(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光硬化樹脂に光を照射して立体オブジェクトを造形する光造形装置であって、
上面に光硬化樹脂が塗布される透光性のシートと、
前記シートの下面側から前記光硬化樹脂に光を照射するプローブと、
前記立体オブジェクトを該立体オブジェクトの下端を前記シートの上面に向けて保持して、該上面に対して近接及び離間する保持部と、
前記立体オブジェクトの下端に当接し、前記シートの上面に対して平行に移動するスキージと、
前記スキージと一体に設けられ、前記シートの上面に光硬化樹脂を塗布するノズルとを備えることを特徴とする光造形装置。
【請求項２】
前記スキージは、前記立体オブジェクトの下端に下方から当接することを特徴とする、請求項１に記載の光造形装置。
【請求項３】
前記シート、前記プローブ、前記保持部及び前記スキージを収容する箱体を備え、
前記箱体の底面に着脱可能なトレイを備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光造形装置。
【請求項４】
光硬化樹脂に光を照射して立体オブジェクトを造形する光造形方法であって、
立体オブジェクトを透光性のシートの上面に近接して、前記立体オブジェクトの下端を前記シートの上面に塗布された光硬化樹脂に接触することと、
前記シートの下面側から前記光硬化樹脂に光を照射することと、
前記立体オブジェクトを前記シートの上面から離間し、前記立体オブジェクトの下端にスキージを当接し、該スキージを前記シートの上面に対して平行に一方向に移動することと、
前記移動することの後に、前記スキージを前記一方向の逆方向に移動するとともに、前記スキージに固定されたノズルにより前記シートの上面に光硬化樹脂を塗布することと
を含むことを特徴とする光造形方法。
【請求項５】
前記移動することでは、前記スキージを前記立体オブジェクトの下端に下方から当接することを特徴とする、請求項４に記載の光造形方法。
【請求項６】
前記光硬化樹脂は透光性であり、
前記シートの上面に塗布された前記光硬化樹脂の下方からの光の透光率をｒとし、前記光硬化樹脂を完全に硬化させるために必要な光量をｘとするとき、前記シートの下面側から照射される光量は、ｘより小さく、ｘ／（１＋ｒ）よりも大きいことを特徴とする、請求項４又は５に記載の光造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光硬化樹脂に光を照射して立体オブジェクトを造形する光造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
三次元ＣＡＤデータに基づいて立体オブジェクトを造形する光造形装置（所謂、３Ｄプリンタ）が、製造業を中心に医療、教育、さらには先端研究の分野で広く普及している。
【０００３】
３Ｄプリンタは、例えば光造形法により、すなわち液状の光硬化樹脂（樹脂）を５００μｍ程度の厚さの層状に広げ、その樹脂（樹脂層）に紫外線等の光を照射して硬化させることで立体オブジェクトの断面層を造形し、これを積み重ねることで立体オブジェクトを造形する。ここで、樹脂層は、スキージを用いて、すなわちスキージの先端をその表面に当接し、一方向に移動して表面に余剰する樹脂を掻き取ることで、表面（断面層の境界）が平面となる。しかし、スキージを逆方向に移動する際にスキージに付着した樹脂が樹脂層に戻ることで、樹脂層の表面に凹凸が生じ、立体オブジェクトの造形精度が劣化するという問題がある。
【０００４】
上記の問題に対し、例えば特許文献１には、樹脂層から離間して、その表面に等しい高さの平面部を設け、その平面部上をスキージを移動することで付着した樹脂を平面部上に付着して除去し、それからスキージを用いて樹脂層の表面を平坦に広げる構成の３Ｄプリンタが開示されている。また、例えば特許文献２には、樹脂層から離間して除去装置を配置し、スキージを樹脂層を超えて往復移動させ、スキージがその移動の向きを変える際に除去装置を用いて付着した樹脂を除去する構成の３Ｄプリンタが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２１８７０５号公報
