JP2021154714A - Three-dimensional printer device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、3次元プリンタ装置に関する。 The present invention relates to a three-dimensional printer device.
従来、3次元プリンタヘッドとして複数レ−ザを集光させてファイバ−で誘導し1次元もしくは2次元アレイ状に配置して粉末に光照射し高速造形させる方法が示されている(例えば、特許文献1参照)。この方法だとファイバ−の太さが光のピッチとなるため細い素線を用いても照射する光の間隔はファイバ−径と同じピッチとなる。 Conventionally, as a three-dimensional printer head, a method of condensing a plurality of lasers, guiding them with a fiber, arranging them in a one-dimensional or two-dimensional array, and irradiating the powder with light to perform high-speed modeling has been shown (for example, a patent). Reference 1). With this method, the thickness of the fiber is the pitch of the light, so even if a thin wire is used, the interval of the irradiated light will be the same pitch as the diameter of the fiber.
しかし、レーザ素子をアレイ状に配置して光を出射させる方法の場合、レーザ素子幅には限度がある。光造形用の光源としては光のスポットを絞ってピッチが狭いほうがきれいな造形物を作成することができるが、ファイバ−径やレーザ素子のサイズが制限されてしまうことから、小さな光スポットサイズで高精細な光造形を行なうことが難しいと言う問題があった。 However, in the case of a method in which laser elements are arranged in an array to emit light, the width of the laser element is limited. As a light source for stereolithography, it is possible to create a beautiful model by narrowing down the spot of light and narrowing the pitch, but since the fiber diameter and the size of the laser element are limited, it is high with a small light spot size. There was a problem that it was difficult to perform fine stereolithography.
従って、本発明の目的は、小さな光スポットサイズで高精細な光造形が可能な3次元プリンタ装置を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a three-dimensional printer device capable of high-definition stereolithography with a small light spot size.
[1]本発明は、所定のピッチで各発光素子が配列された発光素子アレイと、前記発光素子アレイに対応して配列され、前記発光素子アレイの各発光素子から出射される光が入射面に入射され、前記入射面と反対側の出射面から前記光が出射されるロッドレンズアレイと、を有して構成されるプリンタ用ヘッドと、前記プリンタ用ヘッドから出射される光により硬化する光硬化性液を収容する液槽と、前記光により硬化して形成された成形物が付着するプラットフォームと、前記プラットフォームを前記液槽の前記光硬化性液に対して液面が上下する方向である高さ方向Zに移動調整可能なZ方向ステージ部と、前記発光素子アレイの各発光素子の並びの方向である主走査方向X及び前記高さ方向Zとそれぞれ直交する副走査方向Yに前記プリンタ用ヘッドを移動調整可能とするY方向ステージ部と、前記主走査方向Xに前記プリンタ用ヘッドを移動調整可能とするX方向ステージ部と、前記プリンタ用ヘッドの前記各発光素子の光出力を制御する光出力制御部、前記高さ方向Zの移動調整制御を行なう高さ方向制御部、前記副走査方向Yの移動調整制御を行なう副走査方向制御部、及び、前記主走査方向Xへ前記プリンタ用ヘッドのシフト調整を行なうシフト調整部を有する制御部と、を有する3次元プリンタ装置を提供する。
[2]前記副走査方向制御部は、前記プリンタ用ヘッドを前記副走査方向Yに往復移動させ、前記プリンタ用ヘッドは、往路と復路において、前記発光素子アレイの前記ピッチの半分の量だけ前記主走査方向Xへシフト調整が可能とされてもよい。
[3]前記発光素子アレイは、複数のサブマウントが並置されて構成され、前記副走査方向制御部は、前記プリンタ用ヘッドを前記副走査方向Yに往復移動させ、前記プリンタ用ヘッドは、往路と復路において、前記発光素子アレイの前記サブマウントの幅の整数倍だけ前記主走査方向Xへシフト調整が可能とされてもよい。
[1] In the present invention, a light emitting element array in which each light emitting element is arranged at a predetermined pitch and a light emitted from each light emitting element of the light emitting element array arranged corresponding to the light emitting element array are incident surfaces. A printer head configured with a rod lens array that is incident on the surface of the light and emits the light from an exit surface opposite to the incident surface, and light that is cured by the light emitted from the printer head. A liquid tank for accommodating a curable liquid, a platform to which a molded product cured by the light adheres, and a direction in which the liquid level of the platform moves up and down with respect to the photocurable liquid in the liquid tank. The printer is located in a Z-direction stage portion that can be moved and adjusted in the height direction Z, a main scanning direction X that is the direction in which each light emitting element of the light emitting element array is arranged, and a sub-scanning direction Y that is orthogonal to the height direction Z, respectively. Controls the light output of the Y-direction stage unit that allows the movement and adjustment of the head for the printer, the X-direction stage unit that allows the head for the printer to be moved and adjusted in the main scanning direction X, and the light emitting elements of the head for the printer. Optical output control unit, height direction control unit that performs movement adjustment control in the height direction Z, sub-scanning direction control unit that performs movement adjustment control in the sub-scanning direction Y, and the printer in the main scanning direction X. Provided is a three-dimensional printer device having a control unit having a shift adjustment unit for adjusting the shift of the head of the light beam.
