JP4246220B2 - 光造形装置 - Google Patents

Description

本発明は、光硬化性の流動性材料を用いて立体（３次元の物体）を造形する光造形装置に係り、特に未硬化の流動性材料を容器内に収容しその液面側で露光硬化させるようにした装置に関する。

従来、未硬化の光硬化性樹脂を選択的に露光して所定形状の硬化層を形成するとともに、その硬化層を順次積層することで、形状の複雑な物体や組立体を一体造形可能にした光造形装置が知られており、この光造形装置においては、積層される各層の硬化層を高精度かつ迅速に成形することが要求される。

この種の光造形装置としては、例えば特許文献１（特公平２−４８４２２号公報）に記載されたものがある。この装置では、未硬化の光硬化性樹脂液を収容した容器中に昇降式のプラットホームを配設し、その光硬化性樹脂の液面に対しレーザ走査による選択的な露光を行って前記液面近傍の光硬化性樹脂をプラットホーム上で所定形状に硬化させた後、その硬化層をプラットホームと共に一層分を超える深さまで沈めてプラットホーム上に未硬化の光硬化性樹脂液を自動的に積層させ、次いでプラットホームを自由液面から積層ピッチ量（積層される層の層厚）を隔てる位置まで上昇させることで次層の未硬化材料層を比較的迅速に形成できるようになっている。

ところで、この種の光造形装置は形状の複雑な部品を低コストかつ短時間で試作するのに好適であるため、近時においては、造形作業の高速化と更なる造形精度の向上に加えて、造形された立体をより広範な用途に対応させ得ることが要求されている。具体的には、造形された物体を高温に晒される部品、例えば自動車の排気マニホールドの試作品としたり、高温高圧に晒されるプラスチック成形用の型として用いたりすることが要求されるようになった。

しかし、このような要求に応え得る光硬化性流動材料は高粘度であり、上述のようにプラットホームを未硬化液中に沈めてその上（下層の硬化層上）に自動的に未硬化樹脂層を形成する方式では、粘性の高い１層分の未硬化流動材料をプラットホーム上に迅速に延展させることができない。また、安全性確保の観点からも、光硬化性樹脂には低臭気、低揮発となる程度の粘性を有するのが好ましいが、上述の方式では、十分に粘度の低い光硬化性樹脂が必要になる。

そこで、特許文献２（特公平７−１０５６６号公報）に記載されるように、未硬化の光硬化性樹脂を強制的に下層の硬化層上に供給するディップコート方式を採用し、高粘度の光硬化性樹脂材料を使用しつつ高速化と層厚の高精度化とを実現可能にしたものが提案され、注目を集めている。

この装置は、所定の光によって硬化し得る未硬化の光硬化性樹脂を収容してその樹脂の自由液面を形成する容器と、自由液面と略直交する方向に移動するよう容器中に移動可能に設けられた自由液面に対し略平行な可動プラットホームと、容器から未硬化の光硬化性樹脂を汲み上げて可動プラットホーム上に供給するディッパーと、可動プラットホームの移動方向に対して直交する方向に移動可能に設けられその移動により可動プラットホーム上の光硬化性樹脂の表面部を平坦化するスクレーパー（ドクターナイフ）とを備えている。そして、プラットホームを自由液面より積層ピッチ量だけ低い位置に配置した状態で、未硬化の光硬化性樹脂をディッパーにより汲み上げて可動プラットホーム上に供給し、この光硬化性樹脂の表面部を自由液面に沿って移動するスクレーパーにより平坦化して、プラットホーム上の自由液面近傍に所定層厚の未硬化の光硬化性樹脂層を迅速かつ均一に形成するともに、その未硬化材料層を所定の光により選択的に露光して光硬化性樹脂を積層硬化させるという工程を繰り返すことで、所要形状の立体を造形するようになっている。
特公平２−４８４２２号公報 特公平７−１０５６６号公報

しかしながら、このように改善された光造形装置にあっても、より粘度の高い光硬化性流動材料を使用する場合、非収縮性の高い微粒子材料やこれと同等なウィスカー状の物質を未硬化の光硬化性樹脂に混合する必要があり、その混合される材料と光硬化樹脂との比重の違いから、混合流動材料を長時間放置すると混合された物質と光硬化性樹脂との混合状態が不均一になったり両者が分離したりするという問題が不可避であった。

そのため、例えば前記流動材料を容器内に収容したまま光造形装置を長時間放置すると、流動材料の流動性が部分的に損なわれるために可動プラットホームに過大な昇降負荷が加わったり、流動材料に含まれるべき前記非収縮性の高い微粒子材料等が不足することによって所要の硬化層の性状が得られなくなったりするという不具合が生じ易かった。

