JP2019077118A - Optical molding apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光硬化性樹脂を硬化させて三次元物体を造形する光造形装置に関する。 The present invention relates to an optical shaping apparatus for curing a photocurable resin to form a three-dimensional object.
三次元物体の形状を示す三次元形状データから生成される各断面形状のデータ(二次元形状データ)を取得し、各二次元形状データの夫々に対応する形状の造形層を順次形成することで、三次元物体(造形物)を得ることができる光造形装置が知られている。 By acquiring data of each cross-sectional shape (two-dimensional shape data) generated from three-dimensional shape data indicating the shape of a three-dimensional object, and sequentially forming a shaping layer having a shape corresponding to each of the two-dimensional shape data There is known an optical shaping apparatus capable of obtaining a three-dimensional object (shaped object).
特許文献1には、複数の画素を有する光変調素子によって二次元形状データに応じて変調された光を、投影光学系によって液状の光硬化性樹脂に照射することで、一つの造形層の全体を同時に硬化させることができる光造形装置が記載されている。 Patent Document 1 discloses that the light modulated by the light modulation element having a plurality of pixels according to the two-dimensional shape data is irradiated to the liquid photocurable resin by the projection optical system, whereby the entire one modeling layer is obtained. An optical shaping apparatus capable of simultaneously curing is described.
しかしながら、特許文献1に記載の光造形装置は、光変調素子及び投影光学系の夫々を複数用いているため、装置全体が大型化及び複雑化してしまう。一方、光変調素子及び投影光学系の夫々を一つしか用いない場合、光硬化性樹脂の広範囲に同時に光を照射しようとすると、光硬化性樹脂に対する軸外光線の入射角が大きくなってしまう。そのため、軸外光線により形成される造形層の端部の位置が設計値からずれてしまい、良好な造形精度を得ることが困難になる。 However, since the optical shaping apparatus described in Patent Document 1 uses a plurality of light modulation elements and projection optical systems, the entire apparatus becomes large and complicated. On the other hand, when only one light modulation element and one projection optical system are used, if the light is irradiated to a wide area of the light curing resin simultaneously at the same time, the incident angle of the off-axis light to the light curing resin becomes large. . Therefore, the position of the end of the shaping layer formed by the off-axis light beam deviates from the design value, and it becomes difficult to obtain good shaping accuracy.
本発明は、簡易な構成で良好な造形精度を実現することが可能な光造形装置を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the optical shaping apparatus which can implement | achieve favorable modeling accuracy by simple structure.
上記目的を達成するための、本発明の一側面としての光造形装置は、透光部を有し、液状の光硬化性樹脂を保持する容器と、前記透光部を介して前記光硬化性樹脂に光を照射する投影光学系と、三次元形状データから得られる複数の二次元形状データの夫々に基づいて前記光の照射を制御する制御部と、前記光硬化性樹脂のうち前記光を受けて硬化した硬化部を、前記透光部から離れる方向に移動させる移動部材とを備え、前記透光部は、正の屈折力を有することを特徴とする。 An optical shaping apparatus as one aspect of the present invention for achieving the above object has a light transmitting portion, and a container for holding a liquid photocurable resin, and the photocurable property through the light transmitting portion. A control unit for controlling the irradiation of the light based on each of a plurality of two-dimensional shape data obtained from the projection optical system for irradiating the light to the resin, and a plurality of two-dimensional shape data obtained from the three-dimensional shape data And a moving member for moving a cured portion which has been received and cured in a direction away from the light transmitting portion, wherein the light transmitting portion has a positive refractive power.
本発明によれば、簡易な構成で良好な造形精度を実現することが可能な光造形装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an optical shaping apparatus capable of realizing good modeling accuracy with a simple configuration.
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、各図面は、便宜的に実際とは異なる縮尺で描かれている場合がある。また、各図面において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that each drawing may be drawn at a scale different from the actual scale for convenience. Moreover, in each drawing, the same reference numeral is given to the same member, and the overlapping description is omitted.
