JP2009166448A - 光造形装置および光造形方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】より高精度の立体モデルを造形する。
【解決手段】収容容器34は、紫外線硬化樹脂36を収容する。YZステージ39は、紫外線硬化樹脂36の表面に垂直な方向に移動可能である。光学系31は、収容容器34内の紫外線硬化樹脂36の表面に紫外光を放射することにより、YZステージ39上に硬化層41を形成する。ブラシ38は、次の硬化層が積層される前に、YZステージ39上に形成されている硬化層41の表面に付着した未硬化または半硬化の紫外線硬化樹脂36を掃き出す。本発明は、例えば、光造形装置に適用することができる。
【選択図】図1
【解決手段】収容容器34は、紫外線硬化樹脂36を収容する。YZステージ39は、紫外線硬化樹脂36の表面に垂直な方向に移動可能である。光学系31は、収容容器34内の紫外線硬化樹脂36の表面に紫外光を放射することにより、YZステージ39上に硬化層41を形成する。ブラシ38は、次の硬化層が積層される前に、YZステージ39上に形成されている硬化層41の表面に付着した未硬化または半硬化の紫外線硬化樹脂36を掃き出す。本発明は、例えば、光造形装置に適用することができる。
【選択図】図1
Description
本発明は、光造形装置および光造形方法に関し、特に、より高精度の立体モデルを造形することが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。
光造形装置は、立体モデルの3次元形状を所定の厚さに積層方向に輪切り状にスライスした断面形状のデータ(以下、断面形状データという)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、その硬化層を積層することにより立体モデルを光造形する。
この光造形において、立体モデルの精細度が高まると、それまで誤差範囲として許容されていたミクロンオーダの微小な未硬化(詳細は後述する)や半硬化の光硬化性樹脂の存在を無視することができなくなる。
そこで、造形後に立体モデルの表面に残存する未硬化の光硬化性樹脂を除去し (例えば、特許文献1および2参照)、立体モデルの精度を向上させることが考えられる。なお、未硬化の光硬化性樹脂とは、半硬化はしていないが、その原因となり得る露光された光硬化性樹脂のことを指す。
しかしながら、未硬化や半硬化の光硬化性樹脂は、1層分の硬化層が形成されるたびに発生するため、未硬化や半硬化の光硬化性樹脂が残存する状態で硬化層が積層されると、立体モデルの精度を充分に向上させることは困難であった。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、より高精度の立体モデルを造形することができるようにするものである。
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において、前記光硬化性樹脂を収容する収容容器と、前記光硬化性樹脂の表面に垂直な方向に移動可能な移動台と、前記収容容器内の前記光硬化性樹脂の表面に光を放射することにより、前記移動台上に前記硬化層を形成する光学系と、次の硬化層が積層される前に、前記移動台上に形成されている硬化層の表面に付着した未硬化または半硬化の前記光硬化性樹脂を掃き出す掃き出し機構とを備える。
本発明の一側面の光造形装置において、前記掃き出し機構は、ロックウェル硬さが80以上110以下のABS樹脂に傷をつけない材質からなるブラシを有することができる。
本発明の一側面の光造形装置においては、前記掃き出し機構は、前記ブラシが前記硬化層の表面に接触した状態で、前記ブラシを前記光硬化性樹脂の表面に水平な方向を軸として回転させることにより、未硬化または半硬化の前記光硬化性樹脂を掃き出すことができる。
本発明の一側面の光造形装置においては、前記掃き出し機構は、前記ブラシが前記硬化層の表面に接触した状態で、前記ブラシを前記光硬化性樹脂の表面に水平な方向に移動させることにより、未硬化または半硬化の前記光硬化性樹脂を掃き出すことができる。
本発明の一側面の光造形装置は、次の硬化層が積層される前に、前記収容容器内の前記光硬化性樹脂を入れ替える入れ替え機構をさらに設けることができる。
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、前記立体モデルを造形する光造形装置の光造形方法において、光学系が、前記光硬化性樹脂を収容する収容容器内の前記光硬化性樹脂の表面に光を放射することにより、前記光硬化性樹脂の表面に垂直な方向に移動可能な移動台上に前記硬化層を形成し、掃き出し機構が、次の硬化層が積層される前に、前記移動台上に形成されている硬化層の表面に付着した未硬化または半硬化の前記光硬化性樹脂を掃き出すステップを含む。
本発明の一側面の光造形方法においては、前記掃き出し機構は、ロックウェル硬さが80以上110以下のABS樹脂に傷をつけない材質からなるブラシを有することができる。
本発明の一側面の光造形方法においては、前記掃き出し機構は、前記ブラシが前記硬化層の表面に接触した状態で、前記ブラシを前記光硬化性樹脂の表面に水平な方向を軸として回転させることにより、未硬化または半硬化の前記光硬化性樹脂を掃き出すことができる。
