JPH068342A - 三次元形状造形物の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 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
を有する造形物を製造する際に、造形物のうち補強を必
要とする部分と、これを支持する支持構造とをつなぐ補
強支持部を、光硬化性樹脂に光を照射し光硬化させて形
成する方法において、造形物を補強する補強支持部の設
計を適切かつ能率的に行うことのできる方法を提供す
る。 【構成】 上下に積み重ねる２層の光硬化層２１〜２６
の平面形状を比較して、上層の光硬化層に補強支持部が
必要であるか否かを判定し、補強支持部が必要であると
判定されれば、上層の光硬化層を形成するための光の照
射領域に、補強支持部に対応する光の照射領域を追加設
定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、三次元形状造形物の
製造方法に関し、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造形物
を製造する方法は、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いる。具体的に
は、例えば、特開昭６１−１１４８１７号公報や特開昭
６３−１４１７２４号公報、特開昭６０−２４７５１５
号公報などに開示された方法がある。

【０００３】特開昭６３−１４１７２４号公報の方法
は、樹脂液の中に沈めた昇降自在な成形台を、樹脂液の
液面直下に配置して、液面にレーザ光を照射し、成形台
の上の樹脂液層を光硬化させて光硬化層を形成し、つぎ
に、成形台を少し沈めた後、前記同様の作業を行うとい
う工程を繰り返すことにより、複数層の光硬化層を積み
重ねていく。その他の方法も、細部の工程は異なってい
るが、光硬化性樹脂を光硬化させて光硬化層を形成し、
この光硬化層を積み重ねて三次元形状の造形物を得る点
では共通している。

【０００４】このような三次元形状造形物の製造方法に
おいて、三次元形状が、下から上までが略同じ面積であ
ったり、下から上に向けて小さくなるピラミッド形をな
すものであれば、下から上に向けて順次形成される光硬
化層は、それぞれ下方の光硬化層で安定して支持してお
くことができる。しかし、三次元形状の一部に、下方よ
りも大きく側方に張り出したひさし部が存在していた
り、下方が全く支持されていない垂れ下がり部が存在し
ていたりすると、これらひさし部や垂れ下がり部を構成
する光硬化層の支持が不十分になり、光硬化層が変形し
たり移動したりして、三次元形状の形が崩れたり形状精
度が悪くなったりするという問題が発生していた。

【０００５】このような問題を解消するため、造形物に
つながり、造形物と同じように光硬化性樹脂を光硬化さ
せて形成された補強用の支持部を設けておくことが考え
られた。具体的には、特開平２−２２０３５号公報や特
開平２−５２７２５号公報に開示された方法がある。こ
れらの方法では、造形物のうち、補強の必要な部分に、
腕あるいは柱状をなす補強支持部の一端をつなぎ、補強
支持部の他端を、樹脂液槽の底面や壁体、あるいは、造
形物のうち変形のし難い部分など、剛性の高い支持構造
につないでおくことにより、補強の必要な部分の変形を
防止することができるのである。なお、造形物を構成す
る全ての光硬化層が形成されてから、加熱処理を施すな
どして、造形物全体を完全に光硬化させれば、補強支持
部が無くても造形物が変形することは無くなるので、補
強支持部は切り取ったり折り取ったりして除去すればよ
い。

【０００６】図１７および図１８には、ひさし部や垂れ
下がり部を有する造形物に補強支持部を設ける場合の具
体例を示している。図１７では、全体がコ字形をなす造
形物Ｍの上端に、側方に大きく張り出したひさし部ｈが
存在している。ひさし部ｈは、その一端で造形物Ｍの本
体部分に支持されているだけなので、光硬化性樹脂が光
硬化する際の収縮力や樹脂液の流動圧を受けると、上方
に反ったりして変形を起こすのである。そこで、ひさし
部ｈと、造形物Ｍの下方の安定した底面部分との間を垂
直な補強支持部Ｓでつないでおくことにより、ひさし部
ｈの変形を防止している。

【０００７】図１８(b) では、造形物Ｍの一部に下向き
に突出した垂れ下がり部ｔを有している。図１８(a) に
示すように、多数の光硬化層ｍを下から順番に積み重ね
て、前記垂れ下がり部ｔを備えた造形物Ｍを形成すると
きには、ひとつの光硬化層ｍに、光硬化性樹脂中で周囲
とは分離されて独立した領域すなわち浮島部ｆが生じ
る。この浮島部ｆは、形成された段階では、どこにも支
持されていないので、光硬化性樹脂中で移動してしま
い、造形物Ｍの形状精度を損なってしまうのである。そ
こで、図１８(b) に示すように、造形物Ｍの成形する固
定面から浮き島部ｆまでつながる補強支持部Ｓを設けて
おけば、浮き島部ｆが移動する心配はなくなる。

