JP3801100B2

JP3801100B2 - 光硬化造形装置、光硬化造形方法及び光硬化造形システム

Info

Publication number: JP3801100B2
Application number: JP2002166904A
Authority: JP
Inventors: 公貴諸星
Original assignee: JSR Corp
Current assignee: JSR Corp
Priority date: 2002-06-07
Filing date: 2002-06-07
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2022-06-07
Also published as: JP2004009574A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、光硬化性樹脂液の液面に光線を照射し走査することにより造形を行なう光硬化造形装置、光硬化造形方法及び光硬化造形システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光硬化造形方法では、造形しようとする立体モデルを複数の層にスライスする断面群のデータに基づいて造形する。通常、最初に最下段の断面に相当する領域において、光硬化性樹脂液の液面に光線を照射する。すると光照射された液面部分の光硬化性樹脂液は光硬化し、立体モデルの断面の一硬化層が造形される。次いで、この断面硬化層の表面に未硬化状態の光硬化性樹脂液を所定の厚みでコートする。このとき、断面硬化層を所定の厚み分樹脂液に沈めてコートすることが一般的である。そして、この表面に所定パターンに沿ってレーザ光線走査を行ない、コートした部分を硬化させる。硬化した部分は、下部の断面硬化層に積層一体化される。以後、光照射工程で扱う断面を隣接する断面に切り替えながら、光照射と樹脂液コートを繰り返すことによって、所望の立体モデルを造形する。光硬化造形方法の基本構成は、例えば特開昭５６−１４４４７８号公報、特開昭６２−３５９６６号公報に開示されている。
光硬化造形方法では、まず、立体モデルの形状データをコンピュータに入力し、これに基づいて、立体モデルをスライスした各断面の形状データを算出する。さらに、断面毎にレーザ光線を照射しながらこれを走査する基準となる位置データ及び走査順路を算出し、この結果に従って光硬化性樹脂液の表面にレーザ光線走査を行なう。
また、レーザ光以外の光源を用いて、一括に光線を照射し、２次元パターンを露光する場合もある。
【０００３】
近年の光硬化造形装置は、樹脂の改良や装置の改良により造形物が完成するまでの時間が短くなり、寸法精度が向上し、機能面での発展が目まぐるしく進んでいる。その一方で、さらに造形物を短時間に多く製造するための更なる改善が求められている。
このためには、光硬化造形装置が安定的であり、かつ失敗や不良を引き起こすことなく稼動を続けるという絶対的な信頼性が要求される。そして、そのためにインテリジェント化された自動システムの構築が最大の目標とされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、光硬化造形装置が正常に稼動しているかどうかの状況は、光線の照射エネルギー、硬化樹脂量、発光装置の安定性をモニタリングし、異常の有無を把握することが可能である。しかしながら、失敗、不良の発現については、ある一定以上完成した状態において把握することができる。光硬化造形装置自体は安定的に動作しているが、光硬化物が所望の形状に形成されていないような状況は、目視によって把握することができる場合もある。しかしながら、これらの状況の把握は、光硬化造形装置自体では行うことができなかった。
特に、造形物が完了した後に、その不良箇所が判明したとしてもこの不良箇所を修正するためには多大な労力と時間を要する。
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、高精度の造形を行なうための労力を軽減し時間を短縮化することが可能な光硬化造形装置、光硬化造形方法及び光硬化システムを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる光硬化造形装置は、光硬化性樹脂液の液面に光を照射することにより造形を行なう光硬化造形装置であって、前記光硬化性樹脂液に対して光硬化を生じさせる領域と光硬化を生じさせない領域の位置情報を記憶する記憶手段と、前記光硬化性樹脂液の表面の状況を測定する測定手段と、前記測定手段の測定結果と前記記憶手段に記憶された位置情報に基づき、異常の発生を監視する監視手段とを備えたものである。このような構成により、高精度の造形を行なうための労力を軽減し時間を短縮化することができる。
