JP2012506326A - ３次元造形装置用化学線強度プロファイル補償 - Google Patents

３次元造形装置用化学線強度プロファイル補償 Download PDF

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Abstract

３次元造形装置に用いられる結像装置の強度プロファイルの補償のための方法及び装置が提供される。結像装置から投射される化学線の強度プロファイルは、手動センサ、化学線感応紙の露光及びスキャン、及び強度プロファイルを含むがこれらには限定されない、様々な手法で決定される。結像装置の強度プロファイルが決定されると、固化性液体材料のそれぞれの層が、硬化されているパーツの２次元断面を定める(単一パターンではなく)複数のパターンを投射することによって硬化される。選択的に硬化される固化性液体材料の単層が、全体的に制御され、一貫したパーツ品質を提供するために、単位表面積あたり実質的に等しい(そうではなくとも制御された)量の化学線で硬化されるように、パターンの持続時間、数及び／または形状が強度プロファイルに相関して変えられる。

Description

本発明は３次元造形装置を用いるパーツの形成に関し、さらに詳しくは、固化性液体材料の実質的に一貫した、及び／または制御された、硬化を提供するための方法及び装置に関する。
少量生産またはその他の用途のための、モデル、プロトタイプ及びパーツの高速形成のための、足し算型製造技術が現在多数存在する。そのようなパーツは、ステレオリソグラフィ(stereolithography)、選択堆積造形法(selective deposition modeling)、積層体造形法(laminated object manufacturing)、選択段階領域堆積法(selective phase area deposition)、多段階ジェット固化法(multi-phase jet solidification)、弾道粒子造形法(ballistic particle manufacturing)、熱溶融樹脂法(fused deposition modeling)、粒子堆積法(particle deposition)、レーザ焼結法(laser sintering)、フィルム転送造影法(film transfer imaging)、等を含むが、これらには限定されない、立体自由形状作製(solid freeform fabrication)技法を用いて作製することができる。これらの技法の内の、全てではないが、いくつかは、固化性液体材料層を提供し、材料上に化学線の２次元像を投射して材料を選択的に硬化させて、作製されるべきパーツの断面領域を定める、３次元造形装置によって実施される。この固化性液体材料層の提供及び化学線による材料の選択的硬化のプロセスは、パーツが作製されるまで反復される。本明細書で用いられるように、「化学線」は、電磁放射にさらされた材料に光化学反応を生じさせる、いずれか及び全ての電磁放射を含む。そのような化学線は、光を吸収するいずれかの光架橋性材料の架橋をおこさせる光を含むが、これには限定されない。化学線の例には、紫外光、可視光及び赤外光があるがこれらには限定されない。
３次元造形装置の例は、本発明の譲受人に譲渡された発明の、本明細書にそれぞれの全体が参照として含まれる特許文献１及び２に開示されている。これらの３次元造形装置は像平面近傍に固化性液体材料の単層を提供し、結像装置から投射される化学線で材料を選択的に硬化させるための、フィルム転送造影法を利用する。図１は、像平面１６近傍に固化性液体材料１２の単層が転送フィルム１４によって提供される、従来技術の３次元造形装置１０を示す。材料１２は交換可能カートリッジ１８で供給される。結像装置(図２の結像装置２０を見よ)が像平面１６の下側から像平面及びフィルム１４を通して化学線の２次元パターンを投射して、フィルム上面の固化性液体材料１２を選択的に硬化させる。
作製されているパーツのそれぞれの断面に対応する材料１２のパターンを所望の硬さで選択的に硬化させた後、(作製されているパーツに連結された)造形台２２を上昇させて、材料の硬化パターンをフィルムから取り外す。フィルム及び全ての未硬化硬化性液体材料１２はカートリッジに戻され、フィルムは次の時に像平面にかけて引き出されて、像平面近傍に固化性液体材料の完全な単層を再び提供し、パーツが作製されるまでこのプロセスが反復される。
米国特許出願公開第２００８/０２０６３８３号明細書 米国特許出願公開第２００８/０１６９５８９号明細書
上述したように、結像装置は、作製されているパーツのそれぞれの断面に対応する、化学線の２次元パターンを投射する。しかし、いくつかの結像装置は像平面の２次元領域にわたって等しい量の化学線を投射せず、及び／または結像装置によって投射される化学線の量は時間の経過とともに減衰する。したがって、そのような結像装置を備える３次元造形装置では、パーツを形成するために選択的に硬化された材料の硬化過剰及び／または硬化不足の結果生じる(審美的及び／または構造的に)望ましくないパーツ品質をもつパーツが作製されることになり得る。
本発明は、３次元造形装置のための、結像装置性能を補償するための方法及び装置を提供する。さらに詳しくは、本発明の方法及び装置は、像平面の２次元領域内で量が変化する化学線を提供する結像装置及び／または時間の経過にともなって量が変化する化学線を提供する結像装置の、制御された使用を提供する。本発明のいくつかの実施形態は、固化性液体材料の層を選択的に硬化させるために、従来の３次元造形装置が一般に行うように完全な断面に対応する単一の化学線パターンを提供するのではなく、結像装置によって投射される化学線の強度プロファイルを決定して、複数の化学線パターンを提供する。さらに、本発明の別の実施形態は、３次元造形装置によって作製されるパーツに対する造形時間を短くするために、強度プロファイルに基づいて、像平面に対するパーツの位置を調節する。
