JP5326140B2 - 光造形装置 - Google Patents

Description

本発明は、液状の光硬化性樹脂に光を照射して光硬化させて、立体造形物を光学的に製造する光造形技術に係り、特に、光硬化性樹脂の液面を所定位置に調整する技術に関する。

近年、三次元ＣＡＤに入力されたデータに基づいて光硬化性樹脂を硬化させて立体造形物を製造する光造形装置が知られている。このような光造形技術は、設計の途中で外観デザインを検証するためのモデル、部品の機能性をチェックするためのモデル、鋳型を製作するための樹脂型、金型を製作するためのベースモデルなどのような複雑な立体造形物を容易に製造できることから注目を集めている。

光造形装置による立体造形物の製造には、一般に、造形液槽を用いた方法が採用されている。その手順は、造形液槽に液状の光硬化性樹脂を入れた後、第１に、造形液槽の液面に所望のパターンが得られるようにコンピュータで制御されたレーザー光を照射して光硬化による光硬化層を形成する。次いで第２に、その光硬化層を造形液槽内で下方に移動させて光硬化性樹脂を該光硬化層上に流動させ、該光硬化層の上に未硬化の光硬化性樹脂の層を形成する。第３に、その未硬化の光硬化性樹脂にレーザー光を照射して光硬化層を積層形成する。そして、これら第１〜第３の工程を所定の形状および寸法の立体造形物が得られるまで繰り返して該立体造形物を製造する。

造形液槽を用いた光造形装置では、高品位な立体造形物を得るために、造形中には、造形液槽の液面の高さを、常に一定に保つ必要がある。そこで従来の光造形装置では、光硬化性樹脂を入れた造形液槽に対して所定容積のブロックを上下動可能に設け、光硬化性樹脂へのブロックの沈み込み量を制御することにより、液面の高さを所定の位置に維持している。また、この他にも、造形液槽自体を上下動させることで液面の高さを所定の位置に維持する光造形装置が知られている。

しかしながら、造形液槽内でブロックを上下させる場合、該造形液槽内にブロックを納めるスペースを設ける必要があり、造形液槽の形状が複雑になり、また、ブロックを納めるスペースの分だけ造形液槽の容積が増える。造形液槽の容積が増えると、その分、光硬化性樹脂の量が多くなるためコストが増大する、という問題がある。
また、造形液槽自体を上下させる場合、造形液槽と光硬化性樹脂を合わせた重量は数百ｋｇ（例えば５００ｋｇ）にも達するため、この重量を精度良く制御することは非常に困難で効率的ではない。

これらの従来の技術のほかに、造形液槽内に膨張又は縮小可能に密閉された容器を固定的に配置し、この容器に液体又は気体を供給して容器の体積を増減させることで、液面の高さを所定の位置に維持した光造形装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この光造形装置によれば、ブロック或いは造形液槽を上下動するための可動機構が不要であるため、装置コストが抑えられ、また、装置が簡単になる、という利点がある。

特開２０００−５２４３６号公報

しかしながら、造形液槽の中に容器を固定的に配置した場合、次のような問題がある。
すなわち、光硬化性樹脂の交換などのために造形液槽を洗浄する際、造形液槽に容器が固定されていると、固定箇所の洗浄が面倒であり、また、この固定箇所に古い光硬化性樹脂が残留し易くなる、という問題がある。
さらに、造形液槽の中で容器の真上のスペースは、この容器が直下に存在することで、製造可能な立体造形物の高さを制限してしまうため、立体造形物の高さによっては、この容器の真上のスペースがデットスペースになる、という問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、造形液槽の液面調整を可能にしつつ、造形液槽の洗浄作業が容易であり、また、造形液槽に無駄なスペースを少なくできる光造形装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、造形液槽に入った液状の光硬化性樹脂に光を照射して光硬化層を形成し、該光の照射を繰り返して光硬化層を積層形成して立体造形物を製造する光造形装置において、前記造形液槽の中に１又は複数のバルーンを入れ、前記バルーンの上を覆って浮上を規制する固定自在な規制部材を設け、或いは、前記バルーンに浮上を規制する重りを設け、前記規制部材の下で、或いは、前記造形液槽の床面の上で前記バルーンを膨張或いは縮小させて前記造形液槽の液面を調整することを特徴とする。

