(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光硬化性液に光を局所的に照射することにより所望の３次元形状を造形する光造形法であって、
光硬化性液の液面の所定範囲に光を照射することにより硬化層を形成し、その硬化層を複数積み重ねることにより三次元形状を造形する工程と、
前記工程で造形した造形物を粒状物質中に埋め込んだ状態で、その造形物に硬化促進エネルギを付与する工程とを備えた光造形法。
【請求項２】
前記硬化促進エネルギを付与する工程では、造形物を加熱することを特徴とする請求項１に記載の光造形法。
【請求項３】
前記硬化促進エネルギを付与する工程では、光を透過する粒状物質中に造形物を埋め込んだ状態で、造形物に光を照射することを特徴とする請求項１に記載の光造形法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、後処理工程の際に造形物がひずむことを抑制するように改善された光造形法に関する。
【０００２】
【従来技術】
光造形法では、光硬化性液に光を照射し、光硬化性液を硬化させて一定の厚みの硬化層を造形し、この硬化層を順次積み重ねることにより任意の３次元形状を有する物体を造形する。
このような光造形法で造形された造形物は、そのままでは耐熱温度が低いため、耐熱性の要求される自動車のエンジン周りの部品やコピー機等のランプ周りの部品に適用することは困難であった。例えば、光造形法で造形した自動車エンジンのインテークマニホールドの造形物をエンジンに取付け、エンジンの燃焼効率や吸気効率を実験する場合、時間の経過に伴いエンジンの熱で造形物が変形してしまうという問題があった。あるいは、造形直後の造形物は未硬化液を含み、これが時間の経過とともに硬化して形状をひずませるという問題がある。
このために造形後に後処理して、耐熱性を高め、時間経過にともなうひずみの発生を抑制する技術が開発され、例えば特開平２−２４１２７号に開示されているように、造形後造形物に硬化促進エネルギを付与（加熱）し未硬化液を硬化させる技術が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記技術では、光造形法で造形した造形物内の未硬化液を硬化させるために硬化促進エネルギを付与（加熱）する場合、未硬化液が硬化する際に造形物が変形しやすいという問題があった。例えば光造形法で造形した造形物がオーバハング部を有する場合、このオーバーハング部がひずんで変形してしまう場合があった。
このように従来の方法では、造形後造形物に硬化促進エネルギを付与する（加熱する）と造形物が変形してしまうという問題があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、請求項１記載の光造形法により解決される。
請求項１記載の光造形法では、光を照射することにより造形物を造形した後、造形物を粒状物質中に埋め込んだ状態で硬化促進エネルギが付与される。このため、造形物の中に含まれる未硬化液が硬化する際の体積収縮が生じても、それに抗して造形物の変形が拘束される。したがって、造形物は硬化促進エネルギ付与後もその形状を維持することができる。
ここで、硬化促進エネルギとは、光を照射することにより造形された造形物の中に含まれる未硬化液を硬化するために造形物に付与されるエネルギである。造形物に付与されるエネルギとしては、使用する光硬化性液によって決まり、熱によっては硬化しない光硬化性液を使用した場合は、造形物にレーザ光等を照射することによる光エネルギを使用し、熱により硬化する性質を有する光硬化性液を使用した場合は、造形物を加熱することによる熱エネルギのみを使用しても良いし、また光エネルギのみ、熱エネルギと光エネルギの両者を組合わせたものを使用しても良い。
ただし、熱エネルギを硬化促進エネルギとして使用すると、造形物の周囲を光を透過しない物質で覆い、造形物の変形を拘束した場合にも適用することができるため好ましい。熱エネルギを付与する際には、熱風炉や電気炉等の種々の加熱炉を使用することができるが、空気循環式加熱炉で熱エネルギを付与することが好ましい。空気循環式加熱炉を使用した場合は、炉内の空気が循環することにより炉内に入れられた造形物を均一に加熱することができるからである。
【０００５】
粒状物質中に埋め込むことにより造形物の変形を拘束することにより、造形物の形状がどのようなものであっても、造形物の全ての部位を支持することができる。
