JP3619191B2 - 異なる密度の領域を有するステレオリソグラヒック物品を製造する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の属する技術分野
この発明はステレオリソグラフィの分野に関する。
【０００２】
ステレオリソグラフィは液体感光性ポリマーレジンから精密な凝固した物品が形成できるプロセスである。紫外線に露光されるときには、この感光性レジンは処理（ｃｕｒｅ）されて固体プラスチック材料を形成する。
【０００３】
従来の技術
既知のステレオリソグラフィプロセスでは、精巧で細く、強力な紫外レーザビームがレジンの液体表面上に向けられている。ビームがレジンと接触をとると、レジンは処理されその深さは一般に０．１５ｍｍに達する。レジンの処理によって物品が形成できるようにするために、物品を非常に薄い部分に分ける（スプリットする）ことが必要とされ各部分は約０．１ｍｍ厚とされる。移動可能な孔のあいた（パーフォレーションのある）トレイ（物品のこの部分を載せて）がレジンの中に置かれ、最初はレジンの表面下約０．１ｍｍの深さに置かれる。そこでレーザビームはレジンの表面を横切って移動されて、凝固した軌跡（トレール）が形成され、それが物品の断面を表わしていて、隣接した領域を液体のまま残している。物品のこの部分が完了すると、穴のあいたトレイがレジン内の下側に浸し沈められて、レジンが孔を通って流れることができるようにして、液体レジンの新しい層を形成することができるようにし、液体レジンの新しい層が前に凝固した層の表面を覆う。トレイはそこで前の部分に対するときよりもレジン内に約０．１ｍｍ深い位置をとるように上昇される。レジンが平坦な表面に戻って落着いた後にレーザビームが再びレジンの液体表面上に向けられて、物品の第２の凝固した断面が形成される。レーザビームが物品のこの断面を形成するためにレジンを処理しているときに、レーザビームは前のものについてもこの断面を処理することもするので、２つの断面が一体化される。トレイは次に再びレジンの中に浸し沈められて、前の部分に対する位置の下側０．１ｍｍのレベルに位置がとられる。レジンの表面が再びレーザビームによって処理されて、同時に下側部分と一体化され、このようにして物品が次第に液体レジンから形成される。
【０００４】
この方法は物品の断面がレジンの処理と同時に一体化されるという利点を有しているので、ある物品を形成するために個別の部品を接着する必要がなく、そのために物品の構造的な性能に影響を及ぼす弱い接着線が存在しない。この物品は、いくつかの接着が一緒にされたのではなく、１つの部分として形成されているように見えるような構造上の品質を示している。
【０００５】
物品は固体層を作り出すことによって作ることができ、この場合は密度の高い固体物品となる。これに代って、物品は低密度の交差したハッチングのような層を作り出すことによって作ることができ、この場合は物品はハネカム（蜂の巣）状の構造をもつことになりこれが“クィックカースト（早い鋳込み）”物品として知られている。クィックカースト物品はレジンよりもかなり多くの空気を含んでいる構造をもち、したがって軽くて、廉価で、製造で使われるレジンの量がぐんと少いことが原因となっている。さらにレジンの少量がクィックカースト物品の製造の間に処理されるので、クィックカースト物品を製造するためにかかる時間は比較対象となる固体物品を製造するためにかかる時間よりもかなり短い。
【０００６】
ソフトウェアパッケージが利用可能となっていて、このパッケージはこの物品用の設計データ（例えば３次元計算機支援設計（ＣＡＤ）モデルのようなもの）を取り込んで、約０．１ｍｍ厚さの物品の断面スライスを定義するためにこのデータを使用する。物品の各層についての設計データはプログラム内に供給することができて、このプログラムがレーザビームとレジンの中に置かれたトレイの動きと位置とを制御して、それにより物品が設計データ断面から正確に構築できる。このようなパッケージでＣＡＤデータのスライスとステレオリソグラフィ装置（レーザビームとトレイとを含む）の制御とを含んでいるものは、例えば３Ｄ Ｓｙｓｔｅｍからのライセンスを得て商業的に入手可能となっている。
【０００７】
発明が解決しようとする課題