【０００８】このような補強支持部Ｓの形成位置やその
形状は、造形物Ｍの全体形状と、ひさし部ｈや浮き島部
ｆの位置構造によって、変える必要があるので、従来
は、造形物Ｍ全体の形状設計を行った後、作業者が、補
強支持部Ｓの必要な個所を、経験的に推測して、補強支
持部Ｓの配置形状などを設計していた。光硬化性樹脂を
利用する三次元形状造形物の成形方法では、造形物Ｍの
形状をＣＡＤ装置などを利用して電子情報に変換してお
き、この電子情報を元にして、例えば、レーザ光の走査
経路を制御することにより、自動的に光硬化層を形成す
るようにするのが一般的である。したがって、前記した
補強支持部Ｓの設計も、前記ＣＡＤ装置などを利用して
行われていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記した従
来における三次元形状造形物の成形方法では、補強支持
部の設計が技術的に難しいとともに、作業の手間も非常
にかかっており、全体の生産性を阻害する要因となって
いた。これは、従来は、補強支持部の設計を行うとき
に、作業者がＣＡＤ装置の表示画面を見ながら、造形物
Ｍの適当な位置に補強支持部を配置設計していたので、
作業者の技術あるいは熟練度を要求され、補強支持部の
設計に大変な手間を取られるとともに、作業者によって
は、補強の必要なところに補強支持部を配置しなかった
り、補強の必要のないところに無駄な補強支持部を配置
したりすることがあった。補強の必要なところに補強支
持部がなければ、造形物の変形防止は全く果たせないこ
とになる。また、補強支持部の数が増えたり、その構造
が複雑になれば、補強支持部を形成するための光の照射
時間が長くかかり、作業時間が伸びることになるので、
無駄な補強支持部は極力なくさなければならない。

【００１０】なお、補強支持部の設計を容易にするた
め、図１９に示すように、造形物Ｍの周囲を囲む支持壁
Ｗを光硬化性樹脂の光硬化によって形成しておき、この
支持壁Ｗから造形物Ｍの外形に向かって格子壁状の補強
支持部Ｓを適当な間隔毎に多数配置することが考えられ
た。この方法では、造形物Ｍの形状に関係なく、一定形
状の支持壁Ｗおよび格子壁状の補強支持部Ｓを形成して
おけばよいので、設計が容易であり、設計時間は短縮で
きる。しかし、この方法では、造形物Ｍのうち、必ずし
も補強の必要でない個所にも格子壁状の補強支持部Ｓが
配置されることになるので、光の照射および光硬化性樹
脂の無駄が多く、作業能率が悪くなる。また、造形物Ｍ
と補強支持部Ｓの連結個所が非常に多くなるので、造形
物Ｍが完成した後、造形物Ｍから補強支持部Ｓを除去す
る作業に手間がかかる。

【００１１】そこで、この発明の課題は、前記したよう
な三次元形状造形物の成形方法において、造形物を補強
する補強支持部の設計を適切かつ能率的に行うことので
きる方法を提供することにある。

【００１２】

【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造形物の成形方法のうち、請
求項１の方法は、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
元形状を有する造形物を製造する際に、造形物のうち補
強を必要とする部分と、これを支持する支持構造とをつ
なぐ補強支持部を、光硬化性樹脂に光を照射し光硬化さ
せて形成する方法において、上下に積み重ねる２層の光
硬化層の平面形状を比較して、上層の光硬化層に補強支
持部が必要であるか否かを判定し、補強支持部が必要で
あると判定されれば、上層の光硬化層を形成するための
光の照射領域に、補強支持部に対応する光の照射領域を
追加設定する。

【００１３】光硬化性樹脂としては、従来の三次元形状
造形物の成形方法でも用いられている各種の光硬化性樹
脂が用いられる。具体的には、ウレタン、ウレタン−ア
クリレート、エポキシ、エポキシ−アクリレート系の光
硬化性樹脂などが挙げられる。光硬化性樹脂の供給方
法、光の照射方法、光硬化層の形成方法、光硬化層の積
み重ね方法など、三次元形状造形物を成形するための基
本的な技術は、従来知られているような通常の方法や装
置がそのまま適用できる。

【００１４】この発明は、造形物の構造として、少なく
ともその一部に、補強を必要とする部分が存在するもの
に適用される。補強を必要とする部分とは、前記したひ
さし部や垂れ下がり部などである。補強を必要とする部
分は、ひとつの造形物に１個所の場合だけでなく、複数
個所存在する場合もある。補強支持部は、三次元形状を
構成する光硬化層の形成と同様の手段で、光硬化性樹脂
に光を照射して光硬化させることにより形成される。補
強支持部は、造形物の補強を必要とする部分と、これを
支持する支持構造とをつなぐように形成される。支持構
造には、例えば、造形物を成形する成形台の表面、光硬
化性樹脂液を貯えておく樹脂液槽の内壁面、造形物の成
形個所の周囲に立設された柱や壁など、金属や合成樹脂
などからなる各種固定構造を利用してもよいし、同じ造
形物のうち、その形状から剛性が大きく変形し難いよう
な構造部分を支持構造として利用することも可能であ
る。さらに、造形物の周囲に、光硬化性樹脂を光硬化さ
せて、十分な剛性を備えた周壁あるいは柱などを成形
し、この周壁などを支持構造とすることもできる。

