JP5234319B2

JP5234319B2 - 光造形装置および光造形方法

Info

Publication number: JP5234319B2
Application number: JP2008010082A
Authority: JP
Inventors: 勝久本田; 信宏木原; 淳一葛迫
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2008-01-21
Filing date: 2008-01-21
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2028-01-21
Also published as: US20090184444A1; JP2009166447A; US20120205826A1; US8226394B2; US20110001272A1

Description

本発明は、光造形装置および光造形方法に関し、特に、より高精度の立体モデルを造形することができるようにした光造形装置および光造形方法に関する。

光造形装置は、立体モデルの３次元形状を所定の厚さに積層方向に輪切り状にスライスした断面形状のデータ（以下、断面形状データという）に応じた光を、光硬化性樹脂の表面に照射して硬化層を形成し、その硬化層を積層することにより立体モデルを光造形する。

この光造形において、立体モデルの精細度が高まると、それまで誤差範囲として許容されていたミクロンオーダの微小な未硬化（詳細は後述する）や半硬化の光硬化性樹脂の存在を無視することができなくなる。

そこで、造形後に立体モデルの表面に残存する未硬化の光硬化性樹脂を除去し (例えば、特許文献１および２参照)、立体モデルの精度を向上させることが考えられる。なお、未硬化の光硬化性樹脂とは、半硬化はしていないが、その原因となり得る露光された光硬化性樹脂のことを指す。

特開２００７−２９１３９３号公報特開２００７−７６０９０号公報

しかしながら、未硬化や半硬化の光硬化性樹脂は、1層分の硬化層が形成されるたびに発生するため、未硬化や半硬化の光硬化性樹脂が残存する状態で硬化層が積層されると、立体モデルの精度を充分に向上させることは困難であった。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、より高精度の立体モデルを造形することができるようにするものである。

本発明の一側面の光造形装置は、立体モデルの断面形状データに応じた光を光硬化性樹脂の表面に照射して硬化層を形成し、前記硬化層を積層することにより、前記立体モデルを造形する光造形装置において、前記光硬化性樹脂を収容する収容容器と、前記光硬化性樹脂の表面に垂直な方向に移動可能な移動台と、前記収容容器内の前記光硬化性樹脂の表面に光を放射することにより、前記移動台上に前記硬化層を形成する光学系と、次の硬化層が積層される前に、前記移動台上に形成されている硬化層の表面に新たな光硬化性樹脂を噴射する噴射機構と、前記噴射機構による噴射中に、前記移動台を超音波振動させる振動機構とを備える。

本発明の一側面の光造形装置は、前記噴射機構による噴射中に、前記収容容器の端部の温度を上昇または下降させ、前記収容容器内の前記光硬化性樹脂に対流を発生させる温度調整機構をさらに設けることができる。

本発明の一側面の光造形装置は、次の硬化層が積層される前に、前記収容容器内の前記光硬化性樹脂を入れ替える入れ替え機構をさらに設けることができる。

本発明の一側面の光造形方法は、立体モデルの断面形状データに応じた光を光硬化性樹脂の表面に照射して硬化層を形成し、前記硬化層を積層することにより、前記立体モデルを造形する光造形装置の光造形方法において、前記光硬化性樹脂を収容する収容容器内の前記光硬化性樹脂の表面に光を放射することにより、前記光硬化性樹脂の表面に垂直な方向に移動可能な移動台上に前記硬化層を形成し、次の硬化層が積層される前に、前記移動台上に形成されている硬化層の表面に新たな光硬化性樹脂を噴射し、前記光硬化性樹脂の噴射中に、前記移動台を超音波振動させるステップを含む。

本発明の一側面の光造形方法は、前記光硬化性樹脂の噴射中に、前記収容容器の端部の温度を上昇または下降させ、前記収容容器内の前記光硬化性樹脂に対流を発生させるステップをさらに含むことができる。

本発明の一側面の光造形方法は、次の硬化層が積層される前に、前記収容容器内の前記光硬化性樹脂を入れ替えるステップをさらに含むことができる。

本発明の一側面においては、光硬化性樹脂を収容する収容容器内の光硬化性樹脂の表面に光が放射されることにより、光硬化性樹脂の表面に垂直な方向に移動可能な移動台上に硬化層が形成され、次の硬化層が積層される前に、移動台上に形成されている硬化層の表面に新たな光硬化性樹脂が噴射され、光硬化性樹脂の噴射中に、移動台が超音波振動される。

以上のように、本発明の一側面によれば、より高精度の立体モデルを造形することができる。

図１は、本発明を適用した光造形装置３０の一実施の形態の外観構成を簡略的に示している。

図１の光造形装置３０は、対物レンズ３１Ａを有する光学系３１、XYステージ３２、駆動部３３、収容容器３４、ガラス窓３５、液状のレジンなどの紫外線硬化樹脂３６、バルブ３７、ノズル３８、YZステージ３９、および駆動部４０により構成される。

