JP4503522B2 - ３次元物体の造形方法 - Google Patents

Description

本発明は、高速試作および製造（Rapid Prototyping and Manufacturing; RP&M）技術を利用した３次元物体の造形（たとえばステレオリソグラフィ）に関するものである。本発明は、詳しくは所定の硬化刺激の発生において改良された発生制御方法を利用した３次元物体の造形方法、特にその硬化刺激の造形材料への印加に関するものである。

関連技術
高速試作および製造（Rapid Prototyping and Manufacturing; RP&M）と呼ばれる技術分野に属する技術を利用すると、一つの３次元物体を表現したコンピュータ上の３次元データから、高速かつ自動的にその３次元物体を造形することができる。このRP&Mには、（１）ステレオリソグラフィ法、（２）選択的積層成型法、および（３）ラミネート・オブジェクト作成法の3つの技術分類が含まれると考えられている。

ステレオリソグラフィ法の分類に属する技術では、形成済みの層に接する流体状材料の新たな層を形成させ、３次元物体の連続断面を表す断面データをもとにこの層を選択的に硬化させ、硬化層（すなわち固体化した層）を形成、密着させるという操作の繰り返しにより、３次元物体を作成する。単にステレオリソグラフィと呼ぶ場合は、ステレオリソグラフィ法に属する技術のうち特に、所定の硬化刺激に露出することにより選択的に硬化させられる液体材料を利用した技術を指すものと捕らえられている。ここで、液体材料とは典型的には感光性重合体であり、所定の硬化刺激とは典型的には可視光あるいは紫外線の放射エネルギーである。放射エネルギーはレーザーで発生させるのが典型であるが、アーク灯や電灯等、他のエネルギー源の使用も可能である。硬化刺激に対する流体の露出は、ビーム走査、あるいは放射エネルギーを選択的に透過もしくは反射する光バルブを利用した一括露出制御により行われる。液体材料を使用したステレオリソグラフィに関しては、多くの特許、特許出願および特許公開が開示されており、そのいくつかについては、後出の関連出願の項で簡潔に述べる。

ステレオリソグラフィ技術として知られる他の技術としては、選択的レーザー焼結（Selective Laser Sintering; SLS）が挙げられる。SLSは、粉末材料層を赤外線放射エネルギーに露出し、粉末粒子を燒結もしくは溶解させることにより、選択的硬化をはかる技術に基づいている。SLSに関しては、１９８９年９月５日にDeckardに発行された米国特許第４，８６３，５３８号に記載されている。３番目に挙げられるのは、３次元印刷（Three Dimensional Printing; 3DP）と呼ばれる技術である。3DPは、粉末材料層に結合剤を選択的に吹き付けることにより、選択的硬化をはかる技術に基づいている。3DPに関しては、１９９３年４月２０日にSachsに発行された米国特許第５，２０４，０５５号に記載されている。

本発明は、基本的には、液体状造形材料（すなわち液体状基材）を使用したステレオリソグラフィのための発明である。しかし、本発明の技術は、他のステレオリソグラフィ技術にも応用可能だと考えられる。

選択的積層成型法（Selective Deposition Modeling; SDM）では、３次元物体の断面を表すデータをもとに、硬化性材料を一硬化層分ずつ選択的に重ねていくことにより、３次元物体を作成する。配分された造形材料は、冷却、加熱、放射エネルギーへの露出、あるいは第二の材料物質の塗布により、硬化させられる。配分される材料は、単一材料である場合も、異なる特性を持つ複数材料である場合もある。こうした技術の１つに、溶解積層成型法（Fused Deposition Modeling; FDM）がある。FDMは、過熱された流体状の造形材料を、造形物体の形成済み硬化層の上に糸状に押し出して硬化させる過程を含む。FDMに関しては、１９９２年６月９日にCrumpに発行された米国特許第５，１２１，３２９号に記載されている。他の技術としては、弾道粒子成型法（Ballistic Particle Manufacturing; BPM）が挙げられる。BPMでは、５軸インクジェット噴射機を用いて、硬化済みの層の上に造形材料の粒子を発射する。BPMに関しては、１９９６年５月２日に公開されたBrownによる国際特許公開第WO／９６／１２６０７号、１９９６年５月２日に公開されたBrownによる国際特許公開第WO／９６／１２６０８号、１９９６年５月２日に公開されたMenhennettによる国際特許公開第WO／９６／１２６０９号、１９９６年５月２日に公開されたMenhennettによる国際特許公開第WO／９６／１２６１０号に記載されている。３番目に挙げられる技術は、マルチジェット成型法（Multijet Modeling; MJM）と呼ばれる技術で、複数のインクジェット・オリフィスから造形材料の液滴を選択的に吹き付けることにより、造形過程の高速化がはかられている。MJMに関しては、１９９６年９月２７日にEarlらにより出願された米国特許出願第０８／７２２，３２６号、および１９９６年９月２７日にLeydenらにより出願された米国特許出願第０８／７２２，３３５号（両出願とも本出願と同様3D Systems社に譲渡されている）に記載されている。

ラミネート・オブジェクト作成法（Laminated Object Manufacturing; LOM）では、造形される３次元物体を表す断面データに応じて選択された順序で、シート状の材料を積層、接着および選択的に切断することにより、３次元物体を造形する。LOMに関しては、１９８８年６月２１日にFeyginに発行された米国特許第４，７５２，３５２号、１９９１年５月１４日にKinzieに発行された米国特許第５，０１５，３１２号、１９９３年３月９日にHullらに発行された米国特許第５，１９２，５５９号、および１９９５年７月６日に公開されたMoritaによる国際特許公開第ＷＯ／９５／１８００９号に記載されている。

前述のように、本発明の技術は、基本的には液体材料を利用したステレオリソグラフィ法による物体造形のための技術であるが、ビームその他の硬化層形成要素の印加に関して精密な制御が要求されるようなLOMおよび／またはSDM技術においても、本発明のいくつかの技術が応用可能であると考えられる。

ステレオリソグラフィ技術におけるビーム発生技術およびビーム位置決定技術に関しては、複数の点で改良が要求されている。第一の要求点は、ステレオリソグラフィのシステム内にある半導体紫外レーザーの有効寿命を長くすることである。第二の要求点は、走査ベクトル全体を通じて実質的に一様な露出を保ちながら、同時に可能な限り走査を高速化し、かつ十分なビーム位置制御能を維持して、全体の露出時間を最小限に抑えることである。第三の要求点は、ステレオリソグラフィのシステム内で発生させられ、造形材料に印加されるレーザーの強度に関し、より高い制御能を実現することである。第四の要求点は、造形材料の露出が、複数の異なる型のベクトルで制御される場合において、ステレオリソグラフィのシステム内における露出効率を改善することである。第五の要求点は、与えられたベクトル集合の露出に有用な最大レーザー強度限界を決定するための、簡単な方法を導入することである。

１． その他の関連特許および関連特許出願
本明細書中では、前出および後出の特許、特許出願、および特許公開の全内容を参照により記載しているものとする。表１から表６は、本出願の譲受人が共有する特許および特許出願の一覧表である。特定記載事項についての参照先が分かるよう、表中には各特許および特許出願の発明主旨を簡単に併記した。表中の発明主旨に関する各項目は、文中に特記した事項に発明主旨を限定する意図ものではなく、各特許出願および特許に記載されている全ての発明主旨を含む意味合いのものである。表に示した参照書類の記載事項は、多くの点で本出願の記載事項と組み合わせて利用できる。例えば、種々のデータ操作技術に関する参照書類と本発明の記載事項とを併せて用いれば、より有用に修正された造形物体データを引き出し、より精密および／または効率的な物体造形を行うことも可能である。他にも例を挙げると、各参照書類で開示されている種々の装置構成についても、本発明に含まれる新規の特徴と組み合わせた利用が可能である。

また、本明細書中では、以下の２冊の書籍に関しても全内容を参照により記載しているものとする：（１）Paul F. Jacobs著; Rapid Prototyping and Manufacturing: Fundamentals of Stereolithography; 発行元Society of Manufacturing Engineers, Dearborn MI, U.S.A.; １９９２年 （日本語訳：「高速３次元成型の基礎」、日経ＢＰセンター、１９９３年）; （２）Paul F. Jacobs著; Stereolithography and other RP&M Technologies: from Rapid Prototyping to Rapid Tooling; 発行元Society of Manufacturing Engineers, Dearborn MI, U.S.A.; １９９６年。

本発明の目的は、ステレオリソグラフィのシステム中におけるベクトル露出効率を向上させることにある。

本発明は第一に、硬化材料の連続的な層を所定の硬化刺激ビームに露出することにより、密着した複数の硬化層からなる３次元物体を造形する方法を提供するものであり、その方法は（１）所定の硬化刺激ビームを発する、制御可能なビーム源の設置、（２）造形物体の次硬化層を形成するための準備段階として、直前に形成された材料層に接する新たな材料層を形成する技術、（３）造形物体の次硬化層を表現したベクトル・データに従って、所定の硬化刺激ビームに硬化材料を露出し、次硬化層を形成する技術、および（４）硬化層形成動作と露出動作を複数回繰り返し、複数の密着した硬化層からなる物体を造形する技術を含む。所定の硬化刺激ビーム源の制御により、１組目のベクトル集合に応じて硬化材料を露出する時と、２組目のベクトル集合に応じて露出する時とでは、選択した次元のビームが担う硬化刺激の強さを変化させられるものとする。

