JPH04169221A - 高精度光固化造形装置 - 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】 −［産業上の利用分野と発明の背景コ 近年３次元の形状をコンピュータを用いて設計する３次
元ＣＡＤ、あるいは連続断層撮影器等の３次元計測器が
普及しており、これら機器を介して生成ないし計測され
た３次元の形状に関するデータに基づいて、該３次元の
形状を直接的に視認したいとする要望が増大している。

またこれら機器で生成された３次元の形状に関するデー
タに基づいて、その３次元形状を備えた造形物を簡便か
つ短時間で造形したいとする要望も増大している。

このような要望に応じるために、米国特許第２゜７９５
、７５８号あるいは特開昭５６−１４４４７８号公報に
記載の技術が着目されている。

これら公報記載の技術では、光照射を受けると固化する
性質を有する液に対し、造形希望形状に対応する領域に
光照射することで、該照射領域のみを固化させることに
よって造形希望形状を備えた同化像を実際に造形する。

前記公報記載の技術はいずれも ■液面に対し、造形希望形状の一断面に相当する領域に
光照射することで一断面に相当する断面固化像を造形し
、 ■この上に未固化液を一層分追加し、 ■この新たな液面に対し、前記−断面に隣接する断面に
相当する領域に光照射することで、先の断面同化像の上
に新たな断面同化像を積層させ、■これを全断面に対し
て繰り返すことで各断面固化像が積層された立体固化像
を造形する。

上記手法に代えて、特開昭６０−２４７５１５号公報で
は、光ファイバーの先端を液中に沈め、この光フアイバ
ー先端を液中でＸＹＺ方向に移動させることにより造形
希望形状に対応する領域に光照射する技術を提案してい
る。

本発明は、上記手法で造形希望形状を備えた固化像を造
形する光面化造形装置の改良に関するものである。

［従来の技術］ 液表面の断面形状に相当する領域のみ光照射する手法と
して、現在 ■光ビームを水平２方向に移動制御する方式（これには
角座標形式で制御するものが含まれる） ■光ビームを水平１方向に、液側をそれと直交方向に移
動制御する方式 ■液上面にマスクフィルムをかぶせ、−度に照射する方
式等が提案されている。この変形として光源を直線上に
配置し、これを掃引して液表面を一度に走査する方式、
あるいはスライドプロジェクタ方式で露光領域を制御す
る方式も提案されている。

ここで光ビームを利用して露光領域を走査する場合、本
明細書添付の第８図（Ａ）、（Ｂ）に示す現象に配慮さ
れなければならない。

第８図（Ａ）において、閉曲線８−１は造形希望形状の
一断面における輪郭線を示している。

ここで図中８−２に示す照射領域を有する光ビームを矢
印８−４に示すように、その中心８−３の位置を輪郭線
８−１に沿って移動制御すると、実際の光照射領域８−
５は輪郭線８−１よりもおおきくなってしまう。

第８図（Ｂ）はこれを立体的に示す図であり、８−５ａ
、　８−５ｂ、　８−５ｃは光ビーム８−２を輪郭線８
−１に沿って移動させたときに、各位置で生成される同
化領域を示している。実際に造形される固化像は８−５
ａ。

８−５ｂ、　８−５ｃ等を包絡した表面をもつことにな
り、造形希望形状８−１に一致しなくなる。

これを避けるために、現在実用化されている光面化造形
装置は第８図（Ａ）で８−６に示されるように、光ビー
ムの中心位置を内側にオフセット（通常は光ビームの径
ｄだけオフセットする）した状態で矢印８−７に示すよ
うに輪郭線８−１の内側に沿って照射する。

［発明が解決しようとする課題］ ところが上記のようにオフセットしても、なお不十分な
ことがある。第８図（Ｂ）において８−８は、上記のよ
うにしてオフセットされた光ビームによって固化される
領域を示している。これからも明らかなように８−８の
固化領域中ハツチに示す部分は造形希望形状の輪郭面８
−１からはみだしてしまう。そして実際に造形される形
状はこのはみだし部の包絡面で形成される図示８−９の
面となり、なお造形希望形状８−１に一致しないのであ
る。

そこで本発明では光ビームの中心位置を２次元的にオフ
セットするだけではなお足りない上記の問題を解決しよ
うとするのである。

なお第８図（Ｂ）の８−９に示すはみだし照射の問題は
光ビームを照射する場合に限った問題ではない。第９図
（Ｅ）において図中９−１は造形希望形状の垂直断面に
おける輪郭線を示している。ここで図中９−６ａ、　９
−６ｂ、　９−６ｃ、　９−６ｄはマスクフィルムを介
して照射された光によって固化する領域を示している。

これからも明らかなように、マスクフィルムを介して照
射する場合にも下方がすぼまっている造形希望形状を作
成する場合には゛、下記に詳述するオフセット量を用い
ないと、良好な造形物が作成されないのである。

［課題を解決するための手段］ 上記課題は、光面化造形装置において、第９図（Ｄ）、
（Ｆ）に示すように、光照射領域の外延を造形希望形状
の輪郭９−１（第９図では図中右側が造形希望形状の内
側を示している。）に対し、その外延９−１３ａ、　９
−１３ｂ、　９−１３ｃ、　９−１３ｄで照射したとき
に固化する領域の３次元境界面９−１１ａ、　９−１１
ｂ、　９−１１ｃ、　９−１１ｄが該造形希望形状の３
次元輪郭面９−１に接するだけ、該輪郭面９−１の内側
にオフセットする量Ｒｏを演算する手段が付加されるこ
とによって解決される。

