三維立體光造型裝置、三維立體光造型方法和三維物體的制作方法

專利名稱：三維立體光造型裝置、三維立體光造型方法和三維物體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由光固化材料形成三維物體的三維立體光造型裝置、三維立體光造型 方法、以及通過三維立體光造型方法形成的三維物體。
背景技術(shù)：
過去，已知形成三維物體的造型裝置是執(zhí)行所謂的快速原型制作并廣泛用于商業(yè) 用途的裝置。通常，三維造型裝置通過根據(jù)用于要造型的對象物體的每個預(yù)定厚度的形狀 數(shù)據(jù)，即根據(jù)每一層的形狀數(shù)據(jù)，來逐一形成層，從而對三維物體進行造型。作為三維造型裝置的主要方式，立體光造型方式部分選擇性地用激光照射光固化 樹脂，因此對樹脂的期望部分進行固化和描繪，從而形成三維物體。例如，立體光造型方式包括自由液面方法和限制自由液面方法。在自由液面方法 中，將光固化樹脂的液面暴露在空氣中，同時激光聚焦在空氣和液面之間的界面上，從而進 行描繪。自由液面方法具有這樣的問題，即樹脂的層疊精度(每一層的厚度的精度或者每 一層的樹脂的表面條件的精度)基于液面的表面精度而變化。由此，在限制液面方法中，通 過平板玻璃的表面來限制光固化樹脂的液面，并將激光通過玻璃聚焦到液面和玻璃表面之 間的界面上，從而進行描繪(例如，參見日本已審查專利公開第H7-84033號，第0018段(在 下文中，稱為專利文獻1))。在專利文獻1中，將膜用作限制液面的構(gòu)件。

發(fā)明內(nèi)容
在使用玻璃或者膜的限制液面方法中，需要在對層進行造型后從玻璃上剝離固化 的樹脂。在該方法中，由于層的造型面積較大，因此需要較大的力來剝離固化的樹脂。在一 些情況下，所造型的三維物體會損壞或者從臺座(在其上堆疊了造型的層的臺架)上被剝 離下來。此外，如上所述，如果層的造型面積增大，則當(dāng)樹脂固化時由于產(chǎn)生收縮力而使玻 璃變形，或者由于被拉向樹脂而凹陷(下垂，sag)。結(jié)果，所造型的三維物體的每一層的平 坦度會惡化ο此外，隨著光固化樹脂的粘性提高，由樹脂給予臺座表面或者玻璃表面的壓力也 增加了，其結(jié)果是玻璃表面變形，并且樹脂的每層的厚度難以控制為預(yù)設(shè)的厚度?？紤]到上述情況，期望提供一種能夠從膜上剝離光固化材料、增加每層的平坦度、 并且高精度地控制每層的厚度的三維立體光造型裝置和三維立體光造型方法，并提供通過 該方法形成的三維物體。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，提供了一種三維立體光造型裝置，其包括臺架、支4撐機構(gòu)、壓制機構(gòu)、供給機構(gòu)、照射單元、移動機構(gòu)和控制機構(gòu)。支撐機構(gòu)支撐膜從而使膜與臺架相對。壓制機構(gòu)以在膜上形成與臺架相對并最接近于臺架的直線狀區(qū)域方式至少壓制 由支撐機構(gòu)所支撐的膜的直線狀區(qū)域。直線狀區(qū)域沿第一方向形成。供給機構(gòu)將光固化材料提供到形成在臺架和膜的直線狀區(qū)域之間的縫隙區(qū)域中。照射單元利用激光通過壓制機構(gòu)和膜照射由供給機構(gòu)提供到縫隙區(qū)域中的光固 化材料。移動機構(gòu)在第二方向上相對于膜而移動臺架和壓制機構(gòu)，從而形成光固化材料的一個固化層。第二方向與第一方向不同。控制機構(gòu)控制臺架和膜的直線狀區(qū)域之間的距離，從而利用激光層積光固化材料 的固化層。通過壓制機構(gòu)，在膜上形成最接近臺架的直線狀區(qū)域。光固化材料在形成于直線 狀區(qū)域和臺架之間的縫隙區(qū)域中或者縫隙區(qū)域附近曝光和固化。即，光固化材料基本上在 臺架和直線狀區(qū)域之間的縫隙區(qū)域中固化，在膜的直線狀區(qū)域的下游側(cè)，該膜相對于壓制 機構(gòu)而移動，從而該膜逐漸離開臺架。結(jié)果，膜可整齊地從樹脂的固化層上剝離。此外，并非寬的、平坦區(qū)域，而是直線狀區(qū)域被壓制以給膜施加張力，從而使膜與 壓制機構(gòu)緊密接觸。因此，即使將在固化光固化材料時所產(chǎn)生的收縮力施加給膜，也能防止 在膜上造成諸如褶皺和凹陷的變形，還能防止在曝光之前由于光固化樹脂的粘性而導(dǎo)致的 膜變形。結(jié)果，可增強每個固化層的平坦性，并能夠高精度地控制每個固化層的厚度。直線狀區(qū)域可以是一維或是二維的。在直線狀區(qū)域是二維的情況下，直線狀區(qū)域 可以是平坦區(qū)域或者彎曲區(qū)域。在直線狀區(qū)域是彎曲區(qū)域的情況下，該區(qū)域在顯微鏡下基 本上是平坦區(qū)域。壓制機構(gòu)壓制膜，從而在膜上形成包括直線狀區(qū)域的彎曲區(qū)域。利用該結(jié)構(gòu)，能夠 減小在膜和壓制機構(gòu)之間產(chǎn)生的摩擦力。壓制機構(gòu)可包括具有對應(yīng)于彎曲區(qū)域形狀的曲面的透光構(gòu)件。在該情況下，透光 構(gòu)件可以是棒狀透鏡。可將棒狀透鏡設(shè)置為繞著沿第一方向延伸的軸旋轉(zhuǎn)。通過該結(jié)構(gòu)，可以防止膜和 壓制機構(gòu)相互刮擦。因此，可以抑制壓制機構(gòu)的劣化或者在膜的彎曲區(qū)域中產(chǎn)生褶皺或裂縫。