JP3805749B2 - Thin film curing stereolithography equipment - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は光硬化樹脂を薄く硬化させ積層造形する規制液面方式の光造形装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
樹脂槽の下方から槽内の光硬化性樹脂に光エネルギーを照射して、樹脂液中に配置した造形ベースプレートの下面に樹脂硬化物層を成形する規制液面方式による光造形方法や装置が提案されている。
この光造形装置は、目的形状に応じた形状データに基づいて駆動された液晶パネルを光シャッターとして利用し、この液晶パネルの透光部を通して、面光源からの光を平行光線として光硬化樹脂に照射し、当該照射した面形状の分割パターン部分を硬化させて目的形状の第1層造形物を造形し、次いで、移動手段により液晶パネルを次の所定位置に移動させて、同じような工程を繰り返して多層化造形物を得るようにしている。
【0003】
しかし、この先行技術は、液晶パネル全体に面光源の光を一度に照射するため、液晶パネル全体が常時熱線に晒されて過熱されてしまい、液晶マスクの変形や誤動作により造形精度が下がること、面光源からの光は液晶パネルの透光部をあらゆる方向から透過するため、透光部を斜めに透過した光によって、本来照射すべきでない部分を照射してしまうことなどから、高い造形精度を得ることができないという問題があった。
さらに、面光源は液晶マスクの周辺も照射してしまうため光源の光利用効率が極めて低く、このため、光硬化樹脂の照射面において所定の照度を保つためには、大量の電力を必要とするという問題点があった。
【0004】
また、先行技術は平行光線に近い光を光硬化性樹脂に照射しており、このため、硬化層の厚さ制御はもっぱら、光硬化性樹脂の感度に依存している。光硬化性樹脂の感度は多少の光が樹脂に当たっても硬化することがないように調整されているので、先行技術では、各層の硬化層厚さは1000ミクロン程度、薄くても100ミクロン程度であり、これ以下の薄い硬化層の厚さを得ることができなかったため、光造形品に段差が生じ、精度が悪くなった。
【0005】
また、硬化層の厚さは造形ベースプレートの移動量により制御し得るよう判断されやすいがが、使用されている光は平行光線に近いため、効果深度が1層分の造形物の大きさが硬化層より大きい場合は、樹脂の特性から硬化層の厚さは100ミクロン程度と厚くなり、積層造形することができなかった。
【0006】
他の光造形方法や装置として、形状データに基づいてレーザービームを光硬化性樹脂に照射することも知られているが、1つの造形物を造形するために長時間を必要とする欠点があった。また、その積層ピッチは通常100ミクロンであり、それ以上薄くすることは困難であった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記のような問題点を解消するためになされたもので、その目的とするところは、造形ベースプレートの面上に形成される各層の硬化物層厚さをたとえば20ミクロン以下の極薄にすることが可能であり、比較的短時間内で高い精度の光造形物を容易に造形することができる光造形装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の薄膜硬化型光造形装置は、底面が透明プレートからなる樹脂槽内に光硬化性樹脂を貯留させ、前記樹脂槽中に配置した造形ベースプレートを透明プレートに接近させて、前記樹脂槽の下方より該樹脂槽内の樹脂に光を照射し、前記造形ベースプレートの下面に所定層厚の硬化物層を成形する規制液面方式による光造形装置であって、レンズ表面近傍に焦点を有する微細なレンズを使用した多点集光スポットレンズからなる主光学系と、光源からの光を前記主光学系を構成する微細なレンズに平行光として照射するそれぞれが傾動自在な多数のマイクロミラーを備えたデジタル・マイクロミラー・デバイスと、デジタル・マイクロミラー・デバイスと主光学系の間に配され、マイクロミラー・デバイスからの平行光を主光学系のピッチにあわせて拡大した平行光として出力するレンズからなる中間光学系と、前記光学系をX方向またはY方向に順次移動させる手段と、造形ベースプレートを上下方向に移動させる手段を備えている。
【0009】
好適には、本発明の薄膜硬化型光造形装置は、微細レンズがデジタル・マイクロミラー・デバイスを構成するマイクロミラーよりも寸法が大きく、中間光学系はマイクロミラー1個に対して各微細レンズの大きさに合わせて反射光を拡大させるように構成されている。
また、好適には、本発明の薄膜硬化型光造形装置は、微細レンズがデジタル・マイクロミラー・デバイスを構成するマイクロミラーよりも寸法が大きく、中間光学系は1個の微細レンズに対して複数個のマイクロミラーから送られた反射光を拡大するように構成されている。
【0010】
【作用】
