(57)【要約】【課題】樹脂を硬化させながら積層して三次元造形物を形成する場合に、造形物が剥離することなく基台に密着して安定に造形することができ、かつ造形後に基台から取り外す際には、破損するような過大な力が造形物にかからないような造形方法および造形装置が求められていた。【解決手段】樹脂を硬化させながら積層して基台の上に三次元造形物を形成する時には、複数の可動部の先端が基台の主面から突出しており、形成した三次元造形物を基台から取り外す前には、可動部の先端は三次元造形物を形成する時よりも基台側に移動する三次元造形装置である。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂を硬化させながら積層して基台の上に三次元造形物を形成する時に、複数の可動部の先端が前記基台の主面から前記三次元造形物の側に突出しており、
形成した前記三次元造形物を前記基台から取り外す前に、前記可動部の先端は、前記三次元造形物を形成する時よりも前記基台の側に移動する、
ことを特徴とする三次元造形装置。
【請求項２】
光硬化性樹脂である前記樹脂にレーザ光を照射して硬化させながら積層して前記基台の上に前記三次元造形物を形成する、
ことを特徴とする請求項１に記載の三次元造形装置。
【請求項３】
前記樹脂を硬化させながら積層して基台の上に三次元造形物を形成する時に、前記可動部の先端が前記基台の主面から前記三次元造形物の側に突出する長さは、一回に硬化させる層の厚み以下である、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の三次元造形装置。
【請求項４】
前記樹脂を硬化させながら積層して基台の上に三次元造形物を形成する時に、前記可動部の先端が前記基台の主面から前記三次元造形物の側に突出する長さは、０．１ｍｍ以上で、０．５ｍｍ以下である、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
【請求項５】
前記樹脂を硬化させながら積層して基台の上に三次元造形物を形成する時に、前記基台の主面から前記三次元造形物の側に突出する前記可動部の直径は、０．５ｍｍ以上で、５．０ｍｍ以下である、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
【請求項６】
前記複数の可動部の各々を隔てる距離は、３．０ｍｍ以上で、２０．０ｍｍ以下である、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
【請求項７】
前記可動部は、前記基台に設けられたガイド穴に沿って移動する、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
【請求項８】
形成した前記三次元造形物を前記基台から取り外す前には、前記可動部の先端が前記基台の側に移動して生じた空間に空気が注入される、
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
【請求項９】
形成した前記三次元造形物を前記基台から取り外す前には、前記可動部の前記先端とは反対端が治具により保持され、前記治具に牽引されて前記可動部が移動する、
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
【請求項１０】
前記治具は、前記可動部の前記先端とは反対端を挟持して前記可動部を保持する、
ことを特徴とする請求項９に記載の三次元造形装置。
【請求項１１】
前記治具は、前記可動部の前記先端とは反対端に設けられた締結部と締結して前記可動部を保持する、
ことを特徴とする請求項９に記載の三次元造形装置。
【請求項１２】
形成した前記三次元造形物を前記基台から取り外す前には、前記可動部は、前記基台に設けられた可動機構により移動する、
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
【請求項１３】
前記可動機構は、伸縮可能な弾性部材を有する、
ことを特徴とする請求項１２に記載の三次元造形装置。
【請求項１４】
前記可動機構は、リンク機構を有する、
ことを特徴とする請求項１２に記載の三次元造形装置。
【請求項１５】
前記基台は、前記三次元造形物を形成する側の第２基部と、前記三次元造形物を形成するのとは反対側の第１基部とを有し、
形成した前記三次元造形物を前記基台から取り外す前には、前記第２基部と前記第１基部を離間させて前記可動部を移動させる、
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
【請求項１６】
前記樹脂を硬化させながら積層して基台の上に三次元造形物を形成する時には、前記第２基部と前記第１基部を当接させて固定手段により固定し、
形成した前記三次元造形物を前記基台から取り外す前には、前記固定手段を開放させて前記第２基部と前記第１基部を離間させて前記可動部を移動させる、
ことを特徴とする請求項１５に記載の三次元造形装置。
【請求項１７】
前記樹脂を硬化させながら積層して基台の上に三次元造形物を形成する時には、距離調整手段により前記第２基部と前記第１基部を当接させ、
形成した前記三次元造形物を前記基台から取り外す前には、前記距離調整手段により前記第２基部と前記第１基部を所定距離だけ離間させて前記可動部を移動させる、
ことを特徴とする請求項１５に記載の三次元造形装置。
【請求項１８】
樹脂を硬化させながら積層して基台の上に三次元造形物を形成する時に、複数の可動部の先端が前記基台の主面から前記三次元造形物の側に突出しており、
形成した前記三次元造形物を前記基台から取り外す前に、前記可動部の先端は、前記三次元造形物を形成する時よりも前記基台の側に移動する、
ことを特徴とする三次元造形物の製造方法。
【請求項１９】
