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技術 立体オブジェクト成形システム及びその補正方法

出願人 三緯國際立體列印科技股ふん有限公司金寶電子工業股ふん有限公司
発明者 周金源丁明雄
出願日 2017年1月26日 (3年11ヶ月経過) 出願番号 2017-011826
公開日 2017年8月10日 (3年4ヶ月経過) 公開番号 2017-136843
状態 特許登録済
技術分野 プラスチック等のその他の成形、複合成形(変更なし)
主要キーワード 操作光 積層製造 数値差 高エネルギビーム 光造形技術 摺動レール レーザ光源モジュール 透光材
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この項目の情報は公開日時点(2017年8月10日)のものです。
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図面 (6)

課題

立体オブジェクト成形システムが生成したビームをその動作領域に伝達する際の光パワー値補正するための立体オブジェクト成形補正方法の提供。

解決手段

立体オブジェクト成形システムであって、透光材100、ビーム生成モジュール160、フラットフィールドレーザ集束レンズ、フラットフィールド感光材20及びコントローラを含む。フラットフィールドレーザ集束レンズは、線形を呈する成形ビームがフラットフィールドレーザ集束レンズを通過した後にフラットフィールドレーザ走査経路を形成しする。フラットフィールド感光材は、フラットフィールドレーザ集束レンズを通過した線形を呈する成形ビームを受光するとともに、ビームの光パワーに対応した感光信号を生成するために用いられる。コントローラは、感光信号を受信するとともに、感光信号に基づきビーム生成モジュールが生成するビームの光パワーを調整する。

概要

背景

積層製造(Additive Manufacturing)、3次元プリント(3D Printing)またはラピッドプロトタイピング(Rapid Prototyping)は、立体オブジェクト高速で製造する技術であり、製図ソフトウェアによりオブジェクトの3次元画像の設計を実施するか、または立体画像スキャナを利用してオブジェクトの3次元空間データを取得し、コンピュータで処理した後、更に材料を点または面から立体オブジェクトとなるように堆積することができる。

そのうち、光造形(Stereolithography、SL)技術は、コンピュータ支援設計及び製造(Computer Aid Design/Computer Aided Manufacturing、CADCAMファイルコマンド(以下、3次元空間データと称する)に基づき、高エネルギビームを利用して液状感光性ポリマーの表面に集束させ、照射された液状感光性ポリマーを硬化させて連続的かつ不断に層ごとに積層動作を実施し、最後に設計オブジェクト高速成形動作を完了する。簡単に述べると、光造形技術は、主に高エネルギビームを生成可能な光源を利用して、3次元空間データに基づき液状感光性ポリマーを硬化させて、立体オブジェクトを成形する。

概要

立体オブジェクト成形システムが生成したビームをその動作領域に伝達する際の光パワー値補正するための立体オブジェクト成形補正方法の提供。立体オブジェクト成形システムであって、透光材100、ビーム生成モジュール160、フラットフィールドレーザ集束レンズ、フラットフィールド感光材20及びコントローラを含む。フラットフィールドレーザ集束レンズは、線形を呈する成形ビームがフラットフィールドレーザ集束レンズを通過した後にフラットフィールドレーザ走査経路を形成しする。フラットフィールド感光材は、フラットフィールドレーザ集束レンズを通過した線形を呈する成形ビームを受光するとともに、ビームの光パワーに対応した感光信号を生成するために用いられる。コントローラは、感光信号を受信するとともに、感光信号に基づきビーム生成モジュールが生成するビームの光パワーを調整する。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

