(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
造形材料を選択的に硬化することにより、層毎の様式で三次元物体を形成する方法であって、
(a)  造形材料を硬化させて第１の完全に硬化された層を形成する工程、
(b)  前記第１の完全に硬化された層の少なくとも一部の上に少なくとも１つの部分的に硬化された中間層を形成する工程であって、前記第１の完全に硬化された層または直前の部分的に硬化された層の少なくとも一部の上に重ねた造形材料からなる部分的に硬化される中間層を、液体区域および硬化区域を設けることにより部分的に硬化し、前記硬化区域の硬化は、該硬化区域を前記第１の完全に硬化された層または直前の部分的に硬化された層に付着させない第１の走査方向での硬化処理、および続く該硬化区域を前記第１の完全に硬化された層または直前の部分的に硬化された層に付着させる第２の走査方向での硬化処理によって行われる工程、
(c)  直前の部分的に硬化された中間層の少なくとも一部の上に重ねた第２の完全に硬化される層、および前記少なくとも１つの部分的に硬化された中間層における前記造形材料の液体区域を硬化する工程、からなる硬化周期を、前記三次元物体が形成されるまで繰返すことを特徴とする三次元物体形成方法。
【請求項２】
前記第１の走査方向が、造形材料の表面に対して平行であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記第２の走査方向が、前記第１の走査方向に対して平行ではないことを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記造形材料の少なくとも１つの部分的に硬化される中間層の硬化が、該造形材料の20体積％から80体積％までを硬化させることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記造形材料の少なくとも１つの部分的に硬化される中間層の硬化が、該造形材料の50体積％から75体積％までを硬化させることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記造形材料の少なくとも１つの部分的に硬化される中間層の硬化が、該造形材料の60体積％から75体積％までを硬化させることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記造形材料として感光性ポリマーを使用することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項８】
紫外線を用いて、前記感光性ポリマーの硬化を行うことを含むことを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
少なくとも１つのスポットサイズのビーム幅を有するレーザビームを用いて、前記感光性ポリマーの硬化を行うことを含むことを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項１０】
0.012インチ（0.30ｍｍ）以下の直径の小さなスポットサイズのビーム幅を有するレーザビームを用いて、前記感光性ポリマーの硬化を行うことを含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１１】
0.027インチ（0.69ｍｍ）以上の直径の大きなスポットサイズのビーム幅を有するレーザビームを用いて、前記感光性ポリマーの硬化を行うことを含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１２】
0.027インチ（0.69ｍｍ）以上の直径の大きなスポットサイズのビームおよび0.012インチ（0.30ｍｍ）以下の直径の小さなスポットサイズのビームを選択的に有するレーザビームを用いて前記感光性ポリマーの硬化を行うことを含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１３】
前記第１の完全に硬化された層を形成する工程が、大きなスポットサイズのビームを用いることを含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの部分的に硬化された中間層を形成する工程が、小さなスポットサイズのビームを用いることを含むことを特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記工程(b)において複数の部分的に硬化された中間層が形成されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、概して、流体媒質から三次元物体を形成する方法の改良に関する。本発明は、より詳しくは、光硬化性ポリマーからより精密にかつより経済的に形成される三次元物体を製造するために、向上したデータ処理およびステレオリソグラフ硬化技法を適用することを含む、新規の改良ステレオリソグラフ法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ステレオリソグラフィーは、工具を用いて細工せずに、複雑または単純な部品を手早く製造するための迅速な様式を表す。この技術はその断面パターンを生成するためのコンピュータの利用に依存するので、ＣＡＤ／ＣＡＭへの自然データリンクがある。しかしながら、そのようなシステムでは、収縮、カールおよび他の歪み、並びに解像度、精度に関連する困難や、ある物体形状を製造する上での困難に遭遇している。
