JP2004009573A - 光硬化造形方法及び造形装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】光硬化性樹脂液の液面に所定形状に光照射して硬化層を形成し、これを反復し、硬化層を積層して立体モデルを造形する光硬化造形方法にて、少ないデータの算出で、より短時間で高精度の造形が可能な方法を提供すること。
【解決手段】本発明にかかる光硬化造形方法では、まず、走査線に沿って描画したときに前記光硬化性樹脂液を硬化させる走査線硬化領域が、輪郭線に沿って描画したときに前記光硬化性樹脂液を硬化させる輪郭線硬化領域を超える場合には、オフセット処理して走査線硬化領域輪郭線を超える距離を補正した走査の始点と終点を求める。そして、輪郭線硬化領域と走査線硬化領域との間に間隙が生じる場合には、この間隙上に補点を求める。さらに、補正した走査の始点と終点間を、レーザ光線により走査して、平行線状に描画する。最後に、補点上にレーザ光線を走査して間隙の光硬化性樹脂液を硬化させる補線を描画する。
【選択図】 図１
【解決手段】本発明にかかる光硬化造形方法では、まず、走査線に沿って描画したときに前記光硬化性樹脂液を硬化させる走査線硬化領域が、輪郭線に沿って描画したときに前記光硬化性樹脂液を硬化させる輪郭線硬化領域を超える場合には、オフセット処理して走査線硬化領域輪郭線を超える距離を補正した走査の始点と終点を求める。そして、輪郭線硬化領域と走査線硬化領域との間に間隙が生じる場合には、この間隙上に補点を求める。さらに、補正した走査の始点と終点間を、レーザ光線により走査して、平行線状に描画する。最後に、補点上にレーザ光線を走査して間隙の光硬化性樹脂液を硬化させる補線を描画する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、光硬化性樹脂液の液面に光線を照射し走査することにより立体モデルの造形を行なう光硬化造形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光硬化造形方法では、造形しようとする立体モデルを複数の層にスライスして得られる断面群のデータに基づいて造形する。通常、最初に最下段の断面に相当する領域において、光硬化性樹脂液の液面に光線を照射する。すると光照射された液面部分の光硬化性樹脂液は光硬化し、立体モデルの一断面の硬化層が造形される。次いで、この断面硬化層の表面に未硬化状態の光硬化性樹脂液を所定の厚みでコートする。このとき、断面硬化層を所定の厚み分樹脂液に沈めてコートすることが一般的である。そして、この表面に所定パターンに沿ってレーザ光線走査を行ない、光照射したコート層部分を硬化させる。硬化した部分は、下部の断面硬化層に積層一体化される。以後、光照射工程で扱う断面を隣接する断面に切り替えながら、光照射と樹脂液コートを繰り返すことによって、所望の立体モデルを造形する。光硬化造形方法の基本構成は、例えば特開昭５６−１４４４７８号公報、特開昭６２−３５９６６号公報等に開示されている。
光硬化造形方法では、まず、立体モデルの形状のデータをコンピュータに入力し、これに基づいて、立体モデルをスライスした各断面の形状データを算出する。さらに、断面毎にレーザ光線を照射しながらこれを走査する基準となる位置データ及び走査順路を算出し、この結果に従って、光硬化性樹脂液の表面にレーザ光線走査を行なう。断面をレーザ光線で走査し描画するとき、断面を輪郭線及び輪郭線によって囲まれている内部領域に分けて、内部領域を先に描画し、後から輪郭線を描画する方法が用いられることが多い。輪郭線を最後に描画することで、表面精度が優れた立体モデルが造形される。
ここで、輪郭線は、立体モデルの輪郭部分におけるレーザ光線の照射位置を示す線分の情報である。この輪郭線にレーザ光線を照射したときに光硬化性樹脂液が硬化する領域をこの明細書中では特に輪郭線硬化領域と呼ぶ。また、走査線は、内部領域を走査するレーザ光線の照射位置を示す線分の情報である。この走査線にレーザ光線を照射したときに光硬化性樹脂液が硬化する領域をこの明細書中では特に走査線硬化領域と呼ぶ。
【０００３】
光硬化造形方法において、レーザ光線の照射は、通常、光源からのレーザ光線をガルバノミラーに導き、該ガルバノミラーをコンピュータからの指令に従って動かし、光硬化性樹脂液表面に焦点を合わせたレーザ光線を照射して行う。ガルバノミラーの動作は、スタート、ストップという基本的動作を繰り返して行なうが、個々の動作において、ある程度の誤差が発生することは避けられない。また、レーザ光線は、光硬化性樹脂液の表面を走査して樹脂液を順次硬化させていく。尚、レーザ光線の走査方向は、渦巻き状、コイル状、ハッチ状（平行線状）、クロスハッチ状（格子状）などがあり、立体モデルの断面の形状やその他の条件に応じて適宜選択して行なわれるが、平行線状走査が一般的である。
このように、断面をレーザ光線で走査するに先立って走査ルートを算出する必要があるが、渦巻き状などの走査ルートの計算は、工程数が多いため、計算に多くの時間がかかる。これに対して、ハッチ状走査ルートやクロスハッチ状走査ルートの計算は比較的容易であるため、これらの走査ルートによる描画が一般的である。
他方、レーザ光線を光硬化性樹脂液の表面に照射すると、一定の幅の硬化ができる。この幅は、レーザ光線の直径、強度及び走査速度、並びに硬化深度などの樹脂の特性などによって決まる。このライン幅はおよそ０．０５〜０．５ｍｍが一般的である。立体モデルの断面の形状を定める輪郭線上にレーザ光線を走査すると、硬化ライン幅の２分の１は所定の断面からはみ出すことになる。従って、精度の高い立体モデルを成形する場合には、走査する輪郭線は、輪郭からレーザ光線の直径の２分の１内側に寄せられている。ここで、レーザ光線の走査範囲を内側に寄せることを「オフセット」という。
【０００４】
立体モデルを作成する場合、立体モデルを所定の厚さにスライスして得られる断面形状を、スライスの数計算して求め、各断面形状層を順次光硬化性樹脂に光照射して硬化させ、これを積層して立体モデルを造形する。
断面領域は、輪郭線と輪郭の内部領域とに分けてデータ処理可能である。輪郭線だけレーザ光線走査し、これを積層すると、外皮の内側が空となっている中空立体モデルが成形される。中実立体モデルを造形する場合は、断面領域全体を光照射するが、レーザ光線走査は、内部領域をレーザ光線で一端から順次走査し、仕上げに輪郭線の走査を行なうと、立体モデルの表面の精度が向上するので望ましい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
走査線の両端点のうち、レーザ走査を開始する端点を始点とし、他方の端点を終点とする。走査線上をレーザ光線で走査するとき、レーザ光線は、始点からまず加速され、所定速度になったらその速度を維持し、終点に近づいたら減速して、理想的には終点で停止する。走査を正確に終点で停止することは、低速で走査すれば容易に可能であるが、造形所要時間が長くなる問題がある。一方、より高速で走査を行なう場合、終点を行き過ぎて停止するエラーが発生しやすい。
高速で走査する場合、レーザ光線走査装置へのフィードバックを十分に行なえば、終点で走査を停止ことは可能であるが、フィードバックのためのデータ処理に時間が必要であり、造形所要時間が長くなる問題がある。このようなレーザ走査の停止位置が不正確になる問題は、レーザ光線走査装置の機械的誤差や経時変化による誤差によっても発生する。
内部領域の走査に於いて、輪郭線を越えて走査した場合や輪郭線から一定の範囲内に近づき過ぎた場合には、走査線硬化領域が輪郭線硬化領域を越えてしまい、得られた立体モデルの表面にギザギザした凹凸が生じる。一方、輪郭線に達しないで走査を終えた場合、走査線硬化領域と輪郭線硬化領域との間に間隙が生じ未硬化部分を生じて、内部領域と輪郭とが遊離した不完全な立体モデルとなる問題がある。また、走査線硬化領域と輪郭線硬化領域との間の未硬化部分に光照射するために、未硬化部分の位置に関するデータを複雑な計算に基づいて求める方法では、造形所要時間が長くなるという問題がある。
【０００６】
本発明に関わる光硬化造形方法は、立体モデルをスライスした多数の断面層の一枚一枚を、光硬化性樹脂液にレーザ光線で緻密に走査し硬化して作製し、これらを積層して立体モデルを造形する方法である。一枚の断面層の厚さは０．１ｍｍ程度であるから、これを積層して造形するためには、高さ１０ｃｍの立体モデルであっても、約１，０００枚光硬化層を作製することになる。このため、１立体モデルの造形に、数時間から数日も必要となるので、個々の工程における所要時間の短縮はきわめて重要な課題である。又、立体モデル表面を高い精度で造形することも重要であるが、それにはレーザ光線走査を行なうデータの算出、即ち、レーザ光線の走査始点と走査終点の位置を複雑な計算を多数行なって求める必要があるために、立体モデルの造形に多くの時間を必要とする。そこでデータ処理量が少なく、より短時間で、高精度の造形が可能な内部領域照射法が求められている。
