JPH0745195B2

JPH0745195B2 - 高精度光固化造形装置

Info

Publication number: JPH0745195B2
Application number: JP2297534A
Authority: JP
Inventors: 直一郎斉藤; 誠治早野
Original assignee: Mitsubishi Corp
Current assignee: Mitsubishi Corp
Priority date: 1990-11-02
Filing date: 1990-11-02
Publication date: 1995-05-17
Anticipated expiration: 2010-05-17
Also published as: EP0484182A1; JPH04169221A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野と発明の背景］近年３次元の形状をコンピュータを用いて設計する３次
元CAD、あるいは連続断層撮影器等の３次元計測器が普
及しており、これら機器を介して生成ないし計測された
３次元の形状に関するデータに基づいて、該３次元の形
状を直接的に視認したいとする要望が増大している。ま
たこれら機器で生成された３次元の形状に関するデータ
に基づいて、その３次元形状を備えた造形物を簡便かつ
短時間で造形したいとする要望も増大している。

このような要望に応じるために、米国特許第2,795,758
号あるいは特開昭56−144478号公報に記載の技術が着目
されている。

これら公報記載の技術では、光照射を受けると固化する
性質を有する液に対し、造形希望形状に対応する領域に
光照射することで、該照射領域のみを固化させることに
よって造形希望形状を備えた固化像を実際に造形する。

前記公報記載の技術はいずれも液面に対し、造形希望形状の一断面に相当する領域に
光照射することで一断面に相当する断面固化像を造形
し、この上に未固化液を一層分追加し、この新たな液面に対し、前記一断面に隣接する断面に
相当する領域に光照射することで、先の断面固化像の上
に新たな断面固化像を積層させ、これを全断面に対して繰り返すことで各断面固化像が
積層された立体固化像を造形する。

上記手法に代えて、特開昭60−247515号公報では、光フ
ァイバーの先端を液中に沈め、この光ファイバー先端を
液中でXYZ方向に移動させることにより造形希望形状に
対応する領域に光照射する技術を提案している。

本発明は、上記手法で造形希望形状を備えた固化像を造
形する光固化造形装置の改良に関するものである。

［従来の技術］液表面の断面形状に相当する領域のみ光照射する手法と
して、現在光ビームを水平２方向に移動制御する方式（これには
角座標形式で制御するものが含まれる）光ビームを水平１方向に、液側をそれと直交方向に移
動制御する方式液上面にマスクフィルムをかぶせ、一度に照射する方
式等が提案されている。この変形として光源を直線上に
配置し、これを掃引して液表面を一度に走査する方式、
あるいはスライドプロジェクタ方式で露光領域を制御す
る方式も提案されている。

ここで光ビームを利用して露光領域を走査する場合、本
明細書添付の第８図（Ａ），（Ｂ）に示す現象に配慮さ
れなければならない。

第８図（Ａ）において、閉曲線８−１は造形希望形状の
一断面における輪郭線を示している。

ここで図中８−２に示す照射領域を有する光ビームを矢
印８−４に示すように、その中心８−３の位置を輪郭線
８−１に沿って移動制御すると、実際の光照射領域８−
５は輪郭線８−１よりもおおきくなってしまう。

第８図（Ｂ）はこれを立体的に示す図であり、８−5a,8
−5b,8−5cは光ビーム８−２を輪郭線８−１に沿って移
動させたときに、各位置で生成される固化領域を示して
いる。実際に造形される固化像は８−5a,8−5b,8−5c等
を包絡した表面をもつことになり、造形希望形状８−１
に一致しなくなる。

これを避けるために、現在実用化されている光固化造形
装置は第８図（Ａ）で８−６に示されるように、光ビー
ムの中心位置を内側にオフセット（通常は光ビームの径
ｄだけオフセットする）した状態で矢印８−７に示すよ
うに輪郭線８−１の内側に沿って照射する。

［発明が解決しようとする課題］ところが上記のようにオフセットしても、なお不十分な
ことがある。第８図（Ｂ）において８−８は、上記のよ
うにしてオフセットされた光ビームによって固化される
領域を示している。これからも明らかなように８−８の
固化領域中ハッチに示す部分は造形希望形状の輪郭面８
−１からはみだしてしまう。そして実際に造形される形
状はこのはみだし部の包絡面で形成される図示８−９の
面となり、なお造形希望形状８−１に一致しないのであ
る。

そこで本発明では光ビームの中心位置を２次元的にオフ
セットするだけではなお足りない上記の問題を解決しよ
うとするのである。

なお第８図（Ｂ）の８−９に示すはみだし照射の問題は
光ビームを照射する場合に限った問題ではない。第９図
（Ｅ）において図中９−１は造形希望形状の垂直断面に
おける輪郭線を示している。ここで図中９−6a,9−6b,9
−6c,9−6dはマスクフィルムを介して照射された光によ
って固化する領域を示している。これからも明らかなよ
うに、マスクフィルムを介して照射する場合にも下方が
すぼまっている造形希望形状を作成する場合には、下記
に詳述するオフセット量を用いないと、良好な造形物が
作成されないのである。

