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Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Formvorrichtung und ein optisches Formverfahren.
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In zurückliegenden Jahren hat ein optisches Formverfahren zum Formen einer dreidimensionalen (im Folgenden als "3D" bezeichnet) Struktur Aufmerksamkeit erlangt, in dem ein Vorgang zum ausgewählten Formen einer ausgehärteten Harzschicht durch bestrahlen einer optisch aushärtenden Harzflüssigkeit mit Licht wiederholt durchgeführt wird, so dass eine Mehrzahl von ausgehärteten Harzschichten laminiert sind. In einem derartigen optischen Formverfahren wird eine 3D-Struktur geformt (d.h. hergestellt), indem aus Entwurfsdaten, die durch 3D-CAD (Computer Aided Design – Computerunterstützter Entwurf) erhalten werden, durch Schneiden eines Computermodels der 3D-Struktur mit einem vorbestimmten Abstand (d.h. in vorbestimmten Intervallen) Daten einer Mehrzahl von Querschnitten geschaffen werden, ausgehend von den jeweiligen Querschnittsdaten eine optisch aushärtende Harzflüssigkeit bestrahlt wird und dabei die optisch aushärtende Harzflüssigkeit in einer Schicht aushärtet, und aufeinanderfolgend eine Mehrzahl dieser ausgehärteten Harzschichten laminiert werden. Desto kleiner der Abstand der Schnitte ist, desto höher ist die Genauigkeit, mit der die 3D-Struktur geformt werden kann.
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Hinsichtlich des optischen Formverfahrens ist ein typisches Verfahren ein Verfahren einer freien Flüssigkeitsoberfläche wie z.B. das in der nicht geprüften japanischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer H8-207144 (
JP H08- 207144 A ) offenbarte, in dem eine Bühne zum Stützen eines optisch geformten Gegenstands allmählich von der Flüssigkeitsoberfläche einer optisch aushärtenden Harzflüssigkeit, die in einem Tank vorhanden ist, allmählich abgesenkt wird, und dabei aufeinanderfolgend an der Flüssigkeitsoberfläche der optisch aushärtenden Harzflüssigkeit ausgehärtete Harzschichten ausgebildet werden.
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Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben das folgende Problem in dem voranstehend beschriebenen optischen Formverfahren entdeckt.
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Zum Beispiel wird in dem optischen Formverfahren, das in der
JP H08-207144 A offenbart ist, die Bühne jedes Mal abgesenkt, wenn eine ausgehärtete Harzschicht ausgebildet wird, und die ausgebildete ausgehärtete Harzschicht wird dabei mit der optisch aushärtenden Harzflüssigkeit bedeckt. Dann wird die die ausgehärtete Harzschicht bedeckende optisch aushärtende Harzflüssigkeit mit Licht bestrahlt, und dabei die nächste ausgehärtete Harzschicht ausgebildet. Dieses optische Formverfahren erfordert nämlich Zeit zum Absenken der Bühne, Zeit, um die optisch aushärtenden Harzflüssigkeit über die ausgehärtete Harzschicht fließen zu lassen, und Zeit zum Warten, bis die optisch aushärtende Harzflüssigkeit, die über die ausgehärtete Harzschicht geflossen ist, zwischen der Ausbildung von jeder ausgehärteten Harzschicht und der Ausbildung der nächsten ausgehärteten Harzschicht stabilisiert ist. Deswegen besteht hier ein Problem, dass die Produktivität verringert ist, wenn der Schnittabstand reduziert ist, um die Formgenauigkeit zu verbessern.
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Die vorliegende Erfindung wurde unter Betrachtung des voranstehend beschriebenen Problems gemacht und es ist ihre Aufgabe, eine optische Formvorrichtung und ein optisches Formverfahren bereitzustellen, die in der Lage sind, einen 3D-Gegenstand mit hoher Genauigkeit zu formen, während eine Verringerung der Produktivität unterdrückt ist.
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Ein erster beispielhafter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein optisches Formverfahren zum Formen einer dreidimensionalen Struktur durch Wiederholen eines Vorgangs zum Ausbilden einer ausgehärteten Harzschicht durch bestrahlen einer optisch aushärtenden Harzflüssigkeit mit einem Licht so, dass ausgehärtete Harzschichten laminiert werden, in dem
der Vorgang zum Ausbilden der ausgehärteten Harzschicht hat, während eine Lichtwand (sheet light) auf die optisch aushärtende Harzflüssigkeit angewendet ist, Anwenden eines ersten Lichtstrahls, der die Lichtwand an dieser optisch aushärtenden Harzflüssigkeit schneidet und dabei Ausbilden der ausgehärteten Harzschicht in einem Bereich, in dem die Lichtwand den ersten Lichtstrahl schneidet, und
eine Bestrahlungsstelle der Lichtwand bewegt wird, und der Vorgang zum Ausbilden der ausgehärteten Harzschicht wiederholt wird.
