JPH07106602B2

JPH07106602B2 - 光造形法

Info

Publication number: JPH07106602B2
Application number: JP3108911A
Authority: JP
Inventors: 敏之赤峰
Original assignee: 株式会社アウストラーダ
Priority date: 1991-04-13
Filing date: 1991-04-13
Publication date: 1995-11-15
Anticipated expiration: 2010-11-15
Also published as: JPH0615749A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光によって流動性の樹
脂を硬化させ、種々の立体的形状に造形する光造形法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】流動性のある樹脂に光を照射することに
より硬化させて、三次元の造形物を成形する技術は、従
来より光造形法として知られている。また、光の照射に
よって硬化する流動性のある樹脂としては、紫外線によ
って硬化する紫外線硬化樹脂、可視領域の光により硬化
する光硬化樹脂、及び赤外線領域の光により硬化する熱
硬化樹脂が知られている。

【０００３】一方、流動性のある樹脂に光を照射して、
三次元的に造形物を成形するための具体的方法として
は、特公昭６３−４０６５０号のように、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って点
状に集中するように光照射を行いながら、前記容器を水
平及び垂直方向に移動させることにより、三次元の造形
物を成形する方法が知られている。

【０００４】更に、例えば特開平２−３６９２５号のよ
うに、紫外線により硬化する樹脂を貯留した液槽内の液
面より僅かに下側に、前記液槽内を垂直方向に上下動す
るテーブルを設けて、前記テーブル上の液面に対して紫
外線のレーザー光を照射することにより該テーブル上に
一定の厚みをもった硬化層を成形し、次いで前記テーブ
ルの位置を若干下方に沈めて、既に硬化した層の表面に
流入する液面に同様に光を照射して、前記の既硬化層の
表面に次の硬化層を形成し、以下、同様の工程を繰り返
すことで、所定の三次元造形物を成形する方法も知られ
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記のような従来にお
ける光造形法は、前記の硬化層の積層に伴ってテーブル
を下降させる光造形法、及び樹脂の貯留容器を水平、垂
直方向に移動させる光造形法のいずれもが、光の照射さ
れた範囲の樹脂を平面的に硬化させて、この硬化した硬
化層を順次積層させることにより、経時的に所定の厚み
をもった三次元の造形物を成形するものであり、光の照
射方向に沿って樹脂の硬化する深さを可変するというこ
とができないために、どうしても加工時間が長くなると
いう作業能率上の問題点がある。

【０００６】また、前記の光造形法は、人体にとって有
害な紫外線レーザーを使用しなければならないという作
業環境の面からの問題があり、しかも、光源として比較
的規模の大きな装置が必要となるだけでなく、この装置
に付属する冷却装置も必要となるので、装置全体がどう
しても高額になるという問題がある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、従来における
上記のような光造形法の問題点を解消し、レーザー光の
照射方向に沿って硬化する樹脂層の厚みを可変すること
ができ、三次元の立体造形が可視光でのレーザー光照射
により、室内で加工状態を的確に監視把握しながら容易
に行うことができ、しかも、レーザー光照射の移動速度
又は照射の強度調整により、硬化する樹脂の硬度を硬
化、半硬化、非硬化等の条件に適宜調整することのでき
る優れた光造形法の提供を目的とするものである。

【０００８】本発明の光造形法は、上記の目的を達成す
るための具体的手段として、請求項１では、エポキシ樹
脂又はアクリル樹脂のモノマー、もしくはエポキシ樹脂
とアクリル樹脂の混合物のモノマーにメタロセン化合物
と過酸化物とを混和した光硬化性流動物質に対し、６０
０乃至８００ｎｍの波長のレーザー光を照射して照射部
を硬化又は半硬化状態とすることを特徴とする。

【０００９】また、請求項２の光造形法では、第１段階
として前記の光硬化性流動物質を６００乃至８００ｎｍ
の波長のレーザー光により照射して、照射された部分が
硬化又は半硬化状態とされたのち、この硬化又は半硬化
状態とされた部分に、第２段階として６００ｎｍより短
い波長の光を照射することにより、更に硬化を進めて造
形させることを特徴とする。

【００１０】本発明の光造形法では、前記光硬化性流動
物質を構成する素材のうち、メタロセン化合物（光硬化
開始剤）として、チバガイギー社製のイルガキュア２６
１〔商標名：ＩＲＧＡＣＵＲＥ２６１：化学名；（１−
６−η−クメン）（η−シクロペンタジエニル）鉄（１
＋）六フッ化リン酸（１−）〕が使用される。また、ア
クリル樹脂のモノマーとしては、ポリエステルアクリレ
ートのモノマーが使用され、更にエポキシ樹脂とアクリ
ル樹脂のモノマーとの混合物が使用される。

【００１１】同じく光硬化性流動物質を構成する素材の
うち、メタロセン化合物と混和される過酸化物として
は、クメンハイドロパーオキサイドが使用され、好まし
くは、光硬化請求項流動物質中に希釈剤としてテトラヒ
ドロフルフリルアクリレートが混入される。

【００１２】本発明の光造形法では、前記光硬化性流動
物質に対し、第１段階として６００乃至８００ｎｍの波
長の光をレーザー照射して照射部を硬化又は半硬化状態
としたのちに、第２段階として６００ｎｍより短い波長
の光を照射して更に硬化を進めるための光照射手段とし
ては、水銀ランプによる光照射が好ましい。

