JPH11348135A - 光造形装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は積層造形物を光エネルギー照射面から
容易に剥離することにより、造形物層の破壊事故や、造
形テーブルからの落下離脱事故を解消するとともに、造
形時間を大幅に短縮し、さらに均等かつ平滑な積層厚み
を得ることを可能とした光造形装置を提供する。 【解決手段】光造形装置において、順次積層造形するた
めの光硬化性樹脂３を光エネルギー照射面１３と造形物
積層転写面１４とに規制された間隙に貯溜する樹脂供給
器において、造形物積層転写面１４に成形して得られる
硬化物と光エネルギー照射面１３との接触面が相対的に
滑りながら移動するスライド機構を備え、造形時間の短
縮と造形成功率を高めている。また光エネルギー照射面
１３に弾性変形可能なシリコン高分子素材またはフッ素
高分子素材、或いは該高分子素材とガラスまたは透明プ
ラスチック板との複合成形体であり振動発生機構を備
え、快適な造形物の剥離を可能としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光硬化性の樹脂に
所望する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
造形装置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、
この自由液面に上方から光エネルギーを照射することに
より、造形テーブル上に得られる樹脂硬化物を順次沈下
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、透過窓と造形テーブルにより規制
れた光硬化性樹脂を配置し、光エネルギーを樹脂槽の底
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順次
引き上げ積層させる規制液面法が、例えば特開平７−１
５９４号、特開平７−１５９５号、特開平８−１０８４
８０号、特開平８−１０８４８１号などにより知られて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】自由液面法による光造
形装置では、樹脂槽内の液面より僅かに下側に配置した
造形テーブル上の樹脂に光エネルギーを照射することで
硬化物層を成形した後、この硬化物層の上面に次の硬化
物層を成形するために、この硬化物層の厚みに相当する
深さだけ造形テーブルを沈める動作を行うのであるが、
この場合、単に造形テーブル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、このため既設硬化物層のを一度所
定深さより深く沈下させて所定深さに調整したり、その
表面をヘラ状器具を用いて樹脂が平滑に行き渡るように
スキージ操作を行わないと、引き続いて次の硬化物層を
成形できないという問題がある。

【０００５】またこの自由液面方式による光造形装置で
は、樹脂槽内で造形物を沈下成形していくために予め多
量の樹脂を貯溜しておく必要があるが、前記のように硬
化物層の成形が自由液面で行われるには槽内の樹脂温度
を管理し、樹脂の熱膨張による液面位の変化を抑制しな
いと、造形テーブルを沈下する過程で樹脂の供給不良を
生じ、各硬化物層間の剥離を生じることになるので、装
置の設置環境または樹脂槽内の温度を絶えず一定に管理
するように留意しなければならないという問題がある。

【０００６】一方後者の規制液面方式では、底面が透明
な樹脂造形槽の下方から光エネルギーを照射して槽内に
配置した造形テーブルに硬化物層を成形した後、順次造
形テーブルを上方に引き上げて、既設硬化物層と樹脂槽
の底面との間に硬化物層を成形していくので、造形テー
ブルを上方に引き上げることで成形された硬化物層を樹
脂槽の底面から剥離する際に、硬化物層が樹脂槽の底面
から円滑に剥離せず、無理に引き剥がされることで成形
された硬化物層が破壊されるという造形装置としての大
きな問題点を有している。

【０００７】本発明は、従来における上記のような光造
形装置の問題点に鑑み、光造形における積層造形過程に
おいて、目的とする造形物を光エネルギー照射面から、
積層造形物が破壊または落下離脱されることなく円滑に
剥離することにより、能率的に三次元積層造形物を成形
することができる光造形装置を提供しようとするもので
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る光造形装置
は、上記の目的を達成するための具体的な手段として、
光造形における積層造形過程おいて、造形物の積層転写
面に成形して得られる硬化物と光エネルギー照射面との
接触面が滑りながら移動するスライド機構を備えている
ことを特徴とする。

【０００９】前記光エネルギー照射面は、弾性変形可能
なシリコン高分子素材またはフッ素高分子素材、或いは
これらの高分子素材とガラスまたは透明プラスチック板
との複合成形体である照射面を備えている。

