JP6022493B2 - 光造形方法、光造形装置、及び生成プログラム - Google Patents

Description

本発明は、光造形方法、光造形装置、及び生成プログラムに関する。

光硬化性材料に光線を照射してその一部を硬化させ、三次元形状物を造形する光造形装置が実用化されている（例えば、特許文献１参照）。この光造形装置は、ＣＡＤシステムで設計した機械部品等を容易に実体化できる。造形された造形物によって設計の確認と直接的な評価とを行うことができる。

光造形装置は、三次元形状物のＣＡＤデータから鉛直方向におけるスライスデータを算出して、スライスデータに従って下から順に一層ずつ造形することで三次元形状物を造形する。

光造形装置は、光硬化性材料として液状の光硬化性樹脂で満たされた液槽中に昇降可能な昇降テーブルを備えている。液槽の上部が開口しており、上部から光線が照射される。光造形装置は、三次元形状物を造形する際に、まず、昇降テーブルを液状の光硬化性樹脂の液面から最下層の厚さ分だけ下降した高さに位置させる。そして、光造形装置は、リコータを液面に沿って移動させることで液面を安定させる。光造形装置は、この状態でスキャナによって光線を必要な範囲内に走査して、最下層を光硬化させる。次に、光造形装置は、昇降テーブルを最下層から二番目の層の厚さ分だけ下降させ、同様にして二番目の層を光硬化させる。以降、光造形装置は、同様にして、下から順に一層ずつ光硬化させることによって三次元形状物を造形する。

特開２０１１−２１８８２１号公報

ところで、光造形装置では、図５に示されるように、架橋構造を有する三次元形状物を造形することがある。架橋構造は、鉛直方向に積層された橋台部１２２，１２３に橋桁部１２１が架橋された構造である。図６に示されるように、架橋構造を有する三次元形状物の各層の硬化時に、橋台部１２２，１２３と橋桁部１２１との架橋部分における収縮によって変形することがある。このため、架橋構造を有する三次元形状物の各層の硬化時における変形を抑制する光造形方法、光造形装置、及び生成プログラムが求められている。

なお、光線を照射しながら移動させることによって光硬化性材料を硬化させる点描方式に代えて、面露光によって光硬化性材料を硬化させる面露光方式の光造形方法及び光造形装置においても共通の課題がある。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、架橋構造を有する三次元形状物の各層の硬化時における変形を抑制する光造形方法、光造形装置、及び生成プログラムを提供することにある。

以下、上記課題を達成するための手段及びその作用効果について説明する。
上記課題を解決する光造形方法は、光硬化性材料に選択的に光を照射して前記光硬化性材料を一層ずつ硬化させることによって三次元形状物を造形する光造形方法において、橋台部と橋桁部とが接続された架橋構造を有する三次元形状物を造形する際に、前記橋台部と前記橋桁部との接続部の一部に隙間を形成し、前記隙間は、積層される同一層における前記橋桁部の積層方向と直交し、且つ前記橋台部に沿う方向である奥行き方向に形成することをその要旨としている。

上記方法によれば、架橋構造を有する三次元形状物を造形する際に、橋台部と橋桁部との接続部の一部に隙間を形成する。このため、架橋構造を有する三次元形状物を造形する際に、各層の硬化に伴って収縮が発生したとしても、隙間によって収縮が抑制される。よって、架橋構造を有する三次元形状物の各層の硬化時における変形を抑制できる。

上記光造形方法について、前記隙間は、積層方向に間隔を置いて形成することが好ましい。
上記方法によれば、積層方向に間隔を置いて隙間を形成する。このため、架橋構造を有する三次元形状物の各層の硬化時における変形を隙間によって抑制しつつ、間隔を置いて隙間を形成するので強度を持たせることができる。

上記光造形方法について、前記隙間は、前記奥行き方向に亘って形成することが好ましい。

上記方法によれば、積層される同一層における橋桁部の奥行き方向に亘って隙間を形成する。橋桁部の同一層は、奥行き方向において各層の硬化時に同じように収縮によって変形する。このため、架橋構造を有する三次元形状物の各層の硬化時における変形を抑制できる。

上記光造形方法について、前記隙間は、前記橋台部と前記橋桁部とによって形成される角から積層方向に延長した延長線上の一部に形成することが好ましい。
上記方法によれば、橋台部と橋桁部とによって形成される角の積層方向における角の延長線上の一部に隙間を形成する。橋台部と橋桁部とによって形成される角の積層方向における角の延長線上は、各層の硬化時の収縮によって顕著に変形する。このため、架橋構造を有する三次元形状物の各層の硬化時における変形を更に抑制できる。

