JP2020505252A - 光硬化型三次元印刷方法及び装置 - Google Patents

Abstract

光硬化型三次元印刷方法及び装置。この光硬化型三次元印刷方法は、印刷対象の三次元データモデルを取得するステップと、この三次元データモデルを複数層に分割するステップと、この三次元データモデルの少なくとも一部の層に対して、各層の露出領域と内部領域を識別するステップと、各層の露出領域に対しては層毎にそれぞれ露光を行い、各層の内部領域に対しては複数層おきに１回の露光工程を行うステップと、を含む。

Description

本発明は、三次元印刷技術、特に光硬化型三次元印刷方法及び装置に関する。

三次元印刷技術は、コンピュータによる三次元設計モデルを基礎とし、ソフトウェアによる階層離散化、数値制御成形システムを介して、レーザービームやホットメルト型ノズルなどの手段によって、金属粉末、セラミックス粉末、プラスチック、細胞組織などの特殊な材料に対して１層ずつ積層と接着を行い、最終的に積層成形して実製品を製造する従来の製造業において金型や旋削フライスなどの機械加工方式によって素材に対して定型や切削を行うことで最終的に製品を製造することと異なり、三次元印刷では三次元実体を複数の二次元平面に変換し、材料を処理して１層ずつ積層して製造することで、製造の複雑さを大幅に低減する。このようなデジタル化製造モードでは、複雑なプロセスや大きな工作機械や多くのマンパワーを必要とせず、コンピュータの図面データから様々な複雑形状の部品を直接的に製造することができるため、生産製造をより広い範囲の製造業に携わる人々へ普及させる。

現在、三次元印刷技術の成形方式は継続的に発展しつつあり、使用される材料も様々である。様々な成形方式において、光硬化法が比較的成熟した方式である。光硬化法とは、光硬化性樹脂が紫外線に照射された後に硬化するという原理を利用し、材料を積層して成形する方法であり、成形精度や表面光沢度や材料利用率が高いなどの特徴を有する。

図１は光硬化型三次元印刷装置の基本構造を示す。この三次元印刷装置１００は、光硬化性樹脂を収容するための原料タンク１１０と、光硬化性樹脂を硬化させるための画像露光システム１２０及び成形したワークを接続させるための昇降台１３０を含む。画像露光システム１２０は原料タンク１１０の上方に位置し、ビーム画像を照射して原料タンク１１０の液面の１層の樹脂を硬化させることができる。画像露光システム１２０がビーム画像を照射して１層の樹脂を硬化させるように毎回実施した後、昇降台１３０は、成形したその樹脂層を少々降下させ、スクレーパ１３１で、硬化したワークの上面に光硬化性樹脂を均一に敷き、次の照射を待つ。このように繰り返して動作すると、１層ずつ積層成形された三次元ワークを得る。

しかしながら、硬化過程において光硬化性樹脂に一定の収縮が生じ、通常に収縮率が２〜８％であり、その生じた収縮応力によって周囲の光硬化性樹脂に対して付勢力を発生する。このような付勢力は三次元ワークの各層における各位置の樹脂の間に存在し、各層の樹脂の間にも存在する。大面積の樹脂を一括して硬化させる場合、このような応力が極めて顕著になるため、硬化後の樹脂に反りや変形が生じることを引き起こしてしまう。

本発明が解決しようとする課題は、光硬化性樹脂の反りや変形の問題を改善できる光硬化型三次元印刷方法及び装置を提供することである。

本発明は、印刷対象の三次元データモデルを取得するステップと、該三次元データモデルを複数層に分割するステップと、該三次元データモデルの少なくとも一部の層に対して、各層の露出領域と内部領域を識別するステップと、各層の露出領域に対しては層毎にぞれぞれ露光を行い、各層の内部領域に対しては複数層おきに１回の露光工程を行うステップと、を含む光硬化型三次元印刷方法を提供する。

本発明の一実施例において、上記方法はさらに内部領域の露光されていない層において、露光して複数の支持柱を形成するステップを含む。

本発明の一実施例において、該露光工程は、内部領域を相補的な第１パターンと第２パターンに分割することと、第１回露光ステップにより該第１パターンを露光することと、第２回露光ステップにより該第２パターンを露光することと、を含む。

本発明の一実施例において、該露光工程は、内部領域を相補的な第１パターンと第２パターンに分割することと、該第２パターンを露光せず、該第１パターンのみを露光することと、を含む。

本発明の一実施例において、該三次元データモデルの各層の第１パターンと第２パターンの間に変位がある。

本発明の一実施例において、該変位はランダムである。

本発明の一実施例において、該第１パターンと該第２パターンは碁盤目において対角となる格子である。

本発明の一実施例において、各格子の一次元寸法が２〜２０個の画素である。

本発明の一実施例において、該第１パターンは井桁状ストライプで仕切られた格子であり、該第２パターンは井桁状ストライプである。

本発明の一実施例において、該第１回露光ステップと該第２回露光ステップとの時間は部分的に重なっている。

本発明の一実施例において、該第１回露光ステップと該第２回露光ステップとの時間は重なっていない。

本発明の一実施例において、各格子の一次元寸法は１０〜５０個の画素であり、各井桁状ストライプの幅は２〜１０個の画素である。

本発明の一実施例において、上記方法は、該露出領域に第１露光強度を与え、該内部領域に第２露光強度を与えることと、第１露光強度で該露出領域を露光し、第２露光強度で該内部領域を露光することと、をさらに含み、該第１露光強度が該第２露光強度より大きい。

本発明の一実施例において、該第２露光強度は該第１露光強度の６６％以下である。

本発明の一実施例において、該露出領域は上部ケース、側縁及び／又は底部ケースを含む。

本発明の一実施例において、該露出領域の法線方向の厚さが１〜５個の画素である。

本発明の一実施例において、該三次元データモデルの底層からの複数層に該第１露光強度を一様に与える。

本発明の一実施例において、上記方法は、該三次元データモデルの少なくとも一部の層に対して、寸法が閾値に達する底部ケース領域と該底部ケース領域を支持するための１つ又は複数の支持部の該層における島型領域を識別することと、各島型領域と該底部ケース領域の間に分割領域を画定することと、第１時期に各島型領域と該底部ケース領域を露光し、第２時期に各分割領域を露光することと、をさらに含み、該第１時期が該第２時期より早い。

