JP2017523925A - 容器アセンブリを有する光造形装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、放射線によって硬化可能な流体材料のための容器と、基板と、容器と基板との間で相対運動を生成するためのアクチュエータ手段と、容器内に配置されている材料を選択的に照射するための照射デバイスとを備える光造形装置に関する。本発明によれば、アクチュエータ手段および照射デバイスはフレームアセンブリに取り付けられており、容器および基板が組み合わされてアセンブリを形成しており、容器および基板から構成されているアセンブリがともに、フレームアセンブリ内へと挿入され、取り付け手段によって、フレームアセンブリからともに取り外されるために、内部に分離可能に固定されている。

Description

本発明は、放射線によって硬化可能な流体材料のための容器と、基板と、容器と基板との間で相対運動を生成するためのアクチュエータ手段と、容器内に配置されている材料を選択的に照射するための照射デバイスとを備える光造形装置に関する。

本発明の別の態様は、光造型法によって三次元成形体を造形する方法であって、照射によって硬化可能な流体材料が内部に配置されている容器を、フレームアセンブリに固定するステップと、フレームアセンブリに取り付けられているアクチュエータ手段によって、フレームアセンブリに分離可能に取り付けられている基板を、容器に対して所定の層厚分だけ動かすサブステップと、相対運動から生じる空洞を流体材料で充填するサブステップと、フレームアセンブリに取り付けられている照射デバイスによって、硬化されるべき領域において材料を選択的に照射することによって、空洞内に配置されている材料を選択的に硬化させるサブステップとを含む一連のサブステップを複数回反復することによって、一層ごとに三次元成形体を造形するステップとを含む、方法に関する。

この種の光造形装置および方法は、三次元物体を造形するために使用される。光造型法において基本的に使用される開始材料は、放射線の作用によって硬化する、すなわち、固体状態へと変化することができる流体媒体である。光硬化プラスチック、たとえば、アクリレートまたはエポキシ樹脂系が一般的に光造型法において使用されるが、すべての他の種類の放射線硬化可能材料も使用される。材料は、可視光、ＵＶ光、または、材料を硬化させるのに適した波長を有する任意の他の形態の電磁放射線として当てることができる、ある形態の放射線によって硬化される。

光造型法は、硬化可能材料の連続的な層を造形することによって、三次元成形体が層ごとに構築されるという原理に基づく。これらの層は、成形体を通るそれぞれの断面が放射線に曝露され、したがって、選択的に硬化されるように、硬化される。硬化と同時に、各層の選択的に硬化した部分が、先行するステップにおいて造形されている層に接合される。この原理は、機能的には、成形体が、硬化可能流体材料のバッチへと１層の厚さ分だけ連続的に下げられる基板上に構築され、基板が１層分だけ下げられる毎に、選択的に、すなわち、所定の部分領域において、基板を層ごとに下げることによって形成される空間内へと移動している流体材料をそれぞれ選択的に照射することによって硬化されるように、実現される。

米国特許第４，５７５，３３０号明細書の図３は、流体の槽へと基板を連続的に下げる原理に従って動作し、成形体を層ごとに造形するために、それぞれ流体槽の表面に形成する流体の層を選択的に硬化する、そのような光造形装置を示している。同文献の図４は、基板が流体槽内で連続的に持ち上げられ、基板を層ごとに連続的に持ち上げることによって形成する流体の新たな層が、流体を受け入れるバットの、放射線に対して透過性を有する底部領域を通じて照射されるという点において、基板の裏面上に構築される、逆の原理を示している。

これら２つの原理は、基本的に、光造形技法によって、個々の原型を造形するのに適している。しかしながら、それらには、光造形工程が、実際的に処理されること、および、迅速に実行されることを妨げる様々な欠点がある。プラットフォームが下げられ、光が上方から照らされる光造形技法の場合、たとえば、バット内に大量の流体を有する必要があり、完成した成形体を取り出し、未硬化流体材料が空洞から流れ出ることを可能にすることは複雑な工程であり、処理することが困難な工程である。原理上、プラットフォームが持ち上げられ、光が下方から照らされる光造形技法の場合、必要とされる流体はより少量であるが、流体面の高さは、造形工程中の（硬化した）流体材料の消費および持ち上げにかかわらず、流体が槽から確実に流れ出ることができるような高さに常に維持されなければならない。その理由から、この場合においても、より大量の流体が一般的にバット内へと充填される。

しかしながら、この方法による基本的な問題は、硬化した流体が、放射線に対して透過性を有する流体バットの底部領域に固着する可能性があることである。フィルムによってそのような固着を防止するための複雑な方策およびデバイスが、欧州特許第１４３９０５２号明細書から知られている。しかしながら、そのようなフィルムを使用することに関しては、この固着防止フィルムが同様に、その上に造形される層の硬化した領域に、わずかな程度、固着する傾向にあるという問題がある。この粘着は、次の層を造形するために基板を少し動かすだけで克服することはできず、そのため、流体で充填された間隙がもたらされない。それゆえ、直近で造形された層を固着防止フィルムから確実に分離し、その後、次の層を造形するために再び基板を下げるために、基板をより長い距離だけ持ち上げることが、従来技術から知られている。しかしながら、その手順は時間がかかる。

造形時間を短縮するための１つの知られている方法は、基板を持ち上げるために必要な力を検出し、その力に基づいて、造形されるべき最新の層と、固着防止フィルムとの間の分離を判定し、上記分離の直後に、基板を下げることである。しかしながら、この手順は力センサおよび複雑な制御を必要とし、誤りが生じやすいことが分かっている。

知られている設計の光造形装置および方法において生じる別の一般的な問題は、流体バット、基板の位置付けおよび照射の向きに関して必要である基板の較正に関する。放射線は一般的に、レーザ放射線または集束ビーム経路またはマスキングされた放射線画像として与えられ、公差の低い成形体を造形するために、一方においては基板および硬化されるべきそれぞれの層の、ならびに、他方においては照射デバイスの、正確な相対的位置付けを必要とする。下方からの照射を伴う方法においては、さらに、流体が受け入れられるバットに対する正確な位置付けが必要である。成形体を正確に造形するためには、成形体が構築される表面に対して、最初の層において均一な厚さを達成し、後続する層の結果として生じる誤りを回避するために、基板が、流体の表面に対して正確に平行に（上方から照射する場合）または、バット底部に対して正確に平行に（下方から照射する場合）向けられることが必須である。機械によって動かされる構成要素のこの位置付けまたは参照または較正は時間がかかり、誤りを生じやすく、そのため、これによって光造型法造形工程が減速し、または、十分に正確なサイズでない成形体が造形される危険性が増大する。バット底部（ｘ軸およびｙ軸）に対して基板がこのように平行になることを達成し、垂直方向の開始位置（ｚ軸）が正確に動かされることを可能にする、規定の位置における基板のアクチュエータに対する結合が、従来技術から知られている。しかしながら、この結合および位置付け工程は時間がかかり、それゆえ、造形工程において遅延を引き起こす。

別の問題は、必須の構成要素を参照する目的で、方法の参照、開始および作動の工程を実行およびモニタリングするために、光造形装置のユーザがこれをモニタリングするための何らかの方法がなければならないことである。透明なバットを使用して流体を受け入れ、それらのバットを、ユーザがそのような視覚的検査を実施することを可能にし、また、ユーザが手作業で基板に対する操作を実施することをも可能にするような大きく、開いた寸法にすることが、従来技術から知られている。しかしながら、この必要性に起因して流体槽が汚染される可能性があり、照明の影響に起因して流体の特性が劣化する場合があり、場合によっては望ましくない領域における硬化も発生する可能性があるという欠点がある。従来技術の光造形方法の別の欠点は、最後に、多くの場合に較正が長時間行われることに起因して流体槽の分離が発生する場合があること、および、特に、いくつかの造形工程が１つの流体槽から相次いで実施されるときはいつでも、硬化可能流体の特性の劣化によってそのような分離が併発する場合があることである。

米国特許第４，５７５，３３０号明細書 欧州特許第１４３９０５２号明細書 欧州特許出願公開第０７７５５７０号明細書

本発明の目的は、結果として汚染および望ましくない光の影響の危険性を増大させることなく、より迅速な造形を可能にする光造形装置を提供することである。

この目的は、本発明によれば、冒頭で記述した種類の光造形装置によって達成され、アクチュエータ手段および照射デバイスがフレームアセンブリに取り付けられており、容器および基板が組み合わされてアセンブリを形成しており、容器および基板から構成されているアセンブリがともに、フレームアセンブリ内へと挿入され、フレームアセンブリからともに取り外されるために、取り付け手段によって、内部に分離可能に固定されている。

本発明による光造形装置は、流体バットが容器の形態であり、基板とともにアセンブリを成して形成されるように、発展されている。それゆえ、容器および基板が、従来技術におけるように、別個のバットとしてフレームアセンブリ内へと挿入され、その中で適所にロックされる必要はなく、また、基板としてフレームアセンブリ内へと挿入され、その中で適所にロックされる必要はない。代わりに、基板および容器を備えるアセンブリは、事前に組み立てられている構造として、それゆえ、ワンステップでフレームアセンブリ内へとともに挿入される。アセンブリとしてのこの設計に起因して、基板はすでに、容器に対して規定の位置に配置されている。これによって、３つすべての空間方向に関して容器内部に基板の固有の位置がすでにあるため、容器に対する基板の、開始点に対する参照または移動を全体的に省略することができること、または、容器に対する基板の位置付けが、１つもしくは２つの空間方向においてすでに規定されているため、参照が大幅に単純化されること、という利点がもたらされる。

本発明による実施形態に関して、流体について実行しなければならない手作業のハンドリングが全体的にそれほど集中的でないという事実に起因して、容器内の流体の汚染が大幅により少なくなること、および、流体からの低粘度成分の蒸発がより少なくなることも有利である。そのため、流体は大幅により長い期間にわたって使用することができ、その理由から、それほど頻繁に交換される必要がない。これによって、より大量の流体を容器内に保持すること、すなわち、容器内でより高い充填レベルを提供することが可能になる。結果として流体塊の底部に生じるより大きい静圧には、造形工程にとって２つの直接的な利点がある。すなわち（ｉ）この静圧は、完成した層が容器の底部から持ち上げられた後に形成する間隙内へとさらなる流体が良好に流れることを保証する。（ｉｉ）固着防止フィルムが使用されるとき、この静圧は、フィルムが容器の底板に対してより良好に圧迫されることを保証する。

本発明に従って使用される容器は、好ましくは、垂直に立つ円筒軸を有する円筒形状を有することができ、特定の用途においては代替形態として、多角形形状も有利である。容器の内部の容積は、好ましくは、０．２５リットル、０．５リットルまたは１リットルの下限を上回り、かつ／または、好ましくは０．５リットル、１リットルまたは２リットルの上限を超えない。容器の直径は、好ましくは２．５ｃｍ、５ｃｍまたは１０ｃｍよりも大きく、かつ／または、５ｃｍ、１０ｃｍまたは２０ｃｍ以下である。

照射デバイスは、好ましくは、２秒〜３０秒の曝露時間、および、０．５〜１Ｗ／ｍｍ^２、特に、０．７±０．１ｗ／ｍｍ^２の曝露エネルギーを与えるように適合される。照射デバイスは、好ましくは、３００ｎｍ〜９００ｎｍ、特に３１５〜４９０ｎｍの波長を有する放射線を放出するように適合されており、かつ／または、好ましくは、少なくとも６００×８００ピクセル、好ましくは１９２０×１０８０ピクセルの、照射面における解像度を有する。照射面は、好ましくは２５ｃｍ^２以上であり、特に、５０ｃｍ^２以上である。

