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JP2007118612A - 立体造形法を用いた三次元物体の構築においてパルス放射線源を用いた硬化可能な媒体の露出を制御する装置 - Google Patents

立体造形法を用いた三次元物体の構築においてパルス放射線源を用いた硬化可能な媒体の露出を制御する装置 Download PDF

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JP2007118612A JP2007000465A JP2007000465A JP2007118612A JP 2007118612 A JP2007118612 A JP 2007118612A JP 2007000465 A JP2007000465 A JP 2007000465A JP 2007000465 A JP2007000465 A JP 2007000465A JP 2007118612 A JP2007118612 A JP 2007118612A
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ピー パータネン ジューニ
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Abstract

【課題】硬化可能な媒体から三次元物体を形成する装置において表面媒体の所望の区域の上に制御された露出を得る。
【解決手段】パルス放射線のビームに曝されたときに硬化可能な媒体から三次元物体を形成する方法および装置であって、ビームがこの媒体の標的表面上の所望のパルス位置に向けられたときに放射線のパルスが発生する。本発明の好ましい実施の形態は、レーザとパルス発生回路を含むパルスレーザアセンブリ、制御コンピュータ、複数のミラーおよびミラーエンコーダを含む。このコンピュータは、硬化可能な媒体の表面に亘りレーザビームを導くミラーの動きを制御する。レーザビームのパルスは、ミラーの位置に関連付けられ、したがって、時間に依存していない。ビームの位置に結びつけられたパルスにより、物体の形成のためのパルスビームを制御された状態で繰り返し使用することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、層毎に三次元物体を形成する方法および装置に関するものである。本発明は、特に、立体造形法の原理にしたがって三次元物体を形成するときに、構築材料を露出するためのパルス放射線源の使用を含む方法および装置に関するものである。
近年、三次元モデルを迅速に製造する多くの様々な技術が、工業用途に関して開発されてきた。そのような技術は、高速三次元成型試作および製造（「ＲＰ＆Ｍ」）技術と称されることもある。一般的に、高速三次元成型試作および製造は、形成すべき物体の断面を表すスライスされたデータの組を用いて作業媒体から層毎に三次元物体を構築するものである。典型的に、物体の表示は、最初に、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）システムにより与えられる。
今のところ優勢なＲＰ＆Ｍ技術である立体造形法は、作業面で流体状材料の層を選択的に露出して、物体の連続層（すなわち、薄層）を硬化させ、付着させることを用いて、その材料から三次元物体を自動的に製造する技術として定義してもよい。立体造形法において、三次元物体を表すデータが、その物体の断面を表す二次元の層データとして入力されるか、またはそのデータに変換される。材料の層が、その二次元の層データにしたがって、連続的に形成され、連続薄層に選択的転移（すなわち、固化）される。転移の最中に、それらの連続層が、先に形成された薄層と結合されて、三次元物体を一体形成することができる。
立体造形法は、それ自体、三次元物体を形成する効果的な技術であることが示されているけれども、様々な改良がずっと望まれてきた。長年に亘り、物体の精度に対して多くの改良が施されてきた。しかしながら、まだ、精度をさらに改良する必要がある。立体造形構築プロセスの様々な態様が、形成された物体の精度に影響を与えることがある。例えば、このプロセスに現在用いられている樹脂の特性の一つは、それら樹脂が硬化中に収縮しやすいことである。図１がこの問題を示している。
図１は、互いの頂面で硬化された一連の層Ｌ（１）、Ｌ（２）・・・Ｌ（ｉ）を示している。図１に見られるように、下側の層、例えば、Ｌ（１）、Ｌ（２）、特に、その支持されていない部分は、後に形成された層に向かって上方に曲げられる。このような曲げは、後の層の各々が硬化するときに、新たに形成された層が収縮するために生じる。各々の層が、収縮するときに、その下の層を上方に引っぱり、前記物体を歪めてしまう。
ある露出計画の使用を含む様々な技術が、この収縮／歪み問題を克服するために用いられてきた。これらの技術の例が、米国特許第5,104,592号および同第5,256,340号に見られる。そのような技術のうちのあるものは、最初の露出が先の薄層への直接的な付着を生じないかもしれない、個々の薄層の硬化に多数の露出を用いることを含んでいる。上述したような、この技術を垂直方向に適用することに加えて、薄層上に空間的に離れた領域を形成し、続いて、その薄層のその後の露出中または後の薄層の露出中に、中間領域を完全にまたは部分的に硬化させることにより、この技術を水平方向に適用しても差し支えない。
固体レーザの開発における進歩のために、立体造形技術では、最近、過去に工業的に用いられた非効率なガスレーザから、周波数増倍形固体レーザに移り変わり始めた。1049ｎｍ−1064ｎｍのＮｄ／ＹＡＧ、Ｎｄ／ＹＶＯ４、およびＮｄ／ＹＬＦレーザの周波数三倍化(tripling)により、355ｎｍ（ＹＡＧおよびＹＶＯ４）、351ｎｍ（ＹＬＦ）および349ｎｍ（ＹＬＦ）の波長が生じる。これらは全て、立体造形法において現在の樹脂配合物に使用するのに適している。1342ｎｍのＮｄ／ＹＶＯ４レーザの周波数四倍化(quadrupling)により、同様に立体造形法に適した波長（335ｎｍ）が生じる。固体レーザについての詳細は、米国特許出願第08/792,347号に見つけられる。現時点まで立体造形法に適用されているように、これらのレーザは、一定の繰返しのパルスモードで作動する。
