(57)【要約】本発明に係る３Ｄプリンタ（１）は、平板状の造形プレート（４）と、造形プレート（４）に対して対向しかつ平行に配置された露光素子（１０）とを備え、造形プレート（４）と露光素子（１０）との間の間隔が駆動装置（６）を用いて調整可能であり、造形プレート（４）と露光素子（１０）との間の造形プレート（４）に接する領域がリザーバ（３）内の樹脂（２）によって占有されるように、造形プレート（４）及び／又は露光素子（１０）が、樹脂（２）で満たされたリザーバ（３）内に配置されている。本発明によれば、露光素子（１０）は、２次元マトリックス状に互いに近接して配置されるとともに、個別に作動させることができる量子ドット発光ダイオード（１１）によって形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状の造形プレート（４）と、前記造形プレート（４）に対して対向しかつ平行に配置された露光素子（１０）とを備える３Ｄプリンタ（１）であって、
前記造形プレート（４）と前記露光素子（１０）との間隔は、駆動装置（６）を用いて設定可能であり、前記造形プレート（４）及び／又は前記露光素子（１０）は、前記造形プレート（４）と前記露光素子（１０）との間の前記造形プレート（４）に隣接する領域がリザーバ（３）内の樹脂（２）に占有されるように、前記樹脂（２）が充填された前記リザーバ（３）に配置され、
前記露光素子（１０）は、個別に制御可能な量子ドット発光ダイオード（１１）が２次元マトリックス状に互いに近接して配置され、前記量子ドット発光ダイオード（１１）は、電気的に励起されると自発的に発光するダイオードである、３Ｄプリンタ。
【請求項２】
前記露光素子（１０）は、単色である、請求項１に記載の３Ｄプリンタ。
【請求項３】
前記露光素子（１０）から放射される放射線の波長は、４５０ｎｍ以下、好ましくは４１０ｎｍ以下、より好ましくは３９０ｎｍ以下である、請求項１又は２に記載の３Ｄプリンタ。
【請求項４】
前記リザーバ（３）に収容される前記樹脂（２）は、前記露光素子（１０）から放射される波長で照射されたときに硬化するように選択される、請求項１〜３のいずれか１つに記載の３Ｄプリンタ。
【請求項５】
前記造形プレート（４）は、前記リザーバ（３）内に配置され、前記露光素子（１０）は、前記リザーバ（３）の透明な領域（７）に対して外側で接する、請求項１〜４のいずれか１つに記載の３Ｄプリンタ。
【請求項６】
前記露光素子（１０）は、複数の露光素子のタイルで構成されている、請求項１〜５のいずれか１つに記載の３Ｄプリンタ。
【請求項７】
前記露光素子（１０）の露光点は、７０μｍ以下、好ましくは３５μｍ以下の大きさを有する、請求項１〜６のいずれか１つに記載の３Ｄプリンタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３Ｄプリンタに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術において、種々の印刷方法のために様々な構造を有する３Ｄプリンタが知られている。周知の印刷方法の一例として、ステレオリソグラフィ法があり、この方法では、適切な液状の樹脂又はモノマー配合物に対して狙いを定めて光を照射してポイントごとに硬化することで、所望の三次元物体を層ごとに製造する。
【０００３】
従来のステレオリソグラフィ法では、集光したレーザビームを、互いに直交する２つの軸の周りに枢動可能なミラーを介して偏向させ、層状に硬化させたいポイントを順次通過するようにして光を樹脂に照射する。特に、より大面積を硬化させたい場合、この方法では、硬化させたい領域を一点ずつ通過させなければならず、言い換えれば、レーザで領域を実質的にハッチングしなければならないため、時間がかかる。より大きな物体では、レーザが平面的な角度でのみ硬化させる樹脂に当たるため、周辺部に歪みが生じることもある。
【０００４】
これに代わる方法として、「デジタルライトプロセシング（digital light processing）」（ＤＬＰ）と呼ばれる印刷方法が開発されている。この方法では、光源からの光が、デジタルマイクロミラーユニットを介して硬化させる樹脂に照射される。マイクロミラーユニットは、個別に制御可能でありかつ傾斜可能であるマイクロミラーを矩形状に配置したものである。一般的なマイクロミラーユニットは、１９２０×１０８０個の個別に制御可能なミラーで構成されており、これらのミラーは、入射した光を樹脂内の特定のポイントに偏向する位置と、偏向しない第２の位置との間で回転させることができる。樹脂の１層における個別に硬化可能なポイントの数は、マイクロミラーユニットのミラーの数によって定められる。樹脂内の個々のポイントの最終的なサイズは、マイクロミラーユニットと露光される層との間の間隔に影響される。より大きな部品は、より大きな間隔で印刷することができるが、解像度は低下する。周辺部では、樹脂に対して光が平面的にしか入射しないため、ステレオリソグラフィ法と同様に、歪みが生じることもある。
