JP7118988B2 - 平滑な曲面を有する眼内レンズの３ｄプリンティング - Google Patents

Description

本開示は一般に、３Ｄプリンティングに関し、より詳しくは、平滑な曲面を有する眼内レンズの３Ｄプリンティングに関する。

３Ｄプリンティングは、アディティブマニュファクチャリングとも呼ばれ、立体の物体を作るために使用されるプロセスを指し、連続的な材料の層がコンピュータ制御下で形成されて物体が作られる。幾つかの３Ｄプリンティングプロセスがあり、これらは部品を製作するための層の堆積方法及び使用材料において異なる。ステレオリソグラフィ（ＳＬＡ）は１種の３Ｄプリンティングプロセスであり、光重合を利用して液体材料を硬化させることにより、固体部品の層を生成するものである。これは、容器に入った液体ポリマを露光させ、鎖状分子を結合させて、立体の固体物体の１層を含むポリマを形成するプロセスである。その後、固体物体が載せられるビルドプレートが少しずつ下降され、液体ポリマが再び露光される。この工程が繰り返されて、物体のモデルが完成する。

現在のＳＬＡ ３Ｄプリンタは、像をフォトポリマ容器の特定の平面上に投射させるための像形成投射システム（例えば、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、リソグラフィ、ＬＣＤ、ラスタスキャンその他）を使用する。これらのシステムは、複雑な形状を製作するためのものであり、そのため、材料を硬化させるための適応型の像が必要である。しかしながら、ほとんどの像形成投射システムは、像を投射するためにピクセルを利用しており、それゆえ、投射された像には横方向の平面内の分解能の限界があり、これはピクセルサイズに関係する。それに加えて、ビルドプレートを並進移動させるためのステップモータにより、一定の増分の階層状に硬化され、その結果、平滑面を有する部品ではなく、部品が「階段状」の表面仕上げとなる。これらの制限により、現在のＳＬＡ ３Ｄプリンタは眼内レンズ（ＩＯＬ）の製造には適していないかもしれず、それは、「階段状」であると光学品質と審美的外観が低下する可能性があるからである。

したがって、必要とされているのは、平滑な連続的曲線を有する、ＩＯＬ等の小型光学系を製造するのに適した改良型３Ｄプリンティングシステムである。

特定の実施形態において、連続付加製造システムは、フォトポリマ樹脂容器と、光源と電動可変開口を有する光源アセンブリと、を含む。光源アセンブリは、フォトポリマ樹脂容器中に焦点を生成するように動作可能であり、フォトポリマ樹脂容器内の硬化面における焦点の形状は電動可変開口の形状に対応する。連続付加製造システムは、構築物を支持するように構成されたプラットフォームと、フォトポリマ樹脂容器内で硬化面を連続的に移動させるように構成された駆動機構（プラットフォームと光源アセンブリのうちの少なくとも一方に連結される）と、をさらに含む。電動可変開口の大きさ及び／又は形状は、硬化面がフォトポリマ樹脂容器内で連続的に移動されている間に変更される。

特定の実施形態において、連続付加製造の方法は、光源アセンブリを通じて、フォトポリマ樹脂容器内に焦点を生成するステップを含み、フォトポリマ樹脂容器内の硬化面における焦点の形状は光源アセンブリの電動可変開口の形状に対応する。方法は、硬化面をフォトポリマ樹脂容器内で連続的に移動している間に、電動可変開口の大きさ及び／又は形を変化させるステップをさら含む。

上述のシステムと方法は、従来の付加製造技術に対しての特定の利点を提供するかもしれない。例えば、上述のシステムと方法により、ＩＯＬに適した、平滑で高分解能の、光学レベルの品質のサービスの創出が可能となるかもしれない。

本開示及びその利点をより十分に理解するために、ここで、添付の図面に関して読むべき以下の説明を参照するが、図中、同様の参照番号は同様の特徴を示す。

例示的な従来のＳＬＡ付加製造システムの一部を示す略図である。 本開示の例示的実施形態による連続付加製造システムを示す略図である。 光源と電動可変開口を示す光源アセンブリの断面図である。

