JPH09141746A - ３次元モデリング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】点、線、面状のビームを効率的に光硬化性樹脂
面に照射することにより、成形精度、及び成形速度を向
上できる３次元モデリング装置を提供することにある。 【解決手段】３次元モデルを所定の厚さで切断した断層
データに基づいて光硬化性樹脂に光ビームを照射して３
次元モデルを製作する３次元モデリング装置であって、
光硬化性樹脂を硬化させる光ビームを発生するレーザ光
源１と、光ビームを点、線、及び面状に成形して光硬化
性樹脂の表面に導く光学系４１、４２、４３及び５と、
上下動自在に設けられ、光ビームが照射されて硬化した
光硬化性樹脂により形成された断面体を支持し、断層デ
ータの厚さに相当する深さ分だけ下降して断面体上に連
続的に断面体を積層させるエレベータ部９と、断層デー
タに基づいて、装置全体の駆動を制御するコンピュータ
１０と、を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、３次元モデリン
グ装置に係り、特に点、線、及び面状のビームを形成し
て光硬化性樹脂に照射し、迅速に３次元モデルを製作す
る３次元モデリング装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光造形法を利用した３次元モデリング製
作装置は、所望する３次元モデルがその外部及び内部と
もに実物体に添った形に成形できることから、現在、モ
デルを重視する一般工業、特に金型の製造業、自動車産
業、建築業、医療、玩具、教育などの分野で利用されつ
つあり、今後、さらに、広い分野で利用されることが予
想される。

【０００３】光造形法を利用した３次元モデリング装置
は、特定の波長のビームを発生するレーザビームを光硬
化性樹脂に照射することにより、所望する形状の３次元
モデルを成形するものである。従来の３次元モデリング
装置では、光硬化性樹脂を硬化させるために照射される
レーザビームは、集光されたスポット状のビームのみが
使用されている。このような装置において、集光された
レーザビームを光硬化性樹脂に照射する方式には、ガル
バノメータを有する光学系よってレーザビームをスキャ
ンさせて照射する方式、レーザビームの照射位置を固定
し、光硬化性樹脂を収容したタンクをＸＹテーブルによ
って移動させてビームの照射位置を制御する方式、ま
た、光ファイバーを利用して照射する方式などがある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この様な従来の照射方
式は、スポット状のビームを移動させることによって
線、及び面状の形状を成形している。このため、所望す
る形状の３次元モデルが成形されるまでの成形速度が遅
いという不具合が生じる。また、スポット状のビームを
同一平面内で走査させることにより平面を形成するた
め、ビームが光硬化性樹脂に到達するまでの時間差によ
る硬化時間の違いにより歪みが生じる。したがって、高
い成形精度の３次元モデルが得られないという問題が発
生する。

【０００５】そこで、この発明は、上述したような事情
に鑑み成されたものであって、その目的は、点、線、面
状のビームを効率的に光硬化性樹脂面に照射することに
より、成形精度、及び成形速度を向上できる３次元モデ
リング装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記課題に
基づきなされたもので、３次元モデルを所定の厚さで切
断した断層データに基づいて、液状の光硬化性樹脂に光
ビームを照射し、光硬化性樹脂を硬化させて断面体を形
成し、この断面体上に連続的に断面体を積層させて３次
元モデルを製作する３次元モデリング製作装置におい
て、光硬化性樹脂を硬化させる光ビームを発生する光源
部と、この光源部から発生された光ビームを点、線、及
び面状に成形して光硬化性樹脂の表面に導く光学系と、
上下動自在に設けられ、光ビームが照射されて硬化した
光硬化性樹脂により形成された断面体を支持し、断層デ
ータの厚さに相当する深さ分だけ下降して前記断面体上
に連続的に断面体を積層させる昇降手段と、前記断層デ
ータに基づいて、前記光源部、光学系、及び昇降手段を
駆動する駆動制御手段と、を有することを特徴とする３
次元モデリング装置を提供するものである。

