JP5007174B2 - 三次元形状造形物の光造形方法 - Google Patents

Description

本発明は、三次元形状造形物の光造形方法に関し、さらに詳細には、光を照射すると硬化する液体状の光硬化樹脂を用いて三次元形状造形物を作製する三次元形状造形物の光造形方法に関する。

従来より、可視光または紫外光などの光の照射により硬化する性質を有する液体状の光硬化樹脂を用いて三次元形状造形物（以下、単に「造形物」と適宜に称する。）を作製する光造形方法が知られてる。

こうした三次元形状造形物の光造形方法としては、例えば、液体状の光硬化樹脂を貯留する容器の底面に透光板を用い、当該透光板の下側から光を照射し、上記容器内に配置された三次元形状造形物の土台となる造形物保持板の下面に三次元形状造形物が所定の液層厚さ分だけ硬化するようにして三次元形状造形物を造形したのち、造形物保持板と透光板との間で硬化した三次元形状造形物を容器の底面から剥離し、さらに所定の液層厚さ分だけ造形物保持板を上昇させて新たな三次元形状造形物の層を硬化させる、という動作を順次繰り返すことにより光硬化樹脂を積層して立体造形を行う吊り上げ積層造形方式が知られている。

こうした吊り上げ積層造形方式による三次元形状造形物の光造形方法によれば、上記した動作を順次繰り返し行うことにより所定の液層厚さ分だけの三次元形状造形物の層が順次積層されていくので、所望の形状の三次元形状造形物を作製することができるものである。

また、こうした吊り上げ積層造形方式による三次元形状造形物の光造形方法においては、造形の基礎となる部分を造形物保持板の下面に積層の第１層目として最初に形成し、その上に造形対象の三次元造形物を積層するようになされている。

ここで、一般に、上記した造形の基礎部分たる積層の第１層目を「サポート」と称するが、サポートは造形対称の三次元形状造形物を投影した平面部分として形成され、造形対象の三次元形状造形物を造形する際の土台となされる。

ところで、上記した吊り上げ積層造形方式による三次元形状造形物の光造形方法においては、光の照射により造形物保持板と液体状の光硬化樹脂を貯留する容器の底面との間に存在する光硬化樹脂を硬化させることによりサポートを形成することになるが、サポートを形成した後に造形物保持板を上昇させる際に、造形物保持板とサポートとの固着力が光硬化樹脂を貯留する容器の底面とサポートとの固着力よりも弱い場合には、造形物保持板からサポートが脱落してしまうものであった。

造形物保持板からサポートが脱落してしまうと、その後の造形処理が行えなくなってしまうため、こうしたサポートの脱落を防止する必要があり、造形物保持板からのサポートの脱落を防止するためには、造形物保持板とサポートとの固着力が強いほど好ましいものであった。

ここで、光硬化樹脂は照射する光の照射時間が長くなるほど硬化が進んで接着力が増加するので、サポートを造形物保持板の下面に強固に固着する手法として、他の層を積層する際の光の照射時間よりも長時間光を照射する手法が提案されている。

しかしながら、光硬化樹脂は硬化が進むほど表面エネルギーが低くなるものであり、サポートを造形物保持板の下面に強固に固着するために光を長時間照射して光硬化樹脂を完全に硬化させると、サポートたる光硬化樹脂表面は表面エネルギーが著しく低くなるため、硬化した第１層目の光硬化樹脂層たるサポートと第２層目の硬化した光硬化樹脂層との接着力が非常に小さくなり、第１層目と第２層目との間の層間での剥離が発生しやすくなるという新たな問題点を招来するものであった。

なお、本願出願人が特許出願時に知っている先行技術は、上記において説明したようなものであって文献公知発明に係る発明ではないため、記載すべき先行技術情報はない。

本発明は、従来の技術の有する上記したような種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、吊り上げ積層造形方式による三次元形状造形物の光造形方法において、光硬化樹脂への光の照射により造形物保持板の下面に最初に形成された第１層目の光硬化樹脂層が、造形物保持板の上昇に伴い造形物保持板の下面から脱落することを防止するとともに、造形物保持板の下面に形成された第１層目の光硬化樹脂層と当該第１層目の光硬化樹脂層の次に形成される第２層目の光硬化樹脂層とが、第１層目と第２層目との間の層間で剥離することがないようにした三次元形状造形物の光造形方法を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明は、吊り上げ積層造形方式による三次元形状造形物の光造形方法において、造形物保持板の下面に第１層目の光硬化樹脂層を形成する際における光照射の新規な手法を提案するものである。

即ち、本発明は、造形物保持板の下面に第１層目の光硬化樹脂層を形成する際における光の照射パターンとして、照射領域の一部に光の光量が他の領域よりも低い領域または光が照射されない領域たる光照射制限領域を形成し、この光照射制限領域を形成した照射パターンを用いて第２層目以降の層を形成する際の光の照射時間よりも長い時間光を照射するようにしたものである。

