JP6460359B2 - ３次元オブジェクトの作製 - Google Patents

Description

３次元オブジェクトを生成するための潜在的に便利な方法として、各層毎に３次元オブジェクトを生成する積層造形システムが提案されている。

積層造形システムの中には、構築材料の選択的な処理により動作するものがある。作製される３次元オブジェクトの個々の層又はスライスを形成するために、適当な構築材料の層が作製領域内に堆積され、及び作製される３次元オブジェクトの１つのスライスに対応する選択された領域内の構築材料を凝固させるように該構築材料が処理される。構築材料の残りの部分は凝固していない状態のままとなる。

本開示による方法の一実施形態である。 本開示による方法の一実施形態である。 光学センサ装置の一実施形態を示している。 本開示による積層造形システムの一実施形態を示している。 構築材料の１つの層の異なる断面の輪郭の例を示している。 ３次元オブジェクトの作製方法の別の実施形態を示している。 縁部の鮮明さ（sharpness）を向上させるための反復プロセスの一実施形態を示すフローチャートである。

ここで、非制限的な例として幾つかの実施形態について図面を参照して説明することとする。

３次元オブジェクトを作製するために積層造形システムが提案されてきた。積層造形システムは各層毎にオブジェクトを作製する。作製されるオブジェクトの概念モデル（例えば、計算モデル）は、該オブジェクトにわたる一連のスライスへと分割することが可能である。次いで、かかる各スライスが順次生成され、後続のスライスが先行するスライス上に形成されて全体的なオブジェクトが形成される。

積層造形システムによっては、構築材料の選択的な処理により各層を形成する。適当な構築材料の１つの層を構築領域内に堆積させることが可能である。次いで、作製されるオブジェクトの１スライス又は一片に対応する選択された領域内の構築材料を凝固させるよう該構築材料が処理され、作製されるオブジェクトに対応しない領域内の構築材料は非凝固状態のままとなる。このため、この処理された層（本書では構築層とも称す）は、凝固した構築材料の領域と凝固していない構築材料の領域とを含むことが可能である。作製される１つのオブジェクト又は複数のオブジェクトに応じて、所与の構築層には、凝固した構築材料の１つの領域が存在することが可能であり、又は凝固した構築材料の複数の別個の領域が存在することが可能であり、該複数の別個の領域の各々は、凝固していない構築材料の一領域により取り囲まれていることが可能であり、又は凝固した構築材料の領域が作製領域の縁部まで延びている場合には凝固していない構築材料の一領域により少なくとも部分的に取り囲まれていることが可能である。最も最近の構築層は、構築領域の最上層となり、前の構築層の上に形成され、１つの構築層の構築材料の凝固した領域は、先行する構築層の凝固した領域と融合される、ということが理解されよう。

実施形態によっては、構築層を形成するための構築材料の処理は、構築材料の層の表面の少なくとも一部に薬剤を選択的に供給し、及び所定レベルのエネルギーを構築材料の層に一時的に適用することを含むことが可能である。実施形態によっては、供給される薬剤は合体剤とすることが可能である。該合体剤は、例えば、作製されるオブジェクトのスライスに対応する構築材料の一領域に選択的に供給することが可能である。実施形態によっては、付与される薬剤は、合体改質剤とすることが可能である。実施形態によっては、合体剤及び合体改質剤の両方を選択的に供給することが可能である。

エネルギーの一時的な適用は、合体剤が供給され又は浸透した構築材料の各部を該構築材料の融点を超えて加熱させて合体させることが可能である。この温度は、本書では溶融温度と称す。冷却すると、合体した部分は中実になり、生成される３次元オブジェクトの一部を形成する。

合体改質剤は、様々な目的のために使用することが可能である。一実施形態では、合体改質剤であって、それが付与され及び／又は浸透した構築材料の合体の程度を減少させる働きをする、合体改変剤を使用することが可能である。かかる合体改質剤は、合体抑制剤と見なすことが可能であり、例えば、側方への合体の流出（lateral coalescence bleed）の効果の低減に資すために、合体剤が供給される領域に隣接する構築材料の領域に供給することが可能である。これは、例えば、オブジェクトの縁部又は表面の精細さ又は精度を改善するため、及び／又は表面の粗さを低減させるために使用することが可能である。別の実施形態では、合体改質剤は、合体剤と散在させて供給することが可能であり、これは、オブジェクトの特性を変更することを可能にするために使用することが可能である。

本書で説明する実施形態では、合体剤及び／又は合体改質剤は、任意の適当な流体供給機構（薬剤分配器とも称す）を使用して供給することが可能な流体を含むことが可能である。一実施形態では、薬剤は液滴形態で供給される。合体剤は、顔料着色剤（pigment colorant）等の強光吸収体（strong light absorber）とすることが可能である。実施形態によっては、薬剤分配器はプリントヘッドとすることが可能である。薬剤分配器は、例えば、適当な走査ステージ上に配置することが可能である。

非限定的な一実施形態によれば、適当な合体剤は、カーボンブラックを含むインクタイプの調合物（例えば、Hewlett-Packard Companyから入手可能な商業的にCM997Aとして知られているインク配合物など）とすることが可能である。一実施形態では、かかるインクは、赤外光吸収体を更に含むことが可能である。一実施形態では、かかるインクは、近赤外光吸収体を更に含むことが可能である。一実施形態では、かかるインクは、可視光吸収体を更に含むことが可能である。可視光増強剤（visible light enhancer）を含むインクの例として、染料ベースの着色インク及び顔料ベースの着色インク（例えば、Hewlett-Packard Companyから入手可能な商業的にCE039A及びCE042Aとして知られているインクなど）が挙げられる。