本発明は第二に、硬化材料の連続的な層を所定の硬化刺激ビームに露出することにより、密着した複数の硬化層からなる３次元物体を造形する装置を提供するものであり、その装置は（１）所定の硬化刺激ビームを発する制御可能な光源、および造形物体の次硬化層を形成するための準備段階として、直前に形成された材料層に接する新たな材料層を形成する再塗層システム、（２）造形物体の次硬化層を表現したベクトル・データに従って、所定の硬化刺激ビームに硬化材料を選択的に露出し、次硬化層を形成する走査システム、および（３）複数の密着した硬化層からなる物体を造形するために、上記の再塗層システムと走査システムとを複数回動作させるプログラムを組み込んだコンピュータを、備えているものとする。所定の硬化刺激ビーム源の制御により、１組目のベクトル集合に従って硬化材料を露出する時と、２組目のベクトル集合に従って露出する時とでは、ビームが担う硬化刺激の強さを変化させられるものとする。

本発明は他にも、前述した本発明の方法に関する内容を、実行する装置を提供するものである。

本発明のさらなる目的および内容は、後に記す本発明の実施形態の項、およびそこで引用されている各図で、明らかにされる。

本発明によれば、３次元物体の造形方法において、システム中におけるベクトル露出効率を向上させることができる。

また本発明によれば、３次元物体の造形方法において、レーザー・システムの有効寿命を延ばすことができる。

図１および図２は、本発明を実施するための好ましいステレオリソグラフィ装置１（ＳＬＡ）の概略を示した図である。ＳＬＡの基礎をなす各構成要素については、前出の参照書類表に示した通り、米国特許第４，５７５，３３０号、５，１８４，３０７号、および５，１８２，７１５号に記載されている。好ましいＳＬＡには、造形物体１５の素となる造形材料５（すなわち感光性重合体）を入れるための槽３、エレベータ７とその駆動機構（図示せず）、エレベータに付属した支持台９、露出システム１１、再塗層バー１３とその駆動機構（図示せず）、および最低１台のコンピュータが備わっている。上記のコンピュータは、造形物体データの（必要に応じた）操作と、露出システム、エレベータ、および再塗層装置の制御を行うためのものである。

図１は、造形物体の造形途中段階のうち、最も新しく形成された硬化層が、造形材料５上部表面の所望の水準（すなわち所望の作業面）から、およそ１層の厚さ分だけ下の位置に下げられた段階を図示したものである。層の厚さは薄く、かつ造形材料は非常に粘性が強いので、図１に示したように、支持台９を下降させても、造形材料は最新硬化層の上全体に効果的に流れてこない。図２は、前硬化層上を塗層バー１３が掃引し、次の造形材料層が形成されている途中の段階を示した図である。

好ましい露出システムについては、前出の参照書類表に示した数件の特許および特許出願に記載があり、たとえば５，０５８，９８８号、５，０５９，０２１号、５，１２３，７３４号、０８／７９２，３４７号、および０９／２４７，１２０号などが挙げられる。ここで言う好ましい露出システムは、レーザー、ビーム集束システム、およびコンピュータにより制御されたモーター駆動型もしくは検流計型のＸＹ可回転走査鏡を備えたものである。

図３は、好ましいステレオリソグラフィ・システム１の主要要素を図示したブロック図である。図中では、同様の要素には、同じ番号を付してある。露出システムは、赤外レーザーヘッド７０を備えており、所望の反復パルス反復率（たとえば２２．２−４０ＫＨｚ）でパルス型の放射ビームを発生させることができる。露出システムは他に、ＡＯＭ ７２、第一周波数変換結晶（ＦＣ１）７４、第二周波数変換結晶（ＦＣ２）７６、２枚の折り曲げ鏡７８、集束光学系８０、１対のＸＹ走査鏡８２、および検出器８４を備えている。これらの要素中とりわけ走査鏡８２、ＡＯＭ ７２、検出器８４、および集束光学系８０を制御するために、制御コンピュータ９５が設置されている。光路は参照番号８６を付して示してある。前記のコンピュータは、ステレオリソグラフィ造形用に修正された造形物体データをもとに、上記の構成要素を制御する。集束光学系は、造形物体の硬化層形成時において２つ以上のビーム径が実現可能なように制御されることが好ましい。ＡＯＭは、ビーム径等複数の基準に基づいてビーム強度を調節するように、特に制御されている。

走査鏡は、造形材料５の表面上、あるいは検出器８４など他の要素上における所望の位置に向けて、選択的に光路の向きを変えるために使用される。走査鏡以後、ビームがたどり得る異なる方向の例として、３つの光路を参照番号８６’、８６’’、あるいは８６’’’を付して示した。ＡＯＭは、赤外レーザーヘッド７０から第一および第二周波数変換結晶へと向かうビームの強度を設定するものである。ビームは、ＡＯＭから１次光路を経由して、周波数変換結晶へ向かう。他の次数（たとえばの０次や２次）の光路が、周波数変換結晶に向かうことはない。集束光学系は、造形材料５の表面２０上で、所望の集束および／またはビーム径を実現するための系である。

露出システム中のビーム発生部については、図４により詳細な構成図を示した。この図中では、他の図中の要素と類似した要素には、前者の要素と同じ番号が付されている。露光システム中の放射エネルギー発生部は、レーザーヘッド６８、赤外線発生レーザー・ダイオード７１、および光ファイバー・ケーブル６９を備えている。レーザー・ダイオードは、約１８Ｗにて約８０８ｎｍの放射を発生させる。レーザー・ダイオード７１の出力は、光ファイバー・ケーブルを経由して、紫外レーザーヘッド内の赤外レーザー７０に伝達され、その光ファイバーからの放射エネルギーが、赤外レーザー７０を励起する。赤外レーザー７０は、１．０９４ミクロンのレーザー放射を発生させ、そのレーザー放射は、音響光学変調器（ＡＯＭ）７２に向けられる。このＡＯＭ７２は、変数として指定された分のビームエネルギーを、異なる光路に逃がすことにより、ビームの強度を制御するものである。ビームの逃がし先へ向かう光路が、０次光路である。逃がし先は、たとえば、２つの三角形型要素７３からなるトラップなどである。ビームの偏光方向を回転させる半波長板７５に向かう光路が、１次光路にあたる。

半波長板７５を通過したビームは、開口部７７から周波数変換モジュール９３に入射する。開口部７７から入ったビームは、集束鏡７９’を経て、第一周波数変換結晶７４に入射する。第一結晶７４は、第一のビームの一部を、倍の周波数を持つビームに変換する。周波数変換を受けなかった残りのビームと、倍の周波数に変換されたビームとは、ともに２番目の集束鏡７９’’、さらに３番目の集束鏡７９’’’を経て、第二周波数変換結晶７６へ向かう。第二結晶７６では、第一結晶７４に入射したもとのビームの３倍にあたる周波数を持つ、第三のビームが生成される。そして、３種類全ての周波数を含むビームが、開口部７７を通って変換モジュール９３の外へ出て行く。一連の折り曲げ鏡７８およびその他の光学要素は波長選択性を有しており、ビーム中に残存しているもとの周波数および２倍周波数のビーム成分を減衰させる。こうして、３倍周波数のビーム成分のみが、以後のレーザーヘッド６８内の光路を通って伝播していくことになる。

開口部７７から出たビームは、折り曲げ鏡７８を経由した後、円柱レンズ８１’および８１’’を通過する。これらの円柱レンズは、ビーム中の非点収差と過剰な楕円度成分とを除去するためのものである。過剰な楕円成分は、ビームの縦横比、すなわち焦点面におけるビームの最小切断径と最大切断径の比に基づいて決定される。縦横比が１の場合はビーム断面が対称円であることを示し、縦横比が１．１もしくは０．９の場合は、ビーム断面のある方向の径が、別のある方向の径に比べて１０％大きいもしくは小さいことを示す。一般的に、１．１あるいは０．９を超える縦横比は過剰な縦横比とみなされるが、こうした過剰なビーム成分も利用可能な場合もありうる。

円柱レンズ８１’’を通過したビームは、折り曲げ鏡７８へと進む。続くビームスプリッター９４では、ビームのほとんどの成分は透過され、ごく一部（たとえば１−４％程度）のみが検出器８５に方向へ反射される。検出器８５では受けたビームの強度を測定することができ、その測定値はビーム全体の強度を決定するために利用できる。ビームスプリッター９４を透過したビーム成分は、ビーム集束モジュール８０内のレンズ８３’および８３’’を通過する。レンズ８３’’を通過したビームは、２枚の折り曲げ鏡７８によって進行方向を変えられる。

続いて、ビームは集束モジュール内に再入射し、可動レンズ８３’’’を通過する。可動レンズ８３’’’の位置は、ステップモーター８７、可動マウント８８、および親ねじ８９により制御される。モーターは、造形材料の表面上で実現したいビーム径に応じてビームの焦点面を変化させられるよう、コンピュータ制御されている。

