JP4525424B2 - 光造形方法 - Google Patents

Description

本発明は、光硬化性樹脂液に選択的に光を照射して硬化樹脂層を形成し、該硬化樹脂層を順次積層して立体像を形成する光造形方法に関する。

光硬化造形方法（以下、「光造形方法」という。）では、造形しようとする立体モデルを複数の層にスライスして得られる断面群のデータに基づいて造形する。通常、最初に最下段の断面に相当する領域において、光硬化性樹脂液の液面に光線を照射する。すると光照射された液面部分の光硬化性樹脂液は光硬化し、立体モデルの一断面の硬化樹脂層が造形される。次いで、この硬化樹脂層の表面に未硬化状態の光硬化性樹脂液を所定の厚みでコートする。このとき、硬化樹脂層を所定の厚み分だけ、樹脂槽に満たされた光硬化性樹脂液に沈めてコートすることが一般的である。また、比較的少量の光硬化性樹脂を一層の硬化樹脂層を形成する毎にリコータにより全面に塗布することも行われる。そして、この表面に所定パターンに沿ってレーザ光線走査を行ない、光照射したコート層部分を硬化させる。硬化した部分は、下部の硬化樹脂層に積層一体化される。以後、光照射工程で扱う断面を隣接する断面に切り替えながら、光照射と光硬化性樹脂液のコートを繰り返すことによって、所望の立体モデルを造形する（特許文献１および特許文献２参照）。

特開昭５６−１４４４７８号公報 特開昭６２−３５９６６号公報

所望の形状の立体モデルを光造形方法によって形成しようとする場合、光線を走査して、硬化させる必要がある部分のみ光線を照射する手法の他に、一定の領域毎に（以下、「投影領域」という。）一括露光を繰り返し実行する手法がある。後者の手法においては、例えば、ディジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）が用いられる。
図４（ａ）に示されるような造形領域Ａ中に矢印形状９１の造形を行なう場合について説明する。この場合、図４（ｂ）に示されるように、造形領域Ａを光線照射領域に相当する投影領域Ａ１、Ａ２、Ａ３に分けて、それぞれの投影領域毎に露光データを作成する。

光造形装置は、このようにして作成された露光データに応じて、投影領域が隙間なく丁度接するようにして露光する。理論的には、このように露光することによって一体化された立体モデルを造形することが可能であるが、実際には、投影領域間の境界部分において、剥がれや割れが生じたり、露光面や積層方向に凹凸が発生し、表面粗度の劣化、強度の劣化につながるという問題があった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、所望の形状の立体モデルを精度良く形成することができる光造形方法を提供することを目的とする。

本発明にかかる光造形方法は、光硬化性樹脂液に選択的に光を照射して硬化樹脂層を形成し、該硬化樹脂層を順次積層して立体モデルを形成する光造形方法であって、前記光の照射は、投影領域を単位として一括露光を繰り返すことにより実行し、当該投影領域は、隣接する投影領域の境界部分に重なり領域を設けたものである。

ここで、前記投影領域の面積が１００ｍｍ^２以下の場合に、本発明にかかる光造形方法を用いれば、より精度良く立体モデルを形成することができる。
同様に、前記硬化樹脂層の１層の厚さは１０μｍ以下の場合に、本発明にかかる光造形方法を用いれば、より精度良く立体モデルを形成することができる。
また、前記重なり領域における露光量を当該重なり領域以外の露光量と同等に調整することが好ましい。
さらに、第１の投影領域と第２の投影領域における重なり領域に関して、当該第１の投影領域における重なり領域の露光量は、前記第２の投影領域に近づくにつれて減少し、前記第２の投影領域における重なり領域の露光量は、前記第１の投影領域に近づくにつれて減少していることが望ましい。

