JP2020509954A - 積層造形装置および方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、固化層内の放射線硬化性流体の連続的な固化により、計画幾何形状に従って製品を構築するための積層造形装置に関し、固化層は、放射線硬化性流体の流体表面から製品の加工片表面へと垂直方向に延伸する。装置は、放射線硬化性流体を保持するための液槽と、構築中に製品を保持するための加工片支持体と、放射線硬化性流体の固化層への供給を制御するように適合された供給制御機構と、固化層内に硬化放射線の二次元露光パターンを生成するように適合された硬化放射線源であり、露光パターンは、硬化放射線パターン幾何形状および／または硬化放射線強度によって定義される、硬化放射線源と、固化層から放射線を受け取るように配置されている放射線センサであって、放射線センサは、受け取った放射線に基づいて固化プロセス状態を示す情報を含むセンサ信号を生成するように構成される、放射線センサと、供給制御機構および硬化放射線源に通信可能に接続された制御システムであり、制御システムは、センサ信号を受信し、上記センサ信号に応答して、固化層の固化を制御するプロセス制御パラメータを調整するように適合されている、制御システムとを備える。

Description

本発明は、積層造形に関する。

従来の液槽光重合積層造形装置（例えば、ステレオリソグラフィ、光固化、および樹脂印刷としても知られている）では、製造される製品の三次元モデルが薄い水平二次元モデル層に「スライス」される。レーザまたはプロジェクタなどの光源が使用されて、製造中にこれらの二次元モデル層の形状に従って液体フォトポリマーが選択的に固化されて、モデルに対応する形状の製品が得られる。いくつかの積層造形法では、次の手順が使用されて物理的な製品が作成される。
１．液体樹脂が、三次元物体の二次元層に対応するパターンを有する放射線に、その層が完全に硬化（固化）するまでの期間にわたって曝露される。
２．部分的に完成した製品が、１つの層の高さまで液体に浸される。
３．フォトポリマー液の表面が、再コーティングおよび表面張力効果の最小化のためにスクレーパによってトラバースされる。
４．すべての物体層が実現されるまで上記のステップが繰り返され、結果、製品が完成する。

この従来の方法を使用すると、造形速度がマイクロメートル毎分単位になる可能性がある。これは、一部には、樹脂の供給および平坦な表面の取得を含む時間のかかる再コーティングプロセスに起因する。さらに、スライスの離散的で限定された厚さにより、階段状アーチファクトとして知られる望ましくないアーチファクトが製品に現れる。

本発明の実施形態は、上記の状況を緩和することができる。以下の項目別リストは、積層造形装置および方法の有利な態様および実施形態を開示している。本明細書に開示される特徴のいずれかによって、単独または組み合わせにおいて達成され得る利点は、以下および詳細な説明の例示的な実施形態によって示される本発明の種々の態様の議論から明らかになるであろう。

項目１．積層造形により製品を構築するための積層造形装置（２００）であって、
製品を形成するために選択的に硬化される放射線硬化性流体を保持するための液槽（２０１）と、
構築中に製品を保持するためのビルドプラットフォーム（２０３）であり、ビルドプラットフォーム（２０３）は、液槽の内側に配置された別個の部品であってもよく、または液槽の底部の少なくとも一区画によって形成されてもよく、および／または製品の構築中に放射線硬化性流体の表面に対するビルドプラットフォームの位置を変更するためのプラットフォームステージ（２０４）を備えてもよく、プラットフォームステージ（２０４）は、プラットフォームステージ制御信号によって制御される、ビルドプラットフォーム（２０３）と、
硬化放射線源制御信号を受信し、放射線硬化性流体の表面に向かう方向において対応する二次元硬化放射線パターンを放出するように構成された硬化放射線源（２０５）であり、結果、放射線硬化性流体の対応する部分が硬化する、硬化放射線源（２０５）と、
放射線硬化性流体の表面によって反射および／または放出される放射線を表すセンサ信号を生成するように構成された放射線センサ（２０７）と、
液槽（２０１）に放射線硬化性流体を供給するための１つまたは複数の注入口（２１５）と、
制御システム（２０９）であり、
ｉ）製品の構築中にセンサ信号に基づいて、流体の表面の形状の動的特性を提供するステップと、
ｉｉ）構築する製品の計画幾何形状またはその一部を表す幾何形状情報を取り出すステップと、
ｉｉｉ）計画幾何形状に従って放射線硬化性流体を硬化させるために、硬化放射線源によって放出される硬化放射線パターンおよび硬化放射線強度のうちの１つまたは複数を決定するステップであり、決定は、少なくとも、幾何形状情報および表面の形状の動的特性に基づく、決定するステップと、
ｉｖ）決定された硬化放射線パターンおよび／または強度に対応する硬化放射線源制御信号を硬化放射線源に提供するステップと
を行うように構成されている、制御システム（２０９）と
を備える、積層造形装置（２００）。

項目２．制御システム（２０９）は、１つまたは複数の注入口（２１５）を通じて液槽（２０１）に放射線硬化性流体の流れを提供するように構成可能な放射線硬化性流体供給システムに対する流体供給制御信号を提供するようにさらに構成される、項目１に記載の積層造形装置。

項目３． 制御システムは、供給システムが可変流速において放射線硬化性流体を提供するための流体供給信号を提供するようにさらに構成され、放射線硬化性流体供給システムは、増大または低減がそれぞれ必要であることを示す流体供給制御信号の変化に応じて、放射線硬化性流体の流速を増大および低減するように構成されている、項目２に記載の積層造形装置（２００）。

項目４．流体供給制御信号を受信し、増大または低減がそれぞれ必要であることを示す流体供給制御信号の変化に応じて、液槽への放射線硬化性流体の流速を増大または低減するために、制御システムに動作可能に結合された放射線硬化性流体供給システムをさらに備える、項目１〜３のいずれか一項に記載の積層造形装置。

項目５．放射線硬化性流体供給システムが、放射線硬化性流体を液槽に供給するための注入口を形成する、１つまたは複数の排出口から成るシステムを含み、上記１つまたは複数の排出口を通る流れは、制御システムによって、増大または低減がそれぞれ必要であることを示す流体供給制御信号の変化に応じて、液槽への放射線硬化性流体の流速を増大または低減するように制御可能である、項目４に記載の積層造形装置。

項目６．１つまたは複数の排出口から成るシステムが、液槽の底部、液槽の側壁に配置された１つまたは複数の排出口、および／または、液槽の上方など、液槽とは別個に配置された１つまたは複数の排出口を含む、項目５に記載の積層造形装置。

項目７．放射線硬化性流体供給システムが、放射線硬化性流体供給システムにより液槽に再供給される放射線硬化性流体の温度を変更するための加熱器および／または冷却器を備える、項目２〜６のいずれか一項に記載の積層造形装置。

項目８．液槽の底部がビルドプラットフォームを形成するか、またはビルドプラットフォームが、液槽に取り外し可能に取り付け可能な別個の部品である、項目１〜７のいずれか一項に記載の積層造形装置。

項目９．ビルドプラットフォームが、ビルドプラットフォームの下方に再供給される放射線硬化性流体が製品の構築中にビルドプラットフォームの少なくとも一部を通過することを可能にするための１つまたは複数の穴を含む、項目１〜８のいずれか一項に記載に記載の積層造形装置。

項目１０．硬化性放射線源がプロジェクタを含む、項目１〜９のいずれか一項に記載の積層造形装置。

項目１１．硬化性放射線源が液槽に対して移動可能であり、積層造形装置が、製品の構築中に硬化性放射線源と放射線硬化性流体の表面との間の距離を一定に維持するか、または、印刷前に硬化性放射線源の高さを、例えば印刷解像度を最適化するように設定するように構成されている、項目１０に記載の積層造形装置。

項目１２．制御システムが、放射線硬化性流体表面の一部が、製品の計画幾何形状の一部と一致する場合に、放射線硬化性流体表面の一部を選択的に硬化する硬化放射線パターンを提供するように構成されている、項目１〜１１のいずれか一項に記載の積層造形装置。

項目１３．硬化放射線源（２０５）が、２Ｄパターンをレースするように構成された正射投影機、透視投影機またはレーザ点源である、項目１〜１２のいずれか一項に記載の積層造形装置。

項目１３ａ．制御システムは、硬化放射線源が放射線硬化性流体を硬化している間にプラットフォームステージが連続的に移動することを可能にするように構成されている、項目１〜１３のいずれか一項に記載の積層造形装置。

項目１４．表面の形状の特性化が、放射線硬化性流体の表面の少なくとも一部のトポグラフィを決定することを含む、項目１〜１３ａのいずれか一項に記載の積層造形装置。

項目１５．放射線硬化性流体の表面からの反射および／または放出されている放射線の複数の二次元画像を記録し、
１つまたは複数の二次元画像の強度変動、および／または
二次元画像の時間的強度変化
に基づいて表面の表面高さの変化を決定することにより、トポグラフィが決定される、項目１４に記載の積層造形装置。

項目１６．表面の形状の動的な特性化のために、放射線硬化性流体の表面によって反射される放射線を提供するための照明源（２１１）をさらに備える、項目１〜１５のいずれか一項に記載の積層造形装置。

