(57)【要約】【課題】光硬化性樹脂液に光線を照射して希望形状の立体モデルを造形するとき、造形中に生じる造形物の変形を防止すること、及び、光照射による造形直後に十分な強度を有する造形物を得ること。【解決手段】光硬化性樹脂液の液面に光線を照射するとき、光硬化性樹脂液面を、液面上部に設けた熱発生装置で加熱し、硬化反応速度を大とすることにより、強度が大きい光硬化性樹脂造形物を得ることができる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光硬化性樹脂液の液面に光線を照射して所望パターンの断面硬化層を得、次に該硬化層の上に光硬化性樹脂液を１層分供給することを繰り返すことによって、断面硬化層が積層一体化されて造形希望形状の立体モデルを造形する光硬化造形法において、光硬化性樹脂液面を、液面上部に設けた熱発生装置で加熱することを特徴とする光硬化造形法。
【請求項２】
熱発生装置が遠赤外線ヒータであることを特徴とする請求項１記載の光硬化造形法。
【請求項３】
熱発生装置が光硬化性樹脂液面を均すリコーターと一体に、光硬化性樹脂液面に接するように設けた熱板であることを特徴とする請求項１記載の光硬化造形法。
【請求項４】
光硬化性樹脂液の液面を３０℃以上６０℃以下の範囲で実質一定温度に制御して加熱することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光硬化造形法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光硬化性樹脂液に光線を照射することにより、所望の形状の樹脂造形物を形成する光硬化造形法に関する。より詳細には、本発明は光硬化性樹脂液を用いて、強度があり寸法精度に優れる樹脂造形物を製造するための光硬化造形法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光硬化造形方法では、造形しようとする立体モデルを複数の層にスライスして得られる断面群のデータに基づいて造形する。通常、最初に最下段の断面に相当する領域において、光硬化性樹脂液の液面に光線を照射する。すると光照射された液面部分の光硬化性樹脂液は光硬化し、立体モデルの一断面の硬化層が造形される。次いで、この断面硬化層の表面に未硬化状態の光硬化性樹脂液を所定の厚みでコートする。このとき、断面硬化層を所定の厚み分樹脂液に沈めてコートすることが一般的である。そして、この表面に所定パターンに沿ってレーザ光線走査を行ない、光照射したコート層部分を硬化させる。硬化した部分は、下部の断面硬化層に積層一体化される。以後、光照射工程で扱う断面を隣接する断面に切り替えながら、光照射と樹脂液コートを繰り返すことによって、所望の立体モデルを造形する。
【０００３】
この光造形技術は、設計の途中で外観デザインを検証するためのモデル、部品の機能性をチェックするためのモデル、鋳型を製作するための樹脂型、金型を製作するためのベースモデルなどのような複雑な三次元物体を容易に造形できることから注目を集めている。光硬化造形法の基本構成は特開昭５６−１４４４７８号公報、特開昭６２−３５９６６号公報等に開示されている。
【０００４】
光照射工程終了後、得られた樹脂造形物を造形浴から取り出し、付着した樹脂液を除去して目的物を得る。この状態の樹脂造形物は、光照射条件により、光硬化反応が不十分となり、造形物内部に未重合の光硬化性樹脂が含まれることがある。
【０００５】
樹脂造形物の形状が例えば片持ち構造のように、造形物自体の重さが下部構造に均しく支持されていない場合、造形物の強度が小さいと、造形中に造形物が変形し、目的とする形状の造形物が製造できないことがある。この対策として、光硬化性樹脂液を光硬化させる際に、光重合に必要な光エネルギーを十分に与え、硬化中及び硬化直後の強度の大きい造形物を製造することが考えられる。そのためにレーザ光線の強度を大とするには、装置が高価となりコスト面で不利であり、また、光エネルギーを多く与えるため光照射時間を長くすることは、樹脂造形物の造形時間が大となり生産性の低下の要因となる。
【０００６】
