JP2004223774A - Thin film curing type optical shaping method and apparatus thereof - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は光硬化樹脂を薄く硬化させ積層造形する規制液面方式の光造形方法と装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
樹脂槽の下方から槽内の光硬化性樹脂に光エネルギーを照射して、樹脂液中に配置した造形ベースプレートの下面に樹脂硬化物層を成形する規制液面方式による光造形方法や装置が提案されている。
この光造形装置は、目的形状に応じた形状データに基づいて駆動された液晶パネルを光シャッターとして利用し、この液晶パネルの透光部を通して、面光源からの光を平行光線として光硬化樹脂に照射し、当該照射した面形状の分割パターン部分を硬化させて目的形状の第1層造形物を造形し、次いで、移動手段により液晶パネルを次の所定位置に移動させて、同じような工程を繰り返して多層化造形物を得るようにしている。
【0003】
しかし、この先行技術は、液晶パネル全体に面光源の光を一度に照射するため、液晶パネル全体が常時熱線に晒されて過熱されてしまい、液晶マスクの変形や誤動作により造形精度が下がること、面光源からの光は液晶パネルの透光部をあらゆる方向から透過するため、透光部を斜めに透過した光によって、本来照射すべきでない部分を照射してしまうことなどから、高い造形精度を得ることができないという問題があった。
さらに、面光源は液晶マスクの周辺も照射してしまうため光源の光利用効率が極めて低く、このため、光硬化樹脂の照射面において所定の照度を保つためには、大量の電力を必要とするという問題点があった。
【0004】
また、先行技術は平行光線に近い光を光硬化性樹脂に照射しており、このため、硬化層の厚さ制御はもっぱら、光硬化性樹脂の感度に依存している。光硬化性樹脂の感度は多少の光が樹脂に当たっても硬化することがないように調整されているので、先行技術では、各層の硬化層厚さは1000ミクロン程度、薄くても100ミクロン程度であり、これ以下の薄い硬化層の厚さを得ることができなかったため、光造形品に段差が生じ、精度が悪くなった。
【0005】
また、硬化層の厚さは造形ベースプレートの移動量により制御し得るよう判断されやすいがが、使用されている光は平行光線に近いため、効果深度が1層分の造形物の大きさが硬化層より大きい場合は、樹脂の特性から硬化層の厚さは100ミクロン程度と厚くなり、積層造形することができなかった。
【0006】
他の光造形方法や装置として、形状データに基づいてレーザービームを光硬化性樹脂に照射することも知られているが、1つの造形物を造形するために長時間を必要とする欠点があった。また、その積層ピッチは通常100ミクロンであり、それ以上薄くすることは困難であった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記のような問題点を解消するためになされたもので、その目的とするところは、造形ベースプレートの面上に形成される各層の硬化物層厚さをたとえば20ミクロン以下の極薄にすることが可能であり、比較的短時間内で高い精度の光造形物を容易に造形することができる光造形方法と装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の薄膜硬化型光造形方法は、樹脂槽の下方から槽内の光硬化性樹脂に光エネルギーを照射して、樹脂液中に配置した造形ベースプレートの下面に樹脂硬化物層を成形する規制液面方式による光造形方法であって、レンズ表面のごく近傍に焦点を有する微細なレンズを多数配列したレンズ群を使用し、光源からの光を所望の硬化させたい形状にあたる前記レンズ群に集光照射させて光硬化性樹脂をスポット状に硬化させ、光のスポットをX方向またはY方向に順次移動させることでスポット状硬化部を面状につなげて1層分の薄膜を作成することを特徴としている。
【0009】
また、本発明の薄膜硬化型光造形方法は、スポット状硬化部を面状につなげて薄膜を作成した後、薄膜を上方に移動させ、薄膜の下の光硬化性樹脂に対しレンズ群に集光照射させて光硬化性樹脂をスポット状に硬化させ、光のスポットをX方向またはY方向に順次移動させることでスポット状硬化部を面状につなげて次層目の膜を作成積層することを1回以上繰り返すことを特徴としている。
好適には、レンズ表面のごく近傍に焦点を有する微細なレンズとして、直径が300ミクロン以下で、光の焦点距離が光硬化性樹脂と接する透明プレートの表面から20ミクロン以下のものが使用される。
【0010】
また、好適には、レンズ表面のごく近傍に焦点を有する微細なレンズを多数配列したレンズ群に光を照射する手段としてデジタル・マイクロミラー・デバイスを使用し、マイクロミラー群のオン・オフを選択してレンズの数に相当する焦点により光硬化性樹脂をスポット的に多数硬化させ、その後焦点をレンズのピッチ分平行移動することにより薄膜を作成する。