項目１７．照明源が、１つまたは複数の画像特徴から成るセットを含む１つまたは複数の二次元照明パターンを放出するように構成され、制御システムが、少なくとも、１つまたは複数の画像特徴が放射線硬化性流体の表面によってセンサにどのように反射されるかに基づいて、放射線硬化性流体の表面のトポグラフィを決定するように構成される、項目１６に記載の積層造形装置。

項目１８．表面の形状の特性化が、表面の一部分から反射および／または放出される放射線を監視することを含み、ビルドプラットフォームの動き、および／または、液槽への放射線硬化性流体の流速、および／または、二次元硬化放射線パターン、および／または、硬化放射線強度は、表面の上記部分から反射および／または放出される放射の変化に応じて調整される、項目１〜１７のいずれか一項に記載の積層造形装置。

項目１９．ビルドプラットフォームの動き、および／または、液槽への放射線硬化性流体の流速、および／または、二次元硬化放射線パターン、および／または、硬化放射線強度は、硬化した放射線硬化性流体への放射線硬化性流体の局所的な流れが、計画幾何形状に従って製品のさらなる部分を構築するのに十分であることを保証するように調整される、項目１〜１８のいずれか一項に記載の積層造形装置。

項目２０．第２の硬化放射線源制御信号を受信し、対応する第２の二次元硬化放射線パターンを、放射線硬化性流体の表面に向かう方向に放出するように構成された第２の硬化放射線源をさらに備える、項目１〜１９のいずれか一項に記載の積層造形装置。

項目２１．積層造形装置において積層造形により製品を構築するための方法であって、積層造形装置は、
製品を形成するために選択的に硬化される放射線硬化性流体を保持するための液槽と、
構築中に製品を保持するためのビルドプラットフォームであり、ビルドプラットフォーム（２０３）は、液槽の内側に配置された別個の部品であってもよく、または液槽の底部の少なくとも一部によって形成されてもよく、または製品の構築中に放射線硬化性流体の表面に対するビルドプラットフォームの位置を変更するためのプラットフォームステージを備えてもよく、プラットフォームステージは、プラットフォームステージ制御信号によって制御される、ビルドプラットフォームと、
硬化放射線源制御信号を受信し、放射線硬化性流体の表面に向かう方向において対応する二次元硬化放射線パターンを放出するように構成された硬化放射線源であり、結果、放射線硬化性流体の対応する部分が硬化する、硬化放射線源と、
放射線硬化性流体の表面によって反射および／または放出される放射線を表すセンサ信号を生成するように構成された放射線センサと
を備え、
方法は、
放射線センサを使用して、放射線硬化性流体の表面によって反射および／または放出される放射線を表すセンサ信号を生成するステップと、
センサ信号に基づいて、流体の表面の形状の動的特性を提供するステップと、
構築されている製品の計画幾何形状を表す幾何形状情報を取り出すステップと、
計画幾何形状またはその一部分に従って放射線硬化性流体を硬化させるために、硬化放射線源によって放出される硬化放射線パターンおよび硬化放射線強度のうちの一方または両方を決定するステップであり、決定は、少なくとも、幾何形状および表面の形状の動的特性に基づく、決定するステップ、および、次いで、対応する硬化放射線源制御信号を硬化放射線源に提供するステップと、
液槽への放射線硬化性流体の流入を提供するステップと
を含む、方法。

項目２２．方法が、可変流速において放射線硬化性流体を提供するように構成可能な放射線硬化性流体供給システムに対する流体供給制御信号を提供することをさらに含み、放射線硬化性流体供給システムは、増大または低減がそれぞれ必要であることを示す流体供給制御信号の変化に応じて、放射線硬化性流体の流速を増大および低減するように構成されている、項目２１に記載の方法。

項目２２ａ．方法は、製品の構築中にビルドプラットフォームの動きを引き起こすためのプラットフォームステージ制御信号をプラットフォームステージに提供することをさらに含む、項目２１または２２に記載の方法。

項目２３．硬化放射線パターンは、放射線硬化性流体表面の一部が、製品の計画幾何形状の一部と一致する場合に、センサ信号に応答して放射線硬化性流体表面の一部を硬化させるように適合されている、項目２１または２２または２２ａに記載の方法。

項目２４．項目１〜２０のいずれか一項に記載の積層造形装置の制御システムとして機能するように構成されている、デジタルコンピューティングハードウェアまたは少なくとも部分的にアナログであるコンピューティングハードウェア。

項目２５．項目１〜２０のいずれか一項に記載の積層造形装置の適切なコンピューティングハードウェア上で実行されると、積層造形装置がステップｉ）〜ｉｖ）を実施することを可能にする命令を含むコンピュータ可読媒体。

さらなる態様によれば、本発明は、固化層内の放射線硬化性流体の連続的な固化により、計画幾何形状に従って製品を構築するための積層造形装置を提供し、固化層は、放射線硬化性流体の流体表面から製品の加工片表面へと垂直方向に延伸し、装置は、
放射線硬化性流体を保持するための液槽と、
構築中に製品を保持するための加工片支持体と、
放射線硬化性流体の固化層への供給を制御するように適合された供給制御機構と、
固化層内に硬化放射線の二次元露光パターンを生成するように適合された硬化放射線源であって、露光パターンは、硬化放射線パターン幾何形状および／または硬化放射線強度によって定義される、硬化放射線源と、
固化層から放射線を受け取るように配置されている放射線センサであって、放射線センサは、受け取った放射線に基づいて固化プロセス状態を示す情報を含むセンサ信号を生成するように構成される、放射線センサと、
供給制御機構および硬化放射線源に通信可能に接続された制御システムであって、制御システムは、センサ信号を受信し、上記センサ信号に応答して、固化層の固化を制御するプロセス制御パラメータを調整するように適合されている、制御システムと
を備える。

硬化放射線は、固化層内の放射線硬化性流体の固化を引き起こすように適合されている。露光パターンは、計画幾何形状に従って生成される。しかしながら、上記の印刷品質問題を軽減する良好な構築品質を達成するために、実際の固化は、本発明においては、固化プロセス状態を示す量を測定し、上記量に応じて関連する固化プロセス制御パラメータを調整することにより、非常に正確に制御される。例えば、固化層の所与の位置での固化速度および固化の深さ（垂直方向で見た場合）は典型的には、その位置での露光強度または線量に依存する。さらに、固化速度および深さは、その位置の固化層内で利用可能な放射線硬化性流体の量によって影響を受け得る。

放射線センサは、固化層から、例えば、放射線硬化性流体の表面から反射された放射線などの、放射線を受け取るように配置されている。反射放射線は、反射硬化放射線であり得る。代替的にまたはそれに加えて、反射放射線は反射プローブ放射線であってもよく、プローブ放射線は固化層の表面を照射する放射線である。好ましくは、プローブ放射線は、反射放射線の選択的収集を可能にするために、硬化放射線から、スペクトル的に区別可能であるなど、光学的に区別可能である。それにより、固化層表面の光学プローブの良好な信号対雑音比が達成され得る。

放射線センサは、受け取った放射線に基づいて、固化層で行われる固化のプロセス状態を示す情報を含むセンサ信号を生成するように構成される。例えば、固化層の表面の形状は、例えば、表面張力効果に起因する表面トポグラフィ内の特色ある特徴の形で、固化プロセスの状態に関するそのような情報を含み得る。

したがって、少なくとも選択された位置における、表面トポグラフィまたは表面の形状を示す少なくとも１つまたは複数のパラメータの監視および分析を使用して、固化プロセス状態を示すそのような情報を収集することができる。センサ信号は、例えば、この情報をそのまま直接的に、または、例えば、所望の固化プロセスレジームの予測されるまたは理想的な表面形状からの逸脱を示す処理値として、処理された形式で、組み込むことができる。したがって、センサ信号は、固化層での連続固化を制御するためのプロセスフィードバック信号として使用することができる。制御システムは、センサ信号を受信し、上記センサ信号に応答して、固化層内の固化を制御するための調整されたプロセス制御パラメータ値を決定するように適合されている。制御システムはさらに、放射線硬化液の固化層への供給を制御するための供給制御機構、ならびに、硬化放射線パターンの幾何形状および強度に関して露光パターンを制御するための硬化放射線源などの、これらのプロセス制御パラメータに対応する制御装置に通信可能に接続されている。

固化層は、定義によれば、処理中に固化が行われる層である。固化層は、垂直方向に見たときに（「垂直」は、液槽内の放射線硬化性流体の液位を定義する平面に本質的に垂直な、材料を添加する方向において定義される）、放射線硬化性流体の表面から加工片の固化した材料へと延伸する。装置を操作して特定の処理方式を実行するとき、半ば造形された加工片から放射線硬化性流体への遷移に固化勾配が発生し得るため、固化層と加工片との間の界面は漸進的であり得る。実際、このような勾配の発生は、例えば、段階的な層ごとのアプローチではなく、連続固化モードで製品を構築する場合に、望ましいプロセスレジームであり得る。連続固化モードを可能にすることにより、製品の表面における階段状アーチファクトが低減するか、またはさらには排除される。さらに、装置を連続固化モードで操作する場合、段階的な層ごとの処理を連想させる、最終製品の内部材料変動も低減するか、またはさらには排除することもできる。