【０００３】
ステレオリソグラフィーを用いて造形された物体は、それらのＣＡＤ設計寸法から歪む傾向がある。この歪みは、特定の物体において、どれだけの応力が特定の硬化パラメータにより発生するか、および応力に耐える物体の能力に基づいて、生じたり生じなかったりする。歪みを生じる応力は、液体から固体に転換されている材料が、先に硬化された材料と接触し、それに結合するときに発生する。材料が液体から固体に転換されるときに、その材料はわずかに収縮する。全てのステレオリソグラフィー用樹脂は、硬化されるときに収縮を経る。この収縮は、樹脂の種類、露出の速度、および他の関連する要因により変動する。この収縮は、応力を生じさせるものであり、２つの主な物理的原因を有する：(1)液体の密度は、固体プラスチックの密度よりも小さい；および(2)状態を変化させる化学反応は、強力に発熱性であり、硬化材料を熱膨張させ、収縮させる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
物体のある部分は、どのような明白な反りもなく、すなわち、応力が許容レベルにある状態で応力に耐えることができるであろう。その一方で、他の部分は、応力が構造強度を超えた場合、著しく歪むであろう。応力は、硬化する材料と硬化した材料との間の接触により生じるので、その応力は、硬化線と硬化した材料との間の接触の全長に亘り伝搬され得る。硬化した材料に対するほとんどの接触は、１つの層に沿うのとは対照的に、ある層からその次の層へと生じる。これは、ほとんどの歪みが、水平とは対照的に現実に垂直となることを意味する。さらに、ＸＹ平面にある大きな特徴形状は、ＸＹ平面にあるより小さな特徴形状よりも収縮する傾向にある。収縮は所定の体積百分率であるので、Ｚ方向に沿って大きな特徴形状から小さな特徴形状へとある部品が移行する場合、収縮値における差により、差異（differential）収縮効果としてより一般に知られている幾何学的不完全さである、顕著な不連続が外面に生じる。差異収縮は、大きな特徴形状から小さいまたは薄い特徴形状へと移行する部分、例えば、大きな基部から薄壁へと移行する部分において最も大きい。したがって、垂直歪みを減少させる技法が必用とされている。
【０００５】
上記に鑑みて、本発明の目的は、そのような技法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のある態様は、部品の造形において差異収縮を許容レベルまで減少させるまたは制御する硬化技法を用いた、ステレオリソグラフ部品の製造方法にある。
【０００７】
本発明の別の態様は、ステレオリソグラフ部品の造形中の収縮をＺ方向において制御することにある。
【０００８】
本発明の特徴は、周期型造形様式を、周期的にハッチングも硬化もされていない造形材料の層上の小さなスポットサイズの硬化編合せ(weave)と組み合わせた造形様式にある。
【０００９】
本発明の別の特徴は、その小さなスポットサイズの硬化により、一度に硬化される材料の量が減少し、それによって、その部品の収縮率が減少することにある。
【００１０】
本発明のさらに別の特徴は、前記硬化技法により、さらなる材料の収縮を防ぐまたは減少させるための繊維強化プラスチックにおける模擬(simulated)繊維として働く、小さなスポットサイズの硬化により形成された格子が得られることにある。
【００１１】
本発明のさらに別の特徴は、部分的に硬化される任意の中間層内の造形材料の硬化層は、第１の走査方向において行われた硬化後にその下にある層に付着しておらず、第２の走査方向において行われた硬化後に該下にある層に付着することにある。
【００１２】
本発明のまた別の特徴は、小さなスポットサイズのレーザ硬化を使用することにより、部品の形成速度にそれほど影響を与えずに、わずかに遅くかつより深く硬化を行えることにある。
【００１３】
本発明の利点は、感光性ポリマー材料を硬化させるステレオリソグラフ法により、大きな特徴形状から小さな特徴形状へと進行する移行区域における歪みが減少することにある。
【００１４】
本発明の別の利点は、ステレオリソグラフ部品の造形速度が、その部品の差異収縮を減少させるために、許容できないレベルまで犠牲にされないことにある。
【００１５】
