JP2000272016A - 径の異なる複数のビームを使用して三次元物体をステレオリソグラフィーで形成する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 三次元物体を、材料の連続する層を所定の刺
激のビームに選択的に露出することによって層ベースで
形成するためのラピッドプロトタイピング・アンド・マ
ニファクチャリング方法および装置を提供する。 【解決手段】 物体形成は径の大きいビームで露光すべ
き層部分（大スポット部分）と径の小さいビームで露光
すべき層部分（小スポット部分）とを表すデータによっ
て制御される。望ましい実施の形態においては各層にお
いて径の大きいビームで露光すべき層部分を先に形成し
てから径の小さいビームで露光すべき層部分を形成す
る。最後に層の輪郭全体を径の小さいビームで露光す
る。露光時間を短縮するためにはどの部分を径の大きい
ビームで露光すべきか、また形成される層の精度を維持
するためにはどの部分を径の小さいビームで露光すべき
か、を決めるためにデータ処理技術を使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は三次元物体をラピッ
ドプロトタイピング・アンド・マニファクチャリング技
術で形成する方法及び装置、さらに詳しくは径の異なる
複数の電磁線ビームを使用して三次元物体をステレオリ
ソグラフィーで形成する方法および装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】ラピッドプロトタイピング・アンド・マ
ニファクチャリング（Rapid Prototyping and Manufact
uring : RP&M）とは三次元物体を、その物体を表すコン
ピュータデータから迅速かつ自動的に形成するのに使用
することができる技術分野を称するものである。このラ
ピッドプロトタイピング？アンド？マニファクチャリン
グは3種類の技術、すなわち（１）ステレオリソグラフ
ィー(stereolithography)、（２）選択積層造形(select
ive deposition modeling)、（３）積層体造形(laminat
ed object manufacturing)を含む概念とみなすことがで
きる。 ステレオリソグラフィーにおいては、形成済みの材料の
層の上に次々に流体状材料の層を形成し、これらの層を
硬化させるとともに互いに結合させることによって三次
元物体を形成する。これらの層は形成すべき三次元物体
の連続する複数のスライスを表す断面データに従って選
択的に硬化される。連続する硬化層の結合は一般には重
合の際に両層間の化学的結合、単にステレオリソグラフ
ィーと称されるあるステレオリソグラフィー技術では、
選択的に刺激にさらすことによって選択的に硬化する流
体状材料が使用される。その流体状材料は一般には感光
性重合体であり、それを硬化させる刺激は一般には可視
域あるいは紫外域の電磁線である。電磁線はレーザーか
ら発せられるのが普通であるが、アークランプ、抵抗発
光ランプ等の他の光源を使用してもよい。露光はビーム
で走査することによって行ってもよいし、電磁線を選択
的に透過あるいは反射するライトバルブを使用してフラ
ッド露光を制御することによって行ってもよい。液体ベ
ースのステレオリソグラフィーは、後述する「関連特
許、出願、および公報」に記載するように、多くの特
許、出願、および公報に開示されている。 もう一つのステレオリソグラフィー技術は選択レーザー
焼結（selective lasersintering : SLS）と称されるも
のである。この選択レーザー焼結は粉体材料の層を赤外
域の電磁線にさらすことによって粒子を焼結あるいは融
着させて選択的に硬化させるものである。選択レーザー
焼結は１９８９年９月５日にDeckardに与えられた米国
特許４，８６３，５３８に開示されている。三つ目の技
術は三次元印刷(three-dimensional printing : 3DP)と
称されるものである。三次元印刷は粉体材料の層に選択
的にバインダーを供与することによってその粉体材料の
層を選択的に硬化させるものである。三次元印刷は１９
９３年４月２０日にSachs等に与えられた米国特許５，
２０４，０５５に開示されている。 本発明は液体ベースの材料を使用するステレオリソグラ
フィーに主に関わるものであるが、本発明の技術は他の
ステレオリソグラフィー技術においても、物体の形成時
間を短くしたり、物体の解像度を上げたりするのに利用
することができる。 選択積層造形ＳＤＭは形成すべき三次元物体のスライス
を表す断面データにしたがって、硬化可能な材料を一層
ずつ順次積層して三次元物体を造形するものである。こ
の技術の一つは溶融積層造形(fused deposition modeli
ng : ＦＤＭ)と称するもので、形成済みの層の上に載せ
ると硬化する、加熱した流動性材料を押し出すものであ
る。溶融積層造形は１９９２年６月９日にCrumpに与えら
れた米国特許５，１２１，３２９に開示されている。も
う一つの選択積層造形は弾道粒子造形(ballistic parti
cle manufacturing : ＢＰＭ)と称するもので、５軸の
インクジェットを使用して、材料の粒を三次元物体の形
成済みの層の上に吹きつけるものである。弾道粒子造形
は１９９６年５月２日にそれぞれ発行されたＰＣＴ公報
ＷＯ９６／１２６０７(Brown等）、ＷＯ９６／１２６０
８(Brown等）、ＷＯ１２６０９(Menhenett等）、ＷＯ１
２６１０(Menhenett等）に開示されている。三つ目の選
択積層造形はマルチジェット造形(multijet modeling :
ＭＪＭ)と称されるもので、材料の粒を複数のインクジ
ェットオリフィスから選択的に発射して造形工程をスピ
ードアップするものである。マルチジェット造形は１９
９６年９月２７日にそれぞれ出願された米国特許出願０
８／７２２、３２６(Earl等）、０８／７２２、３３５
(Leyden等）(共に３Ｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ， Ｉｎｃ．，
に譲渡済み）に開示されている。 前述のように、本発明は液体ベースの材料を使用するス
テレオリソグラフィーに主に関わるものであるが、本発
明の技術はＳＤＭ技術においても、物体の形成時間を短
くしたり、物体の解像度を上げたりするのに利用するこ
とができる。 積層体造形ＬＯＭは形成すべき三次元物体を表す断面デ
ータにしたがって、シート材料を積層、結合し、選択的
に切断するものである。積層体造形は１９８８年６月２
１日にFeyginに与えられた米国特許４，７５２，３５
２、１９９１年５月１４日にKinzieに与えられた米国特
許５，０１５，３１２、および１９９５年６月６日発行
のPCT公報ＷＯ９５／１８００９(Morita等）に開示され
ている。 本発明の技術はＬＯＭにおいて形成すべき物体の断面を
切り出し、非物体部分を切り取るのにレーザー光線ある
いは機械的な切断工具を使用した場合に物体の解像度を
上げるに応用することができる。 物体形成速度を上げるための様々な技術が提案されてい
る。１９９２年２月１８日に平野に与えられた米国特許
５，０８９，１８５には特に多くの技術が開示されてい
る。この特許には、光束の径よりも厚みが大きい部分に
は径の大きい光束を使用し、その径の大きい光束よりも
厚みが小さい部分には径の小さい光束を使用することが
開示されている。この特許には、径の小さい光束は低出
力のレーザーに接続し、径の大きい光束は高出力のレー
ザーに接続することが示唆されている。 この特許は大径の光束と小径の光束を使い分けることを
教えてはいるが，小径の光束を使用しなければならない
領域と大径の光束を使用してもよい領域を見分けるため
のデータ操作については触れていない。さらにこの特許
は、大径の光束を使用する部分と小径の光束を使用する
部分を決定するときに、断面領域を識別する重要性につ
いても触れていない。 このように、径の異なる複数の光ビームを自動的に、効
率的に、かつ信頼性を持って使用することのできる技術
が求められている。他の関連特許、出願および公報 上述のまた以下で言及する特許、出願および公報(以下
これらを総称して単に公報という)はその全文をここに
引用したものとする。表１は本出願人が共有する特許お
よび特許出願の表である。また各公報の主題を読者の便
宜を図るために表1に記載する。なお表1に記載した主題
はその公報の内容を限定するためのものではなく、一例
としてあげたに過ぎず各公報の内容はすべてここに引用
したものとする。これらの文献に記載された技術は本発
明の技術と様々に組合わせて使用することができる。例
えば、データ操作の技術は本発明の技術と組み合わせ
て、より精度よく、より効率的に物体を形成するための
より有用な物体データを得るのに使用することができ
る。また、これらの文献に記載されている様々な装置構
成を本発明の特徴とともに使用してもよい。

【表１】

【表２】

【表３】

【表４】

【表５】 次の２冊の書物もその全文をここに引用したものとす
る。 （１）"Rapid Prototyping and Manufacturing : Funda
mentals of Stereolithography"、Paul F. Jacobs著、
ミシガン州デアボン、"the Society of Manufacturing
Engineers"１９９２年発行、（２）"Stereolithography
and other RP&M Technologies : from Rapid Prototyp
ing to Rapid Tooling"、 Paul F. Jacobs著、ミシガン
州デアボン、"the Society of Manufacturing Engineer
s"１９９６年発行、

