JP4084627B2

JP4084627B2 - 光造形方法

Info

Publication number: JP4084627B2
Application number: JP2002287856A
Authority: JP
Inventors: 和彦永野; 洋二岡崎
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2022-09-30
Also published as: JP2004122501A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光造形方法に係り、詳しくは、光硬化性樹脂を光ビームで露光して３次元モデルを造形する光造形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、３次元ＣＡＤ（Computer Aided Design）システムの普及に伴い、３次元ＣＡＤによりコンピュータ上の仮想空間に３次元形状を作成し、この３次元形状のＣＡＤデータに基づき、光硬化性樹脂を光ビームで露光して３次元モデルを造形する光造形システムが利用されている。この光造形システムでは、コンピュータ上でＣＡＤデータを所定間隔でスライスして複数の断面データを作成し、各断面データに基づいて液状の光硬化性樹脂の表面をレーザ光で走査して層状に硬化させ、樹脂硬化層を順次積層して３次元モデルを造形する。光造形方法としては、上方開放型の槽内に液状の光硬化性樹脂を貯留しておき、光硬化性樹脂の液面近くに配置した造形テーブルを樹脂の自由液面から順次沈下させながら樹脂硬化層を積層する自由液面法が広く知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
この光造形方法においては、光硬化性樹脂の硬化に伴う重合収縮、及び硬化時に発生した重合熱により高温となった樹脂が常温に冷却されて熱歪みによる硬化収縮が発生し、これら樹脂の硬化に伴う収縮により、造形物が歪み、造形精度が低下する、という問題がある。特に、複数の画素を含む領域を同時に露光（面露光）して平板状に硬化する場合には、光造形物が歪み、樹脂硬化層の積層方向に対して下側に凸に反ってしまう。
【０００４】
造形物の歪みを抑制する方法としては、未硬化部分を残した層を形成し、上部層を硬化させる際に下層に在る未硬化部分を同時に硬化させて積層平板を形成する光造形法が提案されている（特許文献１参照）。この光造形法では、上部層の硬化に伴う収縮応力と未硬化部分の硬化に伴う収縮応力とが相殺され、歪みが抑制される。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−１５４９２４号公報
【非特許文献１】
丸山洋二，「光造形技術の基礎・現状・問題点」，型技術，平成４年，第７巻，第１０号，ｐ．１８−２３
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載の光造形法では、未露光部分の硬化が徐々に進行するため、未露光部分での硬化が完了せず、未硬化部の強度の低下及びその下層との接合強度が低下する、という問題がある。
【０００７】
また、非特許文献１記載の一般的な光造形方法においては、造形物の積層界面が平面上に形成される。この接合界面での接合強度が弱いため、界面は樹脂の持つ機械的強度よりも樹脂の結合力が弱い面が形成される。この結果、造形物の機械的強度が樹脂の持つ強度よりも低下する、という問題があった。
【０００８】
本発明は上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであり、本発明の目的は、光造形物における歪みの発生を抑制して造形精度を向上させると共に、高強度の光造形物を得ることができる光造形方法を提供することにある。
【０００９】
【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は、露光により光硬化性樹脂を硬化させた樹脂硬化層を積層して３次元モデルを造形する光造形方法であって、露光領域を多数個の画素に分割し、複数の画素を含む領域を同時に露光すると共に、隣接する所定個以上の画素が同時に露光されないように、光ビームを画素毎に変調して露光し、未硬化部分を残した第１の層を形成する工程と、該第１の層上に、第２の層を形成するための光硬化性樹脂を充填する工程と、前記第１の層の未硬化部分と該未硬化部分に対応する画素とを同時に露光し、未硬化部分を残した第２の層を形成する工程と、を含んで構成したことを特徴とする。
【００１０】
本発明の光造形方法では、まず、光硬化性樹脂の露光領域を多数個の画素に分割し、最初に、複数の画素を含む領域を同時に露光すると共に、隣接する所定個以上の画素が同時に露光されないように、光ビームを画素毎に変調して露光し、未硬化部分を残した第１の層を形成する。これにより、同時に露光されなかった画素には、硬化収縮による歪みが伝播せず、光造形物における歪みの発生が抑制されて、造形精度が向上する。例えば、隣接する２個以上の画素が同時に露光されないように露光した後、未露光の画素を露光する場合には、硬化収縮による歪みは１画素の範囲でのみ生じ、隣接する画素には伝播しない。特に、高速露光時に顕著な効果を得ることができる。
【００１１】
なお、隣接する画素とは、例えば画素形状が多角形の場合であれば１辺を共有する画素というように、２点以上で接触している画素を意味する。
【００１２】
