(57)【要約】  【課題】三次元立体形状物を高精度かつ効率的に形成することが可能な光造形装置を簡易な構成で低コストに提供する。  【解決手段】光造形装置１を、紫外光（光線）Ｌを射出する光源１０と、液体樹脂１１が充填される液槽１２と、液槽１２内の液体樹脂１１中で昇降し硬化層１３を支持する昇降テーブル１４と、液体樹脂１１内に所定深さで配置され、一対の斜面２１の間隙に光線Ｌの走査方向に延びるスリット２２が設けられるとともに走査方向と交差する方向に移動可能な筐体２０と、昇降テーブル１４又は硬化層１３との間に、硬化層１３一層分の積層間隔ｄが介在するようにスリット２２が位置決めされた状態で、スリット２２の間隙２２ａに現れる液体樹脂１１の液面２６に光線Ｌを走査して照射する照射部１６とを備えて構成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光硬化性液体樹脂材料に光線を照射して前記光硬化性液体樹脂材料を一層ずつ硬化させ、得られた硬化層を積層することによって三次元形状物を造形する光造形装置であって、
前記光線を射出する光源と、
前記光硬化性液体樹脂材料を収容する液槽と、
前記液槽内の前記光硬化性液体樹脂材料中で昇降し前記硬化層を支持する支持体と、
前記光硬化性液体樹脂材料内に所定深さで配置され、前記光線の走査方向に延びるスリットが設けられるとともに前記走査方向と交差する方向に移動可能な筐体と、
前記光硬化性液体樹脂材料内の前記支持体又は前記硬化層との間に、前記硬化層一層分の液体樹脂層が介在するように前記スリットが位置決めされた状態で、前記スリットの間隙に現れる前記光硬化性液体樹脂材料の液面に前記光線を走査して照射する照射部とを備えたことを特徴とする光造形装置。
【請求項２】
前記筐体は、前記液槽内に向かって次第に狭幅となるように先尖り状に配置された一対の斜面を有し、前記一対の斜面の傾斜の間隙を、前記スリットとした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】
前記筐体の内部空間に、気体を供給する気体供給部を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の光造形装置。
【請求項４】
前記気体供給部は、前記筐体に前記気体を供給し続けるように構成され、前記筐体に、前記内部空間の前記気体を排気する排気管を設け、前記排気管に水封部を設けたことを特徴とする請求項３に記載の光造形装置。
【請求項５】
前記照射部は、前記筐体内で前記光源を前記スリットに沿って往復動させる駆動部材を有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光造形装置。
【請求項６】
前記照射部は、前記筐体内で前記光源から射出する光を前記スリットの間隙の液面に向けて反射する反射部材と、前記反射部材を前記スリットに沿って往復動させる駆動部材とを有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光造形装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の光造形装置により行われる光造形方法であって、
光硬化性液体樹脂材料内で、支持体又は直前に硬化させた硬化層との間に、硬化層一層分の液体樹脂層が介在するように、前記スリットの位置決めを行う工程と、
前記スリットを有する筐体を、前記スリットと交差方向に移動し、その移動位置で前記スリットの間隙に現れる前記光硬化性液体樹脂材料の液面に光線を走査させ、照射し、硬化させることを繰り返すことで一層分の硬化層を形成する工程と、を有し、
上記工程を繰り返すことにより三次元形状物を造形することを特徴とする光造形方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
三次元データ（３Ｄ−ＣＡＤデータ）等に基づいて、三次元形状物（立体造形物）を造形する３Ｄプリンタが知られている。その中でも、光硬化性液体樹脂材料に光線（紫外線レーザ等）を走査・照射して三次元形状物を造形する光造形法（ＳＬＡ）やこれを用いた光造形装置が注目されている。
【０００２】