［作　用］ さてこのようなオフセット量演算手段が付加されている
と、第９図（Ｄ）（Ｆ）に示すように、各断面を照射す
るにあたってその外延部での照射によって固化される部
分が輪郭面の外側に張り出すことがなく、これを積層し
たものは造形希望形状の輪郭面に相当程度一致し、第８
図（旧に示した張出固化８−８の問題が生じない。なお
このようにオフセットすることは、光ビームを断面毎に
照射する場合だけでなく、第９図（Ｆ）のように面的に
一度に照射する場合、あるいは光ビーム位置を液中で３
次元的に移動させなから固化像を造形する場合にも有効
なものである。

［発明の効果］ さて本発明では、光照射領域の外縁が、該外縁での光照
射によって固化される領域の３次元境界面が造形希望形
状の３次元輪郭面に一致するようにオフセットされるこ
とから、固化領域が輪郭面外に張り出すことがなく正確
な形状をもつ造形物を作成することを可能とする。この
ため光面化造形装置による造形精度が向上し、先回化造
形法の便利性を各種用途において享受可能とすることが
できる。

「実施例コ 次に本発明を具現化した一実施例について詳述する。

第１図は本発明を利用して改良した光面化造形装置のシ
ステム構成例を示している。また第２図は主要作動を示
している。

第１図において、図面右下に示される参照符号１−４６
は容器を示し、ここに光照射を受けると固化する性質を
有する液が貯蔵される。容器１−４６の上面は光に対し
て透明である。また液としては感光性樹脂が好適に用い
られ、変形ポリウレタンメタクリレート、オリゴエステ
ルアクリレート、ウレタンアクリレート、エポキシアク
リレート、感光性ポリイミド、アミノアルキドを１種も
しくは２種以上混合したものを用いることができる。

この液に増感剤ないし不透明物質等を混入して光吸収特
性等を調整したものを用いることができる。また顔料、
セラミックス粉、フィラー剤、金属粉等を混入すること
により造形物の色彩、強度歪み量、造成精度等を調整す
ることもできる。

容器１−４６内の液面１−４３の下方に基板１−４５が
上下方向（Ｚ方向）に移動可能に設置される。

また容器１−４６の上方に設置された光源（レーザーが
好ましい）　１−３８の光は光シヤツタ兼露光量調整機
能を有するフィルター１−３９を介して光ファイｔ＜−
１−４０に導入され、光ファイバー１−４０の先端ｌ−
４０ａは図示しないＸＹ駆動機構により、液面１−４３
の上方を水平面内で直交２方向（ＸＹ力方向に移動可能
となっている。

また本実施例では液面１−４３上を掃引可能な刷毛１−
４２が図示Ｙ方向に移動可能に設置されている。

以上の構成により、固化造形部分が構成され、この部分
は後述のシステムにより大略下記のように制御される。

まず最初に基板１−４５が液面１−４３に対し、造形物
の単位厚ΔＺだけ下方に移動された状態で、光ファイバ
ー１−４０の先端１−４０ａが造形希望形状の最下断面
に相当する領域内で走査される。これにより光照射され
た領域内の液が固化し、基板１−４５上に造形希望形状
の最下断面に相当する断面固化像１−４４ａが造形され
る。

ついで基板１−４５をさらにΔＺだけ下方に沈゛める。

すると先に固化された最下断面固化像１−４４ａは基板
１−４５とともに沈降し、最下断面固化像１−４４ａ上
に未固化の液か流れ込む。

ここで液の粘性が比較的高く、単に基板１−４５をΔＺ
だけ沈めただけでは固化像上に液が流れ込み難い。そこ
で刷毛１−４２が掃引されて断面固化像上に液が積極的
に導入される。

ついで光ファイバの先端１−４０ａ　７５＜　Ｘ　Ｙ方
向に走査され、最下断面固化像１−４４ａ上にそれに続
く断　・面固化像１−４４ｂが形成される。

以上の作動が繰り返されて、液中に造形希望形状を備え
た積層固化像が造形される。

これは特開昭５６−１４４４７８号公報に基本が開示さ
れており、詳しい説明は省略する。

第１図中、参照符号１−２８は本システムとオンライン
ないしオフラインで接続される外部システムを示し、こ
のような外部システムとして３次元ＣＡＤシステム、３
次元計測器あるいは連続断層撮影器等が用いられる。こ
の外部システムは３次元の形状に関するデータを有する
ものであれば足り、上記は例示にすぎない。

このような外部システム１−２８が３次元の形状に関す
るデータを３角パツチ形式で有していれば、本システム
ではこれを直接３角パッチ形式の造形希望形状データ記
憶手段１−７に入力記憶する。

外部システムが３角パツチ形式以外でデータを有してい
れば、このデータは本システムの３角パツチ形式への変
換手段１−３１によって３角パツチ形式に変換された後
、３角パツチ形式の造形希望形状データ記憶手段】−７
に記憶される。

ここでいう３角パツチ形式とは大略第３，４図に示され
ているものをいう。

第３図から明らかなように、３角パツチ形式では３次元
の形状を多数の３角パッチＰ１．ＰＪ、ＰＫ等の集合と
して定義する。第３図では図示の明瞭化のために一部の
３角パツチのみを示している。