この測定手段は、光硬化性樹脂液に対する光の照射によって発生する重合熱を検出する温度センサであることが望ましい。このような手段により、光硬化の状況を正確に把握することができる。
また、測定手段は、光硬化性樹脂の表面に生じる凹凸を検出する光センサであってもよい。このような手段により、光硬化の状況を正確に把握することができる。
さらに、測定手段は、光硬化性樹脂の表面に生じる空間周波数特性を測定するものであってもよい。この空間周波数特性は、例えば、蛍光発色である。
また、光の照射領域を予め複数の領域に分割するとともに、分割された領域毎に識別情報を付して前記記憶手段に記憶し、異常が発生した位置を特定するために、前記識別情報が用いられるようにしてもよい。これにより、異常位置を正確に特定できる。
【０００６】
さらに、前記監視手段により異常が発生したと判定された場合には、当該光硬化造形装置の運転の中断、警報の出力又は異常情報の格納のいずれか１以上の措置をとることが望ましい。
また、前記監視手段により硬化すべき領域が硬化していない又は不十分であるとする異常が検出された場合には、異常が生じた部分について再度光を照射するとよい。
本発明にかかる光硬化造形システムは、上述の光硬化造形装置を複数備えるとともに、これらの光硬化造形装置を制御する単一の制御システムを備えたものである。
他方、本発明にかかる光硬化造形方法は、光硬化性樹脂液の液面に光を照射することにより造形を行なう光硬化造形方法であって、前記光硬化性樹脂液に対して光硬化を生じさせる領域と光硬化を生じさせない領域の位置情報を記憶手段に記憶するステップと、前記光硬化性樹脂液の表面の状況を測定するステップと、前記測定の結果と前記記憶手段に記憶された位置情報に基づき異常部分の発生を監視するステップとを備えたものである。このような方法により、高精度の造形を行なうための労力を軽減し時間を短縮化することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態１．
まず、図１を用いて、本発明にかかる光硬化造形装置の構成例について説明する。この光硬化造形装置は、制御データ生成部１００、主制御部２００、記憶部３００、通信制御部４００、警報出力部５００、監視部６００及び造形部７００により構成される。
制御データ生成部１００は、造形部７００における造形動作を制御する制御データを生成する。この制御データには、光硬化を生じさせる領域と光硬化を生じさせない領域の位置情報が含まれる。
主制御部２００は、制御データ生成部１００によって生成された制御データを入力し、造形部７００における造形動作を制御する。また、主制御部５００は、監視部６００に対して制御データを出力する。さらに、主制御部５００は、異常通知を入力し、警報出力部５００に出力したり、通信制御部４００を介してこの異常通知を外部ネットワーク経由で他の制御装置に伝送したりする。
記憶部３００は、メモリ、ハードディスク等の内部又は外部の記憶手段によって構成される。この記憶部３００は、制御データ生成部１００によって生成された制御データ、監視部６００より入力された測定情報や異常通知情報等を記憶する。この制御データには、光硬化を生じさせる領域と光硬化を生じさせない領域の位置情報が含まれる。
通信制御部４００は、外部ネットワークを介して接続された外部機器との間の通信を制御する機能を有する。
警報出力部５００は、主制御部２００から出力された異常通知に応じて警報を出力する。警報出力部５００は、音声による警報や視覚的な警報、さらには振動による警報等、さまざまな態様により警報を出力するようにしてもよい。
【０００８】
監視部６００は、検出素子６０１より検出された測定データを取得する。また、監視部６００は、主制御部２００を介して記憶部３００に格納された制御データを入力する。そして、監視部６００は、制御データに基づきレーザ光の照射位置情報を得て、このレーザ光の照射位置情報と測定データに基づき、光硬化性樹脂の硬化状況が所望のものであるかどうかを判定する。例えば、レーザ光の照射位置情報によれば光硬化しているべき領域であるにも関わらず、測定データによれば光硬化していない又は不十分であると判断される場合には、異常であると判定する。また、レーザ光の照射位置情報によれば光硬化させない領域であるにも関わらず、測定データによれば光硬化していると判断される場合にも異常であると判定する。
