JPH0798363B2

JPH0798363B2 - 三次元の物体を作成する方法と装置

Info

Publication number: JPH0798363B2
Application number: JP5105641A
Authority: JP
Inventors: チャールズ、ダブリュ、ハル
Original assignee: スリーデイー、システムズ、インコーポレーテッド
Priority date: 1993-05-06
Filing date: 1993-05-06
Publication date: 1995-10-25
Anticipated expiration: 2010-10-25
Also published as: JPH0699505A

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２，
７７５，７８５号、第４，０４１，４７６号、同第４，
０７８，２２９号、同第４，２３８，８４０号同第４，
２８８，８６１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）、HideoKodama, Automatic method for fabricat
ing a three-dimensional plasticmodel with photo-ha
rdening polymer, Review of Scientific Instruments,
52(11), Nov. 1981 ，及びAlan J. Herbert, Solid Ob
ject Generation，Journalof Applied Photographic En
gineering, 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。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】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、この様なプラスチッ
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強
固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】

【課題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
機に支援された設計（ＣＡＤ）及び計算機に支援された
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。図１及び図２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ような他の種類の相
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ＣＡ
Ｍ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】図１には、この発明の立体造形方法が広義
に説明されている。図１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】上述した方法が図２にさらに詳しく述べら
れている。図２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】図２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】３図から８図は、図１と図２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
造形装置が図３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２
３を定める。紫外線２６等のプログラム可能な源が面２
３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２
９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，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（例えば図３）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（PottingCompound）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／cm³の長波ＵＶ強
度をもっている。

【００３５】図３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】図３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。

【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（３４９
７Ａ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（約
７８．７ワット／ｃｍ）のＵＶ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、図３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】図４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Ｕ
Ｖ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。図４の装置では、図３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】図４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、図４の装置を用いれば、図３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。

【００５１】図５の装置は図３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、こうして図３及び図４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】図６も前に図３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（ＣＲＴ）３
８、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ＣＲ
Ｔ３８に出力された画像が管の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、図６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】図７及び図８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、図７及び図８に示す装置
は図３と同一であるが、図７及び図８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、図７は普通の位置にある調節自
在の昇降台２９ａを示しており、図８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、図３から図８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。

