JP2010089364A - 三次元造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光の照射により硬化する光硬化樹脂を用いて三次元造形物を作製する三次元造形装置において、造形時間を短縮し、かつ、高解像度の造形が可能であるようにする。
【解決手段】光の照射により硬化する光硬化樹脂を用いて三次元造形物を作製する三次元造形装置１０において、レーザー光を出射するレーザー光源１４と、レーザー光源から出射されたレーザー光を反射して、第１の方向に走査するＭＥＭＳミラー１６と、ＭＥＭＳミラーにより反射されたレーザー光を反射して、第１の方向と直交する第２の方向に走査するガルバノミラー１８と、ガルバノミラーにより反射されたレーザー光を受光するよう配置され、かつ、内部に光硬化樹脂を貯留可能な貯留槽と、貯留槽内に配置され、レーザー光の照射により硬化する光硬化樹脂を保持する三次元造形物保持板と、三次元造形物保持板を上下方向に動作させる駆動手段とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、三次元造形装置に関し、さらに詳細には、光を照射すると硬化する光硬化樹脂を用いて三次元造形物を作製する三次元造形装置に関する。

従来より、可視光または紫外光などの光の照射により硬化する性質を有する光硬化樹脂を用いた三次元造形装置が知られている。

こうした三次元造形装置は、例えば、以下のような手法により三次元造形物を作製している。

即ち、光硬化樹脂を貯留する貯留槽に対して外部より光を照射し、まず、上記貯留槽内に配置された造形物の土台となる造形物保持板表面に、造形物が所定の液層厚さ分だけ硬化するようにして造形物を造形する。

さらに所定の液層厚さ分だけ造形物保持板を移動させ、既に硬化した三次元造形物の上に新たな造形物の層を硬化させる。

こうした硬化した三次元造形物の上に新たな造形物の層を硬化させるという動作を順次繰り返し、造形物の層を積層して、三次元造形物の作製を行うようになされている。

ところで、上記したような三次元造形装置において、光硬化樹脂に光を照射する際には、例えば、光ビームでベクトルイメージを描きながら光硬化樹脂に光を照射し、光硬化樹脂を硬化させていた。

しかしながら、光ビームでベクトルイメージを描いて光硬化樹脂を硬化させて造形する手法によれば、造形速度が遅いという問題点があった。

また、上記した光の照射方法とは異なる手法としては、例えば、マイクロミラーデバイスや液晶デバイスなどのプロジェクタを利用して、ラスターイメージで面露光するという手法が知られている。

この手法においては、作製される三次元造形物の細密さは、プロジェクタの解像度に依存する。

このため、プロジェクタの解像度が低い場合に、細密な造形物を得ようとすると、造形するモデルサイズを小さくしなければならないという問題点があった。

さらに、プロジェクタを利用した造形の場合には、コントラスト比が低いため、光硬化樹脂の硬化時間を短縮しようとして露光パワーを高くすると、本来硬化する領域でない背景部分までが硬化するようになり、硬化時間の短縮には限界があるという問題点もあった。

なお、本願出願人が特許出願時に知っている先行技術は、上記において説明したようなものであって文献公知発明に係る発明ではないため、記載すべき先行技術情報はない。

本発明は、従来の技術の有する上記したような種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、造形時間を短縮することができるようにした三次元造形装置を提供しようとするものである。

また、本発明は、従来の技術の有する上記したような種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高解像度の造形が可能な三次元造形装置を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラーを用いて走査したレーザー光を光硬化樹脂に照射するようにしたものである。

