JP2019206167A - 3d印刷法 - Google Patents

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Abstract

【課題】3D物体が異なる硬化手段で完全な硬化状態を達成することのできる3D印刷法を提供する。【解決手段】3D印刷法は、液体形成材料の波長−吸収率関係を取得し、波長−吸収率関係が、少なくとも2つの対応波長の吸収率ピークを含むことと;3D印刷装置を使用して3D物体を形成し、3D印刷装置が、第1光を提供して、液体形成材料を層毎に硬化させ、これらを積層することにより、3D物体を形成し、第1光の波長が、少なくとも2つの対応波長のうちの1つであることと;ポスト硬化装置で第2光を提供して3D物体を照射し、第2光が、少なくとも2つの対応波長を含むことを含む。【選択図】図1

Description

本発明は、3D(three-dimensional)印刷法に関するものである。
技術の急速な進歩に伴い、レイヤーバイレイヤー(layer-by-layer)モデル構築等の付加製造技術(additive manufacturing technology)を利用して3Dモデルを構築する方法が数多く提案されてきた。一般的に、付加製造技術は、コンピュータ支援設計(computer aided design, CAD)等のソフトウェアによって構築された3Dモデルの設計情報を連続積層された複数の薄い(擬二次元(quasi two-dimensional, 2D))断面層に変換する技術である。
また、複数の薄い断面層を形成する多くの技術が開発されている。例えば、3D印刷装置が使用する液体形成材料として光硬化樹脂(photopolymer)を使用し、液体形成材料に移動プラットフォームを設置するとともに、光源を駆動して、3Dモデルの設計データを基礎にして構築されるX−Y−Z座標に基づいて、X−Y座標に沿って移動させて液体形成材料を照射することにより、液体形成材料を硬化させて、正確な形状の断面層を形成することができる。そして、移動プラットフォームをZ軸に沿って移動させながら、液体形成材料を層毎に硬化させて、これらを積層することにより、移動プラットフォームの上に3D物体を形成することができる。
しかしながら、実際の製造プロセスにおいて、液体形成材料は、その材料特性により異なる光波長に対応する吸収率を有する可能性がある。つまり、液体形成材料の光吸収率は、異なる光波長によって変化する可能性があるため、液体形成材料は、単一波長の光で完全な硬化状態を達成することができない。3D印刷装置については、単一波長の硬化光源を採用する他に、硬化光源が液体形成材料を硬化させるのに適した全ての波長の光をカバーすることはできず、液体形成材料が異なる光波長に対応する吸収率を有することは言うまでもない。そのため、3D物体は、完全な硬化状態を達成するのが難しく、それにより、3D印刷品質が下がる。
そのため、3D物体の製造プロセスにおいて完全な硬化プロセスを提供し、上記の状況を改善することが、本分野の技術者によって解決すべき課題となっている。
本発明は、3D物体が異なる硬化手段で完全な硬化状態を達成することのできる3D印刷法に関するものである。
本発明の1つの実施形態は、液体形成材料の波長−吸収率関係を取得し、波長−吸収率関係が、少なくとも2つの対応波長の吸収率ピークを含むことと;3D印刷装置を使用して3D物体を形成し、3D印刷装置が、第1光を提供して、液体形成材料を層毎に硬化させ、これらを積層することにより、3D物体を形成し、第1光の波長が、少なくとも2つの対応波長のうちの1つであることと;ポスト硬化装置で第2光を提供して3D物体を照射し、第2光が、少なくとも2つの対応波長を含むことを含む3D印刷法を提供する。
以上のように、液体形成材料の波長−吸収率関係に基づいて、3D物体の硬化に必要な光特性を決定し、必要な特性の光を調整および適合させる。つまり、液体形成材料の波長−吸収率関係を取得した後、対応波長の吸収率ピークの数および対応波長がわかるため、第1光を使用して、3D物体の形成プロセスを実施する。第1光の波長は、対応波長のうちの1つである。そして、形成された3D物体をポスト硬化装置に配置し、ポスト硬化装置によって提供された第2光を使用して、3D物体に対してポスト硬化プロセスを実行する。第2光は、少なくとも2つのピークの対応波長を含む。