また本発明は、上記光造形装置において、前記規制部材の固定位置を、前記造形液槽の複数の深さ位置に調整する調整手段を備えることを特徴とする。

また本発明は、上記光造形装置において、前記規制部材に、下側に入り込んだ気泡を上側に逃がす貫通部を形成したことを特徴とする。

本発明によれば、造形液槽の中に入れたバルーンを、該バルーンを覆う固定自在な規制部材、或いは、重りにより浮上を規制する構成としたため、造形液槽の洗浄時にバルーンを容易に取り出すことができ洗浄作業が容易となる。
また、造形液槽内では、バルーンが規制部材の下、或いは、造形液槽の床面の上に配置されるため、バルーンの上のスペースを造形スペースに使用することができ、造形液槽内の無駄なスペースを少なくできる。

本発明の第１実施形態に係る光造形装置の外観構成を示す図である。 造形液槽及び液面調整のための構成を示す図である。 規制板の固定位置調整を示す図である。 バルーンへの空気供給／排出時間と液面の上下動量との関係を示す図であり、（Ａ）は空気供給時間と液面上昇量との関係を示し、（Ｂ）は空気排気時間と液面下降量との関係を示す。 液面調整に要する時間の実験結果を示す図であり、（Ａ）はバルーンを用いた液面調整の実験結果を示し、（Ｂ）はブロックを用いた従来の液面調整の実験結果を示す。 本発明の第２実施形態に係る造形液槽及び液面調整のための構成を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
［第１実施形態］
図１は、本実施形態に係る光造形装置１００の外観構成を示す図である。
この図に示すように、光造形装置１００は、大別して、液状の光硬化性樹脂２（図２）が満たされる造形液槽１０と、当該光硬化性樹脂２に対して上方から光を照射する光照射装置２０とを備えている。上記造形液槽１０の内部には、造形テーブル１１が昇降機構２５により昇降可能に配置されている。
造形テーブル１１は、立体造形物を製造する際に、図２に示すように、造形液槽１０に入った液状の光硬化性樹脂２の液面１２から所定距離ｄだけ引き下げられた位置に配置され、当該造形テーブル１１の面上に、立体造形物の１層分に相当する液状の光硬化性樹脂層、すなわち、未硬化の光硬化性樹脂層を形成する。

光造形装置１００が立体造形物を製造する際には、図示せぬ制御コンピュータにより制御された光照射装置２０が造形液槽１０の液面１２に対して光を照射することで光硬化性樹脂層を光硬化させて、立体造形物の１層分に相当する光硬化層を形成する。その後、造形テーブル１１を更に所定距離ｄだけ引き下げて、先に形成した光硬化層の上面に１層分の未硬化の光硬化性樹脂層を形成し、上記と同様に、光照射装置２０が液面に光を照射することで、先に形成した光硬化層の上に新たに１層分の光硬化層を積層形成する。各光硬化層を形成する際には、製造対象の立体造形物の造形データに基づいて光照射装置２０が所定パターンの光を液面に照射することで各光硬化層が所定パターンに形成され、かかる光硬化層を積層形成することで目的の立体造形物が製造される。上記造形データは、立体造形物を複数にスライスしたときの各スライス体のＣＡＤデータに基づいて生成される。
立体造形物の造形動作中においては、造形液槽１０の液面１２が略基準液面に位置するように液面調整が行われる。この液面調整について次に説明する。

図２は、造形液槽１０の液面調整のための構成を模式的に示す図である。
造形液槽１０は略矩形の箱型を成し、液状の光硬化性樹脂２が入れられている。また、造形液槽１０には、空気の供給或いは排出により膨張或いは縮小するバルーン３０が入れられるとともに、このバルーン３０の浮上を規制する規制部材としての規制板３１が固定されており、液面下でバルーン３０が膨張或いは縮小することで、造形液槽１０の液面１２の調整が行われる。