一実施形態では、食塩水を合体改質剤として使用することが可能である。別の実施形態では、Hewlett-Packard Companyから入手可能な商業的にCM996Aインクとして知られているインクを合体改質剤として使用することが可能である。別の実施形態では、Hewlett-Packard Companyから入手可能な商業的にCN673Aインクとして知られているインクが合体改質剤として働くことも実証されている。

本書で説明する実施形態では、構築材料への言及は、例えば、粉末ベースの構築材料である構築材料を含むことが可能である。本書で用いる場合、用語「粉末ベースの材料」は、乾式及び湿式の粉末系材料、微粒子状材料、並びに粒状材料を包むことを意図している。構築材料は、単一の材料からなることが可能であり、又は複数の構成材料の混合物とすることが可能である。実施形態によっては、構築材料は、通常は、弱光吸収性ポリマー粉末媒体（weakly light absorbing polymer powder medium）である。他の実施形態では、構築材料は、熱可塑性物質である。

本書で説明する実施形態では、３次元オブジェクトは、構築材料の複数の層の複数の部分を互いに重ね合わせて順次積層し融合させることにより構築される。凝固していない構築材料の層は、平坦な表面（本書では構築面と称す）を形成するよう堆積される。この層は、例えば、上述した実施形態の１つで説明したように処理されて、凝固した構築材料の複数の領域を有する構築層を形成する。次いで、新しい構築材料の層を前の構築層上に堆積させて、次の構築層を形成するための新しい平坦な表面を形成することが可能である。このプロセスは、所望のオブジェクトが形成されるまで繰り返すことが可能である。このようにして、形成されたオブジェクトが完成し、及び作製中に凝固していない構築材料により支持される。オブジェクトは、適切に冷却された際に、作製領域から除去し及び凝固していない構築材料から分離することが可能である。

作製されるオブジェクトの特性は、多数の異なる要因によって決まる。使用されるオブジェクトのオリジナルの概念モデル、及び定義されるスライスの数とサイズは、明らかに影響を与えるものとなる。実際の作製プロセス自体のために、使用される材料（例えば、構築材料、合体剤、及び合体改質剤）は、作製プロセスの多数の設定（例えば、使用される薬剤の量（例えば、液滴密度、液滴サイズなど）及び適用されるエネルギー（例えば、加熱の量又は期間））と同様に、特性に影響を与えるものとなる。

関心のある１つの特性は表面粗さである。作製されたオブジェクトの表面粗さは、少なくとも部分的には、構築層における凝固した構築材料の領域と凝固していない構築材料の領域との間の遷移部（transition）によって決まる。このため、作成されたオブジェクト（すなわち、凝固した領域）のスライスの縁部と凝固していない構造材料との間の遷移部の輪郭（profile）は、完成したオブジェクトの品質に影響を与え得るものとなる。不精確な縁部は、作製された部品の精度の低下に通ずるものとなる。

したがって、積層造形システムの処理設定は、使用される材料に対して特定の縁部精度を提供するよう設定することが可能である。しかし、周囲条件の変化、又は実際に積層造形システムが動作している態様の変化は、不十分な縁部の画定をもたらし得るものとなることが理解されよう。

例えば、周囲条件が変化して処理プロセス中に過剰な熱が加えられた場合には、溶融させることを意図していなかった構築材料が不意に融合してしまう可能性がある。周囲条件とは、例えば、使用した合体改質剤の量が不十分であったことを意味し、この場合には、意図したほど鮮明でない縁部が生じ、部品品質に影響を及ぼすことになる。更に、薬剤分配器の位置合わせ不良、又は合体改質剤と合体剤との間の交差汚染（cross-contamination）は、場合によっては不精確な縁部の原因となり得る。

本開示の実施形態では、１つの構築層について１つの縁部輪郭（edge profile）が決定される。縁部輪郭は、凝固した構築材料の領域と凝固していない構築材料の領域との間の遷移部にわたる構築層の高さの変化を測定することにより決定することが可能である。実施形態によっては、後続の構築層を形成するための処理設定を縁部輪郭に基づいて制御することが可能である。

上述したように、積層造形システムで３次元オブジェクトを作製することは、構築材料の層を堆積させ、及び該層を処理して、凝固した構築材料の領域と凝固していない構築材料の領域とを含む構築層を形成することを含むことが可能である。構築材料の凝固した領域を形成することは、選択された領域内の構築材料を加熱して合体させ、次いで冷却して凝固させることを含むことが可能である。選択された領域内の（粉末ベースの形態で堆積させることが可能な）構築材料が合体する結果として、凝固した構築材料の厚さは、構築層の凝固していない構築材料の厚さよりも薄くなる。例えば、構築材料は、処理前に、第１の厚さに堆積させることが可能である。処理後に、構築材料の凝固した構築材料のあらゆる領域は、第２の一層薄い厚さを有することが可能である。例えば、100μmのオーダーの第１の厚さは、材料の系統（material systems）によっては、50μmのオーダーの第２の厚さをもたらす可能性がある。しかし、構築層の凝固していない構築材料の厚さは、実質的に第１の厚さ（この例では100μm）に等しい状態を維持することが可能である。

したがって、凝固した構築材料の領域と凝固していない構築材料の領域との間の遷移域における高さの差は、該凝固した領域の縁部の輪郭に関する情報を提供することができる、ということが理解されよう。

