(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
立体造形に関するデータに応じて光源と液晶マスクにより面状に設定された硬化媒体により材料を硬化し、この硬化した層の積層を繰り返すことにより立体物を造形する立体造形装置において、上記材料表面上における上記硬化媒体か上記材料の少なくとも一方を液晶マスクの表示画素の寸法より少ない寸法だけ互いに平行移動させる変位手段を備えたことを特徴とする立体造形装置。
【請求項２】
上記硬化媒体が面状に設定された光であり、上記材料が光硬化性樹脂であることを特徴とする請求項１記載の立体造形装置。
【請求項３】
上記面状に設定された光が液晶マスクの透過により形成され、上記変位手段がこの液晶マスクを平行移動させるマスク変位機構を含むことを特徴とする請求項２記載の立体造形装置。
【請求項４】
上記面状に設定された光が液晶マスクの透過により形成され、上記変位手段がこの液晶マスクを透過した光を平行移動させる光変位機構を含むことを特徴とする請求項２記載の立体造形装置。
【請求項５】
上記面状に設定された光が液晶マスクの透過により形成され、この液晶マスクがマスク面と直交方向に重ねて配置されると共に、それぞれの表示画素の位置がマスク面と平行方向に変位して配置された複数の液晶マスクで構成されることを特徴とする請求項２記載の立体造形装置。
【請求項６】
立体造形に関するデータに応じて任意に変化させ得る領域から選択的に光エネルギーを放射可能な面光源により面状に設定された硬化媒体により材料を硬化し、この硬化した層の積層を繰り返すことにより立体物を造形する立体造形装置において、上記材料表面上における上記硬化媒体か上記材料の少なくとも一方を任意に変化させ得る領域の表示画素の寸法より少ない寸法だけ互いに平行方向に微小変位させる変位手段を備えたことを特徴とする立体造形装置。
【請求項７】
立体造形に関するデータに応じて光源と液晶マスクにより面状に設定された硬化媒体により材料を硬化し、この硬化した層の積層を繰り返すことにより立体物を造形する立体造形方法において、上記材料を１層分硬化する場合、まず第１の面状パターンに従い硬化し、ついで第２或いはそれ以上の面状パターンに従い硬化するとき、上記材料表面上における上記硬化媒体か上記材料の少なくとも一方を液晶マスクの表示画素の寸法より少ない寸法だけ互いに平行移動させることを特徴とする立体造形方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面状に設定された光や熱等の硬化媒体により材料を硬化し、この硬化した層の積層を繰り返すことにより立体物を造形する立体造形装置および立体造形方法に関する。
【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等の制御手段と、この制御手段からのデータに応じて面状パターンを制御する液晶マスクと、例えばＵＶランプ等の光源とを備え、上記液晶マスク越しに上記光源を用いて光硬化性樹脂の１層分の未硬化樹脂層を面露光し、この面露光操作を多層に亘って繰り返すことにより光造形する立体造形装置が知られている。
【０００３】
この種のものは、従来のように半導体レーザ等のレーザ光で露光し、光造形を行うものに比べ、圧倒的に造形速度を速めることができ、しかも半導体レーザ等が不要なため、低コストで光造形を行うことができる。
【０００４】
【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、面状パターンによる１層分のデータ輪郭が、液晶マスクの表示画素の解像度に従い、それに応じた輪郭となるため、光造形物の外表面に凹凸が生じ、製品品質が低下するという問題がある。
【０００５】
この種の問題は、面状に設定された光や熱等の材料硬化媒体が、デジタル化された場合、例えば、ブラウン管或いはプラズマディスプレイ等の面光源を用い、または光とデジタルマイクロミラーとの組み合わせを用い、さらにはサーマルヘッドアレイ等を用いた立体造形装置においても同様に発生する問題である。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、面状に設定された光や熱等の材料硬化媒体が、デジタル化された場合、立体造形物の外形輪郭をなめらかに形成することができ、造形精度を向上させることができる立体造形装置および立体造形方法を提供することにある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
