(57)【要約】【課題】光造形装置内の光強度を寿命にわたって高い精度で適正に保持する。【解決手段】光硬化性の材料（１２１）を硬化させるための光を放射する光源（１０１）と；放射された光の光強度の実際値を測定するセンサ（１０３）と；光強度の実際値が所与の目標値に到達するまで光源（１０１）の電流を調節するための制御ユニット（１０５）を備えてなる光造形装置（１００）とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光硬化性の材料（１２１）を硬化させるための光を放射する光源（１０１）と；
放射された光の光強度の実際値を測定するセンサ（１０３）と；
光強度の実際値が所与の目標値に到達するまで光源（１０１）の電流を調節するための制御ユニット（１０５）を備えてなる光造形装置（１００）。
【請求項２】
光硬化性材料（１２１）上に光パターン（１２３）を投影するように機能するデジタルミラー装置（１１３）を介して光源（１０１）からセンサ（１０３）への光を転向させるように光造形装置（１００）を構成する請求項１記載の光造形装置（１００）。
【請求項３】
デジタルミラー装置（１１３）をプリズム面に隣接して配置する請求項２記載の光造形装置（１００）。
【請求項４】
デジタルミラー装置（１１３）によってセンサ（１０３）上に所与の光パターンを投影するように光造形装置（１００）を構成する請求項２または３記載の光造形装置（１００）。
【請求項５】
光造形装置（１００）がセンサ（１０３）に向けて光を転向させる鏡面（１０９）を備える請求項１ないし４のいずれかに記載の光造形装置（１００）。
【請求項６】
プリズム絞り（１１７）に隣接して鏡面（１０９）を配置する請求項５記載の光造形装置（１００）。
【請求項７】
光造形装置内に使用される光スペクトルを捕捉するよう特別にセンサ（１０３）を形成する請求項１ないし６のいずれかに記載の光造形装置（１００）。
【請求項８】
フォトダイオードによってセンサ（１０３）を形成する請求項７記載の光造形装置（１００）。
【請求項９】
制御ユニット（１０５）が光源（１０１）を介する電流を制御するためのコントローラ（１１９）を含む請求項１ないし８のいずれかに記載の光造形装置（１００）。
【請求項１０】
光源（１０１）を使用して光重合性の材料（１２１）を硬化させるための光を放射し（Ｓ１０１）；
放射された光の光強度の実際値を判定し（Ｓ１０２）；
光強度の実際値が所与の目標値に到達するまで光源（１０１）の電流を調節する（Ｓ１０３）ステップからなる、光造形装置（１００）の制御方法。
【請求項１１】
光硬化性材料（１２１）上に光パターン（１２３）を投影するように機能するデジタルミラー装置（１１３）を介して光源（１０１）からセンサ（１０３）への光を転向させる請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
デジタルミラー装置（１１３）によってセンサ（１０３）上に所与の光パターンを投影する請求項１０または１１記載の方法。
【請求項１３】
鏡面（１０９）を介して光をセンサ（１０３）に向けて転向させる請求項１０ないし１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
コントローラ（１１９）によって電流を目標値に調節する請求項１０ないし１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
プリズム絞り（１１７）を介して光を誘導する請求項１０ないし１４のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光造形装置ならびに光造形装置の設定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光造形法（ＳＬＡ）は、感光性樹脂の液槽からワークピースを段階式に成形するかまたはワークピースを液槽内で成形プラットフォームを使用して形成する三次元印刷方法である。成形プラットフォームをまず液槽内に投入し、個々の層を形成した後に液槽から取り出す。その後所要の対象物が形成されるまで成形プラットフォームを再度液槽内に投入する。各工程に際して光パターンが感光性樹脂に投影される。光パターンが感光性樹脂に衝突する位置上で感光性樹脂が硬化する。その方式によってワークピースを段階式に所要の形状に形成することができる。
【０００３】
