JP4650161B2 - 光造形装置および光造形方法 - Google Patents

Description

本発明は、光硬化性樹脂液に選択的に光を照射して硬化樹脂層を形成し、該硬化樹脂層を順次積層して立体像を形成する光造形装置および光造形方法に関する。

従来の光積層造形方法（以下、「光造形方法」という。）では、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データに基づいて造形する。通常、最初に最下段の断面に相当する領域において、光硬化性樹脂液の液面に光線を照射する。すると光照射された液面部分の光硬化性樹脂液は光硬化し、立体モデルの一断面の硬化樹脂層が造形される。次いで、この硬化樹脂層の表面に未硬化状態の光硬化性樹脂液を所定の厚みでコートする。このとき、硬化樹脂層を所定の厚み分だけ、樹脂槽に満たされた光硬化性樹脂液に沈めてコートすることが一般的である。また、比較的少量の光硬化性樹脂を一層の硬化樹脂層を形成する毎にリコータにより全面に塗布することも行われる。そして、この表面に所定パターンに沿ってレーザ光線走査を行ない、光照射したコート層部分を硬化させる。硬化した部分は、下部の硬化樹脂層に積層一体化される。以後、光照射工程で扱う断面を隣接する断面に切り替えながら、光照射と光硬化性樹脂液のコートを繰り返すことによって、所望の立体モデルを造形する（特許文献１および２参照）。

特開昭５６−１４４４７８号公報 特開昭６２−３５９６６号公報

しかし、必要量の光硬化性樹脂を造形テーブル（以下、単に「テーブル」ともいう。）上に塗布する光造形装置および光造形方法、特に、積層する一層の厚さが５０μｍ以下と薄い場合において、リコータの進行方向前側に溜まった光硬化性樹脂液がリコータが移動するに伴いリコータと造形テーブルとの間に十分に供給されなくなり、立体モデルを精度良く形成できないという問題が発生した。かかる問題点につき図５を用いて説明する。図５は、光造形の様子を示す断面図であり、図５（ａ）は光硬化性樹脂液を造形テーブル上に供給し、塗布を開始した直後の状態を示している。図５（ｂ）はディップした光硬化性樹脂をリコータによって引き伸ばした後を示す。図５では、単純化のため、造形テーブル２０４の上には、まだ１層も硬化樹脂層が形成されていないが、１層以上の硬化樹脂層が形成されている場合においても、図５において造形テーブル２０４の上面を、最上層の硬化樹脂層の上面として見る他は、同様である。
積層する一層の厚さが５０μｍ以下と薄い光造形法の具体例の一つには、例えば、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を用いて、一定の領域毎に（以下、「投影領域」という。）一括露光を繰り返し実行する光造形法が含まれる。

図５（ａ）に示されるように、光硬化性樹脂２１０は、造形テーブル２０４上に供給される。リコータ２０６を図中の矢印の方向に移動させることによって、光硬化性樹脂２１０を引き伸ばす。この時にリコータ２０６の進行方向前面には、光硬化性樹脂２１０がある程度溜まった状態となる。リコータ２０６に接している樹脂液と、リコータ２０６から離れている部分の樹脂液では、造形テーブルに向かって落下する速度が異なってしまう。（図５（ｃ）参照）。樹脂供給位置に近く、多くの樹脂液がリコータ２０６の進行方向前面に付着している間は、落下速度が遅い位置においても樹脂移動量が大きいため、リコータ２０６と造形テーブル２０４との間に樹脂液が十分に供給され、樹脂の膜厚を保つことが可能である。しかし、リコータ２０６が移動するに従い、その進行方向前面に付着する樹脂液が少なくなり、リコータ２０６表面近傍での樹脂の移動速度が小さいため、樹脂の膜厚が徐々に薄くなってしまう。したがって、図５（ｂ）に示されるように、光硬化性樹脂２１０が引き伸ばされた状態においては、光硬化性樹脂２１０の厚みが均一にならないという現象が確認された。このような状態において光照射を行なうと、厚さが不均一な硬化樹脂層が形成され、結果として、所望の立体形状を得ることができなかった。

本発明は、これら光造形の抱える課題を解決するためになされたものであり、光造形装置、造形物自体の高安定性、高生産性を確保する事が可能で、積層する一層の厚さが５０μｍ以下と薄い場合においても各層の厚みを高精度に制御でき、高精度の造形を行う事が可能な光造形装置および光造形方法を提供することを目的とする。

