DE60018842T2

DE60018842T2 - Stereolithografisches Verfahren und Vorrichtung

Info

Publication number: DE60018842T2
Application number: DE60018842T
Authority: DE
Inventors: Takakuni Kawasaki-shi Ueno
Original assignee: TS Corp; Teijin Seiki Co Ltd
Current assignee: Nabtesco Corp
Priority date: 1999-04-27
Filing date: 2000-04-27
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2020-04-28
Also published as: EP1057615A2; EP1057615B1; DE60018842D1; US6627376B1; US20040094870A1; US7090484B2; EP1057615A3

Description

1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein stereolithographisches Gerät und Verfahren zum optischen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch Verwendung von fotohärtbarem Harz, und insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein stereolithographisches Gerät und Verfahren, um die Gesamtoberfläche einer fotohärtbaren Harzschicht Licht durch eine Maske für eine gewisse Zeit zum optischen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts auszusetzen, und ferner ein stereolithographisches Gerät und Verfahren zum optischen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts mit einer komplizierten Form wie zum Beispiel einem überhängenden Teil, Abschnitten, die getrennt angebracht sind, mehreren Beinteile, die unterschiedliche Längen aufweisen, oder dergleichen durch Verwendung einer speziellen fotohärtbaren Harzzusammensetzung. In der folgenden Beschreibung ist "stereolithographischer Prozess" als ein Prozess definiert, in dem ein fotohärtbares Harz oder eine fotohärtbare Harzzusammensetzung zum Bilden einer fotohärtbaren Schicht Licht ausgesetzt wird und der Belichtungsvorgang auf dem fotohärtbaren Harz (Zusammensetzung) wiederholt wird, um fotohärtbare Schichten auf einer Schichtbasis zu laminieren, wodurch optisch ein gewünschtes dreidimensionales Objekt gebildet wird.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Allgemein hat eine flüssige fotohärtbare Harzzusammensetzung (im Folgenden als "fotohärtbares Harz" bezeichnet) breite Verwendung als Beschichtung (insbesondere Hart beschichtung), Photoresist, Dentalmaterialien etc. gefunden. In letzter Zeit ist einer sogenannten Stereolithographietechnik große Beachtung geschenkt worden, die optisch ein dreidimensionales Objekt auf der Grundlage von Daten, welche von einem Kontroller wie zum Beispiel einem CAD-System oder dergleichen ausgegeben werden, durch Verwendung von fotohärtbarem Harz bildet, da ein dreidimensionales Objekt optisch in einer gewünschten Form und Größe mit hoher Präzision gebildet werden kann, selbst wenn es eine komplizierte Struktur hat. In bezug zu der Stereolithographietechnik offenbart die japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. Sho-56-144478 ein stereolithographisches Verfahren zum Wiederholen eines Prozesses zum Anlegen einer erforderlichen Menge optischer Energie an flüssiges fotohärtbares Harz unter Steuerung, um das fotohärtbare Harz als eine dünne Schicht zu härten, und ferner Zuführen eines flüssigen fotohärtbaren Harzes auf die gehärtete Harzschicht und anschließend Belichten des flüssigen fotohärtbaren Harzes, welches Licht aufgrund von stereolithographischen Daten von einem Kontroller gesteuert wird, um das flüssige fotohärtbare Harz zu erhärten und die dünne, gehärtete fotohärtbare Harzschicht auf die vorhergehende erhärtete Harzschicht zu laminieren, wodurch eine anschließend gehärtete fotohärtbare Harzschicht der Reihe nach auf eine vorhergehende gehärtete fotohärtbare Harzschicht laminiert wird, um ein gewünschtes dreidimensionales Objekt herzustellen. Ferner wird ein praktisches Verwendungsverfahren des in der obigen Veröffentlichung offenbarten stereolithographischen Verfahrens in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. Sho-60-247515 vorgeschlagen, und dann wurden verschiedene Vorschläge über die Stereolithographietechnik vorgebracht.
Als ein Verfahren zum optischen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts ist allgemein und verbreitet ein Verfahren zum selektiven Aufstrahlen von Laserstrahlen wie zum Beispiel Ultraviolettlaserstrahlen oder dergleichen auf die flüssige Oberfläche von flüssigem fotogehärtetem Harz verwendet worden, das unter der Steuerung eines Computers in ein stereolithographisches Bad gesetzt wurde, um das fotohärtbare Harz so zu erhärten, dass eine fotohärtbare Harzschicht mit einer vorbestimmten Dicke und einem gewünschten Muster erhalten wird, und anschließenden Zuführen einer Schicht aus flüssigem fotohärtbarem Harz auf die fotogehärtete Harzschicht und dann gleicherma ßen Belichten der flüssigen fotohärtbaren Harzschicht mit einem Laserstrahl wie zum Beispiel einem ultravioletten Laserstrahl oder dergleichen, um die fotohärtbare Harzschicht zu erhärten, und Wiederholen der Laminierungs-/Fotohärtungsvorgänge, bis ein gewünschtes dreidimensionales Objekt erhalten wird.
Allgemein dauert es lange, Laserstrahlen auf eine Schicht aus fotohärtbarem Harz aufzustrahlen, bis die fotohärtbare Harzschicht gehärtet ist, und zum Zweck einer Erhöhung der Geschwindigkeit des stereolithographischen Prozesses ist ein Gerät zum Bilden einer Maske und Bestrahlen der Gesamtoberfläche einer fotohärtbaren Harzschicht durch das Maskenmuster durch eine Ultraviolettlampe für eine gewisse Zeit (im folgenden als "Flächenbelichtung" bezeichnet) vorgeschlagen worden.
Einem solchen Flächenbelichtungsgerät zufolge, wird eine Maske mit einem auf der Oberfläche derselben ausgebildeten vorbestimmten Muster gebildet und einer ungehärteten fotohärtbare Harzschicht überlagert, und anschließend wird die Gesamtoberfläche der ungehärteten fotohärtbaren Harzschicht für eine gewisse Zeit Ultraviolettstrahlen durch die Maske ausgesetzt (d. h. flächenbelichtet), wodurch die fotohärtbare Harzschicht in Übereinstimmung mit dem Maskenmuster gehärtet wird.
Da in dem Flächenbelichtungsgerät die Maske jedoch während des Belichtungsprozesses nicht in engen Kontakt mit der ungehärteten fotohärtbaren Harzschicht gebracht wird, werden unebene Abschnitte auf der Oberfläche der gehärteten Harzschicht gebildet, und es ist daher erforderlich, diese unebenen Abschnitte Schicht für Schicht herauszuschneiden, nachdem der Härtungsvorgang des fotohärtbaren Harzes abgeschlossen ist.
Außerdem wird in einem Prozess zum Bilden einer fotohärtbaren Harzschicht vorhergehend ein solides Umschließungselement gebildet und so befestigt, dass es die fotohärtbare Harzschicht umschließt, und dann wird ungehärtetes fotohärtbares Harz in den Innenraum des feststehenden soliden Umschließungselements eingebracht. Deshalb verbleibt das ungehärtete fotohärtbare Harz in dem soliden Umschließungselement. Wenn die ungleichmäßigen Abschnitte auf der Oberfläche der gehärteten Harzschicht herausgeschnitten werden, während das restliche ungehärtete fotohärtbare Harz zurückgelas sen wird, können die Eckteile der gehärteten Harzschicht beschädigt werden. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird, nachdem die fotohärtbare Harzschicht gehärtet ist, das ungehärtete fotohärtbare Harz abgeschabt, Wachs wird in die abgeschabten Abschnitte gefüllt, um Beschädigungen zu verhindern, und dann werden die unebenen Abschnitte auf der Oberfläche der gehärteten Harzschicht herausgeschnitten. Deshalb wird zusätzliches Wachs etc. benötigt.
