JPWO2017017726A1 - ３次元造形物造形装置 - Google Patents

Abstract

紫外線硬化樹脂を吐出するインクジェットヘッド７６と、紫外線を照射する照射装置８２と、構造物を製造するためのステージ５２とを有する製造装置において、ステージ上に紫外線硬化樹脂が吐出され、その紫外線硬化樹脂に紫外線が照射される。これにより、紫外線硬化樹脂が硬化し、樹脂層が形成される。さらに、紫外線硬化樹脂の吐出と、紫外線の照射とが繰り返されることで、複数層の樹脂層が積層され、構造物が形成される。この製造装置では、ステージ５２の両縁部に、１対の入射防止ユニット１２０が配設されている。入射防止ユニット１２０は、ステージ５２の移動方向に延び出しており、照射装置によって照射された紫外線を遮る。これにより、吐出装置の吐出口への紫外線の入射を防止することが可能となり、吐出口での紫外線硬化樹脂の硬化を防止することが可能となる。

Description

本発明は、紫外線硬化樹脂によって３次元造形物を造形する３次元造形物造形装置に関する。

近年、紫外線硬化樹脂によって３次元造形物を造形するための技術が開発されている。詳しくは、吐出装置によって紫外線硬化樹脂を薄膜状に吐出し、その紫外線硬化樹脂に紫外線を照射することで硬化させる。これにより、紫外線硬化樹脂の樹脂層が形成される。そして、紫外線硬化樹脂の吐出と、紫外線の照射とが繰り返されることで、複数層の樹脂層が積層され、３次元造形物が造形される。この際、照射装置から照射される紫外線が、吐出装置の吐出口に入射すると、吐出口で紫外線硬化樹脂が硬化し、吐出口が詰まる虞がある。このため、下記特許文献に記載されているように、シャッタが設けられた照射装置が存在し、この照射装置では、紫外線硬化樹脂に紫外線が照射される際にのみ、シャッタが開放され、紫外線の照射時以外には、シャッタが閉じられる。これにより、吐出装置の吐出口への紫外線の入射を防止することが可能となる。

特開平０６−３３９６２８号公報

上記特許文献に記載の技術によれば、吐出装置の吐出口への紫外線の入射を防止することが可能となる。しかしながら、紫外線硬化樹脂の吐出と、紫外線の照射とが連続的に行われる際に、シャッタの開閉を待機する場合があり、このような場合には、サイクルタイムが長くなる虞がある。本発明は、そのような実情に鑑みてなされたものであり、吐出装置の吐出口への紫外線の入射を防止するとともに、サイクルタイムの遅延を防止することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の３次元造形物造形装置は、光の照射により硬化する硬化性樹脂を吐出する吐出装置と、前記吐出装置により吐出された硬化性樹脂に光を照射する照射装置と、前記吐出装置と前記照射装置との下方に配置され、前記吐出装置により吐出された硬化性樹脂に前記照射装置からの光が照射されるステージと、前記吐出装置および前記照射装置と、前記ステージとを相対的に移動させる移動装置と、前記ステージに設けられ、前記照射装置により照射された光の前記吐出装置への入射を防止するための入射防止体とを備えたことを特徴とする。

本発明の３次元造形物造形装置では、照射装置により照射された光の吐出装置への入射を防止するための入射防止体が、ステージに設けられている。つまり、本発明の３次元造形物造形装置では、照射装置の照射光から照射される光をシャッタにより遮ることなく、吐出装置の吐出口への紫外線の入射を防止することが可能となる。これにより、吐出装置の吐出口への紫外線の入射を防止するとともに、サイクルタイムの遅延を防止することが可能となる。

構造物製造装置を示す図である。 制御装置を示すブロック図である。 従来の製造装置での構造物の製造工程を説明するための模式図である。 従来の製造装置での構造物の製造工程を説明するための模式図である。 従来の製造装置での構造物の製造工程を説明するための模式図である。 従来の製造装置での構造物の製造工程を説明するための模式図である。 第１実施例の製造装置での構造物の製造工程を説明するための模式図である。 第１実施例の製造装置での構造物の製造工程を説明するための模式図である。 第１実施例の製造装置での構造物の製造工程を説明するための模式図である。 第２実施例の製造装置での構造物の製造工程を説明するための模式図である。

［第１実施例］
＜製造装置の構成＞
図１に構造物製造装置１０を示す。構造物製造装置（以下、「製造装置」と略す場合がある）１０は、搬送装置２０と、造形ユニット２２と、制御装置（図２参照）２６とを備える。それら搬送装置２０と造形ユニット２２とは、製造装置１０のベース２８の上に配置されている。ベース２８は、概して長方形状をなしており、以下の説明では、ベース２８の長手方向をＸ軸方向、ベース２８の短手方向をＹ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の両方に直交する方向をＺ軸方向と称して説明する。

