JP2005074988A - 光造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】粘度の高い光硬化性流動材料を使用する場合、その混合される材料と光硬化樹脂との比重の違いから、混合流動材料を長時間放置すると混合された物質と光硬化性樹脂との混合状態が不均一になったり両者が分離したりするという問題があった。
【解決手段】上記問題点を解決するため、この流動性材料１を収容する保管容器２０からこの流動性材料１を円筒状の撹拌装置１０を用いて吸い込み、撹拌、排出する。この構造では、撹拌手段はスクリューの回転であり、撹拌された流動性材料１は排出口５から、保管容器２０の表面部近傍に排出される。
【選択図】 図２

Description

発明の詳細な説明

本発明は、光硬化性の流動性材料を用いて立体（３次元の物体）を造形する光造形装置に係り、特に異種材料が混入された流動性材料を容器内に収容しその液面側で露光硬化させるようにした装置に関する。

従来、未硬化の光硬化性樹脂を選択的に露光して所定形状の硬化層を形成するとともに、その硬化層を順次積層することで、形状の複雑な物体や組立体を一体造形可能にした光造形装置が知られており、この光造形装置においては、積層される各層の硬化層を高精度かつ迅速に成形することが要求される。

この種の光造形装置としては、例えば特許文献１に記載されたものがある。この装置では、未硬化の光硬化性樹脂液を収容した容器中に昇降式のプラットホームを配設し、その光硬化性樹脂の液面に対しレーザ走査による選択的な露光を行って前記液面近傍の光硬化性樹脂をプラットホーム上で所定形状に硬化させた後、その硬化層をプラットホームと共に一層分を超える深さまで沈めてプラットホーム上に未硬化の光硬化性樹脂液を自動的に積層させ、次いでプラットホームを自由液面から積層ピッチ量（積層される層の層厚）を隔てる位置まで上昇させることで次層の未硬化材料層を比較的迅速に形成できるようになっている。

ところで、この種の光造形装置は形状の複雑な部品を低コストかつ短時間で試作するのに好適であるため、近時においては、造形作業の高速化と更なる造形精度の向上に加えて、造形された立体をより広範な用途に対応させ得ることが要求されている。具体的には、造形された物体を高温に晒される部品、例えば自動車の排気マニホールドの試作品としたり、高温高圧に晒されるプラスチック成形用の型として用いたりすることが要求されるようになった。

しかし、このような要求に応え得る光硬化性流動材料は高粘度であり、上述のようにプラットホームを未硬化液中に沈めてその上（下層の硬化層上）に自動的に未硬化樹脂層を形成する方式では、粘性の高い１層分の未硬化流動材料をプラットホーム上に迅速に延展させることができない。また、安全性確保の観点からも、光硬化性樹脂には低臭気、低揮発となる程度の粘性を有するのが好ましいが、上述の方式では、十分に粘度の低い光硬化性樹脂が必要になる。

そこで、特許文献２に記載されるように、未硬化の光硬化性樹脂を強制的に下層の硬化層上に供給するディップコート方式を採用し、高粘度の光硬化性樹脂材料を使用しつつ高速化と層厚の高精度化とを実現可能にしたものが提案され、注目を集めている。この装置は、所定の光によって硬化し得る未硬化の光硬化性樹脂を収容してその樹脂の自由液面を形成する容器と、自由液面と略直交する方向に移動するよう容器中に移動可能に設けられた自由液面に対し略平行な可動プラットホームと、容器から未硬化の光硬化性樹脂を汲み上げて可動プラットホーム上に供給するディッパーと、可動プラットホームの移動方向に対して直交する方向に移動可能に設けられその移動により可動プラットホーム上の光硬化性樹脂の表面部を平坦化するスクレーパー（ドクターナイフ）とを備えている。そして、プラットホームを自由液面より積層ピッチ量だけ低い位置に配置した状態で、未硬化の光硬化性樹脂をディッパーにより汲み上げて可動プラットホーム上に供給し、この光硬化性樹脂の表面部を自由液面に沿って移動するスクレーパーにより平坦化して、プラットホーム上の自由液面近傍に所定層厚の未硬化の光硬化性樹脂層を迅速かつ均一に形成するともに、その未硬化材料層を所定の光により選択的に露光して光硬化性樹脂を積層硬化させるという工程を繰り返すことで、所要形状の立体を造形するようになっている。

