JPH07232383A - 三次元光造形方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、高速に三次元形状の造形を行う。 【構成】液晶シャッター(22)を、三次元形状のスライス
データに従って駆動制御して平行光(23)を選択的に通過
させて光硬化性樹脂(21)に照射し、スライスデータのス
ライスピッチに相当する厚さ分だけエレベータ(18)を順
次下降させて三次元形状の物体を造形する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ラピッドプロトタイピ
ング（Ｒapid Ｐrototyping）技術に係わるもので、光
硬化性樹脂に紫外線光や可視光線を照射し、光硬化性樹
脂を硬化して三次元形状を造形する三次元光造形方法及
びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】三次元光造形方法は、物体の三次元形状
データをスライスし、これらスライスデータの像に従っ
て例えば紫外線のレーザ光を光硬化性樹脂に照射して硬
化し、これを各スライスデータごとに積層して三次元形
状を造形している。

【０００３】このような造形方法において、レーザ光
は、例えばガルバノミラーを駆動したり、ＸＹ駆動装置
を駆動して光硬化性樹脂に走査し、一層の露光、硬化を
行っている。

【０００４】しかしながら、レーザ光を走査して光硬化
性樹脂を硬化させるので、三次元形状を造形するには、
多くの所要時間が必要となる。そのうえ、三次元形状の
各層の形状が複雑になればなるほど、造形時間が長くな
る。

【０００５】又、各層内での硬化現象の進行に時間差が
生じるために、光硬化性樹脂の硬化時の樹脂収縮により
不均一な変形が起こり、三次元形状にゆがみが生じる。
さらにレーザスポット径によって造形できる形状の最小
単位が決定するので、三次元形状が微小部品となると、
その造形が困難となる。

【０００６】一方、上記造形方法において、レーザ光
は、光硬化性樹脂に対して垂直方向、或いは一意に決定
する角度で照射して光硬化性樹脂を硬化し、積層してい
る。このため、レーザ光を光硬化性樹脂に垂直方向に照
射した場合、その単位硬化形状は、図１０に示すように
光硬化性樹脂１に対して照射したレーザ光の進行方向を
向いた形状、いわゆる砲弾形状２となってしまう。

【０００７】従って、造形する三次元形状の表面は、図
１１に示すようにレーザ光照射により硬化した単位硬化
形状３が重なり合ったものとなり、面の向きによっては
表面粗さが極端に劣化する。なお、４は表面Ａ、５は表
面Ｂである。このような表面粗さを向上させるために、
積層ピッチを小さくすると、多大な造形時間が必要とな
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上のようにレーザ光
を走査して光硬化性樹脂を硬化させるので、造形に多く
の所要時間が必要となる。又、三次元形状にゆがみが生
じたり、微小な三次元形状に対してその造形が困難とな
る。

【０００９】一方、造形する三次元形状の表面の粗さは
劣化したものであり、これを向上させようと積層ピッチ
を小さくしても多大な造形時間が必要となる。そこで本
発明は、高速に三次元形状の造形ができる三次元光造形
方法及びその装置を提供することを目的とする。又、本
発明は、表面粗さの良好な三次元形状の造形ができる三
次元光造形方法及びその装置を提供することを目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１によれば、光硬
化性樹脂に対して光を、液晶シャッターにより三次元形
状のスライスデータに従って選択的に照射させて光硬化
性樹脂を硬化させるようにして上記目的を達成しようと
する三次元光造形方法である。

【００１１】請求項２によれば、光硬化性樹脂に光を照
射することにより光硬化性樹脂を硬化させて三次元形状
を造形する三次元光造形装置において、光に対する液晶
シャッターと、三次元形状のスライスデータに従って液
晶シャッターを駆動制御する液晶シャッタ制御手段と、
硬化した光硬化性樹脂と液晶シャッターとの間隔をスラ
イスデータのピッチに応じて液晶シャッターから遠ざか
る方向に変化させ光硬化性樹脂を積層させる積層手段
と、を備えて上記目的を達成しようとする三次元光造形
装置である。

【００１２】請求項３によれば、各スライスデータの間
に補間スライスデータを求めて液晶シャッターを駆動制
御するものである。請求項４によれば、光硬化性樹脂に
光を照射することにより光硬化性樹脂を硬化させて三次
元形状を造形する三次元光造形装置において、光に対す
る液晶シャッターと、三次元形状のスライスデータに従
って液晶シャッターを駆動制御する液晶シャッタ制御手
段と、液晶シャッターを通過した光を縮小して光硬化性
樹脂に投影する縮小投影光学系と、硬化した光硬化性樹
脂と液晶シャッターとの間隔をスライスデータのピッチ
に応じて液晶シャッターから遠ざかる方向に変化させ光
硬化性樹脂を積層させる積層手段と、を備えて上記目的
を達成しようとする三次元光造形装置である。

【００１３】請求項５によれば、光硬化性樹脂に光を照
射することにより光硬化性樹脂を硬化させて三次元形状
を造形する三次元光造形装置において、光に対する液晶
シャッターと、三次元形状のスライスデータを複数の領
域に分割し、これら分割領域に対応する位置に液晶シャ
ッターを移動させるとともにこれら分割領域のデータに
従って液晶シャッターを駆動制御する液晶シャッタ制御
手段と、硬化した光硬化性樹脂と液晶シャッターとの間
隔をスライスデータのピッチに応じて液晶シャッターカ
ラ遠ざかる方向に変化させ光硬化性樹脂を積層させる積
層手段と、を備えて上記目的を達成しようとする三次元
光造形装置である。

