梁海怡：グレースケール投影に基づくDLP光硬化形状制御技術

2024年付加製造産業発展フォーラムおよび付加製造産業年次会議フォーラムにおいて、中国科学技術大学の梁海怡教授が「グレースケール投影に基づくDLP光硬化形状制御技術」について報告しました。

梁海怡：本日は、私たちの最近の研究成果の 1 つを皆さんにご紹介できることを大変光栄に思います。

グレースケール投影は主に、DLP 印刷におけるいくつかの精度の問題を解決するために使用されます。

1 つ目は研究の背景です。光硬化技術には多くの種類があることはわかっています。たとえば、一般的なステレオリソグラフィーは点から光への露光であり、樹脂光処理は表面露光です。最近開発された技術である CIL 技術は体積露光です。印刷方法は異なりますが、成形に光を使用するという共通点があります。樹脂内に適切な光量を与える空間を正しく設計することが、精密な印刷を実現するための前提条件です。

もちろん、現時点では、人々はこの技術にあまり注目していないようですが、それが私たちがこれを行っている理由です。このトピックでは、DLP の例に特に注目します。成形プラットフォームと離型フィルムの間に、まず数十ミクロン程度の非常に薄い液体膜が形成されることがわかっています。液膜が形成された後、プロジェクターがオンになり、液膜が投影されて固まります。これにより、リリースフィルムが持ち上げられ、一定の高さに達すると、リリースフィルムが剥がれます。次に、プラットフォームが下降して別の液膜層を形成し、次の露光を待ちます。このサイクルを繰り返すことで、複雑な3次元オブジェクトを作成できます。ここで注目すべき重要なポイントがあります。投影露光段階では、現在、左側の光を使用しています。これは通常、モデルの単純で均一なスライスです。輪郭を形成した後、輪郭は照射のために均一な光で満たされます。

しかし、後でわかるように、この均一な光では境界の復元設計の精度が低下します。私たちの研究結果では、右側の光がこの不均一な光に近くなり、特にエッジで振動減衰する光の方がより良い結果が得られることがわかりました。

では、まずこの質問に答えましょう。均一な光はなぜ悪い結果をもたらすのでしょうか?これは左側のものです。これが私たちのモデルです。この平面に穴を開けたいので、通常はこの幾何学的な光を使って照らしますが、結果的には通常、穴の白い枠が穴、つまり丸い角であることが示されます。これは別の例です。右側も同じです。垂直に印刷したい場合、光は下から照射されますが、光は一定の深さまで投影できることがわかっており、作りたくない穴が固まってしまい、結果として小さな穴になります。一部の研究者は、精度を変えて精度を向上させたいと考え、光の垂直浸透性能を考慮して、広範囲の数式を確立しました。精度の向上に努めましたが、結果が見えました。以前のものは非常に悪かったです。修正後、実際には改善されましたが、元の設計図と比較すると、まだ大きなギャップがあります。

この3次元の場合も同じ方法が使われています。上部はモデルで、中央部分は均一な光で作られています。多くの場所が丸いことがわかります。修正後、良くなったように見えますが、まだそれほど正確ではありません。

では、この問題に対して、なぜこのようなことが起こるのか考えてみましょう。では、この問題の根本はどこにあるのでしょうか。DLP 光が上向きに照射されると、光の伝播の原理により、水平面内でガウス分布し、垂直方向に徐々に減衰することが分かっています。ただし、投影深度があり、これにより、形成された部分がさらに照射され、形状がさらに変化します。

もちろん、現在の単純な均一光ではこれらのことが考慮されていないため、結果があまり良くない場合もあります。私たちの研究目標は、最適化アルゴリズムを通じてグレースケール光の投影を取得し、精度を向上させることです。

DLP デバイスでは、DMD チップ上に多数のマイクロミラーがあることがわかっています。適切な制御アルゴリズムにより、単一のマイクロミラーまたは複数のマイクロミラーの投影を実現できます。 1 つのマイクロミラーだけを点灯した状態で単一のマイクロミラーを見ると、投影スクリーンまたはリリースフィルム上にこのような光点が見えます。これが上向きに伝播し続けると、この図は樹脂内の光の分布を反映します。したがって、非常に小さな正方形断面の円筒が得られることは予測できず、右端の円錐柱のみが得られると予測されます。例えば、ライトが複数ある場合は、離型フィルム上に3つのライトを重ね合わせます。右の写真は、樹脂上のライト全体の分布でもあります。

光の伝播特性がわかったら、層状に印刷する場合を考えます。たとえば、これは層で、100 ミクロン以上であると仮定し、2,000 ミクロンのライン印刷を実現したいのですが、光の分布をよく見ると境界がはっきりせず、明確な境界がないため、2,000 ミクロンの細い線が得られると予測することはできません。

光が上向きに伝播すると、2 番目、3 番目、さらには 4 番目の層が現在の光によってさらに照らされ、輪郭がさらに変化します。そのため、この問題に対処するために、ターゲットの空間的な定量的分布を取得することを期待して、最適化アルゴリズムを使用しました。ここで、T はターゲット、E は取得しようとしている設計パターンの分布です。このアルゴリズムに基づいて、さまざまな例を検証します。たとえば、プリズムを印刷する場合、通常の方法に従うと、1 つ、2 つ、3 つの断面が必要になります。通常のものは上部に通常の均一な光があり、下部のグレースケール光は最適化アルゴリズムによって取得されます。

次にこれを見てください。もちろん、最初の列はモデルの断面です。中央の断面を均一な光で照らすと、比較的丸みを帯びた角柱が得られます。これは、幾何学的モデルの正確な復元ではありません。グレースケールの光を使用した場合の違いはかなり大きく、非常にまっすぐです。一番右の写真は、下の 3 つの写真をまとめたアウトラインです。中央の光は、中央のアウトラインの最も外側に突き出ているアウトラインであることがわかります。このモデルのアウトラインは、グレースケールライトで取得したアウトラインとほぼ完全に重なり、より良い結果が得られます。

より複雑なモデルの場合、たとえば、曲線の境界を持つオブジェクトを印刷する場合、均一な光は中央の列にのみ存在し、これがグレースケールの光となります。同様に、3 つの輪郭が重ね合わされます。最も外側の輪郭は、均一な光の結果である不良形状です。

これは別の例です。T ステージの真ん中に穴があります。これは中間部分です。真ん中のパイプはまっすぐです。均一な光を使用すると、少なくとも真ん中のパイプは明らかにデザインの直線から外れており、エッジはそれほどまっすぐではないことがわかります。これら 3 つを組み合わせると、グレースケールの光といくつかのデザインがほぼ完全に重なっていることがわかります。

最後の例は、たとえば 4.5 mm x 4.5 x 2 の小さな立方体の内部に空間チャネルを作成した例です。ここでは CT スキャンを使用しなかったため、内部にチャネルは見つかりませんでした。グレースケールの光でチャネルが確認されました。結果はわずかにずれており、いくつかの場所はほとんど重なっていました。

要約すると、現在の DLP 均一光投影アルゴリズムによって生じる精度の問題に対処しました。光のガウス伝播特性を考慮し、最適化アルゴリズムを使用することで、少なくとも大幅に精度が向上したグレースケール光スライスを取得しました。次に、CT スキャンで結果を検証しました。次の作業では、樹脂の弾性が印刷部品の弾性変形に与える影響と、硬化領域と樹脂界面での光の屈折をさらに考慮する予定です。これは基本的に私たちが行ったことの結果です。

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