JP2805674B2 - 光学的造形方法および光学的造形装置 - Google Patents
光学的造形方法および光学的造形装置Info
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Description
脂などの光硬化性樹脂に光線を走査して照射することに
より所望の樹脂モデルを造形する光学的造形方法と光学
的造形装置に関し、特に、光硬化性樹脂液槽に収容され
た光硬化性樹脂液の液面位置を迅速に定位置に戻すこと
により、造形時間の短縮と造形精度の向上を図ることが
できる光学的造形方法と光学的造形装置に関する。
槽の表面に対して、紫外線レーザをON/OFFしなが
ら走査し、これにより硬化した走査硬化層をエレベータ
上に順次積み上げることにより、所望の樹脂モデルを造
形することが試みられている。かかる樹脂モデルは、例
えば製品のマスターモデルとして利用されることから、
造形するにあたっては造形精度、層間接着性、および造
形効率などを高める必要がある。
に、紫外線レーザ4から紫外線ビーム5を発生させ、ガ
ルバノミラーおよびシャッターなどを有する光学系によ
って紫外線レーザのON/OFFと光線の走査方向を制
御しながら、紫外線硬化性樹脂液2を収容した槽1の表
面に対して照射する。槽内には紫外線レーザを遮断する
とともに昇降可能なエレベータ8が設けられており、樹
脂液表面3とエレベータ8との間に介在する樹脂液が紫
外線レーザビーム5によって硬化するようになってい
る。
レベータ8を上昇させておき、樹脂液表面3とエレベー
タ8との間に介在する樹脂液2を紫外線レーザビーム5
によって硬化させて第n層目の走査硬化層7aを形成し
たのち、エレベータ8を下降させて、第n層目と同様の
手順で第(n+1)層目の走査硬化層7bを第n層目の
走査硬化層7aの上に形成する。以下同様にして、順次
走査硬化層を積層(以下、堆積ともいう)し、最終層目
の走査硬化層の形成が終了するとエレベータ8を上昇さ
せて、樹脂液からモデル9を取り出したのち、さらに最
終的な硬化を行うために、紫外線ランプなどを用いてモ
デル全体に対して紫外線を長時間照射する。
ベータの同一移動ピッチ内における平面を「等高断面」
と称するが、この一つの等高断面には、目的とするモデ
ルの立体形状に応じて、樹脂液を硬化させる領域と樹脂
液を硬化させない領域とが存在することになる。
紫外線ビームは、光学系によって走査方向に沿って走査
され、このとき、樹脂液を硬化させる領域では紫外線レ
ーザがON(実際にはシャッターAOMが開)、樹脂液
を硬化させない領域では紫外線レーザがOFF(実際に
はシャッターAOMが閉)となる。一つの走査線の走査
が終了すると、光学系を制御して走査ピッチ分だけ位相
させ、再び走査方向に沿って同様の走査が行われる。
ると、樹脂液によって光エネルギーが徐々に減少するこ
とから、微視的には、先端鋭利な照射領域(すなわち、
走査硬化層)を形成することになる。
形成されるが、走査硬化層を順次積層するにあたって
は、上層の走査硬化層を形成する際に、紫外線ビームを
下層にも照射されるような光線強度、すなわち、その等
高断面における硬化深さを積層厚より大きく制御し、各
層間の接着性を高めるようにしている。
断面における走査硬化層を造形したのち、次の走査硬化
層を造形するにあたり、記述したようにエレベータ8を
下降させるが、このエレベータの下降にともなってエレ
ベータの浸漬体積が増加(主にエレベータの支持棒)
し、これにより光硬化性樹脂液が光硬化性樹脂液槽から
溢れ出るため、光硬化性樹脂液槽の一側上端縁11の外
部にはオーバーフロー槽13が設けられている。
