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技術 光造形装置

出願人 アビー株式会社
発明者 中島教人
出願日 2014年10月16日 (6年2ヶ月経過) 出願番号 2014-211291
公開日 2016年5月16日 (4年7ヶ月経過) 公開番号 2016-078306
状態 特許登録済
技術分野 プラスチック等のその他の成形、複合成形(変更なし)
主要キーワード 断面層 部材配置 断面データ 樹脂片 液体樹脂 光造形法 光造形装置 立体オブジェクト
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2016年5月16日)のものです。
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図面 (7)

課題

立体オブジェクトを精度良く造形する光造形装置を提供する。

解決手段

3Dプリンタ10は、上面に樹脂が塗布される透光性シート1、シート1の下面側から樹脂(樹脂層12)に光IL照射する光源2(プローブ)、立体オブジェクト20をその下端をシート1の上面に向けて保持して、その上面に対して近接及び離間する保持部3、及び立体オブジェクト20の下端に当接し、シート1の上面に対して平行に移動するスキージ5を含んで構成される。それにより、保持部3をシート1の上面から離間し、保持部3が保持する立体オブジェクト20の下端にスキージ5を当接し、そのスキージ5をシート1の上面に対して平行に移動することで、立体オブジェクト20の下端から余剰する樹脂を削ぎ落として、その下端をシート1の上面に対して平行且つ平坦成形することが可能となる。

概要

背景

次元CADデータに基づいて立体オブジェクト造形する光造形装置(所謂、3Dプリンタ)が、製造業を中心に医療教育、さらには先端研究の分野で広く普及している。

3Dプリンタは、例えば光造形法により、すなわち液状の光硬化樹脂樹脂)を500μm程度の厚さの層状に広げ、その樹脂(樹脂層)に紫外線等の光を照射して硬化させることで立体オブジェクトの断面層を造形し、これを積み重ねることで立体オブジェクトを造形する。ここで、樹脂層は、スキージを用いて、すなわちスキージの先端をその表面に当接し、一方向に移動して表面に余剰する樹脂を掻き取ることで、表面(断面層の境界)が平面となる。しかし、スキージを逆方向に移動する際にスキージに付着した樹脂が樹脂層に戻ることで、樹脂層の表面に凹凸が生じ、立体オブジェクトの造形精度劣化するという問題がある。

上記の問題に対し、例えば特許文献1には、樹脂層から離間して、その表面に等しい高さの平面部を設け、その平面部上をスキージを移動することで付着した樹脂を平面部上に付着して除去し、それからスキージを用いて樹脂層の表面を平坦に広げる構成の3Dプリンタが開示されている。また、例えば特許文献2には、樹脂層から離間して除去装置を配置し、スキージを樹脂層を超えて往復移動させ、スキージがその移動の向きを変える際に除去装置を用いて付着した樹脂を除去する構成の3Dプリンタが開示されている。

概要

立体オブジェクトを精度良く造形する光造形装置を提供する。3Dプリンタ10は、上面に樹脂が塗布される透光性シート1、シート1の下面側から樹脂(樹脂層12)に光ILを照射する光源2(プローブ)、立体オブジェクト20をその下端をシート1の上面に向けて保持して、その上面に対して近接及び離間する保持部3、及び立体オブジェクト20の下端に当接し、シート1の上面に対して平行に移動するスキージ5を含んで構成される。それにより、保持部3をシート1の上面から離間し、保持部3が保持する立体オブジェクト20の下端にスキージ5を当接し、そのスキージ5をシート1の上面に対して平行に移動することで、立体オブジェクト20の下端から余剰する樹脂を削ぎ落として、その下端をシート1の上面に対して平行且つ平坦に成形することが可能となる。

