JP2011218821A - 光造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 泡の混入が少なく透明度が高い造形物が得られる光造形装置を提供する。
【解決手段】 リコータ１８が消泡手段４６，４８を備えている。消泡手段は、超音波振動子４６と振動板４８で構成され、振動板４８の下端の高さはリコータブレード３６，３８の下端の高さに等しい。泡は、走行方向の後側の振動板４８の垂直部の下端に接触してはじけとび、泡が消える。硬化層の表面に導入された未硬化の光硬化性液状樹から泡が除去される。透明度に優れたモデルを造形することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光硬化性液状樹脂と光を利用して３次元形状を造形する光造形装置に関する。

光造形装置は、光硬化性液状樹脂を貯めておく液槽と、液面内の位置に対応して露光するか露光しないかを選択することが可能な露光装置と、液槽内で昇降する昇降台と、液面に沿って走行するリコータを備えている。

露光装置は、例えば光ビームの射出装置と、その光ビームを液面内の任意の位置に向けて反射する照射位置制御装置を備えている。あるいは、透過型の液晶パネル越しに平行光を照射する光源を備えている。いずれも、液面内の位置に対応してその位置を露光するか露光しないかを選択することが可能となっている。
光硬化性液状樹脂の液面を露光すると、液面が硬化して硬化層が形成される。最初の硬化層は、液槽内で昇降する昇降台に固着するように造形される。昇降台を一層分だけ沈めると昇降台に固着している硬化層も沈み、液面下に移動する。
光造形装置の造形精度が向上しており、１層の厚みはきわめて薄い。一層分だけ硬化層を沈めても、光硬化性液状樹脂の表面張力によって、沈められた硬化層の表面に光硬化性液状樹脂が流入しない。すなわち、一層分だけ硬化層を沈めても、硬化層の表面は光硬化性液状樹脂で被覆されない。光造形装置では、次の層の露光に備えて、硬化層の表面を光硬化性液状樹脂で被覆しておく必要がある。
そのために、液面に沿って走行するリコータが用意されている。リコータが液面に沿って走行すると、先に硬化して沈められた硬化層の表面を光硬化性液状樹脂で被覆することができる。
光造形装置では、液面の露光と昇降台の沈降とリコータの走行を１サイクルとする動作を繰り返すことによって、昇降台の上に複数の硬化層が積層されて一体化した光造形物を造形する。各層の露光領域を制御することによって、任意の３次元形状を造形することができる。

光硬化性液状樹脂は粘性を有し、その液面が平滑化するのに時間を要する。そこで、光硬化性液状樹脂に超音波振動を加えることによって、液面の平滑化を促進する技術が開発されており、特許文献１に開示されている。特許文献１の技術では、液槽の外面に超音波発生装置を取り付けている。

特開平５−２７８１２２号公報

近年、光硬化性液状樹脂の改良によって、光造形物の透明度が向上している。光造形物の透明度が向上すると、造形物の表面に露出する３次元形状のみならず、造形物の内部に形成されている３次元形状まで観測することが可能なり、一層の透明化が望まれている。
透明度が向上とともに泡の存在が観測され始め、さらに透明度を向上させるためには、泡を含まない造形物あるいは泡の混入が少ない造形物を造形する必要があることがわかってきた。特開平５−２７８１２２号公報に記載されているように、液槽の外面に超音波発生装置を取り付けて光硬化性液状樹脂に超音波振動を加えても泡は消えない。
本発明では、泡の混入が少ない造形物を造形することが可能な光造形装置を提供する。

本発明は、光硬化性液状樹脂を貯めておく液槽と、液面内の位置に対応して露光するか露光しないかを選択することが可能な露光装置と、液槽内で昇降する昇降台と、液面に沿って走行するリコータを備えている光造形装置に関する。本発明の光造形装置では、リコータが消泡手段を備えている。ここでいう消泡手段は、露光領域内の液面に存在する泡を除去することをいい、泡を破壊して除去してもよいし、泡を吸い込んで除去してもよい。

リコータが液面に沿って走行すると、先に硬化して沈められた硬化層の表面に未硬化の光硬化性液状樹脂が導入される。このとき、硬化層の表面に導入された未硬化の光硬化性液状樹脂に泡が混入する。本発明のリコータは消泡手段を備えており、硬化層の表面に導入された未硬化の光硬化性液状樹脂に混入した泡を消してゆく。泡の混入が少なく、透明度に優れた造形物を造形することが可能となる。

様々な消泡手段を採用することができる。例えば、自らが振動する部材を利用することができる。泡が振動する部材に接触するとその泡は消える。あるいは、液面に浮上した泡に熱を加える部材を利用してもよい。泡に熱が加えられると泡は消える。あるいは、泡に接触して泡を機械的に破壊する部材、例えば針のような部材を利用してもよい。あるいは、液面に浮上した泡を吸い込んで除去する吸泡手段であってもよい。それらを組み合わせた部材であってもよく、例えば振動と熱を同時に加える部材であってもよい。あるいは、泡を破壊する手段と泡を吸い込む手段を併用するものであってもよい。

