(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多重輪郭の露出部分を含む三次元物体を、光硬化性の造形材料を選択的に硬化することにより層ごとに形成する方法であって、
（ａ）第１の硬化層を形成するために、前記三次元物体の、前記造形材料の硬化可能な第１の層中の主要部分の領域を硬化する工程と、
（ｂ）前記主要部分の領域を硬化した後に、ハッチまたは充填ベクトルの長さに応じて決められる遅延時間だけ、遅延を行う工程と、
（ｃ）前記第１の硬化層中の前記主要部分の領域を取り囲む輪郭を、前記主要部分の領域に最も近い側の領域から、前記主要部分の領域から最も遠い側の領域に向かって、多重輪郭を描画しながら硬化する工程と、
（ｄ）前記造形材料の前記第１の硬化層の少なくとも一部と重なっている、前記造形材料の硬化可能な第２の層について、前記（ａ）−（ｃ）の工程を繰り返す工程を含み、
前記主要部分の領域の硬化が、ハッチまたは充填の造形スタイルのパターンにより、前記光硬化性の造形材料を硬化するレーザービームを使用して行われ、
前記主要部分の領域の硬化が、大きなスポット径のレーザービーム幅と、小さなスポット径のレーザービーム幅とを使用して行われ、
前記主要部分の領域を取り囲む前記輪郭の硬化が、前記小さなスポット径のレーザービーム幅を使用して選択的に行われる、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記光硬化性の造形材料として、感光性ポリマーが使用されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記感光性ポリマーの硬化を行うために、紫外光が使用されることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記光硬化性の造形材料の硬化が、直径０．０１０インチ（０．２５ｍｍ）の前記小さなスポット径のレーザービーム幅を有する前記レーザービームを使用して行われることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記光硬化性の造形材料の硬化が、直径０．０３０インチ（０．７６ｍｍ）以上の前記大きなスポット径のレーザービーム幅を有する前記レーザービームを使用して行われることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記光硬化性の造形材料の硬化が、直径０．０３０インチ（０．７６ｍｍ）以上の前記大きなスポット径のレーザービーム幅と、直径０．０１０インチ（０．２５ｍｍ）の前記小さなスポット径のレーザービーム幅とを選択的に有する前記レーザービームを使用して行われることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記遅延時間と並行して支持体のベクトルの描画線の描画を行う工程をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項８】
個々の層に多重輪郭の露出部分を含む複数の三次元物体を、光硬化性の造形材料を選択的に硬化することにより層ごとに形成する方法であって、該複数の三次元物体は、輪郭を描画するベクトルが化学線源による走査によって描画される複数の要素であり、
（ａ）第１の硬化層を形成するために、遅延時間を必要とするハッチ又は充填ベクトルの描画を先に行い、遅延時間を必要としないハッチ又は充填ベクトルの描画を、前記遅延時間を必要とする前記ベクトルの前記遅延時間と並行して後に行うようにするベクトルの描画の順序付けに基づいて、与えられた１の要素について前記輪郭を描画するベクトルの全てを描画することにより規定される所定の順序で、前記複数の要素の全てについて前記輪郭を描画するベクトルを描画して、前記複数の三次元物体の、前記造形材料の硬化可能な第１の層中の主要部分の領域を硬化する工程と、
（ｂ）前記遅延時間を必要とする少なくとも１つの要素の輪郭を描画するベクトルを硬化した後に、前記主要部分の領域において、並行して前記遅延時間を必要としない要素のベクトルを硬化しながら、所望の遅延時間だけ、遅延を行う工程と、