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、少ないデータの算出で、より短時間で高精度の造形が可能な光硬化造形方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる光硬化造形方法は、立体モデルをスライスして得られる断面の輪郭線の内部領域を一本又は複数のレーザ光線により平行線状に走査線に沿って光硬化性樹脂液上を描画する光硬化造形方法であって、前記輪郭線に対する前記走査線の位置をオフセット処理して走査線の始点と終点を求めるステップと、輪郭線硬化領域と走査線硬化領域との間に間隙が生じる場合には、この間隙上に補点を求めるステップと、前記補正した走査線の始点と終点間を、レーザ光線により走査して、平行線状に描画するステップと、前記補点上にレーザ光線を走査して前記間隙の光硬化性樹脂液を硬化させる補線を描画するステップとを有するものである。このような方法により、立体モデルの表面に微小な凹凸が生じることを防止できるとともに、未硬化領域を生じさせることなく、立体モデルを作成することが可能となる。特に、少ないデータの算出で、より短時間で高精度の造形を可能とすることができる。
【０００８】
本発明の光硬化造形方法は、通常、一本のレーザ光線を使用して光走査と照射を行なうが、複数のレーザ光線を使用して、同時に、又は、前後して、光硬化性樹脂液の液面に光線を照射し走査することにより造形を行なうことができる。例えば、２本のレーザ光線を使用する場合、平行線の１本毎に別の光線を用いることができるし、又、照射すべき領域の両端から同時に走査することができる。又、後記の平行線群を２組交差させて照射する場合には、平行線群毎に別のレーザ光線を用いることができる。複数のレーザ光線を使用することで、照射に必要な時間を短縮でき、光硬化造形時間を短縮できる利点がある。
複数のレーザ光線を使用する場合、各レーザ光線毎に走査の始点、終点のデータ群及び補線を走査するための補点のデータ群を求めることが望ましい。補線に対する走査は、レーザ光線毎に行うことが望ましい。
【０００９】
平行線状走査を行なうとき、走査線硬化領域が輪郭線硬化領域を超える場合は、硬化物断層の輪郭、即ち立体モデルの表面から突起が生じるので、突起の高さを顕微鏡等で観察し計測して求める。この突起の高さに基づき、輪郭線からオフセット（ＯＦ１）処理する距離を求める。望ましくは、この突起の高さを、オフセット（ＯＦ１）処理する距離とする。輪郭線からそれぞれ所定距離オフセット（ＯＦ１）した位置を、走査の始点と終点とする。オフセット（ＯＦ１）することによって補正された走査の始点及び終点の位置は、輪郭線及び平行線を走査するレーザ光線の光束の直径にも関係するが、輪郭線から内側に１ｍｍ以内にあることが好ましいが、両輪郭線の間隔が２ｍｍ未満の場合は、両輪郭線の中点未満にある。輪郭線からのオフセット（ＯＦ１）が１ｍｍを越えると、未走査部分、即ち、未硬化部分が大きくなり、特に走査始点と輪郭線との間の未硬化部分が大きくなり、断面の硬化が不十分となる場合があり好ましくない。
上述した観察と計測により得られるオフセット（ＯＦ１）処理する距離は、本発明の光硬化造形方法を実施する度に求めることが望ましいが、実施条件が同一又は類似の先例がある場合は、その値を用いることができる。
平行線状にレーザ光線を走査するとき、走査方向は全て同じ方向にする、又は、線毎に逆方向にすることができるが、走査に必要な時間がより短くてすむ方向にするのが好ましい。通常、後者の方が走査所要時間が短く、好ましい場合が多い。
また、本発明の光硬化造形方法においては、まず、輪郭線硬化領域と走査線硬化領域との間に間隙が生じる場合に、この間隙上に補点が求められる。この補点は、通常、内部領域を走査する走査線の延長線上であって、輪郭線から所定距離オフセット（ＯＦ２）処理して求められる。そして、この各補点間を結ぶ線分である補線（Ｌ３）上をレーザ光線により描画する。この補線は、通常、輪郭線に沿った線である。尚、補線にレーザ光線を照射したときに光硬化性樹脂液が硬化する領域を補線硬化領域とする。
【００１０】
前記輪郭線からオフセット（ＯＦ２）する距離は、補線硬化領域が、輪郭線硬化領域と接するか又は重なり合うように定めるのが望ましい。重なり合う場合、輪郭線硬化領域の線幅の中央より、断面の内側で重なり合うのが、より望ましい。輪郭線硬化領域の中央より外側で重なり合う場合、硬化部分が輪郭線硬化領域を越えて、立体モデルの表面に凹凸を生じることがあるからである。
前記補線を走査するための基準点である補点は、上述した条件を満たすオフセット（ＯＦ２）距離を定めることにより、簡単な計算で得られるので、データ処理量は少なくてすみ、造形所要時間の増加は僅かですむ。補線は、複数のレーザ光線を用いて平行線を走査し照射する場合、各レーザ光線毎に補点を求め、補線を走査することが望ましい。さらに又、前記補線をこのようにすることで、内部領域の光硬化造形部分と、輪郭の硬化部分とを確実に結合でき、未硬化領域の発生を防止乃至減少できる。
さらに、内部領域の走査は、少なくとも２群の平行線を交差させて描画することにより行なうことにより、一層漏れなく行なうことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態１．
まず、図１を用いて、本発明にかかる光硬化造形方法に使用される光硬化造形装置の１例について説明する。この光硬化造形装置は、制御データ生成部１００、制御部２００、造形部３００及び光照射部４００により構成される。このうち、制御データ生成部１００と制御部２００は、一般的にコンピュータに所定の応用プログラムをインストールすることによって構成される。
制御データ生成部１００は、造形部３００及び光照射部４００における光照射・造形動作を制御する制御部２００において用いられる制御データを生成する。制御部２００は、制御データ生成部１００によって生成された制御データを入力し、造形部３００における光照射・造形動作を制御する。制御部２００は、造形部３００及び光照射部４００を制御する。
造形部３００と光照射部４００は、制御部２００による制御に応じて光照射・造形を実行する。造形部３００は、容器３０１、造形台３０３、造形台駆動部３０４によって構成される。容器３０１は、光硬化性樹脂液３０２を収容するための容器である。造形台３０３は、硬化させた樹脂を順次堆積させ、載置する平板状の台である。この造形台３０３は、造形台駆動部３０４によって駆動され、容器３０１内において昇降する。造形台駆動部３０４は、制御部２００より入力される制御信号に基づいて造形台３０３を昇降させることにより、次に光照射して硬化させる一層分の光硬化性樹脂液を、先に硬化させた樹脂層上に準備する。
光照射部４００は、レーザ光線発生装置４０１とレーザ光線を光硬化性樹脂液液面に走査するガルバノミラーを備えた光走査装置４０２からなる。レーザ光線発生装置４０１と光走査装置４０２は、それぞれ複数備えていてもよい。
制御部２００より入力される制御信号に基づいて、レーザ光線発生装置４０１と光走査装置４０２を操作して、所定の強度のレーザ光線を容器３０１内に収容された光硬化性樹脂液３０２の液面に照射し、さらにその液面上を走査して任意の軌跡を描く。レーザ光線発生装置４０１は、例えば、レーザ光線を発射するレーザ発振器と、そのレーザ光線を透過又は遮断するための音響光学素子を備え、光走査装置４０２は、光線の方向を任意の方向に変動させるガルバノミラーを備えている。
【００１２】
ここで、造形部３００と光照射部４００における光照射・造形動作について説明する。まず、容器３０１に光硬化性樹脂液３０２を収容する。そして、造形台３０３をその光硬化性樹脂液３０２の表面より例えば０．０５〜０．２ｍｍの深さの位置に降下させておく。そして、レーザ光線発生装置４０１により発生させたレーザ光線４０３を、光走査装置４０２に導き、この装置中のガルバノミラーを操作して、レーザ光線４０３を光硬化性樹脂液３０２の表面に照射・走査する。これにより、光硬化性樹脂液３０２の表面層の光硬化性樹脂液３０２が硬化し、第１層目の硬化層が形成される。次にこの造形台３０３を、立体モデルをスライスした一層分に相当する深さ、例えば０．０５〜０．２ｍｍ降下させて、第２層目の硬化層を第１層目の硬化層の上に形成する。以下同様にして第３層目以降の硬化層を順次堆積させる。そして、最終層の堆積が終了すると、造形台３０３を上昇させ、その造形台３０３上に形成された造形物３０５を取り出す。造形物３０５は、表面に付着した光硬化性樹脂液を洗浄その他の方法で除去し、必要に応じて紫外線ランプ等により照射して、光硬化を更に進行させることができる。
