JP6603727B2 - 改良された光学ユニットを備える光造形機 - Google Patents
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Description
この機械は、さらに、一般的に発光型であり且つ上記液状物質を固化するように適した照射光を発する(emit radiation)光源を備える。光学ユニットが、上記照射光を、固化される物体の層の位置に対応する、上記容器内に位置した基準面(reference surface)に向かって伝送する。
上述した種類の光造形機は、例えば本願の出願人によるイタリア国特許出願第VI2010A000004号等に記載された2つの主要な実施形態に分けられる。
それぞれのガルバノメトリックミラーは、他方のガルバノメトリックミラーの軸心と直交する各自の回転軸心回りに回転することが可能であるようにモータ駆動される。これにより、それらの回転の組合せが、ビームを上記基準面のうちの任意の点に向かって導くことを可能にする。
上記のこの光学ユニットは、ガルバノメトリックミラーの慣性が小さいのでビームを極めて高速に動かせるという利点、さらには、使用される機械部品の点数が少ないので信頼性が高いという利点を奏する。
ガルバノメトリックミラーに基づく光学ユニットは、比較的大きいかさ(bulky)を有するというさらなる欠点を有する。
この高コスト性およびこの大きな全体寸法により、ガルバノメトリックミラーを備える光造形機は、小規模の連続生産(すなわち、小規模の企業により必要とされ得る種類の生産)に適さないものとなる。
さらに、ガルバノメトリックミラーの慣性は無視可能でなく、光ビームのずれの速度、したがって、総合的な処理時間に影響を及ぼす。
・ 予め定められた照射光の露光により固化されるように適した液状物質の容器と、
・ 前記予め定められた照射光のビームを発するように適したレーザ源と、
・ 前記容器内に位置する基準面のベクトル走査を所望のベクトルデータ画像に従って前記予め定められた照射光により実行するように構成されたベクトル走査光学ユニットと、
・ 前記基準面で走査される画像を表す前記ベクトルデータ画像を記憶するメモリと、
・ 前記ベクトル画像に従って前記基準面のうちの予め定められた部位を前記照射光露光させるように、前記ベクトル走査光学ユニットおよび/または前記レーザ源を制御する構成とされた論理制御ユニットと、
を備え、前記ベクトル走査光学ユニットは、前記予め定められた照射光の進行経路に対して互いに連結配置された第1および第2の微小光電気機械システム(MOEMS)を含み、それぞれのMOEMSシステムが、
・ 約2mm〜約8mmの径を有するミラーであって、当該ミラーの回転軸心(X1,X2)を規定するように構成された、関着手段(articulation means)を介して支持構造に連結されたミラー、および
・ 前記ミラーを前記回転軸心(X1,X2)回りに、前記レーザ源が前記ベクトル走査時に予め定められた前記照射光を発しているときの前記基準面上での前記レーザビームの対応するマーキング速度(marking speed)が約0.5m/秒〜約3m/秒となる角度方向速度で準静的(quasi-static manner)に動作させるように適したアクチュエータ、を有し、
・ 前記第1のMOEMSシステムの前記ミラーの前記回転軸心が前記第2のMOEMSシステムの前記ミラーの前記回転軸心に入射する(incident)、光造形機に関する。
前述したように本願の出願人は、前述した利点のためにベクトル走査光学ユニット(vector scanning optical unit)のみを対象としている。
前記MOEMSミラーのこの寸法は、選択された速度に合わせて調整され、すなわち、前記基準面上での前記レーザビーム速度が難なく約0.5m/秒〜約3m/秒となるように当該MOEMSミラーが動作しなければならないことを考慮に入れて選択される。
好ましくは、前記アクチュエータは、前記第1および/または前記第2のMOEMSシステムの前記ミラーを前記回転軸心(X1,X2)回りに、前記レーザ源が前記画像の前記走査のために前記基準面における位置を変更するのに前記所定の照射光を発していないときの前記基準面上での前記レーザビームの対応する位置決め速度が約8m/秒〜約10m/秒となる角度方向速度で動作させるように構成されている。
