JPS6232009A - 立体形状の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　要〕 本発明は３次元的な立体情報を表示する立体形状を、液
状光硬化型樹脂材を層状に供給する毎に露光走査して該
樹脂材を選択的に硬化せしめ、該光硬化樹脂層を積層状
に形成する方法において、上記液状光硬化型樹脂材の各
供給樹脂層を、光硬化閾値特性の異なる少なくとも２種
類の液状光硬化型樹脂材を積層状としてなる単位層とし
、既に露光走査して選択的に硬化せしめてなる樹脂層上
に供給された次の樹脂層を露光走査する際に、その露光
光が下部の前記選択硬化樹脂層に影響を及ぼすことを制
御することにより、各光硬化樹脂層境界部分での形状の
変形を解消し、高精度な立体硬化樹脂形状を形成するよ
うにしたものである。

〔産業上の利用分野〕

本発明は液状光硬化型樹脂材にレーザビーム光学系の露
光走査手段を用いて選択的に露光硬化する工程を積層す
る方向で繰り返して、３次元立体情報を表示する立体模
型形状を形成する方法に係り、特に積層状に形成する各
光硬化樹脂層の境界部分での形状の劣化のない高精度な
立体硬化樹脂形状を形成する方法に関するものである。

３次元的な立体情報を表示する方法として、透視図表示
、投影図表示、等高線表示、或いはホログラフィ−によ
る立体視表示等が開発され、一般に広、く用いられてい
る。しかし、これらの方法は何れも表示した立体形状を
直感的に把握し、充分に理解するには必ずしも満足でき
るものではなく、また実在しない立体仮想物体や立体的
な鳥鰍図などを形成表示することは容易でない。

このようなことから、近来、立体情報を直感的に把握し
、理解し易く表示するために、模型的な立体形状を比較
的容易に形成する方法として、例えば光硬化型樹脂とレ
ーザビーム光学系の露光走査手段を用い、該光硬化型樹
脂を立体情報に基づいて選択的に光硬化せしめて、複雑
な立体模型形状を積層状に形成することが提案されてい
る。

ところでこのような形成方法にあっては、立体情報に基
づいて光硬化型樹脂を選択的に光硬化する工程を積層す
る方向に繰り返して、選択的に光硬化させた樹脂層を順
に積層形成する際に、既に選択的に光硬化された樹脂層
上に供給された次の樹脂層を露光走査すると、その露光
光が下部の前記選択硬化樹脂層に及んで該下部の光硬化
樹脂層との境界部分での光硬化形状が劣化する不都合が
生じ、精度の良い立体硬化樹脂形状が得られ難い問題が
あり、かかる問題の改善が要望されている。

（従来の技術〕 従来、光硬化型樹脂を用い、レーザビーム照射による露
光手段によって３次元的な立体情報を表示する模型形状
を形成するには、先ず第４図（ａ）に示すように昇降可
能な副走査台２に載置された樹脂材収容容器１内に、作
成すべき立体模型形状を幾つかの輪切り状に分割した厚
さに対応する第−要分の液状光硬化型樹脂材５を供給す
ると共に、その供給した樹脂材５表面が照射するレーザ
ビーム４の焦点位置となるように副走査台２を上下方向
に微調整する。

次に第４図（ｂ）に示すように前記樹脂材５表面に対し
・作成すべき立体模型形状を幾つかの輪切り状に分割し
た立体形状パターン信号に基づいてレーザビーム光学系
から走査反射ｕ１３を反射したレーザビーム４、または
前記副走査台２をＸ、Ｙ方向に移動走査してレーザビー
ム照射を行い、選択的に露光硬化させた第一硬化樹脂層
５ａを形成する。

次に第４図（Ｃ）に示すように第二層分の液状光硬化型
樹脂材６を供給すると共に、その供給した樹脂材６表面
が照射するレーザビーム４の焦点位置となるように再度
、副走査台２を上下方向に微調整した後、第４図（ｄ）
に示すように該樹脂材６表面に前記立体形状パターン信
号に基づき、同様にしてレーザビーム照射を行い、選択
的に露光硬化させた第二硬化樹脂層６ａを形成する。