ときとして、高密度と低密度との領域の両方で構成されている物品の製造が望ましいとされる。このような物品の例は風洞試験用に使用されるモデルであり、この試験では高精度がその寸法について求められる。従来の機械加工方法によって作られたこの種のモデルは極めて高価なものであり、所望の精度を達成することはむづかしい。ステレオリソグラフィは極めて精密な物品で風洞モデル用の厳格な要件に適うものの製造方法を与える。しかし、ステレオリソグラフィにより固体モデルを作ることは時間を消費するものであり、またレジンの高価格が原因となって従来の製造と同じ位に高価なものとなる。代りのクィックカースト方法によってこのようなモデルを作ることはコストを約５０％削減でき、また製造時間を約３０％削除でき、しかも求められている精度の高水準を維持する。そこで固体ではなくクィックカースト物品としてこのようなモデルを作ることが望ましいとされている。
【０００８】
ある種の応用、たとえば風洞試験の際のような場合には、モデルをある固体した対象物に取付ける必要があることになる。風洞試験で使用されるモデルをしっかりと固定することは従来はモデルの後方か下側に孔をドリルであけて、モデルを風洞内に固定したストランドに取付けることで行っていた。
【０００９】
しかしながら、クィックカースト物品は風洞スタントもしくは他の物品に取付けができるようにするためにドリル孔あけができない。これにドリル孔あけとか機械加工をしようとすると粉砕してしまうことになる。しかし、固体物品は粉砕の実体的な危険を伴わずにドリル孔あけができる。
【００１０】
正確なドリル孔あけと取付けとに適した固体部分を備えたクィックカーストモデルを提供するための満足できる方法はこれまでに考案されていなかった。
【００１１】
密度が低い領域と、密度が濃い固体領域とを有する物品を作るために、これまでは別個のコンポーネント（部品）を作り、各々が密度が低いか高いかのいずれかの固体性質をもつようにし、つぎにそれらを接着性レジンを用いて一緒に接着することが必要とされてきた。これは物品が認識できる接着ラインをもつようにし、それが製品に対して全体的に弱い構造を与えていた。風洞用モデルの場合には、いくつかの部品を一緒に接着することから作られるモデルはいずれもが風洞試験の苛酷さに耐えうる十分な強度のものではない。これらのモデルは接着ラインで曲がってしまって、被試験モデルの形状をひずませたり、あるいはこういった弱い点で実際に破断を生じている。この構造上の振舞いはステレオリソグラフィ物品が大きなストレスに直面するようないずれの応用にも明らかに受入れられないこととなっている。
【００１２】
課題を解決するための手段
この発明はステレオリソグラヒック物品を作るための方法を探究しようとしており、この物品は、既知の物品を作るために、密度の低いものと高いものとの固体領域を接着性のボンデングすることと関係した諸問題を克服することをねらったものである。
【００１３】
この発明によると次の方法が提供されている。すなわち複数のコンポーネント（ここでは成分と訳出することにするが、部品と訳出した方がよい響きのところもあるので両訳語を併用する）を含んでいるステレオリソグラヒック物品を製造する方法であって、該物品は単一性を有し、かつ少くとも２つの成分は異なる密度を有しており、該方法は少くとも：
該物品についての設計データを生成する段階と；
該物品についての設計データを個別成分を形成している異なる密度の領域に分ける段階と；
該物品を形成するために他の成分と隣接して置かれることになる各成分の表面に重なり量を加えることによって該設計データを修正する段階と；
該個別成分についての設計データを薄い断面層にスライスするように適応したソフトウェアパッケージ内にロードする段階と；
該物品の実質的に完全でかつ正確な表現を形成するために該ソフトウェアパッケージを用いて該個別成分を３次元空間内に位置決めする段階であって、前記３次元空間は該物品がそこから製造されることになるレジンの体積を表わすものと；
該個別成分についての設計データをスライスし、ここで該成分は該物品の実質的に完全でかつ正確な表現を形成するために位置決めがされているものとし、薄い断面層とする段階と；