あるビーム径から別のビーム径への変更が遅延なく完了するよう、集束システムを前もって較正しておくことが好ましい。この点から、ステップモーターの回転位置を与えるエンコーダーを設けて、エンコーダーが与える位置とビーム径との対応表をコンピュータに記憶させておくことが好ましい。この対応表の値に基づいてステップモーターに命令を与え、現在の位置と所望の位置との差をもとに、ステップモーターを新たな位置まで回転させることができる。モーターが新たな位置に達した後、必要であれば先に参照書類として挙げた米国特許第５，０５８，９８８号に記載されているビーム・プロファイル測定システムを利用して、実際のビーム径を確認することができる。ビーム径の設定に関しては、他の手法が数多く存在し、それらは当業者には明らかであろう。

この後、ビームは折り曲げ鏡７８を経て、出射窓９０から発射される。出力後のビームは、走査鏡その他の光学要素を経ることになる。このレーザーヘッドが発生させたビームは、使用に適した周波数（たとえば２２．２−４０ＫＨｚ、あるいはそれ以上）でパルス化される。レーザーヘッドについては、図４に図示した各要素を支える基盤内に水を流して、冷却することが好ましい。冷却水の流し方は、オリフィス９１から基盤内に流入させ、畝状の冷却水路上を流した後に、オリフィス９２から基盤外に排出させる方法が好ましい。

レーザー用電源は、（１）レーザー・ダイオード７１に所望の電力（たとえば１８Ｗ）を供給し、所望の光学的出力を発生させる、（２）熱電加熱／冷却器等の加熱／冷却器を制御し、結果として、レーザー・ダイオード、赤外レーザー、および／または周波数変換結晶の温度を制御する、（３）ＡＯＭのＱ−スイッチを制御する、（４）集束システムを制御する、（５）検出器の制御、および検出器からの信号の解釈に使用されるといった複数の点で、レーザーの動作制御に利用できる。レーザー用電源に代わって、あるいはレーザー用電源に加えて、前出の処理コンピュータを利用しても、上記のうち１つあるいは複数の要素を制御できる。レーザーをより強力に制御するために、処理コンピュータは、レーザー用電源と機能的に接続されていることが好ましい。

好ましいレーザーヘッド、赤外モジュール、および電源としては、カリフォルニア州のSpectra-Physics of Mountain View社が販売している、パーツ番号Ｊ３０Ｅ−ＢＬ １０−３５５Ｑ−１１あるいはＪ３０Ｅ−ＢＬ ６−３５５Ｑ−１１が挙げられる。

基盤内を流れる冷却水は、赤外レーザー・ダイオード７１の冷却にも利用できることが好ましい。冷却水の流れる順序としては、基盤内を流れた後にレーザー・ダイオード７１上に流れることが好ましい。閉鎖型の冷却システム、あるいはその他の再循環システムもしくは非再循環システムを経由させて、冷却水を再循環させることも可能である。水冷方法に関しては多くの変更例が可能であり、それらは当業者には明らかであろう。

好ましい制御システムとデータ操作システム、および好ましいソフトウェアについては、米国特許第５，１８４，３０７号、５，３２１，６２２号、５，５９７，５２０号を含め、前出の参照表に挙げた多くの特許に記載されている。

図１および図２に戻り、好ましい再塗層装置については、再塗層バー１３、調整された真空ポンプ１７、およびバー１３とポンプ１７を繋ぐ真空管１９に関する説明を含め、前出の参照表に挙げた米国特許第５，９０２，５３７号に記載されている。

好ましいＳＬＡが有する他の要素（図示せず）としては、液面水準制御システム、造形チャンバー、温度制御システムを含む環境制御システム、安全用インターロック、視認装置などが挙げられる。

本発明を実施するためのＳＬＡは、カリフォルニア州バレンシアの3D Systems社から入手可能である。ここで言うＳＬＡには、３２０ｎｍで動作するＣＷ（連続波）ＨｅＣｄレーザーを使用したＳＬＡ−２５０、３５５ｎｍで動作する半導体レーザーを使用し、各々パルス反復率２２．２ＫＨｚ、４０ＫＨｚ、２５ＫＨｚを採用しているＳＬＡ−３５００、ＳＬＡ−５０００、およびＳＬＡ−７０００が含まれる。造形材料として好ましいのは、カリフォルニア州ロサンゼルスのCIBA Specialty Chemicals社により製造された感光性重合体であり、これも3D Systems社から入手可能である。上記重合体としては、ＳＬ ５１７０、ＳＬ ５１９０、およびＳＬ ５５３０ＨＴが挙げられる。

ＳＬＡの典型的動作には、造形材料による塗層膜（すなわち造形材料層）の生成と、その塗層膜の選択的硬化を繰り返し、複数の密着した硬化層からなる造形物体を造形する動作が含まれる。この処理過程を概念的に説明する。まず、エレベータに付属した支持台９が、感光性重合体５の上面２０から１層の厚さ分だけ沈められる。感光性重合体の塗層膜は、液面から所望の深さまでにある材料を硬化させるような所定の硬化刺激（たとえば紫外ビーム）に選択的に露出され、造形物体の第一硬化層が、エレベータに付属した支持台に密着した形で形成される。この第一硬化層は、造形物体の第一断面、もしくは造形物体を支持台上に固定するための保持構造物部分の第一断面に相当する。この第一硬化層の形成後、エレベータに付属した支持台および支持台に密着した第一硬化層は、１層の厚さに相当する深さ分、材料中に沈められる。この保持構造物は、造形する３次元物体の物体構造物を造形中に保持するために物体構造物とともに造形されるもので、造形の完成後は除去されるものである。

以下、層厚その他の長さの単位には、（１）インチ、（２）ミリインチ（すなわちミル）、あるいは（３）ミリメートルのいずれかの単位を用いる。通常、用いられる材料は非常に粘性が強く、各材料層の厚さは非常に薄い（たとえば４−１０ミル）ので、最新硬化層上には材料塗層膜が容易に形成されない（図１参照）。塗層膜が容易に形成されない場合には、再塗層装置によって、造形材料（すなわち感光性重合体）の表面上もしくは表面よりも若干上の面上を掃引し、新たな塗層膜の形成を助けることができる。上記の塗層膜形成過程には、再塗層バーによる所望の速度での掃引処理が、１回あるいは複数回含まれうる。

この塗層膜の形成後、造形物体の第二断面を表現したデータに基づいて行われる、２回目の所定の硬化刺激への材料露出により、２番目の材料層が硬化させられる。この塗層膜形成過程と硬化過程とが、密着した複数の層（２１、２３、２５、２７、２９、３１、および３３）からなる造形物体が造形されるまで、幾度も繰り返される。

造形技術によっては、いくつかのあるいは全ての造形物体断面が、十分に硬化されない場合がありうる。その他にも、処理過程によっては、ある特定層に対応する硬化層（すなわち、造形物体の他の部分と比較した場合、その特定層に相当する高さにあるべき硬化層）が、その特定層が液体表面に位置するときにおいては、全くあるいは部分的にしか露出されない場合もありうる。その場合、上記特定層より後の、ある層の形成過程において、その後形成層に印加される露出が、上記特定層に対応する断面水準にある材料まで硬化させる程の材料変性をもたらす露出であれば、上記硬化層の全体あるいは一部は、この後形成層が材料表面にある際に形成されることもある。すなわち、ある特定硬化層に対応する層と、その硬化層が硬化される際の表面層とは、必ずしも同一とは限らないのである。ある硬化層あるいはある硬化層の一部が硬化される際の表面層とは、その硬化層が硬化された際に材料表面に位置している層のことであると言ってもよい。ある硬化層に対応する層とは、造形物体の他の部分と比較して、その硬化層が位置しているべき次元的に正しい高さに相当する層のことである。

図５は、ステレオリソグラフィの手法で作成しようとするある物体４１の側面図である。水平な層を形成するという観点から、この図には垂直方向軸（Ｚ）および水平方向軸のうちの１つ（Ｘ）が記してある。この物体を利用して、本発明の１つの好ましい実施形態、および変更例の特徴を説明する。この物体は、水平な（すなわち横に平らな）下向き面を２つ含んでいる。１つは、物体下面の４３であり、もう１つは、物体中央に開いた穴４７の上面４５である。同様に、この物体は、水平な（すなわち横に平らな）上向き面を２つ含んでいる。１つは、物体上面の４９であり、もう１つは、物体中央に開いた穴の下面５１である。この物体は、２つの垂直な壁５３と５５を含んでおり、それらは穴４７の両側面にあたる。この物体はまた、両側面に、非水平な（二アフラットと言うこともある）２つの上向き領域５７および５９を含んでおり、同じく両側面に、非水平な２つの下向き領域６１および６３を含んでいる。

