JPH049662B2 - - Google Patents

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、三次元の物体が迅
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イー
（Lithography）を応用する立体造形に関する。

〔従来の技術〕

プラスチツ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が普通である。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が多
い。設計が最適になつた後、次の工程はその製造
である。大抵の生産では、プラスチツク部品は射
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、射出プラスチツク部品は大量生産
した場合にしか実用的にならないのが普通であ
る。プラスチツ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2775785号、第4041476号、同第
4078229号、同第4238840号同第4288861号特開昭
56−144478号公報、小玉秀男「３次元情報の表示
法としての立体形状自動作成」（電子通信学会論
文誌、VOL.J6−C4 No.４，1981年４月）、
Hideo Kodama，Automatic method for
fabricating ａ three−dimensional Plastic
model with photo−hardening polymer，
Review of Scientific Instruments，52(11)，
Nov.1981，及びAlan J.Herbert，Solid Object
Generation，Journal of Applied Photographic
Engineering VOL8，No.４，August 1982に記載
されている。これらの装置はいずれも種々の大掛
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、流体媒容積内の深い所にあ
る選ばれた点で相乗的なエネルギーを付与するこ
とに頼つている。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
射ビームを使つている。この場合、種々のビーム
は、波長が同じであつても異なつていてもよい
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、ビームの交点だけが、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
ツ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つて、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
層もまた困難であつた。

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、かつ信頼性をもつて移るこ
とができるようにすること。とくに、このような
プラスチツク部品に対する計算機による設計から
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
としてある。

従つて、三次元のプラスチツクの物体等の開発
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、信頼性が
あつて経済的で自動的な手段を一層改良するのが
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、この物体の相次ぐ隣接した断面積
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。相次ぐ積
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
発明は計算機によつて発生されたグラフイツクの
考えをリトグラフイーと組合せて活用する。即
ち、リトグラフイー（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た
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、硬化し得る材料、
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。UV（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光の可動スポツト・ビームを使つて、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、一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
体が形成されるまで、この工程を続ける。

この発明の方法により、ほ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、プログ
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
によつて作ることが一層容易になる。

勿論、粒子の照射（電子ビーム等）、マスクを
介して材料を吹付けること、またはインク・ジエ
ツトによる化学反応、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
次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、紫外線のスポツ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イツク・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。各層が作
ろうとする三次元の物体の隣接する断面を表す相
次ぐ隣接層を、それらが形成された時に、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
として形成された時、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ユータ等の制御の下
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光スポツトによつて固
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材料、即ち、直ぐ
前の積層板に接着によつて接合される。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、最初の並体と同一の別の物体、又は計算
機によつ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
ツ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、設計変更が正しかつたこと
を確かめるために、もう１つの部品を作ることが
できる。設計によつて、相互作用する設計パラメ
ータをもつ幾つかの部品が必要になる場合、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つて検査すること
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
又は他の材料の部品が使われている多くの場所
で、プラスチツ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、物体のプラスチツ
クのモデルを素早くかつ経済的に作ることができ
る。

従つて、この発明の立体造形方法及び装置は三
次元のプログラム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実施例を説明する。
第１図及び第２図は、立体造形によつて三次元の
物体を作成するこの発明の基本的な方法と装置を
示すフローチヤートである。

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・ジエツト又は適当なマス
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
チツ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、グラフイツ
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、ゼログラフイ及びマイクロ製版がある。プ
ロツタ又は陰極線管に表示された計算機で発生さ
れたグラフイツクもリトグラフイー形式であり、
像は計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、計算機及びプロツタ
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く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。CADも
CAMも重要であつて、急速に成長している技術
である。

この発明の主な目的は、コンピユータで発生さ
れたグラフイツクの考えをUV硬化性プラスチツ
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・
ジエツトか、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つ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イツク・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、相次ぐ隣接した層又は
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
層板を構成する時、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が形成され、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
性によつて）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つて
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
チヤート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」することによつて、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
た可動スポツト・ビームを使つて、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、一層の厚さだけ物体の液体の表面か
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。物体全体が形成されるまで、
この工程を続ける。

この発明の方法により、ほ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等のプログラ
ム可能な源が面２３の平面内に紫外線スポツト２
７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、スポツト２７は面２３にわたつて移動
し得る。面２３上のスポツト２７の位置が計算機
またはその他のプログラミング装置２８によつて
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ができる。台２９の
位置が計算機２８によつて制御される。この装置
が動作する時、３０ａ，３０ｂ，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
ツト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にわたつ
て移動する。液体２２が硬化して固体材料が形成
される時、最初は作業面２３の直ぐ下にあつた昇
降台２９を適当な作動装置によつて、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面２３の下
に来るようになり、新しい液体２２が面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によつて固体材料に変換
され、この新しい材料がその下にある材料と接着
によつて接合される。三次元の物体３０の全体が
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つていなければならな
い。(A)これは実用的な物体形成時間が得られるよ
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)接着性があつて、相次ぐ層が互いに
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、形成された層が妥
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つて、固体状態では
同じ溶媒に対して妥当に不溶性であつて、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)出来るだ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つた
時、所望の性質をもつていなければならない。こ
ういう性質は、他のプラスチツク材料を普通に使
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、材料のコス
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硬化
性材料は、ロツクタイト、リミテツド（Loctite
Ltd.）によつて製造される変性アクリレートであ
るポツテイング・コンパウンド（Potting
Compound）363である。この典型的なUV硬化
性材料を作る方法が、米国特許第4100141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つた遊離基共重合
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；２，
2′−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；ベンゾフエノン、ベンゾイル
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硬化性液
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光のスポツト２７を発生する。源２６
はオン及びオフに転ずるとともに、集束スポツト
２７が液体２２の面２３を横切つて移動するよう
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、スポツト２７が移動する時、それ
が液体２２を固体に硬化させ、チヤート式記録装
置又は製図装置がペンを使つ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１mm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
れるシヤツタ・プレートを設け、束を通る光をオ
ン及びオフに転ず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をスポツトに
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
ツトを発生することができ、約１ワツト／cm²の長
波UV強度をもつている。

