JP3449779B2

JP3449779B2 - 三次元物体製造方法

Info

Publication number: JP3449779B2
Application number: JP07301794A
Authority: JP
Inventors: ロバートホックフブロンソン; アランロートンジョン
Original assignee: 帝人製機株式会社
Priority date: 1993-04-12
Filing date: 1994-04-12
Publication date: 2003-09-22
Anticipated expiration: 2018-09-22
Also published as: JPH06297585A; JP3585913B2; TW253866B; KR0127835B1; JP2003305776A; DE4412160A1; US5429908A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、三次元模型形成方法に
関し、特に光形成可能な層の露光を制御して、内部応力
によって生じる歪みを削減する製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】三次元（固体）模型を製造するために光
形成を用いるシステムが、多数提案されている。１９８
７年６月６日にサイテックス社(SCITEX CORPORATION LT
D.)により出願された欧州特許出願第２５０，１２１号
は、硬化可能な液体を用いた三次元模型形成装置を開示
しており、またこの分野の関連文献をよくまとめたもの
である。１９８６年３月１１日に付与されたＣ．Ｗ．Ｈ
ｕｌｌの米国特許第４，５７５，３３０号には、放射線
の衝突、特定の衝撃あるいは化学反応による適切な作用
を受け、物理的状態を変え得る液体媒体の選択された面
に、形成されるべき物体の断面パターンを形成すること
によって、三次元物体を形成するシステムが記載されて
おり、物体の連続隣接断面に相当する連続隣接薄層が互
いに粘着し、三次元物体が形成されるようになってい
る。１９８８年６月２１日に付与されたＥ．Ｖ．Ｆｕｄ
ｉｍの米国特許第４，７５２，４９８号には、未硬化の
感光性ポリマーに接触している放射線透過材を通して、
この未硬化の感光性ポリマーを硬化させる放射線を有効
量だけ照射して三次元物体を形成する方法が記載されて
いる。放射線透過材とは、次に形成される層が粘着する
ように、放射線照射された面を架橋可能状態にさせてお
くための材料である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】像形成のために変調し
た放射線を露光し順次層を硬化させ、物体の連続断面を
形成することにより三次元物体を形成する場合、所望の
物体を正確に表す三次元物体を形成するには、それぞれ
の層が物体の所望断面を正確に表すようにしなければな
らない。しかしながら、従来の三次元物体製造方法にあ
っては、照射過程において光形成可能な組成物が流動状
態から硬化状態へ変化する際に生じる内部応力が原因で
各層に歪みが生じ、結果的に歪んだ物体が形成されると
いう問題点があった。そのような内部応力は、照射によ
って層を硬化させる過程で、分子の収縮がおこった結果
生じた力であると思われる。この問題に対し、種々の解
決策が提案されている。

【０００４】その解決策のひとつとして、ＷＥＡＶＥパ
ターンにより層を露光するものが「RAPID PHOTOTYPING
& MANUFACTURING, Fundamentals Of Stereo Lithograph
y」（Paul F. Jacobs 著第１版出版元 The Society
of Manufacturing Engineers, One SME drive, P.O. B
ox 930, Dearborn, Michigan 48121-0930）の第８章Adv
anced Part Building １９５−２１９頁に記載されて
いる。１９９０年７月３１日に付与されたＭｕｒｐｈｙ
ｅｔａｌ．の米国特許第４，９４５，０３２号に
は、層を少なくとも二度露光して、歪みを減少させる方
法が提案されている。特願昭６３（１９８８）−１７２
６８５号（１９９０年１月２６日公開）にも、二度の露
光が用いられている。詳しくは、第１像形成露光によっ
て露光領域の樹脂を半硬化状態にして模型全体を形作っ
た後、第２露光によって半硬化樹脂を硬化させて固体模
型を形成する。これらの方法でも歪みを減少させること
はできるが、模型内部に残る未硬化材料を最小限に抑え
て模型を最も硬い状態に保ちつつ、歪みのない固体模型
を形成する方法が、依然として必要とされている。そこ
で、本発明は、模型内部に残る未硬化材料を最小限に抑
えて模型を最も硬い状態に保ちつつ、歪みのない固体模
型を形成する方法を提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的達成
のため、請求項１記載のように、光形成可能な組成物の
層を、三次元物体の所望断面部分を表す所定のパターン
に従って各層が露光されるように、順々に像形成露光す
ることによって形成された硬化部分に対応する物体の多
数の断面部分から、三次元物体を形成する方法におい
て、（１）スーパー変調された露光源を用いて、少なく
とも一層を所定パターンに像形成露光し、前記層に、半
硬化した光形成可能な組成物の領域によって分離され
て、不連続な、固定され、硬化された像形成領域を有す
る非連続像を形成し、（２）変調された露光源を用い
て、前記層を同じ所定パターンに像形成露光し、前記層
に連続した前記所定パターンの硬化像を形成し、これを
繰り返すことを特徴とするものである。