図1は、本発明の実施形態に係る光造形装置100の要部概略図(ZX断面図)である。光造形装置100は、造形ユニット200と、造形ユニット200を制御する制御部300とを有し、液状の光硬化性樹脂RAに変調光を照射して造形層を順次形成することで、三次元造形物を形成する。制御部300には、外部装置である画像処理装置400(コンピュータ)が接続されている。
FIG. 1 is a schematic view (ZX cross-sectional view) of main parts of an
本実施形態では、変調光として紫外線(UV光)を用い、光硬化性樹脂として紫外線硬化性樹脂(UV硬化性樹脂)を用いている。ただし、UV光以外の変調光及びUV硬化性樹脂以外の光硬化性樹脂を用いてもよい。なお、図1に示した造形ユニット200は飽くまで模式図であり、実際の構成とは異なる。造形ユニット200の詳細な構成については後述する各実施例において説明する。
In the present embodiment, ultraviolet light (UV light) is used as modulated light, and an ultraviolet curable resin (UV curable resin) is used as the photocurable resin. However, modulated light other than UV light and a photocurable resin other than UV curable resin may be used. In addition, the shaping |
[実施例1]
以下、本発明の実施例1に係る光造形装置100について説明する。図2は、本実施例に係る光造形装置100が有する造形ユニット200のうち、容器201及び投影光学系255の近傍を拡大して示したものである。なお、光造形装置100において図2に示した部分以外については、図1に示した光造形装置100と同様である。
Example 1
Hereinafter, an
本実施例に係る造形ユニット200は、容器201と、移動部材としての保持板202と、移動機構203と、投影ユニット250とを有する。容器201は、液状のUV硬化性樹脂RAを保持する液槽であり、その上部には開口が形成されている。容器201は、容器本体(壁面部)211と、該容器本体211の下部(底面部)に形成された開口を塞ぐように設けられた透光性材料から成る透光板(透光部)212とにより構成されている。
The forming
UV硬化性樹脂RAは、所定の光量以上のUV光が照射されたときに硬化する特性を有する。このため、硬化させたい領域にのみ所定の光量以上のUV光を照射することで、目的とする形状を有する造形物WBを形成することができる。透光板212のUV硬化性樹脂RAの側の面には、硬化した造形層(硬化部)WAが透光板212に固着しないようにするための離型剤がコーティングされている。これにより、各造形層WAの造形中に保持板202が移動できなくなることや、形成された造形物WBを取り外すことができなくなることを防ぐことができる。
The UV curable resin RA has a property of curing when irradiated with UV light of a predetermined light amount or more. For this reason, it is possible to form a three-dimensional object WB having a target shape by irradiating the UV light of a predetermined light amount or more only to the area to be cured. The surface on the UV curable resin RA side of the
移動機構203は、容器201の上部の開口を通して保持板202を上下方向(±Z方向)に移動させる。移動機構203は、パルスモータとボールねじ等により構成され、制御部300からの制御信号に基づいて任意の速度または任意のピッチで保持板202を移動させる。以下の説明では、保持板202の移動方向(図の上下方向)をZ方向、該Z方向に直交する方向(図の左右方向)をX方向、Z方向及びX方向に直交する方向(図の奥行き方向)をY方向とする。
The
移動機構203は、各造形層WAの造形中には保持板202を上方(+Z方向)に移動させる。保持板202が下端位置にある状態で、透光板212を通して変調光をUV硬化性樹脂RAに照射することで、最初の造形層が保持板202に付着した状態で形成される。そして、最初の造形層が下端位置から所定量だけ引き上げられた状態で、透光板212を通して変調光をUV硬化性樹脂RAに照射することで、最初の造形層と透光板212との間に次の造形層が形成される。この工程を繰り返すことで、複数の造形層WAが順次積層され、造形物WBを形成することができる。
The
容器201の下側、すなわち透光板212と対向する位置には投影ユニット250が配置されている。投影ユニット250は、光源251と、ビームスプリッタ252と、画像形成素子(光変調素子)253と、駆動機構254と、投影光学系255とを有する。図2においては、ビームスプリッタ252により反射(偏向)された変調光の光路を展開して示している。なお、必要に応じて投影ユニット250に光路を偏向する別の光学素子(ビームスプリッタやミラーなど)を追加してもよい。
A
光源251、ビームスプリッタ252及び光変調素子253はX方向において直列に配置されている。投影光学系255は、ビームスプリッタ252の上側(+Z側)において、最も拡大側の光学面(最終面)が透光板212と対向するように配置されている。光源251は、UV光を発するLEDや高圧水銀ランプ等により構成される。光源251から発せられたUV光は、ビームスプリッタ252を透過して画像形成素子253に入射する。なお、光硬化性樹脂としてUV硬化性樹脂以外を用いる場合は、光源251はUV光を発するものでなくてもよい。
The
画像形成素子253は、複数の画素を有し、照射されたUV光を画素ごとに変調して変調光(画像光)を生成する光変調素子である。本実施例では、画像形成素子253として、DMD(Digital Mirror Device)を用いている。DMDとしての画像形成素子253は、図3に示すように、二次元配列された複数の画素261の夫々が、複数の角度位置(オン位置とオフ位置)の間で変化(回動)する微細なミラーで構成されている。各画素261は、ミラーがオン位置にあるオン状態とミラーがオフ位置にあるオフ状態とで明暗を表現する二値制御が可能である。
The
画像処理装置400は、三次元物体の形状データとして予め用意された三次元形状データから、Z方向に沿った複数の断面の二次元形状データとしての複数の画像データを生成する。各画像データは、二次元配列された複数の画素位置に対して、造形対象となる画素位置(造形画素位置)であることを示す「1」、または造形対象とならない画素位置(非造形画素位置)であることを示す「0」を含む二値化データである。画像処理装置400は、複数の画像データが時系列として配列された動画像データを制御部300に出力する。なお、画像処理装置400が光造形装置100の内部に搭載されていてもよい。