本発明にかかる光造形装置は、光硬化性樹脂液に選択的に光を照射して硬化樹脂層を形成し、該硬化樹脂層を順次積層して立体像を形成する光造形装置であって、テーブルと、前記テーブル上に前記光硬化性樹脂液を供給するディスペンサと、前記光硬化樹脂をテーブル上に塗布するリコータと、前記リコータの塗布動作時に前記リコータの移動速度を変化させる制御部とを有する。なお、移動速度の変化は、移動距離に基づいて減少させることが好ましい。また、この移動速度の変化は、その精度、制御容易性などを鑑みて、放物線状、ステップ状、直線状に変化させることが好ましい。

また、本発明にかかる光造形方法は、光硬化性樹脂液に選択的に光を照射して硬化樹脂層を形成し、該硬化樹脂層を順次積層して立体像を形成する光造形方法であって、テーブル上に前記光硬化性樹脂液を供給する工程と、前記光硬化樹脂液を、リコータの移動速度を変化させながら前記テーブル上に塗布する工程とを有する。なお、移動速度の変化は、移動距離に基づいて減少させることが好ましい。また、この移動速度の変化は、その精度、制御容易性などを鑑みて、放物線状、ステップ状、直線状に変化させることが好ましい。なお、移動速度を移動距離に基づいて減少させるとは、１回のリコータの掃引の大部分において減少傾向にあればよいことを意味しており、例えば、１回の掃引の開始時と終了時にはリコータの速度はゼロであるので、開始直後には移動速度がゼロから急増し、終了直前には移動速度がゼロに急減することになるが、これらの瞬間的な速度変化をいうものではない。また、本発明の効果を損なわない程度であれば、１回のリコータの掃引中に移動速度を増加する部分があっても、全体として減少傾向にあればよい。

本発明の光造形装置および光造形方法により、１つの樹脂層の中で膜厚の差ができてしまうのを防ぐことができ、より高精度な立体モデルの形成が可能となる。

以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能である。
発明の実施の形態１
図１を用いて、光硬化造形装置（以下、「光造形装置」という）の一例について説明する。この光造形装置は、前述の、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を用いて一定の領域毎に（以下、「投影領域」という。）一括露光を繰り返し実行する光造形法を採用する光造形装置である。光造形装置１００は、光源１、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）２、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、記憶部８を備えている。また本実施の形態における光造形装置１００は、制御部７内にリコータ６の動作を制御するリコータ動作制御部９を有している。

光源１は、光硬化性樹脂１１を硬化させるための光を発生させる。光源１には、例えば、４０５ｎｍのレーザ光を発生させるレーザダイオード（ＬＤ）や紫外線（ＵＶ）ランプが用いられる。光源１の種類は、光硬化性樹脂の硬化波長との関係において選択されるものであり、本願発明の光造形装置又は光造形方法は、光源１の種類を限定するものではない。

デジタルマイクロミラーデバイス（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。本実施の形態１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上の光硬化性樹脂１１に照射する。

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樹脂１１上に導き、投影領域を形成する。レンズ３は、凸レンズを用いた集光レンズであってもよいし、凹レンズを用いてもよい。凹レンズを用いると、ＤＭＤ２の実サイズよりも大きな投影領域を得ることができる。本実施の形態１にかかるレンズ３は、集光レンズであって、入射光を約８倍縮小し、光硬化性樹脂１１上に集光している。

造形テーブル４は、硬化させた樹脂を順次堆積させ、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なうことができる。

ディスペンサ５は、光硬化性樹脂液１０を収容し、予め定められた量の光硬化性樹脂液１０を所定位置に供給する。

リコータ６は、移動機構を備え、光硬化性樹脂１０を均一に塗布する。ここで、本実施の形態のリコータ６の移動機構は、与えられるパルス信号などに基づいて動作するパルス制御モータなどで構成することが可能である。

制御部７は、露光データを含む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を制御する。また、制御部７は、リコータ動作制御部９を介してリコータ６の動作も制御する。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。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、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露光データを含む制御データが格納されている。制御部７は、記憶部８に格納された露光データに基づいて、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。

リコータ動作制御部９は、例えば制御部７上で動作するソフトウェアからコントロール可能な部分である。例えば、上記したようなリコータの移動機構がパルス制御モータであれば、このリコータ動作制御部９は、ソフトウェアからのコントロールに応じてパルス信号を生成する装置であればよい。リコータ動作制御部９は、ソフトウェアなどからの指示に応じて、リコータ６の移動速度、移動距離を制御する信号を生成する。

光硬化性樹脂液１０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ことができる。例えば、１５μｍ以下（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、本実施の形態１にかかる光造形装置１００の光造形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樹脂液１０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樹脂液１０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、光硬化性樹脂液１０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。本実施形態では、このリコータ６が光硬化性樹脂液１０を引き伸ばす一回の掃引において、リコータの移動速度が変化する。具体的には図面右から左に向かっての、一回の掃引においてその掃引速度が徐々に遅くなるように変化する。この速度制御の詳細などについては、後述する。