光造形法には、光硬化性液体樹脂材料（以下、単に液体樹脂ということがある）に対して、上面から光線を照射し、液面で樹脂を硬化させる自由液面方式と、液体樹脂を満たした透明容器の下面から光線を照射し、透明容器の底面で樹脂を硬化させる規制液面方式が知られている。
【０００３】
自由液面方式では、容器内の液体樹脂の中で、上面が平坦な昇降テーブルを、重力によって水平となった液体樹脂の液面直下に位置させ、テーブル上の薄い液層に対して、目的とする立体造形物の断面形状を紫外線等の光線で走査・照射して硬化させ、テーブルを降下させながら新しい硬化層を現在の硬化層の上面に順次積層していく。この場合、硬化層の下降や液体樹脂の表面張力等の影響により自由な液面が波打ったり、あるいは気泡が混入して硬化層の形成不良を生じたりして、加工精度に影響することがある。そのため、リコータ等を用いて液面の平坦化や泡の除去を行う技術が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
規制液面方式では、底面が透明な容器内の液体樹脂中で、下面が平坦な昇降テーブルを容器の底面直上まで降下させ、容器の下側から光線を照射し、容器底面と昇降テーブルとの間で一層ずつ樹脂を硬化させ、テーブルを引き上げながら新しい硬化層を現在の硬化層の下面に順次付け加えていく。この場合、硬化層を形成するたびに容器底面から剥離する必要があるが、容器底面に古い硬化層が残って新しい硬化層の形成不良を生じたり、あるいは気泡の混入により硬化不良を生じたりすることがあり、加工精度に影響する。また、繰り返されるレーザ照射により容器底面が変色して透明度が低下し、液層の硬化が十分に行われないこともある。そこで、硬化層へのダメージを低減すべく、底面に剥離層を設けたり、底面を容器の内側に湾曲させたりすることで、底面からの硬化層の剥離性を高めようとする技術が開発されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
一方、医療分野においては、Ｘ線ＣＴ、ＭＲＩ、エコー検査装置等の画像検査装置や画像データ処理の発達によって、臓器等の三次元データを極めて詳細に取得することが可能となっている。これらの三次元データを利用して、３Ｄプリンタを用いて臓器等の三次元形状物（臓器立体モデル）を作成し、術前評価等に用いることが行われている。そのため、臓器立体モデルは個々の患者ごとに作成され、臓器の外形だけでなく内部構造も精巧な三次元形状物であることが望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−２１８８２１号公報
【特許文献２】特開２００９−１３７０４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記のような従来技術の３Ｄプリンタでは、樹脂液面の平坦化や硬化層の剥離等のための仕組みが必要で、さらに照射する光線（レーザ）の光路制御のために高価なガルバノメータ等を用いるため、構造が複雑でコストも高くなっていた。したがって、機器管理やコストの面だけでなく、立体造形物の完成度や作業時間、作業の手間の面で改良の余地があった。
【０００８】
本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、三次元形状物を高精度かつ効率的に造形することが可能な光造形装置を簡易な構成で低コストに提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するため、本願に係る光造形装置は、光硬化性液体樹脂材料に光線を照射して前記光硬化性液体樹脂材料を一層ずつ硬化させ、得られた硬化層を積層することによって三次元形状物を造形する光造形装置であって、前記光線を射出する光源と、前記光硬化性液体樹脂材料を収容する液槽と、前記液槽内の前記光硬化性液体樹脂材料中で昇降し前記硬化層を支持する支持体と、前記光硬化性液体樹脂材料内に所定深さで配置され、前記光線の走査方向に延びるスリットが設けられるとともに前記走査方向と交差する方向に移動可能な筐体と、前記光硬化性液体樹脂材料内の前記支持体又は前記硬化層との間に、前記硬化層一層分の液体樹脂層が介在するように前記スリットが位置決めされた状態で、前記スリットの間隙に現れる前記光硬化性液体樹脂材料の液面に前記光線を走査して照射する照射部とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、三次元形状物を高精度かつ効率的に造形することが可能な光造形装置を簡易な構成で低コストに提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図２に示す光造形装置のＸ軸方向から見た断面図である。
