JPH0639928A - ステレオリソグラフ装置および使用方法 - Google Patents

ステレオリソグラフ装置および使用方法

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JPH0639928A
JPH0639928A JP5000111A JP11193A JPH0639928A JP H0639928 A JPH0639928 A JP H0639928A JP 5000111 A JP5000111 A JP 5000111A JP 11193 A JP11193 A JP 11193A JP H0639928 A JPH0639928 A JP H0639928A
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stereolithographic
exposure head
resin
radiation
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JP5000111A
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Larry D Mitcham
ディー．ミッチャム ラリー
William E Nelson
イー．ネルソン ウィリアム
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Texas Instruments Inc
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 解像度を低下させることなく、処理能力が増
大せしめられた、広範囲のステレオリソグラフ樹脂に適
合しうるステレオリソグラフ装置を提供する。 【構成】 ステレオリソグラフ装置１０は、バット１２
と、該バット内の作業面１６と、該バット内の液１４の
液面の高さを制御するための上下移動機構１８と、放射
を発射するための照明源３０と、領域アレイ変形可能ミ
ラーデバイス３２と、を含む。照明源３０は、ステレオ
リソグラフ液１４を硬化せしめる作用を有する放射を発
射し、一方、変形可能ミラーデバイス３２は、入射放射
を前記液１４の表面上へ反射する動作を行ないうる。変
形可能ミラーデバイス３２は、前記液１４の層全体を、
短い１露光間隔内において硬化せしめることができ、解
像度を低下させることなく処理能力を増大せしめうる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般的には電気光学デ
バイスに関し、特にステレオリソグラフ装置および使用
方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ステレオリソグラフィは硬化せしめられ
た液状重合体の薄層から３次元物体を製造する工程であ
る。液状重合体または樹脂は、適切な波長の強い光源に
より、選択的に硬化せしめられる。通常は、紫外（「Ｕ
Ｖ」）、アルゴンイオン、またはその他の形式のレーザ
が、液状重合体を硬化せしめるのに使用される。特定の
レーザは、通常コンピュータ援用設計（「ＣＡＤ」）デ
ータを解釈するｘ−ｙスキャナにより、重合体の薄膜へ
向けられる。ＣＡＤデータは、製造されるべき物体の形
状を、通常０．２５４ｍｍ（１／１００インチ）の厚さ
の薄膜の順次的層系列として製造されるように、数学的
に表わす。それにより物体は、その物体の第１層に相当
する樹脂膜の諸部分を硬化せしめ、その硬化せしめられ
た層を一様な薄い液体膜で被覆し、さらに前記物体の次
の層に相当するその第２膜の諸部分を硬化せしめること
によって製造される。この工程は、モデルのそれぞれの
薄膜が、硬化せしめられた重合体の層として再生される
まで繰返される。ステレオリソグラフィにより製造され
るモデルは、工学上の設計の試験および評価のために、
また細工の目的で、また小量生産への応用のために、用
いられうる。
【０００３】公知のステレオリソグラフ工程に用いられ
る装置および方法は、少なくとも２つの特徴により、制
限を受ける。第１に、ｘ−ｙスキャナの使用が、液状樹
脂膜に対するレーザビームの走査速度を、約１４０ｃｍ
／ｓ（約５５インチ／ｓ）に制限する。この速度は、工
程の垂直方向における高解像度と共に、製造時間を長く
し、製品の生産高を減少せしめる。第２に、照明源とし
ての特定のレーザの使用が、システムにおいて用いられ
うる液状樹脂の種類を制限する。それぞれの樹脂は、さ
まざまな波長の電磁放射に対し、個別的に反応する。通
常、それぞれの樹脂は、１種類のレーザによってのみ硬
