JP4049654B2

JP4049654B2 - ３次元造形装置および３次元造形方法

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Publication number: JP4049654B2
Application number: JP2002325285A
Authority: JP
Inventors: 徹松村
Original assignee: Roland DG Corp
Current assignee: Roland DG Corp
Priority date: 2002-11-08
Filing date: 2002-11-08
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2022-11-08
Also published as: JP2004155156A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は３次元造形装置およびその方法に関し、特に造形時間の短縮が図れる３次元造形装置およびその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光造型、粉体造型、シート積層、などのラピットプロトタイピングマシンと呼ばれる造形法においては、モデルを細かな断面形状の集合体と考え、モデル全体をＺ方向（上下方向）に一定の厚み（約０．１ｍｍ）でスライスし、その１断面データごとの造型物を重ね合せる（積層）ことで、モデルを造型している。
【０００３】
そのような３次元造形装置がたとえば、下記の文献１に開示されている。
【０００４】
従来の３次元造形方法について図８を参照して説明する。図８を参照して、従来の３次元造形方法においては、タンク５１の上方の一側に設けられた紫外線レーザ光Ｌを射出するレーザ光源であるプロジェクタ５７からのレーザ光Ｌの射出と、ミラー駆動機構５９によって制御される偏向ミラー５８の偏向角度とが制御回路６０によって同期して駆動されるように構成されている。そして、プロジェクタ５７からのレーザ光Ｌを偏向ミラー５８により平面二次元方向に所要のパターンで走査することによってレーザ光Ｌでタンク５１内に収納された光硬化性樹脂５２の所望の部分を硬化させることによって所望の３次元造形を行っていた。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−１５０４５９号公報（段落番号０００９、００１０、図1）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような、従来の単一ビーム光を機械式の走査機構で描画する手段では、その作業は１次元的であり１平面分の描画に多大な投影時間を要するとともに、２次元走査を行うために、複雑な機械駆動機構が必要であった。
【０００７】
光学系の軽量化、簡素化による駆動系の負担軽減のため、光源にレーザを使用した場合は、一層厳しい安全上の配慮が必要になる、といった問題があった。
【０００８】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、トータル造型時間の短縮を図ることが出来る、３次元造形装置およびその方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
３次元造形装置は、光源と、光源からの光を受光するミラー装置とを含み、ミラー装置は行列方向に配置され、それぞれが電気信号を受けて反射面を変化させる複数の微細可動ミラーからなり、微細可動ミラーのそれぞれの反射面を任意に制御する手段とを含み、ミラー装置で反射された光は光硬化性材料に向けられる。
【００１０】
電気信号を与えることにより、反射角度を変化させることができる複数の微細可動ミラーを有するミラー装置に光を照射し、各ミラーが反射角度を制御して、面光源として光硬化性材料に光が照射される。面光源を用いるため、ビームの２次元走査は不要になる。
【００１１】
その結果、１平面毎の描画に必要な投影時間の大幅な短縮による高速造形が可能な３次元造形装置を提供することができる。
【００１２】
また、光源にレーザを使う必要がないため、装置構造の簡略化と信頼性が向上する。
【００１３】
さらに、微細可動ミラーを任意の角度に制御できるため、投影画像の調整が可能になり、所望の画像の投影が可能になる。
【００１４】
好ましくは、制御手段は、微細可動ミラーのそれぞれの反射面を、全反射するものと、所望の角度で反射するものとに分けて制御する。微細可動ミラーのそれぞれの反射面を、全反射するものと、所望の角度で反射するものとに分けて制御することによって、光硬化性樹脂への照射量を制御する。その結果、滑らかな形状の３次元造形物が得られる。
【００１５】
なお、予め３次元造形データを作成する手段を含み、制御手段は、作成された３次元造形データに基づいて複数の微細可動ミラーの反射角度を制御してもよい。
【００１６】
さらに好ましくは、微細可動ミラーの各々の反射角度は各ミラーに投影すべき光の割合に応じて自動的に変動される。
【００１７】
