JPH08192469A - 光硬化性樹脂の硬化装置 - Google Patents

光硬化性樹脂の硬化装置

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JPH08192469A
JPH08192469A JP7024460A JP2446095A JPH08192469A JP H08192469 A JPH08192469 A JP H08192469A JP 7024460 A JP7024460 A JP 7024460A JP 2446095 A JP2446095 A JP 2446095A JP H08192469 A JPH08192469 A JP H08192469A
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JP
Japan
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light
resin
curing
dmd
photocurable resin
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JP7024460A
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Shiro Sugata
史朗 菅田
Tatsumi Hiramoto
立躬 平本
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Ushio Denki KK
Ushio Inc
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Ushio Denki KK
Ushio Inc
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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

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 光硬化性樹脂を所望形状で面状に硬化させる
際、形状の変更を極めて迅速に行うと共に、短時間で樹
脂を硬化させる、実用的で安価な装置を提供する。 【構成】 光硬化性樹脂を硬化させるための光として
は、光重合が最も効率よく行われる、液晶300nm〜
400nmの紫外線を使用する。光源としてはレーザー
や水銀灯などである。光の制御手段としては、液晶のよ
うな光透過静の制御素子に代えて、微小な反射鏡を多数
面状に配置した、反射型制御素子を用いる。この反射鏡
の姿勢をコンピューターで制御できるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、光硬化性樹脂の硬化
装置に関するものであって、樹脂を所望状態で面状に硬
化させる方法と装置、あるいはその面を積み重ねて3次
元物体を得る方法と装置に関する。
【0002】
【従来の技術】未硬化の光硬化性樹脂を面状に展開させ
た後、所望のパターン形状に従って光を部分照射して樹
脂を硬化させ、さらに光の当たらなかった未硬化樹脂を
除去する事により、必要な形成物を得る方法は、半導体
の光リソグラフィ、印刷用製版など、極めて幅広く利用
されている。またこのような2次元的処理のみならず、
所望の3次元モデルを、層状にスライスして得られる2
次元形状のデータに基づいて、光硬化性樹脂を1層づつ
形成し、これらを順次積み重ねて3次元形状を得る装置
も実用化されている。このように層状に光硬化性樹脂を
硬化させるためには、光や電子線を細いビーム状にし、
その照射方向を連続的に変えて樹脂面上を走査しつつ形
状データに基づいてビームを継続させ、必要な部分のみ
に光や電子ビームなどを樹脂に与えて硬化させるか、必
要な形状情報すなわち2次元情報に基づいて光の透過を
制御するマスクを作成し、そのマスクを通して硬化に必
要な光を樹脂に与えてやる方法が一般的に行われてい
る。
【0003】例えば特公平2─48422「三次元の物
体を作成する方法と装置」では、光源として、紫外線レ
ーザーや、光ファイバーとショートアーク型水銀灯を利
用した技術が開示されている。
【0004】他方、特開平5─329940「立体モデ
ル造形方法」には、光の透過するマスクとして液晶素子
を利用する技術が開示されている。
【0005】レーザーなど細いビーム状の光を樹脂面に
与えて硬化させる方法では、パターン形状を比較的容易
に変えられるものの、一筆描きのように面上を走査する
必要があり、1つの面を形成するのに長時間を要する。
形成精度を高めるためには走査間隔を狭める必要があ
り、走査距離が長くなるため一層その傾向は増す。形成
