JP3423029B2

JP3423029B2 - 光造形装置

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Publication number: JP3423029B2
Application number: JP14594993A
Authority: JP
Inventors: 千明式地; 信幸近藤
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1993-06-17
Filing date: 1993-06-17
Publication date: 2003-07-07
Anticipated expiration: 2018-07-07
Also published as: JPH071592A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、紫外線等の光ビームの
照射によって硬化する光硬化性樹脂を資材として、立体
造形物を成形する光造形装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電気機器等の各種商品の開発過程におい
ては、商品の立体モデルを作製して、デザインや機構に
ついてのチェックが行なわれるが、近年の商品のライフ
サイクルの短縮化に応じて、立体モデルを迅速に作製す
る必要が生じている。

【０００３】そこで、樹脂槽内の光硬化性樹脂の表面へ
光ビームを照射して、光硬化性樹脂を硬化させることに
よって立体造形物を成形する光造形装置が開発されてい
る(米国特許第4,575,330、特開昭62-35966号、特公平5-
18704号)。

【０００４】図４は従来の光造形装置の具体的な構成を
示しており、樹脂槽(１)内の光硬化性樹脂(２)中に、昇
降機構(３)によって駆動される昇降テーブル(31)を水平
に配置している。レーザ源にはアルゴンガスレーザ等の
定常レーザ光発振装置(48)が用いられ、定常レーザ光発
振装置(48)から出射される一定光強度の紫外線レーザ光
Ｑは、高速シャッター(49)、ビーム調整レンズ(51)、第
１ガルバノミラー(62)及び第２ガルバノミラー(72)を経
て、光硬化性樹脂(２)の表面へ照射される。第１及び第
２ガルバノミラー(62)(72)は夫々回転機構(63)(73)に連
繋されて、反射面の向きを振動させることにより、反射
レーザ光のＸ及びＹ方向の走査が行なわれる。前記高速
シャッター(49)は、例えば１０^-6秒程度で動作可能な光
音響偏光素子から構成され、ガルバノミラー(62)(72)に
よる走査に同期して開閉される。

【０００５】一方、制御コンピュータ(92)は、ＣＡＤシ
ステム(図示省略)により設計された立体造形物の形状デ
ータに基づき、該立体形状物を高さ方向(Ｚ方向)に等間
隔にスライスした等高線データ(加工データ)を作成し、
コントローラ(82)へ供給する。コントローラ(82)は、等
高線データに基づいて、高速シャッター(49)、回転機構
(63)(73)、及び昇降機構(３)に対する制御信号を作成し
て、夫々の制御部へ供給する。

【０００６】これによって、昇降テーブル(31)が一定ピ
ッチ(０.０５〜０.３mm程度)で樹脂槽(１)内を降下する
と共に、定常レーザ光発振装置(48)からの紫外線レーザ
ビームが昇降テーブル(31)上の光硬化性樹脂(２)を前記
等高線データに応じてＸ−Ｙ方向に走査する。この結
果、昇降テーブル(31)上には、樹脂硬化物(21)が前記等
高線データに応じた形状に順次堆積し、最終的に所定形
状の立体造形物が成形されることになる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ガルバノミ
ラーの反射面の向きを振動させる際、図６に示す様にミ
ラーの変位速度が一定値に達する一定速度期間Ｔｍの前
後に、加速期間Ｔｓと減速期間Ｔｅが生じ、これらの期
間Ｔｓ、Ｔｅにレーザ光を光硬化性樹脂に照射すると、
単位面積当りのレーザ光照射量に変動が生じるばかりで
なく、ミラーのぶれに伴って、成形精度が低下する問題
がある。そこで従来は、前記高速シャッター(49)によっ
て、ミラーの加速期間Ｔｓと減速期間Ｔｅにはレーザ光
を遮断して、一定速度期間Ｔｍのみにレーザ光を光硬化
性樹脂に照射することによって対処している。

【０００８】しかしながら、高速シャッター(49)は一般
に高価で寿命が短く、然もその制御が複雑となる問題が
ある。

【０００９】又、光硬化性樹脂の成形精度を上げるため
には、成形すべき立体造形物の各部位の形状に応じて、
部位毎にレーザ光の侵入長を変えることが望ましい。即
ち、立体造形物の本体から側方へ大きく突出したオーバ
ハング部ではレーザ光の侵入長は短く、それ以外の部位
ではレーザ光の侵入長は長いことが、精度向上のために
有効である。