立体造形技術が、これらの新しいレーザに移り変わり、それらの増大した効率および長い寿命から利益を得ているけれども、構築方式および露出技術はまだ、最適化されていない。パルスレーザ源に使用するために立体造形プロセスを最適化する必要がある。これは特に、上述したような歪み低減技術をこのパルスレーザと組み合わせて用いられるようにする最適化にも当てはまる。
構築プロセスの最中に出くわす別の問題は、硬化可能な材料の層を均一に露出する能力に関するものである。現在、いくかのシステムにおいて、それらの層は、液体の表面（例えば、作業面または標的面に位置する上側表面）に亘り光ビームを所定の走査線で走査することにより硬化されている。慣習的に、入射する光ビームをｘ方向とｙ方向にそらせて、所望の物体の輪郭をトレースし、それぞれの薄層の内側部分を満たす二つの回転ミラーからなるスキャナが用いられる。
ミラーの速度変化のために、走査路のある部分は、他の部分よりも多量の放射線に曝されるかもしれない。施された放射線、すなわち、露出におけるこのような変動により、媒体内に誘発される硬化深さが変動してしまうかもしれない。一本の直線の走査線の単純化された場合がこの問題を例示する。この線を硬化させるために、走査ミラーが、この走査線の開始地点に、レーザビームスポットの位置を定める。この地点で、ビームスポットの速度はゼロである。その後、走査ミラーは、それらミラーが、したがってビームスポットが所望の速度に到達するまで加速する。走査線の終了地点に到達したときに、ビームスポットが、その速度が再びゼロとなるまで減速する。
走査ミラーの慣性に依存して、加速段階および減速段階が、走査線上で移動した全距離の相当な部分を占めるかもしれない。上述したように、これらの段階の最中に、レーザビームスポットの速度は連続的に変化している。もし、従来のＳＬＡにおけるように、一定強度の光ビームを放出する、連続作動レーザ装置が用いられる場合、走査線に沿った各々の位置での露出（材料の所定の単位面積上のビームの各々の部分の強度と実効滞留時間との積として定義される）は、変化しているビームスポットの速度に逆比例して変化する。したがって、単純化された場合において、ミラーの速度が、例えば、走査路の開始地点と終了地点で加速または減速している走査路の全ての部分において、不均一な固化深さが生じる。
直線の単純化された場合とは異なり、実際には、ビームスポットの速度は、走査線の端部では必ずしもゼロには到達せず、むしろ、ビームスポット路において急な方向転換があるかもしれない。それにも拘わらず、単純化された例におけるように、ミラーの速度が変化するところはどこでも、不均一な固化深さの悪影響がまだ生じる。
図２ａ−２ｄは、単純化された場合の例を示している。これらの図は、ｘ方向に走査されている線に沿った各々の地点での、ビームの強度Ｉ（図２ａ）、ビームの速度Ｖ（図２ｂ）、露出レベルＥ（図２ｃ）、および得られた固化分布ＣＰ（図２ｄ）の間の、走査されている線に関する例示的な関係を示している。強度と速度の比率に関連する露出は、ビームスポットが加速および減速するにつれて変動する。加速段階ＡＰにおいて、ビームスポットの速度は、時間の関数として増大し、その結果、所定の位置での流体媒体の露出が時間の関数として減少する。減速段階ＤＰにおいて、ビームスポットの速度が減少するにつれ、所定の位置での流体媒体の露出が増大する。図２ｃに示した流体媒体の不均質な露出により、図２ｄに示した不均一な固化分布となるであろう。
ロートンへの米国特許第5,014,207号には、この問題を克服する手法が提案されている。この特許を、その全てが記載されたようにここに引用する。ロートンにより提案されたその手法において、レーザビームの強度は、音響−光学的変調器のような変調手段により、実質的にゼロの強度レベルから最大強度レベルまで変調される。さらに、ビームスポットの速度が測定され、制御コンピュータが、一定の露出レベルが得られるようにその測定した速度に比例して光ビームの強度を調節する。この手法は、様々な問題を引き起こす。例えば、最適に役立つには、その強度の瞬時の変調を行えるように、ビームスポットの速度の即時応答決定が必要である。
'207号の特許に教示されたような均一な露出を得るための上述した技術にも拘わらず、パルスレーザ源を用いたときに、立体造形法における露出の均一性を最適化する必要がまだある。不均質な露出は、パルスレーザの立体造形システムにまだ存在する。これは、一部には、立体造形システムに現在用いられているパルスレーザの一定のパルス繰返しレートによるものである。
図３ａ−３ｃに示したように、走査線の開始地点と終了地点でのより大きな露出の問題は、一定の繰返しレートのパルスレーザの場合にも存在する。図３ａは、時間の関数としてのレーザパルスを示している。図示されているように、それらのパルスは、一定で、等間隔となっている。図３ｂは、位置の関数としての図３ａの結果としてのパルスを示している。図３ｂに示したように、パルスの増大した密度が、加速段階と減速段階の最中に走査された位置で生じる。一定のレーザパルスから生じた固化分布が図３ｃに示されている。図３ｃを図２ｄと比較すると、連続波レーザ（すなわち、ｃｗレーザ）を用いた場合と、一定繰返しレートのパルスレーザを用いた場合との固化分布の間に類似点があるのが分かる。不均一な固化分布から分かるように、この業界で、液体媒体の露出の依存性を走査速度から除く必要がある。
上述した問題が、本発明により個々におよび／または組合せで取り組まれ、以下に論じられる実施の形態に説明されている。
関連する米国特許および出願
以下の表にある出願および特許を、その全てが記載されているようにここに引用する。各々の特許および出願の要旨が、その表に含まれ、特定の種類の教示を見出すうえで読者に役立つ。主題を含むということは、具体的に示された項目に制限することを意図するものではなく、その代わりに、これらの出願および特許（並びにそれら特許となった出願）に見られる全ての主題を含むということである。
