JPH06503764A - ３次元物体の製造方法及び装置 - 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】 ３次元物体の製造方法及び装置 本発明は、請求項１及び１５の前提部分にそれぞれ記載された３次元物体の製造 方法及び装置に関する。

このような方法の例は、「ステレオグラフィ」または「ステレオリソグラフィ」 として知られ、Ｒｅｖ、Ｓｃｉ、Ｉｎｓｔｒｕｍ、（科学器械評論）第５２巻（ １１）、１９８１年１１月号、１７７０〜１７７３ページに掲載されたコダマヒ デオの論文「光硬化性ポリマーを用いた３次元プラスチックモデルの自動製造方 法」において説明されている。この方法の問題点は、物体の寸法の精度が保証さ れないことである。これは、特に、個々の層が固化する時にそれぞれの体積が変 わるため、成層構造全体に応力と変形を生じるという事実によるものである。

したがって、本発明の目的は、物体の製造における精度を高めることである。

この目的は、請求項１の特徴部分に記述された方法と、請求項１５の特徴部分に 記述された装置のそれぞれによって達成される。

本発明の好ましい実施例によれば、物体の表面測定は、たとえばドイツ国特許公 開第３３２８７５３号に記載されているように、モアレ技術によって行われる。

この測定技術は、物体の固化した表面の誤差を速やかにかつ接触せずに測定でき るという利点を有する。固化装置、すなわち光源等の制御はコンピューターによ って通常行われ、このコンピューターは、ＣＡＤ設計プログラムに基づいて製造 される物体のデータを決定するものであり、さらに、このコンピューターに評価 用表面測定データを与えれば、同じコンピューターにより測定結果に基づいて物 体データの修正をすることができるという、さらなる特別な利点が生じる。故に 、評価装置を別に設ける必要はない。

本発明のさらなる特徴と利点は図を参照した実施例の記述から明らかにされる。

図において、 図１は、本発明の方法を実行する装置の第１の実施例の概略立面図を示している 。

図２は、本発明による装置の第２の実施例の概略立面図を示している。

図１は、あるレベルすなわち液面３まで光硬化性液体樹脂２を満たした容器１を 示している。容器内部には、上記レベル３すなわち樹脂２の液面にそれぞれ平行 な略平面状の支持台４が配置されている。この支持台は移動手段５によってレベ ル３の面に垂直な方向に移動され上下に位置決めされる。

支持台４は、複数の層６ａ、　６ｂ、６ｃ、　６ｄからなる物体６を支持し、各 層は以下に述べるようにレベル３に平行に延在している。

液面３に隣接した最上層６ｄを固化させる固化装置７は、光源９を備えた照明装 置８を有し、この光源は光学系１０を介して樹脂２の液面上に集束ビーム１１を 照射する。好適な光源としては、用いられる樹脂の種類によって、紫外線光源、 レーザー光源、その他の光源がある。装置７の支持または位置決め手段１２は装 置７の移動や旋回運動を可能にするため、集束ビームを液面３のあらゆる所望の 場所に位置合せすることができる。この位置合せは、装置７に接続したコンピュ ーター１３によって制御される。この接続は、さらに、光源９の強度制御によっ てビーム１１の強度を調節するためにも利用される。

測定装置１４は、投光器１６を有し、この投光器は、アーク灯やレーザーなどの 光源１５を備え、光学系１７を介して測定領域１８を照明する。光の代わりに他 のいかなる電磁放射でも用いることができる。投射方向１９に沿った投光器１６ のビームの進路内には、変調パターンを発生する変調装置が、好ましくは線回折 格子である投射回折格子２ｏの形あるいはレーザー干渉計の形で、配置されてい る。ビームの発散によって、線回折格子もしくはレーザー干渉計は、それぞれ、 空間的に発散する光面の投射を生しる。

測定領域１８は、投射方向１９に対して角度をなす観測方向２２に沿って画像記 録装置２１によって観察される。画像記録装置２１は、好ましくはビデオカメラ 、テレビカメラ、もしくはＣＣＤカメラなどのカメラと、光学観測系２４とを有 する。光学観測系は、測定領域１８内の液面すなわち後述の方法で形成される物 体６の液面上に焦点を合わせることができる。線回折格子と同様に形成される基 準回折格子２６が、観測ビーム２５の進路内に配置される。基準回折格子２６の 面は、投射回折格子２０の面またはレーザー干渉計のそれぞれに平行であること が好ましい。