すなわち好ましくは、前記第1のMOEMSシステムの前記ミラーがX軸回りに且つ前記第2のMOEMSシステムの前記ミラーがY軸回りに、これら2つのミラーの回転の組合せによって前記レーザビームが前記液状物質の(X,Y)面における任意の位置に到達可能であるように回転する。
3D印刷機では様々なレーザ源が使用されることが可能である。本発明では、前記レーザ源の波長としてどちらかと言えば「一般的でない」波長、すなわち、紫領域で発振することが可能なレーザ源が使用される。このレーザは、「青色」レーザとして分類される。この波長のレーザは、UV範囲内の様々な波長で照射ビームを発するように適したレーザよりも一般的に安価である。また、前記走査系のためのミラーのコーティングについても、このクレームされた波長で入射した照射光で動作しなければならないものである場合には安価である。
前述したように、このような予め定められた照射光での前記レーザビームのパワーは、走査された箇所、すなわち、レーザビーム照射光に曝された箇所の前記液状物質を重合して当該液状物質が固体になるほど十分に大きいが、前記レーザ源のコストが高価になり過ぎてこのような高価なレーザを備える3D印刷機の商業化を妨げるほどまでは大きくないものであるのが望ましい。本願の出願人は、クレームするパワーの範囲が、それら2つの相反する要件を考慮した良好な折衷であることを見出した。ただし、パワーではなく放射照度が調節されて固定されるのが好ましい。前記容器内の前記基準面での光量は、強度単位又はエネルギー単位で定められる。放射照度という用語で表される前記基準面での光強度(light intensity)は、前記レーザのパワーのこの数値が前記容器内に含まれる前記液状物質を重合することが可能であるか否かを判断するための関連値である瞬時露光(momentary exposure)の尺度である。
より好ましくは、前記少なくとも1つのレンズは、フラットフィールド走査レンズを含む。
フラットフィールド走査レンズは、偏光されたレーザビームの焦点面(focal plane)が平坦な面である特殊なレンズ系である。
好ましくは、前記基準面5は平面を形成しており、かつ、容器2の底2aに隣接するように位置している。
本発明の一変形例(図3を参照)では、光学ユニット4が、照射光3aを上のほうから下へと、容器2内に存在する液状物質15の自由面へと導くように構成されている。この場合、造形プレート17の上に前記物体が形成される。
好ましくは、制御ユニット6は、当該制御ユニット6で動作するソフトウェアによって動作され且つ例えばZ方向におけるプラットフォーム17の移動を制御し得る。
具体的に述べると、2つの微小光電気機械システム7,8は、前記源3と基準面5との間に配置されており、好ましくは、2つの回転軸心X1,X2が互いに直交するように前記源3と基準面5との間に配置されている。
具体的に述べると、それぞれの前記連結領域13は、ある度合いまで変形されることが可能なねじりばねとして動作し、その度合いは当該デバイスのパイロット電圧に依存する。
好ましくは(ただし必須ではない)、この動きは、前記面5のうちの前記予め定められた部位全体に行きわたる単一の連続する軌道に従って行われる。
好ましくは、前記コネクタ又はソケットは、挿入力の低いタイプのものである。
有利なことに、前記密封収容器は、光学ユニット4の寿命の大幅な増加につながる。
また、有利なことに、前記密封収容器は、2つの微小光電気機械システム7,8を単一の集積回路に組み込むことを可能にする。好ましくは、当該単一の集積回路は、共通の支持構造10を有する。
好ましくは、前記レンズ14は、照射光3aを平坦な基準面5へと焦点を合わせるいわゆる「フラットフィールド」タイプのものである。このようなレンズ14は、Fシータレンズ又は同様の光学部品を含み得る。
好ましくは、前記源3の及び2つの微小光電気機械システム7,8の位置は、ミラー9が回転のない状態であるとき、すなわち、いずれの当該微小光電気機械システム7,8の前記連結領域13もねじりに曝されていないときに照射光3aが基準面5の中央点に向かって反射される位置とされる。