図１ａは、本開示によるオブジェクトの作製方法100の一実施形態を示している。この方法は、凝固した構築材料の領域と凝固していない構築材料の領域とを含む構築層を形成すること（ブロック101）を含む。該構築層の形成は、凝固していない構築材料の層を堆積させ、及び該構築材料を処理して凝固した構築材料の領域を形成することを含むことが可能である。該構築層は、上述した複数の実施形態の何れによっても形成することが可能である。

本方法は、構築層の縁部輪郭を決定すること（ブロック102）を更に含む。該縁部輪郭を決定することは、凝固した構築材料の領域と凝固していない構築材料の領域との間の遷移部にわたる構築層の高さの変化を測定することを含むことが可能である。

一実施形態によれば、高さの変化は、光学センサを用いて測定することが可能である。実施形態によっては、光学センサは、光学焦点誤差（optical focus error）センサを含むことが可能である。

光学焦点誤差センサは、様々な用途に使用されており、例えば、ＣＤ又はＤＶＤ読み取りヘッドなどの光ピックアップとして使用されている。したがって、かかるセンサは、比較的低コストで容易に商業的に入手することが可能である。

図２は、光学焦点誤差センサ200の一例を示している。光源201は、ビームスプリッタ202等の素子に向けられる光放射線のビームを生成する。ビームスプリッタ202は、該光学放射線の一部をレンズ204を介して分析対象の表面203に向ける。該表面から反射された放射線は、レンズ204及びビームスプリッタ202を介して検出器205に向けられる。検出器205は、該検出器に入射した反射ビームの形状を決定することが可能であり、例えば、図２の右側に示すように正方形の格子内に配置された検知象限（sensing quadrant）205a-205dを有する象限光検出器とすることが可能である。該検出器は、読み出し回路206に接続することが可能である。該読み出し回路206は、焦点誤差信号を決定することが可能である。実施形態によっては、焦点誤差信号は、対角線方向で対向する象限からの光電流を合計することにより、すなわち、象限205a,205dからの光電流を合計し、及び象限205b,205cからの光電流を合計し、それら合計の差を求めることにより、決定される。したがって、焦点誤差に対応する値FEは次式で求められる。

FE = (I_a＋I_d)−(I_b＋I_c) 式(１)
ここで、I_aは象限205aからの光電流、I_bは象限205bからの光電流、I_cは象限205cからの光電流、I_dは象限205dからの光電流である。

センサ設定は、検出器205で受信する反射ビームの形状が、レンズ204と反射面203との間の距離によって決まるようなものとなる。表面203が、特徴的な長さ（例えば、焦点距離）に位置している場合、検出器205上に入射するビームの形状は円形となる。図２の右上に示すように、円形形状207aは、検出器のすべての象限205a-205dを実質的に等しく照射することが可能である。この場合、焦点誤差に対応する値FEは実質的にゼロに等しく、すなわち、象限205a,205dからの光電流の合計は、象限205b,205cからの光電流の合計と実質的に等しくなる。

センサ200は、反射ビームが円形形状を有する状態から離れて細長い又は楕円形の形状を呈し始めるように、少なくとも前記特徴的な長さの特定の範囲内に配置され、その細長さの程度及びその軸は、該特徴的な長さからの逸脱の程度に関連するものとなる。

ビームスプリッタ202は、レンズ204と表面203との間の距離が該特徴的な長さから増加した場合、すなわち、表面203が一層遠くになった場合に、検出器上のビームの寸法が第１の軸に沿って増加すると共に第２の直交する軸に沿って縮小するような度合いの非点収差を光路に導入する。図２の右中央に、表面203がセンサから特徴的な長さよりも遠くにある場合に生じ得る形状207bを示している。この場合、象限205a,205dからの合計光電流は、象限205b,205cからの合計光電流よりも少なくなる。このため、焦点誤差に対応する値FEは、センサ200と表面203との間の距離が特徴的な長さからどの程度離れているかに関連する値で負となる。

しかし、レンズ204と表面203との間の距離が特徴的な長さから減少した場合、すなわち、表面203が一層近くになった場合には、検出器上のビームの寸法は、第１の軸に沿って減少すると共に第２の直交する軸に沿って増加する。図２の右下に、表面が特徴的な長さよりも一層センサに近い場合に生じ得る形状207cを示している。この場合には、象限205a,205dからの合計又は結合光電流は、象限205b,205cからの合計又は結合光電流よりも多くなる。このため、焦点誤差に対応する値FEは、やはりセンサ200と表面203との間の距離が特徴的な長さからどの程度離れているかに関連する値で正となる。

焦点誤差に対応する値FEと、センサ200からの表面の距離との間の関係は、特定の距離範囲では実質的に線形である。この線形の範囲は、センサの構成要素の配置によって規定することができるが、一実施形態では、焦点誤差値は、約5μm程度の範囲（例えば、6μmの範囲）にわたって線形であることが可能である。したがって、光学センサは、5μm程度よりも低い空間的な分解能で高さの変化を決定することが可能であり、すなわち、あらゆる高さの差を5μm程度を越える精度で特徴付けることが可能である。

構築層の表面に対して横方向に光学センサを走査することにより、構築層の表面とセンサとの間の距離が、高さの変化と共に変化し、これは、焦点誤差に関連する値の検出可能な変化に通じるものとなる。

上述したように、焦点誤差が距離に線形的に関係する動作範囲は、構築層にわたる期待される全高さ変化よりも小さい可能性がある。例えば、システムによっては、凝固した構築材料の領域から凝固していない構築材料の領域までの構築層にわたる高さの期待される変化は、50μmのオーダーを越える可能性がある。