【００１３】

【作用】本発明による光造形法では、光硬化性流動物質
として、エポキシ樹脂又はアクリル樹脂のモノマー、も
しくはエポキシ樹脂とアクリル樹脂の混合物のモノマー
にメタロセン化合物と過酸化物とを混和したものを使用
したことで、照射光として赤色の６００〜８００ｎｍの
レーザー光を使用することができ、室内光のもとで目視
しながら加工できるので、加工作業を容易とすることが
できる。

【００１４】また、本発明の光造形法では、基本的にレ
ーザー光の照射による第１段階としての処理によって、
光硬化性流動物質を該レーザー光の照射に沿った長さ方
向の深さ（厚み）に対して硬化させることができるの
で、レーザー照射器の照射方向への移動とか、レンズ調
整等により、レーザー光の焦点位置を適宜制御すること
で、硬化の厚みを自在に制御することができる。更に、
硬化の程度、即ち、硬化、半硬化、非硬化等の硬化度合
も、そのレーザー光の強度とか移動速度の制御等により
自在に変化させることができる。

【００１５】更に、本発明の光造形法では、前記のよう
に、第１段階として６００乃至８００ｎｍのレーザー光
照射により光硬化性流動物質を硬化又は半硬化すること
ができるが、この第１段階の硬化処理を施した後に、こ
の被処理物に第２段階として６００ｎｍより短い波長の
光、又はこれを含む水銀ランプ等の可視光を照射するこ
とにより、更に硬化状態を進行させて一層完全な硬化条
件を与えることができる。

【００１６】このような第１段階処理の後に、第２段階
としての処理を行う利点としては、まず、夫々の段階で
の光照射の条件を適宜組合わせることによって、製造作
業の過程で硬化物の硬度を連続的にコントロールするこ
とができることである。また、製造の途中で異なるプロ
セスによる硬化処理、つまり補助的な処理を挿入するこ
とによって、従来の硬化システムでは不可能であった最
終的に同等の硬度を有することを目的とした硬化物であ
っても、硬度が相違することになる処理を施すことが可
能となる。

【００１７】

【実施例】次に本発明の実施例を説明すると、図１は本
発明を実施するための光造形装置の説明図であって、ガ
ラス等の透明な容器２の内部に光硬化性流動物質１を貯
留し、この透明容器２内に貯留された光硬化性流動物質
１の上方には、図示を省略した昇降装置の下面に固定し
た透明ガラス板３を、前記光硬化性流動物質１の液面と
接するように配置して、この容器２の下面に配置した半
導体レーザー照射器４から、赤色の６７０ｎｍ程度の波
長のレーザー光７を容器２の底面を通して光硬化性流動
物質１中へ照射することにより、該光照射部分の光硬化
性流動物質１を硬化させて容器２の底面とガラス板３と
の間に柱状の硬化部１ａを成形する。前記半導体レーザ
ー照射器４には、レーザー光７をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に移
動させるための駆動装置５が備えられており、この駆動
装置５はコンピュータ６によって操作される。

【００１８】前記の半導体レーザー照射器４及び駆動装
置５とからなるレーザー光照射手段の仕様例としては、
光線を例えばＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に往復移動するときの加
工繰り返し精度が０．００１ミリ（１μ）、Ｘ，Ｙ，Ｚ
軸方向における最小スポット移動単位が０．０１ミリ、
ビームスポット径が０．０１（Ｘ軸）×０．０２（Ｙ
軸）ミリ、硬化時のＸ，Ｙ軸移動速度が０．５〜１５ミ
リ／秒、非硬化時のＸ，Ｙ軸移動速度が３０ミリ／秒、
最小硬化スポットサイズが０．０１０×０．０２５ミリ
（照射時間０．０３秒／スポット）、硬化領域の拡大率
と露光時間がＸ軸方向の増加率０．１０ミリ／１００秒
及びＹ軸方向の増加率０．２５ミリ／１００秒である。

【００１９】前記レーザー光照射手段による解像度の目
安としては、１文字が６×１２ドット程度で文字間隔が
２ドット程度の場合に、例えば「Ａｕｓｔｒａｄｅ」と
いうような文字列を０．７ミリの幅以下で製作すること
が可能である。また、Ｘ，Ｙ軸に平行な直線で構成され
たパターンの場合には、夫々の硬化した線の間の溝は１
０ミクロン程度である。

【００２０】更に、前記レーザー光照射手段の外形的大
きさは、縦２０ｃｍ、幅４０ｃｍ、奥行き４０ｃｍ程度
であり、重量は、振動防止のバラストを含めて２０ｋｇ
程度であり、光硬化性流動物質を硬化できる範囲の大き
さは２０ｃｍ×１５ｃｍ程度である。なお、コンピュー
タはＰＣ−９８０１シリーズを使用した。

【００２１】本発明における光硬化性流動物質のモノマ
ーとしては、ベンゼン環を含むものが多く、ポリエステ
ルアクリレート等のアクリル樹脂又はその混合物があ
る。また、モノマーに代えて分子量の小さいこれらの樹
脂高分子を使用してもよい。光硬化開始剤であるメタロ
セン化合物（鉄アレーン錯体）としては、鉄を含むイル
ガキュア２６１〔商標名：チバガイギー社製ＩＲＧＡＣ
ＵＲＥ２６１：化学名；（１−６−η−クメン）（η−
シクロペンタジエニル）鉄（１＋）六フッ化リン酸（１
−）〕が代表的である。過酸化物としては、クメンハイ
ドロパーオキサイドが有効である。更に、光硬化性流動
物質には、希釈材としてテトラヒドロフルフリルアクリ
レートを添加することが好ましい。