【００１４】請求項６によれば、光硬化性樹脂に光を照
射することにより光硬化性樹脂を硬化させて三次元形状
を造形する三次元光造形装置において、光に対する液晶
シャッターと、三次元形状のスライスデータに従って液
晶シャッターを駆動制御する液晶シャッタ制御手段と、
液晶シャッターを通過した光を拡大して光硬化性樹脂に
投影する拡大投影光学系と、硬化した光硬化性樹脂と液
晶シャッターとの間隔をスライスデータのピッチに応じ
て液晶シャッターから遠ざかる方向に変化させ光硬化性
樹脂を積層させる積層手段と、を備えて上記目的を達成
しようとする三次元光造形装置である。

【００１５】請求項７によれば、光硬化性樹脂に対して
光を三次元形状のスライスデータに従って選択的に照射
し、光硬化性樹脂を硬化させて三次元形状を造形する三
次元光造形方法において、スライスデータの単位造形形
状に基づいて光硬化性樹脂に対する前記光の照射方向を
変化させるようにして上記目的を達成しようとする三次
元光造形方法である。

【００１６】請求項８によれば、三次元形状データの面
に沿う方向に光を照射するようにしている。請求項９に
よれば、光硬化性樹脂に対して光を三次元形状のスライ
スデータに従って選択的に照射し、光硬化性樹脂を硬化
させて三次元形状を造形する三次元光造形装置におい
て、スライスデータの単位造形形状に基づいて光硬化性
樹脂に対する光の照射方向を変化させる走査ユニット
と、この走査ユニットをスライスデータのスライス方向
に従って走査させる走査手段と、を備えて上記目的を達
成しようとする三次元光造形装置である。

【００１７】請求項１０によれば、走査ユニットは、光
を集光する集光光学系と、この集光光学系を光照射方向
に応じて位置を変化させる偏向用送り装置と、集光光学
系からの光を偏向して光硬化性樹脂を照射する偏向光学
系とを有するものである。

【００１８】

【作用】請求項１によれば、三次元形状のスライスデー
タに従って液晶シャッターを駆動して選択的に光を通過
させ、この光を光硬化性樹脂に照射する。これにより、
光照射領域の光硬化性樹脂は硬化し、スライスデータに
対する造形が行われる。

【００１９】請求項２によれば、液晶シャッターを液晶
シャッタ制御手段により三次元形状のスライスデータに
従って駆動制御する。これにより液晶シャッターを選択
的に通過した光が光硬化性樹脂に照射して硬化する。そ
して、光硬化性樹脂と液晶シャッターとの間隔が積層手
段によりスライスデータのピッチに応じて液晶シャッタ
ーから遠ざかる方向に変化され、造形される層が積層さ
れて三次元形状が造形される。

【００２０】この場合、請求項３によれば、各スライス
データピッチが大きければ、これらスライスデータの間
に補間スライスデータを求めて液晶シャッターを駆動制
御する。

【００２１】請求項４によれば、液晶シャッターを液晶
シャッタ制御手段により三次元形状のスライスデータに
従って駆動制御し、この液晶シャッターを通過した光を
縮小投影光学系により縮小して光硬化性樹脂に投影し、
硬化する。これにより、微小の三次元形状の造形ができ
る。

【００２２】請求項５によれば、三次元形状のスライス
データを複数の領域に分割し、これら分割領域に対応す
る光硬化性樹脂の上方位置に液晶シャッターを移動させ
る。これと共に分割領域のデータに従って液晶シャッタ
ーを駆動制御し、この液晶シャッターを通過した光を光
硬化性樹脂に投影して硬化する。これにより、大型の三
次元形状の造形ができる。

【００２３】請求項６によれば、液晶シャッターを液晶
シャッタ制御手段により三次元形状のスライスデータに
従って駆動制御し、この液晶シャッターを通過した光を
拡大投影光学系により拡大して光硬化性樹脂に投影し、
硬化する。これにより、拡大の三次元形状の造形ができ
る。

【００２４】請求項７によれば、光硬化性樹脂に対して
光を照射して三次元形状を造形する場合、スライスデー
タの単位造形形状に基づいて光硬化性樹脂に対する光の
照射方向を変化させる。これにより、表面粗さが良好に
造形される。

【００２５】この場合、請求項８によれば、三次元形状
データの面に沿う方向に光を照射して表面粗さを良好に
している。請求項９によれば、光硬化性樹脂に対して光
を照射する場合、走査ユニットによってスライスデータ
の単位造形形状に基づいて光硬化性樹脂に対する光の照
射方向を変化させ、この走査ユニットをスライスデータ
のスライス方向に従って走査させる。

【００２６】請求項１０によれば、走査ユニットは、光
を集光する集光光学系を偏向用送り装置によって光照射
方向に応じた位置に変化させ、このときの集光光学系か
らの光を偏向光学系により偏向して光硬化性樹脂に照射
する。

【００２７】

【実施例】

(1) 以下、本発明の第１の実施例について図面を参照し
て説明する。図１は三次元光造形装置の構成図である。
データ処理装置１０には、三次元形状入力手段として、
三次元ＣＡＤ１１、コンピュータ断層画像撮影装置（以
下、ＣＴと称する）或いは磁気共鳴画像撮影装置（以
下、ＭＲＩと称する）１２が接続されている。

【００２８】このデータ処理装置１０は、三次元ＣＡＤ
１１から三次元形状データ１３を取り込むとともに、Ｃ
Ｔ或いはＭＲＩ１２から多断層画像データ１４を取り込
み、このうち三次元形状データ１３を所定間隔（以下、
スライスピッチと称する）により平行に並んだ複数の平
面群に切断した二次元断面形状群（以下、スライスデー
タと称する）１５に形成する機能を有している。なお、
スライスピッチは、一定値である必要はない。