【００１０】しかしながら、従来の光造形装置において
は、レーザ光の侵入長を造形中に変えることが出来ず、
成形精度の向上に限界があった。

【００１１】本発明の目的は、高速シャッターを用いる
ことなく、光照射量の変動や反射方向のぶれの問題を解
消出来る光造形装置を提供することである。本発明の他
の目的は、成形すべき立体造形物の各部位の形状に応じ
て、部位毎にレーザ光の侵入長を容易に変えることが出
来る光造形装置を提供することである。

【００１２】

【課題を解決する為の手段】本発明に係る光造形装置
は、周期的に光強度が変動するパルスレーザ光を発生す
るレーザ源を具えている。レーザ源からのレーザ光は、
光硬化性樹脂(２)の表面を走査するための反射面を有す
る走査機構を経て、樹脂槽(１)内の光硬化性樹脂(２)の
表面へ照射される。又、制御回路は、レーザ光の光強度
の低下期間内に前記走査機構の反射面を１ピッチだけ転
向せしめるパルス状の駆動信号を作成して、走査機構へ
供給する。

【００１３】又、本発明に係る他の光造形装置は、周期
的に光強度が変動するパルス光を発生する光源と、光源
からのパルス光が励起光として供給されるべき複数の色
素レーザとを具えている。そして、これら複数の色素レ
ーザの内、光学手段の動作によって選択された１つの色
素レーザに対して、前記光源からのパルス光が導かれ
る。前記選択された色素レーザから出射されるレーザ光
は、光硬化性樹脂(２)の表面を走査するための反射面を
有する走査機構を経て、樹脂槽(１)内の光硬化性樹脂
(２)の表面へ照射される。又、制御回路は、レーザ光の
光強度の低下期間内に前記走査機構の反射面を１ピッチ
だけ転向せしめるパルス状の駆動信号を作成して、走査
機構へ供給する。

【００１４】

【作用】パルスレーザ光を発生するレーザ源を具えた第
１の光造形装置においては、レーザ源からのパルスレー
ザ光が走査機構の反射面へ入射し、該反射面にて反射さ
れたレーザ光は樹脂槽(１)内の光硬化性樹脂(２)の表面
へ入射する。この際、走査機構は、制御回路からの駆動
信号により駆動されて、レーザ光の光強度が低下する期
間内に反射面を１ピッチだけ転向し、光強度が上昇する
期間は停止する。この繰り返しによって光硬化性樹脂
(２)表面が走査される。従って、走査機構の反射面が静
止している期間に、光強度の上昇した反射レーザ光が光
硬化性樹脂(２)の表面を照射して、ドット状の領域を硬
化せしめる。その後、反射レーザ光の光強度が低下して
いる期間に、反射面が１ピッチだけ転向して、反射レー
ザ光の照射領域を走査線上の次のドット位置まで移動さ
せ、その位置で再び光強度の上昇した反射レーザ光が光
硬化性樹脂(２)表面のドット領域を硬化せしめるのであ
る。そして、この繰り返しによって光硬化性樹脂(２)が
レーザ光によって点描画され、光硬化性樹脂(２)表面の
所定領域が硬化することになる。

【００１５】一方、光源からのパルス光によって複数の
色素レーザを選択的に励起する第２の光造形装置におい
ては、複数の色素レーザが夫々発生すべきレーザ光の波
長が、成形すべき立体造形物の各部位の形状に応じて、
複数種類に設定される。そして、光学手段の動作によっ
て、立体造形物の部位毎に適切な波長の色素レーザが切
換え選択され、波長の切換えによって光硬化性樹脂(２)
に対する侵入長が可変設定される。光源からのパルス光
が選択された１つの色素レーザに入射すると、該色素レ
ーザが励起され、一定波長のレーザ光を発生する。該レ
ーザ光は、走査機構の反射面にて反射された後、樹脂槽
(１)内の光硬化性樹脂(２)の表面へ入射し、その波長に
応じた侵入長で光硬化性樹脂(２)を硬化せしめる。この
際、走査機構は、制御回路からの駆動信号により駆動さ
れて、レーザ光の光強度が低下する期間内に反射面を１
ピッチだけ転向し、光強度が上昇する期間は停止する。
この繰り返しによって光硬化性樹脂(２)表面が走査され
る。従って、前記第１の光造形装置と同様に、光硬化性
樹脂(２)がレーザ光によって点描画され、光硬化性樹脂
(２)表面の所定領域が硬化することになる。

