JPH1142713A - 光造形装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 多様な要求、高精度造形、高速造形、低変形
造形及び網目状造形に充分に対応することができる光造
形装置を提供する。 【構成】 走査制御手段を設け、パルスの液面に作るス
ポットの直径及びピッチをそれぞれＤ及びＰとすると
き、Ｄ／２≧Ｐ＞０、Ｄ≧Ｐ＞Ｄ／２又は３Ｄ＞Ｐ＞Ｄ
となるように走査手段を制御する。 【効果】 高精度造形、高速造形、低変形造形及び網目
状造形が可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光造形装置に関し、なか
でもパルス光の照射により硬化する液状物質の液面を選
択的にパルス光で照射することにより硬化物を造形する
光造形装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、光、なかでも紫外線の照射により
硬化する液状物質である光造形用樹脂の液面を選択的に
紫外線のビームで走査して照射し、立体的な硬化物を造
形する光造形技術が高速立体成形技術として開発されて
いる。そして紫外線光源としてレーザが利用されてい
る。

【０００３】従来の光造形装置は図８に示すようなもの
であった。光源１から射出した紫外線の光束Ｌ１はミラ
ー等で構成される光学系２により導かれ、変調器３、光
束調整器４、走査器５を経て光造形用樹脂６の液面７を
照射する。光源１にはアルゴンＡｒイオンレーザ又はヘ
リウムＨｅ−カドミウムＣｄレーザが用いられている。
変調器３は光束Ｌ１を断続し、光束調整器４は光束Ｌ１
の径及び焦点距離を調整し、走査器５は光束Ｌ１を二次
元に走査する。光造形用樹脂６は液槽８に収容され、造
形中の硬化物９は保持台１０に保持されている。保持台
１０は昇降器１１により昇降可能となっている。硬化物
９の上面９ａは昇降器１１により液面７より下がった位
置に設定され、硬化物９の上面９ａと液面７との間に光
造形用樹脂６の薄層１２が形成される。液面７に光束Ｌ
１が照射されると照射された部分の下の薄層１２で固化
が起こり、硬化物９の上面９ａに新しい硬化部１３が形
成される。順次昇降器１１の降下により形成される薄層
に硬化部が形成されることにより、三次元的な硬化物が
完成する。

【０００４】この際の光造形用樹脂の硬化の状況は図９
及び図１０に示すようなものであった。図９は光造形用
樹脂６の液面７より下に形成された薄層１２に光束Ｌ１
が照射され、光束Ｌ１が走査方向１４に走査されると
き、硬化部１５が線状に形成されることを示す。図１０
は光束Ｌ１が走査方向１４に走査され、順次同一方向の
走査線が移動したとき、線状に形成された硬化部１５が
集合して面状の硬化部１６が形成されることを示す。実
際には硬化部１５、１６は既に硬化した硬化物の上面に
形成されているが、この部分は図示していない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
光造形装置による光造形では多様な要求に充分に対応す
ることができないという問題があった。即ち、成形しよ
うとする物体の形状や大きさはまちまちである。物体表
面の液面に対する傾斜角が異なる。所望の精度が異な
る。収縮応力による変形を減らしたい。硬化物の性状、
硬さが異なる。それにもまして造形の速度、所要時間等
を短縮したい。この様な個々の状況乃至要求に応えるこ
とができないという問題があった。

【０００６】本発明は上記の課題に鑑み、高精度造形、
高速造形、低変形造形及び網目状造形が可能な光造形装
置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、パルス光を連
続的に射出する光源と、前記パルス光を二次元に走査す
る走査手段と、前記パルス光の走査を制御する走査制御
手段とを有し、前記パルス光の照射により硬化する液状
物質の液面を選択的に前記パルス光で照射することによ
り硬化物を造形する光造形装置において、前記走査制御
手段は、前記パルス光が前記液面に照射されて生ずる光
のスポットの直径及び前記スポットのピッチをそれぞれ
Ｄ及びＰとするとき、Ｄ／２≧Ｐ＞０となるように走査
手段を制御することを特徴とする光造形装置を構成し
た。

【０００８】更に、パルス光を連続的に射出する光源
と、前記パルス光を二次元に走査する走査手段と、前記
パルス光の走査を制御する走査制御手段とを有し、前記
パルス光の照射により硬化する液状物質の液面を選択的
に前記パルス光で照射することにより硬化物を造形する
光造形装置において、前記走査制御手段は、前記パルス
光が前記液面に照射されて生ずる光のスポットの直径及
び前記スポットのピッチをそれぞれＤ及びＰとすると
き、Ｄ≧Ｐ＞Ｄ／２となるように走査手段を制御するこ
とを特徴とする光造形装置を構成した。

