JP3520310B2 - ３次元物体の製造方法及び装置 - Google Patents

３次元物体の製造方法及び装置

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JP3520310B2 JP52933195A JP52933195A JP3520310B2 JP 3520310 B2 JP3520310 B2 JP 3520310B2 JP 52933195 A JP52933195 A JP 52933195A JP 52933195 A JP52933195 A JP 52933195A JP 3520310 B2 JP3520310 B2 JP 3520310B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、請求項１および11の前提部分に記載された
方法、ならびに請求項15および16それぞれの前提部分に
記載された装置に関する。
この種の装置および方法は、“ステレオグラフィー”
として知られており、例えばヨーロッパ特許公開公報17
1069号に開示されているように、集束レーザービームを
用いて液体状の光重合可能な材料を層状に固化させるこ
とにより実施することができる。この方法はまた、レー
ザービームを用いて粉末を焼結させることによっても実
施することができる（ヨーロッパ特許公開公報287657号
参照）。これらすべての場合において、製造速度を任意
に増加させることが不可能であるという問題がある。な
ぜなら、レーザービームの走査速度は、レーザーの種類
および固化されるべき材料に依存して決まり、予め定め
られた集束度のレーザービームをもってしてはそれを越
えることができないからである。さらに、レーザービー
ムの誤調節が起きた場合にそれを検出することができな
い（ヨーロッパ特許公開公報287657号参照）。すべての
場合において、衝撃やレーザーのエージング（老化）そ
の他の作用によりビームの誤調節やビーム特性の劣化が
生じ、製造品質が劣化するという問題に直面する。
国際公開公報88/02677号には請求項１および11の前提
部分に記載された方法ならびに請求項15および16の前提
部分に記載された装置が開示されている。
ヨーロッパ特許公開公報375097号（A2）には、偏向鏡
を備えた光源および作業面の格子点に自動的に移動する
単域型位置検出器を備えた装置が開示されている。各格
子点には、光源からのビームを格子点に導くために必要
な偏向鏡への命令が格納されている。このことにより偏
向鏡の較正が可能となる。さらに、ビームの強度プロフ
ァイルを感知するための２つのセンサーを側面に搭載し
た樹脂タンクを備えたステレオリソグラフィー装置が知
られている。
本発明の目的は、物体の製造の速度および精度を向上
させ、物体の製造における一定の品質を保証することで
ある。さらに、パルス状レーザーを用いた場合でも効率
的な動作が可能でなければならない。
本発明によれば、この目的は、請求項１または11の特
徴を有する方法ならびに請求項15および16の特徴を有す
る装置により達成される。
本発明によれば、固化に使用されるビームは、好まし
くは、材料層の表面にできるだけ近い、すなわち、材料
に当たる直前の複数個の位置において計測され、基準デ
ータと比較される。これにより、光学系の汚れや誤調
節、ビームを調節するための光学的または電子的構成要
素の欠陥、あるいは、エージング作用によるビーム変化
を検出し、表示し、必要に応じて修正することが可能と
なる。
本発明によれば、固化に用いられるビームの焦点を変
更し計測することができるため、製造速度および精度に
関する最適な焦点度および位置合わせを、固化すべき層
の領域と、レーザーの種類と、材料に応じて調節するこ
とができる。さらに、光学系の汚れや誤調節、ビーム調
節用の光学的または電子的部品の欠陥、あるいは、エー
ジング作用によるビーム変化を検出し、表示し、必要に
応じて修正することができる。
以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明
する。
図１は、本発明に係る装置の概略図である。
図２は、ビーム焦点を変化させることの概念を示す。
図３は、好ましくはパルス状レーザーを使用して固化
される領域によってビームの焦点を変化させる様子を示
す。
図４は、本発明におけるセンサのための位置決め装置
の概略斜視図である。
図５は、上記センサの第一の実施例を示す。
図６は、上記センサの第二の実施例を示す。
本発明に係る装置を示す図１において、電磁放射を用
いて固化される材料、例えば、重合可能な液体やペース
ト、あるいは焼結可能な粉末材料の層１が示され、さら
に、製造すべき物体に対応する箇所で層１の材料を固化
させるための固化装置２が層の上方に配置されている。
固化装置２は、レーザーとして構成され偏向装置５に対
して集束光ビーム４を送出する放射源３を有している。
この偏向装置は層１の所望の箇所に光ビーム４を偏向さ