搬送装置２０は、Ｘ軸スライド機構３０と、Ｙ軸スライド機構３２とを備えている。そのＸ軸スライド機構３０は、Ｘ軸スライドレール３４とＸ軸スライダ３６とを有している。Ｘ軸スライドレール３４は、Ｘ軸方向に延びるように、ベース２８の上に配設されている。Ｘ軸スライダ３６は、Ｘ軸スライドレール３４によって、Ｘ軸方向にスライド可能に保持されている。さらに、Ｘ軸スライド機構３０は、電磁モータ（図２参照）３８を有しており、電磁モータ３８の駆動により、Ｘ軸スライダ３６がＸ軸方向の任意の位置に移動する。また、Ｙ軸スライド機構３２は、Ｙ軸スライドレール５０とステージ５２とを有している。Ｙ軸スライドレール５０は、Ｙ軸方向に延びるように、ベース２８の上に配設されており、Ｘ軸方向に移動可能とされている。そして、Ｙ軸スライドレール５０の一端部が、Ｘ軸スライダ３６に連結されている。そのＹ軸スライドレール５０には、ステージ５２が、Ｙ軸方向にスライド可能に保持されている。さらに、Ｙ軸スライド機構３２は、電磁モータ（図２参照）５６を有しており、電磁モータ５６の駆動により、ステージ５２がＹ軸方向の任意の位置に移動する。これにより、ステージ５２は、Ｘ軸スライド機構３０及びＹ軸スライド機構３２の駆動により、ベース２８上の任意の位置に移動する。

ステージ５２は、基台６０と、保持装置６２と、昇降装置６４とを有している。基台６０は、平板状に形成され、上面に基材が載置される。保持装置６２は、基台６０のＸ軸方向の両側部に設けられている。そして、基台６０に載置された基材のＸ軸方向の両縁部が、保持装置６２によって挟まれることで、基材が固定的に保持される。また、昇降装置６４は、基台６０の下方に配設されており、基台６０を昇降させる。

造形ユニット２２は、ステージ５２の基台６０に載置された基材（図２参照）７０の上に構造物を造形するユニットであり、印刷部７２と、硬化部７４とを備えている。印刷部７２は、インクジェットヘッド（図２参照）７６を有している。インクジェットヘッド７６の下面には、吐出口（図３参照）７８が形成されており、インクジェットヘッド７６は、その吐出口７８から、基台６０に載置された基材７０の上に紫外線硬化樹脂を吐出する。なお、インクジェットヘッド７６は、例えば、圧電素子を用いたピエゾ方式でもよく、樹脂を加熱して気泡を発生させノズルから吐出するサーマル方式でもよい。

硬化部７４は、照射装置（図２参照）８２を備えている。照射装置８２の下面には、照射口８６が形成されており、光源として水銀ランプを有している。そして、照射装置８２は、その照射口８６から、基材７０の上に吐出された紫外線硬化樹脂に向かって紫外線を照射する。これにより、基材７０の上に吐出された紫外線硬化樹脂が硬化し、樹脂層が形成される。さらに、照射装置８２は、シャッタ（図３参照）８８を有している。シャッタ８８は、照射口８６を開放した状態と塞いだ状態との間でスライドする。これにより、照射装置８２は、紫外線の照射が許容された状態と、紫外線の照射が禁止された状態とで切り替えられる。なお、造形ユニット２２において、インクジェットヘッド７６と照射装置８２とは、Ｘ軸方向に並んで配設されている。

制御装置２６は、図２に示すように、コントローラ１０２と、複数の駆動回路１０４とを備えている。複数の駆動回路１０４は、上記電磁モータ３８，５６、保持装置６２、昇降装置６４、インクジェットヘッド７６、照射装置８２に接続されている。コントローラ１０２は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を備え、コンピュータを主体とするものであり、複数の駆動回路１０４に接続されている。これにより、搬送装置２０、造形ユニット２２の作動が、コントローラ１０２によって制御される。

