JP7797835B2 - 光造形装置および造形物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光造形装置および造形物の製造方法に関する。

一般に、液状の光硬化性樹脂に、例えば紫外線などの光を照射して、硬化した樹脂からなる三次元の造形物を形成する光造形技術が知られている。特許文献１には、いわゆる規制液面方式として、光硬化性樹脂を貯留した液槽の底面に設けた光透過窓を通じて、この光透過窓に対向配置された基台に向けて造形物の所定の高さ位置における断面（所定断面）に対応する光を照射し、この基台の下面に所定断面と同形状に硬化した樹脂の層（硬化層）を成形する工程と、基台を液槽に対して、所定高さだけ上方へ引き上げる工程とを繰り返すことで、硬化層を積層して目的とする造形物を成形する光造形技術が開示されている。

特開２０２０－６２８４１号公報

ところで、従来の規制液面方式では、硬化層の積層により成形された造形物は、液槽内の光硬化性樹脂に浸漬されることになる。このため、照射された光が余剰な光硬化性樹脂を硬化させてしまうこともあり、造形物を精度良く成形する点で改善の余地があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、造形物を精度良く成形することができる光造形装置および造形物の製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる光造形装置は、光硬化性樹脂を貯留し、底面に光透過部が設けられた造形槽と、光透過部を通じて光硬化性樹脂を硬化させる光を照射する光照射部と、光透過部に対向し、造形槽に対して昇降可能なプラットホームと、プラットホームに対して昇降可能とするとともに、筒状に形成されてプラットホームの外側に気密部材を介して配置され、プラットホームと協働して気密空間を形成する隔壁と、プラットホームおよび隔壁をそれぞれ昇降させ、隔壁の底面および気密空間の下面と光透過部との間に所定厚みの光硬化性樹脂層を形成する昇降制御部と、目的とする造形物の所定高さ位置の断面形状に対応する光を、光照射部から光硬化性樹脂層に照射させて硬化層を形成する照射制御部と、を備える。

また、本発明は、光硬化性樹脂を貯留し、底面に光透過部が設けられた造形槽と、光透過部を通じて光硬化性樹脂を硬化させる光を照射する光照射部と、光透過部に対向し、造形槽に対して昇降可能なプラットホームと、プラットホームに対して昇降可能とするとともに、筒状に形成されてプラットホームの外側に気密部材を介して配置され、プラットホームと協働して気密空間を形成する隔壁と、を備える光造形装置を用いた造形物の製造方法であって、プラットホームおよび隔壁をそれぞれ昇降させ、隔壁の底面および気密空間の下面と光透過部との間に所定厚みの光硬化性樹脂層を形成するステップと、目的とする造形物の所定の高さ位置の断面形状に対応する光を、光照射部から光硬化性樹脂層に照射させて硬化層を形成するステップと、プラットホームに対して隔壁を所定厚みだけ相対的に降下させるステップと、を繰り返し実行する。

本発明によれば、造形物を精度良く成形することができる、という効果を奏する。

図１は、第１実施形態にかかる光造形装置の基本構成を示す模式図である。 図２は、第１実施形態にかかる造形物の製造方法の手順を説明するための図である。 図３は、第１実施形態にかかる造形物の製造方法の手順を説明するための図である。 図４は、第１実施形態にかかる造形物の製造方法の手順を説明するための図である。 図５は、第１実施形態にかかる造形物の製造方法の手順を説明するための図である。 図６は、第１実施形態にかかる造形物の製造方法の手順を説明するための図である。 図７は、第１実施形態にかかる造形物の製造方法の手順を説明するための図である。 図８は、第２実施形態にかかる光造形装置の基本構成を示す模式図である。 図９は、第３実施形態にかかる光造形装置の基本構成を示す模式図である。 図１０は、第３実施形態にかかる造形物の製造方法の手順を説明するための図である。 図１１は、第３実施形態にかかる造形物の製造方法の手順を説明するための図である。 図１２は、第３実施形態にかかる造形物の製造方法の手順を説明するための図である。 図１３は、第３実施形態にかかる造形物の製造方法の手順を説明するための図である。 図１４は、第３実施形態にかかる造形物の製造方法の手順を説明するための図である。 図１５は、第４実施形態にかかる光造形装置の基本構成を示す模式図である。 図１６は、第４実施形態にかかる光造形装置の吸引機構の動作を説明するための図である。

以下、添付図面を参照して、本発明にかかる実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含む。また、以下の実施形態において、同一の部位には同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。

また、以下の実施形態の説明において、特段のただし書きがない限り、硬化していない液状の光硬化性樹脂を単に光硬化性樹脂という。また、液状の光硬化性樹脂を硬化させて成形した光造形物を、三次元造形物あるいは単に造形物という。この三次元造形物は、成形する複数の硬化層をすべて積層した完成品に限るものではなく、途中の硬化層まで積層した段階の未完成品も含む。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態にかかる光造形装置の基本構成を示す模式図である。光造形装置１０は、図１に示すように、造形槽１１と、プラットホーム１２と、隔壁１３と、光照射部２０と、制御部３０とを備える。また、本実施形態では、光造形装置１０は、チャンバ４０と、チャンバ内圧調整部４１とを備えている。

造形槽１１は、上面が開放した皿形状であり、液状の光硬化性樹脂１を貯留可能となっている。造形槽１１は底面に光透過プレート（光透過部）１４を有する。この光透過プレート１４は、光硬化性樹脂１を硬化させる光を透過する。

光硬化性樹脂１は、三次元造形物２の原材料であり、例えば、アクリル化合物やビニル化合物等の重合性化合物を含む。また、光硬化性樹脂１は、光照射によりラジカル種等を発生する重合開始剤を含むことが好ましい。

