(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光硬化性液の液面に光を走査する光走査装置と、光走査による硬化層を液面下に沈降させる沈降装置と、沈降した硬化層上を未硬化液で被覆するリコート装置と、を備えた光固化造形装置において、
前記リコート装置は、硬化層上面から所定の間隔を隔てて水平に移動し未硬化液の上面を平滑にならすリコータブレードを有し、前記光走査装置は、移動中のリコータブレードによる平滑液面に同時に光を走査するようになっており、
前記リコータブレードは、平滑液面に接しかつ硬化層に付着しない下面と、該下面まで光を透過させる光透過窓と、を有し、光透過窓を通して下面に接する液面を硬化させる、ことを特徴とするリコートと同時に光走査する光固化造形装置。
【請求項２】
前記沈降装置は、リコータブレード下面よりも高く未硬化液の液面を保持するようになっており、前記リコータブレードは、進行方向前面に、上面が傾斜し該傾斜面上に未硬化液を保持するテーパエッジを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の光固化造形装置。
【請求項３】
前記沈降装置は、リコータブレード下面よりも低く未硬化液の液面を保持するようになっている、ことを特徴とする請求項１に記載の光固化造形装置。
【請求項４】
前記光走査装置は、レーザ光を照射するレーザ装置と、移動中のリコータブレードによる平滑液面に前記レーザ光を導くスキャナー装置と、からなる、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光固化造形装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光走査とリコートを同時に行う光固化造形装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光固化造形法は、ラピッドプロトタイピング(Rapid Prototyping) 又はステレオリソグラフィー(Stereolithography) とも呼ばれ、光硬化性樹脂を光で硬化させて３次元物体を創成するものである。
図７は光固化造形法の原理図であり、（Ａ）まず３次元ＣＡＤやＸ線ＣＴなどにより作製した３次元モデル１のデータを、コンピュータ上で水平にスライスして断面形状データを作り、（Ｂ）次に、液状の光硬化性樹脂２の液面に、スライスデータに沿ってレーザ光３を走査しながら照射する。光硬化性樹脂は、レーザ光が照射された部分だけがある厚みをもって硬化し、断面形状データどおりの硬化層４が形成される。（Ｃ）次に、この硬化層４（造形物）を載せたテーブル５をモデル１をスライスしたピッチだけ移動し、硬化した層の上面に未硬化の薄い樹脂層を形成する。その際、通常ブレードと呼ぶ部材でリコート(Recoat)と呼ぶ平坦化操作を行い、未硬化樹脂液の表面を均一にならす。そして同様にレーザ光３を断面形状どおりに走査しながら照射し、硬化した層は直前の硬化層４と一体下する。（Ｄ）Ｂ及びＣの工程を繰り返すことにより、対象となる３次元モデルが造形される。
【０００３】
上述した光固化造形法は、ＣＡＤデータから型を介さずに直接３次元物体が創成できる特徴を有し、精密鋳造などのマスタモデルの製作，地図や立体像の製作等の多くの分野で用いられている。また、この光固化造形法の精度と効率を高めるために、「光学的造形法」（特公平５−３３９００号）、「光硬化造形法における積層平板造形法」（特公平７−９４１４９号）、「均一化された面露光式光硬化造形装置」（特願平７−３０２７９３号、未公開）等が出願されている。
【０００４】
しかし、上述した従来の光固化造形装置では、１回あたりの硬化層の厚さが大きい場合には、硬化層を沈降させる（或いは未硬化層の液面を高める）だけで、硬化層の上面に未硬化液を導入することができるが、モデルのスライスピッチが粗くなるため、完成した３次元物体の表面の段差が大きくなる問題点がある。一方、創成する物体の精度を高めるために、スライスピッチを細かくし、１回あたりの硬化層を薄くすると、表面張力によって未硬化液の導入が困難になり、リコート時間が長くなったり、リコートの残り面が発生する、等の問題点があった。
