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1. (WO2018061993) DEVICE FOR THREE-DIMENSIONAL MODELING, METHOD FOR MANUFACTURING THREE-DIMENSIONAL OBJECT, AND PROGRAM FOR THREE-DIMENSIONAL MODELING
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明 細 書

発明の名称 三次元造形装置、三次元物体製造方法および三次元造形プログラム

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003   0004  

先行技術文献

特許文献

0005  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0006   0007  

課題を解決するための手段

0008   0009   0010  

発明の効果

0011  

図面の簡単な説明

0012  

発明を実施するための形態

0013  

実施例 1

0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063  

実施例 2

0064   0065   0066  

実施例 3

0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073   0074   0075  

実施例 4

0076   0077   0078   0079   0080  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13  

補正された請求の範囲(条約第19条)

1  *   2  *   3  *   4  *   5  *   6  *   7  *   8  *   9  *   10  *   11  *   12  *   13  *  

条約第19条(1)に基づく説明書

図面

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12  

明 細 書

発明の名称 : 三次元造形装置、三次元物体製造方法および三次元造形プログラム

技術分野

[0001]
 本発明は、光硬化性樹脂を硬化させて三次元物体を造形する技術に関する。

背景技術

[0002]
 三次元造形では、三次元物体の形状を示す三次元形状データから高さ方向の位置ごとの二次元形状データ(画像データ)を生成し、該断面形状データのそれぞれに対応する形状を有する造形層を順次形成して積層していくことで三次元物体(造形物)を得る。このような三次元造形方法の一つとして、特許文献1には、光硬化性樹脂を用いる方法が開示されている。
[0003]
 具体的には、液状の光硬化性樹脂を保持する容器の底面を透光板で構成し、該透光板の下側から透光板を通して照射された光で光硬化性樹脂を硬化させる。この際、二次元配列された複数の画素を有する光変調素子によって上記断面形状データに応じて変調した光を光硬化性樹脂に一括投射(照射)することで1つの造形層の全体を同時に硬化させる。そして、硬化した造形層を上方に移動させて次の造形層を形成する工程を繰り返すことで三次元物体を造形することができる。
[0004]
 この方法によれば、造形層ごとにレーザ光(スポット)で走査して光硬化性樹脂を順次硬化させる方法に比べて、造形に要する時間を短縮することが可能である。

先行技術文献

特許文献

[0005]
特許文献1 : 特開2015-016610号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0006]
 しかしながら、特許文献1にて開示されたような三次元造形方法では、環境温度の変動や光硬化性樹脂の光硬化による発熱等によって光硬化性樹脂内での温度分布や温度変化が発生する。そして、光硬化性樹脂の硬化収縮率は温度によって変動するため、造形中に光硬化性樹脂内での硬化収縮率の分布や変化が生じる。この結果、造形された三次元物体に歪みが生じて良好な造形精度が得られない。
[0007]
 本発明は、造形中に光硬化性樹脂内での硬化収縮率の分布や変化が生じても良好な造形精度が得られるようにした三次元造形装置等を提供する。

課題を解決するための手段

[0008]
 本発明の一側面としての三次元造形装置は、透光部を有し、液状の光硬化性樹脂を保持する容器と、複数の画素を有し、光源からの光を画素ごとに変調する光変調素子と、光変調素子からの変調光を、透光部を通して光硬化性樹脂に照射する光学系と、三次元形状データを変換情報を用いて複数の二次元変調制御データに変換する変換部と、該複数の二次元変調制御データのそれぞれに基づいて光変調素子を制御する制御部と、光硬化性樹脂のうち変調光を受けて硬化した硬化部を透光部から離れる方向に移動させる移動部材とを有する。そして、変換部は、光硬化性樹脂において変調光が照射される複数の樹脂領域のそれぞれの硬化収縮率に応じた変換情報を、三次元形状データにおいて複数の樹脂領域のそれぞれに対応するデータ領域ごとに設定することを特徴とする。
[0009]
 また、本発明の一側面としての三次元物体製造方法は、透光部を有する容器に液状の光硬化性樹脂を保持し、複数の画素を有して光源からの光を画素ごとに変調する光変調素子を、三次元形状データを変換情報を用いて変換することで得られた複数の二次元変調制御データのそれぞれに基づいて制御して、該光変調素子からの変調光を透光部を通して光硬化性樹脂に照射し、光硬化性樹脂のうち変調光を受けて硬化した硬化部を透光部から離れる方向に移動させて三次元物体を製造する方法である。該製造方法は、光硬化性樹脂において変調光が照射される複数の樹脂領域のそれぞれの硬化収縮率に応じた変換情報を、三次元形状データにおいて複数の樹脂領域のそれぞれに対応するデータ領域ごとに設定することを特徴とする。
[0010]
 なお、上記三次元造形装置のコンピュータに上記三次元物体製造方法に従う三次元造形プロセスを実行させるコンピュータプログラムとしての三次元造形プログラムも、本発明の他の側面を構成する。

発明の効果

[0011]
 本発明によれば、造形中に光硬化性樹脂内で硬化収縮率の分布や変化が生じても、それに応じてデータ領域ごとに変換情報を設定するため、良好な造形精度を得ることができる。

図面の簡単な説明

[0012]
[図1] 本発明の実施例1である三次元造形装置の構成を示す図。
[図2] 実施例1の三次元造形装置に用いられる画像形成素子と造形ユニットを示す図。
[図3] 実施例1における三次元造形プロセスを示すフローチャート。
[図4] 実施例1におけるX方向での温度分布、収縮率分布、データ変換比率および造形物の幅を示す図。
[図5] 実施例1における時間ごとの温度変化、収縮率変化、データ変換比率および造形物の厚みを示す図。
[図6] 本発明の実施例2である三次元造形装置の構成を示す図。
[図7] 本発明の実施例3である三次元造形装置の構成を示す図。
[図8] 実施例3の三次元造形プロセスを示すフローチャート
[図9] 本発明の実施例4である三次元造形装置の造形ユニットを示す図。
[図10] 従来装置における画像データと造形物の歪みを示す図。
[図11] 従来装置におけるX方向での温度分布、収縮率分布、データ変換比率および造形物の幅を示す図。
[図12] 従来装置における時間ごとの温度変化、収縮率分布、データ変換比率および造形物の厚みを示す図。

