JP5035874B2 - 改良された高速試作製造装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、三次元物体を製造するために高速試作製造（「ＲＰ＆Ｍ」）する方法および装置に関し、より詳しくは、ＲＰ＆Ｍシステムの生産性および効率の改善にする。

ＲＰ＆Ｍは、三次元物体または固体イメージを形成するために使用できる技術分野に与えられた名称である。一般に、ＲＰ＆Ｍ技法は、形成すべき物体の連続断面を表すデータを使用して、構築媒質から三次元物体を層毎に構築する。しばしばＣＡＤ／ＣＡＭシステムと称されるコンピュータ支援設計およびコンピュータ支援製造システムは、一般に、ＲＰ＆Ｍシステムに物体表示を提供する。ＲＰ＆Ｍの三つの主要な様式としては、固体イメージのステレオリソグラフィー、レーザ焼結、およびインクジェット印刷が挙げられる。

レーザ焼結は、セラミック、ポリマー、およびポリマー被覆金属を含む熱可融性粉末の薄層から固体イメージを構築するものであり、その薄層には、薄層を固化するための十分なエネルギーが与えられる。インクジェット印刷は、結合剤と組み合わされたときに固化する粉末から固体イメージを構築する。ここでの主題が主に扱うステレオリソグラフィーは、一般に樹脂と称される重合性液体の薄層から固体イメージを構築する。

ステレオリソグラフィーおよびレーザ焼結システムは、一般に、レーザの変調および精密な方向制御によって、三次元物体の薄い断面を形成し、積み重ねるためにエネルギーを供給する。レーザが、粉末または液体の構築媒質の層の標的区域にエネルギーを与える。この薄い標的層は、構築媒質の作業面と称される。従来のＲＰ＆Ｍレーザシステムは、制御コンピュータにより方向付けられるガルバノミラーを有する走査系を用いてレーザビームを位置決めする。ミラーは、ＳＴＬフォーマットにモザイク化され(tessellated)、構築ファイルに合併される断面データファイルにスライスされたＣＡＤ／ＣＡＭプログラムに応答して、レーザビームを偏向させる。

ステレオリソグラフィーにおいて、薄層の全てが互いに結合して三次元物体を形成するまで、ある薄層の上に別の薄層が重ねられた重合性液体の複数の薄層を連続固化することによって三次元物体が形成される。各層は、所望の三次元物体の薄い断面を表す。重合性液体は、一般に、「樹脂」と称され、樹脂の固化した層は、硬化されたと言われる。実際的な構築媒質としては一般に、通常は紫外線によって、十分に速く硬化する樹脂が挙げられる。紫外線レーザは光の小さく強烈なスポットを生じ、このスポットは、所定のパターンでｘ−ｙスキャナにおけるガルバノミラーによって、液体表面に亘り動かされる。このスキャナは、コンピュータ生成ベクトルなどによって駆動される。この技法によって、精密かつ複雑なパターンが迅速に生成される。

典型的なステレオリソグラフィー・システムは、レーザスキャナ、樹脂を収容するための槽、槽内で昇降できる物体支持台、および制御コンピュータを備えている。このコンピュータは、プラスチック部品を製造するためにシステムを自動的に制御し、物体支持台上に硬化樹脂の薄い断面を一度に１つ形成し、所望の三次元物体を層毎に構築する。物体支持台は、硬化済み層を支持し、作業面を画成するために１つの層厚分の距離だけ液体樹脂の表面の下で静止する。レーザは、作業面で液体樹脂の選択された部分を硬化させ、次の硬化層を形成する。コンピュータは、新たな樹脂で硬化済み樹脂の表面をリコート(recoat)するようにシステムを制御し、所望の物体が完成するまで、これらの各工程を数千回に亘り繰り返す。構築された１つまたは多数の物体および完了した工程順序は、「構築物」および「構築」とも称される。オペレータは、必要に応じて、洗浄とさらなる硬化のために、樹脂槽から構築物を取り出す。槽内に残っている液体樹脂は、硬化済み樹脂の懸濁小片による汚染が酷くない限り、使用可能である。

新たな樹脂で硬化済み樹脂層をリコートする方法の１つは、液体樹脂中に支持台を「過剰に深く浸漬する」工程を必要とする。支持台は、樹脂浴の表面の下に所望の層厚より大きな距離だけ垂直に降下して、硬化済み層に新たな液体樹脂を被覆する。前記システムは、樹脂表面の下で１つの層厚分に支持台を上昇させる。過剰の液体樹脂は、重力によって樹脂を１つ分の層厚に平らにするように流れ去る。その後、レーザが作業面にエネルギーを与える。

薄層が平らになるのにかかる待機期間は、重合性液体の粘度、層厚、部品の外形、断面などを含むいくつかの要因により異なる。最近の樹脂のいくつかは、以前の樹脂よりも迅速に平らになる。レベリング（水平化：leveling）は、樹脂の表面に亘り掃引され、新たな樹脂を塗布し、重力による沈降よりもずっと迅速に過剰な樹脂を除去し、樹脂を収容する槽内の作業面を平らにする、ゼファーブレードと称されることもあるドクターブレードまたは真空支援ドクターブレードの使用により支援することができる。このブレードは、固化層をリコートすると言われ、「リコータ」と称されることも多い。

レーザのより効率的な使用およびより精密なイメージングのためのレーザシステムへの改良、構築媒質への改良、硬化時間の減少、槽内の樹脂レベルの制御などを含む、ＲＰ＆Ｍ技法を達成する効率を増加させるための様々な改良が提案されてきた。ステレオリソグラフィーシステムに、より短い時間でより多くの物体を製造させ、より精密度が高く、人の介在を少なくする追加の改良を行うことが望ましいであろう。

本発明は、三次元物体の無人構築を可能にする高速試作製造装置へのいくつかの改良を提供する。第１の物体の構築が開始した後に人のオペレータが居る必要なく、１つの構築媒質内の同じ位置から次々に２つの三次元物体を連続して構築できる。この装置では、オペレータは、最初の構築の完了と構築媒質からの取出し、二回目の構築の開始、または二回目の構築の完了に付き添う必要がない。装置は一回の構築に使用できるが、この装置では、オペレータが、２つの物体を連続して構築し、必要に応じて、取出し、洗浄、およびさらなる硬化に待機している装置に戻ることができる。

本発明の装置は、一度に複数の構築を完了でき、それぞれ二回目の無人の構築が行われるように１つのエネルギー源を有する多チャンバユニットに適用できる。最回の構築で完了した物体および二回目の構築で完了した物体の設計は同じでも異なっていても差し支えなく、構築媒質は初回の構築と二回目の構築で同じである。無人の構築順序における第１または第２の構築のいずれかである構築において、隣接したチャンバ内で同時に完了した物体は、通常、同じ構築媒質から調製されるが、硬化を可能にするために、適切な機械とプロセスの調節が行われる限りは、その必要はない。