Darüber hinaus sind dreidimensionale Objekte mit komplizierten Formen wie zum Beispiel überhängenden Abschnitten, getrennt angebrachten Abschnitten, mehreren Beinabschnitten, die unterschiedliche Längen aufweisen, ungleichmäßigen Abschnitten etc. verbreitet durch Verwendung der konventionellen Stereolithographietechnik hergestellt worden. Einzelne gehärtete Schichten, die der Reihe nach durch Aufstrahlen von Licht gebildet wurden, sind extrem dünn, und daher ist ein durch Laminieren dieser dünnen Schichten erhaltenes Laminat auch dünn. Deshalb weist das schließlich erhaltene Laminat eine niedrigere Formhalteleistung auf. Außerdem ist fotohärtbares Harz in einem stereolithographischen Bad flüssig, und es hat ein geringes Vermögen, eine fotogehärtete Schicht zu tragen. Wenn ein dreidimensionales Objekt mit einer komplizierten Form, wie zum Beispiel schwebenden Abschnitten, getrennt angebrachten Abschnitten, Beinabschnitten, die unterschiedliche Längen aufweisen, ungleichmäßigen Abschnitten oder dergleichen hergestellt wird, ist es daher anfällig für das Auftreten solcher Probleme wie Herunterhängen, Verformung, Abmessungsabweichung, Positionsverschiebung etc. von stereolithographisch gebildeten Stellen, die durch Fotohärtung während des stereolithographischen Prozesses gebildet wurden. Dementsprechend ist zum Vermeiden dieser Probleme allgemein ein Verfahren zum Anordnen eines getrennt gebildeten Trägers in einem stereolithographischen Bad und stereolithographischen Bilden eines dreidimensionalen Objekts angenommen worden, während das Objekt, das gebildet wird, durch den Träger gehalten wird (im Folgenden als "trägergestütztes Verfahren" bezeichnet), oder ein Verfahren zum stereolithographischen Bilden eines gewünschten dreidimensionalen Objekts, während ein zusätzlicher Trägerabschnitt gleichzeitig mit dem gewünschten dreidimensionalen Objekt gebildet wird (im Folgenden als "Trägerbefestigungsverfahren" bezeichnet).
In der folgenden Beschreibung sollen das trägergestützte Halteverfahren und das trägerbefestigte Halteverfahren detailliert unter Bezugnahme auf die 1 bis 4F beschrieben werden, insbesondere wenn diese Verfahren auf den stereolithographischen Prozess zum Bilden dreidimensionaler Objekte mit speziellen Strukturen angewendet werden.
Wenn im Fall eines dreidimensionalen Objekts mit einem Scheibenteil 202 zwischen einem oberen und unteren zylindrischen Abschnitt 201a, 201b, wie in 1 gezeigt, der stereolithographische Arbeitsgang auf einer Schichtbasis vom unteren Ende des zylindrischen Teils 201a ausführt wird, werden schwebende Abschnitte am Scheibenabschnitt 202 ausgebildet, da der Durchmesser des Scheibenabschnitts 202 größer als der des unteren zylindrischen Abschnitts 201a ist.
Wenn in diesem Fall der stereolithographische Arbeitsgang auf den schwebenden Abschnitten ohne Verwendung irgendeines Trägers ausgeführt wird, würde ein solches Problem auftreten, dass der Scheibenabschnitt 202 so gebildet wird, um herunterzuhängen oder sich schräg während des stereolithographischen Arbeitsgangs zu erstrecken, und es daher schwierig ist, den Scheibenteil in einer horizontalen Scheibenstruktur auszulegen. Deshalb ist es schwierig, ein dreidimensionales Objekt mit gewünschter Form und Abmessung herzustellen.
Zum Lösen dieses Problems ist ein getrennter Träger 203 in den 2A und 2B gezeigt, der in einem stereolithographischen Bad angeordnet wird, und der stereolithographische Arbeitsgang wird durchgeführt, während die schwebenden Teile durch den Träger 203 gehalten werden (das trägergestützte Verfahren). Hier stellt 1A eine Längsschnittansicht eines gewünschten dreidimensionalen Objekts dar, das durch einen Träger gehalten wird, wenn der stereolithographische Arbeitsgang ausgeführt wird, und 2B ist eine Draufsicht von der Unterseite des stereolithographisch gebildeten Objekts.
Alternativ wird der stereolithographische Arbeitsgang zum Lösen des obigen Problems ausgeführt, während ein Trägerabschnitt 204 wie in 3A, 3B gezeigt integriert mit dem gewünschten dreidimensionalen Objekt ausgebildet wird, um Herabhängen oder Verformen der schwebenden Abschnitte zu verhindern (das Trägerbefestigungsverfahren). Hier ist 3A eine Längsschnittansicht, die ein gewünschtes dreidimensionales Objekt und einen Träger zeigt, der integriert mit dem Objekt ausgebildet ist, und 3B ist eine Draufsicht von der Unterseite des stereolithographisch gebildeten Objekts.
Ferner wird in dem Fall eines dreidimensionalen Objekts mit einem zentralen Verbindungsplattenabschnitt 205, einem rechten und linken Beinteil 206 und 207, die eine unterschiedliche Länge aufweisen und sich nach unten von dem zentralen Verbindungsplattenabschnitt 205 erstrecken, und einem rechten und linken Armabschnitt 208 und 209, die sich von dem zentralen Verbindungsplattenabschnitt 205 wie in 4A nach oben erstrecken, der stereolithographische Arbeitsgang vom unteren Ende des längeren Beinabschnitts 206 in einem stereolithographischen Bad 212 begonnen, in das flüssiges fotohärtbares Harz wie in 4B gezeigt gegeben wird, und zu dem Zeitpunkt, wenn die Höhe des Beinabschnitts 206 die Position erreicht, die dem unteren Ende des kürzeren Beinabschnitts 207 entspricht, wie in 4C gezeigt, wird der stereolithographische Arbeitsgang sowohl an dem rechten als auch dem linken Beinabschnitt 206 und 207 gleichzeitig ausgeführt. In diesem Fall wird ein den kürzerer Beinabschnitt 207 bildender dünner Schichtabschnitt (fotogehärtete Harzschicht) 207a, nicht mit einem dünnen Schichtabschnitt (fotogehärtete Harzschicht) 206a verbunden, der den längeren Beinabschnitt 206 bildet. Außerdem wird ein dünner Schichtabschnitt 207a nicht an einem Montagetisch angebracht, sondern schwimmt auf dem flüssigen fotohärtbaren Harz, so dass die Neigung besteht, dass er bewegt wird. Deshalb kann der Abstand zwischen den dünnen Schichtabschnitten 206a und 207a bei der Konstruktion nicht auf dem richtigen Wert gehalten werden.
Deshalb hat die konventionelle stereolithographische Technik zum Vermeiden dieses Nachteils allgemein ein Verfahren verwendet, bei dem, wie in 4D (Längsschnittansicht) und 4E (Draufsicht von der Oberseite) gezeigt, ein Trägerteil 210 zum Ver binden des dünnen Schichtabschnitts 207a mit dem dünnen Schichtabschnitt 206a gleichzeitig mit dem Beginn der stereolithographischen Ausbildung des dünnen Schichtabschnitts 207a des kürzeren Beinabschnitts 207 ausgebildet wird (d. h. der Trägerbefestigungsvorgang wurde ausgeführt), wodurch ein dreidimensionales Objekt mit einem Trägerteil 210 wie in 4F gezeigt herstellt wird.
Im Fall des trägergestützten Verfahrens ist eine mühsame Arbeit zum vorhergehenden Bilden des Trägers und Legen desselben in ein stereolithographisches Bad erforderlich. Außerdem ist es erforderlich, dass die Form und Abmessung eines Trägers, der geeignet ist, um sanft Herunterhängen und Verformung an einem überhängenden Abschnitt zu verhindern, vorhergehend konstruiert werden, und der Träger an einer richtigen Position angeordnet wird, so dass große Fähigkeiten für die Konstruktion und Verwendung des Trägers benötigt werden. Ferner hat eine Trägerkontaktmarkierung die Neigung, an einem Abschnitt auf der Oberfläche des so gebildeten dreidimensionalen Objekts zu verbleiben, an dem das Objekt durch den Träger gehalten wurde. Deshalb weist das so gebildete dreidimensionale Objekt eine fehlerhafte Erscheinung auf, und eine Reparaturbehandlung in Form von Polierung und Glätten des fehlerhaften Abschnitts wird benötigt, wenn der Anlass dies erforderlich macht.
Im Fall des Trägerbefestigungsverfahrens ist eine mühsame Arbeit zum Ausschneiden des integriert mit dem dreidimensionalen Objekt gebildeten Trägerabschnitts nach Abschluss des stereolithographischen Arbeitsgangs erforderlich, durch die der unerwünschte Trägerabschnitt entfernt wird. Außerdem ist es zum Verhindern, dass das Aussehen des dreidimensionalen Objekts aufgrund des Ausschneidens des Trägerabschnitts Mängel aufweist, erforderlich, die Form, Größe und Anbringungsposition des Trägerabschnitts ausreichend zu berücksichtigen, so dass ausreichend große Fähigkeiten für das Trägerbefestigungsverfahren benötigt werden. Wenn der Trägerabschnitt entfernt wird, ist es weiter erforderlich, den Trägerabschnitt zu entfernen, während der als der Trägerabschnitt in dem dreidimensionalen Objekt dienende Abschnitt sich ausreichend diskret von den anderen Abschnitten unterscheidet, die das gewünschte dreidimensionale Objekt (Zielobjekt) bilden. Wenn daher ein Arbeiter nicht in dem Maße ausgebildet ist, dass er/sie CAD-Daten, Zeichnungen von Teilen etc. verstehen kann, ist es schwieriger, die Entfernungsarbeit des Trägerabschnitts auszuführen.