【0011】
上記目的を達成するため本発明の薄膜硬化型光造形装置は、底面が透明プレートからなる樹脂槽内に光硬化性樹脂を貯留させ、前記樹脂槽中に配置した造形ベースプレートを透明プレートに接近させて、前記樹脂槽の下方より該樹脂槽内の樹脂に光を照射し、前記造形ベースプレートの下面に所定層厚の硬化物層を成形する規制液面方式による光造形装置であって、レンズ表面近傍に焦点を有する微細なレンズを使用した多点集光スポットレンズからなる主光学系と、光源からの光を前記主光学系を構成する微細なレンズに対応して平行光として照射するデジタル・マイクロミラー・デバイスと、前記光学系をX方向またはY方向に順次移動させる手段と、造形ベースプレートを上下方向に移動させる手段を備えていることを特徴としている。
【0012】
好適には、本発明の薄膜硬化型光造形装置は、主光学系のレンズが、直径が300ミクロン以下で、光の焦点距離が光硬化性樹脂と接する透明プレートの表面から20ミクロン以下のものである。
【0013】
【作用】
本発明は、樹脂槽の下方より微細なレンズ群を介してスポット的に槽内の光硬化性樹脂に光を照射し、造形ベースプレートの下面にスポット的に硬化層を成形する。レンズ表面のごく近傍に焦点を有する微細なレンズを多数配列したレンズ群を使用しているため、硬化層は20ミクロン以下とすることができる。しかし、硬化層は島状に点在しており、そのままでは面にならない。そこで、相対的にレンズ群と硬化層を水平方向に移動するのであり、これにより、未硬化の光硬化性樹脂は順次硬化され、つながって面性状となり、極薄の膜が形成される。
【0014】
立体状の造形品を得る場合には、第1層が硬化したならば、ベースプレートをZ軸方向昇降装置により所定量Z軸方向に移動させる。未硬化の光硬化性樹脂は第1層の下にあるので、上記工程を実施すると第1層の下にこれと一体化された第2層が形成される。以下必要な回数を繰り返すことで、立体的な光造形物が精度よく作成される。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図1ないし図9は本発明による薄膜硬化型光造形装置の例を示している。
図1において、1は樹脂造形槽であり、光透過性を有しない側壁板1aと石英ガラスなどからなる透明な底板1bとから構成され、全体が図示しない支持体によって支持されている。光硬化性樹脂2は前記底板1bを底として貯留される。底板1bの内面すなわち光硬化性樹脂2と接する面には、テフロンやダイヤモンドライクカーボンなどの透明な剥離用薄膜10がコーティングされ、硬化された層,最終造形品の剥がしを容易に行えるようになっている。
【0016】
3は前記樹脂造形槽1内の光硬化性樹脂2に没入される造形ベースプレートであり、造形されるべき造形物の最大寸法よりも大きな遮光性面板となっており、上部にZ軸ステージ4が一体に設けられ、Z軸ステージ4を移動することで造形ベースプレート3が任意のピッチで昇降されるようになっている。
【0017】
5は樹脂造形槽1の下方に位置された機体であり、水平2方向に移動可能なXY軸ステージ6と、これに固定された架台7とを有し、架台7は樹脂造形槽1の底板1bと対峙する剛性のあるベース7aを備えている。
前記Z軸ステージ4とXY軸ステージ6の駆動制御部4c、6cは外部のCPUを含むコントローラ8に接続されている。コントローラ8にはCADデータが入力され、その情報に即してZ軸ステージ4とXY軸ステージ6の駆動制御部4c、6cに信号が送られ、移動方向と移動量が自動制御されるようになっている。
【0018】
9は前記架台7の石英ガラスなどの硬質で透明なベース7aに搭載された主光学系である。この主光学系9は、平行光から多焦点光スポットSPを作ることのできるレンズ群からなる。
詳しくは、図3のように、半球レンズやボールレンズなどレンズ表面近傍に焦点を有する微細なレンズ90をアレイ状に多数配列したものや、マイクロレンズアレイが用いられる。
【0019】
本発明で微細なレンズ90を使用するのは、1層分の硬化層の厚さを20ミクロン以下に制御するためであり、単位レンズは直径が300ミクロン程度以下であることが好ましい。これにより、平行光線が照射された場合に、レンズ表面からの焦点距離を底板1bの表面から20ミクロン以下に制御することを可能にする。焦点距離はレンズ材質、すなわち屈折率を変化させることで細かく調整が可能となる。また、レンズの直径を小さくすることにより相似的に焦点距離を小さくすることも可能である。
【0020】
前記微細なレンズ90は、前記ベース7aに直接かあるいは別な透明プレートに、図3(a)のように千鳥状に、あるいは同図(b)のように平行状に配列され、テフロン樹脂などの固定媒体により固定されている。レンズ群は表面が底板1bの下面に近接あるいは接触するように配置される。
