CN101151141A

CN101151141A - 光成型方法

Info

Publication number: CN101151141A
Application number: CNA2006800105933A
Authority: CN
Inventors: 诸星公贵; 寺本俊夫
Original assignee: JSR Corp
Current assignee: JSR Corp
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2006-03-17
Publication date: 2008-03-26
Also published as: EP1864785A4; KR20080003379A; TW200642830A; WO2006109425A1; JP4525424B2; KR100895566B1; US20090133800A1; JP2006272916A; EP1864785A1

Abstract

本发明涉及光成型方法，所述方法可高精度地形成期望形状的立体模型。本发明的光成型方法中，对光固化性树脂液选择性地照射光，形成固化树脂层，顺次层积该固化树脂层来形成立体模型。其中，进行光的照射时，一边将例如100mm²以下的任意尺寸的投影区域(A1，A2，A3，A4)的位置错开一边进行照射。并且，对于投影区域来说，在相邻接的投影区域的边界部分具有重叠区域(B1，B2，B3)。

Description

光成型方法

技术领域

本发明涉及光成型(stereolithography)方法，在该方法中，对光固化性树脂液选择性地照射光，形成固化树脂层，顺次层积该固化树脂层来形成立体模型。

背景技术

光固化成型方法(以下称为“光成型方法”)中，对要成型的立体模型进行两层以上的切片，根据所得到的截面组数据进行成型。通常，首先要针对相当于最下段的截面的区域，对光固化性树脂液的液面照射光线。这么一来，被光照射的液面部分的光固化性树脂液会发生光固化，而成型为立体模型的一个截面的固化树脂层。其次，在该固化树脂层的表面，涂布特定厚度的未固化状态的光固化性树脂液。此时，通常是仅将特定厚度的固化树脂层沉入到装满树脂槽的光固化性树脂液中来进行涂布。另外，也在每形成一层固化树脂时利用涂布器(recoater)全面涂布较少量的光固化性树脂。然后在该表面按照特定的图案进行激光扫描，使光照射后的涂层部分发生固化。固化部分与下部的固化树脂层进行层积而一体化。然后将光照射工序所处理的截面切换为相邻接的截面，同时反复进行光照射与光固化性树脂液的涂布，由此成型出期望的立体模型(参考专利文献1及专利文献2)。

专利文献1：日本特开昭56-144478号公报

专利文献2：日本特开昭62-35966号公报

发明内容

以光成型方法来形成期望形状的立体模型时，除了利用光线进行扫描并仅对要固化的部分照射光线的方法以外，还有对每一特定区域(下文称为“投影区域”)反复进行一并曝光的方法。后者的方法中例如使用数字微镜装置(DMD)。

下面对在图4A所示成型区域A中进行箭头形状91的成型的情况进行说明。此时如图4B所示，将成型区域A分成相当于光线照射区域的投影区域A1、A2、A3，分别对每个投影区域制作曝光数据。

根据如此制作的曝光数据，光成型装置按照使投影区域没有空隙地刚好连接的方式来进行曝光。理论上来说，通过如此曝光可以成型出一体化的立体模型；但是实际上，在投影区域间的边界部分会产生剥落或断裂，或是在曝光面或层积方向产生凹凸，造成表面粗度变差、强度变差等的问题。

本发明是为解决上述问题而提出的，其目的在于提供一种可高精度地形成所期望形状的立体模型的光成型方法。

本发明的光成型方法中，对光固化性树脂液选择性地照射光线，形成固化树脂层，顺次层积该固化树脂层来形成立体模型；其中，上述光照射以投影区域为单位，通过反复进行一并曝光来进行照射；该投影区域在相邻接的投影区域的边界部分设有重叠区域。

其中，上述投影区域的面积为100mm²以下时，若使用本发明的光成型方法，则可更高精度地形成立体模型。

同样地，上述固化树脂层1层的厚度在10μm以下时，若使用本发明的光成型方法，则可更高精度地形成立体模型。

另外，优选将上述重叠区域中的曝光量，调整为与该重叠区域以外的曝光量相等。

进一步地，对于第1投影区域与第2投影区域的重叠区域来说，优选在该第1投影区域中的重叠区域的曝光量随着接近于上述第2投影区域的中央部而减少，在该第2投影区域中的重叠区域的曝光量随着接近于上述第1投影区域的中央部而减少。