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特許番号 発明者 主題 │
出願番号 │ │ │
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第4,575,330号 Hull 立体造形法の基本的要素を開示している。 │
├───────┼─────┼─────────────────────────┤
第4,999,143号 Hull等 立体造形法に適用できる様々な除去可能な支持構 │
│ │ 造を開示している。 │
├───────┼─────┼─────────────────────────┤
第5,058,988号 Spence 固化深さおよび走査速度等を決定するための、立 │
│ │ 体造形法に有用なビーム分布測定技術の応用を開 │
│ │ 示している。 │
├───────┼─────┼─────────────────────────┤
第5,059,021号 Spence等 ビーム走査システムにおける不安定性から生じる │
│ │ ビーム位置決めのエラーを除去するためのドリフ │
│ │ ト補正技術の使用を開示している。 │
├───────┼─────┼─────────────────────────┤
第5,104,592号 Hull 立体造形法により形成される物体における、歪 │
│ │ み、特に、カール型の歪みを減少させる様々な │
│ │ 技術を開示している。 │
├───────┼─────┼─────────────────────────┤
第5,123,734号 Spence等 走査システムを校正する技術を開示している。特 │
│ │ に、回転ミラー座標から平らな標的表面座標への │
│ │ マッピングを行う技術が開示されている。 │
├───────┼─────┼─────────────────────────┤
第5,133,987号 Spence等 走査ミラーと標的表面との間の光路上に位置する │
│ │ 静止ミラーを用いて、立体造形システム内でその │
│ │ 光路を折り曲げることを開示している。 │
├───────┼─────┼─────────────────────────┤
第5,174,931号 Almquist等 先に硬化させた薄層に隣接する媒体のコーティン │
│ │ グを形成するのに使用する様々なドクターブレー │
│ │ ド形状を開示している。 │
├───────┼─────┼─────────────────────────┤
第5,182,056号 Spence等 立体造形媒体の露出における多重波長の使用を開 │
│ │ 示している。 │
├───────┼─────┼─────────────────────────┤
第5,182,715号 Vorgitch等 大型の立体造形システムの様々な要素を開示して │
│ │ いる。 │
├───────┼─────┼─────────────────────────┤
第5,184,307号 Hull等 三次元物体データを断面を示すデータに変換する │
│ │ 様々な技術を開示している（この特許となる出願 │
│ │ の一部を形成する付録が、立体造形システムおよ │
│ │ び方法に関する詳細をさらに提供する）。 │
├───────┼─────┼─────────────────────────┤
第5,192,559号 Smalley等 層間の不連続性を減少させる様々な再コーティン │
│ │ グおよび露出技術を開示している。 │
├───────┼─────┼─────────────────────────┤
第5,238,639号 Vinson等 上方カールを下方カールと釣り合わせることによ │
│ │ りカール歪みを最小にする技術を開示している。 │
├───────┼─────┼─────────────────────────┤
第5,256,340号 │ (1) 中空の、部分的に中空の、そして中実の物体 │
および Allison等 を構築する技術、(2) より均一な固化深さを行う │
第08/766,956号 │ 技術、(3) 一連の離れたタイルまたは小球として │
│ │ 層を露出する技術、(4) 等を含む、物体の歪みを │
│ │ 減少させる様々な技術を含む、物体を形成するた │
│ │ めの様々な構築／露出方式を開示している。 │
├───────┼─────┼─────────────────────────┤
第5,321,622号 Snead等 立体造形法におけるブール演算、特に三次元物体 │
│ │ データを断面データに変換するブール演算の使用 │
│ │ を開示している。 │
├───────┼─────┼─────────────────────────┤
第5,597,520号 │ 一層より大きい最小硬化深さおよび所望の層厚さ │
および Smalley等 の解像度よりも大きい最小再コーティング深さを │
第08/428,951号 │ 処理する技術を含む、物体形成精度を向上させる │
│ │ 様々な露出技術を開示している。 │
├───────┼─────┼─────────────────────────┤
第08/722,335号 Thayer等 主に選択的堆積試作形成システムに使用する構築 │
│ │ および支持形式を開示している。 │
├───────┼─────┼─────────────────────────┤
第08/722,326号 Earl等 選択的堆積試作形成システムにおけるデータ操作 │
│ │ およびシステム制御技術または使用を開示してい │
│ │ る。 │
├───────┼─────┼─────────────────────────┤
第08/790,005号 Almquist等 立体造形法に使用する様々な再コーティング技術 │
│ │ を開示している。 │
├───────┼─────┼─────────────────────────┤
第08/792,347号 Partanen等 固体レーザの立体造形法への応用を開示してい │
│ │ る。 │