そこで本発明は、未硬化の流動性材料が容器内で長時間放置される場合にその材料を適宜攪拌するようにして、未硬化の流動性材料を均一で良好な粘度に維持することのできる光造形装置を提供することを目的とする。

上記目的達成のため、請求項１に記載の発明は、造形容器に収容された、光硬化性樹脂と該光硬化性樹脂より比重の大きい物質とを含む流動性材料を、液面側で選択的に露光して所定形状に硬化層を形成するとともに、その硬化層を順次積層することで物体を造形する光造形装置であって、不均一な流動性材料中の前記光硬化性樹脂より比重の大きい物質を前記造形容器の底面側から前記液面側に均等に分散させるように、前記造形容器に上下方向に離間して設けられた材料循環通路を通して、前記造形容器中の前記流動性材料をポンプにより流動循環させる循環手段と、前記物体を造形する作業が停止されているときに前記流動性材料を流動循環させるよう、前記循環手段の作動を制御する制御手段とを設けたことを特徴とするものである。

また、請求項２に記載のように、前記材料循環通路を、さらに、水平方向に離間して設けてもよい。

さらに、請求項３に記載のように、前記材料循環通路に複数の孔を形成してもよい。

請求項１に記載の発明によれば、容器内の分離した未硬化の流動性材料を循環手段のポンプにより上下の材料循環通路を通し流動および循環させて均一な混合状態に攪拌するので、流動性材料を容器内に入れたまま装置を長時間放置する場合でも、流動性材料の流動性が部分的に損なわれて可動プラットホームに過大な昇降負荷が加わったり、流動性材料に含まれるべき物質が不足して所要の硬化層性状が得られなくなったりするのを防止することができる。さらに、物体を造形する作業が停止されているときに流動性材料を流動循環させるよう、前記循環手段の作動を制御する制御手段を有するので、容器内の流動性材料を適宜循環により攪拌させることができる。

請求項２に記載の発明によれば、流動性材料を鉛直軸回りに旋回する方向にも流動させることができるので、均一な混合状態を得ることができる。

請求項３に記載の発明によれば、前記材料循環通路に形成され複数の孔からも流動性材料が流入、排出されるので、さらに均一な混合状態を得ることができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態について添付図面を参照しつつ説明する。
［第１の実施の形態］
図１は好ましい実施形態の一例を示す図である。

この図に示す所定容量の造形容器52は、後述する制御ユニット等を装備した図示しない装置本体（支持体）に着脱可能に支持されており、Ｌは造形容器52内に収容された所定の光硬化性樹脂（例えばＵＶ硬化性樹脂）を含む流動性材料である。造形容器52の上部には流動性材料10の水平な自由液面Ｌを形成している。前記未硬化の流動性材料は、例えば液状の光硬化性樹脂（例えば重合性のビニル系化合物、エポキシ系化合物）に所定温度範囲内で実質的な非収縮性をもつ平均粒径３〜70μｍ、好ましくは10〜60μｍ程度の微粒子（例えばガラスビーズや樹脂製ビーズ）を５〜70容量％、好ましくは10〜55容量％だけ配合したペースト状（例えば粘度が5,000cps〜100,000cps）の組成物であり、その微粒子は公知のシランカップリング剤によって硬化後の機械的強度を増すよう処理されている。あるいは、前記未硬化の流動性材料は、前記微粒子に代え、直径が0.3 〜１μｍ、長さが10〜70μｍアスペクト比が10〜100の範囲にあるウイスカーを用いる（その場合、液状光硬化性樹脂にこのウイスカーを５〜30容量％配合する）ものであってもよい。

また、造形容器52は図示しない公知の液面調整手段により未硬化材料10の自由液面Ｌの高さを造形容器52の底面から一定の高さに保つようになっており、この容器52中には前記自由液面Ｌに対し略平行な上面部を有する可動プラットホーム53が設けられている。

プラットホーム53は前記自由液面と略直交する鉛直方向に移動するよう公知の昇降機構（図示しない案内支持手段）によって昇降可能に案内および支持されており、この案内支持機構がコントロールユニット80によって制御されることにより、プラットホーム53は後述する硬化層の層厚に対応する所定の下降ピッチ量（所定移動量）を単位として段階的に下降し、造形完了時に初期位置付近まで上昇するようになっている。

