JPH06226861A - 光学的造形方法および光学的造形装置 - Google Patents
光学的造形方法および光学的造形装置Info
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- JPH06226861A JPH06226861A JP5014905A JP1490593A JPH06226861A JP H06226861 A JPH06226861 A JP H06226861A JP 5014905 A JP5014905 A JP 5014905A JP 1490593 A JP1490593 A JP 1490593A JP H06226861 A JPH06226861 A JP H06226861A
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Abstract
れる樹脂モデルの硬化変形を防止する。 【構成】ある一つの等高断面において光線を走査して光
硬化性樹脂を硬化させるにあたり、従来のように隣接す
る走査線上を走査するのではなく、所定数の走査線を飛
び越して、いわゆる間引き走査したのち、この間引き走
査された走査線の間を走査し、このような手順で順次走
査してゆくことにより、結果的に走査効果層の全面を走
査する。
Description
脂などの光硬化性樹脂に光線を走査して照射することに
より所望の樹脂モデルを造形する光学的造形方法と光学
的造形装置に関する。特に、ある走査硬化層を生成する
にあたり、隣接する走査線上を硬化走査せずに所定数の
走査線を飛び越して間引き走査したのち、この間引き走
査された走査線の間を硬化走査する処理を順次繰り返
し、結果的に全面走査することにより、光硬化性樹脂の
収縮による変形を抑止するようにした光学的造形方法と
光学的造形装置に関する。
槽の表面に対して、紫外線レーザをON/OFFしなが
ら走査し、これにより硬化した走査硬化層を順次積み上
げることにより、所望の樹脂モデルを造形することが試
みられている。かかる樹脂モデルは、例えば製品のマス
ターモデルとして利用されることから、造形するにあた
っては造形精度、層間接着性、および造形効率などを高
める必要がある。
ら紫外線を発生させ、ガルバノミラーおよびシャッター
などを有する光学系によって紫外線レーザのON/OF
Fと光線の走査方向を制御しながら、紫外線硬化性樹脂
液を収容した槽の表面に対して照射する。槽内には紫外
線レーザを遮断するとともに昇降可能なエレベータが設
けられており、樹脂液表面とエレベータとの間に介在す
る樹脂液が紫外線レーザによって硬化するようになって
いる。
レベータを上昇させておき、樹脂液表面とエレベータと
の間に介在する樹脂液を紫外線レーザによって硬化させ
て第1層目の走査硬化層を形成したのち、エレベータを
1層分だけ下降させて、第1層目と同様の手順で第2層
目の走査硬化層を第1層目の走査硬化層の上に形成す
る。以下同様にして、順次走査硬化層を積層(以下、堆
積ともいう)し、最終層目の走査硬化層の形成が終了す
るとエレベータを上昇させて、樹脂液からモデルを取り
出したのち、さらに最終的な硬化を行うために、図8に
示す如く、紫外線ランプ50などを用いてモデルW全体
に対して紫外線を長時間照射する。
ベータの同一移動ピッチ内における平面を「等高断面」
と称するが、図9は、この一つの等高断面を示す平面図
であり、目的とするモデルWに応じて、「51」は樹脂
液を硬化させる領域(以下、スパンともいう)、「5
2」は樹脂液を硬化させない領域を示している。すなわ
ち、図8における横断面を観察した状態が図9である。
外線レーザ発振器から発生する紫外線ビーム53は、光
学系により図示する走査方向DLに沿って走査され、こ
のとき、樹脂液を硬化させる領域51では紫外線レーザ
がON(実際にはシャッターAOMが開)、樹脂液を硬