【００２２】更に、本発明における光硬化性流動物質の
種類としては、高硬度タイプの場合には、主として、エ
ポキシ樹脂に、光硬化開始剤としての前記メタロセン化
合物と、過酸化物としてのクメンハイドロバーオキサイ
ドと、希釈材としてのテトラヒドロフルフリルアクリレ
ートとを組み合わせたものが使用される。次に、解像度
及び感度重視タイプのものとして、主に、アクリル樹脂
に、光硬化開始剤としての前記メタロセン化合物と、過
酸化物としてのクメンハイドロパーオキサイドと、希釈
材としてのテトラヒドロフルフリルアクリレートとを組
み合わせたものが使用される。更に、中間タイプのもの
としては、アクリル樹脂と、エポキシ樹脂と、メタロセ
ン化合物と、クメンハイドロパーオキサイドとの配合比
率を適宜調整したものが使用される。

【００２３】次に、本発明の光造形法を、レーザー光の
照射による第１段階の硬化処理により、図２に示すよう
な円筒状の造形物１０を成形する場合の方法について説
明する。まず、図３ａ及び図４ａのように、前記半導体
レーザー照射器４より、透明容器２の底面から光硬化性
流動物質１を通して、赤色の６７０ｎｍ程度の波長のレ
ーザー光７を前記ガラス板３の裏面方向へ照射すると、
ガラス板３の下面の光硬化性流動物質１は、前記レーザ
ー光の焦点位置を特定箇所で適宜時間的に制御すること
により、該レーザー光の照射に沿った長さ方向、つまり
Ｚ軸の方向に対して柱状に硬化し、前記ガラス板３の下
面と透明容器２の底面との間に柱状硬化部１ａが付着形
成される。

【００２４】次に、図３ｂ及び図４ｂに示すように、前
記のレーザー光７の照射条件を同じとして、該レーザー
光７をＸ，Ｙ軸方向に順次移動することにより、前記柱
状硬化部１ａと同様な長さの硬化部１ｂ，１ｃ・・・１
ｎを、前記硬化部１ａと平行に順次隣接するように連続
させて、第１段目の環状硬化部１０ａを成形する。

【００２５】このようにして、ガラス板３の裏面に環状
硬化部１０ａが成形された後、図３ｃのように、容器２
内の光硬化性流動物質１の液面と接している前記ガラス
板３を、前記環状硬化部１０ａの下端が光硬化性流動物
質１の液面から離れないようにして、昇降装置により上
方に引き上げ、その状態でこの第１段目の環状硬化部１
０ａの下面に、再び前記と同様の手順によりレーザー光
７を照射して、柱状硬化部１ａを成形する。

【００２６】そして、図３ｄのように、第１段目環状硬
化部１０ａの下面に前記と同様に、柱状硬化部１ａ，１
ｂ，１ｃ・・・１ｎを順次連続的に成形して、第２段目
の環状硬化部１０ｂを成形する。以下同様の手順を繰り
返すことにより、第２段目の環状硬化部１０ｂの下面に
第３段目の環状硬化部１０ｃを成形するようにして、ガ
ラス板３の下面に、最終的に図２のような所定の長さを
有する円筒状の造形物１０を成形することができる。

【００２７】同様にして、図５のような上下両端の直径
が異なる中空円錐状の造形物１１を成形する場合には、
図６ａのように、前記の円筒状の造形物１０の場合と同
様な方法によって、ガラス板３の下面に柱状硬化部１ａ
による第１段目の環状硬化部１１ａを成形したのちに、
図６ｂのように、ガラス板３を環状硬化部１１ａの下端
が光硬化性流動物質１の液面から離れないように引き上
げ、その状態で第１段目の環状硬化部１１ａの下面にお
ける僅かに内側の部分にレーザー光７を照射して、柱状
硬化部１ａを成形する。

【００２８】次に、図６ｃのように、第１段目の環状硬
化部１１ａの下面に、該第１段目環状硬化部１１ａの直
径より内側の部分に柱状硬化部１ｂ，１ｃ．・・１ｎを
順次連続的に成形して、第１段目環状硬化部１１ａより
も僅かに直径の小さい第２段目の環状硬化部１１ｂを成
形し、以下同様の手順を繰り返すことにより、第２段目
の環状硬化部１１ｂの下面に第３段目の環状硬化部１１
ｃを成形するようにして、最終的に図５のような所定の
長さを有する中空円錐状の造形物１１を成形することが
できる。

【００２９】上記の中空円錐状造形物１１と同様な形状
で、図８に示すような、内部が中実な円錐状造形物１２
を成形する場合には、例えば、図９ａ及び図１０ａのよ
うに、前記と同様な方法により、まずガラス板３の下面
に第１段目の環状硬化部１２ａを成形した後、ガラス板
３を同じ高さに保持したままで、この環状硬化部１２ａ
を最外周硬化部として、該最外周環状硬化部１２ａの内
周面に直径の小さい第２周目の内側環状硬化部１２ｂを
隣接して周設する。

