(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液状の光硬化樹脂の一層ごとに光を走査しながら照射して光硬化層を形成し、その光硬化層を順次積層して３次元モデルを形成する光造形方法であって、光硬化層を形成する際の光走査方向が隣り合う各層毎に互いに直交しており、一つの層を光照射する際、一端から他の一端までの一回の光走査の任意の複数回に一度、光の照射強度と光の走査速度の一方あるいは双方を変化させて一回の光走査の際の照射エネルギーを強くしたことを特徴とする光造形方法。
【請求項２】
一つの層を光照射する際、一端から他端への光走査の工程と、前記他端から、その光走査の方向と直交する横方向へ所定の距離だけ離れた位置へ移動する工程と、前記位置から前記光走査と逆方向へ光走査して前記一端から横方向に前記所定の距離だけ離れた位置への光走査の工程と、その光走査方向と直交する横方向へ移動する工程の一連の工程が順次なされることを特徴とする請求項１記載の光造形方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は液状の光硬化性樹脂に光を照射して一つの断面層を硬化させ、順次積層して３次元モデルを形成する光造形方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
３次元モデルを造形するために、光造形方法が用いられる。図４にこの光造形方法で通常用いる装置の概略図を示す。図４に示すようにタンク１０内には液状の光硬化性樹脂１１が満たされており、上下方向に昇降可能なテーブル１２が光硬化性樹脂液内部まで下降できるようになっている。光硬化性樹脂液上部には光源１３があって光照射のオン・オフ、前後左右の光走査がコンピュータで制御できるようになっている。したがって３次元モデルの任意の断面形状が与えられると、その断面で物体が存在する部分が硬化するように光を照射してその断面形状を形成することが可能である。
この装置で３次元モデルを造形するには、まずテーブル１２を液面のごく近くまで上昇させ、テーブル１２上に形成された光硬化性樹脂の薄い層に光を照射して、３次元モデルの最底断面に相当する断面硬化層を形成し、その後テーブル１２を１層分だけ下降させ、その上に未硬化の液状樹脂を導入し、その導入した液状樹脂の層に光を照射して、最底断面のすぐ上の断面硬化層を形成し、最底断面層に積層する。
以後このテーブルを下降させて液状樹脂層を形成する工程と、光照射によって硬化層を形成し、すぐ下の硬化層に積層する工程を順次繰り返すことにより、３次元モデルが造形される。
【０００３】
このような光造形方法を行う場合の光の走査方向と、その光走査の際に形成される光硬化部分を模式的に示したものが図５である。
図５（ａ）は図４に示す装置を真上から見た場合の光走査方向（光のスキャン方向）を示しており、図５（ｂ）はその光走査によって形成される光硬化層の断面図（Ｘ方向に平行な垂直断面図であるＡ−Ａ断面の断面図）であり、最底の硬化層１から硬化層５までの各断面層の光硬化部分が示されている。
光硬化部分は、後述するように図５（ｂ）の斜線部で示すような断面形状をしており、奇数番目の硬化層１、３、５では、光の走査方向が紙面と直交しているため図に示すように、その断面形状が多数現れるが、偶数番目の硬化層２、４では光走査の方向が紙面に平行であるため、光硬化部分は存在するが、図面上現れない。
【０００４】
図５（ａ）に示すように光走査方向（スキャン方向）は、隣り合う各層毎に互いに直行するようになっている。すなわち最底の硬化層１、硬化層３及び硬化層５のスキャン方向はＹ方向、硬化層２及び硬化層４のスキャン方向はＸ方向である。
図５（ｂ）は、硬化層の断面図であり、硬化層１、３、５にはＹ方向の１回の光走査毎に形成される光硬化部分が示されている。すなわち図５（ａ）の光走査（１）により図５（ｂ）の▲１▼の部分が硬化し、光走査（２）により▲２▼の部分が硬化するのである。
この光硬化部分▲１▼、▲２▼の断面は硬化深さｄ、硬化幅ｂで図５（ｂ）に示すような形状をしており、この硬化深さｄはすぐ下の層と接着して積層するため硬化層の厚さｔよりも大きする必要がある。
また光走査の間隔ｈは、隣り合う光硬化層と接着できるように硬化幅ｂより小さくなっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来の光造形方法では、硬化層を隣り合うすぐ下の層と接着させるために光硬化部分の硬化深さを大きくする必要があった。
