(57)【要約】【課題】光硬化により形成された複数の層を積層して立体造形物を形成する三次元造形装置において、一層形成後に、次の層形成のための液状樹脂材料を速やかに補充することが困難なため、三次元造形に多大な時間を要していた。【解決手段】液状樹脂材料と接する光透過窓の表面を親水性処理することにより、液状光硬化性樹脂の流動抵抗を低減し、次の層形成のための液状樹脂材料を速やかに補充することを可能とする。三次元造形物の形成に要する時間を、大幅に短縮できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液状の光硬化性樹脂を保持する容器と、
前記液状の光硬化性樹脂を光硬化させた固体造形物を支持する基台と、
前記基台を移動させるための移動部と、
前記液状の光硬化性樹脂を光硬化させる光を発光する光源ユニットと、
前記光源ユニットと前記基台の間に設けられ、前記液状の光硬化性樹脂と接する光透過窓とを備え、
前記光透過窓は、前記液状の光硬化性樹脂と接する領域に親水性表面を有する、
ことを特徴とする三次元造形装置。
【請求項２】
前記親水性表面は、リン酸カルシウム系セラミクスの表面である、
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】
前記光透過窓は、機密性のガラス基板の上に親水性表面を設けた光透過窓である、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の三次元造形装置。
【請求項４】
前記光透過窓は、ガス透過性の基板上に親水性表面を設けた光透過窓である、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の三次元造形装置。
【請求項５】
液状の光硬化性樹脂を保持する容器と、
前記液状の光硬化性樹脂を光硬化させた固体造形物を支持する基台と、
前記基台を移動させるための移動部と、
前記液状の光硬化性樹脂を光硬化させる光を発光する光源ユニットと、
前記光源ユニットと前記基台の間に設けられ、前記液状の光硬化性樹脂と接する光透過窓とを備えた三次元造形装置を用いる三次元造形物の製造方法であって、
前記光源ユニットを発光させて前記容器の内に保持された前記液状の光硬化性樹脂の一部を光硬化させた後に、
前記基台を移動させ、前記液状の光硬化性樹脂を前記光透過窓に設けられた親水性表面と接触させながら、前記液状の光硬化性樹脂を前記光透過窓と前記固体造形物との間に補充する、
ことを特徴とする三次元造形物の製造方法。
【請求項６】
前記光透過窓を介して、前記光透過窓と接する前記液状の光硬化性樹脂に、ガスを供給する、
ことを特徴とする請求項５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、光硬化性の液状樹脂材料に露光画像を投射して、三次元造形物を製造する三次元造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、所謂３Ｄプリンタへの期待が高まっている。中でも、光硬化性の液状樹脂材料に露光画像を投射して三次元造形物を製造する方式の装置開発が盛んである。
【０００３】
たとえば、特許文献１には、上面が開放された容器に液状光硬化性樹脂を収容し、自由液面の上から光線を照射して、自由液面近傍で光硬化させて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、樹脂硬化層を形成した後に樹脂硬化層を支持する移動台を下降させ、液状光硬化性樹脂の液面から樹脂硬化層までの深さが所定の深さになるのを待ってから、再度光線を照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、三次元造形物を形成していた。
【０００４】
また、特許文献２には、液状の光硬化性樹脂材料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、造形物と容器の底の間に液状の光硬化性樹脂を流入させて補充し、補充が完了すると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、三次元造形物を形成していた。
【０００５】
特許文献２の装置の場合は、容器の底を通じて光を照射するので、樹脂の液面が変動したとしても光学的な露光条件は影響を受けないという利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−９６６３２号公報
【特許文献２】米国特許出願公開  第２０１５／５４１９８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、３Ｄプリンタには、産業界から造形速度の高速化を求める要請が高まっており、光硬化性の液状樹脂材料を原料に用いる方式も例外ではない。
【０００８】
一般に、光硬化性の液状樹脂材料に光を照射して形成される硬化層の厚みは、一層あたり０．０２ｍｍから０．２ｍｍ程度である。三次元造形速度を高めるには、一層の硬化層を形成した後、次の硬化層を形成するための準備工程をいかに短時間で完了するかが重要である。言い換えれば、次の一層分の液状樹脂材料を、いかに高速に造形領域に補給するかが重要である。というのも、光硬化性の液状樹脂材料は、一般に粘度が高いため、流動に時間がかかるからである。
