JPS6340650B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

産業上の利用分野 本発明は、光及び光硬化性流動物質を用いて行
なう光学的造形法に関する。 従来の技術及びその問題点 従来、鋳型製作時に必要とされる製品形状に対
応する模型、或いは切削加工の倣い制御用又は形
彫放電加工電極用の模型の製作は、手加工によ
り、或いはNCフライス盤等を用いたNC切削加
工により行なわれていた。しかしながら、手加工
による場合は多くの手間と熟練とを要するという
問題が存し、NC切削加工による場合は、刃物の
刃先形状変更のための交換や磨耗等を考慮した複
雑な工作プログラムを作る必要があると共に、加
工面に生じた段を除くために更に仕上げ加工を必
要とする場合があるという問題が存していた。 このような問題の解決を図るべく光硬化性樹脂
薄層をマスキングにより選択的に繰返し光照射す
ることにより所望の立体を得る方法が提案されて
いる。これは、先ず極めて浅い光硬化性樹脂に上
方又は下方から光照射をするにあたり、得ようと
する立体物の水平断面形状に相当する光透過部分
を有したマスキングフイルムを光硬化性樹脂の手
前に配置し、この照射により所望断面形状の薄層
硬化部分を得、これに連続する水平断面形状につ
いて、光硬化性樹脂の深さを僅かづつ増しマスキ
ングフイルムを順次取替えては光照射を繰返すこ
とにより、所望の立体を得るものである。しかし
ながら、この方法においては、次の難点がある。 (i) 得ようとする立体の水平断面形状毎のマスキ
ングフイルムを製作しなければならず、これに
手間と時間とを必要とする。特に曲面の平滑さ
を得るには、立体の分割数を増す必要があり、
これに連れてマスキングフイルムが多数必要と
なり、製作時間及び費用が膨大となる。 (ii) 高い寸法精度の立体を得るには、マスキング
形状を正確に反映する平行光の照射が必要であ
り、これに伴つて、大型立体の造形の困難性、
使用光の種類の限定という制約が生じる。 (iii) 照射が平行光で行なわれるので、樹脂の硬化
の制御は、水平方向についてはマスキングで行
ない得るが、鉛直方向においては樹脂による光
エネルギーの吸収、すなわち光エネルギーの到
達深度に委ねざるを得ず精度の点で劣ることと
なる。 (iv) マスキングにより照射光の一部を遮るので、
光の利用効率が低い。 (v) 目的形状の水平断面全体を同時に光照射し硬
化させるので、収縮歪が全体的に一斉に生じ、
割れや変形を発生させるおそれがある。 本発明は、これら従来技術の問題点を解消し、
鋳型製作用、倣い加工用、形彫放電加工用の模型
を、たとえ複雑な形状であつても刃物等工具の交
換を必要とすることなく容易に且つ精度よく製作
することができるのみならず、他の種々の定形物
の製造にも適用することができ、しかも製作に要
する時間及び費用が少なくて済む造形法を提供す
ることを目的とする。 問題点を解決するための手段 本発明の前記目的は、光により硬化する光硬化
性流動物質を容器内に収容し、光エネルギーが前
記物質の硬化に必要なエネルギーレベルをもつて
点状に集中するように光照射を行ないつつ、該光
エネルギー集中箇所を前記容器に対し水平及び垂
直方向に造形対象の形状に応じて相対移動させ所
望形状の固体を得ることを特徴とする光学的造形
法により達成される。 前記光硬化性物質に対し、硬化に必要なエネル
ギーレベルをもつて点状に集中して光照射を行な
うには、前記光硬化性流動物質中に光出射端を実
質上半球状とした導光体を挿入し、該導光体を通
じて光照射を行なうことにより前記光出射端前方
に光エネルギーの集中箇所を得ることができ、前
記容器と該光出射端とを相対的に移動しつつ該導
光体から光照射をなすことにより所望形状の固体
を得ることができる。 前記導光体は、石遠、ガラス又は合成樹脂のフ
アイバ若しくはロツドとすることができる。紫外
光を用いる場合は、石英製のものとするのが望ま
しい。 前記所望形状の固体の形成は、前記光硬化性流
動物質を、上方からの光照射により該物質上下面
に及ぶ連続した硬化部分が得られる深さとなるよ
うに容器に収容し、該光硬化性物質の上方から光