各３角パツチは各頂点のＸＹＺ座標でその位置形状が定
義される。例えば、パッチＰ１ではＩ＋。

１２、１　ｓのそれぞれのＸＹＺ座標が与えられている
。

このため、３角パツチ形式の３次元形状データは図４に
示すデータ構造を有している。

さて第４図に示すデータ構造を有し、造形希望形状デー
タ記憶手段１−７に記憶されたデータは、データ編集手
段ｌ−８により、第２図のステップ２−８に示すように
編集可能となっている。この編集作業では造形希望形状
をデータ上拡大、縮少、回転させたり、あるいは形状を
修正することが可能である。この修正作業では造形過程
で形状を保持するための補強形状を追加することができ
る。またこの修正機能を用いて全く新しく３次元形状デ
ータを創成することも可能である。

このシステムの操作者が第１図に示す単位厚設定手段１
−１とヒーム径設定手段１−２を用いて、単位厚とビー
ム径を設定すると（第２図ステップ２−Ｉ）、編集され
た造形希望形状を単位厚でスライスした状態の斜視図が
２次元デイスプレィ１−３２上に表示され（第２図のシ
ュミレーション２−５０と、画面表示２−３２のステッ
プ）、操作者はこの条件で造形してよいか否かを確認し
、ＮＯならば条件を設定し直す（第２図でステップ２−
５１からのＮｏのループ）。条件が満足されれば、シス
テム内部で下記の処理が実行される。

まず第１図の１−９に示されるビ、−ム走査速度演算手
段が手段１−２で設定されたビーム径で手段１−１で設
定された単位厚を固化するための最適走査速度を演算す
る。

次に水平面抽出手段１−１０がステップ２−１０で起動
され、造形希望形状の中から水平面を抽出する。

ここでは手段１−１で設定された単位厚ΔＺを用い、第
５図（Ｂ）に示すように、３角パツチの３頂点の全てが
ΔＺの高さ範囲に収まっている３角パツチを検索し、そ
の外側輪郭線５−１を演算する。

第５図（Ｂ）は３角パツチ群を側方から見た仮想図を示
しており、Ｐ、は全部の頂点が単位厚ΔＺの幅のなかに
あり、ＰＣは少なくとも１つの頂点が単位厚ΔＺの幅の
外にあるパッチを示している。

そしてＰＩの最外部の線から水平面の輪郭線５−１が抽
出演算されるのである。

このように抽出された水平面は実際の光照射時に輪郭線
５−１の内部が一様に光照射されて水平面が造形される
のである。第５図（Ａ）は第３図に示した３角パツチデ
ータの例から２つの水平面５−１ａと５−１ｂが抽出さ
れた様子を仮想的に示している。

次に本システムでは、第１図の輪郭線演算手段１−１１
を用いてステップ２−１１に示される輪郭線の演算を実
行する。

第６図はこの処理を模式的に示すもので、水平でない３
角パツチのそれぞれに対しく第６図ではＳとＴのパッチ
を例示している）、単位厚ΔＺでスライスした平面Ｚと
の交点を求める。

各３角パツチは２つの交点を有し、３角パツチＳの交点
は（ＸＬ、ＹＬ）Ｓと（Ｘｌｌ　、　ＹＲ）　Ｓ。

３角パツチＴの交点は（Ｘｔ、、ＹＬ）Ｔと（Ｘ　Ｒ，
ＹＲ）Ｔで示される。ここで隣接する３角パツチの交点
は１つの共通交点座標を有する。すなわち図示の例では
（ＸＲ、ＹＲ）Ｓと（ＸＬ、ＹＬ）Ｔはそれぞれ等しい
。

さてこのようにして演算された交点座標に基づいて、第
７図に示すように、ある断面における輪郭線７−１．７
−２．７−３等が抽出演算される。

なお３角パッチ形式で示されるデータにおいて、第３図
に示すように３角パツチが連続していないギャップＧが
存在していることがあり、この場合抽出された輪郭線７
−１．．７−２が閉曲線とならない。

この場合には、最近接交点を検索してそれを結ぶことで
閉曲線を得る。なおこのようにして演算された輪郭線は
、第７図７−１に示すように輪郭線の内側が造形希望形
状に対応するものと、７−２に示すように外側が造形希
望形状に対応するものとがある。これに対しては、７−
４に一例を示すサーチ線に沿って検索し、最初に交差す
る輪郭線７−１に対しては内側を示すフラッグを、次に
交差する輪郭線７〜２に対しては外側を示すフラグを付
与して、輪郭線の区分をしておく。

再度第１図に戻り説明を続ける。さてこのシステムは１
−１２に示すビーム対応固化領域データ演算記憶手段を
有している。この手段１−１２では、手段１−２で設定
されたビーム径を有するビームを手段１−９で演算され
た速度で走査したときに固化される領域の断面形状、す
なわち第８図（Ｃ）の８−２に示される光ビームを矢印
８−１０に示すように走査したときに固化される領域Ｆ
１の断面形状Ｆ２を演算し、これを記憶する。そして第
１図の１−１３に示される３次元オフセット量演算手段
は第２図のステップ２−１３で、手段１−１０で抽出さ
れた水平線データ、手段１−１１で抽出された輪郭線デ
ータに対し、手段１−１２で演算記憶された固化領域デ
ータを用いて３次元オフセット量を演算する。次にこの
３次元オフセット量の演算の詳細を第８図、第９図を参
照して説明する。