【０００９】
特に、大型の三次元造形物を形成する場合には、造形領域の面積が大型化するため、次の層形成のための光硬化性の液状樹脂材料の補給に要する時間が長くなる。また、積層する層数が大きくなれば、補給する回数もそれだけ増加し、三次元造形物の完成に要する時間が長くなる。
【００１０】
特許文献１の装置の場合は、液状樹脂材料を造形領域に補給する速度を上げるため、液状樹脂材料に超音波振動を与えて流動性を高めておく工夫をしている。しかしながら、特許文献１の装置は、樹脂の自由液面の上から光線を照射する装置系であるため、液面が変動すると光学的な露光条件に影響が出やすい。液状樹脂材料の流動性を高めて補給時間を短縮すると、硬化層の形状精度に問題が出る場合があった。
【００１１】
特許文献２の装置の場合は、先に述べたように、容器の底を通じて光を照射するので、樹脂の液面が変動したとしても光学的な露光条件は影響を受けないという利点がある。
【００１２】
その反面、次の層形成の準備のため硬化層を持ち上げた際に、容器の底と硬化層の間隔が狭いためコンダクタンスが小さく、周囲から液状樹脂材料が補給されるのに時間がかかるという問題があった。
【００１３】
この問題を解決するため、粘度が低い液状樹脂材料を用いる試みもなされているが、固化時の収縮が大きくなり造形物の変形が起きたり、光硬化時の重合度が上がらずに十分な強度が得られなかったり、耐熱性が低下してしまう等の問題が発生していた。光硬化による造形の後処理工程として、光や熱を加えて強度を向上させるポストキュア法も試みられたが、寸法精度の低下や変形の問題が発生していた。
【００１４】
また、容器に充填した液状樹脂材料全体の温度を高めておき、流動性を高める試みもされたが、熱により樹脂材料が劣化したり硬化が進んでしまったり、固化後の冷却で造形物が変形してしまう問題があった。
【００１５】
このため、複数層を積層して三次元造形物を形成する際、造形領域に層形成のための液状樹脂材料を劣化させることなく速やかに補充する方法が求められていた。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、液状の光硬化性樹脂を保持する容器と、前記液状の光硬化性樹脂を光硬化させた固体造形物を支持する基台と、前記基台を移動させるための移動部と、前記液状の光硬化性樹脂を光硬化させる光を発光する光源ユニットと、前記光源ユニットと前記基台の間に設けられ、前記液状の光硬化性樹脂と接する光透過窓とを備え、前記光透過窓は、前記液状の光硬化性樹脂と接する領域に親水性表面を有する、ことを特徴とする三次元造形装置である。
【００１７】
また、本発明は、液状の光硬化性樹脂を保持する容器と、前記液状の光硬化性樹脂を光硬化させた固体造形物を支持する基台と、前記基台を移動させるための移動部と、前記液状の光硬化性樹脂を光硬化させる光を発光する光源ユニットと、前記光源ユニットと前記基台の間に設けられ、前記液状の光硬化性樹脂と接する光透過窓とを備えた三次元造形装置を用いる三次元造形物の製造方法であって、前記光源ユニットを発光させて前記容器の内に保持された前記液状の光硬化性樹脂の一部を光硬化させた後に、前記基台を移動させ、前記液状の光硬化性樹脂を前記光透過窓に設けられた親水性表面と接触させながら、前記液状の光硬化性樹脂を前記光透過窓と前記固体造形物との間に補充する、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】
【００１８】
本発明によれば、複数層を積層して三次元造形物を形成する際、造形領域に層形成のための液状樹脂材料を劣化させることなく速やかに補充することができる。そのため、三次元造形物の形成に要する時間を、著しく短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第一の実施形態の断面図。
【図２】第一の実施形態のブロック図。
【図３】（ａ）実施例１の液滴実験の写真、（ｂ）比較例１の液滴実験の写真、（ｃ）比較例２の液滴実験の写真。
【図４】第二の実施形態の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２１】
尚、以下の説明では、固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、液状の光硬化性樹脂を光硬化させた固体造形物を、三次元造形物と記す。三次元造形物は、完成品に限らず、全層のうち途中層まで積層した半完成品も指す。
【００２２】
また、親水性表面とは、仮に表面を水と接触させたとすれば親水性を示すような表面状態を指す。つまり、表面の特性を表現しているのであって、装置の使用状態で表面が水と接触することを意味するものではない。
【００２３】
［第一の実施形態］
図１は、本発明の第一の実施形態にかかる三次元造形装置の構造を説明するため、装置の断面を模式的に示した図である。
【００２４】