本発明の一実施例において、該第２時期の少なくとも一部は該第１時期と重なっている。

本発明の一実施例において、該第２時期は該第１時期と重なっていない。

本発明の一実施例において、該三次元データモデルの底層からの複数層に対して、層全体を同時に露光する。

本発明は、メモリとプロセッサを含む光硬化型三次元印刷装置を提供する。メモリはコンピュータ可読命令を記憶する。プロセッサは、印刷対象の三次元データモデルを取得するステップと、該三次元データモデルを複数層に分割するステップと、該三次元データモデルの少なくとも一部の層に対して、各層の露出領域と内部領域を識別するステップと、各層の露出領域に対しては層毎にぞれぞれ露光を行い、各層の内部領域に対しては複数層おきに１回の露光工程を行うステップとを実施するように該コンピュータ可読命令を実行する。

本発明は、さらに光硬化型三次元印刷装置を提供し、印刷対象の三次元データモデルを取得するためのモジュールと、該三次元データモデルを複数層に分割するためのモジュールと、該三次元データモデルの少なくとも一部の層に対して、各層の露出領域と内部領域を識別するためのモジュールと、各層の露出領域に対しては層毎にぞれぞれ露光を行い、各層の内部領域に対しては複数層おきに１回の露光工程を行うためのモジュールと、を含む。

本発明は、以上の技術的解決手段を用いるため、従来技術に比べて、印刷の垂直方向において間隔をあけて露光を行うことによって、て露光工程における各層の収縮による他層への影響を小さくすることができる。

また、本発明は、大面積領域を水平方向において領域毎に露光し、露光するたびに互に隣接していない小さい領域を露光するため、大面積の領域を露光して硬化させる時の収縮蓄積を顕著に低下させる。

また、三次元データモデルの露出領域と内部領域を区分し、異なる露光強度で露光し、それにより内部領域の露光強度が露出領域より小さくなるようにすることができる。そうすることで、露出領域の露光強度は内部領域より大幅に大きくなり、変形が生じる主な原因である内部実体領域の収縮量が顕著に低下し、昇温が減少することによって、三次元モデルの反りや変形の問題が改善される。

また、それらの大面積の底部ケース領域と既に成形した支持部で接続された島型領域とを識別することで、両者の間に分割領域を画定する。露光時に、まずその他の領域を露光し、次に分割領域を露光し、それにより大面積領域の全体を露光する時の収縮による支持部への引張応力を可能な限りに減少させる。

以下の実施例及びその図面により、本発明の特徴、性能をさらに説明する。
光硬化型三次元印刷装置の基本構造を示す。 本発明の一実施例の光硬化型三次元印刷方法のフローチャートを示す。 本発明の一実施例による三次元データモデルを示す。 本発明の一実施例による三次元データモデルの階層図を示す。 本発明の一実施例による三次元データモデルの領域識別を示す図である。 本発明の別の実施例による三次元データモデルの領域識別を示す図である。 本発明の一実施例による複数層おきに印刷することを示す図である。 本発明の一実施例による複数層おきに印刷することを示す図である。 本発明の一実施例による複数層おきに印刷することを示す図である。 本発明の一実施例による複数層おきに印刷することを示す図である。 本発明の一実施例による支持柱を有する印刷構成図を示す。 本発明の一好ましい実施例の内部領域の露光工程を示す。 本発明の一実施例によるパターン識別を示す図である。 本発明の一実施例による分割露光工程を示す。 本発明の一実施例による分割露光工程を示す。 本発明の別の実施例によるパターン識別を示す図である。 本発明の別の好ましい実施例の内部領域の露光工程を示す。 本発明の別の好ましい実施例の内部領域の露光工程を示す。 本発明の別の好ましい実施例の内部領域の露光工程を示す。 本発明の別の実施例の光硬化型三次元印刷方法のフローチャートを示す。 本発明の別の実施例の光硬化型三次元印刷方法のフローチャートを示す。 本発明の一実施例による三次元データモデルの領域識別を示す図である。 本発明の一実施例による三次元データモデルの領域識別を示す図である。 本発明の別の実施例による光硬化型三次元印刷方法のフローチャートを示す。

本発明の実施例は、光硬化型三次元印刷方法を説明し、大面積の光硬化性樹脂を硬化させる時に発生した内部応力を減少させ、被印刷ワークの反りや変形の程度を改善することができる。

図１は光硬化型３Ｄ印刷装置の基本構造を示す。該３Ｄ印刷装置１００は、光硬化性樹脂を収容するための原料タンク１１０と、光硬化性樹脂を硬化させるための結像システム１２０と、成形したワークを接続させるための昇降台１３０とを含む。画像露光システム１２０は原料タンク１１０の上方に位置し、ビーム画像を照射して原料タンク１１０の液面の１層の光硬化性樹脂を硬化させることができる。画像露光システム１２０はビーム画像を照射することで１層の光硬化性樹脂を硬化させるように毎回実施した後、昇降台１３０は、成形したその光硬化性樹脂層を少々降下させ、スクレーパ１３１で硬化したワークの上面に光硬化性樹脂を均一に敷き、次の照射を待つ。このように繰り返して動作すると、１層ずつ積層成形された三次元ワークを得る。

画像露光システム１２０はビーム画像を光硬化性樹脂に照射し、必要な露光パターンを形成することができる。画像露光システム１２０にはビーム画像を形成可能な様々な公知技術を用いてよい。

例えば、一実施例において、画像露光システム１２０にはデジタル光処理（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｏｎ、ＤＬＰ）投影技術を用いてよい。ＤＬＰ投影イメージング技術はデジタルマイクロミラー素子（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ、ＤＭＤ）を使用して光に対する反射を制御することで達成される。デジタルマイクロミラー素子は鏡面と見なされてよい。該ミラーは数十万から数百万個のマイクロミラーで構成されている。それぞれのマイクロミラーは１つの画素を示し、画像はこれらの画素で構成される。

