JPS61116322A - 立体形状形成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は液状光硬化型樹脂材とレーザビーム照射手段に
より、３次元立体情報を表示する立体模型形状を形成す
る立体形状形成装置に係り、特に液状光硬化型樹脂材に
対して、異なる２方向よりレーザビームを重畳照射して
露光硬化することにより、精度の良い高品位な立体模型
形状を形成する装置構成に関するものである。

３次元的な立体情報を表示する方法として、ホログラフ
ィ−による立体視表示、透視図表示、投影図表示及び等
高線表示等が開発され、一般に広く用いられている。こ
れらはホログラフィ−を除いて、何れも３次元情報を２
次元情報に変換する手順が含まれており、表示した立体
形状を直感的に把握し、充分に理解し得るには必ずしも
満足し得る技法とは言えない。

この点、前記ホログラフィ−は視覚的、直感的に上記の
技法より極めて有利であるが、立体形状を得るのに再生
装置が必要であり、又、実在しない仮想物体を表示する
ことが困難である。

このようなことから立体情報を直感的に把握し理解し易
く表示するためには、模型等の立体形状を作成すること
が最善である。

立体模型形状を比較的容易に形成する方法として、樹脂
材収容容器内に光硬化型樹脂材を段階的に供給し、該樹
脂材供給毎にその光硬化型樹脂材をレーザビーム照射手
段等により選択的に光硬化させて複雑な立体模型形状を
積層状に形成する方法が提案されている。

しかしこのような形成方法にあっては、光硬化型樹脂材
に照射されるレーザビームの光エネルギー（露光エネル
ギー）が、あるしきい値以上である場合に該光硬化型樹
脂材が硬化されるものであるが、このしきい値が微小に
変化することにより硬化部分が変化し、精度の良い立体
形状を形成する上で大きな障害となる不都合があり、こ
れら障害の解消が要望されている。

〔従来の技術〕

従来、光硬化型樹脂材を用い、レーザビーム照射手段に
よって３次元的な立体情報を表示する模型形状を形成す
る方法としては、第１３図に示すように液状の光硬化型
樹脂材３を充満した収容容器１内の昇降支持台２を、所
定寸法分降下して該昇降支持台２上に一要分の光硬化型
樹脂材４をオーバーフローさせることにより供給する。

しかる後、−要分の光硬化型樹脂材４に対して、例えば
作成すべき模型形状を幾かの輪切り状に分割した断面情
報パターン信号の内の、第１情報パターン信号によって
レーザビーム５、又は光硬化型樹脂材４側をＸ、　Ｙ方
向に移動走査してビーム照射を行い、選択的に露光硬化
せしめて第１硬化樹脂層４ａを形成する。

次に第１４図に示すように再び前記昇降支持台２を所定
寸法分降下し、該昇降支持台２上の前記第１硬化樹脂層
４ａ上に新たな二層目の光硬化型樹脂材６を前記同様に
供給し、該光硬化型樹脂材６に対して、第１５図に示す
ように第２情報パターン信号によって同様にレーザビー
ム５を照射して、選択的に露光硬化せしめ、第２硬化樹
脂層６ａを形成する。

以下同様にして第１６図に示すように該昇降支持台２上
の前記第２硬化樹脂層６ａ上に、更に新たな三層目の光
硬化型樹脂材７を供給し、該光硬化型樹脂材７に対して
第１７図に示すように第３情報パターン信号によってレ
ーザビーム５を照射して、選択的に露光硬化せしめ、第
３硬化樹脂層７ａを形成することにより、最終的に該液
状の光硬化型樹脂材３中に積層状の立体硬化樹脂像が形
成される。