光造形装置３０は、収容容器３４に収容された紫外線硬化樹脂３６の液面をガラス窓３５で規制し、断面形状データに応じて、紫外線硬化樹脂３６にガラス窓３５を介して紫外光を照射することにより、規制液面法で光造形を行う。なお、ここでは、紫外線硬化樹脂３６の液面とは、紫外光が照射される紫外線硬化樹脂３６の表面のことを指す。

光造形装置３０において、光学系３１は、紫外光を紫外線硬化樹脂３６に照射する対物レンズ３１Ａを有し、XYステージ３２上に配置されている。光学系３１は、対物レンズ３１Ａからガラス窓３５を介して、紫外線硬化樹脂３６の液面の断面形状データに応じた形状の領域を所定の矩形領域（以下、露光小領域という）単位で露光する。

XYステージ３２は、駆動部３３により、x方向またはy方向に移動する。なお、x方向とy方向は、紫外線硬化樹脂３６の液面に平行な方向であり、x方向とy方向は直交する。

駆動部３３は、後述する制御装置１２０（図５）の制御により、x方向に所定の距離だけXYステージ３２を順次移動させることにより、露光小領域をx方向に走査する。この後、駆動部３３は、制御装置１２０の制御により、x方向およびy方向に所定の距離だけXYステージ３２を移動させることにより、y方向に並ぶ次の走査ラインの開始位置に露光小領域を移動させる。そして、駆動部３３は、制御装置１２０の制御により、露光小領域をx方向に再度走査する。

以上のようにして走査ラインが順次走査され、断面形状データに応じて、x方向およびy方向にそれぞれ所定の数だけ並べられた露光小領域からなるワーク領域が露光されることにより、紫外線硬化樹脂３６の1層分の断面形状データに対応する形状の領域が露光され、1層分の硬化層４１がガラス窓３５とYZステージ３９の間に形成される。

このように、光造形装置３０は、露光小領域をx方向およびy方向にタイルのように敷き詰めることにより、ワーク領域を露光する。従って、ここでは、光造形装置３０の光造形方式を、露光小領域とワーク領域が同一である従来のビームスキャン方式や一括露光方式と区別するため、タイリング方式という。

収容容器３４は、対物レンズ３１Ａの上部に配置され、収容容器３４の底部には、ガラス窓３５が設けられている。収容容器３４には、紫外線硬化樹脂３６が収容される。なお、図１では、説明の便宜上、収容容器３４の内部を透視することができるように表現されている。

バルブ３７は、複数の穴部３８Ａを有するノズル３８に接続されており、制御装置１２０の制御により、ノズル３８への紫外線硬化樹脂３６の供給を制御する。ノズル３８は、外部から供給される新たな紫外線硬化樹脂３６を穴部３８Ａから噴射する。これにより、YZステージ３９上に形成された硬化層４１が、ノズル３８の上部に配置されると、その硬化層４１の表面付近の紫外線硬化樹脂３６が、噴射された新たな紫外線硬化樹脂３６によって循環され、硬化層４１の表面に付着している未硬化や半硬化の紫外線硬化樹脂３６（以下、残存樹脂という）が除去される。

YZステージ３９は、収容容器３４に収容された紫外線硬化樹脂３６に浸漬され、駆動部４０の制御により、y方向およびz方向に移動する。なお、z方向とは、紫外線硬化樹脂３６の液面に垂直な方向である。

駆動部４０は、制御装置１２０の制御により、1層分の断面形状データに対応する露光が終了するごとに、YZステージ３９をz方向に移動させて、ガラス窓３５とYZステージ３９の間に形成されている硬化層４１をガラス窓３５から剥離する。

そして、駆動部４０は、YZステージ３９をy方向およびz方向に移動させて、YZステージ３９上に形成されている硬化層４１をノズル３８の上部に配置させる。その結果、硬化層４１の表面に付着している残存樹脂が除去される。

その後、駆動部４０は、制御装置１２０の制御により、YZステージ３９のy方向の位置を戻し、さらにガラス窓３５と形成された硬化層４１との間の距離が1層分の硬化層の厚みとなるように、YZステージ３９をz方向に移動させる。これにより、残存樹脂が除去された硬化層４１に、新たな硬化層を積層することができる。その結果、高精度の立体モデルを造形することができる。

また、駆動部４０は、制御装置１２０の制御により、ノズル３８による紫外線硬化樹脂３６の噴射中に、YZステージ３９を所定の時間だけ超音波振動させる。これにより、ノズル３８による残存樹脂の除去が促進される。

次に、図２と図３を参照して、図１の光造形装置３０における残存樹脂の除去について説明する。

図２は、図１中上側から見た収容容器３４の周辺の構成を示し、図３は、図１中手前側から見た収容容器３４の周辺の構成を簡略的に示している。

硬化層４１の形成中、YZステージ３９は、図２に示すように、複数の穴部３８Ａがxy平面内に等間隔で並べられたノズル３８より図２中下側の所定の位置に配置される。そして、光学系３１により紫外線硬化樹脂３６が露光され、図３Ａに示すように、YZステージ３９とガラス窓３５の間には、硬化層４１が形成される。このとき、硬化層４１に対応する露光したい領域付近の露光したくない領域にも弱い紫外光が照射されてしまうため、図３Ａに示すように、硬化層４１の凹部の表面には、残存樹脂６１が付着する。なお、図３Ａにおいては、硬化層４１の形成に関係する部分のみが図示されている。