【００１５】補強支持部の形状は、従来の方法でも用い
られていた各種補強支持部の構造が採用でき、必要な強
度や荷重の負荷方向を考慮して、様々な形状の腕状ある
いは柱状をなすものを用いることができる。補強支持部
としては、前記図１５〜図１７に示すような垂直柱ある
いは垂直壁状のもののほか、水平方向に延びる水平腕か
らなるものが好ましい。水平腕状の補強支持部で、造形
物のうち補強の必要な部分と、造形物の周囲に配置され
た壁状あるいは柱状の支持構造とを水平方向につなぐよ
うにすれば、補強支持部と支持構造とを短い距離でつな
ぐことができ、補強支持部の構造が簡単になるととも
に、造形物の変形を防止する機能も高いものとなる。ま
た、光硬化層の形成と同時に、同じ平面上で光硬化性樹
脂に光を照射して補強支持部を形成することができるの
で、補強支持部の形成も容易になる。なお、このような
水平腕状の補強支持部の具体的構造については、本願発
明者らが先に発明して特許出願している特願平１−１８
６６６７号に開示された構造を利用することもできる。

【００１６】補強支持部のうち、造形物につながる個
所、あるいは、支持構造につながる個所に、他の部分よ
りも狭いくびれ部を設けておけば、最終的に補強支持部
を除去する際に、このくびれ部で、容易に折り取ったり
切り取ったりすることができる。この発明では、上記の
ような補強支持部の設計を、造形物全体の形状から判断
して行うのではなく、造形物を構成する複数の光硬化層
のうち、上下に積み重ねる２層の光硬化層の平面形状を
比較した結果をもとにして行う。

【００１７】造形物を成形するには、まず、造形物を構
成する複数の光硬化層毎の平面形状を決める。光硬化層
は、造形物の全体形状を、垂直方向に一定間隔毎に分割
して、それぞれの水平断面を平面形状として、水平断面
の上下間隔を厚みとするものになる。このような光硬化
層毎の平面形状は、通常、造形物の全体外形をＣＡＤ装
置などで電子情報化し、この電子情報から、各光硬化層
毎の平面形状データを演算して作製する。

【００１８】光硬化層毎の平面形状が決まれば、この平
面形状に対応して、各光硬化層を形成するための光の照
射領域が決まり、この光の照射領域の情報を、レーザ光
の走査制御装置などに入力すれば、必要な形状の光硬化
層が形成できる。複数の光硬化層のうち、上下に積み重
ねられる２層の光硬化層の組み合わせを全て取り出し
て、その上下の２層の光硬化層の平面形状を比較して、
上層の光硬化層に、補強支持部が必要であるか否かを決
定する。具体的には、複数の光硬化層のうち、最下層の
光硬化層と第２層の光硬化層の平面形状から、第２層の
光硬化層に補強支持部が必要が否かを判定し、第２層の
光硬化層と第３層の光硬化層の平面形状から、第３層の
光硬化層に補強支持部が必要が否かを判定するというよ
うにして、全ての光硬化層について、補強支持部の必要
性を判定する。

【００１９】補強支持部が必要であるか否かの判断基準
は、上下の光硬化層での平面形状の変化が、上層の光硬
化層の支持状態に影響を与えるかどうかを基準にして決
めるが、具体的な判断基準は、力学的な理論あるいは経
験にもとづいて決めればよい。補強支持部が必要である
と判定されれば、上層の光硬化層を形成するための光の
照射領域として、光硬化層の平面形状に対応する光の照
射領域に加えて、前記したような構造を有する補強支持
部に対応する光の照射領域を設定する。このようにして
設定された光の照射領域は、前記したように、電子情報
化され、この電子情報にしたがって、前記したレーザ光
の走査制御を行えば、所定形状の光硬化層および補強支
持部を同じ工程で連続的に形成することができる。

【００２０】補強支持部が必要であるか否かを判断する
方法として、請求項２および請求項３の方法が採用でき
る。請求項２の方法は、上層の光硬化層の平面形状デー
タから、下層の光硬化層の平面形状データと重なる部分
を含む領域を除いたときに、上層の光硬化層の平面形状
データに残る孤立部があれば、この孤立部につながる補
強支持部が必要であると判定する。

【００２１】平面形状データとは、通常、光硬化層の平
面形状を、前記したＣＡＤ装置などで電子情報化したデ
ータを意味し、上下の光硬化層の平面形状データを電子
的に比較演算すれば、前記した重なる部分の領域を除く
のは容易である。但し、紙上に描かれた平面形状データ
すなわち平面図を、手作業で比較することも可能であ
る。

【００２２】下層の光硬化層が上層の光硬化層よりも大
きいか同じ大きさの場合には、全ての領域が除去され
る。上層の光硬化層の平面形状データに残る孤立部があ
れば、この孤立部は、下層の光硬化層とは全く接触する
部分がなく、何ら支持されていない部分である。すなわ
ち、この孤立部は、前記したような浮島部になっている
ので、この孤立部には補強支持部が必要であると判定さ
れる。

【００２３】請求項３の方法は、請求項１または２の方
法において、上層および下層の光硬化層の平面形状か
ら、それぞれの輪郭線データを作製し、それぞれの輪郭
線データに同じ格子状パターンを重ねて各輪郭線との交
点を求め、上下の輪郭線データを所定の間隔をあけて配
置したときに、互いに対応する交点を結ぶ線分と上層の
輪郭線データが構成する平面とのなす角度が、規定角度
以下の場合に、上層の光硬化層の輪郭線データの交点に
つながる補強支持部が必要であると判定する。