【００２９】又、データ処理装置１は、多断層画像デー
タ１４に対しては直ちにスラスイデータ１５としてい
る。だだし、多断層画像データ１４の間隔は通常５ｍｍ
程度とかなり粗く、これをそのままスライスデータとす
ると、図２に示すように造形物が階段状Ｇに形成され
る。

【００３０】従って、多断層画像データ１４を用いる場
合、データ処理装置１０は、多断層画像データ１４を原
スライスデータＤａとし、これら原スライスデータＤａ
間の補間曲線ｆを求め、この補間曲線ｆ上に各補間スラ
イスデータＤｓを求める機能を有している。なお、Ｅは
補間して造形した場合の硬化物表面を示している。

【００３１】このデータ処理装置１には、エレベータ制
御装置１６及び液晶シャッタ制御装置１７が接続されて
いる。エレベータ制御装置１６には、エレベータ１８が
接続され、このエレベータ１８にワーク台１９が取り付
けられている。このワーク台１９は、樹脂槽２０に貯え
られた光硬化性樹脂２１内に浸されている。

【００３２】このエレベータ制御装置１６は、エレベー
タ１８を昇降させるもので、データ処理装置１からスラ
イスデータ１５を受けると、これらスライスデータ１５
毎にスライスピッチに相当する距離だけ順次エレベータ
１８の位置を下降させる機能を有している。

【００３３】液晶シャッタ制御装置１７には、液晶シャ
ッター２２が接続されている。この液晶シャッター２２
は、光硬化性樹脂２１の表面から所定の上方に配置され
ている。この液晶シャッター２２の背面側には、平行光
の紫外光又は可視光線２３を放射する光源２４が配置さ
れている。

【００３４】液晶シャッタ制御装置１７は、データ処理
装置１からスライスデータ１５を受けると、これらスラ
イスデータ１５ごとに液晶シャッター２２を駆動制御し
て光源２４からの平行光を選択的に通過させる機能を有
している。

【００３５】次に上記の如く構成された装置の作用につ
いて説明する。三次元ＣＡＤ１１からデータ処理装置１
に三次元形状データ１３が取り込まれると、データ処理
装置１０は、この三次元形状データ１３を所定のスライ
スピッチで平行に並んだ複数のスライスデータ１５に形
成し、エレベータ制御装置１６及び液晶シャッタ制御装
置１７に送る。

【００３６】エレベータ制御装置１６は、スライスデー
タ１５を受けると、先ずエレベータ１８に対し、ワーク
台１９の上面を、光硬化性樹脂２１の液面からスライス
ピッチに相当する厚み分だけ下方に位置するように制御
する。

【００３７】この状態に、液晶シャッタ制御装置１７
は、データ処理装置１０から三次元形状の最下部にあた
るスライスデータ１５を受けると、このスライスデータ
１５に基づいて液晶シャッター２２を駆動制御し、スラ
イスデータ１５に描かれた像を液晶シャッター２２に描
画する。

【００３８】この描画により液晶シャッター２２におい
て、三次元物体の造形される領域において光源２４から
照射される平行光２３が通過し、空間となる領域で平行
光２３を遮光する。

【００３９】このように光硬化性樹脂２１に平行光２３
が照射されると、ワーク台１９の上面と光硬化性樹脂２
１の液面との間にスライスピッチに相当する厚さで、光
硬化性樹脂２１が硬化する。これにより一層分の樹脂モ
デル２５が造形される。

【００４０】次にエレベータ制御装置１６は、スライス
データ１５のスライスピッチに相当する厚さだけエレベ
ータ１８を下降させる。つまり、エレベータ１８を液晶
シャッター２２から遠ざける方向に移動させる。

【００４１】この状態に、液晶シャッタ制御装置１７
は、造形したスライスデータ１５の上層のスライスデー
タ１５を受けると、このスライスデータ１５に基づいて
液晶シャッター２２を駆動制御し、スライスデータ１５
に描かれた像を液晶シャッター２２に描画する。

【００４２】この描画により上記同様に液晶シャッター
２２において、三次元物体の造形される領域で光源２４
から照射される平行光２３が通過し、空間となる領域で
平行光２３を遮光する。

【００４３】これにより、先に造形された樹脂モデル２
５上面と光硬化性樹脂２１の液面との間に、スライスピ
ッチに相当する厚さで光硬化性樹脂２１が硬化し、結果
として二層分の樹脂モデル２５が造形される。

【００４４】これ以降、スライスデータ１５の枚数分だ
けエレベータ１８の下降、及び液晶シャッター２２の駆
動が行われて、三次元形状の物体が造形される。一方、
ＣＴ、ＭＲＩ１２の多断層画像データ１４を用いる場
合、データ処理装置１０は、上記の如く多断層画像デー
タ１４を原スライスデータＤａとしてこれらデータＤａ
間の補間曲線ｆを求め、この補間曲線ｆ上に各補間スラ
イスデータＤｓを求める。これら原スライスデータＤａ
及び補間スライスデータＤｓは、エレベータ制御装置１
６及び液晶シャッタ制御装置１７に送られる。

【００４５】エレベータ制御装置１６は、先ずエレベー
タ１８に対し、原スライスデータＤａ及び補間スライス
データＤｓのスライスピッチに相当する厚み分だけワー
ク台１９の位置を下方に位置するように制御する。

