JP2009160861A - Optical shaping apparatus and optical shaping method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光造形装置および光造形方法に関し、特に、高精度な造形物を最適な造形時間で造形することできるようにした光造形装置および光造形方法に関する。 The present invention relates to an optical modeling apparatus and an optical modeling method, and more particularly, to an optical modeling apparatus and an optical modeling method capable of modeling a highly accurate modeled object in an optimal modeling time.
従来、CAD(Computer Aided Design)で作成された3次元形状データを用いて、立体モデル(造形物)を作成するときには、例えば、数値制御される機械加工機などが用いられ、機械加工により立体モデルが作成される。 Conventionally, when creating a three-dimensional model (modeled object) using three-dimensional shape data created by CAD (Computer Aided Design), for example, a numerically controlled machining machine or the like is used. Is created.
また、近年、機械加工をすることなく立体モデルを作成するラピッドプロトタイピング(RP:Rapid Prototyping)と呼ばれる手法が、多くの製造現場で注目を集めている。ラピッドプロトタイピングでは、立体モデルの3次元形状データに基づいて、立体モデルをスライスした断面形状の薄板を作成し、その断面形状の薄板を積層することで立体モデルが作成される積層造形法と呼ばれる製造手法が用いられる。 In recent years, a technique called rapid prototyping (RP: Rapid Prototyping) for creating a three-dimensional model without machining has attracted attention in many manufacturing sites. Rapid prototyping is called additive manufacturing, in which a thin plate with a cross-sectional shape obtained by slicing a three-dimensional model is created based on the three-dimensional shape data of the three-dimensional model, and a three-dimensional model is created by stacking the thin plates with the cross-sectional shape. Manufacturing techniques are used.
また、ラピッドプロトタイピングは、この断面形状の薄板を作成する方法によって、紫外線硬化樹脂を用いた光造形、熱可塑性樹脂を押し出し積層する方法(FDM)、粉末の溶融接着積層方式(SLS)、紙を薄膜積層する方式(LOM)、粉末や硬化触媒を吐出させ積層する方式(Ink−Jet方式)などに分類される。 Rapid prototyping is based on the method of creating a thin plate having a cross-sectional shape, such as stereolithography using an ultraviolet curable resin, extrusion lamination of thermoplastic resin (FDM), powder melt adhesion lamination (SLS), paper Are classified into a thin film stacking method (LOM), a method of discharging powder and a curing catalyst and laminating (Ink-Jet method).
例えば、光造形においては、CADで作成された立体モデルの3次元形状データが、立体モデルの表面が小さな三角形の面で表現されるフォーマットであるSTL(Stereo Lithography)に変換されて、光造形装置に入力される。 For example, in stereolithography, 3D shape data of a stereo model created by CAD is converted into STL (Stereo Lithography), which is a format in which the surface of the stereo model is represented by a small triangular surface, and the stereolithography device Is input.
光造形装置は、3次元形状データから、例えば、0.1〜0.2mm程度の一定間隔で、立体モデルをスライスした断面形状データを作成し、断面形状データに応じて、液状の光硬化樹脂の表面に照射する光の照射領域を決定する。光造形装置は、断面形状データの1層ごとに、液状の光硬化樹脂の表面に、その断面形状データに応じた照射領域の光を照射するとともに、液状の光硬化樹脂中の移動架台を、立体モデルをスライスした厚みに応じて垂直方向下方に移動させる。そして、光造形装置は、断面形状データの最下層から最上層まで、光の照射と移動架台の移動とを繰り返すことにより、立体モデルを生成する。 The stereolithography apparatus creates cross-sectional shape data obtained by slicing a three-dimensional model from the three-dimensional shape data, for example, at regular intervals of about 0.1 to 0.2 mm, and the surface of the liquid photo-curing resin according to the cross-sectional shape data. The irradiation area of the light to be irradiated is determined. The stereolithography apparatus irradiates the surface of the liquid photocurable resin with light of the irradiation region corresponding to the cross sectional shape data for each layer of the cross sectional shape data, and a moving gantry in the liquid photocurable resin. The three-dimensional model is moved vertically downward according to the sliced thickness. Then, the stereolithography apparatus generates a three-dimensional model by repeating the light irradiation and the movement of the movable frame from the lowermost layer to the uppermost layer of the cross-sectional shape data.
光造形装置において、光硬化樹脂の表面に光を照射する方式としては、光ビームを走査させるビームスキャン方式、液晶パネルなどの空間光変調器(SLM:Spatial Light Modulator)を用いて一括して光を照射するSLM投影方式、および、ビームスキャン方式とSLM投影方式とを組み合わせた方式がある。 In stereolithography equipment, the light curable resin surface is irradiated with light using a beam scanning system that scans the light beam or a spatial light modulator (SLM: Spatial Light Modulator) such as a liquid crystal panel. There are SLM projection methods that irradiate the light, and a combination of a beam scan method and an SLM projection method.
ビームスキャン方式とSLM投影方式とを組み合わせた方式では、空間光変調器を用いて、光硬化樹脂の表面の露光領域に光を一括して照射した後に、光ビームを断面形状データの輪郭線に沿って走査させることにより、短時間で、輪郭がきれいに形成される立体モデルを造形することができる。 In the method combining the beam scan method and the SLM projection method, a spatial light modulator is used to collectively irradiate light onto the exposure area of the surface of the photocuring resin, and then the light beam is applied to the contour line of the cross-sectional shape data. By scanning along, it is possible to form a three-dimensional model in which the contour is formed cleanly in a short time.
ここで、特許文献1には、立体モデルの大きさに合わせて、光ビームをスキャンするためのミラーと光硬化樹脂の表面との間隔を調整することができる光造形装置が開示されている。 Here, Patent Literature 1 discloses an optical modeling apparatus that can adjust the distance between a mirror for scanning a light beam and the surface of a photo-curing resin in accordance with the size of a three-dimensional model.