【0021】
11は第3の光学系9の背方に配置された中間光学系、12は中間光学系11の光軸上後方に配されたミラーデバイス14を含む源光学系である。各光学系は架台7に搭載され、架台7とともに移動されるようになっている。
源光学系12は、メタルハライドランプなど、たとえば波長350〜450mmの任意の光源12aと、これからの光をミラーデバイス14に照射するレンズ12bとを備えている。レンズ12bはコリメートレンズなどを使用できる。
中間光学系11はミラーデバイス14からの平行光を主光学系9における微細なレンズ90のピッチにあわせて拡大し、かつ平行光を出力するレンズ11a、11bからなっている。レンズ11a、11bは、図4と図5のようなケプラー型のビームエキスパンダー、図6および図7のようなガリレオ型のビームエキスパンダーなど任意である。
【0022】
前記ミラーデバイス14は通常のミラーを使用することもできるが、好適には、デジタル・マイクロミラー・デバイスが用いられる。デジタル・マイクロミラー・デバイスは、たとえば16×16μmという極小の鏡(マイクロミラー)14aで構成された光変調半導体チップである。すなわち、マイクロミラー14aが、図8で模式的に示すように、基盤14b上に微細間隔で敷きつめられたMEMS素子(マイクロサイズのセンサ、アクチュエータ、制御回路を集積化した微細システムの総称)であり、コントローラ8に接続され、これからのデジタル信号によって、マイクロミラー14aのひとつひとつが電気機械的に制御され、+10度(オン)、−10度(オフ)の角度でお互いがぶつからないように傾動自在となっている。マイクロミラー14aはひとつひとつが毎秒数千回以上の超高速でオン/オフの切り替えが可能である。
図2ではミラー数を3×3だけ示しているが、実際には微細なレンズ90と同数たとえば1280×1024枚が使用される。
【0023】
光をあてると、オフ状態のマイクロミラー14a’にあたった光は外方に向い、図示しない光吸収板に吸収され、オン状態のマイクロミラー14aにあたった光だけが、中間光学系11を通って主光学系9における微細なレンズ90に送られる。したがって、造形物Aの平面形状が図12のように適所に空部aを有したリング状ないしは周辺が凹凸のある形状である場合にも、それに対応してマイクロミラーの所定のものをオフ状態とすることで自在に対応することができる。
【0024】
なお、使用する微細レンズ90の種類によっては、前記中間光学系11を省略し、ミラーデバイス14からの平行光を直接主光学系9に照射してもよい。
図9と図10はその例を示しており、図9は、ミラーデバイス14の各ミラー1個に対して各1個の各微細レンズ90に反射光を拡大せずに平行光として送った場合を示している。図10は、1個の各微細レンズ90に対して複数個のマイクロミラーからの反射光を送るようにしている。
【0025】
しかし、主光学系9の微細レンズ90がマイクロミラーの寸法と同程度の場合、焦点距離が短すぎることになるので、マイクロミラーよりも大きな寸法の微細レンズ90を使用し、マイクロミラー1個から反射した光をレンズ1個の寸法に合わせるためには、中間光学系11を使用することが好適である。
図11と図12はその例を示しており、図11はマイクロミラー1個に対して各微細レンズ90の大きさに合わせて中間光学系11で反射光を拡大させている。 図12は1個の微細レンズ90の大きさに合わせて、中間光学系11で複数個のマイクロミラーの反射光を拡大している。
なお、図9,10及び11で1個のマイクロミラーをオフとして微細レンズ90に入射していないが、これは前述したような造形形状に対応できることを示したからである。
【0026】
なお、本発明の他の態様としては、光学系を移動させるのでなく、膜側すなわち樹脂造形槽1をXY軸移動させるようにしてもよい。この場合には、架台7は位置固定とされ、樹脂造形槽1が外側の枠状のXY軸ステージに搭載され、コントローラ8で駆動される。
【0027】
本発明の薄膜硬化型光造形方法を説明すると、まず、造形する形状、寸法がCADでデータ化され、そのデータがコントローラ8に入力される。コントローラ8では、造形する形状、寸法に応じてオフ状態とするミラーデバイス14のマイクロミラー数と位置を決定し、また、XY軸方向の移動量、Z軸方向の移動量、光源の光量を決定する。。
光硬化性樹脂2は任意であり、たとえばエポキシ系としては、臨界露光量Ecが33mJ/cm2のSCR7001、13mJ/cm2のSCR710、10.9J/cm2のSCR9120が用いられ、樹脂造形槽1に貯留される。
【0028】
コントローラ8からの信号がミラーデバイス14に送られると、造形する形状、寸法に応じた位置のマイクロミラー14aがオン・オフされる。造形形状が平面的に凹凸がない場合や空部がない場合には、造形輪郭内のマイクロミラーはオンとされるが、造形形状が平面的に凹凸がない場合や図15で例示するような空部aがある場合には、それに対応した位置のマイクロミラーはオフとされる。もちろん造形輪郭外のマイクロミラーもオフとされる。