別の実施例において、画像露光システム１２０にはさらに液晶（ＬＣＤ）投影技術を用いてよい。液晶パネルは多くの画素を含み、各画素は偏光の偏光方向を単独で制御することができ、液晶パネル両側の偏光フィルタに合わせて、ある画素の光線が通過するか否かを制御できるため、液晶パネルシステムを経たビームは画像化されたものである。

印刷対象の三次元データモデルを光硬化型３Ｄ印刷装置１００に入力し、さらに三次元データモデルを多くの二次元画像に分解し、これらの画像を画像露光システム１２０に送信した後、後者を介して投影する。

いかなる成形物体である印刷対象に対しても、１つの露出面で１つの内部実体を被覆して構成されるものであると考えられる。ここで、印刷対象のほとんどの部分が実体である。変形は材料の体積収縮による内部応力により引き起こされ、内部応力は、反応熱の熱応力、層間横方向収縮力、現在層の硬化収縮による下層の硬化済みモデルに対する引張り応力という３つの部分で引き起こされる。現在層の露光光線は下層の硬化済みモデルに透過することで、下層のモデルがさらに収縮する。これらの収縮原理に基づいて、実体の露光強度を小さくし、実体の放熱を減少させることができ、あるいは、水平分割により、大面積の実体を碁盤目、井桁状ストライプ、島型体に分割し、横方向収縮で発生する変形を減少させ、垂直分割により、上下層の接続強度を小さくし、現在層の硬化収縮による下層の硬化済みモデルに対する引張を小さくすることができ、垂直分割により、現在層の露光光線が下層の硬化済みモデルに透過する露光強度を小さくすることもできる。以下、本発明の各態様の特徴をそれぞれ説明する。

本発明の実施例に基づいて、三次元データモデルに対する領域識別に必要な前処理した後、画像露光システム１２０に送信して、画像露光システム１２０で露光する。

図２は本発明の一実施例の光硬化型三次元印刷方法のフローチャートを示す。図２に示すように、方法は、
印刷対象の三次元データモデルを取得するステップ２０１と、
三次元データモデルを複数層に分割するステップ２０２と、
三次元データモデルの少なくとも一部の層に対して、各層の露出領域と内部領域を識別するステップ２０３と、
各層の露出領域に対しては層毎にぞれぞれ露光を行い、各層の内部領域に対しては複数層おきに１回の露光工程を行うステップ２０４と、を含む。

図３Ａは本発明の一実施例による三次元データモデルを示す。図３Ａに示すように、三次元データモデル３００は部屋モデルであり、基礎３０１、複数の支柱３０２と屋根３０３を含む。図３Ａは本発明の一実施例による三次元データモデルの階層図であり、例えば、図３Ｂに示すように、ステップ２０２において、三次元データモデル３００を複数層３１０、３２０、３３０、……、５６０のように分割する。各層は３Ｄ印刷を行う時に１回樹脂を硬化させ、１層の光硬化した樹脂を生成するのに用いられる。例えば、硬化の手順は、例えば、３１０から、順に３２０、３３０、……、５６０までである。各層の二次元平面は数百個の画素、さらに数万個の画素を含んでもよい。

図４Ａは本発明の一実施例による三次元データモデルの領域識別を示す図である。図４Ａに示すように、ステップ２０３において、三次元データモデル３００の少なくとも一部の層、例えば、層４９０に対して、その露出領域３１１と内部領域３１２を識別する。露出領域とは、その文字通り、成形したワークにおいて被覆されていない領域である。露出領域は上部ケース、側縁と底部ケースを含んでもよい。図４Ａに示すように、層４９０の下には４本の支柱３０２のみ（図４Ａにおいて２本）により支持されるため、露出領域３１１は支柱以外の底部ケース（図中、斜線のハッチング）である。内部領域は被覆された領域である。例えば、内部領域３１２の底面はその支持部に被覆され、両側は露出領域３１１に被覆され、表面はその他の内部領域に被覆される。

層５００から５６０までの領域識別については、以上のように類推することができるため、ここでの説明を省略する。図４Ａにおいてこれらの層の識別された露出領域を示し、斜線のハッチングで示される。露出領域ではその法線方向の厚さは、例えば、１〜５個の画素に設定することができる。図４Ｂに示すように、露出領域３２１は層４９０から層５００まで貫通する。

例えば、前記ステップ２０４において、各層の露出領域に対しては層毎にぞれぞれ露光を行い、各層の内部領域に対しては複数層おきに１回の露光工程を行う。図５Ａ〜５Ｄは本発明の一実施例による複数層おきに印刷することを示す図である。まず図５Ａに示すように、層４９０の露出領域（斜線のハッチング領域）３２１を露光し、実体領域３１２（点のハッチング領域）を露光し、その後、図５Ｂに示すように、層５００の露出領域（斜線のハッチング領域）３２１を露光するが、実体領域３１２を露光せず、その後図５Ｃに示すように、同様に層５１０の露出領域（斜線のハッチング領域）３２１を露光するが、実体領域３１２を露光せず、また図５Ｄに示すように、層５２０の露出領域（斜線のハッチング領域）を露光し、実体領域（点のハッチング領域）を露光する。そうすることで、２層おきに１回の露光工程を行うことで、各層の樹脂の間の収縮で発生する影響を抑えることができる。例えば、層５００が露光されていないため、層４９０に対して収縮力を生成することがなく、層５２０を露光することで発生した収縮力は未露光の層５１０に作用され、層５１０がそれに伴って収縮することがなく、収縮力を層４９０に伝達することもない。光硬化性樹脂の硬化には光に面した面の硬化強度が高く、他方の面の強度が低い勾配がある。実施する時、間隔を開けた層の数は樹脂硬化深さに基づいて調整することができる。例えば、層厚さ０．１ｍｍに対して、樹脂硬化深さが０．３ｍｍである場合、２層の間隔を開けることができる。このように硬化済みモデルとの接触領域においては完全に液体でもなく、完全に固体でもなく、ワークは一定の強度を有するが、層間で摺動することもでき、上層による下層への影響が非常に小さい。

好ましくは、実体領域の未露光の層において完全に露光されていないわけではなく、図５Ｅに示すように、局所で露光することで、幾つかの支持柱３１３を形成することができる。それにより、該層の強度を向上させることができ、上下の２層が接続されることを保証する。