【図２】本発明の実施例１に係る光造形装置の概略構成を示す斜視図である。
【図３】本発明の光造形装置による三次元形状物を造形するフロ-チャート図である。
【図４】本発明の実施例２に係る光造形装置を説明するための図１と同様な断面図であって、（ａ）は液面がスリット面より入り込まない状態を示し、（ｂ）は液面がスリット面より筐体内部側に入り込んだ状態を示している。
【図５】本発明の実施例３に係る光造形装置の概略構成を示す断面図である。
【図６】本発明の実施例４に係る光造形装置の概略構成を示す断面図であって、（ａ）はＹ軸方向から見た断面図を示し、（ｂ）は（ａ）の主要部をＸ軸方向から見た状態を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（実施例１）
以下、本発明の光造形装置の一実施例を、図面を参照しながら説明する。図１、図２に示すように、実施例１の光造形装置１は、光線Ｌを射出する光源１０と、液体樹脂１１を収容する液槽１２と、液槽１２内の液体樹脂１１中で鉛直方向に昇降し、光線Ｌによって硬化した硬化層１３を支持する支持体としての昇降テーブル（プラットホーム）１４と、昇降テーブル１４を駆動する駆動部１５と、光線Ｌの走査方向に延びるスリット２２が設けられた筐体２０と、光源１０から射出する光線Ｌをスリット２２に沿って走査させる照射部１６と、光造形装置１の全体の動作を制御する制御部１７とを備えている。筐体２０は、液体樹脂１１内の所定位置に所定深さで配置される。筐体２０の底部は液槽１２内に向かって次第に狭幅となるように先尖り状（逆ハ字状）に配置された一対の斜面２１から形成され、この一対の斜面２１の傾斜の間隙として、スリット２２が設けられている。
【００１３】
本明細書では、レーザの走査方向をＸ軸方向、水平面内においてＸ軸と直交する方向をＹ軸方向、Ｘ、Ｙ軸に直交する方向であって、光線の照射方向をＺ軸方向とする。
【００１４】
光源１０は、制御部１７に接続され、制御部１７によって点灯と消灯が制御される。光源１０は、使用する液体樹脂１１の特性に応じた光線Ｌを射出するものを適宜選択することができる。本実施例では、液体樹脂１１として紫外線（ＵＶ）硬化性液体樹脂材料を用いるため、紫外線を出射する光源１０を採用している。このような光源１０としては、半導体レーザ（ＬＤ）やＬＥＤ等の固体光源を用いることができるが、これらに限定されることはない。
【００１５】
駆動部１５は、制御部１７によって制御され、昇降テーブル１４を液槽１２内で昇降させるものでれば、公知の適宜のものを用いることができる。本実施例では、駆動部１５として、液槽１２内に液密状態で挿通したピストン１５ａと、当該ピストン１５ａをＺ軸方向に進退動するエアシリンダや油圧シリンダ、アクチュエータ等の駆動部材とで構成している。液槽１２内に配置されたピストン１５ａの上端に、昇降テーブル１４を接続し、ピストン１５ａをＺ軸方向に進退動することによって、液槽１２内で昇降テーブル１４を昇降させている。
【００１６】
なお、駆動部１５が実施例１の構成に限定されることはなく、昇降テーブル１４を液槽１２の上方から適宜の吊下部材で吊り下げ、この吊下部材を適宜の駆動部材で駆動することで、昇降テーブル１４を昇降させる構成とすることもできる。
【００１７】
筐体２０は、図１、図２に示すように、Ｘ軸方向（光線Ｌの走査方向）に長尺に形成され、上述した一対の斜面２１と、斜面２１の四方に設けられた壁面２３ａ〜２３ｄと、天面２４とを有している。一組の斜面２１の間隙として設けられたスリット２２は、ＸＹ平面上にあり、Ｘ軸方向に延びる。筐体２０は、少なくともスリット２２の高さから斜面２１の所定高さまで、あるいは斜面２１の上辺まで、あるいは壁面２３ａ〜２３ｄの一部まで液槽１２内の液体樹脂１１に沈められる。
【００１８】
そのため、筐体２０は、内部空間２５にスリット２２以外から液体樹脂１１が侵入することがないように、斜面２１と壁面２３ａ〜２３ｄとが少なくとも液密状態に接続されている。内部空間２５に液体樹脂１１が侵入することを抑制できるのであれば、天面２４側が厳密に密閉されている必要はなく、例えば、取り外し可能に設けることもできる。さらには天面２４を設けずに、筐体２０の上面が開口した構成とすることもできる。
