JP4129928B2 - 光学的立体造形装置 - Google Patents
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この方法によって立体造形物を製造するに当たっては、造形精度(解像度)の点から、面状描画マスクから投影される光硬化性樹脂組成物表面での隣接する微小ドットエリア間の距離は0.1mm以下であることが必要であるとされており、そのため、画素数は、例えば、造形エリアサイズが250mm×250mmの小型のもので少なくとも2500×2500ドット程度必要であり、また造形エリアサイズが600mm×600mmの中型のものでは少なくとも6000×6000ドット程度必要である。しかしながら、現存する液晶マスク(液晶シャッター)や、デジタルマイクロミラーシャッターではこれを実現する解像度のものは存在しないか、または存在しても極めて高価である。
そのため、面状描画マスクを固定配置したこの方法による場合は、精細度(造形精度)に優れる大型の立体造形物を製造することは困難であり、精細度(造形精度)の点から小型の立体造形物の製造にしか適用できないというのが現状である
。
さらに、本発明の目的は、高価な紫外線レーザー装置を用いずに、通常の紫外線ランプのような安価な光源を用いた場合にも、高い造形精度を有し且つ硬化むらのない高品質の立体造形物を、速い造形速度で円滑に製造することのできる光学的立体造形方法および光学的立体造形装置を提供することである。
さらに、本発明者は、面状描画マスクとしては、微小ドットエリアでの遮光および透光が可能な複数の微小光シャッターを面状に配置した面状描画マスク、特に液晶シャッターまたはデジタルマイクロミラーシャッターを面状に配置した面状描画マスクが好ましく用いられること、また光源と面状描画マスクとの間に面状描画マスクと同期させて連続的に移動させることのできる光集レンズを配置し、面状描画マスクと光硬化性樹脂組成物の表面との間に面状描画マスクと同期させて連続的に移動させることのできる投影レンズを配置するのが好ましいことを見出し、それらの種々の知見に基づいて本発明を完成した。
(1) 載置台上または光硬化した樹脂層上に、1層分の光硬化性樹脂組成物を順次供給するための光硬化性樹脂組成物の供給手段;
光源;
マスク画像を連続的に変えることのできる面状描画マスク;
面状描画マスクを光硬化性樹脂組成物よりなる造形面に対して平行状態で連続的に移動させるための移動手段;
光源と面状描画マスクとの間に配置され、面状描画マスクと一体で連続的に移動する光集レンズ;
面状描画マスクと光硬化性樹脂組成物の表面との間に配置され、面状描画マスクと一体で連続的に移動する投影レンズ;
面状描画マスクのマスク画像を、面状描画マスクの移動と同期させて連続的に変化させるための手段;および、
面状描画マスクの連続移動の開始前に面状描画マスクを介して造形面に照射される光の移動先端が造形面の一方の端部にくる位置に面状描画マスクを配置させ且つ面状描画マスクを介して造形面に照射される光の移動後端がもう一方の造形面の端部にきた時に面状描画マスクの連続移動を停止させる手段;
を備えていることを特徴とする光学的立体造形装置である。
(2) 面状描画マスクが、微小ドットエリアでの遮光および透光が可能な複数の微小光シャッターを面状に配置した面状描画マスクである前記(1)の光学的立体造形装置;
(3) 面状描画マスクが、デジタルマイクロミラーシャッターを面状に配置した面状描画マスクである前記(1)または(2)の光学的立体造形装置;
である。
本発明は、光硬化性樹脂組成物よりなる造形面(以下これを「光硬化性樹脂組成物の表面」ということがある)に面状描画マスクを介して制御下に光を照射して所定の断面形状パターンを有する光硬化した樹脂層を形成した後、該光硬化した樹脂層の上に1層分の光硬化性樹脂組成物を施し、該光硬化性樹脂組成物の表面に面状描画マスクを介して制御下に光を照射して所定の断面形状パターンを有する光硬化した樹脂層を更に形成する操作を所定の立体造形物が形成されるまで順次繰り返すことによって立体造形物を製造する造形操作を採用して行うものである。
・載置台上または光硬化した樹脂層上に、1層分の光硬化性樹脂組成物を順次供給するための光硬化性樹脂組成物の供給手段;