造形浴中に加熱装置をセットして、造形浴中の光硬化性樹脂液の温度を高め、光重合の反応速度を上げることにより、光硬化性樹脂硬化物の初期硬度を高める方法が知られているが、造形浴中の光硬化性樹脂液は、通常、月単位で長時間浴中に滞留するので、熱重合などの副反応を生じ易く、樹脂液が劣化するなどの問題がある。
【０００７】
硬化不足の造形物の硬化をより完全なものとするため、造形浴から取り出した樹脂造形物に紫外線を照射する、または、一定時間常温乃至加温状態に保って熟成する、或いはこれらの両方法を組合せて行なうなどの後硬化処理を行なうことが知られている。樹脂造形物は、後硬化処理中に変形し歪みを生じることがあり、この対策として、樹脂造形物が変形できないように枠等に固定して紫外線照射をしたり、金属粉中に詰めておいて加熱処理するなどの方法が知られている（特開２０００−２１１０３３号公報）。しかしながら、これらの方法は手間がかかるという問題があり、また、後硬化処理前の樹脂造形物製造中の変形防止にはこの方法は役にたたない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記した従来技術における欠点のない光硬化造形法を提供することである。より具体的には、本発明の目的は、光硬化性樹脂液にレーザ光線を照射して硬化反応を行なうときの反応速度を高めて、より硬化の進んだ樹脂造形物を得ようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成すべく本発明者は鋭意検討を重ねてきた。その結果、光硬化性樹脂液表面で、レーザ光線が照射され、光重合を生じるのは、液表面からの深さが１ｍｍ以内の極めて薄い範囲であり、この部分の温度を高めておくと光重合反応速度が大となって、硬化反応が加速され得られる樹脂造形物の強度が大となること、また、造形浴中の光硬化性樹脂液全体に対して加熱される液表面の樹脂液の割合は極めて少量であるから、副反応としての熱重合の影響は小さいこと、また、液表面の温度が高いこの部分の液粘度が小となって流動し易くなり、リコーターの均し効果が現れ易く、液表面がより水平となって光硬化造形物の表面の平滑化に役立つことを見出し、これらの知見に基づいて本発明を完成した。
【００１０】
すなわち、本発明は、
（１）　光硬化性樹脂液の液面をリコーターで均した後、該液面に光線を照射して所望パターンの断面硬化層を得、次に該硬化層の上に光硬化性樹脂液を１層分供給することを繰り返すことによって、断面硬化層が積層一体化されて造形希望形状の立体モデルを造形する光硬化造形法において、光硬化性樹脂液面を、液面上部に設けた熱発生装置で加熱することを特徴とする光硬化造形法である。
【００１１】
そして、本発明は、
（２）　熱発生装置が遠赤外線ヒータである前記（１）の光硬化造形法；
（３）　熱発生装置がリコーターと一体に、光硬化性樹脂液面に接するように設けた熱板である前記（１）の光硬化造形法；
（４）　光硬化性樹脂液の液面を３０℃以上６０℃以下の温度に制御して加熱する前記（１）〜（３）のいずれかの光硬化造形法；
を好ましい態様として包含する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明について詳細に説明する。本発明の光硬化造形法は、樹脂液面上部に熱発生装置を備え、これを用いて樹脂液面を加熱することを特徴とする。加熱部分は、樹脂液の表面から深さ１ｍｍ以上で、露光される面がカバーされることが必要であるが、加熱深さ１〜３ｃｍ、加熱面は樹脂液面全体であってもよい。樹脂液面上部に熱発生装置を備えた光硬化造形装置を使用すること以外は、従来公知の光硬化造形法と同じである。すなわち、造形希望形状の３次元データを、計算機で処理して、造形希望形状を複数の層にスライスした断面群を示すデータとして制御部に入力する。制御部は断面の形状に光照射し、硬化した断面を沈降させ、新規な樹脂液面を造り、次の断面の形状に光照射することを繰り返す一連の工程を制御する。光硬化造形法に用いる主な装置は、光硬化性樹脂液を入れた造形浴、造形浴内に昇降機付き支持台、光源、造形浴上部に光走査部、樹脂液上に液面の均し用のリコーター、計算機を内蔵した制御部及び制御データ生成部である。