［課題を解決するための手段］上記課題は、光固化造形装置において、第９図（Ｄ），
（Ｆ）に示すように、光照射領域の外延を造形希望形状
の輪郭９−１（第９図では図中右側が造形希望形状の内
側を示している。）に対し、その外延９−13a,9−13b,9
−13c,9−13dで照射したときに固化する領域の３次元境
界面９−11a,9−11b,9−11c,9−11dが該造形希望形状の
３次元輪郭面９−１に接するだけ、該輪郭面９−１の内
側にオフセットする量R₀を演算する手段が付加されるこ
とによって解決される。

［作用］さてこのようなオフセット量演算手段が付加されている
と、第９図（Ｄ）（Ｆ）に示すように、各断面を照射す
るにあたってその外延部での照射によって固化される部
分が輪郭面の外側に張り出すことがなく、これを積層し
たものは造形希望形状の輪郭面に相当程度一致し、第８
図（Ｂ）に示した張出固化８−８の問題が生じない。な
おこのようにオフセットすることは、光ビームを断面毎
に照射する場合だけでなく、第９図（Ｆ）のように面的
に一度に照射する場合、あるいは光ビーム位置を液中で
３次元的に移動させながら固化像を造形する場合にも有
効なものである。

［発明の効果］さて本発明では、光照射領域の外縁が、該外縁での光照
射によって固化される領域の３次元境界面が造形希望形
状の３次元輪郭面に一致するようにオフセットされるこ
とから、固化領域が輪郭面外に張り出すことがなく正確
な形状をもつ造形物を作成することを可能とする。この
ため光固化造形装置による造形精度が向上し、光固化造
形法の便利性を各種用途において享受可能とすることが
できる。

［実施例］次に本発明を具現化した一実施例について詳述する。

第１図は本発明を利用して改良した光固化造形装置のシ
ステム構成例を示している。また第２図は主要作動を示
している。

第１図において、図面右下に示される参照符号１−46は
容器を示し、ここに光照射を受けると固化する性質を有
する液が貯蔵される。容器１−46の上面は光に対して透
明である。また液としては感光性樹脂が好適に用いら
れ、変形ポリウレタンメタクリレート、オリゴエステル
アクリレート、ウレタンアクリレート、エポキシアクリ
レート、感光性ポリイミド、アミノアルキドを１種もし
くは２種以上混合したものを用いることができる。

この液に増感剤ないし不透明物質等を混入して光吸収特
性等を調整したものを用いることができる。また顔料、
セラミックス粉、フィラー剤、金属粉等を混入すること
により造形物の色彩、強度歪み量、造成精度等を調整す
ることもできる。

容器１−46内の液面１−43下方に基板１−45が上下方向
（Ｚ方向）に移動可能に設置される。

また容器１−46の上方に設置された光源（レーザーが好
ましい）１−38の光は光シャッタ兼露光量調整機能を有
するフィルター１−39を介して光ファイバー１−40に導
入され、光ファイバー１−40の先端１−40aは図示しな
いXY駆動機構により、液面１−43の上方を水平面内で直
交２方向（XY方向）に移動可能となっている。

また本実施例では液面１−43上を掃引可能な刷毛１−42
が図示Ｙ方向に移動可能に設置されている。

以上の構成により、固化造形部分が構成され、この部分
は公述のシステムにより大略下記のように制御される。

まず最初に基板１−45が液面１−43に対し、造形物の単
位厚ΔＺだけ下方に移動された状態で、光ファイバー１
−40の先端１−40aが造形希望形状の最下断面に相当す
る領域内で走査される。これにより光照射された領域内
の液が固化し、基板１−45上に造形希望形状の最下断面
に相当する断面固化像１−44aが造形される。

ついで基板１−45をさらにΔＺだけ下方に沈める。する
と先に固化された最下断面固化像１−44aは基板１−45
とともに沈降し、最下断面固化像１−44a上に未固化の
液が流れ込む。

ここで液の粘性が比較的高く、単に基板１−45をΔＺだ
け沈めただけでは固化像上に液が流れ込み難い。そこで
刷毛１−42が掃引されて断面固化像上に液が積極的に導
入される。

ついで光ファイバの先端１−40aがXY方向に走査され、
最下断面固化像１−44a上にそれに続く断面固化像１−4
4bが形成される。

以上の作動が繰り返されて、液中に造形希望形状を備え
た積層固化像が造形される。

これは特開昭56−144478号公報に基本が開示されてお
り、詳しい説明は省略する。

第１図中、参照符号１−28は本システムとオンラインな
いしオフラインで接続される外部システムを示し、この
ような外部システムとして３次元CADシステム、３次元
計測器あるいは連続断層撮影器等が用いられる。この外
部システムは３次元の形状に関するデータを有するもの
であれば足り、上記は例示にすぎない。

このような外部システム１−28が３次元の形状に関する
データを３角パッチ形式で有していれば、本システムで
はこれを直接３角パッチ形式の造形希望形状データ記憶
手段１−７に入力記憶する。

