JP4079544B2 - 光造形法及びその装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光造形技術に関する。特に、本発明は光硬化性液の自由液面に光を照射することにより光硬化性液を硬化させて任意の３次元形状を有する物体を造形する自由液面法による光造形技術に関する。
【０００２】
【従来技術】
自由液面法による光造形技術とは、光硬化性液の液面が何ら規制を受けることなく重力により水平に保ち、その水平に保たれた液面上に光を照射することにより光硬化性液を硬化し、任意の3 次元形状を有する物体を造形する技術をいう。
自由液面法による光造形技術を、図８に基づいて説明する。ここで、造形される物体１１０は３次元形状を有するが、説明の便宜上、同図では、高さ方向と横方向のみを図示している。
最初に容器１０４内を光硬化性液１０８で満たし、この光硬化性液１０８内に配設されたテーブル１０６を、硬化させる光硬化性液１０８の厚み分だけ液面から沈める（Ｚ方向に動かす）。この状態で、光源からの光１００を、偏向器（ガルバノメータミラー）１０２の角度を変化させることにより、光硬化性液１０８の表面（自由液面）上で走査させ硬化させる。
次に、テーブル１０６を次に硬化させる層の厚み分だけＺ方向に動かす。そして、造形物１１０の上面と光硬化性液１０８の液面との間の距離を均一とするため、リコータ１１２をＸ軸方向に往復動させる。そして、同様に光源からの光１００を光硬化性液１０８の表面上で走査させ光硬化性液１０８を硬化させる。このような手順を繰り返すことにより、一定の厚みを持った硬化層を積み重ね希望形状を有する物体１１０をテーブル１０６上に造形する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記技術で造形する各断面の中には、図７（ａ）に示すように、その断面における硬化必要領域（光を走査させる領域）Ｋが、硬化不要領域Ｍを取り囲むような形状（閉じた形状）を有している場合がある。このような断面を硬化させると、縦断面を示す図７（ｂ）に示すように、硬化不要領域Ｍ内の光硬化性液の液面が、硬化必要領域Ｋの外部にある光硬化性液の液面（基準液面）に対して凹形状となったり、凸形状となるTrapped volume現象（以下、トラップＶ現象という）を生じる場合がある。
トラップＶ現象が生じた状態で各断面が造形され続けると、徐々に造形物１１０の上面が水平でなくなり、リコータ１１２を往復動させる際に、リコータ１１２と造形物１１０が干渉し造形物１１０が破壊される場合があった。
【０００４】
そこで、本発明は上述した問題を解決するためになされたものであり、その目的は、トラップＶ現象を防止することができる光造形技術を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の光造形法では、造形希望形状をスライスした各断面における硬化必要領域が、硬化不要領域を取り囲んでいるかどうかを判定する。そして、硬化必要領域が硬化不要領域を取り囲む場合には、硬化必要領域の少なくとも一個所に未硬化の開口部が形成されるようにその断面が造形される。このように本発明の光造形法では、硬化必要領域の一部に未硬化の開口部が形成されるため、硬化必要領域に閉じ込められた光硬化性液の表面張力が低下し、硬化必要領域に囲まれて閉じこめられた光硬化性液がこの開口部から外部に流出、若しくは外部の光硬化性液がこの開口部より流入するためにトラップＶ現象を防止することができる。また、この開口部は後の断面を造形する際に硬化されるので、開口部を形成しても造形物の形状が変化することはない。
ここで、硬化必要領域が硬化不要領域を取り囲む場合とは、完全に硬化必要領域が硬化不要領域を取り囲む場合のみを言うのではなく、例えば、硬化必要領域が略閉じた形状を有するためにその内部の未硬化の光硬化性液にトラップＶ現象が生じる場合等も該当する。したがって、硬化必要領域が硬化不要領域を取り囲むかどうかの判断は、造形モデルの形状・大きさ・肉厚、積層ピッチ、光硬化性液の性質等によってその基準が異なることとなる。
また、開口部とは、硬化必要領域に囲まれて内部に閉じ込められた未硬化の光硬化性液と、硬化必要領域の外部にある光硬化性液との間で、相互に光硬化性液が流出入できるものであればどのようなものでも良い。
【０００６】
また、ある断面に形成される開口部が、その断面と隣接する断面に形成される開口部と重なる場合、この部分で大きなひずみが生じる。このため、造形物の形状精度を劣化させるため好ましくない。
本発明の光造形法では、前記各断面に形成される開口部が、その断面に隣接する断面に形成された開口部と重ならないように形成されるためこのような問題が生じない。
【０００７】