アクチュエータ手段は、好ましくは、０．００１ｍｍ、０．０１ｍｍまたは０．１ｍｍ以下の最小供給距離、および、従って、成形体の単一の層の最小の層厚が実行され得るように適合される。

アセンブリとは、本明細書においては、互いに機械的に直に接続されており、したがって、互いに対して規定の位置または向きにおいて配置されている構成要素の組み合わせとして理解されるべきである。それゆえ、アセンブリは、アセンブリ内に含まれている構成要素がユーザによって一定の位置に保持される必要なしに、ユーザによって単一の単位として処理することができる。容器および基板は、適切なガイド機構を介して互いに分離可能であり得、かつ／または、接続することができ、それによって、容器と基板とを分離することも可能である。

容器および基板をアセンブリとして具現化することによって、光造形装置内で、基板を基準点に対して位置整合させ、動かすために、基板を流体バットまたは容器内へと挿入する必要も一切なくなる。それゆえ、ユーザが光造形装置内で基板または容器を手作業で動作させ、操作することはもはや必要なく、これによって、容器および基板がコンパクトな寸法を有することが可能になり、それらの寸法が、小さいサイズの容器しか必要ないように協調されることが可能になる。結果として、容器内部の流体材料の量を低減することができ、容器がより小さくなることによって、汚染の危険性が低減される。

容器および基板をアセンブリとして具現化することはまた、ユーザが容器内部の基板を視覚的に検知することが可能であること、および、その位置付けおよび向きをモニタリングすることが可能であることが一切必要ないことも意味する。本発明による光造形装置内の容器は、それゆえ、そのような視覚的観察を可能にするために透光性である必要はなく、放射線が不利に容器の内部に入ることを防止するために、光に対して部分的に不透過性であってもよい。

基板は好ましくは、下向きに突出する距離スペーサがその上に形成されている平坦な底面を有する。これによって、基板が、最初の層が形成される前に、たとえば、純粋に重力の作用によって下げられることが可能になり、容器の底板上に載置され、最初の層の造形のために十分である距離を保持することが可能になる。距離スペーサは、特に、外周突出部、たとえば、カラーの形態をとってもよい。これによって、基板と容器の底板との間で相対運動が発生するときに、底板、または、造形工程にとって重要な中央領域内で底板に配置される固着防止フィルムに対するいかなる損傷も引き起こされることが防止される。距離スペーサの高さは、１層の厚さ分であってもよく、または、より小さい高さであってもよい。

第１の好ましい実施形態によれば、容器は、照射デバイスからの放射線に対して不透過性を有する側壁を有することが好ましい。容器は、基本的に、矩形断面を有する、すなわち、全体的に立方体であり、したがって、４つの側壁を有するように設計されてもよい。その場合、側壁のうちの１つ、または、側壁のうちの２つ以上もしくはすべての側壁が、放射線に対して不透過性であってもよい。円形断面を有する、すなわち、円筒側壁を有する容器形状も、選択肢である。その場合、円筒側壁全体が放射線に対して不透過性であってもよく、または、円筒側壁の区画が、放射線に対して不透過性を有するように設計されてもよい。

放射線に対して不透過性を有するとは、本明細書においては、少なくとも、側壁が照射デバイスからの放射線に対して不透過性を有すること、すなわち、その放射線を反射または吸収することを意味するものとして理解されるべきである。これは、側壁が、他の波長の放射線に対しても不透過性を有することを除外するものではない。特に、側壁が、流体材料の部分的なまたは完全な硬化をもたらすすべての波長範囲内の放射線に対して不透過性を有することが好ましい。側壁がこのように設計されるとき、流体材料は、その特性を一切劣化させることなく、長期間にわたって容器内に貯蔵することができる。迷光または他の放射線源による材料の望ましくない硬化を、このように防止または大幅に低減することができる。

別の好ましい実施形態によれば、容器は、照射デバイスからの放射線に対して透過性を有する底板を有し、照射デバイスは、下方から容器内へと放射線を導入するように適合される。照射デバイスからの放射線に対して透過性を有する底板を設けることによって、下方からの放射線に対する曝露によって層ごとに硬化させることによって、容器内部に三次元成形体を構築することが可能になる。下方から照射し、容器内部の基板を連続的に持ち上げることによるこの構成は、容器がこのように機能するとき、いかなる放射線が上方から容器に入ることも許容する必要がなく、その結果として特にコンパクトで閉じた設計にすることができるため、本発明の光造形装置の設計にとって特に有利である。

これに関連して、固着防止コーティングが底板の、容器の内側に面する側に付着されることがさらに好ましい。この底板の設計は、硬化した材料が底板に固着することを確実に防止する。固着防止コーティングは、この文脈においては、底板に直接的に付着される、すなわち、直接的に接着を引き起こす力の作用によって底板に接着する材料の層であるものとして理解されるべきである。接着を防止するように意図されているフィルムとは対照的に、そのような固着防止フィルムは、基板が１層の厚さ分だけ持ち上げられるときに、その中に流体材料が流れ込む間隙が、成形体と底板との間に確実に形成することを可能にするという点において、有利である。そのような固着防止コーティングに特に適している材料は、粘着性が非常に低く、したがって、硬化した層の底板からの確実な分離を可能にする、フッ素樹脂、たとえば、ペルフルオロアルコキシポリマー（ＰＦＡ）またはフルオロエチレンプロピレンポリマー（ＦＥＰ）を含む。

その実施形態に対する代替形態として、固着防止フィルム、たとえば、ＦＥＰまたはＰＦＡフィルムは、本発明によれば、底板の、容器の内側に面する側に配置することができ、この固着防止フィルムは、流体密に、底板にわたって全面に広がることができ、固着防止フィルムと底板との間のゼロよりも大きい所定ボリュームを流体密に封止することができる。ちょうど固着防止コーティングのように、そのような固着防止フィルムは、成形体の最下層が底板に固着することを確実に防止することができる。固着防止フィルムにはまた、固着防止コーティングでは一般的にそうであるように、固着防止効果が減少したときに、底板を交換する必要なしに容易に交換することができるという利点がある。

そのような固着防止フィルムは、欧州特許第１４３９０５２号明細書から知られている。この従来技術から知られている技術とは対照的に、本発明に従って提供される固着防止フィルムは、流体密に、底板の全面に広がり、したがって、底板と固着防止フィルムとの間の所定ボリュームを流体密に封止する。これによって、封止されたボリュームの形状が変更されることが可能になり、したがって、底板の幾何形状に対して固着防止フィルムの外形を変更することが可能になる。このように、外形を変更することが可能であることによって、成形体の最下層の幾何形状がどのようなものであれ、成形体が固着防止フィルムから引き離されるときに剥離効果が生じることが可能であり、そのため、成形体を固着防止フィルムから取り除くために、力はほとんど必要とされない。そのような取り外しの工程において、固着防止フィルムと底板との間の空洞内に流体、言い換えれば気体も液体も供給されず、そのため、固着防止フィルム、底板、および、それらの間の材料のボリュームから構成されるシステムの屈折または反射特性を一定に保持するためにそのような流体を制御しながら放出する必要はない。

底板は、容器の側壁に分離可能かつシール可能に接続されることが、またさらに好ましい。底板は、設計的に一体的であってもよく、すなわち、容器の内壁から分離不可能であり、内壁と一体的であってもよく、したがって、側壁と底板との間に確実なシールをもたらす。しかしながら、たとえば、繰り返し使用されることに起因して底板の放射線に対する透過性が低減したとき、または、固着防止層の特性がもはや満足なものではないときに、底板が交換されることを可能にするために、底板が容器の側壁に分離可能かつシール可能に接合されることが有利である。底板を容器の内壁に固定するための様々な選択肢が、これに関連して考えられる。特に、容器の側壁に対する底板の規定の位置をもたらすために、底板が容器の側壁に対する係合によって固定されることが好ましい。この再現性によって、底板に上面位置が与えられるため、そのような規定の位置は、光造形装置内部の容器および基板から構成されるアセンブリの後続の参照のために有利である。

光造形装置は、容器に分離可能に接続されて容器を閉じ、好ましくは照射デバイスからの放射線に対して不透過性を有するカバーを提供することによって発展させることができる。そのようなカバーを提供することによって、容器はその上側もシールされ、したがって、いかなる粒子、塵芥などが上方から容器の内側に入ることも防止される。容器のカバーは、容器内部の流体材料の特性を長期間にわたって維持するように、同様に、照射デバイスからの放射線に対して不透過性とすることができる。カバーは好ましくは、カバーを取り外すことができるように、また、造形された成形体とともに基板を容器の内部から取り外すことができるように、容器に分離可能に接合され、すなわち、容器の１つまたは複数の側壁に分離可能に接合される。カバーは好ましくは、容器を流体密に閉じる、すなわち、カバーを気体および液体に対してシールする。

これに関連して、アクチュエータ手段が、結合ロッドであって、基板に接続され、カバーを通じて延伸し、好ましくは結合ロッドの長手方向において軸方向運動するために、カバー内で誘導される、結合ロッドを備えることが特に好ましい。この実施形態によれば、容器および基板を備えるアセンブリは、基板に結合され、カバーを通じて延伸する結合ロッドをも含む。この結合ロッドはカバーにおいて、特にカバー内のガイド陥凹部によって誘導され、上記陥凹部において、２つの空間方向に対して支持され、したがって、１つの空間方向において運動するように誘導される。結合ロッドによって、基板をアクチュエータに容易に結合することができ、造形工程の最中に基板の連続的な持ち上げを実施するために、アクチュエータ手段の運動を基板に容易に伝達することができる。結合ロッドはまた、基本的に、たとえば、結合ロッドが非円形断面プロファイルを有するようにし、カバー内の係合して一致する非円形ガイドブッシング内で誘導されるようにすることによって、カバーに対して回転することができないように誘導することもできる。カバーがそれに従って回転することができないように容器に固定されると、これによって、容器、基板および結合ロッドがフレームアセンブリに対して再現可能に位置付けられることが可能になり、それによって、造形工程における中断の間に容器を取り外し、再挿入することがあったとしても、それが必ずしも造形における何らかの関連する不正確さをもたらさないように、参照が正確になり、単純化される。この非円形断面プロファイルおよびねじれ防止保護は好ましくは、結合ロッドの、成形体が形成されている間に、対応するねじれ防止ガイド内を通る区画のみにわたって延伸することができる。

この結合ロッドは、好ましくは、基板が底板から持ち上げられる位置において、好ましくは容器のカバーに隣接する領域まで、すなわち、容器の上側ほぼ４分の１または５分の１において、垂直（ｚ）軸に対して結合ロッドをロックし、結合ロッドが垂直軸を中心として回転することを可能にするように適合されている分離可能ロック機構と協働することができる。そのようなロック機構によって、および、結合ロッドの回転によって、成形体の完成後に、成形体を流体槽の情報に位置付け、余分な流体を滴下し落とすことが可能である。ｚ軸を中心としてさらに回転させることを可能にすることによって、結合ロッド、および、したがって基板を介してそれに取り付けられている成形体が依然として回転され得る。これによって、余分な流体材料に対する遠心効果が発揮され、余分な流体材料が結果として外向きに放り出され、容器の側壁によって受け止められて、さらに使用するために流体槽内へと誘導し戻される。そのような回転を目的として結合ロッドの上端に適切な処理を施すことができ、または、結合ロッドをその長手方向軸を中心として回転させるために、結合ロッドをアクチュエータに結合することができる。本発明によるロック機構は、結合ロッド内の周方向溝の形態をとってもよく、ここで、周方向溝へと係止するロック要素がフレームアセンブリ上に設けられ、このロック要素は、たとえば、半径方向においてバネ留めされるボールであってもよい。

