(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光硬化性樹脂液槽に収容された光硬化性樹脂液の表面に、走査硬化層情報に基づく走査パターンで、一定の半径の照射面で光線を照射し前記光硬化性樹脂液を硬化させて走査硬化層を形成し、当該形成された走査硬化層を前記光硬化性樹脂液の表面から下降させて次の走査硬化層を形成することを反復して所定の立体樹脂モデルを造形する光学的造形方法であって、
各走査硬化層の形成において、
前記走査硬化層情報を、造形すべき立体樹脂モデルの立体情報から抽出し、
前記走査硬化層情報に基づいて、第１の輪郭線についての情報を抽出し、
前記第１の輪郭線から前記半径に相当する距離だけ内側の第２の輪郭線についての情報を算出し、
前記第１の輪郭線から前記半径の３倍に相当する距離だけ内側の第３の輪郭線についての情報を算出し、
前記光線の照射面中心が前記第２の輪郭線に沿って移動するように前記光線をベクトル走査して走査硬化層の輪郭を形成させ、
始点から終点までの直線的な走査を走査線が互いに平行になるように前記始点及び終点を順次ずらしながら繰り返し行うラスター走査を、前記始点及び終点において前記光線の照射面中心が前記第３の輪郭線上に位置するように実行し、前記輪郭で囲まれた閉領域を硬化させ、
前記立体樹脂モデルを造形したのちに、当該立体樹脂モデルの全体に光線を照射して最終的な硬化を行う
光学的造形方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば紫外線硬化性樹脂などの光硬化性樹脂に光線を走査して照射することにより所望の樹脂モデルを造形する光学的造形方法に関し、特に、輪郭線で囲まれた閉じ領域を高精度で造形する光学的造形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、紫外線硬化性樹脂液を収容した槽の表面に対して、紫外線レーザをＯＮ／ＯＦＦしながら走査し、これにより硬化した走査硬化層を順次積み上げることにより、所望の樹脂モデルを造形することが試みられている。かかる樹脂モデルは、例えば製品のマスターモデルとして利用されることから、造形するにあたっては造形精度、層間接着性、および造形効率などを高める必要がある。
【０００３】
従来の光学的造形方法は、紫外線レーザから紫外線を発生させ、ガルバノミラーおよびシャッターなどを有する光学系によって紫外線レーザのＯＮ／ＯＦＦと光線の走査方向を制御しながら、紫外線硬化性樹脂液を収容した槽の表面に対して照射する。槽内には紫外線レーザを遮断するとともに昇降可能なエレベータが設けられており、樹脂液表面とエレベータとの間に介在する樹脂液が紫外線レーザによって硬化するようになっている。
【０００４】
そして、造形工程の第１段階においてはエレベータを上昇させておき、樹脂液表面とエレベータとの間に介在する樹脂液を紫外線レーザによって硬化させて第１層目の走査硬化層を形成したのち、エレベータを１層分だけ下降させて、第１層目と同様の手順で第２層目の走査硬化層を第１層目の走査硬化層の上に形成する。以下同様にして、順次走査硬化層を積層（以下、堆積ともいう）し、最終層目の走査硬化層の形成が終了するとエレベータを上昇させて、樹脂液からモデルを取り出したのち、さらに最終的な硬化を行うために、図１０に示す如く、紫外線ランプ５０などを用いてモデルＷ全体に対して紫外線を長時間照射する。
【０００５】
以下、本明細書においては、上述したエレベータの同一移動ピッチ内における平面を「等高断面」と称するが、この一つの等高断面には、目的とするモデルＷの立体形状に応じて、樹脂液を硬化させる領域と樹脂液を硬化させない領域とが存在することになる。
【０００６】
そして、紫外線レーザ発振器から発生する紫外線ビームは、光学系によって走査方向に沿って走査され、このとき、樹脂液を硬化させる領域では紫外線レーザがＯＮ（実際にはシャッターＡＯＭが開）、樹脂液を硬化させない領域では紫外線レーザがＯＦＦ（実際にはシャッターＡＯＭが閉）となる。一つの走査線の走査が終了すると、光学系を制御して走査ピッチ分だけ移動させ、再び走査方向に沿って同様の走査が行われる。
【０００７】
なお、紫外線ビームが樹脂液内に照射されると、樹脂液によって光エネルギーが徐々に減少することから、微視的には、先端鋭利な照射領域（すなわち、走査硬化層）を形成することになる。
