JP5082537B2 - 光造形方法及び光造形装置 - Google Patents

Description

本発明は、光硬化性組成液に選択的に光を照射して硬化層を形成し、該硬化層を順次積層して立体モデルを形成する光造形方法及び装置に関し、特に、一つの硬化層内で異なる光の照射を行う光造形方法及び装置に関する。

近年、携帯端末等に代表される各種電子機器や各種装置において、小型軽量化、高性能化が強く求められている。このため、電子機器等に用いられるネジ、歯車、モータのハウジング、バネ等の機械部品の微小化のニーズが高まっている。また、電子機器に用いられるネジ及びモータ等の機械部品等の設計及びデザイン構成を、ＣＡＤ等を用いてコンピュータ上で行うようになっている。このようなコンピュータ上で設計された三次元モデルに基づいて立体モデルを造形する方法として、例えば光積層造形方法（以下、光造形方法という）がある。以下に、従来の光造形方法の一例を示す。

従来の光造形方法では、造形する立体モデルは複数の層に平行スライスして得られる断面群のデータに基づいて造形される。通常、最初に最下段の断面に相当する領域において、光硬化性組成物の液面に光線を照射する。これにより、光照射された液面部分の光硬化性組成物が硬化し、立体モデルの一段面の硬化樹脂層が造形される。次に、この硬化樹脂層の表面に所定の厚さの未硬化の光硬化性組成物をコートする。このとき、硬化樹脂層の所定の厚み分だけを光硬化性組成物に沈めてコートする。そして、光硬化性組成物がコートされた表面に所定のパターンに沿ってレーザ光線を照射し、コート層部分を硬化させる。硬化されたコート層部分は、下側に形成されている硬化樹脂層に積層一体化される。そして、造形された断面に隣接する断面に光線照射と光硬化性組成物のコートを行う。これを繰り返すことにより、所望の立体モデルを造形する（特許文献１及び２参照）。

上記光造形方法では、一つ層の硬化樹脂層を形成する場合に、投影領域内を一括して露光していた。このため、一つの硬化層は照射された部分が同様の厚さの層となっていた。
特開昭５６−１４４４７８号公報 特開昭６２−３５９６６号公報

しかしながら、マイクロメートル単位の立体造形物を造形する場合に、微細な形状が要求される場合がある。このような場合に一つの硬化層内でより薄い膜厚の硬化部分が形成できると好ましいことがある。例えば、一つの硬化層の膜厚よりも薄い膜厚の断面を必要とする場合や、一つの硬化層内で異なる膜厚を段階的に形成して、傾斜や曲面を形成することが望ましい場合が生じている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、一つの硬化層内において、異なる膜厚を形成する光造形方法及び光造形装置を提供することを目的とする。

本発明に係る光造形方法の一態様は、光硬化性組成液に選択的に光を照射して硬化層を形成し、該硬化層を順次積層して立体モデルを形成する光造形方法であって、一つの硬化層を形成する光の照射時間を複数の時間間隔に分割し、各時間間隔において光を照射するディジタルミラーデバイスの反射方向を調整する。

このような光造形方法により、微細な断面、傾斜あるいは曲面などを有する立体造形物を造形することができる。

本発明によれば、一つの硬化層内において、異なる膜厚を形成する光造形方法及び光造形装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において同一の構成または機能を有する構成要素および相当部分には、同一の符号を付し、その説明は省略する。

図１は、本発明に係る光造形方法に使用される光造形装置の構成例を示す図である。図１に示すように、光造形装置１００は、光源１、ディジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）２、集光レンズ３、造形テーブル４、ディスペンサ５、リコータ６、制御部７、及び記憶部８を有する。図１では、光造形装置１００は、造形テーブル４上へ光硬化性組成物９が供給され、光硬化樹脂１０が形成された状態を示している。

光源１は、造形テーブル４上に供給される光硬化性組成物９を硬化させるための光を発生させる。例えば、４０５ｎｍのレーザ光を発生させるレーザダイオード（ＬＤ）又は紫外線（ＵＶ）ランプ等が用いられる。光源１の種類は、光硬化性組成物９の硬化波長に応じて選択されるものであり、本願発明の光造形方法は、光源１の種類を限定するものではない。

ディジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）２は、テキサス・インスツルメンツ社によって開発されたデバイスであり、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）半導体上に独立して動くマイクロミラーが数十万〜数百万個、例えば、４８万〜１３１万個敷き詰められている。かかるマイクロミラーは、静電界作用によって対角線を軸に約±１０度、例えば、±１２度程度傾けることが可能である。マイクロミラーは、各マイクロミラーのピッチの１辺の長さが約１０μｍ、例えば、１３．６８μｍの四角形の形状を有している。隣接するマイクロミラーの間隔は、例えば１μｍである。本実施形態で用いたＤＭＤ２の全体は、４０．８×３１．８ｍｍの四角形状を有し（うち、ミラー部は、１４．０×１０．５ｍｍの四角形状を有する。）、１辺の長さが１３．６８μｍのマイクロミラー７８６，４３２個により構成されている。
当該ＤＭＤ２は、光源１から出射されたレーザ光線を個々のマイクロミラーによって反射させ、制御部７によって所定の角度に制御されたマイクロミラーによって反射されたレーザ光のみ集光レンズ３を介して造形テーブル４上に供給した光硬化性組成物９に照射する。ＤＭＤ２によって反射されたレーザ光線が集光レンズ３を介して一度に照射される光硬化性組成物９の領域を、投影領域という。一つの投影領域の露光を行った後、造形テーブル４を移動させ、隣接する投影領域に対して露光を行う。この繰り返しにより、投影領域を単位とする一括露光を繰り返し実行する。

