KR100241676B1

KR100241676B1 - 광학적 입체상 형성 방법 및 장치

Info

Publication number: KR100241676B1
Application number: KR1019920025600A
Authority: KR
Inventors: 신이찌로 이와나가; 마유 오오까와; 요시히로 사또; 가쓰또시 이가라시
Original assignee: 마쯔모또 에이찌; 제이에스알 가부시키가이샤
Priority date: 1991-12-27
Filing date: 1992-12-26
Publication date: 2000-02-01
Also published as: GB9226599D0; GB2262817A; GB2262817B; JP3173088B2; JPH05177718A; KR930013893A

Abstract

[구성] 수지 수용 용기에 수용된 액상 광경화성 수지에 광을 조사하여 선택적으로 광경화층을 형성하고, 이 광경화층을 복수층 적층시켜 삼차원 입체상을 형성하는 방법이다. 특히 본 방법에서는 수지 수용 용기 상에 수지액 표면에 대해서 메니스커스가 실질적으로 발생되지 않는 정도의 경사 각도를 갖는 평활판을 배치하고, 이 평활판을 그 길이 방향과 직교하는 방향으로 이동시켜서, 평활하고 균일한 막 두께의 수지액층을 형성시킨다.

[효과] 0.1㎜ 이하의 정밀한 적층이 가능해지고, 조형물 표면을 매끄럽게 하는 일이 가능하다.

Description

광학적 입체상 형성 방법 및 장치

제1도는 본 발명에 의한 광학적 입체상 형성 장치의 하나의 실시형태를 도시한 모식적 사시도.

제2도는 본 발명에 따른 와이퍼의 기본 구조를 도시한 단면도.

제3도는 본 발명에 따른 와이퍼의 구조예를 도시한 단면도.

제4도는 액면의 평활화를 도시한 모식도.

제5도는 설계 모델 및 종래법에 의해서 형성된 입체상을 도시한 사시도.

제6도는 종래의 와이퍼에 생기는 메니스커스 및 그로 인한 수지액의 솟아오름 현상을 도시한 모식도.

제7도는 평활판과 수지액의 접촉각을 도시한 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

a : 레이저 발진기 b, e : 밀러

c : 셔터 d : Z 포커스렌즈

f : 승강대 g : 수지액

h : 수지액 조 i : 광경화물

j : 레이저 빔 k : 평활판

m : 펌프 1 : 수지 경화물

2 : 수지액 3,4 : 평활판

본 발명은 광경화성 수지에 선택적으로 레이저광을 조사하여 삼차원 입체상을 형성하는 방법 및 이러한 삼차원 입체상 형성 장치에 관한 것이며, 특히 적층될 때의 막 두께가 얇아도 수지액의 막 두께를 균일하게 할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

합성 수지에 의한 성형물 제작에는 금형 성형법이 많이 사용되고 있다. 그러나, 금형 성형법은 금형 제작에 많은 비용을 필요로 하고, 또 성형물을 얻기까지는 많은 공정을 거쳐야 하는 등의 문제가 있었다.

금형 성형법의 전술한 문제점을 해결하는 방법으로서, 최근, 광경화성 수지를 소정의 노광 빔으로 노광하여 경화시킴으로써, 소망하는 입체상을 형성하는 방법이 일본국 특허 공개(소) 제62-35,966호 공보 등에 제안되어 있다.

이 방법은 액상의 광경화성 수지 표면의 소정 부분에 빛을 조사하여 소정 형상의 경화층을 형성하고, 이 경화층 위에 다시금 미경화 액상 수지를 공급하고, 재차 빛을 조사하여 경화층을 형성한 다음, 이전의 경화층 위에 적층시키는 과정을 반복함으로써 입체적인 수지 성형품을 형성하는 것이다. 광경화성 수지의 감광 파장 특성, 빔의 지향성 및 집광성 등의 이유로, 수지를 경화시키기 위한 빛으로서 레이저광이 이용되고 있다.