ーフローした光硬化性樹脂液2を再び光硬化性樹脂液槽
に戻すために、光硬化性樹脂液槽1とオーバーフロー槽
13との間には循環ポンプ14が設けられている。な
お、この循環ポンプは、オーバーフローした光硬化性樹
脂液を光硬化性樹脂液槽に戻す以外にも、嫌気性の光硬
化性樹脂液を攪拌する機能を有している。
は、光硬化性樹脂液が高粘性であるため、エレベータを
下降させた際にオーバーフローし過ぎるという問題があ
った。これは、エレベータが下降する際に、エレベータ
と槽壁との間が狭小であればある程、そこを通過する光
硬化性樹脂液の流速が増加し、その勢いで光硬化性樹脂
液がオーバーフロー槽に流れ出てしまうことが原因と考
えられる。
作では、エレベータを下降させる場合にまず一旦、次に
造形を行う走査硬化槽の厚さ以上にまでエレベータを浸
漬させたのち、再び正規の位置まで上昇させるという動
作を行っていたため、液面の波立ちが助長され、オーバ
ーフローする光硬化性樹脂液量も増加するという問題が
あった。かかる問題は、エレベータが液面に近ければ近
い程、顕著に現れることとなった。
ると、光学系に対する制御は液面が正規の位置にあるこ
とを前提として教示されていることから、造形されるモ
デルの精度が損なわれる。そのため、従来では、循環ポ
ンプで戻される光硬化性樹脂液により液面が上昇するま
で待機し、液面が正規位置まで上昇したことを確認した
のち次の走査硬化層の造形を行っていた。したがって、
造形時間に無駄が生じ、その改善が希求されていた。
光硬化性樹脂液槽の液面は迅速に回復するが、かかる方
策を講じると、液面の波立ちが大きくなって、結局安定
までの時間を必要としたり、光硬化性樹脂液槽への戻し
量を増加させることにより液面が正規位置より上昇する
という問題があった。
鑑みてなされたものであり、光硬化性樹脂液槽に収容さ
れた光硬化性樹脂液の液面位置を迅速に定位置に戻すこ
とにより、造形時間の短縮と造形精度の向上を図ること
を目的とする。
に、本発明の光学的造形方法は、光硬化性樹脂液槽内に
収容された光硬化性樹脂液に紫外線を照射させて光硬化
性樹脂液を硬化させて、硬化した硬化層を昇降可能なエ
レベータ上に順次積み上げて立体樹脂モデルを得る光学
的造形方法において、一の等高断面槽の造形の終了後
に、前記光硬化性樹脂液槽内のエレベータを下降させる
ステップと、前記エレベータの下降によって、前記光硬
化性樹脂液槽からオーバーフロー槽に溢れ出る光硬化性
樹脂液のオーバーフローを阻止するステップと、前記オ
ーバーフローの阻止の開始から所定時間の経過後に、前
記オーバーフローの阻止を解除し、オーバーフロー槽に
前記光硬化性樹脂液をオーバーフローさせ、オーバーフ
ローした前記光硬化性樹脂液を前記光硬化性樹脂液槽に
循環させながら、次の等高断面層の造形を行うステップ
とを有する。
いて、前記エレベータを次に造形すべき等高断面層の厚
さ以上の深さまで一旦下降させたのち、前記等高断面層
の厚さ位置まで上昇させる。
止するステップにおいて、前記光硬化性樹脂液槽からオ
ーバーフロー槽への前記光硬化性樹脂液の循環を停止す
る。
的造形装置は、光硬化性樹脂液を収容する光硬化性樹脂
液槽と、前記光硬化性樹脂液槽から溢れ出た光硬化性樹
脂液を収容するオーバーフロー槽と、前記光硬化性樹脂
液槽から前記オーバーフロー槽に溢れ出た光硬化性樹脂
液を当該光硬化性樹脂液槽に循環させる循環手段と、前
記光硬化性樹脂液を硬化させるのに適切な波長の紫外線
を発生し、該光線を走査させる光走査手段と、前記光硬
化性樹脂液の表面に光線が照射されたことにより生成す
る硬化樹脂を昇降させる昇降手段と、前記光硬化性樹脂
液槽から前記オーバーフロー槽に溢れ出る光硬化性樹脂
液を阻止および解除する堰手段と、前記堰手段による光
