JP3585913B2

JP3585913B2 - 三次元物体製造方法

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Publication number: JP3585913B2
Application number: JP2003144841A
Authority: JP
Inventors: ロバートホックフブロンソン; アランロートンジョン
Original assignee: ティーエスコーポレーション株式会社
Priority date: 1993-04-12
Filing date: 2003-05-22
Publication date: 2004-11-10
Anticipated expiration: 2019-11-10
Also published as: DE4412160A1; JP3449779B2; KR0127835B1; JP2003305776A; JPH06297585A; TW253866B; US5429908A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、三次元模型形成装置およびその方法に関し、特に光形成可能な層の露光を制御して、内部応力によって生じる歪みを削減する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
三次元（固体）模型を製造するために光形成を用いるシステムが、多数提案されている。１９８７年６月６日にサイテックス社（ＳＣＩＴＥＸＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮＬＴＤ．）により出願された欧州特許出願第２５０，１２１号は、硬化可能な液体を用いた三次元模型形成装置を開示しており、またこの分野の関連文献をよくまとめたものである。１９８６年３月１１日に付与されたＣ．Ｗ．Ｈｕｌｌの米国特許第４，５７５，３３０号には、放射線の衝突、特定の衝撃あるいは化学反応による適切な作用を受け、物理的状態を変え得る液体媒体の選択された面に、形成されるべき物体の断面パターンを形成することによって、三次元物体を形成するシステムが記載されており、物体の連続隣接断面に相当する連続隣接薄層が互いに粘着し、三次元物体が形成されるようになっている。１９８８年６月２１日に付与されたＥ．Ｖ．Ｆｕｄｉｍの米国特許第４，７５２，４９８号には、未硬化の感光性ポリマーに接触している放射線透過材を通して、この未硬化の感光性ポリマーを硬化させる放射線を有効量だけ照射して三次元物体を形成する方法が記載されている。放射線透過材とは、次に形成される層が粘着するように、放射線照射された面を架橋可能状態にさせておくための材料である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
像形成のために変調した放射線を露光し順次層を硬化させ、物体の連続断面を形成することにより三次元物体を形成する場合、所望の物体を正確に表す三次元物体を形成するには、それぞれの層が物体の所望断面を正確に表すようにしなければならない。しかしながら、従来の三次元物体製造方法にあっては、照射過程において光形成可能な組成物が流動状態から硬化状態へ変化する際に生じる内部応力が原因で各層に歪みが生じ、結果的に歪んだ物体が形成されるという問題点があった。そのような内部応力は、照射によって層を硬化させる過程で、分子の収縮がおこった結果生じた力であると思われる。この問題に対し、種々の解決策が提案されている。
【０００４】
その解決策のひとつとして、ＷＥＡＶＥパターンにより層を露光するものが「ＲＡＰＩＤＰＨＯＴＯＴＹＰＩＮＧ＆ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ，ＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓＯｆＳｔｅｒｅｏＬｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ」（ＰａｕｌＦ．Ｊａｃｏｂｓ著第１版出版元ＴｈｅＳｏｃｉｅｔｙｏｆＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｓ，ＯｎｅＳＭＥｄｒｉｖｅ，Ｐ．Ｏ．Ｂｏｘ９３０，Ｄｅａｒｂｏｒｎ，Ｍｉｃｈｉｇａｎ４８１２１−０９３０）の第８章ＡｄｖａｎｃｅｄＰａｒｔＢｕｉｌｄｉｎｇ１９５−２１９頁に記載されている。１９９０年７月３１日に付与されたＭｕｒｐｈｙｅｔａｌ．