JPH10119136A - 選択光源を用いた光造形法および該造形法によって得られる立体造形物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光造形における光硬化性樹脂の積層造形過程
で、緻密な表面をもつ立体造形物を成形するために必要
となる各成形物層の積層厚みを薄くした場合に、積層数
が増大することに伴って成形時間が長大化するという問
題点を解消し、良質な立体造形物を能率的に成形する。 【解決手段】 光造形における光硬化性樹脂の積層造形
過程で、波長の短い光は硬化深度が浅く、波長の長い光
は硬化深度が深いという光の特性に着目し、目的とする
成形物の形状等に応じて、異なる波長の光エネルギーを
選択的に照射し、微細なデータが必要とされる部分１５
は波長の短い紫外線領域の光エネルギーにより硬化深度
を浅くして成形し、それ以外の部分１４は波長の長い可
視光領域の光エネルギーにより硬化深度を深くして成形
して、積層される層厚部分を複合的に組み合わせて造形
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光硬化性の樹脂に所望
の任意形状に光エネルギーを照射して、得られた層状の
平面硬化物を積層し、３次元造形物を形成する光造形法
の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、光硬化性の樹脂に光エネルギ
ーを照射して３次元造形物を形成する光造形法は、各種
のものが知られており、特に、最近では日刊工業新聞社
発行の「光造形法」（１９９０年１０月３０日発行・著
者：丸谷洋二，大川和夫，早野誠治，斉藤直一郎，中井
孝）により広く理解されるようになっている。

【０００３】従来における光造形法としては、光硬化性
樹脂を貯留した上面開放形樹脂槽内の液面近くに配置し
た造形テーブルを樹脂の自由液面から順次降下させて硬
化物を積層しながら造形物を成形する自由液面法が一般
的に知られており、また、別の方法としては、底面を光
の透過窓とした樹脂槽内に樹脂の液面を規制させて液面
にベースプレートを配置し、光を樹脂槽の底面透過窓よ
りベースプレート方向へ照射して前記プレートと樹脂槽
底面との間の樹脂を樹脂硬化物層として硬化させる規制
液面法が、例えば特開平７−１５９４号、特開平７−１
５９５号、特開平８−１０８４８０号、特開平８−１０
８４８１号等により知られている。

【０００４】また、樹脂に対して光を照射するための光
源としては、主として、紫外線領域の光エネルギーを照
射するＡｒ（アルゴン）レーザー、Ｈｅ−Ｃｄ（ヘリウ
ム・カドミウム）レーザー、などの気体レーザー、また
は、可視光領域の光を照射する半導体レーザー、ＹＡＧ
（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザー
の第２高調波などが用いられている。

【０００５】

【発明が解決すべき課題】しかしながら、前記の従来に
おける光造形法では、図３に示すように、積層造形物Ａ
を構成する各成形物層Ｂの積層厚みというものが、構築
しようとするモデルを表現するための最小分解能である
ため、できるだけきれいな表面をもつデサインモデルを
成形することを目的として、成形物層Ｂの積層厚みを薄
くしようとすればするほど成形物層Ｂの積層数が飛躍的
に増大することになる。また、モデルが大きくなればな
るほど、成形物層Ｂの積層数が増大することになるの
で、当然のことながら、成形工程および成形に要する時
間が膨大になるという問題点を有しており、実際問題と
して、従来の方法ではいずれも未だ光造形法を完成の域
に到達させるための有効な手段となりえていないのが実
情である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記のような
従来の光造形法の課題である、きれいな表面をもつデサ
インモデルを構成するために必要となる成形物層の積層
厚みを薄くした場合に、積層数が増大することに伴って
成形時間が長大化するという問題点を解消するために、
光造形における光硬化性樹脂の積層造形過程で、波長の
短い光ほど硬化深度が浅く、波長の長い光ほど硬化深度
が深くなるという光の特性に着目して、良質な立体造形
物を能率的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。