【０００６】請求項１記載の方法において、前記露光源
が、前記層を走査する変調されたレーザービームを出力
し、「オン」状態から「オフ」状態まで、所定の間隔で
前記層を照射する前記ビームの強度を選択的に変えるこ
とによって、前記露光源の変調とスーパー変調を達成す
ることを特徴とすることもできる。請求項１記載の方法
において、前記露光源が、前記層を照射し、一方向に沿
って走査する変調されたレーザービームを出力し、走査
方向に沿って所定の割合でビームの走査速度を変えるこ
とによって前記露光源のスーパー変調を達成することを
特徴とすることもできる。

【０００７】請求項１記載の方法において、前記（１）
と（２）の工程を予め選択した回数繰り返し、所定パタ
ーンに相当する複数の層を露光することを特徴とするこ
ともできる。請求項１記載の方法において、前記（１）
と（２）の工程を予め選択した回数繰り返し、所定パタ
ーンに相当する複数の層を連続して露光することを特徴
とすることもできる。

【０００８】請求項１記載の方法において、前記スー
パー変調された前記層のための第１露光が、前記層上に
縦方向にずれた硬化領域を形成することを特徴とするこ
ともできる。

【０００９】請求項１記載の方法において、前記光形成
可能な組成物が感光性ポリマーからなることを特徴とす
ることもできる。請求項６記載の方法において、前記感
光性ポリマーが液体であることを特徴とすることもでき
る。請求項１記載の方法において、前記（２）の工程
が、前記（１）の工程の実行から所定時間経過後に実行
されることを特徴とすることもできる。

【００１０】請求項７記載の方法において、前記所定時
間内に、第１露光による前記光形成可能な組成物の収縮
が完了することを特徴とすることもできる。

【００１１】

【作用】本発明では、上記（１）の工程でひとつの走査
ラインに沿った破線形状の硬化領域（惰円形または円形
であってもよい）が形成され、そのときその破線形状の
硬化領域が隣接する走査ラインに沿った破線形状の硬化
領域から横方向にずれているようになっている。露光源
は光形成可能な組成物への露光を制御できるように、パ
ルス信号でサブ変調された走査レーザービームからなる
ことが好ましい。二つの露光のためにビームの変調、ス
ーパー変調が用いられるが、両方とも、一層に対する照
射ビームの強度を所定の時間間隔で「オン」状態と「オ
フ」状態の間で選択的に変化させることにより実現され
る。固化模型を形成するには、ステップ（１）と（２）
を予め決められた回数繰り返し、所定のパターンの数に
相当する数の層を露光する。

【００１２】

【実施例】以下、本発明を図面に基づいて説明する。図
１〜図８は本発明に係るの一実施例を示す図である。本
発明によれば、歪みの少ない三次元模型が形成すること
が可能であるが、その形成方法およびその改良点を述べ
るに当たって、次のように定義された特定の用語を使用
する。

【００１３】光形成可能な組成物：元は未硬化で液体の
ように容易に変形可能な状態の材料で、適度な照射によ
る十分な露光をすることによって、硬化あるいは半硬化
状態になる材料。未硬化：照射により実質的に露光される前の光形成可能
な組成物の容易に変形することができる状態。

【００１４】半硬化：変形が可能な程度に光照射された
後の光形成可能な組成物の柔軟性、コンプライアンス
性、弾性がある状態。硬化：光形成可能な組成物を固化させるのに十分な強度
で、光照射された後の光形成可能な組成物（いくらかの
未硬化あるいは半硬化材料が、格子状の硬化した組成物
に閉じ込められていることもあるが、そのような材料は
コンプライアンスをおこさせる程の量ではない）。