以下に本発明の実施の態様を示す。
[態様1]
・予め定められた照射光(3a)の露光により固化されるに適した液状物質(15)の容器(2)と、
・前記予め定められた照射光(3a)のビームを発するに適したレーザ源(3)と、
・前記容器(2)内に位置する基準面(5)のベクトル走査を所望のベクトルデータ画像に従って前記予め定められた照射光により実行するように構成されたベクトル走査光学ユニット(4)と、
・前記基準面で走査される画像を表す前記ベクトルデータ画像を記憶するメモリと、
・前記ベクトルデータ画像に従って前記基準面(5)のうちの予め定められた部位を前記照射光(3a)露光するように、前記ベクトル走査光学ユニット(4)および/または前記レーザ源(3)を制御する構成とされた論理制御ユニット(6)と、
を備え、前記ベクトル走査光学ユニット(4)は、前記予め定められた照射光の進行経路に対して互いに連結配置された第1および第2の微小光電気機械システム(MOEMS)(7,8)を含み、それぞれの微小光電気機械システム(MOEMS)が、
・約2mm〜約8mmの径を有するミラー(9)であって、当該ミラー(9)の回転軸心(X1,X2)を規定するように構成された関着手段(11)を介して支持構造(10)に連結されたミラー(9)、および
・前記ミラー(9)を前記回転軸心(X1,X2)回りに、前記レーザ源(3)が前記ベクトル走査時に前記予め定められた照射光(3a)を発しているときの前記基準面(5)上でのレーザビームの対応するマーキング速度が約0.5m/秒〜約3m/秒となる角度方向速度で準静的に動作させるように適したアクチュエータ(12)、を有し、
・前記第1のMOEMSシステム(7)の前記ミラー(9)の前記回転軸心(X1)が前記第2のMOEMSシステム(8)の前記ミラー(9)の前記回転軸心(X2)に入射する、光造形機(1)。
[態様2]
態様1に記載の光造形機(1)において、前記アクチュエータ(12)が、前記第1および第2の微小光電気機械システム(MOEMS)(7,8)の前記ミラー(9)を、前記回転軸心(X1,X2)回りに動作させる角速度は、前記レーザ源(3)が前記画像の前記走査のために位置を変更するのに前記予め定められた照射光(3a)を発していないときの前記基準面(5)上での前記レーザビームの対応する位置決め速度が約8m/秒〜約10m/秒となるように、構成されている、光造形機(1)。
[態様3]
態様1または2に記載の光造形機(1)において、前記第1および第2の微小光電気機械システム(MOEMS)(7,8)の2つの前記回転軸心(X1,X2)が相互に直交する、光造形機(1)。
[態様4]
態様1から3のいずれか一項に記載の光造形機(1)において、前記レーザ源(3)が、前記予め定められた照射光(3a)を約405nm±10nmの波長で発するように構成されている、光造形機(1)。
[態様5]
態様1から4のいずれか一項に記載の光造形機(1)において、前記レーザ源(3)が、前記基準面(5)での放射照度が約10mJ/cm 2 〜約200mJ/cm 2 である前記予め定められた照射光(3a)を発するように構成されている、光造形機(1)。
[態様6]
態様1から5のいずれか一項に記載の光造形機(1)において、さらに、
前記レーザ源(3)ならびに連結して配置された前記第1および第2の微小光電気機械システム(MOEMS)(7,8)を収容する密封収容器であって、前記照射光が当該収容器を出射することが可能であるように当該予め定められた照射光(3a)を透過する材料で実現された窓を有する、密封収容器、を備える、光造形機(1)。
[態様7]
態様1から6のいずれか一項に記載の光造形機(1)において、前記第1および第2の微小光電気機械システム(MOEMS)(7,8)のそれぞれの前記アクチュエータ(12)が、電磁又は静電型であり、かつ、前記論理制御ユニット(6)により発せられて角度方向位置を表す数値を有する制御信号の受取りに応答して、前記ミラー(9)を前記軸心(X1,X2)回りに回転させて当該ミラー(9)を前記角度方向位置に配置するように構成されている、光造形機(1)。