上述したように光造形装置は構成されているが、従来よりも高精度な造形物を最適な造形時間で造形することが求められていた。 As described above, the optical modeling apparatus is configured, but it has been required to model a modeled object with higher accuracy than before in an optimal modeling time.
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり高精度な造形物を最適な造形時間で造形することができるようにするものである。 This invention is made | formed in view of such a condition, and enables it to model a highly accurate molded article in the optimal modeling time.
本発明の一側面の光造形装置は、立体モデルの断面形状データに応じた光を光硬化性樹脂の表面に照射して硬化層を形成し、前記硬化層を積層することにより前記立体モデルを造形する光造形装置であって、前記立体モデルの断面形状データが内接する矩形の領域である最大矩形領域を設定する設定手段と、前記設定手段により設定された最大矩形領域の1頂点を原点として、光造形の作業が行われるワーク全体領域を複数の矩形の領域に分割したワーク小領域に応じて、前記立体モデルの断面形状データを分割し、前記ワーク小領域に対応する断面形状データであるワーク小領域データを生成するデータ生成手段と、前記データ生成手段により生成されたワーク小領域データに基づいて前記光硬化性樹脂を露光する露光手段とを備える。 The stereolithography apparatus according to one aspect of the present invention irradiates the surface of a photocurable resin with light according to cross-sectional shape data of a three-dimensional model to form a hardened layer, and stacks the hardened layer to form the three-dimensional model. An optical modeling apparatus for modeling, wherein a setting unit that sets a maximum rectangular region that is a rectangular region inscribed by the cross-sectional shape data of the three-dimensional model, and one vertex of the maximum rectangular region set by the setting unit as an origin The cross-sectional shape data corresponding to the small work area is obtained by dividing the cross-sectional shape data of the three-dimensional model according to the small work area obtained by dividing the entire work area where the optical modeling work is performed into a plurality of rectangular areas. Data generating means for generating work small area data, and exposure means for exposing the photocurable resin based on the work small area data generated by the data generating means.
本発明の一側面の光造形方法は、立体モデルの断面形状データに応じた光を光硬化性樹脂の表面に照射して硬化層を形成し、前記硬化層を積層することにより立体モデルを造形する光造形方法であって、立体モデルの断面形状データが内接する矩形の領域である最大矩形領域を設定し、最大矩形領域の1頂点を原点として、光造形の作業が行われるワーク全体領域を複数の矩形の領域に分割したワーク小領域に応じて、立体モデルの断面形状データを分割し、ワーク小領域に対応する断面形状データであるワーク小領域データを生成し、ワーク小領域データに基づいて光硬化性樹脂を露光するステップを含む。 An optical modeling method according to one aspect of the present invention forms a three-dimensional model by irradiating the surface of a photocurable resin with light according to cross-sectional shape data of a three-dimensional model to form a cured layer and laminating the cured layer. An optical modeling method, wherein a maximum rectangular area, which is a rectangular area inscribed by the cross-sectional shape data of the three-dimensional model, is set, and an entire work area where the optical modeling work is performed with one vertex of the maximum rectangular area as an origin Based on the workpiece small area divided into a plurality of rectangular areas, the sectional shape data of the three-dimensional model is divided to generate workpiece small area data that is the sectional shape data corresponding to the workpiece small area. Exposing the photocurable resin.
本発明の一側面においては、立体モデルの断面形状データが内接する矩形の領域である最大矩形領域が設定される。また、最大矩形領域の1頂点を原点として、光造形の作業が行われるワーク全体領域を複数の矩形の領域に分割したワーク小領域に応じて、立体モデルの断面形状データが分割し、ワーク小領域に対応する断面形状データであるワーク小領域データが生成される。そして、ワーク小領域データに基づいて光硬化性樹脂が露光される。 In one aspect of the present invention, a maximum rectangular area that is a rectangular area inscribed by the cross-sectional shape data of the three-dimensional model is set. In addition, the cross-sectional shape data of the three-dimensional model is divided according to the work small area obtained by dividing the entire work area where the optical modeling work is performed into a plurality of rectangular areas with one vertex of the maximum rectangular area as the origin. Work small area data that is cross-sectional shape data corresponding to the area is generated. Then, the photocurable resin is exposed based on the work small area data.
本発明の一側面によれば、高精度な造形物を最適な造形時間で造形することができる。 According to one aspect of the present invention, a highly accurate model can be modeled in an optimal modeling time.
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.
まず、図1を参照して、本発明を適用した光造形装置における光造形の方式であるタイリング方式について説明する。 First, with reference to FIG. 1, the tiling method which is the method of optical modeling in the optical modeling apparatus to which this invention is applied is demonstrated.
一般に、光造形において、光ビームを走査する範囲、または、空間光変調器を用いて光を照射する範囲を小さくすることで、立体モデルの輪郭を高精度に形成することができ、これにより、立体モデルの寸法精度を向上させることができる。そこで、例えば、光造形の作業が行われる全領域であるワーク全体領域を、複数のワーク小領域に分割し、ワーク小領域ごとに一括露光とビームスキャンを行うタイリング方式が提案されている。 Generally, in stereolithography, the contour of a three-dimensional model can be formed with high accuracy by reducing the range of scanning a light beam or the range of irradiating light using a spatial light modulator. The dimensional accuracy of the three-dimensional model can be improved. Therefore, for example, a tiling method has been proposed in which the entire work area, which is the entire area where the optical modeling work is performed, is divided into a plurality of small work areas, and batch exposure and beam scanning are performed for each small work area.
