JP6509261B2 - 立体オブジェクト成形システム及びその補正方法 - Google Patents

Description

本発明はオブジェクト成形システム及び補正方法に関するものであり、特に立体オブジェクト成形システム及び立体オブジェクト成形補正方法に関するものである。

積層製造（Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）、３次元プリント（３Ｄ Ｐｒｉｎｔｉｎｇ）またはラピッドプロトタイピング（Ｒａｐｉｄ Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ）は、立体オブジェクトを高速で製造する技術であり、製図ソフトウェアによりオブジェクトの３次元画像の設計を実施するか、または立体画像スキャナを利用してオブジェクトの３次元空間データを取得し、コンピュータで処理した後、更に材料を点または面から立体オブジェクトとなるように堆積することができる。

そのうち、光造形（Ｓｔｅｒｅｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ、ＳＬ）技術は、コンピュータ支援設計及び製造（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄ Ｄｅｓｉｇｎ／Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ、ＣＡＤ／ＣＡＭ）ファイルのコマンド（以下、３次元空間データと称する）に基づき、高エネルギビームを利用して液状感光性ポリマーの表面に集束させ、照射された液状感光性ポリマーを硬化させて連続的かつ不断に層ごとに積層動作を実施し、最後に設計オブジェクトの高速成形動作を完了する。簡単に述べると、光造形技術は、主に高エネルギビームを生成可能な光源を利用して、３次元空間データに基づき液状感光性ポリマーを硬化させて、立体オブジェクトを成形する。

本発明では、立体オブジェクト成形システムが生成したビームをその動作領域に伝達する際の光パワー値を補正するための立体オブジェクト成形補正方法が提供されている。

本発明に基づき、立体オブジェクト成形システムに応用する立体オブジェクト成形補正方法が提供されている。立体オブジェクト成形システムは、ビーム生成モジュール及びフラットフィールドレーザ集束レンズを含み、ビーム生成モジュールが線形の成形ビームを提供し、線形の成形ビームはフラットフィールドレーザ集束レンズを通過した後にフラットフィールドレーザ走査経路を形成する。立体オブジェクト成形補正方法は、先ず、フラットフィールド感光材及びコントローラを提供し、フラットフィールド感光材はフラットフィールドレーザ走査経路上に設置され、コントローラはフラットフィールド感光材及びビーム生成モジュールに電気的に接続されるステップと、フラットフィールド感光材が、フラットフィールドレーザ集束レンズを通過した後のビームの光パワーを検知するとともに、ビームの光パワーに対応した感光信号をコントローラに出力するステップと、最後に、コントローラが、感光信号に基づきビーム生成モジュールが生成するビームの光パワーを調整するステップとを含む。

立体オブジェクト成形補正方法において、コントローラは、感光信号に対応するビームの光パワーが操作光パワーよりも大きく、かつ、ビームの光パワーが特定値よりも小さい場合は、発光ユニットが出力するビームの光パワーを高めて、ビームの光パワーを特定値に維持させる。コントローラは、併せて、感光信号に対応するビームの光パワーが操作光パワーよりも小さい場合は、アラーム信号を出力して、使用者に発光ユニットが出力しているビームの光パワーが感光性ポリマーを硬化させるには不足していることを警告する。

本発明では、更に、透光材と、ビーム生成モジュールと、フラットフィールドレーザ集束レンズと、フラットフィールド感光材とコントローラとを含む立体オブジェクト成形システムが提供されている。透光材は動作領域を有する。ビーム生成モジュールは、発光ユニット及び多面鏡を含み、発光ユニットは点ビームを出力し、多面鏡は、軸上に固設されて回転し、点ビームを線形を呈する成形ビームとなるように拡開するために用いられる。

フラットフィールドレーザ集束レンズは、ビーム生成モジュールと透光材との間に位置し、線形を呈する成形ビームは当該フラットフィールドレーザ集束レンズを通過した後に、フラットフィールドレーザ走査経路を形成し、フラットフィールドレーザ走査経路は動作領域をカバーする。フラットフィールド感光材はフラットフィールドレーザ走査経路上に設置され、フラットフィールド感光材は、フラットフィールドレーザ集束レンズを通過した線形を呈する成形ビームを受光するとともに、線形を呈する成形ビームの光パワーに対応した感光信号を生成する。コントローラは、ビーム生成モジュール及びフラットフィールド感光材に電気的に接続される。コントローラは、感光信号を受信するとともに、感光信号に基づきビーム生成モジュールが生成するビームの光パワーを調整する。