【００３０】次に、図９ｂ及び図１０ｂのように、ガラ
ス板３を同じ高さに保持したままで、前記内側環状硬化
部１２ｂの内周面に更に直径の小さい第３周目の内側環
状硬化部１２ｃが周設されるようにして、中心部方向に
向けて直径の小さい環状硬化部１２ｎを順次成形し、中
実な第１層目硬化部１３ａを造る。

【００３１】このようにして中実な第１層目硬化部１３
ａを成形した後、図９ｃのように、ガラス板３を第１層
目硬化部１３ａの下端が光硬化性流動物質１の液面から
離れないように引き上げてから、図９ｄ及び図１０ｃの
ように、前記第１層目硬化部１３ａの下面に同様な手順
により、第２層目硬化部１３ｂを成形し、以下同様な方
法により最終的に所定の長さの中実な円錐状造形物１２
が成形される。

【００３２】また、上記のような中実な造形物を成形す
る場合には、更に図１１に示すような別の方法により、
前記の図９，１０に示す方法よりも能率的に円錐状造形
物１４を成形することがができる。この方法では、ま
ず、図１１ａのように、ガラス板３の下面に第１周目の
環状硬化部１５ａを成形した後、図１１ｂのように、ガ
ラス板３を第１周環状硬化部１５ａの下端が光硬化性流
動物質１の液面から離れないように上方に引き上げる。

【００３３】このようにガラス板３を第１周環状硬化部
１５ａの下端が光硬化性流動物質１の液面から離れない
ように引き上げると、第１周環状硬化部１５ａの内側は
負圧状態のまま引き上げられるので、容器２内における
第１周環状硬化部１５ａの内側の光硬化性流動物質１
は、この第１周環状硬化部１５ａの内側に位置したまま
の状態、つまりガラス板３の下面に付着したままの状態
でガラス板３と共に上昇する。

【００３４】この状態で図１１ｃのように、前記第１周
環状硬化部１５ａの内側部分にレーザー光７を照射し
て、容器２の底面とガラス板３との間の光硬化性流動物
質１を柱状に硬化させ、順次同様の硬化処理を繰り返え
すことにより、前記第１周環状硬化部１５ａの内側部分
に、該硬化部１５ａよりも長い柱状の第二周環状硬化部
１５ｂを成形する。

【００３５】以下、同様な方法によって、図１１ｄのよ
うに第二周環状硬化部１５ｂの内側部分に、該硬化部１
５ｂよりも長い柱状の第三周環状硬化部１５ｃを成形し
て、最終的に図１１ｅのように最も内側の環状硬化部１
５ｎを成形することで、所定の長さの中実な円錐状造形
物１４が形成される。

【００３６】また、平面的に複雑な形状を有する造形
物、例えば、図１２に示す歯車のような造形物１６を成
形する場合には、前記図３ａ乃至図３ｄに示した場合と
同じように、例えば、光硬化性流動物質１にレーザー光
７を照射して、まず、ガラス板３の下面に歯１７ａと溝
１７ｂの形状に沿った柱状硬化部１ａを成形し、次いで
中央部の穴１７ｃ迄の間隔に順次柱状硬化部１ａが成形
されるように順次レーザー光７をＸ，Ｙ軸方向へ移動す
ることによって、ガラス板３の下面に歯車状造形部１６
を付着成形することができる。

【００３７】また、同様にして、図１３に示すような部
分的に高さや厚み等が異なる造形物１８を成形する場合
には、図６ａ乃至図６ｃに示した場合と同じように、レ
ーザー光７のＸ軸，Ｙ軸もしくはＺ軸方向への移動によ
り、先に成形された柱状硬化部１ａに対して、次に成形
される柱状硬化部１ａの位置を変位させることで、どの
ような形状にでも自由に成形することができる。

【００３８】本発明では、上記のように光硬化性流動物
質にレーザー光を照射する第１段階の硬化処理により、
硬化した造形物を成形することができるが、この第１段
階の硬化処理だけでもレーザー光の照射時間を調整する
ことで造形物の硬度を変えることができる。つまり、レ
ーザー光の照射時間を長くすれば硬度を高くすることが
でき、反対に照射時間を短くすれば硬度を低くすること
ができる。

【００３９】また、前記のようなレーザー光の照射時間
を調整することで造形物の硬度を変えること以外にも、
光硬化性流動物質に対するレーザー光の焦点位置を適切
に処理することによっても造形物の硬度を変えたり、或
いは光の焦点位置が何処にあるかを確認することによ
り、光硬化性流動物質の硬化の進行状況を的確に把握す
ることができる。この場合、何らかの方法により光の焦
点位置を確認できるようにする必要があるが、本発明で
は、光硬化性流動物質にレーザー光を照射した時に或る
位置に表れる光のスポット、つまりファーフィールドパ
ターンを観測することでレーザー光の焦点位置を把握す
ることができる。

【００４０】例えば、図１４のように、ガラス板３の下
に成形される光硬化性流動物質１の下側からレーザー光
７を照射して、その光をゆっくりと矢印Ａの方向へ移動
した際に、ガラス板３の上方の或る断面１９には、図１
５に示すような、楕円形のファーフィールドパターン２
１が映ることになるが、このレーザー光７の焦点位置２
０が光硬化性流動物質１の下側にある場合には、このフ
ァーフィールドパターン２１は光の進行方向の後側に幅
Ｗをもった略三角形の尾２２が形成された形となる。

