JP2003145629A

JP2003145629A - 光造形方法及びその装置

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Publication number: JP2003145629A
Application number: JP2002251087A
Authority: JP
Inventors: Junji Sone; 順治曽根; Yuichiro Kume; 祐一郎久米
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2001-08-31
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2003-05-20
Anticipated expiration: 2022-08-29
Also published as: JP3782049B2

Abstract

(57)【要約】【課題】レーザ光を２本用いて未硬化領域を減少させ
ることにより、造形物の形状精度を向上させることがで
きる光造形方法及びその装置を提供する。【解決手段】第１のレーザ光の光源５と、第２のレー
ザ光の光源６と、光硬化性の樹脂８を入れた樹脂槽７
と、前記各光源５，６の照射条件を制御するコンピュー
タ１２とを備え、前記第１のレーザ光は前記光硬化性の
樹脂８の真下から、前記第２のレーザ光は前記光硬化性
の樹脂８の斜め方向から照射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、２本のレーザ光を
用いて、レーザ強度およびレーザのパン、チルト角度を
制御することにより、造形物を高精度に造形できる光造
形方法及びその装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、このような分野の技術としては、
以下に開示するものがあった。

【０００３】図８はかかる従来の光造形装置を示す図で
ある。

【０００４】この図に示すように、１０１は１本のレー
ザ光、１０２は樹脂槽、１０３は樹脂、１０４はエレベ
ータ、１０５は造形物である。

【０００５】このように、従来は、１本のレーザ光１０
１を用いて造形を行っていた。つまり、１本のレーザ光
１０１でｚ方向に焦点を合わせｘｙ面内を照射し、次
に、ｚ方向焦点位置を動かしてレーザ光１０１を照射
し、樹脂１０３の硬化を進めてきた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の光造形装置では、次のような問題点があった。

【０００７】（１）レーザ光の強度分布がガウス分布で
あるため、硬化断面が垂直に近いかもしくは、奥行き方
向に進むほど細くなっており、表面に段差ができてい
た。

【０００８】（２）内部においても未硬化領域が残り、
後処理を必要としていた。また、この後処理による硬化
でも、形状の変形を引き起こしていた。

【０００９】（３）上記（１）の段差をなくすために、
やすりやサンドペーパーなどで、手仕上げを行っている
ため、仕上げのむらによる形状精度の低下や変形などが
起こっていた。

【００１０】（４）上記（２），（３）のような、後処
理が多いため生産性が悪かった。

【００１１】要するに、１本のレーザを用いた光造形シ
ステムにおいては、ステップ毎に外形、特に斜面部が階
段状に形成されてしまい、滑らかにするための手仕上げ
加工が必要とされてきた。換言すれば、未硬化領域を減
らして、形状精度を向上させることは困難であった。

【００１２】本発明は、上記状況に鑑みて、レーザ光を
２本用いて未硬化領域を減少させることにより、造形物
の形状精度を向上させることができる光造形方法及びそ
の装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記した目的
を達成するために、〔１〕光造形方法において、２本のレーザ光を用い、こ
のレーザ光の１本は光硬化性の樹脂の真下から、もう１
本は前記光硬化性の樹脂の斜め方向から照射することに
よって、前記光硬化性の樹脂の硬化領域を制御し、前記
光硬化性の樹脂の造形物の光造形を行うことを特徴とす
る。

【００１４】〔２〕光造形方法において、２本のレーザ
光を用い、このレーザ光の１本は光硬化性の樹脂の真上
から、もう１本は前記光硬化性の樹脂の斜め方向から照
射することによって、前記光硬化性の樹脂の硬化領域を
制御し、前記光硬化性の樹脂の造形物の光造形を行うこ
とを特徴とする。

【００１５】〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の光造形
方法において、前記光硬化性の樹脂の斜め方向から照射
するレーザ光は、パンおよびチルト角度も変化させるこ
とを特徴とする。

【００１６】〔４〕上記〔１〕又は〔２〕記載の光造形
方法において、コンピュータでレーザの硬化データを予
めシミュレーションしておき、その数値に基づきレーザ
パワーや角度を制御することを特徴とする。

【００１７】〔５〕上記〔１〕又は〔２〕記載の光造形
方法において、前記造形物の表層だけでなく、内部にお
いても、未硬化領域を減らして、全体のひずみによる変
形を軽減することを特徴とする。

