JP3458437B2 - 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

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JP3458437B2
JP3458437B2 JP01751894A JP1751894A JP3458437B2 JP 3458437 B2 JP3458437 B2 JP 3458437B2 JP 01751894 A JP01751894 A JP 01751894A JP 1751894 A JP1751894 A JP 1751894A JP 3458437 B2 JP3458437 B2 JP 3458437B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば紫外線硬化性樹
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、変形し易い造形物体や造形途
中で接続しない断面を有する造形形状などに対しても有
効に用い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。
【0002】
【従来の技術】従来行われていた手加工あるいはNC切
削加工による模型(モデル)の作製に代わって、光硬化
性樹脂を用いた光学的造形手法が提案されている。この
種の光学的造形方法は、例えば、紫外線硬化性樹脂液を
収容した槽の表面に対して、紫外線レーザをON/OF
F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
デルを造形するものである。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に供されている。
【0003】従来の光学的造形方法は、図11〜図14
に示すように、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。
【0004】そして、造形工程の第1段階においてはエ
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。
【0005】以下、本明細書においては、上述したエレ
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。
【0006】そして、紫外線レーザ発振器から発生する
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移動
させ、再び走査方向に沿って同様の走査が行われる。
【0007】なお、紫外線ビームが樹脂液内に照射され
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。
【0008】このようにして、等高断面の走査硬化層が
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。
【0009】上述した光学的造形装置における造形形状
のデータは2次元あるいは3次元CADを用いて取得さ
れるが、2次元CADでは一平面上の断面形状しか入力
できないことから、一般的には3次元CADが多用され
ている。ちなみに、3次元CADを用いて曲面形状を入
力する場合には、Bスプライン曲とかベゼエ曲面と呼
ばれる数学的な曲面定義がCADデータベースに入力さ
れておりこれを用いることになる。
【0010】そして、3次元CADに入力された内部デ
ータベースは、造形に必要な等高断面図形を得るために
3次元CADの一般的なデータフォーマット(STLや
IGESなど)に変換されたのち等高断面を計算するコ
ンピュータ10に当該データが転送される。また、等高
断面を計算した結果は光学的造形装置のフォーマットに
変換され、この造形データとレーザーの走査速度等の機
械的数値を入力することにより実際の造形が行われる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】ところで、造形すべき
物体が造形不可能な形状(図11参照)であったり、変
形し易い形状(図12参照)、若しくは長時間の造形に
不向きな形状(図13および図14参照)であることも
少なくなく、例えば図11に示すモデルでは下から造形
されるために同図の9aで示された先端部分の等高断面
を造形する場合にはこれを支えておく支持物体が必要と
なる。また、図12に示されたモデルのように、造形の
途中に断面形状がそれまでの断面形状と著しく変化する
場合には造形中の変形量が大きくなるのでこれを阻止す
るための支持物体が必要とされる。さらに、図13や図
14に示されたモデルでは造形中の安定性に欠け、液中
に長時間浸漬させておくのが好ましくないので、この場
合にも支持物体を設けることが望まれていた。このよう
に、造形モデルの一部を支持するための支持物体を設け
ることは行われていたが、従来の造形方法によれば、支
持物体の造形も上述したCADを用いて入力されてい
た。
【0012】しかしながら、目的とする3次元造形物体
が入力されている3次元CADのデータベースの中に支
持物体に関するデータを追加入力する場合には、CAD
の操作に熟練した操作者がその3次元CAD装置の設置
場所まで出向いた上データの追加を行う必要があった。
このような煩雑さに加えて、実際の造形データを得るた
めには、目的とする3次元造形物体の等高断面計算と同
時に支持物体の等高断面計算をも行う必要があることか