【００４６】この状態に、液晶シャッタ制御装置１７
は、下層から上層に向かって原スライスデータＤａ、補
間スライスデータＤｓに基づいて順次液晶シャッター２
２を駆動制御し、スライスデータＤａ、Ｄｓに描かれた
各像を液晶シャッター２２に描画する。

【００４７】これと共にエレベータ制御装置１６は、各
スライスデータＤａ、Ｄｓのスライスピッチに相当する
距離だけ順次エレベータ１８を下降させる。これによ
り、１層ごとにモデル樹脂２５が造形され、最終的に三
次元形状の物体が造形される。

【００４８】このように上記第１の実施例においては、
液晶シャッター２２を三次元形状のスライスデータに従
って駆動制御して平行光を選択的に通過させて光硬化性
樹脂２１に照射し、スライスピッチに相当する厚さ分だ
けエレベータ１８を順次下降させて三次元形状の物体を
造形するようにしたので、一層を一度の露光、硬化によ
り造形でき、三次元形状の物体の造形を高速にできる。
このとき層の形状が複雑であっても、一定の時間で露
光、硬化ができる。

【００４９】又、全領域を同時に露光するので、各層内
で光硬化性樹脂２１の硬化現象が同時に進行し、不均一
な変形が起こらずに三次元形状にゆがみが生じない。さ
らに、補間スライスデータＤｓを求めて三次元形状の造
形を行うので、ＣＴやＭＲＩのようなスライスピッチの
粗い多断層画像データ１４であっても、表面粗さの小さ
い三次元形状の物体を造形できる。この場合、通常のス
ライスピッチのスライスデータに対して補間スライスデ
ータを求めて造形を行えば、より表面粗さの小さい三次
元形状の物体を造形できる。 (2) 次に本発明の第２の実施例について説明する。な
お、図１と同一部分には同一符号を付してその詳しい説
明は省略する。

【００５０】図３は三次元光造形装置の構成図である。
ワーク台１９には、微動装置３０が設けられている。こ
の微動装置３０は、ワーク台１９を上下方向に微動移動
させるもので、例えば圧電素子を用いたインチワーム機
構から構成されている。

【００５１】又、液晶シャッター２２と光硬化性樹脂２
１の液面との間には、縮小投影光学系３１が配置されて
いる。この縮小投影光学系３１は、液晶シャッター２２
を通過した光を縮小して光硬化性樹脂２１に照射する機
能を有している。

【００５２】なお、図示しないが上記データ処理装置１
０が備えられ、これにエレベータ制御装置１６及び液晶
シャッタ制御装置１７が接続されている。このうちエレ
ベータ制御装置１６は、スライスピッチに従って微動装
置３０を微小変位駆動する機能を有し、液晶シャッタ制
御装置１７は、スライスデータに従って液晶シャッター
２２を駆動する機能を有している。

【００５３】次に上記の如く構成された装置の作用につ
いて説明する。データ処理装置１０は、三次元形状デー
タ１３を所定のスライスピッチで平行に並んだ極小ピッ
チの各スライスデータ１５に形成し、エレベータ制御装
置１６及び液晶シャッタ制御装置１７に送る。

【００５４】エレベータ制御装置１６は、先ず微動装置
３０に対し、ワーク台１９の位置を、光硬化性樹脂２１
の液面からスライスピッチに相当する厚み分だけ下方に
位置するように制御する。

【００５５】この状態に、液晶シャッタ制御装置１７
は、三次元形状の最下部にあたるスライスデータ１５を
受けると、このスライスデータ１５に基づいて液晶シャ
ッター２２を駆動制御し、スライスデータ１５に描かれ
た像を液晶シャッター２２に描画する。

【００５６】この描画により液晶シャッター２２を通過
した平行光２３は、縮小投影光学系３１により縮小され
て光硬化性樹脂２１に投影される。この縮小投影により
ワーク台１９の上面と光硬化性樹脂２１の液面との間に
極小ピッチに相当する厚さで、光硬化性樹脂２１が硬化
する。これにより一層分の樹脂モデル２５が造形され
る。

【００５７】これ以降、上記第１の実施例と同様に、ス
ライスデータ１５の枚数分だけ微動装置３０を下方に微
小変位させるとともに液晶シャッター２２を駆動するこ
とにより、三次元形状の樹脂モデル２５が造形される。

【００５８】このように上記第２の実施例においては、
縮小投影光学系３１を配置して像を縮小投影するので、
上記第１の実施例と同様に三次元形状の物体の造形を高
速にでき、層の形状が複雑であっても一定の時間で露
光、硬化ができ、さらに三次元形状にゆがみが生じない
という効果に加えて、微小部品の造形を行うことができ
る。 (3) 次に本発明の第３の実施例について説明する。な
お、図１と同一部分には同一符号を付してその詳しい説
明は省略する。

【００５９】図４は三次元光造形装置の構成図である。
この装置は、液晶シャッター２４の描画領域よりも大き
なスライスデータを有する三次元形状の物体を造形する
に適するものである。

【００６０】樹脂槽２０及びワーク台１９は、液晶シャ
ッター２４の描画領域よりも大きな形状に形成されてい
る。液晶シャッター２４及び光源２４は、ＸＹ送り装置
４０に一体的に設けられ、このＸＹ送り装置４０により
ＸＹ平面上に移動自在となっている。

【００６１】又、図示しないが上記データ処理装置１０
が備えられ、これにエレベータ制御装置１６、液晶シャ
ッタ制御装置１７、及びＸＹ送り制御装置４１が接続さ
れている。