【００１３】
光走査部は、ガルバノミラーを有し、制御部からの指令に応じて、光源からのレーザ光線を樹脂液面に所定のパターンに走査して、硬化樹脂層を造形する。光源としてレーザ光線ではなく、紫外線ランプを使用しパターン状に一度に照射して、硬化樹脂層を造形することもできる。造形浴内には、昇降機に接続した支持台を配置してあり、この上で硬化樹脂層が造形される。１層の硬化層が形成されると、制御部の指令により支持台を沈降させ、樹脂液を硬化樹脂層上に流入させる。造形浴中の光硬化性樹脂液の液面に接してリコーターが備えてあり、沈んでいる硬化樹脂層上に、１層分の樹脂液を被覆するようにリコーターを掃引する。これらの工程を反復実施して造形希望形状の硬化樹脂積層体を製造する。
【００１４】
本発明の光硬化造形法で使用する光硬化性樹脂液としては、光学的立体造形に用い得る光硬化性樹脂液が使用でき、その種類は特に制限されないが、ラジカル系光開始剤／アクリル系モノマーを主成分とするもの、カチオン系光開始剤／エポキシ系モノマー・ビニルエーテルモノマーを主成分とするものなどがある。重合開始反応及び重合連鎖反応等の化学反応は、反応温度が１０℃上昇すると反応速度は約２倍となることが知られている。２０℃上昇すると約４倍となる。反応速度に比例して重合体の分子量がさらに高分子量となり、造形物の強度を高めるのに有効である。
【００１５】
本発明で使用する熱発生装置は、成形浴中の光硬化性樹脂液の液面上部に設置する。液面上部とは、（ａ）液面に接した部分、または（ｂ）液面から２ｍｍ以上好ましくは３ｍｍ以上から約１００ｃｍまでの範囲である。熱発生装置は、紫外線〜可視光線を発生するものは、光開始反応を惹起する可能性があるので不適当であるが、樹脂液面の温度を３０〜６０℃に高めることが可能な装置であれば特に限定されない。但し、局部的にでも６０℃を超えて加熱されるおそれがある加熱装置は好ましくない。樹脂液全面を同時に加熱する場合は、熱発生装置として、遠赤外線ヒータを液面に均等に照射可能な位置に、１個または複数個設置するのが好ましい。設置に際しては、レーザ光線の照射を妨げない位置とする。樹脂液面の温度は、通常、温度センサーで感知し、３０〜６０℃の範囲内の所定温度に保持するように熱発生装置を制御する。温度の測定方法と温度制御方法は、公知の方法から適宜選択する。遠赤外線ヒータには、例えば板状や棒状のセラミックヒータ、遠赤外線ランプ等がある。ヒータに反射板を付けるか否か限定されない。熱発生装置は、液面を加熱するが、光造形装置のその他の部分はできるだけ加熱しないものであることが望ましい。
【００１６】
熱発生装置を液面に接して、または液面上約３ｃｍ以内に設置する場合は、液面を均すために掃引するリコーター装置に連結し、リコーターの駆動と同時に液面を加熱可能にするのが好ましい。この場合の熱発生装置は、リコーターと同じ幅を有する板状または棒状のものであり、電気を使用した発熱体を内蔵するのが好ましいが、ヒートポンプによる熱発生装置であってもよい。
液面に接触して、または、液面に近接して、加熱する場合の熱発生装置は、リコーターの掃引部に連結し、掃引均しへの影響がないようにする。また、リコーターを駆動していないときは、熱発生装置を液面から引上げることにより、液面を局部的に加熱し過ぎないようにするのが好ましい。液面に接触して液を加熱する場合の熱発生装置の、液と接触する面の材質は、フッ素樹脂等の非汚染性プラスチックまたはステンレス鋼、アルミニウム等の金属から選ぶことができるが、熱伝導率の高い金属の方が望ましい。
【００１７】
【実施例】
以下に図１を参照して本発明について具体的に説明する。しかしながら、本発明は図のものに何ら限定されない。図１は、光硬化造形法に使用する光硬化造形装置の概略図であって、造形浴（５）中に昇降機（３）に連結した支持台（４）、造形浴の光硬化性樹脂液（１１）の液面を水平に往復し、液面を均すリコーター（８）とこれに連結した熱発生装置（ａ）（９）、樹脂硬化用の紫外線レーザ光線を発生する光源（６）、液面に所定のパターンに光照射する光走査部（７）、液面上方にある熱発生装置（ｂ）（１０）、造形希望形状の３次元データを入力する計算機（１）、装置の各部分に指令を発する制御部（２）を示す。