【００１９】
スリット２２は、上述したように光線Ｌの走査方向（Ｘ軸方向）に沿って、光線Ｌを最大に走査可能な長さで形成されている。スリット２２のＹ軸方向の幅、すなわち間隙２２ａの幅は、筐体２０を液体樹脂１１内に沈めたときに、スリット２２の深さにおける液圧と、内部空間２５の気圧（天面２４が厳密に密閉されていない場合は大気圧と等しい）と、液体樹脂１１の持つ表面張力とのバランスにより、液体樹脂１１が間隙２２ａから内部空間２５に流入しにくいような寸法で形成されている。
【００２０】
筐体２０は、筐体駆動部２７によって、液体樹脂１１内に沈めるべくＺ軸方向へ上下動可能となっている。筐体駆動部２７としては、ボールネジ機構やエアシリンダ等の適宜の駆動部材を用いることができる。
【００２１】
筐体２０の内部空間２５には、上記した光源１０と、照射部１６とが収容されている。照射部１６は、光源１０から射出する光線Ｌをスリット２２に沿って走査させる。スリット２２の間隙２２ａに現れる液面２６が光線Ｌの照射対象となる。
【００２２】
そのため、本実施例の照射部１６は、光源１０をＸ軸方向へ往復動させる駆動部材として、光源駆動部３０を有している。また、照射部１６には、光源１０から出射される光線Ｌの集束、リレー、フォーカス等を行うための光学部材を適宜設けることができる。
【００２３】
光源駆動部３０は、図１、図２に示すように、リニアシャフト等の軸３１と、軸３１に沿って往復動するスライダ３２と、スライダ３２を駆動する電動モータ３３等からなる直動機構で構成されている。
【００２４】
軸３１は、筐体２０のＸ軸方向に対向して配置された壁面２３ａ，２３ｂに固定されている。スライダ３２には、光源１０が搭載されている。電動モータ３３は、制御部１７に接続され、制御部１７によって動作が制御されている。制御部１７の制御によって、電動モータ３３が作動し、軸３１に沿ってスライダ３２と光源１０とをＸ軸方向に往復動させることで、光源１０から射出する光線Ｌを、スリット２２に沿って走査させることができる。光線Ｌを円形又は楕円形のスポット状に照射することによって、液体樹脂１１は光線Ｌのスポット径とほぼ同じ幅でＸ軸方向に沿って硬化する。
【００２５】
そして、筐体駆動部２７によって筐体２０を光線Ｌにより硬化した樹脂の幅（Ｙ軸方向の幅）分だけＹ軸方向へ移動させ、移動先で再度光源駆動部３０によって光源１０をＸ軸方向へ移動させてスリット２２に沿って光線Ｌを走査させる。この筐体２０のＹ軸方向への移動と、Ｘ軸方向への光線Ｌの走査・照射とを繰り返すことで、ＸＹ平面において１層分の硬化層１３を造形することができる。
【００２６】
制御部１７は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶部１８等を備えたパーソナルコンピュータ（ＰＣ）等で構成することができる。記憶部１８は、ＲＡＭ（Random Access Memory）や、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ等の不揮発性の半導体メモリ、ＳＤカード、又は外付けハードディスク等の記録媒体等から構成することができる。
【００２７】
制御部１７は、記憶部１８に予め記憶されている光造形プログラムにしたがって、例えば記憶部１８の一部をワークメモリとして用いて、光造形装置１全体の作動制御を行うことができる。
【００２８】
制御部１７は、三次元ＣＡＤシステムを搭載するパーソナルコンピュータ等の情報処理装置４０に接続されている。三次元ＣＡＤシステムは、Ｘ線ＣＴ、ＭＲＩ、エコー検査装置等の画像検査装置で測定した画像データ等に基づいて、造形目的の三次元形状物の三次元データ（３Ｄ−ＣＡＤデータ）を生成し、制御部１７に出力する。
【００２９】
なお、本実施例では、制御部１７と三次元ＣＡＤシステムを搭載する情報処理装置４０とを別個に設けているが、本発明がこれに限定されることはなく、情報処理装置４０内に制御部１７を設けることもでき、１つの情報処理装置４０で三次元データの生成から三次元形状物の造形までを制御することができる。
【００３０】