本発明は、樹脂槽の下方より微細なレンズ群を介してスポット的に槽内の光硬化性樹脂に光を照射し、造形ベースプレートの下面にスポット的に硬化層を成形する。レンズ表面のごく近傍に焦点を有する微細なレンズを多数配列したレンズ群を使用しているため、硬化層は20ミクロン以下とすることができる。しかし、硬化層は島状に点在しており、そのままでは面にならない。そこで、相対的にレンズ群と硬化層を水平方向に移動するのであり、これにより、未硬化の光硬化性樹脂は順次硬化され、つながって面性状となり、極薄の膜が形成される。しかも、デジタル・マイクロミラー・デバイスを使用するため、光はすべて反射させられ、加熱されることが少なく、液晶マスクの場合のような光が液晶に吸収されることによる熱の発生とそれによる故障を回避することができ、しかもマイクロミラーのオン・オフで造形する形状を自在に創成でき、かつ、中間光学系を有するため、マイクロミラーからの平行光を主光学系の微細レンズの大きさやピッチにあわせて拡大し、平行光として主光学系に適切に入射することができる。
【0011】
立体状の造形品を得る場合には、第1層が硬化したならば、ベースプレートをZ軸方向昇降装置により所定量Z軸方向に移動させる。未硬化の光硬化性樹脂は第1層の下にあるので、上記工程を実施すると第1層の下にこれと一体化された第2層が形成される。以下必要な回数を繰り返すことで、立体的な光造形物が精度よく作成される。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図1ないし図9は本発明による薄膜硬化型光造形装置の例を示している。
図1において、1は樹脂造形槽であり、光透過性を有しない側壁板1aと石英ガラスなどからなる透明な底板1bとから構成され、全体が図示しない支持体によって支持されている。光硬化性樹脂2は前記底板1bを底として貯留される。底板1bの内面すなわち光硬化性樹脂2と接する面には、テフロン(登録商標)やダイヤモンドライクカーボンなどの透明な剥離用薄膜10がコーティングされ、硬化された層,最終造形品の剥がしを容易に行えるようになっている。
【0013】
3は前記樹脂造形槽1内の光硬化性樹脂2に没入される造形ベースプレートであり、造形されるべき造形物の最大寸法よりも大きな遮光性面板となっており、上部にZ軸ステージ4が一体に設けられ、Z軸ステージ4を移動することで造形ベースプレート3が任意のピッチで昇降されるようになっている。
【0014】
5は樹脂造形槽1の下方に位置された機体であり、水平2方向に移動可能なXY軸ステージ6と、これに固定された架台7とを有し、架台7は樹脂造形槽1の底板1bと対峙する剛性のあるベース7aを備えている。
前記Z軸ステージ4とXY軸ステージ6の駆動制御部4c、6cは外部のCPUを含むコントローラ8に接続されている。コントローラ8にはCADデータが入力され、その情報に即してZ軸ステージ4とXY軸ステージ6の駆動制御部4c、6cに信号が送られ、移動方向と移動量が自動制御されるようになっている。
【0015】
9は前記架台7の石英ガラスなどの硬質で透明なベース7aに搭載された主光学系である。この主光学系9は、平行光から多焦点光スポットSPを作ることのできるレンズ群からなる。
詳しくは、図3のように、半球レンズやボールレンズなどレンズ表面近傍に焦点を有する微細なレンズ90をアレイ状に多数配列したものや、マイクロレンズアレイが用いられる。
【0016】
本発明で微細なレンズ90を使用するのは、1層分の硬化層の厚さを20ミクロン以下に制御するためであり、単位レンズは直径が300ミクロン程度以下であることが好ましい。これにより、平行光線が照射された場合に、レンズ表面からの焦点距離を底板1bの表面から20ミクロン以下に制御することを可能にする。焦点距離はレンズ材質、すなわち屈折率を変化させることで細かく調整が可能となる。また、レンズの直径を小さくすることにより相似的に焦点距離を小さくすることも可能である。
【0017】
前記微細なレンズ90は、前記ベース7aに直接かあるいは別な透明プレートに、図3(a)のように千鳥状に、あるいは同図(b)のように平行状に配列され、テフロン(登録商標)樹脂などの固定媒体により固定されている。レンズ群は表面が底板1bの下面に近接あるいは接触するように配置される。
【0018】
11は第3の光学系9の背方に配置された中間光学系、12は中間光学系11の光軸上後方に配されたミラーデバイス14を含む源光学系である。各光学系は架台7に搭載され、架台7とともに移動されるようになっている。
源光学系12は、メタルハライドランプなど、たとえば波長350〜450mmの任意の光源12aと、これからの光をミラーデバイス14に照射するレンズ12bとを備えている。レンズ12bはコリメートレンズなどを使用できる。
中間光学系11はミラーデバイス14からの平行光を主光学系9における微細なレンズ90のピッチにあわせて拡大し、かつ平行光を出力するレンズ11a、11bからなっている。レンズ11a、11bは、図4と図5のようなケプラー型のビームエキスパンダー、図6および図7のようなガリレオ型のビームエキスパンダーなど任意である。
【0019】