The
制御部300は、CPU301と、CPU301の演算に用いられる作業領域を有するRAM302と、ROM303とを有するコンピュータとして構成されている。ROM303は、プログラム304が記録された記録媒体であり、EEPROM等の書き換え可能な不揮発性メモリである。CPU301は、ROM303に記録されたプログラム304を読み出して造形ユニット200を制御する光造形プロセスを実行する。
The
なお、プログラム304は、ROM303ではなく制御部300の外部に存在する記録媒体に記録されていてもよい。記録媒体としては、例えば、不揮発性メモリ(半導体メモリ等)、記録ディスク(光ディスクや磁気ディスク)、記憶装置(ハードディスク)等のコンピュータで読み取り可能なものが採用される。
The
制御部300は、画像処理装置400から出力された動画像データ内の複数の画像データの夫々に基づいて、画像形成素子253の画素261ごとに順次二値制御を行うことで、上述したようにUV光を画素261ごとに変調する。なお、制御部300は、各画素261のオン状態とオフ状態との切り替えを高速で行うデューティ制御によって中間調を表現することもできる。
As described above, the
なお、本実施例では、画像形成素子253としてDMDを用いる場合について説明したが、画像形成素子253として反射型液晶パネルや透過型液晶パネルなどを用いてもよい。この場合も、画素の反射率または透過率の二値制御による明暗表現だけでなく、反射率または透過率の高速スイッチングによる中間調表現も可能である。これらの素子に限らず、明暗や中間調を有する変調光を形成できる素子であれば、他の素子を画像形成素子253として用いてもよい。
In the present embodiment, although the case of using a DMD as the
ビームスプリッタ252は、前述したように光源251からのUV光を透過させると共に、画像形成素子253からの変調光を投影光学系255に向けて反射する。投影光学系255は、1以上の光学素子(レンズ)により構成されており、ビームスプリッタ252からの変調光をUV硬化性樹脂RAに投影(照射)する。このとき、変調光は、容器201内において画像形成素子253と光学的に共役な位置に集光され、画像形成素子253の各画素の像を形成する。
The
本実施例では、この変調光の集光位置(結像位置)を造形位置とする。本実施例における造形位置は、容器201内における上述した透光板212の直上の位置であり、この位置のUV硬化性樹脂RAが変調光を受けることで造形層WAが形成される。投影光学系255における開口絞りを最も絞った状態とすることにより、画像形成素子253の各画素からの変調光を造形位置に高精度に集光させることができ、良好な解像度の造形層WAを形成することができる。
In the present embodiment, the condensing position (imaging position) of this modulated light is taken as the modeling position. The shaping position in the present embodiment is a position immediately above the above-described
制御部300は、上述した画像形成素子253の制御だけでなく、光源251、移動機構203、及び駆動機構254の制御を行う。このとき、制御部300は、上述した動画像データに応じた造形層WAの形成(硬化)と同期した速度で、連続的または断続的に移動機構203に保持板202を引き上げさせる。これにより、保持板202によって上端が保持された最初の造形層WAに順次新たな造形層WAが積層されるようにして、造形物WBを形成することができる。
The
このように、本実施例に係る光造形装置100は、順次積層される複数の造形層WAの夫々を形成する際に、投影ユニット250によって変調光を造形位置の広範囲に一括投影している。これにより、広範囲に存在するUV硬化性樹脂RAを一度に硬化させることができる。よって、レーザ光などで造形位置を光走査することで一つの造形層を部分毎に順次硬化させる装置と比較して、造形物WAの造形に要する時間(造形時間)を短くすることができる。
As described above, in the
ここで、上述したように、画像形成素子及び投影光学系の夫々を一つしか備えていない構成においては、光硬化性樹脂の広範囲に同時に光を照射しようとすると、透光板に対する軸外光線の入射角が大きくなってしまう。ただし、ここでの軸外光線とは、造形位置に到達する光線のうち投影光学系の光軸から離れた光線のことを示す。透光板に対する軸外光線の入射角が大きくなってしまうと、軸外光線により形成される造形層の端部の位置が設計値からずれてしまい、良好な造形精度を得ることが困難になる。このことについて、以下で詳細に説明する。 Here, as described above, in the configuration in which only one image forming element and one projection optical system are provided, if it is intended to simultaneously irradiate light to a wide area of the photocurable resin, an off-axis light beam to the light transmission plate The incident angle of However, the term “off-axis light ray” as used herein refers to a light ray that is far from the optical axis of the projection optical system among the light rays that reach the modeling position. When the incident angle of the off-axis light beam to the light transmission plate becomes large, the position of the end of the shaping layer formed by the off-axis light beam deviates from the design value, which makes it difficult to obtain good modeling accuracy. . This will be described in detail below.
