(57)【要約】【課題】  サポート部と輪郭部とを備えたモデルを形成する光造形方法において、短時間で精度の高い光造形モデルを造形することができる光造形方法を提供する。【解決手段】  三次元モデルの輪郭外周部１ｂのみを描画して硬化させた層を１層又は複数層形成した上に、サポート部２と輪郭内部１ａと輪郭外周部１ｂとを描画して硬化させた層を１層形成することを繰り返して積層すると共に、サポート部２と輪郭内部１ａの描画時には、輪郭外周部１ｂのみが描画されている層の深さまで樹脂を硬化させる強度を持つ光で描画を行う光造形方法としており、造形精度及びモデルの強度を損なうことなく、造形工程における描画時間を大幅に短縮することができるものである。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光硬化性樹脂に光で所定の形状を描画して硬化させ、硬化層を順次積層することにより三次元モデルを造形する光造形方法において、立体の側面部を形成する輪郭部と、前記輪郭部で囲まれた空間に設けられたサポート部とを備えた三次元モデルを造形する光造形方法であって、
前記輪郭部の外周部のみを描画して硬化させた層を１層又は複数層形成する第１の処理と、当該形成された層の上に前記サポート部と前記輪郭部の内部と前記輪郭部の外周部とを描画して硬化させた層を１層形成する第２の処理を繰り返して積層すると共に、前記サポート部と前記輪郭部の内部の描画時には、前記第１の処理で描画された輪郭部の外周部の深さまで樹脂を硬化させる強度を持つ光で描画を行うことを特徴とする光造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光硬化樹脂を用いて立体モデルを作成する光造形方法に係り、特に造形精度を低下させることなく、造形時間を短縮することができる光造形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
［先行技術の説明］
光造形方法は、三次元ＣＡＤで設計されたモデルを一定の厚さでスライスして断面データを生成し、断面データに基づいて、一定の厚さの光硬化樹脂にレーザ光を照射する工程を繰り返して、光硬化樹脂を積層させて所定の立体を作製する造形方法である。
【０００３】
光造形方法について簡単に説明する。
まず、光硬化樹脂を収容した造形槽内に配置されている昇降台座を、液面からスライス層の１層分だけ下降させる。そして、リコータによって光硬化樹脂を台座上面に均等に塗布し、液面を静定させる。
そして、断面データに基づいてレーザビームを照射し、硬化層を形成する。これを繰り返して硬化層を積層していくことにより、三次元モデルを形成する。
【０００４】
積層法による光造形方法としては、サーフェイスモデル法とソリッドモデル法とがある。
サーフェイスモデル法は、中空造形法とも呼ばれ、所望立体形状の輪郭部分に対応する領域のみを硬化させて各輪郭硬化層を形成し、積層する方法である。
ソリッドモデル法は、中実造形法とも呼ばれ、所望立体形状の輪郭部分だけでなく内部全てに対応する領域をも硬化させて、各平板硬化層を形成し、積層する方法である。
【０００５】
サーフェイスモデル法は、短時間で三次元物体を造形することができるものの、輪郭部分しか硬化していないので造形される三次元物体の強度が弱くなってしまうという問題点があり、また、ソリッドモデル法は、強度の高い三次元物体を造形できるが、造形時間が非常に長くなるという問題点があった。
【０００６】
［ソリッドモデル法による三次元モデル：図３］
次に、ソリッドモデル法を用いた別の光造形方法について図３を用いて説明する。図３は、ソリッドモデル法で形成された三次元モデルの斜視図であり、（ａ）は下面側からの斜視図、（ｂ）は上面側からの斜視図である。
図３に示すように、ここでは略直方体の三次元モデルを示しているが、（ａ）に示すように、立体の形状を表す輪郭部１は塗りつぶし描画によって隙間なく硬化され、輪郭部１によって囲まれた内部空間にはサポート部２が硬化形成されている。サポート部２は、輪郭部１の底面部分にも形成されている。また、（ｂ）に示すように、モデル上面には、塗りつぶし描画により上面全面を覆う硬化層である上面部３が形成されている。
【０００７】
このように、輪郭部１とサポート部２とを備えた構成とすることにより、平板硬化層を積層する場合に比べて塗りつぶし部分の面積を小さくして造形時間を短縮し、更に、三次元物体の強度を保持することができるものである。
