JP2018503536A - 増強型デジタル光処理技術による面露光型ラピッドプロトタイピング方法及び装置 - Google Patents

増強型デジタル光処理技術による面露光型ラピッドプロトタイピング方法及び装置 Download PDF

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Abstract

本発明は、増強型デジタル光処理技術による面露光型ラピッドプロトタイピング方法および装置を提供する。該装置は、成型しようとするオブジェクトのモデルをシート化し、得られたシートをビットマップに変換し、さらにシートを本体領域と境界充填領域に区分する制御プラットフォームと、前記制御プラットフォームにより制御され、オブジェクトのシートに対応する本体領域の成型に用いられる第１光束を放出するデジタル光処理ユニットと、前記制御プラットフォームにより制御され、オブジェクトのシートに対応する境界充填領域の成型に用いられる第２光束を放出するレーザーマーキングユニットとを備える。本発明によれば、高速で成型できると共に、エッジひずみという不具合を解消し、オブジェクトの成型精度を向上させることができる。【選択図】図２

Description

本発明は、ラピッドプロトタイピング技術（Ｒａｐｉｄ Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ）、特に高精度のラピッドプロトタイピング技術に関する。
従来の光硬化樹脂のラピッドプロトタイピング技術には、主にＳＬＡ（ｓｔｅｒｅｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ ａｐｐａｒａｔｕｓ、立体光硬化ラピッドプロトタイピング技術）及びＤＬＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ、デジタル光処理技術）という二つの方式がある。ＤＬＰラピッドプロトタイピング技術は、設備が簡単になるだけでなく、成型速度もＳＬＡラピッドプロトタイピング技術より遥かに速いため、市場で注目されている。そして、ＤＬＰ面露光型ラピッドプロトタイピング技術は精度が高く、特に金属の首飾りに対するロストワックス鋳造などの分野に適している。しかし、従来のＤＬＰ面露光成型では、露光するパターンがベクトルパターンから変換したビットマップであり、図１に示すように、３次元モデルにおけるベクトル断面が、円形を例として、多数の画素からなるビットマップ１０に変換し、本体領域１０１の他に、変換の過程で、ベクトル断面に属さない境界領域１０２も含まれて、ベクトル断面に属する境界領域１０３が排除されてしまう。これによって、ＤＬＰ面露光の領域と３次元モデルのベクトル断面との間では差異がある。その結果、成型オブジェクトはある程度の変形が生じる。また、寸法が小さい３次元物体については、上述のようなビットマップにおけるエッジひずみの、ベクトル断面に対する比率がより大きくなり、オブジェクトの成型精度に影響を与える。
従来技術における上述の欠陥について、本発明が解決しようとする技術問題は、高速で成型できると共に、エッジひずみという不具合を解消し、オブジェクトの成型精度を向上させることができる、増強型デジタル光処理技術による面露光型ラピッドプロトタイピング技術を提供することにある。
上述の技術問題を解決するために、本発明は、成型しようとするオブジェクトのモデルをシート化し、得られたシートをビットマップに変換し、さらにシートを本体領域と境界充填領域に区分する制御プラットフォームと、上述した制御プラットフォームにより制御され、オブジェクトのシートに対応する本体領域の成型に用いられる第１光束を放出するデジタル光処理ユニットと、上述した制御プラットフォームにより制御され、オブジェクトのシートに対応する境界充填領域の成型に用いられる第２光束を放出するレーザーマーキングユニットと、を備える、増強型デジタル光処理技術による面露光型ラピッドプロトタイピング装置を提供する。
さらに、上述第１光束と第２光束とは、光軸が同軸である。