【０００８】
このようにして、等高断面の走査硬化層が形成されるが、走査硬化層を順次積層するにあたっては、上層の走査硬化層を形成する際に、紫外線ビームを下層にも照射されるような光線強度、すなわち、その等高断面における硬化深さを積層厚より大きく制御し、各層間の接着性を高めるようにしている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一つの等高断面における走査硬化層の形状が図１１に示すような輪郭線で囲まれた閉じ領域である場合、従来の造形方法では、まず図１１に示す輪郭線ＯＬを認識したのちに、図１２に示すように、点Ｐ0 を始点として輪郭線のある一つの縁に沿って平行に走査し、この走査線の終点Ｐ1 まで走査すると、次に光学系を制御して走査ピッチ分だけ移動させ、再び始点Ｐ2 から次の走査線に沿って同様の走査を行なうようにしていた。
【００１０】
このような走査方法は、ラスター走査と称されるが、かかるラスター走査を利用した従来の光学的造形方法では、紫外線ビームは微視的にはスポット状の光線であるため、走査線の始点と終点における硬化領域、すなわち、図１２に示す縁ＯＬ2 ，ＯＬ3 においては、輪郭線に沿った形状とならず、高精度のモデルを造形する場合には問題があった。
【００１１】
そのため、立体モデルを高精度で造形する場合には、紫外線ビームのスポット径を小さくして、さらに、走査ピッチを小さくする必要が生じ、造形時間が長くなったり、あるいは始点と終点における位置制御がより厳しくなるという問題があった。
【００１２】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、輪郭線で囲まれた閉じ領域を高精度で造形することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学的造形方法は、光硬化性樹脂液槽に収容された光硬化性樹脂液の表面に、走査硬化層情報に基づく走査パターンで、一定の半径の照射面で光線を照射し前記光硬化性樹脂液を硬化させて走査硬化層を形成し、当該形成された走査硬化層を前記光硬化性樹脂液の表面から下降させて次の走査硬化層を形成することを反復して所定の立体樹脂モデルを造形する光学的造形方法であって、各走査硬化層の形成において、前記走査硬化層情報を、造形すべき立体樹脂モデルの立体情報から抽出し、前記走査硬化層情報に基づいて、第１の輪郭線についての情報を抽出し、前記第１の輪郭線から前記半径に相当する距離だけ内側の第２の輪郭線についての情報を算出し、前記第１の輪郭線から前記半径の３倍に相当する距離だけ内側の第３の輪郭線についての情報を算出し、前記光線の照射面中心が前記第２の輪郭線に沿って移動するように前記光線をベクトル走査して走査硬化層の輪郭を形成させ、始点から終点までの直線的な走査を走査線が互いに平行になるように前記始点及び終点を順次ずらしながら繰り返し行うラスター走査を、前記始点及び終点において前記光線の照射面中心が前記第３の輪郭線上に位置するように実行し、前記輪郭で囲まれた閉領域を硬化させ、前記立体樹脂モデルを造形したのちに、当該立体樹脂モデルの全体に光線を照射して最終的な硬化を行う。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
まず最初に、図１を参照しながら本発明の一実施形態に係る光学的造形装置の構成について説明する。図１は本発明の一実施形態に係る光学的造形装置の基本構成を示すブロック図である。
【００１５】
本実施形態に係る光学的造形装置は、光硬化性樹脂液槽２を有しており、この槽内に収容される光硬化性樹脂液１は光を照射することにより付加重合を生じて硬化する材料である。例えば、スチレン、メタクリル酸メチル、酢酸ビニルなどのビニル単量体は、光照射によって、光重合の開始剤が存在しなくとも、あるいは紫外線を吸収する増感剤や色素の存在下で、重合を起す。
【００１６】
ただし、本発明で用いられる光硬化性樹脂液１の種類は特に限定されず、未硬化では液体状であって硬化することにより固化する樹脂であればよい。また、照射する光ＬＢについても特に限定されず、紫外線の他にも、用いられる光硬化性樹脂１に応じた光を選択すればよい。
【００１７】
