JPH0236931A - 三次元の物体を作成する方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は流体媒質から三次元の物体を形成する方法と
装置の改良、とくに、三次元の物体か迅速、確実、正確
かつ経済的に形成できるように、三次元の物体の製造に
リトグラフィー （Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）を応用する立体造形に関す
る。

〔従来の技術〕

プラスチックからなる部品等を製造する場合、まず、部
品を最初に設計し、その後、苦労してこの部品の原型を
作るのか普通である。これらはいずれもかなり時間、労
力及び費用を要する。その後、この設計を検討し、設計
が最適になるまで、この手間のかかる過程を何回も繰返
す場合か多い。

設計が最適になった後、次の工程はその製造である。□
大抵の生産では、プラスチック部品は射出成形される。

設計の時間及び工具のコストが非常に高いから、射出プ
ラスチック部品は大量生産した場合にしか実用的になら
ないのか普通である。プラスチック部品を製造するため
に、直接的な機械加工、真空成形及び直接成形のような
他の方法を利用することができる。しかし、これらの方
法は、短期間の生産の場合にだけコスト効果があるのが
普通であり、製造された部品は射出成形部品よりも品質
が劣る。

最近、流体媒質の中で三次元の物体を作成する非常に良
い方法が開発された。流体媒質の三次元の容積内の所定
の交点で選択的に焦点を結ばせる放射ビームにより、流
体媒質が選択的に硬化させられる。この様な三次元の物
体を形成する装置の典型が米国特許第２，７７５．．７
８５号、第４゜０４１．４７６号、同第４，０７８；　
２２９号、同第４，２３８，８４０号同第４，２８８，
８６１号特開昭５６−１４４４７８号公報、小玉大男「
３次元情報の表示法としての立体形状自動作成法」　（
電子通信学会論文誌、ＶＯＬ、　ＪＯ４−ＣＮｏ、４゜
１９８１年４月）　、ｌ１ｉｄｅｏ　Ｋｏｄａｍａ、　
Ａｕｔｏｍａｔｉｃｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｆａｂｒｉ
ｃａｔｉｎｇ　ａ　ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａ
Ｐｌａｓｔｉｃ　ｍｏｄｅｌ　　ｗｉｔｈ　ｐｈｏｔｏ
−ｈａｒｄｅｎｉｎｇ　ｐｏｌｙｍｃｒＲｅｖｉｅｗ　
ｏｆ　５ｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ
、　　５２（１１）Ｎｏｖ、　１９８１　、及びＡｌａ
ｎ　Ｊ、　Ｈｃｒ’ｂｃｒｔ、　５ｏｌｉｄＯｂｊｅｃ
ｔ　　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　　、　　　Ｊｏｕｒｎａ
ｌ　　ｏｆ　　ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｏｔｏｇｒａｐｈｉ
ｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、　ＶＯＬ　８．Ｎｏ、４
．　Ａｕｇｕｓｔ１９８２に記載されている。これらの
装置はいずれも種々の大損りな多重ビーム方式を用いて
、流体容積内の他の全ての点を排除して、流体媒容枯内
の深い所にある選ばれた点で相乗的なエネルギーを付与
することに頼っている。この点、従来の種々の方式は、
特定の座標で交差するような向きの一対の電磁放射ビー
ムを使っている。この場合、種々のビームは、波長が同
じであっても異なっていてもよいし、あるいはビームが
同時にではなく、逐次的に同じ点と交差する場合がある
。しかしこれらすべての場合に、ビームの交点だけか、
流体媒質の容積内に三次元の物体を形成するために必要
な硬化工程を達成するに十分なエネルギ・レベルまでエ
ネルギを受ける。

（発明が解決しようとする問題点） しかし、都合の悪いことに、このような三次元成形装置
は、分解能及び露出制御の点で多くの問題がある。交点
が流体媒質の中に一層深く移動する時に放射強度が低下
すること、集束されたスポットの像を形成する分解能が
低下することにより、当然ながら複雑な制御状態が生ず
る。吸収、拡散、分散ならびに解析のいずれの方法も、
経済的にかつ信頼性をもって、流体媒質の中の深い所で
加工することを難しくする。そのため、極めて薄い層の
形成が困難であるとともに、自動的な積層もまた困難で
あった。

しかし、設計段階から原型段階へ、そして最終的な生産
へ速やかに、かつ信頼性をもって移ることができるよう
にすること。とくに、このようなプラスチック部品に対
する計算機による段別がら事実上即座に原型に直接的に
移ること、ならびに経済的にかつ自動的に大量生産する
設備に対する長い間の要望が、その設計及び製造の分野
に依然としである。

従って、三次元のプラスチックの物体等の開発及び製造
に携わる者は、従来の三次元製造装置の複雑な焦点合せ
、整合及び露出の問題を避けながら、設計段階から原型
段階へ、そして製造へと速やかに移されるようにする更
に敏速で、信頼性かあって経済的で自動的な手段を一層
改良するのか望ましいことを確認している。この発明は
、これらすべての要望に十分応えるものである。

〔問題点を解決するための手段及び作用〕この発明は適
当な相乗的なエネルギーに応答して、その物理的な状態
を変えることができる流体媒質の表面に、この物体の相
欠ぐ隣接した断面積層板を形成することにより、三次元
の物体を作成する新規で改良された装置を提供する。相
欠く積層板は、それらが形成された時に自動的に強固に
一体化され、所望の三次元の物体を形成する。

例としていうと、これに制限するつもりはないが、現在
好ましいと考えられる実施例では、この発明は計算機に
よって発生されたグラフィックの考えをリトグラフィー
と組合せて活用する。即ち、リトグラフィー（造形）技
術を三次元の物体の製造に応用し、計算機の命令から直
接的に三次元の物体を製造するには、計算機の助けを借
りｔ９設計（ＣＡＤ）及び計算機の助けを借りた製造（
ＣＡＭ）を同時に実行する。この発明は製品開発の設計
段階で雛形及び原型を形どるため、または製造装置とし
て、または純粋な芸術的な物体の形成のために用いるこ
とができる。