（装置の構成）
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、６は親水性表面部、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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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の下側表面まで容器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の蓋として機能し、開閉可能である。
【００２８】
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る窓で、たとえばガラス板である。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、蓋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を形成しているが、装置外から不要な光が進入しない場合には、蓋全体を光透過窓と同じ材料で構成してもよい。
【００２９】
光透過窓４の下側表面には、後述するＵＶ光透過性の親水性表面部６が設けられている。
【００３０】
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レーザ等の紫外光源が用いられる。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４の下の所定位置にある液状光硬化性樹脂２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。
【００３１】
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とするのが望ましいが、近すぎると硬化した樹脂が光透過窓４に付着してしまう可能性がある。そこで、レンズ部９の焦点位置は、光透過窓４の下面から６０μｍ乃至１１０μｍ下方に設定するのが望ましい。
【００３２】
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、紫外光源と液晶シャッターの組み合わせや、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。
【００３３】
基台１１は、その上面に三次元造形物１４を載せて支持する台で、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。
【００３４】
図２は、三次元造形装置のブロック図である。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。
【００３５】
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、３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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
（三次元造形プロセス）
次に、上記の三次元造形装置を用いた三次元造形プロセスについて説明する。
【００４０】
まず、制御部２１は、不図示のセンサーを用いて、容器１内に所定量の液状光硬化性樹脂が収容されているか確認する。不足している場合には、樹脂供給部３を動作させ、容器１内を所定量の液状光硬化性樹脂２で満たす。
【００４１】
次に、制御部２１は、昇降部１３を動作させ、基台１１の上面の高さが光源ユニット１０の焦点位置よりもわずかに下になるように、基台１１の位置をセットする。たとえば、積層造形で三次元造形物を形成する際の一層の厚みを４０μｍとするとき、焦点位置よりも１０μｍ乃至３０μｍ下方に基台１１の上面が位置するように調整する。
【００４２】
制御部２１は、外部装置２２から入力された三次元造形モデル形状データに基づいて、積層造形プロセスで用いる各層の形状データ（スライスデータ）を作成する。
【００４３】
そして、光源ユニット１０を駆動して発光させ、三次元造形物の第一層目の形状データに基づいて変調された紫外光を、液状光硬化性樹脂２に照射する。照射された部位の液状光硬化性樹脂２が硬化し、基台１１上に、三次元造形物の第一層目部分が形成される。
【００４４】
次に、第二層目を形成するための準備として、制御部２１は昇降部１３を動作させ、第一層目部分が形成された基台１１を、４０μｍ下降させる。下降する基台１１と光透過窓４の間の空間には、周囲から液状光硬化性樹脂２が流入する。
【００４５】
本発明によれば、光透過窓４の下面、すなわち液状光硬化性樹脂２と接触する面が、親水性表面処理をされているため、液状光硬化性樹脂２の流動抵抗が低減されている。このため、液状光硬化性樹脂２の流入速度が速く、第二層目を形成するための準備工程の所要時間を短縮することが可能である。つまり、三次元造形物の製造する際に、光源ユニットを発光させて容器内に保持された液状の光硬化性樹脂の一部を光硬化させた後に、液状の光硬化性樹脂を光透過窓に設けられた親水性表面と接触させながら高速に補充するのである。
