JPH0834064A - 光学的造形装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】厚みの方向についても寸法精度の高い造形物が
得られる光学的造形装置を提供する。 【構成】造形形状入力部２１で入力された目標造形物の
形状データを、形状補正部２３において補正値入力部２
４より入力された補正値で補正し、その補正された形状
データを等高断面計算部２６において、層ごとの断面デ
ータに変換し、その断面データを走査データ作成部２８
において光線の走査を制御する走査データに変換する。
その走査データに基づいて制御部３０により光線を制御
し、容器１１内に収容された光硬化樹脂１２の表面に光
線１４を照射し走査して硬化層を形成し、その硬化層を
順次堆積させて造形物１９を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光硬化性樹脂液に光線
を照射して走査することにより、所望の形状の樹脂造形
物を形成する光学的造形装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】容器内に収容された光硬化性樹脂液の表
面に、光源より光線を照射し，その液面を走査して硬化
層を形成し、この硬化層を順次積み上げることにより所
望の形状の造形物を形成する光学的造形装置が実用化さ
れている。その光学的造形装置においては、具体的に
は，たとえば次のような方法で造形物を形成する。紫外
線レーザ装置により紫外線レーザを発生させ、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そ
のＯＮ／ＯＦＦおよび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、昇降可能な台
（以後、造形台と言う）が設けられており、前記紫外線
レーザの照射により、樹脂液表面とこの造形台との間に
ある樹脂液が硬化する。

【０００３】したがって、まず、造形台を上昇させてお
き、紫外線レーザを樹脂液表面に照射し走査することに
より、樹脂液表面と造形台との間の樹脂液を硬化させて
第１層目の硬化層を形成する。次に、この造形台を１層
分の厚さだけ下降させて、第２層目の硬化層を、第１層
目の硬化層の上に形成する。以下同様にして、第３層目
以降の硬化層を順次堆積させる。そして、最終層の堆積
が終了すると，造形台を上昇させ、その造形台上に形成
された造形物を取り出す。また、その取り出した造形物
に最終的な硬化を施すために、その造形物全体に対して
さらに紫外線を長時間照射する場合もあった。

【０００４】また、その造形物の形状については、ま
ず、ＣＡＤ装置などより目標造形物の形状を入力し、そ
の結果得られた目標造形物の３次元形状データに基づい
て、各層ごとの断面データを生成する。さらにその断面
データを前記光線の走査を制御する走査データに変換
し、その走査データに基づいて紫外線レーザを走査さ
せ、各層ごとに所望の形状の硬化層を形成する。そし
て、その硬化層を順次堆積させることにより、所望の形
状の造形物を得る。

【０００５】しかし、そのような光学的造形装置を用い
た樹脂造形物の形成に際しては、硬化層の厚み方向の寸
法精度が十分でないという問題があった。前述した光学
的造形方法によれば、前記硬化層の厚み方向の寸法は、
硬化層の昇降方向の寸法であり、造形台を順次下降させ
硬化層を堆積させる時に決定される。この寸法精度を十
分に向上させることができない基本的かつ大きな原因と
しては、光線の過剰透過の影響が挙げられる。すなわ
ち、樹脂液表面に光線を照射して硬化層を形成する際
に、硬化させる層の下が非硬化領域の場合には、照射し
た光線が過剰透過するとその非硬化領域にまで硬化が及
び、目標とする硬化層厚以上に厚く硬化層が形成される
ことになった。たとえば、図７（Ａ）に示すようなＴ字
型の造形物を形成しようとした場合、図７（Ｂ）に示す
ように、水平方向に形成された硬化層は過剰透過により
目標とする厚さ以上の厚さで形成される。

【０００６】したがって、目標通りの厚みの硬化層を形
成するためには、前記過剰透過による厚みの増加分を計
測、あるいは経験により求めておき、その増加分を考慮
して目標造形物の形状をＣＡＤ装置などより入力し、そ
の結果得られた形状データを用いて前述の方法により造
形物を形成するという方法がとられている。