この立体硬化樹脂像を液状光硬化型樹脂材３中より取り
出し、希アルカリ洗浄溶液で該液状光硬化型樹脂材３を
洗い流すことによって、第１８図に示すように所望とす
る３次元的入党体情報を表示する模型形状８を作成して
いる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記のようにレーザビーム照射手段によ
って３次元的な立体形状を形成する方法においては、液
状光硬化型樹脂材３に照射されたレーザビーム５は、該
樹脂材３内でその光エネルギー（露光エネルギー）が吸
収されながら深さ方向に透過され、該露光エネルギーの
値は樹脂材３の深さ方向に連続的に減衰変化する特性が
ある。

又、一方、液状光硬化型樹脂材３としては、露光エネル
ギーが、あるしきい値以上であるレーザビーム５が照射
された部分のみが露光硬化される特性を有しており、こ
のような両者の特性関係から、照射するレーザビーム５
の露光エネルギーのしきい値が微小に変化することによ
り、該樹脂材３の深さ方向の露光硬化部と未露光硬化部
との境界領域が乱れ、全硬化部が変化して精度の良い立
体形状を形成する上で障害となる欠点があった。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点は、樹脂収容容器に供給された液状光硬化型
樹脂材に、レーザ光学系によりビーム照射を行って一１
該光硬化型樹脂材を選択的に硬化させ、立体形状を形成
する装置において、上記レーザ光学系からの２つのレー
ザビームを、立体形状形成データに基づいて前記液状光
硬化型樹脂材に、それぞれ異なる方向より重畳照射する
ようにした構成より成る本発明による立体形状形成装置
によって解決される。

〔作用〕

即ち、本発明においては、第２図の部分断面斜視図に示
すように２つのレーザビーム２１．２２の内、一方の第
２レーザビーム２２は液状光硬化型樹脂材２３の、例え
ば表面に対して垂直方向に、又他方の第２レーザビーム
２２は該樹脂材２３の側面に対して直交する方向にそれ
ぞれ形状形成データに基づいて照射し、両ビーム２１．
２２が前記樹脂材２３内部で重畳する形で選択的に走査
して露光硬化を行うようにする。

このようにすれば、第２レーザビーム２１の照射方向（
樹脂材２３に対する深さ方向）２４での露光エネルギー
は、断面２７で示され、かつ第３図の露光エネルギー分
布図におけるＡ分布曲線で示されるように、該樹脂材２
３の該深さ方向２４に連続的に減衰変化される。

一方、該ビーム２１の主走査方向２５及び該主走査方向
２５と水平に直交する副走査方向２６での露光エネルギ
ーは、露光部と未露光部との間がレーザ光学系での光変
調器及びレーザビーム径に依存して急峻な分布となる。

更に、第２レーザビーム２２の照射方向２６での露光エ
ネルギーは、第３図の露光エネルギー分布図におけるＢ
分布曲線で示されるように、該樹脂材２３の深さ方向２
４では、レーザビーム径に依存した分布となり、又、主
走査方向２５では光変調器の立ち上がりに依存した分布
となる。一方、副走査方向２６では前記第ル−ザビーム
２１の深さ方向の分布と同様な分布特性となる。

このように上記２つの第１、第２レーザビーム２１、２
２による露光により前記樹脂材２３内部には３次元的な
露光エネルギー分布が生じ、断面２７での全露光エネル
ギー分布は、第３図に示すようにＡ。

Ｂ分布曲線の特性からＣ分布曲線の特性となり、樹脂材
２３表面と露光部下端部とに急峻な変化領域を有する露
光エネルギー分布が出来る。

従って、上記による露光操作後の樹脂材２３には深さ方
向２４、主走査方向２５及び副走査方向２６の何れの方
向においても、露光部と未露光部との境界に急峻な変化
領域を有する露光エネルギー分布が生じ、これら第１、
第２レーザビーム２１．２２の各露光エネルギーにおけ
るしきい値Ｄ（第３図参照）が微小に変化することがあ
っても、精度の良い高品位の立体形状の形成が可能とな
る。