プラットホーム１２は、硬化した光硬化性樹脂１による造形物２を保持するものであり、光透過プレート１４と対向して造形槽１１の上方に配置される。プラットホーム１２は、例えば円板状あるいは四角板状などの多角形板状に形成され、その下面１２Ａが光透過プレート１４とほぼ平行となるように配置される。また、プラットホーム１２は、プラットホーム昇降機構１５に接続され、このプラットホーム昇降機構１５の動作により、造形槽１１に対して昇降可能に設けられている。具体的には、プラットホーム１２は、光透過プレート１４に対して接近したり退避したりすることが可能であり、光透過プレート１４と対向する下面１２Ａに成形された造形物２を保持する。

隔壁１３は、プラットホーム１２の外側に配置され、プラットホーム１２および造形物２を内側に収容する。隔壁１３は、プラットホーム１２の形状に対応した筒形状（円筒形状あるいは四角筒形状などの多角形筒形状）に形成されている。また、隔壁１３は、隔壁昇降機構１６に接続され、この隔壁昇降機構１６の動作により、プラットホーム１２に対して昇降可能に設けられている。すなわち、隔壁１３は、プラットホーム１２に対して相対的に上昇したり、下降したりすることが可能である。

また、プラットホーム１２の外周縁には、このプラットホーム１２と隔壁１３との間をシールする気密部材１７が配置されている。この気密部材１７は、例えばゴムなどの弾性部材により形成されたＯリングである。気密部材１７は、弾性変形した際の復元力により隔壁１３の内面に付勢され、プラットホーム１２と隔壁１３との間をシールする。この気密部材１７により、プラットホーム１２と隔壁１３との気密性が確保される。このため、プラットホーム１２および隔壁１３を光硬化性樹脂１内に降下させた場合、これらプラットホーム１２および隔壁１３と光硬化性樹脂１とで区画された空間３（気密空間）が形成される。

光照射部２０は、造形槽１１の下方、すなわち光透過プレート１４を挟んでプラットホーム１２と反対側に配置される。光照射部２０は、光透過プレート１４を通じて、光硬化性樹脂１を硬化させる光Ｌを光硬化性樹脂１に向けて照射する。照射する光Ｌは、光硬化性樹脂１を硬化可能なものであればよく、例えば、紫外光や短波長の可視光が用いられる。光照射部２０は、紫外線ランプ等の光源２１と、画像形成素子２２と、反射ミラー２３と、投影レンズ２４等を備える。

光源２１は、画像形成素子２２に照射する光を発するものであり、例えば紫外線ランプ等が用いられる。画像形成素子２２は、形成すべき造形物２の各層の形状データに応じて変調するものであり、例えばエルコス(ＬＣＯＳ：Liquid Crystal On Silicon)デバイスやデジタル・ミラー・デバイス（ＤＭＤ：Digital Mirror Device）又は液晶デバイスを用いることができる。反射ミラー２３は、画像形成素子２２で変調された光を投影レンズ２４に向けて反射する。投影レンズ２４は、反射ミラー２３で反射された光を結像する。なお、光照射部２０は、これに限るものではなく、例えばレーザー光源とミラーの駆動を利用したレーザー走査装置や、反射光学系や屈折光学系を利用した光学装置を用いてもよい。

チャンバ４０は、少なくとも造形槽１１、プラットホーム１２、隔壁１３、光照射部２０および各昇降機構１５，１６などを収容して、内部環境を外部から密閉する容器である。チャンバ内圧調整部４１は、配管４２を通じて、チャンバ４０の内部に気体（例えば空気や窒素など）を導入したり、チャンバ４０の外部に気体を排出したりすることでチャンバ４０の内圧を調整する。このチャンバ４０の内圧を微調整することにより、上記した空間３の下面の位置を自在に調整することが可能となる。

制御部３０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などで構成された演算処理装置であり、光造形装置１０の各部と接続され、これらの動作を制御する。制御部３０は、造形物２を製造する製造方法にかかるプログラムを記憶するとともに、このプログラムをメモリにロードして、プログラムに含まれる命令を実行する。制御部３０には図示しない内部メモリが含まれ、内部メモリは制御部３０におけるプログラム等のデータの一時記憶などに用いられる。

制御部３０は、昇降制御部３１と、照射制御部３２と、チャンバ内圧制御部３３とを備える。昇降制御部３１は、プラットホーム昇降機構１５および隔壁昇降機構１６の動作を制御することにより、プラットホーム１２および隔壁１３の高さ位置をそれぞれ制御する。すなわち、昇降制御部３１は、造形槽１１に対してプラットホーム１２および隔壁１３を連動して昇降させたり、プラットホーム１２を隔壁１３に対して相対的に昇降させたりすることができる。昇降制御部３１は、プラットホーム１２および隔壁１３をそれぞれ昇降させることで、隔壁１３の下面および空間３の下面と光透過プレート１４との間に所定厚みの光硬化性樹脂層を形成する。

照射制御部３２は、例えば、３次元形状データに基づき、所定の高さ刻みで造形物の断面形状を示す光の照射パターンを演算し、光源２１、画像形成素子２２などを制御して光硬化性樹脂に光を照射する。このため、照射制御部３２は、造形物の所定高さ位置の断面形状に対応する光を、上記空間３の下面と光透過プレート１４との間の光硬化性樹脂層に照射することにより、所定厚みの硬化層を形成することができる。チャンバ内圧制御部３３は、例えば、隔壁１３の内側の空間３の下面（光硬化性樹脂の液面）の位置を監視し、その結果に応じて、チャンバ４０の内圧を調整する。このため、空間３の下面の位置を隔壁１３の下面に合わせることができ、空間３の下面と光透過プレート１４との間の光硬化性樹脂層の厚みを精度良く規定することができる。