【０００８】
［三次元モデルの断面：図４］
このようなサポート部と輪郭部とを備えた三次元モデルの断面について図４を用いて説明する。図４は、従来の光造形方法で形成された三次元モデルの断面説明図であり、（ａ）は第Ｎ層のＸ−Ｙ（水平方向）断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示した領域Ａの拡大図である。
図４（ａ）に示すように、底面部と上面部３の間の任意の層（第Ｎ層目）では、モデルの側面となる輪郭部１と、マトリクス状のサポート部２が形成されている。更に、（ｂ）に示すように、輪郭部１は、輪郭内部１ａと、輪郭外周部１ｂとから構成されている。
【０００９】
［従来の描画方法：図５］
次に、図３，４に示したモデルの底面部と上面部３の間の任意の層（第Ｎ層）の従来の描画方法について図５を用いて説明する。図５は、ソリッドモデル法による従来の光造形方法の第Ｎ層の描画方法を示す模式説明図である。図５では、図４の（ｂ）に示した拡大図に相当する部分の描画方法を示している。
図５（ａ）に示すように、光硬化樹脂が塗布されると、まず、サポート部２の描画を行ってサポート部２を硬化させる。次に、（ｂ）に示すように、輪郭内部１ａを描画し、（ｃ）に示すように、輪郭外周部１ｂを描画する。これにより、（ｄ）に示すように、サポート部２と輪郭部１が硬化し、第Ｎ層の描画が完成する。
そして、台座をスライス層の厚さ分だけ下降させて、光硬化樹脂を塗布し、再び図５（ａ）〜（ｄ）の手順で硬化層を形成するようになっている。
【００１０】
［先行技術文献］
尚、光造形方法の従来技術としては、平成１０年５月２６日公開の特開平１０−１３８３４９号「積層光造形法」（出願人：株式会社メイコー、発明者：福島守）がある。
この従来技術は、輪郭硬化層を順次形成して積層する際に、輪郭硬化層の一層または複数層おきに、平板硬化層を一層または複数層形成して積層させる積層光造形法であり、これにより、変形の少ない立体物を短時間で造形することができるものである（特許文献１）。
【００１１】
【特許文献１】特開平１０−１３８３４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、従来のソリッドモデル法による光造形方法では、図５に示した手順によって、サポート部と、輪郭内部と、輪郭外周部の硬化を全ての層で行うために、描画時間が長くなってしまうという問題点があった。
また、描画時間を短縮するために各層の厚さを大きくすると、モデルの側面に段差が生じ、精度の高い三次元モデルを造形することができないという問題点があった。
【００１３】
上記特許文献１の方法は、サポート部と輪郭部とを備えたモデルを形成するものではなく、モデルの輪郭のみを形成する層と、断面形状全体を硬化させた平板硬化層を形成する層とを交互または複数層毎に積層してモデルを形成するものである。
更に、特許文献１では、平板硬化層と平板硬化層との間の層は輪郭部しか硬化していないため、図５の下の図に示されているように、「１」で示された平板硬化層と「３」で示された平板硬化層との間に、モデル断面に相当する広い隙間が生じ、陥没等の変形につながるおそれがある。
【００１４】
尚、特許文献１の図６では、平板硬化層形成時に、隙間部分の未硬化樹脂も硬化される旨の記載があるものの、「１」の層と「３」の層とを同じ強さの光で描画した場合、隙間部分の未硬化樹脂を確実に硬化させるには、長時間の照射が必要となり、描画時間が長引いてしまうという問題点がある。
【００１５】
本発明は、上記実状に鑑みて為されたもので、サポート部と輪郭部とを備えたモデルを形成する光造形方法において、短時間で精度の高い光造形モデルを造形することができる光造形方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記従来例の問題点を解決するための本発明は、光硬化性樹脂に光で所定の形状を描画して硬化させ、硬化層を順次積層することにより三次元モデルを造形する光造形方法において、立体の側面部を形成する輪郭部と、輪郭部で囲まれた空間に設けられたサポート部とを備えた三次元モデルを造形する光造形方法であって、輪郭部の外周部のみを描画して硬化させた層を１層又は複数層形成する第１の処理と、当該形成された