結合手段は、たとえば、トグルクランプのような簡易脱着締結具によって開閉することができるネジ接続またはクランプ締めデバイスに存し得る。結合ロッドは、相対運動をアクチュエータ手段から基板へと伝達することができるように、結合手段内に固定される。基本的原則として、力を伝達するための他の機械的要素を、結合手段とアクチュエータ手段との間に配備することができることが理解されるべきである。

本発明による光造形装置の別の好ましい実施形態は、アクチュエータ手段および照射装置が、以下の一連のステップ、すなわち、フレームアセンブリに取り付けられているアクチュエータ手段によって、フレームアセンブリに分離可能に取り付けられている基板を、容器に対して所定の層厚分だけ動かすステップと、相対運動から生じる空洞を流体材料で充填するステップと、フレームアセンブリに取り付けられている照射デバイスによって、硬化されるべき領域において材料を選択的に照射することによって、空洞内に配置されている材料を選択的に硬化させるステップを実施するように適合されている点において、成形体の層ごとの造形を制御するように適合されており、また、その一連のステップを開始する前に、数層の厚さ分の距離にわたる往復相対運動を実施するために、アクチュエータ手段が少なくとも１回、好ましくは複数回駆動される混合工程を制御するようにも適合されている、電子コントローラを有する。この好ましい実施形態によれば、造形シーケンスは、アクチュエータ手段および照射デバイスをそれに従って制御するようにプログラムされている電子コントローラによって制御される。その目的のために、コントローラは、アクチュエータ手段および照射デバイスと信号通信するように結合されており、それらのデバイスに制御信号を送信する。コントローラは、アクチュエータ手段による基板の層ごとの運動、および、それぞれ空洞内へと流れ、当該空洞を充填する流体の、照射デバイスによる照射であって、その層の区画が連続的に硬化される、照射を含む一連のステップを制御する。コントローラはまた、混合工程を制御するようにも適合されており、混合工程において、アクチュエータ手段が駆動され、基板を上下に１回または複数回動かし、基板は、１層の厚さ分よりも大きく、好ましくは数層分の厚さになる距離を進む。基板のこの運動に起因して、容器内の流体は完全に混合され、それによって、長期化した貯蔵の後に発生する場合があるいかなる分離工程も、結果として回復される。混合運動は、往復相対運動として実施され、すなわち、前後の運動によって流体槽を完全に混合するために、基板が前後に少なくとも１回、好ましくは前後に数回運動する。

電子コントローラはまた、付加的にまたは代替的に、成形体を造形するための工程における最後のステップシーケンスが実行された後に、基板および層ごとに造形されている成形体が、容器内で流体材料の上方の位置へと動かされるように、アクチュエータ手段を制御するように適合することもできる。これは、特に、未硬化流体を成形体から滴下させて落とすために有利である。必要に応じて、アクチュエータ手段はまた、成形体を上向きに引き出し、造形工程の終わりをシステムの操作者に見えるようにし、成形体が取り外されることを可能にするために、基板および成形体が容器のカバーとともに、持ち上げられて、容器を出るように誘導されるように、長い距離を進むようにも制御することができる。

別の好ましい実施形態によれば、光造形装置は、容器の内部に配置され、流体材料を硬化させるのに適していない波長を有する可視光によって容器の内側空間を照明するように適合されている照明デバイスによって、または、第２の容器であって、当該第２の容器の内部に配置されており、流体材料を硬化させるのに適している波長を有する放射線によって容器の内側空間を照明するように適合されている照明デバイスを有する、第２の容器によって発展され、フレームアセンブリは、規定の位置において容器または第２の容器を選択的に固定するための取り付け手段を有する。そのような照明デバイスは、装置のユーザが、造形の進行をチェックすることができ、造形に関連する容器内部の他の特性をチェックすることができるように、容器の内側空間を可視光によって照明する役割を果たすことができる。この変形形態によって、また、この目的のために、容器内部に、基板をも含む上記容器との一体的アセンブリとして照明デバイスを提供することは理にかなっている。代替的に、そのような照明デバイスはまた、完成した成形体の後硬化に使用することもできる。そのような後硬化においては、成形体全体が、流体材料を硬化させるのに適している波長を有する放射線によって照射されるが、この照射は、選択的に実行されず、成形体の全体における拡散照射として実行される。そのような実施形態において、造形工程の後に完成した成形体をその中へと挿入することができる第２の容器内に照明デバイスを配置することは理にかなっている。この第２の容器は、造形が行われている容器の箇所へと挿入およびロックすることができるか、または、フレームアセンブリ内へとすでに挿入されている場合があるかのいずれかであり、成形体がその後、一方の容器から他方へのアクチュエータのそれぞれの運動および変位によって移送されるか、または、第２の容器が、たとえば、２つの容器のある種のリボルバ運動において造形が行われている容器の位置へと動かされるかのいずれかである。

本発明による光造形装置は、さらに、カバーを有する別の容器を有することによって、および、他方の容器の内部に配置されている基板を有することによって発展させることができ、上記基板は、カバーを通じて誘導される結合ロッドに接合されており、フレームアセンブリは、規定の位置において容器または他方の容器を選択的に固定するための取り付け手段を有する。別のそのような容器、すなわち、第２の容器または第３の容器は、異なる目的を果たしてもよい。本発明による光造形装置は特に、１つ、２つまたはそれ以上の容器を提供するのに適しており、また、それらをフレームアセンブリ内へと挿入するか、または、挿入された形態で提供するのに適しており、また、容器のそれぞれの結合ロッドをアクチュエータ手段に結合することができるように、または、アクチュエータ手段に結合されており、基板がそれに取り付けられている結合ロッドを容器内へと動かすことができるように、適切な変位デバイスによってそれらを互い違いに配置するのに適している。したがって、追加の容器が、それによって未硬化流体材料を完成した成形体から取り除くことができる洗浄流体を提供するために使用され得る。代替的に、基板を有し、関連するカバーおよび結合ロッドが内部にある追加の容器が、１つの容器内の造形工程が終了した後に、この他の容器内での造形工程を開始することが可能であるように、別の異なる硬化可能流体材料を提供するために使用されてもよい。

本発明はまた、二次元画像が硬化されるべき層上に単一のステップにおいて形成される硬化手順において、光強度が不均一に分布する問題にも対処する。曝露の強度は硬化されるべき層内のあらゆる箇所において十分に等しいが、たとえば、選択的に偏向したレーザによって、走査方法において硬化または照明する場合、曝露の強度は硬化されるべき層内で箇所ごとに異なるため、上記において説明されているもののような、イメージング工程を含む硬化方法においては、問題が発生する。これらの差は、光源または光イメージングデバイスが、それらの光の空間分布に関して不均一であることによって生じる。適切に適合された曝露制御を可能にすることによって、そのような曝露強度の差を防止し、それらの不均一性を補償するために、光造形デバイスを較正することが、国際公開第２０１０／０４５９５１号パンフレットから知られている。しかしながら、これによって、造形時間が増大する。別の欠点は、多くの光造形デバイスにおいて、使用している最中に不均一性の変化が生じ、そのため、完成した成形体の高い品位を達成するために、定期的な間隔で、またはさらにはすべての造形工程の前にそのような較正を実施することが必要であるかまたは推奨されることである。しかしながら、それによって、造形時間がさらに増大することになる。

レーザまたはＵＶ灯を照射デバイスとして使用する光造形方法およびデバイスが、欧州特許出願公開第０７７５５７０号明細書から知られている。そのような放射線源からの光強度の不均一性を補償するために、この技術に関連して、ホモジナイザがビーム経路内へと挿入されることが提案されている。そのようなホモジナイザは、放射線源における造形ベースまたはシステムベースの不均一性を低減するか、または、さらにはなくすことが可能であることが分かっているが、経年劣化、汚染などの結果として発生する変化を補償することは可能ではない。それゆえ、高レベルの造形特性が目標とされる場合、いずれにしてもここで定期的な較正を省略することはできず、そのため、ここでも、造形時間にとっては不利であるステップを含むことが必要とされる。

本発明のこの態様の目的は、同様に、成形体がより迅速に造形されることを可能にする光造形装置を提供することである。

この目的は、本発明によれば、放射線によって硬化可能な流体材料を受け入れるための容器と、基板と、容器と基板との間で相対運動を生成するためのアクチュエータ手段と、容器内に配置されている材料を選択的に照射するための照射デバイスであって、上記照射デバイスは、放射線源およびイメージングマスクを備える、照射デバイスと、照射デバイスを制御するためのコントローラであって、放射線源とイメージングマスクとの間のビーム経路内に配置されている放射線ホモジナイザを特徴とする、コントローラとを備える、光造形装置によって達成される。

本発明のこの態様によれば、放射線源における不均一な曝露の問題は、放射線ホモジナイザが放射線源とイメージングマスクとの間に挿入されることによって解決される。この種類の照射ホモジナイザは、ビームを反射させること、および／または、ビームを屈折させることによって機能し、光学的放射については、たとえば、光ホモジナイザまたは光混合ロッドとして知られているビームガイド要素である。そのような照射ホモジナイザは、有利には、そこから進む放射線が放射線ガイドボリュームを通じて放射線出口面へと誘導される放射線入口面を有し、放射線入口面から放射線出口面へと直接的に進行しない任意の放射線が、全反射または鏡面反射によって側面から放射線ガイドボリュームへと反射し戻されるように構成することができる。放射線ホモジナイザは、特に、ビームガイドロッドまたは光波伝導体として設計することができる。放射線ホモジナイザは、矩形断面または多角形断面であってもよく、好ましくは、６つまたはそれ以上の辺を有する断面を有してもよい。

１つの特に好ましい放射線ホモジナイザの寸法は、以下のとおりである。
− ２０ｍｍ以上、特に２５ｍｍもしくは５０ｍｍ以上の長さ、
− ２５ｍｍ以下、特に５０ｍｍもしくは１００ｍｍ以下の長さ、
− ２ｍｍ、４ｍｍもしくは特に８ｍｍ以上の最長断面対角線、および／または
− ４ｍｍ、８ｍｍもしくは特に２０ｍｍ以下の最長断面対角線。

放射線ホモジナイザは、ビーム断面にわたって放射線を分散させ、それによって、ビームの断面全体にわたってより均一な放射線を生成することによって、不均一性を均一化する。この均一化効果は一般的に、放射線ホモジナイザの寸法、たとえば、ビーム方向におけるその長さに依存する。放射線ホモジナイザは、好ましくは、２０％未満、１０％未満、および、特に５％未満または３％未満の強度差をもたらす均一化効果を達成するように設計される。強度差とは、ここでは、照射断面全体に関連して表現される、照射断面全体の局所測定フィールドにおける放射強度と、照射断面全体にわたる平均放射強度との間の差として定義される。

曝露領域にわたる放射強度の均一性は、以下のように計算することができる。照射断面、一般的には、基板の表面上の最大曝露領域が、矩形曝露領域の場合、２つの辺の長さを１０個の等しい部分長に分割し、１０個のフィールドを有する碁盤目パターンを規定することによって、１０×１０個の大きさの等しい測定フィールドへと分割される。矩形でない照射断面の場合、断面の外形を囲む矩形が配置され、上記矩形が適切に等しいサイズの１０×１０個の測定フィールドへと分割される。その後、放射強度が、７．５ｍｍ〜１２．５ｍｍの測定領域直径を有する測定センサを用いて測定される。測定は、１００個の測定フィールドの各々について実行され、センサ直径の測定領域は、測定フィールドの中央に配置されるとき、その全体が完全に照射断面の中にある。走査ヘッドの測定センサが照射断面を越える中央位置内に突出する測定フィールドは無視される。測定フィールドはまた、センサ直径よりも小さくてもよい。Ｏｐｓｙｔｅｃ Ｄｒ．Ｇｏｅｂｅｌ社によって製造されているＲＭ−１２放射計が、放射強度を測定するために使用されてもよく、使用されるセンサは、それぞれの波長について最も高いスペクトル感度をもたらしたものである。