バルーン３０は、例えばＬＬＥＤＰＥ（直鎖状低密度ポリエチレン）等の樹脂製のフィルムを素材として形成された密封袋体であり、例えば１３０μｍ〜２５０μｍ程度の破裂が生じ難く、なおかつ、膨張及び縮小を妨げない程度の厚みを有している。
また、バルーン３０は、造形液槽１０の上面視略中央に配置されており、バルーン３０の膨張或いは縮小により生じる液面１２の波打ちが静定する時間の短縮化が図られている。すなわち、バルーン３０を膨張或いは縮小して液面１２の調整動作を行った場合でも、液面１２が速やかに静定するので、立体造形物の製造時間の短縮化が図れる。
バルーン３０が造形液槽１０の床面１０Ａに沿って広がるシート状に形成されていると、さらに液面静定までの時間を短縮することができる。また、バルーン３０をシート状とすることで高さが抑えられるため、造形液槽１０のコンパクト化が図られる。

規制板３１は、造形液槽１０の両側の内側面間に横架される板材であり、バルーン３０の浮力に抗する剛性を有している。このような規制板３１としては、例えば５ｍｍ程度の厚みのアルミニウム板を用いることができる。
また規制板３１には、表裏に貫通する貫通部として１０ｍｍ程度の径の貫通孔３２が約４００ｍｍピッチで格子状に形成されている。これらの貫通孔３２が設けられることで、造形液槽１０に液状の光硬化性樹脂２を入れたときに規制板３１の下側に入った空気が溜まることなく速やかに上側に逃がすことができる。このように規制板３１の下に空気が溜まることがないから、立体造形物を製造している最中に、規制板３１に溜まっていた空気が浮上して製造品質が損なわれることがない。

造形液槽１０への規制板３１の固定構造について説明すると、造形液槽１０の内側面には、規制板３１の表裏を挟み込むようにして位置決め固定する上下一対の規制板挟持部材３３Ａ、３３Ｂが設けられている。規制板挟持部材３３Ａ、３３Ｂが規制板３１を挟持するため、規制板３１の上下動が規制されることとなり、バルーン３０を膨張或いは縮小したときにガタが生じることがなく、該ガタによる液面１２の乱れが防止される。

ここで、造形液槽１０の中に規制板３１を固定すると、この規制板３１の固定位置によって造形液槽１０の実効的な深さが規定され、造形可能な立体造形物の高さが制限されてしまう。そこで、造形液槽１０の内側面には、上記一対の規制板挟持部材３３Ａ、３３Ｂが深さ方向に沿って複数位置（図示例では３箇所）に設けられており、規制板３１の固定位置を多段階に調整可能にしている。これにより、図３に示すように、目的の立体造形物の高さに応じて造形液槽１０の実効的な深さＬを可変できる。また、各深さＬに合わせて造形液槽１０を個別に製造する必要もない。

このとき、図３（Ｃ）、図３（Ｂ）に示すように、規制板３１を浅い位置に固定して実効的な深さＬを浅くするほど、規制板３１の下側に、立体造形物の製造スペースに使用できない無駄なスペースが増える。そこで、規制板３１の下の容積に応じてバルーン３０の数を増やし、これらを重ねて配置することで、規制板３１の下の容積に占めるバルーン３０の容積が増えるため、この無駄なスペースに充填される光硬化性樹脂２の容量を抑えることができる。これに加え、本実施形態の造形液槽１０ではブロックや容器を配置する分の無駄なスペースも無いため、従来よりも光硬化性樹脂２を使い切ることができる。さらに、光硬化性樹脂２を交換する際には、より使い切ってから交換できるため交換作業が容易になる。なお、複数のバルーン３０を規制板３１の下に横並びに配置して、規制板３１の下の無駄なスペースをバルーン３０で埋めても良い。

