JPH10689A - 三次元物体を作成する装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 三次元物体の作成において、複雑で精巧な形
状の造形を迅速かつ経済的に行う。 【構成】 三次元物体を設計してグラフィックに表示
し、コンピューター設計による前記三次元物体の薄い断
面を画定するグラフィックイメージ出力データを作成
し、反応性流体媒質の薄い最初の層を作業面に与え、前
記最初の層を、前記グラフィックイメージ出力データに
応じて発生させた硬化用放射線に曝露し、それによって
前記グラフィックイメージ出力データに対応する前記媒
体の反応済みの薄い断面を形成し、反応性媒体の複数の
薄い層を形成し、複数の層から前記三次元物体を自動的
に作成出来るように各層を前記硬化用放射線に曝露する
間に直前の層に接着する次々の反応済み媒体の層を複数
作成し、前記次々の層を複数作成する間に前記三次元物
体の異なる面を硬化用放射線に曝露する各工程からな
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、特に、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、労力および費用を要する。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。設計の時間および工具
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、真空成形およ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2,77
5,785 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-CNo.4,198
1年４月）、HideoKodama, Automatic method for fabri
cating a three-dimensional plasticmodel with photo
-hardening polmer, Review of Scientific Instrument
s, 52(11), Nov. 1981,およびAlan J. Herbert, Solid
ObjectGeneration, Journal 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、流体媒質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良い
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。しかしこれら全ての場合に、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、分解能および露出
制御の点で多くの問題がある。交点が流体媒質の中に一
層深く移動するとき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、特に、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
およ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
開発およ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、整合およ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、さらに敏速で、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、これら全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および作用】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ときに自動的に強固
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。すなわち、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）および計算機に支援
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およ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、物体を作る方法およ
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と
き、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規定する。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ときに、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
とき、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規定し、この新しい積層板がそれ
に隣接する材料、すなわち、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、ま
た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および装置は、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、設計の配置および図面を作成したり、加工の図面
および工具を作る必要がない。設計者は直接的に計算機
およ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とき、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
ヶ月もの所要期間が避けられる。最終的な生産速度およ
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
必要とするときだけ経済的である。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
更およ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、現在では金属または
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
価な金属品またはその他の材料の部品のを作るという決
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および装
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または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および
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および図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・ジェットまたは適当なマ
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が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、紙およ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
グラフィおよびマイクロ製版がある。プロッタまたは陰
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）およ
び計算機の助けを借りる製造（ＣＡＭ）は、計算機の能
力を設計および製造の工程に応用する技術である。ＣＡ
Ｄ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、計算機およびプロッタが、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、計算機およびフライス盤が金属部品を加工する。Ｃ
ＡＤもＣＡＭ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および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
計段階で雛形および原型を形どるため、または製造装置
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または薄
層形の構成を作り、こうした形成工程の間、流体媒質の
略平面状また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、でき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と
き、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
版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、相次ぐ隣接した層ま
たは積層板をそれらが形成されたときに互いに重畳し
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とき、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と
き、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、物体を取り出
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
作る方法および装置である。ＵＶ硬化性液体の表面また
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画定する。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、その他の光学または機械的な素子（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
２９の位置が計算機２８によって制御される。この装置
が動作するとき、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
また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２
２が硬化して固体材料が形成されるとき、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２
３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Ｕ
Ｖ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、幾つかの重要な性質を持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とき、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硬化性液体およ
び途中まで硬化した液体を洗い落とすことができなけれ
ばならない。（Ｆ）でき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
たとき、所望の性質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、可燃性およ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ィング・
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4,10
0,141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；過酸化ペ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はオンおよ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が移動するとき、それが液体２２を固体に
硬化させ、チャート式記録装置また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、束を通る光をオンおよ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をできるだ
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−Ｐ３４
９７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またはその
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およびディ
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
レベルを超えて移動（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くらいに丈夫である
ことである。さらに、設定段階並びに物体を取外すと
き、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）に取り付けた台である。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・アナログ変換器をもつ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
司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とき、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）およびベーシック・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およ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ように駆動するた
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、
流体圧または電気式であってよく、その位置を精密に制
御するために光また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またはアルミニウ
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が不要になり、
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な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およ
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
深く移動するとき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とともに作用
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とき、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および導
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
コールまた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、ある面は一層なめらかに形成される。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お
よび集束スポット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および
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。この段面形を変えるときには、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および
焦点スポット２７の代わりとして、陰極線管（ＣＲＴ）
３８、光学繊維のフェースプレート３９および水または
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および雛形層４
０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
を画定する相次ぐ断面積層板を形成する。

【００５３】図７および図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および図８に示す
装置は図３と同一であるが、図７および図８の装置で
は、昇降台２９が枢軸ピンまたは丁番部材４２の周りに
手動でまたは自動的に制御されて回転する２番目の自由
度をも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９
０°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
部品およびサブシステムをもっている。例えば、実用的
な装置は枠およ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光および可視光か
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、オゾンおよび有害な煙を制
御する安全手段や、高圧安全保護および連動装置をもっ
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、レーザ光源、ショートアーク光源、高エネル
ギー粒子光源、Ｘ線源またはその他の放射線源を使うこ
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−プロピル・アクリレート） 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および装置は、
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
計の配置および図面を作る必要がなく、加工図面および
工具を作る必要もない。設計者は直接的に計算機および
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とき、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とき、計算機を通じてそ
の変更を容易に行うことができ、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
何ヶ月もかかることが避けられる。最終的な生産速度お
よび部品のコストは、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
部品を必要とするとき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、設計の変更および注文製の部品
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、現在では金属また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、一層高価な金属または
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が明らかである。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お
よび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
れる実施例の断面図と組み合わせたブロック図

【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 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

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 三次元物体を設計し直接作成する装置に
   おいて、三次元物体を設計しグラフィックに表示する手
   段と、前記三次元物体の薄い断面を画定するグラフィッ
   クイメージ出力を発生する手段と、反応性流体媒質の薄
   い最初の層を自動的に形成し、その最初の層を作業面に
   位置させる手段と、前記最初の層を、前記グラフィック
   イメージ出力に応じて発生させた硬化用放射線に自動的
   に曝露し、それによって前記グラフィックイメージ出力
   に対応する前記媒体の反応済みの薄い断面を形成する手
   段と、反応性媒体の複数の薄い層を自動的に形成し、複
   数の層から前記三次元物体を自動的に作成できるように
   各層を前記硬化用放射線に曝露する間に直前の層に接着
   する次々の層を複数自動的に作成する手段と、前記次々
   の層を複数作成する間に前記三次元物体の異なる面を硬
   化用放射線に曝露する手段とを備えてなる装置。
2. 【請求項２】 三次元物体を設計し直接作成する方法に
   おいて、三次元物体を設計してグラフィックに表示し、
   コンピューター設計による前記三次元物体の薄い断面を
   画定するグラフィックイメージ出力データを作成し、反
   応性流体媒質の薄い最初の層を作業面に与え、前記最初
   の層を、前記グラフィックイメージ出力データに応じて
   発生させた硬化用放射線に曝露し、それによって前記グ
   ラフィックイメージ出力データに対応する前記媒体の反
   応済みの薄い断面を形成し、反応性媒体の複数の薄い層
   を形成し、複数の層から前記三次元物体を自動的に作成
   できるように各層を前記硬化用放射線に曝露する間に直
   前の層に接着する次々の反応済み媒体の層を複数作成
   し、前記次々の層を複数作成する間に前記三次元物体の
   異なる面を硬化用放射線に曝露する各工程からなる方
   法。