ここで、「立体造形」とは、硬化し得る飼料、例えば赤
外線で硬化し得る材料の薄い層を互いに上下に「プリン
ト」することにより、物体を作る方法及び装置である。

Ｕ■（紫外線）で硬化し得る液体の面または層を照らす
プログラムされたＵＶ光の可動スポット・ビームを使っ
て、液体の表面に物体の固体断面を形成する。その後、
物体をプログラムされた形で、−層の厚さだけ液体の表
面から遠ざけ、その後、次の断面を形成し、その直ぐ前
の層に接着して物体を構成する。物体全体か形成される
まで、この工程を続ける。

この発明の方法により、はぼあらゆる形態の物体の形を
作ることができる。複雑な形は、プロクラム命令を発生
し、その後プログラム信号を立体造形装置に送るために
、計算機の作用を使うことによって作ることが一層容易
になる。

勿論、粒子の照射（電子ビーム＾９）、マスクを介して
材料を吹伺けること、またはインク・ジェットによる化
学反応、または紫外線以外の入射・放射のように、硬化
し得る流体媒質に対する他の種類の好適な相乗的なエネ
ルギーを用いてこの発明を実施しても、この発明の範囲
を逸脱しない。

例としていうと、この発明を実施する時、所定のエネル
ギーに応答して凝固し得る流体媒質の本体を最初に任意
の適当な容器の中に収容して、相欠ぐ断面積層板をそこ
で作成することのできるような、流体媒質の選定された
作業面を限定する。

その後、紫外線のスポット等のような適当な種類の相乗
的なエネルギーをグラフィック・パターンとして流体媒
質の特定された作業面に適用し、この面に薄い固体の個
別の層を形成する。各層か作ろうとする三次元の物体の
隣接する断面を表す相欠く隣接層を、それらか形成され
た時に、互いに重畳することが自動的に行なわれて、層
を一体化し、所望の三次元の物体を形成する。この点、
流体媒質が硬化し、固体材料が作業面で薄い積層板とし
て形成される時、最初の積層板が固定されている適当な
台を任意の適当な作動装置により、典型的には全てマイ
クロコンピュータ等の制御の下に、プログラムされた形
で作業面から遠ざけられる。このようにして、最初に作
業面に形成された固体材料がこの面から遠ざけられ、新
しい液体が作業面の位置に流れ込む。この新しい液体の
一部分がプログラムされたＵＶ光スポットによって固体
材料に変換されて新しい積層板を限定し、この新しい積
層板がそれに隣接する飼料、即ち、直ぐ前の積層板に接
着によって接合される。三次元の物体全体が形成される
まで、この工程が続けられる。この後、形成された物体
を容器から取出し、装置は、最初の物体と同一の別の物
体、又は計算機によって発生された全く新しい物体を作
る用意ができる。

この発明の立体造形方法及び装置は、プラスチックの物
体を作成するために現在使われている方法に比べて、多
くの利点がある。すなわちこの発明の方法は、設計の配
置及び図面を作成したり、加工の図面及び工具を作る必
要がない。設計者は直接的に計算機及び立体造形装置で
作業することができ、計算機の出力スクリーンに表示さ
れた設計に満足した時、直接的に検査するために部品を
製造することができる。設計を修正しなければならない
場合、これは計算機を通じて容易に行なうことができ、
その後、設計変更か正しかったことを確かめるために、
もう１つの部品を作ることかできる。設計によって、相
互作用する設計パラメータをもつ幾つかの部品か必要に
なる場合、部品の全ての設計を敏速に変えて再び作り、
集成体全体を、必要があれば反復的に作って検査するこ
とかできるので、この発明の方法はさらに役立つ。

設計が完了した後、部品の製造を直ちに開始することが
できるので、設計と製造の間の何週間も何カ月もの所要
期間が避けられる。最終的な生産速度及び部品のコスト
は、短期の生産の現在の射出成形のコストと同様にすべ
きであり、射出成形の場合より労働のコストは一層低く
なる。射出成形は、多数の同一の部品を必要とする時だ
け経済的である。工具の必要がなく、生産の設定時間が
ごく短いことから、立体造形は短期の生産に役立つ。同
様に、この方法を用いると、設計の変更及び注文の部品
が容易に得られる。部品を製造するのが容易であるため
、立体造形は、現在では金属又は他の拐料の部品が使わ
れている多くの場所で、プラスチックの部品を使うこと
ができるようにする。さらに、高価な金属又はその他の
材料の部品を作るという決定の前に、物体のプラスチッ
クのモデルを素早くかつ経済的に作ることができる。

従って、この発明の立体造形方法及び装置は三次元のプ
ラスチックの部品等を速やかに、確実に、正確にかつ経
済的に設計して製造することができるＣＡＤ又はＣＡＭ
システムに対する長い間存在した要望に応えるものであ
る。

この発明の上記並びにその他の目的及び利点は、以下図
面について詳しく説明するところから明らかになろう。

〔実施例〕

次に図面について本発明の詳細な説明する。

第１図及び第２図は、立体造形によって三次元の物体を
作成するこの発明の基本的な方法と装置を示すフローチ
ャートである。

紫外線（ＵＶ）の照射、電子ビーム可視光、非可視光の
照射、インク・ジェット又は適当なマスクを介して適用
する反応性化学剤の様な他の種類の相乗的なエネルギー
により、固定重合体プラスチックに変化するように誘発
することできる数多くの液体状態の化学剤が知られてい
る。ＵＶ硬化性化学剤は現在高速印刷のインクとして、
紙及びその他の材料の被覆プロセスに接着剤として、並
びにその他の特殊な分野に現在使われている。