外部システムが３角パッチ形式以外でデータを有してい
れば、このデータは本システムの３角パッチ形式への変
換手段１−31によって３角パッチ形式に変換された後、
３角パッチ形式の造形希望形状データ記憶手段１−７に
記憶される。

ここでいう３角パッチ形式とは大略第3,4図に示されて
いるものをいう。

第３図から明らかなように、３角パッチ形式では３次元
の形状を多数の３角パッチP_I,P_J,P_K等の集合として定義
する。第３図では図示の明瞭化のために一部の３角パッ
チのみを示している。

各３角パッチは各頂点のXYZ座標でその位置形状が定義
される。例えば、パッチP_IではI₁,I₂,I₃のそれぞれのXY
Z座標が与えられている。

このため、３角パッチ形式の３次元形状データは図４に
示すデータ構造を有している。

さて第４図に示すデータ構造を有し、造形希望形状デー
タ記憶手段１−７に記憶されたデータは、データ編集手
段１−８により、第２図のステップ２−８に示すように
編集可能となっている。この編集作業では造形希望形状
をデータ上拡大、縮少、回転させたり、あるいは形状を
修正することが可能である。この修正作業では造形過程
で形状を保持するための補強形状を追加することができ
る。またこの修正機能を用いて全く新しく３次元形状デ
ータを創成することも可能である。

このシステムの操作者が第１図に示す単位厚設定手段１
−１とビーム径設定手段１−２を用いて、単位厚とビー
ム径を設定すると（第２図ステップ２−１）、編集され
た造形希望形状を単位厚でスライスした状態の斜視図が
２次元ディスプレイ１−32上に表示され（第２図のシュ
ミレーション２−50と、画面表示２−32のステップ）、
操作者はこの条件で造形してよいか否かを確認し、NOな
らば条件を設定し直す（第２図でステップ２−51からの
NOのループ）。条件が満足されれば、システム内部で下
記の処理が実行される。

まず第１図の１−９に示されるビーム走査速度演算手段
が手段１−２で設定されたビーム径で手段１−１で設定
された単位厚を固化するための最適走査速度を演算す
る。

次に水平面抽出手段１−10がステップ２−10で起動さ
れ、造形希望形状の中から水平面を抽出する。

ここでは手段１−１で設定された単位厚ΔＺを用い、第
５図（Ｂ）に示すように、３角パッチの３頂点の全てが
ΔＺの高さ範囲に収まっている３角パッチを検索し、そ
の外側輪郭線５−１を演算する。

第５図（Ｂ）は３角パッチ群を側方から見た仮想図を示
しており、P_Iは全部の頂点が単位厚ΔＺの幅のなかにあ
り、P₀は少なくとも１つの頂点が単位厚ΔＺの幅の外に
あるパッチを示している。そしてP_Iの最外部の線から水
平面の輪郭線５−１が抽出演算されるのである。

このように抽出された水平面は実際の光照射時に輪郭線
５−１の内部が一様に光照射されて水平面が造形される
のである。第５図（Ａ）は第３図に示した３角パッチデ
ータの例から２つの水平面５−1aと５−1bが抽出された
様子を仮想的に示している。

次に本システムでは、第１図の輪郭線演算手段１−11を
用いてステップ２−11に示される輪郭線の演算を実行す
る。

第６図はこの処理を模式的に示すもので、水平でない３
角パッチのそれぞれに対し（第６図ではＳとＴのパッチ
を例示している）、単位厚ΔＺでスライスした平面Ｚと
の交点を求める。

各３角パッチは２つの交点を有し、３角パッチＳの交点
は（X_L,Y_L）Ｓと（X_R,Y_R）Ｓ、３角パッチＴの交点は
（X_L,Y_L）Ｔと（X_R,Y_R）Ｔで示される。ここで隣接する
３角パッチの交点は１つの共通交点座標を有する。すな
わち図示の例では（X_R,Y_R）Ｓと（X_L,Y_L）Ｔはそれぞれ
等しい。

さてこのようにして演算された交点座標に基づいて、第
７図に示すように、ある断面における輪郭線７−1,7−
2,7−３等が抽出演算される。

なお３角パッチ形式で示されるデータにおいて、第３図
に示すように３角パッチが連続していないギャップＧが
存在していることがあり、この場合抽出された輪郭線７
−1,7−２が閉曲線とならない。この場合には、最近接
交点を検索してそれを結ぶことで閉曲線を得る。なおこ
のようにして演算された輪郭線は、第７図７−１に示す
ように輪郭線の内側が造形希望形状に対応するものと、
７−２に示すように外側が造形希望形状に対応するもの
とがある。これに対しては、７−４に一例を示すサーチ
線に沿って検索し、最初に交差する輪郭線７−１に対し
ては内側を示すフラッグを、次に交差する輪郭線７−２
に対しては外側を示すフラグを付与して、輪郭線の区分
をしておく。