1層分の硬化層４１が形成されると、YZステージ３９はz方向に移動し、硬化層４１をガラス窓３５から剥離する。そして、YZステージ３９は、y方向およびｚ方向に移動し、図３Ｂに示すように、YZステージ３９上に形成された硬化層４１をノズル３８の上部に配置させる。このとき、ノズル３８が、バルブ３７の制御により外部から供給された紫外線硬化樹脂３６を穴部３８Ａから噴射するとともに、YZステージ３９が、所定の時間だけ超音波振動する。これにより、硬化層４１の表面に付着されている残存樹脂６１が除去される。なお、図３Ｂにおいては、残存樹脂６１の除去に関係する部分のみが図示されている。

残存樹脂６１の除去が終了すると、制御装置１２０の制御により、図２に示すように、収容容器３４の底部に設けられた排出管５１のバルブ５１Ａが開放され、硬化層４１の形成に使用されずに残った収容容器３４内の紫外線硬化樹脂３６が排出される。その後、制御装置１２０の制御により、図２に示すように、収容容器３４の上部に設けられた注入管５２のバルブ５２Ａが開放され、収容容器３４内に次の1層分の硬化層を形成するために必要な紫外線硬化樹脂３６が注入される。

このように、光造形装置３０は、次の硬化層が積層される前に、紫外線硬化樹脂３６を入れ替えるので、硬化層４１の形成時に、それ以前に発生した露光したくない領域に存在する未硬化の紫外線硬化樹脂３６に紫外光が照射され、その紫外線硬化樹脂３６が半硬化することを防止することができる。

一方、YZステージ３９は、y方向に移動して、硬化層４１の形成時のy方向の位置に戻り、z方向に移動して、ガラス窓３５と硬化層４１との間の距離が、次に形成される硬化層の1層分の厚みとなる位置に配置される。そして、光学系３１により、新たに注入された紫外線硬化樹脂３６を用いて新たな硬化層が形成され、前回の硬化層４１に積層される。その後、上述したように、残存樹脂の除去並びに紫外線硬化樹脂３６の排出および注入が行われる。以上が繰り返されることにより、残存樹脂が除去された硬化層が積層され、高精度の立体モデルが造形される。

図４は、図１の光学系３１の構成例を示している。

図４の光学系３１は、対物レンズ３１Ａ、一括露光光学系７１、ビームスキャン光学系７２、偏光ビームスプリッタ７３、および駆動部７４により構成される。

一括露光光学系７１は、収容容器３４に収容された紫外線硬化樹脂３６の液面の露光小領域を一括して露光する一括露光を行うための光学系であり、光源８１、シャッタ８２、偏光板８３、ビームインテグレータ８４、ミラー８５、空間光変調器８６、集光レンズ８７、および駆動部８８から構成される。

光源８１としては、例えば、高出力な青色LED（Light Emitting Diode）をアレイ状に配置したものを用いることができる。なお、光源８１としては、後述するビームスキャン用の光源９１と異なり、コヒーレントなレーザ光源を用いる必要はない。光源８１は、制御装置１２０の制御により、一括露光を行うための紫外光を放射する。

シャッタ８２は、制御装置１２０の制御により、光源８１から放射される紫外光の通過または遮蔽を制御することにより、一括露光光学系７１による露光のオン／オフを制御する。

偏光板８３は、シャッタ８２を通過した紫外光を所定の偏光光とする。即ち、偏光板８３は、空間光変調器８６が、光源８１からの紫外光を空間変調することができるように、その光を偏光する。

ビームインテグレータ８４は、偏光板８３により偏光された紫外光を均一化する。ビームインテグレータ８４としては、複数のレンズエレメントを配列してなるフライアイタイプや、四角柱等の柱状のロッドレンズの内部を全反射させるライトロッドタイプなどの一般的なものが用いられる。

ミラー８５は、ビームインテグレータ８４により均一化された紫外光を空間光変調器８６に向かって反射させる。

空間光変調器８６は、例えば、透過型の液晶パネルからなり、ミラー８５により反射された紫外光が、断面形状データに応じた形状で、露光小領域単位で紫外線硬化樹脂３６の液面に投影されるように、その紫外光の一部を空間変調する。

即ち、空間光変調器８６は、制御装置１２０から入力される、液晶パネルの各画素を制御する駆動信号に基づいて、投影しようとする断面形状データに応じた露光小領域単位の形状の画像に対応して、画素ごとに液晶の分子の配列を変えて透過する偏光方向を変化させることで通過する紫外光を空間変調する。