（ｃ）収縮した面積を前記造形材料で満たすことによって、表面欠陥を低減し、輪郭の完全さおよび平坦さを維持するために、前記第１の硬化層中の前記主要部分の領域を取り囲む輪郭を、前記主要部分の領域に最も近い側の領域から、前記主要部分の領域から最も遠い側の領域に向かって、多重輪郭を描画しながら硬化する工程と、
（ｄ）前記造形材料の前記第１の硬化層の少なくとも一部と重なっている、前記造形材料の硬化可能な第２の層について、前記（ａ）−（ｃ）の工程を繰り返す工程を含み、
前記複数の三次元物体のための支持体のベクトルを描画する工程をさらに含み、該支持体のベクトルの描画は、ベクトルの長さに応じて決められる遅延時間と比較される支持体描画時間を要し、所望の前記遅延時間が前記支持体描画時間よりも長い場合には、所望の前記遅延時間と並行して前記支持体のベクトルの描画が行われることを特徴とする、
方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の背景
１．発明の属する技術分野
本発明は、広くは流体媒体から三次元物体を形成する方法の改良に関する。より詳細には、本発明は、入力データのデザインにより表現された三次元物体を、より精確かつ低コストで光硬化性ポリマーから複製する改良されたステレオリソグラフィ硬化技術の適用を含む、新規の改良されたステレオリソグラフィ方法に関する。
【０００２】
２．関連技術の説明
ステレオリソグラフィは、複雑または単純な物体を、従来のような工具使用を要さずに高速で作製する方法の代表例である。基本的なステレオリソグラフィのプロセスおよびそのプロセスを実施するための装置が、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第４，５７５，３３０号に記載されている。この技術は、断面パターンを形成するためにコンピュータに依存しているので、ＣＡＤ／ＣＡＭ装置へのデータリンクが必然的に存在する。しかしながら、かかるシステムにおいては、解像度や精度に関する問題および特定の物体形状を造形する際の困難性の問題に加え、収縮やカールその他の歪みに関連した問題が生じている。
【０００３】
ステレオリソグラフィを利用して造形された物体は、ＣＡＤで設計された寸法に比して歪んでしまう傾向がある。この歪みは、具体的な物体においては、具体的な硬化パラメータによりどれだけの応力が生じるかと、その物体の応力に耐える力がどれだけかとによって、目に見えるように現れる場合も現れない場合もある。歪みの原因となる応力は、液体から固体へと転移させられる瞬間の材料が、以前に硬化された材料に接触し結合する際に発生する。材料は、液体から固体に転移させられる時に、わずかに収縮する。あらゆるステレオリソグラフィ用の樹脂は、硬化される際に収縮を伴う。この収縮の仕方は、樹脂のタイプ、露出率の結果としての温度変化、およびその他の関連要因によって変化する。この収縮は、応力を生じさせるものであり、主として、（１）液体の密度が固体プラスチックの密度よりも小さいこと、および（２）状態変化を引き起こす化学反応が強い発熱反応であり、硬化材料を熱膨張および熱収縮させることの、２つの物理的要因によるものである。
【０００４】
物体のいくつかの特定の断面は、明らかな歪みを伴わずに応力に抗することができ、かかる断面では応力は許容可能なレベルであると言える。一方、応力と構造強度が互いに釣合いを取ろうとして、かなりの歪みを生じてしまう断面もある。応力は、既に硬化された材料と硬化されつつある材料との間の接触により生じるので、既に硬化された材料と硬化されつつある線との間の接触部の全長に亘って伝播し得る。硬化されつつある材料の既に硬化された材料への接触のほとんどは、単一の層内における接触ではなく、１つの層から次の層への接触である。このことは、ほとんどの歪みが、本質的に、水平方向の歪みではなく垂直方向の歪みであることを示唆する。さらに、ＸＹ平面内の大きな形状部分は、ＸＹ平面内の小さな形状部分よりも激しく収縮する傾向がある。収縮は固定した体積比率で起きるので、Ｚ方向に沿って物体が大きな形状部分から小さな形状部分に移行する場合、収縮値の差により、不等収縮効果としてよりよく知られている幾何学的欠陥である、外表面の顕著な不連続が生じる。
【０００５】