本発明の方法の一例は、結像装置から投射される化学線の強度プロファイルを決定する工程及び像平面近傍に提供される固化性液体材料の単層毎に複数の化学線パターンを投射する工程を含む。複数の化学線パターンは、固化性液体材料の単層が単位表面積あたり実質的に等しい量の化学線によって硬化されるように、化学線の強度プロファイルに実質的に相関される。複数のパターンは様々な強度の化学線に基づく様々な持続時間をかけて露光され、強度プロファイルの最高強度と最低強度の間の差に基づいてパターン数が定められ、及び／または強度プロファイルに基づいて形状が定められる。複数の化学線パターンを決定された強度プロファイルに相関させることにより、結像装置は固化性液体材料の単層に対して単位表面積あたり実質的に等しいかまたは制御された量の化学線を投射することができ、よって３次元造形装置で作製されるパーツは既知の制御された品質をもつ。
本発明の実施形態の別の例では、結像装置から投射される化学線の強度プロファイルが決定され、パーツの中心(または、適用可能であれば、複数のパーツの中心)が、化学線の最高強度を定める強度プロファイル領域の近傍に配置される。最高強度の化学線が投射される場所にパーツを配置することで、一般に、(それぞれの層に対して投射されるパターンの数にかかわらず)パーツのそれぞれの層を選択的に硬化させる必要な時間が短くなることによって３次元造形装置がパーツをさらに高速で作製することが可能になるであろう。従来の３次元造形装置においてパーツの位置は化学線の強度にかかわらず像平面の中心あるいは像平面のコーナーまたは側辺が一般にデフォルトになっているから、最高強度の化学線が投射される場所にパーツを配置することで、パーツのさらに高速の作製が可能になり、したがって３次元造形装置のスループットを高めることが可能になるであろう。
本発明の様々な実施形態は、結像装置によって投射される化学線の強度プロファイルを決定するための方法を含む。強度プロファイルは、２次元格子に沿ってプローブを移動させることによるような、像平面近傍に配置された手動センサを用いて測定して、格子のそれぞれの区画に対するセンサ読み値を収集し、強度プロファイルを手作業で３次元造形装置のための制御システムに入力することができる。あるいは、感光性プリント用紙のような、化学線感応性材料を、材料が強度プロファイルを表す濃淡を表示するように、結像装置の化学線で露光することができる。次いで、露光された化学線感応性材料をスキャンして濃淡を測定するためことができ、よって強度プロファイルを決定することができる。強度プロファイルを決定するまた別の手法は、フラットベッドスキャナのような、スキャナ上に直接に化学線を投射することである。これは、３次元造形装置の像平面近傍にスキャナを一時的におくことで実施することができる。強度プロファイルを決定するためのそのような方法はいつでも、例えば、造形装置への結像装置の装着の前、造形装置への結像装置の組み付け中、造形装置がエンドユーザの場所に据え付けられたときに一度、及び／または、定期的に、造形装置がエンドユーザによってある時間使用された後に実施することができる。
本発明のまた別の実施形態は、結像装置の強度の全体的変化及び／または強度プロファイル自体の変化を決定するために強度プロファイルの自動決定及び／または強度プロファイルの自動モニタリングを可能にするような強度プロファイラを３次元造形装置内に備える。そのような強度プロファイラは一般に、３次元造形装置の内または上に収められ、強度プロファイルを測定できるように、ただしパーツを作製する固化性液体材料の選択的効果に悪影響を与えないであろうように、配置される。
本発明のまた別の実施形態は、以下の詳細な説明で開示されるような、固化性液体材料の改善された硬化のための別の方法及び装置を含む。
以上のように本発明を一般的な形で説明したが、以下では、必ずしも比例尺で描かれてはおらず、説明のためであって、限定は目的とされていない、添付図面が参照される。
図１は、固化性液体材料からパーツを作製するために用いられる、従来技術の３次元造形装置の斜視図である。 図２は、単層の固化性液体材料を選択的に固化させるために像平面を通して化学線の星形パターンを投射している結像装置を示す、従来技術の結像装置及び像平面の斜視図である。 図３は本発明の一実施形態にしたがう結像装置から投射された化学線の強度プロファイルを示し、ハッチングされた領域は様々な化学線強度領域を定め(ハッチングが濃くなるにしたがって対応する強度は高くなり、強度が低くなるにしたがって対応するハッチングは淡くなる)、また像平面のｘ座標及びｙ座標が示されている。 図４Ａは単位表面積あたり実質的に等しい(そうではなくとも制御された)量の化学線で像平面の全領域を選択的に硬化させるために結像装置から投射される化学線の複数のパターンの内の１つを示し、パターンは強度が比較的高い領域と比較して強度が比較的低い領域において長くなる累積硬化時間を与えるために、図３の強度プロファイルに実質的に相関する。 図４Ｂは図４Ａに続く化学線パターンを示す。 図４Ｃは図４Ｂに続く化学線パターンを示す。 図４Ｄは図４Ｃに続く化学線パターンを示す。 図４Ｅは図４Ｄに続く化学線パターンを示す。 図４Ｆは図４Ｅに続く化学線パターンを示す。 図５Ａは、図２と同様であるが、３次元造形装置によって作製されているパーツの星形パターンの単位表面積あたり実質的に等しい(そうではなくとも制御された)量の化学線を与えるように決定された強度プロファイルに実質的に相関する複数のパターンの内の１つを投射している結像装置を示す斜視図である。 図５Ｂは複数のパターンの内の別のパターンを投射している結像装置を示す斜視図である。 図５Ｃは複数のパターンの内のまた別のパターンを投射している結像装置を示す斜視図である。 