つまり、形成技術の実行プロセス中、第1光は、3D物体の形成に適した光波長を含むだけでよく、ポスト硬化プロセスにおいて、ポスト硬化装置が液体形成材料の全ての対応する吸収率波長の光を提供することにより、3D物体を完全に硬化させることができる。このようにして、異なる光波長によって液体形成材料の吸収率が異なるという問題を効果的に解決するため、3D物体は、硬化に適した全ての光波長帯を吸収することができる。
添付図面は、本発明の原理がさらに理解されるために含まれており、本明細書に組み込まれ、且つその一部を構成するものである。図面は、本発明の実施形態を例示しており、説明とともに、本発明の原理を説明する役割を果たしている。
図1は、本発明の1つの実施形態に係る3D印刷法を示すフローチャートである。 図2は、本発明の1つの実施形態に係る液体形成材料の波長−吸収率関係の概略図である。 図3Aは、本発明の1つの実施形態に係る3D印刷装置の概略図である。 図3Bは、本発明の1つの実施形態に係る3D印刷装置の概略図である。 図3Cは、3D印刷装置の構成要素の一部の電気接続関係を示したものである。 図3Dは、発光素子の波長−強度関係の概略図である。 図4Aは、本発明の1つの実施形態に係るポスト硬化装置の概略図である。 図4Bは、本発明の1つの実施形態に係るポスト硬化装置の概略図である。 図4Cは、ポスト硬化装置の電気接続関係を示したものである。 図5は、本発明の別の実施形態に係るポスト硬化装置の概略図である。
以下、添付の図面を例として、本発明の実施形態を詳細に説明する。各図面および関連説明において、同一または類似する構成要素には、同一の参照番号を使用する。
図1は、本発明の1つの実施形態に係る3D印刷法を示すフローチャートである。図2は、本発明の1つの実施形態に係る液体形成材料の波長−吸収率関係の概略図である。図1および図2を参照すると、3D印刷プロセスにおいて、液体形成材料の材料特性により、硬化光の吸収率は、異なる波長によって異なるため、本分野の課題を解決して3D物体が完全な硬化状態を達成できるよう、本発明の3D印刷法は、ステップS01において、まず、液体形成材料の波長−吸収率関係を取得する。つまり、図2に示した情報を取得する。まず、液体形成材料R1を参照すると、関係図からわかるように、液体形成材料R1は、3つの波長に対応する吸収率ピークP1、P2、P3(P1>P2>P3)を有し、液体形成材料R1が385nmの波長の光に対して比較的大きな吸収率を有し、続いて、365nmの波長の光、および405nmの波長の光の順に大きな吸収率を有することを示す。つまり、上述した3つの波長の硬化光は、それぞれ上手く液体形成材料を硬化させることができ、その差異は、硬化光の強度および照射時間にある。
言及すべきこととして、図2からわかるように、ピークP3は、ピークP1、P2と比較してはっきりしていない(吸収率が低い)ため、図示していない別の実施形態において、硬化光に対してピークP1、P2のうちの1つを選択してもよい。詳細については、後で説明する。
図3Aおよび図3Bは、本発明の1つの実施形態に係る3D印刷装置の概略図である。図3Cは、3D印刷装置の構成要素の一部の電気接続関係を示したものであり、点線は、非電気接続関係を示す。図3A〜図3Cを参照しながら、図1および図2と比較すると、3D印刷装置100は、例えば、光造形装置(stereolithography apparatus, SLA)であり、本体110と、タンク120と、形成プラットフォーム130と、硬化光源140と、駆動ユニット151および152と、制御ユニット160とを含む。本体110は、ベース112と、ベース112の上に配置されたガントリー(gantry)114とを含む。タンク120は、液体形成材料(例えば、上述した液体形成材料R1)を収容するために使用される。硬化光源140は、ベース112の中に配置され、タンク120の下に位置する。硬化光源140は、発光素子142と、光学素子144とを含む。制御ユニット160は、硬化光源140の発光素子142に電気接続されて、光L1aを生成し、光L1aは、光学素子144を貫通して、第1光L1を形成する。また、制御ユニット160は、例えば、光の焦点距離または照射、光の走査位置を調整するよう光学素子144を駆動して、特定位置の液体形成材料R1を硬化させてもよい。