【００２４】この方法では、上下層の光硬化層の平面形
状データから、外周に沿った輪郭線のデータのみを取り
出す。光硬化層の平面形状データが電子情報化されてい
れば、輪郭線データを作製するのは、電子情報の演算処
理で行え、容易である。格子状パターンは、輪郭線デー
タを縦横に適当な間隔毎に分割できるようなピッチで格
子が配置されていればよい。格子パターンを構成する縦
横の格子線のピッチは、等間隔であったほうが処理が行
い易いが、等間隔でなくてもよい。格子状パターンが細
かいほど、精密な判定が可能になるが、作業の手間は増
えるので、必要な精度あるいは補強機能が得られる程度
に、格子状パターンの細かさを設定しておけばよい。

【００２５】輪郭線データと格子状パターンの交点は、
上下の輪郭線データについて、それぞれ求める。この交
点の位置は、輪郭線データの形状によって異なってく
る。上下の輪郭線データで対応する交点とは、上下の輪
郭線データを、垂直方向に上下の光硬化層と同じ間隔で
配置したときに、格子状パターンの特定の格子線が交わ
る交点同士の関係を意味する。この上下の交点同士を結
ぶ線分を想定し、この線分と、上層の輪郭線データが構
成する平面とのなす角度を求める。具体的には、上層の
輪郭線データの特定の格子線上の交点から垂線を下ろす
と、下層の輪郭線データの対応する格子線上に到達す
る。この格子線に沿って交点をさがせば、目的とする交
点を見つけることができる。但し、交点が全く見つから
ない場合もある。

【００２６】上層の光硬化層の輪郭と下層の光硬化層の
輪郭が完全に重なっていれば、前記した対応する上下の
交点は格子線上の同じ位置に存在することになり、前記
角度は、９０°になる。上層の光硬化層の輪郭が下層の
光硬化層の輪郭よりも小さければ、前記格子線上で上側
の交点が下側の交点よりも輪郭線の内側に位置し、前記
角度は、９０°よりも大きくなる。上層の光硬化層の輪
郭が下層の光硬化層の輪郭よりも大きければ、前記格子
線上で上側の交点が下側の交点よりも輪郭線の外側に位
置し、前記角度は、９０°よりも小さくなる。したがっ
て、前記角度が、小さくなるほど、上側の光硬化層が下
側の光硬化層よりも外側に張り出していることを意味す
る。

【００２７】この角度が、規定角度以下であれば、上層
の光硬化層の張り出しが大きいので、上層の光硬化層に
前記交点につながる補強支持部が必要であると判定す
る。規定角度としては、光硬化層の厚み、あるいは、光
硬化性樹脂の材料強度や必要とする形状精度などの条件
によっても変わってくるが、一般的には、例えば、３５
°程度に設定しておけばよい。

【００２８】なお、上層の輪郭線データと格子状パター
ンの交点に対応する、下層の輪郭線データと格子状パタ
ーンの交点が見つからない場合がある。この場合は、前
記線分を設定することはできない。そこで、この場合
は、前記角度が０°であると見なして、前記角度が規定
角度以下であり、補強支持部が必要であると判定しても
よいし、他の判定基準を考慮して、最終的な判定を行う
ようにしてもよい。

【００２９】以上に説明したような、上下の光硬化層の
平面形状や輪郭線データの作製、格子状パターンの設
定、前記交点や線分の設定、角度の算出などは、ＣＡＤ
装置などに入力された造形物の外形に関する情報をもと
に、コンピュータで演算処理して、補強支持部の必要性
の判定を行うことができる。この場合は、造形物の全体
形状をＣＡＤ装置などに入力するだけで、必要な補強支
持部の配置および形状が得られ、その結果をもとにし
て、光の照射による三次元形状造形物の成形までを、自
動化することが可能である。

【００３０】

【作用】造形物に補強支持部が必要になるのは、前記し
たひさし部や垂れ下がり部が存在する部分である。この
ような部分では、造形物の垂直方向でその水平断面形状
が変化する。造形物は、複数の光硬化層を積み重ねて構
成されているので、造形物の水平断面形状が変化すれ
ば、上下に積み重ねる光硬化層の平面形状も変化する。
したがって、造形物の垂直方向における断面形状の変
化、すなわち、上下に積み重ねる光硬化層の平面形状の
変化をとらえれば、その変化の状態から、その部分に補
強支持部が必要であるか否かを判断することが可能であ
る。

【００３１】補強支持部を光硬化性樹脂の光硬化により
形成する場合には、光硬化層を形成するための光の照射
領域に、補強支持部を形成するための光の照射領域を追
加設定すれば、光硬化層の形成と同じ工程で補強支持部
が形成でき、補強支持部の形成が能率的に行える。そこ
で、上下２層の光硬化層について、互いの平面形状を比
較して、上層の光硬化層に補強支持部が必要であるか否
かを判定し、補強支持部が必要であると判定されれば、
上層の光硬化層を形成するための光の照射領域に、補強
支持部に対応する光の照射領域を追加設定するようにす
れば、補強支持部の要不要が容易に判断でき、補強支持
部の形成も能率的に行える。