立体造形は、種々の方式を用いて、グラフィックな物体
を再生する技術である。現在、例としては、微小電子回
路の製造に使われるような写真の複製、ゼログラフィ及
びマイクロ製版がある。プロッタ又は陰極線管に表示さ
れた計算機で発生されたグラフィックもリトグラフィー
形式であり、像はπ１算機で符号化された物体の映像で
ある。

計算機の助けを借りる設計（ＣＡＤ）及び計算機の助け
を借りる製造（ＣＡＭ）は、計算機の能力を設計及び製
造の工程に応用する技術である。

ＣＡＤの典型的な例は、電子プリント配線の設計の分野
である。この場合、計算機及びプロッタが、設計パラメ
ータが計算機のデータ入力として与えられると、印刷配
線板の設計を描＜ＣＡＭの典型的な例は、数値制御のフ
ライス盤であり、適当なプログラミング命令が与えられ
ると、計算機及びフライス盤が金属部品を加工する。Ｃ
ＡＤもＣＡＭも重要であって、急速に成長している技術
である。

この発明の主な目的は、コンピュータで発生されたグラ
フィックの考えをＵＶ硬化性プラスチックと組合せて活
用して、ＣＡＤ及びＣＡＭを同時に実行し、計算機の命
令から直接的に三次元の物体を作ることである。この発
明は、立体造形と呼ばれ、製品開発の設計段階で雛形及
び原型を形どるため、又は製造装置として、あるいは美
術的な形どりとして使うことができる。

第１図には、この発明の立体造形方法が広義に説明され
ている。第１図の工程１０は、形成しようとする三次元
の物体の断面を表す個別の積層板を作成することを表す
。工程１１は、工程１０が正しく行なわれた場合にだけ
行なわれるのが普通であるが、相次いで形成された隣接
する積層板を組合せて、装置のプログラムされた所望の
三次元の物体を形成し、選択的に硬化を行なわせる。こ
のため、この発明の立体造形装置は、入射する放射、電
子ビーム、その他の粒子の照射、インク・ジェットか、
あるいは流体の表面に隣接するマスクを介しての吹付け
によって適用された化学剤の様な適当な相乗的なエネル
ギーに応答して、それぞれ物理的な状態を変えることが
できる流体媒質、例えばＵＶ硬化性液体等の選ばれた面
に、形成しようとする物体の断面パターンを作ることに
より、三次元の物体を作成する。物体の相次ぐ隣接した
断面を表す相次ぐ隣接した積層板が自動的に形成され、
一体化されて、物体の段階的な層状の又は薄層形の構成
を作り、こうした形成工程の間、流体媒質の略平面状又
はシート面から三次元の物体が形成されかつ引き上げら
れる。

上述した方法が第２図にさらに詳しく述べられている。

第２図では、工程１２で、所定の反応性エネルギーに応
答して凝固し得る流体媒質を収容することが要求される
。工程１３は、このエネルギーを選定された流体表面に
グラフィック・パターンとして適用して、その表面に薄
い固体の個別の層を形成する。各層が作ろうとする三次
元の物体の隣接する断面を表す。このような各々の層は
、形成される三次元の物体の分解能を最大にするととも
に正確に再現しさらに作成時間を短縮するために、この
発明を実施する間、出来るだけ薄く作ることが望ましい
。このため、理想的な理論的な状態は、流体媒質の選定
された作業面だけで物体が作られて、無限の数の積層板
が得られるようにし、各々の積層板の厚さがゼロよりも
極く僅かしか大きくない硬化した深さ（例えば、１ｍｍ
以下）をもつようにすることである。このように薄い層
とすることにより形成される物体の精度を向上させるこ
とができるとともに、面に支持体のない成形部の形成が
可能となる。勿論、この発明を実際に用いる時、各々の
積層板は薄い積層板ではあるが、断面を形成して形成さ
れる物体の他の断面を限定する隣接する積層板に接着す
る際に適当な結合性をもつ位の厚さとする。

第２図の工程１４では、相次く隣接した層又は積層板を
それらが形成された時に互いに重畳して、種々の層を一
体化して、所望の三次元の物体を形成する。この発明を
普通に実施する時、流体媒質が硬化し、固体材料が形成
されて、１つの積層数を構成する時、その積層板を流体
媒質の作業面から遠ざけ、前に形成された積層板に置き
代わる新しい液体の中に次の積層板か形成され、このた
め、各々の相次ぐ積層板が他の全ての断面積層板と重畳
されて（硬化した流体媒質の自然の接着性によって）一
体となる。このため、このような断面積層板を製造する
工程は、三次元の物体全体が形成されるまで何回も繰り
返される。その後、物体を取り外し、装置は別の物体を
製造する用意ができる。この物体は、前の物体と同一で
あってもよいし、あるいは立体造形装置を制御するプロ
グラムを取り替えることにより、全く新しい物体にする
ことができる。

第３図から第８図は、第１図と第２図のフローチャー１
・で示した立体造形方法を実施するのに適した種々の装
置を示している。

前に述べたように、「立体造形」は、硬化性材料、例え
ばＵＶ硬化性材料の薄い層を互いに上下に相次いで「プ
リント」することによって、固体の物体を作る方法及び
装置である。ＵＶ硬化性液体の表面又は層を照らすＵＶ
光のプログラムされた可動スポット・ビームを使って、
液体の表面に物体の固体断面を形成する。この後、プロ
グラムされた形で、−層の厚さたけ物体を液体の表面か
ら遠ざけ、次の断面を形成し、直前の層と接着して物体
を限定する。物体全体か形成されるまで、この工程を続
ける。

この発明の方法により、はぼあらゆる形式の物体の形を
作ることができる。プログラム命令を発生して、このプ
ログラム信号を立体造形装置に送るのに計算機の作用を
使うことにより、複雑な形を一層容易に作ることができ
る。

