JP6797155B2 - ３次元印刷システム - Google Patents

Description

本発明は、３次元印刷システムに関し、特に、３次元オブジェクトが近似した硬化硬度を有するように、液状成形材料を照射するための平行光を提供する３次元印刷システムに関する。

一般的に、層ごとの模型構築のための付加製造技術（ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）を利用して、３次元（ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ、３Ｄと略称）模型を造るための技術は、主にコンピュータ支援設計（ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｉｄｅｄ ｄｅｓｉｇｎ、ＣＡＤと略称）等のソフトウェアによって構築された３Ｄ模型のデザインデータを、互いに連続して積み重ねられた複数の薄い断面層に変換し、そして、３次元印刷システムは、３Ｄ模型のデザインデータに基づいて構築されるＸＹＺ空間座標によりベース台の上方にＸ−Ｙ平面に沿って移動し、構築材料を用いて正しい形状の断面層を形成する。その後、層ごとにＺ軸に沿って移動する印刷システムにより、断面層がＺ軸に沿って徐々に積み重ねられ、構築材料を層ごとに硬化させて３次元オブジェクトを形成する。

光硬化成形技術を用いて３次元オブジェクトを実現する３次元印刷システムは、成形スピードが速く、システム安定性、高精度という利点から、微細部品の製造に広く用いられている。図１は、従来の３次元印刷システムを示す構造図である。３次元印刷システム１は、光硬化構築材料（以下、「構築材料」という）により３次元オブジェクト１２を形成する。印刷モジュール１４は、液槽１６に収容された液状成形材料１８に浸漬するのに適する。光源モジュール２０は、構築材料としての液状成形材料１８をＸＹ平面上に照射することで、液状成形材料１８を硬化させて印刷モジュール１４の移動ステージ１４０上に積層する。このようにして、印刷モジュール１４の移動ステージ１４０をＺ軸に沿って層ごとに移動させることにより、液状成形材料１８を層ごとに硬化させて３次元オブジェクト１２になるように積層することができる。

しかしながら、図１のＸＹ平面から見た場合、光源モジュール２０からの光は扇状に分布することは、液状成形材料の硬化硬度が内外で異なることをもたらす。具体的には、図２に示すように、光の成形面Ｓまでの長さが異なり、例えば、光出射点から成形面の右側の点Ａまでの距離は、光出射点から成形面の中央の点Ｂまでの距離よりも大きい。そのため、焦平面の異なる箇所に位置する液状成形材料が受光された光の輝度は異なる。その結果、単一回の（走査）動作の下で形成された液状成形材料は、異なる硬化硬度を有する。

本発明に係る３次元印刷システムは、液槽と、移動ステージと、光源モジュールと、制御モジュールと、を含み、前記液槽は、液状成形材料を収容し、前記移動ステージは、前記液槽の上に移動可能に配置され、前記光源モジュールは、前記液槽の下方に配置され、複数の発光ダイオードを有し、前記液状成形材料を照射する光源を提供し、前記制御モジュールは、前記光源モジュールに結合され、焦平面が前記移動ステージと前記液槽との間に位置して前記液槽の底部から所定距離だけ離れる光を生成するように前記光源モジュールを駆動することで、３次元オブジェクトのスライスオブジェクトとして前記焦平面の前記液状成形材料を硬化し、前記制御モジュールは、単一回の走査動作の下で成形された前記液状成形材料全体が近似した硬化硬度を有するように、前記複数の発光ダイオードのうち１つの輝度を他の発光ダイオードの輝度を調整するための基準として用い、前記制御モジュールは、各前記複数の発光ダイオードの最大輝度情報を記憶するメモリユニットと、光シリアル信号を受信するシフトレジスタと、前記メモリユニットと前記シフトレジスタとに結合された制御ユニットと、を含み、前記制御ユニットは、前記光シリアル信号及び各前記複数の発光ダイオードの前記最大輝度情報に基づいて制御信号を生成し、前記制御ユニットは、各前記発光ダイオードが同じエネルギーの光を出力させるように、前記発光ダイオードに必要な電流又は前記制御信号のデューティサイクルを調整し、単一回の走査動作の下で成形された前記液状成形材料が近似した硬化硬度を有するように、前記液状成形材料が前記焦平面に近似したエネルギーを受ける、ことを特徴とする。

従来の３次元印刷システムを示す構造図である。 従来の３次元印刷システムによる光路図である。 本発明の一実施形態に係る３次元印刷システムを示す構造図である。 本発明の一実施形態に係る光源モジュールの要部拡大図である。 本発明の一実施形態による制御モジュールの一部を示す回路ブロック図である。