【００４６】
液状光硬化性樹脂２の流入すなわち補充が完了したタイミングで、制御部２１は、光源ユニット１０を駆動して、三次元造形物の第二層目の形状データに基づいて変調された紫外光を照射する。照射された部位の液状光硬化性樹脂２が硬化し、三次元造形物の第一層目の上に、第二層目部分が積層形成される。
【００４７】
以下、同様の工程を繰り返すことで、多数層を積層し、所望の形状の三次元造形物を形成することが可能である。
【００４８】
本発明によれば、光透過窓の下面にＵＶ光透過性の親水性処理を施すことにより、次の層形成のための液状光硬化性樹脂の注入を高速化できる。三次元造形物の形成に要する時間は、造形物の大きさや形状、使用する液状光硬化性樹脂の種類、温度等により変化するので、本発明による時間短縮の効果を普遍的な数値として表現するのは困難である。そこで、本発明と、本発明を非実施の装置との相対的な比較を行った。
【００４９】
（実施例１）
ＵＶ透過性のガラス基板に、リン酸カルシウム系セラミクスより成るＵＶ光透過性の親水性膜を蒸着することでガラス基板表面を親水性処理してから、光透過窓４として用いた。
【００５０】
親水性処理として、液状光硬化性樹脂と親和性の高い樹脂膜をあらかじめ付与することも可能であるが、リン酸カルシウム系セラミクスより成る膜は、ＵＶ光に対する透過性が高く、かつ耐久性にも優れるので、本発明を実施するうえで好適な材料である。
【００５１】
まず、あらかじめ洗浄されたＵＶ透過性のガラス基板を真空蒸着装置にセットし、５０度Ｃになるように加熱する。そして、２オングストローム／秒の蒸着レートで、１０ｎｍの厚みの下地層を蒸着した。次に、１．２×１０−２Ｐａの酸素を導入しつつ、全圧が２×１０−３Ｐａ以下の真空度でリン酸カルシウム電子銃を駆動し、２オングストローム／秒の蒸着レートで、１００ｎｍの厚みのリン酸カルシウム系セラミクス層を蒸着した。
【００５２】
このセラミクス層は、ＵＶ光をほとんど減衰することなく透過させることができる。
【００５３】
（比較例１）
ＵＶ透過性のガラス基板の表面を、フッ素形のコート材で撥水コートし、光透過窓４として用いた。
【００５４】
（比較例２）
ＵＶ透過性のガラス基板の表面を、有機溶剤と純水で洗浄したものを、光透過窓４として用いた。
【００５５】
まず、実施例１、比較例１、および比較例２のガラス基板に、液状光硬化性樹脂を滴下して液滴形状を観察する実験を行った。ガラス基板は、光透過窓４として図１の装置にセットされる時とは上下面を逆にして、２１．８度Ｃの環境下で、１００マイクロリットルのウレタンアクリレートを滴下し、基板上で液滴が安定した時点でその形状を観察した。
【００５６】
図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、各々、実施例１、比較例１、比較例２の液滴形状を横から観察する実験をした際の写真である。液滴の形状測定結果を、表１に示す。
【００５７】
【表１】
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表１で、液滴高さとは、ガラス基板面から液滴の頂点までの高さである。また、液滴直径とは、ガラス基板を上から見たときの液滴の直径である。
【００５８】
図３および表１から明らかなように、実施例１のガラス基板では、比較例１、比較例２のガラス基板に比べ、液状光硬化性樹脂の液滴が平坦になっている。リン酸カルシウム系セラミクスより成る親水性膜を被覆したことで、基板表面と液状光硬化性樹脂との親和性が高まり、液滴形状が平坦になったと言える。
【００５９】
次に、実施例１、比較例１、および比較例２のガラス基板を、図１の三次元造形装置の光透過窓４として用い、光透過窓が異なる点を除いて全て同一の条件下で３次元造形を行い、造形に要する時間を比較した。
【００６０】
実施例１の光透過窓を用いる場合、親水性表面処理をされているため、比較例１や比較例２と比較して液状光硬化性樹脂２の流動抵抗が低減され、基台を下降させた時の光硬化性樹脂溶の流入速度が１５％から２５％程度速いことが確認された。たとえば、層数７５０で底面が５ｃｍ×５ｃｍ、高さが３０ｍｍ程度の三次元物体を形成する場合、光硬化プロセスも含めた三次元造形に要する時間を、実施例１では比較例１に対して約６０％、比較例２に対して約４０％短縮することができた。
【００６１】
［第二の実施形態］
図４は、本発明の第二の実施形態にかかる三次元造形装置の構造を説明するため、装置の断面を模式的に示した図である。
【００６２】
（装置の構成）
第一の実施形態では、光透過窓は容器の蓋として機能したが、第二の実施形態では、光透過窓は容器の底に設けられている。また、第一の実施形態では、光透過窓の材料としてガラス板のように機密性の高い材料を用いたが、第二の実施形態では、たとえば酸素等のガスを透過する性質を備えた材料を用い、光透過窓近傍の液状光硬化性樹脂に光透過窓を通じてガスを供給する点が異なる。液状光硬化性樹脂として、たとえば酸素等のガスを含むと光硬化の感度が低下するラジカル重合型樹脂材料を使用すると、光透過窓近傍には硬化が阻害される領域が形成され、光透過窓に硬化物が付着しないという利点がある。