発明を実施するための形態

[0013]
 以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
実施例 1
[0014]
 以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
[0015]
 図1には、本発明の実施例1である三次元造形装置の構成を示す。三次元造形装置100は、液状の光硬化性樹脂に後述する画像光を照射して硬化させることで形成した造形層を順次積層することで三次元造形物を形成する。本実施例では、画像光が紫外線(以下、UV光という)であり、光硬化性樹脂として紫外線硬化性樹脂(以下、UV硬化性樹脂という)を用いる場合を例として説明する。ただし、UV光以外の画像光およびUV硬化性樹脂以外の光硬化性樹脂を用いてもよい。
[0016]
 三次元造形装置100は、造形ユニット200と、造形ユニット200を制御する制御部300とを有する。制御部300には、外部コンピュータである画像処理装置400が接続されている。
[0017]
 造形ユニット200は、容器201と、移動部材としての保持板202と、移動機構203と、投射ユニット250とを有する。容器201は、液状のUV硬化性樹脂RAを保持する液槽であり、その上部には開口が形成されている。容器201は、容器本体211と、該容器本体201の底面に形成された開口を塞ぐように設けられた透光性を有する透光板(透光部)212とにより構成されている。UV硬化性樹脂RAは、所定光量以上のUV光が照射されたときに硬化する特性を有する。このため、硬化させる領域にのみ所定光量以上の光量のUV光を照射することで、目的とする形状を有する造形物WBを形成することができる。
[0018]
 透光板212は、UV光を透過し、かつ酸素を透過するUV/酸素透過性を有する。このような透光板212としては、薄いフッ素樹脂板、例えばテフロン(登録商標)AF2400を用いることができる。透光板212は、空気中の酸素を透過してUV硬化性樹脂RAとの界面に酸素豊富な雰囲気を形成することでUV硬化性樹脂RAのUV光による硬化(ラジカル重合反応)を妨げる。すなわち、UV硬化性樹脂RAは、UV光により硬化する一方、酸素豊富な環境では硬化が妨げられる特性を有する。
[0019]
 このため、図2(B)に示すように、透光板212の近傍には、UV硬化性樹脂RAがUV光を受けても硬化しないデッドゾーン(不感帯)DZが層状に形成される。そして、UV硬化性樹脂RAのうちデッドゾーンDZの直上に位置する層状の部分(以下、造形樹脂液層という)PAがUV光(画像光)を受けることで硬化して、硬化部としての造形層(造形途中の中間物)WAを形成する。これにより、造形層WAが透光板212に付着することはない。
[0020]
 なお、透光板212を透過する酸素は、上述した空気中の酸素を用いてもよいし、不図示の酸素供給装置(ノズル)を透光板212の近傍に配置して透光板212に向けて酸素を供給するようにしてもよい。造形ユニット200または三次元造形装置100全体を高圧酸素雰囲気中に配置してもよい。
[0021]
 移動機構203は、容器201の上部開口を通して保持板202を上下方向に移動させる。移動機構203は、パルスモータとボールねじ等により構成され、制御部300からの制御によって任意の速度または任意のピッチで保持板202を移動させる。以下の説明では、図1中の移動機構203による保持板202の移動方向(図の上下方向)をZ方向(厚み方向)とし、該Z方向に直交する方向(図の左右方向)をX方向とする。さらに、Z方向およびX方向に直交する方向(図中の奥行き方向)をY方向とする。
[0022]
 移動機構203は、Z方向において、保持板202を透光板212から離れる方向(上方)および透光板212に近づける方向(下方)に移動させる。造形中は、保持板202を上記デッドゾーンDZに近づいて対向した下端位置から上方に移動させる。保持板202が下端位置にある状態で透光板212を通して画像光をUV硬化性樹脂RAに照射することで最初の造形層が保持板202に付着した状態で形成される。そして、最初の造形層が下端位置から所定量だけ引き上げられた状態で透光板212を通して画像光をUV硬化性樹脂RAに照射することで、最初の造形層とデッドゾーンDZとの間で次の造形層が最初の造形層に積層されて形成される。この工程を繰り返すことで、順次形成される複数の造形層WAが積層された造形物WBを形成することができる。
[0023]
 容器201の下側には投射ユニット250が配置されている。投射ユニット250は、UV光源251と、ビームスプリッタ252と、光変調素子としての画像形成素子253と、駆動機構254と、投射光学系255とを有する。必要に応じて、投射ユニット250に投射光路を変更する別の光学素子を追加してもよい。
[0024]
 UV光源251、ビームスプリッタ252および光変調素子253は水平方向であるX方向に直列に配置されている。ビームスプリッタ252の上方(Z方向)には、投射光学系255が配置されている。投射光学系255は、その光出射面が透光板212に対向するように配置されている。
[0025]
 UV光源251は、UV光を発するLEDや高圧水銀ランプ等により構成されている。UV光源251から発せられたUV光は、ビームスプリッタ252を透過して画像形成素子253にUV光を照射する。
[0026]
 画像形成素子253は、複数の画素を有し、照射されたUV光を画素ごとに変調して変調光としての画像光を生成する。本実施例では、画像形成素子253として、DMD(Digital Micro mirror Device)を用いる。DMDとしての画像形成素子253は、図2(A)に示すように、二次元配列された複数の画素261のそれぞれが、2つの角度位置(オン位置とオフ位置)の間で移動(回動)する微細な反射ミラーで構成されている。各画素261は、反射ミラーがオン位置にあるオン状態と反射ミラーがオフ位置にあるオフ状態とで明暗を表現する2値制御が可能である。
[0027]
 画像処理装置400は、三次元物体の形状データとして予め用意された三次元形状データからZ方向での複数の断面の二次元形状データとしての複数の原画像データを生成する。各原画像データは、二次元の複数の画素位置に対して造形画素位置であることを示す1または非造形画素位置であることを示す0を含む2値化データである。画像処理装置400は、複数の原画像データが時系列に配列された動画像データを制御部300に出力する。
