JPH05229017A - 光造形装置および光造形方法 - Google Patents

光造形装置および光造形方法

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JPH05229017A
JPH05229017A JP4032469A JP3246992A JPH05229017A JP H05229017 A JPH05229017 A JP H05229017A JP 4032469 A JP4032469 A JP 4032469A JP 3246992 A JP3246992 A JP 3246992A JP H05229017 A JPH05229017 A JP H05229017A
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reflecting
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reflective mirror
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Hisatomo Oonishi
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、第2の反射鏡から光硬化樹脂液面
までの投光経路を並列させることにより、第2の反射鏡
から光硬化樹脂液面までの距離を大きくすることなく走
査領域を拡大して、造形サイズの大きい小型、高精度の
光造形装置を提供することを目的とし、さらに、その造
形物の強度を高める光造形方法を実現することを目的と
する。 【構成】 第3の反射鏡25および第4の反射鏡26は、第
2の反射鏡22の回動中心軸C2に対し互いに対称でかつ
所定距離を隔てる固定反射鏡として設けられており、第
2の反射鏡22により反射されたレーザ光100を第3の反
射鏡25および第4の反射鏡26のうち任意の固定反射鏡に
反射させてY方向の走査を行なうように構成する。な
お、両反射鏡25、26をY方向に複数組並設し、光源から
各組の第3、第4の反射鏡25、26への投光経路を切換え
る手段を設けるようにしてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光造形装置および光造
形方法に関し、詳しくはその反射光学系を工夫すること
により光走査領域の拡大を図った光造形装置とこれを用
いる光造形方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近時、製版技術の応用により3次元物体
(立体物)を造形する光造形装置が開発されている。こ
の装置は、未硬化の光硬化樹脂(以下、これを未硬化樹
脂液ともいう)を露光して硬化層を形成するとともにそ
の硬化層を順次積層して3次元物体にするものであり、
電子計算機等を併用して各層断面形状のデータを作成
し、そのデータに基づいて未硬化樹脂液を選択的に露光
することで、製品開発時の雛型や模型等のような複雑な
3次元物体を造形することができる。
【0003】この種の光造形装置としては、例えば特開
平3−227222号公報に記載されたものがある。こ
の装置では、未硬化樹脂液を収容した造形槽の液面に対
しレーザ光を走査してその液面近傍の未硬化樹脂液を所
定形状に硬化させ、その硬化層を造形槽中に沈めた後、
次の断面層をその上に接着しつつ積層するようになって
いる。そのレーザー光走査装置(スキャニング装置)
は、例えばレーザ光源からのレーザ光を反射しつつ回動
してレーザ光を第1の走査方向に走査する第1の反射鏡
と、第1の反射鏡からの光を反射しつつ回動してレーザ
光を第1の走査方向と直交する第2の走査方向に走査す
る第2の反射鏡とを有するものがあり、各反射鏡はそれ
ぞれスキャニングモータにより各硬化層の造形パターン
に対応して駆動制御されるようになっている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の光造形装置および光造形方法にあっては、光
源からの光を第1、第2の反射鏡に反射させ、第2の反
射鏡からそのまま光硬化樹脂液面に照射する構成であっ