前記ミラーデバイス14は通常のミラーを使用することもできるが、好適には、デジタル・マイクロミラー・デバイスが用いられる。デジタル・マイクロミラー・デバイスは、たとえば16×16μmという極小の鏡(マイクロミラー)14aで構成された光変調半導体チップである。すなわち、マイクロミラー14aは、図8で模式的に示すように、基盤14b上に微細間隔で敷きつめられたMEMS素子(マイクロサイズのセンサ、アクチュエータ、制御回路を集積化した微細システムの総称)であり、コントローラ8に接続され、これからのデジタル信号によって、マイクロミラー14aのひとつひとつが電気機械的に制御され、+10度(オン)、−10度(オフ)の角度でお互いがぶつからないように傾動自在となっている。マイクロミラー14aはひとつひとつが毎秒数千回以上の超高速でオン/オフの切り替えが可能である。
図2ではミラー数を3×3だけ示しているが、実際には微細なレンズ90と同数たとえば1280×1024枚が使用される。
【0020】
光をあてると、オフ状態のマイクロミラー14a´にあたった光は外方に向い、図示しない光吸収板に吸収され、オン状態のマイクロミラー14aにあたった光だけが、中間光学系11を通って主光学系9における微細なレンズ90に送られる。したがって、造形物Aの平面形状が図12のように適所に空部aを有したリング状ないしは周辺が凹凸のある形状である場合にも、それに対応してマイクロミラーの所定のものをオフ状態とすることで自在に対応することができる。
【0021】
なお、使用する微細レンズ90の種類によっては、前記中間光学系11を省略し、ミラーデバイス14からの平行光を直接主光学系9に照射してもよい。
図9と図10はその例を示しており、図9は、ミラーデバイス14の各ミラー1個に対して各1個の各微細レンズ90に反射光を拡大せずに平行光として送った場合を示している。図10は、1個の各微細レンズ90に対して複数個のマイクロミラーからの反射光を送るようにしている。
【0022】
しかし、主光学系9の微細レンズ90がマイクロミラーの寸法と同程度の場合、焦点距離が短すぎることになるので、マイクロミラーよりも大きな寸法の微細レンズ90を使用し、マイクロミラー1個から反射した光をレンズ1個の寸法に合わせるためには、中間光学系11を使用することが好適である。
図11と図12はその例を示しており、図11はマイクロミラー1個に対して各微細レンズ90の大きさに合わせて中間光学系11で反射光を拡大させている。図12は1個の微細レンズ90の大きさに合わせて、中間光学系11で複数個のマイクロミラーの反射光を拡大している。
なお、図9,10及び11で1個のマイクロミラーをオフとして微細レンズ90に入射していないが、これは前述したような造形形状に対応できることを示したからである。
【0023】
なお、本発明の他の態様としては、光学系を移動させるのでなく、膜側すなわち樹脂造形槽1をXY軸移動させるようにしてもよい。この場合には、架台7は位置固定とされ、樹脂造形槽1が外側の枠状のXY軸ステージに搭載され、コントローラ8で駆動される。
【0024】
本発明の装置を用いた薄膜硬化型光造形方法を説明すると、まず、造形する形状、寸法がCADでデータ化され、そのデータがコントローラ8に入力される。コントローラ8では、造形する形状、寸法に応じてオフ状態とするミラーデバイス14のマイクロミラー数と位置を決定し、また、XY軸方向の移動量、Z軸方向の移動量、光源の光量を決定する。
光硬化性樹脂2は任意であり、たとえばエポキシ系としては、臨界露光量Ecが33mJ/cm2のSCR7001、13mJ/cm2のSCR710、10.9J/cm2のSCR9120が用いられ、樹脂造形槽1に貯留される。
【0025】
コントローラ8からの信号がミラーデバイス14に送られると、造形する形状、寸法に応じた位置のマイクロミラー14aがオン・オフされる。造形形状が平面的に凹凸がない場合や空部がない場合には、造形輪郭内のマイクロミラーはオンとされるが、造形形状が平面的に凹凸がない場合や図15で例示するような空部aがある場合には、それに対応した位置のマイクロミラーはオフとされる。もちろん造形輪郭外のマイクロミラーもオフとされる。
コントローラ8からの信号はまたZ軸ステージ4の駆動制御部4cに送られ、それによりZ軸ステージ4が下降して造形ベースプレート3が樹脂造形槽1の底板1bに近接した位置に保持される。また、コントローラ8からの信号は光源12aに送られ、適正な光量で光が照射される。
【0026】
この光源12aからの光はミラーデバイス14に照射され、各マイクロミラーにより平行光が反射される。オン状態のマイクロミラー14aからの平行光は主光学系9の微細レンズ90の大きさやピッチにあわせて中間光学系11で拡大され、平行光として主光学系9に入射される。主光学系9はレンズ表面近傍に焦点を有する微細なレンズ90を多数配列したレンズ群から構成されているので、光を照射した瞬間、図13(a)、図14(a)のように光硬化性樹脂2は、臨界露光量以上となるように集光された多点のスポットで一度に硬化させられる。SPは集光スポット、20はスポット状(島状)の硬化部である。
【0027】
