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

三次元物体を作成する装置および方法

Info

Publication number
JPH10689A
JPH10689A JP9016901A JP1690197A JPH10689A JP H10689 A JPH10689 A JP H10689A JP 9016901 A JP9016901 A JP 9016901A JP 1690197 A JP1690197 A JP 1690197A JP H10689 A JPH10689 A JP H10689A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
liquid
dimensional object
dimensional
thin
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP9016901A
Other languages
English (en)
Other versions
JP3444740B2 (ja
Inventor
W Hull Charles
チャールズ、ダブリュ、ハル
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
3D Systems Inc
Original Assignee
3D Systems Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 3D Systems Inc filed Critical 3D Systems Inc
Priority to JP01690197A priority Critical patent/JP3444740B2/ja
Publication of JPH10689A publication Critical patent/JPH10689A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP3444740B2 publication Critical patent/JP3444740B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Duplication Or Marking (AREA)
  • Heating, Cooling, Or Curing Plastics Or The Like In General (AREA)

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。
JP01690197A 1997-01-30 1997-01-30 三次元物体を製造する装置および方法 Expired - Lifetime JP3444740B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP01690197A JP3444740B2 (ja) 1997-01-30 1997-01-30 三次元物体を製造する装置および方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP01690197A JP3444740B2 (ja) 1997-01-30 1997-01-30 三次元物体を製造する装置および方法

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP5105641A Division JPH0798363B2 (ja) 1993-05-06 1993-05-06 三次元の物体を作成する方法と装置

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP11075627A Division JPH11314276A (ja) 1999-03-19 1999-03-19 三次元物体を作成する装置および方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH10689A true JPH10689A (ja) 1998-01-06
JP3444740B2 JP3444740B2 (ja) 2003-09-08

Family

ID=11929055

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP01690197A Expired - Lifetime JP3444740B2 (ja) 1997-01-30 1997-01-30 三次元物体を製造する装置および方法

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3444740B2 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015039883A (ja) * 2013-08-23 2015-03-02 三緯國際立體列印科技股▲ふん▼有限公司XYZprinting, Inc. 3次元印刷装置、及びこれによる3次元プレビュー及び印刷方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6235966A (ja) * 1984-08-08 1987-02-16 スリーデイー、システムズ、インコーポレーテッド 三次元の物体を作成する方法と装置
JPS6372526A (ja) * 1986-06-03 1988-04-02 キュービタル リミティド 三次元写像および型製作用の装置
JPH0699505A (ja) * 1993-05-06 1994-04-12 Three D Syst Inc 三次元の物体を作成する方法と装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6235966A (ja) * 1984-08-08 1987-02-16 スリーデイー、システムズ、インコーポレーテッド 三次元の物体を作成する方法と装置
JPS6372526A (ja) * 1986-06-03 1988-04-02 キュービタル リミティド 三次元写像および型製作用の装置
JPH0699505A (ja) * 1993-05-06 1994-04-12 Three D Syst Inc 三次元の物体を作成する方法と装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015039883A (ja) * 2013-08-23 2015-03-02 三緯國際立體列印科技股▲ふん▼有限公司XYZprinting, Inc. 3次元印刷装置、及びこれによる3次元プレビュー及び印刷方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP3444740B2 (ja) 2003-09-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JPH0248422B2 (ja)
US5630981A (en) Method for production of three-dimensional objects by stereolithography
US4929402A (en) Method for production of three-dimensional objects by stereolithography
US5174943A (en) Method for production of three-dimensional objects by stereolithography
US5236637A (en) Method of and apparatus for production of three dimensional objects by stereolithography
US5344298A (en) Apparatus for making three-dimensional objects by stereolithography
US4996010A (en) Methods and apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography
US5076974A (en) Methods of curing partially polymerized parts
US5164128A (en) Methods for curing partially polymerized parts
JPH0798363B2 (ja) 三次元の物体を作成する方法と装置
JPH049662B2 (ja)
JPH10689A (ja) 三次元物体を作成する装置および方法
JPH0653391B2 (ja) 三次元の物体を作成する方法と装置
JPH11314276A (ja) 三次元物体を作成する装置および方法
JPH0613196B2 (ja) 三次元の物体を作成する方法と装置
JPH049661B2 (ja)
JPH0798364B2 (ja) 三次元の物体を作成する方法と装置
JP2001353785A (ja) 三次元物体を作成する装置および方法
JPH049660B2 (ja)
JPH0419020B2 (ja)
JPH0236928A (ja) 三次元の物体を作成する方法と装置
JPH03281329A (ja) 光学的立体造形方法
KR20000018892A (ko) 액정 패널을 이용한 3차원 광조형물 제조 방법 및 제조 장치

Legal Events

Date Code Title Description
A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20000912

EXPY Cancellation because of completion of term