若しくは、第１の投影領域と第２の投影領域における重なり領域に関して、当該第１の投影領域における重なり領域の露光量は、当該重なり領域以外の露光量の略半分であり、前記第２の投影領域における重なり領域の露光量は、当該重なり領域以外の露光量の略半分であることが望ましい。
また、隣接する硬化樹脂層間で、前記重なり領域の位置をずらしたり、前記重なり領域の形状を変えるとよい。
本発明にかかる光造形方法は、前記光硬化性樹脂液を、ディジタルミラーデバイスによって反射された光によって硬化させる場合に好適に用いられる。

本発明の光造形方法により、所望の形状の立体モデルを精度良く形成することが可能な光造形方法を提供することができる。

以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能である。

発明の実施の形態１.
図１を用いて、本発明にかかる光造形方法に使用される光硬化造形装置（以下、「光造形装置」という）の一例について説明する。光造形装置１００は、光源１、ディジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）２、レンズ３、造形テーブル４、ディスペンサ５、リコータ６、制御部７、記憶部８を備えている。

光源１は、レーザ光線を発生させる。光源１には、例えば、４０５ｎｍのレーザ光を発生させるレーザダイオード（ＬＤ）や紫外線（ＵＶ）ランプが用いられる。
ディジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）２は、テキサス・インスツルメンツ社によって開発されたデバイスであり、ＣＭＯＳ半導体上に独立して動くマイクロミラーが数十万〜数百万個、例えば、４８万〜１３１万個敷き詰められている。かかるマイクロミラーは、静電界作用によって対角線を軸に約±１０度、例えば、±１２度程度傾けることが可能である。マイクロミラーは、各マイクロミラーのピッチの１辺の長さが約１０μｍ、例えば、１３．６８μｍの四角形の形状を有している。隣接するマイクロミラーの間隔は、例えば１μｍである。本実施の形態１で用いたＤＭＤ２の全体は、４０．８×３１．８ｍｍの四角形状を有し（うち、ミラー部は、１４．０×１０．５ｍｍの四角形状を有する。）、１辺の長さが１３．６８μｍのマイクロミラー７８６，４３２個により構成されている。当該ＤＭＤ２は、光源１から出射されたレーザ光線を個々のマイクロミラーによって反射させ、制御部７によって所定の角度に制御されたマイクロミラーによって反射されたレーザ光のみ集光レンズ３を介して造形テーブル４上の光硬化性樹脂９に照射する。
レンズ３は、ＤＭＤ２によって反射されたレーザ光線を光硬化性樹脂９上に導き、投影領域を形成する。レンズ３は、凸レンズを用いた集光レンズであってもよいし、凹レンズを用いてもよい。凹レンズを用いると、ＤＳＭの実サイズよりも大きな投影領域を得ることができる。本実施の形態１にかかるレンズ３は、集光レンズであって、入射光を約１５倍縮小し、光硬化性樹脂９上に集光している。
造形テーブル４は、硬化させた樹脂を順次堆積させ、載置する平板状の台である。この造形テーブル４は、図示しない駆動機構、即ち移動機構によって、水平移動及び垂直移動が可能である。この駆動機構により、所望の範囲に亘って光造形を行なうことができる。
ディスペンサ５は、光硬化性樹脂１０を収容し、予め定められた量の光硬化性樹脂１０を所定位置に供給する。
リコータ６は、例えば、ブレード機構と移動機構を備え、光硬化性樹脂１０を均一に塗布する。