さらに、該デジタル光処理ユニットによる本体領域の成型と、該レーザーマーキングユニットによる境界充填領域の成型とが、並行して行われる。
さらに、該装置は、第１面から前記第１光束が４５°で入射した後、第一設定加工位置に反射させ、第２面から前記第２光束が入射し、その第１面を透過した後、第二設定加工位置に反射させるように構成されているダイクロイックミラーをさらに備える。
さらに、該装置は、成型プラットフォームと、前記成型プラットフォームに設置されている樹脂液槽とをさらに備え、前記第一設定加工位置及び第二設定加工位置がいずれも該樹脂液槽の中にある。
さらに、前記第一設定加工位置が本体領域に対応し、前記第二設定加工位置が境界充填領域に対応する。
さらに、該成型プラットフォームは、プラットフォーム本体と、該プラットフォーム本体を垂直軸に沿って運動するように駆動するための運動機構とを備える。
さらに、該レーザーマーキングユニットは、紫外レーザー装置であるレーザー装置を備える。
また、上述の技術問題を解決するために、本発明は、
成型しようとするオブジェクトのモデルをシート化し、得られたシートをビットマップに変換し、さらにシートを本体領域と境界充填領域に区分する工程と、
デジタル光処理ユニットによりオブジェクトのシートに対応する本体領域を成型する工程と、
レーザーマーキングユニットによりオブジェクトのシートに対応する境界充填領域を成型する工程と、
を有する、増強型デジタル光処理技術による面露光型ラピッドプロトタイピング方法を提供する。
さらに、上述した成型しようとするオブジェクトのモデルをシート化し、得られたシートをビットマップに変換し、さらにシートを本体領域と境界充填領域に区分する工程は、
成型しようとするオブジェクトの３次元モデルを層状にスライスする処理を行い、一連の閉鎖環からなるベクトル断面を得ること、
ベクトル断面をデジタル光処理ユニットに対応する解像度の画像領域に映し、閉鎖環の内部にある画素をビットマップに変換して本体領域を得ること、及び
閉鎖環境界と交差する画素座標、及びそれと閉鎖環境界との交差点を記録して境界充填領域を得ること、を含む。
さらに、デジタル光処理ユニットによる本体領域の成型とレーザーマーキングユニットによる境界充填領域の成型とは、同時に行われる。
さらに、レーザーマーキングユニットによりオブジェクトのシートに対応する境界充填領域を成型することは、境界充填領域における充填線を走査すること、及び境界充填領域の輪郭に沿って走査することを含む。
さらに、デジタル光処理ユニットの投射解像度によって、画素に対応する寸法がレーザーマーキングユニットから放出した第２光束のスポットより小さい場合、レーザーマーキングユニットによりオブジェクトのシートに対応する境界充填領域を成型することは、境界充填領域の輪郭に沿って走査することのみを含む。
本発明の優れた効果は、シートを本体領域と境界充填領域とに巧みに区分し、かつＤＬＰ技術とレーザーマーキング技術とを組み合わせて、ＤＬＰユニットでシートの本体領域を成型すると同時に、レーザーマーキングユニットでシートの境界充填領域を成型することにより、高速で成型できると共に、エッジひずみという不具合を解決し、オブジェクトの成型精度を向上させることにある。
以下に、図面及び実施例を結びつけて、本発明についてさらに説明する。
従来のエッジひずみのあるシートのビットマップを示す概略図である。 本発明における増強型デジタル光処理技術による面露光型ラピッドプロトタイピング装置の構成を示す図である。 本発明におけるエッジひずみを解決したシートの画像を示す概略図である。 本発明における増強型デジタル光処理技術による面露光型ラピッドプロトタイピング方法のフローチャートである。
以下、図面を結び付けて本発明の好ましい実施例について詳しく説明する。
