CN1443636B - 光学立体造型方法及装置 - Google Patents

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Abstract

光造型方法和光造型装置，使用能改变掩模图像的面状制图掩模，使面状制图掩模在光固化性树脂组合物的表面上以平行状态进行移动，同时，一边根据欲形成的光固化的树脂层的断面形状图形，与面状制图掩模的移动相同步，改变面状制图掩模的掩模图像，一边在光固化性树脂组合物的表面上通过面状制图掩模照射光线，形成具有预定的断面形状图形的光固化的树脂层。

Description

光学立体造型方法及装置
技术领域
本发明涉及采用光固化性树脂组合物的光学立体造型方法和光学立体造型装置。更详细说本发明是涉及这样的光学立体造型方法和光学立体造型装置，它利用光固化性树脂来制造从小型到大型的各种立体造型物，其造型精度高，不产生固化不匀，造型速度快，生产效率高。
背景技术
近几年，根据已输入到3维CAD内的数据使光固化性树脂固化，制造立体造型物的光学造型方法和装置已经实用化。该光学造型技术引人注目的原因是：在设计过程中验证外观设计用的模型、检查部件功能性用的模型、制造铸模用的树脂型模具、制造模具用的基础模型等复杂的3维物体容易进行造型。
在利用光学造型方法来制造造型物时广泛采用的方法是使用造型槽，此法是把液状的光固化性树脂装入造型槽内，为了在液面上获得所需的图形，利用由计算机进行控制的点状紫外线激光有选择地进行照射，使预定的厚度进行光固化，形成固化树脂层，使该固化树脂层在造型槽内向下方移动，使造型槽内的光固化性树脂液在该固化树脂层上流动，形成光固化性树脂液层，把点状紫外线激光照射到该光固化性树脂液层上，形成固化树脂层，重复进行上述工序直到获得规定形状和尺寸的立体造型物为止的这种方法已广泛采用。
但是按照上述过去的方法利用点状紫外线激光的情况下，一边把一个点状激光照射到光固化性树脂的表面上，一边移动，形成面状的光固化图形，这是所谓点扫描方式，所以存在的问题是：造型所需要的时间长，生产效率低。而且，作为光源用的紫外线激光装置，价格昂贵，所以这种光学立体造型装置也是价格较高。
为了克服上述现有技术的缺点，采用线形状的曝光掩模，其中，微小点区的能控制遮光的光挡板连续地排成一行，一边使该曝光掩模在与光挡板的排列方向相垂直的方向上进行扫描，一边根据规定的水平断面形状数据来控制光挡板，这样，依次形成一层层光固化树脂层。这种光学立体造型方法已由特开平4-305438号公报提出建议。在采用此法的情况下，光源不一定要使用高价的紫外线激光装置，也可以采用像通常的紫外线灯那样的廉价光源，并且，与采用点状紫外线激光的上述过去的方法相比较，能加快造型速度。但是，在采用此法的情况下，在曝光掩模的扫描方向上一行一行地形成线状的光固化部，多次反复进行该过程，即可形成一层的断面形状图形。若用这种方式来加快曝光掩模的扫描速度，则不能形成充分光固化的每一行光固化部，所以必须对曝光掩模慢慢进行扫描。而且，由于每一行光固化部接连不断地形成，最后形成面状的光固化层，所以这种方式，造型时间长，因此，造型速度不够快，在生产效率方面不能充分满足要求。
并且，上述以外的其他方法是：在光源和光固化性树脂组合物的表面之间，固定布置一种面状制图(造型)掩模，该掩模由能用微小点区遮光和透光的液晶挡板构成，在面状制图掩模的停止状态下，根据要形成的1层断面形状图形，在面状制图掩模上形成规定的掩模图形，通过该掩模图形把光线照射到光固化性树脂组合物的表面上，使光固化性树脂组合物固化，形成一层断面形状图形，然后经过光固化的断面形状图形上，供给下面一层光固化性树脂组合物，在面状制图掩模的停止状态下，根据要形成的一层的断面形状图形，在面状制图掩模上形成下面规定的掩模图形，通过该掩模图形把光照射到光固化性树脂组合物的表面上，使光固化性树脂组合物固化，形成下面一层的断面形状图形，这样的操作反复进行制造出立体造型物。这种光学立体造型方法是已知的。
在采用此法的情况下，与以下两种方法相比，能加快光造型速度：一种是为了对光固化性树脂组合物的表面进行光照射以及以面状一次形成一层的光固化的断面形状图形，采用了点状紫外线激光的过去的方法；另一种是采用行形状的曝光掩模，其中微小点区的能控制遮光的光挡板连续地排列成一行的上述特开平4-305438号公报的方法。
在用这种方法来制造光学造型时，从造型精度(分辨率)这一点来看，从面状制图掩模投影的光固化性树脂组合物表面上的邻接的微小点区之间的距离必须在0.1mm以下。因此，像素数，例如对于造型区大小为250mm×250mm的小型立体造型物来说，至少必须是2500×2500点左右，并且，对于造型区大小为600mm×600mm的中型立体造型物来说，至少必须是6000×6000mm点左右。但是，用现有的液晶掩模(液晶挡板)和数字微型反射镜挡板来制作立体造型物，达不到该分辨率，或者，即使能够达到，也是价格极其昂贵。
并且，在固定布置的面状制图掩模停止的状态下进行光照射的这种方法的情况下，曝光形状图形的清晰度，取决于面状制图的清晰度、以及通过面状制图掩模投影到光固化性树脂组合物表面上的图形的放大、缩小率，放大率越小(缩小率越大)，在光固化性树脂组合物表面上的光点之间的距离越小，形成的断面形状图形的清晰度越高，相反，放大率越大，光固化性树脂组合物的表面上的光点间的距离越大，形成的断面形状图形的清晰度越低。