面露光において、光硬化樹脂の臨海露光量より大きな光を樹脂に照射する必要があるため、光源は強力なものが必要となるが、多点のレンズでこの光を鋭角的に集光することにより光りのエネルギー密度が高められた部分の樹脂のみを硬化させることが可能となる。鋭角にすることで硬化深度を浅く,20ミクロン以下に薄く硬化させることが可能となる。すなわち、硬化深さを確実に制御できる。
レンズで集光することで臨海露光量以上の光を作製し、樹脂を硬化させるため、微細レンズの隙間を通過した光が樹脂に照射されてもその部分は硬化することはないのである。
【0028】
次いで、コントローラ8からの信号はXY軸ステージ6の駆動部6cに送られ、それによってXY軸ステージ6とそれに搭載されている光学系は水平移動する。それにより、レンズ表面近傍に焦点を有する微細なレンズ90を多数配列したレンズ群からの集光スポットSPはレンズ群1ピッチ分X方向又はY方向に連続平行移動する。
図13(b)は移動途中を示しており、同図(c)と図14(b)はレンズ間隔分移動した状態を示している。この例では集光スポットSPは右方向に移動することによりスポット状の硬化部20、20´がつながり、厚さ20ミクロン以下の所定幅の面200となる。
【0029】
図15(a)ないし(d)は、1層を作成している状態を示しており、(a)のようにX方向に集光スポットを移動して所定の面200を作り、次いでY方向にスポット径分あるいはそれよりも適度に少なく移動してから左方に移動し(b)のように2列目の面200´となるようにつなげる。そしてY方向にスポット径分あるいはそれよりも適度に少なく移動してから右方に移動し(c)のように3列目の面200´´としてつなぐ。同様な移動経路で(d)のように必要面を形成し、1層目の硬化層Aを完成させるのである。
図15の中央の空所aを得るには、空所aに対応する微細なレンズ90と組をなすマイクロミラー14aをオフ状態としておけばよいので、簡単に対応できる。
【0030】
図16(a)は1層目の硬化層Aが造形された状態を模式的に示しており、厚さtが20ミクロン以下の1層目の硬化層Aは造形ベースプレート3の下面に接着されている。
次いで、一旦光源12aからの光の照射を止め、コントローラ8からの信号でZ軸ステージ4を所定量上昇させる。1層目の硬化層Aの下面は透明な剥離用薄膜10に接しているので容易に剥離し、図16(b)のように造形ベースプレート3に帯同して上昇される。
【0031】
この状態を確認し、再び光源12aから光を照射する。それにより1層目の硬化層Aの下面を造形ベースプレートとして、前記第1層の時と同じように、集光スポットSPでスポット状の硬化部を形成し、XY軸方向に集光スポットSPを移動してスポット状の硬化部を連結して、第2層目の硬化層を造形する。第2層目の硬化層は1層目の硬化層Aに接着されて積層される。以下必要回数上記工程を繰り返すことで、希望する形状の高精度な光造形物が得られる。
【0032】
なお、本発明において、複数の硬化層はすべてが同等の厚さに作成し積層する態様に限定されない。異なる厚さの膜を作成積層してもよい。これはたとえば、光造形物の精度を要する部分とそうでない部分とが挙げられる。
これは、レンズの焦点を固定した条件では、前記造形ベースプレート3のZ軸方向移動距離すなわち積層間隔のピッチを変化させ、かつコントローラ8から光源12aに信号を送って光量を制御すればよい。樹脂への臨界露光量を変化させればよい。
【0033】
図17はそれを模式的に示しており、精度を必要とする部分に対応する層を造形するときには、造形ベースプレート3のZ軸方向移動距離を小さくし、光エネルギーを適する臨界露光量で照射し、薄い第1硬化層Aを作成する。そして、次層が精度を必要としない部分に対応する層である場合には、(a)のように、第1硬化層Aを接着した造形ベースプレート3のZ軸方向移動距離を相対的に大きくし、それとともに光源12aからの光量を増加させて光のエネルギー(強度)を大きく照射し、樹脂への臨界露光量を変化させる。これにより固化深度が深くなり、(b)のように厚い硬化層A2が積層される。そして第3層も厚くする場合には、図示のように造形ベースプレート3のZ軸方向移動距離を大きくすればよい。
【0034】
なお、凹凸や空部が光造形物厚さ方向で貫通していない形状である場合には、対応した層を造形する段階でミラーデバイス14のマイクロミラーをオン状態に切り換え、その状態で光源12aから光を照射して微細なレンズ90で集光すればよい。したがって複雑な形状も簡易に光造形することができる。
また、薄いシート状の光造形物を得る場合には、前記第1層で完成品とすればよい。
【0035】
本発明は、デジタル・マイクロミラー・デバイスのごときミラーデバイス14を使用し液晶マスクを使用しない。このため、光はすべて反射させるため、加熱されることは少なく、液晶マスクの場合のような光が液晶に吸収されることによる熱の発生とそれによる故障を防ぐことができる。
【0036】
【発明の効果】