本発明の実施の形態のより具体的な詳細において、本発明は、構築すべき物体の支持台を支持し、昇降させるための昇降機を有するハウジング、液体樹脂（物体はこの樹脂から構築される）を収容するための槽、液体樹脂の選択された薄層を固化させるためのエネルギー源、昇降機から第１の構築物を無人で取り出すためのカート、および昇降機、エネルギー源、カート、および槽内の樹脂レベルを制御するための制御システムを備えた、ステレオリソグラフィーのための装置および方法を提供する。

より具体的な実施の形態において、昇降機構成部材は、ステレオリソグラフィー・ハウジング内で昇降機駆動板に取り付けるための昇降機取付ブラケットを含む。取付ブラケットは、昇降機駆動板上の支持棒に着脱可能に係合取付するためのフックおよび樹脂の作業面の水平のｘ，ｙ平面と精密にアライメントされて取付ブラケットを配置する昇降機駆動板上のセンタリングピンを受容する受容部を有する。

取付ブラケットは、樹脂槽中に容易に降下され、槽から容易に上昇させられるように垂直に延在する昇降フレームに固定して支持されている。昇降フレームは、物体支持台を支持し、固定するように一組の昇降フォークを提供するために、略水平に延在している。物体支持台は、フォークと、フォークの後方の両側から外側に水平に延在するアームとによって支持されている。支持台は、フォークの前方で脱着可能に係合しているラッチ部材によりフォークに固定されている。ラッチ部材は、スプリングで付勢されたラッチ連結により作動される。ラッチ連結は、ラッチ係合から、ラッチ部材を、それゆえ、支持台を解放するように、昇降機が樹脂の上に十分に高く上昇されたときに、昇降機支持台上の傾斜部に係合するように動作可能である。

昇降機から第１の構築物を取り出すためのカートは、所望であれば、新たな物体支持台を昇降機に取り付けるようにコンピュータ制御により動作させることもできる。支持台は、第２の無人の構築のために槽中に降下させることができる。構築が完了した後、昇降機を上昇させて、樹脂から支持台と構築において完了した三次元物体を取り出して、樹脂をきる。自動取出しカートと以下で称されるカートが、ハウジング中で樹脂槽に精密にドッキングするように設けられている。伸縮式アームが、第１の構築物と関連する支持台と係合し、それを取り出すようにコンピュータ制御命令で延び、所望であれば、このアームを第２の構築のために新たな支持台を取り付けるように延ばすこともできる。

樹脂槽は、レベルセンサに応答して必要に応じて、追加の液体を槽に供給するための補給樹脂の容器を含む。構築中、槽内の液体を精密に制御されたレベルに維持することが望ましい。樹脂のいくらかが固化し、表面で追加の層を完了するために支持台が樹脂中に構築物を降下させるときに、樹脂レベルは変動する。第２の構築のために十分な樹脂レベルを維持するために構築の間に槽に樹脂を追加する必要もある。

本発明の具体的な実施の形態において、樹脂槽および補給樹脂容器は、無線周波数身元証明（ＲＦＩＤ）のためのタグを含む。補給樹脂容器中の樹脂は、間違った樹脂で槽内の樹脂が汚染されるのを防ぐように、槽内の樹脂中に入り込む前に、容易にスクリーニングし、身元確認できる。

さらに別の実施の形態において、本発明は、樹脂の表面に亘り作業面に対して平行なままにするためにコンピュータ制御できる樹脂レベリングのためのリコータアセンブリを含む。リコータアセンブリは、リコータブレードおよび三方向（ｙ、ｚおよびシータ）のいずれにおける調節も行うブレードのためのキャリヤを含む：１）樹脂表面に亘りリコータアセンブリが移動する水平ｙ軸方向、２）リコータブレードの底部と樹脂の作業面との間のブレード間隙を提供し、槽からリコータアセンブリを取り出すための、上下に移動する垂直ｚ軸、および３）移動のｙ軸方向にずっとブレードを樹脂表面に対して平行に維持するための、ｙ軸に対して平行な回転シータ軸。ｘ、ｙ平面は、樹脂の作業面に相当する。

リコータブレードは、リコータの移動長さに亘りずっと樹脂の作業面から同じ距離に維持される。リコータブレードは、「ｚ」軸に沿って垂直に移動し、リコータの端部が樹脂表面から常に同じ距離にあり、ブレードが樹脂表面に対して平行であるように、リコータの移動する「ｙ」軸に対して平行かつ間隔が置かれている縦軸シータの周りに回転する。本発明のこの実施の形態は、機械エラーを修正し、三次元製品の不正確さを減少させる。機械エラーは、以前は、リコータ装置の退屈な調節を要していた機械式装置における不均一から生じる。

リコータのコンピュータ制御は、樹脂表面とのレーザ接触を開始する前に、リコータの底部と、得られた樹脂の作業面との間の距離についてのデータセットに応答して与えられる。リコータキャリヤハウジング内に収容されたセンサがこのデータをコンピュータに提供する。このセンサは、ブレードの長手方向（ｘ軸）に沿って動く動作システム上にある。センサは、リコータの移動の多数の点ｙでのデータを得るために、それぞれが槽の縁に隣接したリコータの両側にある、２つの固定した位置ｘで樹脂の作業面の水平のｘ、ｙ平面の上で動作する。リコータは、センサがそこまでの距離を測定する、ブレード間隙検出脚である、各端部での細い脚を有する。脚の底部の厚さが知られており、脚の細い部分の頂面までの距離であるセンサ測定値に加えることができるので、センサから脚の底面までの距離は精密に決定できる。センサは、樹脂の作業面に対する距離を読み取るために、わずかな距離ｘだけずれている。作業面までの距離とリコータの底部の間の差が計算され、このデータは、樹脂槽の各側について記憶される。コンピュータは、使用する特定の樹脂に関する経験データに基づいてｚ軸に関してブレード間隙を設定する。リコータは、ブレード間隙を固定したままにするように作業面からの各端部での距離を一定に維持するために、シータ軸の周りに回転され、ｚ軸に沿って昇降される。それゆえ、リコータがそれに沿って移動する軌道におけるエラーを含む機械エラーおよび位置決めエラーを考慮し、補正することができる。

リコータは、無人の連続構築様式において構築間に交換する必要なく、精密な位置決めおよび工具の必要ない手による容易な取出しと交換のために設計されている。リコータは、各端部でキャリヤに固定して取り付けられている。磁石を用いてもよい。

ブレードの正確な方向付けは、２つの様式で確認される。リコータキャリヤハウジング上の対応するレセプタクル内に配置するために、ブレードの各端部に異なる形状のアライメントピンが含まれている。リコータキャリヤの各端部には接点が設けられ、その全ては、ブレードがキャリヤハウジング上に正確に配置されていることを示すために、近接スイッチからの信号を生じるように作動されなければならない。リコータは通常、真空支援されており、キャリヤから延在する軟質結合具のための皿穴である、ブレード内の真空レセプタクルが設けられ、そのため、真空の連絡は、キャリヤ上にブレードを正確に配置し、真空にすることによって、単純に確立される。