ビーム生成モジュール及びフラットフィールドレーザ集束レンズを含み、前記ビーム生成モジュールが線形成形ビームを提供し、前記線形の成形ビームが前記フラットフィールドレーザ集束レンズを通過した後にフラットフィールドレーザ走査経路を形成する立体オブジェクト成形システム中に応用される立体オブジェクト成形補正方法であって、前記立体オブジェクト成形補正方法は、前記フラットフィールドレーザ走査経路上に設置されるフラットフィールド感光材と、前記フラットフィールド感光材及び前記ビーム生成モジュールに電気的に接続されるコントローラとを提供することと、前記フラットフィールド感光材が、前記フラットフィールドレーザ集束レンズを通過したビームの光パワーを検知するとともに、対応した感光信号を前記コントローラに出力することと、前記コントローラが、前記感光信号に基づき前記ビーム生成モジュールが生成した前記ビームの光パワーを補正することと、を含むことを特徴とする立体オブジェクト成形補正方法。

請求項2

前記コントローラは、前記感光信号に対応する前記ビームの光パワーが操作光パワーよりも大きく、かつ、前記ビームの光パワーが特定値よりも小さい場合に、前記ビーム生成モジュールが出力する前記ビームの光パワーを高めることを更に含むことを特徴とする請求項1に記載の立体オブジェクト成形補正方法。

請求項3

前記コントローラは、感光信号に対応する前記ビームの光パワーが前記操作光パワーより小さい場合に、アラーム信号を出力することを特徴とする請求項2に記載の立体オブジェクト成形補正方法。

請求項4

前記コントローラは、前記ビームの光パワーを前記特定値に維持することを特徴とする請求項2に記載の立体オブジェクト成形補正方法。

請求項5

動作領域を有する透光材と、ビーム生成モジュールであって、点ビームを出力する発光ユニットと、軸上に固設されて回転し、前記点ビームを線形を呈する成形ビームとなるように拡開するための多面鏡と、を含むビーム生成モジュールと、前記ビーム生成モジュールと前記透光材との間に位置するフラットフィールドレーザ集束レンズであって、前記線形を呈する成形ビームは前記フラットフィールドレーザ集束レンズを通過した後に、前記動作領域をカバーするフラットフィールドレーザ走査経路を形成するフラットフィールドレーザ集束レンズと、前記フラットフィールドレーザ走査経路上に設置され、前記フラットフィールドレーザ集束レンズを通過した前記線形を呈する成形ビームを受光するとともに、前記ビームの光パワーに対応した感光信号を生成するフラットフィールド感光材と、前記ビーム生成モジュール及び前記フラットフィールド感光材に電気的に接続されるコントローラと、を含み、前記コントローラは、前記感光信号を受信するとともに、前記感光信号に基づき前記ビーム生成モジュールが生成する前記ビームの光パワーを調整する、立体オブジェクト成形システム。

請求項6

前記ビーム生成モジュールと前記フラットフィールドレーザ集束レンズとの間に位置するとともに、前記コントローラに電気的に接続され、前記フラットフィールドレーザ集束レンズを通過していない前記ビームの光パワーを検知して、光検知信号を生成する光センサと、前記ビーム生成モジュールと前記光センサとの間に位置する反射鏡と、前記光センサと前記反射鏡との間に位置する収束レンズと、を更に含み、前記コントローラは、前記感光信号及び前記光検知信号に基づき、前記ビーム生成モジュールが生成する前記ビームの光パワーを調整することを特徴とする請求項5に記載の立体オブジェクト成形システム。

請求項7

前記フラットフィールド感光材と前記ビーム生成モジュールとは、前記透光材の同一側に位置することを特徴とする請求項6に記載の立体オブジェクト成形システム。

請求項8

前記フラットフィールド感光材は、電荷結合素子または相補型金属酸化物半導体であることを特徴とする請求項5に記載の立体オブジェクト成形システム。

技術分野

0001

本発明はオブジェクト成形システム及び補正方法に関するものであり、特に立体オブジェクト成形システム及び立体オブジェクト成形補正方法に関するものである。

背景技術

0002

積層製造(Additive Manufacturing)、3次元プリント(3D Printing)またはラピッドプロトタイピング(Rapid Prototyping)は、立体オブジェクトを高速で製造する技術であり、製図ソフトウェアによりオブジェクトの3次元画像の設計を実施するか、または立体画像スキャナを利用してオブジェクトの3次元空間データを取得し、コンピュータで処理した後、更に材料を点または面から立体オブジェクトとなるように堆積することができる。