即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、光の照射により硬化する光硬化樹脂を用いて三次元造形物を作製する三次元造形装置において、レーザー光を出射するレーザー光源と、上記レーザー光源から出射されたレーザー光を反射して、第１の方向に走査するＭＥＭＳミラーと、上記ＭＥＭＳミラーにより反射されたレーザー光を反射して、上記第１の方向と直交する第２の方向に走査するガルバノミラーと、上記ガルバノミラーにより反射されたレーザー光を受光するよう配置され、かつ、内部に光硬化樹脂を貯留可能な貯留槽と、上記貯留槽内に配置され、レーザー光の照射により硬化する光硬化樹脂を保持する三次元造形物保持板と、上記三次元造形物保持板を上下方向に動作させる駆動手段とを有するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、光の照射により硬化する光硬化樹脂を用いて三次元造形物を作製する三次元造形装置において、レーザー光を出射するレーザー光源と、上記レーザー光源から出射されたレーザー光を反射して、第１の方向に走査するＭＥＭＳミラーと、上記ＭＥＭＳミラーを上記第１の方向と直交する第２の方向に走査する移動手段と、上記ＭＥＭＳミラーにより反射されたレーザー光を受光するよう配置され、かつ、内部に光硬化樹脂を貯留可能な貯留槽と、上記貯留槽内に配置され、レーザー光の照射により硬化する光硬化樹脂を保持する三次元造形物保持板と、上記三次元造形物保持板を上下方向に動作させる駆動手段とを有するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、本発明のうち請求項１または２のいずれか１項に記載の発明において、上記貯留槽の底面を上記レーザー光源よりの光を透過する素材により構成したものである。

本発明は、以上説明したように構成されているので、造形時間を短縮することができるようになるという優れた効果を奏する。

また、本発明は、以上説明したように構成されているので、高解像度の造形を行うことができるようになるという優れた効果を奏する。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明による三次元造形装置を詳細に説明するものとする。

ここで、図１には、本発明の三次元造形装置の実施の形態の一例の概略構成斜視説明図が示されている。

また、図２には、図１に示す三次元造形装置の実施の形態の一例の概略構成断面説明図が示されている。

なお、図２においては、駆動部１８ｂ（後述する。）、制御手段２２（後述する。）および制御手段２４（後述する。）の図示を省略した。

この本発明による三次元造形装置１０は、光学システム１２および造形ユニット３２とを備えて構成されている。

なお、本実施の形態の三次元造形装置１０は、光学システム１２を上記造形ユニット３２の上方側に配置している。即ち、この三次元造形装置１０は、造形ユニット３２の上方側より光を照射する構成の自由液面方式を採用している。

上記した光学システム１２は、光硬化樹脂に照射されるレーザー光を出射するレーザー光源１４を備えている。

そして、このレーザー光源１４の後段には、レーザー光源１４から出射されたレーザー光を反射し、光硬化樹脂に対するレーザー光の照射位置を示す位置情報（以下、「照射位置情報」と称する。）に基づいて当該レーザー光を走査するＭＥＭＳミラー１６が配置されている。

さらに、ＭＥＭＳミラー１６の後段には、ＭＥＭＳミラー１６が走査したレーザー光を反射するものであって、照射位置情報に基づいて当該レーザー光を走査しながら、図１におけるＺ軸方向に沿う下方側へ反射するガルバノミラー１８が配置されている。

さらにまた、ガルバノミラー１８の後段には、ガルバノミラー１８により反射されたレーザー光を透過し、当該レーザー光を平行光として造形ユニット３２へ照射するコリメートレンズ２０が配置されている。

次に、光学ユニット１２を構成する上記した各構成部材について、さらに詳細に説明する。

ＭＥＭＳミラー１６は、レーザー光源１４から出射された光を、ＸＹ平面に対して水平方向に走査するように反射するものである。

ここで、ＭＥＭＳミラー１６でレーザー光を走査する際には、照射位置情報に基づいてレーザー光を走査することになるが、ＭＥＭＳミラー１６には、こうした照射位置情報をＭＥＭＳミラー１６に出力する制御手段２２が接続されている。

この制御手段２２からは、ＭＥＭＳミラー１６に対し、照射位置情報として、造形物の形状のうちＸ座標の位置情報が１層分ずつ与えられる。

即ち、制御手段２２よりＭＥＭＳミラー１６へ出力される照射位置情報は、作製する造形物の形状を水平方向たるＸＹ平面に沿って分割した複数の層のＸ成分を与えるものである。

つまり、制御手段２２からＭＥＭＳミラー１６へ、複数の層に分けたデータのうちＸ成分のみが、第１層目から順に一定時間ごとに１層分ずつ転送されるものである。

なお、本実施の形態においては、作製する造形物の形状をＸＹ平面方向に沿って３０μｍ毎に複数の層に分割したデータ、即ち、各層の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）が３０μｍであるデータを第１層目から一定時間ごとに１層分ずつ順に、制御手段２２からＭＥＭＳミラー１６へ出力し、レーザー光を走査させるものとする。