└───────┴─────┴─────────────────────────┘
本発明の実施の形態の目的は、表面媒体の所望の区域の上に制御された露出を得ることにある。
本発明の別の目的は、歪みを低減することにある。
本発明の実施の形態のさらなる目的は、様々な所定の露出を所定の断面領域内で達成することにある。
本発明の上述した目的と他の目的は、説明のための実施の形態の添付した図面とともに考慮したときに、以下のより詳しい説明から明らかとなるであろう。上述した目的は、本発明の様々な態様により別々に達成することができ、本発明の追加の目的は、向上した利益が組み合わされた技術から得られるように上述した独立した目的の様々な組合せを含むことを意図したものである。
本発明の第一の態様は、硬化可能な媒体から三次元物体を形成する方法であって：この物体の後の薄層を形成するのに備えて、先に形成された薄層に隣接した硬化可能な媒体のコーティングを形成し；この硬化可能な媒体の標的表面を電磁放射線のパルスのビームに選択的に露出して、前記物体の後の薄層を形成し、この後の薄層を先に形成した薄層に付着させ；この形成および露出工程を繰り返して、複数の付着した薄層から三次元物体を形成し；電磁放射線を媒体の表面の所望の位置に実質的に入射するように、少なくとも一つの薄層の形成の最中に少なくともいくつかのパルスを相関させる各工程を含む方法に関するものである。
本発明の第二の態様は、三次元物体を形成する装置であって：標的表面で硬化可能な媒体を硬化させられるパルス放射線源；このパルス放射線源と前記標的表面との間の光路に沿って位置し、この標的表面上の選択された位置にパルス放射線を向けるように制御された少なくとも一つの光学要素；この少なくとも一つの光学要素に機能的に接続された、ビーム位置決めデータを提供するエンコーダ；ビーム位置決めデータを所望のパルス位置決めデータと比較し、このビーム位置決めデータとパルス位置決めデータとが相関されたときにパルスが生じるように放射線源にパルス放射線を発生させるトリガ装置；およびこのトリガ装置に所望のパルス位置を提供できる少なくとも一つのコンピュータを備えている装置に関するものである。
本発明の第三の態様は、三次元物体を形成する装置であって：標的表面で硬化可能な媒体を硬化できるパルス放射線源；このパルス放射線源と前記標的表面との間の光路に沿って位置し、この標的表面上の選択された位置にパルス放射線を向けるように制御された少なくとも一つの光学要素；この少なくとも一つの光学要素に機能的に接続された、ビーム位置決めデータを提供するエンコーダ；放射線源にパルス放射線を発生させるトリガ；およびビーム位置データが所望のパルス位置に実質的に相関されたときにパルスが生じるようにこのトリガにトリガ信号を提供できる少なくとも一つのコンピュータを備えている装置に関するものである。
本発明のさらなる態様は、ここに添付した請求の範囲に見出すことができ、この開示を読むことにより当業者に理解されよう。本発明の様々な態様が別々にまたは組合せで実施できることが意図されている。
本発明の実施の形態は、三次元物体の形成、すなわち、硬化可能な媒体（例えば、液体光重合性高分子、焼結可能な粉末等）の表面の露出を制御するのにパルス放射線源（例えば、レーザ）を使用する方法および装置に関するのである。好ましい実施の形態は、パルスレーザアセンブリ、制御コンピュータおよびビーム位置決め装置（例えば、どこにビームが向けられているかに関する情報を供給するエンコーダを有する複数のミラー）を含んでいる。このパルスレーザアセンブリはさらに、レーザおよびパルス発生装置を備えている。
この制御コンピュータは、ミラーの動きを方向付けて、形成される物体を表す所定のデータ（例えば、ＣＡＤ入力）に基づいて、液体媒体の表面に亘りビームを方向付ける。さらに、そのコンピュータは、どの位置でパルスを発生するかのミラー位置をパルス発生装置に提供するまたはその位置を含んでいる。ミラーエンコーダは、位置情報をコンピュータまたはパルス発生装置に提供するときに、実際のビーム位置をパルス位置と比較し、コンピュータがパルストリガ信号をパルス発生装置に供給するか、あるいは、パルス発生装置が比較を行い、パルストリガ信号自体を発生する。
本発明の好ましい実施の形態は、レーザ12およびパルス発生回路14を含むパルスレーザアセンブリと、一つまたは多数の制御コンピュータ16および／またはデジタル信号プロセッサ（図示せず）のような一つまたは多数のデータ処理装置と、ミラーエンコーダ20を有する複数のミラーとを備えている。図４ａは、本発明の好ましい実施の形態のブロック図を示している。
上述したように、'347号の特許には、本発明に使用できる好ましい固体レーザの詳細が開示されている。立体造形法に工業的に用いられている固体レーザは、約355ｎｍの放射線を発生させる。好ましい固体レーザは、カリフォルニア州、マウンテンビューのスペクトラフィジックスレーザーズ社の型番T20-B10-355Q-11である。この波長を生じるために、レーザから発せられる基本周波数ラインが三倍化される。他の1064ｎｍの好ましい実施の形態において、基本1342ｎｍ周波数ラインが四倍化される。パルスレーザアセンブリ10に典型的に用いられるレーザ12はパルスレーザであるけれども、限定されるものではないが、音響−光学的変調器を備えた連続出力レーザ（例えば、325ｎｍで放出するＨｅＣｄレーザおよび351ｎｍで放出するＡｒ＋レーザ）の使用のような、パルスビームを発生できるいかなる構成も適している。ある好ましい実施の形態において、非常に小さなデューティー比（パルス幅の時間、すなわち、パルスの持続幅とパルス間の不動時間との合計により割られたパルス持続時間）が好ましい。10％未満のデューティー比が好ましく、１％未満がより好ましく、そして0.1％未満が最も好ましい。あるいは、ビームが所望の速度で標的表面の上を移動しているときに、最大規定空間量未満によりビームの空間拡がりを生じるのに十分な小さなパルス時間幅が好ましい。好ましい最大空間量は、様々な様式で規定されてもよい。ある実施の形態において、ビーム拡がりを１ミル（2.54×10-5ｍ）（または10ミル（2.54×10-4ｍ）のビームの直径の10％）以下に制限することが十分であろう。他の実施の形態において、その拡がりをミル（例えば、0.1ミル）の分数に、またはビームの直径のより小さな百分率（例えば、１％）まで制限することが望ましいであろう。このようにしてパルス拡がりを制限することには、パルスが生じたときに、ビームがどの方向に移動していたかを考慮する必要なく、パルス位置および標的表面上の影響を受ける関連区域を正確に突きとめられるという利点がある。もちろん、別の実施の形態では、ビーム拡がりを説明する技術が用いられるかもしれない大きなデューティー比および／または拡がりを有するパルスを使用しても差し支えない。