本開示の例示的実施形態は、連続付加製造システムに関する。以下の説明は、当業者が本発明を製造し、使用できるようにするために提示され、特許出願とその要件に関して提供される。本明細書に記載されている例示的実施形態ならびに全体的原理及び特徴に対する様々な改良は、容易に明らかとなるであろう。例示的実施形態は、主として特定の実装において提供される特定の方法とシステムの点で説明される。しかしながら、方法とシステムは他の実装においても有効に機能する。「例示的実施形態」、「１つの実施形態」、及び「他の実施形態」等の語句は、同じ又は異なる実施形態を指していてもよい。実施形態は、特定の構成要素を有するシステム及び／又は装置に関して説明される。しかしながら、システム及び／又は装置は、示されているものより多い、又はそれより少ない構成要素を含んでいてもよく、構成要素の配置と種類は、本発明の範囲から逸脱することなく変更されてもよい。例示的実施形態はまた、特定のステップを有する特定の方法に関して説明される。しかしながら、方法とシステムは、例示的実施形態と矛盾しない別の及び／又は追加的ステップや別の順序のステップを有する他の方法にも有効に機能する。それゆえ、本発明は示されている実施形態に限定されるものではなく、本明細書に記載の原理及び特徴に適合する最も広い範囲が与えられる。

図１は、例示的な従来のＳＬＡ付加製造システムの一部を示す略図である。この例示的なＳＬＡ付加製造システム１０、例えば従来のＳＬＡ ３Ｄプリンタは、像１４をフォトポリマ樹脂１８の容器の横平面１６上に投射するためのデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）１２又はその他の像形成投射システムを含む。典型的に、像１４はＤＭＤ １２により、紫外（ＵＶ）光／レーザ（図示せず）をフォトポリマ樹脂１８の横平面１６上に集光させることによって投射される。ＤＭＤチップは、その表面上に数十万個のマイクロミラーを含み、これらは表示される予定の像１４のピクセルに対応するアレイ状に配置される。ＤＭＤにより投射される紫外光により、感光フォトポリマは固化して、最終的な部品を画定する硬化ポリマの層を形成する。しかしながら、ＤＭＤ １２はピクセルで構成されるため、投射される像１４は横平面１６において、ＤＭＤ １２のピクセルサイズに関する分解能の限界を有し、その結果、図のように、像１４の縁部が「階段状」となる。

それに加えて、ステップモータ（図示せず）は昇降装置又はプラットフォームをフォトポリマ樹脂１８の容器内で最終的な部品２０の１層の厚さと等しい距離だけ上又は下に並進移動させ、フォトポリマが再びＵＶ光に露光される。このプロセスが設計の各層について繰り返され、最終的に３Ｄ物体が完成する。

アセンブリを並進移動させるためにステップモータを使用することにより、一定の増分の階層として硬化し、また、最終的な部品２０の各層について、ここではモータ運動平面２２として示されているモータの運動方向に「階段状」の表面仕上げとなる。それゆえ、従来のＳＬＡ付加製造システムでは、平坦な表面を有する部品ではなく、横（すなわち水平）方向とモータ（すなわち縦）方向の両方においてエイリアシングと考えられ得るものを有する最終的部品２０が製作される。眼内レンズ（ＩＯＬ）等、人の眼内に移植される物体の場合、このようなエイリアシングのある表面を有することは、光学的品質と審美的外観を損なうため、容認できないであろう。

例示的実施形態は、直線位置決めのための連続駆動サーボモータと、光源内の電動可変開口との組み合わせを利用して、硬化面をフォトポリマ樹脂の体積内で連続的に上昇させることによって平滑な連続的曲面を生成する、眼内レンズ（ＩＯＬ）の構築に適した改良型の連続付加製造方法及びシステムを提供する。

図２は、本開示の例示的実施形態による連続付加製造システムを示す略図である。連続付加製造システム１００は、フォトポリマ樹脂１０２の容器と、光源アセンブリ１０４と、フォトポリマ樹脂１０２の容器内に配置され、硬化ポリマ１０８（構築／プリントされている物体）を支持するプラットフォーム１０６と、光源アセンブリ１０４及び／又はプラットフォーム１０６に連結された駆動機構１１０と、光源アセンブリ１０４及び駆動機構１１０に連結されたプロセッサ１１２と、を含む３Ｄプリンタとして実装されてもよい。

フォトポリマ樹脂１０２は、何れの種類の適当な重合可能液体、モノマ、イニシエータ、及びそれらの組合せを指してもよい。連続付加製造システム１００はまた、構築プロセス中にフォトポリマ樹脂１０２の経路を補充するためのフォトポリマ樹脂タンク（図示せず）も含んでいてよい。

駆動機構１１０は、光源アセンブリ１０４及び／又はプラットフォーム１０６を移動させるための何れの適当な機器を指してもよい。例えば、駆動機構１１０は、サーボモータ、電気モータ、リニアアクチュエータ、又は他の何れかの適当なモータもしくは作動装置の１つ又は複数を含んでいてもよい。

