JP3404306B2 - Stereolithography - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は光造形装置に関する
ものであり、更に詳細には、薄層状の光硬化性樹脂に光
エネルギーを照射することにより該樹脂を局部的に硬化
させて所望形状に造形する光造形装置に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】光硬化性の樹脂に光エネルギーを照射す
ることにより3次元造形物を形成する光造形法は、例え
ば日刊工業新聞社発行の「光造形法」(丸谷洋二ほか、
1990年10月30日発行)により既に公知である。
【0003】従来、光造形法として一般的なものには、
自由液面法と呼ばれる方式と、規制液面法と呼ばれる方
式の二つの方式がある。
【0004】自由液面法では、上面開放型の貯槽内に貯
えられた未硬化の光硬化性樹脂の液面下近傍位置にベー
スプレート(造形テーブル)を配置し、ベースプレート
上の樹脂自由液面に上方から光を照射することにより、
ベースプレート上に所望パターンの第1層目の樹脂硬化
層を形成し、次いでベースプレートをこの第1層目の厚
さ分だけ槽内下方へ下降させて第1層目の上を未硬化の
樹脂自由液面で覆い、この樹脂自由液面に同様にして上
方から光を照射して第2層目の樹脂硬化層を形成し、こ
れを繰り返すことによって複数の薄層状の樹脂硬化層を
連続的に積層して所望の3次元立体造形を行う。つま
り、この方式では、槽内のベースプレートを未硬化樹脂
の自由液面から順次硬化させつつ硬化層を積層して造形
するので、これがその呼び名の由来となっている。
【0005】また規制液面法では、底面を透光窓とした
貯槽内に未硬化の光硬化性樹脂を満たし、貯槽内の底面
近傍にベースプレートを配置して、ベースプレートと槽
内底面との間の未硬化樹脂層に貯槽の下方から底面の透
過窓を介して光を照射することにより、この樹脂層を第
1層目の樹脂硬化層として所望パターンに硬化させ、次
いでベースプレートの引き上げにより第1層目の樹脂硬
化層を槽内底面から上方へ引き剥がして第1層目の樹脂
硬化槽と槽内底面との間を槽内の未硬化樹脂で再び満た
し、この未硬化樹脂層に同様にして貯槽の下方から底面
の透過窓を介して光を照射することにより第2層目の樹
脂硬化層を形成し、これを繰り返すことによって複数の
薄層状の樹脂硬化層を連続的に積層して所望の3次元立
体造形を行う。つまり、この方式では、槽内底面とベー
スプレートもしくは既硬化層との間に未硬化樹脂層の両
面が規制されるので、これがその呼び名の由来となって
いる。
【0006】上述の自由液面法または規制液面法のいず
れにおいても、光造形法で使用される照射装置は光硬化
性樹脂の光硬化反応特性に応じた波長域の光エネルギー
を適正に制御された露光量で照射する必要があり、その
ための光エネルギー源としては、半導体レーザー、半導
体レーザー励起固体レーザー、アルゴン(Ar)レーザ
ーやヘリウム・カドミウム(He−Cd)レーザーなど
の気体レーザー、或いは紫外線ランプなどが利用され、
また露光量の制御には、機械的シャッターや光音響偏向
素子(AOM)などが一般に利用されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】光硬化性樹脂による光
造形において成形精度の面で重要なことは、使用する樹
脂に応じた光エネルギー照射の露光量制御であり、光硬
化反応感度の高い樹脂を使用する場合は硬化すべき部位
に対する露光量が不適正であると硬化部の形状寸法に誤
差を生じる。特に光エネルギー照射を集束ビームの走査
による描画方式で実行する場合には、例えば硬化すべき
部位の走査始点位置及び/又は走査終点位置での露光量
の立ち上がり及び/又は立ち下がり速度が遅いと硬化部
の寸法形状誤差が増加する結果となって現れ、従ってい
ずれの照射方式でも成形精度を向上するには露光量の制
御に高い応答性が要求される。
【0008】光音響偏向素子(AOM)による露光量の
制御は極めて高速の応答性を実現できるがAOM自体が
未だ高価であると共にレーザーの照射光学系への組み込
みおよびその作動制御系の構成が複雑となる難点があ
る。
【0009】また、機械的シャッターはAOMに比べて
安価であるが応答性は比較にならないほど遅く、従って
適正な露光量制御ができないため、造形されるモデルの
寸法形状精度も低くなる欠点がある。
【0010】本発明の課題は、上述の従来の光造形方式
における露光量制御の諸問題点を解消し、高価なAOM
を使用せずに高い応答特性で露光量を制御することので
きる光造形装置を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明による光造形装置
は、上述の課題を解決するために、半導体レーザーまた
は半導体レーザー励起固体レーザーを光エネルギー源と