また、このように改善された光造形装置にあっても、より粘度の高い光硬化性流動材料を使用する場合、非収縮性の高い微粒子材料やこれと同等なウィスカー状の物質を未硬化の光硬化性樹脂に混合する必要があり、その混合される材料と光硬化樹脂との比重の違いから、混合流動材料を長時間放置すると混合された物質と光硬化性樹脂との混合状態が不均一になったり両者が分離したりするという問題が不可避であった。

そのため、例えば前記流動材料を容器内に収容したまま光造形装置を長時間放置すると、流動材料の流動性が部分的に損なわれるために可動プラットホームに過大な昇降負荷が加わったり、流動材料に含まれるべき前記非収縮性の高い微粒子材料等が不足することによって所要の硬化層の性状が得られなくなったりするという不具合が生じ易かった。

そこで、特許文献３では、未硬化の流動性材料が容器内で長時間放置される場合には、容器内で広い面積を有する可動プラットホームを流動性材料の自由液面下で往復移動させ容器内の未硬化の流動性材料を攪拌させることを提案している。

また、特許文献４によると補強剤と流動性材料から形成される半固形物を再生するように抜本的な改善を試みている。流動性材料１の光硬化性樹脂を貯留する保管容器２と、この保管容器２内に一部が浸漬され深さ方向に昇降可能なテーブルと、立体形状をスライスした断面形状データに基づいてレーザー光線をこの流動性材料１の光硬化性樹脂の表面部に照射して前記テーブル上に硬化層を形成する手段とを具備し、前記テーブルの所定量の降下と、それに相当した断面データに基づくレーザー光線の照射を順次繰り返すことによって積層状の硬化層をテーブル上に形成する光学的造形装置において、この流動性材料１の光硬化性樹脂の少なくとも一部に吸引口４が設けられ、この吸引口４とこの流動性材料１の表面部との間に循環管路が形成され、この流動性材料１の光硬化性樹脂を強制的に撹拌する撹拌手段と、この流動性材料１の光硬化性樹脂の移動と前記表面部への排出を行う移送排出手段とが前記循環管路に配置されていることを特徴とする。

この構造では、流動性材料１の光硬化性樹脂を移送排出手段が作動することにより、保管容器２０の吸引口４から流動性材料１を撹拌手段の中に吸い込む。この撹拌手段は強制的な撹拌によるトルクによって流動性材料１の光硬化性樹脂を撹拌し、再分散する。再分散された光硬化性樹脂は移送排出手段に撹拌の圧力により、保管容器２０の表面部に排出される。

つまり、特許文献４では、未硬化の流動性材料の容器内に開口部が設け、この開口部と樹脂の表面部との間に循環管路を形成し、光硬化性樹脂を強制的に撹拌させることを提案している。また、補強材と光硬化性樹脂からなる半固形物が容器底部に凝集した際には、特定の移送吐出手段が作動することで樹脂タンクの開口部から撹拌手段に回収し再分散することを同時に提案している。

特公平２−４８４２２号公報 特公平７−１０５６６号公報 特開平９−２０１８７５号公報 特開平９−３２３３６２号公報

発明が解決しようとする課題

しかしながら、特許文献３の方法は、装置が造形作業をしていない場合にのみ有効であり、特に大きな造形物などを造形する場合には、やはり長時間攪拌することができないため、未硬化の流動性材料の再凝集を完全に防ぐことができなかった。また、より粘度の高い光硬化性流動材料を使用する場合、非収縮性の高い微粒子材料やこれと同等なウィスカー状の物質を未硬化の光硬化性樹脂に混合する必要があり、その混合される材料と光硬化樹脂との比重の違いから、混合流動材料を長時間放置すると混合された物質と光硬化性樹脂との混合状態が不均一になったり両者が分離したりするという問題もあった。

一方、特許文献４の提案する方法は、特定の攪拌手段を提供する作動部分、および特定の移送吐出手段を提供する作動部分が樹脂の自由液面の下に設置せねばならず、容器外の動力源から動力を伝播させるために、動作個所から容器外へ樹脂が漏洩しない様に、シールをする必要がある。そのシールの隙間に前述した補強剤が入り込み可動部が動作できなくなる問題が生じたり、逆止弁等に付着して弁の作用が停止するなどの問題があった。実際上提案されている図面を長時間安定に運転することが困難であった。

また、これらの造形樹脂は、造形作業を重ねると造形屑などの異物が浮遊し、次の造形作業の障害となり、得られる造形物の表面性などを悪くするばかりでなく、最悪の場合造形の中断を招くこともあった。