不等収縮は、大きな形状部分から小さなまたは薄い形状部分に移行する個所では、より顕著に現れる。形状部分の大きさの差が大きければ大きいほど、不等収縮の程度も大きい。一般的には、造形されている物体をなす各部分のうち最大の部分は、ハッチまたは充填（フィル）パターンとして知られるパターンに硬化される。造形目的物の物体を硬化する従来技術では、輪郭部分ではなく、上記のハッチまたは充填が一般的に行われる物体の最大の部分において、最大の収縮または歪みを生じてきた。収縮が生じる主要部分の領域では、傷または表面欠陥が生じる。多重輪郭硬化を利用した従来の硬化方法では、外側の輪郭部分をまず硬化し、その後順次、多重輪郭の線を中心領域に向かって内側へと硬化していくことにより、これらの中心領域すなわち主要部分の領域の輪郭を硬化していた。この方法では、中心のハッチまたは充填された領域における表面の傷または表面欠陥が補正されないまま、最終的にこの中心のハッチまたは充填された領域に輪郭が結合されていた。このことは、入力データを、造形される三次元物体において不精確に複製する結果となる。代わりに、中心のハッチまたは充填された領域に輪郭を直接結合すると、中心のハッチまたは充填された領域の硬化が進むにつれて、このより大きい中心領域すなわち主要部分の領域の収縮のために、輪郭が歪んでくる。レーザー技術の進歩の到来に伴いこの歪みの問題をより深刻にしているのは、より高速の硬化、高速化された熱の発生、およびより短い時間での硬化部分への熱の蓄積をもたらす、よりハイパワーのレーザーを利用して、光硬化性材料の硬化を行うケースが増加したことである。この増加した熱の蓄積を補償するための試みのいくつかは、抑制されたパワーおよびより小さなスポット径の使用を必要とするものであり、これらは共に、ハイパワーのレーザーによるより速い造形速度およびよりよい硬化性能という利点に逆行するものである。この問題を補償するための別のいくつかの試みは、各要素の硬化の間により長い遅延時間を設けて、各部分の収縮の効果、およびその収縮の結果としてそれに付随して起こる各部分の歪みの効果を抑制するものである。このタイプの硬化の実施可能性に関する議論は、共に本発明の譲受人に譲渡された、米国特許第６，１０３，１７６号および５，９０２，５３８号に記載されている。断面または層の少なくとも一部の露出後における遅延時間の設定を含む、不等収縮を低減する技術に関する議論は、１９９９年２月８日に出願され本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第０９／２４６，５０４号（続き番号）に記載されている。
【０００６】
以上のことから、各要素の硬化を生じさせるために過剰なもしくは増加された遅延時間を設けることにより全体の造形時間を長くすることなく、ステレオリソグラフィを利用して造形される物体の不等収縮と歪みを低減する技術が求められている。
【０００７】
発明の概要
本発明の１つの側面は、不等収縮を、物体の造形において許容可能なレベルにまで低減または調整する硬化技術を使用して、ステレオリソグラフィによる物体を作製する方法が開示されている点である。
【０００８】
本発明の別の側面は、ステレオリソグラフィによる物体の造形中に生じる収縮が、ハッチまたは充填された主要部分の領域と、物体の輪郭との間の中間スペースにおいて、調整される点である。
【０００９】
本発明のさらに別の側面は、樹脂または造形材料の収縮を低減するための、各要素のベクトルの走査と真のＣＡＤ輪郭の走査との間の遅延時間が、最小化または排除される点である。
【００１０】
本発明の１つの特徴は、ハッチまたは充填された主要部分の領域の硬化後に、収縮を生じさせるのに十分な遅延時間を設ける造形スタイルであって、該遅延時間の消費と並行して、ハッチまたは充填された主要部分の領域に物体の輪郭を直接結合させる処理を行うような造形スタイルが、使用される点である。
【００１１】
本発明の別の特徴は、多重輪郭の線を順次硬化しながらの、ハッチまたは充填された主要部分の領域への物体の輪郭の直接結合が、ハッチまたは充填された主要部分の領域に隣接した最も近い側の輪郭領域から、外側すなわちハッチまたは充填された主要部分の領域から最も遠い側の輪郭領域に向かって行われる点である。
【００１２】
本発明のさらに別の特徴は、本発明の技術が、ハッチまたは充填された主要部分の領域と輪郭領域との双方を硬化するために、レーザービームの大きなスポット径と小さなスポット径との併用を採用できる点である。
【００１３】