三維立體光造型裝置還包括校正透鏡，以校正照射光固化材料的激光光束點的形 狀。當(dāng)激光光束通過棒狀透鏡時，光束點的形狀變形。在需要高精度地形成三維物體的情 況下，校正透鏡將光束點的形狀校正為預(yù)期的形狀，其結(jié)果是可提高曝光的分辨率。透光構(gòu)件可是具有將圓柱表面作為曲面的柱面透鏡。柱面透鏡可在光軸方向上設(shè) 置得比棒狀透鏡要薄，從而可增大數(shù)值孔徑(NA)。因此，可減小激光光束的光點直徑，并提 高曝光的分辨率，其結(jié)果是可高精度地形成三維物體。壓制機構(gòu)可包括支撐透光構(gòu)件的支撐構(gòu)件。在這種情況下，支撐構(gòu)件可包括曲面 和流路。曲面被設(shè)置為與透光構(gòu)件的曲面相連續(xù)以形成彎曲區(qū)域。流路將氣體引入到膜與 透光構(gòu)件的曲面和支撐構(gòu)件的曲面之間的縫隙中。所引入的氣體用作緩沖，其可減小膜和 壓制機構(gòu)之間的摩擦力。
壓制機構(gòu)可壓制膜，從而在膜上形成包括直線狀區(qū)域的平坦區(qū)域和被設(shè)置為與平 坦區(qū)域相連續(xù)的彎曲區(qū)域。由于包括直線狀區(qū)域的區(qū)域是平坦的，因此相比于區(qū)域是彎曲 的情況，可增加光固化材料的每個固化層的平坦性。壓制機構(gòu)可包括激光的光學(xué)路徑、縫隙和曲面。在該情況下，縫隙具有對應(yīng)于平坦 區(qū)域的形狀的開口表面，并且在該縫隙中形成光學(xué)路徑。曲面被設(shè)置為與開口表面相連續(xù)， 并對應(yīng)于彎曲區(qū)域的形狀。在該實施方式中，激光通過縫隙，并利用激光照射光固化材料。 即，由于激光不通過透鏡，因此不會造成激光的折射。因此，不會改變從物鏡出射的激光的 光點的形狀，其可提高曝光的分辨率。壓制機構(gòu)還可包括將氣體引入到膜與開口表面和曲面之間的縫隙中的流路。所引 入的氣體用作緩沖，其可減小膜和壓制機構(gòu)之間的摩擦力。三維立體光造型裝置還可包括壓力控制機構(gòu)，用于控制縫隙中的壓力。壓力控制 機構(gòu)根據(jù)光固化材料被固化時所產(chǎn)生的收縮力或者其粘性來控制縫隙中的壓力，其結(jié)果是 能夠控制光固化材料的每個固化層的平坦性。三維立體光造型裝置還可包括掃描機構(gòu)，用于利用激光沿第一方向?qū)τ趬褐茩C構(gòu) 和臺架執(zhí)行相應(yīng)的掃描。移動機構(gòu)可使臺架和膜相對于壓制機構(gòu)整體移動。利用整體移動臺架和膜的結(jié) 構(gòu)，相比于獨立移動臺架和膜的結(jié)構(gòu)，可簡化移動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式，提供了一種三維立體光造型方法，其包括通過壓制 機構(gòu)、以在膜上形成與臺架相對并最接近于臺架的直線狀區(qū)域的方式，至少壓制被支撐為 與臺架相對的膜的直線狀區(qū)域。直線狀區(qū)域沿第一方向而形成。將光固化材料提供到形成在臺架和膜的直線狀區(qū)域之間的縫隙區(qū)域中。利用激光通過壓制機構(gòu)和膜照射提供到縫隙區(qū)域中的光固化材料。在第二方向上相對于膜移動臺架和壓制機構(gòu)，從而形成光固化材料的一個固化 層。第二方向與第一方向不同。控制臺架和膜的直線狀區(qū)域之間的距離，從而利用激光層積光固化材料的固化層。根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式，提供了 一種通過上述三維立體光造型方法所形成的 三維物體。如上所述，根據(jù)本發(fā)明的實施方式，可整齊地將樹脂從形成限制表面的膜上剝離 下來，并提高每一層的平坦性，其結(jié)果是可高精度地控制每一層的厚度。根據(jù)以下附圖所示的本發(fā)明的最佳實施方式的詳細(xì)描述，本發(fā)明的這些或者其他 目的、特征和優(yōu)點將變得更加顯而易見。


圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的三維立體光造型裝置的透視圖；圖2是示出了在圖1中所示的三維立體光造型裝置的示意性側(cè)視圖和示出了其控 制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的框圖；圖3是用于說明三維立體光造型裝置的操作的示意性側(cè)視圖；圖4是用于說明三維立體光造型裝置的操作的示意性側(cè)視圖5是示出了縫隙區(qū)域和其附近的狀態(tài)的放大示圖；圖6是示出了在圖3C中所示的在造型臺架上的樹脂液和固化層的放大示圖；圖7是示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施方式的壓制機構(gòu)的截面圖；圖8是示出了根據(jù)本發(fā)明第三實施方式的壓制機構(gòu)的截面圖；圖9是示出了根據(jù)本發(fā)明第四實施方式的壓制機構(gòu)的截面圖；圖10是示出了根據(jù)本發(fā)明第五實施方式的壓制機構(gòu)的截面圖。
具體實施方式
