JP2002127260A - 三次元物体を形成する方法 - Google Patents

三次元物体を形成する方法

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    • B29C64/124—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 造形材料を選択的に硬化することにより、層
毎の様式で三次元物体を形成する方法において、垂直歪
みを減少させる。 【解決手段】 造形材料の第１の完全に硬化される層21
を硬化させる。造形材料の液体区域26および造形材料の
硬化区域25を有することにより、第１の完全に硬化され
た層21の少なくとも一部に重なる造形材料の少なくとも
１つの不完全に硬化される中間層24を不完全に硬化させ
る。硬化区域25は、第１の走査方向において行われた硬
化後に第１の完全に硬化された層21には付着しておら
ず、第２の走査方向において行われた第２の硬化後に第
１の完全に硬化された層21に付着している。造形材料の
第２の完全に硬化される層29および少なくとも１つの不
完全に硬化された中間層24における造形材料の液体区域
26を硬化させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、概して、流体媒質
から三次元物体を形成する方法の改良に関する。本発明
は、より詳しくは、光硬化性ポリマーからより精密にか
つより経済的に形成される三次元物体を製造するため
に、向上したデータ処理およびステレオリソグラフ硬化
技法を適用することを含む、新規の改良ステレオリソグ
ラフ法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ステレオリソグラフィーは、工具を用い
て細工せずに、複雑または単純な部品を手早く製造する
ための迅速な様式を表す。この技術はその断面パターン
を生成するためのコンピュータの利用に依存するので、
ＣＡＤ／ＣＡＭへの自然データリンクがある。しかしな
がら、そのようなシステムでは、収縮、カールおよび他
の歪み、並びに解像度、精度に関連する困難や、ある物
体形状を製造する上での困難に遭遇している。
【０００３】ステレオリソグラフィーを用いて造形され
た物体は、それらのＣＡＤ設計寸法から歪む傾向があ
る。この歪みは、特定の物体において、どれだけの応力
が特定の硬化パラメータにより発生するか、および応力
に耐える物体の能力に基づいて、生じたり生じなかった
りする。歪みを生じる応力は、液体から固体に転換され
ている材料が、先に硬化された材料と接触し、それに結
合するときに発生する。材料が液体から固体に転換され
るときに、その材料はわずかに収縮する。全てのステレ
オリソグラフィー用樹脂は、硬化されるときに収縮を経
る。この収縮は、樹脂の種類、露出の速度、および他の
関連する要因により変動する。この収縮は、応力を生じ
させるものであり、２つの主な物理的原因を有する：
(1)液体の密度は、固体プラスチックの密度よりも小さ
い；および(2)状態を変化させる化学反応は、強力に発
熱性であり、硬化材料を熱膨張させ、収縮させる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】物体のある部分は、ど
のような明白な反りもなく、すなわち、応力が許容レベ
ルにある状態で応力に耐えることができるであろう。そ
の一方で、他の部分は、応力が構造強度を超えた場合、
著しく歪むであろう。応力は、硬化する材料と硬化した
材料との間の接触により生じるので、その応力は、硬化
線と硬化した材料との間の接触の全長に亘り伝搬され得
る。硬化した材料に対するほとんどの接触は、１つの層
に沿うのとは対照的に、ある層からその次の層へと生じ
る。これは、ほとんどの歪みが、水平とは対照的に現実
に垂直となることを意味する。さらに、ＸＹ平面にある
大きな特徴形状は、ＸＹ平面にあるより小さな特徴形状
よりも収縮する傾向にある。収縮は所定の体積百分率で
あるので、Ｚ方向に沿って大きな特徴形状から小さな特
徴形状へとある部品が移行する場合、収縮値における差
により、差異（differential）収縮効果としてより一般
に知られている幾何学的不完全さである、顕著な不連続
が外面に生じる。差異収縮は、大きな特徴形状から小さ
いまたは薄い特徴形状へと移行する部分、例えば、大き
な基部から薄壁へと移行する部分において最も大きい。
したがって、垂直歪みを減少させる技法が必用とされて
いる。
【０００５】上記に鑑みて、本発明の目的は、そのよう
な技法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明のある態様は、部
品の造形において差異収縮を許容レベルまで減少させる