該成分の各々の各断面層についての設計データを制御プログラムに供給し、ここで該制御プログラムはレーザビームと感光性ポリマーレジンを備えたステレオリソグラフィ装置を制御するように適応されているものとする段階と；
該制御プログラムを動作して該成分から実質的に単一性の物品を作るようにする段階と、から成る。
【００１４】
この成分は、前記ソフトウェアパッケージを用いて位置決めされたときには、隣接する成分と少くとも０．０５ｍｍの重なりが可能となるような十分な量によって拡張されているのが好い。
【００１５】
隣接する成分間の重なりは０．１ｍｍであるのが好い。
【００１６】
この物品は成分が隣接する成分と重なるように位置しているときには必要とされる精度と寸法とを実質的にとっているのが好い。
【００１７】
断面層は０．０５ないし０．２ｍｍ厚の範囲であるのがよい。断面層は０．１ｍｍ厚であると好都合である。
【００１８】
作られた単一性物品は異なる密度の領域間で構造上のジョイント（接合）が実質的には何もないのが好い。このプロセスで使用されるレジンは室温室圧で液体であるのが好く、また紫外線に接触すると処理されて凝固するのがよい。
【００１９】
添付の図面を参照して、例としてこの発明の特定の実施形態を記述して行く。
【００２０】
図１は固体内部構造５を有する高密度物品１を示し、またハネカム状の内部構造７を有する低密度クィックカースト物品３も示している。
【００２１】
図２は物品１と３とが従来のやり方で一緒にジョイントされて物品１１を形成しているのを示す。物品１と３とは処理されたレジン接着剤９を用いて一緒にボンデングされている。物品１と３とが接合されているところでは、レジン接着剤９はボンドラインを生じさせていて、このラインは隣接する構造５，７よりも弱いので、物品１１の強度を低減している。
【００２２】
図３ａはこの発明により製造された物品１７を示す。物品１７は二つの成分部分、すなわち高密度領域１５で固体内部構造５をもつものと、低密度クィックカースト領域１３でハネカム状の内部構造７をもつものとで構成されている。
【００２３】
物品１７を製造するためには、物品１７に対する設計データが先ず標準のＣＡＤパッケージを用いて生成され、つぎに物品１７について作られたＣＡＤモデルがオペレータによって異なる密度の領域５，７に分割され、これらの領域がそれぞれ物品１７の個別の成分１５，１３を形成している。成分（部品）１３，１５はＣＡＤモデル上では分離できて、図１に示したのと同様の２つの部品（成分）を与えるようにする。
【００２４】
そこでオペレータはＣＡＤモデルに対して厚さがほぼ０．０５ｍｍの重なり層を加える。この層は図３ｂに示したように物品１７を形成するために他の成分と隣接して置かれることになる各成分の表面に加えられる。成分１５には重なり層４５があり、成分１３は重なり層４７を有している。この設計データはつぎにソフトウェアパッケージ（例えば３Ｄ Ｓｙｓｔｅｍ製）にロードされ、これが設計データを薄い断面層にスライスするのに適応される。
【００２５】
このソフトウェアパッケージ内部では、成分１５，１３がつぎにオペレータによって３次元空間内で並べられて、所望物品１７を正確に表現するものが形成される。この３次元空間はレジンの体積を表わしていて、そこから物品１７が製造されることになる。重なった（オーバーラップ）層４５，４７でそれぞれ成分１５，１３についてのものが隣接する部品１５，１３の本体内に延びていなければならず、それによって全体の重なりで図３ｃの文字Ａで示したものが各成分（部品）１５，１３間で訳０．１ｍｍとなり、それでいて物品１７の所要寸法は維持されている。
【００２６】
各成分１５，１３についての設計データはそこで厚さ約１ｍｍの断面層にスライスされて、この情報が次にプログラムに供給されて、３Ｄ Ｓｙｓｔｅｍ製の制御プログラムのように、ステレオグラフィック装置を制御するようにするのにあてられる。
【００２７】