以下同様の工程により第４図＋１３）に示すように第二
層分の液状光硬化型樹脂材７を選択的に露光硬化させて
第三硬化樹脂層７ａを形成することにより、最終的にこ
れら液状光硬化型樹脂材中に積層状の立体硬化樹脂像が
形成される。

この立体硬化樹脂像を該液状光硬化型樹脂材中より取り
出し、洗浄溶液等で付着している液状光硬化型樹脂材を
洗い流すことによつて、第４図（ｆ）に示すように所望
とする３次元的な立体情報表示用の立体模型形状８を作
成している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記のようにレーザビーム照射による露
光手段を用いた従来の立体形状の形成方法にあっては、
各液状光硬化型樹脂層５．　６．　７上に照射されたレ
ーザビーム４は、該樹脂層の深さ方向にその光エネルギ
ーが吸収されながら透過して行くため、該露光エネルギ
ーの値は一般に第５図に示すように前記液状光硬化型樹
脂層５，６゜７の深さ方向に連続的に減衰する特性を有
している。

また、液状光硬化型樹脂層としては、その液状光硬化型
樹脂材が持つ硬化闇値以上の露光エネルギーが作用した
部分のみが光硬化する特性を有していることから、例え
ば既に選択的に露光硬化を行った第一層目の光硬化樹脂
層５ａ上に供給形成された第二層目の液状光硬化型樹脂
層６を選択的に露光する際に、該二層目の液状光硬化型
樹脂層６のみを選択的に露光硬化し、その直下の第一層
目の光硬化樹脂層５８部分に該樹脂材の硬化闇値以上の
露光エネルギーが及ばないように精度良く制御すること
が困難であった。

このため露光に用いるレーザビームの出力が変化すると
、露光硬化樹脂層の硬化厚が著しく変化して、高精度な
立体形状を形成する上で大きな障害となる欠点があった
。

本発明はこのような従来の欠点に鑑み、硬化閾値特性の
異なる少なくとも２種類の液状光硬化型樹脂材を用いて
、順次積層形成した各樹脂層境界部分の硬化樹脂形状の
変形を無くし、以て高精度な立体形状を容易に形成可能
にした新規な立体形状形状の形成方法を提供することを
目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記目的を達成するため、立体硬化樹脂形状を
積層状に形成するための各液状光硬化型樹脂層を、硬化
閾値特性が異なる少なくとも２種類の液状光硬化型樹脂
層を積層して、かかる２層状の液状光硬化型樹脂層上か
ら、両者の硬化闇値の略中間値となる光エネルギーを有
するレーザビーム等によって露光を行った際に、硬化閾
値特性が異なる上部樹脂層は光硬化し、下部樹脂層は未
硬化となる現象を利用している。

即ち、液状光硬化型樹脂材の硬化閾値Ｅｔｈは、その光
吸収係数をα、樹脂硬化厚さく樹脂供給厚さ）をｔ、露
光エネルギーをＥｅとした場合、次の（１１式で表され
る。

Ｅｔｈ　＝　Ｅｅ　　−ｅｘｐ　（−αｔ）　　　・・
・ｆｌ）しかして、第１図に示すように光吸収係数αＡ
。

硬化閾値ＥｔｈＡ、を有する樹脂供給厚さｔＡの液状光
硬化型樹脂層Ａと光吸収係数αＢ、硬化闇値ＥｔｈＢ。

を有する樹脂供給厚さｔＢの液状光硬化型樹脂層Ｂとか
らなる第一樹脂層２１と、同じように光吸収係デ 数α＾、硬化閾値ＥＬｈＡ、を有する樹脂供給厚さＬＡ
の液状光硬化型樹脂層Ａと光吸収係数αＢ、硬化闇値Ｅ
ｔｈＢ、を有する樹脂供給厚さｔＢの液状光硬化型樹脂
層Ｂとからなる第二樹脂層２２とを重ねた状態どし、該
第二樹脂層２２表面にレーザビーム３９を照射して該層
２２のみを露光硬化させる場合、第二樹脂層２２Ａ、第
二樹脂層２２Ｂ及び第一樹脂層２１Ａの各下面部分への
到達露光エネルギーＥ２Ａ、Ｅ２Ｂ、ＥＩＡは、それぞ
れ（２）、　（３）、　（４）式で表される。

