JP6757801B2

JP6757801B2 - Ｌｃｄ方式３ｄプリンター

Info

Publication number: JP6757801B2
Application number: JP2018553208A
Authority: JP
Inventors: チョルリ，サン; ファンキム，ジョン
Original assignee: RAY Co Ltd
Current assignee: RAY Co Ltd
Priority date: 2016-12-23
Filing date: 2017-06-02
Publication date: 2020-09-23
Anticipated expiration: 2037-06-02
Also published as: US20190299525A1; EP3427929B1; EP3427929A4; JP2019514722A; EP3427929A1; KR101800667B1; WO2018117351A1; ES2903238T3

Description

本発明は、光を利用したＬＣＤ方式の３Ｄプリンターに関するものであって、更に詳しくは、ＬＣＤパネルの下部にメニスカスレンズもしくは凸レンズを配置し、またはメニスカスレンズもしくは凸レンズとフレネルレンズを組み合わせて配置することにより、ＬＣＤパネルに到逹する光の強さを全体の面積にわたって最大限均一に分布させてＬＣＤパネルの寿命を延ばし、従来のフレネルレンズのみを使用する方式に比べて光源とレンズの間の焦点距離を短くできることから３Ｄプリンターを小型化することができるＬＣＤ方式の３Ｄプリンターに関するものである。

３次元立体形状製品の製作方法には、図面を見ながら手作業で製作を行うモックアップ（Ｍｏｃｋ−ｕｐ）方式、数値制御工作機械による切削加工方式等がある。

前記モックアップ方式は、製造費用は低廉であるものの精巧な形状の加工が難しく、多くの時間を必要とするという短所がある。

また、工作機械を用いた切削加工方式は、精密な製品を製造することはできるが製作費用が嵩み、加工できる形状に制約があるという短所がある。

最近では、３次元モデリングツールで設計した３Ｄ図面データを用いて立体形状の成形製品を製作する３Ｄプリンターが広く利用されている。

前記３Ｄプリンターは、３次元の３Ｄ図面データに基づき、液体、パウダー形態のポリマー、金属等の材料を積層方式で積み上げて行き、立体形状の成型品を製造する。

前記３Ｄプリンターを利用するならば、製作費用と製造時間の大幅な短縮が可能であり、個人オーダーメード型の製造が可能であるとともに、複雑な立体形状も簡単に製造することができるという長所がある。

したがって、実際に試作品を製作するにあたり、手軽に形状を修正することができ、製作コスト、材料費、人件費を節減することができる長所がある。

このような長所を持つ３Ｄプリンターは、自動車、航空、建築、医療、家電、玩具等の多様な分野において利用されている。

前記３Ｄプリンターは、光硬化樹脂にレーザーを照射して照射された部分を硬化させるＳＬＡ（ＳｔｅｒｅｏＬｉｔｈｏｇｒａｐｈｙＡｐｐａｒａｔｕｓ）方式、機能性高分子または金属粉末を用いて焼結させるＳＬＳ（ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＬａｓｅｒＳｉｎｔｅｒｉｎｇ）方式、溶融樹脂を圧出して造形するＦＤＭ（ＦｕｓｅｄＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎＭｏｄｅｌｉｎｇ）方式、高出力レーザービームで金属を直接成形するＤＭＴ（Ｌａｓｅｒ−ａｉｄＤｉｒｅｃｔＭｅｔａｌＴｏｏｌｉｎｇ）方式、機械接合造形方式であるＬＯＭ（ＬａｍｉｎａｔｅｄＯｂｊｅｃｔＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）方式、光硬化樹脂が保存された保存槽の下部に光を照射して硬化させるＤＬＰ（ＤｉｇｉｔａｌＬｉｇｈｔＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）方式等が知られている。

前記の方式のうちＤＬＰ方式は一度に片面に積層することからプリンティング時間は短いものの、プリンティング面積によって解像度が変わってしまうという短所がある。

このような問題点を解決するためにＬＣＤパネルを用いた方式を提案するものであり、図１及び２は、前記ＬＣＤ方式３Ｄプリンターを簡潔に図示したものである。

従来のＬＣＤ方式３Ｄプリンターは、図１に図示されているとおり、３Ｄプリンターの下部に具備されて上部に向けて光を照射する光源（１０）と、前記光源（１０）の上部から一定の距離を置いて配置されるレンズと、前記レンズの上部に具備されるＬＣＤパネル（３０）と、前記ＬＣＤパネル（３０）の上部に具備されて液状の成形材料（４０ａ）を保存する保存容器（４０）と、前記保存容器（４０）の上部に具備されて成形製品（５０）を積層するビルドプレート（ＢｕｉｌｄＰｌａｔｅ）（６０）と、前記ビルドプレート（６０）の上部に具備されて上下に昇降する昇降部材（７０）を含んで構成される。