光硬化性樹脂である前記樹脂にレーザ光を照射して硬化させながら積層して前記基台の上に前記三次元造形物を形成する、
ことを特徴とする請求項１８に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項２０】
前記樹脂を硬化させながら積層して基台の上に三次元造形物を形成する時に、前記可動部の先端が前記基台の主面から前記三次元造形物の側に突出する長さは、一回に硬化させる層の厚み以下である、
ことを特徴とする請求項１８または請求項１９に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項２１】
前記樹脂を硬化させながら積層して基台の上に三次元造形物を形成する時に、前記可動部の先端が前記基台の主面から前記三次元造形物の側に突出する長さは、０．１ｍｍ以上で、０．５ｍｍ以下である、
ことを特徴とする請求項１８乃至２０のいずれか１項に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項２２】
前記樹脂を硬化させながら積層して基台の上に三次元造形物を形成する時に、前記基台の主面から前記三次元造形物の側に突出する前記可動部の直径は、０．５ｍｍ以上で、５．０ｍｍ以下である、
ことを特徴とする請求項１８乃至２１のいずれか１項に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項２３】
前記複数の可動部の各々を隔てる距離は、３．０ｍｍ以上で、２０．０ｍｍ以下である、
ことを特徴とする請求項１８乃至２２のいずれか１項に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項２４】
前記可動部は、前記基台に設けられたガイド穴に沿って移動する、
ことを特徴とする請求項１８乃至２３のいずれか１項に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項２５】
形成した前記三次元造形物を前記基台から取り外す前には、前記可動部の先端が前記基台の側に移動して生じた空間に空気が注入される、
ことを特徴とする請求項１８乃至２４のいずれか１項に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項２６】
形成した前記三次元造形物を前記基台から取り外す前には、前記可動部の前記先端とは反対端が治具により保持され、前記治具に牽引されて前記可動部が移動する、
ことを特徴とする請求項１８乃至２５のいずれか１項に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項２７】
形成した前記三次元造形物を前記基台から取り外す前には、前記可動部は、前記基台に設けられた可動機構により移動する、
ことを特徴とする請求項１８乃至２５のいずれか１項に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項２８】
前記基台は、前記三次元造形物を形成する側の第２基部と、前記三次元造形物を形成するのとは反対側の第１基部とを有し、
形成した前記三次元造形物を前記基台から取り外す前には、前記第２基部と前記第１基部を離間させて前記可動部を移動させる、
ことを特徴とする請求項１８乃至２５のいずれか１項に記載の三次元造形物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光硬化性樹脂等の液状樹脂を用いた三次元造形物の製造方法、およびそれに用いる三次元造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、いわゆる３Ｄプリンタの開発が盛んに行われており、さまざまな方式が試みられている。例えば、光硬化性樹脂を用いた光造形法、熱溶融積層造形法、粉末積層溶融法等のさまざまな方式が知られている。
中でも、光硬化性の液状樹脂材料に露光画像を投射して硬化させ、三次元造形物を製造する方式の開発が盛んである。
【０００３】
例えば、特許文献１には、液状の光硬化性樹脂を充填した容器の底を光透過性にしておき、底を通して樹脂に露光画像を投射して所望形状の樹脂硬化層を形成する装置が開示されている。かかる装置では、樹脂硬化層を１層形成すると造形物を持ち上げて、光透過性の容器底に密着した三次元造形物を引き剥がし、造形物と容器の底の間に液状の光硬化性樹脂を補充し、次の露光画像を投射して樹脂硬化層を積層する。こうしたプロセスを繰り返して、三次元造形物を引き上げ方式で形成していた。特許文献１の装置では、容器底に密着した造形物を引き剥がす際に、三次元造形物が基台から脱落することを防止するために、三次元造形物を支持する基台にアンダーカット形状を形成する技術が提案されている。
【０００４】
また、特許文献２には、容器に充填した液状の光硬化樹脂に三次元造形物を支持する基台を沈降させ、上方から露光画像を投射して所望形状の樹脂硬化層を形成する引き下げ方式の造形装置が開示されている。かかる装置では、樹脂硬化層を１層形成すると、造形物を沈降させて造形物の上面に液状の光硬化性樹脂をブレード等で塗布して、次の露光画像を投射して樹脂硬化層を積層する。こうしたプロセスを繰り返して、三次元造形物を引き下げ方式で形成していた。特許文献２の装置では、三次元造形物を基台から取外す際の作業を容易にするため、スリット状に分割した部材を組み合わせて表面が平坦な基台を構成し、取外し時には基台を分割することにより基台と三次元造形物の密着面積を減らす技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２０１３−５１７１５３号公報
【特許文献２】特開２０１０−４６８００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