【０００７】そのための具体的手段として、本発明は、
槽内の光硬化性樹脂に所望の任意形状に光エネルギーを
照射して、得られた層状の平面硬化物を積層し、３次元
形状物を成形する光造形法において、目的とする成形物
の形状に応じて、光硬化性樹脂に照射する光エネルギー
の波長を選択的に可変照射して造形することを特徴とす
る。

【０００８】光硬化性樹脂に照射する光エネルギーの波
長を選択的に可変する手段としては、異なる光源波長を
もつ複数の光照射装置により光エネルギーを選択して照
射を行うもであることが好ましい。

【０００９】光硬化性樹脂に照射する光エネルギーを選
択的に利用する波長については、少なくとも、光源波長
が４００ｎｍ以下の紫外線領域の光源と、４００ｎｍよ
り長い可視光領域あるいは赤外線領域の光源の２種類以
上が好ましい。

【００１０】光硬化性樹脂に所望する任意形状に光エネ
ルギーを照射する過程において、３次元的に微細な表現
が必要とされるデサイン部、あるいは造形物の輪郭部に
対しては紫外線領域の波長光源で描画積層し、このとき
数層に重複する造形部分を埋めるデータは描画せず、こ
の数層に重複する造形部分については可視光領域の波長
光源により、該光源の固有の硬化深度に相当する層厚分
に対してまとめて光照射を行なうことで積層造形を複合
的に成形することができる。

【００１１】更に、光硬化性樹脂に所望する任意形状に
光エネルギーを照射する過程の別の方法として、３次元
的に微細な表現が必要とされるデサイン部を紫外線領域
の波長光源で描画積層し、この微細部分を除くデサイン
部は可視光領域の波長光源により描画積層することで、
積層造形を複合的に成形することができる。

【００１２】また、光硬化性樹脂に所望する任意形状に
光エネルギーを照射する過程の更に別の方法として、所
望する主体造形物を紫外線領域の波長光源により成形し
たのち、この主体造形物を補助的に保持あるいは懸荷す
る補助造形物を可視光領域の波長光源により一体的に積
層成形して、互いに異なる造形物を複合的に成形するよ
うにしてもよい。

【００１３】本発明は、光造形における積層造形過程に
おいて、デサインモデルの形状に応じて、光照射装置の
光源波長を選択することで、微細な表現が必要とされる
デサイン部とか造形物の輪郭部に対しては、硬化深度が
浅くて済む波長の短い紫外線領域の波長光源により描画
積層し、３次元的にさほど微細な表現を必要としない部
分に対しては、硬化深度を深く設定することのできる波
長の長い可視光領域の波長光源により描画積層するの
で、積層造形物を構成する各成形物層の積層厚みを自由
に設定することができると共に、微細な表現が必要とさ
れる部分の描画積層処理と、微細な表現を必要としない
部分の描画積層処理とをいずれも迅速かつ能率的に行う
ことができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】次に、本発明に係る光造形法を、
図１に示す規制液面法による光造形装置に基づいて説明
すると、２は光硬化性樹脂３を貯留する樹脂造形槽であ
り、この樹脂造形槽２は中央部が隆起した透明プレート
４の周囲に凹溝２ａが周設された形状からなっている。

【００１５】樹脂造形槽２内の光硬化性樹脂３は、凹溝
２ａ内の樹脂３が槽外に設けたポンプ１１に吸引された
のち該ポンプ１１から透明プレート４の上に供給される
ようになっていて、透明プレート４の上に所定量の樹脂
３が供給されると、造形槽２の上に設けられたスキーマ
ー装置１２が水平移動して透明プレート４の上に所定の
深さの樹脂液層１３を形成するとともに、余剰分の樹脂
３が凹溝２ａ内へ戻されるような循環を繰り返す。