本発明のさらに別の特徴は、本発明の硬化技術により、多重輪郭を描画しながら、ハッチまたは充填された主要部分の領域が収縮した面積全体を、液体光硬化性材料により満たすことが可能となる点である。
【００１４】
本発明のさらに別の特徴は、物体の各要素を支持する支持体の描画が、各要素のベクトルの走査と、真のＣＡＤ輪郭の描画との間に行われる点である。
【００１５】
本発明のさらに別の特徴は、各要素のベクトルの描画間の遅延時間を減らし、同時に、可能な限り多くの造形作業を実行してステレオリソグラフィシステム全体の処理能力の低下を抑制または排除するように、レーザーにより描画される各タイプのベクトルが順序付けられる点である。
【００１６】
本発明の１つの利点は、光硬化性材料を硬化する本発明のステレオリソグラフィ方法が、最終的な物体の歪みを低減し、物体の輪郭の平坦さおよび完全さを維持する点である。
【００１７】
本発明の別の利点は、主要部分の領域に隣接する最も近い側の領域から、主要部分の領域から最も遠い側の領域に向かって、多重輪郭を描画しながら輪郭領域を硬化することにより、ステレオリソグラフィによる最終的な物体の表面欠陥および収縮が低減される点である。
【００１８】
本発明のさらに別の利点は、物体の不等収縮の低減を実現するにあたり、ステレオリソグラフィによる物体の造形速度が、許容不可能な程のレベルで犠牲となることがない点である。
【００１９】
本発明のさらに別の利点は、物体の破断点引張伸びという物理的特性が、低下しない点である。
【００２０】
本発明の方法は、物体のハッチまたは充填された主要部分の領域を硬化した後に、収縮を生じさせるために休止すなわち遅延を行い、その後、ハッチまたは充填された主要部分の領域に隣接した物体の輪郭を、内側から外側に向かって多重輪郭の線を描画しながら硬化し、入力データを精確に反映した、歪みが少ないが破断点引張伸びが向上させられた物体を作製することにより、上記およびその他の側面、特徴および利点を実現する。
【００２１】
本発明の上記およびその他の側面、特徴および利点は、以下の発明の詳細な説明を、特に添付の図面と共に考慮することにより、明らかとなるであろう。
【００２２】
好ましい実施形態の詳細な説明
ステレオリソグラフィにおいて、レーザーによる感光性ポリマーの作業表面上における追加のベクトル走査の描画を遅延させることの目的は、三次元物体の最後のハッチの描画と真のＣＡＤ輪郭の描画との間に、特定の長さの時間を設けることである。この遅延時間は、より精確な物体を形成するために、物体または要素の外表面部を描画する前に該物体または要素の内部を収縮させることを可能とする。特定のステレオリソグラフィ（ＳＬ）システムにおいて、たとえば物体の最後のハッチと該物体の真のＣＡＤ輪郭の描画との間に特定の長さの遅延時間を設けることにより、不等収縮を大幅に低減できることが、種々の異なる感光性ポリマー樹脂について分かった。一例として、ＳＬＡ７０００システムと、ＳＬ７５１０に類似の樹脂配合とを使用して作製した物体の不等収縮は、ハッチ描画後、真のＣＡＤ輪郭を示す最終的な輪郭の描画前に遅延時間を設けない場合には、約１０ミル（約０．２５ｍｍ）であり、５秒の遅延時間を設けた場合には約５ミル（約０．１３ｍｍ）であり、１５秒の遅延時間を設けた場合には約３ミル（約０．０７６ｍｍ）であった。不等収縮は、最大６０秒ものより長い遅延時間を設けることにより相当に低減されるが、その場合、ＳＬシステムの処理時間が悪影響を受け得る。すなわち、許容可能な収縮と処理時間との間で、適当なバランスを取ることが必要となる。図１は、本発明の方法を使用して、カリフォルニア州バレンシアの３Ｄシステムズ社から市販されているＳＬＡ７０００システムにより作製された物体において実現された、不等収縮の低減をグラフ形式で示した図である。許容可能な量の収縮は、１５秒の遅延時間を採用したときに起こる収縮であると考えられる。
【００２３】