制御システムは、例えば、固化層から反射および／または放出される放射線に対して感受性である放射線センサからの、固化プロセスの状態に関する情報を搬送するセンサ信号を使用して、所望のプロセスレジームを維持するようにセットアップされてもよい。そのような情報の例は、以下でさらに詳細に説明され、例えば、表面のトポグラフィの特徴または発熱固化反応からの赤外線放射を示すパラメータを含み得る。したがって、放射線センサは、これらの特徴を示す信号を生成し、そのような特徴の変動は、その後、硬化放射線パターンおよび強度ならびに放射線硬化性流体の固化層への供給など、関連するプロセスパラメータを通じて固化プロセスを制御するためのフィードバック信号として使用することができる放射線センサからのセンサ信号出力の対応する変動をもたらす。したがって、固化プロセスはリアルタイムで制御することができ、これは、例えば、固化プロセスを正しい処理レジームで維持するために、プロセスパラメータの微妙な平衡を必要とする高速かつ／または連続的な構築レジームの場合に、特に重要である。

さらに、積層造形装置のいくつかの実施形態によれば、放射線センサは、固化層の表面上の少なくとも１つの位置から放射線を収集するように適合されており、放射線は、上記位置の表面形状情報を含み、放射線センサは、上記表面形状情報に基づいてセンサ信号を発生させるように構成されている。この位置は、固化が行われる領域内の放射線硬化性流体の表面にある。表面は、その位置において非平坦な領域／特色のある特徴を示し得、または、少なくとも特定の時点において平坦であり得る。最も重要なことに、固化層の表面の形状は、固化層内の固化プロセス状態を示す。したがって、例えば、上記位置において固化層の表面の形状を単に監視するだけで、固化プロセス状態を示すセンサ信号を導出することができる。有利には、その後、放射線硬化性流体の表面の単なる監視から発生されたそのセンサ信号を使用して、固化プロセスを制御することができる。

さらに、積層造形装置のいくつかの実施形態によれば、放射線センサは、固化層の表面の少なくとも一部のトポグラフィ情報をマッピングするように適合されており、放射線センサは、上記トポグラフィ情報に基づいてセンサ信号を発生させるように構成されている。これにより、固化層内の固化プロセス状態を正確かつ包括的に監視することが可能であり、その結果、本明細書に開示されたフィードバック制御機構のいずれかを使用して、トポグラフィマッピングの分解能に対応する方位分解能で、より正確かつ包括的に固化プロセスを制御することができる。これに加えて、これはさらに、同じく以下で説明するように、マッピングされた表面トポグラフィと計画幾何形状との間の交差点として露光パターンを現像するために計画幾何形状の動的スライスを実行することを可能にし、それにより、計画幾何形状の構築精度および忠実度をさらに向上させる。

さらに、積層造形装置のいくつかの実施形態によれば、プロセス制御パラメータは、供給制御機構によって放射線硬化性流体を固化層に供給する量および速度の１つまたは複数を含む。

さらにいくつかの実施形態によれば、積層造形装置は流体制御デバイスをさらに備え、制御システムは、センサ信号に応答して液槽内の放射線硬化性流体の液位を調整するように、上記流体制御デバイスを動作させるように構成される。

さらに、積層造形装置のいくつかの実施形態によれば、流体制御デバイスは、液槽内の放射線硬化性流体のボリュームを変位させるように適合された１つまたは複数の注入口弁、１つまたは複数のポンプ、および／または１つまたは複数の変位機構を含む。

さらに、いくつかの実施形態によれば、積層造形装置は、液槽内の製品の位置を制御するように配置された位置決めデバイスをさらに備え、制御システムは、放射線硬化性流体の表面下の加工片表面の浸漬を調整し、それによって液槽リザーバから固化層への放射線硬化性流体の流入を制御するように、液槽内の加工片支持体の垂直位置または垂直方向の運動速度を調整するように構成される。液槽内の基準点（液槽の底部の基準高さなど）に対する加工片の位置を制御することに加えて、より多くの材料が追加されるときの、構築プロセス中の製品の連続的な浸漬も、液槽内の放射線硬化性流体の液位を調整するための変位機構として機能することがわかる。本明細書で使用される「液位」という用語は、水平面の垂直位置を指し、垂直方向における所定の基準点からの距離として定量化することができる。液槽内の放射線硬化性流体の液位は、液槽の基準点からの水平面の垂直距離として定義することができ、水平面は、非常に薄い固化層への放射線硬化性流体の連続的な供給に起因して、表面トポグラフィが一切ない場合、ここでは特に、表面張力効果および／または不十分なレベリングリフロー（ｌｅｖｅｌｌｉｎｇ ｒｅｆｌｏｗ）の影響がない場合の流体の高さに等しい。したがって、水平面は、その表面トポグラフィの単純な平均に対応する同等の高さで放射線硬化性流体の実際の表面と交差する。

より一般的には、液槽リザーバから加工片表面の上方の固化層への放射線硬化性流体の流入を引き起こし制御するための任意の適切な手段は、製品を構築する連続的な固化プロセスのフィードバック制御を実現するために、センサ信号に応答して制御することができる。ここで与えられる制御手段およびデバイスは有利であるが、当業者は、固化層への放射線硬化性流体の供給を制御するのに適した他の制御手段およびデバイスを想起することができる。

さらに、積層造形装置のいくつかの実施形態によれば、プロセス制御パラメータは、硬化放射線パターンおよび硬化放射線強度のうちの１つまたは複数を含む。

さらに、積層造形装置のいくつかの実施形態によれば、制御システムは、放射線センサからのセンサ信号を使用して硬化放射線パターンおよび／または硬化放射線強度を調整するように構成される。

さらに、積層造形装置のいくつかの実施形態によれば、センサ信号は、固化層の表面形状および／またはトポグラフィに関する情報を含む。

さらなる態様によれば、方法が提供され、上記方法は、固化層における放射線硬化性流体の連続的な固化によって、計画幾何形状に従った積層造形によって製品を構築するためのものであり、方法は、
液槽内で放射線硬化性流体を提供するステップと、
製品を構築するための材料を添加するための加工片表面を提供するステップと、
固化層を提供するステップであって、固化層は、放射線硬化性流体の流体表面から製品の加工片表面まで垂直方向に延伸する、固化層を提供するステップと、
放射線センサにより、固化層から、特に好ましくは固化層の表面から放射線を収集するステップと、
収集された放射線に基づいて、固化層内の固化プロセス状態を示す情報を含むセンサ信号を生成するステップと、
上記センサ信号に応答して、固化層内の固化を制御するプロセス制御パラメータを調整するステップと
を含む。

さらに、方法の一態様によれば、プロセス制御パラメータを調整するステップは、放射線硬化性流体を固化層に供給する量および／または速度を制御するステップを含む。

さらに、方法の一態様によれば、放射線硬化性流体を固化層に供給することは、少なくとも部分的に硬化放射線による固化層の露光中に放射線硬化性流体を連続的に供給することを含む。

さらに、方法の一態様によれば、プロセス制御パラメータを調整するステップは、放射線センサからのセンサ信号を使用して二次元硬化放射線パターンおよび／または硬化放射線強度を調整するステップを含む。

さらに、方法の一態様によれば、センサ信号は、固化層の表面上の少なくとも１つの位置における表面形状に関する情報を含む。

さらに、方法の一態様によれば、センサ信号のステップは、固化層の表面の少なくとも一部の表面トポグラフィに関する情報を含む。

さらなる態様によれば、本発明は、積層造形により製品を構築するための積層造形装置を提供し、積層造形装置は、
製品を形成するために選択的に硬化される放射線硬化性流体を保持するための液槽と、
構築中に製品を保持するためのビルドプラットフォームであり、ビルドプラットフォームは、液槽の内側に配置された別個の部品であってもよく、または液槽の底部の少なくとも一区画によって形成されてもよい、ビルドプラットフォームと、
硬化放射線源制御信号を受信し、放射線硬化性流体の表面に向かう方向において対応する二次元硬化放射線パターンを放出するように構成された硬化放射線源であり、結果、放射線硬化性流体の対応する部分が硬化する、硬化放射線源と、
放射線硬化性流体の表面によって反射および／または放出される放射線を表すセンサ信号を生成するように構成された放射線センサと、
液槽に放射線硬化性流体を供給するための１つまたは複数の注入口と、
制御システムであり、
ｉ）製品の構築中にセンサ信号に基づいて、流体の表面の形状の動的特性を提供するステップと、
ｉｉ）構築する製品の計画幾何形状を表す幾何形状情報を取り出すステップと、
ｉｉｉ）計画幾何形状またはその一部に従って放射線硬化性流体を硬化させるために、硬化放射線源によって放出される硬化放射線パターンおよび硬化放射線強度のうちの一方または両方を決定するステップであり、決定は、少なくとも、幾何形状情報および表面の形状の動的特性に基づく、決定するステップと、
ｉｖ）決定された硬化放射線パターンおよび／または硬化放射線に対応する硬化放射線源制御信号を硬化放射線源に提供するステップと
を行うように構成されている、制御システムと
を備える。