現在、好ましいと考えられる実施例の立体造形装置が第
３図に側面断面図で示されている。容器２１にＵＶ硬化
性液体２２等を充填し、選定された作業面２３を定める
。紫外線２６等のプロクラム可能な源が面２３の平面内
に紫外線スポット２７を作る。光源２６の一部分である
鏡、その他の光学又は機械的な素子（図に示していない
）の移動により、スポット２７は而２３にわたって移動
し得る。面２３上のスポット２７の位置かＫＩ算機また
はその他のプログラミング装置２８によって制御される
。容器２１の内側にある可動の昇降台２９を選択的に昇
降することかできる。台２９の位置が計算機２８によっ
て制御される。この装置が動作する時、３０ａ’、３０
ｂ、３０ｃに示すような一体化した積層板を歩進的に積
上げることにより三次元の物体３０が形成される。

ＵＶ硬化性液体２２の表面は容器２１内の一定の高さの
所に保ち、この液体を硬化させ、それを固体材料に変換
する位の強度をもつＵＶ光のスポット２７又はその他の
適当な種類の反応性エネルギーをプログラムされた形で
作業面２３にわたって移動する。液体２２か硬化して固
体材料が形成される時、最初は作業面２３の直ぐ下にあ
ったｙ隣合２９を適当な作動装置によって、プログラム
された形でこの作業面から下に降げる。このようにして
、最初に形成された固体材料は而２３の下に来るように
なり、新しい液体２２か而２３に流れ込む。この新しい
液体の一部分がプログラムされたＵＶ光スポツト２７に
よって固体材料に変換され、この新しい材料がその下に
ある材料と接着によって接合される。三次元の物体３０
の全体か形成されるまで、この工程を続ける。その後、
物体３０を容器２１から取出し、装置は別の物体を作る
用意ができる。その後、もう１つの物体が作ることがで
き、あるいは計算機２８のプログラムを取り替えること
により、新しい物体を作ることができる。

硬化性液体２２、例えばＵＶ硬化性液体は、いくつかの
重要な性質をもっていなければならない。

（Ａ）これは実用的な物体形成時間か得られるように、
利用し得るＵＶ光源で早く硬化しなければならない。（
Ｂ）接着性があって、相次ぐ層か互いに接着するように
しなければならない。（Ｃ）その粘度が十分低く、昇降
台が物体を動かした時、新鮮な液体材料が面に素早く流
れ込むようにしなければならない。（Ｄ）ＵＶを吸収し
て、形成された層か妥当に薄くなるようにすべきである
。

（Ｅ）液体状態である溶媒に妥当に可溶性であって、固
体状態では同じ溶媒に対して妥当に不溶性であって、物
体が形成された後、物体からＵＶ硬化性液体及び途中ま
で硬化した液体を洗い落すことができなければならない
。（Ｆ）出来るたけ無毒性でかつ非刺激性にすべきであ
る。

硬化した材料は一旦それが固体状態になった時、所望の
性質をもっていなければならない。こういう性質は、他
のプラスチック材料を普通に使う場合と同じで、用途に
関係する。色、生地、強度、電気的な性質、可燃性及び
可撓性が考慮すべき性質である。さらに、多くの場合、
祠料のコストも重要である。

実用的な立体造形装置（例えば第３図）の現在好ましい
と考えられる実施例で使われたＵＶ硬硬化性科料、ロッ
クタイト、リミテッド（ＬｏｃｔｉｔｃＬｔｄ、）によ
って製造される変性アクリレートであるポツティング・
コンパウンド（ＰｏｌｌｉｎｇＣｏｍｐｏｕｎｄ）　３
６３である。この典型的なＵＶ硬硬化性科料作る方法が
、米国特許第４．１００，１４１号に記載されている。

すなわち、前記したＵＶ硬化性材料は、無数の公知の開
始剤を遊離基として使った遊離基共重合により硬化でき
る。このような開始剤として、過酸化水素のような過酸
化物；過酸化ベンゾイルメチルケトン過酸化物のような
有機過酸化物；２２′　−アゾビス（イソブチロニトリ
ル）のようなアゾ化合物；クメンヒドロペルオキシド、
ｔ−ブチルハイドロペルオキシド、メチルエチルケトン
ハイドロペルオキシドのようなハイドロペルオキシド；
ｔ−ブチルパーベンゾエート、ｔ−ブチルパーアセテー
トのような加水分解して過酸化合物になるパーエステル
；ベンゾフェノン、ベンゾ・ｒンエーテルのような感光
化合物があげられる光源２６は、物体の所望の細部を形
成することができる位に小さく、かつ使われるＵＶ硬化
性７１に体を実用的になる位に敏速に硬化させる位の強
さをもつＵＶ光のスポット２７を発生する。源２６はオ
ン及びオフに転するとともに、集束スポット２７が液体
２２の面２３を横切って移動するようにプログラムする
ことができるように構成される。

このため、スポット２７か移動する時、それか液体２２
を固体に硬化させ、チャート式記録装置又は製図装置か
ペンを使って紙の上にパターンを描くのと大体同じよう
に、面の上に固体パターンを描く。

現在好ましいと考えられる実施例の立体造形装置の光源
２６は、ハウジング内にある３５０ワツトの短アーク水
銀灯を用いており、ハウジングの光出力を直径１ｍｒｎ
のＵＶ透過性光学繊維束（図に示してない）の端に集束
した。水銀灯に近い方の束の端を水冷し、灯と束の端の
間に電子的に制御されるシャッタ・プレートを設け、束
を通る光をオン及びオフに転することができるようにし
た。

束の長さ１ｍであり、光出力は、ＵＶをスポットに集束
するために石英レンズをもつレンズ管に送り込んだ。光
源２６は直径１ｍｍより若干小さいスポットを発生ずる
ことができ、約１ワツト／ｃ＋＆の長波ＵＶ強度をもっ
ている。