この制御プログラムはこの明細書で先に記述したような既知のやり方でステレオリソグラフィ装置を動作する。それは各成分１５，１３がその設計データにより、またレジン浴（バス）内部での相対的な位置関係で別に作られるようにしており、浴内では成分がソフトウェアパッケージの３次元空間内で見付けられるようにしている。成分１５は固体層から作り出され、成分１７は交差したハッチングの層から作り出される。成分１５，１６が重なるように設計されているので、物品１７に単一性のある物品として形成される。図３ｄは個別成分１５，１３がそれぞれ異なる密度５，７をもっていて、文字Ａで示したように約０．１ｍｍの重なりをもつように形成できる。実際には、成分１５の全体が固体の高密度成分として製造され、そこに重なり層４５を含んでいる。成分１３の全体は低密度成分として製造され、そこには重なり層４７を含んでいる。成分が重なるところでは、レジンは２度処理され、１度は固体の、高密度の領域を作るためであり、１度はクィックカースト領域を作るためである。これが意味するところは、物品１７が認識できない接着線（ボンドライン）を４９のところで作らないことである。物品１７は所要の寸法のものであり、また物品１７は単一性物品であり、物品１１についてとは違って物品の成分部分を一緒に接着しなければならないということなく作られる。それ故に、物品１７は物品の強度を下げる接着線を持たず、したがって物品の強度は物品１１の強度よりもぐっと大きい。
【００２８】
図４ａと４ｂとでは、物品１９が２つの低密度クィックカースト部品２５，２６と、高密度固体成分２１とを含んでいて、部品２５，２６と２１は従来形のステレオグラヒック方法によって分離して作られている。固体部品２１は図示のようにクィックカースト部品２５，２６の内側にはめ合わせることが求められている。部品２１を位置決めするようにし、所要位置に部品２６を正確にボンドするよう操作することは比較的むづかしくしかも時間のかかることである。さらに物品の強度は接着線２３，２４の存在によって著しく低められている。
【００２９】
図５は物品１９と似た設計の物品２７を示す。しかし物品２７はこの発明によるステレオリソグラフィを用いて図３について記述したように製造されており、物品２７は二つの構成成分３１，２９を有している。成分３１と２９とはＣＡＤパッケージ内部でオペレータによって拡大されていて、物品２７を形成するために成分が互に他と隣接することになる領域内で重なり層を作るようにしている。物品２７は単一性物品であって固体領域３１とクィックカースト領域２９とを有するが、両領域間には接着線は存在しない。領域３７と２９とは同じステレオリソグラフィプロセスの際に製造された成分であるから、成分３１は所望の位置に直接に形成され、物品２７が製造されるときには、成分２９内部に重なり層が延びているものを有している。この技術は複雑な物品であって、これによらなければ製造するのに大層むづかしくかつ時間のかかるものの精度と強度とを大幅に改善する。
【００３０】
図６は低密度のクィックカースト領域３５，３７，３９を有する物品３３を示し、これらの領域は高密度の固体領域４１，４３によって互に他から分離されている。従来の方法を用いると、各領域３５，３７，３９，４１，４３は別の部品として製造されて、それから一緒に接着性ボンデングがされて複雑な物品３３を形成する。この発明による方法を用いると、図３について記述したように、複雑な物品３３は１つのプロセスで製造できる。領域３５，３７，３９，４１，４３はＣＡＤオペレータによって成分に分離され、この成分は隣接する他の成分と、これらの成分用の設計データに加えられる重なり（オーバーラップ）層である。成分３５，３７，３９，４１，４３に対する設計データはそこでソフトウェアパッケージに供給されてこれら成分を通る断面スライスを生成するのにあてられる。成分３５，３７，３９，４１，４３は、３次元空間内部で物品３３の正確な表現を形成するようにされ、この物品の各成分の各重なり層は隣接する成分内部にまで延びている。このモデルは次に薄い断面層にスライスされて、この情報が前述のようにステレオリソグラフィ装置用の制御プログラム内に供給される。これが複雑な部品を１つのプロセスで製造されるようにしていて、その結果接着線をもたない単一性部品３３を作るので、接着線に対応する構造的な弱さを生じさせない。
【００３１】
高密度固体領域と密度が低い領域との両方を有する物品を作るための方法は図７に示してある。物品はＣＡＤモデルとして表わされている。この物品のモデルは各種の領域に分けられ、各領域は個別の部品（成分）を表わしていて、各部品（成分）は特定の密度を有し、また隣接する部品（成分）は各々他からは異なっている密度を有している。オペレータは各部品（成分）の表面に重なり層を加え、この表面は物品を形成するために他の部品（成分）に隣接して置かれることになる。