再度第１図に戻り説明を続ける。さてこのシステムは１
−12に示すビーム対応固化領域データ演算記憶手段を有
している。この手段１−12では、手段１−２で設定され
たビーム径を有するビームを手段１−９で演算された速
度で走査したときに固化される領域の断面形状、すなわ
ち第８図（Ｃ）の８−２に示される光ビームを矢印８−
10に示すように走査したときに固化される領域F1の断面
形状F2を演算し、これを記憶する。そして第１図の１−
13に示される３次元オフセット量演算手段は第２図のス
テップ２−13で、手段１−10で抽出された水平線デー
タ、手段１−11で抽出された輪郭線データに対し、手段
１−12で演算記憶された固化領域データを用いて３次元
オフセット量を演算する。次にこの３次元オフセット量
の演算の詳細を第８図、第９図を参照して説明する。

第８図（Ａ）は液表面を示しており、８−２は光ビーム
による照射領域を示している。ここでビーム領域８−２
の中心８−３を輪郭線８−１（これが手段１−11に演算
記憶されている）に沿って矢印８−４のように走査する
と、固化される領域の外延８−５は輪郭線８−１よりは
みだしてしまう。

これが立体的に第８図（Ｂ）に示されており、光ビーム
の中心を輪郭線に沿った位置で照射すると、図示８−5
a,8−5b,8−5c等に例示される領域が固化される。実際
に固化されるものは８−5a,8−5b,8−5c等の最外面を連
続したものとなり、これは輪郭面８−１と一致しない。

これを避けるために、現在実用化されている光固化造形
装置では光ビームの中心位置を輪郭線の内側にビームの
半径分オフセットした状態で走査する。

第８図（Ａ）の左下はこれを示しており、光ビームの中
心８−６が輪郭線８−１の内側へ光ビーム照射領域８−
２の半径ｄ分だけ内側にオフセットされていると、少な
くとも平面的にみるかぎり固化領域の外延は輪郭線８−
１に一致する。

しかしながらこれを立体的にみるとなお問題があること
がわかる。第８図（Ｂ）において、図示８−８は半径ｄ
だけ内側へオフセットされた光ビームによって固化され
る領域を示しており、造形希望形状が下に狭い形状を示
しているため、光ビームをオフセットしても、なお８−
８中ハッチに示す部分が余分に固化されることが理解さ
れる。従って実際に造形される形状は８−９に示すよう
に造形希望形状８−１よりも膨出したものとなる。

第９図はこれを解消するために、光ビームの照射領域を
３次元的にオフセットする処理方式を示している。

第９図（Ａ）は第６図に示した３角パッチと断面Ｚとの
交点の一つを原点にとった３次元座標系を示しており、
この例では第６図の（X_R,Y_R）Ｓないし（X_L,Y_L）Ｔに示
される点が座標原点に位置している。

また、図中F2（Ａ〜Ｄの添字が付されているが全部同一
形状F2をしている）は第８図（Ｃ）のF2に示した断面を
ビーム中心線を中心に回転させて形成される立体形状を
示している。図中は交点（X_R,Y_R）Ｓ乃至（X_L,Y_L）Ｔ
で示される点における法線ベクトルを示している。これ
は第６図に示される隣接するパッチに対する各単位法線
ベクトル▲▼，▲▼のベクトル和として算出さ
れている。各単位法線ベクトル▲▼，▲▼は各
パッチの頂点座標からその方向が演算され、また第７図
のサーチ線７−４に関連して説明した領域の内外判別フ
ラッグを参照してその向きが定義される。この例では単
位法線ベクトルが造形希望形状の内から外へ向かう向き
に演算される。このようにして演算される単位法線ベク
トルＮはn_x,n_y,n_zの成分を有している。

図中n_Rはn_xとn_yの成分をもつx,y平面内のベクトルを示
し、その方向にＲ軸がとられている。また第９図（Ｂ）
は第９図（Ａ）のRZ面を示している。

さて第９図（Ａ）（Ｂ）中、Ｆ2Aはビーム中心を交点
（この場合原点）に一致させたときの固化領域を示して
おり、輪郭面８−１外に固化領域がはみだす。またＦ2B
はビーム中心を半径ｄ分だけ内側にオフセットした場合
を示し、この場合にも第９図（Ｂ）のハッチに示す部分
で余分に固化することが理解される。これに対し、Ｆ2C
は光ビームの照射によって固化される３次元境界９−2c
が交点（原点）を通って、しかもこの法線ベクトルが交
点における法線ベクトルに一致するようにオフセットし
たもの、すなわち固化領域の３次元境界面９−2cが造形
希望形状の３次元輪郭面８−１に接するだけ輪郭面８−
１の内側にオフセットしたものを示している。

ここでF2が短径ｄ、長径ｈの回転楕円体であると、固化
領域の３次元境界面が上記関係を満たすためには、ビー
ム中心C1を、Ｒ方向にＺ方向にだけオフセットすればよい。