したがって、本発明は、放射線硬化性流体が液槽に導入され、放射線硬化性流体の表面の形状が決定される概念にあると考えることができる。表面の形状の決定に基づいて、表面要素の高さ位置についてシステムに通知する「フィードバック」が制御システムに提供され、このような場合、システムはピクセルに対して動作すると考えられるが、表面要素は２ピクセル以上であってもよい。表面要素（またはその少なくとも一部）が、表面要素の下方の未硬化の放射線硬化性流体が造形される製品の少なくとも一部を形成する位置にあると制御システムが判定した場合、その流体は表面要素に向かって硬化放射線を放出することにより硬化される。放射線硬化性流体の供給に起因して、未硬化の放射線硬化性流体の表面は（液槽の底部から見て）上方に移動するため、流体は硬化した放射線硬化性流体をあふれさせ（覆い）、硬化されるべき非硬化流体を提供する。この手順を繰り返すことにより、製品は上向きに成長する。典型的かつ好ましくは、この方法は、固定座標系に関して表面の形状を３次元的に決定し、それにより、製品のいずれの区画が印刷されるかに関する情報を提供する。これは、表面の要素の位置として考えることができ、それによって硬化放射線源までの距離が決定される。

装置のいくつかの実施形態では、ビルドプラットフォーム（液槽の底部によって形成されてもよい）は静止しており、他の実施形態では、ビルドプラットフォームは移動する。後者の場合、ビルドプラットフォームは、製品の構築中に放射線硬化性流体の表面に対するビルドプラットフォームの位置を変更するためのプラットフォームステージを備えることができ、制御システムは、構築中にビルドプラットフォームの動きを引き起こすためのプラットフォームステージ制御信号をプラットフォームステージに提供するように構成することができる。好ましくは、制御システムは、硬化放射線源が放射線硬化性流体を硬化させている間にプラットフォームステージが連続的に移動することを可能にするように構成することができる。

本明細書の文脈において、用語は、当業者にとって一般的であるように使用される。これらの用語の一部を以下に説明する。
注入口は、好ましくは、流体が要素に、例えば液槽に流れ込む通路を形成する開口、チューブ、ノズルなどを意味するために使用される。

排出口は、好ましくは、流体が要素、例えば流体容器から流出する通路を形成する開口、チューブ、ノズルなどを意味するために使用される。

流体供給制御信号は、好ましくは、放射線硬化性流体などの流体が例えば液槽に流れ込むか否かおよびどの程度流れ込むかを制御する信号を意味するために使用される。

流体供給は、好ましくは、例えば放射線硬化性流体などの流体の、例えば液槽への供給を意味するために使用される。流体供給システムは、好ましくは、例えば、とりわけ、流体を貯蔵し、配管またはパイプなどにより送達点（例えば、液槽）に流体接続されている容器から構成されるシステムを意味するために使用される。流体供給システムは、送達点に流体を圧送するための制御可能な弁および／または制御可能なポンプを備えることができる。

硬化は、好ましくは、材料を強化することまたは硬質化することを意味するために使用される。

放射線硬化性流体の供給は、製品を構築する過程で固化した放射線硬化性流体の再供給と考えることができる。したがって、放射線硬化性流体の供給は「一度限り」のステップではなく、製品の構築中に実行され、流体の表面を液槽の底部よりも上方に漸進的に上昇させる手順であり、漸進的な上昇は固化プロセスと同期することが好ましい。

本明細書の文脈において、流体供給制御信号は、好ましくは、液槽への流動放射線硬化性流体の開閉を知らせる信号も含むように広く理解されるべきである。いくつかの実施形態において、液槽への放射線硬化性流体の流入は、放射強度と組み合わせて、過度に多くの放射線硬化性流体が導入され、それにより、以前に固化した流体と、放射線硬化性流体の表面との間の領域で硬化が不十分になり得ることがないように選択される。

さらに、放射線硬化性流体を液槽に供給するための１つまたは複数の注入口はまた、放射線硬化性流体を液槽に供給するように適合された流体接続を含む広い意味において理解されてもよい。

本明細書で提示されるように、放射線硬化性流体の硬化は、硬化放射線パターンおよび／または強度を制御することにより制御することができる。いくつかの実施形態では、パターンと強度の両方が制御され、他の実施形態では、あるパターン内の強度は空間的に均一であり、強度はゼロではなく、パターン外ではゼロである。他の実施形態では、強度がパターンを反映するように、強度は不均一である。したがって、強度は空間的に不均一であり得る。

従来の積層造形装置では、幾何形状情報は本質的に次に構築される「層」である。これらの装置は、放射線硬化性流体の表面が平坦であることを保証するため、これらの層は事前にわかっている。しかし、本発明は、表面が平坦でない場合でも高品質の製品を提供することができる。本情報で使用される幾何形状情報は、既知の装置と同様に、構築される製品の少なくとも一部を表す。ただし、硬化放射線パターンおよび硬化放射線強度は、表面が平坦でない場合でも放射線硬化性流体が計画幾何形状に従って硬化するように適合される。これは、本質的に、計画幾何形状と、放射線硬化性流体の表面の実際の平坦でない可能性がある形状との間の交差点を決定することにより可能になる。したがって、放射線硬化性流体の表面が平坦でない場合、本発明の実施形態は、実際に、対応して非平坦であるように製品を構築する。各瞬間において、本発明の実施形態は、計画された製品を得るために硬化が必要な表面の部分を硬化する。ある意味で、本発明は、上述の平坦な層への通常のスライスではなく、「動的スライシングアルゴリズム」を使用するものと考えることができる。従来の方法は、放射線硬化性流体の表面が平坦である場合に使用することができる。しかし、本発明では放射線硬化性流体の表面の形状が非平坦である可能性があるため、対応する非平坦スライシングにより、非平坦である可能性がある表面のいずれの部分を次に固化するかを決定することができる。

放射線硬化性流体は、放射線硬化性流体の表面において硬化する。したがって、構築される製品のさらなる部分を構築するために、制御システム、または一般的に流体供給システムは、液槽内の放射線硬化性流体の表面が上昇して、放射線硬化性流体の新たに硬化される部分（複数可）を覆うことを可能にするために、放射線硬化性流体が液槽に追加されるようにする。

いくつかの実施形態において、制御システムは、１つまたは複数の注入口を通じて液槽に放射線硬化性流体の流れを提供するように構成可能な放射線硬化性流体供給システムに対する流体供給制御信号を提供するようにさらに構成することができる。

いくつかの実施形態において、制御システムは、供給システムが可変流速において放射線硬化性流体を提供するための流体供給信号を提供するようにさらに構成することができ、放射線硬化性流体供給システムは、増大または低減がそれぞれ必要であり得ることを示す流体供給制御信号の変化に応じて、放射線硬化性流体の流速を増大および低減するように構成される。

いくつかの実施形態において、積層造形装置は、流体供給制御信号を受信し、増大または低減がそれぞれ必要であることを示す流体供給制御信号の変化に応じて、液槽への放射線硬化性流体の流速を増大または低減するために、制御システムに動作可能に結合された放射線硬化性流体供給システムをさらに備えることができる。

いくつかの実施形態において、放射線硬化性流体供給システムは、放射線硬化性流体を液槽に供給するための注入口を形成する、１つまたは複数の排出口から成るシステムを含むことができ、上記１つまたは複数の排出口を通る流れは、制御システムによって、増大または低減がそれぞれ必要であることを示す流体供給制御信号の変化に応じて、液槽への放射線硬化性流体の流速を増大または低減するように制御可能である。

いくつかの実施形態において、１つまたは複数の排出口から成るシステムは、液槽の底部、液槽の側壁に配置された１つまたは複数の排出口、および／または、液槽の上方など、液槽とは別個に配置された１つまたは複数の排出口を含む。

いくつかの実施形態において、放射線硬化性流体供給システムは、放射線硬化性流体供給システムにより液槽に再供給される放射線硬化性流体の温度を変更するための加熱器および／または冷却器を備えることができる。

いくつかの実施形態において、ビルドプラットフォームまたはビルドプラットフォームは、液槽に取り外し可能に取り付け可能な別個の部品であってもよい。

いくつかの実施形態において、ビルドプラットフォームは、ビルドプラットフォームの下方に再供給される放射線硬化性流体が製品の構築中にビルドプラットフォームの少なくとも一部を通過することを可能にするための１つまたは複数の穴を含むことができる。

いくつかの実施形態では、硬化性放射線源はプロジェクタを含んでもよい。

いくつかの実施形態において、硬化性放射線源は液槽に対して移動可能であり、積層造形装置は、製品の構築中に硬化性放射線源と放射線硬化性流体の表面との間の距離を一定に維持するか、または、印刷前に硬化性放射線源の高さを、例えば印刷解像度を最適化するように設定するように構成されている。

言い換えれば、制御システムは、放射線硬化性流体表面の一部が、製品の計画幾何形状の一部と一致する場合に、放射線硬化性流体表面の一部を選択的に硬化する硬化放射線パターンを提供するように構成されている。