そこで本発明は、上記の問題を解決するため、未硬化の流動性材料が容器内で長時間放置される場合に、未然にその材料を適宜攪拌するようにして、未硬化の流動性材料を均一で良好な粘度に維持することができ、かつ光造形障害となり得る樹脂中の異物などを除去することができる円滑な造形が可能な光造形装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

上記問題点を解決する請求項１の本発明は、流動性材料１を選択的に露光してこの流動性材料１の硬化層を形成するとともに、該硬化層を順次積層して三次元物体を造形する光造形方法において、この流動性材料１を収容する保管容器２０からこの流動性材料１を円筒状の撹拌装置１０を用いて吸い込み、撹拌、排出する。この構造では、撹拌手段はスクリューの回転であり、撹拌された流動性材料１は排出口５より、保管容器２０の表面部近傍に排出される。

請求項２の発明は、請求項１記載の発明であって、搬送スクリュー３と円筒外殻７から構成され、この円筒外殻７は搬送スクリュー３の外殻をシャフト６の長さの５０％以上を被うことにより構成され、前記流動性材料１が循環できる、即ちこの構造では、円筒外殻７とシャフト６の長さの比較において、上記数値限定が適切であって、これによりスムースな吸い込みと排出による流動性材料１の循環ができる。

請求項３の発明は、請求項１記載の発明であって、モーター２とカップリング１１によりシャフト６の上部で接続され、搬送スクリュー３を回転することにより、前記容器内の未硬化の該流動性材料１を攪拌させるとき、スムースなトルク伝達ができる。

請求項４の発明は、請求項１から３の記載の発明であって、前記撹拌装置１０は、吸引口４及び／または排出口５に格子状の枠および／または網とを設置し、この流動性材料１を循環する際、この流動性材料１に浮遊する「異物」を該格子状の枠および／または網によって濾し取ることであって、これにより、吸入口４から「異物」が流入しない。

請求項５の発明は、請求項１から４の記載の発明であって、この保管容器２の底部で吸引口４の開口部がすり鉢状になっていることを特徴とする。これにより、吸引口４へ流動性材料１がスムースに吸い込まれる。

以下、図面を参照して本発明に係る光学的造形装置の実施の形態を説明する。なお、各実施の形態において、同一の部分は同一の符号を付して対応させてある。

（実施の形態１）図１−ａ，図１−ｂ，図１−ｃ，図２は本発明の実施の形態１を示す。未硬化の流動性材料１は、例えば液状の光硬化性樹脂（例えば重合性のビニル系化合物、エポキシ系化合物）に補強材として所定温度範囲内で実質的な非収縮性をもつ平均粒径３〜７０μｍ、好ましくは１０〜６０μｍ程度の固体微粒子を５〜７０容量％、好ましくは１０〜５５容量％だけ配合したペースト状（例えば粘度が５，０００〜１００，０００ｃｐｓ）の組成物であり、その微粒子は公知のシランカップリング剤によって硬化後の機械的強度を増すよう処理されている。あるいは、前記未硬化の流動性材料は、前記微粒子に代え、直径が０．３〜１μｍ、長さが１０〜７０μｍアスペクト比が１０〜１００の範囲にあるウイスカーを用いる（その場合、液状光硬化性樹脂にこのウイスカーを５〜３０容量％配合する）ものであってもよい。

好ましく用い得る固体微粒子としては、例えば、ガラスビーズ、タルク微粒子、酸化ケイ素微粒子などの無機固体微粒子；架橋ポリスチレン系微粒子、架橋型ポリメタクリレート系微粒子、ポリエチレン系微粒子、ポリプロピレン系微粒子などを挙げることができ、これらの固体微粒子は単独で使用しても、２種以上を併用しても、またはウイスカーと併用してもよい。

好ましく用い得るウイスカーとしては、例えば、ホウ酸アルミニウム系化合物、水酸化硫酸マグネシウム系化合物、酸化アルミニウム、酸化チタン系化合物、酸化珪素系化合物などよりなるウイスカーを挙げることができ、これらのウイスカーは単独で使用しても、２種以上を併用しても、または上記した固体微粒子と併用してもよい。補強材の材質については特に限定されるものではない。