の米国特許第４，９４５，０３２号には、層を少なくとも二度露光して、歪みを減少させる方法が提案されている。特願昭６３（１９８８）−１７２６８５号（１９９０年１月２６日公開）にも、二度の露光が用いられている。詳しくは、第１像形成露光によって露光領域の樹脂を半硬化状態にして模型全体を形作った後、第２露光によって半硬化樹脂を硬化させて固体模型を形成する。これらの方法でも歪みを減少させることはできるが、模型内部に残る未硬化材料を最小限に抑えて模型を最も硬い状態に保ちつつ、歪みのない固体模型を形成する方法が、依然として必要とされている。そこで、本発明は、模型内部に残る未硬化材料を最小限に抑えて模型を最も硬い状態に保ちつつ、歪みのない固体模型を形成する方法を提供することを目的としている。
【特許文献】
欧州特許出願第２５０，１２１号（１９８７年６月６日発行）、
米国特許第４，５７５，３３０号（１９８６年３月１１日発行）、
米国特許第４，７５２，４９８号（１９８８年６月２１日発行）及び
特願昭６３（１９８８）−１７２６８５号（１９９０年１月２６日公開）
【非特許文献】
「ＲＡＰＩＤＰＨＯＴＯＴＹＰＩＮＧ＆ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ，ＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓＯｆＳｔｅｒｅｏＬｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ」（ＰａｕｌＦ．Ｊａｃｏｂｓ著第１版出版元ＴｈｅＳｏｃｉｅｔｙｏｆＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｓ，ＯｎｅＳＭＥｄｒｉｖｅ，Ｐ．Ｏ．Ｂｏｘ９３０，Ｄｅａｒｂｏｒｎ，Ｍｉｃｈｉｇａｎ４８１２１−０９３０）の第８章ＡｄｖａｎｃｅｄＰａｒｔＢｕｉｌｄｉｎｇ１９５−２１９頁
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的達成のため、請求項１記載のように、光形成可能な組成物の層を、三次元物体の所望断面部分を表す所定のパターンに従って各層が露光されるように、順々に像形成露光することによって形成された硬化部分に対応する物体の多数の断面部分から、三次元物体を形成する方法において、
（１）スーパー変調された露光源を用いて、少なくとも一層を所定パターンに像形成露光し、前記層に、半硬化した光形成可能な組成物の領域によって分離されて、不連続な、固定され、硬化された像形成領域を有する非連続像を形成し、
（２）変調された露光源を用いて、前記層を同じ所定パターンに像形成露光し、前記層に連続した前記所定パターンの硬化像を形成し、これを繰り返すことを特徴とするものである。
【０００６】
請求項１記載の方法において、前記露光源が、前記層を走査する変調されたレーザービームを出力し、「オン」状態から「オフ」状態まで、所定の間隔で前記層を照射する前記ビームの強度を選択的に変えることによって、前記露光源の変調とスーパー変調を達成することを特徴とすることもできる。
請求項１記載の方法において、前記露光源が、前記層を照射し、一方向に沿って走査する変調されたレーザービームを出力し、走査方向に沿って所定の割合でビームの走査速度を変えることによって前記露光源のスーパー変調を達成することを特徴とすることもできる。
【０００７】
請求項１または２記載の方法において、前記（１）と（２）との工程を予め選択した回数繰り返し、所定パターンに相当する複数の層を露光することを特徴とすることもできる。
請求項１または２記載の方法において、前記（１）と（２）との工程を予め選択した回数繰り返し、所定パターンに相当する複数の層を連続して露光することを特徴とすることもできる。
【０００８】
請求項２記載の方法において、前記分離、硬化した像形成領域が点線形状からなることを特徴とすることもできる。
請求項２記載の方法において、前記分離、硬化した像形成領域が破線形状からなることを特徴とすることもできる。
請求項１または２記載の方法において、前記スーパー変調された前記層のための第１露光が、前記層上に縦方向にずれた硬化領域を形成することを特徴とすることもできる。
【０００９】
請求項１記載の方法において、前記光形成可能な組成物が感光性ポリマーからなることを特徴とすることもできる。
請求項８記載の方法において、前記感光性ポリマーが液体であることを特徴とすることもできる。
請求項１記載の方法において、前記（２）の工程が、前記（１）の工程の実行から所定時間経過後に実行されることを特徴とすることもできる。
【００１０】
