CN1116159C - 光成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供小型且廉价的光成形装置，准备多个蓝光LED，各与光纤连接，各光纤前端设置GRIN透镜构成曝光头23。曝光头23在光硬化树脂的曝光区24上将各光纤前端面的像作为光点55而成像。光点55的直径例如为0.5mm而曝光区24中像素71的尺寸则远小例如为62.5μm。各光点55沿主扫描(Y轴)方向按像素71的间距62.5μ排列，曝光头23上的多个光纤则排列成交错位移的矩阵形式。曝光头23在沿副扫描(X轴)方向扫描曝光区24的同时，相对于曝光区24内硬化处理对象的各像素71打开能照射相应在像素的所有光点进行多重曝光。

Description

光成形装置及方法

本发明涉及采用硬化树脂来形成三维形状模型的光成形装置。

光成形装置已知例如有包括特许1827006号在内的众多的发明。传统的光成形装置一般采用输出紫外激光的气体激光振荡器为光源。

气体激光振荡器的尺寸颇大(例如为150cm×30cm×30cm)。结果导致光成形装置的主体尺寸也相当的大。此外，气体激光振荡器的本身是高价的，且根据振荡器的类型，既需用200V的电源，也需有水冷装置。因此，传统的光成形装置价格高昂(例如为数千万日元)。

为此，本发明的目的在于提供小型和廉价的光成形装置。

本发明的光成形装置具有收容光硬化树脂液体的液槽、设定于液槽内光硬化树脂液体中的曝光区、为使曝光区内选择的像素硬化而对曝光装置进行控制的装置。曝光区可作为满足造形件所要求尺寸精度的微细的多个像素的二维集合确定。曝光装置能进行开关转换，具有在开的时候能产生1个以上照射到曝光区的光点的光点发生器。照射到曝光区中的1个光点的尺寸大小比曝光区中的1个像素大。曝光装置通过其光点发生器扫描曝光区，在此扫描期间，控制装置打开位于能把光点照射到所选择的像素上的共计多个的光点发生器。

这里所谓的“共计多个”不仅是指物理意义上将来自不同的多个光点发生器的多个光点同时照射到同一像素上，还包含物理意义上将1个光点发生器多次用于扫描之间，在不同的时刻多次将光点照射到同一像素上的意义。

本发明的光成形装置中，从光点发生器照射到曝光区上的光点尺寸相对于曝光区中的像素大小来说，不是比它小而是具有比像素大的尺寸。此外，各像素的曝光由于是用共计多个光点进行多次，可以允许各个光点发生器的输出较小。于是，作为光点发生器的光源可不必用传统上大型高价的气体激光振荡器，而能采用小型、廉价的LED之类的固体发光元件。结果可以提供比以往便宜得多的(例如过去为数千万日元而现在是数百万日元)光成形装置。

从曝光效率方面考虑，最好希望有多个光电发生器。这时，为了能进行上述的多重曝光，最好采取这样的结构；将来自多个光点发生器的光点于曝光区上沿主扫描方向，按比光点直径小的第一间距(通常是像素的间距)排列，而使这多个光点沿副扫描方向扫描。此外，还最好是使这多个光点按曝光区主扫描方向的全长排列。

如上所述，在把多个光点按小的第一间距排列时，可将2个以上的光点发生器按大于光点直径的第二间距沿主扫描方向排为一列而成的光点发生器阵列，以相互间沿主扫描方向具有与上述第一间距相同的位移沿副扫描方向配置。通过采用这种排列方法，即使比第一间距大的光点发生器的尺寸很大，也可延迟主扫描方向以第一间距排列比其大的光点发生器。

为了能进行上述的多重曝光，控制装置可对曝光装置进行下述控制。具体地说，控制装置首先接收示明形成体剖面形状的数据，将预定的补偿量适当地用于这一数据，使此剖面形状放大。然后，在光点发生器扫描曝光区期间，控制装置打开位于包含在光点中心点所放大的剖面形状中各像素处的光点发生器。采用了这种补偿放大处理的方法，就能根据光点中心点的像素的值对各光点发生器只进行开/关这种单纯的光点驱动方法，而可有效地对成形件剖面形状的全体像素(特别是不仅对剖面形状内部的像素，也对其轮廓附近的像素)实施多重曝光。

