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JP4519275B2 - Stereolithography apparatus and stereolithography method - Google Patents

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JP4519275B2
JP4519275B2 JP2000173965A JP2000173965A JP4519275B2 JP 4519275 B2 JP4519275 B2 JP 4519275B2 JP 2000173965 A JP2000173965 A JP 2000173965A JP 2000173965 A JP2000173965 A JP 2000173965A JP 4519275 B2 JP4519275 B2 JP 4519275B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マスクを作成し、マスクパターンに従って光硬化性樹脂を面露光して、光造形を行う光造形装置および光造形方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、光造形に関するデータを出力する三次元CAD等の制御手段を備え、この制御手段からのデータに従って、光硬化性樹脂を半導体レーザ等のレーザ光で露光して、光造形を行う光造形装置が知られている。
【0003】
この種のものは、一層分の樹脂の露光及び硬化に要する時間が長くなるため、近年、高速造形を目的としてマスクを作成し、このマスクパターンに従ってUVランプにより光硬化性樹脂を面露光するものが提案されている。
【0004】
この面露光装置は、光透過性部材に静電トナーを用いてマスクを形成し、これを未硬化樹脂層の上に重ねて、マスク越しに紫外光を照射して光硬化性樹脂を一度に面露光するものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の構成では、マスクを未硬化樹脂層の上に重ねて、マスク越しに紫外光を照射するので、その光は平行光としなければならない。
【0006】
この平行光をつくりだすため、従来、グリッドの使用が提案されているが、このグリッドを使用した場合、光量が10%程度ダウンするため、硬化時間が10倍程度に長くなるという問題がある。
【0007】
また、光源の出力を大きくすれば、硬化時間を短くできるが、この場合、使用電力が増し、ランニングコストが増すという問題がある。
【0008】
この光源には、水銀ランプ、メタルハライドランプ、或いは紫外線蛍光灯等が一般的に使用されるが、この光源を用いた場合、光源は常時点灯し、シャッターを用いて露光、遮光制御することが行われる。
【0009】
しかしながら、上記光源の発熱量は大きく、本装置の周囲温度を著しく上昇させるため、冷却装置が必要になると共に、特にこの熱により上記シャッターが変形して、その動作不良が発生する等の問題がある。
【0010】
さらに、従来の構成では、光硬化性樹脂を一括面露光する場合、この光硬化性樹脂の硬化収縮による歪みが発生し、レーザ光でいわば線状露光するものに比べて、造形精度が低下するという問題がある。
【0011】
そこで、本発明の目的は、従来技術が有する課題を解消し、グリッド等を使用することなく、簡単な構成で面露光を行うことができ、光源の発熱量を抑制することができ、しかも造形精度が低下することのない光造形装置および光造形方法を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明は、造形に関する1層分のデータに従って面露光に供されるマスクを作成し、このマスク越しに光硬化性樹脂の未硬化樹脂層を面露光し、この面露光操作を繰り返すことにより光造形する光造形装置において、露光用光源、レンズ、フレネルレンズ、作成した上記マスク、プロジェクションレンズおよび上記未硬化樹脂層の順に配置し、前記レンズで前記露光用光源の光を前記マスクの全域に広げる光学系を形成し、この光学系を用いてマスク越しに光硬化性樹脂の未硬化樹脂層を露光し、上記マスクが複数のマスクパターンを含み、各マスクパターンを前記マスクに作成するごとに前記露光用光源の光を照射し、複数のマスクパターンを用いて複数回に分けて上記1層分のデータに従う面露光を実行することを特徴とする。
【0020】
請求項記載の発明は、請求項1に記載のものにおいて、上記マスクが液晶素子で構成され、この液晶素子を制御することによって、上記複数のマスクパターンを順次作成することを特徴とする。
【0021】
請求項記載の発明は、請求項1または2に記載のものにおいて、上記露光用光源がストロボであることを特徴とする。
【0023】
請求項記載の発明は、光造形に関する1層分のデータに従って面露光に供されるマスクを作成し、このマスク越しに光硬化性樹脂の未硬化樹脂層を面露光し、この面露光操作を繰り返すことにより光造形する光造形方法であって、露光用光源、レンズ、フレネルレンズ、作成した上記マスク、プロジェクションレンズおよび上記未硬化樹脂層の順に配置し、前記レンズで前記露光用光源の光を前記マスクの全域に広げ、前記マスク越しに光硬化性樹脂の未硬化樹脂層を投影露光させる光学系を形成し、上記マスクが複数のマスクパターンを含み、各マスクパターンを前記マスクに作成するごとに前記露光用光源の光を照射し、複数のマスクパターンを用いて複数回に分けて上記1層分のデータに従う面露光を実行することを特徴とする。
【0024】
請求項記載の発明は、請求項記載のものにおいて、上記マスクが液晶素子で構成され、この液晶素子を制御することによって、上記複数のマスクパターンを順次作成することを特徴とする。
【0025】
請求項記載の発明は、請求項4または5に記載のものにおいて、上記露光用光源がストロボであることを特徴とする。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【0027】
図1において、1は光造形装置を示している。この光造形装置1は装置の下段に配置された造形ステージAと、装置の上段に配置されたマスク作成ステージBと、造形ステージAの図中左方に配置された光硬化性樹脂の供給ステージCとを備えて構成されている。
【0028】
この光造形装置1は、三次元CAD等からなる制御手段(図示せず)を備えている。装置上段のマスク作成ステージBでは、この制御手段からの光造形に関する1層分のデータに従って、光透過性部材(ガラス)にマスクを作成する。また、供給ステージCでは、樹脂供給用のユニットDを備え、このユニットDは造形ステージAに移動して、そこに位置する造形物上に1層分の光硬化性樹脂を塗布し、そこに未硬化樹脂層を形成する。
【0029】
この造形ステージAとマスク作成ステージB(後述する露光ステージF)との間は所定距離離れており、後述するプロジェクタの光学系を用いてマスク越しに装置下段の未硬化樹脂層を面露光して、光造形が行われる。
【0030】
上記の造形ステージAは、図2に示すように、造形テーブル3を備えている。この造形テーブル3は、略X字状の2つの伸縮リンク4を重ねて基礎5上に連結され、この伸縮リンク4にはサーボモータ6の出力軸が連結されている。そして、サーボモータ6の駆動によって伸縮リンク4を収縮させて、造形テーブル3を一層分毎に降下・制御自在に構成されている。
【0031】
上記の造形テーブル3の上面には、ステンレス板が貼られ、後述する一層目の未硬化樹脂層はこの上面に直接塗布される。
【0032】
この造形テーブル3上には造形物が光造形される。この光造形の手順として、まず、供給ステージCに位置するユニットDを駆動して、造形テーブル3(或いは造形物)の上に一層分の未硬化樹脂層が形成される。
【0033】
このユニットDは、タイミングベルト7に連結されている。このタイミングベルト7は一対のスプロケット8,9間に掛け渡されており、一方のスプロケット9には、ほかのタイミングベルト10が掛けられ、このタイミングベルト10は駆動モータ11のスプロケット12に掛け渡されている。
【0034】
従って、駆動モータ11を正逆回転させることにより、ユニットDが、タイミングベルト7に沿って図中を左右に移送される。
【0035】
ユニットDには、光硬化性樹脂を貯留して、層形成時に樹脂を供給するための樹脂供給ディッパ14、塗布した樹脂の液面を平坦にならすためのコーティングブレード15、及び光透過性を有するポリエステル・フィルム17を樹脂層から剥がしたり、樹脂層に張り付けたりするための剥がし・張付ローラ16が設けられている。上記のポリエステル・フィルム17は、造形テーブル3を挟んでその一端3aから他端3bに向けて張設されている。造形テーブル3の一端3aの外側にはトルクリミッタ付きのローラ19が設置され、フィルム17の一端17aは、このローラ19に巻回されている。このフィルム17の他端17bは、ローラ21、剥がし張付ローラ16、さらにローラ22を経た後、フィルム張替モータ23のローラ23aに巻回されている。24はテンションローラであり、このテンションローラ24は、エアーシリンダ25のロッドに連結され、フィルム17にテンションを掛ける方向に付勢されている。
【0036】
つぎに、ユニットDの動作を説明する。
【0037】
図2中で右上の駆動モータ11が正回転駆動されると、タイミングベルト7に沿って、ユニットDが、図2から図3の位置に向けて移送される。
【0038】
この移送の過程では、まず、剥がし・張付ローラ16でフィルム17を押さえながら、当該フィルム17が樹脂層から剥がされる。このようにフィルム17を剥がし・張付ローラ16で抑えながら剥がすので、フィルム17に張り付いた樹脂層が造形テーブル3から一緒に剥がされることがない。このフィルム17が剥がされた場合、このフィルム17の下面に若干の樹脂が張り付くことがある。この樹脂はユニットDに設けられたブレード20によって除去される。
【0039】
フィルム17が剥がされると同時に、造形物の上に、樹脂供給ディッパ14から新しい樹脂が供給され、新しい未硬化樹脂層が形成される。
【0040】
ユニットDが、タイミングベルト7で移送されて、図中で右端に達すると、造形テーブル3が樹脂一層の厚さ分だけ下げられる。
【0041】