本発明の一側面の光造形方法においては、前記掃き出し機構は、前記ブラシが前記硬化層の表面に接触した状態で、前記ブラシを前記光硬化性樹脂の表面に水平な方向に移動させることにより、未硬化または半硬化の前記光硬化性樹脂を掃き出すことができる。
本発明の一側面の光造形方法は、入れ替え機構が、次の硬化層が積層される前に、前記収容容器内の前記光硬化性樹脂を入れ替えるステップをさらに含むことができる。
本発明の一側面においては、収容容器内の光硬化性樹脂の表面に光が放射されることにより、光硬化性樹脂の表面に垂直な方向に移動可能な移動台上に硬化層が形成され、次の硬化層が積層される前に、移動台上に形成されている硬化層の表面に付着した未硬化または半硬化の光硬化性樹脂が掃き出される。
以上のように、本発明の一側面によれば、より高精度の立体モデルを造形することができる。
図1は、本発明を適用した光造形装置30の一実施の形態の外観構成を簡略的に示している。
図1の光造形装置30は、対物レンズ31Aを有する光学系31、XYステージ32、駆動部33、収容容器34、ガラス窓35、液状のレジンなどの紫外線硬化樹脂36、モータ37、ブラシ38、YZステージ39、および駆動部40により構成される。
光造形装置30は、収容容器34に収容された紫外線硬化樹脂36の液面をガラス窓35で規制し、断面形状データに応じて、紫外線硬化樹脂36にガラス窓35を介して紫外光を照射することにより、規制液面法で光造形を行う。なお、ここでは、紫外線硬化樹脂36の液面とは、紫外光が照射される紫外線硬化樹脂36の表面のことを指す。
光造形装置30において、光学系31は、紫外光を紫外線硬化樹脂36に照射する対物レンズ31Aを有し、XYステージ32上に配置されている。光学系31は、対物レンズ31Aからガラス窓35を介して、紫外線硬化樹脂36の液面の断面形状データに応じた形状の領域を所定の矩形領域(以下、露光小領域という)単位で露光する。
XYステージ32は、駆動部33により、x方向またはy方向に移動する。なお、x方向とy方向は、紫外線硬化樹脂36の液面に平行な方向であり、x方向とy方向は直交する。
駆動部33は、後述する制御装置120(図5)の制御により、x方向に所定の距離だけXYステージ32を順次移動させることにより、露光小領域をx方向に走査する。この後、駆動部33は、制御装置120の制御により、x方向およびy方向に所定の距離だけXYステージ32を移動させることにより、y方向に並ぶ次の走査ラインの開始位置に露光小領域を移動させる。そして、駆動部33は、制御装置120の制御により、露光小領域をx方向に再度走査する。
以上のようにして走査ラインが順次走査され、断面形状データに応じて、x方向およびy方向にそれぞれ所定の数だけ並べられた露光小領域からなるワーク領域が露光されることにより、紫外線硬化樹脂36の1層分の断面形状データに対応する形状の領域が露光され、1層分の硬化層41がガラス窓35とYZステージ39の間に形成される。
このように、光造形装置30は、露光小領域をx方向およびy方向にタイルのように敷き詰めることにより、ワーク領域を露光する。従って、ここでは、光造形装置30の光造形方式を、露光小領域とワーク領域が同一である従来のビームスキャン方式や一括露光方式と区別するため、タイリング方式という。
収容容器34は、対物レンズ31Aの上部に配置され、収容容器34の底部には、ガラス窓35が設けられている。収容容器34には、紫外線硬化樹脂36が収容される。なお、図1では、説明の便宜上、収容容器34の内部を透視することができるように表現されている。
モータ37には、ロックウェル硬さが80以上110以下のABS樹脂に傷をつけない材質のブラシ38が接続されている。モータ37は、制御装置120の制御により、紫外線硬化樹脂36の液面に水平なx方向を軸としてブラシ38を回転させる。これにより、YZステージ39上に形成された硬化層41の表面が、ブラシ38に接触するように配置されると、その硬化層41の表面に付着している未硬化や半硬化の紫外線硬化樹脂36(以下、残存樹脂という)がブラシ38によりブラッシングされ、掃き出される。
YZステージ39は、収容容器34に収容された紫外線硬化樹脂36に浸漬され、駆動部40の制御により、y方向およびz方向に移動する。なお、z方向とは、紫外線硬化樹脂36の液面に垂直な方向である。
駆動部40は、制御装置120の制御により、1層分の断面形状データに対応する露光が終了するごとに、YZステージ39をz方向に移動させて、ガラス窓35とYZステージ39の間に形成されている硬化層41をガラス窓35から剥離する。
そして、駆動部40は、YZステージ39をy方向およびz方向に移動させて、YZステージ39上に形成されている硬化層41の表面をブラシ38に接触させる。その結果、硬化層41の表面に付着している残存樹脂が掃き出される。
その後、駆動部40は、制御装置120の制御により、YZステージ39のy方向の位置を戻し、さらにガラス窓35と形成された硬化層41との間の距離が1層分の硬化層の厚みとなるように、YZステージ39をz方向に移動させる。これにより、残存樹脂が除去された硬化層41に、新たな硬化層を積層することができる。その結果、高精度の立体モデルを造形することができる。
次に、図2と図3を参照して、図1の光造形装置30における残存樹脂の掃き出しについて説明する。
図2は、図1中上側から見た収容容器34の周辺の構成を示し、図3は、図1中手前側から見た収容容器34の周辺の構成を簡略的に示している。