次に、未硬化部分を残した第１の層上に、第２の層を形成するための光硬化性樹脂を充填する。露光後の第１の層では、露光部分で樹脂が収縮する。新たな樹脂を充填せずに未硬化部分を露光したのでは、収縮により発生した空間に十分に樹脂を充填することができず、造形精度が低下する。これに対し、第２の層を形成するための光硬化性樹脂を充填した場合には、樹脂が未硬化部分に行き渡り、光造形物における歪みの発生が抑制されて、高精度での造形が可能となる。
【００１３】
そして、第１の層の未硬化部分と該未硬化部分に対応する画素とを同時に露光し、未硬化部分を残した第２の層を形成する。即ち、第１の層の未硬化部分では第１の層と第２の層とが同時に硬化されるので、第１の層と第２の層との接合強度が向上する。また、単一層内で露光領域が分割されるだけではなく、２層について露光領域が立体的に分割されるので、露光歪みが立体的に吸収されると共に、凹凸を備えた接合界面が形成され、接合表面積が大きくなって、第１の層と第２の層との接合強度が向上する。これにより、造形物の強度が向上する。更に、２層同時に露光することで、走査回数が減り、造形速度が向上する。
【００１４】
本発明の光造形方法において、上記の第１の層は、複数の樹脂硬化層が積層されて構成されていてもよい。この場合は、第１の層の未硬化部分では第２の層を含め３層以上が同時に露光されて硬化される。
【００１５】
また、第１の層と第２の層とに限らず、第２の層と第３の層、第３の層と第４の層というように、繰り返し立体的に分割露光することができる。即ち、本発明の光造形方法は、露光領域を多数個の画素に分割し、複数の画素を含む領域を同時に露光すると共に、隣接する所定個以上の画素が同時に露光されないように、光ビームを画素毎に変調して露光し、未硬化部分を残した第ｎ番目（ｎは１以上の整数）の層を形成する工程と、該第ｎ番目の層上に、第ｎ＋１番目の層を形成するための光硬化性樹脂を充填する工程と、前記第ｎ番目の層の未硬化部分と該未硬化部分に対応する画素とを同時に露光し、未硬化部分を残した第ｎ＋１番目の層を形成する工程と、を含んで構成することができる。
【００１６】
なお、空間的に変調された光で、光硬化性樹脂の所定領域を同時に露光することが好ましい。多数のチャンネルで露光することにより、パワーが分散され、露光歪みが抑制される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の光造形方法の実施の形態を詳細に説明する。
［光造形装置の構成］
本発明の実施の形態で使用する光造形装置は、図１に示すように、上方に開口した容器１５６を備えており、容器１５６内には液状の光硬化性樹脂１５０が収容されている。また、容器１５６内には、平板状の昇降ステージ１５２が配置されており、この昇降ステージ１５２は、容器１５６外に配置された支持部１５４に支持されている。支持部１５４には、雄ねじ部１５４Ａが設けられており、この雄ねじ部１５４Ａは、図示しない駆動モータにより回転可能とされたリードスクリュー１５５が螺合されている。このリードスクリュー１５５の回転に伴い、昇降ステージ１５２が昇降される。
【００１８】
容器１５６内に収容された光硬化性樹脂１５２の液面上方には、箱状のスキャナ１６２がその長手方向を容器１５６の短手方向に向けて配置されている。スキャナ１６２は、短手方向の両側面に取り付けられた２本の支持アーム１６０により支持されている。なお、スキャナ１６２は、これを制御する図示しないコントローラに接続されている。
【００１９】
また、容器１５６の長手方向の両側面には、副走査方向に延びたガイド１５８が各々設けられている。２本の支持アーム１６０の下端部が、このガイド１５８に副走査方向に沿って往復移動可能に取り付けられている。なお、この光造形装置には、支持アーム１６０と共にスキャナ１６２をガイド１５８に沿って駆動するための図示しない駆動装置が設けられている。
【００２０】
スキャナ１６２は、図２に示すように、（例えば、３行５列）の略マトリックス状に配列された複数（例えば、１４個）の露光ヘッド１６６を備えている。この例では、容器１５６の短手方向の幅との関係で、３行目には４個の露光ヘッド１６６を配置した。なお、ｍ行目のｎ列目に配列された個々の露光ヘッドを示す場合は、露光ヘッド１６６_mnと表記する。
【００２１】
露光ヘッド１６６による露光エリア１６８は、副走査方向を短辺とする矩形状である。従って、スキャナ１６２の移動に伴い、光硬化性樹脂１５２の液面には露光ヘッド１６６毎に帯状の露光済み領域（硬化領域）１７０が形成される。なお、ｍ行目のｎ列目に配列された個々の露光ヘッドによる露光エリアを示す場合は、露光エリア１６８_mnと表記する。
【００２２】
また、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、帯状の露光済み領域１７０が副走査方向と直交する方向に隙間無く並ぶように、ライン状に配列された各行の露光ヘッドの各々は、配列方向に所定間隔（露光エリアの長辺の自然数倍、本実施の形態では２倍）ずらして配置されている。このため、１行目の露光エリア１６８₁₁と露光エリア１６８₁₂との間の露光できない部分は、２行目の露光エリア１６８₂₁と３行目の露光エリア１６８₃₁とにより露光することができる。
【００２３】
露光ヘッド１６６₁₁〜１６６_mn各々は、図４に示すように、入射された光ビームを画像データに応じて各画素毎に変調する空間光変調素子として、デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）５０を備えている。ＤＭＤ５０は、ＳＲＡＭセル（メモリセル）上に、微小ミラー（マイクロミラー）が支柱により支持されて配置されたものであり、画素（ピクセル）を構成する多数の（例えば、６００個×８００個）の微小ミラーを格子状に配列して構成された矩形状のミラーデバイスである。ＤＭＤ５０の各ピクセルにおけるマイクロミラーの傾きを制御することによって、ＤＭＤ５０に入射された光はそれぞれのマイクロミラーの傾き方向へ反射される。