図１−ａ，図１−ｂ，図１−ｃおよび図１−ｄにおいて、円筒撹拌装置１０の全容を表している。スパイラル状に羽根がシャフト６に固定され搬送スクリュー３を形成している（通称：リードスクリュー翼）。好ましい形状を図４（ａ）に概略図として描いたが、後述する図１〜３に用いられているスクリューの図はより簡略化されている（図４（ｂ））がこれと同義である。そのシャフト６の長さの５０％以上を円筒撹拌装置の円筒外殻７が被っており、モーター２の動力によって搬送スクリュー３を回転せしめる機構を有する。この円筒撹拌装置１０の上方には、すなわち円筒外殻７の上方には排出口５が設けられている。一方、この円筒撹拌装置４の下方には、すなわち外殻１の吸入口４が設けられている。この実施の形態では、搬送スクリュー３の形状、運動状態、さらにはこの搬送スクリュー３を動作させる動力についても限定されるものではない。

円筒撹拌装置の外殻１が搬送スクリュー３を被う際には、シャフト６に対して垂直断面から覗いた時の搬送スクリュー３の羽根と外殻１との隙間は０．１〜５ｍｍが好ましい。２ｍｍ以上だと樹脂の搬送効率が低下し、０．１ｍｍ以下だと異物や沈殿物などが隙間などに詰まりやすくなり、回転に悪い影響を及ぼす。摩擦による発熱も懸念される。更に好ましくは０．３から３ｍｍが好ましい。

円筒撹拌装置の外殻１は実質的にはシャフト６の長さの１００％以上を覆っていても良く、１００％を超えた場合は、設ける容器の形状により任意の方向に曲げることができる（図１−ｃ）。

図１−ｂはモーター２と搬送スクリュー３との間にカップリング１１を装着したもので、部品の故障等の場合メンテナンスが容易になる。

図１−ｄはモーター２とシャフト６との動力の伝達をプーリーとベルトあるいは歯車の組み合わせ８を経て行うことにより、光造形機内の設置および造形作業の際、実際の作業に必要とする容器上部の空間を占有しないように考慮され考案されたものである。

また、この吸入口４および排出口５には、外側からの流動性材料１内に浮遊する固形異物を濾すことができる異物除去機構９を備え付けることができる。具体的には０．１〜５ｍｍ隙間および／または孔を多数有する格子状の枠および／または網である。０．１ｍｍより小さいと樹脂の循環の障害になり、５ｍｍより大きい異物が搬送スクリューと外殻との間に入り込み起動の障害となる。好ましくは０．３〜３ｍｍであり、より好ましくは０．５〜３ｍｍの隙間および／または孔を有する格子状の枠および／または網が好ましい。

図２において、円筒撹拌装置１０が設けられている樹脂容器２０を示している。矢印ａは円筒攪拌装置１０を起動させることにより、流動性材料１が循環する方向を表示した。

次に、この実施の形態の作動を説明する。図２の状態で装置の運転を開始すると、円筒撹拌装置１０内では、モーター２の動力によって搬送スクリュー３が回転し光硬化性樹脂は矢印ａの方向に進行し、この強力な回転力により流動性材料１は矢印ａの方向に吸引口４から吸い上げられ、この樹脂が撹拌されて、排出口５から矢印ａの方向に排出される。

また搬送スクリュー３の回転による吸引力を得るため、このシャフト６全長を円筒外殻１で被う必要はないが、少なくとも５０％以上被うことによって、吸引口２からの吸引力による汲み上げの力は円筒１が５０％以下である場合より増加する、これにより円筒撹拌装置１０の内部で分散された光硬化性樹脂は排出口５から湧き出すように流動性材料１の液面の近傍に排出される。

排出される樹脂は、流動性材料１の自由液面より下に排出されることが好ましい。こうすることにより、液面の乱れ、波立ちを抑えることができ、非常に液面の安定を必要とする光造形中も攪拌を継続することができる。

円筒撹拌装置１０は、必要に応じて取り外し、独立にその機構を光造形機の樹脂容器以外にも使用することができる。例えば、一台の光造形機において、補強剤を含有している光硬化性樹脂から補強剤を含有していない光硬化性樹脂へ切り替える際には、取り外し、抜き取った補強剤入りの保存容器に取り付け、使用していない期間も常に均一な状態を保てるような処置が可能である。

（実施の形態２）図３は本発明の実施の形態２を示す。これらの図において、矢印ａは流動性材料１の循環経路であり、この経路ａに円筒撹拌装置１０が組み込まれるように接続されている。
この実施の形態では、樹脂保管容器２０の底部に開口部２２が形成されており、この底部開口部２２に円筒撹拌装置１０の吸入口４が接続されている。底部開口部２２は樹脂保管容器２０の上側が広く、吸入口４に向かうにつれて徐々に細くなったすり鉢状断面となっている。この場合、底部開口部２２は樹脂保管容器２０の上側が広く、吸入口４に向かうにつれて細くなる形状であれば、円錐、角錐、半楕円等であっても良い。