目的

本発明は、立体オブジェクトを精度良く造形する光造形装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

光硬化樹脂に光を照射して立体オブジェクト造形する光造形装置であって、上面に光硬化樹脂が塗布される透光性シートと、前記シートの下面側から前記光硬化樹脂に光を照射するプローブと、前記立体オブジェクトを該立体オブジェクトの下端を前記シートの上面に向けて保持して、該上面に対して近接及び離間する保持部と、前記立体オブジェクトの下端に当接し、前記シートの上面に対して平行に移動するスキージとを備えることを特徴とする光造形装置。

請求項2

前記スキージは、前記立体オブジェクトの下端に下方から当接することを特徴とする、請求項1に記載の光造形装置。

請求項3

前記スキージと一体に設けられ、前記シートの上面に光硬化樹脂を塗布するノズルをさらに備えることを特徴とする、請求項1又は2に記載の光造形装置。

請求項4

前記シート、前記プローブ、前記保持部及び前記スキージを収容する箱体を備え、前記箱体の底面に着脱可能なトレイを備えることを特徴とする、請求項1〜3にいずれか1項に記載の光造形装置。

請求項5

光硬化樹脂に光を照射して立体オブジェクトを造形する光造形方法であって、立体オブジェクトを透光性のシートの上面に近接して、前記立体オブジェクトの下端を前記シートの上面に塗布された光硬化樹脂に接触することと、前記シートの下面側から前記光硬化樹脂に光を照射することと、前記立体オブジェクトを前記シートの上面から離間し、前記立体オブジェクトの下端にスキージを当接し、該スキージを前記シートの上面に対して平行に移動することと、を含むことを特徴とする光造形方法。

請求項6

前記移動することでは、前記スキージを前記立体オブジェクトの下端に下方から当接することを特徴とする、請求項5に記載の光造形方法。

請求項7

前記移動することでは、前記スキージを一方向に移動し、前記移動することの後に、前記スキージを前記一方向の逆方向に移動するとともに、前記スキージに固定されたノズルにより前記シートの上面に光硬化樹脂を塗布することとさらに含むことを特徴とする、請求項5又は6に記載の光造形方法。

請求項8

前記光硬化樹脂は透光性であり、前記シートの上面に塗布された前記光硬化樹脂の下方からの光の透光率をrとし、前記光硬化樹脂を完全に硬化させるために必要な光量をxとするとき、前記シートの下面側から照射される光量は、xより小さく、x/(1+r)よりも大きいことを特徴とする、請求項5〜7のいずれか1項に記載の光造形方法。

技術分野

0001

本発明は、光硬化樹脂に光を照射して立体オブジェクト造形する光造形装置に関する。

背景技術

0002

次元CADデータに基づいて立体オブジェクトを造形する光造形装置(所謂、3Dプリンタ)が、製造業を中心に医療教育、さらには先端研究の分野で広く普及している。

0003

3Dプリンタは、例えば光造形法により、すなわち液状の光硬化樹脂(樹脂)を500μm程度の厚さの層状に広げ、その樹脂(樹脂層)に紫外線等の光を照射して硬化させることで立体オブジェクトの断面層を造形し、これを積み重ねることで立体オブジェクトを造形する。ここで、樹脂層は、スキージを用いて、すなわちスキージの先端をその表面に当接し、一方向に移動して表面に余剰する樹脂を掻き取ることで、表面(断面層の境界)が平面となる。しかし、スキージを逆方向に移動する際にスキージに付着した樹脂が樹脂層に戻ることで、樹脂層の表面に凹凸が生じ、立体オブジェクトの造形精度劣化するという問題がある。

0004

上記の問題に対し、例えば特許文献1には、樹脂層から離間して、その表面に等しい高さの平面部を設け、その平面部上をスキージを移動することで付着した樹脂を平面部上に付着して除去し、それからスキージを用いて樹脂層の表面を平坦に広げる構成の3Dプリンタが開示されている。また、例えば特許文献2には、樹脂層から離間して除去装置を配置し、スキージを樹脂層を超えて往復移動させ、スキージがその移動の向きを変える際に除去装置を用いて付着した樹脂を除去する構成の3Dプリンタが開示されている。

