JPH0236929A - 三次元の物体を作成する方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔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、三次元の物体か迅速、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。

〔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か非常に高いから、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たけコスト効果かあるのが普
通であり、製造された部品は射出成形部品よりも品質か
劣る。

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節２，７７５，７８
５号、第４０４１．４７６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、４１９８１
年４月）、旧ｄｅｏ　Ｋｏｄａｎｌａ、　ＡｕｔｏｌＩ
ｌａｔｉｅｍｅＬｈｏｄ　　ｆ’ｏｒ　　ｆａｂｒｉｃ
ａｔｉｎｇ　　ａ　　ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ
ａＰｌａｓｔｊｃ　　ｍｏｄｅｌ　　ｗｉｔｈ　　ｐｈ
ｏｔｏ刊１ａｒｄｅｎｉｎｇ　　ｐｏｌｙ＋ｎｅｒＲｅ
ｖｉｅｗ　　ｏｒ　５ｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　　Ｉｎｓｔ
ｒｕｍｅｎｔｓ、　　５２（ＩＩ）Ｎｏｖ、　１９８１
　、及びＡｌａｎ　Ｊ、　ｌ１ｅｒｂｅｒｔ、　５ｏｌ
ｉｄＯｂｊｅｃｔ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　、　Ｊｏｕ
ｒｎａｌ　ｏｒ　ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｏｔｏｇｒａｐｈ
ｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、　ＶＯＬ　８．Ｎｏ、
４．　Ａｕｇｕｓｔ１９８２に記載されている。これら
の装置はいずれも種々の大樹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ぎ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
が同時にてはなく、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。

（発明が解決しようとする問題点） 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。

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、このよう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
に依然としである。

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から、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、信頼性か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。

〔問題点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
欠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
欠く積層板は、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。

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π−１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、計算機の助け
を借りた設計（ＣＡＤ）及び計算機の助けを借りた製造
（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。

ここで、「立体造形」とは、硬化し得る科料、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、−層の厚さたけ液体の表
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。

この発明の方法により、は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、プロクラム命令を発生
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。

勿論、粒子の照射（電子ビーム等）、マスクを介して材
料を吹イ・」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。

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。各層か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、それらか形成され
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
しい液体か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。

この発明の立体造形方法ν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５−１者は直接的に８１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かできる。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
。

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
きてあり、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、設計の疫更及び注文の部品
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かできる。

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ＣＡＤ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。

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。

〔実施例〕

次に図面について本発明の詳細な説明する。

第１図及び第２図は、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。

紫外線（Ｕ　Ｖ）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様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。

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。

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人力として与えられると、印刷配
線板の設計を描＜　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ＣＡＭも重要であって、急速に成長している技
術である。

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
び原型を形とるため、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。

第１図には、この発明の立体造形方法が広義に説明され
ている。第１図の工程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か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・ジェットが、
あるいは流体の表面に隣接するマスクを介しての吹（＝
Ｉ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
とかできる流体媒質、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。

上述した方法が第２図にさらに詳しく述べられている。

第２図では、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、出来るた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か作られて、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、１＋ｎ
＋＋＋以ド）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。

第２図の］１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つの積層数を構成する時、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
ることかできる。

第３図から第８図は、第１図と第２図のフローチャー１
・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。

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、
液体の表向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、−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。

この発明の方法により、は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ｚ１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。

現在、好ましいと考えられる実施例の立体造形装置が第
３図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２３を定める
。紫外線２６等のプログラム可能な源が面２３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の位置か計算機または
その他のプログラミング装置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。

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
する位の強度をもっ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光スポツト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
の全体か形成されるまで、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。

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ｉＴ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かつ非刺激性にすべきで
ある。

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
のプラスチック飼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、
飼料のコストも重要である。