【００１５】「オン」および「オフ」状態：オン状態と
は、放射ビームの強度およびその強度を変化させる速度
が、像形成面で測られる露光量（（光投射強度）×（投
射時間））において、光形成可能な組成物を固化させる
のに十分なしきい値以上の状態をいう。「オフ」状態と
は、放射ビームの強度およびその強度を変化させる速度
が、同じく像形成面で測られる露光量において、光形成
可能な組成物を固化させるのに十分なしきい値より小さ
い状態をいう。

【００１６】サブ変調：レーザービームの強度および／
またはその強度を変化させる速度を変化させて、パルス
幅と繰り返し数を変えられるパルス列を用いて「オン」
「オフ」状態を作ること。パルス幅と繰り返し数（頻
度）は、像表面上のビームの瞬間走査速度と関係がある
ため、パルス幅と繰り返し数を選択することにより、ビ
ームの全走査径路を通して、像形成面上において実質的
に均一な露光レベルを提供することができる。

【００１７】像形状変調：「オン」状態の間または「オ
フ」状態の間において、形成される像の情報を表すシグ
ナルに基づきビーム強度を変えることによって、像形成
面上を照射するレーザービームを変調すること。像形成
面上の領域が露光され、形成される像の情報を表してい
るシグナルに対応する像が再形成される。そのビーム
は、サブ変調されたレーザービームであってもよい。

【００１８】スーパー変調：予め選択されたコントロー
ルシグナルに基づき、光ビームによって像形成面上の露
光レベルを、「オン」状態の間、または「オフ」状態の
間でさらに変えること。断続的な一連の露光がなされ、
像形成面上の像形成領域の露光部分内に、不連続な互い
に分離した露光領域のパターンが形成される。これは、
像形成面上の光投射強度または像形成面上の一点あたり
の投射時間を変える、あるいはその両方を変えることに
よって達成され得る。

【００１９】以下の詳細な説明において用いられている
類似記号（例えば、１５と１５’）は、図面中の要素が
互いに類似していることを表している。図１は、本発明
を実施する装置である。この装置は、露光ビーム１２を
出力するレーザー１０のような光投射源から構成され
る。レーザー１０は、その主波長帯が可視、または赤外
線、または紫外線領域の放射線スペクトルである高出力
レーザーであることが好ましい。照射による露光によっ
て硬化する組成物の分光感度の関係で、そのような特別
な波長帯が選択される。「高出力」という用語は、相対
的な用語であるが、特別な光形成可能な組成物が硬化す
るのに必要十分な輻射エネルギー量を意味する（ただ
し、組成物の感光速度も考慮する必要がある）。実用的
な組成物の感光速度を考慮すると、「高出力」とは、２
０ｍＷ以上、好ましくは本実施例のように１００ｍＷ以
上と考えられている。ビーム１２の焦点を像形成面１３
上に合わせるのに焦点整合手段が用いられるが、図面を
簡略にするためにその手段の図示を省略する。

【００２０】前述のように、露光される硬化可能組成物
の分光感度に応じて、露光ビーム１２を出力するレーザ
ーに電子ビームやＸ線等のような他の照射源を加えても
よいし、レーザーの代わりに使用してもよい。ビーム１
２の断面形状は通常ほぼ円形であり、第３図に示すよう
にビーム強度はガウス分布曲線で表される。なお、図中
のＤは放射照度が１／ｅ²以上の放射照度の領域の径を
示す。

【００２１】ビーム１２は変調器１４、好ましくは音響
光学変調器を通る。音響光学変調器は、電子コントロー
ルシグナルに反応してビーム出力強度を変えることによ
り、上記で定義した「オン」状態および「オフ」状態を
作る。ビームは次にビーム偏向システムに導かれる。こ
のシステムは、二つのビーム直交偏向装置１６と１８か
らなるのが好ましい。装置１６と１８は、ライン１５お
よび１５’を通して制御モジュール２８内のビーム偏向
制御手段よって制御されている。ビーム偏向装置は、二
つのサーボ制御モータに搭載されてそれぞれのモータの
互いに直交する軸のまわりを回動する二つのミラーから
構成されてもよい。この場合、サーボモータを一連のス
テッピングパルスのような電子シグナルによって制御
し、ミラーを回転させる。このようにミラーを回転させ
ることで、ビームを像形成面１３上の任意の点に位置さ
せ、または任意の形状に走査させることが可能になる。
本発明を実施するのに有効なサーボモータを用いたビー
ム偏向装置の一つは、カルフォルニア州ミルピタス(MIL
PITAS)のグレイホークシステムズ社(GREYHAWK SYSTEMS
INC.)によって開発販売されている。サーボモータの代
わりに、ガルバノメーターにそれぞれミラーを搭載して
もよい。この場合も、二つのガルバノメーターそれぞれ
に加えられる電圧を適切に選択すれば、同様にビームを
像形成面１３上の任意の点に位置させ、または任意の形
状に走査させることができる。

