JPH05169550A - 光学的造形方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 精度の高い立体形状物を製造できるようにす
ることを目的とする。 【構成】 液状光硬化性樹脂にビーム６０を照射して所
定の立体形状の断面に対応した形状の樹脂の硬化層２を
形成し、更にビーム６０照射してこの樹脂の硬化層２上
に更に樹脂の硬化層２を形成し、こうして順次樹脂の硬
化層２を形成することによって立体形状物を形成する光
学的造形方法にして、この立体形状の断面に対応した形
状の樹脂の硬化層２を形成する過程に於いて、輪郭部６
ａ，６ｂ近傍を高密度に、内部７ａを低密度にビーム６
０を照射するようにしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学的造形方法に関わ
り、例えば光硬化性樹脂をビーム照射して立体形状を形
成する光学的造形装置の使用にて好適な光学的造形方法
に関わる。

【０００２】

【従来の技術】図２は従来の技術による光学的造形装置
１の例を示す斜視図である。光学的造形装置１は、各々
総括的な参照符号が付されたエレベータ装置１０と樹脂
貯槽装置３０とビーム発生装置４０とを有し、更に、こ
れらの装置に電気的に接続された制御装置７０と有す
る。エレベータ装置１０は、上端部１２とステージ部１
６とこの上端部１２及びステージ部１６を接続する接続
部１４とを有し、ステージ部１６は樹脂３４内に配置さ
れることができる。

【０００３】エレベータ装置１０は、更に、上端部１２
に取り付けられたナット１８とこのナット１８に螺合さ
れた送りねじ２０とを有し、斯かる送りねじ２０はステ
ッピングモータ２２の駆動部に接続されている。ステッ
ピングモータ２２が作動されると送りねじ２０が回転
し、ナット１８を上方又は下方に駆動させる軸線方向の
偏倚力が生成される。

【０００４】こうしてナット１８が上下方向に運動する
と、ステージ部１６もそれに対応して上下方向に運動す
る。ステッピングモータ２２は、ステージ部１６が所定
のピッチにて段階的に運動するように、作動されてよ
い。エレベータ装置１０に隣接して、ステージ部１６の
位置を検出するためのエレベータ位置検出器７８が配置
されている。

【０００５】樹脂貯槽装置３０は貯槽容器３２を有して
おり、斯かる貯槽容器３２には紫外線硬化性樹脂の如き
液体の光硬化性樹脂が貯留されている。エレベータ装置
１０のステージ部１６が、貯槽容器３２内に配置され、
樹脂に浸った状態にて上下方向に運動することができる
ように構成されている。

【０００６】ビーム発生装置４０は、レーザビーム発振
器４２と音響光学変調装置（Ａ／Ｏモジュレータ）４４
とフォーカス制御器４６とを有し、音響光学変調装置４
４の前方と後方には各々第一の全反射ミラー５２と第二
の全反射ミラー５４が配置されている。レーザビーム発
振器４２は、波長が３６０ｎｍのアルゴンイオンレーザ
又は波長が３２５ｎｍのヘリウムカドミウムレーザの如
き露光ビームレーザを発生させるように構成されたもの
であってよい。

【０００７】音響光学変調装置４４は露光ビームの進行
を制御するように構成されており、露光ビームの通過を
許し又は露光ビームの通過を阻止するスイッチング作用
を有している。フォーカス制御器４６は露光ビームの光
束を絞るフォーカシングレンズ５６を含んでよく、この
フォーカシングレンズ５６によって露光ビームは貯槽容
器３２に貯留された樹脂３４の液面３６上に所定の径の
ビームスポット６２を提供するように絞られる。

【０００８】樹脂貯槽装置３０に隣接して、第一のガル
バノスキャナ４８と第二のガルバノスキャナ５０とが配
置されており、第一のガルバノスキャナ４８は第一のガ
ルバノミラー４８ａとこのガルバノミラー４８ａを支持
する回転軸４８ｂとガルバノミラー４８ａをこの回転軸
４８ｂ周りに回転させるための駆動部４８ｃとを有し、
第二のガルバノスキャナ５０は同様に第二のガルバノミ
ラー５０ａと回転軸５０ｂと駆動部５０ｃとを有する。