以下、前記ＬＣＤ方式３Ｄプリンターによって１００μｍ単位の積層を行いつつ、成形製品を製造する過程を説明する。

まず、保存容器（４０）に液状の成形材料（４０ａ）を充填して、昇降部材（７０）の下部に具備されたビルドプレート（６０）の下面を保存容器（４０）の底面から１００μｍ上の位置まで下降させる。

続いて、コンピューターにより３Ｄ設計データを各断面映像に分離させた後、ＬＣＤパネル（３０）に転送して最初の断面映像を具現する。

続いて、光源（１０）から紫外線を照射して最初の断面映像どおりに液状の成形材料（４０ａ）を硬化させる。

続いて、前記昇降部材（７０）を上部に持ち上げると、固められた最初の断面層（５０ａ）が前記ビルドプレート（６０）の下面に附着した状態で持ち上げられる。

次に、前記ビルドプレート（６０）の下面を保存容器（４０）の底面から２００μｍ上の位置まで下降させる。

そうすると、保存容器（４０）の底面と成形製品（５０）の最初の断面層（５０ａ）との距離は最初の１００μｍとなる。

この状態でＬＣＤパネル（３０）に二回目の断面映像を具現して紫外線を照射すれば、二回目の断面映像どおりに液状の成形材料（４０ａ）が硬化される。

続いて、前記昇降部材（７０）を持ち上げれば、成形製品の二回目の断面層（５０ｂ）が形成される。

前記の過程を繰り返し続けると、前記ビルドプレート（６０）に成形材料（４０ａ）が１００μｍの厚さで積層された成形製品（５０）を得ることができる。

前記のＬＣＤ方式によるなら、プリンティング面積にかかわらずＬＣＤパネル（３０）の解像度でプリンティングできる長所がある。

しかし、前記のＬＣＤ方式では、図２に図示されているとおり、光が光源（１０）から円錐形状に広がって行くことから、光の強さは中心部分において最も強く、中心から遠ざかるほど光の強さが弱まって行く。

また、従来のＬＣＤ方式は偏平な形状のフレネルレンズ（ＦｒｅｓｎｅｌＬｅｎｓ）（２０）を使用することから、不均一に照射された光が前記フレネルレンズ（２０）を通過してそのままＬＣＤパネル（３０）に到逹することとなる。

このようなことから、ＬＣＤパネル（３０）に到逹する光の強さが中心部分と両端部分とで均一にならない問題点がある。

このように、ＬＣＤパネル（３０）に照射される光の強さが不均一になると、液状成形材料（４０ａ）の硬化度が違ってくることから、成形製品（５０）の品質が低下する問題点がある。

前記の問題点を解決する方法としては、ＬＣＤパネル（３０）に断面映像を具現する際に、中心は暗く、中心から遠ざかるほど明るさを増すマスク（Ｍａｓｋ）映像を適用する方法がある。

ＬＣＤパネル（３０）に前記のマスク映像を適用する例として、光が最大に通過する白色ＬＣＤ映像のデータ値（ＤａｔａＶａｌｕｅ）を２５５にして光が通過できない黒色ＬＣＤ映像のデータ値を０にする場合、中心部分のデータ値を１６０にして両端部分のデータ値を２５５に調整することができる。

そうであるならば、ＬＣＤパネル（３０）の中央部分において光の強さが弱まることから、ＬＣＤパネル（３０）を透過した光の強さを均一に調整することができる。

さて、光源として紫外線を用いる場合、強い紫外線によってＬＣＤパネル（３０）が損傷する可能性がある。

特に、光源として紫外線を用いつつ、ＬＣＤパネル（３０）に前記のマスク映像を適用する場合、ＬＣＤパネル（３０）の中央部分は、実際にプリンティングに必要とされる紫外線より多くの量の紫外線が照射される。

すなわち、ＬＣＤパネル（３０）の中心部分は、実際にＬＣＤパネル（３０）を透過する量より多くの量の紫外線を受けることとなるので、ＬＣＤパネル（３０）が損傷して寿命を縮める問題がある。