0003

そのうち、光造形(Stereolithography、SL)技術は、コンピュータ支援設計及び製造(Computer Aid Design/Computer Aided Manufacturing、CADCAMファイルコマンド(以下、3次元空間データと称する)に基づき、高エネルギビームを利用して液状感光性ポリマーの表面に集束させ、照射された液状感光性ポリマーを硬化させて連続的かつ不断に層ごとに積層動作を実施し、最後に設計オブジェクト高速成形動作を完了する。簡単に述べると、光造形技術は、主に高エネルギビームを生成可能な光源を利用して、3次元空間データに基づき液状感光性ポリマーを硬化させて、立体オブジェクトを成形する。

発明が解決しようとする課題

0004

本発明では、立体オブジェクト成形システムが生成したビームをその動作領域に伝達する際の光パワー値補正するための立体オブジェクト成形補正方法が提供されている。

課題を解決するための手段

0005

本発明に基づき、立体オブジェクト成形システムに応用する立体オブジェクト成形補正方法が提供されている。立体オブジェクト成形システムは、ビーム生成モジュール及びフラットフィールドレーザ集束レンズを含み、ビーム生成モジュールが線形成形ビームを提供し、線形の成形ビームはフラットフィールドレーザ集束レンズを通過した後にフラットフィールドレーザ走査経路を形成する。立体オブジェクト成形補正方法は、先ず、フラットフィールド感光材及びコントローラを提供し、フラットフィールド感光材はフラットフィールドレーザ走査経路上に設置され、コントローラはフラットフィールド感光材及びビーム生成モジュールに電気的に接続されるステップと、フラットフィールド感光材が、フラットフィールドレーザ集束レンズを通過した後のビームの光パワーを検知するとともに、ビームの光パワーに対応した感光信号をコントローラに出力するステップと、最後に、コントローラが、感光信号に基づきビーム生成モジュールが生成するビームの光パワーを調整するステップとを含む。

0006

立体オブジェクト成形補正方法において、コントローラは、感光信号に対応するビームの光パワーが操作光パワーよりも大きく、かつ、ビームの光パワーが特定値よりも小さい場合は、発光ユニットが出力するビームの光パワーを高めて、ビームの光パワーを特定値に維持させる。コントローラは、併せて、感光信号に対応するビームの光パワーが操作光パワーよりも小さい場合は、アラーム信号を出力して、使用者に発光ユニットが出力しているビームの光パワーが感光性ポリマーを硬化させるには不足していることを警告する。

0007

本発明では、更に、透光材と、ビーム生成モジュールと、フラットフィールドレーザ集束レンズと、フラットフィールド感光材とコントローラとを含む立体オブジェクト成形システムが提供されている。透光材は動作領域を有する。ビーム生成モジュールは、発光ユニット及び多面鏡を含み、発光ユニットは点ビームを出力し、多面鏡は、軸上に固設されて回転し、点ビームを線形を呈する成形ビームとなるように拡開するために用いられる。

0008

フラットフィールドレーザ集束レンズは、ビーム生成モジュールと透光材との間に位置し、線形を呈する成形ビームは当該フラットフィールドレーザ集束レンズを通過した後に、フラットフィールドレーザ走査経路を形成し、フラットフィールドレーザ走査経路は動作領域をカバーする。フラットフィールド感光材はフラットフィールドレーザ走査経路上に設置され、フラットフィールド感光材は、フラットフィールドレーザ集束レンズを通過した線形を呈する成形ビームを受光するとともに、線形を呈する成形ビームの光パワーに対応した感光信号を生成する。コントローラは、ビーム生成モジュール及びフラットフィールド感光材に電気的に接続される。コントローラは、感光信号を受信するとともに、感光信号に基づきビーム生成モジュールが生成するビームの光パワーを調整する。