実用的な立体造形装置（例えば第３図）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（ＬｏｃｔｉｔｅＬｉｄ、）によ
って製造される変性アクリレートであるポツティング等
コンパウンド（ＰｏｌｌｉｎｇＣｏｍｐｏｕｎｄ）　３
６３である。この典型的なＵＶ硬硬化性材料作る方法が
、米国特許部４，１００，１４１号に記載されている。

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；２２′　−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はオン及び
オフに転するとともに、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、それか液体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。

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ワツトの短アーク水
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す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１＋＋ｕｎ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／ｃｍ２の長波ＵＶ強度を
もっている。

第３図の装置では、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かできる。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。

ヒユーレット・パラカード社によって製造されるＨ−Ｐ
９８７２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、πＩ算機の指令を使って、Ｈ−Ｐ３４９７型データ
収集／制御装置によって制御する。

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レーザが類アーク灯よ
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
。

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、それを上下に動かず。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（液体媒質内にオバディップする）して、固体が
形成された所て面２３に残された一時的な空所に液体２
２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か可能となる。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。

第３図の実施例の昇降台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−Ｐ３４９
７型データ収集／制御装置によって駆動される。

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、オペレータか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。

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。オペレータか設計を終わった時、計算機２８に物体
を作るように命令し、旧算機が立体造形に対して適当な
命令を出す。

この発明の実際に用いられた例では、計算機２８はＨ−
Ｐ９８１６てあって、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イ；］シた参
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（３４９７Ａ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。

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り材料が接着する任意の材料が適し
ている。

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、−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、計算機制御装置
２８が、別のさらに複雑な計算機によって発生された命
令を単に実行するたけであってもよい。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。

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
確な厚さの層か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
するが、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＠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、計算機制御装
置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。

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／インチのＵＶ硬化灯の下
に置き、硬化工程を完了する。

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科料及び導電材料の両方をも
っていてよい。

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、第３図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。

第４図には、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１、）ＵＶ透過
性液体３２の上に浮いている。液体３２は硬化性液体２
２と非混和性であってかつそれをぬらさない。−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。第４図の装置では、第３図の装
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。

第４図のＵＶ光源２６が液体２２と非混和性の中間液体
層（＃Ｅ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
所で作られた適当な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４笠
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、形成領域かさらに鮮鋭に限定
され、第４図の装置を用いれば、第３図の装置よりも、
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。

第５図の装置は第３図の装置と同様であるが、可動のＵ
Ｖ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と適当な開口マスり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３
５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、こうして第３図及び第４図の実施
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。

第６図も前に第３図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）３８、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ＣＲＴ３８に
供給された画像が管の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、第６
図の装置は、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。

第７図及び第８図は、昇降台２９が付ｌＪ凸的な自由度
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、第７図及び第８図に示す装置
は第３図と同一であるが、第７図及び第８図の装置では
、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、第７図は普通の位置にあ
る調節自在の昇降台２９ａを示しており、第８図は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、第３図から第８図に略図で示
した装置についてこれまで説明したちの以外に、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かあ
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、影響を受は易い電子回路を雑
音源から有効に遮蔽する手段をももっている。

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、例えば光重合飼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。

〔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
容品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かでき
る。設計が相互作用をす名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。

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、設計と製造の間に同週間も何カ月もかか
ることが避けられる。最終的な１１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
ことかできる。

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か容易に得られる。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、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。

