JP2023531229A - 光硬化型３ｄプリンタ及びプリンティング方法 - Google Patents

光硬化型３ｄプリンタ及びプリンティング方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、光硬化型３Ｄプリンタ及びプリンティング方法を提供する。該装置は、液体感光樹脂を収容することに適し、一端面が透光パネルを含む筐体と、筐体内に設けられ、成形ワークを載置するために用いられる載置ステージと、載置ステージを駆動して透光パネルに近づけたり、透光パネルから遠ざけたりするように移動させるために用いられる駆動機構と、光学系であって、筐体の外部に位置しかつ透光パネルと対向する露光装置を含み、露光装置が光出射側からビームパターンを照射することに適し、筐体内の透光パネルに密着する液体感光樹脂の層を制御可能に硬化させるものと、筐体に設けられ、筐体の内部の圧力を調整するための圧力調整素子であって、少なくとも載置ステージが前記透光パネルから遠ざける間に、成形ワークを透光パネルから分離するために、筐体の内部が受ける環境気圧を低減するために用いられるものとを含む。本発明は高精度が要求される精密な３Ｄモデルプリンティングに適する。

Description

本発明は、３次元（３Ｄ）プリンタに関し、特に、光硬化型３Ｄプリンタに関する。
３Ｄプリンティング技術とは、コンピュータの３次元設計モデルをもとにして、ソフトウェアによってモデルを分層し、レーザビーム、熱溶融ノズルなどの方式で金属粉末、セラミックス粉末、プラスチック、細胞組織などの特殊材料を層ごとに積み上げて粘着し、最終的に重ねて成形し、実体製品を製造するということである。伝統的な製造業において、金型、旋削などの機械加工方式によって原材料に対して、定型、切削などの方式で最終製品を生産するのとは異なって、３Ｄプリンティングは３次元実体をいくつかの２次元平面に変え、材料を処理し、かつ層ごとに重ねて生産することによって、製造の複雑さを大幅に低減する。このデジタル化製造モデルは複雑なプロセスを必要とせず、巨大な工作機械を必要とせず、多くの人力を必要とせず、直接、コンピュータのグラフィックデータから任意の形状の部品を生成することができ、生産や製造をより広い生産人群の範囲に拡張することができる。
現在、３Ｄプリンティング技術の成形方式は絶えず進化しており、様々な成形方式の中で、光硬化法は比較的に成熟した方式である。光硬化法とは、感光材料（通常、感光樹脂）が紫外線レーザーで照射されて硬化するという原理を利用し、材料の累積成形を行うことを指し、成形精度が高く、表面平滑度がよく、材料利用率が高いなどの特徴を有する。
ビームと受液槽との相対位置によって、光硬化型３Ｄプリンタは、一般に、上置きタイプ、下置きタイプ、又は横置きタイプに分類される。図１は上置きタイプ光硬化型３Ｄプリンタの概略構成図であり、ここでは、光学系１２０は受液槽１１０の上方に位置し、ビームは上方から受液槽１１０内の液体感光樹脂に照射する。図１を参照すると、該３Ｄプリンタ１００は、液体感光樹脂を収容するための受液槽１１０と、感光樹脂を硬化させるための光学系１２０と、成形ワークに接続するための昇降ステージ１３０とを含む。光学系１２０は、受液槽１１０の上方に位置し、ビームパターンを照射して、受液槽１１０の最上部の感光樹脂の層を、該ビームパターンによって硬化させ、該層の硬化済みの感光樹脂は、プリンティングされる３次元ワークの層であり、成形ワークの層と呼ばれる。光学系１２０がビームパターンを照射して感光樹脂の層を硬化させる度に、昇降ステージ１３０は僅かに下降してこの成形ワークの層を所定の距離だけ下降させる。この場合、３Ｄプリンタ１００における塗布装置（図示せず）は、液体感光樹脂を成形ワークの表面に塗布して次回の照射に含む。このように循環して、３次元モデルの最下層から最上層まで１層ずつプリンティングし、累積して成形される３次元ワークを得る。
しかしながら、塗布装置を用いると、塗布ムラという問題が生じてプリンティング精度に影響し、特にマイクロメーター、ナノメーターオーダーの３次元プリンティングの場合、塗布ムラがプリンティング精度に与える影響は大きく、ほとんど実現できない。
本発明の解決しようとする課題は、圧力調整機能を有する光硬化型３Ｄプリンタを提供することである。
上記技術的問題を解決するために、本発明は、液体感光樹脂を収容することに適し、一端面が透光パネルを含む筐体と、前記筐体内に設けられ、成形ワークを載置するために用いられる載置ステージと、前記載置ステージを駆動して前記透光パネルに近づけたり、前記透光パネルから遠ざけたりするように移動させるために用いられる駆動機構と、光学系であって、前記筐体の外部に位置しかつ前記透光パネルと対向する露光装置を含み、前記露光装置が光出射側からビームパターンを照射することに適し、前記筐体内の前記透光パネルに密着する液体感光樹脂の層を制御可能に硬化させるものと、前記筐体に設けられ、前記筐体の内部の圧力を調整するための圧力調整素子であって、少なくとも前記載置ステージが前記透光パネルから遠ざけている間、前記成形ワークを前記透光パネルから分離するために、前記筐体の内部が受ける環境気圧を低減するために用いられるものとを含む光硬化型３Ｄプリンタを提供する。
本発明の一実施例において、前記圧力調整素子は、前記成形ワークが前記透光パネルから分離された後に、前記筐体の内部が受ける環境気圧を少なくとも部分的に回復させるために用いられる。
本発明の一実施例において、前記成形ワークのプリンティング中、前記筐体は密閉されたままであり、前記液体感光樹脂で満たされる。
本発明の一実施例において、前記駆動機構は、前記筐体の外部に設置され、かつ前記筐体を貫通する接続ロッドによって前記載置ステージに接続される。
本発明の一実施例において、前記透光パネルは、前記液体感光樹脂と接触する側に、非粘着性材料である接触層を有する。