図６Ａは、結像装置から投射される化学線の強度プロファイルの決定に用いられる、ラジオメータを含む手動センサアセンブリを示す。 図６Ｂは、化学線強度プロファイルの決定に用いられるラジオメータの、プローブ及びフィルタデバイスを示す。 図６Ｃは、化学線強度データを決定するために、プローブ及びフィルタデバイスを格子に沿って像平面上で移動させている態様を示す。 図６Ｄは、化学線強度データを決定するために、プローブ及びフィルタデバイスを格子に沿って像平面上で移動させている態様を示す。 図６Ｅは、化学線強度データを決定するためにプローブ及びフィルタデバイスがそれに沿って移動させられる、像平面近傍に配置された格子を示す。 図６Ｆは、格子のそれぞれの区画に対して決定された、化学線強度データを示す。 図７は、感光性材料の(格子線を有する)シートが像平面(図示せず)近傍におかれて、像平面全体にわたる化学線強度を表すように化学線の全照射で露光され(シート全体が同じ時間をかけて露光され)、よって露光されたシートをスキャナでスキャンして結像装置から投射される化学線の強度プロファイルを決定することができる、結像装置から投射される化学線の強度プロファイルを決定するための別の手法を示す。 図８は、３次元造形装置(例えば図１の従来技術の造形装置)の像平面近傍にスキャナが配置されて、スキャナが化学線の全照射にさらされ(像平面全体が同じ時間をかけてさらされ)、よって結像装置から投射される化学線の強度プロファイルが決定される、結像装置から投射される化学線の強度プロファイルを決定するためのまた別の手法を示す。 図９Ａは本発明のまた別の実施形態にしたがうディフューザを示し、ディユーザは結像装置の近傍で選択的に可動であって、結像装置の化学線を拡散させる。 図９Ｂは図９Ａと同じ実施形態にしたがう強度プロファイラを示し、強度プロファイラは拡散化学線の量を測定するための２つの化学線センサを有する。 図９Ｃは３次元造形装置の一部の図９Ａのディフューザ及び図９Ｂの強度プロファイラのそれぞれの場所を示し、ディフューザ及び強度プロファイラは、(格子の個々の区画に投射する結像装置及び拡散化学線を測定する強度プロファイラによって)結像装置から投射される化学線の強度プロファイルを自動決定するように及び／または、強度プロファイルを定期的に決定することによって、全体強度の時間の経過にともなう変化及び／または強度プロファイルの変化を自動検出するように、適合される。 図１０Ａは本発明の一実施形態の方法及び装置の動作の斜視図であり、結像装置から投射された化学線の決定された強度プロファイルが示される。 図１０Ｂは、図１０Ａの実施形態における、化学線の最高強度を定める強度プロファイル領域が決定され、(従来技術の３次元造形装置で一般に行われるような像平面の中心へのパーツの配置とは異なり)パーツ(星形パーツ)の中心が化学線の最高強度を定める強度プロファイル領域の近傍に配置される態様を示す。 図１０Ｃは造形装置の像平面近傍に提供された単層の固化性液体材料を選択的に硬化させるために結像装置によって投射される(図１０Ｂのパターンを含む)複数のパターンの１つを示し、結像装置から(２枚のミラーを介して)像平面上に化学線が投射される方向と逆方向に延びる、複数の、選択的に固化された固化性液体材料の層からなる３次元パーツを示す。
本発明のいくつかの、ただし全てではない、実施形態が示される、添付図面を参照して本発明を以降でさらに十分に説明する。実際、本発明は多くの様々な形態で具現化することができ、本明細書に述べられる実施形態に限定されると解されるべきではなく、これらの実施形態は適用される法的要件を本開示が満たすであろうように与えられる。フィルム転送造影法を利用する３次元造形装置に関して、方法及び装置が説明され、添付図面に示されるが、３次元パーツを作製するために表面積あたり実質的に等しい(そうではなくとも制御された)量の化学線によって材料を硬化させることが望ましい、現在既知であるかまたは今後案出されるいかなる３次元造形装置にも、本発明の方法及び装置は適用され得ると考えられる。全図面を通して同様の参照数字は同様の要素を指す。
３次元造形装置の結像装置は一般に、２次元像平面のｘ軸及びｙ軸に沿って投射される非一様な強度の化学線を有する。図３は本発明の一実施形態にしたがう結像装置から投射される化学線の強度プロファイルを示す。ハッチングされた領域は様々な強度の化学線の領域を定め、ハッチングが濃くなるにしたがって対応する領域の化学線の強度は高くなり、強度が低くなるにしたがって対応する領域のハッチングは淡くなる。本明細書で用いられるように、「強度」は第一義的に化学線のエネルギー密度を指す。エネルギー密度は、固化性液体材料の硬化量が固化性液体材料上に投射されるエネルギー量に直接に関係するから、重要である。したがって、露光エネルギーが多すぎると、固化性液体材料で作製されているパーツ部分は成長過剰になり、よって、大きすぎ、及び／または均衡がとれていないパーツが作製され得る。逆に、露光エネルギーが少なすぎると、固化性液体材料で作製されているパーツ部分は成長不足になり、よって、小さすぎ、及び／または強度不足のパーツが作製され得る。完成「生」パーツの熟成硬化のような、後処理にかけられるパーツに対してさえも、そのような露光エネルギー過剰及び／または露光エネルギー不足の問題は完成パーツに悪影響を及ぼし得る。
本発明によって用いられる固化性液体材料は、一定量の化学線にさらされると概ね液態または揺変状態から概ね固態に転換される、いずれかの光硬化性組成である。本発明のいくつかの実施形態による使用に適合された固化性液体材料の２つの非限定的例が、いずれも本発明の譲受人に譲渡された、米国特許第７３５８２８３号の明細書及び２００８年９月３日に出願された米国特許出願第１２/２０３１７７号の明細書に開示されている。上記の明細書のいずれの開示もそれぞれの全体が本明細書に参照として含まれる。本発明の別の実施形態は化学線にさらすことで固化させ得る概ね液態のいずれかの材料を含む。