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の第1の目的は
ＲＰ＆Mを使用して三次元物体を形成する改良された方
法を提供することである。 本発明の第2の目的は短時間で三次元物体を形成するこ
とである。 本発明の第3の目的は解像度の高い三次元物体を形成す
ることである。 本発明の第4の目的は異なる次元の物体形成技術を使用
しての物体形成を制御するデータを提供することであ
る。 本発明は上記目的をそれぞれ単独であるいはそのいくつ
かを同時に達成しようとするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】第1の発明は三次元物体
を材料の連続する層を所定の刺激のビームに露出するこ
とによって複数の互いに結合した層で形成するための方
法を提供するものであり、その方法は（１）三次元物体
を表すデータを作成し、（２）所定の刺激の、第1の寸
法の第1のビームを発生させ、（３）所定の刺激の、第1
の寸法より大きい第2の寸法の第２のビームを発生さ
せ、（４）前記データの操作によって前記第2の寸法の
第2のビームによって形成すべき断面部分を表すデータ
と前記第１の寸法の第１のビームによって形成すべき断
面部分を表すデータとを含む変更されたデータを作成
し、（５）物体の次の層を形成するために形成済みの層
に隣接して材料の層を形成し、（６）その材料の層を前
記変更されたデータにしたがって、前記第1のビームお
よび・または第2のビームに露出して物体の次の層を形
成し、（７）層の形成と刺激への露出を繰り返して、前
記物体を複数の互いに結合した層で形成することを特徴
とするものである。 第２の発明は三次元物体を材料の連続する層を所定の刺
激のビームに露出することによって複数の互いに結合し
た層で形成するための装置を提供するものであり、その
装置は（１）三次元物体を表すデータを受け取る手段、
（２）所定の刺激の、第1の寸法の第1のビームを発生さ
せる手段、（３）所定の刺激の、第1の寸法より大きい
第2の寸法の第２のビームを発生させる手段、（４）前
記データの操作によって前記第2の寸法の第2のビームに
よって形成すべき断面部分を表すデータと前記第１の寸
法の第１のビームによって形成すべき断面部分を表すデ
ータとを含む変更されたデータを作成するデータ操作手
段、（５）物体の次の層を形成するために形成済みの層
に隣接して材料の層を形成する層形成手段、（６）その
材料の層を前記変更されたデータにしたがって、前記第
1のビームおよび・または第2のビームに露出して物体の
次の層を形成する露出手段、および（７）前記層形成手
段と露出手段を駆動して、前記物体を複数の互いに結合
した層で形成する手段からなることを特徴とするもので
ある。 第３の発明は三次元物体を材料の連続する層を所定の刺
激のビームに露出することによって複数の互いに結合し
た層で形成するための装置を提供するものであり、その
装置は（１）三次元物体を表すデータを受け取るメモリ
ー、（２）所定の刺激の、第1の寸法の第1のビームを発
生させる第1のビーム源、（３）所定の刺激の、第1の寸
法より大きい第2の寸法の第２のビームを発生させる第2
のビーム源、（４）前記データの操作によって前記第2
の寸法の第2のビームによって形成すべき断面部分を表
すデータと前記第１の寸法の第１のビームによって形成
すべき断面部分を表すデータとを含む変更されたデータ
を作成するようにプログラムされたコンピュータ、
（５）物体の次の層を形成するために形成済みの層に隣
接して材料の層を形成するリコーティング装置、（６）
その材料の層を前記変更されたデータにしたがって、前
記第1のビームおよび・または第2のビームに露出して物
体の次の層を形成する走査装置、および（７）前記層形
成手段と露出手段を駆動して、前記物体を複数の互いに
結合した層で形成する制御装置からなることを特徴とす
るものである。 本発明のさらに他の特徴および目的はは添付の図面を参
照して以下に説明する本発明の実施の形態およびその変
更例によって明らかになるであろう。また本発明のさら
に他の特徴は上述した各発明を様々に組み合わせること
によって得られるものである。

【０００５】

【発明の実施の形態】図１、図２は本発明の方法を実施
するのに望ましいステレオリソグラフィー装置（SLA)１
の一例を示す図である。ステレオリソグラフィー装置の
基本的な構成については上述のように、米国特許４，５
７５，３３０、５，１８４，３０７、５，１８２，７１
５に記載されている。図１、２に示すように望ましいス
テレオリソグラフィー装置１は物体１５を形成する物体
形成材料５(例えば感光性ポリマ−)を保持する容器３、
昇降機駆動手段(図示せず)によって駆動される昇降機
７、昇降台９、露光装置１１、リコーティングバー駆動
装置(図示せず)によって駆動されるリコーティングバー
１３、および物体データを操作する(必要に応じて)とと
もに露光装置１１、昇降機７およびリコーティングバー
１３を制御するコンピュータからなっている。

【０００６】図1に示す状態では形成途中の物体がその
最新の層が物体形成材料5の上面の所望のレベル（すな
わち所望の作業面）の１層の厚み分だけ下に位置するよ
うに下降されている。層厚が小さく材料の粘土が高いた
め、図１の状態では昇降台９を下降させても最新の層
（直前に形成された層）の上に材料が流れ込んでいな
い。これに対して図２の状態では、リコーティングバー
１３が最新の層を横切って途中までスイープされてお
り、それに伴って物体形成材料の次の層の一部が形成さ
れている。 望ましい露光装置の例が、米国特許５，０５８，９８
８、５，０５９，０２１、５，１２３，７３４および
５，１３３，９８７、および米国特許出願０８／７９
２,３４７ および０９／？？？,？？？（社内番号ＵＳ
Ａ１９９）等に記載されている。望ましい露光装置はレ
ーザー、ビーム収束装置、およびXY方向に回転するコン
ピュータ制御の一対の走査ミラー(モータ駆動のもので
もよいし、ガルバノメータ方式のものでもよい）からな
っている。