[0028]
 制御部300は、動画像データ内の複数の原画像データ(つまりは三次元形状データ)を、後述する変換情報としてのデータ変換比率を用いて複数の二次元変調制御データとしての複数の補正画像データに変換する。そして、これら複数の補正画像データのそれぞれに基づいて、順次、画像形成素子253の画素261ごとの2値制御を行うことで、上述したようにUV光を画素261ごとに変調して画像光を生成する。なお、制御部300は、各画素261のオン状態とオフ状態との切り替えを高速で行うデューティ制御を行って中間調を表現することもできる。制御部300は、変換部としても機能する。
[0029]
 また、本実施例では、画像形成素子253としてDMDを用いる場合について説明するが、画像形成素子253として反射型液晶パネルを用いてもよいし、透過型液晶パネルを用いてもよい。この場合も、画素の反射率または透過率の2値制御による明暗表現だけでなく、反射率または透過率の高速スイッチングによる中間調表現も可能である。その他、明暗や中間調を有する画像光を形成できる素子であれば、画像形成素子253として用いることができる。
[0030]
 ビームスプリッタ252は、前述したようにUV光源251からのUV光を透過させ、画像形成素子253からの画像光を投射光学系255に向けて反射する。投射光学系255は、1つまたは複数のレンズにより構成されており、画像形成素子253(ビームスプリッタ252)からの画像光を、容器201内において画像形成素子253と光学的に共役な位置に結像させるように投射(照射)する。本実施例では、この画像光の結像位置を造形位置とする。造形位置は、容器201内における上述したデッドゾーンDZの直上の位置であり、UV硬化性樹脂RAのうち造形位置にある造形樹脂液層PAが画像光を受けることで造形層WAが形成される。画像形成素子253の各画素からの画像光を造形位置に結像させる、すなわち最も絞った状態とすることにより、良好な解像度の造形層WAを形成することができる。
[0031]
 制御部300は、UV光源251、移動機構203、画像形成素子253および駆動機構254を制御し、上述した動画像データに応じた造形層WAの形成(硬化)と同期した速度で連続的または断続的に移動機構203に保持板202を引き上げさせる。これにより、保持板202によって上端が保持された造形物WBが成長するように三次元造形が行われる。
[0032]
 このように本実施例の三次元造形装置100は、順次積層される複数の造形層WAのそれぞれを形成する際に、投射ユニット250から画像光を造形位置に一括投射して造形樹脂液層PAを一度に硬化させる。このため、各造形層をレーザ光の走査により形成したり、UV硬化性樹脂を塗布してから光を照射して形成したりする他の装置に比べて、造形物WBの造形に要する時間を短くすることができる。
[0033]
 制御部300は、CPU301と、CPU301の演算に用いられる作業領域を有するRAM302と、ROM303とを有するコンピュータとして構成されている。ROM303は、プログラム304が記録された記録媒体であり、EEPROM等の書き換え可能な不揮発性のメモリである。CPU301は、ROM303に記録されたコンピュータプログラムとしての三次元造形プログラム304を読み出して造形ユニット200を制御する後述する三次元造形プロセス(三次元物体製造方法)を実行する。
[0034]
 なお、三次元造形プログラム304は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体、例えば不揮発性メモリ(半導体メモリ等)、記録ディスク(光ディスクや磁気ディスク)、外部記憶装置(ハードディスク)等に記録されていてもよい。
[0035]
 従来の三次元造形装置において造形を行う際に、環境の変動やUV硬化性樹脂の光硬化による発熱等によってUV硬化性樹脂内での温度分布や温度変化が発生する。UV硬化性樹脂の硬化収縮率は温度によって変動する。このため、造形中に発生した温度分布や温度変化によって光硬化性樹脂内での硬化収縮率の分布や変化が生じる。この結果、造形された造形物に歪みが生じる。
[0036]
 図10(A)には、立方体としての造形物を形成するために与えられた三次元形状データの例を示す。該三次元形状データから、XY面に平行な3つの断面の形状を示す3つの原画像データ51,52,53が得られる。各原画像データは、X方向(およびY方向)に3つに分割されたデータ領域を有する。また、各原画像データは、三次元形状データの単位厚みの造形に用いられる。
[0037]
 また、図10(B)には、従来の三次元造形装置(以下、従来装置という)が図10(A)の原画像データ51,52,53に基づいて画像光をUV硬化性樹脂に照射することにより形成した造形物を示している。造形物は、原画像データ51,52,53に対応する造形層61,62,63が積層されて構成されている。ただし、各造形層の厚みは、三次元形状データの単位厚みに対応する厚みよりも縮んでいる。
[0038]
 図11(A)には、従来装置で図10(B)に示した造形物を造形しているときの造形樹脂液層のX方向での温度分布の例を示している。一般的な造形物の造形においては、中心部の方が周辺部より温度が高くなる。図11(B)には、図11(A)に示した温度分布を有する場合の造形樹脂液層におけるX方向での硬化収縮率の分布の例を示している。
[0039]
 硬化収縮率は、硬化前のUV硬化性樹脂のサイズ(断面積、体積、幅および厚み)を硬化後のUV硬化性樹脂のサイズで除して得られる比率である。硬化収縮率が1であるときに硬化の前後でUV硬化性樹脂のサイズ(以下、樹脂サイズという)は変化せず、画像光を受けた樹脂サイズが造形層のサイズとなる。また、硬化収縮率が1より大きいときは、硬化前に比べて硬化後の樹脂サイズが縮んでおり、硬化収縮率が大きいほど縮み量が大きいことを示す。逆に硬化収縮率が1より小さいときは、硬化前に比べて硬化後の樹脂サイズが膨張しており、硬化収縮率が小さいほど膨張量が大きいことを示す。図11(B)では、温度が高いほど硬化収縮率が高くなっている。
[0040]
