JP2014136329A

JP2014136329A - 光造形装置

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Publication number: JP2014136329A
Application number: JP2013004937A
Authority: JP
Inventors: Koichi Oba; 好一大場; Isao Kojima; 功小嶋; Kokichi Suzuki; 幸吉鈴木
Original assignee: CMET Inc
Current assignee: CMET Inc
Priority date: 2013-01-15
Filing date: 2013-01-15
Publication date: 2014-07-28
Also published as: WO2014112503A1

Abstract

【課題】光線の広がり角の大きいレーザを用いたとしても、光線の照射位置において所望のビーム径が得られる光造形装置を提供する。
【解決手段】光造形装置は、液状の光硬化性樹脂に選択的に光線を照射して光硬化性樹脂を硬化させることによって三次元形状物を造形する。光線を照射する光学系は、光線の光源となるレーザ１１と、光線を縮径する凸レンズ１２と、光線の強度を変調する音響光学変調器１３と、光線の照射時の焦点位置を調整するダイナミックフォーカスレンズ１６と、光線の焦点位置を調整するフォーカスレンズ１７と、光線の照射位置を制御するスキャナ１８と、を備える。レーザ１１から出射された光線は、凸レンズ１２によってビーム径が縮小されて、音響光学変調器１３に入射され、続いてダイナミックフォーカスレンズ１６及びフォーカスレンズ１７を通過してスキャナ１８に入射され、光硬化性樹脂に選択的に照射される。
【選択図】図２

Description

本発明は、硬化性材料に選択的に光線を照射して三次元形状物を造形する光造形装置に関する。

硬化性材料に光線を照射してその一部を硬化させ、三次元形状物を造形する光造形装置が実用化されている。この光造形装置は、ＣＡＤシステムで設計した機械部品等を容易に実体化して、設計の確認と直接的な評価とを行うことができる（例えば、特許文献１参照）。

光造形装置は、硬化性材料として液状の光硬化性樹脂で満たされた液槽中に昇降可能な昇降テーブルを備えている。液槽の上部が開口しており、上部から光線が照射される。光造形装置は、三次元形状物を造形する際に、まず、昇降テーブルを液状の光硬化性樹脂の液面から最下層の厚さ分だけ下降した高さに位置させる。光造形装置は、この状態でスキャナによって光線を必要な範囲内に走査して、最下層を光硬化させる。次に、光造形装置は、昇降テーブルを最下層から二番目の層の厚さ分だけ下降させ、同様にして二番目の層を光硬化させる。以降、光造形装置は、同様にして、下から順に一層ずつ光硬化させることによって三次元形状物を造形する。

ここで、特許文献１に記載の光造形装置では、光線の光源であるレーザから出射された光線が音響光学変調器（ＡＯＭ：Ａｃｏｕｓｔｏ−ＯｐｔｉｃＭｏｄｕｌａｔｏｒ）によって変調されて、全反射ミラーによって垂直方向と水平方向との方向が調整される。そして、光造形装置は、２個の凸レンズから構成されるビームエクスパンダによってビーム径が拡大されて、スキャナによって照射位置が走査される。

特開平９−１６７４号公報

ところで、光造形装置は、安価にすることが求められているため、安価なレーザを採用することが考えられる。ところが、この安価なレーザは、光線の広がり角が大きいため、変調器における透過効率が悪く、光線の照射位置において所望のビーム径を得ることが難しい。そこで、光線の広がり角が大きいレーザを用いたとしても、光線の照射位置において所望のビーム径が得られる光造形装置が求められている。なお、上記課題は、光硬化性樹脂を硬化性材料として使用する光造形装置に限らず、金属粉末等を硬化性材料として使用する光造形装置においても同様に存在する。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、光線の広がり角の大きいレーザを用いたとしても、光線の照射位置において所望のビーム径が得られる光造形装置を提供することにある。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について説明する。
上記課題を解決する光造形装置は、硬化性材料に選択的に光線を照射して前記硬化性材料を硬化させることによって三次元形状物を造形する光造形装置であって、前記光線を照射する光学系は、前記光線の光源となるレーザと、前記光線を縮径する凸レンズと、前記光線の強度を変調する音響光学変調器と、前記光線の照射時の焦点位置を調整する焦点調整器と、前記光線の焦点位置を調整するフォーカスレンズと、前記光線の照射位置を制御するスキャナと、を備え、前記レーザから出射された光線は、前記凸レンズによってビーム径が縮小されて、前記音響光学変調器に入射され、続いて前記焦点調整器及び前記フォーカスレンズを通過して前記スキャナに入射され、前記硬化性材料に選択的に照射されることをその要旨としている。