体積が大きいワークに対して、単層の大面積の露光は収縮と発熱の問題を有するため、本発明の好ましい実施例において、さらに単層における分割露光の技術を導入する。

図６は本発明の好ましい実施例の内部領域の露光工程を示す。図６に示すように、該過程は、
内部領域を相補的な第１パターンと第２パターンに分割するステップ６０１と、
第１回露光ステップにより第１パターンを露光するステップ６０２と、
第２回露光ステップにより第２パターンを露光するステップ６０３と、を含む。

図７は本発明の一実施例によるパターン識別を示す図である。図７に示すように、本実施例の第１パターン７１と第２パターン７２が碁盤目７０において対角となる格子である。第１パターン７１と第２パターン７２は相補的であり、それぞれ接続されていない大きさが同じである格子で構成される。ここで、格子の大きさは任意に設定することができ、格子の大きさが２〜２０個の画素であることが好ましい。

図８Ａと図８Ｂは本発明の一実施例による分割露光工程を示す。図８Ａと図８Ｂに示すように、第１回露光ステップにおいてまず第１パターン７１を露光し、第２回露光ステップにおいてさらに第２パターン７２を露光し、もちろん順序は逆であってもよい。層間の影響を考慮しなければ、第１回露光では露光した部分が完全に接続されていないため、その収縮による全体の変形への影響がなく、第２回露光では収縮で露光済み部分の実体を接続させ、変形を引き起こすが、全体的に改善される。

図９は本発明の別の実施例によるパターン識別を示す図である。図９に示すように、本実施例のパターン９０において第１パターン９１は井桁状ストライプで仕切られた格子であり、第２パターン９２は井桁状ストライプである。ここでは、格子を１０〜５０個の画素に設定することができ、井桁状ストライプストライプを２〜１０個の画素に設定することが好ましい。

図１０Ａと図１０Ｂは本発明の別の実施例による分割領域の露光を示す図である。図１０Ａと図１０Ｂに示すように、まず第１回露光ステップにおいて第１パターン９１を露光し、第２回露光ステップにおいてさらに第２パターン９２を露光する。層間の影響を考慮しないと、第１回露光格子では、露光した部分が完全に接続されていないため、その収縮により全体の変形に与える影響がなく、第２回露光では収縮で露光済み部分の実体を接続させ、変形を引き起こすが、井桁状ストライプが格子に対して非常に小さく、この影響を無視することができる。

ステップ６０２と６０３において、装置は画像露光システム１２０が第１回と第２回露光を行うように制御することができる。ここで、第１回と第２回露光の時間は部分的に重なってもよく、完全に重ならなくてもよい。

図１１は本発明の別の好ましい実施例の内部領域の露光工程を示す。図１１に示すように、該過程は、
内部領域を相補的な第１パターンと第２パターンに分割するステップ１１０１と、
露光ステップにより第１パターンのみを露光して第２パターンを露光しないステップ１１０２と、を含む。

この実施例は、露光工程を行った実体領域の層において、さらに露光しない領域を設定して、実体領域の収縮による相互影響をより大幅に減少させる。この実施例は、第２パターンの寸法が第１パターンより小さくなるように制御し、実体領域の強度が顕著に低下しないことが望ましい。この実施例に好適な第１パターンと第２パターンの組み合わせは、図９に示すような組み合わせである。

上記の各実施例において、三次元データモデルの各層の第１パターンと第２パターンの間に変位がある。この変位はランダムであってもよく、それにより露光されていない領域を接続させることができる。代替的な実施例において、三次元データモデルの各層の第１パターンと第２パターンの間に変位が生じなくてもよく、このように格子は完全に接続されない。しかしながら、井桁状ストライプラインと格子との組み合わせの実例に対して、井桁状ストライプラインが十分に細く、実際の格子の間にも弱く接続されることがある。

さらに、本発明の実施例に基づいて、印刷対象の露出領域と内部領域に対して異なる露光強度を与えることができ、具体的には、内部領域の露光強度は露出領域の露光強度より小さい。内部実体は被印刷ワークのほとんどの部分を占めるため、全体的な発熱と収縮を大幅に低減することができる。

図１２は本発明の別の実施例の光硬化型三次元印刷方法のフローチャートを示す。図１２に示すように、方法は、
印刷対象の三次元データモデルを取得するステップ１２０１と、
三次元データモデルを複数層に分割するステップ１２０２と、
三次元データモデルの少なくとも一部の層に対して、各層の露出領域と内部領域を識別するステップ１２０３と、
露出領域に第１露光強度を与え、内部領域に第２露光強度を与えるステップ１２０４と、
各層の露出領域に対しては層毎にぞれぞれ露光を行い、第１露光強度で露出領域を露光するステップ１２０５と、
各層の内部領域に対しては複数層おきに１回の露光工程を行い、第２露光強度で内部領域を露光するステップ１２０６と、を含む。

ステップ１２０４において、露出領域に与える第１露光強度と内部領域に与える第２露光強度は、各層のデータにより変換した画像の輝度を設定することで達成されてもよく、異なる露光の時間を用いることで達成されてもよく、又は異なる輝度と時間を同時に用いることで達成されてもよい。ここで、第１露光強度は第２露光強度より大きい。すなわち、露出領域の露光強度は内部領域の露光強度より大きい。好ましくは、第２露光強度は第１露光強度の６６％以下である。

ただし、全体の被印刷ワークの強度及びプラットフォーム台１３０との確実な接続を維持するために、三次元データモデル３００の底層からの複数層に対して、より大きい第１露光強度を一様に与える。

ステップ１２０５と１２０６において、装置は画像露光システム１２０が第１露光強度で露出領域を露光し、第２露光強度で内部領域を露光するように制御することができる。

多くの三次元モデル、例えば、建物と透かし彫りの彫刻品はいずれも複雑な構造を有する。これらの三次元モデルにおいて、様々な支持部、特に細くて小さい支持部はモデルの精度に対して顕著な影響を与える。しかしながら、大面積の底部ケースを支持する支持部は大面積の底部ケースが露光される時に収縮することで、変形しやすい。本発明の好ましい実施例によって、大面積の底部ケースの異なる領域に対して異なる時期で露光を行い、それにより大面積の底部ケースが露光される時に収縮する程度を顕著に減少させる。