〔実施例〕

以下図面を用いて本発明の実施例について詳細に説明す
る。

第１図は本発明に係る立体形状形成装置の第１実施例を
示す概略構成斜視図である。

同図において３１はレーザビーム３２を出射するレーザ
装置、３３は光分哨器、３４．３５は反射鏡、３６．３
７は光変調器、３８〜４１はレンズ、４２は回転多面鏡
、４３、４４はｆθレンズであり、レーザビーム３２の
焦点を樹脂材の照射面に設定することができ、該焦点で
のレーザビーム径を微小径とすることができると共に、
ビーム露光エネルギーＥｅの集中照射が可能となる。４
５，４６．４７は走査用反射鏡であり、これらによりレ
ーザ光学系が構成されている。

又、４８は液状光硬化性樹脂材４９を収容する樹脂収容
容器、５０は支持台、５１は該支持台５０を矢印Ａの方
向及びＢの方向に移動操作させる移動機構部、５２は液
状光硬化性樹脂材４９を供給する細長い形状を有する供
給口５３を備えた樹脂材供給部である。

かかる装置構成においては、レーザ装置３■から出射さ
れたレーザビーム３２は光分岐器（ビームスプリッタ）
３３によって図示のように２つのレーザビーム３２ａ、
　３２ｂに分けられる。

この２つのレーザビーム３２ａ、　３２ｂは、それぞれ
光変調器３６．３７において立体形状を形成する形状デ
ータ信号に基づいて変調制御され、レンズ３８゜３９及
び４０．４１により通光なビーム径に変換され、回転多
面鏡４２によって偏向され、更にｆθレンズ４３、４４
及び走査用反射鏡４５，４６．及び４７を介して樹脂収
容容器４８内の液状光硬化型樹脂材４９に対して、それ
ぞれ異なる方向より重畳照射し、更に主走査される。

この際、前記樹脂収容容器４８を載置している支持台５
０も、立体形状形成データ信号に基づいて移動機構部５
１が制御されて同時に矢印への方向に移動操作され、選
択的に露光硬化が行われる。

さて、上記した装置を適用して３次元的な立体情報を表
示する所望の立体模型形状を形成するには、先ず第４図
に示すように支持台５０上に載置された樹脂収容容器４
８に対する一方の第２レーザビーム２１の主走査位置と
樹脂材供給部５２の細長い形状の供給口５３との副走査
方向の間隔をｌだげ離間して配置し、樹脂収容容器４８
の移動機構部５１による副走査と、樹脂材供給部５２の
供給口５３からの一定量の液状光硬化型樹脂材４９の供
給を開始する。

次に第５図に示すように樹脂材４９供給開始後、樹脂収
容容器４８が副走査により該樹脂材４９の供給開始位置
より間隔β以上移動した時点より、形成すべき立体形状
のデータを基にして、図示しない制御回路より出力する
形状パターン信号によって光変調器３６．３７を駆動し
、前記供給された液状光硬化型樹脂材４９の表面に対し
て垂直に第ル−ザビーム３２ａを、また同じくその樹脂
材４９の側面に対して第２レーザビーム３２ｂをそれぞ
れ照射して露光を開始する。

ここで第ル−ザビーム３２ａの走査は、第１図に示すよ
うにＣ方向に行われるのに対して、第２レーザビーム３
２ｂの走査は逆にＤ方向に行われる。

又、走査開始のタイミングも回転多面鏡４２への各レー
ザビーム３２ａ、　３２ｂの入射位置に依存するために
異なり、前記液状光硬化型樹脂材４９の各部への２つの
レーザビーム３２ａ、　３２ｂの露光は同時とはならな
いが、露光時間差が小さいため該樹脂材４９の硬化特性
に与える影響は少ない。

更にこの場合、各レーザビーム３２ａと３２ｂとの照射
露光開始の時間差は、主に前記移動機構部５１による樹
脂収容容器４８が間隔ｌだけ移動する時間に略等しく、
この時点より樹脂供給口５３からの液状光硬化型樹脂材
４９の供給と照射方向が異なる第１、第２レーザビーム
３２ａ、　３２ｂの露光硬化が同時にＣ方向とＤ方向に
平行して行われる。