その結果、紫外線硬化樹脂３６の液面の露光小領域への紫外光の照射が、断面形状データに応じた露光小領域単位の形状に対応して、液晶パネルの1画素に対応する矩形の領域（以下、露光単位領域という）ごとにオン/オフされ、露光小領域内の紫外光の照射がオンとされる露光単位領域に一括して紫外光が照射される。これにより、紫外線硬化樹脂３６の液面の露光小領域に、断面形状データに応じた露光小領域単位の形状の紫外光が照射される。

なお、空間光変調器８６は、透過型の液晶パネルではなく、入力信号に応じて傾き角度が変化する微小な反射ミラーが画素ごとに配列されることにより構成されるDMD、反射型液晶素子（LCOS（Liquid crystal on silicon））などにより構成されるようにしてもよい。

集光レンズ８７は、空間光変調器８６と偏光ビームスプリッタ７３との間に設けられ、対物レンズ３１Ａとともに、空間光変調器８６で空間変調された紫外光を紫外線硬化樹脂３６上に結像するための投影光学系として機能する。

また、集光レンズ８７は、空間光変調器８６により空間変調された紫外光が対物レンズ３１Ａを通過する際のディストーションを補正するためのレンズ群により構成され、投影光学系として機能するとともに、ディストーションを低減させることができる。

例えば、集光レンズ８７は、集光レンズ８７と対物レンズ３１Ａとが対称光学系となるように、それぞれのレンズ群を構成することで、空間光変調器８６により空間変調された紫外光を、偏光ビームスプリッタ７３の反射透過面７３Ａ上の対物レンズ３１Ａの前側焦点位置に集光し、これによりディストーションを低減する。

駆動部８８は、後述するビームスキャン光学系７２の反射光モニタ部１０１により検出される戻り光に基づく制御装置１２０の制御により、空間光変調器８６を光軸方向であるz方向に駆動し、一括露光光学系７１から紫外線硬化樹脂３６の液面に照射される紫外光のフォーカスを調整する。

ビームスキャン光学系７２は、収容容器３４に収容された紫外線硬化樹脂３６の液面の露光小領域内を、レーザを走査させてビームスキャン露光を行うための光学系であり、光源９１、コリメータレンズ９２、アナモルフィックレンズ９３、ビームエキスパンダ９４、ビームスプリッタ９５、シャッタ９６、ガルバノミラー９７および９８、リレーレンズ９９および１００、並びに反射光モニタ部１０１から構成される。

光源９１は、例えば、青から紫外域程度の比較的波長の短い紫外光のレーザを放射する半導体レーザにより構成される。光源９１は、制御装置１２０の制御により、ビームスキャン光学系７２によりビームスキャンを行うための紫外光のレーザの光ビームを放射する。なお、光源９１としては、半導体レーザ以外に、ガスレーザなどを用いてもよい。

コリメータレンズ９２は、光源９１から放射される光ビームの発散角を変換して略平行光とする。アナモルフィックレンズ９３は、コリメータレンズ９２により略平行光とされた楕円形状の光ビームを整形して略円形状にする。

ビームエキスパンダ９４は、複数のレンズを有しており、アナモルフィックレンズ９３により略円形状にされた光ビームの直径であるビーム径を、対物レンズ３１Ａの開口、ＮＡ（開口数）等に適した所望のビーム径に変換してビーム径のサイズ調整を行う。

ビームスプリッタ９５は、光源９１から照射される光ビームを透過させて、収容容器３４に収容された紫外線硬化樹脂３６に向かわせるとともに、紫外線硬化樹脂３６で反射され、各光学系を通過してくる戻り光を、反射光モニタ部１０１に向かって反射する。

シャッタ９６は、制御装置１２０の制御により、ビームスプリッタ９５を透過した光ビームの通過または遮蔽を制御し、ビームスキャン光学系７２によるビームスキャン露光のオン／オフを制御する。なお、シャッタ９６を設けて、光ビームの通過または遮断を制御して、ビームスキャン露光のオン/オフを制御するのではなく、光源９１における光ビームの放射の直接変調を制御して、ビームスキャン露光のオン/オフを制御するようにしてもよい。

ガルバノミラー９７および９８は、所定の方向に回転可能とされたミラーなどの反射部（図示せず）と、制御装置１２０の制御により反射部の回転方向の角度を調整する調整部（図示せず）とを有し、調整部が反射部の角度を調整することで、反射部により反射される光ビームを、紫外線硬化樹脂３６の液面の露光小領域内でx方向またはy方向に走査させる。

具体的には、ガルバノミラー９７は、シャッタ９６を透過した光ビームを、ガルバノミラー９８に向かって反射させるとともに、紫外線硬化樹脂３６の液面の露光小領域内でx方向に走査させる。ガルバノミラー９８は、ガルバノミラー９７により反射された光ビームを、偏光ビームスプリッタ７３に向かって反射させるとともに、紫外線硬化樹脂３６の液面のy方向に走査させる。