【００６２】データ処理装置１０は、三次元形状データ
１３を取り込んで所定のスライスピッチにより平行に並
んだ複数のスライスデータ１５に形成する機能の他に、
三次元形状のスライスデータ１５を複数の領域に分割
し、各分割領域ごとの座標を得る機能を有している。

【００６３】ＸＹ送り制御装置４１は、分割領域ごとの
座標を受けてＸＹ送り装置４０を送り駆動し、液晶シャ
ッター２４及び光源２４を分割領域に相当する位置に位
置決めする機能を有している。

【００６４】次に上記の如く構成された装置の作用につ
いて説明する。データ処理装置１０は、三次元形状デー
タ１３を取り込んで所定のスライスピッチにより切断し
た複数のスライスデータ１５に形成し、かつこれらスラ
イスデータ１５を複数の領域に分割し、各分割領域ごと
の座標を得る。

【００６５】次にデータ処理装置１０は、スライスデー
タ１５の各分割領域ごとの各座標をＸＹ送り制御装置４
１に送ると共に、スライスピッチをエレベータ制御装置
１６に送り、スライスデータ１５を液晶シャッター制御
装置１７に送る。

【００６６】ＸＹ送り制御装置４１は、分割領域の座標
を受けて液晶シャッター２４及び光源２４をＸＹ平面上
に移動して位置決めする。又、エレベータ制御装置１６
は、エレベータ１８に対し、ワーク台１９の位置を、光
硬化性樹脂２１の液面からスライスピッチに相当する厚
み分だけ下方に位置するように制御する。

【００６７】この状態に、液晶シャッタ制御装置１７
は、スライスデータ１５の分割領域データに基づいて液
晶シャッター２２を駆動制御し、分割領域に描かれた像
を液晶シャッター２２に描画する。

【００６８】これにより、平行光２３の照射された領域
で光硬化性樹脂２１は硬化する。次にＸＹ送り制御装置
４１は、例えば隣接する分割領域の座標を受けて液晶シ
ャッター２４及び光源２４をＸＹ平面上に移動して位置
決めする。

【００６９】再び液晶シャッタ制御装置１７は、隣接す
る分割領域データに基づいて液晶シャッター２２を駆動
制御して分割領域の像を液晶シャッター２２に描画す
る。これにより、先に露光、硬化した領域に隣接する領
域において、光硬化性樹脂２１は硬化する。

【００７０】これ以降、ＸＹ送り制御装置４１は、各分
割領域の座標を受けて液晶シャッター２４及び光源２４
を位置決めし、それぞれの分割領域において露光、硬化
が行われ、一層分の樹脂モデル２５が造形される。

【００７１】この後、上記第１の実施例と同様に、スラ
イスデータ１５の枚数分だけエレベータ１８を下方に移
動させるとともに液晶シャッター２２を駆動することに
より、三次元形状の樹脂モデル２５を造形する。

【００７２】このように上記第３の実施例においては、
スライスデータ１５を複数の領域に分割し、これら分割
領域に対応する光硬化性樹脂２１の上方位置に液晶シャ
ッター２２を移動させ、これと共に分割領域のデータに
従って液晶シャッター２２を駆動制御して光硬化性樹脂
２１に平行光２３を投影するようにしたので、液晶シャ
ッター２２の描画領域より大きなスライスデータを有す
る三次元形状の物体であっても、この大型の三次元形状
の物体を高速に造形でき、そのうえ層の形状が複雑であ
っても一定の時間で露光、硬化ができ、さらに三次元形
状にゆがみが生じないものに造形できる。 (4) 次に本発明の第４の実施例について説明する。な
お、図１と同一部分には同一符号を付してその詳しい説
明は省略する。

【００７３】図５は三次元光造形装置の構成図である。
この装置は、上記第３の実施例と同様に、液晶シャッタ
ー２４の描画領域よりも大きなスライスデータを有する
三次元形状の物体を造形するに適するものである。

【００７４】ワーク台１９には、エレベータ１８が設け
られている。又、液晶シャッター２２と光硬化性樹脂２
１の液面との間には、拡大投影光学系５０が配置されて
いる。この拡大投影光学系５０は、液晶シャッター２２
を通過した光を所望の大きさに拡大して光硬化性樹脂２
１に照射する機能を有している。

【００７５】なお、図示しないが上記データ処理装置１
０が備えられ、これにエレベータ制御装置１６及び液晶
シャッタ制御装置１７が接続されている。次に上記の如
く構成された装置の作用について説明する。

【００７６】エレベータ制御装置１６及び液晶シャッタ
制御装置１７に対してデータ処理装置１０からスライス
データ１５が送られると、エレベータ制御装置１６は、
先ず微動装置３０に対し、ワーク台１９の位置を、光硬
化性樹脂２１の液面からスライスピッチに相当する厚み
分だけ下方に位置するように制御する。

【００７７】この状態に、液晶シャッタ制御装置１７
は、三次元形状の最下部にあたるスライスデータ１５に
基づいて液晶シャッター２２を駆動制御し、スライスデ
ータ１５に描かれた像を液晶シャッター２２に描画す
る。

【００７８】この描画により液晶シャッター２２を通過
した平行光２３は、拡大投影光学系５０により拡大され
て光硬化性樹脂２１に投影される。この拡大投影により
ワーク台１９の上面と光硬化性樹脂２１の液面との間に
スライスピッチに相当する厚さで、光硬化性樹脂２１が
硬化する。これにより一層分の樹脂モデル２５が造形さ
れる。

【００７９】これ以降、上記第１の実施例と同様に、ス
ライスデータ１５の枚数分だけエレベータ１８を下降さ
せるとともに液晶シャッター２２を駆動することによ
り、三次元形状の樹脂モデル２５が造形される。