せることができるように構成されている。この目的のた
め、偏向装置は、偏向装置５を制御するための制御装置
６に接続されている。
光源３と偏向装置５の間には、光ビーム４上に、変調
器７および可変焦点装置８が順に配置されており、これ
らもまた、後述するような制御を行う制御装置６に接続
されている。変調器は、例えば、音響光学的あるいは電
気光学的あるいは機械的変調器として構成することがで
き、ビーム４の送出または遮断をそれぞれパルス状に切
りかえる“スイッチ”として機能する。
可変焦点装置８はビーム４の焦点を変化させる機能を
備えている。この目的のため、図２に詳細に示すよう
に、可変焦点装置は、ビーム４の方向に順に配置された
分散凹レンズ９と集束凸レンズ10を備えている。集束レ
ンズ10は、ビーム４の方向において、例えば図２に点線
で示す位置と実線で示す位置の間に位置づけ、その位置
に応じて焦点と、例えば層１の表面である作業面すなわ
ち基準面11上におけるビーム径とを変化させることがで
きる。集束レンズ10の移動は、制御装置６に接続された
ステップモーターあるいはサーボモーターを用いた移動
装置（図示せず）によって行われる。２つのレンズ９お
よび10の配列は、２つのレンズを互いに対して移動させ
ることにより焦点を変化させることのできるその他の適
当な複合レンズ配列に置きかえてもよい。可変焦点装置
８を用いる代りに、偏向装置５が、調整可能な可変曲率
半径を有する偏向鏡を備えていてもよい。この場合、ビ
ーム４の焦点は偏向鏡の曲率半径を変更することにより
変化させることができる。さらに、偏向装置５と層１の
間にはセンサ12が設けられ、このセンサは、図４に詳細
に示す位置決め装置13を用いて、層１に平行な面内にお
いて層の上方、好ましくは層１のすぐ上の各位置に移動
することができる。位置決め装置13は、Ｘ、Ｙ位置決め
装置として構成され、これにより、センサ12はワイパー
14の上辺に沿って第１のＸ方向に移動可能である。この
ワイパーは、層１を横切ってＸ方向に延在するととも
に、層１を横切ってＹ方向に移動可能であり、材料層の
厚さを所望の厚さに調節するためのものである。別の実
施例として、センサをワイパーとは独立して配置しても
よい。センサ出力は制御装置６に接続されている。
センサ12の第１実施例を図５に示す。図５のセンサ12
は、象限センサとして構成され、各象限に設けたフォト
ダイオード15、16、17、18として構成された感光体を有
している。１つの象限のフォトダイオード18はダイヤフ
ラムアパーチャ20を中心に有する不透明なカバー、例え
ば小さい金属板19で覆われている。図６に示す第２の実
施例によれば、センサ12は単一領域を有する単域型セン
サとして構成され、単一領域に設けたフォトダイオード
21として構成された感光体を備えている。このフォトダ
イオードは、やはり中央のダイヤフラムアパーチャを除
いて不透明なカバー、例えば小さい金属板で覆われてい
る。ダイヤフラムアパーチャ20、23の直径は約20μｍ〜
50μｍであり、好ましくは35μｍである。
動作において、レーザービーム４はまず、その位置、
出力および直径を計測される。位置の検出は図５に示す
センサ12を用いて行われる。すなわち、予め定められた
Ｘ、Ｙ位置にセンサ12を位置づけ、制御装置６を用いて
偏向装置５を制御し、偏向ビーム４がセンサ12を横切っ
てフォトダイオード15の領域からフォトダイオード16の
領域に進行するようにさせる。両フォトダイオードの出
力信号を比較する。両方の信号が等しければ、ビーム４
の位置はフォトダイオードの両領域間の遷移点に、従っ
て、センサ12の中央位置に正確に対応する。対応する計
測が、フォトダイオード15からフォトダイオード17への
遷移について行われる。得られた位置データを偏向手段
５の対応する所望位置と比較することにより、ビーム４
の調節が正確であるか、あるいは誤調節が起きているか
どうかを判定する。後者の場合、制御装置６における制
御を修正する。すなわち装置の再調整を行う。位置の計
測は、位置決め装置13を用いて、照射領域内の任意の箇
所に対応する層表面１上の各位置にセンサ12を移動させ
ることにより行われる。これにより、固化装置２におけ
る位置決め精度が正確に決定される。しかしながら、選
択された箇所のみ、例えば２つの箇所のみにおいて計測
を行い、例えば温度変化により生じるグローバルドリフ
トを検出するようにすることも可能である。このドリフ
トは、やはり、制御装置６や制御装置内に格納されてい
る制御ソフトウェアをそれぞれ対応して修正することに
より補償することができる。
ビーム４の出力は、その出力に対応する振幅を持つ、
フォトダイオード15、16、17の出力信号を直接処理する
ことにより決定される。この目的のために、パイロ素子
を用いることもできる。やはり公称値と比較することに
より、固化装置２の欠陥、例えば光学系の汚れや、エー
ジング、さらには、光学的または電子的部品の欠陥など