【０００９】ビーム発振器４２、第一の全反射ミラー５
２、音響光学変調装置４４、第二の全反射ミラー５４、
フォーカス制御器４６及びフォーカシングレンズ５６
は、ビーム発振器４２によって発生された露光ビーム６
０が、第一の全反射ミラー５２に反射され音響光学変調
装置４４を経由して第二の全反射ミラー５４に到達し、
この第二の全反射ミラー５４にて反射されてフォーカシ
ングレンズ５６を経由して第二のガルバノミラー５０ａ
に到達するように、整合して配置されている。

【００１０】第一のガルバノミラー４８ａと第二のガル
バノミラー５０ａは、第二のガルバノミラー５０ａによ
って反射された露光ビーム６０が第一のガルバノミラー
４８ａに反射され、方向転換して樹脂の液面３６に到達
し、そこにビームスポット６２を形成するように、配置
される。

【００１１】第一のガルバノミラー４８ａが回転軸４８
ｂ周りに回転されるとその反射面４８ｄに対する入射角
が変化し反射面４８ｄに反射された露光ビーム６０の経
路が変化する。同様に、第二のガルバノミラー５０ａが
回転軸５０ｂ周りに回転されるとその反射面５０ｄに対
する入射角が変化し反射面５０ｄに反射された露光ビー
ム６０の経路が変化する。こうしてガルバノミラー４８
ａ、５０ａが各々その回転軸４８ｂ、５０ｂ周りに回転
されると、露光ビームの経路が変化し、ビームスポット
６２は樹脂の液面３６上で２次元的に移動する。

【００１２】ここで、樹脂の液面３６上に於いて、エレ
ベータ装置１０に接近し又は遠隔する方向を第一の走査
方向と呼び、エレベータ装置１０の接続部１４に平行な
方向即ち第一の走査方向に垂直な方向を第二の走査方向
と呼ぶ。

【００１３】ガルバノミラー４８ａ、５０ａの配置は、
好ましくは、第一のガルバノミラー４８ａが回転軸４８
ｂ周りに回転されると、その反射面４８ｄに反射された
露光ビーム６０の経路が回転軸４８ｂに垂直な平面上で
変化し、それによってビームスポット６２が第一の走査
方向に沿って移動し、第二のガルバノミラー５０ａが回
転軸５０ｂ周りに回転されると、反射面５０ｄに反射さ
れた露光ビーム６０の経路が回転軸５０ｂに垂直な平面
上で変化し、それによってビームスポット６２が第二の
走査方向に沿って移動するように選択される。

【００１４】制御装置７０は、音響光学変調装置４４の
スイッチング動作を制御するＡ／Ｏモジュレータ制御器
７２と、エレベータ位置検出器７８からの位置信号に基
いてステッピングモータ２２の作動を制御するエレベー
タ制御器７６と、Ａ／Ｏモジュレータ制御器７２、フォ
ーカス制御器４６、第一のガルバノスキャナ４８、第二
のガルバノスキャナ５０及びエレベータ制御器７６を制
御するガルバノコントローラ７４とを有する。

【００１５】図３は、図２に示された光学的造形装置１
の一部詳細図である。エレベータ装置１０のステージ部
１６は、樹脂の液面３６に平行に配置され、ステッピン
グモータ２２が作動されると液状の樹脂の中を下方に移
動することができる。ステッピングモータ２２がエレベ
ータ制御器７６からの信号により作動されると、ステー
ジ部１６は所定のピッチ毎に段階的に下方に移動され
る。光学的造形装置１によって立体形状物を形成すると
き、先ず最初にエレベータ装置１０のステージ部１６
は、図３において実線で示されている開始位置に配置さ
れる。

【００１６】かかる開始位置では、ステージ部１６の上
側面は樹脂の液面３６より一ピッチ下方に位置し、従っ
て、その上側面上には一ピッチの深さの樹脂の液層が存
在することとなる。露光ビーム６０が樹脂の液面３６上
に照射されると、液面３６上のビームスポット６２に相
当する部分に所定の深さにて樹脂は硬化される。