または制御する硬化技法を用いた、ステレオリソグラフ
部品の製造方法にある。
【０００７】本発明の別の態様は、ステレオリソグラフ
部品の造形中の収縮をＺ方向において制御することにあ
る。
【０００８】本発明の特徴は、周期型造形様式を、周期
的にハッチングも硬化もされていない造形材料の層上の
小さなスポットサイズの硬化編合せ(weave)と組み合わ
せた造形様式にある。
【０００９】本発明の別の特徴は、その小さなスポット
サイズの硬化により、一度に硬化される材料の量が減少
し、それによって、その部品の収縮率が減少することに
ある。
【００１０】本発明のさらに別の特徴は、前記硬化技法
により、さらなる材料の収縮を防ぐまたは減少させるた
めの繊維強化プラスチックにおける模擬(simulated)繊
維として働く、小さなスポットサイズの硬化により形成
された格子が得られることにある。
【００１１】本発明のさらに別の特徴は、不完全に硬化
される任意の中間層内の造形材料の硬化層は、第１の走
査方向において行われた硬化後にその下にある層に付着
しておらず、第２の走査方向において行われた硬化後に
該下にある層に付着することにある。
【００１２】本発明のまた別の特徴は、小さなスポット
サイズのレーザ硬化を使用することにより、部品の形成
速度にそれほど影響を与えずに、わずかに遅くかつより
深く硬化を行えることにある。
【００１３】本発明の利点は、感光性ポリマー材料を硬
化させるステレオリソグラフ法により、大きな特徴形状
から小さな特徴形状へと進行する移行区域における歪み
が減少することにある。
【００１４】本発明の別の利点は、ステレオリソグラフ
部品の造形速度が、その部品の差異収縮を減少させるた
めに、許容できないレベルまで犠牲にされないことにあ
る。
【００１５】これらと他の態様、特徴および利点は、造
形材料の第１の完全に硬化される層を硬化し、造形材料
の少なくとも１つの不完全に硬化される中間層を不完全
に硬化し、次いで、造形材料の第２の完全に硬化される
層および前記すくなくとも１つの不完全に硬化された層
における未硬化の造形材料の液体区域を硬化することに
よって、造形材料の多層を周期様式で硬化することによ
り、本発明のステレオリソグラフ法において達成され
る。
【００１６】ここで、「不完全に」硬化とは、層全体で
はない、すなわち部分的な硬化、およびある層が下の層
と付着しない程度の硬化の両方を含むものとする。
【００１７】本発明のこれらと他の態様、特徴および利
点は、特に添付の図面と組み合わせて考慮したときに、
本発明の以下の詳細な開示を検討することにより、明ら
かとなる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明を
より詳しく説明する。
【００１９】図１は、ステレオリソグラフ法を用いて造
形された、差異収縮歪みにさらされる大きな特徴形状お
よび小さな特徴形状を有する、三次元部品または物体の
端部図を示す。差異収縮は、液体の造形材料の固体形態
への硬化により生じ、それが図１に示されている。一般
に10により示される基部は、部品の完全に硬化された基
部である。断面図の外面についてのＣＡＤイメージ部品
線が11により示されている。これは、描かれた所望の部
品の寸法である。輪郭線12は、部品の大きい基部部分に
関する後硬化により軽減されたまたは減少した収縮境界
を示し、一方で、14により示される点線は、部品の微細
な特徴形状の移行に関する同じ収縮境界を示す。大きな
特徴形状の軽減されていない差異収縮、すなわち、部品
の基部部分の境界が線15により示されており、微細な特
徴形状の移行区域に関する軽減されていない差異収縮の
境界が点線16により示されている。図１は、完全に硬化
された基部10から垂直に上方に延在する微細壁垂直延長
部17を有する三次元物体を表している。
【００２０】図２は、図１に示した部品における左側の
垂直壁の線を表すグラフであり、ここで、18はＣＡＤイ
メージの垂直壁線であり、19は大きい特徴形状境界に関
する軽減されていない差異収縮線におけるずれを示し、
20は同じ特徴形状境界に関する垂直壁の軽減された差異
収縮線を示す。図２から分かるように、軽減されていな
いおよび軽減された垂直壁境界の間の、以後説明する差
異収縮補償法が相当改善されている。
【００２１】本発明により記載された、微細な特徴形状
の部分に移行する大きな特徴形状の部分の硬化に用いら
れる差異収縮補償方法が、図３Ａ−３Ｃに示されてい
る。図３Ａは、別々に硬化された基部輪郭層22と共に、
完全に硬化された基部層21を有する部品の第１の層を示
す。基部輪郭層22は、約0.1ミル（約2.54マイクロメー
トル）の小さなスポットサイズのレーザビーム幅で硬化
させてもよい。あるいは、約0.3ミル（約7.62マイクロ
メートル）のレーザビーム幅を有する大きなスポットサ