同構成によれば、レーザと音響光学変調器との間に凸レンズを備えて、光線の広がり角の大きいレーザから出射された光線のビーム径を凸レンズによって縮小して音響光学変調器に入射させる。このため、音響光学変調器における透過効率の低下を抑制して、照射位置において所望のビーム径を得ることができる。また、安価な音響光学変調器を採用したとしても、凸レンズによってビーム径が縮小されるので、凸レンズがないときよりも透過効率を上昇することができる。

上記光造形装置について、前記焦点調整器によって前記光線の照射時における所望のビーム径が得られない際には、前記凸レンズを光軸方向に移動させて前記光線のビーム径を縮小することが好ましい。

同構成によれば、凸レンズを光軸方向に移動させて光線のビーム径を縮小する。このため、ダイナミックフォーカスレンズによって所望のビーム径が得られなかったとしても、凸レンズを光軸方向に移動させることで、所望のビーム径を得ることができる。

上記光造形装置について、前記音響光学変調器の後段に光軸を調整する反射ミラーを備えることが好ましい。
同構成によれば、音響光学変調器の後段に備えた反射ミラーによって光軸を容易に調整することができる。

本発明によれば、光線の広がり角の大きいレーザを用いたとしても、光線の照射位置において所望のビーム径が得られる。

光造形装置の概略構成を示す側面図。光造形装置の光学系装置の構成を示す図。

以下、図１及び図２を参照して、光造形装置の一実施形態について説明する。
図１に示されるように、光造形装置は、硬化性材料として液状の光硬化性樹脂で満たされた液槽５と、光線を出射するレーザ１１と、レーザ１１から出射された光線を液槽５に照射するスキャナ１８とを備えている。レーザ１１から出射された光線は、光学系装置１０を介してスキャナ１８に入射される。光造形装置は、液槽５内において上下方向に昇降可能な昇降テーブル６を備えている。光造形装置は、液状の光硬化性樹脂で満たされた液槽５の昇降テーブル６の上面に光線を選択的に照射することで液状の光硬化性樹脂を硬化して三次元形状物を造形する。

本実施例では、光造形装置を安価にするために安価なレーザ１１を採用する。この安価なレーザ１１は、光線の広がり角が大きいため、従来のようにレーザ１１から変調器に光線を直接入射すると、変調器における透過効率が悪く、光線の照射位置において所望のビーム径を得ることが難しい。

図２に示されるように、光造形装置の光学系装置１０は、レーザ１１と、凸レンズ１２と、音響光学変調器（ＡＯＭ：Ａｃｏｕｓｔｏ−ＯｐｔｉｃＭｏｄｕｌａｔｏｒ）１３と、第１反射ミラー１４と、第２反射ミラー１５と、ダイナミックフォーカスレンズ１６と、フォーカスレンズ１７と、スキャナ１８と、を備えている。光学系装置１０を通過する光線は、平面視においてコ字状に通過する。なお、ダイナミックフォーカスレンズ１６が焦点調整器として機能する。