【００４１】また、図１６のように、レーザー光７の焦
点位置２０が光硬化性流動物質１及びガラス板３の上側
にある場合には、ガラス板３の上方断面１９に映る楕円
形のファーフィールドパターン２１は、図１７に示すよ
うに、光の進行方向の前側に幅Ｗをもった略三角形の尾
２２が形成された形となる。

【００４２】更に、図１８のように、このレーザー光７
の焦点位置２０が光硬化性流動物質１の中央部にある場
合には、ガラス板３の上方断面１９に映る楕円形のファ
ーフィールドパターン２１は、図１９に示すように、光
の進行方向に沿った楕円形ファーフィールドパターン２
１の両側に同じ幅をもった曲面状の帯２３が形成された
形となる。

【００４３】上記のように、ガラス板３の上方の断面１
９に映しだされるファーフィールドパターン２１の形状
が互いに異なるのは、夫々光硬化性流動物質１を透過す
る光の焦点と硬化進度が相違しているからであり、当然
のことながら、図１８のように、レーザー光７の焦点位
置２０が光硬化性流動物質１の中央部にある場合は硬度
が適切に進行し、図１４及び図１６のように、レーザー
光７の焦点位置２０が光硬化性流動物質１から外れてい
る場合は硬度の進行が遅れることになる。

【００４４】従って、前記のようなファーフィールドパ
ターン２１の形状をモニターすることで、光の焦点位置
２０を適宜調整したり、或いは、必要に応じて成形する
造形物における或る部分を硬くしたり柔らかにしたりす
る調整を自由に行うことができる。

【００４５】本発明では、上記のような第１段階として
の硬化処理によるレーザー光の照射時間の調整や、焦点
位置の調整等の処理により、造形物の硬度を最終的に調
整することが可能であるが、造形物の形状や目的等の条
件によっては、前記のような第１段階としての調整処理
により、目的とする造形物の一部の硬度を高めたり或い
は半硬化状態としたのち、次に得られた造形物をレーザ
ー光照射装置より取り外してから、第２段階の処理とし
て、前記造形物に水銀ランプによる近紫外線の照射を加
えることにより、最終的に全ての部分の硬度を高めると
いうポストキュア処理を併用することができる。

【００４６】また、作業時の状況によっては、前記のよ
うな第１段階としてのレーザー光の照射処理により光の
照射時間の調整や、焦点位置の調整等を行って、目的と
する造形物の形状全体を半硬化状態で短時間に能率的に
成形し、次に、その造形物をレーザー光照射装置より取
り外して、第２段階の処理である水銀ランプによる近紫
外線の照射を加えることで、最終的に全ての部分の硬度
を高めるというような処理も可能である。

【００４７】上記のように、硬化処理を第１段階と第２
段階とに分けることは、例えば、図２０ｃに示すような
箱体２４を造る場合に利用できる。つまり、図２０ａに
示すように、レーザー光照射手段による第１段階によっ
て、夫々の壁面２４ａを所定の硬度に硬化させると共
に、夫々の壁面２４ａを接続する折り目部分２４ｂは半
硬化もしくは未硬化の状態に処理して、展開状態の箱体
素材を成形する。次に、図２０ｂのように、この箱体素
材をレーザー光照射手段から取り出して、折り目部分２
４ｂを折り曲げて箱体に組み立てた後、第２段階として
の水銀ランプによる光を照射することで、半硬化もしく
は未硬化状態の折り目部分２４ｂを硬化させ、最終的に
図２０ｃのような立体的な箱体２４を得ることができ
る。

【００４８】この箱体２４の例は、各壁面２４ａを接続
する折り目部分２４ｂを半硬化もしくは未硬化の状態に
処理して、最終的には前記折り目部分２４ｂを第２段階
で硬化させる場合の例であるが、造形物の形状等によっ
ては、成形の段階での便宜性を考慮して、硬化部分と半
硬化もしくは未硬化の部分とを同時に成形した後に、最
終的には硬化部分と半硬化もしくは未硬化部分とを切り
離して、夫々分離した構造の造形物を造ることもでき
る。

【００４９】例えば、図２１ａに示すような、一対の歯
車２５ａと２５ｂとの間に、これらの歯車と噛み合って
可動するベルト２６が予め一体的に張り渡されるように
組み立てられた造形物を造る場合（ただし、この場合の
例はベルト２６に相当する部分を、実際に高速で回転力
が伝えられるゴム製ベルトのような機械部品という意味
で捉えると、必ずしも適切な例であるとはいえないが）
は、前記図１２についての説明で示したような方法によ
り、まず、第１段階としてのレーザー光照射手段によ
り、一対の歯車２５ａと２５ｂとを半硬化もしくは未硬
化の状態で成形し、次に、図２１ｂのように、夫々の歯
車の歯２７の外側に僅かな隙間をおいて、該歯２７と噛
み合う歯２８をもったベルト２６の部分を半硬化もしく
は未硬化の状態に成形し、夫々の成形後に歯車２５ａ及
び２５ｂだけに第２段階としての水銀ランプ照射を行っ
て、歯車２５ａ及び２５ｂの硬化状態が高くなるように
処理する。