＜製造装置の作動＞
製造装置１０では、上述した構成によって、薄膜状の紫外線硬化樹脂を硬化させることで樹脂層を形成し、その樹脂層を複数、積層させることで、任意の形状の３次元構造物が造形される。具体的には、ステージ５２の基台６０に基材７０がセットされる。次に、ステージ５２が、Ｙ軸スライド機構３２の作動により、インクジェットヘッド７６および照射装置８２のＹ軸方向の座標位置と一致する位置に移動される。この際、ステージ５２は、インクジェットヘッド７６の側方に位置するように移動される。そして、ステージ５２が、Ｘ軸スライド機構３０の作動により、インクジェットヘッド７６の下方に向かって移動される。次に、図３に示すように、インクジェットヘッド７６が基材７０の上に紫外線硬化樹脂１１０を薄膜状に吐出する。続いて、ステージ５２が、図４に示すように、照射装置８２の下方に向かって移動される。この際、照射装置８２が、その薄膜状の紫外線硬化樹脂１１０に紫外線を照射する。これにより、紫外線硬化樹脂１１０が硬化し、基材７０の上に薄膜状の樹脂層１１２が形成される。なお、紫外線硬化樹脂１１０に紫外線が照射される際に、シャッタ８８は照射口８６を開放する位置にスライドされている。

樹脂層１１２が形成されると、ステージ５２がインクジェットヘッド７６の下方に移動され、樹脂層１１２の上に、インクジェットヘッド７６によって、紫外線硬化樹脂１１０が薄膜状に吐出される。そして、ステージ５２が照射装置８２の下方に移動され、照射装置８２によって、紫外線硬化樹脂１１０に紫外線が照射されることで、紫外線硬化樹脂１１０が硬化する。これにより、樹脂層の上に、樹脂層が積層される。このように、インクジェットヘッド７６による紫外線硬化樹脂の吐出と、照射装置８２による紫外線の照射とが繰り返されることで、樹脂層が積層され、３次元構造物が造形される。

ただし、ステージ５２の移動に伴って、照射装置８２によって照射された光が、インクジェットヘッド７６に入射し、その光によって、インクジェットヘッド７６の吐出口７８が詰まる虞がある。詳しくは、例えば、紫外線硬化樹脂１１０への紫外線の照射が完了するタイミングでは、図５に示すように、ステージ５２が照射装置８２の下方から離間する方向に移動している。このため、照射装置８２の照射口８６の下方に、ステージ５２は位置しておらず、照射口８６から照射された紫外線は、ベース２８の上面に照射される。ベース２８の上面に照射された紫外線は、その上面において反射する。なお、インクジェットヘッド７６と照射装置８２とは、紫外線硬化樹脂の吐出と、紫外線硬化樹脂への紫外線の照射とを連続して行うべく、比較的、近い位置に隣り合って配設されている。このため、ベース２８の上面で反射した光が、インクジェットヘッド７６の吐出口７８に入射する。これにより、インクジェットヘッド７６の吐出口７８において、紫外線硬化樹脂が硬化し、インクジェットヘッド７６の吐出口７８が詰まる虞がある。

また、例えば、ステージ５２がインクジェットヘッド７６の下方に移動される前には、図６に示すように、ステージ５２がインクジェットヘッド７６の下方に向かって移動される。この際、照射装置８２の照射口８６の下方に、ステージ５２は位置しておらず、照射口８６から照射された紫外線は、ベース２８の上面で反射し、その反射した紫外線が、インクジェットヘッド７６の吐出口７８に入射する。これにより、インクジェットヘッド７６の吐出口７８において、紫外線硬化樹脂が硬化し、インクジェットヘッド７６の吐出口７８が詰まる虞がある。

このように、ステージ５２の移動に伴って、照射装置８２の照射口８６の下方にステージ５２が位置していない際に、照射装置８２から照射された紫外線がインクジェットヘッド７６の吐出口７８に入射し、吐出口７８において紫外線硬化樹脂が硬化する虞がある。このようなことに鑑みて、図７に示すように、ステージ５２に１対の入射防止ユニット１２０が設けられている。入射防止ユニット１２０は、平板部１２２と屈曲部１２４とを含む。平板部１２２は、概して矩形の板状をなし、屈曲部１２４は、平板部１２２の１辺が下方に９０度に屈曲された形状をなしている。そして、１対の入射防止ユニット１２０は、ステージ５２のＸ軸方向における両縁部に、屈曲部１２４において固定されており、平板部１２２が、Ｘ軸方向に延び出している。なお、入射防止ユニット１２０は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）により成形されている。

このように、入射防止ユニット１２０がステージ５２に設けられることで、インクジェットヘッド７６の吐出口７８への紫外線の入射を防止することが可能となる。詳しくは、例えば、ステージ５２がインクジェットヘッド７６の下方に移動される前には、図７に示すように、照射装置８２の照射口８６の下方に、ステージ５２は位置していないが、入射防止ユニット１２０の平板部１２２が、ステージ５２の移動方向に向かって延び出している。このため、ベース２８の上面で反射した紫外線が、平板部１２２によって遮られる。これにより、照射装置８２によって照射された紫外線のインクジェットヘッド７６の吐出口７８への入射を防止することが可能となる。