また第９図（Ａ）（Ｂ）においてＦ2Dは、Ｆ2CをRZ平面
内で法線ベクトルに垂直にビーム中心COのＺ座標がゼ
ロとなるようにオフセットした状態を示している。

このようにしても第９図（Ｂ）によく示されるように、
輪郭面８−１の外部に張り出して固化することが良好に
防止される。

このようにするためには、Ｘ方向にＹ方向にだけオフセットすればよい。このようにオフセットする
と、ビーム中心の高さを変えることなく３次元の固化領
域境界面を輪郭面にほぼ一致させることができる。

第１図１−13に示される３次元オフセット量演算手段は
上記いずれかの関係を用いてビーム中心位置のオフセッ
ト量を演算する。

本実施例のように断面毎に照射領域を制御する場合に
は、後者の関係を用いてオフセットさせることが適して
いる。液中に光ファイバーの先端を挿入し、その先端を
X,Y,Z方向に移動させて照射領域を制御する場合には、
前者の関係を用いてビーム中心一を３次元的にオフセッ
トしてもよい。

第９図（Ｃ）は半径ｄだけオフセットしたときの積層断
面を示している。これに対し、第９図（Ｄ）は先に説明
したX₀,Y₀分をオフセットした場合の積層断面を示して
いる。これから明らかに本発明のオフセット方式による
と固化領域の外延９−12は造形希望形状の輪郭線９−１
に相当よく一致する。なお上記問題は、光ビームを用い
る場合のみならず、マスクフィルムないしプロジェクタ
を用いて液面を一様に照射する場合にも存在する。

第９図（Ｅ）ないし（Ｆ）はこれを示すものであり、第
９図（Ｅ）は照射領域の外延を輪郭線に一致させた場合
を示し、この場合図示ハッチに示す部分９−6a,9−6b,9
−6c,9−6d等で余分に固化し、固化像の輪郭９−９は希
望形状の輪郭９−１よりはみだす。これに対し、第９図
（Ｆ）は外延での光照射によって固化される領域の輪郭
９−11a,9−11b,9−11c,9−11d等が輪郭９−１に接する
ように内側へR₀だけオフセットした状態を示しており、
これによると固化像の輪郭９−12を希望形状の輪郭９−
１によく一致させることができる。

さてこのようにしてオフセット量が手段１−13で演算さ
れると、水平面抽出手段１−10で抽出された水平線ない
し輪郭線演算手段１−11で抽出された輪郭線データに対
し、演算されたオフセット量を用いてオフセットし、該
水平線ないし輪郭線に相当する領域を固化するためのビ
ーム中心の走査位置に関するデータが演算され、これが
輪郭対応光照射領域データ演算記憶手段１−14に記憶さ
れる。

さて本実施例では、操作者が輪郭線（第７図の７−1,7
−2,7−３等）の内側領域７−5,7−６に対する照射態様
を選択して制定できる手段が付加されている（第１図の
手段１−３並びに第２図のステップ２−３参照）。

この照射態様には３種用意されており、無照射態様を設
定すると、輪郭のみが固化された中空の造形物が作成さ
れる。これが第10図のＦに示され、この態様が設定され
ると、第10図Ａの輪郭線10−２に対応して外表面10−2a
が固化され、輪郭線10−３に対して内表面10−3aが固化
され、内部領域は未固化部10−８となって中空物が造形
される。

これは形状のみが重要であって強度等が求められていな
い場合に有効であり、照射領域が小さいことから造形時
間が短くて済む特徴を有する。

第１図の手段１−３では全域を照射する態様を設定する
こともでき（１−3b）、このようにすると第10図（Ｂ）
に示すように内外表面間が全部固化された中実のモデル
を造形することができる。これは強度が要求されるモデ
ルを必要とする場合に適している。さらにまた操作者は
手段１−３を用いて内部領域を離隔的に照射する態様を
設定することもできる（１−3c）。この態様中にはさら
にノーマルクロスモード（第10図（Ｃ））、オルタネー
トクロスモード（第10図（Ｄ））、ストライプモード
（第10図（Ｅ））が用意されており、ここから選択でき
る。

ストライプモードでは第10図（Ｅ）から明らかに内部領
域が一定方向に離隔的に照射される。またノーマルクロ
スでは第10図（Ｃ）のように内部領域が２方向に離隔的
に照射される。さらにオルタネートクロスモードでは、
第10図（Ｄ）１と（Ｄ）２に示されるように断面毎にス
トライプモードの走査方向が異にされこれが繰り返され
る。

この離隔的照射態様を設定した場合、操作者はパターン
（ノーマルクロス、オルタネートクロス、ストライプ）
の種別及びピッチと照射幅を設定することができる。こ
の照射幅は手段１−２のビーム径とは異なるものが選択
可能である。

この離隔的照射態様が選択されると中空モデル中にハニ
カム構造が形成されたモデルが造形される。

さて、内部領域に対する照射態様が設定されると、手段
１−17のオフセット手段が起動される。このオフセット
手段１−17は第10図（Ｇ）（Ｈ）に示されるオフセット
量を演算する。第10図（Ｇ）において参照符号10−14は
輪郭対応の光ビームを示し、これは輪郭線の内側にオフ
セットされた位置10−15を矢印10−16のように走査され
る。一方10−10は内部領域照射用の光ビームを示してい
る。ここで光ビーム10−10の先端10−11aが光ビーム10
−14の照射領域に接するまで走査した状態で停止される
と、第10図（Ｈ）（１）に断面が示されるように、輪郭
対応固化領域10−14aと内部領域対応固化領域10−10aが
充分に接続せず、ハニカム構造による補強効果が得られ
ない。