先行技術

0005

特開2000−218705号公報
特開2008−137251号公報

発明が解決しようとする課題

0006

本発明は、立体オブジェクトを精度良く造形する光造形装置を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段

0007

本発明の光造形装置は、光硬化樹脂に光を照射して立体オブジェクトを造形する光造形装置であって、上面に光硬化樹脂が塗布される透光性シートと、シートの下面側から光硬化樹脂に光を照射するプローブと、立体オブジェクトをその立体オブジェクトの下端をシートの上面に向けて保持して、その上面に対して近接及び離間する保持部と、立体オブジェクトの下端に当接し、シートの上面に対して平行に移動するスキージと、を備えることを特徴とする。

0008

これによれば、保持部をシートの上面から離間し、保持部が保持する立体オブジェクトの下端にスキージを当接し、そのスキージをシートの上面に対して平行に移動することで、立体オブジェクトの下端から余剰する光硬化樹脂を削ぎ落として、その下端をシートの上面に対して平行且つ平坦に成形することが可能となる。

0009

本発明の光造形装置は、スキージは、立体オブジェクトの下端に下方から当接することを特徴とする。

0010

これによれば、立体オブジェクトの下端から削ぎ落とした光硬化樹脂は落下する為、立体オブジェクトに戻ることなく、その下端を平坦に成形することが可能となる。

0011

本発明の光造形装置は、スキージと一体に設けられ、シートの上面に光硬化樹脂を塗布するノズルをさらに備えることを特徴とする。

0012

これによれば、スキージを一方向に移動することで立体オブジェクトの下端を平坦に成形し、これに続いてスキージを逆方向に移動して、スキージに固定されたノズルによりシートの上面に光硬化樹脂を塗布することで、効率良く立体オブジェクトを造形することが可能となる。

0013

本発明の光造形装置は、シート、プローブ、保持部及びスキージを収容する箱体を備え、箱体底面の保持部の直下に着脱可能なトレイをさらに備えることを特徴とする。

0014

これによれば、スキージによって削ぎ落とされた樹脂片がトレイに落下する。トレイを取り外して清掃することで、残存する樹脂片による汚れをなくすことが可能となる。

0015

本発明の光造形方法は、光硬化樹脂に光を照射して立体オブジェクトを造形する光造形方法であって、立体オブジェクトを透光性のシートの上面に近接して、立体オブジェクトの下端をシートの上面に塗布された光硬化樹脂に接触することと、シートの下面側から光硬化樹脂に光を照射することと、立体オブジェクトをシートの上面から離間し、立体オブジェクトの下端にスキージを当接し、そのスキージをシートの上面に対して平行に移動することと、を含むことを特徴とする。

0016

これによれば、立体オブジェクトの下端にスキージを当接し、そのスキージをシートの上面に対して平行に移動することで、立体オブジェクトの下端から余剰する光硬化樹脂を削ぎ落として、その下端をシートの上面に対して平行且つ平坦に成形することが可能となる。

0017

本発明の光造形方法は、移動することでは、スキージを立体オブジェクトの下端に下方から当接することを特徴とする。

0018

これによれば、立体オブジェクトの下端から削ぎ落とした光硬化樹脂は落下する為、立体オブジェクトに戻ることなく、その下端を平坦に成形することが可能となる。

0019

本発明の光造形方法は、スキージを一方向に移動し、移動することの後に、スキージを一方向の逆方向に移動するとともに、スキージに固定されたノズルによりシートの上面に光硬化樹脂を塗布することとさらに含むことを特徴とする。

0020

これによれば、スキージを一方向に移動することで立体オブジェクトの下端を平坦に成形し、これに続いてスキージを逆方向に移動して、スキージに固定されたノズルによりシートの上面に光硬化樹脂を塗布することで、効率良く立体オブジェクトを造形することが可能となる。