【００１８】〔６〕上記〔１〕又は〔２〕記載の光造形
方法において、前記光硬化性の樹脂の斜め方向からレー
ザ光を照射することにより、基準面に対する低角度の側
面形状を高精度に造形することを特徴とする。

【００１９】〔７〕上記〔６〕記載の光造形方法におい
て、既存の造形物からの拘束のない上側面の光造形の場
合、レーザ光強度は一定とし、造形ピッチを制御するこ
とによりレーザ光の到達割合を変えることを特徴とす
る。

【００２０】〔８〕上記〔６〕記載の光造形方法におい
て、既存の造形物からの拘束のない上側面の光造形の場
合、レーザ光強度を制御することによりレーザ光の到達
割合を変えることを特徴とする。

【００２１】

〔９〕上記〔６〕記載の光造形方法におい
て、前記レーザ光を照射するにあたり、最初の数ピッチ
はレーザ光の強度を若干弱めにすることを特徴とする。

【００２２】〔１０〕上記〔１〕又は〔２〕記載の光造
形方法において、既存の造形物からの拘束がある下側面
の光造形の場合、１回のｚ方向の造形ピッチを変えて造
形を行うことを特徴とする。

【００２３】〔１１〕光造形装置において、第１のレー
ザ光の光源と、第２のレーザ光の光源と、光硬化性の樹
脂を入れた樹脂槽と、前記各光源の照射条件を制御する
コンピュータとを備え、前記第２のレーザ光は前記光硬
化性の樹脂の斜め方向から照射することを特徴とする。

【００２４】〔１２〕光造形装置において、第１のレー
ザ光の光源と、第２のレーザ光の光源と、光硬化性の樹
脂を入れた樹脂槽と、前記各光源の照射条件を制御する
コンピュータとを備え、前記第１のレーザ光は前記光硬
化性の樹脂の真下から、前記第２のレーザ光は前記光硬
化性の樹脂の斜め方向から照射することを特徴とする。

【００２５】〔１３〕光造形装置において、第１のレー
ザ光の光源と、第２のレーザ光の光源と、光硬化性の樹
脂を入れた樹脂槽と、前記各光源の照射条件を制御する
コンピュータとを備え、前記第１のレーザ光は前記光硬
化性の樹脂の真上から、前記第２のレーザ光は前記光硬
化性の樹脂の斜め方向から照射することを特徴とする。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を詳細
に説明する。

【００２７】図１は本発明の実施例を示す２本レーザに
よる造形システムの構成図である。

【００２８】この図において、１は第１のレーザ、２は
第２のレーザ、３は第１のＡＯＭ、４は第２のＡＯＭ、
５は第１の光源、６は第２の光源、７は樹脂槽、８は光
硬化性の樹脂、９は造形物、１０はエレベータ、１１は
ｚ軸、１２はパソコン（ＰＣ）、１３はモータアンプ、
１４はｘ軸、１５はｙ軸、１６はθ軸である。

【００２９】そこで、第１，第２のレーザ１，２、第
１，第２のＡＯＭ３，４（レーザパワーを制御）から得
られたレーザ光を所定の径まで、レンズ系により絞り込
み、２系統の光源５，６を形成する。また、造形時にレ
ーザ光の照射位置を移動させるために、ｘ軸１４、ｙ軸
１５を有するステージにより位置制御を行う。

【００３０】また、第２の光源６の照射方向θをかえる
ために、θ軸１６を有する。このθ軸１６のことをパン
角度という。固定された樹脂槽７に、光硬化性の樹脂８
を満たし、この樹脂８内には、高さ方向を制御するｚ軸
１１に直結したエレベータ１０が設置されており、この
エレベータ１０の底面に造形物９を生成し、ｚ軸１１を
上昇させながら、３次元形状の造形物９を造形する。

【００３１】図２は本発明の実施例を示す造形領域の説
明図である。

【００３２】この図において、造形物２０は、例えば、
積層ピッチ２１内の輪郭部において、輪郭形状２４を造
形する場合、第１の光源５の造形領域２２に対して第２
の光源６の造形領域２３を合わせることにより、造形領
域を輪郭形状２４に対して高精度に形成することが可能
となる。

【００３３】ここで、輪郭形状２４の法線方向は、造形
する形状に依存するために、θ軸１６により第２の光源
６の照射方向を輪郭形状２４の法線方向に合致させる制
御を行っている。

