JP2957763B2 - 三次元形状の形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、三次元形状の形成方
法に関し、詳しくは、光の照射によって硬化する光硬化
性樹脂を用いて、立体的な三次元形状を有する物品を成
形製造する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光硬化性樹脂を用いて三次元形状を形成
する方法は、複雑な三次元形状を、成形型や特別な加工
工具等を用いることなく、簡単かつ正確に形成すること
ができる方法として、各種の製品モデルや立体模型の製
造等に利用することが考えられており、具体的には、例
えば、特開昭62-35966号公報等に開示された方法が知ら
れている。

【０００３】三次元形状を形成する際には、光硬化性樹
脂の薄層を光硬化させて、所定の平面形状を備えた１層
の光硬化層を形成し、このような光硬化層を複数層積み
重ねて、立体的な三次元形状を構成する。したがって、
光硬化層は順番に下の光硬化層に支持された状態で積み
重ねられていく。ピラミッド構造のように、上に積み重
ねる光硬化層の外形が、常に、下の光硬化層と同じ大き
さであるか小さければ、光硬化層を安定して積み重ねる
ことができるが、上に積み重ねる光硬化層の外形が下の
光硬化層よりも大きくなる場合には、光硬化層の積み重
ねが不安定になり、上方の光硬化層が変形したり三次元
形状が崩れてしまうという問題が生じる。特に、光硬化
性樹脂が光硬化する際には収縮や反りを起こす可能性が
あり、三次元形状の外形から大きく張り出した部分の光
硬化層は、前記のような反りや収縮が起こし易くなる。
さらに、光硬化層を積み重ねて形成する際に、積み重ね
た光硬化層もしくは成形品を、光硬化性樹脂液の液中で
上下動させる場合があるが、このような場合、樹脂液の
流動抵抗によって光硬化層が変形させられる可能性が高
い。

【０００４】そこで、下方の光硬化層よりも大きな光硬
化層を上方に積み重ねる必要がある、複雑な形状部分や
不安定な形状部分を備えた三次元形状の成形品を製造す
る場合には、光硬化層を積み重ねる基台に支柱を設けて
おき、この支柱で上方の光硬化層を支持させる方法（特
開平2-52725 号公報）や、下層の広い光硬化層の上で、
三次元形状を構成する光硬化層とは別の位置に、三次元
形状を構成する光硬化層の形成と同時に支持用の光硬化
層を形成し、この支持用の光硬化層を順次積み重ねて垂
直柱状の補強用形状保持部を設け、この保持部で上方の
光硬化層の張り出し部分を支持する方法（特開平2-2203
5 号公報）等が提案されている。

【０００５】図１１は、上記のような従来技術の具体例
を示している。(a)に示すように、光硬化性樹脂液１の
液面から少し下に昇降自在な基台２を沈め、液面にレー
ザ光を照射して、三次元形状を構成するための所定形状
の光硬化層３を形成する。このとき、光硬化層３の外側
で少し離れた位置にもレーザ光を照射して、支柱用の光
硬化層４を形成しておく。基台２を段階的に液中に沈め
るとともに、順次光硬化層３を形成し積み重ねていく
が、これと同時に、支柱用の光硬化層４も順次積み重ね
ていくようにする。(b) に示すように、下方の光硬化層
３よりも大きく外側に張り出して形成された光硬化層３
ａを形成する際に、この光硬化層３ａの下面を、前記光
硬化層４が積み重ねされて形成された垂直な支柱の上端
で支持すれば、光硬化層３ａが変形したり崩れたりし難
いというものである。(c) に示すように、三次元形状の
全体形状によって、下方から支持する必要のある光硬化
層３ａの下面を、下方から順次積み重ねられた光硬化層
４からなる垂直な支柱で支持するようになっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記した従
来技術では、三次元形状を構成する各層の光硬化層を形
成する毎に、その光硬化層の外側に支持用の光硬化層を
形成する必要があり、各層毎の光の照射時間すなわち作
業時間が長くかかり、全体の作業能率を低下させるとい
う問題がある。