化させない領域52では紫外線レーザがOFF(実際に
はシャッターAOMが閉)となる。一つの走査線Lの走
査が終了すると、光学系を制御して走査ピッチP分だけ
位相させ、再び走査方向DLに沿って同様の走査が行わ
れる。
されると、樹脂液によって光エネルギーが徐々に減少す
ることから、微視的には、図10に示すように、先端鋭
利な照射領域(すなわち、走査硬化層)54を形成する
ことになる。
4が形成されるが、走査硬化層を順次積層するにあたっ
ては、上層の走査硬化層を形成する際に、紫外線ビーム
53を下層にも照射されるような光線強度、すなわち、
その等高断面における硬化深さDを積層厚T(図18参
照)より大きく制御し、各層間の接着性を高めるように
している。
断面における走査硬化層を形成するにあたり、従来で
は、ある走査線上のスパンの光線走査を終了すると、次
にこの走査線に隣接する走査線上のスパンを走査してい
た。例えば、一つの等高断面における走査硬化層が図1
1(a)に示すような走査対象である場合には、図示す
るようなラスター走査を実施していた。
などの光が照射されてから徐々に硬化を開始し、硬化を
完了するまでにかなりの時間を必要とする。また、光硬
化性樹脂液は、図10に示すように照射領域54が先端
鋭利な状態であるため、硬化する際に走査方向DLに収
縮する特性がある。
の走査線に沿う照射領域54aが硬化する場合には、該
第1の走査線の収縮力以外にも、隣接する第2の走査線
に沿う照射領域54bの収縮力、および第3の走査線に
沿う照射領域54cの収縮力も作用することになり、結
局、第nの走査線の照射を行うと、第1の走査線には、
それまで照射されたn本の走査線の収縮力が多かれ少な
かれ合力として働くことになる。
走査した走査線に沿う照射領域54の収縮度が相違する
ことになり、特に最初に走査した走査線の照射領域が過
度に変形するという問題があった。かかる問題は、自由
液面上、すなわち、下層に造形済みの層が存在しない液
面上にモデルを造形する場合において、特に顕著に現わ
れることになった。
鑑みてなされたものであり、走査線の走査方法を考慮す
ることにより、得られる樹脂モデルの硬化変形を防止す
ることを目的とする。
に、本発明の光学的造形方法は、光硬化性樹脂液面上に
光線を走査し、硬化した走査硬化層を順次積み上げて立
体樹脂モデルを得る光学的造形方法において、等高断面
層の造形領域の硬化では、隣接しない走査線を順次走査
して硬化させたのち、未硬化であって隣接しない走査線
を順次走査して硬化させ、結果として全走査線を走査す
ることを特徴としている。
スター走査し、硬化した走査硬化層を順次積み上げて立
体樹脂モデルを得る光学的造形方法において、等高断面
層の造形領域の硬化では、隣接しないラスター走査線を
順次走査して硬化させたのち、未硬化であって隣接しな
いラスター走査線を順次走査して硬化させ、結果として
全ラスター走査線を走査することを特徴とする光学的造
形方法、すなわち、前記光線の走査がラスター走査であ
る場合に、本発明は特に効果的である。
脂液槽と、前記光硬化性樹脂液を硬化させるのに適当な
波長を含む光線を発生し、該光線を走査させる光走査手
段と、前記光硬化性樹脂液の表面に光線が照射されたこ
とにより生成する硬化樹脂を昇降させる昇降手段と、前
記光走査手段と前記昇降手段とを制御する制御手段と、
を備えた光学的造形装置において、前記制御手段は、立
体造形する少なくとも一部の立体造形情報を記憶する立
体造形情報記憶部と、前記昇降手段を動作させない状態
で前記光線を走査照射して形成される走査硬化層に関す
る情報を、前記立体造形情報記憶部に記憶されている立
体情報の中から抽出する走査硬化層情報抽出部と、前記
走査硬化層情報抽出部より得られる走査硬化層情報に対
して一連の番号を対応させて記憶する走査線情報記憶部
と、を有し、前記走査硬化層の光線走査は、前記走査線
