JP2009132125A - Optical shaping apparatus and optical shaping method - Google Patents
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Description
本発明は、光造形装置および光造形方法に関し、特に、高精度な造形物を造形することができるようにした光造形装置および光造形方法に関する。 The present invention relates to an optical modeling apparatus and an optical modeling method, and more particularly, to an optical modeling apparatus and an optical modeling method that can model a highly accurate modeled object.
従来、CAD(Computer Aided Design)で作成された3次元形状データを用いて、立体モデル(造形物)を作成するときには、例えば、数値制御される機械加工機などが用いられ、機械加工により立体モデルが作成される。 Conventionally, when creating a three-dimensional model (modeled object) using three-dimensional shape data created by CAD (Computer Aided Design), for example, a numerically controlled machining machine or the like is used. Is created.
また、近年、機械加工をすることなく立体モデルを作成するラピッドプロトタイピング(RP:Rapid Prototyping)と呼ばれる手法が、多くの製造現場で注目を集めている。ラピッドプロトタイピングでは、立体モデルの3次元形状データに基づいて、立体モデルをスライスした断面形状の薄板を作成し、その断面形状の薄板を積層することで立体モデルが作成される積層造形法と呼ばれる製造手法が用いられる。 In recent years, a technique called rapid prototyping (RP: Rapid Prototyping) for creating a three-dimensional model without machining has attracted attention in many manufacturing sites. Rapid prototyping is called additive manufacturing, in which a thin plate with a cross-sectional shape obtained by slicing a three-dimensional model is created based on the three-dimensional shape data of the three-dimensional model, and a three-dimensional model is created by stacking the thin plates with the cross-sectional shape. Manufacturing techniques are used.
また、ラピッドプロトタイピングは、この断面形状の薄板を作成する方法によって、紫外線硬化樹脂を用いた光造形、熱可塑性樹脂を押し出し積層する方法(FDM)、粉末の溶融接着積層方式(SLS)、紙を薄膜積層する方式(LOM)、粉末や硬化触媒を吐出させ積層する方式(Ink−Jet方式)などに分類される。 Rapid prototyping is based on the method of creating a thin plate having a cross-sectional shape, such as stereolithography using an ultraviolet curable resin, extrusion lamination of thermoplastic resin (FDM), powder melt adhesion lamination (SLS), paper Are classified into a thin film stacking method (LOM), a method of discharging powder and a curing catalyst and laminating (Ink-Jet method).
例えば、光造形においては、CADで作成された立体モデルの3次元形状データが、立体モデルの表面が小さな三角形の面で表現されるフォーマットであるSTL(Stereo Lithography)に変換されて、光造形装置に入力される。 For example, in stereolithography, 3D shape data of a stereo model created by CAD is converted into STL (Stereo Lithography), which is a format in which the surface of the stereo model is represented by a small triangular surface, and the stereolithography device Is input.
光造形装置は、3次元形状データから、例えば、0.1〜0.2mm程度の一定間隔で、立体モデルをスライスした断面形状データを作成し、断面形状データに応じて、液状の光硬化樹脂の表面に照射する光の照射領域を決定する。光造形装置は、断面形状データの1層ごとに、液状の光硬化樹脂の表面に、その断面形状データに応じた照射領域の光を照射するとともに、液状の光硬化樹脂中の移動架台を、立体モデルをスライスした厚みに応じて垂直方向下方に移動させる。そして、光造形装置は、断面形状データの最下層から最上層まで、光の照射と移動架台の移動とを繰り返すことにより、立体モデルを生成する。 The stereolithography apparatus creates cross-sectional shape data obtained by slicing a three-dimensional model from the three-dimensional shape data, for example, at regular intervals of about 0.1 to 0.2 mm, and the surface of the liquid photo-curing resin according to the cross-sectional shape data. The irradiation area of the light to be irradiated is determined. The stereolithography apparatus irradiates the surface of the liquid photocurable resin with light of the irradiation region corresponding to the cross sectional shape data for each layer of the cross sectional shape data, and a moving gantry in the liquid photocurable resin. The three-dimensional model is moved vertically downward according to the sliced thickness. Then, the stereolithography apparatus generates a three-dimensional model by repeating the light irradiation and the movement of the movable frame from the lowermost layer to the uppermost layer of the cross-sectional shape data.
ここで、特許文献1には、空間光変調器を用い、画像データに応じて紫外線を変調して、その紫外線により感光性樹脂に画像を記録する画像記録装置が開示されている。
Here,
上述したように光造形装置は構成されているが、従来の光造形装置よりも、高精度な造形物を造形することができる装置が求められていた。 Although the optical modeling apparatus is configured as described above, an apparatus capable of modeling a model with higher accuracy than the conventional optical modeling apparatus has been demanded.
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、高精度な造形物を造形することができるようにするものである。 This invention is made | formed in view of such a condition, and enables it to model a highly accurate molded article.
本発明の一側面の光造形装置は、立体モデルの断面形状データに応じた光を光硬化性樹脂の表面に照射して硬化層を形成し、前記硬化層を積層することにより前記立体モデルを造形する光造形装置であって、光造形の作業が行われるワーク全体領域を複数の領域に分割したワーク小領域に応じて、前記立体モデルの断面形状データを分割し、前記ワーク小領域に対応する断面形状データであるワーク小領域データを生成するデータ生成手段と、前記ワーク小領域データに応じて前記ワーク小領域が露光される露光順番を、所定の前記ワーク小領域が露光された次に、前記所定のワーク小領域から少なくとも1つ以上離れているワーク小領域が露光されるように決定する決定手段とを備える。 The stereolithography apparatus according to one aspect of the present invention irradiates the surface of a photocurable resin with light according to cross-sectional shape data of a three-dimensional model to form a hardened layer, and stacks the hardened layer to form the three-dimensional model. It is an optical modeling apparatus for modeling, and the cross-sectional shape data of the three-dimensional model is divided according to the work small area obtained by dividing the entire work area where the optical modeling work is performed into a plurality of areas, and corresponds to the work small area Data generating means for generating work small area data, which is cross-sectional shape data, and an exposure order in which the work small areas are exposed in accordance with the work small area data, after the predetermined work small areas are exposed Determining means for determining that at least one work sub-region away from the predetermined work sub-region is exposed.