学レンズを介して光を照射することにより光エネ
ルギーの集中箇所を前記物質中に位置せしめて該
物質上下面に及ぶ硬化部分を形成し、更に前記光
硬化性物質を、前記硬化部分上に前記深さに相当
する深さをなすように付加し、該光硬化性物質の
上方から前記物質の付加された深さ部分へ前記光
エネルギーの集中箇所を移動させて前記硬化部分
から連続して延びた硬化部分を形成し、これら光
硬化性物質の付加及び硬化部分の形成を繰り返す
ことにより行なうことができる。 このような繰返しによる固体の形成は、例え
ば、上下方向に透光性を有する中空又は中実の有
底体を容器内の前記光硬化性流動物質中に浸漬す
ることにより該有底体の底面と前記容器底の上面
との間に、上方からの光照射（例えばレーザ光照
射）により前記物質上下面に及ぶ連続した硬化部
分が得られる深さとなるように前記物質を収容
し、前記有底体の上方から光学レンズを介して光
を照射することにより光エネルギーの集中箇所を
前記物質中に位置せしめて前記底面及び上面間の
前記物質上下面に及ぶ硬化部分を形成し、その後
前記有底体を若干引き上げることにより前記硬化
部分上面と前記有底体底面との間に、前記深さに
相当する深さをなすように前記有底体周囲の前記
物質を付加し、前記有底体の上方から前記物質の
付加された部分へ前記光エネルギーの集中箇所を
移動させて前記硬化部分から連続して延びた硬化
部分を形成し、これら光硬化物質の付加及び硬化
部分の形成を繰り返して所望形状の固体を形成す
るというように行なうことができる。 前記光硬化性流動物質としては、光照射により
硬化する種々の物質を用いることができ、例えば
変性ポリウレタンメタクリレート、オリゴエステ
ルアクリレート、ウレタンアクリレート、エポキ
シアクリレート、感光性ポリイミド、アミノアル
キドを挙げることができる。 前記光としては、使用する光硬化性物質に応
じ、可視光、紫外光等種々の光を用いることがで
きる。該光は通常の光としてもよいが、レーザ光
とすることにより、エネルギーレベルを高めて造
形時間を短縮し、良好な集光性を利用して造形精
度を向上させ得るという利点を得ることができ
る。 前記光硬化性流動物質の硬化に必要なエネルギ
ーレベルをもつて点状に集中して光照射を行なう
には、また、前記光硬化性流動物質の硬化に適し
た波長の２倍の相等しい波長を有し且つ位相の揃
つた２以上の光束を、該光硬化性物質中において
相互に点状に交叉するように照射して該交叉個所
において２光子吸収により該光硬化性物質の硬化
に必要なレベルの光エネルギーを得ることがで
き、該光束の交叉個所を移動することにより所望
形状の固体を得ることができる。前記位相の揃つ
た光束は、例えばレーザ光により得ることができ
る。 また、前記光硬化性流動物質に、予め顔料、セ
ラミツクス粉、金属粉等の改質用材料を混入した
ものを使用してもよい。 実施例 以下に、本発明の実施例を添付図面と共に説明
する。 第１図は本発明方法を実施するための装置の１
例を示している。該装置は、光硬化性流動物質４
を収容する容器１と、光源装置２と、該光源装置
から発せられる光を容器１中の光硬化性物質４に
導く導光体３と、容器１及び導光体３を相対的に
移動させる位置制御装置５とを備えている。容器
１は、得ようとする造形体を収容しうる寸法形状
を有した適宜のものとすることができる。光源装
置２及び導光体３は、容器１外に固定されてい
る。導光体３は石英フアイバであり、光の入射効
率向上及び出射時の点状集光のため、両端は酸水
素炎によつて溶融され半径状となつている。位置
制御装置５は容器１を支持しており、容器１を水
平及び垂直方向に制御しつつ移動するようにされ
ている。この制御は、NC等の自動制御や入手に
よる制御、或いは定速化等、適宜に行なうことが
できる。 本装置を用いて造形を行なうには、先ず容器１
に光硬化性物質４を適当量入れ、導光体３の先端
３ａを容器１底面に接近させた状態で光源装置２
からの光を出射させる。光は出射端前方に点状に
集中するので入射光強度を調節することにより該
光集中個所のみで物質４の硬化を行なわせること
ができる。この状態で位置制御装置５により容器
１を移動させて容器１底面に接した硬化部分を形