次に、図２から図７を参照して、第１実施形態にかかる造形物の製造方法を説明する。これらの図では、図１に示した光造形装置１０の一部を模式的に示している。まず、図２に示すように、昇降制御部３１は、プラットホーム１２の下面１２Ａと隔壁１３の下面（底面）１３Ａとが面一となるように、プラットホーム１２および隔壁１３の高さ位置を調整する。次に、昇降制御部３１は、光硬化性樹脂１が貯留された造形槽１１より高く配置されたプラットホーム１２及び隔壁１３を造形槽１１内に降下させ、隔壁１３の下面１３Ａと光透過プレート１４との間が所定距離Ｔとなる位置に配置する。ここで所定距離Ｔは、成形する硬化層の一層分の厚み（例えば、数μｍから１００μｍ程度）に設定されている。この場合、プラットホーム１２と光透過プレート１４との間には、所定距離Ｔと同一の所定厚みＴの光硬化性樹脂層１ａが形成されている。

続いて、照射制御部３２は、成形目的の造形物２の３次元形状データに基づき、この造形物２の所定高さにおける断面形状を示す照射パターンを演算し、第１層の断面形状に対応する光Ｌを、光透過プレート１４を通じて光硬化性樹脂層１ａに照射する。これにより、光硬化性樹脂層１ａは、第１層の断面形状と同一形状に硬化する。このため、図３に示すように、プラットホーム１２には第１層となる所定厚みＴの硬化層２ａが保持される。

続いて、昇降制御部３１は、図４に示すように、プラットホーム１２および隔壁１３を上昇させて、造形槽１１よりも高い位置に配置する。次に、昇降制御部３１は、図５に示すように、プラットホーム１２に対して隔壁１３を所定厚みＴだけ相対的に降下させる。これにより、隔壁１３の下面１３Ａは、硬化層２ａの下面２ａＡと面一となるとともに、硬化層２ａの周囲には、プラットホーム１２および隔壁１３で区画された空間（気密空間）３が形成される。

続いて、昇降制御部３１は、プラットホーム１２及び隔壁１３を造形槽１１内に、隔壁１３の下面１３Ａと光透過プレート１４との間が所定距離Ｔとなるまで鉛直に降下させる。この場合、プラットホーム１２および隔壁１３で区画された空間３は気密空間となるため、図６に示すように、空間３の下面３Ａと光透過プレート１４との間に均一な所定厚みＴの光硬化性樹脂層１ａが形成される。

ここで、空間３の下面３Ａは、光硬化性樹脂層１ａの液面と一致し、この光硬化性樹脂層１ａの液面の高さ位置は、隔壁１３の周囲に貯留された領域の光硬化性樹脂１の深さや表面の面積によって変動するおそれがある。このため、本実施形態では、図１に示すチャンバ内圧調整部４１を用いて、光硬化性樹脂層１ａの液面の高さ位置を適正に調整している。チャンバ内圧制御部３３は、例えば、隔壁１３の内側の光硬化性樹脂層１ａの液面の位置を監視しており、その結果に応じて、光硬化性樹脂層１ａが所定厚みＴとなるようにチャンバ４０の内圧を調整する。例えば、チャンバ内圧制御部３３は、チャンバ内圧を当初の状態から低くすることにより、上記空間３の下面３Ａを低下させ、光硬化性樹脂層１ａの厚みを薄くすることができる。このようにチャンバ４０の内圧を調整することにより、空間３の下面３Ａの位置を隔壁１３の下面１３Ａに合わせることができ、光硬化性樹脂層１ａを硬化層２ａの下面２ａＡにのみ接触させることができる。

次に、図６に示すように、照射制御部３２は、第２層の断面形状に対応する光Ｌを、光透過プレート１４を通じて光硬化性樹脂層１ａに照射する。これにより、光硬化性樹脂層１ａは、図７に示すように、第２層の断面形状と同一形状に硬化し、所定厚みＴの第２層が第１層に積層されて硬化層２ａが成形される。このように、本実施形態では、隔壁１３の下面１３Ａおよび空間３の下面３Ａと光透過プレート１４との間に所定厚みＴの光硬化性樹脂層１ａを形成し、この光硬化性樹脂層１ａを所定形状に硬化させるため、硬化層２ａの厚みを精度良く成形することができ、ひいては造形物２を精度良く成形することができる。また、本実施形態では、先に成形された硬化層２ａの周囲に空間３を設けることができるため、光透過プレート１４を通じて照射された光Ｌが余剰な光硬化性樹脂１を硬化させる不具合を防止することができる。

このように、昇降制御部３１および照射制御部３２は、光硬化性樹脂層１ａの形成と、硬化層２ａの形成とを交互に実行して、第ｎ層（ｎは自然数）の硬化層２ａに第ｎ＋１層の硬化層２ａを積層することで造形物２を成形することができる。

以上、第１実施形態にかかる光造形装置１０は、光硬化性樹脂１を貯留し、底面に光透過プレート１４が設けられた造形槽１１と、光透過プレート１４を通じて光硬化性樹脂１を硬化させる光Ｌを照射する光照射部２０と、光透過プレート１４に対向し、造形槽１１に対して昇降可能なプラットホーム１２と、プラットホーム１２に対して昇降可能とするとともに、筒状に形成されてプラットホーム１２の外側に気密部材１７を介して配置され、プラットホーム１２と協働して気密な空間３を形成する隔壁１３と、プラットホーム１２および隔壁１３をそれぞれ昇降させ、隔壁１３の下面１３Ａおよび空間３の下面３Ａと光透過プレート１４との間に所定厚みＴの光硬化性樹脂層１ａを形成する昇降制御部３１と、目的とする造形物２の所定高さ位置の断面形状に対応する光Ｌを、光照射部２０から光硬化性樹脂層１ａに照射させて硬化層２ａを形成する照射制御部３２と、を備える。

