組成物の重さのみであり、かつ両端支持が可
能であるからテーブルの傾斜は生じない。そのため三次
元物体の仕上がり精度は向上する。最後にテーブルを駆
動する機械部分は空中にあり、液状組成物が付着しない
のでメンテナンスが容易である。

【０００９】

【発明の実施の形態】最初に図１に示す本発明の第１の
実施形態について説明する。図１は第１の実施形態の正
面断面図であり、図の左右方向が後述するテーブルの長
さ方向である。第１の実施形態の構成は次のとおりであ
る。

【００１０】第１の実施形態は図１に示すように上下方
向に移動可能なテーブル１７と、そのテーブル１７の上
方に設置され、テーブル上面と平行に走行することが可
能な、液状光硬化性組成物１０の供給手段である１１、
１３と、この供給手段と共にテーブル上方を走行するこ
とができるように設置されたドクターナイフ１５、１
５’で基本的に構成されている。テーブル１７上からこ
ぼれ落ちた組成物はタンク２１に回収される。

【００１１】１０は液状光硬化性組成物であり、例えば
所定の粘度を有する液体状の光硬化性樹脂、あるいはそ
の樹脂に強化粒子を混合したものである。この光硬化性
樹脂は、光を照射すると硬化する性質を有する公知の樹
脂である。また硬化後の液状組成物の強度や耐熱性を高
める強化粒子として無機物粒子、有機高分子物粒子ある
いはウィスカーなどがあり、最適な粒子の大きさ、樹脂
との最適配合率については公知である（特願平６−２３
４９２）。

【００１２】１１は、一連の光造形を行うのに必要なだ
けの液状組成物を収納しておくための供給タンクであ
り、１２はタンク１１の下端に取り付けられたバルブで
ある。高粘土の組成物を用いる場合には図示していない
攪拌機がタンク１１に取り付けられ、時々組成物を攪拌
する。１３は液状組成物を後述するテーブルの上に供給
するための供給ノズルであり、その下端は紙面と直角方
向にテーブル幅とほぼ同じ幅を有する。１４は供給ノズ
ル１３の下端に取り付けられたバルブであり、その開閉
はコンピュータによって制御される。

【００１３】１５、１５’は下向きの刃を持ち、テーブ
ル上の液状組成物表面を平滑化するためのドクターナイ
フであり、紙面と直角方向にテーブル幅とほぼ同じ幅を
有する。ドクターナイフ１５、１５’は供給ノズル１３
を挟んで供給ノズル１３と一体に設置され、図示してい
ない左右移動装置に保持されており、テーブル１７の長
さ方向（図１の左右方向）に向け一定の高さを保ちつつ
移動可能である。

【００１４】１６、１６’は後述するテーブル台を支持
するための支持具である。１７はその上面に液状組成物
の層を形成し、最終的には三次元物体を光造形するため
のテーブルである。図１の左右方向がテーブル１７の長
さ方向であり、紙面に直角な方向がテーブル１７の幅方
向である。

【００１５】１８は供給ノズル１３からテーブル１７外
に供給された液状組成物やドクターナイフ１５、１５’
によってテーブル１７上からそぎ落とされた液状組成物
の受け皿である。この受け皿１８には傾斜がついており
受け皿上の液状組成物は後述する回収パイプへと導かれ
るようになっている。１９はテーブル１７及び受け皿１
８と一体となったテーブル台であり、支持具１６、１
６’に支持されており、後述する昇降装置によって上下
方向に移動可能である。２０は受け皿１８に蓄えられた
液状組成物を後述する回収タンクに導くためのパイプで
ある。２１はパイプ２０から排出される液状組成物を回
収するためのタンクである。

【００１６】次に第１の実施形態を用いて光造形を行な
う手順を説明する。 （１）液状の光硬化性組成物を、１個あるいは複数個の
所望の三次元物体の造形に必要な量だけ、供給タンク１
１内に注入する。このときバルブ１２は閉じられてい
る。 （２）次に１個の所望の三次元物体の造形に必要な量だ
けの液状組成物をバルブ１２を開けて供給タンク１１か
ら供給ノズル１３に供給する。 （３）テーブル１７上面を充分拭き取り、何もない状態
にしておき、供給ノズル１３とドクターナイフ１５、１
５’をテーブル１７の上に移動させ、テーブル１７の上
下位置を調整してドクターナイフ１５、１５’の下端及
び供給ノズル１３の下端とテーブル１７との距離が所定
の値になるように調整する。この距離が組成物供給量に
対して小さすぎるとドクターナイフで組成物表面を平滑
化する際、刃先が組成物表面に深くくい込みすぎ、また
距離が大きすぎると刃先が組成物表面から離れるため上
手く平滑化ができない。