ついで、駆動モータ11が逆回転駆動され、ユニットDが、タイミングベルト7に沿って、図3から図2の位置に向けて戻される。この逆移送の過程では、まず、コーティングブレード15が余分な樹脂を取り除いて、樹脂液面の高さを均一に平坦化して、その上に、剥がし・張付ローラ16で押さえながら、フィルム17が張り付けられる。これによれば、樹脂液面は所定高さに保持され、フィルム17が張り付けられた後、樹脂は、その位置に保持される。
【0042】
要するに、このフィルム17は、樹脂を保持するために張られる。従って、その機能を維持するものであれば、フィルム17に限定されるものではなく、例えば、光透過性を有するシート状のものであってもよい。
【0043】
上記の過程で、フィルム17は損傷する。例えば、造形テーブル3上における樹脂形成層の厚さが薄いときに、フィルム17が造形テーブル3の隅部に接触して、それによって損傷する。そこで、フィルム17が損傷した場合、図2の左端に位置する張り替えモータ23が駆動されて、トルクリミッタ付きのローラ19に巻かれているフィルム17が繰り出され、これによって当該フィルム17の使用領域が変更される。
【0044】
ユニットDの移動範囲においては、樹脂供給ディッパ14から供給される樹脂が垂れる可能性がある。
【0045】
この樹脂を回収するため、ユニットDの移動範囲の下方略全域をカバーするように、タンク27,28,29が設置され、これらタンク27,28,29で回収された樹脂はリターンタンク30に回収される。このリターンタンク30には樹脂が貯留され、この樹脂は、必要に応じて、図示を省略した供給系を通じて、樹脂供給ディッパ14に供給される。
【0046】
この造形ステージAでは、未硬化樹脂層の上にフィルム17が張られると、その上に、押し付けガラス108(図1)が密着・配置される。
【0047】
上記のマスク作成ステージBでは、図1に示すように、マスク作成手段41を備え、このマスク作成手段41を用いて、光透過性部材(ガラス)31にトナーを用いたマスクが作成される。
【0048】
このマスク作成手段41は、消磁ヘッド42、トナースクレーパ43、帯電ヘッド44及び現像器45を備え、この帯電ヘッド44は、図示を省略した制御手段から出力される1層分のデータに従って制御される。このマスク作成手段41は架台46に載置され、この架台46はピン46aで装置の固定部にヒンジ結合され、このマスク作成手段41は、ピン46aを支点にして、架台46毎昇降自在である。トナースクレーパ43はカバー47で覆われ、このカバー47にはトナー吸引ホース48が接続されている。
【0049】
ここでのトナーにはUV吸収材料として、酸化珪素、酸化アルミ、酸化チタン等を混入することが望ましい。UV吸収率は、10%以上、好ましくは30%以上、さらに好ましくは50%以上である。
【0050】
マスク作成ステージBの測方には、光透過性部材待機ステージEが設けられ、上記のガラス31は、光透過性部材待機ステージE、マスク作成ステージB及び露光テーブルF間をその順に往復動する。
【0051】
すなわち、光透過性部材待機ステージE、マスク作成ステージB及び露光テーブルF間には、回転駆動される一対のベルト33が2列に亘って延在する。このベルト33はプーリ34,35間に掛け渡され、一方のプーリ35にはベルト36を介して駆動モータ37のプーリ37aが連結されている。
【0052】
上記のベルト33には、ガラス31の下面の突起(図示せず)が引っ掛けられ、従って、駆動モータ37を正逆回転させると、ベルト33が正逆方向に移動し、これによってガラス31が各ステージ間を往復動する。
【0053】
上記の各ステージE、B、F間に跨って、一本の作動バー38が設置されている。この作動バー38の両端部には、ストッパ39,40が固定されている。上記のガラス31が、光透過性部材待機ステージEに入って、ストッパ40に当接した時(図1における図示の状態)、ガラス31に押されて作動バー38が図中右方に移動する。そうすると、この作動バー38の途中に固定されたカム部材51が、作動バー38と一体に図中右方に移動し、このカム部材51の傾斜したカム面51aによって、上記のマスク作成手段41が、ピン46aを支点にして、矢印Xの方向に架台46毎跳ね上げられる。
【0054】
一方、上記のガラス31が、露光ステージFに入って、ストッパ39に当接した時、ガラス31に押されて作動バー38が図中左方(矢印Z方向)に移動する。そうすると、この作動バー38の途中に固定されたカム部材51が、作動バー38と一体に図中左方に移動し、このカム部材51の傾斜したカム面51aに沿って、上記のマスク作成手段41が、ピン46aを支点にして矢印Yの方向にマスク作成位置まで架台46毎降下する。
【0055】
つぎに、ガラス31へのマスク作成の動作を説明する。
【0056】
このマスクは、ガラス31が、露光ステージFから光透過性部材待機ステージE側に送られる過程で作成される。この場合、上述したように、マスク作成手段41はマスク作成位置に降下している。
【0057】
このガラス31が、マスク作成ステージBに入ると、まず、ガラス31の表面が消磁ヘッド42で消磁され、トナースクレーパ43で前回分のトナーが除去される。ついで、帯電ヘッド44が、図示を省略した制御手段から出力される1層分のデータに従って制御され、ガラス31の表面が、その1層分のデータに従って帯電される。そして、現像器45でトナーがのせられ、ガラス表面にマスクが作成された後、光透過性部材待機ステージEに送られる。
【0058】
ガラス31が、光透過性部材待機ステージEに送られると、上述のようにマスク作成手段41が跳ね上げられてその下に隙間ができる。このマスクの作成されたガラス31が、透過性部材待機ステージEから露光ステージFに送られる場合、上記の隙間を通って送られる。そして、ガラス31が、露光ステージFに送られて、ストッパ39に当接すると、上述のように、マスク作成手段41がマスク作成位置に降下し、そこに待機する。
【0059】
この露光ステージFの上方には、図1に示すように、ガラス31のマスク越しに光硬化性樹脂を面露光する露光装置(照明器具)53が設けられている。この露光装置53は、例えば、水銀ランプ、メタルハライドランプ、或いは紫外線蛍光灯等からなる光源を収容している。
【0060】
この露光装置53からの光は、ガラス31を透過し、露光ステージFの下方に延びる固定の覆い部材54の内部を進行し、シャッター99および後述するプロジェクトレンズ101、および固定フード伸縮自在なフード55の内部を経て、押し付けガラス108を透過して光硬化性樹脂を面露光する。
【0061】
このフード55は、図4に示すように、ワイヤ56で吊り下げられ、このワイヤ56は固定の滑車57を経て、巻き上げプーリ58に連結されている。この巻き上げプーリ58には、ベルト59が掛けられ、このベルト59はモータ60の出力軸に固定されたプーリ61に掛けられている。
【0062】
この実施形態では、上記モータ60を正逆回転させることによって、図4および図5に示すように、フード55を昇降させることができる。
【0063】
このフード55が降下して、図5に示すように、フード55が押し付けガラス108および樹脂を覆った時、造形ステージAでは、後述するように、フード55と押し付けガラス108とが位置決めされる。なお、図4〜図5において、符号63はガイドポストである。
【0064】
図4を参照して、造形テーブル3の下には一対のシリンダ71,72が配置されている。各シリンダ71,72のロッドには水平バー73が連結され、この水平バー73の両端には、鉛直上方に延びる一対の操作ロッド74,75が軸線廻りを回転自在に連結されている。各操作ロッド74,75の外周にはスリーブ76が固定され、このスリーブ76の外周にはリード溝76aが形成されている。このリード溝76aは螺旋状に延び、このリード溝76aには、固定部材78に固定されたピン77が嵌合されている。
【0065】
押し付けガラス108は、案内レール67に保持されて、図4に示す矢印Xの方向から造形テーブル3上に搬入される。この押し付けガラス108がフィルム17の上に重ねられると、造形テーブル3が一層分だけ下降制御され、ついで図5に示すように、フード55が降下される。
【0066】
このフード55の下端55aが押し付けガラス108に当接すると、図5に示すように、シリンダ71,72のロッドが伸張し、水平バー73が押し下げられ、一対の操作ロッド74,75が一体的に降下する。
【0067】
この降下の過程では、リード溝76aの形状に沿って、操作ロッド74,75が軸廻りに回転し、操作ロッド74,75の上端の固定子74a,75aが、図4から図5に示す位置に向きを変え、固定子74a,75aの突起103が、フード55の下端55bを押し下げて固定する。
【0068】
造形ステージAでの一層分の光造形が終了すると、ガラス31は、上述したように、マスク作成ステージBに送られる。
【0069】
この実施形態では、図6に示すように、光透過性部材31と未硬化樹脂層96とが所定距離L1離間して配置され、マスク越しに光硬化性樹脂の未硬化樹脂層96を投影露光させる光学系90が設けられる。この光学系90が、反射鏡91と、メタルハライドランプ(照明器具)92と、このメタルハライドランプ92からの光をガラス31の全域に広げるためのレンズ93と、フレネルレンズ94と、ガラス31と、シャッター99と、プロジェクションレンズ101と、未硬化樹脂層96の順に配置して構成される。この未硬化樹脂層96は、上述したように、造形テーブル3の上に順次形成される光硬化性樹脂からなる樹脂層である。なお、フレネルレンズ94は省略が可能である。
【0070】
この装置による光造形の手順を説明すると、まず、図1を参照して、3次元CADによる制御手段(図示せず)からのデータに従ってガラス31にトナーマスクが形成され、このガラス31が露光ステージFに搬入されると共に、造形テーブル3の上に未硬化樹脂層96が形成される。
【0071】
また、図6を参照して、メタルハライドランプ92は常時点灯である。このメタルハライドランプ92からの光はレンズ93に入り、このレンズ93によってフレネルレンズ94及びガラス31の全域に広げられる。このフレネルレンズ94は集光効率を向上させている。
【0072】