この構成によれば、隔壁１３の下面１３Ａおよび空間３の下面３Ａと光透過プレート１４との間に所定厚みＴの光硬化性樹脂層１ａを形成し、この光硬化性樹脂層１ａを所定形状に硬化させるため、硬化層２ａの厚みを精度良く成形することができ、ひいては造形物２を精度良く成形することができる。また、この構成によれば、先に成形された硬化層２ａの周囲に空間３を設けることができるため、光透過プレート１４を通じて照射された光Ｌが余剰な光硬化性樹脂１を硬化させる不具合を防止することができ、造形物２を精度良く成形することができる。

また、昇降制御部３１は、硬化層２ａの形成を終える度に、プラットホーム１２に対して隔壁１３を所定厚みＴだけ相対的に降下させるため、プラットホーム１２及び隔壁１３を造形槽１１内に降下させた場合、隔壁１３の下面１３Ａおよび空間３の下面３Ａと光透過プレート１４との間には、常に所定厚みＴの光硬化性樹脂層１ａを形成することができる。従って、硬化層２ａの厚みを精度良く成形することができ、ひいては造形物２を精度良く成形することができる。

また、昇降制御部３１は、硬化層２ａの形成を終える度に、プラットホーム１２および隔壁１３を一旦、光硬化性樹脂１の上方まで上昇させるため、プラットホーム１２及び隔壁１３の内側に気体が導入され、気密な空間を形成することができる。従って、硬化層２ａの厚みを精度良く成形することができ、ひいては造形物２を精度良く成形することができる。

また、昇降制御部３１および照射制御部３２は、光硬化性樹脂層１ａの形成と、硬化層２ａの形成とを交互に実行し、プラットホーム１２に複数の硬化層２ａを積層して造形物２を成形するため、造形物２を精度良く成形することができる。

また、光造形装置１０は、少なくとも造形槽１１、プラットホーム１２、隔壁１３および光照射部２０を収容するチャンバ４０と、チャンバ４０の内圧を調整するチャンバ内圧調整部４１と、このチャンバ内圧調整部４１を制御するチャンバ内圧制御部３３とを備えるため、チャンバ４０の内圧調整により、空間３の下面３Ａの位置を隔壁１３の下面１３Ａに合わせることができ、光硬化性樹脂層１ａを所定厚みＴに正確に規定することができる。従って、硬化層２ａの厚みを精度良く成形することができ、ひいては造形物２を精度良く成形することができる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態にかかる光造形装置について説明する。図８は、第２実施形態にかかる光造形装置の基本構成を示す模式図である。上記した実施形態と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

上記した第１実施形態の光造形装置のように、光硬化性樹脂１を貯留した造形槽１１内に、プラットホーム１２と隔壁１３とが協働して、硬化層２ａを積層した造形物２を収容する空間（気密空間）３を設け、この空間３の下面３Ａと光透過プレート１４と間に、一層分に相当する所定厚みＴの光硬化性樹脂層１ａを形成する構成では、造形物２を精度良く成形することができるが、例えば空間３を形成する隔壁１３の下面１３Ａと硬化した造形物２の下面２Ａの高さにずれが生じた場合、硬化した造形物２と光硬化性樹脂層１ａとが接触することができず、造形不良が生じる問題が想定される。

このため、この第２実施形態では、光造形装置１１０は、図８に示すように、造形槽１１と、プラットホーム１２と、隔壁１３と、光照射部２０と、エアシリンダ（給排気部）５０と、制御部１３０とを備える。また、制御部１３０は、昇降制御部３１と、照射制御部３２と、給排気制御部１３３とを備える。

エアシリンダ５０は、ホース５１を通じて、プラットホーム１２と隔壁１３とで区画された空間３に連通している。エアシリンダ５０は、例えば筒状のシリンダ本体内にピストンを有する。給排気制御部１３３は、例えば、隔壁１３の内側の光硬化性樹脂層１ａの液面の位置を監視し、その結果に応じて、ピストンの位置を軸方向に変動することにより、シリンダ内の気体を空間３に導入したり、該空間３から排出したりする。給排気制御部１３３は、エアシリンダ５０の動作により、光硬化性樹脂層１ａの液面を造形物２の下面２Ａに接触させる動作を行う。

次に、第２実施形態にかかる造形物の製造方法を説明する。ここでは、エアシリンダ５０の動作について主に説明する。上記したように、昇降制御部３１および照射制御部３２は、光硬化性樹脂層１ａの形成と、硬化層２ａの形成とを交互に実行して、第ｎ層（ｎは自然数）の硬化層２ａに第ｎ＋１層の硬化層２ａを積層することで造形物２を成形する。

ここで、隔壁１３の下面１３Ａおよび空間３の下面３Ａと光透過プレート１４との間に所定厚みＴの光硬化性樹脂層１ａが形成されると、図８に示すように、給排気制御部１３３は、エアシリンダ５０を動作させる。すなわち、給排気制御部１３３は、光硬化性樹脂層１ａの液面の位置をセンサなどで監視し、エアシリンダ５０により空間３の気体を所定量排出して、光硬化性樹脂層１ａの液面を僅かに上昇させて既に硬化している造形物２の下面２Ａと光硬化性樹脂層１ａとを接触させる。続いて、給排気制御部１３３は、エアシリンダ５０により、所定量の気体を空間３に供給し、光硬化性樹脂層１ａの厚みを所定厚みＴまで低減させる。この場合、光硬化性樹脂層１ａは、表面張力により既に硬化している造形物２の下面２Ａと接触状態を維持する。

このため、この状態で照射制御部３２を動作させて新たな硬化層２ａを成形した場合であっても、この硬化層２ａは積層されて造形物２を構成するため、造形不良を抑制して精度良い造形物２を成形することができる。