【０００７】また、この問題を解決する光学的造形装置
としては、本願出願人に係わる特開平６─１５５５８８
号公報に開示された光学的造形装置がある。その光学的
造形装置は、光線を走査して樹脂液を硬化する際に、前
回の走査で硬化させた領域の上に堆積させて硬化させる
場合には、前回の走査で硬化させていない領域の上に硬
化させる場合に比べて硬化深度を大きくして硬化させる
ものである。すなわち、硬化層の上を走査する場合には
強めの光線を照射し、非硬化層の上を走査する場合には
弱めの光線を照射して、それぞれ硬化層を形成すること
により、非硬化層に対する光線の過剰透過を防ごうとす
るものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述したよう
な、厚みの増加を考慮した目標造形物の形状をＣＡＤ装
置などより入力し、目標の厚みの硬化層を得る方法で
は、効率的な樹脂造形物の形成が行えないという問題が
あった。前記厚みの増加量は、光線の強度、走査時の移
動速度などの造形時の条件により変動する値である。し
たがって、造形物や造形時の条件、環境条件などが変化
するごとに、ＣＡＤ装置による目標造形物の形状の入力
からやり直さなければならなかった。したがって、走査
データの生成に時間がかかり、効率的に造形物を形成す
ることができなかった。

【０００９】また、前述した特開平６─１５５５８８号
公報に開示された光学的造形装置は、１つの硬化層を形
成する際に、光線の走査位置に応じて適宜光線の強度を
制御しなければならない。そのような光線の微妙な強度
の制御は、非常に難しい制御であり、制御手段が複雑に
なるという問題があった。

【００１０】したがって本発明の目的は、前述したよう
な硬化層の厚みの補正が簡単に、効率的に行え、厚み方
向の寸法についても精度のよい造形物を形成可能な光学
的造形装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前述したように、この硬
化層の厚みの補正をＣＡＤ装置による目標造形物の形状
の入力段階において行うと効率上問題を生じ、また、光
線の照射や造形台の昇降手段の制御段階で行うと、装置
が複雑になるという問題を生じた。したがって、入力さ
れた形状データを装置を制御するための走査データに変
換する工程中で、この補正を行えれば簡単で効率的な補
正が行えると考えた。

【００１２】したがって、本発明の光学的造形装置は、
光硬化性樹脂液の液面に光線を照射し走査することによ
り硬化層を形成し、その硬化層を順次堆積することによ
り所望の形状の造形物を得る光学的造形装置であり、さ
らに光線の透過深度の補正値を入力する手段と、その補
正値に基づいて、目標造形物の形状データより得られる
光線の走査範囲を規定する走査データを補正し、出力す
る手段と、その補正された走査データに基づいて光線の
照射と走査を制御する手段とを有する光学的造形装置で
ある。なお、前記光線の透過深度の補正値とは、光硬化
樹脂液を硬化させるに有効な光線の、液面からの透過距
離の設定値と実際の値との差異を示す値であって、目標
の硬化層の厚さと、実際に形成された硬化層の厚さの差
より求められる。

【００１３】特定的には、前記走査データを生成する手
段は、目標造形物の３次元形状データを、造形時に光線
が入射する方向の当該造形物の厚みを、光線が入射する
面とは反対側の面で造形時に底面となる面以外の面よ
り、前記補正値分削除した形状のデータに補正する手段
と、その補正された３次元形状データより前記走査デー
タを生成する手段とを有する。

【００１４】また特定的には、前記走査データを生成す
る手段は、造形物を造形時の液面と平行で所定の厚みを
有する層に細分し、その各層の形状を断面データとして
生成する手段と、その断面データを前記補正値で補正す
る手段と、その補正された断面データに基づいて前記光
線の走査を制御する走査データを生成する手段とを有す
る。好適には、前記断面データを補正する手段は、前記
細分した層の厚みに基づいて前記補正値に相当する層数
を求め、造形時に底面となる層以外の前記各層におい
て、造形時に光線が入射する方向とは反対側の方向に、
前記補正値に相当する層数以上前記層が重なっている断
面部分、あるいは、前記底面となる層に重なっている断
面部分いずれかのみを当該層の断面データとなるよう補
正する。