【０００７】この発明によれば、光源部から発生された
光ビームを光硬化性樹脂の表面付近で点、線、又は面状
に集光させる光学系が備えられている。この光学系は、
必要に応じて光ビームと同一の光軸内に配置され、光ビ
ームを点、線、面状に成形して、光硬化性樹脂の表面に
導く。また、３次元モデルを製作する上で不要な光ビー
ムは遮蔽される。また、光ビームの形状の違いによる光
ビームの強度の変化を補うため、駆動制御手段により光
源部を制御して、光ビームの照射時間が制御され、必要
な照度の光ビームが光硬化性樹脂面に照射される。した
がって、複雑な形状を有する３次元モデルであっても、
高精度の成形が可能となり、成形時間も短縮することが
できる。また、光硬化性樹脂面への光ビームの到達の時
間的なズレを少なくすることができるため、硬化時に生
じる硬化速度の違いによる歪的変形が生じなく、精度の
高い成形が可能である。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照してこの発明の
実施の形態について詳細に説明する。図１は、この発明
の光造形法を利用した３次元モデリング装置の一例を概
略的に示すブロック構成図である。即ち、図１に示すよ
うに、この３次元モデリング装置は、特定の波長のビー
ム、例えば、紫外線ビームを発生するレーザ光源部、こ
のレーザ光源部から発生されたレーザビームを所望する
形状に形成して光硬化性樹脂側に導く光学系、及び所望
する形状の３次元モデルを形成するための３次元情報
（ＣＡＤ情報）に基づいて各構成部分を制御する制御部
を有している。

【０００９】光源部は、例えば紫外線波長のビームを発
生するＨｅ−Ｃｄレーザ等のレーザ光源１、及びこのレ
ーザ光源１を駆動するレーザ駆動電源２を含む。このレ
ーザ光源１は、一定強度で出力され、制御部によりＯＮ
／ＯＦＦ制御されている。なお、レーザ光源１の出力
は、レーザ駆動装置２により変更することができる。

【００１０】光学系は、レーザ光源１から発生されたレ
ーザビームの光軸に沿って、コリメータレンズ３、ター
レット式光学系ホルダー４、スキャニング用ミラー５、
及び可動遮蔽マスク７が順に配列されている。コリメー
タレンズ３は、レーザ光源１から発生されたレーザビー
ムをコリメートする。ターレット式光学系ホルダー４に
は、各種光学系が円周方向に沿って配置され、コリメー
タレンズ３によりコリメートされたビームを点、線、及
び面状の断面を有するビームに形成させるものである。
このターレット式光学系ホルダー４は、制御部により制
御され、制御部からのＣＡＤ情報に基づいて、必要とす
る形状のビームが形成できるように適宜光学系が選択さ
れる。スキャニング用ミラー５は、制御部からのＣＡＤ
情報に基づいて駆動されるスキャナー６に連動して作動
する。即ち、このスキャニング用ミラー５は、複数枚の
ミラーが組み合わされ、スキャナー６により、ターレッ
ト式光学系ホルダー４に配置された光学系を通過したビ
ームを可動遮蔽マスク７側のＸ軸方向及びＹ軸方向に沿
って走査するように駆動される。可動遮蔽マスク７は、
スキャニング用ミラー５によりスキャンされるビームの
所望する部分以外の不要なビームを遮断するために設け
られている。即ち、この可動遮蔽マスク７は、ターレッ
ト式光学系ホルダー４に設けられている各種光学系によ
り線または面状に形成されたビームと組み合わせて、複
雑な断面形状のパターンをより短時間で成形することを
可能としている。なお、この可動遮蔽マスク７は、後に
述べるが液晶シャッタに置き換えることが可能である。

【００１１】制御部は、３次元モデルのＣＡＤ情報が入
力され、入力されたデータに基づいてレーザ駆動装置
２、ターレット式光学系ホルダー４、スキャナー６、及
び可動遮蔽マスク７を制御するＣＰＵを有するコンピュ
ータ１０、及び表示装置１１を有する。

【００１２】また、この装置は、光源部から発生される
特定波長のビームが照射されることにより硬化する液状
の光硬化性樹脂を収容するタンク８、及びＺ軸ステージ
を含み、この液状の光硬化性樹脂中を上下動可能に設け
られたエレベータ部９を有する。この実施の形態におい
て、光硬化性樹脂は、レーザ光源１が出力する波長に対
応して、紫外線硬化性樹脂が用いられている。また、エ
レベータ部９は、コンピュータ１０に入力されたＣＡＤ
情報に基づいてＣＰＵよって制御されている。なお、こ
の実施の形態では、紫外線硬化性樹脂として、エポキシ
系樹脂（例えば、製造元；日本合成ゴム株式会社、商品
名；デソライトＳＣＲ）などが使用されている。使用さ
れる紫外線硬化性樹脂は、光源との波長感度が合致して
いて、且つ高感度であること、硬化特性に優れること、
低粘度であること、硬化後の機械的性質が良好であるこ
となどの特性を有している。

【００１３】図２は、ターレット式光学系ホルダー４の
一例を示す平面図である。このターレット式光学系ホル
ダー４は、中心に回転軸を有する回転可能に設けられた
円板であり、この実施の形態では、点、線、及び面状の
ビームを形成するための３つの光学系がホルダー４の円
周方向に沿って配置されている。