１つの好ましい実施形態によれば、照射デバイスは、放射線源と放射線ホモジナイザとの間のビーム経路内に配置される合焦デバイス、たとえば、光学レンズ、または、複数の光学レンズを備えるレンズデバイスを備える。そのような合焦デバイスによって、放射線源の光強度を、好適であるように放射線ホモジナイザ上に集中させることができ、したがって、放射電力が増大する。

別の好ましい実施形態によれば、放射線ホモジナイザは、放射線入口領域から放射線出口領域へと長手方向に延伸するビームガイド要素であり、放射線を反射する側壁を有し、放射強度センサは、放射線ホモジナイザの側壁に結合され、側壁は、放射強度センサが側壁に結合される領域において、放射線に対して部分的にまたは完全に透過性を有する。この実施形態によれば、放射線ホモジナイザは好ましくは、辺の長さが規則的もしくは不規則な多角形断面の形態、または、何らかの他の幾何形状を有する断面の形態の断面を有するビームガイドロッドとして設計されてもよい。

放射線ホモジナイザが、長手方向軸に沿って延伸し、多角形断面を有する中実体であることも好ましい。この種類の放射線ホモジナイザは、特に可視光を含む放射線が関与するときは、実証済みの設計である。

放射線ホモジナイザが、透明な材料、特に、ホウケイ酸クラウンガラスのようなガラスから構成されるか、または、それを含み、放射線ホモジナイザの１つまたは複数の側壁における全反射によって放射線ホモジナイザの前面を介して放射線ホモジナイザ内へと結合されるビームに対するビームガイド効果を有することがさらに好ましい。この種類の放射線ホモジナイザは、放射電力の損失が低いコスト効率的な構成要素であり、均一な放射線を生成するために使用される。

光造形装置は、放射線源の放射強度を検出するためにイメージングマスクの正面の領域内で、照射デバイスのビーム経路の中、または、そこにおいて配置され、コントローラと信号通信する放射強度センサを提供することによって発展させることができる。本発明のこの発展によれば、放射強度センサが提供される。この放射強度センサは、放射線源の放射強度を検出するように配置および使用される。したがって、放射強度センサは、照射フィールドまたは照射面を較正するために使用され、その目的を達成するために、局所的に達成される放射強度に関して高い分解能で照射領域を走査するセンサ要素とは異なる。本発明の光造形装置を設定した後、局所分解能によって放射強度を検出する必要はないため、そのような高度なセンサ技術は、本発明によれば回避される。

代わりに、放射線源からの放射線は、最初に、放射線ホモジナイザを通過し、上記放射線ホモジナイザにおいて、局所分解能によって分析されると均一な放射線場を有する均一なビームへと変換される。放射線源からの放射強度の局所分解能における、造形に関連する不均一性は、このように完全に補償される。

本発明によれば、このとき、イメージングマスクの正面において放射線源の放射強度を検出する放射強度センサも提供される。それゆえ、この放射強度センサは、放射線源の放射強度センサを、単一の強度値によって評価し、放射強度のいかなる局所分解能も提供しない信号を供給する。したがって、たとえば、経年劣化の結果として、または、汚染、もしくは、放射線源に対する電力供給の変化に起因して発生する場合がある、放射線源からの放射強度の変化を評価する単純なパラメータが決定される。放射強度センサによって決定される放射強度は、照射デバイスを制御するコントローラに送信される。本発明によれば、それゆえ、コントローラは、放射線源の放射強度の変化を補償することができるように、照射デバイスを制御するために使用することができる、単純ではあるが有用な信号を提供する。

それゆえ、放射線ホモジナイザと、単純に測定する放射強度センサとの組み合わせを提供することによって、本発明は、本発明による光造形装置の照射デバイスにおいて発生し得る不均一または不十分な照射の原因を完全に補償するので、繰り返し較正する必要性をなくす。したがって、造形工程を短縮することができ、光造形装置を、その構造的および制御工学的設計に関して単純化することができる。

放射強度センサを有する光造形装置の１つの好ましい実施形態によれば、放射強度センサは、放射線ホモジナイザに結合され、放射線ホモジナイザへと導入される放射線の一部分を検出する。放射強度センサを放射線ホモジナイザに結合することは、本発明の意図の中では、放射線ホモジナイザからの放射線が放射強度センサへと誘導されるような種類の結合として理解されるべきである。そのような結合は、放射強度センサを、放射線ホモジナイザの放射線放出面から一定の距離だけ離間させることによって実行することができる。結合は、その放射線ガイド面を有する放射強度センサがその上に配置される領域において、放射線ホモジナイザの表面が放射線に対して透過性になるように、光ガイド面を有する放射強度センサを、放射線ホモジナイザの光ガイドまたは光反射面上に直接的に配置し、したがって、表面のいかなる反射も部分的にまたは完全に防止することによって、直接的に、かつより効率的にもたらすことができる。この種類の結合は、造形工程における後続の照射のための放射線の特性に影響を与えることなく、放射線ホモジナイザから放射線源の放射強度を直接的に測定するためのロバストかつ確実な設定を可能にする。

特に、放射強度センサが放射線ホモジナイザの側壁に結合されること、および、側壁が、放射強度センサがそれに結合される領域において、放射線に対して部分的にまたは完全に透過性を有することが好ましい。この構造は、汚染に影響されず、確実に測定結果をもたらすコンパクトな測定設定を可能にする。放射線源によって放出される全体的な放射電力を表す放射強度値が、好適であるように決定される。

コントローラが、放射強度センサからのセンサデータから放射線源の力率を決定し、上記力率に従って照射の継続時間および／または放射線源に供給されるエネルギーの量を制御するように適合されることが、またさらに好ましい。この実施形態によれば、より特定的には、基準電力、または、以前の時点、たとえば、デバイスを作動させている原点時刻において放射線源から放出された電力が、放射強度センサによって現在判定される放射電力に対しておかれるように、判定され得る力率が決定される。したがって、この力率は、放射線源の電力の低減を反映する相対数量をもたらし、放射電力のいかなる増大も等しく評価することができる。そのような力率に応じて、デバイスの制御または調整を、コントローラによって実施することができる。たとえば、放射強度の任意の低減または増大を補償するために、放射線源に供給されるエネルギーの量を増大または低減することができる。代替的にまたは付加的に、光造形法造形工程において層を硬化させるために使用される照射の継続時間が、放射線源の放射強度の任意の低減または増大を補償するために増大または低減されてもよい。このタイプの制御または調整は、放射線源の電力が定期的な間隔をおいてチェックされるように、また、その後、上述したパラメータのうちの１つの全体的な補正を実行するために、力率が判定されるように、実施することができることが理解されるべきである。そのような定期的な時間間隔は、たとえば、１時間の動作時間、または数時間の動作時間であってもよい。このタイプの補償は、造形精度を増大させるために、造形工程ごとに、または、造形工程内で層ごとに、または、数層後に、たとえば、５層ごとに１回、同様に等しく実行されてもよい。

放射強度センサを有する光造形装置は、放射強度センサの領域内の温度を検出し、上記温度を評価する温度センサ信号を送信するためにコントローラに結合されている温度センサを提供することによって発展させることができる。この構成において、コントローラは好ましくは、この温度センサ信号に応じて放射強度センサの特性測定曲線を適合させ、または、この温度センサ信号に応じて放射強度センサ信号を変化させるように適合される。本発明のこの発展は、温度が検出され、温度補正が測定値に対して行われるという点において、測定放射線値が測定温度に依存する問題、および、放射強度センサの領域内で本発明による光造形装置において発生する温度変動を解決する。

別の好ましい実施形態によれば、コントローラは、放射強度を経時的に積分することによって放射強度センサからのセンサデータから照射の量を決定し、上記照射の量に従って照射の継続時間および／または放射線源に供給されるエネルギーの量を制御するように適合される。この実施形態によれば、造形工程において硬化されるべき層の照射の間に放射線源から放出される実際の照射の量は、放射強度センサによって判定される。この放射線の量は、放射強度センサによって検出される放射強度を取り込み、この放射強度を放射の継続時間にわたって積分することによって計算される。したがって、このように決定される放射量は、結果として、所望の放射量を調整するために、照射の継続時間、もしくは、放射線源に供給されるエネルギーの量、または、その両方を直接的に調整するために使用することができる。これは、所望の放射量を設定するための閉ループ制御と同じである。関係する調整労力がより少ない１つの方法において、決定された放射量は、全体的な補正を実施し、その後、定期的な間隔をおいて、たとえば、５層ごとに、造形工程における層ごとに、または、所定の動作時間数後に、放射量を判定し、必要とされ得る任意の補正を実行するために使用することができる。この制御は、照射の量が層ごとに判定され、事前設定の数量に対して調整されるように、実行することができる。

基本原則として、放射線ホモジナイザは、本発明のすべての実施形態および発展において、容器および基板から構成されるアセンブリを備える光造形装置の、最初に説明されている本発明の発展として提供することもできることが理解されるべきである。

別の発明は、放射線によって硬化可能な流体材料を受け入れるための容器と、基板と、容器と基板との間で相対運動を生成するためのアクチュエータ手段と、容器内に配置されている材料を選択的に照射するための照射デバイスであって、上記照射デバイスは、放射線源およびイメージングマスクを備える、照射デバイスと、照射デバイスを制御するためのコントローラであって、コントローラは、層の照射前に、造形されるべき最新の層と固着防止フィルムとの間の所定の層間隔を有する空洞をもたらす位置へと基板を動かし、特定の領域において空洞内に配置されている流体を選択的に照射し、したがって、選択的に硬化させ、空洞内に配置されている流体の照射後に、選択的に硬化された領域を固着防止フィルムから分離するのに十分である分離経路だけ、基板を動かすように適合されており、コントローラはまた、以前に硬化された層の選択的に硬化された領域のサイズから、特に、上記層内の照射されたピクセル数から分離経路を決定するようにも適合されている、コントローラとを備える、光造形装置に関する。

このように適合されている光造形装置は、固着防止フィルムから造形された層を分離する問題に関して、造形時間が長いという問題のさらなる態様を解決する。分離工程にとって、また、強い力を回避するために、そのような固着防止フィルムが一定程度まで弾性であり、基板上に緩やかに載置され、それによって、剥離によって分離することができることが、基本的には有利である。しかしながら、この手法は、層が、固着防止フィルムから、造形されることになる次の層の厚さよりも大きい距離だけ持ち上げられることを必要とする。さらに、この距離は、明確に事前決定することができない、すなわち、造形されている層からの固着防止フィルムの分離は、ある場合にはより短い距離の後に発生し、別の場合にはより長い距離の後に発生する。本発明によれば、この問題は、直近で造形された層から固着防止フィルムを分離するために基板が持ち上げられる距離が、硬化されている領域のサイズに従って決定されるという点において、いかなる複雑な装置および技術も回避し、いかなる長い、時間のかかる経路を進行することも回避するように、解決される。本発明によれば、それゆえ、各コーティング工程の後に個々に距離を決定するために、容易に計算されるパラメータが使用される。これによって、非常に小さい割合しか硬化されていない層については、その場合、層は非常に短い距離だけ持ち上げられた後に固着防止フィルムからすでに分離されているため、基板は、非常に小さい距離だけしか持ち上げられないことが可能である。大きい領域が硬化されている層の場合、対照的に、固着防止フィルムと、層の硬化領域（複数可）との間の大幅により強い粘着性が克服されなければならず、これは、基板をより大きい距離だけ動かすことによってしか達成することができない。