本発明の一側面の光造形方法は、立体モデルの断面形状データに応じた光を光硬化性樹脂の表面に照射して硬化層を形成し、前記硬化層を積層することにより前記立体モデルを造形する光造形方法であって、光造形の作業が行われるワーク全体領域を複数の領域に分割したワーク小領域に応じて、前記立体モデルの断面形状データを分割し、前記ワーク小領域に対応する断面形状データであるワーク小領域データを生成し、前記ワーク小領域データに応じて前記ワーク小領域が露光される露光順番を、所定の前記ワーク小領域が露光された次に、前記所定のワーク小領域から少なくとも1つ以上離れているワーク小領域が露光されるように決定するステップを含む。 The stereolithography method according to one aspect of the present invention is directed to irradiating the surface of a photocurable resin with light according to cross-sectional shape data of a three-dimensional model to form a hardened layer, and laminating the hardened layer to form the solid model. An optical modeling method for modeling, wherein the cross-sectional shape data of the three-dimensional model is divided according to a work small area obtained by dividing an entire work area where the optical modeling work is performed into a plurality of areas, and corresponds to the work small area Workpiece small region data that is cross-sectional shape data is generated, the exposure order in which the workpiece small regions are exposed in accordance with the workpiece small region data is set, and then the predetermined workpiece small regions are exposed, Determining at least one work sub-region away from the work sub-region to be exposed.
本発明の一側面においては、光造形の作業が行われるワーク全体領域を複数の領域に分割したワーク小領域に応じて、立体モデルの断面形状データが分割され、ワーク小領域に対応する断面形状データであるワーク小領域データが生成される。そして、ワーク小領域データに応じてワーク小領域が露光される露光順番が、所定のワーク小領域が露光された次に、所定のワーク小領域から少なくとも1つ以上離れているワーク小領域が露光されるように決定される。 In one aspect of the present invention, the cross-sectional shape data of the three-dimensional model is divided according to a work small area obtained by dividing the entire work area where the optical modeling operation is performed into a plurality of areas, and the cross-sectional shape corresponding to the work small area Work small area data which is data is generated. Then, the exposure order in which the work small areas are exposed according to the work small area data is such that, after the predetermined work small areas are exposed, at least one work small area that is separated from the predetermined work small areas is exposed. To be determined.
本発明の一側面によれば、高精度な造形物を造形することができる。 According to one aspect of the present invention, a highly accurate model can be modeled.
以下に本発明の実施の形態を説明するが、本発明の構成要件と、明細書又は図面に記載の実施の形態との対応関係を例示すると、次のようになる。この記載は、本発明をサポートする実施の形態が、明細書又は図面に記載されていることを確認するためのものである。従って、明細書又は図面中には記載されているが、本発明の構成要件に対応する実施の形態として、ここには記載されていない実施の形態があったとしても、そのことは、その実施の形態が、その構成要件に対応するものではないことを意味するものではない。逆に、実施の形態が構成要件に対応するものとしてここに記載されていたとしても、そのことは、その実施の形態が、その構成要件以外の構成要件には対応しないものであることを意味するものでもない。 Embodiments of the present invention will be described below. Correspondences between the constituent elements of the present invention and the embodiments described in the specification or the drawings are exemplified as follows. This description is intended to confirm that the embodiments supporting the present invention are described in the specification or the drawings. Therefore, even if there is an embodiment which is described in the specification or the drawings but is not described here as an embodiment corresponding to the constituent elements of the present invention, that is not the case. It does not mean that the form does not correspond to the constituent requirements. Conversely, even if an embodiment is described herein as corresponding to a configuration requirement, that means that the embodiment does not correspond to a configuration requirement other than the configuration requirement. It's not something to do.
本発明の一側面の光造形装置は、立体モデルの断面形状データに応じた光を光硬化性樹脂の表面に照射して硬化層を形成し、前記硬化層を積層することにより前記立体モデルを造形する光造形装置であって、
光造形の作業が行われるワーク全体領域を複数の領域に分割したワーク小領域に応じて、前記立体モデルの断面形状データを分割し、前記ワーク小領域に対応する断面形状データであるワーク小領域データを生成するデータ生成手段(例えば、図5のステップS13の処理を実行する図1の制御部21)と、
前記ワーク小領域データに応じて前記ワーク小領域が露光される露光順番を、所定の前記ワーク小領域が露光された次に、前記所定のワーク小領域から少なくとも1つ以上離れているワーク小領域が露光されるように決定する決定手段(例えば、図5のステップS14の処理を実行する図1の制御部21)と
を備える。
The stereolithography apparatus according to one aspect of the present invention irradiates the surface of a photocurable resin with light according to cross-sectional shape data of a three-dimensional model to form a hardened layer, and stacks the hardened layer to form the three-dimensional model. An optical modeling apparatus for modeling,