【０００７】また、三次元形状の構造に合わせて、上方
の光硬化層を適切な位置で支持できたり、三次元形状の
形成に邪魔にならないようにしたりすることを考慮しな
がら、下層から順番に支持用の光硬化層を適切な位置お
よび形状で積み重ねて形成する必要があり、支持用の光
硬化層の形成位置や構造の設計が非常に難しく、コンピ
ュータ等を用いて複雑な計算を行わなければ適切な支持
は行い難いという問題があり、三次元形状の形状変更の
度に、上記のような複雑な計算もしくは設計のやり直し
が必要になる。しかも、三次元形状の構造が複雑になる
と、下層から順番に積み重ねた支持用の光硬化層からな
る垂直な支柱だけでは支持が困難な場合も生じる。

【０００８】そこで、この発明の課題は、前記のような
三次元形状の形成方法において、光硬化層の支持が必要
な場合に、光硬化層すなわち三次元形状を形成するため
の作業時間を増大させることなく、しかも、複雑な支持
構造の設計を行わなくても、簡単かつ能率的に光硬化層
の支持構造が形成でき、その結果、形状精度に優れ、変
形の少ない、高品質の成形品を作業能率良く得ることの
できる方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するこの
発明にかかる三次元形状の形成方法は、光硬化性樹脂に
光を照射して光硬化層を形成し、この光硬化層を複数層
積み重ねて、所望の三次元形状を形成する方法におい
て、三次元形状の形成位置の周辺に支柱を立設してお
き、三次元形状を構成する光硬化層と前記支柱の間の光
硬化性樹脂に光を照射して、前記三次元形状形成用の光
硬化層と支柱をつなぐ光硬化層からなる水平支持腕を形
成し、この水平支持腕を介して三次元形状形成用の光硬
化層を支柱に水平支持させる。

【００１０】この発明の方法では、基本的には、通常の
光硬化性樹脂を用いた三次元形状の形成方法と同様の作
業工程、使用材料および装置が適用できる。具体的に
は、例えば、光硬化性樹脂液の薄層に、所定のパターン
にしたがってレーザ光等の光を照射し、光が照射された
部分に一定厚みの光硬化層を形成する。光硬化層の上に
新たな光硬化性樹脂液を供給して光硬化性樹脂液の薄層
を形成したり、光硬化層を樹脂液に沈めて光硬化層の上
を樹脂液の薄層で覆ったりした後、前記同様に光を照射
して、光硬化層の上に新たな光硬化層を形成する。この
ような工程を繰り返すことにより、複数層の光硬化層を
順次積み重ねて所望の三次元形状を有する成形品を製造
する。

【００１１】この発明では、三次元形状の形成位置の周
辺、すなわち、光硬化性樹脂液の薄層に光を照射して光
硬化層を形成する範囲の周辺に、支柱を立設しておく。
三次元形状の形成位置の周辺とは、三次元形状の外形よ
りも外側であってもよいし、三次元形状が中央などに空
洞を有するものの場合には三次元形状の内側の前記空洞
内であってもよく、少なくとも、三次元形状を構成する
光硬化層の形成の邪魔にならない位置であればよい。支
柱が、三次元形状を構成する光硬化層に近い場所に設け
られているほど、後述する水平支持腕が短くて済み、光
硬化層の支持も良好に行える。支柱の数および配置間隔
などは、支柱で支持する光硬化層の形状に合わせて自由
に設定される。支柱の材料は、合成樹脂、金属、セラミ
ックその他の任意の構造材料が使用でき、光硬化層が変
形したり崩れたりしない程度に支持しておける剛性ある
いは機械的強度を有するものであればよい。支柱の構造
は、円柱、多角柱、その他の任意の柱状が採用できる。
特に、支柱が下方から上方にかけて細くなるテーパ状を
なしていれば、照射された光を支柱で遮ることが少な
く、支柱に近接する位置の光硬化性樹脂まで良好に光硬
化させることができる。支柱を透明な材料で形成してお
くこともできる。