ら、確かに最適な支持物体を作製することはできるもの
の、造形時間が増加するという問題があった。
【0013】本発明は、このような従来技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、CADの操作に習熟してい
なくとも簡単に操作することができ、しかも各種支持体
の基本形状を入力するだけでこれを種々に変形できる汎
用性に富んだ光学的造形方法および光学的造形装置を提
供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
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面上に光線を走査し、硬化し
た走査硬化層をエレベータ上に順次積み上げて目的とす
る造形物体を得る光学的造形方法において、前記造形物
体の一つの等高断面層を造形するに際し、前記造形物体
を支持するための液抜き孔を有する支持物体の情報を
持物体情報記憶部に複数種記憶しておき、この記憶され
た情報を読みだして目的とする前記造形物体の情報に応
じて適切な支持物体の走査硬化層情報を選択して前記造
形物体と支持物体とを造形することを特徴としている。
【0015】また上記目的を達成するために、本発明の
光学的造形装置は、光硬化性樹脂液を入れた光硬化性樹
脂液槽と、 前記光硬化性樹脂液を硬化させるのに適当
な波長を含む光線を発生し、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、 前記光走査手段と前記昇降手段とを制御する制御
手段と、を備えた光学的造形装置において、 前記制御
手段は、 目的とする造形物体の情報を記憶して走査
硬化層に関する情報を抽出する造形物体制御部と、
造形中に前記造形物体を支持するための液抜き孔を有す
支持物体の情報を記憶する支持物体情報記憶部と、
前記造形物体の一つの等高断面層を形成するに際し、
前記支持物体情報記憶部に記憶された情報を読み出して
目的とする前記造形物体の情報に応じて適切な支持物体
の走査硬化層情報を選択する支持物体選択部と、を有す
ることを特徴としている。
【0016】
【作用】本発明では、一つの等高断面における走査硬化
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、この造形物体の一つの
等高断面層を造形するに際し、予め支持物体情報記憶部
に造形物体を支持するための支持物体の情報を複数種記
憶しておき、この記憶された情報を支持物体選択部によ
って読みだして、適切な支持物体の走査硬化層情報を選
択した上で、造形物体と支持物体とを造形する。
【0017】具体的には、光走査手段により光硬化性樹
脂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。このとき、
制御手段にて光走査手段から一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。
【0018】これと同時に、支持物体情報記憶部に記憶
された造形物体を支持するための液抜き孔を有する支持
物体の複数種の情報を支持物体選択部によって読みだし
て、目的とする前記造形物体の情報に応じて適切な支持
物体の走査硬化層情報を選択した上で、造形物体制御部
に送出し、この造形物体制御部で光走査手段を制御しな
がら造形物体と支持物体とを造形する。
【0019】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。まず最初に、図1および図2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装置構成
図、図2は同じく斜視図である。
【0020】本実施例の光学的造形装置は、光硬化性樹
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ことか
ら、本実施例の光硬化性樹脂液として用いることができ
る。ただし、本発明で用いられる光硬化性樹脂液2の種
類は上述したものに何ら限定されず、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。
【0021】光硬化性樹脂液槽1内には、光線を遮断す
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1にはネジ部15aをも示
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の造形物体制御部6a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の造形物体制御部6aは昇降用アクチ
ュエータ15に指令信号を出力する。
【0022】例えば、一つの等高断面における走査が終
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の造形制御部6
a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。
【0023】一方、本実施例に係る光走査手段4は、紫
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。
【0024】光学系には、例えば光線を通過/遮断する
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の造形制御部6