【００５０】上記のように、本発明では、第１段階とし
てのレーザー光の照射のみにより硬化造形物の硬度を適
宜調整することは可能であるが、更に、このようなレー
ザー光の照射による第１段階処理と、水銀ランプの照射
による第２段階処理とを組み合わせることよって、完成
時における目的とする造形物に対して広範な硬度条件の
バリエーションを与えることができる。

【００５１】上記のように、レーザー光の照射による第
１段階処理と、水銀ランプの照射による第２段階処理と
を組み合わせた場合には、レーザー光の照射時間と、水
銀ランプの照射条件との組み合わせによって、造形物の
硬さを連続的にコントロールすることができるし、ま
た、最終的に同じ硬度を持たせることを目的とした造形
物であっても、製作途中のプロセスによって異なる弾性
（硬度）を経過させることが可能であり、その結果、前
記の図２０の箱体や、図２１の歯車のように、従来での
この種のシステムでは不可能であった補助的処理を自由
に付加することができる。

【００５２】更に、前記のレーザー光の照射による第１
段階において、造形物の或る部分を半硬化もしくは未硬
化の状態で成形することは、前記の歯車とベルトの関係
のように、複数の部品が組み合わされるような造形物を
成形する場合に利点がある。これは、光硬化性流動物質
が光エネルギーにより硬化する過程で、硬化の度合いに
より体積が僅かに収縮するので、その収縮による力学的
作用を利用することができるからである。

【００５３】また、この体積の収縮を利用する方法とし
ては、上記ような歯車とベルトのような関係以外にも、
複数の部品状造形物の間に橋状もしくはロープ状の連結
部分を備えた複雑な形状の造形物を成形する場合に有利
である。このような造形物を成形する場合には、前記の
橋状もしくはロープ状の連結部分を半硬化の状態で設け
ておき、ほぼ全体の形状が成形された時点でこれらの連
結部分を再度レーザー光の照射処理により徐々に硬度を
上げると、該連結部分の体積が収縮することにより部品
間に互いに引き合う力が生ずるので、この力を利用して
所定のデザインの造形物を成形すると同時に、これらの
部品間の適正な組み立てとか、移動、固定、分解、修正
等の処理を行うことが可能となる。

【００５４】例えば、図２２ａのように、ガラス板３の
下面に造形物２９ａを成形した後、図２２ｂのように、
前記造形物２９ａの下面に細い断面の接続部２９ｂを成
形して、更に図２２ｃのように、前記接続部２９ｂの下
面に大きな断面の下層造形物２９ｃを成形するような場
合には、下層造形物２９ｃが成形された後にガラス板３
を引き上げると、面積の大きい下層造形物２９ｃの底面
が容器２の底面と付着して、成形された造形物を容器２
から引き上げにくいことがある。

【００５５】このような場合、図２２ａのように、ガラ
ス板３の下面における造形物２９ａの側方に、予め細い
ロープ状の連結部分３０ａを半硬化の状態で成形してお
き、次に図２２ｂのように、前記造形物２９ａの下面に
細い断面の接続部２９ｂを成形した際に、前記のロープ
状連結部分３０ａの下端にも同様なロープ状連結部分３
０ｂを半硬化の状態で成形しておく。

【００５６】そして前記の細い断面の接続部２９ｂと前
記のロープ状連結部分３０ｂの下面に、図２２ｃのよう
に前記の下層造形物２９ｃを成形した後に、該下層造形
物２９ｃの下面の前記ロープ状連結部分３０ｂの下端に
相当する部分にレーザー光７を照射して、夫々の半硬化
のロープ状連結部分３０ａ及び３０ｂとを硬化させる
と、夫々の半硬化のロープ状連結部分３０ａ及び３０ｂ
が硬化することによりそれらの体積が収縮して、この収
縮力により図２２ｄのように、下層造形物２９ｃを容器
２の底面から容易に引き剥すことができる。

【００５７】また、従来の光造形法のようにレーザー光
の照射によって光硬化性流動物質１を全て完全に硬化さ
せる方法では、例えば、図２３ａのようにガラス板３の
下面に円筒体３１の全体が最初から硬い状態で成形され
るので、円筒体３１の下端部３１ａが光硬化性流動物質
１により閉ざされていることによって、目的とする所定
の形状が成形された段階で内部が負圧状態となり、図２
３ｂのように、円筒体３１は大気圧によって破壊される
ことになる。

【００５８】このような場合、本発明の方法では、円筒
体下端部３１ａを半硬化の状態として成形しておくこと
によって、円筒体下端部３１ａが容器２の底面から離れ
易いし、また、図２３ｃのように円筒体下端部３１ａが
光硬化性流動物質１の液面から離れる際に、いったん外
側からの押圧力を受けて変形しても、この下端部３１ａ
が光硬化性流動物質１の液面から離れた後には、円筒体
３１内に大気圧が入り込むことにより、下端部３１ａの
変形が回復して目的とする形状に復帰させることができ
る。なお、このようにして成形された後の造形物は、第
２段階としての水銀ランプの照射処理により全体を硬化
させることができる。

【００５９】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明によれば、
エポキシ樹脂又はアクリル樹脂のモノマー、もしくはエ
ポキシ樹脂とアクリル樹脂の混合物のモノマーにメタロ
セン化合物と過酸化物とを混和した光硬化性流動物質に
対し、６００乃至８００ｎｍの波長のレーザー光を照射
して照射部を硬化又は半硬化状態とするので、Ｚ軸方向
に沿ったレーザー光の照射により、光硬化性流動物質を
その深さ方向（厚さ方向）に柱状に能率的よく硬化させ
ることができ、従って、このレーザー光のＺ軸方向の照
射によって成形される柱状の硬化状態が、レーザー光の
照射をＸ，Ｙ軸方向へ順次移動することで、従来のよう
な薄い平面的な硬化部の積層としてではなく、所定の厚
さをもった立体的な層の積層として成形することがで
き、著しく作業能率の高い光造形法を期待することがで
きる。