【００３２】この方法では、造形物の立体的な形状全体
を判断の対象にするのではなく、上下の一対の光硬化層
の平面形状のみをもとにして、補強支持部の必要性を判
断するので、判断に必要な情報が少なくてすみ、判断を
迅速に行うことができる。しかも、前記したように、補
強支持部の必要性や機能から考えて、上下の光硬化層の
平面形状のみを判断材料にしても、十分に正確な判断が
行え、造形物の変形防止に必要かつ十分な補強支持部を
設計することが可能である。

【００３３】

【実施例】ついで、この発明の実施例について、図面を
参照しながら以下に説明する。図１に示すように、造形
物１０は、直方体状の本体部分の上端に、側方に大きく
張り出したひさし部１２を有し、ひさし部１２の途中に
は下方に突出する垂れ下がり部１４を有している。この
ような造形物１０の全体形状を、垂直方向に５分割し
て、５層の光硬化層２１〜２６を積み重ねて造形物１０
を構成する。造形物１０の高さ方向のＺ₁ 〜Ｚ₆ 位置に
おける水平断面形状が、各光硬化層２１…の平面形状と
なる。ひさし部１２は、上段２層の光硬化層２５および
２６に含まれ、垂れ下がり部１４は、中段２層の光硬化
層２３および２４に含まれる。

【００３４】このような構造の造形物１０を成形するに
は、まず、造形物１０の全体形状を、ＣＡＤ装置などに
入力して、その図形情報を解析する。図２は、造形物１
０を構成する各光硬化層２１〜２６の平面形状データを
表している。図は、最下層の光硬化層２１から最上層の
光硬化層２６を、上段左端から右端へ、さらに、下段左
端から右端へと、順番に表している。中層の２層の光硬
化層２３、２４は、その下の光硬化層２２と同じ形状の
本体部２３ａ、２４ａと、この本体部２３ａ、２４ａか
ら離れた浮島部２３ｂ、２４ｂで構成されている。

【００３５】図３は、各光硬化層２１〜２６について、
レーザ光などの光の照射方法を示している。すなわち、
最下層の光硬化層２１では、図中、上下方向に光を走査
し、この上下方向の光の走査を左右にずらせていって、
光硬化層２１全体に対応する領域に光を照射する。次の
第２層の光硬化層２２では、図中、左右方向に光を走査
し、この左右方向の光の走査を上下にずらせていって、
光硬化層２２全体に対応する領域に光を照射する。次の
第３層の光硬化層２３では、再び上下方向に光を走査す
る。このように、各層毎に、光の走査方向を互いに直交
する方向に変える。このようにすると、各光硬化層２１
…を形成したときに、光硬化性樹脂が光硬化するときに
生じる硬化収縮応力が、上下の段で互いに吸収されるこ
とになり、造形物１０に硬化収縮応力による歪みが生じ
難くなる。

【００３６】図４は、最下層の光硬化層２１について、
光の照射領域を説明している。この最下層には、造形物
１０を構成する光硬化層２１の外に、造形物１０の平面
外形よりも外側を囲む周壁用光硬化層３１を形成する。
すなわち、周壁用光硬化層３１に沿って環状に光を照射
するように設定しておく。周壁用光硬化層は、第２層以
降の光硬化層でも全く同じ形で形成しておく。この最下
層の光硬化層２１では、その下には光硬化層が存在しな
いので、補強支持部は不要であり、補強支持部が必要で
あるか否かを判定する必要はない。

【００３７】図５は、第２層の光硬化層２２について、
光の照射領域を説明している。また、図６は、第２層の
光硬化層２２に補強支持部が必要であるか否かを判定す
る方法を説明している。光硬化層２２の平面形状を示す
Ｚ₂ 面と、光硬化層２１の平面形状を示すＺ₁ 面は、光
硬化層２２の厚みに相当する距離Ｄ＝Ｚ₂ ─Ｚ₁ だけ離
れている。Ｚ₁ 面とＺ₂ 面は全く同じ形状であるから、
Ｚ₂ 面からＺ₁ 面に重なる部分の領域を削除すれば、残
る領域は全くない。したがって、この判定基準では、補
強支持部を設ける必要はないことになる。

【００３８】つぎに、Ｚ₁ 面に、縦横に一定間隔毎に格
子線Ｘ₁ 、Ｘ₂ 、Ｙ₁ 、Ｙ₂ を備えた格子状パターン５
０を想定する。この格子状パターン５０の各格子線Ｘ₂
…とＺ₁ 面の輪郭線との交点を、ａ〜ｈで示す。Ｚ₂ 面
にも、前記格子状パターン５０を垂直に平行移動させた
格子状パターン６０を想定する。この格子状パターン６
０とＺ₁ 面の輪郭線との交点を、ａ′〜ｈ′で示す。格
子状パターン５０と６０において、同じ格子線Ｘ₁ …上
で、中心から見て同じ側の輪郭上に配置された交点ａと
ａ′、ｂとｂ′、ｃとｃ′、ｄとｄ′、ｅとｅ′、ｆと
ｆ′、ｇとｇ′、ｈとｈ′が、それぞれ対応する交点の
関係にある。それぞれの対応する交点ａとａ′同士を、
線分７０でつなぐ。