この発明の他の局面においては、行列方向に配置され、それぞれが電気信号を受けて反射面を変化させる複数の微細可動ミラーを有するデジタルミラー素子装置を用い、その反射光を光硬化性材料に照射することによって３次元形状物を造形する３次元造形方法である。３次元造形方法は、（ａ）微細可動ミラーの各々を任意の角度に制御するステップと、（ｂ）光源からの光を前記デジタルミラー素子装置に照射するステップと、（ｃ）ミラー装置によって照射された光硬化性材料の上に新たな光硬化性材料の層を形成するステップとを含み、（ａ）から（ｃ）を繰り返すことによって３次元形状物を造形するステップとを含む。
【００１８】
電気信号を与えることにより、反射角度を変化させることができる複数の微細可動ミラーを有するミラー装置に光を照射し、各ミラーが描画のための点画素に相当するように反射角度を制御して、面光源として光硬化性材料に光が照射される。面光源を用いるため、ビームの２次元走査は不要になる。
【００１９】
その結果、１平面毎の描画に必要な投影時間の大幅な短縮による高速造形が可能な３次元造形方法を提供することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１はこの発明にかかる３次元造形装置の１実施の形態を示す、全体構成を示す模式図である。
【００２１】
図１を参照して、３次元造形装置２０は、予め作成された描画データを入力する描画データ入力部２１と、デジタルミラー素子（微細可動ミラー）２２と、デジタルミラー（以下「ＤＭ」と省略する）素子２２に光を照射する光源２３と、光源２３からの光を平行光にしてデジタルミラー素子に照射するレンズ２４とデジタルミラー素子２２からの反射光２５を収束させるレンズ２６と、光硬化性樹脂３１を保持する光硬化性樹脂容器３０とを含む。描画データ入力部２１に入力された描画データは図示の無いメモリに格納される。
【００２２】
デジタルミラー素子２２はマトリックス状に配列された可動ミラー群２２ａと、可動ミラー群２２ａを行方向に制御する行制御部２２ｂと、可動ミラー群２２ａを列方向に制御する列制御部２２ｃと、行制御部２２ｂおよび列制御部２２ｃを制御する制御部２２ｄとを含む。
【００２３】
ＤＭ素子２２を構成する可動ミラー群２２ａの各々の可動ミラーは、その反射面の角度を任意に設定可能であり、光源２３からの反射光２５を光硬化性樹脂容器３０に収納された光硬化性樹脂液３１に対して全反射させる角度から光硬化性樹脂液を照射しない角度まで変えることができる。
【００２４】
ここで、各可動ミラーは描画のための点画素に相当するようにその反射角度を制御する。また、相当する画素位置の各可動ミラーの反射角度は画像データの明暗情報より任意に制御される。
【００２５】
なお、描画データ入力部２１には別途設けられた画像データ作成装置１０から描画用の画像データが入力される。
【００２６】
次に３次元造形装置２０に画像データを供給する画像データ作成装置１０の動作内容について図２および図３を参照して説明する。図２は画像データ作成装置１０の動作内容を示すフローチャートであり、図３は動作の具体的内容を示す図である。図２を参照して、まず、まず３次元データの作成を行う（ステップＳ１１、以下ステップを省略する）。
【００２７】
具体的には、図３（Ａ）に示すように、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸についての描画データを準備する。ここでは、たとえば、Ｈ型の柱状形状を作成するものとする。この３次元データはたとえばＣＡＤ等を用いて作成する。次に、作成された３次元データを一方向からの投影断面が連続する２次元データに展開する（Ｓ１２）。具体的には、図３（Ｂ）に示すように、Ｈ型の柱状形状をＺ軸方向に連続する「Ｈ」型の複数の２次元画像データに展開する。そして画像データとして３次元造形装置２０の描画データ入力部２１へ入力する（Ｓ１３）。具体的には、連続した画像（ビットマップ）データとして３次元造形装置２０に送出する。
【００２８】
次に３次元造形装置２０の動作について図４を参照して説明する。まず、描画データ入力部２１から描画データを入力する（Ｓ２１）。次いでＤＭ素子２２の制御を行い（Ｓ２２）、光硬化性樹脂３１のレベルの制御を行う（Ｓ２３）。
【００２９】
次に図４のＳ２２で示したＤＭ素子２２の制御内容について説明する。図５はＤＭ素子２２の制御内容を示すフローチャートである。図５を参照して、まずマトリックス状の各ＤＭ素子の各々の初期化を行う（Ｓ３１）。次いで、マトリックス状のＤＭ素子の各点（ｉ，ｊ）毎のデータをＳ２１で入力されたデータに応じて制御部２２ｄが図示のないメモリから読出し（Ｓ３２）、そのデータに応じて行制御部２２ｂおよび列制御部２２ｃを介して（ｉ，ｊ）点のミラー角度を決定する（Ｓ３３）。そして光源２３から光を照射し、液面３３に光を反射させる（Ｓ３４）。
【００３０】
図６は光硬化性樹脂容器３０の液面の変化状態を示す図である。まず図６（Ａ）に示すように、ＤＭ素子からの反射光を２２からの反射光で形成される形状画像を光硬化性材料の液面３３に露光し１層目を形成する。次いで可動テーブル３２を図示の無い駆動装置で一段引き下げ、硬化した１層目表面に光硬化性樹脂を浸透させ、２層目の硬化の準備を行う（図６（Ｂ））。以後、上記の工程を繰り返すことによって、所望の３次元形状を形成する。
【００３１】
次に、ＤＭ素子２２の具体的な制御方法について説明する。図７はＤＭ素子の制御状態を作成された入力データ４１と、それに対応する個々の可動ミラーの位置４２との関係を示す模式図である。図７（Ａ）はＨ字型のデータを入力した状態を示す図である。ここで入力データ４１はＨ字型のデータを示し、このデータはこの場合は入力データを矩形で表現しうるため、入力データによって個々の可動ミラーのオンオフを制御できる。したがって、斜線で示した可動ミラーをオン、すなわち全反射するように制御すればよい。