以上説明した本発明の請求項1によるときには、底面が透明プレートからなる樹脂槽内に光硬化性樹脂を貯留させ、前記樹脂槽中に配置した造形ベースプレートを透明プレートに接近させて、前記樹脂槽の下方より該樹脂槽内の樹脂に光を照射し、前記造形ベースプレートの下面に所定層厚の硬化物層を成形する規制液面方式による光造形装置であって、レンズ表面近傍に焦点を有する微細なレンズを使用した多点集光スポットレンズからなる主光学系と、光源からの光を前記主光学系を構成する微細なレンズに平行光として照射するそれぞれが傾動自在な多数のマイクロミラーを備えたデジタル・マイクロミラー・デバイスと、デジタル・マイクロミラー・デバイスと主光学系の間に配され、マイクロミラー・デバイスからの平行光を主光学系のピッチにあわせて拡大した平行光として出力するレンズからなる中間光学系と、前記光学系をX方向またはY方向に順次移動させる手段と、造形ベースプレートを上下方向に移動させる手段を備えているので、比較的小型で簡単な構造により、層の厚さが薄い立体的に積層された精度の高い光造形物を短時間内で容易に造形することができる。
しかも、デジタル・マイクロミラー・デバイスを使用するため、光はすべて反射させられ、かつ、中間光学系でマイクロミラー・デバイスからの平行光を主光学系のピッチにあわせて拡大した平行光として出力するので、マイクロミラーのオン・オフで造形する形状を自在に高い精度で創成できるというすぐれた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による薄膜硬化型光造形装置の1例を示す縦断側面図である。
【図2】 造形状態の斜視図である。
【図3】 (a)(b)はそれぞれ主光学系の例を示す平面図である。
【図4】 中間光学系としてケプラー型ビームエキスパンダーを使用して造形している状態の側面図である。
【図5】 図4の部分的拡大図である。
【図6】 中間光学系としてガリレオ型ビームエキスパンダーを使用して造形している状態の側面図である。
【図7】 図6の部分的拡大図である。
【図8】 デジタル・マイクロミラー・デバイスの概要を示す斜視図である。
【図9】 集光スポットの形成態様の第1例を示す側面図である。
【図10】 集光スポットの形成態様の第2例を示す側面図である。
【図11】 集光スポットの形成態様の第3例を示す側面図である。
【図12】 集光スポットの形成態様の第4例を示す側面図である。
【図13】 (a)(b)(c)は本発明における薄膜造形過程を段階的に示す模式的断面図である。
【図14】 (a)(b)は本発明における薄膜造形過程を段階的に示す模式的平面図である。
【図15】 (a)(b)(c)(d)は本発明における薄膜造形過程を段階的に示す模式的平面図である。
【図16】 (a)(b)は本発明における積層法を段階的に示す模式的断面図である。
【図17】 (a)(b)は本発明における積層法の多例を段階的に示す模式的断面図である。
【符号の説明】
1 樹脂造形槽
2 光硬化性樹脂
3 造形ベースプレート
4 Z軸ステージ
6 YY軸ステージ
9 主光学系
90 微細レンズ
11 中間光学系
14 ミラーデバイス
14a マイクロミラー[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a regulated liquid level optical modeling apparatus that thinly cures and cures a photocurable resin.
[0002]
[Prior art]
Proposed a stereolithography method and equipment using a regulated liquid surface method that irradiates the photocurable resin in the tank with light energy from below the resin tank and forms a cured resin layer on the bottom surface of the modeling base plate placed in the resin liquid. Has been.
This stereolithography apparatus uses a liquid crystal panel driven based on shape data corresponding to a target shape as an optical shutter, and passes light from a surface light source as a parallel light beam to a photo-curing resin through a light-transmitting portion of the liquid crystal panel. Irradiate, cure the irradiated surface-shaped divided pattern portion to form the first-layer shaped object of the target shape, then move the liquid crystal panel to the next predetermined position by moving means, and perform the same process Repeatedly, a multilayered model is obtained.