動的な特性化を可能にするために使用される形状は、表面のほんの一部の形状であってもよい。形状は、放射線硬化性流体の表面全体の形状である必要はなく、典型的にそうでない。

放射線硬化性流体は、典型的には、市販の樹脂などの樹脂である。

いくつかの実施形態では、硬化放射線源は、ＤＬＰ（デジタル光処理）プロジェクタ、ＬＥＤ（発光ダイオード）プロジェクタ、またはＬＣＤ（液晶ディスプレイ）プロジェクタなどのプロジェクタである。プロジェクタは、例えば、２Ｄパターンをレースするように構成された透視投影機、正射投影機、またはレーザ点光源であってもよい。

いくつかの実施形態では、硬化放射線源は、レーザなどの一次元である。レーザを迅速に動かすことにより、効率的に二次元パターンを提供することができる。

いくつかの実施形態において、制御システムは、硬化放射線源が放射線硬化性流体を硬化させている間にプラットフォームステージが連続的に移動することを可能にするように構成される。運動は、一定速度または可変速度で行うことができる。現行の積層造形装置とは異なり、本発明の実施形態は、プラットフォームを連続的に動かすことを可能にし、さらに、段階的な層ごとの固化に起因するアーチファクトの問題を緩和する良好な構築品質を達成する。プラットフォーム速度を、第２の制御パラメータとして使用することができる。このようにして、プラットフォーム速度と硬化放射パターンおよび強度の両方を調整して、必要な硬化を実現することができる。これを行う正確な方法は、使用する放射線硬化性流体の種類、その温度、硬化放射線源の周波数スペクトル、および他の要因に応じて決まる。

いくつかの実施形態では、表面の形状の特性化は、流体の表面の少なくとも一部のトポグラフィを決定することを含む。トポグラフィは、例えば、液槽を横切る放射線硬化性流体表面の高さである。

いくつかの実施形態において、トポグラフィは、放射線硬化性流体の表面からの反射および／または放出されている放射線の複数の二次元画像を記録し、１つまたは複数の二次元画像の強度変動、および／または、二次元画像の時間的強度変化に基づいて表面の表面高さの変化を決定することにより、決定される。

画像全体の強度変化は、それ自体が表面の高さの変化を表すことができる。ある画像から次の画像への同じ領域の時間的な変化も有用な情報を提供することができる。

いくつかの実施形態において、積層造形装置は、表面の形状の動的な特性化のために、放射線硬化性流体の表面によって反射される放射線を提供するための別個の照明源をさらに備えることができる。硬化放射線自体が表面の形状を決定するために使用される場合があるが、別個の光源はさらなる柔軟性を提供する。

代わりに、または加えて、放射線センサは、放射線硬化性流体が硬化されているときに生じる発熱プロセスなどの反応プロセスによって生成される赤外線を感知することが可能であってもよい。

硬化放射線源に加えて照明源を含むいくつかの実施形態では、放射線センサは、硬化放射線源からの放射線をフィルタリング除去するように構成された光学フィルタを備えることができる。これにより、照明源から発せられる放射線の感知において、より高い信号対雑音比が得られ、表面のより正確な特性化が可能になる。

いくつかの実施形態では、光学フィルタは実質的に照明源からの放射線のみを通過させる。

いくつかの実施形態において、照明源は、１つまたは複数のパターン特徴から成るセットを含む１つまたは複数の二次元照明パターンを放出するように構成され、制御システムが、少なくとも、１つまたは複数のパターン特徴が放射線硬化性流体の表面によってセンサにどのように反射されるかに基づいて、放射線硬化性流体の表面のトポグラフィを決定するように構成される。

いくつかの実施形態において、表面の形状の特性化が、表面の一部分から反射および／または放出される放射線を監視することを含み、ビルドプラットフォームの動き、および／または、二次元硬化放射線パターン、および／または、硬化放射線強度は、表面の上記部分から反射および／または放出される放射の変化に応じて調整される。

いくつかの実施形態において、硬化した放射線硬化性流体への放射線硬化性流体の局所的な流れが、計画幾何形状に従って製品のさらなる部分を構築するのに十分であるかまたは増大されることを保証するように、ビルドプラットフォームの動きを適用することができ、および／または、二次元硬化放射線強度および／または硬化放射線強度が調整される。表面に十分な放射線硬化性流体がない場合、そのような位置において計画幾何形状に従って製品のさらなる部分を硬化することはできない。「十分な」という用語は、本開示に照らして、計画された製品の構築を進めるのに十分な放射線硬化性流体が利用可能であるが、計画幾何形状に従って硬化するのを妨げる可能性があるため過剰な量ではないことを説明する機能用語であるとして当業者には明らかであろう。

いくつかの実施形態では、すでに含まれる（「第１の」）硬化放射線源に加えて、第２の硬化放射線源が存在する。第２の硬化放射線源は、第２の硬化放射線源制御信号を受信し、対応する第２の二次元硬化放射線パターンを、放射線硬化性流体の表面に向かう方向に放出するように構成されている。いくつかの実施形態では、第２の硬化放射線源は、第１の硬化放射線源によって放出される二次元硬化放射線パターンに対して少なくとも部分的に重複しないように、第２の二次元硬化放射線パターンを放出する。それにより、第１の硬化放射線源からではなく、第２の硬化放射線源から硬化放射線を受ける表面の重なり合わない表面部分が存在する。これにより、より大きな製品をより容易に構築することができる。いくつかの実施形態では、表面の重なり合わない表面部分によって反射されおよび／または当該表面部分から放出される放射線を表すセンサ信号を生成するように構成された第２の放射線センサがある。いくつかの実施形態では、複数の硬化放射線源が使用され、これらの放射線源の各々は上記と同様に構成される。

さらなる態様によれば、本発明は、本開示から導出可能な実施形態のいずれかによる積層造形装置において積層造形によって製品を構築する方法を提供し、方法は、
放射線センサを使用して、放射線硬化性流体の表面によって反射されおよび／または当該表面から放出される放射線を表すセンサ信号を生成するステップと、
センサ信号に基づいて、流体の表面形状の動的な特性化を提供するステップと、
構築されている製品の計画幾何形状を表す幾何形状情報を取り出すことと、
計画幾何形状またはその一部に従って放射線硬化性流体を硬化させるために、硬化放射線源によって放出される硬化放射線パターンおよび硬化放射線強度の一方または両方を決定することであって、決定は、少なくとも、幾何形状情報、および、表面の形状の動的特性化に基づく、決定すること、ならびに、その後、対応する硬化放射線源制御信号を硬化放射線源に提供することと、
液槽への放射線硬化性流体の流入を提供するか、または、ビルドプラットフォームの動きを引き起こすために可動プラットフォームステージにプラットフォームステージ制御信号を提供することと
を含む。

本発明の第１の態様に関連して提供される考慮事項は、第２の態様にも同様に当てはまる。例えば、硬化放射線パターンおよび／または強度は、センサ信号に応答して、製品の計画幾何形状の対応する一部と一致する、放射線硬化性流体表面の部分を硬化させるように適合されている。表面の一部が計画幾何形状と一致しない場合、その部分には放射線が供給されないか、または、少なくとも表面のその部分が硬化するには不十分である。

さらに、この方法のいくつかの実施形態では、ビルドプラットフォームは静止しており、他の実施形態では、ビルドプラットフォームは移動する。後者の場合、ビルドプラットフォームは、製品の構築中に放射線硬化性流体の表面に対するビルドプラットフォームの位置を変更するためのプラットフォームステージを備えることができ、方法は、構築中にビルドプラットフォームの動きを引き起こすためのプラットフォームステージ制御信号をプラットフォームステージに提供することを含むことができる。

可動ビルドプラットフォームと放射線硬化性流体の供給との組み合わせは、本発明の範囲内であると考えられることに留意されたい。

好ましい実施形態では、方法は、可変流速において放射線硬化性流体を提供するように構成可能な放射線硬化性流体供給システムに対する流体供給信号を提供することをさらに含むことができ、放射線硬化性流体供給システムは、増大または低減がそれぞれ必要であることを示す流体供給制御信号の変化に応じて、放射線硬化性流体の流速を増大および低減するように構成されている。

本発明の第３の態様は、本発明の第１の態様の実施形態による積層造形装置の制御システムとして機能するように構成されている、デジタルコンピューティングハードウェアまたは少なくとも部分的にアナログであるコンピューティングハードウェアを提供する。

特定のアナログ要素とともに制御システムを使用することが可能である。例えば、表面が湾曲しているときに照明源からの一定量の放射線がフォトダイオードに入射し、表面が平坦なときに異なる量、例えばより少ない量が入射するように、またはその逆になるように、照明源およびフォトダイオードを配置することができる。フォトダイオードからの電流信号が、設定点から差し引かれる。その差が、硬化放射線源の強度を制御する制御信号を生成するフィードバックコントローラに供給することができるエラー信号である。これは、非常に単純な計画幾何形状を有する製品に最も有用である。

本発明の第４の態様は、本発明の第１の態様による積層造形装置の適切なコンピューティングハードウェア上で実行されると、積層造形装置がステップｉ）〜ｉｖ）を実施することを可能にする命令を含むコンピュータ可読媒体を提供する。