【００１６】

【発明の効果】本発明に係る光造形装置によれば、走査
機構の反射面が静止した状態で該反射面にて反射された
レーザ光が光硬化性樹脂表面のドット領域を一定時間だ
け照射するから、単位面積当りのレーザ光照射量は一定
となり、然も反射面の転向に伴うぶれが生じることはな
い。従って、従来の高速シャッターを用いることなく、
高い成形精度が得られる。又、複数の色素レーザを選択
的に励起させる光造形装置によれば、成形すべき立体造
形物の各部位の形状に応じて、部位毎にレーザ光の侵入
長を容易に変えることが出来、これによって更に高い成
形精度の実現が可能である。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の一実施例につき、図面に沿っ
て詳述する。図１に示す光造形装置において、樹脂槽
(１)内の光硬化性樹脂(２)中には、昇降機構(３)によっ
て駆動される昇降テーブル(31)が水平に配置されてい
る。レーザ源には窒素レーザやエキシマレーザ等のパル
スレーザ光発振装置(４)がが用いられ、パルスレーザ光
発振装置(４)から出射されるパルスレーザ光Ｐは、ビー
ム調整レンズ(５)、第１ガルバノミラー(６)及び第２ガ
ルバノミラー(７)を経て、光硬化性樹脂(２)の表面へ照
射される。第１及び第２ガルバノミラー(６)(７)は夫々
回転機構(61)(71)に連繋されて、反射面の向きを振動さ
せることにより、夫々Ｘ及びＹ方向の走査を行なう。

【００１８】一方、制御コンピュータ(９)は、ＣＡＤシ
ステム(図示省略)からの形状データに基づいて等高線デ
ータを作成し、コントローラ(８)へ供給する。又、コン
トローラ(８)は、発振駆動信号をパルスレーザ光発振装
置(４)へ供給すると共に、前記等高線データに基づい
て、回転機構(61)(71)及び昇降機構(３)に対する制御信
号を作成し、夫々の制御部へ供給する。

【００１９】これによって、パルスレーザ光発振装置
(４)は、図５(ｂ)に示す如く周期Ｔが一定(数〜１０Ｋ
Ｈｚ程度)、閃光時間が１０^-8秒程度のパルスレーザ光
Ｐを発生する。コントローラ(８)から回転機構(61)(71)
へ供給される走査駆動信号Ｃは、図５(ａ)に示す如く周
期が前記一定値Ｔであって、レーザ光の発振が停止して
光強度が零となる期間内にハイとなるパルス信号であ
る。該走査駆動信号Ｃの１パルスによって、第１ガルバ
ノミラー(６)或いは第２ガルバノミラー(７)が、光硬化
性樹脂(２)表面の点描画におけるドットピッチ(例えば
０.１ｍｍ)に対応した１ピッチ角度だけ、反射方向を変
えることになる。

【００２０】従って、両ガルバノミラー(６)(７)が静止
している期間に、パルスレーザ光発振装置(４)からのパ
ルスレーザ光が両ガルバノミラー(６)(７)にて反射され
て、光硬化性樹脂(２)の表面へ入射し、ドット領域を硬
化せしめる。その後、パルスレーザ光発振装置(４)の発
振が停止している期間内に、前記等高線データに応じ、
何れか一方或いは両方のガルバノミラー(６)(７)が１ピ
ッチ角度だけ向きを変えて、反射レーザ光の照射位置を
１ドット分だけ移動させる。その位置でパルスレーザ光
発振装置(４)が再び発振して、パルスレーザ光発振装置
(４)からのレーザ光がガルバノミラー(６)(７)を経て光
硬化性樹脂(２)の表面へ入射し、次のドット領域を硬化
せしめるのである。そして、この繰り返しによって昇降
テーブル(31)上の光硬化性樹脂(２)がレーザ光の走査に
よって点描画され、スライスされた１層分の樹脂硬化物
(21)が得られる。