硬化性樹脂液のオーバーフローの阻止および解除を制御
する制御手段とを備える。
るに際し、前記光硬化性樹脂液槽からオーバーフロー槽
に溢れ出る光硬化性樹脂液のオーバーフローを前記堰手
段で一時的に阻止し、前記オーバーフローの阻止を前記
堰手段により解除したのち、次の等高断面層の造形を行
うように、前記昇降手段と前記堰手段とを制御すること
を特徴とする。
硬化性樹脂液のオーバーフローを阻止する際に、前記循
環手段を停止し、前記光硬化性樹脂液のオーバーフロー
の阻止を解除したのちに前記循環手段を動作させる。
層の形成を終了するとエレベータを次に造形すべき等高
断面の厚さ分だけ下降させるが、このとき、光硬化性樹
脂液槽からオーバーフロー槽に光硬化性樹脂液がオーバ
ーフローし過ぎることから、エレベータの下降時には堰
手段を用いてオーバーフローを一時的に阻止すると同時
に循環手段も停止して、光硬化性樹脂液の液面を静止さ
せたのち、堰手段を開放することにより、真にオーバー
フローすべき光硬化性樹脂液だけオーバーフローさせる
ようにしている。
液を硬化させるのに適当な波長を含む光線を発生し、光
硬化性樹脂液槽に収容された光硬化性樹脂液に対して光
線を走査させる。一つの等高断面における走査を終了す
ると、光線が照射されたことにより生成する硬化樹脂を
昇降手段によって昇降させ、このような手順を繰り返す
ことにより、順次走査硬化層を積層する。
つの等高断面における走査を終了した旨の信号を受ける
と、昇降手段に対して次に造形すべき等高断面の厚さ分
だけ下降させる信号を出力する。これと同時に、制御手
段から堰手段に対して光硬化性樹脂液槽からオーバーフ
ロー槽に溢れ出る光硬化性樹脂液を一時的に阻止する信
号を出力(これと同時に、循環手段に対しても停止信号
を出力することが好ましい)する。
液面の上昇および液面の波立ちの減衰を待ち、その後、
制御手段から堰手段に対してオーバーフローの阻止を解
除する信号を出力する(また、これと同時に、制御手段
から循環手段に対して光硬化性樹脂液槽とオーバーフロ
ー槽との循環を開始する旨の信号を出力することが好ま
しい)。
ーフロー槽に対して、真にオーバーフローすべき量だけ
光硬化性樹脂液が溢れ出ることになり、その結果、次の
等高断面における走査を即刻開始することができる。ま
た、この走査を開始する際における液面は、正規の液面
高さが確保されており、しかも、波立ちも抑止されてい
るため、造形されるモデルの精度も著しく向上すること
となる。
動作を、次に造形すべき等高断面層の厚さ以上の深さま
で一旦下降したのち、等高断面層の厚さ位置まで上昇さ
せた場合により顕著に機能することとなる。
明する。まず最初に、図1〜図3を参照しながら本発明
の一実施例に係る光学的造形装置の構成について説明す
る。図1は本発明の光学的造形装置を示す斜視図、図2
は同実施例におけるゲート閉の状態を示す断面図、図3
は同実施例におけるゲート開の状態を示す断面図であ
る。
脂液槽1を有しており、この槽内に収容される光硬化性
樹脂液2は光を照射することにより付加重合を生じて硬
化する材料である。例えば、スチレン、メタクリル酸メ
チル、酢酸ビニルなどのビニル単量体は、光照射によっ
て、光重合の開始剤が存在しなくとも、あるいは紫外線
を吸収する増感剤や色素の存在下で、重合を起す。
液2の種類は特に限定されず、未硬化では液体状であっ
て硬化することにより固化する樹脂であればよい。ま
た、照射する光5(図3参照)についても特に限定され
ず、紫外線の他にも、用いられる光硬化性樹脂2に応じ
た光を選択すればよい。
るとともに硬化させた樹脂を載置する台座を有するエレ
ベータ8が設けられており、このエレベータ8は、昇降
