JP5931985B2 - 光造形装置および光造形方法 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、光造形装置および光造形方法に関する。
従来、造形位置に第一の光を照射する第一の光学系と、第一の光と交叉する第二の光を造形位置に照射する第二の光学系と、造形位置を移動させる移動機構と、を備え、造形位置における第一の光と第二の光との交点で光硬化性の材料を硬化させて造形物を造形する光造形装置、が知られている。
この種の光造形装置では、例えば、造形物の造形に要する時間をより短縮することのできる新規な構成が得られれば、好ましい。
実施形態の光造形装置は、例えば、第一の光学系と、第二の光学系と、領域設定部と、移動機構と、を備える。第一の光学系は、光硬化性材料に第一の光を照射する。第二の光学系は、第一の方向に沿った線状に第一の光と交叉した造形領域が光硬化性材料内に形成されるよう、当該光硬化性材料に第二の光を照射する。領域設定部は、第一の光および第二の光のうち少なくとも一方に、造形領域での第一の方向に沿って、光学的特性が異なる第一の領域と第二の領域とを設定する。移動機構は、造形領域を移動する。光造形装置は、造形領域で、第一の光と第二の光とを干渉させることにより光硬化性材料を硬化させる。
以下、本発明の例示的な実施形態が開示される。以下に示される実施形態の構成、ならびに当該構成によってもたらされる作用および結果(効果)は、一例である。本発明は、以下の実施形態に開示される構成以外によっても実現可能である。また、本発明によれば、構成によって得られる種々の効果(派生的な効果も含む)のうち少なくとも一つが得られうる。
また、以下に開示される複数の実施形態には、同様の構成要素が含まれる。よって、以下では、同様の構成要素には共通の符号が付与されるとともに、重複する説明が省略される。なお、以下の詳細な説明では、便宜上、互いに直交するX方向、Y方向、およびZ方向の3方向が規定されている。X方向およびY方向は、水平方向である。Z方向は、鉛直方向である。
<第1実施形態>
図1,2に例示されるように、光造形装置1は、液漕2(容器、造形容器、貯留漕)と、複数の光造形部10U,10Dと、を備える。光造形部10Uは、第一の光造形部の一例であり、光造形部10Dは、第二の光造形部の一例である。なお、本実施形態では、二つの光造形部10U,10Dを備えるが、光造形部の数は、三つ以上であってもよい。
図1,2に例示されるように、光造形装置1は、液漕2(容器、造形容器、貯留漕)と、複数の光造形部10U,10Dと、を備える。光造形部10Uは、第一の光造形部の一例であり、光造形部10Dは、第二の光造形部の一例である。なお、本実施形態では、二つの光造形部10U,10Dを備えるが、光造形部の数は、三つ以上であってもよい。
液漕2の内部には、例えば液体状の光硬化性の材料M(例えば、光硬化性樹脂)が収容されている。液漕2は、例えば、直方体の箱状に構成されている。液漕2の壁の少なくとも一部は、液漕2外からその部分を透過して液漕2内の位置Pに向けて光L1,L2が進入するよう、光透過性の材料(例えば、ガラス等)によって構成されている。また、材料Mも、光L1,L2を透過する。なお、液漕2には、造形物FO(図4参照)を支持する不図示の支持部や、材料Mを供給および排出するための不図示の配管が接続される接続口等が設けられる。
光造形部10U,10Dは、液漕2内の位置Pに向けて複数の光L1,L2をそれぞれ照射する。図2に示されるように、光L1,L2は、位置P(造形位置)で線状に交叉する。ここで、光L1には、図1に示される空間光変調器30の領域設定部16において、光学的特性(例えば位相)が異なる少なくとも二つの領域31a,31b(図2,3参照)が与えられる(設定される)。そして、光L1の領域31aと光L2とが交叉する位置では、増加的干渉によってエネルギが増大して材料Mが硬化し、光L1の領域31bと光L2とが交叉する位置では、増加的干渉が生じないかあるいは減殺的干渉が生じて材料Mが硬化しないよう、光学系3,4が構成される。