【００３４】次に、本発明にかかる２本レーザによる造
形システムの動作を図３を用いて説明する。

【００３５】図３は本発明の実施例を示す第２光源の角
度調整とその光源の造形領域の態様を示す図であり、図
３（ａ）は第２光源６のｚ方向の角度θ₁（大きい角
度）の場合の造形領域を、図３（ｂ）は第２光源６のｚ
方向の角度θ₂（小さい角度）の場合の造形領域をそれ
ぞれ示している。

【００３６】まず、図３（ａ）に示すように、第２光源
６のｚ方向の角度がθ₁の場合には、第２光源の造形領
域２３がより倒れた状態になり、図３（ｂ）に示すよう
に、第２光源６のｚ方向の角度がθ₂の場合には、第２
光源の造形領域２３がより起きた状態になる。

【００３７】このように第１の光源５からの光線に対す
る第２の光源６からの光線のｚ方向の角度θを調整する
ことにより、第２光源の造形領域２３を細かく制御する
ことが可能になる。

【００３８】そのため、造形物の輪郭形状に、より近い
形状が造形できるため、高精度な造形が可能になる。

【００３９】また、第１の光源５からの光線に対する第
２の光源６からの光線のパンおよびチルト角度の変化に
より、樹脂の加工輪郭形状を滑らかにすることができ、
なだらかな傾斜面部を形成することができる。

【００４０】更に、第１の光源５からの光線に対する複
数の光線をパソコン（ＰＣ）１２の制御により照射させ
ることにより、更なる高精度な造形も可能である。

【００４１】図４は本発明の他の実施例を示す光硬化性
の樹脂の光造形の模式図である。

【００４２】この図において、３１はエレベータ、３２
は光硬化性の樹脂の光造形物（仮想体）、３３は既存の
造形物からの拘束のある下側面、３４は下面、３５は既
存の造形物からの拘束がない上側面、３６は第２の光源
（斜め照射のレーザ）、φは基準面３７に対する光造形
物３２の傾斜角度であり、ここでは、低角度（数度〜１
５度程度）から中角度（３０度程度）以内である。αは
第２の光源（斜め照射のレーザ）の設定角度であり、こ
こでは４５度である。

【００４３】そこで、図４におけるに示す既存の造形
物からの拘束がない上側面３５の造形にあたっては、第
２の光源（斜め照射のレーザ）３６のみで行い、角度φ
の形成は、以下の第２の光源（斜め照射のレーザ）３６
の照射条件で行う。

【００４４】（１）レーザ光強度を一定とし、造形のピ
ッチを変える。

【００４５】（２）レーザ光強度を変える。

【００４６】また、図４におけるに示す既存の造形物
からの拘束のある下側面３３の造形の場合は、１回のｚ
方向の造形ピッチを変えて造形を行うようにする。

【００４７】以下、具体的な側面の低角度φの場合の造
形について説明する。

【００４８】（１）上側面の造形図４に示すように、第２の光源（斜め照射のレーザ）３
６の設定角度αを４５度にして、レーザを照射して上側
面３５を造形する場合、図５に示すように同じレーザパ
ワーでレーザを照射しても造形面には自然に傾きφが形
成される。樹脂の硬化による造形はレーザ光３８が届く
距離に依存するが、２光目は、１光目より多くの光が１
光目による造形領域に遮られることになるため、到達す
るエネルギーが減少し、硬化できる距離が短くなるため
である。同様に３光目は２光目より到達距離が短くな
り、自然と傾きφが形成される。

【００４９】また、ここで、図６に示すように、同じピ
ッチ（レーザの送り距離）で造形しても、始めの部分
は、図７に示すように不安定領域Ａがあり、少しして
（数回照射して）から安定領域Ｂとなる。この原因とし
ては、１回のレーザ照射で樹脂が１００％固まるわけで
はないため、硬化量が安定するまでは、少し長くレーザ
が届き、硬化領域が安定すると、上記の原理で傾きを形
成しながら固まるものと考えられる。なお、図６におい
て、Ｐはピッチ、４１は硬化形状を示している。