[2] The sub-scanning direction control unit reciprocates the printer head in the sub-scanning direction Y, and the printer head reciprocates the printer head by half the pitch of the light emitting element array on the outward path and the return path. The shift adjustment in the main scanning direction X may be possible.
[3] The light emitting element array is configured by arranging a plurality of submounts side by side, the sub-scanning direction control unit reciprocates the printer head in the sub-scanning direction Y, and the printer head is on the outward path. On the return trip, the shift adjustment may be possible in the main scanning direction X by an integral multiple of the width of the submount of the light emitting element array.
本発明によれば、小さな光スポットサイズで高精細な光造形が可能となる。 According to the present invention, high-definition stereolithography is possible with a small light spot size.
〔第1の実施の形態〕
(プリンタ用ヘッド10の構成)
図1、2に示すように、本発明の実施の形態に係るプリンタ用ヘッド10は、所定のピッチで各発光素子21が配列された発光素子アレイ20と、発光素子アレイ20に対応して配列され、発光素子アレイ20の各発光素子21から出射される光が入射面31に入射され、入射面31と反対側の出射面32から光が出射されるロッドレンズアレイ30と、を有して構成されている。発光素子アレイ20とロッドレンズアレイ30は、所定の位置関係で、共に筐体70に固定されて組立体とされている。
[First Embodiment]
(Configuration of Printer Head 10)
As shown in FIGS. 1 and 2, the
(発光素子アレイ20)
図2に示すように、発光素子アレイ20は、所定のピッチで各発光素子21が基板25上に実装されて配列されている。この基板25は、筐体70に固定されている。各発光素子21は、所定のピッチ、一例として120μmで、基板25上にアレイ状に配列されている。各発光素子21は、必要な主走査方向の幅だけ並べて配置することができる。
(Light emitting element array 20)
As shown in FIG. 2, in the light
各発光素子21は、所定の波長を有するレーザ素子を使用することができる。所定の波長は、紫外、可視、近赤外等の種々の波長が可能であるが、本実施の形態では、発光素子21は、紫外光のレーザ素子を使用する。各発光素子21は、干渉性(コヒーレント)を有し、高出力化が可能なレーザが好ましい。各発光素子21は、各発光素子21の光出力を制御する光出力制御部330に接続されて、主走査方向Xに線状に光を照射する。
As each
(ロッドレンズアレイ30)
ロッドレンズアレイ30は、棒状のロッドレンズを多数並列的に配列し、各ロッドレンズによる正立等倍像を重ね合わせて全体で1個の連続像を形成するアレイ状光学系である。本実施の形態では、ロッドレンズアレイ30として、屈折率分布型レンズを多数配列し、全体で1個の連続した像を形成するセルフォック(登録商標)レンズアレイを使用する。
(Rod lens array 30)
The
ロッドレンズアレイ30は、図3に示すように、発光素子アレイ20(発光素子21)を、ロッドレンズアレイ30の入射面31から焦点距離fの位置(焦点位置)に配置した場合は、発光素子アレイ20(発光素子21)から出射されたレーザ光Lは、ロッドレンズアレイ30の出射面32から焦点距離fの位置(焦点位置)に結像される。これにより、プリンタ用ヘッド10は、小さな光スポットサイズのレーザ光Lを対象物に照射することができる。
As shown in FIG. 3, the
本実施の形態では、図2に示すように、発光素子アレイ20(発光素子21)とロッドレンズアレイ30は、上記のような位置関係となる状態で、筐体70に固定されて組立体とされて、プリンタ用ヘッド10を構成している。
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the light emitting element array 20 (light emitting element 21) and the
(3次元プリンタ装置100の構成)
