JP2003507223A - ３次元物体を生成するための装置およびその方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 層ごとに材料を凝固することによって３次元物体を生成するための装置が提供され、その材料は、レーザ投影器を用いることにより物体の断面に対応する層内の点で電磁放射によって凝固可能であり、レーザ投影器によって、それぞれの層の物体データから作られたビデオ画像に一致するように露光されるべき層が照射される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の分野】

この発明は、特許請求項１または９の前提部分の記載に従って３次元物体を生
成するための装置とその方法とに関する。

【０００２】 ステレオリソグラフィによって３次元物体を生成するための装置が、たとえば
ＪＰ−Ａ−６１−１１４８１８から公知である。公知の装置ではＵＶレーザを用
いて光によって硬化可能な樹脂を硬化させ、硬化されるべき樹脂の層上に偏向可
能な鏡システムによってレーザビームを走査させる。しかし、公知の装置は物体
で達成される構造的解像度に関して限界がある。マイクロメートルオーダの寸法
を備える物体を生成することができず、またできたとしてもその品質には限界が
ある。

【０００３】 ＤＥ ４３ ０６ ７９７ Ｃ１とＤＥ １９６ ４５ ９７６ Ｃ１とから
、レーザとスクリーンとを備える装置が公知であり、その各々は画像処理するた
めのものである。公知の装置を用いると、レーザビームによってスクリーン上に
画像を作ることができ、テレビ受像管の電子ビームと同様にレーザビームでスク
リーンをラスタ走査する。画像は、赤、緑、および青の３原色の３つのレーザを
、スクリーン上に現れるべき画像の画像点（画素）の各々が３つのレーザのレー
ザビームを混合したものから作られ、その混合が所望の色と明るさとに対応する
ように照射することによって作られる。この公知の装置はレーザ投影器と呼ばれ
、その基礎となる技術はまたレーザＴＶまたはレーザ投影技術として公知である
。

【０００４】

【発明の概要】

この発明の目的は、改善された構造的解像度で物体を作ることができる、具体
的にはマイクロメートルオーダの寸法を備える物体を作ることができる、３次元
物体を生成するための装置とその方法とを提供することである。

【０００５】 この目的は、特許請求項１に従った装置と特許請求項９に従った方法とによっ
て達成される。

【０００６】 この発明のさらなる発展が従属請求項で示される。 さらなる特徴と利点とが図を用いた実施例の説明から明らかになる。

【０００７】

【詳細な説明】

図１からわかるように、装置はその上部が開口し上縁２を備えるコンテナ１を
有する。キャリア３がコンテナ内に配置され、それは形成されるべき物体４を実
質的に平坦で水平に整列した建設プラットホーム５を用いて支持し、それは概略
的に示された高さ調整装置６によってコンテナ１内に位置付けられコンテナ１内
で上および下に変位可能である。

【０００８】 コンテナ１全体を上縁２の下のレベルまたは表面７ａにまで可視光で硬化可能
な液状プラスチック材料７で満たす。

【０００９】 コンテナ１の上方には露光装置１０が配置される。露光装置は３つのレーザ１
１、１２、１３を有し、それらは各々、赤、緑、および青の３原色の波長光を透
過し、ビデオ画像の画像点を作る。ここで説明される実施例では、レーザ１１、
１２、１３から出る光ビーム１１′、１２′、１３′は、光ビーム１１′、１２
′、１３′の光路に配置される変調器１４、１５、１６によって強度変調され得
る。変調器はたとえばＤＫＤＰ結晶から形成され、それによって光ビーム１１′
、１２′、１３′の偏光方向が変えられ、このため光ビームはトリガー電圧の関
数として後続の偏光フィルタによって強度変調される。光ビームは鏡システム２
０によって組合せられ、１つの組合わさった光ビーム３０となり、それはさらな
るシステムによって伝搬される。

【００１０】 組合せられた光ビーム３０は、回転可能な多角形の鏡３１と回動鏡３２とから
成る偏向装置によって線ごとにおよび画像ごとに、コンテナ１内のプラスチック
材料７の表面７ａへと偏向される。多角形の鏡３１の回転速度が組合せられた光
ビームの水平または線方向での偏向速度を決定し、一方で、回動鏡３２が回動す
る頻度が組合せられた光ビームの垂直方向での偏向速度、言換えると線が後から
順に続く速度を決定する。組合せられた光ビーム３０のビーム経路には拡大光学
部品（widening optic）を設けることができ、それにより小さな偏向角度によっ
てもプラスチック材料の表面７ａ上に大きな画像を作ることが可能となる。かわ
りに縮小光学部品（reducing optic）を設けることもできる。