また、粒状物質中に造形物を埋め込むと、造形物が硬化する際の内部応力等により造形物が変形しようとした場合にも、粒状物質間に働く摩擦力や、粒状物質に働く重力が造形物に作用することにより、造形物の変形を拘束するため、内部応力等による造形物の変形を防止することができる。
粒状物質としては、収納容器内で造形物の形状に応じて比較的自由に流動する物質であることが好ましい。粒状物質にある程度の流動性があると、容器内に粒状物質を満たした状態で造形物を粒状物質内に埋め込むことが容易となるからである。ここで、粒状物質内への造形物の埋め込みは、造形物を容器に収納した後、容器と造形物の間に粒状物質を充填することによって行っても良い。
したがって、粒状物質としてはある程度の流動性のある、例えば、粉状、粒状あるいは球状を有するガラス類、シリカ・アルミナ等のセラミックス類、アルミニュウム・鉄・鉛等の金属類、木材、プラスチック類、若しくは石、砂等を使用することができる。ただし、粒状物質の流動性が良すぎて造形物の変形を抑制できない場合には、例えば粒状物質を充填した状態で周囲を密閉することにより流動を抑制するようにしても良い。
ここで、硬化促進エネルギとして光エネルギを使用する場合においては、粒状物質には光を透過するものを使用する必要があり、硬化促進エネルギとして熱エネルギを使用する場合は、加熱温度付近において粘着性が生じ粒状物質相互の移動を妨げる性質を有しないことが好ましい。また、熱エネルギを使用する場合は、造形物を均一に加熱するために、熱伝導性の高いアルミニュウム・鉄・鉛等の金属性の粒状物質を使用することが好ましい。
また、粒状物質の粒径は、比較的小さなオーバーハング部を支持する必要から10ｍｍ以下であることが好ましく、また、加熱処理後の造形物に付着した粒状物質を取り除きやすくするために０．１ｍｍ以上であることが好ましい。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明に係る光造形法の一実施の形態について説明する。まず、本発明の光造形法の概略を説明する。
【０００７】
まず、図1 に基づいて光を照射することにより造形物を造形する方法について説明する。ここで、造形される物体１１０は３次元形状を有するが、説明の便宜上、同図では、高さ方向と横方向のみを図示している。
なお、光を照射することにより造形物を造形する方法としては、既存のあらゆる装置によって実現することができるが、ここでは図1 に示すように光硬化性液の液表面にレーザ光等の光を走査することにより造形物を造形する場合を例に説明する。
まず、最初に容器１０４内を光硬化性液１０８で満たし、この光硬化性液１０８内に配設されたテーブル１０６を、硬化させる光硬化性液の厚み分ｔだけ液面から沈める（Ｚ方向に動かす）。この状態で、図示省略した光源からの光１００を、偏向器（ガルバノメータミラー）１０２の角度を変化させることにより、光硬化性液１０８の表面上で走査させ硬化させる。
次に、テーブル１０６を次に硬化させる層の厚み分ｔだけＺ方向に動かす。そして、同様に光源からの光１００を光硬化性液１０８の表面上で走査させ硬化させる。このように、一定の厚みｔを有する硬化層を積み重ねることにより、希望形状を有する造形物１１０がテーブル１０６上に造形される。
【０００８】
一般的に上述した手順で造形された造形物１１０の硬化の程度は、光硬化性液１０８に照射された光エネルギに比例して硬化率が高くなるという性質を有する。光硬化性液１０８に照射される光１００のエネルギ分布は図2 に示す通りとなるため、光の照射される中心からの距離（Ｘ方向）が大きくなるに従い、また光硬化性液１０８の表面からの距離（Ｚ方向：深さ）が大きくなるほど照射される光エネルギが低くなることが分かる。したがって、造形物の硬化の程度も、光の照射される中心からの距離（Ｘ方向）が大きくなるに従い、また光硬化性液の表面からの距離（Ｚ方向：深さ）が大きくなるほど低くなる。なお、図2 では横軸にビーム中心からの距離（Ｘ方向）を示し、縦軸に光硬化性液の表面からの距離（Ｚ方向：深さ）を示している。図中、同一の線で結ばれた場所は同一のエネルギ分布であることを示す。
ここで、光の照射される中心からの距離（Ｘ方向）が大きくなることによる硬化の程度の相違については、光１００を走査する間隔（光の照射される中心間の距離）を調整することにより、ある程度解消することができる。しかしながら、硬化層における深さ方向（Ｚ方向）の硬化の程度の相違については解消することはできない。