このような構成および設定により、線状の位置Pにおいて、材料Mが硬化する領域と硬化しない領域とを選択的に設定できる。そして、光造形部10U,10Dは、例えばステップ的にあるいは所要の速度で、液漕2内で位置Pを移動させる。これにより、従前の硬化された造形物FOに継ぎ足されるように、硬化された造形物FOが順次拡張される。このように、本実施形態では、材料Mが硬化される造形位置としての位置Pは、例えば、直線状(線状、線分状)である。よって、造形位置が点状である場合に比べて、造形に要する時間が短縮されうる。位置Pは、造形線、造形領域とも称されうる。光L1は、第一の光の一例であり、光L2は、第二の光の一例である。また、領域31aは第一の領域の一例であり、領域31bは第二の領域の一例である。
複数の光造形部10U,10Dは、同様あるいは類似の構成要素を備え、いずれも同様に構成されうる。光造形部10U,10Dは、並行して、それぞれの位置Pで造形することができる。また、光造形部10Uと光造形部10Dとで、液漕2中での位置Pが異なっている。なお、位置Pの位置や移動速度は、光造形部10Uと光造形部10Dとで、それぞれ設定されうる。
光造形部10U,10Dは、それぞれ、光源部8を有する。光源部8は、例えば、光硬化性の材料Mを硬化させることのできるレーザ光L(例えば、紫外線レーザ等)を出射可能な光学素子を含む。また、光造形部10Uの光源部8と、光造形部10Dの光源部8とは、例えば、波長や偏光角度が異なるなど、相互に干渉しない光を出射することができる。なお、レーザ光Lは、エネルギ線の一例である。
光造形部10U,10Dは、それぞれ、光学系3,4を有する。光学系3,4は、光学系部品のアセンブリまたはサブアセンブリとも称されうる。光学系3により光L1が調整され、光学系4により光L2が調整される。光学系3は、第一の光学系の一例であり、光学系4は、第二の光学系の一例である。
光造形部10U,10Dのそれぞれにおいて、光源部8は、光学系3と光学系4とで共用されている。具体的には、光源部8から出射したレーザ光Lは光分岐部9によって二つの光束に分割(分光)され、そのうちの一方の光L1が光学系3に入り、他方の光L2が光学系4に入る。光分岐部9は、例えば、偏光ビームスプリッタやハーフミラー等で構成されうる。図1の例では、光分岐部9は、光源部8から出射されたレーザ光Lを、透過した光L1と、反射した光L2とに分ける。なお、光造形部10U,10Dは、光分岐部9を有さず、光学系3,4のそれぞれに対応した光源部8を有してもよい。また、光L1が反射光で、光L2が透過光であってもよい。光分岐部9は、光分配部とも称されうる。
光学系3は、例えば、光源部8および光分岐部9の他、半波長板12や、空間光変調器30等を有する。空間光変調器30は、光L1を、領域31aと領域31bとのパターン31を含むパターン光にする。
空間光変調器30は、例えば、光路変更部15や、領域設定部16、半波長板17、レンズ18,19等を有する。光路変更部15は、例えば、偏光ビームスプリッタやハーフミラー等で構成され、半波長板12からの光L1を領域設定部16に向けて反射する。領域設定部16で反射された光L1は、光路変更部15を透過し、半波長板17、レンズ18,19を通って水平方向(X方向)に進み、液漕2へ入射する。なお、レンズ18,19は、互いに距離を変更可能に構成されている。レンズ18,19間の距離の変更により、例えば光L1のビーム径の調整等が行われうる。