或者，对于第1投影区域与第2投影区域的重叠区域来说，优选在该第1投影区域中的重叠区域的曝光量为该重叠区域以外的曝光量的大约一半，在该第2投影区域中的重叠区域的曝光量为该重叠区域以外的曝光量的大约一半。

另外，可以在相邻接的固化树脂层之间错开上述重叠区域的位置或改变上述重叠区域的形状。

本发明的光成型方法适用于通过数字微镜装置所反射的光来固化上述光固化性树脂液的情况。

通过本发明的光成型方法，可提供一种能够高精度地形成期望形状的立体模型的光成型方法。

附图说明

图1为表示本发明的实施方式1的光成型装置的大致构造的图。

图2A为用以说明本发明的实施方式1的光成型方法的图。

图2B为用以说明本发明的实施方式1的光成型方法的图。

图2C为用以说明本发明的实施方式1的光成型方法的图。

图3A为用以说明本发明的实施方式2的光成型方法的图。

图3B为用以说明本发明的实施方式2的光成型方法的图。

图3C为用以说明本发明的实施方式3的光成型方法的图。

图4A为用以说明以往的光成型方法的图。

图4B为用以说明以往的光成型方法的图。

符号说明

1：光源

2：DMD(数字微镜装置)

3：聚光透镜

4：成型桌台

5：分配器(dispenser)

6：涂布器(recoater)

7：控制部

8：记忆部

9：光固化性树脂

10：光固化性树脂

100：光成型装置

具体实施方式

下面对可适用本发明的实施方式进行说明。下文的说明是对本发明的实施方式进行的说明，本发明并不限于以下的实施方式。为了使说明明了，对以下的记载适当地进行了省略及简化。另外，对于本领域技术人员来说，可在本发明的范围内对以下实施方式的各要素轻易地做出变更、追加、更换。

本发明的实施方式1.

通过图1对本发明的光成型方法所使用的光固化成型装置(以下称为“光成型装置”)的一例进行说明。光成型装置100具备光源1、数字微镜装置(DMD)2、透镜3、成型桌台4、分配器5、涂布器6、控制器7、记忆部8。

光源1产生激光光线。光源1中使用例如产生405nm的激光的激光二极管(LD)或紫外(UV)灯。

数字微镜装置(DMD)2为由美国德州仪器公司所开发的装置，该装置中，在CMOS半导体上，铺满数十万～数百万个(例如48万～131万个)独立动作的微镜片。该微镜片可以通过静电场作用将对角线对轴倾斜约±10度，例如±12度左右。对于微镜片来说，各微镜片的节距的1边长度为约10μm，例如为具有边长为13.68μm的四方形状。相邻接的微镜片的间隔例如为1μm。本实施方式1所使用的DMD2整体具有40.8×31.8mm的四方形状(其中，镜片部具有14.0×10.5mm的四方形状)，由一边长度为13.68μm的786,432个微镜片来构成。该DMD2利用各个微镜片来反射从光源1射出的激光光线，仅将通过由控制部7控制为特定角度的微镜片反射的激光经由聚光透镜3照射至成型桌台4上的光固化性树脂9上。

透镜3将DMD2所反射的激光光线导向光固化性树脂9上，形成投影区域。透镜3既可以是使用凸透镜的聚光透镜，也可以使用凹透镜。若使用凹透镜，则可得到比DMD的实际尺寸更大的投影区域。本实施方式1的透镜3为聚光透镜，将入射光缩小约15倍，而聚光在光固化性树脂9上。

成型桌台4为顺次堆积并放置固化的树脂的平板状桌台。该成型桌台4可利用未图示的驱动机构(即移动机构)进行水平移动及垂直移动。通过该驱动机构可以对整个期望的范围进行光成型。

分配器5收容光固化性树脂10，将预定量的光固化性树脂10供给到特定位置。

涂布器6具备例如刮刀机构与移动机构，对光固化性树脂10进行均匀涂布。

控制部7根据包含曝光数据的控制数据来对光源1、DMD2、成型桌台4、分配器5、涂布器6进行控制。控制部7一般来说可通过对计算机安装特定程序来构成。典型的计算机的结构包含中央处理装置(CPU)与内存。CPU与内存经由总线而连接于作为辅助记忆装置的硬盘装置等外部记忆装置。该外部记忆装置作为控制部7的记忆部8发挥作用。软盘片装置、硬盘装置、CD-ROM驱动器等记忆介质驱动装置经由各种控制器连接于总线。软盘片装置等记忆介质驱动装置中插入有软盘等可携带型记忆介质。记忆介质中能够记忆用于与操作系统协同作用、对CPU等发出指令、从而实施本实施方式的特定计算机程序。