情報記憶部に記憶された走査線情報に基づいて行うとと
もに、一の走査線情報に基づいた走査が終了したとき
は、該走査線情報の番号に対して連続しない番号の走査
線情報に基づいて次の走査を行うことを特徴とする光学
的造形装置によっても、上記目的を達成することができ
る。
を走査して光硬化性樹脂を硬化させるにあたり、従来の
ように隣接する走査線上を走査するのではなく、所定数
の走査線を飛び越して、いわゆる間引き走査したのち、
この間引き走査された走査線の間を走査し、このような
手順で順次走査してゆくことにより、結果的に走査効果
層の全面を走査する。
液を硬化させるのに適当な波長を含む光線を発生し、入
れた光硬化性樹脂液槽に収容された光硬化性樹脂液に対
して光線を走査させる。一つの等高断面における走査を
終了すると、光線が照射されたことにより生成する硬化
樹脂を昇降手段によって昇降させ、このような手順を繰
り返すことにより、順次走査硬化層を積層する。
くとも一部の立体造形情報を記憶している立体造形情報
記憶部から、昇降手段を動作させない状態で光線を走査
照射して形成される走査硬化層に関する情報を走査硬化
層情報抽出部によって抽出する。
られる走査線情報に対して、一連の番号を対応させて走
査線情報記憶部に記憶させる。そして、ある任意の走査
硬化層の光線走査は、走査線情報記憶部に記憶された走
査線情報に基づいて行われるが、このとき、一の走査線
情報に基づいた走査が終了したときは、該走査線情報の
番号に対して連続しない番号の走査線情報に基づいて次
の走査を行う。
走査するのではなく、所定数の走査線を飛び越して、い
わゆる間引き走査を実施する。ついで、この間引き走査
された走査線の間を走査し、このような手順で順次走査
してゆくことにより、結果的に走査効果層の全面を走査
する。これにより、一つの走査硬化層が硬化する際、こ
れに隣接する領域が未硬化の領域となっているため、自
己の収縮力以外の外力を受けることがなくなる。
明する。まず最初に、図1を参照しながら本発明の一実
施例に係る光学的造形装置の構成について説明する。図
1は本発明の光学的造形装置の基本構成を示すブロック
図である。
脂液槽2を有しており、この槽内に収容される光硬化性
樹脂液1は光を照射することにより付加重合を生じて硬
化する材料である。例えば、スチレン、メタクリル酸メ
チル、酢酸ビニルなどのビニル単量体は、光照射によっ
て、光重合の開始剤が存在しなくとも、あるいは紫外線
を吸収する増感剤や色素の存在下で、重合を起す。
液1の種類は特に限定されず、未硬化では液体状であっ
て硬化することにより固化する樹脂であればよい。ま
た、照射する光LBについても特に限定されず、紫外線
の他にも、用いられる光硬化性樹脂1に応じた光を選択
すればよい。
るとともに硬化させた樹脂を載置する台座を有するエレ
ベータ4aが設けられており、このエレベータ4aは、
昇降器4bにより光硬化性樹脂液槽2内を昇降可能とな
っている。昇降器4bは、機械的にエレベータ4aを昇
降させる機能と、この昇降動作の制御を司る制御機能と
を備えている。昇降器4bに対する指令信号は、制御手
段5の一般制御部5aから与えられるが、光走査手段3
への、あるいは光走査手段3からの情報に基づいて、一
般制御部5aは昇降器4bに指令信号を出力する。
了したことを光走査手段3から検知すると、次の等高断
面の走査に移行するために、一般制御部5aから昇降器
4bに対して指令信号を出力し、これにより昇降器4b
はエレベータ4aを所定のピッチ(すなわち、このピッ
チがその等高断面における積層厚Tとなる)だけ下降さ
せる。
外線レーザなどの光線を発生させるレーザ発振器3a
と、このレーザ発振器3aで発生した光線を光硬化性樹
脂液の表面に対し所定の軌跡にしたがって走査させるた
めの光学系3bと、この光学系3bを制御するための光
学系コントローラ3cから構成されている。光学系3b