【０００５】
従来のステレオリソグラフィ法及びデジタル光造形法では、ミラーを枢動回転させてビームを偏向させる必要があるため、３Ｄプリンタには大きなスペースが必要である。
【０００６】
従来技術において、所望のポイントの樹脂を硬化させるために、１つの光源で照らされるマイクロミラーユニットではなく、２次元の光源により背後から照らされる液晶ディスプレイを使用する実施形態が更に知られている。この場合、背後にある照明からの光を個々のポイントで選択的に透過させることができる液晶ディスプレイは、液状の樹脂を硬化させるためのポイントがある層に直接配置する必要がある。
【０００７】
これに対応する液晶ディスプレイは、持続的に、背後から大面積の照明が照射され、光が硬化されない層のポイントで吸収されるため、液晶ディスプレイの加熱が発生するという欠点を有する。特に、樹脂が液晶ディスプレイに対して直接的に置かれているため放熱が制限されることで、温度上昇により液晶ディスプレイに一時的な不具合が生じることがある。その結果、印刷が失敗し、若しくは、少なくとも印刷を中断しなくてはならない。更に、樹脂を硬化させる工程でも、温度が高すぎると悪影響が生じることがある。
【発明の概要】
【０００８】
従って、本発明は、このような従来技術と比較して改良された３Ｄプリンタを製造するという目的に基づく。
【０００９】
この目的は、主請求項に記載された３Ｄプリンタによって達成される。有利な展開は、従属請求項の主題である。
【００１０】
本発明は、平板状の造形プレートと、造形プレートに対向しかつ平行に配置された露光素子とを備えた３Ｄプリンタであって、駆動装置を用いて造形プレートと露光素子との間隔を設定可能である３Ｄプリンタに関する。造形プレートと露光素子との間の造形プレートに隣接する領域がリザーバ内の樹脂に取り込まれるように、造形プレート及び／又は露光素子は、樹脂が充填されたリザーバに配置される。露光素子は、個別に制御可能な量子ドット発光ダイオードが２次元マトリックス状に互いに近接して配置される。
【００１１】
本発明は、導入部で述べた従来技術から進んで、自発光式の露光点を有する露光素子の使用が有利であることを認識している。従来の低速なステレオリソグラフィ法及びデジタル光造形法と比較して、ビームの偏向が不要なため、ＤＬＰ方式に匹敵する印刷速度を有する３Ｄプリンタの設置サイズを小さくすることができる。ＬＣＤディスプレイを搭載した３Ｄプリンタと比較して、本発明による量子ドット発光ダイオードの使用により、露光素子の領域での発熱を、露光素子の機能も３Ｄプリントも損なわない程度に低減することができる。
【００１２】
更に、本発明は、３Ｄプリントに関連して必要とされる樹脂の露光には、硬化目的のために、例えば、可視光の青紫色の範囲又はＵＶ範囲などの低波長が定期的に必要であることを認識している。一見すると露光素子に適していると思われる有機発光ダイオード（OLEDs）は、このような波長域において、激しい経年劣化を示し、それらが搭載された３Ｄプリンタを短時間駆動しただけで、印刷品質の低下を招く可能性がある。量子ドット発光ダイオードが、ＯＬＥＤｓに比べて経年劣化が少なく、３Ｄプリントという特殊な用途には特に有利であることを認識したことは、本発明の利点である。
【００１３】
更に、本発明の基礎として、量子ドット発光ダイオードが、本発明に従って提供される露光素子に困難なく原理的に配置することができ、樹脂の硬化に必要な範囲で製造することができることが認識されている（例えば、ジェイ・クワック等：コロイド状のナノ結晶量子ドットを用いた高出力の純正紫外発光ダイオード、ナノレターズ、２０１５、１５（６）、３７９３−３７９９頁（J. Kwak et al.: High-Power Genuine Ultraviolet Light-Emitting Diodes Based On Colloidal Nanocrystal Quantum Dots - in Nano Letters, 2015, 15 (6), pages 3793-3799））。また、本発明によれば、量子ドット発光ダイオード、すなわち、電気的に励起されると自発的に発光するダイオードを提供することに向けられている。本発明では、量子ドット発光ダイオードと、ＬＣＤディスプレイと同等の方法により光源からの光を変化させる量子ドットの配列とを明確に区別する。
【００１４】
それ以外は、本発明による３Ｄプリンタは、既知の３Ｄプリンタと実質的に同様である。平板状の造形プレートと露光素子との間の間隔は、駆動装置を用いて段階的に増加させることができる。造形プレートと露光素子との間にある樹脂は、造形プレートから順に、各ステップで１層ごとに硬化される。そのため、造形プレートに付着した３Ｄモデルは、段階的に、１層ごとに得られる。
【００１５】