なお、本実施の形態において用いられるＭＥＭＳミラー１６としては、従来より公知のＭＥＭＳミラーを用いることができるため、その構成ならびに作用についての詳細な説明は省略するものとする。

次に、ガルバノミラー１８について説明すると、ガルバノミラー１８は、ミラー部１８ａと駆動部１８ｂとを有して構成されている。

ここで、ミラー部１８ａはＭＥＭＳミラー１６から出射されたレーザー光を反射し、駆動部１８ｂはガルバノミラー１８の回転を制御する。

なお、本実施の形態においては、ガルバノミラー１８は図１に示したＡ矢印方向に回転し、ＭＥＭＳミラー１６から出射されたレーザー光を、図１におけるＺ軸方向に沿う下方側へ反射しながら走査可能であるようになされている。

ここで、ガルバノミラー１８でレーザー光を走査する際には、照射位置情報に基づいてレーザー光を走査することになるが、ガルバノミラー１８には、こうした照射位置情報を駆動部１８ｂに出力する制御手段２４が接続されている。

この制御手段２４からは、駆動部１８ｂに対し、照射位置情報として、造形物の形状のうちＹ座標の位置情報が１層分ずつ与えられる。

即ち、制御手段２４より駆動部１８ｂへ出力される照射位置情報は、作製する造形物の形状を水平方向たるＸＹ平面に沿って分割した複数の層のＹ成分を与えるものである。

つまり、制御手段２４から駆動部１８ｂへ、複数の層に分けたデータのうちＹ成分のみが、第１層目から順に一定時間ごとに１層分ずつ転送されるものである。

なお、本実施の形態においては、作製する造形物の形状をＸＹ平面方向に沿って３０μｍ毎に複数の層に分割したデータ、即ち、各層の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）が３０μｍであるデータを第１層目から一定時間ごとに１層分ずつ順に、制御手段２４から駆動部１８ｂへ出力し、レーザー光を走査させるものとする。

なお、本実施の形態において用いられるガルバノミラー１８としては、従来より公知のガルバノミラーを用いることができるため、その構成ならびに作用についての詳細な説明は省略するものとする。

上記において説明したように、ＭＥＭＳミラー１６はＸＹ平面におけるＸ軸方向に沿ってレーザー光を走査し、一方、ガルバノミラー１８はＸＹ平面におけるＸ軸方向と直交するＹ軸方向に沿ってレーザー光を走査する。

一方、造形ユニット３２は、内部に液体状態の光硬化樹脂を貯留する貯留槽３４を備えている。

また、貯留槽３４内には、硬化する光硬化樹脂の土台となるとともに硬化した三次元造形物を保持する三次元造形物保持板３６が配置されている。

この三次元造形物保持板３６は、三次元造形物保持板３６を下方側へ降下させるための駆動手段３８に接続されている。

こうした造形ユニット３２は、造形ユニット３２の上方側に配置された光学システム１２から出射されたレーザー光が、貯留槽３４内部に貯留された光硬化樹脂に照射されるよな位置関係で配置される。

なお、駆動手段３８としては、各種のモーター、例えば、ステッピングモーターなどを用いることができる。

以上の構成において、上記した三次元造形装置１０を用いて三次元造形物を作製する際の動作について説明することとする。

はじめに、三次元造形装置１０を用いて三次元造形物を作製するにあたっては、まず、貯留槽３４内部に液体状の光硬化樹脂を貯留しておく。

なお、貯留槽３４に貯留する光硬化樹脂の量は、作製する三次元造形物の大きさに応じて適宜に設定すればよい。

また、三次元造形物の作製途中で光硬化樹脂が不足した場合には、光硬化樹脂を貯留槽３４内部に追加的に流し込めばよいものである。

次に、三次元造形物保持板３６の上面部３６ａと貯留槽３４内部の光硬化樹脂の液面との距離Ｌ１（図２を参照する。）が３０μｍになる位置に、三次元造形物保持板３６の高さを調節する。