尚、監視部６００における異常判定においては、例えば、樹脂種や、未硬化樹脂で、ある厚み分の樹脂下にある物の成分や、樹脂のみ、硬化反応部分の状態、状況に応じて変わる特徴を解析する。
【０００９】
検出素子６０１は、光硬化性樹脂の表面に生じる硬化状況を検出する素子である。この検出素子６０１は、例えば、光硬化性樹脂に光を照射することによって発生する反応熱や蛍光発色等の光線エネルギーを空間周波数として認識するものである。検出素子６０１は、基本的に、光硬化性樹脂に対して非接触式であることが望まれる。例えば、この検出素子６０１には、光硬化性樹脂に対してレーザ光等の光線を照射した際に生じる反応熱、即ち重合熱を検出する温度センサ、光硬化性樹脂において硬化した部分に生じる凹凸、透過度や蛍光発色を検出する光学センサ等が含まれる。温度センサは、例えば、焦電型温度センサや量子型温度センサである。光学センサは、例えば、カラーセンサやＣＣＤ素子固体イメージセンサである。検出素子６０１を光学センサにより構成する場合には、レンズ等の光学部材と共に構成してもよい。
【００１０】
検出素子６０１が温度センサの場合には、光硬化性樹脂が重合反応するときに発生する重合熱に基づき温度変化を検出し、この温度データを測定データとして監視部６００に出力する。監視部６００は、温度が予め定められた値以上であれば、重合反応が適切に行なわれているものと判断する。他方、温度が予め定められた値より低ければ、この監視部６００は、重合反応が適切に行なわれていないと判断する。
検出素子６０１が光学センサの場合には、光硬化性樹脂の表面の変化を検出し、特にその凹凸につき検出する。例えば、光硬化性樹脂が液体の状態において多く発現する、液体から固体に変化する際の収縮やそれらを残留応力として残した場合の反りあがり等の起伏症状が光学センサである検出素子６０１によって観察された場合には、監視部６００は、光硬化性樹脂が液体の状態にあると判断する。また、周囲が硬化形状で内側が未反応樹脂である場合に生じるボリュームドトラップ現象による液体の凹凸が観察される場合にも監視部６００は、光硬化性樹脂が液体の状態にあると判断する。ここで、光硬化性樹脂の表面張力のバランスによっても凹凸の大きさ、深さに違いが生じるため、光硬化性樹脂の表面に凹凸が生じたとしても、その凹凸の形状は様々である。特に、光線エネルギーの変化を空間周波数として認識し、その変化を検出することによって、光硬化性樹脂が液体、固体のいずれの状態にあるかを判別することが可能である。特に空間周波数に関し、その変化の境目が微妙な傾斜を持つことから、空間周波数より表面の状態を立体的に認識することができる。
検出素子６０１が光学センサである場合には、図２に示されるように、複数の検出素子６０１ａ、６０２ｂにより凹凸７０５ａを観察することが好ましい。この場合には、複数の検出素子６０１ａ、６０１ｂからの測定データを監視部６００にて分析し、凹凸７０５ａを観察する。
また、検出素子６０１は、発光装置７０６と共に走査方向に移動することが可能である。このとき、検出素子６０１と発光装置７０６とは一体化され、同じ駆動系により移動するものであってもよく、別の駆動系により移動するものであってもよい。検出素子６０１と発光装置７０６とが別の駆動系により移動する場合には、必ずしも発光装置７０６と共に移動するものでなくともよく、独立して別の位置を移動するものであってもよい。
【００１１】
造形部７００は、主制御部２００による制御に応じて造形を実行する。造形部７００は、容器７０１、造形台７０３、造形台駆動部７０４、発光装置７０６によって構成される。容器７０１は、光硬化性樹脂液７０２を収容するための容器である。造形台７０３は、硬化させた樹脂を順次堆積させ、載置する平板状の台である。この造形台７０３は、造形台駆動部７０４によって駆動され、容器７０１内において昇降する。造形台駆動部７０４は、主制御部２００より入力される制御信号に基づいて造形台７０３を昇降させる。
発光装置７０６は、主制御部２００より入力される制御信号に基づいて所定の強度のレーザ光７０７を容器７０１内に収容された光硬化性樹脂液７０２の液面に照射し、さらにその液面上を走査して任意の軌跡を描く。発光装置７０６は、例えば、レーザ光を発射するレーザ発振器と、そのレーザ光を透過又は遮断するための音響光学素子と、光線の方向を任意の方向に変動させるガルバノミラー及び電圧印加器を備えている。
【００１２】