したがって、光学センサは、光学センサ又は光学センサの少なくとも一部を縦方向に平行移動させるための平行移動（translation）ステージ208を含むことが可能である。該平行移動ステージは、例えば、レンズ204をビームスプリッタに対して平行移動させることが可能である。実施形態によっては、該平行移動ステージは、例えば、レンズ204の線形の縦方向の平行移動を提供するインダクタを含むことが可能であり、該平行移動の範囲は、該インダクタに供給される電流によって決まり、既知の量の電流は既知の変位量を提供するものとなる。

したがって、一実施形態では、光学センサは、最初に、構築材料の凝固した領域と凝固していない領域との間の遷移部の近傍で構築領域の表面の上方に配置することが可能である。構築層は、測定される高さがz方向に対応するように一般にx-y平面と平行に配向されているものとする。平行移動ステージ208は、焦点誤差に対応する値が実質的にゼロになるまでレンズ204をz方向に移動させるよう制御することが可能である。このため、その位置では、構築層の表面が光学センサからz方向において特徴的な長さであることが分かっている。次いで、光学センサは、そのz方向の位置を維持したまま、横方向に（例えば、x-y平面と平行に）平行移動させることが可能である。層の高さが変化すると、表面が特徴的な長さに近づいたり離れたりすることになり、このため、センサのx-y位置と共に記録することができる焦点誤差に対応する値の検出可能な変化が生じることになる。

高さの変化が、センサと所与の位置における表面との間の距離が焦点誤差の線形動作範囲の終わりに近づくのに十分なものである場合には、その位置で平行移動ステージを作動させて焦点誤差がゼロに達するまでセンサを移動させることが可能である。その位置について以前に決定された距離を格納し、横方向の走査を再開する。このようにして、凝固した構築材料の領域と凝固していない構築材料の領域との間の遷移領域の全体にわたる高さの変化を高い精度で測定することが可能である。

上述したように、構築層の凝固した領域と凝固していない領域との間の遷移領域にわたる高さの変化は、該遷移領域にわたって光学センサを走査し、反射ビームの輪郭の変化を測定し、その測定値を処理して高さの変化を取得することが可能である。上述したように、光学センサは、CD/DVDの読み取り用の光ピックアップと同様のセンサとすることが可能であり、このため、小さなフォームファクタ且つ低コストで容易に商業的に入手することが可能である。

光学センサは、図２に示したものに加えて更なる構成要素を含むことが可能であることに留意されたい。例えば、光学センサは、４分の１波長板、追加のレンズ、及び／又は回折格子を含むことが可能である。これらの構成要素は、図２に示す構成要素の代わりに、又はそれに加えて提供することが可能である。

実施形態によっては、他のタイプのセンサを使用して、構築層にわたる高さの変化を測定することが可能である。他のタイプの測距センサ又は距離測定センサを使用することが可能であり、かかるセンサは光学式であってもなくてもよい。

光学センサは、コントローラ209と通信することが可能である。コントローラ209は、光学センサにより検出された信号を処理して高さ値を決定し、ひいては縁部輪郭を決定する、プロセッサを含むことが可能である。該プロセッサは、縁部輪郭を決定するための専用のプロセッサとすることが可能であり、又は他のタスクも実行する積層造形システムのプロセッサとすることが可能である。しかし、実施形態によっては、読み出し回路206が、高さ輪郭を決定することが可能であり、この場合、コントローラ209は、後述するように、縁部輪郭に基づいて積層造形システムの設定を制御することが可能である。

実施形態によっては、光学センサは、構築層に対して移動可能な走査ステージ上に取り付けることが可能である。一実施形態による走査ステージ300を図３に示す。同図は、構築層302と光学センサ306を有する走査ステージ304とを示している。

実施形態によっては、走査ステージは、本書で走査軸と称す直線軸に沿って（例えば、図３に大きな矢印で示すようにy軸に沿って）構築層に対して移動することが可能である。走査ステージ304は、構築層の全幅（例えば、x軸）に及ぶように、走査軸と直交する軸に沿って延びることが可能である。光学センサ306は、走査キャリッジに沿って（すなわち、走査軸と直交して（例えば、図３に小さい矢印で示すようにx軸に沿って））直線的に移動することが可能である。このように、光源は２次元で移動して構築面の全領域を走査することが可能である。

光学センサの他の構成も実施可能であることが理解されよう。例えば、構築層の全幅にわたって延びていない走査ステージを２つの走査軸に沿って別個に移動させることにより、光学センサを構築層の全領域にわたって移動させることが可能である。更なる例では、光学センサを単一軸に沿って移動するよう制約し、これにより、各走査で構築層の単一の断面に沿った輪郭を決定するよう制限することが可能である。

光学センサは、構築領域の走査領域内の実質的に任意の位置に配置することができるように取り付けることが可能である。例えば、光学センサが１つしか存在しない場合には、走査領域は構築層の全体を含むことが可能である。しかし、実施形態によっては、複数の光学センサが存在することが可能であり、かかる実施形態では、該複数の光学センサのうちの１つの光学センサは、構築層の全体にわたって延びていない走査領域を有するよう構成することが可能である。

光学センサは、それ自体の専用の走査ステージ上に配置することが可能である。しかし、実施形態によっては、光学センサは、積層造形システムの他の何らかの構成要素も支持する走査ステージ上に配置することが可能である。積層造形システムの他の何らかの構成要素を走査ステージ上に配置することが可能であり、このため、光学センサを既存の走査ステージに効果的に追加することが可能である。例えば、光学センサは、合体を制御するために凝固していない構築材料に薬剤を分配する薬剤分配器（例えば、合体剤及び／又は合体改質剤を分配するための薬剤分配器）を有する走査ステージ上に配置することが可能である。実施形態によっては、光学センサは、次の構築材料の層で構築面をコーティングするためのコーティング機構を有する走査ステージ上に配置することが可能である。実施形態によっては、光学センサは、構築面を加熱するための加熱要素を有する走査ステージ上に配置することが可能である。