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Das optische Formverfahren gemäß diesem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung erfordert nicht die Zeit, um die optisch aushärtende Harzflüssigkeit über die ausgehärtete Harzschicht fließen zu lassen, und die Zeit zum Warten, bis die optisch aushärtende Harzflüssigkeit, die über die ausgehärtete Harzschicht geflossen ist, stabilisiert ist, die in dem Verfahren gemäß Stand der Technik jeweils beide erforderlich sind. Als Ergebnis ist es möglich, einen 3D-Gegenstand mit hoher Genauigkeit zu formen, während eine Verringerung der Produktivität unterdrückt ist, die ansonsten verursacht werden würde, wenn der Schnittabstand reduziert wird.
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Jede von Bestrahlungsenergiedichten der Lichtwand und des ersten Lichtstrahls ist bevorzugt unterhalb eine kritische Bestrahlungsenergiedichte an einem Gelpunkt der optisch aushärtenden Harzflüssigkeit verringert, und eine Gesamtsumme der Bestrahlungsenergiedichten der Lichtwand und des ersten Lichtstahls ist bevorzugt über die kritische Bestrahlungsenergiedichte angehoben. Durch das Anwenden dieser Bedingung kann eine ausgehärtete Harzschicht in dem Bereich ausgebildet werden, in dem die Lichtwand den ersten Lichtstrahl schneidet.
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Bevorzugt wird ein durch eine digitale Spiegelvorrichtung reflektiertes erstes Licht an die optisch aushärtende Harzflüssigkeit angewendet. Dies beseitigt die Notwenigkeit, die optisch aushärtende Harzflüssigkeit mit dem Lichtstrahl abzutasten und verbessert somit die Produktivität.
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Außerdem hat die optisch aushärtende Harzflüssigkeit bevorzugt ein Mehr-Photonen-Absorptionsmaterial (multi photon absorption material). Eine derartige optisch aushärtende Harzflüssigkeit ermöglicht ein Formen mit einer höheren Genauigkeit.
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Außerdem kann ein zweiter Lichtstrahl angewendet werden, der die Lichtwand schneidet. Die Anwendung des zweiten Lichtstrahls kann die Produktivität verbessern und/oder das Formen eines größeren Gegenstands ermöglichen.
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Ein anderer beispielhafter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist eine optische Formvorrichtung, die eine dreidimensionale Struktur durch Wiederholen eines Prozesses zum Ausbilden einer ausgehärteten Harzschicht durch Bestrahlen einer optisch aushärtenden Harzflüssigkeit mit Licht formt, so dass ausgehärtete Harzschichten laminiert werden, mit:
einer Lichtwandquelle, die eine auf die optisch aushärtende Harzflüssigkeit anzuwendende Lichtwand erzeugt;
einer ersten Lichtquelle, die einen ersten Lichtstrahl erzeugt, der die Lichtwand schneidet; und
einer Antriebseinheit, die die Lichtwandquelle bewegt, in der
eine Bestrahlungsstelle der Lichtwand durch die Antriebseinheit bewegt wird, und ein Vorgang zum Ausbilden der ausgehärteten Harzschicht in einem Bereich wiederholt wird, in dem die Lichtwand den ersten Lichtstrahl schneidet.
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Die optische Formvorrichtung gemäß diesem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung erfordert nicht die Zeit, die optisch aushärtende Harzflüssigkeit über die ausgehärtete Harzschicht fließen zu lassen, und die Zeit, um zu warten, bis die über die ausgehärtete Harzschicht geflossene optisch aushärtende Harzflüssigkeit stabilisiert ist, die in dem Verfahren gemäß Stand der Technik beide erforderlich sind. Als Ergebnis ist es möglich, einen 3D-Gegenstand mit hoher Genauigkeit zu formen, während eine Verringerung der Produktivität unterdrückt ist, die ansonsten verursacht werden würde, wenn der Schnittabstand reduziert wird.
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Die optische Formvorrichtung hat bevorzugt außerdem eine digitale Spiegelvorrichtung, die den durch die erste Lichtquelle erzeugten ersten Lichtstrahl reflektiert, in der das durch die digitale Spiegelvorrichtung reflektierte erste Licht bevorzugt auf die optisch aushärtende Harzflüssigkeit angewendet ist. Dies beseitigt die Notwendigkeit, die optisch aushärtende Harzflüssigkeit mit dem Lichtstrahl abzutasten, und verbessert somit die Produktivität. Außerdem kann die optische Formvorrichtung eine zweite Lichtquelle haben, die einen zweiten die Lichtwand schneidenden Lichtstrahl erzeugt. Die Verwendung der zweiten Lichtquelle kann die Produktivität verbessern, und/oder das Formen einen größeren Gegenstands ermöglichen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine optische Formvorrichtung und ein optisches Formverfahren bereitzustellen, die in der Lage sind, einen 3D-Gegenstand mit hoher Genauigkeit zu formen, während eine Verringerung der Produktivität verhindert oder minimiert ist.