【００５４】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。

【００５５】

【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。

【００５６】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。

【００５７】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。

【００５８】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】図１と同様なフローチャート。

【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
図３の立体造形装置を変更した場合の部分的な断面図。

【図８】図７と同様な断面図。

【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】反応性物質に曝されたときに硬化し得る媒
質から三次元物体を一層づつ形成して作成する方法にお
いて、作成する三次元物体の断面を表すデータを発生させる工
程と、硬化させる逐次形成される媒質層を前に形成された媒質
層に隣接させて形成させる工程と、前記断面データにしたがって硬化される逐次媒質層の少
なくとも一部に反応性物質を投与することにより前記逐
次媒質層の少くとも一部を選択的に硬化させる工程と、
からなり、前記媒質と前記反応性物質との組合わせによ
り媒質を硬化させ、これによって前記媒質の複数の硬化
層から三次元物体を形成する方法。
【請求項２】前記媒質が流体媒質である請求項１記載の
方法。
【請求項３】前記流体媒質が液体媒質である請求項２記
載の方法。
【請求項４】前記液体媒質が重合可能な媒質からなる請
求項３記載の方法。
【請求項５】前記媒質が前記反応性物質をインクジェッ
トディスペンサーから分配することにより硬化される請
求項１記載の方法。
【請求項６】前記インクジェツトディスペンサーがコン
ピュータ制御されている請求項５記載の方法。
【請求項７】反応性物質に曝されたときに硬化し得る媒
質から三次元物体の少くとも一部分を一層づつ形成して
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断面データを発生させ
る工程と、硬化される媒質層を形成する工程と、前記断面データにしたがって硬化される逐次媒質層の少
くとも一部分に反応性物質を投与することにより前記逐
次媒体層の少くとも一部分を選択的に硬化させることに
より三次元物体の層を形成する工程と、三次元物体の前記層を互に接着させて三次元物体の前記
少くとも一部分を形成する工程と、からなる三次元物体を形成する方法。
【請求項８】前記流体媒質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、かつ接着が前記
媒質の前記層の前記選択的硬化時に行われる請求項７記
載の方法。
【請求項９】前記媒質が流体媒質である請求項８記載の
方法。
【請求項１０】前記流体媒質が液体媒質である請求項８
記載の方法。
【請求項１１】前記液体媒質が重合可能な媒質からなる
請求項１０記載の方法。
【請求項１２】前記流体媒質が反応性化学物質である請
求項９記載の方法。
【請求項１３】前記流体媒質が反応性物質をインクジェ
ツトデイスペンサーから投与することにより硬化される
請求項９記載の方法。
【請求項１４】前記インクジェットデイスペンサーがコ
ンピュータ制御されている請求項１３記載の方法。
【請求項１５】前記反応性物質をマスクを介して選択的
に投与することにより前記媒質が選択的に硬化される請
求項９記載の方法。
【請求項１６】反応性物質に曝されたときに硬化し得る
媒質から三次元物体の少くとも一部分を一層づつ形成し
て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断面データと発生させ
る工程と、硬化される第１媒質層を形成する工程と、前記第一媒質層の少くとも一部分へ前記反応性物質を投
与することによって前記第一媒質層の前記少くとも一部
分を選択的に硬化させることにより前記断面データに応
じて前記三次元物体の第一断面を形成する工程と、前記三次元物体の前記第一断面に隣接して第二媒質層を
形成する工程と、前記三次元物体の第二断面を形成し、前記第二媒質層の
前記少くとも一部分へ前記反応性物質を投与することに
よって前記第二媒質層の前記少くとも一部分を選択的に
硬化させることにより前記断面データに応じて前記第一
断面に前記第二断面を接着する工程と、からなり、これ
により前記三次元物体の少くとも一部分が複数個の成形
され、かつ接着された断面から形成される方法。
【請求項１７】前記媒質が流体媒質である請求項１６記
載の方法。
【請求項１８】前記流体媒質が液体媒質である請求項１
７記載の方法。
【請求項１９】液体媒質が重合可能な媒質である請求項
１８記載の方法。
【請求項２０】前記流体媒質が前記反応性物質をインク
ジェットディスペンサーを介して選択的に投与すること
により選択的に硬化される請求項１７記載の方法。
【請求項２１】反応性物質に曝されたときに硬化し得る
媒質から三次元物体を一層づつ作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す
る装置と、逐次連続した媒質層を形成する装置と、硬化される媒質層の前記少くとも一部分へ反応性物質を
選択的に投与する装置を有し、前記媒質と前記反応性物
質との組合せにより前記媒質が硬化し、かつ前記連続し
た媒質層の硬化された部分が前記三次元物体の連続層を
形成する前記連続した媒質層の少くとも一部分を選択的
に硬化させる装置と、前記三次元物体の前記連続層を互いに接着させて硬化さ
れた前記媒質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】前記媒質の前記連続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、かつ前記媒質
の前記連続層の硬化時に接着される請求項２１記載の装
置。
【請求項２３】前記反応性物質を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ジェットディスペンサ
ーからなる請求項２２記載の装置。
【請求項２４】前記反応性物質を選択的に投与する装置
がマスクを有し、前記反応性物質が前記媒質にこのマス
クを通して投与される請求項２２記載の装置。
【請求項２５】反応性物質に曝されたときに硬化し得る
媒質から三次元物体を一層づつ作成する装置において、形成される三次元物質の断面を表す断面データを発生す
る装置と、硬化される前記媒質の層を形成する装置と、前記媒質層の前記少くとも一部分に前記反応性物質を選
択的に投与する装置を有する前記媒質層の少くとも一部
分を選択的に硬化することによって前記三次元物体の層
を形成する装置と、前記三次元物体の前記媒質層を互いに接着させて前記三
次元物体を形成する装置と、を備える装置。
【請求項２６】前記媒質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、かつ前記媒質の前
記層の硬化時に接着される請求項２５記載の装置。
【請求項２７】反応性物質を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ジェットディスペンサ
ーからなる請求項２６記載の装置。
【請求項２８】反応性物質を選択的に投与する前記装置
がマスクを有し、前記反応性物質が前記媒質に該マスク
を通して投与される請求項２６記載の装置。
【請求項２９】三次元物体を作成する装置において、三次元物体の断面を表す断面データを発生する装置と、化学反応により硬化可能である未硬化媒質の層を形成す
る装置と、未硬化媒質の前記層に物質を選択的に噴霧し前記化学反
応を引起す装置を有し、かつ前記媒質層を選択的に硬化
することによって前記三次元物体の連続層を形成する装
置と、前記三次元物体の前記連続層を互いに接着させて複数個
の接着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】前記媒質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、前記媒質の前記層
の硬化時に接着される請求項２９記載の装置。
【請求項３１】物質を選択的に噴霧する前記装置がコン
ピュータ制御されるインクジェットディスペンサーから
なる請求項３０記載の装置
【請求項３２】物質を選択的に噴霧する前記装置がマス
クを備え、前記化学物質が前記媒質に投与される請求項
３０記載の装置。
【請求項３３】物質に曝されたときに硬化し得る媒質か
ら三次元物体を一層づつ形成して作成する装置におい
て、三次元物体の断面を表す断面データを発生するコンピュ
ータ装置と、硬化される媒質の連続層を前に形成された媒質層に隣接
して形成する装置と、硬化される媒質の一部分に物質を投与する装置を有し、
かつ媒質の連続層を選択的に硬化し接着させ前記三次元
物体の連続層を形成する装置と、を備え前記媒質と前記
物質との組合せにより前記媒質を硬化させ、これによっ
て前記媒質の複数個の硬化し、かつ接着した層から前記
三次元物体を形成する装置。
【請求項３４】物質を選択的に投与する前記装置がイン
クジェットディスペンサーである請求項３３記載の装
置。
【請求項３５】物質を選択的に投与する前記装置がマス
クを備え、前記物質が前記媒質に該マスクを通して投与
される請求項３３記載の装置。