【０００７】図３は望ましいステレオリソグラフィー装
置１の一部のブロック図である。露光装置は所望のパル
ス繰り返しレート（例えば、２２.５−４０ＫＨｚ）で
パルスビームを発生するＩＲレーザーヘッド７０を備え
ている。露光装置はさらに、ＡＯＭ７２、第１の周波数
変換結晶（ＦＣ１）７４、第２の周波数変換結晶（ＦＣ
２）７６、一対の光路折り返しミラー７８、集光光学系
８０、一対のＸＹ走査ミラー８２および光検出器８４を
備えている。制御コンピュータ６７は特に走査ミラー８
２、ＡＯＭ７２，検出器８４および集光光学系８２を制
御する。ＩＲレーザーヘッド７０から出力されたビーム
の光路は８６で示されている。集光光学系８２は少なく
とも２つの径の異なるビームを作るように制御されるの
が望ましい。またＡＯＭはビームサイズ等の複数の基準
に基づいてビームのパワーを調節するように制御される
のが望ましい。 走査ミラーはビームの光路を変更して、ビームを物体形
成材料５に向けたり、あるいは検出器８４等に向けたり
するのに使用される。走査ミラーより下流の光路は８
６′、８６″、８６''' で表され、ビームが差し向けら
れる方向の例を示す。ＡＯＭはＩＲレーザーヘッド７０
から第1、第２の周波数変換結晶に進行するビームのパ
ワーを設定するものである。第1、第２の周波数変換結晶
に進行するのを許されるビームはＡＯＭからの一次光路
に沿って送られる。他の次数の光路（例えば、０次、二
次の光路を通っては第1、第２の周波数変換結晶に到達
できない。集光光学系はビームを材料５の表面２０上で
所望の径に絞るのに使用される。 図４には露光装置のビーム発生部分が詳細に示されてい
る。ビーム発生部分はレーザーヘッド６８、ＩＲを発生
するレーザーダイオード７１、ファイバーオプチックス
ケ−ブル６９を備えている。レーザーダイオード７１は
約１８ワットで約８０８ｎｍの光を発生する。ファイバ
ーオプチックスケ−ブル６９はレーザーダイオード７１
の出力をＵＶレーザーヘッド内のＩＲレーザー７０に導
く。ファイバーオプチックスケ−ブル６９からの光はＩ
Ｒレーザー７０の励起光となる。ＩＲレーザー７０は
１．０６４μの光を発生し、その光は音響光学変調器
（ＡＯＭ）７２に入射せしめられる。このＡＯＭ７２は
ビームのパワーを異なる割合で異なる光路に偏向するこ
とによってビームのパワーを制御する。０次の光路は２
つの三角形の光学部材７３によって形成されるトラップ
に光線を導く。一次の光路は光線の偏光方向を回転させ
る半波長板７５の光線を導く。 半波長板７５を通過した光線はアパーチャー７７を通っ
て周波数変換モジュール９３に入射する。光線はアパー
チャー７７から集光ミラー７９′に入射し、反射されて
第１の周波数変換結晶７４に入射する。第１の周波数変
換結晶７４は光線（第１の光線）の一部を周波数が元の
周波数の２倍である第２の光線に変換する。元の周波数
（第１の光線）の残りの部分とその周波数が元の周波数
の２倍である第２の光線は第２、第３の集光ミラー７
９″、７９''' を経由して第２の周波数変換結晶７６に
入射する。第２の周波数変換結晶７６は入射した光線の
一部を第１の周波数変換結晶７４に入射した第1の光線
の３倍の周波数の第３の光線に変換する。これらの３つ
の周波数を（第1から第３の光線）含む光線はアパーチ
ャー７７を通って変換モジュール９３から出て行く。ミ
ラー７８および他の光学部材は波長選択性があり、第１
の光線と第２の光線の残りの部分を減衰させる。したが
ってレーザーヘッド６８内の光路のこれより下流の部分
は第３の光線のみが進行する。 アパーチャー７７を通って変換モジュール９３からでた
光線は折り返しミラー７８に反射されてシリンドリカル
レンズ８１′、８１″を通過する。シリンドリカルレン
ズ８１′、８１″は非点収差を除去し、過度の楕円度を
光線から除去する。過度の楕円度は光線のアスペクト
比、すなわち、焦点面における光線の最小寸法と最大寸
法の比、に基づいて決定される。アスペクト比が１であ
るということは光線が円形であることを示し、１.１ま
たは０.９であるということは光線の一方の幅が他方の
幅より約１０％大きいかあるいは小さいということを示
している。アスペクト比が１.１より大きいか、または
０.９より小さいとき通常楕円度が過度であるとみなす。
場合によっては楕円度が過度な光線も使用できることが
ある。 シリンドリカルレンズ８１″を通過した後、光線は折り
返しミラー７８に入射する。その後、光線の大部分はビ
ームスプリッタ９４を通過するが、ごく一部（例えば、
約1から４％）がビームスプリッタ９４に反射されて検
出器８５に入射する。この検出器８５は入射した光線の
パワーを測定し、それによって光線全体のパワーを決定
する。光線の主要部分は集光モジュール８０内のレンズ
８３′、８３″を通過する。レンズ８３″を通過した
後、２枚の折り返しミラー７８によって光線の向きが変
えられる。 これによって光線は集光モジュールに再入射し、可動レ
ンズ８３'''を通過する。可動レンズ８３'''の位置はス
テップモータ８７、可動マウント８８および駆動ねじ８
９によって制御される。そのモータ８７は物体造形材料
の表面での所望のビームサイズに応じて光線の焦点面を
変化させるようにコンピュータによって制御される。 集光装置はビームサイズを変化させる際に遅れを生じな
いように予め較正して置くのが望ましい。例えば、エン
コーダによってステップモータの位置を把握し、コンピ
ュータが異なるビームサイズに対応したエンコーダの位
置のテーブルを備えるように構成するのが望ましい。そ
のテーブルを参照して、ステップモータの現在の位置と
次の位置の差に基づいて、可動レンズ８３'''を所望の
位置に移動させるようにステップモータを駆動すること
ができる。可動レンズ８３'''を所望の位置に移動させた
後、もし必要ならば、前述の米国特許５,０５８,９８８
に開示されているようにビームプロファイリング装置を
使用して実際のビーム径をチェックしてもよい。当業者
には明らかなように、ビームサイズはこの他にも様々な
方法で変更することができる。 その後光線は折り返しミラー７８に反射されて窓９０を
通って外に出、走査ミラー等の他の光学系に入射する。
上記レーザーヘッドによって発生された光線は所望の周
波数（例えば、２２.５−４０ＫＨｚ以上）で脈動する。
またレーザーヘッドは図４に示す成分を指示するベース
プレート内を流れる水によって冷却するのが望ましい。
冷却水はオリフィス９１からベースプレート内に入り、
曲がりくねった流路を流れ、オリフィス９２を通ってベ
ースプレートから出て行くようにするのが望ましい。 レーザーの電源装置を次のようないくつかの方法でレー
ザーを制御するのに使用することができる。（１）レー
ザーダイオード７１への供給電力を制御してレーザーダ
イオード７１の光出力を所望のもの（例えば、約１８ワ
ット）とする。（２）ヒーターまたはクーラーを制御し
て、レーザーダイオード、ＩＲレーザー、変換結晶等の
温度を制御する。（３）ＡＯＭを制御する。（４）集光装
置を制御する。（５）光検出器を制御し、光検出器から
の信号を解釈する。さらに、上述のエレメントを制御す
るのにプロセスコンピュータを使用してもよい。そのプ
ロセスコンピュータはレーザーの電源装置に接続してレ
ーザーを制御できるようにするのが望ましい。 望ましいレーザーヘッド、ＩＲモジュール、電源装置が
カリフォルニア州のSpectra-Physics of Mountain view
社から部品番号Ｊ３０Ｅ−ＢＬ１０−３５５Ｑ−１１、
もしくは部品番号Ｊ３０Ｅ−ＢＬ６−３５５Ｑ−１１で
販売されている。ベースプレート内を流れる冷却水は、
ＩＲレーザーダイオード７１を冷却するのにも使用する
のが望ましい。その冷却水は閉ループの循環系を流して
もよいし、開放された循環系を流してもよいし、どのよ
うな冷却系としてもよい。 望ましいデータ操作制御装置およびソフトウエアは米国
特許５，１８４，３０７、５，３２１，６２２、５，５
９７，５２０等に記載されている。 また望ましいリコーティング装置は米国特許出願０８／
７９０,００５等に記載されており、リコーティングバー
１３、調整された真空ポンプ１７、およびリコーティング
バー１３と真空ポンプ１７を接続する真空回路１９を備
えている。 ステレオリソグラフィー装置はその他に液面制御装置、
物体形成室、環境制御装置(例えば、温度制御装置、安全装
置、観察装置等)等を備えていてもよい。 本発明を適用することができるステレオリソグラフィー
装置はカリフォルニア州、バレンシアの3D Systems, Inc
から発売されている。例えば、３２５nmのレーザービーム
を発するＣＷ HeCDレーザーを使用するＳＬＡ−２５
０、３５５nm のレーザービームをパルス繰り返しレート
２２.５ＫＨｚ、４０ＫＨｚ、２５ＫＨｚでそれぞれ発
する固体レーザーを使用するＳＬＡ−３５００、ＳＬＡ
−５０００、ＳＬＡ７０００がある。望ましい物体形成
材料としては、カリフォルニア州ロスアンジェルスのCi
ba Specialty Chemicals製で、3D Systems, Incから発
売されている感光性ポリマー、例えば、SL5170、SL519
0、SＬ5530HTがある。

【０００８】ステレオリソグラフィー装置の一般的な作
用においては、材料のコーティング(材料の層)の形成と
そのコーティングの選択的硬化を交互に繰り返して複数
の互いに結合した層で物体を形成する。その工程は感光
性ポリマー５の上面２０の下方に１層分の厚みだけ昇降
台９を沈めた状態で始めるのが普通である。感光性ポリ
マーのコーティングを刺激ビーム(例えば、紫外線)に選
択的に露出して露出された部分の材料を所望の深さまで
硬化させて昇降台９にくっついた最初の硬化層を形成す
る。その最初の硬化層は形成すべき物体の最初の断面に
対応するものでもよいし、支持体(例えば、形成される物
体を昇降台９に付着させるための)の最初の層に対応す
るものでもよい。この最初の硬化層の形成後、昇降台９と
その昇降台９に付着した最初の硬化層を１層の正味の厚
さ分だけ材料内に沈める。 以下、層厚等の長さはインチ、ミリインチ（ミル）、ミ
リメートルのいずれかの単位で示す。材料が一般に粘性
が高くまた各層が非常に薄い(例えば4ミルから10ミル）
ため、図1に示すように材料は容易には直前に硬化され
た層の上にコーティングを形成しない。その場合には、
リコーティング装置によって物体形成材料（液体感光性
ポリマー）の表面上あるいはそれよりわずか上をスイー
プして、あらたなコーティングの形成を助けるようにし
てもよい。そのコーティング形成工程はリコーティング
装置を１回ないし複数回所望の速度でスイープすること
によって行ってもよい。 この２枚目のコーティング(材料層)の形成後、この２枚
目の層の一部を、形成すべき物体の２枚目の断面を表す
データにしたがって刺激に露出することによって硬化さ
せる。このようなコーティング形成、硬化工程を繰り返し
て図２に示すように複数の互いに結合した層２１、２
３、２５、２７、２９、３１、３３によって物体を形成
する。 物体形成方法によっては、物体の断面の一部または全部
を不完全に硬化させることがある。また他の物体形成方
法においては、ある材料の層と関連する物体の層（すな
わち、その物体の他の部分に対して、その材料の層に対
応するレベルに置かれるべき物体の層）はその材料の層
の形成の際に（すなわちその材料の層が液面にあるとき
に）露光する必要はなく（このとき部分的にのみ露光し
てもよいが）、以後に形成される材料層の形成に際し
て、その「以後に形成される材料層」に前記物体層のレ
ベルにある材料に硬化を起こさせるような露光をして全
体あるいは一部を形成するようにしてもよい。言い換え
れば、硬化させる物体層と形成される材料層は形成すべ
き物体の異なる部分に対応するものでよい。すなわち、
物体層あるいは物体層の一部がその材料層の形成と関連
して形成される材料層とは前記物体層が硬化されるとき
に材料の表面に位置する材料層である。ある物体層が関
連する材料層とは形成すべき物体の他の部分に対して寸
法的に正しい位置にある物体層に対応する材料層であ
る。 図5はステレオリソグラフィーによって形成される物体
の一例４１を示す側面図である。複数の水平な層を形成
する関係上、図５には垂直軸Zと一方の水平軸Xが示され
ている。この物体４１は本発明の望ましい実施の形態と
その変更例のいくつかの特徴を説明するために使用され
る。この物体４１は2つの水平な（平坦な）下向き面を備
えている。一方は物体４１の底面４３であり、他方は物
体中央を貫通する孔４７の上面４５である。同様に、物
体４１は2つの水平な（平坦な）上向き面を備えている。
一方は物体４１の頂面４９であり、他方は物体中央を貫
通する孔47の下面５１である。また物体４１は孔47の両
側面にそれぞれ垂直面５３、５５を備えている。さらに
物体４１は一対の非水平な（略平坦なというときもあ
る）上向き領域５７、５９を両側に備え、一対の非水平
な下向き領域６１、６３を両側に備えている。