用アクチュエータ15(図2にはネジ部のみを示す)に
より光硬化性樹脂液槽1内を昇降可能となっている。昇
降用アクチュエータ15に対する指令信号は、制御手段
6から与えられるが、光走査手段4への、あるいは光走
査手段4からの情報に基づいて、制御手段6は昇降用ア
クチュエータ15に指令信号を出力する。
了したことを光走査手段4から検知すると、次の等高断
面の走査に移行するために、制御手段6から昇降用アク
チュエータ15に対して指令信号を出力し、これにより
昇降用アクチュエータ15はエレベータ8を所定のピッ
チ(すなわち、このピッチがその等高断面における積層
厚となる)だけ下降させる。
このエレベータ8を下降させるにあたっては、一旦エレ
ベータ8を次の積層厚より深く下降させたのち、積層厚
の位置まで上昇させることが好ましい。このように一旦
深く下降させることにより、エレベータ上に光硬化性樹
脂液が十分に充満するので、光硬化性樹脂液の粘度が高
くてもエレベータ上の液面が低下することはない。
外線レーザなどの光線を発生させるレーザ発振器と、こ
のレーザ発振器で発生した光線を光硬化性樹脂液の表面
3に対し所定の軌跡にしたがって走査させるための光学
系と、この光学系を制御するための光学系コントローラ
から構成されている。
ためのシャッター器(AOM)や光線の方向を変動させ
るための電圧印加器およびガルバノミラーなどが設けら
れており、光線のON/OFF、光線強度の変更、光路
の変更、光線の走査速度の制御などを行う機能を有して
いる。そして、この光学系に対して、光学系コントロー
ラからは予め教示された軌跡に応じた光走査条件に関す
る指令信号が出力される。なお、本発明における光走査
手段4の動作は、基本的には制御手段6に予め入力され
た基本軌跡データに基づいて行われる。
11が他の上端縁より低く形成されており、この上端縁
11が液面3と面一になる。そして、この上端縁11か
ら溢れでた光硬化性樹脂液2は、外側に設けられたオー
バーフロー槽13に流入し、さらに、循環配管と循環ポ
ンプ14によって光硬化性樹脂液槽1に戻されるように
なっている。なお、循環ポンプ14を含む循環系は、オ
ーバーフロー槽13から光硬化性樹脂液槽1への一方向
にのみ流れるようになっており、光硬化性樹脂液槽1か
らオーバーフロー槽13への逆流は防止されている。
端縁11に対して接近離反移動するゲート10が設けら
れている。このゲート10は、流体シリンダなどのアク
チュエータ12のロッドに取り付けられることにより、
上端縁11を塞いで光硬化性樹脂液槽からのオーバーフ
ローを阻止する位置(図2参照)と、上端縁11から上
昇して光硬化性樹脂液槽からのオーバーフローを許容す
る位置(図3参照)との間を往復移動する。これらゲー
ト10、アクチュエータ12が本発明の堰手段を構成す
る。
段6からの指令信号により制御され、具体的には、エレ
ベータ8を下降させる際にゲート10を閉じてオーバー
フローを阻止し、その後エレベータ8が正規の位置に停
止するとゲート10を開いてオーバーフローを許容する
ようになっている。
本実施例ではゲート10を閉じてオーバーフローを阻止
しているあいだは、循環ポンプ14も停止するように制
御手段6から循環ポンプ14の制御装置に指令信号を出
力し、ゲート10を開いてオーバーフローを許容する際
には再び循環ポンプ14を作動させるように制御手段6
から循環ポンプの制御装置に対して指令信号を出力す
る。
樹脂モデルに応じて、予め入力されたデータに基づい
て、エレベータ8(昇降手段)と光走査手段4とを相互
に関連付けながら、かつ、上述したようにゲート10と
も関連付けながら制御する。