Zum Lösen der obigen Probleme der konventionellen stereolithogaphischen Technik offenbart die japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. Sho-63-72525 ein Verfahren, bei dem sich verfestigendes Material wie zum Beispiel Wachs oder dergleichen als ein zweites Material zusammen mit einem ersten Material aus flüssigem fotohärtbarem Harz verwendet wird und ein dreidimensionales Objekt optisch (stereolithographisch) gebildet wird, während Herunterhängen und Verformung an schwebenden Abschnitten etc. durch das sich verfestigende Material verhindert werden.
Diesem Verfahren zufolge, wirkt das sich verfestigende Material als ein Trägermaterial zum Halten einer dünnen Schicht aus fotogehärtetem fotohärtbarem Harz zum Verhindern des Herunterhängens, der Verformung etc. an den überhängenden Abschnitten etc. Bei dem in der obigen Veröffentlichung offenbarten stereolithographischen Verfahren wird das zweite Material zum Halten der Form eines stereolithographisch gebildeten Objekts jedoch getrennt zusammen mit dem fotohärtbaren Harz benötigt, aus dem ein gewünschtes dreidimensionales Objekt gebildet wird. Außerdem erweitert die Verwendung des zweiten Materials den normalen Prozess um einen Schritt zum Absaugen von ungehärtetem fotohärtbarem Harz, nachdem der Lichtaufstrahlungsschritt durchgeführt wurde. Ferner fügt es weiter viele andere Schritte hinzu, wie zum Beispiel einen Schritt zum Schichten des sich verfestigenden zweiten Materials in leere Abschnitte, die aufgrund des Absaugens des ungehärteten fotohärtbaren Harzes auftreten, einen Schritt zum Polieren und Abflachen der oberen Oberfläche des verfestigten zweiten Materials zum Verbessern der Abmessungspräzision in der Höhenrichtung etc. Infolgedessen ist die stereolithographische Arbeit extrem kompliziert, und viel Arbeit und Zeit werden zum Abschließen des stereolithographischen Prozesse benötigt, so dass das stereolithographische Gerät einen komplizierten Aufbau aufweist, seine Größe im Maßstab vergrößert ist und sein Preis erhöht ist.
Wenn außerdem das zweite Material wie zum Beispiel Wachs oder dergleichen, das auf die fotogehärtete Schicht geschichtet wird, nicht ausreichend im Abflachungs- und Polierschritt entfernt wird und daher auf der fotogehärteten Schicht verbleibt, würde das zweite Material wie zum Beispiel Wachs oder dergleichen zwischen der fotogehärteten Schicht eingefügt und eine nächste fotogehärtete Schicht darauf laminiert werden, so dass Haftung zwischen den fotohärtbaren Schichten gestört wird, die laminierten fotohärtbaren Schichten die Tendenz haben, voneinander abgeschält zu werden, und die Stabilität des so gebildeten dreidimensionalen Objekts gesenkt wird.
Darüber hinaus ist in der Stereolithographietechnik verwendetes fotohärtbares Harz allgemein teuer, und daher ist ungehärtetes fotohärtbares Harz, das nicht fotogehärtet wurde (der Fotohärtungsbehandlung ausgesetzt wurde) allgemein entfernt und nach Herstellung des dreidimensionalen Objekts wieder verwendet worden. Bei dem in der obigen Veröffentlichung offenbarten stereolithographischen Verfahren verunreinigt jedoch viel des zweiten Materials wie zum Beispiel Wachs oder dergleichen das fotohärtbare Harz, und es ist daher erforderlich, das ungehärtete fotohärtbare Harz erst dann für den stereolithographischen Prozess wieder zu verwenden, nachdem das zweite Material vollständig aus dem ungehärteten fotohärtbaren Harz entfernt worden ist. Deshalb werden viel Arbeit und viele Kosten zum Reinigen, Entfernen und Wiederverwenden des fotohärtbaren Harzes benötigt.
In EP 0 470 705A ist ein Gerät zum Herstellen eines dreidimensionalen Modells offenbart, das ein Gerät zum Aufbringen, Schicht auf Schicht, eines Fotopolymermaterials in einer wählbaren Konfiguration und ein Gerät zum Aushärten jeder Fotopolymerschicht nach Aufbringung derselben und vor Aufbringung einer nachfolgenden Schicht aus einem Fotopolymer auf dieser aufweist. Trägermaterial wird an bestimmten Stellen jeder Schicht aufgebracht, die nicht durch Fotopolymer gefüllt sind, vor Aufbringung einer nachfolgenden Schicht aus einem Fotopolymer auf der genannten Schicht. Außerdem wird ein Bearbeitungsgerät zum Ebnen jeder Schicht vor Aufbringung einer nachfolgenden Schicht aus einem Fotopolymer auf derselben geschaffen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein stereolithographisches Gerät und Verfahren zu schaffen, die die obigen Probleme der konventionellen Technik lösen können und Flächenbelichtung mit einer einfachen Konstruktion ausführen können.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines stereolithographischen Geräts und Verfahrens, die einfach eine fotogehärtete Schicht ohne eine unebene Oberfläche (d. h. flache Oberfläche) in einem stereolithographischen Prozess bilden können.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines stereolithographischen Geräts und Verfahrens, bei denen, selbst wenn ein dreidimensionales Objekt mit einer komplizierten Form wie zum Beispiel überhängenden Abschnitten, getrennt angebrachten Abschnitten, mehreren Beinabschnitten unterschiedlicher Länge, ungleichmäßigen Abschnitten oder dergleichen hergestellt wird, ein gewünschtes dreidimensionales Objekt einfach und glatt hergestellt werden kann, ohne irgendeinen Träger getrennt in einem stereolithographischen Bad vorzusehen und ohne irgendeinen Trägerabschnitt zu bilden, der als ein Träger integriert mit einem dreidimensionalen Objekt selbst wirkt (d. h. ohne Trägerbefestigung).
Ferner besteht eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Schaffung eines stereolithographischen Geräts und Verfahrens, das optisch ein dreidimensionales Objekt mit einer komplizierten Form wie zum Beispiel überhängenden Abschnitten, getrennt angebrachten Abschnitten, mehreren Beinabschnitten unterschiedlicher Länge, ungleichmäßigen Abschnitten oder dergleichen reibungslos und in kurzer Zeit ohne ein jegliches zweites Material wie zum Beispiel Wachs und nur mit fotohärtbarem Harz durch einen einfachen Prozess und ein einfaches Gerät bilden können.
Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch ein stereolithographisches Gerät gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 erreicht. Die abhängigen Ansprüche behandeln weitere vorteilhafte Entwicklungen der vorliegenden Erfindung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines dreidimensionalen Objekts mit einem überhängenden Abschnitt zeigt;
2A und 2B sind eine Längsschnittansicht und eine Draufsicht, die ein dreidimensionales Objekt (1) mit einem Träger zeigen, wenn es durch ein konventionelles stereolithographisches Verfahren hergestellt wird (trägergestütztes Verfahren);
3A und 3B sind eine Längsschnittansicht und eine Draufsicht, die ein dreidimensionales Objekt (von 1) mit einem Träger zeigen, wenn es durch ein konventionelles stereolithographisches Verfahren hergestellt wird (Trägerbefestigungsverfahren);
4A bis 4F zeigen ein Beispiel eines dreidimensionalen Objekts mit rechten und linken Beinen unterschiedlicher Länge sowie einen Prozess zum Bilden des dreidimensionalen Objekts, wenn es durch das konventionelle stereolithographische Verfahren hergestellt wird (Trägerbefestigungsverfahren);
5 ist eine Frontansicht, die eine Ausführungsform eines stereolithographischen Geräts gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 ist eine Frontansicht, die eine in dem stereolithographischen Gerät von 5 verwendete stereolithographischen Stufe zeigt;
7 ist eine Frontansicht, die die Bewegung einer in dem stereolithographischen Gerät von 5 verwendeten Einheit zeigt;
8 ist eine Frontansicht, die den Positionierungsvorgang der stereolithographischen Stufe zeigt;
9 ist eine Frontansicht des stereolithographischen Geräts, wenn eine Haube einer Lichtquelle (Belichtungsgerät) nach unten bewegt wird;
10 ist eine Draufsicht, die eine stereolithographische Stufe zeigt;
11A und 11B sind Querschnittansichten entlang Linie VII-VII von 10;
12A und 12B sind Querschnittansichten entlang Linie VIII-VIII von 10;
13A und 13B sind Frontansichten, die den Positionierungsvorgang in der stereolithographischen Stufe zeigen;
14 ist ein Diagramm, das das Belichtungsprinzip zeigt;
15 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Gitter zum Emittieren von parallelem Licht durch dieses zeigt;
16 ist ein Diagramm, das eine andere Ausführungsform zum Emittieren von parallelem Licht zeigt;
17 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Blende zeigt;
18A bis 18C sind perspektivische Ansichten, die eine andere Ausführungsform der Blende zeigen;
19A bis 19M sind Diagramme, die eine Reihe von Schritten zum Bilden des dreidimensionalen Objekts von 1 durch Verwenden des stereolithographischen Verfahrens der vorliegenden Erfindung zeigen; und
20A bis 20I sind Diagramme, die eine Reihe von Schritten zum Bilden des dreidimensionalen Objekts von 2A durch Verwendung des stereolithographischen Verfahrens der vorliegenden Erfindung zeigen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bevorzugte Ausführungsformen des stereolithographischen Geräts und Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung sollen im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden.