【００２１】その後、コントローラ(８)による制御によ
って、昇降テーブル(31)が１ピッチ(０.０５〜０.３mm)
だけ降下し、次の層についての走査に移行する。この様
にして、パルスレーザ光Ｐの走査による点描画と昇降テ
ーブル(31)の降下を繰り返すことによって、所定形状の
立体造形物が完成することになる。

【００２２】上記光造形装置によれば、ガルバノミラー
(６)(７)の静止中に光硬化性樹脂(２)に対するレーザ光
の照射が行なわれるから、従来の高速シャッターを用い
ることなく、一定の照射密度とぶれのない走査が実現さ
れ、精度の高い立体造形物が得られる。

【００２３】図２に示す光造形装置は、パルスレーザ光
による点描画を行なう点で上記光造形装置と同一構成で
あるが、光源となるパルスレーザ光発振装置(41)から発
生するパルスレーザ光Ｐを励起光として、第１及び第２
の色素レーザ(44)(45)の内、任意の何れか一方を発振さ
せて、長短２種類の波長を有するパルスレーザ光Ｐ１、
Ｐ２を得るものである。パルスレーザ光発振装置(41)に
は、窒素レーザ、エキシマレーザ或いはＮｄ／ＹＡＧレ
ーザが用いられる。又、パルスレーザ光発振装置(41)の
替りにフラッシュランプを励起光源として用いることも
可能である。

【００２４】図２及び図３の如く、パルスレーザ光発振
装置(41)とビーム調整レンズ(５)の間には、第１シャッ
ター(42)及び第２シャッター(43)が配置されて、両シャ
ッター間に、第１の光路と第２の光路が並列に形成され
る。第１光路中には第１色素レーザ(44)及び第１反射ミ
ラー(47)、第２光路中には第２反射ミラー(46)及び第２
色素レーザ(45)が配置されている。

【００２５】第１及び第２シャッター(42)(43)は夫々メ
カニカルなシャッター機構や光学フィルター等、従来の
高速シャッターよりも動作速度の低い光学素子から構成
することが出来る。第１シャッター(42)及び第２シャッ
ター(43)は夫々、ＯＦＦ状態で入射光を通過せしめ、Ｏ
Ｎ状態で入射光を反射するものであり、コントローラ(8
1)によってＯＮ−ＯＦＦ制御される。

【００２６】第１色素レーザ(44)及び第２色素レーザ(4
5)は色素の選択により３１０〜１２８５ｎｍの範囲で任
意波長の抽出が可能であり、本実施例ではパルスレーザ
光発振装置(41)からのパルスレーザ光Ｐに励起されて、
例えば第１色素レーザ(44)は長い波長のパルスレーザ光
Ｐ１、第２色素レーザ(45)は短い波長のパルスレーザ光
Ｐ２を発生する。

【００２７】制御コンピュータ(91)は、ＣＡＤシステム
からの形状データに基づいて等高線データを作成する
際、立体造形物の各部品の形状を判断して、オーバハン
グ部に対しては第２色素レーザ(45)を選択し、オーバハ
ング部以外の部位に対しては第１色素レーザ(44)を選択
するための制御データを付加する。

【００２８】これに応じてコントローラ(81)は、第１色
素レーザ(44)と第２色素レーザ(45)の切換えを行なうた
めの切換え制御信号Ｓを作成する。該切換え制御信号Ｓ
は、図５(ｃ)の如くパルスレーザ光Ｐの非閃光期間にハ
イとなるものである。

【００２９】第１色素レーザ(44)を選択する場合は、第
１シャッター(42)がＯＦＦ、第２シャッター(43)がＯＮ
状態となって、パルスレーザ光発振装置(41)からのパル
スレーザ光Ｐが第１シャッター(42)を通過して、第１色
素レーザ(44)へ励起光として入射する。これによって第
１色素レーザ(44)から発生する波長の長いパルスレーザ
光Ｐ１が、第１反射ミラー(47)及び第２シャッター(43)
にて反射されて、ビーム調整レンズ(５)へ導かれる。

