JPH0675925B2 - 立体形状形成装置 - Google Patents

立体形状形成装置

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JPH0675925B2 JP61292476A JP29247686A JPH0675925B2 JP H0675925 B2 JPH0675925 B2 JP H0675925B2 JP 61292476 A JP61292476 A JP 61292476A JP 29247686 A JP29247686 A JP 29247686A JP H0675925 B2 JPH0675925 B2 JP H0675925B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔目次〕 ・概要 ・産業上の利用分野 ・従来の技術 ・発明が解決しようとする問題点 ・問題点を解決するための手段 ・作用 ・実施例 ・発明の効果 〔概要〕 本発明は光硬化性樹脂を露光し、硬化物を生成し、該硬
化物を積層して三次元立体情報を表示するための立体形
状を形成する立体形状形成装置に係り、従来の同一位置
を一回露光する方法における重合度不足による硬度不足
を解決するために、同一位置に対しある時間のインター
バルをおいて複数回露光を行なうことにより硬度不足を
解決するようにしたものである。
〔産業上の利用分野〕
本発明は液状光硬化性樹脂にレーザビーム走査手段を用
いて選択的に露光硬化を行い、3次元立体情報を表示す
る立体模型形状の形成装置に係り、特に光硬化性樹脂に
対する露光・硬化方法の改良に関するものである。
3次元的な立体情報を表示する方法として、ホログラフ
ィーによる立体視表示、透視図表示、投影図表示及び等
高線表示等が開発され、一般に広く用いられている。こ
れらはホログラフィーを除いて、何れも3次元情報を2
次元情報に変換する手順が含まれており、表示した立体
形状を直感的に把握し、充分に理解し得るには必ずしも
満足し得る技法とは言えない。
この点、前記ホログラフィーは視覚的、直感的に上記の
技法より極めて有利であるが、立体形状を得るのに再生
装置が必要であり、又、実在しない仮想物体を表示する
ことが困難である。
このようなことから立体情報を直感的に把握し理解し易
く表示するためには、模型等の立体形状を作成すること
が最善であり、模型的な立体形状を比較的容易に形成す
る方法として、樹脂剤収容容器内に液状光硬化性樹脂を
段階的に供給し、該樹脂材供給毎にその光硬化性樹脂材
をレーザビーム照射手段により選択的に光硬化させて複
雑な立体模型形状を積層状に形成する方法が提案されて
いる。
〔従来の技術〕
従来の立体形状形成装置においては、光硬化性樹脂を硬
化するための露光を、一回で行なっていた。すなわちあ
る位置の光硬化性樹脂を硬化させるのにその位置には露
光は一回しか行なっていなかった。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかしながら、従来の立体形状形成装置の一回の露光で
は光硬化性樹脂が硬化する際のラジカル重合の重合度が
小さく、硬化層の硬度が十分得られず、形成物が自重で
変形してしまうという欠点があった。
以下にこの現象を説明するために簡単なモデルを考え
る。積層する一層の厚みを硬化させるのに必要な露光エ
ネルギーをEとし、露光強度I0、照射時間tとすると、 E=I0・t である。露光時間tを短かくするためには光強度I0を大
きくする必要がある。しかし、光硬化性樹脂の硬化は露
光により発生するラジカルによるモノマーの重合反応で
あり、次のことが知られている。
重合速度は光強度の1/2乗に比例する。
得られる重合体の重合度は重合速度に反比例する。
,より重合度は光強度が大きいほど小さくなる。こ
こで重合度とは発生した1個の活性ラジカルが停止反応
によって、消減するまでの間に反応するモノマー分子の
平均数である。重合度が小さいということは硬化しても
柔らかいということである。
したがって一回の露光で一層の厚みを硬化するときに照
射する光強度を大きくすると露光時間は短かくなるが、
十分な硬度が得られず未硬化部を洗浄する時などに立体
形成物が自重で変形するという問題点があった。
本発明は上記従来技術の決点に鑑みなされたものであっ
て、重合度を大きくして充分な硬度の立体形状体を形成
可能な立体形状形成装置の提供を目的とする。
〔問題点を解決するための手段〕
この目的を達成するため本発明においては、多層膜から
なる液状光硬化性樹脂の各層に対し所定方向の光照射を
行い該液状光硬化性樹脂を部分的に硬化させて立体形状
を形成する立体形状形成装置において、前記液状光硬化
性樹脂の各層に対し所定の時間間隔をおいて複数回の光
照射を行うことを特徴とする立体形状形成装置を提供す
る。
〔作用〕
立体形成物が十分な硬度を得るためには重合度を大きく
する必要があり、重合度を大きくするには重合速度を小