【００１０】前記スライド機構は、所望する任意形状に
倣い光エネルギーを照射動作中常時或いは照射動作終了
後に、規制された間隙の光硬化性樹脂の積層厚を任意に
可変できる機能を有するとともに、光エネルギーの照射
方向と速度に等しく移動可能であるか、または光エネル
ギーの照射方向とは相関なく移動するスライド機能を備
えている。

【００１１】また、造形物積層転写面、或いは前記光エ
ネルギー照射面、或いはその両方が、所望する任意形状
に倣い光エネルギーを照射動作中常時或いは照射動作終
了後に、微振動を発生する振動発生機構を備えている。

【００１２】

【発明の実施の形態】次に本発明に係る光造形装置の構
成を、図１に示す規制液面法による造形装置により説明
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は透明プレート４を底面に配置し
た容器形状をなしている。

【００１３】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テーブル１が設
けられており、また、該透明プレート４の下方には前記
樹脂造形槽２内の光硬化性樹脂３に光エネルギーを照射
するための光エネルギー照射装置６がコンピュータユニ
ット９の制御によって縦横方向に自由に移動するＸ−Ｙ
プロッタ５を介して配置されている。

【００１４】本実施例に示す光エネルギー照射装置６は
三洋電機（株）製の半導体レーザを用い、その波長は可
視光領域の６３３ｎｍ、出力は２０ｍＷであり、光硬化
性樹脂は日本化薬（株）製ＤＦ樹脂を供している。。

【００１５】前記光エネルギー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に光エネルギー照射装置６を直接載荷する構
成、あるいは該Ｘ−Ｙプロッタへ光出射コリメーターの
ような光照射部を設け装置外に設置した光照射装置と光
照射部とを光ファイバにより接続する構成、その外ガル
バノミラーなどの光学反射装置により光を照射する構成
も可能であるし、光照射装置半導体レーザの他、Ｈｅ−
Ｃｄ（ヘリウム−カドミウム）レーザやＡｒ（アルゴ
ン）レーザなどのガスレーザ、ＹＡＧレーザなどの固体
レーザ或いはランプ光源を好適に選択して使用すること
ができる。

【００１６】また、光エネルギー照射装置６およびＸ−
Ｙプロッタ５は、前記コンピュータユニット９により制
御されるが、このコンピュータユニット９は、前記造形
テーブル１や光エネルギー照射面スライド機構８なども
制御するほか、所望する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、更にこれに光エネルギ
ー照射装置６が所望する平面形状を描画するように、光
エネルギー照射の走査速度や走査幅などの属性データの
計算も同時に行なう。

【００１７】更に、コンピュータユニット９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
の演算制御を行なうもの、あるいは３次元モデルの設計
は他のコンピュータで行なうもの、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
の認識を行なう装置とのデータ授受により、該装置の積
層造形制御を行なうものなど多様な組み合わせが考えら
れる。

【００１８】光硬化性樹脂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、使用する光エネルギー照射装置固有の出力強度およ
び出力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。

【００１９】図１に示した規制液面法による光造形装置
について、その造形プロセスを説明すると透明プレート
４上に所定量の光硬化性樹脂３を供給したあと、図２
（ａ）に示すように造形テーブル１を樹脂液中の透明プ
レート４上に、透明プレート４と造形テーブル１の間に
積層造形物の積層厚に相当する間隙を作るように降下待
機させる。

【００２０】つぎに前記コンピュータユニット９により
積層するべく所望する平面形状の被照射部分を演算し
て、得られたデータにより前記光エネルギー照射装置６
を走査することにより、光エネルギーを透明プレート４
と造形テーブル１に挟まれたの光硬化性樹脂３に照射
し、図２（ｂ）または図３（ｂ）に示すような第１層目
の造形物層を成形する。

【００２１】このとき図１に示す光造形装置では樹脂造
形槽２の底面に配置された透明プレート４が、光硬化性
樹脂３に対してその下方から供給される光エネルギー照
射面であり、光エネルギー照射面スライド機構８により
縦横方向へ任意に移動することができ、その移動プロセ
スの説明として、図２においては光エネルギー照射装置
６と同調した平面摺動を行う場合の造形物積層転写面１
４との接触面の状態を示しており、図３においては光エ
ネルギー照射装置６の走査運動とは相関なく光エネルギ
ー照射面スライド機構８により透明プレート４が平面摺
動を行う場合の造形物積層転写面１４との接触面の状態
を示している。