光硬化性樹脂液槽２内には、光線を遮断するとともに硬化させた樹脂を載置する台座を有するエレベータ４ａが設けられており、このエレベータ４ａは、昇降器４ｂにより光硬化性樹脂液槽２内を昇降可能となっている。昇降器４ｂは、機械的にエレベータ４ａを昇降させる機能と、この昇降動作の制御を司る制御機能とを備えている。昇降器４ｂに対する指令信号は、制御手段５の一般制御部５ａから与えられるが、光走査手段３への、あるいは光走査手段３からの情報に基づいて、一般制御部５ａは昇降器４ｂに指令信号を出力する。
【００１８】
例えば、一つの等高断面における走査が終了したことを光走査手段３から検知すると、次の等高断面の走査に移行するために、一般制御部５ａから昇降器４ｂに対して指令信号を出力し、これにより昇降器４ｂはエレベータ４ａを所定のピッチ（すなわち、このピッチがその等高断面における積層厚Ｔとなる）だけ下降させる。
【００１９】
一方、本実施形態に係る光走査手段３は、紫外線レーザなどの光線を発生させるレーザ発振器３ａと、このレーザ発振器３ａで発生した光線を光硬化性樹脂液の表面に対し所定の軌跡にしたがって走査させるための光学系３ｂと、この光学系３ｂを制御するための光学系コントローラ３ｃから構成されている。光学系３ｂには、例えば光線を通過／遮断するためのシャッター器（ＡＯＭ）や光線の方向を変動させるための電圧印加器およびガルバノミラーなどが設けられており、光線のＯＮ／ＯＦＦ、光線強度の変更、光路の変更、光線の走査速度の制御などを行う機能を有している。そして、この光学系３ｂに対して、光学系コントローラ３ｃからは予め教示された軌跡に応じた光走査条件に関する指令信号が出力される。
【００２０】
なお、本発明における光走査手段３の動作は、基本的には一般制御部５ａに予め入力された基本軌跡データに基づくが、後述する立体造形情報記憶部５ｂ、走査硬化層情報抽出部５ｃ、輪郭線検出部５ｄ、輪郭硬化情報抽出部５ｅ、内域情報抽出部５ｆを介して、光学系コントローラ３ｃに指令信号が出力され、細部の光走査条件が変更される。
【００２１】
本実施形態に係る制御手段５は、目的とする樹脂モデルに応じて、予め入力されたデータに基づいて、昇降手段４と光走査手段３とを相互に関連付けながら制御する一般制御部５ａを有している。また、一般制御部５ａ以外に、立体造形情報記憶部５ｂ、走査硬化層情報抽出部５ｃ、輪郭線検出部５ｄ、輪郭硬化情報抽出部５ｅ、内域情報抽出部５ｆが設けられている。
【００２２】
なお、本実施形態では、昇降器４ｂ、光学系コントローラ３ｃ、および制御手段５などの情報処理装置は、それぞれ別体に構成した具体例として図１に表わしているが、これは、それぞれの機能を容易に理解するために記載したものであって、上述した各機能を備えている限り、これらを任意の組み合せで組み合わせて情報処理装置を構成してもよいことは勿論である。
【００２３】
次に、本実施形態に係る立体造形情報記憶部５ｂ、走査硬化層情報抽出部５ｃ、輪郭線検出部５ｄ、輪郭硬化情報抽出部５ｅ、内域情報抽出部５ｆにおける各処理手順について説明するが、この処理手順の基本的考え方の理解を容易にするために、図１１に示すように、ある一つの等高断面内において輪郭線で囲まれた造形領域を造形する具体例を説明する。
【００２４】
まず、立体造形情報記憶部５ｂは、造形すべきモデルＷの立体形状に関する情報が格納されたメモリであり、モデルＷの立体形状に関する全ての情報あるいは、少なくとも造形領域が輪郭線で囲まれる全ての等高断面の立体形状に関する情報が記憶されている。
【００２５】
走査硬化層情報抽出部５ｃでは、立体造形情報記憶部５ｂに記憶されている立体情報のうち、ある一つの等高断面における造形領域である走査硬化層に関する情報のみを抽出する。つまり、一般制御部５ａでは、一つの等高断面における硬化領域と非硬化領域とを識別して、これにより光学系における光のＯＮ／ＯＦＦを制御するが、走査硬化層情報抽出部５ｃでは、硬化領域に関する情報のみを選択して読み出し、これを以下の造形方法の基礎情報とする。
【００２６】
輪郭線検出部５ｄは、走査硬化層情報抽出部５ｃで抽出された硬化領域のみの情報を読み込んで、この情報に基づき同一等高断面における硬化領域の輪郭線ＯＬを認識する。
【００２７】
輪郭硬化情報抽出部５ｅは、輪郭線検出部５ｄで検出された本来の輪郭線ＯＬ以外に、図２に示すように、この本来の輪郭線ＯＬから閉じ領域の内側に距離ｒ１だけ隔てた別の輪郭線ＯＬＡを演算して求める。この別の輪郭線ＯＬＡが、後述する輪郭線に沿ったベクトル走査の中心線を構成することになる。そのため、距離ｒ１は紫外線ビームＬＢの半径（厳密には紫外線ビームによる硬化円の半径）に等しく設定する。