実施例の光造形装置の全体構成を示す図。 第１実施例のリコータの斜視図を示す。 第１実施例のリコータの断面図を示す。 第２実施例のリコータの斜視図を示す。 第３実施例のリコータの斜視図を示す。 第３実施例のリコータの斜視図を示す。

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
図１は、本実施例の光造形装置１０の全体構成を備えている。光造形装置１０は、光硬化性液状樹脂１１を収容している液槽１２と、レーザ光１３を射出する光源１４と、光源１４から射出したレーザ光１３のスポットを液槽１２内に収容されている光硬化性液状樹脂１１の液面１１ａ内の任意の位置に指向させる光学系１５と、液槽１２内において昇降する昇降台１６と、その昇降台１６の駆動機構１７と、液面１１ａに沿って移動することによって液面を平滑化するリコータ１８と、そのリコータ１８の駆動機構１９と、制御装置２０を備えている。制御装置２０は、３次元ＣＡＤシステムに接続されており、３次元ＣＡＤシステムから造形するべき３次元形状を記述するデータを入力する。制御装置２０は、３次元形状を記述するデータに基づいて、光源１４と光学系１５と昇降台駆動機構１７とリコータ駆動機構１９を制御し、３次元ＣＡＤシステムから入力した３次元形状を記述するデータによって記述されている３次元形状を有する硬化物（造形物）が造形されるようにする。

制御装置２０は、３次元ＣＡＤシステムから入力した３次元形状を記述するデータを処理し、断面ごとに輪郭線を算出する。以下では造形物の下方から上方に向けて、第１・・第ｎ断面とする。制御装置２０は、光源１４と光学系１５と昇降台駆動機構１７とリコータ駆動機構１９を下記のように制御する。
（１）昇降台１６を、液面１１ａから１硬化層分の深さに沈める。
（２）第ｉ断面の輪郭線データに基づいて光源１４と光学系１５を制御し、輪郭内の液面を露光し、輪郭外の液面は露光しない。
（３）昇降台１６を、１硬化層分の深さだけ、さらに沈める。
（４）液面に沿ってリコータ１８を走行させる。
（５）上記の（２）から（４）の制御を繰り返し実行する。最初に（２）を実行するときにはｉ＝１とし、以後（２）を繰り返すたびにｉを１ずつ大きくし、ｉ＝ｎ−１として（２）から（４）を実施したら、最後にｉ＝ｎとして（２）を実行する。
以上の処理を実施すると、液槽１２内に３次元ＣＡＤシステムが指定する３次元形状を備えた造形物が造形される。

（第１実施例）
図２は、リコータ１８の近傍を拡大して示しており、図３はそのIII−III線断面を示している。図２では、図示の明瞭化のために、一部を破断して図示している。
リコータ１８は、本体３４と、車輪３２，３２を備えており、液槽１２の外側に固定されているレール３０に沿って走行する。レール３０は水平に伸びている。
本体３４の走行方向の両サイドには、一対のリコータブレード３６，３８（図３も参照）が固定されている。リコータブレード３６，３８の下端は液面１１ａに接触する高さに設定されている。リコータ１８がレール３０に沿って走行すると、リコータブレード３６，３８の下端は液面１１ａを掃引する。本体３４の下方で一対のリコータブレード３６，３８に挟まれている範囲に、水平プレート４０が設置されている。水平プレート４０の一部４２は、本体３４を貫通して本体３４の上方に達しており、上下動機構４４に連結されている。水平プレート４０は、上下動機構４４によって水平を保った状態で上下動する。水平プレート４０の下面は光硬化性液状樹脂に対して親水性である。水平プレート４０を液面１１ａに接触するまで下降させてから上昇させると、光硬化性液状樹脂は２枚のリコータブレード３６，３８の間隙に貯められる。このリコータ１８は、多量の光硬化性液状樹脂を蓄えた状態で硬化層の上方を走行するために、大面積の硬化層の表面に光硬化性液状樹脂を導入する際にも光硬化性液状樹脂が枯渇することがない。
リコータ本体３４を覆うように、振動板４８が配置されている。振動板４８は図示しない連結具によってリコータ本体３４に連結されており、リコータ本体３４と一体となって液面上を走行する。図３によく示されているように、振動板４８は、水平部とその左右両端から下方に伸びる一対の垂直部を備えており、一対の垂直部の下端の高さは、一対のリコータブレード３６，３８の下端の高さに等しい。振動板４８には、超音波振動子４６が取り付けられおり、振動板４８は超音波振動する。振動板４８をリコータ本体３４に連結する連結具には、振動を断ち切る構造が用意されており、リコータ本体３４とリコータブレード３６，３８と水平プレート４０は振動しない。