【００２２】本実施例においては光エネルギー照射面１
３と造形物積層転写面１４との接触面が相対的に滑りな
がら移動可能な機構手段として、光エネルギー照射面側
にスライド機構を配置した構造について説明している
が、機能的に光エネルギー照射面と造形物積層転写面が
相対的に摺動することを目的としているので、機械的な
スライド機構の配置についてはその光エネルギー照射面
側でも造形物積層転写面側でも或いはその両方に好適に
配置することができる。

【００２３】従来では、図５のように光エネルギーの供
給が光エネルギー照射面１３を通して光硬化性樹脂３に
供給されるために、造形物積層転写面１４のみならず光
エネルギー照射面１３にも固着硬化を生じ、次層の積層
造形のための引き剥がし作業が困難となり、積層造形物
１０の応力を超えてしまうと図５（ｂ’）に示すように
積層造形物は破壊されてしまう。

【００２４】従来においてもフッ素などの剥離促進剤を
塗布する方法で光エネルギー照射面からの剥離性を改善
する努力はなされてきたが、剥離時における積層造形物
１０と光エネルギー照射面１３とを単に離反方向に移動
させる従来の機構では図５（ｂ）に示すように光エネル
ギー照射面１３と造形積層物転写面１４との間隙に真空
状態発生部１５が生じ、著しい離反抵抗となるため引き
剥がし不良による積層造形物の破壊または造形プレート
からの落下離脱事故は後を絶たたず、いまだ実用に供さ
れるに足る確立した技術とはなり得ていない。

【００２５】ここに図２または図３に示すように光エネ
ルギー照射面１３の摺動機構により、摺動運動を励起さ
せると、光エネルギー照射面１３と造形物積層転写面１
４の間隙で硬化反応中の、光硬化性樹脂３における光エ
ネルギー照射面１３との接触部に物理的な滑り面が発生
し、光硬化性樹脂が固着硬化することができず常に良好
な剥離状態が得られる。

【００２６】このとき光エネルギー照射面１３が弾性変
形可能なシリコン高分子素材またはフッ素高分子素材で
あるか、図４に示すように透明なガラスまたはプラスチ
ック板との複合成形体である照射面を備えると、弾性変
形体である高分子素材７は図４（ｂ）に示すように、次
層成形準備のために積層造形物１０の固着した造形テー
ブル１を光エネルギー照射面１３から離反方向に移動さ
せてもその弾性特性により図４（ｂ）中に示す弾性変形
部分１１を生じ積層造形物の破壊に至ることがなく離反
することができ、さらに光エネルギー照射面１３を図４
（ｃ）のように摺動させることにより静かに積層厚に等
しい隙間１２を得ることができスムーズな剥離状態を得
ることができる。

【００２７】さらに、光エネルギー照射面１３を摺動さ
せる動作において、造形物積層転写面１４、或いは光エ
ネルギー照射面１３、或いはその両方に微振動を与える
ことによってその剥離性を更に向上することが可能であ
り、このようにして第１層目の造形物層を剥離離反し、
第２層目の積層造形の用意として前記と同様な手順によ
り、順次積層造形物１０と造形テーブル１との間に積層
厚に等しい間隙を用意した後、また光エネルギー照射装
置６により所望する硬化物層を連続的に成形し、以下同
様な操作を繰り返すことにより順次造形物層を積層し
て、目的とする所定の３次元積層造形物を成形する。

【００２８】本発明に係る造形装置と従来装置における
造形の比較として、造形物の精度、硬度などの硬化物性
状に差異を発生させない成形条件である、積層厚＝０．
２ｍｍ、光エネルギー照射の走査幅＝０．２ｍｍ、光エ
ネルギー照射の走査速度＝５ｍｍ／ｓ、光エネルギー照
射の方向は各層毎にＸ方向とＹ方向を交互に入れ替えて
積層造形を行う。