【００１３】
続いて、本発明の光硬化造形方法のレーザ光線の走査について説明する。この例では、長方形の断面に平行線状にレーザ光線を走査する場合を想定している。図２（ａ）は、長方形の輪郭線と内部領域に平行線状の走査線を示した図であり、終点と実際のレーザ操作におけるレーザ走査の停止位置のずれがゼロである理想的な場合を示している。前述のように、通常、内部領域の平行線からなる走査線２（以下、単に走査線２とする）をまず描画し、最後に輪郭線１を描画する。輪郭線１を先に描画すると、その部分が光硬化性樹脂液に浮遊し、所定位置に留まらないことがあるからである。ここで、輪郭線１及び走査線２は、レーザ光線の照射位置を示す線分の情報である。
走査線２の走査には、例えば左から右へ、一方向に走査する方法と、最初の走査線では左から右へ、次の走査線は右から左へと交互に異なる方向に往復走査する方法がある。
【００１４】
一方向に走査する方法を図２（ｂ）に示す。図に示されるように、走査線２１、２２、２３、２４、２５、２ｎのそれぞれは、左から右へ走査される。ここでレーザ光線の走査は、レーザ光線をガルバノミラーに照射し、ガルバノミラーが反射角度をコンピュータの指示に従って動かし、所定場所に照射することにより行う。従って、図２（ｂ）の走査を実現するためには、走査線２１を左から右へ走査した後、一旦ガルバノミラーの角度を戻し、同時にガルバノミラーを操作してレーザ光線の走査位置を次の走査線２２に移し、走査線２２を左から右へ走査する。これを繰り返すことにより、輪郭線１の内部領域を走査する。
交互に異なる方向に往復走査する方法を図２（ｃ）に示す。図に示されるように、走査線２１、２３、２５は、左から右へ走査される。また、走査線２２、２４は、右から左へ走査される。図２（ｃ）の走査を実現するためには、走査線２１を左から右へ走査した後、下方向に走査した後、右から左へ走査する。これを繰り返すことにより、輪郭線１の内部領域を走査する。
ここで、図２（ｂ）に示す走査方法は、一方向走査のため、左から右に走査後、レーザ光線を消して、又はシャッター等でレーザ光線を遮った状態で、ガルバノミラーの照射位置を右から左へと、次の平行線の左端部に移動してから、次の照射を開始する。右から左への移動中は照射を中断しているので、一定時間当りの走査距離は往復走査の方が長い。このため、立体モデル造形では図２（ｃ）に示す走査方法が好んで用いられる。
【００１５】
図２（ｂ）又は図２（ｃ）に示すように、平行線状にレーザ光線走査を行なうとき、走査の始点と走査の終点は、輪郭線と走査線との交点、又は、輪郭線から所定距離オフセット（内側に向かって移動）した線と走査線との交点である。実際、レーザ光線走査を始点から終点にかけて行なうと、所定の終点で走査が終らずに、終点を越えたところで走査が停止する場合がある。例えば、輪郭線を越えてレーザ光線走査されると、走査線硬化領域が輪郭線硬化領域を越え、得られる立体モデルの表面には細かな凹凸が発生する。
【００１６】
走査の終点がこのように所定位置を行き過ぎる原因としては、ガルバノミラーの駆動源はモーターであり、ある程度の速度をもって回転しているため、停止制御を行っても慣性と制御エラーで終点を行き過ぎて停止すること等が考えられる。このとき、終点に正しく停止させるためには、終点のかなり手前からモーターの速度を抑えたり、モーターに逆向きの電流を流すなどの操作をコンピュータのプログラムに加えることが行なわれているが、時間を要し、また、煩雑である等の問題がある。
このとき、輪郭線硬化領域を越えた走査線硬化領域の距離を顕微鏡等を使用した測定により、或いは、経験的に求め、その距離と同等以上の距離を、前記の所定距離として輪郭線からオフセットした点を走査の始点、終点とすると、走査線硬化領域が輪郭線硬化領域を越えることがないため、立体モデルの表面に凹凸が発生することはない。
この場合、始点、終点は輪郭線から断面内側に移動する。このようにオフセット処理すると、終点部では走査ラインが輪郭線に接触ないし接近しているため、光硬化性樹脂液の未硬化部分がほとんど生じることはなくて良好である。一方、オフセット処理により生じる始点と輪郭線との間隔部は、レーザ光線が走査されないため、光硬化性樹脂液の未硬化部分が残る。このため、内部領域と輪郭線間の遊離が生じる等の問題が起こる。
図３は、図２（ｃ）の往復走査の場合の例示である。図３（ａ）は、レーザ光線走査の終点が輪郭線上にある場合であり、走査線硬化領域が輪郭線硬化領域を越えて走査され立体モデル表面に凹凸が生じるおそれがある。図３（ｂ）は、図３（ａ）の場合よりさらにオフセットを大きくした場合であって、レーザ光線走査が輪郭線に達する少し前に終っている。このため輪郭線を越えて走査されることはなく、立体モデル表面に凹凸が生じるおそれはない。しかしながら、レーザ光線の走査の始点部分でも内側にオフセットされるため、未硬化領域が生じる。図３（ｂ）において、平行線２１、２２、２３、２４、２５、２ｎ、‥のレーザ光線走査始点部分に近い、斜線で埋めた○印で示す領域３１、３２、３３，３４、３ｎ‥が未硬化領域である。
【００１７】
この未硬化領域を硬化させるために図３（ｃ）に示されるように、補線４１ａ、４２ａ、４３ａ、４４ａ、４５ａ、４ｎａ及び補線４１ｂ、４２ｂ、４３ｂ、４４ｂ、４５ｂ、４ｎｂにレーザ光線を照射している。これにより、未硬化部分を硬化させることが可能となる。これらの補線は、走査線２とほぼ垂直である。この例では、未硬化領域３１、３２のみらず、それ以外の領域も、補線４１ｂ、４２ａ、４３ｂ等によりレーザを照射したが、未硬化領域のみにレーザを照射することも可能である。補線に対するレーザ照射は、平行線状走査を終えてから４１ａ、４２ａ、４３ａ、４４ａ、４５ａ、４ｎａに連続して走査し、さらに４１ｂ、４２ｂ、４３ｂ、４４ｂ、４５ｂ、４ｎｂに連続して走査することができる。又、未硬化部分のみ選んで４１ａ、４３ａ、４５ａ、‥‥‥、及び４２ｂ、４４ｂ、‥‥‥を断続的に走査することができる。補線を照射・走査するためのレーザ光線の光束の直径は、平行線の走査の場合と同じでもよいし変えてもよいが、未硬化部分を照射できる大きさであることが望ましい。
【００１８】
この往復走査について、さらに詳細にその走査軌跡を図６に示す。図において、ａ１、ａ２、ａ３・・・は往路の始点を、ｂ１、ｂ２、ｂ３・・・は往路の終点を、ｃ１、ｃ２、ｃ３・・・は復路の始点を、ｄ１、ｄ２、ｄ３・・・は復路の終点を示す。また、Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１・・・は補点を示す。図に示されるように、往路の始点ａ１から往路の終点ｂ１、復路の始点ｃ１から復路の終点ｄ１・・・と一筆描きのようにレーザ光線を走査している。往路の終点ｂ１と復路の始点ｃ１との間の走査線の形状は、色々な形状があり、ここに示した半円形に限られない。補点Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１は、各走査線の延長線上であって、輪郭線の内側にある。Ａ１、Ｄ１、Ａ２、Ｄ２、Ａ３を結んだ線及びＢ１、Ｃ１、Ｂ２、Ｃ２、Ｂ３を結んだ線を補線としている。
【００１９】
図７は、輪郭線付近の拡大図である。直径Ｗ１の円は、輪郭線を走査するレーザ光線の直径を示す。線Ｌ０は、輪郭線硬化領域の外縁であり、立体モデルの表面となる。輪郭線は、当初Ｌ０であったが、Ｌ０線上にレーザ光線を走査すると、レーザ光線の半径分外側にはみ出るため、線Ｌ０を光線の半径Ｗ１／２だけオフセットした線Ｌ１をコンピュータで算出し、これを輪郭線としている。
図７の直径Ｗ２の円は、補線を走査するレーザ光線の直径、直径Ｗ３の円は、走査線を走査するレーザ光線の直径である。走査線の始点ａは、線Ｌ１から所定距離（ＯＦ１）オフセットした線Ｌ４と、内部領域を描画する走査線との交点の１つである。
始点ａから終点ｂ（図７には示していない。）に向けて走査するとき、走査線が終点ｂを超えて輪郭線硬化領域の予め定められた範囲内に入り込み、又は、さらに輪郭線を超える場合、輪郭に凸部を生じる。この場合、凸部が生じないように、終点ｂを、同時に始点ａも輪郭線の内側に必要最小限の距離オフセットする。この距離がＯＦ１である。始点ａの位置は、補点Ａの位置から１ｍｍ以内にあることが望ましい。図７に示す補点Ａの位置は、輪郭線Ｌ１からＷ１／２とＷ２／２の距離ＯＦ２分離れた点である。さらに、線Ｌ３上のレーザ光線の直径Ｗ２を大きくしてもよい。線Ｌ３上のレーザ光線の直径Ｗ２を大きくした場合、その一端が線Ｌ１と線Ｌ２の間であって、他端が線Ｌ４と走査線を走査するレーザ光線の端の間に位置するようにするとよい。このようにすると、補線硬化領域の一端が輪郭線硬化領域の幅内であって、かつ、当該輪郭線硬化領域の中央線より内側に重なるとともに、補線硬化領域の他端が走査線硬化領域の硬化線幅の２分の１以内の範囲で重なる。
