JP5073284B2 - 三次元造形装置 - Google Patents

Description

本発明は、三次元造形装置に関し、さらに詳細には、光を照射すると硬化する光硬化樹脂を用いて三次元造形物を作製する三次元造形装置に関する。

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光硬化樹脂を用いた三次元造形装置が知られている。

こうした従来の三次元造形装置は、例えば、特開２００２−３７０２８６号公報（特許文献１）や特開２００３−３９５６４号公報（特許文献２）に記載されている。

特許文献１によれば、ガラス面の上に透明な弾性分離層を設け、その上に光硬化性樹脂を載置し、ガラス面の下部から光を照射して光硬化性樹脂を硬化させて三次元造形を行う装置が開示されている。この装置においては、弾性分離層としてラテックスまたはシリコンゴムのような高弾性材料の膜を使用することにより、膜はガラス面に付着せず、ガス媒体または液体媒体を膜とガラス面との間に流入させて膜と造形部分とを分離させている。

また、特許文献２によれば、特許文献１と同様の透明板の上に弾性体が設けられ、弾性体の上に光硬化性樹脂が保持される光造形装置が開示され、弾性体は透明板から離れるよりも、凝固された材料が弾性層から容易に離れるように構成されている。

特開２００２−３７０２８６号公報 特開２００３−３９５６４号公報

従来の三次元光造形装置は上記のように構成されていた。光の照射により硬化した部分を膜から離すために、高弾性材料の膜のような特殊な処理が行われた膜付の枠体や、膜とガラス面との間に媒体を流入させる装置が必要となり、装置が複雑で高価になるという問題があった。また膜と枠体がひとつの構成になるため消耗品のコストアップ要因になっている。

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、簡潔な構成により、かつ、製造コストの上昇を招来することなく、作製された三次元造形物を透光板から容易に剥離することを可能にした三次元造形装置を提供しようとするものである。

また、本発明の目的とするところは、作製した三次元造形物を傷つけたり破損したりすることなく三次元造形物保持板から取り外すことを可能にした三次元造形装置を提供しようとするものである。

また、本発明の目的とするところは、清掃が簡単であり、かつ、構成部材の交換を容易に行うことができる三次元造形装置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、光源からの光を透過可能な膜を表面に着脱自在に配設した透光板を有する底部と、この底部上に着脱自在に配設された枠体とを有して容器を構成し、この容器内に液体状の光硬化樹脂を貯留するようにしたものである。

従って、本発明によれば、透光板の表面に着脱自在に配設された膜が適度に伸縮するため、三次元造形物は容易に膜から剥離可能になる。

また、こうした本発明によれば、三次元造形物の透過板からの剥離のためのさらなる構成を必要としないため、本発明による三次元造形装置は簡単な構成にすることが可能である。

また、こうした本発明によれば、透光板の表面に膜を配設したものを容器の底部とするとともに、この底部上に枠体を着脱自在に配設して容器としているので、容器全体は容易に分解可能であり、簡単に膜の交換を行ったり容器全体のを清掃を行うことが可能である。

また、上記目的を達成するために、本発明は、容器内において光硬化樹脂が硬化する際の土台となる三次元造形物保持板を、可撓材料により構成するようにしたものである。

従って、本発明によれば、三次元造形物保持板から三次元造形物を取り外す際には、作業者が三次元造形物保持板を容易に湾曲させて、三次元造形物を簡単に取り外すことができる。

即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、光の照射により硬化する光硬化樹脂を用いて三次元造形物を作製する三次元造形装置において、液体状の光硬化樹脂を貯留可能な容器と、上記容器に貯留された光硬化樹脂に対して光を照射する光源と、複数の貫通孔が穿設されている可撓材料よりなり、上記容器内において光硬化樹脂が硬化する際の土台となる三次元造形物保持板とを有し、上記容器は、上記光源からの光を透過可能な膜を表面に着脱自在に配設した透光板を有する底部と、上記底部上に着脱自在に配設された枠体とを有して構成され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、上記膜は、表面に光硬化樹脂が容易に剥離可能なコーティングを施されてい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、上記膜は、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）の表面にフルオロシリコン系離型材を塗布したフィルム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３に記載の発明において、上記フィルムの厚さは、５０〜１２０μｍであ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、上記三次元造形物保持板は、ポリアセタール製の板状体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、上記板状体の厚さは、１〜５ｍｍ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、簡潔な構成により、かつ、製造コストの上昇を招来することなく、作製された三次元造形物を透光板から容易に剥離することができるようになるという優れた効果を奏する。

また、本発明は、以上説明したように構成されているので、作製した三次元造形物を傷つけたり破損したりすることなく三次元造形物保持板から取り外すことができるようになるという優れた効果を奏する。