记忆部8收容有控制数据，该控制数据包含对要成型的立体模型进行两层以上的切片而得到的截面组曝光数据。控制部7基于收容在记忆部8中的曝光数据主要对DMD2中各微镜片的角度控制以及成型桌台4的移动(即激光相对于立体模型的照射区域的位置)等进行控制，来实现立体模型的成型。

计算机程序通过加载到内存来执行。计算机程序可以进行压缩或分割为两个以上而记忆在记忆介质中。其进一步可以具备用户接口硬件。作为用户接口硬件，例如有用于进行鼠标等的输入的定点设备、键盘、或用以对用户提示视觉数据的显示器。

光固化性树脂10可使用通过可见光及可见光区域外的光进行固化的树脂。例如，可以使用具有15μm以上(500mJ/cm²)的固化深度、粘度为1500～2500Pa·s(25℃)的对应于405nm的丙烯酸系树脂。

接下来说明本实施方式1的光成型装置100的光成型动作。首先，将未固化状态的光固化树脂10收容至分配器5中。成型桌台4处于初期位置。分配器5仅将特定量的所收容的光固化性树脂10供给到成型桌台4上。涂布器6进行扫动以使光固化性树脂10延伸，使其固化而形成一层份的涂层。

从光源1射出的激光光线射入DMD2。DMD2根据记忆部8中收纳的曝光数据被控制部7所控制，将微镜片的角度调整至与激光光线照射到光固化性树脂10的部分相对应。由此，该微镜片所反射的激光光线经由聚光透镜3照射在光固化性树脂10上，而其它微镜片所反射的激光光线则不会照射到光固化性树脂10。对光固化性树脂10所进行的激光光线照射例如可进行0.4秒的时间。此时，对光固化性树脂10的投影区域例如为1.3×1.8mm左右，也可缩小到0.6×0.9mm左右。投影区域的面积通常优选为100mm²以下。

可通过在透镜3中使用凹透镜来将投影区域扩大到6×9cm左右。投影区域若扩大到超过此尺寸，则对投影区域照射的激光光线的能量密度会降低，因而光固化性树脂10的固化可能会不充分。要形成比激光光线的投影区域的尺寸更大的立体模型时，需要例如通过移动机构使成型桌台4水平移动，由此来移动激光光线的照射位置从而对所有成型区域进行照射。对每个投影区域各执行一个快门的激光光线照射。对各投影区域的激光光线的照射的控制将在后面叙述。

如此一来，通过移动投影区域，以各投影区域为单位来执行激光照射(即曝光)，由此可以使光固化性树脂10固化，形成第1层的固化树脂层。1层份的层积节距(即固化树脂层1层的厚度)例如为1～50μm，优选为2～10μm，更优选为5～10μm。

接着，以相同工序同时形成期望形状的立体模型的第2层。具体来说，将光固化性树脂10通过分配器5供给到形成为第1层的固化树脂层的外侧，利用涂布器6以均匀的厚度对分配器5所供给的光固化性树脂10进行涂布以以使其延伸越过立体模型。然后通过照射激光光线，将第2层固化树脂层形成在第1层固化树脂层上。以下同样地顺次堆积第3层以后的固化树脂层。然后当最后一层堆积结束，则取出形成在成型桌台4上的成型物。采用清洗或其它方法去除附着在成型物表面上的光固化性树脂液，并可根据需要使用紫外灯等进行照射或加热，进一步使其固化。

接着，使用图2A～图2C，详细说明本实施方式1的光成型方法。图2A为表示要成型的立体模型的形状的俯视图，图2B为表示多个投影区域与立体模型的位置关系的图，图2C为表示图2B的X-X’上的各位置中曝光量的图表。另外，延伸至图2B下方的虚线分别与延伸至图2C上方的虚线相连接。

如图2A所示，本示例中说明了要成型从上面看为箭头形状的立体模型的情况。图中A为包含该立体模型的成型区域。以往是将该成型区域A单纯分割为相当于激光可照射范围的投影区域。在本例中，投影区域为成型区域A的1/3的尺寸；在以往的光成型方法中，按照各投影区域不重复的方式分割为3份，但在本实施方式中是以4个投影区域进行曝光的。