【００１６】前記透明プレート４の上方には、図示外の
エレベータ装置によって上下動する造形ベースプレート
１が設けられており、また、該透明プレート４の下方に
は縦横方向に自由に移動するＸ−Ｙプロッタ５によっ
て、紫外線光照射部６および可視光照射部８より光エネ
ルギーを透明プレート４の底面を通して、該プレート上
の光硬化性樹脂３に照射するためのコンピュータユニッ
１０と接続した紫外線光照射装置７および可視光照射装
置９が設けられている。

【００１７】本実施例に示す紫外線光照射装置７として
は、ウシオ電気株式会社製のＨｅ−Ｃｄ（ヘリウム・カ
ドミウム）レーザーを使用し、その波長は紫外線領域の
３２５ｎｍ、出力は１０ｍＷであり、可視光照射装置９
は株式会社島津製作所製ＹＡＧ（ヤグ）レーザーの第２
高調波レーザーを使用し、その波長は可視光領域の４７
３ｎｍ、出力は１０ｍＷの波長の異なる２種類の光源に
よる構成とする。

【００１８】前記光照射装置による光硬化性樹脂３への
光照射に際しては、図１のように、Ｘ−Ｙプロッタ５に
前記紫外線光照射部６および可視光照射部８を設けて、
紫外線光照射装置７および可視光照射装置９と前記光照
射部６，８とを光ファイバー６ａおよび８ａにより接続
する構成とするが、それ以外の構成としては、Ｘ−Ｙプ
ロッタ５へ前記光照射装置７，９を直接載荷する構成、
その外、ガルバノミラー等の光学反射装置により光を照
射する構成としてもよい。

【００１９】また、紫外線光照射装置７、可視光照射装
置９およびＸ−Ｙプロッタ５は、前記コンピュータユニ
ット１０により制御されるが、このコンピュータユニッ
ト１０は、前記造形ベースプレート１やポンプ１１、ス
キーマー装置１２なども制御するほか、３次元形状の積
層造形用の積層スライス毎の平面形状を演算し、更にこ
れに前記光照射装置７および９が所望する平面形状を描
画するように、レーザーのスキャン速度や走査幅などの
属性データの計算も同時に行うようにする。

【００２０】更に、コンピュータユニット１０はＣＡＤ
を内蔵し、３次元モデルのＣＡＤ入力から積層造形デー
タの演算制御を行うもの、あるいは３次元モデルの設計
と他のコンピュータで行うもの、あるいはＣＴスキャナ
ー、ＭＲＩ、３次元形状測定機による３次元立体形状の
認識を行う装置とのデータ授受により、該装置の積層造
形制御を行うものなど多様な組み合わせが考えられる。

【００２１】光硬化性樹脂３は光源波長によって、紫外
線により硬化するもの、あるいは可視光により硬化する
ものなどがあり、また樹脂基材においてはアクリル系の
樹脂、あるいはエポキシ系の樹脂をあげることができる
が、本発明の光造形法に示すように光源波長を可変する
場合における樹脂硬化特性としては、該光源を使用する
波長域において充分硬化する性能があれば、いずれも好
適に使用することができる。

【００２２】前記の造形装置による造形方法の手順を説
明すると、図１および図４に示すように、樹脂造形槽２
内の透明プレート４上に所定量の光硬化性樹脂３を供給
し、スキーマー装置１２の水平移動により余剰分の樹脂
を除去することで所定量の樹脂液層１３を形成したの
ち、図４（ａ）に示すように、樹脂液層１３内における
透明プレート４上に造形ベースプレート１を降下密着さ
せる。

【００２３】次に、槽内の樹脂３に対し、透明プレート
４の下面を通して前記光照射装置７および９から光エネ
ルギーを照射するが、このとき成形しようとする造形物
の形状とか構造などの条件に応じて、紫外線光照射部６
から紫外線照射光を照射するか、あるいは可視光照射部
８から可視光照射光を照射するかを選択する。