【００１４】即ち、点状のビームを形成するための光学
系４１としては、例えば凸レンズが用いられる。コリメ
ータレンズ３によってコリメートされたビームがこの凸
レンズに照射されることにより、ビームが光硬化性樹脂
の表面付近で集光され、点状に樹脂を硬化させることが
できる。この集光されるビームスポットの大きさは、凸
レンズから光硬化性樹脂の表面付近までの距離を変更す
ることにより調整できる。また、必要とするビームスポ
ットの大きさに応じて、焦点距離の異なるレンズを設置
するようにしてもよい。さらに、複数の凹及び凸レンズ
を組み合わせてビームスポットの大きさが調整できるよ
うにしてもよい。

【００１５】線状のビームを形成するための光学系４２
としては、例えばシリンドリカルレンズが用いられる。
コリメータレンズ３によってコリメートされたビーム
は、このシリンドリカルレンズに照射されることによ
り、光硬化性樹脂の表面付近で線状に集光される。この
集光ビームの線幅は、前述したように、レンズから光硬
化性樹脂までの距離を変更したり、焦点距離の異なるレ
ンズを設置したり、複数のレンズを組み合わせることに
より調整できる。この様な光学系４２により線状に樹脂
を硬化させることができる。また、一方向に延出された
線に限らず、例えばこの線に対して垂直方向に延出され
た線を形成するような光学系が光学系ホルダー４に付加
されてもよい。なお、線状のビームを形成するための他
の光学系としてロッドレンズが用いられてもよい。

【００１６】面状のビームを形成するための光学系４３
としては、例えばピンホールが用いられる。レーザ光源
１から発生されたビームをこのピンホールに照射させる
ことにより、ピンホールを通過したビームは回折され、
一様に拡散されたビームが形成される。この拡散ビーム
を液状の光硬化性樹脂に照射することにより、一様な平
面状に硬化させることができる。なお、面状のビームを
形成するために、複数の凹及び凸レンズが組み合わされ
た光学系が利用されてもよい。

【００１７】なお、このターレット式光学系ホルダー４
には、以上の３つの光学系に限らず、ビームを他の形状
に形成するための他の複数の光学系が配置されてもよ
い。次に、この３次元モデリング装置の動作について図
１を参照して説明する。

【００１８】まず、コンピュータ１０に所望する３次元
モデルのＣＡＤ情報が入力される。この入力情報に基づ
いて、コンピュータ１０に備えられているＣＰＵは、レ
ーザ駆動装置２、ターレット式光学系ホルダー４、スキ
ャナー６、可動遮蔽マスク７、及びエレベータ部９をそ
れぞれ制御する。即ち、ターレット式光学系ホルダー４
に配置されている点、線、または面状のビーム断面を形
成するための光学系のうち、必要とする形状のビームが
形成できるようにいずれか１つの光学系が選択される。
スキャナー６は、スキャニング用ミラー５を駆動して、
光学系ホルダー４を通過するビームを所望する位置に導
き、ビームを所定方向にスキャンできるように準備され
る。可動遮蔽マスク７は、スキャニング用ミラー５によ
ってスキャンされるビームの大きさを規制すると共に、
ビームの不要な部分を遮蔽するように配置される。エレ
ベータ部９のステージは、液状の光硬化性樹脂の表面か
ら、例えば１００μｍの深さにある位置に配置される。

【００１９】このように、各光学系、及びエレベータ部
の準備が完了すると、レーザ駆動装置２によりレーザ光
源１を駆動させて紫外線ビームを発生させる。このビー
ムは、コリメータレンズ３でコリメートされ、ターレッ
ト式光学系ホルダー４の所定の光学系に入射される。タ
ーレット式光学系ホルダー４を通過したビームは、スキ
ャニング用ミラー５、および可動遮蔽マスク７により液
状の光硬化性樹脂の表面まで導かれ、この樹脂の表面付
近で所望する形状の点、線、または面状の断面を有する
ようなビームが形成される。また、この時、スキャニン
グ用ミラー５は、スキャナー６により駆動され、光硬化
性樹脂の液面の所望する位置にビームを導き、可動遮蔽
マスク７は、ビームの不要部分を遮蔽する。このように
して、所定時間の間、紫外線ビームが液状の光硬化性樹
脂に照射され、ビームが照射された部分の樹脂のみが硬
化され、３次元モデルの断面が形成される。この時、ビ
ームの照射時間は、制御部により、光硬化性樹脂に照射
されるビームの強度に応じて変更される。例えば、点状
に集光されたビームのように比較的強度の高いビームを
光硬化性樹脂に照射する場合には、ビームの照射時間は
比較的短時間とし、一方、面状に拡散されたビームのよ
うに低強度のビームを照射する場合には、ビームの照射
時間が集光ビームの場合と比較して長時間となるよう
に、制御部はレーザ駆動装置２を制御する。このように
して、ビームの強度が変化しても、光硬化性樹脂をムラ
なく硬化させることができる。