図面は、ただ参考及び説明に用いるのみであり、本発明の特許請求の範囲に制限を加えるものではない。

図３は、本発明の一実施形態に係る３次元印刷システムを示す構造図である。図３において、３次元印刷システムは、ステレオリソグラフィ（Ｓｔｅｒｅｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ， ＳＬＡ）技術を用い、３次元モデル（図示せず）から３次元オブジェクトを製造するのに適する３次元印刷システムである。図３において、３次元印刷システム１０は、制御モジュール１１０と、移動ステージ１２０と、光源モジュール１３０とを含む。制御モジュール１１０は、ノートパソコン、タブレットＰＣ、又はデスクトップパソコン等のコンピュータ装置（図示せず）に接続することができる。コンピュータ装置は、３次元オブジェクトの３次元モデルを編集処理し、３次元印刷システム１０の制御モジュール１１０に対して３次元モデルに対応する複数の断面情報を送信することができる。３次元印刷システム１０は、コンピュータ装置によって送信された３次元印刷情報に基づいて３次元オブジェクトを印刷するように構成される。なお、上述した３次元モデルは、例えば、コンピュータ支援設計又はアニメーションモデリングソフトウェアによって構築されたデジタル３次元画像ファイルであってもよい。コンピュータ装置は、上述した３次元モデルをさらにスライスして複数の断面情報を生成し、この断面情報から複数のスライスオブジェクト５０を順次取出し、これらのスライスオブジェクト５０を積み重ねて３次元オブジェクトを形成する。

移動ステージ１２０は、液槽１００上にＺ軸方向に沿って移動可能に配置される。液槽１００は、液状成形材料１０２で充填される。移動ステージ１２０は、制御モジュール１１０によって液状成形材料１０２内に移入又は移出するように制御されてもよい。液状成形材料１０２は、例えば、光源モジュール１３０によって提供される特定の波長帯域を有する光（例えば、紫外光）の照射によって硬化可能な感光性樹脂であってもよい。

光源モジュール１３０は、液状成形材料１０２を硬化させる光を提供するために用いられる。光源モジュール１３０によって提供された光は、液槽１００を貫通し、移動ステージ１２０と液槽１００の底部の内面１０１との間に液状成形材料１０２を照射する。これにより、液状成形材料１０２を移動ステージ１２０上に硬化させて積み重ねる。より具体的に、光源モジュール１３０によって生成された光は、液状成形材料１０２を硬化させるように、液槽１００内に内面１０１から所定距離ｄだけ離れた焦平面Ｓ上で液状成形材料１０２に集光するように制御される。これにより、液状成形材料１０２の内外の硬度が異なるという問題を効果的に回避することができる。

光源モジュール１３０は、制御モジュール１１０に結合され、制御モジュール１１０から送られた信号を受信して、焦平面Ｓ上に集光できる光を生成する。本発明において、光源モジュール１３０は、複数の発光ダイオード１３２と、複数の光整形部材１３４と、駆動ユニット１３６とを含んでもよい。図４及び図５に示すように、各発光ダイオード１３２は、略扇状の発散光を生成する。各光整形部材１３４は、発光ダイオード１３２と焦平面Ｓとの間に配置され、発光ダイオード１３２によって生成された発散光を整形して焦平面Ｓに集光させる。

なお、３次元印刷システム１０は、光源モジュール１３０によって提供される光が面光源である場合、単一回の（走査）動作で１層のスライスオブジェクト５０を形成することができる。これにより、光源モジュール１３０は、異なる方向を走査するように移動する移動部材を別途追加する必要がない。しかし、３次元印刷システム１０は、光源モジュール１３０によって提供される光が線光源である場合、単一回の（走査）動作で１層のスライスオブジェクト５０のうち１行又は１列のみが硬化成形される。そのため、光源モジュール１３０は、１層のスライスオブジェクト５０を成形するために、Ｘ軸又はＹ軸に沿って移動する移動部材（図示せず）を別途追加する必要がある。

光整形部材１３４の数は、発光ダイオード１３２の数と同じであり、上述した断面情報における単一の画素に対応するスライスオブジェクト５０を硬化するために、各発光ダイオード１３２及びそれに対応する光整形部材１３４が協働して光を提供することができる。

光整形部材１３４は、集光レンズ又はロッドレンズ（登録商標）であってもよい。図４に示すように、光源モジュール１３０は、光整形部材１３４の中心から発光ダイオード１３２の出光面１３２０までの距離Ｌ１が、光整形部材１３４の中心から焦平面Ｓまでの距離Ｌ２と同じになるように適切に設計されている。これにより、光源モジュール１３０の高さを効果的に低減することができ、３次元印刷システム１０の運送コストを削減することができる。