本発明の装置および方法は、１つの樹脂槽、またはある層が選択された槽内で固化されている間に他の層がリコートされているような、１つのレーザにより動作される２つ以上の樹脂槽に適用できる。一般に、２つの樹脂槽は、次々にレーザが当てられるが、適切なスキャナおよびビームスプリッタを用いて、３つ以上にレーザを当てることも可能である。

それゆえ、本発明は、最初の構築が完了した後、１つの樹脂槽から無人のステレオリソグラフィー構築を行う。本発明は、無人の構築を可能にするようにステレオリソグラフィー装置への多数の改良を含み、三次元物体の精密な製造に要求される精度の達成を非常に単純化するように自動コンピュータ制御を行えるいくつかの特徴を提供する。これらの改良としては、昇降機から第１の構築物を取り出し、新たな物体支持台を提供するための自動取出しカート、同時構築のための槽間のレーザの切換え、無人構築をサポートするのに十分な樹脂供給を自動的に決定するためにステレオリソグラフィー装置への補給樹脂容器の直接の連結、樹脂の健全性を維持するための樹脂容器のＲＦＩＤ検証、構築中の樹脂の作業面レベルの自動レベリングと構築間の槽の自動補充、作業面とリコータとの間の距離の自動測定およびリコータの回転の自動制御と機械エラーの補正のためのリコータの移動軸に亘るこの距離のマッピング、昇降機からの物体支持台の自動解放と新たな支持台との交換、並びに器具を使わずに完全に手によるリコータブレードの取付けと取出しが挙げられる。

以下、図面に示す実施の形態を参照して、本発明をより詳しく説明する。

ここで、図１を参照すると、ステレオリソグラフィーのための２つのチャンバ１２，１３を収容するための２チャンバハウジングが１０で示されている。このハウジングは、レーザの利用効率を増加させるための２つのチャンバを有している。一回の運転で両方のチャンバ内で物体を構築するように、一方のチャンバにおいて物体表面がリコートされている間に、他方のチャンバにおいてリコートされた物体表面にレーザを施すことができる。多数のチャンバ内でレーザを使用するためのレーザとシステムが以下詳細に取り扱われる。

ハウジングは、それぞれ、各チャンバ１２，１３に１つずつ、観察窓１４，１５を対向する側壁上に有する。各チャンバは、ヒンジ操作される取外しできる窓を備えたドア１６，１７を有する。窓は、支持台と完成した物体の無人の取出しおよび第２の無人の構築のための新たな物体支持台の配置のための自動システムを動作させるために用いられる。

槽２１は樹脂１８を収容している。ステレオリソグラフィー装置は、この樹脂から三次元物体を形成する。槽２０は、チャンバ１２内に配置されているのが点線で示されている。槽２１は、開いているドア１７を通してチャンバ１３中に導入される準備ができているのが示されている。昇降機取付ブラケット２３が、物体支持台３０（図２）を樹脂の作業面に対して槽内で昇降できる昇降機昇降板８２（図８）に取り付けるために、槽２１の後部に隣接して位置している。この支持台は、構築がその上で行われる支持台である。昇降機取付ブラケットはフック８６（図８）を有し、それによって、昇降板への取付けが行われる。

昇降機取付ブラケットおよび昇降機昇降板は、支持台を昇降させるように全てが協働するいくつかの部材を含む昇降機アセンブリの一部として協働する。図２は、槽２１の上に配置された、槽と共にチャンバに出し入れできる昇降機部材のサブアセンブリ２２を示している。所望であれば、図２に示した取外可能なサブアセンブリは、１つの槽に専用であっても差し支えない。これらの部材は、支持昇降機フレーム２４にしっかりと固定された昇降機取付ブラケット２３およびフレーム２４に支持された昇降機フォーク２５を含む。フレーム２４は、槽の底部に到達できるように垂直に延在する。フレームに結合したフォークは、フレームの後部から側方に延在して支持台３０を支持する間隔の空いた支持部２７，２８と協働する。ラッチ３６が昇降機フレームの前端にあるタブ３３および３５と作用して、一旦、構築が完了し、昇降機が槽から持ち上げられたら、支持台の自動取付けと取外しのために支持台を固定したり解放したりする。

槽２１およびチャンバ１３に関連する昇降機アセンブリおよびサブアセンブリ２２に関する図２および８の先の議論は、槽２０およびチャンバ１２にも同様に当てはまり、槽２０が同様の昇降機部材および物体支持台を有することが認識されよう。この点に関して、１つの槽またはチャンバに関連した、昇降機アセンブリとサブアセンブリ、リコータアセンブリ、槽、プロセス工程、および自動取出しカートの動作の以下の議論は、別の槽またはチャンバにも等しく当てはまる。

図３は、板状金属カバーが取り外されている支持台３０を支持するための昇降機フォーク２５およびフレーム２４を示し、ラッチリンク３７を露出している。ラッチリンク３７は、取付けに際してタブ３３および３５と連動して支持台を固定し、装置から取外しするために支持台をフォークから解放するようにラッチ３６を作動させるように動作可能である。ラッチリンクは、ラッチ３６に、フォークに取り付けられたときに支持台をフォークに固定し、次いで、支持台が槽の上に十分に上昇させられたときに取外しのために支持台を解放させるようにスプリング付勢ロッド３８により作動させられる。

昇降機フォークから支持台を解放するためのラッチリンクの作動が、図２２および２３を参照して、図９に示されている。図９は、チャンバ１２内でこのチャンバ内の槽２０内の昇降機フォーク２５に固定された支持台３０を示している。昇降機アセンブリが十分に高く持ち上げられたときに、ロッド３８は、チャンバ部材フレーム９２上の傾斜表面９０と係合する（図３、９、２２および２３）。昇降機が上昇し続けると、この傾斜部が、ラッチ解放ロッドを支持台に向かって外側に押し付け、ラッチリンクを作動させて、ラッチ３６を解放する。同様に、支持台が空のフォークに取り付けられ、傾斜部が解放ロッドと係合しなくなるように昇降機アセンブリが降下されたときに、スプリングがラット解放ロッドとリンクを付勢して、ラッチを閉じ、支持台をフォークのタブ３３および３５に対して固定する（図２８および２９）。

図７および８は、昇降機アセンブリの部材の第２のサブアセンブリ３９を詳しく示している。図７は、ステレオリソグラフィーチャンバに関連してこのサブアセンブリを示しており、図８は、第１のサブアセンブリの昇降機取付ブラケット２３に関してそのサブアセンブリを示している。第２のサブアセンブリのこれらの部材は、ドア１６（図１）の反対の後壁８０（図７）に沿ってステレオリソグラフィーチャンバ１２内に固定されており、図２に示したサブアセンブリ２２の部材のようには、槽に入ったり出たりしない。チャンバの昇降機部材である、図７および８の第２のサブアセンブリのこれら固定された昇降機部材は、第１のサブアセンブリの昇降機部材、槽昇降機部材（図２）、および特に、図８の昇降機取付ブラケット２３を受け取って、組合せで、完全な昇降機アセンブリを形成する。２つのサブアセンブリが連結された昇降機アセンブリが、図９に斜視図で示されている。