第３図の装置では、面２３を一定の高さに保ち、物体を
取去った後、この材料を補給する手段を設けて、焦点ス
ポット２７か一定の焦点平面に鮮鋭に合焦点状態にとど
まり、こうして作業面に沿って薄い層を形成する際の分
解能を最大になるように保証することができる。この点
、作業面２３に強度の強い領域が得られるように焦点を
形成し、急速に低い強度に発散して、硬化工程の深さを
制限して、形成する物体に対して適当な最も薄い断面積
層板が得られるようにするのが望ましい。これは、焦点
距離の短いレンズを使い、源２６を出来るだけ作業面に
近づけて、流体媒質に入る焦点コーンにおける発散が最
大になるようにして達成するのが最もよい。その結果、
分解能か実質的に高くなる。

ヒユーレット・パラカード社によって製造されるＨ−Ｐ
９８７２型ディジタル・プロッタ（図に示してない）を
用いて光源２６を動かす。レンス管をプロッタのペン・
カートリッジに取イ１け、普通のグラフィック指令を用
いて、計算機２８によってプロッタを駆動する。シャッ
タは、計算機の指令を使って、Ｉ（−Ｐ３４９７型デー
タ収集／制御装置によって制御する。

物理的にこの他の形の光源２６又はその均等物を用いる
ことができる。走査は光学走査器を用いて行なうことが
でき、こうすれば光学繊維束及びディジタル・プロッタ
か不要となる。最終的には、ＵＶレーザが類アーク灯よ
りも一層良い光源になる。立体造形工程の速度は主に光
源の強度とＵＶ硬化性液体の応答とによって制限される
。

昇降台２９を使って形成する物体３０を支持しかつ保持
するとともに、それを上下に動かす。典型的には、１つ
の層が形成された後、物体３０を次の層のレベルを越え
て移動（液体媒質内にオーバデイツプする）して、固体
が形成された所で面２３に残された一時的な空所に液体
２２が流れ込むことかできるようにし、その後、次の層
に対する正しい高さに戻す。これにより空所に流れ込ん
だ液体２２が潮が引くごとく退いて所定の厚さの層とな
る。これにより極めて薄い層の自動積層が可能となる。

昇降台２９に対する条件は、適当な速度かつ精度でプロ
グラムされた通りに動かすことができること、形成する
物体の重量に耐える位に丈夫であることである。さらに
、設定段階並びに物体を取外す時、昇降台の位置の手動
の微細調節が役立つ。

第３図の実施例のＡ隣合２９は、アナログ・ブロック（
図に示してない）に取りつけた台である。

このプロッタが、計算機２８のプログラム制御の下に、
内部にディジタル・アナログ変換器を持つＨ−Ｐ３４９
７型データ収集／制御装置によって駆動される。

この発明の立体造形装置の計算機２８は基本的に２つの
作用をもつ。第１に、オペレータか三次元の物体を設計
するのを、それを作ることかできるような形で助けるこ
とである。第２に、この設計を、立体造形に対する適切
な指令に変換し、こういう指令を物体が形成されるよう
に送りｊｌｌずことである。ある用途では、物体の設計
が存在しており、計算機の作用は適当な命令や指令を送
り川すことだけである。

理想的な場合、オペレータは物体を段別して、それを計
算機２８のＣＲＴスクリーンに三次元で見ることができ
る。オペレータが段別を終わった時、計算機２８に物体
を作るように命令し、５］算機が立体造形に対して適当
な命令を出す。

この発明の実際に用いられた例では、旧算機２８はＨ−
Ｐ９８１６であって、ベーシック・オペレーション・シ
ステムを用いる。典型的なプログラムが添付した参考資
料に示されている。このシステムでは、オペレータがＨ
−Ｐグラフィック・ランゲージ（３４９７Ａに対する指
令構造）及びベーシック・ランゲージの指令を用いてプ
ログラムする。オペレータはＵＶ硬化性時間に対する適
当な露出時間及び速度をも設定しなければならない。こ
の装置を動作させるため、物体の像を作り、立体造形装
置をこの物体を作る様に駆動するためのプログラムを書
く。

昇降台２９の駆動は、機械式、空気圧式、流体圧又は電
気式であってよく、その位置を精密に制御するために光
又は電子回路の帰還を用いることができる。昇降台２９
は典型的にはガラスマ又はアルミニウムで作られるが、
硬化したプラスチック飼料が接着する任意の材料が適し
ている。

ある場合には、計算機２８が不要なり、特に簡単な形し
か造形しない場合、−層簡単な専用のプログラミング装
置を使うことができる。この代わりに、計算機制御装置
２８が、別のさらに複雑な計算機によって発生された命
令を単に実行するたけであってもよい。これは、幾つか
の立体造形装置を使って物体を作り、別の装置を用いて
形成すべき物体を最初に設計する場合がそうである。

計算機によって制御されるポンプ（図に示してない）を
使って、作業面２３の所に液体２２の一定の液位を保つ
ことができる。その必要性は、次の理由による。すなわ
ち、液体が露光（Ｉｌｌ）されるとその容量変化のため
に収縮し液位が変化する。

また、昇降台２９が液体内に移動すると、液体の容積が
変化し、それにより液位が変化する。液体の層の厚さは
、液位下に形成された直前の層の深さによって決まるの
で、もし、液位が一定に保たれていないと、実際に形成
される層の厚さは、所望の層の厚さより異ってしまい正
確な厚さの層が形成されないからである。周知の適当な
液位検出装置及び帰還回路を用いて、流体ポンプを駆動
するか、あるいは液体変位装置を駆動し、昇降台を流体
媒質の中に一層深く移動する時に流体媒質の外へ移動す
る中実な棒（図に示してない）を駆動し、流体容積の変
化量をならして、面２３に一定の流体の液位を保つこと
ができる。この代わりに、光源２６を感知した液位２２
に対して移動し、作業面２３に鮮鋭な焦点を自動的に保
つことができる。これらの全ての代案は、計算機制御装
置２８と共に作用する普通のソフトウェアにより容易に
達成することができる。