0009

立体オブジェクト成形システムにおいて、立体オブジェクト成形システムは、更に光センサ反射鏡及び収束レンズを含むことができ、光センサは、ビーム生成モジュールとフラットフィールドレーザ集束レンズとの間に位置するとともに、コントローラに電気的に接続され、光センサは、フラットフィールドレーザ集束レンズを通過していないビームの光パワーを検知するとともに、光検知信号を生成するために用いられ、反射鏡は、ビーム生成モジュールと光センサとの間に位置し、収束レンズは光センサと反射鏡との間に位置する。コントローラは、感光信号及び光検知信号に基づきビーム生成モジュールが生成するビームの光パワーを調整する。フラットフィールド感光材とビーム生成モジュールとは透光材の同一側に位置することができる。

図面の簡単な説明

0010

本発明に基づく立体オブジェクト成形システムの構造図が示されている。
本発明に基づく立体オブジェクト成形システムの側面図が示されている。
本発明に基づく立体オブジェクト成形システムの上面図が示されている。
本発明に基づく立体オブジェクト成形システムの断面図が示されている。
本発明に基づく立体オブジェクト成形システムの回路ブロック図が示されている。

実施例

0011

図1及び図2を併せて参照すると、図1には本発明に基づく立体オブジェクト成形システムの構造図が示されており、図2には本発明に基づく立体オブジェクト成形システムの側面図が示されている。図1及び図2に示されている立体オブジェクト成形システムは、光造形技術を利用して立体オブジェクトを成形する。立体オブジェクト成形システム(別途ナンバリングしていない)は、透光材100、レーザ光源モジュール160、フラットフィールド感光材20及びハウジング4を含む。

0012

ハウジング4は収容空間40、及び収容空間40に連通する開口42を定義する。透光材100は開口42に設けられ、透光材100は、例えば粘着剤によりハウジング4に結合することができる。ハウジング4上に少なくとも1つの摺動レール44が更に設けられ、レーザ光源モジュール160が摺動レール44上に取り付けられるとともに、摺動レール44上において1次元方向の運動を実施することができる。

0013

透光材100は、動作領域102及び周辺領域104を有し、周辺領域104は動作領域102の周囲を取り囲んでいる。オブジェクト5(本発明においては成形対象樹脂)は動作領域102に配置される。図4を参照すると、レーザ光源モジュール160は、光センサ110、収束レンズ112、ビーム生成モジュール120、フラットフィールドレーザ集束レンズ140及び反射鏡150を含む。

0014

ビーム生成モジュール120は線形を呈する成形ビームの生成に用いられ、フラットフィールドレーザ集束レンズ140は、ビーム生成モジュール120と透光材100との間に位置し、線形を呈する成形ビームはフラットフィールドレーザ集束レンズ140を通過した後にフラットフィールドレーザ走査経路を形成し、フラットフィールド走査経路は動作領域102をカバーして、オブジェクト10を層ごとに光造形することができる。周辺領域104は、例えば透光材100と立体オブジェクト成形システムのハウジング4とを結合した領域である。

0015

ビーム生成モジュール120は、発光ユニット122及びビーム調整ユニット124を含む。発光ユニット122は、高収束力の点ビームを出力するとともに、例えばレーザダイオードにより実現することができる。ビーム調整ユニット124は、コリメータ(collimator)1240、集光材1242及び多面鏡1244を含み、ビーム調整ユニット124は発光ユニット122が出力した点ビームを受光し、点ビームがコリメータ1240及び集光材1242を通過したビームは整形された後に多面鏡1244に伝達される。

0016

多面鏡1244は、軸1246上に固設されて回転し、点ビームを線形を呈する成形ビームに拡開するために用いられる。発光ユニット122、コリメータ1240及び集光材1242は、例えば鏡筒130中に取り付けることができ、鏡筒130は立体オブジェクト成形システムのハウジング160上に固設される。

