JP2004001531A - 光造形用形状データ処理方法、光造形方法及び光造形装置 - Google Patents

Abstract

【目的】レーザ透過光による余剰硬化で生じる寸法偏差を、表面形状データにおいてオーバーハング部および造形物の底面を自動的に検出し寸法偏差の自動補正を行なうデータ処理を可能とし、寸法精度に優れた光造形物を提供すること。
【構成】表面形状データを構成する多角形パッチの頂点をノードに置き換え、オーバーハング部底面に位置する多角形パッチを構成するノードを移動させて該多角形パッチの形状および位置を変更する、という方法で自動的に表面形状データにおいて上記寸法偏差を補正しておき、該データを基に造形を行なう。
【効果】寸法精度の高い光造形品が得られる。また、寸法偏差の補正は三次元ＣＡＤに戻って手で修正する必要がなく、自動的に短時間で処理できる効果がある。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、レーザ照射により紫外線硬化樹脂を硬化させ立体形状モデルを作成する光造形方法およびその装置に関わり、特にレーザ透過光による余剰硬化による寸法偏差を補正することで寸法精度に優れた光造形物を提供するためのデータ処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光造形方法および装置は、丸谷他：光造形法：日刊工業新聞社に記載のように三次元形状モデルデータを等高線データに変換し、等高線ごとの断面形状に従い順次積層し立体モデルを作成する方法として知られている。
【０００３】
精度向上策については、特公平５−３３９００号公報、３３９０１号公報に記載されている。
【０００４】
また、ＲＰ＆Ｍ・ＳＬＡ特別セミナー：日本３Ｄシステム主催：’９２．１０．２９−３０では、樹脂層へのレーザ照射を一回走査した場合の硬化深さとレーザが交差したときの硬化深さでは、交差した部分の硬化深さの方が約１．７倍深くなる、と記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
光造形技術では水平な板の底面あるいはオーバーハング部底面において、積層時に硬化物を透過したレーザの漏れ光の累積で余剰硬化してしまう問題がある。
【０００６】
この問題は寸法偏差として現われ、光造形の本質的な問題である。
【０００７】
上記従来技術はオーバーハング部底面のレーザ透過光による余剰硬化厚さの補正について配慮されていなかった。このため該部の下部においては、レーザ透過光により未硬化樹脂が硬化し設計厚さ以上となり、寸法精度を低下させる問題があった。
【０００８】
さらに、造形物の寸法を設計値と揃えるには削るといった二次加工の工程が必要となるが、狭い隙間では削ることが不可能な場合もあり、寸法偏差の補正が必要であった。
【０００９】
寸法偏差の補正方法としては、三次元ＣＡＤにおいて設計寸法を修正するという方法もあるが、ＣＡＤでの寸法修正は容易ではなく、手間がかかるという問題がある。
【００１０】
本発明の目的は上記のような問題を解決し、造形物およびオーバーハング部の底面を自動検出し、光造形技術の本質的な寸法偏差を自動的に補正処理する方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、表面形状データを構成する多角形パッチの頂点をノードに置き換え、オーバーハング部底面に位置する多角形パッチを構成するノードを移動させて該多角形パッチの形状および位置を変更する、という方法で自動的に表面形状データにおいて上記寸法偏差を補正しておき、該データを基に造形を行なう。
【００１２】
【作用】
本発明において、光造形技術の本質的な寸法偏差を表面形状データ上で、自動的に補正することが可能となり、補正後の表面形状データを基に造形を行なうことで光造形物の寸法精度が向上する。また、上記補正処理は自動的に行なえるため、寸法偏差補正の効率が向上する。さらに、削るといった二次加工の工程が省略される。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面により説明する。