【００１７】（４）供給ノズル１３をテーブル１７の前
後端（図１の左右端）の上部に移動させる。 （５）バルブ１４を開け、液状組成物１０が供給ノズル
１３からテーブル１７上に供給されるのと同時あるいは
直後に供給ノズル１３が現在の位置から、テーブルの長
さ方向に液状組成物を供給しながら所定の速度で移動
し、テーブル１７の反対側の端部に達すると停止し、同
時にバルブ１４が閉じて組成物の供給が停止する。上述
したように供給ノズル１３が移動すると、ドクターナイ
フ１５、１５’は供給ノズル１３と共に移動し、その刃
の下端は供給ノズル１３の下端よりやや下に位置してい
るのでテーブル上の液状組成物１０の表面は平滑化さ
れ、所定厚さの液状組成物層が形成される。ドクターナ
イフで受け皿１８にそぎ落とされた液状組成物は受け皿
の傾斜によって回収パイプ２０を通って回収タンク２１
に収納される。この供給ノズル１３及びドクターナイフ
１５、１５’の移動速度の設定、移動、停止はコンピュ
ータにより制御される。 （６）図示していない光照射装置を用いてテーブル上の
液状組成物層を選択的に照射する。この光照射装置の移
動及び光照射はコンピュータによって制御される。光照
射された部分の液状光硬化性組成物は照射された光エネ
ルギーの大きさに応じて所定の幅及び厚さで硬化し、所
定形状の一つの硬化層が生成される。 （７）次にテーブル１７が昇降装置により、（６）で生
成された所定の硬化層厚さと同じだけ下に移動する。こ
の昇降装置の移動はコンピュータにより制御される。

【００１８】（８）その後（５）バルブ１４を開き、供
給ノズル１３及びドクターナイフ１５、１５’を移動さ
せてテーブル１７上に液状組成物を供給し、かつ平滑化
する工程、（６）光を照射して液状組成物を所定の形状
に硬化させる工程、（７）テーブルを所定の硬化層厚さ
だけ下に移動する工程が実施され、第２の硬化層が最初
の硬化層の上に積み重ねられる。 （９）それ以降、順次同様の手順で硬化層が積層されて
所望の三次元物体が得られる。

【００１９】以上が第１の実施形態の構成とその使用方
法についての説明であるが、ドクターナイフが供給ノズ
ルの進行方向前方に位置するときと後方に位置するとき
でその高さを変えるようにしておいてもよい。またドク
ターナイフを１枚にしておき常に供給ノズルの進行方向
後方に位置するように往きに組成物を供給し、帰りには
バルブ１４を閉じた組成物を供給しないで元に戻るよう
にしておいてもよい。図１では供給タンク１１と供給ノ
ズル１３が分離しているがこれを一体として供給タンク
も供給ノズルと共に図１の左右方向に移動できるように
しておいてもよい。また供給タンク１１は一定の場所に
固定し、供給タンク１１と供給ノズル１３との間を柔軟
なパイプで連結して供給タンク１１からパイプを通じて
供給ノズル１３まで液状組成物が充填された状態にして
おいてもよい。

【００２０】次に図２を基に第２の実施形態について説
明する。第２の実施形態は供給する液状組成物をポンプ
により循環させるようにしたものである。第１の実施形
態と異なる点は第２の実施形態では一つのタンクで供給
タンクと回収タンクを兼ねている点及びポンプ２２と供
給パイプ２３を具備する点である。図２において２１’
は回収タンク兼供給タンクであり、２２は液状組成物を
循環させるためのポンプであり、２３は液状組成物を供
給ノズル１３に供給するためのパイプである。供給パイ
プ２３の先端にはバルブ１２’が設けられている。

【００２１】第２の実施形態においては液状組成物はタ
ンク２１’に収納されており、高粘度の組成物の場合に
は図示されていない攪拌機により時々攪拌される。テー
ブル１７上に液状組成物を供給するには、予めポンプ２
２を稼働させると同時にバルブ１２’を開き、供給ノズ
ル１３に一個の三次元物体造形に必要な液状組成物を入
れておけばよい。この第２の実施形態によれば液状組成
物が循環するので第１の実施形態の場合のように液状組
成物を回収タンクから回収する必要がなくタンク２１’
に液状組成物を補っておけば何度でも三次元物体の造形
が可能である。

【００２２】第２の実施形態において図２のように供給
パイプ２３の先端を供給ノズル１３と一体として共に図
面の左右方向に移動できるようにせず、供給パイプ先端
位置は固定しておき、例えば支持具１６又は１６’の上
に来るように設置しておいてもよい。