 図11(C)には、従来装置において造形樹脂液層のX方向での複数の樹脂領域に対応する複数のデータ領域に対して設定されるデータ変換比率の例を示している。ここで、本実施例および従来装置におけるデータ変換比率について説明する。
[0041]
 データ変換比率は、例えば、三次元形状データの1断面の原画像データの単位面積(つまりは三次元形状データの単位面積)に対する画像形成素子253上の画素数、言い換えればUV硬化性樹脂(造形樹脂液層)に変調光を照射する照射面積の比率である。このデータ変換比率が1であるときの画像形成素子253上の画素数を1とすると、データ変換比率が1より大きいときの画像形成素子253上の画素数も1より大きくなる。また、データ変換比率は、例えば、三次元形状データの1断面の原画像データに基づいて形成されるべき造形層の厚み(つまりは三次元形状データの単位厚み)に対するUV硬化性樹脂に画像光を照射する照射時間(照射光量)の比率である。このデータ変換比率が1であるときの単位厚みに対する照射時間を1とするとき、データ変換比率が1より大きいときの照射時間も1より大きくなる。
[0042]
 図11(C)に示すように、従来装置では、全てのデータ領域に対して同一のデータ変換比率(例えば、1)が設定されている。この場合、図11(D)および図10(B)に示すように、形成された造形物では、X方向(およびY方向)の中心部ほどサイズ(幅)がより縮むような歪みが生じる。これは、中心部の方が周辺部より温度が高くなり、硬化収縮率も高くなるためである。
[0043]
 さらに、図12(A)には、造形物の造形の開始から終了までの時間ごとの造形樹脂液層におけるある樹脂領域(例えば中心部)の温度変化の例を示している。造形開始からの時間の経過とともに造形樹脂液層内で熱が蓄積していきその温度が高くなっていく。図12(B)には、図12(A)に示した温度変化に対する樹脂領域における硬化収縮率の変化の例を示している。そして、図12(C)には、従来装置において造形開始からの時間ごとに造形対象であるデータ領域に対して設定されるデータ変換比率の例を示している。従来装置では、造形開始からの時間の経過にかかわらず常に同一のデータ変換比率(例えば、1)が設定される。この結果、図12(D)および図10(B)に示すように、造形物では、造形開始から形成されるまでの経過時間が長いほど、すなわち樹脂領域の温度が高いほど、Z方向のサイズ(厚み)がより縮むような歪みが生じる。図10(B)では、造形層63が最もZ軸方向に縮んでいる。
[0044]
 このように、造形中に常に同一のデータ変換比率を用いると、造形樹脂液層内での温度分布や温度変化による硬化収縮率の差(分布)に起因した造形物の歪みが発生し、良好な造形精度の造形物が得られない。
[0045]
 そこで、本実施例では、以下に説明する三次元造形プロセスを実行する。図3のフローチャートには、本実施例において制御部300内のCPU301が前述した三次元造形プログラムに従って実行する三次元造形プロセスの流れを示している。
[0046]
 ステップS1において、CPU301は、画像処理装置400から複数の原画像データが時系列に配列された動画像データ、つまりは造形する三次元物体の三次元形状データを取得する。
[0047]
 次にステップS2において、CPU301は、図1に示す温度検出手段としてのサーモグラフィセンサ(赤外線カメラ)256を用いて、透光板212の温度分布をリアルタイムに検出(計測)する。透光板212は、前述したデッドゾーDZを挟んで前述した造形位置の近傍に位置する。このため、透光板212の温度分布を検出することは、造形位置にある造形樹脂液層PAの温度分布を取得することと等価である。透光板212の温度分布と造形樹脂液層PAの実際の温度分布とに差が生じる場合は、検出した透光板212の温度分布を補正して造形樹脂液層PAの温度分布として用いればよい。
[0048]
 本実施例では、造形樹脂液層PAをX方向およびY方向のそれぞれに複数に分割することで複数の樹脂領域を設け、検出した温度分布から樹脂領域ごとの温度を取得する。1つの樹脂領域は、画像形成素子253の1または2以上の画素から画像光を受ける領域である。また、サーモグラフィセンサ256によって所定時間ごとに温度分布を検出することで、樹脂領域ごとの温度変化も検出することができる。なお、造形樹脂液層PAの温度分布を直接、検出する方法を採用してもよい。
[0049]
 次にステップS3において、CPU301は、ステップS2で検出した温度分布や温度変化に基づいて、複数の原画像データのそれぞれにおいて複数の樹脂領域のそれぞれに対応するデータ領域について前述したデータ変換比率を取得する。つまりは、次のステップS4で生成する補正画像データごとにデータ変換比率を取得する。ここでは、様々な温度分布や温度に対応するデータ領域ごとのデータ変換比率を含むデータテーブルが予めRAM302内の記憶部305に記憶されており、CPU301は、検出した温度分布や温度に対応するデータ変換比率をデータテーブルから読み出す。なお、CPU301は、演算式を用いて樹脂領域ごとのデータ変換比率を算出してもよい。
[0050]
 次のステップS4では、CPU301は、ステップS1で取得したそれぞれの原画像データにそのデータ領域ごとのデータ変換比率を乗じて補正画像データを生成する。このようにして補正画像データを生成することは、三次元形状データを、データ変換比率を用いて補正画像データに変換することに相当する。
[0051]
 次にステップS5では、CPU301は、複数の補正画像データに対応する画像光を順次、造形樹脂液層PAに照射する。また、補正画像データに対応する画像光の照射に同期して保持板202が上方に移動するように移動機構203を制御する。このようにして所定時間の間、複数の造形層WAからなる造形物WBの造形を行う。
[0052]
 次にステップS6において、CPU301は、補正画像データの全てについて画像光の照射が終了したか否かを判断する。残りの補正画像データがあればステップS2に戻って全補正画像データについての画像光の照射が終了するまでステップS2からステップS5までの処理を繰り返す。
[0053]