【０００５】
かかる問題点を解決するために、「リコートプロセスが改良された光硬化造形装置と光硬化造形法」（ＷＯ９３／２４３０３号）が提案されている。この装置は、リコーター（上述したブレードに相当する）に、硬化層上面との間で形成される間隙に未硬化液が吸入される距離だけ隔てて硬化層上面に対向する下面を形成し、未硬化液をリコーター下面で硬化層上面に引きずり込んでリコートするようになっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したＷＯ９３／２４３０３号の装置によっても、リコートプロセスが完了して硬化層の上に未硬化層の液層ができてから、光走査プロセスを行って未硬化層を硬化させるため、リコートプロセスと光走査プロセスを交互に行う必要があり、光固化造形時間をそれ以上は短縮できない問題点があった。
【０００７】
また、この装置では、リコートプロセス中に光走査プロセスを停止する必要があり、光照射装置（例えばレーザ装置）の出力を効率的に利用できない問題点があった。更に、硬化層の厚さ精度を保持するためには、従来の装置では、未硬化液の液面を精密に制御する必要があった。
【０００８】
本発明は、上述した種々の問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、リコートプロセスと光走査プロセスを少なくとも部分的に同時に行うことができ、これにより、光固化造形時間を大幅に短縮化でき、かつ光照射装置の出力を効率的に利用できる光固化造形装置を提供することにある。また、本発明の別の目的は、未硬化液の液面を精密に制御する必要がない光固化造形装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、光硬化性液の液面に光を走査する光走査装置と、光走査による硬化層を液面下に沈降させる沈降装置と、沈降した硬化層上を未硬化液で被覆するリコート装置と、を備えた光固化造形装置において、前記リコート装置は、硬化層上面から所定の間隔を隔てて水平に移動し未硬化液の上面を平滑にならすリコータブレードを有し、前記光走査装置は、移動中のリコータブレードによる平滑液面に同時に光を走査するようになっており、前記リコータブレードは、平滑液面に接しかつ硬化層に付着しない下面と、該下面まで光を透過させる光透過窓と、を有し、光透過窓を通して下面に接する液面を硬化させる、ことを特徴とするリコートと同時に光走査する光固化造形装置が提供される。本発明の好ましい実施形態によれば、前記沈降装置は、リコータブレード下面よりも高く未硬化液の液面を保持するようになっている。また、前記沈降装置は、リコータブレード下面よりも低く未硬化液の液面を保持するようになっていてもよい。また、前記光走査装置は、レーザ光を照射するレーザ装置と、移動中のリコータブレードによる平滑液面に前記レーザ光を導くスキャナー装置と、からなる。更に、前記リコータブレードは、進行方向前面に、上面が傾斜し該傾斜面上に未硬化液を保持するテーパエッジを有することが好ましい。
【００１２】
上記本発明の構成によれば、リコート装置のリコータブレードが硬化層上面から所定の間隔を隔てて水平に移動し未硬化液の上面を平滑にならすのと同時に、光走査装置により、移動中のリコータブレードによる平滑液面に光を走査するので、リコートプロセスと同時に光走査プロセスが行われ、リコートプロセスと光走査プロセスを交互に行う従来の装置に比較して、大幅に光固化造形時間を短縮することができる。上記所定の間隔は、１回の光走査で硬化させる未硬化液の厚さに相当する。
【００１３】
また、本発明の装置では、リコートと同時に光走査するので、リコートプロセス中に光走査プロセスをほとんど停止する必要がなく、光走査装置（例えばレーザ装置）の出力を効率的に利用することができる。更に、硬化層の厚さ精度は、リコータブレードの下面と硬化層の上面の間隔（上述した所定の間隔）で定まり、余分な未硬化液は、リコータブレードの前面に滞留して保持されるので、未硬化液の液面はリコータブレードの下面より高く保持するだけでよく、未硬化液の液面を精密に制御する必要がない。また、未硬化液の液面をリコータブレードの下面より低く保持しても表面張力により未硬化液を安定供給することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。図１は、光固化造形装置の全体斜視図であり、図２は、図１の概略側面断面図である。図１及び図２において、光固化造形装置１０は、光走査装置１２，沈降装置１４，及びリコート装置１５を備えている。また、光走査装置１２は、レーザ光７を照射するレーザ装置１７と、レーザ光７を光硬化性液２の液面に導くスキャナー装置１８とからなる。