【００１５】

【作用】本発明の光学的造形装置によれば、入力された
形状データを光線を制御する制御データに変換する段階
において、その途中のデータに対して入力された補正値
に基づいて前記硬化層の厚み方向の補正を行っている。
したがって、目標造形物の形状入力段階においては、光
線の過剰透過による硬化層の厚みの変化を考慮する必要
がなく、目標造形物の形状そのものを入力すればよい。
また、当然ながら、造形時の条件などの変化によって前
記形状を再入力する必要もない。また、光線や造形台の
昇降を制御する制御手段においては、既に補正された走
査データが制御データとして入力される。したがって、
補正を意識することなく従来と同様に前記入力された制
御データに基づいて、光線および造形台の昇降を制御す
ればよい。

【００１６】

【実施例】第１実施例 本発明の第１実施例の光学的造形装置について、図１〜
図４を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施例
の光学的造形装置の構成を示す図である。第１実施例の
光学的造形装置１は、造形部１０、制御データ生成部２
０、および、制御部３０より構成される。

【００１７】まず、造形部１０の構成、および、造形物
の形成方法について図２を参照して説明する。図２は、
光学的造形装置１の造形部１０の構成を示す図である。
造形部１０は、容器１１、造形台１３、造形台駆動部１
６、発光装置１７より構成される。容器１１は、光硬化
樹脂液を収容するための容器である。造形台１３は、硬
化させた樹脂を順次堆積させ、造形台を載せるための平
板状の台であり、造形台駆動部１６より駆動されて容器
１１内を昇降する。造形台駆動部１６は、後述する制御
部３０より印加される制御信号に基づいて、造形台１３
を昇降させる。

【００１８】発光装置１７は、後述する制御部３０より
印加される制御信号に基づいて、所定の強度の紫外線レ
ーザを容器１１内に収容された光硬化樹脂の液面に照射
し、さらに、その液面上を走査して任意の軌跡を描く。
発光装置１７は、紫外線レーザを発生するレーザ発振器
と、そのレーザ光線を透過／遮断するための音響光学素
子と、光線の方向を任意の方向に変動させるガルバノミ
ラーおよび電圧印加器より構成される。

【００１９】このような構成の造形部１０においては、
次のようにして造形物が形成される。まず、容器１１に
光硬化樹脂液１２を収容し、造形台１３をその樹脂液の
表面より０．０５ｍｍの深さの位置に上昇させておく。
そして、発光装置１７により紫外線レーザ１４を樹脂液
表面に照射し走査することにより、樹脂液表面と造形台
１３との間の樹脂液を硬化させて第１層目の硬化層を形
成する。次に、この造形台１３をさらに０．０５ｍｍ下
降させて、第２層目の硬化層を、第１層目の硬化層の上
に形成する。以下同様にして、第３層目以降の硬化層を
順次堆積させる。そして、最終層の堆積が終了すると，
造形台１３を上昇させ、その造形台１３上に形成された
造形物１９を取り出す。

【００２０】次に、制御データ生成部２０の構成および
動作について説明する。制御データ生成部２０は、造形
形状入力部２１、形状記憶部２２、補正値入力部２４、
形状補正部２３、補正形状記憶部２５、等高断面計算部
２６、断面データ記憶部２７、走査データ作成部２８、
および、走査データ記憶部２９より構成される。

【００２１】造形形状入力部２０は、ワークステーショ
ンなどに搭載された３次元ＣＡＤ装置などの、目標造形
物の形状データを入力する入力手段である。作業者は、
この造形形状入力部２０より、形成しようとする造形物
の形状を入力する。形状記憶部２２は、前記造形形状入
力部２０により入力された目標造形物の形状データを記
憶するメモリである。なお、この記憶するデータ形式な
どは任意好適な形式でよい。

【００２２】補正値入力部２４は、造形物の硬化層の厚
みの補正値を入力する入力手段であり、造形形状入力部
２０の、たとえばワークステーションのキーボードなど
で兼用可能である。入力された補正値は形状補正部２３
に入力される。本実施例においては、０．１ｍｍという
値が入力される。なお、この補正値の求め方については
後述する。形状補正部２３は、造形形状入力部２０によ
り入力された目標造形物の形状を、補正値入力部２４よ
り入力された補正値に基づいて補正し、その補正結果の
形状のデータを補正形状記憶部２５に出力する。その補
正は、その造形物において、造形時に光線が入射される
方向の造形物の厚みを、その光線が入射される面とは反
対側の面より前記補正値に相当する量だけ削除する、と
いう補正である。ただし、造形時に、第１層となり造形
台１３と接触する面については前記厚みの削除は行わな
い。