【０００９】図６は物体４１を、物体形成材料の最小硬
化深さMSDと最小リコーティング深さMRDの両方（米国特
許No.５，５９７，５２０と米国特許出願がＮｏ．０８
／９２０，４２８参照）が所望の層厚（すなわち解像
度）以下である場合にステレオリソグラフィーを用いて
所望の解像度で形成する場合を示している。本例では、
各層の厚み２２０は一定である。図示のように物体４１
は１６枚の材料層２０１〜２１６からそれぞれ形成され
る１６枚の硬化した物体層１０１〜１１６で形成され
る。各層は上面から下方に硬化されるのが普通であるか
ら断面データ、物体層、材料層は垂直方向の位置によっ
て指示するのが普通である。物体層間の結合を確実にす
るためには、各層の少なくとも複数の部分に１層分の厚
みより大きい硬化深さをもたらすような光量を与えるの
が普通である。場合によっては１層分の厚みより大きい
硬化深さとしなくても物体層間の結合が得られることも
ある。精度を良好なものとするためには、物体データを
ＭＳＤが一層分の厚みより大きくなるように処理する
か、あるいは下向き領域が一層分の厚みより深く硬化し
ないように下向き領域への露光を制限するのが普通であ
る。 図５、６の比較から分かるように、本例で再生される物
体は最初の設計より大きくなる。垂直部分と水平部分は
正しく形成されるが、傾斜したもしくは略平坦な（水平
でも垂直でもない）領域は硬化層の短い方の部分が最初
の設計の包絡線に接し、長い方の部分が最初の設計の包
絡線を超えて延びている。データの関連付け、露光および
寸法決めについては上述の公報、特に米国特許Ｎｏ．
５，１８４，３０７、５，３２１，６２２にさらに詳し
く掲載されている。 図７は図６で形成される物体と同じ物体を示すが、図７
では物体と物体層の各領域が区別して描かれている。あ
る分類方式(例えば、米国特許５，３２１，６２２に記載
されているもの)においては、物体の各層は（１）下向き
領域、(２)上向き領域、(３)延長領域(下向きでも上向き
でもない領域)のいずれか一つ以上を含む。この方式では
下記の８種類のベクトルが使用されると考えられるが、
他のベクトルを使用することもできる。 下向き輪郭：物体の下向き領域を囲む輪郭 上向き輪郭：物体の上向き領域を囲む輪郭 延長輪郭：物体の下向きでも上向きでもない領域を囲む
輪郭。 下向きハッチ：下向き輪郭内の露出ライン。このライン
は互いに離れていても接近していてもよく、また同一方
向に延びていても異なる方向に延びていてもよい。 上向きハッチ：上向き輪郭内の露出ライン。このライン
は互いに離れていても接近していてもよく、また同一方
向に延びていても異なる方向に延びていてもよい。 延長ハッチ：延長輪郭内の露出ライン。このラインは互
いに離れていても接近していてもよく、また同一方向に
延びていても異なる方向に延びていてもよい。 下向きスキン：下向き輪郭内の、硬化した材料の連続し
た領域を形成するように接近して配された露出ライン。

【００１０】上向きスキン：上向き輪郭内の、硬化した
材料の連続した領域を形成するように接近して配された
露出ライン。

【００１１】まとめれば、下向き輪郭、下向きハッチお
よび下向きフィルは物体の下向き領域を形成する。上向
き輪郭、上向きハッチおよび上向きフィルは物体の上向
き領域を形成する。延長輪郭および延長ハッチは物体の
延長領域を形成する。下向き領域はその下にくっつくべ
き層がないため（支持部があるとき以外は）この下向き
領域への露光は、ＭＳＤの結果を処理するために余分の
光量を与える以外は、まないのが普通である。上向き領
域および延長領域はその下に硬化層が存在するため、そ
の領域への露光は下の硬化層へその層を結合させるため
の余分な光量は含むのが普通である。

【表６】 他の領域特定、ベクトル種類生成方式は、米国特許５，
１８４，３０７、米国特許５，２０９，８７８、米国特
許５，２３８，６３９、５，５９７，５２０、米国特許
出願Ｎｏ．０８／７２２，３２６、Ｎｏ．０８／９２
０，４２８に記載されている。その方式の内のあるもの
においては、指定の数が減る。例えば、(１)外向き領域と
延長領域のみの範囲を指定し、下向き領域と上向き領域
は外向き領域にまとめられる、（２）全てのフィルの形
式を一本化する、（３）上向きハッチと下向きハッチを
一本化するあるいは３種類のハッチを一本化する。他の
方式においては、下向き領域と上向き領域の一方又は両
方を平坦領域と平坦に近い領域に分けるなどして、指定
数が増える。 他の領域特定方式においては、各層の輪郭領域のどの部
分が外側に面しているかもしくはその層の内部に位置す
るかが特定されることになる。外向き輪郭領域は最初の
断面の輪郭ＩＣＳＢ(すなわち、輪郭を下向き輪郭領
域、上向き輪郭領域、延長輪郭領域に分ける前に存在す
る断面の輪郭領域）に関連付けられる。ＩＣＳＢは米国
特許５，３２１，６２２および米国特許５，５９７，５
２０に記載されている。内側の輪郭はその層の物体部分
によって両側を仕切られ、外側の輪郭はその層の物体部
分によって一方の側を仕切られ、非物体部分によって他
方の側を仕切られる。 本発明を実施する際には図６、７に示すような厳密に層
に一対一で対応したデータから始める必要はない。断面
データに変換する前の元々の三次元物体データあるいは
それを修正したものから始めてもよい。さらに、層に厳
密に一対一では対応しない物体層を表すように修正され
た断面データ化初めてもよい。例えば、１層の厚み以下の
ＭＳＤやＭＲＤを許容するように修正された表面データ
もしくは断面データから始めてもよい。 本発明の第１の望ましい実施の形態では、第１の径を有
する第１のビームと、その第１の径より大きい第2の径
を有する第２のビームとを使用して三次元物体を形成す
る。小さい方のビームを以下「小スポット」と称し、大き
い方のビームを以下「大スポット」と称する。第1の実施
の形態では各断面のどの部分をどのビームで形成するか
を決定するデータ処理が行われる。図8、9に示すフロー
チャートは第1の実施の形態で使用することのできる望
ましいデータ処理を説明するためのものである。 本例では、支持構造は一般に薄いのが望ましいため、支持
構造は常に小スポットで形成するものとする。支持構造
の詳細は米国特許４，９９９，１４３に記載がある。支
持構造に関するこの仮定は、ビームサイズの決定にほと
んど影響を与えることなくデータ処理時間を短縮できる
点で有利である。 処理はステップ３００、３０２、３０４に記載されてい
るイニシャルデータとパラメータで始まる。ステップ３
００では形成すべき物体を表すデータが要求される。ス
テップ３０２では変数Ｎに対するループパラメータを１
に設定する。変数Ｎは大スポットデータと小スポットデ
ータを導いている断面を指定するのに使用される。Ｎ＝
１で処理が開始されるため、物体データの一番目の断面
から処理が始まる。ステップ３０４では、断面データを導
くのに必要な全てのパラメータの出力が要求される。 パラメータとしては、例えば、大スポット補正情報（Ｌ
ＳＣＩ）と小スポット補正情報（ＳＳＣＩ）の詳細が含
まれる。これ等の情報は様々な方法で得ることができる。
例えば、（１）既存のプロセスコンピュータ等の記憶位
置から得る。（２）ビームプロファイルの検出、評価によ
って自動的に導く。（３）オペレータが入力する。補正情
報はビーム径（半径）の形であってもよいし、そのビー
ムによって形成される所望の硬化深さのラインの全幅あ
るいは半幅の形であってもよい。 ステップ３０６ではステップ３００、３０２、３０４で
供給されたデータとパラメータを使用する。ステップ３
０６では断面Ｎ−１、Ｎ、Ｎ＋１の初期断面輪郭を導
く。この断面は小スポット形成されるライン幅の補正が
なされているのが望ましい。断面Ｎ−１、Ｎ、Ｎ＋１の
初期断面輪郭をＩＣＳＢ（Ｎ−１）、ＩＣＳＮ（Ｎ）、
ＩＣＳＢ（Ｎ＋１）と表す。このステップでは米国特許
Ｎｏ．５，３２１，６２２に記載されている方法を使用
することができる。