イズのビーム幅レーザを用いて、基部層21および連続し
た層または薄層の内部境界輪郭（図示せず）を硬化させ
てもよい。図３Ｂは、基部層21の頂部上の造形材料の１
つの層のリコーティングおよび不完全に硬化される中間
層24の不完全な硬化を示す。ここでも、不完全に硬化さ
れた層の境界輪郭は28により示され、不完全に硬化され
る区域または硬化区域は25で示される。液体すなわち未
硬化区域は26により示される。不完全に硬化された中間
層24における不完全に硬化される区域25は、造形材料の
層がレーザビームにより選択的に露出されて、ゲル状ま
たは固体である硬化区域を形成することを示し、一方
で、区域26は露出されず、未硬化または液体区域であ
る。
【００２２】図３Ｃは周期硬化パターンの完了を示し、
ここで、造形材料の別の層が、不完全に硬化された中間
層24の上に載置され、層29および不完全に硬化された中
間層24内の下にある液体区域25を完全に硬化させるのに
十分な露出深さを有するレーザビームにより露出され
る。ここでも、境界輪郭30は、第２の完全に硬化された
層において小さなスポットレーザにより硬化させること
ができる。
【００２３】不完全に硬化された中間層を多数用いて、
本発明の強化周期硬化パターンを形成してもよいことに
留意されたい。開示されているように、完全に硬化され
た基部層、不完全に硬化された１つの中間層、および完
全に硬化された上にある層の、３つの層がこの硬化パタ
ーンにある。あるいは、完全に硬化された層の間に、２
つ、３つ、４つまたはそれより多い不完全に硬化された
中間層を用いても差し支えなく、三次元部品が造形され
るまで、硬化周期を繰り返してもよい。硬化プロセスに
は、境界ベクトルに加えて、標準硬化ベクトルが用いら
れる。これらは、充填（fill）ベクトルおよびハッチ
（hatch）ベクトルを含んでも差し支えない。造形材料
を硬化させるために、不完全に硬化される中間層に、ハ
ッチベクトル硬化を用いてもよい。適切な硬化ベクトル
を用いるのに利用される原則は、差異収縮を減少させる
ための、各々の中間層または薄層における一度に硬化す
べき造形材料の量の減少である。その造形材料は、好ま
しくは、カリフォルニア州、バレンシアのスリーディー
・システムズ社から市販されている、SL7540、SL7520ま
たはSL7510のような光硬化性の感光性ポリマー樹脂であ
る。
【００２４】本発明の本質は、本発明の造形様式または
硬化方法では、中間層または薄層について中間硬化工程
を用いることにより、硬化の際に収縮する樹脂の量が最
小となるかまたは減少するという事実にある。この種類
の硬化を行う能力についてのより詳しい議論が、本発明
の譲受人に共に譲渡された、米国特許第6,103,176号お
よび同第5,902,538号に記載されている。
【００２５】本発明は、二重スポットサイズのレーザビ
ーム幅または１つの小さなスポットサイズのレーザビー
ム幅に使用できることに留意されたい。小さなスポット
サイズのビーム幅のみを利用する場合には、光重合によ
る化学反応が生じ、それでもまだ収縮が減少しているよ
うに、硬化はより遅くする。硬化のための好ましい紫外
線光源は、所定のビーム幅または直径を有するレーザで
ある。適切なレーザとしては、ＨｅＣｄレーザ、好まし
くは、固体レーザが挙げられる。前述したように、減少
したレーザ出力と共に、小さなスポットサイズの露出を
用いて、収縮を減少させることができる。例えば、300
ｍＷの最大レーザ出力を使用すると、差異収縮が著しく
減少することが証明された。二重スポットサイズモード
を操作する場合には、小さなスポットサイズのレーザビ
ームには、好ましくは、12ミル（約0.30ｍｍ）以下のレ
ーザビーム幅が用いられ、大きなスポットサイズのレー
ザビームには、27ミル（約0.69ｍｍ）のビーム幅が用い
られる。１つのスポットサイズのレーザビームが用いら
れる場合には、ビーム幅は12ミルよりも大きい任意のサ
イズであって差し支えない。
【００２６】本発明の鍵となる要素は、不完全に硬化さ
れる中間層の硬化において、レーザビームをＸＹ平面に
おいて第１の方向に、続いて、第２の方向に走査するこ
とであることに留意されたい。ＸＹ平面の第１の走査方
向における走査中に、不完全に硬化された中間層はその
下にある層に付着していない。第２の走査方向における
走査中に、不完全に硬化された中間層はその下にある層
に付着する。第１の走査方向は、ＸＹ平面のＸ方向また
はＹ方向いずれで行ってもよい。第２の走査方向は、第
１の走査方向に対して平行ではないいずれの方向でもよ
い。
【００２７】三次元物体を形成する本発明の方法は、中
間層において液体材料を様々な体積百分率で硬化させ
る。不完全に硬化される中間層は、不完全に硬化される
中間層の硬化中に、造形材料の約20体積％から約80体積
