DE60314793T2

DE60314793T2 - Dreidimensionales stereolithographisches Verfahren und Vorrichtung

Info

Publication number: DE60314793T2
Application number: DE60314793T
Authority: DE
Inventors: Takakuni Minato-ku Ueno
Original assignee: Teijin Seiki Co Ltd
Current assignee: Nabtesco Corp
Priority date: 2002-03-12
Filing date: 2003-03-12
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2023-03-13
Also published as: DE60314793D1; US7137801B2; EP1344633B1; CN1443636B; JP3792168B2; CN1443636A; US20030173714A1; EP1344633A1; JP2003266546A

Description

Die vorliegende Anmeldung beruht auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2002-66399.
Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein dreidimensionales stereolithografisches Verfahren und eine Vorrichtung, die eine lichthärtbare Harzverbindung verwenden. Im Besonderen bezieht sich die Erfindung auf ein dreidimensionales stereolithografisches Verfahren und eine Vorrichtung, um verschiedene dreidimensional geformte Erzeugnisse herzustellen, die ein Format aufweisen, das sich von dem kleinen Format bis zu dem großen Format von einer lichthärtbaren Harzverbindung mit einer hohen Formungspräzision und einer guten Produktivität bei einer hohen Formungsgeschwindigkeit erstreckt, ohne das ungleichmäßige Härten zu verursachen.
2. Verwandte Technik
In den letzten Jahren wurden ein stereolithografisches Verfahren und eine Vorrichtung in der praktischen Verwendung eingesetzt, welche ein dreidimensional geformtes Erzeugnis durch das Härten eines lichthärtbaren Harzes gemäß den Daten herstellen, die in einen dreidimensionalen CAD eingegeben werden. Diese stereolithografische Technik wurde hervorgehoben, weil sie leicht ein kompliziertes dreidimensional geformtes Erzeugnis wie etwa das Modell für das Überprüfen der äußerlichen Formgebung im Zuge der Formgebung, das Modell für das Überprüfen der Funktionalität von Teilen, das Harzmodell für das Erzeugen einer Form und das Grundmodell für das Erzeugen einer Form herstellen kann.
Um ein geformtes Erzeugnis durch ein stereolithografisches Verfahren herzustellen, wurde allgemein ein Verfahren verwendet, das ein Formungsbad anwendet. In Einzelnen wurde weitgehend ein Prozess angewendet, welcher das Vorbereiten eines Formungsbades um fasst, das mit einem flüssigen, lichthärtbaren Harz gefüllt ist, und dann das wiederholte Durchführen eines Schritts der selektiven Bestrahlung des flüssigen, lichthärtbaren Harzes mit dem Punkt-Ultaviolett-Laserstrahl, welcher durch einen Rechner so gesteuert wird, dass ein gewünschtes Muster auf der flüssigen Oberfläche des Formungsbades so bereitgestellt wird, dass es bis zu einer vorgegebenen Dicke lichtgehärtet wird, um eine gehärtete Harzschicht auszubilden, einen Schritt, um die gehärtete Harzschicht vertikal in dem Formungsbad so zu bewegen, dass das lichthärtbare Harz in dem Formungsbad auf die gehärtete Harzschicht fließt, um eine Lösungsschicht aus lichtgehärtetem Harz auszubilden, und einen Schritt der Bestrahlung der lichthärtbaren Harz-Lösungsschicht mit dem Punkt-Ultaviolett-Laserstrahl, um eine gehärtete Harzschicht auszubilden, bis ein dreidimensional geformtes Erzeugnis erhalten wird, das eine vorgegebene Form und Dimension aufweist.
Das oben erwähnte Verfahren des Stands der Technik, das die Verwendung des Punkt-Ultaviolett-Laserstrahls einschließt, benutzt jedoch einen so genannten Punkt-Zeichnungs-Prozess, welcher die Bestrahlung der Oberfläche eines lichthärtbaren Harzes mit einem Punkt-Laserstrahl umfasst, welcher sich entlang der Oberfläche des lichthärtbaren Harzes bewegt, um ein zweidimensionales lichtgehärtetes Muster auszubilden und ist somit darin unvorteilhaft, dass es viel Zeit kostet, das Material zu formen, was eine verminderter Produktivität ergibt. Weiterhin ist dieser Typ einer dreidimensionalen stereolithografischen Vorrichtung auch sehr teuer, weil das Ultraviolett-Lasergerät, das als Lichtquelle verwendet wird, außerordentlich teuer ist.
Für den Zweck der Beseitigung der oben erwähnten Nachteile der verwandten Technik wurde ein dreidimensionales stereolithografisches Verfahren vorgeschlagen, das eine lineare Belichtungsmaske verwendet, die optische Verschlüsse aufweist, die in einer Reihe darin angeordnet sind, die in der Lage sind, die Lichtabschirmung in dem kleinen Punktbereich zu steuern, welches die Steuerung der optischen Verschlüsse gemäß einer vorgegebenen horizontalen Querschnittsform-Vorlage umfasst, während die Belichtungsmaske in eine Richtung senkrecht zu der Ausrichtungs-Richtung der optische Verschlüsse gerastert wird, um der Reihe nach eine Schicht der lichtgehärteten Harzschicht auszubilden (JP-A-4-305438). Nach diesem Verfahren ist es nicht unbedingt erforderlich, dass als eine Lichtquelle ein teures Ultraviolett-Lasergerät verwendet werden muss. Es kann eine preiswerte Lichtquelle wie etwa die gewöhnliche Ultraviolett-Lampe verwendet werden. Weiterhin kann die Formungsgeschwindigkeit im Vergleich mit der vorher erwähnten verwandten Technik erhöht werden, wobei die Verwendung des Punkt-Ultaviolett-Laserstrahls eingeschlossen ist. Nach diesem Verfahren wird jedoch ein Schritt der Ausbildung eines linearen, lichtgehärteten Abschnitts Reihe für Reihe in der Rasterungs-Richtung der Belichtungsmaske viele Male wiederholt, um eine Schicht eines Querschnitts-Formmusters auszubilden. Sobald die Rasterungs-Geschwindigkeit der Belichtungsmaske erhöht wird, kann ein sorgfältig lichtgehärteter Abschnitt nicht Reihe für Reihe ausgebildet werden, was es notwendig macht, dass die Belichtungsmaske langsam gerastert werden muss. Weiterhin umfasst dieses Verfahren das Ausbilden der Reihe nach eines lichtgehärteten Abschnitts Reihe für Reihe, um eine zweidimensionale lichtgehärtete Schicht auszubilden, und das kostet viel Zeit, um das Material zu formen. Demgemäß kann dieses Verfahren keine ausreichend große Formungsgeschwindigkeit zu Verfügung stellen, und lässt somit bei der Produktivität zu wünschen übrig.
Als ein weiteres Verfahren ist ein Verfahren bekannt, welches die Anordnung einer Bildzeichnungsmaske umfasst, die durch einen Flüssigkristall-Verschluss ausgebildet ist, der in der Lage ist, das Licht in einem kleinen Punktbereich zwischen der Lichtquelle und der Oberfläche einer lichthärtbaren Harzverbindung abzuschirmen und durchzulassen, der zwischen der Lichtquelle und der Oberfläche der lichthärtbare Harzverbindung fixiert ist, und dann wiederholt einen Schritt durchzuführen, um ein Maskenmuster auf der Bildzeichnungsmaske gemäß einer Schicht des Querschnitts-Formmusters auszubilden, das mit der aufgehängten Bildzeichnungsmaske ausgebildet werden soll, einen Schritt der Bestrahlung der Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung mit dem Licht durch das Maskenmuster, so dass die lichthärtbare Harzverbindung gehärtet wird, um eine Schicht des Querschnitts-Formmusters auszubilden, einen Schritt, anschließend eine Schicht des Querschnitts-Formmusters auf das lichtgehärtete Querschnitts-Formmuster zuzuführen, einen Schritt, ein anschließendes Maskenmuster auf der Bildzeichnungsmaske gemäß einer Schicht des Querschnitts-Formmusters auszubilden, das mit der aufgehängten Bildzeichnungsmaske ausgebildet werden soll, und einen Schritt der Bestrahlung der Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung mit dem Licht durch das Maskenmuster, so dass die lichthärtbare Harzverbindung gehärtet wird, um anschließend eine Schicht des Querschnitts-Formmusters auszubilden, um ein dreidimensional geformtes Erzeugnis auszubilden.
Nach diesem Verfahren werden die Bestrahlung der Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung mit dem Licht und die Ausbildung einer Schicht des lichtgehärteten Querschnitts-Formmusters zur gleichen Zeit zweidimensional durchgeführt, was es ermöglicht, die stereo lithografische Aufbaugeschwindigkeit im Vergleich mit dem vorher erwähnten verwandten Verfahren zu erhöhen, welches die Verwendung des Punkt-Ultaviolett-Laserstrahls einschließt, und das Verfahren, das in JP-A-4-305438 offen gelegt ist, wobei es die Verwendung einer linearen Belichtungsmaske einschließt, die optische Verschlüsse aufweist, die darin in einer Reihe angeordnet sind, die in der Lage sind, das Abschirmen des Lichts in dem kleinen Punktbereich zu steuern.
JP 08 281810 beschreibt eine optisches Formungsverfahren und eine Vorrichtung nach dem jeweiligen Oberbegriff der Ansprüche 1 und 5, welches eine Metall-Halogen-Lampe als eine Lichtquelle und eine Bewegungseinrichtung umfasst, um die Lichtquelle parallel zu einer getriebenen Flüssigkristall-Maske auf der Grundlage der Formdaten zu bewegen, die einer Objektform entspricht, die ausgebildet werden soll. Eine CPU gibt die Bewegungsdaten an das stereolithografische Gerät aus, und während der Bewegung bewegen sich alle Komponenten außer der Flüssigkristall-Maske integral und eine Schicht des lichtempfindlichen Harzes wird ausgebildet. Solch ein Prozess wird wiederholt, um der Reihe nach Schichten auszubilden, damit ein geformter Körper in einer dreidimensionalen Form ausgebildet wird.
Um ein dreidimensional geformtes Erzeugnis durch das vorher erwähnte Verfahren herzustellen, das die fixierte Bildzeichnungsmaske einschließt, ist es notwendig, dass der Abstand zwischen angrenzenden kleinen Punktbereichen, der auf die Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung von der Bildzeichnungsmaske projiziert wird, vom Standpunkt der Formungspräzision aus nicht größer ist als 0,1 mm (die Auflösung). Es ist deshalb notwendig, dass die Anzahl der Pixel mindestens 2.500 × 2.500 Punkte für eine Formungsbereich-Format kleiner als 250 mm × 250 mm oder mindestens 6.000 × 6.000 Punkte für einen Formungsbereichs-Format größer als 600 mm × 600 mm sein muss. Es gibt jedoch keine vorhandenen Flüssigkristall-Masken (Flüssigkristall-Verschlüsse) oder digitale Mikrospiegel-Verschlüsse, welche die oben erwähnten Auflösungsanforderungen erfüllen. Wenn überhaupt, ist ein solches Erzeugnis außerordentlich teuer.