また、駆動ユニット151を介して形成プラットフォーム130をガントリー115の上に移動可能に配置するとともに、制御ユニット160を駆動ユニット151に電気接続して、Z軸に沿って移動するよう形成プラットフォーム130を駆動することにより、形成プラットフォーム130をタンク120の中および外に移動させることができる。
形成プラットフォーム130がタンク120の中に移動して液体形成材料と接触した時、硬化光源140は、第1光L1を提供して、透明のタンク120の底部を貫通させることにより、液体形成材料R1を層毎に硬化させて、形成プラットフォーム130の形成面に形成する。形成プラットフォーム130がタンク120から徐々に離れると、液体形成材料R1を層毎に硬化させることによって形成された固体状態の形成層が、3D物体の印刷が完了するまで形成プラットフォーム130の上に徐々に積層される。言及すべきこととして、本発明に関連する構成要素および3D印刷プロセスのみを紹介するが、開示していない他の部分は、既存の光造形技術から知ることができるため、ここでは詳しい説明を省略する。
図3Dは、発光素子の波長−強度関係の概略図である。図3Dを参照すると、本実施形態において、硬化光源140の発光素子142は、例えば、発光ダイオード(light-emitting diode, LED)であり、LEDの単色光の特性により、図3Dに示した3つの異なるピークは、それぞれ3つの異なる発光素子によって生成された光波長を示し、同時に、図2に示した液体形成材料R1の波長−吸収率関係に対応する。言及すべきこととして、比較的低い波長の光は、高精度の光学素子で処理しなければならないだけでなく、通過する物体を損傷させやすい。つまり、図3A、図3Bに示した3D印刷装置100において、光学素子144およびタンク120は、いずれも発光素子142によって生成された光L1aおよび第1光L1の光学経路に設置され、比較的低い波長の発光素子142を適用すると、光学素子144の製造コストが上がるだけでなく、光学素子144およびタンク120が損傷しやすいために、3D印刷装置の使用寿命が減り、維持費が上がる。
そのため、3D印刷装置100の他に、本発明は、さらに、ポスト硬化装置200を提供する。図4Aおよび図4Bは、本発明の1つの実施形態に係るポスト硬化装置の概略図である。図4Cは、ポスト硬化装置の電気接続関係を示したものである。図4A〜図4Cを参照すると、ポスト硬化装置200は、本体210と、複数の発光素子と、制御ユニット220とを含む。本体210は、底部211、側部212および213、および頂部214で構成され、3D物体を収容するチャンバー215を形成する。ユーザーがチャンバー215を開閉できるよう、側部213に相対して開閉させるのに適した側部212を側部213に組み立てる。図4Bおよび図4Cに示すように、制御ユニット220で複数の発光素子を制御して、チャンバー215内の3D物体に第2光L2を提供し、ポスト硬化プロセスを実行する。発光素子は、第1発光素子231、第2発光素子232、および第3発光素子233を含み、それぞれ本体210の頂部214に配置され、制御ユニット220に電気接続されるため、制御ユニット220は、発光素子をオン/オフにして、発光素子の出力電力(第2光L2の照射強度とみなすことができる)および照射時間を調整することができる。第1発光素子231、第2発光素子232、および第3発光素子233は、図3Dに示すように、異なる波長の光を生成することができる。第1発光素子231は、385nmの光を生成するために使用され、第2発光素子232は、365nmの光を生成するために使用され、第3発光素子233は、405nmの光を生成するために使用される。つまり、発光素子は、その波長に基づいてチャンバー215の上部の異なる領域に配置されるため、第2光L2は、少なくとも1つの異なる波長の光を含むことができる。言及すべきこととして、3つの異なる波長帯の光を図示しているが、本発明は、波長帯の数を限定しない。
また、本実施形態のポスト硬化装置200は、さらに、本体210の底部211に配置され、チャンバー215の底部に位置する回転ベース211aを含み、形成された3D物体は、回転ベース211aの上に配置されるのに適しているため、ポスト硬化プロセスにおいて、回転ベース211aで3D物体を駆動して、チャンバー215内で回転させることにより、第2光L2によって照射される3D物体の照射表面積を改善することができる。
