JPH03193433A - 三次元形状の形成方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明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。

〔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６２−３５９６
６号公報等に開示されている。

第１４図は従来の一般的な、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、光硬化性樹脂液
８２を収容した樹脂液槽８１に昇降自在な成形台８３が
設けられ、樹脂液槽８１の上方にはレンズ８８等の光学
系等からなる光ビーム８５の照射装置が設けられている
。光硬化性樹脂液８２の液面に光ビーム８５を照射する
と、光ビーム８５の焦点位置近傍の液面から一定厚みま
での光硬化性樹脂液８２が硬化して光硬化層９０が形成
される。光硬化層９０は成形台８３に載せられた状態に
なっているので、成形台８３を下降させれば、光硬化層
９０は液面下に沈み、光硬化層９０の上が未硬化の光硬
化性樹脂液８２で覆われる。その後、前記同様に光硬化
性樹脂液８２の液面に光ビーム８５を照射すると、第２
層の光硬化層９０が形成される。このような、光ビーム
８５の照射による光硬化層９０の形成、および、成形台
８３の下降による光硬化層９０の上への新たな光硬化性
樹脂液８２の供給とを繰り返すことによって、複数層の
光硬化層９０が積層された三次元形状を有する成形品８
０が形成される。

上記のような光硬化性樹脂を用いた三次元形状の形成方
法において、三次元形状を有する成形品８０の形状精度
を高めるために、光硬化層９０を形成するための光ビー
ム８５の浸透深さや移動範囲等を、コンピュータ等を用
いて正確に制御するようにしている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、上記のように光ビームの照射を精密に制御し
ても、光ビームによって硬化される光硬化性樹脂が硬化
時に収縮変形を起こすと、形成される光硬化層の形状精
度が悪くなり、この光硬化層を積み重ねて形成される三
次元形状を有する成形品の形状精度も悪くなるという問
題があった。

また、硬化時の収縮応力が残留応力として光硬化層に残
っていると、硬化後に徐々に残留応力が開放されて、光
硬化層もしくは成形品が経時的な変形を起こす問題もあ
る。

従来の三次元形状の形成方法では、作業能率を高めるた
めに、硬化作用の強い光ビームを迅速に移動させながら
光硬化性樹脂に照射して、光硬化性樹脂を急速に硬化さ
せていたが、このように硬化作用の強い光ビームで急速
に硬化を行うと、硬化収縮量が太き（なり残留応力も発
生し易くなる。即ち、硬化をゆっくり行った場合には、
光ビームの照射中、硬化収縮量を補うように周囲の樹脂
液が供給されながら硬化が進行するので、全体としての
硬化収縮は少なく、また、硬化の進行中に収縮応力が開
放されるので、残留応力の発生も少なくなる。ところが
、硬化が急速であると、硬化収縮量を補う樹脂液の供給
が間に合わず、大きな硬化収縮が残り、また、収縮応力
が開放される前に硬化が完了するので、残留応力が発生
することになるのである。さらに、光ビームの照射位置
を移動させながら光硬化層を形成すると、先に硬化した
部分と後で硬化する部分との硬化収縮のずれによって、
局部的な変形や残留応力の偏在が生じ、結果として、形
成された成形品に局部的に大きな歪みや残留応力の不均
一が生じる可能性が高くなる。

そこで、本発明の目的は、上記のような光硬化性樹脂を
用いる三次元形状の形成方法において、形状精度に優れ
、残留応力による経時的な変形や強度低下のない、高品
質の成形品を得ることができ、しかも、作業能率の高い
方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するための本発明の手段うち、特許請求
の範囲第１項記載の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、前記光硬化層を
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、光硬化層を形成する前記光硬化性樹脂の全面に
わたって光を照射して最終段階まで硬化させた第一の光
硬化層からなる最下層の光硬化層を形成し、前記最下層
の光硬化層の上に前記光硬化性樹脂を最終段階まで硬化
させた本硬化部と、光を照射しない未硬化部または途中
段階まで硬化させた半硬化部とを形成した第二の光硬化
層を複数層重ね、前記三次元形状を構成する最上層の光
硬化層として前記第一の光硬化層を形成した後、前記三
次元形状全体の未硬化部または半硬化部を最終段階まで
硬化させることを特徴とする三次元形状の形成方法とし
たものである。