する照射装置と、この光エネルギー源の半導体レーザー
の駆動を電気的にオン・オフ制御する露光制御装置とを
備えたことを特徴とするものである。
【0012】本発明の好適な態様によれば、前記光造形
装置は、照射装置から射出される光エネルギーの集束ビ
ームを光硬化性樹脂の薄層上で二次元走査する走査装置
を更に備えており、この場合、前記露光制御装置は、光
硬化性樹脂上の硬化目標部位の走査始点位置及び/又は
走査終点位置において集束ビームの走査速度が予め定め
られた設定速度に達した時点で半導体レーザーの駆動を
電気的にオンまたはオフ状態に制御する速度比較回路を
含んでいる。
【0013】本発明の光造形装置では、照射装置の光エ
ネルギー源が半導体レーザーまたは半導体レーザー励起
固体レーザーであり、露光制御装置は、この光エネルギ
ー源の半導体レーザーの駆動を電気的にオン・オフ制御
するので、高価なAOMを使用せずとも、機械的シャッ
ターよりも高速の応答性が得られ、しかも電気的なオン
・オフタイミング制御で露光量が正確に制御できるので
レーザー照射光学系には光シャッターのための機構及び
素子配列が不要であり、機械的シャッターの場合のよう
な作動音も発生することなく高い成形精度で光硬化性樹
脂の造形を行うことが可能である。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明を規制液面法による
光造形装置に適用した場合の実施形態を図面と共に説明
するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではな
く、例えば自由液面法による光造形装置にも同様に適用
できることは述べるまでもない。
【0015】図1は本実施形態に係る光造形装置の概略
構成を示しており、この装置は3次元造形物12を積層
造形するための主要作業部となる造形槽2と、その底面
下方に配置されたX−Yプロッタ5からなる走査装置と
を備えている。
【0016】造形槽2は光硬化性樹脂3を貯留してそれ
に造形を施すための作業用の槽であり、中央領域の平坦
な透光性底面4によって形成された底の浅い主槽2aの
領域に光硬化性樹脂3が薄層状に貯留され、主槽2aの
周囲には周溝2bが周設されている。
【0017】光硬化性樹脂3は、周溝2b内から槽外の
ポンプ9に吸引されて該ポンプ9から主槽2a内に供給
され、槽上に配置されたスキマー装置10の水平移動に
よって透光性底面4上に最終積層造形物の積層スライス
ピッチに相当する所定厚さの樹脂液層11を形成する。
主槽2a上を水平移動するスキマー装置10で掻き取ら
れた余剰分の樹脂は、主槽2aから周囲の周溝2b内に
戻されたのち、ポンプ9で吸引されて主槽2aへ送られ
るように循環使用される。
【0018】主層2aの上方には、先に述べた造形用ベ
ースプレート1が透光性底面4とほぼ並行に配置され、
このベースプレート1は図示しないエレベータ装置によ
って予め設定されたストロークで昇降可能である。一
方、透光性底面4の下方の槽外には前記X−Yプロッタ
5が配置されており、このX−Yプロッタ5の移動ヘッ
ド6が透光性底面の下方で縦横に走査移動可能となって
いる。
【0019】X−Yプロッタ5の移動ヘッド6は光ファ
イバー6aによって照射装置7に接続された照射光学系
を内蔵しており、照射装置7から出力される光エネルギ
ー放射は光ファイバー6aを介して移動ヘッド6から集
束ビームとして射出され、これによりベースプレート1
と透光性底面4との間の薄層状の樹脂液層11が透光性
底面4を通して照射される集束ビームで走査されるよう
になっている。これらX−Yプロッタ5及び照射装置7
は、制御用のコンピュータユニット8により制御され
る。
【0020】照射装置7による光硬化性樹脂の樹脂液層
11に対する光エネルギーの照射に際して、その走査機
構としては図1に示したように照射装置7から光ファイ
バー6aを介して送られてくる光エネルギー放射をX−
Yプロッタ5の移動ヘッド6に内蔵した照射光学系から
集束ビームとして照射する以外にも種々の構成をとるこ
とができ、例えば移動ヘッド6に半導体レーザーなどの
光エネルギー源を直接搭載する方式や、照射装置から射
出される集束ビームをガルバノミラーやポリゴンなどの
反射光学素子で走査する方式などとしてもよい。
【0021】コンピュータユニット8は、上述のように
X−Yプロッタ5と照射装置7を制御するが、これ以外
にもベースプレート1の昇降移動用エレベータ装置、ポ
ンプ9、スキマー装置10などの動作も制御し、更には
予め与えられる3次元形状データに基づいて最終造形製
品の積層スライス毎の平面形状パターンを演算し、移動
ヘッド6による集束ビームの走査で所望の平面形状パタ
ーンが描画されるように集束ビームの走査速度や走査ピ
ッチなどの属性データの計算も同時に行う。
【0022】また、コンピュータユニット8はCAD機
能を備えたもの或いは別の端末機によるCADデータの