たため、光の走査領域を拡大して造形可能な立体物のサ
イズを大きくしたい場合には、第2の反射鏡から光硬化
樹脂液面までの距離を拡大するか、第2の反射鏡の走査
回動角を大きくするしか方法がなかった。このため、装
置の大型化や光量不足による分解能の低下を招き、ある
いは第2の反射鏡の最大振れ角付近で焦点が合わず造形
精度が低下してしまうという問題があった。
【0005】そこで、本発明は、第2の反射鏡から光硬
化樹脂液面までの投光経路を並列にすることにより、第
2の反射鏡から光硬化樹脂液面までの距離を大きくする
ことなく走査領域を拡大し、造形サイズの大きい小型、
高精度の光造形装置を提供することを目的とし、さら
に、その造形物の強度確保を図ることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的達成のため、請
求項1記載の発明は、第1の反射鏡および第2の反射鏡
を有する反射光学系により光源からの光を走査して光硬
化樹脂の硬化層を形成するとともに、硬化層を順次積層
し一体化して3次元物体を造形する光造形装置におい
て、第2の反射鏡の回動中心軸に対して互いに対称でか
つ所定距離を隔てるよう第3の反射鏡および第4の反射
鏡を固定反射鏡として設け、第2の反射鏡の反射光を第
3の反射鏡および第4の反射鏡のうち任意の固定反射鏡
に反射させて前記第2の走査方向の走査を行なうように
したことを特徴とするものであり、請求項2記載の発明
は、第3、第4の反射鏡を第2の走査方向に複数組並設
するとともに、光源から各組の第3、第4の反射鏡への
投光経路を切換える切換手段を設けたことを特徴とする
ものである。
【0007】また、請求項3記載の発明に係る光造形方
法は、既に形成した下層の硬化層の上に次の硬化層を積
層する際、光を走査するための第2の反射鏡の回動範囲
を下層の硬化層を形成したときとは異なる範囲に変更
し、第3の反射鏡を用いる光走査領域と第4の反射鏡を
用いる光走査領域とを、前記下層の硬化層を形成したと
きの位置から第2の走査方向にずらすことを特徴とする
ものである。
【0008】
【作用】請求項1記載の発明では、固定反射鏡として設
けられた第3の反射鏡および第4の反射鏡が第2の反射
鏡の回動中心軸に対して互いに対称でかつ所定距離を隔
てて設けられ、第2の反射鏡の反射光が第3の反射鏡お
よび第4の反射鏡のうち任意の固定反射鏡に反射され
る。したがって、第2の反射鏡から第3の反射鏡を介し
て光硬化樹脂液面に投光する経路と第2の反射鏡から第
4の反射鏡を介して光硬化樹脂液面に投光する経路とが
並列することになり、第2の反射鏡から光硬化樹脂液面
までの距離を大きくしなくとも走査領域が拡大される。
【0009】請求項2記載の発明では、第2の走査方向
に複数組並設された第3、第4の反射鏡の各組に対する
光源からの投光経路が切換手段によって切換えられる。
したがって、簡単な構成できわめて長尺の3次元物体を
造形することができる。請求項3記載の発明では、積層
される上下の硬化層の形成に際し、第2の反射鏡の回動
範囲が互いに異なるよう変更され、第3の反射鏡を用い
る光走査領域と第4の反射鏡を用いる光走査領域とが下
層の硬化層を形成したときの位置から第2の走査方向に
ずらされる。したがって、上下の硬化層間で第3の反射
鏡側の硬化層と第4の反射鏡側の硬化層との継目の位置
をずらすようにして造形物体の強度が確保される。
【0010】
【実施例】以下、本発明を図面に基づいて説明する。図
1〜図3は本発明に係る光造形装置の一実施例を示す図
である。まず、その構成を説明する。図1、図2におい
て、11は造形槽であり、造形槽11には所定の光硬化樹脂
の未硬化樹脂液13が収容されている。この光硬化樹脂
は、例えば赤外線領域の光(紫外線領域の光又は可視光
等であってもよい)で硬化する性質のものである。12は
造形槽11内に配置された平板状の造形棚であり、造形棚
12は昇降駆動手段14によって昇降可能に支持されてい
る。この昇降駆動手段14は、例えば図示しないサーボモ
ータやボールネジ機構等を有し、造形棚12を未硬化樹脂
液13の液面下に位置させ、必要に応じて所定量(後述す
る硬化層qの厚さに対応する量)ずつ下降させることが
できる。
【0011】造形槽11の上方にはレーザ光走査装置15が