本明細書に用いられるように、固化性液体材料の「単層」は、像平面近傍におけるいずれかの新しい材料(次の層)の付加に先立って、固化性液体材料の一部を選択的に硬化させるために化学線にさらされる、いずれかの態様で塗布されるいずれかの量の材料とすることができる。したがって、複数の個別の材料層の全てが一緒に化学線にさらされるならば、そのような複数の層が単層を定めることができる。一般に単層の材料は像平面近傍に与えられ、材料が選択的に硬化されて、硬化材料が像平面に対して取り出され、同時に、作製されているパーツの一層となり、未硬化材料が次の材料単層を定めるための未硬化材料で置き換えられるかまたは補足される。
図３に示されるような、２次元像平面のｘ軸及びｙ軸に沿って投射される非一様強度の化学線を再び参照すれば、いくつかの結像装置の、像平面のコーナーにおける強度は、像平面の中心または中央領域における強度に比較して、僅か２５％になり得る。この結果、像平面のコーナー領域の固化性液体材料を十分に硬化させるために中央近傍の固化性液体材料が露光過剰になるか、あるいは中央領域の固化性液体材料を適切に固化させるためにコーナー領域の固化性液体材料が露光不足になるであろう。本発明はそのような化学線強度の差を測定して、単位表面積あたり実質的に等しい量の化学線を与えるためにそのような差を補償する。本発明のいくつかの別の実施形態は、パーツを所望の通りに作製するための制御された態様でのパーツの層の硬化を可能にする(必ずしも等しい必要はない)実質的に制御された量の化学線を提供する。
図３を再び参照すれば、強度プロファイル３０はハッチングされた領域３２〜４２を用いて化学線の様々な強度を示す(図３の右側にハッチングの濃さを表すスケールが与えられている)。強度が最も高い領域３２は最も濃いハッチングで示され、強度が最も低い領域４２は最も淡いハッチングで示される。像平面のｘ軸は０〜１０００で示され、像平面のｙ軸は０〜７００で示される。しかし、本発明の別の実施形態の像平面は、任意の数が与えられた軸を有することができ、任意の全寸を有することができ、及び／または任意の形状を有することができる。領域３２〜４２は領域間に、地図上の等高線と同様の、線を有するとして示される。しかし、それぞれの領域が一貫した強度を定める必要はなく、領域間の線においていかなる実質的変化も無しに領域３２の最高強度から領域４２の最低強度まで平均強度に概ね線形の関係式が成り立つように強度の範囲を表すだけであることは当然である。図３に図示される実施形態において、最高強度領域３２はｘ軸に沿って概ね中心に、またｙ軸に沿って中心よりやや下寄りにある。しかし、本発明にしたがう他の３次元造形装置の強度プロファイルは強度領域の、いかなる、相対方位、大きさ、分布等も定めることができる。
本発明の方法及び装置により、(以下でさらに十分に論じられるように)強度プロファイルを決定することが可能になり、決定された強度プロファイルをパーツの作製を改善するために用いることが可能になる。図４Ａ〜４Ｆは３次元造形装置を用いるパーツの作製の改善に図３の決定された強度プロファイルをどのように用い得るかを示す。固化性液体材料の層上に単一の２次元パターンを投射して２次元パターンの形状に材料を選択的に硬化させる従来の３次元造形装置とは異なり、本発明の方法及び装置は固化性液体材料の層上に複数のパターンを投射して２次元パターンの形状に材料を選択的に硬化させる。図４Ａ〜４Ｆにおいて、選択的に硬化される２次元パターンは像平面の表面積全体であるが、説明の目的のため、複数のパターンのさらに実際的な使用も、以下で論じられる図５Ａ〜５Ｃに示される。
固化性液体材料の単位表面積あたり実質的に等しい(そうではなくとも制御された)量の化学線で図４Ａ〜４Ｆにおいて像平面近傍の固化性液体材料の量全体を選択的に硬化させるためには、図３に示される強度プロファイル３０が(以下で論じられるように)決定されなければならない。強度プロファイル３０が決定されてしまえば、３次元造形装置の制御システムが結像装置を制御して、化学線の強度プロファイルに実質的に相関された複数のパターンを投射させる。本明細書に用いられるように、「相関」は複数のパターンの個々のパターンの形状が決定された強度プロファイルにある程度は依存することを意味する。相関は、化学線のパターンが、(図３に対して)図４Ａ〜４Ｆに示されるように、強度プロファイルの領域に正確に対応することを意味する必要はない。相関は単に、３次元造形装置で作製されるべきパーツのそれぞれの層に対して、複数のパターンの個々のパターンの形状が(好ましくは自動的に、ただし手作業でも)選ばれるときに、強度プロファイルが考慮されることを意味するだけである。
図４Ａ〜４Ｆの複数のパターンが像平面近傍の固化性液体材料の層上に投射されて、固化性液体材料の単位表面積あたり実質的に等しい(そうではなくとも制御された)量の化学線に材料をさらす。図４Ａ〜４Ｆで作製されているパーツ(または少なくともパーツの単層)の断面領域が像平面の２次元領域全体であるから、図４Ａの化学線のパターン４４は像平面の２次元領域の実質的に全面である。パターン４４は、強度プロファイル３０の領域３２(図３を見よ)に対応する材料を十分に硬化させる(所望のパーツを作製するための規定の量に領域を全般的に硬化させる)に十分な時間、例えば３秒と１０秒の間、像平面上に投射される。
像平面近傍の固化性液体材料上に投射される複数の化学線パターンの次のパターンは、図４Ｂのパターン４６である(化学線はハッチングされた領域で表され、無化学線領域は無ハッチング領域で表される)。パターン４６は強度プロファイル３０の領域３４(図３を見よ)に対応する材料を十分に硬化させるに十分な時間、例えば１秒未満、投射される。領域３４はパターン４４の時にも化学線にさらされているから、パターン４６が材料上に投射される時間は、領域３４が単位表面積あたり領域３２と実質的に等しい化学線量に領域３４がさらされるに必要な追加化学線量に基づく。言い換えれば、パターン４６が投射される時間は図３の強度プロファイルの領域３２と３４の強度の差に対応する。
