JP3782049B2

JP3782049B2 - 光造形方法及びその装置

Info

Publication number: JP3782049B2
Application number: JP2002251087A
Authority: JP
Inventors: 順治曽根; 祐一郎久米
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2001-08-31
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2006-06-07
Anticipated expiration: 2022-08-29
Also published as: JP2003145629A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２本のレーザ光を用いて、レーザ強度およびレーザのパン、チルト角度を制御することにより、造形物を高精度に造形できる光造形方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような分野の技術としては、以下に開示するものがあった。
【０００３】
図８はかかる従来の光造形装置を示す図である。
【０００４】
この図に示すように、１０１は１本のレーザ光、１０２は樹脂槽、１０３は樹脂、１０４はエレベータ、１０５は造形物である。
【０００５】
このように、従来は、１本のレーザ光１０１を用いて造形を行っていた。つまり、１本のレーザ光１０１でｚ方向に焦点を合わせｘｙ面内を照射し、次に、ｚ方向焦点位置を動かしてレーザ光１０１を照射し、樹脂１０３の硬化を進めてきた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の光造形装置では、次のような問題点があった。
【０００７】
（１）レーザ光の強度分布がガウス分布であるため、硬化断面が垂直に近いかもしくは、奥行き方向に進むほど細くなっており、表面に段差ができていた。
【０００８】
（２）レーザが照射されずに硬化されない部位（未硬化領域）が残り、後処理を必要としていた。また、この後処理による硬化でも、形状の変形を引き起こしていた。
【０００９】
（３）上記（１）の段差をなくすために、やすりやサンドペーパーなどで、手仕上げを行っているため、仕上げのむらによる形状精度の低下や変形などが起こっていた。
【００１０】
（４）上記（２），（３）のような、後処理が多いため生産性が悪かった。
【００１１】
要するに、１本のレーザを用いた光造形システムにおいては、ステップ毎に外形、特に斜面部が階段状に形成されてしまい、滑らかにするための手仕上げ加工が必要とされてきた。換言すれば、レーザが照射されずに硬化されない部位を減らして、形状精度を向上させることは困難であった。
【００１２】
本発明は、上記状況に鑑みて、レーザ光を２本用いてレーザが照射されずに硬化されない部位を減少させることにより、造形物の形状精度を向上させることができる光造形方法及びその装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記した目的を達成するために、
〔１〕光造形方法において、２本のレーザ光を用い、このレーザ光の１本は光硬化性の樹脂の真下から、もう１本は前記光硬化性の樹脂の斜め方向から同一の前記光硬化性の樹脂の硬化領域を照射し、この光硬化性の樹脂の硬化領域の位置制御を行い、前記光硬化性の樹脂の造形物の光造形を行うことを特徴とする。
【００１４】
〔２〕光造形方法において、２本のレーザ光を用い、このレーザ光の１本は光硬化性の樹脂の真上から、もう１本は前記光硬化性の樹脂の斜め方向から同一の前記光硬化性の樹脂の硬化領域を照射し、この光硬化性の樹脂の硬化領域の位置制御を行い、前記光硬化性の樹脂の造形物の光造形を行うことを特徴とする。
【００１５】