【００２０】
ここで、本発明の実施の形態１における全体的な処理フローにつき、図８を用いて説明する。まず、制御データ生成部１００に対して三次元形状データを入力する（Ｓ１０１）。そして、制御データ生成部１００は、初期値に１をセットし（Ｓ１０２）、第１断面の輪郭（ベクタースキャン）データを算出し、Ｌ１（１）として出力する（Ｓ１０３）。次に平行線（ラスタースキャン）データを算出する（Ｓ１０４）。また、Ｌ１（１）を内側にＯＦ１分オフセットしたときの始点、終点（ａ、ｂ）を抽出し、平行線（ラスタースキャン）用ラインとする（Ｓ１０５）。
次に平行線用走査ラインとＬ３（１）の補点（Ａ、Ｂ）を抽出する（Ｓ１０６）。そしてＬ１（１）を内側にＯＦ２だけオフセットしたラインを算出し、Ｌ３（１）として出力する（Ｓ１０６）。続いてこれらの抽出された情報を制御部２００に出力する。
そして、制御部２００は、発光装置４００を制御し、平行線用走査ラインに沿って交点（ａ、ｂ）間を走査することによって内部領域の照射を行う（Ｓ１０８）。次に、制御部２００は、発光装置４００を制御し、Ｌ３（１）に沿って走査することにより補線の走査及びレーザ光線照射を行う（Ｓ１０９）。最後に、制御部２００は、発光装置４００を制御し、Ｌ１（１）に沿って走査することにより輪郭線の走査及びレーザ光線照射を行う（Ｓ１１０）。
【００２１】
そして、Ｎに２をセットし（Ｓ１１１）、続いて第２断面に関してレーザ光線の照射が行われる（Ｓ１０３乃至Ｓ１１０）。これを予め定められた断面数Ｍ分だけ繰り返す（Ｓ１１２）。断面数Ｍ分だけ行ったら処理は終了する（Ｓ１１３）。
以上のように、本発明の実施の形態にかかる光硬化造形装置によれば、立体モデルの表面に微小な凹凸が生じることを防止できるとともに、未硬化領域を生じさせることなく、立体モデルを作成することが可能となる。特に、少ないデータの算出で、より短時間で高精度の造形を可能とすることができる。
【００２２】
発明の実施の形態２．
発明の実施の形態２にかかる光硬化造形装置におけるレーザ光線の走査について図４を用いて説明する。本実施の形態２にかかる光硬化造形装置は、複数のレーザ光線を照射することができる複数のスキャナーシステムを備えている。このように複数のレーザ光線を使用し、これらを組み合わせて、内部領域の走査線を分担させて走査することによって、走査時間を短縮できる。この場合、各レーザ光線が走査する走査線毎に、補点（補点群）を求め、補線を算出し、この補線上を走査する。
複数のスキャナーシステムを用いて複数のレーザ光線を照射する場合には、スキャナーシステム相互のレーザ光線の照射位置ずれから、一部において未硬化領域が生じる可能性がある。図４（ａ）に、位置ずれが生じた場合の走査線の様子を示す。走査線２３は、第１の光線発生手段である第１のスキャナーシステムによってレーザ光線が照射される。他方、走査線２２、２４、２６は、第２の光線発生手段である第２のスキャナーシステムによってレーザ光線が照射される。この例では、走査線２１、２３、２５は、全体的に左側にシフトしている。また、走査線２２、２４、２６は、全体的に右側にシフトしている。
【００２３】
この場合に、個々のスキャナーシステムにおいてレーザ光線の照射位置を補正したとしても、図４（ｂ）に示されるように、未硬化領域３１、３２、３３、３４、３５、３６が残る。この未硬化領域３１等が硬化するように、図４（ｃ）に示すように補線４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの４本のレーザ光線を照射する。ここで、補線４ａ及び４ｄが第１のスキャナーシステムにより走査される走査線２１、２３、２５において生じる未硬化領域を照射するための補線である。また、補線４ｂ及び４ｃが第２のスキャナーシステムにより走査される走査線２２、２４、２６において生じる未硬化領域を照射するための補線である。勿論、未硬化領域３１等の幅が狭い場合には、左右双方とも１本のレーザ光線を照射してもよく、また、３本以上であってもよい。さらに、この例では、４本のレーザ光線を連続的に照射したが、未硬化領域３１等を硬化させることができれば、断続的に照射するようにしてもよい。
以上のように、本発明の実施の形態にかかる光硬化造形装置によれば、立体モデルの表面に微小な凹凸が生じることを防止できるとともに、複数の相互のレーザ光線照射の位置ずれに起因して生じる未硬化領域を消滅させることができ、所望の立体モデルを作成することが可能となる。特に、少ないデータの算出で、より短時間で高精度の造形を可能とすることができる。
尚、この例では、２つのスキャナーシステムが用いられる場合について説明したが、これに限らず、３以上のスキャナーシステムが用いられる場合にも適用可能である。
【００２４】
発明の実施の形態３．
発明の実施の形態３にかかる光硬化造形装置におけるレーザ光線の走査について図５を用いて説明する。本実施の形態３にかかる光硬化造形装置は、図２（ｂ）に示す一方向の走査を行う。この場合においても、図５（ａ）に示すように、走査の停止位置が終点を越えてが行き過ぎる場合がある。このとき、オフセットによる補正を行うと、図５（ｂ）に示すように、発明の実施の形態１において説明したと同様の未硬化領域３１乃至３ｎが生じる。そこで、補線４０上をレーザ光線で照射することによって、未硬化領域３１乃至３ｎを硬化させる。この補線４０は、各走査線２とほぼ垂直であり、連続的に未硬化領域３１乃至３ｎを照射している。
以上のように、本発明の実施の形態にかかる光硬化造形装置によれば、立体モデルの表面に微小な凹凸が生じることを防止できるとともに、未硬化領域を消滅させることができ、所望の立体モデルを作成することが可能となる。
【００２５】
その他の実施の形態．
尚、上述の例では、走査線の走査を行った場合に、走査の停止位置が所定位置を行き過ぎ、これを補正するためにオフセット処理を行うことによって生じる未硬化領域を硬化させる処理について説明した。これに限らず、走査線の走査を行った場合に、走査の停止位置が所定位置に到達せずに、走査の終点と輪郭線との間に未硬化領域が生じる場合もあり、この場合にも上述の手段により補点を求め、補線上にレーザ光線を照射するようにしてもよい。
平行線状の走査を２群の平行線を交差させて描画するようにしてもよい。内部領域をレーザ光線で照射するとき、平行線の一方の端の線の端点から順次走査するが、硬化をより強度に行なう場合、平行線状走査後に、元の平行線とは角度を９０度、あるいはそれより鋭角に交差するように、もう１組の平行線を走査する照射法である。これは格子状走査或いはクロスハッチ状走査ともいう。２組の平行線の両端部には、上述の補線が走査される。
【００２６】
【発明の効果】
本発明により、少ないデータの算出で、より短時間で高精度の造形が可能な光硬化造形装置及び光硬化造形方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる光硬化造形装置の構成を示す図である。
【図２】本発明にかかる光硬化造形装置によるレーザ光線の走査を説明するための図である。
【図３】本発明にかかる光硬化造形装置によるレーザ光線の走査を説明するための図である。
【図４】本発明にかかる光硬化造形装置によるレーザ光線の走査を説明するための図である。
【図５】本発明にかかる光硬化造形装置によるレーザ光線の走査を説明するための図である。
【図６】本発明にかかる光硬化造形装置によるレーザ光線の走査を説明するための図である。
【図７】本発明にかかる光硬化造形装置による輪郭線付近のレーザ光線の走査を説明するための図である。
【図８】本発明にかかる光硬化造形装置の処理フローを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 輪郭線
２ 走査線
１００ 制御データ生成部
２００ 制御部
３００ 造形部
【発明が属する技術分野】
本発明は、光硬化性樹脂液の液面に光線を照射し走査することにより立体モデルの造形を行なう光硬化造形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光硬化造形方法では、造形しようとする立体モデルを複数の層にスライスして得られる断面群のデータに基づいて造形する。通常、最初に最下段の断面に相当する領域において、光硬化性樹脂液の液面に光線を照射する。すると光照射された液面部分の光硬化性樹脂液は光硬化し、立体モデルの一断面の硬化層が造形される。次いで、この断面硬化層の表面に未硬化状態の光硬化性樹脂液を所定の厚みでコートする。このとき、断面硬化層を所定の厚み分樹脂液に沈めてコートすることが一般的である。そして、この表面に所定パターンに沿ってレーザ光線走査を行ない、光照射したコート層部分を硬化させる。硬化した部分は、下部の断面硬化層に積層一体化される。以後、光照射工程で扱う断面を隣接する断面に切り替えながら、光照射と樹脂液コートを繰り返すことによって、所望の立体モデルを造形する。光硬化造形方法の基本構成は、例えば特開昭５６−１４４４７８号公報、特開昭６２−３５９６６号公報等に開示されている。