図３は、リコータ１８によって、沈められた硬化層５０の表面に未硬化の光硬化性液状樹１１を導入する様子を示している。図３は、リコータブレード３６が前面となり、リコータブレード３８が後面となる方向に走行している場合を示している。リコータ１８が走行すると、前面側のリコータブレード３６の直後の位置で、硬化層５０の表面に未硬化の光硬化性液状樹脂１１が導入される。このとき、多少の泡が巻き込まれる。その泡はやがて液面上に浮上する。一部の泡は後面側のリコータブレード３８によって補足され、リコータブレード３８と水平プレート４０の境界部に閉じ込められる。硬化層５０の表面に導入された未硬化の光硬化性液状樹脂１１に泡が混入することが防止される。リコータブレード３８によって補足されなかった泡は、振動板４８の後方側の垂直部の下端に接触する。振動板４８の後方側の垂直部の下端は振動しており、それに接触した泡ははじけとび、泡が消える。このようにして、硬化層５０の表面に導入された未硬化の光硬化性液状樹１１からは泡が除去される。

このリコータを用いて造形したところ、肉眼で観測する限りでは、造形物中に泡が存在しなかった。それに対して超音波振動子４６の運転を中止して造形すると、造形物中に泡が観測された。特に、造形物の輪郭に近い部分に多くの泡が観測された。超音波振動子４６と振動板４８による消泡手段が有効に機能しており、消泡することによって泡の混入が少なく透明度に優れたモデルを造形できることが確認された。

図４は、別の消泡手段を備えたリコータを示し、熱線５４、５６を備えている。熱線５４，５６はリコータの走行方向の前後に対称に配置されており、その高さは一対のリコータブレード３６，３８の下端の高さよりもわずかに高い。すなわち、熱線５４，５６は、液面よりもわずかに上方を移動する。液面に浮上して盛り上がった泡は熱線５４，５６に接触する。
このリコータを用いると、図３で説明したのと同様に、走行方向の後面側のリコータブレードによって補足されなかった泡は、走行方向の後側の熱線と接触する。熱線に接触した泡は加熱されてはじけとび、泡が消える。このようにして、硬化層５０の表面に導入される未硬化の光硬化性液状樹１１からは泡が除去される。
熱線５４，５６に、超音波振動子の振動を伝達するようにしてもよい。泡は、振動と熱によって確実に除去される。

図５は、別の消泡手段を備えたリコータを示し、針群５８，６０を備えている。針群５８，６０はリコータの走行方向の前後に対称に配置されており、その高さは一対のリコータブレード３６，３８の下端の高さよりもわずかに高い。すなわち、針群５８，６０は、液面よりもわずかに上方を移動する。液面に浮上して盛り上がった泡は針群５８，６０に接触する。
このリコータを用いると、図３で説明したのと同様に、走行方向の後面側のリコータブレードによって補足されなかった泡は、走行方向の後側の針群と接触する。針群に接触した泡は機械的に破壊されて泡が消える。このようにして、硬化層５０の表面に導入される未硬化の光硬化性液状樹１１からは泡が除去される。

図６は、別の消泡手段を備えたリコータを示し、吸引ノズル７０，７２を備えている。吸引ノズル７０，７２はリコータの走行方向の前後に対称に配置されており、吸引口の高さは一対のリコータブレード３６，３８の下端の高さよりもわずかに高い。すなわち、吸引ノズル７０，７２の吸引口は、液面よりもわずかに上方を移動する。液面に浮上して盛り上がった泡は吸引口に吸引され、液面から除去される。吸引ノズル７０，７２は、負圧を発生するポンプに接続されており、吸引された液状樹脂は液槽１１に戻される。
このリコータを用いると、図３で説明したのと同様に、走行方向の後面側のリコータブレードによって補足されなかった泡は、走行方向の後側の吸引ノズルに吸引されて液面から除去される。このようにして、硬化層５０の表面に導入される未硬化の光硬化性液状樹１１から泡が除去される。

上記したいずれのリコータも、消泡手段を備えているために、硬化層の表面に導入される光硬化性液状樹脂から泡が除去され、透明度に優れたモデルを造形することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：光造形装置
１１：光硬化性液状樹脂
１２：液槽
１３：レーザビーム
１４：光源
１５：光学系
１６：昇降台
１７：昇降台駆動装置
１８：リコータ
１９：リコータ駆動装置
２０：制御装置
３６，３８：リコータブレード
４６：超音波振動子
４８：振動板
５４，５６：熱線
５８，６０：針群
７０，７２：吸引ノズル

Claims (5)

1. 光硬化性液状樹脂を貯めておく液槽と、
   液面内の位置に対応して露光するか露光しないかを選択することが可能な露光装置と、
   液槽内で昇降する昇降台と、
   液面に沿って走行するリコータを備えており、
   リコータが、消泡手段を備えていることを特徴とする光造形装置。
2. 消泡手段は、振動することによって消泡することを特徴とする請求項１の光造形装置。
3. 消泡手段は、液面に浮上した泡に熱を加えることを特徴とする請求項１の光造形装置。
4. 消泡手段は、液面に浮上した泡を機械的に破壊することを特徴とする請求項１の光造形装置。
5. 消泡手段は、液面に浮上した泡を吸引して除去することを特徴とする請求項１の光造形装置。

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