層の上にサポート部と輪郭部の内部と輪郭部の外周部とを描画して硬化させた層を１層形成する第２の処理を繰り返して積層すると共に、サポート部と輪郭部の内部の描画時には、第１の処理で描画された輪郭部の外周部の深さまで樹脂を硬化させる強度を持つ光で描画を行うことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、立体の側面部を形成する輪郭部と、輪郭部で囲まれた空間に設けられたサポート部とを備えた三次元モデルを造形する光造形方法であって、輪郭部の外周部のみを描画して硬化させた層を１層又は複数層形成する第１の処理と、当該形成された層の上にサポート部と輪郭部の内部と輪郭部の外周部とを描画して硬化させた層を１層形成する第２の処理を繰り返して積層すると共に、サポート部と輪郭部の内部の描画時には、第１の処理で描画された輪郭部の外周部の深さまで樹脂を硬化させる強度を持つ光で描画を行う光造形方法としているので、サポート部と輪郭部の内部の描画を省略する層を設けることにより描画時間を大幅に短縮することができ、また、輪郭部外周部は各層毎に描画して造形精度の低下を防ぎ、更に、サポート部と輪郭部の内部の描画時には強い光で描画して膜厚の厚い光硬化樹脂を硬化させて、硬化部分に隙間ができるのを防ぎ、三次元モデルの強度を保持できる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
［発明の概要］
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
本発明の実施の形態に係る光造形方法は、輪郭部とサポート部とを備えた三次元モデルを造形する光造形方法であって、第Ｎ層目の描画では、サポート部と、輪郭内部と、輪郭外周部とを描画し、第Ｎ＋１層目の描画では輪郭外周部のみを描画し、第Ｎ＋２層目ではサポート部と、輪郭内部と、輪郭外周部とを描画し、その際にサポート部と輪郭内部は既に描画された輪郭外周部の深さまで未硬化樹脂を硬化させるエネルギーを持つ強い光で描画するものであり、造形精度を損なうことなく、１層おきにモデルの輪郭外周部のみを描画することにより描画時間を大幅に短縮でき、また、１層おきに描画するサポート部と輪郭内部は強い光で描画することにより、２倍の厚さの光硬化樹脂を硬化させて、モデルの強度を保持できるものである。
【００１９】
［本光造形方法の特徴］
本発明の実施の形態の光造形方法の特徴について説明する。
本発明の実施の形態に係る光造形方法（本方法）は、図３に示した従来のソリッドモデル法による光造形方法と同様に、立体の外部形状を表す輪郭部１と、輪郭部１に囲まれた空間に形成されるサポート部２とを備えた三次元モデルを造形するものである。
【００２０】
本方法の特徴として、描画箇所と光の強さを変えることにより、３種類の描画パターンを備えている。
第１の描画パターンは、図５に示した従来の描画方法と同じものであり、サポート部２、輪郭内部１ａ、輪郭外周部１ｂの描画を全て同じ強度の光で行うものである。このときのレーザビームの光強度は、１層分の厚さの光硬化樹脂が十分硬化する程度の強度であり、これを「通常の強度」とする。
【００２１】
第２の描画パターンは、三次元モデルの輪郭外周部１ｂのみを第１の描画パターンと同じ強度の光で描画するものである。第２の描画パターンでは、サポート部２と、輪郭内部１ａは硬化しない。尚、第２の描画パターンは、請求項に記載した「第１の処理」に相当している。
第３の描画パターンは、第１のパターンと同様に、サポート部２、輪郭内部１ａ、輪郭外周部１ｂの描画を行うが、サポート部２と輪郭内部１ａを第１の描画パターンよりも強い強度の光で描画するものである。尚、第３の描画パターンは、請求項に記載した「第２の処理」に相当している。
【００２２】
そして、本方法では、モデルの下層部分を第１の描画パターンで形成し、以降は第２の描画パターンと第３の描画パターンとを交互に繰り返すことにより物体の側面部分を形成し、そして、従来と同様に上面部３を形成する。通常、１層以上を第１の描画パターンで形成するが、モデルの形状や大きさに応じて適宜決めればよく、最下層から上面部３に達するまで第２の描画パターンと第３の描画パターンとで造形することも可能である。
【００２３】
［本光造形方法：図１，図５］
