JPH02103127A - 三次元形状の形成方法および装置 - 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】 （産業上の利用分野〕 この発明は、三次元形状の形成方法および装置に関し、
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、およ
び、この方法の実施に使用する装置に関するものである
。

（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、例えば、特開昭６２−３５９
６６号公報、特開昭６１−１１４８１７号公報等に開示
されている。

第６図には、従来の一般的な、光硬化性樹脂を用いた三
次元形状の形成方法の一例を示しており、樹脂液槽ｌに
貯えられた液状の光硬化性樹脂２に対して、樹脂液内に
沈められた成形台５の上で、液面上方から集光レンズ３
０で集光されたレーザービーム等の光ビーム３を照射す
ることによって、光ビーム３の焦点位置付近の、液面か
ら一定の深さの成形台５までの光硬化性樹脂２を硬化さ
せ、光ビーム３の照射位置を順次水平方向に移動させる
ことによって、所定のパターンを有する光硬化層４０を
形成する。つぎに、成形台５を、昇降アーム５０等の作
動によって下方に沈め、形成された光硬化層４０の上に
新たな光硬化性樹脂液２を供給し、この樹脂液２を再び
光ビーム３で所定のパターン状に硬化させれば、前記光
硬化層４０の上に別のパターンを有する光硬化層４０が
Ｊｔ５成される。このようにして、複数層の光硬化層４
０・・・を順次積み重ねていけば、所望の三次元形状を
有する成形品４が成形できる。光ビーム３をレンズ３０
で集光して、液面付近で焦点を結ぶようにすることによ
って、この焦点位置近傍に強い光エネルギーが与えられ
るので、液面直下の一定厚みの光硬化性樹脂液２のみを
効率良く硬化できるようになっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記のような、従来の三次元形状の形成方法では、一定
の厚みを有する光硬化層を積み重ねて三次元形状の成形
品を得るため、成形品の外表面側方部分に、各光硬化層
毎の段差が生じるという問題があった。

第６図から明らかなように、各光硬化層４０は一定の厚
みを有する板状であって、各光硬化Ｎ４０の端縁は、照
射された光ビームの照射範囲に対応する明確な輪郭を有
しているので、積み重ねた光硬化層４０同士の間にどう
しても階段状の段差ができてしまい、形成された成形品
４の外表面側方部分を滑らかにすることができなかった
。

そこで、この発明の課題は、上記したように、複数層の
光硬化層を積み重ねて三次元形状を形成する方法におい
て、成形品の外表面側方部分を滑らかに形成することが
できる方法、およびその方法に用いる三次元形状の形成
装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決する、この発明のうち、請求項１記載の
三次元形状の形成方法は、光硬化性樹脂に光ビームを照
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、光ビ
ームの焦点位置を光硬化層の厚み方向に振動させるよう
にしている。

請求項２記載の三次元形状の形成装置は、光硬化性樹脂
液を収容する樹脂液槽と、樹脂液槽の液面付近に光ビー
ムを照射する光ビーム照射機構を備えた三次元形状の形
成装置において、光ビーム照射機構に、光ビームの焦点
位置を上下方向に振動させる加（辰機構を備えるように
している。

〔作　　　用〕

請求項１記載の三次元形状の形成方法によれば、光硬化
用の光ビームの焦点位置を光硬化層の厚み方向に振動さ
せることによって、光ビームによる光硬化性樹脂液の硬
化領域も厚み方向に振動するため、振動する硬化領域の
外周の包路線によって構成される、光硬化層の端縁の輪
郭がぼやけることになる。光硬化層の端縁がぼやけると
、積み重ねられた各光硬化層毎の段差が目立たなくなる
ので、成形品の外表面側方部分が滑らかになる。

請求項２記載の三次元形状の形成装置によれば、通常の
三次元形状の形成装置に対して、光ビーム照射機構に、
光ビームを上下方向に振動さセる振動機構を備えておく
だけで、上記した請求項１記載の方法を容易に実施する
ことができる。

〔実　施　例〕

ついで、この発明を、実施例を示す図面を参照しながら
、以゛下に詳しく説明する。なお、基本的な形成方法お
よび形成装置は、前記した従来技術と同様であるので、
共通する個所には同じ符号を付けることにより、重複す
る説明は省略する。

第１図は、成形装置の全体構造を示している。

樹脂液槽１には液状の光硬化性樹脂２が溜められている
。樹脂液槽１の中には、その上で光硬化層４０を形成す
る成形台５が設けられている。成形台５は昇降アーム５
０等により、上下方向に昇降自在になっている。樹脂液
槽ｌの上方には、集光レンズ３０およびレーザー発生装
置（図示せず）等からなる光ビームの照射機構が設けら
れていて、光硬化性樹脂液２の液面付近に焦点Ｆを結ぶ
光ビーム３を照射できるようになっている。