コントローラ8からの信号はまたZ軸ステージ4の駆動制御部4cに送られ、それによりZ軸ステージ4が下降して造形ベースプレート3が樹脂造形槽1の底板1bに近接した位置に保持される。また、コントローラ8からの信号は光源12aに送られ、適正な光量で光が照射される。
【0029】
この光源12aからの光はミラーデバイス14に照射され、各マイクロミラーにより平行光が反射される。オン状態のマイクロミラー14aからの平行光は主光学系9の微細レンズ90の大きさやピッチにあわせて中間光学系11で拡大され、平行光として主光学系9に入射される。主光学系9はレンズ表面近傍に焦点を有する微細なレンズ90を多数配列したレンズ群から構成されているので、光を照射した瞬間、図13(a)、図14(a)のように光硬化性樹脂2は、臨界露光量以上となるように集光された多点のスポットで一度に硬化させられる。SPは集光スポット、20はスポット状(島状)の硬化部である。
【0030】
面露光において、光硬化樹脂の臨海露光量より大きな光を樹脂に照射する必要があるため、光源は強力なものが必要となるが、多点のレンズでこの光を鋭角的に集光することにより光りのエネルギー密度が高められた部分の樹脂のみを硬化させることが可能となる。鋭角にすることで硬化深度を浅く,20ミクロン以下に薄く硬化させることが可能となる。すなわち、硬化深さを確実に制御できる。レンズで集光することで臨海露光量以上の光を作製し、樹脂を硬化させるため、微細レンズの隙間を通過した光が樹脂に照射されてもその部分は硬化することはないのである。
【0031】
次いで、コントローラ8からの信号はXY軸ステージ6の駆動部6cに送られ、それによってXY軸ステージ6とそれに搭載されている光学系は水平移動する。それにより、レンズ表面近傍に焦点を有する微細なレンズ90を多数配列したレンズ群からの集光スポットSPはレンズ群1ピッチ分X方向又はY方向に連続平行移動する。
図13(b)は移動途中を示しており、同図(c)と図14(b)はレンズ間隔分移動した状態を示している。この例では集光スポットSPは右方向に移動することによりスポット状の硬化部20、20’がつながり、厚さ20ミクロン以下の所定幅の面200となる。
【0032】
図15(a)ないし(d)は、1層を作成している状態を示しており、(a)のようにX方向に集光スポットを移動して所定の面200を作り、次いでY方向にスポット径分あるいはそれよりも適度に少なく移動してから左方に移動し(b)のように2列目の面200’となるようにつなげる。そしてY方向にスポット径分あるいはそれよりも適度に少なく移動してから右方に移動し(c)のように3列目の面200”としてつなぐ。同様な移動経路で(d)のように必要面を形成し、1層目の硬化層Aを完成させるのである。
図15の中央の空所aを得るには、空所aに対応する微細なレンズ90と組をなすマイクロミラー14aをオフ状態としておけばよいので、簡単に対応できる。
【0033】
図16(a)は1層目の硬化層Aが造形された状態を模式的に示しており、厚さtが20ミクロン以下の1層目の硬化層Aは造形ベースプレート3の下面に接着されている。
次いで、一旦光源12aからの光の照射を止め、コントローラ8からの信号でZ軸ステージ4を所定量上昇させる。1層目の硬化層Aの下面は透明な剥離用薄膜10に接しているので容易に剥離し、図16(b)のように造形ベースプレート3に帯同して上昇される。
【0034】
この状態を確認し、再び光源12aから光を照射する。それにより1層目の硬化層Aの下面を造形ベースプレートとして、前記第1層の時と同じように、集光スポットSPでスポット状の硬化部を形成し、XY軸方向に集光スポットSPを移動してスポット状の硬化部を連結して、第2層目の硬化層を造形する。第2層目の硬化層は1層目の硬化層Aに接着されて積層される。以下必要回数上記工程を繰り返すことで、希望する形状の高精度な光造形物が得られる。
【0035】
なお、本発明において、複数の硬化層はすべてが同等の厚さに作成し積層する態様に限定されない。異なる厚さの膜を作成積層してもよい。これはたとえば、光造形物の精度を要する部分とそうでない部分とが挙げられる。
これは、レンズの焦点を固定した条件では、前記造形ベースプレート3のZ軸方向移動距離すなわち積層間隔のピッチを変化させ、かつコントローラ8から光源12aに信号を送って光量を制御すればよい。樹脂への臨界露光量を変化させればよい。
図17はそれを模式的に示しており、精度を必要とする部分に対応する層を造形するときには、造形ベースプレート3のZ軸方向移動距離を小さくし、光エネルギーを適する臨界露光量で照射し、薄い第1硬化層Aを作成する。そして、次層が精度を必要としない部分に対応する層である場合には、(a)のように、第1硬化層Aを接着した造形ベースプレート3のZ軸方向移動距離を相対的に大きくし、それとともに光源12aからの光量を増加させて光のエネルギー(強度)を大きく照射し、樹脂への臨界露光量を変化させる。これにより固化深度が深くなり、(b)のように厚い硬化層A2が積層される。そして第3層も厚くする場合には、図示のように造形ベースプレート3のZ軸方向移動距離を大きくすればよい。