時間を短縮するためには走査速度を増せばよいが、硬化
させるに要する光量を樹脂に与えてやるためには、大出
力、従って高価な光源を必要とする。
【0006】他方、マスクを用いる方法においては、ビ
ーム方式のように走査させる必要がなく、層状の樹脂の
硬化を1回の照射で行われるために硬化時間は短くてす
む。しかし一般に、必要なパターンは種々異なった形状
であったり、またそれらが多数ある場合が多い。従って
これらのマスクの製作には膨大な費用と時間を要する。
これを解決するため、上記したように、コンピュータ情
報などに従って迅速に光透過パターンを変更できる、液
晶など光透過制御素子を使用する方法が提案されてい
る。しかし、液晶パネルでは光硬化性樹脂を硬化させる
のに最も効率の高い、波長300nm〜400nm近辺
の紫外線の透過率が極めて低いほか、液晶パネルを構成
する液晶、偏光板などは紫外線により変質劣化するた
め、液晶パネルの寿命は極めて短く実用的ではない。そ
れを避けるために波長400nmより長い波長の光を利
用する方法も考えられるが、樹脂の硬化にとって効率の
高い波長ではないため、硬化には長時間を要する。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記事情に鑑
みなされたものであって、その目的は、光硬化性樹脂を
所望形状で面状に硬化させる際、形状の変更を極めて迅
速に行うと共に、短時間で樹脂を硬化させる、実用的で
安価な装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】光硬化性樹脂を硬化させ
るための光としては、光重合が最も効率よく行われる、
波長300nm〜400nmの紫外線を使用する。光源
としてはレーザーや水銀灯などである。光の制御手段と
しては、液晶のような光透過型の制御素子に代えて、微
小な反射鏡を多数面状に配置した、反射型制御素子を用
いる。この反射鏡の姿勢をコンピューターで制御できる
ようにする。
【0009】
【作用】光硬化性樹脂を硬化させるための光としては、
光重合が最も効率よく行われる、波長300nm〜40
0nmの紫外線を使用する。光源としてはレーザーや水
銀灯などである。光の制御手段としては、液晶のような
光透過型の制御素子に代えて、微小な反射鏡を多数面状
に配置した、反射型制御素子を用いる。この反射型制御
素子は、IEEE SPECTRUM NOVEMBE
R 1993 第27頁乃至第31頁掲載の記事「Mi
rrors on a chip」や、O plus
E ・ 1994年10月第90頁乃至94頁掲載の記
事「ディジタルマイクロミラーデバイス(DMD)とそ
のディスプレイへの応用」に紹介されているように、コ
ンピュータなど電子回路で制御され、個々の反射鏡の姿
勢を極めて短時間変化させる事が出来る。
【0010】従ってこの素子の反射鏡群にほぼ均一で素
子全体をカバーする幅広い光ビームを照射し、所望のパ
ターン情報に基づいて個々の反射鏡の姿勢を制御すれ
ば、輝度の高い2次元光学像が得られる。この光学像を
投影レンズなどの光学系によって光硬化性樹脂面上に決
像させることにより、樹脂を必要な形状通りに硬化させ
る事が出来る。必要とするパターンやその形成精度によ
っては、投影光学系を省略する事も出来る。この反射型
素子を構成する反射鏡の反射率は80%以上である事が
望ましく、これを下回った場合は硬化時間が長くなるの
みならず、損失となる光エネルギーが反射鏡を含む反射
素子に吸収される事によって温度上昇が起こり、動作の
不安定や短寿命を引き起こす。80%以上の反射率は、
例えば反射面をアルミ蒸着膜など紫外線の反射率が高い
材料で構成することで容易に得られる。同様に、照射光
は、波長400nm以下の光のエネルギーが50%以上
あった方が良く、またこのような反射型素子は液晶など
とは異なり、紫外線による特性の劣化はほとんどなく、
メンテナンス費用が少なくてすむ。
【0011】
【実施例】図1は本発明の実施例の説明図である。図に
おいて、100は光源装置であって、その装置は例えば
次のように構成されている。1は、ショートアーク型の
水銀ランプ、2はだ円集光鏡である。ランプのアーク軸
と集光鏡の光軸とは一致せしめるとともに、アークの輝
点も集光鏡の第一焦点に一致せしめるのが良い。3は、
集光鏡の第二焦点の位置に配置されたインテグレータレ
ンズ、4は平面反射鏡、5はコンデンサレンズである。
上記光学装置内の光学系の設計は種々のものが可能であ
るが、いずれにせよ、出射光6がDMD7へ入射する。
【0012】DMD7の反射光8は、プロジェクション
レンズ9、必要に応じて配置されるフレネルレンズ10
を通って、被照射物11に投射される。被照射物11は
エレベータ12の上に形成され、搭載されているが、こ