因此，在采用对面状制图掩模进行固定布置的情况下，很难制造出清晰度(造型精度)高的大型立体造型物，从清晰度(造型精度)来看，当前只能适用于制造小型立体造型物。
为了克服采用固定布置的面状制图掩模的上述方法的缺点，争取使用小型液晶挡板能制造出大型立体造型物，在特开平8-112863号公报中提出了这样一种方法：把有选择地透过光或遮挡光的液晶挡板(液晶掩模)布置成能与光固化性树脂的液面相平行地移动的状态，同时把液晶挡板的移动范围分割成许多个，使液晶挡板移动到其被分割成的移动范围的第1范围后停止下来，在使液晶挡板停止后的状态下，一边使设置在液晶挡板背后的光源在该液晶挡板的范围内进行移动，一边通过该液晶挡板把光照射到光固化性树脂表面上，形成相当于该被分割的第1范围的固化部分，然后，使液晶挡板移动到第2被分割成的移动范围后停止下来，在使液晶挡板停止后的状态下，一边使设置在液晶挡板背部上的光源在该液晶挡板的范围内移动，一边通过该液晶挡板把光照射到光固化性树脂表面上，形成相当于被分割成的第2范围的固化部分，反复进行这样的操作，直到在光固化性树脂组合物表面上形成1层规定的断面形状图形为止，并且，上述工序反复进行到形成规定的立体造型物为止，制造出立体造型物。
该装置的结构能使线状光源通过液晶档板上进行分割曝光。并且，特开平7-290578公开了借助线状液晶档板来分割进行图形曝光。
但是，在采用上述特开平8-112863号公报所述的方法的情况下，反复进行以下操作：液晶挡板向被分割的第1移动范围的移动、在液晶挡板的停止状态下的光照射(在光固化性树脂表面上的光固化部的形成)、液晶挡板向被分割成的第2移动范围的移动、以及在液晶挡板停止状态下的光照射(在光固化性树脂表面的光固化部的形成)……，这样来形成1层已固化的断面形状图形，进一步在多层上重复进行这些操作，制造出立体造型物，当液晶挡板正在移动到被分割成许多个的各个移动范围位置时，不进行光照射。因此在采用此法的情况下，不连续进行曝光，而是断续地进行曝光，所以造型速度慢。而且，在采用此法的情况下，把液晶挡板的移动范围分割成许多个，在各个分区内在使液晶挡板停止的状态下对光固化性树脂组合物进行固化，所以，在互相分割的移动区域的边界部分上固化状态不连续、容易出现不均匀，容易伴随产生立体造型物整体的强度斑、强度不足、外观不好、尺寸精度降低等。
此外，特开平7-227909公开了通过掩模进行面状曝光的结构。但并不是移动光源、掩模进行曝光，分开形成图形。并且，日本专利第2624239号提出的方案是利用显像管或液晶进行掩蔽。
发明内容
本发明的目的在于提供这样的光学立体造型方法和光学立体造型装置，即不限于小型、中型立体造型物、即使是大型立体造型物，其也是造型精度高，而且，不仅能防止发生固化不均匀，也可提高造型速度，提高生产效率。
再有，本发明的目的还在于提供这样的光学立体造型方法和光学立体造型装置，即不使用高价的紫外线激光装置，而使用通常的像紫外线灯那样的廉价光源，在此情况下仍能高速度进行造型，顺利地制造出造型精度高而且没有固化不均匀的高质量立体造型物。
为达到上述目的本发明人反复进行了锐意研究，其结果发现：通过面状制图掩模把光照射到光固化性树脂组合物表面上，依次形成具有规定断面形状图形的已光固化的树脂层，制造立体造型物时，不是利用上述现有技术，在使面状制图掩模固定或停止的状态下进行光照射，而是在光照射时不使面状制图掩模停止，使其移动，同时，与面状制图掩模的连续移动相同步，根据欲形成的规定的断面形状图形一边改变采用面状制图掩模的掩模图像(掩模图形)，一边照射光线进行造型(例如一边像电影和电视画面等的动画那样改变面状制图掩模的掩模图像，一边照射光线，进行造型)，这时，不仅限于小型、中型的立体造型物，也包括大型立体造型物，均能提高造型精度，而且能防止固化不均匀，提高产品质量，与上述现有技术相比，造型速度快，生产效率高。
并且，本发明人在采用此法的情况下，不使用高价的紫外线激光装置，而使用像普通的紫外线灯那样的廉价光源，这样也能制造出造型精度高而且固化均匀的高质量立体造型物，其造型速度快，制造容易。
再有，本发明人发现：面状制图掩模最好采用能用微小点区进行遮光和透光的多个微小光挡板被布置成面状的所谓面状制图掩模，尤其最好采用液晶挡板或数字微型反射镜挡板被布置成面状的所谓面状制图掩模；并且，最好在光源和面状制图掩模之间布置能与面状制图掩模相同步地移动的聚光镜；在面状制图掩模和光固化性树脂组合物的表面之间布置能与面状制图掩模相同步地移动的投影透镜，根据这些实践知识完成了本发明。
也就是说，本发明
(1)是一种光学立体造型方法，在光固化性树脂组合物的表面上，通过面状制图掩模进行控制，照射光线，形成具有规定断面形状图形的已经光固化的树脂层，然后，在该光固化的树脂层上制作一层光固化性树脂组合物，在该光固化性树脂组合物的表面上通过面状制图掩模进行控制，照射光线，进一步形成具有规定断面形状图形的已光固化的树脂层，以上操作依次反复进行直到形成规定的立体造型物为止，这样制造出立体造型物，这种光学立体造型方法，其特征在于：面状制图掩模使用能改变掩模图像的面状制图掩模，使面状制图掩模在光固化性树脂组合物的表面上以平行状态进行移动，同时，一边根据欲形成的光固化的树脂层的断面形状图形，与面状制图掩模的移动相同步，改变面状制图掩模的掩模图像，一边在光固化性树脂组合物的表面上通过面状制图掩模照射光线，形成具有规定的断面形状图形的光固化的树脂层。