請求項１記載の光造形法は、請求項２記載の光造形装置により好適に実施することができる。
本発明の光造形装置では、前記造形希望形状に関するデータから、その造形希望形状をスライスした各断面における硬化必要領域が、硬化不要領域を取り囲んでいるかどうかを判定する。そして、硬化必要領域が硬化不要領域を取り囲んでいる場合に、その硬化必要領域の少なくとも一個所に開口部が形成され、かつ、その開口部がその断面に隣接する断面に形成される開口部と重ならないように、各断面の硬化必要領域に関するデータを修正する。そして、この修正された硬化必要領域に関するデータに基づいて各断面を硬化する。
したがって、本発明の光造形装置では、各断面のデータを予め修正することにより、硬化必要領域が硬化不要領域を取り囲んでいる断面については開口部が形成されるため、トラップＶ現象を防止して円滑な造形を行うことができる。また、各断面に形成される開口部の位置が隣接する断面に形成される開口部の位置と重ならないので、開口部を原因とする造形物に生じるひずみを防止することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
まず、本発明に係る光造形技術の概要について説明する。
本発明では、ある断面において硬化必要領域が硬化不要領域を取り囲むような場合には、閉じた硬化必要領域の一部に開口部を形成することとした。開口部を形成することにより光硬化性液の表面張力が低下し、トラップＶ現象を防止することができる。なお、開口部を形成したままでは希望形状が造形できないので、このような開口部は後に造形する断面を造形する際に一緒に硬化することとした。
特に、光造形技術では、図６（ａ）に示すように、光が走査される走査線ｓにおける光硬化性液の硬化する深さＨは、一層分の厚みＴの２倍強程度（硬化層２層分強）とすることが一般的である。これは、図６（ｂ）に示すように、光が走査される走査線ｓにおける硬化する深さＨを、一層分の厚みＴと同じ厚さとすると、硬化層同士が着かないためである。
したがって、図６（ｃ）に示すように、ある断面ｎにおいて硬化必要領域の一部に開口部Ｐを形成した場合であっても、次の断面ｎ＋１を造形する際にその開口部Ｐは硬化されることとなる。したがって、開口部を形成したとしても、各断面を造形する際に照射する光エネルギは変える必要が無い。
【０００９】
ここで、一つの断面に形成される開口部の大きさ（開口部の幅Ｂ、長さＬ、数ｎ）は、造形モデルの形状や、大きさ、肉厚（＝開口部の幅Ｂ）によって異なる。また、積層ピッチ、樹脂特性により光硬化性液の表面に発生する表面張力が異なるため、これらの値によっても開口部の大きさは影響される。いずれにしても、硬化不要領域を取り囲む硬化必要領域の半分程度を開口することにより、トラップＶ現象が防止されると考えられる。
なお、実際の光造形装置において、このような開口部を形成するためには、各断面の硬化すべき硬化必要領域に関するデータ（スライスデータ等）から開口すべき場所を指定する必要がある。これは、ＣＡＤデータをスライスすることにより二次元輪郭線データを作成し、このデータから開口部を指定するようにしても良い。また、このような手順によることなく、ＣＡＤデータである三次元パーチデータから直接開口部を指定しても良い。
【００１０】
次に、上述した光造形技術を好適に実施することができる光造形装置の一実施の形態について説明する。
まず、図1 に基づいて光造形装置の概略構成について説明する。図１に示す光造形装置は、光源１３と、光源１３から出射した光１０が照射される位置（光硬化性液面上の位置）を制御するための光学系機器（ガルバノメータミラー）１２と、光硬化性液１８を貯留する容器１４とを備える。
【００１１】
光源１３としては、He−CdレーザやArレーザ等のレーザ発振器が用いられる。
ガルバノメータミラー１２は、偏向ミラーとこれを回動するためのモータとからなっている。そして、モータが回転することにより、偏向ミラーが回転し、光１０の入射角が変更され、光１０の照射される位置を変更することができる。偏光ミラーの角度は、制御装置３０により制御され、所定の位置に光１０が照射されるように制御される。
容器１４は、その内部に光硬化性液１８が貯留されており、この光硬化性液１８に光１０が照射されることにより、光硬化性液１８が硬化し造形物１１が造形される。この容器１４内には、造形物１１を支持するための支持テーブル２０が配設されている。この支持テーブル２０は、液面の高さを検知する高精度距離センサー（図示省略）の値に基づき制御装置３０により、液面からの深さが調整されるようになっている。また、容器１４内には、光硬化性液１８の液面が水平に保たれるように、光硬化性液１８の表面上をＸ軸方向に往復動するリコータ２２を備えている。リコータ２２は、制御装置３０により制御される。