이 방법에 있어서, 순차적으로 적층되는 각 경화층의 두께를 제어하기 위해서는, 기 경화층 위에 공급되는 미경화 수지액 막의 두께를 규제해야 한다. 제4도는 종래의 수지액의 막 두께 규제법을 설명하는 모식도이다. 제4(a)도에 도시하는 수지 경화물(1)을, 제4(b)도에 도시한 바와 같이, 수지액(2)에 가라앉힌다. 이 때, 수지 경화물의 깊이를 소정의 막 두께보다 깊게 한다. 수지액(2)는 자연 유동에 의해서 서서히 경화물 표면 위로 공급되고, 액면은 수평으로 된다. 다음에 제4(c)도에 도시한 바와 같이, 수지 경화물(1)을 소정 위치까지 상승시킨다. 이때, 일반적으로, 수지액 면은 수평은 아니고, 수지 경화물(1) 위의 전면 또는 그 일부에서 솟아오르며, 따라서 수지 경화물(1) 위의 수지액(2)의 막 두께는 예정된 두께보다 두껍게 되어 있다. 계속해서, 제4(d)도에 도시한 바와 같이, 액면에 대해 수직으로 있는 평활판으로 이루어지는 와이퍼(3)을 이동시킴으로써, 여분으로 얹혀 있는 수지액을 긁어 떨어뜨려, 제4(e)도에 도시한 바와 같이, 수지 경화물(1)위의 수지액의 막 두께를 규정 두께로 만든다.

또한, 일본국 특허 공개(소) 제61-114,818호에는 수지액을 공급하면서 수지액 면에 대해 수직 평활판으로 이루어진 와이퍼를 이동시킴으로써 균일한 막 두께를 얻는 방법이 기재되어 있다.

그러나, 상기의 막 두께 규제 방법으로는, 0.2㎜ 정도의 비교적 두꺼운 적층인 경우에는 문제가 없었으나, 0.1㎜ 이하의 정밀한 적층을 행하고자 하는 경우에는 수지액의 점도나 표면 장력에 기인한다고 생각되는 액면의 솟아오름이 발생하여, 교묘하게 적층되지 않음을 알 수 있었다. 예를 들면, 제4(d)도에 도시한 것과 같은 액면에 대해 수직인 와이퍼를 사용하면, 각 경화 과정마다의 액면의 속아오름에 대응해서 경화층에는 서서히 렌즈 형상의 솟아오름이 발생하며, 최후에는 수지 경화물이 액면보다도 높아져 버려서, 와이퍼가 이 수지 경화물에 접촉되어, 심한 경우에는 성형물을 파괴해 버리거나, 반대로 와이퍼가 움직이지 않게 되어 성형이 불가능하게 되어 버리는 일이 있었다. 또한, 와이퍼와의 접촉에까지는 이르지 않는다고 해도, 당연한 일이지만, 높은 방향의 정밀도도 전혀 신뢰할 수 없는 것이 되어 있었다. 예를 들면, 이와 같은 조건에서 성형한 모델은, 제5(a)도에 도시한 설계 형상에 대해, 제5(b)도에 도시한 것과 같은 형상이 되어, 실용에 견디지 못한 것이었다.

광조형법에 있어서는, 곡면이나 사면에 있어서 반드시, 각 적층의 두께에 균등한 단차(段差)가 발생하므로, 성형물의 정밀도를 높이기 위해서는 적층 두께가 되도록 얇은 쪽이 바람직하다. 적층 두께가 얇으면 얇을수록 표면이 매끄럽게 되고, 후속 공정에서의 연마 마무리가 불필요하게 되거나 용이하게 되기 때문에 바람직하다. 이러한 관점에서, 상기의 솟아오름 현상은 지극히 적합치 않는 현상이었다.

본 발명은 전술한 종래의 문제를 해결하고, 입체상을 정밀하게 형성할 수 있는 방법 및 그를 위한 장치를 제공함을 목적으로 한다.