図1Aには、ワーク全体領域が示されており、図1Bには、ワーク全体領域の一部であるワーク小領域が示されている。 FIG. 1A shows the entire work area, and FIG. 1B shows a small work area that is a part of the entire work area.
図1において、ワーク全体領域の縦×横は10cm×10cmであり、ワーク小領域の縦×横は1cm×1cmである。即ち、ワーク全体領域は、縦×横が10個×10個のワーク小領域により分割されている。 In FIG. 1, the vertical and horizontal dimensions of the entire work area are 10 cm × 10 cm, and the vertical and horizontal dimensions of the small work area are 1 cm × 1 cm. That is, the entire work area is divided into 10 × 10 small work areas in the vertical and horizontal directions.
図1Aに示すように、ワーク全体領域の中央付近のハッチングが施されている領域が、立体モデルの断面形状データに応じた露光領域であり、このワーク全体領域の下から2行目であって、左から3列目にあるワーク小領域が拡大されて、図1Bに示されている。 As shown in FIG. 1A, the hatched area near the center of the entire work area is the exposure area corresponding to the cross-sectional shape data of the three-dimensional model, and is the second line from the bottom of the entire work area. The work small area in the third column from the left is enlarged and shown in FIG. 1B.
ここで、一括露光においては、縦×横が1000画素×1000画素である空間光変調器が用いられているとすると、図1Bに示すように、ワーク小領域は、空間光変調器の画素に応じて、縦×横が1000個×1000個の単位領域(即ち、空間光変調器の1画素に対応する領域)に分割される。ワーク小領域の縦×横が1cm×1cmであるので、単位領域の縦×横は10μm×10μmとなる。 Here, in the batch exposure, assuming that a spatial light modulator having 1000 pixels × 1000 pixels in the vertical and horizontal directions is used, as shown in FIG. Accordingly, the vertical × horizontal is divided into 1000 × 1000 unit regions (that is, a region corresponding to one pixel of the spatial light modulator). Since the vertical and horizontal dimensions of the work small area are 1 cm × 1 cm, the vertical and horizontal dimensions of the unit area are 10 μm × 10 μm.
また、図1Bでは、断面形状データの輪郭線が、2点鎖線で表されており、一括露光により露光される単位領域に、斜線のハッチングが施されている。即ち、一括露光では、輪郭線より内側にある単位領域が露光されており、断面形状データの輪郭線が重なっている単位領域、および断面形状データの輪郭線より外側にある単位領域は、露光されない。 Further, in FIG. 1B, the outline of the cross-sectional shape data is represented by a two-dot chain line, and the unit area exposed by the collective exposure is hatched. That is, in the batch exposure, the unit region inside the contour line is exposed, and the unit region where the contour line of the cross-sectional shape data overlaps and the unit region outside the contour line of the cross-sectional shape data are not exposed. .
そして、一括露光が行われた後、断面形状データの輪郭線の内側に沿ってビームスキャンが行われ、輪郭線の内側の領域であって、一括露光により露光されていない領域が露光される。 After the collective exposure is performed, a beam scan is performed along the inside of the contour line of the cross-sectional shape data, and an area inside the contour line that is not exposed by the collective exposure is exposed.
ここで、断面形状データを含むワーク小領域からなる矩形の領域内(図1において、破線で示されている領域)において、断面形状データに基づく露光が行われるが、ワーク小領域に対する断面形状データの配置が適切でないと、処理の効率が悪くなる。また、ドットのハッチングが施されている領域のワーク小領域では、断面形状データの領域が、その中央に偏った(歪んだ)(中途半端な)形状となるため、造形される硬化層の精度が低下することがあった。 Here, the exposure based on the cross-sectional shape data is performed in a rectangular area (area indicated by a broken line in FIG. 1) consisting of a small work area including the cross-sectional shape data. If the arrangement of is not appropriate, the efficiency of the processing is deteriorated. Also, in the small work area of the hatched area, the cross-sectional shape data area is biased (distorted) (halfway) in the center, so the accuracy of the hardened layer to be shaped May decrease.
そこで、本発明を適用した光造形装置では、高精度な造形物を効率よく処理を行うことができるようにする。 Therefore, in the optical modeling apparatus to which the present invention is applied, a highly accurate model can be processed efficiently.
図2は、本発明を適用した光造形装置の一実施の形態の構成例を示すブロック図である。 FIG. 2 is a block diagram showing a configuration example of an embodiment of an optical modeling apparatus to which the present invention is applied.