図６は、ステレオリソグラフィ法を利用して、前記物体をある解像度で造形した場合の形状例を図示した図である。ここで、材料のＭＳＤおよびＭＲＤ（最小硬化深さおよび最小再塗層深さ；米国特許第５，５９７，５２０号および米国特許出願第０８／９２０，４２８に説明がある）は、共に所望の層厚（すなわち解像度）以下である。この例では、各層の厚さ２２０は一定である。図に示されているように、この造形物体は、１６層の密着した硬化層１０１−１１６、およびそれらに対応した１６層の材料層２０１−２１６から形成されている。材料層は典型的には上方表面から下方へと硬化されていくため、断面データ、硬化層および材料層の指定に際しては、上面位置に対応させた指定を行うのが典型である。硬化層同士を確実に密着させるため、各硬化層の少なくともいくらかの部分には、一層厚分よりも深い硬化をもたらすような露出量が適用されるのが典型である。状況によっては、こうした一層厚よりも深い硬化深さを利用せずとも、確実に層の密着を図れる場合もある。精度を最適化するために、物体データを操作して、一層厚よりも大きなＭＳＤに妥当性を持たせるか、あるいは下向き面の領域が一層厚分より深く硬化しないよう下向き面領域の露出を制限するのが典型である。

図５と図6を比較すると、この例にある造形物体は、もとの設計に比べて過剰な大きさに複製されていることが分かる。垂直面および水平面の位置は正確だが、傾斜した面あるいはニアフラットな面（水平面でも垂直面でもない面）においては、各硬化層の最小はみ出し部がもとの設計の外形面に接しており、最大はみ出し部はもとの設計よりも外側にはみ出している。データの相関、露出および造形物体の大きさの問題については、米国特許第５，１８４，３０７号および５，３２１，６２２号、および前出の参照表に示した他の多くの特許にさらなる説明がある。

図７は、図６に示した形成済みの造形物体について、造形物体中の様々な領域および硬化層を区別して分けた図である。１つの分類法によると（米国特許第５，３２１，６２２号に記載されている）、造形物体の各硬化層は、（１）下向き面領域、（２）上向き面領域、および（３）連接面領域（すなわち、下向き面でも上向き面でもない領域）のうち、１種類から３種類の領域より形成されている。この分類法の場合、次の８個のベクトル型を実用化することができる。また、他の型のベクトルも規定および使用され得る。

下向き面輪郭
− 造形物体の下向き面領域を取り囲む輪郭
上向き面輪郭
− 造形物体の上向き面領域を取り囲む輪郭
連接面輪郭
− 造形物体の下向き面でも上向き面でもない領域を取り囲む輪郭
下向き面ハッチ
− 下向き面輪郭の内側に属する露出線。これらの露出線の間隔は狭くても広くてもよく、また方向も一方向でも多方向でもよい。

上向き面ハッチ
− 上向き面輪郭の内側に属する露出線。これらの露出線の間隔は狭くても広くてもよく、また方向も一方向でも多方向でもよい。

連接面ハッチ
− 連接面輪郭の内側に属する露出線。これらの露出線の間隔は狭くても広くてもよく、また方向も一方向でも多方向でもよい。

下向き面スキン／フィル
− 下向き輪郭の内側に属する露出線で、硬化済み材料の連続領域を形成するために密に分布している露出線。

上向き面スキン／フィル
− 上向き輪郭の内側に属する露出線で、硬化済み材料の連続領域を形成するために密に分布している露出線。

以上を組み合わせて、下向き面輪郭、下向き面ハッチ、および下向き面フィルにより、造形物体の下向き面領域が規定される。また、上向き面輪郭、上向き面ハッチ、および上向き面フィルにより、造形物体の上向き面領域が規定される。連接面輪郭および連接面ハッチは、造形物体の連接面領域を規定する。下向き面領域の下方には、その領域が密着すべき物体は何ら存在しないので（保持構造物部分が存在する場合を除けば）、この領域に適用される露出量は、下方硬化層への密着を図るための過剰露出量を含まないのが典型である。しかし、ＭＳＤに関する何らかの問題に適切に対処するため、過剰露出が行われることもあり得る。上向き面領域および連接面領域の下方には硬化された材料が存在するので、これらの領域に印加される露出量には、下方硬化層への確実な密着を図るための過剰露出量が含まれるのが典型である。

表７は、図７中の各硬化層上に存在する上記分類領域を、要約した表である。

領域の識別およびベクトル型の提唱に関する他の方法については、米国特許第５，１８４，３０７号、５，２０９，８７８号、５，２３８，６３９号、５，５９７，５２０号、および米国特許出願第０８／７２２，３２６号、０８／８５５，１２５号、および０８／９２０，４２８号を含め、前出の参照表に示した多くの特許および特許出願に記載されている。より少ない設定項目しか含まない案も存在する。たとえば、（１）下向き面領域と上向き面領域を統合して外面領域とし、その外面領域と連接面領域のみを規定する方法、（２）全てのフィル型ベクトルを統合して、１つの設定項目とする方法、あるいは（３）上向きハッチと連接ハッチ、または３種類全てのハッチ型ベクトルを統合して１つの設定項目とする方法などがそれである。また、より多くの設定項目を含む方法もある。たとえば、上向き面領域と下向き面領域の片方あるいは双方を、水平な領域と非水平な領域とに分割する方法などがそれである。

領域識別の方法には、各硬化層に付随する境界領域のうち、いずれの部分が外部に面しており、あるいは／またはいずれの部分が硬化層内部に当たるのかの識別を含むような方法もある。外部に面した境界領域は、初期断面境界（Initial Cross-Section Boundaries; ICSB）に対応する。ICSBは、所望の様々な領域に形成される断面に先立って形成される断面境界領域であると、解釈すればよい。ICSBに関しては、米国特許第５，３２１，６２２号および５，５９７，５２０号に記載されている。内部境界は、両面を硬化層の造形物体部分に挟まれている境界であり、一方、外部境界は、片面を硬化層の造形物体部分に、もう片面を硬化層の非造形物体部分に挟まれている境界である。

次に、以上で述べた前提知識および背景を踏まえて、本発明の好ましい実施形態に関し、具体例に注目して説明していく。以下に挙げる実施形態に付した見出しは、この開示情報を読みやすくするためのものであり、本明細書内の記載事項の適用範囲を、その事項が明確に開示された個々の実施形態に、個別化あるいは制限する意図のものではない。

第一の好ましい実施形態
図８は、第一の好ましい実施形態を示したフローチャートである。この実施形態は、ビームが必要でない時間中は、相乗刺激の発生を抑制するよう要求するものである。この実施形態における上記の時間中は、単にビームが造形材料表面に到達することが阻止されるのではなく、刺激の発生自体が抑制されることが好ましく、あるいはより好ましくは中止される方がよい。

要素３００は、造形材料が所定の刺激ビームに露出されることを示す。要素３０２は、次の露出が時間Ｔ１以内に行われるか否かを判断するための分析がなされることを示す。次の露出が時間Ｔ１以内に行われる場合は、処理過程は要素３００に戻り、露出が続行される。次の露出が時間Ｔ１以内には行われない場合は、要素３０４に示すように、ビームエネルギーの周波数変換結晶への到達が阻止される。要素３０６は、次の露出が時間Ｔ２以内に行われるか否かを判断するための分析がなされることを示す。次の露出が時間Ｔ２以内には行われない場合は、処理過程は要素３０６を繰り返す。次の露出が時間Ｔ２以内に行われると判断された場合は、周波数変換結晶に再びエネルギーが向けられ（要素３０８）、所定の刺激発生が再誘発されて、要素３００により再度の露出が行われる。

この技術の長所は、レーザー・システムの有効寿命を延ばせる点にある。ここで言う「有効寿命」という用語は、そのレーザーが一度の修理から次の修理までの間の、物体造形時間を指す。周波数変換レーザーを使用して紫外放射を発生させる場合については、紫外放射発生による周波数変換結晶出射面の損傷が検出されている。この損傷は、レーザーの寿命を著しく縮める要因となる。紫外放射を発生させる結晶の損傷度合いは、その結晶が発生させるエネルギーおよび動作時間に直接関係していると思われるため、本実施形態により、結晶から放出されるエネルギーを削減し、レーザーの有効寿命を延ばすことができる。この実施形態にて使用するレーザーとして好ましいのは、図３および図４に示したレーザーである。図に示してあるように、赤外レーザーヘッド７０と、２つの周波数変換結晶７４および７６との間に、ＡＯＭ（すなわち音響光学変調器）７２が設置されている。このＡＯＭは、システム制御コンピュータ（すなわち処理コンピュータ）の制御により、造形材料５の表面２０の露出、あるいはその他の目的においてもエネルギーを周波数変換結晶に到達させる必要がない時は、その到達を抑止する。再塗層時間その他の非露出時間が、実際の造形物体製作時間の５０％を超えるようなこともよくあるため、この技術を用いれば、レーザーの寿命を２倍かそれ以上に延ばすことも可能である。

図９は、この技術の実行結果を図示したもので、レーザーの出力強度がグラフに示されている（出力される所定の硬化刺激を時間の関数として示してある）。このグラフに示した時間範囲内において、３層分の露出と２層分の形成がなされる。図中には、層形成に関わるいくつかの段階が記されている。すなわち（１）ＰＢ＝ビーム・プロファイル測定および分析時間、（２）露出＝硬化層形成のための層露出時間、（３）Ｐｄ＝沈下前遅延時間、（４）塗層＝前硬化層の上に層を形成するための時間で、典型的には前硬化層上を再塗層装置で掃引する時間、および（５）Ｚ−待機＝掃引処理と露出の間の遅延時間である。