本発明は、ポスト硬化装置における発光素子の配置方法について限定しない。図5は、本発明の別の実施形態に係るポスト硬化装置の概略図である。上述した実施形態との相違点は、本実施形態のポスト硬化装置200Aにおいて、発光素子230Aがその波長に基づいてチャンバー周囲の異なる領域に配置されることである。このようにして、3D物体をチャンバーの中に配置した後、囲まれた発光素子230Aによって生成された光で3D物体を照射することができる。
図1を参照しながら、図2および図3Dと比較すると、上述したように、3D印刷プロセスに比較的低い波長の光を採用することによって生じる問題を回避するために、ポスト硬化装置200を3D印刷装置100と合わせて使用し、図1に示した3D印刷方法を実施する。言及すべきこととして、3D印刷方法に対する光波長の選択は単なる例であり、本分野の技術者であれば、所望の選択論理に基づいて、他の関連する実施形態を推測することができる。
ステップS01で説明したように、まず、液体形成材料R1の波長−吸収率関係を取得する。そして、図2に示すように、波長−吸収率関係は、少なくとも2つの対応波長の吸収率ピークを含み、本実施形態では、3つの対応波長の吸収率ピークP1、P2、およびP3を例に挙げて説明する。そして、ステップS02において、3D印刷装置100を使用して3D物体を形成し、3D印刷装置100は、第1光L1を提供して、液体形成材料R1を層毎に硬化させ、これらを積層することにより、3D物体を形成する。第1光L1の波長は、少なくとも2つの対応波長のうちの1つであり、本実施形態では、吸収率ピークP1、P2、およびP3のうちの比較的高い方を選択する。すなわち、図3Dに示すように、吸収率ピークP1に対応する波長(385nm)の光を3D物体の形成に必要な発光素子142として使用する。
図示していない別の実施形態において、吸収率ピークP1、P2、およびP3のうち波長が比較的長い方を選択してもよい。つまり、吸収率ピークP3に対応する波長(405nm)の光を3D印刷装置100の発光素子142として使用する。
上述したように、吸収率ピークP1、P2と比較して、吸収率ピークP3は、比較的低く、はっきりしていないため、図示していない別の実施形態において、吸収率ピークP1およびP2を選択基準とし、同様に、吸収率ピークP1に対応する波長の光を3D印刷プロセスに必要な硬化光源140として選択し、同時に、比較的長い波長を選択する。
上記の説明からわかるように、本発明の3D印刷方法は、液体形成材料R1の波長−吸収率関係を知った後、3D印刷装置100が3D物体を形成するのに必要な硬化光源140として、比較的高い吸収率ピークに対応する波長の光、または比較的長い対応波長(あるいは、上記の条件の両方を満たす波長)を選択することにより、比較的短い波長の光が光学素子144およびタンク120を損傷する状況を回避して、製品の使用寿命を向上させ、維持費を減らす。同時に、このような方法は、より高精度の光学素子を使用しないため、製造コストを減らし、3D印刷の処理効率を上げることもできる。
その後、ステップS03において、形成された3D物体をポスト硬化装置200のチャンバー215に移動させる。ポスト硬化装置200は、第2光L2を提供して、3D物体を照射する。第2光L2は、少なくとも2つの対応波長を含み、本実施形態において、第2光L2の波長は、上述した液体形成材料R1の3つの吸収率ピークP1、P2、およびP3の対応波長を含む。
詳しく説明すると、3D印刷装置100とポスト硬化装置200を比較するとわかるように、3D印刷装置100は、3D物体の3D印刷プロセスを完了させるために、光学素子を使用して、タンク120内の液体形成材料R1の特定位置を照射するよう第1光L1を制御する必要がある。その後、ポスト硬化装置200を使用して、形成された3D物体をさらに硬化させるため、発光素子は、光を導く、または集光するために光学素子144を追加する必要がない。つまり、発光素子が光を生成して3D物体を照射している間、光がどの中間物体も通過しないため、物体損傷の問題を回避することができる。このようにして、異なる波長を有する第1発光素子231、第2発光素子232、および第3発光素子233をポスト硬化装置200に設置することができるため、第2光L2の波長は、図3Dに示すように、液体形成材料R1の波長−吸収率関係における全てのピーク(P1、P2、およびP3)の対応波長を含むことができる。このようにして、チャンバー215に移動した3D物体は、複数の波長帯の第2光L2を受信することにより、完全な硬化状態を達成することができる。