設けられており、レーザ光走査装置15はレーザ光源16か
ら出射されたレーザ光100を整形する光学系17と後述す
る反射光学系20とを有し、レーザ光100を偏向(造形槽1
1に向かって投光)しつつ未硬化樹脂液13の液面上に集
光させ、その光100を第1の走査方向(図2のX方向)
およびこれと直交する第2の走査方向(図2のY方向)
に走査するようになっている。レーザ光源16から出射さ
れるレーザ光100は、光硬化樹脂13の性質に適合する
光、例えば赤外線領域の光(紫外線領域の光、又は可視
光等でもよい)である。また、レーザ光走査装置15の光
走査による描画パターンは、造形物を複数の硬化層q
(各層パターン形状が同一でも異なってもよい)の積層
体である3次元物体としたとき、硬化層qのそれぞれの
形状に対応するものであり、造形槽11内の未硬化樹脂液
13の液面と造形棚12の間の未硬化樹脂液13がこの描画パ
ターンに対応して選択的に露光され硬化することで、必
要形状の硬化層qが形成される。そして、硬化層qは、
最下層の形成時に像形棚12に接着され、それより上の硬
化層qは造形棚12の下降と上述の露光動作によって下層
の硬化層q上に順次積層される。
【0012】18は、昇降駆動手段14、レーザ光走査装置
15およびレーザ光源16を制御する制御装置であり、制御
装置18には公知の3次元CAD(computer aided desig
n)システム19が接続されている。この制御装置18は3
次元CADシステム19から送信されてきた断面形状デー
タに基づき、レーザ光走査装置15およびレーザ光源16に
よる描画(露光)のためのデータあるいは造形棚12の昇
降駆動のためのデータを作成し、昇降駆動手段14、レー
ザ光走査装置15およびレーザ光源16を制御するようにな
っている。具体的には、3次元CADシステム19は、設
計された3次元物体について微小間隔を隔てた複数の断
面形状のデータを作成することができ、各断面形状デー
タを前記硬化層qのそれぞれの描画パターンデータと
し、その断面間隔を硬化層qの層厚データとして制御装
置18に送信するようになっている。また、制御装置18は
送信されてきた描画パターンデータからレーザ光走査装
置15をX、Y両走査方向に駆動する走査駆動信号および
レーザ光源16の駆動信号を生成するとともに、層厚デー
タに対応する昇降駆動手段14の駆動信号を生成し、これ
らの駆動信号を所定タイミングで昇降駆動手段14、レー
ザ光走査装置15およびレーザ光源16に出力するようにな
っている。
【0013】図2は、レーザー光走査装置15の具体的な
構成を示す図である。同図(a)(b)に示すように、
レーザー光走査装置15の反射光学系20は、第1の反射鏡
21および第2の反射鏡22を有している。第1の反射鏡21
は、レーザー光源16から出射され光学系17で整形された
レーザ光100を反射しつつ回動中心軸C1の回りで所定角
度範囲だけ回動し、レーザ光100を図中X方向に走査す
るものである。また、第2の反射鏡22は、第1の反射鏡
21からのレーザ光100(反射ビーム)を更に反射しつつ
回動中心軸C2の回りで所定角度範囲だけ回動し、レー
ザ光100をX方向と直交する方向に走査する反射鏡であ
る。これら第1反射鏡21および第2の反射鏡22は前記回
動中心軸C1、C2が互いに直交するようサーボモータ等
のモータ23、24に連結されている。
【0014】一方、第2の反射鏡22の近傍には、第2の
反射鏡22の回動中心軸C2に対し互いに対称でかつ所定
距離を隔てるように第3の反射鏡25および第4の反射鏡
26が固定して設けられている。これら第3の反射鏡25お
よび第4の反射鏡26は、その反射面が第2の反射鏡22側
に位置する固定反射鏡で、互いの下端部が離隔するよう
未硬化樹脂液13の液面に対して傾斜し、それぞれ第2の
反射鏡22からのレーザ光100を造形槽11に向かって反射
する。また、第2の反射鏡22を駆動するモータ24は、制
御装置18からの駆動信号を受けて第2の反射鏡22をレー
ザ光100のY方向の走査に対応する角度範囲で回動させ
るとともに、制御装置18からの駆動信号を受けると、図
2(a)に示すように、第2の反射鏡22を90度だけ矢