また、例えば、紫外線硬化樹脂１１０への紫外線の照射が完了するタイミングでは、図８に示すように、ステージ５２は照射装置８２の照射口８６の下方に位置していないが、照射口８６の下方に、入射防止ユニット１２０の平板部１２２が位置している。このため、照射装置８２から照射された紫外線は、平板部１２２に照射され、その平板部１２２の上面で反射する。照射装置８２とステージ５２との間の距離は、比較的、短いため、平板部１２２の上面で反射した紫外線は、近距離にのみ反射し、平板部１２２の上面で反射した紫外線の反射範囲に、インクジェットヘッド７６の吐出口７８は位置していない。このため、照射装置８２によって照射された紫外線のインクジェットヘッド７６の吐出口７８への入射を防止することが可能となる。このように、入射防止ユニット１２０がステージ５２に設けられることで、インクジェットヘッド７６の吐出口７８への紫外線の入射が防止されている。

また、入射防止ユニット１２０は、上述したように、ステンレス鋼により成形されている。ステンレス鋼は、比較的、熱伝導率が高い素材であるため、熱エネルギーが拡散し易い。このため、入射防止ユニット１２０に照射された光による温度上昇を好適に抑制することが可能となる。

さらに、製造装置１０では、ステージ５２の移動に伴って、シャッタ８８の作動が制御される。詳しくは、照射装置８２の照射口８６の下方にステージ５２が有る場合、つまり、照射口８６から照射された紫外線の照射範囲にステージ５２が有る場合に、シャッタ８８が開放され、紫外線の照射が許容される。一方、照射装置８２の照射口８６の下方にステージ５２が無い場合、つまり、照射口８６から照射された紫外線の照射範囲にステージ５２が無い場合に、シャッタ８８が閉じられ、紫外線の照射が禁止される。これにより、例えば、図９に示すように、ステージ５２が、照射装置８２の下方から、ある程度離れた場合には、入射防止ユニット１２０によって紫外線の吐出口７８への入射を防止できないが、シャッタ８８によって紫外線の照射が禁止されることで、吐出口７８への紫外線の入射を防止することが可能となる。

［第２実施例］
第１実施例の製造装置１０では、ステージ５２への入射防止ユニット１２０の配設と、シャッタ８８の作動によって、吐出口７８への紫外線の入射が防止されているが、第２実施例の製造装置では、ステージ５２への入射防止ユニットの配設のみによって、吐出口７８への紫外線の入射が防止される。なお、第２実施例の製造装置は、入射防止ユニットを除いて、第１実施例の製造装置１０と略同じ構成である。このため、第２実施例では、入射防止ユニットを中心に説明し、同様の機能の構成要素については、第１実施例の製造装置１０と同じ符号を用いて、説明を省略する。

第２実施例の製造装置では、図１０に示すように、ステージ５２に１対の入射防止ユニット１３０，１３２が設けられている。入射防止ユニット１３０，１３２は、樹脂により成形されており、平板の山折りと谷折りとが繰り返された形状、所謂、蛇腹形状とされている。これにより、入射防止ユニット１３０，１３２は、伸縮可能とされている。また、ベース２８の上面には、Ｘ軸方向の両端部に、１対の支持台１３６，１３８が設置されている。そして、入射防止ユニット１３０が、一端部において、支持台１３６に固定され、他端部において、ステージ５２の支持台１３６と向かい合う位置の縁部に固定さている。また、入射防止ユニット１３２が、一端部において、支持台１３８に固定され、他端部において、ステージ５２の支持台１３８と向かい合う位置の縁部に固定さている。

このような構造により、ステージ５２のＸ軸方向への移動に伴って、入射防止ユニット１３０，１３２は伸縮する。つまり、入射防止ユニット１３０，１３２は、ステージ５２が何れの位置に移動した場合であっても、ベース２８を覆っている。このため、ステージ５２が照射装置８２の下方に移動し、照射装置８２による紫外線の照射範囲に、ステージ５２が位置している場合には、照射装置８２による照射光が、ステージ５２に向かって照射される。これにより、ステージ５２の基材７０の上に吐出された紫外線硬化樹脂を硬化させることが可能となる。