【特許文献２】特開２００８−１３７２５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、立体オブジェクトを精度良く造形する光造形装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の光造形装置は、光硬化樹脂に光を照射して立体オブジェクトを造形する光造形装置であって、上面に光硬化樹脂が塗布される透光性のシートと、シートの下面側から光硬化樹脂に光を照射するプローブと、立体オブジェクトをその立体オブジェクトの下端をシートの上面に向けて保持して、その上面に対して近接及び離間する保持部と、立体オブジェクトの下端に当接し、シートの上面に対して平行に移動するスキージと、を備えることを特徴とする。
【０００８】
これによれば、保持部をシートの上面から離間し、保持部が保持する立体オブジェクトの下端にスキージを当接し、そのスキージをシートの上面に対して平行に移動することで、立体オブジェクトの下端から余剰する光硬化樹脂を削ぎ落として、その下端をシートの上面に対して平行且つ平坦に成形することが可能となる。
【０００９】
本発明の光造形装置は、スキージは、立体オブジェクトの下端に下方から当接することを特徴とする。
【００１０】
これによれば、立体オブジェクトの下端から削ぎ落とした光硬化樹脂は落下する為、立体オブジェクトに戻ることなく、その下端を平坦に成形することが可能となる。
【００１１】
本発明の光造形装置は、スキージと一体に設けられ、シートの上面に光硬化樹脂を塗布するノズルをさらに備えることを特徴とする。
【００１２】
これによれば、スキージを一方向に移動することで立体オブジェクトの下端を平坦に成形し、これに続いてスキージを逆方向に移動して、スキージに固定されたノズルによりシートの上面に光硬化樹脂を塗布することで、効率良く立体オブジェクトを造形することが可能となる。
【００１３】
本発明の光造形装置は、シート、プローブ、保持部及びスキージを収容する箱体を備え、箱体底面の保持部の直下に着脱可能なトレイをさらに備えることを特徴とする。
【００１４】
これによれば、スキージによって削ぎ落とされた樹脂片がトレイに落下する。トレイを取り外して清掃することで、残存する樹脂片による汚れをなくすことが可能となる。
【００１５】
本発明の光造形方法は、光硬化樹脂に光を照射して立体オブジェクトを造形する光造形方法であって、立体オブジェクトを透光性のシートの上面に近接して、立体オブジェクトの下端をシートの上面に塗布された光硬化樹脂に接触することと、シートの下面側から光硬化樹脂に光を照射することと、立体オブジェクトをシートの上面から離間し、立体オブジェクトの下端にスキージを当接し、そのスキージをシートの上面に対して平行に移動することと、を含むことを特徴とする。
【００１６】
これによれば、立体オブジェクトの下端にスキージを当接し、そのスキージをシートの上面に対して平行に移動することで、立体オブジェクトの下端から余剰する光硬化樹脂を削ぎ落として、その下端をシートの上面に対して平行且つ平坦に成形することが可能となる。
【００１７】
本発明の光造形方法は、移動することでは、スキージを立体オブジェクトの下端に下方から当接することを特徴とする。
【００１８】
これによれば、立体オブジェクトの下端から削ぎ落とした光硬化樹脂は落下する為、立体オブジェクトに戻ることなく、その下端を平坦に成形することが可能となる。
【００１９】
本発明の光造形方法は、スキージを一方向に移動し、移動することの後に、スキージを一方向の逆方向に移動するとともに、スキージに固定されたノズルによりシートの上面に光硬化樹脂を塗布することとさらに含むことを特徴とする。
【００２０】
これによれば、スキージを一方向に移動することで立体オブジェクトの下端を平坦に成形し、これに続いてスキージを逆方向に移動して、スキージに固定されたノズルによりシートの上面に光硬化樹脂を塗布することで、効率良く立体オブジェクトを造形することが可能となる。
【００２１】
本発明の光造形方法は、光硬化樹脂は透光性であり、シートの上面に塗布された光硬化樹脂の下方からの光の透光率をｒとし、その光硬化樹脂を完全に硬化させるために必要な光量をｘとするとき、シートの下面側から照射される光量は、ｘより小さく、ｘ／（１＋ｒ）よりも大きいことを特徴とする。