画像記録装置２１は、ライン２７を介してコンピューター１３と連結している。

さらに、概略的に示された移動装置２８が設けられ、コンピューター１３に連結 され、観測される測定領域１８に直交する方向に画像記録装置２１を移動させ位 置決めを行う。

動作において、物体６の形状を定めるデータが設計プログラム等を用いてコンピ ューター内に生成される。これらのデータは、物体６の製造のため、次のように 処理される。すなわち、物体は、物体の大きさに比較して薄い多数の水平層に分 割され、この複数の層６ａ〜６ｄの各々に対する、たとえばＣＡＤデータなどの データセットの形で形状データを利用できるようにする。この、各層に対するデ ータの生成と処理は、各層の製造前もしくは製造と同時に実行することができる 。

次にコンピューター１３は移動手段を制御して、物体の第１層６ａ１；対応する 層厚を有する液体樹脂層が支持台４の上側と液面３の間に残るように、支持台４ を液体樹脂２の液面３の下方の位置まで上昇させる。

続いて、位置決め手段１２は照明装置８を制御し、コンピューター１３内で生成 され処理された形状データに対応するポイントにおいて、ビーム１１が液体樹脂 層にあたるようにする。この放射作用によって樹脂は公知のように重合、すなわ ち硬化し、液体層が固化する。

第１層６ａの製造後、移動手段５をコンピューターによって制御し、再び、次層 ６ｂの厚さに対応する液体樹脂層が第１層６ａの液面を覆うように、支持台４を 次層の厚さ分だけ降下させる。この層６ｂの固化は、第１層６ａに関して説明し たのと同様にして行われる。支持台４を引き続き降下させ、次の層６Ｃおよび６ ｄを固化させることにより、物体が完成する。

製造の後、物体６は後処理される。まず、液体樹脂の粘着性残存物が、たとえば 送風および乾燥によりもしくは適当な溶剤を用いて物体から取り除かれる。その 後、もし必要であれば、照光による後硬化が行われる。

次に行われる測定は、さらに、液面をつや消し状態もしくは散乱反射状態にする ための液面処理を必要とする。これは、エツチング、塗装、散乱反射層の被覆、 その地間様な公知のつや消し工程によって行うことができる。

後処理の後、物体６の測定が行われる。この目的のため、物体６は、図の右手に 示されているように、測定される液面が測定装置１４の測定領域１８内に入るよ うにして測定テーブル２９上に置かれる。液面が投光器１６によって照射され、 画像記録手段２１を介して観察される。この目的のため、物体の液面から、もし くは測定テーブル２９から画像記録装置２１までの距離が調節される。投射回折 格子すなわち変調パターン２０と基準回折格子２６との干渉により、物体６の等 直線を表すモアレパターンが液面上に生じる。この線パターンの画像は画像記録 手段２１により記録され、画像記録手段は、たとえば５１２Ｘ５１２個の走査点 の各々についてのグレイスケール上の対応値をコンピューター１３に与える。コ ンピューターは公知の方法（たとえば移相法、ドイツ国特許公開第３３２８７５ ３号参照）を用い、グレイ値の分布を各測定点における物体液面の高さに対応す る値に変換し、この高さを設定値と比較し、この比較を用いて修正値を算出し、 次の物体の製造に用いるために格納する。

引き続き同様な物体６を製造する際、格納された修正データに基づいて修正が行 われる。この目的のため、コンピューター１３は、たとえば「適合度」分析を用 いて、物体６の個々のＣＡＤデータに測定修正データを割り当てる。これらの修 正データを関連するＣＡＤデータと組み合わせることによって、たとえば、観測 方向およびそれに直交する方向における物体の形状の判定された偏差を考察する ことによって、コンピューター１３は修正ＣＡＤデータを決定し、これを次の物 体の製造に用いる。このことは、たとえば次のいずれか、または、両方により行 うことができる。すなわち、たとえば光源９の出力を変化させることにより光ビ ーム１１の強度を変化させて各層６ａ〜６ｄの厚さを変化させること、または、 物体６の形状が設定値から偏倚しているとして検出されたポイントにおけるビー ム１１の位置付けを位置決め手段１２を介して、物体の形状と輪郭が再びそのポ イントにおいて設定値と等しくなるように変更すること、である。同様にして、 次の物体を製造する際に輪郭の修正が行われる。