【００２４】
このＤＭＤ５０は、データ処理部とミラー駆動制御部とを備えた図示しないコントローラに接続されている。このコントローラのデータ処理部では、入力された画像データに基づいて、各露光ヘッド１６６毎にＤＭＤ５０の各マイクロミラーを駆動制御する制御信号を生成する。また、ミラー駆動制御部では、画像データ処理部で生成した制御信号に基づいて、各露光ヘッド１６６毎にＤＭＤ５０の各マイクロミラーの反射面の角度を制御する。なお、副走査方向に一部のマイクロミラー列（例えば、１０００×２００列）を制御してもよい。
【００２５】
ＤＭＤ５０の光入射側には、光ファイバの出射端部（発光点）が露光エリア１６８の長辺方向と対応する方向に沿って一列に配列されたレーザ出射部を備えたファイバアレイ光源６６、ファイバアレイ光源６６から出射されたレーザ光を補正してＤＭＤ上に集光させるレンズ系６７、レンズ系６７を透過したレーザ光をＤＭＤ５０に向けて反射するミラー６９が配置されている。
【００２６】
レンズ系６７は、ファイバアレイ光源６６から出射されたレーザ光を平行光化するレンズ７１、平行光化されたレーザ光の光量分布が均一になるように補正する１対の組合せレンズ７３、及び光量分布が補正されたレーザ光をＤＭＤ上に集光する集光レンズ７５で構成されている。組合せレンズ７３は、レーザ出射端の配列方向に対しては、レンズの光軸に近い部分は光束を広げ且つ光軸から離れた部分は光束を縮め、且つこの配列方向と直交する方向に対しては光をそのまま通過させる機能を備えており、光量分布が均一となるようにレーザ光を補正する。
【００２７】
また、ＤＭＤ５０の光反射側には、ＤＭＤ５０で反射されたレーザ光を光硬化性樹脂１５０の走査面（被露光面）５６上に結像するレンズ系５４、５８が配置されている。レンズ系５４及び５８は、ＤＭＤ５０と被露光面５６とが共役な関係となるように配置されている。
【００２８】
ファイバアレイ光源６６は、図１５（Ａ）に示すように、複数（例えば、６個）のレーザモジュール６４を備えており、各レーザモジュール６４には、マルチモード光ファイバ３０の一端が結合されている。マルチモード光ファイバ３０の他端には、コア径がマルチモード光ファイバ３０と同一で且つクラッド径がマルチモード光ファイバ３０より小さい光ファイバ３１が同軸的に結合され、図１５（Ｃ）に示すように、光ファイバ３１の出射端部（発光点）が副走査方向と直交する主走査方向に沿って１列に配列されてレーザ出射部６８が構成されている。なお、図１５（Ｄ）に示すように、発光点を主走査方向に沿って２列に配列することもできる。
【００２９】
この例では、クラッド径が大きい部分で隣接する２本のマルチモード光ファイバ３０の間にマルチモード光ファイバ３０を積み重ね、積み重ねられたマルチモード光ファイバ３０に結合された光ファイバ３１の出射端が、クラッド径が大きい部分で隣接する２本のマルチモード光ファイバ３０に結合された光ファイバ３１の２つの出射端の間に挟まれるように１列に配列されている。
【００３０】
光ファイバ３１の出射端部は、図１５（Ｂ）に示すように、表面が平坦な２枚の支持板６５に挟み込まれて固定されている。また、光ファイバ３１の光出射側には、光ファイバ３１の端面を保護するために、ガラス等の透明な保護板６３が配置されている。
【００３１】
マルチモード光ファイバ３０及び光ファイバ３１としては、ステップインデックス型光ファイバ、グレーテッドインデックス型光ファイバ、及び複合型光ファイバの何れでもよい。例えば、三菱電線工業株式会社製のステップインデックス型光ファイバを用いることができる。
【００３２】
本実施の形態では、マルチモード光ファイバ３０及び光ファイバ３１は、ステップインデックス型光ファイバであり、マルチモード光ファイバ３０は、クラッド径＝１２５μｍ、コア径＝２５μｍ、ＮＡ＝０．２、入射端面コートの透過率＝９９．５％以上であり、光ファイバ３１は、クラッド径＝６０μｍ、コア径＝２５μｍ、ＮＡ＝０．２である。
【００３３】
一般に、赤外領域のレーザ光では、光ファイバのクラッド径を小さくすると伝搬損失が増加する。このため、レーザ光の波長帯域に応じて好適なクラッド径が決定されている。しかしながら、波長が短いほど伝搬損失は少なくなり、波長４０５ｎｍのレーザ光では、クラッドの厚み｛（クラッド径−コア径）／２｝を８００ｎｍの波長帯域の赤外光を伝搬させる場合の１／２程度、通信用の１．５μｍの波長帯域の赤外光を伝搬させる場合の約１／４にしても、伝搬損失は殆ど増加しない。本実施の形態では、後述する通り、ＧａＮ系半導体レーザから出射された波長４０５ｎｍのレーザ光を用いるので、クラッド径を例えば６０μｍと小さくして高輝度化を図ることができる。
【００３４】
レーザモジュール６４は、図１６に示す合波レーザ光源（ファイバ光源）によって構成されている。この合波レーザ光源は、ヒートブロック１０上に配列固定された複数（例えば、７個）のチップ状の横マルチモード又はシングルモードのＧａＮ系半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６，及びＬＤ７と、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各々に対応して設けられたコリメータレンズ１１，１２，１３，１４，１５，１６，及び１７と、１つの集光レンズ２０と、１本のマルチモード光ファイバ３０と、から構成されている。
【００３５】
なお、半導体レーザの個数は７個には限定されない。例えば、クラッド径＝６０μｍ、コア径＝５０μｍ、ＮＡ＝０．２のマルチモード光ファイバには、２０個もの半導体レーザ光を入射することが可能であり、露光ヘッドの必要光量を実現して、且つ光ファイバ本数をより減らすことができる。