上記光造形方法について、前記隙間は、前記橋桁部の最上面を含む層及び最下面を含む層の少なくとも一方に形成することが好ましい。
上記方法によれば、橋桁部の最上面を含む層及び最下面を含む層の少なくとも一方に隙間を形成する。橋台部と橋桁部との接続部分である最上面と最下面とは、各層の硬化時の収縮によって顕著に変形する。このため、架橋構造を有する三次元形状物の各層の硬化時における変形を更に抑制できる。

上記光造形方法について、前記光は、光線であって、前記隙間は、前記光線の照射によって前記光硬化性材料が硬化する硬化幅よりも大きく形成することが好ましい。
上記方法によれば、光線の照射によって光硬化性材料が硬化する硬化幅よりも大きく隙間を形成する。このため、造形物が収縮する際に、収縮が伝達されることを十分に抑制できる。よって、架橋構造を有する三次元形状物の各層の硬化時における変形を更に抑制できる。

上記課題を解決する光造形装置は、上記の光造形方法を行う制御部を備えることを要旨としている。
上記構成によれば、架橋構造を有する三次元形状物を造形する際に、橋台部と橋桁部との接続部の一部に隙間を形成する。このため、架橋構造を有する三次元形状物の各層の硬化時に、造形物に収縮が発生したとしても、隙間によって収縮が抑制される。よって、架橋構造を有する三次元形状物の各層の硬化時における変形を抑制できる。

上記課題を解決する生成プログラムは、光硬化性材料に選択的に光を照射して前記光硬化性材料を一層ずつ硬化させることによって三次元形状物を造形する光造形に用いるデータを制御部によって生成する生成プログラムであって、前記制御部を、橋台部と橋桁部とが接続された架橋構造を有する三次元形状物の設計データに基づき、前記橋台部と前記橋桁部との接続部の一部に隙間を生成する変換部として機能させ、前記隙間は、積層される同一層における前記橋桁部の積層方向と直交し、且つ前記橋台部に沿う方向である奥行き方向に生成されることを要旨としている。

上記構成によれば、架橋構造を有する三次元形状物の場合に、橋台部と橋桁部との接続部の一部に隙間を生成する。このため、三次元形状物の各層の硬化時に、各層の硬化に伴って収縮が発生したとしても、隙間によって収縮が抑制される。よって、架橋構造を有する三次元形状物の各層の硬化時における変形を抑制できる。また、データの生成時に隙間を生成するので、処理を簡素化できる。

本発明によれば、架橋構造を有する三次元形状物の各層の硬化時における変形を抑制できる。

光造形装置の概略構成を示す図。 架橋構造を有する三次元形状物を示す斜視図。 架橋構造を有する三次元形状物の架橋部分のスライスデータを示す図。 架橋構造を有する三次元形状物の架橋部分のスライスデータを示す図。 架橋構造を有する三次元形状物を示す正面図。 従来の架橋構造を有する三次元形状物における造形後の変形を示す正面図。

以下、図１〜図４を参照して、光造形方法、光造形装置、及び生成プログラムの一実施形態について説明する。
図１に示されるように、光造形装置は、光硬化性材料として液状の光硬化性樹脂で満たされた液槽１１と、光線を出射するレーザ１２と、レーザ１２から出射された光線を液槽１１に照射するスキャナ１３とを備えている。レーザ１２から出射された光線は、光学系装置を介してスキャナ１３に入射される。光造形装置は、液槽１１内において上下方向に昇降可能な昇降テーブル１５を備えている。昇降テーブル１５は、テーブル駆動装置１６によって上下に移動される。液槽１１の上方には、液面を整えるリコータ１７が設置されている。リコータ１７は、リコータ駆動装置１８によって前後方向（図中左右方向）に移動される。レーザ１２、スキャナ１３、テーブル駆動装置１６、及びリコータ駆動装置１８は、制御装置１０によって制御される。

光造形装置は、三次元形状物のＣＡＤデータ（設計データ）から三次元形状物を鉛直方向において分割したスライスデータを算出する。そして、光造形装置は、スライスデータに従って下から順に一層ずつ造形することで三次元形状物の造形物Ｓを造形する。