상기 솟아오름 현상을 상세히 검토한 결과, 와이퍼와 수지액의 접촉각에 의해 메니스커스(meniscus)가 형성됨으로써, 수지액이 와이퍼에 부착되어 있음에 그 원인이 있음을 알 수 있었다. 즉, 제6(a)도에 도시한 바와 같이, 수지액 면에 대한 수직 와이퍼(3)의 접촉각이 90도인 조합이 아닌 한, 반드시 메니스커스가 형성되어, 액면보다도 수지액(2)가 높아저 버리는 것이다. 이 메니스커스는 와이퍼(3)의 이동과 함께 옮겨가지만, 제6(b)도에 도시한 바와 같이, 와이퍼(3)이 수지 경화물(1)의 표면에서 떨어저 나간 뒤에도 솟아오름의 영향은 잔존한다.

이러한 사실에 비추어서, 메니스커스를 발생시키지 않으면, 솟아로름 현상도 일어나지 않는다는 생각에서 출발하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다. 제7도에는 와이퍼(3)과 수지액(2)와의 접촉각 θ를 도시한다. 제7도에 도시된 바와 같이, 접촉각 θ를 갖는 수지액과 와이퍼의 조합에 있어서, 액면과 와이퍼가 제7(a)도와 같이, 서로 수직으로 위치하고 있는 경우에는 메니스커스가 형성되어 액면이 높아진다.

제7(b)도는 수지액(2)가 평활판(3) 위로 끌려 올려지고 있는 경우의 접촉각을 도시한 것이다.

이에 대해, 제7(c)도에 도시된 바와 같이, 와이퍼(3)을 경사시켜서, 액면과 평활판이 이루는 각도를 균등한 접촉각 θ로 되게 하면, 최소한 평활판의 한쪽에 있어서는, 외관상 액면은 수평이 되고, 수지액이 액면보다 높아지는 일은 없다. 즉, 수평으로 되어 있는 액면 쪽이 뒤로 남게하는 방향으로 와이퍼를 이동시키면, 와이퍼가 이동한 다음에 형성되는 면은 평활하고, 또한 균일한 막 두께가 얻어진다.

본 발명에 의한 입체상 형성, 즉, 수지 수용 용기에 수용된 액상 광경화성수지에 광을 조사하여 선택적으로 광경화층을 형성하고, 이 광경화층을 복수개 적층시켜 삼차원 입체상을 형성하는 방법에 있어서, 와이퍼를 상기 수지 용기 상에 수지액 표면에 대해서 메니스커스가 발생되지 않을 정도로 경사 각도를 유지시켜 배치하고, 상기 와이퍼를 그 길이 방향과 직교하는 방향으로 이동시켜서, 수지액층을 형성시킨다. 이러한 본 발명의 방법에 대해서 0.1㎜이하의 정밀한 적층이 가능하게 되었다.

또한, 본 발명에 의한 입체상 형성 장치는, 수지 수용 용기에 수용된 액상 광경화성 수지에 광을 조사하여 선택적으로 광경화층을 형성하고, 이 광경화층을 복수층 적층시켜, 삼차원 입체상을 형성하는 장치에 있어서, 이 수지 수용 용기상에 수지액 표면에 대해 메니스커스가 실질적으로 발생하지 않는 경사 각도로 설치된 와이퍼와, 이 와이퍼를 그 길이 방향과 직교하는 방향으로 이동시키는 수단을 갖는 것을 특징으로 한다.

와이퍼는 표면이 평활한 것, 즉 평활판인 것이 바람직하며, 그 평활판과 수지액의 각도는 수지 종류와 평활판에 사용하는 재질의 조합에 따라서 다르나, 이상적으로는 이용자의 조합에 의해서 임의적으로 결정되는 접촉각에 균등하게 설정하는 것이 바람직하며, 메니스커스가 실질적으로 형성되지 않는 정도이면 접촉각에서 벗어나 있어도 무방하다.