 ここで、造形物の造形開始からの時間の経過に伴って光硬化により生じた熱や三次元造形装置100が設置された空間の温度の変化によって、造形樹脂液層PAの温度が変化するおそれがある。このため、本実施例では、上記所定時間ごとにステップS2からステップS4の処理を繰り返した上でステップS5にて造形を行うようにしている。すなわち、CPU301は、造形中において所定時間ごとに透光板212(造形樹脂液層PA)の温度分布を検出し、該温度の変化に応じて新たなデータ変換比率をデータテーブルから読み出して補正画像データを更新する。これにより、造形開始から終了に至るまで造形層WAの歪みの発生を抑えることができる。
[0054]
 図4(A)には、本実施例の三次元造形装置100において造形樹脂液層PAのX方向での温度分布の例を示している。図4(B)には、図4(A)に示した温度分布を有する場合の造形樹脂液層PAにおけるX方向での硬化収縮率の分布の例を示している。図4(A)および図4(B)はそれぞれ、図11(A)および図11(B)と同じ温度分布および硬化収縮率分布を示している。
[0055]
 図4(C)には、造形樹脂液層PAにおいて図4(A)に示した温度分布が検出された場合に、造形樹脂液層PAにおけるX方向の複数の樹脂領域に対応する複数のデータ領域に対して設定されるデータ変換比率の例を示している。温度が異なる樹脂領域ごとに異なるデータ変換比率が設定されている。具体的には、樹脂領域の温度が高いほど、その樹脂領域に対応するデータ領域のデータ変換比率を大きく、つまりは原画像データの単位面積に対する画像光の照射面積が大きくなるようになるように設定されている。
[0056]
 図4(A)ではX方向の中心部の温度が高く、周辺部の温度が低くなっており、これに応じて、図4(C)でも中心部に対応するデータ領域に対するデータ変換比率が高く、周辺部に対応するデータ領域に対するデータ変換比率が低くなっている。一般に、造形物の中心部の方が周辺部より熱が蓄積して温度が高くなるため、中心部の方がデータ変換比率を大きくしている。これにより、温度がより高い樹脂領域にはより大きな照射面積で画像光が照射される。この結果、図4(D)に示すように、温度が高く硬化による縮み量が大きい樹脂領域の硬化後の樹脂サイズ(幅)を本来の原画像データが示す樹脂サイズ(幅)Aに一致または近づけることができる。
[0057]
 一方、樹脂領域の温度が低いほど、その樹脂領域に対応するデータ領域のデータ変換比率を小さくする。これにより、温度が低く硬化による縮み量が小さい樹脂領域の硬化後の樹脂サイズ(幅)も、本来の原画像データが示す樹脂サイズ(幅)Aに一致または近づけることができる。つまり、原画像データをデータ変換比率を用いて変換して得られた補正画像データに基づいて画像光を造形樹脂液層PAに照射することで、造形樹脂液層PAの温度分布による硬化収縮率の差(分布)に起因する造形物WBの歪み(造形歪み)を抑えることができる。したがって、原画像データに対応する良好な造形精度で造形物WBを形成することができる。
[0058]
 なお、図4(A)~(D)ではX方向についてのみ説明したが、Y方向についても同様である。
[0059]
 また、図5(A)には、造形の開始から終了までの時間ごとの造形樹脂液層PA(例えば中心部の樹脂領域)の温度変化の例を示している。図5(B)には、図5(A)に示した温度変化に対する樹脂領域における硬化収縮率の変化の例を示している。図5(A)および図5(B)はそれぞれ、図12(A)および図12(B)と同じ温度分布および硬化収縮率分布を示している。
[0060]
 図5(C)には、図5(A)に示した温度変化が検出された場合にあるデータ領域(例えば、原画像データの中心のデータ領域)に対して設定されるデータ変換比率の変化の例を示している。ここでは、所定時間ごとに温度を検出し、その温度に応じてデータ変換比率を変更している。造形開始からの時間の経過とともに温度が高くなっていくため、図5(B)に示すように硬化収縮率も大きくなる。このため、図5(C)に示すように、時間が経過するほど、つまりは樹脂領域の温度が高くなるほど、その樹脂領域に対応するデータ領域のデータ変換比率をより大きくしている。すなわち、樹脂領域の温度が高いほど、単位厚みに対する照射時間が長くなるようにデータ変換比率が設定されている。照射時間が長くなることで、造形層WAのZ方向での厚みが増加する。なお、時間の経過に伴ってZ方向において順次異なる造形層WAが形成されていくため、Z方向に対応する方向でのデータ領域ごとに異なるデータ変換比率が設定されることになる。このことは、XおよびY方向の各樹脂領域について同様である。
[0061]
 これにより、図5(D)に示すように、温度変化が生じても樹脂領域の硬化後の樹脂サイズ(厚み)を本来の原画像データが示す樹脂サイズ(厚み)Bに一致または近づけておくことができる。つまり、複数の原画像データのそれぞれをデータ変換比率を用いて変換して得られた補正画像データに基づいて画像光を造形樹脂液層PAに照射することで、造形中の温度変化により生じる硬化収縮率の差に起因する造形歪みの発生を抑えることができる。したがって、三次元形状データに対する良好な造形精度で造形物WBを形成することができる。
[0062]
 ただし、XおよびY方向においてデータ変換比率をデータ領域ごとに異ならせる際に、そのままのデータ領域の位置でデータ変換比率を異ならせると、造形物における互いに隣接する樹脂領域(硬化後の領域)の境界部でオーバーラップや離間が生じるおそれがある。このため、データ変換の原点を造形物(つまりは三次元形状データ)の中心または温度分布の中心に設定し、該原点に近いデータ領域からデータ変換比率に応じたデータ変換を行うことでオーバーラップや離間の発生を抑えることができる。造形物の中心を原点とするのは、一般にそこが温度分布の中心となりやすく、その場合には造形物の中心が硬化収縮率の分布の中心となり、データ変換比率が極値となる。このため、造形物の中心を原点とすることで、多くの場合に上述したオーバーラップや離間の発生を抑えることができる。
[0063]
 なお、図4(A)~(D)および図5(A)~(D)におけるデータ変換比率を異ならせるデータ領域や時間の分割数は説明のための例に過ぎず、分割数をできるだけ多くすることで、造形物の凹凸を十分に小さく抑えることができる。
実施例 2
[0064]
 次に、図6を用いて、本発明の実施例2である三次元処理装置100′について説明する。本実施例の三次元処理装置100′における基本的な構成は実施例1と同じであり、共通する構成要素には実施例1と同符号を付して説明に代える。