駆動ユニット１３６は、制御モジュール１１０からの制御信号を受信し、発光ダイオード１３２の理解できるデータに変換する。点灯する発光ダイオード１３２の数は、コンピュータ装置によって送信される３次元印刷情報に基づいて、異なる回の走査動作において選択されることができる。

また、製造誤差により、光源モジュール１３０における各発光ダイオード１３２から発光する光の輝度（以下、輝度と称する）が同一でないため、焦平面に投射される光の均一性が悪くなり、スライスオブジェクト５０の成形品質に影響を与える。より具体的に、液状成形材料１０２は、輝度の強い位置で所定時間内に円滑に硬化成形することができる一方、輝度の弱い位置で所定時間内に円滑に硬化成形することができないか、又は輝度の弱い位置の硬化硬度が他の輝度の強い位置の硬化硬度ほど高くないという問題が生じる。すなわち、スライスオブジェクト５０は、発光ダイオード１３２の輝度ムラにより硬化硬度が異なる問題が生じる。

発光ダイオード１３２の輝度ムラにより３次元オブジェクトの成形品質に影響を与えることを回避するために、図５に示す制御モジュール１１０の一部の回路を用いて、光源モジュール１３０内の各発光ダイオード１３２の輝度を均一にすることができる。図５は、本発明の一実施形態による制御モジュールの一部を示す回路ブロック図である。説明の便宜上、図５には、発光ダイオード１３２及び駆動ユニット１３６が示されている。制御モジュール１１０は、シフトレジスタ１１２と、メモリユニット１１４と、制御ユニット１１６とを含む。シフトレジスタ１１２は、過度の入力ポートの使用を回避するための直列シフトレジスタである。メモリユニット１１４は、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ−Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ−Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）であってもよく、その内部に各発光ダイオード１３２に対応する最大輝度情報が予め記憶されてもよい。

制御モジュール１１０は、コンピュータ装置から提供された３次元印刷情報における光シリアル信号、ラッチ信号及びタイミング信号、及びメモリユニット１１４からの最大発光輝度のデータを受信して少なくとも１つの制御信号を駆動ユニット１３６に出力することができる。駆動ユニット１３６は、制御信号に基づいて発光ダイオード１３２を駆動するための駆動信号を生成する。

光シリアル信号は、データ入力ポートＤａｔａ Ｉｎによって制御モジュール１１０に入力され、ラッチ信号は、データラッチポートＤａｔａ Ｌａｔｃｈによって制御モジュール１１０に入力され、タイミング信号は、タイミングポートＣｌｏｃｋによって制御モジュール１１０に入力される。光シリアル信号は、制御モジュール１１０にシリアル（ｓｅｒｉａｌ）方式で入力されてもよい。シフトレジスタ１１２は、メモリユニット１１４から各発光ダイオード１３２に対応する最大輝度情報を別途受信してもよい。

光シリアル信号は、シリアル方式で制御モジュール１１０に入力されるものであるため、ｎ個のクロックの時間が経過してから、１つのシフトレジスタ１１２によって単一回の（走査）動作に対応する光シリアル信号が全体的に受信されることが可能である。したがって、タイミング信号が所定周期経過した後には、ラッチ信号により光シリアル信号をラッチして、単一回の（走査）動作に対応する必要な発光ダイオード１３２のスイッチング信号を生成することができる。そして、制御ユニット１１６は、スイッチング信号及びメモリユニット１１４からの発光ダイオード１３２の最大輝度情報に基づいて、異なる回の（走査）動作に対応する各発光ダイオード１３２の必要な制御信号を生成して駆動ユニット１３６に提供する。

なお、制御ユニット１１６によって提供される制御信号は、パルス変調信号であってもよい。したがって、制御ユニット１１６は、制御信号のデューティサイクル（ｄｕｔｙ ｃｙｃｌｅ）を調整することによって、異なる最大輝度を有する発光ダイオード１３２に対して導通時間を異ならせることができ、各画素の対応する液状成形材料１０２は、互いに近似した硬化硬度を有するように、同じエネルギーを受けることができる。例えば、液状成形材料１０２が近似した硬化硬度を有するように、最大輝度が最も低い発光ダイオード１３２のデューティサイクルを最大デューティサイクル（例えば、１００％）に調整するとともに、他の発光ダイオード１３２のデューティサイクルを減少させてもよい。