例示的実施形態によれば、光源アセンブリ１０４には光源１１２及び電動可変開口１１４が提供される。光源１１２は、紫外（ＵＶ）光源を含んでいてもよく、従来の光学構成要素（図示せず）、例えば１つ又は複数のＬＥＤ、フィルタ、コンデンサ、ディフューザ、レンズチューブ長さ調整器、その他を含んでいてもよい。上述の例示的実施形態においては、光源１１２。上述の実施形態においては、光源１１２はＵＶ光源を含んでいるが、光源１１２は代替的に、何れの種類の励起源（例えば、可視又はスペクトル内の光を生成する光源）を含んでいてもよい。それに加えて、上述の実施形態において、光源１１２は光を生成するための１つ又は複数のＬＥＤを含んでいるが、光源１１２は代替的に、光を生成する他の何れの適当な構成要素（例えば、白熱灯、蛍光灯、白色もしくはルミネッセントライト、又はレーザ）を含んでいてもよい。

図３は、光源１１２と電動可変開口１１４を示す光源アセンブリ１０４の断面略図である。また、発せられた光とフォトポリマ樹脂１０２の図（破線の楕円）の拡大部分も示されている。光源アセンブリ１０４は、縦方向にフォトポリマ樹脂１０２の真上に取り付けられてよく、光源アセンブリ１０４から発せられた光１２０は、フォトポリマ樹脂１０２内の硬化面１２４を画定する焦点を有していてもよい。１つの実施形態において、焦点は開口の円形像を含んでいてもよい。以下にさらに詳しく説明するように、可変開口の調節と硬化面１２４に関するプラットフォーム１０６の連続的な移動（又は、代替的に、プラットフォーム１０６に関する光源アセンブリ１０４の移動）とにより、平滑な曲面を有する部品（例えば、ＩＯＬ）の創出が可能になるかもしれない。

ここで、図２及び３の両方を参照すると、構築プロセス中、プロセッサ１１２は、ここでは硬化制御モジュール１１６と呼ばれるソフトウェア命令を実行してもよく、これらのソフトウェア命令は、駆動機構１１０と光源アセンブリ１０４の両方を制御するようにプロセッサ１１２を構成してもよい。プロセッサ１１２は、とりわけ、電動可変開口１１４の直径、光１２０の強度、及びプラットフォーム１０６の位置及び／又は光源アセンブリ１０４の位置を調節する駆動機構１１０を制御してもよい。

１つの実施形態において、プロセッサ１１２は当初、プラットフォーム１０６をフォトポリマ樹脂１０２の表面１２２から下の所定の深さに位置付け、光１２０の焦点、したがって硬化面１２４の初期位置を、プラットフォーム１０６から上の所定の距離に設定してもよい。プラットフォーム１０６が当初位置決めされる所定の深さは、少なくとも一部に構築物の高さに基づいていてもよい。１つの実施形態において、ＵＶブロッカを使ってフォトポリマ樹脂１０２への光１２０の浸透深さを制御してもよい。

構築プロセス中、プロセッサ１１２は光源アセンブリ１０４に、フォトポリマ樹脂１０２内の硬化面１２４への電動可変開口の投射によってフォトポリマ樹脂１０２を常に露光させてもよい。１つの実施形態において、電動可変開口が円形である場合、投射も円形となる。それに加えて、又は代替的に、投射は楕円形等の他の形状を生成するように変更して、非対称光学系を生成してもよい。特定の実施形態において、電動可変開口１１４の投射はある倍率で硬化面１２４上に再結像されてもよい。

露光中、プロセッサ１１２は、硬化面１２４をフォトポリマ樹脂１０２の容器内で連続的に移動させながら、構築物の形状に応じて電動可変開口１１４の直径を変化させてもよい。言い換えれば、プロセッサ１１２は、硬化面１２４が電動可変開口の直径の変化及び光源アセンブリ１０４から発せられる光１２０の位置の変化と同期される連続光硬化プロセスを制御して、横縦両方向に平滑な表面を有する構築物を創出してもよい。

１つの実施形態において、硬化面１２４は、光源アセンブリ１０４を縦方向にフォトポリマ樹脂１０２の表面１２２から遠ざかるように連続的に上昇させ、それによって硬化面１２４をフォトポリマ樹脂１０２中で縦方向にフォトポリマ樹脂１０２の表面１２２に向かって移動させることにより、フォトポリマ樹脂中で連続的に上昇させてもよい。この実施形態において、開口の変更は、駆動機構１１０の速さ及び、任意選択によって光源の特性と同調されてもよく、その間、プラットフォーム１０６の位置は固定されたままであってもよい。