そして、レーザー光源１４よりレーザー光を出射させ、貯留槽３４内部の光硬化樹脂を硬化させる。

その際に、ＭＥＭＳミラー１６が制御手段２２から供給された照射位置情報によりレーザー光を走査するとともに、ガルバノミラー１８が制御手段２４から供給された照射位置情報によりレーザー光を走査することにより、三次元造形物保持板３６の表面３６ａ上において光硬化樹脂が硬化する。これにより、三次元造形物の第１層目が形成される。

上記と同様に、第２層目以降も同様に１層ずつ硬化していくことにより、三次元造形物の第２層目以降の各層が形成され、全層終了時には、最終的に三次元造形物保持板３６上に目的の三次元造形物が作製されることになる。

次に、図３を参照しながら、本発明による三次元造形装置の第２の実施の形態について説明する。

この第２の実施の形態による三次元造形装置１００は、本発明の第１の実施の形態による三次元造形装置１０と比較すると、光学システム１２に代えて光学システム１０２を備えている点でのみ異なる。

ここで、光学システム１０２は、ガルバノミラー１８を用いずに、投光ユニット１０４と投光ユニット１０４をＸ軸方向（図３を参照する。）に沿って平行移動させることを可能にする１対のレール１０６とを有して構成されている。

この投光ユニット１０４は、レーザー光源１４とＭＥＭＳミラー１６とを軸１０４ａ上に同軸上に支持しているものである。

さらに、軸１０４ａの両端部はＸ軸方向に往復移動可能にそれぞれがレール１０６に嵌合されており、投光ユニット１０４はＢ矢印方向（図３を参照する。）に沿って往復移動可能とされている。

なお、こうした投光ユニット１０４は、通常は、所定の位置で待機しているものである。本実施の形態においては、投光ユニット１０４の所定の位置としては、例えば、レール１０６の端部１０６ａ付近であるものとする。

また、投光ユニット１０４の軸１０４ａは、作製される三次元造形物の形状のＸ座標を示す照射位置情報に基づき軸１０４ａの動作を制御するための制御手段（図示せず。）に接続されている。

そして、レーザー光源１４のレーザー出射口とＭＥＭＳミラー１６の反射面とは、軸１０４ａ上においてそれぞれが対向するように配置されている。

以上の構成において、三次元造形装置１００を用いて三次元造形物を作製する際の動作について説明する。

この三次元造形装置１００の動作は、ガルバノミラー１８が制御手段２４から供給された照射位置情報によりレーザー光を走査する代わり、投光ユニット１０４の軸１０４ａが照射位置情報によりＸ軸方向に移動してレーザー光を走査する点においてのみ、上記した三次元造形装置１０と異なる。

即ち、ＭＥＭＳミラー１６が制御手段２２から供給された照射位置情報によりレーザー光を走査するとともに、軸１０４ａが照射位置情報によりＸ軸方向に移動してレーザー光を走査することにより、光硬化樹脂を各層毎に硬化し、これにより目的の三次元造形物が作製するものである。

以上において説明したように、三次元造形装置１０、１００は、光学系をＭＥＭＳミラー１６を用いて構成したため、応答速度が速く造形時間を短縮することができ、また、全体が比較的単純な構成となり、従来の三次元造形装置と比較して装置全体を小型化することができる。

また、三次元造形装置１０、１００は、従来の三次元造形装置と比べて可動部分が少ないため振動の発生が減少し、高精細な走査を実現することができるようになる。

さらに、三次元造形装置１０、１００においては、レーザー光をＭＥＭＳミラー１６を用いて走査しているため、例えば、現行のＭＥＭＳミラー１６を用いたとしても、１０２４×７６８ピクセルであるＸＧＡサイズの１６倍の４０９６×３０７２ピクセルの画素数まで高解像度化が可能である。

この画素数は、従来のＤＭＤ素子を用いたプロジェクタを利用した三次元造形装置よりも高解像度である。

さらにまた、三次元造形装置１０、１００は、照射光としてレーザー光を使用しているため、硬化エネルギーを高くすることが可能であるため、コントラスト比を高く設定することができる。