本発明の一実施例において、前記圧力調整素子は、前記筐体内の液体感光樹脂と接触するピストンと、前記ピストンに接続され、前記ピストンを往復移動させるように駆動する駆動器とを含む。
本発明の一実施例において、前記圧力調整素子は、前記筐体に接続される第２配管であって、前記筐体内の液体感光樹脂と接触するガスが含まれるものと、前記第２配管に接続される第２ポンプであって、前記第２配管にガスを供給し、前記第２配管からガスを吸引するために用いられるものとを含む。
本発明の一実施例において、液体感光樹脂を貯蔵するための、前記筐体に接続されるマガジンと、前記マガジンに接続される第１ポンプであって、プリンティングを開始する前に前記マガジン内の液体感光樹脂を前記筐体に注入して、前記筐体内を液体感光樹脂で満たさせ、かつプリンティング終了後に前記筐体内の液体感光樹脂を前記マガジンに逆注入するために用いられるものと、前記筐体に連通する通気弁であって、液体感光樹脂が前記筐体内に注入される際、及び液体感光樹脂が前記マガジン内に逆注入される際に開放され、前記成形ワークのプリンティング中に閉鎖されるものとを更に含む。
本発明の一実施例において、前記筐体の内部の圧力を測定するための圧力計を更に含む。
本発明の一実施例において、前記露光装置の光出射側と前記透光パネルとの間の空間は、浸漬液体で満たされ、これにより、前記光出射側から照射された光線は、前記浸漬液体を透過してから前記筐体内の液体感光樹脂に到達する。
上記技術的問題を解決するために、本発明は、液体感光樹脂を収容する筐体内の載置ステージをプリンティング位置に移動させることと、光学系が前記筐体上の透光パネルにビームパターンを照射し、前記ビームパターンが前記透光パネルを透過して液体感光樹脂を制御可能に硬化させ、前記載置ステージに成形ワークの層を形成することと、前記筐体の内部が受ける環境気圧を低減することと、前記載置ステージが前記透光パネルから遠ざける方向に移動して、前記成形ワークと前記透光パネルとを分離させることと、前記筐体の内部が受ける環境気圧を少なくとも部分的に回復することと、前記載置ステージを次回のプリンティング位置に移動させることと、を含む光硬化型３Ｄプリンティング方法を更に提供する。
本発明の一実施例において、プリンティングを開始する前に、筐体上の、マガジンに接続される通気弁を開放し、前記マガジンから前記筐体内に液体感光樹脂を注入することと、プリンティングを開始する前に前記通気弁を閉鎖することと、プリンティング終了後、前記通気弁を開放し、前記筐体内の液体感光樹脂を前記マガジンに逆注入することとを更に含む。
従来技術と比較して、本発明は以下の利点を有する：本発明の圧力調整素子は筐体の内部の圧力を調整することができ、筐体の内部が受ける環境気圧を低減することによって載置ステージが成形ワークを駆動して透光パネルから遠ざける時に遭遇する抵抗を低下させ、成形ワークの成功率及び完全性を保護することができ、筐体の内部が受ける環境気圧を少なくとも部分的に回復することによって筐体及び透光パネルの変形を防止することができ、高精度が要求される精密な３Ｄモデルプリンティングに有利であり、かつ液体感光樹脂がプリンティング領域に流入する速度及び充満度を向上させることに有利であり、３Ｄプリンティングの効率と品質を向上させる。
本発明の上記目的、特徴及び利点をより明確に理解するために、以下、図面を参照しながら本発明の具体的な実施形態を詳細に説明する。
上置きタイプ光硬化型３Ｄプリンタの概略構成図である。 本発明の一実施例に係る光硬化型３Ｄプリンタの概略構成図である。 本発明の更なる実施例に係る光硬化型３Ｄプリンタの概略構成図である。 本発明の更なる実施例に係る光硬化型３Ｄプリンタの概略構成図である。 本発明の更なる実施例に係る光硬化型３Ｄプリンタの概略構成図である。 本発明の更なる実施例に係る光硬化型３Ｄプリンタの概略構成図である。 本発明の一実施例に係る光硬化型３Ｄプリンティング方法の例示的なフローチャートである。 本発明の一実施例による光硬化型３Ｄプリンティング方法の手順を示す概略図である。 本発明の一実施例による光硬化型３Ｄプリンティング方法の手順を示す概略図である。 本発明の一実施例による光硬化型３Ｄプリンティング方法の手順を示す概略図である。 本発明の一実施例による光硬化型３Ｄプリンティング方法の手順を示す概略図である。
本発明の上記目的、特徴及び利点をより明確に分かりやすくするために、以下、図面を参照しながら本発明の具体的な実施形態を詳細に説明する。
以下の説明では、本発明の完全な理解を容易にするために、多くの具体的な詳細を記載するが、本発明は、本明細書に記載のものとは異なる他の方法で実施することもでき、したがって、本発明は、以下に開示する特定の実施形態に限定されるものではない。
本出願及び特許請求の範囲に示されるように、文脈が例外を明示的に示唆しない限り、「一」、「１つ」、「１種」、及び／又は「該」などの用語は、単数形を特に意味するものではなく、複数形も含むことができる。一般に、用語「含む」及び「含み」は、明確に識別されたステップ及び要素を含むことを単に意味するものであり、これらのステップ及び要素は、排他的なリストを構成するものではなく、方法又は装置は、他のステップ又は要素も含み得る。
本発明において、フローチャートを用いて本発明の実施例に従って実行される操作を説明する。前後の動作は、必ずしも順番どおりに正確に行われるものではないと理解されたい。逆に、様々なステップは、逆順又は同時に処理することができる。同時に、別の操作をこれらの手順に追加したり、これらの手順から１つ又は複数の操作を削除したりすることもできる。
図２は本発明の一実施例に係る光硬化型３Ｄプリンタの概略構成図である。図２を参照すると、該光硬化型３Ｄプリンタ２００は、筐体２１０と、載置ステージ２２０と、駆動機構２３０と、光学系２４０と、圧力調整素子２５０とを含む。なお、図２は、上置きタイプの３Ｄプリンタを例として本発明の実施例を説明するが、本発明に係る光硬化型３Ｄプリンタのプリンティング方式を限定するものではない。本発明の光硬化型３Ｄプリンタは、上置きタイプ、下置きタイプ又は横置きタイプなどの方式であってもよい。