又、特許請求の範囲第２項記載の三次元形状の形成方法
は、三次元形状を構成する第二の光硬化層の一部を第一
の光硬化層で置き換えることを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の三次元形状の形成方法としたものである
。

〔作用〕

特許請求の範囲第１．２項記載の発明によれば、最下層
および最上層の光硬化層は光硬化性樹脂の全面にわたっ
て光を照射して最終段階まで硬化させた第一の光硬化層
からなるため、三次元形状の骨格もしくは外殻を形作る
とともにそれらの間に形成される、光硬化性樹脂を最終
段階まで硬化させた本硬化部と光を照射しない未硬化部
または途中段階まで硬化させた半硬化部とを形成した第
二の光硬化層の未硬化部または半硬化部が最終段階まで
硬化する前に流出あるいは崩れるのを防止することがで
きる。また、特許請求の範囲第２項の三次元形状を構成
する第二の光硬化層の一部を第一の光硬化層で置き換え
ることは、三次元形状の骨格をより強固にするために行
うものである。

光硬化性樹脂を硬化させない未硬化部または半硬化部は
樹脂の移動あるいは変形が可能であり、本硬化部の硬化
収縮による変形および収縮応力を吸収することができる
。従って、先ず、三次元形状の骨格もしくは外殻となる
部分の本硬化部をゆっくりとした硬化で形成しておけば
、三次元形状を正確に形成できると共に、この部分的な
本硬化部による硬化収縮量や収縮応力は比較的小さく、
又未硬化部あるいは半硬化部によって吸収することがで
きる。その後、未硬化部または半硬化部を最終段階まで
硬化させるときは全体に均一に光を照射することで質の
良い、ゆっくりとした硬化ができ、光硬化性樹脂を一度
に最終段階まで局部的に硬化させるのに比べれば硬化収
縮ははるかに小さい。又、既に硬化完了した本硬化部に
影響を与えることも少ない。従って、最終的に形成され
た三次元形状は、形状精度が高く残留応力による経時的
な変形や強度低下の心配もない。即ち、三次元形状全体
を一度に本硬化させるのでなく、一部は未硬化または半
硬化の状態から均一に硬化させることによって、硬化収
縮を抑えるとともに収縮応力を解放することができる。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。

第１２図は本発明の三次元形状を形成するための装置の
全体構成を示した図であり、第１３図はその樹脂液槽１
１の断面図を示したものである。

装置は、光硬化性樹脂液１２を蓄える樹脂液槽１１、形
成された光硬化層１４を上下に昇降するための昇降自在
な昇降アーム１３および光学系を備えている。光学系は
光ビーム１５を発生するための、例えばＨｅ−Ｃｄレー
ザー発生装置等の光ビーム発生装置１０、その光ビーム
１５のシャッター１９、樹脂液槽１１の光硬化性樹脂液
１２の液面付近に焦点を結ぶようにするための集光レン
ズ１８、光ビーム１５をＸ軸、Ｙ軸方向に走査するため
のミラー１６．１７を備えている。

上記のような装置を用いる本発明の三次元形状の形成方
法は、最初に昇降アーム１３の成形台２１を液面近くま
で上げて、液面に光ビーム１５を所定形状に照射して光
硬化性樹脂液１２を硬化させて第一層目の光硬化層１４
を形成する。その後、昇降アーム１３を降下させて、第
一層目の光硬化層１４と液面の間の光硬化性樹脂液１２
を硬化させて次層の光硬化層１４を形成するという工程
を繰り返し、複数層の光硬化層１４が積み重ねられた三
次元形状を有する成形品２０を成形するものである。

但し、従来の三次元形状の形成方法では、光硬化性樹脂
液に光ビームを照射したときに、最終段階まで硬化完了
させるようにしていたが、この発明による方法では、第
１図以下に示すように従来と同様に最終段階まで硬化さ
せる本硬化部３４Ａと、光ビーム１５を照射しない未硬
化部３４Ｂとを分割形成した第二の光硬化層３４を有す
ることを特長とするものである。

