(57)【要約】【課題】本発明は樹脂槽内の光硬化性樹脂に、樹脂槽下方より光エネルギーを照射して、得られる平面状硬化物を順次上方へ引き上げつつ３次元造形物を積層造形する光造形装置であって、光照射装置に冷却の設備が必要なく、小型であり光エネルギーの照射量がシャッター機構の機械的動作による応答の遅延を生じない高度な造形精度を有する造形装置を提供する。【解決手段】半導体レーザであり発光部が照射する光エネルギーを光学的に焦点調整を施すためのレンズ鏡筒端へ接合一体化されている光照射部構造を持ち、レーザが発光するための電源供給回路に光造形装置を制御するコンピュータからの指令により供給電力を可変的に加減できる電カボリューム制御回路を備えている。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂槽内の光硬化性樹脂に、樹脂槽下方より所望する任意形状に光エネルギーを照射して、樹脂槽底面と樹脂液内に配置される積層転写面に規制された間隙領域の樹脂を層状に硬化させ得られる平面硬化物を、順次上方へ引き上げつつ３次元造形物を成形する光造形装置であって、波長４００ｎｍ及至６００ｎｍの光エネルギーを照射するための光照射装置が、樹脂槽下方に設けられた走査機構部に載荷されていることを特徴とする光造形装置。
【請求項２】
光照射装置として、照射光源が半導体レーザであり、該半導体レーザ発光部が照射する光エネルギーを光学的に焦点調整を施すためのレンズ鏡筒端へ接合一体化されている光照射部構造を備えていることを特徴とする請求項１記載の光造形装置。
【請求項３】
光照射装置として、照射光源が半導体レーザであり、その発光のための電源供給回路に光造形装置を制御するコンピュータからの指令により可変的に増減できる電力ボリューム制御回路を併せ備えていることを特徴とする請求項２記載の光造形装置。
【請求項４】
前記光照射装置として、電源供給回路内にコンパレータおよびオペアンプを備えた演算回路により、走査機構部の走査加速度運動と連携し、その走査加速速度の増減に比例して、半導体レーザの発光のための供給電力を０及至１００％出力の間で自律的に追従的に増減する電力ボリューム制御回路を備えていることを特徴とする請求項２記載の光造形装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光硬化性の樹脂に所望する任意形状に光エネルギーを照射して、得られた層状の平面硬化物を積層し、３次元造形物を形成する光造形装置の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光硬化性の樹脂に光エネルギーを照射して３次元造形物を形成する光造形法は、各種のものが知られており、特に、最近では日刊工業新聞社発行の「光造形法」（１９９０年１０月３０日発行・著者：丸谷洋二，大川和夫，早野誠治，斉藤直一郎，中井孝）により広く理解されるようになっている。
【０００３】
光造形法としては、光硬化性樹脂を貯留した上面開放形樹脂槽内の液面近くに配置した造形テーブルを樹脂の自由液面から順次降下させて、この自由液面に上方から光エネルギーを照射することにより、造形テーブル上に得られる樹脂硬化物を順次沈下積層しながら造形物を成形する自由液面法が一般的に知られており、また、別の方法としては、底面を光の透過窓とした樹脂槽内に、透過窓と造形テーブルにより規制された光硬化性樹脂を配置し、光エネルギーを樹脂槽の底面透過窓よりベースプレート方向へ照射して前記プレートと樹脂槽底面との間の樹脂を樹脂硬化物層として順次引き上げ積層させる規制液面法が、例えば特開平７−１５９４号、特開平７−１５９５号、特開平８−１０８４８０号、特開平８−１０８４８１号などにより知られている。
【０００４】