こにおいて、CAD(コンピューターエイデッドデザイ
ン)の信号を受け取って、ランプ1、DMD7、エレベ
ーター12を制御する制御装置を設ける。
【0013】制御装置は、ランプ1については位置制
御、発光出力制御等をさせることができ、DMD7につ
いては前期のとうり個々の反射鏡の姿勢制御を行い、エ
レベーター12については、上下動についての位置制御
を実行するものである。
【0014】液槽13には光硬化性樹脂14が満されて
おり、DMD7の反射光8の照射区域の「形」と、エレ
ベーター12の高さについての位置に応じて積層状に種
々の立体成形物が造られる。樹脂14には、紫外線が照
射されれば良いから、反射鏡2や平面反射鏡4などを、
赤外線透過紫外線反射の特性を具えたコールドミラーに
すると良い。
【0015】数値例等は示すと次のとうりである。DM
Dとして、ミラー素子の1個の大きさが16μm×16
μm、ピッチ17μmで、たて765個、よこ576個
並べたものを使用する。各ミラー素子の光軸振れ角は±
20度(信号のONとOFFとでは40度変わる)、C
MOSトランジスタのマトリックス駆動回路を設計し、
ミラー素子そのものの動作は、ミラーに近接配置された
電極に電圧がかかった際に発生する電極とミラー間の静
電力を利用する。このDMDを利用して、200mm×
150mmを積層する造形を行った場合、ミラー素子寸
法に対する造形寸法の比、すなわち投影倍率を15.3
倍とすると、1つの造形単位は0.26mm角になる。
これは現在レーザーで行われている加工粗さよりも幾分
粗いが、液晶方式で提案されている物と同等か、やや細
かい。
【0016】同様に、ミラー素子をたて2048箇、よ
こ1152箇並べたDMDでは、投影倍率が5.7倍で
1つの造形単位は0.1mm角になり、レーザーによる
加工粗さに匹敵する。なお従来のレーザー式光造形で
は、積層厚みも同様に0.1mm程度が採用されてい
る。これは現在の高精細なプリンタとほぼ同程度のライ
ン密度であり、少なくとも目視で十分に滑らかと認識で
きるレベルである。
【0017】なお、上記の光源装置における光学系で
は、光学系の中心軸に近い部分と周辺では、光硬化性樹
脂への光の入射方向が異なるため、造形単位の形状が異
なったり、必要な硬化時間が異なることによる不都合が
生じる恐れがある。倍率が大きい場合、特に懸念され
る。これを防ぐためには、樹脂液面近くに光路の修正手
段(例えばフレネルレンズなど)を用いれば良い。また
同じ仕様のDMDを使った装置で、投影レンズの倍率に
変えて縮小投影すれば、加工できるサイズは小さくなる
が、より精細な造形も可能になり、上記の中央と周辺の
違いも軽減される。
【0018】
【発明の効果】本発明は以上のとうりであるから、2次
元形状パターンの硬化に有効な光を効率よく樹脂面に与
えられ、迅速な硬化が行われる。また光源も小電力で安
価な物が使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例の説明図である。
【符号の説明】
1 ランプ 2 反射鏡 3 インテグレータレンズ 4 平面反射鏡 5 コンデンサレンズ 7 DMD 9 プロジェクションレンズ 10 フレネルレンズ 12 エレベータ 13 液槽 14 光硬化性樹脂

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光硬化性樹脂の硬化に必要な波長の光を
    発する光源と、光源からの光を所望パターン状にして光
    硬化性樹脂に与えるための概略同一面上に配置された反
    射鏡群と、該反射鏡群を構成する反射鏡の反射方向を個
    別に制御する制御手段とからなることを特徴とする光硬
    化性樹脂の硬化装置。
  2. 【請求項2】 光硬化性樹脂の硬化に必要な波長の光を
    発する光源と、光源からの光を所望パターン状にして光
    硬化性樹脂に与えるための概略同一面上に配置された反
    射鏡群と、該反射鏡群を構成する反射鏡の反射方向を個
    別に制御する制御手段と光硬化性樹脂を操作するエレベ
    ータ機構とからなることを特徴とする光硬化性樹脂の硬
    化装置。
  3. 【請求項3】 制御手段が、所望の3次元形状を層上に
    スライスして得られる2次元形状情報に従って光硬化性
    樹脂を層状に硬化させ、これを順次積み重ねて3次元物
    体を形成するプログラムを含んでなることを特徴する請
    求項2に記載の光硬化性樹脂の硬化装置。
  4. 【請求項4】 反射鏡群を構成する反射鏡の反射率が、
    80%以上である事を特徴とする請求項1もしくは請求
    項2に記載の光硬化性樹脂の硬化装置。
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