このように、造形物保持板の下面に第１層目の光硬化樹脂層を固着させる際の光の照射時間を第２層目以降の造形時の光の照射時間よりも長く照射することにより、造形物保持板の下面に第１層目の光硬化樹脂層を強力に接着することができるようになるとともに、第１層目を形成する際に照射する光の照射パターンとして、光照射制限領域を形成した照射パターンを用いることにより、第１層目の光硬化樹脂層のなかで当該光照射制限領域に対応する領域の光硬化樹脂は半硬化状態となり、これにより第２層目の積層の際に第１層目の半硬化状態の部分と第２層目とがしっかり接着できるものであって、第１層目と第２層目とが光重合して互いの接着が強固になり第１層目と第２層目との間の層間での剥離が防止される。

即ち、造形物保持板の下面に第１層目の光硬化樹脂層を固着させる際に光照射制限領域を形成した照射パターンを用いて、強制的に第１層目の光硬化樹脂層が部分的に半硬化状態となるようしておくと、第１層目を形成するための光の照射時間を第２層目以降の層を形成する際の光の照射時間より長くしても、第１層目の光硬化樹脂層には必ず半硬化状態の領域が残り、第２層目の積層の際にはこの半硬化状態の部分と第２層目とが光重合してしっかり接着するため、第１層目と第２層目とが剥離し難くなるものである。

従って、本発明によれば、第１層目の硬化を促進させて強く硬化させることにより造形物保持板の下面との接着力を増大させることができ、また、第１層目と第２層目との剥離も防止することができるので、造形中における積層部分の脱落による不良が無くなり、造形成功確率を著しく向上することができる。

即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、液体状の光硬化樹脂を貯留する容器の下側から光を照射し、上記容器内に配置された三次元形状造形物の土台となる造形物保持板の下面に三次元形状造形物が所定の液層厚さ分だけ硬化するようにして三次元形状造形物を造形した後に所定の液層厚さ分だけ造形物保持板を上昇させて新たな三次元形状造形物の層を硬化させる動作を順次繰り返すことにより光硬化樹脂を積層して立体造形を行う三次元形状造形物の光造形方法において、造形物保持板の下面に第１層目の光硬化樹脂層を形成する際における光の照射パターンとして、照射領域の一部に光の光量が他の領域よりも低く制限された光照射制限領域を形成し、上記光照射制限領域を形成した照射パターンを用いて第２層目以降の層を形成する際の光の照射時間よりも長い時間光を照射するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記光照射制限領域は、上記他の領域の光量の５０％以下の光量の領域であるようにしたものである。

また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記光照射制限領域は、光が照射されない領域であるようにしたものである。

また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２または３のいずれか１項に記載の発明において、上記光照射制限領域は、上記照射領域において複数箇所に分散して配置されるようにしたものである。

また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２、３または４のいずれか１項に記載の発明において、上記照射パターンの全領域に対する上記光照射制限領域の割合は、上記照射パターンの全領域の５０％未満であるようにしたものである。

また、本発明のうち請求項６に記載の発明は、本発明のうち請求項５に記載の発明において、上記照射パターンの全領域に対する上記光照射制限領域の割合は、上記照射パターンの全領域の２０％乃至３０％であるようにしたものである。

また、本発明のうち請求項７に記載の発明は、本発明のうち請求項６に記載の発明において、上記照射パターンの全領域に対する上記光照射制限領域の割合は、上記照射パターンの全領域の２５％であるようにしたものである。

本発明は、以上説明したように構成されているので、吊り上げ積層造形方式による三次元形状造形物の光造形方法において、光硬化樹脂への光の照射により造形物保持板の下面に最初に形成された第１層目の光硬化樹脂層が、造形物保持板の上昇に伴い造形物保持板の下面から脱落することがないとともに、造形物保持板の下面に形成された第１層目の光硬化樹脂層と当該第１層目の光硬化樹脂層の次に形成される第２層目の光硬化樹脂層とが、第１層目と第２層目との間の層間で剥離することがないという優れた効果を奏する。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明による三次元形状造形物の光造形方法の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。

ここで、図１には、本発明による三次元形状造形物の光造形方法の第１の実施の形態を実施する際に用いる三次元造形装置の一例の概略構成斜視説明図が示されている。

この三次元造形装置１０は、可視光の照射により硬化する液体状態の光硬化樹脂に可視光を照射する光学システム１１と、可視光の照射により硬化する液体状態の光硬化樹脂を貯留する容器１８と、容器１８内で硬化された光硬化樹脂の土台となるとともに保持する造形物保持ユニット２０と、造形物保持ユニット２０を図１に示したＸＹＺ直交座標系を示す参考図におけるＺ軸方向（図１における上下方向）に昇降して移動するための駆動システム２２とを有して構成されている。