以上、第２実施形態にかかる光造形装置１１０は、光硬化性樹脂１を貯留し、底面に光透過プレート１４が設けられた造形槽１１と、光透過プレート１４を通じて光硬化性樹脂１を硬化させる光Ｌを照射する光照射部２０と、光透過プレート１４に対向し、造形槽１１に対して昇降可能であり、光Ｌの照射による硬化層２ａを積層してなる造形物２を保持するプラットホーム１２と、プラットホーム１２に対して昇降可能とするとともに、筒状に形成されてプラットホーム１２の外側に気密部材１７を介して配置され、プラットホーム１２と協働して気密な空間３を形成する隔壁１３と、空間３への気体の給入または排出を行うエアシリンダ５０と、プラットホーム１２および隔壁１３をそれぞれ昇降させ、隔壁１３の下面１３Ａおよび空間３の下面３Ａと光透過プレート１４との間に所定厚みＴの光硬化性樹脂層１ａを形成する昇降制御部３１と、エアシリンダ５０の動作により、光硬化性樹脂層１ａの液面を造形物２の下面２Ａに接触させる給排気制御部１３３と、造形物２の所定の高さの断面形状に対応する光Ｌを、光照射部２０から光硬化性樹脂層１ａに照射させて硬化層２ａを形成する照射制御部３２と、を備える。

この構成によれば、隔壁１３の下面１３Ａおよび空間３の下面３Ａと光透過プレート１４との間に所定厚みＴの光硬化性樹脂層１ａを形成し、この光硬化性樹脂層１ａを所定形状に硬化させるため、硬化層２ａの厚みを精度良く成形することができ、ひいては造形物２を精度良く成形することができる。また、この構成によれば、先に成形された硬化層２ａの周囲に空間３を設けることができるため、光透過プレート１４を通じて照射された光Ｌが余剰な光硬化性樹脂１を硬化させる不具合を防止することができ、造形物２を精度良く成形することができる。また、この構成によれば、プラットホーム１２と隔壁１３とで区画された空間３に気体を給排気するエアシリンダ５０を備えるため、光硬化性樹脂層１ａの液面高さを調整して、光硬化性樹脂層１ａと既に硬化している造形物２の下面２Ａとの接触状態を維持する。従って、造形不良を抑制して精度良い造形物２を成形することができる。

また、昇降制御部３１、給排気制御部１３３および照射制御部３２は、光硬化性樹脂層１ａの形成と、光硬化性樹脂層１ａの液面と造形物２の下面２Ａとの接触と、硬化層２ａの形成とを繰り返し実行することにより、造形不良を抑えて造形物２を精度良く成形することができる。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態にかかる光造形装置について説明する。図９は、第３実施形態にかかる光造形装置の基本構成を示す模式図である。上記した実施形態と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

上記した第１、２実施形態の光造形装置では、光硬化性樹脂１を貯留した造形槽１１内に、プラットホーム１２と隔壁１３とが協働して、硬化層２ａを積層した造形物２を収容する空間（気密空間）３を設け、この空間３の下面３Ａと光透過プレート１４と間に、一層分に相当する所定厚みＴの光硬化性樹脂層１ａを形成している。このような構成では、硬化層２ａを成形するごとに隔壁１３をプラットホーム１２に対して所定厚みＴだけ降下させる必要がある。この場合、所定厚みＴは、例えば数μｍ程度に設定されているため、精密に昇降機構が必要になるという問題が想定される。

このため、この第３実施形態では、光造形装置２１０は、図９に示すように、造形槽１１と、プラットホーム１２と、光照射部２０と、制御部２３０とを備える。また、制御部２３０は、昇降制御部２３１と、照射制御部２３２とを備える。

この第３実施形態では、光造形装置２１０は、装置構成として隔壁を設ける代わりに、プラットホーム１２の造形物２の周囲に、該造形物２と一緒に筒状の隔壁２１３を成形する構成となっている。プラットホーム１２は、成形された隔壁２１３と協働して空間（気密空間）３を形成する。

また、昇降制御部２３１は、プラットホーム昇降機構１５の動作を制御することにより、プラットホーム１２の高さ位置を制御する。昇降制御部２３１は、隔壁２１３が成形されたプラットホーム１２を昇降させることで、隔壁２１３の底面および空間３の下面と光透過プレート１４との間に所定厚みの光硬化性樹脂層を形成する。

照射制御部２３２は、例えば、３次元形状データに基づき、所定の高さ刻みで造形物２および隔壁２１３の断面形状を示す光の照射パターンを演算し、光源２１、画像形成素子２２などを制御して光硬化性樹脂に光を照射する。照射制御部２３２は、造形物２および隔壁２１３の所定高さ位置における各断面形状に対応する光を、上記空間３の下面と光透過プレート１４との間の光硬化性樹脂層に照射することにより、所定厚みの硬化層を形成することができる。

次に、図１０から図１４を参照して、第３実施形態にかかる造形物の製造方法を説明する。これらの図では、図９に示した光造形装置１０の一部を模式的に示している。まず、図１０に示すように、昇降制御部２３１は、光硬化性樹脂１が貯留された造形槽１１より高く配置されたプラットホーム１２を造形槽１１内に降下させ、プラットホーム１２の下面１２Ａと光透過プレート１４との間が所定距離Ｔとなる位置に配置する。この場合、プラットホーム１２と光透過プレート１４との間には、所定距離Ｔと同一の所定厚みＴの光硬化性樹脂層１ａが形成されている。

続いて、照射制御部２３２は、成形目的の造形物２と、この造形物２を収容可能な筒状の隔壁２１３の３次元形状データに基づき、造形物２および隔壁２１３の所定高さにおける断面形状を示す照射パターンを演算し、造形物２および隔壁２１３の第１層の断面形状に対応する光Ｌを、光透過プレート１４を通じて光硬化性樹脂層１ａに照射する。これにより、光硬化性樹脂層１ａは、造形物２および隔壁２１３の第１層の断面形状と同一形状に硬化する。このため、図１１に示すように、プラットホーム１２には、造形物２および隔壁２１３の第１層となる所定厚みＴの硬化層２ａ、２１３ａがそれぞれ保持される。