【００１４】
図１は、本発明の第一実施例を示すオーバーハング部底面の余剰硬化による寸法偏差を表面形状データにて補正する処理方法のＰＡＤ図である。
【００１５】
まず、補正を行なうための表面形状データファイルを指定する。表面形状データとは三次元形状モデルの表面を少なくとも３頂点を有する多角形パッチの集合で表現したものであり、本実施例では三角形パッチについて示す。図２に表面形状データファイルのフォーマットを示す。法線ベクトルとパッチを構成する３頂点の三次元座標が記載され、各パッチのデータ間は区切りマークにて区別されている。次に、上記表面形状データファイルのパッチの３頂点の座標および法線ベクトルを順次読み込み、全パッチ数をカウントする。次に、読み込んだ頂点座標にノード番号を付けていき、先に読み込んだパッチの頂点座標と一致するものには同一のノード番号を付ける。さらに、各パッチがいずれのノードで構成されるかを記憶させる。次にオーバーハング部検出のため、法線ベクトルについてそのＺ成分の正負を判定する。Ｚ成分が負、すなわちパッチ面が下に向いている場合には、該パッチはオーバーハング部底面あるいは造形物底面に位置するため、該パッチを構成するノードに、オーバーハング部底面に位置することを示すフラッグを立てる。これをすべてのパッチについて繰り返す。以上の操作は、パッチデータを読み込みながら、随時行なっても全体としての処理は同様である。
【００１６】
次に、補正量として余剰硬化厚さαを設定する。余剰硬化厚さαの求め方については後述する。次いで、全ノードのフラッグを調べ、上記フラッグが立っているノードについて、そのノードのＺ座標に補正量を加算し、補正後のＺ座標値を各ノードの新たな座標値として置き換える。置き換えたノードの新座標をもってパッチを構成する頂点座標を書き直す。ここで、パッチの面傾きに変更が生じているので、該パッチの法線ベクトルを補正後のＺ座標を用いて算出する。補正後の頂点座標および法線ベクトルから、読み込んだデータフォーマットと同じフォーマットで新たな表面形状データファイルを作成する。
【００１７】
補正量の設定については、Ｚ補正以前のどの段階で行なっても全体としての処理は同様である。
【００１８】
ここで何故パッチの頂点にノード番号付けを行ない、Ｚ座標の補正をノードにて処理するのかを説明する。図３は上記表面形状データの三角形パッチの図である。図３（ａ）は隣り合う二つのパッチＡ，Ｂについて示したもので、パッチＡはオーバーハング部底面に位置しており、パッチＢはオーバーハング部ではない。各パッチの頂点をａ１，ａ２，ａ３，ｂ１，ｂ２，ｂ３，とする。ここで、オーバーハング部底面にあるパッチＡの形状を変更する際に頂点ａ１，ａ２，ａ３の座標値を移動した場合、三角形パッチＡの形状は変更されたものの、パッチＢと離れてしまいパッチＡとパッチＢの関係が保たれず不正なデータとなってしまう。通常の表面形状データのパッチは、少なくとも３頂点で構成されているが、隣合うパッチがこれらの頂点を共有しているという認識はない。図３（ｂ）は三角形パッチＡ，Ｂが共有する頂点をノードｎ１，ｎ３に置き換え、ノードｎ１，ｎ２，ｎ３を移動してパッチＡの形状を変更したものである。その結果、パッチＢの形状も同時に変更され、パッチＡ、Ｂは離れることなく両パッチの関係は保たれ正しいデータとなる。このように、モデルの表面を表す三角形パッチにおいて、隣合うパッチが共有する頂点をノードに置き換え、該ノードを移動させることにより、両パッチが離れたり、交差することなくその形状および位置を変更することができる。ここでは傾斜したオーバーハング底面を例に示したが、水平な場合も同様である。
【００１９】