【００２２】
これによれば、ある一層の光樹脂を硬化させる際に、上に隣接する層の光樹脂が完全に硬化しておらず、２層の接合によって変形が生じることがない。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の光造形装置によれば、立体オブジェクトを精度良く造形することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本実施形態に係る３Ｄプリンタの概略構成を示す図である。
【図２】図２は、本実施形態に係る３Ｄプリンタの部材配置を示す平面図である。
【図３】図３は、３Ｄプリンタの動作を説明するための図（その１）である。
【図４】図４は、３Ｄプリンタの動作を説明するための図（その２）である。
【図５】図５は、３Ｄプリンタの動作を説明するための図（その３）である。
【図６】図６は、３Ｄプリンタの動作を説明するための図（その４）である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の一実施形態について説明する。
【００２６】
図１に、一実施形態に係る３Ｄプリンタ１０の概略構成を示す。３Ｄプリンタ１０は、光造形法により立体オブジェクト２０を造形する３Ｄプリンタであり、一例として、シート１、光源２、保持部３、ノズル４、スキージ５、移動部６、制御装置７及びトレイ８を含んで構成される。なお、立体オブジェクトの基材となる光硬化樹脂（単に樹脂と呼ぶ）として、例えば紫外線を照射することで硬化する液体樹脂を使用する。
【００２７】
シート１は、ビニル等の透光性の素材から構成された部材である。後述するように、シート１の上面に樹脂が塗布される（樹脂層１２が設けられる）。シート１は、両端がローラ１ａに巻かれており、ローラ１ａが第１駆動装置（不図示）によってシートを引張する（図中、矢印ｅ１の方向）ことでシート１の上面が水平に保たれる。
【００２８】
光源２は、シート１の下方に配置される。光源２は、半導体レーザ等により紫外線（単に光と呼ぶ）ＩＬを発生し、プローブ（不図示）を介してシート１の下面からその上面の樹脂層１２に照射する。光ＩＬは、プローブ（不図示）に設けられたシャッタ（不図示）を開く（閉じる）ことで、出射する（止められる）。
【００２９】
保持部３は、造形中の立体オブジェクト２０をその下端をシート１の上面に向けて保持して、第２駆動装置（不図示）によりシート１の上面に近接及び離間する方向（図中、矢印ｅ２の方向）に駆動される。
【００３０】
ノズル４は、液状の樹脂を吐出して、シート１の上面に塗布する。樹脂は、装置外から供給パイプを介して供給される。ノズル４は、後述する移動部６の上面に、その先端を下方に向けて固定されている。移動部６には樹脂を保持するタンクが設けられ、タンクからノズル４に向けてパイプ（不図示）を介して樹脂が送られる。
【００３１】
スキージ５は、後述する移動部６の上面に上方に先端を向けて固定された板状部材である。スキージ５は、保持部３が保持する立体オブジェクト２０の下端に下方から当接し、シート１の上面に平行な方向に移動することで（例えば、図３参照）、その下端から余剰する樹脂を削ぎ落とし、立体オブジェクト２０の下端を平坦に成形する。
【００３２】
移動部６は、ノズル４及びスキージ５を保持して、シート１の上面に平行な方向（図中、矢印ｅ３の方向）に延設されたスライドレール（不図示）上を移動する。移動部６の移動により、それに保持されたノズル４及びスキージ５がシート１の上面又は保持部３に保持された立体オブジェクト２０に対して移動する。
【００３３】
シート１は、移動部６の本体よりも上方にあるが、ノズル４及びスキージ５に対しては下方にあることが必要である。このため、図に示すように、シート１がノズル４及びスキージ５の下側に巻かれて移動部６を貫通（図中、左右方向）している。なお、シート１を図のように屈曲させずに平面状とし、ノズル４及びスキージ５を上方に設けてもよい。
【００３４】
制御装置７は、一例としてコンピュータにより構成され、例えばその記憶装置に記憶された三次元ＣＡＤデータに従って３Ｄプリンタ１０の構成各部を統括制御する。特に、光源２のプローブ（不図示）のシャッタ（不図示）の開閉（すなわち光ＩＬの射出）、ローラ１ａを駆動する第１駆動装置（不図示）、保持部３を駆動する第２駆動装置（不図示）、ノズル４からの樹脂の吐出、及び移動部６の移動を制御する。