さくする必要がある(前記より)。
重合速度を小さくする方法としては、 光強度を小さくする。
間欠的露光を行なう。
が考えられる。についてはより明らかである。に
ついて次に説明する。
断続的な光を用いてラジカルの速度係数を求めるセクタ
ー法が知られている。光が間欠的に照射されている系を
考えると、光の照射時にラジカルが生成し、しゃ断時に
はラジカルの生成が見られない。したがって光の照射時
のみ重合が進むと考えられるけれどもラジカルには寿命
があるので光をしゃ断してもすぐには重合は停止しな
い。そこで光をしゃ断する時間をラジカルの平均寿命に
近づけると、いつも重合が起こっているがその速度が何
分の1になる状態が得られる。この現象を応用しての
方法を用いれば重合速度を小さくすることができ、重合
度を大きくすることができる。
本発明は前記との両方法を用いた方法を提案するも
ので重合度に関しだけの方法より大きな効果がある。
前述したような簡単なモデルで考える。積層する一層の
厚みを硬化させるのに必要な露光エネルギーをEとし、
n回目の露光の露光エネルギー、露光強度、露光時間を
それぞれEn,In,tnとすれば E=E1+E2+…En =I1t1+I2t2+…Intn を満たすような露光を行ない。n−1回目とn回目の露
光のインターバル時間Tn-1,nをおく。
実際には一層の厚みを硬化させるエネルギーEは露光回
数、インターバル時間、強度等の影響で多少変化するの
で、これらのパラメータの値はEの値にフィードバック
しながら決定する。
〔実施例〕
第1図は本発明の第1実施例の作用説明図であり、
(a)図は斜視図、(b)図は平面図である。液状光硬
化性樹脂1が図示しない容器内に収容されている。硬化
すべき形状に応じた露光パターン2に従ってON,OFFの光
変調をした複数(この例では3本)のレーザビーム3a,3
b,3cにより液状光硬化性樹脂1に対し位置を選択して照
射する。3本のレーザビーム3a,3b,3cは主走査方向(矢
印A,B,C)に沿って液状光硬化性樹脂1上を走査し相互
に平行な3本の走査線3A,3B,3Cを構成する。3本のレー
ザビーム3a,3b,3cの副走査方向(主走査方向を直角な方
向)の間隔はL(b図)である。主走査方向の照射終了
後3本のレーザビーム3a,3b,3cを副走査方向に距離Lだ
けずらせて再び主走査方向の走査を行なう。従って、あ
る露光パターンの位置では、副走査方向への移動速度を
vとすれば例えばレーザビーム3aによる露光後に時間L/
vの間隔をおいてレーザビーム3bによる2回目の露光を
受け、さらに時間L/vの間隔をおいてレーザビーム3cに
よる3回目の露光を受ける。このとき3本のレーザビー
ム3a,3b,3cで同じ露光パターンを重ねて露光できるよう
に各レーザビームのON−OFF制御を行なう。このように
複数本のレーザビームを用いて主走査方向の複数本の走
査線に沿って露光を行ないその後レーザビームを副走査
方向に移動して再び主走査方向の走査を行なうことによ
り間欠的な複数回の露光を行なうことができる。露光の
周期T(=L/v)は光硬化性樹脂の特性、露光回数等を
考慮して適当に選定する。一層目の露光を終了したら次
の層の液状光硬化性樹脂を供給して次層の露光パターン
に従って同様の露光操作を行なう。
第2図は前述の作用の本発明の第1実施例の構成図であ
る。この例は2本のレーザビームを用いた立体形状形成
装置を示している。レーザ装置5からのレーザビーム6
はハーフミラー7で2本のレーザビーム12a,12bに分割
される。8はミラーである。2本のレーザビーム12a,12
bはレンズ9a,9bを介して光変調器10a,10bに入る。光変
調器10a,10bはレーザビーム12a,12bを強度変調する。強
度変調されたレーザビーム12a,12bはレンズ11a,11bを介
して、矢印Jのように回転する回転多面鏡13に入射しこ
こで偏向されて走査光となり、fθレンズ14及びミラー
15を介して光硬化性樹脂17上を照射する。このとき主走
査方向は図の矢印Lで示す。光硬化性樹脂17は収容容器
16内に収容されている。収容容器16は支持部18と一体の
昇降ステージ19上に設けられ矢印Mのように上下動可能
である。また、収容容器16を塔載するステージ21矢印K
のように副走査方向に移動可能である。
2本のレーザビームにより主走査方向(矢印L)に走査
後ステージ21を移動して前述のように露光パターンに従
って、2回目の重ね露光を行ない硬化層20を形成する。
続いて新しい液状光硬化性樹脂を供給して第2層目の硬
化層を同様にして形成する。このような各層の露光工程
を繰り返して積層状の硬化層を形成し、これを希アルカ
リ洗浄液等で洗浄することにより所望の立体形状体を得
る。
第3図は本発明の第2実施例の作用説明図である。この
例では1本のレーザビーム3をON,OFFに光強度変調しな
がら主走査方向(矢印D)に液状光硬化性樹脂1の表面
を走査し、副走査方向(矢印E,F)に移動して露光パタ