やがて第６図に示すように前記樹脂供給口５３が該収容
容器４８の他端に達し前記第１、第２レーザビーム３２
ａ、　３２ｂによる所定パターンの露光硬化が終了する
と共に、液状光硬化型樹脂材３１の供給も停止し、樹脂
収容容器４８の副走査も停止する。

次に第７図に示すように液状光硬化型樹脂材４９の供給
・露光硬化を行う樹脂材要分の厚さ寸法だけ前記移動機
構部５１により樹脂収容容器４８を降下させると共に、
次層の樹脂材表面が走査反射鏡４５゜４６を介してｆθ
レンズ４３の焦点位置となるようにレベル調整を行う。

その後該樹脂収容容器４８を第８図に示すように再び当
初の所定位置へ迅速に戻す。

前記樹脂収容容器４８が戻された後、直ちに上記第２図
乃至第６図により説明した工程を繰り返し、露光硬化樹
脂層を順次積層してこの積層状の立体硬化樹脂像を液状
光硬化型樹脂材３１中より取り出し、例えば希アルカリ
洗浄溶液等により液状光硬化型樹脂材３１を洗い流すこ
とによって、所望とする３次元的な立体情報を表示する
立体模型形状を比較的短時間で効率よく形成することが
可能となる。

上記したように本実施例では光硬化型樹脂材４９を照射
する第ル−ザビーム３２ａと第２レーザビーム３２ｂと
の露光開始時間の違いを考慮してそれぞれの立体形状の
形成データ信号を制御し、露光走査することにより、主
走査方向及び副走査方向に限らず、樹脂材４９の深さ方
向についても硬化部と未硬化部の境界部分にレーザビー
ム径に依存した急峻な露光エネルギー分布の変化領域が
設けられ、露光エネルギーのしきい値等のパラメータの
変化に対して、光硬化型樹脂材４９の露光硬化部と未硬
化部との境界領域での変化の少ない立体形状を容易に形
成することができる。

第９図は本発明に係る立体形状形成装置の第２実施例構
造を示す概略構成斜視図であり、第１図と同等部分には
同一符号を付した。

本実施例が第１図による第１実施例と異なる点は、レー
ザ装置３１より出射したレーザビーム３２を２分岐する
分岐器６８をｆθレンズ６７のビーム出射側に配置した
構成とし、レーザ装置３１より光変調器６１、反射鏡６
２、レンズ６３．６４を通り回転多面鏡６５で偏向され
、更に該ｆθレンズ６７より立体形状の形成データ信号
に基づいて出射したレーザビーム３２を光分岐器６８に
よって異なる方向に２分岐し、この分岐された第１、第
２レーザビーム３２ａ、　３２ｂを第１０図に示すよう
に樹脂収容容器４８内に供給される光硬化型樹脂材４９
の所定露光位置に重畳照射し、露光硬化するようにした
ことである。

この実施例構成によれば、第ル−ザビーム３２ａの主走
査位置と樹脂材供給部５２の細長い形状の供給口５３と
の副走査方向の間隔ｌだけ樹脂収容容器４８が移動する
時間に相等する第２レーザビーム３２ａと第２レーザビ
ーム３２ｂとの露光開始時間差が解消され、レーザ光学
系の構成が簡単化されると共に、前記第１図による実施
例と同様の効果が得られる。

第１１図は本発明に係る立体形状形成装置の第３実施例
構造を示す概略構成斜視図であり、第９図と同等部分に
は同一符号を付した。□ 本実施例が第９図による第２実施例と異なる点は、ｆθ
レンズ６７より立体形状の形成データ信号に基づいて出
射したレーザビーム３２を走査用反射鏡４６により反射
し、該走査用反射鏡４６に対応する長さ形状の光分岐器
７１によって異なる方向に２分岐し、この分岐された第
１、第２レーザビーム３２ａ、　３２ｂを更にそれぞれ
２次走査用反射鏡７２により反射して第１２図によって
明らかなように、樹脂収容容器４８内に供給される光硬
化型樹脂材４９の所定露光位置に重畳照射し、露光硬化
するようにしたことである。