[0065]
 本実施例では、容器201内にUV硬化性樹脂RAの温度を検出する温度センサ258を設けている。これにより、UV硬化性樹脂RAの温度(の変化)を直接、かつリアルタイムに検出する。
[0066]
 そして本実施例でも、実施例1で図5(A)~(D)を用いて説明したように、UV硬化性樹脂RAの温度変化に応じて造形開始から時間(三次元データにおけるZ方向に対応する方向でのデータ領域)ごとにデータ変換比率を設定する。これにより、造形中の温度変化により生じる硬化収縮率の変化に起因する造形歪みを抑えることができる。
実施例 3
[0067]
 次に、本発明の実施例2での三次元処理装置100″について図7を用いて説明する。本実施例の三次元処理装置100″における基本的な構成は実施例1と同じであり、共通する構成要素には実施例1と同符号を付して説明に代える。
[0068]
 実施例1,2では、サーモグラフィセンサ256や温度センサ258を用いてUV硬化性樹脂RAの温度分布や温度変化を検出した。一方、本実施例ではそのような温度を検出するセンサを設けず、三次元形状データから造形中の温度分布や温度変化を予測し、該予測結果に基づいてX方向(およびY方向)やZ方向に対応する方向のデータ領域ごとのデータ変換比率を設定する。これにより、サーモグラフィセンサ256や温度センサ258を省いたより簡易な装置構成により造形歪みの発生を抑えることができる。
[0069]
 造形物の造形に用いられる三次元形状データを解析することで、造形中におけるUV硬化性樹脂RAの樹脂領域ごとの画像光の照射タイミングや照射回数等の情報である照射予定情報を予め取得することができる。そしてこのような樹脂領域ごとの照射予定情報から造形中におけるUV硬化性樹脂RAの温度分布や温度変化を予測することが可能である。すなわち、三次元形状データから予測された画像光の照射予定情報を、温度分布や温度変化に関する情報として用いることができる。
[0070]
 より具体的には、各樹脂領域において時間ごとの照射予定情報を移動平均した結果から温度分布や温度変化を予測する。そして、予測した温度分布や温度変化に応じて、実施例1にて図4(A)~(D)や図5(A)~(D)を用いて説明したようにデータ変換比率を設定する。
[0071]
 図8のフローチャートには、本実施例においてCPU301が三次元造形プログラムに従って実行する三次元造形プロセスの流れを示している。図8のフローチャートのうちステップS1およびステップS4~6は実施例1で図3に示したフローチャートと同じである。
[0072]
 図8のステップS12では、CPU301は、ステップS1で取得した三次元データ(複数の原画像データ)を解析して上述したように造形中におけるUV硬化性樹脂RAの樹脂領域ごとの照射予定情報を取得する。そして、該照射予定情報から予測した造形中におけるUV硬化性樹脂RAの温度分布や温度変化に基づいて、三次元データの各データ領域に対するデータ変換比率を取得(設定)する。その後、ステップS4に進む。
[0073]
 本実施例では、温度を実際に検出することなく、三次元データを解析して取得した照射予定情報から造形中の温度分布や温度変化を予測してデータ変換比率を設定する。これに代えて、同様に温度を実際に検出しない他のデータ変換比率の設定方法を用いてもよい。例えば、造形物WB用の三次元形状データとは異なる歪み校正用三次元形状データを用意して校正用造形物の造形を行い、該校正用造形物の形状を計測した結果に基づいてデータ変換比率を設定して記憶部305に記憶させてもよい。
[0074]
 また、本実施例で説明した構成と実施例1または2で説明した構成とを組み合わせてもよい。例えば、本実施例の構成で予測した温度分布や温度変化に基づいて設定したデータ変換比率を、実施例1または2の構成で造形中に実際に検出した温度分布や温度変化に応じて補正する。これにより、温度分布等を予測した時点とは異なる実際の造形中の環境温度の変化の影響を低減しつつ造形歪みの発生を抑えることができる。
[0075]
 なお、上記各実施例では、三次元形状データを補正画像データ(変調制御データ)に変換するために用いる変換情報としてデータ変換比率を用いた。しかし、変換情報は必ずしもデータ変換比率そのものである必要はなく、データ変換比率を係数化した値等、データ変換比率に関する情報であればよい。
実施例 4
[0076]
 実施例1~3では、造形ユニット200において、容器201の底部に設けられた透光板212を通して画像光を容器201内のUV硬化性樹脂RAに照射する場合について説明した。しかし、図9(A)に示す本発明の実施例3の造形ユニット200′のように、投射ユニット250からの画像光を容器201′の天井部に設けた透光板212を通してUV硬化性樹脂RAに照射してもよい。この場合、移動機構203′により保持板202′を下方に移動させながら造形層WAを順次形成していけばよい。
[0077]
 また、図9(B)に示す造形ユニット200″のように、投射ユニット250からの画像光を容器201″の側面部に設けた透光板212を通してUV硬化性樹脂RAに照射してもよい。この場合、移動機構203″により保持板202″を透光板212から離れる水平方向に移動させながら造形層WAを順次形成していけばよい。
[0078]
 図9(A),(B)に示す構成においても、環境温度の変動や光硬化性樹脂の光硬化による発熱等によって光硬化性樹脂内での温度分布や温度変化が発生する。このため、実施例1~3で説明した三次元造形プロセスを実行することで、造形歪みの発生を抑えることができる。
[0079]
 また、上述した各実施例では、透光板212を透過した酸素によってデッドゾーンが形成される場合について説明した。しかし、UV硬化性樹脂RAと透光板212との間にUV硬化性樹脂RAとは異なる離形剤(離形層)を設けてもよいし、容器201(201′,201″)を微細振動させることで造形層が透光板212に付着しないようにしてもよい。
(その他の実施例)
 本発明は、上述の実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。
[0080]
 以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

