JPH0664049A

JPH0664049A - 三次元の物体を作成する方法と装置

Info

Publication number: JPH0664049A
Application number: JP5147724A
Authority: JP
Inventors: W Hull Charles; チャールズ、ダブリュ．ハル
Original assignee: SURIID SYST Inc; 3D Systems Inc
Current assignee: SURIID SYST Inc; 3D Systems Inc
Priority date: 1993-06-18
Filing date: 1993-06-18
Publication date: 1994-03-08
Anticipated expiration: 2010-10-25
Also published as: JPH0798364B2

Abstract

(57)【要約】【目的】流体媒質から三次元の物体をその断面データ
とそれにより構成された媒体層を１層ずつ自動的に積層
して正確、かつ、迅速に形成する。【構成】実質的に１層ずつ反応性材料を投与すると硬
化可能な媒体から三次元物体を形成する方法において、
形成される三次元物体の断面を表す断面データを発生さ
せる工程と、前に形成された媒体層に隣接して次に硬化
される媒体層を形成する工程と、反応性材料を次に硬化
される媒体層の少なくとも一部分上に断面データに従っ
て投与することにより次に硬化される媒体層の少なくと
も一部分を選択的に硬化させて、媒体と反応性材料を含
む結合により媒体が硬化し、媒体の複数の硬化層から三
次元物体を形成する工程、とからなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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ィー（Lithography)を
応用する立体造形に関する。

【０００２】

【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。

【０００３】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４，
０４１，４７６号、同第４，０７８，２２９号、同第
４，２３８，８４０号及び同第４，２８８，８６１号に
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。

【０００４】

【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。

【０００５】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。

【０００６】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。

【０００７】

【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。

【０００８】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（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。

【０００９】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。

【００１０】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って作るこ
とが一層容易になる。

【００１１】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。

【００１２】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。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】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ＣＡ
Ｄ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。

【００１６】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。

【００１７】

【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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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Ｃ
ＡＭも重要であって、急速に成長している技術である。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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２
１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、３０
ａ，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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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、リミテッド（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
４，１００，１４１号に記載されている。

【００３３】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２
６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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】ヒューレット・パッカード社によって製造
されるＨ−Ｐ９８７２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−Ｐ３４９
７型データ収集／制御装置によって制御する。

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】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−Ｐ３４９
７型データ収集／制御装置によって駆動される。

【００４０】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。

【００４１】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。

【００４２】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（３４９７
Ａ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。

【００４３】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材料が接着する任
意の材料が適している。

【００４４】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。

【００４５】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。

【００４６】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Ｕ
Ｖ硬化灯の下に置き、硬化工程を完了する。

【００４７】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。

【００４８】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。

【００４９】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。

【００５０】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、Ｕ
Ｖ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。

【００５１】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２
６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。

【００５２】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の代わりとして、陰極線管（ＣＲ
Ｔ）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。