具体来说，如图2B所示，利用4个投影区域A1、A2、A3、A4进行曝光。投影区域A1为从成型区域A左端起的可照射范围的区域。投影区域A2为按照其左端与投影区域A1相重叠的方式进行配置的区域。即，投影区域A1与投影区域A2在其边界部分形成重叠区域B1。同样地，投影区域A3为按照其左端与投影区域A2相重叠的方式进行配置的区域。即，投影区域A2与投影区域A3在其边界部分形成重叠区域B2。进一步地，投影区域A4为按照其左端与投影区域A3相重叠的方式进行配置的区域。即，投影区域A3与投影区域A4在其边界部分形成重叠区域B3。

重叠部分B1、B2、B3的宽度例如为数微米～数百微米。

为了如此投射激光光线，需要制作曝光数据以使一个个投影区域中的曝光形状为图2B所示形状。另外需要制作曝光数据以产生重叠区域B1、B2、B3，并使激光光线的照射位置相对于立体模型进行移动。即，需要制作曝光数据来移动用于使成型桌台发生移动的移动手段，以产生重叠区域B1、B2、B3。

如图2B所示对光固化性树脂照射激光光线时，曝光量如图2C所示，在重叠区域B1、B2、B3中的曝光量高于所述重叠区域以外的区域。本示例中，重叠区域B1、B2、B3的曝光量大约为重叠区域以外的区域的2倍。

若采用本实施方式1的光成型方法，则可根据如此制作的曝光数据进行曝光以使得在投影区域的边界部分产生重叠，由此可防止在投影区域间的边界部分产生剥落或断裂，或是在曝光面或层积方向产生凹凸，可以谋求表面粗糙度及强度的提高，可以高精度地形成期望形状的立体模型。

本发明的实施方式2.

发明的实施方式1中，各投影区域中的1次曝光量处于在投影区域内大致均匀的水平，所以投影区域的边界部分的重叠区域中的曝光量会高于重叠区域以外的区域的曝光量。因此在重叠区域中，树脂固化范围会变宽，因而具有产生多余树脂固化部分的可能性。该多余树脂固化部分随着时间的推移会成为扭曲变形的主要原因。特别是对于一并照射的曝光面积在250mm²以下的微光成型，曝光量不均匀所造成的不良影响较大。

因此在本实施方式2中，调整重叠部分的曝光量(重复曝光的合计曝光量)，以使其与重叠部分以外的区域的曝光量相同，即曝光能量密度相同。具体来说，可以进行与在显示画面上附加浓淡的控制相同的控制，即在对曝光区域的1次曝光时间内，使DMD2的微镜片角度以一定频率进行反复变动，由此来调整来自各微镜片的激光照射时间，从而可对曝光量进行控制。如此一来，本发明的实施方式中，可以在DMD2中通过与显示画面上附加浓淡的控制相同的控制来控制曝光量，因而可共有与此相同的数据格式，例如可使用通常的画面显示用格式亦即位图格式等。

图3A为与图2B相同的图，参考图3A以显示图3B、图3C中的曝光位置。另外延伸至图3A下方的虚线分别与延伸至图3B上方的虚线相连接。如图3B所示，投影区域A1中，重叠区域B1的曝光量随着接近于投影区域A2侧而阶段性地减少。即，投影区域A1中，重叠区域B1的曝光量随着接近于投影区域A2侧的端部而成比例地减少。另一方面，投影区域A2中，重叠区域B1的曝光量随着接近于投影区域A1侧而阶段性地减少。即，投影区域A2中，重叠区域B1的曝光量随着接近于投影区域A1侧的端部而成比例地减少。更详细地说，可以通过与在显示画面上附加浓淡的控制相同的控制来控制曝光量是由于将来自各微透镜的激光所照射的区域作为单位，因而严格来说，图3B所示的重叠区域B1的曝光量并不是相对于曝光位置而连续变化，而是重叠区域B1根据微镜片的个数来对曝光位置进行阶段性的变化。重叠区域B1的曝光量基本上是来自投影区域A1的曝光量与来自投影区域A2的曝光量的和，但是将其它区域的曝光量作为1时，则重叠区域B1的曝光量会与其它区域的曝光量同样为1。但是，重叠区域与其它区域的曝光量并不需要严格相同，优选根据所使用的光固化性树脂、曝光光源来适当调整曝光量。