【００２３】この補正の具体例を図３に示す。図３は、
光学的造形装置１で形成する造形物の形状を示す断面図
であり、（Ａ）は造形物の目標形状を示す図、（Ｂ）は
造形物の補正された形状を示す図である。この造形物に
ついて、底面５２を造形台１３上に接触させ、上面５１
方向より光線が入射されて順次造形物の形成を行う場
合、その光線の入射面である上面５１とは反対側で底面
５２を除く面より、補正値分の厚さを削除した形状が補
正された形状５４である。すなわち、目標形状５０よ
り、補正部分５３ａ、５３ｂを削除した形状５４が補正
された結果の形状となる。

【００２４】補正形状記憶部２５は、前記形状補正部２
３により補正された形状を記憶しておくメモリである。
なお、この記憶するデータ形式は、前記形状記憶部２２
における形状データの形式と同じとする。等高断面計算
部２６は、補正形状記憶部２５に記憶されている形状に
基づいて、造形時の樹脂液の液面と平行に、０．０５ｍ
ｍ間隔で前記形状を切断したときの、各切断面の形状を
求める計算手段である。この各断面が、造形時の各層の
形状となる。求められた断面の形状データは、断面デー
タ記憶部２７に記憶される。断面データ記憶部２７は、
前記等高断面計算部２６により求められた断面データを
記憶しておくメモリである。

【００２５】走査データ作成部２８は、前記断面データ
記憶部２７に記憶されている、各断面の形状データに基
づいて、その形状に沿って実際に光線を走査させるため
の制御データを作成する。この時に、同時に光線の強
度、造形台の昇降の制御パラメータなども決定される。
走査データ記憶部２９は、走査データ作成部２８により
作成された走査データ、および、造形部１０を制御する
ためのその他のパラメータを記憶しておくメモリであ
る。

【００２６】このようにして制御データ生成部２０によ
り得られた走査データを用いて、制御部３０により造形
部１０が制御され、造形物が形成される。この造形物の
形成の段階で、光線の過剰透過により、図３（Ｂ）に示
した削除部分５３ａ，５３ｂが補充され、その結果、図
３（Ａ）に示すような本来の目標形状の造形物が形成さ
れる。

【００２７】前記補正値の求め方について説明する。本
実施例においては、この光線の過剰透過による厚みの補
正値は実測値より求める。その実測データを図４に示
す。図４は、光線の過剰透過による硬化層の厚みの増加
量を調査した結果を示すグラフである。図４によれば、
層数が３層以上になると、理想値と実験値はほぼ０．１
ｍｍづつずれていることがわかる。したがって、この値
を補正値とすることにより適切な補正がおこなわれる。

【００２８】このように、第１実施例の光学的造形装置
によれば、目標造形物の形状を、３次元形状データの段
階で補正を行い、以後その補正されたデータを用いて制
御データを生成し、造形物の形成を行っている。したが
って、厚みの方向についても寸法精度の高い造形物が得
られる。また、その補正方法も造形部および入力方法に
負担を与えない方法で補正が行われている。

【００２９】第２実施例 本発明の第２実施例の光学的造形装置について、図５お
よび図６を参照して説明する。図５は、本発明の第２実
施例の光学的造形装置の構成を示す図である。第２実施
例の光学的造形装置２は、造形部１０、制御データ生成
部４０、および、制御部３０より構成される。なお、第
１実施例と同一符号が付されている各部の構成、動作
は、前述した第１実施例と同一である。

【００３０】第１実施例とは異なる各部の構成、動作に
ついて説明する。第２実施例においては、造形形状入力
部２１で入力され形状記憶部２２に記憶されている目標
造形物の形状データに対しては補正は行われず、直ちに
等高断面計算部２６においてその断面形状が求められ
る。そして、その結果の各断面データに対して、補正値
入力部２４により入力された補正値を用いて断面データ
補正部４１により補正が行われる。