ついで、シャッター99が開かれると、メタルハライドランプ92からの光がプロジェクションレンズ(焦点合わせ手段)101に入り、このプロジェクションレンズ101を介して焦点合わせが行われ、この焦点が合った状態で、マスク以外の部分を透過した光によって未硬化樹脂層96が露光される。上記露光操作が繰り返されて光造形が実行される。
【0073】
この実施形態では、従来の構成と異なって平行光をつくりだすためのグリッドが不要になるので、未硬化樹脂層96に到達する光量が減少することはなく、硬化時間の短縮化が図られる。
【0074】
図7は、光学系の別の実施形態を示す。
【0075】
この実施形態では、光透過性部材31と未硬化樹脂層96とが所定距離L2離間して配置され、マスク越しに光硬化性樹脂の未硬化樹脂層96を投影露光させる光学系80が設けられる。この光学系80が、反射鏡81と、メタルハライドランプ(照明器具)82と、このメタルハライドランプ82からの光を広げるためのレンズ83と、シャッター89と、フレネルレンズ84と、ガラス31と、未硬化樹脂層96の順に配置して構成される。
【0076】
この未硬化樹脂層96は、上述したように、造形テーブル3の上に順次形成される光硬化性樹脂からなる樹脂層である。
【0077】
メタルハライドランプ82は常時点灯である。このメタルハライドランプ82からの光はシャッター89が開かれるとレンズ83に入り、このレンズ83によってフレネルレンズ84の全域に広げられる。このフレネルレンズ84は平行光を形成し、このフレネルレンズ84を経た平行光は、ガラス31のマスク越しに未硬化樹脂層96を面露光する。
【0078】
これらのレンズ83、84は平行光形成用部材を構成するが、この構成に限定されるものではなく、例えばミラー等の組み合わせによって、平行光を形成してもよいことは明らかである。
【0079】
この実施形態では、従来の構成と異なって平行光をつくりだすためのグリッドが不要になるので、未硬化樹脂層96に到達する光量が減少することはなく、硬化時間の短縮化が図られる。
【0080】
つぎに、マスクの作成時に行われるデータ補正について説明する。
【0081】
上記光学系を用いて投影露光する場合、図8aに示すように、例えば正規の四角形を得たいとして、そのデータのまま投影露光すると、図8bに示すように、歪曲収差が生じ、特に四辺部周辺形状に歪みがでる。
【0082】
そこで、マスクの作成時に用いられるデータを、図8cに示すように、四辺部凸湾曲させてあらかじめ補正しておけば、補正後のデータに基づいて投影露光することにより、図8dに示すように、未硬化樹脂層96上に、本来の正規の四角形状が得られる。
【0083】
これを図9の処理フローに従い説明すると、まず、図8aに相当する輪郭形状データを求め(S1)、このデータから座標(X1,Y1)(X2,Y2)の割り出しを行う(S2)。この割り出した座標に、あらかじめ補正位置データベースに記憶させておいた、図8bに示す補正値(X1’,Y1’)(X2’,Y2’)を割り付け(S3)、図8cに示す補正形状データ(X1”,Y1”)(X2”,Y2”)を求める(S4)。
【0084】
ついで、別のデータがあるか否かを見て(S5)、それがある限りS1〜S4を繰り返して行い、別のデータがなくなったならば、この輪郭で囲まれた部分の塗りつぶしを行う(S6)。このようにして得た補正後のデータに基づいて投影露光することにより、図8dに示すように、未硬化樹脂層96上に、本来の正規の四角形状が得られる。
【0085】
図10は別の実施形態による処理フローを示す。図9に示す処理が、輪郭形状を求めて、これらで囲まれた枠内を塗りつぶしてデータを得ていたのに対し、本実施形態では、ビットマップで処理が行われる。図8aに相当する形状データを点群データで求め(S11)、このデータから座標(X1,Y1)(X2,Y2)の割り出しを行う(S12)。この割り出した座標に、あらかじめ補正位置データベースに記憶させておいた、図8bに示す補正値(X1’,Y1’)(X2’,Y2’)を割り付け(S13)、図8cに示す補正形状データ(X1”,Y1”)(X2”,Y2”)を求める(S14)。
【0086】
ついで、別のデータがあるか否かを見て(S15)、それがなくなるまで、S11〜S14が繰り返して行われる。
【0087】
これによれば、S11〜S14のステップを、点群で行う分だけ処理時間がかかるものの、上記実施形態と同様に、このようにして得た補正後のデータに基づいて投影露光することにより、図8dに示すように、未硬化樹脂層96上に、正規の四角形状を得ることができる。
【0088】
図11は、別の実施形態を示す。
【0089】
この実施形態では、図6に示した装置と比較した場合、まず第一に、光源192がストロボで構成される点で相違する。第二に、光透過性部材からなるマスクが液晶マスク131で構成される点で相違する。ただし、この液晶マスク131を使用した場合、図1に示したものとは異なり、このマスク131が上記露光テーブルF上に固定されることになる。
【0090】
図11では、マスク131と未硬化樹脂層96とが所定距離L1離間して配置され、マスク越しに光硬化性樹脂の未硬化樹脂層96を投影露光させる光学系90を備える。この光学系90が、反射鏡91と、ストロボ光源(照明器具)92と、このストロボ光源92からの光をガラス31の全域に広げるためのレンズ93と、フレネルレンズ94と、マスク131と、プロジェクションレンズ101と、未硬化樹脂層96の順に配置して構成される。
【0091】
この場合、図6で使用したシャッターが不要になる。192Aは充放電装置、123は液晶マスクを制御する制御装置である。上記未硬化樹脂層96は、造形テーブル3の上に順次形成される光硬化性樹脂からなる樹脂層である。なお、フレネルレンズ94は省略が可能である。
【0092】
本実施形態では、ストロボ光源192が使用されるため、シャッターが不要になると共に、この光源192の発熱量が抑制される。従って、それほど大きな冷却装置が必要なくなると共に、当然に、シャッターが変形してその動作不良が発生する等の問題が解消される。また、光源192の発熱量が小さくなるため、未硬化樹脂層96に与える熱影響が解消される。
【0093】
なお、図示は省略したが、図7に相当する装置に対しても、上記ストロボ光源及び液晶マスクを採用可能なことはいうまでもない。
【0094】
本実施形態では、図11に示すように、液晶マスク131に接続された制御装置123を有する。この制御装置123は三次元CAD等を含み、造形すべき立体モデルを例えば水平方向に薄くスライスした1層分の断面データを出力すると共に、この出力データに基づいてマスクを作成する。
【0095】
この制御装置123が動作すると、マスク131を構成する液晶素子に対し1層分のデータに従う所定の電圧が印加される。
【0096】
このマスク131を構成する液晶素子は、図12において、例えば、X方向およびY方向に延びる図示を省略した複数の電極を有し、光を透過遮断制御する画素部が、このX、Y電極の交点で形成される。
【0097】
本実施形態では、上記1層分のデータが、図12において、縦L1、横L2の矩形を表す断面データである場合、図12a、図12bに示す2種類のマスクパターンに従って、2回に分けて面露光することにより、当該矩形を表す断面データに従う樹脂の硬化が実行される。図12では、斜線が、光を遮蔽する部分100を示し、白抜きが、光を透過する部分200を示す。
【0098】
すなわち、制御装置123が動作し、複数の電極へ印加される電圧が制御されて、まず、図12aに示すように、中央部分に光を透過する部分200が形成され、その周囲に光を遮蔽する部分100が形成される。
【0099】
この状態で、ストロボ光源192が点灯される。すると、光を透過する部分200を通じて、中央部分の未硬化樹脂層96に光が到達して、この部分200に相当する未硬化樹脂層96が硬化する。
【0100】
ついで、制御装置123が動作し、図12bに示すように、中央部分に光を遮蔽する部分100が形成され、その周囲に光を透過する部分200が形成される。この状態で、ストロボ光源192が点灯される。すると、光を透過する部分200を通じて、周辺部分の未硬化樹脂層96に光が到達して、この部分200に相当する未硬化樹脂層96が硬化する。
【0101】
図12a、図12bに示す光透過部分200を重ね合わせると、縦L1、横L2の矩形を表す断面データに従う露光範囲と一致する。
【0102】
上記構成では、縦L1、横L2の矩形を表す断面データに従って、未硬化樹脂層96を硬化する場合、図12a、図12bに示す2種類のマスクパターンに従って、2回に分けて面露光するため、縦L1、横L2の矩形を表す断面データに従う未硬化樹脂層96を一度に面露光する場合に比べて、光硬化性樹脂の硬化収縮による歪みの発生が抑制される。
【0103】
従って、例えば、レーザ光で露光する従来のものとほぼ同程度に、造形精度を維持することができる。
【0104】
上記マスクパターンには種々のものが提案される。例えば、図13a、図13bに示すように、縦L1、横L2の矩形を表す断面データに従う露光範囲が設定される場合、上記マスクパターンは、光を遮蔽する部分100と、光を透過する部分200とが市松模様状に形成される。図14a、図14bに示すマスクパターンは、光を遮蔽する部分100と、光を透過する部分200とが短冊模様状に形成される。これらの場合も、各図に示す光透過部分200を重ね合わせると、当該矩形を表す断面データに従う露光範囲と一致する。
【0105】
図15a〜図15cに示すマスクパターンを用いた場合には、3回に分けて面露光する。図15aでは、まず、十文字状の光透過部分200を用いて露光し、図15bでは、残りの部分の内、4隅を除いた形状の光透過部分200を用いて露光し、図15cでは、上記4隅の光透過部分200を用いて露光する。
【0106】
図16a〜図16dに示すマスクパターンを用いた場合には、4回に分けて面露光する。この場合、図16aでは、まず、中央の四角形状の光透過部分200を用いて露光し、図16b以降では、既に露光した部分を除いて、四角形状を徐々に広げた光透過部分200を用いて露光する。また、図17a〜図17dに示すマスクパターンを用いた場合、4回に分けて面露光し、図18a〜図18hに示すパターンを用いた場合、8回に分けて面露光し、図19a〜図19cに示すパターンを用いた場合、3回に分けて面露光する。
【0107】