図２は、多重輪郭を有し、本発明の改善された描画順序を用いた、全体として参照番号１０で示された物体の、ベクトル走査の描画線を図示した図である。輪郭の描画順序は、ハッチ部分の層輪郭（ＬＢ）１１から始まり、最終的な輪郭、すなわち物体のＣＡＤファイルのデータによる表現に基づきＳＬシステムにより描画されている物体の真のＣＡＤ輪郭である主層輪郭（ｌａｙｅｒ  ｂｏｕｎｄａｒｙ  ｐｒｉｍｅ；ＬＢＰ）へ向かって、外側へと進む。最初にベクトル走査される描画線は、ハッチ部分の層輪郭（ＬＢ）１１である。次に、ハッチのレーザーによる走査線すなわち描画線（ＬＨ）１２を含む第１経路と、ハッチのレーザーによる走査線すなわち描画線（ＬＨ）１４を含む第２経路とを用いて、ハッチベクトル走査の描画がなされる。図２は、真のＣＡＤ輪郭すなわち主層輪郭（ＬＢＰ）を含む物体１０の描画を示している。ハッチベクトル走査の描画がなされた後、上向き面（ＵＢ）または下向き面（ＤＢ）のベクトルに関し、充填ベクトル走査の描画線が描画されてもよい。続いて、ＬＢ１１のベクトル走査の描画線から、物体の内側から外側に向かう形式で、ＬＢＰ１５が最終的に描画されるまで、多重輪郭ベクトル１３および１７が描画される。この描画順序が、ＬＢＰ１５の狂いを最小化し、物体の破断点引張伸びの物理的特性を改善することが分かった。ベクトル走査の描画線を、ハッチ部分の層輪郭（ＬＢ）、最終的な主層輪郭（ＬＢＰ）、そして最後に充填部分の層輪郭（ＬＢ）という従来使用されていた順序で描画すると、ＬＢＰが応力を受けてハッチ領域の収縮により内方へと引っ張られ、引張伸びの試験中に破断を引き起こすような狂いを生じさせると理論づけられる。
【００２４】
図３（ａ）は、層輪郭のレーザーによる走査線すなわち描画線（ＬＢ）１１、ハッチのレーザーによる走査線すなわち描画線（ＬＨ）１２を含む第１経路、およびハッチのレーザーによる走査線すなわち描画線（ＬＨ）１４を含む第２経路を含む、全体として参照番号１０で示された物体を図示したものである。図３（ｂ）は、真のＣＡＤ輪郭すなわち主層輪郭（ＬＢＰ）１５と、ＬＢとＬＢＰのベクトルの描画の間の遅延時間によりもたらされる、ＬＢとＬＢＰの間の中間スペース１６とを含む、全体として参照番号１０で示された物体の描画線を示したものである。
【００２５】
単一の物体または要素の造形、あるいはステレオリソグラフィシステム中において造形されている複数の要素を伴う造形において、遅延時間を最小化するために、単純なアルゴリズムが開発されている。このアルゴリズムは、システム中で複数の物体が造形されている場合には、次の要素が描画される前に各要素の描画を完了する。単一の要素または物体１０がステレオリソグラフィ装置において造形されている場合には、ベクトルの走査すなわち描画のシークエンスは、まず内部部分の層輪郭ベクトル（ＬＢ）を描画し、続いて上向き面の輪郭ベクトル（ＵＢ）または下向き面の輪郭ベクトル（ＤＢ）を描画する。その後、その特定の輪郭が、ハッチベクトル（ＬＨ）の描画、または上向き面もしくは下向き面の充填ベクトル（ＵＦまたはＤＦ）の描画により、ハッチまたは充填される。ほとんどのハッチのスタイルは、少なくとも２種のハッチを有する。最後の内側の輪郭のタイプに対する最後のハッチが描画されると、その時の現在時刻（Ｔ１）が、その特定の物体または要素に関して記録される。ある物体が３つの内側の輪郭のタイプを有する場合、たとえばＬＢ、ＵＢおよびＤＢを有しこれらがこの順序でレーザーにより走査される場合には、上記の現在時刻は、ＤＢに対する最後のハッチベクトルまたは充填ベクトルが描かれるまで記録されない。その後、該物体に対する支持体があれば、それらの支持体が描画される。支持体のベクトルの走査すなわち描画が完了した後、その時の現在時刻（Ｔ２）が、ハッチベクトルの描画が完了した後に記録された上記の時刻（Ｔ１）と比較される。当該システムは、一般にハッチ後遅延時間（ＰＨＤ）と呼ばれる、ハッチ描画後のプログラムされた遅延時間を有する。このハッチ後遅延時間（ＰＨＤ）は、感光性ポリマー樹脂の硬化または交差結合を完了させて、ＣＡＤデータのファイルが伝える元来の意図した大きさからの、物体の収縮能力を減らすために設けられる。Ｔ２−Ｔ１の差は、プログラムされたＰＨＤの値と比較され、これらの値の差が、ＬＢＰのレーザーによる描画線を描画する前に当該ステレオリソグラフィシステムが待機する遅延時間となる。支持体のベクトルを描画するための時間がプログラムされたＰＨＤよりも長ければ、当該システムは、遅延のために待機する必要がない。最後のハッチベクトルの描画とＬＢＰの描画との間に支持体を描画することは、必要とされる遅延時間を最小化し、ＰＨＤの時間の消費と並行して支持体のベクトルの描画を実行することにより、該時間の消費を最適化する。
【００２６】