【００３２】
部品（成分）についての設計データはそこでデータをスライスするための既知のソフトウェアパッケージ内にロードされ、オペレータは３次元空間内に部品（成分）を置いてソフトウェアパッケージ内部で物品の正確な表現を作るようにし、各成分の重なり層が隣接する成分内に延びるようにする。
【００３３】
各成分の表現はそこでソフトウェアパッケージを用いて厚さ約１ｍｍの薄い断面層にスライスされる。
【００３４】
各成分の各断面層についての設計データはそこでステレオグラフィ装置を制御するためのプログラムに供給される。制御プログラムは各成分を作るために装置を操作して、上述の既知方法で個別の断面層から各成分を構築する。設計データ内で成分が重なっているので、製造でも成分が重なり、それによって接着線のない単一性物品が単一のステレオグラフィプロセスの間に個別成分の製造から形成される。
【００３５】
この記述と図面とから当業者にとっては、いくつかの密度をもつ物品がこの発明により作られることは明らかであろう。この発明によって作られた物品は数多くの応用で有用であり、その中には、モールドツール用の鋳型のモデル、風洞モデル、及び航空機を含む各種製品用の複雑な物品が含まれており、応用はこれらに限定されるものでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】既知のステレオリソグラフィ方法によって作られた既知の高密度物品と既知の低密度物品とを通る断面図。
【図２】接着性ボンデングによって作られた既知の物品を通る図１に示した既知の高密度物品と既知の低密度物品の断面図。
【図３】この発明により作られた物品を通る断面図（図３ａ）、図３ａの物品の個別部品を示す図（図３ｂ）、図３ａの物品の成分のＣＡＤモデルを示す図（図３ｃ）、および図３ａの物品を通る断面図の模式図（図３ｄ）。
【図４】ステレオリソグラフィを用いて作られた接着性ボンデング成分によって作られた既知の物品を通る側断面図（図４ａ）、およびは図４ａの物品の平面図（図４ｂ）。
【図５】この発明により作られた物品を通る側断面図。
【図６】この発明により作られた別の物品を通る側断面図。
【図７】この発明による方法を記述した流れ図。

Claims (3)

1. 複数の成分を含んでいるステレオリソグラヒック物品を製造する方法であって、該物品は単一性を有し、かつ少くとも２つの成分は異なる密度を有しており、該方法は少くとも：
   該物品についての設計データを生成する段階と；
   該物品についての設計データを個別成分を形成している異なる密度の領域に分ける段階と；
   該物品を形成するために他の成分と隣接して置かれることになる各成分の表面に重なり量を加えることによって該設計データを修正する段階と；
   該個別成分についての設計データを薄い断面層にスライスするように適応したソフトウェアパッケージ内にロードする段階と；
   該物品の実質的に完全でかつ正確な表現を形成するために該ソフトウェアパッケージを用いて該個別成分を３次元空間内に位置決めする段階であって、前記３次元空間は該物品がそこから製造されることになるレジンの体積を表わすものと；
   該個別成分についての設計データをスライスし、ここで該成分は該物品の実質的に完全でかつ正確な表現を形成するために位置決めがされているものとし、薄い断面層とする段階と；
   該成分の各々の各断面層についての設計データを制御プログラムに供給し、ここで該制御プログラムはレーザビームと感光性ポリマーレジンを備えたステレオリソグラフィ装置を制御するように適応されているものとする段階と；
   該制御プログラムを動作して該成分から実質的に単一性の物品を作るようにする段階と、から成る。
2. 前記成分は、前記ソフトウェアパッケージを用いて位置決めされたときには、隣接する成分と少くとも０．０５ｍｍの重なりが可能となるような十分な量によって拡張されている請求項１記載の方法。
3. 前記隣接する成分間の重なりは０．１ｍｍである請求項２記載の方法。

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