図2において、光造形装置11は、一括露光光学系12、ビームスキャン光学系13、偏光ビームスプリッタ14、対物レンズ15、ワーク部16、および制御部17から構成され、光硬化性樹脂である紫外線硬化樹脂51に光(紫外線)を照射して光造形を行う。なお、図2では、制御部17が光造形装置11を構成する各ブロックを制御することを表す線のうちの一部の図示は、図が煩雑になるため、省略してある。
In FIG. 2, the
一括露光光学系12は、ワーク部16にある紫外線硬化樹脂51の表面を一括して露光する一括露光を行うための光学系であり、光源21、シャッタ22、偏光板23、ビームインテグレータ24、ミラー25、空間光変調器26、および集光レンズ27から構成される。
The collective exposure
光源21としては、例えば、高出力な青色LEDをアレイ状に配置したものを用いることができ、光源21は、一括露光を行うための光を放射する。なお、光源21としては、コヒーレントなレーザ光源を用いる必要はない。
As the
シャッタ22は、制御部17の制御に従って、光源21から放射される光の通過または遮蔽を制御し、一括露光光学系12による露光のオン/オフを制御する。
The
偏光板23は、シャッタ22を通過した光を所定の偏光光とする。即ち、偏光板23は、透過型の液晶パネルからなる空間光変調器26が、光源21からの光を空間変調することができるように、その光を偏光する。
The
ビームインテグレータ24は、偏光板23により偏光された光を均一化する。ビームインテグレータ24としては、複数のレンズエレメントを配列してなるフライアイタイプや、四角柱等の柱状のロッドレンズの内部を全反射させる構成としてなるライトロッドタイプ等の一般的なものが用いられる。
The
ミラー25は、ビームインテグレータ24により均一化された光を空間光変調器26に向かって反射する。
The
空間光変調器26は、例えば、透過型の液晶パネルからなり、ミラー25により反射された光が、紫外線硬化樹脂51上の断面形状データに応じた照射領域を露光するように、制御部17の制御に従い、その光の一部を空間変調する。
The spatial
即ち、空間光変調器26には、断面形状データに応じて、液晶パネルの各画素を駆動させる駆動信号が制御部17から供給され、空間光変調器26は、その駆動信号に基づいて、照射領域に対応する画素の液晶の分子の配列を変えて透過する偏光方向を変化させる。これにより、空間光変調器26は、液晶パネルを通過する光を空間変調し、液晶パネルの1画素に対応する領域を、露光を行う単位領域として、断面形状データに応じた形状の光を紫外線硬化樹脂51に投影する。
That is, a drive signal for driving each pixel of the liquid crystal panel is supplied from the
集光レンズ27は、空間光変調器26により空間変調された光が対物レンズ15を通過する際のディストーションを補正するためのレンズ群により構成され、空間光変調器26により空間光変調された光を、偏光ビームスプリッタ14の反射透過面上の対物レンズ15の前焦点に集光する。例えば、集光レンズ27と対物レンズ15とが対称光学系となるように、それぞれのレンズ群を構成することで、ディストーションを少なくすることができる。
The condenser lens 27 is composed of a lens group for correcting distortion when the light spatially modulated by the spatial
ビームスキャン光学系13は、ワーク部16の紫外線硬化樹脂51の表面にレーザ光を走査させてビームスキャン露光を行うための光学系であり、光源31、コリメータレンズ32、アナモルフィックレンズ33、ビームエキスパンダ34、ビームスプリッタ35、シャッタ36、ガルバノミラー37および38、リレーレンズ39および40、並びに、反射光モニタ部41から構成される。
The beam scan
光源31は、例えば、青から紫外域程度の比較的に波長の短いレーザ光を放射する半導体レーザであり、ビームスキャン光学系13によりビームスキャンを行うための光ビームを放射する。なお、光源31としては、半導体レーザ以外に、ガスレーザなどを用いてもよい。
The
コリメータレンズ32は、光源31から放射される光ビームの発散角を変換して略平行光とする。アナモルフィックレンズ33は、コリメータレンズ32により略平行光とされた楕円形状の光ビームを整形して略円形状にする。
The
ビームエキスパンダ34は、アナモルフィックレンズ33により略円形状にされた光ビームのビーム径(ビームの直径)を、対物レンズ15の開口、NA(開口数)等に適した所望のビーム径に変換してビーム径のサイズ調整を行う。
The
ビームスプリッタ35は、光源31から照射される光ビームを透過させて、ワーク部16にある紫外線硬化樹脂51に向かわせるとともに、紫外線硬化樹脂51で反射され、各光学系を通過してくる戻り光を、反射光モニタ部41に向かって反射する。
The
シャッタ36は、制御部17の制御に従って、ビームスプリッタ35を透過した光ビームの通過または遮蔽を制御し、ビームスキャン光学系13によるビームスキャン露光のオン/オフを制御する。なお、光源31が半導体レーザであるときには、半導体レーザにおいて光ビームの放射を直接変調することにより、ビームスキャン露光のオン/オフを制御することができるので、シャッタ36を設けずにビームスキャン光学系13を構成するようにしてもよい。
The
ガルバノミラー37および38は、所定の方向に回転可能とされた反射手段と、電気信号に応じて反射手段の回転方向の角度を調整する調整手段とを有し、調整手段が反射手段の角度を調整することで、反射手段により反射される光ビームを、所定の方向に走査させる。 The galvanometer mirrors 37 and 38 have reflecting means that can rotate in a predetermined direction, and adjusting means that adjusts the angle of the rotating direction of the reflecting means in accordance with an electric signal. The adjusting means adjusts the angle of the reflecting means. By adjusting, the light beam reflected by the reflecting means is scanned in a predetermined direction.