【００１２】ステップ３０８では変数Ｉを１に設定す
る。この変数Ｉは今どの断面領域に関する処理が行われ
ているかを示すマーカーとして使用される。ステップ３
１０ではＩＣＳＢ（Ｎ）の変数Ｉの値に対応する領域Ｒ
Ｂ（Ｉ）を導く。変数Ｉは１から３のいずれかの値をと
る。１は下向き領域、２は上向き領域、３は延長領域を
それぞれ表す。 ステップ３１２では大スポット補正情報ＬＳＣＩを使用
してＲＢ（Ｉ）にエロージョンルーティン（Ｅｒｏｓｉ
ｏｎ Ｒｏｕｔｉｎｅ）を実行して初期大スポットデー
タＩＬＳＤ（Ｉ）を導く。このＬＳＣＩは大スポットで
形成したライン幅の半分であるのが望ましい。エロージ
ョン（例えば、ライン幅補正）を実行する方法は前述の
米国特許Ｎｏ．５，３２１，６２２、５，１８４，３０
７、米国特許出願Ｎｏ．０８／７６６，９５６および仮
出願Ｎｏ．６０／１１６，２８１に記載されている。こ
のステップは大スポット領域の形成がその領域のＸＹ方
向の寸法に悪影響を与えないようにするためのものであ
る。 ステップ３１４では最終大スポットデータＦＬＳＤ
（Ｉ）を導く。この最終大スポットデータは領域（Ｉ）
の初期大スポットデータが占める部分と領域（Ｉ）の輪
郭の初期大スポットデータが占める部分との論理積を取
ることによって導かれる。このステップはＩＬＳＤ
（Ｉ）を導くことが物体のサイズを過大にしないように
するためのものである。この計算はＦＬＳＤ（Ｉ）＝Ｉ
ＬＳＤ（Ｉ）∩ＲＢ（Ｉ）と表すことができる。 ステップ３１６ではＬＳＣＩを使用して逆エロージョン
を実行することによって拡張大スポットデータＥＬＳＤ
（Ｉ）を導く。この際の逆エロージョンの量はステップ
３１２で使用した元々のエロ−ジョンの量に等しいのが
望ましい。ステップ３１２のエロージョンによってつぶ
れた部分を除き、ステップ３１６での逆エロージョンに
よって、拡張大スポットデータＥＬＳＤ（Ｉ）の輪郭を
略最初の領域データＲＢ（Ｉ）の位置に戻す。 ステップ３１８では最初の領域データＲＢ（Ｉ）の部分
と拡張大スポットデータＥＬＳＤ（Ｉ）の部分の差を取
って初期小スポットデータＩＳＳＤ（Ｉ）を導く。これ
はＩＳＳＤ（Ｉ）＝ＲＢ（Ｉ）−ＥＬＳＤ（Ｉ）と表す
ことができる。ステップ３１８とステップ３１６の組み
合わせによって不必要な小スポットによる露光を減らす
第一段階がなされる。 ステップ３２０では、微小部分補正情報ＳＦＣＩに基づ
くエロージョンルーティンを実行して第１修正小スポッ
トデータＦＭＳＳＤ（Ｉ）を導く。エロージョンの量は
除去すべき微小部分のサイズに基づいて設定される。こ
の微小部分は前に実行した演算によって誤ってできたも
のであることもあるし、小スポットで露光すべき部分を
決定する際に無視してよいような単なる微小部分である
こともある。エロージョンの量は除去すべき微小部分の
サイズの半分またはそれ以上としてよい。またエロージ
ョンの量は小スポットを使用した場合に得られるライン
幅の半分に等しくしてもよい。 ステップ３２２ではＳＦＣＩに基づいて逆エロージョン
ルーティンを実行して第２修正小スポットデータＳＭＳ
ＳＤ（Ｉ）を導く。この際の逆エロージョンの量はステ
ップ３２０で使用したエロ−ジョンの量に等しいのが望
ましい。ステップ３２０とステップ３２２によって不必
要な小スポットによる露光を減らすもう一つの方法が実
行される。 ステップ３２４では最終小スポットデータＦＳＤＤ
（Ｉ）が導かれる。この最終小スポットデータは第２の
修正小スポットデータと元々の領域データＲＢ（Ｉ）と
の論理積を取ることによって導かれるのが望ましい。こ
のステップはＳＭＳＳＤ（Ｉ）を導くことが物体のサイ
ズを過大にしないようにするためのものである。この計
算はＦＳＳＤ（Ｉ）＝ＳＭＳＳＤ（Ｉ）∩ＲＢ（Ｉ）と
表すことができる。 ステップ３２６ではＩの値が３であるかどうか判断す
る。前述のように本実施の形態ではＩの最大値は３であ
る。ステップ３１０〜３２４の最初のフローは断面領域
のひとつの大スポットデータと小スポットデータを作成
するのに使用される。この断面領域は、例えば、断面Ｎ
の下向き領域である。Ｉの値が３でないときにはステッ
プ３３０でＩの値を１だけ増加させて次の断面領域、例
えば上向き領域または延長領域、に対してステップ３１
０〜３２４を繰り返して、次の断面領域の大スポットデ
ータと小スポットデータを導く。ステップ３１０〜３２
４のフローを繰り返して全ての断面領域の大スポットデ
ータと小スポットデータを導く。全ての断面領域の大ス
ポットデータと小スポットデータを導いた後、ステップ
３２８が実行される。ステップ３２８では、３つの領域
の最終大スポットデータを保存し（大スポットでの露光
のために）、３つの領域の最終小大スポットデータを保
存し（小スポットでの露光のために）、断面Ｎの初期断
面輪郭を保存する（小スポットでの露光のために）。小
スポットで断面の輪郭（ＩＣＳＢ）全体をなぞることに
よって、（１）別々に形成された領域を互いに結合させ
るのに役立ったり、（２）外表面に滑らかな外観を与え
るのに役立ったり、（３）周辺部の精度を増すのに役立
ったりする。 フローチャートには明確に示されていないが、ある領域
に対するデータが存在しない場合にはその領域に対する
ステップ３１０〜３２４を飛ばしていきなりステップ３
２６を実行してよい。あるタイプの領域に対するデータ
ＲＢ（Ｉ）が存在しない場合には、その断面領域に対し
ては小スポットデータも大スポットデータも作成されな
いだけである。 次にステップ３３２において、Ｎの値が最大であるかど
うかが判断される。この答えがＮＯである場合には、ステ
ップ３３８でＮの値を１だけインクリメントし、ステッ
プ３０６〜３３０を繰り返す。答えがＹＥＳである時に
はステップ３３４で物体形成に適切な順序で全てのデー
タを保存する。データの保存が終わると、ステップ３３６
で処理が終了したことを表示する。 ある断面へのこの処理の適用について図１０、１１を参
照して以下説明する。図１０は図７の層１０６の平面図
である。図７、１０に示すように、この断面は５つの異
なる領域を備えている。図７ではこの５つの領域は左か
ら右に２３０，２７６，２５６，２７６，２３６で示さ
れており、図１０では４００′、４１０′、４２０、４
１０″、４００″で示されている。領域４００′、４０
０″は下向き領域であり、領域４１０′、４１０″は延
長領域であり、ろういき４２０は上向き領域である。こ
の第１の望ましい実施の形態では、上記各領域に大スポ
ット部分（可能な限り）と小スポット部分が別々に与え
られる。 図１１は領域４１０′、４２０、４１０″がその輪郭４
１２′、４２２、４１２″を大スポットで露光するのに
充分な大きさであることを示し、領域４００′、４０
０″が余りに小さくてそのどの部分も大スポットでは露
光できない（仮定のライン幅の場合）ことをしめしてい
る。ライン４１４′と４１６′の間の領域は輪郭４１
２′を大スポットで描くときに形成される。ライン４１
４′は、図８のステップ３１２と３１６における補正量
が全く同一であるか殆ど同一である場合には、輪郭４１
０′に極めて接近することがある。ライン４１６′の内
側の領域４１８′は必要ならば大スポットを使用したハ
ッチベクトルによって埋めてもよい。４１４″、４１
６″、４１８″の場合も同様である。さらに４２４，４
２６，４２８の場合も同様である。ライン４３０で囲ま
れた部分は断面の外縁（ＩＣＳＢ（Ｎ）に対応する）が
小スポットで描かれた場合の断面寸法の拡大を示してい
る。この拡大は、ＩＣＳＢ（Ｎ）を最初に小スポットに
よるライン幅の半分だけ内側に補正した結果である。 第１の望ましい実施の形態では小スポットの径は約１０
ミル、大スポットの径は約３０ミルであるのが望まし
い。小スポットは断面の外側輪郭を形成するのに使用さ
れるので、物体形成材料の作業面全体に亘って小スポッ
トビームが略焦点を結び続けるように小スポットビーム
を作業面上もしくはその近くに合焦させるのが望まし
い。言い換えれば、小スポットを回転走査ミラーととも
に使用する場合にビームサイズの変動を抑えるために、
ビームウエストを使って露光を行うのが望ましい。大ス
ポットビームの場合は、作業面上の部分によって多少ビ
ームサイズが変わっても形成される物体の制度に殆ど影
響しないため、焦点から外れた位置で使用してもよい。し
かしながら、より性能を上げるためには、両者とも作業
面上に合焦させる（すなわちビームウエストが作業面上
に来るようにする）のが望ましい。ビームウエストが作
業面上に来るようにするのは様々な方法で実行できる。
例えば、レンズ８３'''がスポットサイズを変えるために
動かされるときにレンズ８３′、８３″を平行移動させ
ることによってビームウエストを作業面上に維持しても
よい。 第１の実施の形態は様々に変更することができる。変更
例をいくつか以下に説明する。以下の例は一部であって
変更例の全部をあげたわけではなく、当業者は本明細書
の開示に照らして、他にも多くの変更例を容易に思いつ
くと考えられる。 第１の実施の形態におけるように大スポット領域と小ス
ポット領域を輪郭データでなく、ピクセルデータ、ボク
セルデータ、走査長エンコードデータ等の他のデータに
基づいて導いてもよい。論理演算、エロージョン演算等