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Die voranstehend beschriebene und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und den anhängenden Zeichnungen besser verstanden werden, die lediglich als Darstellung gegeben werden, und somit nicht als die Erfindung begrenzend zu berücksichtigen sind.
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In den Figuren zeigt:
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1 einen schematischen Querschnitt einer optischen Formvorrichtung gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform;
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2 ein Bild, das Querschnittsdaten zeigt, die durch das Schneiden einer 3D-Struktur mit einem vorbestimmten Abstand p erhalten werden;
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3 ein Diagramm, das ein Verhältnis zwischen einer Bestrahlungsenergie pro Flächeneinheit (Bestrahlungsenergiedichte) und einer Aushärtedicke zeigt;
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4 einen schematischen Querschnitt einer optischen Formvorrichtung gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform; und
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5 einen schematischen Querschnitt einer optischen Formvorrichtung gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform.
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Bestimmte beispielhafte Ausführungsformen, an denen die vorliegende Erfindung angewendet ist, werden im Folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen im Detail erläutert. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die im Folgenden gezeigten beispielhaften Ausführungsformen begrenzt. Außerdem sind die folgenden Beschreibung und die Zeichnungen zum Zweck der Klarstellung der Erläuterung vereinfacht.
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Erste beispielhafte Ausführungsform
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Zuerst wird mit Bezug auf 1 eine optische Formvorrichtung gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform erläutert. 1 ist ein schematischer Querschnitt einer optischen Formvorrichtung gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform. Wie aus 1 ersichtlich ist, hat die optische Formvorrichtung gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform einen Behältertank 110, eine Bühne 121, eine Stange 122, eine Lichtwandquelle 131, eine erste Lichtquelle 132, eine digitale Spiegelvorrichtung (DMD) 141, eine Speichereinheit 150 und eine Steuereinheit 160.
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Es ist anzumerken, dass es nicht erforderlich ist, zu erwähnen, dass das aus 1 ersichtliche rechtsläufige (rechtshändige) xyz-Koordinatensystem lediglich zum Zweck der Einfachheit der Erläuterung des Positionsverhältnisses der Bauteile dient. In 1 bildet die xy-Ebene eine horizontale Ebene, und die z-Achsenrichtung ist die vertikale Richtung. Noch genauer, die positive Richtung der z-Achse ist die Richtung vertikal nach oben.
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Der Behältertank 110 ist ein kastenförmiger Tank mit einem offenen oberen Bereich. Eine optisch aushärtende Harzflüssigkeit 51 wie z.B. eine UV-aushärtende Harzflüssigkeit ist in dem Behältertank 110 enthalten. Es sollte angemerkt werden, dass von der Lichtwandquelle 131 abgegebenes Licht durch eine Seitenwand des Behältertanks 110 auf die in dem Behältertank 110 vorhandene optisch aushärtende Harzflüssigkeit 51 angewendet wird. Deswegen ist der Behältertank 110 optisch transparent und z.B. aus einem Glas, einem transparenten Harz oder ähnlichem hergestellt. Die optisch aushärtende Harzflüssigkeit 51 ist bevorzugt aus einem Mehr-Photonen-Absorptionsmaterial hergestellt. Durch Verwendung des Mehr-Photonen-Absorptionsmaterials kann ein geformter Gegenstand 52 genauer geformt (d.h. hergestellt) werden.
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Die Bühne 121 ist ein Sockel zum Stützen des geformten Gegenstands 52, der innerhalb des Behältertanks 110 ausgebildet wird. Mit anderen Worten, der geformte Gegenstand 52 wird oberhalb der innerhalb des Behältertanks 110 vorgesehenen Bühne 121 ausgebildet. Die Bühne 121 ist durch die Stange 122 gestützt und kann in der vertikalen Richtung (z-Achsenrichtung) bewegt werden. Deswegen kann der geformte Gegenstand 52 einfach aus dem Behältertank 110 herausgenommen werden. Es ist anzumerken, dass der geformte Gegenstand 52 direkt oberhalb der Bodenfläche des Behältertanks 110 ausgebildet werden kann, ohne die Bühne 121 und die Stange 122 zu verwenden. Die Bühne 121 und die Stange 122 sind nämlich nicht unverzichtbar für die optische Formvorrichtung.
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Die Lichtwandquelle 131 ist z.B. eine Laserlichtwandquelle und gibt parallel zu der xy-Ebene ein ebenes Licht (Lichtwand) Ls ab. Wie voranstehend beschrieben wurde, wird die von der Lichtwandquelle 131 abgegebene Lichtwand Ls durch die Seitenwand des Behältertanks 110 auf die optisch aushärtende Harzflüssigkeit 51 angewendet. Die Dicke der Lichtwand Ls wird angepasst, um zu dem Schnittabstand p der 3D-Struktur zu passen. Wie außerdem durch den Pfeil in der Figur angezeigt ist, kann die Lichtwandquelle 131 durch die Antriebseinheit in die vertikale Richtung (z-Achsenrichtung) bewegt werden.