また、プラットホーム53の上方には、レーザ光走査装置60（露光手段）が設けられている。この走査装置60は、例えばレーザ光源から出射したレーザ光を図示しない反射光学系を介して偏向しつつプラットホーム53上の未硬化材料層の表面部に集光させ、その光をプラットホーム53上の所定領域内での主・副両走査方向（水平方向）に走査するようになっている。

この光走査装置60からの光による描画パターンは、造形する３次元物体を硬化層13の積層体としたときの各層の形状に対応するもので、その走査は装置本体１内に格納されたコントロールユニット80によって制御される。そして、光走査装置60によって走査される光（選択的露光）に曝されて自由液面から所定深さまで流動性材料10の一部が硬化するとき、この一部の材料が所定層厚の硬化層を形成すると同時に下層の硬化層上に積層される。

コントロールユニット80は、例えば３次元ＣＡＤ（computer aided design）システム（図示していない）に接続されおり、この３次元ＣＡＤシステムからのモデリングデータに基づいて、可動プラットホーム53を移動させる昇降機構や、図示しない材料供給用のディッパーおよびスクレーパーを移動させるモータ、並びにレーザ光走査装置60の作動を制御する造形制御を実行することができる。

また、コントロールユニット80は、光走査装置60の作動を停止した状態で、昇降機構を作動させる攪拌制御を実行するようになっており、この攪拌制御時に、前記下降ピッチより十分に大きいストロークをもって可動プラットホーム53を自由液面下で往復移動させ、造形容器52内の未硬化の流動性材料10を可動プラットホーム53によって攪拌させることができる。往復移動時の可動プラットホーム53の速度は造形時より十分に大きい方が良いが、十分な往復ストロークを設定し、かつ、図２に示すような攪拌部材を設ける場合には、比較的低速でもよい。

前記コントロールユニット80により制御される昇降駆動手段は、可動プラットホーム53を前記下降ピッチ（硬化層の層厚に相当する所定移動量）を単位として移動させる第１のプラットホーム移動手段を構成するとともに、可動プラットホーム53を光走査装置60（露光手段）および図示しないディッパー等の材料供給手段の作動停止中に自由液面Ｌの下方において前記下降ピッチより大きいストロークで往復移動させる第２のプラットホーム移動手段を構成している。したがって、第２のプラットホーム移動手段としての昇降機構によって可動プラットホーム53が上下に往復移動するとき、造形容器52内の流動性材料10が広い面積を有する可動プラットホーム53によって攪拌されるようにすることもできる。この場合、コントロールユニット80は、前記材料供給手段および光走査装置60の作動停止時間（装置が造形作業をしない状態で放置される時間）が所定時間、例えば５時間を超える時点で、昇降機構を第２のプラットホーム移動手段として作動させる攪拌制御を開始する。この攪拌制御の時間は、流動性材料10の特性や要求される造形精度および造形速度等に応じて適宜設定することができる。

また、本実施形態においては、造形容器52を複数設けて交換可能にし、装置本体１に装着した造形容器52を使って造形作業を進める一方、装置本体から取り外した造形容器52内の昇降機構を第２のプラットホーム移動手段として作動させ、造形作業と次に使用する流動性材料の攪拌作業とを並行して実行できるようにしてもよい。

すなわち、造形容器52を装置本体から取り外して専用の攪拌ステーション上で攪拌するようにしてもよい。この場合、攪拌ステーションは、昇降機構を駆動する図示しない駆動電源を有している。

その場合、造形容器52内に収納された昇降機構は、装置本体側のモータ等（第１のプラットホーム移動手段の昇降駆動源）および攪拌ステーション内の昇降駆動源（外部の昇降駆動源）のうち何れかによって駆動可能な案内支持機構として機能する。

上記構成の装置では、コントロールユニット80が、３次元ＣＡＤシステムからのモデリングデータに基づいて、昇降機構の駆動源、ディッパーおよびスクレーパー等の材料供給手段を移動させるモータ、光走査装置60等の作動を制御し、まず、プラットホーム53から離れた位置で自由液面Ｌ下に沈んだディッパーが、スクレーパーの水平方向への移動に同期して移動しつつ所定高さまで上昇する。次いで、ディッパーおよびスクレーパーが共に水平に移動してプラットホーム53上に供給された未硬化材料10から所定層厚の未硬化材料層が形成される。次いで、光走査装置60からの光が前記未硬化材料層の表面部に集光されるとともにプラットホーム53上の所定領域内での主・副両走査方向に走査され、一層の硬化層が形成されるのと同時にこれが下層に積層されることになる。