処理機能をもつものであってもよく、造形すべき3次元
モデルのCAD入力データから各積層造形データの演算
を行うもの、或いは3次元モデルの設計は他のコンピュ
ータ端末で行ってその結果を利用するもの、或いはCT
スキャナーやMRI装置またはその他の3次元立体形状
認識システムとのデータ通信により造形装置側の積層造
形データの演算処理および作動制御を行うものなど、多
様な変形および組み合わせが可能である。
【0023】図2は本実施形態に係る光造形装置の制御
系の概略構成を示すブロック図であり、図2においては
照射装置7は本発明に従って半導体レーザーまたは半導
体レーザー励起固体レーザーを光エネルギー源とするレ
ーザーユニット7aとして示されている。
【0024】 図2に示すように、この光造形装置の制
御系は、X−Yプロッタ5の移動ヘッド6をX軸方向お
よびY軸方向にそれぞれ移動させるための二つのエンコ
ーダ付モータ5Xおよび5Yと、これらモータからのエ
ンコーダ出力パルスをフィードバック信号として受け取
ると共にコンピュータユニット8から与えられるモータ
制御信号に基づいて各モータに設定速度で駆動信号を与
えるドライバユニット21と、各モータ5Xおよび5Y
からのエンコーダ出力パルスを受け取って移動ヘッド6
のX軸方向及びY軸方向の移動速度に対応する速度信号
を生じる信号変換回路22と、コンピュータユニット8
から与えられる設定速度信号と信号変換回路22からの
速度信号とを比較して両者が合致したときにシャッター
タイミング信号をレーザーユニット7aに与える速度比
較回路23とによって構成されており、上記各モータ5
X及び5Yのエンコーダと上記信号変換回路22及び速
度比較回路23によってレーザーユニット7aの半導体
レーザーの駆動を電気的にオン・オフ制御する露光制御
装置が構成されている。
【0025】上記速度比較回路23は、光硬化性樹脂上
の硬化目標部位の走査始点位置及び/又は走査終点位置
において移動ヘッド6、即ち集束ビームの走査速度がコ
ンピュータユニット8に予め設定されている設定速度レ
ベルに達した時点でレーザーユニット7aの半導体レー
ザーの駆動を電気的にオンまたはオフ状態に制御する
が、以下、これを図3と共に説明する。
【0026】即ち、移動ヘッド6による集束ビームの走
査移動に際し、コンピュータユニット8からドライバユ
ニット21にモータ制御信号が与えられると、モータ5
X及び/又は5Yは、そのときの硬化目標部位の走査始
点位置に対応して予め設定された座標位置から図3に示
すように移動ヘッド6を加速して設定走査速度で移動さ
せ、この移動ヘッド6が同様に硬化目標部位の走査終点
位置に対応して予め設定された別の座標位置に達すると
移動ヘッド6を減速して停止させる。この走査移動の開
始時における加速および停止時における減速の各加速度
はX−Yプロッタ5に固有の特性であり、例えば移動開
始時点から設定走査速度に達するまでの時間または設定
走査速度から停止に至るまでの時間は数msec〜数十msec
程度である。
【0027】このように、移動ヘッド6、従って集束ビ
ームが或る加速度で加速してから設定走査速度に達し、
また設定走査速度からある加速度で減速して停止する場
合の走査においては、移動ヘッド6の移動開始から停止
まで集束ビームが照射されると過剰な光エネルギーが光
硬化性樹脂に与えられることになり、硬化部が過剰に形
成される結果を招いてしまう。本発明によれば、この問
題点は以下のようにして解決される。
【0028】即ち、コンピュータユニット8からドライ
バユニット21にモータ制御信号が与えられると、モー
タ5X及び/又は5Yは、そのときの硬化目標部位の走
査始点位置に対応して予め設定された座標位置から図3
に示すように移動ヘッド6を加速して設定走査速度で移
動させ、この移動ヘッド6が同様に硬化目標部位の走査
終点位置に対応して予め設定された別の座標位置に達す
ると移動ヘッド6を減速して停止させる。
【0029】このとき各モータのエンコーダ出力パルス
が信号変換回路22に時々刻々と入力されており、従っ
て信号変換回路22はこれらのエンコーダ出力パルスか
ら移動ヘッド6の速度に対応する速度信号を時々刻々と
変換出力している。この速度信号は速度比較回路23に
入力されており、そこでコンピュータユニット8から予
め与えられている設定速度信号と比較され、速度信号が
設定速度信号レベルに合致すると、その時点で速度比較
回路23からシャッタータイミング信号がレーザーユニ
ット7aに与えられる。
【0030】レーザーユニット7aは、移動ヘッド6の
移動開始後にこのシャッタータイミング信号を受けて内
部の電気的スイッチング動作によりその半導体レーザー
を作動状態(オン状態)に切換え、これによりレーザー
ユニット7aから射出されたレーザー光が光ファイバー
6aを介して移動ヘッド6内の照射光学系から集束ビー
ムとなって光硬化性樹脂に照射される。