これらと他の態様、特徴および利点は、造形材料の第１の完全に硬化される層を硬化し、造形材料の少なくとも１つの部分的に硬化される中間層を部分的に硬化し、次いで、造形材料の第２の完全に硬化される層および前記すくなくとも１つの部分的に硬化された層における未硬化の造形材料の液体区域を硬化することによって、造形材料の多層を周期様式で硬化することにより、本発明のステレオリソグラフ法において達成される。
【００１６】
本発明のこれらと他の態様、特徴および利点は、特に添付の図面と組み合わせて考慮したときに、本発明の以下の詳細な開示を検討することにより、明らかとなる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明をより詳しく説明する。
【００１８】
図１は、ステレオリソグラフ法を用いて造形された、差異収縮歪みにさらされる大きな特徴形状および小さな特徴形状を有する、三次元部品または物体の端部図を示す。差異収縮は、液体の造形材料の固体形態への硬化により生じ、それが図１に示されている。一般に10により示される基部は、部品の完全に硬化された基部である。断面図の外面についてのＣＡＤイメージ部品線が11により示されている。これは、描かれた所望の部品の寸法である。輪郭線12は、後硬化により軽減されたまたは減少した、部品の大きい基部部分の収縮した輪郭線を示し、一方、14により示される点線は、同様に後硬化により軽減されたまたは減少した、部品の微細な特徴形状への移行区域の収縮した輪郭線を示す。軽減されていない、大きな基部部分の収縮した輪郭線が線15により示されており、同様に軽減されていない、微細な特徴形状への移行区域の収縮した輪郭線が点線16により示されている。図１は、完全に硬化された基部10から垂直に上方に延在する微細壁垂直延長部17を有する三次元物体を表している。
【００１９】
図２は、図１に示した部品における左側の垂直壁の線を表すグラフであり、ここで、18はＣＡＤイメージの垂直壁線であり、19は軽減されていない大きな基部部分の境界の垂直壁線からのずれを示す差異収縮線を示し、20は後硬化により軽減された同じ大きな基部部分の境界の垂直壁線からのずれを示す差異収縮線を示す。図２から分かるように、以後説明する差異収縮補償法において、軽減されていないおよび軽減された垂直壁境界の間で相当改善がなされている。
本発明により記載された、微細な特徴形状の部分に移行する大きな特徴形状の部分の硬化に用いられる差異収縮補償方法が、図３Ａ−３Ｃに示されている。図３Ａは、別々に硬化された基部輪郭層22と共に、完全に硬化された基部層21を有する部品の第１の層を示す。基部輪郭層22は、約0.1ミル（約2.54マイクロメートル）の小さなスポットサイズのレーザビーム幅で硬化させてもよい。あるいは、約0.3ミル（約7.62マイクロメートル）のレーザビーム幅を有する大きなスポットサイズのビーム幅レーザを用いて、基部層21および連続した層または薄層の内部境界輪郭（図示せず）を硬化させてもよい。図３Ｂは、基部層21の頂部上の造形材料の１つの層のリコーティングおよび部分的に硬化される中間層24の部分的な硬化を示す。ここでも、部分的に硬化された層の境界輪郭は28により示され、部分的に硬化される区域または硬化区域は25で示される。液体すなわち未硬化区域は26により示される。部分的に硬化された中間層24における部分的に硬化される区域25は、造形材料の層がレーザビームにより選択的に露出されて、ゲル状または固体である硬化区域を形成することを示し、一方で、区域26は露出されず、未硬化または液体区域である。
【００２０】
図３Ｃは周期硬化パターンの完了を示し、ここで、造形材料の別の層が、部分的に硬化された中間層24の上に載置され、層29および部分的に硬化された中間層24内の下にある液体区域25を完全に硬化させるのに十分な露出深さを有するレーザビームにより露出される。ここでも、境界輪郭30は、第２の完全に硬化された層において小さなスポットレーザにより硬化させることができる。
【００２１】
部分的に硬化された中間層を多数用いて、本発明の強化周期硬化パターンを形成してもよいことに留意されたい。開示されているように、完全に硬化された基部層、部分的に硬化された１つの中間層、および完全に硬化された上にある層の、３つの層がこの硬化パターンにある。あるいは、完全に硬化された層の間に、２つ、３つ、４つまたはそれより多い部分的に硬化された中間層を用いても差し支えなく、三次元部品が造形されるまで、硬化周期を繰り返してもよい。硬化プロセスには、境界ベクトルに加えて、標準硬化ベクトルが用いられる。これらは、充填（fill）ベクトルおよびハッチ（hatch）ベクトルを含んでも差し支えない。造形材料を硬化させるために、部分的に硬化される中間層に、ハッチベクトル硬化を用いてもよい。適切な硬化ベクトルを用いるのに利用される原則は、差異収縮を減少させるための、各々の中間層または薄層における一度に硬化すべき造形材料の量の減少である。その造形材料は、好ましくは、カリフォルニア州、バレンシアのスリーディー・システムズ社から市販されている、SL7540、SL7520またはSL7510のような光硬化性の感光性ポリマー樹脂である。