【００１７】ステージ部１６の下方への移動ピッチは、
露光ビームによる硬化深さのほぼ半分の大きさに設定さ
れている。例えば、樹脂の硬化深さが０．５〜０．７ｍ
ｍの場合、ステージ部１６の移動ピッチは０．２〜０．
３ｍｍに設定されてよい。ステージ部１６が開始位置に
配置された状態で、ステージ部１６上に露光ビーム６０
が走査されると、ビームスポット６２の軌跡に沿って樹
脂の硬化条が形成される。多数の硬化条が集合して樹脂
の硬化層が形成される。

【００１８】ステージ部１６上に樹脂の硬化層が形成さ
れると、ステージ部１６は一ピッチだけ下方に移動され
る。ステージ部１６が下方に一ピッチ移動されるとその
上に形成された硬化層もステージ部１６とともに下方に
移動され、かかる硬化層の上に周囲より流入した樹脂に
よって一ピッチの深さの樹脂の液層が生成される。

【００１９】かかるステージ部１６上の樹脂の液面上に
再び露光ビームが照射され、樹脂の硬化層が積層した状
態にて形成される。こうして、多数の硬化層が積層して
所定形状の立体形状物８０が形成される。樹脂の各硬化
層の形状は、立体形状物８０の一ピッチ毎の断面形状の
各々に対応している。

【００２０】光硬化樹脂３４は、新たに形成された硬化
条が既に形成された隣接する硬化条と容易に接着し、新
たに形成された硬化層が既に形成された隣接する硬化層
と容易に接着するために十分な接着性を有し、且つステ
ージ部１６が一ピッチ下方に移動されたとき樹脂が周囲
より容易に流入して硬化層上に一ピッチの深さの樹脂液
層が生成されるように十分低い粘度を有することが望ま
しく、例えば、紫外線硬化性の変性アクリレートであ
る。

【００２１】図４は、図２に示された従来技術による光
学的造形装置１に使用される制御装置７０のブロック図
である。制御装置７０は、記憶装置１０２と変調回路１
０４とを含むビーム照射位置制御回路１００を有する。
記憶装置１０２は、入力端子１２０を経由して所謂ＣＡ
Ｄの如き立体形状プログラミング装置に接続されてお
り、かかるプログラミング装置によって設計された立体
形状の断面形状のＸ方向とＹ方向に分解された画素信号
を記憶するように構成されている。変調回路１０４は、
記憶装置１０２からの画素信号を樹脂の液面上の走査領
域内での位置を示す座標信号に変換するように構成され
ている。

【００２２】制御装置７０は、スキャン方式切替回路１
１０を有しており、これによって露光ビームの走査方式
はラスタスキャン方式とベクトルスキャン方式とのいず
れかの方式に切替えられ、更にラスタスキャン方式の場
合には第一のラスタスキャン方式と第二のラスタスキャ
ン方式とのいずれかの方式に切替えられる。

【００２３】ラスタスキャン方式は、ビームスポット６
２を一定の方向即ち主走査方向に沿って走査して描画す
るもので、第一のラスタスキャン方式は第一の走査方向
又はＸ方向に主走査方向を有し、第二のラスタスキャン
方式は第二の走査方向又はＹ方向に主走査方向を有す
る。ベクトルスキャン方式は、一定方向の主走査方向を
有することなく走査方向が刻刻変化するように構成され
ている。

【００２４】変調回路１０４より送出される座標信号の
うち、第一の走査方向又はＸ方向の信号は第一のＤ／Ａ
変換器１０６ａによってアナログ信号に変換され第一の
ゲート回路１０８ａを経由して出力端子１２２より第一
のガルバノスキャナ４８の駆動部４８ｃへ送出される。
変調回路１０４より送出される座標信号のうち、第二の
走査方向又はＹ方向の信号は第二のＤ／Ａ変換器１０６
ｂによってアナログ信号に変換され第二のゲート回路１
０８ｂを経由して出力端子１２４より第二のガルバノス
キャナ５０の駆動部５０ｃへ送出される。

【００２５】変調回路１０４より発生された座標信号は
フォーカス制御回路１１２に送出され出力端子１２６を
経由してフォーカス制御器４６に送出され、それによっ
てフォーカシングレンズ５６の焦点が制御され、樹脂の
液面上に所定の径のビームスポット６２が得られる。