筐体２１０は、液体感光樹脂を収容するために用いられる。図２に示すように、該筐体２１０はすでに、ワークを成形するために用いられる液体感光樹脂で満たされている。図２は該筐体２１０の正面断面図であり、ここでは、該筐体２１０の形状は直方体であり、閉鎖可能な箱体である。図２は、筐体２１０の具体的な形状を限定することを意図していない。他の実施例において、筐体２１０の形状は、円筒形など、任意の適切な形状であってもよい。
図２を参照すると、筐体２１０の一端面２１１には、透光パネル２１２がある。光学系２４０から照射されたビームは、該透明パネル２１２を透過して、端面２１１の下方にある液体感光樹脂に到達し、ビームに照射された液体感光樹脂は、硬化されて成形ワークを形成する。液体感光樹脂のプリンティング厚さ（層厚）は、光学系２４０の照射パラメータと、載置ステージ２２０上の成形ワークの上面と透光パネル２１２の下面との間の距離とによって決定される。直方体の筐体２１０の場合、該端面２１１は、該直方体の光学系２４０に向く方向の面である。なお、本発明は、透光パネル２１２の大きさや形状を制限せず、該透光パネル２１２は、面積が端面２１１以下である任意の形状であればよい。好ましくは、該透光パネル２１２はガラスである。筐体２１０の表面は、強度を高めるために、透光パネル２１２を除いて、光不透過性の材料で構成される。
本発明の３Ｄプリンタは、透光パネル２１２を採用しているため、塗布装置を用いる必要がなく、塗布ムラによる精度の問題を避け、プリンティング精度を向上させることができる。
いくつかの実施例において、透光パネル２１２の液体感光樹脂と接触する側は、該透光パネル２１２の下面であり、該下面には、非粘着性材料である接触層が設置される。該接触層は、硬化後の樹脂が透光パネル２１２の下面に付着するのを防止し、硬化した樹脂を外力によって筐体の内部の下面から容易に分離させることができる。他の実施例において、例えば高精度のマイクロ－ナノメータプリンティングにおいて、精度要求が高いために、ガラス、すなわち透光パネル２１２上に直接、不粘着層をめっきする解決案がしばしば採用される。
図２を参照すると、載置ステージ２２０は、成形ワークを載置するために、筐体２１０の内部に設置される。図２に示す状態では、プリンティングはまだ開始されておらず、載置ステージ２２０の上面には成形済みのワークがまだ載置されていない。
図２を参照すると、筐体２１０の下方には、載置ステージ２２０に接続され、載置ステージ２２０を駆動して透光パネル２１２に近づけたり、遠ざけたりするように移動させるための駆動機構２３０が設けられる。図２に示す実施例において、駆動機構２３０は、載置ステージ２２０を垂直方向に上下移動させるように駆動する。下置きタイプの３Ｄプリンタの場合、駆動機構２３０は、また、載置ステージ２２０を垂直方向に上下移動させるように駆動する。横置きタイプの３Ｄプリンタの場合、駆動機構２３０は、載置ステージ２２０を水平方向に左右に移動させるように駆動する。
図２に示す実施例において、駆動機構２３０は、主に筐体２１０の外部に設置され、かつ筐体２１０を貫通する接続ロッド２３１によって載置ステージ２２０に接続され、それにより、載置ステージ２２０の移動を駆動する。接続ロッド２３１は親ねじであってもよい。該接続ロッド２３１は、筐体２１０内の液体感光樹脂が漏れ出さないように設けられ、例えば、接続ロッド２３１と筐体２１０とが交わる部分にシールガスケットなどを設ける。
図２を参照すると、光学系２４０は、筐体２１０の外部に位置し、かつ透光パネル２１２に対応する露光装置２４１を含む。該露光装置２４１は、光出射側２４１ａからビームパターンを照射することに適し、それにより、筐体２１０内の、透光パネル２１２に密着される液体感光樹脂の層を、制御可能に硬化させる。図２に示される実施例において、露光装置２４１は、筐体２１０の上方に位置し、その光出射側２４１ａは、露光装置２４１の透光パネル２１２に近い側に位置する。光出射面２４１ａと透光パネル２１２との間には、一定の間隔及び隙間がある。図２に示すものは、光出射側２４１ａと透光パネル２１２との間の距離を制限するものではなく、該距離は、必要に応じて設定することができる。なお、図２に示す光学系２４０は、模式的なものに過ぎず、本発明の光学系２４０の具体的な構成を制限するものではない。
なお、図２に示す上置きタイプのプリンティング方式では、該光学系２４０は、筐体２１０の直上に位置しなくてもよく、光学系２４０から照射されたビームが筐体２１０の透光パネル２１２を上から下へ照射するものであればよい。例えば、光学系２４０は平行光を発し、筐体２１０の上方に鏡面を設け、鏡面反射によりビームを透光パネル２１２に照射させる。もちろん、該ビームは、透光パネル２１２に垂直に入射してもよいし、ある角度で傾斜させてもよい。
図２を参照すると、圧力調整素子２５０は、筐体２１０に設けられ、筐体２１０の内部の圧力を調整するために用いられる。なお、自然状態では、筐体２１０の内部は液体感光樹脂で満たされているので、筐体２１０内部の圧力は液体感光樹脂の重力による圧力を含み、また、筐体２１０は大気環境にあるため、筐体２１０が受ける環境気圧（大気圧）も筐体２１０の内部に伝達される。圧力調整素子２５０は、筐体２１０の内部が受ける環境気圧を調整するためのものである。
圧力調整素子２５０は、少なくとも載置ステージ２２０が透光パネル２１２から遠ざけている間、筐体２１０の内部が受ける環境気圧を減少させ、すなわち、筐体２１０の内部が受ける気圧を環境気圧よりも小さくするために用いられる。本発明において、環境気圧とは、筐体２１０の外部の環境気圧であり、通常は１気圧である。