【００８０】このように上記第４の実施例においては、
拡大投影光学系５０を配置して像を拡大投影するので、
上記第３の実施例と同様に、液晶シャッター２２の描画
領域より大きなスライスデータを有する三次元形状の物
体であっても、この大型の三次元形状の物体を高速に造
形でき、そのうえ層の形状が複雑であっても一定の時間
で露光、硬化ができ、さらに三次元形状にゆがみを生ぜ
ずに造形できる。 (5) 次に本発明の第５の実施例について説明する。な
お、図１と同一部分には同一符号を付してその詳しい説
明は省略する。

【００８１】図６は三次元光造形装置の構成図である。
データ処理装置１０には、照射角度制御装置６１、レー
ザ走査制御装置６２、レーザ制御装置６３、エレベータ
制御装置１６が接続されている。

【００８２】データ処理装置１０は、三次元ＣＡＤ１１
から三次元形状データ１３を取り込んで所定のスライス
ピッチにより平行に並んだ複数のスライスデータ１５に
形成し、又、ＣＴやＭＲＩ１２から多断層画像データ１
４を取り込んでそのままスライスデータ１５とする機能
の他に次の各機能を有している。すなわち、各スライス
データ１５の面に沿う方向の光照射方向を求めて照射角
度制御装置６１に送る機能、各スライスデータ１５の大
きさに従って光照射範囲の座標をレーザ走査制御装置６
２に送る機能、各スライスデータ１５に従って光照射の
有無をレーザ制御装置６３に指示する機能、各スライス
データ１５間のピッチに相当する厚みだけエベータ１８
を下降制御する指令をエレベータ制御装置１６に送る機
能を有している。

【００８３】照射角度制御装置６１は、光照射方向の指
示を受けて、樹脂槽２０の上方に配置された走査ユニッ
ト６４から放射される紫外線レーザ光の光硬貨性樹脂２
１に対する照射方向を変更制御する機能を有している。

【００８４】この走査ユニット６４は、図７に示すよう
にユニット筐体６５内には、偏向用２軸送り装置６６が
設けられ、これに集光光学系６７が取り付けられてい
る。この偏向用２軸送り装置６６は、集光光学系６７を
ＸＹ平面上に移動自在とする機能を有している。

【００８５】集光光学系６７には、光ファイバ６８を介
して紫外線レーザ発振器６９が接続されている。この集
光光学系６７は、紫外線レーザ発振器６９から出力され
た紫外線レーザ光を光硬化性樹脂２１上に集光する機能
を有している。

【００８６】この集光光学系６７のレーザ光の出力方向
には、偏向光学系７０が設けられている。この偏向光学
系７０は、紫外線レーザ光を走査ユニット６４の軸線７
１上の焦点位置に偏向するもので、紫外線レーザ光が軸
線７１からずれて入射すると、焦点位置に対して斜め方
向から紫外線レーザ光を照射するものとなる。

【００８７】レーザ走査制御装置６２は、光照射範囲の
座標の指示を受けて、走査用２軸送り装置７２を駆動
し、走査ユニット６４を光硬化性樹脂２１の液面上方の
ＸＹ平面上に移動自在とする機能を有している。

【００８８】レーザ制御装置６３は、光照射の有無の指
示を受けて、紫外線レーザ発振器６９のレーザ出力動作
をオン、オフ制御する機能を有している。次に上記の如
く構成された装置の作用について説明する。

【００８９】データ処理装置１０は、三次元形状データ
１３を取り込んで所定スライスピッチの各スライスデー
タ１５に形成し、又、多断層画像データ１４を取り込ん
でそのままスライスデータ１５とする。

【００９０】次にデータ処理装置１０は、これらスライ
スデータ１５の面に沿う方向の光照射方向、つまり光硬
化性樹脂２１に対する紫外線レーザ光の照射角度を求め
て照射角度制御装置６１に送る。

【００９１】ここで、紫外線レーザ光の照射角度は、次
の通りに求められる。図８に示すように造形する三次元
形状のスライスデータ１５の照射位置における表面８０
の法線ベクトル８１を求める。この法線ベクトル８１と
走査ユニット６４の軸線７１（通常は鉛直線と一致）を
含む平面８２を求める。

【００９２】そして、この平面８２上にあり、法線ベク
トル８１と直交する直線を紫外線レーザ光の照射方向８
３として求める。このようにして紫外線レーザ光の照射
方向を求めた結果、例えば、三次元形状物体のスライス
データにおけるエッジ部分においてその三次元形状表面
に沿った照射角度が求められ、三次元形状物体の中央部
分において三次元形状表面に垂直つまり走査ユニット６
４の軸線７１に沿った照射方向が求められる。

【００９３】これと共にデータ処理装置１０は、各スラ
イスデータ１５の大きさに従った光照射範囲の座標をレ
ーザ走査制御装置６２に送り、さらに各スライスデータ
１５毎に光照射の有無をレーザ制御装置６３に指示し、
各スライスデータ１５間のピッチに相当する厚みだけエ
ベータ１８を下降制御する指令をエレベータ制御装置１
６に送る。

【００９４】この指令を受けてエレベータ制御装置１６
は、先ずエレベータ１８に対し、ワーク台１９の位置
を、光硬化性樹脂２１の液面からスライスピッチに相当
する厚み分だけ下方に位置するように制御する。

【００９５】又、レーザ走査制御装置６２は、光照射範
囲の座標の指示を受けて、走査用２軸送り装置７２を駆
動して走査ユニット６４を初期位置、例えば図６左端に
位置させ、この初期位置から走査ユニット６４をＸＹ平
面上で走査する。