図1、2に示すように、本発明の実施の形態に係る3次元プリンタ装置100は、プリンタ用ヘッド10と、プリンタ用ヘッド10から出射される光により硬化する光硬化性液を収容する液槽110と、光により硬化して形成された成形物が付着するプラットフォーム200と、プラットフォーム200を液槽110の光硬化性液115に対して液面115aが上下する方向である高さ方向Zに移動調整可能なZ方向ステージ部210と、主走査方向Xにプリンタ用ヘッド10を移動調整可能とするX方向ステージ部240と、発光素子アレイ20の各発光素子21の並びの方向である主走査方向X及び高さ方向Zとそれぞれ直交する副走査方向Yにプリンタ用ヘッド10を移動調整可能とするY方向ステージ部220と、プリンタ用ヘッド10の各発光素子21の光出力を制御する光出力制御部330、高さ方向Zの移動調整制御を行なう高さ方向制御部310、副走査方向Yの移動調整制御を行なう副走査方向制御部320を有する制御部300、及び、主走査方向Xへプリンタ用ヘッド10のシフト調整を行なうシフト調整部340と、を有して構成されている。3次元プリンタ装置100は、プリンタ用ヘッド10、Z方向ステージ部210、Y方向ステージ部220、及び、X方向ステージ部240により、光硬化性液を3次元的に選択的に硬化させる。これにより、3次元的に硬化された対象物を形成して、3次元プリントを実現する。
(Configuration of 3D Printer Device 100)
As shown in FIGS. 1 and 2, the three-
第1の実施の形態では、副走査方向制御部320は、プリンタ用ヘッド10を副走査方向Yに往復移動させ、プリンタ用ヘッド10は、往路と復路において、発光素子アレイ21の素子間ピッチの半分の量だけ主走査方向Xへシフト調整を行なうように構成されている。
In the first embodiment, the sub-scanning
図4は、プリンタ用ヘッドの往路と復路の動作を示す立体斜視図である。図4に示すように、主走査方向Xへのシフト調整は、X方向ステージ部240により、プリンタ用ヘッド10を主走査方向Xへ移動させるものである。第1の実施の形態では、プリンタ用ヘッド10を往路Fの方向に移動させ、所定の副走査方向Y位置、すなわち、後述するYj=Ymの副走査方向位置まで移動させる。ここで、プリンタ用ヘッド10を主走査方向Xへ、1/2ピッチ移動させることにより、シフト調整する。このシフト調整した状態で、プリンタ用ヘッド10を復路Rの方向に移動させる。
FIG. 4 is a three-dimensional perspective view showing the operation of the forward path and the return path of the printer head. As shown in FIG. 4, the shift adjustment in the main scanning direction X moves the
図5(a)は、ある副走査方向Y位置における副走査方向の往路スキャン時の光スポットを示す図である。プリンタ用ヘッド10の各発光素子21間の配列ピッチPで光スポットが照射される。一例として、素子配列ピッチPは、120μmである。
FIG. 5A is a diagram showing light spots during an outward scan in the sub-scanning direction at a certain sub-scanning direction Y position. The light spot is irradiated at the array pitch P between the
図5(b)は、副走査方向の復路スキャン時の光スポットであって、光スポットの位置が往路と復路で1/2ピッチ(60μm)ずれていることを示す図である。すなわち、復路スキャン時には、光スポットの位置が往路の光スポットの間をスキャンすることになる。 FIG. 5B is a diagram showing the light spots at the time of the return scan in the sub-scanning direction, and the positions of the light spots are deviated by 1/2 pitch (60 μm) between the outward path and the return path. That is, at the time of the return scan, the position of the light spot scans between the light spots on the outward path.
図5(c)は、ある副走査方向Y位置における副走査方向の往路と復路を合わせた光スポットを示す図である。プリンタ用ヘッド10の往路スキャンと復路スキャンにより、光スポットの位置が1/2ピッチで主走査方向Xに並んで照射される。したがって、光スポット径を絞って照射しても、小さな光スポットが隙間なく主走査方向Xに並んで、高精細な造形が可能となる。
FIG. 5C is a diagram showing a light spot in which the outward path and the return path in the sub-scanning direction are combined at a certain sub-scanning direction Y position. By the outward scan and the return scan of the
(液槽110)
液槽110は、図1に示すように、収容部111と本体部112から概略構成されている。収容部111は、光硬化性液115を収容する凹部である。この収容部111に収容された光硬化性液115の液面115aは、ロッドレンズアレイ30から出射するレーザ光Lの結像位置とされる。