【０００９】更に、パルス光を連続的に射出する光源
と、前記パルス光を二次元に走査する走査手段と、前記
パルス光の走査を制御する走査制御手段とを有し、前記
パルス光の照射により硬化する液状物質の液面を選択的
に前記パルス光で照射することにより硬化物を造形する
光造形装置において、前記走査制御手段は、前記パルス
光が前記液面に照射されて生ずる光のスポットの直径及
び前記スポットのピッチをそれぞれＤ及びＰとすると
き、３Ｄ＞Ｐ＞Ｄとなるように走査手段を制御すること
を特徴とする光造形装置を構成した。

【００１０】

【作用】請求項１に記載の発明では、走査速度は小さ
く、スポットの重複部分は大きい。

【００１１】請求項２に記載の発明では、走査速度は中
位で、スポットは相互に重複するが重複部分は大きくな
い。

【００１２】請求項３に記載の発明では、スポットは相
互に重複しない。

【００１３】

【実施例】本発明の一実施例に係る光造形装置を図１〜
図６により説明する。図１は光造形装置の概念図、図２
はパルスの波形を示す図、図３、図４、図５及び図６は
それぞれ光のスポットとそのピッチとについての説明図
である。光源１から射出した光束Ｌ１はミラー等で構成
される光学系２により導かれ、変調器３、光束調整器
４、走査器５を経て光造形用樹脂６の液面７を照射す
る。光源１はパルスレーザである。レーザ結晶にはＮ
ｄ：ＹＶＯ₄ を使用している。Ｎｄ：ＹＶＯ₄ の射出す
るレーザ光の波長は１０６４ｎｍであるので高調波変換
器を組み合わせて波長３５５ｎｍの高調波を使用する。
レーザ結晶にはＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦを使用して
もよい。図２において縦軸に出力、横軸に時間を取る
と、レーザ光の波形は、パルス周波数２０ｋＨｚのと
き、パルス幅５〜１０ｎｓの山状のパルス１６がパルス
間隔５０μｓで連続したものとなっている。

【００１４】変調器３は光束Ｌ１を断続する超音波変調
器である。光束調整器４は光束Ｌ１の径及び焦点距離を
調整するリニアトランスレータであり、光束制御手段１
７によりパルス光のスポットの直径はＤに制御されてい
る。走査器５は光束Ｌ１を二次元に走査するガルバノメ
ータミラーであり、走査制御手段１８によりスポットの
ピッチＰはＤ／２≧Ｐ＞０に制御されている。又走査制
御手段１８により走査線間隔が設定される。

【００１５】光造形用樹脂６にはウレタンアクリレート
系樹脂を使用している。光造形用樹脂６は液槽８に収容
され、造形中の硬化物９は保持台１０に保持されてい
る。保持台１０は昇降器１１により昇降可能となってい
る。硬化物９の上面９ａは昇降器１１により液面７より
下がった位置に設定され、硬化物９の上面９ａと液面７
との間に光造形用樹脂６の薄層１２が形成される。液面
７に光束Ｌ１が照射されると照射された部分の下の薄層
１２で固化が起こり、硬化物９の上面９ａに新しい硬化
部１３が形成される。個々の硬化部１３の平面形状は光
束Ｌ１の液面７におけるスポット（不図示）に近似し、
深さは薄層１２を通して硬化物９の上面９ａに到達する
大きさである。硬化部１３が集合し硬化物９の上面９ａ
に二次元的な硬化部が形成されると、照順次昇降器１１
は降下し、順次薄層状の二次元的な硬化部が積層して形
成されることにより、三次元的な硬化物が完成する。

【００１６】次にパルスレーザが光造形用樹脂６の液面
７を照射するときの光束のスポットとそのピッチとの関
係について説明する。パルスレーザが液面７を照射する
とき形成される光束のスポットは直径Ｄの円で略近似す
ることができる。あるスポットＳ１と次のスポットＳ２
とは走査方向１４の方向にピッチＰで隣接している。図
３に示す例はスポットＳ１とスポットＳ２とはピッチＰ
で隣接し、互いに部分的に重なり合っている。スポット
Ｓ１とスポットＳ２との間には走査方向の両側に幅ｈの
重なり合わない部分が存在する。図４に示す例はスポッ
トＳ１とピッチＰで隣接する次のスポットＳ２とは互い
に重なり合う部分はない。図５に示す例はピッチＰがス
ポットの直径Ｄに比して極めて小さいと、連続光の走査
する場合に近似し、図３におけるｈに相当する幅は実質
上無視することができる。