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樹脂液１０に照射する部分に対応したマイクロミラーの角度を調整する。これにより、そ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を介して光硬化性樹脂液１０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樹脂液１０に照射されない。光硬化性樹脂液１０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、光硬化性樹脂１１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、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、図２に示されるように、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、光硬化性樹脂液１０が硬化し、第１層目の硬化樹脂層が形成される。１層分の積層ピッチ、すなわち、硬化樹脂層１層の厚みは、例えば、１〜５０μｍ、好ましくは、２〜１０μｍ、さらに好ましくは、５〜１０μｍである。

続いて、同様の工程で所望形状の立体モデルの２層目を形成する。具体的には、１層目として形成された立体モデルの外側にディスペンサ５より供給された光硬化性樹脂液１０を、リコータ６によって１層目の立体モデルの上に、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２層目の硬化樹脂層を第１層目の硬化樹脂層の上に形成する。以下同様にして第３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上に形成された造形物を取り出す。造形物は、表面に付着した光硬化性樹脂液を洗浄その他の方法で除去し、必要に応じて加熱して、硬化を更に進行させることができる。

ここで、上記した一回の掃引においてリコータ６の速度を徐々に遅くする動作について詳細に説明する。リコータ６で樹脂を引き伸ばす場合、樹脂とリコータが接している部分では、テーブルに向かっての樹脂の落下速度が遅く、接していない部分ではテーブルに向かっての樹脂の落下速度が速くなる。そのため、リコータ６が掃引するに伴い、上述したような樹脂の膜厚が徐々に薄くなるといった問題が生じてしまう。そこで、本実施形態においては樹脂落下速度の差を考慮して、各回のリコータによる樹脂の塗布開始時に最もリコータの移動速度を速くし、その後、速度を減少させながら、必要な範囲に樹脂を引き伸ばす。このように１回の掃引において速度を変化させることにより、樹脂液の移動速度が遅い部分であっても、膜厚を維持できるだけの樹脂が落下するように制御する。

図２は、本発明の第１の実施の形態におけるリコータの移動速度と、リコータの移動距離の関係を示す図である。図２に示すように第１の実施の形態においては、リコータのリコータと樹脂が接触した部分Ａ（樹脂の塗布開始地点）から樹脂の引き伸ばしを終了する地点Ｂ（塗布終了地点）に向かって、その速度がリコータの移動距離に対して放物線を描くようにリコータを制御する。リコータに接している部分と、リコータから遠い部分の樹脂の移動速度の差は、樹脂の粘度、樹脂の量、接触面積などによって異なるが詳細には、ハーゲン・ポアズイユの法則（例えば、岩波理化学辞典第４版；久保亮五、他編、１９８７年岩波書店発行を参照）などを元に推定することが可能である。基本的にこの速度差は放物線状に変化するので、１回の掃引における移動速度を放物線状に変化させることにより、均一な膜厚を有する樹脂層とすることが出来る。なお、２層目以降の樹脂層に対しても同様な速度制御を行うことで、均一な膜厚の樹脂層を積層することが出来る。

以上詳細に説明したように、リコータの速度制御を行うことにより、光硬化樹脂層を多層に重ねて立体モデルを形成する際の各層を均一に形成することが可能となる。よって、より高精度な立体モデルを形成することが可能となる。

実施の形態２
図３は、本発明の実施の形態２に関わるリコータの速度と移動距離の関係を示す図である。本実施の形態においては、リコータの速度制御が異なるのみであり、その他の点に関しては実施の形態１と同様であるため説明を省略する。

実施の形態２においても１回の掃引において、リコータの速度を減少させていく点は実施の形態１と同じである。実施の形態１では、放物線を描くように速度を変化させていたのに対し、実施の形態２ではステップ状に速度を変化させている。

上述したように、光造形装置ではパルス制御されるモータなどによってリコータを移動させている。一般的にパルス制御モータなどでは、その回転速度を放物線状に変換させるためには、極めて複雑な制御が必要となる。それに対して、所定時間、一定速度を繰り返し、その速度をステップ状に変化させるのであれば、例えば記憶部８に移動距離と速度を対応させるテーブルなどを用意すればよく、容易に速度制御が可能となる。

そのため、実施の形態２では、例えば記憶部８などにこのテーブルを複数用意し、光造形時に作成しようとする立体モデルに合わせたテーブルを選択することなどで、光造形を行う。このようにすることで、リコータの速度制御が容易となり、立体モデル製造時の生産性が向上する。

１回のリコータの掃引に含まれるステップの数や、各ステップ毎のリコータの移動速度の減少量は、本願発明の効果を損なわない範囲で適宜決定することができる。また、リコータの移動速度をステップ状に減少させる場合においても、１回のリコータの掃引全体としては、実施の態様１に示したように、略放射線状に減少していることが好ましい。