凸レンズ１２は、レーザ１１側が平面である平凸レンズであって、レーザ１１から出射された光線のビーム径を縮小する。よって、凸レンズ１２が光線のビーム径を縮小することで、広がり角の小さい光線を音響光学変調器１３に入射できる。音響光学変調器１３は、凸レンズ１２から入射された光線の強度を変調する。第１反射ミラー１４は、水平面において９０度折り曲げ、音響光学変調器１３から入射した光線の光軸を調整する。第２反射ミラー１５は、水平面において９０度折り曲げ、第１反射ミラー１４から入射した光線の光軸を調整する。第１反射ミラー１４及び第２反射ミラー１５によって光線の垂直方向と水平方向とが調整される。凸レンズ１２から出射された光線は平行光であって、音響光学変調器１３を通過して第１反射ミラー１４及び第２反射ミラー１５に反射されて、ダイナミックフォーカスレンズ１６に平行光である光線が入射する。ダイナミックフォーカスレンズ１６は、第２反射ミラー１５側が平面である平凹レンズ１６ａを備え、液槽５の液面への光線の照射時の焦点位置を調整する。平凹レンズ１６ａは、フォーカスレンズ１７側が平面である。フォーカスレンズ１７は、ダイナミックフォーカスレンズ１６側が平面である平凸レンズであって、光線の焦点位置を調整して、光線をスキャナ１８に入射する。平凹レンズ１６ａによって光線のビーム径を拡大してフォーカスレンズ１７によって光線のビーム径を絞ってスキャナ１８に入射すると照射時のビーム径を容易に絞ることができる。

スキャナ１８に近い位置に光線の強度を検出するレーザ強度センサ８が設けられている。レーザ強度センサ８は、昇降テーブル６の照射範囲の外側に設置され、光線の強度を検出するときのみ光線が照射される。光学系装置１０によって出射された光線の強度が所望の強度であるか否かをレーザ強度センサ８によって確認する。レーザ強度センサ８が液槽５の近くに設置されないので、硬化性材料によってレーザ強度センサ８が汚れることを抑制することができる。

光学系装置１０による光線の調整は、三次元形状物を造形する前に行う。凸レンズ１２は、土台に対して光軸方向において移動可能である。そして、ダイナミックフォーカスレンズ１６によって液槽５の液面への光線の照射時の焦点位置を調整することができないときには、凸レンズ１２を光軸方向に移動させることで光線のビーム径を縮小して、液槽５の液面への光線の照射時の焦点位置を調整する。

次に、図２を参照して、前述のように構成された光造形装置の動作について説明する。
レーザ１１から出射された光線は、凸レンズ１２によってビーム径が縮小されて、音響光学変調器１３に入射されるので、安価なレーザ１１故に広がり角が大きくても音響光学変調器１３において透過効率の低下を抑制できる。そして、音響光学変調器１３から出射された光線は、第１反射ミラー１４及び第２反射ミラー１５に反射されることで垂直方向と水平方向とが調整されて、ダイナミックフォーカスレンズ１６に入射する。続いて、ダイナミックフォーカスレンズ１６に入射された光線は、ダイナミックフォーカスレンズ１６を通過することで液状の光硬化性樹脂への照射時の焦点位置が調整されて、フォーカスレンズ１７に入射する。フォーカスレンズ１７に入射された光線は、スキャナ１８に対して焦点位置が調整されて、スキャナ１８に入射される。スキャナ１８に入射された光線は、スキャナ１８によって液状の光硬化性樹脂に選択的に照射される。

光造形装置は、三次元形状物を造形する際に、まず、昇降テーブル６を液状の光硬化性樹脂の液面から最下層の厚さ分だけ下降した高さに位置させる。光造形装置は、この状態で上記の光学系装置１０を介してスキャナ１８によって光線を必要な範囲内に走査して、最下層を光硬化させる。次に、光造形装置は、昇降テーブル６を最下層から二番目の層の厚さ分だけ下降させ、同様にして二番目の層を光硬化させる。以降、光造形装置は、同様にして、下から順に一層ずつ光硬化させることによって三次元形状物を造形する。

以上、説明した実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）レーザ１１と音響光学変調器１３との間に凸レンズ１２を備えて、光線の広がり角の大きいレーザ１１から出射された光線のビーム径を凸レンズ１２によって縮小して音響光学変調器１３に入射する。このため、音響光学変調器１３における透過効率の低下を抑制して、照射位置において所望のビーム径を得ることができる。また、安価な音響光学変調器１３を採用したとしても、凸レンズ１２によってビーム径が縮小されるので、凸レンズ１２がないときよりも透過効率を上昇することができる。