Nach diesem Verfahren, das die Bestrahlung mit der Aufhängung der fixierten Bildzeichnungsmaske einschließt, ist die Feinheit des belichteten Formmusters bestimmt durch die Feinheit (Rauhigkeit) der Bildzeichnungsmaske und dem Vergrößerungs/Verkleinerungs-Verhältnis des Musters, das auf die Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung durch die Bildzeichnungsmaske projiziert wird. Je kleiner das Vergrößerungsverhältnis ist (je größer das Verkleinerungsverhältnis ist), um so kleiner ist der Abstand zwischen den Lichtpunkten auf der Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung und um so größer ist die Feinheit des Querschnitts-Formmusters, das so ausgebildet wird. Im Gegensatz dazu ist der Abstand zwischen den Lichtpunkten auf der Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung um so größer, je größer das Vergrößerungsverhältnis ist, und um so geringer ist die Feinheit des Querschnitts-Formmusters, das so ausgebildet wird.
Deshalb kann das oben erwähnte Verfahren, das das Fixieren der Bildzeichnungsmaske einschließt, nur schwer ein großformatiges, dreidimensional geformtes Erzeugnis herstellen, das eine vorzügliche Feinheit (eine Formungspräzision) aufweist, und somit kann es nur für die Herstellung eines kleinformatigen, dreidimensional geformten Erzeugnisses vom Standpunkt der Feinheit aus verwendet werden (die Formungspräzision).
Für den Zweck der Beseitigung der Nachteile des oben erwähnten Verfahrens, das die fixierte Bildzeichnungsmaske einschließt, um die Herstellung eines großformatgen, dreidimensional geformten Erzeugnisses zu ermöglichen, das einen kleinformatigen Flüssigkristall-Verschluss verwendet, schlägt JP-A-8-112863 ein Verfahren vor, welches die Anordnung eines Flüssigkristall-Verschlusses (einer Flüssigkristall-Maske) umfasst, der in der Lage ist, das Licht selektiv so durchzulassen oder abzuschirmen, der parallel zu dem Flüssigkeitsspiegel eines lichthärtbaren Harzes entlang in einer Vielzahl von Abteilungen verlaufen kann, und dann wiederholt einen Schritt durchführt, den Flüssigkristall-Verschluss zu einem ersten Bereich in den geteilten Folgebereichen zu bewegen, einen Schritt, um die Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung mit dem Licht durch den Flüssigkristall-Verschluss zu bestrahlen, der mit der Lichtquelle aufgehängt wird, die hinter dem Flüssigkristall-Verschluss bereitgestellt wird, der über den Bereich des Flüssigkristall-Verschlusses bewegt wird, um einen gehärteten Abschnitt entsprechend der ersten Abteilung auszubilden, einen Schritt, um den Flüssigkristall-Verschluss zu einer zweiten Bereich der geteilten Folgebereiche zu bewegen, einen Schritt, um die Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung mit dem Licht durch den Flüssigkristall-Verschluss zu bestrahlen, der mit der Lichtquelle aufgehängt wird, die hinter dem Flüssigkristall-Verschluss bereitgestellt wird, der über den Bereich des Flüssigkristall-Verschlusses bewegt wird, um einen gehärteten Abschnitt entsprechend der zweiten Abteilung auszubilden, und einen Schritt, um die die oben erwähnten Schritte durchzuführen, bis eine Schicht des vorgegebenen Querschnitts-Formmusters auf der Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung ausgebildet ist, bis ein vorgegebenes dreidimensional geformtes Erzeugnis ausgebildet ist. Diesbezüglich ist die lineare Lichtquelle konfiguriert, um sich auf dem Flüssigkristall-Verschluss zu bewegen, so dass Belichtungen auf eine geteilte Art über der lichthärtbaren Harzverbindung erzeugt werden.
Weiterhin wird in JP-A-07-290578 offen gelegt, dass die geteilten Belichtungen mit einem linearen Flüssigkristall-Verschluss erzeugt werden, um ein vorgegebenes Muster auszubilden.
Das Verfahren jedoch, das in dem oben zitierten Patent JP-A-8-112863 offen gelegt ist, schließt die Wiederholung eines Ablaufs der Bewegung des Flüssigkristall-Verschlusses zu der ersten Abteilung in dem Folgebereich ein, die Bestrahlung mit dem aufgehängten Flüssigkristall-Verschluss (die Ausbildung eines lichtgehärteten Abschnitts auf der Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung), die Bewegung des Flüssigkristall-Verschlusses zu der zweiten Abteilung in dem Folgebereich, die Bestrahlung mit dem aufgehängten Flüssigkristall-Verschluss (die Ausbildung eines lichtgehärteten Abschnitts auf der Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung), usw., wobei die Ausbildung einer Schicht des gehärteten Querschnitt-Formmusters und die Wiederholung dieses Ablaufs über eine Vielzahl von Schichten verursacht wird, um ein dreidimensional geformtes Erzeugnis herzustellen. Somit wird die Bestrahlung nicht durchgeführt, während sich der Flüssigkristall-Verschluss zu den verschiedenen Abteilungen in dem Folgebereich bewegt. Deshalb wird nach diesem Verfahren die Belichtung nicht kontinuierlich sondern in Intervallen durchgeführt, was die Formungsgeschwindigkeit vermindert. Weiterhin schließt dieses Verfahren das Härten der lichthärtbaren Harzverbindung mit dem aufgehängten Flüssigkristall-Verschluss in den verschiedenen Abteilungen in dem Folgebereich ein. Somit kann die lichthärtbare Harzverbindung am Rand dieser Abteilungen in dem Folgebereich leicht diskontinuierlich oder ungleichmäßig gehärtet werden. Das resultierende dreidimensional geformte Erzeugnis ist abhängig von dem Auftreten des gesamten Intensitätspunkts, der Verminderung der Belastbarkeit und der Verschlechterung des äußeren Aussehens und der dimensionalen Präzision.
Was weitere Literaturhinweise betrifft, wird in dem Patent JP-A-7-227909 offen gelegt, dass eine planare Belichtung mit einem Maskierungsgerät ausgeführt wird. Es ist jedoch nicht offen gelegt, das Maskierungsgerät während der Belichtung zu bewegen und Belichtungen in der geteilten Art über der der lichthärtbaren Harzverbindung auszuführen. Das Japanische Patent-Nr. 2624239 schlägt die Verwendung einer Kathodenstrahlröhre und eines Flüssigkristall-Geräts als das Maskierungsgerät vor.
Es ist ein Ziel der Erfindung, ein dreidimensionales stereolithografisches Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, welche ein dreidimensional geformtes Erzeugnis unabhängig von dessen Format, d. h., selbst wenn es kleinformatig, mittelformatig oder großformatig ist, mit einer hohen Formungspräzision bei einer hohen Formungsgeschwindigkeit und einer guten Produktivität herstellen können, wobei das Auftreten des ungleichmäßigen Härtens verhindert wird.
Es ist weiteres Ziel der Erfindung, ein dreidimensionales stereolithografisches Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, welche ein dreidimensional geformtes Erzeugnis hoher Qualität herstellen können, das eine hohe Formungspräzision aufweist und bei einer hohen Formungsgeschwindigkeit problemlos frei ist von dem ungleichmäßigen Härten, selbst wenn eine kostengünstige Lichtquelle wie eine gewöhnliche Ultraviolett-Lampe anstatt eines teuren Ultraviolett-Lasergeräts verwendet wird.
Übersicht über die Erfindung
Die Erfinder haben ausführliche Studien durchgeführt, um die vorher erwähnten Ziele der Erfindung zu erreichen.
Die vorliegende Erfindung erreicht ihre Ziele, in dem sie ein Verfahren für die Ausbildung eines dreidimensional geformten Erzeugnisses bereitstellt, dass die Schritte umfasst, die in dem Anspruch 1 dargelegt sind, und indem sie eine dreidimensionale stereolithografische Vorrichtung bereitstellt, die die Kennzeichen des Anspruchs 5 umfasst.
Es wurde als ein Ergebnis herausgefunden, dass ein dreidimensional geformtes Erzeugnis hergestellt werden kann, das ein hohe Qualität aufweist, unabhängig von dessen Format, d. h., selbst wenn es kleinformatig, mittelformatig oder großformatig ist, mit einer hohen Formungspräzision bei einer höheren Formungsgeschwindigkeit als in der vorher erwähnten verwandten Technik und eine gute Produktivität, wobei das Auftreten des ungleichmäßigen Härtens verhindert wird, sobald die Herstellung eines dreidimensional geformten Erzeugnis ses, das die Bestrahlung der Oberfläche einer lichthärtbaren Harzverbindung mit dem Licht durch eine Bildzeichnungsmaske einschließt, um der Reihe nach lichtgehärtete Harzschichten auszubilden, die ein vorgegebenes Querschnitts-Formmuster aufweisen, durch ein Verfahren durchgeführt wird, welches die Bestrahlung der Oberfläche der lichtgehärteten Harzverbindung mit dem Licht umfasst, während die Bildzeichnungsmaske mit einer Aufhängung während der Bestrahlung mit dem Licht und dem Ändern des Maskenbildes (des Maskenmusters) der Bildzeichnungsmaske gemäß einem vorgegebenen Querschnitts-Formmuster bewegt wird, das ausgebildet werden soll, wobei die lichthärtbare Harzverbindung (die Bestrahlung der lichthärtbaren Harzverbindung mit dem Licht, während des Wechselns des Maskenbildes der Bildzeichnungsmaske wie in einem Film, wie etwa dem Film oder dem Fernsehbild, wobei die lichthärtbaren Harzverbindung geformt wird), besser geformt wird als durch die oben erwähnte verwandte Technik, die die Bestrahlung mit dem Licht während des Fixierens oder des Aufhängens der Maske einschließt.
Die Erfinder haben auch herausgefunden, dass es die Anwendung dieses Verfahrens ermöglicht, ein dreidimensionales stereolithografisches Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, welche ein dreidimensional geformtes Erzeugnis hoher Qualität herstellen können, das eine hohe Formungspräzision aufweist und bei einer hohen Formungsgeschwindigkeit problemlos frei ist von dem ungleichmäßigen Härten, selbst wenn eine kostengünstige Lichtquelle wie eine gewöhnliche Ultraviolett-Lampe anstatt eines teuren Ultraviolett-Lasergeräts verwendet wird.
Die Erfinder haben weiterhin herausgefunden, dass als die Bildzeichnungsmaske vorzugsweise eine Bildzeichnungsmaske verwendet wird, die eine Vielzahl von kleinen optischen Verschlüssen aufweist, die darin zweidimensional angeordnet sind, die in der Lage sind, das Licht in einem kleinen Punktbereich abzuschirmen oder durchzulassen, insbesondere wird eine Bildzeichnungsmaske, die Flüssigkristall-Verschlüsse oder digitale Mikrospiegel-Verschlüsse aufweist, die zweidimensional darin angeordnet sind, und ein Kondensor, der in de Lage ist, sich synchron mit der Bildzeichnungsmaske zu bewegen, vorzugsweise zwischen der Lichtquelle und der Bildzeichnungsmaske angeordnet, und eine Projektionslinse, die in der Lage ist, sich synchron mit der Bildzeichnungsmaske zu bewegen, wird vorzugsweise zwischen der Bildzeichnungsmaske und der Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung angeordnet.