本発明は、成型しようとするオブジェクトのモデルをシート化し、得られたシートをビットマップに変換し、さらに該シートを本体領域と境界充填領域に区分する工程と、デジタル光処理ユニットによりオブジェクトのシートに対応する本体領域を成型する工程と、レーザーマーキングユニットによりオブジェクトのシートに対応する境界充填領域を成型する工程とを有している増強型デジタル光処理技術による面露光型ラピッドプロトタイピング方法を提供する。好ましくは、デジタル光処理ユニットによる本体領域の成型とレーザーマーキングユニットによる境界充填領域の成型とは、同時に行われる。好ましくは、オブジェクトのシートに対応する画像の境界充填領域を上下方向及び両側方向に沿って区分し、上下方向にある境界充填領域に対して垂直走査方式で充填し、両側方向にある境界充填領域に対して水平走査方式で充填する。該成型オブジェクトは、ロストワックス鋳造プロセスに用いられるモデル、又はその他の如何なる３次元モデルである。
図２及び図３を参照すると、図２は、本発明における増強型デジタル光処理技術による面露光型ラピッドプロトタイピング装置の構成を示す図であり、図３は、本発明におけるエッジひずみを解決したシートの画像を示す図である。本発明は、成型しようとするオブジェクトのモデルをシート化し、得られたシートをビットマップに変換し、さらに該シートに対応する画像３０を本体領域３０１と境界充填領域３０５、３０６、３０７、３０８に区分する制御プラットフォーム２０６と、該制御プラットフォーム２０６により制御され、オブジェクトのシートに対応する画像３０の本体領域３０１の成型に用いられる第１光束２０８を放出するデジタル光処理ユニット２０３と、該制御プラットフォーム２０６により制御され、オブジェクトのシートに対応する画像３０の境界充填領域３０５、３０６、３０７、３０８の成型に用いられる第２光束２０９を放出するレーザーマーキングユニット２０５とを備えている、増強型デジタル光処理技術による面露光型ラピッドプロトタイピング装置２０を提供する。好ましくは、該デジタル光処理ユニット２０３による本体領域３０１の成型と、該レーザーマーキングユニット２０５による境界充填領域３０５、３０６、３０７、３０８の成型とは、同時に行われる。
本実施例では、該装置２０が、さらにダイクロイックミラー２０４を備える。該デジタル光処理ユニット２０３から放出した第１光束２０８は、該ダイクロイックミラー２０４の第１面から４５°で入射した後、第一設定加工位置までに反射させる。該レーザーマーキングユニット２０５から放出した第２光束２０９は、該ダイクロイックミラー２０４の第２面から入射した後、その第１面を透過し第二設定加工位置に反射させる。
ダイクロイックミラー２０４は、その他の異なる傾斜角度に設置されてもよい。これに伴って、デジタル光処理ユニット２０３からの第１光束２０８は、該ダイクロイックミラー２０４の第１面から入射する角度も、それに応じて変わる。第１光束２０８は第一設定加工位置に反射することができれば良い。
他の実施例では、レーザーマーキングユニット２０５から放出した第２光束２０９がダイクロイックミラー２０４の第一面から４５°で入射した後、さらに第二設定加工位置に反射させ、デジタル光処理ユニット２０３から放出した第１光束２０８が該ダイクロイックミラー２０４の第２面から入射した後、さらに第１面を透過し第一設定加工位置に反射させてもよい。
どのような実施方式を採用するかに関わらず、両光束でオブジェクトの異なる領域を成型する場合、ひずみが生じないことを確保するために、デジタル光処理ユニット２０３から放出した第１光束２０８とレーザーマーキングユニット２０５から放出した第２光束２０９との光軸が同軸であるように構成されている。
該装置２０は、さらに、成型プラットフォーム２０１と、前記成型プラットフォーム２０１に設置される樹脂液槽２０２とを備える。該成型プラットフォーム２０１は、プラットフォーム本体、及び該プラットフォーム本体を垂直の軸に沿って運動するように駆動するための運動機構を含む。上述した第一設定加工位置及び第二設定加工位置がいずれも樹脂液槽２０２に設置され、第一設定加工位置が本体領域に対応し、第二設定加工位置が境界充填領域に対応する。図２に示すように、本実施例では、第一設定加工位置及び第二設定加工位置がいずれも樹脂液槽２０２の底面に設置され、成型プラットフォーム２０１の上昇過程においてオブジェクトが成型される。