３Ｄプリンタの実用性を高めてゆくためには、造形プロセスを安定化させて製造歩留まりを向上することが重要である。
例えば光硬化性樹脂が光重合により硬化する時や、熱可塑性樹脂が高温の溶融状態から冷却されて固化する時など、一般に樹脂が液状から固体に硬化する時には大きな収縮が生じることが知られている。このため、液状樹脂を固化させながら積層して三次元造形する場合には、固化する時に三次元造形物が収縮してしまう。特に大型の三次元造形物を形成する場合には、造形面積の大型化により樹脂収縮も大きくなるので、収縮量も大きくなる。
【０００７】
三次元造形物が収縮すると反りが発生し、これを支持する基台から剥離が生じ易くなり、引き上げ方式の造形装置の場合は基台からの脱落が、引き下げ方式の場合は特に造形物の周辺部で基台からの剥離が生じやすくなる。三次元造形物が基台から脱落や剥離しなかったとしても、一部にでも反りが生ずれば、基台面を基準位置として立体を形成する三次元造形プロセスにおいて以後の造形形状に誤差が生じ、造形精度や歩留まりの低下を招くことになる。
【０００８】
特許文献１の装置の場合は、三次元造形物が基台のアンダーカット部を包み込むことにより固化時の剥離は生じ難くなるものの、三次元造形物を基台から取り外す際に、この部分を起点にして三次元造形物に強い力がかかり、破損を生じる場合があった。
【０００９】
特許文献２の装置の場合は、基台から三次元造形物を取外すのは容易である反面、造形時には基台表面が平坦であるため、三次元造形物が基台から反ったり剥離したりしやすかった。このため、基台からの脱落や、形状精度の低下が生じたり、場合によっては反った三次元造形物と塗布ブレード等の装置の一部が接触して造形物を破損してしまう場合があった。
【００１０】
かかる課題は、光硬化性樹脂を用いた光造形法に限らず、樹脂を順次に積層固化させて三次元造形物を形成する場合に発生しがちであった。
そこで、三次元造形物を形成する際には、造形物が剥離することなく基台に密着して安定に造形することができ、かつ造形後に基台から取り外す際には、破損するような過大な力が造形物にかからないような造形方法および造形装置が求められていた。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、樹脂を硬化させながら積層して基台の上に三次元造形物を形成する時に、複数の可動部の先端が前記基台の主面から前記三次元造形物の側に突出しており、形成した前記三次元造形物を前記基台から取り外す前に、前記可動部の先端は、前記三次元造形物を形成する時よりも前記基台の側に移動する、ことを特徴とする三次元造形装置である。
【００１２】
また、本発明は、樹脂を硬化させながら積層して基台の上に三次元造形物を形成する時に、複数の可動部の先端が前記基台の主面から前記三次元造形物の側に突出しており、形成した前記三次元造形物を前記基台から取り外す前に、前記可動部の先端は、前記三次元造形物を形成する時よりも前記基台の側に移動する、ことを特徴とする三次元造形物の製造方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、三次元造形物を形成する際には造形物が剥離することなく基台に密着して安定に造形することができ、かつ造形後に基台から取り外す際には破損するような過大な力が造形物にかからないような造形方法および造形装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の三次元造形装置の模式的な断面図。
【図２】第１の三次元造形装置の制御ブロック図。
【図３】第２の三次元造形装置の模式的な断面図。
【図４】（ａ）実施形態の基台の三次元造形前の状態を示す模式的な断面図。（ｂ）実施形態の基台の三次元造形中の状態を示す模式的な断面図。
【図５】（ａ）実施形態の基台の三次元造形後の可動部材の状態を示す模式的な断面図。（ｂ）実施形態の基台において三次元造形物を取り外す状態を示す模式的な断面図。
【図６】（ａ）実施形態の可動部材を挟持治具により移動させる状態を示す模式的な断面図。（ｂ）実施形態の可動部材を締結治具により移動させる状態を示す模式的な断面図。
【図７】（ａ）可動機構の実施形態１において三次元造形前の状態を示す模式的な断面図。（ｂ）可動機構の実施形態１において三次元造形物を取り外す状態を示す模式的な断面図。
【図８】（ａ）可動機構の実施形態２において三次元造形前の状態を示す模式的な断面図。（ｂ）可動機構の実施形態２において三次元造形物を取り外す状態を示す模式的な断面図。
【図９】（ａ）可動機構の実施形態３において三次元造形前の状態を示す模式的な断面図。（ｂ）可動機構の実施形態３において三次元造形物を取り外す状態を示す模式的な断面図。
【図１０】（ａ）可動機構の実施形態４において三次元造形前の状態を示す模式的な断面図。（ｂ）可動機構の実施形態４において三次元造形物を取り外す状態を示す模式的な断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［実施形態］
図面を参照して、本発明の実施形態である三次元造形物の製造方法と三次元造形装置について説明する。
以下の説明では、特段のただし書きがない限り、硬化していない液状の光硬化性樹脂を液状光硬化性樹脂と記す。また、液状光硬化性樹脂を光硬化させて形成した三次元造形物を、単に造形物と記す場合がある。尚、造形物とは完成品に限らず、途中の層まで積層した段階における半完成品も含むものとする。
【００１６】