硬化深さを大きくするには、光の照射強度を強くするか、光の走査速度を遅くして光硬化性樹脂に与える光エネルギーを大きくする必要があるが、３次元モデル完成までの作業時間が長くかかるという不都合があった。
そこで本発明は、短時間で３次元モデルの形成ができる光造形方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は次のような光造形方法を採用した。
請求項１の発明は、液状の光硬化性樹脂の一層ごとに光を走査しながら照射して光硬化層を形成し、その光硬化層を順次積層して３次元モデルを形成する光造形方法であって、光硬化層を形成する際の光走査方向が隣り合う各層毎に互いに直交しており、一つの層を光照射する際、一端から他の一端までの一回の光走査の任意の複数回に一度、光の照射強度と光の走査速度の一方あるいは双方を変化させて一回の光走査の際の照射エネルギーを強くしたことを特徴とするものである。
次に請求項２の発明は請求項１の発明の光走査の方法を限定したものである。すなわち請求項２の発明は、請求項１の発明のうち、一つの層を光照射する際、一端から他端への光走査の工程と、前記他端から、その光走査の方向と直交する横方向へ所定の距離だけ離れた位置へ移動する工程と、前記位置から前記光走査と逆方向へ光走査して前記一端から横方向に前記所定の距離だけ離れた位置への光走査の工程と、その光走査方向と直交する横方向へ移動する工程の一連の工程が順次なされることを特徴とするものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
硬化幅や深さは光硬化性樹脂に与えられる光エネルギーによって定まり、光照射強度と光の走査速度のどちらを変えても変化する。以下の説明では、簡単のために、光の照射強度を一定として説明する。しかし本発明の実施形態はこれに限定されず、光の走査速度を変えずに、光の照射強度を変えたり、あるいは光の走査速度と光の照射強度の両方を変えて、光エネルギーを変化させてもよい。
【０００８】
【実施例１】
（スキップスキャン）
光走査を間欠的にスキップするスキップスキャンのスキャン方法とそのときに形成される各スキャン毎の光硬化部分を図１に示す。図１（ａ）は、光走査方向（スキャン方向）を示し、図１（ｂ）、（ｃ）は光走査によって形成される硬化層の断面図を示している。
図１（ａ）に実線の矢印で示しているのが図１（ｂ）、（ｃ）の硬化層Ｎ1 及び図１（ｂ）の硬化層Ｎ3 の光走査方向であり、破線の矢印で示しているのが、硬化層Ｎ2 の光走査方向である。図１（ｂ）、（ｃ）に示す硬化層Ｎ1 、Ｎ3 では、光の走査方向が、紙面と直交しているため図に示すように光硬化部分が現れるが、硬化層Ｎ2 では光走査の方向が紙面に平行であるため、光硬化部分は存在するが、図面上現れない。
【０００９】
図１に示すように、硬化層Ｎ１、Ｎ３は光をＹ方向に走査することにより、形成される。このＹ方向の光走査をより詳細に説明したものが、図２である。
すなわち、この光走査は図２に示すように一端から他端までスキャンした後、光を照射せずに横方向に一定距離ｈだけ移動して、逆向きにスキャンする往復動するタイプのものである。
【００１０】
図１（ａ）の（１）〜（５）までの光走査を行うと図１（ｂ）、（ｃ）の▲１▼〜▲５▼の光硬化部分が形成される。この（１）〜（５）の光走査は従来のものと同じで、一つの光走査が終わると、光硬化幅ｂよりも小さい一定間隔ｈだけ横方向にシフトして次の光走査がなされており、図１（ｂ）、（ｃ）に示されているように光走査によって形成される光硬化部分は、隣の光硬化部分と重なり合っている。
このように光走査（１）〜（５）までを一定間隔ｈだけシフトしておこなった後、Ｓだけ横方向に大きくシフト（スキップ）して再び一連の光走査（１）〜（５）を行う。このスキップ幅Ｓは、光硬化部分の硬化層幅ｂより大きく、Ｓだけスキップすることにより、第１図（ｂ）、（ｃ）に示されているように、光硬化しない部分が形成される。前の光走査から間隔ｈでスキャンする光走査は複数回繰り返され、その後Ｓだけスキップする。図１はスキップするまで繰り返される回数が同一である場合の図であるが、必ずしも同一である必要はなく、任意に変化するようにしてもよい。またスキップする距離Ｓも、一定である必要はなく、適宜変更してもよい。