【0036】
なお、凹凸や空部が光造形物厚さ方向で貫通していない形状である場合には、対応した層を造形する段階でミラーデバイス14のマイクロミラーをオン状態に切り換え、その状態で光源12aから光を照射して微細なレンズ90で集光すればよい。したがって複雑な形状も簡易に光造形することができる。
また、薄いシート状の光造形物を得る場合には、前記第1層で完成品とすればよい。
【0037】
本発明は、デジタル・マイクロミラー・デバイスのごときミラーデバイス14を使用し液晶マスクを使用しない。このため、光はすべて反射させるため、加熱されることは少なく、液晶マスクの場合のような光が液晶に吸収されることによる熱の発生とそれによる故障を防ぐことができる。
【0038】
【発明の効果】
以上説明した本発明の請求項1および4によるときには、たとえば20ミクロン以下の極薄の高い精度の光造形物を短時間内で容易に造形することができるというすぐれた効果が得られる。
請求項2によれば、各層の厚さが薄い立体的に積層された精度の高い光造形物を短時間内で容易に造形することができるというすぐれた効果が得られる。
請求項3によれば、1造形品の中で精度の低くてよい部分と高い精度が要求される部分があるときに、それを短時間で効率よく作成できるというすぐれた効果が得られる。
【0039】
請求項5によれば、デジタル・マイクロミラー・デバイスを使用するため、光はすべて反射させられ、加熱されることが少なく、液晶マスクの場合のような光が液晶に吸収されることによる熱の発生とそれによる故障を回避することができ、しかもマイクロミラーのオン・オフで造形する形状を自在に創成できるというすぐれた効果が得られる。
請求項6と7によれば、比較的小型で簡単な構造により、各層の厚さが薄い立体的に積層された精度の高い光造形物を短時間内で容易に造形できる装置を提供できるというすぐれた効果が得られる。
請求項8によれば、積層のための硬化物の剥離が容易であるというすぐれた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による薄膜硬化型光造形方法および装置の1例を示す縦断側面図である。
【図2】造形状態の斜視図である。
【図3】(a)(b)はそれぞれ主光学系の例を示す平面図である。
【図4】中間光学系としてケプラー型ビームエキスパンダーを使用して造形している状態の側面図である。
【図5】図4の部分的拡大図である。
【図6】中間光学系としてガリレオ型ビームエキスパンダーを使用して造形している状態の側面図である。
【図7】図6の部分的拡大図である。
【図8】デジタル・マイクロミラー・デバイスの概要を示す斜視図である。
【図9】集光スポットの形成態様の第1例を示す側面図である。
【図10】集光スポットの形成態様の第2例を示す側面図である。
【図11】集光スポットの形成態様の第3例を示す側面図である。
【図12】集光スポットの形成態様の第4例を示す側面図である。
【図13】(a)(b)(c)は本発明における薄膜造形過程を段階的に示す模式的断面図である。
【図14】(a)(b)は本発明における薄膜造形過程を段階的に示す模式的平面図である。
【図15】(a)(b)(c)(d)は本発明における薄膜造形過程を段階的に示す模式的平面図である。
【図16】(a)(b)は本発明における積層法を段階的に示す模式的断面図である。
【図17】(a)(b)は本発明における積層法の多例を段階的に示す模式的断面図である。
【符号の説明】
1 樹脂造形槽
2 光硬化性樹脂
3 造形ベースプレート
4 Z軸ステージ
6 YY軸ステージ
9 主光学系
90 微細レンズ
11 中間光学系
14 ミラーディバイス[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
BACKGROUND OF THE
[0002]
[Prior art]
An optical molding method and device using a regulated liquid surface method that irradiates light energy to the photocurable resin in the resin tank from below the resin tank and forms a resin cured layer on the lower surface of the molding base plate placed in the resin liquid is proposed. Have been.