【００１１】 シェーディング装置４０がさらに設けられ、それは概略的に示された回動装置
によって、鏡による偏向の後、組合せられた光ビーム３０のビーム経路内へと、
さらに再びそこから外へと、回動可能である。

【００１２】 ビーム経路にはさらに半透鏡４５が光軸に対して４５で配置され、画像ビーム
経路の光ビームの一部がマスキングされる。検出器４６がさらに設けられ、それ
によって、半透鏡４５でマスキングされた光が検知される。検出器４６はたとえ
ばデジタルカメラとして構成される。

【００１３】 露光装置１０全体は図示されない駆動装置によって垂直方向に変位可能である
ため、コンテナとの距離を設定することができる。

【００１４】 高さ調整装置６、露光装置１０、およびダイヤフラム４０を個別にまたは相互
に連係して制御するための制御ユニット６０がさらに設けられる。制御ユニット
６０は以下のように構成される。すなわち、プラスチック材料の表面７ａ上の層
に作られるべき、画像点（画素）から成る画像であって、それぞれの層で物体の
断面データに対応する画像を各々が特徴付けるビデオデータの関数として、制御
ユニット６０が露光装置１０を作動させ、これによって変調器１４、１５、１６
によって画像点ごとにまたは画素ごとに強度変調された組合せられた光ビーム３
０が線ごとに通常のビデオ基準に対応する周波数でもってプラスチック材料の表
面７ａ上へと偏向され、人間の目には静止して見える、物体の断面に対応する画
像をそれぞれの層に生成する。制御ユニット６０はさらに、建設プラットホーム
５を１層の厚みに対応する測定値に従って段階的に下げることができるように、
さらにプラスチック材料表面に露光が行なわれない場合にはダイヤフラム４０が
ビーム経路へと回動し、層の露光が始る前にビーム経路から回動して出るように
、構成される。

【００１５】 動作において、各層の物体の断面の層データがまず予め定められた物体データ
、たとえばＣＡＤデータから公知の様態で作られ、これらの層データは上述のビ
デオデータに変換されて、露光装置１０を作動させる。次に、高さ調整装置６に
より、所望の層の厚みに対応する測定値に従って建設プラットホーム５の表面が
プラスチック材料の表面７ａより下にくるように、液状プラスチック材料７で満
たされたコンテナ内でキャリア３を変位させる。

【００１６】 次に第１の層の露光が行なわれる。ビデオデータに対応して、画像内容によっ
て予め定められた強度を組合せられた光ビーム３０が各画像点で有するように、
個別のレーザ１１、１２、１３のための変調器１４、１５、１６が画像点ごとに
作動する。組合せられた光ビーム３０は次に、たとえばテレビで通例であるビデ
オ周波数でもって線ごとに表面７ａへと偏向され、表面７ａ上に作られるべきビ
デオ画像の個別の画像点を順次照射し、レーザビームがあたるとプラスチック材
料は硬化する。組合せられた光ビームが表面７ａ上に伝わる周波数は、人間の目
には静止して見える画像が現れるのには十分なほど大きい。層の露光は、物体の
対応する場所で層が硬化するまで続けられる。１つの層に必要とされる露光時間
は非常に短く、一般には５秒よりも短い。１秒の露光時間で層を硬化することさ
えも可能である。露光されるべき表面上でレーザビームによって作られた静止画
像によるほぼ平面での露光のために、大きな光パワーで、広い面積の露光と凝固
とが短時間で可能となる。

【００１７】 層の強度プロファイルは、半透鏡４５によるマスキングの後、検出器４６によ
って確認され、それを用いて次の層または後の物体の露光を制御する。測定され
た強度プロファイルを用いて、層に実際に当る強度プロファイルを判断すること
ができ、露光時間または光強度のいずれかが制御される。このことによって、簡
潔な様態で凝固の深さを制御することができる。

【００１８】 層の露光の後、ダイヤフラム４０がビーム経路へと回動し、次の層の固化/硬
化の間に光がコンテナ内のプラスチック材料に当たって、プラスチック材料が不
所望な点で凝固することを防ぐ。次に、層の厚みに対応する測定値に従って建設
プラットホーム５を下げ、プラスチック材料の新しい液状層が最後に凝固された
層の上に形成される。