并且，本发明是：
(2)上述第(1)项的光学立体造型方法，其特征在于：面状制图掩模采用能用微小点区来遮光和透光的许多微小光挡板被布置成面状的所谓面状制图掩模，当面状制图掩模连续移动时，根据欲形成的断面形状图形，利用上述许多微小光挡板一边连续改变掩模图像，一边对光固化性树脂组合物的表面进行光照射。
(3)上述(2)的光学立体造型方法，其特征在于：面状制图掩模把液晶挡板或数字微型反射镜挡板布置成面状的面状制图掩模。
(4)上述(1)～(3)中的任一项的光学立体造型方法，其特征在于：在形成具有规定的断面形状图形的一层光固化的树脂层时，对面状制图掩模的连续移动速度和/或面状制图掩模的掩模图像的变化进行调整，使面状制图图形的各部分的光照射量相等。
再者，本发明是：
(5)一种光学立体造型装置，具有：
光固化性树脂组合物的供给装置，用于依次向载物台上或光固化的树脂层上供给一层光固化性树脂组合物；
光源；
面状制图掩模，它能改变掩模图像；
其特征在于：还具有：
移动装置，用于在与光固化性树脂组合物的表面相平行的状态下移动面状制图掩模；以及
改变装置，用于和面状制图掩模的移动相同步，改变面状制图掩模的掩模图像。
并且，本发明是：
(6)上述(5)的光学立体造型装置，其特征在于：面状制图掩模是能用微小点区来遮光和透光的许多微小光挡板被布置成面状的面状制图掩模。
(7)上述(5)或(6)的光学立体造型装置，其特征在于：面状制图掩模是把液晶挡板或数字微型反射镜挡板布置成面状的面状制图掩模。
(8)上述(5)～(7)中的任一项的光学立体造型装置，其特征在于：在光源和面状制图掩模之间具有能与面状制图掩模相同步移动的聚光镜；在面状制图掩模和光固化性树脂组合物的表面之间具有能与面状制图掩模相同步移动的投影透镜。
附图说明
图1是表示本发明采用的光学立体造型装置的一例的图。
图2是表示本发明采用的光学立体造型装置的另一例的图。
图3是表示本发明采用的光学立体造型装置的再另一例的图。
图4是表示本发明的光学立体造型方法的一例的图。
图5是表示本发明的光学立体造型方法的另一例的图。
具体实施方式
以下详细说明本发明
本发明采用以下造型操作：在光固化性树脂组合物的表面上，通过面状制图掩模(マスク)进行控制，照射光线，形成具有规定断面形状图形的已经光固化的树脂层，然后，在该光固化的树脂层上制作一层光固化性树脂组合物，在该光固化性树脂组合物的表面上通过面状制图掩模进行控制，照射光线，进一步形成具有规定断面形状图形的已光固化的树脂层，以上操作依次反复进行直到形成规定的立体造型物为止，这样制造出立体造型物。
上述本发明的造型操作，可以采用以下造型槽法：一般是在充填了液状光固化性树脂组合物的造型槽中，布置造型台，使造型台下降，在造型台面上形成一层液状光固化性树脂组合物层，其上通过面状制图掩模进行控制照射光线，形成具有规定图形和厚度的光固化树脂层(以下有时称为“光固化层”)，然后，再使造型台下降，在该光固化层面上形成一层液状光固化性树脂组合物层，通过面状制图掩模进行控制，照射光射，形成具有规定图形和厚度的光固化层，积层成一个整体，以上工序反复进行。
并且，上述本发明的造型操作，也可以采用以下方法：例如，把造型台布置在气体氛围中，在造型台面上制作一层液状、膏状、粉末状或薄膜状的光固化性树脂组合物，通过面状制图掩模进行控制，照射光射，形成具有规定图形和厚度的光固化层，然后，在该光固化层面上施加一层液状、膏状、粉末状或薄膜状的光固化性树脂组合物，通过面状制图掩模进行控制，照射光线，形成具有规定图形和厚度的光固化层，积层成一个整体，以上工序反复进行。
在采用此法的情况下，也可以采用这样的方式，即使造型台或光固化层朝上，在其上面施加光固化性树脂组合物，通过面状制图掩模照射光线，依次积层形成光固化层。或者采用这样的方式，即把造型台或光固化层布置成垂直或倾斜状态，在造型台面或光固化层面上施加光固化性树脂层，通过面状制图掩模进行光照射，依次积层形成光固化层。或者把造型台或光固化层布置成朝下状态，在造型台面或光固化层面上施加光固化性树脂组合物，通过面状制图掩模照射光线，依次在下方积层形成光固化层。当在造型台面或光固化层面上施加光固化性树脂组合物时，可采用以下适当方法，例如刮板涂敷、流延涂敷、滚轮涂敷、转印涂敷、毛刷涂敷、喷射涂敷等。
在本发明中，当进行上述造型操作时，面状制图掩模采用能改变掩模图像的面状制图掩模，使面状制图掩模与光固化性树脂组合物表面呈平行状态移动，同时，一边根据欲形成的光固化性树脂层的断面形状图形，与面状制图掩模的移动相同步改变面状制图掩模的掩模图像，一边在光固化性树脂组合物的表面上通过面状制图掩模照射光线，形成具有规定断面形状图形的光固化性树脂层。
在此，制图掩模的移动可以是连续性的。并且，随着制图掩模的移动，制图掩模的掩模图像也连续地变化。
上述本发明的光学立体造型方法，利用本发明的光学立体造型装置，即可顺利地实施，该光学立体造型装置具有：
光固化性树脂组合物供给装置，用于向载物台上或者通过光固化性树脂组合物固化而形成的光固化的树脂层上，依次供给1层光固化性树脂组合物；
光源；
面状制图掩模，它能改变掩模图像，尤其能把用微小点区来遮光和透光的许多微小光挡板(液晶挡板、数字微型反射镜挡板等)布置成面状；