印方向に回動させ、第2の反射鏡22以後の反射・投光経
路を第3の反射鏡25側又は第4の反射鏡26側の何れか一
方側から他方側に切換える(図2参照)。すなわち、本
実施例においては、第2の反射鏡22に反射させたレーザ
光100を、第3の反射鏡25および第4の反射鏡26のうち
任意の固定反射鏡に反射させ、未硬化樹脂液13の液面上
におけるY方向一方側の走査領域30A又は他方側の走査
領域30Bに到達させ、第2の反射鏡22のこのような走査
回動によってY方向の2倍幅の走査を連続的に行なうこ
とができるようにしている。
【0015】次に、作用を説明する。まず、3次元CA
Dシステム19によって3次元物体の設計がされると、3
次元CADシステム19により、その物体について微小間
隔を隔てた複数の断面の形状データ等が作成され、造形
時にはそのデータが複数の硬化層qの描画パターンおよ
び層厚のデータとして制御装置18に送信される。次い
で、制御装置18では、送信されてきた描画パターンデー
タからレーザ光走査装置15のX、Y両走査方向の走査駆
動信号およびレーザ光源16の駆動信号が生成されるとと
もに、層厚データに対応する昇降駆動手段14の駆動信号
が生成され、これらの駆動信号が所定のタイミングで昇
降駆動手段14、レーザ光走査装置15およびレーザ光源16
に出力される。
【0016】この状態において、レーザ光源16から連続
的にあるいは前記駆動信号に応じて断続的に出射された
レーザ光100は、レーザ光走査装置15により偏向され造
形槽11に向かって投光されつつ未硬化樹脂液13の液面上
に集光され、更にX、Y方向に走査される。したがっ
て、レーザ光走査装置15の光走査によって未硬化樹脂液
13の液面上で所定描画パターンの選択的露光がなされ、
造形槽11内の未硬化樹脂液13の液面と造形棚12の間の未
硬化樹脂液13が必要形状の硬化層qに硬化する。この硬
化層qが最下層であるときには、硬化層qは硬化と同時
に像形棚12に接着される。
【0017】また、描画パターンがY方向一方側の走査
領域30Aと他方側の走査領域30Bとに跨る場合には、ま
ず一方側の領域30A又は30B内で描画パターンの全部又
は一部について露光動作が行なわれ、次いで他方側の領
域30B又は30A内で描画パターンの全部又は一部の露光
動作が行なわれる。なお、この領域切換えは、各硬化層
qについて1回又はそれ以上の回数である。
【0018】具体的には、一方側の領域30A又は30B内
での露光動作が行なわれた後、モータ24により第2の反
射鏡22が駆動され、造形槽11内の未硬化樹脂液13の液面
上において、第3の反射鏡25を利用するY方向一方側の
走査領域30Aと第4の反射鏡26を利用するY方向他方側
の走査領域30Bとが切換えられる。この切換え時の両領
域30A、30B内の走査点は中心線C3に対して対称に位
置するから、走査時の第2反射鏡22の走査回動角を適宜
設定することにより、中心線C3近傍からY方向一方側
および他方側に広がる2つの走査領域30A、30Bを連続
的に形成することができ、第2の反射鏡22以後の反射・
投光経路をY方向一方側と他方側に並列しただけの簡単
な構成で、走査領域の拡大を図ることができる。
【0019】このような露光動作が終了し、造形棚12上
で所定形状の硬化層qが形成されると、昇降駆動手段14
の作動により造形棚12が硬化層qの層厚分だけ下降し、
上述と同様にして次の硬化層qの形成作業が開始され
る。そして、以後最上層の硬化層qまで同様な作業が繰
り返され、上層の硬化層qが下層の硬化層q上に順次積
層されることで、複数の硬化層qからなる3次元物体が
造形される。
【0020】このように本実施例では、第2の反射鏡22
から第3の反射鏡25を介して未硬化樹脂液13の液面(走
査面)にレーザ光100を照射する投光経路と、第2の反
射鏡22から第4の反射鏡26を介して走査面にレーザ光10
0を照射する投光経路とが、並列に設けられる。したが
って、第2の反射鏡22から走査面までの距離を大きくし
なくとも走査領域がY方向に2倍に拡大され、造形可能
なサイズが大きく、しかも小型で造形精度の高い光造形
装置を提供することができる。
【0021】ところで、本実施例の光造形装置で造形を