光硬化造形方法では、まず、立体モデルの形状のデータをコンピュータに入力し、これに基づいて、立体モデルをスライスした各断面の形状データを算出する。さらに、断面毎にレーザ光線を照射しながらこれを走査する基準となる位置データ及び走査順路を算出し、この結果に従って、光硬化性樹脂液の表面にレーザ光線走査を行なう。断面をレーザ光線で走査し描画するとき、断面を輪郭線及び輪郭線によって囲まれている内部領域に分けて、内部領域を先に描画し、後から輪郭線を描画する方法が用いられることが多い。輪郭線を最後に描画することで、表面精度が優れた立体モデルが造形される。
ここで、輪郭線は、立体モデルの輪郭部分におけるレーザ光線の照射位置を示す線分の情報である。この輪郭線にレーザ光線を照射したときに光硬化性樹脂液が硬化する領域をこの明細書中では特に輪郭線硬化領域と呼ぶ。また、走査線は、内部領域を走査するレーザ光線の照射位置を示す線分の情報である。この走査線にレーザ光線を照射したときに光硬化性樹脂液が硬化する領域をこの明細書中では特に走査線硬化領域と呼ぶ。
【０００３】
光硬化造形方法において、レーザ光線の照射は、通常、光源からのレーザ光線をガルバノミラーに導き、該ガルバノミラーをコンピュータからの指令に従って動かし、光硬化性樹脂液表面に焦点を合わせたレーザ光線を照射して行う。ガルバノミラーの動作は、スタート、ストップという基本的動作を繰り返して行なうが、個々の動作において、ある程度の誤差が発生することは避けられない。また、レーザ光線は、光硬化性樹脂液の表面を走査して樹脂液を順次硬化させていく。尚、レーザ光線の走査方向は、渦巻き状、コイル状、ハッチ状（平行線状）、クロスハッチ状（格子状）などがあり、立体モデルの断面の形状やその他の条件に応じて適宜選択して行なわれるが、平行線状走査が一般的である。
このように、断面をレーザ光線で走査するに先立って走査ルートを算出する必要があるが、渦巻き状などの走査ルートの計算は、工程数が多いため、計算に多くの時間がかかる。これに対して、ハッチ状走査ルートやクロスハッチ状走査ルートの計算は比較的容易であるため、これらの走査ルートによる描画が一般的である。
他方、レーザ光線を光硬化性樹脂液の表面に照射すると、一定の幅の硬化ができる。この幅は、レーザ光線の直径、強度及び走査速度、並びに硬化深度などの樹脂の特性などによって決まる。このライン幅はおよそ０．０５〜０．５ｍｍが一般的である。立体モデルの断面の形状を定める輪郭線上にレーザ光線を走査すると、硬化ライン幅の２分の１は所定の断面からはみ出すことになる。従って、精度の高い立体モデルを成形する場合には、走査する輪郭線は、輪郭からレーザ光線の直径の２分の１内側に寄せられている。ここで、レーザ光線の走査範囲を内側に寄せることを「オフセット」という。
【０００４】
立体モデルを作成する場合、立体モデルを所定の厚さにスライスして得られる断面形状を、スライスの数計算して求め、各断面形状層を順次光硬化性樹脂に光照射して硬化させ、これを積層して立体モデルを造形する。
断面領域は、輪郭線と輪郭の内部領域とに分けてデータ処理可能である。輪郭線だけレーザ光線走査し、これを積層すると、外皮の内側が空となっている中空立体モデルが成形される。中実立体モデルを造形する場合は、断面領域全体を光照射するが、レーザ光線走査は、内部領域をレーザ光線で一端から順次走査し、仕上げに輪郭線の走査を行なうと、立体モデルの表面の精度が向上するので望ましい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
走査線の両端点のうち、レーザ走査を開始する端点を始点とし、他方の端点を終点とする。走査線上をレーザ光線で走査するとき、レーザ光線は、始点からまず加速され、所定速度になったらその速度を維持し、終点に近づいたら減速して、理想的には終点で停止する。走査を正確に終点で停止することは、低速で走査すれば容易に可能であるが、造形所要時間が長くなる問題がある。一方、より高速で走査を行なう場合、終点を行き過ぎて停止するエラーが発生しやすい。
高速で走査する場合、レーザ光線走査装置へのフィードバックを十分に行なえば、終点で走査を停止ことは可能であるが、フィードバックのためのデータ処理に時間が必要であり、造形所要時間が長くなる問題がある。このようなレーザ走査の停止位置が不正確になる問題は、レーザ光線走査装置の機械的誤差や経時変化による誤差によっても発生する。
内部領域の走査に於いて、輪郭線を越えて走査した場合や輪郭線から一定の範囲内に近づき過ぎた場合には、走査線硬化領域が輪郭線硬化領域を越えてしまい、得られた立体モデルの表面にギザギザした凹凸が生じる。一方、輪郭線に達しないで走査を終えた場合、走査線硬化領域と輪郭線硬化領域との間に間隙が生じ未硬化部分を生じて、内部領域と輪郭とが遊離した不完全な立体モデルとなる問題がある。また、走査線硬化領域と輪郭線硬化領域との間の未硬化部分に光照射するために、未硬化部分の位置に関するデータを複雑な計算に基づいて求める方法では、造形所要時間が長くなるという問題がある。
【０００６】
本発明に関わる光硬化造形方法は、立体モデルをスライスした多数の断面層の一枚一枚を、光硬化性樹脂液にレーザ光線で緻密に走査し硬化して作製し、これらを積層して立体モデルを造形する方法である。一枚の断面層の厚さは０．１ｍｍ程度であるから、これを積層して造形するためには、高さ１０ｃｍの立体モデルであっても、約１，０００枚光硬化層を作製することになる。このため、１立体モデルの造形に、数時間から数日も必要となるので、個々の工程における所要時間の短縮はきわめて重要な課題である。又、立体モデル表面を高い精度で造形することも重要であるが、それにはレーザ光線走査を行なうデータの算出、即ち、レーザ光線の走査始点と走査終点の位置を複雑な計算を多数行なって求める必要があるために、立体モデルの造形に多くの時間を必要とする。そこでデータ処理量が少なく、より短時間で、高精度の造形が可能な内部領域照射法が求められている。
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、少ないデータの算出で、より短時間で高精度の造形が可能な光硬化造形方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる光硬化造形方法は、立体モデルをスライスして得られる断面の輪郭線の内部領域を一本又は複数のレーザ光線により平行線状に走査線に沿って光硬化性樹脂液上を描画する光硬化造形方法であって、前記輪郭線に対する前記走査線の位置をオフセット処理して走査線の始点と終点を求めるステップと、輪郭線硬化領域と走査線硬化領域との間に間隙が生じる場合には、この間隙上に補点を求めるステップと、前記補正した走査線の始点と終点間を、レーザ光線により走査して、平行線状に描画するステップと、前記補点上にレーザ光線を走査して前記間隙の光硬化性樹脂液を硬化させる補線を描画するステップとを有するものである。このような方法により、立体モデルの表面に微小な凹凸が生じることを防止できるとともに、未硬化領域を生じさせることなく、立体モデルを作成することが可能となる。特に、少ないデータの算出で、より短時間で高精度の造形を可能とすることができる。
【０００８】
本発明の光硬化造形方法は、通常、一本のレーザ光線を使用して光走査と照射を行なうが、複数のレーザ光線を使用して、同時に、又は、前後して、光硬化性樹脂液の液面に光線を照射し走査することにより造形を行なうことができる。例えば、２本のレーザ光線を使用する場合、平行線の１本毎に別の光線を用いることができるし、又、照射すべき領域の両端から同時に走査することができる。又、後記の平行線群を２組交差させて照射する場合には、平行線群毎に別のレーザ光線を用いることができる。複数のレーザ光線を使用することで、照射に必要な時間を短縮でき、光硬化造形時間を短縮できる利点がある。
複数のレーザ光線を使用する場合、各レーザ光線毎に走査の始点、終点のデータ群及び補線を走査するための補点のデータ群を求めることが望ましい。補線に対する走査は、レーザ光線毎に行うことが望ましい。
【０００９】