移动装置，使面状制图掩模相对于光固化性树脂组合物的表面以平行状态移动；以及
改变装置，用于和面状制图掩模的移动相同步，改变面状制图掩模的掩模图像。
为使面状制图掩模相对于光固化性树脂组合物表面以平行状态进行移动所用的装置和方式不受特殊限制。例如，以线性导向、轴、扁杆(フラツトバ一)等为导向，利用滚珠螺杆、梯形螺纹、牙轮(同步)皮带、齿条和小齿轮、链条等来传递驱动力，驱动源可以采用AC伺服马达、DC伺服马达和步进马达等。并且，也可以利用导向和驱动兼用的线性马达方式、以及多关节型机械手臂前端部。这样，本系统和移动可以采用任意的装置和方式。
进行光造型时的面状制图掩模的连续移动方向和速度，根据光源的种类、对光固化性树脂组合物表面进行照射的光的照射强度、通过面状制图掩模的光固化性树脂组合物表面的曝光区(曝光面积)、欲形成的断面形状图形的形状、光固化性树脂组合物的种类、光固化性树脂组合物的光固化特性和形成光固化层所需的曝光时间等，利用计算机等进行控制和调整。一般，如果使面状制图掩模从光固化性树脂组合物表面上的曝光区的一边的端部向与其相对置的另一边的端部侧，相对于光固化性树脂组合物表面以平行状态按照等速度沿直线连续地进行移动，那么，对光固化性树脂组合物表面的光照射量的均匀控制很容易进行。
在此，制图掩模的移动可以是连续性的。并且，随着制图掩模的移动，制图掩模的掩模图像也连续地变化。
在与面状制图掩模的连续移动相同步，连续地(动画方式)改变面状制图掩模的掩模的图像时，根据欲形成的断面形状图形的内容和面状制图掩模的连续移动速度等，利用面状制图掩模来形成的掩模图像的有关信息，预先存储到计算机等内，可以按照该信息来连续地改变面状制图掩模的掩模图像。
本发明所采用的面状制图掩模，最好是能用微小点区遮光和透光的许多微小光挡板被布置成面状的面状制图掩模。这种面状制图掩模的具体例子可以是液晶挡板或数字微型反射镜挡板。希望作为本发明的面状制图掩模使用的液晶挡板和数字微型反射镜挡板，作为能连续(动画方式)形成图像的装置，已应用于其化领域(例如电视、微机、投影仪、汽车导向、移动电话等)。
这些面状制图掩模最好是能用微小点区来遮光或透光的许多微小光挡板被并列布置成面状(X-Y方向)的正方形状或长方形状的面状制图掩模。布置成面状制图掩模的微小光挡板(像素)数无特别限制，可以采用过去已知的数据。液晶挡板(液晶显示器件)，例如可采用QVGA(像素数＝320点×240点)，VGA(像素数＝640×480点)、SVGA(像素数＝800×600点)、UXGA(像素数＝1024×768点)、QS×GA(像素数＝2560×2648点)等，这些液晶挡板早已广泛销售。
并且，数字微型反射镜挡板，例如可采用德州仪器公司制的“DLPTechnology”(注册商标)的DMD(注册商标)器件等。
本发明希望采用的上述液晶挡板和数字微型反射镜挡板所构成的面状制图掩模，在面状制图掩模连续移动时根据欲形成的断面形状图形，利用上述许多微小光挡板来进行遮光和/或透光，这样，例如可以像电视和电影等的动画那样，连续地改变掩模图像。因此，一边连续移动一边连续改变的这种掩模图像(动画的掩模图像)所对应的光，一边使该照射位置连续移动，一边连续照射光固化性树脂组合物表面，被光照射的部分的光固化性树脂组合物表面连续地固化，形成规定的一层断面形状图形。
利用上述例示的液晶挡板，使光固化性树脂组合物的表面上的1个像素间距(相邻的像素之间的距离)达到0.1mm(光造型所需的造型精度)，在使液晶挡板停止的状态下，进行光照射的这种现有技术的情况下，其曝光面尺寸，按QVGA为32mm×24mm；按VGA为64mm×48mm；按SVGA为80mm×60mm；按UXGA为102.4mm×76.8mm；按QS×GA为256mm×264.8，曝光面(断面形状图形)的一边的尺寸超过300mm的大型立体造型物很难制造。对此，在采用本发明的情况下，利用上述过去市场销售的液晶挡板等作为液晶挡板掩模，使其相对于光固化性树脂组合物表面以平行状态而连续地移动，同时，对采用液晶挡板的掩模图像，一边与液晶挡板的移动相同步连续地按动画方式进行改变，一边对其进行光照射，因此，曝光面(断面形状图形)的尺寸不受限制，能形成任意大小的光固化的断面形状图形。所以，在采用本发明的情况下，一边的尺寸超过300mm的大型立体造型物，也能达到造型精度高，而且造型速度快，再者制造方法简单，生产效率高。
光源被布置在面状制图掩模的背部侧，从光源来的光通过面状制图掩模而照射到光固化性树脂组合物表面上。光源的种类不受特别限制，只要是能用于光学立体造型的光源，任一种均可。例如可以是氙灯、金属卤化物灯、水银灯、萤光灯、卤素灯、白炽灯、Ar激光器、He-Cd激光器、LD激光器(半导体激励固体激光器)等。尤其，在采用本发明的情况下，不使用光学立体造型方法中像过去使用的激光装置那样高价的光源，可以使用氙灯、金属卤化物灯、水银灯、萤光灯、卤素灯、白炽灯等廉价的通用光源，因此，能使光学立体造型装置价格低，使用方便。
光源的形状、大小、数量也没有特殊限制，可以根据面状制图掩模的形状和尺寸、欲形成的光固化断面形状图形的形状和尺寸等而适当进行选择，光源也可以是点状、球状、棒状、面状的，也可以是把点状和球状光源在面状制图掩模的背部侧直接布置成一行或多行。