また、本発明は、以上説明したように構成されているので、清掃が簡単であり、かつ、構成部材の交換を容易に行うことができる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造形装置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（ａ）には、本発明の実施の形態の一例による三次元造形装置の概略構成断面説明図が示されており、また、図１（ｂ）には、図１（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。

この本発明に実施の形態の一例による三次元造形装置１０は、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調節するレンズ１４と、レンズ１４から出射された光を反射させるためのミラー１６と、ミラー１６により反射された光を内部に貯留した光硬化樹脂に照射可能な構成を有する容器１８と、容器１８内で硬化した光硬化樹脂材料と密着して三次元造形物を保持する土台となる三次元造形物保持板２０と、三次元造形物保持板２０の左右両端に着脱可能に配設された支持部２１を介して三次元造形物保持板２０を上下方向に移動する駆動手段２２とを有している。

より詳細に説明すると、光源１２として可視光により画像を投影するプロジェクターを用い、レンズ１４として凸レンズを用いた。

また、容器１８は、ミラー１６よりの光を透過可能な底板となる透光板２４と、透光板２４の上面に配置された光を透過可能な膜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よりの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３０にて枠体２８の外側部分の透光板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を施されているものとする。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が所定の重量がある場合には、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。

また、三次元造形物保持板２０は、所定の厚さｔ３を備えた可撓材料よりなるものである。より具体的には、三次元造形物保持板２０は、厚さが薄く柔軟な素材から形成されているものであり、作業者が力を加えると容易に湾曲するように構成されている。こうした三次元造形物保持板２０としては、例えば、厚さｔ３が１〜５ｍｍ、好ましくは、２ｍｍのポリアセタール製の板状体を用いることができる。

そして、三次元造形物保持板２０には、図１（ｂ）に示すように、複数の貫通孔２０ａが穿設されている。

また、駆動手段２２としては、各種機構を用いることができ、例えば、ステッピングモーターにより駆動機構を用いることができる。

以上の構成において、図２を参照しながら、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説明することとする。

なお、光硬化樹脂に対して光を照射するための光源１２などの光学系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、作製する三次元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、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１層目から順に一定時間ごと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。

具体的には、この三次元造形装置１０においては、作製する三次元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１層目から一定時間ごと１層分ずつ順に光源１２へ転送されていくものとする。

三次元造形装置１０を用いて三次元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、作製する三次元造形物の大きさに依存するものであるが、三次元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、三次元造形物保持板２０の下面２０ｂが膜２６から３０μｍ上方に位置するように、三次元造形物保持板２０を駆動手段２２により移動する（図２（ａ）を参照する。）。つまり、膜２６の表面と三次元造形物保持板２０の下面２０ｂとの間隙が３０μｍとなるように、三次元造形物保持板２０の位置を調整する。

次に、光源１２を用いて、膜２６の表面と三次元造形物保持板２０の下面２０ｂとの間隙に位置する光硬化樹脂に対して光を照射する。この光の照射により、膜２６の表面と三次元造形物保持板２０の下面２０ｂ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、三次元造形物の第１層目が作製されることになる（図２（ｂ）を参照する。）。

次に、三次元造形物の第２層目を作製するため、駆動手段２２により三次元造形物保持板２０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を上方へ移動させることになる。

即ち、第１層目の三次元造形物たる硬化した光硬化樹脂の上面は三次元造形物保持板２０の下面２０ｂと密着しており、また、第１層目の三次元造形物たる硬化した光硬化樹脂の下面は膜２６の表面と密着しているが、こうした状態で三次元造形物保持板２０を上方に少しずつ移動させていくと、図２（ｃ）に示すように、三次元造形物保持板２０に密着した光硬化樹脂は、三次元造形物保持板２０の移動に伴い３〜５ｍｍ程度上方へ少しずつ移動する。

この光硬化樹脂の上方への移動に伴い、光硬化樹脂に密着した膜２６も光硬化樹脂に引っ張られて撓む。ところが、膜２６の表面には光硬化樹脂を容易に剥離可能なコーティングが施されているため、光硬化樹脂は膜２６から剥がれやすくなっており、膜２６は硬化した光硬化樹脂から容易に剥離する。

また、三次元造形物保持板２０の上方への移動時に、可撓材料よりなる三次元造形物保持板２０も撓むため、光硬化樹脂に弾性が与えられるようになり、光硬化樹脂が膜２６から剥離する際の急激な剥離が緩和され、スムーズに剥がれるようになっている（図２（ｄ）を参照する。）。

硬化した光硬化樹脂が膜２６から剥離した後には、膜２６は再び元の平らな形状に復帰する（図２（ｅ）を参照する。）。この間に底部の硬化して上方に持ち上げられた部分には未硬化の樹脂が満たされる。