【００５０】よって、最初のレーザ光の数ピッチ（４−
６ピッチ）は、レーザ光を少し弱めにすることにより、
この不安定現象を避けることができる。

【００５１】表１に上側面の造形ピッチによる、造形物
の角度と表面粗さを示す。

【００５２】ここで、レーザ強度は一定の値で造形して
いる。表面粗さは、ＨａｎｄｙｓｕｒｆＥ−３５Ａ
（東京精密製）を用いて測定した。

【００５３】

【表１】

【００５４】また、レーザ強度を意図的に変えることに
より、角度の変化を大きくとることができる。

【００５５】表２には、レーザ強度を変えた場合の造形
物の角度と表面粗さを示す。ここで、レーザ光は造形ピ
ッチを変える毎に指定値分、強度を低下させている。造
形ピッチは０．１６ｍｍである。

【００５６】

【表２】

【００５７】以上、６度などの低角度から２５度の中角
度の側面の傾きを自由に制御することができた。上記の
レーザ径は２００μｍであるため、５μｍ以下の精度で
あれば、十分実用的である。

【００５８】（２）下側面の造形下側面の造形は、図４のに示すように光が造形物３２
もしくはエレベータ３１に拘束される。ここでは、設定
角度αが４５度のレーザ光を用い、Ｚ方向のピッチ、送
りのピッチを変えて造形を行い、低角度の側面形状を作
製する。

【００５９】表３は下側面を造形した場合の造形物の角
度と表面粗さを示す。

【００６０】

【表３】

【００６１】上記の結果より、ｚ方向のピッチを変える
ことにより、角度を自由に変えることができ、表面粗さ
も１μｍ以下のものもあり、実用上問題はないと判断さ
れる。

【００６２】以上、詳細に述べたように、光造形加工に
おいて問題点が大きかった、低角度／高精度の造形を行
うことができるようになった。

【００６３】また、上記実施例では、第１のレーザ１及
び第２のレーザ２を下方に配置して、下方から光造形加
工を行うようにしたが、エレベータ１０を下部に配置す
ることにより、第１のレーザ１及び第２のレーザ２を上
方に配置して、上部から光造形加工を行うようにしても
よい。その場合は、第１のレーザ１は真上から、第２の
レーザ２は上方の斜め方向から照射して光造形加工する
ことになる。

【００６４】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。

【００６５】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下のような効果を奏することができる。

【００６６】（Ａ）レーザ光の１本は真下又は真上か
ら、もう１本は斜め方向からレーザ光を照射すること、
つまり、ｚ方向レーザの他にｚ軸に対して傾斜しての別
のレーザを同時照射することにより、輪郭形状を滑らか
にすることができ、なだらかな傾斜面部を形成すること
ができる。

【００６７】それにより、手仕上げ加工の不要な光造形
を行うことができる。つまり、樹脂の硬化領域を減らす
ことにより、高精度の造形を行うことが可能となる。

【００６８】（Ｂ）斜め方向から照射するレーザ光は、
パンおよびチルト角度も変化させることができ、より高
精度な造形が可能となる。

【００６９】（Ｃ）レーザの硬化を予めシミュレーショ
ンしておき、その数値に基づきレーザパワーや角度など
を制御することができる。

【００７０】（Ｄ）造形物の表層だけでなく、内部にお
いても未硬化領域を微調整することにより、全体のひず
みによる変形を軽減することができる。

【００７１】（Ｅ）レーザ光の代わりに、樹脂溶融ノズ
ルを用い、熱溶融樹脂を用いた造形を可能とする。

【００７２】（Ｆ）光造形加工において問題点の大き
い、低角度／高精度の造形が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す２本レーザによる造形シ
ステムの構成図である。

