JP2024031511A - 画像生成制御装置および光造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各硬化層の密着性を高めつつ、造形物を精度良く形成することができる画像生成制御装置および光造形装置を提供する。【解決手段】画像生成制御装置３０は、造形物２の各硬化層２ａに対応する断面形状のデータを保持するデータ保持部３１と、光Ｌが照射される光硬化性樹脂層１ａと該光硬化性樹脂層１ａの厚み方向に連続して積層された硬化層２ａとの層数を、光硬化性樹脂層１ａの断面形状を区分けした領域ごとに解析する解析部３３と、解析された層数に応じて、領域ごとに輝度の異なる光の画像信号を生成する画像信号生成部３４と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、画像生成制御装置および光造形装置に関する。

一般に、液状の光硬化性樹脂に、例えば紫外線などの光を照射して、硬化した樹脂からなる三次元の造形物を形成する光造形技術が知られている。特許文献１には、光硬化性樹脂を貯留した液槽の底面に設けた光透過窓を通じて、この光透過窓に対向配置された基台に向けて造形物の所定の高さ位置における断面形状に対応する光を照射し、この基台の下面に所定断面と同形状に樹脂が硬化した硬化層を造形する工程と、基台を液槽に対して、所定高さだけ上方へ引き上げる工程とを繰り返すことで、硬化層を積層して所望の造形物を形成する光造形技術が開示されている。

特開２０２０－６２８４１号公報

ところで、この種の硬化層を一層ずつ積層する光造形技術では、硬化層を順次形成した後も各硬化層の境界面まで達する輝度の光を照射して各硬化層の密着性を高めることが望ましい。しかし、実際に光が照射される光硬化性樹脂（樹脂層）の断面形状においては、領域ごとに該樹脂層に積層された硬化層の厚みが異なるため、適切な輝度の設定が困難であり、造形物を精度良く形成する点で改善の余地があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、各硬化層の密着性を高めつつ、造形物を精度良く形成することができる画像生成制御装置および光造形装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、光硬化性樹脂の表面に照射され、造形物の各硬化層を順次形成する光を制御する画像生成制御装置であって、造形物の各硬化層に対応する断面形状のデータを保持するデータ保持部と、光が照射される光硬化性樹脂の樹脂層と該樹脂層の厚み方向に連続して積層された硬化層との層数を、断面形状を区分けした領域ごとに解析する解析部と、解析された層数に応じて、領域ごとに輝度の異なる光の画像信号を生成する画像信号生成部と、を備える。

また、本発明は、光硬化性樹脂を貯留し、底面に光透過部が設けられた造形槽と、光透過部を通じて光硬化性樹脂を硬化させる光を照射する光照射部と、光透過部に対向し、造形槽に対して昇降可能なプラットホームと、光照射部が照射して造形物の各硬化層を順次形成する光を制御する画像生成制御装置と、を備えた光造形装置であって、画像生成制御装置は、造形物の各硬化層に対応する断面形状のデータを保持するデータ保持部と、光が照射される光硬化性樹脂の樹脂層と該樹脂層の厚み方向に連続して積層された硬化層との層数を、断面形状を区分けした領域ごとに解析する解析部と、解析された硬化層の層数に応じて、領域ごとに輝度の異なる光の画像信号を生成する画像信号生成部と、を備える。

本発明によれば、各硬化層の密着性を高めつつ、造形物を精度良く形成することができる、という効果を奏する。

図１は、本実施形態にかかる光造形装置の基本構成を示す模式図である。 図２は、光硬化性樹脂層および該光硬化性樹脂層に積層された硬化層の層数と、光硬化性樹脂層の領域との関係を示す模式図である。 図３は、画像生成制御装置の動作の手順を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明にかかる実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含む。また、以下の実施形態において、同一の部位には同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。