％まで、より好ましくは、造形材料の約50体積％から約
75体積％まで、最も好ましくは、造形材料の約60体積％
から約75体積％まで硬化させることができる。
【００２８】本発明は主に、基部のような大きな特徴形
状の区域と、薄壁のような微細な特徴形状の区域との間
のステレオリソグラフ部品の移行領域における収縮を減
少させるために開発されてきたが、その技法は、三次元
物体を形成する他の技術にも同様に適用できることに留
意されたい。本発明は、任意の紫外線硬化システムと共
に感光性ポリマーを用いたシステムにも同様に適用して
も差し支えない。不完全に硬化される中間層において一
度に硬化しなければならない樹脂の体積が減少すること
は、収縮の量を減少させる鍵である。さらに、不完全に
硬化される中間層の硬化区域により、造形物体に強化繊
維効果が与えられ、その材料の収縮が防がれる。
【００２９】さらに、ステレオリソグラフ装置に用いら
れる液体感光性ポリマーに関して記載したが、本発明を
他の用途における他の材料に利用することもできる。例
えば、紫外線により硬化できるペーストまたは焼結性材
料を適当に用いてもよい。そのペーストは、硬化性液体
とブレンドされた金属またはセラミック材料であって差
し支えない。
【図面の簡単な説明】
【図１】大きな特徴形状および微細な特徴形状の区域間
の移行における軽減された差異収縮と軽減されていない
差異収縮の影響を示す、本発明を用いて造形された三次
元部品の一部を示す概略図
【図２】理想的なＣＡＤイメージの部品の線からの軽減
された収縮と軽減されていない収縮を比較した差異収縮
の、図１に示した物体の垂直壁プロファイルを示すグラ
フ
【図３】図３Ａが完全に硬化した基部層を示し、図３Ｂ
が不完全に硬化された区域および液体区域を有する上に
ある中間層を備えた完全に硬化した基部層を示し、図３
Ｃが上にある完全に硬化された層の露出により完全に硬
化される不完全に硬化された中間層を、２つの完全に硬
化した層が挟んでいる、造形材料の３つの層を示してい
る、造形材料の重複する層を硬化するのに用いられる強
化周期パターンを説明する概略図
【符号の説明】
10 基部 12 輪郭線 21 基部層 22 輪郭層 24 中間層 25 硬化区域 26 流体区域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 カビル バティア アメリカ合衆国 カリフォルニア州 91381 スティーヴンソン ランチ ザ オールド ロード ナンバー６−306 25399 (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 キャシー エンリー ヴー ファン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 92843 ガーデン グローヴ シャーマン アヴェニュー 11122 (72)発明者 クハリル エム ムーサ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 91381 スティーヴンソン ランチ バー ネット レイン 25733 Ｆターム(参考） 4F213 AA44 AR20 WA25 WL02 WL13 WL44 WL67 WL93

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 造形材料を選択的に硬化することによ
    り、層毎の様式で三次元物体を形成する方法であって、 (a) 造形材料の第１の完全に硬化される層を硬化さ
    せ、 (b) 造形材料の液体区域および造形材料の硬化区域を
    有することにより、該第１の完全に硬化された層の少な
    くとも一部に重なる造形材料の少なくとも１つの不完全
    に硬化される中間層を不完全に硬化させ、ここで、該硬
    化区域は、第１の走査方向において行われた硬化後に該
    第１の完全に硬化された層には付着しておらず、第２の
    走査方向において行われた第２の硬化後に該第１の完全
    に硬化された層に付着しており、 (c) 造形材料の第２の完全に硬化される層および前記
    少なくとも１つの不完全に硬化された中間層における前
    記造形材料の液体区域を硬化し、それによって、制御さ
    れた収縮を有する固体の三次元物体を形成する、ここ
    で、該第２の完全に硬化された層が前記少なくとも１つ
    の不完全に硬化された中間層の少なくとも一部に重なっ
    ている、各工程を含むことを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 前記第１の走査方向において行われた硬
    化が、ＸＹ平面のＸ方向またはＹ方向のいずれかである