第８図（Ａ）は液表面を示しており、８−２は光ビーム
による照射領域を示している。ここでビーム領域８−２
の中心８−３を輪郭線８−１（これが手段１−１１に演
算記憶されている）に沿って矢印８−４のように走査す
ると、固化される領域の外延８−５は輪郭線８−１より
はみだしてしまう。

これが立体的に第８図（Ｂ）に示されており、光ビーム
の中心を輪郭線に沿った位置で照射すると、図示８−５
ａ、　８−５ｂ、　８−５ｃ等に例示される領域が固化
される。実際に固化されるものは８−５ａ、　８−５ｂ
、　８−５ｃ等の最外面を連続したものとなり、これは
輪郭面８−１と一致しない。

これを避けるために、現在実用化されている光面化造形
装置では光ビームの中心位置を輪郭線の内側にビームの
半径分オフセットした状態で走査する。

第８図（Ａ）の左下はこれを示しており、光ビームの中
心８−６が輪郭線８−１の内側へ光ビーム照射領域８−
２の半径ｄ分だけ内側にオフセットされていると、少な
くとも平面的にみるかぎり固化領域の外延は輪郭線８−
１に一致する。

しかしながらこれを立体的にみるとなお問題があること
がわかる。第８図（Ｂ）において、図示８−８は半径ｄ
だけ内側へオフセットされた光ビームによって固化され
る領域を示しており、造形希望形状が下に狭い形状を示
しているため、光ビームをオフセットしても、なお８−
８中ハツチに示す部分が余分に固化されることが理解さ
れる。従って実際に造形される形状は８−９に示すよう
に造形希望形状８−１よりも膨出したものとなる。

第９図はこれを解消するために、光ビームの照射領域を
３次元的にオフセットする処理方式を示している。

第９図（Ａ）は第６図に示した３角パツチと断面Ｚとの
交点の一つを原点にとった３次元座標系を示しており、
この例では第６図の（ＸＲ、ＹＲ）ＳないしくＸＬ　、
ＹＬ　）Ｔに示される点が座標原点に位置している。

また、図中Ｆ２　　（Ａ〜Ｄの添字が付されているが全
部同一形状Ｆ２をしている）は第８図（Ｃ）のＦ２に示
した断面をビーム中心線を中心に回転させて形成される
立体形状を示している。図中Ｎは交点（ＸＩ、ＹＲ）Ｓ
乃至（ＸＬ、ＹＬ）Ｔで示される点における法線ベクト
ルを示している。これは第６図に示される隣接するパッ
チに対する各単位法線ベクトルＮｓ、ＮＴのベクトル和
として算出されている。各単位法線ベクトルＮｓ、ＮＴ
は各パッチの頂点座標からその方向が演算され、また第
７図のサーチ線７−４に関連して説明した領域の内外判
別フラッグを参照してその向きが定義される。この例で
は単位法線ベクトルが造形希望形状の内から外へ向かう
向きに演算される。このようにして演算される単位法線
ベクトルＮはｎ、。

ｎ、、ｎ、の成分を有している。

図中ｎＲはｎＸとｎ、の成分をもつｘ、　　ｙ平面内の
ベクトルを示し、その方向にＲ軸かとられている。また
第９図（Ｂ）は第９図（Ａ）のＲＺ面を示している。

さて第９図（Ａ）（Ｂ）中、Ｆ２Ａはビーム中心を交点
（この場合原点）に一致させたときの同化領域を示して
おり、輪郭面８−１外に固化領域がはみだす。

またＦ２Ｂはビーム中心を半径ｄ分だけ内側にオフセッ
トした場合を示し、この場合にも第９図（Ｂ）のハツチ
に示す部分で余分に固化することが理解される。これに
対し、Ｆ２Ｃは光ビームの照射によって固化される３次
元境界９−２０が交点（原点）を通って、しかもこの法
線ベクトルが交点における法線ベクトルに一致するよう
にオフセットしたもの、すなわち固化領域の３次元境界
面９−２０が造形希望形状の３次元輪郭面８−１に接す
るだけ輪郭面８−１の内側にオフセットしたものを示し
ている。

ここそＦ２が短径ｄ、長径りの回転楕円体であると、固
化領域の３次元境界面が上記関係を満たすためには、ビ
ーム中心Ｃ１を、 Ｒ方向に Ｒ＋＝ｄ２ｎＲ／　　ｈ　　ｎｚ　　十ａ　　ｎＲＺ方
向に Ｚ＋　”ｈ２ｎｚ　／ｙ　ｈ　　ｎｚ　　＋ｄ　　ｎＲ
（ここでｎ　Ｒ＝　　ｎ　ｘ　　＋ｎ　ｙたけオフセッ
トすればよい。

また第９図（Ａ）（Ｂ）においてＦ２Ｄは、Ｆ２ＣをＲ
Ｚ平面内で法線ベクトルにＲ垂直にビーム中心ＣＯのＺ
座標かセロとなるようにオフセットした状態を示してい
る。

このようにしても第９図（Ｂ）によく示されるように、
輪郭面８−１の外部に張り出して固化することが良好に
防止される。

このようにするためには、 Ｘ方向に （ｎｘ　２’ｔｎｙ　”　） Ｘ方向に （ｎｘ”＋ｎ、”） たけオフセットすればよい。このようにオフセットする
と、ビーム中心の高さを変えることなく３次元の固化領
域境界面を輪郭面にほぼ一致させることかできる。