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。

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】

第１図及び第２図は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、第
３図はこめ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、第４図はこ
の発明を実施するための２番目の実施例の断面図、第５
図はこの発明の３番目の実施例の断面図、第６図はこの
発明のさらに別の実施例の断面図、第７図及び第８図は
多数の自由度をもつ昇降台を取り入れるように第３図の
立体造形装置を変更した場合の部分的な断面図である。 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。 第　１　図 第　２　図 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、硬化し得る流体媒質から三次元物体を自動的に作成
   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創成し、 前記データに応答して発生される硬化用照射に前記流体
   媒質を曝して第１断面層を形成し、この硬化用照射が立
   体造形を迅速化するために直径１ｍｍ以下のスポットサ
   イズと、少くとも１ワット／ｃｍ＾２の強度を有し、 １ｍｍ以下の薄さをもつ次の流体層で前記第１断面層を
   自動的に積層し、 前記次の流体層を硬化用照射に曝して第２断面層に形成
   し、前記流体媒体が１ｍｍ以下の薄さをもつ構成層の形
   成をするのに十分な硬化用照射の吸収性を有し、 前記次の流体層を形成させる硬化用照射に前記次の流体
   層を曝している間に前記第２断面層を前記第１断面層に
   接着させて、複数の順次接着された断面層から三次元物
   体を形成する方法。 ２、硬化し得る流体媒質から三次元物体を自動的に作成
   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する演算
   装置と、 前記流体媒質を収容する容器と、前記流体媒質が、１ｍ
   ｍ以下の薄さをもつ構成層を形成するのに十分な硬化用
   照射の吸収性を有し、前記流体媒質が指定された作業面
   を画成し、 前記流体媒質を前記データに応答して発生された硬化用
   照射に曝して、前記作業面上に第１断面層を形成する硬
   化用照射源と、この硬化用照射が立体造形を迅速化する
   ために直径が１ｍｍ以下のスポットサイズと、少くとも
   １ワット／ｃｍ＾２の強度を有し、 前記第１断面層に接着される第２断面層の形成に備えて
   、１ｍｍ以下の薄さをもつ次の流体層で前記第１断面層
   を自動的に積層する装置を備え、これにより複数の順次
   接着された断面層から三次元物体を形成する装置。 ３、前記流体媒質が光重合体物質を含む特許請求の範囲
   第２項記載の三次元物体を形成する装置。 ４、形成された各前記断面層が一体構造を維持するのに
   十分強固である特許請求の範囲第２項記載の三次元物体
   を形成する装置。 ５、前記流体媒質が硬化用照射に迅速に反応するように
   した特許請求の範囲第２項記載の三次元物体を形成する
   装置。 ６、前記流体媒質が紫外線スペクトル内の硬化用照射を
   吸収するようにした特許請求の範囲第２項記載の三次元
   物体を形成する装置。 ７、形成された各前記断面層が硬化用照射中に直前の断
   面層に接着されるようにした特許請求の範囲第２項記載
   の三次元物体を形成する装置。 ８、少くとも１台のコンピュータにより設計され創成さ
   れた三次元物体を直接作成する装置において、 画像出力を発生する演算装置と、前記画像出力が前記三
   次元コンピュータ設計物体の少くとも１つの薄い断面を
   画成し、 流体媒質を収容する容器と、前記流体媒質が１ｍｍ以下
   の薄さをもつ構成層を形成するのに十分な硬化用照射の
   吸収性を有し、前記流体媒質が指定された作業面を画成
   し、 硬化用照射源と、 前記流体媒質を前記画像出力に応答して発生される硬化
   用照射に曝して、前記作業面上に第１断面層を形成する
   コンピュータ制御装置と、前記硬化用照射が立体造形を
   迅速化するために直径１ｍｍ以下の以下のスポットサイ
   ズと、少くとも１ワット／ｃｍ＾２の強度を有し、 前記第１断面層に接着される第２断面層の形成に備えて