続いて、昇降制御部２３１は、図１２に示すように、プラットホーム１２を上昇させて、一旦、造形槽１１よりも高い位置に配置する。ここで、造形物２の硬化層２ａと隔壁２１３の硬化層２１３ａは、それぞれ所定厚みＴの同じ高さに成形される。このため、造形物２の硬化層２ａの下面２ａＡと隔壁２１３の硬化層２１３ａの下面２１３ａＡとは面一となるとともに、造形物２（硬化層２ａ）の周囲には、プラットホーム１２および隔壁２１３（硬化層２１３ａ）で区画された空間（気密空間）３が形成される。

続いて、昇降制御部２３１は、プラットホーム１２を造形槽１１内に、隔壁２１３の下面２１３Ａと光透過プレート１４との間が所定距離Ｔとなるまで鉛直に降下させる。この場合、プラットホーム１２および隔壁２１３で区画された空間３は気密空間となるため、図１３に示すように、空間３の下面３Ａと光透過プレート１４との間に均一な所定厚みＴの光硬化性樹脂層１ａが形成される。

次に、照射制御部２３２は、造形物２および隔壁２１３の第２層の断面形状に対応する光Ｌを、光透過プレート１４を通じて光硬化性樹脂層１ａに照射する。これにより、光硬化性樹脂層１ａは、図１４に示すように、第２層の断面形状と同一形状に硬化し、所定厚みＴの第２層が第１層に積層されて硬化層２ａ、２１３ａが成形される。このように、本実施形態では、造形物２と一緒に成型される隔壁２１３の下面２１３ａＡおよび空間３の下面３Ａと光透過プレート１４との間に所定厚みＴの光硬化性樹脂層１ａを形成し、この光硬化性樹脂層１ａを所定形状に硬化させる。このため、造形物２および隔壁２１３の各硬化層２ａ、２１３ａの厚みを精度良く成形することができ、ひいては造形物２を精度良く成形することができる。また、本実施形態では、先に成形された硬化層２ａの周囲に空間３を設けることができるため、光透過プレート１４を通じて照射された光Ｌが余剰な光硬化性樹脂１を硬化させる不具合を防止することができる。また、本実施形態では、造形物２と一緒に隔壁２１３を成形するため、プラットホーム１２の周囲に隔壁を別途設ける必要がなく、光造形装置２１０の装置構成を簡略化することができる。

また、昇降制御部２３１および照射制御部２３２は、光硬化性樹脂層１ａの形成と、造形物２および隔壁２１３の各硬化層２ａ、２１３ａの形成とを交互に実行して、第ｎ層（ｎは自然数）の硬化層２ａ、２１３ａに第ｎ＋１層の硬化層２ａ、２１３ａを積層することで造形物２および隔壁２１３を成形することができる。

以上、第３実施形態にかかる光造形装置２１０は、光硬化性樹脂１を貯留し、底面に光透過プレート１４が設けられた造形槽１１と、光透過プレート１４を通じて光硬化性樹脂１を硬化させる光Ｌを照射する光照射部２０と、光透過プレート１４に対向し、造形槽１１に対して昇降可能とするとともに、光Ｌの照射により造形物２と一緒に該造形物２の周囲に成形される筒状の隔壁２１３を保持し、隔壁２１３と協働して気密な空間３を形成するプラットホーム１２と、プラットホーム１２を昇降させ、隔壁２１３の下面２１３Ａおよび空間３の下面３Ａと光透過プレート１４との間に所定厚みＴの光硬化性樹脂層１ａを形成する昇降制御部２３１と、造形物２および隔壁２１３における所定の高さの断面形状に対応する光Ｌを、光照射部２０から光硬化性樹脂層１ａに照射させて各硬化層２ａ、２１３ａを形成する照射制御部２３２とを備える。

この構成によれば、造形物２と一緒に成型される隔壁２１３の下面２１３ａＡおよび空間３の下面３Ａと光透過プレート１４との間に所定厚みＴの光硬化性樹脂層１ａを形成し、この光硬化性樹脂層１ａを所定形状に硬化させる。このため、造形物２および隔壁２１３の各硬化層２ａ、２１３ａの厚みを精度良く成形することができ、ひいては造形物２を精度良く成形することができる。また、本実施形態では、先に成形された硬化層２ａの周囲に空間３を設けることができるため、光透過プレート１４を通じて照射された光Ｌが余剰な光硬化性樹脂１を硬化させる不具合を防止することができる。また、本実施形態では、造形物２と一緒に隔壁２１３を成形するため、プラットホーム１２の周囲に隔壁を別途設ける必要がなく、光造形装置２１０の装置構成を簡略化することができる。

また、昇降制御部２３１は、硬化層２ａ、２１３ａの形成を終える度に、プラットホーム１２を一旦、光硬化性樹脂１の上方まで上昇させるため、プラットホーム１２に成形された隔壁２１３の内側に気体が導入され、気密な空間を形成することができる。従って、硬化層２ａ、２１３ａの厚みを精度良く成形することができ、ひいては造形物２を精度良く成形することができる。

また、昇降制御部２３１および照射制御部２３２は、光硬化性樹脂層１ａの形成と、硬化層２ａ、２１３ａの形成とを交互に実行し、プラットホーム１２に複数の硬化層２ａ、２１３ａをそれぞれ積層して造形物２および隔壁２１３を成形するため、光造形装置２１０の装置構成を簡略化しつつ、造形物２を精度良く成形することができる。

また、造形物２の下面２Ａと隔壁２１３の下面２１３Ａとは、常に面一の状態にあるため、精度の高い造形物２を容易に成形することができる。

［第４実施形態］
次に、第４実施形態にかかる光造形装置について説明する。図１５は、第４実施形態にかかる光造形装置の基本構成を示す模式図である。図１６は、第４実施形態にかかる光造形装置の吸引機構の動作を説明するための図である。上記した実施形態と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