図に示してあるように、露出時間中は、物体造形のために好ましい強度水準で所定の硬化刺激が発生させられる。また、これも図に示してあるように、非露出時間中は、硬化刺激の量は著しく削減されている。数秒を超える長さの非露出時間中においては、所定の硬化刺激の発生は、露出時の水準の５０％以下に削減されることが望ましく、もっと言えば７５％以下、９０％以下に削減されることが、さらに理想を言えば完全に抑止されることが好ましい。

図９に示した抑止時間の他にも、抑止が起こり得る時間が存在する可能性がある。そうした時間の一例に、１９９９年２月８日出願の米国特許出願第０９／２４６，５０４号に記載されている、ハッチ間遅延時間がある。硬化刺激の抑止あるいは削減は、こうした抑止が起こり得る各時間の全体を通じてなされている場合もあるし、各時間中の一部分、各時間のうち１つのみの一部分、あるいは他の何らかの時間においてなされている場合もある。

レーザー強度の削減には、様々な方法がある。強度削減および再活性化の時間能力が速くなればなるほど、本実施形態の技術の効率は向上する。前述のように、音響光学変調器を利用すれば、周波数変換結晶への到達強度を変化させることが可能である。ＡＯＭの使用により、硬化刺激の発生を完全に抑止すること、あるいは何分の１秒かのわずかな時間中に、レーザー強度を０％から１００％の間で任意に変化させることが可能となるため、ＡＯＭは、本実施形態、さらには後述の他の実施形態において、好ましい装置であると言える。

他のレーザー強度制御技術としては、以下の技術が含まれる：（１）レーザー光源に励起エネルギーを供給するレーザー・ダイオード源に、可変的に電力を供給するような機構、（２）レーザー光源のＱ−スイッチの動作を、可変的に制御するような機構、（３）電気光学変調器、（４）ビーム強度のパルス反復率を可変的に制御する機構、（５）レーザー光源に励起エネルギーを供給するレーザー・ダイオード源の温度を制御する機構、（６）レーザー光源からのビームを透過させる周波数変換結晶の、温度を制御する機構、および（７）コンピュータにより制御されたシャッター。

時間Ｔ１の決定要素としては、いくつかの要素が挙げられ、たとえば（１）ビームの減衰あるいは抑止に要する時間、および（２）ビームを再活性化し、安定させるのに要する時間などが含まれる。時間Ｔ２の決定要素としても、いくつかの要素が挙げられ、たとえば上記（２）の要素、および再点検・再評価間の時間などが含まれる。他の例として、比較ルーチンのループではなく、カウントダウン・クロックの経過時間に基づいて、ビームをオンにする決定がなされる場合もある。

第二の好ましい実施形態
本実施形態は、ベクトルの露出の制御、特に高速走査が実現される際の上記制御を、効率的に行う技術を提供する形態である。本技術においては、選択した複数の露出ベクトル（すなわち、造形材料の露出を意図したベクトル）を、１つあるいは複数の非露出ベクトル（すなわち、造形材料を有意に露出することなく、ビームの走査方向および速度の設定を変更するために利用されるベクトル）で連結し、各露出ベクトルの始点において、辿るべきベクトルに適合した走査速度および動作方向が保証されるようにする。同様に、各露出ベクトルの終点においては、そのベクトルに適合した走査速度の維持が保証される。

図１０および図１１は、本実施形態の実行過程を表したフローチャートである。このフローチャートの出発点は要素４００で、ここで変数“ｉ”が１に設定される。この変数は、走査する各露出ベクトルを指定するための変数である。この次に続く露出ベクトルは、“ｉ＋１”で指定される。

要素４０２は、第一露出ベクトルＥＶｉおよび第二露出ベクトルＥＶｉ＋１を表現するデータの供給を、要求するものである。各ベクトルを表すパラメータとしては、以下のパラメータが含まれる：（１）各ベクトルの始点のＸ位置ＸｉｂおよびＸ（ｉ＋１）ｂ、（２）各ベクトルの始点のＹ位置ＹｉｂおよびＹ（ｉ＋１）ｂ、（３）各ベクトルの終点のＸ位置ＸｉｅおよびＸ（ｉ＋１）ｅ、（４）各ベクトルの終点のＹ位置ＹｉｅおよびＹ（ｉ＋１）ｅ、（５）各ベクトルの走査速度のＸ成分ＳＸｉおよびＳＸｉ＋１、および（６）各ベクトルの走査速度のＹ成分ＳＹｉおよびＳＹｉ＋１。

要素４０４は、４つの全体制御パラメターの値を要求するものである。この４つの全体制御パラメターとは、（１）ＨＳ境界：速度傾斜を必要としない速度境界における、各軸ごとの最大走査速度変化分＝Ｎ１、（２）ＨＳ傾斜：最大加速時に許容できる速度変化量＝Ｎ２、（３）ＨＳ休息：方向変更の遷移が行われる際に許されている速度＝Ｎ３、および（４）ＦＦ：ベクトル終点までの前送コマンドを適用するための時間＝Ｎ４である。これらのパラメターについて、好ましい値の例としては、ＨＳ境界＝７０ｉｐｓ（すなわちインチ／秒）、ＨＳ傾斜＝２５ｉｐｓ／時間単位、ＨＳ休息＝７０ｉｐｓ、およびＦＦ＝４時間単位といった値が挙げられる。好ましいシステムにおいては、１時間単位＝１５マイクロ秒である。

要素４０６は、第一ベクトルと第二ベクトル間の速度変化を、Ｘ軸およびＹ軸のそれぞれの方向について決定することを要求するものである。この情報および４０４の全体制御パラメターは共に、要素４０８に対する入力となる。

要素４０８は、ΔＳＸとΔＳＹのどちらか一方でも、Ｎ１より大きな値をとるものが存在するか否かを分析することを要求するものである。Ｎ１より大きな値のものが存在する場合は、２つのベクトル間の遷移は、２つ以上の非露出ベクトルを導入しなくては実現されないことになる。ここでの応答が「はい」の場合は、処理過程は要素４１０へと進み、非露出ベクトルの生成過程が開始される。そうではなく、応答が「いいえ」の場合は、処理過程は要素４２４へと進み、また別の分岐条件が課せられる。

要素４１０は、Ｎ４の時間内で“ｉ”番目の露出ベクトルＥＶｉの終点にて前送加速制御を行い、“ｉ”番目の露出ベクトルＥＶｉの終点到着時においてビームを遮断し、さらに“ｉ”番目の露出ベクトルＥＶｉの終点に、ＥＶｉに平行な第一傾斜ベクトルＲＶｉを挿入することを要求するものである。方向あるいは速度の変更が起こる時点に先立って、加速コマンドを適用するというのが、前送の概念である。加速のために加えられる力の大きさ、および加速を加える時間の長さは、第一ベクトルの終点および第二ベクトルの始点における、位置決定能および走査速度を最適化することにより、経験的に決定され得る。上記の始点を超えて行き過ぎてしまうよりは、上記始点に到達しきらない形の誤差のほうが好ましい。こうした最適化は、遷移後における位置および／または走査速度の誤差の合計量を最小化するという考えに基づいて行うことができる。ここでの好ましい実施形態においては、走査鏡コマンドが１５マイクロ秒ごとに更新されることが好ましい。各１５マイクロ秒は、１「時間単位」として捉えられる。ある好ましいシステムにおける最大加速量は、約２５インチ／秒／時間単位に設定されている。このシステムでは、前送時間として４時間単位という値を使用するとよい結果が得られることが、経験的に分かっている。当然ながら、システムの状況、または位置決定能および速度に関する所望の誤差許容量基準によっては、前送時間を指定するＮ４に他の値を使用してもよい。

要素４１２は、所望の最大加速水準としてＮ２が適用されたとして、第一傾斜ベクトルＲＶ１ｉの時間設定値および／または長さ設定値を、ＸスキャナーとＹスキャナーの双方を所望の走査速度に到達させるために必要な最小の設定値に合わせることを要求するものである。第一傾斜ベクトルの走査時間を、数式で表現すると、
（ＳＸｉ−Ｎ３−Ｎ４＊Ｎ２）／Ｎ２ あるいは
（ＳＹｉ−Ｎ３−Ｎ４＊Ｎ２）／Ｎ２
のいずれか大きい方ということになる。第一傾斜ベクトルの長さは、導出された時間および使用される加速値Ｎ２から決定される。

要素４１４は、第一傾斜ベクトルＲＶ１ｉの終点を始点とし、標準前送量Ｎ４と等しい長さの時間内だけ、第一傾斜ベクトルと同じ方向へ進むような遷移ベクトルＴＶｉの生成を要求するものである。本実施形態においては、このベクトルの長さ分全体に前送加速コマンドが課されることになる。前送加速コマンドは、各スキャナーを適切に加速し、要素４２０で生成されるであろうジャンプベクトルへの遷移を図るコマンドである。そのため、処理過程中のこの時点では、前送に関する判定基準は、まだ具体的に設定できない。

要素４１６は、次の露出ベクトルＥＶｉ＋１に平行で、ＥＶｉ＋１の始点を終点とするような、第二傾斜ベクトルＲＶ２ｉを挿入することを要求するものである。第二傾斜ベクトルの終点における走査速度のＸ成分およびＹ成分は、次の露出ベクトルについての所望の速度値と等しくされる。