本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためのものであって、光源から照射された光をＬＣＤパネルの全面積にわたって最大限均一に到逹させようとするところにその目的がある。

本発明の他の目的は、ＬＣＤパネルにマスク映像を適用しなくとも、ＬＣＤパネルを透過する光の強さをより均一化させることにある。

本発明のまた他の目的は、光源とレンズの焦点距離を縮めて３Ｄプリンターの大きさを小型化させるところにある。

前記の目的を達成するため本発明は、３Ｄプリンターの下部に具備され上部に向けて光を照射する光源と、前記光源の上部から一定の距離を置いて配置されるレンズと、前記レンズの上部に具備されるＬＣＤパネルと、前記ＬＣＤパネルの上部に具備されて液状の成形材料を保存する保存容器と、前記保存容器の上部に具備されて成形製品を積層するビルドプレートと、前記ビルドプレートの上部に具備されて上下に昇降する昇降部材を含んで成る３Ｄプリンターにおいて、前記光源とＬＣＤパネルの間で光の照射角度を狭めるメニスカスレンズ（ＭｅｎｉｓｃｕｓＬｅｎｓ）が上に突き出るように具備され、または凸レンズが具備されることを特徴とする。

また、前記メニスカスレンズまたは凸レンズとＬＣＤパネルの間にフレネルレンズ（ＦｒｅｓｎｅｌＬｅｎｓ）を更に具備することを特徴とする。

また、前記光源は紫外線ＬＥＤから構成されることを特徴とする。

また、前記光源の上部に集光レンズが更に具備されることを特徴とする。

また、前記光源の下部にヒートシンク（ＨｅａｔＳｉｎｋ）が更に具備されることを特徴とする。

また、前記ヒートシンクの下部に冷却ファンが更に具備されることを特徴とする。

また、前記液状の成形材料は光硬化樹脂から成ることを特徴とする。

本発明によれば、光源から照射された光の強さをＬＣＤパネルに到逹する前に均一化させることで、液状成形材料を均一に硬化させ、成形製品の品質を向上させることができる。

また、ＬＣＤパネルにマスク映像を適用しなくても、ＬＣＤパネルに到逹する光の強さを最大限均一化させることができる効果がある。

また、ＬＣＤパネルにマスク映像を適用しなくても良いので、紫外線に対する露出過多を防ぎ、寿命を延ばすことができる効果がある。

またメニスカスレンズまたは凸レンズによって光の照射角度を狭めることができるので、フレネルレンズの焦点距離より短い位置に光源を配置し、３Ｄプリンターの大きさを小型化させる効果がある。

従来技術による３Ｄプリンター装置を簡略に現わした構成図。従来技術による３Ｄプリンター装置においてフレネルレンズを通過した光の強さを現わした図面。本発明の第１実施例による３Ｄプリンター装置においてメニスカスレンズを通過した光の強さを現わした図面。本発明の第２実施例による３Ｄプリンター装置においてメニスカスレンズ及びフレネルレンズを通過した光の強さを現わした図面。

以下、本発明の好ましい実施例につき、添付した図面を参照しつつ詳しく説明する。

図３は、本発明の第１実施例を図示したものである。

本発明の第１実施例によるＬＣＤ方式３Ｄプリンターは、図３に図示されているとおり、３Ｄプリンターの下部に具備されて上部に向けて光を照射する光源（１０）と、前記光源（１０）の上部から一定の距離を置いて配置されるレンズと、前記レンズの上部に具備されるＬＣＤパネル（３０）と、前記ＬＣＤパネル（３０）の上部に具備されて液状の成形材料（４０ａ）を保存する保存容器（４０）と、前記保存容器（４０）の上部に具備されて成形製品（５０）を積層するビルドプレート（ＢｕｉｌｄＰｌａｔｅ）（６０）と、前記ビルドプレート（６０）の上部に具備されて上下に昇降する昇降部材（７０）を含んで成る。

ここで、前記光源（１０）とＬＣＤパネル（３０）の間には、光の照射角度を狭めるメニスカスレンズ（ＭｅｎｉｓｃｕｓＬｅｎｓ）（８０）が突き出るように具備され、または凸レンズ（図示省略）が具備される。

前記メニスカスレンズ（８０）は、細い管の中にある液体の丸い模様の表面形状に製造されたレンズを言う。

前記メニスカスレンズ（８０）を用いるなら、ＬＣＤパネル（３０）に到逹する中央部分の光の強さを弱め、ＬＣＤパネル（３０）の全面積にわたって光の強さを最大限均一化させることができる。