立体オブジェクト成形システムにおいて、立体オブジェクト成形システムは、更に光センサ、反射鏡及び収束レンズを含むことができ、光センサは、ビーム生成モジュールとフラットフィールドレーザ集束レンズとの間に位置するとともに、コントローラに電気的に接続され、光センサは、フラットフィールドレーザ集束レンズを通過していないビームの光パワーを検知するとともに、光検知信号を生成するために用いられ、反射鏡は、ビーム生成モジュールと光センサとの間に位置し、収束レンズは光センサと反射鏡との間に位置する。コントローラは、感光信号及び光検知信号に基づきビーム生成モジュールが生成するビームの光パワーを調整する。フラットフィールド感光材とビーム生成モジュールとは透光材の同一側に位置することができる。

本発明に基づく立体オブジェクト成形システムの構造図が示されている。 本発明に基づく立体オブジェクト成形システムの側面図が示されている。 本発明に基づく立体オブジェクト成形システムの上面図が示されている。 本発明に基づく立体オブジェクト成形システムの断面図が示されている。 本発明に基づく立体オブジェクト成形システムの回路ブロック図が示されている。

図１及び図２を併せて参照すると、図１には本発明に基づく立体オブジェクト成形システムの構造図が示されており、図２には本発明に基づく立体オブジェクト成形システムの側面図が示されている。図１及び図２に示されている立体オブジェクト成形システムは、光造形技術を利用して立体オブジェクトを成形する。立体オブジェクト成形システム（別途ナンバリングしていない）は、透光材１００、レーザ光源モジュール１６０、フラットフィールド感光材２０及びハウジング４を含む。

ハウジング４は収容空間４０、及び収容空間４０に連通する開口４２を定義する。透光材１００は開口４２に設けられ、透光材１００は、例えば粘着剤によりハウジング４に結合することができる。ハウジング４上に少なくとも１つの摺動レール４４が更に設けられ、レーザ光源モジュール１６０が摺動レール４４上に取り付けられるとともに、摺動レール４４上において１次元方向の運動を実施することができる。

透光材１００は、動作領域１０２及び周辺領域１０４を有し、周辺領域１０４は動作領域１０２の周囲を取り囲んでいる。オブジェクト５（本発明においては成形対象樹脂）は動作領域１０２に配置される。図４を参照すると、レーザ光源モジュール１６０は、光センサ１１０、収束レンズ１１２、ビーム生成モジュール１２０、フラットフィールドレーザ集束レンズ１４０及び反射鏡１５０を含む。

ビーム生成モジュール１２０は線形を呈する成形ビームの生成に用いられ、フラットフィールドレーザ集束レンズ１４０は、ビーム生成モジュール１２０と透光材１００との間に位置し、線形を呈する成形ビームはフラットフィールドレーザ集束レンズ１４０を通過した後にフラットフィールドレーザ走査経路を形成し、フラットフィールド走査経路は動作領域１０２をカバーして、オブジェクト１０を層ごとに光造形することができる。周辺領域１０４は、例えば透光材１００と立体オブジェクト成形システムのハウジング４とを結合した領域である。

ビーム生成モジュール１２０は、発光ユニット１２２及びビーム調整ユニット１２４を含む。発光ユニット１２２は、高収束力の点ビームを出力するとともに、例えばレーザダイオードにより実現することができる。ビーム調整ユニット１２４は、コリメータ（ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ）１２４０、集光材１２４２及び多面鏡１２４４を含み、ビーム調整ユニット１２４は発光ユニット１２２が出力した点ビームを受光し、点ビームがコリメータ１２４０及び集光材１２４２を通過したビームは整形された後に多面鏡１２４４に伝達される。