本方法における描画方法を図１，図５を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る光造形方法（本方法）の第２の描画パターンを示す模式説明図である。
本方法では、まず、下層部分の１層〜数層の描画は、図５（ａ）〜（ｄ）に示した第１の描画パターンで、サポート部２、輪郭内部１ａ、輪郭外周部１ｂの描画を行う。このとき、光の強さは全て通常の強度とする。第１の描画パターンで第Ｎ層目までの描画を行う。
【００２４】
そして、本方法の特徴部分として、第Ｎ＋１層目の描画は、図１に示した第２の描画パターンで行う。すなわち、輪郭外周部１ａのみを通常の強度の光で描画し、サポート部２と輪郭内部１ｂの描画は行わない。
【００２５】
更に、第Ｎ＋２層目の描画は、第３の描画パターンで行う。すなわち、描画箇所は図５に示した第１の描画パターンと同様に、サポート部２、輪郭内部１ａ、輪郭外周部１ｂであるが、すぐ下の第Ｎ＋１層目で描画しなかったサポート部２と輪郭内部１ａでは、照射する光の強度を通常よりも強くする。具体的には、サポート部２と輪郭内部１ａの描画は、２層分の厚さの未硬化樹脂を完全に硬化させることができる強度を備えた光で描画する。本実施の形態では、通常の強さの２倍以上としている。
尚、輪郭外周部１ｂは、すぐ下の第Ｎ＋１層目で硬化させているので、第Ｎ＋２層目では１層分の硬化で済み、光の強度は通常の強度で構わない。
【００２６】
そして、この後は、第Ｎ＋３層目は第２の描画パターンで描画し、第Ｎ＋４層目は第３の描画パターンで描画する、というように第２の描画パターンと第３の描画パターンとを交互に繰り返し積層していく。
【００２７】
これにより、本方法では、１層おきに第２の描画パターンで輪郭外周部１ｂのみを描画することになり、全ての層を第１の描画パターンで描画するのに比べて、描画時間を大幅に短縮することができるものである。
更に、本方法では、１層おきに第３の描画パターンで全て描画する際には、下の層で描画していないサポート部２と輪郭内部１ａとを、例えば通常の２倍以上の強度を持つ光で描画することにより、長時間の照射を行わなくても２層分の未硬化樹脂を完全に硬化させることができ、造形される三次元モデルの強度を十分保つことができると共に、造形時間が長引くのを防ぐことができるものである。
【００２８】
［従来の方法と本方法との比較：図２］
次に、従来の方法で造形された三次元モデルと本方法で造形された三次元モデルの構造について図２を用いて説明する。図２は、図３の三次元モデルの断面を模式的に示した説明図であり、（ａ）はＸ−Ｚ（垂直方向）断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示した領域Ｂを従来の方法で造形した場合の拡大図であり、（ｃ）は領域Ｂを本方法で造形した場合の拡大図である。
図２（ａ）では、従来の方法及び本法で造形された三次元モデルを示しており、外側（側面部）に輪郭部１、内部にサポート部２、上面には上面部３が形成されている。
【００２９】
図２（ｂ）及び（ｃ）では、第Ｎ＋１〜第Ｎ＋４層の断面を示している。
図２（ｂ）に示すように、従来の方法で描画した場合、全ての層を第１の描画パターンで描画するので、第Ｎ＋１〜第Ｎ＋４層の全ての層において、サポート部２、輪郭内部１ａ、輪郭外周部１ｂが硬化されて形成されている。光の強さは通常の強さとしているので、１層分の厚さの樹脂が硬化して順次積層されている。
【００３０】
これに対して本方法で描画した場合、図２（ｃ）に示すように、第Ｎ＋１層では第２の描画パターンにより輪郭外周部１ｂの描画のみしか行わない。図２（ｂ）の第Ｎ＋１層目と比較して、本方法では描画箇所が削減されているため、描画時間を大幅に短縮させることができるものである。それと共に、本方法では、輪郭外周部１ｂを各層毎に描画することにより、モデルの造形精度を保持できるものである。
【００３１】
そして、第Ｎ＋２層では第３の描画パターンによりサポート部２と輪郭内部１ａとを例えば通常の２倍以上の強さの光で描画し、輪郭外周部１ｂは通常の強さの光で描画する。これにより、サポート部２と輪郭内部１ａでは２層分の厚さの光硬化樹脂を硬化させ、輪郭外周部１ｂでは１層分の光硬化樹脂を硬化させる。強い光で照射することにより、描画時間を長引かせることはない。以下、第２の描画パターンと第３の描画パターンとを順次繰り返して積層する。
【００３２】