成する。続いて容器１を若干下降させた後、或い
は漸次下降させつつ、水平方向に移動させて前記
硬化部分に連続する硬化部分を形成する。このよ
うにして容器１を適切に移動させつつ硬化部分を
連続的に形成していくことにより、所望形状の固
体６を得ることができる。また得ようとする造形
体の形状によつては、第１図に示すように、適切
な台７を容器１中に配置しておき、容器底面から
の造形とは別個に台７からも造形を行ない、２つ
の硬化部分を連続せしめてもよい。 位置制御装置は容器１と導光体３とを相対的に
水平及び垂直に移動させうるようにされていれば
よく、前記実施例のものに代えて、導光体３を移
動させるもの、容器１、導光体３を水平方向、垂
直方向のいずれか一方に分担させて移動させるも
の等任意に構成することができる。 次に本発明方法の他の実施例を第２図に沿つて
説明する。先ず第２図ａに示すように光硬化流動
物質４を適当な深さとなるように容器１に入れ、
第２図ｂに示すように該物質４上方から光学レン
ズ２０を介して光を照射することにより光を物質
４中に集中させる。この状態で光の集中箇所を容
器に対して移動し、得ようとする造形体の形状に
対応して選択的に光照射を行なう。このとき物質
４の深さは、該光照射により物質４上下面に及ぶ
連続した硬化部分６０が得られる深さとする。こ
れ以上の深さとなると、容器１底面から遊離して
形成された硬化部分の沈降等を生じ、正確な造形
体が得られなくなる。次に第２図ｃに示すよう
に、光硬化性物質４を更に付加し、第２図ｄに示
すように該物質４上方から選択的に光照射を行な
う。このとき物質４は、前記硬化部分６０上に前
述と同様の深さをなすように付加される。また光
照射は、新たに形成される硬化部分６１が、前に
形成された硬化部分６０に連続するように行なわ
れる。更に、これら光硬化性物質４の付加及び光
照射による硬化部分の形成を繰返すことにより、
所望形状の固体を形成するることができる。光源
装置は複数用いてもよく、光照射をよ光フアイバ
等の導光体を用いて行なつてもよいのは勿論であ
る。また選択的に光照射は、前の例の如く、光源
装置と容器とを相対的に移動させる位置制御装置
により行なうことができる。 第３図は本発明方法の更に他の例に係るもので
ある。この例では、光硬化性流動物質４に、光源
装置２ａ，２ｂから２つのレーザ光束８ａ，８ｂ
を物質４中で相互に交叉するように照射する。照
射レーザ光の波長は相等しく、物質４の硬化に適
した波長の２倍の波長である。このように、レー
ザ光の如く光干渉性が善く位相の等しい光束を交
叉させ、その波長を等しくすると交叉箇所におい
て光エネルギーが非線形的に増加し、いわゆる２
光子吸収による高エネルギーが得られる。したが
つて、各々のレーザ光強度を適切にすることによ
り、レーザ光束８ａ，８ｂの交叉箇所８０によ
り、レーザ光束８ａ，８ｂの交叉箇所８０におい
て物質４を硬化させることができる。そして、光
源装置２ａ，２ｂ及び容器１を前述の例の如き位
置制御装置により相対的にに移動することによ
り、所望形状の固体を形成することができる。容
器１は光照射を容器壁を通しても行なえるように
透明なものとするのが望ましい。また光叉箇所に
おいて、より大きな光エネルギーを得るために
は、光束の数を多くするのが有利である。 なお、第２図に示した例の変形として、次の例
を挙げることができる。先ず、第４図ａに示すよ
うに容器１内の光硬化性流動物質４中に、液密な
底壁及び側壁を備えた箱状の有底体９を浸漬し、
有底体９の底面９０と容器底の上面１０との間に
一定深さの光硬化性流動物質４が収容された状態
とする。この深さは、前述の如く、上方からの光
照射により物質４上下面に及ぶ連続した硬化部分
が得られる深さである。この状態で、第４図ｂに
示すように、有底体９の上方から光学レンズ２０
を介して光を照射することにより光を物質４中に
集中させて選択的に光照射を行ない、硬化部分６
０を得る。このため、有底体９の底壁は照射光に
対する透過性を有したものとされる。次に第４図
ｃに示すように、有底体９を若干上方に引き上げ
る。これにより、有底体９周囲の物質４が、有底
体９下方に流入し付加される。該引き上げ量は、
既にある硬化部分６０上面と有底体底面９０との