Ｅ２八　−Ｅｅ　−ｅｘｐ　（−八　−ｔＡ）　　　　
　　　　　　　　　・　・　・　（２）［２Ｂ　＝Ｅｅ
−ｅｘｐ　　（−（Ａ−ｔＡ＋　Ｂ−ｔＢ）　）　　・
１３）ＥＩＡ　＝Ｅｅ−ｅｘｐ　　（−（２Ａ　　−ｔ
Ａ＋　Ｂ−ｔＢ）　）　　１４）また（２）〜（４）式
において、第二樹脂層２２が完全に光硬化する条件は次
式で表される。

Ｅ２Ａ　＞　ｆ！ｔｈＡ、　ＥｔｈＢ　　　　・・・（
５）Ｅ２Ｂ　＞　ＥｔｈＢ　　　　　　　・・・（６）
更にこの時、第一樹脂層２１を光硬化させない条件とし
て次の関係式が重要となる。

Ｅ２Ｂ　＜　ｌｌ＋ｔｈＡ　　　　　　　・・・（７）
ＥＩＡ　＜　ＥｔｈＢ　　　　　　　・・・（８）〔作
　用〕 従って、上記第一樹脂層２１及び第二樹脂層２２を構成
する液状光硬化型樹脂層Ａ及びＢの諸特性α。

Ｅｔｈ、樹脂供給厚さｔＡ等と露光エネルギーＨｅを前
記（５）〜（８）式を満足させる条件にして、第一樹脂
層２１上の第二樹脂層２２を露光硬化させることにより
、該第−樹脂層２１と第二樹脂層２２との層境界領域で
の闇値の差と露光エネルギーＨｅの減衰現象等から、第
一樹脂層２１に影響を与えることなく、第二樹脂層２２
のみを光硬化させることが可能となる。

かかる形成方法により積層状の立体硬化樹脂形状を形成
すれば、露光光の出力が多少変化しても層境界領域での
変形のない、高精度な立体硬化樹脂形状を得ることがで
きる。

〔実施例〕

以下図面を用いて本発明の実施例について詳細に説明す
る。

第２図は本発明に係る立体形状の形成方法に用いられる
形成装置の一実施例を示す概略構成斜視図である。

図において、３１はレーザ装置、３２は光変調器、３３
は反射鏡、３４．３５はレンズ、３６は回転多面鏡、３
７はｆθレンズ、３８は走査反射鏡であり、これらによ
りレーザビーム光学系が構成されている。

また４０は液状光硬化型樹脂材４４が収容された樹脂材
収容容器であり、該収容容器４０は矢印Ａの方向に移動
走査すると共に、矢印Ｂで示す垂直方向に昇降調整可能
な副走査台４１に載置されている。

更に前記樹脂材収容容器４０上には、該収容容器４０内
に光吸収係数α及び光硬化閾値Ｅｔｈの異なる２種類の
液状光硬化型樹脂材Ａ、Ｂをそれぞれ供給する細長い供
給口４２ａ、４３ａを有する２つの樹脂供給管４２．４
３が配設されている。

そして上記レーザ装置３１から出射されたレーザビーム
３９は光変調器３２により変調され、反射鏡３３により
反射された後、レンズ３４．３５により適当なビーム径
に変換され、回転多面鏡３６によって偏向される。更に
ｆθレンズ３７により等速度走査され、走査反射鏡３８
により樹脂材収容容器４０内の液状光硬化型樹脂材４４
の表面を照射し、選択的に露光硬化せしめて光硬化樹脂
層を形成する構成となっている。