実施形態の最も特徴的な部分は、三次元造形物を支持する基台であるが、実施形態の基台は種々のタイプの三次元造形装置に適用することが可能である。そこで、基台の詳細について説明する前に、まず複数の三次元造形装置を例示し、その全体構成を説明する。第１の三次元造形装置として光硬化性樹脂を充填した容器の底に光透過性窓を有する装置を説明し、次に第２の三次元造形装置として光硬化性樹脂を充填した容器の天井に光透過性窓を有する装置について説明する。尚、本発明を適用可能な三次元造形装置はこの２例に限られるわけではなく、容器に貯留された光硬化性樹脂の自由表面に光を照射するタイプの三次元造形装置であってもよい。あるいは、後述するように光造形以外の造形方式にかかる三次元造形装置であってもよい。
【００１７】
［第１の三次元造形装置］
模式的な断面図である図１を参照して、光硬化性樹脂を充填した容器の底に光透過性窓を有する三次元造形装置について説明する。
図１において、１は容器、２は液状光硬化性樹脂、３は樹脂供給部、４は光透過窓、５は遮光部、７は光源、８はミラー部、９はレンズ部、１０は光源ユニット、１１は基台、１２は昇降アーム、１３は昇降部、１４は三次元造形物である。
容器１は、液状光硬化性樹脂２を保持するための容器であり、液状光硬化性樹脂を固化させる波長域の光を遮る材料で形成されている。
樹脂供給部３は、液状光硬化性樹脂を貯蔵するタンクとポンプを備え、容器１に適量の液状光硬化性樹脂２が保持されるように、液状光硬化性樹脂を供給する。
【００１８】
液状光硬化性樹脂２は、特定の波長域の光を照射されると、硬化（固化）する液状の樹脂である。液状光硬化性樹脂２は、光透過窓４と遮光部５を底部とする容器１内に満たされており、気泡が入り込まないように保持されている。光透過窓４と遮光部５は、容器１の底として機能する。
光透過窓４は、液状光硬化性樹脂２を固化させる波長域の光を透過させ、かつ液状光硬化性樹脂の硬化を阻害するガスを透過させる窓である。例えば、ＰＦＡ，ＰＴＦＥ，ＰＥなど、フルオロポリマーやシリコーンポリマー等の樹脂、あるいは多孔質ガラスを材料として形成される。
【００１９】
光透過窓４の近傍の液状光硬化性樹脂は、光透過窓４を透過した硬化阻害ガスの作用で、光硬化の感度が低下する。硬化阻害作用を発揮するガスは、たとえば酸素なので、光透過窓４の外には通常の大気が存在すればよい。ただし、ガスの作用をより効果的にするために、光透過窓の外気の組成や圧力を制御する機構を設けてもよい。
【００２０】
より詳しく説明すると、光硬化性樹脂を硬化させて硬化物を得るには、光硬化性樹脂の硬化させたい部分にエネルギー線を照射する。そうすると、まず、エネルギー線の照射によって光硬化性樹脂に含まれる重合開始剤が開裂し、ラジカルが発生する。次に、光硬化性樹脂に含まれる重合禁止剤や溶存酸素がラジカルと反応し、ラジカルと共に消費される。この状態が続くと、やがて光硬化性樹脂に含まれる重合禁止剤や溶存酸素がほとんど無い状態に至る。続いて、エネルギー線照射を続けると、発生したラジカルは光硬化性樹脂に含まれる重合性化合物と反応し、ラジカル重合反応が起きる。その後、ラジカル重合反応が連鎖して起きることにより、低分子であった重合性化合物が高分子化する。以上の化学反応を物理現象で見ると、液体状態であった光硬化性樹脂にエネルギー線を照射すると、光硬化性樹脂が硬化し固体状態に至る。
【００２１】
一方、酸素を含む気体中、例えば大気中で光硬化性樹脂にエネルギー線を照射すると、十分にエネルギー線を照射しても大気に触れている表面部分が硬化しないという現象が起きる。これは、エネルギー線の照射によって光硬化性樹脂に含まれる重合禁止剤や溶存酸素がラジカルと反応し、消費されると同時に、大気中の酸素が光硬化性樹脂に溶け込み続け、溶存酸素が無い状態に至らない。これにより、ラジカルが重合性化合物と反応しないためである。
【００２２】
光透過窓から常に光硬化性樹脂の硬化阻害剤を供給することにより、光透過窓と造形物の間に硬化阻害領域（未硬化層）を維持することができる。この現象を利用することで、連続的な三次元造形物の形成を容易に実施できる。例えば、光透過窓の材料として酸素透過係数［ｍ３・ｍ／ｍ２・ｓ・Ｐａ］の高い材料を用い、透過窓の光硬化性樹脂と接触していない側に酸素を含む気体、例えば大気を充填する。これにより、光透過窓から常に酸素を供給し、光透過窓と造形物の間に硬化阻害領域を維持し、連続的に三次元造形物を造形することができる。
【００２３】
ここで、未硬化層の厚みは酸素の供給と酸素の消費が釣り合う位置で規定される。酸素の供給を制御する因子としては酸素分圧、光透過窓の酸素透過係数、光硬化性樹脂の酸素透過係数が主に挙げられる。酸素の消費を制御する因子としてはエネルギー線強度、重合開始剤濃度、重合開始剤の開裂エネルギーが主に挙げられる。これらの制御因子について、光透過窓として十分な酸素透過係数をもつ材質を用い、１気圧の大気を用い、一般的に光造形に用いられる光硬化性樹脂及びプロセスを用いると、およそ３０μｍ程度の未硬化層が維持される。これに対して、１気圧の純酸素を用い、エネルギー線強度を造形可能な最低限度である通常条件の４分の１とすると、およそ１００μｍ程度の未硬化層が維持される。
【００２４】
次に、遮光部５は、液状光硬化性樹脂２を固化させる波長域の光を遮る部材より成る部分である。本実施形態では、容器の底として機能する部分のうち、光源ユニット１０と基台１１の間の光路となる部分に光透過窓４を設け、それ以外の領域には遮光部５を設けている。
光源７、ミラー部８およびレンズ部９は、造形すべき三次元モデルの形状に対応させた光を液状光硬化性樹脂に照射するための光源ユニット１０を構成している。光源７は、液状光硬化性樹脂を固化させる波長域の光を発する光源である。たとえば、光硬化性樹脂として紫外光に感度を有する材料を用いる場合には、Ｈｅ−ＣｄレーザやＡｒレーザ等の紫外のレーザ光が用いられる。ミラー部８は、光源７が発する光を造形すべき三次元モデルの形状に対応させて変調する部分で、マイクロミラーデバイスをアレイ状に配置したデバイスが用いられる。レンズ部９は、変調された光を、光透過窓近傍の硬化阻害領域よりも上の所定位置に集光するためのレンズである。所定位置にある液状光硬化性樹脂２は、集光された十分な強度の紫外光を照射されると、硬化する。