【００６０】また、本発明の光造形法では、レーザー光
の照射により、光硬化性流動物質をその深さ方向（厚さ
方向）に柱状に能率的よく硬化させることができるの
で、レーザー光の焦点位置や、レーザー光の移動速度等
の条件を適宜制御することにより、硬化の厚みを制御し
たり、或いは、硬化、半硬化もしくは非硬化等の硬化度
合を自在に変化させることができ、応用範囲が広く取扱
い易い造形法とすることができる。

【００６１】特に、第１段階におけるレーザー光の照射
条件を調整することで、硬化の厚みを制御したり、硬
化、半硬化もしくは非硬化等の硬化度合を自在に変化さ
せることができるので、このようなレーザー光の照射に
よる硬化処理と、その後の第２段階としての、レーザー
光以外の光照射による硬化処理をポストキュアとして併
用することができ、その結果、製造の途中で異なるプロ
セスによる補助的な硬化処理を挿入したり、複数の部品
の組み合わせからなる造形物を成形する場合における部
品、部材間の移動、固定、組立て、分解、修正等の作業
を行うことで、広範な分野の立体物造形を簡便かつ能率
的に成形できるという効果を有する。

【００６２】その外、光硬化性流動物質を通過するレー
ザー光の回析現象により生ずるファーフィールドパター
ンの形状をモニターすることで、光硬化性流動物質の硬
化度合いを調整できるので、常に作業の進行状況を的確
に把握することができるとか、６７０ｎｍ程度の波長の
半導体レーザー光を使用できるので、従来の気体レーザ
ー光を使用する方法に比較して、冷却設備が不要であ
り、消費電力が少なく、かつ装置全体がコンパクトで操
作性が良好で、しかも保守管理が簡便である等の効果を
有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光造形法に使用する光造形装置の構成
を示す説明図。

【図２】本発明の光造形法により成形される造形物の一
例を示す斜視図。

【図３】図２の造形物を成形する工程を示す断面図。

【図４】同じく図２の造形物を成形する工程を示す斜視
図。

【図５】本発明の光造形法により成形される造形物の他
の一例を示す斜視図。

【図６】図５の造形物を成形する工程を示す断面図。

【図７】同じく図５の造形物を成形する工程を示す斜視
図。

【図８】本発明の光造形法により成形される造形物の更
に別の一例を示す斜視図。

【図９】図８の造形物を成形する工程を示す断面図。

【図１０】同じく図５の造形物を成形する工程を示す斜
視図。

【図１１】図８の造形物を更に別の工程により成形する
場合の例を示す断面図。

【図１２】本発明の光造形法により成形される造形物の
別の一例を示す斜視図。

【図１３】同じく本発明の光造形法により成形される造
形物の他の一例を示す斜視図。

【図１４】レーザー光の焦点位置が光硬化性流動物質の
手前側にあるときのレーザー光の照射状態を示す側面
図。

【図１５】図１３の照射状態におけるファーフィールド
パターンの形状を示す平面図。

【図１６】レーザー光の焦点位置が光硬化性流動物質の
後方側にあるときのレーザー光の照射状態を示す側面
図。

【図１７】図１５の照射状態におけるファーフィールド
パターンの形状を示す平面図。

【図１８】レーザー光の焦点位置が光硬化性流動物質の
中にあるときのレーザー光の照射状態を示す側面図。

【図１９】図１７の照射状態におけるファーフィールド
パターンの形状を示す平面図。

【図２０】レーザー光の照射による硬化処理と、その後
の他の光照射による硬化処理とを併用した場合における
造形物の成形工程を示す斜視図。

【図２１】同じくレーザー光の照射による硬化処理と、
その後の他の光照射による硬化処理とを併用した場合に
おける他の形状の造形物の成形工程を示す斜視図。

【図２２】レーザー光の照射により、光硬化性流動物質
が硬化する際に生ずる体積の収縮を利用して複雑な形状
の造形物を成形する場合の成形工程を示す断面図。

【図２３】レーザー光の照射による硬化処理として、造
形物の一部を半硬化状に成形しておくことの利点を説明
するための成形工程を示す断面図。

【符号の説明】

１光硬化性流動物質、１ａ，１ｂ，１ｃ・・・１
ｎ柱状硬化部、２容器、３ガラス板、４
レーザー照射器、５駆動装置、６コンピュー
タ、７レーザー光、１０造形物、１０ａ，
１０ｂ，１０ｃ環状硬化部、１１造形物、１１
ａ，１１ｂ，１１ｃ環状硬化部、１２造形物、
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ環状硬化部、１３ａ，１３
ｂ，１３ｃ第１層目乃至第３層目硬化部、１４造
形物、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ環状硬化部１６
造形物、１７ａ歯、１７ｂ溝、１７ｃ
穴、１８造形物、１９ガラス板上の断面、
２０焦点位置、２１ファーフィールドパターン、
２２三角形の尾、２３曲面状の帯、２４
箱体、２４ａ壁面、２４ｂ折り目部分、２
５ａ，２５ｂ歯車、２６ベルト、２７歯、
２８歯、２９ａ造形物、２９ｂ接続
部、２９ｃ下層造形物、３０ａ，３０ｂロープ
状連結部分、３１円筒体、３１ａ円筒体下端
部、