領域３２及び３４のような領域の強度はそれぞれの領域に対する平均強度であるから、領域３２及び３４の全ての点が正確に同じ量の化学線にさらされることにならないことは当然である。しかし、本発明の様々な実施形態は、複数のパターンのパターン数、複数のパターンの投射時間及び単位表面領域あたり実質的に等しい化学線量の投射に関わるその他のパラメータに基づく。したがって、(パーツの与えられた層に対する)複数のパターンのパターン数と化学線の等価性の間に、パターンの数を多くするほど化学線露光の等価性が向上し、パターンの数を少なくするほど化学線露光の等価性が低下するような、一般的関係が存在する。様々なパラメータ間のさらに他の関係が当業者には当然であろうし、本発明の範囲内に含まれる。
図３及び図４Ａ〜４Ｆに再び戻れば、図４Ｃのパターン４８は像平面近傍の固化性液体材料上に投射される複数の化学線パターンの内の次の(図４Ｂのパターン４６に続く)パターンである。パターン４８は、パターン４６に関して上で論じた態様と同様の態様で、強度プロファイル３０の領域３６(図３を見よ)に対応する材料を十分に硬化させるに十分な時間投射される。同様に、図４Ｄのパターン５０は領域３８を十分に硬化させるための次のパターンであり、図４Ｅのパターン５２は領域４０を十分に硬化させるための次のパターンであり、図４Ｆのパターン５４は領域４２を十分に硬化させるための次のパターンである。したがって、単位表面積あたり実質的に等しい化学線量(強度)を定めない図３の強度プロファイルを投射する結像装置を用いて、単位表面積あたり実質的に等しい化学線量で固化性材料の層全体が硬化される。
次に図５Ａ〜５Ｃに移れば、パーツの星形断面領域を投射する方法が示される。結像装置２０の強度プロファイルの決定後、３次元造形装置の制御システムは像平面１６のミラー６０及び結像装置２０から見て裏側の面に与えられた固化性液体材料から星形形状領域を十分に硬化させるにはある数のパターンが投射されるべきであると(人間が介在するかまたは介在せずに)決定する。図５Ａ〜５Ｃに示される実施形態においては、単層固化性液体材料に投射されるべき複数のパターンが３つのパターンで定められる。図５Ａは、作製されているパーツの星形断面領域全体の形状を有するパターン４４'の(１つないしさらに多くのミラー６０を介する像平面上への)投射を示す。図５Ｂは、パターン４４'の星形パターンから(図３の強度領域３２と同等の)最高強度領域を取り除いたパターン４６'の投射を示す。図５Ｃは、パターン４４'の星形パターンから(図３の強度領域３２及び３４と同等の)２つの最高強度領域を取り除いたパターン４８'の投射を示す。したがって、図５Ａ〜５Ｃは単層固化性液体材料を選択的に硬化させるための複数のパターンでの化学線の投射を示す。本発明のさらにまた別の実施形態は、様々な形状を有する、及び／または単層材料に対して複数のパターンを定めるために別の数の異なるパターンを用いる、パーツを作製するために本発明の方法及び装置を用いる。
一層の材料に対して複数のパターンを用いてパーツの作製を改善するために決定された強度プロファイル３０を用いる方法を説明したが、図６Ａ〜図１０Ｃは強度プロファイルを決定するための方法及び装置を示すために与えられる。本発明の別の実施形態は強度プロファイルを決定するための別の方法及び装置を含む。
図６Ａ〜６Ｆは手動センサアセンブリ６２によって化学線の強度プロファイルを決定するための第１の装置及び付随する方法を示す。図６Ａのセンサアセンブリ６２はプローブ６４及びフィルタデバイス６６を有するラジオメータを備え、プローブはいずれかのタイプの化学線センサを有する。センサアセンブリは、作業者が化学線の値を手作業で記録できるように作業者にその値を表示するためにプローブとともに用いられる、表示ユニット６８も備える。図６Ｂは、プローブによって測定された化学線をフィルタデバイス６６がフィルタリングするように、フィルタリングデバイスに挿入されたプローブ６４を示す。図６Ｃ及び６Ｄは、複数の格子区画７２を定める格子７０に沿ってプローブ６４を(フィルタデバイス６６とともに)移動させている作業者を示す。図６Ｅは３次元造形装置１０の像平面１６近傍におかれる格子を示し、図６Ｅの格子は、作業者が測定すべき９×１２(計１０８)の格子区画を定める。図示される実施形態において、作業者はそれぞれの格子区画を２回、１回目はプローブを(例えば図６Ｃの)第１の方向に向け、２回目はプローブを(例えば、図６Ｃの位置に対して１８０°逆の位置にある図６Ｄの)第２の方向に向けて、測定する。
作業者は化学線強度の測定データ値の全てを図６Ｆのようなチャートに記録し、データは平均されて、３次元造形装置のための制御システムに入力され、よって、造形装置、または３次元造形装置制御システムとともに用いられるその他のソフトウエアが、強度プロファイルを決定することができる。それぞれの格子区画の２つの値は強度プロファイルのより正確な表示を与えるために平均されることが好ましいが、本発明の別の実施形態は、それぞれの個別値を用いることができ、及び／または決定される強度プロファイルにさらに大きいかまたは小さい分解能を与えるためにさらに多いかまたは少ない格子区画を与えることができる。