領域設定部16には、いずれも不図示の、位相を変化させずに反射する第一の反射領域と、位相を変化させて反射する第二の反射領域と、が設けられうる。切替制御部5は、領域設定部16において、第一の反射領域と、第二の反射領域とを、可変に設定することができる。光L1の光束のうち、第一の反射領域で反射された部分は図2,3に示されるような領域31aとなり、第二の反射領域に対応する部分は図2,3に示されるような領域31bとなる。すなわち、領域設定部16で反射された光L1は、領域31aと領域31bとのパターン31を含むパターン光(情報光)となる。領域31aと領域31bとは、光学的特性、例えば位相が、互いに異なる。領域31aと領域31bとのパターン31は、少なくとも水平方向(Y方向)に沿って変化する。また、本実施形態では、図2に示されるように、領域31aおよび領域31bのパターン31は、水平方向(Y方向)に沿って変化するとともに鉛直方向(Z方向)に沿っても変化するパターン31として形成されている。領域設定部16は、例えば反射型液晶素子であり、切替制御部5は、例えば不図示の制御装置の指示に基づいて反射型液晶素子が第一の反射領域と第二の反射領域とを切り替えるように制御するコントローラである。
光学系4は、例えば、光源部8および光分岐部9の他、プリズム11や反射部20等を有する。プリズム11は、光L2のビームの形状を調整する。具体的には、プリズム11は、光L2のビームを、鉛直方向(Z方向)よりも水平方向(Y方向)に長い扁平な形状に変化させる。反射部20は、例えば、ミラー13と、シリンドリカルレンズ14と、を有する。ミラー13は、プリズム11からの光L2をシリンドリカルレンズ14に向けて反射する。水平方向(X方向)に進む光L2は、ミラー13で反射され、鉛直方向(Z方向)に進む光L2となる。シリンドリカルレンズ14は、ミラー13からの光L2を、水平方向(Y方向)に沿った線状の焦線FLに集光する。なお、光L2の進行方向は、水平方向(Y方向)に沿った焦線FLが得られる方向であればよく、例えば、Z方向と交叉した方向であってもよい。
図3には、コップ状の造形物FO(図4参照)の一断面を得る場合の光L1の領域31aと領域31bとのパターン31が例示されている。上述したように、これら領域31aおよび領域31bのパターン31は、水平方向(Y方向)に沿って変化している。また、光学系3による光L1と光学系4による光L2との光路長は、位置Pで増加的干渉が生じうるように設定されている。さらに、光L1および光L2は、焦線FLの位置では集光によって材料Mの硬化に必要な光の強度に達するとともに、焦線FLから光L2の進行方向に外れた位置、すなわち、この例では焦線FLからZ方向に外れた位置では、材料Mの硬化に必要な光の強度に達しないように、設定されている。したがって、図3に示されるように、領域31aと光L2の焦線FLとが交わる位置(図3の白抜きの位置)では増加的干渉が生じて材料Mが硬化され、造形物FOが造形される。一方、領域31bと光L2の焦線FLとが交わる位置(図3の黒塗りの位置)ならびに焦線FLから外れた位置では、増加的干渉が生じないかあるいは減殺的干渉が生じて、材料Mが硬化されず造形物FOが造形されない。なお、光L1は、少なくとも焦線FLに沿う方向(水平方向、Y方向)に変化するパターンを有するものであればよい。また、光L1の進行方向はX方向には限定されず、例えば、X方向とY方向との間の方向であってもよい。また、光学系3,4は、光L1と光L2とが交叉した位置で増加的干渉が生じるよう、光L1の光源部8から位置Pまでの光路長と光L2の光源部8から位置Pまでの光路長とが調整されている。
また、本実施形態では、図1に示されるように、シリンドリカルレンズ14は、移動機構6によって鉛直方向(Z方向)に沿って移動可能(往復可能)に構成されている。移動機構6は、例えば、不図示の制御装置によって制御されるモータ等のアクチュエータを備えている。移動機構6は、シリンドリカルレンズ14の鉛直方向(Z方向)の位置を調節することによって、例えばステップ的にあるいは所要の速度で、焦線FLの位置(位置P)を鉛直方向(Z方向)に移動させることができる。これにより、図3に示されるように、焦線FLの方向(Y方向)および鉛直方向(Z方向)に沿った断面において、領域31aと領域31bとが二次元的なパターン31を有する光L1に対して、光L2の焦線FLの位置が鉛直方向(Z方向)に変化する。