【００１２】支柱の取付構造は、三次元形状の形成装置
の構造に合わせて設定される。三次元形状の形成を、光
硬化性樹脂液を溜める貯液槽の固定された底面で行うの
であれば、この固定底面に支柱を取付固定しておけばよ
く、三次元形状の形成を、貯液槽に沈めた昇降台の上で
行うのであれば、この昇降台に支柱を固定しておけばよ
い。これらの取付面に対して支柱を着脱自在に設けてお
けば、形成する三次元形状の構造に合わせて、適切な位
置に支柱を取り付けることができる。また、取付面に対
して、支柱が水平方向に移動可能になっていれば、支柱
の位置調整が行い易い。具体的には、例えば、取付面全
体に等間隔で多数のねじ孔を設け、支柱の下端には前記
ねじ孔にねじ込み固定できる取付ねじを設けておけば、
支柱の取付位置を自由に変更できる。また、取付面に縦
横に格子状の凹溝を形成しておき、支柱の下端には前記
格子状凹溝に嵌まる嵌合部を設けておけば、支柱を縦横
の任意の位置に移動させることができる。

【００１３】上記のような支柱が配置された状態で、前
記したような通常の三次元形状の形成方法と同様にし
て、光硬化層の形成および積み重ねが行われる。上方の
光硬化層の外形が下方の光硬化層と同じ大きさであるか
小さい状態であれば、特別な支持手段を講じなくても問
題はない。また、下方の光硬化層の外周から上方の光硬
化層が張り出していても、その張り出し量が少なけれ
ば、やはり支持手段は必ずしも必要ない。しかし、上方
の光硬化層が、下方の光硬化層の外周よりも大きく外側
に張り出して、そのままでは、上方の光硬化層が垂れ下
がったり、変形したり、崩れたり、あるいは、強度的に
弱くなる可能性がある個所では、その部分の光硬化層を
水平支持腕を介して支柱に水平支持させる。

【００１４】水平支持腕は、少なくとも前記三次元形状
形成用の光硬化層と支柱との間で光硬化性樹脂に光を照
射して、腕状あるいは横木状の光硬化層を形成して、前
記光硬化層と支柱とをつなぐ水平支持腕を形成すればよ
い。予め、光硬化性樹脂液の薄層を、光硬化層の形成範
囲から支柱の位置まで形成するようにしておけば、光硬
化層と支柱の間に光硬化性樹脂を確実に存在させること
ができる。水平支持腕となる光硬化層の形成は、三次元
形状形成用の光硬化層の形成と同じ工程で連続して光を
照射すればよい。但し、水平支持腕となる光硬化層の形
成段階では、三次元形状形成用の光硬化層の形成段階
と、光の強さや焦点位置の深さなどの照射条件を変えて
もよい。例えば、水平支持腕となる光硬化層の厚みを、
支持強度を十分に発揮できる程度で、三次元形状形成用
の光硬化層の厚みよりも薄くしておくことができる。水
平支持腕の厚みが薄ければ、三次元形状の成形品を得ら
れた後で、水平支持腕と成形品の連結個所を折ったりし
て水平支持腕を取り除く作業が行い易くなる。水平支持
腕の平面形状は、三次元形状形成用の光硬化層を支柱に
確実に支持しておける形状であれば、任意の形状でよ
い。例えば、水平支持腕の端部に、支柱の周囲を取り囲
む環状部を備えていれば、水平支持腕が支柱に確実に支
持固定される。三次元形状形成用の光硬化層と水平支持
腕との連結部分が、他の部分よりも細いくびれ部になっ
ていると、前記同様に、三次元形状の成形品から水平支
持腕を取り除く作業が行い易い。

