(57)【要約】【課題】硬化収縮による精度低下や接着剤等使用による強度低下を解決し、精度及び強度を維持した光造形装置を提供する。【解決手段】レーザ光を出力するレーザと、樹脂タンク内の光硬化性樹脂の液面に前記レーザ光を二次元照射する光走査手段と、前記液面を上下に移動する昇降台座とを備え、前記レーザ光で照射された樹脂が硬化し積層して三次元モデルを作製する光造形装置であって、中海領域を有する三次元モデルを作製する場合の光造形装置において、前記三次元モデルの前記中海領域にダミープレートを作成し、当該ダミーデータで前記中海領域の一部を埋めたダミープレート付きの次元モデルを作製する。【選択図】図３
2012066446.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出力するレーザと、樹脂タンク内の光硬化性樹脂の液面に前記レーザ光を二次元照射する光走査手段と、前記液面を上下に移動する昇降台座とを備え、前記レーザ光で照射された樹脂が硬化し積層して三次元モデルを作製する光造形装置であって、中海領域を有する三次元モデルを作製する場合の光造形装置において、
前記三次元モデルの前記中海領域にダミープレートを作成し、当該ダミーデータで前記中海領域の一部を埋めたダミープレート付きの次元モデルを作製することを特徴とする光造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元モデルを積層厚毎にスライスした際の各層が光硬化樹脂の硬化層として積層されることにより造形される光造形装置に関わり、特に、中海領域を有する三次元モデルの精度および強度を維持したまま作成する光造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の光造形装置について、簡単に説明する。
従来は、三次元ＣＡＤで設計された三次元モデルを任意の厚さの積層毎にスライスし、得られた断面パターンデータを基に、レーザ光を光硬化性樹脂の液面に照射する。この結果、液面のレーザ光照射部分が硬化する。硬化部分は、昇降台上に載るようになっており、硬化後、昇降台を１層の厚み分下降させる。
次に、リコータによって、液面を静定し当該液面から泡を除去する。
そして、次の断面パターンデータによってレーザを照射することで次の層の断面パターン形状の硬化層を形成する。
この動作を繰り返し行い、積層していくことで三次元モデルが作製される（特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−０６４３４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の光造形装置における中海領域の樹脂の挙動について説明すると、中海領域の高さがまだ小さい場合には、リコータが作製されたモデルを通過後、中海領域内の液面の高さがモデルの外側の液面（規定液面）よりも下がった状態になる。
中海領域の高さが、ある程度ある場合には、中海領域の液面の高さと規定液面３２の高さが同等になり、さらに、高さが大きくなると、中海領域の液面の高さが徐々に規定液面よりも高くなる。そして、最終的には、規定液面よりも高い部分を描画した箇所とリコータとが衝突して、造形不良となる。
この現象を回避するために、一般的には下記の（１）と（２）の２通りの造形方法が適用される。
（１）中海領域を下に向けて、樹脂溜まりを回避する方向で造形を行う。
この造形法であれば、中海領域に樹脂が溜まらないので規定液面よりも高くなることはなくリコートの衝突が回避可能である。しかし、上側では、大きな平面をレーザ光で塗潰すことになるので、硬化収縮によるヒケが発生し、精度が低下する。
（２）中海領域の樹脂溜まり対策として、データ上で樹脂抜き穴を作成し、本体部品と蓋部品を造形する。造形完了後、両部品を接着剤等を使用して一体化する。
この造形方法も中海領域に樹脂が溜まらないので規定液面より高くなることはない。しかし、接着剤等を使用して一体化しているため接着部分の強度が低下する。