次に、図２（ａ）（ｂ）を参照しながら、三次元造形装置１０の構成についてさらに詳細に説明するが、図２（ａ）には三次元造形装置１０の概略構成断面説明図が示されており、また、図２（ｂ）には図２（ａ）に示したＡ矢印方向から見た場合の構成説明図（Ａ矢視説明図）が示されている。

即ち、この三次元造形装置１０は、光学システム１１として、パーソナルコンピュータ（図示せず。）より転送されたデータの形状をあらわす光を照射する光源１２と、光源１２から出射された光を集光するレンズ１４と、レンズ１４により集光された光を容器１８方向へ反射するミラー１６とを備えており、ミラー１６により反射された光が容器１８へ向けて照射される。

ここで、容器１８は、ミラー１６により反射された光が内部に貯留された光硬化樹脂に照射可能な構成を備えている。

また、造形物保持ユニット２０は、容器１８内で硬化する光硬化樹脂材料と密着して三次元形状造形物を保持する土台となる造形物保持板３０を備えている。

この造形物保持板３０は、例えば、アルミニウムやステンレスなどの金属により形成されており、硬化された光硬化樹脂が密着して三次元形状造形物が造形される下面部３０ａは、サンドブラスト処理により微小な凹凸のある粗面に加工されている。

より詳細に説明すると、光学システム１１の光源１２としては、可視光により画像を投影するプロジェクターを用い、また、光学システム１１のレンズ１４としては、凸レンズを用いた。

ここで、光源１２から出射される光は、作製する三次元形状造形物の形状を表すものであるが、パーソナルコンピュータ（図示せず）から光源１２へは、図３（ａ）に示す照射パターンのデータが第１層目のデータとして転送されるようにプログラムされているとともに、作製する三次元造形物の形状を水平方向に分割して複数の層に分けたデータが第２層目以降のデータとして順に一定時間ごと１層分ずつ転送されるようにプログラムされているものとする。

即ち、この三次元造形装置１０においては、造形物保持板３０の下面部３０ａにサポートとなる第１層目の光硬化樹脂層を形成するために光を照射する際に、その照射パターンとして図３（ａ）に示す照射パターンを用いるものである。

なお、この図３（ａ）（ｂ）ならびに後述する図４（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）（ｆ）および図５（ａ）（ｂ）においては、本発明の理解を容易にするために、三次元造形装置１０により直方体形状の物体を三次元形状造形物として作製する場合について図示したが、図３（ａ）ならびに後述する図５（ａ）に示す照射パターンの外郭形状は、実際には、造形対象となる三次元形状造形物を投影した平面部分の形状に応じて適宜に設定すればよい。

つまり、図３（ａ）ならびに後述する図５（ａ）に示す照射パターンは、第１層目の光硬化樹脂層としてサポートを形成するための光を照射する際の照射パターンであり、その外郭形状は従来のサポートを形成する際に照射する照射パターンと同様でよい。

この図３（ａ）に示す照射パターン４０は、その領域内に、容器１８内の光硬化樹脂に光を照射する光照射領域（図３（ａ）における白抜き部分）４０ａと、容器１８内の光硬化樹脂に照射する光の光量が光照射領域４０ａよりも低い複数の光照射制限領域４０ｂ（図３（ａ）における灰色部分）とを設けている。

より詳細には、四角形状の光照射制限領域４０ｂが、照射パターン４０の全領域内に一定の間隔を開けて規則的に複数箇所分散して配置されている。

ここで、光照射制限領域４０ｂの光量は、例えば、光照射領域４０ａの光量の半分程度以下であり、より詳細には、光照射領域４０ａの光量の５０％以下である。

また、照射パターン４０の全領域に対する光照射制限領域４０ｂの割合は、本願発明者の実験によれば、照射パターン４０の全領域の５０％未満であることが好ましく、より好ましくは、照射パターン４０の全領域の２０％乃至３０％程度である。図３（ａ）においては、照射パターン４０の全領域に対する光照射制限領域４０ｂの割合が２５％である場合を図示した。

また、容器１８は、ミラー１６により反射された光を透過可能な底板となる透光板２４と、透光板２４の上面に配置されて光を透過可能な膜２６と、膜２６上に配置された所定の高さを有する枠体２８とを有して構成されている。

即ち、容器１８は、ミラー１６により反射された光を透過可能な透光板２４を底板としており、透光板２４の上面には、透光板２４を透過した光を透過可能な膜２６が両面粘着テープ２９にて枠体２８の外側部分に位置する透光板２４に固定されるように着脱自在に配設されている。