さて、このような形成装置を用いて３次元的な立体情報
を表示する立体模型形状を形成するには、第３図（ａｌ
に示すように２つの樹脂供給管４２．４３の供給口４２
ａと４３ａとの間隔を’ｌ＋該供給口４２ａとレーザビ
ーム３９の主走査位置との間隔を２２とすると、先ず最
初に露光硬化すべき第一樹脂層２１の表面がレーザビー
ム３９の焦点位置となるように副走査台４１を垂直方向
に昇降操作して調整する。

次に副走査台４１を一定速り速度で副走査を開始すると
共に、前記樹脂材供給口４２ａより樹脂材収容容器４０
内に例えば光吸収係数αが１８ｃｍ−１，光硬化閾値Ｅ
　ｔｈｉｎが１４ｍＪ／ｃｍ２の特性を有する液状光硬
化型樹脂材Ｂを２５０μｍの層厚に供給を開始し、該副
走査台４１が間隔１１以上に移動した時点から、新たに
もう一方の前記樹脂材供給口４３ａより樹脂材収容容器
４０内の前記樹脂層Ｂ上に例えば光吸収鼻 係数αが６　ｃｍ−１＋光硬化閾値Ｅ　ｔｈＡが２１１
１ＩＪ／Ｃｍ２の特性を有する液状光硬化型樹脂材Ａを
２５０μｍの層厚に供給を開始する。

その後、第３図山）に示すように副走査台４１が間隔！
！２以上に移動した時点より、作成すべき立体模型形状
を幾つかの輪切り状に分割した厚さくこの場合５００μ
ｍ）に対応する上記樹脂層Ｂと樹脂層Ａからなる第一樹
脂層２１の表面に対して、作成すべき立体模型形状を幾
つかの輪切り状に分割した第一層目の立体形状パターン
信号に基づいてレーザビーム３９照射を主走査して選択
的に露光硬化せしめて第一硬化樹脂層２１ａを形成する
。

尚、この時のレーザビーム３９の露光エネルギーＥｅと
しては、前記（５）〜（８）式の関係より次に示す（５
）′〜（８）式が必要条件となる。

Ｅｅ〉２５ＩＩＩＪ／ｃＩ１１２，１７ＩＩＩＪ／ｃＩ
１１２・・（５）′Ｅｅ　＞　２５ｍＪ　／ｃａ＋２・
・・（６）　’Ｅｅ＜３８１１ＩＪ／ｃ１１２・・・（
７）Ｅｅ　＜　２９ｎ＋Ｊ　／ｃｔａ２・・・（８）　
”従って、上記２種類の樹脂層Ａ、　Ｂの光吸収係数α
、光硬化閾値ＩＥｔｈ　、層厚を等により定まる次式で
示す範囲の露光エネルギー値Ｅｅとしている。

２５＋ｗＪ／ｃｓ＋２＜Ｅｅ＜２９ｓＪ／ｃｍ２Ｈ＋　
　＋　（９）やがて前記樹脂材供給口４２ａが樹脂収容
容器４０の他端に達した時点で、全樹脂材Ａ、Ｂの供給
を停止した後、次に露光硬化すべき第二樹脂層２２の表
面がレーザビーム３９の焦点位置となるように副走査台
４１を垂直方向に昇降操作して調整し、第３図（Ｃ）に
示すように副走査台４１により樹脂材収容容器４０を元
の副走査開始位置に速やかに戻す。

次に第３図（ｄ）に示すように副走査台４１を一定速り
速度で副走査を開始すると共に、前記樹脂材供給口４２
ａ、４３ａより樹脂材収容容器４０内に、前記第一樹脂
層２１の場合と同様に液状光硬化型樹脂材Ｂ及びＡを２
５０μ鍋の層厚に順次供給を開始し、該樹脂層Ｂと樹脂
層Ａからなる第二樹脂層２２の表面に対して、作成すべ
き立体模型形状を幾つかの輪切り状に分割した第二層目
の立体形状パターン信号に基づいて第一硬化樹脂層２１
ａ形成時と同様の露光エネルギー値Ｅｅを有するレーザ
ビーム３９照射を主走査して選択的に露光硬化せしめて
第二硬化樹脂層２２ａを形成する。