上記した第１、２実施形態の光造形装置のように、光硬化性樹脂１を貯留した造形槽１１内に、プラットホーム１２と隔壁１３とが協働して、硬化層２ａを積層した造形物２を収容する空間（気密空間）３を設け、この空間３の下面３Ａと光透過プレート１４と間に、一層分に相当する所定厚みＴの光硬化性樹脂層１ａを形成する構成では、造形物２を精度良く成形することができるが、例えば、先に硬化した造形物２に未硬化や半硬化の光硬化性樹脂が残存すると、次の硬化層を硬化させる際に、残存する未硬化などの光硬化性樹脂自体が一緒に硬化してしまい高精度に造形を行うことができない問題が想定される。

このため、この第４実施形態では、光造形装置３１０は、図１５に示すように、造形槽１１と、プラットホーム１２と、光照射部２０と、吸引機構６０と、制御部３３０とを備える。また、制御部３３０は、昇降制御部２３１と、照射制御部２３２と、吸引制御部３３３とを備える。

吸引機構６０は、負圧を発生させることにより、造形物２に付着する未硬化などの光硬化性樹脂を吸引して除去するものである。吸引機構６０は、図１５に示すように、上面が開放した皿部６１と、この皿部６１にホース６３を介して接続され、皿部６１内に負圧を発生させる吸引部６２と、皿部６１を例えば水平方向に移動させる移動機構６４とを備える。

この第４実施形態では、第３実施形態と同様に、光造形装置３１０は、装置構成として隔壁を設ける代わりに、プラットホーム１２の造形物２の周囲に、該造形物２と一緒に筒状の隔壁３１３を成形する構成となっている。プラットホーム１２は、成形された隔壁３１３と協働して空間（気密空間）３を形成する。この隔壁３１３は、造形物２と一体的に成形されている。これら造形物２と隔壁３１３の成形する手順については、第３実施形態に記載したものと同等である。なお、この隔壁３１３は、目的の造形物２と一体となっているため、最後に隔壁３１３を造形物２から切り離す作業を要する。

一方、吸引機構６０の皿部６１は、上記した隔壁３１３と同等な大きさに形成され、図１６に示すように、吸引機構６０をプラットホーム１２の下方に配置し、このプラットホーム１２を下降させると、隔壁３１３は、プラットホーム１２と皿部６１とで挟持される。上記したように、隔壁３１３は、造形物２と一体的に成形されているため、造形物２は、隔壁３１３を介して、プラットホーム１２と皿部６１とで支持される。このため、隔壁３１３は、造形物２を支持する支持体としても機能する。

また、本構成では、隔壁３１３をプラットホーム１２と皿部６１とで挟持した場合、この皿部６１の縁部は隔壁３１３の下面（底面）３１３Ａと当接して閉空間を形成する。このため、吸引部６２を作動させると、この閉空間内を負圧にすることができ、造形物２に付着した未硬化の光硬化性樹脂７０を容易に吸引して除去することができる。

以上、第４実施形態にかかる光造形装置３１０は、光硬化性樹脂１を貯留し、底面に光透過プレート１４が設けられた造形槽１１と、光透過プレート１４を通じて光硬化性樹脂１を硬化させる光Ｌを照射する光照射部２０と、光透過プレート１４に対向し、造形槽１１に対して昇降可能とするとともに、光Ｌの照射により造形物２と一緒に該造形物２の周囲に成形される筒状の隔壁３１３を保持し、隔壁３１３と協働して気密な空間３を形成するプラットホーム１２と、造形物２に付着した未硬化の光硬化性樹脂７０を吸引して除去する吸引機構６０と、プラットホーム１２を昇降させ、隔壁３１３の底面３１３Ａおよび空間３の下面３Ａと光透過プレート１４との間に所定厚みＴの光硬化性樹脂層１ａを形成する昇降制御部２３１と、造形物２および隔壁３１３における所定の高さの断面形状に対応する光Ｌを、光照射部２０から光硬化性樹脂層１ａに照射させて一体の硬化層を形成する照射制御部２３２と、プラットホーム１２が光硬化性樹脂１の上方に位置する際に、プラットホーム１２の下方に配置し、吸引機構６０を作動させる吸引制御部３３３と、を備える。

この構成によれば、隔壁３１３の下面３１３Ａおよび空間３の下面３Ａと光透過プレート１４との間に所定厚みＴの光硬化性樹脂層１ａを形成し、この光硬化性樹脂層１ａを所定形状に硬化させるため、造形物２および隔壁３１３の各硬化層の厚みを精度良く成形することができ、ひいては造形物２を精度良く成形することができる。また、この構成によれば、先に成形された造形物２の硬化層の周囲に空間３を設けることができるため、光透過プレート１４を通じて照射された光Ｌが余剰な光硬化性樹脂１を硬化させる不具合を防止することができ、造形物２を精度良く成形することができる。さらに、プラットホーム１２が光硬化性樹脂１の上方に位置する際に、プラットホーム１２の下方に配置し、造形物２に付着した未硬化の光硬化性樹脂７０を吸引して除去する吸引機構６０を作動させるため、造形物２に付着した未硬化の光硬化性樹脂７０が別途硬化されることが防止され、造形物２を精度良く成形することができる。

隔壁３１３は、造形物２と一体的に成形されて、吸引機構６０の作動中に該吸引機構６０の皿部６１とプラットホーム１２とで挟持され、造形物２を支持する支持体として機能する。このため、少なくとも吸引作業中に造形物２がプラットホーム１２から離脱することを容易に防止することができる。