本発明および特に好ましいその実施形態が、ここで添付図面を参照してより詳細に開示される。

異なる硬化放射線強度のうちの１つにおける樹脂硬化を示す図である。 異なる硬化放射線強度のうちの１つにおける樹脂硬化を示す図である。 異なる硬化放射線強度のうちの１つにおける樹脂硬化を示す図である。 本発明の一実施形態による積層造形装置を示す図である。 本発明の根底にある作動原理を示す図である。 平坦な樹脂表面からの光線反射を示す概略図である。 歪んだ非平坦な樹脂表面からの光線反射を示す概略図である。 さまざまな硬化放射線強度の下で樹脂表面から反射した拡散光の閾値処理されたバイナリ画像を示す図である。 さまざまな硬化放射線強度の下で樹脂表面から反射したパターン化光の画像を示す図である。 樹脂表面の形状に関する情報を取得するためのパターン化光の使用を示す図である。 本発明の一実施形態による積層造形プロセスを示す流れ図である。 ２つの硬化放射線源、２つの照明源、および２つの放射線センサの使用を示す図である。 放射線硬化性流体供給システムを利用する、本発明の一実施形態による積層造形装置を示す図である。 放射線硬化性流体供給システムを利用する、本発明の一実施形態による別の積層造形装置を示す図である。 放射線硬化性流体供給システムを利用する、本発明の一実施形態による別の積層造形装置を示す図である。 放射線硬化性流体供給システムを利用する、本発明の一実施形態による別の積層造形装置を示す図である。 本発明のさらなる実施形態による図２の積層造形装置の変形形態を示す図である。 図３の作動原理の変形形態を示す図である。

図１ａ〜図１ｃは、異なる硬化放射線強度から生じる３つの異なる硬化速度（流体が非硬化状態から硬化状態に移行する速度）について得られた構築結果の差を示す。図１ａでは、硬化率が低すぎて、図示された領域内で連続的な製品幾何形状を構築することができない。これは、高すぎる速度において放射線硬化性流体を過剰に添加したこと、および／または製品が構築されているプラットフォームの移動が速すぎ、したがって加工片表面が浸漬しすぎたことが原因である可能性がある。その結果、固化材料を生成するにはこの硬化光では不十分である。

図１ｂは、領域内の硬化速度が高すぎ、流体樹脂が樹脂の流入を介して固化した部分を再び覆うことができない状況を示す。これは、樹脂が放射領域に入ると硬化することに起因して、場合によっては、流体と固体との界面によって引き起こされる表面張力に起因する。その結果、図１ｂに示すように、いずれの効果でも大きな表面高さの変動が生じる。これらは最終的に、樹脂が必要な部分を再び覆うことを不可能にし、プロセスが制御不可能になる。結果もたらされる製品は、意図した製品と一致しない可能性がある。

図１ｃは、表面の湿潤が維持され、新しい樹脂が固化した部品の上を流れることができる望ましい硬化速度を示す。硬化放射線強度と液槽への放射線硬化性流体の供給とは適切にバランスが取られており、またはいくつかの実施形態では、ビルドプラットフォーム下降速度と硬化放射線強度とが適切にバランスが取られている。製品は迅速に構築され、一部の部品は連続的でさえあり、場合によっては放射線硬化性流体の供給が停止することがあり、所望の製品形状に従う。「硬化勾配」は漸進的な固化をもたらすことができ、それにより露光過多が回避される。

図２および図１４は、積層造形装置２００の概略図を示している。積層造形装置２００は、図２に最もよく見られるように、液槽２０１、この例では単に液槽の底部であるか、または液槽の底部上または底部に配置された取り外し可能な要素であるビルドプラットフォーム２０３を備える。代替的にまたはそれに加えて、ビルドプラットフォーム２０３は、図１４に最もよく見られるように、電動ステージ２０４を使用して可動であってもよい。積層造形装置２００は、液槽内の放射線硬化性流体の表面部分を硬化させて、製品を構成する固化部分２１２を形成する放射線２１３を放出する制御可能な電磁放射線源２０５をさらに備える。この例では、制御可能な放射線源は、紫外線ＬＥＤ（発光ダイオード）ライトエンジンを備えたプロジェクタである。積層造形装置は、放射線硬化性流体を液槽に注入するための注入口２１５も備えている。

図２の積層造形装置は、以下の３つの追加要素を備える。
１．特に放射線硬化性流体の表面の動的特性化に使用するために放射線２１４を提供するための任意選択の照明源２１１。
２．表面からの放射線を測定するための放射線センサ２０７。
３．センサ２０７からセンサ信号を受信し、それに応答して硬化放射線源２０５、ならびに／または、プラットフォーム２０３の電動ステージ２０４、ならびに／または、液槽および制御システムに接続される流体供給システムに対する制御信号を決定するための制御システム２０９。制御システムは、製品が正しく、連続的に（可能であれば）、かつ迅速に構築されることを保証するように構成される。

流体供給システムは、注入口２１５を通じて液槽に放射線硬化性流体を供給する。

いくつかの実施形態では、流体供給システムは、一定の流速の放射線硬化性流体を供給するシステムであり、例えば、遮断弁を通じて液槽と流体接続し、重力が放射線硬化性流体の流れを提供する容器として具現化されることに留意されたい。そのような場合および他の場合、流体供給システムへの制御信号は、例えば、造形プロセスが開始するときの遮断弁への開放信号、および、造形プロセスが終了するときの遮断弁への閉鎖信号によって、放射線硬化性流体の流れを開閉する信号であり得る。

構築中の表面形状の変化は、固化が行われており、放射線硬化性流体の上面が概して上向きに動いている場合、および／またはビルドプラットフォームが概して下向きに動いていて、構築されているときに製品が連続的に浸漬されている場合、本発明において特に関心事である。従来技術では、硬化放射線源によって提供される硬化放射線が意図された硬化効果を有することを確認する唯一の方法であるため、樹脂の表面は平坦でなければならない。したがって、水平面を得るための手段は十分かつ許容できると考えられるため、表面を積極的に監視する必要はない。したがって、必要な放射パターンは、樹脂表面が（実質的に）平坦であるという知識に基づいて、すべての層に対して事前に計算することができる。

照明源と放射線センサとを備えた光学視覚システムは、制御システムに情報を供給する。プロジェクタ硬化放射線強度および投影パターンは、閉ループ内の光学視覚システムからの入力に基づいて調整される。過度に少ない硬化放射線が表面を硬化させる場合、流体樹脂は測定可能なほど平坦であり、したがって制御システムは硬化放射線強度の増大に進む。使用される硬化放射線が多すぎるとき、とりわけ表面張力に起因して大きい表面変形が観察される。その場合、制御システムは、硬化放射線強度の低減に進むことが好ましい。制御システムが最適な定常動作状態にあるとき、流体表面は湾曲しているが、ほんのわずかであり（図１ｃのように）、例えば、ビルドプラットフォームの下降運動および／または液槽への放射線硬化性流体の供給によって、放射線強度と固化層への放射線硬化性流体の供給との間でバランスが取れている。本例のように、プロジェクタを硬化放射線源として使用する場合、最終製品を構成する特徴に対する最適な硬化放射線強度を見つけるために、ピクセルごとに放射線強度の変更を行うことができる。

図２の右側の詳細は、さまざまな構築シナリオで実行される手順を示している。本例では、液槽への放射線硬化性流体の流速が一定であると想定している。したがって、図２の右側の詳細は、放射線センサによって測定されるパターンの変化に応答して流速に適用される変化を示していない。

図３は、本発明者らによって提供されるソリューションの背後にある原理を部分的に示している。（図３は単に原理を説明するためのものであることに留意されたい）既存の方法とは反対に、本発明は、構築プロセス中に流体表面が平坦でなくても機能する。以前のソリューションでは、上記のように、樹脂表面の任意の変形が印刷品質に悪影響を及ぼす。本発明者らは、表面トポグラフィが既知であれば、湾曲した樹脂表面であっても、固化が行われるべき位置でのみ樹脂を固化させることが可能であることに気付いた。投影されたピクセル光線と樹脂表面との交差点が製品の３Ｄモデル幾何形状（計画幾何形状）内にある場合、そのピクセルが照射される。表面と製品の３Ｄ幾何形状との間に交差点がない場合、そのピクセルはオフになるか、固化を回避するためにその強度が少なくとも十分に低いレベルに低下する。

特に、図３および図１５は、樹脂表面の下の製品部分３０１が固化した構築プロセスを示している。部分３０３（樹脂表面の「上方」に示す）はまだ造形されていないが、図の「Ａ」字型の製品を形成するためには造形されなければならない。樹脂の表面は平坦ではないため、通常の状況では、このような構築プロセスからは非常に低品質の製品が生成される。