如前所述，各光点发生器的光源能采用LED之类的固体发光元件。最好将光纤连接到各个LED之上，由光纤的前端将光点照射曝光面。更理想的结构是，在光纤的前端之前设置GRIN(渐变折射率)透镜，使光纤前端部的像能在曝光区中成像。在这样的结构下，能够生成相当于光纤直径(例如0.5mm)的小直径光点。采用这样小的光点，就能生成在光成形技术的一般用途中具有充分实用的可能尺寸精度的形成件。此外，由于与先前采用气体激光器的光成形装置相比，价格按数量级降低，装置也可小型化，从而本发明的光成形装置具有很大的实用优点。

作为光源的LED，希望采用能发出使能量尽可能高(即波长短)的光，从这一观点考虑，希望采用蓝色的LED，如能够得到，可用紫外LED。

此外，作为光源的LED，可以取同扫描曝光区的光点发生器(曝光头)整体化，而同曝光头一起移动的结构，也可以如后述实施形式那样，固定于脱离开曝光头的地方而用光纤同曝光头连接。

本发明还提供了光成形方法。根据此方法，用尺寸比相应像素大的至少一个光点扫描光硬化树脂的曝光区，与此同时，打开能照射所选像素的光点发生器，由此来进行用于选择了共计多个光像素的多重曝光。根据此方法，例如将上述的LED同光纤相组合，不仅能产生比像素大的光点而且光点的输出也小，由此能够用小型且非常价廉的光点发生器进行实用的光成形。

图1是示明本发明一实施形式的光成形装置的总体结构的框图。

图2是示明曝光头23外观的斜视图。

图3是示明各LED结构的侧视图。

图4是例示曝光头23中光纤55排列形式的平面图。

图5是例示曝光头23中光纤55另一种排列形式的平面图。

图6是示明从一根光纤55投影到树脂液面的1个光点59和曝光区中像素71的关系的平面图。

图7是示明多重曝光的原理图。

图8是示明控制计算机3的处理流程图。

图9是为了说明生成发光图形的方法而示明所排列的光纤坐标和像素的光标的平面图。

图10是示明LED光源另一种整理形式的斜视图。

下面说明用于实施本发明的最佳形式。

图1示明本发明一实施形式的光成形装置的总体结构。

此成形装置100具有：包含光成形所需的机械装置与光源以及相应的驱动装置的装置主体1；用于控制此主体1操作的控制计算机3。控制计算机3通过以太网之类的通信网可与三维CAD系统5或控制数据生成用工作站7等连接。所谓三维CAD系统5是进行成形件三维造形而生成形成件三维形状数据的系统。控制数据生成用工作站7则是用来将该三维形状数据分成多个薄层生成各层的二维形状，再把各层二维形状数据和厚度数据等供给控制计算机3。

装置主体1内设有树脂液槽11，槽中将光硬化树脂液13注满到预定液位。为了控制液位，液面探测传感器31探测液位，根据此探测信号由控制计算机3控制液面调整驱动装置35，根据此控制，液面调整驱动装置35使液面调整容量33发挥作用。

树脂液槽11内设有Z轴升降器15，升降器15上设有托盘19。升降器15可由控制计算器3控制的Z轴升降器驱动装置21带动沿Z轴方向(上下方向)移动。如所周知，在成形之中，随着成形件17于托盘19上形成，升降机15缓缓下降。

在托盘19上方的液面之上设有将硬化用光照射液面的曝光头23。如图2的斜视图所示，曝光头23在Y轴方向上长，能够由控制计算机3控制的扫描轴驱动装置25带动沿X轴方向移动。曝光头23移动时所覆盖的曝光区24在本实施形式中在X轴方向为64mm而在Y轴方向为64mm，因此能形成的成形件17的最大平面尺寸为64mm×64mm(但是，为了适应于后述的补偿量的扩大，实际形成的成形件17的最大平面尺寸约为60mm×60mm)。曝光灯23通过光纤束39与LED光源连接。这部分的结构细节于以后说明。