【００２８】
さらに、内域情報抽出部５ｆでは、輪郭線検出部５ｄで検出された本来の輪郭線ＯＬおよび輪郭硬化情報抽出部５ｅで求められた別の輪郭線ＯＬＡ以外に、図２に示すように、本来の輪郭線ＯＬから閉じ領域の内側に距離ｒ２だけ隔てたさらに別の輪郭線ＯＬＢを演算して求める。このさらに別の輪郭線ＯＬＢが、後述する閉じ領域におけるラスター走査の始点、終点あるいは中心線を構成することになる。したがって、この距離ｒ２は、紫外線ビームＬＢの半径（厳密には紫外線ビームによる硬化円の半径）の３倍に等しい距離に設定する。
【００２９】
なお、輪郭硬化情報抽出部５ｅで求められた輪郭線情報は、光学系コントローラ３ｃに出力されるが、この情報に基づく光ＬＢの走査は、輪郭線に沿うベクトル走査としている。すなわち、図３に示すように、始点・終点位置および走査方向については何ら限定されないが、輪郭線をなぞる走査としている。
【００３０】
一方、内域情報抽出部５ｆで求められた閉じ領域に関する情報も光学系コントローラ３ｃに出力されるが、この情報に基づく光ＬＢの走査は、ある一つの輪郭線に沿う同一方向の走査（単一方向走査と往復走査の両者を含む意）、いわゆるラスター走査としている。
【００３１】
次に作用を説明する。
図２〜図４は本実施形態に係る造形方法を示す平面図、図５は同実施形態の制御手段における処理手順を示すフローチャートである。
従来の光学的造形方法では、図１２に示す如く、閉じ領域の全体をラスター走査していたが、本実施形態では、輪郭線をベクトル走査とし、輪郭線の内域をラスター走査としている。特に、図２〜図４に示す実施形態では、ベクトル走査の中心線を本来の輪郭線ＯＬより内側に距離ｒ１だけオフセットした別の輪郭線ＯＬＡとしている。加えて、ラスター走査する始点と終点を本来の輪郭線ＯＬより内側に距離ｒ２だけオフセットしている。
【００３２】
まず、光走査手段３ａ，３ｂ，３ｃにより光硬化性樹脂液１を硬化させるのに適当な波長を含む光線ＬＢを発生し、光硬化性樹脂液槽２に収容された光硬化性樹脂液１に対して光線ＬＢを走査させる。一つの等高断面における走査を終了すると、光線ＬＢが照射されたことにより生成する硬化樹脂５１を昇降手段４ａ，４ｂによって昇降させ、このような手順を繰り返すことにより、順次走査硬化層５１を積層する。
【００３３】
このとき、まず最初に、立体造形する少なくとも一部の立体造形情報を記憶している立体造形情報記憶部５ｂから、エレベータ４ａを動作させない状態で光線ＬＢを走査照射することにより形成される走査硬化層５１に関する情報を走査硬化層情報抽出部５ｃによって抽出する。同時に、オフセット量ｒ１，ｒ２を読み込む（ステップ１，２）。
【００３４】
ついで、この走査硬化層情報抽出部５ｃより得られる走査硬化層情報に基づいて、輪郭線検出部５ｄによって、走査硬化層５１の輪郭線位置ＯＬを検出したのち、この輪郭線検出部５ｄより得られる輪郭線位置ＯＬに対して、予め決められた距離ｒ１だけ内側の位置ＯＬＡを軌跡情報として輪郭硬化情報抽出部５ｅにて演算する（ステップ３、図２）。
この軌跡情報は光学系コントローラ３ｃに出力され（ステップ６）、上述した輪郭線に沿ったベクトル走査が実行されることになるので（ステップ７、図３）、光線のスポット径や走査ピッチを小さくしなくとも輪郭線近傍の造形精度がきわめて向上する。
【００３５】
一方、内域情報抽出部５ｆでは、輪郭線検出部５ｄより得られる輪郭線位置ＯＬに対して、予め決められた距離ｒ２だけ内側の閉じた領域に関する情報を抽出する（ステップ４、図２）。そして、この情報は光学系コントローラ３ｃに出力され（ステップ８）、その結果、輪郭線で囲まれた閉じ領域内のラスター走査が実行されることになる（ステップ９、図４）。
【００３６】
特に、ｒ１＜ｒ２と設定することにより、輪郭線に沿ったベクトル走査による走査硬化層とラスター走査による走査硬化層との重なり領域が小さくなるため、光硬化性樹脂液が硬化する際の収縮率が均一となり、得られるモデルの変形を抑制することが可能となる。
【００３７】
本発明とは別の発明に係る光学的造形方法では、上述した実施形態を種々に改変することが可能である。