第Ｎ＋１層〜第Ｎ＋４層までについての描画工程を考えると、図２（ｂ）の従来の方法では、サポート部２、輪郭内部１ａ、輪郭外周部１ｂが全て４段階の描画工程で形成されているのに対し、図２（ｃ）の本方法では、輪郭外周部１ｂは４段階、サポート部２と輪郭内部１ａは２段階の描画工程で形成されている。
このようにして、本方法では描画時間の大幅短縮を図ることができるものである。
【００３３】
［実施の形態の効果］
本発明の実施の形態に係る光造形方法によれば、輪郭部とサポート部とを備えた三次元モデルを造形する光造形方法であって、第Ｎ層目の描画では、サポート部２と、輪郭内部１ａと、輪郭外周部１ｂとを通常の強さの光で描画し、第Ｎ＋１層目の描画では輪郭外周部１ｂのみを描画し、第Ｎ＋２層目ではサポート部２と輪郭内部１ａとを例えば通常の強さの２倍以上の強さを持つ強い光で描画し、輪郭外周部１ｂを通常の強さの光で描画する光造形方法としているので、１層おきにサポート部２と輪郭内部１ａの描画を省略することにより、描画時間を大幅に短縮でき、また、１層おきにサポート部２と輪郭内部１ａを描画する際には、強い光で描画することにより、短時間で２層分の厚さの光硬化樹脂を硬化させて、第Ｎ層目と第Ｎ＋２層目との間に隙間を生じないようにして、三次元モデルの強度を保持できる効果がある。
【００３４】
また、本方法によれば、モデルの側面に相当する輪郭外周部１ｂを各層毎に描画することにより、造形される三次元モデルの側面に段差を生じて造形精度が劣化するのを防ぐことができる効果がある。
また、本実施の形態の中では、図３に示すように略直方体の三次元モデルの描画について説明したが、例えば、円錐等のようにモデルの側面が傾斜している場合であっても、本方法を用いることで、モデルの側面に相当する輪郭外周部１ｂを各層毎に描画することにより、造形される三次元モデルの側面に段差を生じて造形精度が劣化することを防ぎ、描画時間を短縮できる効果がある。
【００３５】
また、上述した例では、輪郭外周部１ｂのみを描画する層と、全部描画する層とを１層おきに（交互に）積層するようにしているが、輪郭外周部１ｂのみを描画する層を複数層積層する処理を行い、その上に全部描画する層を１層形成する処理を行い、これを繰り返して造形することも可能であり、一層の造形時間の短縮を図ることができる。但し、複数層おきにしか描画されないサポート部２と輪郭内部１ａの描画時には、既に描画された輪郭外周部の深さまで未硬化層が十分硬化するよう、未硬化層の厚さに応じて必要十分なエネルギーの光を照射して硬化させるようにする必要がある。
【００３６】
また、全部描画する層を複数層重ねて積層してもよく、その場合には、第３の描画パターンで形成した層の上に第１の描画パターンで形成した層を積層する。これにより、すぐ下の層で硬化している部分に無駄に強い光を照射するのを防ぐことができるものである。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、サポート部と輪郭部とを備えたモデルを形成する光造形方法において、造形精度を低下させることなく、造形時間を短縮することができる光造形方法に適している。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の形態に係る光造形方法（本方法）の第２の描画パターンを示す模式説明図である。
【図２】図３の三次元モデルの断面説明図であり、（ａ）はＸ−Ｚ（垂直方向）断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示した領域Ｂを従来方法で造形した場合の拡大図であり、（ｃ）は領域Ｂを本方法で造形した場合の拡大図である。
【図３】ソリッドモデル法で形成された三次元モデルの斜視図であり、（ａ）は下面側からの斜視図、（ｂ）は上面側からの斜視図である。
【図４】従来の光造形方法で形成された三次元モデルの断面説明図である。
【図５】ソリッドモデル法による従来の光造形方法の第Ｎ層の描画方法を示す模式説明図である。
【符号の説明】
【００３９】
１…輪郭部、  １ａ…輪郭内部、  １ｂ…輪郭外周部、  ２…サポート部、  ３…上面部
【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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