【００９６】これと共にレーザ制御装置６３は、光照射
の有無の指示を受けて、紫外線レーザ発振器６９のレー
ザ出力動作をオン、オフ制御する。従って、走査ユニッ
ト６４が光硬化性樹脂２１の上方で走査している状態
に、走査ユニット６４は、紫外線レーザ光の照射角度を
変更する。

【００９７】例えば、走査ユニット６４が三次元形状の
スライスデータ１５のエッジ部分を走査しているとき、
走査ユニット６４は、光硬化性樹脂２１に対して指示さ
れた照射角度で紫外線レーザ光を斜めから照射する。

【００９８】又、走査ユニット６４がスライスデータ１
５の中央部分を走査しているとき、走査ユニット６４
は、光硬化性樹脂２１に対して垂直方向から紫外線レー
ザ光を斜めから照射する。

【００９９】ここで、紫外線レーザ光を斜めから照射す
る場合、走査ユニット６４の偏向用２軸送り装置６６
は、指示された照射角度に応じた送り量で集光光学系６
７の位置を軸線７１上から移動させる。

【０１００】この集光光学系６７の移動により紫外線レ
ーザ光の偏向光学系７０に入射する位置が変更し、この
位置に応じて光硬化性樹脂２１に照射される紫外線レー
ザ光の照射角度が変更される。

【０１０１】これにより、スライスデータ１５のエッジ
部分は、図９に示すように単位硬化形状８４が紫外線レ
ーザ光の照射方向に沿って形成される。このようにして
１枚のスライスデータ１５に対する走査が終了すると、
紫外線レーザ光の照射された光硬化性樹脂２１は硬化
し、一層分の樹脂モデル２５が造形される。

【０１０２】これ以降、スライスデータ１５の枚数分、
スライスピッチに相当する厚さ分づつ順次エレベータ１
８が下降し、これ毎に走査ユニット６４が走査し、その
ときの紫外線レーザ光の照射方向が変更され、最終的に
三次元形状の物体が造形される。

【０１０３】このように上記第５の実施例においては、
走査ユニット６４によってスライスデータ１５の表面に
沿う方向で光硬化性樹脂２１に対して紫外線レーザ光を
照射させるようにしたので、造形する三次元形状の表面
の粗さを向上でき、表面粗さを向上させるために積層ピ
ッチを小さくしなくても表面粗さの優れた三次元形状の
物体を造形でき、これにより造形時間の短縮も図れる。

【０１０４】又、走査ユニット６４は、集光光学系６７
を偏向用２軸送り装置６６によって照射方向に応じた位
置に変化させる機構なので、簡単な構成で、指示される
照射方向に対して応答性よく紫外線レーザ光の照射方向
を変更できる。

【０１０５】なお、本発明は、上記各実施例に限定され
るものでなく次の通りに変形してもよい。例えば、上記
第１〜第４の実施例において用いる液晶シャッター２２
において、この液晶シャッター２２に対して階調制御装
置を付加するようにしてもよい。

【０１０６】この階調制御装置により液晶シャッター２
２の階調を制御、或いは一層の樹脂モデル２５を造形中
に液晶シャッター２２の描画を変化させるように駆動制
御する。

【０１０７】これにより、光硬化性樹脂２１に対する照
射光強度分布を制御でき、例えば光源２４の照射むらを
補正することができ、又特殊な露光制御ができる。又、
上記第５の実施例において、紫外線レーザ光の照射方向
を変化させながら走査ユニット６４を走査する造形方法
に、上記第１〜第４の実施例における液晶シャッター２
２を用いた一括露光による造形方法を組み合わせるよう
にしたもよい。

【０１０８】この場合、三次元形状のスライスデータの
エッジ部に対して走査ユニット６４を走査する造形方法
を適用し、スライスデータの中央部に対して液晶シャッ
ター２２による造形方法を適用すればよい。なお、液晶
シャッターによる造形方法に代わってレーザ光をガルバ
ノミラーにより走査する方法を用いてもよい。

【０１０９】このような造形方法により三次元形状の物
体の表面を粗さを向上させた三次元形状の物体をより高
速に造形できる。又、紫外線レーザ光の照射方向の変更
を走査ユニット６４に限らず、例えばガルバノミラーに
より変える機構としてもよい。又、三次元ＣＡＤ１１、
ＣＴ或いはＭＲＩ１２からの各データに限らず、三次元
形状物体のスライスデータを得られればよい。

【０１１０】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、高
速に三次元形状の造形ができる三次元光造形方法及びそ
の装置を提供できる。又、本発明によれば、表面粗さの
良好な三次元形状の造形ができる三次元光造形方法及び
その装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる三次元光造形装置の第１の実施
例を示す構成図。