要素４１８は、第二傾斜ベクトルＲＶ２ｉの時間／長さの設定を要求するものである。この時間／長さは、遷移ベクトルの走査速度Ｎ３から次の露出ベクトルの走査速度への遷移に必要とされる、最小値以上の値に設定される。第二傾斜ベクトルの走査時間としては、
（ＳＸｉ＋１−Ｎ３）／Ｎ２ あるいは
（ＳＹｉ＋１−Ｎ３）／Ｎ２
のいずれか大きい方に等しいか、あるいはそれよりも大きな値が指定され得る。第二傾斜ベクトルの長さは、導出された時間および使用される加速値Ｎ２から決定される。

要素４２０は、第一傾斜ベクトルＲＶ１ｉの終点を始点とし、第二傾斜ベクトルＲＶ２ｉの始点を終点とするような、ジャンプ・ベクトルＪＶｉを挿入することを要求するものである。前送加速コマンドは、ジャンプ・ベクトルＪＶｉが走査される、Ｎ４の最終段階に当たるいくつかの時間単位中全体を通じて、課されることになる。ジャンプベクトルの終点（すなわち次の露出ベクトルの始点）において、ビームの伝播に対する抑止は終了され、ビームは光学系を経由して造形材料へと伝播ことができるようになる。

要素４２２は、露出ベクトルおよび生成されたあらゆる非露出ベクトルに従って、走査鏡を制御することを要求するものである。

要素４２４は、要素４０８において、走査速度のＸ成分およびＹ成分の双方とも、前記のＨＳ境界変数により設定された許容量に比べて小さいという結果が出た場合の、次の段階である。要素４２４は、“ｉ”番目の露出ベクトルＥＶｉの終点と、（ｉ＋１）番目の露出ベクトルＥＶｉ＋１の始点とが一致しているか否かの判定を要求するものである。

上記の終点と始点が一致している場合は、処理過程は要素４２２へと進む。要素４０８の判定基準で「いいえ」となり、要素４２４の判定基準で「はい」となった場合は、“ｉ”番目の露出ベクトルの終点に適用される前送コマンドのみにより、“ｉ”番目の露出ベクトルと（ｉ＋１）番目の露出ベクトル間の遷移を十分な精度で実行することができると結論してよい。

要素４２４の判定基準で「いいえ」となった場合には、処理過程は要素４２６へと進み、“ｉ”番目と（ｉ＋１）番目の露出ベクトル間に、ジャンプ・ベクトルＪＶｉが挿入される。このジャンプ・ベクトルは、２つのベクトル間の間隙を補うためのベクトルである。“ｉ”番目の露出ベクトルの終点、およびジャンプ・ベクトルの終点において前送加速コマンドを使用することにより、所望の方向変更および速度変更が達成可能であるので、非露出ベクトルの追加使用は必要とされないのが典型である。

要素４２８は、ＥＶｉが形成されるべき最後のベクトルであるか否かを判定するものである。ＥＶｉが最後のベクトルでない場合は、要素４３２にて変数“ｉ”に１が加算され、要素４０２から４２８のループによる処理が再度行われることになる。“ｉ”番目の露出ベクトルが最後のベクトルである場合は、処理過程は要素４３０へと進み、ビームが抑止され処理は終了する。

図１０および図１１に要約した処理過程の適用例を、図１２および図１３を用いて説明する。図１２は、ある仮想的な硬化層形成に使用される一連のベクトルの、上から見た分布である。これらのベクトルは、造形される物体のある断面を表現したもので、ＸＹ平面上に分布している。これらのベクトルには、４本の輪郭ベクトル４４０、４４２、４４４、および４４６が含まれている。さらに、輪郭内部にあり、Ｙ軸に平行な一連のベクトル（たとえばＹ方向ハッチやＹ方向フィルのベクトル）である４４８、４５０、および４５２も含まれている。また、輪郭内部にあり、Ｘ軸に平行な一連のベクトル（たとえばＸ方向ハッチやＸ方向フィルのベクトル）である４５４、４５６、および４５８も含まれている。これらの各ベクトル分類については、露出量、位置誤差許容量規準、および露出に用いるビーム・サイズに関し、それぞれ異なる設定を施すことが可能である。同様に、各分類において使用されるビーム強度についても、それぞれ異なった設定が可能である。

図１３は、２本の境界ベクトル４４４と４４６間の遷移の様子を示した図である。これら２本の境界ベクトルは端点が一致しているが、それぞれの走査速度および角度の組み合わせから、一連の非露出ベクトルを使用せずに十分な精度の遷移を達成することは不可能となっている。そのため図１３には、露出ベクトル４４４の終点を始点とし、ベクトル４４４に平行な方向に延び、かつ４４４の走査速度を所望の速度（すなわちＨＲ休息）にまで落とす遷移の達成に必要な長さを有するような、第一傾斜ベクトル４６０が描かれている。傾斜ベクトル４６０の終点は遷移ベクトルの始点となっている。この遷移ベクトルは、傾斜ベクトルに平行な方向に延び、かつ所望の前送量（たとえば４時間単位）分に等しい長さを有している。この遷移ベクトルの終点は、ジャンプ・ベクトルの始点となっていて、その終点は第二傾斜ベクトル４６６の始点となっている。ジャンプ・ベクトル４６４の終点において前送コマンドが適用され、走査速度の正味の大きさに対する変更を要さずに、第二傾斜ベクトルの方向への遷移が行われる。第二傾斜ベクトル４６６は、ジャンプ・ベクトル４６４と、次の露出ベクトル４４６との間を結ぶベクトルである。この傾斜ベクトルは、次の露出ベクトルに対する所望の走査速度値に到達するのに十分な長さを有している。

図１４は、図１３に示した２つの露出ベクトルおよびその間を結ぶ非露出ベクトルの走査中における、３つの走査変数（すなわち、赤外エネルギーの発生量、槽に到達する紫外エネルギー、および走査速度）の変化を示したグラフである。図中の下のグラフに示してあるように、レーザーにおける赤外エネルギーの発生量は一定に維持されることが好ましい。紫外エネルギーに関しては、図中の中央のグラフに示したように、２つの露出ベクトル４４４および４４６の走査中のみ、槽に到達していることが好ましい。非露出ベクトルの走査中においては、紫外エネルギーの発生は停止されていることが好ましい。ビームの抑止機構として作用するＡＯＭを利用すれば、ビームの遮断および再活性化を数マイクロ秒の時間内で行うことが可能である。図中の上のグラフは、実質的に直行する２枚の走査鏡の走査により実現される、走査速度の正味の大きさについての、変化の様子である。図に示してある通り、露出ベクトル４４４は４７０番で示した高速で走査されており、傾斜ベクトル４６０において、走査速さが所望の低い値まで減速され、遷移ベクトル４６２においては同じ速さが維持され、そして第二傾斜ベクトルにおいて、露出ベクトル４４６に対する所望の速さ４７２まで、走査速さが加速される。

本実施形態に関しては、多くの変更例が存在し、それらは当業者には明らかであろう。そうした変更例としては、要素４２４に当たる端点一致の検査を、要素４０８に当たる速度変化分の検査に先立って行う方法などが挙げられる。また、速度傾斜による走査速度の変更を行わずに、第一露出ベクトルＥＶｉの終点をもってジャンプ・ベクトルの始点とすることも可能である。０時間単位以上の範囲で、他の前送量を採用することも可能である。

全体制御パラメターに関して異なる値を採用することも可能である。また、全体制御パラメター自体を異なるものにすることもできる。処理過程中の異なる要素に対しては、異なるパラメター値を使用してもよい。たとえば、異なるベクトル型に対しては、異なる前送量を採用することができる。

第三の好ましい実施形態
図１５に示した第三の好ましい実施形態は、所定の硬化刺激の強度を調節する技術を提供する形態である。要素５００は、処理過程制御変数“ｉ”を１に設定することを要求するものである。要素５０２は、“ｉ”番目のベクトルの集合ＶＳ（ｉ）を構成する各ベクトルについての所望の露出量に基づき、所望のレーザー強度ＤＬＰを決定することを要求するものである。このベクトルの集合は、様々なベクトルで構成され得る。たとえば、与えられた断面上に存在する、ある１つの型のベクトル全てをＶＳに含めることが可能である。１つのあるいは複数の断面上に存在する、全ての型のベクトルをＶＳに含めることも可能である。ＶＳ内の個々のベクトルに対しては、異なる露出を与えることが可能であるが、ベクトル上を走査する際に使用するレーザー強度は共通である。

要素５０４は、一時的にビームをセンサーに向けて、現行のレーザー強度（ＡＬＰ）を決定することを要求するものである。このセンサーは、ビームの全強度が測定できるような全面検出器、一点検出器、あるいはスロット検出器であることが好ましい。所望の時点におけるセンサー方向へのビーム誘導、および造形材料表面方向へのビーム誘導には走査鏡が利用されると考えられるため、上記のセンサーは、走査鏡以降の光路上に設置されていることが好ましい。