図１３は本発明の別の実施例の光硬化型三次元印刷方法のフローチャートを示す。図１３に示すように、方法は、
印刷対象の三次元モデルデータを取得するステップ１３０１と、
三次元データモデルを複数層に分割するステップ１３０２と、
三次元データモデルの少なくとも一部の層に対して、各層の露出領域と内部領域を識別するステップ１３０３と、
三次元データモデルの少なくとも一部の層に対して、寸法が閾値に達した底部ケース領域と底部ケース領域を支持するための１つ又は複数の支持部の該層における島型領域を識別するステップ１３０４と、
各島型領域と底部ケース領域の間に分割領域を画定するステップ１３０５と、
各層の露出領域に対しては層毎にぞれぞれ露光を行い、各層の内部領域に対しては複数層おきに１回の露光工程を行うステップ１３０６と、
各島型領域と底部ケース領域を露光する時、第１露光時期に各分割領域以外の領域を露光し、第２露光時期に各分割領域を露光するステップ１３０７と、を含み、第１露光時期は第２露光時期より早く且つ両者が重ならない。

ステップ１３０１、１３０２、１３０３、１３０６の詳細は前の実施例を参照することができ、ここでの説明を省略する。

図１４Ａ、１４Ｂは本発明の一実施例による三次元データモデルの領域識別を示す図である。まず図１４Ａに示すように、ステップ１３０４において、三次元データモデル３００の少なくとも一部の層、例えば、層４９０と５００において底部ケース領域３１４と島型領域３１２を識別する。底部ケース領域３１４は各層の４９０、５００において三次元データモデル３００の底部ケースとする領域である。この領域は三次元データモデル３００の下部表面に露出される。底部ケース領域３１４の法線方向の厚さが、例えば、１〜５層であり、図中は２層を示す。底部ケース領域３１４の寸法は閾値に達する必要がある。例えば、底部ケース領域３１４の面積は閾値Ｓに達する必要がある。当然ながら、さらに底部ケース領域３１４の何れかの方向の寸法はある閾値に達する必要があるように規定してもよい。島型領域３１２は底部ケース領域３１４を支持するための支持部（本実施例において４つの支柱３０２である）が底部ケース領域の存在する層を占める領域である。島型領域３１２はそれに対応する支持部に接続される。各底部ケース領域３１４は対応する支持部（図中は４本の支柱のうちの２本を示す）により支持されることができるため、島型領域３１２も１つ又は幾つかある。各支持部は三次元モデル３００のエッジ部に位置してもよく、三次元モデル３００の非エッジ部に位置してもよい。

１層の底部ケース領域３１４と島型領域３１２を識別する時、該層をその前の層と比較して、該層において前の層によって遮断されていない部分は底部ケース領域であり、この領域の寸法が閾値に達した時にステップ１３０４で識別される結果となる。また、該底部ケース領域によって横方向に取り囲まれた領域は島型領域であり、該領域は前の層の支持部に接続されることを意味する。

底部ケース領域は露出領域と部分的に重なっており、島型領域は内部領域と重なってもよいことは、理解し得ることである。

図１４Ｂに示すように、ステップ１３０５において、各島型領域３１２と底部ケース領域３１４の間に分割領域３１３を画定する。分割領域３１３は各島型領域３１２と底部ケース領域３１４を仕切るのに用いられる。分割領域３１３の幅が、例えば、２〜１０個の画素である。分割領域３１３は全て底部ケース領域３１４から分割されてもよい。そうすることで、底部ケース領域３１４は対応的に小さくなっている。又は分割領域３１６は、一部が各島型領域３１２から分割され、一部が底部ケース領域３１４から分割されてもよい。このようにして、底部ケース領域３１４と各島型領域３１２は対応的に小さくなる。

例えば、ステップ１３０７、各島型領域３１２と底部ケース領域３１４を露光する時、まず第１露光時期に各分割領域３１３以外の領域、すなわち底部ケース領域３１４と島型領域３１２（図１４Ｂにおいて斜線のハッチングと点のハッチング部分）を含む領域を露光し、その後第２露光時期に各分割領域３１３を露光する。すなわち、第１露光時期は第２露光時期より早い。

ステップ１３０７において、装置は画像露光システム１２０が各島型領域と該底部ケース領域を露光する時、第１露光時期に各分割領域以外の領域を露光し、第２露光時期に各分割領域を露光するように制御することができ、該第１露光時期は該第２露光時期より早い。

本実施例において、第１露光時期に露光した底部ケース領域３１４と島型領域３１２は既に分離したため、大面積の底部ケース領域３１４の収縮により各島型領域３１２に影響を与えることがなく、それにより本層の島型領域３１２に接続される、前の層における支持部に影響を与えることがない。これに対して、第２露光時期に分割領域３１３の寸法が非常に小さく、その収縮が支持部に与える影響が非常に小さい。

上記内容で説明した露光工程は大面積の底部ケース領域３１４とそれに取り囲まれた島型領域３１２のみに関し、本層の他の領域の露光は従来又は他の方式に応じて行ってもよい。例えば、他の領域は第１露光時期に露光してもよく、又は第２露光時期に露光してもよく、又は第１露光時期と第２露光時期に同時に露光し且つ適切に露光強度を制御してもよい。

本実施例において、第１露光時期と第２露光時期は完全に重なっておらず、すなわち、第１露光時期が終了した後、第２露光時期が開始する。

また、接続強度及びモデルとプラットフォーム１３１との確実な接続を考慮し、三次元モデル３００の最初の複数層に対する露光において、本実施例の方法を使用しなくてもよい。すなわち、各層は同じ露光時期に全体的に露光してもよい。