【００３６】
ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７は、発振波長が総て共通（例えば、４０５ｎｍ）であり、最大出力も総て共通（例えば、マルチモードレーザでは１００ｍＷ、シングルモードレーザでは３０ｍＷ）である。なお、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７としては、３５０ｎｍ〜４５０ｎｍの波長範囲で、上記の４０５ｎｍ以外の発振波長を備えるレーザを用いてもよい。
【００３７】
上記の合波レーザ光源は、図１７及び図１８に示すように、他の光学要素と共に、上方が開口した箱状のパッケージ４０内に収納されている。パッケージ４０は、その開口を閉じるように作成されたパッケージ蓋４１を備えており、脱気処理後に封止ガスを導入し、パッケージ４０の開口をパッケージ蓋４１で閉じることにより、パッケージ４０とパッケージ蓋４１とにより形成される閉空間（封止空間）内に上記合波レーザ光源が気密封止されている。
【００３８】
パッケージ４０の底面にはベース板４２が固定されており、このベース板４２の上面には、前記ヒートブロック１０と、集光レンズ２０を保持する集光レンズホルダー４５と、マルチモード光ファイバ３０の入射端部を保持するファイバホルダー４６とが取り付けられている。マルチモード光ファイバ３０の出射端部は、パッケージ４０の壁面に形成された開口からパッケージ外に引き出されている。
【００３９】
また、ヒートブロック１０の側面にはコリメータレンズホルダー４４が取り付けられており、コリメータレンズ１１〜１７が保持されている。パッケージ４０の横壁面には開口が形成され、この開口を通してＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７に駆動電流を供給する配線４７がパッケージ外に引き出されている。
【００４０】
なお、図１８においては、図の煩雑化を避けるために、複数のＧａＮ系半導体レーザのうちＧａＮ系半導体レーザＬＤ７にのみ番号を付し、複数のコリメータレンズのうちコリメータレンズ１７にのみ番号を付している。
【００４１】
図１９は、上記コリメータレンズ１１〜１７の取り付け部分の正面形状を示すものである。コリメータレンズ１１〜１７の各々は、非球面を備えた円形レンズの光軸を含む領域を平行な平面で細長く切り取った形状に形成されている。この細長形状のコリメータレンズは、例えば、樹脂又は光学ガラスをモールド成形することによって形成することができる。コリメータレンズ１１〜１７は、長さ方向がＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の発光点の配列方向（図１９の左右方向）と直交するように、上記発光点の配列方向に密接配置されている。
【００４２】
一方、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７としては、発光幅が２μｍの活性層を備え、活性層と平行な方向、直角な方向の拡がり角が各々例えば１０°、３０°の状態で各々レーザビームＢ１〜Ｂ７を発するレーザが用いられている。これらＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７は、活性層と平行な方向に発光点が１列に並ぶように配設されている。
【００４３】
従って、各発光点から発せられたレーザビームＢ１〜Ｂ７は、上述のように細長形状の各コリメータレンズ１１〜１７に対して、拡がり角度が大きい方向が長さ方向と一致し、拡がり角度が小さい方向が幅方向（長さ方向と直交する方向）と一致する状態で入射することになる。つまり、各コリメータレンズ１１〜１７の幅が１．１ｍｍ、長さが４．６ｍｍであり、それらに入射するレーザビームＢ１〜Ｂ７の水平方向、垂直方向のビーム径は各々０．９ｍｍ、２．６ｍｍである。また、コリメータレンズ１１〜１７の各々は、焦点距離ｆ₁＝３ｍｍ、ＮＡ＝０．６、レンズ配置ピッチ＝１．２５ｍｍである。
【００４４】
集光レンズ２０は、非球面を備えた円形レンズの光軸を含む領域を平行な平面で細長く切り取って、コリメータレンズ１１〜１７の配列方向、つまり水平方向に長く、それと直角な方向に短い形状に形成されている。この集光レンズ２０は、焦点距離ｆ₂＝２３ｍｍ、ＮＡ＝０．２である。この集光レンズ２０も、例えば、樹脂又は光学ガラスをモールド成形することにより形成される。
【００４５】
このレーザモジュール６４では、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各々から発散光状態で出射したレーザビームＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６，及びＢ７の各々は、対応するコリメータレンズ１１〜１７によって平行光化される。平行光化されたレーザビームＢ１〜Ｂ７は、集光レンズ２０によって集光され、マルチモード光ファイバ３０のコア３０ａの入射端面に収束する。
【００４６】
本例では、コリメータレンズ１１〜１７及び集光レンズ２０によって集光光学系が構成され、その集光光学系とマルチモード光ファイバ３０とによって合波光学系が構成されている。即ち、集光レンズ２０によって上述のように集光されたレーザビームＢ１〜Ｂ７が、このマルチモード光ファイバ３０のコア３０ａに入射して光ファイバ内を伝搬し、１本のレーザビームＢに合波されてマルチモード光ファイバ３０の出射端部に結合された光ファイバ３１から出射する。
【００４７】