【００１５】
図１において、レーザ装置１７は、レーザ発振器１７ａ、モジュレータ（シャッター）１７ｂ、アイリス（絞り）１７ｃ、及びビームエキスパンダー１７ｄからなり、レーザ光７を適当な直径（例えば約０．０５ｍｍ）のビーム光にしてｘ軸（副走査）方向に照射し、スキャナー装置１８に導くようになっている。レーザ発振器１７ａは、光硬化樹脂２を硬化させるのに適したレーザ光を放射する必要があり、例えばＡｒレーザ、Ｈｅ−Ｃｄレーザ、等が好ましい。
【００１６】
また、図１においてスキャナー装置１８は、反射ミラー１８ａ，１８ｂ、ポリゴンミラー１８ｃ、及びレンズ１８ｄ，１８ｅを備え、反射ミラー１８ａによりレーザ光７をｙ軸（主走査）方向に水平に反射してポリゴンミラー１８ｃに導き、ポリゴンミラー１８ｃの回転により反射光を水平に走査し、このレーザ光を反射ミラー１８ｂで垂直下向きに反射するようになっている。また、レンズ１８ｄ，１８ｅは、レーザ光を光硬化樹脂２の液面に集光するようになっている。
【００１７】
上述した構成によりレーザ装置１７から導入したレーザ光７をスキャナー装置１８により垂直下向きに反射させ、かつポリゴンミラー１８ｃの回転によりｙ軸方向に走査しながら、光硬化樹脂２の液面に集光させ、この部分の樹脂を光硬化させることができる。なお、レーザ装置１７及びスキャナー装置１８は、上述した構成に限定されず、周知の別の構成のものであってもよい。
【００１８】
沈降装置１４は、図２に示すようにｚ軸方向に下降可能なテーブル１４ａを有し、このテーブル１４ａを下降させることにより、光走査による硬化層４を液面下に沈降させるようになっている。また、光硬化樹脂２の液面２ａは、図示しない液面保持装置により、必要な樹脂量を補給し、液面を常に一定に保持するようになっている。
【００１９】
リコート装置１５は、硬化層４の上面から所定の間隔ｄ（図３参照）を隔てて水平に移動するリコータブレード１５ａを有し、このリコータブレード１５ａの水平移動により未硬化液２の上面を平滑にならし、沈降した硬化層４の上を未硬化液２で被覆するようになっている。また、前述した沈降装置１４は、リコータブレード１５ａによる平滑液面２ｂ（図３参照）よりも高く未硬化液２の液面２ａを保持するようになっている。この所定の間隔ｄは、１回の光走査で硬化させる未硬化液の厚さに相当する。
【００２０】
この構成により、リコータブレード１５ａの下面が常に未硬化液２の液面下に沈んだ状態となり、リコータブレード１５ａによる引き込み作用と光硬化樹脂自体の自重（液面を水平に保持する機能）により、沈降した硬化層４の上に未硬化液２を短時間に被覆することができる。
【００２１】
図３は、リコータブレードの断面形状とその水平移動（矢印で示す）により形成される平滑液面２ｂを示している。この図において、（Ａ）のブレードを半規制ブレード１５ａ、（Ｂ）のブレードを規制ブレード１６ａと呼ぶ。半規制ブレードは１５ａは参考例であり、規制ブレード１６ａは本発明の光固化造形装置に適用されるブレードである。図３（Ａ）（Ｂ）に示すように、リコータブレード１５ａ，１６ａは、進行方向前面に、上面が傾斜したテーパエッジ部１９ａを有し、リコータブレード１５ａ，１６ａが液面下に沈んだ状態で移動する際に、テーパエッジ１９ａの傾斜面上に未硬化液２を滞留させて保持するようになっている。この構成により、テーパエッジ１９ａにより保持された未硬化液２により、リコータブレードの下面１９ｂに安定して未硬化液２を供給することができ、気泡の混入等を防止することができる。
【００２２】