従って、三次元造形装置１０、１００においては、従来の三次元造形装置で見られた背景の硬化による造形不良の発生を回避することが可能である。

なお、上記した実施の形態においては、三次元造形装置１０、１００は、自由液面方式の構成を有するものとして説明したが、これに限られるものではないことは勿論であり、他の構成として、例えば、規制液面方式の構成を有する三次元造形装置を用いてもよいものである。

こうした規制液面方式を有する三次元造形装置について、図４を参照しながら以下に詳細に説明する。

図４には、三次元造形装置２００の概念構成説明図が示されており、この三次元造形装置２００は、第１の実施の形態による三次元造形装置１０と比較して、以下の２点でのみ異なるものである。

まず、第１点目は、光学システム１２が造型ユニット３２の下方側に配置されており、光硬化樹脂の下方側から光を照射するようになされている点である。

第２点目は、造型ユニット３２の貯留槽３４の底面３４ａが、光学システム１２から出射されたレーザー光を透過する素材により構成されている点である。

なお、ガルバノミラー１８は、ＭＥＭＳミラー１６から出射されたレーザー光を上方側に反射するようになされている。

従って、この三次元造形装置２００においては、三次元造形物保持板３６の下面部３６ｂに三次元造形物の各層が積層されていく。

こうした規制液面方式を用いた三次元造形装置に対しても、本発明を適用することができる。

本発明は、種々の形状の三次元造形物を作製することが可能であり、サンプル試作などの際に利用することができるものである。

図１は、本発明による三次元造形装置の第１の実施の形態の概略構成斜視説明図である。 図２は、本発明による三次元造形装置の第１の実施の形態の概略構成断面説明図である。 図３は、本発明による三次元造形装置の第２の実施の形態の概略構成斜視説明図である。 図４は、本発明による三次元造形装置の変形例を示した概略構成断面説明図である。

符号の説明

１０、１００、２００ 三次元造形装置
１２、１０２、２０２ 光学ユニット
１４、１４’、２０４ レーザー光源
１６、１６’、２０６ ＭＥＭＳミラー
１８、２０８ ガルバノミラー
１８ａ ミラー部
１８ｂ 駆動部
２０、２１０ コリメートレンズ
２２、２１２ 制御手段
２４、２１４ 制御手段
３２、２２０ 造形ユニット
３４、２２２ 貯留槽
３６、２２４ 三次元造形物保持板
３８、２２６ 駆動手段
１０４、１０４’ 軸
１０６、１０６’ レール
１０８ 制御手段

Claims (3)

1. 光の照射により硬化する光硬化樹脂を用いて三次元造形物を作製する三次元造形装置において、
   レーザー光を出射するレーザー光源と、
   前記レーザー光源から出射されたレーザー光を反射して、第１の方向に走査するＭＥＭＳミラーと、
   前記ＭＥＭＳミラーにより反射されたレーザー光を反射して、前記第１の方向と直交する第２の方向に走査するガルバノミラーと、
   前記ガルバノミラーにより反射されたレーザー光を受光するよう配置され、かつ、内部に光硬化樹脂を貯留可能な貯留槽と、
   前記貯留槽内に配置され、レーザー光の照射により硬化する光硬化樹脂を保持する三次元造形物保持板と、
   前記三次元造形物保持板を上下方向に動作させる駆動手段と
   を有することを特徴とする三次元造形装置。
2. 光の照射により硬化する光硬化樹脂を用いて三次元造形物を作製する三次元造形装置において、
   レーザー光を出射するレーザー光源と、
   前記レーザー光源から出射されたレーザー光を反射して、第１の方向に走査するＭＥＭＳミラーと、
   前記ＭＥＭＳミラーを前記第１の方向と直交する第２の方向に走査する移動手段と、
   前記ＭＥＭＳミラーにより反射されたレーザー光を受光するよう配置され、かつ、内部に光硬化樹脂を貯留可能な貯留槽と、
   前記貯留槽内に配置され、レーザー光の照射により硬化する光硬化樹脂を保持する三次元造形物保持板と、
   前記三次元造形物保持板を上下方向に動作させる駆動手段と
   を有することを特徴とする三次元造形装置。
3. 請求項１または２のいずれか１項に記載の三次元造形装置において、
   前記貯留槽の底面は、前記レーザー光源よりの光を透過する素材より構成される
   ことを特徴とする三次元造形装置。

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