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の光造形方法において、前記光硬化性の樹脂の斜め方向から照射するレーザ光は、パンおよびチルト角度も変化させることを特徴とする。
【００１６】
〔４〕上記〔１〕又は〔２〕記載の光造形方法において、コンピュータでレーザの硬化データを予めシミュレーションしておき、その数値に基づきレーザパワーや角度を制御することを特徴とする。
【００１７】
〔５〕上記〔１〕又は〔２〕記載の光造形方法において、前記造形物の表層だけでなく、この造形物の内部においても、レーザが照射されずに硬化されない部位を減らして、全体のひずみによる変形を軽減することを特徴とする。
【００１８】
〔６〕上記〔１〕又は〔２〕記載の光造形方法において、前記光硬化性の樹脂の斜め方向からレーザ光を照射することにより、基準面に対する数度〜１５度程度の低角度の側面形状を高精度に造形することを特徴とする。
【００１９】
〔７〕上記〔６〕記載の光造形方法において、既存の造形物からの拘束のない上側面の光造形の場合、レーザ光強度は一定とし、ｚ方向の造形ピッチを制御することによりレーザ光の到達割合を変えることを特徴とする。
【００２０】
〔８〕上記〔６〕記載の光造形方法において、既存の造形物からの拘束のない上側面の光造形の場合、レーザ光強度を制御することによりレーザ光の到達割合を変えることを特徴とする。
【００２１】
〔９〕上記〔６〕記載の光造形方法において、前記レーザ光を照射するにあたり、最初の数ピッチはレーザ光の強度を弱めにすることを特徴とする。
【００２２】
〔１０〕上記〔１〕又は〔２〕記載の光造形方法において、既存の造形物からの拘束がある下側面の光造形の場合、１回のｚ方向の造形ピッチを変えて造形を行うことを特徴とする。
【００２３】
〔１１〕光造形装置において、第１のレーザ光の光源と、第２のレーザ光の光源と、光硬化性の樹脂を入れた樹脂槽と、前記各光源の照射条件を制御するコンピュータとを備え、前記第２のレーザ光は前記光硬化性の樹脂の斜め方向から前記第１のレーザ光による照射位置と同一の位置を照射することを特徴とする。
【００２４】
〔１２〕上記〔１１〕記載の光造形装置において、前記第１のレーザ光は前記光硬化性の樹脂の真下から照射することを特徴とする。
【００２５】
〔１３〕上記〔１１〕記載の光造形装置において、前記第１のレーザ光は前記光硬化性の樹脂の真上から照射することを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２７】
図１は本発明の実施例を示す２本レーザによる造形システムの構成図である。
【００２８】
この図において、１は第１のレーザ、２は第２のレーザ、３は第１のＡＯＭ、４は第２のＡＯＭ、５は第１の光源、６は第２の光源、７は樹脂槽、８は光硬化性の樹脂、９は造形物、１０はエレベータ、１１はｚ軸、１２はパソコン（ＰＣ）、１３はモータアンプ、１４はｘ軸、１５はｙ軸、１６はθ軸である。
【００２９】
そこで、第１，第２のレーザ１，２、第１，第２のＡＯＭ３，４（レーザパワーを制御）から得られたレーザ光を所定の径まで、レンズ系により絞り込み、２系統の光源５，６を形成する。また、造形時にレーザ光の照射位置を移動させるために、ｘ軸１４、ｙ軸１５を有するステージにより位置制御を行う。
【００３０】
また、第２の光源６の照射方向θをかえるために、θ軸１６を有する。このθ軸１６のことをパン角度という。固定された樹脂槽７に、光硬化性の樹脂８を満たし、この樹脂８内には、高さ方向を制御するｚ軸１１に直結したエレベータ１０が設置されており、このエレベータ１０の底面に造形物９を生成し、ｚ軸１１を上昇させながら、３次元形状の造形物９を造形する。
【００３１】
図２は本発明の実施例を示す造形領域の説明図である。
【００３２】
この図において、造形物２０は、例えば、積層ピッチ２１内の輪郭部において、輪郭形状２４を造形する場合、第１の光源５の造形領域２２に対して第２の光源６の造形領域２３を合わせることにより、造形領域を輪郭形状２４に対して高精度に形成することが可能となる。