また、光硬化性樹脂に対して光エネルギーを照射するための光源としては、主として、紫外線領域の光エネルギーを照射するＡｒ（アルゴン）レーザ、Ｈｅ−Ｃｄ（ヘリウム・カドミウム）レーザ、などの気体レーザまたは可視光領域の光エネルギーを照射する半導体レーザが用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記の光源のうち紫外線領域の光エネルギーを照射するＡｒ（アルゴン）レーザ、Ｈｅ−Ｃｄ（ヘリウム・カドミウム）レーザなどの気体レーザは、光電管様の調波振動発振器内に封じた発振気体を励起させるものであるが、一般的に効率が低いため、調波振動発振器ならびに大きな電源供給装置が必要であるとともに、この光源装置に付帯する装置として液冷あるいは空冷の冷却装置が必要となり、必然的に装置全体が大型化するという問題点を有している。
【０００６】
気体レーザを用いる光造形装置では、その光エネルギーの需要強度に応じて、光学映像機器等で使われる機械式シャッターにより調波振動発振器出口に設けられた口門の開閉動作を行うことにより、口門を通過する光照射量を遮断あるいは増減制御しているが、益々の装置の大型化と、構造が機械式であるが故に実際の描画動作に対しては数千分の１秒時及至数百分の１秒時程度の応答性しか期待できず造形精度の悪化と、益々の制御の複雑化をも誘引している。
【０００７】
一方、前記の光源のうち可視光領域の光エネルギーを照射する半導体レーザは、非常に小型で安価ではあるが、とくに６００ｎｍを超える波長の赤色半導体レーザでは、光硬化性樹脂の反応感度が低鈍になることや、電源のオン−オフによる光エネルギーの照射制御は可能であったが、この方式ではやはり実際の描画動作で生じる走査装置の加速度運動時に必要な、光硬化性樹脂の単位体積あたりに光エネルギーを均一に供給することは出来ないので、造形精度を阻害するという問題点を有している。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光造形装置は、上記のような従来における光造形装置の問題点を解消することを目的として開発されたものであり、課題を解決するための具体的な手段として、樹脂槽内の光硬化性樹脂に、樹脂槽下方より所望する任意形状に光エネルギーを照射して、樹脂槽底面と樹脂液内に配置される積層転写面に規制された間隙領域の樹脂を層状に硬化させ得られる平面硬化物を、順次上方へ引き上げつつ３次元造形物を成形する光造形装置であって、波長４００ｎｍ及至６００ｎｍの光エネルギーを照射するための光照射装置が、樹脂槽下方に設けられた走査機構部に載荷されていることを特徴とする。
【０００９】
前記光照射装置としては、照射光源が半導体レーザであり、該半導体レーザ発光部が照射する光エネルギーを光学的に焦点調整を施すためのレンズ鏡筒端へ接合一体化されている光照射部構造を備えていることを特徴とする。
【００１０】
前記光照射装置として、照射光源が半導体レーザであり、その発光のための電源供給回路に光造形装置を制御するコンピュータからの指令により供給電力を可変的に加減できる電力ボリューム制御回路を併せ備えていることを特徴とする。
【００１１】
前記光照射装置として、電源供給回路内にコンパレータおよびオペアンプを備えた演算回路により、走査機構部の走査加速度運動と連携し、その走査加速速度の増減に比例して、半導体レーザの発光のための供給電力を０及至１００％出力の間で自動的に追従的に増減する電力ボリューム制御回路を備えていることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に本発明に係る光造形装置の構成を、図１に示す規制液面法による造形装置により説明すると、２は光硬化性樹脂３を貯留する樹脂造形槽であり、この樹脂造形槽２は透明プレート４を底面に配置した容器形状をなしている。
【００１３】
前記透明プレート４の上方には、エレベータ装置８によって上下動する造形テーブル１が設けられており、波長４００ｎｍ及至６００ｎｍの光エネルギーを照射するための光照射装置６が、樹脂造形槽２の下方に設けられたコンピュータユニット９の制御によって縦横方向に自由に移動するＸ−Ｙプロッタ５である走査機構部に載荷配置されている。
【００１４】
本実施例に示す光照射装置６は半導体レーザを用い、その波長は可視光領域の４０５ｎｍ、出力は２０ｍＷであり、光硬化性樹脂は日本化薬（株）製可視光硬化性の樹脂を供している。
【００１５】