さらに、この膜２６上面には、透光板２４上からの光硬化樹脂の流出を防止して、光硬化樹脂を透光板２４上に貯留することが可能であるような所定の高さｈを有する枠体２８が着脱自在に配設されている。

従って、この容器１８においては、透光板２４と枠体２８とで囲まれた内部領域に液体状の光硬化樹脂を貯留することが可能であり、液体状の光硬化樹脂は枠体２８の上方から当該内部領域に供給することができる。

ここで、透光板２４としては、例えば、厚さｔ１が２〜６ｍｍのガラス板を用いることができる。

また、膜２６の表面には、光硬化樹脂が容易に剥離可能なコーティングが施されているものとする。

なお、こうした膜２６としては、例えば、厚さｔ２が５０〜１２０μｍのポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）フィルムの表面にフルオロシリコン系の離型材を塗布したフィルムを用いることができる。

一方、枠体２８としては、例えば、内径Ｄが１００〜２００ｍｍ、高さｈが１０〜４０ｍｍの円形のゴムを用いることができる。

なお、枠体２８が所定の重量を備える場合には、枠体２８を単に膜２６上面に載置するようにして配置しても膜２６上で移動することはなく、しかも、膜２６から枠体２８を容易に着脱できる。この実施の形態においては、このように枠体２８を膜２６上面に単に載置した。

また、枠体２８の側面に貫通孔を設けるようにして、当該貫通孔よりいつでも液体状態の光硬化樹脂を注入できるように構成してもよい。

以上の構成において、上記した三次元造形装置１０を用いて三次元造形物を作製する際の動作について、図３（ａ）（ｂ）ならびに図４（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）（ｆ）を参照しながら説明することとする。

なお、図３（ａ）は上記した照射パターンの４０の平面説明図であり、図３（ｂ）は光硬化樹脂を硬化させて第１層目を形成した状態を示す概略斜視説明図であり、図４（ａ）は光硬化樹脂を硬化させて第１層目を形成した状態を示す概略斜視説明図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ線による概略断面説明図であり、図４（ｃ）は光硬化樹脂を硬化させて第２層目を形成した状態を示す概略斜視説明図であり、図４（ｄ）は図４（ｃ）のＤ−Ｄ線による概略断面説明図であり、図４（ｅ）は光硬化樹脂を硬化させて第３層目を形成した状態を示す概略斜視説明図であり、図４（ｆ）は図４（ｅ）のＥ−Ｅ線による概略断面説明図である。

また、図３（ｂ）ならびに図４（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）（ｆ）においては、図の視認性を向上するために、実際の動作における場合とは上下を反転して示している。

また、光硬化樹脂に対して光を照射するための光源１２などの光学システム１１については従来より公知の技術を用いればよいため、その詳細な説明については省略するものとする。

ここで、光源１２から出射される光は、上記において説明したように、作製する三次元形状造形物の形状を表すものであるが、パーソナルコンピュータ（図示せず）から光源１２へは、図３（ａ）に示す照射パターンのデータが第１層目のデータとして転送されるようにプログラムされており、作製する三次元造形物の形状を水平方向に分割して複数の層に分けたデータが第２層目以降のデータとして順に一定時間ごと１層分ずつ転送されるようにプログラムされている。

具体的には、この三次元造形装置１０においては、図３（ａ）に示す照射パターンのデータが層の厚さが１００μｍの第１層目のデータとして光源１２へ転送された後は、造形対象たる作製する三次元形状造形物の形状を水平方向に３０μｍ毎に複数の層に分割したデータ、即ち、各層の厚さが３０μｍのデータが第２層目からのデータとして一定時間ごと１層分ずつ順に光源１２へ転送されていくものとする。

そして、三次元造形装置１０を用いて三次元形状造形物を作製するにあたっては、まず、容器１８の透光板２４と枠体２８とで囲まれた内部領域に、液体状の光硬化樹脂を流し込んで貯留する。

このようにして容器１８に貯留する光硬化樹脂の量は、作製する三次元形状造形物の大きさに依存するものであるが、三次元形状造形物の作製途中で光硬化樹脂材料が不足になった場合には、上記内部領域に光硬化樹脂を追加的に流し込めばよい。

次に、造形物保持板３０の下面部３０ａに第１層目の光硬化樹脂層たるサポートを形成するために、造形物保持板３０の下面部３０ａが膜２６から１００μｍ上方に位置するように、造形物保持板３０を駆動システム２２により移動する。つまり、膜２６の表面と造形物保持板３０の下面部３０ａとの間隙が１００μｍとなるように、造形物保持板３０の位置を調整する。