第１図および第２図は本発明の三次元形状の形成方法を
光ビーム１５の照射パターンを示して表したものである
。即ち、三次元形状を複数の光硬化層（第１図では４層
の場合を例示）に分割し、最下層（１層目）および最上
層（４層目）は全面に光ビーム１５を照射した本硬化部
から成る第一の光硬化層２４とし、内層部（２層目、３
層目）は最外殻に光ビーム１５を照射した本硬化部３４
Ａを形成し、それからその内部に交互に光ビーム１５を
照射しない未硬化部３４Ｂ、光ビーム１５を照射した本
硬化部３４Ａを形成した第二の光硬化層３４からなるも
のである。第一の光硬化層２４は第１図（ａ）に示すよ
うに光照射部に隙間ができぬように、１回の照射のスポ
ット径をｄとしたとき次の部分の照射と照射部が幅ｔだ
け重なるように照射のスポット径、照射ピッチを決めて
照射する。同じく第２図（ａ）に示すように、このよう
な設定で最下層および最上層の光硬化性樹脂の最外殻に
光ビーム１５を照射し、その後、その内部に隙間なく光
ビーム１５を照射して本硬化した第一の光硬化層２４を
形成する。

以下、内層部の本硬化部３４Ａおよび未硬化部３４Ｂを
形成する第二の光硬化層３４０分割パターンの実施例に
つき説明する。

第２図（ｂ）は分割パターンの形成方法としてその層の
外殻形状と概略相似な照射部、未照射部のパターンによ
り形成するものである。第３図も同じように、概略相似
な照射、未照射パターンにより形成するものであるが、
少なくともその一部において照射のスポット径を小さく
してシャープな照射パターンを形成することにより、相
似形ができない部分に対応したものである。更に第４図
は走査線間隔が大きい場合等で、中心部から放射状ある
いはポテンシャル流線状に走査線を描いて第二の光硬化
層３４を形成したものである。

第５図は三次元形状が内に空洞部７２を有する場合の内
層部の分割パターンの形成方法を示したものである。つ
まり、外殻部７３と内殻部７４を閉ループになるように
光ビームを照射し本硬化部を形成し、それら閉ループ間
に未硬化部３４Ｂ、本硬化部３４Ａを形成して第二の光
硬化層３４としたものである。尚、最下層又は、最上層
にまで空洞が達する場合、同じように、外殻部と内殻部
に閉ループになるように光ビーム１５を照射し本硬化部
を形成し、それら閉ループ間に隙間なく走査線を描き全
面が本硬化部から成る第一の光硬化層を形成する。第５
図（ａ）は三次元形状の断面を示した図である。

第６図は、内層部の分割パターン形成方法で外殻部およ
び内殻部に閉ループになるように光ビームを照射して本
硬化部を形成し、それら閉ループ間にハニカム状の光ビ
ーム走査を行い第二の光硬化層３４を形成したものであ
る。

第７図は内層部の分割パターン形成方法として外殻部を
形成した後、例えば断面形状の重心を中心とした同心円
状の光ビーム走査を行い、第二の光硬化層３４を形成し
たものである。同じく第８図は渦巻状の光ビーム走査を
行い、第二の光硬化層３４を形成したものである。更に
、第９図は第７図の同心円状の光ビーム走査を行ったも
のに、更に、放射状の走査を加えて第二の光硬化層３４
を形成したものである。

第１０図は、内層部の分割パターン形成方法として外殻
部を形成した後、外殻部の閉ループ内の部分的本硬化部
の形成において、光硬化性樹脂を硬化させる光ビームの
照射部において照射面積当たりの光照射量を部分的に変
化させることにより、走査線の一部に団子状の部分を形
成したものである。この照射面積当たりの光照射量を部
分的に変化させる方法としてはラスク走査において、団
子状の部分で速度を遅く直線部で早くする等で走査速度
を変化させたり、光ビームをシャッター等で入／切させ
たり、光ビーム１５の焦点位置を変える等が可能である
。