The workpiece small area which is the sectional shape data corresponding to the workpiece small area by dividing the sectional shape data of the three-dimensional model according to the workpiece small area obtained by dividing the entire workpiece area where the optical modeling work is performed into a plurality of areas. Data generation means for generating data (for example, the
An exposure order in which the work small areas are exposed in accordance with the work small area data is set such that at least one work small area is separated from the predetermined work small areas after the predetermined work small areas are exposed. Determining means (for example, the
また、本発明の一側面の光造形装置は、
前記データ生成手段により生成されたワーク小領域データに基づいて前記光硬化性樹脂の表面を一括して露光し、前記硬化層を形成する一括露光手段(例えば、図1の空間光変調器17)と、
前記決定手段により決定された前記露光順番に従って、前記一括露光手段から前記光硬化性樹脂に照射される光の光軸に対して垂直方向に、前記一括露光手段および前記硬化層の一方を、他方に対して相対的に移動させる移動手段(例えば、図1のステージ33)と
をさらに備えることができる。
Moreover, the optical modeling apparatus of one aspect of the present invention is
Collective exposure means (for example, the
In accordance with the order of exposure determined by the determining means, one of the collective exposure means and the cured layer is placed in the direction perpendicular to the optical axis of the light irradiated from the collective exposure means to the photocurable resin. And a moving means (for example, the
本発明の一側面の光造形方法は、立体モデルの断面形状データに応じた光を光硬化性樹脂の表面に照射して硬化層を形成し、前記硬化層を積層することにより前記立体モデルを造形する光造形方法であって、
光造形の作業が行われるワーク全体領域を複数の領域に分割したワーク小領域に応じて、前記立体モデルの断面形状データを分割し、前記ワーク小領域に対応する断面形状データであるワーク小領域データを生成し(例えば、図5のステップS13)、
前記ワーク小領域データに応じて前記ワーク小領域が露光される露光順番を、所定の前記ワーク小領域が露光された次に、前記所定のワーク小領域から少なくとも1つ以上離れているワーク小領域が露光されるように決定する(例えば、図5のステップS14)
ステップを含む。
The stereolithography method according to one aspect of the present invention is directed to irradiating the surface of a photocurable resin with light according to cross-sectional shape data of a three-dimensional model to form a hardened layer, and stacking the hardened layer to form the three-dimensional model. An optical modeling method for modeling,
The workpiece small area which is the sectional shape data corresponding to the workpiece small area by dividing the sectional shape data of the three-dimensional model according to the workpiece small area obtained by dividing the entire workpiece area where the optical modeling work is performed into a plurality of areas. Data is generated (for example, step S13 in FIG. 5);
An exposure order in which the work small areas are exposed in accordance with the work small area data is set such that at least one work small area is separated from the predetermined work small areas after the predetermined work small areas are exposed. Is determined to be exposed (for example, step S14 in FIG. 5).
Includes steps.
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明を適用した光造形装置の一実施の形態の構成例を示すブロック図である。 FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of an embodiment of an optical modeling apparatus to which the present invention is applied.
図1において、光造形装置11は、光源12、シャッタ13、偏光板14、ビームインテグレータ15、ミラー16、空間光変調器17、集光レンズ18、対物レンズ19、ワーク部20、および制御部21から構成される。
In FIG. 1, the
光源12としては、例えば、高出力な青色LEDをアレイ状に配置したものを用いることができ、光源12は、ワーク部20の紫外線硬化樹脂31を露光して、硬化層を形成するための光を放射する。なお、光源12としては、コヒーレントなレーザ光源を用いる必要はない。
As the
シャッタ13は、制御部21の制御に従って、光源12から放射される光を通過または遮蔽し、光源12からの光による紫外線硬化樹脂31の露光のオン/オフを制御する。
The
偏光板14は、シャッタ13を通過した光を所定の偏光光とする。即ち、偏光板14は、透過型の液晶パネルからなる空間光変調器17が、光源12からの光を空間変調することができるように、その光を偏光する。
The polarizing
ビームインテグレータ15は、偏光板14により偏光された光を均一化する。ビームインテグレータ15としては、複数のレンズエレメントを配列してなるフライアイタイプや、四角柱等の柱状のロッドレンズの内部を全反射させる構成としてなるライトロッドタイプ等の一般的なものが用いられる。
The
ミラー16は、ビームインテグレータ15により均一化された光を空間光変調器17に向かって反射する。
The
空間光変調器17は、例えば、透過型の液晶パネルからなり、ミラー16により反射された光が、紫外線硬化樹脂31上の断面形状データに応じた照射領域を露光するように、制御部21の制御に従い、その光の一部を空間変調する。
The
即ち、空間光変調器17には、断面形状データに応じて、液晶パネルの各画素を駆動させる駆動信号が制御部21から供給され、空間光変調器17は、その駆動信号に基づいて、照射領域に対応する画素の液晶の分子の配列を変えて透過する偏光方向を変化させる。これにより、空間光変調器17は、液晶パネルを通過する光を空間変調し、液晶パネルの1画素に対応する領域を、露光を行う単位領域として、断面形状データに応じた形状の光を紫外線硬化樹脂31に投影する。
That is, a drive signal for driving each pixel of the liquid crystal panel is supplied from the
集光レンズ18は、空間光変調器17により空間変調された光が対物レンズ19を通過する際のディストーションを補正するためのレンズ群により構成され、空間光変調器17により空間光変調された光を、対物レンズ19の前焦点に集光する。例えば、集光レンズ18と対物レンズ19とが対称光学系となるように、それぞれのレンズ群を構成することで、ディストーションを少なくすることができる。