与重叠区域B1相同，对重叠区域B2、B3的曝光量也进行控制使之与其它区域的曝光量相同地为1。由此，包含有重叠区域B1、B2、B3的激光光线的照射区域的曝光量均匀地保持为一致。

因而，根据本实施方式2的光成型方法，可抑制多余树脂固化部分的产生，可以高精度地形成期望形状的立体模型。

特别是，若如图3B所示对曝光量进行调整，则曝光量的变化会缓和，因而曝光量不会极端地变化，并具有即使投影区域发生偏移也不会产生固化程度不均匀的优点。

另外，重叠区域中曝光量减少或增加的变化可以用线性方式(1次式)来表示，也可以用2次以上的高阶方程式来表示。

曝光量的调整，也可以如图3C所示。即，在投影区域A1中，使重叠区域B1的曝光量为其它区域的一半的0.5，在投影区域A2中，也使重叠区域B1的曝光量为其它区域的一半的0.5。因而，重叠区域B1的曝光量基本上是来自投影区域A1的曝光量与来自投影区域A2的曝光量的和，与其它区域同样为1。与重叠区域B1相同，重叠区域B2、B3中，也可控制曝光量使其与其它区域的曝光量同样地为1。由此，包含重叠区域B1、B2、B3的立体模型所存在的部分的曝光量均匀而保持一致。因而在这种情况下，也可抑制多余树脂固化部分的发生，可以高精度地形成期望形状的立体模型。

其它实施方式

上述示例是在投影区域的边界部分设置重叠区域，但是也可以使光成型装置具备切换设置重叠区域的模式与不设置重叠区域的模式的功能。

上述示例中说明了将投影区域排列为横向一列的例子，但是在排列为纵横二维方向时，也同样可以在相邻接的投影区域间设置重叠区域。此时，由于上下左右4方向都有投影区域相邻接，因而周围会产生4个重叠区域。

另外，在上述示例中，作为对从光源射出的光进行调制的装置采用了DMD，但并不限于此，也可以使用能够对每个微小区域、即对每个像素调整光线透过量的液晶装置。但是在对比的方面来说，DMD比液晶装置理想。

另外，上述示例中虽仅说明1层份量，但是针对成型立体模型所需的多层中的每层分别设置重叠区域更为优选。此时，重叠区域的位置可以在相邻接的层间错开。并且，重叠区域的形状本身也可以在相邻接的层间不同。

产业上的可利用性

本发明的光成型方法可用于例如微反应器、微机械零件、微光装置、微传感器、光学零件等的制造。

Claims

1.一种光成型方法，在该方法中，对光固化性树脂液选择性地照射光，形成固化树脂层，顺次层积该固化树脂层来形成立体模型；该方法的特征在于：

上述光照射以投影区域为单位，通过反复进行一并曝光来进行照射；

上述投影区域在相邻接的投影区域的边界部分设有重叠区域。

2.如权利要求1所述的光成型方法，其中，所述投影区域的面积为100mm²以下。

3.如权利要求1所述的光成型方法，其中，所述固化树脂层1层的厚度为10μm以下。

4.如权利要求1所述的光成型方法，其中，将上述重叠区域中的曝光量调整为与该重叠区域以外的曝光量相等。

5.如权利要求1所述的光成型方法，其中，对于第1投影区域与第2投影区域的重叠区域来说，在所述第1投影区域中的重叠区域的曝光量随着接近于所述第2投影区域的中央部而减少；在所述第2投影区域中的重叠区域的曝光量随着接近于所述第1投影区域的中央部而减少。

6.如权利要求1所述的光成型方法，其中，对于第1投影区域与第2投影区域的重叠区域来说，在所述第1投影区域中的重叠区域的曝光量为该重叠区域以外的曝光量的大约一半；在所述第2投影区域中的重叠区域的曝光量为该重叠区域以外的曝光量的大约一半。

7.如权利要求1所述的光成型方法，其中，在相邻接的固化树脂层之间，使上述重叠区域的位置错开。

8.如权利要求1所述的光成型方法，其中，在相邻接的固化树脂层之间，改变上述重叠区域的形状。

9.如权利要求1所述的光成型方法，其中，所述光固化性树脂液通过数字微镜装置所反射的光来固化。