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Insbesondere wird die Lichtwandquelle 131 zu jeder Zeit, zu der eine neue ausgehärtete Harzschicht 53 ausgebildet wird, nach oben (zu der positiven Seiten in der z-Achsenrichtung) um einen Abstand entsprechend dem Schnittabstand p bewegt. Auf diese Weise wird der geformte Gegenstand 52 durch aufeinander folgendes Ausbilden und Laminieren von ausgehärteten Harzschichten 53 von unten nach oben ausgebildet. Es ist anzumerken, dass, wie später im Detail beschrieben ist, keine ausgehärtete Harzschicht 53 durch die Anwendung der Lichtwand Ls alleine ausgebildet wird. Eine ausgehärtete Harzschicht 53 ist nämlich in einem Bereich (mehreren Bereichen) ausgebildet, in denen die Lichtwand Ls einen Lichtstahl L1 schneidet.
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Die erste Lichtquelle 132 hat z.B. eine UV-Strahlenlampe und eine Kondenserlinse, und gibt einen Lichtstrahl (ersten Lichtstrahl) L1 ab. Der Lichtstrahl L1 wird durch die DMD 141 reflektiert und von oben (von der positiven Seite in der z-Achsenrichtung) auf die optisch aushärtende Harzflüssigkeit 51 angewendet. Wie später im Detail beschrieben ist, ist anzumerken, dass durch die Anwendung des Lichtstrahls L1 alleine keine ausgehärtete Harzschicht 53 ausgebildet wird.
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Die DMD 141 wird durch die Steuereinheit 160 so gesteuert, dass die Form des Bestrahlungspunkts des Lichtstrahls L1 an der Stelle, an der der Lichtstrahl L1 die Lichtwand Ls schneidet, der Querschnittsform der 3D-Struktur entspricht. In der optischen Formvorrichtung gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform besteht kein Bedarf, die optisch aushärtende Harzflüssigkeit mit dem Lichtstrahl L1 abzutasten, da die DMD 141 verwendet wird, wodurch eine hohe Produktivität erlangt wird. Jedoch muss die DMD 141 nicht verwendet werden, und die optisch aushärtende Harzflüssigkeit kann mit dem Lichtstrahl L1 abgetastet werden. Es ist anzumerken, dass anstelle mit dem Lichtstrahl L1 unter Verwendung der DMD 141 die gesamte Querschnittsform der 3D-Struktur abzutasten, die Querschnittsform der 3D-Struktur in einer Mehrzahl von Abschnitten unterteilt werden kann, und jeder Abschnitt aufeinanderfolgend mit dem Lichtstrahl L1 bestrahlt werden kann. Dadurch kann eine kostengünstige erste Lichtquelle 132 niedriger Leistung verwendet werden, jedoch ist die Produktivität verringert.
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Die Speichereinheit 150 speichert Daten von Querschnitten, die durch das Schneiden eines Computermodells der 3D-Struktur mit einem vorbestimmten Abstand (d.h. in vorbestimmen Intervallen) erhalten werden. 2 zeigt ein Bild, das Querschnittsdaten zeigt, die durch das Schneiden des Computermodells der 3D-Struktur in dem vorbestimmten Abstand p erhalten werden. Wie aus 2 ersichtlich ist, sind Daten einer Mehrzahl von Querschnitten aus durch ein 3D-CAD erhaltenen 3D-Entwurfsdaten der 3D-Struktur erschaffen, die durch Schneiden eines Computermodells der 3D-Struktur in einen vorbestimmten Abstand p erhalten werden. In dem aus 2 ersichtlichen Beispiel sind 3D-Entwurfsdaten eines konischen Sockels, dessen Mittelachse mit der z-Achse zusammenfällt, parallel zu der xy-Ebene in einem vorbestimmten Abstand p geschnitten. Auf diese Weise werden als Querschnittsdaten eine Mehrzahl Kreise mit unterschiedlichen Durchmessern erhalten. In der optischen Formvorrichtung gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform werden ausgehärtete Harzschichten 53, die jeweils einem entsprechenden der Querschnittsdaten entsprechen, aufeinanderfolgend ausgebildet und laminiert, so dass ein geformter Gegenstand 52 ausgebildet wird.