他の実施例では、樹脂液槽２０２が、デジタル光処理ユニット２０３及びレーザーマーキングユニット２０５の下方に設置され、成型プラットフォーム２０１が図２に示す方向と相反する方向に沿って樹脂液槽２０２に設置され、第一設定加工位置及び第二設定加工位置がいずれも樹脂液槽２０２の頂面に設置され、成型プラットフォーム２０１の下降過程中においてオブジェクトが成型されてもよい。
該レーザーマーキングユニット２０５は、レーザー装置２０５１、ＸＹ振動鏡２０５２及びレンズ２０５３を備える。上述第２光束２０９は、レーザー装置２０５１からの射出光であり、これが、まず該ＸＹ振動鏡２０５２を経て、さらに該レンズ２０５３を経た後形成されたものである。本実施例では、該レーザー装置２０５１は、紫外レーザー装置であり、レーザー波長は３６５ｎｍである。該レンズ２０５３はｆ‐θレンズである。
該デジタル光処理ユニット２０３は、ＤＬＰ方式光学機器であり、波長４０５ｎｍである。これらのレーザーとレーザーマーキングユニット２０５からのレーザーは、それぞれダイクロイックミラー２０４により反射、透過するという要求を満たすために、波長差があるようにする。
本実施例では、該制御プラットフォーム２０６は、相応のソフトウェアを実行するコンピュータである。該制御プラットフォーム２０６が通信回路２０７を介して該デジタル光処理ユニット２０３及び該レーザーマーキングユニット２０５に通信接続する。具体的には、該制御プラットフォーム２０６が第一ケーブル２０７１を介して該デジタル光処理ユニット２０３に接続し、該制御プラットフォーム２０６が第二ケーブル２０７２を介して該レーザー装置２０５１に接続し、該制御プラットフォーム２０６が第三ケーブル２０７３を介して該ＸＹ振動鏡２０５２に接続する。
図４を参照すると、図４は本発明における増強型デジタル光処理技術による面露光型ラピッドプロトタイピング方法のフローチャートである。本発明における方法は、大体以下の工程を含む：
ステップ４０１では、成型しようとするオブジェクトの３次元モデルを層状にスライスする処理を行い、一連の閉鎖環からなるベクトル断面を得る。奇偶性（パリティ性）原則に基づいて各閉鎖環の充填状況を判断し、充填を必要とする閉鎖環についてマーキングする。
ステップ４０２では、ＤＬＰ光設備の投射解像度に基づいて、画素に対応する寸法サイズを確定する。ベクトル断面を解像度が固定された画像領域、即ち、ＤＬＰ光設備の解像度に対応する画像領域に映し、画像の画素充填状況を判断する。点が多角形の内側、又は外側にあるかについての判定方法に基づいて、充填する必要がある閉鎖環の境界ボックスの中で、対応領域の画素充填状況を判断する。具体的には、該領域におけるある画素が閉鎖環の内部にある場合、該画素が充填されるべきであり、白色にマーキングする。ある画素が閉鎖環の外部にある場合、充填しない。ある画素が閉鎖環の境界と交差する場合、該画素が充填されず、さらに該画素座標及びそれと環境界との交差点を記録する。画素充填の判断が完了した後、シートをビットマップ表示に変換し、即ち、閉鎖環の外部にある画素及び閉鎖環境界と交差する画素を取り除き、その他の閉鎖環の内部にある充填すべき画素をビットマップに変換し、該部分がシートに対応する本体領域となる。
ステップ４０３では、記録された画素座標及びそれと境界との交差点に基づいて、画素での閉鎖環内部にある画素部分を得る。該画素部分は、ひとつの画素のサイズより小さいため、ビットマップの中で表示せず、可充填領域（即ち、図３における「＋」で表される領域）として示す。シートにおける全ての閉鎖環の境界画素について処理を行い、該シート上の全ての境界充填領域（即ち、図３における全ての「＋」で表される領域の合集）を得る。該境界充填領域は、ビットマップ中で表示されず、依然としてベクトル図として存在している。
ステップ４０４では、シートの境界充填領域を抽出し、境界充填領域の形状特徴によって、水平又は垂直走査方式で該領域に対する走査充填を計画し、即ち、領域の内部で線引きして充填する。例えば、図３における左右両側の境界領域３０５、３０６について、垂直走査方式で充填すべきか、上下両側の境界領域３０７、３０８について、水平走査方式で充填すべきである。