請求項１０記載の方法において、前記所定時間内に、第１露光による前記光形成可能な組成物の収縮が完了することを特徴とすることもできる。
【００１１】
【作用】
本発明では、上記（１）の工程でひとつの走査ラインに沿った破線形状の硬化領域（惰円形または円形であってもよい）が形成され、そのときその破線形状の硬化領域が隣接する走査ラインに沿った破線形状の硬化領域から横方向にずれているようになっている。露光源は光形成可能な組成物への露光を制御できるように、パルス信号でサブ変調された走査レーザービームからなることが好ましい。二つの露光のためにビームの変調、スーパー変調が用いられるが、両方とも、一層に対する照射ビームの強度を所定の時間間隔で「オン」状態と「オフ」状態の間で選択的に変化させることにより実現される。固化模型を形成するには、ステップ（１）と（２）を予め決められた回数繰り返し、所定のパターンの数に相当する数の層を露光する。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図１〜図８は本発明に係る一実施例を示す図である。
本発明によれば、歪みの少ない三次元模型が形成することが可能であるが、その形成方法およびその改良点を述べるに当たって、次のように定義された特定の用語を使用する。
【００１３】
光形成可能な組成物：元は未硬化で液体のように容易に変形可能な状態の材料で、適度な照射による十分な露光をすることによって、硬化あるいは半硬化状態になる材料。
未硬化：照射により実質的に露光される前の光形成可能な組成物の容易に変形することができる状態。
【００１４】
半硬化：変形が可能な程度に光照射された後の光形成可能な組成物の柔軟性、コンプライアンス性、弾性がある状態。
硬化：光形成可能な組成物を固化させるのに十分な強度で、光照射された後の光形成可能な組成物（いくらかの未硬化あるいは半硬化材料が、格子状の硬化した組成物に閉じ込められていることもあるが、そのような材料はコンプライアンスをおこさせる程の量ではない）。
【００１５】
「オン」および「オフ」状態：オン状態とは、放射ビームの強度およびその強度を変化させる速度が、像形成面で測られる露光量（（光投射強度）×（投射時間））において、光形成可能な組成物を固化させるのに十分なしきい値以上の状態をいう。「オフ」状態とは、放射ビームの強度およびその強度を変化させる速度が、同じく像形成面で測られる露光量において、光形成可能な組成物を固化させるのに十分なしきい値より小さい状態をいう。
【００１６】
サブ変調：レーザービームの強度および／またはその強度を変化させる速度を変化させて、パルス幅と繰り返し数を変えられるパルス列を用いて「オン」「オフ」状態を作ること。パルス幅と繰り返し数（頻度）は、像表面上のビームの瞬間走査速度と関係があるため、パルス幅と繰り返し数を選択することにより、ビームの全走査径路を通して、像形成面上において実質的に均一な露光レベルを提供することができる。
【００１７】
像形状変調：「オン」状態の間または「オフ」状態の間において、形成される像の情報を表すシグナルに基づきビーム強度を変えることによって、像形成面上を照射するレーザービームを変調すること。像形成面上の領域が露光され、形成される像の情報を表しているシグナルに対応する像が再形成される。そのビームは、サブ変調されたレーザービームであってもよい。
【００１８】
スーパー変調：予め選択されたコントロールシグナルに基づき、光ビームによって像形成面上の露光レベルを、「オン」状態の間、または「オフ」状態の間でさらに変えること。断続的な一連の露光がなされ、像形成面上の像形成領域の露光部分内に、不連続な互いに分離した露光領域のパターンが形成される。これは、像形成面上の光投射強度または像形成面上の一点あたりの投射時間を変える、あるいはその両方を変えることによって達成され得る。
【００１９】
以下の詳細な説明において用いられている類似記号（例えば、１５と１５’）は、図面中の要素が互いに類似していることを表している。
図１は、本発明を実施する装置である。この装置は、露光ビーム１２を出力するレーザー１０のような光投射源から構成される。レーザー１０は、その主波長帯が可視、または赤外線、または紫外線領域の放射線スペクトルである高出力レーザーであることが好ましい。照射による露光によって硬化する組成物の分光感度の関係で、そのような特別な波長帯が選択される。「高出力」という用語は、相対的な用語であるが、特別な光形成可能な組成物が硬化するのに必要十分な輻射エネルギー量を意味する（ただし、組成物の感光速度も考慮する必要がある）。実用的な組成物の感光速度を考慮すると、「高出力」とは、２０ｍＷ以上、好ましくは本実施例のように１００ｍＷ以上と考えられている。ビーム１２の焦点を像形成面１３上に合わせるのに焦点整合手段が用いられるが、図面を簡略にするためにその手段の図示を省略する。