間に付加される物質４の深さが、前述と同様の深
さとなるように決められる。また、光源を構成す
るレンズ２０と有底体底面９０との距離を一定に
保つために。光源装置２は有底体９と同じ距離上
昇せしめられる。その後、第４図ｄに示すよう
に、有底体４上方から硬化部分６０に連続した硬
化部分６１が得られるように、前述の如く集光し
て選択的に光照射を行なう。更に、このような有
底体９の引上げによる底面９０下方への光硬化性
物質４の付加及び光照射による硬化部分の形成を
繰返すことにより、所望形状の固体が得られる。
この例では、有底体９及び光源装置２を上昇させ
るものを示したが、これに代えて、容器１を下降
させるようにしてもよいのは勿論である。いずれ
にしても、これらの相対位置の変化は適宜の位置
決め機構によつ制御することができる。 第４図の例によれば、硬化すべき光硬化性物質
４の液面は有底体底面９０により覆われるので、
空気中の成分や埃等、容器中の雰囲気による影響
を防止しうるという利点が得られる。 以下に本発明方法の実験例を示す。 実験例 １ 出力20ｍＷの光源から発せられた波長3250Åの
ヘリウム・カドミウムレーザ光を、焦点距離20mm
の石英レンズで集光し、第２図に示した方法に基
づいて、直径11mm、高さ14mm、厚さ0.2mmの円筒
を造形した。この場合には、光硬化性物質を収容
した容器を垂直軸線まわりに等速回線させつつ、
光源装置を垂直に上昇させるという簡単な操作
で、精度良好な円筒が得られた。なお、使用した
光硬化性物質及び造形に要した時間を表１に示
す。

【表】 実験例 ２ 光源として実験例１と同じものを用い、導光体
として直径0.125mmの藤倉電線(株)製石英フアイバ
SM100−SYを使用して、実験例１と同じ寸法形
状の円筒を造形した。石英フアイバは、両端を酸
水素炎によつて溶融し直径0.2mm程度の半球状と
したものを用いた。これにより、光硬化性物質を
収容した容器を垂直軸線まわりに回転させつつ、
導光体先端を垂直に上昇させるという簡単な操作
で、精度良好な円筒が得られた。使用した光硬化
性物質は実施例１と同じものであり、造形に要し
た時間も略同じであつた。 発明の効果 以上から明らかな如く、本発明によれば、導光
体や集光レンズ等を介して光硬化性流動物質に、
硬化に必要な光エネルギーが点状に集中するよう
に光照射を行ない該集中箇所を前記物質の収容容
器に対して相対移動させることにより、所望形状
の固体を形成することができるので、たとえ複雑
な形状のものであつても、工具の交換や摩耗を考
慮することなく容易に製作することができ、ま
た、複雑な内孔構造をもつた部材をも１回のプロ
セスで製造できる。従つて製作を数値制御等によ
り自動化する場合にプログラムの簡易化を図るこ
とができる。 本発明では特に、照射光を点状に集中するの
で、該集中箇所で高エネルギーが得られ硬化の迅
速化が可能となる。また該集中箇所で硬化が行な
われるので、水平方向のみならず鉛直方向にも硬
化領域の正確な制御が可能となり造形精度が良好
となる。 従つて、前述の従来の例の如きマスキングフイ
ルムを必要とせず、造形に必要な時間及び費用が
少なくて済む。しかもマスキングによる遮光がな
いので光の利用効率が良い。また高か反応は常に
狭い一点で生じるので、光硬化硬化質が硬化に伴
う収縮をしても、収縮による体積減少分は周囲の
未硬化物質の供給で補われ、従つて広範囲を同時
に硬化させる場合の如き硬化歪や割れ等の不都合
を生じない。 本発明方法は、以上の説明から理解されるよう
に鋳型製作用、倣い加工用、形彫放電加工電極用
の模型の製作のみならず、他の種々の定形物の製
造にも適用しうるものである。更に、光硬化性物
質中に顔料、金属粉、セラミツク粉等を分散させ
て造形を行なえば、装飾効果、導電性、耐摩耗性
など種々の特徴を備えた製品を製造することも可
能である。この場合には、造形された物体は、模
型や母型としては勿論、種々の用途に応じて使用
することができる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の実施例を説明するためのもので、
第１図は、１例を実施するための装置を概略的に