昇降機昇降板８２は、昇降機取付ブラケット２３上に図８の受容部９６中に嵌合し、取付ブラケット２３を、それによって、昇降機フレーム２４およびフォーク２５を水平ｘ、ｙ平面で位置決めする位置決めピン８３を備えている。昇降機昇降板８２は、取付ブラケットおよび関連するフレームとフォークを樹脂槽中またはそこから昇降させるために、取付ブラケット２３（図８）上のフック８６と係合するロッド８４を備えている。昇降機昇降板８２に関して、昇降スクリュー８５が図７および８に示されている。昇降スクリュー８５は、昇降機昇降板、取付ブラケット、フレームおよびフォークを垂直ｚ軸に沿って昇降させるようにモータ９１により回転させられる。また、樹脂槽２０を樹脂１８の表面１１２（手短に図１２を参照のこと）のｘ，ｙ平面に対して平行な水平面に位置決めするための位置決めピン８８も含まれている。

図１０は、部分斜視図で、ステレオリソグラフィーチャンバ１２内に樹脂槽を受け取るためのｚ軸に位置する昇降機昇降板８２およびそれぞれ、レーザスキャナ１００およびリコータブレード４２とキャリヤ４４のそれに対する位置を示している。槽をステレオリソグラフィーチャンバ中に押し入れ、構築物を調製する工程の順序が図１１から２３に示されている。槽がその昇降機サブアセンブリおよび固定された支持台と共に本発明のステレオリソグラフィーチャンバ内に押し入れられ、位置決めピン８８に心出しされると、次いで、取付ブラケット２３が、昇降機昇降板８２および昇降ロッド８４に垂直にアライメントされる（図１１および１２）。モータ９１が昇降スクリュー８５を回転させて、昇降機昇降板を上昇させる（図１３）。昇降板が上昇するにつれ、昇降ロッドが取付ブラケット２３のフック８６に係合し着座し（図１３）、位置決めピン８３が取付ブラケットの受容部９６に係合し着座し（手短に図８を参照のこと）し、それによって、チャンバ昇降機と槽昇降機サブアセンブリを連結し、槽昇降機サブアセンブリを槽内で心出しする。昇降板がさらに上昇するにつれ、槽昇降機サブアセンブリおよび昇降台が樹脂内で上昇する（図１４）。昇降板を十分に上昇させると、前述したように、ラッチ３６が解放される。昇降板を十分に降下させると、必要であれば、槽と槽昇降機サブアセンブリを取り外せるように、昇降ロッドを取付ブラケットとの係合から解放させる。通常は、槽は、構築物をその上に有する支持台とは別々に取り外される。

ここで、構築前に、ブレード間隙をマッピングするためにリコータアセンブリとその使用の議論を始めると、図１５は、ｙ方向に樹脂作業面１１２を横切るリコータブレード４２およびキャリヤ４４のチャンバ１２を通る断面図を示している。リコータアセンブリは、４０で示されている（図４）。リコータアセンブリは、リコータブレード４２およびリコータブレードが取り付けられ、そのリコータブレードを動かすキャリヤ４４を含む。リコータブレードは、１）ｙ軸方向に樹脂表面に亘って水平に前後に、２）ｚ軸方向に垂直に上下に、および３）シータ軸であるブレードの中心の周りに、ｙ軸から離れてそれと平行に回転して、図示した軸に沿って動くようにコンピュータ制御されている。リコータブレードと図示したものの従来の機能は、作業面１１２のレーザ走査露光の間に新たな樹脂層のレベリングをスピードアップすることであり、これは一般に、過剰に深い浸漬(deep dipping)と重力沈降(gravity settling)よりも短い期間でより高い精度の部品を提供する。

図４のリコータブレードのキャリヤが垂直動作ステージ４７に取り付けられている。垂直動作ステージ４７は、垂直ｚ軸に沿って上下方向にブレードを移動させるためにトラック４９に着座している。トラック４９は、次に、トラック５０に嵌り、トラック５０内で移動して、リコータブレードを樹脂表面に亘り水平のｙ軸方向に進む。ケーブルドライブおよび関連するステッパベースの線形駆動モータが、本発明の実施のこれらの態様に使用するのに適していると決定された。

本発明のリコータアセンブリは、リコータブレードを、移動する長さ中ずっと、樹脂表面に対して平行に維持するために読み取り値をコントローラに提供するセンサ４５を含む。リコータブレードの各端部は、樹脂表面から同じ距離に維持される。センサは、キャリヤ４４内に収容され、距離の読み取り値が樹脂表面のｘ軸に沿った異なる位置で得られるようにキャリヤの長手方向に沿ってｘ軸方向に移動できる。キャリヤ内でセンサを移動させるために、キャリヤ内に収容された、垂直動作ステージ４７内のモータにより動力が供給されたケーブルドライブを使用することができる。

樹脂表面に亘って掃引されるときのリコータブレードの樹脂表面からの距離は、「ブレード間隙」と称する。ブレード間隙は一般に、特定の構築に選択された樹脂とその物理的性質に依存し、構築について経験的に予め決定され、ステレオリソグラフィー制御コンピュータのメモリ内に記憶された量である。センサ４５の機能は、樹脂表面を横切ってリコータブレードの移動範囲に亘り指定されたようにブレード間隙を維持するのに必要なデータを提供することである。リコータアセンブリが移動するトラック内の変動および機械エラーの他の源が、ブレード間隙を変化させ得る。本発明のコンピュータ制御されたリコータアセンブリは、これらの問題を実質的に解決し、この業界でハードウェアの問題であったものを理解し、ソフトウェアの解決策を提供する。

センサ４５は、レーザダイオードセンサであり、狭い測定範囲を持つ高解像度センサである。イリノイ州、ショウンバーグ所在のオムロン・エレクトロニック・コンポーネンツ(Omron Electronic Components)社から得られるオムロン光学センサモデル番号ＺＸＬＭＤ３０がセンサ４５として有用であることが分かった。このオムロンのセンサは、高感度であり、標的に接触するように集束エネルギービームを放出し、反射したビームを受け取ることによって作動する。その反射ビームを比較することによって、標的までの距離をステレオリソグラフィーに十分な精度で決定できる。

リコータブレード４２は、構築の開始前に、オムロンのセンサ４５により得られたデータに応答して樹脂表面に対して平行に維持される。センサはデータを得て、そのデータから、コンピュータコントローラが、リコータブレードの２つの端部に対応する樹脂槽の各端部に沿った２つの点ｘで様々な点ｙに沿って、リコータブレードの底部７６（図６）から樹脂の頂面すなわち作業面１１２（図１２）までの距離を測定する。図４、５、６、１５、１６Ａから１６Ｃおよび１７は、このデータを得て、構築中に行われるリコータブレードへの調節をマッピングするためにオムロンのセンサとリコータアセンブリとの間の相互作用を示している。構築中、コンピュータコントローラは、構築前に得たマッピングに応答して、移動軸シータの周りにリコータブレードを回転させて、リコータブレードの２つの端部を、ｙ軸に沿った間隔の空いた点ｘで樹脂表面から同じ距離に維持する。シータ軸は、樹脂表面のｙ軸に対して平行であり、そこから離れた軸である。ブレードが基づいて回転させられるデータはリアルタイムでは得られず、リアルタイムと構築の開始前に得られたマッピングとの間の差は、重大であるとは判定されていない。