第１図１−１３に示される３次元オフセット量演算手段
は上記いずれかの関係を用いてビーム中心位置のオフセ
ット量を演算する。

本実施例のように断面毎に照射領域を制御する場合には
、後者の関係を用いてオフセットさせることが適してい
る。液中に光ファイバーの先端を挿入し、その先端をＸ
、Ｙ、Ｚ方向に移動させて照射領域を制御する場合には
、前者の関係を用いてビーム中心−を３次的にオフセッ
トしてもよい。

第９図（Ｃ）は半径ｄだけオフセットしたときの積層断
面を示している。これに対し、第９図（Ｄ）は先に説明
したＸｏ、Ｙｏ分をオフセットした場合の積層断面を示
している。これから明らかに本発明のオフセット方式に
よると同化領域の外延９−１２は造形希望形状の輪郭線
９−１に相当よく一致する。なお上記問題は、光ビーム
を用いる場合のみならず、マスクフィルムないしプロジ
ェクタを用いて液面を一様に照射する場合にも存在する
。

第９図（Ｅ）ないしくＦ）はこれを示すものであり、第
９図（Ｅ）は照射領域の外延を輪郭線に一致させた場合
を示し、この場合図示ハツチに示す部分９−６ａ、　９
−６ｂ、　９−６ｃ、　９−６ｄ等で余分に固化し、固
化像の輪郭９−９は希望形状の輪郭９−１よりはみだす
。

これに対し、第９図（Ｆ）は外延での光照射によッテ固
化される領域の輪郭９−１１ａ、　９−１１ｂ、　９−
１１ｃ、　９−１１ｄ等が輪郭９−１に接するように内
側へＲ８だけオフセットした状態を示しており、これに
よると固化像の輪郭９−１２を希望形状の輪郭９−１に
よく一致させることができる。

さてこのようにしてオフセット量が手段ト１３で演算さ
れると、水平面抽出手段１−１０で抽出された水平線な
いし輪郭線演算手段１−１１で抽出された輪郭線データ
に対し、演算されたオフセット量を用いてオフセットし
、該水平線ないし輪郭線に相当する領域を固化するため
のビーム中心の走査位置に関するデータが演算され、こ
れが輪郭対応光照射領域データ演算記憶手段１−１４に
記憶される。

さて本実施例では、操作者が輪郭線（第７図の７−１．
７−２．７−３等）の内側領域７−５．７−６に対する
照射態様を選択して設定できる手段か付加されている（
第１図の手段１−３並びに第２図のステップ２−３参照
）。

この照射態様には３種用意されており、無照射態様を設
定すると、輪郭のみが固化された中空の造形物が作成さ
れる。これが第１０図のＦに示され、この態様が設定さ
れると、第１Ｏ図Ａの輪郭線１０−２に対応して外表面
１Ｏ−２ａが固化され、輪郭線１０−３に対して内表面
１Ｏ−３ａが固化され、内部領域は未固化部１０−８と
なって中空物か造形される。

これは形状のみか重要であって強度等が求められていな
い場合に有効であり、照射領域が小さいことから造形時
間か短くて済む特徴を有する。

第１図の手段１−３では全域を照射する態様を設定する
こともでき（１−３ｂ）　、このようにすると第１０図
（Ｂ）に示すように内外表面間が全部固化された中実の
モデルを造形することができる。これは強度か要求され
るモデルを必要とする場合に適している。さらにまた操
作者は手段１−３を用いて内部領域を離隔的に照射する
態様を設定することもできる（　１−３ｃ）。この態様
中にはさらにノーマルクロスモード（第１０図（Ｃ）　
）　、オルタネートクロスモート（第１０図（Ｄ）　）
　、ストライプモード（第１０図（Ｅ））が用意されて
おり、ここから選択できる。

ストライプモードでは第１Ｏ図（Ｅ）から明らかに内部
領域が一定方向に離隔的に照射される。またノーマルク
ロスモードでは第１Ｏ図（Ｃ）のように内部領域が２方
向に離隔的に照射される。さらにオルタネートクロスモ
ードでは、第１Ｏ図（Ｄ）１と（Ｄ）２に示されるよう
に断面毎にストライプモードの走査方向が異にされこれ
が繰り返される。

この離隔的照射態様を設定した場合、操作者はパターン
（ノーマルクロス、オルタネートクロス、ストライプ）
の種別及びピッチと照射幅を設定することができる。こ
の照射幅は手段１−２のビーム径とは異なるものが選択
可能である。

この離隔的照射態様が選択されると中空モデル中にハニ
カム構造が形成されたモデルが造形される。

さて、内部領域に対する照射態様が設定されると、手段
１−１７のオフセット手段が起動される。このオフセッ
ト手段１−１７は第１０図（Ｇ）（旧に示されるオフセ
ット量を演算する。第１Ｏ図（Ｇ）において参照符号１
０−１４は輪郭対応の光ビームを示し、これは輪郭線の
内側にオフセットされた位置１０−１５を矢印１０−１
６のように走査される。一方１０−１０は内部領域照射
用の光ビームを示している。ここで光ビーム１０−１０
の先端１Ｏ−１１ａが光ビーム１０−１４の照射領域に
接するまで走査した状態で停止されると、第１０図（Ｈ
）（１）に断面が示されるように、輪郭対応固化領域１
Ｏ−１４ａと内部領域対応固化領域１Ｏ−１０ａが充分
に接続せず、ハニカム構造による補強効果が得られない
。