上述した構成要素に加えて、光学センサを有する走査ステージ上に、追加的又は代替的に、他の構成要素を取り付けることが可能であることが理解されよう。更に、３次元オブジェクトを作製するための積層造形システムは、２つ以上の走査ステージを含むことが可能である。

上述のように、縁部輪郭は、凝固した構築材料の領域と凝固していない構築材料の領域との間の遷移領域における構築層の高さの変化を測定することにより決定することが可能である。先の実施形態は、積層造形システムに容易に組み込むことができ、及び構築層が形成された後であって次の構築層が形成される前における構築層の高さ変化を決定するために使用することができる、光学センサについて説明している。

したがって、縁部輪郭は、形成されているオブジェクトのスライスの縁部の品質に関する情報を提供する。実施形態によっては、縁部輪郭は、完成したオブジェクトの表面の粗さの指示を提供することが可能である。良好な品質の縁部は、凝固した構築材料の領域と凝固していない構築材料の領域との間の鮮明な遷移（sharp transition）を有することが可能である。かかる縁部は、有効な階段状の高さ輪郭に通じ得るものである。凝固していない構築材料の領域は第１の高さを有し、凝固した構築材料の領域は一層低い第２の高さを有することになる。該２つの領域の間に鮮明な遷移が存在する場合には、比較的短い横方向の距離にわたって階段状の高さの変化又は高さの傾斜が存在することになる。しかし、場合によっては、縁部が鮮明でない可能性がある。作製されるオブジェクトのスライスに対応する領域の外側の材料の（全てではなく）一部が凝固している可能性がある。このため、構築層のその部分を通る深度断面（depth section）が、凝固した構築材料と凝固していない構築材料とに遭遇する可能性がある。この時点で結果的に生じる構築材料の高さは、前記第１の高さと前記第２の高さとの間のどこかとなる。

輪郭の一例を図４に示す。図４（a）は、構築層401の上面の一例を示している。この例の構築層401は、凝固した構築材料の領域402と、凝固していない構築材料の領域403とを含む。関連する領域の数、形状、サイズ、及び位置は、作製される１つ以上のオブジェクトの特定のスライスによって決まる、ということが理解されよう。縁部輪郭は、該領域402と該領域403との間の少なくとも遷移領域における高さの変化を測定することにより決定することが可能である。

図４（a）は、例えば破線A-A',B-B'で示すように複数の輪郭を決定することが可能であることを示している。図４（b）は、（例えば、z方向で測定した）構築層の高さが、構築層の走査線A-A',B-B'にわたって変化し得ることを示している。凝固した構築材料の領域402では、構築材料は合体しており、このため、凝固していない構築材料の領域403よりもよりコンパクトである。したがって、凝固した構築材料402の領域の高さは、凝固していない構築材料403の領域よりも低い。

図４（c）は、縁部輪郭（例えば、凝固した構築材料の領域402と凝固していない構築材料の領域403との間の丸で囲んだ縁部輪郭）を示している。良好な品質の縁部に関して言及したように、縁部領域には、図４（c）の下側の基準輪郭により示すように、鮮明な遷移又は綺麗な（clean）遷移が存在すべきである。図４（c）の上側の例に示すような縁部輪郭は、鮮明な遷移又は綺麗な遷移を示さない縁部輪郭の一例である。縁部輪郭の高さは、比較的長い横方向の距離にわたって変化することが分かる。縁部輪郭の最も急峻な領域は、基準輪郭における階段の位置から僅かにずれていることも分かる。したがって、かかる縁部輪郭は、構築材料の凝固した領域の縁部が比較的低い品質であることを示すことが可能である。

このため、縁部輪郭は、形成されるオブジェクトの縁部の品質を特徴付けるために使用することが可能である。実施形態によっては、決定された縁部輪郭を使用して積層造形システムの処理設定を制御することが可能である。これを閉ループ態様で行って縁部の鮮明さを向上させることが可能である。

図１ｂは、本開示による方法の一実施形態を示している。図１ａを参照して説明した方法と同様に、この実施形態による方法は、構築層を形成すること（ブロック101）と、縁部輪郭を決定すること（ブロック102）とを含むことが可能である。この実施形態では、該方法は、構築層を形成するための処理設定を制御する（例えば、積層造形システムの構築パラメータを制御する）こと（ブロック103）も含むことが可能であり、次いで関連する該処理設定を使用して後続の構築層を形成すること（ブロック101）へと進む。

処理設定の制御（例えば、積層造形システムの較正）を用いて３次元オブジェクトを作製する方法の一実施形態を図５に関して説明する。構築層の縁部輪郭は、凝固した構築材料の領域と凝固していない構築材料の領域との間の遷移部にわたる高さの変化を測定することにより決定することが可能である（ブロック501）。縁部輪郭は、上述した実施形態の何れに従って決定することも可能である。

次いで、縁部輪郭の特性が（例えば、基準輪郭の）基準特性の公差内にあるか否かを判定することが可能である（ブロック502）。これは、決定された縁部輪郭を基準輪郭と比較することを含むことが可能である。該基準輪郭は、例えば、図４（c）の下側に示すような鮮明な縁部輪郭といった形状を有することが可能である。階段関数、平坦な勾配、又は曲線を含む（がこれらには限定されない）様々な基準輪郭が考え得ることが理解されよう。