5 ist eine Frontansicht, die eine Ausführungsform des stereolithographischen Geräts der vorliegenden Erfindung zeigt. In 5 kennzeichnet Bezugsziffer 1 ein stereolithographisches Gerät. Das stereolithographische Gerät umfasst eine stereolithographische Stufe A, die im wesentlichen in der Mitte des gesamten Geräts angeordnet ist, eine Maskenbildungsstufe B, die auf der einen Seite der stereolithographischen Stufe A an geordnet ist, sowie eine Stufe C zum Zuführen von fotohärtbarem Harz (fotohärtbarer Harzzusammensetzung), die auf der anderen Seite der stereolithographischen Stufe A angeordnet ist.
Das stereolithographische Gerät umfasst einen Kontroller (nicht gezeigt) für dreidimensionales CAD oder dergleichen. In der Maskenbildungsstufe B wird eine Maske auf einem aus Glas oder dergleichen gebildeten lichtdurchlässigen Element in Übereinstimmung mit stereolithographischen Daten für eine Schicht aus fotohärtbarem Harz (fotohärtbarer Harzzusammensetzung) ausgebildet, auf deren Grundlage jede fotogehärtete Harzschicht der Reihe nach ausgebildet/laminiert wird. Die Zuführstufe C umfasst eine Einheit D zum Zuführen von fotohärtbarem Harz, und die Einheit D wird in die stereolithographische Stufe A zum Aufbringen einer Schicht aus fotohärtbarem Harz auf ein dreidimensionales Objekt bewegt, das aufgebaut wird und sich in der stereolithographischen Stufe A befindet, wodurch eine ungehärtete fotohärtbare Harzschicht gebildet wird. Ferner wird das lichtdurchlässige Element (Glas) mit der darauf ausgebildeten Maske von der Maskenbildungsstufe B in die stereolithographische Stufe A geführt und auf der ungehärteten fotohärtbaren Harzschicht so angeordnet, dass es in engen Kontakt mit der ungehärteten fotohärtbaren Harzschicht kommt. Danach wird die Gesamtoberfläche der ungehärteten fotohärtbaren Harzschicht durch die Maske für eine gewisse Zeit Licht aussetzt (d. h. Flächenbelichtung wird durchgeführt), um den stereolithographischen Arbeitsgang auszuführen.
Wie in 6 gezeigt ist, weist die stereolithographische Stufe A einen stereolithographischen Tisch 3 auf (im Folgenden als "Montagetisch" bezeichnet). Der Montagetisch 3 umfasst zwei im wesentlichen X-förmige ausfahrbare und einziehbare Glieder 4, die auf eine Basis 5 gestapelt sind, und die Ausgangswelle eines Servomotors 6 ist mit den ausfahrbaren und einziehbaren Gliedern 4 verbunden. Synchron mit dem Antrieb des Servomotors 9 werden die ausfahrbaren und einziehbaren Glieder so eingezogen, dass der Montagetisch 3 gesteuert wird, um frei Schicht für Schicht abzusinken. Eine nichtrostende Platte ist auf der oberen Fläche des Montagetischs 3 angebracht und die erste, später beschriebene, ungehärtete fotohärtbare Harzschicht wird direkt auf die obere Oberfläche des Montagetischs 3 geschichtet.
Ein gewünschtes dreidimensionales Objekt wird optisch auf dem stereolithographischen Tisch 3 durch den stereolithographischen Arbeitsgang ausgebildet. Bei dem stereolithographischen Arbeitsgang wird die in der Zuführstufe C angeordnete Einheit D zuerst betätigt, um eine Schicht einer ungehärteten fotohärtbaren Harzschicht auf dem Montagetisch 3 (oder einem dreidimensionalen Objekt, das gebildet wird) auszubilden.
Die Einheit D ist mit einem Zahnriemen 7 verknüpft, und der Zahnriemen 7 läuft zwischen einem Paar von Zahnrädern 8 und 9. Ein anderer Zahnriemen 10 wird an das Zahnrad 9 gesetzt und läuft zwischen dem Zahnrad 9 und einem Zahnrad 12 eines Antriebsmotors 11. Dementsprechend wird die Einheit D durch Drehen des Antriebsmotors 11 vorwärts/rückwärts zur rechten/linken Seite entlang dem Zahnriemen 7 geführt.
Die Einheit D umfasst eine Harzzuführkelle 14 zum Zuführen (Schichten) von fotohärtbarem Harz, wenn eine fotohärtbare Harzschicht ausgebildet wird, ein Streichrakel 15 zum Abflachen der Oberfläche (flüssigen Oberfläche) der so zugeführten (geschichteten) fotohärtbaren Harzschicht, und eine Abzieh-/Befestigungsrolle 16 zum Abziehen eines lichtdurchlässigen Films 17 (der aus Kunstharz wie zum Beispiel Polyester oder dergleichen gebildet ist) von einer fotohärtbaren Harzschicht oder Befestigen des lichtdurchlässigen Films 17 auf der fotohärtbaren Harzschicht. In der folgenden Beschreibung bedeutet "Befestigen" des Films an der Harzschicht einen solchen Zustand, dass der Film unter Streckung so angeordnet wird, um die Harzschicht in engem Kontakt mit der Harzschicht zu bedecken.
Der Polyesterfilm 17 wird über dem Montagetisch 3 so angeordnet, um in der Richtung von einem Ende 3a des Tischs zum anderen Ende 3b gestreckt zu werden. Eine Rolle 19 mit einem Drehmomentbegrenzer ist auf der Außenseite des einen Endes 3a des Montagetischs 3 angeordnet, und ein Ende 17a des Films 17 wird um die Rolle 19 gewickelt. Das andere Ende 17b des Films 17 wird durch eine Rolle 21, die Abzieh-/Befestigungs rolle 16 und eine Rolle 22 geführt und anschließend um eine Rolle 234a einer Filmrückführrolle 23 gewickelt. Bezugsziffer 24 stellt eine Spannrolle dar. Die Spannrolle ist mit einer Stange eines Luftzylinders 25 verbunden, um so gedrückt zu werden, dass Spannung an den Film 17 angelegt wird.
Als nächstes soll der Betrieb der Einheit D beschrieben werden.
Wenn der Antriebsmotor 11 auf der oberen rechten Seite von 2 vorwärts gedreht wird, wird die Einheit D in Richtung auf die in 6 gezeigte Position zu der in 7 gezeigten Position entlang des Zahnriemens 7 geführt.
Während dieses Zuführprozesses wird ein Film 17 zuerst von einer gehärteten Harzschicht abgezogen, während er durch die Abzieh-Befestigungsrolle 16 gepresst wird. Da der Film 17 wie oben beschrieben unter Pressen durch die Abzieh-Befestigungsrolle 16 abgezogen wird, wird verhindert, dass die an dem Film 17 befestigte Harzschicht von dem Montagetisch 3 zusammen mit dem Film 17 abgezogen wird. Wenn der Film 17 abgezogen ist, kann ein wenig des fotohärtbaren Harzes an dem Film 17 haften geblieben sein. In diesem Fall wird das fotohärtbare Harz durch eine in der Einheit D vorgesehenes Klinge 20 entfernt.
Zur gleichen Zeit, wenn der Film 17 abgezogen wird, wird fotohärtbares Harz erneut von der Harzzuführkelle 14 auf ein Objekt gegeben, das gebildet wird, um eine neue ungehärtete fotohärtbare Harzschicht zu bilden.