三次元ＣＡＤシステムからの三次元データは、記憶部１８に記憶される。制御部１７は、記憶部１８の三次元データに基づいて、造形目的の三次元形状物を目標とする精度の積層間隔ｄで鉛直方向（Ｚ軸方向）にスライスし、スライスデータ（ＸＹ平面データ）を算出する。算出されたスライスデータに基づいて、制御部１７は駆動部１５、光源１０、電動モータ３３等を駆動して、液体樹脂１１を一層ずつ硬化させ、得られた硬化層１３を順次積層していくことで、三次元形状物を造形する。
【００３１】
以上のような構成の実施例１の光造形装置１を用いた光造形方法を、図３のフローチャートに従って説明する。光造形装置１では、三次元形状物を造形する際に、まず、液槽１２中の液体樹脂１１内の所定位置に、筐体２０を所定深さで沈める（ステップＳ１）。本実施例では、図１に示すように、先尖り状に傾斜する一対の斜面２１が液体樹脂１１内に浸かり、スリット２２が液槽１２における自由液面１１ａよりも下に位置するよう筐体２０を配置する。これにより、筐体２０をＹ軸方向へ移動させても、液体樹脂１１の液面の波立ちや液面に浮いた気泡による影響を抑制することができる。このステップＳ１の処理は、制御部１７の制御により、筐体２０の駆動部材を駆動して自動で行うこともできるし、手動で行うこともできる。
【００３２】
次に、制御部１７は、駆動部１５を駆動して、昇降テーブル１４を鉛直方向（Ｚ軸方向）に積層間隔ｄだけ移動し、昇降テーブル１４とスリット２２との間に一層分の硬化層１３を形成するための液体樹脂層１９を設ける（ステップＳ２）。これにより、昇降テーブル１４に対するスリット２２の相対的な位置決めが行われる。
【００３３】
次に、制御部１７は、スライスデータに基づいて、筐体２０をＹ軸方向へ移動させ、露光の開始位置に配置する（ステップＳ３）。そして、制御部１７は、光源駆動部３０を駆動して、光源１０をＸ軸方向へ移動させる。この移動により、スリット２２に沿って光線Ｌを走査させ、スリット２２の間隙２２ａ内に現れる液面２６に、光線Ｌを照射する（ステップＳ４）。この光線Ｌの走査・照射の際に、制御部１７は、スライスデータに基づいて、光源１０を点灯及び消灯制御する。これにより、光線Ｌが照射された領域の液体樹脂１１のみを線状に硬化させることができる。
【００３４】
一層分の走査・照射がまだ終了していない（ステップＳ５の判定がＮｏ）間は、上記ステップＳ３とステップＳ４の処理を繰り返す。つまり、筐体２０をＹ軸方向へ硬化した樹脂の幅分だけ移動させ、次の露光位置に配置する（ステップＳ３）。先の露光によって、液体樹脂１１は、狭い間隙の液面２６の範囲で硬化しているので、硬化した樹脂が筐体２０に付着するのを抑制することができる。また、硬化した樹脂が筐体２０に付着した場合であっても、容易に筐体２０から剥離することができ、硬化層１３へのダメージを抑制することができる。特に、筐体２０の底部側を、一対の斜面２１により下に向かって先尖り状に形成していることから、筐体２０と硬化層１３との接触面積をより少なくすることができ、硬化した樹脂が筐体２０へ付着するのをより効果的に抑制することができる。
【００３５】
当該露光位置で光源１０をＸ軸方向へ移動させて、液面２６に光線Ｌを照射する（ステップＳ４）。スライスデータにしたがって、ステップＳ３、Ｓ４の処理を繰り返すことで、一層分の硬化層１３を昇降テーブル１４上に形成することができる。
【００３６】
一層目の硬化層１３を造形したら、ステップＳ２に戻り、昇降テーブル１４を鉛直方向（Ｚ軸方向）に積層間隔ｄだけ移動し、一層目の硬化層１３とスリット２２との間に、二層目の硬化層１３を形成するための液体樹脂層１９を設ける。そして、二層目に対応するスライスデータにしたがって、上記ステップＳ３、Ｓ４の処理を繰り返すことで、二層目の硬化層１３を造形し、一層目の硬化層１３に積層する。
【００３７】
従来は、一層前の硬化層上に一層分の薄い液体樹脂層を形成していたので、液面の波立ちや気泡の混入等が問題となり、リコータ等で硬化層上の液面を安定させる必要があった。しかし、本実施例では、昇降テーブル１４や硬化層１３が液体樹脂１１内に完全に沈められており、光線Ｌを照射する対象は、スリット２２の間隙２２ａに現れる液面２６である。そのため、スリット２２によって緩やかに規制された液面２６では波立ちや気泡混入等を抑制することができ、硬化層１３を高精度に造形することができる。
【００３８】
