(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光硬化性液状樹脂を貯めておく液槽と、
液面内の位置に対応して露光するか露光しないかを選択することが可能な露光装置と、
液槽内で昇降する昇降台と、
液面に沿って走行するリコータを備えており、
そのリコータが、幅方向の少なくとも一方の端部近傍が中央近傍よりも走行方向の後方に位置するように、中央近傍から当該端部に向けて傾斜していることを特徴とする光造形装置。
【請求項２】
そのリコータが、間に光硬化性液状樹脂を貯めておく２枚のリコータブレードを備えていることを特徴とする請求項１の光造形装置。
【請求項３】
その２枚のリコータブレードが平行であることを特徴とする請求項２の光造形装置。
【請求項４】
そのリコータが、液面に垂直な方向から見ると、台形であることを特徴とする請求項１の光造形装置。
【請求項５】
そのリコータが、幅方向の両端近傍に対して幅方向の中央近傍では走行方向に進出していることを特徴とする請求項１の光造形装置。
【請求項６】
リコータの走行中に、時刻の経過とともにリコータ自体の走行方向に対する傾斜角度を変えることを特徴とする請求項１の光造形装置。
【請求項７】
そのリコータが、硬化層の沈降後に最初に走行するときには低速で走行し、ついで逆方向に高速で走行することを特徴とする請求項１の光造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光硬化性液状樹脂と光を利用して３次元形状を造形する光造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光造形装置は、光硬化性液状樹脂を貯めておく液槽と、液面内の位置に対応して露光するか露光しないかを選択することが可能な露光装置と、液槽内で昇降する昇降台と、液面に沿って走行するリコータを備えている。
【０００３】
露光装置は、例えば光ビームの射出装置と、その光ビームを液面内の任意の位置に向けて反射する照射位置制御装置を備えている。あるいは、透過型の液晶パネル越しに平行光を照射する光源を備えている。いずれも、液面内の位置に対応してその位置を露光するか露光しないかを選択することが可能となっている。
光硬化性液状樹脂の液面を露光すると、液面が硬化して硬化層が形成される。最初の硬化層は、液槽内で昇降する昇降台に固着するように造形される。昇降台を一層分だけ沈めると昇降台に固着している硬化層も沈み、液面下に移動する。
光造形装置の造形精度が向上しており、１層の厚みはきわめて薄い。一層分だけ硬化層を沈めても、光硬化性液状樹脂の表面張力によって、沈められた硬化層の表面に光硬化性液状樹脂が流入しない。すなわち、一層分だけ硬化層を沈めても、硬化層の表面は光硬化性液状樹脂で被覆されない。光造形装置では、次の層の露光に備えて、硬化層の表面を光硬化性液状樹脂で被覆しておく必要がある。
そのために、液面に沿って走行するリコータが用意されている。リコータが液面に沿って走行すると、先に硬化して沈められた硬化層の表面を光硬化性液状樹脂で被覆することができる。
光造形装置では、液面の露光と昇降台の沈降とリコータの走行を１サイクルとする動作を繰り返すことによって、昇降台の上に複数の硬化層が積層されて一体化した光造形物を造形する。各層の露光領域を制御することによって、任意の３次元形状を造形することができる。
【０００４】
硬化層が広い表面積を有する場合、リコータが液面に沿って走行している間にリコータの前面にあるべき光硬化性液状樹脂が枯渇し、硬化層の表面に未コート部分が残ることがある。そこで、特許文献１に、リコータの前面を走行方向に対して幅方向の中央に向けて傾斜させたリコータが開示されている。走行方向に対して幅方向の中央に向けて傾斜しているとは、リコータの幅方向の両端近傍に対して幅方向の中央近傍では走行方向から後退していることをいい、リコータの前面が走行方向に開いたV字形状をしていることをいう。
