(57)【要約】      （修正有）【課題】ステージへの光反応性樹脂の塗布を短時間で行うことができるようにする方法の提供。【解決手段】ステージ６上に吐出装置８から所定の量の光反応性樹脂を滴下し、該滴下した光反応性樹脂をステージ６の回転による遠心力によってステージ６の周囲に広げ、ステージ６上に光反応性樹脂の層２８ａを形成し、ステージ６上に光反応性樹脂を塗布し、製作しようとする立体構造物の断面形状を表すデータに基づいて、ステージ６上に塗布された光反応性樹脂の層２８ａに光照射装置１２から光を照射して樹脂層２８ａを反応させ、反応させた樹脂層を順次ステージ６上に積層し、立体物を作成する立体構造物製造装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステージ上に塗布した光反応性樹脂の層に光を照射して樹脂層を硬化させつつ積層し、立体物を作成する立体構造物製造装置であって、前記ステージを回転駆動装置に連結し、吐出装置から前記ステージ上に吐出した光反応性樹脂を前記ステージの回転により発生する遠心力によって前記光反応性樹脂を滴下箇所から周囲に広げ前記ステージ上に光反応性樹脂を塗布するようにしたことを特徴とする立体構造物製造装置。
【請求項２】
前記光反応性樹脂の滴下箇所が前記ステージの中央部であることを特徴とする請求項１に記載の立体構造物製造装置。
【請求項３】
前記ステージの回転速度を可変とし、前記ステージの回転数を変えることでステージの回転により形成される光反応性樹脂の膜の厚さを変化させることができるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の立体構造物製造装置。
【請求項４】
前記光反応性樹脂の粘度に応じて前記ステージの回転数を変更し、該ステージ上の光反応性樹脂の膜厚を制御するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の立体構造物製造装置。
【請求項５】
前記ステージの上方に色付け装置を配備し、ステージ上の光反応性樹脂に色を付けるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の立体構造物製造装置。
【請求項６】
ステージ上に光反応性樹脂を塗布し、光反応性樹脂の層に光を照射して樹脂層を硬化させつつ積層し、立体物を作成する立体構造物製造方法であって、前記ステージ上に光反応性樹脂を滴下し、該滴下した光反応性樹脂を前記ステージの回転による遠心力によってステージの周囲に広げ、該ステージ上に光硬化樹脂の層を形成するようにしたことを特徴とする立体構造物製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光反応性樹脂をステージの回転による塗布により供給し、立体物を造形する回転テーブルを使用する立体構造物製造方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光（ＵＶ紫外線も含む）硬化樹脂等やその他の材料を用いた積層造形装置においては、材料を１層毎に供給し必要な部分に対しての硬化等を行い、その後に材料が載置されているテーブル等を上下させてから次の材料を供給し、その作業を繰り返すことにより三次元の立体造形を行っている（例えば特許文献４参照）。材料の供給方法においてはいろいろな構造が存在するが、その中で回転するテーブルの上方に半径方向に伸びた供給装置から材料を線状に供給し、テーブルの回転による場所の移動により材料をテーブル全体に供給する構造が知られている（例えば特許文献１，２，３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−５９４７７号公報
【特許文献２】特表２００５−５３４５４３号公報
【特許文献３】特開２００１−３４７５７２号公報
【特許文献４】特表平６−５０４００９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
積層造形装置（三次元プリンター等）を用いた立体物の造形では、金属や石膏などの粉末材料、溶解プラスチック、光硬化樹脂などによる造形手法が提案または実用化されているが、いずれも造形時間の多くを材料の供給および硬化、そしてテーブルの上下動などの積層プロセスが占めている。