これに対し、ビーム１０−１０の中心を輪郭対応光ビー
ム１０−１４の走査中心線に一致するまで走査すると、
第１Ｏ図（旧（３）に断面が示されるように、内部領域
対応ビーム１０−１０により輪郭面の外側に固化領域１
０−１８が造形されてしまい、正確な形状が得られない
。

そこでオフセット手段１−１７では、光ビーム１０−１
０の先端１Ｏ−１２ａが光ビーム１０−１４の走査中心
線に一致するまで、すなわち光ビーム１０−１０の中心
がその半径分オフセットされた位置で内部領域対応照射
が終了するようにオフセット量を演算する。

内部領域における照射領域は手段１３で設定された情報
とオフセット手段１−１７で演算されたオフセット量に
基ついて演算され、内側領域対応光照射領域データ演算
記憶手段１−１８に記憶される（第２図ステップ２−１
８）。

なおこの実施例ではこの他、輪郭と内部領域のそれぞれ
に対応して照射する領域の重り具合をオペレータが設定
することも可能で、このようにすると第１０図（Ｈ）の
（１）と（３）間で各種型なり具合を実現できる。

さらにこのシステムでは操作者が手段１−４を用いてレ
グデータを設定できる。ここでレグとは、１−４５に示
す基板上に直接固化像を積層すると、これを基板から取
り外すときに固化像が破壊ないし歪む現象が生じること
から、第１１図（Ａ）に示すように基板上にますレグ１
１−９を造形し、ついて造形希望形状＋１−１を造形す
る際の脚をいう。

このレグは最下断面を検索し、最下断面形状１ｌ−３ａ
、　１ｌ−３ｂに相当する範囲１ｌ−４ａ、　１ｌ−４
ｂ等に生成される。

また次に説明するフレーム設定空間１１−２にも生成さ
れる。

レグデータはレグの高さ、ピッチ、線幅、種類（前述の
ストライプ、ノーマルクロス、オルタネードクロス）に
よって設定される（手段１−４ａ、　１−４ｂ）。また
アウトラインの有無も設定される（手段１−４ｃ）。

ここで高さとは造形希望形状の造形に先立って固化する
レグの高さをいう。種類、ピッチ、線幅はすでに説明し
たものと同一である。

アウトラインとはレグ生成域の境界部に境界に沿って形
成されるレグのアウトラインをいい、ここでアウトライ
ン有を設定すると第１１図（Ｄ）（Ｅ）に示すように、
レグ作成領域（この場合１ｌ−４ａの領域を例示してい
る）の境界にレグ１１−７．１１−８が作成される。

第１１図（Ｂ）（Ｃ）はアウトラインが無のモードを示
している。

また第１１図（Ｂ）（Ｄ）はストライプを指定したとき
のレグ１１−５、第１１図（Ｃ）（Ｅ）はノーマルクロ
スを指定したときのレグ１１−６を例示している。

レグデータが手段１−４で設定されると（ステップ２−
４　’）　、設定されたデータと最下断面情報ならびに
次に設定されるフレーム設定空間に関するデータか参照
されて、レグを作成するための照射領域データが演算さ
れ、レグ対応光照射領域データ演算記憶手段１−２０に
記憶される（ステップ２−２０）。

さらに操作者は手段１−５を用いて、フレーム作成空間
を設定できる。

ここで操作者は全域を設定するか（手段１−５ａ）、ま
たは特定域を設定することができる（手段１−５ｂ）。

全域を設定した場合には、最大輪郭線範囲演算手段１−
２１が起動され、第１２図（Ａ）に示す造形希望形状を
包み込む直方体形状１２−２が演算される。そしてこの
直方体形状１２−２の４周側壁部が固化されてフレーム
が形成されるように、フレーム対応光照射領域データ演
算記憶手段１−２２で照射領域データが演算され記憶さ
れる。

特定フレーム空間は第１２図（Ａ）の（ＸＩ、Ｙｌ）（
Ｘ２．Ｙ２）に示すように対角線の座標データで特定さ
れ、このモートが設定されると（ＸＩ　、’Ｙ＋　）（
Ｘ２　、Ｙ２　）を対角線とする長方形底面を有する直
方体１２−３の４周側部にフレームが同化形成されるよ
うに、光照射領域が演算される。

このフレームは枠状の補強部として機能するものであり
、次のサポート設定領域ともなる。

さてこの実施例では操作者が手段１−６を用いてサポー
トデータを設定することができる。

ここでサポートデータは手段１−５で設定されたフレー
ム空間に対し、その高さ範囲毎にピッチ、線幅、種類（
ストライプ、ノーマルクロス、オルタネートクロス）を
指定することによって設定される。