This stereolithography device uses a liquid crystal panel driven based on shape data according to a target shape as an optical shutter, and passes light from a surface light source into a parallel light through a light transmitting portion of the liquid crystal panel to a photocurable resin. Irradiation, curing the divided pattern portion of the irradiated surface shape to form a first-layer molded object having a desired shape, and then moving the liquid crystal panel to the next predetermined position by a moving means, and performing a similar process. It is trying to obtain a multilayered object repeatedly.
[0003]
However, in this prior art, since the entire liquid crystal panel is irradiated with the light of the surface light source at one time, the entire liquid crystal panel is constantly exposed to heat rays and overheated, and the molding accuracy is reduced due to deformation or malfunction of the liquid crystal mask. Since the light from the surface light source passes through the light-transmitting part of the liquid crystal panel from all directions, the light transmitted obliquely through the light-transmitting part illuminates parts that should not be illuminated. There was a problem that it could not be obtained.
Further, since the surface light source also irradiates the periphery of the liquid crystal mask, the light utilization efficiency of the light source is extremely low. Therefore, a large amount of power is required to maintain a predetermined illuminance on the irradiation surface of the photocurable resin. There was a problem.
[0004]
Further, the prior art irradiates the photocurable resin with light that is close to a parallel light beam. Therefore, the control of the thickness of the cured layer mainly depends on the sensitivity of the photocurable resin. Since the sensitivity of the photocurable resin is adjusted so that it does not cure even if some light hits the resin, in the prior art, the thickness of the cured layer of each layer is about 1000 microns, and at least about 100 microns even if it is thin. However, since a thin cured layer having a thickness less than this could not be obtained, a step was generated in the optically molded article, and the precision was deteriorated.
[0005]
In addition, the thickness of the cured layer is easily determined to be controllable by the amount of movement of the modeling base plate. However, since the light used is close to a parallel ray, the size of the modeling object for an effective depth of one layer is hardened. When the thickness was larger than the layer, the thickness of the cured layer was as large as about 100 μm due to the characteristics of the resin, and it was not possible to perform the additive manufacturing.
[0006]
It is also known to irradiate a photocurable resin with a laser beam based on shape data as another optical molding method or apparatus, but there is a disadvantage that it takes a long time to form one molded object. Was. Further, the lamination pitch is usually 100 microns, and it has been difficult to make it thinner.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to reduce the thickness of a cured product layer of each layer formed on the surface of a modeling base plate to, for example, 20 μm or less. It is an object of the present invention to provide a stereolithography method and apparatus capable of easily modeling a stereolithographic object with high accuracy in a relatively short time.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the thin-film curing type optical shaping method of the present invention irradiates light energy to a photocurable resin in a resin tank from below the resin tank, and cures the resin on a lower surface of a molding base plate arranged in a resin liquid. An optical shaping method based on a regulated liquid surface method for forming an object layer, using a lens group in which a large number of fine lenses having a focal point very close to the lens surface are arranged, and a shape from which light from a light source is desired to be cured. The light-curable resin is cured in the form of a spot by condensing and irradiating the lens group corresponding to, and the spot-shaped cured portion is connected in a plane by sequentially moving the light spot in the X direction or the Y direction, thereby forming one layer. It is characterized by forming a thin film.