与成形件17的曝光面(液面)相接触，设置有用来使此曝光面(液面)平整化的沿Y轴方向长的记录器27。记录器27可由由控制计算机3控制的记录器驱动装置29驱动沿X轴方向移动。

为了控制树脂液13的温度，由传感器41、43于多处探测树脂液13的温度，根据所探测出的温度，控制计算机3控制温度调节器45，后者即根据此控制驱动加热器47。

以上的结构中特别应注意光源部分(曝光头23、光纤束39和LED光源37)的结构以及此光源部分为控制计算机3所进行的控制。下面就此作详细说明。

由三维CAD系统5制成的三维形状模型例如按0.1mm的宽度分层。分成的各层数据是XY平面中二维形状的数据，它们供给于光成形装置100的控制计算机3。控制计算机3首先将各层的二维形状数据展开为1024位×1024位的位映像数据。此位映像数据表明了XY平面上上述曝光区24(64mm×64mm)的图像。换言之，此位映像数据将曝光区24的64mm×64mm的图像作为1024像素×1024像素的光栅图像表现。于是，这一位映像数据中各1位对应于曝光区24内的62.5μ×62.5μ的各像素，各位的值“1”和“0”分别意指各像素的树脂硬化(打开光源)和树脂未硬化(关闭光源)。

LED光源37包含有与曝光区24的Y轴方向1行中像素数相当的1024个LED。此1024个LED根据控制计算机3的指令能分别开/关。图3示明各LED的结构。如图3所示，各LED 51是将市售的LED头53的头部的透镜部分54切去的结果，而后与光纤55连接，构成为实质上使输出光的全部入射到光纤55中。各LED最好是尽可能发出接近紫外的短波长的高能光，在本实施形式中采用发出蓝先(波长470nm，输出3mw)的。

连接到LED光源37内1024个LED51上的1024根光纤55，作为图1所示的光纤束39的形式导向曝光灯23。曝光头23中有1024根光纤55的前端排列成参照图4如后说明的形式，在其下方将多个圆柱状的GRIN透镜按平面状布设，排列成图3所示的GRIN透镜板57。此GRIN透镜板57将各个光纤55前端面的像(即直径与光纤55相同的光点)59成像到它下方的树脂液面上。各光纤55的直径例如为0.5mm，因此，由GRIN透镜57所成像的各光点59的直径也为0.5mm。

图4示明曝光头23中光纤55前端部的平面排列的一种形式。

1024根光纤55中的各个用来使沿着曝光区24的Y轴的1024个各像素的位置曝光。因此，曝光头23中1024根光纤55的前端部需按与曝光区24的像素间距相等的62.5μ的间距沿Y轴排列。但由于各光纤55的直径是0.5mm而远比像素间距62.5μ为大，因而按此间距将光纤55排成一列是不可能的。

为此，采用图4所示的128根×8行的纤维排列。也就是说，将128根光纤55按与其直径相等的0.5mm间距沿Y轴方向排成一直线，形成长度64mm的1个光纤阵列63①。以同样方式准备了全部共8个光纤阵列63①～63⑧。各光纤阵列63①～63⑧。具体地说，是通过将128根光纤55纳入具有长度为64mm的沟的基片65的沟中而制成这种阵列。这8个光纤阵列63①～63⑧分别沿Y轴方向平行，且相互间沿Y轴方向以等于像素间距的62.5μ的距离排列，并于X轴方向按适当间隔排列(这样，曝光头23的外观如图2所示，由8个基片65并列组成)。

如图4所示，通过使8个光纤阵列63①～63⑧并列组成的曝光头23沿X轴方向进行扫描，这1024根光纤55就能一一扫描沿曝光区24的Y轴的1024个像素的位置。例如，当给这1024个像素从头开始附以0号、1号、…、1023号时，则图4所示的第一行阵列63①的光纤55即扫0号、8号、16号、…那样，从0号像素开始，隔8个像素共扫描128像素位置，而第二行的阵列63②中的光纤55则按1号、9号、17号、…那样，从1号像素起每隔8个像素间距光扫描128个像素位置。