硬化層41の形成中、YZステージ39は、図2に示すように、ブラシ38より図2中下側の所定の位置に配置される。そして、光学系31により紫外線硬化樹脂36が露光され、図3Aに示すように、YZステージ39とガラス窓35の間には、硬化層41が形成される。このとき、硬化層41に対応する露光したい領域付近の露光したくない領域にも弱い紫外光が照射されてしまうため、図3Aに示すように、硬化層41の凹部の表面には、残存樹脂61が付着する。なお、図3Aにおいては、硬化層41の形成に関係する部分のみが図示されている。
1層分の硬化層41が形成されると、YZステージ39はz方向に移動し、硬化層41をガラス窓35から剥離する。そして、YZステージ39は、y方向およびz方向に移動し、図3Bに示すように、YZステージ39上に形成された硬化層41の表面をブラシ38に接触させる。このとき、ブラシ38は、モータ37により、x方向を軸として回転される。これにより、硬化層41の表面に付着されている残存樹脂61が掃き出される。なお、図3Bにおいては、残存樹脂61の掃き出しに関係する部分のみが図示されている。
残存樹脂61の掃き出しが終了すると、制御装置120の制御により、図2に示すように、収容容器34の底部に設けられた排出管51のバルブ51Aが開放され、硬化層41の形成に使用されずに残った収容容器34内の紫外線硬化樹脂36が排出される。その後、制御装置120の制御により、図2に示すように、収容容器34の上部に設けられた注入管52のバルブ52Aが開放され、収容容器34内に次の1層分の硬化層を形成するために必要な紫外線硬化樹脂36が注入される。
このように、光造形装置30は、次の硬化層が積層される前に、紫外線硬化樹脂36を入れ替えるので、硬化層41の形成時に、それ以前に発生した露光したくない領域に存在する未硬化の紫外線硬化樹脂36に紫外光が照射され、その紫外線硬化樹脂36が半硬化することを防止することができる。
一方、YZステージ39は、y方向に移動して、硬化層41の形成時のy方向の位置に戻り、z方向に移動して、ガラス窓35と硬化層41との間の距離が、次に形成される硬化層の1層分の厚みとなる位置に配置される。そして、光学系31により、新たに注入された紫外線硬化樹脂36を用いて新たな硬化層が形成され、前回の硬化層41に積層される。その後、上述したように、残存樹脂の掃き出し並びに紫外線硬化樹脂36の排出および注入が行われる。以上が繰り返されることにより、残存樹脂が除去された硬化層が積層され、高精度の立体モデルが造形される。
図4は、図1の光学系31の構成例を示している。
図4の光学系31は、対物レンズ31A、一括露光光学系71、ビームスキャン光学系72、偏光ビームスプリッタ73、および駆動部74により構成される。
一括露光光学系71は、収容容器34に収容された紫外線硬化樹脂36の液面の露光小領域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81、シャッタ82、偏光板83、ビームインテグレータ84、ミラー85、空間光変調器86、集光レンズ87、および駆動部88から構成される。
光源81としては、例えば、高出力な青色LED(Light Emitting Diode)をアレイ状に配置したものを用いることができる。なお、光源81としては、後述するビームスキャン用の光源91と異なり、コヒーレントなレーザ光源を用いる必要はない。光源81は、制御装置120の制御により、一括露光を行うための紫外光を放射する。
シャッタ82は、制御装置120の制御により、光源81から放射される紫外光の通過または遮蔽を制御することにより、一括露光光学系71による露光のオン/オフを制御する。
偏光板83は、シャッタ82を通過した紫外光を所定の偏光光とする。即ち、偏光板83は、空間光変調器86が、光源81からの紫外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。
ビームインテグレータ84は、偏光板83により偏光された紫外光を均一化する。ビームインテグレータ84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ライトロッドタイプなどの一般的なものが用いられる。
ミラー85は、ビームインテグレータ84により均一化された紫外光を空間光変調器86に向かって反射させる。
空間光変調器86は、例えば、透過型の液晶パネルからなり、ミラー85により反射された紫外光が、断面形状データに応じた形状で、露光小領域単位で紫外線硬化樹脂36の液面に投影されるように、その紫外光の一部を空間変調する。
即ち、空間光変調器86は、制御装置120から入力される、液晶パネルの各画素を制御する駆動信号に基づいて、投影しようとする断面形状データに応じた露光小領域単位の形状の画像に対応して、画素ごとに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とで通過する紫外光を空間変調する。
その結果、紫外線硬化樹脂36の液面の露光小領域への紫外光の照射が、断面形状データに応じた露光小領域単位の形状に対応して、液晶パネルの1画素に対応する矩形の領域(以下、露光単位領域という)ごとにオン/オフされ、露光小領域内の紫外光の照射がオンとされる露光単位領域に一括して紫外光が照射される。これにより、紫外線硬化樹脂36の液面の露光小領域に、断面形状データに応じた露光小領域単位の形状の紫外光が照射される。
