JP4582894B2

JP4582894B2 - 光学的立体造形装置及び造形方法

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Publication number: JP4582894B2
Application number: JP2000349096A
Authority: JP
Inventors: 龍夫犬伏
Original assignee: Nabtesco Corp
Current assignee: Nabtesco Corp
Priority date: 2000-11-16
Filing date: 2000-11-16
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2020-11-16
Also published as: JP2002144437A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、１層分の光硬化性樹脂に光ビームを照射して光硬化層を形成し、これを多層に亘って順次繰り返して光学的に立体造形する光学的立体造形装置及び造形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、光硬化性樹脂に光ビームを照射して所望パターンの１層分の光硬化層を形成し、これを多層に亘って順次繰り返して光学的に立体造形する光学的立体造形装置が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この種のものでは、１本のレーザ光を平面方向（Ｘ−Ｙ方向）にスキャンさせて光硬化させるため、たとえば、製造すべき造形物が大型である場合、造形に時間がかかると共に、得られる立体造形物に反りや歪み等を生じやすく、寸法精度が低下するという問題がある。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、光造形に要する時間を短縮し、得られる立体造形物に生じる反りや歪み等を抑制し、光造形の寸法精度を向上させることができる光学的立体造形装置及び造形方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、光硬化性樹脂組成物の表面に複数の光ビームを照射して所望パターンの１層分の光硬化層を形成し、これを多層に亘って順次繰り返して光学的に立体造形する光学的立体造形装置において、上記パターンを複数のエリアに分割し、夫々のエリアに対して担当する光ビームを割り当てる制御手段を有し、いずれかのエリアを担当する光ビームによる照射が完了した場合、この光ビームをほかのエリアに振り向けることを特徴とする。
【０００７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のものにおいて、上記パターンを任意設定した分割線に従い複数のエリアに分割することを特徴とする。
【０００９】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２に項記載のものにおいて、複数の光ビームが別の光源からの光ビームであることを特徴とする。
【００１０】
請求項４記載の発明は、光硬化性樹脂組成物の表面に複数の光ビームを照射して所望パターンの１層分の光硬化層を形成し、これを多層に亘って順次繰り返して光学的に立体造形する光学的立体造形方法において、上記パターンを複数のエリアに分割し、夫々のエリアに対して担当する光ビームを割り当てる段階、及び、いずれかのエリアを担当する光ビームによる照射が完了した場合、この光ビームをほかのエリアに振り向ける段階を有したことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面を参照して説明する。
【００１２】