三次元の物体３０が形成された後、昇降台２９を高くし
、物体を台から取外す。典型的には、この後、物体をア
セトンのように、硬化した固体の媒質は溶解しないが、
未硬化の流体媒質の液体状態を溶解する溶媒の中で、超
音波で洗浄する。その後、物体３０を強い紫外線の溢光
、典型的には、２００ワット／インチのＵＶ硬化灯の下
に置き、硬化工程を完了する。

さらに、この発明を実施する時、幾つかの容器２１を用
いることができる。各々の容器は、相異なる種類の硬化
性科料を保有していて、立体造形装置によって自動的に
選択することができる。この場合、種々の材料は違う色
のプラスチックであってもよいし、あるいは電子部品の
種々の層に利用し得る絶縁材料及び導電材料の両方をも
っていてよい。

他の図面について、この発明のこの他の実施例を説明す
るが、図面全体にわたり、第３図に示したこの発明の好
ましい例について説明したのと同様な部分には、同じ参
照数字を用いている。

第４図には、別の形の立体造形装置が示されている。こ
の場合、ＵＶ硬化性液体２２等が一層重いＵＶ透過性液
体３２の上に浮いている。液体３２は硬化性液体２２と
非混和性であってかつそれをぬらさない。−例として、
中間の液体層３２としては、エチレン、グリコール又は
重水が適している。第４図の装置では、第３図の装置に
示すように、流体媒質の中に入り込む代わりに、土次元
の物体３０が液体２２から引き上げられる。

第４図のＵＶ光源２６が液体２２と非混和性の中間液体
層（離型液剤）３２との間の境界面にスポット２７を集
束する。ＵＶ放射は、容器２１の底に支持された石英妨
で作られた適当なＵＶ透過性の窓３３を通過する。硬化
性液体２２は非混和性の層３２の上に極く薄い層として
設けられ、このため、理想的には極く薄い積層板を作る
べきであるから、硬化の深さを制限するために吸着等た
けに頼る代わりに、層の厚さを直接的に制限するという
利点がある。このため、形成菌域かさらに鮮鋭に限定さ
れ、第４図の装置を用いれば、第３図の装置よりも、あ
る面は一層滑かに形成される。

さらに、ＵＶ硬化性液体２２は一層少ない容積ですみ、
ある硬化性材料と別の硬化性飼料との取り替えが一層容
易である。

第５図の装置は第３図の装置と同様であるが、可動のＵ
Ｖ光源２６がなく、プログラムされた源２６及び集束ス
ポット２７の代わりに、コリメトされた幅の広いＵＶ光
源３５と適当な開口マスク３６とを用いている。開口マ
スク３６は作業面２３にできるだけ近づけ、ＵＶ＃、３
５からのコリメートされた光かマスク３６を通過して、
作業面２３を露出し、こうして第３図及び第４図の実施
例と同じように、相次ぐ隣接した積層板を作る。

しかし、形成する物体の断面形を表わす固定マスク３６
を使うことにより、三次元の物体は一定の断面形のもの
が得られる。この断面形を変える時には、その特定の断
面形に対する新しいマスク３６に取り替えて、正しく整
合させなければならない。勿論、面２３と整合するよう
に相次いで移動させられるマスクのウェブ（図に示して
ない）を設けることにより、マスクを自動的に交換する
ことができる。

第６図も前に第３図について述べたものと同様な立体造
形装置を示している。しがし、光源２６及び焦点スポッ
ト２７の代わりとして、陰極線管（ＣＲＴ）３８、光学
繊維のフェースプレート３９及び水又はその他の雛形層
４ｏを設ける。このため、計算機２８からＣＲＴ３８に
供給された画像が管のＵＶ放出発光体面に形成像を作り
、そこで光学繊維層３つ及び雛形層４ｏを通過して、流
体媒質２２の作業面２３に入る。他の全ての点で、第６
図の装置は、これまで説明した実施例と全く同じように
、形成しようとする所望の三次元の物体を限定する相次
ぐ断面積層板を形成する。

第７図及び第８図は、昇降台２９が旬月的な自由度をも
ち、物体３０の異なる面を他の構成方法のために露出す
ることができるようにした立体造形装置を示している。

同様に、この立体造形方法は「つけ加え」方法として用
いることができ、昇降台２９を使って、補助的な立体造
形処理のために、別の部分を拾い、かつ位置決めするこ
とができる。この点、第７図及び第８図に示す装置は第
３図と同一であるが、第７図及び第８図の装置では、昇
降台２９が枢軸ピン又は丁番部材４２の周りに手動で又
は自動的に制御されて回転する２番目の自由度を持って
いる点が異なる。この点、第７図は普通の位置にある調
節自在の昇降台２９ａを示しており、第８図は９０°回
転した台２９ａを示しており、このため、三次元の物体
３０のｈ側に追加として、立体造形によって形成された
補助的な構造４１を選択的に形成することができる。

実用的な立体造形装置は、第３図から第８図に略図で示
した装置についてこれまで説明したちの以外に、追加の
部品及びザブシステムをもっている。例えば、実用的な
装置は枠及びハウジングと制御パネルとをもっている。

さらに、オペレータを過剰のＵＶ光及び可視光から遮蔽
する手段ももっており、形成されている間に物体３ｏを
見ることができるようにする手段ももっていることがあ
る。実用的な装置は、オゾン及び有害な煙を制御する安
全手段や、高圧安全保護及び連動装置をもっている。こ
のような実用的な装置は、影響を受は易い電子回路を雑
音源から有効に遮蔽する手段をももっている。

すでに説明したように、この他の多数の装置を利用して
、この発明の立体造形方法を実施することができる。例
えば、ＵＶ光源２６の代わりに、電子源、可視光源、レ
ーザ光源、ショートアーク光源、高エネルギー粒子光源
、Ｘ線源又はその他の放射源を使うことができ、特定の
種類の反応性エネルギーに応答して硬化する適当な流体
媒質、例えば光重合材料を用いることができる。例えは
、ＵＶ光を用いて若干予め重合させたアルファオクタデ
シルアクリル酸を電子ビームを用いて重合させることが
できる。同様に、ポリ　（２，３−ジクロロ−１−プロ
フィル・アクリルレート）をＸ線ビームを用いて重合さ
せることができる。