なお、空間光変調器86は、透過型の液晶パネルではなく、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が画素ごとに配列されることにより構成されるDMD、反射型液晶素子(LCOS(Liquid crystal on silicon))などにより構成されるようにしてもよい。
集光レンズ87は、空間光変調器86と偏光ビームスプリッタ73との間に設けられ、対物レンズ31Aとともに、空間光変調器86で空間変調された紫外光を紫外線硬化樹脂36上に結像するための投影光学系として機能する。
また、集光レンズ87は、空間光変調器86により空間変調された紫外光が対物レンズ31A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、投影光学系として機能するとともに、ディストーションを低減させることができる。
例えば、集光レンズ87は、集光レンズ87と対物レンズ31A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、空間光変調器86により空間変調された紫外光を、偏光ビームスプリッタ73の反射透過面73A上の対物レンズ31Aの前側焦点位置に集光し、これによりディストーションを低減する。
駆動部88は、後述するビームスキャン光学系72の反射光モニタ部101により検出される戻り光に基づく制御装置120の制御により、空間光変調器86を光軸方向であるz方向に駆動し、一括露光光学系71から紫外線硬化樹脂36の液面に照射される紫外光のフォーカスを調整する。
ビームスキャン光学系72は、収容容器34に収容された紫外線硬化樹脂36の液面の露光小領域内を、レーザ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91、コリメータレンズ92、アナモルフィックレンズ93、ビームエキスパンダ94、ビームスプリッタ95、シャッタ96、ガルバノミラー97および98、リレーレンズ99および100、並びに反射光モニタ部101から構成される。
光源91は、例えば、青から紫外域程度の比較的波長の短い紫外光のレーザを放射する半導体レーザにより構成される。光源91は、制御装置120の制御により、ビームスキャン光学系72によりビームスキャンを行うための紫外光のレーザの光ビームを放射する。なお、光源91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。
コリメータレンズ92は、光源91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93は、コリメータレンズ92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。
ビームエキスパンダ94は、複数のレンズを有しており、アナモルフィックレンズ93により略円形状にされた光ビームの直径であるビーム径を、対物レンズ31A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。
ビームスプリッタ95は、光源91から照射される光ビームを透過させて、収容容器34に収容された紫外線硬化樹脂36に向かわせるとともに、紫外線硬化樹脂36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101に向かって反射する。
シャッタ96は、制御装置120の制御により、ビームスプリッタ95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72によるビームスキャン露光のオン/オフを制御する。なお、シャッタ96を設けて、光ビームの通過または遮断を制御して、ビームスキャン露光のオン/オフを制御するのではなく、光源91における光ビームの放射の直接変調を制御して、ビームスキャン露光のオン/オフを制御するようにしてもよい。
ガルバノミラー97および98は、所定の方向に回転可能とされたミラーなどの反射部(図示せず)と、制御装置120の制御により反射部の回転方向の角度を調整する調整部(図示せず)とを有し、調整部が反射部の角度を調整することで、反射部により反射される光ビームを、紫外線硬化樹脂36の液面の露光小領域内でx方向またはy方向に走査させる。
具体的には、ガルバノミラー97は、シャッタ96を透過した光ビームを、ガルバノミラー98に向かって反射させるとともに、紫外線硬化樹脂36の液面の露光小領域内でx方向に走査させる。ガルバノミラー98は、ガルバノミラー97により反射された光ビームを、偏光ビームスプリッタ73に向かって反射させるとともに、紫外線硬化樹脂36の液面のy方向に走査させる。
なお、光学系31において、ガルバノミラー97および98の代わりに、ポリゴンミラーなどを設けるようにしてもよい。
リレーレンズ99および100は、1つまたは複数のレンズを有するレンズ群からなる。リレーレンズ99は、ガルバノミラー97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し、ガルバノミラー97で反射された光ビームを、ガルバノミラー98上に結像する。リレーレンズ100は、ガルバノミラー98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し、ガルバノミラー98で反射された光ビームを、偏光ビームスプリッタ73の反射透過面73A上に結像する。