[0003]
However, since this prior art irradiates the entire liquid crystal panel with the light of the surface light source at once, the entire liquid crystal panel is always exposed to heat rays and overheated, and the molding accuracy is lowered due to deformation and malfunction of the liquid crystal mask, Since the light from the surface light source passes through the translucent part of the liquid crystal panel from all directions, the part that should not be irradiated is irradiated with the light that has been obliquely transmitted through the translucent part. There was a problem that could not be obtained.
Furthermore, since the surface light source also irradiates the periphery of the liquid crystal mask, the light use efficiency of the light source is extremely low. For this reason, a large amount of power is required to maintain a predetermined illuminance on the light-cured resin irradiation surface. There was a problem.
[0004]
Moreover, the prior art irradiates the light curable resin with light close to parallel rays, and therefore, the thickness control of the cured layer depends solely on the sensitivity of the light curable resin. Since the sensitivity of the photo-curing resin is adjusted so that it does not cure even when some light hits the resin, the thickness of the cured layer of each layer is about 1000 microns, even if it is thin, it is about 100 microns. Since the thickness of the thin hardened layer below this could not be obtained, a step was produced in the optical modeling product, and the accuracy was deteriorated.
[0005]
In addition, the thickness of the hardened layer can be easily judged to be controllable by the amount of movement of the modeling base plate, but since the light used is close to parallel rays, the depth of the effect is one layer of the size of the modeled object. When it was larger than the layer, the thickness of the cured layer became as thick as about 100 microns due to the characteristics of the resin, and additive fabrication could not be performed.