또, 와이퍼와 수지액이 이루는 각도는 30도 이상이 바람직하다. 30도 미만이면, 어떤 작용에 의해서 수지액이 사면 위로 올라가 있는 경우, 이 수지액이 서서히 낙하하여 역효과를 일으키는 경우가 있다.

이러한 이유 때문에, 와이퍼에 사용하는 재질로서는, 되도록이면 저 표면 에너지를 갖는 것이 바람직하다. 저 표면 에너지를 갖는 재질 쪽이, 수지액과의 접촉각이 커지고, 그 부분의 평활판과의 경사 각도를 크게할 수 있으며, 또한 수지액과의 습윤성이 나쁘기 때문에 와이퍼 표면에 수지액이 부착되는 것을 방지할 수 있다. 구체적으로는, 테프론, 폴리불화비닐리덴 등의 불소 함유 폴리머, 규소 수지 및 금속 등의 다른 재료를 이들 수지로 코팅 또는 라미네이트한 것이 바람직하다.

와이퍼의 구조로서는, 본 발명에 의한 경사 와이퍼를 단독으로 사용해도 좋고, 복수개 사용해도 무방하다. 복수개의 와이퍼를 사용하는 경우에는, 와이퍼의 진행 방향에 대해 최후의 1번 와이퍼가 본 발명의 경사 와이퍼라면, 앞의 와이퍼는 수직 와이퍼이더라도, 또 쇄모상(刷毛狀)의 것이라도 상관없다.

본 발명에 있어서는, 메니스커스가 실질적으로 발생하지 않는 경사각의 경사 와이퍼를 사용하고 있으므로, 0.1㎜이하의 정밀한 적층이 가능해지고, 조형물의 표면을 매끄럽게 하는 일이 가능해졌다. 이로 인해, 조형물의 외관이 향상될 뿐아니라, 후속 공정에서의 연마가 용이해지거나 불필요하게 되고, 모델 제작의 신속화가 가능해지며, 또 조형물의 높이 방향의 해상도도 향상시킬 수 있다.

이하에 도면을 참조해서 본 발명의 실시예를 설명한다.

제1도는 본 발명에 사용할 수 있는 입체상 형성 장치의 일례의 구성을 도시하는 모식적 사시도이다. 이 장치는 액상의 광경화성 수지 표면에 레이저 빔을 조사(照射)하고 주사(走査)하는 광학계와, 액상의 수지를 수용하고 또한 수지의 경화층을 승강(昇降)시키는 수지 수용계를 구비하고 있다. 광경화성의 수지액(g)는 수지액조(h)내에 수용되고, 액조(h)에는 수지액 표면의 경화조(i)를 승강시키는 승강대(f) 및 평활판(k), 넘쳐 유출되는 수지액을 조에 되돌리는 펌프(m)이 설치되어 있다.

광학계는 레이저 발진기(a), 밀러(b) 및 (e), 셔터(c) 및 Z 포커스렌즈(d)에 의해서 수지액(g)의 표면에 초점을 맞춘 레이저 빔(j)를 밀러(e)를 회전시킴으로써, 수지액면을 주사한다. 이 때, 레이저 빔이 수직으로 액면을 조사할 때와, 어느 각도를 유지하여 경사로 조사할 때에 광로차(光路差)를 일으켜 합초(合焦) 위치가 어긋나지만, Z 포커스렌즈를 사용함으로써, 이 광로차를 보정하고, 합초 위치를 항상 액면에 맞출 수 있다. Z 포커스렌즈에 대체해서, 레이저 빔의 경로를 따라서 이동하는 보정 렌즈를 설치함으로써 합초 위치를 조정할 수도 있다.