【００２６】ビーム照射位置制御回路１００には、ステ
ッピングモータ駆動回路１１４とＡ／Ｏモジュレータ駆
動回路１１６とが接続されている。ステッピングモータ
駆動回路１１４からの信号は出力端子１２８を経由して
ステッピングモータ２２に送出される。

【００２７】ステッピングモータ２２の作動は、作業開
始時にエレベータ装置１０のステージ部１６が開始位置
に配置され、ビームによる照射によって樹脂の硬化層が
形成されるとステージ部１６が一ピッチ毎に下方に移動
されるように制御される。Ａ／Ｏモジュレータ駆動回路
１１６からの信号は出力端子１３０を経由してＡ／Ｏモ
ジュレータ４４に送出され、それによって露光ビーム６
０の進行が許され又は遮断される。

【００２８】

【発明が解決しようとする課題】図５は、従来技術によ
る光学的造形方法によって立体形状物を製造する過程を
示している。エレベータ装置１０のステージ部１６上に
はラスタスキャン方式により露光ビームを走査すること
によって形成された多数の樹脂の硬化条１４４、１４２
が配置されている。硬化条はビームスポット６２を液面
上で第一の走査方向に沿って走査することによって形成
され、かかる硬化条が集合して孔１４２を有する硬化層
１４０が形成されている。

【００２９】ビームスポット６２の走査は硬化層１４０
の端部に沿って開始され、それによって形成された最初
の硬化条に隣接して次のビームスポット６２の走査がお
こなわれる。こうして次々に第二の走査方向に隣接する
硬化条が形成される。尚、このようなラスタスキャン方
式によるビームスポット走査によって硬化層を形成する
前又は後に、図示されていないが、ベクトルスキャン方
式によるビームスポット走査によって硬化層の周囲の輪
郭が形成される。

【００３０】硬化層が形成されると、エレベータ装置１
０のステージ部１６は一ピッチ下方に移動され、硬化層
の上には周囲より樹脂が流入し、硬化層上には一ピッチ
に相当する深さの樹脂液層が生成される。樹脂の液面上
にビームスポット６２が走査され既に形成された硬化層
上に新たに硬化層が形成される。この場合、ビームスポ
ット６２の主走査方向は、既に形成された硬化層の場合
のビームスポット６２の主走査方向と同一であってよ
く、又は異なるものであってもよい。

【００３１】露光ビーム６０の照射によって樹脂は膠化
されるが、同時に熱を発生する。生成されたばかりの硬
化層は既存の層よりも温度が高いために、冷却に伴い、
既存層よりも大きく収縮し形状がゆがむことになる。し
たがって精度の高い立体形状物を製造することが妨げら
れる。

【００３２】本発明は、かかる点に鑑み、精度の高い立
体形状物を製造できるようにすることを目的とする。

【００３３】

【課題を解決するための手段】本発明は、液状光硬化性
樹脂にビーム６０照射して所定の立体形状の断面に対応
した形状の樹脂の硬化層２を形成し、更にビーム６０照
射してこの樹脂の硬化層２上に更に樹脂の硬化層２を形
成し、こうして順次樹脂の硬化層２を形成することによ
って立体形状物を形成する光学的造形方法にして、この
立体形状の断面に対応した形状の樹脂の硬化層２を形成
する過程において、輪郭部６ａ，６ｂ近傍を高密度にビ
ーム６０を照射し生成部の剛性を高め、内部７ａは疎な
スキャニングを行ない収縮力を弱くするようなビーム６
０経路を選ぶようにしたものである。更に、本発明の光
学的造形方法は、かかる走査経路において輪郭部が立体
形状の断面に対応した形状の外周に沿った経路を含むよ
うにしたものである。

【００３４】

【作用】本発明によれば、図１に示されているように、
一様な密度で作成したときよりも断面の外側が高剛性に
なるために、生成後の７−７の剛性を効率良く高めるこ
とが出来る。一方、収縮力は高密度部６ａ，６ｂと低密
度部７との面積比で決まり、この場合は低密度部の方が
広いので、小さくすることが出来る。ゆがみは既存生成
部に対して、作成層の収縮力が小さい程少なくなるの
で、この発明により少なくすることができる。