実施の形態３
図４は、本発明の実施の形態２に関わるリコータの速度と移動距離の関係を示す図である。本実施の形態においては、リコータの速度制御が異なるのみであり、その他の点に関しては他の実施の形態と同様であるため説明を省略する。

本実施の形態では、リコータの移動速度は移動距離に対して直線状に変化する。実施の形態２においては、移動距離と速度を対応付けるテーブルを用意する必要があるが、本実施の形態では樹脂の塗布開始地点における初速と、塗布終了地点における終速を設定するのみで１回の掃引における速度を減少させながら樹脂を塗布することが可能となる。本実施形態のように、直線状にリコータ移動速度を変化させる場合は、樹脂の塗布開始時点における速度が一定であれば減速率を指定するのみでもよい。

このように制御を行うことにより、リコータの速度の制御がより容易となる。また、モータで、リコータを移動させると考えた場合、モータは一定の減速率で減速させることが極めて容易であるため、立体モデルの生産性がより向上する。

以上詳細に説明したように、リコータの速度制御を行うことにより、光硬化樹脂層を多層に重ねて立体モデルを形成する際の各層を均一に形成することが可能となる。本件発明者らの実験によれば、光造形方法によって積層される樹脂の各層が数μｍであっても、１層辺りの膜圧の誤差を１μｍ以下とすることが可能となり、高精度の造形を行うことが可能となる。

発明の実施の形態１にかかる光造形装置の概略構成を示す図である。 発明の実施の形態１にかかるリコータの移動距離と移動速度を示す図である。 発明の実施の形態２にかかるリコータの移動距離と移動速度を示す図である。 発明の実施の形態３にかかるリコータの移動距離と移動速度を示す図である。 従来の光造形装置における樹脂膜厚の変化を示す図である。

符号の説明

１ 光源
２ ＤＭＤ
３ 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 リコータ動作制御部
１０ 樹脂液
１１ 硬化樹脂
１００ 光造形装置
２０４ 造形テーブル
２０６ リコータ
２１０ 光硬化性樹脂

Claims (11)

1. 光硬化性樹脂液に選択的に光を照射して硬化樹脂層を形成し、該硬化樹脂層上にさらに前記光硬化性樹脂液を塗布して、前記光照射により硬化樹脂層を形成するサイクルを繰り返すことにより、該硬化樹脂層を順次積層して立体像を形成する光造形装置であって、
   テーブルと、
   前記テーブル上に前記光硬化性樹脂液を供給するディスペンサと、
   前記光硬化樹脂を塗布するリコータと、
   前記リコータの塗布動作時に、前記リコータの移動距離に基づいて、前記リコータの移動速度を減少させる制御部とを有する光造形装置。
2. 前記制御部は、前記リコータの移動距離に基づいて、前記リコータの移動速度を、移動距離に対して放物線状に減少させることを特徴とする請求項１に記載の光造形装置。
3. 前記制御部は、前記リコータの移動距離に基づいて、前記リコータの移動速度を、移動距離に対してステップ状に減少させることを特徴とする請求項１に記載の光造形装置。
4. 前記制御部は、前記リコータの移動距離に基づいて、前記リコータの移動速度を、移動距離に対して直線状に減少させることを特徴とする請求項１に記載の光造形装置。
5. 前記サイクル毎に形成する硬化樹脂層の厚さが２〜１０μｍである、請求項１〜４のいずれか一に記載の光造形装置。
6. 光硬化性樹脂液に選択的に光を照射して硬化樹脂層を形成し、該硬化樹脂層上にさらに前記光硬化性樹脂液を塗布して前記光照射による硬化樹脂層を形成するサイクルを繰り返すことにより、該硬化樹脂層を順次積層して立体像を形成する光造形方法であって、
   前記サイクル毎に前記光硬化性樹脂液を供給する工程と、
   前記光硬化樹脂液を、リコータの移動速度を当該リコータの移動距離に基づいて減少させながら塗布する工程とを有する光造形方法。
7. 前記リコータの移動速度は、当該リコータの移動距離に基づいて放物線状に減少することを特徴とする請求項６に記載の光造形方法。
8. 前記リコータの移動速度は、当該リコータの移動距離に基づいてステップ状に減少することを特徴とする請求項６に記載の光造形方法。
9. 前記リコータの移動速度は、当該リコータの移動距離に基づいて直線状に減少することを特徴とする請求項６に記載の光造形方法。
10. 前記サイクル毎に形成する硬化樹脂層の厚さが２〜１０μｍである、請求項６〜９のいずれか一に記載の光造形方法。
11. 前記光の照射は、投影領域を単位として、一括露光を繰り返すことにより実行することを特徴とする請求項１０に記載の光造形方法。

Images