硬化物の形状の精度を確保するためには、集光レンズの焦点位置は光透過窓の近傍にするのが望ましいが、近すぎると硬化阻害領域と重なる可能性がある。そこで、レンズ部９の焦点位置は、光透過窓４の上面から６０μｍ乃至１１０μｍ上方に設定するのが望ましい。
【００２５】
尚、光源ユニット１０は、液状光硬化性樹脂を固化させる波長域の光を、造形すべき三次元モデルの形状に対応させて変調し、所定の位置に集光する機能を有するものであれば、上記の例に限るものではない。たとえば、紫外光源と透過型液晶シャッターあるいは反射型液晶素子の組み合わせや、半導体レーザダイオードアレイ、走査ミラー、結像ミラー等を用いたものでもよい。
基台１１は、その下面に三次元造形物１４を吊下して支持する台で、昇降アーム１２を介して昇降部１３と連結している。昇降部１３は、昇降アーム１２を上下に移動させて基台１１の高さを調整する機構であり、基台を移動させる移動部である。
【００２６】
図２は、三次元造形装置の制御ブロック図である。２１は制御部、２２は外部装置、２３は操作パネル、３は樹脂供給部、１０は光源ユニット、１３は昇降部である。
制御部２１は、ＣＰＵ、制御プログラムや制御用数値テーブルを記憶した不揮発性メモリであるＲＯＭ、演算等に使用する揮発性メモリであるＲＡＭ、装置各部や外部と通信するためのＩ／Ｏポート、等を備えている。なお、ＲＯＭには、三次元造形装置の基本動作を制御するためのプログラムが記憶されている。
外部装置２２からは、三次元造形物の形状データが、Ｉ／Ｏポートを介して三次元造形装置の制御部２１に入力される。
【００２７】
操作パネル２３は、三次元造形装置の操作者が装置に指示を与えるための入力部と、操作者に情報を表示するための表示部を有する。入力部は、キーボードや操作ボタンを備えている。表示部は、三次元造形装置の動作状況等を表示する表示パネルを備えている。
制御部２１は、樹脂供給部３、光源ユニット１０、昇降部１３を制御して、三次元造形プロセスを実行させることができる。
【００２８】
［第２の三次元造形装置］
次に、模式的な断面図である図３を参照して、光硬化性樹脂を充填した容器の天井に光透過性窓を有する三次元造形装置について説明する。第１の三次元造形装置と共通の機能を有する部分については、同じ参照番号を付して図示し、説明を省略する。
【００２９】
第１の三次元造形装置では、光透過窓４は容器の底として機能したが、第２の三次元造形装置では光透過窓４は容器の上部に設けられており、蓋として機能している。また、第２の三次元造形装置では、光源ユニット１０は光透過窓４のさらに上方に配置し、基台１１は昇降部１３により降下する方向に動作し、三次元造形物１４を上面側で支持する構造となる。
その他、装置の動作にかかわる制御機構や、三次元造形プロセスなどは昇降方向と光源ユニットが上下反転する以外は第１の三次元造形装置と共通であるため、詳細な説明は省略する。
【００３０】
また、第２の三次元造形装置では、光透過窓が容器の蓋として機能している形態を図示したが、必ずしも光透過窓の蓋が必要ということではなく、光透過窓が無い場合でも良い。光透過窓が無い場合、容器の蓋に制約されない自由表面の液状光硬化性樹脂に基台を浸漬させてもよいし、ブレードなどの塗布手段を用いて次の層の液状光硬化性樹脂を塗布してもよい。
【００３１】
［基台］
次に、実施形態の三次元造形装置の最も特徴的な部分として、三次元造形物を支持する基台について説明する。以下に例示する実施形態の基台は、三次元造形物を鉛直下方に吊り下げるタイプの図１に示した三次元造形装置に用いられるが、基台を設置する向きを変更しさえすれば、図３に示した装置をはじめとする他のタイプの三次元造形装置にも適用が可能である。尚、以下の実施形態の説明図では、図１と共通する部分については同一の番号を付して示す。
【００３２】
図４（ａ）に示すのは、図１に示した実施形態の三次元造形装置に用いられる基台の模式的な断面図である。図中、２は液状光硬化性樹脂、１１は基台、１２は昇降アームであり、三次元造形物は基台１１の基部１１Ｂの下面に吊り下げられる形で形成される。
実施形態の基台１１は、基部１１Ｂと可動部材１１Ａを含んでいる。図示の便宜上、図４（ａ）をはじめとする各実施形態の説明図では４個の可動部材１１Ａを図示するが、可動部材の数は４個に限るわけではない。さらに、可動部材１１Ａは、装置上方から見て２次元的に行列状に配列するのが望ましい。
可動部材１１Ａの各々は、基部１１Ｂを鉛直方向に貫通するガイド穴に嵌め込まれており、上下方向に動かすことが可能である。
【００３３】
図４（ａ）は、可動部材１１Ａが下げられた状態を示しており、可動部材１１Ａの先端（下端部）は、突出部Ｔとして基部１１Ｂの下面から鉛直下方に所定の長さ突出している。
突出部Ｔが基部１１Ｂの下面から鉛直下方に突出する長さは、０．１ｍｍ以上で、一回に硬化させる層（あるいは光造形で形成される一層）の厚み以下、あるいは０．５ｍｍ以下が望ましい。突出部Ｔの形状は、直径が０．５ｍｍ以上で５．０ｍｍ以下の円柱が望ましく、中でも直径は１．０ｍｍ程度が好適で、各突出部を隔てる距離は、３．０ｍｍ以上でかつ２０．０ｍｍ以下が好適である。
【００３４】
突出部Ｔは、三次元造形する際には、三次元造形物を基台に固定して剥離や反りを抑制するアンカーとしての効果を奏する。アンカーとしての効果を十分に発揮するためには、突出部Ｔが基台１１の下面から突出する長さは０．１ｍｍ以上であるのが望ましく、突出部どうしの距離は２０．０ｍｍ以下にするのが望ましい。一方、三次元造形が支障なく行われ、かつ三次元造形物を基台から取り外す際の容易性の観点からは、突出部Ｔが基台１１の下面から突出する長さは０．５ｍｍ以下であるのが望ましく、突出部どうしの距離は５．０ｍｍ以上にするのが望ましい。
【００３５】