并且，光源也可以在面状制图掩模的背部侧和面状制图掩模一起设置成能连续移动的状态。或者，为了提高造型精度，提高造型速度，减轻装置重量，提高可维修性等目的，也可以把光源设置在固定位置上使其不移动，同时，把来自光源的光通过光纤、导光管或其他光传导装置而引导到面状制图掩模的背部，也可以使光纤和导光管或其他光传导装置和面状制图掩模一起设置成能连续移动的状态。
并且，为了提高造型速度，也可以采用利用多个光源进行聚光提高光能量的方式。其优点是：尤其在使用光纤或导光管等的情况下容易对多个光源进行聚光。
本发明，为了提高造型精度、提高造型速度，减轻装置的重量，提高易维修性，降低装置成本等目的，最好根据布置在面状制图掩模的背部侧的光源和种类、形状、数量、面状制图掩模的形状和尺寸等，布置以下两种装置：一是把从光源来的光很好地引导到面状制图掩模上用的装置(例如聚光镜、菲涅儿透镜等)；另一种是以很高的精度把利用面状制图掩模来形成的掩模图像(通过面状制图掩模的光图像)照射到光固化性树脂组合物表面的规定位置上所用的装置(例如投影透镜，投射透镜等)。这些装置最好与面状制图掩模的连续移动相同步而进行连续移动。
本发明所采用的光固化性树脂组合物的种类没有特别限制，可以采用能用于光造型的液状、膏状、粉末状、薄膜状等光固化性树脂组合物中的任一种。
在本发明中，光固化性树脂组合物可以采用光造型中过去所使用的材料，例如，尿烷丙烯酸酯低聚体、环氧丙烯酸酯低聚体、酯式丙烯酸酯低聚体、多官能环氧树脂等各种低聚体、丙烯酸异冰片酯、甲基丙烯酸异冰片酯、二环戊二烯基丙烯酸酯、二环戊二烯基甲基丙烯酸酯、二环戊二烯氧乙基丙烯酸酯、二环戊烯基乙基甲基丙烯酸酯、二环戊烯基丙烯酸酯、二环戊二烯甲基丙烯酸酯、冰片基丙烯酸酯、冰片基甲基丙烯酸酯、2-羟乙基丙烯酸酯、环己基丙烯酸酯、2-羟丙基丙烯酸酯、苯氧基乙基丙烯酸酯、吗啉丙烯酰胺、吗啉甲基丙烯酰胺、丙烯酰胺等丙烯系化合物和N-乙烯基吡咯烷酮、N-乙烯己内酰胺、醋酸乙烯酯、苯乙烯等各种单官能性乙烯基化合物、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、环氧乙烷改性的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、乙二醇二丙烯酸酯、四甘醇二丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、1，4-丁二醇二丙烯酸酯、1，6-己二醇二丙烯酸酯、新戊二醇二丙烯酸酯、二环戊二烯二丙烯酸酯、聚酯二丙烯酸酯、环氧乙烷改性的双酚A二丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、环氧丙烷改性的双酚A二丙烯酸酯、三(丙烯氧乙基)异氰酸酯等多官能性乙烯基化合物，加氢双酚A二环氧甘油醚-3，4-环氧环己基甲基3，4-环氧环己烷羧酸酯、2-(3，4-环氧环己基-5，5-螺-3，4-环氧基)环己烷间二氧杂环己烷、二(3，4-环氧环己基甲基)己二酸酯等各种环氧系化合物等1种或2种以上、光聚合引发剂、以及必要时增感剂等包含在内的光固化性树脂组合物。
并且，本发明所使用的光固化性树脂组合物，除上述成分外，根据需要也可含有均化剂、磷酸酯盐系表面活性剂以外的表面活性剂、有机高分子改性剂、有机增塑剂等。
本发明所采用的光固化性树脂组合物，根据需要也可含有固体微粒子和须晶等充填剂。若采用含有充填材料的光固化性树脂组合物，则由于固化时体积收缩量减小而能提高尺寸精度，能提高机械物性和耐热性等。
作为充填材料使用的固体微粒子，例如可以采用碳黑微粒子等无机微粒子、聚苯乙烯微粒子、聚乙烯微粒子、聚丙烯微粒子、丙烯酸树脂微粒子、合成橡胶微粒子等有机聚合物微粒子等。可以使用其中的一种或2种以上。对固体微粒子的粒径没有特别限制，但一般采用平均粒径为200μm以下的，尤其最好采用100μm以下的。
并且，须晶最好用以下尺寸：直径0.3～1μm，尤其0.3～0.7μm更好；长度10～70μm，尤其20～50μm宽高比10～100，尤其20～70μm更好。而且，在此所说的须晶的尺寸和宽高比是利用激光衍射/散射式粒度分布测量装置而测量的尺寸和宽高比。对须晶的种类没有特别限制，例如可采用硼酸铝系须晶、氧化铝系须晶、氮化铝系须晶水、氧化硫酸镁系须晶、氧化钛系须晶等，可以选用上述须晶中的一种或2种以上。
在使用含有固体微粒子和/或须晶的光固化性树脂组合物的情况下，固体微粒子的含有率，最好是光固化性树脂组合物的总容量的5～70％，并且，须晶的含有量最好是总容量的5～30％。在固体微粒子和须晶两者同时含有的情况下，最好使两者的合计含有量占总容量的10～75％。
固体微粒子和/或须晶，也可以用硅烷偶合剂进行表面处理，也可以不进行表面处理，但最好是进行表面处理。在固体微粒子和/或须晶用硅烷偶合剂进行表面处理的情况下，能获得热变形温度、弯曲弹性率、机械强度更高的光固化物。在此情况下的硅烷偶合剂，也可以采用充填剂表面处理等时过去所采用的硅烷偶合剂中的任一种，理想的硅烷偶合剂可以采用氨基硅烷、环氧硅烷、乙烯基硅烷和(甲基)丙烯基硅烷。
发明的具体实施方式
以下参照附图，具体说明本发明、但本发明并不受图示的任何限制。
图1～图3分别表示本发明的光学立体造型方法(光造型法)所使用的光学立体造型装置(光造型装置)的主要部分的具体例子。并且，图4和图5表示利用图1～图3所示的光造型装置按照本发明的方法来进行光造型时的工艺(操作方法)。