【００２９】本発明により剥離性が向上し造形物の破壊
や脱落などの事故が大幅に改善されたとともに、光エネ
ルギー照射面１３からの積層造形物１０の剥離を図２ま
たは図３に示すように同時に行えるため、従来装置で夫
々分離独立していた造形、剥離、離反、積層厚調整とい
った４つの工程を、造形と剥離、離反と積層厚調整の２
つの工程に集約でき能率的な作業ができることにより造
形時間全体の短縮に貢献でき、従来装置と比較して直径
約２ｃｍ、高さ６ｃｍの円柱状構造物では、従来装置で
は造形成功率が約７０％であったが、本発明に係る装置
においては９５％以上の成功率を示し、造形時間では従
来装置に比べ約２０％の造形時間を短縮することができ
る。

【００３０】光造形法としては、本実施例で説明した規
制液面法に分類される下方露光法であるとか、樹脂槽底
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、前記の自由液面法等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。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、光造
形における積層造形過程において、目的とする造形物を
光エネルギー照射面から容易に剥離することができ、造
形物を積層転写する固着面である造形テーブルが離反し
ていく際に生じる造形物の引張応力を極めて微力に抑制
できるので、造形物層の破壊事故や、造形テーブルから
の落下離脱事故が解消されるとともに、硬化物層を形成
しながら樹脂の供給を同時に行えるので、相互近接硬化
による造形物表面に発生する不良硬化物の防止と、スキ
ージ操作及び液面位を保つための温度管理が不要になる
ことにより、連続的に次の積層成形へ移行でき、造形時
間の大幅な短縮が実現する。

【００３２】また、樹脂液中において光照射面と転写面
での規制された間隙での造形が可能となるので、均等か
つ平滑な積層厚みが保証される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光造形装置を実施するための造形
装置の構成を示す正面斜視図である。

【図２】本発明の光造形装置による光エネルギー照射の
走査運動と、その照射面が同調して摺動する場合の成形
工程を示す説明図である。

【図３】本発明の光造形装置による光エネルギー照射の
走査運動と、その照射面が相関なく摺動する場合の成形
工程を示す説明図である。

【図４】本発明の光造形装置による光エネルギー照射面
近傍の積層造形物の成形工程における作用を示す説明図
である。

【図５】従来法の光造形装置による光エネルギー照射面
近傍の積層造形物の成形工程における作用を示す説明図
である。

【符号の説明】

１：造形テーブル 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：光エネルギー照射装置 ７：高分子素材 ８：光エネルギー照射面スライド機構 ９：コンピュータユニット １０：積層造形物 １１：弾性変形部分 １２：隙間 １３：光エネルギー照射面 １４：造形物積層転写面 １５：真空状態発生部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】槽内の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次元造形物を成形する光造形装置であって、
   順次積層造形するための光硬化性樹脂を光エネルギー照
   射面と造形物積層転写面とに規制された間隙に貯溜する
   樹脂供給器において、造形物積層転写面に成形して得ら
   れる硬化物と光エネルギー照射面との接触面が相対的に
   滑りながら移動するスライド機構を備えていることを特
   徴とする光造形装置。
2. 【請求項２】造形物積層転写面に成形して得られる硬化
   物と光エネルギー照射面との接触面として、光エネルギ
   ー照射面が弾性変形可能なシリコン高分子素材またはフ
   ッ素高分子素材である照射面、あるいは光エネルギー照
   射面が該高分子材料とガラスまたは透明プラスチック板
   との複合成形体である照射面を備えていることを特徴と
   する請求項１記載の光造形装置。
3. 【請求項３】造形物積層転写面に成形して得られる硬化
   物と光エネルギー照射面との接触面が滑りながら移動す
   るスライド機構として、所望する任意形状に倣い光エネ
   ルギーを照射動作中常時或いは照射動作終了後に、規制
   された間隙の光硬化性樹脂の積層厚を任意に可変できる
   機能を有するとともに、光エネルギーの照射方向と速度
   とに等しく移動可能であるスライド機構、または光エネ
   ルギーの照射方向と速度とに相関なく移動するスライド
   機構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】造形物積層転写面、或いは光エネルギー照
   射面、或いはその両方が、所望する任意形状に倣い光エ
   ネルギーを照射動作中常時或いは照射動作終了後に、微
   振動を発生する振動発生機構を備えたことを特徴とする
   請求項３記載の造形装置。