図３（Ａ）の半規制ブレード１５ａでは、図に示すように、液面下に沈んだ状態で移動するブレード１５ａの移動方向後方に一時的に平滑液面２ｂ（半規制液面）が形成される。この平滑液面２ｂは、未硬化液２の液面１ａが平滑液面２ｂよりも高い場合にも、未硬化液２の粘性によりある時間の間（例えば数秒間）、平滑のまま保持され、その後、光硬化樹脂自体の自重（液面を水平に保持する機能）により、平滑液面２ｂよりも高い液面１ａの未硬化液２が流れ込んで平滑液面２ｂの上面を未硬化液２で覆う。
【００２３】
前述した光走査装置１２は、スキャナー装置１８がリコータブレード１５ａと同期して同一方向に移動し、移動中のリコータブレード１５ａにより形成された平滑液面２ｂに同時に光を走査するようになっている。この構成により、リコート装置１５のリコータブレード（半規制ブレード１５ａ）が硬化層上面から所定の間隔ｄを隔てて水平に移動し未硬化液２を平滑にならすのと同時に、光走査装置１２により、移動中のリコータブレード１５ａによる平滑液面２ｂに光を走査するので、リコートプロセスと同時に光走査プロセスが行われ、リコートプロセスと光走査プロセスを交互に行う従来の装置に比較して、大幅に光固化造形時間を短縮することができる。
【００２４】
図３（Ｂ）の規制ブレード１６ａは、ブレードの下にブレード下面１９ｂで規制される平滑液面２ｂ（規制液面）を形成するようになっている。このリコータブレード１６ａは、平滑液面２ｂ（規制液面）に接しかつ硬化層に付着しない下面１９ｂと、この位置まで光を透過させる光透過窓１９ｃとを有する。硬化層に付着しない下面１９ｂは、樹脂から剥離しやすい材料（例えばテフロン等）を下面にコーティング又は張付ける（フィルム等を）ことで形成することができる。また、光透過窓１９ｃは、光の吸収の少ない石英ガラス等で構成するのがよい。かかる構成により、リコータブレード１６ａの光透過窓１９ｃを通してレーザ光７を下面１９ｂに接する規制液面２ｂに照射して硬化させることができる。これにより、液面２ｂが規制されているので、硬化層４の積層高さ精度を高めることができる。
【００２５】
図４は、図３（Ｂ）の規制ブレード１６ａの別の実施形態である。図４（Ａ）の規制ブレード１６ａは、進行方向後面にも、上面が傾斜したテーパエッジ部１９ａを備えている。これにより、リコータブレード１６ａが図１のｘ軸方向に戻るときの抵抗を低減することができる。また、図４（Ｂ）の規制ブレード１６ａは、前面と後面の両方に同一のテーパエッジ部１９ａを備え、その間に未硬化液２が流れ込まないように光透過窓１９ｃを設けている。この構成により、規制ブレード１６ａの前進時と同様に後進時にもリコートと同時に光走査することができる。
【００２６】
図５は、液面２ｂに照射するレーザ光の模式的軌跡である。この図に示すように、レーザ光７は、液面２ｂに重複して走査させ、この重複走査により光硬化に必要なエネルギーを光硬化樹脂２に照射するのがよい。この重複走査を行うことにより、同一箇所の急激な光硬化を回避し、光硬化時の凝縮等による歪みの発生を最小限に抑えることができる。なお、レーザ光７のｙ軸方向走査は、ポリゴンミラー１８ｃの高速回転により容易に高速化することができる。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明による光固化造形装置の試験結果を説明する。この試験は、光硬化樹脂２の模擬材料として粘性の近い水飴（２０℃、４００ｃｐｓ）を用い、これを粘性の大きく異なる水（２０℃、１ｃｐｓ）と比較して試験した。また、ブレード速度は、１ｍｍ／ｓと５０ｍｍ／ｓ、液面はブレード下面が液面下に沈む本発明の方式（潜水式）と、ブレード下面が液面より高く表面張力で液面を引き上げる方式（表面張力式）の両方を実施した。
【００２８】
図６は、試験結果を模式的に示す図である。図６は、上述した本発明の適用例であり、（Ａ）は４００ｃｐｓ，１ｍｍ／ｓの潜水式、（Ｂ）は４００ｃｐｓ，５０ｍｍ／ｓの潜水式を示している。（Ａ）及び（Ｂ）で、ブレードの下面１９ｂと硬化層４の上面との間隔ｄは、０．１〜０．５ｍｍで試験し、ブレードの移動方向後方に一時的に形成される平滑液面２ｂ（半規制液面）の高さは、（Ａ）では下面１９ｂよりわずかに低く、（Ｂ）では完全に一致した。従って、本発明による装置により、液面下に沈んだ状態で移動するブレードの移動方向後方に一時的に平滑液面２ｂ（半規制液面）を形成することができることがわかる。また、この図に示すように、リコータブレードが液面下に沈んだ状態で移動する際に、テーパエッジ１９ａの傾斜面上に未硬化液２が滞留して保持され、この保持液により、リコータブレードの下面１９ｂに安定して未硬化液２を供給することができることが確認された。