リコータの前面が走行方向に開いたV字形状をしていると、リコータの側方端部から流出する光硬化性液状樹脂の量を少なく抑えられることから、リコータの前面にあるべき光硬化性液状樹脂が枯渇しづらい。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１０３４５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、光硬化性液状樹脂の改良によって、光造形物の透明度が向上している。光造形物の透明度が向上すると、造形物の表面に露出する３次元形状のみならず、造形物の内部に形成されている３次元形状まで観測することが可能なることから、一層の透明化が望まれている。
透明度の向上とともに泡の存在が観測され始め、さらに透明度を向上させるためには、泡を含まない造形物あるいは泡の混入が少ない造形物を造形する必要があることがわかってきた。
本発明では、泡の混入が少ない造形物を造形することが可能な光造形装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、光硬化性液状樹脂を貯めておく液槽と、液面内の位置に対応して露光するか露光しないかを選択することが可能な露光装置と、液槽内で昇降する昇降台と、液面に沿って走行するリコータを備えている光造形装置に関する。
本発明の光造形装置では、リコータが、走行方向に対して液槽の側方に向けて傾斜していることを特徴とする。
ここで、走行方向に対して液槽の側方に向けて傾斜しているとは、前記した従来のリコータとは逆に、リコータの幅方向の端部近傍が走行方向から後退していることをいう。幅方向の一方の端部から他方の端部に向けて一様に後退していることもあるし、幅方向の中央部で進出して両端部近傍で後退していること（走行方向に閉じたV字型に相当する）もある。すなわち、リコータが、幅方向の少なくとも一方の端部近傍が中央近傍よりも走行方向の後方に位置するように、中央近傍から当該端部に向けて傾斜していることをいう。
【０００８】
リコータの前面が走行方向に対して液槽の側方に向けて傾斜していると、硬化層の表面に導入される光硬化性液状樹脂に泡や異物が混入していると、その泡や異物は液槽の側方に押しやられ、造形領域から押し出される。泡や異物の混入が少なく、透明度に優れた光造形物を造形することが可能となる。
【０００９】
リコータは、１枚のリコータブレードを備えているタイプであってもよいが、２枚のリコータブレードの間に光硬化性液状樹脂を貯めておくタイプのものであってもよい。２枚のリコータブレードの間に光硬化性液状樹脂を貯めた状態で走行することによって、大面積の硬化層の表面に導入する光硬化性液状樹脂が枯渇しないようにしたリコータが開発されている。１枚のリコータブレードを備えているタイプのみならず、２枚のリコータブレードの間に光硬化性液状樹脂を貯めておくタイプのリコータであっても、走行方向に対して液槽の側方に向けて傾斜していると、泡や異物の混入が少なく、透明度に優れた造形物を造形することが可能となる。
【００１０】
２枚のリコータブレードの間に光硬化性液状樹脂を貯めておくタイプのリコータの場合、２枚のリコータブレードがともに傾斜した状態で平行に伸びていることが好ましい。
透明度に優れた光造形物を造形することができる。
【００１１】
液面に直交する方向から見たときに、リコータが台形であることが好ましい。あるいは幅方向の両端近傍に対して幅方向の中央近傍が走行方向に進出していることが好ましい。
この場合、リコータの走行方向が左右逆転しても、泡や異物が押しやられる方向が同一であり、常に同一方向に泡や異物が押しやられる。側方に押しやられた泡や異物が造形領域に戻されることがない。
【００１２】
リコータが、走行方向に対する傾斜角度を変えることも好ましい。すなわち、リコータの走行中に、時刻の経過とともにリコータ自体の走行方向に対する傾斜角度を変えることも好ましい。走行中は傾斜した状態で走行する一方、走行ストロークの端部に至ると傾斜角を変えて走行方向に直交する角度になると、無駄な液面が最小限に抑えられる。
【００１３】
硬化層の沈降後に最初にリコータが走行するときには低速で走行し、ついでリコータが逆方向に高速で走行することも効果的である。