Wenn die Einheit D durch den Zahnriemen 7 zugeführt wird und das rechte Ende in 6 erreicht, wird der Montagetisch 3 um die Höhe nach unten bewegt, die einer Schicht des fotohärtbaren Harzes entspricht. Anschließend wird der Antriebsmotor 11 umgekehrt gedreht, und die Einheit D wird aus der Position von 7 zu der Position von 6 entlang des Zahnriemens zurückgeführt. Während dieses Rückführprozesses entfernt das Streichrakel 15 zuerst überschüssiges Harz zum Abflachen der flüssigen Oberfläche des Harzes, so dass die Höhe des Harzes einheitlich ist, und dann wird der Film unter Pressen durch die Abzieh-/Befestigungsrolle 16 auf der so abgeflachten Harzschicht befestigt. Bei diesem Filmbefestigungsvorgang wird die Höhe der flüssigen Oberfläche des Harzes auf einem vorbestimmten Wert gehalten, und nach Befestigung des Films 17 wird das Harz an dieser Position gehalten.
Kurz gesagt, wird der Film 17 so angeordnet, dass er die Harzschicht unter Streckung (d. h. befestigt an der Harzschicht) bedeckt, um die Harzschicht zu halten. Dementsprechend können verschiedene Elements als der Film 17 verwendet werden, insofern er die obige Funktion hat, und zum Beispiel kann eine Folienbahn mit Lichtübertragungsgüte verwendet werden.
Während des obigen Arbeitsgangs kann der Film 17 beschädigt werden. Wenn zum Beispiel die Dicke einer ungehärteten Harzschicht auf dem Montagetisch 3 klein ist, kann der Film 17 aufgrund des Kontakts mit einem Eckabschnitt des Montagetischs 3 beschädigt werden. Wenn der Film 17 beschädigt ist, wird daher der am linken Ende von 6 angeordnete Rückstellmotor 23 angetrieben, um den Film 17, der durch den Drehmomentbegrenzer um die Rolle 19 gewickelt wurde, herauszuziehen, wodurch der Verwendungsbereich des Films 17 geändert wird.
Es gibt eine Möglichkeit, dass von der Harzzuführkelle 14 geliefertes Harz in den Bewegungsbereich der Einheit D tropfen kann. Zum Entfernen des so tropfenden fotohärtbaren Harzes sind Tanks 27, 28 und 29 über im wesentlichen den ganzen Bereich unter dem Führungsbereich der Einheit D angeordnet. Das in die Tanks 27, 28 und 29 tropfende Harz wird zu einem Rückführtank 30 entfernt. Das fotohärtbare Harz wird in dem Rückführtank 30 gespeichert, und bei Bedarf wird das Harz durch ein Zuführsystem (nicht gezeigt) der Harzzuführkelle 14 geliefert.
Die Maskenbildungsstufe B umfasst ein Maskenbildungsmittel 41, wie in 5 gezeigt ist, und bildet eine Maske auf einem lichtdurchlässigen Element (Glas) 31 mit Toner durch Verwendung des Maskenbildungsmittels 41. Das Maskenbildungsmittel 41 umfasst einen Entmagnetisierungskopf 42 zum Entmagnetisieren der Oberfläche des licht durchlässigen Elements 31, einen Tonerschaber 43 zum Schaben von Toner von dem lichtdurchlässigen Element 31, einen Ladekopf 44 zum Laden der Oberfläche des lichtdurchlässigen Elements 31 und einen Entwickler 45 zum Entwickeln eines auf dem lichtdurchlässigen Element 31 mit Toner gebildeten latenten Bilds. Der Ladekopf 44 wird in Übereinstimmung mit den stereolithographischen Daten gesteuert, die jeder fotohärtbaren Harzschicht entsprechen und von dem Kontroller (nicht gezeigt) ausgegeben werden.
Das Maskenbildungsmittel 41 ist an einem Auflagetisch 64 angebracht, und der Auflagetisch 46 ist an den Befestigungsteil des Geräts durch einen Stift 46a angelenkt. Das Maskenbildungsmittel 41 wird zusammen mit dem Auflagetisch 46 frei nach oben und nach unten bewegt, wobei der Stift 46a als Drehachse wirkt. Der Tonerschaber 43 wird durch eine Abdeckung 47 bedeckt, und ein Tonersaugschlauch 48 zum Saugen von Toner ist an die Abdeckung 47 angeschlossen.
Hier wird Siliciumoxid, Aluminiumoxid, Titanoxid oder dergleichen vorzugsweise mit Toner als UV-Absorptionsmaterial gemischt. Das UV-Absorptionsvermögen wird auf 10% oder mehr, vorzugsweise auf 30% oder mehr und stärker bevorzugt auf 50% oder mehr festgelegt.
Eine Bereitschaftsstufe E für das lichtdurchlässige Element ist auf einer Seite der Maskenbildungsstufe B vorgesehen. Ein lichtdurchlässiges Element (Glas) 31 wird hin- und hergehend durch die Bereitschaftsstufe E des lichtdurchlässigen Elements, die Maskenbildungsstufe B und den stereolithographischen Tisch A in dieser Reihenfolge bewegt.
Das heißt, ein Paar von Riemen 33, die drehend angetrieben werden, werden so angeordnet, dass sie sich von der Bereitschaftsstufe E des lichtdurchlässigen Elements durch die Maskenbildungsstufe B zum stereolithographischen Tisch A in einer Anordnung von zwei Linien erstrecken. Die Riemen 33 sind zwischen Riemenscheiben 34, 35 aufgehängt, und eine Riemenscheibe 38 eines Antriebsmotors 37 ist mit einer der Riemenscheiben 35 durch einen Riemen 36 verbunden.
Die Riemen 33 werden durch Vorsprünge (nicht gezeigt) auf der unteren Oberfläche des lichtdurchlässigen Elements 31 eingehakt. Deshalb werden die Riemen 33 durch Vorwärts-/Rückwärtsdrehen des Antriebsmotors 37 vorwärts/rückwärts bewegt, wodurch das lichtdurchlässige Element 31 zwischen den jeweiligen Stufen hin- und herbewegt wird.
Eine Bedienungsstab 38 ist über den jeweiligen Stufen E, B und A angeordnet. Anschläge 39 und 40 sind an beiden Endabschnitten des Bedienungsstabs 38 befestigt. Wenn das lichtdurchlässige Element 31 in die Bereitschaftsstufe E des lichtdurchlässigen Elements eintritt und an den Anschlag 40 anstößt, wird der Bedienungsstab 38 durch das lichtdurchlässige Element 31 nach unten geschoben und nach rechts in 5 bewegt.
Dementsprechend wird ein an irgendeinem mittleren Punkt des Bedienungsstabs 38 befestigtes Nockenelement 51 integriert mit dem Bedienungsstab 38 in 5 nach rechts bewegt, und das Maskenbildungsmittel 41 springt in der Richtung eines Pfeils X zusammen mit dem Auflagetisch 46 hoch, wobei der Stift 46a als Drehachse durch die schräge Nockenfläche 51a des Nockenelements 51 wirkt.
Wenn das lichtdurchlässige Element 31 andererseits in die stereolithographische Stufe A eintritt und an dem Anschlag 39 anstößt, wird der Bedienungsstab 39 durch das lichtdurchlässige Element 31 geschoben und nach links in 5 bewegt. In diesem Fall wird das an irgendeinem mittleren Punkt des Bedienungsstabs 38 befestigte Nockenelement 51 integriert mit dem Bedienungsstab 38 nach links in 5 bewegt, und das Maskenbildungsmittel 41 wird nach unten zu der Maskenbildungsposition zusammen mit dem Auflagetisch 46 entlang der schrägen Nockenfläche 51a des Nockenelements 51 in der Richtung eines Pfeils Y bewegt, wobei der Stift 46a als eine Drehachse wirkt.
Als nächstes soll der Arbeitsgang zum Bilden einer Maske auf dem lichtdurchlässigen Element 31 beschrieben werden.
Die Maske wird während des Prozesses zum Führen des lichtdurchlässigen Elements von der Seite der stereolithographische Stufe A zu der Seite der Bereitschaftsstufe E des lichtdurchlässigen Elements gebildet. In diesem Fall wird das Maskenbildungsmittel 41 zu der Maskenbildungsposition abgesenkt, wie oben beschrieben ist.
Wenn das lichtdurchlässige Element 31 in die Maskenbildungsstufe B eintritt, wird die Oberfläche des lichtdurchlässigen Elements (Glas) 31 durch den Entmagnetisierungskopf 42 entmagnetisiert, und Toner, der an dem lichtdurchlässigen Element 31 in dem vorhergehenden stereolithographischen Arbeitsgang anhaftet, wird durch den Tonerschaber 43 entfernt. Anschließend wird der Ladekopf 44 aufgrund der stereolithographischen Daten für eine fotohärtbare Harzschicht (die von dem Kontroller (nicht gezeigt) ausgegeben werden) gesteuert, um die Oberfläche des lichtdurchlässigen Elements 31 aufgrund der stereolithographischen Daten von einer Schicht zu laden und ein latentes Bild auf dem lichtdurchlässigen Element 31 zu bilden. Danach wird das latente Bild mit Toner in dem Entwickler 45 entwickelt, um die Maske auf der Oberfläche des lichtdurchlässigen Elements zu bilden, und anschließend wird das lichtdurchlässige Element mit der darauf ausgebildeten Maske der Bereitschaftsstufe E für das lichtdurchlässige Element zugeführt.