【００２０】続いて、樹脂が硬化された後、一旦、レー
ザビームの照射が停止され、エレベータ部がさらに１０
０μｍの深さ分だけ降下する。そして、所望する３次元
モデルの断面が形成できるように、この断面形状に応じ
て各光学系が配置される。そして、所定時間の間、レー
ザビームが光硬化性樹脂に照射される。

【００２１】このようにして、例えば１００μｍのピッ
チで３次元モデルの断面が積層され、最終的に所望する
３次元モデルが完成する。次に、図３を参照して、３次
元モデルの製作工程を説明する。

【００２２】図３は、３次元モデルの製作工程を示すフ
ローチャートである。まず、所望する３次元モデルの図
面が作成され、３次元モデルがイメージ化される（ＳＴ
１）。この３次元モデルのイメージをコンピュータに入
力し、３次元ＣＡＤデータが作成される（ＳＴ２）。続
いて、この３次元モデルの作製方向が決定される（ＳＴ
３）。この時、３次元モデルを安定に、且つ作製し易い
方向が選択される。続いて、３次元モデルの作製方向に
応じて、不安定になり得る部分をサポートするように、
エレベータ部に支持体が取り付けられる（ＳＴ４）。続
いて、作製される３次元モデルの一層の厚さが決定され
る（ＳＴ５）。この厚さは、３次元モデルの精度、レー
ザビームの強度、及びレーザビームの照射時間などによ
り適宜選択され、例えば、１００乃至４００μｍの範囲
で自由に設定することができる。次に、ＳＴ２で作成し
た３次元ＣＡＤデータからＣＡＤ上にデザインされたモ
デルは、ＳＴ５で決定された一層の厚さ、例えば１００
μｍ毎に薄い断面体にスライスされ、等高線データ、即
ち３次元モデルの一層毎のデータが作成される（ＳＴ
６）。この等高線データが一層毎にチェックされ、必要
であればデータに修正が施される（ＳＴ７）。このよう
にして作成された等高線データに基づき、３次元モデル
がモデリングされる（ＳＴ８）。即ち、等高線データに
基づいて成形されたパターンの紫外線レーザビームによ
り、タンク内の液状の紫外線硬化性樹脂が照射される。
レーザビームが照射された部分は、液体から固体に硬化
され、エレベータ部上に一層分の断面体が形成される。
続いて、エレベータ部が一層分、例えばこの実施の形態
では１００μｍずつ下降され、連続的に複数層の薄い断
面体が形成される。この工程を繰り返して、断面体を積
層することにより所望する３次元モデルが成形される。
次に、エレベータ部が引き上げられ、成形された３次元
モデルに後処理が施される（ＳＴ９）。ここで実行され
る後処理には、支持体の取り外し、研磨、塗装などが含
まれる。このようにして、所望する３次元モデルが完成
する（ＳＴ１０）。

【００２３】なお、既に述べたように、この実施例で説
明した可動遮蔽マスク７の代わりに液晶シャッタが用い
られてもよい。図４は、上述した３次元モデリング装置
を変形した実施の形態を概略的に示す図である。なお、
図１に示した装置と同一の構成には、同一の参照符号を
付し、詳細な説明を省略する。この変形例では、可動遮
蔽マスクの代わりに液晶シャッタ１７が用いられ、ター
レット式光学系ホルダー４を不要とすることが可能であ
る。即ち、この実施の形態では、透過型の液晶シャッタ
１７がコンピュータ１０に接続され、製作される３次元
モデルの一層の等高線データに対応して、液晶が駆動さ
れる。つまり、レーザ光源１から発生された紫外線レー
ザビームを透過して、樹脂を硬化させるために、断面体
を形成する部分に対応する液晶のみがビームを透過する
ように、液晶シャッタ１７が駆動される。したがって、
液晶シャッタ１７により、点、線、及び面を含んだ所望
するパターンが一度に形成できる。コリメートされたビ
ームは、スキャナ６により駆動されるスキャニング用ミ
ラー５によって液晶シャッタ１７上をスキャンされる。
このようにして、一層分の断面体がエレベータ部９に形
成される。これ以降の工程は、上述したように、エレベ
ータが一層分の厚さだけ下降され、断面体が積層され
る。このようにして、３次元モデルを製作する。