   、１ｍｍ以下の薄さをもつ次の流体層で前記第１断面層
   を自動的に積層するコンピュータ制御装置と、 前記次の流体層を硬化用照射中に、直前の層に接着され
   る次の流体層を自動的に形成させて三次元物体の自動形
   成を可能にするコンピュータ制御装置とを備えた三次元
   物体を形成する装置。 ９、硬化し得る流体媒質から三次元物体を自動的に作成
   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画像出力を発
   生する演算装置と、 前記流体媒質を収容する容器と、前記流体媒質が１ｍｍ
   以下の薄さをもつ構成層を形成するのに十分な硬化用照
   射の吸収性を有し、前記流体媒質が指定された作業面を
   画成し、 前記作業面と前記容器の底部との間に位置する離型液剤
   と、 前記流体媒質を前記データに応答して発生される硬化用
   照射に前記容器の底部と前記離型液剤とを通して曝して
   、前記作業面上に第１断面層を形成する硬化用照射源と
   、前記硬化用照射が、立体造形を迅速化するために直径
   １ｍｍ以下のスポットサイズと、少くとも１ワット／ｃ
   ｍ＾２の強度を有し、前記第１断面層に接着される第２
   断面層の形成に備えて、１ｍｍ以下の薄さをもつ次の流
   体層で前記第１断面層を自動的に積層するコンピュータ
   制御装置を備え、これにより複数の順次接着された断面
   層から三次元物体を形成する装置。 １０、少くとも１台のコンピュータにより設計され創成
   された三次元物体を直接作成する装置において、 画像出力を発生させるコンピュータ装置と、前記画像出
   力が前記三次元コンピュータ設計物体の少くとも１つの
   薄い断面を画成し、 流体媒質を収容する容器と、前記流体媒質が１ｍｍ以下
   の薄さをもつ構成層を形成するのに十分な硬化用照射の
   吸収性を有し、前記流体媒質が指定された作業面を画成
   し、 前記画像出力に応答して発生された硬化用照射に前記流
   体媒質を前記容器の底部と前記離型液剤とを通して曝し
   て、前記作業面上に第１断面層を形成するコンピュータ
   制御装置と、前記硬化用照射は直径が１ｍｍ以下のスポ
   ットサイズと、少くとも１ワット／ｃｍの強度を有し、 前記第１断面層に接着される第２断面層の形成に備えて
   、１ｍｍ以下の薄さをもつ次の流体層で前記第１断面層
   を自動的に積層するコンピュータ制御装置と、 前記次の流体層を硬化用照射中に、直前の層に接着され
   る次の流体層を自動的に形成させて三次元物体の自動形
   成を可能にするコンピュータ制御装置とを備えた三次元
   物体を形成する装置。 １１、硬化し得る流体媒質から三次元物体を自動的に作
   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する演算
   装置と、 前記流体媒質を収容する容器と、前記流体媒質が、０．
   ８ｍｍ以下の薄さで、形成中に他のどの層によって部分
   的にでも支持されることのない十分な接着性を有する構
   成層を形成するのに十分な硬化用照射の吸収性を有し、
   前記流体媒質が指定された作業面を画成し、 前記作業面上に所定の流体媒質の液位を制御する液位制
   御装置と、 前記流体媒質を前記画像出力に応答して発生される硬化
   用照射に曝して、前記作業面上に第１断面層を形成する
   硬化用照射源と、前記硬化用照射が立体造形を迅速化す
   るために直径１ｍｍ以下のスポットサイズと、少くとも
   １ワット／ｃｍ＾２の強度を有し、 前記第１断面層に接着される第２断面層の形成に備えて
   、１ｍｍ以下の薄さをもつ次の流体層へと厚みを減少す
   る前記第１断面層を流体で自動的に積層する装置とを備
   え、複数の順次接着された断面層が三次元物体を形成す
   る装置。 １２、前記流体媒質が、光重合体物質を含む特許請求の
   範囲第１１項記載の三次元物体を形成する装置。 １３、形成された各前記断面層が一体構造を維持するの
   に十分強固である特許請求の範囲第１１項記載の三次元
   物体を形成する装置。 １４、前記流体媒質が硬化用照射に迅速に反応する特許
   請求の範囲第１１項記載の三次元物体を形成する装置。 １５、前記流体媒質が、紫外線スペクトル内の硬化用照
   射を吸収する特許請求の範囲第１１項記載の三次元物体
   を形成する装置。 １６、形成された各前記断面層が硬化用照射中に直前の
   層に接着する特許請求の範囲第１１項記載の三次元物体
   を形成する装置。