請求の範囲

[請求項1]
 透光部を有し、液状の光硬化性樹脂を保持する容器と、
 複数の画素を有し、光源からの光を前記画素ごとに変調する光変調素子と、
 前記光変調素子からの変調光を、前記透光部を通して前記光硬化性樹脂に照射する光学系と、
 三次元形状データを変換情報を用いて複数の二次元変調制御データに変換する変換部と、
 前記複数の二次元変調制御データのそれぞれに基づいて前記光変調素子を制御する制御部と、
 前記光硬化性樹脂のうち前記変調光を受けて硬化した硬化部を前記透光部から離れる方向に移動させる移動部材とを有し、
 前記変換部は、前記光硬化性樹脂において前記変調光が照射される複数の樹脂領域のそれぞれの硬化収縮率に応じた前記変換情報を、前記三次元形状データにおいて前記複数の樹脂領域のそれぞれに対応するデータ領域ごとに設定することを特徴とする三次元造形装置。
[請求項2]
 前記変換部は、前記複数の樹脂領域のそれぞれの前記硬化収縮率に応じた前記変換情報を、前記二次元変調制御データごとに設定することを特徴とする請求項1に記載の三次元造形装置。
[請求項3]
 前記変換情報は、前記三次元形状データにおける単位面積と前記光硬化性樹脂に前記変調光を照射する照射面積との比率に関する情報であることを特徴とする請求項1に記載の三次元造形装置。
[請求項4]
 前記変換部は、前記硬化収縮率が高いほど、前記単位面積に対する前記照射面積が大きくなるように前記比率を設定することを特徴とする請求項3に記載の三次元造形装置。
[請求項5]
 前記変換情報は、前記三次元形状データにおける単位厚みと前記光硬化性樹脂に前記変調光を照射する照射時間との比率に関する情報であることを特徴とする請求項1に記載の三次元造形装置。
[請求項6]
 前記変換部は、前記硬化収縮率が高いほど、前記単位厚みに対する前記照射時間が長くなるように前記比率を設定することを特徴とする請求項5に記載の三次元造形装置。
[請求項7]
 前記光硬化性樹脂の温度分布または温度変化を検出するための温度検出手段を有し、
 前記変換部は、前記温度検出手段により検出された前記温度分布または前記温度変化に応じて前記変換情報を設定することを特徴とする請求項1に記載の三次元造形装置。
[請求項8]
 前記変換部は、前記三次元形状データに応じて前記変換情報を設定することを特徴とする請求項1に記載の三次元造形装置。
[請求項9]
 前記変換部は、前記三次元形状データに応じた前記複数の樹脂領域に対する前記変調光の照射予定情報を用いて前記変換情報を設定することを特徴とする請求項8に記載の三次元造形装置。
[請求項10]
 前記変換部は、校正用三次元形状データに基づいて前記光変調素子を制御することで形成された前記硬化部の形状を計測した結果を用いて前記変換情報を設定することを特徴とする請求項1に記載の三次元造形装置。
[請求項11]
 前記変換部は、前記三次元形状データが示す三次元物体の中心または前記光硬化性樹脂における温度分布の中心を原点として前記変換情報を設定することを特徴とする請求項1に記載の三次元造形装置。
[請求項12]
 透光部を有する容器に液状の光硬化性樹脂を保持し、
 複数の画素を有して光源からの光を前記画素ごとに変調する光変調素子を、三次元形状データを変換情報を用いて変換することで生成された複数の二次元変調制御データのそれぞれに基づいて制御して、該光変調素子からの変調光を前記透光部を通して前記光硬化性樹脂に照射し、
 前記光硬化性樹脂のうち前記変調光を受けて硬化した硬化部を前記透光部から離れる方向に移動させて三次元物体を製造する三次元物体製造方法であって、
 前記光硬化性樹脂において前記変調光が照射される複数の樹脂領域のそれぞれの硬化収縮率に応じた前記変換情報を、前記三次元形状データにおいて前記複数の樹脂領域のそれぞれに対応するデータ領域ごとに設定することを特徴とする三次元物体製造方法。
[請求項13]
 透光部を有して液状の光硬化性樹脂を保持する容器と、複数の画素を有して光源からの光を前記画素ごとに変調する光変調素子と、前記光変調素子からの変調光を前記透光部を通して前記光硬化性樹脂に照射する光学系とを有する三次元造形装置のコンピュータに三次元造形プロセスを実行させるコンピュータプログラムであって、
 前記コンピュータに、
 三次元形状データを変換情報を用いて複数の二次元変調制御データに変換させ、
 該複数の二次元変調制御データのそれぞれに基づいて前記光変調素子を制御させ、
 前記光硬化性樹脂のうち前記変調光を受けて硬化した硬化部を前記透光部から離れる方向に移動させる処理を行わせ、
 さらに前記コンピュータに、前記光硬化性樹脂において前記変調光が照射される複数の樹脂領域のそれぞれの硬化収縮率に応じた前記変換情報を、前記三次元形状データにおいて前記複数の樹脂領域のそれぞれに対応するデータ領域ごとに設定させることを特徴とする三次元造形プログラム。