測定方法において、たとえばＣＣＤチップが検出器および基準回折格子として同 時に用いられる場合や、位相測定輪郭法または位相測定三角法が用いられる場合 、基準回折格子２６を省くことが可能である。この場合、反射された線パターン は画像記録手段２１により、基準パターン（ソフトウェアモアレ）との比較によ って直接的に評価することができる。さらに、物体の輪郭と液面データの測定が 可能なものであれば、その他の適当な測定法を物体の測定に用いることができる 。機械的探知プローブを用いる方法または三角測量や光レーダなどの他の光学的 方法が例としてあげられる。これらの方法に特有な必要条件次第では、つや消し 面や散乱反射面を形成するための後処理は省くことができる。

したがって、上述の方法は閉ループ制御において物体の製造を修正することを可 能とし、この修正は、変形の主要な原因、すなわち固化および／または後硬化中 に発生する体積変化すなわち収縮による応力や変形だけでなく、照明装置の調整 誤り、樹脂の不均質性、支持台等の高さ調節における変動などのその他あらゆる 誤差を考慮したものである。

図２に示された装置において、図１に対応する部分には同一の参照符号を付しで ある。この装置は、物体６の固化される層の区域において液面３内に測定領域１ ８が入るようにして、測定装置１４が固化装置７と組み合わせられている点にお いて、図１の装置とは根本的に異なる。液面３における鏡面反射がモアレ測定を 撹乱することを防ぐために、この測定は蛍光もしくはリン光放射を用いて行われ る。この目的のため、樹脂２は蛍光性もしくはリン光性を持ち、または同様の性 質を有する着色物質が樹脂２に混合される。そして、光源１５による照明は蛍光 またはリン光に等価の波長で行われる。たとえば紫外線光源がこの目的のために 用いられる。あるいは、図２に示されているように、たとえば紫外線放射などの 等価波長のみを、または、優先的に透過するフィルター２９を照明放射の進路内 に設置することもできる。同様に、フィルター３０が観察ビームの進路内に設け られ、樹脂や着色物質の蛍光放射もしくはリン光放射のみを、または、これらを 優先的に透過させる。

図２の装置において、ある層が固化し、続いて次層の厚さに対応する分だけ、支 持台を降下させた後、その時液体である樹脂の液面が測定され、コンピューター １３に格納されたデータと比較される。この測定は、コンピューターが液体層の 厚さと、それらの非平坦度が予め定められた許容範囲内にあることを決定するま で、連続した短い周期で繰り返される。それから、図１の装置を用いた場合と同 じ様にして層の固化を行わせる。この手順の利点は、固化前の待ち時間を可能な 限り最短に設定でき、かつ、実現できることである。液体層の液面測定の前後で この手順を促進するために、支持台４を次層の高さよりもさらに低く降下させ、 この結果としての、より厚い液体層の厚さを、液面３を水平に横切って移動する ワイパ一手段（図示せず）によって、正確な厚さまで減少させることもできる。

図１の実施例とは異なって、物体６は測定のために樹脂槽２から取り出されるこ とはなく、固化した液面と層の輪郭とは、槽内で液面３において、好ましくは、 各層の固化後に測定される。このことが可能となるのは、樹脂の蛍光もしくはリ ン光放射が散乱放射を起こし、フィルター３０が鏡面反射放射を止めるからであ る。したがって、測定前に物体６を処理するための時間を要しない。さらに、本 発明によれば、層の測定時に検出された層の液面すなわち輪郭の誤差はただちに コンピューターに送られ、コンピューターは、次層の形状データを修正して、こ れらの偏差を補償し、物体６自体を修正する。この修正は次以降の同等な物体だ けに限定されるものではない。

固化した物体の輪郭を測定する際、固化した領域を液体樹脂から区分する境界は 、所望の解像度すなわち精度をもって検出されなければならない。このことは上 記の測定方法において可能である。なぜならば、反射された放射の蛍光帯域幅は 、樹脂の相の関数として変化し変移するからである。したがって、波長選択受信 機を用いれば、液体樹脂と固化した樹脂とを、ある地点において識別することが 可能である。また、各層の固化後に、測定される層が液面３の上方に位置する程 度まで、物体を液面３の上方にしばしの間持ち上げることももちろん可能である 。