(Liquid tank 110)
As shown in FIG. 1, the
ここで、光硬化性液115は、液状の光硬化樹脂であって、光硬化樹脂は特定の波長の光によって重合、硬化する樹脂である。光硬化樹脂の重合反応を生じる波長域は、長波長域側から赤外線、可視光線、紫外線の順に短波長域までとなる。本実施の形態では、使用する発光素子21のレーザ波長を紫外光とするので、この紫外波長により硬化する樹脂が選択される。例えば、紫外光に対応する光硬化樹脂の例として、エポキシ樹脂やアクリル樹脂が使用できる。
Here, the
本体部112は、図1、図2に示すように、Z方向ステージ部210、Y方向ステージ部220等が装着されるベースとなる部分である。本体部112は、各ステージ部のベースとなる十分な剛性を有し、また、液体である光硬化性液115を安定に収容できる材質が使用される。本体部112の例として、鉄系、銅系金属等が使用できる。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
(プリンタ用ヘッド10の調整)
本実施の形態では、第1の実施の形態で説明したように、プリンタ用ヘッド10のロッドレンズアレイ30の出射面32から液面115aまでの距離を、距離d2とする。この距離d2は、各発光素子21間のビーム間隔の1/2の大きさまでビーム径が広がる距離である。すなわち、プリンタ用ヘッド10は、ロッドレンズアレイ30から出射される光のビーム径が、液槽110の液面115aにおいて、発光素子アレイ20の各発光素子21の1/2の間隔となるように設定されている。
(Adjustment of printer head 10)
In the present embodiment, as described in the first embodiment, the distance from the
プリンタ用ヘッド10は、図2に示すように、図示省略するZ方向調整部が、第1の実施の形態で説明したように、プリンタ用ヘッド10のロッドレンズアレイ30の出射面32から液面115aまでの距離が距離d2となるように調整する。この調整は、3次元プリンタ装置100の初期設定時に実行される。また、液面115aが変化した場合に随時実行することができる。
As shown in FIG. 2, in the
(Z方向ステージ部210)
Z方向ステージ部210は、光により硬化して形成された成形物が付着するプラットフォーム200と、プラットフォーム200を液槽110の光硬化性液115に対して液面115aが上下する方向である高さ方向Zに移動調整可能なステージ部として構成されている。なお、本実施の形態では、図1、2に示すように、プラットフォーム200、Z方向ステージ部210は、液槽110の中に配置されている。
(Z-direction stage portion 210)
The height of the Z-
Z方向ステージ部210は、図2に示すように、図示省略するZ駆動部が制御部300と接続され、制御信号SZにより高さ方向Zへの移動、調整が行われる。
(Y方向ステージ部220)
Y方向ステージ部220は、発光素子アレイ20の各発光素子21の並びの方向である主走査方向X及び高さ方向Zとそれぞれ直交する副走査方向Yに移動調整可能なステージ部である。図1に示すように、Y方向ステージ部220は、液槽110の本体部112に装着され、プリンタ用ヘッド10を副走査方向Yに移動可能とされている。これにより、Y方向ステージ部220は、プリンタ用ヘッド10を副走査方向Yに移動させて、レーザ光Lの主走査方向Xへの線状出力と併せて、2次元画像を液面115aに照射することができる。
(Y-direction stage portion 220)
The Y-
Y方向ステージ部220は、図2に示すように、図示省略するY駆動部が制御部300と接続され、制御信号SYにより副走査方向Yへの移動、調整が行われる。
(X方向ステージ部240)
X方向ステージ部240は、主走査方向Xにプリンタ用ヘッド10を移動調整可能とするステージ部である。図1に示すように、X方向ステージ部240は、プリンタ用ヘッド10を発光素子アレイ20の各発光素子21の並びの方向、すなわち、主走査方向Xに移動調整可能とする。第1の実施の形態では、移動量は、各発光素子21間の配列ピッチPの半分の1/2ピッチである。なお、1/2ピッチの整数倍だけ移動可能としておくことにより、後述する、ドット欠けの補正に有効である。
(X-direction stage unit 240)
The
X方向ステージ部240は、図2に示すように、図示省略するX駆動部が制御部300と接続され、制御信号SPにより主走査方向Xへの移動、調整が行われる。
(制御部300)
図2に示すように、制御部300は、高さ方向制御部310、副走査方向制御部320、光出力制御部330、シフト調整部340、3Dデータ部350を有して概略構成されている。制御部300は、例えば、プログラムに従って、取得したデータに演算、加工等を行うCPU(Central Processing Unit)、半導体メモリであるRAM(Random Access Memory)及びROM(Read Only Memory)等から構成されるマイクロコンピュータである。RAMは、例えば、一時的に演算結果等を格納する記憶領域として用いられる。また、制御部300は、信号の入出力処理のためのインターフェース部等を有する。
(Control unit 300)
As shown in FIG. 2, the
(高さ方向制御部310)