图4所示的纤维排列是一个例子，其他例如也可采用图5所示的排列。在图5的排列中，与第一行阵列63①相邻地排设着图4排列中第5行的阵列63⑤，按阵列间Y方向的位移等于纤维半径0.25mm使两个阵列相互邻接配置。在这种布置下，能使相邻阵列在X方向的间隔最小，从而曝光灯23在X轴方向的尺寸最小。

图6示明从1根光纤55投影到树脂液面上的1个光点59和此树脂液面像素71的关系。

如前所述，由GRIN透镜板57投影到树脂液面上各光点59的直径与各光纤55的直径同为0.5mm。与此相对应，各像素71的尺寸为62.5μ×62.5μ。因此，光点59不仅能照射位于其中心点的像素73(在参照图4的纤维排列的说明书中所说明的“各光纤55扫描的像素)。还能照射其周围的众多的像素。当从另一个侧面来观察时，对1个像素73来说，在以此像素73为中心的直径0.5mm的范围内，可知有许多个光点对其照射。在本实施形式中，利用上述事实，通过由多个光点将一个像素作多重曝光，能最大限度利用光源LED的输出光。

图7示明多重曝光的原理。如图7所示，或即是使像素73硬化时，在以此像素73为中心的直径0.5mm的范围内，使具有中心点位于此范围内所有像素(图中以“+”标明的像素)之中的全部光点打开。这种多重曝光可通过使用按图4或图5中例示的像素间距排列的光纤以及后面说明的合适地使用相对于成形件形状的补偿量而得以实现。

图8示明用于驱动上述结构的光源的控制处理流程。

如前所述，首先由三维CAD系统5确立成形件的三维形状的数据(步骤S1)。然后，工作站7沿Z轴方向按预定的间距将三维形状分层，形成分出的各层的二维形状数据，把它送给成形装置100的控制计算机3(S2)。

然后，控制计算机3将预定的补偿量应用于各层二维形状数据，使此二维形状是按补偿量扩大(S3)。例如图8所示，当原来的二维形状为圆81时，对其半径添加补偿量83，就扩大成更大直径的圆85。此外，图中虽未示明，当原来的二维形状例如是轮子的情形，其外径虽按确定的补偿量扩大，而内径则按补偿量缩小。这主要是使轮廓按补偿量向外移动的结果。

进行这种补偿扩大处理的理由如下。具体地说，如后所述，各LED51的开/关可根据各光点59的中心点的像素值决定。于是，当原样地使用来自工作站7的二维形状数据来进行LED 51的开/关时，使二维形状的轮廓(侧端)附近的像素曝光的光点数减少(这是由于轮廓线外侧为中心点的光点被遮断所致)，而不能充分获得上述多重曝光的效果。因此，即使是对于二维形状轮廓线上的像素，为要使以这种像素为中心的直径0.5mm范围内的像素作为中心点的所有光点，需应用补偿量使轮廓线外移。于是，补偿量的标准是光点的半径0.25mm。但是，最适当的补偿量取决于树脂硬化特性和光点照射时间的调整结果等等，因而最好能设定包含负值在内的任意的补偿量。

根据上述处理扩大的二维形状数据称为轮廓数据。控制计算器3然后将这种轮廓数据展开成1024位×1024位的位映像图像87。位映像图像87的各位值，例如“1”指LED打开(像素硬化)，“0”指LED关闭(像素不硬化)(自然，也可按相反意义使用)。

然后，控制计算机3使曝光头23开始扫描，在扫描之间，从位映像图像87读出位值，形成发光图案，据此驱动LED光源37(S5)。

发光图案按下述方法形成。作为前提，光纤55排列成图4所示的128×8行形式。再如图9所示，各光纤55由曝光头23上的坐标(p，q)识别。这里的序号p(p＝0～7)是各光纤阵列63①～63⑧的行序号，序号q(q＝0～1023)是各光纤阵列内各光纤55的位置序号。此外，曝光头23上各光纤阵列63①～63⑧的X轴方向(扫描方向)位置，可以由按像素间距62.5μ分割第一行光纤阵列63①和各光纤63①～63⑧间的间隔的倍数值Np表示。例如，对于第一行的阵列63①(p＝0)，N0＝0，对于第二行的阵列63②(p＝1)，N1＝8(也即与第一行阵列的间隔为0.5mm)；对于第三行63③(p＝2)，N2＝18(也即与第二阵列的间隔为0.625mm)，等等。而由曝光区24(位映像图像87)内坐标(i，j)识别各像素71。这里的序号i、j分别是位映像图像87内的行序号(X坐标)和列序号(Y坐标)。此外，曝光灯23的扫描是按每个像素间距62.5μ渐次沿X轴方向移动的方法进行，扫描中的时刻t于扫描开始时为t＝0，以后将移动过m个像素间距时的时刻表示为t＝m。