そして、積層すべき層がある（ステップＳ６の判定がＮｏ）間は、ステップＳ２〜Ｓ５の処理を繰り返す。すべての硬化層１３を造形して積層することで（ステップＳ６の判定がＹｅｓ）、三次元形状物が造形される。
【００３９】
以上、実施例１の光造形装置１では、昇降テーブル１４や硬化層１３を完全に液体樹脂１１内に沈め、光線Ｌを出射させるスリット２２も液体樹脂１１内に配置し、液体樹脂１１の自由液面１１ａから離れた液体樹脂１１中で、スリット２２の間隙２２ａの液面２６と、昇降テーブル１４又は一つ前の硬化層１３との間で液体樹脂１１を硬化させる。ここで液面２６は、間隙２２ａで作用する液体樹脂１１の表面張力と筐体２０内の気圧とスリット２２の深さにおける液圧のような、硬い構造物に依らない柔軟な外力によって固定される。これにより、自由液面方式に見られるような液体樹脂１１の自由液面１１ａの波打ちを抑え、三次元形状物を高精度に造形することができる。
【００４０】
また、スリット２２を設けた筐体２０を液体樹脂１１中へ沈めることで、自由液面１１ａに浮いた気泡が筐体２０の壁面２３ａ〜２３ｄや斜面２１の外側面に付着し、光線Ｌを照射するスリット２２の間隙２２ａの液面２６までは入り込みにくい。これにより、硬化層１３への気泡の混入を抑え、気泡を通過した光線Ｌの散乱による造形不良や、気泡の混入を抑制し、三次元形状物の造形精度や強度の向上を図ることができる。
【００４１】
また、筐体２０の一対の斜面２１を逆ハ字状とし、一対の斜面２１の下端にスリット２２を設けたことで、筐体２０のＹ軸方向への移動に伴う硬化層１３との接触を最小限に抑えることができる。これにより、規制液面方式の剥離操作のような外力が作用しないため、三次元形状物を高精度に造形することができる。
【００４２】
また、スリット２２の間隙２２ａで固定された液面２６に対して、光線Ｌを直接入射することができるため、レーザ光等の光線Ｌの光路制御を、簡易な構成で実現することができる。また、ガルバノメータ等の高価な光学部材を使用しないため、コストを大幅に削減できる。さらに、簡易な構成のため、調整が容易で扱いも容易である。
【００４３】
（実施例２）
次に、実施例２について図４を参照して説明する。図４に示す実施例２の光造形装置１Ａは、筐体２０の内部空間２５に、空気等の気体を供給するポンプ３４、給気管３５等の気体供給部を設けたこと以外は、実施例１の光造形装置１と同様の基本構成を備えている。そのため、同一の部材には同一の符号を付して、詳細な説明は省略する。以降の実施例でも同様である。ポンプ３４等の動作は、制御部１７によって制御される。
【００４４】
図４（ｂ）は、ポンプ３４等などの加圧手段（気体供給部）がない場合を示し、光造形装置１の設置環境での気圧や、スリット２２の深さでの液圧の変化、スリット２２の間隙２２ａと液体樹脂１１の粘度等の関係で、液面２６がスリット２２から内部空間２５に張り出すように膨らむ場合がある。
【００４５】
このような液面２６の張り出しによって、スリット２２の内側で液体樹脂１１が硬化し、筐体２０がＹ軸方向に移動する際に硬化層１３と干渉する恐れがある。これを防ぐために、実施例２の光造形装置１Ａでは、ポンプ３４等の気体供給部を用いて、筐体２０の内部空間２５の気圧を上げることで、スリット２２の間隙２２ａより外側に向かって液体樹脂１１を凹ませることができる。これにより、図４（a）のように液体樹脂１１がスリット２２のエッジ部分よりも下方で硬化するので、硬化層１３とスリット２２との貼り付きや、筐体２０がＹ軸方向へ動くときの硬化層１３との干渉を回避することができる。
【００４６】
このことにより、実施例２の光造形装置１Ａでは、以下のような効果を奏する。すなわち、実施例１と同様に、波打たない液面２６を形成することができ、三次元形状物への泡の混入を回避することができる。また、硬化層１３への外力の負荷を抑制することができる。また、液面２６にレーザを直接到達させることができる。そのため、三次元形状物を高精度かつ効率的に造形することができる。さらには、ガルバノメータ等の複雑で高価な装置、機構を必要とせず、光造形装置１Ａを簡易な構成で低コストに製造することができる。
【００４７】
（実施例３）