図8は、従来例に係る光造形装置における透光板812の近傍の模式図である。ここでは、説明を分かり易くするために、各光線の角度や硬化領域PAなどを実際の寸法から異ならせている。ただし、ここでの硬化領域PAとは、UV硬化性樹脂RAのうち所定の光量以上の光を受けて(所定の光密度以上となって)硬化する領域である。複数の硬化領域PAが同時に硬化することによって、造形層WAが形成される。図8に示すように、従来例に係る透光板812において、投影光学系からの光が入射する入射面及び入射面からの光が出射する出射面は、何れも平面である。
FIG. 8 is a schematic view of the vicinity of the
このとき、造形位置における投影光学系の光軸上に到達する軸上光線は、透光板812の入射面に対して垂直な方向から入射するため、所望の位置に硬化領域PAが形成される。一方、造形位置における投影光学系の光軸から離れた領域に到達する軸外光線は、透光板812の入射面に対して大きな入射角で斜入射するため、透光板812の出射面に対する出射角も大きくなる。そのため、図8に示すように、軸外光線に対応する硬化領域PAは光軸方向(Z方向)に対して大きく傾いてしまう。
At this time, since an on-axis light beam reaching the optical axis of the projection optical system at the modeling position is incident from a direction perpendicular to the light incident surface of the
例えば、一つの造形層の光軸方向の高さが200μm、軸外光線の出射面に対する出射角が20degである場合、軸外光線に対応する硬化領域PAの上部と下部のX方向における位置は、相対的に200μm×tan(20゜)=73μmもずれてしまう。このような造形位置ずれが生じた場合、良好な造形精度を実現することは困難である。特に、光造形装置の小型化のために、投影光学系の外径や全長を低減しつつ投影範囲を広げようとする場合、この課題は顕著になる。 For example, when the height of one modeling layer in the optical axis direction is 200 μm and the exit angle of the off-axis ray with respect to the exit surface is 20 degrees, the positions in the X direction of the upper and lower portions of the curing region PA corresponding to the off-axis ray are The relative shift of 200 μm × tan (20 °) = 73 μm occurs. It is difficult to realize good modeling accuracy when such modeling positional deviation occurs. In particular, when attempting to widen the projection range while reducing the outer diameter and the total length of the projection optical system in order to miniaturize the optical shaping apparatus, this problem becomes remarkable.
そこで、本実施例に係る光造形装置100では、透光板212に正の屈折力(パワー)を持たせることで、光硬化性樹脂に対する軸外光線の入射角を低減し、良好な造形精度を実現している。本実施例に係る透光板212による効果について、比較例を用いて説明する。図4は、光造形装置における透光板の近傍での光線の様子を表したものであり、図4(a)は本実施例に係る光造形装置100を示し、図4(b)は比較例に係る光造形装置を示している。なお、比較例に係る光造形装置について、透光板512以外の構成は本実施例と同様であるものとする。
Therefore, in the
図4(b)に示すように、比較例に係る光造形装置においては、透光板512の入射面及び出射面は何れも平面であるため、図8に示した従来例と同様に良好な造形精度を得ることができない。一方、図4(a)に示すように、本実施例に係る光造形装置100では、透光板212の入射面を投影光学系255に向かって凸面とし、透光板212の出射面を平面とすることで、透光板212に正の屈折力を持たせている。これにより、透光板212の入射面に対して大きな入射角で入射する軸外光線について、出射面からUV硬化性樹脂RAに向かって出射する際の出射角を低減することができるため、造形精度の低下を抑制することができる。
As shown in FIG. 4 (b), in the optical shaping apparatus according to the comparative example, since both the incident surface and the exit surface of the
本実施例に係る透光板212は、投影光学系255からの光を透過させる光学素子としての役割と、UV硬化性樹脂RAを保持する容器としての役割とを果たしている。すなわち、透光板212において、入射面は空気と接しており、出射面はUV硬化性樹脂RAと接している。このとき、UV硬化性樹脂RAの屈折率は空気の屈折率よりも大きいため、透光板212の出射面に曲率を持たせたとしても十分な屈折力が得られにくい。また、透光板212の出射面は入射面と比較して造形位置に近接して配置されているため、出射面の形状が造形精度に大きな影響を与える。
The
そこで本実施例では、透光板212の出射面の形状を、高い加工精度を得ることが容易な平面とし、かつ透光板212において空気と接する入射面を曲面としている。ただし、ここでの平面とは、厳密な平面に限らず、曲率半径が1000mm以上の略平面を含んでいる。これにより、透光板212を加工が容易な形状とし、各面に大きな曲率を持たせることなく、十分な屈折力を得ることができる。
Therefore, in the present embodiment, the shape of the light emitting surface of the
なお、本実施例では、透光板212の入射面を加工が容易な球面形状としているが、入射面を必要に応じて非球面形状とすることで、投影光学系255で生じる収差をより良好に補正できるようにしてもよい。あるいは、透光板212の入射面をフレネルレンズとしてもよい。また、必要に応じて出射面も曲面とし、透光板212をメニスカス形状や両凸形状とすることで、透光板212に正の屈折力を持たせてもよい。すなわち、入射面及び出射面の少なくとも一方を曲面とすることで正の屈折力を持たせることができるのであれば、透光板212をどのような形状としてもよい。