ステップ４０５では、変換されて得たシートビットマップをＤＬＰ光設備に導入し、該光設備によりビットマップをダイクロイックミラーに投射し、反射した後、樹脂液槽における感光性樹脂に対して露光硬化する。同時に、境界充填領域のベクトル図をレーザーマーキングユニットに導入し、ＸＹ振動鏡で境界充填領域を走査し、該領域樹脂を硬化させる。境界充填領域の硬化完成後、ＸＹ振動鏡で境界充填領域輪郭に沿って一回り走査する。
ＤＬＰ光設備の投射解像度が高ければ高いほど、画素に対応する寸法が小さい。画素に対応する寸法をレーザーマーキングユニットから放出した第２光束レーザーのフレアより小さくなるように、ＤＬＰ光設備の投射解像度を十分高くする場合、上述したステップ４０４、４０５が、さらに簡素化される。さらに、境界充填領域に対する走査充填を計画する必要がなく、レーザーマーキングユニットにより境界充填領域の輪郭を走査するだけでよい。この場合、第２光束レーザーのフレアが境界充填領域の輪郭に沿って形成した軌跡は、完全に該境界充填領域をカバーすることができる。
従来技術と比べて、本発明における増強型デジタル光処理技術による面露光型ラピッドプロトタイピング方法及び装置は、シートに対応する画像３０を本体領域３０１及び境界充填領域３０５、３０６、３０７、３０８に巧みに区分し、かつＤＬＰ技術とレーザーマーキング技術とを組み合わせて、そして、ＤＬＰユニットで図像の本体領域３０１を成型すると同時に、レーザーマーキングユニットで図像の境界充填領域３０５、３０６、３０７、３０８を成型することで、高速成型を満たすことを前提として、エッジひずみという不具合を解決し、オブジェクトの成型精度を向上させることができる。
上述の実施例は本発明の技術方案を説明するためのものに過ぎず、本発明の特許範囲を限定するものではないことが理解されるべきである。当業者にとって、上述の実施例に記載される技術案についての修正、又はそれに記載される構成要件についての同等置換が可能である。これらの修正及び置換は、いずれも特許請求の範囲に記載の範囲に属する。
２０ 装置
２０１ 成型プラットフォーム
２０２ 樹脂液相
２０３ デジタル光処理ユニット
２０４ ダイクロイックミラー
２０５ レーザーマーキングユニット
２０６ 制御プラットフォーム
２０７ 通信回路
２０８ 第１光束
２０９ 第２光束
２０５１ レーザー装置
２０５２ ＸＹ振動鏡
２０５３ レンズ
２０７１ 第一ケーブル
２０７２ 第二ケーブル
２０７３ 第三ケーブル
１０ シートのビットマップ
１０１ 本体領域
１０２、１０３ 境界領域
３０ シートに対応する画像
３０１ 本体領域
３０５、３０６、３０７、３０８ 境界充填領域

Claims (13)

  1. 増強型デジタル光処理技術による面露光型ラピッドプロトタイピング装置（２０）であって、
    成型しようとするオブジェクトのモデルをシート化し、得られたシートをビットマップに変換し、さらにシートを本体領域（３０１）と境界充填領域（３０５、３０６、３０７、３０８）に区分する制御プラットフォーム（２０６）と、
    前記制御プラットフォーム（２０６）により制御され、オブジェクトのシートに対応する本体領域（３０１）の成型に用いられる第１の光束（２０８）を放出するデジタル光処理ユニット（２０３）と、
    前記制御プラットフォーム（２０６）により制御され、オブジェクトのシートに対応する境界充填領域（３０５、３０６、３０７、３０８）の成型に用いられる第２光束（２０９）を放出するレーザーマーキングユニット（２０５）と、
    を備えることを特徴とする増強型デジタル光処理技術による面露光型ラピッドプロトタイピング装置。
  2. 前記第１光束（２０８）と第２の光束（２０９）の光軸が同軸になることを特徴とする請求項１に記載の増強型デジタル光処理技術による面露光型ラピッドプロトタイピング装置。
  3. 前記デジタル光処理ユニット（２０３）による本体領域（３０１）の成型と前記レーザーマーキングユニット（２０５）による境界充填領域（３０５、３０６、３０７、３０８）の成型とが並行して行われることを特徴とする請求項１に記載する増強型デジタル光処理技術による面露光型ラピッドプロトタイピング装置。