【００２０】
前述のように、露光される硬化可能組成物の分光感度に応じて、露光ビーム１２を出力するレーザーに電子ビームやＸ線等のような他の照射源を加えてもよいし、レーザーの代わりに使用してもよい。ビーム１２の断面形状は通常ほぼ円形であり、第３図に示すようにビーム強度はガウス分布曲線で表される。なお、図中のＤは放射照度が１／ｅ^２以上の放射照度の領域の径を示す。
【００２１】
ビーム１２は変調器１４、好ましくは音響光学変調器を通る。音響光学変調器は、電子コントロールシグナルに反応してビーム出力強度を変えることにより、上記で定義した「オン」状態および「オフ」状態を作る。
ビームは次にビーム偏向システムに導かれる。このシステムは、二つのビーム直交偏向装置１６と１８からなるのが好ましい。装置１６と１８は、ライン１５および１５’を通して制御モジュール２８内のビーム偏向制御手段よって制御されている。ビーム偏向装置は、二つのサーボ制御モータに搭載されてそれぞれのモータの互いに直交する軸のまわりを回動する二つのミラーから構成されてもよい。この場合、サーボモータを一連のステッピングパルスのような電子シグナルによって制御し、ミラーを回転させる。このようにミラーを回転させることで、ビームを像形成面１３上の任意の点に位置させ、または任意の形状に走査させることが可能になる。本発明を実施するのに有効なサーボモータを用いたビーム偏向装置の一つは、カルフォルニア州ミルピタス（ＭＩＬＰＩＴＡＳ）のグレイホークシステムズ社（ＧＲＥＹＨＡＷＫＳＹＳＴＥＭＳＩＮＣ．）によって開発販売されている。サーボモータの代わりに、ガルバノメーターにそれぞれミラーを搭載してもよい。この場合も、二つのガルバノメーターそれぞれに加えられる電圧を適切に選択すれば、同様にビームを像形成面１３上の任意の点に位置させ、または任意の形状に走査させることができる。
【００２２】
像形成面１３は、光硬化可能組成物２２と移動可能なプラットフォーム２６を収容している槽２０内にある。槽２０内でのプラットフォーム２６の位置は、偏向および変調されたレーザービームに関係し、プラットフォーム２６の位置を調節することにより、像形成面１３においてプラットフォーム２６に支持された光形成可能な組成物２２に、選択的にビーム１２を照射することができる。プラットフォーム２６は、ライン２５を通して制御モジュール２８から伝えられたコントロールシグナルにより制御された昇降手段２４によって昇降する。制御モジュール２８には、適切な昇降制御手段も含まれている。
【００２３】
制御モジュール２８は、レーザービームを変調し、像形成面１３上を照射し、かつ像形成面１３に光形成可能な組成物の層を形成するためにプラットフォームを上方に移動するという機能を果たすことができるような適切なプログラムを実行するコンピュータから構成されてもよい。コンピュータがこれらの機能を果たすには適切なトランスデューサーを使用しなければならないが、そのことは公知のテクノロジーであって、本発明にとって重要性はない。
【００２４】
やはり図面を簡略にするために図示を省くが、コーティング手段がプラットフォーム２６上（あるいはプラットフォーム上にある物体の上方）に設けられおり、像形成面において光形成可能な組成物の層を均一の厚さにし、その表面を滑らかにする。このようなコーティング手段もまた公知であり、本発明の主題ではない。
【００２５】
１９９１年４月９日に付与された米国特許第５，００６，３６４号および１９９２年３月１０日に付与された米国特許第５，０９４，９３５号は、共にデュポン社（Ｅ．Ｉ．ＤＵＰＯＮＴＤＥＮＥＭＯＵＲＳＡＮＤＣＯＭＰＡＮＹ）に譲渡されたが、固体像形成方法および装置（図１にその概略が描かれている装置と類似）を用いて、多層モデルを製造するのに有効な光形成可能な組成物を開示している。その光形成可能な組成物は、次の組成の液体であることが好ましい。
（ａ）２官能性アクリル酸ポリウレタンオリゴマー（ｄｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌａｃｒｙｌａｔｅｄｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅｏｌｉｇｏｍｅｒ）、またはその混合物が４５−５５％
（ｂ）次の化学式であらわされるポリグリコールエステル（ｐｏｌｙｇｌｙｃｏｌｅｓｔｅｒ）、またはその混合物が２５−４０％