【００３９】図７は、同じ格子線Ｙ₂ 上に配置された交
点ａとａ′および交点ｆとｆ′で構成される垂直面にお
ける各点の関係を表している。Ｚ₂ 面と交点ａとａ′を
結ぶ線分７０とのなす角度θ₁ は９０°になっている。
Ｚ₂ 面と交点ｆとｆ′を結ぶ線分７０とのなす角度θ₂
も９０°である。したがって、この場合には、交点ａお
よびｆの何れでも、補強支持部の形成は不要であると判
定される。

【００４０】つぎに、図８は、第３層の光硬化層２３に
ついて、光の照射領域を説明している。この光硬化層２
３では、浮島部２３ｂを有するため、第２層の光硬化層
２２とは平面形状が異なっている。光硬化層２３の平面
形状データから、光硬化層２２の平面形状データと重な
る部分の領域を除去すると、浮島部２３ｂのみが残る。
この浮島部２３ｂは、本体部分２３ａとは離れた孤立部
であるから、この浮島部２３ｂには補強支持部が必要で
あると判定される。補強支持部の配置は、まず、浮島部
２３ｂの外周から最も近い周壁用光硬化層３３に向けて
帯状の補強支持部４３ｂが設定される。浮島部２３ｂの
反対辺でも、周壁用光硬化層３３に向けて補強支持部４
３ｂが設定される。浮島部２３ｂの面積などから考慮し
て、上記補強支持部４３ｂだけで支持できると判断でき
れば、それ以上の補強は不要である。しかし、１方向の
補強支持部４３ｂだけでは十分でなければ、補強支持部
４３ｂと直交する方向で、浮島部２３ｂから最も近い支
持構造すなわち本体部分２３ａに向けて補強支持部４３
ａを設定する。補強支持部４３ａは、浮島部２３ｂの中
央に１本だけでもよいが、左右に２本の補強支持部４３
ａが設けられていれば、より支持が確実になる。

【００４１】この場合には、前記した上下の輪郭線デー
タを利用した判定を行わなくても、補強支持部の要不要
およびその配置形状は設定できる。但し、前記同様の輪
郭線データによる判定を行った場合には、光硬化層２３
の本体部分２３ａと、光硬化層２２の平面形状は全く同
じであるので、前記角度は全ての位置で９０°になり、
本体部分２３ａには、補強支持部が不要であると判定さ
れる。また、浮島部２３ｂについて、輪郭線データによ
る判定を行った場合、光硬化層２２には浮島部２３ｂに
対応する部分は全く存在しないので、前記線分７０を想
定することができない。この場合は、線分７０と光硬化
層２３のなす角度θは０°であると見なし、補強支持部
が必要であると判定することができる。すなわち、輪郭
線データを用いた判定でも、同じように補強支持部４３
ａ、４３ｂが必要であると判定されることになる。

【００４２】つぎに、第４層の光硬化層２４について
は、第３層の光硬化層２３と全く同じ平面形状になるの
で、前記判定方法を適用すれば、補強支持部は不要であ
ると判定される。但し、前記光硬化層２３に設けた補強
支持部４３ａ、４３ｂの強度や剛性が不足している場合
には、光硬化層２４には、光硬化層２３と同じ位置に補
強支持部を重ねて形成するようにしてもよい。

【００４３】つぎに、図９は、第５層の光硬化層２５に
ついて、光の照射領域を説明している。また、図１０
は、第５層の光硬化層２５に補強支持部が必要であるか
否かを判定する方法を説明している。まず、光硬化層２
５の平面形状を示すＺ₅ 面から、光硬化層２４の平面形
状を示すＺ₄ 面と重なる部分の領域を除けば、Ｚ₅ 面に
残る領域はない。したがって、光硬化層２５には浮島に
相当する部分はないと判断できる。

【００４４】光硬化層２５の平面形状の面積と光硬化層
２４の平面形状の面積を比較すれば、光硬化層２５のほ
うがかなり大きいので、このことから、光硬化層２５に
補強支持部が必要であると判定することもできる。つぎ
に、光硬化層２５と光硬化層２４に対して、前記のよう
な輪郭線データによる比較を行う。Ｚ₅ 面およびＺ₄ 面
にそれぞれ、同じ間隔位置に格子線Ｘ₁ 、Ｘ₂ 、Ｙ₁ 〜
Ｙ₅ が設けられた格子状パターン６０、５０を重ねれ
ば、前記同様に、Ｚ₅ 面には交点ａ〜ｎ、Ｚ₄ 面には交
点ａ₁ 〜ｎ₁ が得られる。Ｚ₅ 面の交点ａ〜ｎから垂線
を下ろした場合、交点ｄ、ｆ、ｇ、ｈ、ｉ、ｋでは、対
応する交点ｄ₁ 、ｆ₁ 、ｇ₁ 、ｈ₁ 、ｉ₁ 、ｋ₁ が真下
に存在するので、この部分には補強支持部は必要ない。
交点ｂ、ｃ、ｅ、ｊ、ｌ、ｍでは、対応する交点が存在
しないので、前記角度は０°であると見なし、この部分
にも補強支持部が必要であると判定できる。