【００２９】
図６（Ｃ）（Ｄ）は、比較例であり、（Ｃ）は１ｃｐｓ，１ｍｍ／ｓの潜水式、（Ｂ）は１ｃｐｓ，５０ｍｍ／ｓの潜水式を示している。試験条件は、（Ａ）（Ｂ）と同様である。実際の光硬化樹脂（約４００ｃｐｓ）に比べて極端に粘性が低くなると、図に示すように、ブレード後方の平滑液面２ｂ（半規制液面）の高さは、間隔ｄよりも大きく（約２〜３倍）なり、硬化層４の積層高さ精度が大幅に劣化することがわかる。
【００３０】
図６（Ｅ）は、４００ｃｐｓ，１ｍｍ／ｓの表面張力式の場合を示している。図に示すように、表面張力式の場合には、ブレード後方の平滑液面２ｂ（半規制液面）の高さは、間隔ｄよりも小さく（約１／２程度）なり、やはり硬化層の積層高さ精度が劣化する。
【００３１】
以上の試験結果から、以下のことが明らかになった。
▲１▼  ブレード速度が遅いほど、ブレード先端部は表面張力の影響を強く受ける。本発明の装置では、ブレード速度は１ｍｍ／ｓ前後が好ましく、この速度では光硬化樹脂（約４００ｃｐｓ）は静的挙動を示すと考えられる。
▲２▼  光硬化樹脂の流体粘度は、高い方が安定した膜を創成することができる。この粘度は、約４００ｃｐｓ前後であるのがよい。
▲３▼  １ｍｍ／ｓ前後の低速では、流体が静的挙動を示すため、ブレード後面斜面の濡れのおそれはほとんどない。
▲４▼  樹脂の供給方式は、ブレード前部に必要量を載せて運ぶ上述した潜水式が好ましい。
▲５▼  レーザ照射位置は、ブレード先端からレーザ径の分程度をずらした位置が望ましい。
【００３２】
なお、本発明は上述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００３３】
【発明の効果】
上述したように、本発明の構成によれば、リコートプロセスと同時に光走査プロセスを行うことができ、大幅に光固化造形時間を短縮することができる。また、本発明の装置では、リコートと同時に光走査するので、リコートプロセス中に光走査プロセスをほとんど停止する必要がなく、光走査装置（例えばレーザ装置）の出力を効率的に利用することができる。更に、硬化層の厚さ精度は、リコータブレードの下面と硬化層の上面の間隔ｄで定まり、余分な未硬化液は、リコータブレードに保持されるので、未硬化液の液面はリコータブレードの下面より高く保持するだけでよく、未硬化液の液面を精密に制御する必要がない。また、未硬化液の液面をリコータブレードの下面より低く保持しても表面張力により未硬化液を安定供給することができる。
【００３４】
従って、本発明のリコートと同時に光走査する光固化造形装置は、リコートプロセスと光走査プロセスを同時に行うことができ、これにより、光固化造形時間を大幅に短縮化でき、かつ光照射装置の出力を効率的に利用でき、更に、未硬化液の液面を精密に制御する必要がない、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】光固化造形装置の全体斜視図である。
【図２】図１の概略側面断面図である。
【図３】リコータブレードの断面形状とその水平移動により形成される平滑液面の模式図である。
【図４】規制ブレードの別の実施形態である。
【図５】液面に照射するレーザ光の模式的軌跡である。
【図６】試験結果を模式的に示す図である。
【図７】光固化造形法の原理図である。
【符号の説明】
１ ３次元モデル
２ 光硬化性樹脂
２ａ 液面
２ｂ 平滑液面
３ レーザ光
４ 硬化層
５ テーブル
７ レーザ光
１０ 光固化造形装置
１２ 光走査装置
１４ 沈降装置
１４ａ テーブル
１５ リコート装置
１５ａ リコータブレード（半規制ブレード）
１６ａ リコータブレード（規制ブレード）
１７ レーザ装置
１７ａ レーザ発振器
１８ スキャナー装置
１８ｃ ポリゴンミラー
１９ａ テーパエッジ部
１９ｂ 下面
【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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