ここで、造形部７００における造形動作について説明する。まず、容器７０１に光硬化性樹脂液７０２を収容する。そして、造形台７０３をその光硬化性樹脂液７０２の表面より例えば０．０５〜０．１ｍｍの深さの位置に上昇させておく。そして、発光装置７０６によりレーザ７０７を光硬化性樹脂液７０２の表面に照射し、ガルバノミラーにより走査する。この走査位置は、記憶部３００に格納された制御データに基づき特定される。このようにレーザ７０７を走査することにより、光硬化性樹脂液７０２の表面と、造形台７０３との間の光硬化性樹脂液７０２が硬化し、第１層目の硬化層が形成される。次にこの造形台７０３をさらに０．０５〜０．１ｍｍ降下させて、第２層目の硬化層を第１層目の硬化層の上にコートすることにより形成する。以下同様にして第３層目以降の硬化層を順次堆積させる。そして、最終層の堆積が終了すると、造形台７０３を上昇させ、その造形台７０３上に形成されて造形物７０５を取り出す。
【００１３】
本発明にかかる光硬化造形装置においては、さらに検出素子６０１によって、光硬化性樹脂液７０２における光硬化状況が測定される。測定データは、監視部６００に入力される。一方で、監視部６００は、主制御部２００を介して記憶部３００に格納された制御データを入力する。監視部６００は、制御データに基づきレーザ光の照射位置情報を得て、このレーザ光の照射位置情報と測定データに基づき、光硬化性樹脂の硬化状況が所望のものであるかどうかを判定する。
例えば、第Ｎ−１層目の硬化層は、図３（ａ）に示す形状を有し、また、第Ｎ番目に硬化層は、図３（ｂ）に示す形状を有するものとする。このとき、図３（ａ）に示す形状になるように、中央部ではレーザ光の照射を停止する。従って、中央部において光硬化していれば、それは異常と判定される。図３（ｂ）に示す形状を作成する場合には、全体に亘って、光硬化する必要がある。この場合に、内部領域のうちいずれか一部に光硬化が不十分な領域があれば、それは異常と判定される。
そして、監視部６００は、異常であると判定した場合には、主制御部２００に対して、異常があることを通知する。主制御部２００は、この異常通知に基づいて、警報出力部５００に対して異常通知を出力する。警報出力部５００は、この異常通知に従い、警報を出力する。
尚、監視部６００が異常と判定した場合には、光硬化造形装置の運転を中断するようにしてもよい。
監視部６００が異常と判定した場合には、その情報は、主制御部２００によって異常と判定された位置情報と関連付けられて記憶部３００に格納される。このようにして、監視部６００による判定結果が記憶される。この位置情報は、例えば、図４に示されるように、レーザ光の照射領域をブロック化し、それぞれのブロックに割り当てられた数字等の識別情報により表すようにしてもよい。図４では、レーザ光の照射領域２０中の照射軌跡１０に沿って、複数のブロック３０に分割されている。そして、各ブロック３０には、１乃至３６の数字が割り振られている。この例では、各ブロック３０に割り振られた数字は、レーザ光の照射軌跡１０に沿って、１から３６に順に増えている。また、位置情報は、ＸＹ座標情報により表すようにしてもよい。
【００１４】
硬化すべき領域であるにも関わらず未硬化が検出された場合には、次の層に対するレーザ光の照射を行わず、異常の検出された層の異常領域に対して、再度レーザ光を照射するよう主制御部２００によって発光装置７０６を制御する。その後、異常領域が正常化されたことが検出素子６０１及び監視部６００により確認された場合には、次の層に対するレーザ光の照射を再開する。また、不必要な凹みが生じた場合には、ディスペンサーによりこの凹みを埋めるように樹脂を供給してもよい。また、硬化すべきでない領域であるにも関わらず硬化してしまい、不必要な凸部が生じた場合には、処理を継続するかどうかを判断するようにしてもよい。また、コートする樹脂量を調節したり、コートするための機構を制御することにより、異常領域を正常化することもできる。未硬化状態の光硬化樹脂液の一部が盛り上がっているような場合には、その部分をディスペンサーにより除去してもよい。
【００１５】
その他の実施の形態．
上述の例では、検出素子を１つ、或いは同種類の検出素子を複数設ける例について説明したが、図５に示されるように、異なる種類の検出素子を複数設けるようにしてもよい。図５において、検出素子６０１ａは、光センサであり、光の変化６０２を検出する。また、検出素子６０１ｃは、温度センサであり、温度の変化６０３を検出する。このように異なる種類の検出素子を複数設けることによって、光硬化の状況をより正確にかつ総合的に判断することが可能となる。