Wenn das lichtdurchlässige Element 31 der Bereitschaftsstufe E des lichtdurchlässigen Elements zugeführt wird, wird Hochspringen des Maskenbildungsmittels 41 wie oben beschrieben bewirkt, und daher entsteht ein Raum unter dem hochgesprungenen Maskenbildungsmittel 41. Das die Maske aufweisende lichtdurchlässige Element 31 wird durch den Raum geführt, wenn es von der Bereitschaftsstufe E des lichtdurchlässigen Elements zur stereolithographischen Stufe A geführt wird. Wenn das lichtdurchlässige Element 31 der stereolithographischen Stufe A zugeführt wird und an dem Anschlag 39 anstößt, wird das Maskenbildungsmittel 41 wie oben beschrieben nach unten zu der Maskenbildungsposition bewegt und dort in Bereitschaft gehalten.
Wie oben beschrieben ist, wird das der stereolithographischen Stufe A zugeführte lichtdurchlässige Element 31 auf dem Film 17 angeordnet, der die ungehärtete fotohärtbare Harzschicht hält, während es in engen Kontakt mit dem Film 17 gebracht wird.
Wie in 5 gezeigt ist, ist ein Belichtungsgerät 53 zum Flächenbelichten der fotohärtbaren Harzschicht durch die Maske des lichtdurchlässigen Elements 31 auf der oberen Seite der stereolithographischen Stufe A vorgesehen. Das Belichtungsgerät 53 umfasst ein feststehendes Gehäuse 54, das eine Lichtquelle (nicht gezeigt) wie zum Beispiel eine Quecksilberlampe, eine Metall-Halogenlampe, eine UV-Fluoreszenzlampe oder dergleichen enthält, und eine Haube 55 mit einem oberen Endabschnitt 55a verbunden mit dem Gehäuse 54, und einem unteren Endabschnitt 55b, der so nach unten bewegt wird, um frei in Form eines Balges zu expandieren und kontrahieren, wodurch der Maskenabschnitt des lichtdurchlässigen Elements 31 wie in den 8 und 9 gezeigt bedeckt wird. In den 8 und 9 stellt die Bezugsziffer einen Führungsstab dar.
Die Haube 55 ist durch einen Draht 56 aufgehängt, und der Draht 56 wird durch eine fixierte Riemenscheibe geführt und mit einer Aufwickelrolle 58 verbunden. Ein Riemen 59 wird um die Riemenscheibe 58 wie in 5 gezeigt aufgehängt, und der Riemen 59 wird auch um eine Riemenscheibe 61 gehängt, die an der Ausgangswelle eines Motors 60 befestigt ist. In dieser Ausführungsform wird die Haube 55 durch Drehen des Motors 60 vorwärts/rückwärts nach oben/nach unten bewegt.
In dem Belichtungsprozess müssen die Lichtquelle und das lichtdurchlässige Element 31 in einem solchen Abstand voneinander entfernt sein, wie in 5 gezeigt ist. Wenn das Gehäuse 54 und die Haube 55 miteinander integriert sind, muss das Gehäuse 54 von der Position von 5 weiter nach oben bewegt werden, nachdem der Belichtungsvorgang ausgeführt wurde, und die Gesamthöhe des Geräts wird vergrößert. In dieser Ausführungsform ist das Belichtungsgerät jedoch so ausgelegt, dass nur die Haube 55 nach oben/nach unten beweglich ist, so dass die Gesamthöhe des Geräts auf einem niedrigeren Wert gehalten werden kann.
Wenn die Haube 55 zum Bedecken des Maskenabschnitts des lichtdurchlässigen Elements 31 nach unten bewegt wird, werden die Haube 55 und das lichtdurchlässige Element 31 in der stereolithographischen Stufe positioniert, wie später beschrieben wird.
Wie in 10 gezeigt ist, wird das lichtdurchlässige Element 31 zwischen der Maskenbildungsstufe B und der stereolithographischen Stufe A hin- und herbewegt, wobei es durch ein Paar Schienen 65 mit L-förmigem Schnitt gehalten wird. Das Paar von Schienen 67 ist in Schienen 66 auf der Seite des Maskenbildungsmittels und Schienen 67 auf der Seite des Montagetischs unterteilt, und sie werden unabhängig voneinander aufgebaut.
Als nächstes soll ein Positionierungsmechanismus der Haube 55 und des lichtdurchlässigen Elements 31 beschrieben werden.
Bezugnehmend auf 8, ist ein Paar Zylinder 71 und 72 unter dem Montagetisch 3 angeordnet. Eine horizontale Stange 73 ist mit den Stangen der jeweiligen Zylinder 71, 72 verbunden, und ein Paar von Bedienungsstäben 74, 75, die sich vertikal nach oben erstrecken, sind mit beiden der Enden der horizontalen Stange 73 so verbunden, um frei um die Achse der horizontalen Stange 73 drehbar zu sein. Eine Hülse 76 ist an dem äußeren Umfang jedes der Bedienungsstäbe 74, 75 befestigt und eine Führungsnut 76a ist an dem äußeren Umfang der Hülse 76 ausgebildet. Die Führungsnut 76a ist so ausgelegt, dass sie sich spiralförmig erstreckt, und ein an einem Befestigungselement 78 befestigter Stift 77 wird in die Führungsnut 76a eingesetzt.
10 zeigt einen Zustand, in dem das lichtdurchlässige Element 31 in die stereolithographische Stufe A eintritt. Das lichtdurchlässige Element 31 weist einen Aluminiumglasrahmen 31A und eine Glaplatte 31B eingepasst in den Glasrahmen 31A auf, und die Maske wird auf die obere Oberfläche der Glasplatte 31B gezogen. In dem Glasrahmen 31A sind Positionierungsstiftlöcher 81, 82, die so ausgebildet sind, dass sie einander diagonal gegenüberliegen und als ein Anschlag zum Stoppen der Drehbewegung des lichtdurchlässigen Elements 31 in der horizontalen Ebene wirken, und Höhenpositionierungsstiftlöcher 83 bis 86 des lichtdurchlässigen Elements 31 ausgebildet.
Wie in den 11A und 11B gezeigt ist, werden die Positionierungsstifte 91, 92 lösbar in die Positionierungsstiftlöcher 81, 82 eingesetzt. Diese Stifte 91, 92 werden in an dem Befestigungsabschnitt 90 befestigten Körpern 93, 94 aufgenommen und durch Federn 95, 96 nach oben gedrückt. Wie in den 12A, 12B gezeigt ist, stoßen die an dem Befestigungsabschnitt 90 befestigten Positionierungsstifte ferner an die Höhenpositionierungsstiftlöcher 83 bis 86 an.
Als nächstes soll der Positionierungsvorgang beschrieben werden.
In der stereolithographischen Stufe A werden die Seitenschienen 76 des Montagetischs durch Federelemente 101 und 102 gehalten, wie in den 13A und 13B gezeigt ist. In 13A sind die Seitenschienen 67 des Montagetischs 67 so angeordnet, dass sie das lichtdurchlässige Element 31 einfangen, und das lichtdurchlässige Element 31 wird durch die Seitenschienen 66 des Maskenbildungsmittels in der Richtung des Pfeils X geführt.
Wenn das lichtdurchlässige Element 31 in die stereolithographische Stufe A eintritt, wird ein Draht 56 von der Aufwickelrolle 58 abgewickelt, um die Haube 55 nach unten zu bewegen, und das untere Ende 55b der Haube 55 stößt gegen das lichtdurchlässige Element 31 an.
In diesem Zustand wird die die Haube 55 enthaltende Gesamtstruktur durch die Federkraft der Federelemente 101, 102 gehalten, wie in 13A gezeigt ist, und folglich wird Einsetzen der Positionierungsstifte 91, 92, 97 in die Stiftlöcher verhindert.
Anschließend werden die Stangen der Zylinder 71, 72 ausgestreckt, um die horizontale Stange 73 nach unten zu schieben, und das Paar von Bedienungsstäben 74, 75 wird integriert nach unten bewegt. Während des Abwärtsbewegungsprozesses werden die Be dienungsstäbe 74, 75 um die Achse entlang der Form der Führungsnuten 76a gedreht, und die Stellung (Ausrichtung) von Befestigungen 74a, 75a an den oberen Enden der Bedienungsstäbe 74, 75 wird von der von 8 zu der von 9 geändert, und die Vorsprünge 103 der Befestigungen 74a, 75a schieben das untere Ende 55b der Haube 55.