様々な特性が考えられる。例えば、決定された縁部輪郭を分析して、完全に凝固した構築材料に対応する比較的一定の高さの領域と、完全に凝固していない構築材料に対応する比較的一定の高さの別の領域とを識別することが可能である。これら２つの領域の間の距離は、縁部領域の幅を示すことが可能であり、該縁部領域の幅は、１つの特性とすることが可能なものである。特性は、縁部領域における高さの変化の最大及び／又は最小傾きとすることが可能である。特性は、作製されるオブジェクトの概念モデルのスライスの縁部の既知の位置と比較した、高さの主な変化の位置とすることが可能である。特性は、縁部領域における複数の凹凸（bumps）又は高さ輪郭の著しい局所的な最大値又は最小値の存在とすることが可能である。

実施形態によっては、縁部輪郭は、該縁部輪郭に沿った複数の点で測定された輪郭の偏差を計算することにより（例えば、測定された輪郭を基準輪郭から減算することにより又は各点における高さを該基準輪郭（例えば、理論的な輪郭）と比較することにより）基準輪郭と比較することが可能である。実施形態によっては、該偏差を所定範囲の許容可能な偏差の値と比較することにより、該偏差を使用して輪郭が公差内にあるか否かを決定することが可能である。測定された偏差が許容可能な値よりも大きい場合には、測定された輪郭は基準輪郭の公差内にはない。測定された偏差が許容可能な値よりも小さい場合には、測定された輪郭は基準輪郭の公差内にある。

決定された縁部輪郭が許容可能なものであるとみなされる場合、例えば、縁部輪郭が基準輪郭の公差内にあり且つ特定の構築について十分に精確である場合、これは、積層造形システムが適切に動作していることを示す。よって、積層造形システムの現在の設定を維持することが可能である（ブロック503）。しかし、縁部輪郭が、縁部が許容可能なものでないことを示す場合、例えば、縁部が構築の精度のために十分に鮮明でない場合には、処理設定を調整して（ブロック504）精度の向上を試みることが可能である。該処理設定は、図２に示すコントローラ209などのコントローラにより調整することが可能である。

したがって、処理設定は、決定された縁部輪郭に基づいて制御することが可能である。処理設定は、処理される構築層の特性（例えば、３次元オブジェクトの作製のパラメータ）を変更するように制御することが可能な積層造形システムの設定である。決定された縁部輪郭が許容可能なものである場合、関連する処理設定を維持することが可能である。しかし、縁部輪郭が許容可能なものでない場合には、処理設定を調整することが可能である。実施形態によっては、以下でより詳細に説明するように、幾つかの異なる構築層を形成する過程で実行される縁部エンハンスメントルーチンの一部として処理設定を調整することが可能である。

したがって、実施形態によっては、決定された縁部輪郭が許容可能なものでなく、且つ後続の構築層（次の構築層である必要はない）を作製し得る場合（ブロック505）、処理設定を調整することが可能である。したがって、この後続の構築層のための縁部輪郭を決定することが可能である。次いで、該縁部輪郭を評価して、該縁部輪郭が現在許容可能なものであるか否かを判定することが可能である。該縁部輪郭が現在許容可能なものである場合には、現在の処理設定が維持され、それ以上の調整を不要とすることが可能である。しかし、縁部輪郭が許容可能なものでないままである場合には、処理設定を再び調整することが可能である。これは、同じ処理設定又は異なる処理設定とすることが可能である。処理設定を調整する際に、前回の変更の結果として品質が向上したか否かを評価することが可能である。

したがって、この方法は、基準輪郭の公差内にある輪郭が決定されるまで、各層間で処理設定（例えば、構築パラメータ）を変更する縁部エンハンスメントルーチンを用いて、反復的な態様で繰り返すことが可能である。この時点で、プリントされた縁部は許容可能な鮮明さを有し、更なる調整を行う必要はない。

幾つかの実施形態で言及したように、積層造形システムの処理設定、すなわち、作製プロセスの処理設定は、縁部の鮮明さの制御の試みにおいて制御することが可能である。結果的に生じる構築層の縁部の鮮明さに影響を与え得る様々な要因が存在する。かかる要因の２つを以下に示す。
i）作製されるオブジェクトのスライスに対応する領域に隣接する領域における合体を制限し又は抑制するために使用される合体改質剤の量。縁部領域に付与される合体改質剤の量の増加は、遷移領域における溶融を減少させ得るものである。
ii）温度プロファイル：構築材料の層に付与されるエネルギー（例えば、溶融ランプ（fusing lamps）の温度）及び構築材料の層が溶融ランプ等のエネルギー源に曝される時間は、伝導熱の総量に影響を与える。ランプ温度を上昇させ及び／又は露光時間を短くすると縁部が一層鮮明になる。

よって、制御することが可能な処理設定は、合体を制御するために凝固していない構築材料に付与される合体改質剤の量とすることが可能である。合体改質剤の量は、様々な態様で制御することが可能である。供給される合体改質剤の液滴サイズを変化させるよう合体改質剤の薬剤分配器を制御すること、及び／又は合体改質剤の液滴密度を変化させるよう合体改質剤の薬剤分配器を制御すること、及び／又は合体改質剤の液滴数を変化させるよう合体改質剤の薬剤分配器を制御することが可能である。

制御することが可能な処理設定は、合体を制御するために凝固していない構築材料に薬剤を分配するための薬剤分配器の位置合わせである。例えば、合体改質剤のための薬剤分配器の位置合わせは、例えば、較正を開始すること又は位置合わせを調整することにより、制御することが可能である。