請求項１記載の発明は、立体造形に関するデータに応じて光源と液晶マスクにより面状に設定された硬化媒体により材料を硬化し、この硬化した層の積層を繰り返すことにより立体物を造形する立体造形装置において、上記材料表面上における上記硬化媒体か上記材料の少なくとも一方を液晶マスクの表示画素の寸法より少ない寸法だけ互いに平行移動させる変位手段を備えたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のものにおいて、上記硬化媒体が面状に設定された光であり、上記材料が光硬化性樹脂であることを特徴とする。
【０００９】
請求項３記載の発明は、請求項２記載のものにおいて、上記面状に設定された光が液晶マスクの透過により形成され、上記変位手段がこの液晶マスクを平行移動させるマスク変位機構を含むことを特徴とする。
【００１０】
請求項４記載の発明は、請求項２記載のものにおいて、上記面状に設定された光が液晶マスクの透過により形成され、上記変位手段がこの液晶マスクを透過した光を平行移動させる光変位機構を含むことを特徴とする。
【００１１】
請求項５記載の発明は、請求項２記載のものにおいて、上記面状に設定された光が液晶マスクの透過により形成され、この液晶マスクがマスク面と直交方向に重ねて配置されると共に、それぞれの表示画素の位置がマスク面と平行方向に変位して配置された複数の液晶マスクで構成されることを特徴とする。
【００１２】
請求項６記載の発明は、立体造形に関するデータに応じて任意に変化させ得る領域から選択的に光エネルギーを放射可能な面光源により面状に設定された硬化媒体により材料を硬化し、この硬化した層の積層を繰り返すことにより立体物を造形する立体造形装置において、上記材料表面上における上記硬化媒体か上記材料の少なくとも一方を任意に変化させ得る領域の表示画素の寸法より少ない寸法だけ互いに平行方向に微小変位させる変位手段を備えたことを特徴とする。
【００１５】
請求項７記載の発明は、立体造形に関するデータに応じて光源と液晶マスクにより面状に設定された硬化媒体により材料を硬化し、この硬化した層の積層を繰り返すことにより立体物を造形する立体造形方法において、上記材料を１層分硬化する場合、まず第１の面状パターンに従い硬化し、ついで第２或いはそれ以上の面状パターンに従い硬化するとき、上記材料表面上における上記硬化媒体か上記材料の少なくとも一方を液晶マスクの表示画素の寸法より少ない寸法だけ互いに平行移動させることを特徴とする。
【００１６】
【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。
【００１７】
図１において、１は立体造形装置を示している。この立体造形装置１は昇降自在に構成された造形テーブル３を有し、この造形テーブル３上で１層分のデータに従って光硬化性樹脂の未硬化樹脂層５Ａを一括面露光し、この面露光操作を繰り返すことにより造形物５を光造形する。
【００１８】
上記造形テーブル３の上方には投影レンズ７が配置され、この投影レンズ７の上方には液晶素子からなる液晶マスク９が配置されている。このマスク９の上方には光源１１が設置され、この光源１１とマスク９間には投影レンズ７に集光するレンズ１３が配置されている。
【００１９】
上記光源１１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からなる光源が用いられるが、本実施形態では、周囲の温度上昇を抑制する等の理由からストロボが用いられている。
【００２０】
１５は制御手段である。この制御手段１５は三次元ＣＡＤ等からなり、造形すべき立体モデルを例えば平行方向に薄くスライスした上記１層分の断面データを出力する。この制御手段１５には、上記造形テーブル３を昇降させるためのサーボモータ（図示せず）を駆動するサーボモータ駆動装置２１と、マスク９を構成する液晶素子に対する印加電圧を制御する制御装置２３と、光源１１に接続された光源電源２５とが接続される。
【００２１】
本実施形態では、制御手段１５から１層分のデータが出力されると、サーボモータが駆動されて、上記造形テーブル３が１層分に対応する寸法分だけ降下し、造形物５の上に１層分の未硬化樹脂層５Ａが、図示を省略した塗布手段を介して塗布される。この場合、未硬化樹脂層５Ａの上にフィルムを被せて、上記樹脂の流出を防止すれば、造形精度を向上させることができる。また造形テーブル３を容器中に浸し、液中で光造形してもよい。
【００２２】
つぎに、上記制御装置２３が動作し、マスク９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。
【００２３】