【００１７】図６は本実施例におけるピッチがスポット
の大きさに対して最大の場合を示している。あるスポッ
トＳ１の円周に次のスポットＳ２の中心があり、スポッ
トＳ１と次の次のスポットＳ３とが外接している。この
場合ピッチＰはスポットの直径Ｄの半分Ｄ／２である。
スポットＳ１とスポットＳ２との間には走査方向の両側
に幅ｈの重なり合わない部分が存在する。ｈの大きさは
直径Ｄの７％程度である。尚図示してないが、走査線間
隔はＤ／２に設定されている。前出の図５は本実施例に
おけるピッチがスポットの大きさに対して最小の場合を
示している。ピッチＰがスポットの直径Ｄに比して極め
て小さく、連続光の走査する場合に近似し、且つ図６に
おけるｈの値に相当する幅は実質的に無視することがで
きる。尚図示してないが、走査線間隔はＤ／４に設定さ
れている。

【００１８】本実施例ではピッチＰがスポットの直径Ｄ
の半分Ｄ／２より小さい。ピッチＰがスポットの直径Ｄ
に比して小さいから、個々のスポットの照射による個々
の硬化部は互いに重なり合う部分が大きく、且つｈの値
は極めて小さく無視しうる大きさである。従って硬化が
充分に行われると共に、硬化物の周縁部に形成される凹
凸が少なくなる。反面、硬化時に発生する応力が大き
く、そのために歪曲を生ずることが多くなる。又造形に
要する時間が大きくなる傾向がある。

【００１９】次に第２の実施例に係る光造形装置を図７
により説明する。図７は光のスポットとそのピッチとに
ついての説明図である。なお前記一実施例と同一又は類
似の部分の記述は省略する。走査器５は走査制御手段１
８によりスポットのピッチＰはＤ≧Ｐ＞Ｄ／２に制御さ
れている。

【００２０】前出の図３は本実施例におけるピッチがス
ポットの大きさに対して中間的な場合を示している。ス
ポットＳ１とスポットＳ２とはピッチＰで隣接し、互い
に部分的に重なり合い、ピッチＰはスポットの直径Ｄの
半分Ｄ／２より大きい。そしてスポットＳ１とスポット
Ｓ２との間には走査方向の両側に幅ｈの重なり合わない
部分が存在する。尚図示してないが、走査線間隔はＤ×
３／４に設定されている。図７は本実施例におけるピッ
チがスポットの大きさに対して最大の場合を示してい
る。スポットＳ１と次のスポットＳ２とは外接してい
る。この場合ピッチＰはスポットの直径Ｄに等しい。ス
ポットＳ１とスポットＳ２との間には走査方向の両側重
なり合わない部分の幅ｈはＤ／２である。尚図示してな
いが、走査線間隔はＤに設定されている。前出の図６は
本実施例におけるピッチがスポットの大きさに対して最
小の場合を示している。尚図示してないが、走査線間隔
はＤ／２に設定されている。その他の説明は省略する。

【００２１】本実施例ではピッチＰがスポットの直径Ｄ
の半分Ｄ／２より大きく、Ｄより小さい。ピッチＰがス
ポットの直径Ｄよりも小さいから、個々のスポットの照
射による個々の硬化部は互いに重なり合う部分がある。
しかし前述した一実施例に比して重なり合う部分は少な
い。且つｈの値は大きくなっている。従って硬化は充分
に行われると共に、硬化物の周縁部の形状はほぼ滑らか
に成形することができる。しかしながら、前述した一実
施例に比すると硬化部分の面積は相対的に減少し、硬化
物の周縁部に形成される凹凸が大きくなるという短所が
ある。 反面、硬化時の応力は著しく低下し、歪曲を生
ずることが殆どなくなり、又造形に要する時間を短縮す
ることができるという長所がある。

【００２２】次に第３の実施例に係る光造形装置を説明
する。 前記一実施例と同一の部分は記述を省略する。
走査器５は走査制御手段１８により後述の通り、スポッ
トのピッチＰは３Ｄ＞Ｐ＞Ｄに制御されている。

【００２３】前出の図４は本実施例におけるピッチとス
ポットの大きさとの関係を示している。詳しい説明は省
略する。スポットＳ１とスポットＳ２とは離れており、
ピッチＰはスポットの直径Ｄより大きい。ピッチＰが直
径Ｄに比して過大であると実質上硬化物の造形が充分に
行われないから、ピッチＰは最大３Ｄに止められる。走
査線間隔は２Ｄに設定されている。Ｄ〜３Ｄが望ましい
大きさである。

