(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液状光硬化性樹脂の表面に目的形状の断面を描くように光束を走査させて、該液状光硬化性樹脂を部分的に硬化させる工程を含む立体像形成方法において、同一断面内を所定の間隔ｄでラスター走査を行う際に、各ラスター走査における樹脂の硬化幅をｗとし、まず２ｄの間隔で第一回目の走査を行い、続いて第二回目の走査を２ｄの間隔で、かつ走査線が第１回目の走査の中央の位置に来るように走査する工程と、
前記工程において目的形状を形成した後に、ポストキュアー時の収縮率が０．１％以下であるポストキュアー工程と
を含み、前記第一回目の走査間隔２ｄがラスター走査による前記樹脂の硬化幅ｗと２ｗ≧２ｄ≧ｗの関係にあることを特徴とする立体像形成方法。
【請求項２】
液状光硬化性樹脂の表面に目的形状の断面を描くように光束を走査させて、該液状光硬化性樹脂を部分的に硬化させる工程を含む立体像形成方法において、
同一断面内を所定の間隔ｄでラスター走査を行う際に、各ラスター走査における樹脂の硬化幅をｗとし、第１の方向に２ｄの間隔で第一回目の走査を行い、前記第１の方向と交差する第２の方向に２ｄの間隔で第二回目の走査を行い、前記第１の方向に２ｄの間隔で、かつ走査線が第一回目の走査の中央の位置に来るように第三回目の走査を行い、および前記第２の方向に２ｄの間隔で、かつ走査線が第二回目の走査の中央の位置に来るように第四回目の走査を行い、
前記第１から第４の走査の間隔２ｄがラスター走査による前記樹脂の硬化幅ｗと２ｗ≧２ｄ≧ｗの関係にある
ことを特徴とする立体像形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は立体像形成方法に関し、特に液状光硬化性樹脂の表面の所定部分に光を照射して樹脂を硬化せしめることによって立体像の一断面を形成し、順次その過程を繰返して立体像を形成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
合成樹脂による成形物の作製には、金型成形法が多く用いられている。しかし、金型成形法は金型の作製に多額の費用を要し、また成型物を得るまでに多くの工程を有するなどの問題があった。
【０００３】
金型成型法の上述した問題点を解決する方法として、近年、光硬化性樹脂を所定の光ビームで露光して硬化させることによって、所望の立体像を形成する方法が、特開昭６２−３５９６６号公報その他に提案されている。
【０００４】
この方法は液状光硬化性樹脂の表面の所定部分にレーザー光を照射して所定形状の硬化層を形成し、この硬化層の上にさらに未硬化の液状光硬化性樹脂を供給し、再びレーザー光を照射して硬化層を形成し、先の硬化層の上に積層する、という過程を繰返すことによって立体像を形成するものである。
【０００５】
レーザー光の照射法はレーザービームのラスター走査が一般であり、そのラスター走査の方法として、大別して次の３方法がとられてきた。
【０００６】
１．図２（ａ）に示すように、走査間隔ｄに比べて大きなレーザービーム径ｗで一方の端から他の端まで順番に塗り潰してゆく方法。
【０００７】
２．図２（ｂ）に示すように、ｄ＞ｗの条件で一層内をまずＸ方向に走査させて塗り潰した後、ついでＹ方向に走査させて硬化させる方法。斜線を施した部分は第二回目の走査での硬化の箇所を示す。
【０００８】
３．図２（ｃ）に示すように、一層内の同一の位置を多数回走査して硬化させる方法。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
第一の方法は均一な硬化が可能であり、平滑な表面と透明感のある成形物が得られる。しかしながらこの方法では連続した広い面積がほぼ同時に硬化するので、硬化に際しての収縮による応力が大きくなり、特に成形物に片持ち梁形状部がある場合、片持ちの張り出し部の反り上がり、全体的な変形（反り）や引け（局部的な収縮）が発生しやすく成形物は精度的には満足のいくものではなかった。