本発明の目的は、上記の問題に鑑みて、硬化収縮による精度低下や接着剤等使用による強度低下を解決し、精度及び強度を維持した光造形装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するため、本発明の光造形装置は、レーザ光を出力するレーザと、樹脂タンク内の光硬化性樹脂の液面に前記レーザ光を二次元照射する光走査手段と、前記液面を上下に移動する昇降台座とを備え、前記レーザ光で照射された樹脂が硬化し積層して三次元モデルを作製する光造形装置であって、中海領域を有する三次元モデルを作製する場合の光造形装置において、前記三次元モデルの前記中海領域にダミープレートを作成し、当該ダミーデータで前記中海領域の一部を埋めたダミープレート付きの次元モデルを作製するものである。
また好ましくは、上記本発明の光造形装置において、三次元モデルと前記ダミープレート間に、任意の値のオフセットを備えたことを特徴とする。
さらに、上記本発明の光造形装置において、前記オフセットは、任意の幅と間隔を有するサポートであることを特徴とする。
またさらに、上記本発明の光造形装置において、前記ダミープレートは、複数の層で構成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、硬化収縮による精度低下や接着剤等使用による強度低下を解決し、精度及び強度を維持した光造形装置を提供することができる。またさらに、造形時間と樹脂量を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の光造形装置ＬＦの構成の一実施例を示す図である。
【図２】本発明の光造形装置における光造形用データ編集の一実施例の手順を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明の光造形装置における三次元モデルとダミープレートの一実施例を説明するための図である。
【図４】本発明の光造形装置におけるダミープレート設定画面の一実施例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、光造形装置について、図示の実施の形態により詳細に説明する。
ここで、まず、図１は、光造形装置ＬＦの構成の一例を示す図である。図１において、光造形装置の全体をＬＦで表わしている。１はＵＶ（紫外線）レーザ、２はスキャナミラー（光走査用の反射鏡）、３は昇降台座、４はエレベータ機構、５はリコータ、６は樹脂タンク、７は光硬化性樹脂、９は粘度測定手段、１０は報知手段、１１は中海領域、５８は制御装置、５９は表示装置である。
【０００９】
図１において、まず、ＵＶレーザ１は、光硬化性樹脂７の硬化特性に対応した波長のレーザ光Ｌを発生し、光硬化性樹脂７を硬化させるための光の発生源としての働きをする。
次に、スキャナミラー２は、図示してない走査駆動機構を備え、制御装置５８により制御されてレーザ光Ｌの反射方向を二次元方向に変化させ、光硬化性樹脂７の液面にレーザ光Ｌを二次元走査させる働きをする。
昇降台座３は、造形過程の当初から三次元モデルＭを載置する働きをするもので、このため、エレベータ機構４により、三次元モデルＭが載置される部分が水平を保った状態で、樹脂タンク６の中で上下に移動させられるようになっている。
エレベータ機構４は、上記したように、昇降台座３を保持し上下に移動させる働きをするもので、その動作は制御装置５８により制御されるようになっている。
【００１０】
リコータ５は、図示してない移動機構に保持され、光硬化性樹脂７の液面に沿って平行移動することにより、光硬化性樹脂７の液面を静定し、当該液面から泡を除去する働きをする。
樹脂タンク６は、光硬化性樹脂７の容器となるもので、通常、有底の筒形又は有底の箱形に作られている。
そして、制御装置８は、光造形装置ＬＦ全体の制御を司るもので、このため造形すべき三次元モデルの三次元ＣＡＤデータを、図示してない三次元ＣＡＤシステムから入力し、当該三次元ＣＡＤデータを水平方向に輪切りにした等高線データに変換し、これに応じてスキャナミラー２を制御して光硬化性樹脂７の液面がレーザ光Ｌで二次元走査され、これと共にＵＶレーザ１、エレベータ機構４などを制御し、三次元Ｍが光硬化性樹脂７の中で造形されるように全体の動作を制御する。