In the present embodiment, the incident surface of the
また、本実施例では、容器201の側面部及び底面部の一部(壁面部)を形成する容器本体211と、容器201の底面部に配置される透光板212とを互いに異なる部材として(別体で)作成し、それらを互いに接合することで容器201を得ている。このように、容器本体211と透光板212とを互いに別の部材とすることにより、透光板212に正の屈折力を持たせる際に切削や研磨などの一般的な加工手法を採用することができるため、透光板212の製造が容易になる。ただし、ここでの接合とは、接着剤による接着や、溶接、嵌合などを含んでいる。
Further, in the present embodiment, the container
ここで、透光板212の入射面に対する最軸外光線の入射角度をθ1、透光板212の出射面に対する最軸外光線の出射角度をθ2とする。ただし、ここでの最軸外光線とは、造形位置に到達する光線のうち投影光学系255の光軸から最も離れた光線のことを示す。また、入射角度とは、透光板212の入射面に入射するときの光線と光軸との成す角度を示し、出射角度とは、透光板212の出射面から出射するときの光線と光軸との成す角度を示す。入射角度θ1及び出射角度θ2の符号は、光線が進むに連れて光軸から離れる方向を正、近づく方向を負と定義する。このとき、以下の条件式(1)を満たすことが望ましい。
0.0≦θ2/θ1≦0.50 (1)
Here, the incident angle of the outermost off-axis ray with respect to the incident surface of the
0.0 ≦ θ2 / θ1 ≦ 0.50 (1)
条件式(1)の上限を上回ると、入射角度θ1に対して出射角度θ2が大きくなり過ぎてしまい、透光板212による最軸外光線の角度補正が不十分になるため、良好な造形精度を得ることが難しくなる。一方、条件式(1)の下限を下回ると、入射角度θ1に対して出射角度θ2の符号が反転し、出射面から出射する最軸外光線が光軸に近づく方向に向かうことになるため、透光板212により最軸外光線の角度を過補正することになってしまう。よって、透光板212の偏心や形状誤差に対する光学性能の変化量(敏感度)が高くなり、かつ収差が発生してしまうため、良好な造形精度を得ることが難しくなる。
When the value exceeds the upper limit of the conditional expression (1), the emission angle θ2 becomes too large with respect to the incident angle θ1, and the angle correction of the outermost off-axis light by the
図4(a)に示した本実施例に係る光造形装置100及び図4(b)に示した比較例に係る光造形装置の何れにおいても、入射角度θ1は11degである。しかし、比較例においては、出射角度θ2は7.2degであり、θ2/θ1=0.67となるため上記条件式(1)を満たさず、良好な造形精度が得られない。一方、本実施例においては、出射角度θ2は1.4degであり、θ2/θ1=0.13となるため上記条件式(1)を満たし、良好な造形精度を得ている。さらに、以下の条件式(1a)を満たすことがより好ましい。
0.0≦θ2/θ1≦0.30 (1a)
The incident angle θ1 is 11 degrees in any of the
0.0 ≦ θ2 / θ1 ≦ 0.30 (1a)
また、前述した出射角度θ2(deg)が以下の条件式(2)を満たすように、投影光学系255及び透光板212を設計することが望ましい。
0.0≦θ2≦5.0 (2)
In addition, it is desirable to design the projection
0.0 ≦ θ2 ≦ 5.0 (2)
条件式(2)を満たすことで、出射角度θ2が5.0deg以下になり、tan(5.0°)=0.087となるため、上述した硬化領域PAの上部と下部のX方向における位置ずれ量を造形層WAの高さに対して1割以下に抑えることができる。条件式(2)の上限を上回ると、硬化領域PAの上部と下部の位置ずれが大きくなり、良好な造形精度を得ることが難しくなる。一方、条件式(2)の下限を下回ると、出射角度θ2が負の値となってしまうため、条件式(1)の下限を下回る場合と同様に良好な造形精度を得ることが難しくなる。さらに、以下の条件式(2a)を満たすことがより好ましい。
0.0≦θ2≦4.5 (2a)
By satisfying conditional expression (2), the emission angle θ2 becomes 5.0 deg or less, and tan (5.0 °) = 0.087, so the positions in the X direction of the upper and lower portions of the cured region PA described above The amount of displacement can be suppressed to 10% or less of the height of the shaping layer WA. If the upper limit of the conditional expression (2) is exceeded, the positional deviation between the upper and lower portions of the cured area PA becomes large, and it becomes difficult to obtain a good modeling accuracy. On the other hand, if the lower limit of the conditional expression (2) is exceeded, the emission angle θ2 becomes a negative value, and it becomes difficult to obtain good modeling accuracy as in the case of being lower than the lower limit of the conditional expression (1). Furthermore, it is more preferable to satisfy the following conditional expression (2a).