0017

フラットフィールド感光材20は、透光材100上に設けられるとともに、ビーム生成モジュール120と透光材100の同一側に位置することができる。フラットフィールド感光材20は、動作領域102または周辺領域104上に位置して、フラットフィールドレーザ集束レンズ140を通過した後の成形ビームの光パワーを検知するために用いられる。

0018

フラットフィールド感光材20は、例えば電荷結合素子(Charged Coupled Device、CCD)または相補型金属酸化物半導体(Complementary Metal−Oxide−Semiconductor、CMOS)素子として実現することができる。

0019

光センサ110、収束レンズ112及び反射鏡150は、ビーム生成モジュール120とフラットフィールドレーザ集束レンズ140との間に位置する。光学経路について述べると、反射鏡150は、ビーム生成モジュール120と光センサ110との間に位置し、収束レンズ112は、反射鏡150とビーム生成モジュール110との間に位置し、かつ、光センサ120は、例えば収束レンズ112の焦点位置に設けて、光センサ120が測定する光パワーの精度を高めることができる。

0020

実際の操作時に、ビーム生成モジュール120が生成した成形ビームが反射鏡150に伝達されると、反射鏡150で反射されて収束レンズ112に伝達され、収束レンズ112はビームを光センサ110上に集束させ、それにより、光センサ110はフラットフィールドレーザ集束レンズ140を通過していない成形ビームの光パワーを測定するとともに、成形ビームの光パワーに対応した光検知信号を生成することができる。

0021

光センサ110は、ビーム生成モジュール120とフラットフィールドレーザ集束レンズ140との間に位置し、光センサ110及びフラットフィールド感光材20は、それぞれコントローラ30に電気的に接続され、図4に示されている通りである。

0022

コントローラ30は、同時にビーム生成モジュール120の発光ユニット122に電気的に接続される。実際の操作時に、コントローラ30は、フラットフィールド感光材20がフラットフィールドレーザ集束レンズ140を通過したビームを検知して得られた光パワー値に基づき、発光ユニット122が発する点ビームの光パワーを調整することができ、または、コントローラ30は、同時にフラットフィールド感光材20がフラットフィールドレーザ集束レンズ140を通過したビームを検知して得られた光パワー値と、光センサ110がフラットフィールドレーザ集束レンズ140を通過していないビームを検知して得られた光パワー値との数値差に基づき、発光ユニット122が発する点ビームの光パワーを調整することもできる。

0023

コントローラ30内部に、光センサ110及び/またはフラットフィールド感光材20が測定する成形走査ビームの光パワーと、発光ユニット122が生成する点ビームの光パワーとの対照表を予め設けて、コントローラ30が、発光ユニット122が生成した点ビームの即時光パワーを得ることが可能とすることもできる。

0024

ここで特に説明すべきは、フラットフィールド感光材20はフラットフィールドレーザ集束レンズ140を通過した成形ビームの光パワーを検知するために用いられ、光センサ110はフラットフィールドレーザ集束レンズ140を通過していないビームの光パワーを検知するために用いられる点である。

0025

従って、フラットフィールドレーザ集束レンズ140に劣化が発生し、透光率屈折率などの光学特性改変される問題が発生した場合、フラットフィールド感光材20が検知する成形ビームの光パワーは光センサ110が検知する成形ビームの光パワーを大きく下回ることになるため、コントローラ30は、フラットフィールドレーザ集束レンズ140にすでに劣化が発生していると判断することができる。

0026

その際、コントローラ30は、発光ユニット122が生成する点ビームの光パワーを調整することにより、フラットフィールドレーザ集束レンズ140を通過して透光材100上に伝達される成形ビームを安定的に維持して、立体オブジェクト成形システムで成形されるオブジェクトの品質を確保することができる。