・光源;
・マスク画像を連続的に変えることのできる面状描画マスク、特に微小ドットエリアでの遮光および透光が可能な複数の微小光シャッター(液晶シャッター、デジタルマイクロミラーシャッターなど)を面状に配置した面状描画マスク;
・面状描画マスクを光硬化性樹脂組成物よりなる造形面に対して平行状態で連続的に移動させるための移動手段;
・光源と面状描画マスクとの間に配置され、面状描画マスクと一体で連続的に移動する光集レンズ;
・面状描画マスクと光硬化性樹脂組成物の表面との間に配置され、面状描画マスクと一体で連続的に移動する投影レンズ;
・面状描画マスクのマスク画像を、面状描画マスクの移動と同期させて連続的に変化させるための手段;および、
・面状描画マスクの連続移動の開始前に面状描画マスクを介して造形面に照射される光の移動先端が造形面の一方の端部にくる位置に面状描画マスクを配置させ且つ面状描画マスクを介して造形面に照射される光の移動後端がもう一方の造形面の端部にきた時に面状描画マスクの連続移動を停止させる手段;
を備える本発明の光学的立体造形装置を用いて円滑に実施することができる。
光造形を行う際の面状描画マスクの連続移動の方向や速度は、光源の種類、光硬化性樹脂組成物の表面に照射される光の照射強度、面状描画マスクを通しての光硬化性樹脂組成物よりなる造形面での露光エリア(露光面積)、形成しようとする断面形状パターンの形状、光硬化性樹脂組成物の種類、光硬化性樹脂組成物の光硬化特性と光硬化層を形成するのに必要な露光時間などに応じて、コンピューターなどを使用して制御、調整する。光硬化性樹脂組成物よりなる造形面における露光エリアの一方の端部からそれと対向するもう一方の端部側へと、面状描画マスクを光硬化性樹脂組成物よりなる造形面に対して平行状態で等速で直線状に連続移動させると、光硬化性樹脂組成物よりなる造形面への光照射量の均一制御を簡単に行うことができる。
これらの面状描画マスクは、微小ドットエリアでの遮光および透光が可能な複数の微小光シャッターを面状(X−Y方向)に並列配置した正方形状または長方形状の面状描画マスクであることが好ましい。面状描画マスクに配置する微小光シャッター(画素子)の数は特に制限されず、従来から知られているものなどを使用することができる。液晶シャッター(液晶表示素子)としては、例えば、QVGA(画素数=320ドット×240ドット)、VGA(画素数=640×480ドット)、SVGA(画素数=800×600ドット)、UXGA(画素数=1024×768ドット)、QSXGA(画素数=2560×2648ドット)などを用いることができ、これらの液晶シャッターは従来から広く販売されている。
また、デジタルマイクロミラーシャッターとしては、例えば、テキサスインスツルメンツ社製の「DLPテクノロジー」(登録商標)のDMD(登録商標)デバイスなどを使用することができる。
光源の形状、大きさ、数も特に制限されず、面状描画マスクの形状や寸法、形成しようとする光硬化断面形状パターンの形状やサイズなどに応じて適宜選択することができ、光源は、例えば、点状、球状、棒状、面状であってもよいし、また点状や球状の光源を面状描画マスクの背部側に直接状に一列または複数列で配置してもよい。
また、光源は、面状描画マスクの背部側に面状描画マスクと共に連続移動可能に設けてもよいし、または造形精度の向上、造形速度の向上、装置の軽量化、保守性の向上などの目的で、光源を固定位置に動かないように設ける共に光源からの光を光ファイバー、ライトガイドやその他の光伝達手段を通して面状描画マスクの背部に導き、光ファイバーやライトガイドやその他の光伝達手段を面状描画マスクと共に連続移動可能に設けてもよい。
また、造形速度の向上のために複数の光源を用いて集光し光エネルギーを高くさせる方式を採ってもよい。特に光ファイバーやライトガイドなどを使用する場合は複数光源を集光させ易いというメリットがある。