aに予め入力された基本軌跡データに基づいて行われ
る。
【0025】本実施例に係る制御手段6の造形制御部6
aは、目的とする樹脂モデル9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、以下述べる
支持物体11とも関連付けながら制御する。
【0026】また、制御手段6に設けられた支持物体情
報記憶部6bは、想定される樹脂モデルのそれぞれに応
じた支持物体の基本構造(以下、基本支持物体という)
の情報を記憶するメモリであって、図3〜図5に示され
た各種の基本支持物体11aの等高断面情報を記憶す
る。このような基本支持物体11aは、目的とする造形
樹脂モデルが図1および図11に示されるように造形不
可能な形状であったり、図12に示されるように変形し
易い形状であったり、若しくは図13および図14に示
されるように長時間の造形に不向きな形状である等々、
その造形樹脂モデルの状況があらゆる面から考慮されて
いる。
【0027】例えば、図1および図11に示される樹脂
モデルは、造形途中で二分割されているのでモデルの先
端9aを支持物体11で支えておく必要があるが、造形
を完了してしまえば強度的にも問題がないことから、単
にモデルの先端を載置する支持物体とすれば足りる。こ
れに対して、図13や図14に示されるように、樹脂モ
デルが強度的に不安定な場合に用いられる支持物体11
は、樹脂モデルを支えることができる程度の比較的大き
な剛性を有する形状とする必要がある。このように、使
用される目的に応じて支持物体11の形状が考慮されて
いる。
【0028】ちなみに、この支持物体11は樹脂モデル
を造形した後は切り取られて廃棄されることから、樹脂
モデル9と支持物体11との接点は点接触や線接触とし
て切り取り作業性を高めることが望ましい。また、支持
物体11は造形しても変化が少なくレーザーの走査を短
時間にするために造形体積が少ない管形状とすることが
好ましい。ただし、剛性を高めたい場合などでは管の肉
厚を厚くする必要がある。また、支持物体を管形状にす
ると管内が樹脂液の表面張力によって山型に変形し易い
ので、造形を円滑に行うために管に液抜き孔12を形成
することが望ましいと言える。
【0029】本実施例に係る制御手段6の支持物体選択
部6cは、造形モデルの一つの等高断面層を形成するに
際し、上述した支持物体情報記憶部6bに記憶された情
報を読み出して適切な支持物体の走査硬化層情報を選択
する演算要素である。この支持物体選択部6cは例えば
3次元CADから構成することができ、支持物体情報記
憶部6bに格納された基本支持物体11aに関する情報
をCADの座標軸に配置した上で、基本支持物体の形状
の指定、造形開始の等高断面層の指定、造形開始の等高
断面層の位置、造形終了の等高断面層の指定、造形終了
の等高断面層の位置、基本支持物体の等高断面の回転角
度、基本支持物体の等高断面の倍率等を入力すると、支
持物体選択部11cは、入力された情報に基づいて基本
支持物体11aに関する情報を演算し、その結果を造形
物体制御部6aへ出力する。
【0030】なお、樹脂モデルに使用する支持物体の情
報が造形物体制御部6aに記憶されているものを共用で
きる場合には、この造形物体制御部6aからその情報を
読みだして上述した演算を行うようにしても良い。ま
た、本実施例では、昇降用アクチュエータ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。
【0031】次に作用を説明する。図9は本実施例の制
御手段6(特に支持物体情報記憶部6bと支持物体選択
部6c)における処理手順を示すフローチャートであっ
て、図10は図9のステップ6のサブルーチンを示す。
一つの等高断面における描画は、まず、光走査手段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。
【0032】このとき、制御手段6の支持物体情報記憶
部6bから基本支持物体11aに関する情報を読み出し
(ステップ1〜2)、この情報から全等高断面の番号の
範囲を定める(ステップ3)
【0033】「t」は、全等高断面のうち現在の等高断
面の番号を表わす数である。等高断面tに対してt≦
等高断面の番号範囲であれば(ステップ4)、支持物体
情報記憶部6bの中の等高断面tに該当する基本支持物
体11aを見つけ、その位置,角度,長さ等を支持物体
情報記憶部6bの情報にしたがって造形データに生成す
る(ステップ6)。具体的には、図10に示されるよう
に制御する。図10において、現在の等高断面の位置を
t、支持物体の頂上の等高断面をSn、支持物体の底面
の等高断面をBn、基本支持物体の全高の等高断面をT
n、基本支持物体の繰り返し等高断面の高さをKnとす
ると、まず、ステップ6aにて支持物体の全高が基本支
持物体より高いか否かを判断する。
【0034】ここでもし仮に、支持物体11の全高が基
本支持物体11aより高い場合には、基本支持物体の決
められた位置の等高断面情報を繰り返し用いることによ
って一致させる。すなわち、t−Bn+1の値が基本支
持物体の繰り返し等高断面の高さKnに達するまではt
−Bn+1の位置の基本支持物体の等高断面情報を支持
物体情報記憶部6bから読み出し、位置と角度と倍率と
を変更した上で支持物体情報に加える(ステップ6b〜
6c)。また、t−Bn+1の値が基本支持物体の繰り
返し等高断面の高さKnを越えた場合には(Sn−t)
−(Tn−Kn)の値が0以上であるかどうかを判断し