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Die Steuereinheit 160 steuert ausgehend von den in der Speichereinheit 150 gespeicherten Daten die Lichtwandquelle 131, die erste Lichtquelle 132 und die DMD 141. Insbesondere steuert die Steuereinheit 160 die Bestrahlungsenergiedichte der von der Lichtwandquelle 131 abgegebenen Lichtwand Ls, die Dicke der Lichtwand Ls und die Aufwärtsbewegung der Lichtwandquelle 131. Außerdem steuert die Steuereinheit 160 ebenfalls die Bestrahlungsenergiedichte des von der ersten Lichtquelle 132 abgegebenen Lichtstrahls L1. Darüber hinaus steuert die Steuereinheit 160 die DMD 141 ebenfalls so, dass die Form des Bestrahlungspunkts des Lichtstrahls L1 an der Stelle, an der der Lichtstrahl L1 die Lichtwand Ls schneidet, zu der Querschnittsform der 3D-Struktur in dieser Höhe passt.
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Wie voranstehend beschrieben wurde, wird in der optischen Formvorrichtung gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform lediglich ein Teil der optisch aushärtenden Harzflüssigkeit 51, die in dem Bereich vorhanden ist, in dem die Lichtwand Ls den Lichtstrahl L1 schneidet, ausgehärtet, und in diesem Bereich wird eine ausgehärtete Harzschicht 53 ausgebildet. Mit anderen Worten, ein Teil der optisch aushärtenden Harzflüssigkeit 51, die an den Stellen angeordnet ist, an denen lediglich die Lichtwand Ls oder der Lichtstrahl L1 angewendet sind, wird nicht ausgehärtet. Es besteht(en) nämlich eine Bedingung (mehrere Bedingungen) für die Bestrahlungsenergien der Lichtwand Ls und des Lichtstrahls L1.
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Eine Bestrahlungsenergiedichte Es der Lichtwand Ls und eine Bestrahlungsenergiedichte E1 des Lichtstrahls L1 werden mit Bezug auf 3 erläutert. 3 ist ein Diagramm, das ein Verhältnis zwischen einer Bestrahlungsenergie pro Flächeneinheit (Bestrahlungsenergiedichte) und einer Dicke der ausgehärteten Harzschichten (im Folgenden als "Aushärtedicken" bezeichnet) zeigt. Die horizontale Achse in 3 stellt Bestrahlungsenergiedichten (beliebige Einheit) dar, und die vertikale Achse stellt Aushärtedicken (beliebige Einheit) dar. Es ist anzumerken, dass die horizontale Achse in 3 in einem logarithmischen Maßstab aufgetragen ist. Wie aus 3 ersichtlich ist, weist der Logarithmus der Bestrahlungsenergiedichten eine lineare Relation mit den Aushärtedicken auf. Außerdem wird die optisch aushärtende Harzflüssigkeit 51 nicht ausgehärtet, bis die Bestrahlungsenergiedichte an einem Gelpunkt eine kritische Bestrahlungsenergiedichte Ec überschreitet.
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Wie voranstehend beschrieben wurde, werden die Bestrahlungsenergiedichten der Lichtwand Ls und des Lichtstrahls L1 so angepasst, dass die optisch aushärtende Harzflüssigkeit 51 nicht ausgehärtet wird, wenn lediglich die Lichtwand Ls oder der Lichtstrahl L1 auf die optisch aushärtende Harzflüssigkeit 51 angewendet wird. Diesbezüglich werden die Bestrahlungsenergiedichte Es der Lichtwand Ls und die Bestrahlungsenergiedichte E1 des Lichtstrahls L1 so angepasst, dass jede davon niedriger als die kritische Bestrahlungsenergiedichte Ec ist. Sie werden nämlich so angepasst, dass ein Verhältnis "Es, E1 < Ec" erfüllt ist.
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Andererseits werden die Bestrahlungsenergiedichte der Lichtwand Ls und des Lichtstrahls L1 so angepasst, dass die optisch aushärtende Harzflüssigkeit 51 ausgehärtet wird, wenn die Lichtwand Ls und der Lichtstrahl L1 gleichzeitig auf die optisch aushärtende Harzflüssigkeit 51 angewendet werden. Diesbezüglich werden die Bestrahlungsenergiedichte Es der Lichtwand Ls und die Bestrahlungsenergiedichte E1 des Lichtstrahls L1 so angepasst, dass die Gesamtsumme davon höher als die kritische Bestrahlungsenergiedichte Ec ist. Diese werden nämlich so angepasst, dass ein Verhältnis "Ec < Es + E1" erfüllt ist.