言及すべきこととして、ユーザーが操作しやすいよう、本実施形態の3D印刷法は、さらに、異なる液体形成材料に対し、対応する第1光L1の波長(またはその関連パラメータ)のデータを3D印刷装置100に保存することと;第2光L2に対応する少なくとも2つの対応波長(またはその関連パラメータ)のデータをポスト硬化装置200に保存することを含む。さらに、本実施形態において、第2光L2の少なくとも2つの対応波長の強度または照射時間をポスト硬化装置200に保存する。このようにして、ユーザーが再度3D印刷を実行した時、必要な波長、強度、照射時間等の関連データまたはパラメータを3D印刷装置100およびポスト硬化装置200から直接取得することにより、ユーザーの操作手順を容易にし、3D印刷効率を上げることができる。
図2および図3Dを参照しながら、異なる実施形態を提供して、本発明の3D印刷法の光の使用について説明する。
1つの実施形態において、ユーザーは、まず、吸収率ピークP3の対応波長405nmの光を3D印刷装置100が3D物体を形成するのに必要な第1光L1として使用することができ、その後、ポスト硬化装置200は、吸収率ピークP1、P2、およびP3の対応波長385nm、365nm、および405nmを含む第2光L2により、形成された3D物体に対してポスト硬化プロセスを実行するため、本実施形態において、第1光L1の波長は、第2光L2の波長よりも大きいか、それに等しい。
1つの実施形態において、ユーザーは、発光素子の出力電力を変更して、第1光L1および第2光L2の強度を調整することができる。例えば、ユーザーは、3D印刷装置100を使用して、比較的低い強度の第1光L1で3D印刷プロセスを実行した後、ポスト硬化装置200を使用して、比較的高い強度の第2光L2で3D物体の最終硬化を終了させることができる。
図2を参照すると、ユーザーが別の液体形成材料R2を選択した時、3D印刷プロセスおよびポスト硬化プロセスが使用する光の形式は、依然として、液体形成材料R2の波長−吸収率関係に基づいて決定される。図2からわかるように、光強度は、液体形成材料の吸収率に比例する。例えば、ポスト硬化プロセスを実行した時、第2光L2の強度は、液体形成材料R2の吸収率ピークP4、P5、P6に基づいて決定することができる。つまり、発光素子の出力電力を決定するために、例えば、吸収率ピークP4、P5、P6に対応する吸収率に基づいて、第1発光素子231の出力電力を100%に設定し、第2発光素子232の出力電力を90%に設定し、第3発光素子233の出力電力を50%に設定する。
また、液体形成材料R1とR2を比較すると、第2光L2の照射時間は、液体形成材料R1およびR2の吸収率に反比例する。つまり、液体形成材料R2の吸収率は、実質的に、液体形成材料R1の吸収率の半分であるため、液体形成材料R2に必要な照射時間は、液体形成材料R1の2倍である。
以上のように、本発明の実施形態において、3D印刷法は、液体形成材料の波長−吸収率関係に基づいて、3D物体の硬化に必要な光特性を決定し、必要な特性の光を調整および適合させる。つまり、液体形成材料の波長−吸収率関係を取得した後、対応波長の吸収率ピークの数および対応波長がわかるため、第1光を使用して、3D物体の形成プロセスを実施する。第1光の波長は、対応波長のうちの1つである。そして、形成された3D物体をポスト硬化装置に配置し、ポスト硬化装置によって提供された第2光を使用して、3D物体に対してポスト硬化プロセスを実行する。第2光は、少なくとも2つのピークの対応波長を含む。
すなわち、本発明の3D印刷法では、単一波長の光のみを使用して3D物体を形成することを回避する。つまり、3D印刷プロセスの製造効率を考慮して、3D印刷装置とポスト硬化装置を合わせて使用し、3D物体の硬化手段を調整する。まず、単一波長の光を用いて、3D物体印刷プロセスを実行した後、複数の波長の光を用いて、ポスト硬化プロセスを実行するため、3D物体は、完全な硬化状態を達成し、3D物体の品質を向上させることができる。