【００１５】

【作用】光硬化層を複数層積み重ねて三次元形状を形成
する際に、支持すべき光硬化層を形成する段階で、この
光硬化層と支柱の間の光硬化性樹脂を光硬化させて、光
硬化層と支柱をつなぐ水平支持腕を形成すれば、強固な
構造体である支柱に水平支持腕を介して光硬化層を確実
に支持することができ、光硬化層の変形や崩れを防ぐこ
とができる。特に、水平支持腕は、光硬化層の外縁と支
柱の間のわずかな距離をつなぐだけでよいので、水平支
持腕自体の変形は問題にならず、光硬化層の直ぐ側に存
在する支柱により、光硬化層の反りや収縮も確実に抑え
ることができる。

【００１６】水平支持腕は、光硬化層の外縁と支柱の間
を平面的につなぐだけでよいので、水平支持腕の形状や
水平支持腕を形成するための光の照射パターンの設計
は、比較的単純な平面的パターンの設計のみでよい。ま
た、三次元形状がどんなに複雑な構造であっても、光硬
化層の外縁と支柱の間には必ず空間が存在するので、水
平支持腕が形成できないことはあり得ない。したがっ
て、前記した従来技術の、支持用の光硬化層を垂直方向
に順次積み重ねて垂直な支柱を形成する方法のように、
上下の他の光硬化層との干渉や、荷重の支持方向を考慮
するなどの複雑な三次元的な支持手段の設計が必要なく
なる。その結果、三次元形状の構造変更にも簡単に対応
することができるようになる。

【００１７】さらに、水平支持腕は、支持すべき光硬化
層を形成する段階で、光の照射時間が少し増える程度の
わずかな手間をかけるだけで形成することができ、支持
する必要のない光硬化層を形成する段階では、何ら余分
な作業がいらない。従来の方法では、各層の光硬化層を
形成する度に、垂直な支柱の一部となる支持用の光硬化
層を形成しなければならなかったのであるから、前記こ
の発明の方法により作業の手間および作業時間を大幅に
短縮できることになる。また、この発明の方法では、水
平支持腕は、成形品を製造する度に新たに形成する必要
があるが、支柱は何度でも繰り返し使用することができ
るので、従来の方法のように、垂直な支柱の全てを作り
変えるのに比べて、はるかに材料の無駄が少なく経済的
でもある。

【００１８】

【実施例】ついで、この発明の実施例を、図面を参照し
ながら以下に詳しく説明する。図１は、この発明の方法
の実施状態を示しており、貯液槽などに溜められた光硬
化性樹脂液１０に、液中を上下動する水平板状の昇降台
２０が沈められている。昇降台２０からは作動腕２２が
液面上方まで延びており、作動腕２２を各種の作動機構
で上下動させて、昇降台２０を光硬化性樹脂液１０中で
任意の深さに沈めたり、昇降台２０を液面上まで持ち上
げたりできるようになっている。

【００１９】図２にも示すように、昇降台２０には、縦
横に一定の間隔をおいて、多数のねじ孔２４が形成され
ている。このねじ孔２４に、支柱３０の下端に設けられ
た取付ねじ３２がねじ込まれており、支柱３０が昇降台
２０の上に垂直に立てられた状態で取付固定されてい
る。支柱３０は、平面円形で、上端が細く下端に近いほ
ど太くなったテーパ状に形成され、全体が細長い円錐形
をなしている。図２に示すように、支柱３０は、三次元
形状の形成位置を囲んで四方それぞれに合計４本設けら
れている。

【００２０】上記のような成形装置を用いて、三次元形
状の形成を行う。図３に示すように、昇降台２０を光硬
化性樹脂液１０の液面近くに沈めた状態で、液面にレー
ザ光６０を所定のパターンで照射すれば、液面と昇降台
２０の間で光硬化性樹脂液１０の薄層が光硬化して光硬
化層４０が形成される。昇降台２０を段階的に液中に沈
めるとともに、各段階毎にレーザ光６０のパターン照射
を行えば、昇降台２０の上に複数層の光硬化層４０が積
み重ねられて形成され、所望の三次元形状を有する成形
品が得られることになる。