このような実施の形態では、流動性材料１が滞留すること無く、吸入口４に集中して回収することが可能となる。

構成２３は造形容器１内の流動性材料１を所定方向に循環させるモーター２の制御装置であり、モーターの回転数を樹脂の特性（粘度など）に合わせて任意に制御することが可能である。またこの制御装置２３は、光造形装置のコンピュータ２１と接続されており、造形装置の動きに合わせて回転数を制御することも可能である。例えば、露光工程でのレーザー照射中は液面の乱れを最大限に抑えるために回転数を低くしたり、造形プレート２４の運動中は、回転数を高くしたりすることにより、より均一な流動性材料１の状態を維持することができる。

したがって、樹脂保管容器２０内で非収縮性の微粒子材料やウィスカー等のような光硬化性樹脂より比重の大きい物質を光硬化性樹脂に十分に均等に分散させて所要の混合状態にすることができ、補強剤を含有した流動性材料１を樹脂保管容器２０内に入れたまま装置を長時間放置する場合でも、円筒撹拌装置１０のみを独立に運転させることにより、流動性材料１の混合状態が不均一になったり両者が分離したりするという問題が回避でき、流動性材料の流動性が部分的に損なわれて造形プレート２４に過大な昇降負荷が加わったり、流動性材料１に含まれるべき微粒子材料等が不足して所要の硬化層性状が得られなくなったりすることがない。

発明の効果

この発明は、従来は困難であった光造形中、特に露光工程中にも樹脂の攪拌と循環を行うことができ、それにより、未硬化の流動性材料を十分に攪拌することができる。その結果、流動性材料を容器内に入れたまま装置を長時間放置する場合でも、流動性材料の流動性が部分的に損なわれて可動プラットホームに過大な昇降負荷が加わったり、流動性材料に含まれるべき物質が不足して所要の硬化層性状が得られなくなったりするのを防止することができる。
また、この循環の際に流動性樹脂中に浮遊する「異物」を上記格子状の枠および／または網によって濾し取ることもでき、品質特に表面性の優れた光造形品の製造を安定に継続することが出来る。

本発明の実施の形態１の断面図である。 本発明の実施の形態１の別例の断面図である。 本発明の実施の形態１の別例の断面図である。 本発明の実施の形態１の別例の断面図である。 本発明の実施の形態１の作動を示す断面図である。 本発明の実施の形態２の断面図である。 本発明の搬送スクリュー３に関する説明と図１〜３に用いているスクリューについての定義である。

符号の説明

１．流動性材料
２．モーター
３．搬送スクリュー
４．吸入口
５．排出口
６．シャフト
７．円筒外殻
８．プーリーとベルトあるいは歯車の組み合わせ
９．異物除去機構
１０．円筒撹拌装置
１１．カップリング
２０．樹脂保管容器
２１．光造形装置のコンピュータ
２２．底部開口部
２３．モーター２の制御装置
２４．造形プレート

Claims (5)

1. 流動性材料１を選択的に露光して該流動性材料１の硬化層を形成するとともに、該硬化層を順次積層して三次元物体を造形する光造形方法において、該流動性材料１を収容する保管容器２０から該流動性材料１を円筒状の撹拌装置１０を用いて、吸い込み、該流動性材料１を撹拌、排出することを特徴とする光造形装置。
2. 前記撹拌装置１０は、搬送スクリュー３とシャフト６と円筒外殻７から構成され、該円筒外殻７は搬送スクリュー３の外殻をシャフト６の長さの５０％以上を被うことにより構成され、前記流動性材料１が循環できることを特徴とする請求項１に記載の光造形装置。
3. 前記撹拌装置１０は、モーター２とカップリング１１によりシャフト６の上部で接続され、搬送スクリュー３を回転することにより、前記保管容器２０の未硬化の該流動性材料１を攪拌させることを特徴とする請求項１および２記載の光造形装置。
4. 前記撹拌装置１０は、吸引口４及び／または排出口５の入口に格子状の枠および／または網とを設置し、該流動性材料１を循環する際、該流動性材料１に浮遊する「異物」を該格子状の枠および／または網によって濾し取ることを特徴とする請求項１〜３に記載の光造形装置。
5. 前記保管容器２０の底部で吸引口４の開口部がすり鉢状となっていることを特徴とする請求項１〜４に記載の光造形装置。

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