の演算をビットマップを使用して行ってもよい。 ステップ３０６においてはライン幅補正をしていない輪
郭を使用し、必要な補正は後で行ってもよい。特に、最終
的なスポットによる輪郭が断面の輪郭全体をなぞること
を意図していない場合は、補正を全くしなくてもよい。 ステップ３０６や３１０は、必要ならば、最小硬化深さ
ＭＳＤ（一層分の厚みより大きい）を補償するように修
正された方法で実行してもよい。同様に、最小リコーティ
ング深さＭＲＤに対処する造形工程の変更に応じること
ができるように修正してもよい。一層分の厚みより大き
いＭＳＤやＭＲＤを許容できるようなデータを得る方法
は同時出願の米国特許出願Ｎｏ．０８／４２８，９５
１、０８／９２０，４２８に記載されている。 ステップ３１２ではライン幅の半分ではないエロージョ
ン量も使用することができる。エロージョン量はライン
幅の半分より大きくてもよいし、大スポットによるライ
ン幅と小スポットによるライン幅の差の半分に等しいほ
ど小さくてもよい。これは、元々のＩＣＳＢが小スポッ
トによるライン幅の半分だけ内側に最初から補正されて
いる場合に最大の可能性がある。この限られた量の補正
が使用されると、外側のコーナー部で大スポットが所望
の輪郭より内側に引っ張られる場合を除き、大スポット
で硬化された領域の外縁が小スポットで硬化された領域
の外縁と略一致しする。この場合には、断面の外縁を小
スポットで形成する必要がなくなる場合がある。 ステップ３１４は省略してもよい。省略すると処理時間
が短縮され、しかも品質には殆ど影響がないこともある。 ステップ３１６においては、最初に使用されたのと異な
る補正量を使用してもよい。補正量を小さくすると、小ス
ポットで露光すべき領域が大きくなる。小スポットで露
光すべき領域が大きくなると大スポットで露光される領
域の一部が過剰に露光されるという事態が起きることも
ある。この過剰に露光される部分を小さな領域（例えば、
１ミルないし２ミル）に限れば、硬化深さが過大ににな
ることはないし、大スポットで露光される領域と小スポ
ットで露光される領域の境界部分をよりよく露光できる
ことになる。また補正量をステップ３１２で使用したも
のよりも大きく（例えば１〜３ミル）すると、演算にお
ける丸め誤差等の演算の欠陥による不必要な小スポット
による露光を減らすことができる。 ステップ３１６を全く省略して、ステップ３１８ではＲ
Ｂ（Ｉ）と、ＦＬＳＤ（Ｉ）もしくはＩＬＳＤ（Ｉ）の
差を使用するようにしてもよい。さらに各ステップで異
なる補正量を使用してもよい。とくに、ステップ３２２
の逆エロージョンの補償はステップ３２０で使用される
ものより小さな補正量に基づいて行ってもよい。この小
さな補正量（例えば４分の１〜４分の３）は、ＦＭＳＳ
Ｄ（Ｉ）の一部が最終的な輪郭の形成の際に過剰に露光
されるのを防止するのに役立つ場合がある。これによっ
て、形成される物体によっては第１の実施の形態による
より周辺部の表面性がよくなることがある。 ステップ３２４ではＩの最大値を３にしているが、３よ
り小さくてもよいし、大きくてもよい。例えば、Ｉの最大
値は１でもよく、その場合はＲＢ（Ｉ）＝ＲＢ（１）＝
ＩＣＳＢ（Ｎ）となる。またＩの最大値は２でもよく、
その場合は断面は例えば延長領域と外向き領域（上向き
領域と下向き領域）に分けられることになる。さらに断
面を上向き領域と下向き領域に分けてもよい。さらに、
またＩの最大値は５でもよく、その場合は断面は例えば
平坦な下向き領域、略平坦な下向き領域、平坦な上向き
領域、略平坦な上向き領域、延長領域に分けられる。も
ちろん、Ｉの値を様々に変えて、それに合わせて領域の分
け方を変えることができる。 図１２、１３はＩを１に設定した場合の大スポット領域
と小スポット領域を示している。図１２は図６の層１０
６の輪郭４５０の平面図であり、ここでは断面は領域に
分けられていない。図１３は輪郭４５０からずれた大ス
ポットによる輪郭４５２を示している。ライン４５４，
４５６は大スポットで輪郭４５２を形成したときに露光
される領域を示している。領域４１８は大スポットでハ
ッチまたはフィルを形成する部分である。ライン４６０
は輪郭４５０を小スポットで形成したときの断面寸法の
拡大を示している。 データがステップ３２８もしくは他のステップで正しい
順序で保存される場合には、ステップ３３２は省略して
もよい。 大スポットおよびは小スポットは同一のレーザーから発
生するのが望ましいが、２個またはそれ以上のレーザー
から発生してもよいし、２個またはそれ以上のレーザー
以外の光源から発生してもよい。また本発明ではパルス
レーザーを使用しているが、連続波のＣＷ源を使用して
もよい。 単一の層を形成する場合には、大スポットによる露光と
小スポットによる露光間の切り替えの回数をできるだけ
少なくするのが望ましい場合もある。その場合には大ス
ポットによるベクトルを全て描いた後に、小スポットに
よるベクトルを描くようにするのがよい。 また、各層の形成中の切り替えを１回にするのには、一方
のスポットによる露光を全て済ませた後他方のスポット
による露光をし、さらに元々のサイズのビームで層の形
成を終わらせてもよい。但し、この場合には、露光に使用
できる時間にスポットサイズを変えることになるという
欠点がある。 スポットサイズを変えるのには１、２秒かかるため、ス
ポットサイズの切り替えは、露光のできない時間、例え
ば、リコーティング、ｚ待機、浸漬前の遅延時間、あるい
は露光中の遅延時間（例えば、ハッチとハッチの間の遅
延時間、ハッチと輪郭の間の遅延時間）、に行うのが望
ましい。露光中の遅延時間は３Ｄ社内番号Ｎｏ．ＵＳＡ
１７７に基づく米国特許出願（番号未定）に記載されて
いる。 最新に描かれたベクトルがＸ方向、Ｙ方向の位置をより
よく維持すると考えられる。したがって、小スポットに
よる輪郭の形成を最後にするのが望ましい。現在のとこ
ろでは、大スポットによる露光を最初に行い、小スポッ
トによる物体部の露光を次に行い、最後に支持部の露光
を行うのが望ましい。 小スポットおよび大スポットのパワーはどのようなもの
でよいが、（１）ベクトルの種類、（２）領域、（３）１
回の露光または複数回の重複した露光によって得られる
べき硬化深さ等のいくつかのパラメータに基づいて決定
することができる。また、所望の硬化深さは層厚、ベクト
ルの種類、ＭＳＤ、ＭＲＤの値等の種々のパラメータに
基づいて決定することができる。両ビームのパワーは同
じであってもよいし、小スポットビームのパワーの方が
大スポットビームのパワーより大きくてもよい。しかし
ながら、小スポットビームのパワーの方が大スポットビ
ームのパワーより小さいのが普通である。 ビームのパワーの詳細については３Ｄ社内番号Ｎｏ．Ｕ
ＳＡ１９９に基づく米国特許出願（番号未定）に記載さ
れている。小スポットビームのパワーは大スポットビー
ムのパワー以下であってよい。小スポットの方がパルス
繰り返しレートによる走査速度の制限に敏感なため、パ
ルス繰り返しレートを大きくして走査速度を上げること
もできる。 上述のように、ＡＯＭを使用してビームのパワーを所望
のレベルに制御することができる。しかしながら、以下の
ような他の方法によってビームのパワーを制御してもよ
い。（１）レーザーに励起エネルギーを供給するレーザ
ーダイオードへ供給する電力を変化させる機構を使用す
る。（２）レーザーのＱスイッチを制御する機構を使用
する。（３）電子光学モジュレータを使用する。（４）ビ
ームのパルス繰り返しレートを制御する機構を使用す
る。（５）レーザーに励起エネルギーを供給するレーザ
ーダイオードの温度を制御する機構を使用する。（６）
レーザーからのビームが通る周波数変換結晶の温度を制
御する機構を使用する。（７）コンピュータ制御のシャ
ッターを使用する。 形成すべき物体の詳細な解像度に応じて、小スポットの
径は３ミル未満から５０ミル以上にわたってもよく、大
スポットの径は７ミル未満から２００ミル以上にわたっ
てもよい。有効な最小ビームサイズはエネルギーパル
ス、パルスの重なり、および必要な正味の露光量によって
異なる。大スポットの径は小スポットの径の１．５倍か
ら５倍であるのが望ましく、約２倍から４倍であるのが
より望ましい。両者の差が大きいときには１本ないし数
本の中間サイズのビームを用いるのが望ましいこともあ
る。大スポットを使用するときには、一般に位置精度が
低くてもよいので、所定の露光を行うのに充分なパワー
が得られる限りにおいて走査速度を上げることができる
と考えられる。 大スポットを使用して層を形成する場合に、輪郭露光を
必要に応じて実行してもよい。クイックキャスト造形方
式（米国特許出願Ｎｏ．０８／７６６，９５６、および
米国特許Ｎｏ．５，８８５，７１８参照）を採用する場
合には、全てのハッチベクトルを小スポットを使用して
形成し、大スポットの使用はスキン領域のみに限る（サ
イズ的に大スポットの使用が許されるとき）のが望まし
い。 変更例では、小スポットより大スポットを使用するのが
望ましいことを、存在する大スポット領域のみに基づく
のではなく、スポットサイズの切り替えに要する時間と
大スポットを使用した場合に短縮できる露光時間の比較
に基づいて決定する。