図１において、１０Ａ，１０Ｂはそれぞれ光ビーム発生装置（たとえば、レーザ）を示している。本実施形態では、光ビーム発生装置（光源）１０が２つ備えられ、それぞれ光ビーム１２Ａ，１２Ｂを発生する。本発明の目的が高速で立体的な物体１１を製作することにあるので、本発明の装置は高出力レーザのような比較的高出力の光ビーム発生装置１０を利用すると好ましい。この高出力レーザは可視領域、赤外線領域あるいは紫外線領域にある主要帯域を持ち得る。ここで、高出力とは、２０ｍＷより大きい出力と考えており、好ましくは、光ビーム１２の強さから測定して１００ｍＷを超える出力である。これは現在の光硬化性組成物の感度に合わせてある。しかしながら、もっと速い組成物を利用できるようになった場合には、ビーム強さについての２０ｍＷ、１００ｍＷの値はそれに応じて低くなることになる。これは組成物の感度と光ビームの強さが同じ結果を得るには互いに反比例の関係を持つからである。或る種のレーザの選択は、光硬化性組成物の感度がレーザ放射線の波長をうまく一致するように光硬化性組成物の選択と一緒に考えなければならない。
【００１３】
他の種類の光ビーム発生装置も、そのエネルギ形式が光硬化性組成物の感度と一致し、ビームが発生し、取り扱いについて最適な状態が周知の確立した方法によって観察されるかぎり、利用できる。たとえば、電子ビーム、Ｘ線等も利用できる。ビーム横断面形状を任意所望の形状に偏向する手段を設けてもよいが、普通の形状としては円形であり、ビームの強さの分布はガウス分布であり、最高点は円形の中心にある。
【００１４】
光ビーム１２Ａ，１２Ｂは変調器１４Ａ，１４Ｂを通り、この変調器１４は音響光学変調器であると好ましい。変調された光ビーム１２Ａ’，１２Ｂ’は、次に偏向手段１６Ａ，１６Ｂを通る。
【００１５】
この偏向手段１６はそれぞれ２つのミラー２０Ａ，２０Ｂ、２２Ａ，２２Ｂを包含し、各ミラーはＸ方向、Ｙ方向において面４６に対してビームを反射させ得る軸（図示せず）を有する。ここで、Ｘ方向、Ｙ方向とは互いに直角でありかつ樹脂液面４６に対して平行である。
【００１６】
ミラー２０、２２はモータ２４Ａ，２４Ｂ、２６Ａ，２６Ｂによってそれぞれ対応する軸線まわりに回転して、それぞれ、Ｘ、Ｙ方向において容器４４に入っている液状光硬化性組成物４０の所定の位置に向ってベクトル走査モードでビームを制御しながら偏向させるようになっている。
【００１７】
光ビーム１２’が偏向手段１６によって偏向されると、この光ビーム１２Ａ”，１２Ｂ”はゼロ・レベルから最高値までの加速度と、ゼロ・レベルから最高の一定値までの速度を持つ。ビームの速度および強さは互いに比例したままであり、その結果、露光がほぼ一定に留まる。ビームはほぼ一定の光硬化深度まで組成物の所定部分の光硬化を生じさせる。
【００１８】
光硬化深度は、走査方向に対して直角の横断面で測って、面４６と光硬化した薄い層の対向側面の間の最大厚さすなわちピーク厚さとして定義される。なお、各個々の光硬化層あるいはその一部の厚さは或る走査線上のポイント毎に異なる可能性がある。
【００１９】
容器４４内には、可動テーブル４１とエレベータ・モータ４２のような設定手段が設けてあり、このエレベータ・モータ４２は可動テーブル４１に動きを与えて容器４４内で可動テーブルの位置を精密に制御する。
【００２０】
テーブル４１の動きは並進運動、回転運動、無作為運動あるいはそれらの組合わせのいずれであってもよい。ドクタ・ナイフ４３のような層形成手段が容器４４内でテーブル４１の上方に設置してあり、これは液状光硬化性組成物の重なった薄い層を形成する。
【００２１】
また、第１コンピュータ制御手段３０と第２コンピュータ制御手段３４とが設けられている。第１コンピュータ制御手段３０は、制御／フイードバック・ライン５２Ａ，５２Ｂ、６０、６２、５８のそれぞれを介して光ビーム発生装置１０Ａ，１０Ｂ、設定手段４２、層形成手段４３および第２コンピュータ制御手段３４と接続されている。
【００２２】