なお、光学系３１において、ガルバノミラー９７および９８の代わりに、ポリゴンミラーなどを設けるようにしてもよい。

リレーレンズ９９および１００は、1つまたは複数のレンズを有するレンズ群からなる。リレーレンズ９９は、ガルバノミラー９７により光ビームがスキャンされるスキャン角度にわたり、平行入射光ビームを平行に出射し、ガルバノミラー９７で反射された光ビームを、ガルバノミラー９８上に結像する。リレーレンズ１００は、ガルバノミラー９８により光ビームがスキャンされるスキャン角度にわたり、平行入射光ビームを平行に出射し、ガルバノミラー９８で反射された光ビームを、偏光ビームスプリッタ７３の反射透過面７３Ａ上に結像する。

このように、ガルバノミラー９７とガルバノミラー９８との間にリレーレンズ９９を設け、ガルバノミラー９８と偏光ビームスプリッタ７３との間にリレーレンズ１００を設けることで、ガルバノミラー９７とガルバノミラー９８が近接する位置に配置されていない場合であっても、偏光ビームスプリッタ７３の反射透過面７３Ａ上に光ビームを結像させることができる。

反射光モニタ部１０１は、紫外線硬化樹脂３６の液面で反射された戻り光を、例えば、非点収差法や三角測量法を用いて検出し、制御装置１２０に入力する。

偏光ビームスプリッタ７３は、一括露光光学系７１からの紫外光と、ビームスキャン光学系７２からの光ビームとを合成し、それらの光を紫外線硬化樹脂３６に導く。なお、偏光ビームスプリッタ７３は、その反射透過面７３Ａが、対物レンズ３１Ａの前側焦点位置に一致するように配置されている。

対物レンズ３１Ａは、1または複数のレンズを有するレンズ群からなり、一括露光光学系７１からの紫外光を紫外線硬化樹脂３６の液面に結像させるとともに、ビームスキャン光学系７２からの光ビームを集光する。

また、対物レンズ３１Ａは、ビームスキャン光学系７２のガルバノミラー９７および９８により偏光された光ビームが、紫外線硬化樹脂３６の液面の露光小領域内において等速度で走査されるように、即ち、紫外線硬化樹脂３６の液面において均一な走査速度で走査されるように構成されている。

例えば、対物レンズ３１Ａとしては、入射角θに比例した像高Yを有し、焦点距離fと入射角θとの積が像高Yとなるような関係（Y=f×θ）を有する、いわゆるfθレンズが用いられる。この場合、光ビームの走査速度が、対物レンズ３１Ａへの入射位置によらず常に一定となるため、走査速度がばらつくことにより設計形状と実際の硬化層の形状とに違いが発生することを防止し、高精度の造形を行うことができる。

駆動部７４は、ビームスキャン光学系７２の反射光モニタ部１０１により検出される戻り光に基づく制御装置１２０の制御により、対物レンズ３１Ａをz方向に駆動し、ビームスキャン光学系７２から紫外線硬化樹脂３６の液面に照射される光ビームのフォーカスを調整する。具体的には、駆動部７４は、対物レンズ３１Ａの後側焦点位置が、収容容器３４内の紫外線硬化樹脂３６の液面に一致するように、対物レンズ３１Ａをz方向に駆動する。

図５は、図１の光造形装置３０の各部を制御する制御装置１２０のハードウェア構成例を示している。

図５の制御装置１２０において、CPU（Central Processing Unit）１２１，ROM（Read Only Memory）１２２，RAM（Random Access Memory）１２３は、バス１２４により相互に接続されている。

バス１２４には、さらに、入出力インタフェース１２５が接続されている。入出力インタフェース１２５には、キーボード、マウス、マイクロホンなどよりなる入力部１２６、ディスプレイ、スピーカなどよりなる出力部１２７、ハードディスクや不揮発性のメモリなどよりなる記憶部１２８、ネットワークインタフェースなどよりなり、光造形装置３０と通信を行う通信部１２９、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、或いは半導体メモリなどのリムーバブルメディア１３１を駆動するドライブ１３０が接続されている。

記憶部１２８には、例えば、CADで作成された立体モデルの３次元形状データを、立体モデルの表面が小さな三角形の面で表現されるフォーマットであるSTL（Stereo Lithography）に変換するプログラムや、STLに変換された３次元形状データから立体モデルの断面形状データを作成するプログラム、立体モデルの断面形状データに基づいて、一括露光光学系７１およびビームスキャン光学系７２を制御するプログラムが記憶されている。

このような制御装置１２０では、CPU１２１が、例えば、記憶部１２８に記憶されているプログラムを、入出力インタフェース１２５およびバス１２４を介して、RAM１２３にロードして実行し、通信部１２９を介して、光造形装置３０の各部を制御することで、光造形装置３０に光造形を実行させる。

例えば、制御装置１２０のCPU１２１は、入力部１２６からの入力に応じて、光源８１または光源９１から放射する紫外光の強度などを決定し、それを制御するための制御信号を、通信部１２９を介して光源８１または９１に入力する。CPU１２１は、入力部１２６からの入力に応じて、露光のオン/オフを制御するための制御信号を、通信部１２９を介してシャッタ８２または９６に入力する。