【００４５】交点ａについては、垂線の足を格子線Ｘ₁
に沿って外側に移動させても交点は見つからない。内側
に移動させると、交点ａ′が見つかり、線分７０が設定
できる。図１１は、上記交点ａを含む格子線Ｘ₁ で切断
した垂直断面を表している。ここで、線分７０とＺ₅ 面
とのなす角度θは、９０°よりもかなり小さくなってい
る。そこで、この交点ａには補強支持部を形成する必要
があると判定する。交点ｎについても、同様にして、補
強支持部が必要であると判定する。

【００４６】図１２に示すように、第５層の光硬化層２
５には、交点ａ、ｎから外側の周壁用光硬化層３５に向
けて補強支持部４５ａが形成される。なお、交点ｂ、
ｃ、ｅ、ｊ、ｌ、ｍについては、そのうちの交点ｂ、
ｅ、ｊ、ｍから外側の周壁用光硬化層３５に向けて補強
支持部４５ｂが形成され、交点ｃ、ｌには補強支持部を
形成しない。これは、補強の必要な交点同士の距離が短
い場合には、そのうちの一方を省略しても、光硬化層２
５の補強支持が十分に行えるためである。

【００４７】つぎに、第６層の光硬化層２６は、第５層
の光硬化層２５と同じ平面形状であるので、前記同様の
判定基準を適用すれば、補強支持部は必要ないと判定さ
れる。但し、この場合も、光硬化層２５に形成された補
強支持部４５ａ、４５ｂの強度が不足すると考えられれ
ば、光硬化層２６にも同じ位置に補強支持部を重ねて形
成すればよい。

【００４８】図１３は、上記ようにして設計された補強
支持部の配置構造を表している。造形物１０の外側に
は、垂直な周壁３０が配置される。造形物１０の補強の
必要とする部分、すなわち、垂れ下がり部１４およびひ
さし部１２と、前記周壁３０の間、あるいは、造形物１
０の本体部分との間に、それぞれ補強支持部４３ａ、４
３ｂ、４５ａ、４５ｂが配置される。

【００４９】図１５および図１６には、上記したような
補強支持部の設計手順を、フローチャートにまとめて表
している。まず、(1) 「等高面輪郭データの計算」で
は、造形物の三次元形状を、複数の光硬化層に分割して
形成できるように、垂直方向に一定の高さ毎に切断し
て、水平断面の輪郭データを得る。この輪郭データが各
光硬化層の平面形状を表す。各輪郭データには、下から
順番に番号ｉを付ける。

【００５０】(2) 「周壁データの追加」は、補強支持部
の支持構造として設ける周壁の形状を表すデータであ
り、予め、造形物の外周を囲む位置に一定の厚みを有す
る周壁が形成できるできように設定しておく。通常、周
壁データは、全ての断面で同一でよいが、下方を太く
し、上方に向けてテーパ状に細くなるように設定するこ
ともできる。

【００５１】(3) 〜(4) の工程で、浮島部あり、と判定
された場合、(5) 「補強支持部のデータ追加」を行う。
具体的には、除去されなかった輪郭データすなわち孤立
した浮島部から、除去された輪郭データ領域のうち最も
近くに存在する部分につながるように、補強支持部を設
定する。この場合は、浮島部を補強支持部で造形物の本
体部分に支持することになる。浮島部を支持できるだけ
の十分な領域がない場合には、浮島部から周壁につなが
る補強支持部を設定する。

【００５２】つぎに、(6) 〜(10)の工程で、上下の輪郭
線データと格子パターンの交点から所定の手順で求めら
れた角度が、規定角度以下の場合には、(11)「補強支持
部のデータ追加」を行う。この場合も、補強支持部を必
要とする交点位置から、最も近くに存在する造形物の本
体部分あるいは周壁につながるように補強支持部を設定
する。

【００５３】以上の工程(2) 〜(11)を、ｉ＝１面から、
ｉ＝ｎ面まで各輪郭データ毎に繰り返して、全ての断面
の輪郭データについて、補強支持部データの追加が必要
か否かを判定し、必要な配置形状の補強支持部データを
追加すれば、造形物を成形するのに必要な、光硬化層お
よび補強支持部の形状データが完成する。上記のような
フローチャートを、コンピュータなどにプログラムにし
ておけば、造形物１０の形状をＣＡＤ装置などで設計す
るだけで、自動的に必要な補強支持部の設計までを行う
ことが可能になる。

【００５４】このような造形物１０および周壁３０、補
強支持部４３ａ…の設計にもとづいて、光硬化性樹脂に
照射する光の照射領域あるいはレーザ光の走査パターン
が決められ、それに基づいて、実際の成形工程が行われ
る。造形物１０が形成されれば、造形物１０の最終硬化
工程を行った後、補強支持部４３ａ…を切り取ったり折
り取ったりすれば、目的とする三次元形状を備えた造形
物１０が得られる。

【００５５】図１４は、補強支持部の形状の具体例を表
している。造形物として、左右の壁状部分２７、２７の
中央に、浮島部２８が配置されたものを示している。こ
の浮島部２８と壁状部分２７、２７の間に、複数本の補
強支持部４７が配置されている。補強支持部４７は、全
体が断面矩形の水平腕状をなしているとともに、壁状部
分２７および浮島部２８との連結部分のみが、他の部分
よりも細くなったくびれ部４８になっている。このよう
なくびれ部４８を設けておけば、造形物の成形が終了し
た後、造形物から補強支持部４７を除去する際に、くび
れ部４８で容易に折り取ったり切り取ったりすることが
できる。