在下文中，將參照附圖描述本發(fā)明的實施方式。(第一實施方式)(三維立體光造型裝置的結(jié)構(gòu))圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的三維(在下文中，縮寫為3-D)立體光 造型裝置的透視圖。3-D立體光造型裝置100包括基底1、兩個側(cè)壁2和臺架機構(gòu)10。側(cè)壁2垂直地設(shè) 置在基底1的后部區(qū)域，臺架機構(gòu)10設(shè)置在側(cè)壁2之間。圖2是示出了 3-D立體光造型裝置100的示意性側(cè)視圖和示出了其控制系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)的框圖。臺架機構(gòu)10包括造型臺架15和膜支撐機構(gòu)40。在造型臺架15上，通過層積造型 層以形成3-D物體。膜支撐機構(gòu)40支撐膜F，從而膜F面向造型臺架15。此外，臺架機構(gòu) 10包括移動基底11和Y軸移動機構(gòu)70。移動基底11支撐并整體地移動造型臺架15和膜 支撐機構(gòu)40。Y軸移動機構(gòu)70在Y軸方向上移動該移動基底11。Y軸移動機構(gòu)70包括Y 軸移動馬達(dá)72和引導(dǎo)移動基底11的移動的導(dǎo)軌71。導(dǎo)軌71沿著Y軸方向設(shè)置在基底11 上。膜支撐機構(gòu)40包括供給卷軸16和回卷卷軸17。膜F纏繞在供給卷軸16上，供給 卷軸16供給膜F?；鼐砭磔S17將從供給卷軸16所提供的膜F進行卷繞?；鼐砭磔S17設(shè) 置在與供給卷軸16基本上相同的高度上。供給卷軸16可旋轉(zhuǎn)地支撐在垂直地設(shè)置在移動 基底11的前部區(qū)域上的兩個柱狀構(gòu)件12之間。類似地，回卷卷軸17可旋轉(zhuǎn)地支撐在垂直 地設(shè)置在移動基底11的后部區(qū)域上的兩個柱狀構(gòu)件13之間。例如，由回卷馬達(dá)8驅(qū)動回卷卷軸17，并且供給卷軸16是從動卷軸。當(dāng)在造型臺 架15上形成3-D物體時，移動基底11在Y軸方向上以預(yù)定的節(jié)距間歇地移動。在移動過 程中，不驅(qū)動回卷卷軸17，并且膜F相對于移動基底11而固定。作為膜F，可使用諸如聚碳酸酯、聚乙烯和聚氯乙烯的透光材料?？墒褂帽砻孢M行 了硬涂層處理的膜F，從而容易地從作為3-D物體的材料的光固化材料R上剝離膜F。此外，在側(cè)壁2之間，在Y軸方向上配置入口導(dǎo)輥21和出口導(dǎo)輥22，并基本上與膜 支撐機構(gòu)40的供給卷軸16和回卷卷軸17的高度相同。入口導(dǎo)輥21和出口導(dǎo)輥22引導(dǎo) 膜F的移動。入口導(dǎo)輥21和出口導(dǎo)輥22均具有沿X軸方向延伸的形狀，并由側(cè)壁2可旋 轉(zhuǎn)地支撐。在側(cè)壁2之間和在Y軸方向上的入口導(dǎo)輥21和出口導(dǎo)輥22之間，設(shè)置壓制機構(gòu) 35。通過將膜支撐機構(gòu)40所支撐的膜F壓向造型臺架15，壓制機構(gòu)35給膜F施加張力。例如，作為壓制機構(gòu)35，所使用的是具有曲面的透光材料的棒狀透鏡25。棒狀透鏡25具有 沿X軸方向上伸的柱狀形狀，并由側(cè)壁2可旋轉(zhuǎn)地支撐。通過棒狀透鏡25將膜F壓向造型臺架15，將棒狀透鏡25和膜F之間的接觸區(qū)域 的高度設(shè)置為不同于入口導(dǎo)輥21 (和出口導(dǎo)輥22)與膜F之間的接觸區(qū)域的高度，具體地， 設(shè)置為低于入口導(dǎo)輥21 (和出口導(dǎo)輥22)與膜F之間的接觸區(qū)域的高度。利用該結(jié)構(gòu)，棒狀 透鏡25沿著X軸方向形成直線狀區(qū)域Al (見圖5)，直線狀區(qū)域Al最接近于造型臺架15。 結(jié)果，在造型臺架15和膜F的直線狀區(qū)域Al之間形成縫隙區(qū)域S (見圖幻。通過膜F向縫 隙區(qū)域S提供光固化材料R，這將在以下進行描述。因此，如圖5所示，棒狀透鏡25壓制膜F，從而在膜F中形成包括直線狀區(qū)域Al的 彎曲區(qū)域A2。在側(cè)壁2之間，將供給噴管沈設(shè)置為將光固化材料R供應(yīng)給膜F的供給機構(gòu)。供 給噴管沈具有沿X軸方向延伸的形狀。如圖2所示，將供給噴管沈設(shè)置在入口導(dǎo)輥21和 棒狀透鏡25之間和造型臺架15和膜F (其處于由膜支撐機構(gòu)40支撐并受到由棒狀透鏡25 提供的張力的狀態(tài)下)之間。供給噴管26沿著其縱長方向具有縫隙或多個孔(未示出)， 用于排出光固化材料R。這些縫隙或多個孔相對于設(shè)置膜F —側(cè)而開設(shè)。應(yīng)指出，例如，將用于將光固化材料R引入到供給噴管沈的泵、管、開關(guān)閥等(未 示出)連接到供給噴管26。如圖1所示，臺架機構(gòu)10包括支撐造型臺架15并相對于移動基底11往復(fù)地升降 造型臺架15的升降機構(gòu)(控制機構(gòu)的部分或者全部)14。升降機構(gòu)14通過使用升降馬達(dá) 19升降造型臺架15，從而控制造型臺架15和膜F的直線狀區(qū)域Al之間的距離。由升降機 構(gòu)14將造型臺架15升起的最高位置是設(shè)置與棒狀透鏡25相接觸的膜F的位置。造型臺 架15在水平面內(nèi)(在X-Y平面內(nèi))具有圓形形狀。然而，造型臺架15的形狀不局限于圓 形形狀，并且可以是矩形形狀或者其他形狀。特別地，作為光固化材料R，可使用UV固化樹 脂。