集光レンズ３は、ＤＭＤ２によって反射されたレーザ光線を光硬化性組成物９上に導き、投影領域を形成する。集光レンズ３は、凸レンズを用いた集光レンズ３であってもよいし、凹レンズを用いてもよい。凹レンズを用いると、ＤＳＭの実サイズよりも大きな投影領域を得ることができる。本実施形態にかかる集光レンズ３は、例えば、入射光を約１５倍縮小し、光硬化性組成物９上に集光している。

造形テーブル４は、光硬化性組成物９を硬化させた硬化樹脂１０を順次堆積させて載置する平板状の台である。この造形テーブル４は、図示しない駆動機構、即ち移動機構によって、水平移動及び垂直移動が可能である。この駆動機構により、所望の範囲に亘って光造形を行うことができる。

ディスペンサ５は、光硬化性組成物９を収容し、予め定められた量の光硬化性組成物９を所定位置に供給する。
リコータ６は、例えば、ブレード機構と移動機構を備え、光硬化性組成物９を均一に塗布する。

制御部７は、制御データに応じて光源１、ＤＭＤ２、造形テーブル４、ディスペンサ５、リコータ６を制御する。制御部７は、典型的には、コンピュータに所定のプログラムをインストールすることによって構成することができる。典型的なコンピュータの構成は、中央処理装置（ＣＰＵ）とメモリとを含んでいる。ＣＰＵとメモリとは、バスを介して補助記憶装置としてのハードディスク装置などの外部記憶装置に接続される。この外部記憶装置が、制御部７の記憶部８として機能する。フレキシブルディスク装置、ハードディスク装置、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disk Read Only Memory）ドライブ等の記憶媒体駆動装置は、各種コントローラを介してバスに接続される。フレキシブルディスク装置等の記憶媒体駆動装置には、フレキシブルディスク等の可搬型記憶媒体が挿入される。記憶媒体にはオペレーティングシステムと協働してＣＰＵなどに命令を与え、本実施形態を実施するための所定のコンピュータプログラムを記憶することができる。

記憶部８には、主として、造形しようとする立体モデルを複数の層にスライスして得られる断面群の造形データが格納されている。制御部７は、記憶部８に格納された造形データに基づいて、主としてＤＭＤ２における各マイクロミラーの角度制御、造形テーブル４の移動（即ち、立体モデルに対するレーザ光の照射範囲の位置）を制御し、立体モデルの造形を実行する。

コンピュータプログラムは、メモリにロードされることによって実行される。コンピュータプログラムは圧縮し、又、複数に分割して記憶媒体に記憶することができる。さらに、ユーザ・インターフェース・ハードウェアを備えることができる。ユーザ・インターフェース・ハードウェアとしては、例えば、マウスなどの入力をするためのポインティング・デバイス、キーボード、あるいは視覚データをユーザに提示するためのディスプレイなどがある。

光硬化性組成物９には、可視光及び可視光領域外の光によって硬化する樹脂を使用する。具体的には、エポキシ系樹脂またはアクリル系樹脂を使用することができる。例えば、１５μｍ以上（５００ｍＪ／ｃｍ^２）の硬化深度を有し、粘度が１５００〜２５００Ｐａ・ｓ（２５℃）の４０５ｎｍ対応のアクリル系樹脂を用いることができる。

次に、本実施形態１にかかる光造形装置１００を使用する光造形方法の動作について説明する。まず、ディスペンサ５に未硬化状態の光硬化性組成物９を収容する。造形テーブル４は初期位置にある。ディスペンサ５は、収容された光硬化性組成物９を所定量だけ造形テーブル４上に供給する。リコータ６は、光硬化性組成物９を引き伸ばすようにして掃引し、硬化させる一層分のコート層を形成する。