図５および６は、図４に示したリコータブレードの右手側の端部に対応する、ｘ軸に沿ってとられたリコータブレード４２の端部を示している。図６は、ブレードの特徴を完全に示すために、図５と同じ端部を、ブレードの底部から示している。一方のみが示されている脚部５６は、各端部でブレードの底部から側方の外側に延在する。脚部の底面である表面６０は、測定目的のためのブレードの底部を画成する。各脚部は、ブレードの底部に関するオムロンのセンサの読み取り値を得るために、頂面でブレードから離れた脚部の端部の薄い表面５８まで切り落とされているかまたは精密研削されている。脚部の底部６０から切り落とされた部分５８の頂面までの距離は、固定され、コンピュータ内に記憶される。この脚部の厚さ距離は、オムロンのセンサの動作範囲のために小さい。

読み取り値を得るために、オムロンのセンサは、リコータブレードの一端に隣接して、ｘ軸に沿った一点でキャリヤ内に固定される。図４、１５および１６Ａから１６Ｃは、左端部に隣接してキャリヤ内に点線でセンサ４５を示している。ブレードは、読み取り値を得るときに樹脂に触れず、オムロンのセンサから脚部の頂部を覆い隠す樹脂はない。チャンバに関連する図１５と、詳細図の図１６Ａに示されるように、固定位置ｘ、ｙでは、オムロンのセンサ４５は、センサから脚部５６の頂面５８までの距離の読み取り値を得て、脚部の底面６０に対応し、頂面５８と底面６０との間の脚部の所定の厚さに基づく脚部の位置の値を指定する。図１６Ｂに示すように、図１６Ａと同じ位置で、オムロンのセンサは、脚部と同じ位置を近似し、オムロンのセンサがセンサから樹脂表面１１２の頂面までの読み取り値を得るようにするのに十分に小さな距離ｘだけ動かされる。コンピュータコントローラは、脚部の底面と樹脂表面に関する２つの読み取り値の間の差を決定し、そのデータを記憶する。次いで、図１６Ｃに示したように、リコータアセンブリは、矢印に示されたように距離ｙだけ移動して、槽の一方の側に沿った全表面が１つのｘに関する様々な点ｙでマッピングされるまで、追加のデータ点を得る。その後、オムロンのセンサは、キャリヤの反対側（右側）に移動して、異なる位置ｘと同じ位置ｙで槽のその側のデータマッピングを得て、マップを完了する。完全なマップがコンピュータ制御により得られ、その後の構築中に使用するために記憶される。

リコータブレード４２は、完全に手作業によりキャリヤ４４に取り付けたり取り外したりすることができる。ステレオリソグラフィー装置のコンピュータは、リコータブレードのアライメントを制御し、以前の装置に関連する単調な工程を実質的に減少させる。図５および６並びにブレードの取付けと取外しを容易にするリコータブレードとキャリヤの特徴の議論に戻ると、一方だけが図６のリコータブレードに示されている刻み付きハンドル５５が、手作業によりリコータブレードをキャリヤに取り付けたりキャリヤから取り外したりするために用いられる。図４および１７から１９に見られるように、ブレードの端部には対応するハンドルが図６には示されていないのが認識されよう。リコータブレード上の受容部６４（図５）は、リコータキャリヤ上の対応する位置決めピン６６を受け入れる。ピン６６は、断面が丸く示されているが、この形状は異なっていても差し支えない。リコータキャリヤの反対の端部に異なる形状の第２の位置決めピンを、またブレード上に対応する受容部を提供することが望ましいであろう。これらの位置決めピンは、オペレータが、ブレードがキャリヤ上に正しく方向付けられていることを確認するのを助ける。それぞれ、ブレードキャリヤの各端部に１つと、リコータブレードの各端部の１つの、磁石７０および７１または他の取付手段により、リコータブレードがキャリヤ上に固定される。他の取付手段を用いても差し支えないが、そには、ブレードの取付けや取外しのための器具が必要となるかもしれない。ブレードがキャリヤ上に適切に適所に固定されていることを示すために近接スイッチ７５を作動させるように、接点７２を設けることができる。キャリヤ上のリコータブレードに関する正確な位置を知らせるように近接スイッチを作動させるために３点の接触が必要とされるように、図示したように、キャリアの一方の端部に１つ、反対の端部に２つ、合計で３つ、そのような接点を設けることが有用である。

リコータブレードは、図６における逆さにされた位置で見られる真空通路７７を底面７６に有する。真空通路は、従来の様式で新たな樹脂層を平らにするのに役立つ。ブレードは、真空が作動されたか否かをオペレータが見るための、中央に位置する観察窓７８（図４）を有する。ブレードとキャリヤとの真空接続は、硬く（ハードに）嵌め込まれておらず、完了するのに器具は必要ない。真空接続は、接続が、ブレードとキャリヤの中央に位置する協働する封止真空ポートの間、一般に、ブレード上の真空カップとキャリヤ上の協働部材との間に設けられるという点で、「ソフト」である。

ステレオリソグラフィーチャンバ内に槽を取り付ける前に、リコータアセンブリは「待機」させられる。すなわち、リコータブレードは、チャンバのドアに最も近いｙ軸方向に配置され、カートのように操作できるように底部に車輪が固定された槽の通路を外れてｚ軸方向に持ち上げられる（図１１および１２）。槽は、リコータアセンブリに衝突せずに、チャンバ中に押し入れられる。槽が一旦取り付けられると、リコータアセンブリは、樹脂表面とリコータブレードの底面との間の関係をマッピングするために樹脂表面に隣接して、そこから間隔が置かれるように降下させられる（図１７）。本発明は、樹脂作業面の上でブレード間隙よりも大きい距離に保持されたリコータブレードによりマッピングを行う。この距離は、ブレードの脚部が樹脂により覆われないことを確実にするのに十分である。もし覆われてしまったら、ブレード間隙を調節するのに必要とされるデータを生成するオムロンのセンサの能力に悪影響が及ぼされるであろう。

構築が始まると、リコータブレードの真空がオンにされ、ブレードが、樹脂に対して所定のブレード間隙まで降下させられる（図１４）。真空が、ブレード内の真空通路７７中と観察窓７８中に樹脂を引き込む。脚部は、一般に、ブレードが表面を掃引するときにそれらの上に樹脂を有する。この操作は、新たな樹脂層を支持台上の構築物上に塗布する毎に行える。

構築の精度は、槽中の樹脂を正確なレベルに維持することに対して非常に敏感である。構築平面は、構築の開始前に確立される。レーザ走査システム１００（図１９）は、チャンバに固定して取り付けられており、作業面のｘ、ｙ平面が位置できるｚ値の範囲を確立する、「構築面」と称される、空間で特定の点で樹脂の作業面に当たるように制御される。本発明のリコータブレードの効果的なレベリングを自動化する能力は、樹脂表面のマッピングが構築前に確立されたときと同じレベルに樹脂を維持することに依存する。