在图1～图5中，1是光源，2是聚光镜，3是面状制图掩模，其中，3a是把液晶挡板布置成面状的面状制图掩模(以下有时称为“液晶式面状制图掩模”)，3b表示把数字微型反射镜挡板布置成面状的面状制图掩模(以下有时称为“DMD式面状制图掩模”)，并且，4是投影透镜，5是由光固化性树脂组合物表面构成的造型面(一层的造型面)，5a是造型面的一边的端部，5b是造型面的另一边的端部，6是形成在上述造型面上的曝光图像(光固化的树脂层)，7是光纤或光导管等光传导装置。
如图1～图5所示，来自光源1的光利用聚光透镜2照射到面状制图掩模3(3a、3b等)上，对其全面进行照射。
这时，如图1和图2所示，也可以把光源1直接布置到聚光透镜2的背面侧，把从光源1来的光直接引导到聚光透镜2上，也可以如图3所示，把光源1布置在离开聚光镜的地方，通过光纤或光导管等光传输装置7引导到聚光镜2上。
在把光源1直接布置到聚光透镜2的背面侧的图1和图2所示的方式的情况下，光源1和聚光镜2、面状制图掩模3(3a、3b等)以及投影透镜4一起在光造型时按照该扫描方向进行连续移动。
并且，如图3所示，在通过光纤或光导管等光传导装置7把从光源1来的光引导到聚光透镜2的背面的情况下，可以把光源1固定布置到规定位置上，使光纤或光导管等挠性光传导装置7和聚光透镜2、面状制图掩模3(3a、3b等)和投影透镜4一起在光造型时沿其扫描方向连续移动。
对光源1的种类和形状没有特别限制，例如，图1～图4所示的光放出部也可以是圆形光源，如图5所示，光放出部也可以是横向长(或纵向长)的棒状的光源，也可以是无图示的其他形状的光源。
在光造型操作时，在面状制图掩模3(3a、3b等)上，与欲形成的光固化树脂的断面形状图形相对应，以动画方式形成与面状制图掩模的移动相同步而连续变化的规定的掩模图像。因此，经过聚光透镜2而被照射到面状制图掩模3(3a、3b等)整个面上的光，虽然在面状制图掩模3(3a、3b等)的作用下连续地而且不间断地进行变化，但经过已形成的规定的掩模图像时就是通过或被遮挡(反射；DMD式面状制图掩模的情况下)，只有无掩模(遮挡)的部分的光才经过投影透镜4而照射到由光固化性树脂组合物构成的造型面5上，在该造型面5上形成规定的形状图形的曝光图像(光固化部)6。
对面状制图掩模3(3a、3b等)的形状没有特别限制，可根据欲制造的光造型物的形状和尺寸(尤其是断面形状及其尺寸)等，选择适当的形状。面状制图掩模3(3a、3b等)，例如，也可以是图1～图4所示的正方形或大致的正方形的形状，也可以是图5所示的长方形状，或者其他形状。
再有，面状制图掩模3(3a、3b等)的尺寸，也可以根据欲制造的光造型物的形状和尺寸(尤其是断面形状及其尺寸)等而选择适当的尺寸。面状制图掩模3(3a、3b)，如图1～图4所示，既可以是其宽度尺寸小于欲形成的光固化的断面形状图形的总宽度(造型面总宽度)，也可以如图5所示，其宽度尺寸可以包括欲形成的规定的光固化的形状图形的总宽度(造型面的总宽)。
在面状制图掩模3采用液晶式面状制图掩模3a的情况下，在设计上，根据欲形成的规定的断面形状和液晶面状制图掩模3a的连续移动，预先在计算机等内存储有关的信息，根据该信息，在液晶面状制图掩模3a上布置的许多微小液晶挡板中，应当使光通过的部位上的液晶挡板进行打开使光通过；另一方面，应当遮挡光线的部位上的液晶挡板进行关闭，阻止光的通过，连续地(以动画方式)反复进行以上操作，直到形成具有规定断面形状的光固化树脂层为止。
并且，在面状制图掩模3采用DMD式面状制图掩模3b的情况下，根据欲形成的规定的断面形状和DMD式面状制图掩模3b的连续移动预先在计算机等中存储有关信息，根据该信息，在布置成面状的许多微小反射镜挡板中，特定的反射镜挡板面对的方向是光能在投影透镜4和透光面5的方向上反射(引导)的方向；另一方面，应当遮挡光线的部位上的反射镜挡板面对的方向是不能在投影透镜4和造型面5的方向上反射(不能引导)的方向。连续地(以动画方式)反复进行上述操作直到形成具有规定断面形状的光固化的树脂层为止。
图1～图5所示的光造型装置，在设计上，光源1或光传导装置7、聚光透镜2、面状制图掩模3a或3b以及投影透镜4，把光线照射到光固化性树脂组合物表面上，形成光固化的树脂层，在进行这种光造型操作时，利用移动装置(无图示)使上述各部分形成一个整体，相对于造型面5(光固化性树脂组合物表面)以平行状态连续地进行移动(在图1～图5中沿箭头方向进行连续移动)。
并且，面状制图掩模3(3a、3b等)中的掩模图像(掩模图形)如上所述，根据预先存储在计算机等中的掩模图像的有关信息，例如，如图4和图5所示，根据欲形成的光固化的树脂导的规定断面形状图形，一边与面状制图掩模3(3a、3b等)的连续移动相同步，以动画方式连续地进行变化，一边把光线照射到造型面5(光固化性树脂组合物表面)上，连续地形成具有规定断面形状的光固化的树脂层(曝光图像6)。
图4是表示利用宽度尺寸小于欲形成的规定光固化的断面形状图形(曝光图像6)的总宽度(或者造型面5的总宽度)的面状制图掩模3(在图4的情况下是具有造型面5的宽度的约一半的宽度的面状制图掩模3)，进行本发明的光造型的情况下的一连串操作。