三次元造形物の形成を開始する際には、図４（ａ）に示すように予め昇降アーム１２により基台１１の高さが調整され、基部１１Ｂの下面および可動部材１１Ａの突出部Ｔが液状光硬化性樹脂２の液中に浸漬されている。
三次元造形物の形成段階においては、造形すべき三次元モデルの形状に対応させたパターン光を、図１に示した光源ユニット１０から光透過窓４を通して液状光硬化性樹脂２に照射する。即ち、三次元モデルの一層の形状に対応するパターン光を下方から照射して液状光硬化性樹脂２を硬化させ三次元造形物の一層を形成すると、昇降アーム１２を駆動して基台１１を一層の厚さ分だけ上昇させ、次の層の形状に対応するパターン光を照射する。これを繰り返すことにより、基台１１の下面に吊り下げられるようにして三次元造形物が形成される。
【００３６】
図４（ｂ）に示すように、本実施形態の基台１１では、可動部材１１Ａの下端部が突出部Ｔとして基部１１Ｂの主面（下面）よりも突出した状態で三次元造形物１４が形成される。このため、突出部Ｔと三次元造形物１４が噛合う形となりアンカー効果が発揮され、三次元造形物が基台１１から脱落することや剥離したりや反ることが、効果的に抑制される。
【００３７】
三次元造形物の形成が完了すると、三次元造形物１４を保持した基台１１は、昇降アーム１２から取り外される。そして、図５（ａ）に示すように、可動部材１１Ａが基部１１Ｂに対して上側に引き上げられる。
【００３８】
可動部材１１Ａの引き上げは、例えば図６（ａ）に示すように、挟持治具６１を用いて可動部材１１Ａの先端（突出部Ｔ）とは反対端の頭部を挟持しながら牽引し、引き上げればよい。あるいは、図６（ｂ）に示すように、可動部材１１Ａの頭部に引き抜き用のねじ穴等の締結部を設けており、ここにボルト６２などの締結治具を挿入して締結し、可動部材１１Ａの頭部を牽引しても良い。あるいは、可動部材１１Ａの頭部にねじ溝が形成された凸部を締結部として設けておき、ナット状の治具と締結させて可動部材１１Ａの頭部を牽引しても良い。さらには、後述する可動機構により可動部材１１Ａを引き上げても良い。
【００３９】
可動部材１１Ａの引き上げにともない、三次元造形物１４と密着して噛合していた可動部材１１Ａの下端部は基部１１Ｂ側に移動し、三次元造形物１４の上部には空間Ｓが生じる。生じた空間Ｓには、ガイド穴と可動部材１１Ａの隙間を通じて空気が注入される。その結果、噛合が開放されるとともに三次元造形物１４と基部１１Ｂの密着面積が小さくなり、図５（ｂ）に示すように、三次元造形物１４を基台１１から容易に取り外すことができる。つまり、本実施形態によれば、造形後に三次元造形物を基台から取り外す際に、破損を生じるような過大な力が三次元造形物にかかることはない。
【００４０】
尚、図５（ａ）あるいは図５（ｂ）に示した例では、可動部材１１Ａの下端の高さが基部１１Ｂの下面の高さと等しくなるように可動部材１１Ａが引き上げられているが、両者の高さを必ず一致させなければならないわけではない。要は、造形時にはアンカーとして三次元造形物と密着して噛合していた突出部Ｔを基部側に後退させ、できた空間に空気を注入して両者の噛合を開放すれば、三次元造形物１４を基台１１から取り外しやすくすることができる。つまりは、取り外し時に両者を分離しやすくすることが可能である限り、可動部材１１Ａの移動位置は、その下端が基部１１Ｂの下面よりも突出した範囲内にとどめてもよいし、その下端が基部１１Ｂのガイド穴の内部に位置するまで引き戻しても良い。
【００４１】
本発明を実施した三次元造形装置によれば、造形時には基台の可動部の先端（突出部Ｔ）と三次元造形物１４が噛合う形となりアンカー効果が発揮され、三次元造形物の層が反ったり基台から剥離したり、三次元造形物が基台から脱落することがない。そして、完成した三次元造形物を基台から取り外す際には、可動部材を基台側に移動させて噛合を外し、できた空間に空気を注入することにより三次元造形物１４を基台１１から容易に取り外すことができる。
【００４２】
これに対して、特許文献１に記載されたように、基台にアンダーカット形状を固定的に形成する装置の場合には、三次元造形時にはアンカー効果が発揮されるものの、完成した三次元造形物を基台から取り外す際には、三次元造形物が破損する場合がある。また、特許文献２に記載されたように、スリット状に分割可能な表面が平坦な基台を備えた装置の場合には、完成した三次元造形物を基台から取り外す際には破損は生じにくいものの、三次元造形時に反ったり基台から剥離したり基台から脱落する場合がある。
【００４３】
これらの従来例とは異なり、本発明を実施すれば、三次元造形物を剥離や脱落させることなく基台に保持させて安定して造形することと、造形後に三次元造形物を破損なく容易に基台から取り外すことを、両立させることが可能である。
次に、可動部材１１Ａを上下動させる可動機構について、複数の実施形態を例示する。
【００４４】
［可動機構の実施形態１］
図７（ａ）と図７（ｂ）は、可動機構の実施形態１を備えた基台の模式的な断面図であり、それぞれ前述した図４（ａ）と図５（ｂ）に対応した状態を示している。
本実施形態では、基台１１は、可動部材１１Ａと、基部１１Ｂに実装されたばねＳＰと、着脱可能な押え部材１１Ｈを備えている。ばねＳＰは、基部１１Ｂに装着可能で、可動部材１１Ａの上下動に応じてガイド穴に沿って伸縮可能な弾性部材であればよく、例えばコイルばねでもよいし、板ばねや空気ばね等でも差し支えない。
【００４５】
図７（ａ）に示すように、三次元造形物の形成を開始する際には、基部１１Ｂのガイド穴に可動部材１１Ａがセットされ、押え部材１１ＨによりばねＳＰが圧縮された状態で基部１１Ｂに実装されている。かかる状態の基台１１は、昇降アーム１２により高さが調整され、基台１１の下面および下面から所定の長さ突出した可動部材１１Ａの突出部Ｔが、液状光硬化性樹脂２の液中に浸漬されている。
【００４６】