要素５０６は、現行の強度と所望の強度との差分、すなわち
ＡＬＰ−ＤＬＰ＝ΔＬＰ
の決定を要求するものである。

要素５０８は、上記のレーザー強度の差分が、所望の誤差許容帯δＬＰ内に収まっているか、すなわち
ΔＬＰ＜δＬＰ
となっているか否かの判定を要求するものである。

要素５０８の分析による判定結果が「はい」であれば、レーザー強度の変更は不必要なので、処理過程は要素５１０へと進み、既存のビームによるＶＳ（ｉ）の露出が行われる。要素５１２は、レーザー強度に対し、強度の差分ΔＬＰに基づく補正要素を適用することを要求するものである。引き続いて、処理過程は要素５１４へと進み、補正されたビームによるＶＳ（ｉ）の露出が要求される。

５１０あるいは５１４の段階を経た後の処理過程においては、ＶＳ（ｉ）が最後のベクトル集合であるか否かの判定がなされる。この結果が「はい」である場合は、要素５２０に示されている通り、処理過程は完了する。上記の結果が「いいえ」である場合は、要素５１８にて“ｉ”に１が加算された後、処理過程はループにより要素５０２へと戻ることになる。

本実施形態に関しては、様々な変更例が可能である。たとえば、要素５１２では、ビーム強度の差分に代えて、所望のビーム強度を得るための既知の設定に基づいて、ビーム強度を補正することが可能である。要素５１２においては、パラメター設定と、ビーム強度の変更値あるいはビーム強度の絶対値との対応表を用いて、そこから新しいパラメター設定を引き出すことも可能である。要素５１２ではまた、調整およびフィードバック用のループを強度検出機構と併用し、それら単独で使用、あるいは強度差分に基づく高等な調整方法とさらに併用することにより、新たな所望の値にレーザー強度を設定することも可能である。

ビーム強度の調整は、可能であれば、レーザー発振器と、所定の硬化刺激発生に使用される周波数変換要素のうち少なくとも１つの要素との間に、抑止装置（たとえばＡＯＭ）を設置して行うことが好ましい。あるいは、周波数変換結晶以降の光路上、またはレーザー発振器自体の内部に抑止装置を設置しても、ビーム強度を調整することは可能である。ビームが一時的に誘導されるセンサーの代わりに、図４中の８５等のセンサーを、ＡＯＭ以外の様々な強度調整装置（たとえば、第一の実施形態の項で述べたもの）と併用することも可能である。

物体造形を最適化するためには、前記のベクトル集合の大きさを可能な限り小さくすることが好ましい。特に望まれるのは、このベクトル集合内に含まれるベクトルの数を、ある特定の断面に付随する全ベクトルの数よりも少なくすることである。言い換えれば、各断面ごとに複数のベクトル集合が存在することが好ましいのである。

各ベクトル集合は、前述のベクトル型に基づいて、それらのベクトルを走査するビーム・サイズごとに決定してもよい。強度調整の達成に要する時間は１秒未満であることが望ましく、さらに言えば０．５秒未満、理想を言えば０．１秒未満であることが好ましい。レーザー強度の誤差許容量δＬＰは、具体的にどのような判定基準が考慮されているかによって、数ｍＷもの小さな値を取ることもあれば、所望のビーム強度の１０％にも当たる大きな値を取ることもある。

第四の実施形態
本実施形態は、レーザー強度の変更を、レーザー強度レベルが所望の強度レベルと合致するか否かに基づいて行う代わりに、その強度変更により節約される露出時間が所望の最少限度時間以上となるか否かの推定結果に基づいて行う技術を提供する形態である。強度の変更値の確認は、変更による走査時間の変化分と、ある所定のパラメター値との比較により行われる。ビーム強度の変更値が、上記のパラメター値が要求する値よりも小さい場合は、ビーム強度は変更されない。

例えば、第一の強度によるＶＳ（ｉ）の走査にかかるある時間を第一時間とし、第二の強度による走査にかかるある時間を第二時間とする。第一時間と第二時間との差分が、強度変更にかかる時間を超えない場合、あるいは所定のパラメター値に合致する場合は、最適走査処理は第一のビーム強度を使用して行われる。ビーム径を変更するか否かの決定も、同様の手続きでなされる。

図１６の要素６００は、処理過程変数“ｉ”を1に設定することを要求するものである。要素６０２は、ある同一強度のビームで露出されるベクトルで構成される、“ｉ”番目のベクトル集合ＶＳ（ｉ）の供給を要求するものである。

要素６０４は、選択された複数のベクトル型に対し、ある１つの所望の露出を設定することを要求するものである。要素６０６は、ＶＳ（ｉ）中の少なくとも１つのベクトル型に対し、ある１つの所望の最大走査速度限界を設定することを要求するものである。要素６０８は、ＶＳ（ｉ）中の少なくとも１つのベクトル型の露出に関して、使用可能な最大レーザー強度ＨＬＰを決定することを要求するものである。選択される１つあるいは複数のベクトル型は、ある最大走査速度を超えることが禁じられているような型が選択されるべきである。

要素６１０は、現行のレーザー強度ＡＬＰの供給を要求するものである。要素６１２は、現行のレーザー強度と使用可能な最大強度との差分の決定を要求するものである。この差分は、
ＡＬＰ−ＨＬＰ＝ΔＬＰ
と表現できる。

要素６１４は、上記のレーザー強度の差分が、０とレーザー強度の誤差許容値との和より大きいか否かを、判定するものである。この判定命題は、
ΔＬＰ＞＝０＋δＬＰ ？
と表現できる。

要素６１４の判定結果が「はい」である場合は、処理過程は要素６１６に進み、レーザー強度がＡＬＰからＨＬＰへと減少させられる。レーザー強度がリセットされると、その直後の処理過程にて、ＨＬＰを使用したＶＳ（ｉ）の露出が行われる（要素６１８）。

要素６１４の判定結果が「いいえ」である場合は、処理過程は要素６２０および６２２へと進む。要素６２０は、ＶＳ（ｉ）中の全ベクトル型に対し、使用可能な最大レーザー強度ＨＬＰを使用した場合の露出時間ＥＴＨ（ｉ）を導出することを要求するものである。要素６２２は、ＶＳ（ｉ）中の全ベクトル型に対し、現行のレーザー強度ＡＬＰを使用した場合の露出時間ＥＴＡ（ｉ）を導出することを要求するものである。

要素６２４は、現行のレーザー強度を使用した場合の露出時間と、使用可能な最大レーザー強度を使用した場合の露出時間との差分を決定することを、要求するものである。この差分は、
ＥＴＡ（ｉ）−ＥＴＨ（ｉ）＝ΔＥＴ
と表現できる。

要素６２６は、上記の露出時間の差分が、予め設定されたある値よりも大きいか否かを判定するものである。この予め設定された値により、レーザー強度についてのある変更が許可されるためには、どれだけの時間が節約されなくてはならないかが示される。この判定命題は、
ΔＥＴ＞δＥＴ ？
と表現できる。この判定結果が「いいえ」である場合は、現行のレーザー強度を使用した露出が行われる（要素６２８）。判定結果が「はい」である場合は、レーザー強度は、使用可能な最大強度まで増加させられる（要素６３０）。その後、要素６３２により、使用可能な最大レーザー強度ＨＬＰを使用した、ベクトル集合ＶＳ（ｉ）の露出が要求される。

要素６３４は、“ｉ”番目のベクトル集合ＶＳ（ｉ）が最後のベクトル集合であるか否かを、判定するものである。判定結果が「はい」である場合は、処理過程は要素６３４へと進み、終了する。判定結果が「いいえ」である場合は、処理過程は要素６３８へと進み、変数“ｉ”に１が加算される。その後、処理過程はループにより要素６０２へと戻り、全てのベクトル集合が処理されるまで、６０２−６３４の要素が繰り返される。

この第四の実施形態に関しては、様々な変更例が可能である。たとえば、露出時間の導出については、推定により行うことも、正確な計算により行うことも可能である。予め設定されるδＥＴの値は、定数でも変数でもよい。露出過程にデッド・タイムを生じさせるような強度変更の場合には、予め設定されるδＥＴに何らかの値を取らせることが可能であるし、強度変更が非露出時間中に行われ、造形時間に何ら影響を及ぼさないような場合には、δＥＴを０とすることが可能である。以上に挙げたいくつかの変更例の他にも、当業者には明らかであろう変更例がいくつか存在する。

第五の実施形態
本発明の第五の実施形態は、多くのパラメターを考慮することにより、ビーム強度を決定する技術を提供する形態である。本実施形態では、ある１つのパルス反復率とビーム径を有するような、一連のパルスビームから成るビームが使用される（ここでのビーム径とは、造形材料の作業表面における、ビーム断面方向の径のことを指す）。

本実施形態においては、グラフィカル・ユーザー・インターフェースを介して、システムのユーザーがある１つの最大走査速度限界値を指定する。その指定された１つの最大走査速度限界値は、選択された複数のベクトルに対するものである。これら複数のベクトルは、造形処理過程にとって重要な走査速度を有するとみなせるようなベクトルが選択されたものである。あるいは、これら複数のベクトルは、その最大走査速度限界値が指定されれば、その硬化深さ等に基づいた処理過程の制御を、他のベクトル型に対する最大速度限界指定値の影響を受けずに行うことが分っているようなベクトルであればよい。各ベクトル型に対する、上記の最大速度限界値を実現するために必要なビーム強度の計算は、特に既知の材料特性、所望の硬化深さ、場合によってはさらにビーム・プロファイルに関する情報に基づいて行われる。たとえば、最大走査速度限界値が指定されるベクトル型は、輪郭型１タイプおよびハッチ型１タイプである場合もあれば、輪郭型あるいはハッチ型のどちらか一方のみである場合もある。