如圖1所示，3-D立體光造型裝置100包括利用激光照射由供給噴管沈所提供的 光固化材料R的照射單元30。在3-D立體光造型裝置100的后側(cè)，在基底1上垂直地設(shè)置 兩個支撐柱3。橫梁構(gòu)件4在兩個支撐柱3之間延伸。如圖2所示，照射單元30通過設(shè)置 在橫梁構(gòu)件4上的X軸移動機構(gòu)60而可在X軸方向上移動。X軸移動機構(gòu)60包括X軸移 動馬達(dá)63、導(dǎo)軌板62和可移動板61。導(dǎo)軌板62具有固定在橫梁構(gòu)件4上的導(dǎo)軌62a?？?移動板61可移動地與導(dǎo)軌板62相接。X軸移動機構(gòu)60用作在X軸方向上利用激光執(zhí)行掃 描的掃描機構(gòu)。照射單元30固定到可移動板61，并包括激光源31、物鏡保持器32、物鏡34(見圖 2和圖6)和固定板33。物鏡保持器32設(shè)置在激光源31的正下方。物鏡34由物鏡保持器 32所保持。固定板33支撐激光源31和物鏡保持器32，并將這些構(gòu)件固定到可移動板61 上。將照射單元30設(shè)置在能照射光固化材料R的位置上。照射單元30通過使用物鏡34將從激光源31發(fā)射的激光光束的光點直徑變窄，并 通過棒狀透鏡25和膜F聚焦到縫隙區(qū)域S、或者縫隙區(qū)域S中或縫隙區(qū)域S的附近的光固 化材料R。即，通常，將物鏡34設(shè)置在光軸上，從而激光的焦點落在至少在縫隙區(qū)域S中的 光固化材料R上。8
在物鏡34和棒狀透鏡25之間，在光軸上設(shè)置校正透鏡27。校正透鏡27將用于照 射光固化材料R的激光的光束點的形狀校正為所期望的形狀。因此，可提高曝光的分辨率。 然而，在3-D物體形狀的精度沒有這樣的要求的情況下，不需要設(shè)置校正透鏡27。應(yīng)注意， 校正透鏡27可由透鏡保持器(未示出)來保持。在上述描述的3-D立體光造型裝置100的結(jié)構(gòu)中，相對于入口導(dǎo)輥21、出口導(dǎo)輥 22、供給噴管沈、棒狀透鏡25和照射單元30，在Y軸方向上整體地移動膜F、造型臺架15和 移動基底11。在這種情況下，通過整體地移動造型臺架15和膜F，與單獨移動這些組件的 結(jié)構(gòu)相比，可使用簡單的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)Y軸移動機構(gòu)70。如圖2所示的升降機構(gòu)14、Y軸移動機構(gòu)70和X軸移動機構(gòu)60可通過滾珠絲桿 驅(qū)動機構(gòu)、齒條與齒輪驅(qū)動機構(gòu)、皮帶驅(qū)動機構(gòu)、液壓氣缸驅(qū)動機構(gòu)等來實現(xiàn)。此外，3-D立體光造型裝置100包括分別控制升降馬達(dá)19、回卷馬達(dá)8、Y軸移動馬 達(dá)53和X軸移動馬達(dá)63的驅(qū)動的升降馬達(dá)控制器51、回卷馬達(dá)控制器Μ、Υ軸移動馬達(dá)控 制器53和X軸移動馬達(dá)控制器55。3-D立體光造型裝置100還包括控制從激光源31發(fā)出 的激光功率的激光功率控制器52。這些控制器的操作由主機50進行整體控制。3-D立體 光造型裝置100還包括用于驅(qū)動連接至供給噴管沈的泵或者開關(guān)閥的控制器(未示出)。上述的控制器均設(shè)有CPU(中央處理單元)、RAM(隨機存取存儲器)、R0M(只讀存 儲器)等。代替CPU，還可使用DSP (數(shù)字信號處理器),FPGA (現(xiàn)場可編程門陣列),ASIC (專 用集成電路)等。通常，這些控制器以有線方式彼此連接。然而，可以有至少一個控制器無 線地連接至3-D立體光造型裝置100中的控制系統(tǒng)。(3-D立體光造型裝置的操作)接下來，將描述如上所述構(gòu)成的3-D立體光造型裝置100的操作。圖3A至圖3C 是按順序示出了操作的示圖。圖3A示出了 3-D立體光造型裝置100處于停止的狀態(tài)和移動基底11設(shè)置在初始 位置的狀態(tài)。在實際執(zhí)行造型之前，通過主機設(shè)置由光固化材料R所構(gòu)成的一個固化層的 厚度。隨后，例如，通過在升降馬達(dá)控制器51的控制下驅(qū)動升級機構(gòu)14，將造型臺架15升 高到由棒狀透鏡25所壓制的膜F的高度。在造型臺架15與膜F相接觸時的造型臺架15 的高度設(shè)置為Z軸方向上的原點。應(yīng)注意，可適當(dāng)?shù)卦O(shè)置在設(shè)置原點時造型臺架15在Y軸方向上的位置。當(dāng)設(shè)置原點時，將造型臺架15降低的距離對應(yīng)于光固化材料R的一層的預(yù)設(shè)厚度。在降低造型臺架15后，Y軸移動機構(gòu)70將造型臺架15移動到造型起始位置，其 中，造型起始位置是如圖3B所示的預(yù)定位置。造型起始位置指造型臺架15沿著Y軸方向 的位置，其中，可在造型臺架15和通過棒狀透鏡25形成在膜F上的直線狀區(qū)域Al之間形 成縫隙區(qū)域S?；谝纬傻?-D物體在Y軸方向上的尺寸，可根據(jù)需要改變造型起始位置 的設(shè)置，只要設(shè)置造型臺架15從而可形成縫隙區(qū)域S即可。當(dāng)將造型臺架15設(shè)置在造型起始位置時，將光固化材料R從供給噴管沈提供給 膜F的下表面?zhèn)?。如上所述，作為光固化材料R，例如可使用UV固化樹脂。