また、以下の実施形態の説明において、特段のただし書きがない限り、硬化していない（未硬化の）液状の光硬化性樹脂を単に光硬化性樹脂という。また、後述するプラットホームまたは該プラットホームに保持される造形物と光透過プレートとの間に設けられ、光照射によりこれから硬化される所定厚みの光硬化性樹脂の層を、光硬化性樹脂層あるいは単に樹脂層という。また、液状の光硬化性樹脂を硬化させて形成した光造形物を、三次元造形物あるいは単に造形物という。この三次元造形物は、形成する複数の硬化層をすべて積層した完成品に限るものではなく、途中の硬化層まで積層した段階の未完成品も含む。

図１は、本実施形態にかかる光造形装置の基本構成を示す模式図である。図２は、光硬化性樹脂層および該光硬化性樹脂層に積層された硬化層の層数と、光硬化性樹脂層の領域との関係を示す模式図である。光造形装置１０は、図１に示すように、造形槽１１と、プラットホーム１２と、光照射部２０と、画像生成制御装置３０とを備える。

造形槽１１は、上面が開放した皿形状であり、液状の光硬化性樹脂１を貯留可能となっている。造形槽１１は底面に光透過プレート（光透過部）１４を有する。この光透過プレート１４は、光硬化性樹脂１を硬化させる光を透過する。

光硬化性樹脂１は、三次元造形物２の原材料であり、例えば、アクリル化合物やビニル化合物等の重合性化合物を含む。また、光硬化性樹脂１は、光照射によりラジカル種等を発生する重合開始剤を含むことが好ましい。

プラットホーム１２は、硬化した光硬化性樹脂１による造形物２を保持するものであり、光透過プレート１４と対向して造形槽１１の上方に配置される。プラットホーム１２は、例えば円板状あるいは四角板状などの多角形板状に形成され、その下面１２Ａが光透過プレート１４の上面１４Ａとほぼ平行となるように配置される。また、プラットホーム１２は、プラットホーム昇降機構１５に接続され、このプラットホーム昇降機構１５の動作により、造形槽１１に対して昇降可能に設けられている。具体的には、プラットホーム１２は、光透過プレート１４に対して接近したり退避したりすることが可能であり、光透過プレート１４と対向する下面１２Ａに形成された造形物２を保持する。

光照射部２０は、例えば、造形槽１１の下方、すなわち光透過プレート１４を挟んでプラットホーム１２と反対側に配置される。光照射部２０は、光透過プレート１４を通じて、例えば、目的の造形物の所定の断面形状に対応し、光硬化性樹脂１を硬化させる光Ｌを光硬化性樹脂１に向けて照射する。照射する光Ｌは、光硬化性樹脂１を硬化可能なものであればよく、例えば、紫外光や短波長の可視光が用いられる。光照射部２０は、紫外線ランプ等の光源２１と、画像形成素子２２と、反射ミラー２３と、投影レンズ２４とを備える。

光源２１は、画像形成素子２２に照射する光を発するものであり、例えば紫外線ランプ等が用いられる。画像形成素子２２は、形成すべき造形物２の各層の断面形状のデータに応じて光を変調するものであり、例えばエルコス(ＬＣＯＳ：Liquid Crystal On Silicon)デバイスやデジタル・ミラー・デバイス（ＤＭＤ：Digital Mirror Device）又は液晶デバイスを用いることができる。また、本実施形態では、画像形成素子２２は、画像生成制御装置３０の制御により、上記した断面形状における所定の領域（例えば画像形成素子２２の画素）ごとに輝度の異なる光を変調することができる。ここで、光の輝度は、照射される光硬化性樹脂１をどの程度の厚みまで透過させられるか、すなわち硬化させられるかを示す値である。このため、光の輝度が高いほど、照射される光エネルギーが高くなり、厚みのより厚い光硬化性樹脂１に透過して該光硬化性樹脂１を硬化させることができる。

反射ミラー２３は、画像形成素子２２で変調された光を投影レンズ２４に向けて反射する。投影レンズ２４は、反射ミラー２３で反射された光を結像する。なお、光照射部２０は、これに限るものではなく、例えばレーザー光源とミラーの駆動を利用したレーザー走査装置や、反射光学系や屈折光学系を利用した光学装置を用いてもよい。