には、例えば光線を通過/遮断するためのシャッター器
(AOM)や光線の方向を変動させるための電圧印加器
およびガルバノミラーなどが設けられており、光線のO
N/OFF、光線強度の変更、光路の変更、光線の走査
速度の制御などを行う機能を有している。そして、この
光学系3bに対して、光学系コントローラ3cからは予
め教示された軌跡に応じた光走査条件に関する指令信号
が出力される。
は、基本的には一般制御部5aに予め入力された基本軌
跡データに基づくが、後述する立体造形情報記憶部5
b、走査硬化層情報抽出部5c、走査線情報記憶部5d
を介して光学系コントローラ3cに指令信号が出力さ
れ、細部の光走査条件が変更される。
樹脂モデルに応じて、予め入力されたデータに基づい
て、昇降手段4と光走査手段3とを相互に関連付けなが
ら制御する一般制御部5aを有している。また、一般制
御部5a以外に、立体造形情報記憶部5b、走査硬化層
情報抽出部5c、走査線情報記憶部5dが設けられてい
る。
コントローラ3c、および制御手段5などの情報処理装
置は、それぞれ別体に構成した具体例として図1に表わ
しているが、これは、それぞれの機能を容易に理解する
ために記載したものであって、上述した各機能を備えて
いる限り、これらを任意の組み合せで組み合わせて情報
処理装置を構成してもよいことは勿論である。
b、走査硬化層情報抽出部5c、走査線情報記憶部5d
における各処理手順について説明するが、この処理手順
の基本的考え方の理解を容易にするために、図2に示す
ように、ある一つの等高断面内においてラスター走査を
実施する具体例を挙げて本発明を説明する。
べきモデルWの立体形状に関する情報が格納されたメモ
リであり、モデルWの立体形状に関する全ての情報ある
いは、少なくとも造形領域が輪郭線で囲まれる全ての等
高断面の立体形状に関する情報が記憶されている。
記憶させるにあたり、本発明では「スパン」なる概念を
導入している。本発明にいう「スパン」とは、等高断面
内における多角形と光線の走査線との交わりをいい、こ
のスパン領域に光線を照射する。
方向)時の同一走査線におけるy値と垂直走査(Y方
向)時の同一走査線におけるx値、Xi:j を水平走査時
の走査線と多角形との交点のx値と垂直走査時の走査線
と多角形との交点のy値としたときに、 Yi Xi:0 Xi:1 Xi:2 …… Xi:n D Yi+1 Xi+1:0
…… D なる情報フォーマットで表わすことができる。
情報記憶部5bに記憶されている立体情報のうち、ある
一つの等高断面における造形領域である走査硬化層に関
する情報のみを抽出する。つまり、一般制御部5aで
は、一つの等高断面における硬化領域と非硬化領域とを
識別して、これにより光学系における光のON/OFF
を制御するが、走査硬化層情報抽出部5cでは、硬化領
域に関する情報のみを選択して読み出し、これを以下の
造形方法の基礎情報とする。
化層情報抽出部5cより得られる走査硬化層情報に対し
て、一連の番号、例えば連続数字や連続文字などを対応
させて記憶するメモリである。特に、一つの等高断面の
走査を実施する場合には、この走査線情報記憶部5dに
記憶された走査線情報に基づいて行なわれ、一の走査線
情報に基づいた走査が終了すると、次の走査は、事前に
読み取られた走査線情報に付された番号に対して連続し
ない番号の走査線情報を抽出し、この走査線情報に基づ
いて走査が実施される。
は本発明の光学的造形方法を示す平面図であり、図2
(d)に示すようなある一つの等高断面における造形領
域51を硬化させる場合、まず第1の走査を行って走査
硬化層54aを形成し、次に直前に走査した走査硬化層
54aに隣接しない走査線を選択して第2の走査を行
い、走査硬化層54bを形成する。
なるが、さらに第3の走査を行って走査硬化層54cを
形成する際には、図2(c)に示すように、第1の走査
および第2の走査により硬化中の走査硬化層54a,5