各レーザモジュールにおいて、レーザビームＢ１〜Ｂ７のマルチモード光ファイバ３０への結合効率が０．８５で、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各出力が３０ｍＷの場合には、アレイ状に配列された光ファイバ３１の各々について、出力１８０ｍＷ（＝３０ｍＷ×０．８５×７）の合波レーザビームＢを得ることができる。従って、６本の光ファイバ３１がアレイ状に配列されたレーザ出射部６８での出力は約１Ｗ（＝１８０ｍＷ×６）である。
【００４８】
ファイバアレイ光源６６のレーザ出射部６８には、この通り高輝度の発光点が主走査方向に沿って一列に配列されている。単一の半導体レーザからのレーザ光を１本の光ファイバに結合させる従来のファイバ光源は低出力であるため、多数列配列しなければ所望の出力を得ることができなかったが、本実施の形態で使用する合波レーザ光源は高出力であるため、少数列、例えば１列でも所望の出力を得ることができ、高速造形が可能である。
【００４９】
［光造形方法］
次に、上記光造形装置を使用した光造形方法について説明する。本実施の形態では、第１の層の露光領域を多数個の画素に分割し、隣接する２個以上の画素が同時に露光されないように露光した後、第２の層を形成するための光硬化性樹脂を充填し、第１の層の未露光の画素を第２の層と共に露光して硬化させ、平板状の光造形物を得る例について説明する。
【００５０】
図５（Ａ）に示すように、露光エリア１６８は多数個の画素に分割され、これら多数個の画素は、相互に隣接しない画素１０２で構成される第１のグループと、相互に隣接しない画素１０４で構成される第２のグループの２つのグループに分けられている。なお、最小単位である１つの画素の画素径は、通常２５μｍ〜５０μｍ程度（画素面積に換算すると、６．２５×１０^-4ｍｍ²〜２５．０×１０^-4ｍｍ²程度）であり、同じグループに属する隣接する２つの画素の間隔も、通常２５μｍ〜５０μｍ程度である。
【００５１】
図５（Ａ）には、露光エリア１６８の一部を示すが、例えば１００万（１０００×１０００）画素のＤＭＤを備えた露光ヘッド１６６を用いた場合には、ＤＭＤの画素数に応じて露光エリア１６８を１００万個の画素に分割することができる。逆に、個々の光ビームのスポット径（画素径）を５０μｍとすると、露光エリア１６８の面積は５０ｍｍ×５０ｍｍである。
【００５２】
また、この例では、画素１０２と画素１０４とは市松模様を構成するように交互に配列されている。露光エリア１６８に対応して露光ヘッド１６６に入力される画像データは、第１のグループに属する画素１０２を露光するための第１の画像データ、及び第２のグループに属する画素１０４を露光するための第２の画像データの２種類の画像データに変換されている。
【００５３】
以下、光造形方法の各工程を順を追って説明する。スキャナ１６２の各露光ヘッド１６６において、第１の画像データが、ＤＭＤ５０に接続された図示しないコントローラに入力され、コントローラ内のフレームメモリに一旦記憶される。この画像データは、画像を構成する各画素の濃度を２値（ドットの記録の有無）で表したデータである。
【００５４】
スキャナ１６２は、図示しない駆動装置により、ガイド１５８に沿って副走査方向の上流側から下流側に一定速度で移動される。スキャナ１６２の移動が開始されると、フレームメモリに記憶された第１の画像データが複数ライン分ずつ順次読み出され、データ処理部で読み出された第１の画像データに基づいて各露光ヘッド１６６毎に制御信号が生成される。そして、ミラー駆動制御部により、生成された制御信号に基づいて各露光ヘッド１６６毎にＤＭＤ５０のマイクロミラーの各々がオンオフ制御される。
【００５５】
ファイバアレイ光源６６からＤＭＤ５０にレーザ光が照射されると、ＤＭＤ５０のマイクロミラーがオン状態のときに反射されたレーザ光は、レンズ系５４、５８により光硬化性樹脂１５０の液面（被露光面）５６上に結像される。このようにして、ファイバアレイ光源６６から出射されたレーザ光が画素毎にオンオフされて、光硬化性樹脂１５０の第ｎ層がＤＭＤ５０の使用画素数と略同数の画素単位（露光エリア１６８）で露光されて硬化する。また、スキャナ１６２が一定速度で移動されることにより、光硬化性樹脂１５０の液面が副走査され、各露光ヘッド１６６毎に帯状の硬化領域１７０が形成される。
【００５６】
これにより、図５（Ｂ）及び図６（Ａ）に示すように、第ｎ層の露光エリア１６８を構成する第１のグループに属する画素１０２が露光されて硬化する。一方、第２のグループに属する画素１０４は未硬化のままである。
【００５７】
スキャナ１６２による１回の副走査により第ｎ層の部分硬化が終了すると、スキャナ１６２は、図示しない駆動装置により、ガイド１５８に沿って最上流側にある原点に復帰する。次に、図示しない駆動モータによりリードスクリュー１５５を回転させて昇降ステージ１５２を所定量降下させ、光硬化性樹脂１５０の硬化部分（光造形物）を液面下に沈める。
【００５８】
昇降ステージ１５２を所定量降下させることで、図６（Ｂ）に示すように、第ｎ層の硬化部分上方が液状の光硬化性樹脂１５０で満たされる。即ち、第ｎ層の硬化部分上には、第ｎ＋１層の樹脂が充填される。これにより、露光部分で樹脂が収縮しても、収縮により発生した空間に樹脂が行き渡り、光造形物の歪みの発生が抑制される。高精度の造形を行うために、ここで光硬化性樹脂１５０の液面をブレードで掃引して、露光面を平滑化する。
【００５９】
次に、第２の画像データが、ＤＭＤ５０に接続された図示しないコントローラに入力されると、スキャナ１６２による第ｎ＋１層の副走査が行われる。これにより、図５（Ｃ）及び図６（Ｃ）に示すように、第２のグループに属する画素１０４が、第ｎ層及び第ｎ＋１層の２層に亘って露光されて硬化する。即ち、第ｎ層については、画素と画素との隙間が埋められ、第ｎ＋１層については、第２のグループに属する画素１０４が露光されて硬化するが、第１のグループに属する画素１０２は未硬化のままである。このように、第ｎ層と第ｎ＋１層とは相互に噛み合う様に積層される。また、凹凸状の接合界面が形成されることで、第ｎ層と第ｎ＋１層との接合表面積が大きくなる。これらにより、第ｎ層と第ｎ＋１層との接合強度が向上する。