このようにサポートデータを設定すると、フレーム領域
内に設定されたデータに従ったサポートか形成されるよ
うに、光照射領域が演算される。

より具体的に説明すると、種類が指定されることにより
規制的領域群（パターン群）データ演算記憶手段１−２
３に予め定められているストライプ、ノーマルクロス、
オルタネートクロスを形成するためのデータパターンの
うちのいずれか一つを起動させ、これにピッチ、線幅の
データを用いて照射領域に対応するデータを演算し、こ
れをサポート対応光照射領域データ演算記憶手段１−２
６に記憶する。第１２図（Ｂ）は、フレーム空間１２−
３に対し、０〜Ｈ１の高さにはサポート無し、Ｈ１〜Ｈ
２にはストライプ、Ｈ２〜Ｈ３にはノーマルクロスを指
定した場合に作成されるフレーム１２−４ａ、　４ｂ、
　４ｃとサポートの複合体を示している。なお操作者は
フレーム空間に全域を設定した場合にはサポートデータ
を設定するとき、空間設定手段１−６ｂを用いて下部全
域、外部全域、内外全域のいずれか一つを設定すること
ができる。

ここで下部全域が設定されると、第１３図（Ａ）に示す
ように（第１３図は垂直断面を示している）、フレーム
空間１２−２中であってしかも造形希望形状の下方の空
間１２Ａにのみサポートか形成されるように照射領域を
演算する。このために輪郭最下面検索手段１−２４が用
いられ、造形希望形状の最下面１２−５か検索される。

一方性部全域か設定されると、第１３図（Ｂ）に示すよ
うに、フレーム空間１２−２中造形希望形状の外側空間
１２Ｂの全部に設定されたサポートか形成されるように
照射領域が演算される。

このような照射領域データを演算するために、造形希望
形状の輪郭上下面検索手段１−２５によって上面１２−
３、下面１２−４か検索される。

内外全域が設定された場合には、第１３図（Ｃ）に示す
ように造形希望形状の内外全域にサポートが形成される
ように照射領域データか演算される。

さらにまたこのシステムは手段１−１５に示すように、
輪郭対応固化領域の連続性判別手段１−１５を有してい
る。

ここでこの手段は第１４図（Ａ）に示すように、連続す
る断面における輪郭対応固化領域１４−１．１４−２の
連続性を判別する。緩やかな斜面の場合は第１４図（Ａ
）（Ｂ）に示すように固化領域１４−２．１４−２か不
連続となり、中空モデルを作成する場合には不連続な固
化像１４−１が宙に浮いてしまうことになる。

そこで不連続な場合には、中空形状を作成するモードを
設定していても、断面の大きい方の断面内を強制的に全
域照射する態様に切換える（手段１−１６）。これによ
り、緩やかな斜面をもつ造形物について中空モデルを作
成する場合にも表面が連続した造形物が作成される。

さて上述のように■輪郭面、■内部領域、■レグ、■フ
レーム、■サポートに対応する照射領域が各照射領域デ
ータ演算記憶手段１−１４．１−１８．１〜２０゜１−
２２．１−２６に演算記憶された後、実際の造形が開始
される。ここでは最初はレグに対応する照射領域データ
に基づいて光照射されてレグが作成される。所定高さに
までレグが作成されると、ついで最下断面におけるフレ
ーム、サポート、内側領域に対応する照射領域データに
基づいて光照射され、フレーム、サポート、内側領域が
造形される。そして最後に輪郭対応照射領域データに基
づいて輪郭が造形される。

ここで輪郭が最後に造形されるようにすると、未固化の
液が固化部で取り囲まれて局部的に液位が変化する現象
の発生が抑制され、造形中に発生する歪み量は最小限に
抑えられる。なお実際の照射領域の制御は、光照射強度
制御手段１−３３によりシャッタ兼フィルタ１−３９か
制御され、水平照射位置制御手段１−３４により光ファ
イバ１−４０の先端１−４０ａを水平２方向に移動する
図示しないＸＹ駆動機構か制御され、またそのときの走
査速度は走査速度制御手段１−３５で制御される。フィ
ルタ１−３９と走査速度は相互に連動して制御される。

なお基板１−４５は高さ位置制御手段１−３７によって
一断面に対する照射終了後単位厚ΔＺだけ沈降される。

さて本実施例では、基板１−４５の沈降後、刷毛掃引制
御手段１−３６によって刷毛１〜４２が刷毛の長手方向
（Ｘ）と直角方向（Ｙ）に掃引される。

ここで刷毛１−４２は第１５図に示すように、複数の繊
維が束ねられた単位刷毛１５Ａ１．１５Ａ２．１５Ａ３
等が長手方向に不連続的に分布したものが用いられる。

このような刷毛を用いると、中実モデルを作るときのよ
うに大断面固化層が存在する場合にも全断面にわたって
一様の厚みの液を良好にリコートできる。

ここで本発明者か種々の実験をしたところ、単位刷毛の
幅Ｌ２を２０、単位刷毛間距離Ｌ１をｌｆｆ１ｍとした
とき、最も良好な液塗布結果が得られた。

刷毛は断面固化像１５Ｅ上に主として造波１５Ｄによっ
て液を導入するものであり、単位刷毛の間隔が広すぎる
と良好な造波作用が得られない。また単位刷毛の間隔が
短すぎると造波１５Ｄで固化像１５Ｅ上に導入された液
はそのまま持ち去られ、液の塗布１５Ｃが良好になされ
ない。刷毛の毛長については短すぎると造波も充分でな
く、また繊維間に保持する液も充分にとれないことから
、良好な結果か得られない。−刃長すぎると造波して持
ち込んだ液１５Ｄがそのまま持ち去られ、やはり良好な
結果が得られない。