図２に示す実施例によれば、３Ｄプリンティング中、１層の成形ワークのプリンティングが完了した後、成形ワークと透光パネル２１２の下面との間に隙間がなく、大気圧が存在するため、成形ワークと透光パネル２１２の下面とは密着して分離が困難になる。
大気圧を１ｋｇ／ｃｍ２とし、成形ワークと透光パネル２１２との接触面積を５ｃｍ２とすると、成形ワークと透光パネル２１２の下面を分離するのに必要な引張力（Ｐ）は、以下のとおりである：
Ｐ＝１ｋｇ／ｃｍ２＊５ｃｍ２＝５ｋｇ＝５＊９．８Ｎ＝４９Ｎ
また、成形ワークの上面と透光パネル２１２の下面との間にも一定の粘着力が存在するため、載置ステージ２２０は、それにある成形ワークを下方に移動させる際に大きな抵抗を克服する必要があり、このような強引な引っ張りは、成形ワーク又は透光パネル２１２の損傷を引き起こす可能性がある。
載置ステージ２２０が透光パネル２１２から遠ざけている間、すなわち、ある層の成形ワークのプリンティングが完了した後、圧力調整素子２５０は、筐体の内部の圧力を調整して、成形ワークが筐体２１０の内部で受ける圧力を低下させ、前述の抵抗を減少させ、載置ステージ２２０が粘着力に抗するだけでよく、該粘着力は、透光パネル２１２の下面にある接触層によって低減することができ、それによって、それにある成形ワークを容易に下方に移動させて、透光パネル２１２から分離することができる。
圧力調整素子２５０が載置ステージ２２０の透光パネル２１２から遠ざけている間、筐体２１０の内部が受ける環境気圧を低減することは、載置ステージ２２０が透光パネル２１２から遠ざけるまでの動的過程にわたり、また、載置ステージ２２０がもうすぐ透光パネル２１２から遠ざける前の時間帯にもわたる。
筐体２１０の内部が受ける気圧が環境気圧よりも小さい場合には、透光パネル２１２の上面及び下面が受ける圧力のアンバランスを引き起こし、すなわち、透光パネル２１２の上面は、依然として環境気圧にさらされるが、透光パネル２１２の下面が受ける圧力は、透光パネル２１２の上面が受ける環境気圧よりも低い。このアンバランスは、載置ステージ２２０が成形ワークを透光パネル２１２の下面から分離させるのを容易にするが、同時に、透光パネル２１２の変形を引き起こす可能性がある。露光時に透光パネル２１２が歪むと、プリンティング精度に影響する。
いくつかの実施例において、圧力調整素子２５０は、成形ワークが透光パネル２１２から分離された後に、筐体２１０の内部が受ける環境気圧を少なくとも部分的に回復するためにも用いられる。ここで、「少なくとも部分的に回復する」とは、筐体２１０の内部が受ける環境気圧の一部のみを回復させること、筐体２１０の内部が受ける環境気圧を完全に回復させること、及び、筐体２１０の内部が受ける環境気圧を、本来受ける環境気圧よりも大きくすること、の３つの状況を含む。成形ワークが透明パネル２１２の下面からうまく分離されているので、このとき、圧力調整素子２５０によって筐体２１０の内部の環境気圧を回復し、透光パネル２１２の上下面が受ける気圧を均衡させ、透光パネル２１２をバランス状態に回復させ、長期変形による透光パネル２１２の損傷やプリンティング精度への影響がない。一方、筐体２１０の内部の環境気圧を回復させ、ひいては、筐体２１０内部の圧力を環境気圧より高くすることにより、液体感光樹脂で成形ワークと透光パネルとの間のプリンティング領域を満たすことを加速し、プリンティング効率を向上させることができる。
他の実施例において、本発明の光硬化型３Ｄプリンタ２００は、筐体２１０の内部の圧力を測定するための圧力計（図示せず）を更に含む。該圧力計は、筐体２１０の内部に位置してもよいし、筐体２１０上に位置してもよいし、該筐体２１０に接続されてもよい。該圧力計は、気圧又は液圧を測定するために使用することができる。圧力調整素子２５０は、筐体２１０の内部の圧力によってリアルタイムに調整する。例えば、圧力を増加させる必要がある場合、筐体２１０内部の圧力が、ある増圧閾値に達したと圧力計で測定したとき、増圧を停止する。また、圧力を減少させる必要がある場合、筐体２１０内部の圧力がある減圧閾値に達したと圧力計で測定したとき、減圧を停止する。
いくつかの実施例において、圧力調整素子２５０は、ピストン及び駆動器を含む。図２には圧力調整素子２５０におけるピストン２５１が示されている。ピストン２５１は、筐体２１０の内部の液体感光樹脂と接触する。駆動器（図示せず）は、筐体２１０の外部にあり、かつピストン２５１に接続され、ピストン２５１を往復移動させるように駆動するために用いられる。ピストン２５１は、液体感光樹脂と接触するため、液体感光樹脂と接触する部分が液体感光樹脂と反応しない材料を用いるべきであることが理解される。図２に示す実施例において、駆動器がピストン２５１を駆動して筐体２１０から遠ざける方向に移動させる時、筐体２１０の内部が受ける環境気圧を打ち消すことができ、すなわち筐体２１０の内部が受ける環境気圧を低減し、駆動器がピストン２５１を駆動して筐体２１０に近づける方向に移動させる時、筐体２１０の内部が受ける環境気圧を回復することができる。したがって、載置ステージ２２０が透光パネル２１２から遠ざけている間、駆動器はピストン２５１を筐体２１０から遠ざける方向に移動させる。成形ワークが透光パネル２１２から分離された後、駆動器は、ピストン２５１を筐体２１０に近づける方向に移動させる。
液体感光樹脂が硬化すると、プリンティング材料の液体から固体への変化は、ある程度の体積損失をもたらす。例えば、体積損失は５％であり、液体感光樹脂の体積が１ｃｍ３であれば、全部硬化後の固体感光樹脂の体積は０．９５ｃｍ３である。本発明の圧力調整素子２５０におけるピストン２５１は、プリンティング材料の損失のバランスをとることもできる。筐体２１０内部の液体感光樹脂の体積が縮むにつれて、ピストン２５１の調整位置は、それに応じて変化することができる。例えば、ピストン２５１が第１位置にある場合、筐体２１０の内部が受ける環境気圧を低減することができ、ピストン２５１が第２位置にあるときに、筐体２１０の内部が受ける環境気圧を回復することができると仮定すると、プリンティング中に、該第１位置と第２位置の具体的な位置は、次第に変化するものである。