【００２４】また、ターレット式光学系ホルダー４とこ
の変形例で用いられた液晶シャッタ１７とを組み合わせ
ることで、より効率的に３次元モデルが製作されること
はいうまでもない。

【００２５】上述したように、所望する３次元モデルの
成形プログラムに従って、光硬化性樹脂面に、点、線、
及び面状の必要な強度のレーザビームを、必要な箇所の
みに、必要な時間の間照射することにより、成形精度、
及び成形速度を向上させることができる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の３次元
モデリング装置によれば、コンピュータの成形プログラ
ムに沿って、所望する大きさの点、線、及び面状の光ビ
ームを光硬化性樹脂面に照射することにより、成形時間
が短縮され、また、成形精度の高い３次元モデルを成形
することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、この発明の光造形法を利用した３次元
モデリング装置の一例を概略的に示すブロック構成図で
ある。

【図２】図２は、ターレット式光学系ホルダー４の一例
を示す平面図である。

【図３】図３は、３次元モデルの製作工程を示すフロー
チャートである。

【図４】図４は、この発明の３次元モデリング装置の変
形例を概略的に示すブロック構成図である。

【符号の説明】

１…レーザ光源 ２…レーザ駆動装置 ３…コリメータレンズ ４…ターレット式光学系ホルダー ５…スキャニング用ミラー ６…スキャナ ７…可動遮蔽マスク ８…紫外線硬化性樹脂 ９…エレベータ部 １０…コンピュータ １１…表示装置 １７…液晶マスク ４１…凸レンズ ４２…シリンドリカルレンズ ４３…ピンホール

フロントページの続き (72)発明者 上出 幟 埼玉県川越市大字下赤坂750 金門電気株 式会社内 (72)発明者 篠崎 勉 埼玉県川越市大字下赤坂750 金門電気株 式会社内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】３次元モデルを所定の厚さで切断した断層
   データに基づいて、液状の光硬化性樹脂に光ビームを照
   射し、光硬化性樹脂を硬化させて断面体を形成し、この
   断面体上に連続的に断面体を積層させて３次元モデルを
   製作する３次元モデリング製作装置において、 光硬化性樹脂を硬化させる光ビームを発生する光源部
   と、 この光源部から発生された光ビームを点、線、及び面状
   に成形して光硬化性樹脂の表面に導く光学系と、 上下動自在に設けられ、光ビームが照射されて硬化した
   光硬化性樹脂により形成された断面体を支持し、断層デ
   ータの厚さに相当する深さ分だけ下降して前記断面体上
   に連続的に断面体を積層させる昇降手段と、 前記断層データに基づいて、前記光源部、光学系、及び
   昇降手段を駆動する駆動制御手段と、 を有することを特徴とする３次元モデリング装置。
2. 【請求項２】前記光学系は、前記断層データに基づい
   て、前記光源部から発生された光ビームを点、線、及び
   面状に成形する第１の光学系と、この第１の光学系を透
   過した光ビームを光硬化性樹脂表面の所望する部分に導
   く第２の光学系と、この第２の光学系により導かれた光
   ビームの不要な部分を遮蔽する第３の光学系とを含むこ
   とを特徴とする請求項１に記載の３次元モデリング装
   置。
3. 【請求項３】前記第１の光学系は、前記光源部から発生
   された光ビームを、前記光硬化性樹脂の表面付近で点状
   に集光する光学系、線状に集光する光学系、及び面状に
   集光する光学系を含み、夫々の光学系が、回転自在に設
   けられたホルダーの回転軸を中心にした円周方向に沿っ
   て配列されていることを特徴とする請求項２に記載の３
   次元モデリング装置。
4. 【請求項４】前記第３の光学系は、前記光硬化性樹脂の
   表面に対して平行な方向に移動可能な遮蔽マスクである
   ことを特徴とする請求項３に記載の３次元モデリング装
   置。
5. 【請求項５】前記第３の光学系は、液晶シャッタである
   ことを特徴とする請求項３に記載の３次元モデリング装
   置。
6. 【請求項６】前記光学系は、前記光源部から発生された
   光ビームを光硬化性樹脂の表面に沿って走査させる光学
   系と、この光学系と光硬化性樹脂表面との間に介在さ
   れ、前記断層データに基づいて所定位置に照射された光
   ビームを透過させる液晶シャッタとを含むことを特徴と
   する請求項１に記載の３次元モデリング装置。
7. 【請求項７】前記駆動制御手段は、光硬化性樹脂の表面
   に照射される光ビームの強度に応じて光ビームの照射時
   間を変更するように前記光源部の駆動を制御することを
   特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載の３次
   元モデリング装置。