4bに隣接しない走査線を選択する。
硬化であって隣接しない走査線を選択して走査を行い、
結果として全走査線を走査する。
査されて硬化してゆく走査硬化層の両側は未硬化の樹脂
液であるため、硬化時に生じる収縮は、その走査硬化層
のみによって決定される。したがって、従来のように他
の走査硬化層の収縮による影響を受けることがなく、均
一な収縮挙動となる。
最終的には図2(d)に示すように、隣接しない走査線
を選択することができなくなるが、このときには既に隣
接する走査線の走査硬化層が硬化を終了しており、その
結果、この硬化した走査硬化層の剛性によって最終の走
査によって硬化する走査硬化層の収縮が抑制されること
になって、該等高断面における硬化変形を防止すること
ができる。
として、具体的には、図1に示す光学的造形装置の制御
手段5において以下の手順で処理が行われる。図3は本
発明に係る制御手段5における処理手順を示すフローチ
ャート、図4および図5は図3に示すステップ4のサブ
ルーチンを示すフローチャートである。また、図6は本
発明の一実施例に係る分割数、走査ピッチ、デルタの関
係を説明する平面図、図7は同実施例に係る光学的造形
装置の分解能と走査ピッチ、走査線、スパンの関係を示
す平面図である。
体造形情報記憶部5bから、等高断面データと、造形に
関するパラメータ(例えば、走査ピッチなど)を走査硬
化層情報抽出部5cに読み込む(ステップ1,2)。つ
いで、読み込まれた等高断面データと走査ピッチのデー
タから、等高断面データに対して、走査ピッチの整数倍
となる走査線との交点を演算し、走査線情報記憶部5d
に格納する(ステップ3)。
れた情報を図4および図5に示す手順で書き直す(ステ
ップ4)。まず、初期化を実施したのち(ステップ4
a)、等高断面と交差する仮想的な走査線の数noofscan
lineを求める(ステップ4b)。ちなみに、この走査線
の数noofscanlineは仮想的なものであってスパンの総数
ではなく、スパンの総数は後述する実際に設定される走
査ピッチによる。
ば denominator=2を設定し(ステップ4c)、実際に
走査を行う走査線の間隔を求める(ステップ4d)。
atorに対応する走査線の間隔deltaを、 delta=noofscanline/ denominator に基づいて演算し(ステップ4e)、これにより求めら
れた走査線の間隔deltaが走査ピッチより大きいときは
(ステップ4f)、副走査区間の下端(走査を開始する
側)から走査線の間隔deltaだけ離れた走査線上のスパ
ンを現在の走査線とする(ステップ4g)。
(走査を終了する側)でなければ(ステップ4h)、現
在の走査線に対する情報を読み込み(ステップ4i)、
該現在の走査線上にスパンが存在するかどうかを判断す
る(ステップ4j)。ファイルポジションが「正」であ
る場合には、その走査線上の実際のスパンデータを読み
込んで記憶する(ステップ4k)。同時に、現在の走査
線に対するファイルポジションを「負」に書き換えてス
パンデータの移動が終了したことを示すようにする(ス
テップ4l)。
査線間隔deltaを加算した値とし(ステップ4m)、現
在の走査線が副走査区間の上端に達するまで、ステップ
4i〜ステップ4lの処理を繰り返す。
すると(ステップ4h)、副走査区間の分割数 denomin
atorを2倍にしたのち(ステップ4n)、ステップ4e
〜ステップ4mの処理を繰り返す。
査線情報記憶部5dに書き直したのち、図3に示すよう
に、等高断面の造形領域を塗りつぶすための造形情報を
光学系コントローラ3cに出力する(ステップ5)。そ
して、走査線情報記憶部5dに書き直されたスパンデー
タを順番に読みだして、光学系コントローラ3cに出力
し、レーザ発振器3aおよび光学系3bを用いて造形を
実行する(ステップ6)。図6は、このような手順で走
査を行った場合の走査順序を示す平面図であり、副走査