(ステップ6d)、0以上であれば基本支持物体の繰り
返し等高断面の高さKnの位置の等高断面情報を読み出
して、位置と角度と倍率とを変更した上で支持物体情報
に加える(ステップ6f)。ステップ6dにおける判断
の結果、(Sn−t)−(Tn−Kn)の値が0未満の
場合には、Tn−(Sn−t)の位置の基本支持物体の
等高断面情報を支持物体情報記憶部6bから読み出し、
位置と角度と倍率とを変更した上で支持物体情報に加え
る(ステップ6e)。なお、支持物体を基本支持物体以
上の高さに設定する場合には、繰り返し用いられる等高
断面の情報を予め定めておくことがデータ処理上からも
好ましいと言える。
【0035】一方、ステップ6aにおける判断の結果、
支持物体11の全高が基本支持物体11aより低いか等
しい場合には、基本支持物体の頂点から優先的に用い
る。すなわち、Tn−(Sn−t)の位置の基本支持物
体の等高断面情報を支持物体情報記憶部6bから読み出
し、位置と角度と倍率とを変更した上で支持物体情報に
加える(ステップ6e)。
【0036】このような走査を順次繰り返し(ステップ
7→ステップ4)、現在の等高断面の位置が造形範囲の
上限に達したら以上の処理を終了する(ステップ5)。
このような処理は、各等高断面で行われ、得られた支持
物体の情報は支持物体選択部6cから造形物体制御部6
aに送出され、この造形物体制御部6aから光走査手段
4が制御されることになる。
【0037】なお、以上説明した各実施例は、本発明の
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。
【0038】
【発明の効果】以上述べたように、本発明では、CAD
の操作に習熟していなくとも簡単に操作することがで
き、しかも各種支持体の基本形状を入力するだけでこれ
を種々に変形できる汎用性に富んだ光学的造形方法およ
び光学的造形装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光学的造形装置を示す装置構成図であ
る。
【図2】同じく本発明の光学的造形装置を示す斜視図で
ある。
【図3】本発明に係る支持物体の具体例を示す斜視図で
ある。
【図4】本発明に係る支持物体の他の具体例を示す斜視
図である。
【図5】本発明に係る支持物体の他の具体例を示す斜視
図である。
【図6】本発明に係る支持物体の他の具体例を示す側面
図である。
【図7】(A)(B)は本発明に係る支持物体の他の具
体例を示す正面図および側面図である。
【図8】(A)(B)は本発明に係る支持物体の他の具
体例を示す正面図および側面図である。
【図9】同実施例に係る制御手段における処理手順を示
すフローチャートである。
【図10】同じく制御手段における処理手順を示すフロ
ーチャートである。
【図11】従来の光学的造形装置を示す斜視図である。
【図12】従来の光学的造形装置を示す装置構成図であ
る。
【図13】従来の光学的造形装置を示す装置構成図であ
る。
【図14】従来の光学的造形装置を示す装置構成図であ
る。
【符号の説明】
1…光硬化性樹脂液槽 2…光硬化性樹脂液 3…液面 4…紫外線レーザ(光走査手段) 5…レーザビーム 6…制御手段 6a…造形物体制御部 6b…支持物体情報記憶部 6c…支持物体選択部 8…エレベータ(昇降手段) 9…造形モデル 15…アクチュエータ(昇降手段)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光硬化性樹脂液槽内に収容された光硬化性
    樹脂液面上に光線を走査し、硬化した走査硬化層をエレ
    ベータ上に順次積み上げて目的とする造形物体を得る光
    学的造形方法において、 前記造形物体の一つの等高断面層を造形するに際し、前
    記造形物体を支持するための液抜き孔を有する支持物体
    の情報を支持物体情報記憶部に複数種記憶しておき、こ
    の記憶された情報を読みだして目的とする前記造形物体
    の情報に応じて適切な支持物体の走査硬化層情報を選択
    して前記造形物体と支持物体とを造形することを特徴と
    する光学的造形方法。
  2. 【請求項2】前記液抜き孔を有する支持物体の形状は、
    管形状である請求項1に記載の光学的造形方法。
  3. 【請求項3】光硬化性樹脂液を入れた光硬化性樹脂液槽
    と、 前記光硬化性樹脂液を硬化させるのに適当な波長を含む
    光線を発生し、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、 前記光走査手段と前記昇降手段とを制御する制御手段
    と、を備えた光学的造形装置において、 前記制御手段は、 目的とする造形物体の情報を記憶して走査硬化層に関す
    る情報を抽出する造形物体制御部と、 造形中に前記造形物体を支持するための液抜き孔を有す
    支持物体の情報を記憶する支持物体情報記憶部と、 前記造形物体の一つの等高断面層を形成するに際し、前
    記支持物体情報記憶部に記憶された情報を読み出して
    的とする前記造形物体の情報に応じて適切な支持物体の
    走査硬化層情報を選択する支持物体選択部と、を有する
    ことを特徴とする光学的造形装置。
  4. 【請求項4】前記支持物体情報記憶部が記憶する前記液
    抜き孔を有する支持物体の形状は、管形状である請求項
    3に記載の光学的造形装置。
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