光造形装置１００は、バルーン３０の膨張及び縮小を制御するための構成として、図１に示すように、コンピュータ５０を備え、また図２に示すように、液面センサ４０と、ポンプ４１と、供給用電磁弁４２と、排出用電磁弁４３と、圧力計４４とを備えている。

液面センサ４０は、液面１２の位置を検出してコンピュータ５０に出力する。この液面センサ４０には、赤色半導体レーザーを用いた光学式のセンサが用いられる。また、本実施形態では、液面１２の高さを基準液面に対して許容値（例えば±８μｍ）の精度で調整すべく、液面センサ４０には２μｍの分解能のものが用いられている。
ポンプ４１は、コンピュータ５０の制御によって駆動され、バルーン３０に接続されたホース４５に空気を送り込む。このポンプ４１には、単位時間あたり所定風量（例えば１８リットル／ｍｉｎ）の電磁式のエアーポンプが用いられる。

供給用電磁弁４２は、ホース４５の途中に設けられ、コンピュータ５０の制御の下、ポンプ４１の駆動時に開いてポンプ４１からバルーン３０へ空気の流通を可能にし、ポンプ４１の停止時に伴って閉じてバルーン３０からの空気の流出を遮断する。
排出用電磁弁４３は、ホース４５から分岐して端部が開放した分岐経路４５Ａの途中に設けられ、コンピュータ５０の制御によって開いてバルーン３０の空気を排出する。
圧力計４４は、ホース４５の途中に設けられ、バルーン３０の内部圧力を検出し、コンピュータ５０に出力する。

なお複数のバルーン３０を造形液槽１０に入れる場合には、ホース４５を分岐させて各バルーン３０に接続するとともに、ポンプ４１が供給する空気をいずれかのバルーン３０に選択的に送り込むための電磁弁を各バルーン３０の分岐路に設ける構成としてもよい。
またバルーン３０ごとに、ポンプ４１、供給用電磁弁４２、排出用電磁弁４３及び圧力計４４を設けて、それぞれのバルーン３０の膨張及び縮小を互いに独立して制御する構成とすることで、液面調整の精度を高めることもできる。

コンピュータ５０は、液面センサ４０及び圧力計４４の検出信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換部５１と、これら液面センサ４０及び圧力計４４の検出結果に基づいて、ポンプ４１、供給用電磁弁４２及び排出用電磁弁４３のそれぞれを制御するＩ／Ｏ制御部５２とを備えている。
さらに詳述すると、Ｉ／Ｏ制御部５２は、液面センサ４０の検出結果に基づいて、液面１２が基準液面から許容値（例えば±８μｍ）以上移動したことを検知すると、液面１２の移動を許容値以内にすべく、ポンプ４１を駆動して供給用電磁弁４２を開いてバルーン３０を膨張させ、或いは、排出用電磁弁４３を開いてバルーン３０を縮小させる。

図４は、バルーン３０への空気供給／排出時間と液面１２の上下動量との関係を示す図であり、図４（Ａ）は空気供給時間と液面上昇量との関係を示し、図４（Ｂ）は空気排気時間と液面下降量との関係を示す。なお、同図に示す値は、室温２３℃、湿度４５％及びバルーン圧力４Ｐａの条件下で得られた実験値である。
同図に示すように、バルーン３０への空気供給／排出時間と液面１２の上下動量との間には相関があり、また空気供給／排出時間をｍｓ単位で制御することで、液面１２をμｍ単位で制御できることが分かる。

この図４に示す空気供給／排出時間と液面１２の上下動量との関係は、データ化されてコンピュータ５０に予め入力されている。コンピュータ５０は、液面１２を調整する場合、この図４に示す関係に基づいて、液面１２の移動が基準液面に対して許容値（例えば±８μｍ）以内になる空気供給／排出時間を決定し、この空気供給／排出時間だけ供給用電磁弁４２／排出用電磁弁４３を開いてバルーン３０への空気供給／排出を行う。
次いで、コンピュータ５０は、液面センサ４０の検出結果に基づいて、液面１２が基準液面から許容値以内の位置に移動したか否かを判断する。液面１２が基準液面から許容値以内であればコンピュータ５０は液面調整動作を終了する。また液面１２が基準液面から許容値以内でなければ、コンピュータ５０は、再度、図４に示す関係に基づいて空気供給／排出時間を決定し、同様にしてバルーン３０への空気供給／排出を行い、係る動作を、液面１２が基準液面から許容値以内なるまで繰り返す。