本発明では、光硬化性樹脂組成物として、光造形において従来から用いられている、例えば、ウレタンアクリレートオリゴマー、エポキシアクリレートオリゴマー、エステルアクリレートオリゴマー、多官能エポキシ樹脂などの各種オリゴマー;イソボルニルアクリレート、イソボルニルメタクリレート、ジシクロペンテニルアクリレート、ジシクロペンテニルメタクリレート、ジシクロペンテニロキシエチルアクリレート、ジシクロペンテニロキシエチルメタクリレート、ジシクロペタニルアクリレート、ジシクロペタニルメタクリレート、ボルニルアクリレート、ボルニルメタクリレート、2−ヒドロキシエチルアクリレート、シクロヘキシルアクリレート、2−ヒドロキシプロピルアクリレート、フェノキシエチルアクリレート、モルホリンアクリルアミド、モルホリンメタクリルアミド、アクリルアミドなどのアクリル系化合物やN−ビニルピロリドン、N−ビニルカプロラクタム、酢酸ビニル、スチレンなどの各種の単官能性ビニル化合物;トリメチロールプロパントリアクリレート、エチレンオキサイド変性トリメチロールプロパントリアクリレート、エチレングリコールジアクリレート、テトラエチレングリコールジアクリレート、ポリエチレングリコールジアクリレート、1,4−ブタンジオールジアクリレート、1,6−ヘキサンジオールジアクリレート、ネオペンチルグリコールジアクリレート、ジシクロペンタニルジアクリレート、ポリエステルジアクリレート、エチレンオキサイド変性ビスフェノールAジアクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレート、ペンタエリスリトールテトラアクリレート、プロピレンオキサイド変性トリメチロールプロパントリアクリレート、プロピレンオキサイド変性ビスフェノールAジアクリレート、トリス(アクリロキシエチル)イソシアヌレートなど多官能性ビニル化合物;水素添加ビスフェノールAジグリシジルエーテル、3,4−エポキシシクロヘキシルメチル−3,4−エポキシシクロヘキサンカルボキシレート、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル−5,5−スピロ−3,4−エポキシ)シクロヘキサン−メタ−ジオキサン、ビス(3,4−エポキシシクロヘキシルメチル)アジペートなどの各種エポキシ系化合物などの1種または2種以上と、光重合開始剤および必要に応じて増感剤などを含有するの光硬化性樹脂組成物を用いることができる。
また、本発明で用いる光硬化性樹脂組成物は、上記した成分以外にも、必要に応じて、レベリング剤、リン酸エステル塩系界面活性剤以外の界面活性剤、有機高分子改質剤、有機可塑剤などを含有していてもよい。
充填材として用いる固体微粒子としては、例えば、カーボンブラック微粒子などの無機微粒子、ポリスチレン微粒子、ポリエチレン微粒子、ポリプロピレン微粒子、アクリル樹脂微粒子、合成ゴム微粒子などの有機重合体微粒子などを挙げることができ、これらの1種または2種以上を用いることができる。固体微粒子の粒径は特に制限されないが、一般的には平均粒径が200μm以下、特に100μm以下のものが好ましく用いられる。
図1〜図3は、本発明の光学的立体造形法(光造形法)で用いる光学的立体造形装置(光造形装置)の要部の具体例をそれぞれ示したものである。また、図4および図5は、図1〜図3に示したような光造形装置を用いて本発明の方法にしたがって光造形を行う際の工程(操作手順)を示したものである。
図1〜図5において、1は光源、2は集光レンズ、3は面状描画マスクであって、そのうち3aは液晶シャッターを面状に配置した面状描画マスク(以下「液晶式面状描画マスク」ということがある)、3bはデジタルマイクロミラーシャッターを面状に配置した面状描画マスク(以下「DMD式面状描画マスク」ということがある)を示し、また4は投影レンズ、5は光硬化性樹脂組成物表面よりなる造形面(1層分の造形面)、5aは造形面の一方の端部、5bは造形面のもう一方の端部、6は前記造形面に形成される露光像(光硬化した樹脂層)、7は光ファイバーやライトガイドなどの光伝達手段を示す。
その際に、図1および図2に示すように、光源1を集光レンズ2の背面側に直接配置して光源1からの光を集光レンズ2に直接導いてもよいし、または図3に示すように、光源1を集光レンズ2とは離れた場所に配置しておいて、光源1からの光を光ファイバーやライトガイドなどの光伝達手段7を介して集光レンズ2に導くようにしてもよい。