それから、光源１２を用いて、膜２６の表面と造形物保持板３０の下面部３０ａとの間隙に位置する光硬化樹脂に対して、照射パターン４０で光を照射する。この照射パターン４０による光の照射により、膜２６の表面と三次元造形物保持板３０の下面部３０ａとの間にある光硬化樹脂は受光して、光の形状と同じ形状に硬化あるいは半硬化して第１層目の光硬化樹脂層たるサポート５０が形成される（図３（ｂ）および図４（ａ）（ｂ）を参照する。）。こうして、第１層目の光硬化樹脂の硬化を終了し、三次元形状造形物を造形する際サポート５０が造形物保持板３０の下面部３０ａに作製されることになる。

なお、このサポート５０を形成する際の光の照射時間は、後述する第２層目以降の光硬化樹脂層を形成する際の光の照射時間よりも長いものとする。この実施の形態においては、サポート５０を形成する際の光の照射時間を２分間とし、第２層目以降の光硬化樹脂層を形成する際の光の照射時間を１０秒間とした。

ここで、照射パターン４０の光照射領域４０ａからの光の照射により形成されたサポート５０の領域５０ａ（図３（ｂ）および図４（ａ）（ｂ）における白抜き部分）は、十分な光量の光を長時間にわたって照射されるため硬化が促進されて完全に硬化することにより接着力が増大し、造形物保持板３０の下面部３０ａに強固に固着する。

なお、造形物保持板３０の下面部３０ａは、サンドブラスト加工により粗面とされて親水性が向上しているので、サポート５０は一層強固に接着されることになる。

一方、照射パターン４０の照射領域４０ｂからの光の照射により形成されたサポート５０の領域５０ｂ（図３（ｂ）および図４（ａ）（ｂ）における灰色部分）は、照射される光の光量が十分でないので半硬化状態が維持される。

次に、光硬化樹脂層の第２層目を作製するため、駆動システム２２により造形物保持板３０を上方へ移動させ、三次元造形物の第１層目として硬化した光硬化樹脂たるサポート５０を上方へ移動させることになる。

ここで、第１層目の光硬化樹脂層たるサポート５０の上面は造形物保持板３０の下面部３０ａと密着しており、また、第１層目の光硬化樹脂層たるサポート５０の下面は膜２６の表面と密着しているが、サポート５０は造形物保持板３０の下面部３０ａに強固に固着しているので、駆動システム２２により造形物保持板３０を上方へ移動させると、サポート５０が造形物保持板３０の下面部３０ａに固着したままの状態で、サポート５０の下面は膜２６の表面から剥離される。

即ち、造形物保持板３０の上昇に伴い、造形物保持板３０の下面部３０ａからサポート５０が脱落することはない。

そして、三次元造形物の第２層目を作製するための造形物保持板３０の配置として、第１層目を作製した位置よりもさらに３０μｍ上方に造形物保持板３０が位置するように、駆動システム２２により造形物保持板３０の位置を調整する。つまり、膜２６の表面と造形物保持板３０の下面部３０ａとの間隙が１３０μｍとなるように、造形物保持板３０の位置を調整する。

それから、第２層目の光硬化樹脂層を形成するために光源１２より光を１０秒間照射すると、この光の照射により、膜２６とサポート５０との間の光硬化樹脂は受光し、光の形状と同じ形状に硬化しはじめ半硬化状態の光硬化樹脂層６０（図４（ｃ）（ｄ）における灰色部分）が形成される。

ここで、サポート５０の半硬化状態の領域５０ｂと第２層目の半硬化状態の光硬化樹脂層６０とは、それらが光重合して互いの接着が強固になり、第１層目と第２層目との間の層間でしっかり接着されるものであって、サポート５０と光硬化樹脂層６０との剥離が防止される。

こうして、第２層目の光硬化樹脂層６０の硬化を終了し、三次元形状造形物の実質的な第１層目が作製されることになる。

次に、光硬化樹脂層の第３層目を作製するため、駆動システム２２により造形物保持板３０を上方へ移動させて、光硬化樹脂層６０の下面を膜２６の表面から剥離することになるが、この際に、サポート５０が造形物保持板３０の下面部３０ａに強力に固着しているとともにサポート５０と光硬化樹脂層６０とが強力に接着されるため、造形物保持板３０の下面部３０ａからサポート５０および光硬化樹脂層６０が脱落することはない。

この光硬化樹脂層の第３層目を作製する処理においても、第２層目の光硬化樹脂層６０を形成する処理と同様な処理を行い、第３層目の光硬化樹脂層を形成するために光源１２より光を１０秒間照射すると、この光の照射により、膜２６と光硬化樹脂層６０との間の光硬化樹脂は受光し、光の形状と同じ形状に硬化しはじめ半硬化状態の光硬化樹脂層７０（図４（ｅ）（ｆ）における灰色部分）が形成される。