硬化した放射線硬化性流体への放射線硬化性流体の局所的な流れが、例えば図３および図１５に示すように、計画幾何形状に従って製品のさらなる部分を構築するのに十分であることを保証するために、放射線硬化性流体を添加する速度、および／または、ビルドプラットフォームの動き、および／または、二次元硬化放射線パターン、および／または、硬化放射線強度は、動的に調整されることが好ましい。例えば、大きい面積が硬化される場合、放射線硬化性流体が硬化領域を覆うことができるようになるまでにより多くの時間が必要となる場合があり、例えば、流体供給制御デバイスおよび／またはプラットフォーム位置決めデバイスによって制御されるものとして、放射線硬化性流体の固化層への供給の減速が必要となる場合がある。別の例として、表面の一部の曲率が増大した場合、これは硬化放射線強度が高すぎることを示している可能性がある。硬化放射線強度の低減が必要になる場合がある。制御システムは、上記の制御パラメータが適切に適合されるように構成されている。

図３において、矢印３０５は、計画幾何形状が樹脂の表面と交差しているために、樹脂表面において、樹脂が固化される点で終端する光線を示している。言い換えれば、この点は、造形される製品部分３０３内に含まれている。したがって、プロジェクタ２０５は、製品のこの部分が最終的に構築されることを保証するために、その点において硬化放射線を提供する必要がある。図３のプロジェクタ２０５は、透視投影機である。正射投影機を使用することもできる。これには、（表面張力に起因して）樹脂が湾曲することによって透視投影機が影になる可能性がある高い表面曲率において、正射投影機がこの問題を軽減することができるという利点がある。

光線３０７は、放射線が一切存在しない放射線経路を示している。光線は、樹脂表面と、構築される製品との間に交差点がない樹脂表面の一部まで進む。したがって、プロジェクタはその部分に硬化放射線を照射するべきではない。

ある意味で、本発明は、樹脂表面の高さの差を補償するために、硬化放射線源パターンまたは強度を適合させる、適応的硬化放射線パターン決定と考えられるものを利用する。上記のように、硬化放射線パターンの適合は、光線ごとに実行され、樹脂表面が平坦ではない場合でも、放射線が（湾曲している可能性がある）樹脂表面に到達したときに、放射線が計画幾何形状に従って所望の流体樹脂を硬化するように、投影パターンを動的に調整する。

いくつかの実施形態では、制御システムは単純に、造形される実際の製品の隣に追加されている原型幾何形状から反射される強度を測定する。これは、例えば、バーまたはロッド（構築中に一定の断面積を有する構造）であり得る。投影画像の全体的な強度は、この原型幾何形状から反映されるサイズまたは合計強度の変化に応答して変化する。

硬化放射パターンを適合させるには、表面の形状を推定する必要がある。表面推定は、限定ではないが、シェーディングからの形状、フォトメトリックステレオ、構造化光、デフォーカスからの深さ、偏向計測、および干渉計測などの方法を使用して取得することができる。

本実施形態では、図２に示される液槽および放射線センサ２０７に対する照明源２１１の配置は、樹脂における照明源の鏡面反射がセンサ２０７に到達することができるようなものであり、これは、フィードバック制御に必要である。図４ａに示すように、流体樹脂が乱されていないとき、表面は、照明源２１１からの放射線の一部を放射線センサ２０７に反映している。例えば固化プロセスまたは他の効果に起因する表面の変形は、照明源からの放射線の一部の方向転換を引き起こし、結果、センサ２０７に入射しなくなり、また、照明源の反射像を、照明源によって放出されるものと比較して歪ませもする。したがって、表面変形の１つの測定は、少なくともセンサによって記録されるものとしての、樹脂内の見かけ上照明されていない領域の決定を含む。これを図４ｂに示す。丸で囲まれた矢印の方向は、センサに向けられていない。この概略図では、単一の光線のみが変形領域からセンサに到達する。

したがって、この領域は一般的に、周囲に比べて比較的暗く見える。暗い領域のサイズは、表面の変形に関係する。センサ信号をフィードバックとして使用する、高品質、高速、連続的な構築プロセスを維持する１つの方法には、暗い領域は存在するが、比較的小さく、実質的に一定のサイズであるように、放射線画像強度および／または放射線硬化性流体の供給および／またはプラットフォーム速度を調整することを含む。暗い領域の存在は、表面に凹凸があることを意味する。比較的小さいサイズは許容可能である。構築中のサイズが一定であるということは、固化と流動性樹脂の流入とのバランスが最適または最適に近いことを示している。

図５および図６では、上記の断面寸法０．５×１０ｍｍの長方形のバーが、実際の製品に追加されるものとして印刷されている。図５は、拡散光源を照明源として使用した場合の鏡面反射を示している。図６は、表面からのパターン化照明源の鏡面反射を示している。

図５および図６では、硬化放射線強度は左から右に増大する。放射強度が増大すると、より広い領域にわたってより高い曲率がもたらされ（図１ｂも参照）、これは図５および図６も明らかに示している。図５において強度閾値処理が実行されており、平坦な領域が湾曲した領域から分離されたバイナリ画像表現が得られていることに留意されたい。ピクセルが閾値強度値を下回る場合、ピクセルには「０」の値が与えられる。これらのピクセルは、湾曲幾何形状を表すものとして分類される。強度閾値を超えるピクセルには、「１」の値が与えられる。これらのピクセルは、平坦な幾何形状を表すものとして分類される。値が「０」のピクセル、すなわち湾曲部分を表すピクセルの数がカウントされ、これは湾曲部分の面積を表す。この数値は、固定された所望の領域に関連するエラー信号として使用できる。

図６は、二次元パターンを使用して表面を特性化した結果である。図６は、長方形のグリッドに配置された点灯ＬＥＤを含むパターンを示している。これは、表面の形状の感覚を得ることを容易にするため、例示を目的としたものに過ぎない。パターンは二次元センサによって記録される。放出されるパターンは既知であるため、表面の形状を非常に詳細に計算することができる。三次元スキャンで一般的に使用される正弦縞パターンは、図６の単純な例と比較して、このコンテキストで非常に優れた解像度を提供する（ただし、図では容易に認識されない）。図３に示す原理に基づいて、プロジェクタ画像は、決定された形状を考慮に入れるように調整される。

図７は、放射線硬化性流体の表面７７０上に１つまたは複数の二次元パターン７６０を提供する照明源７１１の使用を概略的に示している。要素７０９は硬化放射線を提供する。この例では、製品の造形中に硬化放射線を提供するプロジェクタ７０５も照明源７１１を備えるが、照明源が硬化放射線源に組み込まれるか否かは任意選択である。放射線センサ７０７は、照明源７１１により照明される表面の領域（または領域の一部）を監視する。

図６は、構築中の放射線硬化性流体の表面形状の動的特性化のための単一の二次元パターンの使用を示している。図７は、構築中に放射線硬化性流体の表面の動的な三次元特性化を実行するために使用され得る一連のパターン（参照番号７１１より上）を概略的に示している。三次元スキャンの分野でよく知られているように、このようなパターンを使用すると、高解像度の三次元特性化が可能になる。本発明の文脈において、この結果として、製品の構築中に投影硬化放射線パターンをより正確に動的調整することができる。これによって、計画幾何形状により忠実な製品がもたらされる。

図８は、積層造形を使用して製品を構築するための、本発明の一実施形態による方法８００を示している。製品を構築するために、計画されている製品の幾何形状情報がステップ８０１において取得される。前述したように、樹脂の表面は、本発明の実施形態が使用される構築プロセス中に完全に平坦でない場合があり、好ましくはそうではない。したがって、この方法は、ステップ８０３において樹脂の表面の形状を決定することを含む。幾何形状的情報および決定された樹脂表面の形状に基づいて、方法は、ステップ８０５において、計画されている製品を実現するために固化されるべき材料を固化するのに必要なプロジェクタ画像および強度を決定する。次に、ステップ８０７において、決定された画像が樹脂表面に投影される。構築中、例えば、ステップ８０９によって示されるように放射線硬化性流体を供給することにより、または、前述のようにビルドプラットフォームもしくは任意の他の適切な供給制御機構を動かすことにより、放射線硬化性流体が固化層に供給される。固化層への放射線硬化性流体の供給は、有利にはかつ好ましくは、プロセスにおいて、例えば、プラットフォームを可変速度で動かし、および／または、必要に応じて場合によっては時に停止しながら可変流速で樹脂を供給することにより、可変量／速度において連続的に実行される。しかしながら、一般に、ステップ８０５における画像の適合により、典型的に、固化層への流体のほぼ連続的な供給を実行することが可能になる。本開示に基づいて、ステップの一部は異なる順序で、一部は場合によって同時に実行することができることが当業者には明らかである。例えば、ステップ８０９における放射線硬化性流体の供給は、必要な硬化放射線パターンを決定するステップ８０５に近いかまたは同時に実行され得る。別の例として、部分的に重複する時間においていくつかのステップが実行されてもよい。放射線硬化性流体を硬化させるステップ８０７は、放射線硬化性流体が液槽に加えられると同時に実行されてもよい。ステップ８１１において、製品が完成したか否かが判定される。はいの場合、構築プロセスはステップ８１３において終了する。そうでない場合、方法は、ステップ８０１に戻ることにより、構築される製品のさらなる部分を表す新しい幾何形状情報を取り出す。