【００１０】
第二の方法は反りや引けの発生は小さいものの、未硬化部が多量に残るため成形物は不透明であり、かつ表面が平滑でない。また硬化度が十分でないために成形中に液状光硬化性樹脂による膨潤を受けやすく、かつポストキュアー（成形後の後硬化）時の収縮が大きい。
【００１１】
第三の方法は比較的表面の平滑さと成形精度のバランスがとれた方法であるが、走査線間の硬化度が低いためにポストキュアー時の収縮が大きい。また結果的に走査回数が多くなるために造形時間が長くなってしまう。
【００１２】
以上のように従来の成形方法では、短時間で成形精度にすぐれ、かつ外観が良好で、しかもポストキュアー時の短縮を小さくするということは困難であった。
【００１３】
本発明は上記従来技術の欠点に鑑みなされたものであり、短時間で高精度な立体形状を形成可能な立体像形成方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明の立体像形成方法では上記課題を解決するために、一断面の形状を光スポットで液状光硬化性樹脂の表面を所定の間隔ｄでラスター走査させて硬化させる際に、まず２ｄの間隔で第一回目の走査を行い、続いて第二回目の走査を２ｄの間隔でかつ、第一回目の走査の中央の位置を走査するようにして立体像を形成するものである。
【００１５】
さらに好ましくは、第一回目の走査間隔２ｄがラスター走査による樹脂の硬化幅ｗと２ｗ≧２ｄ≧ｗの関係とすることにより、さらに高精度な成形が可能である。
【００１６】
一断面内のレーザースポットの走査方向はすべて平行でも良いし、互いに交差する２方向のベクトルを用いても良い。前者の場合には積層レイヤー毎に走査方向をかえることがより好ましい。例えば、第ｎ層はｘ方向、第ｎ＋１層は直交するｙ方向、第ｎ＋２層はｘ方向といった交互に走査方向をかえていく方法等が挙げられる。
【００１７】
【作用】
本発明による立体像形成方法においては、実質的に未露光部が残らず高い硬化度が得られるために、平滑な表面を有する透明な、しかもポストキュアーでの収縮や変形も極めて小さい高精度な成形物が得られる。また第一回目および第二回目における走査のそれぞれの走査の間隔を広くとるために、各走査線の接触がなく一回の走査によって連続して硬化する面積が小さい。このため硬化収縮による収縮応力が小さくなり、反りや引けといった成形時の変形も小さくなる。さらに、高精度とするための走査回数を多くする必要がないので、短時間で成形可能である。
【００１８】
【実施例】
以下に図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【００１９】
図１は本発明に用い得る立体像形成装置の一例の構成を示す模式的斜視図である。この装置は液状光硬化樹脂表面へレーザービームを照射し、走査する光学系と、液状光硬化性樹脂を収容し、かつ該樹脂の硬化層を昇降させる樹脂収容系を具えている。液状光硬化性樹脂ｇは樹脂液槽ｈ内に収容され、液槽ｈには液状光硬化性樹脂表面の硬化層ｉを昇降させる昇降台ｆが設けられている。
【００２０】
光学系はレーザー発振器ａ，ミラーｂおよびｅ，シャッタｃおよびＺフォーカスレンズｄによって液状光硬化性樹脂ｇの表面に焦点を結ばせたレーザービームｊをミラーｅを回転させることによって、液状光硬化性樹脂表面を走査する。この際、レーザービームが垂直に該表面を照射するときと、ある角度をもって斜めに該表面を照射するときとで光路差を生じて合焦位置がずれるが、フォーカスレンズを使用することによって、この光路差を補正し、合焦位置を常に該表面に合わせることができる。フォーカスレンズに代えて、レーザービームの径路に沿って移動する補正レンズを設けることによって合焦位置を調整することもできる。