【図２】補間スライスデータを示す図。

【図３】本発明に係わる三次元光造形装置の第２の実施
例を示す構成図。

【図４】本発明に係わる三次元光造形装置の第３の実施
例を示す構成図。

【図５】本発明に係わる三次元光造形装置の第４の実施
例を示す構成図。

【図６】本発明に係わる三次元光造形装置の第５の実施
例を示す構成図。

【図７】走査ユニットの構成図。

【図８】紫外線レーザ光の照射方向を求めるための模式
図。

【図９】紫外線レーザ光を斜め方向から照射したときの
単位硬化形状を示す図。

【図１０】光硬化性樹脂の砲弾形状の硬化を示す図。

【図１１】砲弾形状の硬化による表面粗さの劣化を示す
図。

【符号の説明】

１０…データ処理装置、１１…三次元ＣＡＤ、１２…Ｃ
Ｔ，ＭＲＩ、１３…三次元形状データ、１４…多断層画
像データ、１５…スライスデータ、１６…エレベータ制
御装置、１７…液晶シャッタ制御装置、１８…エレベー
タ、１９…ワーク台、２０…樹脂槽、２１…光硬化性樹
脂、２２…液晶シャッター、２４…光源、３０…微動装
置、３１…縮小投影光学系、４０…ＸＹ送り装置、４１
…ＸＹ送り制御装置、５０…拡大投影光学系、６１…照
射角度制御装置、６２…レーザ走査制御装置、６３…レ
ーザ制御装置、６４…走査ユニット、６６…偏向用２軸
送り装置、６７…集光光学系、６８…光ファイバ、６９
…紫外線レーザ発振器、７０…偏向光学系。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光硬化性樹脂に対して光を、液晶シャッ
   ターにより三次元形状のスライスデータに従って選択的
   に照射させて前記光硬化性樹脂を硬化させることを特徴
   とする三次元光造形方法。
2. 【請求項２】 光硬化性樹脂に光を照射することにより
   前記光硬化性樹脂を硬化させて三次元形状を造形する三
   次元光造形装置において、 前記光に対する液晶シャッターと、 前記三次元形状のスライスデータに従って前記液晶シャ
   ッターを駆動制御する液晶シャッタ制御手段と、 前記硬化した光硬化性樹脂と前記液晶シャッターとの間
   隔を前記スライスデータのピッチに応じて前記液晶シャ
   ッターから遠ざかる方向に変化させ前記光硬化性樹脂を
   積層させる積層手段と、を具備したことを特徴とする三
   次元光造形装置。
3. 【請求項３】 各スライスデータの間に補間スライスデ
   ータを求めて液晶シャッターを駆動制御することを特徴
   とする請求項２記載の三次元光造形装置。
4. 【請求項４】 光硬化性樹脂に光を照射することにより
   前記光硬化性樹脂を硬化させて三次元形状を造形する三
   次元光造形装置において、 前記光に対する液晶シャッターと、 前記三次元形状のスライスデータに従って前記液晶シャ
   ッターを駆動制御する液晶シャッタ制御手段と、 前記液晶シャッターを通過した光を縮小して前記光硬化
   性樹脂に投影する縮小投影光学系と、 前記硬化した光硬化性樹脂と前記液晶シャッターとの間
   隔を前記スライスデータのピッチに応じて前記液晶シャ
   ッターから遠ざかる方向に変化させ前記光硬化性樹脂を
   積層させる積層手段と、を具備したことを特徴とする三
   次元光造形装置。
5. 【請求項５】 光硬化性樹脂に光を照射することにより
   前記光硬化性樹脂を硬化させて三次元形状を造形する三
   次元光造形装置において、 前記光に対する液晶シャッターと、 前記三次元形状のスライスデータを複数の領域に分割
   し、これら分割領域に対応する位置に前記液晶シャッタ
   ーを移動させるとともにこれら分割領域のデータに従っ
   て前記液晶シャッターを駆動制御する液晶シャッタ制御
   手段と、 前記硬化した光硬化性樹脂と前記液晶シャッターとの間
   隔を前記スライスデータのピッチに応じて前記液晶シャ
   ッターカラ遠ざかる方向に変化させ前記光硬化性樹脂を
   積層させる積層手段と、を具備したことを特徴とする三
   次元光造形装置。
6. 【請求項６】 光硬化性樹脂に光を照射することにより
   前記光硬化性樹脂を硬化させて三次元形状を造形する三
   次元光造形装置において、 前記光に対する液晶シャッターと、 前記三次元形状のスライスデータに従って前記液晶シャ
   ッターを駆動制御する液晶シャッタ制御手段と、 前記液晶シャッターを通過した光を拡大して前記光硬化
   性樹脂に投影する拡大投影光学系と、 前記硬化した光硬化性樹脂と前記液晶シャッターとの間
   隔を前記スライスデータのピッチに応じて前記液晶シャ
   ッターから遠ざかる方向に変化させ前記光硬化性樹脂を
   積層させる積層手段と、を具備したことを特徴とする三
   次元光造形装置。
7. 【請求項７】 光硬化性樹脂に対して光を三次元形状の
   スライスデータに従って選択的に照射し、前記光硬化性
   樹脂を硬化させて三次元形状を造形する三次元光造形方
   法において、 前記スライスデータの単位造形形状に基づいて前記光硬
   化性樹脂に対する前記光の照射方向を変化させることを
   特徴とする三次元光造形方法。
8. 【請求項８】 三次元形状データの面に沿う方向に光を
   照射することを特徴とする請求項７記載の三次元光造形
   方法。
9. 【請求項９】 光硬化性樹脂に対して光を三次元形状の
   スライスデータに従って選択的に照射し、前記光硬化性
   樹脂を硬化させて三次元形状を造形する三次元光造形装
   置において、 前記スライスデータの単位造形形状に基づいて前記光硬
   化性樹脂に対する前記光の照射方向を変化させる走査ユ
   ニットと、 この走査ユニットを前記スライスデータのスライス方向
   に従って走査させる走査手段と、を具備したことを特徴
   とする三次元光造形装置。
10. 【請求項１０】 走査ユニットは、光を集光する集光光
    学系と、この集光光学系を光照射方向に応じて位置を変
    化させる偏向用送り装置と、前記集光光学系からの光を
    偏向して光硬化性樹脂を照射する偏向光学系とを有する
    ことを特徴とする請求項９記載の三次元光造形装置。