0.0 ≦ θ2 ≦ 4.5 (2a)
また、透光板212の出射面における照射領域の幅(照射領域全幅)をW、投影光学系252及び透光板212で構成される光学系(全系)の焦点距離をfとするとき、以下の条件式(3)を満たすことが望ましい。ただし、ここでの照射領域とは、透光板212の出射面における投影光学系255からの光束の通過領域の幅(最軸外光線同士の間隔)を示している。
0.50≦W/f≦5.0 (3)
Further, when the width of the irradiation area (full irradiation area width) on the exit surface of the
0.50 ≦ W / f ≦ 5.0 (3)
条件式(3)の上限を上回ると、全系の焦点距離が短くなり過ぎてしまい、十分に広い照射領域を確保するためには入射角度θ1を大きくすることが必要になるため、上述したような造形位置ずれが生じ易くなってしまう。一方、条件式(3)の下限を下回ると、全系の焦点距離が長くなり過ぎてしまい、装置全体の小型化が難しくなる。さらに、以下の条件式(3a)を満たすことがより好ましい。
0.80≦W/f≦3.5 (3a)
As the upper limit of conditional expression (3) is exceeded, the focal length of the entire system becomes too short, and it is necessary to increase the incident angle θ1 in order to secure a sufficiently wide irradiation area, as described above It becomes easy to cause the formation position deviation. If the lower limit of conditional expression (3) is not reached, on the other hand, the focal length of the entire system becomes too long, which makes it difficult to miniaturize the entire apparatus. Furthermore, it is more preferable to satisfy the following conditional expression (3a).
0.80 ≦ W / f ≦ 3.5 (3a)
また、投影光学系255の光軸上において、透光板212と投影光学系255との間隔をT1、画像形成素子253から透光板212の出射面までの距離をLとするとき、以下の条件式(4)を満たすことが望ましい。ただし、透光板212と投影光学系255との間隔とは、透光板212の入射面から投影光学系255の最終面までの間隔を示す。また、距離Lは、投影光学系252及び透光板212で構成される光学系の全長(全系の長さ)に相当する。
0.30≦T1/L≦0.80 (4)
Further, when the distance between the
0.30 ≦ T1 / L ≦ 0.80 (4)
条件式(4)の上限を上回ると、透光板212と投影光学系255との間隔が大きくなり過ぎてしまい、光軸に垂直な方向における夫々の相対的な位置ずれに対する光学性能の変化量(相対偏心敏感度)が高くなる。そのため、製造誤差などによって各部材の位置ずれが生じた場合、良好な造形精度を得ることが難しくなる。一方、条件式(4)の下限を下回ると、透光板212と投影光学系255との間隔が小さくなり過ぎてしまい、十分に広い照射領域を確保するためには投影光学系255の外径や全長を大きくすることが必要になり、装置全体の小型化が難しくなる。さらに、以下の条件式(4a)を満たすことがより好ましい。
0.40≦T1/L≦0.65 (4a)
If the upper limit of the conditional expression (4) is exceeded, the distance between the
0.40 ≦ T1 / L ≦ 0.65 (4a)
また、全系の横倍率をβとするとき、以下の条件式(5)を満たすことが望ましい。ただし、ここでの全系の横倍率とは、物体面である画像形成素子253の表面での画角(物体高)に対する、透光板212の出射面での画角(像高)の比の値である。なお、ここでは透光板212の出射面を像面(造形位置)であるとみなしている。
−20≦β≦−2.0 (5)
Further, when the lateral magnification of the entire system is β, it is desirable to satisfy the following conditional expression (5). However, the lateral magnification of the entire system here is the ratio of the angle of view (image height) at the exit surface of the
−20 ≦ β ≦ −2.0 (5)
条件式(5)の上限を上回ると、全系の横倍率が小さくなり過ぎてしまい、投影光学系255の最終面が透光板212に近づいて投影光学系255の外径や全長が大きくなってしまうため、装置全体の小型化が難しくなる。一方、条件式(5)の下限を下回ると、入射角度θ1が大きくなり過ぎてしまい、透光板212によって出射角度θ2を低減することが難しくなる。この場合、出射角度θ2を十分に低減するためには、透光板212の入射面の曲率を著しく大きくすることが必要になり、透光板212の偏心などによる光学性能の変化が大きくなるため、良好な造形精度を得ることが難しくなる。さらに、以下の条件式(5a)を満たすことがより好ましい。
−10≦β≦−2.5 (5a)
If the upper limit of conditional expression (5) is exceeded, the lateral magnification of the entire system becomes too small, and the final surface of projection
−10 ≦ β ≦ −2.5 (5a)
また、透光板212の入射面の曲率半径をR[mm]とするとき、以下の条件式(6)を満たすことが望ましい。
30≦R≦200 (6)
Moreover, when the curvature radius of the entrance plane of the
30 ≦ R ≦ 200 (6)
条件式(6)の上限を上回ると、透光板212の入射面の屈折力が小さくなり過ぎてしまい、透光板212によって出射角度θ2を低減することが難しくなる。一方、条件式(6)の下限を下回ると、透光板212の入射面の屈折力が大きくなり過ぎてしまい、全系で生じる収差を補正することが難しくなる。さらに、以下の条件式(6a)を満たすことがより好ましい。
50≦R≦180 (6a)
If the upper limit of the conditional expression (6) is exceeded, the refractive power of the incident surface of the
50 ≦ R ≦ 180 (6a)
表1に、本実施例に係る光造形装置100の諸元値を示す。表1に示すように、本実施例に係る光造形装置100は上述した条件式(1)乃至(5)を満たしている。
Table 1 shows specification values of the
表2に、本実施例に係る光学系のレンズデータを示す。表2では、物体面である画像形成素子253から像面である透光板212の出射面までの各光学面の曲率半径、光学面間の光軸上での面間隔、光学面間の媒質のd線に対する屈折率、各光学面の有効径の半径(有効半径)を示している。表2に示すように、本実施例に係る光造形装置100は上述した条件式(6)を満たしている。
Table 2 shows lens data of the optical system according to the present example. In Table 2, the radius of curvature of each optical surface from the
以上、本実施例に係る光造形装置100によれば、簡易な構成で良好な造形精度を実現することができる。