各ベクトル型については、最高走査速度が導出される。この最高走査速度は、各ベクトルに対して指定されたレーザーのビーム径、パルス反復率、および重複基準に基づいて決定されるものである。この重複基準とは、２つの連続したパルスがどれだけ近接していなくてはならないかを指定し、十分なパルス重複が得るための基準である。この重複の大きさは、ビーム径の何％かという形で考慮されるのが普通である。上記の最高速度を表す式の例として、
最高速度 ＝ Ｑ＊Ｂ＊（１−ＯＬ）
を挙げる。ここで、ＱはＨｚを単位とするパルス反復率であり、Ｂはインチあるいはｍｍを単位とする作業表面におけるビーム径であり、ＯＬは上記の最小重複基準である。算出される走査速度の単位は、インチ／秒あるいはｍｍ／秒である。重複基準の決定は、異なる重複量により複数の試験物体を造形し、いずれの重複量にて、結合性あるいはその他の１つまたは複数の造形特性について、十分な特性を有する物体が形成されるかを決定することにより、経験的に行うことができる。これまでのところ有効とされている最小重複量は、ビーム径の４０％−６０％程度である。

多ビーム径システムおよび多ビーム径処理を使用する場合のスポット径の小さいレーザーの強度は、以下に挙げるもののうち最小の強度に設定される。

（１）グラフィカル・ユーザー・インターフェースに入力された値から導かれた、輪郭の最大走査速度限界値に対応する強度、
（２）小スポット・ビーム径、輪郭の重複基準、および所望の硬化深さ等に基づく、最高速度の計算から導かれた強度、
（３）所望の硬化深さ等に基づく輪郭上の小スポット用のデータベース内に、コード化され組み込まれている、走査速度のハード限界に対応する強度、
（４）グラフィカル・ユーザー・インターフェースに入力された値から導かれた、ハッチにおける最大走査速度限界値に対応する強度、
（５）小スポット・ビーム径、ハッチの重複基準、および所望の硬化深さ等に基づく、最高速度の計算から導かれた強度、
（６）所望の硬化深さ等に基づくハッチ上の小スポット用のデータベース内に、コード化され組み込まれている、走査速度のハード限界に対応する強度。

複数ではなく単一のビーム径を採用する場合には、前記の処理過程にて導出された限界値を使用して、レーザー強度の設定が行われる。スポット径の大きいレーザーの強度についても、上記の一連の比較と類似の比較処理が使用される。

上記の処理過程は、上記の比較処理、あるいは上記と同様または類似の結果をもたらす比較処理に基づいて、進められる。たとえば、まず（１）、（２）および（３）の速度を比較して、そのうちの最も低い速度を用いて、小スポット径で走査する輪郭上において使用可能なレーザー強度の最大限界値を求められる。同様に、（４）、（５）および（６）の速度を比較して、そのうちの最も低い速度を用いて、小スポットで走査するハッチ上において使用可能なレーザー強度の最大限界値を求められる。その後、ハッチ上と輪郭上との小スポットにおける最大レーザー強度限界値を比較して、そのうち小さい方の値を、小スポット径および考慮されるベクトル集合中のベクトルに関する使用可能な最大限界値として採用することができる。この処理過程を繰り返して、大スポット径についての強度設定を行うこともできる。

本処理過程に関しては、多くの変更例が存在する。たとえば、上記の比較処理では、考慮されているベクトル集合に含まれるベクトルのみを考慮すればよい。輪郭およびハッチ、さらにはフィルに関しても、異なる型に対して１つの最大レーザー強度限界値を決定することができる。状況によっては、最大レーザー強度限界値は、ユーザー定義の最大走査速度限界値に基づいた値でなくてもよい。最大レーザー強度限界値は、コード化された既存のハード限界値に基づいた値でなくてもよい。上記の処理過程を、ベクトル集合中に含まれるある１つのベクトル型に対してのみ適用することも、可能である。

本実施形態に関しては、他にも様々な変更例が可能である。以上に挙げたいくつかの変更例の他にも、当業者には明らかであろう変更例がいくつか存在する。

その他の変更例
本明細書に記載した方法を実行し、本明細書の記載事項に基づく物体造形のための装置を作成するにあたっては、ソフトウェアあるいはハードへのコード化によって、ＳＬＡ制御コンピュータあるいは別個のデータ処理コンピュータにプログラムを組み込むことが可能である。各実施形態の項中にある方法および装置は、他の実施形態の項中に明記されている変更例に関する記載事項にしたがって、変更することが可能である。さらに、それぞれの実施形態および変更例中に記載された方法および装置は、前に引用した多くの特許および特許出願中の様々な記載事項にしたがって、変更することが可能である。また、本明細書中の記載事項は、他のＲＰ＆Ｍ技術にも応用可能であると考えられる。

以上では、特定の実施形態を複数記載および説明し、かつ多くの変更例を示してきたが、本明細書中の記載事項を一読すれば、当業者には明らかであろう実施形態および変更例を他にも数多く見出せる。つまり、以上に示した実施形態は、本発明の範囲を制限する意図のものではなく、例示的な意味合いのものである。

本発明を実施するためのステレオリソグラフィ装置の側面図。 本発明を実施するためのステレオリソグラフィ装置の側面図。 ステレオリソグラフィ・システムの主要構成要素を図示したブロック図。 レーザーヘッド内の主要構成要素、およびレーザーヘッド内の光路を図示した概略図。 ステレオリソグラフィを利用して造形しようとするある物体の側面図。 図５に示した物体を、ステレオリソグラフィを利用して実際に造形した場合の側面図。 図６の物体の側面図に、各層に付随する複数の異なる露出領域を記した図。 好ましい実施形態の１つについて、処理過程を示したフローチャート。 複数の異なるベクトル型に対する際の走査速度、および好ましい実施形態で典型的に使用される複数の造形段階を通じて、レーザー発振器が発生させる赤外エネルギーおよび紫外エネルギーを表したグラフ。 好ましい実施形態の１つを示したフローチャートの前半部。 好ましい実施形態の１つを示したフローチャートの後半部。 ある硬化材料を露出する際に使用される仮想的なベクトル群を示した図。 図９の露出ベクトル２本と、好ましい実施形態において、その２つの露出ベクトル間の遷移に利用される複数の非露出ベクトルとを、ともに示した図。 レーザー発振器が、図１３に示したベクトル上を走査する際に発生させる、紫外エネルギーおよび赤外エネルギーを示したグラフ。 好ましい実施形態の１つを示したフローチャート。 好ましい実施形態の１つを示したフローチャート。

Claims (6)

1. 連続する材料層を所定の硬化刺激ビームに露出することにより、複数の密着した硬化層から成る３次元物体を造形する方法であって、
   所定の硬化刺激ビームを発する制御可能なビーム源を設置し、
   前記物体の次硬化層の準備段階として、直前に形成された材料層に接した材料層を形成し、
   前記物体の前記次硬化層を表現したベクトル・データに従って、前記次硬化層を形成するために、前記材料を前記の所定の硬化刺激ビームに露出し、
   複数の密着した硬化層から前記物体を形成するために、前記の形成動作および露出動作を複数回繰り返し、
   ベクトル集合に従って前記材料を露出する際に、選択した次元のビーム中の所定硬化刺激ビームの露出量を変化させるために、該硬化刺激ビームの周波数を変換することにより前記所定硬化刺激ビーム源を制御し、
   非露出時間中は、前記硬化刺激の量を、露出時の水準の５０％以下に削減することを特徴とする方法。
2. 音響光学変調器（ＡＯＭ）により前記所定効果刺激ビームの露出量を露出時の水準の５０％以下に削減する請求項１記載の方法。
3. 前記所定硬化刺激ビームの露出量が、（１）輪郭ベクトルの露出とハッチベクトルの露出との間、（２）ハッチベクトルの露出とフィルベクトルの露出との間、および（３）輪郭ベクトルの露出とフィルベクトルの露出との間のうち、いずれか１つあるいは複数の間において変化させられる、請求項１記載の方法。
4. 前記所定硬化刺激ビームの露出量が、２つの層の露出間において変化させられる、請求項１記載の方法。
5. 前記所定硬化刺激ビームの露出量が、前記物体の物体構造物を造形中に保持するために前記物体構造物とともに造形される保持構造部の形成と前記物体構造物の形成との間において変化させられる請求項１記載の方法。
6. 前記所定硬化刺激ビーム源が、（１）前記ビーム源に励起エネルギーを供給するレーザー・ダイオード源に、可変的に電力を供給する機構、（２）前記ビーム源中のＱ−スイッチの動作を、可変的に制御する機構、（３）電気光学変調器、（４）前記ビームのエネルギーにおけるパルス反復率を可変的に制御する機構、（５）前記ビーム源に励起エネルギーを供給するレーザー・ダイオード源の温度を制御する機構、あるいは（６）前記ビーム源が発する前記ビームを透過させる周波数変換結晶の、温度を制御する機構のうち、１つあるいは複数の機構を備えた、請求項１記載の方法。

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