沈降後に最初にリコータが走行するときには低速で走行するようにすると、硬化層表面に導入される光硬化性液状樹脂に泡が混入することが少ない。ただし、混入する泡は少ないけれども絶無ではない。その泡は液面上に浮上する。リコータが逆方向に高速で走行すると、液面上に浮上した泡は側方に追いやられる。このとき、高速で走行するために、混入していた泡は効率的に側方に押しやられる。また、リコータが高速で走行するために、造形時間を長くする度合いも小さく抑制される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
図１は、本実施例の光造形装置１０の全体構成を備えている。光造形装置１０は、光硬化性液状樹脂１１を収容している液槽１２と、レーザ光１３を射出する光源１４と、光源１４から射出したレーザ光１３のスポットを液槽１２内に収容されている光硬化性液状樹脂１１の液面１１ａ内の任意の位置に指向させる光学系１５と、液槽１２内において昇降する昇降台１６と、その昇降台１６の駆動機構１７と、液面１１ａに沿って移動することによって液面を平滑化するリコータ１８と、そのリコータ１８の駆動機構１９と、制御装置２０を備えている。制御装置２０は、３次元ＣＡＤシステムに接続されており、３次元ＣＡＤシステムから造形するべき３次元形状を記述するデータを入力する。制御装置２０は、３次元形状を記述するデータに基づいて、光源１４と光学系１５と昇降台駆動機構１７とリコータ駆動機構１９を制御し、３次元ＣＡＤシステムから入力した３次元形状を記述するデータによって記述されている３次元形状を有する硬化物（造形物）が造形されるようにする。
【００１５】
制御装置２０は、３次元ＣＡＤシステムから入力した３次元形状を記述するデータを処理し、断面ごとに輪郭線を算出する。以下では造形物の下方から上方に向けて、第１・・第ｎ断面とする。制御装置２０は、光源１４と光学系１５と昇降台駆動機構１７とリコータ駆動機構１９を下記のように制御する。
（１）昇降台１６を、液面１１ａから１硬化層分の深さに沈める。
（２）第ｉ断面の輪郭線データに基づいて光源１４と光学系１５を制御し、輪郭内の液面を露光し、輪郭外の液面は露光しない。
（３）昇降台１６を、１硬化層分の深さだけ、さらに沈める。
（４）液面に沿ってリコータ１８を走行させる。
（５）上記の（２）から（４）の制御を繰り返し実行する。最初に（２）を実行するときにはｉ＝１とし、以後（２）を繰り返すたびにｉを１ずつ大きくし、ｉ＝ｎ−１として（２）から（４）を実施したら、最後にｉ＝ｎとして（２）を実行する。
以上の処理を実施すると、液槽１２内に３次元ＣＡＤシステムが指定する３次元形状を備えた造形物が造形される。
【００１６】
（第１実施例）
図２は、リコータ１８と液槽１２の平面図を示しており、リコータ１８は、１枚の薄いリコータブレード２１を備えている。リコータブレード２１は、液面１１ａに対しては垂直に伸びており、走行方向Ｒに対して液槽１２の側方１２ａに向けて傾斜している。リコータブレード２１がＲ方向に走行する場合には、その前面において、矢印２２ａに示すように、泡や異物は液槽１２の側方１２ａの側に押しやられる。リコータブレード２１の幅方向の一端２１ａと液槽１２の側方１２ａの間にはわずかな間隔が存在しており、側方１２ａの側に押しやられた泡や異物はその間隔に留まる。リコータブレード２１が、Ｌ方向に走行しても、側方１２ａの側に押しやられた泡や異物が中央の造形領域に戻されることはない。
同時に、リコータブレード２１は、走行方向Ｌに対して液槽１２の側方１２ｂに向けて傾斜している。リコータブレード２１がＬ方向に走行する場合には、その前面において、矢印２２ｂに示すように、泡や異物は液槽１２の側方１２ｂの側に押しやられる。リコータブレード２１の幅方向の一端２１ｂと液槽１２の側方１２ｂの間にはわずかな間隔が存在しており、側方１２ｂの側に押しやられた泡や異物はその間隔に留まる。リコータブレード２１が、Ｒ方向に走行しても、側方１２ｂの側に押しやられた泡や異物が中央の造形領域に戻されることはない。
走行方向に対して液槽の側方に向けて傾斜しているリコータを用いると、硬化層の表面に導入される光硬化性液状樹脂から泡や異物が除去され、透明度に優れたモデルを造形することができる。