【００３０】一方、第２色素レーザ(45)を選択する場合
は、第２シャッター(43)がＯＮ、第２シャッター(43)が
ＯＦＦとなって、パルスレーザ光発振装置(41)からのパ
ルスレーザ光が第１シャッター(42)及び第２反射ミラー
(46)にて反射され、第２色素レーザ(45)へ励起光として
入射する。これによって第２色素レーザ(45)から発生す
る波長の短いパルスレーザＰ２が第２シャッター(43)を
通過して、ビーム調整レンズ(５)へ導かれる。

【００３１】パルスレーザ光Ｐ１或いはＰ２がビーム調
整レンズ(５)からガルバノミラー(6)(７)を経て樹脂槽
(１)内の光硬化性樹脂(２)の表面を照射し、該表面を走
査することによって点描画を施す。この動作は、上記光
造形装置と同様である。

【００３２】走査の過程では、立体造形物のオーバハン
グ部に対しては波長の短いパルスレーザ光Ｐ２が短い侵
入長で光硬化性樹脂(２)を硬化せしめ、オーバハング部
以外の部位に対しては波長の長いパルスレーザ光Ｐ１が
長い侵入長で光硬化性樹脂(２)を硬化せしめる。

【００３３】上記光造形装置によれば、従来の高速シャ
ッターを用いることなく、一定の照射密度とぶれのない
走査が実現されるばかりでなく、立体造形物を構成する
各部位の形状に応じて、適切な波長のパルスレーザ光が
選択設定され、これによって更に精度の高い立体造形物
を得ることが出来る。

【００３４】又、何れの光造形装置においても、パルス
レーザ光による点描画が行なわれるから、樹脂硬化が１
点を中心として対称に進むこととなり、従来の定常レー
ザ光による線描画における歪が大幅に軽減される。

【００３５】上記実施例の説明は、本発明を説明するた
めのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定
し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本
発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲
に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは
勿論である。例えばパルスレーザ光による点描画におい
ては、パルスレーザ光の照射位置をドットピッチで順次
移動させる方式のみならず、ドットピッチの整数倍の間
隔で飛越し移動させる方式も採用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】光造形装置の構成を示す斜視図である。

【図２】他の光造形装置の構成を示す斜視図である。

【図３】該光造形装置における光学系の配置を示す平面
図である。

【図４】従来の光造形装置の構成を示す斜視図である。

【図５】ミラー駆動信号Ｃ、パルスレーザ光Ｐ及び切換
え制御信号Ｓのタイムチャートである。

【図６】従来の光造形装置の動作を説明するグラフであ
る。

【符号の説明】

(１) 樹脂槽 (２) 光硬化性樹脂 (３) 昇降機構 (31) 昇降テーブル (４) パルスレーザ光発振装置 (６) 第１ガルバノミラー (７) 第２ガルバノミラー (８) コントローラ (９) 制御コンピュータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B29C 67/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】樹脂槽(１)内の光硬化性樹脂(２)にレー
ザ光の走査を施すことによって光硬化性樹脂(２)を表面
から硬化させ、所定形状の立体造形物を成形する光造形
装置において、周期的に光強度が変動するパルスレーザ光を発生するレ
ーザ源と、レーザ源からのレーザ光を光硬化性樹脂(２)の表面へ向
けて反射する反射面を有して、該反射方向を変えること
によって光硬化性樹脂(２)の表面を走査する走査機構
と、レーザ光の光強度の低下期間内に前記走査機構の反射面
を１ピッチだけ転向せしめるパルス状の駆動信号を作成
して、走査機構へ供給する制御回路とを具えていること
を特徴とする光造形装置。
【請求項２】樹脂槽(１)内の光硬化性樹脂(２)にレー
ザ光の走査を施すことによって光硬化性樹脂(２)を表面
から硬化させ、所定形状の立体造形物を成形する光造形
装置において、周期的に光強度が変動するパルス光を発生する光源と、光源からのパルス光が励起光として供給されるべき複数
の色素レーザと、前記複数の色素レーザの内、１つの色素レーザに対して
選択的に光源からのパルス光を導く光学手段と、色素レーザからのレーザ光を光硬化性樹脂(２)の表面へ
向けて反射する反射面を有して、該反射方向を変えるこ
とによって光硬化性樹脂(２)の表面を走査する走査機構
と、レーザ光の光強度の低下期間内に前記走査機構の反射面
を１ピッチだけ転向せしめるパルス状の駆動信号を作成
して、走査機構へ供給する制御回路とを具えていること
を特徴とする光造形装置。