また、CPU１２１は、断面形状データに応じて、断面形状データに対応する露光小領域単位の形状の画像が表示されるように、液晶パネルの各画素を制御する駆動信号を、通信部１２９を介して空間光変調器８６に入力する。

さらに、CPU１２１は、反射光モニタ部１０１から通信部１２９を介して入力された戻り光に基づいて、空間光変調器８６をz方向に駆動するための制御信号を、通信部１２９を介して駆動部８８に入力したり、対物レンズ３１Ａをz方向に駆動するための制御信号を通信部１２９を介して駆動部７４に入力したりする。

また、CPU１２１は、断面形状データに応じて、断面形状データに対応する露光小領域単位の形状が露光されるように、ガルバノミラー９７および９８の反射部の角度を調整するための制御信号を、通信部１２９を介してガルバノミラー９７および９８に入力する。

さらに、CPU１２１は、所定のタイミングで、XYステージ３２をx方向に所定の距離だけ移動させるための制御信号を、通信部１２９を介して駆動部３３に入力し、露光小領域をx方向に走査させる。そして、露光小領域のx方向の走査が終了すると、CPU１２１は、次の走査ラインの開始位置に露光小領域を移動させるための制御信号を、通信部１２９を介して駆動部３３に入力する。

また、CPU１２１は、1層分の断面形状データに対応する露光が終了するごとに、YZステージ３９をz方向に所定の距離だけ移動させるための制御信号を、通信部１２９を介して駆動部４０に入力する。これにより、ガラス窓３５とYZステージ３９との間に形成された硬化層４１が、ガラス窓３５から剥離される。その後、CPU１２１は、硬化層が形成されたYZステージ３９をノズル３８の上部に移動させるための制御信号を、通信部１２９を介して駆動部４０に入力する。そして、CPU１２１は、YZステージ３９のy方向の位置を元に戻し、ガラス窓３５と形成された硬化層４１との間の距離が、次に形成される硬化層の1層分の厚みとなるように、YZステージ３９をz方向に移動させるための制御信号を、通信部１２９を介して駆動部４０に入力する。

さらに、CPU１２１は、所定のタイミングで、バルブ３７の開放を制御するための制御信号を、通信部１２９を介してバルブ３７に入力するとともに、YZステージ３９を超音波振動させるための制御信号を、通信部１２９を介して駆動部４０に入力する。また、CPU１２１は、図２のバルブ５１Ａまたは５２Ａの開放を制御するための制御信号を、通信部１２９を介してバルブ５１Ａまたは５２Ａに入力する。

次に、図６を参照して、図５のCPU１２１による造形処理について説明する。この造形処理は、例えば、ユーザが入力部１２６を操作することにより、造形を指示したとき、開始される。

ステップＳ１１において、CPU１２１は、入力部１２６からの入力に応じて、ユーザにより指定された立体モデルの３次元形状データを、造形する立体モデルの３次元形状データとして選択する。そして、CPU１２１は、その３次元形状データから断面形状データを作成する。

ステップＳ１２において、CPU１２１は初期設定を行う。具体的には、例えば、CPU１２１は、駆動部３３と４０を制御し、XYステージ３２とYZステージ３９の位置を原点に移動させる。また、CPU１２１は、紫外光および光ビームの強度を制御するための制御信号を光源８１および９１に入力し、その制御信号に対応して光源８１が出射する紫外光および光源９１が出射する光ビームの強度を測定する。さらに、CPU１２１は、図２のバルブ５２Ａを所定の時間開放し、1層分の硬化層を形成するために必要な紫外線硬化樹脂３６を収容容器３４に注入する。

ステップＳ１３において、CPU１２１は、駆動部３３と４０を制御し、XYステージ３２とYZステージ３９を、予め設定された造形の開始位置に移動させる。ステップＳ１４において、CPU１２１は、駆動部４０を制御し、YZステージ３９を微速でz方向に下降させる。

ステップＳ１５において、CPU１２１は、駆動部４０を制御し、ガラス窓３５の上面付近で、YZステージ３９を停止させる。

ステップＳ１６において、CPU１２１は、駆動部４０を制御し、YZステージ３９を、最初に形成する硬化層４１の1層分の厚みだけ上昇させる。ステップＳ１７において、CPU１２１は、1層分の硬化層を造形する1層造形処理を行う。この1層造形処理の詳細については、図７のフローチャートを参照して後述する。

ステップＳ１８において、CPU１２１は、駆動部４０を制御し、YZステージ３９を所定の距離だけz方向に上昇させる。これにより、ガラス窓３５とYZステージ３９の間に形成された硬化層が、ガラス窓３５から剥離される。

ステップＳ１９において、CPU１２１は、駆動部４０を制御し、YZステージ３９を所定の距離だけy方向およびｚ方向に移動させ、YZステージ３９上に形成されている硬化層をノズル３８の上部に配置させる。ステップＳ２０において、CPU１２１は、バルブ３７を制御して、所定の時間だけノズル３８に紫外線硬化樹脂３６を供給することにより、所定の時間だけノズル３８から紫外線硬化樹脂３６を噴射させるともに、駆動部４０を制御して、所定の時間だけYZステージ３９を超音波振動させる。これにより、硬化層の表面に付着している残存樹脂が除去される。