在以上前提下，控制计算机3在扫描中的各时刻t时，根据下式

i＝t-Np

j＝p+8×q所确定的坐标(i，j)的像素值，对与坐标(p，q)的光纤55连接的LED 51进行开/关(但当i为负值且在1024以上时，则关掉LED 51)。

例如在扫描开始时刻t＝0，第一行光纤阵列63①(p＝0、Np＝0)位于曝光开始位置。这时，只对于此第一行的光纤阵列63①给予发光图案(对于第二行以后的阵列，i为负数)。也就是说，对于此第一行的位置序号q＝0、1、2、…、127的各光纤55的LED 51，给予上式决定的坐标(0，0)、(0，8)、(0，16)、…、(0，1016)的像素值以发光图案。

然后，在t＝1、2、…、7的各时刻，只对于第一行阵列63①给予由上式决定的发光图案。

从开始到移动过8个像素间距的t＝8的时刻时，第二行的光纤阵列63②(p＝1，Np＝8)来到曝光开始位置。从这一时刻开始，对第一行阵列63①和第二行阵列63②给予发光图案(对第3行以后的阵列，i为负数)。也就是，对于第一行的位置序号q＝0、1、2、…、127的各LED 51，给予由上式的坐标(8，0)、(8，8)、(8，16)、…、(8，1016)的像素值的发光图案，而对于第二行的位置序号q＝0、1、2、…、127的LED 51，给予由上式决定的坐标(0，1)、(0，9)、(0，17)、…、(0，1017)的像素值以发光图案。

以后，在t＝9、10、…、10的各时刻，只对第一行和第二行的阵列63①、63②给予由上式决定的发光图案。

从开始时刻移动过18个像素间距的t＝18的时刻时，第3行的光纤阵列63①(p＝2，Np＝18)来到曝光开始位置。从此时刻开始，对于第一行阵列63①、第二行阵列63②和第3行阵列63③给予发光图案(第4行以后的阵列，i为负数)。这时的发光图案也是根据上式确定。

以下，同样地，按每1个像素间距来进行曝光灯23的行进的程度，由上式计算发光图案，驱动相应的LED 51。然后，对第8行的光纤阵列63⑧到由上式计算的i成为1023(或是到像素值“1”存在时的i成为最大值)时，反复进行上述控制操作，到一层的曝光结束。

当一层的曝光结束后，控制计算机3使升降机15下降相当一层厚度的部分，对下一层仍用同样的控制方法进行曝光，并反复进行到成形件的最上层。

图10示明本实施形式能采用的LED光源37的另一结构例。

在此结构中不用图3所示的LED灯，而是采用在半导体基底(或合适材料的绝缘基底)91上，例如按矩阵形状形成的许多固体发光元件通常是LED芯片92(或支座)的结构。然后在各LED元件92的正上方将各光纤93的一端按极其接近甚或是接触的状态设置于各LED元件92之上。各光纤93的前端引导到曝光头23之中。根据这种结构，比采用图3灯式的那样结构的效率更为良好，能够将LED元件92的发光输入到光纤之中。

上面说明了本发明一最佳实施形式，但此实施形式乃是用作说明本发明的例子而无把本发明限于这种实施形式之意。本发明也可由上述实施形式以外的种种形式实施。

Claims (15)

1.一种光成形装置，它包括：

收容光硬化树脂液体(13)的液槽(11)；

包括许多像素的二维集合的曝光区(24)，其中每个像素代表可以被选择性地硬化的所述树脂液体(13)的最小单位；

曝光装置(23，25，37，39)，它具有至少一个可以打开和关闭的光点发生器，在打开该光点发生器时，使用光点(59)照射所述曝光区(24)，该曝光装置还具有扫描装置(25)，它扫描所述曝光区(24)，从而每个像素都可以暴露到以该像素为中心的一个光点下；