[態様8]
態様1から7のいずれか一項に記載の光造形機(1)において、前記論理制御ユニット(6)は、画像データに従って前記予め定められた部位を完全にカバーする連続する軌道を前記基準面(5)上の前記照射光(3a)の入射点が形成するように、前記第1および第2の前記微小光電気機械システム(MOEMS)(7,8)の前記ミラー(9)を動作させる構成とされている、光造形機(1)。
[態様9]
態様1から8のいずれか一項に記載の光造形機(1)において、前記ベクトル走査光学ユニット(4)が、前記予め定められた照射光(3a)を前記基準面(5)に焦点を合わせるように構成された少なくとも1つのレンズ(14)を含む、光造形機(1)。
[態様10]
態様9に記載の光造形機(1)において、前記少なくとも1つのレンズ(14)が、フラットフィールド走査レンズを含む、光造形機(1)。
[態様11]
態様1から10のいずれか一項に記載の光造形機(1)において、前記液状物質(15)が硬化性樹脂を含む、光造形機(1)。
[態様12]
態様1から11のいずれか一項に記載の光造形機(1)において、前記第1および第2の微小光電気機械システム(MOEMS)(7,8)が、共通の集積回路に属する、光造形機(1)。
[態様13]
態様1から12のいずれか一項に記載の光造形機(1)において、前記レーザ源(3)が、当該レーザ源(3)により発せられる前記予め定められた照射光(3a)のパワーを変化させるパワー制御部(150)を含み、当該パワー制御部(150)が前記ロジック
制御ユニット(6)に接続されており、当該ロジック制御ユニット(6)は、前記基準面(5)上の照射ビームの位置に応じて前記予め定められた照射光(3a)の発せられる前記パワーを変化させるように適している、光造形機(1)。
[態様14]
態様13に記載の光造形機(1)において、前記レーザ源パワー制御部(150)が、前記レーザ源(3)により発せられる前記予め定められた照射光(3a)の前記レーザビームの、当該照射光の進行方向と直交する平面に沿った断面で測定されるサイズを変化させるサイズ制御部を有する、光造形機(1)。
Claims (14)
- ・予め定められた照射光(3a)の露光により固化されるに適した液状物質(15)の容器(2)と、
・前記予め定められた照射光(3a)のビームを発するに適したレーザ源(3)と、
・前記容器(2)内に位置する基準面(5)のベクトル走査を所望のベクトルデータ画像に従って前記予め定められた照射光により実行するように構成されたベクトル走査光学ユニット(4)と、
・前記基準面で走査される画像を表す前記ベクトルデータ画像を記憶するメモリと、
・前記ベクトルデータ画像に従って前記基準面(5)のうちの予め定められた部位を前記照射光(3a)露光するように、前記ベクトル走査光学ユニット(4)および/または前記レーザ源(3)を制御する構成とされた論理制御ユニット(6)と、
を備え、前記ベクトル走査光学ユニット(4)は、前記予め定められた照射光の進行経路に対して互いに連結配置された第1および第2の微小光電気機械システム(MOEMS)(7,8)を含み、それぞれの微小光電気機械システム(MOEMS)が、
・約2mm〜約8mmの径を有するミラー(9)であって、当該ミラー(9)の回転軸心(X1,X2)を規定するように構成された関着手段(11)を介して支持構造(10)に連結されたミラー(9)、および
・前記ミラー(9)を前記回転軸心(X1,X2)回りに、前記レーザ源(3)が前記ベクトル走査時に前記予め定められた照射光(3a)を発しているときの前記基準面(5)上でのレーザビームの対応するマーキング速度が約0.5m/秒〜約3m/秒となる角度方向速度で準静的に動作させるように適したアクチュエータ(12)、を有し、
・前記第1の微小光電気機械システム(MOEMS)(7)の前記ミラー(9)の前記回転軸心(X1)が前記第2の微小光電気機械システム(MOEMS)(8)の前記ミラー(9)の前記回転軸心(X2)に平行でない、光造形機(1)。 - 請求項1に記載の光造形機(1)において、前記アクチュエータ(12)が、前記第1および第2の微小光電気機械システム(MOEMS)(7,8)の前記ミラー(9)を、前記回転軸心(X1,X2)回りに動作させる角速度は、前記レーザ源(3)が前記画像の前記走査のために位置を変更するのに前記予め定められた照射光(3a)を発していないときの前記基準面(5)上での前記レーザビームの対応する位置決め速度が約8m/秒〜約10m/秒となるように、構成されている、光造形機(1)。