図９は、放射線硬化性流体の表面９７０上に少なくとも部分的に重なり合わない硬化放射線パターンを提供する２つの硬化放射線源９０９ａおよび９０９ｂの使用を概略的に示している。これにより、例えば、より大きな製品を製造するための並行生産が可能になる。図９の積層造形装置は、硬化放射線源９０９ａおよび９０９ｂの各々に関連付けられた２つの照明源９１１ａおよび９１１ｂをさらに備える。各照明源は、放射線硬化性流体の表面９７０の対応する領域９６０ａおよび９６０ｂを照明する。装置は、照明源９１１ａおよび９１１ｂの各々に関連する領域を監視する２つの放射線センサをさらに備える。

図１０は、液槽２０１が放射線硬化性流体供給システムと組み合わされている本発明の実施形態１０００を示している。放射線硬化性流体供給システムは、液槽への注入口を形成し液槽の底部に配置された複数の排出口１０３１を備える。本明細書に開示される排出口は、パイプの端部として具現化されてもよく、または、例えば、流体をジェットまたは拡散流体流として導入するためのディフューザのノズルを形成するように、流れ−視線方向に幾何学的に延伸してもよい。ポンプ１０３３は、放射線硬化性流体をリザーバ１０３５から圧送し、チューブまたはパイプ１０３２を介して液槽の底部の空洞１０３９に提供する。圧送中、放射線硬化性流体が排出口１０３１を介して液槽に導入される。ポンプ１０３３は、放射線硬化性流体を必要な流速で液槽に導入するように、制御システム２０９により制御される。空洞１０３９は、そのまま液槽に組み込むことができる。代替的に、空洞は、排出口１０３１を備える蓋が液槽の底部に取り付けられ、蓋が液槽の底部に取り付けられ、シーラントを使用してシールされる２部品システムを使用して提供され得る。後者の場合、図１０に示されている底凹部は有利には設けられていないが、代わりに蓋が液槽の平坦で水平な底部に配置される。これにより、既存の互換性のある液槽を容易に改造することができる。

図１０のリザーバ１０３５は、リザーバ内の流体の温度を変更するために使用することができる加熱器１０４１も備えている。これにより、リザーバ内の流体の粘度が変更され得る。加熱器１０４１は、制御システムによって制御されてもよく、またはされなくてもよい。図１０は、制御システムが加熱器１０４１を少なくとも部分的に制御することを示している。

図１１は、液槽２０１が放射線硬化性流体供給システムと組み合わされている本発明の別の実施形態１１００を示している。放射線硬化性流体供給システムは、液槽の側壁内に配置された複数の排出口１１３１を備える。ポンプ１０３３が、放射線硬化性流体をリザーバ１０３５から引き出し、例えば図１０に関連して説明したように、液槽の底部の空洞に提供する。圧送中、放射線硬化性流体が排出口１１３１を介して液槽に導入される。ポンプ１０３３は、追加の放射線硬化性流体を必要な流速で液槽に導入するように、制御システム２０９により制御される。

図１２は、液槽２０１が放射線硬化性流体供給システムと組み合わされている本発明の別の実施形態１２００を示している。放射線硬化性流体供給システムは、液槽の底部に配置され、対応するチューブまたはパイプ１２３７が取り付けられた複数の排出口１２３１を備える。制御システム２０９によって制御される一般的なポンプは、チューブまたはパイプ１２３７を介して液槽２０１に放射線硬化性流体を再供給する。

図１３は、液槽２０１が放射線硬化性流体供給システムと組み合わされている本発明の別の実施形態１３００を示している。放射線硬化性流体供給システムは、図１２のものと同様の複数の排出口１２３１を備える。それらは、チューブまたはパイプを介して放射線硬化性流体のリザーバ１０３５に接続されている。本例では、各チューブまたはパイプに別個のポンプまたは弁１３３７が取り付けられている。これらの弁またはポンプの１つまたは複数（または弁とポンプとの組み合わせ）は、制御システム２０９によって制御される。これにより、放射線硬化性流体を意図的に不均一に液槽２０１に供給することが可能になる。製品の特定の部分でより大きい流入が必要な場合もあれば、所与の事例において、表面の特定の形状のために特定の方向から流体を提供することが有利な場合もある。

個々のパイプまたはチューブ状でポンプを使用する場合、ポンプ１０３３は必要でない場合がある。ただし、これは設計の問題である。

Claims (16)

1. 固化層内の放射線硬化性流体の連続的な固化により、計画幾何形状に従って製品を構築するための積層造形装置であって、前記固化層は、前記放射線硬化性流体の流体表面から前記製品の加工片表面へと垂直方向に延伸し、前記装置は、
   前記放射線硬化性流体を保持するための液槽と、
   構築中に前記製品を保持するための加工片支持体と、
   放射線硬化性流体の前記固化層への供給を制御するように適合された供給制御機構と、
   前記固化層内に硬化放射線の二次元露光パターンを生成するように適合された硬化放射線源であり、前記露光パターンは、硬化放射線パターン幾何形状および／または硬化放射線強度によって定義される、硬化放射線源と、
   前記固化層から放射線を受け取るように配置されている放射線センサであって、前記放射線センサは、受け取った前記放射線に基づいて固化プロセス状態を示す情報を含むセンサ信号を生成するように構成される、放射線センサと、
   前記供給制御機構および前記硬化放射線源に通信可能に接続された制御システムであり、前記制御システムは、前記センサ信号を受信し、前記センサ信号に応答して、前記固化層の前記固化を制御するプロセス制御パラメータを調整するように適合されている、制御システムと
   を備える、積層造形装置。
2. 前記放射線センサは、前記固化層の前記表面上の少なくとも１つの位置から放射線を収集するように適合されており、前記放射線は、前記位置の表面形状情報を含み、前記放射線センサは、前記表面形状情報に基づいて前記センサ信号を発生させるように構成されている、請求項１に記載の積層造形装置。
3. 前記放射線センサは、前記固化層の前記表面の少なくとも一部のトポグラフィ情報をマッピングするように適合されており、前記放射線センサは、前記トポグラフィ情報に基づいて前記センサ信号を発生させるように構成されている、請求項１または２に記載の積層造形装置。
4. 前記プロセス制御パラメータは、前記供給制御機構によって放射線硬化性流体を前記固化層に供給する量および速度の１つまたは複数を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の積層造形装置。
5. 前記積層造形装置は流体制御デバイスをさらに備え、前記制御システムは、前記センサ信号に応答して前記液槽内の前記放射線硬化性流体の液位を調整するように、前記流体制御デバイスを動作させるように構成される、請求項４に記載の積層造形装置。
6. 前記流体制御デバイスは、前記液槽内の放射線硬化性流体のボリュームを変位させるように適合された１つまたは複数の注入口弁、１つまたは複数のポンプ、および／または１つまたは複数の変位機構を含む、請求項５に記載の積層造形装置。
7. 前記積層造形装置は、前記液槽内の前記製品の位置を制御するように配置された位置決めデバイスをさらに備え、前記制御システムは、前記放射線硬化性流体の前記表面下の前記加工物表面の浸漬を調整し、結果、液槽リザーバから前記固化層への放射線硬化性流体の流入を制御するように、前記液槽内の前記加工片支持体の垂直位置または垂直方向の運動速度を調整するように構成される、請求項４〜６のいずれか一項に記載の積層造形装置。
8. 前記プロセス制御パラメータは、硬化放射線パターンおよび硬化放射線強度のうちの１つまたは複数を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の積層造形装置。
9. 前記制御システムは、前記放射線センサからの前記センサ信号を使用して前記硬化放射線パターンおよび／または前記硬化放射線強度を調整するように構成される、請求項８に記載の積層造形装置。
10. 前記センサ信号は、前記固化層の前記表面形状および／またはトポグラフィに関する情報を含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の積層造形装置。
11. 固化層における放射線硬化性流体の連続的な固化によって、計画幾何形状に従った積層造形によって製品を構築するための方法であって、
    液槽内で放射線硬化性流体を提供するステップと、
    前記製品を構築するための材料を添加するための加工片表面を提供するステップと、
    固化層を提供するステップであって、前記固化層は、前記放射線硬化性流体の流体表面から前記製品の前記加工片表面まで垂直方向に延伸する、固化層を提供するステップと、
    放射線センサにより、前記固化層から放射線を収集するステップと、
    収集された前記放射線に基づいて、前記固化層内の固化プロセス状態を示す情報を含むセンサ信号を生成するステップと、
    前記センサ信号に応答して、前記固化層内の前記固化を制御するプロセス制御パラメータを調整するステップと
    を含む、方法。
12. プロセス制御パラメータを調整するステップは、放射線硬化性流体を前記固化層に供給する量および／または速度を制御するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 放射線硬化性流体を前記固化層に供給することは、少なくとも部分的に硬化放射線による前記固化層の露光中に放射線硬化性流体を連続的に供給することを含む、請求項１１または１２に記載の方法。
14. プロセス制御パラメータを調整するステップは、前記放射線センサからの前記センサ信号を使用して二次元硬化放射線パターンおよび／または硬化放射線強度を調整するステップを含む、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記センサ信号は、前記固化層の前記表面上の少なくとも１つの位置における前記表面形状に関する情報を含む、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記センサ信号は、前記固化層の前記表面上の少なくとも一部の表面トポグラフィに関する情報を含む、請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の方法。