【００３３】
ここで、輪郭形状２４の法線方向は、造形する形状に依存するために、θ軸１６により第２の光源６の照射方向を輪郭形状２４の法線方向に合致させる制御を行っている。
【００３４】
次に、本発明にかかる２本レーザによる造形システムの動作を図３を用いて説明する。
【００３５】
図３は本発明の実施例を示す第２光源の角度調整とその光源の造形領域の態様を示す図であり、図３（ａ）は第２光源６のｚ方向の角度θ₁（大きい角度）の場合の造形領域を、図３（ｂ）は第２光源６のｚ方向の角度θ₂（小さい角度）の場合の造形領域をそれぞれ示している。
【００３６】
まず、図３（ａ）に示すように、第２光源６のｚ方向の角度がθ₁の場合には、第２光源の造形領域２３がより倒れた状態になり、図３（ｂ）に示すように、第２光源６のｚ方向の角度がθ₂の場合には、第２光源の造形領域２３がより起きた状態になる。
【００３７】
このように第１の光源５からの光線に対する第２の光源６からの光線のｚ方向の角度θを調整することにより、第２光源の造形領域２３を細かく制御することが可能になる。
【００３８】
そのため、造形物の輪郭形状に、より近い形状が造形できるため、高精度な造形が可能になる。
【００３９】
また、第１の光源５からの光線に対する第２の光源６からの光線のパンおよびチルト角度の変化により、樹脂の加工輪郭形状を滑らかにすることができ、なだらかな傾斜面部を形成することができる。
【００４０】
更に、第１の光源５からの光線に対する複数の光線をパソコン（ＰＣ）１２の制御により照射させることにより、更なる高精度な造形も可能である。
【００４１】
図４は本発明の他の実施例を示す光硬化性の樹脂の光造形の模式図である。
【００４２】
この図において、３１はエレベータ、３２は光硬化性の樹脂の光造形物（仮想体）、３３は既存の造形物からの拘束のある下側面、３４は下面、３５は既存の造形物からの拘束がない上側面、３６は第２の光源（斜め照射のレーザ）、φは基準面３７に対する光造形物３２の傾斜角度であり、ここでは、低角度（数度〜１５度程度）から中角度（３０度程度）以内である。αは第２の光源（斜め照射のレーザ）の設定角度であり、ここでは４５度である。
【００４３】
そこで、図４における（１）に示す既存の造形物からの拘束がない上側面３５の造形にあたっては、第２の光源（斜め照射のレーザ）３６のみで行い、角度φの形成は、以下の第２の光源（斜め照射のレーザ）３６の照射条件で行う。
【００４４】
（１）レーザ光強度を一定とし、造形のピッチを変える。
【００４５】
（２）レーザ光強度を変える。
【００４６】
また、図４における（２）に示す既存の造形物からの拘束のある下側面３３の造形の場合は、１回のｚ方向の造形ピッチを変えて造形を行うようにする。
【００４７】
以下、具体的な側面の低角度φの場合の造形について説明する。
【００４８】
（１）上側面の造形
図４に示すように、第２の光源（斜め照射のレーザ）３６の設定角度αを４５度にして、レーザを照射して上側面３５を造形する場合、図５に示すように同じレーザパワーでレーザを照射しても造形面には自然に傾きφが形成される。樹脂の硬化による造形はレーザ光３８が届く距離に依存するが、２光目は、１光目より多くの光が１光目による造形領域に遮られることになるため、到達するエネルギーが減少し、硬化できる距離が短くなるためである。同様に３光目は２光目より到達距離が短くなり、自然と傾きφが形成される。
【００４９】
また、ここで、図６に示すように、同じピッチ（レーザの送り距離）で造形しても、始めの部分は、図７に示すように不安定領域Ａがあり、少しして（数回照射して）から安定領域Ｂとなる。この原因としては、１回のレーザ照射で樹脂が１００％固まるわけではないため、硬化量が安定するまでは、少し長くレーザが届き、硬化領域が安定すると、上記の原理で傾きを形成しながら固まるものと考えられる。なお、図６において、Ｐはピッチ、４１は硬化形状を示している。