いずれの場合も、各図に示す光透過部分200を重ね合わせると、当該矩形を表す断面データに従う露光範囲と一致する。
【0108】
図20a〜図20dに示すマスクパターンを用いた場合、4回に分けて面露光する。この場合、図20a、図20bに示す光透過部分200を重ね合わせると、当該矩形を表す断面データに従う露光範囲と一致し、図20c、図20dに示す光透過部分200を重ね合わせると、当該矩形を表す断面データに従う露光範囲と一致する。これによれば、本来の露光範囲を2回に亘って露光することになるため、1回の露光時間が半分の露光時間とされる。
【0109】
図12〜図19において、例えば、各マスクパターンを用いた露光時間が3〜5秒に設定されれば、図20においては、各マスクパターンを用いた露光時間が1.5〜2.5秒に設定される。
【0110】
いずれの実施形態においても、縦L1、横L2の矩形を表す断面データに従って、未硬化樹脂層96を硬化する場合、複数種類のマスクパターンに従って、複数回に分けて、部分的或いは段階的に面露光するため、縦L1、横L2の矩形を表す断面データに従う未硬化樹脂層96を一度に面露光する場合に比べ、光硬化性樹脂の硬化収縮による歪みの発生が抑制される。
【0111】
従って、上述したように、レーザ光で露光する従来のものとほぼ同程度に、造形精度を維持することができる。
【0112】
図21は、上記マスクパターンの作成フローを示す。
【0113】
S1〜S3は、上記1層分の断面データの作成手順である。三次元CAD等からのデータを読み込み(S1)、このデータをスライスして上記断面データを作成する(S2)。そして、この断面データにサポート(造形中に造形物を支持する部材)に関するデータを付与する(S3)。
【0114】
ついで、造形物(モデル)の積層数が終了したか否かを判断し(S4)、終了していない場合、モデル及びサポートの塗りつぶしデータ(上記1層分の断面データ)を計算し、記憶する(S5)。つぎに、一つ目の上記マスクパターン(例えば、図12a)を用いた場合の、塗りつぶしパターンを計算し、記憶し(S6)、モデル及びサポートとマスクパターンの論理積を算出し、マスク作成をおこない(S7)、そして、露光する(S8)。
【0115】
さらに、マスクパターンが終了したか否かを判断し(S9)、終了していない場合、S6に移行し、二つ目の上記マスクパターン(例えば、図12b)を用いた場合の、塗りつぶしパターンを計算し、これに基づいてマスク作成をおこない、そして、露光する(S8)。
【0116】
上記S9で、マスクパターンが終了した場合、S4に移行して、次の層のマスクを作成し、露光を実行する。
【0117】
これらの処理が進み、上記S4で、モデルの積層数が終了した場合、S10に移行して、光造形を終了する。
【0118】
本実施形態によれば、複数回に分けて、部分的或いは段階的に面露光するため、従来のように、一度に面露光する場合に比べて、光硬化性樹脂の硬化収縮による歪みの発生を抑制することができる。
【0119】
以上、一実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は、これに限定されるものでないことは明らかである。
【0120】
例えば、上記実施形態では、造形物を上下に積層・造形する光造形について説明したが、造形物が大型化した場合には、上下に積層せずに、横方向に積層して光造形することが可能である。この場合、光学系も同様に横向きに配置されることはいうまでもない。
【0121】
【発明の効果】
本発明によれば、樹脂露光面に対して効率よく、精度よく、しかも安価に光エネルギを到達させることができる。また、光源の発熱量を抑制でき、且つ造形精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による光造形装置の一実施形態を示す正面図である。
【図2】造形ステージを示す正面図である。
【図3】ユニットの移動を示す正面図である。
【図4】造形ステージでの位置決めを示す正面図である。
【図5】照明装置のフードを降下させた正面図である。
【図6】光学系を示す斜視図である。
【図7】光学系の別の実施形態を示す斜視図である。
【図8】データ補正を説明する図である。
【図9】一実施形態のフローチャートである。
【図10】別の実施形態のフローチャートである。
【図11】別の実施形態を示す図6相当図である。
【図12】a、bはそれぞれマスクパターンを示す図である。
【図13】a、bはそれぞれマスクパターンを示す図である。
【図14】a、bはそれぞれマスクパターンを示す図である。
【図15】a〜cはそれぞれマスクパターンを示す図である。
【図16】a〜dはそれぞれマスクパターンを示す図である。
【図17】a〜dはそれぞれマスクパターンを示す図である。
【図18】a〜hはそれぞれマスクパターンを示す図である。
【図19】a〜cはそれぞれマスクパターンを示す図である。
【図20】a〜dはそれぞれマスクパターンを示す図である。
【図21】マスク作成手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
1 光造形装置
3 造形テーブル
14 樹脂供給ディッパ
31 ガラス
41 マスク作成手段
53 露光装置
80,90 光学系
81,91 反射鏡
82,92 メタルハライドランプ(照明器具)
84,94 フレネルレンズ
96 未硬化樹脂層
89,99 シャッター
101 プロジェクションレンズ
131 液晶マスク
123 制御装置
192 ストロボ光源
192A 充放電装置
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical modeling apparatus and an optical modeling method for creating a mask, subjecting a photocurable resin to surface exposure according to a mask pattern, and performing optical modeling.
[0002]
[Prior art]
In general, an optical modeling apparatus that includes a control unit such as a three-dimensional CAD that outputs data related to optical modeling, and performs optical modeling by exposing a photocurable resin with a laser beam such as a semiconductor laser according to data from the control unit. It has been known.
[0003]
Since this type of resin takes a long time to expose and cure a single layer of resin, in recent years, a mask has been created for the purpose of high-speed modeling, and a photocurable resin is surface-exposed with a UV lamp in accordance with this mask pattern. Has been proposed.
[0004]
This surface exposure apparatus forms a mask using an electrostatic toner on a light transmissive member, superimposes it on an uncured resin layer, and irradiates ultraviolet light through the mask to apply the photocurable resin at once. Surface exposure is performed.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional configuration, since the mask is overlaid on the uncured resin layer and the ultraviolet light is irradiated through the mask, the light must be parallel light.
[0006]
In order to produce this parallel light, the use of a grid has been proposed in the past. However, when this grid is used, the amount of light is reduced by about 10%, and there is a problem that the curing time becomes about 10 times longer.
[0007]
Further, if the output of the light source is increased, the curing time can be shortened. However, in this case, there is a problem that the power used increases and the running cost increases.
[0008]
As this light source, a mercury lamp, a metal halide lamp, an ultraviolet fluorescent lamp or the like is generally used. When this light source is used, the light source is always turned on, and exposure and shading control are performed using a shutter. Is called.