【００１２】
次に、ガルバノメータミラー１２、支持テーブル２０、リコータ２２の動きを制御する制御装置３０について説明する。
制御装置３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えた一般的なコンピュータにより構成され、ＲＯＭ等に記憶されたプログラムに従い、ガルバノメータミラー１２等の機器を制御する機能を有する。
また、この制御装置３０は、ＣＡＤ装置により設計した造形物の３次元データ（ＣＡＤデー）を読み込み、これに基づいて各断面の硬化必要領域に関するデータを算出する機能をも有する。データ処理の詳細については後で詳述する。
【００１３】
次に上述した光造形装置により、図2 （ａ）に示す造形物を造形する手順について説明する。
図３に示すように、まず、制御装置３０に、造形物のＣＡＤデータを読み込む（Ｓ１）。ＣＡＤデータが読み込まれると、制御装置３０はこのＣＡＤデータに基づいて造形用データ作成処理を行う（Ｓ２）。すなわち、図2 （ａ）に示すＣＡＤデータから、図2 （ｂ）に示す、造形物を所定の厚さでスライスした際の各断面のスライスデータを作成し、図2 （ｂ）のスライスデータから図2 （ｃ）に示す開口付きスライスデータを作成するのである。
【００１４】
造形用データ作成処理を図４に示すフローチャートに基づいて詳細に説明する。まず、制御装置３０は、読み込まれたＣＡＤデータ（図2 （ａ））から希望造形物を積層ピッチと等しい間隔でスライスした際の、そのスライスした各断面において硬化すべき領域に関するデータ（スライスデータ）を作成する（Ｓ21）。ＣＡＤデータからスライスデータ（図２（ｂ））を作成する手順については、公知であるので詳細な説明は省略する。
スライスデータが作成されると、そのスライスデータから各断面における硬化必要領域の形状が特定できる。したがって、スライスされた断面の中から一断面を選択し（Ｓ22）、その硬化必要領域が硬化不要領域を取り囲むかどうかを判断する（Ｓ23）。硬化必要領域が硬化不要領域を取り囲む場合には、その硬化必要領域に開口部を形成する（Ｓ24）。
具体的に説明すると、本実施の形態の場合、各断面の形状は図５（ａ）に示すようなリング状の形状を有する。したがって、その硬化必要領域のサイズは、横方向の外径Ａ１、横方向の内径Ａ２、縦方向の外径Ｂ１、縦方向の内径Ｂ２により特定することができる。硬化必要領域のサイズが特定できれば、そのサイズ、光硬化性液の性質等を考慮して、開口部の大きさ（幅Ｂ、長さＬ）とその個数ｎを決定する。次に、図５（ｂ）に示すように、その開口部の位置を指定する。例えば、造形モデルの高さ方向（Ｚ軸方向）を基準軸として、その基準軸回りの回転角θで開口部の位置を指定する。この回転角θは、乱数等によりランダムに決定しても良いし、前の断面に配置した開口部の位置から所定の角度回転した位置に形成するように規則的に決めても良い。ただし、開口部の位置を決める場合には、隣接する各断面に形成する開口部の位置が重ならないようにする必要がある。開口部の位置が決まると、次に、硬化必要領域に関するデータと開口部の位置に関するデータのブリアン演算により、開口部として指定された領域については硬化しないように、スライスデータを修正した開口付きスライスデータが作成される（図２（ｃ）参照）。
なお、Ｓ23のステップで硬化必要領域が硬化不要領域を取り囲まない場合には、その断面における硬化必要領域に関するデータは、Ｓ21のステップで作成されたスライスデータである。
選択した断面の造形用データが作成されると、造形用データが全ての断面について作成されたかどうかを判断し（Ｓ25）、全ての断面について行われていない場合には、上述したＳ22〜Ｓ24までのステップを繰り返し、全ての断面について行った場合には、レーザ走査経路処理、また、必要に応じて３Ｄオフセット処理等を行うことにより造形用データの作成処理が終了する。
なお、３Ｄオフセット処理、レーザ走査経路処理については、公知のデータ処理技術であるので、ここではその説明を省略する。
なお、一般的に造形用データ作成手順としては、▲１▼３次元データの処理、▲２▼スライスデータの作成処理、▲３▼３Ｄオフセットデータの作成処理、▲４▼レーザ走査経路の作成処理、が行われる。ここで、上述した実施の形態ではスライスデータを作成した段階で、そのスライスデータから開口部を指定したが、これに限らず、▲１▼３次元データの作成処理の段階で開口部を指定しても良く、また、▲３▼３Ｄオフセットデータの作成処理や、▲４▼レーザ走査経路の作成処理の段階で開口部を指定しても良い。
【００１５】