ーン2をラスタ走査する。このラスタ走査において、副
走査方向の移動は樹脂の収容容器を矢印E,Fのように移
動して行なう。このときb図に示すように、露光パター
ン2を複数に分割し、ある領域S1の1回のラスタ走査が
終了すると収容容器を移動して再びこの領域S1に対し最
初からラスタ走査を行なう。このような同一領域S1のラ
スタ走査を複数回繰り返してこの領域S1の露光を終了す
る。このような同一領域の繰り返し露光により前述の実
施例の場合と同様に同一位置に対しある時間間隔をおい
て複数回の露光が行なわれ、その作用効果は前述の実施
例の場合と同様である。このような領域S1への繰り返し
露光を終了後、次の領域S2に対し同様の繰り返し露光を
行ない、さらに次の領域S3…等全分割領域に対して繰り
返し露光を行なって一層目の全体の露光パターン2の露
光を行なう。一層目の露光を終了したら次の層の液状光
硬化性樹脂を供給して同様に分割領域毎の繰り返し露光
を繰り返て順次硬化層を積層する。
第4図は前述の本発明の第2実施例の構成図である。前
述の第1実施例の構成と異なる点はレーザ装置5からの
レーザビーム6は分割されず1本の走査光としてレンズ
9,11光変調器10、回転多面鏡13等を介して光硬化性樹脂
17上に照射される点である。この1本のレーザビームに
より、主走査方向Lに対しては回転多面鏡13の回転によ
り、また副走査方向に対してはステージ21の移動によ
り、前述のような分割領域毎の繰り返し露光を繰り返し
て行なって全体の走査を行なう。その他の構成、作用は
前記第1実施例と同様である。
第5図は本発明の第3実施例の作用説明図である。この
実施例が前記第2実施例と異なる点は、ラスタ走査にお
ける副走査方向の移動(矢印H)が液状光硬化性樹脂1
の直上のミラー4の回転(矢印G)により行なわれるこ
とである。その他の作用、効果は前記第2実施例と同様
である。
第6図はこの第3実施例の構成図である。この実施例で
は第2実施例の固定ミラー15に代えて矢印Gのように回
転可能なミラー4を設けレーザビームの副走査方向(矢
印H)の移動を行なっている。従って液状光硬化性樹脂
の収容容器16を副走査方向に移動させるステージは不要
である。その他の構成、作用は前記第2実施例と同様で
ある。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明においては、液状光硬化性
樹脂の同一位置に対し適当な所定の時間間隔で複数回の
露光を行なっているため、硬化の重合度が大きくなり形
成した立体物が充分な硬度を有し自重や外力によって変
形することが防止される。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1実施例の作用説明図、第2図は本
発明の第1実施例の構成図、第3図は本発明の第2実施
例の作用説明図、第4図は本発明の第2実施例の構成
図、第5図は本発明の第3実施例の作用説明図、第6図
は本発明の第3実施例の構成図である。 1,17……液状光硬化性樹脂、 2……露光パターン、 3,3a,3b,3c,6,12a,12b……レーザビーム、 4,15……ミラー、16……収容容器、 19……昇降ステージ、20……硬化層。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】多層膜から成る液状光硬化性樹脂(1)の
    各層に対し所定方向の光照射を行ない該液状光硬化性樹
    脂(1)を部分的に硬化させて立体形状を形成する立体
    形状形成装置において、前記液状光硬化性樹脂の各層に
    対し所定の時間間隔をおいて複数回の光照射を行なうこ
    とを特徴とする立体形状形成装置。
  2. 【請求項2】前記光照射は、複数本の走査光(3a,3b,3
    c)を用いて主走査方向に所定間隔(L)の並列した複
    数本の走査線(3A,3B,3C)を構成するように行ない、該
    複数本の走査光を副走査方向に前記所定間隔(L)だけ
    移動して再び主走査方向の走査を行なうことにより同一
    走査線上を複数回の走査を行なうように構成したことを
    特徴とする特許請求の範囲第1項記載の立体形状形成装
    置。
  3. 【請求項3】前記液状光硬化性樹脂を収容する容器(1
    6)を副走査方向に移動することにより同一位置の複数
    回の光照射を可能としたことを特徴とする特許請求の範
    囲第1項記載の立体形状形成装置。
  4. 【請求項4】前記光照射は液状光硬化性樹脂の直上に設
    けた回転可能なミラー(4)を介して行ない、該ミラー
    の回転により走査光を副走査方向に移動させて同一位置
    の複数回の光照射を可能としたことを特徴とする特許請
    求の範囲第1項記載の立体形状形成装置。
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