多面鏡１２４４は、軸１２４６上に固設されて回転し、点ビームを線形を呈する成形ビームに拡開するために用いられる。発光ユニット１２２、コリメータ１２４０及び集光材１２４２は、例えば鏡筒１３０中に取り付けることができ、鏡筒１３０は立体オブジェクト成形システムのハウジング１６０上に固設される。

フラットフィールド感光材２０は、透光材１００上に設けられるとともに、ビーム生成モジュール１２０と透光材１００の同一側に位置することができる。フラットフィールド感光材２０は、動作領域１０２または周辺領域１０４上に位置して、フラットフィールドレーザ集束レンズ１４０を通過した後の成形ビームの光パワーを検知するために用いられる。

フラットフィールド感光材２０は、例えば電荷結合素子（Ｃｈａｒｇｅｄ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ、ＣＣＤ）または相補型金属酸化物半導体（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ、ＣＭＯＳ）素子として実現することができる。

光センサ１１０、収束レンズ１１２及び反射鏡１５０は、ビーム生成モジュール１２０とフラットフィールドレーザ集束レンズ１４０との間に位置する。光学経路について述べると、反射鏡１５０は、ビーム生成モジュール１２０と光センサ１１０との間に位置し、収束レンズ１１２は、反射鏡１５０とビーム生成モジュール１１０との間に位置し、かつ、光センサ１２０は、例えば収束レンズ１１２の焦点位置に設けて、光センサ１２０が測定する光パワーの精度を高めることができる。

実際の操作時に、ビーム生成モジュール１２０が生成した成形ビームが反射鏡１５０に伝達されると、反射鏡１５０で反射されて収束レンズ１１２に伝達され、収束レンズ１１２はビームを光センサ１１０上に集束させ、それにより、光センサ１１０はフラットフィールドレーザ集束レンズ１４０を通過していない成形ビームの光パワーを測定するとともに、成形ビームの光パワーに対応した光検知信号を生成することができる。

光センサ１１０は、ビーム生成モジュール１２０とフラットフィールドレーザ集束レンズ１４０との間に位置し、光センサ１１０及びフラットフィールド感光材２０は、それぞれコントローラ３０に電気的に接続され、図４に示されている通りである。

コントローラ３０は、同時にビーム生成モジュール１２０の発光ユニット１２２に電気的に接続される。実際の操作時に、コントローラ３０は、フラットフィールド感光材２０がフラットフィールドレーザ集束レンズ１４０を通過したビームを検知して得られた光パワー値に基づき、発光ユニット１２２が発する点ビームの光パワーを調整することができ、または、コントローラ３０は、同時にフラットフィールド感光材２０がフラットフィールドレーザ集束レンズ１４０を通過したビームを検知して得られた光パワー値と、光センサ１１０がフラットフィールドレーザ集束レンズ１４０を通過していないビームを検知して得られた光パワー値との数値差に基づき、発光ユニット１２２が発する点ビームの光パワーを調整することもできる。

コントローラ３０内部に、光センサ１１０及び／またはフラットフィールド感光材２０が測定する成形走査ビームの光パワーと、発光ユニット１２２が生成する点ビームの光パワーとの対照表を予め設けて、コントローラ３０が、発光ユニット１２２が生成した点ビームの即時光パワーを得ることが可能とすることもできる。

ここで特に説明すべきは、フラットフィールド感光材２０はフラットフィールドレーザ集束レンズ１４０を通過した成形ビームの光パワーを検知するために用いられ、光センサ１１０はフラットフィールドレーザ集束レンズ１４０を通過していないビームの光パワーを検知するために用いられる点である。

従って、フラットフィールドレーザ集束レンズ１４０に劣化が発生し、透光率、屈折率などの光学特性が改変される問題が発生した場合、フラットフィールド感光材２０が検知する成形ビームの光パワーは光センサ１１０が検知する成形ビームの光パワーを大きく下回ることになるため、コントローラ３０は、フラットフィールドレーザ集束レンズ１４０にすでに劣化が発生していると判断することができる。

その際、コントローラ３０は、発光ユニット１２２が生成する点ビームの光パワーを調整することにより、フラットフィールドレーザ集束レンズ１４０を通過して透光材１００上に伝達される成形ビームを安定的に維持して、立体オブジェクト成形システムで成形されるオブジェクトの品質を確保することができる。