この液晶マスク９は、図２に示すように、フレーム５１を有する。このフレーム５１は、複数のコイルばね５３Ａ〜５３Ｄと、複数のピエゾ素子（マスク変位機構）５５Ａ〜５５Ｄとを介して固定部に水平に支持され、いずれかのピエゾ素子５５Ａ〜５５Ｄに電圧が印加された場合、この液晶マスク９は、マスク面と平行方向であるＸ方向又はＹ方向のいずれかに微少変位される。ピエゾ素子５５Ａ、５５Ｂに電圧が印加されると、この液晶マスク９は、Ｘ方向に微少変位され、ピエゾ素子５５Ｃ、５５Ｄに電圧が印加されると、この液晶マスク９は、Ｙ方向に微少変位される。この微少変位の距離は、後述するように、液晶マスク９を構成する表示画素の寸法の１／２，１／３，１／４等の任意距離である。
【００２４】
この液晶マスク９は、図３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表示画素１００が、このＸ、Ｙ電極の交点で形成される。これによれば、透過光はいわゆるデジタル化され、透過光の外形には、後述するように凹凸が現れる。なお、図３では、液晶マスク９を表示画素１００の集合体として模式的に示している。
【００２５】
本実施形態では、制御手段１５から出力される１層分のデータが、例えば、円形の断面データ１０１であった場合、この断面データ１０１に従い、２回に分けて面状パターンが作成され、未硬化樹脂層５Ａが２回に分けて露光される。なお、２回に分けて露光する場合、１回当たりの露光量は少なくすることが望ましい。具体的には、図３に示すように、制御装置２３から縦Ｌ１、横Ｌ２の十文字形を表す１回目のデータが出力され、このデータに従い、マスク９を構成する液晶素子に対し所定の電圧が印加され、１回目の十文字形の第１の面状パターンが作成される。この面状パターンでは、５か所の表示画素１００Ａ〜１００Ｅが光を透過し、そのほかの表示画素は光を透過しない。
【００２６】
この状態で、ストロボ光源１１が点灯されると、表示画素１００Ａ〜１００Ｅを通じて、未硬化樹脂層５Ａに光が到達して、この表示画素１００Ａ〜１００Ｅに相当する未硬化樹脂層５Ａが硬化する。
【００２７】
ついで、ピエゾ素子５５Ａ、５５Ｂに電圧を印加し、表示画素１００の寸法Ｗの略半分１／２Ｗだけ、液晶マスク９をＸ方向に微少変位させると共に、ピエゾ素子５５Ｃ、５５Ｄに電圧を印加し、表示画素１００の寸法Ｈの略半分１／２Ｈだけ、液晶マスク９をＹ方向に微少変位させる。これによると、液晶マスク９はＸ，Ｙの中間方向に斜めに変位する。
【００２８】
そして、この状態で、制御装置２３から縦Ｌ３、横Ｌ４の正方形を表すデータが出力され、このデータに従い、マスク９を構成する液晶素子に対し所定の電圧が印加され、２回目の露光に用いられる正方形の第２の面状パターンが作成される。この面状パターンでは、４か所の表示画素１００Ｆ〜１００Ｉが光を透過し、そのほかの表示画素は光を透過しない。
【００２９】
この状態で、ストロボ光源１１が点灯されると、表示画素１００Ｆ〜１００Ｉを通じて、未硬化樹脂層５Ａに光が到達して、この表示画素１００Ｆ〜１００Ｉに相当する未硬化樹脂層５Ａが硬化する。
【００３０】
上記の処理によって、１層分の樹脂を硬化させた後は、再び、制御手段１５から１層分のデータが出力され、サーボモータが駆動され、造形テーブル３が１層分に対応する寸法分だけ降下し、造形物５の上に１層分の新たな未硬化樹脂層５Ａが、図示を省略した塗布手段を介して塗布される。そして、上記と同様の手順によって、新たな未硬化樹脂層５Ａを硬化する。
【００３１】
本実施形態では、第１の面状パターンに従い面露光し、ピエゾ素子により液晶マスク９をマスク面と平行方向に微少変位させた後、第２の面状パターンに従い面露光することにより、図５に示すように、１層分の円形断面データ１０１の輪郭に近い形状の硬化層が得られる。
【００３２】
すなわち、１回で露光を完了する場合、表示画素の解像度に従い、図３に示す十文字形の硬化層が得られるだけであるのに対し、２回に分けて露光することにより、図５に示すように、十文字形に比べて円形の断面データ１０１により近い、輪郭のなめらかな形状の硬化層が得られる。
【００３３】
従って、上記処理に従い造形された造形物５は、その外形表面に現れる凹凸が少なく、製品品質を向上させることができる。
【００３４】
図９はマスク変位機構の別の実施形態を示す。
【００３５】
図２では、液晶マスク９をＸ，Ｙ方向に変位させ、結果的にその中間方向Ｚに斜めに変位させる構成が採用されている。
【００３６】
ここでの液晶マスク９は、始めからその中間方向Ｚに斜めに変位させる機構が採用される。この機構は、液晶マスク９のフレーム５１に対し、その対角線上に位置するように、コイルばね１５３と、ピエゾ素子（マスク変位機構）１５５とを備えて構成される。このピエゾ素子１５５に電圧が印加された場合、この液晶マスク９は、一度に、マスク面と平行方向であるＺ方向に微少変位される。この機構では、図２のものと比べ構成が簡素化される。