【００３２】
図７（Ｂ）は円形形状を作成する場合を示す図である。解像度にもよるが、この場合は描画データ入力部２１へ入力された入力描画データ４３と対応する各々の可動ミラーとを１：１で対応させると所望の画像を投影できない可能性がある。そこで、このような場合は、個々の可動ミラーについて全反射するもの（斜線で示す）と所望の角度で反射するもの（×で示す）とに分けて制御する。このように制御することによって、微調整が可能になり、解像度が大きい場合においても所望の形状に近い形状を作成できる。
【００３３】
なお、この反射角度は１つの可動ミラーに投影すべき光の割合に応じて自動的に変動させるようにしてもよい。
【００３４】
次に、この発明の他の実施形態について説明する。この実施の形態においては、個々の可動ミラーの照射角度を変化させる動作のオンオフ比率を制御し、光硬化性樹脂への照射量を制御することによって、分解能を変化させる。すなわち、オン比率を上げると単位時間あたりの硬化量は多く、オフ比率を上げると単位時間あたりの硬化量が少なくなり単純なオンオフに比べてより細かな硬化量の調整ができる。
【００３５】
このように制御することにより、粗い分解能によって凹凸の形状に仕上がる造形物が、可動ミラーのオンオフの繰り返し比率により光量を変化できるので、滑らかな形状になる。
【００３６】
上記実施の形態においては画像データ作成装置と３次元造形装置とを別装置として説明したが、これに限らず、装置として一体化させてもよい。
【００３７】
図面を参照してこの発明の一実施形態を説明したが、本発明は、図示した実施形態に限定されるものではない。本発明と同一の範囲内において、または均等の形態に限定されるものではない。本発明と同一の範囲内において、または均等の範囲内において、図示した実施形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の１実施の形態にかかる３次元造形装置の構成を示す模式図である。
【図２】画像データ作成手順を示すフローチャートである。
【図３】画像データ作成の具体的手順を示す模式図である。
【図４】３次元造形装置の動作を示すフローチャートである。
【図５】デジタルミラー素子の制御内容を示すフローチャートである。
【図６】光硬化性樹脂の成形動作を示す模式図である。
【図７】デジタルミラー素子の制御状態を作成された入力データと、それに対応する個々のミラーの位置との関係を示す模式図である。
【図８】従来の３次元造形方法を示す図である。
【符号の説明】
１０画像データ作成装置、２０３次元造形装置、２１描画データ入力部、２２デジタルミラー（ＤＭ）素子、２３光源、２４レンズ、２５反射光、２６レンズ、３０光硬化性樹脂容器、３１光硬化性樹脂、３２テーブル

Claims

光源と、
前記光源からの光を受光するミラー装置とを含み、前記ミラー装置は行列方向に配置され、それぞれが電気信号を受けて反射面を変化させる複数の微細可動ミラーからなり、
前記微細可動ミラーのそれぞれの反射面を任意の角度に制御する制御手段とを含み、
前記ミラー装置で反射された光は光硬化性材料に向けられ、
前記制御手段は、前記微細可動ミラーのそれぞれの反射面を、全反射するものと、所望の角度で反射するものと、オフするものとに分けて、同時に制御する、３次元造形装置。
行列方向に配置され、それぞれが電気信号を受けて反射面を変化させる複数の微細可動ミラーを有するミラー装置を用い、その反射光を光硬化性材料に照射することによって３次元形状物を造形する３次元造形方法であって、
（ａ）前記微細可動ミラーの各々を任意の角度に制御するステップと、
（ｂ）光源からの光を前記ミラー装置に照射するステップと、
（ｃ）前記ミラー装置によって照射された光硬化性材料の上に新たな光硬化性材料の層を形成するステップと、
（ｄ）前記（ａ）〜（ｃ）のステップを繰り返すステップとを含み、
前記制御するステップは、前記微細可動ミラーのそれぞれの反射面を、全反射するものと、所望の角度で反射するものと、オフするものとに分けて、同時に制御するステップを含む、３次元形状物を造形する３次元造形方法。
光源と、
前記光源からの光を受光するミラー装置とを含み、前記ミラー装置は行列方向に配置され、それぞれが電気信号を受けて反射面を変化させる複数の微細可動ミラーからなり、
前記微細可動ミラーのそれぞれの反射面を任意の角度に制御する制御手段とを含み、
前記ミラー装置で反射された光は光硬化性材料に向けられ、
前記制御手段は、前記微細可動ミラーの照射角度をオンに維持する時間とオフに維持する時間との比率を制御する、３次元造形装置。
行列方向に配置され、それぞれが電気信号を受けて反射面を変化させる複数の微細可動ミラーを有するミラー装置を用い、その反射光を光硬化性材料に照射することによって３次元形状物を造形する３次元造形方法であって、
（ａ）前記微細可動ミラーの各々を任意の角度に制御するステップと、
（ｂ）光源からの光を前記ミラー装置に照射するステップと、
（ｃ）前記ミラー装置によって照射された光硬化性材料の上に新たな光硬化性材料の層を形成するステップと、
（ｄ）前記（ａ）〜（ｃ）のステップを繰り返すステップとを含み、
前記制御するステップは、前記微細可動ミラーの照射角度をオンに維持する時間とオフに維持する時間との比率を制御するステップを含む、３次元形状物を造形する３次元造形方法。