光造形装置の紫外線光源（例えばＬＥＤ）は必要な寿命に経年劣化が影響し、従って電流が同等でも光強度が低下する。光路内のその他の要素、例えばプリズム、レンズ、光混合ロッド、および電子式ミラー装置等も強力な紫外線の照射によって劣化を示し、それが成形範囲上の低下した照射強度につながる。しかしながら、造形工程の品質のためには光造形装置の寿命全体にわたって光強度が一定に保持されることが決定的に重要である。
【０００４】
特許文献１により、投光ユニットを使用した投光によって感光性の材料を連続する層状に光造形硬化させる成形体の層状成形方法が開示されている。
【０００５】
前記の問題点は従来無視されていたか、あるいは固定的に設定された特性によって光源の照射時間および／または電流強度を時間経過に従って調節する劣化補償によって解決されていた。しかしながら、設定された特性は使用される要素の個体差を考慮していない。従って、光源の劣化特性と予期不可能な光路の劣化作用によって光強度の制御が不正確になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】欧州特許出願第１８１９０７００．７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って本発明の技術的な課題は、光造形装置内の光強度を寿命にわたって高い精度で適正に保持することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の課題は、独立請求項の対象によって解決される。従属請求項と発明の詳細な説明および添付図面の対象は好適な追加構成である。
【０００９】
第１の特徴によれば、光硬化性の材料を硬化させるための光を放射する光源と；放射された光の光強度の実際値を測定するセンサと；光強度の実際値が所与の目標値に到達するまで光源の電流を調節するための制御ユニットを備えてなる光造形装置によって前記の課題が解決される。センサは劣化特性を示さないため、光強度を閉鎖式の制御系（閉ループ）によって所与の光強度の目標値に正確に調節することができる。それによって、樹脂部材への照射と加熱に際しての脱気による劣化と、プリズム、レンズ、光混合ロッド、およびデジタルミラー装置（ＤＭＤ）等の他の要素の製造工程における一般的な環境への影響あるいは蓄積も光路内で補償することができる。時間が経過しても一定である光強度と光造形装置の寿命の延長が達成される。
【００１０】
技術的に好適な光造形装置の実施形態によれば、光硬化性材料上に光パターンを投影するように機能するデジタルミラー装置を介して光源からセンサへの光を転向させるように光造形装置を構成する。それによって例えば、必要に応じて光を分離光路に偏向させセンサの寿命を延長することができるという技術的な利点が達成される。
【００１１】
技術的に好適な別の光造形装置の実施形態によれば、デジタルミラー装置をプリズム面に隣接して配置する。それによって例えば、光造形装置の構造を小型化し得るという技術的な利点が達成される。
【００１２】
技術的に好適な別の光造形装置の実施形態によれば、デジタルミラー装置によってセンサ上に所与の光パターンを投影するように光造形装置を構成する。それによって例えば、センサ上の光量を正確に調整し得るという技術的な利点が達成される。
【００１３】
技術的に好適な別の光造形装置の実施形態によれば、光造形装置がセンサに向けて光を転向させる鏡面を備える。それによって例えば、光造形装置の内部の多様な位置に自由にセンサを配置し得るという技術的な利点が達成される。
【００１４】
技術的に好適な別の光造形装置の実施形態によれば、プリズム絞りに隣接して鏡面を配置する。それによって例えば、プリズム絞りが所定の開口を定義し、不要な散乱光を削減するという技術的な利点が達成される。
【００１５】
技術的に好適な別の光造形装置の実施形態によれば、紫外線を捕捉するよう特別にセンサを形成する。それによって例えば、長いセンサ寿命を実現するという技術的な利点が達成される。
【００１６】
技術的に好適な別の光造形装置の実施形態によれば、フォトダイオードによってセンサを形成する。それによって例えば、センサが安価でかつ低い劣化性向を有するという技術的な利点が達成される。
【００１７】
技術的に好適な別の光造形装置の実施形態によれば、光源を介する電流を制御するための、例えばＰＩＤコントローラあるいはＰＩコントローラ等のコントローラを制御ユニットが含む。それによって例えば、高速かつ効率的な制御系の制御が実行されるという技術的な利点が達成される。
【００１８】
第２の特徴によれば、光源を使用して光重合性の材料を硬化させるための光を放射し；放射された光の光強度の実際値を判定し；光強度の実際値が所与の目標値に到達するまで光源の電流を調節するステップからなる、光造形装置の制御方法によって課題が解決される。この方法によって、上述した光造形装置の第１の特徴と同様な技術的利点が達成される。