Das Wesentliche der Erfindung ist im Einzelnen:

(1) Ein Verfahren, um ein dreidimensional geformtes Erzeugnis anzufertigen, das das wiederholte aufeinander folgende Durchführen eines Schritts der Bestrahlung der Oberfläche einer lichthärtbaren Harzverbindung mit dem Licht durch eine Bildzeichnungsmaske durch die Steuerung umfasst, um eine lichtgehärtete Harzschicht auszubilden, die ein vorgegebenes Querschnitts-Formmuster aufweist, einen Schritt des Zuführens einer Schicht einer lichthärtbaren Harzverbindung zu der lichtgehärteten Harzschicht, und einen Schritt der Bestrahlung der Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung mit dem Licht durch eine Bildzeichnungsmaske durch die Steuerung, um weiterhin eine lichtgehärtete Harzschicht auszubilden, die ein vorgegebenes Querschnitts-Formmuster aufweist, bis ein vorgegebenes dreidimensional geformtes Erzeugnis ausgebildet ist, wobei hier als die Bildzeichnungsmaske eine Bildzeichnungsmaske verwendet wird, die in der Lage ist, das Maskenbild zu ändern, und die Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung wird mit dem Licht durch die Bildzeichnungsmaske bestrahlt, wobei die Bildzeichnungsmaske parallel zu der Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung bewegt wird und das Maskenbild der Bildzeichnungsmaske synchron mit der Bewegung der Bildzeichnungsmaske gemäß dem Querschnitts-Formmuster der lichtgehärteten Harzschicht geändert wird, die ausgebildet werden soll, um eine lichtgehärtete Harzschicht auszubilden, die ein vorgegebenes Querschnitts-Formmuster aufweist.

Das Wesentliche der Erfindung ist auch:

(2) Das dreidimensionale stereolithografische Verfahren nach Abschnitt (1), wobei hier als die Bildzeichnungsmaske eine Bildzeichnungsmaske verwendet wird, die eine Vielzahl von kleinen optischen Verschlüssen aufweist, die darin zweidimensional angeordnet sind, die in der Lage sind, das Licht in einem kleinen Punktbereich abzuschirmen und durchzulassen, und die Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung wird mit dem Licht bestrahlt, wobei das Maskenbild durch die Vielzahl der optischen Verschlüsse gemäß dem Querschnitts-Formmuster geändert wird, das während der kontinuierlichen Bewegung der Bildzeichnungsmaske ausgebildet werden soll;
(3) Das dreidimensionale stereolithografische Verfahren nach Abschnitt (2), wobei die Bildzeichnungsmaske eine Bildzeichnungsmaske ist, die Flüssigkristall-Verschlüsse oder digitale Mikrospiegel-Verschlüsse aufweist, die zweidimensional darin angeordnet sind; und
(4) Das dreidimensionale stereolithografische Verfahren nach einem der Abschnitte (1) bis (3), wobei während der Ausbildung einer Schicht des lichtgehärteten Harzes, das ein vorgegebenes Querschnitts-Formmuster aufweist, die Geschwindigkeit der kontinuierlichen Bewegung der Bildzeichnungsmaske und/oder die Änderung des Maskenbildes der Bildzeichnungsmaske so reguliert werden, dass die Dosis an verschiedenen Stellen auf dem Querschnitts-Formmuster dieselbe ist.

Das Wesentliche der Erfindung ist auch:

(5) Eine dreidimensionale stereolithografische Vorrichtung, die umfasst: eine Zuführeinheit für die lichthärtbare Harzverbindung, um der Reihe nach eine Schicht der lichthärtbaren Harzverbindung auf einen ruhenden Tisch oder eine lichtgehärtete Harzschicht zuzuführen; eine Lichtquelle; eine Bildzeichnungsmaske, die in der Lage ist, das Maskenbild zu ändern; eine Bewegungseinheit, um die Bildzeichnungsmaske parallel zu der Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung zu bewegen; und eine Einheit, um das Maskenbild der Bildzeichnungsmaske synchron mit der Bewegung der Bildzeichnungsmaske zu ändern.

Das Wesentliche der Erfindung ist weiterhin:

(6) Die dreidimensionale stereolithografische Vorrichtung nach Abschnitt (5), wobei die Bildzeichnungsmaske eine Bildzeichnungsmaske ist, die eine Vielzahl von kleinen Flüssigkris tall-Verschlüssen aufweist, die zweidimensional darin angeordnet sind, die in der Lage sind, das Licht in einem kleinen Punktbereich abzuschirmen und durchzulassen;
(7) Die dreidimensionale stereolithografische Vorrichtung nach den Abschnitten (5) oder (6), wobei die Bildzeichnungsmaske eine Bildzeichnungsmaske ist, die Flüssigkristall-Verschlüsse oder digitale Mikrospiegel-Verschlüsse aufweist, die zweidimensional darin angeordnet sind; und
(8) Die dreidimensionale stereolithografische Vorrichtung nach einem der Abschnitte (5) bis (7), die einen Kondensor aufweist, der in der Lage ist, sich synchron mit der Bildzeichnungsmaske zwischen der Lichtquelle und der Bildzeichnungsmaske zu bewegen, und eine Projektionslinse, die in der Lage ist, sich synchron mit der Bildzeichnungsmaske zwischen der Bildzeichnungsmaske und der Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung zu bewegen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der dreidimensionalen stereolithografischen Vorrichtung darstellt, die in der Erfindung verwendet wird;
2 ist ein Diagramm, das ein anderes Beispiel der dreidimensionalen stereolithografischen Vorrichtung darstellt, die in der Erfindung verwendet wird;
3 ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel der dreidimensionalen stereolithografischen Vorrichtung darstellt, die in der Erfindung verwendet wird;
4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des dreidimensionalen stereolithografischen Verfahrens der Erfindung darstellt; und
5 ist ein Diagramm, das ein anderes Beispiel des dreidimensionalen stereolithografischen Verfahrens der Erfindung darstellt.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die Erfindung wird weiterhin nachstehend beschrieben.
Das Verfahren der Erfindung umfasst das wiederholte, aufeinander folgende Durchführen eines Schritts der Bestrahlung der Oberfläche einer lichthärtbaren Harzverbindung mit dem Licht durch eine Bildzeichnungsmaske durch die Steuerung, um eine lichtgehärtete Harzschicht auszubilden, die ein vorgegebenes Querschnitts-Formmuster aufweist, einen Schritt des Anwendens einer Schicht einer lichthärtbaren Harzverbindung auf die lichtgehärtete Harzschicht, und einen Schritt der Bestrahlung der Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung mit dem Licht durch eine Bildzeichnungsmaske durch die Steuerung, um weiterhin eine lichtgehärtete Harzschicht auszubilden, die ein vorgegebenes Querschnitts-Formmuster aufweist, bis ein vorgegebenes dreidimensional geformtes Erzeugnis ausgebildet ist.
Der vorher erwähnte Formungsprozess der Erfindung wird normalerweise durch ein Formungsbad-Verfahren durchgeführt, welches umfasst: das wiederholte Durchführen eines Schritts der Anordnung eines Formungstisches in einem Formungsbad, das mit einer flüssigen lichthärtbaren Harzverbindung gefüllt ist, einen Schritt der Absenkung des Formungstisches, um eine Schicht einer flüssigen lichthärtbaren Harzverbindung auf dem Formungstisch auszubilden, einen Schritt der Bestrahlung der Schicht einer flüssigen lichthärtbaren Harzverbindung mit dem Licht durch eine Bildzeichnungsmaske durch die Steuerung, um eine lichtgehärtete Harzschicht (nachstehend als "lichtgehärtete Schicht" bezeichnet), die ein vorgegebenes Muster und einen vorgegebene Dicke aufweist, weiter das Absenken des Formungstisches, um eine Schicht einer flüssigen lichthärtbaren Harzverbindung auf der lichtgehärteten Schichtoberfläche des Formungstisches auszubilden, und einen Schritt der Bestrahlung der Schicht einer flüssigen lichthärtbaren Harzverbindung mit dem Licht durch eine Bildzeichnungsmaske durch die Steuerung, um eine durchgängige Beschichtung der lichtgehärteten Schichten auszubilden, die eine vorgegebenes Muster und eine vorgegebene Dicke aufweisen.
Der vorher erwähnte Formungsprozess der Erfindung wird durch ein Verfahren ausgeführt, welches das wiederholte Durchführen eines Schritts der Anordnung eines Formungstisches in einer Gasatmosphäre umfasst, eines Schritts des Zuführens einer Schicht einer flüssigen, zähflüssigen, pulvrigen oder filmartigen lichthärtbaren Harzverbindung auf die Oberfläche des Formungstisches, eines Schritts der Bestrahlung der Schicht der lichthärtbaren Harzverbindung mit dem Licht durch eine Bildzeichnungsmaske durch die Steuerung, um eine lichtgehärtete Schicht auszubilden, die ein vorgegebenes Muster und eine vorgegebene Dicke aufweist, eines Schritts des Zuführens einer Schicht einer flüssigen, zähflüssigen, pulvrigen oder filmartigen lichthärtbaren Harzverbindung auf die Oberfläche des Formungstisches, und eines Schritts der Bestrahlung der Schicht der lichthärtbaren Harzverbindung mit dem Licht durch die Bildzeichnungsmaske durch die Steuerung, um eine integrierte Beschichtung der lichthärbaren Harzverbindung auszubilden, die ein vorgegebenes Muster und eine vorgegebene Dicke aufweist. In dem Fall, in dem dieses Verfahren angewendet wird, kann ein Prozess angewendet werden, welcher das Anwenden einer lichthärtbaren Harzverbindung auf den Formungstisch umfasst, wobei der Formungstisch oder die lichthärtbaren Harzverbindung nach oben zeigen und dann das Bestrahlen der lichthärtbaren Harzschichten der Reihe nach mit dem Licht durch eine Bildzeichnungsmaske, um die lichthärtbaren Harzschichten der Reihe nach zu beschichten. Alternativ kann ein Prozess ausgeführt werden, welcher das Anwenden einer lichthärtbaren Harzverbindungs-Schicht auf die Oberfläche oder die lichtgehärtete Schicht des Formungstisches umfasst, welche vertikal oder schräg positioniert sind, und dann das Bestrahlen der lichthärtbaren Harzverbindungs-Schicht mit Licht durch eine Bildzeichnungsmaske, um die lichthärtbaren Harzschichten der Reihe nach zu beschichten. Alternativ kann ein Prozess ausgeführt werden, welcher das Anwenden einer lichthärtbaren Harzverbindungs-Schicht auf die Oberfläche oder die lichtgehärtete Schicht des Formungstisches umfasst, wobei der Formungstisch oder die lichthärtbaren Harzschicht nach unten zeigen, und dann das Bestrahlen der lichthärtbaren Harzverbindungsschichten der Reihe nach mit dem Licht durch eine Bildzeichnungsmaske, um die lichthärtbaren Harzschichten der Reihe nach nach unten zu beschichten. Um die lichthärtbare Harzverbindung auf die Oberfläche oder die lichtgehärtete Schicht des Formungstisches anzuwenden, kann eine passendes Verfahren wie etwa das Rakelstreichen, das Gussstreichen, das Walzbeschichten, das Transferbeschichten, das Bürstenstreichen und das Sprühbeschichten angewendet werden.