【００１１】
この光造形装置によれば、複雑な形状の部品でも比較的低コストで、短い時間で試作することができ、このため従来から広く実用に供されているが、ここで近年は、造形時間の短縮や造形精度の向上に加え、更に、より広範囲な用途にも対応できるように、機械的強度の向上や耐熱性の向上にも目が向けられるようになっている。
そして、このときの機械的強度の向上や耐熱性の向上に有効な方法として最近着目されている方法として、光硬化性樹脂中にガラスやセラミックなどのフィラー（filler）を混合させる方法があり、これも従来技術として知られるようになっている。
【００１２】
ところで、このフィラーを混合させるようにした光造形装置の場合、フィラーが光硬化性樹脂中で沈降し、樹脂タンクの底部にフィラーが徐々に沈殿する。このため形状モデルの造形が長時間にわたると沈殿したフィラーが堆積し、放置すると堆積したフィラーが硬化し、除去が極めて困難になってしまう。
また、このフィラーの沈降の結果、樹脂タンク内で光硬化性樹脂の表層部と底層部で樹脂粘度に違いが生じ、形状モデルの品質に支障をきたす虞がある。
【００１３】
そこで、粘度測定手段９は、例えばＩＳＯ２５５５、１６５２に規定されている回転式粘度計を用いたもので、その粘度検出部が樹脂タンク６の底部近傍の側壁部から内部に挿入された形で当該樹脂タンク６に取付けられ、これにより光硬化性樹脂７の粘度を検出し、粘度信号Ｖを制御装置５８に入力する働きをする。
次に、報知手段１０は、例えばデジタル表示装置を用いたもので、制御装置５８から入力される粘度検出結果を数値として表示する働きをする。
このため制御装置５８には、粘度測定手段９から供給された粘度信号Ｖを処理し、粘度検出結果を数値として表示するのに必要な信号に変換する機能が付加されている。
なお、表示装置５９は、制御装置５８に接続し、制御装置５８および図示しない入出力装置によって動作し、図４（後述）等の表示を行う。
【００１４】
次に、この図１の実施形態の動作について説明する。
光造形装置ＬＦとして稼働させ、立体モデルＭを光硬化性樹脂７の中で造形されるように動作しているとき、粘度測定手段９は、光硬化性樹脂７の底層部の粘度の計測を逐次行ない、粘度信号Ｖを制御装置５８に供給している。この結果、報知手段１０には、立体造形品（三次元モデル）の作製中も含めて次々と粘度検出結果が数値として表示されるようになる。
そこで、光造形装置ＬＦの作業者は、報知手段１０に表示される数値により随時、光硬化性樹脂７の底層部の粘度を知ることができ、この結果、作業者は、この粘度の報知結果から攪拌処理タイミングとフィルタ処理タイミングを判断することができる。
【００１５】
ここで、光硬化性樹脂７にフィラーが混合されていた場合、光硬化性樹脂７の粘度が高くなり、その高くなる度合いは、フィラーの混合比率により決まり、混合比率が高くなるに従って粘度も高くなる。
また、造形屑が混入された場合も同じで、造形屑の混入比率が高くなるに従って粘度も高くなる。
そこで、光硬化性樹脂７の底層部の粘度が増したら、フィラーや造形屑の沈降が多くなったことを意味し、従って、この実施形態によれば、的確な攪拌処理タイミングとフィルタ処理タイミングが物理的に決定できる。
【００１６】
本発明は、中海領域の樹脂溜まりを回避するため、中海領域内ヘダミープレートを作成および配置する。
ダミープレートデータ作成実施例を図２、図３、および図４を使用して説明する。図２は、本発明の光造形装置における光造形用データ編集の一実施例の手順を説明するためのフローチャートである。図３は、本発明の光造形装置における三次元モデルとダミープレートの一実施例を説明するための図である。図４は、本発明の光造形装置におけるダミープレート設定画面の一実施例を説明するための図である。