[0009]
However, since the amount of heat generated by the light source is large and the ambient temperature of the apparatus is significantly increased, a cooling device is required, and in particular, the heat causes deformation of the shutter, resulting in malfunction. is there.
[0010]
Further, in the conventional configuration, when the photo-curing resin is subjected to the collective surface exposure, distortion due to the curing shrinkage of the photo-curing resin is generated, and the modeling accuracy is lower than that of the linear exposure with the laser light. There is a problem.
[0011]
Therefore, the object of the present invention is to solve the problems of the prior art, to perform surface exposure with a simple configuration without using a grid or the like, to suppress the heat generation amount of the light source, and to form An object of the present invention is to provide an optical modeling apparatus and an optical modeling method in which accuracy does not decrease.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
  According to the first aspect of the present invention, a mask to be subjected to surface exposure is created according to data for one layer relating to modeling, an uncured resin layer of a photocurable resin is surface exposed through the mask, and this surface exposure operation is performed. In an optical modeling apparatus that performs optical modeling by repeating,Exposure light source, lens,Arrange the Fresnel lens, the created mask, the projection lens, and the uncured resin layer in this order.The light from the exposure light source is spread over the entire area of the mask by the lens.Forming an optical system, exposing the uncured resin layer of the photocurable resin through the mask using the optical system, and the mask includes a plurality of mask patterns;Irradiate the light of the exposure light source each time each mask pattern is created on the mask,Surface exposure is performed in accordance with the data for one layer in a plurality of times using a plurality of mask patterns.
[0020]
  Claim2The described invention is claimed.1In the description, the mask is formed of a liquid crystal element, and the plurality of mask patterns are sequentially formed by controlling the liquid crystal element.
[0021]
  Claim3The described invention is claimed.1 or 2The exposure light source is a strobe.
[0023]
  Claim4The described invention creates a mask to be subjected to surface exposure according to the data for one layer relating to the optical modeling, exposes the uncured resin layer of the photocurable resin through the mask, and repeats this surface exposure operation. An optical modeling method for optical modeling withExposure light source, lens,Arrange the Fresnel lens, the created mask, the projection lens, and the uncured resin layer in this order.The light of the exposure light source is spread over the entire area of the mask by the lens, and the uncured resin layer of the photocurable resin is projected and exposed through the mask.Forming an optical system, wherein the mask includes a plurality of mask patterns;Irradiate the light of the exposure light source each time each mask pattern is created on the mask,Surface exposure is performed in accordance with the data for one layer in a plurality of times using a plurality of mask patterns.
[0024]
  Claim5The described invention is claimed.3In the description, the mask is formed of a liquid crystal element, and the plurality of mask patterns are sequentially formed by controlling the liquid crystal element.
[0025]
  Claim6The described invention is claimed.4 or 5The exposure light source is a strobe.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0027]
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes an optical modeling apparatus. This stereolithography apparatus 1 includes a modeling stage A arranged at the lower stage of the apparatus, a mask creation stage B arranged at the upper stage of the apparatus, and a supply stage of a photocurable resin arranged on the left side of the modeling stage A in the drawing. C.
[0028]
This stereolithography apparatus 1 is provided with a control means (not shown) composed of a three-dimensional CAD or the like. In the mask creation stage B in the upper stage of the apparatus, a mask is created on the light transmissive member (glass) according to the data for one layer relating to the optical shaping from the control means. In addition, the supply stage C includes a unit D for resin supply, and the unit D moves to the modeling stage A to apply one layer of photocurable resin on the modeling object located there, An uncured resin layer is formed.
[0029]
The modeling stage A and the mask creation stage B (exposure stage F, which will be described later) are separated from each other by a predetermined distance, and the uncured resin layer at the lower stage of the apparatus is surface-exposed through the mask using the optical system of the projector which will be described later. Stereolithography is performed.
[0030]
The modeling stage A includes a modeling table 3 as shown in FIG. The modeling table 3 is connected to a foundation 5 by superposing two substantially X-shaped expansion / contraction links 4, and an output shaft of a servo motor 6 is connected to the expansion / contraction link 4. And the expansion link 4 is contracted by the drive of the servo motor 6, and the modeling table 3 is configured to be lowered and controlled every one minute.
[0031]
A stainless steel plate is affixed to the upper surface of the modeling table 3, and a first-layer uncured resin layer described later is directly applied to the upper surface.
[0032]
On the modeling table 3, a model is optically modeled. As an optical modeling procedure, first, the unit D located on the supply stage C is driven, and an uncured resin layer for one layer is formed on the modeling table 3 (or modeled object).
[0033]
This unit D is connected to the timing belt 7. The timing belt 7 is stretched between a pair of sprockets 8 and 9, and another timing belt 10 is stretched on one sprocket 9, and this timing belt 10 is stretched on a sprocket 12 of a drive motor 11. ing.
[0034]
Accordingly, by rotating the drive motor 11 forward and backward, the unit D is moved left and right in the drawing along the timing belt 7.
[0035]
The unit D stores a photocurable resin and has a resin supply dipper 14 for supplying the resin at the time of layer formation, a coating blade 15 for leveling the liquid level of the applied resin, and light transmittance. A peeling / sticking roller 16 is provided for peeling the polyester film 17 from the resin layer or sticking it to the resin layer. The polyester film 17 is stretched from one end 3a to the other end 3b with the modeling table 3 interposed therebetween. A roller 19 with a torque limiter is installed outside the one end 3 a of the modeling table 3, and one end 17 a of the film 17 is wound around the roller 19. The other end 17 b of the film 17 passes through the roller 21, the peeling and tensioning roller 16, and the roller 22, and is then wound around the roller 23 a of the film stretching motor 23. A tension roller 24 is connected to a rod of the air cylinder 25 and is urged in a direction to apply tension to the film 17.
[0036]
Next, the operation of the unit D will be described.
[0037]
When the upper right drive motor 11 in FIG. 2 is driven to rotate forward, the unit D is transferred along the timing belt 7 from the position shown in FIG. 2 to the position shown in FIG.
[0038]
In this transfer process, first, the film 17 is peeled from the resin layer while the film 17 is pressed by the peeling / tensioning roller 16. In this way, the film 17 is peeled off while being held down by the sticking roller 16, so that the resin layer stuck to the film 17 is not peeled off from the modeling table 3 together. When the film 17 is peeled off, some resin may stick to the lower surface of the film 17. This resin is removed by the blade 20 provided in the unit D.
[0039]
At the same time as the film 17 is peeled off, new resin is supplied from the resin supply dipper 14 on the modeled object, and a new uncured resin layer is formed.
[0040]
When the unit D is transferred by the timing belt 7 and reaches the right end in the figure, the modeling table 3 is lowered by the thickness of one resin layer.
[0041]
Next, the drive motor 11 is driven to rotate in the reverse direction, and the unit D is returned along the timing belt 7 from the position shown in FIG. In this reverse transfer process, first, the coating blade 15 removes excess resin, flattens the level of the resin liquid surface, and then the film 17 is pressed while being pressed by the peeling / stretching roller 16. It is pasted. According to this, the resin liquid level is held at a predetermined height, and after the film 17 is attached, the resin is held at that position.
[0042]
In short, the film 17 is stretched to hold the resin. Therefore, as long as the function is maintained, it is not limited to the film 17, and may be, for example, a sheet having light transmittance.
[0043]
In the above process, the film 17 is damaged. For example, when the thickness of the resin forming layer on the modeling table 3 is thin, the film 17 contacts the corner of the modeling table 3 and is damaged thereby. Therefore, when the film 17 is damaged, the re-covering motor 23 located at the left end in FIG. 2 is driven, and the film 17 wound around the roller 19 with a torque limiter is fed out. Be changed.
[0044]
In the movement range of the unit D, the resin supplied from the resin supply dipper 14 may droop.
[0045]
In order to collect this resin, tanks 27, 28, and 29 are installed so as to cover almost the entire area below the moving range of unit D, and the resin collected in these tanks 27, 28, and 29 is collected in return tank 30. Is done. Resin is stored in the return tank 30, and the resin is supplied to the resin supply dipper 14 through a supply system (not shown) as necessary.
[0046]
In the modeling stage A, when the film 17 is stretched on the uncured resin layer, the pressing glass 108 (FIG. 1) is closely attached and disposed thereon.
[0047]
As shown in FIG. 1, the mask creation stage B includes a mask creation unit 41, and a mask using toner is created on the light transmissive member (glass) 31 using the mask creation unit 41.
[0048]
The mask creating means 41 includes a demagnetizing head 42, a toner scraper 43, a charging head 44, and a developing device 45. The charging head 44 is controlled according to data for one layer output from a control means (not shown). . The mask creating means 41 is placed on a gantry 46, and the gantry 46 is hinged to a fixed portion of the apparatus by a pin 46a. The mask creating means 41 can be moved up and down with the pin 46a as a fulcrum. . The toner scraper 43 is covered with a cover 47, and a toner suction hose 48 is connected to the cover 47.