即ち、ガルバノミラー37は、シャッタ36を透過した光ビームを、ガルバノミラー38に向かって反射させるとともに、紫外線硬化樹脂51の表面である液面に平行な面内の所定の一方向であるX方向に走査させる。ガルバノミラー38は、ガルバノミラー37により反射された光ビームを、偏光ビームスプリッタ14に向かって反射させるとともに、紫外線硬化樹脂51の表面である液面に平行な面内の、X方向に直交する方向であるY方向に走査させる。
That is, the
リレーレンズ39および40は、一又は複数のレンズを有するレンズ群からなり、ガルバノミラー37および38により光ビームがスキャンされるスキャン角度にわたり、平行入射光ビームを平行に出射する。即ち、リレーレンズ39は、ガルバノミラー37で反射された光ビームを、ガルバノミラー38上に結像し、リレーレンズ40は、ガルバノミラー38で反射された光ビームを、偏光ビームスプリッタ14の反射透過面上に結像する。
The
このように、ガルバノミラー37とガルバノミラー38との間にリレーレンズ39を設け、ガルバノミラー38と偏光ビームスプリッタ14との間にリレーレンズ40を設けることで、近接する位置に配置されていないガルバノミラー37とガルバノミラー38とにより光ビームをスキャンさせても、偏光ビームスプリッタ14の反射透過面上に光ビームを結像させ、一括露光光学系12からの光と合成させることができる。
As described above, the
反射光モニタ部41は、紫外線硬化樹脂51の表面で反射された戻り光を、例えば、非点収差法や三角測量法を用いて検出する。反射光モニタ部41により検出される戻り光は、ビームスキャン光学系13から紫外線硬化樹脂51に照射される光ビームのフォーカス調整などに利用される。例えば、反射光モニタ部41により検出された戻り光に基づいて、ビームエキスパンダ34が有する複数のレンズを駆動させてビーム径のサイズを調整したり、ビームエキスパンダ34を透過した光ビームの平行度を調整するレンズを設けて、そのレンズによりビーム径のサイズを調整したりすることができる。また、反射光モニタ部41により検出された戻り光に基づいて、空間光変調器26や対物レンズ15を光軸方向に移動させることで、一括露光において紫外線硬化樹脂51に結像される光のフォーカスを調整することができる。
The reflected
偏光ビームスプリッタ14は、一括露光光学系12からの光と、ビームスキャン光学系13からの光ビームとを合成し、それらの光を紫外線硬化樹脂51に導く。なお、偏光ビームスプリッタ14は、その反射透過面が、対物レンズ15の前側焦点位置に一致するように配置されている。
The
対物レンズ15は、一又は複数のレンズを有するレンズ群からなり、一括露光光学系12からの光を紫外線硬化樹脂51の表面に結像させるとともに、ビームスキャン光学系13からの光ビームを集光する。
The
また、対物レンズ15は、ビームスキャン光学系13のガルバノミラー37および38により偏向された光ビームが、紫外線硬化樹脂51の表面において等速度で走査されるように、即ち、紫外線硬化樹脂51の表面において均一な走査線速度で走査されるように構成されている。
Further, the
例えば、対物レンズ15としては、入射角θに比例した像高Yをもち、焦点距離fと入射角θとの積が像高Yとなるような関係(Y=f×θ)を有する所謂fθレンズが用いられる。換言すると、fθレンズは、走査される光ビームの走査速度が、レンズへの入射位置によらず、常に一定となるように設計されたレンズである。このような対物レンズ15を用いることで、走査線速度がばらつくことによる設計形状と実際の硬化層の形状とに違いが発生することを防止することができ、高精細な造形が実現される。
For example, the
ワーク部16は、収容容器52、ステージ53、駆動部54から構成される。
The
収容容器52は、液状の紫外線硬化樹脂51を収容する。
The
ステージ53は、収容容器52の紫外線硬化樹脂51に浸漬され、紫外線硬化樹脂51の表面である液面に対して直交する垂直方向(図2の矢印Zの方向)、および、液面に沿う方向(即ち、矢印Zの方向に対して垂直なX−Y方向)に移動可能とされる。
The
駆動部54は、制御部17の制御に従い、収容容器52およびステージ53を駆動する。例えば、駆動部54は、露光が行われるワーク小領域(図1)ごとに、X−Y方向にステージ53を移動させ、立体モデルの硬化層が1層形成されるごとに1ステップずつステージ53をZ方向下方に硬化層の厚さ(図2および4の厚さd)に従って移動させる。また、駆動部54は、紫外線硬化樹脂51の表面が、対物レンズ15の後側焦点位置に一致するように、収容容器52を垂直方向に駆動する。
The
制御部17は、光源21を制御して、光源21からの光の放射をオン/オフさせたり、シャッタ22を制御して、紫外線硬化樹脂51の露光をオン/オフさせたり、駆動部54を制御して、収容容器52およびステージ53を駆動させる。また、制御部17は、立体モデルの断面形状データに基づいて、照射領域に対応する空間光変調器26の画素が光を透過するように、空間光変調器26の各画素を駆動する駆動信号を空間光変調器26に供給する。
The
ここで、制御部17は、ワーク全体領域に対する断面形状データの位置を調整して、処理を効率よく行うことができるようにする。
Here, the
図3を参照して、断面形状データの位置が調整されたワーク全体領域の例について説明する。 With reference to FIG. 3, the example of the whole workpiece | work area | region where the position of cross-sectional shape data was adjusted is demonstrated.
図3には、図1と同様のワーク全体領域が示されている。また、図3では、断面形状データが内接する矩形の領域(以下、適宜、マックスボックスと称する)が、破線で示されている。 FIG. 3 shows the entire work area similar to that shown in FIG. In FIG. 3, a rectangular area (hereinafter referred to as “max box” as appropriate) in which the cross-sectional shape data is inscribed is indicated by a broken line.
図3に示すように、制御部17は、マックスボックスの左下の頂点Pが、ワーク小領域の交点に一致するように、即ち、マックスボックスの左辺と下辺を、ワーク小領域の境界線に一致させるように断面形状データを移動させる。このように断面形状データを移動させることにより、効率よく処理を行うことができる。
As shown in FIG. 3, the
即ち、例えば、断面形状データを分割するワーク小領域の数を少なくすること、具体的には、図1の例では、断面形状データを分割するワーク小領域の数は56(7×8)であったが、図3の例では、断面形状データを分割するワーク小領域の数を42(6×7)にすること(約25%の削減)ができる。従って、露光処理を行う対象となるワーク小領域の数が減るので、露光処理に必要な時間を短縮すること、即ち、立体モデルの造形時間を短縮(最適化)することができる。 That is, for example, reducing the number of small work areas for dividing the cross-sectional shape data. Specifically, in the example of FIG. 1, the number of small work areas for dividing the cross-sectional shape data is 56 (7 × 8). However, in the example of FIG. 3, the number of work small regions into which the cross-sectional shape data is divided can be set to 42 (6 × 7) (reduction of about 25%). Accordingly, since the number of work small areas to be subjected to the exposure process is reduced, the time required for the exposure process can be shortened, that is, the modeling time of the three-dimensional model can be shortened (optimized).