単純な近似において、それぞれの層の硬化領域のサイズと、基板が進まなければならない距離との間で比例関係を設定することができる。しかしながら、基本的に、本発明に従って提供される制御の方法において、表面サイズと距離との間の他の相関を適用することが可能である。照射されているピクセル数から分離経路が決定されることが特に好ましい。計算することが特に容易であり、造形データから直接的に導出することができるパラメータが、本明細書においては、基板が持ち上げられなければならない距離を計算するために使用される。

基本原則として、照射される面積に依存する分離経路に対して開発されるコントローラは、本発明のすべての実施形態および発展において、容器および基板から構成されるアセンブリを備える光造形装置の、最初に説明されている本発明、または、放射線ホモジナイザを有する光造形装置の先行して説明されている発明の発展として提供することもできることが理解されるべきである。

別の発明は、放射線によって硬化可能な流体材料を受け入れるための容器と、基板と、容器と基板との間で相対運動を生成するためのアクチュエータ手段と、容器内に配置されている材料を選択的に照射するための照射デバイスであって、上記照射デバイスは、放射線源およびイメージングマスクを備える、照射デバイスと、照射デバイスを制御するためのコントローラとを備える光造形装置であって、基板が回転可能に取り付けられ、基板の回転可能な取り付けは、回転しないように解放可能に固定することができる、光造形装置に関する。本発明のこの発展は、造形工程を高度な幾何学的精度で実行することができるように、基板が、回転しないように固定されるように、光造形装置内に保持されることを可能にする。しかしながら、回転防止機構を解放することが可能であり、基板はこのとき、特に、基板の表面に垂直である軸を中心として回転することができる。回転は、成形体に粘着する余分な流体材料が振り捨てられることを可能にする。これは、成形体が完成した後に行うことができるが、特に、そのような回転後に、解放可能な回転防止機構が基板を、正確に規定されている角度位置へと、再現可能であるように運び戻すことができる場合、造形工程の間に行うこともできる。

別の発明は、放射線によって硬化可能な流体材料を受け入れるための容器と、基板と、容器と基板との間で相対運動を生成するためのアクチュエータ手段と、容器内に配置されている材料を選択的に照射するための照射デバイスであって、上記照射デバイスは、放射線源およびイメージングマスクを備える、照射デバイスと、照射デバイスを制御するためのコントローラとを備える光造形装置であって、プランジャを有するエジェクタデバイスが設けられており、プランジャは、プランジャが基板を越えて突出しない造形位置から、プランジャが基板を越えて突出する吐出位置へと動かすことができる、光造形装置に関する。以前に説明されている光造形装置はまた、プランジャを有するエジェクタデバイスであって、プランジャは、プランジャが基板を越えて突出しない造形位置から、プランジャが基板を越えて突出する排出位置へと動かすことができる、エジェクタデバイスを設けることによって発展させることもできる。

そのような吐出デバイスは、完成した成形体を基板から簡便に分離し、工程において成形体が損傷を受ける任意の危険性を防止または低減するために使用される。エジェクタデバイスは、たとえば、結合ロッドの内側の空洞を通じて延伸し、底端においてプランジャに接続されるエジェクタロッドを備えることができる。プランジャは、そのようなエジェクタロッドの端部分として一体的に形成されてもよく、または、エジェクタロッドに対して拡大された断面を有するか、もしくは、複数の離間されたプランジャ領域を有するプランジャの形態をとってもよい。結合ロッドは、その目的のために中空ロッドとして設計することができ、エジェクタロッドは、結合ロッドを通じて誘導することができる。

エジェクタデバイスを設けられている光造形装置は、エジェクタロッドの長手方向軸を中心とした回転運動を伝達するために、エジェクタロッドが結合ロッドに対する係合によって接続されることによって発展させることができる。この係合は、好ましくは、エジェクタロッド上に配置されているプランジャと、結合ロッド上に配置されている基板との間にもたらすことができる。エジェクタロッドと結合ロッドまたは基板との間の回転は、そのような基板の回転が、エジェクタロッドまたはそれに取り付けられているノブを介して達成することができるように、妨げることができる。

プランジャがバネのような弾性要素によって持ち上げ位置へと付勢され、弾性要素によって排出位置へと動かされることがまたさらに好ましい。完成した成形体を穏やかに分離する規定の排出力を、弾性要素を介して生成することができる。

最後に、コントローラが、照射デバイスを、エジェクタデバイスのプランジャに隣接する材料の領域が、基板に最も近い成形体の材料層については、その材料層内の他の領域とは異なるように照射されるように制御するように適合されることが好ましい。この異なる照射は、たとえば、以下のように実行することができる。
− エジェクタデバイスのプランジャに隣接する材料の領域は照射されず、その結果として硬化されない、
− エジェクタデバイスのプランジャに隣接する材料の領域は、より低い放射強度で照射され、その結果として、より低い程度まで硬化される、または
− エジェクタデバイスのプランジャに隣接する材料の領域は、選択的な照射幾何形状で照射され、たとえば、ハチの巣状、ドットパターンなどのような照射幾何形状で照射され、その結果として、所定の領域内でのみ硬化される。

本発明のこの発展の結果として、成形体のプランジャへの粘着がより弱くなり、したがって、排出後に成形体がプランジャから分離することがより容易になる。

基本原則として、このように提供されるエジェクタデバイスはまた、本発明のすべての実施形態および発展において、容器および基板から構成されるアセンブリを備える光造形装置の最初に説明されている本発明、放射線ホモジナイザを有する光造形装置の後続して説明されている発明、または、硬化領域のサイズに従って分離経路を決定するように適合されているコントローラを有する光造形装置の先行して説明されている発明の発展として提供することもできることが理解されるべきである。

本発明の別の態様によれば、本発明によって対処される問題は、容器および基板がともに１つのアセンブリとしてフレームアセンブリ内へと挿入される、最初に規定されている種類の方法によって解決される。方法は、容器および基板を１つのアセンブリとしてフレームアセンブリ内へと挿入することであり、したがって、それらをそのようなアセンブリの形態で提供することである、装置の核となる概念を実施する。上記の説明によれば、容器および基板は、特に、基板が容器の底部に載置されるように、予め取り付けられた状態で互いに対して位置付けられる。

本発明による方法は、選択的な照射が、照射デバイスからの放射線に対して透過性を有する底板を通じたものであるように発展させることができる。

方法は、内側空間であって、基板が中に配置され、照射デバイスからの照射の波長を有する放射線に対してその周囲全体で内側空間を側方に包囲する側壁によって遮蔽される、内側空間を有する容器によって、さらに発展させることができる。

方法は、容器カバーが容器に分離可能に接続され、容器を好ましくは流体密に閉じ、また、内側空間がカバーによって、照射デバイスからの照射の波長を有する放射線に対して遮蔽されるという点において、さらに発展させることができる。

方法は、基板に接続されている結合ロッドがカバーを通じて延伸するという点、および、カバー内で、容器に対する基板の動きが、結合ロッドの長手方向における軸方向運動として実施されるという点においてさらに発展させることができる。

方法はまた、容器がフレームアセンブリ内へと挿入され、結合ロッドが結合手段によって機械的アクチュエータに分離可能に結合され、容器と基板との間の相対運動が、結合手段および結合ロッドを介して伝達され、三次元成形体が造形された後、結合手段によって結合ロッドが機械的アクチュエータから再び解放され、容器が、結合ロッドおよび基板とともに１つのアセンブリとしてフレームアセンブリから取り外されるという点において、さらに発展させることができる。

方法は、電子コントローラによって成形体の層ごとの造形が制御されるという点、アクチュエータ手段および照射デバイスが一連のステップを実施するように駆動されるという点、ならびに、一連のステップが開始する前に、電子コントローラが、数層の厚さ分の距離にわたる往復相対運動を実施するように、アクチュエータ手段が少なくとも１回、好ましくは数回駆動される混合工程を制御するという点において、さらに発展させることができる。

方法は、電子コントローラによって成形体の層ごとの造形が制御されるという点、アクチュエータ手段および照射デバイスが一連のステップを実施するように駆動されるという点、ならびに、最後の一連のステップの後に、電子コントローラが、基板と、層ごとに造形されている成形体とを、容器内の流体材料の上方の位置へと動かすように、アクチュエータ手段を駆動するという点において、さらに発展させることができる。

本発明の別の態様は、光造型法によって三次元成形体を造形する方法であって、照射によって硬化可能な流体材料が内部に配置されている容器を、フレームアセンブリに固定するステップと、フレームアセンブリに取り付けられているアクチュエータ手段によって、フレームアセンブリに分離可能に取り付けられている基板を、容器に対して所定の層厚分だけ動かすサブステップと、相対運動から生じる空洞を流体材料で充填するサブステップと、フレームアセンブリに取り付けられている照射デバイスによって、硬化されるべき領域において材料を選択的に照射することによって、空洞内に配置されている材料を選択的に硬化させるサブステップとを含む一連のサブステップを複数回反復することによって、一層ごとに三次元成形体を造形するステップとを含み、上記照射は、放射線を生成する放射線源によって実施され、上記放射線は、放射線ホモジナイザにおいて均一化され、放射線ホモジナイザを通過した後に、空洞内に配置されている、硬化されるべき材料の領域が照射され、硬化されるべきでない領域が照射されないように、選択的に誘導または選択的に遮蔽される、方法に関する。

方法は、放射線の強度が放射強度センサによって検出されるという点、放射強度センサからのセンサ信号がコントローラに送信されるという点、および、コントローラが、センサ信号に従って照射を制御するという点において、発展させることができる。

方法は、放射線源の元の電力に対する放射線源の電力の低減の程度が、センサ信号に基づいて決定され、照射の継続時間および／または放射線源に供給されるエネルギーの量が上記低減の程度に基づいて増大されるという点、または、照射の量がセンサ信号に基づいて決定され、上記量は好ましくは、経時的に積分された放射強度から決定され、照射の継続時間が、照射の量に従って、特に所定量の照射に達した後に照射が停止されるという点において制御されるという点において、照射を制御するコントローラによってさらに発展させることができる。

方法は、基板を、層の照射前に、造形されるべき最新の層と固着防止フィルムとの間の所定の層間隔を有する空洞をもたらす位置へと動かし、特定の領域において空洞内に配置される流体を選択的に照射し、したがって、選択的に硬化させ、空洞内に配置されている流体の照射後に、選択的に硬化した領域を固着防止フィルムから分離するのに十分である分離経路だけ、基板を動かすことによってさらに発展させることができ、分離経路は、選択的に硬化した領域のサイズから、特に、照射されているピクセル数から決定される。

方法は、分離経路が、選択的に硬化される領域の面積が大きくなるほど、または、照射されているピクセル数が大きくなるほど大きくなるように決定されるという点において、またさらに発展させることができる。

方法は、基板へと同一平面上に挿入され、エジェクタロッドに接続されるプランジャによって、完成した成形体が基板から取り外されるという点において、またさらに発展させることができる。

最後に、方法は、成形体の完成後に基板を回転させることによって、未硬化流体が成形体から除去されるという点において、さらに発展させることができる。

これらの方法および方法の発展において規定されている方法の特徴に関して、対応するデバイスの特徴が参照され、それに従って、デバイスは好ましくは、本発明によるデバイスにおいてこれらの方法ステップを実施するために設計することができる。これに関連して言及されている説明、代替形態および利点は、本発明による方法のそれぞれの発展に対して同様に適用可能である。