【００２１】そして、上下に光硬化層４０を積み重ねる
際に、上に形成する光硬化層４０が下の光硬化層４０の
外形よりも大きく張り出した形になり、そのままでは光
硬化層４０が変形したり崩れたりする心配のある個所、
例えば、図４の光硬化層４０ａでは、光硬化層４０ａの
外縁から支柱３０にかけて、水平支持腕５０を形成す
る。すなわち、三次元形状を構成するための光硬化層４
０ａを形成する際に、この光硬化層４０ａの外側にもレ
ーザ光を照射して、この部分の光硬化性樹脂液１０を光
硬化させて、水平支持腕５０を形成するのである。図４
では、説明を判り易くするために、光硬化層４０ａと水
平支持腕５０が別の部材として図示されているが、実際
には、同じ光硬化性樹脂液１０を連続的に光硬化させて
いるので、一体的につながっている。図２に示すよう
に、水平支持腕５０の平面形状は、光硬化層４０ａにつ
ながる部分が細い腕状をなしているとともに、支柱３０
の周囲を囲む環状部５４が形成されており、この環状部
５４で水平支持腕５０が支柱３０に確実に固定されるよ
うになっている。また、図７に示すように、水平支持腕
５０と光硬化層４０ａの連結個所に、他の部分よりも細
いくびれ部５２を設けておけば、成形品から水平支持腕
５０を取り除く際に、くびれ部５２で簡単に折り取るこ
とができる。

【００２２】図５に示すように、水平支持腕５０が形成
された光硬化層４０ａの上には、さらに、順次光硬化層
４０が形成されていく。また、図１に示すように、下の
光硬化層４０よりも外側に張り出す光硬化層４０ａが複
数個所にある場合には、それぞれの光硬化層４０ａに水
平支持腕５０を形成して、支柱３０に支持させるように
すればよい。

【００２３】上記のような工程を経て、所望の三次元形
状を有する成形品が得られた後、光硬化層４０ａと水平
支持腕５０の連結部分を切り離せば、成形品のみを取り
出すことができる。上記実施例では、円錐形の支柱３０
を用いたが、このことの利点について説明する。図８の
(b) に示すように、支柱３０が真っ直ぐな円柱形である
と、レーザ光６０を支柱３０の側に照射したときに、レ
ーザ光６０の一部が支柱３０で遮られることになり、レ
ーザ光６０の利用効率が悪い。そのため、支柱３０に隣
接する個所の水平支持腕５０は、硬化度が弱くなってし
まい、水平支持腕５０による光硬化層４０ａの支持性能
も低下してしまうことになる。これは、レーザ光６０
は、光硬化性樹脂液１０の液面近くで焦点を結ぶように
レンズ等で絞った状態で照射されるので、液面から上方
に向かって広がる逆円錐状のビーム形状を有している。
そのため、真っ直ぐな円柱形の支柱３０の隣接個所に光
を照射しようとすると、どうしても逆円錐状をなすレー
ザ光６０のビーム形状と支柱３０が干渉するのである。

【００２４】しかし、図８の(a) に示すように、円錐形
の支柱３０であれば、レーザ光６０の逆円錐状をなすビ
ーム形状と干渉することがなく、レーザ光６０を有効に
利用できるのである。その結果、水平支持腕５０全体の
硬化度を良好にして、水平支持腕５０による光硬化層４
０ａの支持を確実に行うことができる。上記のような作
用から判るように、支柱３０のテーパすなわち側面の傾
斜度は、レーザ光６０のビーム形状のテーパよりも大き
な傾斜度であることが望ましい。

【００２５】つぎに、図６に示す実施例では、水平支持
腕５０の厚みｔを、光硬化層４０ａの厚みＴよりも薄く
形成している。このように水平支持腕５０が細いと、三
次元形状の成形品を製造した後、水平支持腕５０を取り
除く際に、水平支持腕５０と光硬化層４０ａの連結個所
で、水平支持腕５０を折り取ったり切り取ったりするの
が容易になる。また、水平支持腕５０を分離した後の切
口も目立たなくなる。但し、この場合でも、水平支持腕
５０の厚みｔは、光硬化層４０ａを支持できる程度の厚
みは必要である。水平支持腕５０の厚みｔを光硬化層４
０ａの厚みよりも薄く形成するには、レーザ光６０の強
度を弱くしたり、焦点位置を上方に移動させたりすれば
よい。