【００６０】
第ｎ＋１層の部分硬化が終了すると、昇降ステージ１５２を所定量降下させ、第ｎ＋１層の硬化部分上に第ｎ＋２層の樹脂を充填し、露光面を平滑化する。そして、第１の画像データが、図示しないコントローラに入力され、スキャナ１６２による第ｎ＋２層の副走査が行われる。これにより、図６（Ｄ）に示すように、第１のグループに属する画素１０２が、第ｎ＋１層及び第ｎ＋２層の２層に亘って露光されて硬化する。即ち、第ｎ＋１層については、画素と画素との隙間が埋められ、第ｎ＋２層については、第１のグループに属する画素１０２が露光されて硬化するが、第２のグループに属する画素１０４は未硬化のままである。このように、副走査による露光（硬化）とステージの降下とを繰り返し行い、硬化部分が積み重ねられて３次元モデルが形成される。
【００６１】
以上の通り、本実施の形態では、凹凸を備えた接合界面が形成されるように第ｎ層が部分的に硬化されると共に、第ｎ層の未硬化部分では第ｎ層と第ｎ＋１層とが同時に硬化されるので、第ｎ層と第ｎ＋１層との接合強度が向上する。また、同様に第ｎ＋１層が部分的に硬化されると共に、第ｎ＋１層の未硬化部分では第ｎ＋１層と第ｎ＋２層とが同時に硬化されるので、第ｎ＋１層と第ｎ＋２層との接合強度が向上する。これにより、造形物の強度が向上する。また、単一層内で露光領域が分割されるだけではなく、隣接する２層について露光領域が立体的に分割されるので、露光歪みが立体的に吸収される。更に、２層同時に露光することで、走査回数が減り、造形速度が向上する。
【００６２】
また、本実施の形態では、１回目に同時に露光される第１のグループの画素同士は相互に隣接しておらず、２回目に同時に露光される第２のグループの画素同士も相互に隣接していない。このように隣接する画素は同時に露光されることが無いので、隣接する画素に硬化収縮による歪みが伝播しない。即ち、露光領域全体を同時に露光する場合には、硬化収縮による歪みは露光領域を伝播するに従い大きくなり、相当の歪みが発生することになるが、本実施の形態では、硬化収縮は１画素の範囲でのみ生じ、硬化収縮による歪みは隣接する画素には伝播しない。例えば、本実施の形態では、隣接する２個以上の画素が同時に露光されないように露光されることになるが、１つの画素の面積は６．２５×１０^-4ｍｍ²〜２５．０×１０^-4ｍｍ²程度であり、歪みの発生が十分に抑制される。
【００６３】
また、本実施の形態では、未硬化部分を残して硬化させた層上に、次の硬化層を形成するための光硬化性樹脂を充填するので、露光により硬化した画素の収縮部に未硬化樹脂が十分に供給され、光造形物における歪みの発生が抑制される。これにより、高精度での造形が可能となる。
【００６４】
また、ＤＭＤを備えた露光ユニットにより、所定面積の領域を同時に露光するので、高速での造形が可能となると共に、多数のチャンネルで露光することにより、パワーが分散され、露光歪みが抑制される。
【００６５】
［他の露光パターン］
なお、上記の実施の形態では、同時に露光されない２種類の画素を、個々の画素が市松模様を構成するように交互に配列した例について説明したが、露光パターンはこれに限定されない。例えば、以下の変形例を挙げることができる。
【００６６】
（パターン１）
図７に示すように、露光領域１６８を多数個の画素に分割し、この多数個の画素を、隣接する２個の画素からなる画素群１０６で構成される第１のグループと、隣接する２個の画素からなる画素群１０８で構成される第２のグループの２つのグループに分けて露光する。画素群１０６と画素群１０８とは、同じグループに属する画素群同士が相互に隣接することが無いように配列されると共に、２種類の画素群が市松模様を構成するように交互に配列されているので、隣接する画素群は同時に露光されることが無く、隣接する画素群に硬化収縮による歪みが伝播しない。即ち、硬化収縮は１つの画素群の範囲でのみ生じ、硬化収縮による歪みは隣接する画素群には伝播しない。なお、パターン１では、各画素群が２個の画素から構成される例について説明したが、各画素群を３以上の画素から構成することもできる。
【００６７】
（パターン２）
画素群の形状も正方形や長方形には限定されず、その他の多角形や多角形を組合わせて構成した形状であってもよい。例えば、図８に示すように、露光領域１６８を多数個の画素に分割し、この多数個の画素を、中心画素とその４近傍の画素の５個の画素からなる十二角形の画素群１１０で構成される第１のグループと、同じく中心画素とその４近傍の画素の５個の画素からなる画素群１１２で構成される第２のグループの２つのグループに分けて露光する。この場合にも、画素群１１０と画素群１１２とは、同じグループに属する画素群同士が相互に隣接することが無いように交互に配列されているので、隣接する画素群が同時に露光されず、硬化収縮は１つの画素群の範囲でのみ生じ、硬化収縮による歪みは隣接する画素群には伝播しない。
【００６８】
（パターン３）
また、図９に示すように、露光領域１６８を多数個の画素に分割し、この多数個の画素を、中心画素とその８近傍の画素の９個の画素からなる画素群１１４で構成される第１のグループと、同じく中心画素とその８近傍の画素の９個の画素からなる画素群１１６で構成される第２のグループの２つのグループに分けて露光する。この場合にも、画素群１１４と画素群１１６とは、同じグループに属する画素群同士が相互に隣接することが無いように交互に配列されているので、隣接する画素群が同時に露光されず、硬化収縮は１つの画素群の範囲でのみ生じ、硬化収縮による歪みは隣接する画素群には伝播しない。