以下、同様の工程操作により＋ｎ脂材の供給停止、及び
次のレーザビーム３９焦点位置の調整後、第３図（ｅｌ
に示すように副走査台４１により樹脂材収容容器４０を
元の副走査開始位置に速やかに戻し、上記工程操作を繰
り返して露光硬化樹脂層を順次積層形成し、積層状の立
体硬化樹脂像を構築する。

かかる積層状の立体硬化樹脂像においては、光吸収係数
α、光硬化閾値Ｅｔｈの異なる２層構成の樹脂層Ａ、Ｂ
を用い、上記（９）式を満足する露光エネルギー値Ｅｅ
を有するレーザビーム３９の露光操作によって、先に露
光操作して成る樹脂層上の次の樹脂層を選択的に露光硬
化した際に、先の樹脂層の未硬化部分を光硬化させるこ
となく、次の樹脂層のみが選択的に露光硬化されるので
、これら層境界部分での越境硬化による形状変化が解消
される。

従って、上記積層状の立体硬化樹脂像を従来と同様に液
状光硬化型樹脂材中より取り出して該液状光硬化型樹脂
材の除去処理を行うことにより、所望とする３次元的な
立体情報を表示する立体硬化樹脂形状を高精度に得るこ
とが可能となる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明に係る立体形状
の形成方法によれば、光硬化闇値の異なる少なくとも２
種類の液状光硬化型樹脂材からなる２層構成の樹脂層と
これらの樹脂材に対する適正な露光エネルギー値ｔ’ｅ
を有するレーザビームからなる露光手段を用いて、積層
状に該樹脂層を順次光硬化することにより、光硬化すべ
き樹脂層以外の該層重下の樹脂層に光硬化作用が及ぶこ
となく正確に制御することが可能となり、各樹脂層表面
位置の設定及び露光走査に要する時間のみの比較的短時
間で高精度な立体形状を容易に形成することが可能とな
る優れた利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る立体形状の形成方法の原理を説明
するための図、　　　　　　　　　１第２図は本発明に
係る立体形状の形成方法に用いる形成装置の一実施例を
示す概略構 成図、 第３図は本発明に係る立体形状の形成方法の一実施例を
工程順に示す要部断面図、 第４図は従来の立体形状の形成方法を説明するための要
部断面図、 第５図は樹脂層の深さ方向に対する露光エネルギーの分
布を示す図である。 第１図乃至第３図において、 Ａ、Ｂは光硬化閾値特性の異なる液状光硬化型樹脂層、
２１は第一樹脂層、２１ａは第一硬化樹脂層、２２は第
二樹脂層、２２ａは第二硬化樹脂層、３１はレーザ装置
、３２は光変調器、３６は回転多面鏡、３７はｆθレン
ズ、３８は走査反射鏡、３９はレーザビーム、４０は樹
脂材収容容器、４１は副走査台、４２．４３は樹脂材供
給管、４２ａ、　４３ａは第１ＩＩ オ廃呵１−り中１シ蝦醇被１楕八゛閏 第２図 ＬｖＪ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 液状光硬化型樹脂材を積層状に供給する毎に露光走査し
   て各樹脂層（２１、２２）を選択的に硬化せしめ、該光
   硬化樹脂層（２１ａ、２２ａ）を積層状に形成して立体
   形状を形成する方法において、上記液状光硬化型樹脂材
   の各供給樹脂層（２１、２２）を、光硬化閾値特性の異
   なる少なくとも２種類の液状光硬化型樹脂材（Ａ、Ｂ）
   を積層状としてなる単位層とし、既に露光走査して選択
   的に硬化せしめてなる単位樹脂層（２１ａ）上に供給さ
   れた次の単位樹脂層（２２）を露光走査する際に、その
   露光光が前記選択硬化樹脂層（２１ａ）に影響を及ぼす
   ことを制御するようにしたことを特徴とする立体形状の
   形成方法。