回転テーブルを用いた半径方向に伸びた供給装置による材料の供給では回転速度を上げる事により材料の供給を早くすることは可能であるが、半径方向に伸びた供給装置による供給を用いるとテーブルの内側と外側において回転速度が違うため半径方向に一律に供給をしたのでは材料が全体に均一に供給されてない可能性もあり、そのため供給の後には必ず表面をならすという作業が必要になる。
言い換えれば、従来の積層造形装置では造形時間が長くかかるという課題、及び表面をならす追加工程が必要になるという課題があった。
本発明は、上記問題点を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明は、ステージ上に塗布した光反応性樹脂の層に光を照射して樹脂層を反応させつつ積層し、立体物を作成する立体構造物製造装置であって、前記ステージを回転駆動装置に連結し、吐出装置から前記ステージ上に吐出した光反応性樹脂を前記ステージの回転により発生する遠心力によって前記光反応性樹脂を滴下箇所から周囲に広げ前記ステージ上に光反応性樹脂を塗布するようにしたことを特徴とする。
また本発明は、前記光反応性樹脂の滴下箇所が前記ステージの中央部であることを特徴とする。
また本発明は、前記ステージの回転速度を可変とし、前記ステージの回転数を変えることでステージの回転加速度により形成される光反応性樹脂の膜の厚さを変化させることができるようにしたことを特徴とする。
また本発明は、前記光反応性樹脂の粘度に応じて前記ステージの回転数を変更し、該ステージ上の光反応性樹脂の膜厚を制御するようにしたことを特徴とする。
また本発明は、前記ステージの上方に色付け装置を配備し、ステージ上の光反応性樹脂に色を付けるようにしたことを特徴とする。
また本発明は、ステージ上に光反応性樹脂を塗布し、光反応性樹脂の層に光を照射して樹脂層を反応させつつ積層し、立体物を作成する立体構造物製造方法であって、前記ステージ上に光反応性樹脂を滴下し、該滴下した光反応性樹脂を前記ステージの回転による遠心力によってステージの周囲に広げ、該ステージ上に光反応性樹脂の層を形成するようにしたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明は、ステージ上に滴下した光反応性樹脂をステージの回転による遠心力でステージ上に広げて均一に供給することができ、ステージ上に迅速に光反応性樹脂を塗布することができるため、造形時間を短縮化することができる。また遠心力によりステージ上に広げるため、粘度の高い光反応性樹脂などでも回転速度を制御することにより簡単に供給をする事ができる。そしてステージ上には一定の膜厚で供給することができるので、リコータなど均す作業が不要となり、造形時間の一層の短縮も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の説明図である。
【図２】本発明の説明図である。
【図３】本発明の動作説明フローチャートである。
【図４】本発明の他の実施形態の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明に係る光反応性樹脂を使った造形装置２は、基本形態として、容体４，遠心力を付与するステージ６、ステージの回転駆動軸１４、光反応性樹脂の吐出装置８、露光または描画等による光照射装置１２、ステージ６、６ａまたは回転駆動軸１４の回転角と同期して光照射装置１２を駆動する駆動装置（図示せず）とから少なくともなるものである。  
そして望ましい基本形態としては、遠心力を付与するステージ６は回転加速度をも付与するステージである。
また応用形態としては、特に光反応性樹脂を均一に塗布するために、上記基本形態に加え、気流制御装置３０をも備えた造形装置２である。
また別の応用形態としては、更に光反応性樹脂を均一に塗布するために、上記基本形態に加え、均し手段１０をも備えた造形装置である。
また別の応用形態としては、特に高さの高い造形物を製造するために、上記基本形態に加え、ステージの昇降機構（図示省略）、または均し手段の昇降機構（２０）、または光反応性樹脂の吐出装置の昇降回転部（１６）をも備えた造形装置である。
以下に本発明の構成を添付した図面を参照して詳細に説明する。なお図１〜４は本発明の基本構成を含んだ応用形態として示すものであり、使用する光反応性樹脂は光硬化樹脂すなわち光によって液体から固体状へ硬化する樹脂として説明する。
本発明に係る光硬化樹脂を使った造形装置２は、容体４，吐出装置８、均し手段１０、露光または描画等による光照射装置１２を備えている。ステージ６は、筒状の容体４の内部に配置され、円盤状のステージ本体６ａを有し、該本体６ａの上面に樹脂を塗布するための平坦な面が形成されている。