Ｘ−Ｙプロッタ５に載荷された光照射装置６は、図２の本発明の光造形装置による光照射装置の構造を説明する側面断面図に示すように、光照射装置の電源供給回路１５ならびに光エネルギー照射部からなり、光エネルギー照射部は半導体レーザ発光部１３が照射する光エネルギーを光学的に焦点調整を施すためのフォーカス用光学レンズ１２を配したレンズ鏡筒１１の端部へ接合一体化された構造をとなっている。
【００１６】
光照射装置の電源供給回路１５は、電源供給回路内に備えた演算回路１６および半導体レーザ発光部１３およびトランジスタ２１および電力ボリューム制御器１９からなるレーザの供給電力安定化回路１７から構成される。
【００１７】
電源供給回路内に備えた演算回路１６は、光造形装置を制御するコンピュータユニット９からの指令による場合や、走査機構部の走査加速度運動と連携しその走査加速速度の増減に比例して自律制御により、半導体レーザの発光のための供給電力を０及至１００％出力の間で追従的に増減する電力ボリューム制御のためコンパレータ１８、電力ボリューム制御器１９およびオペアンプ２０から構成される。
【００１８】
レーザの供給電力安定化回路１７は、コンピュータユニット９からの制御あるいは電源供給回路内に備えた演算回路１６の自律制御により出力された電力量の不正脈動を吸収するとともに、半導体レーザ発光部１３に供給される電力の安定を保つ。
【００１９】
Ｘ−Ｙプロッタ５、エレベータ装置８および光照射装置６は、前記コンピュータユニット９により制御されるが、このコンピュータユニット９は、装置本体の駆動制御回路１４や光照射装置の電源供給回路１５を制御するほか、所望する３次元形状の積層造形用の積層スライス毎の平面形状を演算し、更にこれに光照射装置６が所望する平面形状を描画するように、光エネルギー照射の走査速度や走査幅などの属性データの計算も同時に行なう。
【００２０】
更に、コンピュータユニット９はＣＡＤを内蔵し、３次元モデルのＣＡＤ入力から積層造形データの演算制御を行なうもの、あるいは３次元モデルの設計は他のコンピュータで行なうもの、あるいはＣＴスキャナー、ＭＲＩ、３次元形状測定機による３次元立体形状の認識を行なう装置とのデータ授受により、該装置の積層造形制御を行なうものなど多様な組み合わせが考えられる。
【００２１】
光硬化性樹脂は光源波長によって、紫外線により硬化するもの、あるいは可視光により硬化するものなどがあり、また樹脂基材においてはアクリル系の樹脂、あるいはエポキシ系の樹脂をあげることができるが、使用する光エネルギー照射装置固有の出力強度および出力波長域において充分硬化する性能があれば、いずれも好適に使用することができる。
【００２２】
図１に示した規制液面法による光造形装置について、その造形プロセスを説明すると樹脂造形槽２の透明プレート４上に所定量の光硬化性樹脂３を供給したあと、造形テーブル１を該樹脂造形槽２の透明プレート４と造形テーブル１の間に積層造形物の積層厚に相当する間隙を作るように降下待機させる。
【００２３】
つぎに前記コンピュータユニット９により積層するべく所望する平面形状の被照射部分を演算して、得られたデータにより光照射装置６を載荷するＸ−Ｙプロッタ５を走査することにより、光エネルギーを透明プレート４と造形テーブル１に挟まれたの光硬化性樹脂３に照射し、第１層目の造形物層を成形する。
【００２４】
このとき従来による光エネルギーの照射の仕方は、コンピュータユニット９より与えられる描画するべき走査経路の通過に伴う位置信号を捕らえ、光照射装置６である半導体レーザの電源供給回路をオン−オフすることにより光エネルギーの供給を管理していた。
【００２５】
この方式では実際の描画動作で生じる走査装置の加速度運動時に必要な、光硬化性樹脂の単位体積あたりに光エネルギーを均一に供給することは出来ない、例えばプロッタの走査運動が速度０ｍｍ／ｓから実用速度である３０〜５０ｍｍ／ｓへ加速運動する区間距離約１ｍｍにおいて、始点である距離０ｍｍ−速度０ｍｍ／ｓで照射オンされた光硬化性樹脂部分は、過剰な光エネルギーを被爆し、結果として硬化径が肥大化する。
【００２６】
爾後、プロッタ走査運動の加速にともない、光エネルギーの被爆量は減少していき、加速運動する区間距離約１ｍｍを過ぎ、等速直線運動に移行してからは、被爆する光エネルギーは一定となり、硬化径も一定となる。
【００２７】