Wie in 12A gezeigt ist, wird der obige Abwärtsschubvorgang angehalten, wenn die Spitzen der Positionierungsstifte 97 an die Stiftlöcher 83 bis 86 anstoßen, wodurch die Höhe des lichtdurchlässigen Elements 31 mit hoher Präzision positioniert werden kann. Wie in 11B gezeigt, werden in diesem Fall die Spitzen der Positionierungsstifte 81 und 82 in die Stiftlöcher 81, 82 eingepasst, und die Drehung des lichtdurchlässigen Elements 31 in der horizontalen Ebene wird verhindert. An der untersten Position wird das lichtdurchlässige Element 31 angehalten, während die Federn 101 und 102 um die Distanz von L verformt werden, wie in 13B gezeigt ist.
Wenn in dieser Konstruktion die auf dem lichtdurchlässigen Element 31 gebildete Maskenposition hinsichtlich ihrer Position in bezug zu dem Montagetisch 3 verschoben wird, wird die Präzision der Stereolithographie gesenkt.
Wenn in dieser Ausführungsform die Haube 44 nach unten bewegt wird und die Maske des lichtdurchlässigen Elements 31 bedeckt, werden die Haube 55, das lichtdurchlässige Element 31 und die Schienen 67 miteinander verbunden. Bis die Schienen 67 gegen die Höhenpositionierungsstifte 97 anstoßen, werden die Haube 55, das lichtdurchlässige Element 31 und die Schienen 67 gegen die Federkraft der Federelemente 101 und 102 nach unten gedrückt, und die Haube 55, das lichtdurchlässige Element 31 und die Schienen 67 werden an dieser Position fixiert. Deshalb wird die Position der auf dem lichtdurchlässigen Element 31 gebildeten Maske nicht in bezug zum Montagetisch 3 verformt, und daher kann der stereolithographische Arbeitsgang mit hoher Präzision durchgeführt werden.
Das Belichtungsgerät 53 ist mit Mitteln versehen, um effektives Einfallen von parallelem Licht auf das lichtdurchlässige Element 31 zuzulassen. 14 ist ein Diagramm, das das Prinzip dieses Mittels zeigt.
Wenn das lichtdurchlässige Element 31 mit einer darauf ausgebildete Maske 111 auf der ungehärteten Harzschicht 110 angebracht wird und anschließend Licht (UV) von einer UV-Quelle durch die Maske 111 auf die ungehärtete Harzschicht 110 gestrahlt wird, erreicht das so aufgestrahlte Licht die ungehärtete Harzschicht 110, während es seitlich gestreut wird, nachdem es die Maske 111 durchquert hat, da die Dicke des lichtdurchlässigen Elements 31 groß ist. Dementsprechend wird die ungehärtete Harzschicht 110 Licht bei einer Breite von W2 ausgesetzt, obwohl sie ursprünglich Licht mit einer Breite von W1 ausgesetzt werden sollte, so dass "Unschärfe" an beiden Grenzseiten der Breite W1 auftritt und daher zusätzliche Härtung erfolgt.
In dieser Ausführungsform ist ein im wesentlichen wabenförmiges Gitter 113 wie in 15 gezeigt zwischen dem Belichtungsgerät 53 und dem lichtdurchlässigen Element 31 vorgesehen. Zum Beispiel kann das Gitter 113 an der Innenseite des unteren Endes 55b der Haube 55 befestigt sein.
Das parallele Licht wird durch das Gitter 113 gebildet und dann auf das lichtdurchlässige Element 31 aufgestrahlt, wodurch das obige Problem gelöst werden kann.
Zum Bilden von parallelem Licht kann das Belichtungsgerät 53 durch eine Reflexionsplatte 115, eine Lichtquelle 116 und eine zylindrische Linse 117 zum Bilden von parallelem Licht aufgebaut sein, wie in 16 gezeigt ist. Das von der zylindrischen Linse 117 emittierte parallele Licht wird durch die Maske 111 geleitet und erreicht die ungehärtete Harzschicht in Form von parallelem Licht. In diesem Fall muss das Belichtungsgerät 53 entlang der Oberfläche des lichtdurchlässigen Elements 31 beweglich sein.
In dem Belichtungsgerät 53 bleibt die Lichtquelle immer eingeschaltet. Deshalb wird, wenn keine Belichtung ausgeführt wird, das von der Lichtquelle emittierte Licht durch eine Blende abgefangen.
17 zeigt den Aufbau der Blende. Wie in 17 gezeigt ist, umfasst die Blende eine lichtundurchlässige Folienbahn 118, die zwischen vier Rollen 119 aufgehängt ist, und ein lichtdurchlässiger Öffnungsabschnitt 120 ist in der Folienbahn 118 ausgebildet.
Das Belichtungsgerät 53 mit der Lichtquelle, die immer eingeschaltet bleibt, ist innerhalb der Folienbahn 118 angeordnet, und das Belichtungsgerät 53 weist eine Lichtausstrahlöffnung an der Unterfläche desselben auf (nicht gezeigt).
17 zeigt den Lichtabfangzustand der Blende. Wenn die Folienbahn 118 in der Richtung eines Pfeils X gedreht und der lichtdurchlässige Öffnungsabschnitt 120 der Lichtausstrahlöffnung gegenüberliegt, wird die Belichtung durchgeführt. Eine Mehrzahl von lichtdurchlässigen Öffnungsabschnitten 120 können in der Folienbahn ausgebildet sein, insofern dies in der Blendenauslegung möglich ist.
Wenn das Blech 118 in der Richtung des Pfeils X gedreht und die Ausstrahlöffnung zur Außenseite geöffnet wird, beginnt sich die Lichtausstrahlöffnung vom rechten Ende in 17 zu öffnen. Dementsprechend ist die Belichtungsgröße am rechten Ende größer als die am linken Ende. Wenn die Folienbahn 118 jedoch in die Richtung des Pfeils X gedreht wird und die Lichtausstrahlöffnung geschlossen wird, wird die Lichtausstrahlöffnung beginnend vom rechten Ende in 17 geschlossen. Deshalb ist die Belichtungsgröße am rechten Ende kleiner als die am linken Ende.
Dementsprechend wird in dieser Ausführungsform verhindert, dass die Belichtungsgröße an einem des rechten oder linken Endes der Lichtausstrahlöffnung verglichen mit der Belichtungsgröße am anderen Ende vergrößert/reduziert wird, und daher wird die Belichtungsgröße über der Lichtausstrahlöffnung gemittelt. Deshalb kann die ungehärtete Harzschicht perfekt gehärtet werden.
Die 18A bis 18C sind Diagramme, die den Aufbau einer anderen Blende zeigen.
Die Blende dieser Ausführungsform weist eine Mehrzahl lichtundurchlässiger Platten 121 an der Lichtausstrahlöffnung des Belichtungsgeräts 53 auf, wobei die Platten 121 zur rechten und linken Seite geteilt werden. Zum Beispiel weist jede der lichtundurchlässigen Platten 121 drei Platten auf, die miteinander so verbunden sind, dass sie frei auseinandergeschoben und zusammengeschoben werden. 18A zeigt einen Fall, in dem die lichtundurchlässige Platte 121 auf der rechten Seite angeordnet ist, um die Lichtausstrahlöffnung zu verschließen. 18B zeigt einen Fall, in dem die Lichtausstrahlöffnung geöffnet ist und 18C zeigt einen Fall, in dem die lichtundurchlässige Platte 121 auf der linken Seite so angeordnet ist, um die Lichtausstrahlöffnung zu verschließen.
In dieser Ausführungsform besteht die Blende aus den mehreren lichtundurchlässigen Platten 121, die miteinander so verbunden sind, um frei auseinandergezogen und zusammengeschoben zu werden, und der Belichtungs-/Lichtabfangvorgang wird durch abwechselndes Ändern der Öffnungs-/Schließrichtung der Blende gesteuert. Deshalb kann zur offenen geschlossenen Zeit der Lichtausstrahlöffnung verhindert werden, dass die Belichtungsgröße nur eines Endes der Lichtausstrahlöffnung größer als die des anderen Endes ansteigt. Aus diesem Grund kann die Belichtungsgröße gemittelt werden, und die perfekte Erhärtung der ungehärteten fotohärtbaren Harzschicht kann erreicht werden. Die Blende der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die obige Blende mit mehreren lichtundurchlässigen Platten 121 begrenzt, die miteinander so verbunden sind, um frei auseinandergezogen und zusammengeschoben zu werden, und sie kann eine einzige lichtundurchlässige Platte aufweisen.