本実施形態では、光造形装置１０は、図１に示すように、プラットホーム１２もしくは造形物２と光透過プレート１４との間に、所定厚みｔの光硬化性樹脂層を形成し、この光硬化性樹脂層に向けて画像形成素子２２で変調された所定の断面形状の光を照射する。これにより、プラットホーム１２もしくは造形物２に所定の断面と同形状に樹脂が硬化した硬化層が形成される。この所定厚みｔは、形成する硬化層の一層分の厚み（例えば、数μｍから１００μｍ程度）に設定されており、照射後にプラットホーム１２を所定厚みｔと同じ距離だけ引き上げて、プラットホーム１２もしくは造形物２と光透過プレート１４との間に、再び所定厚みｔの光硬化性樹脂層を形成する。このように、光造形装置１０は、所定厚みｔの光硬化性樹脂層に光を照射する工程と、プラットホーム１２を所定厚みｔだけ引き上げる工程とを繰り返して実行することにより、硬化層を積層して目的の形状の造形物２を造形する。

画像生成制御装置３０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などで構成された演算処理装置であり、光照射部２０の動作を制御する。画像生成制御装置３０は、光硬化性樹脂１に光を照射する動作にかかるプログラムを記憶するとともに、このプログラムをメモリにロードして、プログラムに含まれる命令を実行する。画像生成制御装置３０には図示しない内部メモリが含まれ、内部メモリは画像生成制御装置３０におけるプログラム等のデータの一時記憶などに用いられる。

画像生成制御装置３０は、例えば、３次元形状データに基づき、所定の高さ刻みで造形物の断面形状を示す光の照射パターンを演算し、画像形成素子２２などを制御して光硬化性樹脂１に光を照射させる。画像生成制御装置３０は、データ保持部３１と、設定部３２と、解析部３３と、画像信号生成部３４とを備える。

データ保持部３１は、目的の造形物２を形成する際の各層（各硬化層）に対応する断面形状のデータを保持する。すなわち、データ保持部３１は、目的の造形物２がｋ層（ｋは自然数）で形成されているとした場合、１層からｋ層までの各層すべての断面形状のデータを保持している。

設定部３２は、光硬化性樹脂１の表面に光を照射する際に、この光を到達させる最大層数を設定する。すなわち、設定部３２は、最大で何層分硬化させる光エネルギーを照射するかを設定する。図２に示すように、造形物２は、所定の断面形状の硬化層２ａを複数積層して構成され、光透過プレート１４の上面１４Ａと最新の硬化層２ａとの間には、所定厚みｔの光硬化性樹脂層１ａが形成されているものとする。この際、硬化層２ａの周囲には光硬化性樹脂１が存在している。

本実施形態では、最大層数は、硬化対象の光硬化性樹脂層１ａ（ｎ層）と、この光硬化性樹脂層１ａに連続して積層された４層の硬化層２ａ（ｎ－１層～ｎ－４層）の合計５層に設定されているが、少なくとも光硬化性樹脂層１ａ（ｎ層）と１層の硬化層２ａを含む２層以上であれば良い。設定部３２は、予めユーザによる入力などの手法により最大層数を変更可能に設定することができる。本実施形態によれば、光硬化性樹脂１の表面に光Ｌを照射した際に、この光が設定された最大層数（５層）分の厚み（ｔ×５）まで光硬化性樹脂層１ａおよび硬化層２ａを透過する。このため、光硬化性樹脂層１ａを硬化させるとともに、例えば硬化層２ａ間に残存する未硬化の光硬化性樹脂１を硬化させることができ、各硬化層２ａ間の密着性を高めることができる。