図７（ｂ）に示すように、造形が完了した三次元造形物１４を基部１１Ｂから取り外す際には、三次元造形物１４を保持した基台１１が昇降アーム１２から取り外され、さらに押え部材１１Ｈが基部１１Ｂから取り外される。押え部材１１Ｈが基部１１Ｂから外されると、圧縮されていたばねＳＰが伸張して可動部材１１Ａを押し上げる。図７（ｂ）は、基部１１Ｂのガイド穴に空間Ｃが生ずるまで可動部材１１Ａの下端が基部１１Ｂの内部に押し上げられた状態を例示している。
【００４７】
可動部材１１Ａが押上げられるのにともない、三次元造形物１４と密着して噛合していた可動部材１１Ａの下端部は基部１１Ｂの内部に移動し、三次元造形物１４の上部にできた空間には、ガイド穴と可動部材１１Ａの隙間を通じて空気が注入される。その結果、噛合が開放されるとともに三次元造形物１４と基部１１Ｂの密着面積が小さくなり、図７（ｂ）に示すように、三次元造形物１４を基台１１から容易に取り外すことができる。
【００４８】
尚、基台１１の主要部材の材質はアルミ合金にアルマイト処理をしたものを基本とするが、装置構成において重量を抑える必要がある場合には、特にアルミ合金やマグネシウム合金、チタン合金などが好適である。また、装置構成において、剛性を必要とする場合や腐食を抑える場合にはステンレス合金などが好適である。一例として、可動部材１１Ａの全長とツバ（頭部）の厚さを調整することで、基部１１Ｂの下面から突出する長さを０．３ｍｍに調整したところ、造形時のアンカー効果と取外し容易性の両立が可能であった。
【００４９】
［可動機構の実施形態２］
図８（ａ）と図８（ｂ）は、可動機構の実施形態２を備えた基台の模式的な断面図であり、それぞれ前述した図４（ａ）と図５（ｂ）に対応した状態を示している。
本実施形態では、基台１１は、可動部材１１Ａ、第１基部１１Ｃ、第２基部１１Ｄ、第１基部１１Ｃと第２基部１１Ｄとを着脱可能に固定する固定部材１１Ｅを備えている。第２基部１１Ｄは、三次元造形物を形成する主面を有する基部で、第１基部１１Ｃは三次元造形物を形成するのとは反対側に配置された基部である。
【００５０】
図８（ａ）に示すように、三次元造形物の形成を開始する際には、可動部材１１Ａは、第１基部１１Ｃを貫通するガイド穴、および第２基部１１Ｄを貫通するガイド穴に嵌め込まれている。第１基部１１Ｃと第２基部１１Ｄは、固定部材１１Ｅにより当接して密着するように固定されている。かかる状態の基台１１は、昇降アーム１２により高さが調整され、第２基部１１Ｄの下面および第２基部１１Ｄの下面から突出した可動部材１１Ａの突出部Ｔが液状光硬化性樹脂２の液中に浸漬されている。
【００５１】
図８（ｂ）に示すように、造形が完了した三次元造形物１４を基台１１から取り外す際には、三次元造形物１４を保持した基台１１が昇降アーム１２から取り外され、さらに固定部材１１Ｅが開放され、第１基部１１Ｃが第２基部１１Ｄから外される。第１基部１１Ｃが第２基部１１Ｄから取り外され、第１基部１１Ｃが持ち上げられると、第１基部１１Ｃと連動して可動部材１１Ａも持ち上げられる。図８（ｂ）は、可動部材１１Ａの下端が第２基部１１Ｄの下面と同じ高さまで持ち上げられた状態を例示している。
【００５２】
可動部材１１Ａが持ち上げられるのにともない、三次元造形物１４と密着して噛合していた可動部材１１Ａの下端部は上方向に移動し、三次元造形物１４の上部にできた空間には、ガイド穴と可動部材１１Ａの隙間を通じて空気が注入される。その結果、噛合が開放されるとともに三次元造形物１４と第２基部１１Ｄの密着面積が小さくなり、図８（ｂ）に示すように、三次元造形物１４を基台１１から容易に取り外すことができる。
【００５３】
尚、基台１１の主要部材の材質はアルミ合金にアルマイト処理をしたものを基本とするが、装置構成において重量を抑える必要がある場合には、特にアルミ合金やマグネシウム合金、チタン合金などが好適である。また、装置構成において、剛性を必要とする場合や腐食を抑える場合にはステンレス合金などが好適である。一例として、可動部材１１Ａの全長とツバ（頭部）の厚さを調整することで、基部１１Ｂの下面から突出する長さを０．３ｍｍに調整したところ、造形時のアンカー効果と取外し容易性の両立が可能であった。
【００５４】
［可動機構の実施形態３］
図９（ａ）と図９（ｂ）は、可動機構の実施形態３を備えた基台の模式的な断面図であり、それぞれ前述した図４（ａ）と図５（ｂ）に対応した状態を示している。
本実施形態では、基台１１は、可動部材１１Ａ、第１基部１１Ｃ、第２基部１１Ｄ、押しボルト１１Ｐを備える。押しボルト１１Ｐは、第１基部１１Ｃと第２基部１１Ｄの距離を調整する距離調整手段である。
【００５５】
図９（ａ）に示すように、三次元造形物の形成を開始する際には、可動部材１１Ａは、第１基部１１Ｃを貫通するガイド穴、および第２基部１１Ｄを貫通するガイド穴に嵌め込まれている。第１基部１１Ｃと第２基部１１Ｄが当接して密着するように、押しボルト１１Ｐは位置が調整されている。かかる状態の基台１１は、昇降アーム１２により高さが調整され、第２基部１１Ｄの下面および第２基部１１Ｄの下面から突出した可動部材１１Ａの突出部Ｔが液状光硬化性樹脂２の液中に浸漬されている。
【００５６】
図９（ｂ）に示すように、造形が完了した三次元造形物１４を基台１１から取り外す際には、三次元造形物１４を保持した基台１１が昇降アーム１２から取り外される。さらに、押しボルト１１Ｐが第２基部１１Ｄ側に突き出され、第１基部１１Ｃは第２基部１１Ｄから所定距離だけ離間される。第１基部１１Ｃが第２基部１１Ｄから離間して持ち上げられると、第１基部１１Ｃと連動して可動部材１１Ａも持ち上げられる。図９（ｂ）は、可動部材１１Ａの下端が第２基部１１Ｄの下面と同じ高さまで持ち上げられた状態を例示している。
【００５７】