これに対し、ビーム10−10の中心を輪郭対応光ビーム10
−14の走査中心線に一致するまで走査すると、第10図
（Ｈ）（３）に断面が示されるように、内部領域対応ビ
ーム10−10により輪郭面の外側に固化領域10−18が造形
されてしまい、正確な形状が得られない。

そこでオフセット手段１−17では、光ビーム10−10の先
端10−12aが光ビーム10−14の走査中心線に一致するま
で、すなわち光ビーム10−10の中心がその半径分オフセ
ットされた位置で内部領域対応照射が終了するようにオ
フセット量を演算する。内部領域における照射領域は手
段１−３で設定された情報とオフセット手段１−17で演
算されたオフセット量に基づいて演算され、内側領域対
応光照射領域データ演算記憶手段１−18に記憶される
（第２図ステップ２−18）。

なおこの実施例ではこの他、輪郭と内部領域のそれぞれ
に対応して照射する領域の重り具合をオペレータが設定
することも可能で、このようにすると第10図（Ｈ）の
（１）と（３）間で各種重なり具合を実現できる。

さらにこのシステムでは操作者が手段１−４を用いてレ
グデータを設定できる。ここでレグとは、１−45に示す
基板上に直接固化像を積層すると、これを基板から取り
外すときに固化像が破壊ないし歪む現象が生じることか
ら、第11図（Ａ）に示すように基板上にまずレグ11−９
を造形し、ついで造形希望形状11−１を造形する際の脚
をいう。

このレグは最下断面を検索し、最下断面形状11−3a,11
−3bに相当する範囲11−4a,11−4b等に生成される。

また次に説明するフレーム設定空間11−２にも生成され
る。

レグデータはレグの高さ、ピッチ、線幅、種類（前述の
ストライプ、ノーマルクロス、オルタネードクロス）に
よって設定される（手段１−4a,1−4b）。またアウトラ
インの有無も設定される（手段１−4c）。

ここで高さとは造形希望形状の造形に先立って固化する
レグの高さをいう。種類、ピッチ、線幅はすでに説明し
たものと同一である。

アウトラインとはレグ生成域の境界部に境界に沿って形
成されるレグのアウトラインをいい、ここでアウトライ
ン有を設定すると第11図（Ｄ）（Ｅ）に示すように、レ
グ作成領域（この場合11−4aの領域を例示している）の
境界にレグ11−7,11−８が作成される。

第11図（Ｂ）（Ｃ）はアウトラインが無のモードを示し
ている。

また第11図（Ｂ）（Ｄ）はストライプを指定したときの
レグ11−５、第11図（Ｃ）（Ｅ）はノーマルクロスを指
定したときのレグ11−６を例示している。

レグデータが手段１−４で設定されると（ステップ２−
４）、設定されたデータと最下断面情報ならびに次に設
定されるフレーム設定空間に関するデータが参照され
て、レグを作成するための照射領域データが演算され、
レグ対応光照射領域データ演算記憶手段１−20に記憶さ
れる（ステップ２−20）。

さらに操作者は手段１−５を用いて、フレーム作成空間
を設定できる。

ここで操作者は全域を設定するか（手段１−5a）、また
は特定域を設定することができる（手段１−5b）。

全域を指定した場合には、最大輪郭線範囲演算手段１−
21が起動され、第12図（Ａ）に示す造形希望形状を包み
込む直方体形状12−２が演算される。そしてこの直方体
形状12−２の４周側壁部が固化されてフレームが形成さ
れるように、フレーム対応光照射領域データ演算記憶手
段１−22で照射領域データが演算され記憶される。

特定フレーム空間は第12図（Ａ）の（X₁,Y₁）（X₂,Y₂）
に示すように対角線の座標データで特定され、このモー
ドが設定されると（X₁,Y₁）（X₂,Y₂）を対角線とする長
方形底面を有する直方体12−３の４周側部にフレームが
固化形成されるように、光照射領域が演算される。

このフレームは枠状の補強部として機能するものであ
り、次のサポート設定領域ともなる。

さてこの実施例では操作者が手段１−６を用いてサポー
トデータを設定することができる。

ここでサポートデータは手段１−５で設定されたフレー
ム空間に対し、その高さ範囲毎にピッチ、線幅、種類
（ストライプ、ノーマルクロス、オルタネートクロス）
を指定することによって設定される。