解析部３３は、この設定された最大層数以下の範囲において、光Ｌが照射される光硬化性樹脂層１ａと、該光硬化性樹脂層１ａの厚み方向に連続して積層された硬化層２ａとを加算した層数を光硬化性樹脂層１ａの断面形状を区分けした所定の領域ごとに解析する。具体的には、解析部３３は、データ保持部３１からｎ層～ｎ－４層の各断面形状の画像データを読み出し、光硬化性樹脂層１ａの所定の領域ごとに、該光硬化性樹脂層１ａおよび硬化層２ａの層数を解析する。図２の例では、設定された最大層数５以下の範囲において、解析部３３は、光硬化性樹脂層１ａの断面形状を区分けした領域ａの層数を１と解析する。解析部３３は、同様に領域ｂの層数を２、領域ｃの層数を４、領域ｄの層数を５、領域ｅの層数を３、領域ｆの層数を１と解析する。また、解析部３３は、所定の領域として、光硬化性樹脂層１ａに照射される光（画像光）Ｌを変調する画像形成素子２２の画素単位（画素ごと）に上記した層数を解析することが好ましい。

画像信号生成部３４は、解析された層数に応じて、該領域（画素）ごとに輝度の異なる光の画像信号を生成する。すなわち、画像信号生成部３４は、領域（画素）ごとに連続して積層された層数に応じて、輝度信号を異ならせた画像信号を生成する。画像信号生成部３４は、例えば、ｋ層分（ｋは自然数）の光硬化性樹脂層１ａを硬化させる輝度（光エネルギ）をＰｋとすると、上記した領域ａ，ｆ（１層）では輝度Ｐ１となる。また、領域ｂ（２層）ではＰ１＜領域ｂの輝度＜Ｐ２となり、領域ｅ（３層）ではＰ２＜領域ｅの輝度＜Ｐ３となる。また、領域ｃ（４層）ではＰ３＜領域ｃの輝度＜Ｐ４となり、領域ｄ（５層）ではＰ４＜領域ｄの輝度＜Ｐ５となる。ここで、画像信号生成部３４は、層数に対応する輝度（光エネルギ）を積層された層数以下の数値とすることにより、連続して積層された最も上に位置する硬化層２ａを光が透過して、該硬化層２ａの上面に接する光硬化性樹脂１を硬化させることを防止する。

通常、光硬化性樹脂層１ａを積層して硬化させる場合、輝度（光エネルギ）をその光硬化性樹脂層１ａを硬化させるのに必要な輝度の光Ｌのみを照射させると、その光硬化性樹脂層１ａは硬化して硬化層２ａが形成されるものの、各硬化層２ａ間の密着性が低く境界面において剥離が生じやすい。一方で、密着性を高めるために輝度（光エネルギ）を高めると、例えばオーバーハング部分のように硬化層２ａの一部が突出している部分の厚さが厚くなり、精度の高い造形物２が形成できなくなる問題がある。

本実施形態では、上記のように、連続して積層された光硬化性樹脂層１ａおよび硬化層２ａの層数を光硬化性樹脂層１ａの断面形状を区分けした所定の領域ごとに解析し、この解析された層数に応じて、該領域（画素）ごとに輝度の異なる画像光を光硬化性樹脂層１ａに照射する。これによれば、光硬化性樹脂層１ａを所定の断面形状に硬化させるとともに、硬化層２ａの境界面には光を複数回照射することができる。このため、硬化層２ａ間の境界面に残存する未硬化の光硬化性樹脂１を硬化させることができ、各硬化層２ａ間の密着性を高めることができる。さらに、本実施形態では、所定の領域は、画像形成素子２２の画素単位（画素ごと）で設定されるため、目的の造形物２を精度良く成形することができる。

次に、本実施形態にかかる画像生成制御装置３０の動作の手順を説明する。図３は、画像生成制御装置の動作の手順を示すフローチャートである。この動作手順において、目的とする造形物２を形成する際に、光硬化性樹脂層１ａに照射された光を到達させる最大層数（５層）が事前に設定されているものとする。まず、画像生成制御装置３０は、データ保持部３１から、目的とする造形物２の各層に対応する断面形状のデータを読み出す（ステップＳ１）。詳細には、画像生成制御装置３０は、データ保持部３１から、照射対象の光硬化性樹脂層１ａ（ｎ層）と、この光硬化性樹脂層１ａに連続して積層された４層の硬化層２ａ（ｎ－１層～ｎ－４層）に対応する断面形状のデータを読み出す。