【００１９】 ３原色のカラーレーザと、これらを事実上あらゆる混合比で混ぜて組合せられ
た光ビーム３０とすることができることとにより、白色光と、白色光の強度変調
によるグレースケールとの露光も行なうことができる。このことは、組合せられ
た光ビームの強度をさまざまに変化させることにより凝固の深さを制御すること
ができることを意味する。凝固の深さは、層ごとだけではなく、露光される層の
区域内でもまた変更できる。各層で形成されるべき物体の断面の層データに加え
て、形成されるべき物体の構造プログラムが図２で見られるような情報を作る。
そこでは、凝固されるべき層のどの区域５０、５０′が下にある前の層の凝固さ
れた区域に接続されるべきか、また、どの区域５１、５１′がまだ凝固されてい
ない区域の上に形成されるべきかが示される。図２は構成中の物体４の概略図を
示し、上部の凝固されている層４′では、区域５１が、構成中には凝固されてい
ない材料を含む下にある形成されるべき物体の中空スペースの間をつなぎ、区域
５１′が、形成されるべき物体の張り出しているまたは突き出している部分の始
りを示す。層データしたがって投影されるべきビデオ画像のさらなる情報を用い
て、露光装置の強度変調器は、既に凝固された区域の上にある区域５０、５０′
が光強度１０でもって露光されるように作動し、この光強度は、凝固の最中に、
組合せられた光ビームが層のこの区域を通り抜けてこれを下にある区域に接続す
るのに十分なほどである。区域５１、５１′は強度１１でもって露光され、それ
は１０と比較すると５０％まで減じられている。このことは、凝固されるべき区
域５１、５１′は１つの層の厚みに対応する深さまでしか硬化しないことを確実
にする。しかし、グレースケール露光により、簡潔な様態で他のいかなる強度を
も設定することができる。上述のようにグレースケール露光でもって強度プロフ
ァイルの測定を行なうこともできる。

【００２０】 ビデオデータの解像度はさらに、作られるべき物体の構造的解像度の制御も可
能にする。行または列方向の画素の数をビデオ画像内で設定するため、ソフトウ
ェアによって解像度を制御できる。

【００２１】 代替的な実施例では、装置は３原色の可視域で光を放出する３つのレーザに加
えてＵＶレーザと切換装置とを有し、それらにより、ＵＶレーザによる露光モー
ドと、可視（区域）内で光を放出する３つのレーザの組合せられた光による露光
モードとの切換えが可能となる。この種の切換装置は最も簡潔な場合には、必要
とされないビームに蔭をつけるシェーダを含み得る。したがってこの装置は、物
体を形成するために電磁スペクトルの異なる部分に感応する種々の材料に対して
様々に用いられ得るという利点を有する。

【００２２】 さらなる代替の実施例では、装置は、コンテナ１に配置され液状プラスチック
材料７の浴の表面に浸漬し、さらに凝固のために用いられる放射を伝送する材料
から形成される水平に整列した板を有する。この板を用いることにより、建設プ
ラットホーム５の表面とキャリア３が下げられたときの最後に凝固された層との
間に凝固されていない材料の均一な層を形成することも可能となる。

【００２３】 装置と方法とは説明された実施例のみに限定されていない。方向性パワービー
ム、個別のレーザを放出し強度変調され得るビーム源を用いることができるため
、それは必ずしもＵＶレーザでなくてもよく、たとえばガスレーザまたは固体レ
ーザの形であってもよい。実現されるべき画像点の解像度に対して十分なほどビ
ームが集点を合せられる限りは、ＬＥＤまたは電子源を用いることもできる。用
いられる材料はそのため、用いられるパワー源と物体の所望の特性との関数とし
て選ばれる。物体の断面の静止画像が層に投影されるように偏向を行なうことが
重要である。

【００２４】 装置と方法とは、露光装置が非常に高い光効率を有し、そのコントラストは１
０００：１よりも大きく、深さの鮮鋭度にはほとんど制限がないという利点を有
する。光スケーリングには問題がなく、解像度はミリメートルのオーダの物体で
も数センチメートルオーダの物体でも同じである。解像度は光回折によってのみ
制限されている。