このように、ガルバノミラー97とガルバノミラー98との間にリレーレンズ99を設け、ガルバノミラー98と偏光ビームスプリッタ73との間にリレーレンズ100を設けることで、ガルバノミラー97とガルバノミラー98が近接する位置に配置されていない場合であっても、偏光ビームスプリッタ73の反射透過面73A上に光ビームを結像させることができる。
反射光モニタ部101は、紫外線硬化樹脂36の液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し、制御装置120に入力する。
偏光ビームスプリッタ73は、一括露光光学系71からの紫外光と、ビームスキャン光学系72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36に導く。なお、偏光ビームスプリッタ73は、その反射透過面73Aが、対物レンズ31Aの前側焦点位置に一致するように配置されている。
対物レンズ31Aは、1また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71からの紫外光を紫外線硬化樹脂36の液面に結像させるとともに、ビームスキャン光学系72からの光ビームを集光する。
また、対物レンズ31Aは、ビームスキャン光学系72のガルバノミラー97および98により偏光された光ビームが、紫外線硬化樹脂36の液面の露光小領域内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36の液面において均一な走査速度で走査されるように構成されている。
例えば、対物レンズ31Aとしては、入射角θに比例した像高Yを有し、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、いわゆるfθレンズが用いられる。この場合、光ビームの走査速度が、対物レンズ31Aへの入射位置によらず常に一定となるため、走査速度がばらつくことにより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し、高精度の造形を行うことができる。
駆動部74は、ビームスキャン光学系72の反射光モニタ部101により検出される戻り光に基づく制御装置120の制御により、対物レンズ31Aをz方向に駆動し、ビームスキャン光学系72から紫外線硬化樹脂36の液面に照射される光ビームのフォーカスを調整する。具体的には、駆動部74は、対物レンズ31Aの後側焦点位置が、収容容器34内の紫外線硬化樹脂36の液面に一致するように、対物レンズ31Aをz方向に駆動する。
図5は、図1の光造形装置30の各部を制御する制御装置120のハードウェア構成例を示している。
図5の制御装置120において、CPU(Central Processing Unit)121,ROM(Read Only Memory)122,RAM(Random Access Memory)123は、バス124により相互に接続されている。
バス124には、さらに、入出力インタフェース125が接続されている。入出力インタフェース125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126、ディスプレイ、スピーカなどよりなる出力部127、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128、ネットワークインタフェースなどよりなり、光造形装置30と通信を行う通信部129、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131を駆動するドライブ130が接続されている。
記憶部128には、例えば、CADで作成された立体モデルの3次元形状データを、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)に変換するプログラムや、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するプログラム、立体モデルの断面形状データに基づいて、一括露光光学系71およびビームスキャン光学系72を制御するプログラムが記憶されている。
このような制御装置120では、CPU121が、例えば、記憶部128に記憶されているプログラムを、入出力インタフェース125およびバス124を介して、RAM123にロードして実行し、通信部129を介して、光造形装置30の各部を制御することで、光造形装置30に光造形を実行させる。
例えば、制御装置120のCPU121は、入力部126からの入力に応じて、光源81または光源91から放射する紫外光の強度などを決定し、それを制御するための制御信号を、通信部129を介して光源81または91に入力する。CPU121は、入力部126からの入力に応じて、露光のオン/オフを制御するための制御信号を、通信部129を介してシャッタ82または96に入力する。
また、CPU121は、断面形状データに応じて、断面形状データに対応する露光小領域単位の形状の画像が表示されるように、液晶パネルの各画素を制御する駆動信号を、通信部129を介して空間光変調器86に入力する。