また、第１１図に示すように（第１１図は５層の光硬化
層からなる場合を例示）三次元形状の成形品２０を構成
する内層部の第二の光硬化層３４の一部を第一の光硬化
層２４で置き換えることにより、三次元形状の成形品２
０の骨格をより強固にすることができる。第１１図の実
施例は真ん中の層が第二の光硬化層３４から第一の光硬
化層２４に置き換わった例を示したものである。

尚、これらの実施例における第二の光硬化層３４を形成
する未硬化部３４Ｂは、光ビームの照射を途中までしか
行わず光硬化性樹脂を途中段階まで硬化させた半硬化部
で置き換えても目的を達成することができる。

これらの方法で三次元形状を形成した後で、三次元形状
全体の未硬化部を最終段階まで硬化させることで三次元
形状を完成する。この最終段階までの硬化においては三
次元形状全体が同時に均一に硬化するように四方から光
を照射するとか三次元形状を回転させながら光を照射す
るといった方法をとることが可能である。そうすれば、
全体としては短時間の硬化になるが部分的にみればゆっ
くりとした硬化をすることができる。

〔発明の効果〕

以上に説明した本発明のうち、特許請求の範囲第１項お
よび第２項記載の三次元形状の形成方法によれば、三次
元形状を構成する内層の光硬化層に、光硬化性樹脂を最
終段階まで硬化させた本硬化部と光を照射しない未硬化
部または途中段階まで硬化させた半硬化部とを形成した
後、三次元形状全体の未硬化部または半硬化部を均一に
最終段階まで硬化させるので、骨格となる本硬化部の光
硬化性樹脂を硬化させることにより生ずる硬化収縮や収
縮応力を未硬化部または半硬化部で吸収することができ
、又、未硬化部または半硬化部を均一に最終段階まで硬
化する時は硬化によって発生する硬化収縮や収縮応力は
小さく、既に硬化された本硬化部によって未硬化部また
は半硬化部の硬化収縮が抑えられるので、三次元形状全
体の硬化収縮はほとんどなくなり、残留応力が残る心配
も殆どなく経時的に変形を生じたり強度低下を起こすこ
とはない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法により形成した三次元形状を光硬
化層ごとに示した斜視図、光ビーム照射図および硬化層
での縦断面図、第２図は本発明の三次元形状の形成方法
の実施例を示した第一の光硬化層および第二の光硬化層
での光ビームを照射する走査パターン図、第３図乃至第
１０図はそれぞれ異なった第二の光硬化層分割パターン
実施例を示すパターン図、第１１図は本発明の異なった
実施例を示す三次元形状の構成および第一、第二の光硬
化層の斜視図、第１２図は本発明の三次元形状を形成す
るための装置の全体構成図、第１３図はその樹脂液槽の
断面図、第１４図は従来例を示す概略構成図である。 １０・・・光ビーム発生装置　　１１・・・樹脂液槽１
２・・・光硬化性樹脂液　　１４・・・成形品　　１訃
１ビーム　　１６．１７・・・ミラー　　１８・・・レ
ンズ　　２４・・・第一の光硬化層　　３４・・・第二
の光硬化層　　３４Ａ・・・本硬化部　　３４Ｂ・・・
未（半）硬化部 第２図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光硬化性樹脂に光を照射して光硬化層を形成し、
   前記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、光硬化層を形成する前記光硬化
   性樹脂の全面にわたって光を照射して最終段階まで硬化
   させた第一の光硬化層からなる最下層の光硬化層を形成
   し、前記最下層の光硬化層の上に前記光硬化性樹脂を最
   終段階まで硬化させた本硬化部と、光を照射しない未硬
   化部または途中段階まで硬化させた半硬化部とを形成し
   た第二の光硬化層を複数層重ね、前記三次元形状を構成
   する最上層の光硬化層として前記第一の光硬化層を形成
   した後、前記三次元形状全体の未硬化部または半硬化部
   を最終段階まで硬化させることを特徴とする三次元形状
   の形成方法。
2. （２）三次元形状を構成する第二の光硬化層の一部を第
   一の光硬化層で置き換えることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の三次元形状の形成方法。