液面３の全領域内の輪郭測定に必要な相当の測定精度を得るために、測定装置１ ４を、固化した層６　ａ　−ｄの液面を横切って走査しながら移動し、これによ り液面をゾーンごとに走査する可動測定ヘッドとして、設計することができる。

上記装置と方法の変更は可能である。たとえば、樹脂の固化は、その特性に応じ て、電磁放射その他の種類を用いて、また、熱や化学作用によって、達成するこ とができる。固化前の液体樹脂の層厚は、支持台４の降下によってだけでなく、 ポンプやディスプレーサなどと静止支持台との組み合わせによりレベル３を同様 に調節すなわち上昇させることによっても、または、たとえば吹付けにより、固 化した液面上に所定の層厚を与えることによっても、調節することができる。液 面座標の測定は、レーザー干渉や位相変調走時法を用いたレーザー走査（レーザ ーレーダー）などのその他の光学的方法によって行うことができる。特に、簡単 な光反射測定を用いて、層の固化前の液体樹脂の液面が平滑でかつ水平であるか どうかを判定することができる。この場合、検出される反射像は、たとえば斜角 の下で照明によって得られ、非平滑または傾斜液面の場合に変化する。

さらに、物体６をそのあらゆる側から観察し測定できるように、測定テーブルを ジンバル上に載置することができる。さらに図１の装置において、測定装置１４ を製造に組み込むことが可能である。この目的のため、測定装置１４は、支持台 ４によって樹脂槽２から液面３の上方に物体が持ち上げられた状態で物体６を測 定できるように、配設される。この場合、物体を支持台４から測定テーブル２９ へ搬送する必要はない。

また、本発明は、液体樹脂に限定されるものではない。粉末樹脂または金属を液 体樹脂の代わりに用いることもでき、これは光やレーザーの作用（レーザー焼結 ）によって焼結される。

したがって、本発明によれば、光やレーザー作用を利用した成形により、成形品 や工作品を正確に製造することができる。特に部品の大量生産において好適であ る。なぜならば、寸法の修正は最初の１回のみか途中で数回行うだけですむから である。

国際調査報告 １崗−勧−＾−―−−やＣＴ／ＥＰ　９１１０２４４１国際調査報告 ＰＣＴ／ＥＰ　９１１０２４４１ ；＝＝＝二＝：冑＝；＝＝諜＝壬；ｄｓｍｌ”１□１１防ｖ４０１Ｔｂａ−−Ｐ ｓ−ｓｆｆｌｍｓ　ｉｍ　ｌａ　ｍ−１ｌ−１−一−−ｗｋｌｅ＆　ｗｅ　−轡 ５−ｋｒ　１ｗ　−−＠Ｉ　Ｉｓ−一一（８１）指定国　ＥＰ（ＡＴ、ＢＥ、Ｃ Ｈ，ＤＥ。

ＤＫ、ＥＳ、ＦＲ，ＧＢ、ＧＲ，ＩＴ、ＬＵ、ＭＣ，ＮＬ、ＳＥ）、ＪＰ、ＵＳ

Claims (23)