図１５は本発明の別の実施例による光硬化型三次元印刷方法のフローチャートを示す。図１５に示すように、方法は、
印刷対象の三次元モデルデータを取得するステップ１５０１と、
三次元データモデルを複数層に分割するステップ１５０２と、
三次元データモデルの少なくとも一部の層に対して、各層の露出領域と内部領域を識別するステップ１５０３と、
三次元データモデルの少なくとも一部の層に対して、寸法が閾値に達した底部ケース領域と底部ケース領域を支持するための１つ又は複数の支持部の該層における島型領域を識別するステップ１５０４と、
各島型領域と底部ケース領域の間に分割領域を画定するステップ１５０５と、
各層の露出領域に対しては層毎にぞれぞれ露光を行い、各層の内部領域に対しては複数層おきに１回の露光工程を行うステップ１５０６と、
各島型領域と底部ケース領域を露光する時、第１露光時期に各分割領域以外の領域を露光し、第２露光時期に各分割領域を露光するステップ１５０７と、を含み、第１露光時期は第２露光時期より早く且つ両者が部分的に重なっている。

ステップ１３０１、１３０２、１３０３、１３０６の詳細は前の実施例を参照することができ、ここで説明を省略する。

図１４Ａ、１４Ｂは本発明の一実施例による三次元データモデルの領域識別を示す図である。まず図１４に示すように、ステップ１５０４において、三次元データモデル３００の少なくとも一部の層、例えば、層４９０と５００において底部ケース領域３１４と島型領域３１２を識別する。底部ケース領域３１４は各層の４９０、５００において三次元データモデル３００の底部ケースとする領域である。この領域は三次元データモデル３００の下部表面に露出される。底部ケース領域３１４の法線方向の厚さが、例えば、１〜５層であり、図中は２層を示す。底部ケース領域３１４の寸法は閾値に達する必要がある。例えば、底部ケース領域３１４の面積は閾値Ｓに達する必要がある。当然のことながら、さらに底部ケース領域３１４の何れかの方向の寸法が一定の閾値に達する必要があるように規定してもよい。島型領域３１２は底部ケース領域３１４を支持するための支持部（本実施例において４つの支柱３０２である）が底部ケース領域の存在する層を占める領域である。島型領域３１２はそれに対応する支持部に接続される。各底部ケース領域３１４は対応する支持部（図中は４本の支柱のうちの２本を示す）により支持されることができるため、島型領域３１２も１つ又は幾つかある。各支持部は三次元モデル３００のエッジ部に位置してもよく、三次元モデル３００の非エッジ部に位置してもよい。

１層の底部ケース領域３１４と島型領域３１２を識別する時、該層をその前の層と比較して、該層において前の層によって遮断されていない部分は底部ケース領域であり、この領域の寸法が閾値に達した時にステップ１５０４で識別される結果となる。また、該底部ケース領域によって横方向に取り囲まれた領域は島型領域であり、該領域が前の層の支持部に接続されることを意味する。

図１４Ｂに示すように、ステップ１５０５において、各島型領域３１２と底部ケース領域３１４の間に分割領域３１３を画定する。分割領域３１３は各島型領域３１２と底部ケース領域３１４を仕切るのに用いられる。分割領域３１３の幅が、例えば、２〜１０個の画素である。分割領域３１３は全て底部ケース領域３１４から分割されてもよい。そうすることで、底部ケース領域３１４は対応的に小さくなっている。又は分割領域３１３は、一部が各島型領域３１２から分割され、一部が底部ケース領域３１４から分割されてもよい。このようにして、底部ケース領域３１４と各島型領域３１２は対応的に小さくなる。

ステップ１５０７において、装置は画像露光システム１２０が露光を行うように制御することができる。

本実施例において、第１露光時期に露光した底部ケース領域３１４と島型領域３１２は既に分離したため、大面積の底部ケース領域３１４の収縮により各島型領域３１２に影響を与えることがなく、それにより本層の島型領域３１２に接続される、前の層における支持部に影響を与えることがない。第２露光時期に分割領域３１の寸法が非常に小さく、領域３１２と同時に露光した領域３１４及び領域３１２は既に露光されて収縮したため、露光強度を増加させても、その収縮量も既に非常に小さいので、その収縮により支持部に与える影響が非常に小さい。

本実施例において、第１露光時期と第２露光時期は部分的に重なっており、すなわち、第１露光時期が終了する前、第２露光時期が既に開始した。さらに、第１露光時期は第２露光時期が終了するまで続ける。この過程に、まず第１露光時期に各分割領域３１３以外の領域、すなわち底部ケース領域３１４（図４Ｂにおいて、斜線のハッチング部分）と島型領域３１２（図１４Ｂにおいて、点のハッチング部分）を含む領域を露光し、第１露光時期が所定の時間（例えば、途中まで）で続ける場合、第２露光時期を開始し、分割領域３１６３は図１４Ｂにおいて、余白部分）を露光し、最後、第１露光時期と第２露光時期は共に終了する。

上記内容で説明した露光工程は大面積の底部ケース領域３１４とそれによって取り囲まれた島型領域３１２のみに関し、本層の他の領域の露光は従来又は他の方式に応じて行ってもよい。例えば、他の領域は第１露光時期に露光してもよく、又は第２露光時期に露光してもよく、又は第１露光時期と第２露光時期に同時に露光し且つ適切に露光強度を制御してもよい。

また、接続強度を考慮し、三次元モデル３００の最初の複数層に対する露光において、本実施例の方法を使用しなくてもよい。

また図１に示すように、光硬化型三次元印刷装置１００はコンピュータを含み、係る方法、ステップを実行することができる。コンピュータはメモリとプロセッサを含んでよい。メモリはコンピュータ可読命令を記憶する。プロセッサは、印刷対象の三次元データモデルを取得するステップと、該三次元データモデルを複数層に分割するステップと、該三次元データモデルの少なくとも一部の層に対して、各層の露出領域と内部領域を識別するステップと、各層の露出領域に対しては層毎にぞれぞれ露光を行い、各層の内部領域に対しては複数層おきに１回の露光工程を行うステップと、を実行するように該コンピュータ可読命令を実行。そうすることで、コンピュータは画像露光システム１２０が必要な露光を行うように制御することができる。

別の態様において、本発明は、光硬化型三次元印刷装置を提供し、印刷対象の三次元データモデルを取得するためのモジュールと、該三次元データモデルを複数層に分割するためのモジュールと、該三次元データモデルの少なくとも一部の層に対して、各層の露出領域と内部領域を識別するためのモジュールと、各層の露出領域に対しては層毎にぞれぞれ露光を行い、各層の内部領域に対しては複数層おきに１回の露光工程を行うためのモジュールと、を含む。