【００１８】
実施例１、比較例１；
光硬化造形装置として、ソニー（株）製ＳＣＳ−３００Ｐ、樹脂液面上４０ｃｍに熱発生装置として遠赤外線セラミックヒータ（オーエムヒーター（株）製；３２５Ｗ）を設置し、光硬化性樹脂液として、ＪＳＲ（株）製デソライトＳＣＲ７３５を使用し、樹脂液底部温度２０℃、樹脂液表面温度５０℃に保持しながら、造形時間１２０分で、物性評価用試験片（Ａ）（１２０×１０×４（ｍｍ）の直方体）を、実施例１として造形した。次に、比較例１として、同じ光硬化造形装置を用い、熱発生装置を使用しないで、樹脂液温度２０℃とした外は、試験片（Ａ）の造形と同様にして、同一条件で、物性評価用試験片（Ｐ）（比較例用）を造形した。造形直後の試験片（Ａ）と試験片（Ｐ）を用いて、曲げ弾性率をＪＩＳ−Ｋ　７１７１に準じて測定した。更に、同じ試験片を、２４時間片持ち状態で放置したときの変形量（水平からの低下）を測定した。結果を表１に示す。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
この結果、本発明の方法により得た試験片（Ａ）は、従来の方法により得た試験片（Ｐ）に比較して曲げ弾性率が約２倍以上大きく優れており、硬化反応が進んでいることが判る。また、試験片（Ａ）は、試験片（Ｐ）に比較して、片持ちしたときの変形量が三分の一以下と優れていた。
【００２１】
実施例２、比較例２；
光硬化造形装置として、ソニー（株）製ＳＣＳ−３００Ｐ、リコーターの掃引具の前部に温度５０℃に調節した加熱板（幅５ｃｍ、掃引方向の幅３０ｃｍ）を樹脂液面に接して設置し、光硬化性樹脂液として、ＪＳＲ（株）製デソライトＳＣＲ７１０を使用し、樹脂液内部温度は２０℃、造形時間１２０分で、物性評価用試験片（Ｂ）（１２０×１０×４（ｍｍ）の直方体）を、実施例２として造形した。次に、比較例２として、同じ光硬化造形装置を用い、加熱板を使用しない以外は先の試験片（Ｂ）の造形と同様にして、同一条件で、物性評価用試験片（Ｑ）（比較例用）を造形した。試験片（Ｂ）と試験片（Ｑ）の造形直後の曲げ弾性率をＪＩＳ−Ｋ　７１７１に準じて測定した結果、及び、同じ試験片を２４時間片持ち状態で放置したときの変形量（水平からの低下）を測定した。結果を表１に示す。
【００２２】
【表２】
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【００２３】
この結果、本発明の方法により得た試験片（Ｂ）は、従来の方法により得た試験片（Ｑ）に比較して曲げ弾性率が約１．８倍大であり、硬化反応が進んでいることが判る。また、片持ちしたときの変形量は、試験片（Ｑ）に比較して試験片（Ｂ）は、約１／３小であった。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の光硬化造形法による造形物は、光硬化造形した直後、後硬化処理前の状態において弾性率が大、片持ち変形量も小であり、造形精度も優れている。このため、光硬化造形中の強度が十分あるため、造形中に造形物が自重で変形する恐れはない。光硬化造形直後の造形物を取り出して、樹脂液で濡れている造形物から樹脂液を拭き取り、または洗浄液で洗って乾燥することで、十分な強度を有する造形物を得ることができる。また、場合により、更に後硬化処理を行うときも、次工程の後硬化処理にかけるまでの工程中に形状が変形することがなく、後硬化処理中においても変形することが少ないため、寸法精度が優れた造形物を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光硬化造形法で用いる装置の一例を示す概略図である。
【図２】試験片の形状図。
【符号の説明】
１　計算機
２　制御部
３　昇降機
４　支持台
５　造形浴
６　光源
７　光走査部
８　リコーター
９　熱発生装置（ａ）
１０　熱発生装置（ｂ）
１１　光硬化性樹脂液
１２　液面
１３　造形物
【図１】
2004122580.tif 000005
【図２】
2004122580.tif 000006