第２のオムロンの液体レベルセンサが８７で示されており（図７および９）、槽内の樹脂のレベルおよび追加の樹脂を槽に加えるべきか否かを決定するために、チャンバハウジングの後部にある昇降機フレームにしっかりと固定されている。センサ８７は、構築中に構築面を維持するために樹脂を加えたり除去したりする必要があるか否かを決定する。構築中、センサ（図３０）は、ずっと同じレベル、それゆえ、マッピング中に得られたものとブレードから同じ距離に維持するために、樹脂を加えたり除去したりできるように槽内の樹脂のレベルを決定する。このオムロンのセンサは、センサが、作業面のレーザによる連続走査間で動作し、適切な樹脂レベルに到達したときにスイッチが切られるという点で、閉ループで動作するレーザダイオードセンサである。

樹脂レベルの制御に使用するための補給樹脂容器１２７，１２８，１２９を備えた槽２１が、取外しできるカバー１４１と共に、図３２に示されている。樹脂容器１２７，１２８および１２９は、取付けと取外しを容易にするために係合ハンドル１３６，１３７および１３８により槽から旋回式に離される傾けられる貯蔵部１３３，１３４および１３５内にそれぞれ保持されている。各容器１２７，１２８および１２９は、迅速取外二重切離し連結により、槽２１に連結されている。各容器１２７，１２８および１２９は、連結されたときに、樹脂が容器から連結部を通って槽２１中に流動できるように、槽２１上の対応する貯蔵部１３３，１３４および１３５内の連結部と係合するノズル（両方とも示されていない）を有する。各ノズルにはＲＦＩＤタグが成形されているか、または他の様式でノズルに組み込まれている。各連結は「スマート・カプラ」である。何故ならば、樹脂タイプ、樹脂のバッチ番号、使用期限、樹脂容積および潜在的に容器が用いられている槽とステレオリソグラフィー装置の身元などの、容器とその中の樹脂についてのデータを検出し、ステレオリソグラフィー装置の制御コンピュータに送るためのリーダが、そのカプラに成形されているかまたは他の様式で組み込まれているからである。リーダは近接リーダであり、それゆえ、ステレオリソグラフィー装置の制御コンピュータは、間違った樹脂または期限の切れた樹脂が容器内に取り付けられている場合、容器のノズルが貯蔵部の連結を介して槽に継手連結される前に、オペレータに警告を発することができる。槽とステレオリソグラフィー装置のコンピュータとの間のこのデータフローは、槽とステレオリソグラフィー装置が適切なケーブルにより連結されたときに、データおよびパワーポート１０１を通じて行われる。各容器は、そこから槽中に流動する樹脂の量を追跡記録することもできる。補給樹脂容器の内の２つ（１２７，１２８）は、構築の間に槽を補充し、ベローズ・ポンプ１０２により動作して、４２０リットルの容量の槽について、毎分約１リットルの樹脂の十分な一回の動作量を供給する。槽２１の壁に取り付けられた２つのオムロンの超音波センサ（図示せず）が、樹脂を加える必要があるか否かを知らせるために、構築前に樹脂が所定の最小値と最大値との間にあるか否かを決定する。各槽２１も、図１１および１２の昇降機取付フック８６が支持されている外壁に、リーダ８１により読み取られるＲＦＩＤタグ１９を有し、このリーダが、槽の身元、樹脂の初期量および取付け日に関するデータをステレオリソグラフィー装置の制御コンピュータに送る。

樹脂は、最初に、ライン１０６を介して、ある容器、例えば、容器１２８から供給され、その容器から空になったら、構築の開始前に樹脂が最低レベル未満であることの超音波センサからの検出に応答して、ステレオリソグラフィー装置の制御コンピュータにより開けられた適切なバルブを持つバルブアセンブリ１３１によって、ライン１０７を介して他の容器、例えば、容器１２７から供給される。補充樹脂は、供給容器から、バルブアセンブリ１３１および供給ライン１１１を通してベローズ・ポンプ１０２まで、入口ポートを介して、出口ポート（両方とも図示されていない）を通して、槽２１に流動する。別の容器１２９は、入口ライン１０８および流出ライン１０９を介してリザーバとして機能して、センサ８７による検出に応答してステレオリソグラフィー装置の制御コンピュータからの命令によって同様に作動されたバルブアセンブリ１３１内の二方向フローバルブによって、構築中の変動に応答して槽内のレベルを低下させたり上昇させたりする。液体レベルセンサ８７は、各層の間の槽内の正確なレベルの読み取り値をとる。樹脂は、固化したときに収縮するであろう。支持台と構築物が降下されたときにそれらによる樹脂の移動が、槽内の樹脂のレベルに影響を与えるであろう。構築中の樹脂レベルを制御するための有用なポンプは、正確に制御された少量の流体を供給するための、蠕動ポンプ１０４などの定量ポンプであり、槽内のレベルを緊密に制御できるように樹脂を加えたり除去したりするために何回かのストロークを要するであろう。蠕動ポンプは、正確な制御を行うために、数回のストロークで約１ミリリットルの容積の流体を供給できる。バルブアセンブリ１３１は、必要であれば、槽２１からの樹脂を、ライン１１０を通し、バルブアセンブリ１３１、ライン１１１、ベローズ・ポンプ１０２、ライン１１３を通して、槽２１に戻して循環させることができる。この循環特徴は、槽２１内の樹脂の量を保存し、粘度の上昇を防ぐのに役立てることができる。このアセンブリは、ステレオリソグラフィー装置のソフトウェアにより自動的にまたはオペレータによって開始される構築の間にもっともうまく用いることができる。

オムロンのセンサにより発せられるレーザビームの焦面は、樹脂表面またはリコータブレードの平面にあるか否かにかかわらず同じであることが認識されよう。検出器アレイを用い、ガウスビーム分布を確立する従来のビームプロファイラシステムは、レーザビームのビーム位置および幅を決定する。このシステムは、自動校正であり、異なる樹脂についてカスタマイズされたブレード間隙の設定が可能な３軸スキャナを用いて、ビームの焦点距離を変化させることができる。この情報を長期に亘り格納すると、本発明の個々のシステムにおける特定の樹脂に関するデータログファイルのライブラリーが設立される。

精密な樹脂の配置を確認し、異なる樹脂を混合するような費用のかかるエラーを避けるように、無線周波数身元証明タグ（ＲＦＩＤ技術）で樹脂容器に印を付けることが有用である。オペレータは、樹脂が異なる場合、樹脂槽を補給容器に連結する前に警告を受け、正確な樹脂を確認することができる。

ステレオリソグラフィーに一般的に用いられるタイプのレーザシステムは、本発明の方法および装置の実施において有用である。レーザビームを位置決めするためにガルバノミラーを用いたｘ，ｙ走査レーザが有用である。物体１１７の層１１５を固化するために所定の経路で、構築面である樹脂の作業面１１２にエネルギーを供給する走査システム１００が図１９、２０および２１に示されている。レーザ窓が、通常、加熱されているプロセスチャンバからレーザシステムとガルバノメータシステムを隔離している。