In der Erfindung wird der vorher erwähnte Formungsprozess wie folgt durchgeführt. Als die Bildzeichnungsmaske wird eine Bildzeichnungsmaske verwendet, die in der Lage ist, das Maskenbild zu ändern. Die Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung wird mit dem Licht durch die Bildzeichnungsmaske bestrahlt, wobei die Bildzeichnungsmaske parallel zu der Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung bewegt wird und das Maskenbild der Bildzeichnungsmaske synchron mit der Bewegung der Bildzeichnungsmaske gemäß dem Querschnitts-Formmuster der lichtgehärteten Harzschicht geändert wird, die ausgebildet werden soll, um eine lichtgehärtete Harzschicht auszubilden, die ein vorgegebenes Querschnitts-Formmuster aufweist.
Hier kann die Bewegung der Bildzeichnungsmaske kontinuierlich sein. Das Maskenbild der Bildzeichnungsmaske kann ebenfalls kontinuierlich gemäß der Bewegung der Bildzeichnungsmaske geändert werden.
Das vorher erwähnte dreidimensionale stereolithografische Verfahren der Erfindung kann problemlos durch die Verwendung der dreidimensionalen stereolithografischen Vorrichtung der Erfindung ausgeführt werden, welche umfasst:
eine Zuführeinheit für die lichthärtbare Harzverbindung, um der Reihe nach eine Schicht der lichthärtbaren Harzverbindung auf einen ruhenden Tisch oder eine lichtgehärtete Harzschicht zuzuführen;
eine Lichtquelle;
eine Bildzeichnungsmaske, die in der Lage ist, das Maskenbild zu ändern, im Besonderen eine Bildzeichnungsmaske, die eine Vielzahl von mikrooptischen Verschlüssen (Flüssigkristall-Verschlüsse, digitale Mikrospiegel-Verschlüsse, usw.) aufweist, die zweidimensional darin angeordnet sind, die in der Lage ist, das Licht in einem kleinen Punktbereich abzuschirmen und durchzulassen;
eine Bewegungseinheit, um die Bildzeichnungsmaske parallel zu der Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung zu bewegen; und
eine Einheit, um das Maskenbild der Bildzeichnungsmaske synchron mit der Bewegung der Bildzeichnungsmaske zu ändern.
Die Einheit und das Verfahren für das Bewegen der Bildzeichnungsmaske parallel zu der Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung sind nicht besonders beschränkt. Mit einer Linearführung, einer Achse, einem Flacheisen oder etwas Ähnlichem als einer Führung kann der Antrieb über eine Kugelgewindespindel, ein Trapezgewinde, einen Zahnriemen, eine Zahnstange, eine Kette oder Ähnliches übertragen werden. Als die Antriebsquelle kann ein Wechselstrom-Servomotor, ein Gleichstrom-Servomotor, ein Schrittmotor oder etwas Ähnliches verwendet werden. Alternativ kann ein Linearmotor-System verwendet werden, das sowohl als Führung als auch als Antrieb fungiert. Weiterhin kann der vordere Abschnitt des Arms eines Knickarmroboters verwendet werden. Somit kann die Bewegung dieses Systems durch die Verwendung einer beliebigen Einheit und eines beliebigen Verfahrens ausgeführt werden.
Die Richtung und die Geschwindigkeit der kontinuierlichen Bewegung der Bildzeichnungsmaske während des stereolithografischen Aufbaus werden durch einen Rechner gesteuert und reguliert gemäß der Art der Lichtquelle, der Intensität des Lichts, das auf die Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung einfällt, dem Oberflächenbereich der lichthärtbaren Harzverbindung, der durch die Bildzeichnungsmaske (der belichtete Bereich) belichtet werden soll, der Form des Querschnitts-Formmusters, das ausgebildet werden soll, der Art der lichthärtbaren Harzverbindung, die verwendet wird, den lichthärtenden Eigenschaften der lichthärtbaren Harzverbindung, die verwendet wird, der Belichtungszeit, die erforderlich ist, um eine lichtgehärtete Harzschicht auszubilden, usw. Im Allgemeinen kann die Dosis des Lichts, das auf die Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung einfällt, leicht gleichförmig gesteuert werden, indem die Bildzeichnungsmaske linear und kontinuierlich mit einer konstanten Geschwindigkeit von dem einen Ende des belichteten Bereichs auf der Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung zu dem anderen parallel zu der Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung bewegt wird.
Hier kann die Bewegung der Bildzeichnungsmaske kontinuierlich sein. Das Maskenbild der Bildzeichnungsmaske kann ebenfalls kontinuierlich geändert werden. Um das Maskenbild der Bildzeichnungsmaske synchron mit der kontinuierlichen Bewegung der Bildzeichnungsmaske kontinuierlich (animiert) zu ändern, ist es effektiv, Daten über das Maskenbild, das durch die Bildzeichnungsmaske gemäß den Inhalten des Querschnitts-Formmusters ausgebildet werden soll, die Geschwindigkeit der kontinuierlichen Bewegung der Bildzeichnungs maske, usw., in einem Rechner oder etwas Ähnlichem zu speichern und das Maskenbild der Bildzeichnungsmaske kontinuierlich gemäß den Daten zu ändern.
Als die Bildzeichnungsmaske, die in der Erfindung verwendet werden soll, wird vorzugsweise eine Bildzeichnungsmaske verwendet, die eine Vielzahl von kleinen optischen Verschlüssen aufweist, die zweidimensional darin angeordnet sind, die in der Lage sind, das Licht in einem kleinen Punktbereich abzuschirmen und durchzulassen. Spezielle Beispiele solch einer Bildzeichnungsmaske beinhalten den Flüssigkristall-Verschluss und den digitalen Mikrospiegel-Verschluss. Der Flüssigkristall-Verschluss und der digitale Mikrospiegel-Verschluss, welche vorzugsweise als eine Bildzeichnungsmaske in der Erfindung verwendet werden, wurden bereits bei anderen Techniken (z. B. dem Fernsehen, dem PC, dem Projektor, der Kfz-Navigation, dem Mobiltelefon) als Einheiten verwendet, die in der Lage sind, kontinuierliche (animierte) Bilder auszubilden.
Solch eine Bildzeichnungsmaske ist vorzugsweise eine planare, quadratische oder rechteckige Bildzeichnungsmaske, die eine Vielzahl von kleinen optischen Verschlüssen aufweist, die darin zweidimensional nebeneinander angeordnet sind (in der X-Y-Richtung), die in der Lage sind, das Licht in einem kleinen Punktbereich abzuschirmen und durchzulassen. Die Anzahl der kleinen optischen Verschlüsse (Pixel), die in der Bildzeichnungsmaske angeordnet ist, ist nicht besonders beschränkt, sondern kann beliebig sein, wie allgemein bekannt ist. Beispiele des Flüssigkristall-Verschlusses (das Flüssigkristall-Anzeigeelement), die hier verwendbar sind, beinhalten QVGA (Anzahl der Pixel = 320 Punkte × 240 Punkte), VGA (Anzahl der Pixel = 640 Punkte × 480 Punkte), SVGA (Anzahl der Pixel = 800 Punkte × 60 Punkte), UXGA (Anzahl der Pixel = 1.024 Punkte × 768 Punkte) und QSXGA (Anzahl der Pixel = 2560 Punkte × 2468 Punkte), welche vordem verbreitet handelsüblich waren.
Als der digitale Mikrospiegel-Verschluss kann das Digital Mirror Device (DMD: Handelsname) der „Digital Light Processing (DLP) Technology" (Handelsname) verwendet werden, der von Texas Instruments Incorporated oder Ähnlichen hergestellt wird.
Die Bildzeichnungsmaske, die durch den vorher erwähnten Flüssigkristall-Verschluss oder den digitalen Mikrospiegel-Verschluss ausgebildet wird, die vorzugsweise in der Erfindung verwendet wird, verwendet die vorher erwähnte Vielzahl von kleinen optischen Verschlüssen, um das Licht abzuschirmen und/oder gemäß dem Querschnitts-Formmuster durchzu lassen, das während der kontinuierlichen Bewegung der Bildzeichnungsmaske ausgebildet werden soll, was es ermöglicht, das Maskenbild kontinuierlich als Animation so wie bei einem Fernsehbild oder einem Film zu ändern. Auf diese Weise fällt das Licht, welches dem Maskenbild entspricht (das animierte Maskenbild), welches sich kontinuierlich während der kontinuierlichen Bewegung ändert, auf die Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung auf sich kontinuierlich bewegenden Punkten ein, so dass die Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung, die so mit dem Licht bestrahlt wird, kontinuierlich gehärtet wird, um eine vorgegebene Schicht eines Querschnitts-Formmusters auszubilden.
In dem Fall der verwandten Technik, die die Bestrahlung der Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung mit dem Licht in einer solchen Anordnung einschließt, dass der Pixel-Abstand (der Abstand zwischen angrenzenden Pixeln) auf der Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung (die Formungspräzision, die für den stereolithografischen Aufbau erforderlich ist) bei dem Betrieb des oben beispielhaft erläuterten Flüssigkristall-Verschlusses, der aufgehängt wird, mit 0,1 mm vorgegeben ist, ist das Format der bestrahlten Fläche 32 mm × 24 mm bei QVGA, 64 mm × 48 mm bei VGA, 80 mm × 60 mm bei SVGA, 102,4 mm × 76,8 mm bei UXGA oder 256 mm × 264,8 mm bei QSXGA. Deshalb kann die verwandte Technik nur schwer das dreidimensional geformte Erzeugnis herstellen, welches so groß oder größer als 300 mm ist, wie es hinsichtlich des Formats der einen Seite des bestrahlten Bereichs berechnet wird (das Querschnitts-Formmuster). Im Gegensatz dazu wird im Fall des Verfahrens der Erfindung der vorher erwähnte handelsübliche Flüssigkristall-Verschluss oder etwas Ähnliches als eine Bildzeichnungsmaske verwendet. Die Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung wird mit dem Licht durch die Bildzeichnungsmaske bestrahlt, wobei die Bildzeichnungsmaske kontinuierlich parallel zu der Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung bewegt wird und das Maskenbild, das durch den Flüssigkristall-Verschluss ausgebildet wird, synchron mit der Bewegung des Flüssigkristall-Verschlusses kontinuierlich und animiert geändert wird. Somit ist das Format des bestrahlten Bereichs (das Querschnitts-Formmuster) nicht beschränkt, was es ermöglicht, ein lichtgehärtetes Querschnitts-Formmuster auszubilden, welches ein beliebiges Format aufweist. Demgemäß kann das Verfahren der Erfindung sogar leicht das dreidimensional geformte Erzeugnis mit einer hohen Formungspräzision und einer guten Produktivität bei einer hohen Formungsgeschwindigkeit herstellen, welches so groß oder größer als 300 mm ist, wie es hinsichtlich des Formats der einen Seite des bestrahlten Bereichs berechnet wird.
Die Lichtquelle ist hinter der Bildzeichnungsmaske angeordnet. Das Licht von der Lichtquelle fällt auf die Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung durch die Bildzeichnungsmaske ein. Die Art der Lichtquelle ist nicht besonders beschränkt. Jede Lichtquelle, die für den stereolithografischen Aufbau verwendet werden kann, kann verwendet werden. Beispiele für die Lichtquelle, die hier verwendet werden kann, beinhalten die Xenon-Lampe, die Metall-Halogen-Lampe, die Quecksilberdampf-Lampe, die Leuchtstofflampe, die Halogenlampe, die Glühlampe, den Ar-Laser, den He-Cd-Laser und den LD-Laser (den Halbleiter-Laser). Im Einzelnen kann das Verfahren der Erfindung eher eine kostengünstige Mehrzweck-Lichtquelle, wie etwa die Xenon-Lampe, die Metall-Halogen-Lampe, die Quecksilberdampf-Lampe, die Leuchtstofflampe, die Halogenlampe und die Glühlampe anwenden als solch teuere Lichtquellen wie etwa das Laser-Gerät, welche vordem in dem dreidimensionalen stereolithografischen Aufbau verwendet wurden, welche es ermöglichen, die dreidimensionale stereolithografische Vorrichtung kostengünstig und leicht verwendbar zu machen.