光造形装置は、三次元形状物を造形する際に、まず、昇降テーブル１５を液状の光硬化性樹脂の液面から最下層の厚さ分だけ下降した高さに位置させる。そして、光造形装置は、リコータ１７を液面に沿って移動させることで液面を安定させる。光造形装置は、この状態でスキャナ１３によって光線を必要な範囲内に走査して、最下層を光硬化させる。次に、光造形装置は、昇降テーブル１５を最下層から二番目の層の厚さ分だけ下降させ、同様にして二番目の層を光硬化させる。以降、光造形装置は、同様にして、下から順に一層ずつ光硬化させることによって三次元形状物を造形する。

次に、図２〜図４を参照して、橋台部と橋桁部とが接続された架橋構造を有する三次元形状物を造形する際に用いるスライスデータについて説明する。
図２に示されるように、ここでは正面視においてＨ字状の三次元形状物を造形する際について説明する。Ｈ字状の三次元形状物は、板状の橋桁部２１と、橋桁部２１と接続する２つの橋台部２２，２３とを有している。つまり、Ｈ字状の三次元形状物は、架橋構造を有している。橋台部２２，２３は、板状であって、対向して位置している。橋桁部２１は、板状であって、橋台部２２，２３の対向した面に架橋されている。三次元形状物は、光造形装置によって下から順に一層ずつ光硬化されることによって造形される。

光造形装置の制御部である制御装置１０は、三次元形状物が架橋構造を有する場合に、スライスデータを算出する際に三次元形状物に隙間を形成する。光造形装置の制御装置１０には、隙間を生成する変換部として機能させる生成プログラムが保存されている。制御装置１０は、橋桁部２１と橋台部２２，２３とが接続している接続部２５の一部に隙間を形成する。隙間は、積層される同一層における橋桁部２１の奥行き方向に形成する。なお、橋桁部２１の奥行き方向とは、積層方向と直交し、且つ橋台部２２，２３に沿う方向である。隙間は、積層方向に間隔を置いて形成する。隙間は、橋桁部２１と橋台部２２，２３とによって形成される角２６から積層方向に延長した延長線Ｐ上の一部に形成する。隙間は、橋桁部２１の最上面を含む層及び最下面を含む層に形成する。

図３に示されるように、隙間２４を有する層のスライスデータ３０ａは、層の外形線となる枠３１と、隙間２４によって分割された造形部３２とを組み合わせた形状のデータである。造形部３２は、橋桁部２１と各橋台部２２，２３とが接続する接続部２５に位置する隙間２４によって、橋桁部２１となる第１造形部３２ａと、橋台部２２となる第２造形部３２ｂと、橋台部２３となる第３造形部３２ｃとを備える。隙間２４の幅Ｗは、レーザ１２から出射された光線（レーザ光）によって硬化性樹脂が硬化する硬化幅よりも大きく形成される。各層の隙間２４は、枠３１によって閉じられた形状に造形される。このため、造形物の表面には、凹凸が現れることなく意匠性を維持できる。

図４に示されるように、橋桁部２１のスライスデータ３０は、隙間２４を有する層のスライスデータ３０ａと、隙間２４を有しない層のスライスデータ３０ｂとを備えている。隙間２４を有する層のスライスデータ３０ａと、隙間２４を有しない層のスライスデータ３０ｂとは、一層毎交互に形成される。なお、スライスデータ３０には、造形した三次元形状物の大きさが設計データと一致するように補正する輪郭線データを含む。輪郭線データを生成する際に隙間２４を生成する。

橋桁部２１の最下面を含む層の一層下をｎ層とする。ｎ層は、橋台部２２，２３のみなので橋桁部２１となる第１造形部３２ａを有さない造形部３４からなる層である。（ｎ＋１）層は、橋桁部２１の最下面を含む層であって隙間２４を有する。各隙間２４は、延長線Ｐを繋いだ境界線Ｂを縁部として橋台部２２，２３側に形成される。（ｎ＋２）層は、隙間２４を有しない造形部３３からなる層である。（ｎ＋３）層は、隙間２４を有する造形部３２からなる層である。（ｎ＋４）層は、隙間２４を有しない造形部３３からなる層である。（ｎ＋５）層は、隙間２４を有する造形部３２からなる層である。（ｎ＋６）層は、隙間２４を有しない造形部３３からなる層である。以降、橋桁部２１を含む層は、同様に形成される。橋桁部２１の最上面を含む層は、最下面を含む層と同様に隙間２４を有する。