レーザをより効果的に使用できるようにレーザビームの複数の連続経路を生成するために、ダイナミックビーム偏光器を用いても差し支えない。効率を増加させるために、本発明の実施と共に、１つのレーザを用いて、同時構築のために二つ以上の別々のステレオリソグラフィーチャンバ１２，１３（図１）およびガルバノメータシステムにエネルギーを提供することができる。あるチャンバ内の三次元物体が新たな樹脂層によりリコートされている間、構築のリコートの間にレーザが使用されない状態で待機していないように、レーザが隣接するチャンバ内で走査露光を行うことができる。

レーザ制御システムは、精度を損なわずにより大きな物体を製造できるようにレーザの焦点を動的に変えることができる。図９および１８に示すように、チャンバの後部に位置し、チャンバの昇降機サブアセンブリフレーム９２に取り付けられた検出器セル８９が、スキャナ１００（図１８）により提供される、樹脂を固化するのに用いられるレーザビームの強度、焦点距離およびスポットサイズを制御するための情報を提供する。オムロンのセンサの場合のように、３軸スキャナが、樹脂の中央にあるかまたは層の外縁にあるかにかかわらず、構築が同じ品質と精度であるように、レーザの焦点距離およびスポットサイズを変化させるのに有用である。

図１９は、斜視図で、樹脂の表面のｘ，ｙ平面におけるレーザの走査露光を示している。構築の過程が図２０から２３に示されている。所望の物体の支持層が最初に固化すべきものであるのが理解されよう。チャンバを通った断面の図２０に示したように、断面層１１５がレーザビームの適用により固化されるにつれて、支持台が徐々に降下される。レーザが一層を固化し、昇降機が支持台を降下させて新たな樹脂層を提供し、リコータが樹脂を平らにして１つの層厚を提供する。レーザの走査露光と樹脂のリコートを連続して何回も行った後、支持台は、図２１に示すようにかなりの深さまで降下され、１つの構築物体１１７が完成した。次いで、昇降機が、図２２に断面図で、図２３に斜視図で示すように、樹脂から構築物と支持台を取出し位置まで移動させる。

図２４から３１は、完成した構築物と支持台の自動の取出しと第２の構築物の完成に含まれる工程順序を示す。図２４は、上述したように支持台のラッチを解放するために上昇させられた、支持台３０上に支持された完成した構築物体１１７を有する本発明のステレオリソグラフィーチャンバの側面図を示す。チャンバ内の完成した構築物のこの段階の斜視図が図２３に示されている。樹脂から構築物を上昇させる前に、リコータブレード４２およびキャリヤ４４は待機させられていることが認識されよう。第２の構築をそれによって行えるようにする無人の支持台の交換を行うためにコンピュータコントローラ１２６に連結された自動取出しカート１２０も図２４に示されている。カート１２０は、構築物体１１７と支持台３０を取り出し、槽に新たな支持台を供給するために、それぞれ、垂れ受け１２２を支持し、搬送するための伸縮式アームセグメント１２３および１２５（図２５）を有する。

図２４の側面断面図は、取出しカートが、ステレオリソグラフィーチャンバの図１のドア１６または１７と接触して、窓が手作業で取り除かれるかまたは開放位置まで旋回され、樹脂槽の一部の下に押し込まれることを示している。図１に示したように、ドアは、底部に開口部を画成するブラシを有し、その開口部を通して、自動取出しカートのローラが進入する。伸縮式アームが、問題なく支持台を交換できるように槽と昇降機と協働するように、自動取出しカートは槽とドッキングすべきである。図３２は、樹脂槽へのドッキングを確実にするために使用できる接続器具１３２および１３９を示している。ドッキングは自動化されておらず、ステレオリソグラフィー装置のためのコントローラ１２６（図２４）にカートを連結するオペレータにより行われる。チャンバドア１６、１７の窓（図１）は、自動的に構築物を取り出せるように、オペレータにより取り除かれるか、またはヒンジ式に開かれる。

構築が終わった後、支持台３０および構築物体１１７は、フォークとフレーム２４にタブ３３および３５で支持台を固定するラッチ３６を解放するために、十分に高く上昇させられる。伸縮式アーム１２３は、昇降機フレーム２４が垂れ受け上に配置されるように、その上に垂れ受け１２２を有するカートから延びる（図２５）。昇降機フレームは降下される。垂れ受けとフォークは、支持台と構築物が垂れ受け上に置かれ、フレームが通過するように構成される（図２６）。伸縮式アーム１２３は引っ込められ、構築物体および支持台は、チャンバから取り出されてカート上に置かれる。次いで、ラッチ３６がまだ解放位置にある間に、昇降機フレームは、新たな支持台を受け取るように降下される（図２７）。

伸縮式アーム１２５が、図２８に示されるように延ばされ、その上に新たな支持台１２４を有している。次いで、昇降機フレームは、新たな支持台と係合しそれを受け取るように上昇させられ、伸縮式アームが引っ込められる（図２９）。支持台を昇降機フレームに固定するラッチ３６は、支持台が十分に降下されるまで、ラッチが開かれる方法とは反対に、係合しないことが認識されよう。

新たな支持台が適所に配置され、ラッチが固定したら、昇降機が、上述したように、第２の構築のために加える必要のある樹脂の量に関する測定のために、新たな支持台を樹脂槽中に樹脂表面の下に降下させることができる（図３０）。図３１に示したように、取り出された第１の構築物体１１７および樹脂槽の上に支持台上で持ち上げられた第２の構築物体１３０が提供されたときに、第２の構築が完了する。

本発明の装置をいくつか詳細に説明してきたが、ここで、プロセス工程の検討に移る。図３３は、本発明による１つの槽内での無人構築を行うための基本的な流れ図を示している。無人の構築様式において、この装置は、第１の三次元物体を構築し、槽と昇降機から完成した構築物体を取り出し、第２の無人の構築を完了する。第１の構築物が取り出された後、この装置は、昇降機上に新たな支持台を取り付け、必要に応じて樹脂パラメータを調節し、第２の構築物を完成させ、樹脂槽から第２の構築物を取り出す。１つの槽または隣接する複数の槽において一回の構築で同時にいくつかの物体を構築しても差し支えなく、図３３は、１つの槽内での１つの物体の無人構築を示していることが認識されよう。多槽プロセスにおいて、他の槽で無人構築を同時に行うこともできる。

図３３における工程１４０によるプロセスの開始で、人間のオペレータは、いくつかの機能を実行する。無人の構築様式を選択したら、オペレータは、最初に、典型的に物体表示ためのＣＡＤ／ＣＡＭプログラムを使用して、物体表示を入力する必要がある。次いで、オペレータは、最初の構築に必要とされる樹脂の体積を決定し、その構築物の体積が装置の設計制限内にあるか否かを判断する。例えば、装置の容量が２０キログラム以下の樹脂を用いた部品構築を含むときに、選択された物体がそれより多くを必要とする場合、オペレータは異なる構築様式を選択する必要がある。設計容量が第１の有人構築を行えるが、第２の無人構築は行えない場合、無人様式は選択できない。