パルス発生回路14は、レーザを作動させて、ミラーエンコーダ20からのミラー位置読取りに基づいて、放射線のパルスを放出させる。パルス発生トリガ信号の発生、送信および作用に伴う遅延に依存して、実際の位置とパルス位置との間の相関には、パルス位置と実際の位置とが一致するときにパルストリガコマンドを生じるのとは対照的に、パルスを実質的にパルス位置で生じさせるのに適切な補正因子を含んでもよい。パルスを発射するこの位置依存性により、媒体を均一に露出することができ、連続パルスの間のパルス位置を相関させることのできる多数回の露出を用いることができる。
ある好ましい実施の形態において、パルス発生回路14は、標的表面に沿って一定の位置間隔でパルスを発生させる。これらのパルス位置は、正方形格子状パターン、長方形格子状パターンまたはその他のパターンで設計してもよい。上述したように、発射位置またはトリガ位置は、パルス位置とは同一ではなくてもよい。図５ａは、ある線に沿って等しい位置間隔で位置したレーザ12からのパルスを示すグラフである。図５ｂは、図５ａに示したパルスに関する固化分布を示している。図５ｂに示されているように、ミラー18が変動する角速度を有している場合でさえ、レーザ12のパルスは時間依存性ではなく、むしろ、位置依存性であるので、均一な露出が得られる。
別の好ましい実施の形態において、パルス発生回路14は、一組のＸ軸およびＹ軸回転可能な走査ミラーに関して、一定の角変位間隔でパルスを発生させる。パルス位置を定義するこの方法では、均一な間隔の位置とはならない。位置の配置の非均一性は、標的表面に対する正常路からのビームの角変位が増加するにつれて増大する。正常路からのビーム路の５°、10°、および15°の変位では、連続パルス間の間隔は、それぞれ、１％、３％、および７％ずつ増大する。垂直からの小さな角変位に関して、この選択肢は、パルスの均一な配置を近似しており、したがって、パルス位置を制御する合理的な技術を示している。パルス位置を制御するこの手法は、正常からの大きな角ビーム路偏差に関してさえ、合理的な手法を示す。このことは、例えば、標的表面の位置に対するパルスエネルギーを制御することにより、パルス間隔が増大するにつれ、正味露出の関連する損失を補う措置が講じられる場合に特に当てはまる。
位置依存性パルス発生器を用いた図４ａの好ましい実施の形態とは対照的に、図６は、一定周波数パルス発生器22を用いたシステムを示している。以前に論じたように、一定周波数パルス発生器22により、パルスが時間において一定である状況が得られる（図３ａ）が、ミラー18の角速度が変動するときにパルス間の空間距離が可変となり（図３ｂ）、したがって、不均一な固化深さとなってしまう（図３ｃ）。
図５ａおよび５ｂに示したように、標的表面位置に対するパルスの相関により、走査ミラー18の速度への、標的位置での、空間パルス距離の依存性が除去される。これにより、変動する量の露出を故意ではなく受ける標的表面上の領域の問題が除かれる。実際に、位置に対するパルスの相関により、走査システムの速度の変化を単に考慮するだけでなく、露出路の交差すなわち重複も考慮して、露出を制御することができる。前記表面への各々の発射位置が、ある数のパルス（例えば、０、１、２、・・・）を受けるように予め決定されており、そして、それらの所望の数のパルスを既に受けた地点の上に発射が阻害されているかぎり、かつ層の露出が終わるまえに、どのようにラスタまたはベクトル路が重複するかに拘わらずに各々の位置の所望の固化を達成できる場合には、全ての位置が適切な数のパルスを受けたことが確認される。例えば、薄層の下向き部分を形成する場合、いくつかの重複すなわち交差ベクトルの種類が存在するかもしれないが、一般的に、その下向き領域における各々の地点には、固化深さが均一となるような実質的に同一露出が与えられるのが望ましい。
所望の硬化層を得るために、レーザ12からのビームは、所望の断面がトレースされるように表面の媒体の上にミラー18により導かれる。好ましい走査ミラーアセンブリは、一組の独立して位置決め可能なＸ軸およびＹ軸回転可能な走査ミラーを備えている。各々のミラーは、好ましくは、コンピュータ制御モータ／エンコーダの組合せのシャフトに取り付けられている。そのようなコンピュータ制御モータ／エンコーダの組合せの例は、ニューヨーク州、レイクサクセスのキャノンＵＳＡにより販売されている型番KLGHCである。次に、ミラー18の動きは、コンピュータ16により制御される。このコンピュータ16は、ミラー18と連絡しており、ミラー18に、物体の設計、用いられている選択された構築形式、およびミラーの性能により予め決定された様式で移動するようにコマンドする。