区間の分割数 denominator(=2,4,8,…)が小さ
い方が最初に走査される走査硬化層である。
解を容易にするために記載されたものであって、これら
の発明を限定するために記載されたものではない。した
がって、上記の実施例に開示された各要素は、本発明の
技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣
旨である。例えば、隣接しない走査線を選択する手法
は、図3〜図7に示す実施例にのみ限定されることな
く、他の手法で行うこともできる。
走査して光硬化性樹脂を硬化させるにあたり、等高断面
層の造形領域の硬化では隣接しない走査線を順次走査し
て硬化させたのち、未硬化であって隣接しない走査線を
順次走査して硬化させ、結果として全走査線を走査する
ように構成しているので、一つの走査硬化層が硬化して
収縮する際に外部からの力を受けることがない。その結
果、一つの等高断面における収縮率が均一となり、造形
すべきモデルの変形が抑止される。
ック図である。
す平面図である。
フローチャートである。
ローチャートである。
ローチャートである。
デルタの関係を説明する平面図である。
ピッチ、走査線、スパンの関係を示す平面図である。
積層したのち最終の硬化を行う工程を示す側面図であ
る。
面における硬化領域と非硬化領域、および光線の走査方
向を示す平面図である。
の等高断面における光線の走査方向および硬化深さを示
す斜視図である。
査線の硬化状況を説明する平面図である。
Claims (3)
- 【請求項1】光硬化性樹脂液面上に光線を走査し、硬化
した走査硬化層を順次積み上げて立体樹脂モデルを得る
光学的造形方法において、 等高断面層の造形領域の硬化では、隣接しない走査線を
順次走査して硬化させたのち、 未硬化であって隣接しない走査線を順次走査して硬化さ
せ、 結果として全走査線を走査することを特徴とする光学的
造形方法。 - 【請求項2】光硬化性樹脂液面上に光線をラスター走査
し、硬化した走査硬化層を順次積み上げて立体樹脂モデ
ルを得る光学的造形方法において、 等高断面層の造形領域の硬化では、隣接しないラスター
走査線を順次走査して硬化させたのち、 未硬化であって隣接しないラスター走査線を順次走査し
て硬化させ、 結果として全ラスター走査線を走査することを特徴とす
る光学的造形方法。 - 【請求項3】光硬化性樹脂液を入れた光硬化性樹脂液槽
と、 前記光硬化性樹脂液を硬化させるのに適当な波長を含む
光線を発生し、該光線を走査させる光走査手段と、 前記光硬化性樹脂液の表面に光線が照射されたことによ
り生成する硬化樹脂を昇降させる昇降手段と、 前記光走査手段と前記昇降手段とを制御する制御手段
と、を備えた光学的造形装置において、 前記制御手段は、 立体造形する少なくとも一部の立体造形情報を記憶する
立体造形情報記憶部と、 前記昇降手段を動作させない状態で前記光線を走査照射
して形成される走査硬化層に関する情報を、前記立体造
形情報記憶部に記憶されている立体情報の中から抽出す
る走査硬化層情報抽出部と、 前記走査硬化層情報抽出部より得られる走査硬化層情報
に対して一連の番号を対応させて記憶する走査線情報記
憶部と、を有し、 前記走査硬化層の光線走査は、前記走査線情報記憶部に
記憶された走査線情報に基づいて行うとともに、一の走
査線情報に基づいた走査が終了したときは、該走査線情
報の番号に対して連続しない番号の走査線情報に基づい
て次の走査を行うことを特徴とする光学的造形装置。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP01490593A JP3218769B2 (ja) | 1993-02-01 | 1993-02-01 | 光学的造形方法 |
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