首先，在开始光造型时，如图4(1)所示，经过面状制图掩模3和投影透镜4的光的移动前端位于造型面5的端部5a处，然后，如图4(2)～(5)所示，使光源1(或光传导装置7)、聚光镜2、面状制图掩模3和投影透镜4相对于造型面5以平行状态连续地向造型面5的另一边的端部5b方向移动。这时，采用面状制图掩模3的掩模图像，一边根据欲形成的规定断面形状图形而以动画方式连续地进行变化，一边使与该掩模图像相对应的光照射到造型5上，形成曝光图像6。当上述光造型操作进行到图4(5)的阶段时，形成欲形成的规定断面形状图形中的一半宽度的曝光图像6，所以，在该阶段，使光源1(或光传导装置7)、聚光透镜2、面状制图掩模3和投影透镜4移动到造型面5的其余的一半宽度的位置上[图4的(6)]，从该位置起，如图4(6)～(10)所示，反复进行与上述相同的光造型操作，以便从造型面5的端部5b向造型面5的端部5a侧移动。这样来形成具有欲形成的规定断面形状图形的一层光固化的树脂层(曝光图像6)。
并且，图5表示利用宽度尺寸等于或大体等于欲形成的规定的光固化的断面形状图形(曝光图像6)的总宽度(或造型面5的总宽度)的面状制图掩模3，进行本发明的光造型的情况下的一连串操作。
首先，在开始光造型时，如图5(1)所示，使经过面状制图掩模3和投影透镜4的光的移动前端，位于造型面中未形成造型面5中的曝光图像6的另一个端部5a附近的位置上。然后，如图5(2)～(5)所示，使光源1，聚光透镜2、面状制图掩模3和投影透镜4相对于造型面5以平行状态连续地向造型面5的另一边的端部5a方向移动。这时，采用面状制图掩模3的掩模图像一边根据欲形成的规定的断面形状图形以动画方式连续地进行变化，一边把与该掩模图像相对应的光照射到造型面5上，形成具有欲形成的断面形状图形的一层光固化的树脂层(曝光图像6)。
在进行图4和图5所示的一连串光造型操作时，为了在形成一层光固化树脂层(曝光图像6)时(连续造型操作时)使断面形状图形(曝光图像6)的各部分中的光照射量相等，最好是：光源1(或光传导装置7)、聚光透镜2、面状制图掩模3和投影透镜4连续移动时的速度相等，而且，经过面状制图掩模3和投影透镜4到达造型面5的光的强度在光造型操作中不发生变化。
本发明的光造型方法是，面状制图掩模3的掩模图像，根据欲形成的光固化的树脂层(曝光图像6)的断面形状图形，与面状制图掩模3的连续移动相同步，以动画方式连续地改变，这样，边改变边进行光造型，在此情况下，从上述图4和图5中可以看出：使用比规定的断面形状图形(曝光图像6)小的面状制图掩模3，能够一方面使从面状制图掩模3投影的光固化性树脂组合物表面上的邻接的微小点区间的距离保持较小的值，另一方面使从小型到大型的各种光造型物制造简单方便，而且造型精度高。因此，通过光照射而形成的曝光图像6(光固化的树脂层)的各部分(例如图4的6a所示)，不是单纯用一次光照射即可固化，而是经过投影透镜4照射到造型面5上的连续变化的动画式的规定图形的光，在完全通过这些部分(例如6a部分)之前的过程中，连续地进行照射，形成光固化的树脂层。因此，在采用本发明的情况下，加快光造型时照射光的移动速度，也能充分进行光固化，能以较短的时间，制造出作为目的物的光造型物，生产效率高。而且，在采用本发明的情况下，形成的曝光图像6(具有规定断面形状图形的光固化的树脂)的各部分的光照射量通过上述连续的光照射而达到均匀一致，所以，不会出现在使面状制图掩模3停止的状态下照射光线的上述现有技术中的邻接的照射部分之间的不连续性和光照射的不均匀性，而是能够对整个断面形状图形进行均匀的无斑痕的光照射，能提高光造型物的尺寸精度和制造精度，能进一步消除了强度不均匀现象，外观优良。
再有，在采用本发明的情况下，能缩小投影制图面，进行光造型，这样能提高制图分辨率。并且，通过缩小制图面，能提高制图部的单位面积的光强度，能缩短照射部的照射时间。例如使用固化灵敏度为5mJ的光固化性树脂组合物，利用使该光固化性树脂组合物停止(固定)的面状制图掩模，对250mm×250mm的尺寸进行分批照射，这样若图像达到1mw/cm2，则这时的必要光照射时间为5秒。把该图像(光照射面积)缩小到1/4尺寸(125mm×125m)，利用本发明的方法(一边使面状制图掩模连续移动，同时使掩模图像与该连续移动相同步，以动画方式连续地进行变化，一边进行光固化的方法)，最终形成与上述250mm×250mm相同的区域尺寸的曝光层的情况，与在使面状制图掩模停止的状态(固定状态)下分批进行照射的情况相比较，制图分辨率提高到4倍。并且，单位面积的光强度也能达到分批照射时的4倍的4mw/cm2。这时，连续地移动250mm×250mm的区域进行曝光所需要的时间与分批曝光时相同，为5秒。也就是说，虽然造型时间与利用停止的面状制图掩模分批进行曝光的情况相同，但造型精度大大提高。
(实施例1)
使用图4所示的光造型装置，其中，光源1为150w金属卤化物灯，面状制图掩模3为EPSON公司制的TFT方式VGA(800×640像素)的液晶，光固化性树脂组合物采用旭电化工业株式会社制“阿德卡拉斯古阿HSX-V2”(固化灵敏度5mJ)，对造型面5(光固化性树脂组合物表面)的投影尺寸＝35mm(装置的前进方向)×47mm(与前进方向成直角的方向)(方形)、在造型面5的光能量强度1mw/cw2条件下，按照图4所示的方法，使光源1、聚光透镜2、面状制图掩模3和投影透镜4形成一个整体，在约7mm/秒的速度下与造型面5相平行沿前进方向连续移动，这时根据由液晶构成的面状制图掩模3的欲形成掩模图像的断面形状图形，以动画方式连续地边改变，边进行光照射，制造出具有图4的断面形状图形的立体造型物(纵×横×厚＝90mm×90mm×15mm)。在该光造型操作中，光固化层各部分的照射时间为5秒，各部分的光照射量为5mJ。这样能以高造型速度顺利地制造出尺寸精度高，而且无固化斑痕、外观和强度良好的立体造型物。