光源１から出射したレーザ光線は、ＤＭＤ２に入射する。ＤＭＤ２は制御部７によって制御され、レーザ光線を光硬化性組成物９に照射する部分に対応した一部のマイクロミラーの角度を調整する。これにより、その一部のマイクロミラーを反射したレーザ光線が集光レンズ３を介して光硬化性組成物９に照射され、その他のマイクロミラーを反射したレーザ光線は光硬化性組成物９に照射されない。光硬化性組成物９へのレーザ光線の照射は例えば０．４秒間行なわれる。このとき、光硬化性組成物９への投影領域は例えば、１．３×１．８ｍｍ程度であり、０．６×０．９ｍｍ程度まで縮小することもできる。投影領域の面積は、通常、通常、１００ｍｍ^２以下であることが望ましい。このため、一つの投影領域のサイズよりも大きい立体モデルを形成する場合には、レーザ光線の照射位置を移動させて照射させる必要がある。例えば、光造形の最大サイズ（Ｘ×Ｙ）とすると、これを複数の投影領域（ｘ×ｙ）に分割し、それぞれを１ショットずつレーザ光線の照射を実行していく。光造形の最大サイズは、例えば、Ｘ＝１５０ｍｍ、Ｙ＝１５０ｍｍであり、高さが５０ｍｍである。投影領域のサイズは、例えば、ｘ＝１．８ｍｍ、ｙ＝１．３ｍｍである。このようにして、投影領域を走査しながらレーザ光線の照射を実行することによって、光硬化性組成物９が硬化し、第一層目の硬化樹脂層が形成される。一層分の積層ピッチ、すなわち、硬化樹脂層一層の厚みは、例えば、０．５〜１０μｍ、好ましくは１〜５μｍである。

続いて、同様の工程で所望形状の立体モデルの二層目を形成する。具体的には、一層目として形成された硬化樹脂層の外側にディスペンサ５より供給された光硬化性組成物９をリコータ６によって立体モデルを越えて引き伸ばされるように均一厚さに塗布する。そして、レーザ光線を照射することにより、第二層目の硬化樹脂層を第一層目の硬化樹脂層の上に形成する。以下同様にして第三層目以降の硬化樹脂層を順次堆積させる。そして、最終層の堆積が終了すると、造形テーブル４上に形成された光造形物を取り出す。

また、上記工程において、一つの硬化層内で異なる膜厚を形成する場合は、光の照射の時間を調整する。光硬化性組成物は、所定の露光量の範囲では、光照射量と光硬化により形成される膜厚に相関関係がある。これを利用することによって一つの硬化層の膜厚以下となる薄膜の形成が可能となる。具体的には、上記工程では１回の光照射でＤＭＤ２を固定していたが、制御上の１回の照射時間を複数に分割し、それぞれの時間でＤＭＤ２の制御を行う。これにより、光の照射時間、すなわち光照射量が異なる部分を作り、その部分の膜厚を薄くする。

光造形装置１００の具体的な動作としては、レーザ光線の照射時間（上記では０．４秒）をさらに複数の時間間隔に分割し、各時間間隔において、マイクロミラーの反射方向を調整する。具体的には、記憶部８は、一つの硬化層に対応する立体モデルをスライスした断面を、更に分割した（スライスした）断面群の露光データ（以下、露光細部データという）を記憶する。制御部７は、投影領域のうち、露光データに替えて露光細部データが記憶部８に記憶されている領域については、露光細部データに基づいてＤＭＤ２のマイクロミラーの角度を調整する。その際、制御部７は、一つの硬化層を照射する時間より短い時間間隔で照射を行うため、光源１を制御する。このような制御部７の制御により、一つの硬化層内で光の照射量に変化をつけることが可能になる。これにより、一つの硬化層において、光の照射量が異なる領域を設定し、硬化層内での膜厚が異なる領域を作ることができる。これを利用して、微細な高解像度の形状を有する立体造形物の形成ができる。

以上のように、本発明に係る好適な実施形態によれば、従来は、一つの硬化層について、一様に光を照射して同じ照射量で硬化層を形成していたが、中間の照射量をとることができるため、一つの硬化層内に薄い膜厚形成が可能になる。すなわち、造形テーブル４上で光硬化性組成液を塗布した膜厚より薄い膜の形成が可能になる。これにより、従来は、塗布膜厚が縦方向の解像度になっていた（各硬化層の膜厚に基づいて解像度が決まっていた）が、塗布膜厚よりさらに高い解像度で光造形物を得ることができる。

なお、本発明は上記に示す実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲において、上記実施形態の各要素を、当業者であれば容易に考えうる内容に変更、追加、変換することが可能である。

本発明に係る光造形方法に使用される光造形装置の構成例を示す図である。

符号の説明

１ 光源
２ ＤＭＤ
３ 集光レンズ
４ 造形テーブル
５ ディスペンサ
６ リコータ
７ 制御部
８ 記憶部
９ 光硬化性組成物
１０ 光硬化樹脂
１００ 光造形装置

Claims (1)

1. 光硬化性組成液に選択的に光を照射して硬化層を形成し、該硬化層を順次積層して立体モデルを形成する光造形方法であって、
   立体モデルをスライスした断面に対応する一つの硬化層を形成する光の照射時間を、複数の時間間隔に分割し、
   一つの硬化層を更に分割した断面群の露光データ（露光細部データ）と、前記複数の時間間隔とを対応づけて、一つの硬化層内で光の照射量が異なる領域を設定し、
   各時間間隔において、対応づけた前記断面群の露光データ（露光細部データ）に基づいて光を照射するディジタルミラーデバイスの反射方向を調整する光造形方法。

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