このような造形作業が終了し、造形物体が取り出されると、光造形装置は次の作業開始まで停止される。本実施形態の装置では、この停止状態において、例えば可動プラットホーム53を利用して、未硬化の流動性材料10を攪拌し得る、すなわち、造形容器52内で広い面積を有する可動プラットホーム53を自由液面Ｌ下で移動させることによって、非収縮性の微粒子材料やウィスカー等のような光硬化性樹脂より比重の大きい物質を光硬化性樹脂に十分に均等に分散させ、所要の混合状態にすることも可能ではあるが、次に述べるような材料循環手段が構成され、それによる攪拌がなされる。

図１において、71は造形容器52内の流動性材料10を所定方向に循環させるポンプ、72，73は上下方向に離間して造形容器52の図１中右側の壁面を貫通しポンプ71の前後に材料循環通路を形成する上下のパイプである。
これらポンプ71およびパイプ72，73は、容器52内の流動性材料10を図１中に矢印で示すような所定方向に流動させて循環させる、すなわち上下に流動循環させる材料循環手段を構成している。
前記昇降機構の駆動源や光走査装置60およびポンプ71等の作動は、コントロールユニット（制御手段）80によって制御される。

造形作業が終了し、造形物体が取り出され、光造形装置が次の作業開始まで停止される状態において、上述のように可動プラットホーム53を利用して未硬化の流動性材料10を攪拌することもできるが、本実施形態では、容器52内で比重の違いから上下に分離した流動性材料10を材料循環手段によって前記所定方向に循環させるとともに攪拌する。すなわち、図１中に湾曲して折り返す矢印で示すように、ポンプ71によりパイプ73を通して造形容器52の底面側の図１中左方向に流動性材料10を流動させるとともに、パイプ72を通してポンプ71に流動性材料10を吸い込ませることで、流動性材料10を上方側（液面側）およびパイプ72側に折返す図１中の右方向へと流動させ、比重の大きい物質を造形容器52の底面側から上方側（液面側）に分散させるよう流動循環により攪拌するようになっている。
したがって、造形容器52内で非収縮性の微粒子材料やウィスカー等のような光硬化性樹脂より比重の大きい物質を光硬化性樹脂に十分に均等に分散させて所要の混合状態にすることができ、流動性材料10を容器52内に入れたまま装置を長時間放置する場合でも、流動性材料10に混合された上記微粒子材料等と光硬化性樹脂との混合状態が不均一になったり両者が分離したりするという問題が回避でき、流動性材料の流動性が部分的に損なわれて可動プラットホームに過大な昇降負荷が加わったり、流動性材料に含まれるべき微粒子材料等が不足して所要の硬化層性状が得られなくなったりすることがない。

なお、図２に平面図を示すように、上下のパイプ72，73は水平方向にずらして配置されてもよく、容器52内の流動性材料10を鉛直軸回りに旋回する方向にも流動させることができる。これ以外に、パイプ72又は73を容器52内で水平方向に長く延在させてその一方又は両方に複数の孔を形成したり、あるいは容器52の内壁（例えば底壁）に流れを方向付ける部材を設置したりして、適宜均一な混合状態を得るようにすることが可能である。

本発明に係る光造形装置の好ましい実施形態の一例を示すその概略構成図である。 図１に示した装置の平面断面図である。

符号の説明

10 流動性材料（光硬化性樹脂を含む未硬化の混合材料）
52 造形容器
53 可動プラットホーム
60 光走査装置（露光手段）
71 ポンプ（循環手段）
72，73 パイプ（循環手段、材料循環通路）
80 コントロールユニット（制御手段、昇降制御手段）
Ｌ 自由液面（自由表面）

Claims (3)

1. 造形容器に収容された、光硬化性樹脂と該光硬化性樹脂より比重の大きい物質とを含む流動性材料を、液面側で選択的に露光して所定形状に硬化層を形成するとともに、その硬化層を順次積層することで物体を造形する光造形装置であって、
   不均一な流動性材料中の前記光硬化性樹脂より比重の大きい物質を前記造形容器の底面側から前記液面側に均等に分散させるように、前記造形容器に上下方向に離間して設けられた材料循環通路を通して、前記造形容器中の前記流動性材料をポンプにより流動循環させる循環手段と、
   前記物体を造形する作業が停止されているときに前記流動性材料を流動循環させるよう、前記循環手段の作動を制御する制御手段と、
   を設けたことを特徴とする光造形装置。
2. 前記材料循環通路は、さらに、水平方向に離間して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光造形装置。
3. 前記材料循環通路には、複数の孔が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光造形装置。

Images