さらに、本実施形態では、図1に示されるように、反射部20は、移動機構7によって水平方向であって焦線FLに沿う方向と交叉(例えば直交)する方向(この例ではX方向)に沿って移動可能(往復可能)に構成されている。移動機構7は、例えば、不図示の制御装置によって制御されるモータ等のアクチュエータを備えている。移動機構7は、反射部20の水平方向(X方向)の位置を調節することによって、例えばステップ的に、焦線FLの位置(位置P)を水平方向(X方向)に移動させることができる。よって、図4に示されるように、移動機構7の動作によって焦線FLの位置が液漕2内で水平方向(X方向)に移動し、移動機構6の動作によって焦線FLの位置が液漕2内で鉛直方向(Z方向)に移動することにより、水平方向(X方向)の各位置での造形物FOの断面形状が順次積層される。ここで、切替制御部5は、水平方向(X方向)での位置P、すなわち移動機構7の動作によって移動する反射部20の位置が変化するたびに、領域設定部16で表示される反射パターンを切り替える。これにより、造形物FOの三次元形状の造形が可能となる。
また、本実施形態では、図1に示されるように、光造形装置1は、複数の光造形部10U,10Dを備えている。光造形部10U,10Dは、最初は、互いに隣接する断面形状、すなわち、焦線FLに沿った方向(Y方向)および移動機構6の移動方向(Z方向)に沿った断面形状を造形し、順次、移動機構7の移動方向(X方向)に互いに離間する方向に当該断面形状を積層することにより、造形物FOを生成する。図4には、光造形部10Uによる造形物FOの積層の順序が例示されている。光造形部10Dによる造形物FOの積層の順序は、例えば、図4とは左右逆および上下逆となる。光造形装置1は、このように複数の光造形部10U,10Dを備えることにより、より迅速な造形が可能となる。なお、二つの光造形部10Uと光造形部10Dとで、焦線FLの方向(Y方向)、移動機構6によるシリンドリカルレンズ14の移動方向(Z方向)、および移動機構7による反射部20の移動方向(X方向)は、それぞれ互いに平行に設定されている。上述したように、光L1と光L2とは互いに干渉しないように設定されているため、光造形部10U,10Dのうち一方によって他方の造形に支障が来されるのが抑制される。
以上のように、本実施形態の光造形装置1は、例えば、光L1(第一の光)と光L2(第二の光)とが位置Pで水平方向(Y方向、第一の方向)に沿った線状に交叉するよう設定される。また、光L1には、水平方向(Y方向、第一の方向)に沿って光学的特性(例えば位相)が異なる領域31aと領域31bとが与えられ、領域31aと光L2とが交叉した位置での増加的干渉によるエネルギによって、材料Mが硬化するよう構成されている。よって、本実施形態によれば、例えば、位置Pで造形物FOを線状に造形できるため、点状に造形する場合に比べて、造形物FOの造形に要する時間がより短くなりやすい。
また、本実施形態では、例えば、光学系4は、水平方向(Y方向、第一の方向)に沿った焦線FLを形成する。そして、焦線FLと光L1とが交叉する位置Pで造形されるよう、光L1,L2が設定される。よって、本実施形態によれば、焦線FLを外れた位置では造形されないため、例えば、光L1に、図2,3に示されるような、焦線FLと交叉する方向、すなわち移動機構6による移動方向(Z方向、第一の方向と交叉する方向)にも変化するパターン31(領域31a,31b)を設定できる。よって、例えば、移動機構6による位置P(造形位置)の移動の間は、パターン31(領域31a,31b)の設定を変更せずに済む。よって、切替制御部5によるパターン31(領域31a,31b)の切替がより容易に行われうる。
また、本実施形態では、例えば、光学系3(第一の光学系)、光学系4(第二の光学系)、切替制御部5、および移動機構6,7をそれぞれ有した複数の光造形部10U,10Dを備える。よって、本実施形態によれば、例えば、光造形装置1が一つの光造形部を有する場合に比べて、造形物FOの造形に要する時間がより短縮されやすい。ただし、図5に例示されるように、一つの光造形部10Uを有した光造形装置1Aにおいても、線状の位置Pが得られることによる造形に要する時間を短縮する効果は得られる。
<第2実施形態>