次に、化学線の強度プロファイルを決定するための第２の装置及び付随する方法に移れば、図７は、一定の持続時間の間化学線にさらされた、感光性材料の、格子線を有する、シート８０を示す。シートは光またはその他の化学線に感応し、さらされたエネルギー量に応答してシートの色または(例えばグレースケールによる)色合いが変わる。図示される実施形態において、シート８０は(図１の像平面１６のような)像平面の近傍に配置され、シート全体が同じ時間露光されるように、化学線の全照射にさらされる。次いで、化学線強度を像平面全体にわたって表すようにシート８０の色、色合、等が変化し、よって強度プロファイルを表す。説明の目的のため、図７のシート８０上に示される強度プロファイルは図３の強度プロファイル３０を表し、図７の領域８２〜９２はそれぞれ、図３の領域３２〜４２に対応する(が、図３に関して上述した理由のため、シート８０上には領域間の境界線が表れないであろう)。露光されたシート８０は次いで、通常のスキャナ及び、スキャンされた色、色合い、等を取り込み、取り込んだデータから強度プロファイルを決定することができる、ソフトウエアを用いてスキャンされる。
図７の装置及び方法の一利点は、エンドユーザが３次元造形装置を入手した後に、フィールドエンジニアが３次元造形装置の所在地に出張する必要無しに、強度プロファイルの決定が可能になるであろうということである。図６Ａ〜６Ｆの装置及び方法は、３次元造形装置の組立前、組立中または組立直後に用いられる／実施されるか、あるいは中古の３次元造形装置を点検修理している熟練したフィールドエンジニアによって用いられる／実施されることが好ましいが、図７の装置及び方法は、ある程度、エンドユーザが実施することができる。エンドユーザは(造形装置の保守点検を担当する部門から)感光材料のシート８０を少なくとも１枚、シートを像平面上において結像装置に一定の持続時間化学線の全照射を投射させるようにとの指示とともに、受取る。シート８０を十分な量の化学線にさらすと、エンドユーザは造形装置の保守点検を担当する部門にシートを単に郵送することができ、担当部門はシートをスキャンして強度プロファイルを決定し、次いで、(インターネット、無線デバイスまたはその他の通信デバイスを介して)強度プロファイルを３次元造形装置に遠隔送信して、造形装置を強度プロファイルデータで有効に較正及び／または再較正するであろう。さらに別の利点が本発明の様々な装置及び方法によって達成される。
結像装置から投射される化学線の強度プロファイルを決定するためのまた別の装置及び方法が図８に示される。スキャナ装置９６を、感光部分(図示せず)を化学線の方向に向けて、像平面上に直接に配置することができる。したがって、図８の実施形態は図７の中間シートを実効的にエミュレートし、よって、スキャナ装置９６は照射される化学線を直接に測定して強度プロファイルを決定する。続いて、決定された強度プロファイルを３次元造形装置に(直接または間接に)送信して、造形装置を強度プロファイルデータで有効に較正及び／または再較正することができる。スキャナは投射される化学線を(上述したように)直接に、または(図９Ａ〜９Ｃに関して以下で説明される方法と同様の態様でディフューザを用いることによるか、あるいはその他の光方向変更デバイスまたはフィルタリングデバイスを用いることによるように)間接に、測定することができる。
次に図９Ａ〜９Ｃの装置及び方法に移れば、結像装置２０によって投射される化学線の強度プロファイルの自動決定を可能にするために、ディフューザ１００及び強度プロファイラ１０２が備えられる。図９Ａのディフューザ１００は、ディフューザが選択的に可動な態様で結像装置２０のレンズ１０４の前面に配置されるように、結像装置の近傍に回転可能な態様で取り付けられる。ディフューザ１００は、結像装置２０の化学線が無拡散軌跡に対して全体的に散乱されるように、化学線を拡散させる。図９Ｂの強度プロファイラ１０２は、化学線、詳しくは拡散化学線を測定する、２つの化学線センサ１０６を有する(別の実施形態は少なくとも１つの化学線センサを有する)。図９Ｃは、３次元造形装置の他のコンポーネントに対する、ディフューザ及び強度プロファイラの相対配置を示す。この実施形態例のディフューザ及び強度プロファイラは、先に論じた実施形態とは異なり、３次元造形装置に恒久的に取り付けられるように適合される。したがって、３次元造形装置の通常動作中の化学線の投射に悪影響を与えるであろう態様でディフューザ及び／または強度プロファイラを配置しないことが、必要ではないが、望ましい。
図９Ｃに示されるように、ディフューザ１００は結像装置２０の近傍に回転可能な態様で取り付けられ、強度プロファイラ１０２は一般に２つのミラー６０の間に、ただし結像装置から像平面への化学線の通常の投射を強度プロファイラが妨害しないような態様で、取り付けられる。強度プロファイラ１０２は、その位置のため、投射される化学線を直接には測定しないから、ディフューザ１００は投射される化学線を拡散させて強度プロファイラ１０２の化学線センサ１０６の一方にまたはいずれにも化学線の一部が向けられるように結像装置２０のレンズ１０４に選択的に被さる位置につけられる。別の実施形態は、化学線を検知して強度プロファイルを決定するための別の方法及び／または強度プロファイラを含む。
強度プロファイルを決定するため、(図９Ａの隠れ線で示されるように)結像装置２０のレンズ１０４の前面にディフューザ１００が配置される。次いで結像装置２０が、図６Ｅ及び７の格子区画と同等の正方形または長方形の格子区画のような、小領域の化学線を、強度プロファイラ１０２が化学線のそれぞれの投射格子区画に対応する拡散光量を測定してそのような測定値を３次元造形装置の制御システムに転送できるような態様で順次に、投射する。結像装置２０が化学線の全ての格子区画、またはいくつかの代表的な格子区画を投射した後、図９Ｃの強度プロファイラ１０２からの測定値は、強度プロファイルを決定するために３次元造形装置の制御システムによって(図６Ｆのチャートの使用と同等の自動態様で)用いられ得る。この図９Ａ〜９Ｃの方法の完全に自動化された性質のため、この方法は、フィールドエンジニアまたはユーザが全く介在せずに、いつでも実施することができる。したがって、この方法は、強度プロファイルは時間の経過とともに変化するから、及び／または全体強度は時間の経過とともに減衰するから、層あたりの複数のパターンを更新することで造形装置を継続的に再較正するための、強度プロファイルの定期的決定を提供することができる。本発明のさらに別の実施形態は結像装置方投射される化学線の強度プロファイル決定のための別の、及び／または代替の、方法及び／装置を含む。
