JPH07266429A - 光造形装置 - Google Patents

光造形装置

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JPH07266429A
JPH07266429A JP6058501A JP5850194A JPH07266429A JP H07266429 A JPH07266429 A JP H07266429A JP 6058501 A JP6058501 A JP 6058501A JP 5850194 A JP5850194 A JP 5850194A JP H07266429 A JPH07266429 A JP H07266429A
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JP
Japan
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liquid crystal
crystal mask
laser
excimer laser
beams
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Pending
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JP6058501A
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English (en)
Inventor
Kiwamu Takehisa
究 武久
Yukio Kawakubo
幸雄 川久保
Hiroharu Sasaki
弘治 佐々木
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B29C64/124Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified
    • B29C64/129Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified characterised by the energy source therefor, e.g. by global irradiation combined with a mask
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C35/00Heating, cooling or curing, e.g. crosslinking or vulcanising; Apparatus therefor
    • B29C35/02Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould
    • B29C35/08Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould by wave energy or particle radiation
    • B29C35/0805Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould by wave energy or particle radiation using electromagnetic radiation
    • B29C2035/0838Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould by wave energy or particle radiation using electromagnetic radiation using laser

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  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【構成】レーザ光1は凸レンズ3a、及び3bに入射
し、液晶マスク4の全面に照射される。マーキングさせ
るパターン状の偏光方向を有するレーザ光は、偏光ビー
ムスプリッタ5で反射して、結像レンズ6を通り、容器
7中に満たされた紫外線硬化樹脂8に照射される。すな
わち、結像レンズ6により、液晶マスク4でのパターン
が紫外線硬化樹脂8の表面に転写され、パターン状に紫
外光が照射された表面の薄い層が硬化し、この硬化層を
上下方向に積み重ねていくことで立体モデルが形成され
る。 【効果】消費電力を増大させずに、短時間で立体モデル
を製作できる光造形装置を提供することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は紫外線硬化樹脂を用いて
立体モデルを製作する装置に関する。
【0002】
【従来の技術】液状の紫外線硬化樹脂の表面に紫外域の
レーザ光を照射させながらスキャンして、表面の薄い層
を特定のパターン状に硬化させる。これを繰り返して硬
化層を上下方向に積み重ねることで立体モデルを製作で
きることが知られており、この装置は一般に光造形装置
と呼ばれている。紫外光源は、ArレーザやHe−Cd
レーザなど、紫外域で発振線を含み連続発振するイオン
レーザがおもに用いられる。なお、これに関しては、例
えば、レーザ研究,第18巻,第7号,平成2年7月,
第448頁から第455頁において説明されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従来の紫外光源である
イオンレーザは、一般に利用される最大級の場合でも、
レーザ出力が0.5W 程度と低いため、処理速度が低く
なることが問題であった。しかも、電気効率が0.01
% 程度と低いため、装置全体としての消費電力が数k
W以上と高くなることも問題であった。
【0004】また、レーザ光を集光させて、幅0.1mm
でスキャンするため、紫外線硬化樹脂の表面全体をスキ
ャンさせるのに数十分以上掛かってしまい、立体モデル
が完成するまでの時間が長いことが問題であった。
【0005】一方、イオンレーザに比べてレーザ出力と
効率が桁違いに高いことで知られているエキシマレーザ
を利用すると、以下に説明する問題が生じる。すなわ
ち、エキシマレーザは、通常、高次のマルチモードで発
振するため、ビーム拡がり角が大きく、その結果、0.
1mm 程度の微小なスポット径に集光させることは一般
に困難である。したがって、従来のスキャン方式によ
り、精密なパターン状にレーザ照射させることが困難で
ある。
【0006】また、エキシマレーザは、イオンレーザと
は異なり、パルス動作し、繰り返し数はおよそ数十Hz
から数百Hzである。その結果、スポット径0.1mm に
集光できたとしても、毎秒数cm以下でしかスキャンでき
ない。したがって、レーザ出力が高くても、高速でスキ
ャンできないため、結果的に処理時間を短縮できないこ
とが問題であった。
【0007】本発明の目的は、消費電力を増大させず
に、短時間で立体モデルを製作できる光造形装置を提供
することにある。
【0008】一方、光造形装置に液晶マスクを用いるこ
とが、例えば、特開平4−371829 号公報において提案さ
れている。ところが、液晶マスクの利用に適した光源に
関しては考慮されていなかった。
【0009】本発明の目的は、特に液晶マスクを用いた
光造形装置を技術的に完成させることにある。
【0010】また、液晶マスクで形成したパターンは、
画素の集合として構成されるため、従来、これを光造形
装置に利用する場合、紫外線硬化樹脂の表面に転写され