高さ方向制御部310は、高さ方向Zの各層の成形が終了する毎に、Z方向ステージ部210を駆動することによりプラットフォーム200を高さ方向Zに、所定量だけ移動させる高さ方向動作を行なう。高さ方向制御部310は、制御信号SZをZ方向ステージ部210に出力することにより、高さ方向Zへの移動、調整を実行する。高さ方向制御部310は、Z方向ステージ部210の位置情報を検出して、Z方向ステージ部210の高さ方向Zの位置制御を行なうことができる。
(Height direction control unit 310)
The height
高さ方向制御部310は、プラットフォーム200を高さ方向Z(図2に示す下方向)に移動させる。高さ方向制御部310は、高さ方向Zの各層の成形が終了する毎に、3Dデータに従ってプラットフォーム200を下方向に下げることで、プラットフォーム200に付着する形成物(造形物)を成長させることができる。
The height
高さ方向制御部310は、3次元プリント時において、プリンタ用ヘッド10をZ方向ステージ部210の駆動により、高さ方向Zの下方向に所定移動量ΔZずつ移動させる制御を行なう。この所定移動量ΔZは、後述するスライスデータの各Zデータの増分に相当する。
The height
高さ方向制御部310は、Z方向ステージ部210を駆動することにより、上記のプリンタ用ヘッド10の初期位置(高さ方向Z)から、順次、所定移動量ΔZだけプリンタ用ヘッド10を下方向に移動させる。この下方向への移動制御は、プリンタ用ヘッド10の副走査方向Yへの移動とレーザ光Lの主走査方向Xへの線状出力とにより2次元画像形成が完了する毎に実行される。
By driving the Z-
なお、高さ方向制御部310によるZ方向ステージ部210の位置制御は、上記の所定移動量ΔZだけ順次Z方向ステージ部210を移動させるオープン制御でもよく、また、Z方向ステージ部210のZ位置をフィードバックすることにより位置制御するクローズド制御でもよい。
The position control of the Z-
(副走査方向制御部320)
副走査方向制御部320は、各発光素子21を主走査方向Xに線状に発光させる主走査動作が終了する毎に、副走査方向Yにプリンタ用ヘッド10を所定量だけ移動させる副走査動作を行なう。副走査方向制御部320は、制御信号SYをY方向ステージ部220に出力することにより、副走査方向Yへの移動、調整を実行する。副走査方向制御部320は、Y方向ステージ部220の位置情報を検出して、Y方向ステージ部220の副走査方向Yの位置制御を行なうことができる。
(Sub-scanning direction control unit 320)
The sub-scanning
副走査方向制御部320は、プリンタ用ヘッド10を副走査方向Yに移動させて、所定のY初期位置に調節する。これにより、3次元プリンタ装置100におけるプリンタ用ヘッド10の初期位置(副走査方向Y)設定ができる。
The sub-scanning
副走査方向制御部320は、3次元プリント時においては、プリンタ用ヘッド10をY方向ステージ部220の駆動により、副走査方向Yに所定移動量ΔYずつ移動させる制御を行なう。この所定移動量ΔYは、後述するスライスデータの各Yデータの増分に相当する。
During three-dimensional printing, the sub-scanning
副走査方向制御部320は、Y方向ステージ部220を駆動することにより、上記のプリンタ用ヘッド10の初期位置(副走査方向Y)から、順次、所定移動量ΔYだけプリンタ用ヘッド10を副走査方向Yに移動させる。この副走査方向Yへの移動制御は、レーザ光Lを主走査方向Xに線状に照射して主走査方向への画像形成が完了する毎に実行される。
By driving the Y-
なお、副走査方向制御部320によるY方向ステージ部220の位置制御は、上記の所定移動量ΔYだけ順次Y方向ステージ部220を移動させるオープン制御でもよく、また、Y方向ステージ部220のY位置をフィードバックすることにより位置制御するクローズド制御でもよい。
The position control of the Y-
(光出力制御部330)
光出力制御部330は、各発光素子21を主走査方向Xに線状に発光させる主走査動作を行なう。光出力制御部330は、発光素子アレイ20の各発光素子21の光出力値(発光パワー)を制御する。すなわち、光出力制御部330は、光出力値のデータに基づいて、所定の光振幅値(光ピーク値)、または、発光時間を規定する駆動信号のパルス幅を所定量に設定して、主走査方向Xに線状のレーザ光Lを出射させる制御を行なう。
(Optical output control unit 330)
The optical
本実施の形態では、各発光素子21の発光パワーは、光振幅値(光ピーク値)をAPC(Automatic Power Control)により一定に制御し、駆動信号のパルス幅を制御することにより光出力制御を行なう。なお、主走査方向Xの光出力制御は、成形する3Dデータに基づいて、各X位置での光出力を制御することにより、所望の線状のレーザ光Lをプリンタ用ヘッド10に出射させる。
In the present embodiment, the light emission power of each light emitting
(シフト調整部340)
シフト調整部340は、主走査方向Xへプリンタ用ヘッド10のシフト調整を行なう。シフト調整部340は、プリンタ用ヘッド10が副走査方向Yに往路移動する場合は、シフト量ゼロとする。すなわち、X方向ステージ部240は、プリンタ用ヘッド10を移動させない。シフト調整部340は、プリンタ用ヘッド10が副走査方向Yに復路移動する場合は、シフト量を各発光素子21間の配列ピッチPの半分の1/2ピッチに設定する。すなわち、X方向ステージ部240は、プリンタ用ヘッド10を1/2ピッチだけ主走査方向Xへ移動させる。