補正された請求の範囲(条約第19条)
[ 2018年1月23日 ( 23.01.2018 )  国際事務局受理 ]

[1]
[補正後] 
 透光部を有し、液状の光硬化性樹脂を保持する容器と、
 複数の画素を有し、光源からの光を前記画素ごとに変調する光変調素子と、
 前記光変調素子からの変調光を、前記透光部を通して前記光硬化性樹脂に照射する光学系と、
 変換情報を用いて三次元形状データを複数の二次元変調制御データに変換する変換部と、
 前記複数の二次元変調制御データのそれぞれに基づいて前記光変調素子を制御する制御部と、
 前記光硬化性樹脂のうち前記変調光を受けて硬化した硬化部を前記透光部から離れる方向に移動させる移動部材とを有し、
 前記変換部は、前記光硬化性樹脂において前記変調光が照射される複数の樹脂領域の硬化収縮率の分布に応じて、前記三次元形状データにおける前記複数の樹脂領域のそれぞれに対応するデータ領域ごとに前記変換情報を設定することを特徴とする光造形装置。
[2]
[補正後] 
 前記変換部は、前記二次元変調制御データごとに前記変換情報を設定することを特徴とする請求項1に記載の光造形装置。
[3]
[補正後] 
 前記変換情報は、前記三次元形状データにおける単位面積と前記光硬化性樹脂における前記変調光の照射面積との比率に関する情報であることを特徴とする請求項1又は2に記載の光造形装置。
[4]
[補正後] 
 前記変換部は、前記硬化収縮率が高いほど、前記単位面積に対する前記照射面積が大きくなるように前記比率を設定することを特徴とする請求項3に記載の光造形装置。
[5]
[補正後] 
 前記変換情報は、前記三次元形状データにおける単位厚みと前記光硬化性樹脂おける前記変調光の照射時間との比率に関する情報であることを特徴とする請求項1又は2に記載の光造形装置。
[6]
[補正後] 
 前記変換部は、前記硬化収縮率が高いほど、前記単位厚みに対する前記照射時間が長くなるように前記比率を設定することを特徴とする請求項5に記載の光造形装置。
[7]
[補正後] 
 前記変換部は、前記光硬化性樹脂の温度分布または温度変化に応じて前記変換情報を設定することを特徴とする請求項1又は2に記載の光造形装置。
[8]
[補正後] 
 前記変換部は、前記三次元形状データに応じて前記変換情報を設定することを特徴とする請求項1又は2に記載の光造形装置。
[9]
[補正後] 
 前記変換部は、前記三次元形状データに応じた前記複数の樹脂領域に対する前記変調光の照射予定情報を用いて前記変換情報を設定することを特徴とする請求項8に記載の光造形装置。
[10]
[補正後] 
 前記変換部は、校正用三次元形状データに基づいて前記光変調素子を制御することで形成された前記硬化部の形状に関する情報に応じて前記変換情報を設定することを特徴とする請求項1又は2に記載の光造形装置。
[11]
[補正後] 
 前記変換部は、前記三次元形状データが示す三次元物体の中心または前記光硬化性樹脂における温度分布の中心を原点として前記変換情報を設定することを特徴とする請求項1又は2に記載の光造形装置。
[12]
[補正後] 
 透光部を有する容器に液状の光硬化性樹脂を保持し、
 複数の画素を有して光源からの光を前記画素ごとに変調する光変調素子を、変換情報を用いて三次元形状データを変換することで生成された複数の二次元変調制御データのそれぞれに基づいて制御して、該光変調素子からの変調光を前記透光部を通して前記光硬化性樹脂に照射し、
 前記光硬化性樹脂のうち前記変調光を受けて硬化した硬化部を前記透光部から離れる方向に移動させて三次元物体を製造する三次元物体製造方法であって、
 前記光硬化性樹脂において前記変調光が照射される複数の樹脂領域の硬化収縮率の分布に応じて、前記三次元形状データにおける前記複数の樹脂領域のそれぞれに対応するデータ領域ごとに前記変換情報を設定することを特徴とする三次元物体製造方法。
[13]
[補正後] 
 透光部を有して液状の光硬化性樹脂を保持する容器と、複数の画素を有して光源からの光を前記画素ごとに変調する光変調素子と、前記光変調素子からの変調光を前記透光部を通して前記光硬化性樹脂に照射する光学系とを有する光造形装置のコンピュータに光造形プロセスを実行させる光造形プログラムであって、
 前記コンピュータに、
 変換情報を用いて三次元形状データを複数の二次元変調制御データに変換させ、
 該複数の二次元変調制御データのそれぞれに基づいて前記光変調素子を制御させ、
 前記光硬化性樹脂のうち前記変調光を受けて硬化した硬化部を前記透光部から離れる方向に移動させる処理を行わせ、
 さらに前記コンピュータに、前記光硬化性樹脂において前記変調光が照射される複数の樹脂領域の硬化収縮率の分布に応じて、前記三次元形状データにおける前記複数の樹脂領域のそれぞれに対応するデータ領域ごとに前記変換情報を設定させることを特徴とする光造形プログラム。

条約第19条(1)に基づく説明書
   請求の範囲第1項、第12項、第13項を明細書の段落0054-0061の記載に基づき補正した。
   第10項を明細書の段落0073の記載に基づき補正した。
   他の請求項に対する補正は明確化のための語順の変更等にすぎない。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]

[ 図 9]

[ 図 10]

[ 図 11]

[ 図 12]