〔発明の効果〕

この発明の立体造形方法及び装置は、プラスチックの物
体を製造するために現在使われている方法に比べて多く
の利点がある。この発明の方法は、設計の配置及び図面
を作る必要がなく、加工図面及び工具を作る必要もない
。設計者は直接的に計算機及び立体造形装置を相手とし
て作業することができ、計算機の出力スクリーンに表示
された設計に満足した時、直接的（こ検討するために、
部品を製造することができる。設計を変更しなければな
らない時、計算機を通じてその変更を容易に行なうこと
かでき、その後、もう１つの部品を作って、その変更か
正しかったことを検証することができる。設計が相互作
用をする設計パラメータをもつ幾つかの部分を必要とす
る場合、すべての部分の設計を素早く変更しかつ再び作
ることかできる。このため全体の集成体を、必要であれ
ば、反復的に作って検査することができるので、この発
明の方法はさらに役立つ。

設計が完成した後、部品の製造を直ちに始めることがで
き、このため、設計と製造の間に何週間も何カ月もかか
ることが避けられる。最終的な生産速度及び部品のコス
トは、短期的な生産用の現在の射出成形のコストと同様
にすべきてあり、射出成形よりも労賃は一層低くするこ
とができる。

射出成形は、多数の同一の部品を必要とする時にだけ経
済的である。立体造形は短期的な生産に有用である。こ
れは、工具の必要かなく、また生はニの設定時間が極く
短いからである。同様に、この方法を使うと、設計の変
更及び注文製の部品が容易に得られる。部品を作るのが
容易であるため、立体造形は、現在では金属又はその他
の材料の部品が使われている多くの場所で、プラスチッ
クの部品を使うことができるようにする。さらに、層高
価な金属又はその他の材料の部品を製造する決定を下す
前に、物体のプラスチックのモデルを敏速かつ経済的に
作ることができる。

以上、この発明を実施するための種々の立体造形装置を
説明したが、それらがほぼ三次元の面を描き、この面か
ら三次元の物体を引き上げるという考えを共通にもって
いることは明らかである。

この発明は、三次元のプラスチックの部品等を敏速に、
確実に、正確にかつ経済的に設計して、製造することが
できるＣＡＤ及びＣＡＭ装置に対する従来長い間あった
要望に応える。

以上、この発明の特定の形式を図示し、かつ説明したが
、この発明の範囲内で種々の変更を加えることができる
ことは明らかである。従って、この発明は本願の特許請
求の範囲の記載のみに限定されることはない。

現在好ましいと考えられる実施例の断面図と組蒼せたブ
ロック図、第４図はこの発明を実施するための２番目の
実施例の断面図、第５図はこの発明の３番目の実施例の
断面図、第６図はこの発明のさらに別の実施例の断面図
、第７図及び第８図は多数の自由度をもつ昇降台を取り
入れるように第３図の立体造形装置を変更した場合の部
分的な断面図である。