るパターンも画素の集合として構成されてしまう。その
結果、画素と画素との間に対応する部分では、紫外線硬
化樹脂が硬化しないこともあった。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記目的を解決するため
に、液晶マスクを用い、かつ光源としてXeFエキシマ
レーザを用いたものである。
【0012】また、紫外線硬化樹脂の表面での硬化層の
厚みを均一にさせるために、XeFエキシマレーザと液
晶マスクとの間に転写光学系を含んだものである。
【0013】また、紫外線硬化樹脂の表面で画素と画素
との間に対応する部分でも硬化するように、液晶マスク
をその画面に平行な方向に微動可能であるようにしたも
のであり、あるいは、前記液晶マスクの像を紫外線硬化
樹脂の表面より上側、あるいは下側に結像させたもので
ある。
【0014】
【作用】液晶マスクでは、任意なパターンを形成できる
ため、そのパターンを紫外線硬化樹脂の表面にパターン
転写させることで、一度に広い面積のパターンを硬化さ
せることができる。しかも、光源としてエキシマレーザ
を用いても、エキシマレーザから取り出されるレーザ光
は、液晶マスクに照射させれば良く、集光させたり、ス
キャンさせる必要がない。したがって、前述したような
エキシマレーザの問題点には影響されず、エキシマレー
ザの特徴である高出力性を発揮させることができ、従来
よりも高速に処理できる。
【0015】ところが、種々のエキシマレーザの発振波
長と液晶マスクの透過域を示した図2からわかるよう
に、エキシマレーザの中でも特に広く用いられているX
eClエキシマレーザやKrFエキシマレーザでは、そ
れらのレーザ光は液晶マスクでの透過率が非常に小さ
く、液晶マスクに強く吸収される。その結果、レーザ光
を吸収した液晶マスクでは、液晶の分子構造が壊れるた
め、液晶マスクは劣化してしまう。
【0016】これに対して、XeFエキシマレーザの発
振波長は約0.35μ であり、この波長では液晶マスク
に対して高い透過率をもつ。したがって、本発明では、
種々のエキシマレーザの中でも特にXeFエキシマレー
ザを光源に用いることで、液晶マスクを短期間で劣化さ
せることはない。
【0017】なお、液晶マスクの劣化に関しては、以下
のように考えることができる。すなわち、液晶は有機高
分子であり、これを構成するおもな原子は炭素,水素,
酸素、あるいは窒素などである。一方、これらの原子ど
うしの結合エネルギと同じエネルギを有する光子の波長
は、おもに約0.15μから約0.35μの間に分布す
る。すなわち、光子の波長が、この波長領域で短波長側
である程、原子間の結合を解離できる場合が多くなる。
したがって、種々のエキシマレーザの中では、XeFエ
キシマレーザが最も液晶マスクを劣化させないことにな
る。
【0018】また、エキシマレーザでは一般にビーム拡
がり角が大きいため、レーザ光を伝搬中に、その強度分
布が均一から山なりになってしまう。そこで、転写光学
系によりXeFエキシマレーザから取り出される直後の
レーザ光を液晶マスク上に転写させることで、均一な強
度分布のレーザ光を液晶マスクに照射させることができ
る。その結果、液晶マスクでの像が転写される紫外線硬
化樹脂の表面には、均一な強度分布を有するレーザ光が
照射され、硬化層の厚みは均一になる。
【0019】また、液晶マスクをその画面と平行な平面
内で微動させると、紫外線硬化樹脂に照射されるレーザ
光のパターンの位置を僅かにずらして複数回レーザ照射
できる。その結果、これら複数回のレーザ照射部の重複
により、液晶マスクで画素と画素との間に対応する部分
にもレーザ照射されることになる。
【0020】また、液晶マスクの像を紫外線硬化樹脂の
表面より上側、あるいは下側に結像させると、転写され
るパターンがぼけることになる。その結果、隣接する画
素と画素が転写されるところでは、それらの画素の境界
部が互いに重なり合うため、この部分にもレーザ照射さ
れることになる。
【0021】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。
【0022】図1は、本発明の一実施例である光造形装
置の説明図である。
【0023】図1に示された光造形装置100では、そ
の光源として、波長約0.35μ のレーザ光1を発生で
きるXeFエキシマレーザ2が用いられている。XeF
エキシマレーザ2の平均出力は約10Wである。また、
レーザ光1は直線偏光になっている。
【0024】レーザ光1は転写光学系を構成する凸レン
ズ3aに入射し、液晶マスク4の直前で凸レンズ3bを
通過することでビーム径が拡大された平行ビームに戻
り、液晶マスク4の全面が一度に照射される。すなわ
ち、凸レンズ3aにより、XeFエキシマレーザ2から
取り出された直後の均一な強度分布を有するレーザ光1
が液晶マスク4に転写される。また、レーザ光1の断面
形状は矩形であるため、転写光学系により長方形状の液
晶マスク4に対してレーザ光が過不足無く照射される。
【0025】マーキングさせるパターン状の偏光方向を
有するレーザ光は、液晶マスク4を通過後、偏光ビーム
スプリッタ5で反射して、結像レンズ6を通り、容器7
中に満たされた紫外線硬化樹脂8に照射される。すなわ
ち、結像レンズ6により、液晶マスク4でのパターンが
紫外線硬化樹脂8の表面に転写されるようになってい
る。また、前述のように、液晶マスクには均一な強度分
布のレーザ光が照射されているため、紫外線硬化樹脂8
では均一な強度分布の紫外光が照射され、均一な厚みで
層が硬化し、この硬化層を上下方向に積み重ねていくこ
とで立体モデルが形成される。
【0026】なお、本実施例では、液晶マスク4にXZ
ステージ9が備えられており、レーザ照射ごとに、液晶
マスク4をその画素と画素との間隔だけ左右、及び上下
に微動させている。これにより、紫外線硬化樹脂8で
は、液晶マスク4における画素と画素との間に対応する
部分にも紫外光が照射され、その部分も硬化させること
ができる。
【0027】本実施例では、紫外の光源としてXeFエ
キシマレーザを用いているため、液晶マスクを短期間で
劣化させることがなく、長期間利用することが可能であ
る。また、本実施例のようにXeFエキシマレーザ2か
らのレーザ光を拡げて一度に液晶マスク4の全面を照射
しているため、紫外線硬化樹脂8に対しても、その表面
の全面に一度にパターン状の紫外光が照射されるため、
パターン状の硬化層を形成する時間が大幅に短縮され
た。
【0028】また、XeFエキシマレーザの電気効率は
約1%であるため、消費電力は約1kWになる。これに
対して、従来のイオンレーザを用いた装置では、レーザ
出力が約0.5W でも消費電力が約数kW以上にもなる
ため、本実施例では、立体モデルの製作時間を短縮した
だけでなく、消費電力が少なくなった。
【0029】
【発明の効果】本発明によると、従来に比べて、消費電
力を増大させずに、短時間で立体モデルを製作できる光
造形装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光造形装置の説明図。
【図2】種々のエキシマレーザの発振波長と液晶マスク
の透過域を示す特性図。
【符号の説明】
1…レーザ光、2…XeFエキシマレーザ光、3a,3
b…凸レンズ、4…液晶マスク、5…偏光ビームスプリ
ッタ、6…結像レンズ、7…容器、8…紫外線硬化樹
脂、9…XZステージ、100…光造形装置。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 // B29K 105:24