【0031】その後、移動ヘッド6の停止のための減速
が開始されたのちに速度信号が再び設定速度信号レベル
に合致すると速度比較回路23から別のシャッタータイ
ミング信号がレーザーユニット7aに与えられ、これに
よりレーザーユニット7aでは内部の電気的スイッチン
グ動作によりその半導体レーザーを非作動状態(オフ状
態)に切換え、従って集束ビームの照射も直ちに停止さ
れる。
【0032】以上に述べた速度比較回路23における速
度信号と設定速度信号とのレベル比較およびそれによる
レーザーユニット7aからのレーザー光の射出のオン・
オフの様子は、図3において移動ヘッド6の移動距離を
横軸にとって示される通りである。図3において、走査
設定速度とあるのはコンピュータユニット8からモータ
ードライバーユニット21に与えられるモータ制御信号
に含まれる走査速度の設定レベルを意味し、シャッター
オン・オフ設定速度とあるのはコンピュータユニット8
から速度比較回路23に与えられる設定速度信号レベル
を意味する。
【0033】図3に示したように、移動ヘッド6の速度
が予めコンピュータユニット8で設定しておいたシャッ
ターオン・オフ設定速度レベルに合致した時点でレーザ
ーユニット7aの半導体レーザーが電子シャッター動作
によってオン・オフ切換制御されるので、このシャッタ
ーオン・オフ設定速度レベルを樹脂の硬化反応特性に応
じて適切に調整しておくことにより、光硬化性樹脂に対
する露光量の制御を高い応答性で最適に制御することが
可能である。
【0034】従って、このような露光量制御と走査制御
を行いながらベースプレート1と槽内の透光性底面4と
の間の未硬化樹脂層に造形槽2の下方の移動ヘッド6か
ら透光性底面4を介して集束ビームを照射することによ
り、この樹脂層を第1層目の樹脂硬化層として所望パタ
ーンに硬化させ、次いでベースプレート1の引き上げに
より第1層目の樹脂硬化層を底面4から上方へ引き剥が
して第1層目の樹脂硬化槽と底面4との間を槽内の未硬
化樹脂で再び満たし、この未硬化樹脂層に同様にして造
形槽4の下方から透光性底面4を介して集束ビームを照
射することにより第2層目の樹脂硬化層を形成し、これ
を繰り返すことによって複数の薄層状の樹脂硬化層を連
続的に積層して所望の3次元立体造形物12を形成する
ことができる。
【0035】尚、半導体レーザー及び半導体励起固体レ
ーザーの電子シャッター動作に対する応答性は機械的シ
ャッターよりも高速ではあるが一般的には数百μ秒程度
のものもあるので、コンピュータユニット8による演算
制御にはこの応答時間を見込んでおくことが好ましく、
同様に走査装置の移動系の応答時間も見込んでおくこと
が好ましい。
【0036】また、上述の実施形態では操作装置にX−
Yプロッタを使用したが、同様な制御はガルバノミラー
や多面体ポリゴンミラーによる走査方式でも可能であ
り、更に自由液面法による光造形においても上述した規
制液面法と同様に露光量の最適制御ができることは述べ
るまでもない。
【0037】
【発明の効果】以上に述べたように、本発明では光エネ
ルギー源に半導体レーザーを用い、その露光量制御を電
子シャッター方式で行うようにしたので、高価なAOM
を用いることなく、また照射光学系に余分な素子配列を
加える必要無しに、光硬化性樹脂に対する露光量の制御
を高い応答性で最適制御することが可能であり、高い寸
法形状精度で光造形を可能とすると共に、機械的シャッ
ターのような耳障りなシャッター音も無くすことができ
るものである。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION [0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to an optical molding apparatus, and more particularly, to a thin-layer photocurable resin which is irradiated with light energy. The present invention relates to an optical shaping apparatus that locally cures a resin to form a desired shape. 2. Description of the Related Art An optical molding method for forming a three-dimensional molded object by irradiating a photocurable resin with light energy is described in, for example, "Optical molding method" published by Nikkan Kogyo Shimbun (Yoji Marutani et al.