【００２４】これは、光硬化性樹脂３の紫外線および可
視光による硬化深度特性の違いを利用するものであり、
例えば、目的とする立体造形物が図２に示すようなネジ
のような形状である場合には、図２（ｂ）に示すよう
に、ネジ山部分１５のような微細なデサインを表現した
い部分に対しては、硬化深度の短い紫外線照射光を利用
して造形処理を行い、また、ネジの軸芯部にあたる中実
な部分１４のような積層厚みが大きくて済むような部分
に対しては、硬化深度の長い可視光照射光を利用して造
形処理する。

【００２５】表１に光硬化性樹脂３にそれぞれの光源を
一定速度で移動照射した場合の硬化深度を示す。光源は
前記紫外線領域の紫外線光照射装置７である波長３２５
ｎｍで出力１０ｍＷのもの、および可視光領域の可視光
光照射装置９である波長４７３ｎｍで１０ｍＷのもの
で、光硬化性樹脂３は日本化薬株式会社製ＤＦ−８０３
を試用した値である。この図から明らかなように、可視
光の硬化深度が紫外線の３〜５倍以上あることが特徴的
に見出せる。

【００２６】

【表１】

【００２７】前記のように、造形処理に際しては、槽内
の樹脂３に対し、透明プレート４の下面を通して前記光
照射装置７もしくは９から光エネルギーを照射するが、
造形物が前記のネジのような場合には、図４（ｂ）に示
すように、光エネルギーを照射する前に透明プレート４
を僅かに上昇させて、造形ベースプレート１との間に成
形しようとする成形物層の厚さに相当する間隙２０を設
け、透明プレート４と造形ベースプレート１との間に介
在する樹脂に、透明プレート４の下面から紫外線照射光
１８を照射する。

【００２８】前記紫外線照射光１８の照射に際しては、
前記コンピュータユニット１０により紫外線照射光１８
の被照射部分となるネジ山部分１５の平面形状を演算し
て、得られたデータにより前記紫外線光照射部６を走査
することにより、紫外線照射光１８を透明プレート４と
造形ベースプレート１との間の光硬化性樹脂３に照射し
て、図４（ｂ）に示すような第１層目の成形物層１７ａ
を成形する。

【００２９】第１層目の成形物層１７ａが成形された後
は、前記造形ベースプレート１を更に上昇して透明プレ
ート４上から第１層目の成形物層１７ａを引き剥し、次
の工程として、前記と同様な手順により、第１層目の成
形物層１７ａと造形ベースプレート１との間に前記成形
物層１７ａと同様の間隙を設けて、この間隙内に介在す
る樹脂に紫外線照射光１８を照射し、次の目的とする成
形物層１７ｂを成形する。

【００３０】更に同様な操作を繰り返して、図４（ｃ）
に示すように、紫外線照射光１８による被照射部分とな
るネジ山部分１５の積層厚みが、所定の目的とする可視
光照射光１９によるネジ軸芯中実部１４の厚さに相当す
る層厚に達したら、今度は図４（ｄ）のように、ネジ山
部分１５の内側部分対し、前記可視光照射部８から可視
光照射光１９を照射してネジ軸芯中実部１４の平面形状
を成形し、以下、同様な操作を繰り返すことにより、図
４（ｅ）のように、紫外線照射光１８によるネジ山部分
１５の成形物層と、可視光照射光１９によるネジ軸芯中
実部１４の成形物層とを順次複合的に組み合わせて、目
的とする所定の３次元積層造形物を成形する。

【００３１】第６図は本発明による成形方法と従来法に
より、ネジモデルを成形した場合のネジ径と成形時間と
の関係を示す比較図である。この図より、本発明により
成形したネジモデルは、従来法により成形したネジモデ
ルとなんら精度、粗さなどの表面形状に差異はなく、成
形時間を飛躍的に短縮することが可能であることが分か
る。