Ｈ_２Ｃ＝ＣＨ（ＣＯ）−Ｏ（ＣＨ_２ ⁻ＣＨ_２ ⁻Ｏ）_４−（ＣＯ）ＨＣ＝ＣＨ_２
（ｃ）２，２−ジメチル−２−フェニルアセトフェノン（２，２−ｄｉｍｅｔｈｏｘｙ−２−ｐｈｅｎｙｌａｃｅｔｏｐｈｅｎｏｎｅ）のような化学線照射に感応する反応開始剤が４−６％
（ｄ）アクリルのような多官能反応性希釈剤（ｐｏｌｙｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｒｅａｃｔｉｖｅｄｉｌｕｅｎｔ）、またはその混合物が１０−２０％
なお、この液体の光形成可能な組成物は２５℃において３００−３０００ｃＰの粘度を有する。
【００２６】
ビーム１２は変調器１４によって変調される。好ましい実施例では、ビーム１２を３つの異なる方法で変調する。第一変調では、ビーム１２はパルス列の繰り返し数を変えることにより変調される。ビームを偏向するステッパーモータ搭載のミラーの角度位置と、パルスとは互いに関係があり、そのパルスは光形成可能な組成物に対する露光を一定にするように計算されている。露光が一定であるかどうかは、像形成面の走査線に沿った各点における照射強度および照射時間によってきまる。一定な露光は、パルスの繰り返し数を制御することによって得られるので、走査線に沿った始点終点間の距離に対し像形成面上の露光パルスの分布は、図２に示されるように一定である。
【００２７】
このような方法でビーム１２を制御することにより、全ての像形成ラインに渡って均一な露光が得られる。ビーム偏向手段は質量があるものなので、補正をしなければ加速および減速が瞬時におこらず、均一に露光することができない。ビーム１２の走査速度が、各走査の初期と、偏向ミラーの初期加速が完了し通常動作に移った安定期とで異なるからである。ミラーが停止前に減速する走査線の終わりにおいても、同様の問題がおきる。
【００２８】
好ましい実施例においては、ステッパーモータ搭載ミラーと共にエンコーダが、サブ変調シグナルのパルス繰り返し数を制御するのに用いられている。このエンコーダの検出角度の精度は１秒であり、ビーム１２をサブ変調するのに用いられるシグナルは、パルス間隔があるためミラーが２秒回転する毎に発生する。ビーム１２は反射ビームなので、ミラーが２秒回転するとビームは４秒回転する。ミラーから像形成面１３までのビーム１２の走査範囲は、通常５１ｉｎである。従って、光のパルスは、およそ０．００１ｉｎ（１ｍｉｌ）毎に像形成領域内に発生する。この装置のビーム放射照度が１／ｅ^２以上の放射照度の領域の径Ｄは、１３７μｍ（５．４ｍｉｌ）であるので、ガウス分布のサブ変調露光部は実質的に重なり合う。図２に示されるように、硬化層の深さと表面間隔は互いに関係しており、このように露光部を重ねることで、露光された走査領域は実質的に均一の厚さに硬化される。
【００２９】
固化物体は、連続して像形成露光された層を重ねることにより形成される。各層の像形成露光は、像形状に対応して変調されたレーザービームを用いて、像形成面上で光形成可能な組成物を露光することによって得られる。図４は、変調電圧振幅（ｍｏｄｕｌａｔｉｎｇｖｏｌｔａｇｅａｍｐｌｉｔｕｄｅ）「ｖ」が時間「ｔ」との関数であることを表している。図４（ａ）に示すように、サブ変調されたビームは、ビームの発射と停止を切換えることにより、さらに変調され、二つのライン、すなわちスペースＢ−Ｃ（ビーム「停止」状態）によって分離されたラインＡ−ＢとラインＣ−Ｄ（ビーム「発射」状態）が作られる。この二重変調露光工程については、１９９１年５月７日に付与され、デュポン社（Ｅ．Ｉ．ＤＵＰＯＮＴＤＥＮＥＭＥＯＵＲＳＡＮＤＣＯＭＰＡＮＹ）に譲渡された米国特許第５，０１４，２０７号により詳細に開示されている。
【００３０】
本発明によれば、層は二度、好ましくは全ての層がそれぞれ二度露光される。第１露光は、サブ変調、さらに形成される像の断面形状に対応した像形状変調、そしてさらに予め選択されたパルスシグナルによるスーパー変調という３段階に変調されたビームによる像形成露光で、半硬化の組成物領域によって分離され、固定され、硬化され、複数の破線状の像形成領域（惰円形または円形であってもよい）を有する非連続の像パターンを形成する。本発明においては、硬化した像形成領域間の像形成領域が、半硬化しているということばかりでなく、下に連なる層に固定されていることも重要であり、固定させることによって次の露光の間にその硬化領域が「浮遊」してしまうのを防ぐことができる。このような層において、硬化像形成領域が最初の露光の際に固定されると、次の照射の間の内部応力による歪みが著しく減少することが判明した。また、特に固定されることができないようなオーバーハング領域においては、片持梁構造のため特に上からの露光に対して自由端側が上に反り易く歪み量も大きくなるが、第１露光によって硬化領域が半硬化した領域により分離されると、次の照射の間の内部応力による歪みが著しく減少することも確認された。