【００６９】
（パターン４）
パターン１〜３では２つのグループに属する画素群の各々が同じ形状である例について説明したが、２つのグループに属する画素群の形状が同じである必要はなく異なる形状であってもよい。例えば、図１０に示すように、露光領域１６８を多数個の画素に分割し、５×５の隣接する２５個の画素からなる画素群１１８、画素群１１８とは隣接しない画素１２０、及び１列に配列された５個の画素からなる画素群１２２とし、この多数個の画素を、画素群１１８及び画素１２０で構成される第１のグループと、画素群１２２で構成される第２のグループの２つのグループに分けて露光する。
【００７０】
この場合には、１回目に同時に露光される第１のグループに属する画素群同士（画素群１１８同士）または画素群と画素（画素群１１８と画素１２０）が、相互に隣接することが無いように交互に配列されているので、隣接する画素群が同時に露光されず、硬化収縮は１つの画素群の範囲でのみ生じ、硬化収縮による歪みは隣接する画素群には伝播しない。また、２回目に同時に露光される第２のグループに属する画素群同士（画素群１２２同士）も相互に隣接することが無いように交互に配列されているので、隣接する画素群が同時に露光されず、硬化収縮は１つの画素群の範囲でのみ生じ、硬化収縮による歪みは隣接する画素群には伝播しない。
【００７１】
（パターン５）
図１１に示すように、露光領域１６８を多数個の画素に分割し、この多数個の画素を、隣接する２５個の画素からなる画素群１２４で構成される第１のグループと、残りの隣接する画素からなる単一の画素群１２６で構成される第２のグループの２つのグループに分けて露光する。この場合にも、隣接する画素群は同時に露光されることが無いので、硬化収縮による歪みは隣接する画素群には伝播しない。即ち、硬化収縮は１つの画素群の範囲でのみ生じ、硬化収縮による歪みは隣接する画素群には伝播しない。また、第２のグループに含まれる画素群は、残りの隣接する画素から構成されているが、１回目の露光時に露光領域の大部分が露光されているので、２回目の露光時に残りの隣接する画素が同時に露光されても、大きな歪みを生じることが無い。これにより光造形物における歪みの発生が顕著に抑制されて、高精度での造形が可能となる。
【００７２】
なお、パターン５では、１回目に露光される画素群１２４を格子状に配列する例について説明したが、例えば、図１２に示すように、隣接する２５個の画素からなる画素群１２８の列方向の配列ピッチを隔行毎に半分ずらして配列してもよい。なお、画素群１３０は、残りの隣接する画素からなる単一の画素群である。
【００７３】
（変形例６）
また、パターン５では、第２のグループに含まれる画素群が、残りの隣接する画素から構成された単一の画素群である例について説明したが、第２のグループを相互に隣接しない画素で構成することもできる。例えば、図１３に示すように、正方形の露光領域１００は多数個の画素に分割され、この多数個の画素は、隣接する１３個の画素からなる画素群１３２で構成される第１のグループと、相互に隣接しない残りの画素１３４で構成される第２のグループの２つのグループに分けられている。
【００７４】
この場合にも、１回目に同時に露光される第１のグループに属する画素群１３２同士は、相互に隣接することが無いように千鳥状に配列されているので、隣接する画素群が同時に露光されず、硬化収縮は１つの画素群の範囲でのみ生じ、硬化収縮による歪みは隣接する画素群には伝播しない。また、２回目に同時に露光される第２のグループに属する画素１３４同士も、相互に隣接していないので、隣接する画素群が同時に露光されず、硬化収縮は１つの画素の範囲でのみ生じ、硬化収縮による歪みは隣接する画素には伝播しない。
【００７５】
（変形例７）
上記の実施の形態では、同時に露光される画素群を均等に分散配置した例について説明したが、画素群の配置方法によっても歪み抑制効果が変化する。例えば、図１４に示すように、露光領域にスパイラル状に配列した画素からなる画素群の場合には、同時に露光される画素群の画素数が大きくても、良好な歪み抑制効果を得ることができる。
【００７６】
上記の実施の形態及び変形例１〜６では、露光領域を１００万画素に分割すると共に、同時に露光される画素群の画素数が２５個以下である例について説明したが、同時に露光される画素群の画素数は、露光領域の全画素数の少なくとも７５％以下とすることが好ましい。
【００７７】
例えば、露光領域を１００万個の画素に分割した場合には、同時に露光される１つの画素群は７５万個以下の画素で構成することができる。露光領域を２つに分けて、１つの領域を露光した後に、残る１つの領域を露光するようにすれば、全露光領域を１度に露光する場合に比べて歪みの発生が抑制されるが、同時に露光される画素群の画素数が、露光領域の全画素数の７５％を超えたのでは、露光領域を分割したことによる歪み抑制効果が十分に得られない。
【００７８】
また、露光領域の画素数をｙとしたとき、所定個ｎは下記式を満たすように決定することがより好ましい。例えば、露光領域の画素数を１００万画素とすると、隣接する１００個以上の画素が同時に露光されないように露光する。
【００７９】
【数１】

【００８０】
前記所定個は２個〜２６個とするのが特に好ましい。同時に露光される１つの画素群に含まれる画素の個数を所定範囲とすることで、硬化収縮による歪みはこの範囲でのみ生じ、隣接する画素には伝播しない。
【００８１】