以上のごとく、この発明を実施形態により開示したが、もとより、この発明を限定するためのものではなく、当業者であれば容易に理解できるように、この発明の技術思想の範囲内において、適当な変更ならびに修正が当然なされうるものであるから、その特許権保護の範囲は、特許請求の範囲および、それと均等な領域を基準として定めなければならない。
本発明の3D印刷法は、3D印刷装置に応用することができる。
100 3D印刷装置
110 本体
112 ベース
114 ガントリー
120 タンク
130 形成プラットフォーム
140 硬化光源
142 発光素子
144 光学素子
151、152 駆動ユニット
160 制御ユニット
200、200A ポスト硬化装置
210 本体
211 底部
211a 回転ベース
212、213 側部
214 頂部
215 チャンバー
220 制御ユニット
231 第1発光素子
232 第2発光素子
233 第3発光素子
230A 発光素子
L1 第1光
L1a 光
L2 第2光
P1、P2、P3、P4、P5、P6 ピーク
R1、R2 液体形成材料
S01、S02、S03 ステップ
X−Y−Z 座標

Claims (13)

  1. 液体形成材料の波長−吸収率関係を取得し、前記波長−吸収率関係が、少なくとも2つの対応波長の吸収率ピークを含むことと、
    3D印刷装置を使用して3D物体を形成し、前記3D印刷装置が、第1光を提供して、前記液体形成材料を層毎に硬化させ、これらを積層することにより、前記3D物体を形成し、前記第1光の波長が、前記少なくとも2つの対応波長のうちの1つであることと、
    ポスト硬化装置で第2光を提供して3D物体を照射し、前記第2光が、前記少なくとも2つの対応波長を含むことと、
    を含む3D印刷法。
  2. 前記第1光の前記波長が、前記吸収率ピークのうちの比較的高い方に対応する請求項1に記載の3D印刷法。
  3. 前記第1光の前記波長が、前記少なくとも2つの対応波長のうちの比較的長い方に対応する請求項1に記載の3D印刷法。
  4. 前記第1光の前記波長が、前記第2光の前記少なくとも2つの対応波長よりも大きいか、それに等しい請求項1に記載の3D印刷法。
  5. 前記第1光の強度が、前記第2光の前記少なくとも2つの対応波長の強度よりも小さい請求項1に記載の3D印刷法。
  6. 前記第2光の前記少なくとも2つの対応波長の強度が、前記液体形成材料の前記吸収率に比例する請求項1に記載の3D印刷法。
  7. 前記第2光の前記少なくとも2つの対応波長の照射時間が、前記液体形成材料の前記吸収率に反比例する請求項1に記載の3D印刷法。
  8. 前記ポスト硬化装置が、
    チャンバーを有する本体と、
    前記本体の中にそれぞれ配置された制御ユニットおよび複数の発光素子と、
    を含み、
    前記発光素子が、前記制御ユニットに電気接続され、前記制御ユニットが、前記第2光の照射時間および前記強度を制御および調整し、前記3D物体が、前記チャンバーの中に配置されるのに適し、前記駆動ユニットが、前記第2光を提供するよう前記発光素子を駆動して、前記チャンバー内の前記3D物体を照射する請求項1に記載の3D印刷法。
  9. 前記発光素子が、その光波長に基づいて、前記チャンバーの上部にある異なる領域に設置される請求項8に記載の3D印刷法。
  10. 前記発光素子が、その光波長に基づいて、前記チャンバーの周囲にある異なる領域に設置される請求項8に記載の3D印刷法。
  11. 前記ポスト硬化装置が、さらに、前記本体内に配置され、前記チャンバーの底部に位置する回転ベースを含み、前記3D物体が、前記回転ベースの上に配置されるのに適した請求項8に記載の3D印刷法。
  12. 異なる前記液体形成材料に対し、対応する前記第1光の前記波長を前記3D印刷装置に保存することと、
    対応する前記第2光の前記少なくとも2つの対応波長を前記ポスト硬化装置に保存することと、
    をさらに含む請求項1に記載の3D印刷法。
  13. 前記第2光の前記少なくとも2つの対応波長の強度または照射時間を前記ポスト硬化装置に保存することをさらに含む請求項12に記載の3D印刷法。
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