いくつかの実施例において、ピストンと駆動器との間にバネ構造が更に含まれる。駆動器は、バネ構造によってピストンに接続され、ピストンが筐体２１０から遠ざけるとき、バネ構造は伸張され、ピストンが筐体２１０に近づくとき、バネ構造は圧縮される。バネ構造の張力を制御することによって筐体内の圧力を制御することができる。例えば、ピストンの断面積が１ｃｍ２であると仮定すると、駆動器がピストンをある位置に動かすと、バネ構造は、１ｋｇの張力を発生させれば、大気圧をほぼ打ち消し、筐体の内部の圧力を実質的にゼロにすることができる。
図２に示す実施例において、ピストン２５１は、筐体２１０の、側面が頂面に近い位置にある。該位置は、筐体２１０の上面、すなわち、透光パネル２１２が位置する端面２１１に近い。本発明は、圧力調整素子２５０の具体的な位置を制限せず、該圧力調整素子２５０が筐体２１０上の任意の位置にも設置可能であり、同じ役割を果たすことができる。
図２を参照すると、いくつかの実施例において、本発明の光硬化型３Ｄプリンタ２００は、マガジン２６０と、第１ポンプ２７０と、筐体２１０と連通する通気弁２８０とを更に含む。該マガジン２６０は、十分な量の液体感光樹脂を貯蔵するためのものである。図２に示すように、マガジン２６０と筐体２１０との間には、連通配管２７１が設けられる。通常、プリンティングが開始される前に筐体２１０内に液体感光樹脂がなく、第１ポンプ２７０は、マガジン２６０に接続され、プリンティングを開始する前にマガジン２６０内に貯蔵された液体感光樹脂を筐体２１０内に注入し、プリンティングが終了した後に筐体２１０内の液体感光樹脂をマガジン２６０内に逆注入するために用いられる。筐体２１０内の液体感光樹脂がすべて抜き出された後、筐体２１０を開けて、プリンティングが完了した３Ｄ成形ワークを取り出すことができる。
液体感光樹脂がマガジン２６０から筐体２１０に注入される時、通気弁２８０は、筐体２１０内のガスが排出されるように開放する必要がある。マガジン２６０に残った液体感光樹脂がマガジン２６０に逆注入する必要がある時、通気弁２８０も開放する必要があり、ガスを筐体２１０に進入させ、抜き取る時に直面する抵抗を低下させる。３Ｄプリンティング中に、通気弁２８０は、プリンティング中に筐体２１０内に空気が存在しないことを保証するために、閉鎖しなければならない。
いくつかの実施例において、通気弁２８０と筐体２１０とマガジン２６０との間に第１配管２８１が更に含まれる。液体感光樹脂が筐体２１０内に注入されると、通気弁２８０を開放し、第１配管２８１には液体感光樹脂が溢れ出し、第１配管２８１を通ってマガジン２６０に戻る場合、通気弁２８０を閉鎖し、それにより、筐体２１０内の空気が完全に排出される。
いくつかの実施例において、マガジン２６０は密閉キャビティであってもよく、マガジン２６０又は筐体２１０に圧力を導くことで、マガジン２６０と筐体２１０との間の液体感光樹脂の伝達を可能にする。
図３は本発明の更なる実施例に係る光硬化型３Ｄプリンタの概略構成図である。図２に示す実施例と比較して、図３に示す実施例における圧力調整素子３５０が図２の圧力調整素子２５０と異なる以外に、図３に示す実施例にける素子は、図２と実質的に同じであり、したがって、図２の説明は、図３の素子の構造、形状、及び機能を説明するのに使用することができる。ここで、圧力調整素子３５０について、図３を参照して詳細に説明する。図３を参照すると、該光硬化型３Ｄプリンタ３００における圧力調整素子３５０は、筐体２１０に接続される第２配管３５１と、該第２配管３５１に接続される第２ポンプ３５２とを含む。第２配管３５１は、１セグメントのガス３５１ａと１セグメントの液体感光樹脂３５１ｂとを含む。第２ポンプ３５２は、第２配管３５１の筐体２１０から遠ざける端部に接続され、第２配管３５１にガスを注入したり、第２配管３５１からガスを吸引したりするために用いられる。好ましくは、第２ポンプ３５２はガスポンプである。
第２配管３５１は、第２配管３５１内の液体感光樹脂３５１ｂが筐体２１０内の液体感光樹脂と接触するように、筐体２１０と連通する。図３に示す実施例において、第２配管３５１は、２セグメントの互いに垂直な配管を含み、第２ポンプ３５２は、垂直方向の配管の端部箇所に位置する。連通器原理によって、第２配管３５１内の１セグメントのガス３５１が環境気圧にある状態では、第２配管３５１に位置する液体感光樹脂の液面高さは、筐体２１０内の液体感光樹脂の液面高さと等しくすべきである。
図３に示す実施例において、第２ポンプ３５２が第２配管３５１からガスを吸引する際に、筐体２１０の内部が受ける環境気圧を低減することができる。第２ポンプ３５２が第２配管３５１にガスを供給すると、筐体２１０の内部が受ける環境気圧を回復することができる。したがって、少なくとも載置ステージ２２０が透明パネル２１２から遠ざけている間、第２ポンプ３５２は、第２配管３５１からガスを吸引する。成形ワークが透光パネル２１２から分離された後、第２ポンプ３５２は、第２配管３５１にガスを供給する。
第２ポンプ３５２がガスを供給するか、又はガスを吸引する時間は、固定的に設定されてもよく、又はいくつかの測定値に基づいて決定されてもよい。圧力計を含む実施例において、圧力計で測定される筐体２１０内の圧力によって、ポンプの出力、動作時間等を含む第２ポンプ３５２の動作パラメータを決定することができる。