を検出することができる。
ビーム４の焦点の直径を計測するために、偏向装置５
および／または位置決め装置13を、偏向ビーム４が図５
のセンサのダイヤフラムアパーチャ20を、または図６の
センサのダイヤフラムアパーチャ23を、２つの座標方向
に沿って通過するように制御する。このようにして、ビ
ーム４の強度プロファイルが走査され、得られた強度プ
ロファイルデータを用いてビーム４の焦点すなわち直径
が算出される。この計測は照射領域全体において、ある
いは、例えば出力計測については、選択された箇所にお
いてのみ行うことができる。例えばレーザーのエージン
グまたは光学系の誤調節により生じる偏差は、やはり、
対応する公称値との比較により検出することができる。
この場合、可変焦点装置８の制御により焦点を変化させ
ることによってある程度の修正を行うことができる。
図６に示すセンサ12を用いる際、ビーム４の位置と出
力は計算を利用して決定される。すなわち、位置は最大
強度を決定することにより算出され、出力はプロファイ
ルの積分により算出される。このような計算は周知であ
るので詳細な説明は行わない。
ビーム４の調節および計測の後、材料層１が塗布さ
れ、偏向ビーム４を用いて物体に対応する箇所において
層１を適宜照射することにより固化される。図３は、層
の固化すべき箇所の例を含んだ領域24を示す。固化のた
めに、この領域は外包領域25と中核領域26とに分割され
る。これにより、外包領域25は、好ましくは完全に、中
核領域26を囲んでいる。固化のために、制御装置６は、
外包領域25内では小円により示す小さなビーム径すなわ
ち焦点をもって、中核領域26内ではより大きな円で示す
大きなビーム径すなわち焦点をもって層を照射するよう
に、可変焦点装置８、偏向装置５およびレーザー３を制
御する。これにより、物体の表面すなわち輪郭を構成す
る外包領域25内においては、より精細かつより正確な材
料の固化が行われる。好ましい改良によれば、偏向装置
５は、層１を横切る偏向ビームの速度（すなわち、走査
速度）が外包領域25内よりも中核領域内において高速に
なるように制御される。これにより、製造時間は相当削
減される。この方式は高出力レーザー３に対して特に有
益である。なぜなら、より大きなビーム径すなわち焦点
での出力密度がより高速の走査速度においても固化のた
めに十分であるからである。この場合に出力調節可能な
光源を用いれば、外包領域25を固化させるための出力を
削減してエネルギーすなわち出力密度を固化に適切な値
に調節することができる。
上記の方法は、放射源３として用いられるパルス状レ
ーザーに関して特に好ましい。通常、このようなレーザ
ーのパルスレートは低すぎて小さい焦点で高速の走査速
度を得ることができない。それどころか、この場合には
シングルスペース間隔の箇所しか固化できない。一方、
このレーザーの平均出力はあるパルスレートを越えると
減少する。さらに、例えば周波数逓倍したFKレーザー
（固体レーザー）のパルス持続期間は非常に短い（約30
ns）。材料内へ入力されるエネルギーすなわち出力密度
は、走査速度を変化させることによってはもはや調節す
ることができず、減衰、レーザーの繰返し数、および／
またはビーム直径を制御することによってのみ調節でき
る。本発明によれば、最も効率のよい動作はビーム直径
の調節により得られることが判明した。従って、最高走
査速度についての最適繰返し数は予め定められた値のビ
ーム直径から得られる。より低速な走査速度において
は、入力されるエネルギーに従って重複部分を増加させ
ることができる。
本発明によれば、外包領域25においてはより小さい焦
点を用い中核領域26においてはより大きい焦点を用いて
固化を行い、両領域内において各パルスにより固化され
た領域27が重なり合って連続線を形成するように走査速
度および繰返し数を調節することにより、高い構造的解
像度と短い製造時間の組み合せが、パルス状レーザーに
対して得られる。これを図３に示す。許容できる走査速
度は図３に円として示すビームの直径すなわち焦点27に
比例するため、中核領域内26における走査速度は、中核
領域における直径の増加を規定する割合だけ外包領域25
の走査速度に対して増加させることができる。さらに、
中核領域内26においては、その分少い走査線で十分であ
る。従って、製造時間は相対直径増加分の平方値にとも
なって減少する。両領域25、26において、繰返し数およ
びビーム焦点、従ってレーザーの平均出力は、外包領域
25においては小さい平均出力を、中核領域26においては
より大きな平均出力を与えるような走査速度から得られ
る。
焦点を調節するために、制御装置６は、偏向装置５が
ビーム４を中核領域26と外包領域25のいずれに導くかに
応じた軸方向移動により、分散レンズ９に対して焦点レ
ンズ10の位置を変化させる。対応する制御データは制御
装置６内に格納される。好ましくは、小さい焦点を用い
て外包領域25を最初に固化し、その後、焦点を大きくし