Die Form, das Format und die Anzahl der Lichtquellen sind nicht besonders beschränkt und können genau gemäß der Form und der Dimension der Bildzeichnungsmaske, der Form und dem Format des lichtgehärteten Querschnitts-Formmusters, usw. vorgeben werden, das ausgebildet werden soll. Die Lichtquelle, die hier verwendet werden soll, kann punktförmig, sphärisch, rund oder flach sein. Alternativ können punktförmige oder sphärische Lichtquellen geradlinig in einer Reihe oder in einer Vielzahl von Reihen hinter der Bildzeichnungsmaske angeordnet werden.
Die Lichtquelle kann hinter der Bildzeichnungsmaske in solch einer Anordnung bereitgestellt werden, dass sie sich kontinuierlich mit der Bildzeichnungsmaske bewegen kann. Alternativ kann die Lichtquelle zum Zweck der Verbesserung der Formungspräzision und der Formungsgeschwindigkeit in einer Position fixiert bereitgestellt werden, wobei das Gewicht der Vorrichtung zu reduziert und die Wartung verbessert werden, und das Licht von der Lichtquelle kann von hinten in die Bildzeichnungsmaske durch einen Glasfaserleiter, einen Lichtleiter oder andere optische Übertragungseinheiten eingeführt werden, welche in solch einer Anordnung bereitgestellt werden, dass sie sich kontinuierlich mit der Bildzeichnungsmaske bewegen können.
Für den Zweck, die Formungsgeschwindigkeit weiter zu verbessern, kann ein System verwendet werden, welches konvergierendes Licht von einer Vielzahl von Lichtquellen umfasst, um die Lichtenergie zu verbessern. Dieses System ist insofern vorteilhaft, als das Licht von einer Vielzahl von Lichtquellen besonders leicht konvergiert werden kann, sobald im Besonderen eine Glasfaseroptik oder ein Lichtleiter verwendet werden.
Für den Zweck der Verbesserung der Formungspräzision und der Formungsgeschwindigkeit, der Reduzierung des Gewichts der Vorrichtung und der Kosten der Vorrichtung und der Verbesserung der Wartung wird bei der Erfindung eine Einheit bereitgestellt, die das Licht angemessen von der Lichtquelle in die Bildzeichnungsmaske (d. h. den Kondensor, die Fresnel-Linse) einführt, oder es wird vorzugsweise eine Einheit für die Bestrahlung der Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung bereitgestellt, mit der das Licht des Maskenbildes, das durch die Bildzeichnungsmaske (das optische Bild, das durch die Bildzeichnungsmaske übertragen wird) auf vorgegebenen Positionen mit einer hohen Formungspräzision (d. h., die Projektionslinse, die Projektorlinse) ausgebildet wird, gemäß der Art, der Form, und der Anzahl der Lichtquellen, die hinter der Bildzeichnungsmaske angeordnet sind, der Form und dem Format der Bildzeichnungsmaske, usw. Solch eine Einheit wir vorzugsweise kontinuierlich beweglich synchron mit der kontinuierlichen Bewegung der Bildzeichnungsmaske angeordnet.
Die Art der lichthärtbaren Harzverbindung, die in der Erfindung verwendet werden soll, ist nicht besonders beschränkt. Jede der flüssigen, zähflüssigen, pulvrigen oder filmartigen lichthärtbaren Harzverbindungen für die Verwendung in dem stereolithografischen Aufbau kann verwendet werden.
Als eine lichthärtbare Harzverbindung, die in der Erfindung verwendet werden soll, kann eine lichthärtbare Harzverbindung verwendet werden, welche vordem für den stereolithografischen Aufbau verwendet wurde, d. h., eine Verbindung, die eine oder mehrere von verschiedenen Oligomeren wie etwa das Urethan-Acryl-Oligomer, das Epoxid-Acrylat-Oligomer, das Ester-Acrylat-Oligomer und das polyfunktionale Epoxid-Harz umfassen; verschiedene monofunktionale Vinyl-Verbindungen wie etwa das Acryl-Verbindung (d. h. Isobornyl-Acrylat, Isobornyl-Methacrylat, Dicyclopentenyl-Acrylat, Dicyclopentenyl-Methacrylat, Dicyclopentenyl-Oxyethyl-Acrylat, Dicyclopentenyl-Oxyethyl-Methacrylat, Dicyclopentanyl-Acrylat, Dicyclopentanyl-Methacrylat, Bornyl-Acrylat, Bornyl-Methacrylat, 2-Hydroxyethyl-Acrylat, Cyclohexyl-Acrylat, 2-Hydroxypropyl-Acrylat, Phenoxyethly-Acrylat, Morpholin-Acrylamid, Morpholin-Methacrylamid, Acrylamid), N-Vinylpyrrolidon, N-Vinylcaprolactam, Vinyl-Acetat und Styrol; polyfunktionale Vinyl-Verbindungen wie etwa Trimethylol-Propan-Triacrylat, Ethylen-Oxid-modifiziertes Trimethylol-Propan-Triacrylat, Ethylen-Glycol-Diacrylat, Tetraethylen-Glycol-Diacrylat, Polyethylen-Glycol-Diacrylat, 1,4-Butandiol-Diacrylat, 1,6-Hexandiol-Diacrylat; Neopentyl-Glycol-Diacrylat, Dicyclopentanyl-Diacrylat; Polyester-Diacrylat, Ethylen-Oxid-modifiziertes Bisphenol-A-Diacrylat, Pentaerythritol-Triacrylat, Pentaerythritol-Tetraacrylat, Propylen-Oxid-modifiziertes Trimethyolpropan-Triacrylat, Propylen-Oxid-modifiziertes Bisphenol-A-Diacrylat und Tris(Acryloxyethyl)-Isocyanurat; und verschiedene Verbindungen auf Epoxid-Basis wie etwa Hydrogen-Bisphenol-A-Diglycidyl-Äther, 3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3,4-Epoxycyclohexan-Carboxylat, 2-(3,4-Epoxycyclohexyl-5,5-Spiro-3,4-Epoxy)-Cyclohexan-Metha-Dioxan, Bis(3,4-Epoxycyclohexylmethyl)-Adipinat, einen Polymerisationsinhibitor und wahlweise einen Sensibilisator.
Die lichthärtbare Harzverbindung, die in der Erfindung verwendet werden soll, kann ein Egalisiermittel, ein Oberflächen-Aktivierungsmittel, das ein anderes ist als das auf Phosphorsäure-Ester basierende Oberflächen-Aktivierungsmittel, einen organischen Polymer-Modifikator, einen organischen Weichmacher usw. umfassen, die darin neben den vorher erwähnten Komponenten – wenn notwendig – enthalten sind.
Die lichthärtbare Harzverbindung, die in der Erfindung verwendet werden soll, kann einen Füllstoff wie etwa der partikelförmige Feststoff mit einem Whisker umfassen, der darin – wenn notwendig – enthalten ist. Die Verwendung einer lichthärtbaren Harzverbindung, die einen Füllstoff umfasst, der darin enthalten ist, ermöglicht es, deren Volumenschwund während des Lichthärtens zu verringern, wobei dabei die dimensionale Präzision, die mechanischen Eigenschaften und die Wärmebeständigkeit der lichthärtbaren Harzverbindung verbessert werden.
Beispiele des partikelförmigen Feststoffs, das als ein Füllstoff verwendet werden soll, beinhalten partikelförmige anorganische Materialien, wie etwa das partikelförmige Carbon Black, und partikelförmige organische Polymere wie etwa das partikelförmige Polystyrol, das partikelförmige Polyethylen, das partikelförmige Polypropylen, das partikelförmige Acrylharz und das partikelförmige synthetische Gummi. Eine oder mehrere dieser partikelförmigen Feststoffe können verwendet werden. Der Partikeldurchmesser des partikelförmigen Feststoffs ist nicht besonders beschränkt, ist aber vorzugsweise nicht größer als 200 μm, vorzugsweise nicht größer als 100 μm.
Als der Whisker, der als Füllmaterial verwendet werden soll, wird insbesondere einer verwendet, der einen Durchmesser von 0,3 bis 1 μm aufweist, insbesondere von 0,3 bis 0,7 μm, eine Länge von 10 bis 70 μm, insbesondere von 20 bis 50 μm und ein Seitenverhältnis von 10 bis 100 μm, insbesondere von 20 bis 70 μm. Der Ausdruck „Dimension und Seitenverhältnis des Whiskers", wie er hier verwendet wird, ist gedacht, die gemessene Dimension und das Seitenverhältnis anzuzeigen, wobei ein Laser-Analyse/Streuungs-Partikelgrößenverteilungs-Messinstrument verwendet wird. Die Art des Whiskers ist nicht besonders beschränkt. Beispiele des Whiskers, der hier verwendet ist, beinhalten den Whisker auf Aluminiumborat-Basis, den Whisker auf Aluminiumoxid-Basis, den Whisker auf Aluminiumnitrid-Basis, den Whisker auf Magnesiumsulfat-Oxid-Basis und den Whisker auf Titanoxid-Basis. Es können einer oder mehrere dieser Whisker verwendet werden.
In dem Fall, in dem eine lichthärtbare Harzverbindung verwendet wird, die ein partikelförmiges Feststoff und/oder einen Whisker umfasst, die darin enthalten sind, sind der partikelförmige Feststoff und der Whisker vorzugsweise in der lichthärtbaren Harzverbindung in einer Größenordnung von jeweils 5 bis 70 Volumenprozenten und von 5 bis 30 Volumenprozenten enthalten. In dem Fall, in dem sowohl der partikelförmige Feststoff als auch der Whisker in der lichthärtbaren Harzverbindung enthalten sind, reicht der gesamte Gehalt der zwei Komponenten vorzugsweise von 10 bis 75 Volumenprozenten auf der Grundlage des Gesamtvolumens der lichtgehärteten Harzschicht.
Der partikelförmige Feststoff und/oder der Whisker können der Oberflächenbehandlung mit einem Silan-Haftvermittler unterzogen werden oder nicht, werden aber vorzugsweise der Oberflächenbehandlung unterzogen. Die Verwendung des partikelförmigen Feststoffs und/oder des Whiskers, die der Oberflächenbehandlung mit einem Silan-Haftvermittler unterzogen werden, ermöglichen es, ein lichtgehärtetes Erzeugnis zu erhalten, das eine höhere Wärmeverformungstemperatur, ein größeres Biegemodul und eine höhere mechanische Beanspruchbarkeit aufweist. Als der Silan-Haftvermittler, der hier verwendet werden soll, kann jeder Silan-Haftvermittler verwendet werden, der vorher bei der Oberflächenbehandlung der Füllstoffe verwendet wurde. Bevorzugte Beispiele des Silan-Haftvermittlers, der hier verwendbar ist, beinhalten das Aminosilan, das Epoxidsilan, das Vinylsilan und das (Meth)-Acrylsilan.