ステップＳ２１において、CPU１２１は、バルブ５１Ａ（図２）を制御し、所定の時間だけバルブ５１Ａを開放させることにより、収容容器３４内に残った紫外線硬化樹脂３６を排出管５１から排出する。

ステップＳ２２において、CPU１２１は、積層を終了するか、即ち、ステップＳ１１で選択された３次元形状データに対応する層数だけステップＳ１７の処理が行われたかを判定する。ステップＳ２２で、積層を終了しないと判定された場合、即ちステップＳ１１で選択された３次元形状データに対応する形状の立体モデルがまだ造形されていない場合、ステップＳ２３において、CPU１２１は、バルブ５２Ａを制御し、所定の時間だけバルブ５２Ａを開放させることにより、1層分の硬化層を形成するために必要な紫外線硬化樹脂３６を注入管５２から収容容器３４に注入する。

ステップＳ２４において、CPU１２１は、駆動部３３を制御し、XYステージ３２を造形の開始位置に再度移動させる。ステップＳ２５において、CPU１２１は、駆動部４０を制御し、ガラス窓３５の上面と、YZステージ３９上に形成された硬化層の底面との距離が、次に形成される硬化層の1層分の厚みになるように、YZステージ３９をz方向に移動させる。そして、処理はステップＳ１７に戻り、積層を終了すると判定されるまで、ステップＳ１７乃至Ｓ２５の処理が繰り返される。これにより、硬化層が積層される。

一方、ステップＳ２２で、積層を終了すると判定された場合、即ち、ステップＳ１１で選択された３次元形状データに対応する形状の立体モデルが造形された場合、ステップＳ２６において、CPU１２１は、駆動部３３と４０を制御し、XYステージ３２とYZステージ３９の位置を原点に移動させ、処理は終了する。

次に、図７を参照して、図６のステップＳ１７の1層造形処理について説明する。

ステップＳ４１において、CPU１２１は、各部を制御し、一括露光光学系７１からの紫外光またはビームスキャン光学系７２からの光ビームで、収容容器３４に収容された紫外線硬化樹脂３６の液面を露光小領域単位で露光させる。ステップＳ４２において、CPU１２１は、ステップＳ４１の処理を所定の回数（例えば、ワーク領域内のx方向に並ぶ露光小領域の数）だけ繰り返したかを判定する。

ステップＳ４２で、まだステップＳ４１の処理を所定の回数だけ繰り返していないと判定された場合、ステップＳ４３において、CPU１２１は、駆動部３３に制御信号を入力することにより、露光小領域のx方向の長さだけXYステージ３２をx方向に移動させる。そして、処理はステップＳ４１に戻り、ステップＳ４１の処理が所定の回数だけ繰り返されるまで、ステップＳ４１乃至Ｓ４３の処理が繰り返される。

一方、ステップＳ４２で、ステップＳ４１の処理を所定の回数だけ繰り返したと判定された場合、即ち、露光小領域のx方向の走査が終了した場合、ステップＳ４４において、CPU１２１は、駆動部３３に制御信号を入力することにより、XYステージ３２のx方向の位置を開始位置に移動させる。

ステップＳ４５において、CPU１２１は、駆動部３３に制御信号を入力することにより、露光小領域のy方向の長さだけXYステージ３２をy方向に移動させる。ステップＳ４４およびＳ４５の処理により、露光小領域は次の走査ラインの開始位置に移動する。

ステップＳ４６において、CPU１２１は、各部を制御し、収容容器３４に収容された紫外線硬化樹脂３６の液面を露光小領域単位で露光させる。

ステップＳ４７において、CPU１２１は、ステップＳ４６の処理を所定の回数(例えば、ワーク領域内のy方向に並ぶ露光小領域の数)だけ繰り返したかを判定する。ステップＳ４７で、まだステップＳ４６の処理が所定の回数だけ繰り返していないと判定された場合、ステップＳ４８において、CPU１２１は、駆動部３３に制御信号を入力することにより、露光小領域のx方向の長さだけXYステージ３２をx方向に移動させる。そして、処理はステップＳ４１に戻り、露光小領域単位で露光が行われ、処理はステップＳ４２に進む。

このとき、ステップＳ４２では、ステップＳ４１の処理を所定の回数(例えば、ワーク領域内のx方向に並ぶ露光小領域の数から1を減算した数)だけ繰り返したかが判定され、その所定の回数だけステップＳ４１の処理が行われるまで、ステップＳ４１乃至Ｓ４３の処理が繰り返される。その後、ステップＳ４４乃Ｓ４６の処理が行われ、ステップＳ４６の処理が所定の回数だけ行われるまで、ステップＳ４１乃至Ｓ４８の処理が同様に繰り返される。

一方、ステップＳ４７で、ステップＳ４６の処理が所定の回数だけ繰り返したと判定された場合、即ち、1層分の断面形状データに対応する形状の領域が露光された場合、処理は図６のステップＳ１７に戻る。