[0049]
It is desirable to mix silicon oxide, aluminum oxide, titanium oxide or the like as the UV absorbing material in the toner here. The UV absorption rate is 10% or more, preferably 30% or more, more preferably 50% or more.
[0050]
For the measurement of the mask creation stage B, a light transmissive member standby stage E is provided, and the glass 31 reciprocates between the light transmissive member standby stage E, the mask creation stage B, and the exposure table F in that order. .
[0051]
That is, between the light transmitting member standby stage E, the mask making stage B, and the exposure table F, a pair of rotationally driven belts 33 extend in two rows. The belt 33 is stretched between pulleys 34 and 35, and a pulley 37 a of a drive motor 37 is connected to one pulley 35 via a belt 36.
[0052]
A protrusion (not shown) on the lower surface of the glass 31 is hooked on the belt 33. Therefore, when the drive motor 37 is rotated forward and backward, the belt 33 moves in the forward and reverse directions, whereby the glass 31 is moved to each direction. Reciprocate between stages.
[0053]
A single actuating bar 38 is installed across the above stages E, B, and F. Stoppers 39 and 40 are fixed to both ends of the operation bar 38. When the glass 31 enters the light transmissive member standby stage E and comes into contact with the stopper 40 (as shown in FIG. 1), it is pushed by the glass 31 and the operating bar 38 moves to the right in the drawing. . Then, the cam member 51 fixed in the middle of the operation bar 38 moves to the right in the drawing together with the operation bar 38, and the mask creating means 41 is moved by the inclined cam surface 51a of the cam member 51. The base 46 is flipped up in the direction of the arrow X with the pin 46a as a fulcrum.
[0054]
On the other hand, when the glass 31 enters the exposure stage F and comes into contact with the stopper 39, it is pushed by the glass 31 and the operating bar 38 moves to the left (in the direction of arrow Z) in the drawing. Then, the cam member 51 fixed in the middle of the actuating bar 38 moves to the left in the figure together with the actuating bar 38, and the mask creating means is moved along the inclined cam surface 51 a of the cam member 51. 41 descends with the mount 46 in the direction of arrow Y to the mask creation position with the pin 46a as a fulcrum.
[0055]
Next, an operation for creating a mask on the glass 31 will be described.
[0056]
This mask is created in the process in which the glass 31 is sent from the exposure stage F to the light transmitting member standby stage E side. In this case, as described above, the mask creation means 41 is lowered to the mask creation position.
[0057]
When the glass 31 enters the mask making stage B, first, the surface of the glass 31 is demagnetized by the demagnetizing head 42 and the toner for the previous time is removed by the toner scraper 43. Next, the charging head 44 is controlled according to the data for one layer output from the control means (not shown), and the surface of the glass 31 is charged according to the data for that one layer. Then, after the toner is put on the developing unit 45 and a mask is formed on the glass surface, it is sent to the light transmitting member standby stage E.
[0058]
When the glass 31 is sent to the light transmissive member standby stage E, the mask creating means 41 is flipped up as described above, and a gap is formed below it. When the glass 31 on which the mask is created is sent from the transparent member standby stage E to the exposure stage F, it is sent through the gap. When the glass 31 is sent to the exposure stage F and comes into contact with the stopper 39, as described above, the mask creating means 41 is lowered to the mask creating position and stands by there.
[0059]
Above the exposure stage F, as shown in FIG. 1, an exposure device (lighting fixture) 53 for exposing the photocurable resin to the surface through the mask of the glass 31 is provided. The exposure device 53 contains a light source such as a mercury lamp, a metal halide lamp, or an ultraviolet fluorescent lamp.
[0060]
The light from the exposure device 53 passes through the glass 31 and travels inside the fixed cover member 54 extending below the exposure stage F, and the shutter 99, the project lens 101 described later, and the fixed hood telescopic hood 55. Then, the light curable resin is surface-exposed through the pressing glass 108.
[0061]
As shown in FIG. 4, the hood 55 is suspended by a wire 56, and the wire 56 is connected to a winding pulley 58 through a fixed pulley 57. A belt 59 is hung on the winding pulley 58, and the belt 59 is hung on a pulley 61 fixed to the output shaft of the motor 60.
[0062]
In this embodiment, the hood 55 can be moved up and down as shown in FIGS. 4 and 5 by rotating the motor 60 forward and backward.
[0063]
When the hood 55 descends and the hood 55 covers the pressing glass 108 and the resin as shown in FIG. 5, the hood 55 and the pressing glass 108 are positioned on the modeling stage A as described later. 4 to 5, reference numeral 63 denotes a guide post.
[0064]
With reference to FIG. 4, a pair of cylinders 71 and 72 are disposed under the modeling table 3. A horizontal bar 73 is connected to the rods of the cylinders 71 and 72, and a pair of operation rods 74 and 75 extending vertically upward are connected to both ends of the horizontal bar 73 so as to be rotatable about the axis. A sleeve 76 is fixed to the outer periphery of each operation rod 74, 75, and a lead groove 76 a is formed on the outer periphery of the sleeve 76. The lead groove 76a extends in a spiral shape, and a pin 77 fixed to the fixing member 78 is fitted into the lead groove 76a.
[0065]
The pressing glass 108 is held by the guide rail 67 and is carried onto the modeling table 3 from the direction of the arrow X shown in FIG. When the pressing glass 108 is stacked on the film 17, the modeling table 3 is controlled to be lowered by one layer, and then the hood 55 is lowered as shown in FIG.
[0066]
When the lower end 55a of the hood 55 comes into contact with the pressing glass 108, as shown in FIG. 5, the rods of the cylinders 71 and 72 are extended, the horizontal bar 73 is pushed down, and the pair of operation rods 74 and 75 are integrally formed. Descent.
[0067]
In the descending process, the operating rods 74 and 75 rotate around the axis along the shape of the lead groove 76a, and the stators 74a and 75a at the upper ends of the operating rods 74 and 75 are positioned as shown in FIGS. The projections 103 of the stators 74a and 75a push down the lower end 55b of the hood 55 and fix it.
[0068]
When one layer of optical modeling at the modeling stage A is completed, the glass 31 is sent to the mask creation stage B as described above.
[0069]
In this embodiment, as shown in FIG. 6, the light transmissive member 31 and the uncured resin layer 96 are arranged at a predetermined distance L1, and the uncured resin layer 96 of the photocurable resin is projected and exposed through the mask. An optical system 90 is provided. The optical system 90 includes a reflecting mirror 91, a metal halide lamp (lighting fixture) 92, a lens 93 for spreading light from the metal halide lamp 92 over the entire area of the glass 31, a Fresnel lens 94, the glass 31, and a shutter. 99, the projection lens 101, and the uncured resin layer 96 are arranged in this order. As described above, the uncured resin layer 96 is a resin layer made of a photocurable resin that is sequentially formed on the modeling table 3. Note that the Fresnel lens 94 can be omitted.
[0070]
The procedure of stereolithography using this apparatus will be described. First, referring to FIG. 1, a toner mask is formed on a glass 31 according to data from a control means (not shown) by three-dimensional CAD, and this glass 31 is exposed to an exposure stage. While being carried into F, an uncured resin layer 96 is formed on the modeling table 3.
[0071]
Referring to FIG. 6, metal halide lamp 92 is always on. Light from the metal halide lamp 92 enters the lens 93 and is spread by the lens 93 over the entire area of the Fresnel lens 94 and the glass 31. The Fresnel lens 94 improves the light collection efficiency.
[0072]
Next, when the shutter 99 is opened, the light from the metal halide lamp 92 enters the projection lens (focusing means) 101, and focusing is performed through the projection lens 101. The uncured resin layer 96 is exposed by the light transmitted through the portion. The above-described exposure operation is repeated to perform stereolithography.
[0073]
In this embodiment, unlike the conventional configuration, a grid for generating parallel light is not required, so that the amount of light reaching the uncured resin layer 96 is not reduced, and the curing time is shortened.
[0074]
FIG. 7 shows another embodiment of the optical system.
[0075]
In this embodiment, the optically transparent member 31 and the uncured resin layer 96 are arranged with a predetermined distance L2 apart from each other, and an optical system 80 for projecting and exposing the uncured resin layer 96 of the photocurable resin through the mask is provided. . The optical system 80 includes a reflecting mirror 81, a metal halide lamp (lighting fixture) 82, a lens 83 for spreading light from the metal halide lamp 82, a shutter 89, a Fresnel lens 84, a glass 31, and an uncured material. The resin layers 96 are arranged in this order.
[0076]
As described above, the uncured resin layer 96 is a resin layer made of a photocurable resin that is sequentially formed on the modeling table 3.
[0077]
The metal halide lamp 82 is always lit. The light from the metal halide lamp 82 enters the lens 83 when the shutter 89 is opened, and is spread over the entire area of the Fresnel lens 84 by the lens 83. The Fresnel lens 84 forms parallel light, and the parallel light passing through the Fresnel lens 84 exposes the uncured resin layer 96 through the mask of the glass 31.