The
対物レンズ19は、一又は複数のレンズを有するレンズ群からなり、空間光変調器17により空間変調された光を紫外線硬化樹脂31の表面に結像させる
The
ここで、対物レンズ19は、例えば、光源12からの光による一括露光とともに、図示しないビームスキャン光学系からの光ビームによるビームスキャン露光が行われるときに、ビームスキャン光学系からの光ビームを集光するとともに、光ビームが、紫外線硬化樹脂31の表面において等速度で走査されるように、即ち、紫外線硬化樹脂31の表面において均一な走査線速度で走査されるように構成されている。
Here, the
例えば、対物レンズ19としては、入射角θに比例した像高Yをもち、焦点距離fと入射角θとの積が像高Yとなるような関係(Y=f×θ)を有する所謂fθレンズが用いられる。換言すると、fθレンズは、走査される光ビームの走査速度が、レンズへの入射位置によらず、常に一定となるように設計されたレンズである。このような対物レンズ19を用いることで、走査線速度がばらつくことによる設計形状と実際の硬化層の形状とに違いが発生することを防止することができ、高精細な造形が実現される。なお、対物レンズ19としては、fθレンズではなく、通常の集光機能を有するレンズを用いてもよい。
For example, the
ワーク部20は、収容容器32、ステージ33、駆動部34から構成される。
The
収容容器32は、液状の紫外線硬化樹脂31を収容する。
The
ステージ33は、収容容器32の紫外線硬化樹脂31に浸漬され、少なくとも紫外線硬化樹脂31の表面である液面に対して直交する垂直方向(図1の矢印Zの方向)に移動可能とされる。また、ステージ33は、紫外線硬化樹脂31の表面である液面に沿う方向(即ち、矢印Zの方向に対して垂直なX−Y方向)に移動可能とされる。ここで、空間光変調器17を介して紫外線硬化樹脂31を照射する光の光軸がZ方向であるとすると、ステージ33は、その光軸方向に直交する方向に、ステージ33上に形成される硬化層を移動させる。また、駆動部34は、後述するワーク小領域(図2)ごとに、紫外線硬化樹脂31の表面に沿う方向(X−Y方向)にステージ33を移動させる。
The
駆動部34は、制御部21の制御に従い、収容容器32およびステージ33を駆動する。例えば、駆動部34は、立体モデルの断面形状データに応じて紫外線硬化樹脂31が露光され、立体モデルの硬化層が1層形成されるのに応じて、1ステップずつステージ33を垂直方向下方に駆動する。また、駆動部34は、紫外線硬化樹脂31の表面が、対物レンズ19の後側焦点位置に一致するように、収容容器32を垂直方向に駆動する。
The
制御部21は、光源12を制御して、光源12からの光の放射をオン/オフさせたり、シャッタ13を制御して、紫外線硬化樹脂31の露光をオン/オフさせたり、駆動部34を制御して、収容容器32およびステージ33を駆動させる。また、制御部21は、立体モデルの断面形状データに基づいて、照射領域に対応する空間光変調器17の画素が光を透過するように、空間光変調器17の各画素を駆動する駆動信号を空間光変調器17に供給する。
The
また、制御部21は、例えば、光造形の作業が行われる全領域であるワーク全体領域を、複数のワーク小領域に分割し、ワーク小領域ごとに一括露光を行わせて硬化層を形成するタイリング方式により光造形が行われるように、光造形装置11の各部を制御する。
Moreover, the
図2を参照して、タイリング方式による光造形について説明する。 With reference to FIG. 2, the optical shaping by the tiling method will be described.
図2Aには、光造形の作業が行われる全領域であるワーク全体領域が示されており、図2Bには、ワーク全体領域の一部であるワーク小領域が示されている。 FIG. 2A shows the entire work area, which is the entire area where the optical modeling work is performed, and FIG. 2B shows a small work area that is a part of the entire work area.
図2において、ワーク全体領域の縦×横は10cm×10cmであり、ワーク小領域の縦×横は1cm×1cmである。即ち、ワーク全体領域は、縦×横が10個×10個のワーク小領域により分割されている。 In FIG. 2, the vertical and horizontal dimensions of the entire work area are 10 cm × 10 cm, and the vertical and horizontal dimensions of the small work area are 1 cm × 1 cm. That is, the entire work area is divided into 10 × 10 small work areas in the vertical and horizontal directions.
図2Aに示すように、ワーク全体領域の中央付近のハッチングが施されている領域が、立体モデルの断面形状データに応じた露光領域であり、このワーク全体領域の下から2行目であって、左から3列目にあるワーク小領域が拡大されて、図2Bに示されている。図2Bにおいて、立体モデルの断面形状データに基づく輪郭線が2点差線で示されており、その輪郭線の内側のハッチングが施されている単位領域に光が照射される。 As shown in FIG. 2A, the hatched area near the center of the entire work area is an exposure area corresponding to the cross-sectional shape data of the three-dimensional model, and is the second line from the bottom of this work area. The work small area in the third column from the left is enlarged and shown in FIG. 2B. In FIG. 2B, a contour line based on the cross-sectional shape data of the three-dimensional model is indicated by a two-point difference line, and light is irradiated to a unit region that is hatched inside the contour line.
例えば、空間光変調器17の画素が、縦×横が1000画素×1000画素であるように配置されているとすると、図2Bに示すように、ワーク小領域は、空間光変調器17の画素に応じて、縦×横が1000個×1000個の単位領域(即ち、空間光変調器17の1画素に対応する領域)に分割される。ワーク小領域の縦×横が1cm×1cmであるので、単位領域の縦×横は10μm×10μmとなる。
For example, if the pixels of the spatial
このように、タイリング方式による光造形では、空間光変調器17を介して光が照射される範囲を小さくして、タイル状に配置されている複数のワーク小領域を順次露光することにより、ワーク全体領域を一度に露光する場合よりも単位領域を微細にすることができる。これにより、硬化層を高精度に形成することができ、ひいては、立体モデルの寸法精度を向上させることができる。
Thus, in stereolithography by the tiling method, by reducing the range irradiated with light via the spatial
ここで、一般的に、紫外線硬化樹脂31は、光が照射されて硬化する際に、例えば、7%程度の収縮率で収縮する。このように紫外線硬化樹脂31が硬化収縮することにより、あるワーク小領域が露光されて紫外線硬化樹脂31の硬化収縮が進行しているとき(完全に硬化する前)に、そのワーク小領域に隣接するワーク小領域が露光されると、先に露光されたワーク小領域の紫外線硬化樹脂31の硬化収縮が、その隣接するワーク小領域の紫外線硬化樹脂31に影響を与え、ソリや変形が生じることがあった。
Here, generally, the ultraviolet
図3を参照して、紫外線硬化樹脂31が硬化収縮することによる影響について説明する。
With reference to FIG. 3, the influence by the
図3Aには、先に露光される第1のワーク小領域が示されており、図3Bには、第1のワーク小領域と、第1のワーク小領域の次に露光される第2のワーク小領域とが示されている。 FIG. 3A shows a first work small area that is exposed first, and FIG. 3B shows a first work small area and a second work area that is exposed next to the first work small area. A work sub-region is shown.