次に、造形物底面あるいはオーバーハング部底面に位置するパッチを法線ベクトルで判定する方法について説明する。図４はオーバーハング部底面に位置する三角形パッチとその法線ベクトルである。モデルの積層方向を座標Ｚ軸の正方向とし、該パッチで定まる平面に垂直で且つモデルの外側に向かう法線ベクトルをａ（Ｘａ，Ｙａ，Ｚａ）とすると、Ｚ成分が、Ｚａ＜０ならば該パッチは下を向いているため、オーバーハング部底面に位置すると判定できる。このようにして、上記法線ベクトルＺ成分の正負を判定することによりオーバーハング部底面に位置するパッチを自動検出することを可能とした。
【００２０】
以上のような処理方法で、造形物底面およびオーバーハング部転面を自動検出し、表面形状データ上にて寸法偏差を効率良く補正することができ、このデータを基に造形を行なうことにより寸法精度の高い光造形品を得ることができる。
【００２１】
本実施例では三角形パッチについて示したが、多角形パッチについても効果は同様である。
【００２２】
ここで、余剰硬化厚さについて説明する。図５（ａ）に光造形で余剰硬化の原理を示す。余剰硬化は造形物のオーバーハング部底面を透過したレーザーの漏れ光が、オーバーハング部底面の未硬化樹脂を硬化することで生じる。次に余剰硬化厚さαの求め方を図５（ｂ）を用いて説明する。
【００２３】
積層ピッチをＰ
第１硬化層の上面からの深さをＤ
積層数をＮ
樹脂の光吸収係数をｋ
とすると
Ｎ層積層時の深さＤでの透過光エネルギーＥｎ（Ｄ，Ｎ）は
Ｅｎ（Ｄ，Ｎ）＝ＥＸＰ（−ｋ（Ｄ＋（Ｎ−１）Ｐ）／λ）
である。
【００２４】
ここで、積層にともない第１層下部では何回も透過光が照射されるから、
その累積エネルギーをＥｔｏｔａｌ（Ｄ，Ｎ）とすれば
Ｅｔｏｔａｌ（Ｄ，Ｎ）＝ＥＸＰ（−ｋＤ／λ）
＋ＥＸＰ（−ｋ（Ｄ＋Ｐ）／λ）
＋
・
・
＋ＥＸＰ（−ｋ（Ｄ＋（ｎ−１）Ｐ）／λ）
ここで
Ａ＝ＥＸＰ（−ｋＤ／λ）
Ｂ＝ＥＸＰ（−ｋＰ／λ）
とすれば
Ｅｔｏｔａｌ（Ｄ，Ｎ）＝Ａ（１＋Ｂ＋Ｂ＾２＋・・・＋Ｂ＾（ｎ−１））
両辺の対数をとると
１ｎ（Ｅｔｏｔａｌ（Ｄ，Ｎ））＝−ｋＤ／λ＋１ｎ（Ｃ）
ここに、ｃ＝（１−Ｂ＾ｎ）／（１−Ｂ）
よって
Ｄ＝−λ／ｋ（１ｎ（Ｅｔｏｔａｌ（Ｄ，Ｎ））−１ｎ（Ｃ））
Ｄは第１層の上面からの深さであること、また、Ｅｔｏｔａｌ（Ｄ，Ｎ）を臨界硬化パワー（照射パワーに対する比）とすればＮ層積層したときの余剰硬化の厚さαは
α＝Ｄ−Ｐ
となる。
【００２５】
図６に積層厚さと寸法偏差の関係を示す。このデータは水平なオーバーハング底面についての結果である。これより、上式により算出した余剰硬化の厚さαは実測値とよく一致していることがわかる。
【００２６】
図７は本発明の第一実施例において補正量をオーバーハング部底面の傾きに依存する値とした場合のＰＡＤ図である。オーバーハング部底面に位置するパッチを検出した後に、該パッチを構成するノードに補正量として該パッチの傾きに依存する値を設定する。図８（ａ）は半径ｒ＝３．０の穴をもつモデルの表面形状データに補正量を１として上記補正を施したモデルデータの断面図である。しかし、余剰硬化厚さはオーバーハング部底面の傾きに依存するため、このデータを基に光造形を行なうと、寸法偏差が一様ではなく右図のようないびつな光造形モデルとなってしまう。図８（ｂ）は補正量をオーバーハング部底面の傾きに依存する値として上記補正を施したモデルデータの断面図であり、このデータに基に光造形を行なうと、図のようなスムースな穴形状が作成され、寸法精度の良い光造形モデルを得ることができる。
【００２７】
ここでの補正量の設定はオーバーハング部底面に位置するパッチの検出の後であれば、どの段階で行なっても全体としての処理は同様である。
【００２８】
以上のような処理方法で表面形状データに補正を施し、造形を行なうことにより寸法精度の高い光造形品を得ることができる。
【００２９】