【図面の簡単な説明】

【図１】 １つの実施例に従った装置の概略断面図である。

【図２】 形成されるべき物体の概略図である。

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電磁放射または粒子放射によって凝固可能な材料の層を物体
   （４）の断面に対応するそれぞれの層の点において順次凝固することによって３
   次元物体を生成するための装置であって、 照射されるべきそれぞれの層の区域に当る電磁放射または粒子放射の方向性ビ
   ームを作る装置（１１、１２、１３）と、 電磁放射または粒子放射の方向性ビームを、各層の物体に対応する点において
   ラスタモードで偏向させるための偏向装置（３１、３２）とを含み、 偏向装置（３１、３２）は、それぞれの層における物体の断面画像に対応する
   ビデオデータの関数として、人間の目には静止して見える物体の断面画像が照射
   されるべき区域にビームによって投影されるように方向性ビームを偏向するよう
   に構成される、装置。
2. 【請求項２】 ビームが通常のビデオ基準に対応する線周波数でもってラス
   タモードで偏向されるように偏向装置（３１、３２）を構成することを特徴とす
   る、請求項１に記載の装置。
3. 【請求項３】 露光装置は少なくとも１つのレーザ（１１、１２、１３）を
   含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. 【請求項４】 レーザはＵＶレーザであることを特徴とする、請求項３に記
   載の装置。
5. 【請求項５】 露光装置は少なくとも３つのレーザ（１１、１２、１３）を
   含み、それは強度変調可能であり、赤、緑、および青色の電磁放射の可視スペク
   トルで個別のビーム（１１′、１２′、１３′）を放出し、個別のビームから組
   合せられたビーム（３０）を作るための装置が設けられることを特徴とする、請
   求項１または２に記載の装置。
6. 【請求項６】 露光装置はさらにＵＶレーザを含み、切換装置が設けられて
   、ＵＶレーザにより露光が行なわれる動作と、個別のビームから成る組合せられ
   たビームにより露光が行なわれる動作との間で露光装置を切換えることを特徴と
   する、請求項４に記載の装置。
7. 【請求項７】 電磁放射によって凝固可能な材料（７）を収容するためのコ
   ンテナ（１）と、形成されるべき物体を収容するように垂直方向に調整可能にコ
   ンテナ内に配置される建設プラットホーム（５）とを特徴とする、請求項１から
   ６のいずれかに記載の装置。
8. 【請求項８】 画像は画像点から成り、画像点ごとにビームの強度を制御す
   るための装置（６０）が設けられることを特徴とする、請求項１から７のいずれ
   かに記載の装置。
9. 【請求項９】 電磁放射または粒子放射によって凝固可能な材料（７）を物
   体（４）の断面に対応する層での点において層ごとに凝固することによって３次
   元物体を生成するための方法であって、材料（７）は電磁放射または粒子放射の
   方向性ビーム（３０）での照射によって、物体（４）の断面に対応する点におい
   て各層内で始まり（ensue）、ビームは層の上でラスタモードで偏向し、 物体の断面画像に対応するそれぞれの層におけるビデオデータの関数として、
   人間の目には静止して見える物体の断面画像が照射されるべき区域にビームによ
   って投影されるように、方向性ビームを偏向することを特徴とする、方法。
10. 【請求項１０】 ビームは通常のビデオ基準に対応する線周波数でもってラ
    スタモードで偏向されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 【請求項１１】 レーザビームはビームとして用いられ、光で硬化可能なプ
    ラスチック材料が材料として用いられることを特徴とする、請求項９または１０
    に記載の方法。
12. 【請求項１２】 ＵＶレーザを用いて方向性ビームを作ることを特徴とする
    、請求項１１に記載の方法。
13. 【請求項１３】 強度変調可能な少なくとも３つのレーザ（１１、１２、１
    ３）が用いられ、それは各々の場合において赤、緑、または青色の電磁スペクト
    ルの可視部分範囲で個別のビーム（１１′、１２′、１３′）を放出し、ビーム
    （３０）は個別のビームの和から成ることを特徴とする、請求項１２に記載の方
    法。
14. 【請求項１４】 個別のビーム（１１′、１２′、１３′）の混合比は用い
    られる材料の吸収特性の関数として設定されることを特徴とする、請求項１３に
    記載の方法。
15. 【請求項１５】 画像は画像点から成ることを特徴とする、請求項９から１
    ４のいずれかに記載の方法。
16. 【請求項１６】 ビームの強度は画像点ごとに制御されることを特徴とする
    、請求項１５に記載の方法。
17. 【請求項１７】 画像の強度プロファイルが測定され、ビームの強度は測定
    値の関数として制御されることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
18. 【請求項１８】 生成されるべき物体の構造的解像度はビデオデータの解像
    度によって設定されることを特徴とする、請求項９から１７のいずれかに記載の
    方法。