ＰＨＤがプログラムされていても、造形されている物体のある部分について遅延が必要か否かを自動的に決定するために、最適化ための追加の手順も採用される。物体の実効的な収縮は、造形されている物体の内部の中実部分の大きさに比例するので、長いベクトル走査の描画線を有する長さの長い領域は、短いベクトル走査の描画線を有する長さの短い領域よりも、長い遅延時間を要する。物体の造形が進み、高さが増加するにつれて、物体の幾何学的特徴は変化し、しばしば、走査されている断面の面積が十分に小さいため遅延が全く必要とされない場合も生じる。この追加の手順は、当該システムに、描画されている領域内の各ハッチベクトル（ＬＨ）または各充填ベクトル（ＵＦまたはＤＦ）の長さを計算することによりその領域を処理させることによって達成される。システムのソフトウェアにプログラムされている特定の名目上の長さよりも長いハッチベクトルまたは充填ベクトルの長さが存在するときは、遅延時間が設けられる。プログラムされている長さよりも長いハッチベクトルまたは充填ベクトルの長さが存在しないときは、遅延時間は設けられない。プログラムする長さとしては、１．０インチ（約２．５ｃｍ）の長さが適当に作用することが分かった。このアルゴリズムは、ステレオリソグラフィ（ＳＬ）システムが、描画されている物体の幾何学的特徴を評価して遅延時間の使用を最適化するという、動的なプロセスの採用を可能にするものである。
【００２７】
１つの変更例の手法は、同一の造形プロセスの間に造形台上で複数の物体が描画されている場合に、描画されている各物体または要素ごとに個別のタイマーを使用するものである。この手法は、ＳＬシステムの合計の処理時間を最適化するために、タイマーの使用と、時間的に効果的なベクトル走査の描画線の順序付けを併用するものである。本発明の譲受人のＳＬＡ７０００システムのような、レーザービームの複数のスポット径が採用され、したがってより多くの輪郭のタイプおよび内部のベクトル走査の描画線が採用され得るＳＬシステムにおいては、上記の手法は特に有効であることが分かっている。１つの物体を表す同一の．ｓｔｌファイルの複数のコピー、または複数の物体を表す複数の．ｓｔｌファイルが描画されている場合に、上記の手法を採用することができる。この態様では、全ての要素について、各輪郭のタイプが特定の順序により描画される。たとえば、大きなスポット径による層輪郭（ＬＬＢ）、大きなスポット径による下向き面の輪郭（ＬＤＢ）、大きなスポット径による上向き面の輪郭（ＬＵＢ）、その後、小さなスポット径による層輪郭（ＬＢ）、小さなスポット径による下向き面の輪郭（ＤＢ）、小さなスポット径による上向き面の輪郭（ＵＢ）、その後、支持体の輪郭、最後に最終的な輪郭である主層輪郭（ＬＢＰ）のような順序である。この方法では、次の輪郭のタイプに移行する前に、全ての要素に関し、ＬＬＢベクトル走査の全ての描画がまずなされる。この点は、１つの物体に関する全ての輪郭のタイプをまず描画した後に、次の物体に移行する態様とは、本質的に異なる点である。たとえば、ＳＬＡ７０００システムは、直径約０．０３０インチ（約０．７６ｍｍ）のスポット径の大きなレーザービームと、直径約０．０１０インチ（約０．２５ｍｍ）のスポット径の小さなレーザービームを使用することができる。
【００２８】
個々の物体または要素の各々がＰＨＤに関し固有のタイマーを有するので、ＰＨＤを使用する要素または物体とＰＨＤを使用しない要素または物体とを同一の層上で描画する場合には、その与えられた層において、上記のプロセスはさらに最適化され得る。たとえば、１つの物体がＰＨＤを使用する物体でありもう１つの物体がＰＨＤを使用しない物体である場合、ベクトル描画シークエンス中の最初にＰＨＤを使用する物体を順序付け、該ＰＨＤを使用する物体の固有のタイマーを使用することにより、プログラムされたＰＨＤの時間を、ＰＨＤを使用しないハッチ／充填ベクトルを描画している時間に吸収することができ、全体的なＳＬシステムの処理能力に影響を与えないようにすることができる。さらに、全ての要素のハッチを描画した後に支持体のベクトルの走査線を描画することにより、遅延を招く傾向を弱めることができる。プログラムされたＰＨＤを使用するのに十分な大きさであるかを決定する前述の描画面積を採用するアルゴリズムの使用により、さらに遅延を回避することができる。このメカニズムは、ＳＬシステムでの１回の造形において、ＰＨＤを使用する物体または要素とＰＨＤを使用しない物体または要素とを織り混ぜることを可能とし、さらには、システムの最適化された物体処理能力を維持したまま、異なるＰＨＤの値を有する複数の物体をあらゆる組合せで織り混ぜることを可能とするものである。