制御部７は、露光データを含む制御データに応じて光源１、ＤＭＤ２、造形テーブル４、ディスペンサ５、リコータ６を制御する。制御部７は、典型的には、コンピュータに所定のプログラムをインストールすることによって構成することができる。典型的なコンピュータの構成は、中央処理装置（ＣＰＵ）とメモリとを含んでいる。ＣＰＵとメモリとは、バスを介して補助記憶装置としてのハードディスク装置などの外部記憶装置に接続される。この外部記憶装置が、制御部７の記憶部８として機能する。であるフレキシブルディスク装置、ハードディスク装置、ＣＤ−ＲＯＭドライブ等の記憶媒体駆動装置は、各種コントローラを介してバスに接続される。フレキシブルディスク装置等の記憶媒体駆動装置には、フレキシブルディスク等の可搬型記憶媒体が挿入される。記憶媒体にはオペレーティングシステムと協働してＣＰＵなどに命令を与え、本実施形態を実施するための所定のコンピュータプログラムを記憶することができる。
記憶部８には、造形しようとする立体モデルを複数の層にスライスして得られる断面群の露光データを含む制御データが格納されている。制御部７は、記憶部８に格納された露光データに基づいて、主としてＤＭＤ２における各マイクロミラーの角度制御、造形テーブル４の移動（即ち、立体モデルに対するレーザ光の照射範囲の位置）を制御し、立体モデルの造形を実行する。

コンピュータプログラムは、メモリにロードされることによって実行される。コンピュータプログラムは圧縮し、又、複数に分割して記憶媒体に記憶することができる。さらに、ユーザ・インターフェース・ハードウェアを備えることができる。ユーザ・インターフェース・ハードウェアとしては、例えば、マウスなどの入力をするためのポインティング・デバイス、キーボード、あるいは視覚データをユーザに提示するためのディスプレイなどがある。
光硬化性樹脂１０には、可視光及び可視光領域外の光によって硬化する樹脂を使用することができる。例えば、１５μｍ以上（５００ｍＪ／ｃｍ^２）の硬化深度を有し、粘度が１５００〜２５００Ｐａ・ｓ（２５℃）の４０５ｎｍ対応のアクリル系樹脂を用いることができる。

次に、本実施の形態１にかかる光造形装置１００の光造形動作について説明する。まず、ディスペンサ５に未硬化状態の光硬化性樹脂１０を収容する。造形テーブル４は初期位置にある。ディスペンサ５は、収容された光硬化性樹脂１０を所定量だけ造形テーブル４上に供給する。リコータ６は、光硬化性樹脂１０を引き伸ばすようにして掃引し、硬化させる一層分のコート層を形成する。
光源１から出射したレーザ光線は、ＤＭＤ２に入射する。ＤＭＤ２は記憶部８に格納された露光データに応じて制御部７により制御され、レーザ光線を光硬化性樹脂１０に照射する部分に対応したマイクロミラーの角度を調整する。これにより、そのマイクロミラーを反射したレーザ光線が集光レンズ３を介して光硬化性樹脂１０に照射され、その他のマイクロミラーを反射したレーザ光線は光硬化性樹脂１０に照射されない。光硬化性樹脂１０へのレーザ光線の照射は例えば０．４秒間行なわれる。このとき、光硬化性樹脂１０への投影領域は例えば、１．３×１．８ｍｍ程度であり、０．６×０．９ｍｍ程度まで縮小することもできる。投影領域の面積は、通常、１００ｍｍ^２以下であることが望ましい。
レンズ３に、凹レンズを用いることにより、投影領域を６×９ｃｍ程度まで拡大することもできる。投影領域をこのサイズを超えて拡大すると、投影領域に照射されるレーザー光線のエネルギー密度が低くなるため、光硬化性樹脂１０の硬化が不十分となることがある。 レーザ光線の投影領域のサイズよりも大きい立体モデルを形成する場合には、例えば造形テーブル４を移動機構によって水平移動させることにより、レーザ光線の照射位置を移動させて全造形領域を照射する必要がある。投影領域毎に１ショットずつレーザ光線の照射を実行していく。各投影領域に対するレーザ光線の照射の制御については後に詳述する。
このようにして、投影領域を移動させて、各投影領域を単位としてレーザ光線の照射、即ち露光を実行することによって、光硬化性樹脂１０が硬化し、第１層目の硬化樹脂層が形成される。１層分の積層ピッチ、すなわち、硬化樹脂層１層の厚み、は、例えば、１〜５０μｍ、好ましくは、２〜１０μｍ、さらに好ましくは、５〜１０μｍである。