【００２３】次にテーブル台１９を上下に移動させる昇
降装置について説明する。昇降装置について二つの実施
形態を図３から図５に示す。図３に示す昇降装置は支持
具１６の円柱の表面部分がボールネジ３１となっている
もので、支持具１６の上部に取り付けたモータ３０の回
転によってボールネジ３１が回転し、テーブル台１９は
ボールナット３２と一体となって支持具１６に支持され
ているので、上下方向に移動する。他の支持具１６’は
円柱状になっており、テーブル台１９が上下移動をする
際にガイドの役目を果たす。モータ３０の回転はコンピ
ュータにより制御され、上下方向に所定量だけ移動する
ように制御される。支持具１６’を支持具１６とまった
く同じにボールネジが回転するようにしておき、支持具
１６、１６’のモータが各々同じだけ回転してテーブル
台が上下方向に移動するようにしておいてもよい。

【００２４】昇降装置の第２の実施形態を図４及び図５
に示す。図４は正面図、図５は側面図である。この昇降
装置を用いるときは、支持具１６、１６’は円柱状でテ
ーブル台のガイドの役目をし、昇降装置はテーブル台１
９の中央部下に設置される。昇降装置は基本的に上板４
４、下板４５及びピン４８、４８’を介した４本の脚４
６、４６’、４７、４７’から構成される。脚４６、４
７は図５のボールナット４１付きシリンダー４８に回転
自在に取り付けられており、ボールネジ４２に直結した
モータ４０が回転すると、ボールナットと一体となった
スライド台４２がスライドガイド４３に沿って図４の左
右方向に移動し、上板４４が水平を保ったままの状態で
昇降する。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、液状組成物を大量に蓄
えておく必要がなく、製造コストが安くなる。液状組成
物を収納するタンクに障害物がないため液状組成物を攪
拌することが容易である。テーブルの剛性が高められる
ため、仕上げ精度が向上する。また機械部分が液状組成
物中に沈まないためメンテナンスが容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光造形装置の第１の実施形態の正
面断面図である。

【図２】本発明に係る光造形装置の第２の実施形態の正
面断面図である。

【図３】本発明に係る光造形装置の昇降装置の一実施形
態を示す図である。

【図４】本発明に係る光造形装置の昇降装置の別の一実
施形態の正面図である。

【図５】図４に示す昇降装置の側面図である。

【図６】従来の光造形装置の一実施形態の正面断面概略
図である。

【符号の説明】

１０ 液状光硬化性組成物 １１ 供給タンク １２、１２’、１４ バルブ １３ 供給ノズル １５、１５’ドクターナイフ １６、１６’テーブル台支持具 １７、５１ テーブル １８ 受け皿 １９ テーブル台 ２０ 回収パイプ ２１ 回収タンク ２１’ 回収タンク兼供給タンク ２２ ポンプ ２３ 供給パイプ ３０、４０ モータ ３１、４１ ボールネジ ３２ ボールネジナット ４２ スライド台 ４３ スライドガイド ４４ 昇降台上板 ４５ 昇降台下板 ４６、４６’、４７、４７’脚 ４８、４８’ ピン ５０ 造形タンク ５２ アーム ５３ アーム昇降装置

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液状光硬化性組成物を一層ずつ露光する
   ことにより順次硬化させ積層して三次元物体を製作する
   光造形方法において、 上方よりテーブル上面に液状光硬化性組成物を供給しな
   がら、テーブル上に形成された液状光硬化性組成物層の
   表面平滑化を行う第１工程と、 上記液状光硬化性組成物層に対し光を選択的に照射して
   所定形状の硬化した薄層を生成する第２工程と、 上記テーブルを上記硬化した薄層の厚さだけ下降させる
   第３工程とを含み、第１工程から第３工程までを順次複
   数回行うことを特徴とする光造形方法。
2. 【請求項２】 液状光硬化性組成物を一層ずつ露光する
   ことにより、順次硬化させ積層して三次元物体を製作す
   る光造形装置において、上下方向に移動可能なテーブル
   と、 そのテーブルの上方に設置され、テーブル上面と平行に
   走行することが可能な、液状光硬化性組成物の供給手段
   と、 前記供給手段と共にテーブル上方を走行することができ
   るように設置されたドクターナイフとを備えたことを特
   徴とする光造形装置
3. 【請求項３】請求項２記載の光造形装置において、上記
   テーブルの周辺あるいはその下方に設置された液状光硬
   化性組成物の回収手段を備えたことを特徴とする請求項
   ２記載の光造形装置
4. 【請求項４】 請求項２又は３記載の光造形装置におい
   て、回収手段から液状光硬化性組成物を供給手段に供給
   するためのポンプを備えたことを特徴とする請求項２又
   は３記載の光造形装置
5. 【請求項５】 請求項２、３又は４記載の光造形装置に
   おいて、供給手段あるいは回収手段に攪拌機を備えたこ
   とを特徴とする請求項２、３又は４記載の光造形装置