可動部材１１Ａが持ち上げられるのにともない、三次元造形物１４と密着して噛合していた可動部材１１Ａの下端部は上方向に移動し、三次元造形物１４の上部にできた空間には、ガイド穴と可動部材１１Ａの隙間を通じて空気が注入される。その結果、噛合が開放されるとともに三次元造形物１４と第２基部１１Ｄの密着面積が小さくなり、図９（ｂ）に示すように、三次元造形物１４を基台１１から容易に取り外すことができる。
【００５８】
尚、基台１１の主要部材の材質はアルミ合金にアルマイト処理をしたものを基本とするが、装置構成において重量を抑える必要がある場合には、特にアルミ合金やマグネシウム合金、チタン合金などが好適である。また、装置構成において、剛性を必要とする場合や腐食を抑える場合にはステンレス合金などが好適である。一例として、可動部材１１Ａの全長とツバ（頭部）の厚さを調整することで、基部１１Ｂの下面から突出する長さを０．３ｍｍに調整したところ、造形時のアンカー効果と取外し容易性の両立が可能であった。
【００５９】
［可動機構の実施形態４］
図１０（ａ）と図１０（ｂ）は、可動機構の実施形態４を備えた基台の模式的な断面図であり、それぞれ前述した図４（ａ）と図５（ｂ）に対応した状態を示している。
本実施形態では、基台１１は、可動部材１１Ａ、基部１１Ｂ、延長部１１Ｆ、リンク機構１１Ｇを備える。可動部材１１Ａの頭部に締結された延長部１１Ｆは、リンク機構１１Ｇに連結されている。リンク機構１１Ｇは、回転−直線変換機構であり、図１０（ａ）の矢印方向にアームを回動させると可動部材１１Ａは鉛直下方に移動し、図１０（ｂ）の矢印方向にアームを回動させると可動部材１１Ａは鉛直上方に移動する。
【００６０】
図１０（ａ）に示すように、三次元造形物の形成を開始する際には、可動部材１１Ａは、基部１１Ｂを貫通するガイド穴に嵌め込まれている。リンク機構１１Ｇは、可動部材１１Ａの下端が突出部Ｔとして基部１１Ｂの下面から所定の長さ突出するように操作される。かかる状態の基台１１は、昇降アーム１２により高さが調整され、基部１１Ｂの下面および基部１１Ｂの下面から突出した可動部材１１Ａの突出部Ｔが液状光硬化性樹脂２の液中に浸漬されている。
【００６１】
図１０（ｂ）に示すように、造形が完了した三次元造形物１４を基台１１から取り外す際には、三次元造形物１４を保持した基台１１が昇降アーム１２から取り外される。さらに、リンク機構１１Ｇを操作して、可動部材１１Ａが持ち上げられる。図１０（ｂ）は、可動部材１１Ａの下端が第２基部１１Ｄの下面と同じ高さまで持ち上げられた状態を例示している。
【００６２】
可動部材１１Ａが持ち上げられるのにともない、三次元造形物１４と密着して噛合していた可動部材１１Ａの下端部は上方向に移動し、三次元造形物１４の上部にできた空間には、ガイド穴と可動部材１１Ａの隙間を通じて空気が注入される。その結果、噛合が開放されるとともに三次元造形物１４と第２基部１１Ｄの密着面積が小さくなり、図１０（ｂ）に示すように、三次元造形物１４を基台１１から容易に取り外すことができる。
【００６３】
尚、基台１１の主要部材の材質はアルミ合金にアルマイト処理をしたものを基本とするが、装置構成において重量を抑える必要がある場合には、特にアルミ合金やマグネシウム合金、チタン合金などが好適である。また、装置構成において、剛性を必要とする場合や腐食を抑える場合にはステンレス合金などが好適である。一例として、可動部材１１Ａの全長とツバ（頭部）の厚さを調整することで、基部１１Ｂの下面から突出する長さを０．３ｍｍに調整したところ、造形時のアンカー効果と取外し容易性の両立が可能であった。
【００６４】
［他の実施形態］
本発明の実施形態は、上述した実施形態に限られるものではなく、本発明の技術的思想内で適宜変更したり、組み合わせたりすることが可能である。
例えば、可動部材の形状には円柱が好適に用いられるが、それに限られるわけではなく、例えば角柱であってもよい。
【００６５】
また、三次元造形物に可動部材１１Ａと噛合していた痕跡（凹部）が残るのが好ましくない場合には、造形モデルの形状を突出部Ｔの高さ分だけ高く設定しておき、造形後に痕跡部分の深さ分だけ研削して平坦化してもよい。
【００６６】
また、上記説明では造形する際にアンカー効果を得るために可動部材を基台から突出させたが、造形する際に可動部材を基台のガイド穴の内部に引き込んでおき、所定の深さの凹部を基台に配置することで噛合部を形成してもよい。その場合も、三次元造形物を基台から取り外す際には、可動部材をガイド穴に沿って基台内にさらに引き込み、生じた空間に空気を注入することにより三次元造形物を基台から容易に取り外すことができるようになる。
【００６７】
本発明は、積層造形する際の造形物の収縮による剥離等を解決し得るものであるため、例えば、熱可塑性樹脂を溶融させて吐出ノズルより線状に樹脂を押出し、複数層を積層させて造形物を得る熱溶融積層造形装置のステージ部にも適用することができる。あるいは、液状の熱硬化性樹脂に基台を浸漬させ、所定部分を加熱して硬化させながら基台上に積層造形する場合の基台にも適用できる。
【符号の説明】
【００６８】
１・・・容器／２・・・液状光硬化性樹脂／３・・・樹脂供給部／４・・・光透過窓／５・・・遮光部／７・・・光源／８・・・ミラー部／９・・・レンズ部／１０・・・光源ユニット／１１・・・基台／１１Ａ・・・可動部材／１１Ｂ・・・基部／１１Ｃ・・・第１基部／１１Ｄ・・・第２基部／１１Ｅ・・・固定部材／１１Ｆ・・・延長部／１１Ｇ・・・リンク機構／１１Ｐ・・・押しボルト／１２・・・昇降アーム／１３・・・昇降部／１４・・・三次元造形物／２１・・・制御部／２２・・・外部装置／２３・・・操作パネル／６１・・・挟持治具／６２・・・ボルト／Ｃ・・・空間／Ｓ・・・三次元造形物１４の上部にできた空間／ＳＰ・・・ばね／Ｔ・・・突出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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