タ15の制御部、光学系コントローラ、および制御手段
6などの情報処理装置は、それぞれ別体に構成した具体
例として説明しているが、これは、それぞれの機能を容
易に理解するために記載したものであって、上述した各
機能を備えている限り、これらを任意の組み合せで組み
合わせて情報処理装置を構成してもよいことは勿論であ
る。
御手段における処理手順を示すフローチャートである。
従来の光学的造形方法では、一つの等高断面における描
画を終了してエレベータを下降させる場合には、オーバ
ーフローする光硬化性樹脂液量は、成り行きに任せてい
たが、本実施例では、エレベータを下降する際にはゲー
ト10を閉じて一時的にオーバーフローを阻止するとと
もに、循環ポンプ14も停止して光硬化性樹脂液槽1の
液面3を静止させたのち、ゲート10を開放することに
より、真にオーバーフローすべき光硬化性樹脂液2だけ
オーバーフローさせるようにしている。
走査手段4により光硬化性樹脂液2を硬化させるのに適
当な波長を含む光線5を発生し、光硬化性樹脂液槽1に
収容された光硬化性樹脂液2に対して光線5を走査させ
る。このとき、エレベータ8は、描画しようとする等高
断面の厚さだけ液面3から浸漬されている。一つの等高
断面における走査を終了すると、光線5が照射されたこ
とにより生成する硬化樹脂7をエレベータ8によって下
降させ、このような手順を繰り返すことにより、順次走
査硬化層7を積層してゆく。
ら一つの等高断面における描画を終了した旨の信号を受
けると、昇降用アクチュエータ15に対して次に造形す
べき等高断面の厚さ分だけ下降させる信号を出力する。
これと同時に、制御手段6からアクチュエータ12に対
して光硬化性樹脂液槽1からオーバーフロー槽13に溢
れ出る光硬化性樹脂液2を一時的に阻止する信号を出力
し、かつ循環ポンプ14に対しても停止信号を出力する
(ステップ1)。
が(ステップ2)、本実施例では、当該エレベータの下
降動作を、次に造形すべき等高断面層の厚さ以上の深さ
まで一旦下降したのち、等高断面層の厚さ位置まで上昇
させる。これにより、エレベータ上に光硬化性樹脂液が
十分に充満するので、光硬化性樹脂液の粘度が高くて
も、表面張力などが作用することによりエレベータ上の
液面が低下することが防止できる。
置の動作を停止する(ステップ3)。これは、エレベー
タ8の下降による液面の上昇や波立ちを減衰させるため
である。したがって、さほど長時間放置する必要はな
い。次に、ステップ3により液面3の上昇および液面3
の波立ちは減衰するので、制御手段6からアクチュエー
タ12に対してゲート10を開く信号を出力するととも
に、これと同時に、制御手段6から循環ポンプ14に対
して光硬化性樹脂液槽1とオーバーフロー槽13との循
環を開始する旨の信号を出力する(ステップ4)。
バーフロー槽13に対して、真にオーバーフローすべき
量だけ光硬化性樹脂液が溢れ出ることになり、その結
果、次の等高断面における走査を即刻開始することがで
きる(ステップ5)。また、この走査を開始する際にお
ける液面3は、正規の液面高さが確保されており、しか
も、波立ちも抑止されているため、造形されるモデルの
精度も著しく向上することとなる。
了すると、エレベータ8を上昇させて造形されたモデル
を取り出す(ステップ6〜7)。
理解を容易にするために記載されたものであって、これ
らの発明を限定するために記載されたものではない。し
たがって、上記の各実施例に開示された各要素は、本発
明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含
む趣旨である。
完全に閉塞しなくともよい。すなわち、光硬化性樹脂液
槽1の上端縁11とゲート10との間に隙間が生じるよ