化せしめられうる。このため、多くの経費をかけてハー
ドウェアを変更しなければ、樹脂の組成を変化させるこ
とはほとんど不可能であるか、あるいは全く不可能であ
る。これにより、硬化させるレーザがないために、ある
樹脂の使用は除外されることになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従って、製品の生産高
を増大せしめることができ、かつ広範囲のステレオリソ
グラフ樹脂に適合しうるステレオリソグラフ装置への要
求が生じた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明においては、従来
のステレオリソグラフ装置に付随していた欠点および問
題を実質的に解消または軽減するステレオリソグラフ装
置が提供される。
【０００６】開示されるステレオリソグラフ装置は、ス
テレオリソグラフ液を収容するためのバットと、該バッ
ト内の作業面と、該バット内の前記液の液面の高さを制
御するための上下移動機構と、放射を発射するための照
明源と、変形可能ミラーデバイスと、を含む。前記照明
源は、前記液を硬化せしめる作用を有する放射を発射
し、一方前記変形可能ミラーデバイスは、入射する放射
を前記液の表面上へ反射する作用を有する。
【０００７】開示される本発明の装置の第１の技術的利
点は、その速度である。変形可能ミラーデバイスから構
成される複数のミラーは、樹脂層全体が１露光間隔内に
おいて硬化せしめられうるようにする。この技術は、処
理能力を極めて大きくしうる。
【０００８】本装置の第２の技術的利点は、その融通性
である。ほとんど任意の照明源が変形可能ミラーデバイ
スを共用されうる。従って、照明源は、前述のように使
用される特定の樹脂に対し適合するように作ることがで
き、事実、経済形な白熱球でありうる。
【０００９】開示される本発明の装置の第３の技術的利
点は、その経費である。変形可能ミラーデバイスは、ｘ
−ｙレーザスキャナの経費に比し、遙かに低い経費で大
量生産されたものが現在入手できる。
【００１０】本発明の装置のもう１つの技術的利点は、
大きいモデルの製造への、その適合性である。多数の露
光ヘッドを組合わせて大きい液層を硬化せしめることも
でき、または、単一露光ヘッドを位置調節して同じ大き
い領域を数回の露光間隔により硬化せしめることもでき
る。一方、解像度は高く保たれる。
【００１１】本発明およびその諸利点をさらに完全に理
解するためには、添付図面と共に以下の説明を参照され
たい。
【００１２】
【実施例】本発明の実施例およびその利点は、図１から
図５までを参照することにより最もよく理解される。諸
図において、同じ部品および対応する部品に対しては、
同じ参照番号が用いられている。
【００１３】図１ａから図１ｅまでは、ステレオリソグ
ラフ工程を用いてモデルを製造するステップの１シーケ
ンスを示す。
【００１４】（ａ）ステレオリソグラフ装置（「ＳＬ
Ａ」）１０は、ステレオリソグラフ液１４を収容するた
めのバット１２と、作業面１６と、作業面１６に対する
前記液の液面の高さを制御するためのエレベータ１８
と、以下にさらに十分に説明されるようにして樹脂の選
択された諸部分を硬化せしめるための露光ヘッド２０
と、を含む。ステレオリソグラフ液は、本技術分野に習
熟した者にとっては公知であるように、樹脂または重合
体でありうる。ＳＬＡ１０はまた、それぞれのモデル形
成段階において一様な液の厚さを保証するための液散布
器２２をも含みうる。
【００１５】動作に際しては、液の薄膜が作業面１６に
対し、例えばバット１２内のエレベータ１８を上昇せし
めることにより付与される。エレベータ１８は、液１４
をして、パーフォレーション２４を経て上昇して作業面
１６上に薄膜を形成せしめる。次に、露光ヘッド２０
が、そこへ電磁放射を送ることにより、前記液膜の選択
された諸部分を硬化せしめる。露光ヘッド２０は、この
ようにしてモデル形成されるべき物体のデータを解釈す
る（図２に示されている）回路によって制御される。そ
のデータは、互いの頂部上に積み重ねられた時に完全な
物体を形成する順次的薄層または薄膜の系列として、物
体を表わす。通常は、コンピュータ援用設計（「ＣＡ
Ｄ」）データが、製造されるべきモデルの順次的層また
は膜に、最も容易に変換されうる。
【００１６】（ｂ）エレベータ１８が再び上昇し、液１
４をして、作業面１６上に載置されている以前に硬化せ
しめられた層２６（「被工作物」）を、第２の液膜によ
り被覆せしめる。この第２液層は、第１層の硬化部分お
よび非硬化部分の双方を被覆する。散布器２２もまた少