【００１１】
このように一つの層の光走査が終わると、次の層の光走査の方向は、これまでの走査方向と直行するようにする。次の層の光走査方法は、光の走査方向が異なる以外は、上述したすぐ前の層の光走査方法と同じであり、一連の隣り合う光硬化部分が重なった部分と、光走査がなされない未硬化の部分が交互に連なるようになる。
このように光走査の方向は一層毎に互いに直交するように変化する。
三層積層した場合の断面図を図１（ｂ）、（ｃ）に示すが、図１（ｂ）に示すようにスキップする箇所が、光走査の方向が同じである硬化層Ｎ1 とＮ3 とで同じ箇所にきてもよいし、図１（ｃ）に示すように異なる箇所にきてもよい。
このようにスキップスキャンで光硬化層を積層していくとスキップした箇所は、光の照射がないためその層の光照射後すぐには硬化しないが、適切な樹脂を選べば、その周囲に光硬化する部分があるので未硬化部分は徐々に硬化し、一定時間経過後には、充分な強度をもつ製品が得られる。
このスキップスキャンによる光造形方法は従来の光造形方法に比べ、光走査の回数が減少するので作業時間を４０〜５０％程度少なくできる。またスキップスキャンによる光走査方法は、すぐに光硬化しない部分を、何処にどの程度作るかを選択する自由度が大きいので、使用する樹脂の硬化特性に応じて最も適切な光照射を行うことが可能であり、精度のよい３次元モデルが得られる。
【００１２】
【実施例２】
（ウェッジスキャン）
次に光走査はスキップしないが、走査速度を変化させて任意の複数回に一度硬化深さや硬化幅が大きい光硬化部分（この光硬化部分を「ウェッジ」という）を形成するウェッジスキャンについて説明する。
図３に示すようにスキャン方向は従来同様、各層毎に互いに直交し、間隔は一定である。ウェッジ以外の部分の光走査は従来のものより走査速度を速くして行われ、形成される光硬化部分は、硬化深さｄが従来のものより浅く、これがほぼ一つの硬化層の厚さｔに等しくなっている。一方ウェッジを形成する際の光走査の走査速度は従来のものより遅くなっている。その結果図３に示すように、ウェッジを形成する走査以外の光走査で形成される光硬化部分の硬化深さｄが、ほぼ一つの光硬化層の厚さに等しく、すぐ下の層との接着はウェッジによってなされるのである。なお図３ではウェッジの硬化深さは光硬化層の厚さｔの２倍を超えているが、ウェッジの硬化深さが必ずしもｔの２倍以上である必要はなく、２倍以下でもよい。
スキップスキャンの際に説明した往復動タイプの光スキャンがウェッジスキャンにも用いられる。
【００１３】
このようにウェッジスキャンでは、従来のものより、一つの硬化層の厚さが薄くなっているので、ウェッジを形成する以外の光走査の走査速度を速くすることができる。その結果ウェッジを形成する際の光の走査速度が低下することを考慮してもなお３次元モデルの形成に必要な作業時間が短縮される。また極端にウェッジの数を減らさない限り、光硬化層の十分な積層がなされることにより、十分な強度の製品が得られる。
【００１５】
【発明の効果】
本発明に係る光造形方法によれば、従来より少ない光走査により３次元モデルを形成できるため、製品完成の作業時間が大幅に短縮される。また使用する樹脂に応じて適切な光照射を選択できるので充分に精度のよい製品が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】スキップスキャンの場合のスキャンのさせ方と、そのときに形成される各スキャン毎の光硬化部分を示す図である。
【図２】往復動タイプのスキャンのさせ方を示す図である。
【図３】ウェッジスキャンの場合のスキャンのさせ方と、そのときに形成される各スキャン毎の光硬化部分を示す図である。
【図４】光造形装置の概略図である。
【図５】従来のスキャンのさせ方と、そのときに形成される各スキャン毎の断面硬化部分を示す図である。
【符号の説明】
１０    タンク
１１    液状光硬化性樹脂
１２    テーブル
１３    光源
１４    ３次元物体
【図１】
0003664200.tif 000002
【図３】
0003664200.tif 000003
【図４】
0003664200.tif 000004
【図５】
0003664200.tif 000005
【図２】
0003664200.tif 000006