【００２１】
立体像の形成のためには、形成すべき立体像を例えば水平方向に薄くスライスした断面形状を記憶装置に記憶し、計算機等の制御装置によってミラーの回転を制御して、一層ごとに所定形状の硬化層を作り、かつ昇降台ｆを制御して硬化層の厚さだけ成形物を液状光硬化性樹脂中に降下させるのであるが、記憶装置，制御装置などは図示を省略する。
【００２２】
立体像形成装置としては図１に示したような可動ミラーを用いてレーザービームを走査する装置の他に、ＮＣテーブルによって光ファイバを移動させて走査する装置なども使用可能である。
【００２３】
用いる液状光硬化性樹脂も、通常用いられている液状光硬化性樹脂であれば特に限定せず用いることができ、ウレタンアクリレート，エポキシアクリレートなどを主成分とするラジカル重合型の光硬化性樹脂やエポキシ樹脂などの光カチオン重合を利用した光硬化性樹脂が一例として挙げられる。
【００２４】
次に本発明によるレーザービームの走査方法について説明する。
【００２５】
本発明においては、図３（ａ）に符号Ａで示すように２ｄの間隔で第一回目の走査を行い、符号Ｂで示す第二回目の走査を同じく２ｄの間隔で行う。その際、第二回目の走査位置が第一回目の走査間の中央にくるようにする。レーザービームの走査をこのように行うことによって、第１回の走査で硬化しなかった斜線を施した部分を硬化させる。または図３（ｂ）に示すように、第一回目の走査Ａと第二回目の走査Ｂとで、走査方向を交差させてラスター走査を行う。走査方向を交差させる際にも同様に二回目の走査を一回目の走査の中央にくるようにする。すなわち、図３（ｂ）において、走査の順は同一断面内でＡ1 →Ｂ1 →Ａ2 →Ｂ2 としても良いし、Ａ1 →Ａ2 →Ｂ1 →Ｂ2 としてもよい。
【００２６】
実施例１
実験にはソリッドクリエーターＪＳＣ−２０００（ソニー株式会社製）を用いた。本装置は図１に示したような可動式ミラーと光源としてＡｒイオンレーザーを採用した装置である。液状光硬化性樹脂はウレタンアクリレート系樹脂デソライトＳＣＲ−３００（日本合成ゴム株式会社製）を用いた。
【００２７】
液面でのレーザーパワー４０ｍＷ、走査速度１００ｃｍ／秒で図３（ａ）に示した方法で成形を行った。この時の一本のラスター走査による硬化幅は０．１２ｍｍであった。
【００２８】
まず、中心間隔２ｄが０．１４ｍｍで第一回目のラスター走査を行い、続いて同じ間隔で第一回目の走査と０．０７ｍｍだけずらした位置を走査した。すなわち、第二回目の走査は第一回目の走査のちょうど中間点にくるようにした。
【００２９】
このようにして成形された物体について、ゲル含率，ポストキュアー時の収縮率，反り，引けおよび外観を測定した。試験方法を以下に示す。
【００３０】
１）ゲル含率
５０×５０×１（ｍｍ）の薄い板を１積層の厚さ０．２ｍｍで成形する（すなわち５層積層する）。この薄板の重量をＷ１とする。ついでこの薄板をソックスレー抽出器を用いてメチルエチルケトンを抽出溶媒として８時間抽出を行う。ついで８０℃で６時間真空乾燥を行う。乾燥後の重量をＷ２とする。ゲル含率は次式を用いて算出した。
【００３１】
ゲル含率（％）＝１００×（Ｗ２／Ｗ１）
２）ポストキュアー時の収縮率
図４に示したような高さ２０ｍｍ，幅５ｍｍ，長さ２００ｍｍのバーを１積層の厚さ０．２ｍｍで成形した（すなわち１００層積層した）。ポストキュアー前の長さの寸法をＬ１とする。ポストキュアー後の長さの寸法をＬ２とする。収縮率は次式を用いて算出した。
【００３２】
収縮率（％）＝１００×（１−Ｌ２／Ｌ１）
３）反り
ポストキュアー時の収縮率を求めるのに用いたポストキュアー前のバーを図５のように片方を水平な台に固定し、他端の持ち上がり量Δｈ（ｍｍ）で評価した。
【００３３】
４）引け