また、図3のマックスボックスにおいて、右側のワーク小領域では、断面形状データの領域が左側に偏っている。そこで、このような偏りを解消する例が考えられる。なお、マックスボックスの右側の頂点を、ワーク小領域の交点に一致させた場合には、左側のワーク小領域で、断面形状データの領域が右側に偏ることになる。 In the max box of FIG. 3, the cross-sectional shape data area is biased to the left side in the work small area on the right side. Therefore, an example of eliminating such a bias can be considered. When the right vertex of the max box is made to coincide with the intersection of the work small areas, the cross-sectional shape data area is biased to the right in the left work small area.
次に、図4を参照して、断面形状データの位置が調整されたワーク全体領域の他の例について説明する。 Next, another example of the entire work area in which the position of the cross-sectional shape data is adjusted will be described with reference to FIG.
図4のワーク全体領域では、マックスボックス内のワーク小領域のX方向の寸法が調整されている。 In the entire work area of FIG. 4, the dimension in the X direction of the small work area in the max box is adjusted.
即ち、マックスボックス内のワーク小領域のX方向の寸法Lx’は、次の式(1)で表される。 That is, the dimension Lx ′ in the X direction of the work small area in the max box is expressed by the following equation (1).
Lx’=Lx+(Mx−Lx×Nx)/Nx ・・・(1) Lx ′ = Lx + (Mx−Lx × Nx) / Nx (1)
但し、式(1)において、Lxは、ワーク小領域の初期値として設定されている寸法であって、図1に示したように、例えば、1cmである。また、Mxは、マックスボックスのX方向の寸法であり、Nxは、マックスボックス内のX方向に配置されるワーク小領域の数である。 However, in Expression (1), Lx is a dimension set as an initial value of the work small area, and is 1 cm, for example, as shown in FIG. Further, Mx is a dimension in the X direction of the max box, and Nx is the number of work small areas arranged in the X direction in the max box.
このようにマックスボックス内のワーク小領域のX方向の寸法Lx’を決定することで、マックスボックス内のワーク小領域のそれぞれについてのX方向の寸法Lx’が均等に決定される。また、マックスボックス内のワーク小領域からなる領域(図4では6×6のワーク小領域からなる領域)の形状が、マックスボックスの形状と一致、即ち、マックスボックスの四辺が、ワーク小領域どうしの境界線と一致する。従って、マックスボックス内のワーク小領域における断面形状データの偏り(歪み)も低減させることができる。これにより、ワーク小領域において断面形状データが偏ることにより生じる精度の低下を抑制し、高精度で立体モデルを造形することができる。 By determining the dimension Lx ′ in the X direction of the work small area in the max box in this way, the dimension Lx ′ in the X direction for each of the work small areas in the max box is equally determined. Further, the shape of the work box in the max box (the area of the work small area of 6 × 6 in FIG. 4) matches the shape of the max box, that is, the four sides of the max box are the work work areas. Matches the border of Therefore, the deviation (distortion) of the cross-sectional shape data in the work small area in the max box can be reduced. Thereby, the fall of the precision which arises by cross-sectional shape data biasing in a workpiece | work small area | region can be suppressed, and a solid model can be modeled with high precision.
また、このようにマックスボックス内のワーク小領域のX方向の寸法Lx’を決定することで、断面形状データを分割するワーク小領域の数を少なくすること、図4の例では、断面形状データを分割するワーク小領域の数を36(6×6)にすること(図1の例より約36%の削減)ができる。これにより、造形時間をさらに短縮することができる。 Further, by determining the dimension Lx ′ in the X direction of the work small area in the max box in this way, the number of work small areas into which the cross-sectional shape data is divided is reduced. In the example of FIG. Can be reduced to 36 (6 × 6) (about 36% reduction from the example in FIG. 1). Thereby, modeling time can further be shortened.
なお、図3および4において、断面形状データ内に示されている座標は、断面形状データの移動や回転などの処理を行う際に基準となる座標である。また、マックスボックス内のワーク小領域のX方向の寸法Lx’を大きくした結果、ワーク小領域が空間光変調器26により一括露光が可能な領域より広くなったときには、その領域は、ビームスキャン光学系13により露光される。
3 and 4, the coordinates shown in the cross-sectional shape data are coordinates used as a reference when performing processing such as movement and rotation of the cross-sectional shape data. Further, as a result of increasing the dimension Lx ′ in the X direction of the work small area in the max box, when the work small area becomes wider than the area that can be collectively exposed by the spatial