量の液を被工作物２６上へスプレーして、被工作物２６
の一様な膜による被覆を保証する。それぞれの膜は約
０．２５４ｍｍ（約１／１００インチ）の厚さを有す
る。
【００１７】（ｃ）露光ヘッド２０が、図１ｂにおいて
付与された第２液層を、図１ａに関連して説明したよう
にして硬化せしめる。
【００１８】（ｄ）次に、図１ａから図１ｃまでの諸ス
テップが、完全な部品２８が製造され終るまで繰返され
る。
【００１９】（ｅ）次に、完全な部品２８がＳＬＡ１０
から取出される。ある液を用いての、ある条件下におい
ては、部品２８を使用前に炉（図示されていない）内に
おいて硬化させる必要がある。
【００２０】図１ａから図１ｅまでに示されているもの
と同様なＳＬＡは、カリフォルニア州Ｖａｌｅｎｃｉａ
の３Ｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．から、またはロード
アイランド州ＰｏｒｔｓｍｏｕｔｈのＱｕａｄｒａｘ
Ｌａｓｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．から
購入されうる。３Ｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ社のＳＬＡは、３
２５ｎｍの波長を有するＨｅＣｄレーザを用いている。
３Ｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ社のものの工程は、上述の工程と
は異なる。それは、作業面に対して液を上昇させる代わ
りに、作業面を液面の下方へ逐次降下させる。そこで
は、物体が液面において形成されるのに伴い、その形成
された物体は、ゆっくり沈められる。Ｑｕａｄｒａｘ
Ｌａｓｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社のＳＬＡは、
図１ａ−図１ｃに関連して説明した工程において、アル
ゴンイオン可視光レーザを用いる。他のＳＬＡの設計者
は、ステレオリソグラフ液を硬化せしめるのに、紫外
（「ＵＶ」）レーザを用いている。
【００２１】図２は、図１ａから図１ｅまでに示されて
いる工程において用いられる、本発明の１実施例を含む
露光ヘッド２０の部分斜視、部分概略図である。露光ヘ
ッド２０は、照明源３０と、領域アレイ変形可能ミラー
デバイス（「ＤＭＤ」）３２と、２レンズ３４および３
６と、制御回路３８と、を含む。照明源３０は、特定の
ＳＬＡ液を硬化せしめる作用を有する放射を発射する。
レンズ３４は、これがない時よりも一様にＤＭＤ３２を
照明するためのものである。レンズ３６は、ＤＭＤ３２
から反射された光を（図１ａ−図１ｅに示されている）
作業面１６上へ集束させ、かつ拡大する。ＤＭＤ３２
は、テキサス州ＤａｌｌａｓのＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕ
ｍｅｎｔｓ，Ｉｎｃ．により製造された、規則的なｎ×
ｍミラーアレイを含む電気光学デバイスである。それぞ
れのミラーは、入射放射を、複数の光路の１つに沿って
反射するように電子的に制御されうる。実施例において
は、ＤＭＤ３２は２安定ミラーのマトリックスを含む。
すなわち、それぞれのミラーには、２つの光路が存在す
る。照明源３０、ＤＭＤ３２、レンズ３４および３６
は、これら２つの光路の一方が選択された場合に限っ
て、照明源３０からＤＭＤ３２上へ入射する光がＳＬＡ
の薄い樹脂膜上へ集束せしめられるように配置されてい
る。照明源３０から発射された放射の光路は、収束およ
び発散する破線によって図示されている。ＤＭＤ３２上
のそれぞれの２安定ミラーは、プロセッサ（図示されて
いない）からのデータを解釈する回路３８によって制御
される。回路３８は、他の場所に配置することもでき、
あるいは、単独のプロセッサに完全に集積せしめること
もできる。照明源３０は、ＳＬＡ工程に用いられる個々
のステレオリソグラフ液に適合するように作られ、通常
のタングステン−ハロゲン白熱電球、または任意数の可
視光または不可視光レーザでありうる。
【００２２】図３は、図２の露光ヘッド２０内に示され
ている。領域アレイ変形可能ミラーデバイス３２の斜視
図である。ＤＭＤ３２は、平坦な作動面（Ａｃｔｉｖｅ
Ｓｕｒｆａｃｅ）４２を有するボデー４０と、いくつ
かの電気ピン４４と、を含む。ＤＭＤ３２の作動面４２
は、個々にアドレス可能な２安定ミラーのｎ×ｍマトリ
ックスを含む。それぞれのミラーは、通常１２ないし２
０ミクロンの辺を有する正方形または菱形をなす。この
ように寸法が小さいので、約６．４５ｃｍ2 （約２平方
インチ）の面積を有する単一のＤＭＤは、例えば１９２