ここで、第２層目の光硬化樹脂層６０と第３層目の半硬化状態の光硬化樹脂層７０とは、それらが光重合して互いの接着が強固になり、第２層目と第３層目との間の層間でしっかり接着されるものであって、第２層目の光硬化樹脂層６０と第３層目の光硬化樹脂層７０との剥離が防止される。

こうして、第３層目の光硬化樹脂層７０の硬化を終了し、上記した第２層目および第３層目の作製の際の動作と同様な三次元造形物保持ユニット２０の移動と光の照射とを繰り返し行って、三次元造形物の作製を完了するものである。

次に、本発明による三次元形状造形物の光造形方法の第２の実施の形態について説明するが、第２の実施の形態は、図３（ａ）に示す照射パターン４０に代えて図５（ａ）に示す照射パターン４２を用いる点で上記した実施の形態と異なり、その他の点は上記した実施の形態と同様であるので、その構成ならびに作用の説明は適宜に省略する。

ここで、図５（ａ）は、照射パターン４２の平面説明図であり、また、図５（ｂ）は、光硬化樹脂を硬化させて第１層目を形成した状態を示す概略断面説明図であり、また、図５（ｃ）は、光硬化樹脂を硬化させて第２層目を形成した状態を示す概略断面説明図である。

この図５（ａ）に示す照射パターン４２は、光照射制限領域４２ｂ（図５（ａ）における黒色部分）が、容器１８内の光硬化樹脂に対して全く光を照射しない領域とされている点において、図３（ａ）に示す照射パターン４０と異なる。

即ち、照射パターン４２は、その領域内に、容器１８内の光硬化樹脂に光を照射する光照射領域（図５（ａ）における白抜き部分）４２ａと、容器１８内の光硬化樹脂に全く光を照射しない光照射制限領域４２ｂ（図３における黒色部分）とを設けている。

より詳細には、四角形状の光照射制限領域４２ｂが、照射パターン４２の全領域内に一定の間隔を開けて規則的に配置されている。

また、照射パターン４２の全領域に対する光照射制限領域４２ｂの割合は、本願発明者の実験によれば、照射パターン４２の全領域の５０％未満であることが好ましく、より好ましくは、照射パターン４２の全領域の２０％乃至３０％程度である。図５（ａ）においては、照射パターン４２の全領域に対する光照射制限領域４２ｂの割合が２５％である場合を図示した。

次に、上記した照射パターン４２を用いた三次元形状造形物の作製について説明するとと、まず、造形物保持板３０の下面部３０ａに第１層目の光硬化樹脂層たるサポートを形成するために、造形物保持板３０の下面部３０ａが膜２６から１００μｍ上方に位置するように、造形物保持板３０を駆動システム２２により移動する。つまり、膜２６の表面と造形物保持板３０の下面部３０ａとの間隙が１００μｍとなるように、造形物保持板３０の位置を調整する。

それから、光源１２を用いて、膜２６の表面と造形物保持板３０の下面部３０ａとの間隙に位置する光硬化樹脂に対して、照射パターン４２で光を照射する。この照射パターン４２による光の照射により、膜２６の表面と三次元造形物保持板３０の下面部３０ａとの間にある光硬化樹脂は受光して、光の形状と同じ形状に硬化あるいは半硬化して第１層目の光硬化樹脂層たるサポート５２が形成される（図５（ｂ）の（ｂ−１）を参照する。）。こうして、第１層目の光硬化樹脂の硬化を終了し、三次元形状造形物を造形する際サポート５２が造形物保持板３０の下面部３０ａに作製されることになる。

なお、このサポート５２を形成する際の光の照射時間は、後述する第２層目以降の光硬化樹脂層を形成する際の光の照射時間よりも長いものとする。この実施の形態においては、サポートを形成する際の光の照射時間を２分間とし、第２層目以降の光硬化樹脂層を形成する際の光の照射時間を１０秒間とした。

ここで、照射パターン４２の光照射領域４２ａからの光の照射により形成されたサポート５２の領域５２ａ（図５（ｂ）の（ｂ−１）における白抜き部分）は、十分な光量の光を長時間にわたって照射されるため硬化が促進されて完全に硬化することにより接着力が増大し、造形物保持板３０の下面部３０ａに強固に固着する。

なお、造形物保持板３０の下面部３０ａは、サンドブラスト加工により粗面とされて親水性が向上しているので、サポート５２は一層強固に接着されることになる。

一方、照射パターン４２の光照射制限領域４２ｂからは光が照射されないので、サポート５２における光照射領域４２ａと光照射制限領域４２ｂとの界面に対応する領域５２ａの側面部５２ａａには十分な光が照射されず、側面部５２ａａは完全に硬化することなく半硬化状態が維持される。

次に、光硬化樹脂層の第２層目を作製するため、駆動システム２２により造形物保持板３０を上方へ移動させ、三次元造形物の第１層目として硬化した光硬化樹脂たるサポート５０を上方へ移動させることになる。