    ことを特徴とする請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記第２の走査方向において行われた硬
    化が、前記第１の走査方向に対して平行ではないことを
    特徴とする請求項２記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記造形材料の少なくとも１つの不完全
    に硬化される中間層の硬化が、該造形材料の約20体積％
    から約80体積％までを硬化させることを特徴とする請求
    項１記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記造形材料の少なくとも１つの不完全
    に硬化される中間層の硬化が、該造形材料の約50体積％
    から約75体積％までを硬化させることを特徴とする請求
    項１記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記造形材料の少なくとも１つの不完全
    に硬化される中間層の硬化が、該造形材料の約60体積％
    から約75体積％までを硬化させることを特徴とする請求
    項１記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記造形材料として感光性ポリマーを使
    用することを含むことを特徴とする請求項１記載の方
    法。
  8. 【請求項８】 紫外線を用いて、前記感光性ポリマーの
    硬化を行うことを含むことを特徴とする請求項７記載の
    方法。
  9. 【請求項９】 少なくとも１つのスポットサイズのビー
    ム幅を有するレーザビームを用いて、前記感光性ポリマ
    ーの硬化を行うことを含むことを特徴とする請求項７記
    載の方法。
  10. 【請求項１０】 約0.012インチ（約0.30ｍｍ）以上の
    直径の小さなスポットサイズのビーム幅を有するレーザ
    ビームを用いて、前記感光性ポリマーの硬化を行うこと
    を含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
  11. 【請求項１１】 約0.027インチ（約0.69ｍｍ）以上の
    直径の大きなスポットサイズのビーム幅を有するレーザ
    ビームを用いて、前記感光性ポリマーの硬化を行うこと
    を含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
  12. 【請求項１２】 約0.027インチ（約0.69ｍｍ）以上の
    直径の大きなスポットサイズのビームおよび約0.012イ
    ンチ（約0.30ｍｍ）以上の直径の小さなスポットサイズ
    のビームを選択的に有するレーザビームを用いて前記感
    光性ポリマーの硬化を行うことを含むことを特徴とする
    請求項９記載の方法。
  13. 【請求項１３】 大きなスポットサイズのビームを用い
    て、前記造形材料の第１の層に関して、ハッチおよび／
    または充填のための縁を硬化させ、ハッチおよび／また
    は充填のために該縁の内側を硬化させることを含むこと
    を特徴とする請求項１２記載の方法。
  14. 【請求項１４】 前記造形材料の少なくとも１つの不完
    全に硬化される中間層に関して、小さなスポットサイズ
    のビームを用いて、ハッチおよび／または充填のための
    縁を硬化させ、ハッチおよび／または充填のために該縁
    の内側を硬化させて、硬化された造形材料の強化区域を
    形成し、造形材料の上に重なる層を第３の層に硬化させ
    るときに、前記造形材料のその後の硬化の際の収縮を減
    少させるのに役立てることを含むことを特徴とする請求
    項１３記載の方法。
  15. 【請求項１５】 前記第１の完全に硬化された層の少な
    くとも一部に重なる造形材料の複数の不完全に硬化され
    る中間層を不完全に硬化させる工程を含むことを特徴と
    する請求項１記載の方法。
  16. 【請求項１６】 造形材料の液体区域および造形材料の
    硬化区域を有することにより、前記造形材料の少なくと
    も１つの不完全に硬化された中間層の少なくとも一部に
    重なる材料の少なくとも第２の不完全に硬化される中間
    層を不完全に硬化させる、ここで、該硬化区域は、第１
    の走査方向で行われる硬化後に該少なくとも１つの不完
    全に硬化された中間層に付着しておらず、第２の走査方
    向において行われる硬化後に該少なくとも１つの不完全
    に硬化された中間層に付着している工程を含むことを特
    徴とする請求項１記載の方法。
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