【０００９】
本体６ａの下面の中心は、回転及び昇降駆動装置（図示省略）に連結する駆動軸１４の上端が固定されている。吐出装置（ディスペンサー）８のアーム部８ａの先端には、ステージ６の中心に向けて、所定量の光硬化樹脂を吐出するための吐出部８ｂが設けられている。使用される光硬化樹脂は吐出が可能な液状であるが、吐出が可能であれば粘度が高くても問題は無い。吐出装置８のアーム部８ａは、昇降回転部１６の回転軸１６ａに連結体１８を介して昇降可能及び回転可能に連結している。
【００１０】
該連結体１８は、回転軸１６ａと連結体１８との間に形成されたスクリューとナットの構成（図示省略）及び動作切り換え機構（図示省略）により、回転軸１６ａの回転と連動して回転し、または、回転軸１６ａの回転に伴って回転軸１６ａに沿って昇降することができるように構成されている。アーム部８ａの先端の吐出部８ｂは、アーム部８ａに配備された樹脂供給管（図示省略）に連結し、該樹脂供給管から未硬化の光硬化樹脂が供給されるように構成されている。本装置には樹脂供給タンク（図示省略）が設けられ、タンク内の樹脂がポンプ（図示省略）によって前記樹脂供給管を通じ、前記吐出部８ｂに供給されるように構成されている。
【００１１】
均し手段１０はリコータやローラナイフなどの公知の成型具から成り、本実施形態ではリコータを用いている。均し手段１０は、昇降回転部２０の回転軸２０ａに連結体２２を介して昇降可能及び水平方向に回転可能に連結している。該連結体２２は、スクリューとナット等から成る回転及び昇降伝達機構（図示省略）及び動作切り換え機構（図示省略）により、回転軸２０ａの回転と連動して水平方向に回転し、または、回転軸２０ａの回転に伴って回転軸２０ａに沿って昇降することができるように構成されている。
【００１２】
光照射装置１２は、レーザー２４とレーザースキャナ２６（図２参照）から構成される描画装置、あるいは、DLP（デジタルライトプロセッサー）デバイス、あるいは液晶などの偏光ユニットから構成されるプロジェクターなどの露光装置等により構成されている。そして光照射装置１２は、時間ごとに造形データを出力する造形データ生成装置（図示省略）と接続されており、造形データ生成装置の出力データが入力されている。さらにステージ６、６ａまたは回転駆動軸１４の回転角と同期して造形データ生成装置に適切な造形データを出力するよう同期信号を与えると共に、光照射装置１２を回転角に応じて駆動する光照射装置駆動装置（図示省略）が設けられている。なお光照射装置１２は、照射部がステージ６の上面に対向して本装置の機体に支持されている。なおステージ６が上下方向に固定されている場合には、照射部を昇降可能としてステージ６との距離を一定に制御する構造にしても良い。容体４の底には、樹脂供給タンク（図示省略）に樹脂を戻すためのパイプ（図示省略）が取り付けられている。容体４の周壁にはアーム部８ａや均し手段１０のステージ６に対する水平方向の移動及び上下方向の移動を可能とする逃げ機構が設けられている。
【００１３】
本装置の制御装置（図示省略）は、光照射装置１２、吐出装置８、回転軸１６ａ,２０ａの各駆動装置、吐出装置８に光硬化樹脂を供給するポンプの駆動装置、均し手段１０の制御部に接続し、これらを制御するように構成されている。図中、３０は容体４内に気体（空気や窒素など）を送る気流制御装置（ファン）である。
【００１４】
次に、本実施形態の動作について図３に示すフローチャートを参照して説明する。
造形動作の初期状態では、均し手段１０は、ステージ６の表面から離反した上昇位置に設定され且つ、ステージ６の側方に移動した状態に設定されている（ステップ１）。また、吐出装置８の吐出部８ｂは、ステージ６の中央に対して所定の間隔を存して対向する位置に設定されている。上記初期設定状態において、まずステージ６を所定の速度で回転させる（ステップ２）。
【００１５】
次に、吐出部８ｂから所定の量の未硬化の光硬化樹脂を、ステージ６を所定の速度で回転させた状態で、ステージ６の中央に所定量滴下する（ステップ３）。次にこのステージ６を使用する樹脂と樹脂が積層される厚さの関係を実験的に求めた適正な回転プログラムにより回転させる。ステージ６の中央部に滴下された光硬化樹脂２８は、遠心力や加速度で中央部から周囲に均一に広がり、ステージ６上の全域に光硬化樹脂２８の薄い塗布膜２８ａが形成され、ステージ６に未硬化の光硬化樹脂が塗布される（ステップ４）。光硬化樹脂の塗布作業が完了したところで、ステージ６の回転が停止する（ステップ５）。