この装置では、上記した光ビーム３の焦点位置Ｆを図中
上下方向、すなわち、形成される光硬化層４０の厚み方
向に振動させることができるようになっている。光ビー
ム３を振動させるため、光ビーム照射機構の光学系の全
体もしくは一部を上下方向に振動させるような加振機構
６を備えている。

つぎに、上記のような装置を用いた三次元形状の形成方
法について説明する。

基本的には従来の方法と同じ様に行われる。すなわち、
光硬化性樹脂液２の液面直下に成形台５を沈め、成形台
５と液面との間の一定厚みの光硬化性樹脂液２に上方か
ら光ビーム３を照射して光硬化層４０を形成し、つぎに
、成形台５を下降させることによって、形成された光硬
化１４０の上を新たな樹脂液２で覆い、再び光ビームの
照射によって第２層の光硬化層４０を形成する。この光
ビーム３の照射と成形台５の下降を１サイクルにして順
次繰り返すことにより、光硬化層４０がつぎつぎに積層
され、所望の立体的な三次元形状を有する成形品４が得
られる。

そして、以下の点で従来の方法と異なる。すなわち、従
来の方法では光ビームの焦点位置は液面付近の一定高さ
に固定されていたが、この発明にかかる方法では、光ビ
ーム３を、その焦点位置を上下方向に振動させながら照
射する。第２図は、光ビーム３の焦点位置Ｆを振動させ
ながら照射した場合の光硬化作用を模式的に示している
。まず、（ａ）の段階では、一定の集光角度を有するテ
ーパー状の光ビーム３の焦点位置Ｆが、先に硬化された
光硬化層４０の表面に合っている。この状態では、樹脂
液２の液面から焦点位置Ｆまでの間で光ビーム３に照射
された樹脂液２が光硬化するので、焦点位置Ｆの上方に
上に開いたテーパー状の硬化領域４２が形成される。つ
ぎに、（ｂ）の段階では、光ビーム３の焦点位置Ｆが樹
脂液２の液面に合っているので、焦点位置Ｆの下方に下
に開いたテーパー状の硬化領域４２が形成される。なお
、仮に、例えば（ａ）の状態で、焦点位置Ｆを固定した
まま光ビーム３を照射すれば、硬化領ｙＡ４２の外形に
したがって明確な輪郭を有する光硬化層が形成され、従
来の方法と同様になることは言うまでもない。

このように、光ビーム３の焦点位置を上下方向に周期的
に変化させる（焦点位置を上下方向に振動させる）と、
硬化領域４２も上記の（ａ）の段階と（ｂｌの段階の間
で上下方向に周期的に変動する。各段階での硬化領域４
２の外周の包絡線４５を外形とする光硬化層が形成され
、この光硬化層は上記包絡線４５で囲まれた範囲内の全
領域で光ビームの照射を受けているのであるが、光ビー
ム３の上下方向の振動中、その中心辺くは光ビーム３の
中心軸にほぼ沿う部分であって、常に光ビーム３の照射
を受けているのに対し、包絡線４５に近い外周部分は断
続的にしか照射を受けない。そのため、中心部と外周部
で光硬化作用に差ができ、外周に近い程、光の照射量す
なわち光硬化作用が弱くなるので、外周近くでは、その
輪郭がぼけてあいまいになってしまうのである。硬化領
域４２が上下に変動する際には、また、直前の段階で形
成された硬化領域４２の上部に新たに光ビーム３が照射
されるので、下になる硬化領域４２の表面で光が反射散
乱して、光ビーム３の硬化領域４２の輪郭がぼやけると
いうことも起きる。なお、ここに、上記原理の説明およ
び図面は、この発明方法の光硬化作用を、理想的かつ模
式的な状態で示すものであって、実際には、樹脂液２内
での光の散乱や光ビーム３のズレ、光硬化性樹脂の硬化
度のバラツキ等によって、必ずしも正確に図示した通り
の形状で光硬化層が形成されるわけではない。

第３図は、こうして形成された光硬化層４０および成形
品４の外形を示しており、各光硬化Ｎ４０の端縁４６は
輪郭がぼやけている。このような輪郭のぼやけた端縁４
６を積み重ねた成形品４の外表面は、各光硬化層４０毎
の段差も輪郭が薄れて目立たず、滑らかにつながったよ
うな状態に仕上がる。

なお、この発明の光硬化成形方法で用いる、光硬化性樹
脂の材質や光ビームの種類、成形装置の構造等は、既知
の光硬化成形方法と同様の条件で実施できる。例えば、
光ビームとしては、光硬化性樹脂の材質に合わせて、可
視光線や紫外線等の任意の波長成分を有する光ビームが
用いられる。