うに閉塞すれば、光硬化性樹脂液のオーバーフローが適
当になされるため、ステップ3において循環ポンプ14
を停止する必要がなくなる。
等高断面における走査硬化層の形成を終了してエレベー
タを次に造形すべき等高断面の厚さ分だけ下降させるに
際し、エレベータの下降時には堰手段を用いて一時的に
オーバーフローを阻止し光硬化性樹脂液の液面を静止さ
せたのち、堰手段を開放することにより、真にオーバー
フローすべき光硬化性樹脂液だけオーバーフローさせる
ようにしているので、光硬化性樹脂液槽に収容された光
硬化性樹脂液の液面位置を迅速に定位置に戻すことによ
り、造形時間の短縮と造形精度の向上を図ることができ
る。
である。
である。
すフローチャートである。
Claims (6)
- 【請求項1】光硬化性樹脂液槽内に収容された光硬化性
樹脂液に紫外線を照射させて光硬化性樹脂液を硬化さ
せ、硬化した硬化層を昇降可能なエレベータ上に順次積
み上げて立体樹脂モデルを得る光学的造形方法におい
て、一の等高断面層の造形の終了後に、前記光硬化性樹脂液
槽内のエレベータを下降させるステップと、 前記エレベータの下降によって、前記光硬化性樹脂液槽
からオーバーフロー槽に溢れ出る光硬化性樹脂液のオー
バーフローを阻止するステップと、 前記オーバーフローの阻止の開始から所定時間の経過後
に、前記オーバーフローの阻止を解除し、オーバーフロ
ー槽に前記光硬化性樹脂液をオーバーフローさせ、オー
バーフローした前記光硬化性樹脂液を前記光硬化性樹脂
液槽に循環させながら、次の等高断面層の造形を行うス
テップと を有する光学的造形方法。 - 【請求項2】前記エレベータを下降させるステップにお
いて、前記エレベータを次に造形すべき等高断面層の厚
さ以上の深さまで一旦下降させたのち、前記等高断面層
の厚さ位置まで上昇させる請求項1に記載の光学的造形
方法。 - 【請求項3】前記光硬化性樹脂液のオーバーフローを阻
止するステップにおいて、前記光硬化性樹脂液槽からオ
ーバーフロー槽への前記光硬化性樹脂液の循環を停止す
る請求項1または2に記載の光学的造形方法。 - 【請求項4】光硬化性樹脂液を収容する光硬化性樹脂液
槽と、 前記光硬化性樹脂液槽から溢れ出た光硬化性樹脂液を収
容するオーバーフロー槽と、前記光硬化性樹脂液槽から前記オーバーフロー槽に溢れ
出た光硬化性樹脂液を当該光硬化性樹脂液槽に循環させ
る循環手段と、 前記光硬化性樹脂液を硬化させるのに適切な波長の紫外
線を発生し、該光線を走査させる光走査手段と、 前記光硬化性樹脂液の表面に光線が照射されたことによ
り生成する硬化樹脂を昇降させる昇降手段と、 前記光硬化性樹脂液槽から前記オーバーフロー槽に溢れ
出る光硬化性樹脂液を阻止および解除する堰手段と、 前記堰手段による光硬化性樹脂液のオーバーフローの阻
止および解除を制御する制御手段と、 を備えた光学的造形装置。 - 【請求項5】前記制御手段は、前記昇降手段を下降させ
るに際し、前記光硬化性樹脂液槽からオーバーフロー槽
に溢れ出る光硬化性樹脂液のオーバーフローを前記堰手
段で一時的に阻止し、前記オーバーフローの阻止を前記
堰手段により解除したのち、次の等高断面層の造形を行
うように、前記昇降手段と前記堰手段とを制御すること
を特徴とする請求項4に記載の光学的造形装置。 - 【請求項6】前記制御手段は、前記堰手段により前記光
硬化性樹脂液のオーバーフローを阻止する際に、前記循
環手段を停止し、前記光硬化性樹脂液のオーバーフロー
の阻止を解除したのちに前記循環手段を動作させる請求
項5に記載の光学的造形装置。
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