【００２２】像形成面１３は、光硬化可能組成物２２と
移動可能なプラットフォーム２６を収容している槽２０
内にある。槽２０内でのプラットフォーム２６の位置
は、偏向および変調されたレーザービームに関係し、プ
ラットフォーム２６の位置を調節することにより、像形
成面１３においてプラットフォーム２６に支持された光
形成可能な組成物２２に、選択的にビーム１２を照射す
ることができる。プラットフォーム２６は、ライン２５
を通して制御モジュール２８から伝えられたコントロー
ルシグナルにより制御された昇降手段２４によって昇降
する。制御モジュール２８には、適切な昇降制御手段も
含まれている。

【００２３】制御モジュール２８は、レーザービームを
変調し、像形成面１３上を照射し、かつ像形成面１３に
光形成可能な組成物の層を形成するためにプラットフォ
ームを上方に移動するという機能を果たすことができる
ような適切なプログラムを実行するコンピュータから構
成されてもよい。コンピュータがこれらの機能を果たす
には適切なトランスデューサーを使用しなければならな
いが、そのことは公知のテクノロジーであって、本発明
にとって重要性はない。

【００２４】やはり図面を簡略にするために図示を省く
が、コーティング手段がプラットフォーム２６上（ある
いはプラットフォーム上にある物体の上方）に設けられ
おり、像形成面において光形成可能な組成物の層を均一
の厚さにし、その表面を滑らかにする。このようなコー
ティング手段もまた公知であり、本発明の主題ではな
い。

【００２５】１９９１年４月９日に付与された米国特許
第５，００６，３６４号および１９９２年３月１０日に
付与された米国特許第５，０９４，９３５号は、共にデ
ュポン社（E. I. DU PONT DE NEMOURS AND COMPANY）に
譲渡されたが、固体像形成方法および装置（図１にその
概略が描かれている装置と類似）を用いて、多層モデル
を製造するのに有効な光形成可能な組成物を開示してい
る。その光形成可能な組成物は、次の組成の液体である
ことが好ましい。（ａ）２機能性アクリル酸ポリウレタンオリゴマー
(difunctional acrylated polyurethane oligomer)、ま
たはその混合物が４５−５５％（ｂ）次の化学式であらわされるポリグリコールエス
テル(polygycol ester)、またはその混合物が２５−４
０％Ｈ₂Ｃ=ＣＨ（ＣＯ）−Ｏ（ＣＨ₂-ＣＨ₂-Ｏ）₄−（Ｃ
Ｏ）ＨＣ＝ＣＨ₂ （ｃ）２，２−ジメチル−２−フェニルアセトフェノ
ン（2,2-dimethoxy-2-phenyl acetophenone）のような
化学線照射に感応する反応開始剤が４−６％（ｄ）アクリルのような多機能反応性希釈剤（polyfunc
tional reactive diluent）、またはその混合物が１０
−２０％なお、この液体の光形成可能な組成物は２５℃
において３００−３０００ｃＰの粘度を有する。

【００２６】ビーム１２は変調器１４によって変調され
る。好ましい実施例では、ビーム１２を３つの異なる方
法で変調する。第一変調では、ビーム１２はパルス列の
繰り返し数を変えることにより変調される。ビームを偏
向するステッパーモータ搭載のミラーの角度位置と、パ
ルスとは互いに関係があり、そのパルスは光形成可能な
組成物に対する露光を一定にするように計算されてい
る。露光が一定であるかどうかは、像形成面の走査線に
沿った各点における照射強度および照射時間によってき
まる。一定な露光は、パルスの繰り返し数を制御するこ
とによって得られるので、走査線に沿った始点終点間の
距離に対し像形成面上の露光パルスの分布は、図２に示
されるように一定である。

【００２７】このような方法でビーム１２を制御するこ
とにより、全ての像形成ラインに渡って均一な露光が得
られる。ビーム偏向手段は質量があるものなので、補正
をしなければ加速および減速が瞬時におこらず、均一に
露光することができない。ビーム１２の走査速度が、各
走査の初期と、偏向ミラーの初期加速が完了し通常動作
に移った安定期とで異なるからである。ミラーが停止前
に減速する走査線の終わりにおいても、同様の問題がお
きる。