０×１０８０マトリックス内に、２００万を超える個々
にアドレス可能なミラーを有しうる。ミラーのこのよう
な小さい寸法は、（図２に示されている）露光ヘッド２
０が、従来のｘ−ｙスキャナ／レーザ露光ヘッドの組合
せによって達成された解像度と同じ解像度で、単一露光
間隔中に１０．２×２０．３ｃｍ2 （４×８平方イン
チ）の面積を硬化させることを可能にする。通常は、こ
れら従来の露光ヘッドは、±０．１２７ｍｍ（±０．０
０５インチ）の解像度を達成する。このような場合に、
図２のレンズ３６はさらに、ＤＭＤ３２の像を４×−６
×の倍率で拡大する。
【００２３】図４は、多数の露光ヘッド２０が、例えば
２０．３×４０．６ｃｍ2 （８×１６平方インチ）の面
積を処理しうるように、どのように組合わされるか、す
なわち「タイル張り配置」されるかを示す。この配置
は、使用者が、図３に関連して説明した解像度と同じ高
解像度を維持することを可能ならしめる。このようなタ
イル張り配置においては、それぞれの露光ヘッド２０
は、樹脂膜の１象限を硬化せしめる。最大のモデルの寸
法を増大させるために、任意数の露光ヘッド２０を組合
わせることができる。
【００２４】図５は、単一の露光ヘッド２０が、２次元
の自由な移動をなしうるように、どのように位置調節装
置４６上に取付けられうるかを示す。これにより、単一
露光ヘッド２０は、ＤＭＤ３２（図２および図３）の投
写像よりも寸法の大きい樹脂層を硬化せしめうるように
なる。これは、使用者が、図３に関連して説明した解像
度と同じ高解像度を維持することを可能ならしめる。本
技術分野において公知のように、リソグラフ工程に用い
られる位置調節装置は、ＳＬＡ工程と同程度の解像度を
有する。これらの位置調節装置は、集積回路のようなデ
バイスの製造において、光マスクをシリコンウェハと位
置合わせするのに用いられる。
【００２５】以上においては、本発明を実施例について
詳述したが、特許請求の範囲により定められる本発明の
精神および範囲から逸脱することなく、これに対してさ
まざまな変更、置換、および操作を加えうることを理解
すべきである。
【００２６】以上の説明に関して更に以下の項を開示す
る。 （１）ステレオリソグラフ液を収容するためのバット
と、該バット内の作業面と、該バット内の前記液の液面
の高さを前記作業面に対して制御するための上下移動機
構と、少なくとも１つの露光ヘッドであって、それぞれ
の該露光ヘッドが、前記液を硬化せしめる作用を有する
放射を発射するための照明源と、印加された信号に応答
して前記放射を選択的に反射し、前記液の表面上に像を
形成するための領域アレイ変形可能ミラーデバイスと、
を含む前記少なくとも１つの露光ヘッドと、を含む、ス
テレオリソグラフ装置。
【００２７】（２）前記領域アレイ変形可能ミラーデバ
イスの前記像を拡大するためのレンズをさらに含む、第
１項記載のステレオリソグラフ装置。
【００２８】（３）前記露光ヘッドを２次元内において
移動せしめるための位置調節装置をさらに含む、第１項
記載のステレオリソグラフ装置。
【００２９】（４）前記領域アレイ変形可能ミラーデバ
イスの前記像を拡大するためのレンズをさらに含む、第
３項記載のステレオリソグラフ装置。
【００３０】（５）前記上下移動機構が前記液を前記作
業面に対して上昇せしめるようになっている、第１項記
載のステレオリソグラフ装置。
【００３１】（６）前記上下移動機構が前記作業面を前
記液内へ降下せしめるようになっている、第１項記載の
ステレオリソグラフ装置。
【００３２】（７）前記液が光活性剤を含有する樹脂で
ある、第１項記載のステレオリソグラフ装置。
【００３３】（８）前記液が光活性剤を含有する重合体
である、第１項記載のステレオリソグラフ装置。
【００３４】（９）ステレオリソグラフ装置に用いるス
テレオリソグラフ露光ヘッドであって、該露光ヘッド
が、個々に入力信号に応答する複数のミラーであって、
該ミラーが入射放射を複数の光路に沿って反射する動作
を行なうことができ、該ミラーがｎ×ｍマトリックスを
形成する、前記複数のミラーと、該ミラーに入射する、
ステレオリソグラフ液を硬化せしめる作用を有する放射
を発射するための照明源と、入力データに応答して、そ
れぞれの前記ミラーにより入射放射が反射される前記複
数の光路の１つを選択することによって、像を形成する
動作を行なう制御回路と、を含む、ステレオリソグラフ
露光ヘッド。
【００３５】（１０）前記複数の光路が２つの光路から
構成される、第９項記載のステレオリソグラフ露光ヘッ
ド。
【００３６】（１１）前記複数のミラーの前記像を拡大