As mentioned above, according to the
[実施例2]
以下、本発明の実施例2に係る光造形装置100について説明する。本実施例に係る光造形装置100において、上述した実施例1に係る光造形装置100と同等の構成については説明を省略する。
Example 2
Hereinafter, an
図5は、本実施例に係る光造形装置100における容器261及び投影光学系265の近傍を拡大して示したものである。本実施例に係る光造形装置100では、実施例1に係る光造形装置100と比較して、照射領域の幅をより広く設定しつつ投影光学系255の外径及び全長の増大を抑えるために、透光板222に対する入射角度をより大きくしている。
FIG. 5 is an enlarged view of the vicinity of the
図6は、光造形装置における透光板の近傍での光線の様子を表したものであり、図6(a)は本実施例に係る光造形装置100を示し、図6(b)は比較例に係る光造形装置を示している。なお、比較例に係る光造形装置について、透光板522以外の構成は本実施例と同様であるものとする。図6から明らかなように、実施例1よりも入射角度θ1を大きくした場合にも、透光板222に正の屈折力を持たせることで出射角度θ2を十分に低減できている。
FIG. 6 shows the appearance of light rays in the vicinity of the light transmitting plate in the optical shaping apparatus, and FIG. 6 (a) shows the
表3に、本実施例に係る光造形装置100の諸元値を示す。表3に示すように、本実施例に係る光造形装置100は上述した条件式(1)乃至(5)を満たしている。
Table 3 shows the specification values of the optical forming
表4に、本実施例に係る光学系のレンズデータを示す。表4に示すように、本実施例に係る光造形装置100は上述した条件式(6)を満たしている。
Table 4 shows lens data of the optical system according to the present example. As shown in Table 4, the
[変形例]
以上、本発明の好ましい実施形態及び実施例について説明したが、本発明はこれらの実施形態及び実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の組合せ、変形及び変更が可能である。
[Modification]
Although the preferred embodiments and examples of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments and examples, and various combinations, modifications, and changes are possible within the scope of the present invention.
上述した実施形態に係る光造形装置100では、容器201の底面部に透光板212が設けられているが、この構成に限られるものではない。例えば、図7(a)に示すように容器201の上部に透光板212を設けた構成や、図7(b)に示すように容器201の側面部に透光板212を設けた構成を採用してもよい。図7(a)に示す構成においては保持板202を−Z方向に移動させ、図7(b)に示す構成においては保持板202を−X方向に移動させることで、造形層WAを順次形成することができる。このような構成においても、透光板212に正の屈折力を持たせることで本発明の効果を得ることができる。
In the
また、上述した実施形態に係る光造形装置100では、透光板212に離型剤をコーティングすることで造形層WAの順次形成を可能にしているが、この構成に限られるものではない。例えば、透光板212をテフロン(登録商標)などの酸素を透過する材料で構成することで、UV硬化性樹脂RAにおける透光板212の近傍にUV光を受けても硬化しないデッドゾーン(不感帯)を形成してもよい。また、容器201を微細振動させることで造形層WAが透光板212に固着しないようにしてもよい。あるいは、透光板212に造形物WAが固着する度に保持板202を上方に引き上げるなどして、透光板212に固着した造形層WAを剥離させてもよい。
Moreover, in the
また、例えば画像形成素子253の代わりに偏向器を採用し、光源からの光を偏向器により偏向して造形位置を走査することで造形物を形成する構成を採ってもよい。この構成では、光源として例えばレーザ光源を採用し、偏向器として例えばガルバノミラーを採用することができる。この場合、投影光学系255は偏向部からの走査光を透光板212を介して造形位置に照射し、制御部300は、複数の二次元形状データの夫々に基づいて偏向部を制御する。また、必要に応じて、画像形成素子253及び偏向器の両方を備える構成を採用してもよい。
For example, instead of the
また、造形ユニット200から容器201を着脱可能(交換可能)な構成を採ってもよい。例えば、色や性質が互いに異なる光硬化性樹脂を保持する複数の容器201を用意し、それらを造形ユニット200に着脱することで、多色の造形物やより複雑な造形物を形成することができる。ただし、この構成を採用した場合、容器201を取り付ける際の透光板212の位置調整(偏心調整)が必要になるため、容器201の位置を調整するための機構を設けることが望ましい。
Alternatively, the
あるいは、必要に応じて、正の屈折力を持つ透光板212を有する容器201と、屈折力を持たない透光板を有する容器とを交換可能な構成を採ってもよい。この場合、容器の交換による光学性能の変化を補正するために、容器201の位置や投影光学系255を構成するレンズの位置を調整するための機構を設けることが望ましい。
Alternatively, as necessary, a configuration in which the
また、必要に応じて透光板212を複数の光学部材により構成してもよい。例えば、正のパワーを有する光学部材と負のパワーを有する光学部材とを互いに接合して透光板212を構成することで、透光板212により色収差の補正を行うことができるようにしてもよい。
In addition, the
100 光造形装置
201 容器
202 保持板(移動部材)
212 透光板(透光部)
251 光源
253 画像形成素子(光変調素子)
255 投影光学系
300 制御部
RA UV硬化性樹脂(光硬化性樹脂)
WA 造形層(硬化部)
100
212 Translucent board (translucent part)
251
255 Projection
WA modeling layer (hardened part)
Claims (12)
前記透光部を介して前記光硬化性樹脂に光を照射する投影光学系と、
三次元形状データから得られる複数の二次元形状データの夫々に基づいて前記光の照射を制御する制御部と、
前記光硬化性樹脂のうち前記光を受けて硬化した硬化部を、前記透光部から離れる方向に移動させる移動部材とを備え、
前記透光部は、正の屈折力を有することを特徴とする光造形装置。 A container having a light transmitting portion and holding a liquid photocurable resin;
A projection optical system that irradiates light to the photocurable resin through the light transmitting section;
A control unit that controls the irradiation of the light based on each of a plurality of two-dimensional shape data obtained from three-dimensional shape data;
And a moving member configured to move a cured portion of the photocurable resin that has received and cured the light in a direction away from the light transmitting portion.