입체상의 형성을 위해서는, 형성하기 위한 입체상을, 예를 들면 수직 방향으로 얇게 슬라이스한 단면 형상으로 기억장치에 기억시키고, 계산기 등의 제어장치에 의해서 밀러(e)의 회전을 제어하여 매층마다 소정 형상의 경화층을 만들고, 또한 승강대(f)를 제어해서 경화층의 두께만큼 성형물을 수지액중에 강하시키는 것으로 이루어지며, 기억장치, 제어장치 등은 기존의 장치들을 사용해도 마찬가지로 좋으므로, 이들 장치의 도시를 생략한다. 평활판(k)는 같은 제어장치에 의해 제어되는 모터에 의해서, 필요한 시기에 도면의 화살표 및 그 반대 방향으로 이동된다. 평활판의 구동계로서는 기존의 장치들도 마찬가지로 좋으므로, 구동계의 도시를 생략한다.

입체상의 형성 장치로서는, 제1도에 도시한 것과 같은 가동(可動)밀러를 사용해서 레이저 빔을 주사하는 장치 외에, NC 테이블에 의해서 광파이버를 이동시켜서 주사하는 장치 등, 또는 액정 셔터 등의 마스크를 사용해서 일괄적으로 노광하는 장치 등도 사용 가능하다.

사용하는 광경화성 수지도, 통상 사용되고 있는 액상 광경화성 수지이면 특히 한정하지 않고 사용할 수 있으며, 우레탄 아크릴레이트, 에폭시아크릴레이트등을 주성분으로 하는 라디칼 중합형의 광경화성 수지나, 에폭시 수지의 양이온 광중합을 이용한 광경화성 수지 등이 일례로서 열거된다.

다음으로 본 발명에 따른 와이퍼를 사용하여 삼차원 입체상을 형성하는 방법에 관해서 설명한다. 본 발명에 따른 와이퍼의 기본 구조를 제2도에 도시하였다. 이 구조는 평활한 얇은 판자의 밑면을 접촉각 θ와 균등하게 되도록 절단한 것이며, 평활판(4)의 밑면을 액면에 접촉시켜 이동시킨다. 제3도는 본 발명에 의한 와이퍼의 구조예를 도시한 것이며, (a)는 제2도에 도시한 기본 구조의 상부에 수직 부분(4A)를 설치한 것이다. (b)는 한쪽면이 수직으로 된 구조의 것이다. (c)는 종래의 수직 와이퍼(3)와 조합한 예이다. (d)는 쇄모(5)와 조합한 예이다. (c) 및 (d)의 예에 있어서, 수직 와이퍼(3) 및 쇄모(5)는 와이퍼(4)의 진행 방향 앞쪽에 설치된다.

[실시예 1]

이 실시예에서는 제1도에 도시한 구조의 장치를 사용하였다. 본 장치는 액면의 수준 제어에 오버플로 방식을 이용한 예이고, 순환 펌프(m)으로 수지액을 계속 순환시킴으로써, 액면은 항상 일정하게 유지되도록 되어 있다. 본 장치를 사용해서, 제5(a)도에 도시한 형상의 모델을 1층마다 적층 두께 50㎛로 제작하였다. 제5(a)도에는 모델의 치수를 ㎜ 단위로 도시하고 있다.

와이퍼의 재질은 두께 2㎜의 테프론판을 제3(a)도에 도시한 형상으로 가공한 것을 사용하였다. 광경화성 수지는 우레탄 아크릴레이트계 수지 데솔라이트 SCR-200(니혼 고오세이 고무 가부시끼가이샤 제품)을 사용하였다. 본 수지와 테프론판과의 접촉각은 60도였다. 따라서, 와이퍼의 경사 각도 θ는 60도가 되도록 조정하였다.

적층은 제4도에 도시한 것과 동일한 방법으로 행하였다. 즉 제n층의 레이저 조사에 의한 경화 종료후, 승강대(f)를 1.5㎜ 가라앉히고, 동시에 평활판(k)를 제1도중의 화살표와 반대 방향으로 층 끝까지 이동시킨다. 이어서 5초간 정치(靜置)하여, 제n층 위에 수지액을 놓고, 이어서 소정의 높이(초기 위치에서 50㎛ 아래 위치)까지 승강대를 상승시킨다. 이어서, 평활판을 도면의 화살표 방향으로 이동시켜서 액면을 균일하게 한다. 이어서, 5초간 정치한 다음, 제n+1층의 레이저 조사를 행하였다. 이하, 동일한 조작을 반복해서 모델을 완성시켰다.