光源1を集光レンズ2の背面側に直接配置する図1および図2に示すような方式の場合には、光源1は、集光レンズ2、面状描画マスク3(3a,3bなど)および投影レンズ4と共に、光造形時にその走査方向に連続移動する。
また、図3に示すように、光源1からの光を光ファイバーやライトガイドなどの光伝達手段7を介して集光レンズ2の背面に導くようにした場合は、光源1を所定の位置に固定配置し、光ファイバーやライトガイドなどの可撓性の光伝達手段7を集光レンズ2、面状描画マスク3(3a,3bなど)および投影レンズ4と共に光造形時にその走査方向に連続移動させるようにすることができる。
光源1の種類や形状は特に制限されず、例えば、図1〜図4に示すような、光放出部が丸形の光源であってもよいし、図5に示すように光放出部が横長(又は縦長)の棒状の光源であってもよいし、または図示されていない他の形状の光源であってもよい。
面状描画マスク3(3a,3bなど)の形状は特に制限されず、製造しようとする光造形物の形状や寸法(特に断面形状やその寸法)などに応じて適当な形状のものを採用することができる。面状描画マスク3(3a,3bなど)は、例えば、図1〜図4に示すような正方形またはほぼ正方形の形状であってもよいし、図5に示すような長方形状であってもよいし、またはその他の形状であってもよい。
さらに、面状描画マスク3(3a,3bなど)の寸法も、製造しようとする光造形物の形状や寸法(特に断面形状やその寸法)などに応じて適当な寸法のものを採用することができる。面状描画マスク3(3a,3bなど)は、例えば、図1〜図4に示すように、形成しようとする所定の光硬化した断面形状パターンの全幅(造形面の全幅)よりもその幅寸法が小さいものであってもよいし、図5に示すように、形成しようとする所定の光硬化した形状パターンの全幅(造形面の全幅)をカバーし得るような幅寸法を有するものであってもよい。
また、面状描画マスク3として、DMD式面状描画マスク3bを用いた場合は、形成しようとする所定の断面形状とDMD式面状描画マスク3bの連続移動に対応させてコンピューターなどに予め記憶させた情報に応じて、面状に配置された複数の微小なミラーシャッターのうち特定のミラーシャッターは光が投影レンズ4および透光面5の方向に反射される(導かれる)方向に向き、一方光を遮蔽させるべき箇所に位置するミラーシャッターは光が投影レンズ4および造形面5の方向に反射されない(導かれない)方向に向き、そのような操作を、所定の断面形状を有する光硬化した樹脂層が形成されるまで連続的(動画的)に繰り返すように設計されている。
そして、面状描画マスク3(3a,3bなど)におけるマスク画像(マスクパターン)が、上記したように、予めコンピューターなどに記憶されているマスク画像に関する情報に基づいて、例えば、図4および図5に例示するように、形成しようとする光硬化した樹脂層の所定の断面形状パターンに対応して、面状描画マスク3(3a,3bなど)の連続移動と同期して、動画的に連続的に変化しながら、造形面5(光硬化性樹脂組成物の表面)に光照射が行われて、所定の断面形状を有する光硬化した樹脂層(露光像6)が連続的に形成される。
まず、光造形の開始時に、図4の(1)に示すように、面状描画マスク3および投影レンズ4を経た光の移動先端が造形面5の一方の端部5aにくるように位置させ、次いで図4の(2)〜(5)に示すように、光源1(または光伝達手段7)、集光レンズ2、面状描画マスク3および投影レンズ4を造形面5のもう一方の端部5bの方向へと、造形面5に対して平行状態で連続移動させ、図4の(5)に示す位置で停止する。その際に、面状描画マスク3によるマスク画像は、形成しようとする所定の断面形状パターンに対応して動画的に連続的に変化しながら、該マスク画像に対応した光が造形面5に照射されて露光像6が形成される。前記の光造形操作が、図4の(5)の段階まで進行したとき(面状描画マスク3および投影レンズ4を経た光の移動後端が造形面5のもう一方の端部5bにきたとき)に、形成しようとする所定の断面形状パターンのうちの半幅分の露光像6が形成されるので、その段階で、光源1(または光伝達手段7)、集光レンズ2、面状描画マスク3および投影レンズ4を造形面5の残りの半幅分の位置に移動し[図4の(6)]、その位置から図4の(6)〜(10)に示すように、造形面5の端部5bから造形面5の端部5a側へと、前記と同様の光造形操作を繰り返す。それによって、形成しようとする所定の断面形状パターンを有する1層分の光硬化した樹脂層(露光像6)が形成される。