各断面における造形用データ作成処理が終了すると、図3 に示すように、光硬化性液に光を照射することにより造形モデルを造形する（Ｓ３）。具体的には、最初に容器１４内を光硬化性液１８で満たし、この光硬化性液１８内に配設されたテーブル２０を、硬化させる光硬化性液１８の厚み分（積層ピッチ）だけ液面から沈める（Ｚ方向に動かす）。この状態で、光源１３からの光１０を、ガルバノメータミラー１２の角度を変化させることにより、光硬化性液１８の自由液面上で走査させ硬化させる。なお、光１０を走査させる範囲（硬化必要領域）は、上述した造形データ作成処理により開口部が形成された硬化必要領域に関するデータ（開口付きスライスデータ）に基づいている。
次に、テーブル２０を次に硬化させる層の厚み分（積層ピッチ）だけＺ方向に動かす。そして、造形物１１の上面と光硬化性液１８の液面との距離を均一とするため、リコータ２２を光硬化性液１８の液面上をＸ軸方向に往復動させる。そして、この断面の硬化必要領域に関するデータに基づいて、光源１３からの光１０を光硬化性液１８の表面上で走査させ硬化させる。このように一定の厚みを持った硬化層を、順次積み重ねることにより希望形状を有する物体１１をテーブル２０上に造形する。
造形物１１が造形されると、テーブル２０上から造形物１１が取り外され、付着した未硬化の光硬化性液を洗い流す等の後処理を行う（Ｓ４）。
【００１６】
このように上述した実施の形態では、各断面における硬化必要領域が硬化不要領域を取り囲んでいる場合には、この断面で硬化すべき硬化必要領域に開口部が形成されるため、トラップＶ現象を防止することができる。トラップＶ現象が防止されるため、造形物とリコータの干渉も防止される。
また、各断面に形成される開口部の位置がその断面に隣接する断面における開口部の位置と重ならないようにデータ処理が行われるため、光硬化性液の硬化率の違いによって生じるひずみが分散され、造形物の変形を防止することができる。
【００１７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明に係わる光造形技術では、トラップＶ現象を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る光造形装置の概略構成を説明するための図面である。
【図２】ＣＡＤデータから造形用データを作成する処理を模式的に説明するための図面である。
【図３】造形物を造形する際の手順を説明するための図面である。
【図４】造形用データ作成処理の手順を説明するための図面である。
【図５】一つの断面における硬化必要領域に、開口部を指定する際の手順を説明するための図面である。
【図６】積層ピッチと照射される光により硬化される光硬化性液の深さとの関係を説明するための図面である。
【図７】トラップＶ現象を説明するための図面である。
【図８】自由液面法による光造形技術を説明するための図面である。
【符号の説明】
１０・・光
１１・・造形物
１２・・ガルバノメータミラー
１３・・光源
１４・・容器
１８・・光硬化性液
２０・・支持テーブル
２２・・リコータ
３０・・制御装置

Claims (3)

1. 光硬化性液の自由液面に光を照射することにより造形希望形状を造形する光造形法であり、
   前記造形希望形状をスライスした各断面における硬化必要領域が、硬化不要領域を取り囲んでいるかどうかを判定する工程と、
   前記判定工程において判定した結果、硬化必要領域が硬化不要領域を取り囲む場合に、硬化必要領域の少なくとも一個所に未硬化の開口部が形成され、かつ、その開口部が、その断面に隣接する断面に形成された開口部と重ならないようその断面を造形する工程と、
   前記開口部が形成された断面より後に造形される断面を造形する際に、前記開口部を硬化する工程を備えた光造形法。
2. 光硬化性液の自由液面に光を照射することにより造形希望形状を造形する光造形装置であり、
   前記造形希望形状に関するデータから、その造形希望形状をスライスした各断面における硬化必要領域が、硬化不要領域を取り囲んでいるかどうかを判定し、硬化必要領域が硬化不要領域を取り囲んでいる場合に、その硬化必要領域の少なくとも一個所に開口部が形成され、かつ、その開口部の位置がその断面に隣接する断面に形成される開口部の位置と重ならないように前記各断面の硬化必要領域に関するデータを修正する手段と、
   前記修正手段により修正された前記硬化必要領域に関するデータに基づいて、各断面を造形する手段とを備える光造形装置。
3. 造形希望形状をスライスした各断面の断面ピッチの間隔が、光の照射により光硬化液が硬化する深さの２分の１未満になるようにスライスデータを作成する手段を備えることを特徴とする請求項２の光造形装置。

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