図3において、紫外線硬化樹脂31の硬化収縮による影響を受ける領域と向きとが破線で示されており、紫外線硬化樹脂31が硬化収縮して形成された硬化層が実線で示されている。
In FIG. 3, the region and direction affected by the curing shrinkage of the ultraviolet
図3Aに示すように、第1のワーク小領域が露光されることにより、その周囲の領域が、その中心に向かうように、紫外線硬化樹脂31が硬化収縮して、硬化層が形成される。
As shown in FIG. 3A, when the first work small region is exposed, the ultraviolet
そして、第1の第1のワーク小領域の硬化収縮が進行しているときに、第2のワーク小領域が露光されると、図3Bに示されている白抜きの矢印のように、第2のワーク小領域が左方向、即ち、第1のワーク小領域の方向に向かって引っ張られる力を受ける。このように、第2のワーク小領域が、第1のワーク小領域の硬化収縮の力を受けて、微小移動するなどの影響を受けることが、露光領域全体(図2Aのハッチングが施されている領域)にわたり生じると、1層分の硬化層の全体的に、ソリや変形が生じてしまう。これにより、立体モデルの寸法精度が低下することがある。 Then, when the second work small area is exposed while the hardening shrinkage of the first first work small area is proceeding, the first work small area is exposed as indicated by the white arrow shown in FIG. 3B. The second work small area receives a force that is pulled in the left direction, that is, in the direction of the first work small area. In this way, the second work small area is affected by the slight movement of the first work small area due to the hardening shrinkage force of the first work small area, and the entire exposure area (hatching in FIG. 2A is applied). If it occurs over a certain area, warping and deformation of the entire cured layer will occur. Thereby, the dimensional accuracy of a three-dimensional model may fall.
そこで、光造形装置11では、隣接するワーク小領域の紫外線硬化樹脂31が硬化収縮することによる影響を回避するために、所定のワーク小領域が露光された次に、少なくとも1つ以上離れたワーク小領域が露光されるように、即ち、あるワーク小領域が露光された次に、そのワーク小領域に隣接するワーク小領域が露光されないように、ワーク小領域が露光される露光順番が決定される。
Therefore, in the
図4を参照して、ワーク小領域の露光順番について説明する。 With reference to FIG. 4, the exposure order of the work small area will be described.
図4には、縦×横が3×3となるように配置された9つのワーク小領域が示されており、各ワーク小領域には、制御部21がワーク小領域データを作成する際に、ワーク小領域のそれぞれを識別するための符号T1乃至T9が、左下から右上までラスタスキャン順に付加されている。
FIG. 4 shows nine work small areas arranged so that the vertical × horizontal is 3 × 3. In each work small area, the
図4Aに示すように、制御部21は、隣り合うワーク小領域が連続して露光されないように、ワーク小領域T1を露光した次に、1ワーク小領域離れたワーク小領域T3を露光するように露光順番を決定する。また、制御部21は、ワーク小領域T7を露光した次に、1ワーク小領域離れたワーク小領域T9を露光するように露光順番を決定する。
As shown in FIG. 4A, the
図4Aに示すように4つのワーク小領域T1,T3,T7、およびT9を露光した後、図4Bに示すように、制御部21は、それらのワーク小領域の間にあるワーク小領域T5をを露光するように露光順番を決定する。
After exposing the four work subregions T 1 , T 3 , T 7 , and T 9 as shown in FIG. 4A, as shown in FIG. 4B, the
その後、図4Cに示すように、制御部21は、ワーク小領域T1およびT3の間のワーク小領域T2、ワーク小領域T1およびT7の間のワーク小領域T4、ワーク小領域T3およびT9の間のワーク小領域T6、並びに、ワーク小領域T7およびT9の間のワーク小領域T8を順次露光するように、露光順番を決定する。
Thereafter, as shown in FIG. 4C, the
このように、あるワーク小領域が露光された次に、そのワーク小領域に隣接するワーク小領域が露光されないよう露光順番を決定することで、隣接するワーク小領域が硬化収縮する影響を受けることを回避することができ、図3を参照して説明したような、1層分の硬化層の全体的にソリや変形が生じることがない。従って、硬化層を高精度に造形することができ、このような硬化層が積層されて造形される立体モデルを、高精度で造形することができる。 As described above, after a work small area is exposed, the exposure order is determined so that the work small area adjacent to the work small area is not exposed, so that the adjacent work small area is affected by hardening shrinkage. As described with reference to FIG. 3, the entire cured layer corresponding to one layer is not warped or deformed. Therefore, a hardened layer can be modeled with high accuracy, and a three-dimensional model formed by stacking such hardened layers can be modeled with high accuracy.
また、制御部21は、露光順番を決定する際に、あるワーク小領域が露光されてから、そのワーク小領域に隣接するワーク小領域が露光されるまでの時間が、紫外線硬化樹脂31の硬化に必要な時間以上となるように、露光順番を決定することができる。
Further, when the
このように露光時間を決定することにより、例えば、図4Cに示すように、ワーク小領域T1およびT3の間のワーク小領域T2を露光する際には、ワーク小領域T1およびT3が完全に硬化しているので、ワーク小領域T2が硬化する際に、ソリや変形が生じないようにすることができる。 By determining the exposure time in this way, for example, as shown in FIG. 4C, when exposing the work small area T 2 between the work small areas T 1 and T 3 , the work small areas T 1 and T Since 3 is completely cured, it is possible to prevent warping and deformation when the workpiece small region T 2 is cured.