前記光源（１０）は紫外線ＬＥＤで構成されることが好ましいが、これに限定されるものではない。

また、前記液状の成形材料（４０ａ）は、光硬化樹脂から成ることが好ましいが、これに限定されるものではない。

また、図面には図示していないが、前記光源（１０）の上部に集光レンズが更に具備され、光源から照射される光の角度を狭めることが好ましい。

また、前記光源（１０）の下部にはヒートシンク（ＨｅａｔＳｉｎｋ）（９０）が更に具備されて光源（１０）の熱を発散させ、前記ヒートシンク（９０）の下部に冷却ファン（１００）が更に具備されることが好ましい。

以下、本発明の第１実施例によるＬＣＤ方式３Ｄプリンターによって成形製品を製造する過程について説明する。

便宜上、成形材料を１００μｍ単位で硬化させて積層する場合を例として説明する。

まず、保存容器（４０）に液状の成形材料（４０ａ）を充填する。前記液状の成形材料は、光硬化性液状樹脂（ＰｈｏｔｏｃｕｒａｂｌｅＬｉｑｕｉｄＲｅｓｉｎ）で構成することができる。

続いて、昇降部材（７０）の下部に具備されたビルドプレート（ＢｕｉｌｄＰｌａｔｅ）（６０）の下面を保存容器（４０）の底面から１００μｍ上の位置まで下降させる（図１参照）。

すなわち、保存容器（４０）の底面とビルドプレート（６０）の下面の間隔が１００μｍとなるようにする。

続いて、コンピューターによって３Ｄ設計データを各断面映像に分離した後、ＬＣＤパネル（３０）に転送して最初の断面映像を具現する。

そして、光源（１０）から紫外線を照射すれば、ＬＣＤパネル（３０）の最初の断面の映像どおりに液状の成形材料（４０ａ）が硬化される。

すなわち、紫外線が通過する部分に該当する液状の成形材料（４０ａ）の一層が固まり、最初の断面層（５０ａ）が形成される。

続いて、前記昇降部材（７０）を上部に持ち上げれば、成形材料が固まった最初の断面層（５０ａ）がビルドプレート（６０）の下面に附着した状態で持ち上げられる。

次に、前記ビルドプレート（６０）の下面を保存容器（４０）の底面から２００μｍ上の位置まで再び下降させる。

そうすると、前記ビルドプレート（６０）に１００μｍの厚さの最初の断面層（５０ａ）が形成されているので、保存容器（４０）の底面と成形製品（５０）の最初の断面層（５０ａ）との距離は、１００μｍとなる。

この状態でＬＣＤパネル（３０）に二回目の断面映像を具現して紫外線を照射すれば、二回目の断面の映像どおり液状の成形材料（４０ａ）が硬化される。

続いて、前記昇降部材（７０）を再び持ち上げれば、成形製品（５０）の二回目の断面層（５０ｂ）が形成される。

前記の過程を繰り返し続けると、前記ビルドプレート（６０）に成形材料（４０ａ）が１００μｍの厚さで順序通りに積層された成形製品（５０）を得ることができる。

従来のＬＣＤ方式３Ｄプリンターは、図２に図示されているとおり、平板形状のフレネルレンズ（２０）のみを具備している。

これによって光源（１０）から照射される紫外線が円錐形状に広がって行くことから、図２に放物線で図示されているとおり、ＬＣＤパネル（３０）に到逹する光の強さが、中央部分は強く端に行くほど弱まる。

このように、ＬＣＤパネル（３０）に到逹する紫外線の強さが不均一となる場合、液状成形材料（４０ａ）の硬化レベルが変化することから高品質な成形製品を得にくくなる。

前記の様な問題点を解決するための方法には、ＬＣＤパネル（３０）にマスク（Ｍａｓｋ）映像を適用する方法がある。

前記マスク映像は、光の強さが強い中心部分を暗くし、端に行くほど明るくすることで、中心部分と端部分の光の強さができるだけ均一となるようにしている。

前記マスク映像を適用させる場合、ＬＣＤパネル（３０）の中心部分で光の強さが弱まるので、ＬＣＤパネル（３０）を透過した光の強さが均一化される。

さて、光源として紫外線を使う場合には、強い紫外線によるＬＣＤパネル（３０）の損傷が大変憂慮される。

特に、紫外線を光源として用いてＬＣＤパネル（３０）にマスク映像を適用する場合、ＬＣＤパネル（３０）は、実際に液状の成形材料（４０ａ）を硬化させるのに必要な紫外線よりも更に多くの紫外線に露出する。