【００５０】
よって、最初のレーザ光の数ピッチ（４−６ピッチ）は、レーザ光を少し弱めにすることにより、この不安定現象を避けることができる。
【００５１】
表１に上側面の造形ピッチによる、造形物の角度と表面粗さを示す。
【００５２】
ここで、レーザ強度は一定の値で造形している。表面粗さは、ＨａｎｄｙｓｕｒｆＥ−３５Ａ（東京精密製）を用いて測定した。
【００５３】
【表１】

また、レーザ強度を意図的に変えることにより、角度の変化を大きくとることができる。
【００５４】
表２には、レーザ強度を変えた場合の造形物の角度と表面粗さを示す。ここで、レーザ光は造形ピッチを変える毎に指定値分、強度を低下させている。造形ピッチは０．１６ｍｍである。
【００５５】
【表２】

以上、６度などの低角度から２５度の中角度の側面の傾きを自由に制御することができた。上記のレーザ径は２００μｍであるため、５μｍ以下の精度であれば、十分実用的である。
【００５６】
（２）下側面の造形
下側面の造形は、図４の（２）に示すように光が造形物３２もしくはエレベータ３１に拘束される。ここでは、設定角度αが４５度のレーザ光を用い、Ｚ方向のピッチ、送りのピッチを変えて造形を行い、低角度の側面形状を作製する。
【００５７】
表３は下側面を造形した場合の造形物の角度と表面粗さを示す。
【００５８】
【表３】

上記の結果より、ｚ方向のピッチを変えることにより、角度を自由に変えることができ、表面粗さも１μｍ以下のものもあり、実用上問題はないと判断される。
【００５９】
以上、詳細に述べたように、光造形加工において問題点が大きかった、低角度／高精度の造形を行うことができるようになった。
【００６０】
また、上記実施例では、第１のレーザ１及び第２のレーザ２を下方に配置して、下方から光造形加工を行うようにしたが、エレベータ１０を下部に配置することにより、第１のレーザ１及び第２のレーザ２を上方に配置して、上部から光造形加工を行うようにしてもよい。その場合は、第１のレーザ１は真上から、第２のレーザ２は上方の斜め方向から照射して光造形加工することになる。
【００６１】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００６２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００６３】
（Ａ）レーザ光の１本は真下又は真上から、もう１本は斜め方向からレーザ光を照射すること、つまり、ｚ方向レーザの他にｚ軸に対して傾斜しての別のレーザを同時照射することにより、輪郭形状を滑らかにすることができ、なだらかな傾斜面部を形成することができる。
【００６４】
それにより、手仕上げ加工の不要な光造形を行うことができる。つまり、樹脂の硬化領域を減らすことにより、高精度の造形を行うことが可能となる。
【００６５】
（Ｂ）斜め方向から照射するレーザ光は、パンおよびチルト角度も変化させることができ、より高精度な造形が可能となる。
【００６６】
（Ｃ）レーザの硬化を予めシミュレーションしておき、その数値に基づきレーザパワーや角度などを制御することができる。
【００６７】
（Ｄ）造形物の表層だけでなく、内部においてもレーザが照射されずに硬化されない部位を微調整することにより、全体のひずみによる変形を軽減することができる。
【００６８】
（Ｅ）レーザ光の代わりに、樹脂溶融ノズルを用い、熱溶融樹脂を用いた造形を可能とする。
【００６９】
（Ｆ）光造形加工において問題点の大きい、低角度／高精度の造形が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す２本レーザによる造形システムの構成図である。
【図２】本発明の実施例を示す造形領域の説明図である。
【図３】本発明の実施例を示す第２の光源の角度調整とその光源の造形領域の態様を示す図である。
【図４】本発明の他の実施例を示す光硬化性の樹脂の光造形の模式図である。