図４Ａは、本発明の更なる実施例に係る光硬化型３Ｄプリンタの概略構成図である。図４Ａに示すように、該実施例の光硬化型３Ｄプリンタ４０１は横置きタイプの３Ｄプリンタであり、筐体４１０は液体感光樹脂で満たされており、該筐体４１０の側面４１１に透光パネル４１２がある。載置ステージ４２０は筐体４１０の内部に設けられ、成形ワークを載置するために用いられる。駆動機構４３０は、載置ステージ４２０を水平方向に往復移動させ、載置ステージ４２０を透光パネル４１２に近づけたり遠ざけたりすることができる。光学系４４０は、筐体４１０の外部に位置し、かつ透光パネル４１２に対向する露光装置４４１を含む。ビームパターンは、露光装置４４１の光出射側４４１ａの側面から筐体４１０の内部に照射され、筐体４１０内の透光パネル４１２に密着される液体感光樹脂の層を制御可能に硬化させる。図４Ａに示される実施例において、光学系４４０は、筐体４１０の右に位置する。他の実施例において、ビームが筐体４１０の側面から筐体４１０の内部に入るだけでよく、光学系４４０の特定位置を限定する必要はない。
圧力調整素子４５０は、筐体４１０上に位置し、筐体４１０の内部の圧力を調整するために用いられる。該圧力調整素子４５０は、少なくとも載置ステージ４２０が透光パネル４１２から遠ざけている間、筐体４１０の内部が受ける環境気圧を低減するために用いられる。圧力調整素子４５０の具体的な実施形態は、図２及び図３に示す実施例と同じであり、図２及び図３に関する説明は、図４Ａに示す実施例を説明するために用いることができる。
図４Ａは、本発明の光硬化型３Ｄプリンタが横置きタイププリンティング方式を採用した例を示しており、横置きタイプの向きや載置ステージの数を制限するものではない。いくつかの実施例において、筐体４１０の水平方向の対向する両側で同時にビーム照射を行うことができ、これらの実施例は、それに応じて２つの載置ステージを含む。
図４Ｂは、本発明の更なる実施例に係る光硬化型３Ｄプリンタの概略構成図である。図４Ｂに示すように、該実施例の光硬化型３Ｄプリンタ４０２は、下置きタイプの３Ｄプリンタであり、図４Ａに示される光硬化型３Ｄプリンタ４０１よりも、図４Ｂに示される光硬化型３Ｄプリンタ４０２の各部材について、図４Ａの符号が付されている。光学系４４０が筐体４１０の下方に位置し、側面４１１が筐体４１０の底面に位置し、したがって、透光パネル４１２も筐体４１０の底面に位置する。
図４Ｂを参照すると、筐体４１０は、液体感光樹脂で満たされており、該筐体４１０の側面４１１は、透光パネル４１２を有する。載置ステージ４２０は、筐体４１０の内部に設けられ、成形ワークを載置するために用いられる。駆動機構４３０は、載置ステージ４２０を垂直方向に往復移動させて、載置ステージ４２０を透光パネル４１２に近づけたり遠ざけたりすることができる。光学系４４０は、筐体４１０の外部に位置し、かつ透光パネル４１２に対向する露光装置４４１を含む。ビームパターンは、露光装置４４１の光出射側４４１ａの側面から筐体４１０の内部に照射されて、筐体４１０内の透光パネル４１２に密着される液体感光樹脂の層を制御可能に硬化させる。図４Ｂに示される実施例において、光学系４４０は、筐体４１０の下方に位置する。他の実施例において、ビームが筐体４１０の下方から筐体４１０の内部に入るだけでよく、光学系４４０の具体的な位置を限定する必要がない。
図４Ｂを参照すると、マガジン２６０は、筐体４１０に接続される。このマガジン２６０は、図２に示す実施例のマガジン２６０と同じであり、図２におけるマガジン２６０に関する説明は、図４Ｂのマガジン２６０に適する。好ましくは、マガジン２６０は、筐体４１０の底部に近い位置で筐体４１０に接続される。
圧力調整素子４５０は、筐体４１０に位置し、筐体４１０の内部の圧力を調整するために用いられる。該圧力調整素子４５０は、少なくとも載置ステージ４２０が透光パネル４１２から遠ざけている間、筐体４１０の内部が受ける環境気圧を低減するために用いられる。圧力調整素子４５０の具体的な実施形態は、図２及び図３に示す実施例と同じであり、図２及び図３に関する説明は、図４Ｂに示す実施例を説明するために使用することができる。
図５は本発明の更なる実施例に係る光硬化型３Ｄプリンタの概略構成図である。図５に示すように、該実施例の光硬化型３Ｄプリンタでは、露光装置２４１の光出射側２４１ａと透光パネル２１２との間の空間は浸漬液体５１０が充満されて、光出射側２４１ａから照射された光線は浸漬液体５１０を透過してから筐体２１０内の液体感光樹脂に到達する。
図５に示される実施例において、光出射側２４１ａと透光パネル２１２の上面との間の距離は、該浸漬液体５１０が流失することなく、光出射側２４１ａと透光パネル２１２の上面との間の空間を満たすことができるように、比較的近い。しかしながら、本実施例において、間隙が比較的大きい場合、浸漬液体５１０を随時に補充し、排出するために、浸漬液体５１０を保持する機構も必要である。光出射側２４１ａから照射されたビームパターンは、該浸漬液体５１０を完全に透過した後、筐体２１０内の液体感光樹脂に到達するが、空気を透過しない。
図５に示す実施例の有益な効果は以下のとおりである。光出射側２４１ａ（例えば、レンズ）と透光パネル２１２との間の媒体が液体であるため、開口数を効果的に増加させることができ、これにより、光の回折問題が結像品質に与える影響を低減し、結像解像度を向上させ、浸漬式プリンティングを実現し、プリンティング精度をナノメータ程度まで向上させ、３Ｄプリンティングの精度を大幅に向上させることができる。
本発明は、浸漬液体５１０の材料を制限せず、任意の好適な液体、例えば脱イオン水又は他の液体を使用することができる。
図５は、図２に示す光硬化型３Ｄプリンタを例にして模式的に示すものであり、該浸漬式プリンティングが適用されるプリンタの具体的な構成には用いられない。図３及び図４Ａ、図４Ｂに示される実施例において、光出射側２４１ａと透光パネル２１２の外面との間に浸漬液体５１０を設置してもよい。これらの実施例において、光出射側２４１ａと透光パネル２１２の外面との間に浸漬液体５１０を満たすことを保証するために、浸漬液体５１０を収容できる容器などの追加の補助手段を追加することもできる。