この加速運動する区間距離約１ｍｍにおいて、電源供給回路内に備えた演算回路１６によって、コンピュータユニット９からあるいは装置本体の駆動制御回路１４からのＸ−Ｙプロッタ５の加速度運動情報による自律制御により、加速初期段階では半導体レーザへ供給する電力を減じ、光エネルギーの照射量を少なく、爾後、加速度の増大に伴い随時比例して半導体レーザへ供給する電力を増大させていき、等速直線運動時においては、一定の供給電力量となるように制御を行う。
【００２８】
これによりプロッタ性能による所望する速度、所望する造形形状あるいは要求精度による走査経路上の樹脂硬化径の制御が、等速直線運動時においても加速運動時においても可能である。
【００２９】
この光照射装置６をもって行う図１に示す光造形装置では樹脂造形槽２の底面に配置された透明プレート４を通して光硬化性樹脂３に供給されるために、造形テーブル１に固着した積層造形物１０のみならず透明プレート４にも固着硬化を生じ、次層の積層造形のためのエレベータ装置８による引き剥がし作業が困難となる。
【００３０】
このとき積層造形物１０の応力を超えてしまうと造形物は破壊されてしまうことになるので、フッ素樹脂やシリコン樹脂などの高分子素材７を塗布または貼付する方法で、光エネルギー照射面である透明プレート４からの積層造形物１０の剥離を促進する。
【００３１】
このようにして第１層目の造形物層を剥離離反し、第２層目の積層造形の用意として前記と同様な手順により、順次積層造形物１０と透明プレート４との間に積層厚に等しい間隙を用意した後、また光照射装置６により所望する硬化物層を連続的に成形し、以下同様な操作を繰り返すことにより順次造形物層を積層して、目的とする所定の３次元積層造形物を成形する。
【００３２】
光造形法としては、本実施例で説明した規制液面法に分類される下方露光法であるとか、樹脂槽底面とその上方に配置した透明プレートの間に、上方からの光照射により第１層目の造形物を成形した後に、透明プレートを上方に引き上げて前記造形物の上に新しい造形物を順次積層していく上方露光法であるとか、あるいは、自由液面法等の公知の光造形手段があるが、本発明で示した改良をこれらの各種造形法に適用することは充分可能である。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、光造形における光照射装置として、半導体レーザを採用することが出来、消費電力が小さく装置が小型になるとともに、レーザへの供給電力を制御することが可能となり、電気的にレーザの発光量を駆動走査と追従して増減させることができ機械的動作による応答の遅延を生じることがない。
【００３４】
所望する積層造形物の単層描画動作で生じる走査装置における走査経路上の樹脂硬化径が光硬化性樹脂の単位体積あたりに光エネルギーを等速直線運動時においても加速運動時においても可変的あるいは均一的に供給することが可能となり、高度な造形精度を有する造形物を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光造形装置を実施するための造形装置の構成を示す正面斜視図である。
【図２】本発明の光造形装置による光照射装置の構造を説明する側面断面図である。
【図３】本発明の光造形装置による光照射装置の制御回路と構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１：造形テーブル
２：樹脂造形槽
３：光硬化性樹脂
４：透明プレート
５：Ｘ−Ｙプロッタ
６：光照射装置
７：高分子素材
８：エレベータ装置
９：コンピュータユニット
１０：積層造形物
１１：レンズ鏡筒
１２：フォーカス用光学レンズ
１３：半導体レーザ発光部
１４：装置本体の駆動制御回路
１５：光照射装置の電源供給回路
１６：電源供給回路内に備えた演算回路
１７：レーザの供給電力安定化回路
１８：コンパレータ
１９：電力ボリューム制御器
２０：オペアンプ
２１：トランジスタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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