以上のように、光造形装置３０では、次の硬化層が積層される前に、YZステージ３９上に形成されている硬化層の表面に付着した残存樹脂が除去されるので、残存樹脂が除去された硬化層に、次の硬化層を積層することができる。その結果、高精度の立体モデルを造形することができる。

なお、光造形装置３０は、図８に示すように、さらに、収容容器３４の端部の温度を上昇または下降させる温度調整機構２０１を設けるようにしてもよい。この場合、温度調整機構２０１は、制御装置１２０の制御により、ノズル３８による紫外線硬化樹脂３６の噴射中に、収容容器３４の端部の温度を上昇または下降させる。これにより、収容容器３４内の紫外線硬化樹脂３６に対流が発生し、ノズル３８による残存樹脂の除去がさらに促進される。

また、上述した説明では、収容容器３４内にノズル３８が設けられたが、収容容器３４とは別の他の容器にノズル３８が設けられるようにしてもよい。

さらに、光造形装置３０は、ノズル３８をxy平面内で移動させる駆動部を設け、ノズル３８をxy平面内で移動させるようにしてもよい。この場合、ノズル３８に設けられる穴部３８Ａの数が少ない場合や、ノズル３８のxy平面におけるサイズが小さい場合であっても、硬化層の表面全体に狭い間隔で紫外線硬化樹脂３６を噴射することができる。その結果、残存樹脂の除去をより確実に行うことができる。

また、本発明は、ミクロンオーダの微小な形状の立体モデルを造形する際、特に顕著な効果を奏する。

さらに、本発明は、タイリング方式で光造形を行う光造形装置だけでなく、一括露光方式やビームスキャン方式で光造形を行う光造形装置にも適用することができる。また、本発明は、規制液面法で光造形を行う光造形装置だけでなく、自由液面法で光造形を行う光造形装置にも適用することができる。

本明細書において、プログラム記録媒体に格納されるプログラムを記述するステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる処理はもちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的あるいは個別に実行される処理をも含むものである。

また、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

本発明を適用した光造形装置の一実施の形態の外観構成を示す図である。図１中上側から見た収容容器の周辺の構成を示す図である。図１中手前側から見た収容容器の周辺の構成を示す図である。図１の光学系の構成例を示す図である。図１の光造形装置の各部を制御する制御装置のハードウェア構成例を示すブロック図である。図５のCPUによる造形処理について説明するフローチャートである。図６のステップＳ１７の1層造形処理について説明するフローチャートである。本発明を適用した光造形装置の他の一実施の形態の外観構成を示す図である。

符号の説明

３０光造形装置, ３１光学系, ３４収容容器, ３６紫外線硬化樹脂, ３７バルブ，３８ノズル，３９ YZステージ, ４０駆動部，５１排出管，５２注入管，２０１温度調整機構

Claims

立体モデルの断面形状データに応じた光を光硬化性樹脂の表面に照射して硬化層を形成し、前記硬化層を積層することにより、前記立体モデルを造形する光造形装置において、
前記光硬化性樹脂を収容する収容容器と、
前記光硬化性樹脂の表面に垂直な方向に移動可能な移動台と、
前記収容容器内の前記光硬化性樹脂の表面に光を放射することにより、前記移動台上に前記硬化層を形成する光学系と、
次の硬化層が積層される前に、前記移動台上に形成されている硬化層の表面に新たな光硬化性樹脂を噴射する噴射機構と、
前記噴射機構による噴射中に、前記移動台を超音波振動させる振動機構と
を備える光造形装置。
前記噴射機構による噴射中に、前記収容容器の端部の温度を上昇または下降させ、前記収容容器内の前記光硬化性樹脂に対流を発生させる温度調整機構
をさらに備える
請求項１に記載の光造形装置。
次の硬化層が積層される前に、前記収容容器内の前記光硬化性樹脂を入れ替える入れ替え機構
をさらに備える
請求項１に記載の光造形装置。
立体モデルの断面形状データに応じた光を光硬化性樹脂の表面に照射して硬化層を形成し、前記硬化層を積層することにより、前記立体モデルを造形する光造形装置の光造形方法において、
前記光硬化性樹脂を収容する収容容器内の前記光硬化性樹脂の表面に光を放射することにより、前記光硬化性樹脂の表面に垂直な方向に移動可能な移動台上に前記硬化層を形成し、
次の硬化層が積層される前に、前記移動台上に形成されている硬化層の表面に新たな光硬化性樹脂を噴射し、
前記光硬化性樹脂の噴射中に、前記移動台を超音波振動させる
ステップを含む光造形方法。
前記光硬化性樹脂の噴射中に、前記収容容器の端部の温度を上昇または下降させ、前記収容容器内の前記光硬化性樹脂に対流を発生させる
ステップをさらに含む
請求項４に記載の光造形方法。
次の硬化層が積層される前に、前記収容容器内の前記光硬化性樹脂を入れ替える
ステップをさらに含む
請求項４に記載の光造形方法。