【００５３】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。

【００５４】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。

【００５５】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。

【００５６】

【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。

【００５７】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。

【００５８】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。

【００５９】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。

【００６０】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】

【図１】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。

【図２】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。

【図３】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。

【図４】この発明を実施するための２番目の実施例の断
面図。

【図５】この発明の３番目の実施例の断面図。

【図６】この発明のさらに別の実施例の断面図。

【図７】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。

【図８】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。

【符号の説明】

２１容器２２ＵＶ硬化性液体２３作業面２６光源２８計算機２９昇降台３０物体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】実質的に１層ずつ反応性材料を投与すると
硬化可能な媒体から三次元物体を形成する方法におい
て、形成される三次元物体の断面を表す断面データを発生さ
せる工程と、前に形成された媒体層に隣接して次に硬化される媒体層
を形成する工程と、反応性材料を前記次に硬化される媒体層の少なくとも一
部分上に前記断面データに従って投与することにより前
記次に硬化される媒体層の少なくとも一部分を選択的に
硬化させて、前記媒体と反応性材料を含む結合により前
記媒体が硬化し、前記媒体の複数の硬化層から三次元物
体を形成する工程、とを備えた方法。
【請求項２】前記媒体が流体状媒体である請求項１に記
載の方法。
【請求項３】前記流体状媒体が液体媒体である請求項２
に記載の方法。
【請求項４】前記液体媒体が重合可能媒体である請求項
３に記載の方法。
【請求項５】前記反応性材料をインク噴射投与器から投
与することにより前記媒体が硬化される請求項１に記載
の方法。
【請求項６】前記インク噴射投与器がコンピュータ制御
されている請求項５に記載の方法。
【請求項７】実質的に１層ずつ材料を投与すると硬化可
能な媒体から三次元物体の少なくとも一部分を形成する
方法において、形成される三次元物体の断面を表す断面データを発生さ
せる工程と、硬化される媒体層を形成する工程と、前記材料を前記媒体層の少なくとも一部分上に投与する
ことにより前記断面データに従って前記媒体層の少なく
とも一部分を選択的に硬化させることにより前記三次元
物体の層を形成するの工程と、前記三次元物体の前記層を互いに接着して前記三次元物
体の前記少なくとも一部分を形成する工程とを備えた方
法。
【請求項８】前記媒体の前記層は前記三次元物体の前に
硬化された層に隣接して形成され前記媒体の前記層の前
記選択的硬化時に接着する請求項７に記載の方法。
【請求項９】前記媒体が流体状媒体である請求項８に記
載の方法。
【請求項１０】前記流体状媒体が液体媒体である請求項
９に記載の方法。
【請求項１１】前記液体媒体が重合可能媒体である請求
項１０に記載の方法。
【請求項１２】前記材料が反応性化学薬品である請求項
９に記載の方法。
【請求項１３】前記材料をインク噴射投与器を介して選
択的に投与することにより前記媒体が選択的に硬化され
る請求項９に記載の方法。
【請求項１４】前記インク噴射投与器がコンピュータ制
御されている請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】マスクを介して前記材料を選択的に投与
することにより前記媒体が選択的に硬化される請求項９
に記載の方法。
【請求項１６】実質的に１層ずつ材料を投与すると硬化
可能な媒体から三次元物体の少なくとも一部分を形成す
る方法において、形成される三次元物体の断面を表す断面データを発生さ
せる工程と、硬化される第１媒体層を形成する工程と、前記材料を前記第１媒体層の少なくとも一部分上に投与
することにより前記断面データに従って前記第１媒体層
の少なくとも一部分を選択的に硬化させることにより前
記三次元物体の第１断面を形成する工程と、前記三次元物体の前記第１断面に隣接して前記第２媒体
層を形成する工程と、前記材料を前記第２媒体層の少なくとも一部分上に投与
することにより前記断面データに従って前記第２媒体層
の少なくとも一部分を選択的に硬化させることにより前
記三次元物体の第２断面を形成して前記三次元物体の前
記少なくとも一部分が複数の形成され接着された断面か
ら形成される工程、とを備えた方法。
【請求項１７】前記媒体が流体状媒体である請求項１に
記載の方法。
【請求項１８】前記流体状媒体が液体媒体である請求項
２に記載の方法。
【請求項１９】前記液体媒体が重合可能媒体である請求
項３に記載の方法。
【請求項２０】前記材料をインク噴射投与器を介して選
択的に投与することにより前記流体状媒体が選択的に硬
化される請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】実質的に１層ずつ反応性材料を投与する
と硬化可能な媒体から三次元物体を形成する装置におい
て、形成される三次元物体の断面を表す断面データを発生さ
せる装置と、次の媒体層を形成する装置と、前記次の媒体層の少なくとも一部分を選択的に硬化させ
る装置であって、反応性材料を前記次の媒体層の少なく
とも一部分上に選択的に投与する装置を有し、前記媒体
と反応性材料を含む結合により前記媒体が硬化し、前記
媒体の複数の硬化部分が前記三次元物体の次の層を形成
する装置と、前記三次元物体の前記次の層を互いに接着して前記媒体
の複数の硬化層から前記三次元物体を形成する装置、とを備えた装置。
【請求項２２】前記媒体の前記次の層は前記三次元物体
の前に硬化された層に隣接して形成され前記媒体の前記
層の硬化時に接着する請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】前記選択的に投与する装置がコンピュー
タ制御されるインク噴射器である請求項２２に記載の装
置。
【請求項２４】前記選択的に投与する前記装置が前記材
料が前記媒体上に通して投与されるマスクからなる請求
項２２に記載の装置。
【請求項２５】実質的に１層ずつ化学薬品を投与すると
硬化可能な媒体から三次元物体を形成する装置におい
て、形成される三次元物体の断面を表す断面データを発生さ
せる装置と、硬化される前記媒体の層を形成する装置と、前記材料を前記媒体層の少なくとも一部分上に投与する
ことにより前記断面データに従って前記媒体層の少なく
とも一部分を選択的に硬化させることにより前記三次元
物体の層を形成するの装置と、前記媒体層の少なくとも一部分を選択的に硬化させ前記
三次元物体の層を形成する装置であって前記化学薬品を
前記媒体層の少なくとも一部分上に選択てきに投与する
装置、とを備えた装置。
【請求項２６】前記媒体の前記層が前記三次元物体の前
に硬化された層に隣接して形成され前記媒体の前記層の
硬化時に接着する請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】選択的に投与する前記装置がコンピュー
タ制御されたインク噴射投与器からなる請求項２６に記
載の装置。
【請求項２８】選択的に投与する前記装置が前記化学薬
品が前記媒体上に介して投与されるマスクであるる請求
項２６に記載の装置。
【請求項２９】三次元物体を形成する装置において、前記三次元物体の断面を表す断面データを発生させる装
置と、化学反応により硬化される未硬化媒体の層を形成する装
置と、前記媒体層を選択的に硬化させることにより前記三次元
物体の次の層を形成する装置であって前記未硬化媒体層
上に選択的に材料を噴霧して前記化学反応を起こさせる
装置と、前記三次元物体の前記次の層を互いに接着して複数の接
着された層から前記三次元物体を形成する装置、とを備えた装置。
【請求項３０】前記媒体の前記層が前記三次元物体の前
に硬化された層に隣接して形成され前記媒体の前記層の
前記硬化時に接着される請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】前記選択的に噴霧する装置がコンピュー
タ制御されたインク噴射投与器からなる請求項３０に記
載の装置。
【請求項３２】前記選択的に投与する装置が前記化学薬
品を前記媒体上に投与するマスクからなる請求項３０に
記載の装置。
【請求項３３】実質的に１層ずつ材料を投与すると硬化
可能な媒体から三次元物体を形成する装置において、形成される三次元物体の断面を表す断面データを発生さ
せるコンピュータ装置と、前に形成された媒体層に隣接して硬化される次の媒体層
を形成する装置と、媒体層を順次選択的に硬化し接着する装置であって、前
記硬化される媒体層の前記部分上に材料を投与する装置
と、を有し、前記媒体と前記材料を含む結合により前記媒体
が硬化し前記媒体の複数の硬化接着層から三次元物体を
形成する装置。
【請求項３４】前記選択的に投与する装置がインク噴射
投与器である請求項３３に記載の装置。
【請求項３５】前記選択的に投与する装置が前記材料を
前記媒体上に投与するマスクからなる請求項３３に記載
の装置。