平行線状走査を行なうとき、走査線硬化領域が輪郭線硬化領域を超える場合は、硬化物断層の輪郭、即ち立体モデルの表面から突起が生じるので、突起の高さを顕微鏡等で観察し計測して求める。この突起の高さに基づき、輪郭線からオフセット（ＯＦ１）処理する距離を求める。望ましくは、この突起の高さを、オフセット（ＯＦ１）処理する距離とする。輪郭線からそれぞれ所定距離オフセット（ＯＦ１）した位置を、走査の始点と終点とする。オフセット（ＯＦ１）することによって補正された走査の始点及び終点の位置は、輪郭線及び平行線を走査するレーザ光線の光束の直径にも関係するが、輪郭線から内側に１ｍｍ以内にあることが好ましいが、両輪郭線の間隔が２ｍｍ未満の場合は、両輪郭線の中点未満にある。輪郭線からのオフセット（ＯＦ１）が１ｍｍを越えると、未走査部分、即ち、未硬化部分が大きくなり、特に走査始点と輪郭線との間の未硬化部分が大きくなり、断面の硬化が不十分となる場合があり好ましくない。
上述した観察と計測により得られるオフセット（ＯＦ１）処理する距離は、本発明の光硬化造形方法を実施する度に求めることが望ましいが、実施条件が同一又は類似の先例がある場合は、その値を用いることができる。
平行線状にレーザ光線を走査するとき、走査方向は全て同じ方向にする、又は、線毎に逆方向にすることができるが、走査に必要な時間がより短くてすむ方向にするのが好ましい。通常、後者の方が走査所要時間が短く、好ましい場合が多い。
また、本発明の光硬化造形方法においては、まず、輪郭線硬化領域と走査線硬化領域との間に間隙が生じる場合に、この間隙上に補点が求められる。この補点は、通常、内部領域を走査する走査線の延長線上であって、輪郭線から所定距離オフセット（ＯＦ２）処理して求められる。そして、この各補点間を結ぶ線分である補線（Ｌ３）上をレーザ光線により描画する。この補線は、通常、輪郭線に沿った線である。尚、補線にレーザ光線を照射したときに光硬化性樹脂液が硬化する領域を補線硬化領域とする。
【００１０】
前記輪郭線からオフセット（ＯＦ２）する距離は、補線硬化領域が、輪郭線硬化領域と接するか又は重なり合うように定めるのが望ましい。重なり合う場合、輪郭線硬化領域の線幅の中央より、断面の内側で重なり合うのが、より望ましい。輪郭線硬化領域の中央より外側で重なり合う場合、硬化部分が輪郭線硬化領域を越えて、立体モデルの表面に凹凸を生じることがあるからである。
前記補線を走査するための基準点である補点は、上述した条件を満たすオフセット（ＯＦ２）距離を定めることにより、簡単な計算で得られるので、データ処理量は少なくてすみ、造形所要時間の増加は僅かですむ。補線は、複数のレーザ光線を用いて平行線を走査し照射する場合、各レーザ光線毎に補点を求め、補線を走査することが望ましい。さらに又、前記補線をこのようにすることで、内部領域の光硬化造形部分と、輪郭の硬化部分とを確実に結合でき、未硬化領域の発生を防止乃至減少できる。
さらに、内部領域の走査は、少なくとも２群の平行線を交差させて描画することにより行なうことにより、一層漏れなく行なうことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態１．
まず、図１を用いて、本発明にかかる光硬化造形方法に使用される光硬化造形装置の１例について説明する。この光硬化造形装置は、制御データ生成部１００、制御部２００、造形部３００及び光照射部４００により構成される。このうち、制御データ生成部１００と制御部２００は、一般的にコンピュータに所定の応用プログラムをインストールすることによって構成される。
制御データ生成部１００は、造形部３００及び光照射部４００における光照射・造形動作を制御する制御部２００において用いられる制御データを生成する。制御部２００は、制御データ生成部１００によって生成された制御データを入力し、造形部３００における光照射・造形動作を制御する。制御部２００は、造形部３００及び光照射部４００を制御する。
造形部３００と光照射部４００は、制御部２００による制御に応じて光照射・造形を実行する。造形部３００は、容器３０１、造形台３０３、造形台駆動部３０４によって構成される。容器３０１は、光硬化性樹脂液３０２を収容するための容器である。造形台３０３は、硬化させた樹脂を順次堆積させ、載置する平板状の台である。この造形台３０３は、造形台駆動部３０４によって駆動され、容器３０１内において昇降する。造形台駆動部３０４は、制御部２００より入力される制御信号に基づいて造形台３０３を昇降させることにより、次に光照射して硬化させる一層分の光硬化性樹脂液を、先に硬化させた樹脂層上に準備する。
光照射部４００は、レーザ光線発生装置４０１とレーザ光線を光硬化性樹脂液液面に走査するガルバノミラーを備えた光走査装置４０２からなる。レーザ光線発生装置４０１と光走査装置４０２は、それぞれ複数備えていてもよい。
制御部２００より入力される制御信号に基づいて、レーザ光線発生装置４０１と光走査装置４０２を操作して、所定の強度のレーザ光線を容器３０１内に収容された光硬化性樹脂液３０２の液面に照射し、さらにその液面上を走査して任意の軌跡を描く。レーザ光線発生装置４０１は、例えば、レーザ光線を発射するレーザ発振器と、そのレーザ光線を透過又は遮断するための音響光学素子を備え、光走査装置４０２は、光線の方向を任意の方向に変動させるガルバノミラーを備えている。
【００１２】
ここで、造形部３００と光照射部４００における光照射・造形動作について説明する。まず、容器３０１に光硬化性樹脂液３０２を収容する。そして、造形台３０３をその光硬化性樹脂液３０２の表面より例えば０．０５〜０．２ｍｍの深さの位置に降下させておく。そして、レーザ光線発生装置４０１により発生させたレーザ光線４０３を、光走査装置４０２に導き、この装置中のガルバノミラーを操作して、レーザ光線４０３を光硬化性樹脂液３０２の表面に照射・走査する。これにより、光硬化性樹脂液３０２の表面層の光硬化性樹脂液３０２が硬化し、第１層目の硬化層が形成される。次にこの造形台３０３を、立体モデルをスライスした一層分に相当する深さ、例えば０．０５〜０．２ｍｍ降下させて、第２層目の硬化層を第１層目の硬化層の上に形成する。以下同様にして第３層目以降の硬化層を順次堆積させる。そして、最終層の堆積が終了すると、造形台３０３を上昇させ、その造形台３０３上に形成された造形物３０５を取り出す。造形物３０５は、表面に付着した光硬化性樹脂液を洗浄その他の方法で除去し、必要に応じて紫外線ランプ等により照射して、光硬化を更に進行させることができる。
【００１３】
続いて、本発明の光硬化造形方法のレーザ光線の走査について説明する。この例では、長方形の断面に平行線状にレーザ光線を走査する場合を想定している。図２（ａ）は、長方形の輪郭線と内部領域に平行線状の走査線を示した図であり、終点と実際のレーザ操作におけるレーザ走査の停止位置のずれがゼロである理想的な場合を示している。前述のように、通常、内部領域の平行線からなる走査線２（以下、単に走査線２とする）をまず描画し、最後に輪郭線１を描画する。輪郭線１を先に描画すると、その部分が光硬化性樹脂液に浮遊し、所定位置に留まらないことがあるからである。ここで、輪郭線１及び走査線２は、レーザ光線の照射位置を示す線分の情報である。
走査線２の走査には、例えば左から右へ、一方向に走査する方法と、最初の走査線では左から右へ、次の走査線は右から左へと交互に異なる方向に往復走査する方法がある。
【００１４】
一方向に走査する方法を図２（ｂ）に示す。図に示されるように、走査線２１、２２、２３、２４、２５、２ｎのそれぞれは、左から右へ走査される。ここでレーザ光線の走査は、レーザ光線をガルバノミラーに照射し、ガルバノミラーが反射角度をコンピュータの指示に従って動かし、所定場所に照射することにより行う。従って、図２（ｂ）の走査を実現するためには、走査線２１を左から右へ走査した後、一旦ガルバノミラーの角度を戻し、同時にガルバノミラーを操作してレーザ光線の走査位置を次の走査線２２に移し、走査線２２を左から右へ走査する。これを繰り返すことにより、輪郭線１の内部領域を走査する。
交互に異なる方向に往復走査する方法を図２（ｃ）に示す。図に示されるように、走査線２１、２３、２５は、左から右へ走査される。また、走査線２２、２４は、右から左へ走査される。図２（ｃ）の走査を実現するためには、走査線２１を左から右へ走査した後、下方向に走査した後、右から左へ走査する。これを繰り返すことにより、輪郭線１の内部領域を走査する。
ここで、図２（ｂ）に示す走査方法は、一方向走査のため、左から右に走査後、レーザ光線を消して、又はシャッター等でレーザ光線を遮った状態で、ガルバノミラーの照射位置を右から左へと、次の平行線の左端部に移動してから、次の照射を開始する。右から左への移動中は照射を中断しているので、一定時間当りの走査距離は往復走査の方が長い。このため、立体モデル造形では図２（ｃ）に示す走査方法が好んで用いられる。
【００１５】