このようにサポートデータを設定すると、フレーム領域
内に設定されたデータに従ったサポートが形成されるよ
うに、光照射領域が演算される。

より具体的に説明すると、種類が指定されることにより
規則的領域群（パターン群）データ演算記憶手段１−23
に予め定められているストライプ、ノーマルクロス、オ
ルタネートクロスを形成するためのデータパターンのう
ちのいずれか一つを起動させ、これにピッチ、線幅のデ
ータを用いて照射領域に対応するデータを演算し、これ
をサポート対応光照射領域データ演算記憶手段１−26に
記憶する。第12図（Ｂ）は、フレーム空間12−３に対
し、０〜H₁の高さにはサポート無し、H₁〜H₂にはストラ
イプ、H₂〜H₃にはノーマルクロスを指定した場合に作成
されるフレーム12−4a,4b,4cとサポートの複合体を示し
ている。なお操作者はフレーム空間に全域を設定した場
合にはサポートデータを設定するとき、空間設定手段１
−6bを用いて下部全域、外部全域、内外全域のいずれか
一つを設定することができる。

ここで下部全域が設定されると、第13図（Ａ）に示すよ
うに（第13図は垂直断面を示している）、フレーム空間
12−２中であってしかも造形希望形状の下方の空間12A
にのみサポートが形成されるように照射領域を演算す
る。このために輪郭最下面検索手段１−24が用いられ、
造形希望形状の最下面12−５が検索される。一方外部全
域が設定されると、第13図（Ｂ）に示すように、フレー
ム空間12−２中造形希望形状の外側空間12Bの全部に設
定されたサポートが形成されるように照射領域が演算さ
れる。

このような照射領域データを演算するために、造形希望
形状の輪郭上下面検索手段１−25によって上面12−３、
下面12−４が検索される。

内外全域が設定された場合には、第13図（Ｃ）に示すよ
うに造形希望形状の内外全域にサポートが形成されるよ
うに照射領域データが演算される。

さらにまたこのシステムは手段１−15に示すように、輪
郭対応固化領域の連続性判別手段１−15を有している。

ここでこの手段は第14図（Ａ）に示すように、連続する
断面における輪郭対応固化領域14−1,14−２の連続性を
判別する。緩やかな斜面の場合は第14図（Ａ）（Ｂ）に
示すように固化領域14−2,14−２が不連続となり、中空
モデルを作成する場合には不連続な固化像14−１が宙に
浮いてしまうことになる。そこで不連続な場合には、中
空形状を作成するモードを設定していても、断面の大き
い方の断面内を強制的に全域照射する態様に切換える
（手段１−16）。これにより、緩やかな斜面をもつ造形
物について中空モデルを作成する場合にも表面が連続し
た造形物が作成される。

さて上述のように輪郭面、内部領域、レグ、フ
レーム、サポートに対応する照射領域が各照射領域デ
ータ演算記憶手段１−14,1−18,1−20,1−22,1−26に演
算記憶された後、実際の造形が開始される。ここでは最
初はレグに対応する照射領域データに基づいて光照射さ
れてレグが作成される。所定高さにまでレグが作成され
ると、ついで最下断面におけるフレーム、サポート、内
側領域に対応する照射領域データに基づいて光照射さ
れ、フレーム、サポート、内側領域が造形される。そし
て最後に輪郭対応照射領域データに基づいて輪郭が造形
される。

ここで輪郭が最後に造形されるようにすると、未固化の
液が固化部で取り囲まれて局部的に液位が変化する現象
の発生が抑制され、造形中に発生する歪み量は最小限に
抑えられる。なお実際の照射領域の制御は、光照射強度
制御手段１−33によりシャッタ兼フィルタ１−39が制御
され、水平照射位置制御手段１−34により光ファイバ１
−40の先端１−40aを水平２方向に移動する図示しないX
Y駆動機構が制御され、またそのときの走査速度は走査
速度制御手段１−35で制御される。フィルタ１−39と走
査速度は相互に連動して制御される。

なお基板１−45は高さ位置制御手段１−37によって一断
面に対する照射終了単位厚ΔＺだけ沈降される。

さて本実施例では、基板１−45の沈降後、刷毛掃引制御
手段１−36によって刷毛１−42が刷毛の長手方向（Ｘ）
と直角方向（Ｙ）に掃引される。

ここで刷毛１−42は第15図に示すように、複数の繊維が
束ねられた単位刷毛15A1,15A2,15A3等が長手方向に不連
続的に分布したものが用いられる。このような刷毛を用
いると、中実モデルを作るときのように大断面固化層が
存在する場合にも全断面にわたって一様の厚みの液を良
好にリコートできる。

ここで本発明者が種々の実験をしたところ、単位刷毛の
幅L2を2mm、単位刷毛間距離L1を1mmとしたとき、最も良
好な液塗布結果が得られた。刷毛は断面固化像15E上に
主として造波15Dによって液を導入するものであり、単
位刷毛の間隔が広すぎると良好な造波作用が得られな
い。また単位刷毛の間隔が短すぎると造波15Dで固化像1
5E上に導入された液はそのまま持ち去られ、液の塗布15
Cが良好になされない。刷毛の毛長については短すぎる
と造波も充分でなく、また繊維間に保持する液も充分に
とれないことから、良好な結果が得られない。一方長す
ぎると造波して持ち込んだ液15Dがそのまま持ち去ら
れ、やはり良好な結果が得られない。