【００３２】なお、この実験における造形物の精度、粗
さなどの表面性状に差異を発生させない成形条件として
の、従来法による成形条件は、光源に前記波長３２５ｎ
ｍで１０ｍＷの紫外線レーザを使用し、平面の各層厚み
＝０．１５ｍｍ、レーザスキャン幅＝０．１ｍｍ、レー
ザスキャン速度＝７０ｍｍ／ｓ、レーザスキャン方向＝
Ｘ−Ｙ両方向／層である。

【００３３】また、本発明による複合成形の条件として
は、造形モデル外周部にあたるネジ山部１５は、光源に
波長３２５ｎｍで出力１０ｍＷの紫外線レーザを使用し
て、平面の各層厚み＝０．１５ｍｍ、レーザースキャン
幅＝０．１ｍｍ、レーザスキャン速度＝７０ｍｍ／ｓ、
レーザスキャン方向＝Ｘ−Ｙ両方向／層で成形し、一
方、軸芯中実部１４は、光源に波長４７３ｎｍで出力１
０ｍＷの可視光レーザを使用して、平面の各層厚み＝
０．７５ｍｍ、レーザースキャン幅＝０．１ｍｍ、レー
ザスキャン速度＝５０ｍｍ／ｓ、レーザスキャン方向＝
Ｘ方向／層とＹ方向／層とを各層毎に交互に成形する。

【００３４】上記の実施例は、目的とする造形物の外周
縁部を紫外線光源によって成形し、この外周縁部の内側
における軸芯中実部は可視光光源によって成形した例を
示したが、本発明は、上記実施例のように、単に異なる
波長の光源を可変することで造形物の外側と内側とを成
形するだけでなく、目的とする造形物の形状によって
は、図５に示すように、造形物の所望する積層分解能に
応じて光源波長を選択し、まず目的とする主体造形物２
５を紫外線領域の波長光源により成形したのち、この主
体造形物２５を補助的に保持あるいは懸荷する補助造形
物２４を可視光領域の波長光源により一体的に積層成形
して、互い異なる造形物を複合的に成形するような方法
も可能である。

【００３５】また、本発明の適用される光造形法として
は、本実施例で説明した方法以外にも、本発明の属する
規制液面法に分類される下方露光法であるとか、樹脂層
底面とその上方に配置した透明プレートの間に、上方か
らの光照射により第１層目の造形物を成形した後に、透
明プレートを上方に引き上げて前記造形物の上に新しい
造形物を順次積層していく上方露光法であるとか、ある
いは、前記の自由液面法などの公知の光造形手段がある
が、本発明で示した改良をこれらの各種造形法に適用す
ることは充分可能である。

【００３６】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明では、光
造形における積層造形過程において、目的とする造形物
の形状に応じて、光照射装置の光源波長を選択すること
により、波長の短い光ほど硬化深度が浅く、波長の長い
光ほど硬化深度が深くなる光の特性を活かし、積層造形
物の積層厚みを自由に設定することができるので、高精
度を維持しつつ、造形時間を大幅に短縮することができ
る。

【００３７】また、目的とする造形物の成形に必要なス
キャン走査距離を短くでき、積層厚みを可変できること
により、成形時間を短縮できることは、結果的に生産能
率が増大するとともに、消耗あるいは維持に対する保守
割合も軽減され、全体としての作業能率を大幅に向上す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光造形法を実施すための造形装置
の構成を示す斜視図である。

【図２】本発明の光造形法による一つの積層立体モデル
の形状を示す概念図であり、（ａ）は異なる成形物層に
よる複合的配列関係を示す部分的斜視図、（ｂ）は成形
時における波長変更部位の形状を示す部分的平面図、
（ｃ）は造形物の各層を形成する積層造形用スライスデ
ータを示す断面図である。

【図３】従来の光造形法による図２と同じ条件の積層立
体モデル形状を示す概念図であり、（ａ）は各成形物層
の配列関係を示す部分的斜視図、（ｂ）は各成形物層の
部分的平面図、（ｃ）は造形物の各層を形成する積層造
形用スライスデータを示す断面図である。