また、検出素子は、光硬化性樹脂を硬化させるためのレーザ光の照射に応じて発生する空間周波数を認識することとしているが、これに限らず、光硬化性樹脂の状態を観察するために別途設けられたレーザ光の照射に応じて発生する空間周波数を認識し、光硬化性樹脂の硬化状況に関する情報を取得するようにしてもよい。このとき照射するレーザ光は、光硬化性樹脂に硬化反応が生じない程度の周波数、強度を有する必要がある。他方、光硬化性樹脂の状態を観察するためには、必ずしもレーザ光を照射しなくてもよい。
【００１６】
また、図６に示されるように、複数の光硬化造形装置１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを１つの制御システム８００により制御するようにしてもよい。このような構成を有する場合には、一の光硬化造形装置１ａでは、異常部分の正常化が困難でときに、他の光硬化造形装置１ｂ、１ｃ、１ｄのいずれかによって最初から全てを作りなおすこともできる。また、これら光硬化造形装置１ｂ、１ｃ、１ｄのいずれかによって、異常部分が発生した箇所から造形を行なうこともできる。また、これらの装置をインテリジェント化し、ＣＩＭ化すれば、ワークプレートを自動的に取り替えることを可能にし、一台の装置で作り直し等の指示を遠隔的に実行できる。また、プログラムにより判断するようにすれば、連続的に造形を複数の装置により実行することができ、装置可動を妨げずに安定した造形を行なうことができる。
【００１７】
【発明の効果】
本発明により、高精度の造形を行なうための労力を軽減し、時間を短縮化することが可能な光硬化造形装置、光硬化造形方法及び光硬化システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる光硬化造形装置の構成を示す図である。
【図２】本発明にかかる光硬化造形装置における検査素子の他の例を示す図である。
【図３】本発明にかかる光硬化造形装置によるレーザ光の走査を説明するための図である。
【図４】本発明にかかる光硬化造形装置における領域のブロック化を説明するための図である。
【図５】本発明にかかる光硬化造形装置における検査素子の他の例を示す図である。
【図６】本発明にかかる光硬化システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
１輪郭線
２走査線
１００制御データ生成部
２００制御部
３００記憶部
４００通信制御部
５００警報出力部
６００監視部
７００造形部

Claims

光硬化性樹脂液の液面に光を照射することにより造形を行なう光硬化造形装置であって、
前記光硬化性樹脂液に対して光硬化を生じさせる領域と光硬化を生じさせない領域の位置情報を記憶する記憶手段と、
前記光硬化性樹脂液の表面の状況を測定する測定手段と、
前記測定手段の測定結果と前記記憶手段に記憶された位置情報に基づき、異常の発生を監視する監視手段とを備えた光硬化造形装置。
前記測定手段は、光硬化性樹脂液に対する光の照射によって発生する重合熱を検出する温度センサであることを特徴とする請求項１記載の光硬化造形装置。
前記測定手段は、光硬化性樹脂の表面に生じる凹凸を検出する光センサであることを特徴とする請求項１記載の光硬化造形装置。
前記測定手段は、光硬化性樹脂の表面に生じる空間周波数特性を測定することを特徴とする請求項１記載の光硬化造形装置。
前記空間周波数特性は、蛍光発色であることを特徴とする請求項４記載の光硬化造形装置。
光の照射領域を予め複数の領域に分割するとともに、分割された領域毎に識別情報を付して前記記憶手段に記憶し、
異常が発生した位置を特定するために、前記識別情報が用いられることを特徴とする請求項１記載の光硬化造形装置。
前記監視手段により異常が発生したと判定された場合には、当該光硬化造形装置の運転の中断、警報の出力又は異常情報の格納のいずれか１以上の措置をとることを特徴とする請求項１記載の光硬化造形装置。
前記監視手段により硬化すべき領域が硬化していない又は不十分であるとする異常が検出された場合には、異常が生じた部分について再度光を照射することを特徴とする請求項１記載の光硬化造形装置。
請求項１乃至８のいずれかに記載の光硬化造形装置を複数備えるとともに、これらの光硬化造形装置を制御する単一の制御システムを備えた光硬化造形システム。
光硬化性樹脂液の液面に光を照射することにより造形を行なう光硬化造形方法であって、
前記光硬化性樹脂液に対して光硬化を生じさせる領域と光硬化を生じさせない領域の位置情報を記憶手段に記憶するステップと、
前記光硬化性樹脂液の表面の状況を測定するステップと、
前記測定の結果と前記記憶手段に記憶された位置情報に基づき、異常部分の発生を監視するステップとを備えた光硬化造形方法。