さらに刷毛の毛質、細さ及び刷毛の掃引速度も重要であ
り、硬すぎると固化像を破壊し、軟らかすぎたり掃引速
度が遅すぎると造波効果が得られない。このように刷毛
の毛質、太さ、長さ、あるいは掃引速度は液の性質、固
化像の性質等により最適のものが選択されるべきであ
る。なおいずれの場合にも、単位刷毛が長手方向に離隔
的に分布していることは重要であり、これによって始め
て良好な塗布効果が得られる。

また刷毛は第15図に示すように２重、３重にして用いる
ことが好ましく、このようにすると下部断面固化像15E
が広い平面を有しているときにも均一の厚みの液15Cを
リコートすることができる。

さて以上に詳述した本実施例によると、輪郭対応光照射
領域データは輪郭線（断面線と水平面の輪郭線）に対し
て３次元オフセット量を勘案した上で決定される。そし
てこの３次元オフセット量は、照射によって固化される
領域の境界面が輪郭線に接するようにオフセットするた
めの量であることから、このオフセット量を勘案したう
えで決定されるデータに従って照射すると、固化像の輪
郭は造形希望形状の輪郭に正確に一致することになる。
このようにして本実施例によると、造形希望形状の精度
を飛躍的に向上させることができる。

またこの実施例によると造形物の用途により、中実、中
空、ハニカム構造を自在に設定することができる。この
ため造形物の用途自体を拡大することができる他（例え
ば中空モデルを作成できると、これを鋳造用の型に用い
ることができる）、造形時間等を用途に応じた最短のも
のとでき、このシステムの用途が大幅に拡大される。

またこの実施例では、サポートあるいはハニカム等の補
強構造と同時に造形希望形状が造形されることから、造
形物の形状精度が高く保持される。

そしてこれら補強精度の為のビーム径は造形希望形状自
体に対するビーム径とは独立に設定できることから、補
強構造については造形後容易に除去可能なものとするこ
とができる。

またサポートの種類、領域を指定できることから、本当
に必要な部分にのみ補強構造が形成されるようにするこ
とができ、正確な形状を有する造形物の造形時間が短縮
化される。

さらにまた本実施例ではフレームを指定できることとし
たから、高さ方向にサポートの種類、ピッチ等を変更す
ることができ、これもまた造形時間を大幅に短縮化させ
る。

その他本実施例では単位波形が離隔的に配置された刷毛
を用いて液を固化像上に導入するため、均一の厚みの液
が短時間に塗布させることになり、造形精度の向上と造
形時間の短縮化がともに図られる。このように本実施例
の装置では種々の改良が複合された結果、従来の光固化
造形装置よりも一世代進んだものとなっている。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例のシステム構成図、第２図は実施例の主
要作動を示す図、第３図は３角パッチ形式を模式的に示
す図、第４図は３角パッチ形式のデータ構造を示す図、
第５図（Ａ）は抽出された水平面の一例を示す図、第５
図（Ｂ）は抽出過程を模式的に示す図、第６図は輪郭線
抽出過程を模式的に示す図、第７図は抽出された輪郭線
を例示する図、第８図（Ａ）はオフセットに関する従来
方式を示す図、第８図（Ｂ）はそれを立体的に示す図、
第８図（Ｃ）は光ビームと固化領域を示す図、第９図
（Ａ）はオフセットの計算方法を説明する図、第９図
（Ｂ）は第９図（Ａ）の一断面を示す図、第９図（Ｃ）
と（Ｄ）は光ビーム使用時の従来と本実施例の場合を対
比して示す図、第９図（Ｅ）と（Ｆ）はマスクフィルム
使用時の従来と本実施例の場合を対比して示す図、第10
図（Ａ）は造形希望形状の輪郭の一例を示す図、第10図
（Ｂ）から（Ｆ）は第10図（Ａ）に示す輪郭を有する形
状に対する内側領域の照射態様を示す図、第10図（Ｇ）
と（Ｈ）は輪郭に対する内側領域照射領域のオフセット
を示す図、第11図はレグの概念と各種例を示す図、第12
図（Ａ）はフレーム概念を示す図、第12図（Ｂ）はフレ
ームとサポートの関係を例示する図、第13図（Ａ），
（Ｂ），（Ｃ）はサポートとサポート形成空間の関係を
示す図、第14図（Ａ），（Ｂ）は緩やかな斜面をもつ中
空形状モデルを作成するときの問題点を示す図、第15図
（Ａ），（Ｂ）は刷毛部の詳細を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光照射を受けると固化する性質を有する液
に対し、造形希望形状に対応する領域に光照射すること
で、該造形希望形状を備えた固化像を造形する装置にお
いて、該光照射領域の外延を、該造形希望形状の輪郭に対し、
該外延での光照射によって固化する領域の３次元境界面
が該造形希望形状の３次元輪郭面に接するだけ、該輪郭
面の内側にオフセットする量を演算する手段が付加され
た高精度光固化造形装置。