【特許請求の範囲】
1. １．すでに固化した層上に、光等の作用によって固化する最初は液状または粉末 状の物質からなる次層を上記物体の形状に応じて固化させて、積層された層を固 化することにより３次元物体を製造する方法において、物体の表面および／また は輪郭を測定し、測定結果を上記物体の予め定められたデータと比較し、製造の ための修正データをこの比較に基づいて決定することを特徴とする３次元物体の 製造方法。
2. ２．上記表面測定は、第１の変調パターンを上記表面上に投射し、第２の変調パ ターンを介して投射方向に対して角度をもって上記表面を観察し、両変調パター ンの干渉から生じる線パターンに基づいて上記表面の座標を決定することにより 行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. ３．上記測定は、層を固化した後に行われ、上記決定された修正データは次層を 固化する際に用いられることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の方法。
4. ４．上記測定は、少なくとも部分的に蛍光性またはリン光性をもつ物質の構内で 行われ、上記物体は層を固化した後に上記構内で測定されることを特徴とする請 求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
5. ５．上記変調パターンの投射は、蛍光またはリン光に等価の波長を有する光を用 いて行われ、上記観察は蛍光またはリン光放射の波長領域内で行われることを特 徴とする請求項４に記載の方法。
6. ６．層を固化させた後、上記物体は上記固化可能な物質の槽から取り出され、上 記物体の処理ならびに測定を行い、以後次層を固化させることにより製造が継続 されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
7. ７．上記物体を測定前に処理して散乱反射性の表面を形成したことを特徴とする 請求項６に記載の方法。
8. ８．上記物体は測定前に後硬化されることを特徴とする請求項６あるいは７に記 載の方法。
9. ９．層の固化前に、非平滑度を検出するために未固化層の表面を測定することを 特徴とする請求項２乃至８のいずれかに記載の方法。
10. １０．上記固化は、上記表面の非平坦度が予め定められた臨界値より低い場合に 限り実行されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. １１．上記修正データは、上記予め定められたデータと組み合わされて以降の物 体の製造のための修正物体データを決定するために用いられることを特徴とする 請求項１乃至１０のいずれかに記載の方法。
12. １２．対応する点における上記予め定められたデータからの上記測定データの偏 差量によって、上記予め定められたデータを調整することを特徴とする請求項１ 乃至１１のいずれかに記載の方法。
13. １３．上記予め定められたデータは、コンピューターから、集束光ビームを制御 する制御装置へデータセットとして供給され、上記測定された表面データはＣＡ Ｄデータの修正用としてコンピューターに送られることを特徴とする前記請求項 のいずれかに記載の方法。
14. １４．層の固化前に、固化される層の厚さよりも厚い液体層を生成し、その後、 液体層の厚さを固化される層の厚さに対応する値まで減少させることを特徴とす る請求項１乃至１３のいずれかに記載の方法。
15. １５．光等の作用によって固化する液状または粉末状の物質（２）の積層を生成 する手段（１，２，４）と、製造される物体の形状にしたがって上記層の各々の 固化を制御する手段（７）とを有する請求項１に記載の方法を実施するための装 置において、上記物体を走査する測定装置（１４）と、上記測定データを上記層 の予め定められたデータと比較する手段（１３）とを備え、上記測定装置（１４ ）と上記比較手段（１３）は上記固化手段（７）と連結され、上記測定装置（１ ４）により判定された上記測定結果にしたがってその制御を行うことを特徴とす る装置。
16. １６．上記測定装置と上記固化手段（７）は、上記物体のデータセットを生成し 、上記データセットを上記測定装置（１４）によって供給される表面データと比 較し、そこから修正物体データを決定し、上記修正物体データに基づいて上記固 化手段（１３）を制御するコンピューター（１３）に連結されることを特徴とす る請求項１５に記載の装置。
17. １７．上記測定装置（１４）は、上記物体を照明する手段（１５，１６）と、上 記物体を上記照明方向に対して角度をもって観察する画像記録手段（２１）と、 上記照明ビームの進路内に配された第１の回折格子（２０）と、好ましくは、観 察ビームの進路内に配された第２の回折格子（２６）と、上記記録手段に連結さ れた評価手段（１３）とを有することを特徴とする請求項１５あるいは１６に記 載の装置。
18. １８．上記積層を生成する手段（１，２，４）は、光硬化性液体樹脂（２）で満 たされた槽（１）と、上記槽内において上記樹脂の表面に対し直交する方向に移 動可能な支持台（４）とを有することを特徴とする請求項１５乃至１７のいずれ かに記載の装置。
19. １９．上記固化手段は集束光ビーム（１１）を発生する光源（９）と、上記光ビ ーム（１１）の位置を固化される層の領域を横切って移動制御し、上記光ビーム の強度を調整する制御手段とを有することを特徴とする請求項１５乃至１８のい ずれかに記載の装置。
20. ２０．上記測定装置（１４）は、上記槽（１）の表面を走査できるように配設さ れることを特徴とする請求項１８あるいは１９に記載の装置。
21. ２１．上記測定装置（１４）に連結され上記測定された表面データと予め定めら れたデータを比較する比較手段と、上記比較手段ならびに上記固化手段（７）に 連結され上記固化手段を解放する解放手段とを備えたことを特徴とする請求項２ ０に記載の装置。
22. ２２．上記照明手段（１５，１６）は上記物質（２）の蛍光またはリン光に等価 な放射を用いて上記物体を照明し、上記記録手段（２１）は上記物質（２）の蛍 光またはリン光放射に同調されることを特徴とする請求項１７乃至２１のいずれ かに記載の装置。
23. ２３．上記記録手段（２１）は蛍光またはリン光帯域幅の変移や変動を決定する 波長選択受信機を有することを特徴とする請求項２２に記載の装置。