【００３１】
この第１の像形成露光が完了した層に対し、第２像形成露光する。この露光の際には、サブ変調、さらに像形状変調した放射ビームを使用するが、第１露光において破線部分を形成したスーパー変調は用いない。第２露光は硬化した連続像を形成するよう計算されている。このように、それぞれの層の像は、二つの工程すなわち破線状の硬化領域を形成する第１工程と像形状の硬化領域を形成する第２工程により形成される。
【００３２】
これらの工程を、図４（ａ）（ｂ）および図５（ａ）（ｂ）を参照してより詳細に説明する。層の第１露光には、図４（ｂ）に示すようなシグナルにより変調されたビームが使われる。このシグナルは、ビームが３段階に変調された結果を表している。まず一つは、短い一連のパルスＰからなるサブ変調シグナルである。これらのパルスに形成される像の情報を表すシグナル、すなわち固化ラインＡ−Ｂの後に非照射ラインＢ−Ｃが続き、さらに固化ラインＣ−Ｄが続くということを表すシグナルを重ねる。サブ変調パルスは、固化ラインにおいてしか現れない。
【００３３】
さらに、一連のスーパー変調パルスｅ−ｆ、ｇ−ｈ、ｉ−ｊ等が重ねられた結果、照射ビームは、図４（ｂ）に示すように、サブ変調パルスＰの集合体Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５そしてＳ６を構成する。このようなパルスの集合体により硬化可能な組成物を露光すると、像形成面で露光された層内に、一群の非連結の硬化領域、すなわち小島３２が形成される。これらは、図５（ａ）ならびに図６の示すように、半硬化した組成物によって分離されており、露光ラインに沿った破線形状をしている。図６において、硬化した小島３２は斜線領域で示される。しかし、小島のどの部分においても硬化度合が均一であるということを示しているわけではない。照射ビームの強度はガウス曲線で表されるので、図示はしていないが、小島の端の近くでは露光レベルが落ちている。パルス集合体の発生頻度は、破線の間の半硬化領域３４に硬化した材料が含まれないように、半硬化した組成物のみから構成されるように、計算されたものでなければならない。
【００３４】
好ましい露光レベルは、図５（ａ）の深さｄに示されるように、下層にまで露光が及び、小島を下層に固定することができるように算定されたものである。ｄの大きさ自体は重要ではなく、層の厚さ以上に露光され、層の厚さより深い位置まで材料が硬化すればよいのである。上述の米国特許第５，０１４，２０７号には、ビーム照射に関係する光硬化深さの算定方法が開示されている。
【００３５】
この第１露光に続いて、同じ像の情報に基づき同じ層を第２露光する。ビーム強度を図４（ａ）のように変調すると、全固化ラインＡ−Ｂ，Ｃ−Ｄ等に相当するサブ変調されたパルス集合体となる。第２露光の結果、図５（ｂ）ならび図７に示すように、第１露光で形成された小島すなわち破線形状部分の間の部分を含め、全ての露光領域が完全に硬化する。図７は、第２露光の結果、走査線３６に沿って全ての材料が硬化したことを示す平面図である。図からわかるように硬化部分には、小島３２もその小島の間の半硬化領域３４も含まれている。
【００３６】
図８は、この工程を僅かに変化させたもので、走査線３０に隣接する小島３２の位置がずれており、小島３２と３２’が隣合っていない。
ポリマーの中には、露光の後１分以上も収縮が続くものがある。このように露光後も収縮が認められる場合には、ポリマーの露光後収縮が起こる時間を考慮し、スーパー変調の後十分な時間を取って、第２露光をするとよい。
【００３７】
二つの露光が完了した後、未露光の材料の新しい層を露光した層の上に重ね、この新しい層に対しても前記工程を実施する。そして、それぞれの層が物体の断面を表している連続した層によって３次元物体が完成するまで、この工程が繰り返される。
物体を槽内から取り出す、すなわち物体から未露光の材料を剥奪する場合、その物体を強力に露光しさらに硬化させてもよい。
【００３８】
全露光時間を節約するため、第１露光のための走査線の間隔を第２露光のものと変えてもよく、具体的には、第１走査の走査線間隔が０．００５ｉｎで、第２走査の走査線間隔が０．００２ｉｎであっても、均一な像形成領域の硬化が可能である。