在下文中，為了 方便起見，將UV固化樹脂稱為樹脂液R。在如上所述將樹脂液R轉(zhuǎn)移到膜F上時，樹脂液R例如通過自重沿著膜F傳送。結(jié)果，樹脂液R填充滿位于膜F的下表面和造型臺架15的表面之間的空隙，包括縫隙區(qū)域 S。圖5以放大的方式示出了在這種情況下的縫隙區(qū)域S和其附近區(qū)域的狀態(tài)。在這種情 況下，開始用激光照射樹脂液R，即，開始曝光。當(dāng)在X軸移動馬達(dá)控制器55的控制下在X軸方向上移動時，根據(jù)激光功率控制器 52的控制，照射單元30基于造型對象物體的一層中在X軸方向上的一列數(shù)據(jù)在樹脂液R上 進行選擇性曝光。具體地，激光功率控制器52產(chǎn)生與這一列數(shù)據(jù)相對應(yīng)的激光功率調(diào)制信 號并將由此產(chǎn)生的調(diào)制信號傳送給激光源31，從而對這一層中在X軸方向上的這一列的樹 脂液R進行選擇性曝光，并固化樹脂液R。至少在縫隙區(qū)域S中的樹脂液R進行曝光，即，縫 隙區(qū)域S中的樹脂液R或者縫隙區(qū)域S的附近區(qū)域中的樹脂液R進行曝光。作為激光，可使用具有UV波長范圍的光。將3-D物體的一層的厚度設(shè)為1 μ m至 100 μ m，但是不局限于此。該厚度可適當(dāng)?shù)剡M行設(shè)置。當(dāng)對于這一列中止樹脂液R的曝光時，停止利用激光的照射，Y軸移動機構(gòu)70在 Y軸方向上以預(yù)定節(jié)距向前(在圖3B中是向左)移動造型臺架15。隨后，按照上述相同的 方式，在上述這一層中的下一列(與之前進行曝光的列相鄰的一列)上執(zhí)行選擇性曝光。3-D立體光造型裝置100重復(fù)執(zhí)行上述操作，其結(jié)果是如圖3C所示，通過一個層， 即3-D物體的一個層，來形成樹脂液R的選擇性固化層。在該方式中，一個層的曝光處理以 所謂的光柵掃描(rasterscarming)來執(zhí)行。在Y軸方向上造型臺架15的間歇移動節(jié)距可 根據(jù)激光光束的光點直徑，即在形成3-D物體時的分辨率，而進行適當(dāng)?shù)卦O(shè)置。圖6是示出了在圖3C中所示的在造型臺架15上的固化層和樹脂液R的放大示 圖。在圖6中，一個固化層Rl用標(biāo)黑來表示。如圖6所示，在右側(cè)，S卩，在棒狀透鏡25的下 游側(cè)，沒有固化的樹脂液R附著在膜F和所形成的一個固化層Rl上，這沒有問題。這將在 以下進行說明。這里，在通過Y軸移動機構(gòu)70將造型臺架15 (和移動基底11)在Y軸方向上移動 時，回卷卷軸17保持靜止，膜F相對于造型臺架15 (和移動基底11)保持靜止。因此，當(dāng)造 型臺架15 (和移動基底11)在Y軸方向上移動時，由于在膜F和棒狀透鏡25之間所產(chǎn)生的 摩擦力使得棒狀透鏡25旋轉(zhuǎn)。因此，可以防止膜F和棒狀透鏡25相互刮擦，其結(jié)果是可以 抑制棒狀透鏡25的劣化或膜F的彎曲區(qū)域A2上折皺或裂縫的產(chǎn)生。此外，當(dāng)樹脂液R的一個列上的曝光中止和當(dāng)造型臺架15移動預(yù)定的一個節(jié)距 時，在縫隙區(qū)域S的下游側(cè)(例如，在圖5中縫隙區(qū)域S的右側(cè))，移動造型臺架15使得膜 F在Z軸方向上設(shè)置為與造型臺架15相分離。結(jié)果，可將膜F整齊地從樹脂的固化層Rl上 剝離下來。此外，如圖5所示，在膜F的彎曲區(qū)域A2中，從膜F在法線方向上將力施加到棒狀 透鏡25的曲面，從而促使膜F緊密附著在棒狀透鏡25上。因此，即使在樹脂液R固化時所 產(chǎn)生的收縮力施加給膜F，也不會發(fā)生膜F的諸如褶皺或凹陷的變形，并可防止曝光前由于 樹脂液R的粘性而導(dǎo)致的膜F的變形。結(jié)果，固化層Rl的平坦性增加，并可高精度地控制其厚度。在完成樹脂液R的一層上的曝光時，以對應(yīng)于一個固化層Rl的厚度的距離降低造 型臺架15。然后，移動基底11和造型臺架15從圖3C所示的位置返回到圖:3B所示的造型 起始位置。在這種情況下，移動基底11和造型臺架15可在降低造型臺架15的過程中返回10到造型起始位置。此后，通過回卷卷軸17將膜F卷繞預(yù)定長度，并且設(shè)置新的膜F以通過棒狀透鏡 25進行壓制。因此，通過為每一層將新的膜F供應(yīng)給棒狀透鏡25，即使在第一層的造型處 理中在膜F中造成裂縫的情況下，也可以形成高精度的3-D物體，而不會對在下一(第二) 層的造型處理中對固化層厚度的控制造成負(fù)面的影響。然而，當(dāng)用戶不要求3-D物體形狀 的精度時，在多個層的造型處理中可使用相同的膜F。在第二層的造型處理中，沒有固化并保持在固化層Rl上的樹脂液R通過與第一層 的情況相同的操作進行曝光，從而形成第二層的固化層R1。以這種方式，當(dāng)在Z軸方向上層 積層時，周期性地補充樹脂液R，并將樹脂液R提供給膜F，從而形成3-D物體。當(dāng)然，在對于一個層的每個造型處理中，可以以較短的間隔補充樹脂液R，或者一 直連續(xù)補充樹脂液R。在已經(jīng)如上所述形成具有任意厚度的層的3-D物體的狀態(tài)下，如圖4A至圖4C所 示，通過與圖3所示的操作相同的操作，在所形成的3-D物體上進一步形成一個固化層R1。