성형중 평활판이 조형물에 접촉하는 일 없이, 또 완성된 모델은 제5(b)도에 도시한 것과 같은 솟아오름 현상이 일어남이 없이, 설계 형상대로의 양호한 외관을 나타내고 있었다.

[비교예 1]

실시예 1과 동일한 방법으로 와이퍼를 제6(a)도에 도시한 것과 같은 수직 와이퍼를 사용해서, 제5(a)도의 모델을 제작하였다. 재질은 실시예 1과 같은 테프론판을 사용하였다. 이 경우, 설계치보다 높게 되어 있는 부분이 있기 때문에 성형중에 와이퍼가조형물에 접촉됨이 관찰되었다.

따라서, 완성된 모델은 제5(b)도에 도시한 것과 같은 솟아오름을 갖는 것이었다.

[실시예 2]

제3(c)도에 도시한 것과 같은 2장의 평활판을 사용해서, 20㎛의 적층 두께로 제5(a)도의 모델을 제작하였다. 경사 평활판의 재질은 실시예 1과 동일하게 테프론판을, 수직 평활판에는 두께 2㎜의 폴리에틸렌판을 사용하였다. 뒤의 조작방법은 실시예 1과 동일하게 작성하였다. 성형중의 접촉도 없었고, 또 완성된 모델은 설계 형상대로의 것이었다.

[실시예 3]

제3(d)도에 도시한 것과 같은 쇄모와 병용한 평활판을 사용해서 동일한 실험을 적층 두께 30㎛에서 행하였다. 이번에는 실시예 1과 같은 승강대를 일단 깊게 가라앉히는 조작을 행하지 않고, 처음부터 소정의 적층 두께 30㎛ 만큼 가라앉혀서 적층을 행하였다.

경사 평활판의 재질은 두께 1㎜의 폴리불화비닐리덴판을 사용하였다.

이 재질과 수지액과의 접촉각은 47도이고, 따라서 경사 각도는 47도로 조정하였다. 쇄모는 양모 제품으로 모족 20㎜의 것을 사용하였다.

성형중의 접촉도 관찰되지 않았고, 완성된 모델도 설계 형상대로의 것이었다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 0.1㎜ 이하의 정밀한 적층을 행할 수 있으므로, 조형물 표면을 매끄럽게 하는 일이 가능하게 되었다. 이 때문에, 조형물의 외관이 향상될 뿐 아니라, 후처리 공정에서의 연마가 용이하게 되거나 또는 불필요해져서, 모델 제작의 신속화가 가능해지고, 또 조형물의 높이 방향의 해상도도 향상시킬 수 있다.

Claims

수지 수용 용기에 수용된 액상 광경화성 수지에 광을 조사하여 선택적으로 광경화층을 형성하고, 이 광경화층을 복수층 적층시켜 삼차원 입체상을 형성하는 방법에 있어서, 와이퍼를 상기 수지 수용 용기 상에 수지액 표면에 대해서 메니스커스가 실질적으로 발생되지 않는 경사 각도로 배치하고, 상기 와이퍼를 그 길이 방향과 직교하는 방향으로 이동시켜서, 평활하고 균일한 막 두께의 수지액층을 형성시키는 것을 특징으로 하는 광학적 입체상 형성 방법.
수지 수용 용기에 수용된 액상 광경화성 수지에 광을 조사하여 선택적으로 광경화층을 형성하고, 이 광경화층을 복수층 적층시켜 삼차원 입체상을 형성하는 장치에 있어서, 상기 수지 수용 용기 상에 수지액 표면에 대해서 메니스커스가 실질적으로 발생되지 않는 경사 각도로 설치된 와이퍼와, 상기 와이퍼를 그 길이 방향과 직교하는 방향으로 이동시키는 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 광학적 입체상 형성 장치.