控制装置(3)，用于控制所述曝光装置以硬化被选中的像素；

其特征在于，所述光点(59)在尺寸上比每个像素都大，并且控制装置(3)被配置为控制所述曝光装置(23，25，37，39)，从而使得每个被选中的像素被以该被选中的像素为中心的作为一个第一光点的光点照射，并且被以位于由所述第一光点照射的被选中的像素的周围的那些像素为中心的那些光点照射。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述曝光装置(23，25，37，39)包括多个光点发生器(51，55，57)，用于生成多个光点(59)，这些光点(59)以比所述光点(59)的直径小的一个第一间距在一个第一方向Y上排列，所述扫描装置(25)被配置为，以与所述第一方向不同的一个第二方向X相对于所述曝光区(24)移动所述曝光装置(23，25，37，39)。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述第一间距等于所述像素的间距。

4.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述曝光装置(23，25，37，39)具有至少两个光点发生器子阵列(63<1>到63<8>)，每个子阵列包括至少两个光点发生器(51，55)，它们以比所述第一间距大的一个第二间距在所述第一方向Y上排成一行，并且这些光点发生器子阵列本身在所述第二方向X上排列，并且在所述第一方向上相互之间的距离为所述第一间距。

5.如权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于：

所述控制装置(3)被配置为，接收标识要由光成形装置成形的成形件的剖面轮廓(81)数据，将所述数据转换为表示一个扩展的轮廓(85)，其中原始剖面轮廓的每个轮廓线被按如下方式转换，即在被扩展的轮廓中，位于所述原始剖面轮廓(81)中的每个像素被同样数量的邻接像素所包围。

6.如权利要求1所述的装置，其中所述光点生成器具有用作光源的固体发光元件(51)。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：所述固体发光元件是LED。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于：所述LED是发蓝光的LED。

9.如权利要求6、7或8所述的装置，其特征在于：所述光点发生器包括一个光纤(55)，它的一端连接到所述固体发光元件(51)，其另一端包括在面向所述曝光区(24)的所述曝光装置的一部分(23)中。

10.如权利要求6、7或8所述的装置，其中所述光点发生器还包括一个GRIN透镜(57)，它从所述固态发光元件(51)接收光，并形成所述光点(59)。

11.一种光成形方法，包括步骤：

提供一个液槽(11)，它保持光硬化树脂的液体(13)，并定义一个曝光区(24)，它包括许多像素的二维集合，其中每个像素代表可以被选择性地硬化的所述树脂液体(13)的最小单位；

用一个或多个光点扫描光硬化树脂液体(13)的所述曝光区(24)，从而每个像素可以被以该像素为中心的一个光点曝光，并且通过将所述一个或多个光点打开或关闭来硬化被选择的像素，

其特征在于：

所述一个或多个光点的每一个的尺寸都比每一个像素大；并且

所述硬化步骤包括：将以被选中的像素为中心的作为一个第一光点的一个光点打开，并且将以围绕位于所述第一光点照射的所述被选中的像素的那些像素为中心的那些光点打开。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述扫描步骤包括用多个所述光点扫描所述曝光区，所述多个光点以比所述光点直径小的一个第一间距在一个第一方向上排列，并且在与所述第一方向不同的一个第二方向上相对于所述曝光区(24)移动光点阵列。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于：所述第一间距等于所述像素的间距。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于：所述多个光点包括至少两个光点发生器子阵列，每个子阵列包含至少两个光点，它们以比所述第一间距大的一个第二间距在所述第一方向Y上排成一行，并且所述光点子阵列本身在所述第二方向X上排列，并且在所述第一方向上相互之间的距离为所述第一间距。

15.如权利要求11-14任一项所述的方法，其特征在于：

接收标识要由光成形装置成形的成形件的剖面轮廓(81)数据，将所述数据转换为表示一个扩展的轮廓(85)，其中原始剖面轮廓的每个轮廓线被按如下方式转换，即在被扩展的轮廓中，位于所述原始剖面轮廓(81)中的每个像素被同样数量的邻接像素所包围。

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