この第２コンピュータ制御手段３４は、ライン５８を介しての第１コンピュータ制御手段３０との接続に加えて、制御／フイードバック・ライン５０Ａ，５０Ｂ、５４Ａ，５４Ｂのそれぞれを介して変調器１４Ａ，１４Ｂと偏向手段１６Ａ，１６Ｂとにも接続されている。存在の明らかな補助的な装置類は簡略化のために示していない。
【００２３】
次に、動作の概略を説明する。
【００２４】
第１コンピュータ制御手段３０から制御／フイードバック・ライン６０、６２を通じて１層分の層形成信号が出力されると、設定手段４２により１層分だけテーブル４１が降下し、層形成手段４３によりテーブル４１上に光硬化性樹脂組成物の１つの層が形成される。
【００２５】
また、制御／フイードバック・ライン５２Ａ，５２Ｂを介して２つの光ビーム発生装置１０Ａ，１０Ｂが駆動され、それぞれ光ビーム１２Ａ，１２Ｂが発射される。更に、制御／フイードバック・ライン５０Ａ，５０Ｂ、５４Ａ，５４Ｂを介して変調器１４Ａ，１４Ｂと偏向手段１６Ａ，１６Ｂが制御され、最終的に偏向された２つの光ビーム１２Ａ”，１２Ｂ”が、テーブル４１（または硬化済みの光硬化層）上の液状光硬化性樹脂組成物に照射される。
【００２６】
この照射によって所望パターンの１層分の光硬化層が形成される。そして、この操作を多層に亘って順次繰り返すことにより、テーブル４１上に光学的に立体的な所望の物体１１が製作される。
【００２７】
図２は１層分の所望パターンを示している。
【００２８】
このパターン１００は、４つのモデル１〜モデル４を含んでいる。このモデル１〜モデル４は、テーブル４１上の液状光硬化性樹脂組成物に光ビーム１２Ａ”，１２Ｂ”を照射することにより得られる。
【００２９】
本実施形態では、上記パターン１００が任意設定した分割線Ｌ１に従い２つのエリア１００Ａ，１００Ｂに予め分割される。
【００３０】
そして、一方のエリア１００Ａの照射を、たとえば光ビーム１２Ａ”が分担し、他方のエリア１００Ｂの照射を、残りの光ビーム１２Ｂ”が分担するように、夫々のエリアに対して担当する光ビームが割り当てられる。この割り当て制御はコンピュータ３０，３４が司っている。
【００３１】
これによると、一方のエリア１００Ａに属するモデル１とモデル２は、光ビーム１２Ａ”の照射により形成され、他方のエリア１００Ｂに属するモデル３とモデル４は、光ビーム１２Ｂ”の照射により形成される。
【００３２】
すなわち、一方のエリア１００Ａでは、偏向手段１６Ａによって光ビーム１２Ａ”を、たとえば分割線Ｌ１と平行にスキャンさせながら液状光硬化性樹脂組成物に照射して、モデル１とモデル２とを光硬化させる。
【００３３】
また、他方のエリア１００Ｂでは、偏向手段１６Ｂによって光ビーム１２Ｂ”を、たとえば分割線Ｌ１と平行にスキャンさせながら液状光硬化性樹脂組成物に照射して、モデル３とモデル４とを光硬化させる。
【００３４】
これによれば、１層の液状光硬化性樹脂組成物を光硬化させる場合、パターン１００を２つのエリア１００Ａ，１００Ｂに予め分割し、それぞれのエリアを２つの光ビーム１２Ａ”，１２Ｂ”に分担させるため、１本の光ビームで光硬化させる場合と比べ、硬化時間が短縮される。従って、得られる立体造形物に生じる反りや歪み等を抑制し、光造形の寸法精度を向上させることができる。また、分割線Ｌ１が設定され、光ビームの分担領域が予め設定されるため、本システムの制御を簡単に実行することができる。
【００３５】
図３は大物モデル５を２つの光ビーム１２Ａ”，１２Ｂ”で光硬化させる状態を示している。この場合、上記と同様に、分割線Ｌ２が設定され、これによって区切られた２つのエリア１００Ａ，１００Ｂを、２つの光ビーム１２Ａ”，１２Ｂ”にそれぞれ分担させる。これによっても、硬化時間の短縮、制御の容易性等、上記のものと同様の効果が得られる。
【００３６】
図４では、光ビーム１２Ａ”，１２Ｂ”の分担領域が設定されず、光ビーム１２Ａ”，１２Ｂ”がパターン１００の全域をそれぞれ担当する。すなわち、１層の液状光硬化性樹脂組成物は、２回に亘って光硬化される。ただし、１回あたりの光量は略１／２に設定される。
【００３７】