【００３１】断面データ補正部４１は、以下のような方
法で断面データ記憶部２７に記憶されている断面データ
の補正を行う。まず、前記断面の間隔、すなわち造形時
の層の厚さと、入力された補正値とを比較し、その補正
値に相当する層数を求める。次に、各断面に対して、造
形時に光線が入射する方向とは反対側の方向にその断面
と隣接する前記補正値に相当する層数の断面について、
その断面と重なっているか否かを順次検定する。そし
て、それら隣接する断面とすべて重なっている部分のみ
を当該断面の断面データとすることにより断面データを
補正する。なお、この重なりの検定は、造形時に底面と
なる断面については行わない。また、その底面部であ
り、その断面と造形台の間に前記補正値に相当する層数
の断面が存在しない場合は、存在する層についてのみ前
記重なりを検出する。

【００３２】この補正について図６を参照して具体的に
説明する。図６は、断面データ補正部４１で行う補正を
説明するための図である。目標造形物５０は光が入射す
る上面５１から、造形台１３上に形成される底面５２ま
でを、上面５１と平行に０．０５ｍｍづつの層に分割さ
ている構成である。なお、断面データとしては各層の下
面の形状が記憶されているものとする。その、上部の層
６１〜７２を用いて前記補正を説明する。

【００３３】まず、本実施例においては、補正値は０．
１ｍｍ、層の厚さは０．０５ｍｍなので、２層分の厚さ
がこの補正値に相当する。そして、層６１から順次底面
５２の方向の２つの層について、その断面の重なりを調
べる。つまり、層６１は、層６２および層６３との重な
りを、層６２については、層６３と層６４との重なりを
それぞれ調べる。そして全ての層について重なっている
断面形状を、その層の形状として逐次補正していく。図
６の例において、層６４から層７０までは順次断面が小
さくなっている。そのため、層６３が層６４、層６５と
重なっているのは層６５に相当する形状だけなので、斜
線で示した部分が削除され、層６３は層６５に相当する
断面に補正される。このようにして得られた補正された
断面データが、補正断面データ記憶部４２に記憶され
る。

【００３４】以降、走査データ作成部２８において、補
正断面データ記憶部２７に記憶されている各断面の補正
された形状データに基づいて、光線を走査させるための
制御データを作成し、制御部３０によりその制御データ
に基づいて造形部１０が制御され、造形物が形成され
る。この造形物の形成の段階で、光線の過剰透過によ
り、前記補正により削除された部分が各々補充され、そ
の結果、本来の目標形状の造形物が形成される。たとえ
ば、図６の場合においては、層６７を生成する段階で層
６８の斜線部の一部と層６９が、層６６を生成する段階
で層６７の斜線部の一部と層６８が各々補填される。

【００３５】このように、第２実施例の光学的造形装置
によれば、目標造形物の形状を、断面データの段階で補
正を行い、以後その補正されたデータを用いて制御デー
タを生成し、造形物の形成を行っている。したがって、
厚みの方向についても寸法精度の高い造形物が得られ
る。また、その補正方法も造形部および入力方法に負担
を与えない方法で補正が行われている。

【００３６】なお、本発明は、この第１実施例および第
２実施例に限られるものではなく他の方法によっても実
現できる。また、種々の改変を加えてよい。本発明は、
目標造形物の３次元的形状データと、光線の透過深度の
補正値に基づいて、光線の走査範囲を規定する２次元的
データである走査データを補正することを特徴とする。
前記３次元的形状データより走査データを生成する方法
は、具体的にはその形状データの入力方法、記述方法な
どにより種々の方法が考えられ、それぞれの場合につい
て適切な補正方法が考えられる。たとえば、目標造形物
の形状が数式などにより構造記述されているような場合
には、造形時の光線の照射方向、造形物の面の傾き、堆
積させる層の厚さの条件と、前記補正値が分かれば、計
算により各層の走査領域の補正、すなわち、走査データ
の補正を行うことができる。そのような方法を用いて補
正する光学的造形装置でもよい。