ここで、第１層目の光硬化樹脂層たるサポート５２の上面は造形物保持板３０の下面部３０ａと密着しており、また、第１層目の光硬化樹脂層たるサポート５２の下面は膜２６の表面と密着しているが、サポート５２は造形物保持板３０の下面部３０ａに強固に固着しているので、駆動システム２２により造形物保持板３０を上方へ移動させると、サポート５２が造形物保持板３０の下面部３０ａに固着したままの状態で、サポート５２の下面は膜２６の表面から剥離される。

即ち、造形物保持板３０の上昇に伴い、造形物保持板３０の下面部３０ａからサポート５２が脱落することはない。

そして、三次元造形物の第２層目を作製するための造形物保持板３０の配置として、第１層目を作製した位置よりもさらに３０μｍ上方に造形物保持板３０が位置するように、駆動システム２２により造形物保持板３０の位置を調整する。つまり、膜２６の表面と造形物保持板３０の下面部３０ａとの間隙が１３０μｍとなるように、造形物保持板３０の位置を調整する。

それから、第２層目の光硬化樹脂層を形成するために光源１２より光を１０秒間照射すると、この光の照射により、膜２６とサポート５２との間の光硬化樹脂は受光し、光の形状と同じ形状に硬化しはじめ半硬化状態の光硬化樹脂層６０（図５（ｂ）の（ｂ−２）における灰色部分）が形成される。

ここで、サポート５２の領域５２ａにおける半硬化状態の側面部５０ａａと第２層目の半硬化状態の光硬化樹脂層６０とは、それらが光重合して互いの接着が強固になり、第１層目と第２層目との間の層間でしっかり接着されるものであって、サポート５２光硬化樹脂層６０との剥離が防止される。

こうして、第２層目の光硬化樹脂層６０の硬化を終了し、三次元形状造形物の実質的な第１層目が作製されることになる。

従って、照射パターン４２を用いた場合においても、照射パターン４０を用いた場合と同様に、光硬化樹脂層６０の下面を膜２６の表面から剥離する際に、サポート５２が造形物保持板３０の下面部３０ａに強力に固着しているとともにサポート５２と光硬化樹脂層６０とが強力に接着されるため、造形物保持板３０の下面部３０ａからサポート５２および光硬化樹脂層６０が脱落することはない。

次に、光硬化樹脂層の第３層目を作製することになるが、以下の処理は上記した実施の形態と同様であるので省略する。

以上において説明したように、上記した照射パターン４０あるいは照射パターン４２を用いて光硬化樹脂層の第１層目としてサポート５０あるいはサポート５２を造形物保持板３０の下面部３０ａに形成すると、サポート５０あるいはサポート５２が造形物保持板３０の下面部３０ａに強固に固着されることになり、造形物保持板３０の上昇に伴い造形物保持板３０の下面部３０ａからサポート５０あるいはサポート５２が脱落することが防止されるとともに、造形物保持板３０の下面部３０ａに形成されたサポート５０あるいはサポート５２と第２層目の光硬化樹脂層６０とが光重合して互いの接着が強固となり、両者の層間での剥離が発生することがない。

なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（６）に示すように変形することができるものである。

（１）上記した実施の形態においては、照射パターン４０、４２における光照射制限領域４０ｂ、４２ｂの形状を四角形としたが、これに限られるものではないことは勿論であり、円形や三角形あるいは５角形以上の多角形でもよく、その形状は適宜に選択すればよい。

（２）上記した実施の形態においては、照射パターン４０。４２における光照射制限領域４０ｂ、４２ｂを照射パターン４０、４２の領域内に規則的に複数箇所に分散して配列して配置したが、これに限られるものではないことは勿論であり、照射パターン４０、４２の領域内に不規則的に分散して複数箇所に配置してもよい。

（３）上記した実施の形態においては、各構成部材の材料、各構成部材の厚さや内径、あるいは、三次元形状造形物を構成する際の各層の厚さなどについて、それぞれ具体的な材料名や数値を示したが、これらの材料名や数値は一例に過ぎないものであり、使用する光硬化樹脂の種類や作製する三次元形状造形物の大きさなどに応じて、適宜に変更してよいことは勿論である。

（４）上記した実施の形態においては、両面粘着テープ２９を用いて透光板２４に膜２６を着脱自在に配設したが、これに限られるものではないことは勿論であり、接着剤やクリップなどにより透光板２４に膜２６を着脱自在に配設してもよい。

（５）上記した実施の形態においては、枠体２８を膜２６上に単に載置したが、ネジなどの係止具を用いて、枠体２８を膜２６上に着脱自在に配設してもよい。

（６）上記した実施の形態ならびに上記した（１）乃至（５）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。