高精度の３Ｄモデルプリンティングの場合、成形ワークを透光パネル２１２の下面から分離する際に遭遇する抵抗は、該層の成形ワークに対する損傷をより深刻にする可能性がある。したがって、本発明の光硬化型３Ｄプリンタによれば、圧力調整素子２５０によってプリンティング中に筐体２１０内の圧力を調整して、成形ワークを透明パネル２１２の下面から容易に分離することで、成形ワークの完全性が保護される。
図６は本発明の一実施例に係る光硬化型３Ｄプリンティング方法の例示的なフローチャートである。図２～図５に示す実施例の３Ｄプリンタは、図６に示す方法ステップに従って３次元モデルをプリンティングすることができる。したがって、図２～図５に関する上記の説明は、本発明の３Ｄプリンティング方法を説明するのに適している。図７Ａ～７Ｄは本発明による光硬化型３Ｄプリンティング方法に従ってプリンティングする手順を示す図である。以下、図６及び図７Ａ～７Ｄを用いて本発明の光硬化型３Ｄプリンティング方法について説明する。図６に示すように、該光硬化型３Ｄプリンティング方法は、以下のステップを含む。
ステップ６１０において、液体感光樹脂を収容する筐体内の載置ステージをプリンティング位置に移動させる。
本ステップでは、載置ステージはプリンティング位置に移動し、光学系は露光の準備が整う。図７Ａを参照すると、プリンティング開始直後、載置ステージ７２０上に成形ワークがない場合、載置ステージ７２０は、該載置ステージ７２０と透光パネル７１２との間にプリンティング層厚ｄを有する位置に移動する。プリンティング中、載置ステージ７２０は、成形されたワークを有する場合、載置ステージ７２０は、それにおける成形ワークの上部と透光パネル７１２との間にプリンティング層厚ｄを有する位置に移動する。
いくつかの実施例において、プリンティング開始前に、筐体７１０の内部に液体感光樹脂がなく、本発明のプリンティング方法は筐体７１０上のマガジン７６０に接続される通気弁７８０を開放し、マガジン７６０から筐体７１０内に液体感光樹脂を注入することと、成形ワークのプリンティング開始前に該通気弁７８０を閉鎖することと、プリンティング終了後、通気弁７８０を開放し、筐体７１０内に残っている液体感光樹脂をマガジン７６０に逆注入して、筐体７１０を開けて最終３Ｄ成形ワークを取り出すこととを更に含む。マガジン７６０に接続される第１ポンプ７７０によって、筐体７１０への液体感光樹脂の注入及びマガジン７６０への逆注入を行うことができる。
ステップ６２０において、光学系は筐体上の透光パネルにビームパターンを照射し、ビームパターンは、透光パネルを透過して液体感光樹脂を制御可能に硬化させ、載置ステージ上に成形ワークの層を形成する。
図７Ｂを参照すると、光学系７４０は、透光パネル７１２にビームパターンを照射し、載置ステージ７２０上に成形ワーク７２１の層を形成する。該ステップにおいて、該液体感光樹脂の層は、透光パネル７１２に最も近い液体感光樹脂の層である。
ステップ６３０において、筐体の内部が受ける環境気圧を低減する。
本ステップは、上述した圧力調整素子によって、筐体の内部の圧力を調整することができ、対応する調整方法及びステップは、先に説明した通りである。筐体の内部が受ける環境気圧を低減するので、透光パネル７１２の下面が受ける圧力が低下して、成形されたワークが透光パネルから分離しやすくなる。
ステップ６４０において、載置ステージを、透光パネルから遠ざける方向に移動させて、成形ワークを透光パネルから分離させる。
図７Ｃに示すように、ステップ６３０の圧力調整によって、成形ワーク７２１を透光パネル７１２から分離する際に遭遇する抵抗が小さくなり、これにより、載置ステージ７２０は、成形ワーク７２１を透光パネル７１２から容易に分離させることができる。
ステップ６５０において、筐体の内部が受ける環境気圧を少なくとも部分的に回復する。
本ステップは、前述した圧力調整素子によって筐体の内部の圧力を調整し、筐体の内部が受ける環境気圧を少なくとも部分的に回復し、対応する調整方法及びステップは、前述の説明を参照することができる。
ステップ６６０において、載置ステージを、次回のプリンティング位置に移動させる。次の層のプリンティングに準備が整える。
本ステップにおいて、載置ステージはまず透光パネルから一定の距離だけ離れ、続いて透光パネルに近づき、最後に透光パネルとの間の距離が一つの層厚である位置に到達して、成形ワークと透光パネルとの効果的な分離を確保する。また、載置ステージは、ステップ６４０において透光パネルから遠ざけている間、透光パネルから１つの層厚だけ遠ざける位置で止めてもよいが、成形ワークと透光領域との十分な分離を確保しなければならない。本発明は、次回のプリンティング位置に到達する前の、載置ステージの移動過程を制限するものではない。ステップ６５０及びステップ６６０という２つのステップの順は、入れ替え可能である。
ステップ６１０～６６０は、３Ｄモデルの層毎のプリンティングを達成するために繰り返し実行されてもよい。
図７Ｄを参照すると、一体型３Ｄモデルのプリンティングが完了した後、通気弁７８０を開放し、筐体７１０内に残っている液体感光樹脂をマガジン７６０に逆注入して、筐体７１０を開けて最終３Ｄ成形ワークを取り出すことを容易にする。明らかに、マガジン７６０内に貯蔵された液体感光樹脂の液面が上昇する。
図７Ａ～７Ｄに示す光硬化型３Ｄプリンタは、図５に示す実施例による光硬化型３Ｄプリンタに対応する。露光装置２４１の光出射側２４１ａと透光パネル２１２との間の空間は、浸漬液体５１０で満たされる。図７Ａ～７Ｄは、本発明の光硬化性３Ｄプリンティング方法の実施装置を限定するためのものではないことを理解されたい。
図６に示すプリンティング方法によれば、１．成形ワークが透光パネルから分離する抵抗を低減することができる。２．液体感光樹脂による成形ワークと透光パネルとの間のプリンティング領域の充填を加速する。３．プリンティング精度、特に層厚精度を保証し、成形ワークの完全性とプリンティング品質を保証する。４．一体プリンティングの効率を向上させる。