さらに、CPU121は、反射光モニタ部101から通信部129を介して入力された戻り光に基づいて、空間光変調器86をz方向に駆動するための制御信号を、通信部129を介して駆動部88に入力したり、対物レンズ31Aをz方向に駆動するための制御信号を通信部129を介して駆動部74に入力したりする。
また、CPU121は、断面形状データに応じて、断面形状データに対応する露光小領域単位の形状が露光されるように、ガルバノミラー97および98の反射部の角度を調整するための制御信号を、通信部129を介してガルバノミラー97および98に入力する。
さらに、CPU121は、所定のタイミングで、XYステージ32をx方向に所定の距離だけ移動させるための制御信号を、通信部129を介して駆動部33に入力し、露光小領域をx方向に走査させる。そして、露光小領域のx方向の走査が終了すると、CPU121は、次の走査ラインの開始位置に露光小領域を移動させるための制御信号を、通信部129を介して駆動部33に入力する。
また、CPU121は、1層分の断面形状データに対応する露光が終了するごとに、YZステージ39をz方向に所定の距離だけ移動させるための制御信号を、通信部129を介して駆動部40に入力する。これにより、ガラス窓35とYZステージ39との間に形成された硬化層41が、ガラス窓35から剥離される。その後、CPU121は、硬化層41の表面がブラシ38に接触するようにYZステージ39を移動させるための制御信号を、通信部129を介して駆動部40に入力する。そして、CPU121は、YZステージ39のy方向の位置を元に戻し、ガラス窓35と形成された硬化層41との間の距離が、次に形成される硬化層の1層分の厚みとなるように、YZステージ39をz方向に移動させるための制御信号を、通信部129を介して駆動部40に入力する。
さらに、CPU121は、所定のタイミングで、x方向を軸としてブラシ38を回転させるための制御信号を、通信部129を介してモータ37に入力する。また、CPU121は、図2のバルブ51Aまたは52Aの開放を制御するための制御信号を、通信部129を介してバルブ51Aまたは52Aに入力する。
次に、図6を参照して、図5のCPU121による造形処理について説明する。この造形処理は、例えば、ユーザが入力部126を操作することにより、造形を指示したとき、開始される。
ステップS11において、CPU121は、入力部126からの入力に応じて、ユーザにより指定された立体モデルの3次元形状データを、造形する立体モデルの3次元形状データとして選択する。そして、CPU121は、その3次元形状データから断面形状データを作成する。
ステップS12において、CPU121は初期設定を行う。具体的には、例えば、CPU121は、駆動部33と40を制御し、XYステージ32とYZステージ39の位置を原点に移動させる。また、CPU121は、紫外光および光ビームの強度を制御するための制御信号を光源81および91に入力し、その制御信号に対応して光源81が出射する紫外光および光源91が出射する光ビームの強度を測定する。さらに、CPU121は、図2のバルブ52Aを所定の時間開放し、1層分の硬化層を形成するために必要な紫外線硬化樹脂36を収容容器34に注入する。
ステップS13において、CPU121は、駆動部33と40を制御し、XYステージ32とYZステージ39を、予め設定された造形の開始位置に移動させる。ステップS14において、CPU121は、駆動部40を制御し、YZステージ39を微速でz方向に下降させる。
ステップS15において、CPU121は、駆動部40を制御し、ガラス窓35の上面付近で、YZステージ39を停止させる。
ステップS16において、CPU121は、駆動部40を制御し、YZステージ39を、最初に形成する硬化層41の1層分の厚みだけ上昇させる。ステップS17において、CPU121は、1層分の硬化層を造形する1層造形処理を行う。この1層造形処理の詳細については、図7のフローチャートを参照して後述する。
ステップS18において、CPU121は、駆動部40を制御し、YZステージ39を所定の距離だけz方向に上昇させる。これにより、ガラス窓35とYZステージ39の間に形成された硬化層が、ガラス窓35から剥離される。
ステップS19において、CPU121は、駆動部40を制御し、YZステージ39を所定の距離だけy方向およびz方向に移動させ、YZステージ39上に形成されている硬化層の表面をブラシ38に接触させる。ステップS20において、CPU121は、モータ37を制御し、ブラシ38を所定の時間だけ回転させる。これにより、硬化層の表面に付着している残存樹脂が掃き出される。
ステップS21において、CPU121は、バルブ51A(図2)を制御し、所定の時間だけバルブ51Aを開放させることにより、収容容器34内に残った紫外線硬化樹脂36を排出管51から排出する。
ステップS22において、CPU121は、積層を終了するか、即ち、ステップS11で選択された3次元形状データに対応する層数だけステップS17の処理が行われたかを判定する。ステップS22で、積層を終了しないと判定された場合、即ちステップS11で選択された3次元形状データに対応する形状の立体モデルがまだ造形されていない場合、ステップS23において、CPU121は、バルブ52Aを制御し、所定の時間だけバルブ52Aを開放させることにより、1層分の硬化層を形成するために必要な紫外線硬化樹脂36を注入管52から収容容器34に注入する。