第３図の装置では、面２３を一定の高さに保
ち、物体を取去つた後、この材料を補給する手段
を設けて、焦点スポツト２７が一定の焦点平面に
鮮鋭に合焦点状態にとどまり、こうして作業面に
沿つ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２
３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２
６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、分解後が実
質的に高くなる。

ヒユーレツト・パツカード社によつて製造され
るＨ−P9872型デイジタル・プロツタ（図に示し
てない）を用いて光源２６を動かす。レンズ管を
プロツタのペン・カートリツジに取付け、普通の
グラフイツク指令を用いて、計算機２８によつて
プロツタを駆動する。シヤツタは、計算機の指令
を使つて、Ｈ−P3497型データ収集／制御装置に
よつて制御する。

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
デイジタル・プロツタが不要となる。最終的に
は、UVレーザが短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つて制限される。

昇降台２９を使つて形成する物体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
むことができるようにし、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図の実施例の昇降台２９は、アナログ・プ
ロツタ（図に示してない）に取りつけた台であ
る。このプロツタが、計算機２８のプログラム制
御の下に、内部にデイジタル・アナログ変換器を
持つＨ−P3497型データ収集／制御装置によつて
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、オペレータが三次
元の物体を設計するのを、それを作ることができ
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出すこ
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出
すことだけである。

理想的な場合、オペレータは物体を設計して、
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。オペレータが設計を終わつた
時、計算機２８に物体を作るように命令し、計算
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、計算機２
８はＨ−P9816であつて、ベーシツク・オペレー
シヨン・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グラフイツク・ラン
ゲージ（3497Aに対する指令構造）及びベーシツ
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
圧又は電気式であつてよく、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、硬化したプラスチツ
ク材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、一層簡単な専用のプ
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
計算機によつて発生された命令を単に実行するだ
けであつてもよい。これは、幾つかの立体造形装
置を使つて物体を作り、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。

計算機によつて制御されるポンプ（図に示して
ない）を使つて、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（曝）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
の深さによつて決まるので、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つ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エアによ
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ワツト／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
なる種類の硬化性材料を保有していて、立体造形
装置によつ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ツクであ
つてもよいし、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つてい
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３
２は硬化性液体２２と非混合性であつてかつそれ
をぬらさない。一例として、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、三次元
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と非混合性の
中間液体層（離型液剤）３２との間の境界面にス
ポツト２７を集束する。UV放射は、容器２１の
底に支持された石英等で作られた適当な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だ
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、形成領域がさらに
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材料との
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UV光源２６がなく、プログラムされた源
２６及び集束スポツト２７の代わりに、コリメー
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源３５からのコリ
メートされた光がマスク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３
６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エブ（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。しかし、光源２６
及び焦点スポツト２７の代わりとして、陰極線管
（CRT）３８、光学繊維のフエースプレート３９
及び水又はその他の雛形層４０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３９及び雛形層４０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が付加的な自
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を使つて、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
目の自由度を持つている点が異なる。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の片側
に追加として、立体造形によつて形成された補助
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もの
以外に、追加の部品及びサブシステムをもつてい
る。例えば、実用的な装置は枠及びハウジングと
制御パネルとをもつている。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
つており、形成されている間に物体３０を見るこ
とができるようにする手段ももつていることがあ
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
つている。このような実用的な装置は、影響を受
け易い電子回路を雑音源から有効に遮蔽する手段
をももつている。

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、レーサ光源、シヨートアーク
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
ば、UV光を用いて若干予め重合させたアルフア
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−プロフイル・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
ツ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、直接的に検討するために、
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
に行なうことができ、その後、もう１つの部品を
作つて、その変更が正しかつ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が
できる。このため全体の集成体を、必要であれ
ば、反復的に作つ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であり、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、工具の必要がなく、また生産
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、プラスチツクの
部品を使うことができるようにする。さらに、一
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、物体のプラスチツクのモデルを
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、それらがほぼ二次元の面を
描き、この面から三次元の物体を引き上げるとい
う考えを共通にもつていることは明らかである。

この発明は、三次元のプラスチツクの部品等を
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
る従来長い間あつた要望に応える。

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。従つて、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。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はこの発明の立体造形方法を
実施するのに用いられる基本的な考えを示すフロ
ーチヤート、第３図はこの発明を実施する装置の
現在好ましいと考えられる実施例の断面図と組合
せたブロツク図、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。

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の物体を自動
   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、 前記流体媒質を容器内に一定量に保持し、かつ
   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、 一定量の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
   応性化学物質ジエツ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アイバー束により伝
   送されるシヨ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、 一定量の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エツ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アイバー束により伝
   送されるシヨ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。