示す縦断正面図、第２図は他の例の実施状況を順
番に示す説明図、第３図は更に他の例を実施する
ための装置を概略的に示す縦断正面図、第４図は
更に他の例の実施状況を順番に示す説明図であ
る。 １……容器、２……光源装置、３……導光体、
４……光硬化性流動物質、６……所望形状の固
体、９……有底体、６０，６１……硬化部分、９
０……有底体底面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光により硬化する光硬化性流動物質を容器内
   に収容し、光エネルギーが前記物質の硬化に必要
   なエネルギーレベルをもつて点状に集中するよう
   に光照射を行ないつつ、該光エネルギー集中箇所
   を前記容器に対し水平及び垂直方向に造形対象の
   形状に応じて相対移動させ所望形状の固体を得る
   ことを特徴とする光学的造形法。 ２ 前記光硬化性流動物質中に、光出射端を実質
   上半球状とした導光体を挿入し、該導光体を通じ
   て光照射を行なうことにより前記出射端前方に光
   エネルギーの集中個所を形成し、該出射端を前記
   容器に対し相対移動させることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載の光学的造形法。 ３ 前記光硬化性流動物質を、上方からの光照射
   により該物質上下面に及ぶ連続した硬化部分が得
   られる深さとなるように容器に収容し、該光硬化
   性物質の上方から光学レンズを介して光を照射す
   ることにより光エネルギーの集中箇所を前記物質
   中に位置せしめて該物質上下面に及ぶ硬化部分を
   形成し、更に前記光硬化性物質を、前記硬化部分
   上に前記深さに相当する深さをなすように付加
   し、該光硬化性物質の上方から前記物質の付加さ
   れた深さ部分へ前記光エネルギーの集中箇所を移
   動させて前記硬化部分から連続して延びた硬化部
   分を形成し、これら光硬化性物質の付加及び硬化
   部分の形成を繰り返して所望形状の固体を形成す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   の光学的造形法。 ４ 上下方向に透光性を有する中空又は中実の有
   底体を容器内の前記光硬化性流動物質中に浸漬す
   ることにより該有底体の底面と前記容器底の上面
   との間に、上方からの光照射により前記物質上下
   面に及ぶ連続した硬化部分が得られる深さとなる
   ように前記物質を収容し、前記有底体の上方から
   光学レンズを介して光を照射することにより光エ
   ネルギーの集中箇所を前記物質中に位置せしめて
   前記底面及び上面間の前記物質上下面に及ぶ硬化
   部分を形成し、その後前記有底体を若干引き上げ
   ることにより前記硬化部分上面と前記有底体底面
   との間に、前記深さに相当する深さをなすように
   前記有底体周囲の前記物質を付加し、前記有底体
   の上方から前記物質の付加された部分へ前記光エ
   ネルギーの集中箇所を移動させて前記硬化部分か
   ら連続して延びた硬化部分を形成し、これら光硬
   化性物質の付加及び硬化部分の形成を繰り返して
   所望形状の固体を形成することを特徴とする特許
   請求の範囲第３項に記載の光学的造形法。 ５ 前記光硬化性流動物質の硬化に適した波長の
   ２倍の相等しい波長を有し且つ位相の揃つた２以
   上の光束を、該光硬化性物質中において相互に点
   状に交叉するように照射して該交叉箇所において
   ２光子吸収により該光硬化性物質の硬化に必要な
   レベルの光エネルギーを得、該光束の交叉箇所を
   前記容器に対して移動することにより、該光硬化
   性物質に選択的に、硬化に必要な光エネルギー供
   給を行なうことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載の光学的造形法。 ６ 前記光硬化性流動物質に、予め顔料、セラミ
   ツク粉、金属粉等の改質用材料を混入したものを
   使用することを特徴とする特許請求の範囲第１項
   から第５項のいずれかに記載の光学的造形法。