【００１３】２サイズのビームを使用する場合の望まし
い実施方法の例を以下説明する。大スポットは径が約３
０ミル、パワーが約８００ｍＷ（たとえば、４００ｍＷ
以上）であるのが望ましく、ハッチライン間の間隔は約
１５ミル（例えば、ビーム径の２５％から１２５％）と
するのが望ましく、走査速度は約３００ｉｐｓ（例えば、
１００ｉｐｓ以上）とするのが望ましい。小スポットは
径が約１０ミルであるのが望ましい。 物体は、いくつかの層の一部のみをそれらの層の関連に
おいて硬化させ他の部分は以後に形成される層との関連
において硬化させるようにした造形技術を用いて形成さ
れる。（米国特許出願Ｎｏ．０８／９２０，４２８、米
国特許Ｎｏ．５，５９７，５２０、Ｎｏ．５，２０９，
８７８参照）より詳しくは、連続する主層の間の２枚の
補助層を使用して形成される。（この点については米国
特許出願Ｎｏ．０８／９２０，４２８参照）層間隔（層
厚）は３ミルである。 １枚目の補助層には小スポットを使用して外側輪郭領域
のみが形成される。もしあれば、ここで上向き領域と下
向き領域も形成される。この外側輪郭領域の露光は約１
５ミルの硬化深さをもたらすものであるのが望ましい。
またこの外側輪郭領域は約５ミルライン幅補正されるの
が望ましい。 ２枚目の補助層にも小スポットを使用して外側輪郭領域
のみを形成するのが望ましい。もしあれば、ここで上向
き領域と下向き領域も形成してよい。またこの外側輪郭
領域の露光は約１５ミルの硬化深さをもたらすものであ
るのが望ましく、約５ミルライン幅補正されるのが望ま
しい。またこの外側輪郭領域の露光は１５ミル未満の硬
化深さをもたらすものでもよい。この硬化深さは輪郭領
域を露光する前の液体の深さに応じて変えてもよい。例
えば、２枚目の補助層の外側輪郭領域が１枚目の補助層
の外側輪郭と重なるかどうかによって、露光前の液体の
深さは３ミルの場合もあるし、６ミルの場合もある。した
がって、露光前の液体の深さに応じて、外側輪郭領域の
硬化深さを変えるのが望ましい。 ２枚目の補助層の上の主層は次の方法で形成するのが望
ましい。最初に、内側にずれた輪郭を大スポットで形成す
る。この輪郭はライン幅補正された外側輪郭位置から約
１５ミル内側にずれているのが望ましい。この際の露光
量はその輪郭が下の層にくっつかない程度であるのが望
ましく、硬化深さが約８ミルであるのが望ましい。 次に、その硬化された輪郭領域の内側で１回目のハッチ
露光を行うのが望ましい。このハッチ露光は硬化深さが
約８ミルであるのが望ましい。またこのハッチは輪郭に
くっつかないように硬化された輪郭から僅かに離され
る。輪郭にくっつくようにしても差し支えない。ハッチは
輪郭全体にわたってくっつく場合もあるし、界面でのみ
くっつく場合もある。 ３番目に、例えば１５秒の遅延時間をおくのが望まし
い。この遅延時間は他の部分を描くのに使用してもよい
し、単純に待ち時間としてもよい。 ４番目に、主層の２回目のハッチ露光を行うのが望まし
い。この２回目のハッチ露光は１回目のハッチ露光に直
角な方向に行うのが望ましい。この時の露光量は硬化深
さが約１０ミルとなるようなものとするのが望ましい。
１回目のハッチ露光と同様に、ハッチライン間の間隔は
露光部分が一部重なり、連続した硬化領域が形成される
ようにするのが望ましい。この２回目のハッチも１回目
のハッチと同様に輪郭から例えば３ミル離すのが望まし
い。 ５番目に、小径のビームを使用して外側の輪郭を露光す
る。この露光は約１５ミルの硬化深さをもたらすものと
するのが望ましい。この輪郭が直前に形成した補助層の
輪郭と重なるかどうかによって液体の深さは３ミルであ
ったり、９ミルであったりする。露光前の液体の深さが
前者である場合には、外側輪郭領域の硬化深さを小さく
した方がよい。この外側輪郭は約５ミルライン幅補正し
てもよい。 ５番目の工程の終了によって主層の露光も終了する。小
径のビームを使用してハッチや、スキンフィルや、支持
部の露光を、小スポットによる外側輪郭の露光の前ある
いは後に、行ってもよい。さらに大径のビームによる２
回目のハッチ露光の前あるいは後に、望ましくは小径の
ビームによる外側輪郭の露光の前に、大径のビームによ
るスキンフィル露光を行ってもよい。 主層の露光の終了後、２枚の補助層の形成、露光を行い、
さらに主層の形成、露光を行う。これを繰り返して物体
を形成する。補助層と主層を使用した物体形成の詳細に
ついては、米国特許出願０８／９２０，４２８を参照さ
れたい。 上記方法が以下の表３にまとめられている。また３つの
層（一枚の主層と２枚の補助層）形成と露光に使用され
るパラメータが表４にまとめられている。