他の実施形態において、硬化面１２４は、光源アセンブリ１０４の光学パワーを連続的に変化させ、それによって硬化面１２４をフォトポリマ樹脂１０２中で縦方向にフォトポリマ樹脂１０２の表面１２２に向かって移動させることによって、フォトポリマ樹脂中で連続的に上昇されてもよい。この実施形態において、光源アセンブリ１０４の光学パワーは低減されてもよく、その間、プラットフォーム１０６の位置は固定されたままであってもよい。

また別の実施形態によれば、硬化制御モジュール１１６は、プロセッサ１１２を、硬化プロセス中、プラットフォーム１０６をフォトポリマ樹脂１０２の表面１２２から遠ざかるように縦方向に連続的に移動させ、それによって構築物を連続的に下降させることによって、構築物の形状に応じて電動可変開口１１４の直径を変化させるように構成してもよい。この実施形態において、開口の変更は、駆動機構１１０の速さ及び、任意選択によって光源の特性と同調されてもよく、その間、硬化面の位置は固定されたままである。

１つの実施形態において、硬化面１２４が縦方向に移動される速さは一定でも可変でもよく、電動可変開口１１４の直径が変化される速さは、縦方向の移動速度及び構築物の形状に依存する。それに加えて、硬化プロセス中、計算されたパラメータを使用することにより、計算された硬化制御パラメータを使って駆動機構１１０の比例速さを変化させて、球面、非球面、又はフリーフォーム光学面の特性を有する表面（例えば、ＩＯＬ用）を創出してもよい。１つの実施形態において、硬化制御モジュール１１６に入力される硬化制御パラメータには、構築物のための出力形状幾何学情報、電動可変開口１１４のための開口制御プロフィール、駆動機構１１０のための運動制御プロフィール、及び光源１１２のための光源アセンブリプロフィールが含まれていてもよい。例えば、半球形状を作る場合、例えば電動可変開口１１４の直径が変化する速さは、駆動機構１１０の特定の速さについて一定ではないであろう。駆動機構１１０が一定の速さで移動している場合、光源アセンブリ１０４及び／又はプラットフォーム１０６を制御モジュール１１６内で移動させることにより、出力形状幾何学情報を規定する等式に従って電動可変開口１１４の直径が変化してもよい。

上述のプロセッサ１１２は、３Ｄプリンタに組み込まれても、３Ｄプリンタに連結されたコンピュータに組み込まれてもよい。どちらの実施形態においても、メモリ（図示せず）がプロセッサ１１２に連結されてもよい。メモリは、硬化制御モジュール１１６を含むソフトウェア命令のほか、硬化制御パラメータを保存するために使用されてもよい。プロセッサ１１２は、メモリに保存された命令を実行して、本開示で説明するようにプロセスが行われ、制御されるように構成されてもよい。本明細書で使用されるかぎり、プロセッサは１つ又は複数のマイクロプロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、コントローラ、又は他の何れの適当なコンピューティングデバイスもしくはリソースを含んでいてもよく、揮発性又は不揮発性メモリの形状をとってもよく、これには磁気媒体、光媒体、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、リムーバブルメディア、又は他の何れの適当なメモリ構成要素も含まれ、これらに限定されない。メモリは、プロセッサにより実行されると、何れかのかかるプロセッサ、メモリ、又は処理機能を含む構成要素に関して本明細書に記載されている機能を実行するプログラム及びアルゴリズムのための命令を保存してもよい。

連続付加製造システムのための方法とシステムを開示した。本発明は、示された実施形態にしたがって説明されており、実施形態には変更を加えることができ、何れの変形も本発明の主旨と範囲に含まれるであろう。例えば、例示的実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア、プログラム命令を含むコンピュータ可読媒体、又はそれらの組合せを使って実装できる。したがって、当業者により、付属の特許請求の範囲の主旨と範囲から逸脱せずに多くの改良がなされてよい。

Claims (13)