このため、各層における深さ方向と光硬化性液の硬化の程度は、図3 に示すように、造形物の表面付近では硬化の程度は大きいが、表面から深くなるに従って硬化の程度が減少するものと考えられる。図3 では、縦軸に光硬化性液の表面からの距離、横軸に光硬化性液の硬化の程度を示す。
すなわち、光造形法で造形した各硬化層の底面近辺では、樹脂のモノマーあるいはオリゴマーが架橋していない状態で存在する率が高くなると考えられる。そして、このような架橋していないモノマーやオリゴマーの存在により、造形物が加熱されこれらのモノマーやオリゴマーが架橋（硬化）すると、その体積収縮率の相違により造形物が変形することになると推察される。
【０００９】
したがって、本発明に係る光造形法では、上述したような手順で造形される造形物１１０を光硬化性液１０８から取り出した後に、さらに硬化促進エネルギを付与することにより造形後の変形（耐熱性の向上）を防止するものである。
【００１０】
なお、造形物１１０に硬化促進エネルギを付与する前に、光硬化性液１０８から取り出された造形物１１０の表面から光硬化性液を洗い落とすことが好ましい。これは、光硬化性液が造形物１１０に付着した状態で硬化促進エネルギを付与すると、付着した光硬化性液まで硬化することとなり造形物１１０の形状精度が低下するためである。造形物１１０から光硬化樹脂を洗い落とすのは、洗浄剤等を用いて行えば良い。
次に、造形物１１０に硬化促進エネルギを付与することとなるが、この際、造形物１１０の変形を拘束した状態で行うことが必要となる。これにより、未硬化の樹脂（モノマー分子）が架橋（硬化）する際の体積収縮による変形が拘束されるため、硬化促進後の造形物の変形が防止できる。
【００１１】
ここで、造形物１１０の変形を拘束するための方法としては種々の方法があるが、例えば、造形物１１０の形状に合せて特別な支持具（拘束手段）を作製しこれにより拘束しても良い。
造形物の変形を拘束する位置は、造形物の変形の原因が何であるかによって異なる。例えば、図４の（ａ）に示す造形物に硬化促進エネルギを付与する場合を考える。この造形物は、基部１１２と基部１１２からオーバーハングした平面部１１４を備える。
図４（ａ）に示す造形物において、基部１１２からオーバーハングした平面部１１４の垂れ下がりを防止するためには、図４の（ｂ）に示すように平面部１１４の先端付近を支持体１２０で支持することにより効果的にその変形を拘束することができる。
また、図４（ａ）に示す造形物において、造形物に存在する内部応力による平面部１１２のそり変形を防止するためには、光硬化性液への光の照射方法等によりその変形を拘束する位置が異なる。
すなわち、内部応力による造形物のそりは、既に説明したように、硬化層の表面（光が照射される面）と底面（光が照射される面とは反対側の面）との硬化率の相違により発生する。したがって、光硬化性液を硬化させる際の、光の照射方法により大きく異なることとなる。
したがって、造形物の周囲を全て拘束するようにすれば、どのような照射方法で造形物を造形した場合にも適用することができ好ましい。具体的には、粒状物質内に造形物１１０を埋め込んで硬化促進エネルギを付与すれば良い。
粒状物質内に造形物１１０を埋め込む方法としては、容器内に造形物１１０を収納した後、容器と造形物１１０の隙間に粒状物質を充填すれば良い。なお、造形物の変形を拘束する拘束力を大きくしたい場合には、粒状物質の上部から荷重を掛けた状態で、硬化促進エネルギを付与すれば良い。このようにすれば造形物１１０の変形がさらに拘束されるので、硬化促進エネルギを付与することによる造形物の変形をより防止することができる。粒状物質に荷重を掛ける方法としては、粒状物質の上部に重りを乗せることにより実施することができる。
【００１２】
以下、粒状物質内に造形物を埋め込んで造形物の変形を拘束した状態で硬化促進エネルギを付与した例について説明する。
まず、光造形法により図５に示すような二種類のオーバーハング部１１，１２を有する造形物１０を造形した。すなわち、造形物１０は図５に示すように、基部１３に対して平面形状を有する平面オーバーハング部１１と、棒状の形状を有するオーバーハング部１２を有する。
光造形装置としては、ＮＴＴデータシーメット（株）製の三次元光造形機ＳＯＵＰ６００ＧＡ（商品名）を使用した。光硬化性液としては、旭電化工業（株）製の紫外線硬化樹脂アデカラスキュアＨＳ−６７３Ｓ（商品名）を使用した。
上記装置において、積層ピッチ０．１mm、レーザパワー１００mW、レーザビーム径０．２mm、レーザ走査速度１，０００mm／sec 、レーザの走査間隔０．１ｍｍの条件で造形を行った。