２１・・・容器、２２・・・ＵＶ硬化性液体、２３・・
作業面、２６・・・光源、２８・・計算機、２９　昇降
台、３０・・・物体。

出願人代理人　　佐　　藤　　−雄

【図面の簡単な説明】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、硬化し得る流体媒質から三次元物体を自動的に作成
   する方法において、 作成する三次元物体の断面を表すデータを創成し、 前記データに応答して発生される硬化用照射に指定され
   た作業面上の前記流体媒質を曝して第１断面層を形成し
   、 所定の液位を前記作業面に維持し、 前記第１断面層に、前記作業面に対して１ｍｍ以下の薄
   さをもつ次の流体層として形成された流体を自動的に積
   層し、 前記次の流体層を硬化用照射に曝して第２断面層に形成
   し、前記次の流体層を第２断面層に形成するため硬化用
   照射に前記次の流体層を曝している間に前記第２断面層
   を前記第１断面層に接着させることからなり、これによ
   り複数の順次接着された断面層から三次元物体を形成す
   る方法。 ２、硬化し得る流体媒質から三次元物体を自動的に作成
   する装置において、 作成する三次元物体の断面を表すデータを発生する演算
   装置と、 前記流体媒質を収容する容器と、 所定の液位を前記作業面に維持する装置と、前記流体媒
   質が指定された作業面を画成し、前記データに応答して
   硬化用照射に前記流体媒質を曝して第１断面層を前記作
   業面に形成する硬化用照射源と、 前記第１断面層に接着される第２断面層の形成の準備と
   して１ｍｍ以下の薄さをもつ次の流体層として形成され
   たを自動的に積層する装置とを備えた複数の順次接着さ
   れた断面層から三次元物体のを形成する装置。 ３、特許請求の範囲第２項記載の装置において、前記硬
   化用照射源が電子ビームである三次元物体を形成する装
   置。 ４、特許請求の範囲第２項記載の装置において、前記硬
   化用照射源が高エネルギ粒子ビームである三次元の物体
   を形成する装置。 ５、特許請求の範囲第２項記載の装置において、前記硬
   化用照射源が光ビームである三次元の物体を形成する装
   置。 ６、特許請求の範囲第２項記載の装置において、前記硬
   化用照射源がＸ線である三次元の物体を形成する装置。 ７、特許請求の範囲第２項記載の装置において、前記硬
   化用照射源が紫外線ビームである三次元の物体を形成す
   る装置。 ８、特許請求の範囲第２項記載の装置において、前記硬
   化用照射源が前記流体媒質の硬化を起す反応性化学物質
   ジェットである三次元の物体を形成する装置。 ９、特許請求の範囲第２項記載の装置において、前記硬
   化用照射源が可視光線である三次元の物体を形成する装
   置。 １０、特許請求の範囲第２項記載の装置において、前記
   硬化用照射源がレーザ装置からの照射である三次元の物
   体を形成する装置。 １１、特許請求の範囲第２項記載の装置において、前記
   硬化用照射源が紫外線レーザ装置からの照射である三次
   元の物体を形成する装置。 １２、特許請求の範囲第２項記載の装置において、前記
   硬化用照射源が光ファイバー束により伝送されるショー
   トアーク源からの照射である三次元の物体を形成する装
   置。 １３、特許請求の範囲第２項記載の装置において、前記
   流体媒質が光重合体物質である三次元の物体を形成する
   装置。 １４、特許請求の範囲第２項記載の装置において、前記
   積層装置が構成層を形成される次の層の所望の厚さより
   大きい距離だけ前記作業面から離し、続いて前記所望の
   厚さにほぼ等しい距離へ前記作業面から戻す装置を有し
   ている三次元の物体を形成する装置。 １５、特許請求の範囲第２項記載の装置において、前記
   容器内の前記流体媒質の体積がほぼ一定に維持される三
   次元の物体を形成する装置。 １６、特許請求の範囲第２項記載の装置において、前記
   容器内の前記流体媒質の液位が一定に維持される三次元
   の物体を形成する装置。 １７、特許請求の範囲第２項記載の装置において、前記
   作業面が前記照射が与えられる固定境界面である三次元
   の物体を形成する装置。 １８、特許請求の範囲第２項記載の装置において、形成
   された状態の前記物体を支持移動する移動装置を前記容
   器内に有する三次元の物体を形成する装置。 １９、特許請求の範囲第１８項記載の装置において、前
   記移動装置がエレベータからなる三次元の物体を形成す
   る装置。 ２０、硬化し得る流体媒質から三次元物体を自動的に作
   成する装置において、 作成する三次元物体の断面を表すデータを発生する演算
   装置と、 形成される三次元物体の断面を表す少くとも１個の開口
   マスクと、 前記流体媒質を収容する容器と、 所定の液位を前記作業面に維持する装置と、前記流体媒
   質が指定された作業面を画成し、前記データに応答して
   硬化用照射に前記開口マスクを通して前記流体媒質を曝
   して第１断面層を前記作業面に形成する硬化用照射源と
   、 前記第１断面層に接着される第２断面層の形成の準備と
   して厚みを減少して１ｍｍ以下の薄さの次の流体層に形
   成される流体で前記第１断面層を自動的に積層するとを
   備えた複数の順次接着された層から三次元の物体を形成
   する装置。 ２１、特許請求の範囲第２０項記載の装置において、前
   記硬化用照射源が電子ビームである三次元の物体を形成
   する装置。 ２２、特許請求の範囲第２０項記載の装置において、前
   記硬化用照射源が高エネルギ粒子ビームである三次元の
   物体を形成する装置。 ２３、特許請求の範囲第２０項記載の装置において、前
   記硬化用照射源が光ビームである三次元の物体を形成す
   る装置。 ２４、特許請求の範囲第２０項記載の装置において、前
   記硬化用照射源がＸ線である三次元の物体を形成する装
   置。 ２５、特許請求の範囲第２０項記載の装置において、前
   記硬化用照射源が紫外線ビームである三次元の物体を形
   成する装置。 ２６、特許請求の範囲第２０項記載の装置において、前
   記硬化用照射源が前記流体媒質の硬化を起す反応性化学
   物質ジェットである三次元の物体を形成する装置。 ２７、特許請求の範囲第２０項記載の装置において、前
   記硬化用照射源が前記指定された作業面にかぶせて前記
   流体媒質の硬化を起こす化学物質を選択的に与えるパタ
   ーンマスクからなる三次元の物体を形成する装置。 ２８、特許請求の範囲第２０項記載の装置において、前
   記硬化用照射源が前記指定された作業面にかぶせてこの
   面に選択的に相乗的なエネルギーを起こさせるパターン
   マスクからなる三次元の物体を形成する装置。 ２９、特許請求の範囲第２０項記載の装置において、前
   記硬化用照射源が前記指定された作業面にかぶせてこの
   面を照射に曝すパターンマスクからなる三次元の物体を
   形成する装置。 ３０、特許請求の範囲第２０項記載の装置において、前
   記硬化用照射源が可視光である三次元の物体を形成する
   装置。 ３１、特許請求の範囲第２０項記載の装置において、前
   記硬化用照射源がレーザ装置からなる三次元の物体を形
   成する装置。 ３２、特許請求の範囲第２０項記載の装置において、前
   記硬化用照射源が紫外線レーザ装置からの照射である三
   次元の物体を形成する装置。 ３３、特許請求の範囲第２０項記載の装置において、前
   記硬化用照射源が光ファイバー束により伝送されるショ
   ートアーク源からの照射である三次元の物体を形成する
   装置。 ３４、特許請求の範囲第２０項記載の装置において、前
   記流体媒質が光重合性物質である三次元の物体を形成す
   る装置。 ３５、特許請求の範囲第２０項記載の装置において、前
   記積層装置が構成層を形成される次の層の所望の厚さよ
   り大きい距離だけ前記作業面から離し、続いて前記所望
   の厚さにほぼ等しい距離へ前記作業面から戻す装置を有
   している三次元の物体を形成する装置。 ３６、特許請求の範囲第２０項記載の装置において、前
   記容器内の前記流体媒質の体積がほぼ一定に維持される
   三次元の物体を形成する装置。 ３７、特許請求の範囲第２０項記載の装置において、前
   記容器内の前記流体媒質の液位が一定に維持される三次
   元の物体を形成する装置。 ３８、特許請求の範囲第２０項記載の装置において、前
   記作業面が前記照射が与えられる固定境界面である三次
   元の物体を形成する装置。 ３９、特許請求の範囲第２０項記載の装置において、移
   動装置が前記容器内に位置されて形成する物体を支持し
   、かつ、移動させる三次元の物体を形成する装置。 ４０、特許請求の範囲第３９項記載の装置において、前
   記移動装置がエレベータからなる三次元の物体を形成す
   る装置。