【００６３】
図４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、４４は光透過窓、５は遮光部、４６は親水性表面部、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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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）される液状の樹脂である。
【００６７】
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、たとえばＰＦＡ，ＰＴＦＥ，ＰＥなどの樹脂を材料とする板で構成される。
【００６８】
光透過窓４の近傍の液状光硬化性樹脂は、光透過窓４４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４４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。
【００６９】
光透過窓４の上側表面には、後述するＵＶ光透過性の親水性表面部４６が設けられている。
【００７０】
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。
【００７１】
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レーザ等の紫外光源が用いられる。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４の下の所定位置にある液状光硬化性樹脂２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、十分な強度の紫外光を照射されて硬化する。
【００７２】
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、近すぎるとガスにより硬化が阻害される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。
【００７３】
尚、光源ユニット１０としては、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、紫外光源と液晶シャッターの組み合わせや、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。
【００７４】
基台１１は、その下面に三次元造形物１４を吊り下げて支持する台で、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。
【００７５】
第二の実施形態の三次元造形装置のブロック図は、第一の実施形態で説明した図２と概ね共通するため、説明を省略する。
【００７６】
（三次元造形プロセス）
次に、第二の実施形態の三次元造形装置を用いた三次元造形プロセスを説明する。
【００７７】
まず、制御部２１は、不図示のセンサーを用いて、容器１内に所定量の液状光硬化性樹脂が収容されているか確認する。不足している場合には、樹脂供給部３を動作させ、容器１内を所定量の液状光硬化性樹脂２で満たす。
【００７８】
次に、制御部２１は、昇降部１３を動作させ、基台１１の下面の位置が光源ユニット１０の焦点よりもわずかに上になるように、基台１１の位置をセットする。たとえば、積層造形で三次元造形物を形成する際の一層の厚みを４０μｍとするとき、焦点位置よりも１０μｍ乃至３０μｍ上方に基台１１の下面が位置するように調整する。
【００７９】
制御部２１は、外部装置２２から入力された三次元造形モデル形状データに基づいて、積層造形プロセスで用いる各層の形状データ（スライスデータ）を作成する。
【００８０】
制御部２１は、光源ユニット１０を駆動して、三次元造形物の第一層目の形状データに基づいて変調された紫外光を照射する。照射された部位の液状光硬化性樹脂２が硬化し、基台１１の下面に、三次元造形物の第一層目部分が形成される。
【００８１】
次に、第二層目を形成するための準備として、制御部２１は昇降部１３を動作させ、第一層目部分が形成された基台１１を、４０μｍ上昇させる。上昇する基台１１と光透過窓４４の間の空間には、周囲から液状光硬化性樹脂２が流入する。
【００８２】
本発明によれば、光透過窓４の上面、すなわち液状光硬化性樹脂２と接触する面が、親水性表面処理をされているため、液状光硬化性樹脂２の流動抵抗が低減されている。このため、液状光硬化性樹脂２の流入速度が速く、第二層目を形成するための準備工程の所要時間を短縮することが可能である。
【００８３】
液状光硬化性樹脂２の流入が完了したタイミングで、制御部２１は、三次元造形物の第二層目の形状データに基づき、光源ユニット１０を駆動して、形状データに基づいて変調された紫外光を照射する。照射された部位の液状光硬化性樹脂２が硬化し、三次元造形物の第一層目の下に、第二層目部分が積層形成される。