て、この大きくした値にいったん調節された焦点を用い
て中核領域26を固化する。ここでも、上述したようにセ
ンサ12を用いてビームの焦点調節を計測および修正する
ことができる。
同様にして、物体のさらなる層を塗布し固化する。
ビームは、上述したように、物体を製造する前だけで
なく個々の層の固化の合間もしくは、たとえば毎日とい
ったより大きな間隔で計測することができる。
許容できる値からの検出偏差をディスプレイ装置上で
表示することができる。
好ましくは、出力約300mWのネオジムYAGダイオードパ
ルス状レーザーまたはネオジムYLFダイオードパルス状
レーザーがFKレーザーとして用いられる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ライヘル，ヨハネス ドイツ連邦共和国，81375 ミュンヘン, シュティフツボーゲン 45 (72)発明者 ランゲル，ハンス ジェイ. ドイツ連邦共和国，82166 グレーフェ ルフィンク，アム バーセルボーゲン 46 (56)参考文献 特開 平６−254971（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−169552（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−368190（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−228828（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−21432（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−91929（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−15335（ＪＰ，Ｕ) 特表 平４−506110（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B29C 67/00

Claims (24)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電磁放射を用いることにより固化可能な材
    料の連続層を塗布し、物体に対応する箇所に集束ビーム
    を照射することにより三次元物体を製造する方法におい
    て、 上記連続層の各層をそれぞれ固化中に固化すべき層の位
    置の関数として上記ビームの集束度を変化させる方法で
    あって、 上記物体の境界領域に対応する第１の領域において上記
    ビームの集中度を増加させてより小さい集束度を形成
    し、上記物体の内部領域に対応する第２の領域において
    上記集中度を減少させてより大きい集束度を形成し、 三次元物体の製造前、各層の固化の合間、またはより長
    い休止期間に、上記ビームの位置、出力および／または
    集束度が、好ましくは、固化すべき層のすぐ上の位置に
    おいて計測され、 当該計測結果の関数として上記集束度を変化させること
    を特徴とする方法。
  2. 【請求項２】上記集束ビーム放射源の出力の関数として
    上記集束度を変化させることを特徴とする請求項１に記
    載の方法。
  3. 【請求項３】上記層を横切る上記集束ビームの進行速度
    の関数として上記集束度を変化させることを特徴とする
    請求項１または２に記載の方法。
  4. 【請求項４】パルス放射源を用い、パルスエネルギーの
    関数として上記集束度を調節することを特徴とする請求
    項１乃至３のいずれかに記載の方法。
  5. 【請求項５】第１の領域を固化させるために強い集中度
    かつ低速の上記ビームを用い、第２の領域を固化させる
    ために低い集中度かつ高速を用いることを特徴とする請
    求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
  6. 【請求項６】ビーム出力またはパルス状レーザーを用い
    た場合の平均ビーム出力を第２の領域において増加させ
    ることを特徴とする請求項５に記載の方法。
  7. 【請求項７】上記計測結果を予め定められた基準値と比
    較し、誤差を表示するか、もしくは、比較に基ついて上
    記ビームの修正を行うことを特徴とする請求項１乃至６
    のいずれかに記載の方法。
  8. 【請求項８】上記計測を上記材料層の上方の複数個の位
    置で行うようにしたことを特徴とする請求項１乃至７の
    いずれかに記載の方法。
  9. 【請求項９】固体レーザーのビームを用いることを特徴
    とする請求項１乃至８のいずれかに記載の方法。
  10. 【請求項１０】電磁放射の作用のもとで固化可能な材料
    の層を連続的に固化することにより三次元物体を製造す