制御することが可能な処理設定は、構築層を形成するために構築材料の層に適用される温度の設定である。該温度設定は、加熱手段（例えば、定着ランプ）の温度とすることが可能である。該温度設定は、構築層を形成するためにエネルギーが加えられる時間とすることが可能である。

図６は、多数回にわたる処置設定の調整を処理することができる一連の段階の一実施形態を示している。このため、図６は、縁部エンハンスメントルーチンの一例に従うことが可能な一連の処理を示している。かかる複数の段階は、図２に示すコントローラ209等のコントローラにより実施することが可能である。これら複数の段階は、その各段階が（例えば、特定の処理設定を最適化するために）異なる複数の構築層について一連の連続した調整を含むことが可能となるように、漸進的なものとすることが可能である。

上述のように、不十分な縁部の画定に対処する１つの選択肢は、合体改質剤の量を増加させることである。したがって、縁部エンハンスメントの第１段階は、構築材料に供給される合体改質剤の量を増加させ又は減少させることを含むことが可能である（ブロック601）。実施形態によっては、供給される合体剤の量を増加させ又は減少させることを含むことも可能である。一実施形態では、図５の方法の一連の反復を実行して縁部の鮮明さを最適化することが可能であり、この場合には、各反復毎に、合体改質剤又は合体剤の量が図６に示すように縁部エンハンスメントルーチンに従って修正される。したがって、縁部エンハンスメントルーチンは、処理設定の一連の調整によって実施することが可能である。

実施形態によっては、処理設定は、縁部輪郭、又はかかる設定を使用して形成された構築層の縁部輪郭の評価と共に、適当なメモリに格納することが可能である。この例では、縁部エンハンスメントルーチンが実行される際に、最後の反復で得られた縁部輪郭が、以前の反復で得られた縁部輪郭と比較される。最後の反復の設定が、以前の反復に対して改善を生じさせた場合には、最適な値（すなわち、その設定を調整するために達成可能な最良の値）に向かって更に変更することが可能である。例えば、合体改質剤の量の増加により縁部の鮮明さが改善された場合、縁部エンハンスメントルーチンは、更なる合体改質剤の付与が影響しなくなり又は縁部の鮮明さを低減させ始めるまで、合体改質剤の量を徐々に増加させ続けることが可能である。更なる合体改質剤の付与が影響を与えなくなり又は縁部の鮮明さを低減させ始めた時点で、合体改質剤の最適量が見出される。

合体改質剤及び／又は合体剤の量を調整した後、出力される縁部が依然として基準輪郭の公差内にない場合、実施形態によっては、縁部エンハンスメントルーチンは次の段階に移行することが可能である。図６の例では、縁部エンハンスメントルーチンは、次に薬剤分配器の位置合わせを調整することが可能である。縁部の鮮明さの欠如は、薬剤分配器がずれているため関連する薬剤を正しい領域に供給しないことにより引き起こされる可能性がある。薬剤分配器の位置合わせを調整することは、薬剤分配器の位置合わせを較正すること（ブロック602）を含むことが可能である。これは、時々実行される標準的な較正プロセスの一部とすることが可能な位置合わせルーチン（例えば、ペン位置合わせルーチン）を使用して行うことが可能である。

これもまた、最適なパラメータを見出すために多数の反復にわたり実行して（さもなくば検出することができない）位置ずれ問題の認識を提供することが可能である。その結果として、積層造形システムの堅牢性及びその品質が改善されることになる。

薬剤分配器の位置合わせを較正した後、処理材料の処理された層が依然として基準輪郭の公差内にない場合、図６の例では、縁部エンハンスメントルーチンは温度プロファイルを調整する第３段階に移行する。温度プロファイルを変更することは、溶融温度を上昇させ又は低下させること、又は溶融温度が適用される時間間隔を延長し又は短縮させることを含むことが可能である。これは、例えば、溶融中に使用されるエネルギー源の温度を低下させること、又は構築層が溶融温度にさらされる時間を短縮させるようエネルギー源を構築面にわたって一層迅速に移動させることを含むことが可能である。これもまた、図５に概略的に示した方法の多数回の反復にわたって実行することが可能であり、これにより、構築材料の層が基準輪郭の公差内に入るまで、構築材料の複数の層を形成する間に、縁部エンハンスメントルーチンにより温度プロファイルが変更される。上述のように、実施形態によっては、本方法は、温度設定を、かかる設定で形成された構築層の結果的に得られた縁部輪郭と共にメモリに格納することを含むことが可能である。

この実施形態では、縁部エンハンスメントルーチンが実行される際に、最新の反復の縁部輪郭を以前の反復の縁部輪郭と比較することが可能である。最新の反復の温度設定が以前の反復よりも改善をもたらす場合には、最適な値に向かって、及び／又は許容可能な縁部輪郭を有する構築層が生成されるまで、更なる修正を行うことが可能である。基準輪郭の公差内の縁部輪郭を有する層がプリントされると、それ以上の調整は必要ない。

したがって、本実施形態は、積層造形システムの較正方法を提供する。該較正方法は、該システムにより形成された構築層の縁部輪郭を決定することを含むことが可能であり、該構築層は、凝固した構築材料の領域と凝固していない構築材料の領域とを含む。縁部輪郭は、凝固した構築材料の領域と凝固していない構築材料の領域との間の遷移部にわたる構築層の高さの変化を含むことが可能である。本方法は、所定の縁部輪郭を達成し又は維持するようシステムの設定を制御することを含むことが可能である。