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】エポキシ樹脂又はアクリル樹脂のモノマ
ー、もしくはエポキシ樹脂とアクリル樹脂の混合物のモ
ノマーにメタロセン化合物と過酸化物とを混和した光硬
化性流動物質に対し、６００乃至８００ｎｍの波長のレ
ーザー光を照射して照射部を硬化又は半硬化状態とする
ことを特徴とする光造形法。
【請求項２】エポキシ樹脂又はアクリル樹脂のモノマ
ー、もしくはエポキシ樹脂とアクリル樹脂の混合物のモ
ノマーにメタロセン化合物と過酸化物とを混和した光硬
化性流動物質に対し、６００乃至８００ｎｍの波長のレ
ーザー光を照射して照射部を硬化又は半硬化状態とし、
その後６００ｎｍより短い波長の光を照射して更に硬化
を進めて造形させることを特徴とする光造形法。
【請求項３】光硬化性流動物質のメタロセン化合物が
（１−６−η−クメン）（η−シクロペンタジエニル）
鉄（１＋）六フッ化リン酸（１−）である請求項１又は
２に記載の光造形法。
【請求項４】光硬化性流動物質におけるアクリル樹脂
のモノマーとして、ボリエステルアクリレートのモノマ
ーを使用する請求項１乃至３のいずれかに記載の光造形
法。
【請求項５】光硬化性流動物質としてエポキシ樹脂と
アクリル樹脂のモノマーの混合物を使用する請求項１乃
至３のいずれかに記載の光造形法。
【請求項６】光硬化性流動物質の過酸化物がクメンハ
イドロパーオキサイドである請求項１乃至５のいずれか
に記載の光造形法。
【請求項７】光硬化性流動物質中に希釈剤としてテト
ラヒドロフルフリルアクリレートを混入した請求項１乃
至６のいずれかに記載の光造形法。
【請求項８】レーザー光による照射後の光による照射
が水銀ランプでなされる請求項２乃至７のいずれかに記
載の光造形法。
【請求項９】光硬化性流動物質を収容した透明な容器
の底面もしくは側面から内部の光硬化性流動物質に向け
てレーザー光照射を行う請求項１乃至８のいずれかに記
載の光造形法。
【請求項１０】レーザー光の照射を、光硬化性流動物
質を硬化させない領域に対しては速く移動させ、硬化さ
せる領域には遅く又は一時停止して照射することで硬化
させない領域と、硬化する領域と、半硬化の領域とを作
り出す請求項１乃至９のいずれかに記載の光造形法。
【請求項１１】請求項１乃至１０のいずれかに記載の
光造形法を用いて、複数部材を組み合わせた組立構造体
を、レーザー光の照射の移動速度又は照射の強さの調整
によって、硬化させる領域と、硬化させない領域と、又
は半硬化の領域を作り出すことで組立状態のまま三次元
に成形する光造形法。
【請求項１２】請求項１乃至１０のいずれかに記載の
光造形法を用いて、レーザー光の照射により互いに半硬
化領域で連結された造形物を作り出し、次にその半硬化
部分を折り曲げて別の三次元造形体とした後に、その造
形体が保持されるように造形体の前記連結部分を光照射
又はレーザー光照射によって硬化連結させて三次元組立
造形物を作り出すことを特徴とする光造形法。
【請求項１３】透明容器内に貯留された光硬化性流動
物質の表面にガラス板を接触させて、前記透明容器の下
方からレーザー光を照射することにより、前記ガラス板
の下面に光硬化性流動物質の硬化造形物を成形する請求
項１又は２に記載の光造形法。
【請求項１４】透明容器内に貯留された光硬化性流動
物質の表面に接触させるガラス板が透明である請求項１
３に記載の光造形法。
【請求項１５】光硬化性流動物質の貯留された容器の
下方からレーザー光の照射を行って前記光硬化性流動物
質の硬化した部分を徐々に引き上げながら、硬化部分の
下方よりレーザー光を照射して前記硬化部分の下側に硬
化部分を成長させていく請求項１又は２に記載の光造形
法。
【請求項１６】レーザー光の照射断面を順次環状に移
行して、パイプ状の造形物を成形する請求項１，２又は
１５に記載のパイプ連続成形法。
【請求項１７】光硬化性流動物質に沿ってレーザー光
の照射を移動させ、光硬化性流動物質の上方にある透明
板に前記の移動するレーザー光の透過光が映し出すファ
ーフィールドパターンに、略三角形の尾が発生した場合
には前記レーザー光の焦点が前記光硬化性流動物質内に
ないとするレーザー光の焦点位置確認法。
【請求項１８】Ｘ，Ｙ，Ｚ，の三軸方向に移動する駆
動装置に６００乃至８００ｎｍの波長のレーザー照射器
を取付け、該レーザー照射器の上方に光硬化性流動物質
を貯えた容器を配置して、同容器内における前記光硬化
性流動物質の液面に透明板が接触するように設けて、前
記をレーザー照射器をコンピュータによって駆動させる
光造形法。