【００２８】好ましい実施例においては、ステッパーモ
ータ搭載ミラーと共にエンコーダが、サブ変調シグナル
のパルス繰り返し数を制御するのに用いられている。こ
のエンコーダの検出角度の精度は１秒であり、ビーム１
２をサブ変調するのに用いられるシグナルは、パルス間
隔があるためミラーが２秒回転する毎に発生する。ビー
ム１２は反射ビームなので、ミラーが２秒回転するとビ
ームは４秒回転する。ミラーから像形成面１３までのビ
ーム１２の走査範囲は、通常５１ｉｎである。従って、
光のパルスは、およそ０．００１ｉｎ（１ｍｉｌ）毎に
像形成領域内に発生する。この装置のビーム放射照度が
１／ｅ²以上の放射照度の領域の径Ｄは、１３７μｍ
（５．４ｍｉｌ）であるので、ガウス分布のサブ変調露
光部は実質的に重なり合う。図２に示されるように、硬
化層の深さと表面間隔は互いに関係しており、このよう
に露光部を重ねることで、露光された走査領域は実質的
に均一の厚さに硬化される。

【００２９】固化物体は、連続して像形成露光された層
を重ねることにより形成される。各層の像形成露光は、
像形状に対応して変調されたレーザービームを用いて、
像形成面上で光形成可能な組成物を露光することによっ
て得られる。図４は、変調電圧振幅(modulating voltag
e amplitude)「ｖ」が時間「ｔ」との関数であることを
表している。図４（ａ）に示すように、サブ変調された
ビームは、ビームの発射と停止を切換えることにより、
さらに変調され、二つのライン、すなわちスペースＢ−
Ｃ（ビーム「停止」状態）によって分離されたラインＡ
−ＢとラインＣ−Ｄ（ビーム「発射」状態）が作られ
る。この二重変調露光工程については、１９９１年５月
７日に付与され、デュポン社（E. I. DU PONT DE NEMEO
URS AND COMPANY）に譲渡された米国特許第５，０１
４，２０７号により詳細に開示されている。

【００３０】本発明によれば、層は二度、好ましくは全
ての層がそれぞれ二度露光される。第１露光は、サブ変
調、さらに形成される像の断面形状に対応した像形状変
調、そしてさらに予め選択されたパルスシグナルによる
スーパー変調という３段階に変調されたビームによる像
形成露光で、半硬化の組成物領域によって分離され、固
定され、硬化され、複数の破線状の像形成領域（惰円形
または円形であってもよい）を有する非連続の像パター
ンを形成する。本発明においては、硬化した像形成領域
間の像形成領域が、半硬化しているということばかりで
なく、下に連なる層に固定されていることも重要であ
り、固定させることによって次の露光の間にその硬化領
域が「浮遊」してしまうのを防ぐことができる。このよ
うな層において、硬化像形成領域が最初の露光の際に固
定されると、次の照射の間の内部応力による歪みが著し
く減少することが判明した。また、特に固定されること
ができないようなオーバーハング領域においては、片持
梁構造のため特に上からの露光に対して自由端側が上に
反り易く歪み量も大きくなるが、第１露光によって硬化
領域が半硬化した領域により分離されると、次の照射の
間の内部応力による歪みが著しく減少することも確認さ
れた。

【００３１】この第１の像形成露光が完了した層に対
し、第２像形成露光する。この露光の際には、サブ変
調、さらに像形状変調した放射ビームを使用するが、第
１露光において破線部分を形成したスーパー変調は用い
ない。第２露光は硬化した連続像を形成するよう計算さ
れている。このように、それぞれの層の像は、二つの工
程すなわち破線状の硬化領域を形成する第１工程と像形
状の硬化領域を形成する第２工程により形成される。

【００３２】これらの工程を、図４（ａ）（ｂ）および
図５（ａ）（ｂ）を参照してより詳細に説明する。層の
第１露光には、図４（ｂ）に示すようなシグナルにより
変調されたビームが使われる。このシグナルは、ビーム
が３段階に変調された結果を表している。まず一つは、
短い一連のパルスＰからなるサブ変調シグナルである。
これらのパルスに形成される像の情報を表すシグナル、
すなわち固化ラインＡ−Ｂの後に非照射ラインＢ−Ｃが
続き、さらに固化ラインＣ−Ｄが続くということを表す
シグナルを重ねる。サブ変調パルスは、固化ラインにお
いてしか現れない。