さて、光造形装置は、上記のスライスデータを基に三次元形状物を造形すると、橋桁部２１と橋台部２２，２３との接続部２５に隙間２４が形成されているので、各層の硬化に伴って収縮がおきたとしても、架橋部分における変形を抑制することができる。これは、各層の硬化時に橋台部２２，２３の橋桁部２１と接続している部分にのみ、橋桁部２１側へ収縮する力が働くので、橋桁部２１の下部分の橋台部２２，２３が変形する。なお、収縮とは、レーザ光の照射による熱や重合反応熱による熱収縮と、液体の樹脂が固体に変わるときに液体の密度より固体の密度が小さいことによる硬化収縮等を含む。そこで、この橋桁部２１における収縮を隙間２４によって分断することで変形を抑制している。よって、架橋構造を有する三次元形状物の各層の硬化時における変形を抑制でき、図５のような変形のない造形物となる。

以上、説明した実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）架橋構造を有する三次元形状物を造形する際に、橋台部２２，２３と橋桁部２１との接続部２５の一部に隙間２４を形成する。このため、架橋構造を有する三次元形状物を造形する際に、各層の硬化に伴って収縮が発生したとしても、隙間２４によって収縮が抑制される。よって、架橋構造を有する三次元形状物の各層の硬化時における変形を抑制できる。

（２）積層方向に間隔を置いて隙間２４を形成する。このため、架橋構造を有する三次元形状物の各層の硬化時における変形を隙間によって抑制しつつ、間隔を置いて隙間２４を形成するので強度を持たせることができる。

（３）積層される同一層における橋桁部２１の奥行き方向に亘って隙間２４を形成する。橋桁部２１の同一層は、奥行き方向において各層の硬化時に同じように収縮によって変形する。このため、架橋構造を有する三次元形状物の各層の硬化時における変形を抑制できる。

（４）橋台部２２，２３と橋桁部２１とによって形成される角２６の積層方向における角２６の延長線上の一部に隙間２４を形成する。橋台部２２，２３と橋桁部２１とによって形成される角２６の積層方向における角２６の延長線上は、各層の硬化時の収縮によって顕著に変形する。このため、架橋構造を有する三次元形状物の各層の硬化時における変形を更に抑制できる。

（５）橋桁部２１の最上面を含む層及び最下面を含む層の少なくとも一方に隙間２４を形成する。橋台部２２，２３と橋桁部２１との接続部分である最上面と最下面とは、各層の硬化時の収縮によって顕著に変形する。このため、架橋構造を有する三次元形状物の各層の硬化時における変形を更に抑制できる。

（６）照射されるレーザ光の直径よりも大きく隙間２４を形成する。このため、造形物が収縮する際に、収縮が伝達されることを十分に抑制できる。よって、架橋構造を有する三次元形状物の各層の硬化時における変形を更に抑制できる。

なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することができる。
・上記実施形態では、制御装置１０を制御部としてスライスデータ及び輪郭線データを生成したが、光造形装置とは異なる外部装置を制御部としてスライスデータ及び輪郭線データの少なくとも一方を生成してもよい。

・上記実施形態では、輪郭線データを生成する際に隙間２４を生成したが、スライスデータを生成する際に隙間２４を生成してもよい。
・上記実施形態では、隙間２４の幅Ｗをレーザ光の照射によって光硬化性材料が硬化する硬化幅よりも大きくした。しかしながら、変形の抑制が可能であれば、レーザ光の照射によって光硬化性材料が硬化する硬化幅よりも小さくてもよい。

・上記実施形態では、橋桁部２１の最上面を含む層及び最下面を含む層に隙間２４を形成したが、いずれか一方のみでもよく。また、いずれの層にも隙間２４を形成しなくてもよい。

・上記実施形態では、各隙間２４を、延長線Ｐを繋いだ境界線Ｂを縁部として橋台部２２，２３側に形成した。しかしながら、各隙間２４を、延長線Ｐを繋いだ境界線Ｂを縁部として橋桁部２１側に形成してもよい。また、隙間２４の位置は、橋桁部２１と橋台部２２，２３との接続部２５であればどこでもよい。

・上記実施形態では、各橋台部２２，２３に対する接続部２５の隙間２４を同一層に形成した。しかしながら、各橋台部２２，２３に対する接続部２５の隙間２４を異なる層に形成してもよい。

