JP4626446B2

JP4626446B2 - 光造形装置および光造形方法

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Publication number: JP4626446B2
Application number: JP2005243924A
Authority: JP
Inventors: 公貴諸星; 俊夫寺本
Original assignee: JSR Corp
Current assignee: JSR Corp
Priority date: 2005-08-25
Filing date: 2005-08-25
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2025-08-25
Also published as: JP2007055108A

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装置および光造形方法に関する。

従来の積層造形方法（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２参照）。

特開昭５６−１４４４７８号公報特開昭６２−３５９６６号公報

しかし、必要量の光硬化性樹脂を造形テーブル（以下、単に「テーブル」ともいう。）上に塗布する光造形装置および光造形方法、特に、積層する一層の厚さが５０μｍ以下と薄い場合において、リコータの進行方向前側に溜まった光硬化性樹脂液がリコータが移動するに伴いリコータと造形テーブルとの間に十分に供給されなくなり、立体モデルを精度良く形成できないという問題が発生した。かかる問題点につき図３を用いて説明する。図３は、光造形の様子を示す断面図であり、図３（ａ）は光硬化性樹脂液を造形テーブル上に供給し、塗布を開始した直後の状態を示している。図３（ｂ）はディップした光硬化性樹脂をリコータによって引き伸ばした後を示す。図３では、単純化のため、造形テーブル２０４の上には、まだ１層も硬化樹脂層が形成されていないが、１層以上の硬化樹脂層が形成されている場合においても、図３において造形テーブル２０４の上面を、最上層の硬化樹脂層の上面として見る他は、同様である。
積層する一層の厚さが５０μｍ以下と薄い光造形法の具体例の一つには、例えば、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を用いて、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光造形法が含まれる。

図３（ａ）に示されるように、光硬化性樹脂２１０は、造形テーブル２０４上に供給される。リコータ２０６を図中の矢印の方向に移動させることによって、光硬化性樹脂210を引き伸ばす。この時にリコータ２０６の進行方向前面には、光硬化性樹脂２１０がある程度溜まった状態となる。リコータ２０６に接している樹脂液と、リコータ２０６から離れている部分の樹脂液では、造形テーブルに向かって落下する速度が異なってしまう。（図３（ｃ）参照）。樹脂供給位置に近く、多くの樹脂液がリコータ２０６の進行方向前面に付着している間は、落下速度が遅い位置においても樹脂移動量が大きいため、リコータ２０６と造形テーブル２０４との間に樹脂液が十分に供給され、樹脂の膜厚を保つことが可能である。しかし、リコータ２０６が移動するに従い、その進行方向前面に付着する樹脂液が少なくなり、リコータ２０６表面近傍での樹脂の移動速度が小さいため、樹脂の膜厚が徐々に薄くなってしまう。したがって、図３（ｂ）に示されるように、光硬化性樹脂210が引き伸ばされた状態においては、光硬化性樹脂２１０の厚みが均一にならないという現象が確認された。このような状態において光照射を行なうと、厚さが不均一な硬化樹脂層が形成され、結果として、所望の立体形状を得ることができなかった。

本発明は、これら光造形の抱える課題を解決するためになされたものであり、光造形装置、造形物自体の高安定性、高生産性を確保する事が可能で、積層する一層の厚さが５０μｍ以下と薄い場合においても各層の厚みを高精度に制御でき、高精度の造形を行う事が可能な光造形装置および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装置は、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装置であって、テーブルと、前記テーブル上に前記光硬化性樹脂液を供給するディスペンサと、前記光硬化樹脂をテーブル上に塗布するリコータと、前記リコータの塗布動作時に前記リコータの先端部と前記テーブル上面との距離を増大させる制御部とを有する。なお、このリコータの先端部とテーブル上面との距離は、テーブル上面に平行な方向の移動距離に基づいて増大させることが好ましい。なお、リコータの先端部とテーブル上面との距離を移動距離に基づいて増大させるとは、１回のリコータの掃引の大部分において増大傾向にあればよいことを意味しており、本発明の効果を損なわない程度であれば、１回のリコータの掃引中に当該距離が減少する部分があっても、全体として増大傾向にあればよい。

また、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像を形成する光造形方法であって、テーブル上に前記光硬化性樹脂液を供給する工程と、前記光硬化樹脂液を、リコータの先端部と前記テーブル上面との距離を変化させながら前記テーブル上に塗布する工程とを有する。

本発明の光造形装置および光造形方法により、１つの樹脂層の中で膜厚の差ができてしまうのを防ぐことができ、より高精度な立体モデルの形成が可能となる。

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、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。この光造形装置は、前述の、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を用いて一定の領域毎に（以下、「投影領域」という。）一括露光を繰り返し実行する光造形法を採用する光造形装置である。光造形装置１００は、光源１、デジタルマイクロミラーデバイス（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。また本実施の形態における光造形装置１００は、制御部７内にリコータ６の動作を制御するリコータ動作制御部９を有している。