[0006]
As another stereolithography method and apparatus, it is also known to irradiate a photocurable resin with a laser beam based on shape data. However, there is a drawback that it takes a long time to model one model. It was. Further, the lamination pitch is usually 100 microns, and it is difficult to make it thinner.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and the object of the present invention is to make the thickness of a cured product layer of each layer formed on the surface of the modeling base plate as ultrathin, for example, 20 microns or less. It is possible to provide an optical modeling apparatus capable of easily modeling an optical modeling object with high accuracy within a relatively short time.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the thin-film curable optical modeling apparatus of the present invention stores a photocurable resin in a resin tank whose bottom surface is made of a transparent plate, and makes the modeling base plate disposed in the resin tank approach the transparent plate. An optical modeling apparatus using a regulated liquid level system that irradiates light from below the resin tank to the resin in the resin tank and forms a cured product layer having a predetermined thickness on the lower surface of the modeling base plate. A main optical system composed of a multi-point condensing spot lens using a minute lens having a focal point in the vicinity, and each of irradiating light from a light source as parallel light to the minute lens constituting the main optical system is tiltable. A digital micromirror device with a large number of micromirrors, and a digital micromirror device placed between the digital micromirror device and the main optical system. An intermediate optical system comprising a lens that outputs light as parallel light expanded in accordance with the pitch of the main optical system, means for sequentially moving the optical system in the X direction or Y direction, and means for moving the modeling base plate in the vertical direction It has.
[0009]
Preferably, in the thin-film curing type optical shaping apparatus of the present invention, the size of the microlens is larger than that of the micromirror constituting the digital micromirror device, and the intermediate optical system is provided for each microlens with respect to one micromirror. It is comprised so that reflected light may be expanded according to a magnitude | size.
Preferably, in the thin film curing type optical shaping apparatus of the present invention, the size of the micro lens is larger than that of the micro mirror constituting the digital micro mirror device, and a plurality of intermediate optical systems are provided for one micro lens. The reflection light transmitted from the individual micromirrors is configured to be enlarged.
[0010]
[Action]
In the present invention, light is radiated to the photocurable resin in the tank in a spot manner from a lower side of the resin tank through a fine lens group, and a cured layer is formed in a spot on the lower surface of the modeling base plate. Since a lens group in which a large number of fine lenses having a focal point are arranged in the very vicinity of the lens surface is used, the cured layer can be 20 microns or less. However, the hardened layer is scattered in an island shape and does not become a surface as it is. Therefore, the lens group and the cured layer are relatively moved in the horizontal direction, whereby the uncured photo-curing resin is sequentially cured and connected to form a surface property, thereby forming an extremely thin film. In addition, since a digital micromirror device is used, all the light is reflected and is not heated. As in the case of a liquid crystal mask, heat is generated by the liquid crystal being absorbed, resulting in malfunction. In addition, the shape of the micromirror can be created freely by turning the micromirror on and off, and it has an intermediate optical system. And can be appropriately incident on the main optical system as parallel light.
[0011]
When obtaining a three-dimensional shaped product, if the first layer is cured, the base plate is moved in the Z-axis direction by a predetermined amount by the Z-axis direction lifting device. Since the uncured photo-curing resin is under the first layer, the second layer integrated with the first layer is formed under the first layer when the above process is performed. By repeating the necessary number of times below, a three-dimensional stereolithography object is accurately created.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
1 to 9 show an example of a thin film curing type optical modeling apparatus according to the present invention.
In FIG. 1,
[0013]
[0014]
Reference numeral 5 denotes an airframe located below the
The
[0015]
Specifically, as shown in FIG. 3, a microlens array in which a large number of
[0016]
The reason why the
[0017]
The
[0018]
The source
The intermediate
[0019]
The
Although only 3 × 3 mirrors are shown in FIG. 2, the same number of
[0020]
When the light strikes, the light hitting the off-
[0021]
Depending on the type of the
FIG. 9 and FIG. 10 show such an example, and FIG. 9 shows a case where the reflected light is sent as parallel light to each one of the
[0022]
However, when the
FIG. 11 and FIG. 12 show an example, and FIG. 11 enlarges the reflected light by the intermediate
9, 10, and 11, one micromirror is turned off and is not incident on the
[0023]
As another aspect of the present invention, the film side, that is, the
[0024]
The thin film curing type optical modeling method using the apparatus of the present invention will be described. First, the shape and dimensions to be modeled are converted into data by CAD, and the data is input to the controller 8. The controller 8 determines the number and position of the micromirrors of the
The photo-curing
[0025]
When a signal from the controller 8 is sent to the
The signal from the controller 8 is also sent to the
[0026]
The light from the
[0027]
In surface exposure, it is necessary to irradiate the resin with light that is larger than the exposure amount of the photocuring resin, so a powerful light source is required, but this light must be collected at a sharp angle with a multipoint lens. This makes it possible to cure only the portion of the resin whose light energy density is increased. By making an acute angle, the curing depth is shallow and it is possible to cure thinly to 20 microns or less. That is, the curing depth can be reliably controlled.