    るための装置てあって、上記材料の層（１）を生成する
    ための装置と、上記電磁放射の集束ビーム（４）を発生
    するための放射源（３）と、上記集束ビーム（４）を上
    記層（１）の上記物体に対応する箇所に偏向させるため
    の偏向装置（５）とを備えた装置において、 上記集束ビーム（４）の集束度を変化させるための可変
    焦点装置（８）を上記集束ビーム（４）の進路に設ける
    と共に、 上記ビーム（４）を測定するためのセンサ（12）を上記
    偏向装置（５）と上記層（１）の間に設け、 上記可変焦点装置（８）は、上記連続層の各層（１）を
    それぞれ固化中に、上記三次元物体の境界領域に対応す
    る第１の領域において上記集束ビーム（４）の集中度を
    増加させてより小さい集束度を形成し、上記三次元物体
    の内部領域に対応する第２の領域において上記集中度を
    減少させてより大きい集束度を形成するものであり、 上記センサ（12）は、三次元物体の製造前、各層の固化
    の合間、またはより長い休止期間に、上記ビーム（４）
    の位置、出力および／または直径を計測するために設け
    られており、 上記ビーム（４）の集束度を変化させるための制御装置
    （６）を有し、 上記センサ（12）が上記制御装置（６）に接続され、上
    記制御装置（６）は上記センサ（12）による計測結果の
    関数として上記集束度を変化させることを特徴とする装
    置。
  11. 【請求項１１】上記放射源（３）が固体レーザーからな
    ることを特徴とする請求項10に記載の装置。
  12. 【請求項１２】上記固体レーザーはネオジウムYAGレー
    ザーまたはネオジウムYLFレーザーてあることを特徴と
    する請求項10または11に記載の装置。
  13. 【請求項１３】上記可変焦点装置（８）が上記放射源
    （３）と上記偏向装置（５）との間に配置されているこ
    とを特徴とする請求項10乃至12のいずれかに記載の装
    置。
  14. 【請求項１４】上記可変焦点装置（８）が、上記ビーム
    の軸方向において互いに対して移動可能な２つのレンズ
    （9,10）からなることを特徴とする請求項10乃至13のい
    ずれかに記載の装置。
  15. 【請求項１５】上記ビームの遮断または通過をそれぞれ
    制御するための変調器（７）を上記ビーム（４）の進路
    に設けたことを特徴とする請求項12乃至14のいずれかに
    記載の装置。
  16. 【請求項１６】上記可変焦点装置（８）と、上記偏向装
    置（５）と、変調器が設けられている場合には上記変調
    器（７）とが、偏向度の関数として上記制御装置（６）
    に接続されていることを特徴とする請求項10乃至15のい
    ずれかに記載の装置。
  17. 【請求項１７】上記ビーム（４）を計測するためのセン
    サ（12）が上記偏向装置（５）と上記層（１）の間に配
    置されていることを特徴とする請求項10乃至16のいずれ
    かに記載の装置。
  18. 【請求項１８】上記センサ（12）は、上記層に対して平
    行な面内の複数個の位置に上記センサを位置決めするた
    めの位置決め装置に接続されていることを特徴とする請
    求項10または17に記載の装置。
  19. 【請求項１９】位置決め装置（13）がX,Y位置決め装置
    として設計されていることを特徴とする請求項18に記載
    の装置。
  20. 【請求項２０】上記層（１）を横切って第１の方向
    （Ｘ）に延在するとともに、上記層（１）を横切って第
    ２の方向（Ｙ）に移動可能なワイパー手段が設けられ、
    上記センサ（12）は、上記第１の方向（Ｘ）に移動可能
    であるようにして上記ワイパー手段に設けられているこ
    とを特徴とする請求項19に記載の装置。
  21. 【請求項２１】上記センサ（12）は、少なくとも３つの
    検出器セクタ（15、16、17）を有する象限検出器として
    構成されていることを特徴とする請求項10ならびに17乃
    至20のいずれかに記載の装置。
  22. 【請求項２２】上記センサ（12）は、ダイヤフラムアパ
    ーチャ（23）を除いて不透明に覆われた放射感知検出面
    （21）を有する１つの検出器からなることを特徴とする
    請求項10ならびに17乃至20のいずれかに記載の装置。
  23. 【請求項２３】上記１つの検出器は、象限のうちの１つ
    に設けられていることを特徴とする請求項21または22に
    記載の装置。
  24. 【請求項２４】上記位置決め装置（13）が上記制御装置
    に接続されていることを特徴とする請求項10ならびに17
    乃至23のいずれかに記載の装置。
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