Beispiele
Die Erfindung wird weiter in Verbindung mit den angefügten Zeichnungen beschrieben, die Erfindung ist aber nicht auf die beschränkt, die in den Zeichnungen gezeigt werden.
1 bis 3 stellen ein spezielles Beispiel eines wesentlichen Teils einer dreidimensionalen stereolithografischen Vorrichtung dar (die stereolithografische Vorrichtung), die in dem dreidimensionalen stereolithografischen Verfahren (das stereolithografische Verfahren) der Erfindung verwendet wird. 4 und 5 stellen den Prozess (den Betriebsablauf) des stereolithografischen Aufbaus dar, wobei die stereolithografische Vorrichtung verwendet wird, die in 1 bis 3 nach dem Verfahren der Erfindung gezeigt wird.
In 1 bis 5 bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine Lichtquelle, das Bezugszeichen 2 bezeichnet einen Kondensor, das Bezugszeichen 3 bezeichnet eine Bildzeichnungsmaske, wobei das Bezugszeichen 3a eine Bildzeichnungsmaske bezeichnet, die Flüssigkristall-Verschlüsse aufweist, die darin zweidimensional angeordnet sind (nachstehend gelegentlich die „Flüssigkristall-Bildzeichnungsmaske" genannt), und das Bezugszeichen 3b bezeichnet eine Bildzeichnungsmaske, die digitale Mikrospiegel-Verschlüsse aufweist, die darin zweidimensional angeordnet sind (nachstehend gelegentlich „DMD-Bildzeichnungsmaske genannt), das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Projektionslinse, das Bezugszeichen 5 bezeichnet eine Form gebende Oberfläche (eine Schicht der Form gebenden Oberfläche), die durch die Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung ausgebildet wird, wobei das Bezugszeichen 5a das eine Ende der Form gebenden Oberfläche bezeichnet und das Bezugszeichen 5b das andere Ende der Form gebenden Oberfläche bezeichnet, das Bezugszeichen 6 bezeichnet ein belichtetes Bild (die lichtgehärtete Harzschicht), die auf der Form gebenden Oberfläche ausgebildet ist, und das Bezugszeichen 7 bezeichnet eine Lichtübertragungseinheit wie etwa den Glasfaserleiter oder den Lichtleiter.
Wie in 1 bis 5 gezeigt wird, wird das Licht von der Lichtquelle 1 der gesamten Oberfläche der Bildzeichnungsmaske 3 (3a, 3b, usw.) durch den Kondensor 2 angewendet.
Während dieses Ablaufs kann das Licht von der Lichtquelle 1, die hinter dem Kondensor 2 angeordnet ist, direkt in den Kondensor 2 eingeführt werden, wie in 1 und 2 gezeigt wird. Alternativ kann das Licht, wie in 3 gezeigt, von der Lichtquelle 1, die entfernt von dem Kondensor 2 angeordnet ist, in den Kondensor 2 durch die Lichtübertragungseinheit 7 wie etwa dem Glasfaserleiter oder dem Lichtleiter eingeführt werden.
In dem Fall des Systems, das in 1 und 2 gezeigt wird, welches die Lichtquelle 1 umfasst, die hinter dem Kondensor 2 angeordnet ist, bewegt sich die Lichtquelle 1 kontinuierlich mit dem Kondensor 2, der Bildzeichnungsmaske 3 (3a, 3b, usw.) und der Projektionslinse 4 während des stereolithografischen Aufbaus kontinuierlich in der Rasterungsrichtung.
Alternativ kann in dem Fall, in dem das Licht von der Lichtquelle 1 in die Rückseite des Kondensors 2 durch die Lichtübertragungseinheit 7 wie etwa dem Glasfaserleiter oder dem Lichtleiter eingeführt wird, wie in 3 gezeigt wird, kann es so angeordnet werden, dass sich die flexible Lichtübertragungseinheit 7 wie etwa der Glasfaserleiter oder der Lichtleiter kontinuierlich in der Rasterungsrichtung mit dem Kondensor 2, der Bildzeichnungsmaske 3 (3a, 3b, usw.) und der Projektionslinse 4 während des stereolithografischen Aufbaus mit der Lichtquelle 1 bewegt, die fest an einer vorgegebenen Position angeordnet ist.
Die Art und die Form der Lichtquelle 1 sind nicht besonders beschränkt. Die Lichtquelle 1 kann zum Beispiel eine Lichtquelle sein, die einen runden Lichtabstrahlungs-Abschnitt aufweist, wie in 1 bis 4 gezeigt wird, oder kann eine stabförmige Lichtquelle sein, die eine horizontal langen (oder vertikal langen) Lichtabstrahlungs-Abschnitt aufweist, wie in 5 gezeigt wird. Alternativ kann die Lichtquelle 1 eine Lichtquelle sein, die andere Formen aufweist, welche nicht gezeigt sind.
Während des stereolithografischen Aufbauprozesses wird ein vorgegebenes Maskenbild, welches sich kontinuierlich mit der Bewegung der Bildzeichnungsmaske gemäß dem Querschnitts-Formmuster auf der lichtgehärteten Harzschicht ändert, die ausgebildet werden soll, auf der Bildzeichnungsmaske 3 (3a, 3b, usw.) animiert ausgebildet. In dieser Einrichtung wird das Licht, das auf die gesamte Oberfläche der Bildzeichnungsmaske 3 (3a, 3b, usw.) durch den Kondensor 2 angewendet wurde, durch ein vorgegebenes Maskenbild durchgelassen oder abgeschirmt (in dem Fall der DMD-Bildzeichnungsmaske reflektiert), welches sich kontinuierlich und vorübergehend mit der Bildzeichnungsmaske 3 (3a, 3b, usw.) ändert.
Nur das Licht, das durch den unmaskierten (unabgeschirmten) Abschnitt durchgelassen wird, wird dann auf die Form gebende Oberfläche 5 auf der lichthärtbaren Harzverbindung durch die Projektionslinse 4 angewendet, um ein belichtetes Bild (der lichtgehärtete Abschnitt) 6 auszubilden, das ein vorgegebenes Formmuster auf der Form gebenden Oberfläche 5 aufweist.
Die Form der Bildzeichnungsmaske 3 (3a, 3b, usw.) ist nicht besonders beschränkt und kann in Abhängigkeit von der Form und der Dimension (besonders der Querschnittsform und der Dimension) des optisch geformten Erzeugnisses genau bestimmt werden, das hergestellt werden soll. Die Bildzeichnungsmaske 3 (3a, 3b, usw.) kann quadratisch oder im Wesentlichen quadratisch sein, wie in 1 bis 4 gezeigt wird, rechteckig, wie in 5 gezeigt wird, oder in allen anderen Ausbildungen vorkommen.
Die Dimension der Bildzeichnungsmaske 3 (3a, 3b, usw.) kann auch genau in Abhängigkeit von der Form und der Dimension (besonders der Querschnittsform und der Dimension) des optisch geformten Erzeugnisses genau bestimmt werden, das hergestellt werden soll. Die Bildzeichnungsmaske 3 (3a, 3b, usw.) kann eine Breite aufweisen, die kleiner ist als die gesamte Breite des vorgegebenen lichtgehärteten Querschnitts-Formmusters, das ausgebildet werden soll, (die gesamte Breite der Form gebenden Oberfläche), wie in 1 bis 4 gezeigt wird. Alternativ kann, wie in 5 gezeigt, die Bildzeichnungsmaske 3 (3a, 3b, usw.) eine Breite aufweisen, die die gesamte Breite des vorgegebenen lichtgehärteten Querschnitts-Formmusters abdeckt, das ausgebildet werden soll (die gesamte Breite der Form gebenden Oberfläche).
In dem Fall, in dem als die Bildzeichnungsmaske 3 eine Flüssigkristall-Bildzeichnungsmaske 3a verwendet wird, ist die dreidreidimensionale stereolithografische Vorrichtung so ausgelegt, dass ein Betrieb, in welchem unter der Vielzahl der kleinen Flüssigkristall-Verschlüsse, die in der Flüssigkristall-Bildzeichnungsmaske 3a angeordnet sind, sich die öffnen, die an Stellen positioniert sind, durch welche das Licht durchgelassen werden sollte, um den Durchlass des Lichts zu ermöglichen, während sich die schließen, die an Stellen positioniert sind, wo das Licht abgeschirmt werden sollte, um den Durchlass zu verhindern gemäß den Daten, die in einem Rechner oder etwas Ähnlichem gespeichert sind, und das vorgegebene Querschnitts-Formmuster, das in Erwiderung auf die kontinuierliche Bewegung der Flüssigkristall-Bildzeichnungsmaske 3a ausgebildet werden soll, wird konti nuierlich wiederholt (animiert), bis eine lichtgehärtete Harzschicht ausgebildet ist, die eine vorgegebene Querschnittsform aufweist.
In dem Fall, in dem als die Bildzeichnungsmaske 3 eine DMD-Bildzeichnungsmaske 3b verwendet wird, ist die dreidreidimensionale stereolithografische Vorrichtung so ausgelegt, dass ein Betrieb, in welchem unter der Vielzahl der kleinen Spiegelverschlüsse, die in der Flüssigkristall-Bildzeichnungsmaske 3b angeordnet sind, spezielle Spiegelverschlüsse in einer Richtung so positioniert werden, dass das Licht in Richtung der Projektionslinse 4 und der Licht übertragenden Oberfläche 5 reflektiert (eingeführt) wird, während diejenigen, die an Stellen positioniert sind, wo das Licht abgeschirmt werden sollte, in einer Richtung so ausgerichtet sind, dass das Licht nicht in Richtung der Projektionslinse 4 und der Licht übertragenden Oberfläche 5 reflektiert (eingeführt) wird gemäß den Daten, die in einem Rechner oder etwa Ähnlichem gespeichert sind, und das vorgegebene Querschnitts-Formmuster, das in Abhängigkeit von der kontinuierliche Bewegung der DMD-Bildzeichnungsmaske 3b ausgebildet werden soll, wird kontinuierlich wiederholt (animiert), bis eine lichtgehärtete Harzschicht ausgebildet ist, die eine vorgegeben Querschnittsform aufweist.
Die dreidimensionalen stereolithografischen Vorrichtungen, die in 1 bis 5 gezeigt werden, sind so ausgelegt, dass sich die Lichtquelle 1 oder die Lichtübertragungseinheit 7, der Kondensor 2, die Bildzeichnungsmasken 3a oder 3b und die Projektionslinse 4 integral und kontinuierlich mit Hilfe der Bewegungseinheit (nicht gezeigt) parallel zu der Form gebenden Oberfläche 5 (die Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung) während des stereolithografischen Aufbauprozesses bewegen, der die Bestrahlung der Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung mit dem Licht einschließt, was die Ausbildung einer lichtgehärteten Harzschicht ergibt (sie bewegen sich kontinuierlich in die Richtung der Pfeile in 1 bis 5).