さらに刷毛の毛質、細さ及び刷毛の掃引速度も重要であ
り、硬すぎると固化像を破壊し、軟らかすぎたり掃引速
度が遅すぎると造波効果が得られない。このように刷毛
の毛質、太さ、長さ、あるいは掃引速度は液の性質、固
化像の性質等により最適のものか選択されるべきである
。なおいずれの場合にも、単位刷毛が長手方向に離隔的
に分布していることは重要であり、これによって始めて
良好な塗布効果が得られる。

また刷毛は第１５図に示すように２重、３重にして用い
ることが好ましく、このようにすると下部断面固化像１
５Ｅが広い平面を有しているときにも均一の厚みの液１
５Ｃをリコートすることができる。

さて以上に詳述した本実施例によると、輪郭対応光照射
領域データは輪郭線（断面線と水平面の輪郭線）に対し
て３次元オフセット量を勘案した上で決定される。そし
てこの３次元オフセット量は、照射によって固化される
領域の境界面が輪郭線に接するようにオフセットするた
めの量であることから、このオフセット量を勘案したう
えで決定されるデータに従って照射すると、同化像の輪
郭は造形希望形状の輪郭に正確に一致することになる。

このようにして本実施例によると、造形希望形状の精度
を飛躍的に向上させることができる。

またこの実施例によると造形物の用途により、中実、中
空、ハニカム構造を自在に設定することができる。この
ため造形物の用途自体を拡大することができる他（例え
ば中空モデルを作成できると、これを鋳造用の型に用い
ることができる）、造形時間等を用途に応じた最短のも
のとでき、このシステムの用途が大幅に拡大される。

またこの実施例では、サポートあるいはハニカム等の補
強構造と同時に造形希望形状が造形されることから、造
形物の形状精度が高く保持される。

そしてこれら補強精度の為のビーム径は造形希望形状自
体に対するビーム径とは独立に設定できることから、補
強構造については造形後容易に除去可能なものとするこ
とができる。

またサポートの種類、領域を指定できることから、本当
に必要な部分にのみ補強構造が形成されるようにするこ
とかでき、正確な形状を有する造形物の造形時間が短縮
化される。

さらにまた本実施例ではフレームを指定できることとし
たから、高さ方向にサポートの種類、ピッチ等を変更す
ることができ、これもまた造形時間を大幅に短縮化させ
る。

その他本実施例では単位波形か離隔的に配置された刷毛
を用いて液を固化像上に導入するため、均一の厚みの液
が短時間に塗布されることになり、造形精度の向上と造
形時間の短縮化がともに図られる。このように本実施例
の装置では種々の改良が複合された結果、従来の光面化
造形装置よりも一世代進んだものとなっている。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例のシステム構成図、第２図は実施例の主
要作動を示す図、第３図は３角パッチ形式を模式的に示
す図、第４図は３角パッチ形式のデータ構造を示す図、
第５図（Ａ）は抽出された水平面の一例を示す図、第５
図（Ｂ）は抽出過程を模式的に示す図、第６図は輪郭線
抽出過程を模式的に示す図、第７図は抽出された輪郭線
を例示する図、第８図（Ａ）はオフセットに関する従来
方式を示す図、第８図（Ｂ）はそれを立体的に示す図、
第８図（Ｃ）は光ビームと固化領域を示す図、第９図（
Ａ）はオフセットの計算方法を説明する図、第９図（Ｂ
）は第９図（Ａ）の−断面を示す図、第９図（Ｃ）と（
Ｄ）は光ビーム使用時の従来と本実施例の場合を対比し
て示す図、第９図（Ｅ）と（Ｆ）はマスクフィルム使用
時の従来と本実施例の場合を対比して示す図、第１０図
（Ａ）は造形希望形状の輪郭の一例を示す図、第１０図
（Ｂ）から（Ｆ）は第１０図（Ａ）に示す輪郭を有する
形状に対する内側領域の照射態様を示す図、第１０図（
Ｇ）と（旧は輪郭に対する内側領域照射領域のオフセッ
トを示す図、第１１図はレグの概念と各種例を示す図、
第１２図（Ａ）はフレーム概念を示す図、第１２図（Ｂ
）はフレームとサポートの関係を例示する図、第１３図
（Ａ）、　（Ｂ）、　（Ｃ）はサポートとサポート形成
空間の関係を示す図、第１４図（Ａ）、（Ｂ）は緩やか
な斜面をもつ中空形状モデルを作成するときの問題点を
示す図、第１５図（Ａ）、（Ｂ）は刷毛部の詳細を示す
図である。 第３図 第４図 第５図（Ａ） 第６図 第１４図 （Ａ） 第９図（Ａ） 、２ 第９図（Ｂ） 第９図（Ｆ） 第１５図（Ａ） 第１５図（Ｂ） ］ｂヒ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光照射を受けると固化する性質を有する液に対し、造形
   希望形状に対応する領域に光照射することで、該造形希
   望形状を備えた固化像を造形する装置において、 該光照射領域の外延を、該造形希望形状の輪郭に対し、
   該外延での光照射によって固化する領域の３次元境界面
   が該造形希望形状の３次元輪郭面に接するだけ、該輪郭
   面の内側にオフセットする量を演算する手段が付加され
   た高精度光固化造形装置。