本発明の好ましい実施の形態において、コンピュータ16はさらに、パルス回路14と連絡しており、ことによると、その回路を制御する。コンピュータ16は、パルス回路14に所望のパルス位置（例えば、ミラー位置）を提供する。パルス回路14は、ミラーエンコーダ20がこれらの所望の位置に到達するか、または少なくともパルス位置に相関された発射位置に到達するのを待つ。エンコーダ20がこれらの位置に到達すると、パルス回路14は、レーザ12のトリガパルスを発生する。パルス位置データは、実際のエンコーダ位置がビットマップと比較されて、トリガ信号を発生すべきか否かを決定しているパルス回路14内のビットマップメモリ中に記憶させてもよい。あるいは、一つ以上のエンコーダ位置と、各々のエンコーダ位置に到達する時間との組合せを用いて、ビームが所望のパルス位置に向けられる時間を予測してもよい。この予測時間に基づいて、発射信号を発生させて、ビームを所望の位置でパルス化させることができる。線形レールに施されるような、エンコーダ位置、パルス位置、およびトリガのタイミングを含むこの種の計時された発射技術を実施することについての詳細が、上述した'326号の出願に記載されている。さらに、この技術を用いて、発射（パルス）位置を、位置システムエンコーダにより可能なよりも、より高い、より低い、または単に異なる解像度で実施することができる。前記'326号の出願には、材料の液滴（光子の代わりに）を用いて、線形レールに適用されるものとして、そして、選択的堆積モデル化に適用されるものとして、この技術を説明している。その中に教示を考慮して、これらの線形レール技術の使用は、本発明にも拡張することができる。ある好ましい実施の形態において、コンピュータ16は、ベクトルデータを使用することにより、ミラーの動きを制御する。別の好ましい実施の形態において、コンピュータ16は、ラスタ表示を用いて、ミラーの動きを制御する。組合せまたは他のデータフォーマットを用いてもよい。
図４ｂに示したような、別の好ましい実施の形態において、コンピュータは、パルス発生回路にパルス位置情報を供給しない。その代わりに、コンピュータは、パルスコマンドを供給する。この好ましい実施の形態において、ミラーエンコーダ情報が、パルス発生回路ではなく、コンピュータに供給される。このコンピュータは、媒体の表面上の実質的に望ましい位置でのパルス駆動が行われるように、エンコーダ情報を処理し、レーザを発射するときを決定する。図４ａの実施の形態におけるように、この好ましい実施の形態において、レーザのパルス駆動は、エンコーダ位置では必ずしも生じない。
媒体の所定の層を硬化させる前に、断面層データがコンピュータ16に供給される。この断面層データから、コンピュータ16は、所望の数のレーザパルスを向けるべき液体表面上の複数の位置を選択する。次いで、これらの所定の位置およびパルス数は、パルス回路14を介してレーザ12に伝達される。あるいは、上述したように、この情報はコンピュータ16内に留まっていてもよく、パルストリガ信号またはパルスコマンドのみがパルス回路14に送信される。これらの所定の位置は、レーザ12をその上に発射させる、液体表面の位置に対応するミラー位置を決定する。レーザパルス化のこの直接的な制御により、標的表面をトレースする場合に必要とされるミラーの動きに関連する加速および減速の問題が除去される。上述したように、この直接的な制御により、部分的な重複データのために生じるかもしれない、位置の望ましくない多数回の露出も除去される。したがって、液体表面の全体に亘りより均質な露出が達成される。
ミラー18の加速と減速に関連する問題、および重複データに関連する問題に加えて、本発明の好ましい実施の形態ではさらに、図１に示したような、例えば、カール歪みのような収縮に関連する問題の減少にも役立つ。収縮に関連する問題を減少させるために、パルスレーザ12を用いた異なる露出技術を用いても差し支えない。例えば、少なくとも二回の露出を含むインターレース技術を層の形成中に用いても差し支えない。好ましい実施の形態において、図７ａに示すように、最初の露出により、表面媒体の一連の孤立した部分、すなわち、島状部分24を硬化させる。この最初の露出後、各々の孤立した島状部分24は収縮するが、薄層中に歪みが生じるようには隣接する島状部分24とは結合していない。第二の露出26は、図７ｂに示すように、最初の露出中に露出された島状部分の中間にある、液体層の部分を露出する。第二の露出により、最初に硬化されていない材料を収縮させたとしても、その収縮のための全体の歪みは減少される。ｃｗレーザからのビームを媒体表面上の間隔のおかれた地点にジャンプさせることにより生じた弾丸状の露出を用いた構築方式が、上述した'340号の特許に記載されている。ここの教示を考慮すると、'340号の特許および他の特許や出願に記載された様々な別の技術を、本発明と組み合わせて用いてもよい。他の好ましい実施の形態において、最初の露出中に露出された地点が重複してもよい。他の好ましい実施の形態において、第二の露出を用いて、最初の露出中に露出された複数の地点を再露出しても差し支えない。別の好ましい実施の形態において、追加の露出を、一回以上のその後の露出により施してもよい。好ましい露出技術のいくつかにおいて、最初のパルスに続くパルスは、最初の露出に用いた直径とは異なるパルス径を有している。
標的表面上の位置当たりの所定の断面に関する露出の回数および発射位置の決定は、一部には、薄層の幾何学形状および露出の必要条件に依存する。これらの必要条件を満たすいかなる位置決定方法も適しているけれども、ある好ましい実施の形態において、所定の位置は、最初の位置からの特に所望の間隔を加えて、複数の追加の位置の各々を得ることにより決定される。別の好ましい実施の形態において、所定の位置は、直近の位置からの所望の間隔を加えることにより決定される。位置を計算するこのような様式により、例えば、均一な間隔の地点の長方形格子状パターンまたは間隔の離れた地点の六角形格子状パターンのような、表面上の様々な地点位置決めパターンとなってもよい。他の好ましい実施の形態において、地点の間が様々な間隔となってもよい。ある好ましい実施の形態において、前記物体のある特性により、その層に関する発射位置のいくつかまたは全てが決定される。
ある好ましい実施の形態において、パルス位置とパルス駆動の相関は、所定の薄層上で露出される位置の一部でのみ生じるかもしれない。薄層のある部分または全体は、不必要と考えられたときに相関を必要とせずに露出されてもよい。例えば、さらなる実施の形態は、同じ箇所の多数走査、または走査当たりのレーザの最初のパルス駆動と最初のパルス位置のみが相関されている場合にレーザの一定時間のパルス駆動を用いて各々の走査が行われる位置決めデータを変更することを含んでもよい。