【００３３】さらに、一連のスーパー変調パルスｅ−
ｆ、ｇ−ｈ、ｉ−ｊ等が重ねられた結果、照射ビーム
は、図４（ｂ）に示すように、サブ変調パルスＰの集合
体Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５そしてＳ６を構成す
る。このようなパルスの集合体により硬化可能な組成物
を露光すると、像形成面で露光された層内に、一群の非
連結の硬化領域、すなわち小島３２が形成される。これ
らは、図５（ａ）ならびに図６の示すように、半硬化し
た組成物によって分離されており、露光ラインに沿った
破線形状をしている。図６において、硬化した小島３２
は斜線領域で示される。しかし、小島のどの部分におい
ても硬化度合が均一であるということを示しているわけ
ではない。照射ビームの強度はガウス曲線で表されるの
で、図示はしていないが、小島の端の近くでは露光レベ
ルが落ちている。パルス集合体の発生頻度は、破線の間
の半硬化領域３４に硬化した材料が含まれないように、
半硬化した組成物のみから構成されるように、計算され
たものでなければならない。

【００３４】好ましい露光レベルは、図５（ａ）の深さ
ｄに示されるように、下層にまで露光が及び、小島を下
層に固定することができるように算定されたものであ
る。ｄの大きさ自体は重要ではなく、層の厚さ以上に露
光され、層の厚さより深い位置まで材料が硬化すればよ
いのである。上述の米国特許第５，０１４，２０７号に
は、ビーム照射に関係する光硬化深さの算定方法が開示
されている。

【００３５】この第１露光に続いて、同じ像の情報に基
づき同じ層を第２露光する。ビーム強度を図４（ａ）の
ように変調すると、全固化ラインＡ−Ｂ，Ｃ−Ｄ等に相
当するサブ変調されたパルス集合体となる。第２露光の
結果、図５（ｂ）ならび図７に示すように、第１露光で
形成された小島すなわち破線形状部分の間の部分を含
め、全ての露光領域が完全に硬化する。図７は、第２露
光の結果、走査線３６に沿って全ての材料が硬化したこ
とを示す平面図である。図からわかるように硬化部分に
は、小島３２もその小島の間の半硬化領域３４も含まれ
ている。

【００３６】図８は、この工程を僅かに変化させたもの
で、走査線３０に隣接する小島３２の位置がずれてお
り、小島３２と３２’が隣合っていない。ポリマーの中
には、露光の後１分以上も収縮が続くものがある。この
ように露光後も収縮が認められる場合には、ポリマーの
露光後収縮が起こる時間を考慮し、スーパー変調の後十
分な時間を取って、第２露光をするとよい。

【００３７】二つの露光が完了した後、未露光の材料の
新しい層を露光した層の上に重ね、この新しい層に対し
ても前記工程を実施する。そして、それぞれの層が物体
の断面を表している連続した層によって３次元物体が完
成するまで、この工程が繰り返される。物体を槽内から
取り出す、すなわち物体から未露光の材料を剥奪する場
合、その物体を強力に露光しさらに硬化させてもよい。

【００３８】全露光時間を節約するため、第１露光のた
めの走査線の間隔を第２露光のものと変えてもよく、具
体的には、第１走査の走査線間隔が０．００５ｉｎで、
第２走査の走査線間隔が０．００２ｉｎであっても、均
一な像形成領域の硬化が可能である。上述したような液
体光形成可能な組成物の使用例では、第１のスーパー変
調露光の間、各層の厚さを０．００５ｉｎに、サブ変調
パルス「Ｐ」の間隔を１．５６秒に設定する。３５１．
１ｎｍと３６３．８ｎｍのプライマリライン(primaryli
ne)を有するＵＶスペクトルの照射ビームを発生させる
コヒーレントアルゴンイオンモデル(COHERENT ARGON IO
N MODEL)３２６レーザーが、像形成ビームを発生させる
露光源として使用される。このビームは、断面が通常円
形で、像形成面においてガウス出力分布の円形スポット
を有する。像形成面におけるビーム出力は、２２５ｍＷ
で、１／ｅ²スポット径(spot radius)は、０．００６８
５ｃｍである。破線形状露光部分（ｅ−ｆ、ｇ−ｈ、ｉ
−ｋ等）の長さは、それぞれ０．００４ｉｎで、破線露
光部分間の距離（ｆ−ｇ、ｈ−ｉ、ｈ−ｋ等）は、それ
ぞれ０．００２ｉｎである。破線形状走査線間隔（隣接
する走査範囲の中心から中心までの距離）は、０．００
５ｉｎである。