[0078]
These lenses 83 and 84 constitute a member for forming parallel light. However, the present invention is not limited to this structure. For example, it is obvious that parallel light may be formed by a combination of mirrors or the like.
[0079]
In this embodiment, unlike the conventional configuration, a grid for generating parallel light is not required, so that the amount of light reaching the uncured resin layer 96 is not reduced, and the curing time is shortened.
[0080]
Next, data correction performed at the time of mask creation will be described.
[0081]
When performing projection exposure using the above optical system, as shown in FIG. 8a, for example, if it is desired to obtain a regular square, and projection exposure is performed with the data as it is, distortion occurs as shown in FIG. The peripheral shape is distorted.
[0082]
Therefore, if the data used when creating the mask is corrected in advance by curving the four sides as shown in FIG. 8c, projection exposure is performed based on the corrected data, as shown in FIG. 8d. The original regular square shape is obtained on the uncured resin layer 96.
[0083]
This will be described according to the processing flow of FIG. 9. First, contour shape data corresponding to FIG. 8a is obtained (S1), and coordinates (X1, Y1) (X2, Y2) are calculated from this data (S2). The correction values (X1 ′, Y1 ′) (X2 ′, Y2 ′) shown in FIG. 8b, which are stored in the correction position database in advance, are assigned to the calculated coordinates (S3), and the correction shape data shown in FIG. (X1 ″, Y1 ″) (X2 ″, Y2 ″) is obtained (S4).
[0084]
Next, it is checked whether or not there is another data (S5). As long as there is another data, S1 to S4 are repeated, and when there is no more data, the portion surrounded by the outline is painted ( S6). By performing projection exposure based on the corrected data thus obtained, an original regular square shape is obtained on the uncured resin layer 96, as shown in FIG. 8d.
[0085]
FIG. 10 shows a processing flow according to another embodiment. The processing shown in FIG. 9 obtains the contour shape and fills the inside of the frame surrounded by these to obtain data, whereas in the present embodiment, processing is performed using a bitmap. Shape data corresponding to FIG. 8a is obtained from point cloud data (S11), and coordinates (X1, Y1) (X2, Y2) are calculated from this data (S12). The correction values (X1 ′, Y1 ′) (X2 ′, Y2 ′) shown in FIG. 8b, which are stored in the correction position database in advance, are assigned to the calculated coordinates (S13), and the correction shape data shown in FIG. 8c. (X1 ″, Y1 ″) (X2 ″, Y2 ″) is obtained (S14).
[0086]
Next, it is checked whether or not there is another data (S15), and S11 to S14 are repeated until there is no more data.
[0087]
According to this, although the steps of S11 to S14 require processing time for the point group, projection exposure is performed based on the corrected data obtained in this way, as in the above embodiment. As shown in FIG. 8 d, a regular square shape can be obtained on the uncured resin layer 96.
[0088]
FIG. 11 shows another embodiment.
[0089]
This embodiment is different from the apparatus shown in FIG. 6 in that the light source 192 is composed of a strobe. The second difference is that a mask made of a light transmissive member is composed of a liquid crystal mask 131. However, when the liquid crystal mask 131 is used, the mask 131 is fixed on the exposure table F, unlike the one shown in FIG.
[0090]
In FIG. 11, a mask 131 and an uncured resin layer 96 are arranged with a predetermined distance L1 therebetween, and an optical system 90 for projecting and exposing the uncured resin layer 96 of a photocurable resin through the mask is provided. The optical system 90 includes a reflecting mirror 91, a strobe light source (lighting fixture) 92, a lens 93 for spreading light from the strobe light source 92 over the entire area of the glass 31, a Fresnel lens 94, a mask 131, and a projection. The lens 101 and the uncured resin layer 96 are arranged in this order.
[0091]
In this case, the shutter used in FIG. 6 becomes unnecessary. 192A is a charging / discharging device, and 123 is a control device for controlling the liquid crystal mask. The uncured resin layer 96 is a resin layer made of a photocurable resin that is sequentially formed on the modeling table 3. Note that the Fresnel lens 94 can be omitted.
[0092]
In this embodiment, since the strobe light source 192 is used, a shutter is not necessary and the amount of heat generated by the light source 192 is suppressed. Accordingly, a very large cooling device is not necessary, and naturally, problems such as a malfunction of the shutter due to deformation of the shutter are solved. Further, since the heat generation amount of the light source 192 is reduced, the thermal effect on the uncured resin layer 96 is eliminated.
[0093]
Although illustration is omitted, it is needless to say that the strobe light source and the liquid crystal mask can be adopted for the apparatus corresponding to FIG.
[0094]
In the present embodiment, as shown in FIG. 11, a control device 123 connected to the liquid crystal mask 131 is provided. The control device 123 includes a three-dimensional CAD and the like, and outputs cross-sectional data for one layer obtained by thinly slicing a three-dimensional model to be formed, for example, in the horizontal direction, and creates a mask based on the output data.
[0095]
When the control device 123 operates, a predetermined voltage according to data for one layer is applied to the liquid crystal elements constituting the mask 131.
[0096]
In FIG. 12, for example, the liquid crystal element constituting the mask 131 has a plurality of electrodes (not shown) extending in the X direction and the Y direction. Formed at the intersection.
[0097]
In the present embodiment, when the data for one layer is cross-sectional data representing a rectangle of length L1 and width L2 in FIG. 12, it is divided into two times according to the two types of mask patterns shown in FIGS. 12a and 12b. Then, the resin is cured according to the cross-sectional data representing the rectangle. In FIG. 12, diagonal lines indicate a portion 100 that blocks light, and white portions indicate a portion 200 that transmits light.
[0098]
That is, the control device 123 operates and the voltages applied to the plurality of electrodes are controlled. First, as shown in FIG. 12A, a central portion 200 is formed to transmit light, and light is shielded around it. A portion 100 is formed.
[0099]
In this state, the strobe light source 192 is turned on. Then, light reaches the uncured resin layer 96 in the central portion through the light transmitting portion 200, and the uncured resin layer 96 corresponding to the portion 200 is cured.
[0100]
Next, the control device 123 operates, and as shown in FIG. 12b, a portion 100 that shields light is formed at the central portion, and a portion 200 that transmits light is formed around it. In this state, the strobe light source 192 is turned on. Then, light reaches the uncured resin layer 96 in the peripheral portion through the light transmitting portion 200, and the uncured resin layer 96 corresponding to the portion 200 is cured.
[0101]
When the light transmission parts 200 shown in FIGS. 12a and 12b are overlapped, the exposure range according to the cross-sectional data representing the rectangles L1 and L2 coincides.
[0102]
In the above configuration, when the uncured resin layer 96 is cured according to the cross-sectional data representing the rectangles L1 and L2, the surface exposure is performed in two steps according to the two types of mask patterns shown in FIGS. 12a and 12b. Compared with the case where the uncured resin layer 96 according to the cross-sectional data representing the rectangles L1 and L2 is subjected to surface exposure at a time, generation of distortion due to curing shrinkage of the photocurable resin is suppressed.
[0103]
Therefore, for example, the modeling accuracy can be maintained to the same extent as that of the conventional one exposed with laser light.
[0104]
Various mask patterns are proposed. For example, as shown in FIGS. 13a and 13b, when an exposure range is set according to cross-sectional data representing rectangles of length L1 and width L2, the mask pattern includes a portion 100 that blocks light and a portion that transmits light. 200 is formed in a checkered pattern. In the mask patterns shown in FIGS. 14A and 14B, a light shielding portion 100 and a light transmitting portion 200 are formed in a strip pattern. In these cases as well, when the light transmission portions 200 shown in the drawings are overlapped, the exposure range conforms to the cross-sectional data representing the rectangle.
[0105]
When the mask patterns shown in FIGS. 15a to 15c are used, the surface exposure is performed in three steps. In FIG. 15a, first, exposure is performed using the cross-shaped light transmission portion 200, and in FIG. 15b, exposure is performed using the light transmission portion 200 having a shape excluding the four corners among the remaining portions. Exposure is performed using the light transmitting portions 200 at the four corners.
[0106]
When the mask patterns shown in FIGS. 16a to 16d are used, the surface exposure is divided into four times. In this case, in FIG. 16a, first, exposure is performed using the light transmission portion 200 having a central rectangular shape, and in FIG. 16b and thereafter, the light transmission portion 200 in which the rectangular shape is gradually expanded is used except for the already exposed portion. To expose. When the mask patterns shown in FIGS. 17a to 17d are used, the surface exposure is divided into four times, and when the patterns shown in FIGS. 18a to 18h are used, the surface exposure is divided into eight times, and FIGS. When the pattern shown in FIG. 19c is used, the surface exposure is divided into three times.
[0107]
In any case, when the light transmission portions 200 shown in each figure are overlaid, the exposure range conforms to the cross-sectional data representing the rectangle.
[0108]
When the mask patterns shown in FIGS. 20a to 20d are used, the surface exposure is performed four times. In this case, when the light transmissive portions 200 shown in FIGS. 20a and 20b are overlapped, the exposure range according to the cross-sectional data representing the rectangle is matched, and when the light transmissive portions 200 shown in FIGS. This coincides with the exposure range according to the cross-sectional data representing. According to this, since the original exposure range is exposed twice, one exposure time is set to half the exposure time.