The optical shaping apparatus characterized in that the light transmitting part has positive refractive power.
0.0≦θ2/θ1≦0.50
なる条件式を満たすことを特徴とする請求項1に記載の光造形装置。 Assuming that the incident angle of the most off-axial ray with respect to the incident surface of the light transmitting portion is θ1, and the outgoing angle of the most off-axial light with respect to the emitting surface of the light transmitting portion is θ2.
0.0 ≦ θ2 / θ1 ≦ 0.50
The optical shaping apparatus according to claim 1, wherein the conditional expression is satisfied.
0.0≦θ2≦5.0
なる条件式を満たすことを特徴とする請求項1又は2に記載の光造形装置。 Assuming that the emission angle of the most off-axis ray with respect to the emission surface of the light transmitting portion is θ2 (deg)
0.0 ≦ θ2 ≦ 5.0
The optical shaping apparatus according to claim 1 or 2, wherein the conditional expression is satisfied.
0.50≦W/f≦5.0
なる条件式を満たすことを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項に記載の光造形装置。 Assuming that the width of the irradiation area on the exit surface of the light transmitting portion is W, and the focal length of the optical system including the projection optical system and the light transmitting portion is f,
0.50 ≦ W / f ≦ 5.0
The optical shaping apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein the conditional expression is satisfied.
0.30≦T1/L≦0.80
なる条件式を満たすことを特徴とする請求項1乃至7の何れか一項に記載の光造形装置。 When an interval between the light transmitting portion and the projection optical system is T1 and an overall length of the optical system including the projection optical system and the light transmitting portion is L on the optical axis of the projection optical system,
0.30 ≦ T1 / L ≦ 0.80
The optical shaping device according to any one of claims 1 to 7, wherein the conditional expression is satisfied.
−20≦β≦−2.0
なる条件式を満たすことを特徴とする請求項1乃至8の何れか一項に記載の光造形装置。 Assuming that the lateral magnification of the optical system including the projection optical system and the light transmitting portion is β,
−20 ≦ β ≦ −2.0
The optical shaping apparatus according to any one of claims 1 to 8, wherein the conditional expression is satisfied.
30≦R≦200
なる条件式を満たすことを特徴とする請求項1乃至9の何れか一項に記載の光造形装置。 When the radius of curvature of the incident surface of the light transmitting portion is R [mm],
30 ≦ R ≦ 200
The optical shaping apparatus according to any one of claims 1 to 9, wherein the conditional expression is satisfied.
前記投影光学系は、前記光変調素子からの変調光を、前記透光部を介して前記光硬化性樹脂に照射し、
前記制御部は、前記複数の二次元形状データの夫々に基づいて前記光変調素子を制御することを特徴とする請求項1乃至10の何れか一項に記載の光造形装置。 And a light modulation element having a plurality of pixels and modulating light from a light source for each of the pixels,
The projection optical system irradiates the photocurable resin with the modulated light from the light modulation element through the light transmitting section.
The optical shaping apparatus according to any one of claims 1 to 10, wherein the control unit controls the light modulation element based on each of the plurality of two-dimensional shape data.
前記投影光学系は、前記偏向部からの走査光を、前記透光部を介して前記光硬化性樹脂に照射し、
前記制御部は、前記複数の二次元形状データの夫々に基づいて前記偏向部を制御することを特徴とする請求項1乃至10の何れか一項に記載の光造形装置。 A deflection unit configured to deflect light from a light source to scan the photocurable resin;
The projection optical system irradiates the light curable resin with the scanning light from the deflection unit via the light transmission unit.
The optical shaping apparatus according to any one of claims 1 to 10, wherein the control unit controls the deflection unit based on each of the plurality of two-dimensional shape data.
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