(October 30, 1990). [0003] Conventionally, as a general stereolithography method,
There are two methods, a method called a free liquid level method and a method called a regulated liquid level method. [0004] In the free liquid level method, a base plate (modeling table) is arranged at a position near the liquid surface of an uncured photocurable resin stored in an open top storage tank, and the resin free liquid surface on the base plate is placed on the base plate. By irradiating light from above,
A first resin cured layer of a desired pattern is formed on the base plate, and then the base plate is lowered downward in the tank by the thickness of the first layer, so that the uncured resin is free on the first layer. Cover with a liquid surface, irradiate the resin free liquid surface with light similarly from above to form a second resin cured layer, and by repeating this, a plurality of thin resin cured layers are continuously formed. Lamination is performed to perform a desired three-dimensional modeling. In other words, in this method, the base plate in the tank is formed by laminating the cured layers while being sequentially cured from the free liquid level of the uncured resin, and this is the origin of the name. In the regulated liquid level method, an uncured photocurable resin is filled in a storage tank whose bottom is a light-transmitting window, and a base plate is arranged near the bottom of the storage tank. By irradiating the uncured resin layer with light through the transmission window on the bottom from below the storage tank, this resin layer is cured to a desired pattern as a first resin cured layer, and then the first plate is pulled up by pulling up the base plate. The resin cured layer of the layer is peeled upward from the bottom of the tank, and the space between the resin cured tank of the first layer and the bottom of the tank is filled again with the uncured resin in the tank. A second resin cured layer is formed by irradiating light from below the storage tank through a transmission window on the bottom surface, and by repeating this, a plurality of thin resin cured layers are continuously laminated. Perform desired three-dimensional solid modeling. That is, in this method, both sides of the uncured resin layer are regulated between the bottom surface inside the tank and the base plate or the cured layer, and this is the origin of the name. [0006] In either the free liquid level method or the regulated liquid level method described above, the irradiation device used in the stereolithography method appropriately controls light energy in a wavelength range according to the photocuring reaction characteristics of the photocurable resin. It is necessary to irradiate with a predetermined exposure amount, and as a light energy source therefor, a semiconductor laser, a solid-state laser excited by a semiconductor laser, a gas laser such as an argon (Ar) laser or a helium cadmium (He-Cd) laser, or an ultraviolet ray Lamps etc. are used,
In addition, a mechanical shutter, a photoacoustic deflection element (AOM), or the like is generally used for controlling the exposure amount. What is important in terms of molding accuracy in photolithography using a photocurable resin is control of the exposure amount of light energy irradiation according to the resin used, and the photocuring reaction sensitivity. In the case of using a resin having a high curing ratio, an improper exposure amount to a portion to be cured causes an error in the shape and dimensions of the cured portion. In particular, when the light energy irradiation is performed by the drawing method using the scanning of the focused beam, for example, if the rising and / or falling speed of the exposure amount at the scanning start position and / or the scanning end position of the part to be cured is low, the curing is performed. As a result, the dimensional shape error of the portion increases, and therefore, in any of the irradiation methods, high responsiveness is required for controlling the exposure amount in order to improve the molding accuracy. The control of the exposure amount by the photoacoustic deflecting element (AOM) can realize an extremely high-speed response, but the AOM itself is still expensive, and the construction of the laser irradiation optical system and the operation control system are complicated. There is a difficulty. The mechanical shutter is inexpensive as compared with the AOM, but has a shortcoming that the response is too slow to be compared with the mechanical shutter. Therefore, it is impossible to appropriately control the exposure amount, so that the dimensional accuracy of the model to be formed is low. . SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned various problems of the exposure amount control in the conventional stereolithography system, and to provide an expensive AOM
An object of the present invention is to provide an optical shaping apparatus capable of controlling an exposure amount with high response characteristics without using a laser beam. [0011] In order to solve the above-mentioned problems, an optical shaping apparatus according to the present invention provides an irradiation apparatus using a semiconductor laser or a semiconductor laser-excited solid-state laser as an optical energy source; An exposure control device for electrically turning on and off the driving of the semiconductor laser as the light source. According to a preferred aspect of the present invention, the optical shaping apparatus further includes a scanning device for two-dimensionally scanning a focused beam of light energy emitted from the irradiation device on the thin layer of the photocurable resin. In this case, the exposure control device may operate the semiconductor laser at the time when the scanning speed of the focused beam reaches a predetermined set speed at the scanning start point position and / or the scanning end point position of the curing target portion on the photocurable resin. And a speed comparison circuit for electrically controlling the driving of the device to an on or off state. In the optical shaping apparatus of the present invention, the light energy source of the irradiation device is a semiconductor laser or a solid-state laser excited by a semiconductor laser, and the exposure control device electrically turns on and off the driving of the semiconductor laser of the light energy source. Control, so that a faster response than a mechanical shutter can be obtained without using an expensive AOM, and the exposure can be accurately controlled by electrical on / off timing control. A mechanism and an element arrangement for the optical shutter are not required, and the molding of the photocurable resin can be performed with high molding accuracy without generating operation noise as in the case of the mechanical shutter. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment in which the present invention is applied to an optical shaping apparatus using a regulated liquid level method will be described below with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to this embodiment. Needless to say, the present invention can be similarly applied to, for example, an optical shaping apparatus using a free liquid surface method. FIG. 1 shows a schematic configuration of an optical shaping apparatus according to the present embodiment. This apparatus has a shaping tank 2 serving as a main working part for stacking and shaping a three-dimensional shaped object 12, and a shaping tank 2 provided below a bottom thereof. A scanning device including an XY plotter 5 disposed therein. The shaping tank 2 is a work tank for storing the photocurable resin 3 and shaping the photocurable resin 3. The shaping tank 2 has a shallow main tank 2 a formed by a flat light-transmitting bottom surface 4 in a central region. The photocurable resin 3 is stored in a thin layer in the region, and a peripheral groove 2b is provided around the main tank 2a. The photocurable resin 3 is sucked from the inside of the circumferential groove 2b by the pump 9 outside the tank, is supplied from the pump 9 into the main tank 2a, and is transparent by the horizontal movement of the skimmer device 10 arranged on the tank. A resin liquid layer 11 having a predetermined thickness corresponding to the lamination slice pitch of the final lamination object is formed on the optical bottom surface 4.