- 請求項1または2に記載の光造形機(1)において、前記第1および第2の微小光電気機械システム(MOEMS)(7,8)の2つの前記回転軸心(X1,X2)が相互に直交する、光造形機(1)。
- 請求項1から3のいずれか一項に記載の光造形機(1)において、前記レーザ源(3)が、前記予め定められた照射光(3a)を約405nm±10nmの波長で発するように構成されている、光造形機(1)。
- 請求項1から4のいずれか一項に記載の光造形機(1)において、前記レーザ源(3)が、前記基準面(5)での放射照度が約10mJ/cm2〜約200mJ/cm2である前記予め定められた照射光(3a)を発するように構成されている、光造形機(1)。
- 請求項1から5のいずれか一項に記載の光造形機(1)において、さらに、
前記レーザ源(3)ならびに連結して配置された前記第1および第2の微小光電気機械システム(MOEMS)(7,8)を収容する密封収容器であって、前記照射光が当該収容器を出射することが可能であるように当該予め定められた照射光(3a)を透過する材料で実現された窓を有する、密封収容器、
を備える、光造形機(1)。 - 請求項1から6のいずれか一項に記載の光造形機(1)において、前記第1および第2の微小光電気機械システム(MOEMS)(7,8)のそれぞれの前記アクチュエータ(12)が、電磁又は静電型であり、かつ、前記論理制御ユニット(6)により発せられて角度方向位置を表す数値を有する制御信号の受取りに応答して、前記ミラー(9)を前記軸心(X1,X2)回りに回転させて当該ミラー(9)を前記角度方向位置に配置するように構成されている、光造形機(1)。
- 請求項1から7のいずれか一項に記載の光造形機(1)において、前記論理制御ユニット(6)は、画像データに従って前記予め定められた部位を完全にカバーする連続する軌道を前記基準面(5)上の前記照射光(3a)の入射点が形成するように、前記第1および第2の前記微小光電気機械システム(MOEMS)(7,8)の前記ミラー(9)を動作させる構成とされている、光造形機(1)。
- 請求項1から8のいずれか一項に記載の光造形機(1)において、前記ベクトル走査光学ユニット(4)が、前記予め定められた照射光(3a)を前記基準面(5)に焦点を合わせるように構成された少なくとも1つのレンズ(14)を含む、光造形機(1)。
- 請求項9に記載の光造形機(1)において、前記少なくとも1つのレンズ(14)が、フラットフィールド走査レンズを含む、光造形機(1)。
- 請求項1から10のいずれか一項に記載の光造形機(1)において、前記液状物質(15)が硬化性樹脂を含む、光造形機(1)。
- 請求項1から11のいずれか一項に記載の光造形機(1)において、前記第1および第2の微小光電気機械システム(MOEMS)(7,8)が、共通の集積回路に属する、光造形機(1)。
- 請求項1から12のいずれか一項に記載の光造形機(1)において、前記レーザ源(3)が、当該レーザ源(3)により発せられる前記予め定められた照射光(3a)のパワーを変化させるパワー制御部(150)を含み、当該パワー制御部(150)が前記ロジック制御ユニット(6)に接続されており、当該ロジック制御ユニット(6)は、前記基準面(5)上の照射ビームの位置に応じて前記予め定められた照射光(3a)の発せられる前記パワーを変化させるように適している、光造形機(1)。
- 請求項13に記載の光造形機(1)において、前記レーザ源パワー制御部(150)が、前記レーザ源(3)により発せられる前記予め定められた照射光(3a)の前記レーザビームの、当該照射光の進行方向と直交する平面に沿った断面で測定されるサイズを変化させるサイズ制御部を有する、光造形機(1)。
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