(Shift adjustment unit 340)
The
なお、シフト調整部340によるX方向ステージ部240の位置制御は、上記1/2ピッチだけX方向ステージ部240を移動させるオープン制御でもよく、また、X方向ステージ部240のX位置をフィードバックすることにより位置制御するクローズド制御でもよい。
The position control of the
(3Dデータ部350)
3Dデータ部350は、3次元プリンタ装置100により形成する立体形状を3次元のデータとして準備する。3Dデータ部350は、3次元プリンタ装置100で3Dプリントを実行するための3Dモデルのデータとして、X、Y、Z座標データ、及び、その各座標における光出力値を有する3Dデータを備える。この3Dデータは、外部で作成されて制御部300に入力されてもよく、また、3Dデータ部350において作成されてもよい。
(3D data unit 350)
The
3Dデータ部350は、例えば、3DモデルをZ方向にスライスした、Z0からZnまでのスライスデータを作成する。このスライスデータは、3Dプリントにおける各1層分のデータである。スライスデータZi(iは、0からnまでの整数)は、高さ位置ZiにおけるX座標値、Y座標値、光出力値のデータ列で構成される。なお、一例として、高さ位置ZiにおけるX座標値は発光素子アレイ20のピッチにより規定される値、Y座標値はY方向ステージ部220の所定移動量ΔYの分解能で規定される値で、Yj(jは、0からmまでの整数)とすることができる。また、高さ位置Ziにおける光出力値は、X座標値、Y座標値における駆動信号のパルス幅とすることができる。
(3次元プリンタ装置100の動作)
図6は、本発明の実施の形態に係る3次元プリンタ装置の動作を示すフローチャートである。以下、これに基づいて、3次元プリンタ装置100の動作を説明する。
(Operation of 3D printer device 100)
FIG. 6 is a flowchart showing the operation of the three-dimensional printer device according to the embodiment of the present invention. Hereinafter, the operation of the three-
(Step1)
制御部300は、3Dデータ部350において、3Dデータを準備する。3Dデータは、3次元プリンタ装置100により形成する立体形状を3次元のデータとしたもので、外部で作成されて制御部300に入力されるか、または、3Dデータ部350において作成する。
(Step1)
The
(Step2)
制御部300は、高さ方向制御部310において、i=0に設定する。
(Step2)
The
(Step3)
高さ方向制御部310は、制御信号SZをZ方向ステージ部210に出力することにより、プラットフォーム200を高さ方向Ziに移動させて、液面115aとの距離を所定の距離に調節する。なお、iは、0からnまでの整数であり、i=0の場合は、3次元プリンタ装置100におけるプリンタ用ヘッド10の初期位置(高さ位置Z0)の設定となる。
(Step3)
Height
(Step4)
制御部300は、副走査方向制御部320において、j=0に設定する。また、シフト調整部340において、主走査方向Xへのシフト量ゼロに設定する。X方向ステージ部240はプリンタ用ヘッド10をシフト量ゼロの位置に移動させる。
(Step4)
The
(Step5)
副走査方向制御部320は、制御信号SYをY方向ステージ部220に出力することにより、プリンタ用ヘッド10を副走査方向Yjに移動させる。なお、jは、0からmまでの整数であり、j=0の場合は、3次元プリンタ装置100におけるプリンタ用ヘッド10の初期位置(副走査方向Y0)の設定となる。
(Step 5)
The sub-scanning
(Step6)
制御部300は、光出力制御部330により、主走査方向Xに光出力する。すなわち、光出力制御部330は、制御信号SXをプリンタ用ヘッド10に出力することにより、各発光素子21を主走査方向Xに線状に発光させて、レーザ光Lを液面115aに照射する。液槽110内の光硬化性液115は、レーザ光Lに反応して硬化する光硬化樹脂であるので、レーザ光Lが照射された領域(ビーム径の範囲)の樹脂液が硬化する。硬化した成形物はプラットフォーム200に付着する。
(Step 6)
The
(Step7)
制御部300は、Yj=Ymかどうかを判断する。Yj=Ymの場合は、Step8へ進み(Step7:Yes)、Yj=Ymでない場合は、j=j+1としてStep5へ戻る(Step7:No)。Yj=Ymの場合は、復路のプリント成型へ進み、Yj=Ymでない場合は、第i層目の往路のプリント成形を続行することになる。
(Step7)
The
(Step8)
シフト調整部340において、主走査方向Xへのシフト量を1/2ピッチに設定する。これにより、X方向ステージ部240がプリンタ用ヘッド10を1/2ピッチだけ主走査方向Xへ移動させてシフト調整をする。
(Step 8)
In the
(Step9)
副走査方向制御部320は、制御信号SYをY方向ステージ部220に出力することにより、プリンタ用ヘッド10を副走査方向Yj―1に移動させる。すなわち、復路方向Rに移動させる。
(Step 9)
The sub-scanning
(Step10)