次に図１０Ａ〜１０Ｃに移れば、化学線の最強強度を定める強度プロファイル領域の近傍にあるようにパーツが配置される、本発明の別の方法及び装置が開示される。最大光強度が利用できる場所にパーツを意図的に配置することにより、パーツの(全てではないにしても)多くの層を、比較的強度が高い光を用いて、一層高速で作製することができる。図１０Ａは、強度プロファイル３０'がｘ軸及びｙ軸のいずれにおいてもオフセットされた(図３の領域３２と同等の)最高強度領域３２'を定める、３次元造形装置を示す。ディフューザ１００及び強度プロファイラ１０２を用いるような、本発明の方法及び／または装置を用いて強度プロファイルが決定された後、３次元造形装置の制御システムは、化学線の最強強度を定める強度プロファイル領域(領域３２')の近傍に、作製されるべきパーツの中心を配置する。
図１０Ｂは、パーツに対するデフォルト位置であることが多い、中心あるいはコーナーまたは側辺ではなく、領域３２'の近傍に配置されているとして、パーツ１１０の中心を示す。複数の個別パーツが同時に作製されている場合は、化学線の最高強度を定める強度プロファイル領域(領域３２')の近傍に(本明細書ではパーツとも呼ばれる)集合パーツの中心が配置されるような態様でパーツの向きが定められる。パーツは相異なる中心を定める多くの相異なる層を有することができ、よってそのようなパーツには平均中心が用いられることが好ましいから、パーツの中心は一般にパーツの層の全てに基づいて決定されることも当然である。パーツは最高強度が利用できる場所に配置されるから、化学線の最高強度を定めてはいなかったデフォルト位置に配置されている同じパーツに比較して、高速でパーツを選択的に硬化させ得ることが期待できる。図１０Ｂは複数のパターン内の第１のパターン４４”の投射を示し、図１０Ｃは複数のパターンの内の第２のパターン４６”を示す(強度プロファイルに依存して別のパターンも投射され得る)。それぞれの層の硬化時間は一般にその特定の層に対して硬化されるべきいずれかの領域の最低強度によって支配されるから、パーツを最高強度近傍に配置することによって作製スピードを上げることができる。
したがって、本発明は従来の方法及び装置で作製されたパーツに比較して優れたパーツ品質を有し、及び／または造形時間が高速な、３次元パーツの作製を提供する。上記説明及び付帯図面に提示される教示の恩恵を有する本発明関係の当業者には本明細書に述べられる本発明の多くの改変及び別の実施形態が思い浮かぶであろう。したがって、開示された特定の実施形態に本発明が限定されず、添付される特許請求の範囲内に改変及びその他の実施形態が含まれるとされることは当然である。本発明の改変及び変形が添付される特許請求項及びそれらの等価物の範囲内に入れば、本発明はそのような改変及び変形を包含するとされる。特定の用語が本明細書に用いられるが、そのような用語は汎用の記述的な意味で用いられ、限定の目的のために用いられてはいない。
１０ ３次元造形装置
１２ 固化性液体材料
１４ 転送フィルム
１６ 像平面
２０ 結像装置
３０ 強度プロファイル
６０ ミラー
１００ ディフューザ
１０２ 強度プロファイラ
１０４ レンズ
１０６ 化学線センサ

Claims (25)

  1. ３次元造形装置を用いるパーツの作製方法において、前記造形装置が結像装置から投射される化学線を用いて固化性液体材料の層を選択的に硬化させることによって前記パーツを作製し、前記方法が、
    前記結像装置から投射される前記化学線の強度プロファイルを決定する工程、
    前記造形装置の像平面の近傍に前記固化性液体材料の単層を提供する工程、
    前記固化性液体材料の前記単層を選択的に硬化させるために複数のパターンで前記化学線を投射する工程であって、前記パターンは前記化学線の前記強度プロファイルに実質的に相関されるものである工程、
    前記造形装置の前記像平面の近傍に前記固化性液体材料の単層を提供する工程、及び
    前記パーツを作製するために、前記化学線投射工程及び前記単層提供工程を反復する工程、
    を含むことを特徴とする方法。
  2. 前記強度プロファイルを決定する工程が、前記結像装置と前記像平面の間、前記像平面の近傍及び前記結像装置から見て前記像平面の裏側の内の少なくとも１つを含む位置において前記化学線を測定する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 前記強度プロファイルを決定する工程が、前記像平面の近傍で手動センサを用いて前記化学線を測定する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  4. 前記強度プロファイルを決定する工程が、
    ある量の化学線で化学線感応性材料を露光する工程、
    前記露光した化学線感応性材料をスキャンする工程、及び
    前記強度プロファイルを決定するために前記スキャンで得られたデータを用いる工程、