[0009]
Further, in the thin film curing type stereolithography method of the present invention, the thin film is formed by connecting the spot-shaped cured portions in a plane, and then the thin film is moved upward, and the photocurable resin under the thin film is gathered into a lens group. Irradiate light to cure the photo-curable resin into spots, and move the light spots sequentially in the X or Y direction to connect the spot-shaped cured portions in a plane to create the next layer of film. Is repeated one or more times.
Preferably, a fine lens having a focal point very close to the lens surface having a diameter of 300 microns or less and a light focal length of 20 microns or less from the surface of the transparent plate in contact with the photocurable resin is used. .
[0010]
Also, preferably, a digital micromirror device is used as a means for irradiating light to a lens group in which a large number of fine lenses having a focal point very close to the lens surface are arranged, and ON / OFF of the micromirror group is selected. Then, a plurality of photocurable resins are cured in a spot with a focal point corresponding to the number of lenses, and then the focal point is moved in parallel by the lens pitch to form a thin film.
[0011]
In order to achieve the above object, the thin-film curing type optical shaping apparatus of the present invention stores a photocurable resin in a resin tank having a transparent plate on the bottom surface, and moves a modeling base plate arranged in the resin tank close to the transparent plate. An optical shaping apparatus using a regulated liquid level method, wherein a resin in the resin tank is irradiated with light from below the resin tank to form a hardened material layer having a predetermined thickness on a lower surface of the modeling base plate. A main optical system composed of a multi-point condensing spot lens using a fine lens having a focal point in the vicinity, and a digital optical system that irradiates light from a light source as parallel light corresponding to the fine lens constituting the main optical system. A micromirror device, means for sequentially moving the optical system in the X or Y direction, and means for moving the modeling base plate in the vertical direction.
[0012]
Preferably, the thin-film curing type optical shaping apparatus according to the present invention, wherein the lens of the main optical system has a diameter of 300 μm or less and a focal length of light of 20 μm or less from the surface of the transparent plate in contact with the photocurable resin. It is.
[0013]
[Action]
The present invention irradiates the photocurable resin in the tank in a spot-like manner with light through a group of finer lenses below the resin tank to form a spot-like cured layer on the lower surface of the modeling base plate. Since a lens group in which a number of fine lenses having a focal point are arranged very close to the lens surface is used, the thickness of the hardened layer can be 20 μm or less. However, the hardened layer is scattered in an island shape and does not become a plane as it is. Therefore, the lens group and the cured layer are relatively moved in the horizontal direction, whereby the uncured photo-curable resin is sequentially cured, connected to a planar shape, and an extremely thin film is formed.
[0014]
In order to obtain a three-dimensional molded product, when the first layer is cured, the base plate is moved in the Z-axis direction by a predetermined amount by the Z-axis direction elevating device. Since the uncured photocurable resin is under the first layer, the above process forms a second layer integrated therewith under the first layer. By repeating the required number of times, a three-dimensional stereolithographic object is created with high accuracy.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
1 to 9 show an example of a thin-film curing type optical shaping apparatus according to the present invention.
In FIG. 1,
[0016]
[0017]
Reference numeral 5 denotes an airframe located below the
The
[0018]
Specifically, as shown in FIG. 3, an array of many
[0019]
The reason why the
[0020]
The
[0021]
The source
The intermediate
[0022]
As the
Although FIG. 2 shows only 3 × 3 mirrors, actually the same number of
[0023]
When light is applied, the light hitting the
[0024]
Note that the intermediate
FIGS. 9 and 10 show examples of such a case. FIG. 9 shows a case where the reflected light is sent to each one
[0025]
However, when the
FIG. 11 and FIG. 12 show an example thereof. FIG. 11 enlarges the reflected light by the intermediate
In FIGS. 9, 10 and 11, one micromirror is turned off and the light is not incident on the
[0026]
In another embodiment of the present invention, instead of moving the optical system, the film side, that is, the
[0027]
The thin-film curing type optical shaping method of the present invention will be described. First, the shape and dimensions to be formed are converted into data by CAD, and the data is input to the controller 8. The controller 8 determines the number and position of the micromirrors of the
[0028]
When a signal from the controller 8 is sent to the
The signal from the controller 8 is also sent to the
[0029]
The light from the
[0030]
In surface exposure, it is necessary to irradiate the resin with light larger than the critical exposure amount of the photocurable resin, so a strong light source is required, but this light must be sharply condensed by a multi-point lens. Thereby, it becomes possible to cure only the resin in the portion where the energy density of light is increased. By making the angle acute, the curing depth is shallow, and it is possible to cure as thin as 20 microns or less. That is, the curing depth can be reliably controlled. Since the light that is more than the critical exposure amount is produced by condensing with a lens and the resin is cured, even if the resin is irradiated with the light that has passed through the gaps between the fine lenses, that portion is not cured.