ここで、好ましい実施形態を、添付の図面を参照しながら説明することとする。

横および上からの角度から見た、本発明の好ましい実施形態の斜視図である。 図１において、容器が取り外されている図である。 図１による実施形態の長手方向断面正面図である。 図１による実施形態の長手方向断面側面図である。 図４に示される領域Ｘの詳細図である。 下からの角度において見た、図１による実施形態の長手方向断面斜視図である。 図５に示される領域Ｙの詳細図である。 図１による照射デバイスの実施形態の長手方向断面後面図である。

ここで図面を参照すると、本発明による光造形装置は、基本的に、ベースプレート１０、その上に配置されているフレーム柱１１、および、ベースプレート１０の裏面に取り付けられているラック１２から組み立てられるフレームアセンブリを有する。基本的にベースプレート１０の下部に配置される照射デバイス２０が、ラック１２に取り付けられている。照射デバイスは、プロジェクタの形態であり、たとえば、ＬＣＤ、ＤＬＰ、ＬＥＤまたはＬＣＯＳプロジェクタ技術を使用してもよい、対物レンズを有するデジタルプロジェクタユニット２１を備える。プロジェクタを用いて画像全体を投影し、したがって、層面内の特定の領域を選択的に照射することが可能である。

プロジェクタユニット２１は、ベースプレートの下部に配置されており、垂直方向上向きに向けられているビーム経路を有する。プロジェクタユニット２１はコントローラ３０に結合されており、コントローラ３０は、それによってプロジェクタユニット２１からの一連の画像を、三次元成形体の層状構造の造形における個々の連続的なステップについて制御することができる外部信号入力を有する。

基本原則として、対物レンズを有するプロジェクタユニットの代わりに、同じく、たとえば、レーザによって照射するための他の照射デバイスが設けられることも可能であることが理解されるべきである。レーザビームは、適切なミラーまたは他の偏向システムによって、レーザを用いて選択的照射が実施されるように偏向することができる。

照射デバイス２０は、ベースプレート１０内へと設置される窓１６において下から誘導される。結合手段１３ａ、ｂが、窓１６から側方にベースプレート１０に取り付けられる。上記結合手段１３ａ、ｂは、容器支持板１４をベースプレート１０に対して規定の位置にロックするために使用され、その目的のために、それぞれのトグルクランプ要素を有する。

環状位置決め補助具１５によって包囲されている開口部が、容器支持板１４内に設けられている。位置決め補助具１５は、中心合わせリングの形態であり、容器４０を、容器支持板１４上の規定の位置、したがって、ベースプレート１０に対する規定の位置に位置付けるために使用される。

容器４０は、円形断面の側壁４１を有する円筒容器の形態である。側壁４１は、照射デバイス２０からの放射線に対して不透過性を有する材料、特に、可視光およびＵＶ光に対して不透過性を有する材料から作製される。円筒容器４０の長手方向軸は垂直に延伸し、参照符号１００でマークされている。

長手方向軸１００に沿って、結合ロッド５０が上方から容器４０の内部へと延伸する。その底端において、結合ロッド５０は、断面が円形であり、したがって板のような形状にされている基板６０を保持する。基板６０は、結合ロッド５０に固定的に接続されている。

その外縁において、基板は周縁カラー６１を有し、これは、図４ａに示す詳細図に見ることができ、０．０５ｍｍの小さい高さだけ下向きに延伸する。カラーの目的は、基板６０と、容器４０の底板４４の上方に配置される固着防止フィルム４４ａとの間で、最初の層を造形するために適切な間隔を与えることである。カラー６１はまた、基板と固着防止フィルムとの間に相対運動があるときに、固着防止フィルム４４ａが中央の関連曝露領域において摩耗および断裂を受けず、外側カラー領域においてのみ受けることをも保証する。

結合ロッドは、結合ロッドクランプユニット５１によってフレーム柱１１に固定される。上記結合ロッドクランプユニット５１は、その部分について、トグルクランプ締めデバイスを備え、結合ロッドを強制的にロックするようにクランプ締めするように設計されている。必要に応じて、フレームアセンブリ１０、１１に対する結合ロッド位置の正確な参照が可能であるように、結合ロッドクランプユニット５１と結合ロッド５０との間で軸１００の長手方向において結合ロッドの規定の位置をもたらすために、結合ロッドと結合ロッドクランプユニットとの間の係合をもたらすことができる。

結合ロッドは、環状溝５０ａを有し、環状溝は、上記環状溝と係合している位置決めピン４３が結合ロッド５０を軸方向に支持するような高さにおいて、その外周面に向かって加工されている。この支持される位置において、基板６０は、最上位置へと持ち上げられ、完成した成形体は一般的に、流体槽の外部に配置される。そのように軸方向に固定されているこの位置は、基板を介して成形体に対して回転運動が発揮されることを可能にし、成形体から余分な流体を振り捨てる役割を果たすことができる。このとき、この余分な流体は側壁４１に対して振り捨てられ、流体槽へと流れるかまたは落ちて、その後回収することができる。

結合ロッドクランプユニット５１は、円筒長手方向軸１００の方向において動くために、フレーム柱１１において可動に誘導される。フレーム柱１１の内部には、結合ロッドクランプユニット、および、したがって、それに取り付けられている結合ロッド５０を垂直方向に動かし、このようにして、基板上での成形体の層ごとの造形に必要である連続的な垂直運動をもたらすために使用されるアクチュエータユニットが配置されている。フレーム柱１１の内部のアクチュエータユニットは、好ましくは、ステッパモータによって駆動されるスピンドルドライブとして具現化される。

結合ロッドクランプユニット５１と基板６０との間で、結合ロッド５０が、その長手方向における軸方向運動のために、カバー４２内で誘導される。カバー４２は、同様に、照射デバイス２０からの放射線に対して不透過性を有する材料、特に、可視光およびＵＶ放射線に対して不透過性を有する材料から作製される。カバー４２は、Ｏリングシールを有する肩部によって、容器の側壁４１の上面に形成される開口部内へと流体密に挿入される。カバーの中央を通る孔が、結合ロッド５０の軸方向誘導をもたらす。結合ロッド５０は、容器４０の内部で基板６０の特定の垂直位置を固定するために、半径方向においてカバー内の孔へと係合するネジ４３によって、環状溝５０ａを用いてカバー内に軸方向に固定することができる。

図５および図５ａは、完成した成形体を基板から分離する役割を果たすエジェクタ機構を示す。エジェクタ機構は、中空ロッドとして設計されている結合ロッド５０の内部で誘導され、結合ロッド５０と同軸状に延伸するエジェクタロッド７０を備える。エジェクタロッド７０の上端には、軸方向の力をエジェクタロッドへと伝達し、エジェクタロッドを回転させるために使用されるノブ７１が配置されている。

エジェクタロッド７０は、結合ロッド５０全体にわたって延伸し、その底端で、基板６０の領域においてエジェクタ板７２に接続されている。エジェクタ板７２は、星形幾何形状を有し、基板６０内の一致する星形陥凹部６２内へとフィットする。これによって、エジェクタ板と基板または結合ロッドとの間のいかなる回転も止める係合がもたらされる。その上端において、エジェクタロッドは、ノブ７１内の雌ネジと協働する雄ネジを有する。ノブ７１は結合ロッド５０の上端面上に載置され、長手方向軸１００を中心としてノブ７１を回すことによって、それゆえ、作動ロッドを結合ロッドに対して動かすことができ、特に、持ち上げ位置へと引くことができる。エジェクタロッド７０がその最大端部位置に来ると、星形エジェクタ板７２が、基板６０内の一致する星形陥凹部６２内に載置され、エジェクタ板７２および基板６０の底面が互いに同一平面上になる。エジェクタ板７２は、圧縮バネとして設計されているコイルバネ７３によって、この上側位置へと付勢される。ノブ７１が回され、したがって、エジェクタロッドがその最上位置から下げられると、コイルバネは、完成した成形体を基板から分離するのに十分であり、成形体が基板に固着している場合に、ノブ７１に対して圧力を発揮することによって、必要に応じて増大することができる排出力をエジェクタ板に対して発揮する。

バネ力および付加的に発揮される任意の圧力に起因して、エジェクタ板は、その底面によって基板６０の底面から突出し、基板およびエジェクタ板上に形成される成形体に対して圧力を発揮する。成形体はこのように、基板の表面から分離される。

成形体が依然としてエジェクタ板７２の表面に固着していることが可能である。しかしながら、基板６０上に直接的に形成されるべき最初の層を造形するとき、この工程は、放射線に対する曝露がエジェクタ板７２の星形領域において行われず、その結果として、そこに空洞が形成され、エジェクタ板に対する粘着が発生しないように、制御することができる。これは、エジェクタ板７２によって成形体を基板から完全に分離することができることを意味する。

エジェクタ板７２と基板６０との間の係合は、エジェクタ板７２および陥凹部６２の星形外形に起因して達成される。この係合は、ノブ７１を介して開始される回転運動を、エジェクタロッド７０から基板６０へと伝達することができる。これによって、回転運動が、基板およびその上に形成される成形体に加えられることが可能である。この回転運動は、結合ロッドが環状溝５０ａを用いて持ち上げられた位置においてロックされており、そのように生成される遠心力によって未硬化流体が成形体から振り捨てられ、流体槽内へと落とされることを可能にするために、完成した成形体が結果として流体槽の上方で保持されるときに、特に有用である。

図５ａは、容器４０の上に載置され、容器４０の内部に向き合っているＦＥＰフィルムまたは固着防止フィルム４４ａと、容器４０の直下に配置されている、一般的にガラスから作製される、容器４０の底板４４とを備える設定を示す。縁部領域において、底板およびＦＥＰフィルムは、周縁Ｏリング４８によって、側壁４１に対して、および、互いに対してシールされる。ガラス板は、その下部にあるフランジ４９およびネジ留めフランジ接続ネジ４９ａによって適所に固定され、Ｏリングシールが結果として、シール効果を生成するように押し込まれる。

その裏面に、容器は、放射線に対して透過性を有する底板４４を有する。底板は、係合によって、容器側壁４１へとシールするように挿入され、照射デバイス２０からの放射線が、容器の内部へと、特に、基板６０の裏面に通過することを可能にする。

図５ａの詳細図から見てとれるように、ＦＥＰフィルム４４ａは、底板の上面、すなわち、容器の内部に向き合っている面上に配置され、容器の、当該容器の側壁と底板との間の領域全体に流体密に広がる。好ましくは０．１ｍｍ以下の垂直方向における厚さを有する非常に少量の気体が、底板とＦＥＰフィルムとの間に封入される。このフィルムの広がりは、流体密に封入されているボリュームと組み合わさって、流体密に封入されているボリュームの幾何形状の変化によって達成される剥離効果によって、成形体を垂直方向に持ち上げることによって、成形体がわずかな力でフィルムから分離されることを可能にする。

カバー４２は、容器４０の側壁４１内の側方ピン４５によってバヨネットロックのように適所へとロックされる。容器４０および基板６０は、カバー４２をも含む１つのアセンブリとして予め取り付けられる。容器４０および基板６０を含むこの予め取り付けられたアセンブリはその後、容器をその裏面で中心合わせリング１５内へと挿入することによって、フレームアセンブリ内へと挿入することができる。その後、結合ロッド５０が、結合ロッドクランプユニット５１によってフレーム柱１１に対して定位置に固定することができ、したがって、基板６０の垂直変位のための結合がもたらされる。