【００１７】
このリコータ１８の場合、露光と露光の間にリコータが１往復することが好ましい。例えば、硬化層の沈降後に最初に走行するときにはＲ方向に走行し、ついでＬ方向に走行して次の露光を実施する。この場合、最初にＲ方向に走行するときには、硬化層の表面に光硬化性液状樹脂を導入し、次にＬ方向に走行するときに泡や異物を露光領域から側方に押しやることになる。この場合、最初にＲ方向に走行して硬化層の表面に光硬化性液状樹脂を導入する際には低速で走行し、次にＬ方向に走行して泡や異物を側方に押しやるときには高速で走行することが好ましい。そうすることによって、泡や異物が少なく透明度に優れたモデルを造形することができる。
【００１８】
（第２実施例）
図３と図４は、リコータ１８の第２実施例を示している。第２実施例のリコータ１８は２枚のリコータブレード２４，２６を備えており、両者の間隙に光硬化性液状樹脂を貯めており、多量の光硬化性液状樹脂を蓄えた状態で硬化層の上方を走行する。大面積の硬化層の表面に光硬化性液状樹脂を導入する際にも光硬化性液状樹脂が枯渇することがない。
図４に示すように、２枚のリコータブレード２４，２６の間には、上下動する水平ブレード２８が設置されており、水平ブレード２８の下面は光硬化性液状樹脂に対して親水性である。水平ブレード２８を液面１１ａに接触するまで下降し、その後に上昇すると光硬化性液状樹脂は２枚のリコータブレード２４，２６の間隙に貯められる。
各リコータブレード２４，２６は、液面１１ａに対しては垂直に伸びており、走行方向Ｒに対して液槽１２の側方１２ａに向けて傾斜している。リコータブレード２４，２６がＲ方向に走行する場合には、その前面において、矢印２８ａ，３０ａに示すように、泡や異物は液槽１２の側方１２ａの側に押しやられる。リコータブレード２４，２６の幅方向の一端と液槽１２の側方１２ａの間にはわずかな間隔が存在しており、側方１２ａの側に押しやられた泡や異物はその間隔に留まる。リコータブレード２４，２６が、Ｌ方向に走行しても、側方１２ａの側に押しやられた泡や異物が中央の造形領域に戻されることはない。
同時に、リコータブレード２４，２６は、走行方向Ｌに対して液槽１２の側方１２ｂに向けて傾斜している。リコータブレード２４，２６がＬ方向に走行する場合には、その前面において、矢印２８ｂ，３０ｂに示すように、泡や異物は液槽１２の側方１２ｂの側に押しやられる。リコータブレード２４，２６の幅方向の一端と液槽１２の側方１２ｂの間にはわずかな間隔が存在しており、側方１２ｂの側に押しやられた泡や異物はその間隔に留まる。リコータブレード２４，２６が、Ｒ方向に走行しても、側方１２ｂの側に押しやられた泡や異物が中央の造形領域に戻されることはない。
このリコータも、走行方向に対して液槽の側方に向けて傾斜しているので、硬化層の表面に導入される光硬化性液状樹脂から泡や異物が除去され、透明度に優れたモデルを造形することができる。
【００１９】
２枚のリコータブレード２４，２６を備えている場合、リコータブレード２４，２６の機能が相違する。リコータブレード２４，２６がＲ方向に走行する場合には、主としてリコータブレード２６の前面が硬化層の表面に光硬化性液状樹脂を導入し、リコータブレード２４は導入された光硬化性液状樹脂の液面を平滑化する。リコータブレード２４，２６がＬ方向に走行する場合には、主としてリコータブレード２４の前面が硬化層の表面に光硬化性液状樹脂を導入し、リコータブレード２６が導入された光硬化性液状樹脂の液面を平滑化する。
いずれにしても、リコータブレード２４，２６が走行方向に対して液槽の側方に向けて傾斜しているので、硬化層の表面に導入される光硬化性液状樹脂から泡や異物が除去され、透明度に優れたモデルを造形することができる。
【００２０】
リコータブレード２４，２６を走行方向に対して２度（図３のθ＝２°）傾斜させて水平面が５０×５０ｍｍで厚みが５ｍｍのモデルを造形した。１層の厚みは０．１ｍｍであり、５０回の積層サイクルを繰り返した。比較のために、θ＝０°のリコータを用いて同一条件で実験した。比較例では、正方形の辺に近い部分に多数の気泡が観測されたのに対し、θ＝２°のリコータを用いて造形すると、肉眼で観測できる気泡をなくすことができた。