又、本実施例では説明を簡単化するために光硬化型樹脂
材４９の供給方法の図示、説明を省略しているが、前記
第１図及び第９図による第１．第２実施例で示した供給
方法は勿論のこと、従来例で示した供給方法を適用する
ことができる。

上記本実施例の装置構造においても前記第１図及び第９
図による第１．第２実施例と同様の効果が得られる。

尚、以上の各実施例においては単一のレーザ装置からの
レーザビームを、レーザ光学系の前段、或いは後段に配
置された光分岐器により２分岐した２つのレーザビーム
を用いた場合の例で説明したが、本発明はこの例に限定
されるものではなく、例えば光分岐器を用いずに、２台
のレーザ装置によって２つのレーザビームを得るように
してもよい。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明に係る立体形状
形成装置によれば、液状光硬化型樹脂材を選択的に照射
して露光硬化を行うのに、２つのレーザビームによって
液状光硬化型樹脂材の所定露光位置に重畳照射し、所定
の走査により露光硬化することが出来るので、その硬化
部と未硬化部との境界の露光エネルギー分布が急峻とな
り、精度の良い高品位な所望とする３次元的な立体情報
を表示する立体模型形状を、効率良く容易に形成するこ
とが出来る優れた利点を有する。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明に係る立体形状形成装置の第１実施例を
示す概略構成斜視図、 第２図は本発明の詳細な説明する部分断面模式第３図は
光硬化型樹脂材の深さ方向に対する照射レーザビームの
露光エネルギー分布 図、 第４図乃至第８図は第１図による立体形状形成装置によ
り、立体形状を形成する動作 の一実施例を順に説明するための要部 断面図、 第９図は本発明に係る立体形状形成装置の第２実施例を
示す概略構成斜視図、 第１０図は第９図による立体形状形成装置により、立体
形状を形成する動作の一実施例を 説明するための要部断面図、 第１１図は本発明に係る立体形状形成装置の第３実施例
を示す概略構成斜視図、 第１２図は第１１図による立体形状形成装置により、立
体形状を形成する動作の一実施例を 説明するための要部断面図、 第１３図乃至第１８図は従来の立体形状を形成する方法
を説明するための要部断面図であ る。 図中、３１はレーザ装置、３２はレーザビーム、３２ａ
は第２レーザビーム、３２ｂは第２レーザビーム、３３
、６８．７１は光分岐器、３４．３５．６２は反射鏡、
３６゜３７、６１は光変調器、３８〜４１及び６３．６
４はレンズ、４２、６５は回転多面鏡、４３．４４．６
７はｆθレンズ、４５、４６．４７．６９．７２ａ、７
２ｂは走査用反射鏡、４８は樹脂収容容器、４９は液状
光硬化型樹脂材、５０は支持台、５１は移動機構部、５
２は樹脂供給部、５３は樹脂材供給口をそれぞれ示す。 第１図 第２図 第３図 樹島紗の層しＬ方向上ｃｌ（ｍｍ） 第４　図・　　　　　　　　　　　３５　図寸、６図　
　　　　　第７図 第９図 第１０図 第１１図 第１２図 第１３図　　　　　第１４− 第１５図　　　　　　第１６図 第１７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 樹脂収容容器に供給された液状光硬化型樹脂材に、レー
   ザ光学系によりビーム照射を行って、該光硬化型樹脂材
   を選択的に硬化させ、立体形状を形成する装置において
   、上記レーザ光学系からの２つのレーザビームを、立体
   形状形成データに基づいて前記液状光硬化型樹脂材に、
   それぞれ異なる方向より重畳照射することを特徴とする
   立体形状形成装置。