0021

本発明の光造形方法は、光硬化樹脂は透光性であり、シートの上面に塗布された光硬化樹脂の下方からの光の透光率をrとし、その光硬化樹脂を完全に硬化させるために必要な光量をxとするとき、シートの下面側から照射される光量は、xより小さく、x/(1+r)よりも大きいことを特徴とする。

0022

これによれば、ある一層の光樹脂を硬化させる際に、上に隣接する層の光樹脂が完全に硬化しておらず、2層の接合によって変形が生じることがない。

発明の効果

0023

本発明の光造形装置によれば、立体オブジェクトを精度良く造形することが可能となる。

図面の簡単な説明

0024

図1は、本実施形態に係る3Dプリンタの概略構成を示す図である。
図2は、本実施形態に係る3Dプリンタの部材配置を示す平面図である。
図3は、3Dプリンタの動作を説明するための図(その1)である。
図4は、3Dプリンタの動作を説明するための図(その2)である。
図5は、3Dプリンタの動作を説明するための図(その3)である。
図6は、3Dプリンタの動作を説明するための図(その4)である。

実施例

0025

本発明の一実施形態について説明する。

0026

図1に、一実施形態に係る3Dプリンタ10の概略構成を示す。3Dプリンタ10は、光造形法により立体オブジェクト20を造形する3Dプリンタであり、一例として、シート1、光源2、保持部3、ノズル4、スキージ5、移動部6、制御装置7及びトレイ8を含んで構成される。なお、立体オブジェクトの基材となる光硬化樹脂(単に樹脂と呼ぶ)として、例えば紫外線を照射することで硬化する液体樹脂を使用する。

0027

シート1は、ビニル等の透光性の素材から構成された部材である。後述するように、シート1の上面に樹脂が塗布される(樹脂層12が設けられる)。シート1は、両端がローラ1aに巻かれており、ローラ1aが第1駆動装置(不図示)によってシートを引張する(図中、矢印e1の方向)ことでシート1の上面が水平に保たれる。

0028

光源2は、シート1の下方に配置される。光源2は、半導体レーザ等により紫外線(単に光と呼ぶ)ILを発生し、プローブ(不図示)を介してシート1の下面からその上面の樹脂層12に照射する。光ILは、プローブ(不図示)に設けられたシャッタ(不図示)を開く(閉じる)ことで、出射する(止められる)。

0029

保持部3は、造形中の立体オブジェクト20をその下端をシート1の上面に向けて保持して、第2駆動装置(不図示)によりシート1の上面に近接及び離間する方向(図中、矢印e2の方向)に駆動される。

0030

ノズル4は、液状の樹脂を吐出して、シート1の上面に塗布する。樹脂は、装置外から供給パイプを介して供給される。ノズル4は、後述する移動部6の上面に、その先端を下方に向けて固定されている。移動部6には樹脂を保持するタンクが設けられ、タンクからノズル4に向けてパイプ(不図示)を介して樹脂が送られる。

0031

スキージ5は、後述する移動部6の上面に上方に先端を向けて固定された板状部材である。スキージ5は、保持部3が保持する立体オブジェクト20の下端に下方から当接し、シート1の上面に平行な方向に移動することで(例えば、図3参照)、その下端から余剰する樹脂を削ぎ落とし、立体オブジェクト20の下端を平坦に成形する。

0032

移動部6は、ノズル4及びスキージ5を保持して、シート1の上面に平行な方向(図中、矢印e3の方向)に延設されたスライドレール(不図示)上を移動する。移動部6の移動により、それに保持されたノズル4及びスキージ5がシート1の上面又は保持部3に保持された立体オブジェクト20に対して移動する。

0033

シート1は、移動部6の本体よりも上方にあるが、ノズル4及びスキージ5に対しては下方にあることが必要である。このため、図に示すように、シート1がノズル4及びスキージ5の下側に巻かれて移動部6を貫通(図中、左右方向)している。なお、シート1を図のように屈曲させずに平面状とし、ノズル4及びスキージ5を上方に設けてもよい。