所定の層に関する所定の位置を、一つの層または複数の層の形成において用いても差し支えない。それゆえ、最初の層は、均一に間隔のおかれた格子状パターン地点（すなわち、パルス位置）により定義されてもよく、そして、例えば、次の五連続の層において、地点は、様々な量だけ間隔がおかれていても差し支えない。したがって、ある場合には、二つの隣接する層の間の地点が重複し、他の場合には、二つの隣接する層の間の地点が外れている。
上述したように、レーザ放射線を複数のミラー18により標的に向けてもよい。ミラー18は、独立して位置決め可能であり、互いに垂直な方向（例えば、ｘおよびｙ方向）においてビームを走査するように向けられている一組の回転可能な走査ミラー18であってもよい。したがって、パルス回路14からのパルスコマンドが出されることが、ミラーの回転の一つ、いくつかまたは全てに関連付けられていても差し支えない。他の好ましい実施の形態において、他の要素を用いて、ビームの走査を行ってもよい。例えば、ある好ましい実施の形態において、線形レール上のミラーが用いられる。線形レール上のミラーの使用は、Herbert,Alan J., Applied Photographic Engineering 8: 185, 187 (1982)に記載されている。この文献をここに引用する。他の好ましい実施の形態において、ＸＹ往復台上の光ファイバ束の移動により走査を行ってもよい。光ファイバ束の使用が、'330号の特許に記載されており、この特許の全てをここに引用する。さらに他の好ましい実施の形態において、変形可能なレンズまたは他の部材を用いて走査を行ってもよい。
複数の回転可能なミラー18または他の走査装置は、好ましくはエンコーダ20を備えている。エンコーダ20は、ミラー18または他の走査装置の位置をモニタし、実際のスキャナまたはビーム位置をコンピュータ16またはパルス回路14に中継する。ある好ましい実施の形態において、コンピュータ16からの先の指示に基づいて、パルス回路14は、レーザ12に、ミラーエンコーダ20からの特定のミラー座標の確認を受信したときにパルスを発生するように指示する。他の好ましい実施の形態において、パルス回路14は、ミラー18が所望の位置に到達するのを予測して、パルスコマンドを出す。
図４ｂに示した実施の形態において、エンコーダ20は、ミラー位置データをコンピュータ16に中継する。この実施の形態において、コンピュータ16が、レーザ12にパルスを発生するように指示する。コンピュータ16がエンコーダ20からミラー位置データを受信する別の実施の形態において、コンピュータは、音響−光学的変調器（「ＡＯＭ」）または高速シャッター（図示せず）とつながって、レーザパルスが標的表面に到達するのを阻害してもよい。さらに、このＡＯＭを減衰器として用いて、レーザ12の出力を所望の量に変調しても差し支えない。本発明に使用できるＡＯＭの例は、イリノイ州、ベルウッドのイントラアクション社により販売されている型番ASM-704138である。
操作において、硬化すべき所定の層に関して、コンピュータ16は、露出すべき所望の位置、並びに所定の位置を露出するのに必要なパルスの数を決定する。コンピュータ16は、この情報をパルス回路14に送ってもよい。次いで、コンピュータ16は、ミラー18の走査を標的表面に向ける。走査中、エンコーダ20は、ミラー18によりそこに向けられる標的表面上のビーム位置を決定し、アップデートされた情報を、コンピュータ16またはパルス回路14のいずれかに送る。このアップデートされた位置情報は、コンピュータ16またはパルス回路14内に記憶されたパルス部分およびパルス数の情報に相関される。その相関に基づいて、レーザにパルスを発生させて、標的表面上の予め選択された位置を露出して、選択的に構築媒体を露出する。いずれの位置に入射したパルスの数も正確に制御するのが望ましい場合には、適切な数のパルスが各々の位置に与えられるように走査パターンデータを規定することが望ましい、あるいは、各々の位置または一連の位置にパルスが送られた後に各々の位置が受けるべきパルスの数を記録または減少させることが適切である。少なくとも二種類の走査システムの動きを定義することがさらに都合よい：(1)パルスが生じることのできる期間中の動き、および(2)走査システムのエンコーダが、走査システムがパルス位置の上にビームを配置したことを示す場合でさえも、パルスが発生すべきではない動き。
上述した発明を実施する上で、様々なデータ操作を行ってもよい。そのような一連の操作のあるものは、以下の工程を含むかもしれない：
(1) ３Ｄ物体を、例えば、ＳＴＬファイルフォーマットで示すデータを受信する。
(2) この物体データを断面データに、例えば、'307号および／または'622号の特許の教示を用いて、変換する。
(3) 断面に関して、この断面データを、たどられるべき走査路を示すデータに、例えば、'307号、'622号および／または'715号の特許の教示にしたがって、変換する。
(4) １コピーの走査路データを、いかなるシステム校正データおよびドリフト補正データをも含む走査システム位置決めデータに、例えば、'121号および'734号の特許の教示にしたがって、変換する。
(5) 断面データ、走査システム位置決めデータ、および構築形式データの組合せから、断面に関するパルス位置を定義する。
(6) ビームを走査路データにより定義された経路に沿って移動させ、実際のビーム位置をパルス位置と比較する。
ａ． パルス位置または発射位置が遭遇したときにレーザにパルスを発生させる。
ｂ． パルスを受けた各々の位置に関するパルスのカウントを減少させる。所定のパルス駆動に関してゼロパルスが残っているときに、その位置が非パルス位置として再定義される。
(7) ビームの移動後、またはその最中に周期的に、パルス位置データを分析して、いずれかの位置が抜けていないかを決定する。位置が抜けている場合には、パルスを完了するために、それらの位置にビームを向ける。
(8) 形成すべき次の薄層に関して、工程(2)−(7)を繰り返す。