【００３７】

【発明の効果】本発明の光学的造形装置によれば、目標
造形物の形状を入力する段階において手間をかけること
もなく、また、光線や造形台の昇降を制御する制御手段
を複雑な構成にすることもなく、硬化層の厚みの補正が
行える。したがって、硬化層の厚みの補正が簡単に、し
かも効率的に行え、厚み方向の寸法についても精度のよ
い造形物を形成可能な光学的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】本発明の第１実施例の光学的造形装置の構成を
示す図である。

【図２】図１に示した光学的造形装置の造形部の構成を
示す図である。

【図３】図１に示した光学的造形装置で形成する造形物
の形状を示す図であり、（Ａ）は造形物の目標の形状を
示す図、（Ｂ）は造形物の補正された形状を示す図であ
る。

【図４】光線の過剰透過による硬化層の厚みの増加量を
調査した結果を示すグラフである。

【図５】本発明の第２実施例の光学的造形装置の構成を
示す図である。

【図６】図５に示した光学的造形装置の断面データ補正
部で行う、断面データの補正を説明する図である。

【図７】従来の光学的造形装置で形成した造形物の形状
を示す図であり、（Ａ）は目標造形物の形状を示す図、
（Ｂ）は形成された造形物の形状を示す図である。

【符号の説明】

１，２…光学的造形装置 １０…造形部 １１…容器 １２…光硬化樹脂液 １３…造形台 １４…光線 １６…造形台駆動部 １７…発光装置 １９…造形物 ２０，４０…制御データ生成部 ２１…造形形状入力部 ２２…形状記憶部 ２３…形状補正部 ２４…補正値入力部 ２５…補正形状記憶部 ２６…等高断面計算部 ２７…断面データ記憶部 ２８…走査データ作成
部 ４１…断面データ補正部 ４２…補正断面データ
記憶部 ３０…制御部 ５０…目標形状 ５１…上面 ５２…下面 ５３ａ，５３ｂ…補正部分 ５４…補正形状 ６１〜７２…層

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光硬化性樹脂液の液面に光線を照射し走査
   することにより硬化層を形成し、該硬化層を順次堆積す
   ることにより所望の形状の造形物を得る光学的造形装置
   であって、 前記光線の透過深度の値を補正する補正値を入力する補
   正値入力手段と、 前記補正値入力手段により入力された補正値に基づい
   て、目標造形物の形状データより得られる前記光線の走
   査範囲を規定する走査データを補正し、該補正された走
   査データを出力する走査データ生成手段と、 前記走査データ生成手段により生成された走査データに
   基づいて前記光線の走査を制御する光走査制御手段とを
   有する光学的造形装置。
2. 【請求項２】前記走査データ生成手段は、 目標造形物の３次元形状データを、造形時に光線が入射
   する方向の当該造形物の厚みを、光線が入射する面とは
   反対側の面で造形時に底面となる面以外の面より、前記
   補正値分削除した形状のデータに補正する３次元形状デ
   ータ補正手段と、 前記３次元形状データ補正手段により補正された３次元
   形状データより前記光線の走査を制御する走査データを
   生成する走査データ生成手段とを有する請求項１記載の
   光学的造形装置。
3. 【請求項３】前記走査データ生成手段は、 当該造形物を造形時の液面と平行で所定の厚みを有する
   層に細分し、該各層の形状を断面データとして生成する
   断面データ生成手段と、 前記断面データ生成手段により生成された断面データを
   前記補正値入力手段により入力された補正値で補正する
   断面データ補正手段と、 前記断面データ補正手段により補正された断面データに
   基づいて前記光線の走査を制御する走査データを生成す
   る走査データ生成手段とを有する請求項１記載の光学的
   造形装置。
4. 【請求項４】前記断面データ補正手段は、前記細分した
   層の厚みに基づいて前記補正値に相当する層数を求め、
   造形時に底面となる層以外の前記各層において、造形時
   に光線が入射する方向とは反対側の方向に、前記補正値
   に相当する層数以上前記層が重なっている断面部分、あ
   るいは、前記底面となる層に重なっている断面部分いず
   れかのみを当該層の断面データとなるよう補正する請求
   項３記載の光学的造形装置。