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Deswegen werden die Bestrahlungsenergiedichte Es der Lichtwand Ls und die Bestrahlungsenergiedichte E1 des Lichtstrahls L1 so angepasst, dass der im Folgenden gezeigte Ausdruck (1) erfüllt ist. Es, E1 < Ec < Es + E1 (1)
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Da die Aushärtedicke gleich dem Schnittabstand p ist, wird die Gesamtsumme (Es + E1) der Bestrahlungsenergiedichte Es der Lichtwand Ls und die Bestrahlungsenergiedichte E1 des Lichtstrahls L1 gemäß dem Schnittabstand p bestimmt, wie aus 3 ersichtlich ist. Es ist anzumerken, dass die Bestrahlungsenergiedichte Es der Lichtwand Ls im Verhältnis zu der Abgabe der Lichtwandquelle 131 und ihrer Bestrahlungszeit ist. Ähnlich ist die Bestrahlungsenergiedichte E1 des Lichtstrahls L1 im Verhältnis zu der Abgabe der ersten Lichtquelle 132 und deren Bestrahlungszeit. Deswegen können die Bestrahlungsenergiedichte Es der Lichtwand Ls und dem Bestrahlungsenergiedichte E1 des Lichtstrahls L1 durch Anpassen der Abgaben der Lichtwandquelle 131 und der ersten Lichtquelle 132 und deren Bestrahlungszeiten angepasst werden.
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Als nächstes wird ein optisches Formverfahren gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform mit Bezug auf 1 und 2 erläutert.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, werden zuerst in einer Mehrzahl von Querschnitten aus 3D-Entwurfsdaten der durch ein 3D-CAD erhaltenen 3D-Struktur Daten geschaffen, indem ein Computermodell dieser 3D-Struktur mit einem vorbestimmten Abstand p geschnitten wird.
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Als nächstes wird, wie aus 1 ersichtlich ist, während die horizontale Lichtwand Ls (Dicke p) auf die optisch aushärtende Harzflüssigkeit 51 angewendet wird, die direkt oberhalb der in der optisch aushärtenden Harzflüssigkeit 51 untergetauchten Bühne 121 vorhanden ist, ein die Lichtwand Ls schneidender Lichtstrahl L1 von oben auf die optisch aushärtende Harzflüssigkeit 51 angewendet. In diesem Vorgang wird die Form des Bestrahlungspunkts des Lichtstrahls L1 an der Stelle, an der der Lichtstrahl L1 die Lichtwand Ls schneidet, ausgehend von den Querschnittsdaten der ersten Schicht gesteuert. Als Ergebnis wird eine ausgehärtete Harzschicht 53, die eine Dicke p aufweist, entsprechend den Querschnittsdaten der ersten Schicht an der Stelle ausgebildet, an der die Lichtwand Ls den Lichtstrahl L1 schneidet. Die optische Achse des Lichtstrahls L1 liegt bevorzugt rechtwinklig zu der Lichtwand Ls, obwohl sie nicht notwendigerweise rechtwinklig zu der Lichtwand Ls liegen muss.
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Es ist anzumerken, wie voranstehend im Detail mit Bezug auf 3 erläutert ist, dass die Bestrahlungsenergiedicht Es der Lichtwand Ls und die Bestrahlungsenergiedichte E1 des Lichtstrahls L1 so angepasst werden, dass jede davon niedriger als die kritische Bestrahlungsenergiedichte Ec an dem Gelpunkt ist, um zu verhindern, dass die optisch aushärtende Harzflüssigkeit 51 in den Bereichen ausgehärtet wird, in denen lediglich die Lichtwand Ls oder der Lichtstrahl L1 auf die optisch aushärtende Harzflüssigkeit 51 angewendet sind.
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Andererseits werden die Bestrahlungsenergiedichte Es der Lichtwand Ls und die Bestrahlungsenergiedichte E1 des Lichtstrahls L1 so angepasst, dass die Gesamtsumme davon höher als die kritische Bestrahlungsenergiedichte Ec ist, so dass die optisch aushärtende Harzflüssigkeit 51 in dem Bereich (in den Bereichen) ausgehärtet wird, in denen die Lichtwand Ls den Lichtstrahl L1 schneidet.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, wird als nächstes die Lichtwandquelle 131 um einen Abstand entsprechend dem Schnittabstand p nach oben (zu der positiven Seite in der z-Achsenrichtung) bewegt. Die Bestrahlungsstelle der Lichtwand Ls wird nämlich um den Schnittabstand p nach oben bewegt. Während die horizontale Lichtwand Ls (Dicke p) wieder auf die optisch aushärtende Harzflüssigkeit 51 angewendet wird, wird dann der die Lichtwand Ls schneidende Lichtstrahl L1 von oben auf diese optisch aushärtende Harzflüssigkeit angewendet. In diesem Vorgang wird die Form des Bestrahlungspunkts der Lichtwand L1 an der Stelle, an der der Lichtstrahl L1 die Lichtwand Ls schneidet, ausgehend von den Querschnittsdaten der zweiten Schicht gesteuert. Als Ergebnis wird eine ausgehärtete Harzschicht 53, die eine Dicke p entsprechend den Querschnittsdaten der zweiten Schicht aufweist, an der Stelle ausgebildet, an der die Lichtwand Ls den Lichtstrahl L1 schneidet.