[0031]
Next, the signal from the controller 8 is sent to the drive unit 6c of the XY-
FIG. 13B shows a state during the movement, and FIGS. 13C and 14B show a state in which the lens has moved by the distance between the lenses. In this example, the condensed spot SP moves rightward to connect the spot-shaped cured
[0032]
FIGS. 15A to 15D show a state in which one layer is formed. As shown in FIG. 15A, the light spot is moved in the X direction to form a
In order to obtain the center space a in FIG. 15, the
[0033]
FIG. 16A schematically shows a state in which the first hardened layer A is formed. The first hardened layer A having a thickness t of 20 μm or less is adhered to the lower surface of the formed
Next, the irradiation of the light from the
[0034]
After confirming this state, light is again emitted from the
[0035]
In the present invention, the plurality of cured layers are not limited to an embodiment in which all of the cured layers are formed to have the same thickness and laminated. Films having different thicknesses may be formed and laminated. This includes, for example, a part that requires precision of the optically formed object and a part that does not.
This is because, under the condition that the focal point of the lens is fixed, the moving distance of the
FIG. 17 schematically shows this. When a layer corresponding to a portion requiring accuracy is formed, the moving distance of the forming
[0036]
In the case where the irregularities or voids have a shape that does not penetrate in the thickness direction of the optical structure, the micromirror of the
When a thin sheet-shaped stereolithographic object is obtained, the first layer may be used as a completed product.
[0037]
The present invention uses a
[0038]
【The invention's effect】
According to the first and fourth aspects of the present invention described above, an excellent effect is obtained that an extremely thin optical molded article having a thickness of, for example, 20 μm or less can be easily formed in a short time.
According to the second aspect, an excellent effect is obtained that it is possible to easily form a three-dimensionally stacked high-precision optically formed object having a small thickness in a short time.
According to the third aspect, when there is a portion having low accuracy and a portion requiring high accuracy in one modeled product, an excellent effect that it can be efficiently created in a short time is obtained.
[0039]
According to claim 5, since the digital micromirror device is used, all the light is reflected and less heated, and the heat is absorbed by the liquid crystal as in the case of the liquid crystal mask. An excellent effect is obtained in that generation and failure due to the occurrence can be avoided, and a shape to be formed by turning on / off the micromirror can be freely created.
According to the sixth and seventh aspects, it is possible to provide an apparatus capable of easily forming a three-dimensionally stacked high-precision optically shaped object with a relatively small size and a simple structure in a short time. Excellent effect can be obtained.
According to the eighth aspect, an excellent effect is obtained in that the cured product for lamination is easily peeled off.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a vertical sectional side view showing an example of a thin-film curing type stereolithography method and apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of a molding state.
FIGS. 3A and 3B are plan views each showing an example of a main optical system.
FIG. 4 is a side view of a state in which modeling is performed using a Kepler beam expander as an intermediate optical system.
FIG. 5 is a partially enlarged view of FIG. 4;
FIG. 6 is a side view of a state in which modeling is performed using a Galileo beam expander as an intermediate optical system.
FIG. 7 is a partially enlarged view of FIG. 6;
FIG. 8 is a perspective view showing an outline of a digital micromirror device.
FIG. 9 is a side view showing a first example of a mode of forming a condensed spot.
FIG. 10 is a side view showing a second example of a mode of forming a condensed spot.
FIG. 11 is a side view showing a third example of a mode of forming a condensed spot.
FIG. 12 is a side view showing a fourth example of a mode of forming a condensed spot.
13 (a), (b) and (c) are schematic sectional views showing stepwise a thin film forming process in the present invention.
14 (a) and (b) are schematic plan views showing step by step the thin film forming process in the present invention.
FIGS. 15 (a), (b), (c) and (d) are schematic plan views showing stepwise a thin film forming process in the present invention.
FIGS. 16A and 16B are schematic cross-sectional views showing the lamination method in the present invention step by step.
17A and 17B are schematic cross-sectional views showing stepwise examples of the lamination method in the present invention.
[Explanation of symbols]
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