まず、光造形の開始時に、図5の(1)に示すように、面状描画マスク3および投影レンズ4を経た光の移動先端を、造形面5における露光像6が形成されない一方の端部5aに近い位置に位置させ、次いで図5の(2)〜(5)に示すように、光源1、集光レンズ2、面状描画マスク3および投影レンズ4を造形面5のもう一方の端部5aの方向へと、造形面5に対して平行状態で連続移動させる。その際に、面状描画マスク3によるマスク画像は、形成しようとする所定の断面形状パターンに対応して動画的に連続的に変化しながら、該マスク画像に対応した光が造形面5に照射されて、形成しようとする所定の断面形状パターンを有する1層分の光硬化した樹脂層(露光像6)が形成される。
光源1として150Wメタルハライドランプを備え、面状描画マスク3としてエプソン社製のTFT方式VGA(800×640画素)の液晶を備える図4に示す光造形装置を使用し、光硬化性樹脂組成物として旭電化工業株式会社製「アデカラスキュア HSX−V2」(硬化感度5mJ)を用いて、造形面5(光硬化性樹脂組成物表面)への投影サイズ=35mm(装置の進行方向)×47mm(進行方向と直角の方向)(方形)、造形面5での光エネルギー強度1mW/cm2の条件下に、図4に示す方法にしたがって、光源1、集光レンズ2、面状描画マスク3および投影レンズ4を一体にして約7mm/secの速度で造形面5に対して平行に進行方向に連続移動させ、その際に液晶よりなる面状描画マスク3のマスク画像を形成しようとする断面形状パターンに応じて動画的に連続的に変えながら光照射を行って、図4の断面形状パターンを有する立体造形物(縦×横×厚さ=90mm×90mm×15mm)を製造した。この光造形操作において、光硬化層各部での照射時間は5sec、該各部での光照射量は5mJであった。これによって、寸法精度に優れ、しかも硬化ムラのない、外観および強度に優れる光造形物を、速い造形速度で円滑に製造することができた。
さらに、本発明による場合は、高価な紫外線レーザー装置を用いずに通常の紫外線ランプのような安価な光源を用いた場合にも、高い造形精度を有し且つ硬化むらのない高品質の立体造形物を、速い造形速度で円滑に製造することができる。
2 集光レンズ
3 面状描画マスク
3a 液晶シャッターを面状に配置した面状描画マスク
3b デジタルマイクロミラーシャッターを面状に配置した面状描画マスク
4 投影レンズ
5 造形面
6 露光像
7 光伝達手段
Claims (3)
- 載置台上または光硬化した樹脂層上に、1層分の光硬化性樹脂組成物を順次供給するための光硬化性樹脂組成物の供給手段;
光源;
マスク画像を連続的に変えることのできる面状描画マスク;
面状描画マスクを光硬化性樹脂組成物よりなる造形面に対して平行状態で連続的に移動させるための移動手段;
光源と面状描画マスクとの間に配置され、面状描画マスクと一体で連続的に移動する光集レンズ;
面状描画マスクと光硬化性樹脂組成物の表面との間に配置され、面状描画マスクと一体で連続的に移動する投影レンズ;
面状描画マスクのマスク画像を、面状描画マスクの移動と同期させて連続的に変化させるための手段;および、
面状描画マスクの連続移動の開始前に面状描画マスクを介して造形面に照射される光の移動先端が造形面の一方の端部にくる位置に面状描画マスクを配置させ且つ面状描画マスクを介して造形面に照射される光の移動後端がもう一方の造形面の端部にきた時に面状描画マスクの連続移動を停止させる手段;
を備えていることを特徴とする光学的立体造形装置。 - 面状描画マスクが、微小ドットエリアでの遮光および透光が可能な複数の微小光シャッターを面状に配置した面状描画マスクである請求項1に記載の光学的立体造形装置。
- 面状描画マスクが、デジタルマイクロミラーシャッターを面状に配置した面状描画マスクである請求項1または2に記載の光学的立体造形装置。
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