そして、三次元造形物の第２層目を作製するための三次元造形物保持板２０の配置として、第１層目を作製した位置よりもさらに３０μｍ上方に三次元造形物保持板２０が位置するように、駆動手段２２により三次元造形物保持板２０の位置を調整する。つまり、膜２６の表面と三次元造形物保持板２０の下面２０ｂとの間隙が６０μｍとなるように、三次元造形物保持板２０の位置を調整する。

それから、上記した第１層目を作製の場合と同様に光源１２より光を照射すると、この光の照射により、膜２６と第１層目の硬化した光硬化樹脂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する。こうして、第２層目の光硬化樹脂の硬化を終了し、三次元造形物の第２層目が作製されることになる（図２（ｆ）を参照する。）。

上記した第２層目の作製の際の動作と同様な三次元造形物保持板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。

そして、三次元造形物の作製を完了すると、三次元造形物保持板２０から完成した三次元造形物を取り外すことになるが、三次元造形物保持板２０は、可撓材料よりなるものであるため、三次元造形物を三次元造形物保持板２０から取り外す際に作業者が力を加えると、三次元造形物保持板２０は容易に湾曲して三次元造形物を容易に取り外すことが可能である（図３を参照する。）。

以上において説明したように、三次元造形装置１０の容器１８は、簡潔な構成を備えているため、製造コストの大幅な上昇をもたらすことがなく、また、容易に分解できるようになされているため、その清掃や交換を容易に行うことが可能である。

また、三次元造形装置１０は、容器１８の下方から光を照射し、作製する三次元造形物を３０μｍずつ硬化させていくため、容器１８には造形に必要な最低限の量の光硬化樹脂を貯留しておけばよいので、光硬化樹脂を無駄に消費することがない。

また、三次元造形装置１０の三次元造形物保持板２０には複数の貫通孔２０ａが穿設されているため、貫通孔のない従来の三次元造形物保持板と比較すると、三次元造形物保持板２０を液体状態の光硬化樹脂内に浸す際に三次元造形物保持板２０と膜２６との間に空気が混入してしまうことがない。

即ち、図４に示すように、三次元造形物保持板２０により液体状態の光硬化樹脂を圧すると、光硬化樹脂ならびに次元造形物保持板２０と膜２６との間の空気が、三次元造形物保持板２０の貫通孔２０ａを通って三次元造形物保持板２０の上面に逃げるようになるため、三次元造形物保持板２０と膜２６との間への空気の混入を防ぐことが可能である。

なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（４）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、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。

（２）上記した実施の形態においては、両面粘着テープ３０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。

（３）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。

（４）上記した実施の形態ならびに上記した（１）乃至（３）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（ａ）は、本発明の実施の形態の一例による三次元造形装置の概略構成断面説明図であり、図１（ｂ）は、図１（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）である。 図２（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）（ｆ）は、本発明の実施の形態の一例による三次元造形装置を用いて三次元造形物を作製する際の手順を示した概念説明図である。 図３は、作製された三次元造形物を三次元造形物保持板から剥離する際の様子を示した概念説明図である。 図４は、液体状の光硬化樹脂中に三次元造形物保持板を浸す際の様子を示した概念説明図である。

符号の説明

１０ 三次元造形装置
１２ 光源
１４ レンズ
１６ ミラー
１８ 容器
２０ 三次元造形物保持板
２０ａ 貫通孔
２０ｂ 下面
２１ 支持部
２２ 駆動手段
２４ 透光板
２６ 膜
２８ 枠体

Claims (6)

1. 光の照射により硬化する光硬化樹脂を用いて三次元造形物を作製する三次元造形装置において、
   液体状の光硬化樹脂を貯留可能な容器と、
   前記容器に貯留された光硬化樹脂に対して光を照射する光源と、
   複数の貫通孔が穿設されている可撓材料よりなり、前記容器内において光硬化樹脂が硬化する際の土台となる三次元造形物保持板と
   を有し、
   前記容器は、前記光源からの光を透過可能な膜を表面に着脱自在に配設した透光板を有する底部と、前記底部上に着脱自在に配設された枠体とを有して構成される
   ことを特徴とする三次元造形装置。
2. 請求項１に記載の三次元造形装置において、
   前記膜は、表面に光硬化樹脂が容易に剥離可能なコーティングを施されている
   ことを特徴とする三次元造形装置。
3. 請求項１に記載の三次元造形装置において、
   前記膜は、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）の表面にフルオロシリコン系離型材を塗布したフィルムである
   ことを特徴とする三次元造形装置。
4. 請求項３に記載の三次元造形装置において、
   前記フィルムの厚さは、５０〜１２０μｍである
   ことを特徴とする三次元造形装置。
5. 請求項１、２、３または４のいずれか１項に記載の三次元造形装置において、
   前記三次元造形物保持板は、ポリアセタール製の板状体である
   ことを特徴とする三次元造形装置。
6. 請求項５に記載の三次元造形装置において、
   前記板状体の厚さは、１〜５ｍｍである
   ことを特徴とする三次元造形装置。

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