【００１９】
この方法の技術的に好適な実施形態によれば、光硬化性材料上に光パターンを投影するように機能するデジタルミラー装置を介して光源からセンサへの光を転向させる。それによって例えば、必要に応じて光を分離光路に偏向させセンサの寿命を延長することができるという技術的な利点が達成される。
【００２０】
この方法の技術的に好適な別の実施形態によれば、デジタルミラー装置によってセンサ上に所与の光パターンを投影する。それによって例えば、センサ上に入射する光を正確に配量し得るという技術的な利点が達成される。
【００２１】
この方法の技術的に好適な別の実施形態によれば、鏡面によって光をセンサに向けて転向させる。それによって例えば、光造形装置の内部の多様な位置に自由にセンサを配置し得るという技術的な利点が達成される。
【００２２】
この方法の技術的に好適な別の実施形態によれば、例えばＰＩＤコントローラ等のコントローラによって電流を目標値に調節する。それによって例えば、高速かつ効率的な制御系の制御が実行されるという技術的な利点が達成される。
【００２３】
この方法の技術的に好適な別の実施形態によれば、プリズム絞りを介して光を誘導する。それによって例えば、プリズム絞りが所定の開口を定義し、異なった測定の間で比較可能な方式で実際値の判定が実行されるという技術的な利点が達成される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】光造形装置を概略的に示した説明図である。
【図２】光造形装置の制御方法を示したブロック線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
添付図面に示された本発明の実施例につき以下に詳細に説明する。
【００２６】
図１には、光造形装置１００が概略的に示されている。光造形装置１００は三次元印刷方法（３Ｄ印刷）によってワークピースを製造するよう機能する。その際ワークピースは例えば感光性樹脂等の光硬化性の材料からなる液槽内に存在し、段階式に成形される。各段階において固有の光パターン１２３が光硬化性材料１２１上に投影される。光パターン１２３が光硬化性材料に衝突する位置上において光硬化性材料が硬化して固形になる。この方式によってワークピースを所要の形状で層状に成形することができる。
【００２７】
光造形装置１００は例えば紫外線ＬＥＤ（ＵＶ−ＬＥＤ）等の光源１０１を含み、それが材料を硬化させる光を生成するように機能する。光造形装置１００はさらに閉鎖式の制御系（閉ループ）を備え、それによって光強度を測定して得られた測定データに従って光強度の補正を実行する。この方式によって、光造形装置１００の寿命全体にわたって予設定された目標値に従った光強度の正確な調節を可能にするとともに光学要素の劣化作用を補償することができる閉鎖式の制御系を実現することができる。加えて、温度センサを使用して発光ダイオードの抵抗を検出して電流を適宜に調節し、それによってさらに発光ダイオードの寿命を延長することができる。例えば測定された温度が上昇すると、発光ダイオードの抵抗は低下する。その場合過度に大きな電流が発光ダイオードを介して通流する。
【００２８】
そのため光源１０１から放射された光が例えばデジタルミラー装置（デジタルマイクロミラーデバイス＝ＤＭＤ）１１３によって分離光路１０７に向かって転向される。デジタルマイクロミラーデバイス１１３はマトリクス状に配置された多数のマイクロミラーアクチュエータを含み、それらが電圧によって個別に制御可能であるとともに傾倒させることができる。従って個別のマイクロミラーアクチュエータのそれぞれが入射した光を光硬化性材料１２１の方向に転向させるか、あるいは分離光路１０７の方向のセンサ１０３に向かって転向させることができる。この方式によって光硬化性材料１２１を硬化させる光パターン１２３を形成することができる。
【００２９】
その結果全ての光あるいは特定の光パターンのみをセンサ１０３に向かって転向させることができる。光の分離を較正工程中の予設定された特定の時間間隔の間のみに実行することができ、すなわちセンサ１０３はその時間間隔の間だけ光照射に曝される。較正工程は例えば成形工程中の各層（スライス）の後、所与の数の層の後（反復）、各成形体の後、あるいは各保守点検作業後に実行することができる。
【００３０】