図９は本発明の第一実施例において法線ベクトルを多角形パッチの頂点から算出する場合のＰＡＤ図である。表面形状データファイルに含まれる三角形パッチを構成する頂点の座標を読み込み、これらの頂点座標から該パッチの法線ベクトルを算出する。該法線ベクトルを用いてオーバーハング部に位置するパッチを判定する。法線ベクトルの算出はそのＺ成分の正負を判定するより以前の段階であれば、どの時点で行なっても全体としての処理は同様である。
【００３０】
以上のような処理方法で表面形状データに補正を施し、造形を行なうことにより寸法精度の高い光造形品を得ることができる。
【００３１】
図１０は本発明の第二実施例を示すもので、上記の表面形状データに補正処理を施して光造形を行なう手順である。３次元ＣＡＤで形状モデルを作成し、それを光造形用表面形状データに変換し、該データにオーバーハング部の自動検出および寸法偏差自動補正という補正処理を施し、光造形を行なう。図１１は直径の設計値　Ｄ＝１０．０の穴をもつモデルの断面図であり、図１１（ａ）は補正無しで、図１１（ｂ）は上記補正処理を施して造形したモデルの断面図である。このように、本発明の手順に従い造形を行なうことにより、寸法精度の高い光造形品を得ることができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、造形物の底面およびオーバーハング部の底面を自動検出し、該底面に生じる光造形技術の本質的な寸法偏差を、表面形状データ上にて補正することができ、寸法精度の高い光造形品を得られる効果がある。
【００３３】
また、寸法偏差の補正は三次元ＣＡＤに戻って手で修正する必要がなく、自動的に短時間で処理できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施例を示すオーバーハング部底面の余剰硬化による寸法偏差を表面形状モデルにて補正する処理方法のＰＡＤ図である。
【図２】本発明の第一実施例における表面形状データのフォーマットである。
【図３】本発明の第一実施例における三角形パッチとノードを示す図である。
【図４】本発明の第一実施例におけるオーバーハング部のパッチの法線ベクトルを示す図である。
【図５】本発明の第一実施例における余剰硬化厚さを示す図である。
【図６】本発明の第一実施例における積層厚さと寸法偏差の関係を示すグラフである。
【図７】本発明の第一実施例において補正量をオーバーハング部底面の傾きに依存する値とした場合のＰＡＤ図である。
【図８】本発明の第一実施例における補正量をオーバーハング部底面の傾きに依存する値とした場合のモデルの断面図である。
【図９】本発明の第一実施例において法線ベクトルを多角形パッチの頂点から算出する場合のＰＡＤ図である。
【図１０】本発明の第二実施例を示す表面形状データ補正処理を施して光造形を行なう手順を示す図である。
【図１１】直径の設計値Ｄ＝１０．０の穴をもつモデルの断面図である。
【符号の説明】
ａ…法線ベクトル、
ａ１，ａ２，ａ３，ｂ１，ｂ２，ｂ３…頂点、
ｎ１，ｎ２，ｎ３，ｎ４…ノード、
Ｚａ…法線ベクトルＺ成分、
α…余剰硬化厚さ。

Claims (9)

1. 三次元形状モデルの表面を少なくとも３頂点を有する多角形パッチと各パッチの法線ベクトルの集合で表す表面形状データを用いて立体形状モデルを造形するための光造形用形状データ処理方法であって、
   隣り合う前記パッチの同座標となる各々の頂点を共有点である１つのノードに置き換え、
   各パッチの法線ベクトルのＺ成分が負方向であることにより、該パッチが造形物の底面部とオーバーハング部の底面部の何れかに位置することを識別し、
   該パッチが前記底面部に位置すると識別された場合に、該パッチを構成するノードに前記底面部に位置するというフラッグを立て、全ノードを調べて該フラッグの立ったノードをＺ方向に移動させることにより表面形状データを補正することを特徴とする光造形用形状データ処理方法。
2. 前記フラッグの立ったノードを、下式より算出される余剰硬化厚さαに基づく値だけＺ方向に移動させることを特徴とする請求項１に記載の光造形用形状データ処理方法。