【００３５】
トレイ８は、光源２よりもさらに下方に置かれている。図に示した部材の全て（制御装置７を除く）が箱体（不図示）に収容されている。箱体は前面に扉を有し、開扉してトレイ８を取り出すことが可能である。（トレイ８は箱体の底面に単に置かれている。）
【００３６】
図２は、本実施形態に係る３Ｄプリンタの部材配置を示す平面図である。箱体９が保持部３よりも大きく、保持部３に保持された立体オブジェクト２０の下面から削ぎ落とされた樹脂片は、箱体９に落下する。（なお、樹脂片の一部はシート１に落下することもある。）
【００３７】
３Ｄプリンタ１０による立体オブジェクト２０の造形手順について説明する。
【００３８】
図３に示すように、シート１の上面に樹脂が塗布され（樹脂層１２が設けられ）、シート１の上面のワーク領域（樹脂層１２が設けられる領域）から移動部６が待避し、保持部３は造形中の立体オブジェクト２０を保持してシート１の上面から上方に待避しているものとする。
【００３９】
図４に示すように、制御装置７は、第２駆動装置（不図示）を制御して保持部３を下方（矢印ｅ２の方向）に駆動し、保持部３が保持する立体オブジェクト２０をシート１の上面に近接して、その下端をシート１上に設けられた樹脂層１２に接触する。それにより、液状の樹脂層１２が造形中の立体オブジェクト２０の下端に付着する。
【００４０】
この状態において、制御装置７は、立体オブジェクトの三次元ＣＡＤデータ（から生成される断面データ）に基づいてプローブのシャッタを開閉して、光ＩＬをシート１の下面側からシート１を介してその上面上の樹脂層１２に照射する（樹脂層１２を走査する）。樹脂層１２のうちの光ＩＬが照射された部分は硬化を始め、立体オブジェクト２０の一断面層を形成して、造形中の立体オブジェクト２０に一体化する。
【００４１】
次に、制御装置７は、図５に示すように、第２駆動装置（不図示）を制御して保持部３を上方（矢印ｅ２の方向）に駆動し、立体オブジェクト２０をシート１の上面から離間する。制御装置７は、移動部６を制御して、シート１と保持部３との間をシート１の上面に平行な方向（矢印ｅ３の方向）移動する。それにより、スキージ５の先端（上端）が立体オブジェクト２０の下端に当接し、その状態でスキージ５がシート１の上面に対して平行に移動することで、立体オブジェクト２０の下端から余剰する樹脂が削ぎ落とされる。なお、削ぎ落とした樹脂は（スキージを伝って）トレイ８に落下する。
【００４２】
移動部６（スキージ５）がワーク領域を超えると、制御装置７は、第２駆動装置（不図示）を制御して保持部３をさらに上方（図６中、矢印ｅ２の方向）に駆動し、立体オブジェクト２０をスキージ５から離間する（図６参照）。
【００４３】
次に、制御装置７は、図６に示すように、移動部６を制御して、シート１と保持部３との間を先と逆方向に（図中、矢印ｅ３の方向）移動するとともに、移動部６に保持されたノズル４からシート１の上面に樹脂を吐出する。これにより、シート１上に、例えば厚み５００μｍの樹脂層１２が設けられる。移動部６を一方向に移動する際に、スキージ５を用いて立体オブジェクト２０の下端から余剰する樹脂を削ぎ落とし、これに続いて移動部６を逆方向に移動する際に、ノズル４によりシート１の上面に樹脂を吐出することで、効率良く立体オブジェクトを造形することができる。
【００４４】
制御装置７は、さらに移動部６を制御して移動させる。これにより、移動部６が図３の位置に移動するとともに、保持部３の直下に移動部６のない位置に樹脂層１２が置かれる。（すなわち、図３の状態となる。）
【００４５】
この際、樹脂層１２を保持部３の直下でなく、例えば図の左側に寄った箇所に形成してもよい。この場合においては、ローラ１ａを作動させて、形成された樹脂層１２を保持部３の直下に移動した（図３に示す状態を形成した）後に、立体オブジェクト２０と樹脂層１２を接触させ、光照射を行う。
【００４６】
上述の手順を繰り返すことで、立体オブジェクト２０の断面層を繰り返し造形し、これを積み重ねることで立体オブジェクト２０が造形される。
【００４７】