次に、図５を用いて液面固定のために内部空間２５の気圧を制御する水封加圧方式を採用した実施例３の光造形装置１Ｂを説明する。図５に示す実施例３の光造形装置１Ｂは、上記実施例２の光造形装置１Ａと同様の構成に加えて、内部空間２５の気体を排気する排気管としてのＵ字管３６を接続し、このＵ字管３６に水封部３７を設けている。そして、筐体２０を加圧室として、内部空間２５にＵ字管３６の一端を接続し、他端は大気に開放する。Ｕ字管３６を封じるように液体を満たして内部空間２５を水封状態とし、その箇所を水封部３７とする。加圧室である内部空間２５には、ポンプ３４によって少量の気体を供給し続ける。
【００４８】
この構成により、内部空間２５の気圧は、Ｕ字管３６の左右の液柱の落差（図５のＣ）を発生させる。内部空間２５の気圧が上昇してＵ字管３６の内部空間２５側の液柱の高さが下がりゼロになると、Ｕ字管３６の底を通って他端側から気体が大気中に放出されるため、内部空間２５の気圧上昇が止まり、最大液柱落差（図５のＣ’）に保つことができる。そのため、電気式の計測器やコンピュータ制御等を用いることなく、Ｕ字管３６を設けただけの簡易な構成で、スリット２２の間隙２２ａより外側に向かって液体樹脂１１を凹ませる作用を、より効果的に行うことができる。
【００４９】
なお、液柱の落差Ｃは大気と内部空間２５との圧力差を反映するが、例えば、最大液柱落差Ｃ’が０．５ｃｍになるようにＵ字管３６に充填する液体の量を調整すると、０．５ｇ／ｃｍ2という極めて小さな圧差を簡単に制御することができる。Ｕ字管３６以外の気体漏れがなければ、ポンプ３４からの気体の供給量は少量で済み、精密な制御を必要とすることなく、応答性に優れた機構を構築できる。Ｕ字管３６に充填する液体の量を調整することで内部空間２５の気圧を自在に変更することができる。任意の時点の圧力差は、液柱落差を読み取ることで、容易に判別することができる。
【００５０】
以上より、実施例３の光造形装置１Ｂでは、簡易な構成で、低コストに内部空間２５の圧力制御を実施して、液面２６の内部空間２５への上昇を抑制することができる。したがって、内部空間２５内での液体樹脂１１の硬化や不必要な剥離等を抑制し、三次元形状物をより高精度に造形することができる。また、電子式の計測及びコンピュータ制御等を必要としないで、気圧や温度の変動に対して自動フィードバックがかかり、常に所望の加圧制御ができる。そのため、光造形装置１Ｂを簡易な構成で低コストに製造することができる。
【００５１】
（実施例４）
次に、実施例４について図６を参照して説明する。上記実施例１〜実施例３では、筐体２０内で光源駆動部３０によって光源１０をＸ軸方向に往復移動している。これに対して、図６に示す実施例４の光造形装置１Ｃでは、光源１０は筐体２０の壁面２３ａあるいは壁面２３ｂに固定し、光線ＬはＸ軸と平行に光源１０から射出され、Ｘ軸方向を往復移動する反射ミラー３８によってスリット２２方向へ反射している。図６（ａ）は光造形装置１ＣをＹ軸方向から見た断面図であり、光源１０が筐体２０の壁面２３ｂに固定され、筐体２０のスリット２２が液体樹脂１１内に浸っている状態を示している。図６（ｂ）は図６（ａ）の主要部をＸ軸方向から見た状態を示している。
【００５２】
実施例４では、Ｘ軸方向の直動機構を支持するガイドレールからなる軸３１’に、往復運動ができるスライダ３２が架け渡されており、スライダ３２は車輪や摺動部品、あるいはボールネジ等で、任意の位置決め制御に従って、軸３１’に沿って移動ができるようになっている。スライダ３２’には、光線Ｌの反射鏡である反射ミラー３８が下向き４５°に設置されている。実施例４の照射部１６は主にスライダ３２’と反射ミラー３８から構成されている。
【００５３】
このような構成の照射部１６では、光源１０からＸ軸方向に光線Ｌを射出することで、レーザが反射ミラー３８によってＺ軸方向、すなわち下向きに反射され、スリット２２の間隙２２ａの液面２６を露光することができる。スライダ３２’をＸ軸方向へ移動しながら、それに合わせて光線Ｌを点灯及び消灯させると、希望するＸ座標位置を露光して、その箇所の液体樹脂を硬化させることができる。Ｘ軸方向全長を露光した後に、筐体２０をＹ軸方向へ光線Ｌにより硬化した樹脂の幅分だけ移動させて、再びＸ軸方向の露光を行うことで、希望するＸＹ座標位置を露光して、ＸＹ平面の一層分の硬化を行う。そして、昇降テーブル１４を鉛直方向（Ｚ軸方向）に積層間隔ｄだけ移動し、次の液体樹脂層１９の露光及び硬化処理を行い、希望するＸＹＺ座標位置を硬化させて三次元形状物の造形を行う。
【００５４】