光源１は、光硬化性樹脂１１を硬化させるための光を発生させる。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。光源１の種類は、光硬化性樹脂の硬化波長との関係において選択されるものであり、本願発明の光造形装置又は光造形方法は、光源１の種類を限定するものではない。

デジタルマイクロミラーデバイス（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１１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１１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、ＤＭＤ２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８倍縮小し、光硬化性樹脂１１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、光硬化性樹脂液１０を収容し、予め定められた量の光硬化性樹脂液１０を所定位置に供給する。

リコータ６は、移動機構を備え、光硬化性樹脂１０を均一に塗布する。ここで、本実施の形態のリコータ６の移動機構は、水平移動及び垂直移動が可能である。

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を制御する。また、制御部７は、リコータ動作制御部９を介してリコータ６の動作も制御する。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。記憶部８として機能す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。

リコータ動作制御部９は、例えば制御部７上で動作するソフトウェアからコントロール可能な部分である。例えば、上記したようなリコータの移動機構がパルス制御モータであれば、このリコータ動作制御部９は、ソフトウェアからのコントロールに応じてパルス信号を生成する装置であればよい。リコータ動作制御部９は、ソフトウェアなどからの指示に応じて、リコータ６の水平方向、垂直方向の移動を制御する信号を生成する。

光硬化性樹脂液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以下（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液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液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、光硬化性樹脂液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。本実施形態では、このリコータ６が光硬化性樹脂液１０を引き伸ばす一回の掃引において、リコータが垂直方向に移動する。具体的には図面右から左に向かっての一回の掃引において、リコータが徐々に上昇する。この垂直方向の移動の詳細などについては、後述する。

光源１から出射したレーザ光線は、ＤＭＤ２に入射する。ＤＭＤ２は制御部７によって制御され、レーザ光線を光硬化性樹脂液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液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液１０に照射されない。光硬化性樹脂液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１１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。このため、一つ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、レーザ光線の照射位置を移動させて照射させる必要がある。例えば、図２に示されるように、光造形の最大サイズ（Ｘ×Ｙ）とすると、これを複数の投影領域（ｘ×ｙ）に分割し、それぞれを１ショットずつレーザ光線の照射を実行していく。光造形の最大サイズは、例えば、Ｘ＝１５０ｍｍ、Ｙ＝１５０ｍｍであり、高さが５０ｍｍである。投影領域のサイズは、例えば、ｘ＝１．８ｍｍ、ｙ＝１．３ｍｍである。このようにして、投影領域を走査しながらレーザ光線の照射を実行することによって、光硬化性樹脂液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層目を形成する。具体的には、１層目として形成された立体モデルの外側にディスペンサ５より供給された光硬化性樹脂液１０を、リコータ６によって１層目の立体モデルの上に、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、必要に応じて加熱して、硬化を更に進行させることができる。

ここで、上記した一回の掃引においてリコータ６の垂直方向の移動について詳細に説明する。リコータ６で樹脂を引き伸ばす場合、樹脂とリコータが接している部分では、テーブルに向かっての樹脂の落下速度が遅く、接していない部分ではテーブルに向かっての樹脂の落下速度が速くなる。そのため、リコータ６が掃引するに伴い、上述したような樹脂の膜厚が徐々に薄くなるといった問題が生じてしまう。そこで、本実施形態においては、このリコータの先端と、テーブルあるいは硬化させた樹脂層表面までの間隔が徐々に大きくなるようにリコータを移動させる。
つまり、各回のリコータによる樹脂の塗布開始時に、最もテーブル（あるいは樹脂層表面）とリコータ６の間隔が狭く、その後、リコータ６を徐々に上昇させながら、テーブル面と平行な水平方向にも移動させる。このように１回の掃引においてリコータを上昇させることにより、膜厚を維持できるように制御する。

図２は、本発明の第１の実施の形態におけるリコータの先端とテーブル（あるいは樹脂表面層）の間隔と、ブレードの移動距離の関係を示す図である。図２に示すように第１の実施の形態においては、リコータと樹脂が接触した部分Ａ（樹脂の塗布開始地点）から樹脂の引き伸ばしを終了する地点Ｂ（塗布終了地点）に向かって、徐々に上昇するようにリコータを制御する。この上昇のさせ方は、樹脂の粘度、樹脂の量、種類などに応じて種々の変形が可能であるが、例えばリコータの先端とテーブルあるいは硬化させた樹脂層表面までの間隔（ｙ）が、リコータの移動距離（ｘ）の二次関数となるように、リコータを上昇させることなどが可能である。この場合の二次関数とは、一般に、ｘ＝αｙ^２＋βｙ＋γで表される。式中、αは正の定数、βはゼロ以上の定数、γは樹脂の塗布開始時におけるｙの初期値であり、ゼロ以上の定数である。α、βおよびγは、前述のように、樹脂の粘度、樹脂の量、種類などに応じて適宜決定することができる。このような二次関数とすることにより、ｙは、ｘが増加するに伴い増加傾向となる。また、装置の構成や制御の容易性を考慮して、ステップ状、直線状に上昇させても良い。図２には、ステップ状にリコータを上昇させた場合の様子を示している。ステップ状とする場合において、１回のリコータの掃引に含まれるステップの数や、リコータの先端とテーブルあるいは硬化させた樹脂層表面までの間隔の、各ステップ毎の増加量は、本願発明の効果を損なわない範囲で適宜決定することができる。また、リコータの先端とテーブルあるいは硬化させた樹脂層表面までの間隔をステップ状に増大させる場合においても、１回のリコータの掃引全体としては、前述の二次関数状に増大していることが好ましい。