制御部300は、光出力制御部330により、主走査方向Xに光出力する。すなわち、光出力制御部330は、制御信号SXをプリンタ用ヘッド10に出力することにより、各発光素子21を主走査方向Xに線状に発光させて、レーザ光Lを液面115aに照射する。液槽110内の光硬化性液115は、レーザ光Lに反応して硬化する光硬化樹脂であるので、レーザ光Lが照射された領域(ビーム径の範囲)の樹脂液が硬化する。硬化した成形物はプラットフォーム200に付着する。
(Step 10)
The
(Step11)
制御部300は、Yj=Y0かどうかを判断する。Yj=Y0の場合は、Step12へ進み(Step11:Yes)、Yj=Y0でない場合は、j=j−1としてStep9へ戻る(Step11:No)。Yj=Y0の場合は、次の層のプリント成形へ進み、Yj=Y0でない場合は、第i層目の復路のプリント成形を続行することになる。
(Step 11)
The
(Step12)
制御部300は、Zi=Znかどうかを判断する。Zi=Znの場合は、Step13へ進み(Step12:Yes)、Zi=Znでない場合は、i=i+1としてStep3へ戻る(Step12:No)。なお、Zi=Znでない場合は、次の層である(i+1)層の成形を行なう。
(Step 12)
The
(Step13)
3次元プリンタ装置100により、硬化した光硬化樹脂により3次元データの立体形状が完成したので、プラットフォーム200に付着して形成された3D造形物を離形して完成となる。
(Step 13)
Since the three-dimensional shape of the three-dimensional data is completed by the cured photocurable resin by the three-
〔第2の実施の形態〕
第2の実施の形態では、発光素子アレイ20は、複数のサブマウントが並置されて構成されている。副走査方向制御部320は、プリンタ用ヘッド10を副走査方向Yに往復移動させ、プリンタ用ヘッド10は、往路と復路において、発光素子アレイのサブマウントの幅の整数倍だけ主走査方向Xへシフト調整を行なうように構成されている。
[Second Embodiment]
In the second embodiment, the light emitting
図7は、第2の実施の形態におけるプリンタ用ヘッドの往路と復路の動作を示す立体斜視図である。第2の実施の形態において、プリンタ用ヘッド10は、発光素子アレイ20が、例えば、図7に示すように、発光素子アレイ20a、20b、20c、20d、20e等のように、複数のサブマウントで構成されている。1つのサブマウントは、幅Wとする。
FIG. 7 is a three-dimensional perspective view showing the outbound and inbound operations of the printer head according to the second embodiment. In the second embodiment, in the
シフト調整部340は、主走査方向Xへプリンタ用ヘッド10のシフト調整として、主走査方向Xにサブマウントの幅Wだけプリンタ用ヘッド10を移動させることができる。
The
発光素子アレイ20は、レーザ素子の放熱のためサブマウントに実装されるが、サブマウント単位で光らなくなった場合には、図7に示すように、サブマウント単位でずらすことでドット欠けを無くすことが可能となる。
The light emitting
(実施の形態に係る3次元プリンタ装置の効果)
上記本実施の形態の3次元プリンタ装置によれば、以下のような効果を有する。
(1)第1の実施の形態では、本発明の実施の形態に係るプリンタ用ヘッド10は、所定のピッチで各発光素子21が配列された発光素子アレイ20と、発光素子アレイ20に対応して配列され、発光素子アレイ20の各発光素子21から出射される光が入射面31に入射され、入射面31と反対側の出射面32から光が出射されるロッドレンズアレイ30と、を有して構成されている。副走査方向制御部320は、プリンタ用ヘッド10を副走査方向Yに往復移動させ、プリンタ用ヘッド10は、往路と復路において、発光素子アレイ21のピッチの半分の量だけ主走査方向Xへシフト調整を行なうように構成されている。これにより、副走査方向の往路と復路で光スポットの位置を1/2ピッチだけシフト調整ができ、光スポット径を絞って照射しても、小さな光スポットが隙間なく主走査方向Xに並んで、高精細な造形が可能となる。
(2)第2の実施の形態では、発光素子アレイ20は、複数のサブマウントが並置されて構成されている。走査方向制御部320は、プリンタ用ヘッド10を副走査方向Yに往復移動させ、プリンタ用ヘッドは、往路と復路において、発光素子アレイのサブマウントの幅の整数倍だけ主走査方向Xへシフト調整を行なうように構成されている。これにより、レーザ素子は放熱のためサブマウントに実装されるがサブマウント単位で光らなくなった場合でも、シフト調整により、サブマウント単位でずらすことでドット欠けを無くすことが可能となる。
(3)プリンタ用ヘッド10は、アレイ状に光源を配置して光を出射させているが、発光素子アレイ20の1素子が光らなくなった場合にドット欠けで造形されない部分が出来てしまう。しかし、シフト調整部340のシフト調整により、所定の量だけピッチずらしを利用することで、ドット欠けの部分を無くすことが可能となる。
(Effect of 3D Printer Device According to Embodiment)
According to the three-dimensional printer device of the present embodiment, the following effects are obtained.