これによって光の強さは均一化することができるが、ＬＣＤパネル（３０）の寿命を縮める結果をもたらすこととなる。

しかし、本発明によれば、図３に図示されているとおり、従来の平板型フレネルレンズ（２０）の代わりに三日月形状のメニスカスレンズ（８０）を使用することから、ＬＣＤパネル（３０）の中心部分の光の強さを弱めることができる。

特に、ＬＣＤパネル（３０）に別途マスク映像を適用しなくても、ＬＣＤパネル（３０）に到逹する光の強さを最大限均一に調整することができる。

これによって、ＬＣＤパネル（３０）の紫外線に対する露出過多を防ぎ、寿命を延ばすことができる。

図４は、本発明の第２実施例を図示したものである。

本発明の第２実施例によるＬＣＤ方式３Ｄプリンターは、前記第１実施例においてメニスカスレンズ（８０）または凸レンズ（図示省略）とＬＣＤパネル（３０）の間にフレネルレンズ（ＦｒｅｓｎｅｌＬｅｎｓ）（２０）を更に具備したものである。

すなわち、本発明の第２実施例は、メニスカスレンズ（８０）または凸レンズとフレネルレンズ（２０）を組み合わせて使用する。

前記フレネルレンズ（２０）は、光を狭い領域に集めるために使用されるレンズであり、灯台や探照灯に用いられている。

本発明の第２実施例によれば、図４に図示されているとおり、ＬＣＤパネル（３０）の中央部分に到逹する光の強さを減少させ、図３に図示されている第１実施例に比べると若干ではあるが光の強さを均一にできる。

また、フレネルレンズ１個、またはメニスカスレンズ１個を使う場合に比べ、レンズの焦点距離を更に短くできる。

図４に図示されているとおり、フレネルレンズ（２０）１個のみを使用する場合の焦点距離は「Ａ」となり、メニスカスレンズ（８０）１個のみを使用する場合の焦点距離は「Ｂ」となる。

しかし、本発明のようにフレネルレンズ（２０）とメニスカスレンズ（８０）を組み合わせて使用する場合、焦点距離が「Ｃ」のように短くなることから、３Ｄプリンターの大きさを小型化することができる。

これ以外の事項については前記第１実施例の場合と同様であるので、重ねての説明は、省略したい。

これらのことは、本発明の好ましい実施例を例示的に説明したものであり、発明の範囲は、前記特定実施例に限定されない。該当の技術分野において通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想の範囲を逸脱すること無く多様な変更及び修正が可能であることを理解できるものと思料する。

Claims

３Ｄプリンターの下部に具備されて上部に向けて光を照射する光源（１０）と、前記光源（１０）の上部から一定の距離を置いて配置されるレンズと、前記レンズの上部に具備されるＬＣＤパネル（３０）と、前記ＬＣＤパネル（３０）の上部に具備されて液状の成形材料（４０ａ）を保存する保存容器（４０）と、前記保存容器（４０）の上部に具備されて成形製品（５０）を積層するビルドプレート（６０）と、前記ビルドプレート（６０）の上部に具備されて上下に昇降する昇降部材（７０）を含んで成る３Ｄプリンターにおいて、
前記光源（１０）とＬＣＤパネル（３０）の間に、前記ＬＣＤパネル（３０）にマスク映像を適用しなくとも、前記ＬＣＤパネル（３０）に到達する光の強さを均一化させるために、前記ＬＣＤパネル（３０）の中央部分で前記光源（１０）から照射される光を弱めるメニスカスレンズ（ＭｅｎｉｓｃｕｓＬｅｎｓ）（８０）が上に突き出して具備され、
前記光源（１０）は、紫外線ＬＥＤで構成され、
前記光源（１０）の下部にヒートシンク（ＨｅａｔＳｉｎｋ）（９０）が具備され、
前記ヒートシンク（９０）の下部に冷却ファン（１００）が具備され、
前記液状の成形材料（４０ａ）は、光硬化液状樹脂から成ることを特徴とするＬＣＤ方式３Ｄプリンター。
前記光源（１０）の上部に集光レンズが具備されることを特徴とする、請求項１に記載のＬＣＤ方式３Ｄプリンター。