以上詳細に説明したように、本実施形態の３Ｄプリンタ１０によれば、上面に樹脂が塗布される透光性のシート１、シート１の下面側から樹脂（樹脂層１２）に光ＩＬを照射する光源２（プローブ）、立体オブジェクト２０をその下端をシート１の上面に向けて保持して、その上面に対して近接及び離間する保持部３、及び立体オブジェクト２０の下端に当接し、シート１の上面に対して平行に移動するスキージ５を含んで構成される。それにより、保持部３をシート１の上面から離間し、保持部３が保持する立体オブジェクト２０の下端にスキージ５を当接し、そのスキージ５をシート１の上面に対して平行に移動することで、立体オブジェクト２０の下端から余剰する樹脂を削ぎ落として、その下端をシート１の上面に対して平行且つ平坦に成形することが可能となる。
【００４８】
また、本実施形態の立体オブジェクトを造形する光造形方法によれば、立体オブジェクト２０を透光性のシート１の上面に近接して、立体オブジェクト２０の下端をシート１の上面に塗布された樹脂１２に接触し、シート１の下面側から樹脂１２に光ＩＬを照射し、立体オブジェクト２０をシート１の上面から離間し、立体オブジェクト２０の下端にスキージ５を当接し、そのスキージ５をシート１の上面に対して平行に移動する。それにより、立体オブジェクト２０の下端から余剰する樹脂１２を削ぎ落として、その下端をシート１の上面に対して平行且つ平坦に成形することが可能となる。また、削ぎ落とされた樹脂片をトレイ８によって回収することができる。
【００４９】
また、本実施形態の３Ｄプリンタ１０では、スキージ５は立体オブジェクト２０の下端に下方から当接し、その下端に余剰する樹脂を削ぎ落とす。それにより、削ぎ落とした樹脂は（スキージ５を伝って）落下する為、立体オブジェクト２０に戻ることなく、その下端を平坦に成形することが可能となる。その結果、立体オブジェクトを精度良く造形することが可能となる。
【００５０】
なお、一層の樹脂を硬化させる際の光ＩＬの照射量を、樹脂が完全には硬化しない少量としてもよい。ただし、樹脂が透光性を有し、直下層の樹脂を硬化させる際の光ＩＬの照射の際に直下層の樹脂を通った光ＩＬによって硬化するようにする、具体的には、光硬化樹脂の下方からの光の透光率をｒとし、光硬化樹脂を完全に硬化させるために必要な光量をｘとするとき、光ＩＬの照射量は、ｘより小さく、ｘ／（１＋ｒ）よりも大きいようにする。これにより、液状の樹脂層は完全には硬化していない層と接するため、隣接する層（完全には硬化していない層）の表面が平面状から歪んでいても、その影響による変形が小さくなる。また、光ＩＬの最初の照射と直下層の樹脂を通った光ＩＬの照射とを合わせて、樹脂を硬化させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の光造形装置は、立体オブジェクトを精度良く造形するのに好適である。多くの造形物生産者による利用が考えられる。
【符号の説明】
【００５２】
１    シート
２    光源
３    保持部
４    ノズル
５    スキージ
６    移動部
７    制御装置
８    トレイ
９    箱体
１０    ３Ｄプリンタ
１２    樹脂層
２０    オブジェクト
ＩＬ    光
【要約】
【課題】立体オブジェクトを精度良く造形する光造形装置を提供する。
【解決手段】３Ｄプリンタ１０は、上面に樹脂が塗布される透光性のシート１、シート１の下面側から樹脂（樹脂層１２）に光ＩＬを照射する光源２（プローブ）、立体オブジェクト２０をその下端をシート１の上面に向けて保持して、その上面に対して近接及び離間する保持部３、及び立体オブジェクト２０の下端に当接し、シート１の上面に対して平行に移動するスキージ５を含んで構成される。それにより、保持部３をシート１の上面から離間し、保持部３が保持する立体オブジェクト２０の下端にスキージ５を当接し、そのスキージ５をシート１の上面に対して平行に移動することで、立体オブジェクト２０の下端から余剰する樹脂を削ぎ落として、その下端をシート１の上面に対して平行且つ平坦に成形することが可能となる。
【選択図】図１【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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