続いて、画像生成制御装置３０は、解析部３３により、光硬化性樹脂層１ａと硬化層２ａとが積層された層数を画素ごとに解析する（ステップＳ２）。解析部３３は、上記した最大層数（５層）以下の範囲において、光Ｌが照射される光硬化性樹脂層１ａと、該光硬化性樹脂層１ａの厚み方向に連続して積層された硬化層２ａとを加算した層数を光硬化性樹脂層１ａの断面形状を区分けした画素ごとに解析する。

続いて、画像生成制御装置３０は、解析された上記層数に応じて、画素ごとに輝度信号を設定し、画像信号を生成する（ステップＳ３）。画像信号生成部３４は、画素ごとに連続して積層された層数に応じて、輝度信号を異ならせた画像信号を生成する。

続いて、画像生成制御装置３０は、光硬化性樹脂層１ａに向けて光（画像光）を照射する（ステップＳ４）。画像生成制御装置３０は、生成された画像信号に基づき、画像形成素子２２を制御して、光硬化性樹脂層１ａの断面形状に対応し、かつ、画素ごとに連続して積層された層数に応じて輝度を異ならせた光（画像光）を光硬化性樹脂層１ａに向けて照射する。これにより、光硬化性樹脂層１ａを断面形状と同形状に硬化させて硬化層（ｎ層）を形成するとともに、硬化層２ａの境界面に残存する未硬化の光硬化性樹脂１を硬化させて各硬化層２ａ間の密着性を高めることができる。

続いて、画像生成制御装置３０は、処理が終了であるか否かを判定する（ステップＳ５）。具体的には、画像生成制御装置３０は、処理が終了であるか否かとして形成する層がまだ存在するか否かを判定する。画像生成制御装置３０は、処理が終了でない（形成する層がまだ存在する）場合（ステップＳ５；Ｎｏ）には、処理をステップＳ１に戻す。また、画像生成制御装置３０は、処理が終了である（もう形成する層が存在しない）場合（ステップＳ５；Ｙｅｓ）には、処理を終了する。

以上、本実施形態にかかる光造形装置１０は、光硬化性樹脂１を貯留し、底面に光透過プレート１４が設けられた造形槽１１と、光透過プレート１４を通じて光硬化性樹脂１を硬化させる光Ｌを照射する光照射部２０と、光透過プレート１４に対向し、造形槽１１に対して昇降可能なプラットホーム１２と、光照射部２０が照射して造形物２の各硬化層２ａを順次形成する光Ｌを制御する画像生成制御装置３０と、を備え、画像生成制御装置３０は、造形物２の各硬化層２ａに対応する断面形状のデータを保持するデータ保持部３１と、光Ｌが照射される光硬化性樹脂層１ａと、該光硬化性樹脂層１ａの厚み方向に連続して積層された硬化層２ａとの層数を、光硬化性樹脂層１ａの断面形状を区分けした領域ごとに解析する解析部３３と、解析された層数に応じて、領域ごとに輝度の異なる光の画像信号を生成する画像信号生成部３４と、を備える。

この構成によれば、画像生成制御装置３０は、生成された画像信号に基づき、光照射部２０を制御して、光硬化性樹脂層１ａの断面形状に対応し、かつ、領域ごとに連続して積層された層数に応じて輝度を異ならせた光Ｌ（画像光）を光硬化性樹脂層１ａに向けて照射する。これにより、光硬化性樹脂層１ａを断面形状と同形状に硬化させて硬化層２ａを形成するとともに、硬化層２ａの境界面に残存する未硬化の光硬化性樹脂１を硬化させることができる。従って、各硬化層２ａ間の密着性を高めつつ、造形物２を精度良く成形することができる。