本発明の上記実施例は、印刷の垂直方向において間隔をあけて露光を行い、それにより露光工程における各層の収縮により他の層に与える影響を小さくすることができる。

また、本発明は、大面積領域を水平方向において領域毎に露光し、露光するたびに互に隣接していない小さい領域を露光するため、大面積の領域を露光して硬化させる時の収縮蓄積が顕著に低下する。

また、三次元データモデルの露出領域と内部領域を識別し、異なる露光強度で露光し、それにより内部領域の露光強度が露出領域より小さくなるようにすることができる。そうすることで、露出領域の露光強度は内部領域より大幅に大きくなり、変形が生じる主な原因である内部実体領域の収縮量が顕著に低下し、昇温が減少することによって、三次元モデルの反りや変形の問題が改善される。

また、それらの大面積の底部ケース領域及び既に成形した支持部を介して接続される島型領域を識別し、両者の間に分割領域を画定する。露光する時にまずその他の領域を露光し、次に分割領域を露光し、それにより大面積領域の全体を露光する時の収縮による支持部への引張応力を可能な限りに減少させる。

上記のように基本概念について記載してきたが、もちろん、前述の詳細な開示は、単なる例示的なものに過ぎず、本願を限定するものではないことが、当業者であれば明らかである。本明細書で明示的に記載していないが、当業者は様々な変更、改善及び修正を行ってもよい。これらの変更、改善及び修正は、本願において提案されているため、本願の例示的な実施例の趣旨及び範囲に含まれる。

さらに、本願の実施例を説明するために、幾つかの特定の用語を使用している。例えば、「一つの実施例」、「一実施例」及び／又は「幾つかの実施例」という用語は、その実施例に関連する特徴、構造又は特性を指す。そのため、本明細書の異なる箇所で「一実施例」、「一つの実施例」又は「代替的な実施例」を２回以上言及される場合、必ずしも全てが同じ実施例を指すというわけではないことを強調して、理解されたい。さらに、本願の１つ又は複数の実施例における特定の特徴、構造又は特性を適宜組み合わせてもよい。

さらに、本願の各態様について、任意の新規で有用な工程、機械、製品、若しくは組成物又はそれらの任意の新規で有用な改善を含む、幾つかの特許可能性のあるいくつかの種類又は状況で、本出願の各態様が説明、記述できることを理解されたい。それに応じて、本願の態様を、完全にハードウェアで実施してもよく、完全にソフトウェアで（ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどを含む）で実施してもよく、ハードウェアとソフトウェアを組み合わせて実施してもよい。前記ハードウェア又はソフトウェアは全て「データブロック」、「モジュール」、「エンジン」、「ユニット」、「アセンブリ」又は「システム」と呼ぶ場合がある。さらに、本願の各態様は、コンピュータ可読プログラムコードを有する１つ又は複数のコンピュータ可読媒体の中のコンピュータプログラム製品の形態で表現されることがある。

本発明について具体的な実施例を参照して説明したが、以上の実施例は本発明を説明するものに過ぎず、本発明の趣旨から逸脱しない限り、様々な変更や置き換えを行うことができることは、当業者が理解し得ることであるため、本発明の実質的な趣旨範囲内において上記実施例に対して行われた変更や変形が何れも本願の特許請求の範囲に含まれるべきである。

図１は光硬化型３Ｄ印刷装置の基本構造を示す。該３Ｄ印刷装置１００は、光硬化性樹脂を収容するための原料タンク１１０と、光硬化性樹脂を硬化させるための画像露光システム１２０と、成形したワークを接続させるための昇降台１３０とを含む。画像露光システム１２０は原料タンク１１０の上方に位置し、ビーム画像を照射して原料タンク１１０の液面の１層の光硬化性樹脂を硬化させることができる。画像露光システム１２０はビーム画像を照射することで１層の光硬化性樹脂を硬化させるように毎回実施した後、昇降台１３０は、成形したその光硬化性樹脂層を少々降下させ、スクレーパ１３１で硬化したワークの上面に光硬化性樹脂を均一に敷き、次の照射を待つ。このように繰り返して動作すると、１層ずつ積層成形された三次元ワークを得る。

図３Ａは本発明の一実施例による三次元データモデルを示す。図３Ａに示すように、三次元データモデル３００は部屋モデルであり、基礎３０１、複数の支柱３０２と屋根３０３を含む。図３Ｂは本発明の一実施例による三次元データモデルの階層図であり、例えば、図３Ｂに示すように、ステップ２０２において、三次元データモデル３００を複数層３１０、３２０、３３０、……、５６０のように分割する。各層は３Ｄ印刷を行う時に１回樹脂を硬化させ、１層の光硬化した樹脂を生成するのに用いられる。例えば、硬化の手順は、例えば、３１０から、順に３２０、３３０、……、５６０までである。各層の二次元平面は数百個の画素、さらに数万個の画素を含んでもよい。

例えば、前記ステップ２０４において、各層の露出領域に対しては層毎にぞれぞれ露光を行い、各層の内部領域に対しては複数層おきに１回の露光工程を行う。図５Ａ〜５Ｄは本発明の一実施例による複数層おきに印刷することを示す図である。まず図５Ａに示すように、層４９０の露出領域（斜線のハッチング領域）３２１を露光し、内部領域３１２（点のハッチング領域）を露光し、その後、図５Ｂに示すように、層５００の露出領域（斜線のハッチング領域）３２１を露光するが、内部領域３１２を露光せず、その後図５Ｃに示すように、同様に層５１０の露出領域（斜線のハッチング領域）３２１を露光するが、内部領域３１２を露光せず、また図５Ｄに示すように、層５２０の露出領域（斜線のハッチング領域）を露光し、内部領域（点のハッチング領域）を露光する。そうすることで、２層おきに１回の露光工程を行うことで、各層の樹脂の間の収縮で発生する影響を抑えることができる。例えば、層５００が露光されていないため、層４９０に対して収縮力を生成することがなく、層５２０を露光することで発生した収縮力は未露光の層５１０に作用され、層５１０がそれに伴って収縮することがなく、収縮力を層４９０に伝達することもない。光硬化性樹脂の硬化には光に面した面の硬化強度が高く、他方の面の強度が低い勾配がある。実施する時、間隔を開けた層の数は樹脂硬化深さに基づいて調整することができる。例えば、層厚さ０．１ｍｍに対して、樹脂硬化深さが０．３ｍｍである場合、２層の間隔を開けることができる。このように硬化済みモデルとの接触領域においては完全に液体でもなく、完全に固体でもなく、ワークは一定の強度を有するが、層間で摺動することもでき、上層による下層への影響が非常に小さい。