次に、図5は、光造形装置11による光造形を行う処理を説明するフローチャートである。
Next, FIG. 5 is a flowchart for explaining processing for performing optical modeling by the
例えば、光造形装置11に、CADで作成された立体モデルの3次元形状データが入力され、光造形を開始する操作が行われると、ステップS11において、制御部17は、CADで作成された立体モデルの3次元形状データをSTLに変換するプログラムを実行し、立体モデルの3次元形状データをSTLに変換する。
For example, when the three-dimensional shape data of the three-dimensional model created by CAD is input to the
ステップS11の処理後、処理はステップS12に進み、制御部17は、STLに変換された3次元形状データから立体モデルの断面形状データを作成し、処理はステップS13に進む。また、立体モデルの断面形状データを作成する際に、例えば、立体モデルの姿勢および向きが決定され、造形中における立体モデルの転倒を防止するための部材を造形するためのデータなどが作成される。
After the process of step S11, the process proceeds to step S12, and the
ステップS13において、制御部17は、ステップS12の処理で作成された断面形状データのマックスボックスを設定し、図3または図4を参照して説明したように、マックスボックスの1頂点が、ワーク小領域の交点と一致するように、断面形状データの位置を調整する。そして、制御部17は、ワーク小領域の交点と一致するマックスボックスの頂点Pを原点として、ワーク小領域データを作成する。
In step S13, the
ステップS13の処理後、処理はステップS14に進み、制御部17は、ステップS13で生成したワーク小領域データに従って、一括露光光学系12の各ブロックを制御し、ワーク小領域を一括露光し、処理はステップS15に進む。
After the process of step S13, the process proceeds to step S14, and the
ステップS15において、制御部17は、ステップS13で生成したワーク小領域データに従って、ビームスキャン光学系13の各ブロックを制御し、ワーク小領域をビームスキャン露光する。
In step S15, the
ステップS15の処理後、処理はステップS16に進み、制御部17は、制御部17は、ステップS12で作成された全ての断面形状データに基づいた露光が行われたか否かを判定する。
After the process of step S15, the process proceeds to step S16, and the
ステップS16において、制御部17が、全ての断面形状データに基づいた露光が行われていないと判定した場合、処理はステップS13に戻り、以下、同様の処理が繰り返される。
In step S16, when the
一方、ステップS16において、制御部17が、全ての断面形状データに基づいた露光が行われたと判定した場合、立体モデルが完成しており、処理は終了する。
On the other hand, when the
以上のように、光造形装置11では、マックスボックスの1頂点が、ワーク小領域の交点と一致するように、断面形状データの位置を調整して、ワーク小領域データを作成するので、図3または図4を参照して説明したように、造形時間を短縮することができるとともに、立体モデルの精度を向上させることができる。
As described above, the
このような光造形装置11を用いて、マイクロチップや、コネクタ、マイクロカプセルなど、または、各種の微細な部品の試作品を造形することができる。そして、例えば、光造形装置11を用いて造形された造形物は、高強度で造形されているので、ニッケルなどでメッキし、その型を転写するときに、積層方向にクラックが生じるようなことがない。
By using such an
なお、本実施の形態においては、対物レンズ15としてfθレンズが用いられているが、対物レンズ15としては、通常の集光機能を有するレンズを用いることができる。この場合、ガルバノミラー37および38の回転速度を制御することにより、光ビームを均一な走査線速度で走査させるようにビームスキャン光学系13が構成される。また、光ビームをスキャンさせる手段としては、ガルバノミラー37および38以外に、ポリゴンミラー等を用いてもよい。
In this embodiment, an fθ lens is used as the
さらに、空間光変調器26としては、透過型の液晶パネルの他、入力信号に応じて傾き角度が変化する微小な反射ミラーを複数配列してなるデジタルマイクロミラーデバイス(DMD:Digital Micromirror Device)や、反射型液晶素子(LCOS:Liquid Crystal On Silicon)等を用いてもよい。デジタルマイクロミラーデバイスを用いる場合、各マイクロミラーが1単位領域に対応し、偏光版23を設けずに一括露光光学系12を構成することができる。
Furthermore, as the spatial
また、本発明は、空間光変調器26により空間変調された光を、紫外線硬化樹脂51の上方から照射する手法である自由液面法により光造形を行う光造形装置11の他、例えば、空間光変調器26により空間変調された光を、紫外線硬化樹脂51と収容容器52との界面に照射する手法である規制液面法により光造形を行う光造形装置に適用することができる。
In addition to the
例えば、収容容器52の底面をガラスなどの光を透過する材料で構成し、そのガラスと紫外線硬化樹脂51と界面に、空間光変調器26により空間変調された光が、紫外線硬化樹脂51の下方から照射される。即ち、立体モデルの断面形状データに応じた光が照射される紫外線硬化樹脂51の表面は、ガラスと紫外線硬化樹脂51と界面を含むものである。
For example, the bottom surface of the
規制液面法では、収容容器52とステージ53との距離が1層分の硬化層の厚みとなるようにステージ53を配置し、収容容器52の底面のガラスを介して紫外線硬化樹脂51に照射される光により、立体モデルの硬化層が1層形成されるのに応じて、1ステップずつ1層分の硬化層の厚みとなるように垂直方向上方にステージ53を駆動させる処理を繰り返すことにより、立体モデルが形成される。
In the regulated liquid level method, the
このように、光が照射される紫外線硬化樹脂51の表面(界面)を、ガラスにより規制することにより、硬化層の1層分の厚みが正確に造形されるので、積層精度を向上させることができ、これにより、立体モデルを高精度に形成することができる。
Thus, by regulating the surface (interface) of the ultraviolet
また、上述した制御部17が行う一連の処理は、ハードウエアにより実行することもできるし、ソフトウエアにより実行することもできる。一連の処理をソフトウエアにより実行する場合には、そのソフトウエアを構成するプログラムが、専用のハードウエアに組み込まれているコンピュータ、または、各種のプログラムをインストールすることで、各種の機能を実行することが可能な、例えば汎用のパーソナルコンピュータなどに、プログラム記録媒体からインストールされる。
The series of processes performed by the
図7は、上述した一連の処理をプログラムにより実行するコンピュータのハードウエアの構成例を示すブロック図である。 FIG. 7 is a block diagram showing an example of the hardware configuration of a computer that executes the above-described series of processing by a program.