また、制御部21は、ある1層の露光領域のワーク小領域が全て露光され、ステージ33が1層分だけ降下し、その次の層の露光領域が露光されるとき、先に露光された層の露光領域における露光順番に準じて、次の層の露光領域の露光順番を決定することができる。
Further, the
例えば、先に露光された層の露光領域における露光順番と無関係な露光順番で次の層が露光されるときには、先に露光された層の露光領域の硬化収縮中のワーク小領域に重なるワーク小領域が露光されることがある。この場合、次の層のワーク小領域が、先に露光された層の露光領域の硬化収縮中のワーク小領域の硬化収縮の影響を受けることがあり、立体モデルのZ方向にソリや変形が生じることがある。 For example, when the next layer is exposed in an exposure order that is unrelated to the exposure order in the exposure area of the previously exposed layer, the work small size that overlaps the work small area that is undergoing curing shrinkage in the exposure area of the previously exposed layer The area may be exposed. In this case, the work small area of the next layer may be affected by the hardening shrinkage of the work small area during the hardening shrinkage of the exposed area of the previously exposed layer, and warping or deformation in the Z direction of the three-dimensional model may occur. May occur.
これに対し、先に露光された層の露光領域における露光順番に準じて、次の層の露光領域の露光順番を決定することで、先に露光された層の露光領域のワーク小領域の中でも、先に露光された層のワーク小領域が硬化する順番が早いので、次の層のワーク小領域が露光されるときには、そのワーク小領域に重なる先に露光された層のワーク小領域は硬化しており、先に露光された層の露光領域の硬化収縮中のワーク小領域の硬化収縮の影響を受けることが回避され、立体モデルにソリや変形が生じることを回避することができる。 On the other hand, by determining the exposure order of the exposure area of the next layer according to the exposure order in the exposure area of the previously exposed layer, among the small work areas of the exposure area of the previously exposed layer Since the work sub-region of the layer exposed earlier is hardened in order, when the work sub-region of the next layer is exposed, the work sub-region of the previously exposed layer overlapping the work sub-region is cured. Thus, it is possible to avoid the influence of the hardening shrinkage of the small work area during the hardening shrinkage of the exposure area of the previously exposed layer, and it is possible to avoid warping or deformation of the three-dimensional model.
このように、露光順番を決定する際に、あるワーク小領域が露光されてから、そのワーク小領域に隣接するワーク小領域が露光されるまでの時間が、紫外線硬化樹脂31の硬化に必要な時間以上となるように露光順番を決定すること、および、先に露光された層の露光領域における露光順番に準じて、次の層の露光領域の露光順番を決定することにより、立体モデルを、高精度で造形することができる。
Thus, when determining the exposure order, the time from when a small work area is exposed until the small work area adjacent to the small work area is exposed is necessary for curing the ultraviolet
次に、図5は、図1の光造形装置11による光造形を行う処理を説明するフローチャートである。
Next, FIG. 5 is a flowchart for explaining processing for performing optical modeling by the
例えば、光造形装置11に、CADで作成された立体モデルの3次元形状データが入力され、光造形を開始する操作が行われると、ステップS11において、制御部21は、CADで作成された立体モデルの3次元形状データをSTLに変換するプログラムを実行し、立体モデルの3次元形状データをSTLに変換する。
For example, when the three-dimensional shape data of the three-dimensional model created by CAD is input to the
ステップS11の処理後、処理はステップS12に進み、制御部21は、STLに変換された3次元形状データから立体モデルの断面形状データを作成し、処理はステップS13に進む。また、立体モデルの断面形状データを作成する際に、例えば、立体モデルの姿勢および向きが決定され、造形中における立体モデルの転倒を防止するための部材を造形するためのデータなどが作成される。
After the process of step S11, the process proceeds to step S12. The
ステップS13において、制御部21は、処理の対象となっている1層の断面形状データ(例えば、最初は最下層の断面形状データ)を、ワーク小領域に応じて分割し、ワーク小領域データを作成(生成)する。
In step S <b> 13, the
ステップS13の処理後、処理はステップS14に進み、制御部21は、図4を参照して説明したように、少なくとも1つ以上離れたワーク小領域が次に露光が行われる対象となるようにワーク小領域の露光順番を決定し、処理はステップS15に進む。
After the process of step S13, the process proceeds to step S14, and as described with reference to FIG. 4, the
ステップS15において、制御部21は、照射領域となる単位領域に光を照射させるように空間光変調器17の各画素を駆動させる駆動信号を、空間光変調器17に供給し、空間光変調器17は、光源12から放射された光が、照射領域となる単位領域に対応する画素を通過するように、各画素を駆動する。そして、制御部21は、所定の露光時間だけシャッタ13を開放して、紫外線硬化樹脂31の表面の照射領域を露光させる。
In step S15, the
ステップS15の処理後、処理はステップS16に進み、制御部21は、ステップS13で作成された1層分の全てのワーク小領域データに基づいた露光が行われたか否かを判定する。
After the process of step S15, the process proceeds to step S16, and the
ステップS16において、制御部21が、1層分の全てのワーク小領域データに基づいた露光が行われていないと判定した場合、処理はステップS17に進み、制御部21は、ステップS14で決定した露光順番に従い、駆動部34を制御して、直前のステップS15で露光が行われたワーク小領域の次のワーク小領域に対して露光が行われるように、ステージ33を移動させる。
In step S16, when the
ステップS17の処理後、処理はステップS15に戻り、ステップS14で決定した露光順番に従って、直前のステップS15で露光が行われたワーク小領域の次のワーク小領域を処理の対象とし、以下、同様の処理が繰り返される。 After the process of step S17, the process returns to step S15, and in accordance with the exposure order determined in step S14, the work small area next to the work small area exposed in the immediately preceding step S15 is set as the processing target. The process is repeated.