Excess resin scraped off by the skimmer device 10 that moves horizontally on the main tank 2a is returned from the main tank 2a into the peripheral groove 2b, and is then sucked by the pump 9 and sent to the main tank 2a. Used as circulation. Above the main layer 2a, the above-described modeling base plate 1 is disposed substantially in parallel with the translucent bottom surface 4,
The base plate 1 can be moved up and down by a stroke set in advance by an elevator device (not shown). On the other hand, the XY plotter 5 is disposed outside the tank below the light-transmitting bottom surface 4, and the moving head 6 of the XY plotter 5 can scan vertically and horizontally below the light-transmitting bottom surface. Has become. The moving head 6 of the XY plotter 5 has a built-in irradiation optical system connected to an irradiation device 7 by an optical fiber 6a, and the light energy radiation output from the irradiation device 7 is transmitted through the optical fiber 6a to the moving head. 6 is emitted as a focused beam.
The thin resin liquid layer 11 between the light-transmitting bottom surface 4 and the light-transmitting bottom surface 4 is scanned by a focused beam irradiated through the light-transmitting bottom surface 4. These XY plotter 5 and irradiation device 7
Is controlled by a control computer unit 8. When irradiating the resin liquid layer 11 of the photocurable resin with the light energy by the irradiation device 7, the scanning mechanism includes a light energy transmitted from the irradiation device 7 through the optical fiber 6a as shown in FIG. X-
In addition to irradiating as a focused beam from the irradiation optical system built in the moving head 6 of the Y plotter 5, various configurations can be adopted. For example, a method in which a light energy source such as a semiconductor laser is directly mounted on the moving head 6, A method in which a focused beam emitted from the irradiation device is scanned by a reflective optical element such as a galvanometer mirror or a polygon may be used. The computer unit 8 controls the XY plotter 5 and the irradiation device 7 as described above, but also controls the operations of the elevator device for moving the base plate 1 up and down, the pump 9, the skimmer device 10, and the like. Further, based on three-dimensional shape data given in advance, a planar shape pattern of each laminated slice of the final molded product is calculated, and the focused beam is scanned by the moving head 6 so that a desired planar shape pattern is drawn. The calculation of the attribute data such as the beam scanning speed and the scanning pitch is also performed at the same time. Further, the computer unit 8 may have a CAD function or a function of processing CAD data by another terminal. Or a 3D model is designed using another computer terminal and the result is used.
Various modifications and combinations are possible, such as those that perform arithmetic processing and operation control of additive manufacturing data on the modeling apparatus side by data communication with a scanner, an MRI apparatus, or another three-dimensional three-dimensional shape recognition system. FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of a control system of the optical shaping apparatus according to this embodiment. In FIG. 2, the irradiation device 7 uses a semiconductor laser or a semiconductor laser-excited solid laser according to the present invention as an optical energy source. Is shown as a laser unit 7a. As shown in FIG. 2, the control system of the optical shaping apparatus includes two motors 5X and 5Y with encoders for moving the moving head 6 of the XY plotter 5 in the X-axis direction and the Y-axis direction, respectively. A driver unit 21 which receives encoder output pulses from these motors as feedback signals and supplies drive signals to each motor at a set speed based on a motor control signal provided from a computer unit 8;
Receiving the encoder output pulse from the moving head 6
A signal conversion circuit 22 for generating a speed signal corresponding to the moving speed in the X-axis direction and the Y-axis direction of the computer unit 8;
And a speed comparison circuit 23 that compares the set speed signal given by the controller with the speed signal from the signal conversion circuit 22 and provides a shutter timing signal to the laser unit 7a when the two match.