本出願は、本出願の実施例を説明するために特定の用語を使用する。「一つの実施例」、「一実施例」、及び／又は「いくつかの実施例」は、本出願の少なくとも１つの実施例に関連するある特徴、構造、又は特性を意味する。したがって、本明細書における異なる位置で２回以上言及される「一実施例」又は「一つの実施例」又は「代替実施例」は、必ずしも同じ実施例を指すわけではないことを強調し留意すべきである。更に、本出願の１つ以上の実施例におけるいくつかの特徴、構造、又は特性は、適切に組み合わせることができる。
以上、本発明を具体的な実施例を参照して説明してきたが、当業者であれば、以上の実施例は本発明を説明するためのものに過ぎず、本発明の趣旨から逸脱することなく、様々な均等な変更や置換が可能であり、したがって、本発明の精神の範囲内で、上述した実施例に対する変更や修正は、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲に属するものと理解されたい。

Claims (12)

  1. 光硬化型３Ｄプリンタであって、
    液体感光樹脂を収容することに適し、一端面が透光パネルを含む筐体と、
    前記筐体内に設けられ、成形ワークを載置するために用いられる載置ステージと、
    前記載置ステージを駆動して前記透光パネルに近づけたり、前記透光パネルから遠ざけたりするように移動させるために用いられる駆動機構と、
    光学系であって、前記筐体の外部に位置しかつ前記透光パネルと対向する露光装置を含み、前記露光装置が光出射側からビームパターンを照射することに適し、前記筐体内の前記透光パネルに密着する液体感光樹脂の層を制御可能に硬化させるものと、
    前記筐体に設けられ、前記筐体の内部の圧力を調整するための圧力調整素子であって、少なくとも前記載置ステージが前記透光パネルから遠ざけている間、前記成形ワークを前記透光パネルから分離するために、前記筐体の内部が受ける環境気圧を低減するために用いられるものとを含む、光硬化型３Ｄプリンタ。
  2. 前記圧力調整素子は、前記成形ワークが前記透光パネルから分離された後に、前記筐体の内部が受ける環境気圧を少なくとも部分的に回復させるために用いられる、請求項１に記載の光硬化型３Ｄプリンタ。
  3. 前記成形ワークのプリンティング中、前記筐体は密閉されたままであり、前記液体感光樹脂で満たされる、請求項１に記載の光硬化型３Ｄプリンタ。
  4. 前記駆動機構は、前記筐体の外部に設置され、かつ前記筐体を貫通する接続ロッドによって前記載置ステージに接続される、請求項１に記載の光硬化型３Ｄプリンタ。
  5. 前記透光パネルは、前記液体感光樹脂と接触する側に、非粘着性材料である接触層を有する、請求項１に記載の光硬化型３Ｄプリンタ。
  6. 前記圧力調整素子は、
    前記筐体内の液体感光樹脂と接触するピストンと、
    前記ピストンに接続され、前記ピストンを往復移動させるように駆動する駆動器とを含む、請求項１又は２に記載の光硬化型３Ｄプリンタ。
  7. 前記圧力調整素子は、
    前記筐体に接続される第２配管であって、前記筐体内の液体感光樹脂と接触するガスが含まれるものと、
    前記第２配管に接続される第２ポンプであって、前記第２配管にガスを供給し、前記第２配管からガスを吸引するために用いられるものとを含む、請求項１又は２に記載の光硬化型３Ｄプリンタ。
  8. 液体感光樹脂を貯蔵するための、前記筐体に接続されるマガジンと、
    前記マガジンに接続される第１ポンプであって、プリンティングを開始する前に前記マガジン内の液体感光樹脂を前記筐体に注入して、前記筐体内を液体感光樹脂で満たさせ、かつプリンティング終了後に前記筐体内の液体感光樹脂を前記マガジンに逆注入するために用いられるものと、
    前記筐体に連通する通気弁であって、液体感光樹脂が前記筐体内に注入される際、及び液体感光樹脂が前記マガジン内に逆注入される際に開放され、前記成形ワークのプリンティング中に閉鎖されるものとを更に含む、請求項１に記載の光硬化型３Ｄプリンタ。
  9. 前記筐体の内部の圧力を測定するための圧力計を更に含む請求項１に記載の光硬化型３Ｄプリンタ。
  10. 前記露光装置の光出射側と前記透光パネルとの間の空間は、浸漬液体で満たされ、これにより、前記光出射側から照射された光線は、前記浸漬液体を透過してから前記筐体内の液体感光樹脂に到達する、請求項１に記載の光硬化型３Ｄプリンタ。
  11. 光硬化型３Ｄプリンティング方法であって、
    液体感光樹脂を収容する筐体内の載置ステージをプリンティング位置に移動させることと、
    光学系が前記筐体上の透光パネルにビームパターンを照射し、前記ビームパターンが前記透光パネルを透過して液体感光樹脂を制御可能に硬化させ、前記載置ステージに成形ワークの層を形成することと、
    前記筐体の内部が受ける環境気圧を低減することと、
    前記載置ステージを前記透光パネルから遠ざける方向に移動させて、前記成形ワークと前記透光パネルとを分離させることと、
    前記筐体の内部が受ける環境気圧を少なくとも部分的に回復することと、
    前記載置ステージを次回のプリンティング位置に移動させることとを含む、光硬化型３Ｄプリンティング方法。
  12. プリンティングを開始する前に、筐体上の、マガジンに接続される通気弁を開放し、前記マガジンから前記筐体内に液体感光樹脂を注入することと、
    プリンティングを開始する前に前記通気弁を閉鎖することと、
    プリンティング終了後、前記通気弁を開放し、前記筐体内の液体感光樹脂を前記マガジンに逆注入することとを更に含む、請求項１１に記載の方法。
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