また、フラットフィールド感光材２０が検知したフラットフィールドレーザ集束レンズ１４０を通過した成形ビームの光パワーが所定の操作光パワーよりも低いと、コントローラ３０は、アラーム信号を出力して、使用者に立体オブジェクト成形システムの光源がすでに使用に合致していないことを警告することができ、その際、フラットフィールドレーザ集束レンズ１４０の劣化の程度が重大であり、立体オブジェクト成形システムがすでに使用に合致していないことが示されると、交換する必要がある。

実際に立体オブジェクトを成形する際、フラットフィールド感光材２０は、立体オブジェクト成形システムでオブジェクトを成形する前に、先ず１回成形ビームの光パワーを補正するか、または立体オブジェクト成形システムでオブジェクトを成形すると同時もしくはオブジェクトの成形走査の完了後、更に１回成形ビームの光パワーを補正することができる。

立体オブジェクト成形システムの光パワーを補正する場合は、コントローラ３０が先ずビーム生成モジュール１２０に成形ビームを生成させるとともに、動作領域１０２に投射させる。フラットフィールド感光材２０は、走査ビームの光パワーを検知するとともに、成形ビームの光パワーに対応した感光信号をコントローラ３０に出力する。

コントローラ３０は、内蔵されている感光信号の発光ユニット１２２が出力する光パワーに対する対照表に基づき、発光ユニット１２２が生成した点ビームの光パワーを取得する。発光ユニット１２２が生成したビームの光パワーが操作光パワーよりも高く、かつ、成形ビームの光パワーが所定値よりも低い場合、コントローラ３０は、発光ユニット１２２に出力する点ビームの光パワーを向上させ、コントローラ３０は、感光信号に対応する成形ビームの光パワーが所定値よりも高い場合、発光ユニット１２２が出力する点ビームの光パワーを低減させて、成形ビームの光パワーを特定値に維持させて、フラットフィールドレーザ集束レンズ１４０を有する立体オブジェクト成形システムの光源パワーを安定的に維持させ、その成形品質を維持することもできる。

その他、発光ユニット１２２が生成する点ビームの光パワーが操作光パワーよりも低い場合、コントローラ３０は、アラーム信号を発して、使用者に発光ユニット１２２が出力する光パワーが動作液体照明オブジェクト１０を硬化させるには不足していることを警告することができる。

また、光センサ１１０は、ビームの光パワーを検知するとともに、ビームの光パワーに対応した光検知信号をコントローラ３０に出力することができ、コントローラ３０は、更に感光信号及び光検知信号に基づき発光ユニット１２２が発するビームの光パワーを調整することができる。

以上をまとめると、本発明の立体オブジェクト成形補正方法では、立体オブジェクト成形システム上にフラットフィールド感光材２０及びコントローラ３０が設置され、フラットフィールド感光材２０は透光材１００上に設けられ、コントローラ３０はフラットフィールド感光材２０及びビーム生成モジュール１２０の発光ユニット１２２に電気的に接続される。

フラットフィールド感光材２０は、フラットフィールドレーザ集束レンズ１４０を通過して透光材１００上に伝達される成形ビームの光パワーを検知し、コントローラ３０は、成形ビームの光パワーが所定値から偏移していると発光ユニット１１２に出力する点光源の光パワーを調整させることにより、透光材１００に伝達される成形ビームの光パワーを維持する。

当然、本発明にはその他複数種の実施例があり、本発明の精神及びその実質から脱離することなく、当業者であれば本発明に基づき各種相応の改変及び変形を行うことができるが、それら相応の改変及び変形は、いずれも本発明に添付されている特許請求の保護範囲に属しているものとする。

１０ オブジェクト
１００ 透光材
１０２ 動作領域
１０４ 周辺領域
１１０ 光センサ
１１２ 収束レンズ
１２０ ビーム生成モジュール
１２２ 発光ユニット
１２４ ビーム調整ユニット
１２４０ コリメータ
１２４２ 集光材
１２４４ 多面鏡
１２４６ ドライバ
１４０ フラットフィールドレーザ集束レンズ
１５０ 反射鏡
１６０ レーザ光源モジュール
２ 透光材
２０ フラットフィールド感光材 ３０ コントローラ
４ ハウジング
４０ 収容空間
４２ 開口
５ オブジェクト
Ｘ 第１軸方向
Ｙ 第２軸方向
Ｚ 第３軸方向