例えば、光照射により硬化する際の体積収縮率が小さい光硬化性樹脂液に対しては、図６〜図９に示す光学的造形方法の如く、輪郭線の内域をラスター走査する場合にオフセットを省略することも可能である。図６〜図９は光学的造形方法の参考例を示す平面図である。
【００３８】
参考例の場合には、ベクトル走査の中心線を本来の輪郭線ＯＬより内側に距離ｒ１だけオフセットした別の輪郭線ＯＬＡとし、ラスター走査する始点と終点もこの別の輪郭線ＯＬＡを利用している。
【００３９】
この参考例では、まず最初に、立体造形する少なくとも一部の立体造形情報を記憶している立体造形情報記憶部５ｂから、エレベータ４ａを動作させない状態で光線ＬＢを走査照射することにより形成される走査硬化層５１に関する情報を走査硬化層情報抽出部５ｃによって抽出し、同時に、オフセット量ｒ１を読み込む（図６参照）。
【００４０】
ついで、この走査硬化層情報抽出部５ｃより得られる走査硬化層情報に基づいて、輪郭線検出部５ｄによって、走査硬化層５１の輪郭線位置ＯＬを検出したのち、この輪郭線検出部５ｄより得られる輪郭線位置ＯＬに対して、予め決められた距離ｒ１だけ内側の位置ＯＬＡを軌跡情報として輪郭硬化情報抽出部５ｅにて演算する（図７参照）。
この軌跡情報は光学系コントローラ３ｃに出力され、上述した実施形態と同様の手順で輪郭線に沿ったベクトル走査が実行されることになるので（図８参照）、光線のスポット径や走査ピッチを小さくしなくとも輪郭線近傍の造形精度がきわめて向上する。
【００４１】
一方、内域情報についても、輪郭硬化情報抽出部５ｅより得られる軌跡情報をそのまま利用して、輪郭線で囲まれた閉じ領域内のラスター走査を実行する（図９参照）。この場合、輪郭線に沿うベクトル走査により硬化する走査硬化層とラスター走査による走査硬化層とが一部において重なることとなるが、光収縮率が小さい場合には硬化によるモデルの変形も問題とならないため、輪郭線の演算に要する時間を短縮できるという利点がある。
【００４２】
なお、本発明の実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、本発明の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【００４３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明では、等高断面層の造形領域を形成するにあたり、造形領域の輪郭線に沿って光線を走査して硬化させるとともに、光線をラスター走査して輪郭線の内部の造形領域を硬化させるように構成しているので、造形される閉じ領域の端縁が全て光線の走査方向に沿うこととなる。したがって、同一等高断面における造形精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態に係る光学的造形装置の基本構成を示すブロック図である。
【図２】  本発明の一実施形態に係る造形方法の第１工程を示す平面図である。
【図３】  図２と同じく第２工程を示す平面図である。
【図４】  図２および図３と同じく第３工程を示す平面図である。
【図５】  同実施形態の制御手段における処理手順を示すフローチャートである。
【図６】  参考例に係る造形方法の第１工程を示す平面図である。
【図７】  参考例に係る造形方法の第２工程を示す平面図である。
【図８】  参考例に係る造形方法の第３工程を示す平面図である。
【図９】  参考例に係る造形方法の第４工程を示す平面図である。
【図１０】  従来の光学的造形方法であって、走査硬化層を積層したのち最終の硬化を行う工程を示す側面図である。
【図１１】  従来の光学的造形方法の第１工程を示す平面図である。
【図１２】  同じく第２工程を示す平面図である。
【符号の説明】
１…光硬化性樹脂液
２…光硬化性樹脂液槽
３…光走査手段
３ａ…レーザ発振器
３ｂ…光学系
３ｃ…光学系コントローラ
４…昇降手段
４ａ…エレベータ
４ｂ…昇降器
５…制御手段
５ａ…一般制御部
５ｂ…立体造形情報記憶部
５ｃ…走査硬化層情報抽出部
５ｄ…輪郭線検出部
５ｅ…輪郭硬化情報抽出部
５ｆ…内域情報抽出部
６…走査硬化層
ＬＢ…光線
Ｔ…積層厚
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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