一方、ステージ５２が照射装置８２の下方から移動し、照射装置８２による紫外線の照射範囲に、ステージ５２が位置していない場合には、照射装置８２による照射光は、入射防止ユニット１３０，１３２に向かって照射される。そして、入射防止ユニット１３０，１３２に照射された紫外線は、入射防止ユニット１３０，１３２で反射するが、その反射光の反射範囲は、比較的小さいため、インクジェットヘッド７６の吐出口７８に入射しない。なお、ステージ５２が照射装置８２から離れた位置に移動した場合であっても、照射装置８２の下方には、常時、入射防止ユニット１３０，１３２が位置しており、ベース２８は露出しない。このため、ステージ５２が照射装置８２から離れた位置に移動した場合であっても、紫外線の吐出口７８への入射を防止することが可能となる。これにより、第２実施例の製造装置では、シャッタ８８を設けることなく、入射防止ユニット１３０，１３２のみによって、紫外線の吐出口７８への入射を防止することが可能となる。

なお、入射防止ユニット１３０，１３２は、上述したように、樹脂により成形されているが、その樹脂には、金属製のフィラー（微粉末）が混合されている。このため、その樹脂の熱伝導率は、比較的高い。これにより、第２実施例の製造装置においても、第１実施例の製造装置１０と同様に、入射防止ユニット１３０，１３２に照射された光による温度上昇を好適に抑制することが可能となる。

ちなみに、上記実施例において、製造装置１０は、３次元造形物造形装置の一例である。搬送装置２０は、移動装置の一例である。制御装置２６は、制御装置の一例である。ステージ５２は、ステージの一例である。インクジェットヘッド７６は、吐出装置の一例である。照射装置８２は、照射装置の一例である。シャッタ８８は、シャッタの一例である。入射防止ユニット１２０は、入射防止体の一例である。入射防止ユニット１３０は、入射防止体の一例である。入射防止ユニット１３２は、入射防止体の一例である。支持台１３６は、支持部の一例である。支持台１３８は、支持部の一例である。

なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した種々の態様で実施することが可能である。具体的には、例えば、上記第１実施例では、入射防止ユニット１２０の配設と、シャッタ８８の作動制御とによって、紫外線の吐出口７８への入射が防止されているが、シャッタ８８の作動制御のみによって、紫外線の吐出口７８への入射を防止することが可能である。つまり、ステージ５２に入射防止ユニット１２０を設けることなく、照射装置８２の照射範囲にステージ５２が有る場合に、シャッタ８８を開放し、照射装置８２の照射範囲にステージ５２が無い場合に、シャッタ８８を閉じることでも、紫外線の吐出口７８への入射を防止することが可能となる。

１０：製造装置（３次元造形物造形装置） ２０：搬送装置（移動装置） ２６：制御装置 ５２：ステージ ７６：インクジェットヘッド（吐出装置） ８２：照射装置 ８８：シャッタ １２０：入射防止ユニット（入射防止体） １３０：入射防止ユニット（入射防止体） １３２：入射防止ユニット（入射防止体） １３６：支持台（支持部） １３８：支持台（支持部）

Claims (5)

1. 光の照射により硬化する硬化性樹脂を吐出する吐出装置と、
   前記吐出装置により吐出された硬化性樹脂に光を照射する照射装置と、
   前記吐出装置と前記照射装置との下方に配置され、前記吐出装置により吐出された硬化性樹脂に前記照射装置からの光が照射されるステージと、
   前記吐出装置および前記照射装置と、前記ステージとを相対的に移動させる移動装置と、
   前記ステージに設けられ、前記照射装置により照射された光の前記吐出装置への入射を防止するための入射防止体と
   を備えたことを特徴とする３次元造形物造形装置。
2. 前記入射防止体が、
   前記照射装置とステージとの相対的な移動方向に向かって、前記ステージの縁から延び出すように配設されたことを特徴とする請求項１に記載の３次元造形物造形装置。
3. 前記移動装置が、前記ステージを移動させる装置であり、
   前記照射装置が、
   一端部において、前記ステージに固定され、他端部において、前記造形装置のベース上に設けられた支持部に固定されており、前記ステージの移動に伴って伸縮することを特徴とする請求項１に記載の３次元造形物造形装置。
4. 前記照射装置が、
   光を照射する照射口を開放した状態と塞いだ状態との間で作動するシャッタを有し、
   前記造形装置が、
   前記照射装置による光の照射範囲に前記ステージが有る際に、前記シャッタを開放させ、前記照射装置による光の照射範囲に前記ステージが無い際に、前記シャッタを閉じるように、前記シャッタの作動を制御する制御装置を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の３次元造形物造形装置。
5. 前記入射防止体が、
   熱伝導率の高い素材により形成されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載の３次元造形物造形装置。

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