【００２４】本実施例ではピッチＰがスポットの直径Ｄ
より大きいから、個々のスポットの照射による個々の硬
化部は互いに重なり合う部分がない。従って硬化は離散
的に行われるようになる。したがって、前述両実施例に
比すると硬化の程度は低下する。反面、硬化時に発生す
る応力は両実施例に比すると著しく低下し、歪曲を生ず
ることがなくなる。又造形に要する時間を短縮すること
ができる。

【００２５】本実施例では隣接走査線相互におけるスポ
ットの配置、又は上下硬化層相互におけるスポットの配
置を適正に設定し、網目状の硬化物を光造形することが
容易に可能である。又網目状の硬化物が可撓性を有する
場合にはスポンジ状の物体として光造形することができ
る。

【００２６】又、本実施例で光造形された網目状の硬化
物に硬化可能樹脂液を含浸させ、その後二次硬化を行わ
せることにより、本装置による光造形時間の短縮を図る
ことができ、製造減価の低減を図ることができる。

【００２７】又、本実施例では隣接走査線相互における
スポットの配置、又は上下硬化層相互におけるスポット
の配置により網目状の硬化物を形成することができ、こ
れに機能材料を含浸させて機能材料を製作することがで
きる。

【００２８】なお各実施例においては、パルス光源とし
てパルスレーザを使用したが、硬化作用を有する断続光
を放射する光源であれば他の光源であっても良いことは
言うまでもなく、例えばアルゴンレーザの連続ビームを
断続して使用することを妨げるものではない。

【００２９】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、高精度
の光造形が可能となる。請求項２に記載の発明によれ
ば、高速の光造形及び低変形の光造形が可能となる。請
求項３に記載の発明によれば、高速の光造形、低変形の
光造形及び網目状の光造形が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の光造形装置の概念図であ
る。

【図２】本発明の一実施例の光造形装置の光源のパルス
の波形を示す図である。

【図３】本発明の一実施例の光のスポットとそのピッチ
とについての説明図である。

【図４】本発明の一実施例の光のスポットとそのピッチ
とについての説明図である。

【図５】本発明の一実施例の光のスポットとそのピッチ
とについての説明図である。

【図６】本発明の一実施例の光のスポットとそのピッチ
とについての説明図である。

【図７】本発明の第２の実施例の光のスポットとそのピ
ッチとについての説明図である。

【図８】従来の光造形装置の概略図である。

【図９】従来の光造形装置における光造形用樹脂の硬化
の状況を説明する図である。

【図１０】従来の光造形装置における光造形用樹脂の硬
化の状況を説明する図である。

【符号の説明】

１・・・光源、Ｌ１・・・光束、５・・・走査器、６・
・・光造形用樹脂、７・・・液面、９・・・硬化物、１
０・・・保持台、１３・・・硬化部、Ｐ・・・ピッチ、
Ｄ・・・直径、１８・・・走査制御手段、Ｓ１、Ｓ２・
・・スポット、

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】パルス光を連続的に射出する光源と、前記
   パルス光を二次元に走査する走査手段と、前記パルス光
   の走査を制御する走査制御手段とを有し、前記パルス光
   の照射により硬化する液状物質の液面を選択的に前記パ
   ルス光で照射することにより硬化物を造形する光造形装
   置において、 前記走査制御手段は、前記パルス光が前記液面に照射さ
   れて生ずる光のスポットの直径及び前記スポットのピッ
   チをそれぞれＤ及びＰとするとき、Ｄ／２≧Ｐ＞０とな
   るように走査手段を制御することを特徴とする光造形装
   置。
2. 【請求項２】パルス光を連続的に射出する光源と、前記
   パルス光を二次元に走査する走査手段と、前記パルス光
   の走査を制御する走査制御手段とを有し、前記パルス光
   の照射により硬化する液状物質の液面を選択的に前記パ
   ルス光で照射することにより硬化物を造形する光造形装
   置において、 前記走査制御手段は、前記パルス光が前記液面に照射さ
   れて生ずる光のスポットの直径及び前記スポットのピッ
   チをそれぞれＤ及びＰとするとき、Ｄ≧Ｐ＞Ｄ／２とな
   るように走査手段を制御することを特徴とする光造形装
   置。
3. 【請求項３】パルス光を連続的に射出する光源と、前記
   パルス光を二次元に走査する走査手段と、前記パルス光
   の走査を制御する走査制御手段とを有し、前記パルス光
   の照射により硬化する液状物質の液面を選択的に前記パ
   ルス光で照射することにより硬化物を造形する光造形装
   置において、 前記走査制御手段は、前記パルス光が前記液面に照射さ
   れて生ずる光のスポットの直径及び前記スポットのピッ
   チをそれぞれＤ及びＰとするとき、３Ｄ＞Ｐ＞Ｄとなる
   ように走査手段を制御することを特徴とする光造形装
   置。