【００３９】サブ変調露光される場合には、０．００２
ｉｎの走査間隔が用いられるが、その０．００２ｉｎの
走査間隔のために必要な材料は、およそ次の多項式であ
らわされる露光曲線の重合深さを有する。深さ（ｃｍ）＝Ａ＋Ｂ・Ｅ＋Ｃ・Ｅ² ここにおいて、Ａ＝−０．００３１４Ｂ＝０．００４２４３Ｃ＝０．００１３２５Ｅ＝露光レベル［ｍＪ／ｃｍ²］半径０．００５ｉｎの像形成領域内の各点に対する露光
量を合計すると、最大露光（破線部分の中心において）
は、およそ１３．６８ｍＪ／ｃｍ²、最大厚さ（破線部
分の中心において）は、０．００６７ｉｎ、従って、そ
れぞれの破線形状部分の固定部分あるいは接触部分は、
０．００１７ｉｎであると計算される。破線部分の間隔
は、破線部分の間を硬化した材料で埋めることなく、半
硬化した組成物のみが存在するように選択する。

【００４０】この第１露光の後、第２露光する。第２露
光では、像形成面のビームスポットが２ｍｉｌの走査線
間隔で走査される。ザブ変調パルスの間隔は０．８８秒
である。レーザー出力およびレーザースポットの大きさ
は、第１露光の時と変わらない。半径５ｍｉｌ以内の領
域を露光する場合、破線部分を形成する第１走査と非破
線部分を形成する第２走査における領域内の各点に対す
る露光量を合計すると、最大、最小、平均露光レベル
は、それぞれ２９．０４ｍＪ／ｃｍ²、１８．６２ｍＪ
／ｃｍ²、２２．７１ｍＪ／ｃｍ²と計算される。これら
の露光の結果形成された硬化部分の最大、最小、平均厚
さは、それぞれ０．０１０ｉｎ、０．００８ｉｎ、０．
００９ｉｎと計算される。層の設定上の厚さは、０．０
０５ｉｎであるので、材料は厚さにおいてくまなく硬化
されたことになる。

【００４１】上記の実施例とその解説からわかるよう
に、本願は、露光装置を用いて単一の物体を一度に製造
する状況設定で述べられている。産業界においては、通
常、槽の中の一つのプラットフォーム上で二つ以上の物
体が、それぞれに対する異なる像の情報に基づき、時に
は異なる走査間隔を用いて製造される。また、物体毎に
層の厚さを変えながら、同時に多数の物体を製造するこ
ともある。このような場合においても、本発明の実施は
可能である。本発明を実施するに当たり、それぞれの物
体を他の物体から独立しているものとして捉え、それぞ
れをこの開示内容に従って２度露光するのである。

【００４２】本発明に使われる図解したソフトウエアの
実施例は、本願の基礎出願のある米国特許出願第０８／
０４６，０７０号の付録Ａに記載する。そのソフトウエ
アは、コンピュータ２８またはそれに類似のシグナルプ
ロセッサー用にＵＮＩＸシェルスクリプトで書かれてお
り、これにより実施例の最後部に記載されたスーパー変
調シグナルを含む第１、第２露光が実施される。

【００４３】上記実施例では、スーパー変調は照射強度
（振幅）変調によるものであるが、照射強度を一定に
し、像形成面での走査速度を変えることによって実現し
てもよい。例えば、走査ミラー操作システムに正弦波型
シグナル(sinusoidal type signal)を加えれば、ビーム
を走査線に沿って動くように振動させることができる。
この振動の結果、走査線上のある部分を、他の部分より
長く露光することができる。振動の頻度を適当に調節す
れば、長い露光が光形成可能な組成物の露光のしきい値
より上に、短い露光が光形成可能な組成物の露光のしき
い値よりも下になるように、設定することができる。

【００４４】上述のシステムは、本発明の方法をデジタ
ル的に処理したものである。しかしながら、アナログ環
境で第１および第２露光がなされてもよい。本願の発明
は、ここに記載された実施例に限られるものではなく、
本発明の開示の恩恵をうける当業者による様々な変更が
可能である。例えば、本発明からサブ変調露光の部分を
削除し、像形状変調とスーパー変調シグナルのみで変調
された一定の強度のビームを用いてもよい。あるいは、
固化物体を構成する層の一層ごとではなく複数層単位
で、ここに開示した第１および第２像形成露光してもよ
い。これらおよび類似の変更は、特許請求の範囲に記載
された本発明の範囲内に含まれていると解釈される。