プリズム絞り１１７の押さえ付け装置１１５上の反射鏡面１０９を介して分離光をセンサ１０３に向かって転向させる。プリズム絞り１１７が面状に予設定されたプリズム１１１の表面の開口を定義し、従って分離光路１０７が側方で制限されて不要な散乱光が削減される。鏡面１０９によって光がセンサ１０３に向かって転向されるため、センサをプリズム１１１の直ぐ上に配置することができる。その結果、元々の分離光路１０７の伝搬方向内には位置しない光造形装置１００の内部の位置にセンサ１０３を配置することもできる。
【００３１】
センサ１０３は、光造形法において使用される光に特別に適合するとともに寿命全体にわたって測定の劣化が生じないような方式で形成される。そのためセンサ１０３は例えばフォトダイオードから形成される。しかしながら、一般的にその他の種類のセンサ１０３を適用することもできる。
【００３２】
測定工程に際して測定された光強度の実際値を基準数値として例えば制御ユニット１０５内に配置されたＰＩＤコントローラ１１９に伝送することによって測定不確実性を補償することができる。ＰＩＤコントローラは、比例制御コントローラ（Ｐコントローラ）と積分制御コントローラ（Ｉコントローラ）と微分制御コントローラ（Ｄコントローラ）の組み合わせである。
【００３３】
比例制御コントローラは制御偏差をそれの増幅係数によって乗算する。積分制御コントローラは時間に従って制御偏差を積算し、合計（すなわち積分値）を所定係数によって乗算する。微分制御コントローラは制御偏差の変化を評価（微分）し、それによって変化速度を計算する。ＰＩＤ制御系は正確かつ高速な所与の目標値への電流制御を可能にする。しかしながら、一般的にその他のコントローラを光強度の制御のために使用することもできる。
【００３４】
目標値は、光造形装置１００の製造に際してデジタル数値としてフラッシュメモリ等の不揮発性メモリ１２５内に機械固有に記録することができる。光強度の実際値も同様にデジタルで捕捉し、記録された目標値と比較することができる。実際値と目標値との間の格差に応じて光強度の実際値が目標値に等しくなるまで光源１０１の電流を増加あるいは削減することができる。電流値の調節は、例えばパルス幅変調あるいは振幅変調によって実行することができる。
【００３５】
従って、電子式のＰＩＤコントローラあるいはＰＩコントローラ１１９により光源１０１への電流制御を通じて光強度を所要の目標値に調節する。この方式によってＰＩＤコントローラ１１９を介して劣化補償ならびに較正工程を高速かつ効果的に実行することができる。しかしながら、一般的に光造形装置１００の光強度を所与の目標値に調節するための閉ループを有するその他の制御メカニズムも可能である。
【００３６】
測定の間光源１０１の光強度が所与の目標値に到達するまでＰＩＤコントローラ１１９がその光源１０１の光強度を調節する。その目標値は基準値として機能し、例えば生産中の光造形装置１００の初期の較正に際して判定される。目標値に到達するために必要とされる電流値が制御ユニット１０５から光造形装置１００にフィードバックされ、新たな電流の基準値として使用される。
【００３７】
図２には、光造形装置１００を調節する方法のブロック線図が示されている。ステップＳ１０１において光硬化性材料１２１を硬化させるための光が光源１０１を使用して放射される。その後ステップＳ１０２において放射された光の実際値がセンサ１０３によって測定される。ステップＳ１０３において光強度の実際値が所与の目標値に到達するまで光源１０１の電流を増加あるいは減少させる。この方法によって光硬化性材料１２１を硬化させるための光強度を正確かつ時間経過において一定に所要の大きさに設定することができる。センサ１０３は極僅かな経年劣化を示すため、高い精度をもって光強度を所与の値に調節することができる。
【００３８】
本発明の個々の実施形態に関連して説明した全ての特徴を多様な組み合わせで本発明の対象に適用することができ、それらの好適な効果を同時に実現することができる。
【００３９】
全ての方法工程を、各方法工程を実行するために適した装置によって実施することができる。対象とする特徴によって実行することができる全ての機能を本発明の方法の方法工程とすることができる。
【００４０】
本発明の保護範囲は添付の特許請求の範囲によって定義され、発明の詳細な説明および添付図面に示された特徴によって限定されることはない。
【符号の説明】
【００４１】
１００  光造形装置
１０１  光源
１０３  センサ
１０５  制御ユニット
１０７  分離光路
１０９  鏡面
１１１  プリズム
１１３  デジタルミラー装置
１１５  押さえ付け装置
１１７  プリズム絞り
１１９  ＰＩＤコントローラ
１２１  光硬化性材料
１２３  光パターン
１２５  メモリ
【図１】
2020138546.tif 000003
【図２】
2020138546.tif 000004