0034

制御装置7は、一例としてコンピュータにより構成され、例えばその記憶装置に記憶された三次元CADデータに従って3Dプリンタ10の構成各部を統括制御する。特に、光源2のプローブ(不図示)のシャッタ(不図示)の開閉(すなわち光ILの射出)、ローラ1aを駆動する第1駆動装置(不図示)、保持部3を駆動する第2駆動装置(不図示)、ノズル4からの樹脂の吐出、及び移動部6の移動を制御する。

0035

トレイ8は、光源2よりもさらに下方に置かれている。図に示した部材の全て(制御装置7を除く)が箱体(不図示)に収容されている。箱体は前面に扉を有し、開扉してトレイ8を取り出すことが可能である。(トレイ8は箱体の底面に単に置かれている。)

0036

図2は、本実施形態に係る3Dプリンタの部材配置を示す平面図である。箱体8が保持部3よりも大きく、保持部3に保持された立体オブジェクト20の下面から削ぎ落とされた樹脂片は、箱体8に落下する。(なお、樹脂片の一部はシート1に落下することもある。)

0037

3Dプリンタ10による立体オブジェクト20の造形手順について説明する。

0038

図3に示すように、シート1の上面に樹脂が塗布され(樹脂層12が設けられ)、シート1の上面のワーク領域(樹脂層12が設けられる領域)から移動部6が待避し、保持部3は造形中の立体オブジェクト20を保持してシート1の上面から上方に待避しているものとする。

0039

図4に示すように、制御装置7は、第2駆動装置(不図示)を制御して保持部3を下方(矢印e2の方向)に駆動し、保持部3が保持する立体オブジェクト20をシート1の上面に近接して、その下端をシート1上に設けられた樹脂層12に接触する。それにより、液状の樹脂層12が造形中の立体オブジェクト20の下端に付着する。

0040

この状態において、制御装置7は、立体オブジェクトの三次元CADデータ(から生成される断面データ)に基づいてプローブのシャッタを開閉して、光ILをシート1の下面側からシート1を介してその上面上の樹脂層12に照射する(樹脂層12を走査する)。樹脂層12のうちの光ILが照射された部分は硬化を始め、立体オブジェクト20の一断面層を形成して、造形中の立体オブジェクト20に一体化する。

0041

次に、制御装置7は、図5に示すように、第2駆動装置(不図示)を制御して保持部3を上方(矢印e2の方向)に駆動し、立体オブジェクト20をシート1の上面から離間する。制御装置7は、移動部6を制御して、シート1と保持部3との間をシート1の上面に平行な方向(矢印e3の方向)移動する。それにより、スキージ5の先端(上端)が立体オブジェクト20の下端に当接し、その状態でスキージ5がシート1の上面に対して平行に移動することで、立体オブジェクト20の下端から余剰する樹脂が削ぎ落とされる。なお、削ぎ落とした樹脂は(スキージを伝って)トレイ8に落下する。

0042

移動部6(スキージ5)がワーク領域を超えると、制御装置7は、第2駆動装置(不図示)を制御して保持部3をさらに上方(図6中、矢印e2の方向)に駆動し、立体オブジェクト20をスキージ5から離間する(図6参照)。

0043

次に、制御装置7は、図6に示すように、移動部6を制御して、シート1と保持部3との間を先と逆方向に(図中、矢印e3の方向)移動するとともに、移動部6に保持されたノズル4からシート1の上面に樹脂を吐出する。これにより、シート1上に、例えば厚み500μmの樹脂層12が設けられる。移動部6を一方向に移動する際に、スキージ5を用いて立体オブジェクト20の下端から余剰する樹脂を削ぎ落とし、これに続いて移動部6を逆方向に移動する際に、ノズル6によりシート1の上面に樹脂を吐出することで、効率良く立体オブジェクトを造形することができる。