なお、最初の露光で未露光であった画素を露光する場合にも、隣接する所定個以上の画素が同時に露光されないように露光することが好ましいが、この場合にも、隣接する所定個未満の画素数を、露光領域の全画素数の少なくとも７５％以下とすることが好ましい。
【００８２】
［その他の変形例］
上記の実施の形態では、画素形状を正方形としたが、画素形状が相違しても同様の効果を得ることができる。画素形状は正方形には限られず、三角形、六角形、八角形等の多角形状でもよい。
【００８３】
また、上記の実施の形態では、特定の光造形装置を使用して本発明の光造形方法を実施する例について説明したが、複数の画素を含む露光領域を同時に複数の光ビームで露光（面露光）することができる光造形装置であれば、他の光造形装置を用いて本発明の光造形方法を実施することができる。
【００８４】
上記の実施の形態では、空間変調素子としてデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）を備えた露光ユニットを用いる例について説明したが、空間変調素子として回折格子光バルブ（ＧＬＶ：Grating Light Valve）を備えたＧＬＶ及び可動ミラーからなる露光ユニットを用いることもできる。ＧＬＶは線方向での変調に適しており、光源とＧＬＶを主走査方向に配列したＧＬＶアレイとを用いて露光手段を構成してもよい。この場合、ＧＬＶアレイが主走査方向と交差する副走査方向に移動するように、露光手段を光硬化性樹脂の表面に対し相対移動させる、直動位置決め機構等の移動手段または可動ミラーのような走査手段を設けることが好ましい。ＧＬＶ及び可動ミラーからなる露光ユニットによっても所定面積の領域を同時に露光することができ、高速での造形が可能になる。
【００８５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、光造形物における歪みの発生が抑制されて造形精度が向上すると共に、高強度の光造形物を得ることができる、という効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る光造形装置の外観を示す斜視図である。
【図２】図１に示す光造形装置のスキャナの構成を示す斜視図である。
【図３】（Ａ）は液面に形成される露光済み領域を示す平面図であり、（Ｂ）は各露光ヘッドによる露光エリアの配列を示す図である。
【図４】図１に示す光造形装置の露光ヘッドの概略構成を示す斜視図である。
【図５】（Ａ）は露光領域の露光パターンの１例を示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の画素１０２を露光した後の状態を示す斜視図であり、（Ｃ）は（Ａ）の画素１０４を露光した後の状態を示す斜視図である。
【図６】（Ａ）〜（Ｄ）は、光造形工程に沿った図５（Ａ）のＡＡ線断面図である。
【図７】露光領域の露光パターンの他の１例を示す平面図である。
【図８】露光領域の露光パターンの他の１例を示す平面図である。
【図９】露光領域の露光パターンの他の１例を示す平面図である。
【図１０】露光領域の露光パターンの他の１例を示す平面図である。
【図１１】露光領域の露光パターンの他の１例を示す平面図である。
【図１２】露光領域の露光パターンの他の１例を示す平面図である。
【図１３】露光領域の露光パターンの他の１例を示す平面図である。
【図１４】露光領域の露光パターンの他の１例を示す平面図である。
【図１５】（Ａ）はファイバアレイ光源の構成を示す斜視図であり、（Ｂ）は（Ａの部分拡大図であり、（Ｃ）及び（Ｄ）はレーザ出射部における発光点の配列を示す平面図である。
【図１６】合波レーザ光源の構成を示す平面図である。
【図１７】レーザモジュールの構成を示す平面図である。
【図１８】図１７に示すレーザモジュールの構成を示す側面図である。
【図１９】図１７に示すレーザモジュールの構成を示す部分側面図である。
【符号の説明】
５０デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）
６６ファイバアレイ光源
１０２、１０４画素
１５０光硬化性樹脂
１５２昇降ステージ
１５６容器
１５８ガイド
１６２スキャナ
１６６露光ヘッド
１６８露光エリア
１７０露光済み領域

Claims

露光により光硬化性樹脂を硬化させた樹脂硬化層を積層して３次元モデルを造形する光造形方法であって、
露光領域を多数個の画素に分割し、複数の画素を含む領域を同時に露光すると共に、隣接する所定個以上の画素が同時に露光されないように、光ビームを画素毎に変調して露光し、未硬化部分を残した第１の層を形成する工程と、
該第１の層上に、第２の層を形成するための光硬化性樹脂を充填する工程と、
前記第１の層の未硬化部分と該未硬化部分に対応する画素とを同時に露光し、未硬化部分を残した第２の層を形成する工程と、
を含む光造形方法。
前記第１の層を、複数の樹脂硬化層を積層して構成した請求項１に記載の光造形方法。
露光により光硬化性樹脂を硬化させた樹脂硬化層を積層して３次元モデルを造形する光造形方法であって、
露光領域を多数個の画素に分割し、複数の画素を含む領域を同時に露光すると共に、隣接する所定個以上の画素が同時に露光されないように、光ビームを画素毎に変調して露光し、未硬化部分を残した第ｎ番目（ｎは１以上の整数）の層を形成する工程と、
該第ｎ番目の層上に、第ｎ＋１番目の層を形成するための光硬化性樹脂を充填する工程と、
前記第ｎ番目の層の未硬化部分と該未硬化部分に対応する画素とを同時に露光し、未硬化部分を残した第ｎ＋１番目の層を形成する工程と、
を含む光造形方法。
空間光変調素子により変調された光で光硬化性樹脂の所定領域を同時に露光する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光造形方法。