【００２２】
本発明の本質は、本発明の造形様式または硬化方法では、中間層または薄層について中間硬化工程を用いることにより、硬化の際に収縮する樹脂の量が最小となるかまたは減少するという事実にある。この種類の硬化を行う能力についてのより詳しい議論が、本発明の譲受人に共に譲渡された、米国特許第6,103,176号および同第5,902,538号に記載されている。
【００２３】
本発明は、二重スポットサイズのレーザビーム幅または１つの小さなスポットサイズのレーザビーム幅に使用できることに留意されたい。小さなスポットサイズのビーム幅のみを利用する場合には、光重合による化学反応が生じ、それでもまだ収縮が減少しているように、硬化はより遅くする。硬化のための好ましい紫外線光源は、所定のビーム幅または直径を有するレーザである。適切なレーザとしては、ＨｅＣｄレーザ、好ましくは、固体レーザが挙げられる。前述したように、減少したレーザ出力と共に、小さなスポットサイズの露出を用いて、収縮を減少させることができる。例えば、300ｍＷの最大レーザ出力を使用すると、差異収縮が著しく減少することが証明された。二重スポットサイズモードを操作する場合には、小さなスポットサイズのレーザビームには、好ましくは、12ミル（約0.30ｍｍ）以下のレーザビーム幅が用いられ、大きなスポットサイズのレーザビームには、27ミル（約0.69ｍｍ）のビーム幅が用いられる。１つのスポットサイズのレーザビームが用いられる場合には、ビーム幅は12ミルよりも大きい任意のサイズであって差し支えない。
【００２４】
本発明の鍵となる要素は、部分的に硬化される中間層の硬化において、レーザビームをＸＹ平面において第１の方向に、続いて、第２の方向に走査することであることに留意されたい。ＸＹ平面の第１の走査方向における走査中に、部分的に硬化された中間層はその下にある層に付着していない。第２の走査方向における走査中に、部分的に硬化された中間層はその下にある層に付着する。第１の走査方向は、ＸＹ平面のＸ方向またはＹ方向いずれで行ってもよい。第２の走査方向は、第１の走査方向に対して平行ではないいずれの方向でもよい。
【００２５】
三次元物体を形成する本発明の方法は、中間層において液体材料を様々な体積百分率で硬化させる。部分的に硬化される中間層は、部分的に硬化される中間層の硬化中に、造形材料の約20体積％から約80体積％まで、より好ましくは、造形材料の約50体積％から約75体積％まで、最も好ましくは、造形材料の約60体積％から約75体積％まで硬化させることができる。
【００２６】
本発明は主に、基部のような大きな特徴形状の区域と、薄壁のような微細な特徴形状の区域との間のステレオリソグラフ部品の移行領域における収縮を減少させるために開発されてきたが、その技法は、三次元物体を形成する他の技術にも同様に適用できることに留意されたい。本発明は、任意の紫外線硬化システムと共に感光性ポリマーを用いたシステムにも同様に適用しても差し支えない。部分的に硬化される中間層において一度に硬化しなければならない樹脂の体積が減少することは、収縮の量を減少させる鍵である。さらに、部分的に硬化される中間層の硬化区域により、造形物体に強化繊維効果が与えられ、その材料の収縮が防がれる。
【００２７】
さらに、ステレオリソグラフ装置に用いられる液体感光性ポリマーに関して記載したが、本発明を他の用途における他の材料に利用することもできる。例えば、紫外線により硬化できるペーストまたは焼結性材料を適当に用いてもよい。そのペーストは、硬化性液体とブレンドされた金属またはセラミック材料であって差し支えない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  大きな特徴形状および微細な特徴形状の区域間の移行における軽減された差異収縮と軽減されていない差異収縮の影響を示す、本発明を用いて造形された三次元部品の一部を示す概略図
【図２】  理想的なＣＡＤイメージの部品の線からの軽減された収縮と軽減されていない収縮を比較した差異収縮の、図１に示した物体の垂直壁プロファイルを示すグラフ
【図３】  図３Ａが完全に硬化した基部層を示し、図３Ｂが部分的に硬化された区域および液体区域を有する上にある中間層を備えた完全に硬化した基部層を示し、図３Ｃが上にある完全に硬化された層の露出により完全に硬化される部分的に硬化された中間層を、２つの完全に硬化した層が挟んでいる、造形材料の３つの層を示している、造形材料の重複する層を硬化するのに用いられる強化周期パターンを説明する概略図
【符号の説明】
10    基部
12    輪郭線
21    基部層
22    輪郭層
24    中間層
25    硬化区域
26    流体区域
【図１】
0003955448.tif 000002
【図２】
0003955448.tif 000003
【図３】
0003955448.tif 000004