  4. 第１面から前記第１光束（２０８）が４５°で入射した後、第一設定加工位置に反射させ、第２面から前記第２光束（２０９）が入射し、さらにその第１面を透過した後、第二設定加工位置に反射させるように構成されているダイクロイックミラー（２０４）を備えることを特徴とする請求項３に記載する増強型デジタル光処理技術による面露光型ラピッドプロトタイピング装置。
  5. 成型プラットフォーム（２０１）と、
    前記成型プラットフォーム（２０１）に設置されている樹脂液槽（２０２）を備え、前記第一設定加工位置及び前記第二設定加工位置がいずれも前記樹脂液槽（２０２）の中にあることを特徴とする請求項４に記載する増強型デジタル光処理技術による面露光型ラピッドプロトタイピング装置。
  6. 前記第一設定加工位置が本体領域（３０１）に対応し、前記第二設定加工位置が境界充填領域（３０５、３０６、３０７、３０８）に対応することを特徴とする請求項５に記載する増強型デジタル光処理技術による面露光型ラピッドプロトタイピング装置。
  7. 前記成型プラットフォーム（２０１）は、プラットフォーム本体と、前記プラットフォーム本体を垂直軸に沿って運動するように駆動するための運動機構とを有することを特徴とする請求項５に記載する増強型デジタル光処理技術による面露光型ラピッドプロトタイピング装置。
  8. 前記レーザーマーキングユニット（２０５）は、紫外レーザー装置であるレーザー装置（２０５１）を備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１つに記載する増強型デジタル光処理技術による面露光型ラピッドプロトタイピング装置。
  9. 増強型デジタル光処理技術による面露光型ラピッドプロトタイピング方法であって、
    成型しようとするオブジェクトのモデルをシート化し、得られたシートをビットマップに変換し、さらにシートを本体領域と境界充填領域に区分する工程と、
    デジタル光処理ユニットによりオブジェクトのシートに対応する本体領域を成型する工程と、
    レーザーマーキングユニットによりオブジェクトのシートに対応する境界充填領域を成型する工程と、
    を有することを特徴とする増強型デジタル光処理技術による面露光型ラピッドプロトタイピング方法。
  10. 前記の、成型しようとするオブジェクトのモデルをシート化し、得られたシート層をビットマップに変換し、さらにシートを本体領域と境界充填領域に区分する工程は、
    成型しようとするオブジェクトの３次元モデルを層状にスライスする処理を行い、一連の閉鎖環からなるベクトル断面を得ること、
    ベクトル断面をデジタル光処理ユニットに対応する解像度の画像領域に映し、閉鎖環の内部にある画素をビットマップに変換して本体領域を得ること、及び
    閉鎖環境界と交差する画素座標及びそれと閉鎖環境界との交差点を記録して境界充填領域を得ること、
    を含むことを特徴とする請求項９に記載する増強型デジタル光処理技術による面露光型ラピッドプロトタイピング方法。
  11. デジタル光処理ユニットによる本体領域の成型とレーザーマーキングユニットによる境界充填領域の成型とは、同時に行われることを特徴とする請求項９に記載する増強型デジタル光処理技術による面露光型ラピッドプロトタイピング方法。
  12. レーザーマーキングユニットによりオブジェクトのシートに対応する境界充填領域を成型することは、境界充填領域における充填線を走査すること、及び境界充填領域の輪郭に沿って走査することを含むことを特徴とする請求項１０に記載する増強型デジタル光処理技術による面露光型ラピッドプロトタイピング方法。
  13. デジタル光処理ユニットの投射解像度によって画素に対応する寸法がレーザーマーキングユニットから放出した第２光束のスポットより小さい場合、レーザーマーキングユニットによりオブジェクトのシートに対応する境界充填領域を成型することは、境界充填領域の輪郭に沿って走査することのみを含むことを特徴とする請求項１０に記載する増強型デジタル光処理技術による面露光型ラピッドプロトタイピング方法。
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