一方、ステップS16において、制御部21が、1層分の全てのワーク小領域データに基づいた露光が行われたと判定した場合、処理はステップS18に進み、制御部21は、ステップS12で作成された全ての断面形状データに基づいた露光が行われたか否かを判定する。
On the other hand, when the
ステップS18において、制御部21が、全ての断面形状データに基づいた露光が行われていないと判定した場合、処理はステップS13に戻り、直前のステップS13乃至S15で露光が行われた層の次の層の断面形状データを処理の対象として、以下、同様の処理が繰り返される。
In step S18, when the
一方、ステップS18において、制御部21が、全ての断面形状データに基づいた露光が行われたと判定した場合、立体モデルが完成しており、処理は終了する。
On the other hand, when the
以上のように、光造形装置11は、少なくとも1つ以上離れたワーク小領域が次に露光が行われる対象となるようにワーク小領域の露光順番を決定することで、硬化層を高精度に造形することができ、ひいては、立体モデルを高精度で造形することができる。
As described above, the
このような光造形装置11を用いて、マイクロチップや、コネクタ、マイクロカプセルなど、または、各種の微細な部品の試作品を造形することができる。
By using such an
なお、空間光変調器17としては、透過型の液晶パネルの他、入力信号に応じて傾き角度が変化する微小な反射ミラーを複数配列してなるデジタルマイクロミラーデバイス(DMD:Digital Micromirror Device)や、反射型液晶素子(LCOS:Liquid Crystal On Silicon)等を用いてもよい。デジタルマイクロミラーデバイスを用いる場合、各マイクロミラーが1単位領域に対応し、偏光板14を設ける必要はない。
As the spatial
また、本実施の形態においては、駆動部34がステージ33をX−Y方向に移動させることにより、ステージ33上に形成された硬化層が移動され、タイル状に配置されている複数のワーク小領域が順次露光されるが、ステージ33を移動させるのではなく、紫外線硬化樹脂31の表面に向かって垂直に光を照射する光学系、即ち、光源12、シャッタ13、偏光板14、ビームインテグレータ15、ミラー16、空間光変調器17、集光レンズ18、および対物レンズ19からなる光学系(一括露光手段)をX−Y方向に移動させて、タイル状に配置されている複数のワーク小領域が順次露光されるようにしてもよい。
In the present embodiment, the
また、図4では、1ワーク小領域だけ離れたワーク小領域が、次に露光されるワーク小領域とされているが、1ワーク小領域以上離れた、例えば、2または3以上離れたワーク小領域を、次に露光されるワーク小領域として露光順番を決定してもよい。また、露光順番は、ラスタスキャン順以外の順番、例えば、時計回りの順番などでもよい。 In FIG. 4, the work small area separated by one work small area is the work small area to be exposed next. However, the work small areas separated by one work small area or more, for example, two or three or more work small areas are separated. The exposure order may be determined by setting the area as a work small area to be exposed next. The exposure order may be an order other than the raster scan order, for example, a clockwise order.
さらに、紫外線硬化樹脂31の表面の照射領域を、空間光変調器17を介して一括して露光するとともに、照射領域の輪郭線に沿って、光ビームをスキャンするビームスキャン露光を行ってもよい。一括露光とビームスキャン露光とを組み合わせることにより、立体モデルを、より高精度に造形することができる。
Further, the irradiation region on the surface of the ultraviolet
なお、ワーク小領域は、正方形に限定されるものでなく、X方向の寸法と、Y方向の寸法とが異なってもよいことは言うまでもない。 Needless to say, the workpiece small region is not limited to a square, and the dimension in the X direction may be different from the dimension in the Y direction.
また、本発明は、空間光変調器17により空間変調された光を、紫外線硬化樹脂31の上方から照射する手法である自由液面法により光造形を行う光造形装置11の他、例えば、空間光変調器17により空間変調された光を、紫外線硬化樹脂31と収容容器32との界面に照射する手法である規制液面法により光造形を行う光造形装置に適用することができる。
In addition to the
例えば、収容容器32の底面をガラスなどの光を透過する材料で構成し、そのガラスと紫外線硬化樹脂31と界面に、空間光変調器17により空間変調された光が、紫外線硬化樹脂31の下方から照射される。即ち、立体モデルの断面形状データに応じた光が照射される紫外線硬化樹脂31の表面は、ガラスと紫外線硬化樹脂31と界面を含むものである。
For example, the bottom surface of the
規制液面法では、収容容器32とステージ33との距離が1層分の硬化層の厚みとなるようにステージ33を配置し、収容容器32の底面のガラスを介して紫外線硬化樹脂31に照射される光により、立体モデルの硬化層が1層形成されるのに応じて、1ステップずつ1層分の硬化層の厚みとなるように垂直方向上方にステージ33を駆動させる処理を繰り返すことにより、立体モデルが形成される。
In the regulated liquid level method, the
このように、光が照射される紫外線硬化樹脂31の表面(界面)を、ガラスにより規制することにより、硬化層の1層分の厚みが正確に造形されるので、積層精度を向上させることができ、これにより、立体モデルを高精度に形成することができる。
Thus, by regulating the surface (interface) of the ultraviolet
また、上述した制御部21が行う一連の処理は、ハードウエアにより実行することもできるし、ソフトウエアにより実行することもできる。一連の処理をソフトウエアにより実行する場合には、そのソフトウエアを構成するプログラムが、専用のハードウエアに組み込まれているコンピュータ、または、各種のプログラムをインストールすることで、各種の機能を実行することが可能な、例えば汎用のパーソナルコンピュータなどに、プログラム記録媒体からインストールされる。
The series of processes performed by the
図6は、上述した一連の処理をプログラムにより実行するコンピュータのハードウエアの構成例を示すブロック図である。 FIG. 6 is a block diagram showing an example of the hardware configuration of a computer that executes the above-described series of processing by a program.
