JPH0653391B2 - 三次元の物体を作成する方法と装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は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が普通である。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２，７７５，７８
５号、第４，０４１，４７６号、同第４，０７８，２２
９号、同第４，２３８，８４０号同第４，２８８，８６
１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法」（電子通
信学会論文誌、VOL.J64-C No.4,1981年４月）、Hideo
Kodama.Automatic method for fabricating a three-di
mensional Plastic model with photo-hardening polym
er,Review of Scientific Instruments,52(11),Nov.198
1，及びAlan J.Herbert,Solid Object Generation,Jour
nal of Applied Photographic Engineering,VOL 8,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、信頼性があっ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
りた設計（ＣＡＤ）及び計算機の助けを借りた製造（Ｃ
ＡＭ）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、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材料、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、設計変更が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ができる。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、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
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。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、一層の厚さだ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は面２３にわたって移
動し得る。面２３上のスポット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
昇降することができる。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
った昇降台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光スポット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３
０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が得られるように、利用し得るＵ
Ｖ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、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、ロッ
クタイト、リミッド(Loctite Ltd.)によって製造される
変性アクリレートであるポッテイング・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４，１００，１４
１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；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；ベンゾフェノン、ベンゾイ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光のスポッ
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が移動する時、それが
液体２２を固体に硬化させ、チャート式記録装置又は製
図装置が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ワットの短アーク水
銀灯を用いており、ハウジングの光出力を直径１mmのＵ
Ｖ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
することができ、約１ワット／cm²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、分解能が実質的に高くなる。

ヒューレット・パッ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。レンズ管をプロッタのペン・
カートリッジに取付け、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、Ｈ−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
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（流体媒質内にオーバディップする）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・プロッタ
（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−Ｐ３４９７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った時、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
又は電子回路のの帰還を用いることができる。昇降台２
９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って発生された命
令を単に実行するだけであってもよい。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（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２
６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
の益光、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
性材料を保有していて、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。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と非混和性の中間液体
戴層（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
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３
５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）を折けることにより、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及び焦点スポッ
ト２７の代りとして、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４
０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の片側に追加として、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もの以外に、追加の
部品及びサ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３０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、
レーサ光源、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
ば、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つの部品を作って、その変更が
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、プラスチッ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。

【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ャート、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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−144478（ＪＰ，Ａ) 電子通信学会論文誌、1981／４，Ｖｏ ｌ．Ｊ64−Ｃ，Ｎｏ．４のＰ．237〜241 「３次元情報の表示法としての立体形状自 動作成法」と題する論文

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】三次元物体を設計し、かつ、直接作成する
   装置において、 該三次元物体を設計し、かつ、画像表示するコンピュー
   タ支援設計（ＣＡＤ）装置と、 画像出力を発生する演算装置であって、この画像出力が
   前記コンピュータ設計の三次元物体の複数の薄い断面を
   画成する演算装置と、 反応性流体媒質の薄い初期層を自動的に形成し、かつ、
   該反応性流体媒質の初期層を作業面に位置させ、前記初
   期層を前記作業面から次の層の所定のレベルを越えて前
   記流体媒質内へ移動させることにより前記初期層に自動
   的に積層し、ついで前記初期層を前記作業面に向って所
   定のレベルまで戻して前記次の層を前記初期層に対して
   形成させるコンピュータ制御装置と、 前記画像出力に応答して発生された硬化用照射に前記初
   期層を自動的に曝して、前記画像出力に対応した反応し
   た流体媒質の薄い断面層を形成するコンピュータ制御装
   置と、 複数の層から前記三次元物体を自動的に形成するため
   に、複数の反応性流体媒質の薄い層を自動的に形成し、
   かつ、各次の層が硬化性照射に曝されている間に直前の
   層に接着する複数の次の層を自動的に形成するコンピュ
   ータ制御装置と、 を備えた三次元物体を形成する装置。
2. 【請求項２】前記反応性流体媒質の薄い層を形成するコ
   ンピュータ制御装置が、反応性流体媒質の各断面が形成
   されるにつれ前記三次元物体を支持し、かつ移動する移
   動装置を有する特許請求の範囲第１項記載の三次元物体
   を形成する装置。
3. 【請求項３】前記次の反応性流体媒質の層を形成するコ
   ンピュータ制御装置が前記反応性流体媒質を曝すために
   前記作業面上においてＸ−Ｙ面で硬化用照射のビームで
   走査する装置を備えた特許請求の範囲第１項記載の三次
   元物体を形成する装置。
4. 【請求項４】前記流体媒質の液位を設定するコンピュー
   タ制御装置をさらに備えた特許請求の範囲第１項記載の
   三次元物体を形成する装置。
5. 【請求項５】前記移動装置がエレベータからなる特許請
   求の範囲第２項記載の三次元物体を形成する装置。
6. 【請求項６】各層が形成される前記作業面に対して前記
   三次元物体の方向を変更するため前記移動装置を補助す
   るコンピュータ制御回転装置が設けられている特許請求
   の範囲第２項記載の三次元物体を形成する装置。
7. 【請求項７】前記移動装置が運動に対する多岐な自由度
   を有する特許請求の範囲第２項記載の三次元物体を形成
   する装置。
8. 【請求項８】前記流体媒質の液位が一定に維持される特
   許請求の範囲第４項記載の三次元物体を形成する装置。
9. 【請求項９】三次元物体を設計し、かつ、直接作成する
   方法において、 コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）装置により前記三次元
   物体を設計して画像表示し、 コンピュータ設計の三次元物体の多数の薄い断面を画成
   する画像出力データを発生し、 作業面に反応性流体媒質の薄い初期層を形成し、かつ前
   記初期層を前記作業面から次の層の所定のレベルを越え
   て前記流体媒質内へ移動させることにより前記初期層に
   自動的に積層し、ついで前記初期層を前記作業面に向っ
   て所定のレベルまで戻して前記次の層を前記初期層に対
   して形成させ、 前記画像出力データに応答して発生された硬化用照射に
   前記初期層を曝して、前記画像出力データに対応した反
   応した流体媒質の薄い断面層を形成し、 複数の反応性流体媒質の薄い層を形成して、複数の順次
   隣接する反応性流体媒質層を形成し、各次の層が硬化性
   照射に曝されている間に直前の層に接着する複数の次の
   層を自動的に形成する、 ことからなる三次元物体を作成する方法。