本発明の光造形装置においては、三次元ＣＡＤで設計された三次元モデルの光造形用データを入力された制御装置５８（図１参照）が、入力された光造形用データ、および、ダミープレート作成プログラムを含む光造形装置制御プログラムに基づいて、光造形装置を制御する。なお、制御装置は、プログラムデータ等それらのデータを、図示しないメモリに格納している。また、制御装置５８は、上記光造形用データおよび下記の図２のフローチャートや図４のＧＵＩ（Graphical User Interface）操作画面を表示するためのディスプレイを接続している。また、それらを操作するための入出力装置を具備するものである。
【００１７】
制御装置５８は、図２のフローチャートにおいて、はじめに、ｓｔｌデータ取り込みステップＳ２１では、あらかじめ三次元ＣＡＤで設計された三次元モデルをｓｔｌデータとして取り込む。
なお、ダミープレートの作成と配置は、三次元ＣＡＤでの三次元モデルの設計時点で作成するか、若しくは、スライスデータ作成ステップＳ２３で行う。
ｓｔｌデータ編集ステップＳ２２では、造形方向等の設定を行う。このとき、造形方向は、中海領域が上面になる方向とする。
次にスライスデータ作成ステップＳ２３では、任意の積層厚でスライスし、断面バターンを得る。
サポートデータ作成ステップＳ２４では、作成された三次元モデルについてサポートデータを作成する。
そして、三次元表示（形状確認）ステップＳ２５では、ダミープレートを含む三次元モデルの最終形状を、表示装置５９にて、三次元表示画面で確認する。形状確認後、光造形装置の制御装置に三次元モデルデータを送信する。
【００１８】
図３（ａ）は、本発明の光造形装置において作成するダミープレートおよび三次元モデルの一実施例を示す図である。ダミープレート３１は、三次元モデル３０から任意のオフセット距離３２を取り、またダミープレート３１の底面から三次元モデル３０までの任意の距離３３を取っている。
図３（ａ）の右側の断面図には、参考のため昇降台座３を記載したが、図３（ａ）の左側の斜視図と、中央の斜視図の途中からＸ−Ｚ面で切った図では、記載していない。
またダミ一プレート３１は、サポート３４で支えられる。このサポート３４は、中央の図と右側の図で、見易くするため、数や寸法が異なっている。
【００１９】
中海領域内にダミープレート３１を作成することで、その造形時間と使用樹脂量が増加する。そのため、本発明の第２の実施例として、ダミープレート３１の代替とし、図３（ｂ）に示すダミープレート３５を任意の高さ３６毎層状にサポート３７で支え中海領域１１を埋めることで、ダミープレート３１と比較して造形時間と樹脂量を低減することが可能となる。例えば、低減率は造形時間を約１／３で、樹脂量を９割以上低減することが可能となる。
図３（ｂ）の右側の断面図には、参考のため昇降台座３を記載したが、図３（ｂ）の左側の斜視図と、中央の斜視図の途中からＸ−Ｚ面で切った図では、記載していない。
【００２０】
図４よって、本発明の光造形装置ＬＦにおけるダミープレート作成設定画面の一実施例を説明する。図４のダミープレート作成設定画面は、制御装置５８に接続される表示装置５９に表示される。４０１はダミープレート条件を設定するダミープレート設定欄、４０２はオフセット量設定欄、４０３は三次元イメージ表示欄、４０４は予想使用樹脂量算出欄である。
【００２１】
図４のダミープレート設定欄４０１においては、設定欄４１にダミープレートの厚さを入力する。また設定欄４２には、ダミープレート底面から三次元モデルまでの距離を入力する。また、設定欄４３若しくは設定欄４４では、ダミープレートの層数やダミープレートの層と層との間隔を入力する。さらに、設定欄４５には、個別のプレート（層）間隔を入力可能である。
例えば、図３（ａ）ダミープレート３１に示すように、層数が１であるならば、設定欄４４に“１”枚を入力する。この結果、設定欄４３を空白となり、設定欄４７すべてが空白となる。
また、例えば、図３（ｂ）ダミープレート３５の右側の断面図に示すように、設定欄４３に“５”ｍｍ、ダミープレートの層数が“５”枚であると入力されれば、個別のプレート間隔設定欄４５は、すべてが空白になる。
また、設定欄４３が空白で、設定欄４４にダミープレートの層数が“５”枚であると入力された場合には、個別のプレート間隔設定欄４５の第１層から第５層までの入力がひつようになる。勿論、個別のプレート間隔設定欄４５の第１層〜第５層まで、同じ値を入力しても良い。