【００２６】図９および図１０には、支柱３０の取付構
造が異なる実施例を示している。この実施例では、昇降
台２０の上面に、縦横に一定間隔毎に形成された断面角
形の格子状凹溝２６を備えている。そして、支柱３０の
下端には、上記格子状凹溝２６に嵌まり込む角形の嵌合
部３６を設けている。このようにしておけば、支柱３０
の嵌合部３６を格子状凹溝２６に沿って移動させて位置
調整を行ったり、支柱３０を格子状凹溝２６の任意の位
置に嵌め込んだりして取付固定することができる。その
結果、三次元形状の構造すなわち光硬化層４０の外形状
に合わせて、最も適切な位置に支柱３０を配置すること
が可能になる。

【００２７】

【発明の効果】以上に述べた、この発明にかかる三次元
形状の形成方法によれば、三次元形状の形成位置の周辺
に立設された支柱と、三次元形状を形成する光硬化層と
の間で光硬化性樹脂に光を照射して形成された水平支持
腕で前記光硬化層を支柱に水平支持させるので、光硬化
層の支持手段を設けたことによる作業の手間や作業時間
の増大が少なく、しかも、確実強固に光硬化層を支持し
ておくことができる。

【００２８】また、光硬化層の支持手段の設計が、水平
支持腕の平面的な配置のみで済むので、光硬化層を積み
重ねて構成する垂直な支柱の複雑な三次元的設計を必要
とする従来技術に比べて、はるかに設計が容易で、この
ような設計に要する作業時間あるいはコストを削減する
ことができる。その結果、三次元形状の構造変更などが
あった場合でも、簡単に設計変更を行って対応すること
が可能になる。しかも、三次元形状がどんなに複雑な構
造であっても、水平支持腕による光硬化層の支持は可能
であり、従来の方法では支持が不可能な複雑な三次元形
状にも容易に対応することができる。

【００２９】さらに、三次元形状を形成する過程で、積
み重ねて形成された光硬化層を光硬化性樹脂液中で上下
に動かしたりして光硬化層に外力が加わっても、前記し
たように、水平支持腕を介して支柱に確実強固に支持さ
れた光硬化層であれば、変形する心配がなくなる。した
がって、この発明の方法によれば、上記のように積み重
ねされた光硬化層に外力が加わるような三次元形状の形
成方法にも良好に適用することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施例を示す模式的断面図

【図２】 同上の平面図

【図３】 作業工程を段階的に示す図面のうち、第１段
階の模式的断面図

【図４】 作業工程を段階的に示す図面のうち、第２段
階の模式的断面図

【図５】 作業工程を段階的に示す図面のうち、第３段
階の模式的断面図

【図６】 別の実施例を示す模式的断面図

【図７】 水平支持腕の詳細な構造を示す平面図

【図８】 支柱の構造による作用効果の違いを示す模式
的説明図

【図９】 別の実施例を示す平面図

【図１０】 同上の正面図

【図１１】 従来方法を段階的に示す模式的断面図

【符号の説明】

１０ 光硬化性樹脂液 ２０ 昇降台 ３０ 支柱 ４０、４０ａ 光硬化層 ５０ 水平支持腕 ６０ レーザ光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B29C 67/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光硬化性樹脂に光を照射して光硬化層を
   形成し、この光硬化層を複数層積み重ねて、所望の三次
   元形状を形成する方法において、三次元形状の形成位置
   の周辺に支柱を立設しておき、三次元形状を構成する光
   硬化層と前記支柱の間の光硬化性樹脂に光を照射して、
   前記三次元形状形成用の光硬化層と支柱をつなぐ光硬化
   層からなる水平支持腕を形成し、この水平支持腕を介し
   て三次元形状形成用の光硬化層を支柱に水平支持させる
   ことを特徴とする三次元形状の形成方法。