【図２】本発明の実施例を示す造形領域の説明図であ
る。

【図３】本発明の実施例を示す第２の光源の角度調整と
その光源の造形領域の態様を示す図である。

【図４】本発明の他の実施例を示す光硬化性の樹脂の光
造形の模式図である。

【図５】本発明の他の実施例を示す上側面の造形におけ
る傾きの形成の説明図である。

【図６】本発明の他の実施例を示す上側面の造形におけ
るレーザの照射ピッチと硬化形状の説明図である。

【図７】本発明の他の実施例を示す上側面の造形におけ
る初期ピッチにおける不安定領域の生成の説明図であ
る。

【図８】従来の光造形装置を示す図である。

【符号の説明】

１第１のレーザ２第２のレーザ３第１のＡＯＭ４第２のＡＯＭ５第１の光源６第２の光源７樹脂槽８光硬化性の樹脂９，２０造形物１０，３１エレベータ１１ｚ軸１２パソコン（ＰＣ）１３モータアンプ１４ｘ軸１５ｙ軸１６ θ軸（パン角度）２１積層ピッチ２２第１の光源の造形領域２３第２の光源の造形領域２４輪郭形状３２光硬化性の樹脂の光造形物（仮想体）３３既存の造形物からの拘束のある下側面３４下面３５既存の造形物からの拘束がない上側面３６第２の光源（斜め照射のレーザ）３７基準面３８レーザ光４１硬化形状 φ 基準面に対する光造形物の傾斜角度 α 第２の光源（斜め照射のレーザ）の設定角度（４
５度）Ｐピッチ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２本のレーザ光を用い、該レーザ光の１
本は光硬化性の樹脂の真下から、もう１本は前記光硬化
性の樹脂の斜め方向から照射することによって、前記光
硬化性の樹脂の硬化領域を制御し、前記光硬化性の樹脂
の造形物の光造形を行うことを特徴とする光造形方法。
【請求項２】２本のレーザ光を用い、該レーザ光の１
本は光硬化性の樹脂の真上から、もう１本は前記光硬化
性の樹脂の斜め方向から照射することによって、前記光
硬化性の樹脂の硬化領域を制御し、前記光硬化性の樹脂
の造形物の光造形を行うことを特徴とする光造形方法。
【請求項３】請求項１又は２記載の光造形方法におい
て、前記光硬化性の樹脂の斜め方向から照射するレーザ
光は、パンおよびチルト角度も変化させることを特徴と
する光造形方法。
【請求項４】請求項１又は２記載の光造形方法におい
て、コンピュータでレーザの硬化データを予めシミュレ
ーションしておき、その数値に基づきレーザパワーや角
度を制御することを特徴とする光造形方法。
【請求項５】請求項１又は２記載の光造形方法におい
て、前記造形物の表層だけでなく、内部においても、未
硬化領域を減らして、全体のひずみによる変形を軽減す
ることを特徴とする光造形方法。
【請求項６】請求項１又は２記載の光造形方法におい
て、前記光硬化性の樹脂の斜め方向からレーザ光を照射
することにより、基準面に対する低角度の側面形状を高
精度に造形することを特徴とする光造形方法。
【請求項７】請求項６記載の光造形方法において、既
存の造形物からの拘束のない上側面の光造形の場合、レ
ーザ光強度は一定とし、造形ピッチを制御することによ
りレーザ光の到達割合を変えることを特徴とする光造形
方法。
【請求項８】請求項６記載の光造形方法において、既
存の造形物からの拘束のない上側面の光造形の場合、レ
ーザ光強度を制御することによりレーザ光の到達割合を
変えることを特徴とする光造形方法。
【請求項９】請求項６記載の光造形方法において、前
記レーザ光を照射するにあたり、最初の数ピッチはレー
ザ光の強度を若干弱めにすることを特徴とする光造形方
法。
【請求項１０】請求項１又は２記載の光造形方法にお
いて、既存の造形物からの拘束がある下側面の光造形の
場合、１回のｚ方向の造形ピッチを変えて造形を行うこ
とを特徴とする光造形方法。
【請求項１１】（ａ）第１のレーザ光の光源と、（ｂ）
第２のレーザ光の光源と、（ｃ）光硬化性の樹脂を入れ
た樹脂槽と、（ｄ）前記各光源の照射条件を制御するコ
ンピュータとを備え、（ｅ）前記第２のレーザ光は前記
光硬化性の樹脂の斜め方向から照射することを特徴とす
る光造形装置。
【請求項１２】（ａ）第１のレーザ光の光源と、（ｂ）
第２のレーザ光の光源と、（ｃ）光硬化性の樹脂を入れ
た樹脂槽と、（ｄ）前記各光源の照射条件を制御するコ
ンピュータとを備え、（ｅ）前記第１のレーザ光は前記
光硬化性の樹脂の真下から、前記第２のレーザ光は前記
光硬化性の樹脂の斜め方向から照射することを特徴とす
る光造形装置。
【請求項１３】（ａ）第１のレーザ光の光源と、（ｂ）
第２のレーザ光の光源と、（ｃ）光硬化性の樹脂を入れ
た樹脂槽と、（ｄ）前記各光源の照射条件を制御するコ
ンピュータとを備え、（ｅ）前記第１のレーザ光は前記
光硬化性の樹脂の真上から、前記第２のレーザ光は前記
光硬化性の樹脂の斜め方向から照射することを特徴とす
る光造形装置。