図6,7に示される実施形態の光造形装置1Bは、上記第1実施形態の光造形装置1と略同様の構成を備えている。よって、本実施形態によっても、上記第1実施形態と同様の構成に基づく同様の結果(効果)が得られる。
図6,7に示される実施形態の光造形装置1Bは、上記第1実施形態の光造形装置1と略同様の構成を備えている。よって、本実施形態によっても、上記第1実施形態と同様の構成に基づく同様の結果(効果)が得られる。
ただし、本実施形態では、例えば、図6に示されるように、光学系3(第一の光学系)の光L1には、上記第1実施形態のような面状のパターン31ではなく、水平方向(Y方向、焦線FLに沿う方向)に沿って領域31aと領域31bとを含む線状のパターン31Aが与えられる。本実施形態では、光L1の照射位置と、光L2の焦線FLの位置とが、鉛直方向(Z方向)に位置合わせされる。光L1の照射位置の鉛直方向(Z方向)への移動は、領域設定部16における不図示の反射パターンの出力位置を変化すること、あるいは不図示の移動機構によって反射部20を鉛直方向(Z方向)に動かすことによって、実現されうる。光L2の焦線FLの位置の鉛直方向(Z方向)への移動、および水平方向(光L1の進行方向、X方向)への移動は、上記第1実施形態と同様である。
図7には、コップ状の造形物FOを造形する場合のパターン31Aの切り替えの一例が示されている。この場合、例えば、光造形装置1Bでは、焦線FL(位置P)の移動に合わせて、パターン31Aが、液漕2の鉛直方向(Z方向)の一方側(下方側)から他方側(上方側)へ移動するとともに、パターン31Aが、各位置に応じて切り替わるよう、設定される。本実施形態でも、光L1と光L2とが交叉した焦線FLの位置が位置P(造形位置)となる。この場合も、図3,4に示されたものと同様の造形物FOの一部の断面が造形されうる。すなわち、本実施形態によっても、上記第1実施形態と同様の造形物FOを得ることができ、上記第1実施形態と同様の効果が得られる。
<第3実施形態>
図8に示される実施形態の光造形装置1Cは、上記第1実施形態の光造形装置1と略同様の構成を備えている。よって、本実施形態によっても、上記第1実施形態や第2実施形態と同様の構成に基づく同様の結果(効果)が得られる。
図8に示される実施形態の光造形装置1Cは、上記第1実施形態の光造形装置1と略同様の構成を備えている。よって、本実施形態によっても、上記第1実施形態や第2実施形態と同様の構成に基づく同様の結果(効果)が得られる。
ただし、本実施形態では、例えば、図8に示されるように、光L2は、鉛直方向(Z方向)および水平方向(Y方向)に沿ったシート状の光(レーザライトシート)が用いられる。本実施形態では、光L1と光L2との線状の交叉線CLが、位置P(造形位置)となるよう、光L1,L2が設定されている。また、本実施形態では、鉛直方向(Z方向)には、上記第2実施形態と同様の光L1の照射位置の移動によって交叉線CLすなわち位置Pが移動する。また、水平方向(X方向)には、不図示の光L2の光学系4を当該方向に移動することにより、位置Pが移動する。本実施形態によれば、光学系や移動機構の構成や制御がより簡素化される場合がある。
以上、本発明の実施形態を例示したが、上記実施形態はあくまで一例であって、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、組み合わせ、変更を行うことができる。上記実施形態は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。本発明は、上記実施形態に開示される構成以外によっても実現可能であるとともに、基本的な構成(技術的特徴)によって得られる種々の効果(派生的な効果も含む)を得ることが可能である。また、各構成要素のスペック(構造や、種類、方向、形状、大きさ、長さ、幅、厚さ、高さ、数、配置、位置、材質等)は、適宜に変更して実施することができる。例えば、第二の光に光学的特性の異なる領域が設定されてもよいし、第一の光および第二の光の双方に、光学的特性が異なる領域が設定されてもよい。また、光学的特性は、位相以外(例えば強度等)であってもよい。また、材料を硬化させる増加的干渉は、複数の領域のうちいずれか一つに対応して生じればよい。また、第一の光および第二の光は、それらの光が交叉する領域中に、他の領域よりも強度が大きい線状(線分状)の造形位置が得られれば良く、照射方向や光束の形状等は種々に設定されうる。例えば、第一の光と第二の光とは、互いに直交していることは必須では無い。また、造形位置の移動機構も、例えば造形物や液漕を動かすなど、種々に設定されうる。