如上所述，在該實施方式中，可以將3-D物體的每一層的厚度保持為精確恒定。結(jié) 果，可提高每一層的固化層Rl的平坦性。在現(xiàn)有技術(shù)的限制液面方法中，將3-D物體從膜上剝離下來需要耗費時間。然而， 在該實施方式中，在曝光處理過程中當(dāng)造型臺架15在Y軸方向上逐步移動時，將3-D物體 從膜上剝離下來。即，曝光處理的時間期間和剝離處理的時間期間相重疊，其可減少形成 3-D物體所需的時間期間。在該實施方式中，與棒狀透鏡25相接觸的膜F能夠經(jīng)得住固化層Rl的收縮力或 者樹脂液R的粘性，這可擴大光固化材料的選擇范圍。(第二實施方式)在根據(jù)第一實施方式的3-D立體光造型裝置100中，棒狀透鏡25用作壓制機構(gòu) 35。在下文中，將描述關(guān)于使用其他構(gòu)件而不是棒狀透鏡25的壓制機構(gòu)的四個實施方式。 在下列實施方式中，將主要描述壓制機構(gòu)。除了壓制機構(gòu)35之外，對于與3-D立體光造型 裝置100相同的結(jié)構(gòu)的描述將簡化或者省略。圖7所示的壓制機構(gòu)135包括柱面透鏡131和增強和支撐柱面透鏡的支撐構(gòu)件 132。柱面透鏡131具有與膜F相接觸的圓柱表面131a。將支撐構(gòu)件132設(shè)置在與圓柱表 面131a相對的表面上，并具有用于形成激光的光學(xué)路徑的縫隙13加。柱面透鏡131和支撐構(gòu)件132均具有在X軸方向上延伸的形狀，并附著在如根據(jù) 第一實施方式的3-D立體光造型裝置100中的側(cè)壁2上，但是不像棒狀透鏡25那樣旋轉(zhuǎn)。 將支撐構(gòu)件132的縫隙13 形成為沿X軸方向延伸的形狀。圖中的支撐構(gòu)件132的右構(gòu) 件和左構(gòu)件利用固定構(gòu)件(未示出)整體地固定在支撐構(gòu)件132的縱向的兩端的位置。柱面透鏡131的圓柱表面131a壓制膜F，從而在膜F上形成與造型臺架15最接近 的直線狀區(qū)域Al。利用如上所述的壓制機構(gòu)135，相比于棒狀透鏡25，可減小在光軸方向上柱面透 鏡131的厚度，結(jié)果可增加數(shù)值孔徑(NA)。因此，可減小激光束的光點直徑。結(jié)果，可高精 度地形成3-D物體。將柱面透鏡131在光軸上的厚度設(shè)為4mm至5mm，但不局限于該范圍。11
此外，在壓制機構(gòu)135中，摩擦力在膜F和柱面透鏡131之間起作用。由此，可在 其間設(shè)置提供潤滑液的機構(gòu)。在該情況下，例如，用于將潤滑液供應(yīng)給膜F的表面的噴管可 設(shè)置在與供給噴管26相對并夾住膜F的位置上。此外，例如，在使用具有與柱面透鏡131的折射率基本上相同的潤滑液的情況下， 可以減少柱面透鏡131和膜F之間的界面上的激光折射。(第三實施方式)圖8是示出了根據(jù)本發(fā)明的第三實施方式的壓制機構(gòu)的截面圖。根據(jù)該實施方式的壓制機構(gòu)235的支撐構(gòu)件232包括用于形成光學(xué)路徑的縫隙 232a和設(shè)置在縫隙23 中的柱面透鏡231。此外，支撐構(gòu)件232包括在支撐構(gòu)件232和膜 F之間以及在柱面透鏡231和膜F之間引入壓縮空氣的流路232b。例如，在縫隙23 的兩 側(cè)設(shè)置流路232b。流路232b可具有沿X軸方向延伸的縫隙形狀，或者可以是沿X軸方向配 置的多個通孔。流路232b與具有導(dǎo)管的壓縮空氣供應(yīng)源(未示出)相連接。如同在第二實施方式中，支撐構(gòu)件232、縫隙23 和柱面透鏡231均具有沿X軸方 向延伸的形狀。與膜F相接觸的柱面透鏡231的圓柱表面是與和膜F接觸的支撐構(gòu)件232的曲面 相連續(xù)的曲面。即，這些曲面的曲率基本上設(shè)置為彼此相等。當(dāng)柱面透鏡231和支撐構(gòu)件 壓制膜F時，在膜F上形成與造型臺架15最接近的直線狀區(qū)域Al。在該實施方式中，從支撐構(gòu)件232的流路232b引入的壓縮空氣注入給膜F，并在壓 制機構(gòu)235和膜F之間通過，并在Y軸方向上從壓制機構(gòu)235的兩側(cè)釋放到外部。即，壓縮 空氣用作緩沖以防止膜F和壓制機構(gòu)235相接觸，其結(jié)果是可顯著減小在其間產(chǎn)生的摩擦 力。此外，通過調(diào)整壓縮空氣的壓力和流動空氣的量，能夠調(diào)整膜F的張力，從而能夠 高精度地控制樹脂液R的固化層的厚度。(第四實施方式)圖9是示出了根據(jù)第四實施方式的壓制機構(gòu)的截面圖。壓制機構(gòu)335具有不包括圖8所示的壓制機構(gòu)235的柱面透鏡231的結(jié)構(gòu)。艮口， 壓制機構(gòu)335的張力構(gòu)件332包括激光的光學(xué)路徑、縫隙33 和壓縮空氣的流路332b?？p 隙33 形成為沿X軸方向延伸的形狀，從而形成光學(xué)路徑。與膜F相對的張力構(gòu)件332的表面332c均形成為曲面(例如，圓柱表面)?？p隙 332a的開口表面332d形成為與曲面相連續(xù)。開口表面332d是用于在膜F上形成直線狀區(qū) 域Al的表面。該表面是平坦的表面，所以直線狀區(qū)域Al也成為平坦的區(qū)域。當(dāng)膜F通過壓制機構(gòu)335而受到張力時，通過張力構(gòu)件332的表面332c在膜F上 形成曲面，并且在膜F上形成的平坦區(qū)域與彎曲區(qū)域相連續(xù)。