【表７】

【表８】 以上、本発明を主にベクトル走査を使用する場合につい
て説明したが、本発明はラスター走査を使用する場合も
あるいは一部ラスター走査を使用し一部ベクトル走査を
使用するような場合にも適用することができる。 本発明の方法を実施する装置はデータを受け取って記憶
するコンピュータメモリーとデータ処理のための処理回
路を使用して形成することができる。そのメモリーとプ
ロセサーはＳＬＲ制御コンピュータの一部であってもよ
い。プロセサーはソフトウエアコーディングで制御して
もよいし、ハードコーディングで制御してもよい。

【００１４】上述の実施の形態とその変更例の方法およ
び装置は上述の公報の教えるところに従って変更するこ
とができる。また、本発明は他のＲＰ＆Ｍ技術に適用し
て物体形成速度を上げることができる。 また、上記の実施の形態とその変更例以外にも様々な変
更例を当業者なら容易に考えることができる。したがっ
て上記実施の形態は単に例としてあげたに過ぎず、発明
の範囲を限定しようとするものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施するためのステレオリソグラフィ
ー装置の側面図

【図２】本発明を実施するためのステレオリソグラフィ
ー装置の側面図

【図３】ステレオリソグラフィー装置の主要成分を示す
ブロック図

【図４】レーザーヘッドの主要成分とそのレーザーヘッ
ド内のビームの光路を示す図

【図５】ステレオリソグラフィーで形成される物体の側
面図

【図６】図５に示す物体を層を厳密に一対一で対応させ
て形成する場合を示す側面図

【図７】図５に示す物体の各層の異なる露光領域を示す
側面図

【図８】大径のビームと小径のビームで露光するべき部
分を導くデータ処理の望ましい方法を説明するためのフ
ローチャートの一部

【図９】大径のビームと小径のビームで露光するべき部
分を導くデータ処理の望ましい方法を説明するためのフ
ローチャートの一部

【図１０】図７の断面１０６の異なる露光領域を示す平
面図

【図１１】図７の断面１０６を大径のビームで露光する
べき部分と小径のビームで露光するべき部分に分けて示
す平面図

【図１２】図６の断面１０６の平面図

【図１３】図６の断面１０６を大径のビームで露光する
べき部分と小径のビームで露光するべき部分に分けて示
す平面図

【符号の説明】

３ 容器 ５ 物体形成材料 １５ 物体 ９ 昇降台 １１ 露光装置 １３ リコーティングバー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ミッシェル ディー ガーティン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 91354 ヴァレンシア ロベリア レイン 28382 (72)発明者 ホップ ディー ニューエン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 93536 クォーツ ヒル フィフティーナ インス ストリート ウェスト 42326 (72)発明者 ジューニ ピー パータネン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 90031 ロサンゼルス モンテシト ドラ イヴ 1146 (72)発明者 ナンシェン タン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 91355 ヴァレンシア ヴァイア アーテ ィナ 25335 (72)発明者 マイケル エイ エヴェレット アメリカ合衆国 カリフォルニア州 91350 ソーガス アーバンデイル アヴ ェニュー 28066

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 三次元物体を材料の連続する層を所定の
   刺激のビームに露出することによって複数の互いに結合
   した層で形成するための方法において、 三次元物体を表すデータを作成し、 所定の刺激の、第1の寸法の第1のビームを発生させ、 所定の刺激の、第1の寸法より大きい第2の寸法の第２の
   ビームを発生させ、 前記データを処理して前記第2の寸法の第2のビームによ
   って形成すべき断面部分を表すデータと前記第１の寸法
   の第１のビームによって形成すべき断面部分を表すデー
   タとを含む変更されたデータを作成し、 物体の次の層を形成するために形成済みの層に隣接して
   材料の層を形成し、 その材料の層を前記変更されたデータにしたがって、前
   記第1のビームおよび・または第2のビームに露出して物
   体の次の層を形成し、 層の形成と刺激への露出を繰り返して、前記物体を複数
   の互いに結合した層で形成することを特徴とする方法。
2. 【請求項２】 前記データ処理において前記第２のビー
   ムを使用して形成すべき層の部分を決定するのにエロー
   ジョンルーティンを使用することを特徴とする請求項１
   記載の方法。
3. 【請求項３】 前記データ処理において前記第２のビー
   ムを使用して形成すべき層の部分を決定するのに論理積
   演算を行うことを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 【請求項４】 前記データ処理において前記第１のビー
   ムを使用して形成すべき層の部分を決定するのに、前記
   第２のビームに露出される部分に逆エロージョンルーテ
   ィンを行うことを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 【請求項５】 前記データ処理において前記第１のビー
   ムを使用して形成すべき層の部分を決定するのに、減算
   を行うことを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 【請求項６】 前記データ処理において前記第１のビー
   ムを使用して形成すべき層の部分を決定する際に、所定
   の限度より小さい部分は除外することを特徴とする請求
   項５記載の方法。
7. 【請求項７】 前記第１のビームを使用して形成すべき
   層の部分を決定する前に、前記第２のビームを使用して
   形成すべき層の部分を
8. 【請求項８】 前記第１のビームを使用して形成すべき
   層の部分と前記第２のビームを使用して形成すべき層の
   部分をその層の断面全体は含まない領域に基づいて決定
   することを特徴とする請求項１記載の方法。
9. 【請求項９】 前記領域が上向き領域、下向き領域およ
   び延長領域の一つを含むことを特徴とする請求項８記載
   の方法。
10. 【請求項１０】 前記第１のビームと第２のビームが同
    一の刺激源から発生されることを特徴とする請求項１記
    載の方法。
11. 【請求項１１】 前記刺激源がレーザーであることを特
    徴とする請求項１０記載の方法。
12. 【請求項１２】 前記レーザーが前記第２のビームで前
    記材料を露光するときに前記第１のビームで前記材料を
    露光するときより高い光学的パワーを発することを特徴
    とする請求項１１記載の方法。
13. 【請求項１３】 前記第１の寸法のアスペクト比が約
    ０．９から１．１の範囲にあり、前記第２の寸法のアス
    ペクト比が約０．９から１．１の範囲にあり、前記第２
    の寸法が前記第１の寸法の１．５倍以上であることを特
    徴とする請求項１０記載の方法。
14. 【請求項１４】 前記第１のビームが前記材料上に略合
    焦せしめられ、前記第２のビームがそのビームウエスト
    の外で前記材料を露光することを特徴とする請求項１０
    記載の方法。
15. 【請求項１５】 前記第１のビームと第２のビームがと
    もに前記材料上に略合焦せしめられることを特徴とする
    請求項１０記載の方法。
16. 【請求項１６】 各層を形成する際に前記第１のビーム
    の前に前記第２のビームを使用することを特徴とする請
    求項１記載の方法。
17. 【請求項１７】 前記第２のビームをその層の領域の輪
    郭、ハッチ、フィルの内の少なくとも２つを形成するのに
    使用することを特徴とする請求項１記載の方法。
18. 【請求項１８】 三次元物体を材料の連続する層を所定
    の刺激のビームに露出することによって複数の互いに結
    合した層で形成するための装置を提供において三次元物
    体を表すデータを受け取る手段、 所定の刺激の、第1の寸法の第1のビームを発生させる手
    段、 所定の刺激の、第1の寸法より大きい第2の寸法の第２の
    ビームを発生させる手段、 前記データを処理して、前記第2の寸法の第2のビームに
    よって形成すべき断面部分を表すデータと前記第１の寸
    法の第１のビームによって形成すべき断面部分を表すデ
    ータとを含む変更されたデータを作成するデータ処理手
    段、 物体の次の層を形成するために形成済みの層に隣接して
    材料の層を形成する層形成手段、 その材料の層を前記変更されたデータにしたがって、前
    記第1のビームおよび・または第2のビームに露出して物
    体の次の層を形成する露出手段、および前記層形成手段
    と露出手段を駆動して、前記物体を複数の互いに結合し
    た層で形成する手段、 からなることを特徴とする装置。
19. 【請求項１９】 三次元物体を材料の連続する層を所定
    の刺激のビームに露出することによって複数の互いに結
    合した層で形成するための装置において、 三次元物体を表すデータを受け取るメモリー、 所定の刺激の、第1の寸法の第1のビームと所定の刺激
    の、第1の寸法より大きい第2の寸法の第２のビームを発
    生させる少なくとも一個のビーム源、 前記データを処理して、前記第2の寸法の第2のビームに
    よって形成すべき断面部分を表すデータと前記第１の寸
    法の第１のビームによって形成すべき断面部分を表すデ
    ータとを含む変更されたデータを作成するようにプログ
    ラムされたコンピュータ、 物体の次の層を形成するために形成済みの層に隣接して
    材料の層を形成するリコーティング装置、 その材料の層を前記変更されたデータにしたがって、前
    記第1のビームおよび・または第2のビームに露出して物
    体の次の層を形成する走査装置、および前記層形成手段
    と露出手段を駆動して、前記物体を複数の互いに結合し
    た層で形成する制御装置、 からなることを特徴とする装置。
20. 【請求項２０】 前記第１のビームを、その層の前記第
    ２のビームで形成される領域と異なる領域の輪郭、ハッ
    チ、フィルの内の少なくとも２つを形成するのに使用す
    ることを特徴とする請求項１記載の方法。
21. 【請求項２１】 前記第２の寸法と第１の寸法の比が
    １．５から５の範囲にあることを特徴とする請求項１記
    載の方法。
22. 【請求項２２】 前記比が２．５から４の範囲にあるこ
    とを特徴とする請求項２１記載の方法。