    を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  5. 前記強度プロファイルを決定する工程が、前記像平面の近傍に取外し可能な態様で配置されたスキャナ装置を用いて前記化学線を測定する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  6. 前記強度プロファイルを決定する工程が、前記３次元造形装置への前記結像装置の装着の前に前記結像装置から投射される前記化学線を測定する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  7. 前記強度プロファイルを決定する工程が、前記結像装置から投射される拡散化学線を測定するために少なくとも１つの強度プロファイラを使用する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  8. 複数のパターンで前記化学線を投射する工程が相異なる持続時間をかけてパターンを投射する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  9. 複数のパターンで前記化学線を投射する工程が前記パターンの数を前記強度プロファイルの最高強度と最低強度の間の強度の差に相関させる工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  10. 複数のパターンで前記化学線を投射する工程が、前記複数のパターンの個々のパターンの形状を前記強度プロファイルに相関させる工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  11. 前記化学線によって選択的に硬化される前記単層の前記固化性液体材料が単位表面積あたり実質的に等しい量の化学線で硬化されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  12. 前記化学線を投射する工程が、前記強度プロファイルの相異なる強度を補償するためのグレースケール化を実質的に施していないことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  13. ３次元造形装置を用いるパーツの作製方法において、前記造形装置が結像装置から投射される化学線を用いて固化性液体材料の層を選択的に硬化させることによって前記パーツを作製し、前記方法が、
    前記結像装置から投射される前記化学線の強度プロファイルを決定する工程、
    作製されるべき前記パーツの中心を前記化学線の最高強度を定める前記強度プロファイルの領域の近傍に配置する工程、
    前記造形装置の像平面の近傍に前記固化性液体材料の単層を提供する工程、
    前記固化性液体材料の前記単層を選択的に硬化させるために前記化学線を投射する工程、
    前記造形装置の前記像平面の近傍に前記固化性液体材料の単層を提供する工程、及び
    前記パーツを作製するために、前記化学線投射工程及び前記固化性液体材料単層提供工程を反復する工程、
    を含むことを特徴とする方法。
  14. 前記強度プロファイルを決定する工程が、前記３次元造形装置への前記結像装置の装着の前に前記化学線を測定する工程を含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
  15. 前記化学線を投射する工程が、前記固化性液体材料の単層を選択的に硬化させるために複数のパターンで前記化学線を投射する工程を含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
  16. 複数のパターンで前記化学線を投射する工程が、相異なる持続時間をかけてパターンを投射する工程を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
  17. 複数のパターンで前記化学線を投射する工程が、前記パターンの数を前記強度プロファイルの最高強度と最低強度の間の強度の差に相関させる工程を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
  18. 複数のパターンで前記化学線を投射する工程が、前記複数のパターンの個々のパターンの形状を前記強度プロファイルに相関させる工程を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
  19. 前記化学線によって選択的に硬化される前記単層の前記固化性液体材料が単位表面積あたり実質的に等しい量の化学線で硬化されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
  20. 前記化学線を投射する工程が、前記強度プロファイルの相異なる強度を補償するためのグレースケール化を実質的に施していないことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
  21. 固化性液体材料の層を選択的に硬化させることでパーツを作製するための３次元造形装置において、前記３次元造形装置が、
    像平面、
    前記固化性液体材料を前記像平面の近傍に提供するように適合された固化性液体材料配送装置、及び
    前記像平面の近傍の前記固化性液体材料に光を送る結像装置であって、決定された強度プロファイルを定める化学線を投射する結像装置、
    を備え、
    前記結像装置が前記固化性液体材料の単層を選択的に硬化させるために複数のパターンの化学線を投射し、
    前記パターンが前記化学線の前記強度プロファイルに実質的に相関される、
    ことを特徴とする３次元造形装置。
  22. 前記結像装置から投射される前記化学線の前記強度プロファイルを決定するように適合された強度プロファイラをさらに備えることを特徴とする請求項２１に記載の３次元造形装置。
  23. 前記結像装置が空間光変調器を含むことを特徴とする請求項２１に記載の３次元造形装置。
  24. 前記空間光変調器がデジタル光プロジェクタを含むことを特徴とする請求項２３に記載の３次元造形装置。
  25. 前記結像装置によって投射される前記化学線の強度の変化を検出するための少なくとも１つの強度プロファイラをさらに備えることを特徴とする請求項２１に記載の３次元造形装置。
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