Die Form gebende Oberfläche 5 (die Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung) wird mit dem Licht bestrahlt, wobei das Maskenbild (das Maskenmuster) der Bildzeichnungsmaske 3 (3a, 3b, usw.), das gemäß den Daten auf dem Maskenbild, die z. B. in einem Rechner oder etwas Ähnlichem gespeichert sind, gemäß einem vorgegebenen Querschnitts-Formmuster auf der lichtgehärteten Harzschicht, die ausgebildet werden soll, animiert und kontinuierlich ist, wie in 4 und 5 gezeigt wird, synchron mit der kontinuierlichen Bewegung der Bildzeichnungsmaske 3 (3a, 3b, usw.), wie oben erwähnt wurde, um kontinuierlich eine lichtge härtete Harzschicht auszubilden, die eine vorgegebene Querschnittsform aufweist (das belichtete Bild 6).
4 stellt einen kontinuierlichen Ablauf des stereolithografischen Aufbaus nach der Erfindung dar, der eine Bildzeichnungsmaske 3 verwendet, die eine Breite aufweist, welche geringer (ungefähr die halbe Breite der Form gebenden Oberfläche 5 in 4) als die gesamte Breite des vorgegebenen Querschnitts-Formmusters, das ausgebildet werden soll (das belichtete Bild 6), oder der Form gebenden Oberfläche 5 ist.
Zunächst, zu Beginn des stereolithografischen Aufbaus, werden diese Einheiten so positioniert, dass das vordere Ende des Lichts, welches durch die Bildzeichnungsmaske 3 und die Projektionslinse 4 übertragen wurde, das Ende 5a der Form gebenden Oberfläche 5 erreicht, wie in 4 (1) gezeigt wird. Anschließend werden die Lichtquelle 1 (oder die Lichtübertragungseinheit 7), der Kondensor 2, die Bildzeichnungsmaske 3 und die Projektionslinse 4 kontinuierlich zu dem anderen Ende 5a parallel zu der Form gebenden Oberfläche 5 bewegt, wie in 4 (2) bis 5 gezeigt wird. Während dieses Ablaufs zeigt das Maskenbild, das durch die Bildzeichnungsmaske 3 ausgebildet wird, eine kontinuierliche und animierte Änderung gemäß dem vorgegebenen Querschnitts-Formmuster, das ausgebildet werden soll. Das Licht, das dem Maskenbild entspricht, wird dann auf die Form gebende Oberfläche 5 zugeführt, um ein belichtetes Bild 6 auszubilden. Sobald der vorher erwähnte stereolithografische Aufbauprozess zu dem Stadium fortschreitet, das in 4 (5) gezeigt wird, wurde das belichtete Bild 6 durch die halbe Breite des vorgegebenen Querschnitts-Formmusters ausgebildet, das ausgebildet werden soll. In diesem Stadium werden die Lichtquelle 1 (oder die Lichtübertragungseinheit 7), der Kondensor 2, die Bildzeichnungsmaske 3 und die Projektionslinse 4 zu der Position bewegt, die der anderen halben Breite der Form gebenden Oberfläche 5 entspricht, wobei der vorher erwähnte stereolithografische Aufbau-Ablauf von dem Ende 5b zu dem Ende 5a der Form gebenden Oberfläche 5 wiederholt wird, wie in 4 (6) bis (10) gezeigt wird. Auf diese Weise wird eine Schicht der lichtgehärteten Harzschicht ausgebildet, die ein vorgegebenes Querschnitts-Formmuster aufweist, das ausgebildet werden soll (das belichtete Bild 6).
5 stellt einen kontinuierlichen Ablauf des stereolithografischen Aufbaus nach der Erfindung dar, wobei eine Bildzeichnungsmaske 3 verwendet wird, die eine Breite aufweist, die die gleiche oder im Wesentlichen die gleiche ist wie die gesamte Breite des vorgegebenen lichtgehärteten Querschnitts-Formmusters, das ausgebildet werden soll (das belichtete Bild 6) oder der Form gebenden Oberfläche 5.
Zunächst, zu Beginn des stereolithografischen Aufbaus, werden diese Einheiten so positioniert, dass das vordere Ende des Lichts, welches durch die Bildzeichnungsmaske 3 und die Projektionslinse 4 übertragen wurde, das Ende 5a der Form gebenden Oberfläche 5 erreicht, wo kein belichtetes Bild 6 auf der Form gebenden Oberfläche 5 ausgebildet wird, wie in 5 (1) gezeigt wird. Anschließend werden die Lichtquelle 1, der Kondensor 2, die Bildzeichnungsmaske 3 und die Projektionslinse 4 kontinuierlich zu dem anderen Ende 5a der Form gebenden Oberfläche 5 parallel zu der Form gebenden Oberfläche 5 bewegt, wie in 5 (2) bis (5) gezeigt wird. Während dieses Ablaufs zeigt das Maskenbild, das durch die Bildzeichnungsmaske 3 ausgebildet wird, eine kontinuierliche und animierte Änderung gemäß dem vorgegebenen Querschnitts-Formmuster, das ausgebildet werden soll. Das Licht, das dem Maskenbild entspricht, wird dann auf die Form gebende Oberfläche 5 angewendet, um eine Schicht der lichtgehärteten Harzschicht auszubilden, die ein vorgegebenes Querschnitts-Formmuster aufweist, das ausgebildet werden soll (das belichtete Bild 6).
Um einen kontinuierlichen stereolithografischen Aufbau-Prozess zu bewirken, der in 4 und 5 gezeigt wird, wird bevorzugt, dass die Geschwindigkeit der kontinuierlichen Bewegung der Lichtquelle 1 (oder der Lichtübertragungseinheit 7), des Kondensors 2, der Bildzeichnungsmaske 3 und der Projektionslinse 4 als konstant vorgegeben werden und die Intensität des Lichts, welches durch die Bildzeichnungsmaske 3 und die Projektionslinse 4 übertragen wurde, um die Form gebenden Oberfläche 5 zu erreichen, keine Änderung während des stereolithografische Aufbau-Prozesses zeigt, um die Form gebenden Oberfläche 5 mit dem Licht mit einer konstanten Dosis an verschiedenen Stellen des Querschnitts-Formmusters (das belichtete Bild 6) während der Ausbildung einer Schicht der lichtgehärteten Harzschicht (das belichtete Bild 6) zu bestrahlen (der kontinuierliche stereolithografische Aufbauprozess).
Nach dem stereolithografischen Verfahren der Erfindung, die den stereolithografischen Aufbau mit der animierten und kontinuierlichen Änderung des Maskenbildes der Bildzeichnungsmaske 3 synchron mit der kontinuierlichen Bewegung der Bildzeichnungsmaske 3 gemäß dem Querschnitts-Formmuster auf der der lichtgehärteten Harzschicht (das belichtete Bild 6), das ausgebildet werden soll, einschließen, können optisch geformte Erzeugnisse leicht und problemlos mit einer hohen Formungspräzision hergestellt werden, die verschiedene Formate aufweisen, die von dem kleinen Format bis zu dem großen Format reichen, wobei eine Bildzeichnungsmaske 3 verwendet wird, die kleiner als das vorgegebene Querschnitts-Formmuster ist (das belichtete Bild 6), während der Abstand zwischen angrenzenden kleinen Punktbereichen gering gehalten wird, die auf die Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung durch die Bildzeichnungsmaske 3 projiziert werden, wie es in Fig. und 5 gesehen werden kann. Weiterhin werden verschiedene Teile (6a, wie in 4 gezeigt) auf dem belichteten Bild 6, das durch die Bestrahlung mit dem Licht (die lichtgehärtete Harzschicht) ausgebildet wird, nicht nur durch einmalige Bestrahlung mit dem Licht ausgehärtet. Die verschiedenen Teile werden kontinuierlich mit dem Licht bestrahlt, bis diese Teile (z. B. das Teil 6a) vollständig mit der vorgegebenen kontinuierlichen animierten Änderung des Musters des Lichts gerastert sind, um eine lichtgehärtete Harzschicht auszubilden. Deshalb kann nach dem Verfahren der Erfindung die gründliche Lichthärtung bewirkt werden, selbst wenn die Bewegungsgeschwindigkeit des Lichts während des stereolithografischen Aufbaus erhöht wird, was es ermöglicht, ein gewünschtes, optisch geformtes Erzeugnis mit einer hohen Produktivität in kurzer Zeit herzustellen. Weiterhin kann nach dem Verfahren der Erfindung die Dosis des Lichts, das auf verschiedene Teile auf dem ausgebildeten belichteten Bild 6 einfällt (das lichtgehärtete Harz, das ein vorgegebenes Querschnitts-Formmuster aufweist) durch die vorher erwähnte kontinuierliche Bestrahlung vereinheitlicht werden. Somit neigt dieses Verfahren nicht zu der Erscheinung der Diskontinuität oder der Nonuniformität der Bestrahlung zwischen angrenzenden bestrahlten Teilen wie die vorher erwähnte verwandte Technik, die die Bestrahlung mit dem Licht mit der fixierten Bildzeichnungsmaske 3 einschließt. Demgemäß kann die einheitliche fleckenfreie Bestrahlung mit dem Licht über das ganze Querschnitts-Formmuster bewirkt werden, wobei es ermöglicht wird, ein optisch geformtes Erzeugnis bereitzustellen, das frei ist von dem Intensitätspunkt, der eine erhöhte dimensionale Präzision und Formungspräzision und ein besseres äußeres Erscheinungsbild aufweist.
Darüber hinaus kann das projizierte Bild nach dem Verfahren der Erfindung reduziert werden, um den stereolithografische Aufbau zu bewirken, wobei die Zeichnungsauflösung erhöht wird. Weiterhin kann die Reduktion des projizierten Bildes eine Wirkung des Anstiegs der Lichtintensität pro Flächeneinheit auf dem Zeichnungsabschnitt ausüben und somit die Zeit reduzieren, die für die Bestrahlung auf dem Bestrahlungsbereich erforderlich ist. Wenn man annimmt, dass es ein Bild gibt, das ein Format von 250 mm × 250 mm und eine Intensität von 1 mW/cm² aufweist, das durch die einmalige Bestrahlung einer lichthärtbaren Harzverbindung ausgebildet wird, welche eine Härtungsempfindlichkeit von 5mJ aufweist, ist die Zeit 5 Sekunden, die für die Bestrahlung erforderlich ist. Sobald eine belichtete Schicht, die das gleiche Bereichsformat wie das vorher erwähnte Format von 250 mm × 250 mm aufweist, letztendlich von dem quadratischen Format (125 mm × 125 mm) dieses Bildes (der bestrahlte Bereich) durch das Verfahren der Erfindung (das Verfahren, welches die Lichthärtung durch die kontinuierliche Bewegung der Bildzeichnungsmaske und die animierte und kontinuierliche Änderung des Maskenbildes synchron mit der Bewegung der Bildzeichnungsmaske bewirkt) ausgebildet wird, ist die resultierende Zeichnungsauflösung die vierfache derer, die sich bei einmaliger Bestrahlung mit der aufgehängten (fixierten) Bildzeichnungsmaske ergibt. Die Lichtintensität pro Einheitsbereich ist die vierfache (4mW/cm²) derer, die sich bei einmaliger Bestrahlung ergibt. Die Zeit, die erforderlich ist, den Bereich von 250 mm × 250 mm durch die Bewegung der Bildzeichnungsmaske kontinuierlich zu belichten, ist die gleiche, die für das einmalige Bestrahlen erforderlich ist (5 Sekunden). Mit anderen Worten, die Ausführung des Verfahrens der Erfindung, die ein reduziertes optisches System verwendet, ermöglicht es, die Formungspräzision drastisch zu steigern, während die Formungszeit gleich der gehalten wird, die für die einmalige Bestrahlung mit der aufgehängten Bildzeichnungsmaske erforderlich ist.