図２（ｂ）又は図２（ｃ）に示すように、平行線状にレーザ光線走査を行なうとき、走査の始点と走査の終点は、輪郭線と走査線との交点、又は、輪郭線から所定距離オフセット（内側に向かって移動）した線と走査線との交点である。実際、レーザ光線走査を始点から終点にかけて行なうと、所定の終点で走査が終らずに、終点を越えたところで走査が停止する場合がある。例えば、輪郭線を越えてレーザ光線走査されると、走査線硬化領域が輪郭線硬化領域を越え、得られる立体モデルの表面には細かな凹凸が発生する。
【００１６】
走査の終点がこのように所定位置を行き過ぎる原因としては、ガルバノミラーの駆動源はモーターであり、ある程度の速度をもって回転しているため、停止制御を行っても慣性と制御エラーで終点を行き過ぎて停止すること等が考えられる。このとき、終点に正しく停止させるためには、終点のかなり手前からモーターの速度を抑えたり、モーターに逆向きの電流を流すなどの操作をコンピュータのプログラムに加えることが行なわれているが、時間を要し、また、煩雑である等の問題がある。
このとき、輪郭線硬化領域を越えた走査線硬化領域の距離を顕微鏡等を使用した測定により、或いは、経験的に求め、その距離と同等以上の距離を、前記の所定距離として輪郭線からオフセットした点を走査の始点、終点とすると、走査線硬化領域が輪郭線硬化領域を越えることがないため、立体モデルの表面に凹凸が発生することはない。
この場合、始点、終点は輪郭線から断面内側に移動する。このようにオフセット処理すると、終点部では走査ラインが輪郭線に接触ないし接近しているため、光硬化性樹脂液の未硬化部分がほとんど生じることはなくて良好である。一方、オフセット処理により生じる始点と輪郭線との間隔部は、レーザ光線が走査されないため、光硬化性樹脂液の未硬化部分が残る。このため、内部領域と輪郭線間の遊離が生じる等の問題が起こる。
図３は、図２（ｃ）の往復走査の場合の例示である。図３（ａ）は、レーザ光線走査の終点が輪郭線上にある場合であり、走査線硬化領域が輪郭線硬化領域を越えて走査され立体モデル表面に凹凸が生じるおそれがある。図３（ｂ）は、図３（ａ）の場合よりさらにオフセットを大きくした場合であって、レーザ光線走査が輪郭線に達する少し前に終っている。このため輪郭線を越えて走査されることはなく、立体モデル表面に凹凸が生じるおそれはない。しかしながら、レーザ光線の走査の始点部分でも内側にオフセットされるため、未硬化領域が生じる。図３（ｂ）において、平行線２１、２２、２３、２４、２５、２ｎ、‥のレーザ光線走査始点部分に近い、斜線で埋めた○印で示す領域３１、３２、３３，３４、３ｎ‥が未硬化領域である。
【００１７】
この未硬化領域を硬化させるために図３（ｃ）に示されるように、補線４１ａ、４２ａ、４３ａ、４４ａ、４５ａ、４ｎａ及び補線４１ｂ、４２ｂ、４３ｂ、４４ｂ、４５ｂ、４ｎｂにレーザ光線を照射している。これにより、未硬化部分を硬化させることが可能となる。これらの補線は、走査線２とほぼ垂直である。この例では、未硬化領域３１、３２のみらず、それ以外の領域も、補線４１ｂ、４２ａ、４３ｂ等によりレーザを照射したが、未硬化領域のみにレーザを照射することも可能である。補線に対するレーザ照射は、平行線状走査を終えてから４１ａ、４２ａ、４３ａ、４４ａ、４５ａ、４ｎａに連続して走査し、さらに４１ｂ、４２ｂ、４３ｂ、４４ｂ、４５ｂ、４ｎｂに連続して走査することができる。又、未硬化部分のみ選んで４１ａ、４３ａ、４５ａ、‥‥‥、及び４２ｂ、４４ｂ、‥‥‥を断続的に走査することができる。補線を照射・走査するためのレーザ光線の光束の直径は、平行線の走査の場合と同じでもよいし変えてもよいが、未硬化部分を照射できる大きさであることが望ましい。
【００１８】
この往復走査について、さらに詳細にその走査軌跡を図６に示す。図において、ａ１、ａ２、ａ３・・・は往路の始点を、ｂ１、ｂ２、ｂ３・・・は往路の終点を、ｃ１、ｃ２、ｃ３・・・は復路の始点を、ｄ１、ｄ２、ｄ３・・・は復路の終点を示す。また、Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１・・・は補点を示す。図に示されるように、往路の始点ａ１から往路の終点ｂ１、復路の始点ｃ１から復路の終点ｄ１・・・と一筆描きのようにレーザ光線を走査している。往路の終点ｂ１と復路の始点ｃ１との間の走査線の形状は、色々な形状があり、ここに示した半円形に限られない。補点Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１は、各走査線の延長線上であって、輪郭線の内側にある。Ａ１、Ｄ１、Ａ２、Ｄ２、Ａ３を結んだ線及びＢ１、Ｃ１、Ｂ２、Ｃ２、Ｂ３を結んだ線を補線としている。
【００１９】
図７は、輪郭線付近の拡大図である。直径Ｗ１の円は、輪郭線を走査するレーザ光線の直径を示す。線Ｌ０は、輪郭線硬化領域の外縁であり、立体モデルの表面となる。輪郭線は、当初Ｌ０であったが、Ｌ０線上にレーザ光線を走査すると、レーザ光線の半径分外側にはみ出るため、線Ｌ０を光線の半径Ｗ１／２だけオフセットした線Ｌ１をコンピュータで算出し、これを輪郭線としている。
図７の直径Ｗ２の円は、補線を走査するレーザ光線の直径、直径Ｗ３の円は、走査線を走査するレーザ光線の直径である。走査線の始点ａは、線Ｌ１から所定距離（ＯＦ１）オフセットした線Ｌ４と、内部領域を描画する走査線との交点の１つである。
始点ａから終点ｂ（図７には示していない。）に向けて走査するとき、走査線が終点ｂを超えて輪郭線硬化領域の予め定められた範囲内に入り込み、又は、さらに輪郭線を超える場合、輪郭に凸部を生じる。この場合、凸部が生じないように、終点ｂを、同時に始点ａも輪郭線の内側に必要最小限の距離オフセットする。この距離がＯＦ１である。始点ａの位置は、補点Ａの位置から１ｍｍ以内にあることが望ましい。図７に示す補点Ａの位置は、輪郭線Ｌ１からＷ１／２とＷ２／２の距離ＯＦ２分離れた点である。さらに、線Ｌ３上のレーザ光線の直径Ｗ２を大きくしてもよい。線Ｌ３上のレーザ光線の直径Ｗ２を大きくした場合、その一端が線Ｌ１と線Ｌ２の間であって、他端が線Ｌ４と走査線を走査するレーザ光線の端の間に位置するようにするとよい。このようにすると、補線硬化領域の一端が輪郭線硬化領域の幅内であって、かつ、当該輪郭線硬化領域の中央線より内側に重なるとともに、補線硬化領域の他端が走査線硬化領域の硬化線幅の２分の１以内の範囲で重なる。
【００２０】
ここで、本発明の実施の形態１における全体的な処理フローにつき、図８を用いて説明する。まず、制御データ生成部１００に対して三次元形状データを入力する（Ｓ１０１）。そして、制御データ生成部１００は、初期値に１をセットし（Ｓ１０２）、第１断面の輪郭（ベクタースキャン）データを算出し、Ｌ１（１）として出力する（Ｓ１０３）。次に平行線（ラスタースキャン）データを算出する（Ｓ１０４）。また、Ｌ１（１）を内側にＯＦ１分オフセットしたときの始点、終点（ａ、ｂ）を抽出し、平行線（ラスタースキャン）用ラインとする（Ｓ１０５）。
次に平行線用走査ラインとＬ３（１）の補点（Ａ、Ｂ）を抽出する（Ｓ１０６）。そしてＬ１（１）を内側にＯＦ２だけオフセットしたラインを算出し、Ｌ３（１）として出力する（Ｓ１０６）。続いてこれらの抽出された情報を制御部２００に出力する。
そして、制御部２００は、発光装置４００を制御し、平行線用走査ラインに沿って交点（ａ、ｂ）間を走査することによって内部領域の照射を行う（Ｓ１０８）。次に、制御部２００は、発光装置４００を制御し、Ｌ３（１）に沿って走査することにより補線の走査及びレーザ光線照射を行う（Ｓ１０９）。最後に、制御部２００は、発光装置４００を制御し、Ｌ１（１）に沿って走査することにより輪郭線の走査及びレーザ光線照射を行う（Ｓ１１０）。
【００２１】
そして、Ｎに２をセットし（Ｓ１１１）、続いて第２断面に関してレーザ光線の照射が行われる（Ｓ１０３乃至Ｓ１１０）。これを予め定められた断面数Ｍ分だけ繰り返す（Ｓ１１２）。断面数Ｍ分だけ行ったら処理は終了する（Ｓ１１３）。
以上のように、本発明の実施の形態にかかる光硬化造形装置によれば、立体モデルの表面に微小な凹凸が生じることを防止できるとともに、未硬化領域を生じさせることなく、立体モデルを作成することが可能となる。特に、少ないデータの算出で、より短時間で高精度の造形を可能とすることができる。
【００２２】
発明の実施の形態２．
発明の実施の形態２にかかる光硬化造形装置におけるレーザ光線の走査について図４を用いて説明する。本実施の形態２にかかる光硬化造形装置は、複数のレーザ光線を照射することができる複数のスキャナーシステムを備えている。このように複数のレーザ光線を使用し、これらを組み合わせて、内部領域の走査線を分担させて走査することによって、走査時間を短縮できる。この場合、各レーザ光線が走査する走査線毎に、補点（補点群）を求め、補線を算出し、この補線上を走査する。