   α＝−λ／ｋ（ｌｎ（Ｅ０）−ｌｎ（Ｃ））−Ｐ
   但し、オーバーハング部の造形の積層数をＮ、積層ピッチをＰ、樹脂の光吸収係数をｋ、硬化光の波長をλ、硬化光の照射エネルギーに対する樹脂硬化の臨界エネルギーの比をＥ０とし、Ｃ＝（１−Ｂ＾Ｎ）／（１−Ｂ）　　Ｂ＝ＥＸＰ（−ｋＰ／λ）　とする。
3. 前記Ｚ成分の方向と前記底面部との成す角に依存して、前記余剰硬化厚さαを修正した値だけＺ方向に移動させることを特徴とする請求項２に記載の光造形用形状データ処理方法。
4. 三次元形状モデルの表面を少なくとも３頂点を有する多角形パッチと各パッチの法線ベクトルの集合で表す表面形状データを用いて立体形状モデルを造形するための光造形方法であって、
   隣り合う前記パッチの同座標となる各々の頂点を共有点である１つのノードに置き換え、
   各パッチの法線ベクトルのＺ成分が負方向であることにより、該パッチが造形物の底面部とオーバーハング部の底面部の何れかに位置することを識別し、
   該パッチが前記底面部に位置すると識別された場合に、該パッチを構成するノードに前記底面部に位置するというフラッグを立て、全ノードを調べて該フラッグの立ったノードをＺ方向に移動させることにより表面形状データを補正し、
   該補正された表面形状データに基づいて、紫外線硬化樹脂にレーザを照射し硬化させ、該硬化物を積層していくことで光造形モデルを作成することを特徴とする光造形方法。
5. 前記フラッグの立ったノードを、下式より算出される余剰硬化厚さαに基づく値だけＺ方向に移動させることを特徴とする請求項４に記載の光造形方法。
   α＝−λ／ｋ（ｌｎ（Ｅ０）−ｌｎ（Ｃ））−Ｐ
   但し、オーバーハング部の造形の積層数をＮ、積層ピッチをＰ、樹脂の光吸収係数をｋ、硬化光の波長をλ、硬化光の照射エネルギーに対する樹脂硬化の臨界エネルギーの比をＥ０とし、Ｃ＝（１−Ｂ＾Ｎ）／（１−Ｂ）　　Ｂ＝ＥＸＰ（−ｋＰ／λ）　とする。
6. 前記Ｚ成分の方向と前記底面部との成す角に依存して、前記余剰硬化厚さαを修正した値だけＺ方向に移動させることを特徴とする請求項５に記載の光造形方法。
7. 三次元形状モデルの表面を少なくとも３頂点を有する多角形パッチと各パッチの法線ベクトルの集合で表す表面形状データを用いて立体形状モデルを造形するための光造形装置であって、
   隣り合う前記パッチの同座標となる各々の頂点を共有点である１つのノードに置き換える処理手段と、
   各パッチの法線ベクトルのＺ成分が負方向であることにより、該パッチが造形物の底面部とオーバーハング部の底面部の何れかに位置することを識別する手段と、
   該パッチが前記底面部に位置すると識別された場合に、該パッチを構成するノードに前記底面部に位置するというフラッグを立て、全ノードを調べて該フラッグの立ったノードをＺ方向に移動させることにより表面形状データを補正する処理手段と、
   該補正された表面形状データに基づいて、紫外線硬化樹脂にレーザを照射し硬化させる手段とを有し、
   該硬化物を積層していくことで光造形モデルを作成することを特徴とする光造形装置。
8. 前記補正する処理手段は、前記フラッグの立ったノードを、下式より算出される余剰硬化厚さαに基づく値だけＺ方向に移動させる処理手段を含んで構成されることを特徴とする請求項７に記載の光造形装置。
   α＝−λ／ｋ（ｌｎ（Ｅ０）−ｌｎ（Ｃ））−Ｐ
   但し、オーバーハング部の造形の積層数をＮ、積層ピッチをＰ、樹脂の光吸収係数をｋ、硬化光の波長をλ、硬化光の照射エネルギーに対する樹脂硬化の臨界エネルギーの比をＥ０とし、Ｃ＝（１−Ｂ＾Ｎ）／（１−Ｂ）　　Ｂ＝ＥＸＰ（−ｋＰ／λ）　とする。
9. 前記Ｚ成分の方向と前記底面部との成す角に依存して、前記余剰硬化厚さαを修正した値だけＺ方向に移動させることを特徴とする請求項８に記載の光造形装置。

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