上述した工程の様々な代案が可能であり、ここの教示に基づいて、それらの代案が当業者にとって明白となる。例えば、工程(2)および(3)は、一つの工程に組み込んでもよい。ある実施の形態において、ビームが、露出すべき断面の境界内に主に滞在しむけられ、ビームがその断面領域の外側に移動することが予測されるときはいつも、非パルスミラー位置決めコマンドまたはＡＯＭシャッタリングコマンドが用いられる、明白な走査システムコマンドおよび明白な断面形状に拘わらずに、パルス位置を固定の格子状パターンとして定義することも許容される。あるいは、走査システム位置決めデータおよび／または走査路データを用いて、この走査システムがビームを前記断面領域の外側に位置させているときはいつも、ビームにパルスを発生させないか、またはパルスが標的区域に到達するのをシャッターにより物理的に遮断されるように断面領域の外側の非パルス位置を定義してもよい。他の代案において、ビームが実質的に固定された速度で走査されているときに、パルス位置が、レーザにパルスを発生させるように明白には用いられないが、その代わりに、パルス駆動が、予測されたパルス位置に基づくように工程(6)を変更することができる。他の実施の形態において、全てのパルス位置が、単に、ビームの方向付けに用いられるミラー位置決めコマンドに基づいて実質的に適切な数のパルスを受けているとした場合に、工程(7)を除去してもよい。
ここの教示を用いて、様々なＲＰ＆Ｍシステムを変更することができる。そのようなシステムの例としては、カリフォルニア州、バレンシアの３Ｄシステムズ社により製造されている、SLA-500/40、SLA-350/10、およびSLA250/40が挙げられる。SLA-500/40は、351ｎｍでのＡｒ＋レーザ、外部音響−光学的変調器、およびコンピュータ制御の回転モータ駆動ＸおよびＹ走査ミラーとともに作動する。SLA-350/10は、355ｎｍの放射線を発生する周波数三倍化Ｎｄ／ＹＶＯ４固体レーザおよびコンピュータ制御の回転モータ駆動ＸおよびＹ走査ミラーとともに作動する。SLA-250/50は、325ｎｍの放射線を放出するＨｅＣｄガスレーザおよびコンピュータ制御の回転モータ駆動ＸおよびＹ走査ミラーとともに作動する。これらのシステムに使用するための好ましい光重合性高分子としては、カリフォルニア州、ロサンジェルスのチバスペシャルティーケミカルス社により製造されている、製品番号SL5180（351ｎｍの放射線用）、SL5190（355ｎｍの放射線用）、およびSL5170（325ｎｍの放射線用）が挙げられる。他の同社により製造されている、355ｎｍの放射線に使用する光重合性高分子としては、製品番号 および に対応する、同社の社内番号71030および71050が挙げられる。355ｎｍの放射線に使用する他の光重合性高分子としては、デラウェア州、ニューキャッスルのデュポン社：ソモスソリッドイメージング材料により製造されているSomos 6120、およびニュージャージー州モーリスタウンのアライドシグナル社により製造されているExactomer HTG35Xが挙げられる。
好ましい実施の形態に関して、本発明を上述のごとく説明してきたが、これは、本発明を制限することを意図するものではない。むしろ、添付の請求の範囲に表現されているような本発明の精神および範囲内に包含される全ての変更例および代替構造を含むことを意図したものである。
隣接する層の硬化中に生じる材料収縮により歪んだ物体の層の側面図を示している。 図２ａは、ｃｗレーザの強度の線に沿った位置に対する関係を示している。図２ｂは、位置の関数としてのビーム速度の加速段階と減速段階を含む、線に沿ったビームの速度を示している。図２ｃは、位置の関数としての得られた露出を示している。図２ｄは、図２ｃに示した露出から生じた走査線の固化深さを示すグラフである。 図３ａは、レーザの走査速度が走査線に亘り変動する、一定の時間間隔でパルスが生じている一定の強度のレーザパルスを示すグラフである。図３ｂは、レーザの走査速度が走査線に亘り変動する、一定の時間間隔でパルスが生じている一定の強度のレーザパルスの露出位置を示すグラフである。図３ｃは、図３ｂに示した露出パルスの重合せにより生じた固化深さを示すグラフである。 図４ａは、本発明の好ましい実施の形態のブロック図である。図４ｂは、本発明の別の好ましい実施の形態のブロック図である。 図５ａは、一定の位置または距離の間隔で発生したレーザパルスを示すグラフである。図５ｂは、図５ａに示した露出パルスの重合せにより生じた固化深さを示すグラフである。 一定の周波数パルス発生器を用いた装置のブロック図である。 図７ａは、最初に、媒体の一連の孤立した要素を硬化させる好ましい多重露出技術の最初の露出の結果を示している。図７ｂは、孤立要素の中間の位置を露出する、図７ａの要素上に重ね合わされた第二の露出の結果を示している。

Claims (2)

  1. 三次元物体を形成する装置であって、
    標的表面で硬化可能な媒体を転移できるパルス放射線源；
    該パルス放射線源と前記標的表面との間の光路に沿って位置し、前記パルス放射線を該標的表面上の選択された位置に向けるように制御された少なくとも一つの光学要素；
    ビーム位置決めデータを提供する、該少なくとも一つの光学要素に機能的に接続されたエンコーダ；
    ビーム位置データを所望のパルス位置データと比較し、該ビーム位置データおよびパルス位置データを相関させたときにパルスが発生するように前記パルス放射線源に放射線のパルスを発生させるトリガ装置；および
    該トリガ装置に所望のパルス位置を提供できる少なくとも一つのコンピュータを備えていることを特徴とする装置。
  2. 三次元物体を形成する装置であって、
    標的表面で硬化可能な媒体を転移できるパルス放射線源；
    該パルス放射線源と前記標的表面との間の光路に沿って位置し、前記パルス放射線を該標的表面上の選択された位置に向けるように制御された少なくとも一つの光学要素；
    ビーム位置決めデータを提供する、該少なくとも一つの光学要素に機能的に接続されたエンコーダ；
    前記放射線源に放射線のパルスを発生させるトリガ；
    前記ビーム位置データを所望のパルス位置に実質的に相関させたときにパルスを発生させるように前記トリガにトリガ信号を提供できる少なくとも一つのコンピュータを備えていることを特徴とする装置。
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