【００１６】
次に、均し手段１０をステージ６上に移動し、均し手段１０を樹脂膜２８ａに接触させ、ローラカッターの場合は回転させる。同時にステージ６を所定の回転速度で回転し、ステージ６上に塗布された光硬化樹脂をさらに均一の厚さにならし、回転ステージ６上の未硬化の光硬化樹脂成型膜を成型する（ステップ６）。
【００１７】
ステージ６から均し手段１０により掻き出された未硬化の光硬化樹脂やステージの回転により端から流れ落ちた樹脂などは、容体４に落下し、容体４の底に貯められる。ステージ６上の光硬化樹脂のならし成型作業が完了すると、ステージ６が停止する。なお、本発明の実施に際し、均し成型は省略することができ、本装置に均し手段１０を配備することは必須の構成ではない。
【００１８】
次に、ステージ６上の未硬化樹脂層に対して等高線データに応じた領域に光照射装置１２から光が照射され露光または描画が行われる（ステップ７，８）。この時、光照射装置１２は、時間ごとに造形データを出力する造形データ生成装置（図示省略）からの出力データが入力されて、露光または描画が行われる。なお露光または描画行われるタイミングであるが、ステージ６、６ａまたは回転駆動軸１４の位置を回転角の座標として扱うことのできる座標系によって、所定の角度で行われる（０〜３６０度、または０〜２π）。そのタイミングは光照射装置駆動装置（図示省略）により造形データ生成装置に対して与えられるものである。具体的にはステップ６におけるステージ停止位置の回転座標を読み取り、再度回転を始めてステージが所定の角度に達したところで同期信号として与えられる。また造形データ生成装置は、その同期信号を受けて、その所定回転角度に応じた等高線データを生成し、光照射装置１２に出力する。これにより１層目の硬化樹脂層が形成される。ステージ６上の光硬化樹脂は光が当てられた所は硬化し、それ以外の部分は、完全に硬化がされない程度に硬化されており次の積層が上に乗る状態となっている。ステージ６の中央に露光の場合は、均し手段１０や吐出装置８は、ステージ６の露光領域から外れる方向に移動させる。ステージ６のスピン塗布工程での回転のスタートは、上述のように、光硬化樹脂の滴下前であっても、または同時であっても、または、光硬化樹脂の滴下後であっても良い。なお説明の都合上、ステップ６において回転を停止させたが、ステージ６の回転は工程ごとに止める必要は無く、通常は回転を止めないで次の工程に進む方がステージおよびその上の造形物に掛かる負荷や回転が止まるまで、または回転が安定するまでの時間なども掛からない。また全体の造形時間を短縮するためには、光照射装置駆動装置が能動的に光照射装置１２と回転駆動軸１４の両方を駆動するのが最もよい。所定の回転角に応じた等高線データを複数作成しておき、回転駆動軸１４を回転駆動させ、所定の回転角ごとに光照射装置１２に順次送出すればよい。光照射装置１２は中心に設ける必要は無く、ステージの半径方向にずれた場所に吐出装置８及び均し手段１０と重ならない、１箇所、または円周方向での複数箇所設けても良く、その場合には照射装置の照射によりその都度待避をさせる構造は無くて良い。本件では照射装置１２を中心部上方に設けた場合も想定し、その場合でも動作が可能なように待避構造も開示をしている。
【００１９】
次に、上記の要領で第２層目の作成に移行し（ステップ９）、順次積層動作を行う。光照射は所定角度ごと、すなわち１回転（３６０度）ごとに行われる。所定角度ごとであればこれに限るものではなく、ｎ回転（ｎは１以上の整数）ごとに光照射を行ってもよい。
最終層の作成が完了したところで上記造形動作が完了する。吐出装置８は、光硬化樹脂の塗布と露光または描画ごとに、所定ピッチずつステージ６に対して上昇する。吐出装置８の高さを定位置に設定した場合は、吐出装置８に対してステージ６の方が所定ピッチずつ下降する。
なお吐出装置の上昇やステージの下降は先述のとおり、必須のものではない。特に造形物の高さが小さい場合には不要である。また造形物の高さが高い場合にも、光照射装置１２の焦点距離を造形回数（造形高さ）に応じて可変し、常にステージ６上に結像するように設定することによって、第１層目と同様な造形を行うことが可能である。
【００２０】