【００２１】
図５は、２枚のリコータブレードを備えている別の実施例を示している。この場合、２枚のリコータブレードと液面で囲まれる空間をポンプで減圧する。すると、２枚のリコータブレードの間隔で液面が上昇し、２枚のリコータブレードの間隔に光硬化性液状樹脂を貯めておくことができる。このタイプのリコータでも、走行方向に対して傾斜させることによって、泡や異物が造形物に混入することを防止できる。
【００２２】
図６は、液面に垂直な方向から観察すると台形をしているリコータの例を示す。この場合、Ｌ方向に走行してもＲ方向に走行しても、泡や異物は側方１２ａの側に押しやられる。押しやられた泡や異物が造形領域に戻されることがない。
図７と図８は、リコータの幅方向の両端近傍に対して幅方向の中央近傍が走行方向に進出しているリコータを示している。この場合、リコータの走行方向が左右逆転しても、破線よりも上方の領域に存在している泡や異物は側方１２ａの側に押しやられ、破線よりも下方の領域に存在している泡や異物は側方１２ｂの側に押しやられる。押しやられた泡や異物が造形領域に戻されることがない。
図６から図８に示すように、液面に接する面が比較的に広いリコータを用いてもよい。それに対して、図９から図１１に示すように、間に光硬化性液状樹脂を貯めておく２枚のリコータブレードを利用してもよい。このようにしても、泡の混入が少ない造形物を造形することができる。
【００２３】
図１２は、走行方向に対する傾斜角度を変えるリコータを示している。図１２はＲ方向に走行する場合の傾斜角の変化を示し、走行開始前は、ｔ１に示すように傾斜角θはゼロである。走行を開始すると時刻ｔ２までは下端側のみが走行し、リコータがθまで傾く。時刻ｔ２でθまで傾むくと、その後はリコータの全体が平行移動し、θだけ傾いた状態で走行する。時刻ｔ４でリコータの下端がストロークエンドに到着すると、下端は停止するものの、上端はさらに移動しつづけ、時刻ｔ５でθ＝０°となって停止する。この場合、ハッチに示す領域の液面が不要となり、液槽を小型化することができる。
【００２４】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施例の光造形装置の全体構成を示す図。
【図２】第１実施例のリコータの平面図を示す。
【図３】第２実施例のリコータの平面図を示す。
【図４】第２実施例のリコータの一部斜視図を示す。
【図５】第２実施例の変形例のリコータの一部斜視図を示す。
【図６】他の例のリコータの平面図を示す。
【図７】さらに他の例のリコータの平面図を示す。
【図８】さらに他の例のリコータの平面図を示す。
【図９】図７の変形例のリコータの平面図を示す。
【図１０】図８の変形例のリコータの平面図を示す。
【図１１】図９の変形例のリコータの平面図を示す。
【図１２】傾斜角を変えるリコータの動作を経時的に示す。
【符号の説明】
【００２６】
１０：光造形装置
１１：光硬化性液状樹脂
１２：液槽
１２ａ：一方の側方
１２ｂ：他方の側方
１３：レーザビーム
１４：光源
１５：光学系
１６：昇降台
１７：昇降台駆動装置
１８：リコータ
１９：リコータ駆動装置
２０：制御装置
２１：リコータブレード
２４：リコータブレード
２６：リコータブレード
Ｌ，Ｒ：走行方向
θ：傾斜角
【図１】
0004833673.tif 000002
【図２】
0004833673.tif 000003
【図３】
0004833673.tif 000004
【図４】
0004833673.tif 000005
【図５】
0004833673.tif 000006
【図６】
0004833673.tif 000007
【図７】
0004833673.tif 000008
【図８】
0004833673.tif 000009
【図９】
0004833673.tif 000010
【図１０】
0004833673.tif 000011
【図１１】
0004833673.tif 000012
【図１２】
0004833673.tif 000013