[0109]
12 to 19, for example, if the exposure time using each mask pattern is set to 3 to 5 seconds, the exposure time using each mask pattern in FIG. 20 is 1.5 to 2.5 seconds. Set to
[0110]
In any embodiment, when the uncured resin layer 96 is cured according to the cross-sectional data representing the rectangles L1 and L2, the surface is divided partially or stepwise according to a plurality of types of mask patterns. Since the exposure is performed, the occurrence of distortion due to curing shrinkage of the photocurable resin is suppressed as compared with the case where the uncured resin layer 96 according to the cross-sectional data representing the rectangles L1 and L2 is exposed at a time.
[0111]
Therefore, as described above, the modeling accuracy can be maintained to the same extent as the conventional one that is exposed with laser light.
[0112]
FIG. 21 shows a flow of creating the mask pattern.
[0113]
S1 to S3 are procedures for creating the cross-sectional data for one layer. Data from a three-dimensional CAD or the like is read (S1), and this data is sliced to create the cross-sectional data (S2). And the data regarding a support (member which supports a molded article during modeling) is provided to this cross-sectional data (S3).
[0114]
Next, it is determined whether or not the number of layers of the modeled object (model) has been completed (S4). If not, the model and support fill data (cross-sectional data for one layer) is calculated and stored. (S5). Next, when the first mask pattern (for example, FIG. 12a) is used, a fill pattern is calculated and stored (S6), and a logical product of the model and support and the mask pattern is calculated to create a mask. Perform (S7) and expose (S8).
[0115]
Further, it is determined whether or not the mask pattern has been completed (S9). If it has not been completed, the process proceeds to S6, and the fill pattern when the second mask pattern (for example, FIG. 12b) is used is determined. Based on this calculation, a mask is created based on this, and exposure is performed (S8).
[0116]
When the mask pattern is completed in S9, the process proceeds to S4 to create a mask for the next layer and execute exposure.
[0117]
When these processes proceed and the number of model stacks is completed in S4, the process proceeds to S10 and the optical modeling is completed.
[0118]
According to the present embodiment, the surface exposure is performed in a plurality of times and partially or stepwise, so that the occurrence of distortion due to the curing shrinkage of the photocurable resin as compared with the conventional case where the surface exposure is performed at once. Can be suppressed.
[0119]
As mentioned above, although this invention was demonstrated based on one Embodiment, it is clear that this invention is not limited to this.
[0120]
For example, in the above-described embodiment, the optical modeling in which the modeled object is stacked and modeled up and down has been described. However, when the modeled object is enlarged, the model is stacked in the horizontal direction and optically modeled without being stacked up and down. Is possible. In this case, it goes without saying that the optical system is also arranged in the horizontal direction.
[0121]
【The invention's effect】
According to the present invention, light energy can be made to reach the resin exposure surface efficiently, accurately, and inexpensively. Moreover, the calorific value of a light source can be suppressed and modeling accuracy can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front view showing an embodiment of an optical modeling apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a front view showing a modeling stage.
FIG. 3 is a front view showing movement of a unit.
FIG. 4 is a front view showing positioning on a modeling stage.
FIG. 5 is a front view of the lighting device with the hood lowered.
FIG. 6 is a perspective view showing an optical system.
FIG. 7 is a perspective view showing another embodiment of the optical system.
FIG. 8 is a diagram illustrating data correction.
FIG. 9 is a flowchart of an embodiment.
FIG. 10 is a flowchart of another embodiment.
FIG. 11 is a view corresponding to FIG. 6 showing another embodiment.
FIGS. 12A and 12B are diagrams showing mask patterns, respectively.
FIGS. 13A and 13B are diagrams showing mask patterns, respectively.
FIGS. 14A and 14B are diagrams showing mask patterns, respectively.
FIGS. 15A to 15C are diagrams showing mask patterns, respectively.
16A to 16D are diagrams showing mask patterns, respectively.
FIGS. 17A to 17D are diagrams showing mask patterns, respectively. FIGS.
18A to 18H are diagrams showing mask patterns, respectively.
19A to 19C are diagrams showing mask patterns, respectively.
20A to 20D are diagrams showing mask patterns, respectively.
FIG. 21 is a flowchart showing a mask creation procedure;
[Explanation of symbols]
1 Stereolithography equipment
3 Modeling table
14 Resin supply dipper
31 glass
41 Mask making means
53 Exposure equipment
80,90 optical system
81,91 Reflector
82,92 Metal halide lamps (lighting fixtures)
84,94 Fresnel lens
96 Uncured resin layer
89,99 Shutter
101 Projection lens
131 LCD mask
123 Controller
192 Strobe light source
192A Charge / Discharge Device

Claims (6)

光造形に関する1層分のデータに従って面露光に供されるマスクを作成し、このマスク越しに光硬化性樹脂の未硬化樹脂層を面露光し、この面露光操作を繰り返すことにより光造形する光造形装置において、
露光用光源、レンズ、フレネルレンズ、作成した上記マスク、プロジェクションレンズおよび上記未硬化樹脂層の順に配置し、前記レンズで前記露光用光源の光を前記マスクの全域に広げる光学系を形成し、
この光学系を用いてマスク越しに光硬化性樹脂の未硬化樹脂層を露光し、
上記マスクが複数のマスクパターンを含み、各マスクパターンを前記マスクに作成するごとに前記露光用光源の光を照射し、複数のマスクパターンを用いて複数回に分けて上記1層分のデータに従う面露光を実行することを特徴とする光造形装置。
The light to be subjected to optical modeling by creating a mask for surface exposure according to the data for one layer related to optical modeling, surface-exposing the uncured resin layer of the photocurable resin through this mask, and repeating this surface exposure operation In modeling equipment,
An exposure light source, a lens, a Fresnel lens, the created mask, a projection lens, and the uncured resin layer are arranged in this order, and an optical system that spreads the light of the exposure light source over the entire area of the mask is formed by the lens,
Exposing the uncured resin layer of the photocurable resin through the mask using this optical system,
The mask includes a plurality of mask patterns, and each time the mask pattern is formed on the mask, the light from the exposure light source is irradiated, and the plurality of mask patterns are used to divide the mask into a plurality of times and follow the data for the one layer. An optical modeling apparatus that performs surface exposure.
上記マスクが液晶素子で構成され、この液晶素子を制御することによって、上記複数のマスクパターンを順次作成することを特徴とする請求項1に記載の光造形装置。  The stereolithography apparatus according to claim 1, wherein the mask includes a liquid crystal element, and the plurality of mask patterns are sequentially formed by controlling the liquid crystal element. 上記露光用光源がストロボであることを特徴とする請求項1または2に記載の光造形装置。  The stereolithography apparatus according to claim 1, wherein the exposure light source is a strobe. 光造形に関する1層分のデータに従って面露光に供されるマスクを作成し、このマスク越しに光硬化性樹脂の未硬化樹脂層を面露光し、この面露光操作を繰り返すことにより光造形する光造形方法であって、
露光用光源、レンズ、フレネルレンズ、作成した上記マスク、プロジェクションレンズおよび上記未硬化樹脂層の順に配置し、前記レンズで前記露光用光源の光を前記マスクの全域に広げ、前記マスク越しに光硬化性樹脂の未硬化樹脂層を投影露光させる光学系を形成し、
上記マスクが複数のマスクパターンを含み、各マスクパターンを前記マスクに作成するごとに前記露光用光源の光を照射し、複数のマスクパターンを用いて複数回に分けて上記1層分のデータに従う面露光を実行することを特徴とする光造形方法。
The light to be subjected to optical modeling by creating a mask for surface exposure according to the data for one layer related to optical modeling, surface-exposing the uncured resin layer of the photocurable resin through this mask, and repeating this surface exposure operation A modeling method,
An exposure light source, a lens, a Fresnel lens, the created mask, a projection lens, and the uncured resin layer are arranged in this order, and the light from the exposure light source is spread over the entire area of the mask by the lens, and photocured through the mask. Forming an optical system that projects and exposes an uncured resin layer of a functional resin ,
The mask includes a plurality of mask patterns, and each time the mask pattern is formed on the mask, the light from the exposure light source is irradiated, and the plurality of mask patterns are used to divide the mask into a plurality of times and follow the data for the one layer. An optical modeling method characterized by performing surface exposure.
上記マスクが液晶素子で構成され、この液晶素子を制御することによって、上記複数のマスクパターンを順次作成することを特徴とする請求項4に記載の光造形方法。  5. The stereolithography method according to claim 4, wherein the mask is composed of a liquid crystal element, and the plurality of mask patterns are sequentially formed by controlling the liquid crystal element. 上記露光用光源がストロボであることを特徴とする請求項4または5に記載の光造形方法。  6. The stereolithography method according to claim 4, wherein the exposure light source is a strobe.
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