【００８４】
以下、同様の工程を繰り返すことで、多数層を積層し、所望の形状の三次元造形物を形成することが可能である。
【００８５】
本発明によれば、光透過窓の下面に親水性処理を施すことにより、次の層形成のための液状光硬化性樹脂の注入を高速化できる。三次元造形物の形成に要する時間は、造形物の大きさや形状、使用する液状光硬化性樹脂の種類、温度等により変化するので、本発明による時間短縮の効果を普遍的な数値として表現するのは困難である。そこで、本発明を非実施の装置との相対的な比較を行った。
【００８６】
（実施例２）
ＵＶ透過性で、かつガス透過性のあるＰＦＡ基板にリン酸カルシウム系セラミクスより成るＵＶ光透過性の親水性膜を蒸着し、表面を親水性処理してから、光透過窓４４として用いた。
【００８７】
まず、あらかじめ洗浄されたＰＦＡ基板を真空蒸着装置にセットし、５０度Ｃになるように加熱する。そして、２オングストローム／秒の蒸着レートで、１０ｎｍの厚みの下地層を蒸着した。次に、１．２×１０−２Ｐａの酸素を導入しつつ、全圧が２×１０−３Ｐａ以下の真空度でリン酸カルシウム電子銃を駆動し、２オングストローム／秒の蒸着レートで、１００ｎｍの厚みのリン酸カルシウム系セラミクス層を蒸着した。
【００８８】
このセラミクス層は、ＵＶ光をほとんど減衰することなく透過させ、また酸素やオゾンのようなガスを透過させることができる。
【００８９】
（比較例３）
ＵＶ透過性で、かつガス透過性のあるＰＦＡ基板の表面を、有機溶剤と純水で洗浄し、光透過窓４４として用いた。
【００９０】
まず、実施例２、比較例３のＰＦＡ基板に、液状光硬化性樹脂を滴下して液滴形状を観察する実験を行った。ＰＦＡ基板は、光透過窓４４として図４の装置にセットされる時とは上下面を逆にして、２１．８度Ｃの環境下で、１００マイクロリットルのウレタンアクリレートを滴下し、基板上で液滴が安定した時点でその形状を観察した。
【００９１】
液滴の形状測定結果を、表２に示す。
【００９２】
【表２】
2018030278.tif 000004
表２で、液滴高さとは、ガラス基板面から液滴の頂点までの高さである。また、液滴直径とは、ガラス基板を上から見たときの液滴の直径である。
【００９３】
表２から明らかなように、実施例２のＰＦＥ基板では、比較例３のＰＦＥ基板に比べ、液状光硬化性樹脂の液滴が平坦になっている。リン酸カルシウム系セラミクスより成る親水性膜を被覆したことで、基板表面と液状光硬化性樹脂との親和性が高まり、液滴形状が平坦になったと言える。
【００９４】
さらに、ウレタンアクリレートの他に、液状光硬化性樹脂２として、アクリルアクリレート、ポリエステルアクリレートについても実験したが、両者とも、比較例３のＰＦＥ基板よりも実施例２のＰＦＥ基板の方が、液滴が平坦化することが分かった。
【００９５】
３種類の液状光硬化性樹脂について、実施例２のＰＦＥ基板で観測された液滴形状を表３に示す。
【００９６】
【表３】
2018030278.tif 000005
次に、実施例２、比較例３のＰＦＥ基板を、図４の三次元造形装置の光透過窓４４として用い、光透過窓が異なる以外は同一の条件下で３次元造形を行い、造形に要する時間を比較した。
【００９７】
実施例２の光透過窓を用いる場合、親水性表面処理をされているため、比較例３と比較して液状光硬化性樹脂２の流動抵抗が低減され、基台を上昇させた時の光硬化性樹脂溶の流入速度が２０％程度速いことが確認された。その結果、たとえば層数７５０で、底面が５ｃｍ×５ｃｍ、高さが３０ｍｍ程度の三次元物体を形成する場合、光硬化プロセスも含めた三次元造形に要する所要時間を、実施例２では比較例３に対して約５５％短縮することができた。
【００９８】
［その他の実施形態］
第一の実施形態では、光透過窓を容器の上部に配置し、第二の実施形態では、容器の底面に配置した。本発明の親水性表面処理をした光透過窓の配置は、これらの例には限られず、たとえば容器の側面に配置し、容器の横から光を入射させてもよい。その場合には、基台は上下方向ではなく、横方向に移動して、光透過窓との距離を調整すればよい。
【００９９】
これらのいずれの配置であっても、第一の実施形態のような機密性の高い窓材か、あるいは第二の実施形態のようなガス透過性のある窓材を用いることが可能である。
【０１００】
また、第一の実施形態および第二の実施形態では、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、この部分のみに親水性表面処理を行ったが、光路となる部分の周辺領域にも親水性表面処理を行ってもよい。
【符号の説明】
【０１０１】
１・・・容器／２・・・液状光硬化性樹脂／３・・・樹脂供給部／４・・・光透過窓／６・・・親水性表面部／１０・・・光源ユニット／１１・・・基台／１２・・・昇降アーム／１４・・・三次元造形物／４４・・・光透過窓／４６・・・親水性表面部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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