Claims (8)

1. ビーム生成モジュール及びフラットフィールドレーザ集束レンズを含み、前記ビーム生成モジュールが線形の成形ビームを提供し、前記線形の成形ビームが前記フラットフィールドレーザ集束レンズを通過した後にフラットフィールドレーザ走査経路を形成する立体オブジェクト成形システム中に応用される立体オブジェクト成形補正方法であって、前記立体オブジェクト成形補正方法は、
   前記フラットフィールドレーザ走査経路上に設置されるフラットフィールド感光材と、前記フラットフィールド感光材及び前記ビーム生成モジュールに電気的に接続されるコントローラとを提供することと、
   前記フラットフィールド感光材が、前記フラットフィールドレーザ集束レンズを通過したビームの光パワーを検知するとともに、対応した感光信号を前記コントローラに出力することと、
   前記コントローラが、前記感光信号に基づき前記ビーム生成モジュールが生成した前記ビームの光パワーを補正することと、を含むことを特徴とする立体オブジェクト成形補正方法。
2. 前記コントローラは、前記感光信号に対応する前記ビームの光パワーが操作光パワーよりも大きく、かつ、前記ビームの光パワーが特定値よりも小さい場合に、前記ビーム生成モジュールが出力する前記ビームの光パワーを高めることを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の立体オブジェクト成形補正方法。
3. 前記コントローラは、感光信号に対応する前記ビームの光パワーが前記操作光パワーより小さい場合に、アラーム信号を出力することを特徴とする請求項２に記載の立体オブジェクト成形補正方法。
4. 前記コントローラは、前記ビームの光パワーを前記特定値に維持することを特徴とする請求項２に記載の立体オブジェクト成形補正方法。
5. 動作領域を有する透光材と、
   ビーム生成モジュールであって、
   点ビームを出力する発光ユニットと、
   軸上に固設されて回転し、前記点ビームを線形を呈する成形ビームとなるように拡開するための多面鏡と、を含むビーム生成モジュールと、
   前記ビーム生成モジュールと前記透光材との間に位置するフラットフィールドレーザ集束レンズであって、前記線形を呈する成形ビームは前記フラットフィールドレーザ集束レンズを通過した後に、前記動作領域をカバーするフラットフィールドレーザ走査経路を形成するフラットフィールドレーザ集束レンズと、
   前記フラットフィールドレーザ走査経路上に設置され、前記フラットフィールドレーザ集束レンズを通過した前記線形を呈する成形ビームを受光するとともに、前記ビームの光パワーに対応した感光信号を生成するフラットフィールド感光材と、
   前記ビーム生成モジュール及び前記フラットフィールド感光材に電気的に接続されるコントローラと、を含み、
   前記コントローラは、前記感光信号を受信するとともに、前記感光信号に基づき前記ビーム生成モジュールが生成する前記ビームの光パワーを調整する、立体オブジェクト成形システム。
6. 前記ビーム生成モジュールと前記フラットフィールドレーザ集束レンズとの間に位置するとともに、前記コントローラに電気的に接続され、前記フラットフィールドレーザ集束レンズを通過していない前記ビームの光パワーを検知して、光検知信号を生成する光センサと、
   前記ビーム生成モジュールと前記光センサとの間に位置する反射鏡と、
   前記光センサと前記反射鏡との間に位置する収束レンズと、を更に含み、
   前記コントローラは、前記感光信号及び前記光検知信号に基づき、前記ビーム生成モジュールが生成する前記ビームの光パワーを調整することを特徴とする請求項５に記載の立体オブジェクト成形システム。
7. 前記フラットフィールド感光材と前記ビーム生成モジュールとは、前記透光材の同一側に位置することを特徴とする請求項６に記載の立体オブジェクト成形システム。
8. 前記フラットフィールド感光材は、電荷結合素子または相補型金属酸化物半導体であることを特徴とする請求項５に記載の立体オブジェクト成形システム。

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