図６に示したように、高さ３０ｍｍ，幅８０ｍｍ，長さ１００ｍｍで中央に厚さ２ｍｍの床を有する箱型モデルを１積層の厚さ０．２ｍｍで成形し、ポストキュアー後に目視および指触で評価した。ここで引けとは図６のモデルの中央部の床が形成される部分の側面がへこんでしまう現象をいう。
【００３４】
５）外観
ゲル含率の評価に用いた薄板の外観を目視および指触で評価した。指触で表面が滑らかなものを平滑とした。また目視で表面にレーザ走査の筋目がはっきりと見え、乱反射で透明感に欠けるものを不透明とした。
【００３５】
本実施例による成形物の表面は平滑であり、かつ透明であった。また引けや反りも観察されなかった。硬化物のゲル含率は９０％であり高い硬化度を示した。
【００３６】
次にＵＶランプを用いてポストキュアーを行った。この時の照射量は１０Ｊ／ｃｍ2 であり、上面，下面それぞれに５Ｊ／ｃｍ2 づつ当たるようにした。ポストキュアー時の収縮率は０．０７％と極めて小さい量であった。
【００３７】
評価結果をまとめて表１に示す。なお、表１における走査間隔は第一回目の走査と第二回目の走査の中心間隔ｄである。
【００３８】
実施例２
実施例１と同様にして、図３（ｂ）の方法でテストを行った。すなわち、まず０．２８ｍｍの間隔でＸ方向に第一回目の走査を行い、ついで同じ間隔でＹ方向に第二回目の走査を行う。ついでＸ方向に０．２８ｍｍの間隔で第一回目の走査のちょうど中間点にくるように第３回目の走査を行った。さらに同じ間隔でＹ方向に第二回目の走査の中間点にくるように走査した。引き続き、このような走査をくり返した。
【００３９】
評価結果は表１に示した。
【００４０】
実施例３
走査速度を２００ｃｍ／秒、第一回目および第二回目の走査の中心間隔０．０８ｍｍ，レーザー照射量を５１ｍＪ／ｃｍ2 とした以外は、実施例１と同様にして走査した。
【００４１】
評価結果は表１に示した。
【００４２】
比較例１−３
従来の走査方法、すなわち、それぞれ図２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示した方法を用いて実施例と同様の試験を行った。結果は表１に示した。いずれの方法も引け，反りといった変形と外観、ポストキュアーでの収縮を同時に満足させることはできなかった。
【００４３】
【表１】
0003641276.tif 000002
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による立体像形成方法によれば、実質的に未露光部が残らず高い硬化度が得られるために、平滑な表面を有する透明な、しかもポストキュアーでの収縮や変形も極めて小さい高精度な成形物が得られる。また一回の走査間隔を広くとるために、各ライン間の接触がなく、このため硬化収縮による収縮応力が小さくなり、反りや引けといった成形時の変形も小さくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に使用し得る立体像形成装置の模式的斜視図である。
【図２】従来の走査方法を説明する図である。
【図３】本発明による走査方法を説明する図である。
【図４】試験のための成形物の形状を示す図である。
【図５】反りの試験方法を説明する図である。
【図６】試験のための成形物の形状を示す図である。
【符号の説明】
ａ  レーザー発振器
ｂ，ｅ  ミラー
ｃ  シャッタ
ｄ  Ｚフォーカスレンズ
ｆ  昇降台
ｇ  液状光硬化性樹脂
ｈ  樹脂液槽
ｉ  硬化層
ｊ  レーザービーム
【図１】
0003641276.tif 000003
【図２】
0003641276.tif 000004
【図３】
0003641276.tif 000005
【図４】
0003641276.tif 000006
【図５】
0003641276.tif 000007
【図６】
0003641276.tif 000008