【００３７】
図６は、上記面状パターンの作成フローを示す。
【００３８】
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）。
【００３９】
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、一つ目の第１の面状パターン（例えば、図３の十文字形）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面状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）。
【００４０】
ついで、面状パターンがＮ回終了したかを判断し（Ｓ９）、Ｎ回終了していない場合、上記ピエゾ素子に電圧を印加し、液晶マスク９をマスク面と平行方向に微少変位させて（Ｓ１０）、Ｓ６に移行する。そして、第２の面状パターン（例えば、図４の正方形）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）。
【００４１】
上記Ｓ９で、面状パターンがＮ回終了した場合、Ｓ４に移行して、次の層のマスクを作成し、露光を実行する。
【００４２】
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、Ｓ１１に移行して、光造形を終了する。
【００４３】
図７は、別の実施形態を示す。
【００４４】
この実施形態では、ピエゾ素子から成るマスク変位機構の代わりに、液晶マスク９と未硬化樹脂層５Ａ間に光変位機構６１が配置される。この光変位機構６１は、例えば揺動ミラー等で構成され、マスク９を透過した光を未硬化樹脂層５Ａの層表面と平行方向に微少変位させる。
【００４５】
本実施形態では、光硬化性樹脂の１層分を面露光する場合、一つ目の第１の面状パターン（例えば、図３の十文字形）に従い面露光し、ついで第２の面状パターン（例えば、図４の正方形）に従い面露光するとき、この第２の面状パターンを透過した光を、光変位機構６１によって、未硬化樹脂層５Ａの層表面と平行方向に微少変位させて面露光する。
【００４６】
これによれば、例えば、図５に示すように、１層分の円形断面データ１０１の輪郭に近い形状の硬化層が得られる。
【００４７】
すなわち、１回で露光を完了する場合、表示画素の解像度に従い、図３に示す十文字形の硬化層が得られるだけであるのに対し、２回に分けて露光することにより、図５に示すように、十文字形に比べて円形の断面データ１０１により近い、輪郭のなめらかな形状の硬化層が得られる。
【００４８】
従って、上記処理に従い造形された造形物５は、その外形表面に現れる凹凸が少なく、製品品質を向上させることができる。
【００４９】
図８は、さらに別の実施形態を示す。本実施形態では、上記マスク９が複数の液晶マスク９Ａ，９Ｂで構成される。これら液晶マスク９Ａ，９Ｂは、マスク面と直交方向に重ねて配置されると共に、それぞれの表示画素の位置がマスク面と平行方向に相対的に微少変位して配置される。
【００５０】
この実施形態では、光硬化性樹脂の１層分を面露光する場合、一つ目の液晶マスク９Ａを制御して、第１の面状パターン（例えば、図３の十文字形）に従い面露光し、ついで二つ目の液晶マスク９Ｂを制御して、第２の面状パターン（例えば、図４の正方形）に従い面露光する。この場合、上述した制御を行わない方の液晶マスク９は、全面的に光を透過するように制御される。
【００５１】
これら液晶マスク９Ａ，９Ｂは、それぞれの表示画素の位置がマスク面と平行方向に相対的に微少変位して配置されているため、第１、第２の面状パターンに従い面露光することにより、例えば、図５に示すように、１層分の円形断面データ１０１の輪郭に近い形状の硬化層が得られる。
【００５２】
すなわち、１回で露光を完了する場合、表示画素の解像度に従い、図３に示す十文字形の硬化層が得られるだけであるのに対し、２回に分けて露光することにより、図５に示すように、十文字形に比べて円形の断面データ１０１により近い、輪郭のなめらかな形状の硬化層が得られる。従って、上記処理に従い造形された造形物５は、その外形表面に現れる凹凸が少なく、製品品質を向上させることができる。本実施形態では、光が、２枚の液晶マスクを透過することになるため、照射強度を若干高めに設定することが望ましい。
【００５３】
さらに、別の実施形態として、図示は省略したが、光造形に関するデータに応じて照射パターンが制御されるブラウン管或いはプラズマディスプレイ（ＰＤＰ）等の面光源を備えたものに適用してもよい。