図１０Ａと図１０Ｂは本発明の別の好ましい実施例による内部領域の露光を示す図である。図１０Ａと図１０Ｂに示すように、まず第１回露光ステップにおいて第１パターン９１を露光し、第２回露光ステップにおいてさらに第２パターン９２を露光する。層間の影響を考慮しないと、第１回露光格子では、露光した部分が完全に接続されていないため、その収縮により全体の変形に与える影響がなく、第２回露光では収縮で露光済み部分の実体を接続させ、変形を引き起こすが、井桁状ストライプが格子に対して非常に小さく、この影響を無視することができる。

ただし、全体の被印刷ワークの強度及び昇降台１３０との確実な接続を維持するために、三次元データモデル３００の底層からの複数層に対して、より大きい第１露光強度を一様に与える。

本実施例において、第１露光時期に露光した底部ケース領域３１４と島型領域３１２は既に分離したため、大面積の底部ケース領域３１４の収縮により各島型領域３１２に影響を与えることがなく、それにより本層の島型領域３１２に接続される、前の層における支持部に影響を与えることがない。第２露光時期に分割領域３１の寸法が非常に小さく、分割領域３１３と同時に露光した底部ケース領域３１４及び島型領域３１２は既に露光されて収縮したため、露光強度を増加させても、その収縮量も既に非常に小さいので、その収縮により支持部に与える影響が非常に小さい。

Claims (23)

1. 光硬化型三次元印刷方法であって、
   印刷対象の三次元データモデルを取得するステップと、
   前記三次元データモデルを複数層に分割するステップと、
   前記三次元データモデルの少なくとも一部の層に対して、各層の露出領域と内部領域を識別するステップと、
   各層の露出領域に対しては層毎にそれぞれ露光を行い、各層の内部領域に対しては複数層おきに１回の露光工程を行うステップと、を含む光硬化型三次元印刷方法。
2. 内部領域の露光されていない層において、露光して複数の支持柱を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記露光工程は、
   内部領域を相補的な第１パターンと第２パターンに分割することと、
   第１回露光ステップにより前記第１パターンを露光することと、
   第２回露光ステップにより前記第２パターンを露光することと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記露光工程は、
   内部領域を相補的な第１パターンと第２パターンに分割することと、
   前記第２パターンを露光せず、前記第１パターンのみを露光することと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記三次元データモデルの各層の第１パターンと第２パターンの間に変位があることを特徴とする請求項３又は４に記載の方法。
6. 前記変位はランダムであることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記第１パターンと前記第２パターンは碁盤目において対角となる格子であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
8. 各格子の一次元寸法は２〜２０個の画素であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記第１パターンは井桁状ストライプストライプで仕切られた格子であり、前記第２パターンは井桁状ストライプストライプであることを特徴とする請求項３に記載の方法。
10. 各格子の一次元寸法は１０〜５０個の画素であり、各井桁状ストライプストライプの幅は２〜１０個の画素であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記第１回露光ステップと前記第２回露光ステップとの時間は部分的に重なっていることを特徴とする請求項３又は９に記載の方法。
12. 前記第１回露光ステップと前記第２回露光ステップとの時間は重なっていないことを特徴とする請求項３又は９に載の方法。
13. 前記露出領域に第１露光強度を与え、前記内部領域に第２露光強度を与えることと、
    前記第１露光強度で前記露出領域を露光し、前記第２露光強度で前記内部領域を露光することと、をさらに含み、前記第１露光強度が前記第２露光強度より大きいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
14. 前記第２露光強度は前記第１露光強度の６６％以下であることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記露出領域は上部ケース、側縁及び／又は底部ケースを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
16. 前記露出領域の法線方向の厚さは１〜５個の画素であることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
17. 前記三次元データモデルの底層からの数層に前記第１露光強度を一様に与えることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
18. 前記三次元データモデルの少なくとも一部の層に対して、寸法が一定の閾値に達した底部ケース領域と前記底部ケース領域を支持するための１つ又は複数の支持部の前記層における島型領域を識別することと、
    各島型領域と前記底部ケース領域との間に分割領域を画定することと、
    第１期間に各島型領域と前記底部ケース領域を露光し、第２期間に各分割領域を露光することと、をさらに含み、前記第１期間が前記第２期間より早いことを特徴とする請求項１に記載の方法。
19. 前記第２期間の少なくとも一部は前記第１期間と重なっていることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 前記第２期間は前記第１期間と重なっていないことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
21. 前記三次元データモデルの底層からの数層に対して、層全体を同時に露光することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
22. 光硬化型三次元印刷装置であって、
    コンピュータ可読命令を記憶するメモリと、
    印刷対象の三次元データモデルを取得するステップと、
    前記三次元データモデルを複数層に分割するステップと、
    前記三次元データモデルの少なくとも一部の層に対して、各層の露出領域と内部領域を識別するステップと、
    各層の露出領域に対しては層毎にそれぞれ露光を行い、各層の内部領域に対しては複数層おきに１回の露光工程を行うステップと、
    を実施するように前記コンピュータ可読命令を実行するプロセッサと、を含む光硬化型三次元印刷装置。
23. 光硬化型三次元印刷装置であって、
    印刷対象の三次元データモデルを取得するためのモジュールと、
    前記三次元データモデルを複数層に分割するためのモジュールと、
    前記三次元データモデルの少なくとも一部の層に対して、各層の露出領域と内部領域を識別するためのモジュールと、
    各層の露出領域に対しては層毎にそれぞれ露光を行い、各層の内部領域に対しては複数層おきに１回の露光工程を行うためのモジュールと、を含む光硬化型三次元印刷装置。

Images