・上記実施形態では、同一層における橋桁部２１の奥行方向に亘って隙間２４を形成した。しかしながら、同一層において隙間２４を分断してもよい。
・上記実施形態では、隙間２４を有する層と隙間２４を有しない層とを交互に形成した。しかしながら、隙間２４を有する層と隙間２４を有しない層とを複数層毎に並べてもよく、隙間２４を有する層と隙間２４を有しない層とを不規則に並べてもよい。

・上記実施形態では、橋桁部２１の上面よりも突出する橋台部２２，２３を有する架橋構造において説明した。しかしながら、橋桁部２１の上面よりも突出しない橋台部を有する架橋構造においても同様に効果が得られる。

・上記実施形態では、光線によって光硬化性材料を硬化させる点描方式の光造形装置に本発明を適用した。しかしながら、点描方式の光造形装置に代えて、面露光によって光硬化性材料を硬化させる面露光方式の光造形装置に本発明を適用してもよい。面露光方式の光造形装置は、光源として高圧水銀ランプ、超高圧水銀ランプ、低圧水銀ランプやその他のレーザ光以外の光を発射するランプやＬＥＤを用いる。面露光方式の光造形装置は、光源と光硬化性樹脂の造形面との間に、微小ドットエリアでの遮光及び透光が可能な微小液晶シャッターを多数面状に配置した液晶描画マスク、または複数のデジタルマイクロミラーシャッターを面状に配置した面状描画マスクを配置する。面露光方式の光造形装置は、面状描画マスクを介して光硬化性樹脂の造形面に光を照射して所定の断面形状パターンを有する光硬化樹脂層を順次積層させて三次元形状物を造形する。

１０…制御装置、１１…液槽、１２…レーザ、１３…スキャナ、１５…昇降テーブル、１６…テーブル駆動装置、１７…リコータ、１８…リコータ駆動装置、２１…橋桁部、２２，２３…橋台部、２４…隙間、２５…接続部、２６…角、３０，３０ａ，３０ｂ…スライスデータ、３１…枠、３２，３３，３４…造形部、３２ａ…第１造形部、３２ｂ…第２造形部、３２ｃ…第３造形部、Ｂ…境界線、Ｐ…延長線、Ｓ…造形物、Ｗ…幅。

Claims (8)

1. 光硬化性材料に選択的に光を照射して前記光硬化性材料を一層ずつ硬化させることによって三次元形状物を造形する光造形方法において、
   橋台部と橋桁部とが接続された架橋構造を有する三次元形状物を造形する際に、前記橋台部と前記橋桁部との接続部の一部に隙間を形成し、
   前記隙間は、積層される同一層における前記橋桁部の積層方向と直交し、且つ前記橋台部に沿う方向である奥行き方向に形成する
   ことを特徴とする光造形方法。
2. 請求項１に記載の光造形方法において、
   前記隙間は、積層方向に間隔を置いて形成する
   ことを特徴とする光造形方法。
3. 請求項１又は２に記載の光造形方法において、
   前記隙間は、前記奥行き方向に亘って形成する
   ことを特徴とする光造形方法。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の光造形方法において、
   前記隙間は、前記橋台部と前記橋桁部とによって形成される角から積層方向に延長した延長線上の一部に形成する
   ことを特徴とする光造形方法。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の光造形方法において、
   前記隙間は、前記橋桁部の最上面を含む層及び最下面を含む層の少なくとも一方に形成する
   ことを特徴とする光造形方法。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の光造形方法において、
   前記光は、光線であって、
   前記隙間は、前記光線の照射によって前記光硬化性材料が硬化する硬化幅よりも大きく形成する
   ことを特徴とする光造形方法。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の光造形方法を行う制御部を備える
   ことを特徴とする光造形装置。
8. 光硬化性材料に選択的に光を照射して前記光硬化性材料を一層ずつ硬化させることによって三次元形状物を造形する光造形に用いるデータを制御部によって生成する生成プログラムであって、
   前記制御部を、橋台部と橋桁部とが接続された架橋構造を有する三次元形状物の設計データに基づき、前記橋台部と前記橋桁部との接続部の一部に隙間を生成する変換部として機能させ、
   前記隙間は、積層される同一層における前記橋桁部の積層方向と直交し、且つ前記橋台部に沿う方向である奥行き方向に生成される
   ことを特徴とする生成プログラム。

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