（２）凸レンズ１２を光軸方向に移動させて光線のビーム径を縮小する。このため、ダイナミックフォーカスレンズ１６によって所望のビーム径が得られなかったとしても、凸レンズ１２を光軸方向に移動させることで、所望のビーム径を得ることができる。

（３）音響光学変調器１３の後段に備えた第１反射ミラー１４及び第２反射ミラー１５によって光軸を容易に調整することができる。
なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することができる。

・上記実施形態では、凸レンズ１２の平面をレーザ１１側としたが、凸レンズ１２の平面を音響光学変調器１３側としてもよい。凸レンズ１２は、どちらの向きでも機能に差はない。

・上記実施形態では、ダイナミックフォーカスレンズ１６の平凹レンズ１６ａの平面をフォーカスレンズ１７側としたが、平凹レンズ１６ａの平面を第２反射ミラー１５側としてもよい。平凹レンズ１６ａは、どちらの向きでも機能に差はない。

・上記実施形態では、フォーカスレンズ１７の平面をダイナミックフォーカスレンズ１６側としたが、フォーカスレンズ１７の平面をスキャナ１８側としてもよい。フォーカスレンズ１７は、どちらの向きでも機能に差はない。

・上記実施形態において、レーザ１１と凸レンズ１２との間に、凸レンズ１２側が平面である平凹レンズ１９を追加してもよい。このようにすれば、レーザ１１から出射された光線を平行光として凸レンズ１２に入射させることができる。平凹レンズ１９は、レーザ１１側を平面としても機能に差はない。

・上記実施形態では、ダイナミックフォーカスレンズ１６をスキャナ１８の位置に合わせて連動させた。しかしながら、ダイナミックフォーカスレンズ１６を固定して、焦点調整器としてｆθレンズ２０をスキャナ１８の出射側に設置して、照射時の焦点位置を調整してもよい。

・上記実施形態では、第１反射ミラー１４及び第２反射ミラー１５によって光軸を折り曲げたが、光学系装置を直線状に並ばせる設置空間があれば、第１反射ミラー１４及び第２反射ミラー１５等の反射ミラーを省略してもよい。

・上記実施形態では、凸レンズ１２を光軸方向に移動可能としたが、ダイナミックフォーカスレンズ１６によって所望のビーム径が得られるならば、凸レンズ１２を移動できないように固定してもよい。

・上記実施形態では、硬化性材料として光硬化性樹脂を使用する光造形装置に採用したが、硬化性材料として金属粉末等を使用する光造形装置に採用してもよい。

５…液槽、６…昇降テーブル、８…レーザ強度センサ、１０…光学系装置、１１…レーザ、１２…凸レンズ、１３…音響光学変調器（ＡＯＭ）、１４…第１反射ミラー、１５…第２反射ミラー、１６…ダイナミックフォーカスレンズ、１６ａ…平凹レンズ、１７…フォーカスレンズ、１８…スキャナ、１９…凹レンズ、２０…ｆθレンズ。

Claims

硬化性材料に選択的に光線を照射して前記硬化性材料を硬化させることによって三次元形状物を造形する光造形装置において、
前記光線を照射する光学系は、前記光線の光源となるレーザと、
前記光線を縮径する凸レンズと、
前記光線の強度を変調する音響光学変調器と、
前記光線の照射時の焦点位置を調整する焦点調整器と、
前記光線の焦点位置を調整するフォーカスレンズと、
前記光線の照射位置を制御するスキャナと、を備え、
前記レーザから出射された光線は、前記凸レンズによってビーム径が縮小されて、前記音響光学変調器に入射され、続いて前記焦点調整器及び前記フォーカスレンズを通過して前記スキャナに入射され、前記硬化性材料に選択的に照射される
ことを特徴とする光造形装置。
請求項１に記載の光造形装置において、
前記焦点調整器によって前記光線の照射時における所望のビーム径が得られない際には、前記凸レンズを光軸方向に移動させて前記光線のビーム径を縮小する
ことを特徴とする光造形装置。
請求項１又は２に記載の光造形装置において、
前記音響光学変調器の後段に光軸を調整する反射ミラーを備える
ことを特徴とする光造形装置。