また、制御ユニット１１６は、制御信号を調節することで、異なる最大輝度を有する発光ダイオード１３２に伝送されるエネルギー（例えば、電流）を変更して、発光ダイオード１３２の輝度を変更してもよい。これにより、各画素の対応する液状成形材料１０２は、近似したエネルギーを受けて近似した硬度で硬化することができる。例えば、液状成形材料１０２が近似した硬化硬度を有するように、最大輝度が最も低い発光ダイオード１３２の導通電流を最大導通電流に調整するとともに、他の発光ダイオード１３２の導通電流を低下させてもよい。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明にあっては種々の変形が可能であって、かかる変形は、特許請求の範囲内に含まれる変形である限り本発明の技術的範囲に含まれる。

１、１０…３次元印刷システム
１００、１６…液槽
１０１…内面
１０２、１８…液状成形材料
１１０…制御モジュール
１１２…シフトレジスタ
１１４…メモリユニット
１１６…制御ユニット
１２０、１４０…移動ステージ
１３０、２０…光源モジュール
１３２…発光ダイオード
１３２０…出光面
１３４…光整形部材
１３６…駆動ユニット
１４…印刷モジュール
５０…スライスオブジェクト
ｄ…所定距離
Ｓ…焦平面

Claims (7)

1. 液槽と、移動ステージと、光源モジュールと、制御モジュールと、を含み、
   前記液槽は、液状成形材料を収容し、
   前記移動ステージは、前記液槽の上に移動可能に配置され、
   前記光源モジュールは、前記液槽の下方に配置され、複数の発光ダイオードを有し、前記液状成形材料を照射する光源を提供し、
   前記制御モジュールは、前記光源モジュールに結合され、焦平面が前記移動ステージと前記液槽との間に位置して前記液槽の底部から所定距離だけ離れる光を生成するように前記光源モジュールを駆動することで、３次元オブジェクトのスライスオブジェクトとして前記焦平面の前記液状成形材料を硬化し、
   前記制御モジュールは、単一回の走査動作の下で成形された前記液状成形材料全体が近似した硬化硬度を有するように、前記複数の発光ダイオードのうち１つの輝度を他の発光ダイオードの輝度を調整するための基準として用い、
   前記制御モジュールは、各前記複数の発光ダイオードの最大輝度情報を記憶するメモリユニットと、光シリアル信号を受信するシフトレジスタと、前記メモリユニットと前記シフトレジスタとに結合された制御ユニットと、を含み、
   前記制御ユニットは、前記光シリアル信号及び各前記複数の発光ダイオードの前記最大輝度情報に基づいて制御信号を生成し、
   前記制御ユニットは、各前記発光ダイオードが同じエネルギーの光を出力させるように、前記発光ダイオードに必要な電流又は前記制御信号のデューティサイクルを調整し、単一回の走査動作の下で成形された前記液状成形材料が近似した硬化硬度を有するように、前記液状成形材料が前記焦平面に近似したエネルギーを受ける、
   ことを特徴とする３次元印刷システム。
2. 前記光源モジュールは、前記焦平面と前記複数の発光ダイオードとの間に配置され、各前記複数の発光ダイオードから発光された光を前記焦平面に集光させる複数の光整形部材をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の３次元印刷システム。
3. 前記光整形部材の数は、前記複数の発光ダイオードの数と同じであり、各前記光整形部材は、前記複数の発光ダイオードのうち１つと前記焦平面との間に対応して配置されることを特徴とする請求項２に記載の３次元印刷システム。
4. 各前記光整形部材は、集光レンズ又はロッドレンズであることを特徴とする請求項２に記載の３次元印刷システム。
5. 前記シフトレジスタは、ラッチ信号とタイミング信号とをさらに受信し、前記光シリアル信号、前記ラッチ信号及び前記タイミング信号に基づいて、各前記複数の発光ダイオードの単一回の走査動作に対応して必要なスイッチング信号を生成し、
   前記制御ユニットは、前記スイッチング信号及び各前記複数の発光ダイオードの前記最大輝度情報に基づいて前記制御信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の３次元印刷システム。
6. 前記メモリユニットは、ＥＥＰＲＯＭであることを特徴とする請求項１に記載の３次元印刷システム。
7. 前記制御モジュールは、前記移動ステージに結合され、３次元オブジェクトの少なくとも１つのスライスオブジェクトが前記移動ステージ上で硬化されるように、前記移動ステージを前記光源モジュールから遠ざけるように制御することを特徴とする請求項１に記載の３次元印刷システム。