Beispiel 1
Unter Verwendung einer stereolithografischen Vorrichtung, die in 4 gezeigt wird, die eine 150 W Metall-Halogen-Lampe als eine Lichtquelle 1 und einen Typ des System-VGA-Flüssigkeitskristalls (800×640 Pixel), der von der SEIKO EPSON CORPORATION hergestellt wird, als Bildzeichnungsmaske 3 umfasst, wurde eine lichthärtbare Harzverbindung vom Typ ADEKARASCURE HSX-V2 (die eine Härtungs-Sensivität von 5 mJ aufweist), die durch ASAHI DENKA KOGYO K.K. hergestellt wird, mit dem Licht auf eine solche Weise bestrahlt, dass das projizierte Format auf der Form gebenden Oberfläche 5 (die Oberfläche der lichthärtbaren Harzverbindung) 35 mm (die Richtung der Bewegung der Vorrichtung) × 47 mm (die Richtung senkrecht zu der Bewegungsrichtung) (rechteckig) ist und die Lichtenergie-Intensität auf der Form gebenden Oberfläche 5 1 mW/cm² ist, während die Lichtquelle 1, der Kondensor 2, die Bildzeichnungsmaske 3 und die Projektionslinse 4 integral kontinuierlich parallel zu der Form gebenden Oberfläche 5 mit einer Geschwindigkeit von unge fähr 7mm/sec in der Vorwärtsrichtung nach dem Verfahren bewegt wurden, das in 4 gezeigt wird, wobei das Maskenbild der Bildzeichnungsmaske 3, das durch einen Flüssigkristall ausgebildet wurde, kontinuierlich gemäß dem Querschnitts-Formmuster geändert wurde, das ausgebildet werden sollte. Als ein Ergebnis wurde ein dreidimensional geformtes Erzeugnis (90 mm lang × 80 mm breit × 15 mm dick) hergestellt, das ein Querschnitts-Formmuster aufwies, das in 4 gezeigt wird. In diesem stereolithografischen Aufbau-Prozess betrug die Bestrahlungszeit an verschiedenen Teilen auf der lichtgehärteten Schicht 5 Sekunden, und die Dosis des einfallenden Lichts auf die verschiednen Teile betrug 5 mJ. Auf diese Weise wurde ein optisch geformtes Erzeugnis frei von dem ungleichmäßigen Härten problemlos hergestellt, welches eine ausgezeichnete dimensionale Präzision und eine ausgezeichnete äußere Erscheinung und Belastbarkeit bei einer hohen Formungsgeschwindigkeit aufwies.
Darüber hinaus werden die Lichtquelle und die Bildzeichnungsmaske in dieser Ausführungsform durch die Bewegungseinheit bewegt. Die Erfindung kann jedoch in einem Zustand verwirklicht werden, in dem die Lichtquelle und die Bildzeichnungsmaske in einer vorgegebenen Position fixiert sind, und die lichthärtbare Harzverbindung wird so bewegt, dass die Lichtquelle und die Maske relativ zu der lichthärtbaren Harzverbindung bewegt werden. In diesem Fall kann das Maskenbild der Bildzeichnungsmaske gemäß der Bewegung der lichthärtbaren Harzverbindung geändert werden.
Natürlich können sowohl die lichthärtbare Harzverbindung als auch die Gruppe der Lichtquelle und der Bildzeichnungsmaske so konfiguriert werden, dass sie beweglich sind.
In Bezug auf die Vorrichtung der Erfindung kann die Harzverbindung bewegt werden, indem eine Bewegungseinheit mit einem Tisch oder etwas Ähnlichem verbunden wird, auf welchem die lichthärtbare Harzverbindung angeordnet ist.
Durch das Bewegen der lichthärtbaren Harzverbindung können die gleichen Vorteile der Erfindung erhalten werden.
Es sollte beachtet werden, dass das Licht über dem Bestrahlungsbereich nicht notwendigerweise einheitlich sein muss. Als ein Ergebnis der kontinuierlichen Bewegung des Bestrahlungsbereichs mit einer einheitlichen Geschwindigkeit ist eine Dosis des planaren Lichts an verschiedenen Stellen auf dem vorgegebenen Querschnitts-Formmuster im Wesentlichen die gleiche.
Speziell ist die Bewegung der Bildzeichnungsmaske in der obigen Ausführungsform kontinuierlich. Auch das Maskenbild der Bildzeichnungsmaske wird kontinuierlich geändert. Die Erfindung ist jedoch nicht durch diese Eigenschaft beschränkt. Die Bewegung der Bildzeichnungsmaske kann in Intervallen sein, um so an vorgegebenen Positionen anzuhalten. Gemäß der Bewegung der Bildzeichnungsmaske kann das Maskenbild in Intervallen geändert werden.
Weiterhin kann die Erfindung ohne die Bereitstellung des Kondensors und der Projektionslinse ausgeführt werden, obwohl der Kondensor und die Projektionslinse in jeder der vorangehenden Ausführungsformen bereitgestellt wurden.
Die Bildzeichnungsmaske der Erfindung ist nicht auf die beschränkt, die eine planare Form aufweist. Die Maske kann beispielsweise in einer gebogenen Form ausgebildet sein. Weiterhin ist das Licht, das auf die lichthärtbare Harzverbindung gestrahlt wird, nicht auf das planare Licht beschränkt, so lang das Licht eine Bildvorlage darstellt.
Wie in der vorher erwähnten Beschreibung gesehen werden kann, kann nach dem Verfahren der Erfindung ein dreidimensional geformtes Erzeugnis hoher Qualität ungeachtet von dessen Format hergestellt werden, das eine ausgezeichnete dimensionale Präzision, eine Belastbarkeit und eine äußere Erscheinungsform aufweist, d. h., selbst wenn es kleinformatig, mittelformatig oder großformatig ist, mit einer hohen Formungspräzision bei einer größeren Formungsgeschwindigkeit und einer besseren Produktivität als mit der verwandten Technik, während die Erscheinung des ungleichmäßigen Härtens vermieden wird.
Weiterhin kann nach dem Verfahren der Erfindung ein dreidimensional geformtes Erzeugnis hoher Qualität, das frei von dem ungleichmäßigen Härten ist, wobei es eine hohe Formungspräzision aufweist, problemlos mit einer hohen Formungsgeschwindigkeit hergestellt werden, selbst wenn eine kostengünstige Lichtquelle wie die gewöhnliche Ultraviolett-Lampe anstatt des teuren Ultraviolett-Lasers verwendet wird.

Claims

Verfahren zum Ausbilden eines dreidimensional geformten Erzeugnisses, das die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen einer Schicht aus einer lichthärtbaren Harzzusammensetzung; Bestrahlen einer Oberfläche der lichthärtbaren Harzzusammensetzung mit einem Licht durch eine Bildzeichnungsmaske (3), um so eine lichtgehärtete Harzschicht auszubilden; und wiederholtes Durchführen der vorangegangenen Schritte, um ein vorgegebenes dreidimensional geformtes Erzeugnis durch Übereinanderschichten lichtgehärteter Harzschichten auszubilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildzeichnungsmaske (3) im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche der lichthärtbaren Harzzusammensetzung bewegt wird; und dadurch, dass das Licht bereitgestellt wird und die Bildzeichnungsmaske (3) in der Lage ist, ein Maskenbild synchron zu einer Bewegung der Bildzeichnungsmaske (3) zu verändern, um so eine vorgegebene Form an der Oberfläche (5) der lichthärtbaren Harzzusammensetzung zu definieren, so dass die lichtgehärtete Harzschicht mit einem vorgegebenen Querschnittsform-Muster ausgebildet wird.
Dreidimensionales stereolithografisches Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bildzeichnungsmaske (3) mit einer Vielzahl kleiner optischer Verschlüsse versehen ist, die zweidimensional darin angeordnet sind und in der Lage sind, Licht in kleinen Punktbereichen abzuschirmen und durchzulassen, und das Maskenbild durch die Vielzahl kleiner optischer Verschlüsse gemäß dem auszubildenden vorgegebenen Querschnittsformmuster verändert wird.
Dreidimensionales stereolithografisches Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Vielzahl kleiner optischer Verschlüsse durch Flüssigkristallverschlüsse (3a) oder digitale Mikrospiegelverschlüsse (3b) gebildet wird, die zweidimensional darin angeordnet sind.
Dreidimensionales stereolithografisches Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei während einer Ausbildung des lichtgehärteten Harzes mit dem vorgegebenen Querschnittsformmuster wenigstens eine Geschwindigkeit kontinuierlicher Bewegung der Bildzeichnungsmaske (3) oder ein Änderungsmodus des Maskenbildes der Bildzeichnungsmaske so reguliert wird, dass eine Dosis des Lichtes an verschiedenen Stellen auf dem vorgegebenen Querschnittsformmuster im Wesentlichen gleich ist.
Dreidimensionale stereolithografische Vorrichtung, die umfasst: eine Einheit zum Zuführen lichthärtbarer Harzzusammensetzung, die sequenziell eine Schicht lichthärtbarer Harzzusammensetzung zuführt; eine Lichtquelle (1), die ein Licht bereitstellt; und eine Bildzeichnungsmaske (3), die in der Lage ist, das Maskenbild zu verändern, dadurch gekennzeichnet, dass sie des Weiteren umfasst: eine Bewegungseinheit zum Bewegen der Bildzeichnungsmaske (3) im Wesentlichen parallel zu einer Oberfläche (5) der lichthärbaren Harzzusammensetzung; und eine Einheit zum Ändern des Maskenbildes der Bildzeichnungsmaske (3) synchron zur Bewegung der Bildzeichenmaske.
Dreidimensionale stereolithografische Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Bildzeichnungsmaske (3) mit einer Vielzahl kleiner optischer Verschlüsse versehen ist, die zweidimensional darin angeordnet sind und in der Lage sind, Licht in einem kleinen Punktbereich abzuschirmen und durchzulassen.
Dreidimensionale stereolithografische Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Bildzeichnungsmaske (3) mit Flüssigkristallverschlüssen (3a) oder digitalen Mikrospiegelverschlüssen (3b) versehen ist, die zweidimensional darin angeordnet sind.
Dreidimensionale stereolithografische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, die des Weiteren eine Bündelungslinse (2), die zwischen der Lichtquelle (1) und der Bildzeichnungsmaske (3) vorhanden ist, sowie eine Projektionslinse (4) umfasst, die zwischen der Bildzeichnungsmaske (3) und der Oberfläche (5) der lichthärtbaren Harzzusammensetzung vorhanden ist, wobei die Bündelungslinse (2) und die Projektionslinse (4) in der Lage sind, sich synchron zu der Bildzeichnungsmaske (3) zu bewegen.
Dreidimensionales stereolithografisches Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Bewegung der Bildzeichnungsmaske (3) kontinuierlich ist und das Maskenbild der Bildzeichnungsmaske (3) kontinuierlich verändert wird.
Dreidimensionale stereolithografische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei eine Bewegung der Bildzeichnungsmaske (3) kontinuierlich ist und das Maskenbild der Bildzeichnungsmaske (3) kontinuierlich verändert wird.