造形後、造形物を光硬化性液から取り出し、洗浄剤を用いて造形物に付着する未硬化液を洗い落とし乾燥した。
上述した光造形後の造形物の熱変形温度（ＪＩＳＫ７１９１による）は５０℃であった。
【００１３】
次に、図６に示すようにステンレス製容器２０に平均粒径２ｍｍの粒状アルミニュウム３０を入れ、その中に洗浄乾燥後の造形物１０を埋め込んで、ステンレス製容器２０を熱風乾燥炉に入れ雰囲気温度９０℃で２時間加熱処理した。その後、粒状アルミニュウム３０が室温まで下がるの待って、ステンレス製容器２０から造形物１０を取り出した。
加熱後の造形物１０は、両オーバハング形状部１１，１２が垂れ下がることもなく、また、平面オーバハング形状部１１にそり変形も発生しなかった。
加熱後の造形物１０について、熱変形温度（ＪＩＳＫ７１９１による）を測定した結果、８０℃であった。
【００１４】
このように、光造形法により造形した造形物を、加熱することにより熱変形温度を５０℃から８０℃とすることができ、造形物の耐熱性を向上することができた。
また、造形物１０の加熱時にその変形を拘束しているため、オーバーハング形状部１１，１２の垂れ下がりや、内部応力による平面オーバハング形状部１１のそり変形を防止することができた。
【００１５】
比較例１として、同一の手順で造形した造形物１０を、図7 に示すようなアルミニュウム製のブロック状の支持具４０で支持して、雰囲気温度９０℃の熱風乾燥炉に入れ２時間加熱処理した。造形物１０が室温まで下がった後、乾燥炉から取り出した。
加熱後の造形物１０は、両オーバハング部１１，１２に垂れ下がりは生じなかったものの、平面オーバハング部１１にそり変形が生じた。
このことから、平面オーバハング部１１のようにそり変形が生じ易い部分においては、そり変形を防止するための拘束手段を必要とすることが分かった。
【００１６】
比較例２として、同一の手順で造形した造形物１０を、図８に示すようなオイル循環式加熱炉５０の加熱用オイル６０内に沈め、加熱用オイル６０を９０℃とし２時間加熱した。加熱用オイル６０が室温まで下がるのを待って、加熱用オイル６０内の造形物１０を取り出し、溶剤で造形物１０に付着した加熱用オイル６０を洗い落とした。
ここで、加熱用オイル６０としては造形物１０と同程度の比重となるように調整した塩素化パラフィンを使用した。これは、造形物１０に作用する重力の影響を軽減するためである。
加熱後の造形物１０は、オーバハング形状部１１，１２に垂れ下がりは観察できなかったが、平面オーバハング形状部１１にそり変形が生じた。
このことから、加熱用オイル６０を造形物１０の比重と同程度となるように調整することにより重力による影響を軽減しても、そり変形までは防止することができないことが分かった。
【００１７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明に係わる光造形法では、光を照射することにより造形した造形物に後処理として、硬化促進エネルギを付与しても造形物の形状を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光を照射することにより造形物を造形する方法を説明するための図面である。
【図２】光硬化性液に照射された光照射エネルギの分布状態を示す図面である。
【図３】表面からの距離と光硬化性液の硬化率の関係を示す図面である。
【図４】造形物の変形を拘束する箇所を説明するための図面である。
【図５】図１に示す光造形法により造形した造形物の斜視図である。
【図６】図５に示す造形物を粒状アルミニュウム内に埋め込んだ状態を示す図面である。
【図７】図５に示す造形物をアルミニュウム製のブロック材で支持した状態を示す図面である。
【図８】図５に示す造形物をオイル循環式加熱槽により加熱する状態を示す図面である。
【符号の説明】
１０・・造形物
１１・・平面オーバハング形状部
１２・・オーバハング形状部
１３・・基部
２０・・収納容器
３０・・粒状物質
【図１】
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【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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【図７】
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【図８】
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