Since the light is collected by the lens to produce light that exceeds the sea exposure amount and the resin is cured, even if the resin is irradiated with the light that has passed through the gaps between the fine lenses, the portion is not cured.
[0028]
Next, a signal from the controller 8 is sent to the drive unit 6c of the
FIG. 13B shows the middle of movement, and FIG. 13C and FIG. 14B show a state where the lens is moved by the lens interval. In this example, the condensing spot SP moves to the right to connect the spot-like
[0029]
FIGS. 15A to 15D show a state in which one layer is formed. As shown in FIG. 15A, the condensing spot is moved in the X direction to form a
In order to obtain the central space a in FIG. 15, the
[0030]
FIG. 16A schematically shows a state where the first hardened layer A is formed, and the first hardened layer A having a thickness t of 20 microns or less is bonded to the lower surface of the forming
Next, the irradiation of light from the
[0031]
This state is confirmed, and light is again emitted from the
[0032]
In addition, in this invention, all the some hardened layers are not limited to the aspect which produces and laminates | stacks by the equivalent thickness. Films with different thicknesses may be created and laminated. This includes, for example, a portion that requires accuracy of the optically shaped object and a portion that does not.
This is achieved by changing the Z-axis direction moving distance of the
[0033]
FIG. 17 schematically shows this. When a layer corresponding to a portion requiring accuracy is formed, the moving distance of the forming
[0034]
In the case where the unevenness and the empty portion have a shape that does not penetrate in the thickness direction of the optical modeling object, the micromirror of the
Moreover, what is necessary is just to set it as a finished product in the said 1st layer, when obtaining a thin sheet-like optical modeling thing.
[0035]
The present invention uses a
[0036]
【The invention's effect】
According to
In addition, since a digital micromirror device is used, all the light is reflected, and the parallel light from the micromirror device is output as parallel light expanded in accordance with the pitch of the main optical system in the intermediate optical system. Therefore, it is possible to obtain an excellent effect that a shape to be shaped can be freely created with high accuracy by turning on / off the micromirror.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal side view showing an example of a thin film curing type optical shaping apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of a modeling state.
FIGS. 3A and 3B are plan views showing examples of a main optical system, respectively.
FIG. 4 is a side view showing a state in which modeling is performed using a Kepler type beam expander as an intermediate optical system.
FIG. 5 is a partially enlarged view of FIG. 4;
FIG. 6 is a side view of a state in which a Galileo beam expander is used as an intermediate optical system.
FIG. 7 is a partially enlarged view of FIG. 6;
FIG. 8 is a perspective view showing an outline of a digital micromirror device.
FIG. 9 is a side view showing a first example of a form of forming a focused spot.
FIG. 10 is a side view showing a second example of the formation mode of the focused spot.
FIG. 11 is a side view showing a third example of the formation mode of the condensed spots.
FIG. 12 is a side view showing a fourth example of the formation mode of the condensed spots.
FIGS. 13A, 13B and 13C are schematic cross-sectional views showing the thin film forming process in the present invention step by step.
14 (a) and 14 (b) are schematic plan views showing the thin film formation process in the present invention step by step.
FIGS. 15 (a), 15 (b), 15 (c) and 15 (d) are schematic plan views showing the thin film formation process in the present invention step by step.
FIGS. 16A and 16B are schematic cross-sectional views showing stepwise the lamination method in the present invention.
17 (a) and 17 (b) are schematic cross-sectional views showing stepwise examples of the lamination method in the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
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