結合ロッドクランプユニット５１が解放された後、容器４０は、結合手段１３ａ、ｂを解放し、容器支持板１４を、それに取り付けられているハンドル１６を用いて前方に引くことによって、結合ロッド５０および内部に配置されている基板６０とともに、ベースプレート１０へと動かすことができる。これによって、容器支持板１４、容器４０、基板６０および結合ロッド５０を備えるアセンブリ全体が、装置から動かされるかまたは取り外されること、または、これらの構成要素をともに光造形装置内へと挿入することが可能である。これによって、容器が、内部の流体とともに迅速に交換されることが可能であり、それによって、基板６０の裏面上で容器内部の三次元成形体を造形する工程が完了した後に、交換後に第２の容器内で造形を直ちに実行することができる。それらが塵芥、および、容器４０内部の光の効果に対して封止されることに起因して、造形に使用される容器の内部の硬化可能流体の長期的特性を同時に改善することも達成しながら、本発明による光造形装置によって達成することができる造形サイクル時間は、従来技術と比較して大幅に低減されている。

図６は、照射デバイス２０を断面図で示す。照射デバイス２０は、水平方向において可視光成分を含む放射線を放出する高出力ＬＥＤ２２を含む。光はほぼすべて光ホモジナイザ２３へと結合される。光ホモジナイザは、水平軸方向に延伸し、ホウケイ酸クラウンガラスから作製される、断面が六角形のロッドである。上記光ホモジナイザは、ＬＥＤ２２からその入口端２３ａに入る不均一な光が、光ホモジナイザの側壁において複数回反射することによって均一化され、その端面にある出口面２３ｂ上で均一な光場として出ることを保証する。

出口面２３ｂから、光は画像変換器２４内の開口部へと注ぐ。上記画像変換器２４は、ＤＬＰ要素またはＬＣＤ技術として設計することができる。画像変換器２４はコントローラによって制御され、均一な入射光ビームから、マスキングされた画像を生成し、上記画像は、造形されるべき成形体の断面領域の画像であり、造形されるべきそれぞれの層に対応する。固体であり、それゆえ、流体から硬化されることになる成形体のすべての領域はマスクされず、均一な光に曝露され、一方で、すべての他の領域はマスクされ、その結果として、曝露されない。

画像変換器２４の内部で、均一なマスキングされた光はその後、９０°反射され、照射デバイス２０から垂直方向上向きに放出される。

光強度センサ２５が、光ホモジナイザ２３の側面に配置されている。光強度センサは、光ホモジナイザ２３に隣接するカバー板内に挿入され、光ホモジナイザ２３の側壁における光強度を検出する。この光強度は、ＬＥＤ２２から放出され、光ホモジナイザ２３を通過する光強度と相関する。光強度センサ２５は、信号送信のためにコントローラ３０に接続されており、ＬＥＤの光強度に関連する信号をコントローラ３０に送信し、この信号はその後、コントローラ内部で、造形工程を制御するために使用される。

光強度センサは、フォトダイオードの形態で設けられてもよく、Ｐ−Ｎ半導体接合の温度と順方向電圧との間にはほぼ線形の関係があることに起因して、これは同時に、当該センサが温度センサとして動作することを可能にする。その後、光強度および温度センサの組み合わせは、光強度および温度を交互に測定することができ、したがって、光強度が、温度の補正とともに検出されることを可能にする。このように、温度変化によって引き起こされるドリフトに起因する、光強度センサからの測定値の不正確性を補償することが可能である。これに対する代替形態として、光強度センサに隣接して、別個の温度センサを配置し、上記温度センサを介して光強度センサの温度を検出することが可能である。

本発明による造形工程は、以下のように進行する。
硬化可能流体で充填された容器４０が、結合ロッド５０に取り付けられている基板６０、および、上記基板を軸方向において誘導する容器カバー４２とともに予め取り付けられる。容器および基板および結合ロッドを含むこの予め取り付けられたアセンブリがその後、容器支持板１４の上に配置され、容器支持板１４がその後、図面に示す造形位置へと押し込まれ、結合手段１３ａ、ｂによって上記位置においてロックされる。

基板６０が、カラー６１によって規定される基準位置において容器４０の底板４４の上方にある固着防止フィルム４４ａ上に載置される。基板６０はその位置に残され、結合ロッド５０が、結合ロッドクランプユニット５１によって、基板の垂直方向運動のためにアクチュエータユニットに結合される。

これらはすでに、すべて光造形法造形工程を実行するための準備ステップである。アセンブリが光造形装置内へと挿入される後、または、またその前に、個々の層の選択的照射に必要とされるデータが、コントローラ３０に送信されている。しかしながら、データはまた、造形中にリアルタイムで、外部コントローラから適切なインターフェースを介して送信されてもよい。

その裏面に、容器は、放射線に対して透過性を有する底板４４を有する。底板は、係合によって、容器側壁４１へとシールするように挿入され、照射デバイス２０からの放射線が、容器の内部へと、特に、基板６０の裏面に通過することを可能にする。

結合ロッドクランプユニット５１が結合ロッド５０に取り付けられると、最初に、基板がアクチュエータユニットによって数層の厚さ分、たとえば、２ｃｍの距離だけ持ち上げられ、その後、容器内で流体を完全に混合するために、その元の位置へと再び下げられ、ベースプレート上に載置される。この動作は、必要に応じて数回実行されてもよい。

その後、造形工程は、コントローラ３０を介して、または、必要に応じて外部コントローラによって制御される。基板はすでに、カラー６１に起因して適切な間隔をおいて固着防止フィルム４４ａ上に載置されているので、第１の層が光に対する曝露によって直接的に造形され得る。その後、第２の層が造形される。最初のステップにおいて、基板６０が、アクチュエータユニットによって、結合ロッドクランプユニット５１および結合ロッド５０を介して固着防止フィルムから数層の厚さ分だけ持ち上げられる。固着防止フィルムは、この工程において、造形された第１の層から分離される。この分離工程は、固着防止フィルム４４ａと底板４４との間で形成する減圧によってもたらされる剥離効果、および、垂直方向上向きに発揮される基板の引っ張り力によってサポートされる。分離を達成するために基板が持ち上げられる距離は、持ち上げ力を測定し、分離を突然の力の低下として記録する力センサによって制御することができる。

代替的に、固着防止フィルムを分離するために固着防止フィルムから基板が持ち上げられる距離は、コントローラにおいて、以前に照射された層の面積から計算することができる。以前に造形された層の照射面積が大きいほど、すなわち、以前に照射されたピクセル数が多いほど、上記距離は大きくなるはずである。

必要とされる距離だけ基板が持ち上げられ、固着防止フィルムが最近に造形された層から分離されると、基板は再び下げられる。基板は、上記距離から造形されるべき次の層の厚さを差し引いた分だけ下げられる。基板が下げられると、したがって、最近に造形された層と固着防止フィルムとの間に間隙が生成され、上記間隙は、造形されるべき次の層の厚さに等しい。

容器４０内の硬化可能な流体材料の充填レベルに起因して、材料は、このように基板の上向きの動きに起因して底板と基板との間に生じる空洞内へと引き込まれ、または、流れ込む。基板が再び下げられた後、それゆえ、間隙は流体で確実に充填されている。

その後、このように形成された層が、プロジェクタユニット２１から放出されるそれぞれの画像に曝露され、結果として、その層内の特定の領域が選択的に硬化される。容器４０の底板に対するコーティングに起因して、これらの硬化領域は底板に粘着せず、基板のみに粘着する。

その後、アクチュエータユニットが再び起動されて、基板６０が、もう１層の厚さ分だけ持ち上げられる。１層分の厚さを有する間隙が、以前に硬化した層と容器の底板との間に再び作製される。この間隙は再び硬化可能な流体材料で充填され、形成されている成形体のこの層の断面幾何形状に対応する画像を有する照射によって再び光に曝露され、したがって硬化される。層の硬化した領域はそれによって以前に硬化した層に結合され、ただし、容器４０の底板には結合されない。

この一連のステップは、このように成形体全体が層ごとに形成されるまで、連続的に数回繰り返される。その後、基板６０がアクチュエータユニットによって流体槽の上方の持ち上げ位置へと持ち上げられ、それによって、未硬化流体が成形体から落ちることができる。特定の期間が経過した後、容器、その上に成形体が形成されている基板、および、結合ロッドから構成されているアセンブリを、このように造形された成形体を基板から慎重に分離するために、結合ロッドクランプユニット５１を解放し、容器支持板１４を前方に引くことによって、光造形装置から好都合に取り外すことができる。アセンブリが取り外された直後に、容器、基板、カバーおよび結合ロッドから構成される第２のアセンブリを、容器支持板１４上に配置することができ、第２の造形工程を直ちに開始することができる。

Claims (33)