続いて、同様の工程で所望形状の立体モデルの２層目を同時形成する。具体的には、１層目として形成された硬化樹脂層の外側にディスペンサ５より供給された光硬化性樹脂１０をリコータ６によって立体モデルを越えて引き伸ばされるように均一厚さに塗布する。そして、レーザ光線を照射することにより、第２層目の硬化樹脂層を第１層目の硬化樹脂層の上に形成する。以下同様にして第３層目以降の硬化樹脂層を順次堆積させる。そして、最終層の堆積が終了すると、造形テーブル４上に形成された造形物を取り出す。造形物は、表面に付着した光硬化性樹脂液を洗浄その他の方法で除去し、必要に応じて紫外線ランプ等により照射し又は加熱して、硬化を更に進行させることができる。

続いて、図２を用いて、本実施の形態１にかかる光造形方法につき、詳細に説明する。図２（ａ）は造形しようとする立体モデルの形状を示す上面図であり、同図（ｂ）は複数の投影領域と立体モデルの位置関係を示した図であり、同図（ｃ）は同図（ｂ）のＸ−Ｘ'上の各位置における露光量を示すグラフである。
図２（ａ）に示されるように、本例では、上面視で矢印形状の立体モデルを造形する場合について説明する。図中Ａは、当該立体モデルを含む造形領域である。従来は、かかる造形領域Ａを単純にレーザ光線の照射可能範囲に相当する投影領域に分割した。この例では、投影領域は、造形領域Ａの１／３のサイズであり、従来の光造形方法では、各投影領域が重複することの無いように３分割していたが、本実施の形態では、４つの投影領域により露光することとした。

具体的には、図２（ｂ）に示されるように、４つの投影領域Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４によって露光する。投影領域Ａ１は造形領域Ａの左端から照射可能範囲をなす領域である。投影領域Ａ２は、その左端が投影領域Ａ１と重なるようにして配置された領域である。即ち、投影領域Ａ１と投影領域Ａ２とはその境界部分において重なり領域Ｂ１が形成されている。同様にして、投影領域Ａ３は、その左端が投影領域Ａ２と重なるようにして配置されている。即ち、投影領域Ａ２と投影領域Ａ３とはその境界部分において重なり領域Ｂ２が形成されている。さらに投影領域Ａ４は、その左端が投影領域Ａ３と重なるようにして配置されている。即ち、投影領域Ａ３と投影領域Ａ４とはその境界部分において重なり領域Ｂ３が形成されている。
重なり部分Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３の幅は、例えば数μｍ〜数１００μｍである。

このようにレーザ光線を投影するためには、１つ１つの投影領域における露光形状が図２（ｂ）に示されるような形状になるように露光データを作成する必要がある。また、重なり領域Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３が生じるように立体モデルに対するレーザ光線の照射位置が移動するように露光データを作成する必要がある。即ち、造形テーブルを移動させる移動手段に対して、重なり領域Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３が生じるように移動させる露光データを作成する必要がある。
図２（ｂ）の如く、光硬化性樹脂に対してレーザ光線を照射した場合、露光量は、同図（ｃ）のように、重なり領域Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３において、それら以外の領域よりも高い露光量となる。この例では、重なり領域Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３の露光量は、それら以外の領域の約２倍である。

本実施の形態１にかかる光造形方法によれば、このようにして作成された露光データに応じて、投影領域の境界部分で重なりができるように露光するので、投影領域間の境界部分において剥がれや割れが生じたり、露光面や積層方向に凹凸が発生することを防止でき、表面粗度及び強度の向上を図ることができ、所望形状の立体モデルを精度良く形成することができる。