The X and 5Y encoders, the signal conversion circuit 22 and the speed comparison circuit 23 constitute an exposure control device for electrically controlling the driving of the semiconductor laser of the laser unit 7a on / off. In the speed comparison circuit 23, the scanning speed of the moving head 6, that is, the focused beam, is set in the computer unit 8 in advance at the scanning start point position and / or the scanning end point position of the curing target portion on the photocurable resin. When the set speed level is reached, the drive of the semiconductor laser of the laser unit 7a is controlled to be electrically on or off. This will be described below with reference to FIG. That is, when a motor control signal is given from the computer unit 8 to the driver unit 21 during the scanning movement of the focused beam by the moving head 6, the motor 5
X and / or 5Y move the moving head 6 at a set scanning speed by accelerating the moving head 6 from a coordinate position set in advance corresponding to the scan starting point position of the curing target portion at that time, as shown in FIG. Similarly, when the head 6 reaches another coordinate position set in advance corresponding to the scan end point position of the curing target portion, the moving head 6 is decelerated and stopped. The acceleration at the start of the scanning movement and the acceleration at the deceleration at the time of stopping are characteristics peculiar to the XY plotter 5, and are, for example, the time from the start of the movement to the set scanning speed or the stop from the set scanning speed to the stop. Time to several msec to several tens msec
It is about. Thus, the moving head 6, and thus the focused beam, accelerates at a certain acceleration and then reaches the set scanning speed,
In the case of scanning when the moving head 6 is decelerated and stopped at a certain acceleration from the set scanning speed, excessive light energy is applied to the photocurable resin when a focused beam is irradiated from the start to the stop of the movement of the moving head 6. As a result, an excessively hardened portion is formed. According to the present invention, this problem is solved as follows. That is, when a motor control signal is given from the computer unit 8 to the driver unit 21, the motors 5X and / or 5Y move from the coordinate position set in advance corresponding to the scanning start position of the curing target portion at that time. FIG.
The moving head 6 is accelerated and moved at a set scanning speed as shown in FIG. 4. When the moving head 6 reaches another coordinate position set in advance corresponding to the scanning end position of the curing target portion, the moving head 6 is moved. To stop. At this time, the encoder output pulse of each motor is input to the signal conversion circuit 22 every moment. Therefore, the signal conversion circuit 22 outputs a speed signal corresponding to the speed of the moving head 6 from these encoder output pulses every moment. Is converted and output. This speed signal is input to the speed comparison circuit 23, where it is compared with a set speed signal given in advance from the computer unit 8, and when the speed signal matches the set speed signal level, the speed comparison circuit 23 A shutter timing signal is given to the laser unit 7a. The laser unit 7a receives the shutter timing signal after the start of the movement of the movable head 6, and switches the semiconductor laser to an operating state (on state) by an internal electrical switching operation, whereby the laser unit 7a is emitted from the laser unit 7a. The emitted laser light is radiated as a focused beam from the irradiation optical system in the moving head 6 via the optical fiber 6a to the photocurable resin. Thereafter, when the speed signal again coincides with the set speed signal level after deceleration for stopping the moving head 6 is started, another shutter timing signal is given from the speed comparison circuit 23 to the laser unit 7a. Accordingly, the laser unit 7a switches the semiconductor laser to a non-operation state (off state) by an internal electric switching operation, and accordingly, the irradiation of the focused beam is immediately stopped. The level comparison between the speed signal and the set speed signal in the speed comparison circuit 23 described above and the ON / OFF of the emission of the laser beam from the laser unit 7a based on the comparison.
The off state is as shown in FIG. 3 with the moving distance of the moving head 6 on the horizontal axis. In FIG. 3, the scanning set speed means the set level of the scanning speed included in the motor control signal given from the computer unit 8 to the motor driver unit 21, and the shutter on / off set speed is the computer unit 8
Means the set speed signal level given to the speed comparison circuit 23. As shown in FIG. 3, when the speed of the moving head 6 matches the shutter on / off setting speed level set in advance by the computer unit 8, the semiconductor laser of the laser unit 7a is operated by the electronic shutter operation. Since the on / off switching control is performed, the shutter on / off setting speed level is appropriately adjusted according to the curing reaction characteristics of the resin, so that the exposure amount control for the photocurable resin is optimized with high responsiveness. Can be controlled. Therefore, while the exposure amount control and the scanning control are being performed, the uncured resin layer between the base plate 1 and the light-transmitting bottom surface 4 in the tank is transferred from the moving head 6 below the molding tank 2 to the light-transmitting layer. This resin layer is cured to a desired pattern as a first resin cured layer by irradiating a focused beam through the bottom surface 4, and then the first resin cured layer is removed from the bottom surface 4 by pulling up the base plate 1. It is peeled upward to refill the space between the first-layer resin curing tank and the bottom surface 4 with the uncured resin in the tank. A second resin cured layer is formed by irradiating a focused beam through the substrate, and by repeating this, a plurality of thin resin cured layers are continuously laminated to form a desired three-dimensional three-dimensional structure 12. Can be formed. The responsiveness of the semiconductor laser and the semiconductor-pumped solid-state laser to the electronic shutter operation is faster than that of the mechanical shutter but is generally of the order of several hundreds of microseconds. It is preferable to allow for this response time
Similarly, it is preferable to allow for the response time of the moving system of the scanning device. In the above-described embodiment, the operating device is provided with X-
Although a Y plotter was used, the same control can be performed by a scanning method using a galvano mirror or a polygon mirror. It goes without saying that we can do it. As described above, in the present invention, a semiconductor laser is used as a light energy source, and the exposure amount is controlled by an electronic shutter system.