1. 連続付加製造システムにおいて、
   フォトポリマ樹脂容器と、
   光源と電動可変開口を有する光源アセンブリであって、前記フォトポリマ樹脂容器中に焦点を生成するように動作可能であり、前記フォトポリマ樹脂容器内の硬化面における前記焦点の形状は前記電動可変開口の形状に対応するような光源アセンブリと、
   構築物を含む硬化ポリマを支持するように構成されたプラットフォームと、
   前記プラットフォームと前記光源アセンブリの少なくとも一方に連結された駆動機構であって、前記フォトポリマ樹脂容器内で前記硬化面を連続的に移動させるように構成された駆動機構と、
   を含み、
   前記電動可変開口の大きさ及び／又は形状は、前記硬化面が前記フォトポリマ樹脂容器内で連続的に移動されている間に変更され、
   前記硬化面は、前記光源アセンブリを縦方向にフォトポリマ樹脂の表面から遠ざかるように連続的に上昇させ、それによって前記硬化面を前記フォトポリマ樹脂中で縦方向に前記表面に向かって移動させることにより、前記フォトポリマ樹脂容器内で連続的に移動される、連続付加製造システム。
2. 前記電動可変開口の前記大きさ及び／又は形状の前記変更の速度は、前記光源アセンブリの前記移動の速さと同調される、請求項１に記載の連続付加製造システム。
3. 連続付加製造システムにおいて、
   フォトポリマ樹脂容器と、
   光源と電動可変開口を有する光源アセンブリであって、前記フォトポリマ樹脂容器中に焦点を生成するように動作可能であり、前記フォトポリマ樹脂容器内の硬化面における前記焦点の形状は前記電動可変開口の形状に対応するような光源アセンブリと、
   構築物を含む硬化ポリマを支持するように構成されたプラットフォームと、
   前記プラットフォームと前記光源アセンブリの少なくとも一方に連結された駆動機構であって、前記フォトポリマ樹脂容器内で前記硬化面を連続的に移動させるように構成された駆動機構と、
   を含み、
   前記電動可変開口の大きさ及び／又は形状は、前記硬化面が前記フォトポリマ樹脂容器内で連続的に移動されている間に変更され、
   前記硬化面は、前記光源アセンブリの光学パワーを連続的に変化させ、それによって前記硬化面をフォトポリマ樹脂中で縦方向にフォトポリマ樹脂の表面に向かって移動させることによって、前記フォトポリマ樹脂容器内で連続的に移動される、連続付加製造システム。
4. 前記プラットフォームの位置は固定されたままである、請求項３に記載の連続付加製造システム。
5. 前記電動可変開口の前記大きさ及び／又は形状の前記変更の速度は、前記硬化面が前記フォトポリマ樹脂中で縦方向に連続的に移動される速さと同調される、請求項３に記載の連続付加製造システム。
6. 前記プラットフォームは当初、フォトポリマ樹脂の表面から下の所定の深さに位置付けられ、前記硬化面の初期位置は前記プラットフォームから上の所定の距離に設定される、請求項１又は３に記載の連続付加製造システム。
7. 前記駆動機構はサーボモータを含む、請求項１又は３に記載の連続付加製造システム。
8. 連続付加製造の方法において、
   光源アセンブリを通じて、フォトポリマ樹脂容器内に焦点を生成するステップであって、前記フォトポリマ樹脂容器内の硬化面における前記焦点の形状は前記光源アセンブリの電動可変開口の形状に対応するようなステップと、
   前記硬化面を前記フォトポリマ樹脂容器内で連続的に移動している間に、前記電動可変開口の大きさ及び／又は形状を変化させるステップと、
   を含み、
   前記硬化面は、前記光源アセンブリを縦方向にフォトポリマ樹脂の表面から遠ざかるように連続的に上昇させ、それによって前記硬化面をフォトポリマ樹脂中で縦方向にフォトポリマ樹脂の表面に向かって移動させることにより、前記フォトポリマ樹脂容器内で連続的に移動される、方法。
9. 前記電動可変開口の前記大きさ及び／又は形状の変化の速度は前記光源アセンブリの前記移動の速さと同調される、請求項８に記載の方法。
10. 連続付加製造の方法において、
    光源アセンブリを通じて、フォトポリマ樹脂容器内に焦点を生成するステップであって、前記フォトポリマ樹脂容器内の硬化面における前記焦点の形状は前記光源アセンブリの電動可変開口の形状に対応するようなステップと、
    前記硬化面を前記フォトポリマ樹脂容器内で連続的に移動している間に、前記電動可変開口の大きさ及び／又は形状を変化させるステップと、
    を含み、
    前記硬化面は、前記光源アセンブリの光学パワーを連続的に変化させ、それによって前記硬化面をフォトポリマ樹脂中で縦方向にフォトポリマ樹脂の表面に向かって移動させることによって、前記フォトポリマ樹脂容器内で連続的に移動される、方法。
11. 硬化ポリマを支持するように構成されたプラットフォームの位置が固定されたままである、請求項１０に記載の方法。
12. 前記電動可変開口の前記大きさ及び／又は形状の変化の速度は、前記硬化面がフォトポリマ樹脂中で縦方向に連続的に移動される速さと同調される、請求項１０に記載の方法。
13. 前記硬化面の初期位置を前記フォトポリマ樹脂容器内に配置されたプラットフォームから上の所定の距離に設定するステップをさらに含む、請求項８又は１０に記載の方法。

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