【００５４】
この種の面光源は、任意に変化させ得る領域から選択的に光エネルギーを放射可能に構成されている。ブラウン管方式では、例えば、特開昭６３−３１２１３０号公報に開示がある。
【００５５】
この別の実施形態では、光硬化性樹脂の１層分を面露光する場合、第１の面状パターン（例えば、図３の十文字形）に従い面露光し、ついで第２の面状パターン（例えば、図４の正方形）に従い面露光するとき、この第２の面状パターンに従う光を上記未硬化樹脂層の層表面と平行方向に微少変位させて面露光する。
【００５６】
或いは、光硬化性樹脂の１層分を面露光する場合、第１の面状パターン（例えば、図３の十文字形）に従い面露光し、ついで第２の面状パターン（例えば、図４の正方形）に従い面露光するとき、上記面光源を面光源変位機構（図示せず）によりこの面と平行方向に微少変位させた後、面露光する。
【００５７】
この面光源変位機構は、例えば、図２または図９に相当する機構であって、図２または図９中の液晶マスク９の代わりに面光源を配置すればよい。
【００５８】
本実施形態によれば、例えば、図５に示すように、１層分の円形断面データ１０１の輪郭に近い形状の硬化層が得られる。
【００５９】
すなわち、１回で露光を完了する場合、面光源の解像度に従い、図３に示す十文字形の硬化層が得られるだけであるのに対し、２回に分けて露光することにより、図５に示すように、十文字形に比べて円形の断面データ１０１により近い、輪郭のなめらかな形状の硬化層が得られる。
【００６０】
従って、上記処理に従い造形された造形物５は、その外形表面に現れる凹凸が少なく、製品品質を向上させることができる。
【００６１】
さらに、別の実施形態として、図示は省略したが、光とデジタルマイクロミラーとの組み合わせが提案される。この場合、上記面状のパターンは、デジタルマイクロミラーの制御により形成される。また、光を変位させる場合、デジタルマイクロミラーを種々の方向或いは角度に変位させればよい。紫外光により樹脂を硬化させるタイプのものでは、上記液晶マスクを用いたものに比べて、本案の方が、より多くの紫外光を照射可能である。
【００６２】
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。
【００６３】
すなわち、本発明は、立体造形に関するデータに応じて面状に設定された光や熱等の硬化媒体により材料を硬化し、この硬化した層の積層を繰り返すことにより立体物を造形する立体造形装置において、材料表面上における硬化媒体か材料の少なくとも一方を互いに平行移動させる変位手段を備えたものであればよい。
【００６４】
例えば、面状に設定された硬化媒体が光であれば、上記のように材料は光硬化性樹脂が好適であり、面状に設定された硬化媒体が熱であれば、材料は熱硬化性または熱可塑性樹脂が好適である。面状に設定された硬化媒体を熱とした場合、この熱は、例えば、サーマルヘッドアレイ等により形成される。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば、断面データの輪郭に近い形状の硬化層を得ることができ、この処理に従い造形された造形物は、その外形表面に現れる凹凸が少なく、造形物の製品品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による立体造形装置の一実施形態を示す正面図である。
【図２】液晶マスクの支持形態を示す図である。
【図３】第１の面状パターンを示す図である。
【図４】第２の面状パターンを示す図である。
【図５】本実施形態により得られた樹脂硬化層を示す図である。
【図６】マスク作成手順を示すフローチャートである。
【図７】別の実施形態を示す図である。
【図８】別の実施形態を示す図である。
【図９】液晶マスクの支持形態の別の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１  立体造形装置
３  造形テーブル
５Ａ  未硬化樹脂層
５  造形物
７  投影レンズ
９，９Ａ，９Ｂ  液晶マスク
１１  光源
１３  レンズ
１５  制御手段
２３  制御装置
２５  光源電源
５１  フレーム
５３Ａ〜５３Ｄ  コイルばね
５５Ａ〜５５Ｄ  ピエゾ素子（マスク変位機構）
６１  光変位機構
１００  表示画素
【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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