なお、設定欄４３と設定欄４４に入力せず、個別のプレート間隔設定欄４５の、例えば、第１層〜第４層まで数値が入力されれば、５層のダミープレートで設定されたことを意味する。
【００２２】
次に、オフセット量設定画面４０２において、三次元モデルからダミープレートまでのオフセット量を入力する。設定画面４６にオフセット量を入力すると、すべての設定された層数について、同一のオフセット量に設定される。
また、個別のオフセット量の設定欄４７に第１層からオフセット量を入力すると、各層毎に、三次元モデルからプレートまでの距離が決定される。
【００２３】
上記設定欄４０１と４０２の設定がなされると、三次元イメージ表示欄４０３には、設定された値を反映した三次元モデルの表示４８が表示される。
そして、予想使用樹脂量算出欄４０４には、ダミープレートと三次元モデルの合計使用樹脂予想量が予想使用樹脂量表示欄４９に表示される。
予想使用樹脂量ｍは、三次元モデルおよびダミープレートの総体積（ｖ）４９１、使用樹脂の密度（ｄ）４９２、補正値（ｃ）４９３を用い、
ｍ＝（ｖ×ｄ）＋ｃ
となる。
【００２４】
以上のように、三次元モデルを作成することで、ダミープレートに置き換わり、中海領域がほぼ消滅し、その結果、規定液面より液面位置が高くなることも無くなるので中海領域に起因する造形不良は皆無となる。
また、従来技術のような上側での大平面の塗潰しや接着等も発生しないため、精度および強度向上を実現した三次元モデルが作製できる。
【００２５】
上記実施例において、またダミ一プレート３５は、サポート３７で支えられる。このサポート３７は、中央の図と右側の図で、見易くするため、数や寸法が異なっている。なお、サポートの幅や高さは、層ごと、若しくは場所ごとで変更されても良い。
また記実施例において、ダミープレート３１若しくは３５の、Ｚ方向に開けられた溝の幅や間隔は、使用する樹脂の種類や粘度によって定められた値となっている。しかし、図４の設定欄のいずれか若しくは独立して設定欄を設け、三次元モデル毎に個々に設定するようにしても良い。また、三次元モデル内で一定の幅や間隔である必要もない。
【００２６】
なお、表示装置５９は、制御装置５８および図示しない入出力装置によって動作し、図４等の表示を行う。
また、図４の表示画面は、ダミープレート設定欄４０１、オフセット量設定欄４０２、三次元イメージ表示欄４０３、予想使用樹脂量算出欄４０４、それぞれが、別々に表示されても良いし、同時に表示されても良い。
【００２７】
上述の実施例によれば、従来の光造形方法と比較して、大平面の塗潰しを下側で実施することで硬化収縮によるヒケの発生を防止でき、精度向上が実現できる。また、接着工程を行なわないことで工程短縮が実現できる。さらに、一体化造形により、強度向上が実現できる。またさらに、中海領域の波面が規定披面と同等のため、リコートがモデルに衝突せず歩留まりが向上する。
【符号の説明】
【００２８】
１：ＵＶ（紫外線）レーザ、  ２：スキャナミラー（光走査用の反射鏡）、  ３：昇降台座、  ４：エレベータ機構、  ５：リコータ、  ６：樹脂タンク、  ７：光硬化性樹脂、  ９：粘度測定手段、  １０：報知手段、  １１：中海領域、  ３０：三次元モデル、  ３１、３５：ダミープレート、  ３２：オフセット距離、  ３３、３６：ダミープレート底面から三次元モデルまでの任意の距離、  ３４、３７：サポート、  ３８：サポートの厚み、  ４１〜４７：設定欄、  ４８：三次元モデルの表示、  ４９：予想使用樹脂量表示欄、  ５８：制御装置、  ５９：表示装置、  ４０１：ダミープレート設定欄、  ４０２：オフセット量設定欄、  ４０３：三次元イメージ表示欄、  ４０４：予想使用樹脂量算出欄。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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