なお、コンピュータ５０は、バルーン３０に空気を供給する間、圧力計４４によりバルーン３０の圧力を監視し、空気供給時間に達する前であっても、バルーン３０の圧力が所定の最大圧力に達したときに空気の供給を停止する。そして、複数のバルーン３０が造形液槽１０に入っている場合には、所定の最大圧力に達していない他のバルーン３０に空気を供給することで、液面調整を行う。

図５は、液面調整に要する時間の実験結果を示す図であり、図５（Ａ）はバルーン３０を用いた本実施形態の液面調整の実験結果を示し、図５（Ｂ）はブロックを用いた従来の液面調整の実験結果を示す。この実験結果は、基準液面から±８μｍ以上離れた液面１２を基準液面から±８μｍ以内に移動させる液面調整処理を１２００回前後行い、各液面調整処理に要した液面調整時間をプロットしたものである。
この図に示されるように、液面調整にバルーン３０を用いた場合、従来のブロックを用いた場合に比べ、液面調整時間の平均が短縮される。さらに、バルーン３０を用いた場合には、ほぼ５秒以内に液面調整が完了するのに対し、従来のブロックを用いた場合には、液面調整に５秒〜１０秒以上を要することが多くなる。このように液面調整時間が短縮化されることで立体物造形に要する時間の短縮化が図られる。

バルーン３０を用いた場合に液面調整時間が短縮する理由について考察すると、ブロックを用いる場合には、通常、造形に邪魔にならないように造形液槽１０の隅の方でブロックを上下させるため、上下動時に液面１２に生じる波が不均一になり静定までの時間が長くなるのに対し、バルーン３０を用いた場合には、造形液槽１０の中心部でバルーン３０の体積が増減するため、液面１２に生じる波が比較的均一になり静定までの時間が短くなるためと推測される。

以上説明した本実施形態によれば、次のような効果を奏する。
すなわち、本実施形態では、造形液槽１０の中にバルーン３０を入れるとともに、バルーン３０の上を覆って浮上を規制する固定自在な規制板３１を造形液槽１０に設け、この規制板３１の下でバルーン３０を膨張或いは縮小させて造形液槽１０の液面１２を調整する構成とした。
この構成によれば、造形液槽１０の中に入れたバルーン３０を固定自在な規制板３１で押さえ付けて浮上を規制する構成としたため、造形液槽１０の洗浄時には、規制板３１を取り外すことでバルーン３０を容易に取り出すことができるため、造形液槽１０の洗浄作業が容易となる。
また、造形液槽１０内では、バルーン３０が規制板３１の下に配置されるため、バルーン３０の上のスペースを造形スペースに使用することができ、造形液槽１０内の無駄なスペースを少なくできる。さらに、この無駄なスペースに充填される光硬化性樹脂は、バルーン３０の容積分だけ量が減るため、無駄になる光硬化性樹脂の量を抑えることができる。

また本実施形態では、造形液槽１０の深さ方向に沿った複数箇所のそれぞれに、規制板挟持部材３３Ａ、３３Ｂを設け、規制板３１の固定位置を造形液槽１０の複数の深さ位置に調整可能とした。
これにより、目的の立体造形物の高さに応じて造形液槽１０の実効的な深さＬを可変でき、また、各深さＬに合わせて造形液槽１０を個別に製造する必要もない。さらに、規制板３１の下の無駄なスペースを埋めるように１又は複数のバルーン３０を配置することで、無駄になる光硬化性樹脂の量を抑えることができる。