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】液晶マスクを用い、光源としてXeFエキ
    シマレーザを用いたことを特徴とする光造形装置。
  2. 【請求項2】請求項1において、前記XeFエキシマレ
    ーザと前記液晶マスクとの間に転写光学系を含む光造形
    装置。
  3. 【請求項3】請求項1において、前記液晶マスクがその
    画面とほぼ平行な平面内で微動できる光造形装置。
  4. 【請求項4】請求項1において、前記液晶マスクの像を
    紫外線効果樹脂の表面より上側、あるいは下側に結像さ
    せる光造形装置。
JP6058501A 1994-03-29 1994-03-29 光造形装置 Pending JPH07266429A (ja)

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JP6058501A JPH07266429A (ja) 1994-03-29 1994-03-29 光造形装置

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JP6058501A JPH07266429A (ja) 1994-03-29 1994-03-29 光造形装置

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0846548A1 (en) * 1996-12-06 1998-06-10 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Method for producing a laminated object and apparatus for producing the same
EP0856393A3 (en) * 1997-01-29 1998-09-23 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Method for producing a laminated object and apparatus for producing the same
JP2005349806A (ja) * 2004-06-14 2005-12-22 Nabtesco Corp 光造形方法および装置
JP2009166124A (ja) * 2008-01-17 2009-07-30 Leister Process Technologies レーザ加工装置
CN110722795A (zh) * 2019-11-21 2020-01-24 吉林大学 一种一次成型的多面lcd光源3d打印装置

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