複数のスキャナーシステムを用いて複数のレーザ光線を照射する場合には、スキャナーシステム相互のレーザ光線の照射位置ずれから、一部において未硬化領域が生じる可能性がある。図４（ａ）に、位置ずれが生じた場合の走査線の様子を示す。走査線２３は、第１の光線発生手段である第１のスキャナーシステムによってレーザ光線が照射される。他方、走査線２２、２４、２６は、第２の光線発生手段である第２のスキャナーシステムによってレーザ光線が照射される。この例では、走査線２１、２３、２５は、全体的に左側にシフトしている。また、走査線２２、２４、２６は、全体的に右側にシフトしている。
【００２３】
この場合に、個々のスキャナーシステムにおいてレーザ光線の照射位置を補正したとしても、図４（ｂ）に示されるように、未硬化領域３１、３２、３３、３４、３５、３６が残る。この未硬化領域３１等が硬化するように、図４（ｃ）に示すように補線４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの４本のレーザ光線を照射する。ここで、補線４ａ及び４ｄが第１のスキャナーシステムにより走査される走査線２１、２３、２５において生じる未硬化領域を照射するための補線である。また、補線４ｂ及び４ｃが第２のスキャナーシステムにより走査される走査線２２、２４、２６において生じる未硬化領域を照射するための補線である。勿論、未硬化領域３１等の幅が狭い場合には、左右双方とも１本のレーザ光線を照射してもよく、また、３本以上であってもよい。さらに、この例では、４本のレーザ光線を連続的に照射したが、未硬化領域３１等を硬化させることができれば、断続的に照射するようにしてもよい。
以上のように、本発明の実施の形態にかかる光硬化造形装置によれば、立体モデルの表面に微小な凹凸が生じることを防止できるとともに、複数の相互のレーザ光線照射の位置ずれに起因して生じる未硬化領域を消滅させることができ、所望の立体モデルを作成することが可能となる。特に、少ないデータの算出で、より短時間で高精度の造形を可能とすることができる。
尚、この例では、２つのスキャナーシステムが用いられる場合について説明したが、これに限らず、３以上のスキャナーシステムが用いられる場合にも適用可能である。
【００２４】
発明の実施の形態３．
発明の実施の形態３にかかる光硬化造形装置におけるレーザ光線の走査について図５を用いて説明する。本実施の形態３にかかる光硬化造形装置は、図２（ｂ）に示す一方向の走査を行う。この場合においても、図５（ａ）に示すように、走査の停止位置が終点を越えてが行き過ぎる場合がある。このとき、オフセットによる補正を行うと、図５（ｂ）に示すように、発明の実施の形態１において説明したと同様の未硬化領域３１乃至３ｎが生じる。そこで、補線４０上をレーザ光線で照射することによって、未硬化領域３１乃至３ｎを硬化させる。この補線４０は、各走査線２とほぼ垂直であり、連続的に未硬化領域３１乃至３ｎを照射している。
以上のように、本発明の実施の形態にかかる光硬化造形装置によれば、立体モデルの表面に微小な凹凸が生じることを防止できるとともに、未硬化領域を消滅させることができ、所望の立体モデルを作成することが可能となる。
【００２５】
その他の実施の形態．
尚、上述の例では、走査線の走査を行った場合に、走査の停止位置が所定位置を行き過ぎ、これを補正するためにオフセット処理を行うことによって生じる未硬化領域を硬化させる処理について説明した。これに限らず、走査線の走査を行った場合に、走査の停止位置が所定位置に到達せずに、走査の終点と輪郭線との間に未硬化領域が生じる場合もあり、この場合にも上述の手段により補点を求め、補線上にレーザ光線を照射するようにしてもよい。
平行線状の走査を２群の平行線を交差させて描画するようにしてもよい。内部領域をレーザ光線で照射するとき、平行線の一方の端の線の端点から順次走査するが、硬化をより強度に行なう場合、平行線状走査後に、元の平行線とは角度を９０度、あるいはそれより鋭角に交差するように、もう１組の平行線を走査する照射法である。これは格子状走査或いはクロスハッチ状走査ともいう。２組の平行線の両端部には、上述の補線が走査される。
【００２６】
【発明の効果】
本発明により、少ないデータの算出で、より短時間で高精度の造形が可能な光硬化造形装置及び光硬化造形方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる光硬化造形装置の構成を示す図である。
【図２】本発明にかかる光硬化造形装置によるレーザ光線の走査を説明するための図である。
【図３】本発明にかかる光硬化造形装置によるレーザ光線の走査を説明するための図である。
【図４】本発明にかかる光硬化造形装置によるレーザ光線の走査を説明するための図である。
【図５】本発明にかかる光硬化造形装置によるレーザ光線の走査を説明するための図である。
【図６】本発明にかかる光硬化造形装置によるレーザ光線の走査を説明するための図である。
【図７】本発明にかかる光硬化造形装置による輪郭線付近のレーザ光線の走査を説明するための図である。
【図８】本発明にかかる光硬化造形装置の処理フローを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 輪郭線
２ 走査線
１００ 制御データ生成部
２００ 制御部
３００ 造形部
Claims (8)
- 立体モデルをスライスして得られる断面の輪郭線の内部領域を一本又は複数のレーザ光線により平行線状に走査線に沿って光硬化性樹脂液上を描画して所望パターンの断面硬化層を得、次に該硬化層の上に光硬化性樹脂液を１層分供給することを繰り返すことによって、断面硬化層が積層一体化されて造形希望形状の立体モデルを造形する光硬化造形方法であって、
前記輪郭線に対する前記走査線の位置をオフセット処理して走査線の始点と終点を求めるステップと、
前記輪郭線にレーザ光線を照射したときに前記光硬化性樹脂液が硬化する領域である輪郭線硬化領域と、前記走査線にレーザ光線を照射したときに前記光硬化性樹脂液が硬化する領域である走査線硬化領域との間に間隙が生じる場合には、この間隙上に補点を求めるステップと、
前記オフセット処理した走査線の始点と終点間を、レーザ光線により走査して、平行線状に描画するステップと、
前記各補点間を結ぶ補線上にレーザ光線を走査して前記間隙の光硬化性樹脂液を硬化させるステップとを有する光硬化造形方法。 - 前記オフセット処理は、前記走査線硬化領域が前記輪郭線硬化領域を超える場合に、前記走査線硬化領域が輪郭線硬化領域を超える分の距離を補正する処理であることを特徴とする請求項１記載の光硬化造形方法。
- 前記補線上にレーザ光線を照射したときに前記光硬化性樹脂液が硬化する領域である補線硬化領域の硬化線幅は、前記輪郭線硬化領域と前記走査線硬化領域間の間隙以上の幅であることを特徴とする請求項１記載の光硬化造形方法。
- 前記補線硬化領域の一端が前記輪郭線硬化領域の幅内であって、かつ、当該輪郭線硬化領域の中央線より内側に重なるとともに、前記補線硬化領域の他端が前記走査線硬化領域の硬化線幅の２分の１以内の範囲で重なるようにレーザ光線を走査することを特徴とする請求項３記載の光硬化造形方法。
- 前記補線は複数の線を並べたものであって、複数の補線で前記間隙を硬化させることを特徴とする請求項１記載の光硬化造形方法。
- 複数のレーザ光線で平行線状に走査する場合、前記補線に対するレーザ光線の走査は、レーザ光線毎に行うことを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の光硬化造形方法。
- 前記内部領域の走査は、少なくとも２群の平行線を交差させて描画することを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の光硬化造形方法。
- 立体モデルをスライスして得られる断面の輪郭線の内部領域を一本又は複数のレーザ光線により平行線状に走査線に沿って光硬化性樹脂液上を描画する造形装置であって、
前記輪郭線に対する前記走査線の位置をオフセット処理して走査線の始点と終点を求める手段と、
前記輪郭線にレーザ光線を照射したときに前記光硬化性樹脂液が硬化する領域である輪郭線硬化領域と、前記走査線にレーザ光線を照射したときに前記光硬化性樹脂液が硬化する領域である走査線硬化領域との間に間隙が生じる場合には、この間隙上に補点を求める手段と、
前記補正した走査線の始点と終点間を、レーザ光線により走査して、平行線状に描画する手段と、
前記補点上にレーザ光線を走査して前記間隙の光硬化性樹脂液を硬化させる補線を描画する手段とを有する造形装置。
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