また本実施形態では、規制板３１に、下側に入り込んだ気泡を上側に逃がす多数の貫通孔３２を面内に形成したため、規制板３１の下に空気が溜まることがないから、立体造形物を製造している最中に、規制板３１に溜まっていた空気が浮上して製造品質が損なわれることがない。

なお、本実施形態においては、次のような変形が可能である。
バルーン３０を覆って浮上を規制する規制部材として板状の規制板３１を用いたが、これに限らない。すなわち、バルーン３０の浮力に耐える剛性を有するメッシュ状部材を規制部材に用いてもよく、また、複数の棒状部材を、互いに平行に或いは格子状に組んで規制部材を構成してもよい。

規制板３１の固定位置を複数の深さ位置に調整可能とする調整手段を、造形液槽１０の深さ方向に沿った複数箇所のそれぞれに規制板挟持部材３３Ａ、３３Ｂを設けることで実現したが、これに限らない。すなわち、造形液槽１０の深さ方向に延びるように取り付けられたボールねじに規制板３１を結合することで、規制板３１の固定位置を無段階に調整可能としてもよい。

［第２実施形態］
図６は、第２実施形態に係る光造形装置２００の構成を示す図である。なお、同図において、第１実施形態の光造形装置１００と同様な部材については同一の符号を付して説明を省略する。
この図に示すように、本実施形態では、造形液槽１０の中でバルーン３０の浮上を規制板３１で規制するのではなく、重り３５を用いて規制する点で構成を異にする。重り３５は、バルーン３０の製造時に予め袋内に封じたものであり、バルーン３０の浮力に抗する重さ分だけ設けられている。なお、重り３５をバルーン３０に紐などでしっかりと括り付けてもよい。

本実施形態によれば、第１実施形態の効果と同様に、造形液槽１０の洗浄時には、バルーン３０を容易に取り出すことができるため、造形液槽１０の洗浄作業が容易となる。
また、造形液槽１０内では、バルーン３０が床面１０Ａ上に配置されるため、バルーン３０の上のスペースを造形スペースに使用することができ、造形液槽１０内の無駄なスペースを少なくできる。
特に本実施形態によれば、バルーン３０が床面１０Ａ上に位置するため、液面１２からバルーン３０までの深さを大きくとることができる。

なお、上述した各実施形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の趣旨の範囲内において任意に変形及び応用が可能である。
例えば、各実施形態では、バルーン３０に空気を供給することで体積を変化させたが、これに限らず、液体を供給して体積を可変しても良い。
またバルーン３０は、気体又は／及び液体の供給／排出に伴い、液状の光硬化性樹脂２の中で体積が可変する密封袋体であれば任意の素材を用いることができる。また、バルーン３０の形状には、シート状に限らず、直方体状や球状など任意の形状を採用できる。

２ 光硬化性樹脂
１０ 造形液槽
１０Ａ 床面
１２ 液面
３０ バルーン
３１ 規制板（規制部材）
３２ 貫通孔（貫通部）
３３Ａ、３３Ｂ 規制板挟持部材（調整手段）
４０ 液面センサ
４１ ポンプ
４２ 供給用電磁弁
４３ 排出用電磁弁
４４ 圧力計
５０ コンピュータ
１００、２００ 光造形装置

Claims (3)

1. 造形液槽に入った液状の光硬化性樹脂に光を照射して光硬化層を形成し、該光の照射を繰り返して光硬化層を積層形成して立体造形物を製造する光造形装置において、
   前記造形液槽の中に１又は複数のバルーンを入れ、前記バルーンの上を覆って浮上を規制する固定自在な規制部材を設け、或いは、前記バルーンに浮上を規制する重りを設け、
   前記規制部材の下で、或いは、前記造形液槽の床面の上で前記バルーンを膨張或いは縮小させて前記造形液槽の液面を調整することを特徴とする光造形装置。
2. 前記規制部材の固定位置を、前記造形液槽の複数の深さ位置に調整する調整手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の光造形装置。
3. 前記規制部材に、下側に入り込んだ気泡を上側に逃がす貫通部を形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の光造形装置。

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