また、本実施形態にかかる光造形装置１０において、画像生成制御装置３０は、硬化層２ａの間に残存する未硬化の光硬化性樹脂を硬化させるべく、該光硬化性樹脂１の表面に照射された光Ｌを到達させる最大層数を設定する設定部３２を有し、解析部３３は、最大層数以下の範囲で、層数を領域ごとに解析する。この構成によれば、硬化層２ａの境界面には光を複数回照射することができ、硬化層２ａ間の境界面に残存する未硬化の光硬化性樹脂１を硬化させることができる。また、最大層数を設定することにより、光が過剰に照射されることが抑制され、造形物２を簡易に形成することができる。

また、本実施形態にかかる光造形装置１０において、領域は、画素単位で設定されるため、造形物２をより精度良く形成することができる。

これまで本発明にかかる画像生成制御装置３０およびこれを備えた光造形装置１０について説明したが、上述した実施形態以外にも種々の異なる形態にて実施されてよい。また、図示した光造形装置の各構成要素は、機能概念的なものであり、必ずしも物理的に図示の如く構成されていなくてもよい。すなわち、各装置の具体的形態は、図示のものに限られず、各装置の処理負担や使用状況などに応じて、その全部または一部を任意の単位で機能的または物理的に分散または統合してもよい。

画像生成制御装置３０の構成は、例えば、ソフトウェアとして、メモリにロードされたプログラムなどによって実現される。上記実施形態では、これらのハードウェアまたはソフトウェアの連携によって実現される機能ブロックとして説明した。すなわち、これらの機能ブロックについては、ハードウェアのみ、ソフトウェアのみ、または、それらの組み合わせによって種々の形で実現できる。

１ 光硬化性樹脂
１ａ 光硬化性樹脂層
２ 三次元造形物（造形物）
２ａ 硬化層
１０ 光造形装置
１１ 造形槽
１２ プラットホーム
１２Ａ 下面
１４ 光透過プレート（光透過部）
１４Ａ 上面
２０ 光照射部
２１ 光源
２２ 画像形成素子
２３ 反射ミラー
２４ 投影レンズ
３０ 画像生成制御装置
３１ データ保持部
３２ 設定部
３３ 解析部
３４ 画像信号生成部
Ｌ 光（画像光）
ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ 領域

Claims (4)

1. 光硬化性樹脂の表面に照射され、造形物の硬化層を順次形成する光を制御する画像生成制御装置であって、
   前記造形物の各硬化層に対応する断面形状のデータを保持するデータ保持部と、
   前記光が照射される前記光硬化性樹脂の樹脂層と、該樹脂層の厚み方向に連続して積層された前記硬化層との層数を、前記断面形状を区分けした領域ごとに解析する解析部と、
   解析された前記層数に応じて、前記領域ごとに輝度の異なる前記光の画像信号を生成する画像信号生成部と、を備える画像生成制御装置。
2. 前記硬化層の間に残存する未硬化の前記光硬化性樹脂を硬化させるべく、該光硬化性樹脂の表面に照射された前記光を到達させる最大層数を設定する設定部を有し、
   前記解析部は、前記最大層数以下の範囲で、前記層数を前記領域ごとに解析する請求項１に記載の画像生成制御装置。
3. 前記領域は、画素単位で設定される請求項１または２に記載の画像生成制御装置。
4. 光硬化性樹脂を貯留し、底面に光透過部が設けられた造形槽と、
   前記光透過部を通じて前記光硬化性樹脂を硬化させる光を照射する光照射部と、
   前記光透過部に対向し、前記造形槽に対して昇降可能なプラットホームと、
   前記光照射部が照射して造形物の硬化層を順次形成する前記光を制御する画像生成制御装置と、を備え、
   前記画像生成制御装置は、
   前記造形物の各硬化層に対応する断面形状のデータを保持するデータ保持部と、
   前記光が照射される前記光硬化性樹脂の樹脂層と、該樹脂層の厚み方向に連続して積層された前記硬化層との層数を、前記断面形状を区分けした領域ごとに解析する解析部と、
   解析された前記層数に応じて、前記領域ごとに輝度の異なる前記光の画像信号を生成する画像信号生成部と、を備える光造形装置。

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