露光素子は、単色であることが好ましい。言い換えると、露光素子の全ての量子ドット発光ダイオードは、同じ波長の放射線を放射することが望ましい。原理的には、３Ｄプリントに十分な単色露光に因ることで、わずか１つの個別の量子ドット発光ダイオードが露光素子の各露光点のために必要であり、発光波長が異なる複数の発光ダイオードを規則的に組み合わせて１つの露光点を形成しなければならない多色的な設計（polychromatic design）に比べて、原理的に、より高い解像度が可能になる。
【００１６】
露光素子から放射される放射線の波長は、４５０ｎｍ以下、好ましくは４１０ｎｍ以下、例えば４０５ｎｍ、より好ましくは３９０ｎｍ以下、例えば３８５ｎｍであると好ましい。３Ｄプリントに十分に適した硬化特性を有する樹脂は、特に、前述の紫外線の範囲で製造することができる。
【００１７】
本発明による３Ｄプリンタのリザーバに配置された樹脂は、露光素子の波長に合わせて、つまり、特に露光素子が放射する波長で硬化することが好ましい。露光素子が単色であれば、樹脂又は樹脂の硬化挙動に関する特性を露光素子に十分によく適合させることができ、印刷品質を向上させることができる。
【００１８】
造形プレートは、リザーバ内に配置され、露光素子は、樹脂のリザーバの透明な領域に対して外側で接しているのが好ましい。このようにすることで、露光素子及び露光素子の電気制御部が樹脂に直接接触して破損することを生じにくくさせる。
【００１９】
露光素子は、複数の露光素子のタイル（tile）で構成されていることが好ましい。露光素子が露光素子のタイルで構成されているので、露光素子の露光領域は、露光点の大きさを変えることなく、タイルを更に追加することで拡大させることができる。むしろ、より大きな物体でさえもよい解像度で印刷することを可能にするために、露光点の数は、１つ又は複数のタイルを追加することで略自由に増加させることができる。もちろん、露光素子の大きさも略自由に選択することができる。
【００２０】
露光素子の露光点は、７０μｍ以下、好ましくは３５μｍ以下の大きさを有することが好ましい。ここでいう大きさとは、円形の露光点であれば直径の長さ、正方形の露光点であれば辺の長さ、長方形の露光点であれば対角線の長さなど、それぞれの露光点の形状に適した公称寸法のことである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
次に、本発明を、添付の図面を参照しながら、有利な例示的な実施形態に基づいて一例として説明する。
【図１】本発明による３Ｄプリンタの第１の例示的な実施形態を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は、本発明に係る３Ｄプリンタ１を示す図である。３Ｄプリンタ１は、樹脂２が充填されたリザーバ３を備える。このリザーバ３内に配置されて樹脂２に浸されるのは、水平に配置された造形プレート４である。造形プレート４は、造形プレート４の懸架装置５と駆動装置６を介して垂直方向に変位可能である。
【００２３】
リザーバ３の底部には、露光素子１０が外側から接する透明な窓部７が設けられている。このようにして、露光素子１０は、造形プレート４に対して平行かつ対向するように配置されている。造形プレート４と露光素子１０との間の間隔は、駆動装置６によって変更され得る。造形プレート４はリザーバ３内に配置されているため、造形プレート４と露光素子１０との間の造形プレート４に隣接する領域、具体的には、造形プレート４と窓部７との間の領域は、常に樹脂２が充填されている。
【００２４】
露光素子１０は、個別に制御可能な量子ドット発光ダイオード１１を２次元マトリックス状に近接するように配置して形成されている。これらの量子ドット発光ダイオードの波長は、全て３８５ｎｍであり、露光素子１０が単色であることを意味する。正方形の量子ドット発光ダイオードのサイズは３５μｍであり、この場合の寸法は、正方形の辺の長さに関するものである。
【００２５】
駆動装置６及び露光素子１０は、制御装置８によって制御される。
【００２６】
実際の３Ｄプリントでは、図１に示した造形プレート４の位置を起点にして、まず、露光素子１０の量子ドット発光ダイオード１１を作動させて、所望の露光点で樹脂２を硬化させる。この場合、樹脂２は、露光素子１０の波長に合わせられており、その波長で特に良好かつより確実に硬化する。硬化した樹脂２は、造形プレート４に付着する。第１層が十分に硬化したら、駆動装置６により造形プレート４を垂直上方に１ステップ移動させ、露光素子１０を適切に制御することで、再び樹脂を硬化させる。この層で硬化した樹脂２は、前の工程で硬化したポイントに付着する。このようにして、層を重ねることで、完全な３Ｄモデルを作成することができる。
【図１】
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【国際調査報告】
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