在本实施例中，利用移动装置来使光源和制图掩模进行移动。但是，也可以把光源和制图掩模固定在规定位置上，使光固化性树脂组成物相对于光源和制图掩模进行移动。在此情况下，制图掩模的掩模图像随光固化性树脂组成物的移动而移动。
当然，也可以把光固化性树脂组成物和光源、制图掩模装置分别制成活动式的。
在本申请的装置中，由于把移动装置安装在放置光固化性组成物的台子等上，所以能使光固化性树脂组成物移动。
使光固化性树脂组成物进行移动也能获得本申请的同样效果。
而且，面状光本身也不一定靠照射部来达到均匀一致，通过一边照射，一边按一定速度移动，能使照射量在光硬化部上达到均匀一致。
具体来说，在上述实施例中，制图掩模的移动是连续的。并且，制图掩模的掩模图像连续地变化。但是，本发明并非仅限于此。制图掩模的移动也可是断续的，每次停止在各个规定位置上。随着制图掩模的移动，掩模的图像也可以断续地变化。
并且，各个实施例，均具有聚光透镜和投影透镜。但是，不设置这些聚光透镜和投影透镜也能实施本发明。
本申请的制图掩模不仅限于平的形状。例如，掩模本身也可以形成弯曲状。再者，照射到光固化性树脂组成物上的光并不仅于构成图像信息的面状光。
从上述说明中可以看出：在采用本发明的情况下，不仅限于小型、中型立体造型物，而且也包括大型立体造型物，均能利用尺寸比欲形成的预定断面形状图形小、价格比较低的面状制图掩模，能提高造型精度，而且防止固化不均匀，与过去相比，造型速度快，生产效率高，制作的高质量立体造型物，尺寸精度高，强度、外观性能良好。
再有，在采用本发明的情况下，在不使用高价的紫外线激光装置，而使用像一般的紫外线灯那样的廉价光源的情况下，也能以较高的造型速度，顺利地制作出造型精度高而且没有固化不均匀的高质量立体造型物。

Claims (11)

1.一种光学立体造型方法，设置光固化性树脂组合物；在该光固化性树脂组合物的表面上，通过面状制图掩模(3)进行控制，照射光，形成具有预定光固化的树脂层；通过反复进行上述工序，重叠光固化的树脂层而形成立体造型物；其特征在于：
所述面状制图掩模(3)是与所述光固化性树脂组合物大致平行地被移动的；通过进行供给光且所述面状制图掩模(3)可使掩模图像与该面状制图掩模(3)的移动相同步地变化，由此，在所述光固化性树脂组合物的表面(5)上形成预定的形状；形成具有预定断面形状的所述光固化层。
2.如权利要求1所述的光学立体造型方法，其特征在于：作为面状制图掩模(3)，采用能用微小点区来遮光和透光的许多微小光挡板被布置成面状的面状制图掩模(3)，根据欲形成的断面形状图形，利用上述许多微小光挡板改变掩模图像。
3.如权利要求2所述的光学立体造型方法，其特征在于：面状制图掩模(3)是把液晶挡板(3a)或数字微型反射镜挡板(3b)布置成二维的面状制图掩模。
4.如权利要求1～3中的任一项所述的光学立体造型方法，其特征在于：在形成具有预定的断面形状图形的一层光固化的树脂层时，对面状制图掩模(3)的连续移动速度和/或面状制图掩模(3)的掩模图像的变化进行调整，使面状制图图形的各部分的光照射量相等。
5.如权利要求1～3中的任一项所述的光学立体造型方法，其特征在于：所述面状制图掩模(3)的移动是连续的，该面状制图掩模(3)的掩模图像连续地变化。
6.一种光学立体造型装置，具有：
光固化性树脂组合物的供给装置，用于依次向载物台上或光固化的树脂层上供给一层光固化性树脂组合物；
光源(1)；
面状制图掩模(3)，它能改变掩模图像；
其特征在于：
还具有：
移动装置，用于在与光固化性树脂组合物的表面(5)相平行的状态下连续地移动面状制图掩模(3)；以及
改变装置，用于和面状制图掩模(3)的移动相同步，连续地改变面状制图掩模(3)的掩模图像。
7.如权利要求6所述的光学立体造型装置，其特征在于：面状制图掩模(3)是能用微小点区来遮光和透光的许多微小光挡板被布置成面状的面状制图掩模。
8.如权利要求6所述的光学立体造型装置，其特征在于：面状制图掩模(3)是把液晶挡板(3a)或数字微型反射镜挡板(3b)布置成面状的面状制图掩模。
9.如权利要求7所述的光学立体造型装置，其特征在于：面状制图掩模(3)是把液晶挡板(3a)或数字微型反射镜挡板(3b)布置成面状的面状制图掩模。
10.如权利要求6～9中的任一项所述的光学立体造型装置，其特征在于：在光源(1)和面状制图掩模(3)之间具有能与面状制图掩模(3)相同步连续移动的聚光镜(2)；在面状制图掩模(3)和光固化性树脂组合物的表面(5)之间具有能与面状制图掩模(3)相同步连续移动的投影透镜(4)。
11.如权利要求6～9中的任一项所述的光学立体造型装置，其特征在于：所述面状制图掩模(3)的移动是连续的，该面状制图掩模(3)的掩模图像连续地变化。
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