在該實施方式中，由于激光沒有通過透鏡，因此不存在激光折射。因此，從物鏡34 出射的激光光束的光點形狀沒有改變，這可以提高曝光的分辨率。應(yīng)注意，在該實施方式中可以不必使用壓縮空氣。(第五實施方式)圖10是示出了根據(jù)第五實施方式的壓制機構(gòu)的截面圖。壓制機構(gòu)435包括張力構(gòu)件432和透光蓋431。張力構(gòu)件432與圖9的張力構(gòu)件332相同。蓋431阻塞了張力構(gòu)件432的縫隙43 的上開口。蓋431用于為縫隙43 的 內(nèi)部減壓。將用于為縫隙43 的內(nèi)部減壓的壓力控制機構(gòu)(未示出)連接于此。例如，所 使用的壓力控制機構(gòu)是至少包括為縫隙43 的內(nèi)部減壓所需的真空泵的的機構(gòu)。如上所述，通過對縫隙43 的內(nèi)部減壓，可以控制真空度從而抵消在膜F的直線 狀區(qū)域Al和造型臺架15之間固化的樹脂液R的收縮力。換句話說，可以將與由于樹脂液 R的收縮力將膜F向下拉的力的方向相反的力施加給膜F。結(jié)果，可增加膜F的直線狀區(qū)域 Al的平坦性，并因此能夠高精度地控制固化層的厚度。本發(fā)明不局限于上述實施方式，并且其他各種實施方式也是可行的。光固化材料R不局限于UV固化樹脂，并且可以是由可見光或者紅外線固化的材 料。即，可使用任何光固化材料R，只要其能通過預(yù)定波長范圍的預(yù)定光能的照射來固化即 可。當(dāng)然，在該情況下，根據(jù)光固化材料R的種類適當(dāng)?shù)剡x擇激光源31的波長范圍。在X軸方向上利用激光執(zhí)行掃描的X軸移動機構(gòu)60的結(jié)構(gòu)不局限于上述實施方 式。例如，可使用利用電掃描儀、多角鏡等的光學(xué)掃描機構(gòu)。在使用利用電掃描儀、多角鏡 等的光學(xué)掃描機構(gòu)的情況下，相比于使用X軸移動機構(gòu)60的情況，可以執(zhí)行高速掃描，并執(zhí) 行高速曝光。然而，在這種光學(xué)掃描機構(gòu)中，為了獲得與X軸移動機構(gòu)60基本相同的曝光 分辨率，必須使用更復(fù)雜的光學(xué)設(shè)計。與膜F相接觸的透鏡部分的截面的輪廓不局限于圖7中所示的柱面透鏡131的圓 柱表面131a，并且可以是橢圓或者雙曲線的一部分。
在上述實施方式中，通過移動基底11的移動，膜F和造型臺架15整體移動?？蛇x 地，在膜F和造型臺架15相對于基底1停止的狀態(tài)下，可移動側(cè)壁2，并且可在Y軸方向上 移動棒狀透鏡25等。可選地，可移動膜F、造型臺架15和側(cè)壁2中的至少一個。造型臺架15不局限于設(shè)置為其表面為水平的。可選地，造型臺架15可在Z軸方 向上沿著垂直表面或沿著傾斜表面設(shè)置?？蛇x地，造型臺架可以被設(shè)置為使得在其上層積 了造型層的造型臺架面朝下。在這些情況下，僅需要根據(jù)造型臺架的位置，以與造型臺架相 對的方式來支撐膜F。供給噴管沈的位置不局限于上述實施方式。其可以是任意位置，只要能將樹脂液 R提供到縫隙區(qū)域S中即可。代替作為沿著X軸形成的直線狀區(qū)域的縱長方向的X軸方向和作為造型臺架15 和膜F的移動方向的Y軸方向相互垂直的情況，這些方向也可以傾斜地交叉。
權(quán)利要求
1.一種三維立體光造型裝置，包括 臺架；支撐機構(gòu)，用于支撐膜從而使所述膜與所述臺架相對；壓制機構(gòu)，用于以在所述膜上形成與所述臺架相對并最接近于所述臺架的直線狀區(qū)域 的方式至少壓制由所述支撐機構(gòu)所支撐的所述膜的所述直線狀區(qū)域，所述直線狀區(qū)域沿第 一方向形成；供給機構(gòu)，用于將光固化材料提供到形成在所述臺架和所述膜的所述直線狀區(qū)域之間 的縫隙區(qū)域中；照射單元，用于利用激光通過所述壓制機構(gòu)和所述膜照射由所述供給機構(gòu)提供到所述 縫隙區(qū)域中的所述光固化材料；移動機構(gòu)，用于在第二方向上相對于所述膜移動所述臺架和所述壓制機構(gòu)，從而形成 所述光固化材料的一個固化層，所述第二方向與所述第一方向不同；以及控制機構(gòu)，用于控制所述臺架和所述膜的所述直線狀區(qū)域之間的距離，從而利用所述 激光層積所述光固化材料的固化層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維立體光造型裝置，其中，所述壓制機構(gòu)壓制所述膜，從而在所述膜上形成包括所述直線狀區(qū)域的彎曲區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維立體光造型裝置，其中，所述壓制機構(gòu)包括具有與所述彎曲區(qū)域的形狀相對應(yīng)的曲面的透光構(gòu)件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三維立體光造型裝置， 其中，所述透光構(gòu)件是棒狀透鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維立體光造型裝置，其中，所述棒狀透鏡被設(shè)置為可繞著沿所述第一方向延伸的軸旋轉(zhuǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維立體光造型裝置，還包括校正透鏡，用于校正照射所述光固化材料的所述激光的光束點的形狀。