本実施例では、照射部１６を主にスライダ３２’と反射ミラー３８とで構成しており、重量物である光源１０は照射部１６とは別に筐体２０に固定している。これにより、照射部１６を大幅に軽量化し、Ｘ軸方向への移動に伴う慣性力を下げることが可能となるため、照射部１６の往復移動に要する駆動力を下げ、移動速度を上げることができる。その結果、三次元形状物の造形時間を短縮することができ、機器の騒音や振動を低減することができる。
【００５５】
さらに、光線Ｌの光路制御のために、精密で高価なガルバノメータ等の光学部材を使う必要がなく、コストを低減することができる。特に、コンシューマ向けの製品としては、ユーザが入手し易い低コストの光造形装置１Ｃを提供することができる。
【００５６】
また、実施例４の光造形装置１Ｃにおいても、実施例２と同様に筐体２０にポンプ３４、給気管３５等の気体供給部を設けることもできる。さらには、実施例３と同様に、Ｕ字管３６や水封部３７を設けることもできる。この構成により、光造形装置１Ｃでも、内部空間２５の圧力を制御して、液面２６の内部空間２５への上昇を抑制し、より高精度な三次元形状物の造形を可能とし、しかも低コストに実施することが可能となる。
【００５７】
以上、本実施例１〜４によれば、三次元形状物を高精度かつ効率的に形成することが可能な光造形装置１〜１Ｃを簡易な構成で低コストに提供することができる。特に、医療分野での実施に好適であり、臓器の外形だけでなく複雑に入り組んだ内部構造に対しても、精巧な三次元形状物を造形することができる。
【００５８】
また、上記実施例１〜４では、光線Ｌを下向きに照射し、液面２６で液体樹脂１１を硬化させているが、本願がこれに限定されることはない。液槽１２からの樹脂液１１の漏れを防止する対策は必要であるが、機器の上下を反転して光路を上向きとすることで、規制液面方式の光造形装置に適用することも可能である。
【００５９】
また、上記実施例４の光源１０と、スライダ３２’及び反射ミラー３８を有する照射部１６とからなる構成を単独で実施することもできる。重量のある光源１０をＸ軸方向へは移動させず、軽量な反射ミラー３８をＸ軸方向へ移動させて光源１０からの光線Ｌを液体樹脂１１に対して直角に入射させることで、Ｘ軸方向への光線Ｌの走査の高速化と樹脂の硬化の高精度化が可能となる。その結果、三次元形状物を高速かつ高精度に造形することが可能となる。また、光源１０及び照射部１６を液槽１２の下側に配置すれば光路が上向きとなり、光源１０及び照射部１６を規制液面方式のための光路制御にも利用することができる。
【００６０】
以上、本発明の実施例を図面により詳述してきたが、上記各実施例は本発明の例示にしか過ぎないものであり、本発明は上記各実施例の構成にのみ限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。また、前記構成部材の数、位置、形状等は各実施例に限定されることはなく、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等にすることができる。
【符号の説明】
【００６１】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ    光造形装置
１０    光源
１１    光硬化性液体樹脂材料、液体樹脂
１２    液槽
１３    硬化層
１４    昇降テーブル（支持部）
１５    駆動部
１６    照射部
１７    制御部
１８    記憶部
１９    液体樹脂層
２０    筐体
２１    斜面
２２    スリット
２２ａ  間隙
２３ａ〜２３ｄ    壁面
２４    天面
２５    内部空間
２６    液面
２７    筐体駆動部
３０    光源駆動部（駆動部材）
３１    軸
３２    スライダ
３３    電動モータ
３４    ポンプ（気体供給部）
３５    給気管（気体供給部）
３６    Ｕ字管（排気管）
３７    水封部
３８    反射ミラー
４０    情報処理装置
Ｌ      光線
ｄ      積層間隔（間隔）
【図１】
2017217765.tif 000003
【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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