較正方法（例えば、図５に関して説明したような較正方法）を構築プロセス中に（例えば、構築プロセスの最初に）１回だけ実行して適当な設定を確立することが可能であり、又は、該較正方法を間隔をおいて又は実質的に連続して反復的に実行して構築プロセス全体を通して鮮明な縁部輪郭を確実に維持することが可能である。例えば、動作中に周囲条件（例えば、構築領域の平均温度など）が変化する場合には、本方法を定期的に実行する必要がある。実施形態によっては、本方法は、構築プロセス中に規則的な間隔で（例えば、構築材料の100番目の層毎に、又は他の適当な間隔で）適用することが可能である。他の実施形態では、本方法は品質管理のためにランダムな間隔で使用することが可能である。精確な縁部を確保するのに十分なだけ本方法を定期的に実行することと、構築速度に悪影響を及ぼすほど本方法を頻繁に実行しないこととの間のバランスが必要となり得る。

上述の実施形態の方法を使用することにより、周囲条件にかかわらず最適な縁部輪郭を達成することができ、構築品質が例えば周囲温度や湿度の変化による影響を受けないことが確実となる。これにより、構築プロセスの堅牢性及び精度並びに完成したオブジェクトの品質が向上する。

本方法、装置、及び関連する態様を特定の実施形態に関して説明したが、本開示の思想から逸脱することなく、様々な修正、変更、省略、及び置換を行うことが可能である。したがって、本方法、装置、及び関連する態様は、特許請求の範囲及びその等価物の範囲によってのみ制限されることが意図されている。上記の実施形態は、本書に記載したものに限定するのではなく例示するものであり、当業者であれば、特許請求の範囲から逸脱することなく多くの代替的な実施形態を設計することが可能であることに留意されたい。

用語「含む」とは請求項に記載された要素以外の要素の存在を排除するものではなく、用語「１つの」とは複数を排除するものではなく、単一のプロセッサその他の装置が、請求項に記載する複数の装置の複数の機能を実施することが可能である。

従属形式の請求項の特徴は、独立形式の請求項又は他の従属形式の請求項の何れの特徴とも組み合わせることが可能である。

Claims (15)

1. ３次元オブジェクトの作製方法であって、
   凝固した構築材料の領域と凝固していない構築材料の領域とを含む構築層を形成し、該構築層を形成することが、凝固していない構築材料の層を堆積させ、及び該構築材料を処理して、前記凝固した構築材料の領域を形成することを含み、
   前記構築層の縁部輪郭を決定し、該縁部輪郭を決定することが、前記凝固した構築材料の領域と前記凝固していない構築材料の領域との間の遷移部にわたる前記構築層の高さの変化を測定することを含む、
   ３次元オブジェクトの作製方法。
2. 前記縁部輪郭に基づいて後続の構築層を形成するための処理設定を制御することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記縁部輪郭の特性が基準特性の公差内にあるか否かを判定し、該縁部輪郭の該特性が該公差内にない場合に、後続の構築層を形成するための処理設定を調整することを含む、請求項１又は請求項２に記載の方法。。
4. 後続の構築層の合体を制御するために前記凝固していない構築材料に付与される薬剤の量を前記縁部輪郭に基づいて制御することを含む、請求項１ないし請求項３の何れか一項に記載の方法。
5. 後続の構築層の合体を制御するために前記凝固していない構築材料に薬剤を分配するための分配器の位置合わせを前記縁部輪郭に基づいて制御することを含む、請求項１ないし請求項４の何れか一項に記載の方法。
6. 後続の構築層を形成するために適用される温度の設定を前記縁部輪郭に基づいて制御することを含む、請求項１ないし請求項５の何れか一項に記載の方法。
7. 前記高さの変化が光学センサを用いて測定される、請求項１ないし請求項６の何れか一項に記載の方法。
8. 前記光学センサが光学焦点誤差センサである、請求項７に記載の方法。
9. 積層造形システムであって、
   凝固していない構築材料の層を堆積させ、及び該構築材料を処理して、凝固した構築材料の選択された領域を形成する、構築層作製手段と、
   凝固した構築材料の領域と凝固していない構築材料の領域との間の遷移部にわたって前記層の高さの変化を測定するセンサと
   を備えている、積層造形システム。
10. 前記測定された高さの変化に基づいて前記構築層作製手段の処理設定を制御するコントローラを更に備えている、請求項９に記載の積層造形システム。
11. 前記コントローラが、前記縁部輪郭の特性が基準特性の公差内にあるか否かを判定する、請求項１０に記載の積層造形システム。
12. 前記コントローラが、前記構築層作製手段により付与される合体を制御するための薬剤の量を前記縁部輪郭に基づいて制御する、請求項１０又は請求項１１に記載の積層造形システム。
13. 前記コントローラが、前記構築層作製手段の分配器の位置合わせを前記縁部輪郭に基づいて制御し、該分配器が、合体を制御するための薬剤を分配するものである、請求項１０ないし請求項１２の何れか一項に記載の積層造形システム。
14. 前記コントローラが、前記構築層作製手段により適用される温度の設定を前記縁部輪郭に基づいて制御する、請求項１０ないし請求項１３の何れか一項に記載の積層造形システム。
15. 積層造形システムの較正方法であって、
    該積層造形システムにより形成された構築層の縁部輪郭を決定し、該構築層が、凝固した構築材料の領域と凝固していない構築材料の領域とを含み、
    前記縁部輪郭が、前記凝固した構築材料の領域と前記凝固していない構築材料の領域との間の遷移部にわたる前記構築層の高さの変化を含み、
    所定の縁部輪郭を達成し又は維持するよう該積層造形システムの設定を制御する、
    積層造形システムの較正方法。

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