行なう場合、露光領域30A、30B上の硬化層同士の継目
部分(図1のA部)をうまく処理する必要がある。図3
は、その課題に応えることのできる本発明の光造形方法
の一実施例を説明する図である。同図において、露光領
域30A、30B上に形成された硬化層qa、qb同士の継
目33は、上下に隣接する2つの硬化層間でY方向の位置
が異なっており、前記中心線C3上から外れた位置に継
目33を有する硬化層qが複数存在している。
【0022】この例での継目部の造形方法について説明
すると、例えば既に形成した下層の硬化層q1の上に次
の(上層の)硬化層q2を積層する際、レーザ光100を走
査するための第2の反射鏡22の回動(走査回動)の範囲
を下層の硬化層q1を形成したときとは異なる範囲に変
更し、第3の反射鏡25を用いる光走査領域30Aと第4の
反射鏡26を用いる光走査領域30Bとを、下層の硬化層q
1を形成したときの位置(中心線C3に対し対象な位置)
から図中右側にずらすようにする。具体的には、例えば
モータ24に付設されたエンコーダ24aのパルス出力に基
づいて上下の層間で第2の反射鏡22の走査回動範囲を違
えることができる。したがって、上下に隣接する硬化層
1、q2の間で、左右の硬化層qa、qbの継目33の位
置がずれることになる。
【0023】なお、各層の硬化層qa、qbの間にわず
かな間隙を残して微少量の未硬化樹脂液を取り込んでお
くのが望ましい。次いで、更に上層の硬化層q3を積層
する際、第2の反射鏡22の走査回動範囲を下層の硬化層
2を形成したときとは異なる範囲に変更し、第3の反
射鏡25を用いる光走査領域30Aと第4の反射鏡26を用い
る光走査領域30Bとを下層の硬化層q1を形成したとき
の位置から図中左側にずらすようにする。以下、同様な
走査領域の位置調整によって各層の硬化層qa、qb間
の継目33の位置を左右に交互にずらすようにして、3次
元物体内で継目33を不連続にする。
【0024】このように本実施例では、硬化層qの形成
に際し、第2の反射鏡22の回動範囲が適宜変更され、第
3の反射鏡25を用いる光走査領域30Aと第4の反射鏡26
を用いる光走査領域とが下層の硬化層qを形成したとき
の位置から第2の走査方向にずらされることで、第3の
反射鏡25側の硬化層qaと第4の反射鏡26側の硬化層q
bとの継目33が交互にずらして形成される。したがっ
て、継目を有するにも拘らず造形した3次元物体の強度
が十分に確保される。
【0025】図4は本発明に係る光造形装置の他の実施
例を示す図である。なお、本実施例において上述例と同
一又はそれに相当するものには同一符合を付して重複説
明を省略する。図4に示すように、本実施例において
は、第3の反射鏡25および第4の反射鏡26(以下、固定
反射鏡25、26ともいう)が第2の走査方向に複数組(本
実施例では2組)並設された反射光学系40が構成されて
いる。この反射光学系40はレーザ光走査装置15の反射光
学系20をそのまま第2方走査方向に並置することによっ
ても実現できるが、装置の構成を簡素化する余地があ
る。そこで、本実施例では、図示しない光源から第3、
第4の反射鏡25、26の各組への投光経路を適当な切換手
段によって任意の経路に切換えるようにしている。
【0026】この切換手段とは、前記光源又は/及び第
1の反射鏡21をY方向に移動可能にして複数組の固定反
射鏡25、26に対する光源側の投光経路を共通化する手
段、あるいは、光源からの投光経路上に適当な反射鏡を
配しこれを回動又はY方向移動させることで固定反射鏡
25、26の各組に至る投光経路を切換える手段である。移
動式にする場合には、光源から第2の反射鏡22までの部
材のうち少なくとも1つを移動させるようにすることが
できる。また、反射鏡を用いて投光経路を切換える場合
は、固定反射鏡25、26の各組から離れた位置に光源を配
置することも考えられる。なお、硬化層の継目部分A1
〜A3は図1のA部と同様に処理する。
【0027】このようにすれば、構成の簡単なレーザ光
走査装置を用いてY方向にきわめて長尺の3次元物体を
容易に造形することができ、特に反射鏡を移動又は回動
させる切換手段を設けると、構成がより簡素なレーザ光
走査装置を実現することができる。
【0028】