Wenn der stereolithographische Arbeitsgang für eine Schicht in der stereolithographischen Stufe A abgeschlossen ist, wird ein lichtdurchlässiges Element 31 der Maskenbildungsstufe B wie oben beschrieben zugeführt.
In der Maskenbildungsstufe B wird die Maske von dem lichtdurchlässigen Element 31 entfernt, und eine neue Maske wird auf dem lichtdurchlässigen Element 31 ausgebildet. In dem Prozess zum Bilden einer Maske auf dem lichtdurchlässigen Element wird das lichtdurchlässige Element 31 entlang der beiden Seitenschienen 66 des Maskenbildungsmittels bewegt und von einer Schienenseite zur anderen Schienenseite gepresst, um in der Breitenrichtung derselben positioniert zu werden. In diesem Fall kann eine Pressrolle oder dergleichen an einer Schienenseite vorgesehen sein.
Wie oben beschrieben ist, wird die Maske auf dem so positionierten lichtdurchlässigen Element 31 ausgebildet, so dass die Position der Maske mit hoher Präzision bestimmt werden kann.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obige Ausführungsform begrenzt und verschiedene Modifikationen können an der obigen Ausführungsform vorgenommen werden.
Zum Beispiel wird in der obigen Ausführungsform das dreidimensionale Objekt stereolithographisch gebildet und in der vertikalen Richtung laminiert. Wenn jedoch ein großes dreidimensionales Objekt gebildet wird, wird es nicht stereolithographisch in der vertikalen Richtung laminiert, sondern kann stereolithographisch in der Seitenrichtung laminiert werden.
In diesem Fall ist das stereolithographische Gerät so ausgelegt, dass der stereolithographische Tisch seitlich Schicht für Schicht zurückbewegt wird, oder ein Mittel zum Bilden einer fotohärtbaren Harzschicht in der Seitenrichtung Schicht für Schicht zurückbewegt wird.
In den obigen Ausführungsformen wird das lichtdurchlässige Element mit der Maske auf der ungehärteten fotohärtbaren Harzschicht oder dem lichtdurchlässigen Film angeordnet, während es in engem Kontakt mit der ungehärteten fotohärtbaren Harzschicht oder dem lichtdurchlässigen Film gehalten wird. In der vorliegenden Erfindung kann das lichtdurchlässige Element mit der Maske jedoch über der ungehärteten fotohärtbaren Harzschicht oder dem lichtdurchlässigen Film angeordnet werden, das heißt, es ist nicht erforderlich, das lichtdurchlässige Element mit der Maske in engem Kontakt mit der ungehärteten fotohärtbaren Harzschicht oder dem lichtdurchlässigen Film zu halten.
Der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zufolge kann die Flächenbelichtung mit einer einfachen Konstruktion ausgeführt werden. Deshalb kann die Belichtungsgeschwindigkeit verglichen mit dem konventionellen Abtastsystem weiter verbessert werden, und die stereolithographische Verarbeitungszeit kann verkürzt werden. Außerdem ist Bearbeitung wie zum Beispiel Beschneiden etc. nach dem Belichtungsvorgang nicht erforderlich, und der stereolithographische Vorgang kann mit hoher Präzision ausgeführt werden.

Claims

Stereolithografisches Gerät (1) zum Aufstrahlen von Licht auf eine ungehärtete fotohärtbare Harzschicht (110) auf Grundlage von Daten über Stereolithografie zum optischen Ausbilden eines gewünschten dreidimensionalen Objektes mit: Mitteln (41) zum Bilden einer Maske (111) auf einem lichtdurchlässigem Element (31) auf Grundlage der fotolithografischen Daten für eine Schicht des fotohärtbaren Harzes, Mitteln (D) zum Bilden der ungehärteten Harzschicht (110) aus fotohärtbarem Harz, wobei die Mittel (D) eine Vorrichtung (14) aufweisen zum Speichern von fotohärtbarem Harz darin und zum Zuführen des fotohärtbaren Harzes, das so gespeichert wurde, zu einer Oberfläche, auf der die gehärtete Harzschicht auszubilden ist, und wobei die Vorrichtung (14) oberhalb der Oberfläche angeordnet ist, sodass sie hin- und her in einem Bewegungsdurchlass zwischen einer Bereitschaftsposition und einer Zufuhrposition für fotohärtbares Harz bewegbar ist, Mitteln (15) zum Abziehen überflüssigen fotohärtbaren Harzes, das von der Vorrichtung (14) zu der Oberfläche geliefert und von dem Bewegungsdurchlass getropft wird, Mitteln zum Anordnen des lichtdurchlässigen Elementes (31) mit der Maske (111) auf der ungehärteten Harzschicht (110), während das lichtdurchlässige Element (31) in direktem Kontakt mit der ungehärteten Harzschicht (110) gebracht wird, Belichtungsmitteln (35) zum Belichten der ungehärteten Harzschicht (110) mit Licht durch die Maske (111) zum Härten des fotohärtbaren Harzes auf der ungehärteten Harzschicht (110), und Evakuierungsmittel zum Evakuieren des lichtdurchlässigen Elementes (31) von der gehärteten fotohärtbaren Harzschicht nach dem das fotohärtbare Harz der ungehärteten Harzschicht (110) Licht ausgesetzt wurde, wobei das gewünschte dreidimensionale Objekt durch Wiederholen der Stereolithografie unter Verwendung der jeweiligen Mittel durchgeführt wird.
Stereolithografisches Gerät (1) nach Anspruch 1, wobei das Entfernungsmittel (15, 16) unterhalb des Bewegungsdurchlasses vorgesehen ist.
Stereolithogafisches Gerät (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das lichtdurchlässige Element (31) eine Glasplatte aufweist.
Stereolithografisches Gerät (1) nach den Ansprüchen 1 bis 3, wobei das Belichtungsmittel eine Belichtungsvorrichtung aufweist zum Flächenbelichten von fotohärtbarem Harz durch die Maske und die Belichtungsvorrichtung eine Haube (35) aufweist, die abgesenkt wird, um das lichtdurchlässige Element (31) abzudecken, wenn die Flächenbelichtung durchgeführt wird.
Stereolithografisches Gerät (1) nach Anspruch 4, wobei die Belichtungsvorrichtung ferner eine Lichtquelle und ein festes Gehäuse zur Aufnahme der Lichtquelle darin aufweist, wobei die Haube ein oberes Ende aufweist, das mit dem Gehäuse verbunden ist, und ein unteres Ende, das nach unten bewegt wird, das frei expandieren und kontrahieren kann, in Form eines Balges, um das lichtdurchlässige Element abzudecken.
Stereolithografisches Gerät (1) nach Anspruch 5, wobei die Haube (55) durch einen Draht (56) aufgehängt ist und der Draht (65) frei durch einen Motor (60) aufgewickelt wird.
Stereolithografisches Gerät (1) nach Anspruch 4, wobei die Haube (55) und das lichtdurchlässige Element (31) miteinander verbunden und zueinander positioniert werden, wenn die Haube (55) nach unten bewegt wird und das lichtdurchlässige Element (31) abdeckt.
Stereolithografisches Gerät nach Anspruch 4 mit ferner einem Schienenelement (67), das durch ein Federelement (101, 102) nach oben gezwängt wird und das lichtdurchlässige Element (31) stützt, um das lichtdurchlässige Element (31) frei nach oben und nach unten zu bewegen, und Fixiermittel zum Verbinden der Haube (55), des lichtdurchlässigen Elementes (31) und des Schienenelementes miteinander, wenn die Haube (55) nach unten bewegt wird und das lichtdurchlässige Element (31) abdeckt, zum Schieben des lichtdurchlässigen Elementes (31) und des Schienenelementes (67) durch die Federkraft des Federelementes (101, 102) bis das Schienenelement (67) gegen einen Höhenpositionierstift stößt, und zum Fixieren der Haube (55), des lichtdurchlässigen Elementes (31) und des Schienenelementes (67) in der Position, in der das Schienenelement (67) gegen den Höhenpositionierungsstift (97) anschlägt.
Stereolithografisches Gerät (1) nach Anspruch 8 mit ferner einem Positionierungsstift, der in ein Stiftloch in dem lichtdurchlässigen Element (31) eingepasst ist, um die Drehung des lichtdurchlässigen Elementes (31) in der Horizontalebene zu verhindern, wenn die Haube (55), das lichtdurchlässige Element (31) und das Schienenelement (67) gegen die Federkraft des Federelementes (101, 102) nach unten geschoben werden.
Stereolithografisches Gerät (1) nach Anspruch 9, wobei der Positionierstift schräg angeordnet ist.