コンピュータにおいて、CPU(Central Processing Unit)101,ROM(Read Only Memory)102,RAM(Random Access Memory)103は、バス104により相互に接続されている。
In a computer, a CPU (Central Processing Unit) 101, a ROM (Read Only Memory) 102, and a RAM (Random Access Memory) 103 are connected to each other via a
バス104には、さらに、入出力インタフェース105が接続されている。入出力インタフェース105には、キーボード、マウス、マイクロホンなどよりなる入力部106、ディスプレイ、スピーカなどよりなる出力部107、ハードディスクや不揮発性のメモリなどよりなる記憶部108、ネットワークインタフェースなどよりなる通信部109、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、或いは半導体メモリなどのリムーバブルメディア111を駆動するドライブ110が接続されている。
An input /
以上のように構成されるコンピュータでは、CPU101が、例えば、記憶部108に記憶されているプログラムを、入出力インタフェース105及びバス104を介して、RAM103にロードして実行することにより、上述した一連の処理が行われる。
In the computer configured as described above, the
コンピュータ(CPU101)が実行するプログラムは、例えば、磁気ディスク(フレキシブルディスクを含む)、光ディスク(CD-ROM(Compact Disc-Read Only Memory),DVD(Digital Versatile Disc)等)、光磁気ディスク、もしくは半導体メモリなどよりなるパッケージメディアであるリムーバブルメディア111に記録して、あるいは、ローカルエリアネットワーク、インタネット、デジタル衛星放送といった、有線または無線の伝送媒体を介して提供される。
The program executed by the computer (CPU 101) is, for example, a magnetic disk (including a flexible disk), an optical disk (CD-ROM (Compact Disc-Read Only Memory), DVD (Digital Versatile Disc), etc.), a magneto-optical disk, or a semiconductor. The program is recorded on a
そして、プログラムは、リムーバブルメディア111をドライブ110に装着することにより、入出力インタフェース105を介して、記憶部108にインストールすることができる。また、プログラムは、有線または無線の伝送媒体を介して、通信部109で受信し、記憶部108にインストールすることができる。その他、プログラムは、ROM102や記憶部108に、あらかじめインストールしておくことができる。
The program can be installed in the
なお、コンピュータが実行するプログラムは、本明細書で説明する順序に沿って時系列に処理が行われるプログラムであっても良いし、並列に、あるいは呼び出しが行われたとき等の必要なタイミングで処理が行われるプログラムであっても良い。また、プログラムは、1つのCPUにより処理されるものであっても良いし、複数のCPUによって分散処理されるものであっても良い。 The program executed by the computer may be a program that is processed in time series in the order described in this specification, or in parallel or at a necessary timing such as when a call is made. It may be a program for processing. Further, the program may be processed by a single CPU, or may be processed in a distributed manner by a plurality of CPUs.
なお、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。 The embodiment of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
11 光造形装置, 12 一括露光光学系, 13 ビームスキャン光学系, 14 偏光ビームスプリッタ, 15 対物レンズ, 16 ワーク部, 17 制御部, 21 光源, 22 シャッタ, 23 偏光版, 24 ビームインテグレータ, 25 ミラー, 26 空間光変調器, 27 集光レンズ, 28 駆動部, 31 光源, 32 コリメータレンズ, 33 アナモルフィックレンズ, 34 ビームエキスパンダ, 35 ビームスプリッタ, 36 シャッタ, 37および38 ガルバノミラー, 39および40 リレーレンズ, 41 反射光モニタ部, 51 紫外線硬化樹脂, 52 収容容器, 53 駆動部
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記立体モデルの断面形状データが内接する矩形の領域である最大矩形領域を設定する設定手段と、
前記設定手段により設定された最大矩形領域の1頂点を原点として、光造形の作業が行われるワーク全体領域を複数の矩形の領域に分割したワーク小領域に応じて、前記立体モデルの断面形状データを分割し、前記ワーク小領域に対応する断面形状データであるワーク小領域データを生成するデータ生成手段と、
前記データ生成手段により生成されたワーク小領域データに基づいて前記光硬化性樹脂を露光する露光手段と
を備える光造形装置。 In the optical modeling apparatus for modeling the three-dimensional model by irradiating the surface of the photocurable resin with light according to the cross-sectional shape data of the three-dimensional model, forming a cured layer, and laminating the cured layer,
Setting means for setting a maximum rectangular area which is a rectangular area inscribed by the cross-sectional shape data of the three-dimensional model;
The cross-sectional shape data of the three-dimensional model according to a small work area obtained by dividing the entire work area where the optical modeling work is performed into a plurality of rectangular areas, with one vertex of the maximum rectangular area set by the setting means as the origin Data generating means for generating workpiece small region data that is cross-sectional shape data corresponding to the workpiece small region;
An optical modeling apparatus comprising: an exposure unit that exposes the photocurable resin based on workpiece small area data generated by the data generation unit.
請求項1に記載の光造形装置。 The data generation means is configured to increase the maximum size so that a shape of an area composed of a plurality of small work areas that divide the maximum rectangular area matches a shape of the maximum rectangular area and is uniform in each small work area. The stereolithography apparatus according to claim 1, wherein the size of the work small area in the rectangular area is determined.
前記立体モデルの断面形状データが内接する矩形の領域である最大矩形領域を設定し、
前記最大矩形領域の1頂点を原点として、光造形の作業が行われるワーク全体領域を複数の矩形の領域に分割したワーク小領域に応じて、前記立体モデルの断面形状データを分割し、前記ワーク小領域に対応する断面形状データであるワーク小領域データを生成し、
前記ワーク小領域データに基づいて前記光硬化性樹脂を露光する
ステップを含む光造形方法。 In the optical modeling method of modeling the three-dimensional model by irradiating the surface of the photocurable resin with light according to the cross-sectional shape data of the three-dimensional model to form a cured layer and laminating the cured layer,
Set a maximum rectangular area that is a rectangular area inscribed by the cross-sectional shape data of the three-dimensional model,
Dividing the cross-sectional shape data of the three-dimensional model according to a work small region obtained by dividing the entire work region where the optical modeling work is performed into a plurality of rectangular regions with one vertex of the maximum rectangular region as the origin, Generate work small area data that is cross-sectional shape data corresponding to the small area,
An optical modeling method including the step of exposing the photocurable resin based on the work small area data.
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