0027

また、フラットフィールド感光材20が検知したフラットフィールドレーザ集束レンズ140を通過した成形ビームの光パワーが所定の操作光パワーよりも低いと、コントローラ30は、アラーム信号を出力して、使用者に立体オブジェクト成形システムの光源がすでに使用に合致していないことを警告することができ、その際、フラットフィールドレーザ集束レンズ140の劣化の程度が重大であり、立体オブジェクト成形システムがすでに使用に合致していないことが示されると、交換する必要がある。

0028

実際に立体オブジェクトを成形する際、フラットフィールド感光材20は、立体オブジェクト成形システムでオブジェクトを成形する前に、先ず1回成形ビームの光パワーを補正するか、または立体オブジェクト成形システムでオブジェクトを成形すると同時もしくはオブジェクトの成形走査の完了後、更に1回成形ビームの光パワーを補正することができる。

0029

立体オブジェクト成形システムの光パワーを補正する場合は、コントローラ30が先ずビーム生成モジュール120に成形ビームを生成させるとともに、動作領域102に投射させる。フラットフィールド感光材20は、走査ビームの光パワーを検知するとともに、成形ビームの光パワーに対応した感光信号をコントローラ30に出力する。

0030

コントローラ30は、内蔵されている感光信号の発光ユニット122が出力する光パワーに対する対照表に基づき、発光ユニット122が生成した点ビームの光パワーを取得する。発光ユニット122が生成したビームの光パワーが操作光パワーよりも高く、かつ、成形ビームの光パワーが所定値よりも低い場合、コントローラ30は、発光ユニット122に出力する点ビームの光パワーを向上させ、コントローラ30は、感光信号に対応する成形ビームの光パワーが所定値よりも高い場合、発光ユニット122が出力する点ビームの光パワーを低減させて、成形ビームの光パワーを特定値に維持させて、フラットフィールドレーザ集束レンズ140を有する立体オブジェクト成形システムの光源パワーを安定的に維持させ、その成形品質を維持することもできる。

0031

その他、発光ユニット122が生成する点ビームの光パワーが操作光パワーよりも低い場合、コントローラ30は、アラーム信号を発して、使用者に発光ユニット122が出力する光パワーが動作液体照明オブジェクト10を硬化させるには不足していることを警告することができる。

0032

また、光センサ110は、ビームの光パワーを検知するとともに、ビームの光パワーに対応した光検知信号をコントローラ30に出力することができ、コントローラ30は、更に感光信号及び光検知信号に基づき発光ユニット122が発するビームの光パワーを調整することができる。

0033

以上をまとめると、本発明の立体オブジェクト成形補正方法では、立体オブジェクト成形システム上にフラットフィールド感光材20及びコントローラ30が設置され、フラットフィールド感光材20は透光材100上に設けられ、コントローラ30はフラットフィールド感光材20及びビーム生成モジュール120の発光ユニット122に電気的に接続される。

0034

フラットフィールド感光材20は、フラットフィールドレーザ集束レンズ140を通過して透光材100上に伝達される成形ビームの光パワーを検知し、コントローラ30は、成形ビームの光パワーが所定値から偏移していると発光ユニット112に出力する点光源の光パワーを調整させることにより、透光材100に伝達される成形ビームの光パワーを維持する。

0035

当然、本発明にはその他複数種の実施例があり、本発明の精神及びその実質から脱離することなく、当業者であれば本発明に基づき各種相応の改変及び変形を行うことができるが、それら相応の改変及び変形は、いずれも本発明に添付されている特許請求の保護範囲に属しているものとする。

0036

10オブジェクト
100透光材
102 動作領域
104周辺領域
110光センサ
112収束レンズ
120ビーム生成モジュール
122発光ユニット
124ビーム調整ユニット
1240コリメータ
1242集光材
1244多面鏡
1246ドライバ
140フラットフィールドレーザ集束レンズ
150反射鏡
160レーザ光源モジュール
2 透光材
20 フラットフィールド感光材30コントローラ
4ハウジング
40 収容空間
42 開口
5 オブジェクト
X 第1軸方向
Y 第2軸方向
Z 第3軸方向

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