光ビーム３の焦点位置Ｆを振動させる加振機構６として
は、光ビーム照射機構の光学系を任意の機械的もしくは
電気的な手段によって振動させるようにしておけばよい
。第４図および第５図には、光学系のうちの集光レンズ
３０を振動させることによって、光ビーム３を振動させ
る加振機構６の具体例を示している。第４図の実施例で
は、集光レンズ３０の保持枠６０と、光ビーム照射機構
の本体部分６１とを中空円板状の圧電リング６２で水平
方向に連結している。この圧電リング６２の士下面に交
互に電圧をかけることによって、圧電リング６２の中央
が上下に反るように振動し、圧電リング６２に連結され
た集光レンズ３０を上下に振動させる。第５図の実施例
では、円筒状の圧電リング６２で、光ビーム照射機構の
本体部分６１と集光レンズ３０の保持枠６０とを上下方
向に連結している。圧電リング６２に電圧をかけて上下
方向に振動させれば、集光レンズ３０も上下方向に振動
する。

上記のように圧電素子の振動作用を利用する加振機構は
、電気的に振動を制御できるので、正確で微細な振動を
与えることができ、装置的にもコンパクトに製造できる
。

光ビーム３の焦点位ｉＦは、第２図に示したように、形
成しようとする光硬化層４０の最下面から液面までの間
を変動するように振動させるのが、効率的な光硬化作用
を行え好ましいが、焦点位置Ｆの上下にできるテーパー
状の硬化領域４２が、光硬化層４０の厚み分を移動すれ
ばよいので、焦点位置Ｆが液面より上方、あるいは、光
硬化層４０より下方に移動するように設定してあっても
よい。

光ビーム３の焦点位置Ｆを振動させるのは、光硬化Ｆｆ
４０の端縁の輪郭をぼやけさせるために、光硬化層４０
の端縁近くに光ビーム３を照射するときだけにして、光
硬化層４０の中央部分に光ビーム３を照射するときには
、従来と同様に焦点位置を固定したままにしてもよい。

また、禎み重ねる光硬化１４０のうち、外表面側方部分
の勾配が光ビーム３の硬化領域４２のテーパー角度に一
致している部分に光ビーム３を照射するときにも、焦点
位置Ｆを固定したままにしてもよい。

この発明にかかる三次元形状の形成方法および装置は、
上記した実施例のほか、既知の各種三次元形状の形成方
法および装置で採用されている適宜方法や構造を組み合
わせて実施することもできる。例えば、前記した実施例
では、光硬化層４０の形成を成形台５の上で行い、成形
台５を下降させることによって、形成された光硬化層４
０の上に新たな樹脂液２を供給しているが、成形台５を
固定しておき、樹脂液槽１に溜める樹脂液２の供給量を
追加することによって液面を上昇させて、光硬化槽４０
の上に樹脂液２を供給するようにしてもよい。

〔発明の効果〕

以上に説明した、この発明のうち、請求項１記載の三次
元形状の形成方法によれば、照射する光ビームの焦点位
置を光硬化層の厚み方向に振動させることによって、形
成された光硬化層の端縁の輪郭をぼやけさせてあいまい
な状態に仕上げることができる。したがって、積み重ね
られた光硬化層毎の段差もぼ゛やけて目立たなくなるの
で、成形品の外表面を滑らかな状態に形成することがで
き、成形品の外観品質を向上させることができる。

請求項２記載の三次元形状の形成装置によれば、通常の
三次元形状の形成装置において、光ビーム照射機構に、
光ビームの焦点位置を上下方向に振動させる加振機構を
設けておくだけで、上記した請求項１記載の発明にかか
る方法を、簡単かつ良好に実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示す三次元形状の形成装置
の全体構造図、第２図は光硬化作用を説明する模式図、
第３図は形成された成形品の断面図、第４図および第５
図はそれぞれ加振機構の構造例を示す断面図、第６図は
従来例の全体構成図である。 ２・・・光硬化性樹脂液　３・・・光ビーム　３０・・
・集光レンズ　４・・・成形品　４０・・・光硬化層　
６・・・加振機構

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　光硬化性樹脂に光ビーム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、光ビームの焦点位置を光硬
   化層の厚み方向に振動させることを特徴とする三次元形
   状の形成方法。 ２　光硬化性樹脂液を収容する樹脂液槽と、樹脂液槽の
   液面付近に光ビームを照射する光ビーム照射機構を備え
   た三次元形状の形成装置において、光ビーム照射機構に
   、光ビームの焦点位置を上下方向に振動させる加振機構
   を備えていることを特徴とする三次元形状の形成装置。