【００５６】

【発明の効果】以上に述べた、この発明にかかる三次元
形状造形物の成形方法によれば、補強支持部の設計を、
造形物全体の形状をもとにして行うのではなく、造形物
を構成する複数層の光硬化層のうち、上下に積み重ねる
２層の光硬化層の平面形状から、上層の光硬化層に補強
支持部が必要であるか否かを判定し、その補強支持部の
配置形状を設計するので、補強支持部の必要性の判定が
容易かつ迅速に行えることになり、補強支持部の設計効
率を向上させることができる。

【００５７】２層の光硬化層の平面形状を、一定の判定
基準にもとづいて、客観的に判断して、補強支持部の設
計を行うことができるので、作業者の技術や熟練度に影
響されずに、適切な設計が可能になる。特に、ＣＡＤ装
置やコンピュータを用いて、補強支持部の設計を自動的
に行うのに適している。これは、造形物全体の形状から
判断して補強支持部の設計を行うのでは、取り扱う情報
量が非常に多くなり、作業時間も増大してしまい、機械
的に設計するのは実用的に困難である。しかし、この発
明の方法では、同時には、２層の光硬化層の平面形状の
情報だけを取り扱えばよいので、機械化あるいは自動化
が容易であり、通常のＣＡＤ装置やコンピュータを用い
ても、十分に実用的な設計が可能になる。以上の結果、
この発明によれば、適切な補強支持部を用いて、変形や
形状誤差のない高精度な三次元形状造形物を能率的に成
形することが可能になり、このような三次元形状造形物
の品質向上あるいは用途拡大にも大きく貢献することが
可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施例を表し、造形物の全体外形
を示す斜視図

【図２】 造形物を複数の光硬化層毎に分解した平面図

【図３】 上図に各光硬化層における光の走査方向を追
加した平面図

【図４】 ある段階における光硬化層の形成パターンを
示す平面図

【図５】 図４の次の段階における光硬化層の形成パタ
ーンを示す平面図

【図６】 補強用支持部形成の判定方法を説明する斜視
図

【図７】 補強用支持部形成の判定方法を説明する線図

【図８】 図５の次の段階における光硬化層の形成パタ
ーンを示す平面図

【図９】 図８の次の段階における光硬化層の形成パタ
ーンを示す平面図

【図１０】 補強用支持部形成の判定方法を説明する斜
視図

【図１１】 補強用支持部形成の判定方法を説明する線
図

【図１２】 補強用支持部の形成パターンを示す平面図

【図１３】 造形物および支持構造の垂直断面図

【図１４】 補強用支持部の別の実施例を示す斜視図

【図１５】 この発明の実施例のうち、工程の前半部分
を示す流れ図

【図１６】 上図の実施例のうち、工程の後半部分を示
す流れ図

【図１７】 従来例を示す斜視図

【図１８】 別の従来例を示す斜視図

【図１９】 別の従来例を示す一部切欠斜視図

【符号の説明】

１０ 造形物 １２ ひさし部 １４ 垂れ下がり部 ２１〜２６ 光硬化層 ２３ｂ、２４ｂ 浮島部 ３１〜３６ 周壁用光硬化層 ４３ａ、４３ｂ、４５ａ、４５ｂ 補強支持部 ５０、６０ 格子パターン Ｘ₁ 、Ｘ₂ 、Ｙ₁ 〜Ｙ₅ 格子線 ａ〜ｎ 上層の光硬化層の交点 ａ′〜ｈ′、ａ₁ 〜ｎ₁ 下層の光硬化層の交点 ７０ 線分 θ₁ 、θ₂ 、θ 角度

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 良光 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内

Claims (3)

【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
   形状を有する造形物を製造する際に、造形物のうち補強
   を必要とする部分と、これを支持する支持構造とをつな
   ぐ補強支持部を、光硬化性樹脂に光を照射し光硬化させ
   て形成する方法において、上下に積み重ねる２層の光硬
   化層の平面形状を比較して、上層の光硬化層に補強支持
   部が必要であるか否かを判定し、補強支持部が必要であ
   ると判定されれば、上層の光硬化層を形成するための光
   の照射領域に、補強支持部に対応する光の照射領域を追
   加設定することを特徴とする三次元形状造形物の製造方
   法。
2. 【請求項２】 請求項１の方法において、上層の光硬化
   層の平面形状データから、下層の光硬化層の平面形状デ
   ータと重なる部分を含む領域を除いたときに、上層の光
   硬化層の平面形状データに残る孤立部があれば、この孤
   立部につながる補強支持部が必要であると判定する三次
   元形状造形物の製造方法。
3. 【請求項３】 請求項１または２の方法において、上層
   および下層の光硬化層の平面形状から、それぞれの輪郭
   線データを作製し、それぞれの輪郭線データに同じ格子
   状パターンを重ねて各輪郭線との交点を求め、上下の輪
   郭線データを所定の間隔をあけて配置したときに、互い
   に対応する交点を結ぶ線分と上層の輪郭線データが構成
   する平面とのなす角度が、規定角度以下の場合に、上層
   の光硬化層の輪郭線データの交点につながる補強支持部
   が必要であると判定する三次元形状造形物の製造方法。