【発明の効果】請求項1記載の発明によれば、第2の反
射鏡で反射した光を第3の反射鏡および第4の反射鏡の
うち任意の一方に反射させて第2の反射鏡から光硬化樹
脂液面に至る投光経路を並列にするようにしているの
で、第2の反射鏡から光硬化樹脂液面までの距離、並び
に、第2の反射鏡の走査回動角を大きくすることなく、
走査領域を第2の走査方向について2倍に拡大すること
ができる。この結果、造形可能なサイズが大きく、しか
も小型で造形精度の高い光造形装置を提供することがで
きる。
【0029】請求項2記載の発明によれば、第3、第4
の反射鏡の各組に対する光源からの投光経路を切換手段
によって切換えるようにしているので、簡単な構成でき
わめて長尺の3次元物体を造形することができる。請求
項3記載の発明によれば、第3の反射鏡側の硬化層と第
4の反射鏡側の硬化層との継目が上下の硬化層間で第2
の走査方向にずれるようにしているので、造形する3次
元物体の強度を十分に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る光造形装置の一実施例を示すその
全体構成図である。
【図2】一実施例の反射光学系の構成図であり、同図
(a)はその正面図、同図(b)は(a)のB−B矢視
図である。
【図3】本発明に係る光造形方法の一実施例を説明する
その造形物体の要部拡大断面図である。
【図4】本発明に係る光造形装置の他の実施例を示すそ
の反射光学系の構成図である。
【符号の説明】
11 造形槽 13 未硬化樹脂液(未硬化の光硬化樹脂) 15 レーザ光走査装置 16 レーザ光源 18 制御装置 19 3次元CADシステム 20、40 反射光学系 21 第1の反射鏡 22 第2の反射鏡 23、24 モータ 25 第3の反射鏡 26 第4の反射鏡 30A、30B 光走査領域 33 継目 100 レーザ光 q 硬化層

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光源(16)からの光(100)を反射し第1の走
    査方向に走査する回動可能な第1反射鏡(21)と該第1の
    反射鏡(21)からの光(100)を反射して第1の走査方向と
    直交する第2の走査方向に走査する回動可能な第2の反
    射鏡(22)とを有する反射光学系(20)を備え、 該反射光学系(20)により、前記光源(16)からの光(100)
    を第1、第2の走査方向に走査し未硬化の光硬化樹脂(1
    3)を選択的に露光して光硬化樹脂の硬化層(q)を形成す
    るとともに、該硬化層(q)を順次積層し一体化して3次
    元物体を造形する光造形装置において、 前記第2の反射鏡(22)の回動中心軸(C2)に対して互い
    に対称でかつ所定距離を隔てるよう第3の反射鏡(25)お
    よび第4の反射鏡(26)を固定反射鏡として設け、 前記
    第2の反射鏡(25)の反射光(100)を第3の反射鏡(25)お
    よび第4の反射鏡(26)のうち任意の固定反射鏡に反射さ
    せて前記第2の走査方向の走査を行なうようにしたこと
    を特徴とする光造形装置。
  2. 【請求項2】前記第3、第4の反射鏡(25、26)を前記第
    2の走査方向に複数組並設するとともに、 前記光源(16)から各組の第3、第4の反射鏡(25、26)へ
    の投光経路を切換える切換手段を設けたことを特徴とす
    る請求項1記載の光造形装置。
  3. 【請求項3】請求項1記載の光造形装置を用いる光造形
    方法であって、 既に形成した下層の硬化層(q)の上に次の硬化層(q)を
    積層する際、 第1の反射鏡(21)からの光(100)を走査するための第
    2の反射鏡(22)の回動範囲を下層の硬化層(q)を形成
    したときとは異なる範囲に変更して、第3の反射鏡(25)
    を用いる光走査領域(30A)と第4の反射鏡(26)を用いる
    光走査領域(30B)とを、前記下層の硬化層(q)を形成し
    たときの位置から第2の走査方向にずらすことを特徴と
    する光造形方法。
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