するためのレンズをさらに含む、第９項記載のステレオ
リソグラフ露光ヘッド。
【００３７】（１２）前記ヘッドを２次元内において移
動せしめるための位置調節装置をさらに含む、第９項記
載のステレオリソグラフ露光ヘッド。
【００３８】（１３）硬化せしめられた樹脂のモデルを
形成する方法であって、面にステレオリソグラフ液の薄
膜を付与するステップと、複数の変形可能ミラーを、前
記液状樹脂を硬化せしめる作用を有する放射により照明
するステップと、前記放射の一部が前記液膜へ送られ、
該送られた放射が前記樹脂の一部分を硬化せしめ、該樹
脂の該部分が前記モデルの層の少なくとも一部分を形成
するように、ある前記ミラーを偏向せしめるステップ
と、を含む、硬化せしめられた樹脂のモデルの形成方
法。
【００３９】（１４）層のシーケンスが前記モデルを形
成するまで、前記付与ステップと、前記照明ステップ
と、前記偏向ステップと、を順次繰返すステップをさら
に含む、第１３項記載の方法。
【００４０】（１５）前記複数の変形可能ミラーを、前
記薄膜に対して移動せしめるステップと、前記モデルの
前記層の未硬化部分を硬化せしめるステップと、をさら
に含む、第１３項記載の方法。
【００４１】（１６）層のシーケンスが前記モデルを形
成するまで、前記付与ステップと、前記照明ステップ
と、前記偏向ステップと、前記移動ステップと、前記硬
化ステップと、を順次繰返すステップをさらに含む、第
１５項記載の方法。
【００４２】（１７）バット１２と、該バット内の作業
面１６と、該バット内の液１４の液面の高さを制御する
ための上下移動機構１８と、放射を発射するための照明
源と、領域アレイ変形可能ミラーデバイスと、を含むス
テレオリソグラフ装置１０が開示されている。前記照明
源は、ステレオリソグラフ液１４を硬化せしめる作用を
有する放射を発射し、一方、前記変形可能ミラーデバイ
スは、入射放射を前記液１４の表面上へ反射する動作を
行ないうる。前記変形可能ミラーデバイスは、前記液の
層全体を短い１露光間隔内において硬化せしめることが
でき、解像度を低下させることなく処理能力を増大せし
めうる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ａからｅまでは、ステレオリソグラフ工程を用
いてモデルを製造するための諸ステップの１シーケンス
を示す。
【図２】図１ａから図１ｅまでに示されている工程にお
いて使用される本発明の１実施例を含む露光ヘッドの部
分斜視、部分概略図。
【図３】図２の露光ヘッド内において使用される領域ア
レイ変形可能ミラーデバイスの斜視図。
【図４】モデルの可能な大きさを増大させるために、ど
のように図２の露光ヘッドが同様な露光ヘッドと組合わ
されうるかを示す概略図。
【図５】より大きい寸法の膜を硬化させるために、どの
ように図２の露光ヘッドが関節機構によって操作される
かを示す斜視図。
【符号の説明】
１０ ステレオリソグラフ装置 １２ バット １４ ステレオリソグラフ液 １６ 作業面 １８ エレベータ ２０ 露光ヘッド ３０ 照明源 ３２ 領域アレイ変形可能ミラーデバイス ３６ レンズ ３８ 制御回路 ４６ 位置調節装置

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ステレオリソグラフ液を収容するための
    バットと、 該バット内の作業面と、 該バット内の前記液の液面の高さを前記作業面に対して
    制御するための上下移動機構と、 少なくとも１つの露光ヘッドであって、それぞれの該露
    光ヘッドが、前記液を硬化せしめる作用を有する放射を
    発射するための照明源と、印加された信号に応答して前
    記放射を選択的に反射し、前記液の表面上に像を形成す
    るための領域アレイ変形可能ミラーデバイスと、を含む
    前記少なくとも１つの露光ヘッドと、を含む、ステレオ
    リソグラフ装置。
  2. 【請求項２】 硬化せしめられた樹脂のモデルを形成す
    る方法であって、 面にステレオリソグラフ液の薄膜を付与するステップ
    と、 複数の変形可能ミラーを、前記液状樹脂を硬化せしめる
    作用を有する放射により照明するステップと、 前記放射の一部が前記液膜へ送られ、該送られた放射が
    前記樹脂の一部分を硬化せしめ、該樹脂の該部分が前記
    モデルの層の少なくとも一部分を形成するように、ある
    前記ミラーを偏向せしめるステップと、を含む、硬化せ
    しめられた樹脂のモデルの形成方法。
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