JPH0538763A - 光学的造形方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光硬化性樹脂の液面に露光ビームを照射して
所定形状の樹脂の硬化層を形成し、これらの硬化層を積
層して立体形状物を製造する光学的造形方法において、
露光ビームを照射して樹脂を硬化させるときに発生する
熱を効率的に発散させ、熱歪の発生を回避することを目
的とする。 【構成】 樹脂の硬化層を形成する過程に於いて、一つ
の走査経路に沿ってビーム照射して樹脂の硬化条を形成
し該樹脂の硬化条が十分冷却された後に隣接する走査経
路に沿ってビーム照射するようにビーム照射の走査経路
を選択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
を有してよい。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てよい。

【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てよい。

【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
れてよい。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っ
てよい。

【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
郭が形成されてよい。

【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よい。

【００３１】露光ビーム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。ビームスポット６２の走査
は、形成された硬化条に隣接して次の硬化条を形成する
ように、その主走査方向に沿ってなされる。従って、形
成された硬化条が十分冷却される前にその硬化条に隣接
して次の硬化条が形成されることとなる。

【００３２】各硬化条は、その硬化条の上側及び下側に
隣接する硬化条に対しては大きな温度勾配を有するが、
その硬化条の両横側に隣接する硬化条に対しては小さな
温度勾配を有する。形成された硬化条から上方及び下方
へは十分な熱の移動がなされるが、横方向には僅かな量
の熱が移動するだけである。各硬化条から周囲への熱移
動が十分でないと硬化層が冷却されるまでに時間がかか
り、精度の高い立体形状物を製造することが妨げられ
る。

【００３３】本発明は、かかる点に鑑み、形成された樹
脂の硬化条からの熱移動が促進され、各硬化条が容易に
冷却されるように構成された光学的造形方法を提供する
ことを目的とする。

【００３４】

【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この
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、こ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する過程に於いて、
一つの走査経路に沿ってビーム照射して樹脂の硬化条を
形成しこの樹脂の硬化条が十分冷却された後に隣接する
走査経路に沿ってビーム照射するようにビーム照射の走
査経路を選択する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。

【００３５】

【作用】本発明によれば、図１に示されているように、
ビーム照射して新たに樹脂の硬化条を形成するとき、そ
れに隣接する既に形成された硬化条が十分冷却されるよ
うに、ビーム照射の走査経路が選択されるため、各樹脂
の硬化層は十分冷却されて形成され積層される。新たに
形成された樹脂の硬化条は、それに隣接する既に形成さ
れた樹脂の硬化条と十分大きな温度差を有するため、上
側及び下側に隣接する樹脂の硬化条との間ばかりでな
く、横側に隣接する樹脂の硬化条との間でも十分な熱交
換がなされる。

【００３６】

【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を
使用して実施されてよい。

【００３７】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。樹
脂の硬化層２は、その周囲に一端を有し、内部に他端を
有する樹脂の硬化条６を含む。

【００３８】樹脂の硬化条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６ａと、開始部８に隣
接した位置にて外周条に接続され外周条の内側に且つそ
れに隣接して延在する内周条６ｂとを有する。外周条６
ａの開始部８に隣接した位置に内周条６ｂが形成される
とき、その外周条６ａの開始部８は十分冷却されている
ように、外周条６ａの経路が選択される。

【００３９】ビームスポット６２の走査経路は、最初の
樹脂の硬化条が形成され次の樹脂の硬化条が形成される
時、次に形成される樹脂の硬化条は既に形成された樹脂
の硬化条に隣接した位置に且つその既に形成された樹脂
の硬化条が十分冷却された時に形成されるように、選択
される。図示の例では、周囲の一端でビームスポット６
２の走査が開始され、内部の他端で終了されることが示
されているが、内部の一端でビームスポット６２の走査
が開始され、周囲の他端で終了されるように、ビームス
ポット６２の走査経路が選択されてよい。

【００４０】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よいが、図示のよう
に、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。図１において、樹脂の硬化層２の角部
に形成された硬化条７は、外周条６ａと内周条６ｂとを
有する硬化条６とは別個に且つそれに対して非連続的に
形成されている。

【００４１】本発明による光学的造形方法は、好ましく
は、ベクトルスキャン方式を使用して実施されるが、ラ
スタ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。

【００４２】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。

【００４３】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。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、ビームスポット６２の
走査により形成された樹脂の硬化条は効果的に冷却され
るため、熱収縮による誤差が回避され、精度が高い製品
が製造される。

【図面の簡単な説明】

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

【図２】図２は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３は図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４は図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】図５は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、６ａ、６ｂ、７ 硬化条 ８ 開始部 １０ エレベータ装置 １２ 上端部 １４ 接続部 １６ ステージ部１６ １８ ナット ２０ 送りねじ ２２ ステッピングモータ ３０ 樹脂貯槽装置 ３２ 貯槽容器 ３４ 光硬化樹脂 ３６ 液面 ４０ ビーム発生装置 ４２ ビーム発振器 ４４ 音響光学変調装置（Ａ／Ｏモジュレータ） ４６ フォーカス制御器 ４８ 第一のガルバノスキャナ ４８ａ 第一のガルバノミラー ４８ｂ 回転軸 ４８ｃ 駆動部 １８ｄ 反射面 ５０ 第二のガルバノスキャナ ５０ａ 第二のガルバノミラー ５０ｂ 回転軸 ５０ｃ 駆動部 ５０ｄ 反射面 ５２、５４ 全反射ミラー ５６ フォーカシングレンズ ６０ ビーム ６２ ビームスポット ７０ 制御装置 ７２ Ａ／Ｏモジュレータ制御器 ７４ ガルバノコントローラ ７６ エレベータ制御器 ７８ エレベータ位置検出器 ８０ 立体形状物 １００ ビーム照射位置制御回路 １０２ 記憶装置 １０４ 変調回路 １０６ Ｄ／Ａ変換器 １０８ ゲート回路 １１０ スキャン方式切替回路 １１２ フォーカス制御回路 １１４ ステッピングモータ駆動回路 １１６ Ａ／Ｏモジュレータ駆動回路 １２０ プログラミング装置からの信号入力端子 １２２ 第一のガルバノスキャナへの信号出力端子 １２４ 第二のガルバノスキャナへの信号出力端子 １２６ フォーカス制御器への信号出力端子 １２８ ステッピングモータへの信号出力端子 １３０ Ａ／Ｏモジュレータへの信号出力端子 １４０ 立体形状物 １４２ 孔 １４４ 硬化条 １４６ 硬化条

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
   成する過程に於いて、一つの走査経路に沿ってビーム照
   射して樹脂の硬化条を形成し該樹脂の硬化条が十分冷却
   された後に隣接する走査経路に沿ってビーム照射するよ
   うにビーム照射の走査経路を選択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。