ステップS24において、CPU121は、駆動部33を制御し、XYステージ32を造形の開始位置に再度移動させる。ステップS25において、CPU121は、駆動部40を制御し、ガラス窓35の上面と、YZステージ39上に形成された硬化層の底面との距離が、次に形成される硬化層の1層分の厚みになるように、YZステージ39をz方向に移動させる。そして、処理はステップS17に戻り、積層を終了すると判定されるまで、ステップS17乃至S25の処理が繰り返される。これにより、硬化層が積層される。
一方、ステップS22で、積層を終了すると判定された場合、即ち、ステップS11で選択された3次元形状データに対応する形状の立体モデルが造形された場合、ステップS26において、CPU121は、駆動部33と40を制御し、XYステージ32とYZステージ39の位置を原点に移動させ、処理は終了する。
次に、図7を参照して、図6のステップS17の1層造形処理について説明する。
ステップS41において、CPU121は、各部を制御し、一括露光光学系71からの紫外光またはビームスキャン光学系72からの光ビームで、収容容器34に収容された紫外線硬化樹脂36の液面を露光小領域単位で露光させる。ステップS42において、CPU121は、ステップS41の処理を所定の回数(例えば、ワーク領域内のx方向に並ぶ露光小領域の数)だけ繰り返したかを判定する。
ステップS42で、まだステップS41の処理を所定の回数だけ繰り返していないと判定された場合、ステップS43において、CPU121は、駆動部33に制御信号を入力することにより、露光小領域のx方向の長さだけXYステージ32をx方向に移動させる。そして、処理はステップS41に戻り、ステップS41の処理が所定の回数だけ繰り返されるまで、ステップS41乃至S43の処理が繰り返される。
一方、ステップS42で、ステップS41の処理を所定の回数だけ繰り返したと判定された場合、即ち、露光小領域のx方向の走査が終了した場合、ステップS44において、CPU121は、駆動部33に制御信号を入力することにより、XYステージ32のx方向の位置を開始位置に移動させる。
ステップS45において、CPU121は、駆動部33に制御信号を入力することにより、露光小領域のy方向の長さだけXYステージ32をy方向に移動させる。ステップS44およびS45の処理により、露光小領域は次の走査ラインの開始位置に移動する。
ステップS46において、CPU121は、各部を制御し、収容容器34に収容された紫外線硬化樹脂36の液面を露光小領域単位で露光させる。
ステップS47において、CPU121は、ステップS46の処理を所定の回数(例えば、ワーク領域内のy方向に並ぶ露光小領域の数)だけ繰り返したかを判定する。ステップS47で、まだステップS46の処理が所定の回数だけ繰り返していないと判定された場合、ステップS48において、CPU121は、駆動部33に制御信号を入力することにより、露光小領域のx方向の長さだけXYステージ32をx方向に移動させる。そして、処理はステップS41に戻り、露光小領域単位で露光が行われ、処理はステップS42に進む。
このとき、ステップS42では、ステップS41の処理を所定の回数(例えば、ワーク領域内のx方向に並ぶ露光小領域の数から1を減算した数)だけ繰り返したかが判定され、その所定の回数だけステップS41の処理が行われるまで、ステップS41乃至S43の処理が繰り返される。その後、ステップS44乃S46の処理が行われ、ステップS46の処理が所定の回数だけ行われるまで、ステップS41乃至S48の処理が同様に繰り返される。
一方、ステップS47で、ステップS46の処理が所定の回数だけ繰り返したと判定された場合、即ち、1層分の断面形状データに対応する形状の領域が露光された場合、処理は図6のステップS17に戻る。
以上のように、光造形装置30では、次の硬化層が積層される前に、YZステージ39上に形成されている硬化層の表面に付着した残存樹脂が掃き出されるので、残存樹脂が除去された硬化層に、次の硬化層を積層することができる。その結果、高精度の立体モデルを造形することができる。
なお、上述した光造形装置30では、残存樹脂を掃き出す掃き出し機構として、モータ37とブラシ38からなる機構が設けられたが、掃き出し機構は、これに限定されない。
例えば、掃き出し機構として、図8と図9に示すように、ロックウェル硬さが80以上110以下のABS樹脂に傷をつけない材質からなるブラシ150と、そのブラシ150をx方向に移動させるモータ151からなる機構が設けられるようにしてもよい。なお、図8は、この場合の光造形装置30の図1中上側から見た収容容器の周辺の構成を示し、図9は、図1中手前側から見た収容容器の周辺の構成を簡略的に示している。
この場合、硬化層41の形成中、YZステージ39は、図8に示すように、ブラシ150より図8中下側の所定の位置に配置される。そして、光学系31により紫外線硬化樹脂36が露光され、図9Aに示すように、YZステージ39とガラス窓35の間には、硬化層41が形成されると、硬化層41の表面には残存樹脂61が付着する。なお、図9Aにおいては、硬化層41の形成に関係する部分のみが図示されている。