本発明は、種々の形状の三次元形状造形物を作製するサンプル試作などの際に利用することができるものである。

図１は、本発明による三次元形状造形物の光造形方法を実施する際に用いる三次元造形装置の一例の概略構成斜視説明図である。 図２（ａ）は、図１に示す三次元造形装置の概略構成断面説明図であり、また、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示したＡ矢印方向から見た場合のＡ矢視構成説明図である。 図３（ａ）は、本発明の第１の実施の形態によるサポートを形成する際に用いる照射パターンの平面説明図であり、また、図３（ｂ）は光硬化樹脂を硬化させて第１層目を形成した状態を示す概略斜視説明図である。 図４（ａ）は、光硬化樹脂を硬化させて第１層目を形成した状態を示す概略斜視説明図であり、また、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ−Ｂ線による概略断面説明図であり、また、図４（ｃ）は、光硬化樹脂を硬化させて第２層目を形成した状態を示す概略斜視説明図であり、また、図４（ｄ）は、図４（ｃ）のＤ−Ｄ線による概略断面説明図であり、また、図４（ｅ）は、光硬化樹脂を硬化させて第３層目を形成した状態を示す概略斜視説明図であり、また、図４（ｆ）は、図４（ｅ）のＥ−Ｅ線による概略断面説明図である。 図５（ａ）は、本発明の第２の実施の形態によるサポートを形成する際に用いる照射パターンの平面説明図であり、また、図５（ｂ）は、光硬化樹脂を硬化させて第１層目を形成した状態を示す概略断面説明図であり、また、図５（ｃ）は、光硬化樹脂を硬化させて第２層目を形成した状態を示す概略断面説明図である。

符号の説明

１０ 三次元造形装置
１１ 光学システム
１２ 光源
１４ レンズ
１６ ミラー
１８ 容器
２０ 造形物保持ユニット
２２ 駆動手段
２４ 透光板
２６ 膜
２８ 枠体
２９ 両面粘着テープ
３０ 造形物保持板
３０ａ 下面部
４０、４２ 照射パターン
４０ａ、４２ａ 光照射領域
４０ｂ、４２ｂ 光照射制限領域
５０ サポート
５０ａ 領域（硬化領域）
５０ｂ 領域（半硬化領域）
５２ サポート
５２ａ 領域（硬化部分）
５２ａａ 側面部（半硬化部分）
６０ 光硬化樹脂層（第２層目）
７０ 光硬化樹脂層（第３層目）

Claims (7)

1. 液体状の光硬化樹脂を貯留する容器の下側から光を照射し、前記容器内に配置された三次元形状造形物の土台となる造形物保持板の下面に三次元形状造形物が所定の液層厚さ分だけ硬化するようにして三次元形状造形物を造形した後に所定の液層厚さ分だけ造形物保持板を上昇させて新たな三次元形状造形物の層を硬化させる動作を順次繰り返すことにより光硬化樹脂を積層して立体造形を行う三次元形状造形物の光造形方法において、
   造形物保持板の下面に第１層目の光硬化樹脂層を形成する際における光の照射パターンとして、照射領域の一部に光の光量が他の領域よりも低く制限された光照射制限領域を形成し、前記光照射制限領域を形成した照射パターンを用いて第２層目以降の層を形成する際の光の照射時間よりも長い時間光を照射するようにした
   ことを特徴とする三次元形状造形物の光造形方法。
2. 請求項１に記載の三次元形状造形物の光造形方法において、
   前記光照射制限領域は、前記他の領域の光量の５０％以下の光量の領域である
   ことを特徴とする三次元形状造形物の光造形方法。
3. 請求項１に記載の三次元形状造形物の光造形方法において、
   前記光照射制限領域は、光が照射されない領域である
   ことを特徴とする三次元形状造形物の光造形方法。
4. 請求項１、２または３のいずれか１項に記載の三次元形状造形物の光造形方法において、
   前記光照射制限領域は、前記照射領域において複数箇所に分散して配置された
   ことを特徴とする三次元形状造形物の光造形方法。
5. 請求項１、２、３または４のいずれか１項に記載の三次元形状造形物の光造形方法において、
   前記照射パターンの全領域に対する前記光照射制限領域の割合は、前記照射パターンの全領域の５０％未満である
   ことを特徴とする三次元形状造形物の光造形方法。
6. 請求項５に記載の三次元形状造形物の光造形方法において、
   前記照射パターンの全領域に対する前記光照射制限領域の割合は、前記照射パターンの全領域の２０％乃至３０％である
   ことを特徴とする三次元形状造形物の光造形方法。
7. 請求項６に記載の三次元形状造形物の光造形方法において、
   前記照射パターンの全領域に対する前記光照射制限領域の割合は、前記照射パターンの全領域の２５％である
   ことを特徴とする三次元形状造形物の光造形方法。

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