吸引機構６０は、上面が開放した皿部６１を有し、この皿部６１は隔壁３１３の下面３１３Ａに当接して閉空間を形成するため、吸引部６２を作動させると、この閉空間内を負圧にすることができ、造形物２に付着した未硬化の光硬化性樹脂７０を容易に吸引して除去することができる。

また、昇降制御部２３１、照射制御部２３２および吸引制御部３３３は、光硬化性樹脂層１ａの形成と、硬化層の形成と、未硬化の光硬化性樹脂７０の吸引とを繰り返し実行し、プラットホーム１２に複数の硬化層を積層して造形物２および隔壁３１３を成形するため、光造形装置３１０の装置構成を簡略化しつつ、造形物２を精度良く成形することができる。

これまで本発明に係る光造形装置および造形物の製造方法について説明したが、上述した実施形態以外にも種々の異なる形態にて実施されてよい。また、これらの実施形態の構成を適宜組み合わせてもよい。例えば、第１実施形態におけるチャンバ４０、チャンバ内圧調整部４１、チャンバ内圧制御部３３を第２実施形態～第４実施形態にかかる光造形装置に組み合わせてもよいし、第２実施形態におけるエアシリンダ５０、給排気制御部１３３を第１実施形態、第３実施形態～第４実施形態にかかる光造形装置に組み合わせてもよい。また、第４実施形態における吸引機構６０、吸引制御部３３３を第１実施形態～第３実施形態にかかる光造形装置に組み合わせてもよい。

また、図示した光造形装置の各構成要素は、機能概念的なものであり、必ずしも物理的に図示の如く構成されていなくてもよい。すなわち、各装置の具体的形態は、図示のものに限られず、各装置の処理負担や使用状況などに応じて、その全部または一部を任意の単位で機能的または物理的に分散または統合してもよい。

光造形装置の制御部の構成は、例えば、ソフトウェアとして、メモリにロードされたプログラムなどによって実現される。上記実施形態では、これらのハードウェアまたはソフトウェアの連携によって実現される機能ブロックとして説明した。すなわち、これらの機能ブロックについては、ハードウェアのみ、ソフトウェアのみ、または、それらの組み合わせによって種々の形で実現できる。

１ 光硬化性樹脂
１ａ 光硬化性樹脂層
２ 三次元造形物（造形物）
２ａ 硬化層
３ 空間（気密空間）
３Ａ 下面
１０、１１０、２１０、３１０ 光造形装置
１１ 造形槽
１２ プラットホーム
１３、２１３、３１３ 隔壁
１３Ａ、２１３Ａ、３１３Ａ 下面（底面）
１４ 光透過プレート（光透過部）
１５ プラットホーム昇降機構
１６ 隔壁昇降機構
１７ 気密部材
２０ 光照射部
２１ 光源
２２ 画像形成素子
２３ 反射ミラー
２４ 投影レンズ
３０、１３０、２３０、３３０ 制御部
３１、２３１ 昇降制御部
３２、２３２ 照射制御部
３３ チャンバ内圧制御部
４０ チャンバ
４１ チャンバ内圧調整部
５０ エアシリンダ（給排気部）
６０ 吸引機構
６１ 皿部
６２ 吸引部
６３ ホース
６４ 移動機構
７０ 未硬化の光硬化性樹脂
１３３ 給排気制御部
３３３ 吸引制御部

Claims (5)

1. 光硬化性樹脂を貯留し、底面に光透過部が設けられた造形槽と、
   前記光透過部を通じて前記光硬化性樹脂を硬化させる光を照射する光照射部と、
   前記光透過部に対向し、前記造形槽に対して昇降可能なプラットホームと、
   前記プラットホームに対して昇降可能とするとともに、筒状に形成されて前記プラットホームの外側に気密部材を介して配置され、前記プラットホームと協働して気密空間を形成する隔壁と、
   前記プラットホームおよび前記隔壁をそれぞれ昇降させ、前記隔壁の底面および前記気密空間の下面と前記光透過部との間に所定厚みの光硬化性樹脂層を形成する昇降制御部と、
   目的とする造形物の所定高さ位置の断面形状に対応する前記光を、前記光照射部から前記光硬化性樹脂層に照射させて硬化層を形成する照射制御部と、
   を備えた光造形装置。
2. 前記昇降制御部は、前記硬化層の形成を終える度に、
   前記プラットホームに対して前記隔壁を、前記所定厚みだけ相対的に降下させる請求項１に記載の光造形装置。
3. 前記昇降制御部は、前記プラットホームおよび前記隔壁を一旦、前記光硬化性樹脂の上方まで上昇させる請求項２に記載の光造形装置。
4. 前記昇降制御部および前記照射制御部は、前記光硬化性樹脂層の形成と、前記硬化層の形成とを交互に実行し、前記プラットホームに複数の前記硬化層を積層して前記造形物を成形する請求項１から３のいずれか一項に記載の光造形装置。
5. 光硬化性樹脂を貯留し、底面に光透過部が設けられた造形槽と、前記光透過部を通じて前記光硬化性樹脂を硬化させる光を照射する光照射部と、前記光透過部に対向し、前記造形槽に対して昇降可能なプラットホームと、前記プラットホームに対して昇降可能とするとともに、筒状に形成されて前記プラットホームの外側に気密部材を介して配置され、前記プラットホームと協働して気密空間を形成する隔壁と、を備えた光造形装置を用いた造形物の製造方法であって、
   前記プラットホームおよび前記隔壁をそれぞれ昇降させ、前記隔壁の底面および前記気密空間の下面と前記光透過部との間に所定厚みの光硬化性樹脂層を形成するステップと、
   目的とする造形物の所定の高さ位置の断面形状に対応する前記光を、前記光照射部から前記光硬化性樹脂層に照射させて硬化層を形成するステップと、
   前記プラットホームに対して前記隔壁を前記所定厚みだけ相対的に降下させるステップと、を繰り返し実行する造形物の製造方法。