It is possible to optimally control the amount of exposure to the photo-curable resin with high responsiveness without using a laser and without having to add an extra element array to the irradiation optical system. And a harsh shutter sound such as a mechanical shutter can be eliminated.
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る光造形装置の概略構成
を示す説明図である。
【図2】本発明の実施形態に係る光造形装置の制御系の
概略構成を示すブロック図である。
【図3】本発明の実施形態に係る光造形装置における電
子シャッター動作によるレーザー光のオン・オフ制御の
様子を示す線図である。
【符号の説明】
1:造形用ベースプレート
2:造形槽
2a:主槽
2b:周溝
3:光硬化性樹脂
4:透光性底面
5:X−Yプロッタ
5X:X軸移動用エンコーダ付モータ
5Y:Y軸移動用エンコーダ付モータ
6:移動ヘッド
6a:光ファイバー
7:照射装置
7a:レーザーユニット
8:コンピュータユニット
9:ポンプ
10:スキマー装置
11:樹脂液層
12:3次元立体造形物
21:モータードライバーユニット
22:信号変換回路
23:速度比較回路BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of an optical shaping apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a control system of the optical shaping apparatus according to the embodiment of the present invention. FIG. 3 is a diagram showing a state of on / off control of laser light by an electronic shutter operation in the optical shaping apparatus according to the embodiment of the present invention. [Description of Signs] 1: Modeling base plate 2: Modeling tank 2a: Main tank 2b: Peripheral groove 3: Photocurable resin 4: Translucent bottom surface 5: XY plotter 5X: Motor with encoder for X-axis movement 5Y : Motor with encoder for Y-axis movement 6: Moving head 6a: Optical fiber 7: Irradiation device 7a: Laser unit 8: Computer unit 9: Pump 10: Skimmer device 11: Resin liquid layer 12: Three-dimensional three-dimensional object 21: Motor driver Unit 22: signal conversion circuit 23: speed comparison circuit
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平8−108481(JP,A) 特開 平3−16190(JP,A) 特開 平8−162699(JP,A) 特開 平1−228828(JP,A) 特開 平3−21432(JP,A) 特表 平5−508126(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B29C 67/00 H01S 5/00 - 5/50 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-8-108481 (JP, A) JP-A-3-16190 (JP, A) JP-A 8-162699 (JP, A) JP-A-1- 228828 (JP, A) JP-A-3-21432 (JP, A) JP-A-5-508126 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) B29C 67/00 H01S 5 / 00-5/50
Claims (1)
ことにより該樹脂を所望形状に造形する光造形槽におい
て、 半導体レーザーまたは半導体レーザー励起固体レーザー
を光エネルギー源とする照射装置と、 前記光エネルギー源の半導体レーザーの駆動を電気的に
オン・オフ制御する露光制御装置とを備え、 前記照射装置は、射出される光エネルギーの集束ビーム
を光造形樹脂の薄層上で二次元走査する走査装置を更に
備え、 前記露光制御装置は、光硬化性樹脂上の硬化目標部位の
走査始点位置及び/又は走査終点位置において集束ビー
ムの走査速度が予め定められた設定速度に達した時点で
半導体レーザーの駆動を電気的にオンまたはオフ状態に
制御する速度比例回路を備えている ことを特徴とする光
造形装置。(1) Claims 1. In a photolithography tank for irradiating a photocurable resin with light energy to form the resin into a desired shape, a semiconductor laser or a semiconductor laser-excited solid laser is irradiated with light energy. An irradiation device serving as a light source; and an exposure control device for electrically turning on and off a semiconductor laser of the light energy source , wherein the irradiation device emits a focused beam of emitted light energy.
Scanning device for two-dimensional scanning on a thin layer of stereolithography resin
The exposure control device includes a curing target portion on the photocurable resin.
Focusing beam at scan start and / or scan end
When the scanning speed of the system reaches a predetermined set speed,
Turns the drive of the semiconductor laser on or off electrically
An optical shaping device comprising a speed proportional circuit for controlling .
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