1. 光造形装置であって、
   照射によって硬化可能な流体材料を受け入れるための容器と、
   基板と、
   前記容器と前記基板との間に相対運動を生成するためのアクチュエータ手段と、
   前記容器内に配置されている前記材料を選択的に照射するための照射デバイスであって、
   照射源、および
   イメージングマスクを備える、照射デバイスと、
   前記照射デバイスを制御するためのコントローラと
   を備える光造形装置において、
   前記アクチュエータ手段および前記照射デバイスがフレームアセンブリに取り付けられており、前記容器および前記基板が組み合わされてアセンブリを形成しており、前記容器および前記基板から構成されている前記アセンブリがともに、前記フレームアセンブリ内へと挿入され、取り付け手段によって、前記フレームアセンブリからともに取り外されるために、内部に分離可能に固定されていることを特徴とする、光造形装置。
2. 前記容器は、前記照射デバイスからの放射線に対して不透過性を有する側壁を有することを特徴とする、請求項１に記載の光造形装置。
3. 前記容器に分離可能に接続されて（気密に、流体密に）前記容器を閉じ、好ましくは前記照射デバイスからの放射線に対して不透過性を有するカバーを特徴とする、請求項１または２に記載の光造形装置。
4. 前記アクチュエータ手段が、結合ロッドであって、前記基板に接続され、前記カバーを通じて延伸し、好ましくは前記結合ロッドの長手方向において軸方向運動するために、前記カバー内で誘導される、結合ロッドを備えることを特徴とする、請求項３に記載の光造形装置。
5. 前記アクチュエータ手段が、前記基板に接続されている結合ロッドを備えること、および、前記結合ロッドが、前記容器と前記基板との間の前記相対運動を伝達するために、結合手段によって機械的アクチュエータに分離可能に結合されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光造形装置。
6. 前記容器の内部に配置されており、前記容器の内側空間を、前記流体材料を硬化させるのに適していない波長を有する可視光で照明するように適合されている照明デバイスを特徴とするか、または
   第２の容器であって、前記第２の容器の内部に配置されており、前記容器の前記内側空間を、前記流体材料を硬化させるのに適している波長を有する放射線で照明するように適合されている照明デバイスを有する、第２の容器を特徴とし、前記フレームアセンブリは、前記容器または前記第２の容器を規定の位置において選択的に固定するための取り付け手段を有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光造形装置。
7. さらなる容器であって、カバー、および、前記さらなる容器の内部に配置されており、前記カバーを通じて誘導される結合ロッドに接続されている基板を有する、さらなる容器を特徴とし、
   前記フレームアセンブリは、前記容器または前記さらなる容器を、規定の位置において選択的に固定するための固定ユニットを有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光造形装置。
8. 前記容器は、前記照射デバイスからの放射線に対して透過性を有する底板を有し、前記照射デバイスは、下方から前記容器内へと前記放射線を導入するように適合されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の光造形装置。
9. 前記容器の前記内部に面する前記底板の側面において、
   固着防止コーティングが施されており、または
   前記底板に対してその周縁領域において流体密にシールされている固着防止フィルムが配置されており、前記底板と前記固着防止フィルムとの間の非常に小さいボリュームを封止していることを特徴とする、請求項８に記載の光造形装置。
10. 前記底板は、前記容器の側壁に分離可能かつシール可能に接続されていることを特徴とする、請求項８または９に記載の光造形装置。
11. 光造形装置であって、
    照射によって硬化可能な流体材料を受け入れるための容器と、
    基板と、
    前記容器と前記基板との間に相対運動を生成するためのアクチュエータ手段と、
    前記容器内に配置されている前記材料を選択的に照射するための照射デバイスであって、
    照射源、および
    イメージングマスクを備える、照射デバイスと、
    前記照射デバイスを制御するためのコントローラと
    を備える、光造形装置、
    または、請求項１〜１０、１６〜２６のいずれか一項に記載の光造形装置であって、
    前記コントローラは、
    前記基板を、層の照射前に、造形されるべき最新の層と固着防止フィルムとの間の所定の層間隔を有する空洞をもたらす位置へと動かすステップと、
    その後、特定の領域において前記空洞内に配置される流体を選択的に照射し、したがって、選択的に硬化させるステップと、
    前記空洞内に配置されている前記流体の照射後に、前記選択的に硬化した領域を前記固着防止フィルムから分離するのに十分である分離経路だけ、前記基板を動かすステップと
    を実施するように適合されており、
    前記コントローラはまた、以前に硬化した層の前記選択的に硬化した領域のサイズから、特に、前記層内の照射されているピクセル数から前記分離経路を決定するようにも適合されていることを特徴とする、光造形装置。
12. 光造形装置であって、
    照射によって硬化可能な流体材料を受け入れるための容器と、
    基板と、
    前記容器と前記基板との間に相対運動を生成するためのアクチュエータ手段と、
    前記容器内に配置されている前記材料を選択的に照射するための照射デバイスであって、
    照射源、および
    イメージングマスクを備える、照射デバイスと、
    前記照射デバイスを制御するためのコントローラと
    を備える、光造形装置、
    または、請求項１〜１０、１６〜２６のいずれか一項に記載の光造形装置において、
    プランジャを有するエジェクタデバイスを特徴とし、前記プランジャは、前記プランジャが前記基板を越えて突出しない造形位置から、前記プランジャが前記基板を越えて突出する排出位置へと動かすことができる、光造形装置。
13. 光造型法によって三次元成形体を造形する方法であって、
    照射によって硬化可能な流体材料が内部に配置されている容器を、フレームアセンブリに固定するステップと、
    以下のサブステップを含む一連のサブステップを複数回反復することによって、一層ごとに前記三次元成形体を造形するステップであって、前記サブステップは、
    前記フレームアセンブリに取り付けられているアクチュエータ手段によって、前記フレームアセンブリに分離可能に取り付けられている基板を、前記容器に対して所定の層厚分だけ動かすサブステップと、
    相対運動から生じる空洞を前記流体材料で充填するサブステップと、
    前記フレームアセンブリに取り付けられている照射デバイスによって、硬化されるべき領域において前記材料を選択的に照射することによって、前記空洞内に配置されている前記材料を選択的に硬化させるサブステップと
    を含む、一層ごとに前記三次元成形体を造形するステップと
    を含む方法において、
    前記容器および前記基板はともに、１つのアセンブリとして前記フレームアセンブリ内へと挿入されることを特徴とする、方法。
14. 前記選択的な照射が、前記照射デバイスからの放射線に対して透過性を有する底板を通じたものであることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
15. 前記基板に接続されている結合ロッドがカバーを通じて延伸すること、および、前記カバー内で、前記容器に対する前記基板の動きが、前記結合ロッドの長手方向における軸方向運動として実施されることを特徴とする、請求項１３または１４に記載の方法。
16. 光造形装置であって、
    照射によって硬化可能な流体材料を受け入れるための容器と、
    基板と、
    前記容器と前記基板との間に相対運動を生成するためのアクチュエータ手段と、
    前記容器内に配置されている前記材料を選択的に照射するための照射デバイスであり、前記照射デバイスは、
    照射源、および
    イメージングマスクを備える、照射デバイスと、
    前記照射デバイスを制御するためのコントローラであり、
    放射線源と前記イメージングマスクとの間のビーム経路内に配置されている放射線ホモジナイザを特徴とする、コントローラと
    を備える、光造形装置。
17. 前記照射デバイスは、前記放射線源と前記放射線ホモジナイザとの間のビーム経路内に配置されている合焦デバイス、たとえば、光学レンズ、または、複数の光学レンズを備えるレンズデバイスを備えることを特徴とする、請求項１６に記載の光造形装置。
18. 前記放射線ホモジナイザは、放射線入口領域から放射線出口領域へと長手方向に延伸するビームガイド要素であり、放射線反射側壁を有することを特徴とする、請求項１６または１７に記載の光造形装置。
19. 前記放射線ホモジナイザが、長手方向軸に沿って延伸し、多角形断面を有する中実体であることを特徴とする、請求項１６〜１８のいずれか一項に記載の光造形装置。
20. 前記放射線ホモジナイザが、透明な材料、特に、ホウケイ酸クラウンガラスのようなガラスから構成されるか、または、それを含み、前記放射線ホモジナイザの１つまたは複数の側壁における全反射によって前記放射線ホモジナイザの前面を介して前記放射線ホモジナイザ内へと結合されるビームに対するビームガイド効果を有することを特徴とする、請求項１６〜１９のいずれか一項に記載の光造形装置。
21. 前記放射線源の放射強度を検出するために前記イメージングマスクの正面の領域内で、前記照射デバイスの前記ビーム経路の中、または、そこにおいて配置され、前記コントローラと信号通信する放射強度センサを特徴とする、請求項１６〜２０のいずれか一項に記載の光造形装置。
22. 前記放射強度センサは、前記放射線ホモジナイザに結合されており、特に、前記放射強度センサが前記放射線ホモジナイザの側壁に結合されることによって、および、前記側壁が、前記放射強度センサが結合されている領域において、放射線に対して部分的にまたは完全に透過性を有することによって、前記放射線ホモジナイザへと導入される前記放射線の一部分を検出することを特徴とする、請求項２１に記載の光造形装置。
23. 前記放射線ホモジナイザは、最大強度差を２０％未満、特に５％未満まで低減するための均一化効果を有することを特徴とし、
    前記最大強度差は、照射断面全体に関連して表現され、前記照射断面全体の局所測定フィールドにおける放射強度と、前記照射断面全体にわたる平均放射強度との間の差として定義され、
    矩形曝露領域の場合、前記照射断面は、２つの辺の長さを１０個の等しい部分長に分割し、１０個のフィールドを有する碁盤目パターンを規定することによって、１０×１０個の大きさの等しい測定フィールドへと分割され、または、矩形でない照射断面の場合、前記断面の外形を囲む矩形が配置され、前記矩形が適切に等しいサイズの１０×１０個の測定フィールドへと分割され、
    前記放射強度は、センサ直径の測定領域が前記測定フィールドの中央に配置されるとき、前記センサ直径の前記測定領域全体が完全に照射断面の中にある１００個の測定フィールドの各々について、７．５ｍｍ〜１２．５ｍｍの測定領域直径を有する測定センサを用いて決定され、走査ヘッドの前記測定センサが前記照射断面を越える中央位置内に突出する測定フィールドは無視され、
    このように決定される前記放射強度から最大値、最小値および平均値が計算され、
    前記最大強度差が、以下の値、すなわち、
    １００×（最大値−平均値）／平均値、および
    １００×（平均値−最小値）／平均値
    のうちの最大値として計算される、請求項１６〜２２のいずれか一項に記載の光造形装置。
24. 前記コントローラが、放射強度センサからのセンサデータから前記放射線源の力率を決定し、前記力率に従って照射の継続時間および／または放射線源に供給されるエネルギーの量を制御するように適合されていることを特徴とする、請求項２１〜２３のいずれか一項に記載の光造形装置。
25. 前記コントローラが、前記放射強度を経時的に積分することによって放射強度センサからのセンサデータから照射の量を決定し、前記照射の量に従って前記照射の継続時間および／または前記放射線源に供給されるエネルギーの量を制御するように適合されていることを特徴とする、請求項２１〜２４のいずれか一項に記載の光造形装置。
26. 前記基板が回転可能に取り付けられていること、および、前記基板の前記回転可能な取り付けは、回転に対して解放可能に固定することができることを特徴とする、請求項１〜１０、１６〜２５のいずれか一項に記載の光造形装置。
27. 光造型法によって三次元成形体を造形する方法であって、
    照射によって硬化可能な流体材料が内部に配置されている容器を、フレームアセンブリに固定するステップと、
    以下のサブステップを含む一連のサブステップを複数回反復することによって、一層ごとに前記三次元成形体を造形するステップであって、前記サブステップは、
    前記フレームアセンブリに取り付けられているアクチュエータ手段によって、前記フレームアセンブリに分離可能に取り付けられている基板を、前記容器に対して所定の層厚分だけ動かすサブステップと、
    相対運動から生じる空洞を前記流体材料で充填するサブステップと、
    前記フレームアセンブリに取り付けられている照射デバイスによって、硬化されるべき領域において前記材料を選択的に照射することによって、前記空洞内に配置されている前記材料を選択的に硬化させるサブステップと
    を含む、一層ごとに前記三次元成形体を造形するステップと
    を含む方法において、
    前記照射は、放射線を生成する放射線源によって実施され、前記放射線は、放射線ホモジナイザにおいて均一化され、前記放射線ホモジナイザを通過した後に、前記空洞内に配置されている、硬化されるべき前記材料の領域が照射され、硬化されるべきでない領域が照射されないように、選択的に誘導または選択的に遮蔽されることを特徴とする、方法。
28. 前記放射線の強度が放射強度センサによって検出されること、前記放射強度センサからのセンサ信号がコントローラに送信されること、および、前記コントローラが、前記センサ信号に従って前記照射を制御することを特徴とする、請求項２７に記載の方法。
29. コントローラによって、
    前記放射線源の元の電力に対する前記放射線源の電力の低減の程度が、センサ信号に基づいて決定され、
    前記照射の継続時間および／または前記放射線源に供給されるエネルギーの量が前記低減の程度に基づいて増大されるという点、
    または
    照射の量が前記センサ信号に基づいて決定され、前記量は好ましくは、経時的に積分された放射強度から決定され、
    前記照射の継続時間が、前記照射の量に従って、特に所定量の照射に達した後に照射が停止されるという点において制御されるという点において、前記照射を制御することを特徴とする、請求項２７または３０に記載の方法。
30. 前記基板を、層の照射前に、造形されるべき最新の層と固着防止フィルムとの間の所定の層間隔を有する空洞をもたらす位置へと動かすステップと、
    その後、特定の領域において前記空洞内に配置される流体を選択的に照射し、したがって、選択的に硬化させるステップと、
    前記空洞内に配置されている前記流体の照射後に、前記選択的に硬化した領域を前記固着防止フィルムから分離するのに十分である分離経路だけ、前記基板を動かすステップと
    を実施するように適合されている方法において、
    前記分離経路が、前記選択的に硬化した領域のサイズから、特に、照射されているピクセル数から決定されることを特徴とする、請求項２７〜２９のいずれか一項に記載の方法。
31. 前記成形体の完成後に前記基板を回転させることによって、未硬化流体が前記成形体から除去されることを特徴とする、請求項２７〜３０のいずれか一項に記載の方法。
32. 請求項２〜１０のいずれか一項に記載の特徴部分に基づいて発展されている、請求項１１、１２または１６のいずれか一項に記載の光造形装置。
33. 請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の特徴部分に基づいて発展されている、請求項２７〜３１のいずれか一項に記載の方法。

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