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Auf diese Weise wird die Lichtwandquelle 131, d.h. die Bestrahlungsstelle der Lichtwand Ls jedes Mal, sobald eine ausgehärtete Harzschicht 53 ausgebildet ist, um den Schnittabstand p nach oben bewegt. Während die horizontale Lichtwand Ls, die eine Dicke p aufweist, auf die optisch aushärtende Harzflüssigkeit 51 angewendet wird, wird dann der Lichtstrahl L1, der die Lichtwand Ls schneidet, von oben auf diese optisch aushärtende Harzflüssigkeit angewendet, so dass neue ausgehärtete Harzschichten 53 aufeinanderfolgend in Bereichen ausgebildet werden, in denen die Lichtwand Ls den Lichtstrahl L1 schneidet. Als Ergebnis kann ein geformter Gegenstand 52 ausgebildet werden, der durch das Laminieren einer Mehrzahl von ausgehärteten Harzschichten 53 erhalten wird.
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Als nächstes werden vorteilhafte Wirkungen in der optischen Formvorrichtung und dem optischen Formverfahren gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform erläutert.
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Wie voranstehend beschrieben wurde, ist die Genauigkeit, mit der die 3D-Struktur geformt werden kann, umso höher, umso kleiner der Schnittabstand ist. Jedoch wird in der optischen Formvorrichtung und dem optischen Formverfahren gemäß dem Stand der Technik die Bühne jedes mal abgesenkt, sobald eine ausgehärtete Harzschicht ausgebildet ist, und die ausgebildete ausgehärtete Harzschicht dabei mit der optisch ausgehärteten Harzflüssigkeit bedeckt. Dann wird die optisch aushärtende Harzflüssigkeit, die die ausgehärtete Harzschicht bedeckt, mit dem Licht bestrahlt und die nächste ausgehärtete Harzschicht wird dabei ausgebildet. Dieses optische Formverfahren erfordert nämlich Zeit zum Absenken der Bühne, Zeit, um die optisch aushärtende Harzflüssigkeit über die ausgehärtete Harzschicht fließen zu lassen, und Zeit zum Warten, bis die über die ausgehärtete Harzschicht geflossene optisch aushärtende Harzflüssigkeit zwischen der Ausbildung von jeder ausgehärteten Harzschicht und der Ausbildung der nächsten ausgehärteten Harzschicht stabilisiert ist. Deswegen besteht hier ein Problem, dass die Produktivität verringert wird, wenn der Schnittabstand reduziert wird, um die Formgenauigkeit zu verbessern.
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Im Gegensatz dazu wird in der optischen Formvorrichtung und dem optischen Formverfahren gemäß dieser beispielhaften Ausführungsform jedes Mal, sobald eine ausgehärtete Harzschicht ausgebildet ist, die nächste ausgehärtete Harzschicht durch das Bewegen der Bestrahlungsstelle der von außen auf die optisch aushärtende Harzflüssigkeit 51 angewendeten Lichtwand Ls nach oben ausgebildet, anstelle die Bühne 121 zu bewegen, die in der optisch aushärtenden Harzflüssigkeit 51 untergetaucht ist. Im Vergleich zu der optischen Formvorrichtung und dem optischen Formverfahren gemäß dem Stand der Technik können nämlich die optische Formvorrichtung und das optische Formverfahren gemäß dieser beispielhaften Ausführungsform den Bedarf für die Zeit, die optisch aushärtende Harzflüssigkeit über die ausgehärtete Harzschicht fließen zu lassen, und die Zeit zum Warten, bis die über die ausgehärtete Harzschicht geflossene optisch aushärtende Harzflüssigkeit stabilisiert ist, vollständig beseitigt werden, und dabei die Produktivität enorm verbessert werden.
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Deswegen erhöht sich in der optischen Formvorrichtung und dem optischen Formverfahren gemäß dieser beispielhaften Ausführungsform sogar, wenn der Schnittabstand p reduziert wird, die Formzeit (d.h., die Herstellungszeit) nicht. Im Gegensatz dazu hat die ausgehärtete Dicke anstelle mit der Bestrahlungsenergiedichte selbst eine lineare Relation mit dem Logarithmus der Bestrahlungsenergiedichte, wie aus 3 ersichtlich ist. Wenn der Schnittabstand p (d.h. die ausgehärtete Dicke) reduziert wird, wird deswegen die Bestrahlungsenergiedichte, die zum Aushärten erforderlich ist, exponentiell reduziert. Unter der Annahme, dass die Abgabe der Lichtwandquelle 131 und der ersten Lichtquelle 132 unverändert sind, kann nämlich die Formzeit (d.h. die Herstellungszeit) durch das Reduzieren des Schnittabstands p reduziert werden, anstelle erhöht zu werden.
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Wie voranstehend beschrieben wurde, können die optische Formvorrichtung und das optische Formverfahren gemäß dieser beispielhaften Ausführungsform einen 3D-Gegenstand mit hoher Genauigkeit formen (d.h. herstellen), während eine Verringerung der Produktivität verhindert oder minimiert ist.