(1) In the first embodiment, the
(2) In the second embodiment, the light emitting
(3) The
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。また、上記の実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be carried out within a range that does not deviate from the gist of the invention. Moreover, the above-described embodiment does not limit the invention according to the claims. It should also be noted that not all combinations of features described in the embodiments are essential to the means for solving the problems of the invention.
10…プリンタ用ヘッド、20…発光素子アレイ、21…発光素子、25…基板、30…ロッドレンズアレイ、31…入射面、32…出射面、70…筐体、100…3次元プリンタ装置、110…液槽、111…収容部、112…本体部、115…光硬化性液、115a…液面、200…プラットフォーム、210…Z方向ステージ部、220…Y方向ステージ部、240…X方向ステージ部、300…制御部、310…高さ方向制御部、320…副走査方向制御部、330…光出力制御部、340…シフト調整部、350…3Dデータ部、L…レーザ光、X…主走査方向、Y…副走査方向、Z…高さ方向 10 ... Printer head, 20 ... Light emitting element array, 21 ... Light emitting element, 25 ... Substrate, 30 ... Rod lens array, 31 ... Incident surface, 32 ... Emitting surface, 70 ... Housing, 100 ... Three-dimensional printer device, 110 ... Liquid tank, 111 ... Accommodating part, 112 ... Main body part, 115 ... Photocurable liquid, 115a ... Liquid level, 200 ... Platform, 210 ... Z direction stage part, 220 ... Y direction stage part, 240 ... X direction stage part , 300 ... Control unit, 310 ... Height direction control unit, 320 ... Sub-scanning direction control unit, 330 ... Optical output control unit, 340 ... Shift adjustment unit, 350 ... 3D data unit, L ... Laser light, X ... Main scanning Direction, Y ... Sub-scanning direction, Z ... Height direction
Claims (3)
前記プリンタ用ヘッドから出射される光により硬化する光硬化性液を収容する液槽と、
前記光により硬化して形成された成形物が付着するプラットフォームと、前記プラットフォームを前記液槽の前記光硬化性液に対して液面が上下する方向である高さ方向Zに移動調整可能なZ方向ステージ部と、
前記発光素子アレイの各発光素子の並びの方向である主走査方向X及び前記高さ方向Zとそれぞれ直交する副走査方向Yに前記プリンタ用ヘッドを移動調整可能とするY方向ステージ部と、
前記主走査方向Xに前記プリンタ用ヘッドを移動調整可能とするX方向ステージ部と、
前記プリンタ用ヘッドの前記各発光素子の光出力を制御する光出力制御部、前記高さ方向Zの移動調整制御を行なう高さ方向制御部、前記副走査方向Yの移動調整制御を行なう副走査方向制御部、及び、前記主走査方向Xへ前記プリンタ用ヘッドのシフト調整を行なうシフト調整部を有する制御部と、
を有する3次元プリンタ装置。 A light emitting element array in which each light emitting element is arranged at a predetermined pitch, and light emitted from each light emitting element of the light emitting element array, which is arranged corresponding to the light emitting element array, is incident on an incident surface, and the incident surface is incident. A head for a printer configured to include a rod lens array in which the light is emitted from an exit surface on the opposite side to the above.
A liquid tank containing a photocurable liquid that is cured by the light emitted from the printer head, and
A platform to which a molded product cured by the light adheres, and a Z whose liquid level can be moved and adjusted in the height direction Z, which is the direction in which the liquid level moves up and down with respect to the photocurable liquid in the liquid tank. Directional stage part and
A Y-direction stage unit that allows the printer head to be moved and adjusted in a sub-scanning direction Y that is orthogonal to the main scanning direction X and the height direction Z, which are the directions in which the light emitting elements of the light emitting element array are arranged.
An X-direction stage unit that allows the printer head to be moved and adjusted in the main scanning direction X, and
An optical output control unit that controls the light output of each light emitting element of the printer head, a height direction control unit that controls movement adjustment in the height direction Z, and a sub scan that controls movement adjustment in the sub scanning direction Y. A direction control unit, a control unit having a shift adjustment unit that adjusts the shift of the printer head in the main scanning direction X, and a control unit.
3D printer device.
The light emitting element array is configured by arranging a plurality of submounts side by side, the sub-scanning direction control unit reciprocates the printer head in the sub-scanning direction Y, and the printer head reciprocates in the outward path and the return path. The three-dimensional printer device according to claim 1, wherein the shift adjustment can be performed in the main scanning direction X by an integral multiple of the width of the submount of the light emitting element array.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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Citations (4)
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2020
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