発明の実施の形態２．
発明の実施の形態１では、各投影領域における１回の露光量を投影領域内で略均一としたため、投影領域の境界部分における重なり領域における露光量は、それ以外の領域よりも高い露光量となっていた。このため、重なり領域において、樹脂硬化範囲が広がり、余分な樹脂硬化部分を発生させる可能性がある。かかる余分な樹脂硬化部分は、経時的にみると反り変形の要因の一つなる。特に、一括で照射する露光面積が２５０ｍｍ^２以下のマイクロ光造形においては、露光量が不均一であることによる悪影響が大きい。
そこで、本実施の形態２では、重なり部分の露光量（重複して露光される合計の露光量）を調整し、重なり部分以外の領域の露光量、即ち露光エネルギー量密度と同等になるようにした。具体的には、画面表示上に濃淡をつける制御と同様の制御、すなわち、露光領域への１回の露光時間内で、ＤＭＤ２のマイクロミラーの角度を一定振動数で繰り返し変動させることにより各マイクロミラーからのレーザ光の照射時間を調整することによって露光量を制御することができる。このように、本発明の実施の形態では、ＤＭＤ２において画面表示上に濃淡をつける制御と同様の制御により露光量を制御できるため、これと同じデータフォーマットを共有でき、例えば、一般的な画面表示用のフォーマットであるビットマップ形式等を用いることができる。

図３（ａ）は、図２（ｂ）と同じ図であり、図３（ｂ）、図３（ｃ）における露光位置を示すために参照する。図３（ｂ）に示されるように、投影領域Ａ１において重なり領域Ｂ１における露光量が投影領域Ａ２側に近づくつれて段階的に減少するようにしている。即ち、投影領域Ａ１において重なり領域Ｂ１の露光量は投影領域Ａ２側の端部に近づくにつれて正比例して減少している。一方、投影領域Ａ２において重なり領域Ｂ１における露光量は投影領域Ａ１側に近づくつれて段階的に減少するようにしている。即ち、投影領域Ａ２において重なり領域Ｂ１の露光量は投影領域Ａ１側の端部に近づくにつれて正比例して減少している。より詳細に述べると、画面表示上に濃淡をつける制御と同様の制御により露光量を制御できるのは、各マイクロミラーからのレーザ光により照射される領域を単位とするものであるため、厳密には、図３（ｂ）に示す重なり領域Ｂ１の露光量は、露光位置に対して連続的に変化するものではなく、重なり領域Ｂ１が露光位置に対するマイクロミラーの個数に応じて段階的に変化する。 重なり領域Ｂ１における露光量は、基本的に、投影領域Ａ１による露光量と投影領域Ａ２による露光量の和となるが、他の領域の露光量を１としたとき、当該他の領域の露光量と同じ１となる。但し、重なり領域とその他の領域の露光量が必ずしも厳密に等しい必要はなく、用いられる光硬化性樹脂、露光する光源によって適宜適切な露光量に調整することが好ましい。

重なり領域Ｂ１と同様に、重なり領域Ｂ２、Ｂ３においても、他の領域の露光量と同じ１となるように、露光量が制御されている。従って、重なり領域Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３を含む、レーザ光線の照射領域の露光量は均一であり、一様に保たれる。
従って、本実施の形態２にかかる光造形方法によれば、余分な樹脂硬化部分の発生を抑制することができ、所望形状の立体モデルを精度良く形成することができる。
特に、図３（ｂ）に示されるように露光量を調整すると、露光量の変化が緩やかであるため、露光量の極端な変化がなく、仮に投影領域にずれが生じたとしても、硬化度合いのムラが生じにくいという利点がある。
尚、重なり領域における露光量の減少或いは増加の変化は、１次式で表わされるものであってよく、２次以降の高次の式で表わされるものであってもよい。