たとえば、一方の光ビーム１２Ａ”は、Ｘ方向にスキャンしてパターン１００の全域に照射され、他方の光ビーム１２Ｂ”は、Ｙ方向にスキャンしてパターン１００の全域に照射される。
【００３８】
図５では、１層の液状光硬化性樹脂組成物を光硬化させる場合、１層毎にその都度、下記方式による演算によって分割線Ｌ３が設定される。この演算は上記コンピュータ３０，３４が司る。すなわち、上記担当する光ビーム１２Ａ”，１２Ｂ”の描画面積が夫々のエリア間で互いに略等しくなるように、１層毎にその都度分割線Ｌ３が設定され、これによってパターン１００が複数のエリア１００Ａ，１００Ｂに分割される。
【００３９】
具体的には、モデル１１、１２およびモデル１３の一部１３Ａの合計描画面積と、モデル１４、１５およびモデル１３の他部１３Ｂの合計描画面積とが等しくなるように分割線Ｌ３が設定される。
【００４０】
これによれば、２つの光ビーム１２Ａ”，１２Ｂ”の担当面積が常に等しくなるため、描画時間が略５０％に短縮される。
【００４１】
図７は上記演算の処理フローを示す。
【００４２】
まず、描画パスデータを描画時間で除し（Ｓ１−１）、１層内のモデル１１〜１５の面積計算が終了した場合（Ｓ１）、それに要する総描画時間が算出され（Ｓ２）、各モデル１１〜１５を描画時間を基準にして時間順に整理する（Ｓ３）。ついで、光ビーム１２Ａ”，１２Ｂ”の描画時間を初期化した後（Ｓ４）、各モデル１１〜１５を例えば一旦光ビーム１２Ｂ”の描画リストに登録する（Ｓ５）。
【００４３】
つぎに、光ビーム１２Ａ”の描画時間を算出する（Ｓ６）。この算出は（光ビーム１２Ａ”の描画時間＋モデルｉの描画時間）に従い算出される。最初の算出では光ビーム１２Ａ”の描画時間は０時間であるから、Ｓ３で整理されたモデル１１の描画時間だけである。
【００４４】
この描画時間を光ビーム１２Ａ”の描画リストに登録し（Ｓ７）、この登録した描画時間と（総描画時間／２）との時間差を算出する（Ｓ８）。ついで、この差が最小であるか否かが判定される（Ｓ９）。この差が最小であれば、モデル１１を光ビーム１２Ａ”の分担として記憶する（Ｓ１０）。
【００４５】
１層内のモデル１１〜１５の記憶が完了したか否かが判定され（Ｓ１１）、完了していなければ、次モデルを対象とし、モデルｉ＝モデルｉ＋１として（Ｓ１１−１）、Ｓ６に戻った後、既に登録されたモデル１１の描画時間にモデル１２の描画時間を加算して、これを繰り返す。
【００４６】
なお、Ｓ９で、時間差が最小でない場合、光ビーム１２Ａ”の描画時間からモデルｉの描画時間を減算し（Ｓ１２）、そのモデルｉを、Ｓ１０で記憶した光ビーム１２Ａ”の分担リストから削除する（Ｓ１３）。
【００４７】
Ｓ１１で、１層内のモデル１１〜１５の記憶が完了した場合、光ビーム１２Ａ”，１２Ｂ”の分担リストを作成する（Ｓ１４）。
【００４８】
ところが、上記実施形態では、たとえば光学系に塵が付着したりすると、そのコンディションが変化して、塵の付着した側の光ビーム１２Ａ”，１２Ｂ”のパワーが落ちることになる。この場合、２つの光ビーム１２Ａ”，１２Ｂ”の分担が平等に設定されていたとしても、パワーの落ちた光ビーム１２Ａ”，１２Ｂ”の側では硬化に時間的な遅れが発生する。
【００４９】
すなわち、図６に示すように、各ステップＳ１〜Ｓ１４に従い、分割線Ｌ３が設定されている場合、たとえば、一方の光ビーム１２Ａ”のパワーが落ちると、モデル１１の光硬化に長時間を要する。
【００５０】
この場合、他方の光ビーム１２Ｂ”がモデル１４、１５およびモデル１３の他部１３Ｂの光硬化を完了していれば、光ビーム１２Ａ”側の光硬化に関する時間遅れを解消するため、この他方の光ビーム１２Ｂ”にモデル１３の一部１３Ａおよびモデル１２の光硬化を分担させる。Ｌ４は自動支援後の分割線である。この分担支援制御はコンピュータ３０，３４が司る。
【００５１】
図８は分担支援制御の処理フローを示す。
【００５２】