【００３５】

【実施例】以下、図１を参照して本発明の光学的造形方
法について説明する。図１は本発明による光学的造形方
法によって立体形状物を製造する過程を示す。本発明に
よる光学的造形方法は、図５に示されたものと同様、図
２〜図４に示された従来技術による光学的造形装置１と
同様のものを使用して実施される。

【００３６】本例においてもエレベータ装置１０のステ
ージ部１６上には、孔４を有する樹脂の硬化層２が形成
されている。本例による樹脂の硬化層２は内外周外周部
６ａ及び内周６ｂにおいてビーム６０を高密度に走査し
密な硬化条６を形成する如くする。また、この内部７ａ
においては、ビーム６０を低密度に走査し疎な硬化条７
を持つ如くする。

【００３７】樹脂の密度硬化条６は、好ましくはその周
囲に開始部８を有し完成した立体形状物の断面に相当す
る形状の輪郭に沿って延在する外周条と、開始部８に隣
接した位置にて外周条に接続されて外周条の内側に且つ
それに隣接して延在する内周条とを有する。この内周
は、外周部の幅が所定の寸法６Ｃに達するまで生成が続
けられる。

【００３８】樹脂の疎な硬化条７は、密な硬化条６に囲
まれた面に比較的疎なパターンで描かれる。その他は従
来と同様とする。

【００３９】ビームスポット６２の走査経路は、好まし
くは連続した経路として構成されているが、断面が複雑
な形状の場合には非連続的な経路として構成されてよ
い。

【００４０】本例による光学的造形方法は、内部７ａに
ラスタスキャン方式を使用して実施されるが、ベクトル
スキャン方式を使用し又はベクトルスキャン方式にラス
タスキャン方式を組合せて実施されてよい。

【００４１】ビームスポット６２の走査経路は、立体形
状物８０の各断面の形状に従って選択され、かかる選択
は記憶装置１０２に接続されたプログラミング装置によ
っておこなわれ、記憶装置１０２に記憶される。

【００４２】本例によれば図１に示されているように一
様な密度で作成したときよりも断面の外側が高剛性にな
るために生成後のワークの剛性を効率良く高めることが
出来る。一方収縮力は高密度部と低密度部との面積比で
決まり、この場合は低密度部の方が広いのでこの収縮力
を小さくすることができる。ゆがみは既存生成部に対し
て作成層の収縮力が小さい程少なくなるので、本例によ
ればこのゆがみを少なくすることができる。以上、本発
明の実施例について説明してきたが、本発明の要旨を逸
脱することなく種々の変更及び修正がなされうること
は、理解されよう。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、熱収縮力の割に生成物
の剛性を高めることが出来るために、精度が高い立体形
状物品が製造される利益がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光学的造形方法によって形成され
た樹脂の硬化条を示す図である。

【図２】従来の技術による光学的造形装置の斜視図であ
る。

【図３】図２に示された光学的造形装置の一部詳細図で
ある。

【図４】図２に示された光学的造形装置の制御装置のブ
ロック図である。

【図５】従来技術による光学造形方法によって形成され
た樹脂の硬化条を示す図である。

【符号の説明】

１ 光学的造形装置 ２ 硬化層 ４ 孔 ６ 密な硬化条 ６ａ 外周部 ６ｂ 内周部 ７ 疎な硬化条 ７ａ 内部 ６０ 露光ビーム ８ 開始部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液状光硬化性樹脂にビーム照射して所定
   の立体形状の断面に対応した形状の樹脂の硬化層を形成
   し、更にビーム照射して該樹脂の硬化層上に更に樹脂の
   硬化層を形成し、こうして順次樹脂の硬化層を形成する
   ことによって立体形状物を形成する光学的造形方法にし
   て、 上記立体形状の断面に対応した形状の樹脂の硬化層を形
   成する過程において、輪郭部近傍を高密度に、内部を低
   密度にビーム照射することを特徴とする光学的造形方
   法。
2. 【請求項２】 上記走査経路において輪郭部は上記立体
   形状の断面に対応した形状の外周に沿った経路を含むこ
   とを特徴とする請求項１の光学的造形方法。