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三維立體光造型裝置，其中，所述透光構(gòu)件是具有圓柱表面作為所述曲面的柱面透鏡。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三維立體光造型裝置，其中，所述壓制機構(gòu)包括支撐所述透光構(gòu)件的支撐構(gòu)件，以及 其中，所述支撐構(gòu)件包括曲面，設(shè)置為與所述透光構(gòu)件的曲面相連續(xù)以形成所述彎曲區(qū)域，以及流路，將氣體引入到所述膜與所述透光構(gòu)件的曲面和所述支撐構(gòu)件的曲面之間的縫隙。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維立體光造型裝置，其中，所述壓制機構(gòu)壓制所述膜，從而在所述膜上形成包括所述直線狀區(qū)域的平坦區(qū) 域和被設(shè)置為與所述平坦區(qū)域相連續(xù)的彎曲區(qū)域。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的三維立體光造型裝置， 其中，所述壓制機構(gòu)包括所述激光的光學(xué)路徑，縫隙，具有與所述平坦區(qū)域的形狀相對應(yīng)的開口表面，所述光學(xué)路徑形成在所述縫隙 中，以及曲面，設(shè)置為與所述開口表面相連續(xù)，并對應(yīng)于所述彎曲區(qū)域的形狀。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的三維立體光造型裝置，其中，所述壓制機構(gòu)還包括流路，所述流路將氣體引入到所述膜與所述開口表面和所 述曲面之間的縫隙中。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的三維立體光造型裝置，還包括 壓力控制機構(gòu)，用于控制所述縫隙中的壓力。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維立體光造型裝置，還包括掃描機構(gòu)，用于利用所述激光在所述第一方向上相對于所述壓制機構(gòu)和所述臺架執(zhí)行 相應(yīng)的掃描。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維立體光造型裝置，其中，所述移動機構(gòu)使所述臺架和所述膜相對于所述壓制機構(gòu)整體地移動。
15.一種三維立體光造型方法，包括通過壓制機構(gòu)，以在膜上形成與臺架相對并最接近于所述臺架的直線狀區(qū)域的方式， 至少壓制被支撐為與臺架相對的所述膜的所述直線狀區(qū)域，所述直線狀區(qū)域沿第一方向形 成；將光固化材料提供到形成在所述臺架和所述膜的所述直線狀區(qū)域之間的縫隙區(qū)域中；利用激光通過所述壓制機構(gòu)和所述膜照射提供到所述縫隙區(qū)域中的所述光固化材料；在第二方向上相對于所述膜移動所述臺架和所述壓制機構(gòu)，從而形成所述光固化材料 的一個固化層，所述第二方向與所述第一方向不同；以及控制所述臺架和所述膜的所述直線狀區(qū)域之間的距離，從而利用所述激光層積所述光 固化材料的固化層。
16.一種通過三維立體光造型方法所形成的三維物體，所述三維立體光造型方法包括通過壓制機構(gòu)，以在膜上形成與臺架相對并最接近于所述臺架的直線狀區(qū)域的方式， 至少壓制被支撐為與臺架相對的所述膜的所述直線狀區(qū)域，所述直線狀區(qū)域沿第一方向形 成；將光固化材料提供到形成在所述臺架和所述膜的所述直線狀區(qū)域之間的縫隙區(qū)域中；利用激光通過所述壓制機構(gòu)和所述膜照射提供到所述縫隙區(qū)域中的所述光固化材料；在第二方向上相對于所述膜移動所述臺架和所述壓制機構(gòu)，從而形成所述光固化材料 的一個固化層，所述第二方向與所述第一方向不同；以及控制所述臺架和所述膜的所述直線狀區(qū)域之間的距離，從而利用所述激光層積所述光 固化材料的固化層。
全文摘要
本發(fā)明提供了三維立體光造型裝置、三維立體光造型方法以及三維物體，該三維立體光造型裝置包括臺架、支撐膜從而使膜與臺架相對的支撐機構(gòu)、壓制機構(gòu)、供給機構(gòu)、照射單元、移動機構(gòu)和控制機構(gòu)。壓制機構(gòu)至少壓制膜的直線狀區(qū)域，從而在膜上形成最接近臺架的直線狀區(qū)域。供給機構(gòu)將光固化材料提供到形成在臺架和直線狀區(qū)域之間的縫隙區(qū)域中。照射單元利用激光通過壓制機構(gòu)和膜照射提供到縫隙區(qū)域中的光固化材料。移動機構(gòu)相對于膜移動臺架和壓制機構(gòu)，從而形成光固化材料的一個固化層。控制機構(gòu)控制臺架和膜的直線狀區(qū)域之間的距離，從而層積固化層。
文檔編號B29C67/00GK102049858SQ20101052674
公開日2011年5月11日 申請日期2010年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月5日
發(fā)明者安河內(nèi)裕之 申請人:索尼公司