1層分の硬化層41が形成されると、YZステージ39はz方向に移動し、硬化層41をガラス窓35から剥離する。そして、YZステージ39は、y方向およびz方向に移動し、図9Bに示すように、YZステージ39上に形成された硬化層41の表面をブラシ150に接触させる。このとき、ブラシ150は、モータ151により、x方向に所定の速度で移動され、硬化層41の表面をなぞる。これにより、硬化層41の表面に付着されている残存樹脂61が掃き出される。なお、図9Bにおいては、残存樹脂61の掃き出しに関係する部分のみが図示されている。残存樹脂61の掃き出しが終了した後の動作は、図2の場合と同様であるので、説明は省略する。
以上のように、光造形装置30が、掃き出し機構として、ブラシ150とモータ151からなる機構を設ける場合、ブラシ150がx方向に所定の速度で移動することにより、残存樹脂の掃き出しが行われる。従って、この場合の造形処理は、図6のステップS20の処理を除いて、図6の造形処理と同様に行われる。具体的には、この場合の造形処理では、ステップS20において、モータ151が、ブラシ150を所定の時間だけ所定の速度でx方向に移動させる。
なお、上述した説明では、収容容器34内にブラシ38や150が設けられたが、収容容器34とは別の他の容器にブラシ38や150が設けられるようにしてもよい。
また、本発明は、ミクロンオーダの微小な形状の立体モデルを造形する際、特に顕著な効果を奏する。
さらに、本発明は、タイリング方式で光造形を行う光造形装置だけでなく、一括露光方式やビームスキャン方式で光造形を行う光造形装置にも適用することができる。また、本発明は、規制液面法で光造形を行う光造形装置だけでなく、自由液面法で光造形を行う光造形装置にも適用することができる。
本明細書において、プログラム記録媒体に格納されるプログラムを記述するステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる処理はもちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的あるいは個別に実行される処理をも含むものである。
また、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。
30 光造形装置, 31 光学系, 34 収容容器, 36 紫外線硬化樹脂, 37 モータ, 38 ブラシ, 39 YZステージ, 51 排出管, 52 注入管, 150 ブラシ, 151 モータ
Claims (10)
- 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において、
前記光硬化性樹脂を収容する収容容器と、
前記光硬化性樹脂の表面に垂直な方向に移動可能な移動台と、
前記収容容器内の前記光硬化性樹脂の表面に光を放射することにより、前記移動台上に前記硬化層を形成する光学系と、
次の硬化層が積層される前に、前記移動台上に形成されている硬化層の表面に付着した未硬化または半硬化の前記光硬化性樹脂を掃き出す掃き出し機構と
を備える光造形装置。 - 前記掃き出し機構は、ロックウェル硬さが80以上110以下のABS樹脂に傷をつけない材質からなるブラシを有する
請求項1に記載の光造形装置。 - 前記掃き出し機構は、前記ブラシが前記硬化層の表面に接触した状態で、前記ブラシを前記光硬化性樹脂の表面に水平な方向を軸として回転させることにより、未硬化または半硬化の前記光硬化性樹脂を掃き出す
請求項2に記載の光造形装置。 - 前記掃き出し機構は、前記ブラシが前記硬化層の表面に接触した状態で、前記ブラシを前記光硬化性樹脂の表面に水平な方向に移動させることにより、未硬化または半硬化の前記光硬化性樹脂を掃き出す
請求項2に記載の光造形装置。 - 次の硬化層が積層される前に、前記収容容器内の前記光硬化性樹脂を入れ替える入れ替え機構
をさらに備える
請求項1に記載の光造形装置。 - 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の光造形方法において、
光学系が、前記光硬化性樹脂を収容する収容容器内の前記光硬化性樹脂の表面に光を放射することにより、前記光硬化性樹脂の表面に垂直な方向に移動可能な移動台上に前記硬化層を形成し、
掃き出し機構が、次の硬化層が積層される前に、前記移動台上に形成されている硬化層の表面に付着した未硬化または半硬化の前記光硬化性樹脂を掃き出す
ステップを含む光造形方法。 - 前記掃き出し機構は、ロックウェル硬さが80以上110以下のABS樹脂に傷をつけない材質からなるブラシを有する
請求項6に記載の光造形方法。 - 前記掃き出し機構は、前記ブラシが前記硬化層の表面に接触した状態で、前記ブラシを前記光硬化性樹脂の表面に水平な方向を軸として回転させることにより、未硬化または半硬化の前記光硬化性樹脂を掃き出す
請求項7に記載の光造形方法。 - 前記掃き出し機構は、前記ブラシが前記硬化層の表面に接触した状態で、前記ブラシを前記光硬化性樹脂の表面に水平な方向に移動させることにより、未硬化または半硬化の前記光硬化性樹脂を掃き出す
請求項7に記載の光造形方法。 - 入れ替え機構が、次の硬化層が積層される前に、前記収容容器内の前記光硬化性樹脂を入れ替える
ステップをさらに含む
請求項6に記載の光造形方法。
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