上述したような液体光形成可能な組成物の使用例では、第１のスーパー変調露光の間、各層の厚さを０．００５ｉｎに、サブ変調パルス「Ｐ」の間隔を１．５６秒に設定する。３５１．１ｎｍと３６３．８ｎｍのプライマリライン（ｐｒｉｍａｒｙｌｉｎｅ）を有するＵＶスペクトルの照射ビームを発生させるコヒーレントアルゴンイオンモデル（ＣＯＨＥＲＥＮＴＡＲＧＯＮＩＯＮＭＯＤＥＬ）３２６レーザーが、像形成ビームを発生させる露光源として使用される。このビームは、断面が通常円形で、像形成面においてガウス出力分布の円形スポットを有する。像形成面におけるビーム出力は、２２５ｍＷで、１／ｅ^２スポット径（ｓｐｏｔｒａｄｉｕｓ）は、０．００６８５ｃｍである。破線形状露光部分（ｅ−ｆ、ｇ−ｈ、ｉ−ｋ等）の長さは、それぞれ０．００４ｉｎで、破線露光部分間の距離（ｆ−ｇ、ｈ−ｉ、ｈ−ｋ等）は、それぞれ０．００２ｉｎである。破線形状走査線間隔（隣接する走査範囲の中心から中心までの距離）は、０．００５ｉｎである。
【００３９】
サブ変調露光される場合には、０．００２ｉｎの走査間隔が用いられるが、その０．００２ｉｎの走査間隔のために必要な材料は、およそ次の多項式であらわされる露光曲線の重合深さを有する。
深さ（ｃｍ）＝Ａ＋Ｂ・Ｅ＋Ｃ・Ｅ^２
ここにおいて、
Ａ＝−０．００３１４
Ｂ＝０．００４２４３
Ｃ＝０．００１３２５
Ｅ＝露光レベル［ｍＪ／ｃｍ^２］
半径０．００５ｉｎの像形成領域内の各点に対する露光量を合計すると、最大露光（破線部分の中心において）は、およそ１３．６８ｍＪ／ｃｍ^２、最大厚さ（破線部分の中心において）は、０．００６７ｉｎ、従って、それぞれの破線形状部分の固定部分あるいは接触部分は、０．００１７ｉｎであると計算される。破線部分の間隔は、破線部分の間を硬化した材料で埋めることなく、半硬化した組成物のみが存在するように選択する。
【００４０】
この第１露光の後、第２露光する。第２露光では、像形成面のビームスポットが２ｍｉｌの走査線間隔で走査される。ザブ変調パルスの間隔は０．８８秒である。レーザー出力およびレーザースポットの大きさは、第１露光の時と変わらない。半径５ｍｉｌ以内の領域を露光する場合、破線部分を形成する第１走査と非破線部分を形成する第２走査における領域内の各点に対する露光量を合計すると、最大、最小、平均露光レベルは、それぞれ２９．０４ｍＪ／ｃｍ^２、１８．６２ｍＪ／ｃｍ^２、２２．７１ｍＪ／ｃｍ^２と計算される。これらの露光の結果形成された硬化部分の最大、最小、平均厚さは、それぞれ０．０１０ｉｎ、０．００８ｉｎ、０．００９ｉｎと計算される。層の設定上の厚さは、０．００５ｉｎであるので、材料は厚さにおいてくまなく硬化されたことになる。
【００４１】
上記の実施例とその解説からわかるように、本願は、露光装置を用いて単一の物体を一度に製造する状況設定で述べられている。産業界においては、通常、槽の中の一つのプラットフォーム上で二つ以上の物体が、それぞれに対する異なる像の情報に基づき、時には異なる走査間隔を用いて製造される。また、物体毎に層の厚さを変えながら、同時に多数の物体を製造することもある。このような場合においても、本発明の実施は可能である。本発明を実施するに当たり、それぞれの物体を他の物体から独立しているものとして捉え、それぞれをこの開示内容に従って２度露光するのである。
【００４２】
本発明に使われる図解したソフトウエアの実施例は、本願の基礎出願のある米国特許出願第０８／０４６，０７０号の付録Ａに記載する。そのソフトウエアは、コンピュータ２８またはそれに類似のシグナルプロセッサー用にＵＮＩＸ（登録商標）シェルスクリプトで書かれており、これにより実施例の最後部に記載されたスーパー変調シグナルを含む第１、第２露光が実施される。
【００４３】
上記実施例では、スーパー変調は照射強度（振幅）変調によるものであるが、照射強度を一定にし、像形成面での走査速度を変えることによって実現してもよい。例えば、走査ミラー操作システムに正弦波型シグナル（ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌｔｙｐｅｓｉｇｎａｌ）を加えれば、ビームを走査線に沿って動くように振動させることができる。この振動の結果、走査線上のある部分を、他の部分より長く露光することができる。振動の頻度を適当に調節すれば、長い露光が光形成可能な組成物の露光のしきい値より上に、短い露光が光形成可能な組成物の露光のしきい値よりも下になるように、設定することができる。
【００４４】