【図４】本発明の光造形法による３次元積層造形物の成
形過程を示す説明図である。

【図５】本発明の光造形法による他の積層立体モデルの
形状を示す概念図である。

【図６】本発明の光造形法と従来の光造形法によりネジ
モデルを成形した場合の成形時間の関係を示す比較図表
である。

【符号の説明】

１：造形ベースプレート ２：樹脂造形槽 ３：光硬化性樹脂 ４：透明プレート ５：Ｘ−Ｙプロッタ ６：紫外線光照射部 ６ａ：光ファイバー１ ７：紫外線光照射装置 ８：可視光照射部 ８ａ：光ファイバー２ ９：可視光照射装置 １０：コンピュータユニット １１：ポンプ １２：スキーマー装置 １３：樹脂液層 １４：ネジ軸芯中実部 １５：ネジ山部 １６：可視光照射による成形物層 １７ａ：紫外線照射による第１層目成形物層 １７ｂ：紫外線照射による第２層目成形物層 １８，紫外線照射光 １９：可視光照射光 ２０：間隙 ２４：補助造形物 ２５：主体造形物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 今出 政明 広島県呉市広末広２丁目２番２号 工業技 術院中国工業技術研究所内 (72)発明者 後藤 光 大分県大分市碩田町２−１−40 デンケン エンジニアリング株式会社内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 槽内の光硬化性樹脂に所望の任意形状に
   光エネルギーを照射して、得られた層状の平面硬化物を
   積層し、３次元形状物を成形する光造形法であって、目
   的とする造形物の形状に応じて、光硬化性樹脂に照射す
   る光エネルギーの波長を選択的に可変照射して造形する
   ことを特徴とする光造形法。
2. 【請求項２】 光硬化性樹脂に照射する光エネルギーの
   波長を選択的に可変する手段として、異なる光源波長を
   もつ複数の光照射装置により光エネルギーを選択して照
   射を行う請求項１の光造形法。
3. 【請求項３】 光硬化性樹脂に照射する光エネルギーを
   選択的に利用する波長として、少なくとも、光源波長が
   ４００ｎｍ以下の紫外線領域の光源と、４００ｎｍより
   長い可視光領域あるいは赤外線領域の光源の２種類以上
   の光照射を行う請求項１の光造形法。
4. 【請求項４】 光硬化性樹脂に所望する任意形状に光エ
   ネルギーを照射する過程において、３次元的に微細な表
   現が必要とされるデザイン部、あるいは造形物の輪郭部
   などを紫外線領域の波長光源で描画積層し、このとき積
   層する平面硬化物の数層に重複する造形部分を埋めるデ
   ータは描画せず、この数層に重複する造形部分は、可視
   光領域の波長光源により、該光源の固有の硬化深度に相
   当する層厚分をまとめて光照射することで積層造形を複
   合的に成形する請求項３の光造形法。
5. 【請求項５】 光硬化性樹脂に所望する任意形状に光エ
   ネルギーを照射する過程において、３次元的に微細な表
   現が必要とされるデザイン部を紫外線領域の波長光源で
   描画積層し、該微細部分を除くデザイン部は可視光領域
   の波長光源により描画積層し、積層造形を複合的に成形
   する請求項３の光造形法。
6. 【請求項６】 光硬化性樹脂に所望する任意形状に光エ
   ネルギーを照射する過程において、所望する主体造形物
   を紫外線領域の波長光源により成形したのち、この主体
   造形物を補助的に保持あるいは懸荷する補助造形物を可
   視光領域の波長光源により一体的に積層成形して、互い
   に異なる造形物を複合的に成形する請求項３の光造形
   法。
7. 【請求項７】 槽内の光硬化性樹脂に所望の任意形状に
   光エネルギーを照射して、得られた層状の平面硬化物を
   積層して３次元形状物を成形する光造形法に基づき、目
   的とする造形物の形状に応じて、光硬化性樹脂に照射す
   る光エネルギーの波長を選択的に可変照射することで成
   形される立体光造形物。