コンピュータにおいて、CPU(Central Processing Unit)101,ROM(Read Only Memory)102,RAM(Random Access Memory)103は、バス104により相互に接続されている。
In a computer, a CPU (Central Processing Unit) 101, a ROM (Read Only Memory) 102, and a RAM (Random Access Memory) 103 are connected to each other via a
バス104には、さらに、入出力インタフェース105が接続されている。入出力インタフェース105には、キーボード、マウス、マイクロホンなどよりなる入力部106、ディスプレイ、スピーカなどよりなる出力部107、ハードディスクや不揮発性のメモリなどよりなる記憶部108、ネットワークインタフェースなどよりなる通信部109、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、或いは半導体メモリなどのリムーバブルメディア111を駆動するドライブ110が接続されている。
An input /
以上のように構成されるコンピュータでは、CPU101が、例えば、記憶部108に記憶されているプログラムを、入出力インタフェース105及びバス104を介して、RAM103にロードして実行することにより、上述した一連の処理が行われる。
In the computer configured as described above, the
コンピュータ(CPU101)が実行するプログラムは、例えば、磁気ディスク(フレキシブルディスクを含む)、光ディスク(CD-ROM(Compact Disc-Read Only Memory),DVD(Digital Versatile Disc)等)、光磁気ディスク、もしくは半導体メモリなどよりなるパッケージメディアであるリムーバブルメディア111に記録して、あるいは、ローカルエリアネットワーク、インタネット、デジタル衛星放送といった、有線または無線の伝送媒体を介して提供される。
The program executed by the computer (CPU 101) is, for example, a magnetic disk (including a flexible disk), an optical disk (CD-ROM (Compact Disc-Read Only Memory), DVD (Digital Versatile Disc), etc.), a magneto-optical disk, or a semiconductor. The program is recorded on a
そして、プログラムは、リムーバブルメディア111をドライブ110に装着することにより、入出力インタフェース105を介して、記憶部108にインストールすることができる。また、プログラムは、有線または無線の伝送媒体を介して、通信部109で受信し、記憶部108にインストールすることができる。その他、プログラムは、ROM102や記憶部108に、あらかじめインストールしておくことができる。
The program can be installed in the
なお、コンピュータが実行するプログラムは、本明細書で説明する順序に沿って時系列に処理が行われるプログラムであっても良いし、並列に、あるいは呼び出しが行われたとき等の必要なタイミングで処理が行われるプログラムであっても良い。また、プログラムは、1つのCPUにより処理されるものであっても良いし、複数のCPUによって分散処理されるものであっても良い。 The program executed by the computer may be a program that is processed in time series in the order described in this specification, or in parallel or at a necessary timing such as when a call is made. It may be a program for processing. Further, the program may be processed by a single CPU, or may be processed in a distributed manner by a plurality of CPUs.
なお、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。 The embodiment of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
11 光造形装置, 12 光源, 13 シャッタ, 14 偏光板, 15 ビームインテグレータ, 16 ミラー, 17 空間光変調器, 18 集光レンズ, 19 対物レンズ, 20 ワーク部, 21 制御部, 31 紫外線硬化樹脂, 32 収容容器, 33 ステージ, 34 駆動部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
光造形の作業が行われるワーク全体領域を複数の領域に分割したワーク小領域に応じて、前記立体モデルの断面形状データを分割し、前記ワーク小領域に対応する断面形状データであるワーク小領域データを生成するデータ生成手段と、
前記ワーク小領域データに応じて前記ワーク小領域が露光される露光順番を、所定の前記ワーク小領域が露光された次に、前記所定のワーク小領域から少なくとも1つ以上離れているワーク小領域が露光されるように決定する決定手段と
を備える光造形装置。 In the optical modeling apparatus for modeling the three-dimensional model by irradiating the surface of the photocurable resin with light according to the cross-sectional shape data of the three-dimensional model, forming a cured layer, and laminating the cured layer,
The workpiece small area which is the sectional shape data corresponding to the workpiece small area by dividing the sectional shape data of the three-dimensional model according to the workpiece small area obtained by dividing the entire workpiece area where the optical modeling work is performed into a plurality of areas. Data generation means for generating data;
An exposure order in which the work small areas are exposed in accordance with the work small area data is set such that at least one work small area is separated from the predetermined work small areas after the predetermined work small areas are exposed. A stereolithography apparatus comprising: a determination unit that determines that the light is exposed.
請求項1に記載の光造形装置。 The determination means has a time from when the predetermined small work area is exposed to when a small work area adjacent to the predetermined small work area is exposed is longer than a time required for curing the photocurable resin. The optical modeling apparatus according to claim 1, wherein the exposure order is determined so that
請求項1に記載の光造形装置。 The determining means, when forming the next hardened layer of the predetermined hardened layer according to the cross-sectional shape data of the three-dimensional model, according to the exposure order of the work subregion in the predetermined hardened layer, the next The optical modeling apparatus according to claim 1, wherein an exposure order of the work small regions in the hardened layer is determined.
前記決定手段により決定された前記露光順番に従って、前記一括露光手段から前記光硬化性樹脂に照射される光の光軸に対して垂直方向に、前記一括露光手段および前記硬化層の一方を、他方に対して相対的に移動させる移動手段と
をさらに備える請求項1に記載の光造形装置。 Batch exposure means for exposing the surface of the photocurable resin collectively based on the work small area data generated by the data generation means to form the cured layer;
In accordance with the order of exposure determined by the determining means, one of the collective exposure means and the cured layer is placed in the direction perpendicular to the optical axis of the light irradiated from the collective exposure means to the photocurable resin. The optical modeling apparatus according to claim 1, further comprising: a moving unit that moves the frame relative to each other.
光造形の作業が行われるワーク全体領域を複数の領域に分割したワーク小領域に応じて、前記立体モデルの断面形状データを分割し、前記ワーク小領域に対応する断面形状データであるワーク小領域データを生成し、
前記ワーク小領域データに応じて前記ワーク小領域が露光される露光順番を、所定の前記ワーク小領域が露光された次に、前記所定のワーク小領域から少なくとも1つ以上離れているワーク小領域が露光されるように決定する
ステップを含む光造形方法。 In the optical modeling method of modeling the three-dimensional model by irradiating the surface of the photocurable resin with light according to the cross-sectional shape data of the three-dimensional model to form a cured layer and laminating the cured layer,
The workpiece small area which is the sectional shape data corresponding to the workpiece small area by dividing the sectional shape data of the three-dimensional model according to the workpiece small area obtained by dividing the entire workpiece area where the optical modeling work is performed into a plurality of areas. Generate data,
An exposure order in which the work small areas are exposed in accordance with the work small area data is set such that at least one work small area is separated from the predetermined work small areas after the predetermined work small areas are exposed. A stereolithography method including the step of determining so that the light is exposed.
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