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Zweite beispielhafte Ausführungsform
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Als nächstes wird mit Bezug auf 4 und 5 eine optische Formvorrichtung gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform erläutert. 4 und 5 sind schematische Querschnitte von optischen Formvorrichtungen gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform. Die optische Formvorrichtung gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform hat zusätzlich zu den Bauteilen der optischen Formvorrichtung gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform eine zweite Lichtquelle 133 und eine DMD (digitale Spiegelvorrichtung) 142. Die andere Konfiguration der optischen Formvorrichtung gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform ist ähnlich zu der der optischen Formvorrichtung gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform, und deswegen wird deren ausführliche Erläuterung hier ausgelassen.
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Die zweite Lichtquelle 133 ist ähnlich zu der ersten Lichtquelle 132. Die zweite Lichtquelle 133 hat nämlich z.B. eine UV-Strahlenlampe und eine Kondenserlinse und gibt einen Lichtstrahl (zweiten Lichtstrahl) L2 ab. Der Lichtstrahl L2 wird durch die DMD 142 reflektiert und von oben (von der positiven Seite in der z-Achsenrichtung) auf die optisch aushärtende Harzflüssigkeit 51 angewendet. ist Durch die Anwendung des Lichtstrahls L2 alleine wird keine ausgehärtete Harzschicht 53 ausgebildet.
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Die DMD 142 ist ähnlich zu der DMD 141 und wird durch die Steuereinheit 160 gesteuert. In 4 entspricht die Form des Bestrahlungspunktes an der Stelle, an der der durch die DMD 141 reflektierte Lichtstrahl L1 die Lichtwand Ls schneidet, der Querschnittsform der 3D-Struktur. Außerdem entspricht die Form des Bestrahlungspunktes an der Stelle, an der der durch die DMD 142 reflektierte Lichtstrahl L2 die Lichtwand Ls schneidet, ebenfalls der Querschnittsform der 3D-Struktur. Auf diese Weise werden in der optischen Formvorrichtung gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform der durch die DMD 141 reflektierte Lichtstrahl L1 und der durch die DMD 142 reflektierte Lichtstrahl L2 überlagert und gleichzeitig an der Stelle angewendet, wo diese Lichtstrahlen die Lichtwand Ls schneiden. Dadurch kann die optische Formvorrichtung gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform die ausgehärtete Harzschicht 53 in einer kürzeren Zeit als die ausbilden, die in der optischen Formvorrichtung gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform erforderlich ist.
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Im Gegensatz dazu werden in 5 der durch die DMD 141 reflektierte Lichtstrahl L1 und der durch die DMD 142 reflektierte Lichtstrahl L2 an der Stelle angewendet, an der der Lichtstrahl L1 oder L2 die Lichtwand Ls in einer derartigen Weise schneiden, dass die Lichtstrahlen L1 und L2 einander nicht überlappen. Als Ergebnis werden ausgehärtete Harzschichten 53a und 53b in entsprechenden Bereichen ausgebildet, in denen die Lichtwand Ls die Lichtstrahlen L1 bzw. L2 schneiden. Deswegen kann die optische Formvorrichtung gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform eine 3D-Struktur formen (d.h., herstellen), die eine große Querschnittsform aufweist, die nicht durch die optische Formvorrichtung gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform geformt (d.h., hergestellt) werden kann.
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Aus der somit beschriebenen Erfindung wird deutlich, dass die Ausführungsformen der Erfindung auf verschiedene Weisen variiert werden können. Solche Variationen sind nicht als Abweichung vom Bereich der Erfindung zu betrachten, sondern alle Modifikationen die für einen Fachmann offensichtlich sind, sollen durch den Bereich der folgenden Ansprüche geschützt sein.
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Ein optisches Formverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein optisches Formverfahren zum Formen einer dreidimensionalen Struktur durch Wiederholen eines Vorgangs zum Ausbilden einer ausgehärteten Harzschicht 53 durch Bestrahlen einer optisch aushärtenden Harzflüssigkeit 51 mit Licht, so dass ausgehärtete Harzschichten 53 laminiert werden. Der Vorgang zum Ausbilden der ausgehärteten Harzschicht 53 hat, während eine Lichtwand Ls auf die optisch aushärtende Harzflüssigkeit 51 angewendet ist, Anwenden eines ersten, die Lichtwand Ls schneidenden Lichtstrahls L1 an dieser optisch aushärtenden Harzflüssigkeit, und dabei Ausbilden der ausgehärteten Harzschicht 53 in einem Bereich, in dem die Lichtwand Ls den ersten Lichtstrahl L1 schneidet. Die Bestrahlungsstelle der Lichtwand Ls wird bewegt, und der Vorgang zum Ausbilden der ausgehärteten Harzschicht 53 wird wiederholt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 08-207144 A [0003, 0005]