上述のシステムは、本発明の方法をデジタル的に処理したものである。しかしながら、アナログ環境で第１および第２露光がなされてもよい。本願の発明は、ここに記載された実施例に限られるものではなく、本発明の開示の恩恵をうける当業者による様々な変更が可能である。例えば、本発明からサブ変調露光の部分を削除し、像形状変調とスーパー変調シグナルのみで変調された一定の強度のビームを用いてもよい。あるいは、固化物体を構成する層の一層ごとではなく複数層単位で、ここに開示した第１および第２像形成露光してもよい。これらおよび類似の変更は、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内に含まれていると解釈される。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、層は二度露光されており、第１露光により半硬化の組成物領域によって分離され、固定され、硬化され、複数の破線状の像形成領域を有する非連続の像パターンを形成し、第２露光により半硬化組成物領域を硬化させるので、三次元物体内部に残る未硬化組成物を最小限に抑えて三次元物体を最も硬い状態に保ちつつ、歪みのない三次元物体模型を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施するための装置を示す概略図である。
【図２】露光ビームをサブ変調するために照射ビーム変調器に送られるコントロールシグナルを示す図である。
【図３】目標平面におけるビーム強度の分布を示す図である。
【図４】照射ビーム変調器に送られるコントロールシグナルを示す図であり、（ａ）は露光ビームを像形状変調する時のコントロールシグナルを示し、（ｂ）は光形成可能な組成物に対して第１像形成露光する際に使用される照射ビームをスーパー変調する時のコントロールシグナルを示す。
【図５】光形成可能な層を露光した場合の概略立面断面図であり、（ａ）は図４（ｂ）のコントロールシグナルを用いて第１露光した状態を示し、（ｂ）は図４（ａ）のコントロールシグナルを用いて第２露光した状態を示す。
【図６】第１露光後の小島が形成された像形成領域を示す概略平面図である。
【図７】第２露光後の図６の像形成領域を示す概略平面図である。
【図８】本発明の別の実施例の、第１露光後の小島が形成された像形成領域を示す概略平面図である。
【符号の説明】
１０レーザー
１２ビーム
１３像形成面
１４変調器
１５，１５’，１７，２５ライン
１６，１８ビーム直交偏向装置
２０槽
２２形成可能組成な物
２４昇降手段
２６プラットフォーム
２８制御モジュール
３０，３６走査線
３２，３２’ 小島
３４小島の間の半硬化領域

Claims

光形成可能な組成物の層を、三次元物体の所望断面部分を表す所定のパターンに従って各層が露光されるように、順々に像形成露光することによって形成された硬化部分に対応する物体の多数の断面部分から、三次元物体を形成する方法において、
（１）スーパー変調された露光源を用いて、少なくとも一層を所定パターンに像形成露光し、前記層に、半硬化した光形成可能な組成物の領域によって分離されて、不連続な、固定され、硬化された像形成領域を有する非連続像を形成し、
（２）変調された露光源を用いて、前記層を同じ所定パターンに像形成露光し、前記層に連続した前記所定パターンの硬化像を形成すること、
（３）前記（１）及び前記（２）を繰り返すことからなる三次元物体製造方法。
前記露光源が、前記層を走査する変調されたレーザービームを出力し、「オン」状態から「オフ」状態まで、所定の間隔で前記層を照射する前記ビームの強度を選択的に変えることによって、前記露光源の変調とスーパー変調を達成することを特徴とする請求項１記載の方法。
前記（１）と（２）との工程を予め選択した回数繰り返し、所定パターンに相当する複数の層を露光することを特徴とする請求項１または２記載の方法。
前記（１）と（２）の工程を予め選択した回数繰り返し、所定パターンに相当する複数の層を連続して露光することを特徴とする請求項１または２記載の方法。
前記分離、硬化した像形成領域が点線形状からなることを特徴とする請求項２記載の方法。
前記分離、硬化した像形成領域が破線形状からなることを特徴とする請求項２記載の方法。
前記スーパー変調された前記層のための第１露光が、前記層上に縦方向にずれた硬化領域を形成することを特徴とする請求項１または２記載の方法。
前記光形成可能な組成物が感光性ポリマーからなることを特徴とする請求項１記載の方法。
前記感光性ポリマーが液体であることを特徴とする請求項８記載の方法。
前記（２）の工程が、前記（１）の工程の実行から所定時間経過後に実行されることを特徴とする請求項１記載の方法。
前記所定時間内に、第１露光による前記光形成可能な組成物の収縮が完了することを特徴とする請求項１０記載の方法。