図７のＳ１４で作成された分担リストに基づいて、図８に示すように、モデル分割が行われる（Ｓ１５）。ついで、光ビーム１２Ａ”，１２Ｂ”の分担の時間差が許容値よりも大きいか否かが判断され（Ｓ１６）、それが大きい場合、時間のかかる光ビーム光ビーム１２Ａ”に割り当てられたモデルの内、描画時間が最大のモデルが検索される（Ｓ１７）。
【００５３】
そして、検索されたモデルの描画データから描画時間量の１／２分が分割され（Ｓ１８）、この分割したデータがもう一方の光ビーム１２Ｂ”の登録リストに加えられ（Ｓ１９）、分担終了する。
【００５４】
図５にて、モデル１３の光硬化はその一部１３Ａを光ビーム１２Ａ”が分担し、他部１３Ｂを光ビーム１２Ｂ”が分担している。この場合、一部１３Ａと他部１３Ｂの境界で、２つの光ビーム１２Ａ”，１２Ｂ”が重なり合うことにより、光硬化に不都合が発生する恐れがある。そこで、分割線Ｌ３が同一モデルにかかった場合、たとえばいずれか多く分担する方の光ビーム（図５の場合、光ビーム１２Ｂ”）にその全てを分担させてもよい。
【００５５】
以上、一実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は、これに限定されるものでないことは明らかである。
【００５６】
たとえば、上記説明では、２つの光ビームを用いて説明したが、これに限定されず、それ以上の数の光ビームを用いて光硬化させてもよい。この場合、それと同数以上のエリアに分割し、それぞれのエリアを各光ビームに分担させて光硬化させる。また、上記説明では、２つの光源を用いたが、１つの光源からの光ビームを複数の光ビームに分光してもよい。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によれば、光造形に要する時間を短縮することができる。従って、得られる立体造形物に生じる反りや歪み等を抑制し、光造形の寸法精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光学的立体造形装置の一実施形態を示す図である。
【図２】光ビームによる分担を示す図である。
【図３】光ビームによる分担を示す図である。
【図４】光ビームによる分担を示す図である。
【図５】光ビームによる分担を示す図である。
【図６】光ビームによる分担を示す図である。
【図７】分担演算の処理を示すフローチャートである。
【図８】分担演算の処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０Ａ，１０Ｂ光ビーム発生装置
１２Ａ，１２Ｂ光ビーム
１２Ａ”，１２Ｂ” 光ビーム
１４Ａ，１４Ｂ変調器
１６Ａ，１６Ｂ偏向手段
３０第１コンピュータ制御手段
３４第２コンピュータ制御手段
４１可動テーブル
４４容器
１００パターン
１００Ａ，１００Ｂエリア

Claims

光硬化性樹脂組成物の表面に複数の光ビームを照射して所望パターンの１層分の光硬化層を形成し、これを多層に亘って順次繰り返して光学的に立体造形する光学的立体造形装置において、
上記パターンを複数のエリアに分割し、
夫々のエリアに対して担当する光ビームを割り当てる制御手段を有し、
いずれかのエリアを担当する光ビームによる照射が完了した場合、この光ビームをほかのエリアに振り向けることを特徴とする光学的立体造形装置。
上記パターンを任意設定した分割線に従い複数のエリアに分割することを特徴とする請求項１記載の光学的立体造形装置。
複数の光ビームが別の光源からの光ビームであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学的立体造形装置。
光硬化性樹脂組成物の表面に複数の光ビームを照射して所望パターンの１層分の光硬化層を形成し、これを多層に亘って順次繰り返して光学的に立体造形する光学的立体造形方法において、
上記パターンを複数のエリアに分割し、
夫々のエリアに対して担当する光ビームを割り当てる段階、及び、
いずれかのエリアを担当する光ビームによる照射が完了した場合、この光ビームをほかのエリアに振り向ける段階を有したことを特徴とする光学的立体造形方法。