【００４５】

【発明の効果】本発明によれば、層は二度露光されてお
り、第１露光により半硬化の組成物領域によって分離さ
れ、固定され、硬化され、複数の破線状の像形成領域を
有する非連続の像パターンを形成し、第２露光により半
硬化組成物領域を硬化させるので、三次元物体内部に残
る未硬化組成物を最小限に抑えて三次元物体を最も硬い
状態に保ちつつ、歪みのない三次元物体模型を形成する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施するための装置を示す概略図であ
る。

【図２】露光ビームをサブ変調するために照射ビーム変
調器に送られるコントロールシグナルを示す図である。

【図３】目標平面におけるビーム強度の分布を示す図で
ある。

【図４】照射ビーム変調器に送られるコントロールシグ
ナルを示す図であり、（ａ）は露光ビームを像形状変調
する時のコントロールシグナルを示し、（ｂ）は光形成
可能な組成物に対して第１像形成露光する際に使用され
る照射ビームをスーパー変調する時のコントロールシグ
ナルを示す。

【図５】光形成可能な層を露光した場合の概略立面断面
図であり、（ａ）は図４（ｂ）のコントロールシグナル
を用いて第１露光した状態を示し、（ｂ）は図４（ａ）
のコントロールシグナルを用いて第２露光した状態を示
す。

【図６】第１露光後の小島が形成された像形成領域を示
す概略平面図である。

【図７】第２露光後の図６の像形成領域を示す概略平面
図である。

【図８】本発明の別の実施例の、第１露光後の小島が形
成された像形成領域を示す概略平面図である。

【符号の説明】

１０レーザー１２ビーム１３像形成面１４変調器１５，１５’，１７，２５ライン１６，１８ビーム直交偏向装置２０槽２２形成可能組成な物２４昇降手段２６プラットフォーム２８制御モジュール３０，３６走査線３２，３２’ 小島３４小島の間の半硬化領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平１−237122（ＪＰ，Ａ) 特開平５−309747（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B29C 67/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光形成可能な組成物の層を、三次元物体の
所望断面部分を表す所定のパターンに従って各層が露光
されるように、順々に像形成露光することによって形成
された硬化部分に対応する物体の多数の断面部分から、
三次元物体を形成する方法において、（１）前記層を照射し、一方向に沿って走査する変調さ
れたレーザービームを出力し、走査方向に沿って所定の
割合でビームの走査速度を変えることによるスーパー変
調された露光源を用いて、少なくとも一層を所定パター
ンに像形成露光し、前記層に、半硬化した光形成可能な
組成物の領域によって分離されて、不連続な、固定さ
れ、硬化された像形成領域を有する非連続像を形成し、（２）変調された露光源を用いて、前記層を同じ所定パ
ターンに像形成露光し、前記層に連続した前記所定パタ
ーンの硬化像を形成すること（３）前記（１）及び前記（２）の工程を繰り返すこと
からなる三次元物体製造方法。
【請求項２】前記（１）と（２）の工程を予め選択した
回数繰り返し、所定パターンに相当する複数の層を露光
することを特徴とする請求項１記載の三次元物体製造方
法。
【請求項３】前記（１）と（２）の工程を予め選択した
回数繰り返し、所定パターンに相当する複数の層を連続
して露光することを特徴とする請求項１記載の三次元物
体製造方法。
【請求項４】前記スーパー変調された前記層のための第
１露光が、前記層上に縦方向にずれた硬化領域を形成す
ることを特徴とする請求項１記載の三次元物体製造方
法。
【請求項５】前記光形成可能な組成物が感光性ポリマー
からなることを特徴とする請求項１記載の三次元物体製
造方法。
【請求項６】前記感光性ポリマーが液体であることを特
徴とする請求項５記載の三次元物体製造方法。
【請求項７】前記（２）の工程が、前記（１）の工程の
実行から所定時間経過後に実行されることを特徴とする
請求項１記載の三次元物体製造方法。
【請求項８】前記所定時間内に、第１露光による前記光
形成可能な組成物の収縮が完了することを特徴とする請
求項７記載の三次元物体製造方法。