上記実施形態において、ステージ６へ供給されるスピン塗布の材料は、説明の都合上、光反応性樹脂であるとしたが、可視光、紫外線に限るものではなく，Ｘ線，電子ビームなど外部から与えられるエネルギーによって化学反応が生じて硬化または溶解する高分子材料などが使用され、フェノール樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂などが用いられる。このスピン塗布の材料は１種類でなくとも良く、樹脂塗布の材料に、造形（露光または描画）コントロール材料を加えても良い。また粘度調整用に溶剤を加えてもよい。積層動作が終了したステージ６上の光反応性樹脂はステージより取り外す。光を当てて反応している部分とそれ以外の部分はまだ一緒になっている状態であるため、その後不要な部分を溶かす溶剤等により光を当てていない部分または光を当てた部分だけを取り除き、最終的な立体構造物を取り出す。
【００２１】
または、樹脂塗布の材料に、次の塗布をコントロールするための表面改質剤を加えても良い。ステージ６の回転により生じる遠心力により樹脂を広く短時間に展開することが可能であり、さらにステージ６に形成される光硬化樹脂の膜厚は、ステージ６の回転塗布期間（ステップ４）中の加速度や回転数により、コントロールが可能である。ここで加速度とは回転塗布期間（ステップ４）中の時間に対する回転数の変化を意味しており、低回転数から高回転数に瞬時に変化する回転力を加えた場合、正加速度が生じ、所望の厚みまで樹脂を薄くすると共に、均一に広げることが可能になる。このスピン塗布において、ステージの回転は実験的に求めた最適な回転速度が選択され、あらかじめ回転塗布期間中の時間経過に対する回転数の変化としてプログラムしておくことが可能である。また、一定回数の積層毎にスピン塗布の回転数などを変えることにより積層膜厚をコントロールすることも可能である。
使用する光反応性樹脂の粘度などにより液滴の落下した後のステージ６上での広がり方や膜厚なども変わるため、使用する光反応性樹脂の粘度などにより、ステージ６の回転数や加速度などを必要な値に変更するようにしてもよい。例えば吐出装置８を複数設け、積層作業の途中で違う光反応性樹脂に切り替える場合などは同じ膜厚にする必要がある場合などには変更して対応しても良い。
【００２２】
尚、ステージ６、６ａまたは回転駆動軸１４の回転角は、外部からレーザー光反射などの光学的手段により読み取ってもよいし、回転駆動軸１４に直接供えられたロータリーエンコーダーによってもよい。
また所定角度ごとに光照射する方法は、１回転（３６０度）ごと一括光照射の間欠繰り返しに限るものではない。例えば回転により刻一刻と変わる回転角に応じて変形した等高線データを生成して、連続して光照射するようにしてもよい。このように光照射すると造形がいっそう短時間で進められることとなる。
尚、上記実施形態では、ステージ６に塗布した光反応性樹脂をリコータなどの均し手段１０で成型後に光照射装置１２で露光し、露光による造形後、次の積層工程に移行しているが、図４に示すように、ライン型のカラーインクジェットヘッド３２などの色付け装置を配備し、ステージ６に光反応性樹脂を回転塗布後、ステージ６を回転させながら、ステージ６の光反応性樹脂塗布面にカラーインクジェットヘッド３２で光反応性樹脂に対してインクジェット描画を行うようにしても良い。
【００２３】
このとき、ステージ６を回転させながら、ロータナイフなどの均し手段３４によってステージ６上の光反応性樹脂の成型を行いつつ、ＵＶランプなどの光照射装置でステージ６の一部を照射して、ステージ６上の光反応性樹脂を硬化させ、色付けされていない造形物上に色を付けるようにしても良い。他の動作は、第１の実施形態の動作と同一である。
【符号の説明】
【００２４】
２      造形装置
４      容体
６      ステージ
８      吐出装置
８ａ    アーム部
８ｂ    吐出部
１０    均し手段
１２    光照射装置
１４    駆動軸
１６    昇降回転部
１６ａ  回転軸
１８    連結体
２０    昇降回転部
２０ａ  回転軸
２２    連結体
２４    レーザー
２６    レーザースキャナ
２８    光硬化樹脂
３０    ファン
３２    カラーインクジェットヘッド
３４    均し手段
【図１】
2016087906.tif 000003
【図２】
2016087906.tif 000004
【図３】
2016087906.tif 000005
【図４】
2016087906.tif 000006