本実施の形態における、このリコータの動作は例えば記憶部８に、樹脂の量、種類、形成する層などに応じて垂直方向の移動を設定するパラメータなどを用意することで実現することが可能である。例えば、塗布しようとする樹脂層に合わせて、制御部７が、記憶部８に記憶されたパラメータから垂直方向の移動に関する情報を読み取り、ソフトウェアを処理する上でリコータ動作制御部９がリコータを垂直方向に移動させることで実現が可能である。また、制御部７の外部入力機器から垂直方向の移動に関するパラメータを入力し、それに基づいてリコータが動作する構成としても良い。

以上詳細に説明したように、樹脂を塗布する一回の掃引において、リコータの垂直方向の移動を行うことにより、光硬化樹脂層を多層に重ねて立体モデルを形成する際の各層を均一に形成することが可能となる。よって、より高精度な立体モデルを形成することが可能となる。

また、本実施の形態ではリコータを一回の掃引において上昇させる例を示したが、その他の制御を複数同時に行うことも可能である。例えば一回の掃引においてリコータの移動速度を変化させながら、上記の動作を行う。あるいは、リコータのブレードのテーブル面に対しての角度を変化させながら、上記の動作を行うことなども可能である。

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にかかるリコータの水平方向と垂直方向の移動距離とを示す図である。従来の光造形装置における樹脂膜厚の変化を示す図である。

符号の説明

１光源
２ＤＭＤ
３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リコータ動作制御部
１０樹脂液
１１硬化樹脂
１００光造形装置
２０４造形テーブル
２０６リコータ
２１０光硬化性樹脂

Claims

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、該硬化樹脂層上にさらに前記光硬化性樹脂液を塗布して、前記光照射により硬化樹脂層を形成するサイクルを繰り返すことにより、該硬化樹脂層を順次積層して立体像を形成する光造形装置であって、
テーブルと、
前記テーブル上に前記光硬化性樹脂液を供給するディスペンサと、
前記光硬化樹脂を塗布するリコータと、
前記リコータの塗布動作時に、前記リコータの前記テーブル上面に対する平行な方向の移動距離に基づいて、前記リコータの先端部と前記テーブル上面との距離を増大させる制御部とを有する光造形装置。
前記制御部は、前記リコータの先端部と前記テーブル上面との距離を、前記リコータの前記テーブル上面に平行な方向の移動距離の二次関数として増大させることを特徴とする請求項１に記載の光造形装置。
前記制御部は、前記リコータの前記テーブル上面に平行な方向の移動距離に基づいて、前記リコータの先端部と前記テーブル上面との距離をステップ状に変化させることを特徴とする請求項１に記載の光造形装置。
前記制御部は、前記リコータの前記テーブル上面に平行な方向の移動距離に基づいて、前記リコータの先端部と前記テーブル上面との距離を直線状に変化させることを特徴とする請求項１に記載の光造形装置。
前記サイクル毎に形成する硬化樹脂層の厚さが２〜１０μｍである、請求項１〜４のいずれか一に記載の光造形装置。
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であって、
テーブル上に前記光硬化性樹脂液を供給する工程と、
前記光硬化樹脂液を、前記リコータの先端部と前記テーブル上面との距離を当該リコータの前記テーブル上面に対する平行な方向の移動距離に基づいて増大させながら塗布する工程とを有する光造形方法。
前記リコータの先端部と前記テーブル上面との距離は、前記リコータの前記テーブル上面に対する平行な方向の移動距離の二次関数として増大させることを特徴とする請求項６に記載の光造形方法。
前記リコータの先端部と前記テーブル上面との距離は、当該リコータの前記テーブル上面に平行な方向の移動距離に基づいてステップ状に変化することを特徴とする請求項６に記載の光造形方法。
前記リコータの先端部と前記テーブル上面との距離は、当該リコータの前記テーブル上面に平行な方向の移動距離に基づいて直線状に変化することを特徴とする請求項６に記載の光造形方法。
請求項４に記載の光造形方法は、さらに、
前記リコータの先端部と前記テーブル上面との距離変化に関するパラメータを読み出す工程とを有することを特徴とする請求項６に記載の光造形方法。
前記サイクル毎に形成する硬化樹脂層の厚さが２〜１０μｍである、請求項６〜１０のいずれか一に記載の光造形方法。
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することを特徴とする請求項１１に記載の光造形方法