1,1A,1B,1C…光造形装置、3…光学系(第一の光学系)、4…光学系(第二の光学系)、6,7…移動機構、8…光源部、10U…光造形部(第一の光造形部)、10D…光造形部(第二の光造形部)、16…領域設定部、31a…第一の領域、31b…第二の領域、FL…焦線、FO…造形物、L1…光(第一の光)、L2…光(第二の光)、M…材料(光硬化性材料)、P…位置(第一の光と第二の光とが交叉する位置)、Y…水平方向(第一の方向)、Z…鉛直方向(第一の方向と交叉する方向)。
Claims (9)
- 光硬化性材料に第一の光を照射する第一の光学系と、
第一の方向に沿った線状に前記第一の光と交叉した造形領域が前記光硬化性材料内に形成されるよう、当該光硬化性材料に第二の光を照射する、第二の光学系と、
前記第一の光および前記第二の光のうち少なくとも一方に、前記造形領域での前記第一の方向に沿って、光学的特性が異なる第一の領域と第二の領域とを設定する領域設定部と、
前記造形領域を移動する移動機構と、
を備え、
前記造形領域で、前記第一の光と前記第二の光とを干渉させることにより前記光硬化性材料を硬化させる、光造形装置。 - 前記第二の光学系は、前記第一の方向に沿った前記第二の光の焦線を形成し、
前記造形領域では、前記第二の光の焦線と前記第一の光とが交叉する、請求項1に記載の光造形装置。 - 前記領域設定部は、前記第一の光に、前記第一の方向と交叉する方向に沿って、前記第一の領域と前記第二の領域とを設定し、
前記移動機構は、前記第一の方向と交叉する方向に、前記造形領域を移動する、請求項1または2に記載の光造形装置。 - 前記第一の光および前記第二の光がシート状である、請求項1に記載の光造形装置。
- 前記第一の光学系、前記第二の光学系、前記領域設定部、および前記移動機構をそれぞれ有した複数の光造形部を備えた、請求項1〜4のうちいずれか一つに記載の光造形装置。
- 前記第一の光および前記第二の光は、同一の光源部からの光を分光した光である、請求項1〜5のうちいずれか一つに記載の光造形装置。
- 光硬化性材料に第一の光を照射する工程と、
第一の方向に沿った線状に前記第一の光と交叉した造形領域が前記光硬化性材料内に形成されるよう、当該光硬化性材料に第二の光を照射する工程と、
前記光硬化性材料に照射する前記第一の光および前記第二の光のうち少なくとも一方に、前記造形領域での前記第一の方向に沿って、光学的特性が異なる第一の領域と第二の領域とを設定する工程と、
前記造形領域を移動する工程と、
前記造形領域で、前記第一の光と前記第二の光とを干渉させることにより前記光硬化性材料を硬化させる工程と、
を有した、光造形方法。 - 前記光硬化性材料を硬化させる工程は、前記第一の領域および前記第二の領域のうち一方に対応して生じた増加的干渉によって前記光硬化性材料を硬化させる工程である、請求項7に記載の光造形方法。
- 光学的特性が異なる第一の領域と第二の領域とが少なくとも第一の方向に沿って含まれるパターン光を光硬化性材料内に照射する第一の光学系と、
前記光硬化性材料内で前記パターン光と交叉するよう、第二の光を前記光硬化性材料内に照射する、第二の光学系と、
前記パターン光と前記第二の光とが交叉する位置を前記第一の方向と交叉する方向に移動する移動機構と、
を備え、
前記光硬化性材料内に、前記第一の方向に沿って、前記第一の領域および前記第二の領域のうち一方と前記第二の光とが干渉した造形する位置と、前記一方と前記第二の光とが干渉しない造形しない位置と、を得る光造形装置。
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