露光量の調整は、図３（ｃ）に示されるようにしてもよい。即ち、投影領域Ａ１において重なり領域Ｂ１における露光量を他の領域の半分の０．５とし、投影領域Ａ２において重なり領域Ｂ１における露光量も０．５とする。従って、重なり領域Ｂ１における露光量は、基本的に投影領域Ａ１による露光量と投影領域Ａ２による露光量の和となるが、他の領域の露光量と同じ１となる。重なり領域Ｂ１と同様に、重なり領域Ｂ２、Ｂ３においても、他の領域の露光量と同じ１となるように、露光量が制御されている。従って、重なり領域Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３を含む、立体モデルが存在する部分の露光量は均一であり、一様に保たれる。従って、この場合においても、余分な樹脂硬化部分の発生を抑制することができ、所望形状の立体モデルを精度良く形成することができる。

その他の実施の形態．
上述の例では隣接する投影領域の境界部分に重なり領域を設けるようにしたが、重なり領域を設けるモードと、重なり領域を設けないモードを切り換える機能を光造形装置に備えるようにしてもよい。
上述の例では、横一列に投影領域が並んだ例について説明したが、縦横の二次元方向に配列している場合も同様に隣接する投影領域間で重なり領域を設けるようにするとよい。この場合、上下左右の４方向に投影領域が隣接しているから、周囲の４箇所に重なり領域が生じる。
尚、上述の例では、光源から出射する光の変調を加える装置としてＤＭＤを採用したが、これに限らず、光の透過量を微小領域毎、即ち画素毎に調整可能な液晶装置を用いてもよい。但し、コントラストの面では、液晶装置よりもＤＭＤの方が好ましい。
また、上述の例では、１層分のみ説明したが、立体モデルを造形するための行なわれる複数層のそれぞれにおいて、重なり領域を設けることが望ましい。このとき、重なり領域の位置は、隣接する層間でずらすようにしてもよい。さらに、重なり領域の形状自体を隣接する層間で異ならせるようにしてもよい。

発明の実施の形態１にかかる光造形装置の概略構成を示す図である。 発明の実施の形態１にかかる光造形方法を説明するための図である。 発明の実施の形態２にかかる光造形方法を説明するための図である。 従来の光造形方法を説明するための図である。

符号の説明

１ 光源
２ ＤＭＤ
３ 集光レンズ
４ 造形テーブル
５ ディスペンサ
６ リコータ
７ 制御部
８ 記憶部
９ 光硬化性樹脂
１０ 光硬化性樹脂
１００ 光造形装置

Claims (9)

1. 光硬化性樹脂液に選択的に光を照射して硬化樹脂層を形成し、該硬化樹脂層を順次積層して立体モデルを形成する光造形方法であって、
   前記光の照射は、投影領域を単位として、一括露光を繰り返すことにより実行し、
   当該投影領域は、隣接する投影領域の境界部分に重なり領域を設けた光造形方法。
2. 前記投影領域の面積は、１００ｍｍ^２以下であることを特徴とする請求項１記載の光造形方法。
3. 前記硬化樹脂層の１層の厚さは１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の光造形方法。
4. 前記重なり領域における露光量を当該重なり領域以外の露光量と同等に調整したことを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の光造形方法。
5. 第１の投影領域と第２の投影領域における重なり領域に関して、当該第１の投影領域における重なり領域の露光量は、前記第２の投影領域の中央部に近づくにつれて減少し、前記第２の投影領域における重なり領域の露光量は、前記第１の投影領域の中央部に近づくにつれて減少していることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の光造形方法。
6. 第１の投影領域と第２の投影領域における重なり領域に関して、当該第１の投影領域における重なり領域の露光量は、当該重なり領域以外の露光量の略半分であり、前記第２の投影領域における重なり領域の露光量は、当該重なり領域以外の露光量の略半分であることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の光造形方法。
7. 隣接する硬化樹脂層間で、前記重なり領域の位置をずらしたことを特徴とする請求項１〜６いずれかに記載の光造形方法。
8. 隣接する硬化樹脂層間で、前記重なり領域の形状を変えたことを特徴とする請求項１〜６いずれかに記載の光造形方法。
9. 前記光硬化性樹脂液は、ディジタルミラーデバイスによって反射された光によって硬化することを特徴とする請求項１〜８いずれかに記載の光造形方法。
   

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