0044

制御装置7は、さらに移動部6を制御して移動させる。これにより、移動部6が図3の位置に移動するとともに、保持部3の直下に移動部6のない位置に樹脂層12が置かれる。(すなわち、図3の状態となる。)

0045

この際、樹脂層12を保持部3の直下でなく、例えば図の左側に寄った箇所に形成してもよい。この場合においては、ローラ1aを作動させて、形成された樹脂層12を保持部3の直下に移動した(図3に示す状態を形成した)後に、立体オブジェクト20と樹脂層12を接触させ、光照射を行う。

0046

上述の手順を繰り返すことで、立体オブジェクト20の断面層を繰り返し造形し、これを積み重ねることで立体オブジェクト20が造形される。

0047

以上詳細に説明したように、本実施形態の3Dプリンタ10によれば、上面に樹脂が塗布される透光性のシート1、シート1の下面側から樹脂(樹脂層12)に光ILを照射する光源2(プローブ)、立体オブジェクト20をその下端をシート1の上面に向けて保持して、その上面に対して近接及び離間する保持部3、及び立体オブジェクト20の下端に当接し、シート1の上面に対して平行に移動するスキージ5を含んで構成される。それにより、保持部3をシート1の上面から離間し、保持部3が保持する立体オブジェクト20の下端にスキージ5を当接し、そのスキージ5をシート1の上面に対して平行に移動することで、立体オブジェクト20の下端から余剰する樹脂を削ぎ落として、その下端をシート1の上面に対して平行且つ平坦に成形することが可能となる。

0048

また、本実施形態の立体オブジェクトを造形する光造形方法によれば、立体オブジェクト20を透光性のシート1の上面に近接して、立体オブジェクト20の下端をシート1の上面に塗布された樹脂12に接触し、シート1の下面側から樹脂12に光ILを照射し、立体オブジェクト20をシート1の上面から離間し、立体オブジェクト20の下端にスキージ5を当接し、そのスキージ5をシート1の上面に対して平行に移動する。それにより、立体オブジェクト20の下端から余剰する樹脂12を削ぎ落として、その下端をシート1の上面に対して平行且つ平坦に成形することが可能となる。また、削ぎ落とされた樹脂片をトレイ8によって回収することができる。

0049

また、本実施形態の3Dプリンタ10では、スキージ5は立体オブジェクト20の下端に下方から当接し、その下端に余剰する樹脂を削ぎ落とす。それにより、削ぎ落とした樹脂は(スキージ5を伝って)落下する為、立体オブジェクト20に戻ることなく、その下端を平坦に成形することが可能となる。その結果、立体オブジェクトを精度良く造形することが可能となる。

0050

なお、一層の樹脂を硬化させる際の光ILの照射量を、樹脂が完全には硬化しない少量としてもよい。ただし、樹脂が透光性を有し、直下層の樹脂を硬化させる際の光ILの照射の際に直下層の樹脂を通った光ILによって硬化するようにする、具体的には、光硬化樹脂の下方からの光の透光率をrとし、光硬化樹脂を完全に硬化させるために必要な光量をxとするとき、光ILの照射量は、xより小さく、x/(1+r)よりも大きいようにする。これにより、液状の樹脂層は完全には硬化していない層と接するため、隣接する層(完全には硬化していない層)の表面が平面状から歪んでいても、その影響による変形が小さくなる。また、光ILの最初の照射と直下層の樹脂を通った光ILの照射とを合わせて、樹脂を硬化させることができる。

0051

本発明の光造形装置は、立体オブジェクトを精度良く造形するのに好適である。多くの造形物生産者による利用が考えられる。

0052

1シート
2光源
3 保持部
4ノズル
5スキージ
6 移動部
7制御装置
8トレイ
103Dプリンタ
12樹脂層
20オブジェクト
IL光

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