【００２９】
改善された輪郭ベクトルの描画順序を使用するに際し採用されている原則は、ハッチ描画後の遅延時間の有効利用を、各層において不等収縮を抑制するために応力を低減させる硬化方法と組み合せることである。造形材料は、好ましくは、カリフォルニア州バレンシアの３Ｄ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が、適当なものであれば、他のいかなる感光性ポリマー樹脂を使用してもよい。
【００３０】
本発明は、２つのスポット径のレーザービーム幅を使用する場合にも、単一の小さなスポット径のレーザービーム幅を使用する場合にも、利用できることにも注意されたい。１つの小さなスポット径のレーザービーム幅のみが採用されている場合、光重合による化学反応を起こさせながら低減された収縮を得るための硬化は、より時間のかかるものとなる。硬化のための紫外光の好ましい光源は、定められたビーム幅すなわちビーム径を有するレーザーである。適当なレーザーとしては、ＨｅＣｄレーザーまたは好ましくは半導体レーザーが挙げられる。前述のように、収縮を低減するために、抑制されたレーザーパワーと共に小さなスポット径の露出が採用され得る。たとえば、３００ｍＷの最大レーザーパワーが、不等収縮を顕著に低減することが分かっている。小さなスポット径のレーザービームを使用する場合、１２ミル（約０．３０ｍｍ）以下のレーザービーム幅を採用することが好ましく、第２のスポット径の動作モードで使用する場合には、２７ミル（約０．６９ｍｍ）の大きなスポット径のレーザービーム幅を採用することが好ましい。単一のスポット径のレーザービームを使用する場合には、ビーム幅は、１２ミル（約０．３０ｍｍ）より大きければいかなる幅でもよい。
【００３１】
三次元物体を形成する本発明の方法は、中間の個々の層において、様々な体積比率で液体材料の硬化を起こさせるものである。部分的に硬化される中間の層は、該中間の層の硬化時において、造形材料の体積比率にして約２０％から約８０％の間で硬化され得るものであり、より好ましくは造形材料の体積比率にして約５０％から約７５％の間、最も好ましくは造形材料の体積比率にして約６０％から約７５％の間で硬化されるものである。
【００３２】
本発明は、主としてステレオリソグラフィにより形成される物体の不等収縮を低減するために開発されたものであるが、本発明の技術は、三次元物体を形成するための他の方法にも、同様に好適に適用できることに注意されたい。本発明の技術は、感光性ポリマーを種々の紫外光硬化システムと共に採用したシステムにも、同様に好適に適用できる。さらに、ステレオリソグラフィ装置で使用される液体状の感光性ポリマーに関して説明してきたが、本発明を、他の応用形態における他の材料と共に使用することも可能である。たとえば、紫外光により硬化可能なペースト状材料または焼結可能な材料も、適当に使用することができる。上記のペースト状材料は、金属またはセラミック材料が、硬化可能な液体と混ぜ合わされたものであってもよい。
【００３３】
したがって、本明細書に含まれる特許請求の範囲の精神およびその広い範囲は、当業者が本開示内容を読んで考え得るであろう上記のような変更例、修正例およびバリエーションの全てを包含するものである。本明細書で引用した全ての特許出願、特許およびその他の刊行物は、参照により、全て本願に含まれているものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法により作製された物体において実現された不等収縮の低減をグラフ形式で示した図
【図２】ハッチ部分の層輪郭から、外側の最終的な輪郭すなわち真のＣＡＤ輪郭に向かう、多重輪郭ベクトルの描画線が示された、ベクトル走査による描画線の概略図
【図３】物体の層輪郭、内部のハッチの描画線、および真のＣＡＤ輪郭が示された、ベクトル走査の描画線の概略図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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