【図５】本発明の他の実施例を示す上側面の造形における傾きの形成の説明図である。
【図６】本発明の他の実施例を示す上側面の造形におけるレーザの照射ピッチと硬化形状の説明図である。
【図７】本発明の他の実施例を示す上側面の造形における初期ピッチにおける不安定領域の生成の説明図である。
【図８】従来の光造形装置を示す図である。
【符号の説明】
１第１のレーザ
２第２のレーザ
３第１のＡＯＭ
４第２のＡＯＭ
５第１の光源
６第２の光源
７樹脂槽
８光硬化性の樹脂
９，２０造形物
１０，３１エレベータ
１１ｚ軸
１２パソコン（ＰＣ）
１３モータアンプ
１４ｘ軸
１５ｙ軸
１６ θ軸（パン角度）
２１積層ピッチ
２２第１の光源の造形領域
２３第２の光源の造形領域
２４輪郭形状
３２光硬化性の樹脂の光造形物（仮想体）
３３既存の造形物からの拘束のある下側面
３４下面
３５既存の造形物からの拘束がない上側面
３６第２の光源（斜め照射のレーザ）
３７基準面
３８レーザ光
４１硬化形状
φ 基準面に対する光造形物の傾斜角度
α 第２の光源（斜め照射のレーザ）の設定角度（４５度）
Ｐピッチ

Claims

２本のレーザ光を用い、該レーザ光の１本は光硬化性の樹脂の真下から、もう１本は前記光硬化性の樹脂の斜め方向から同一の前記光硬化性の樹脂の硬化領域を照射し、該光硬化性の樹脂の硬化領域の位置制御を行い、前記光硬化性の樹脂の造形物の光造形を行うことを特徴とする光造形方法。
２本のレーザ光を用い、該レーザ光の１本は光硬化性の樹脂の真上から、もう１本は前記光硬化性の樹脂の斜め方向から同一の前記光硬化性の樹脂の硬化領域を照射し、該光硬化性の樹脂の硬化領域の位置制御を行い、前記光硬化性の樹脂の造形物の光造形を行うことを特徴とする光造形方法。
請求項１又は２記載の光造形方法において、前記光硬化性の樹脂の斜め方向から照射するレーザ光は、パンおよびチルト角度も変化させることを特徴とする光造形方法。
請求項１又は２記載の光造形方法において、コンピュータでレーザの硬化データを予めシミュレーションしておき、その数値に基づきレーザパワーや角度を制御することを特徴とする光造形方法。
請求項１又は２記載の光造形方法において、前記造形物の表層だけでなく、該造形物の内部においても、レーザが照射されずに硬化されない部位を減らして、全体のひずみによる変形を軽減することを特徴とする光造形方法。
請求項１又は２記載の光造形方法において、前記光硬化性の樹脂の斜め方向からレーザ光を照射することにより、基準面に対する数度〜１５度程度の低角度の側面形状を高精度に造形することを特徴とする光造形方法。
請求項６記載の光造形方法において、既存の造形物からの拘束のない上側面の光造形の場合、レーザ光強度は一定とし、ｚ方向の造形ピッチを制御することによりレーザ光の到達割合を変えることを特徴とする光造形方法。
請求項６記載の光造形方法において、既存の造形物からの拘束のない上側面の光造形の場合、レーザ光強度を制御することによりレーザ光の到達割合を変えることを特徴とする光造形方法。
請求項６記載の光造形方法において、前記レーザ光を照射するにあたり、最初の数ピッチはレーザ光の強度を弱めにすることを特徴とする光造形方法。
請求項１又は２記載の光造形方法において、既存の造形物からの拘束がある下側面の光造形の場合、１回のｚ方向の造形ピッチを変えて造形を行うことを特徴とする光造形方法。
（ａ）第１のレーザ光の光源と、
（ｂ）第２のレーザ光の光源と、
（ｃ）光硬化性の樹脂を入れた樹脂槽と、
（ｄ）前記各光源の照射条件を制御するコンピュータとを備え、
（ｅ）前記第２のレーザ光は前記光硬化性の樹脂の斜め方向から前記第１のレーザ光による照射位置と同一の位置を照射することを特徴とする光造形装置。
請求項１１記載の光造形装置において、前記第１のレーザ光は前記光硬化性の樹脂の真下から照射することを特徴とする光造形装置。
請求項１１記載の光造形装置において、前記第１のレーザ光は前記光硬化性の樹脂の真上から照射することを特徴とする光造形装置。