また、オペレータは、リコータブレードが取り付けられ、取り付けるときに樹脂槽に衝突しないように、通路を外れて上に待機していることを確認する。樹脂槽が一旦取り付けられたら、オペレータは、槽が正確に取り付けられ、槽が正しいタイプの十分な樹脂を収容していることを確認すべきである。通常、槽は、昇降機取付けブラケット、昇降機支持フレームとフォーク、およびラッチ３６とタブ３３，３５によりフォークに固定される構築台を含む昇降機サブアセンブリを含む。槽および昇降機サブアセンブリの全体は、チャンバ昇降機サブアセンブリに係合するように、ステレオリソグラフィーチャンバ内に転がして入れられる。

樹脂表面とリコータブレードとの間の関係は、構築前のこの時点または別の時点でマッピングすることができ、そのデータは、構築中に使用するために記憶される。特定の樹脂が一旦確認されたら、選択された樹脂のブレード間隙、槽内で再現可能に制御される樹脂のレベル、次いで、これらの条件に関するマップが、ある期間に亘り同じ装置に有用である。

工程１４２によれば、オペレータは、一度、初期要件を満たし、無人構築がサポートされていることが確認された自動取出しカートを取り付ける。自動取出しカートを取り付けるために、オペレータは、自動取出しカートの伸縮式アームが、支持台と第１の構築物を取り出すためにプロセスチャンバ中に延びることができるように、チャンバのドアにある窓をヒンジ式に開けるかまたは取り外す。オペレータは、自動取出しカートを槽にドッキングさせ、チャンバの窓を閉じる。チャンバは加熱され、プロセスの妨害を防ぐために、チャンバのドアは閉じたままにする。屑と熱の損失を最小にするためにブラシで覆われたチャンバのドアの底部における切抜き部を通して、車輪付き脚部が自動取出しカートからチャンバ中に延在している。槽と自動取出しカートは、自動操作のために、一方が他方にドッキングされたときに、一貫した位置に維持されるように構成されている。また、オペレータは、自動取出しカートが自動操作の制御のためにステレオリソグラフィー装置のコンピュータに接続されていることを確認する。

オペレータは、無人構築様式のために本発明の装置の準備中のどの時点で変更を行ってもよい。その結果、装置をうまく作動させるには、オペレータが、装置についての情報を複数回確認する必要がしばしばある。それゆえ、最初の構築の開始前に、最初の構築が完了したときに、空の支持台が実際に、取付けのために自動取出しカート上の適所にあることを、オペレータに確認させるようにコンピュータコントローラに指示させることが有用である。あるいは、支持台が適切に適所にあることの確認は、適切なセンサを用いて行っても差し支えない。

工程１４４によれば、オペレータは、リコータアセンブリと昇降機を開始位置まで移動させる。昇降機は、槽中に降下され、作業面を画成するように樹脂の表面のすぐ下のレベルに移動される。リコータアセンブリは、脚部の底部と樹脂の作業面との間に所定のブレード間隙を画成するように降下される。

レーザとリコータを実際に始動させる直前のこの時点で、オペレータに動作パラメータを確認させるように指示することが有用である。オペレータは、構築台がフォーク上に実際に取り付けられていることを確認すべきである。構築を、構築台が適所にない状態で開始した場合には、生産性と樹脂の損失という結果は、高くつく。構築台が昇降機のフォークの適所にない場合、オペレータは、リコータを待機させ、昇降機を構築台解放位置まで上昇させ、新たな構築台を取り付けなければならない。構築台の存在が一旦確認されたら、樹脂とチャンバの温度を確認する。一般に、温度制御は、連続的に行われるコンピュータ制御機能である。それにもかかわらず、オペレータが、構築を開始する前に温度が適性であることを確認することが有用である。オペレータは、槽が十分な樹脂を有していることも確認すべきである。装置の容量が構築に適切である場合でさえも、その装置は、槽が樹脂を含有し、樹脂レベルが、構築面の精巧なレベル制御に必要な槽中の所定の最小レベルと最大レベルの間にあることを確認するように検査されるべきである。

また、オペレータは、工程１４８によれば、補給樹脂容器が、構築間に槽に補充し、構築中を精巧なレベル制御のために十分な樹脂を含有していることも確認すべきである。十分ではない場合、オペレータは、工程１４９によれば、システムによって、ある程度しか満たされていない容器を満タンの容器と交換し、その新たな容器が槽中と同じ樹脂を含有していることを確認するように指示されるべきである。樹脂が同じであることを確認する効率的な方法の１つは、無線周波数確認ルーチン、または「ＲＦＩＤ」ルーチンを実行することである。槽への連結を完了する前に、自動確認のために容器内にＲＦＩＤタグを容器内に含ませることができ、その後、オペレータは、樹脂が同じである場合、取付けを完了できる。容器と槽にＲＦＩＤタグを使用することによって、システムの樹脂と樹脂の利用についてのデータ収集を、各容器に関して、槽に関する昇降機サブアセンブリ上の特定のＲＦＩＤリーダおよび槽上のスマート・カプラ上の個々のＲＦＩＤリーダからのデータフローにより行うことができる。

上述したパラメータが満たされた場合、構築に取りかかることができる。オペレータは、工程１５０にしたがって、リコータの真空をオンにし、それぞれ、工程１５２および１５４に示したように、樹脂レベルおよび樹脂とチャンバの温度を調節すべきである。この時点で、樹脂レベルは所定の最小レベルと最大レベルの間にあり、そのレベルは、これらのレベル内において選択された構築平面の正確なレベルに調節される。材料は、この目的のために用いられる２つの補給樹脂容器に連結された定量ポンプにより槽に出し入れされ、センサに応答して自動的に制御される。

リコータブレードは、レーザを受けるように作業面を用意し、工程１５６にしたがって、支持層の調製により、実際のステレオリソグラフィーを今では開始できる。この時点で、もはやオペレータがプロセスに付き添う必要はなく、構築が、コンピュータ制御機能に完全に基づいて、進行する。一般に、各層が固化した後、昇降機は、新たな樹脂コーティングを受け取るために昇降機を降下させ、次の槽にレーザを発するために構築台を十分に上昇させる。樹脂レベルは、固化による収縮量および樹脂表面の下の構築台と物体の移動により必要に応じて調節される。リコータブレードは、作業面を用意するために各層の間で表面を掃引し、工程１５８にしたがって構築が進行する。工程１５６および１５８は重複してもよい。

構築が一旦完了したら、構築を停止し、レーザをオフにし、次いで、構築台を交換するために、オペレータの付き添い無しで、装置が続行する。工程１６０にしたがって、構築台上の構築物と共に、昇降機が樹脂槽から完全に出るように、装置は、リコータアセンブリを、昇降機のフォークの経路の上に外れて待機させる。昇降機は、昇降機の構築台を固定するラッチが解放され、構築台をフォークから取り外すことができる取出し位置まで上昇させられる。今では、昇降機フォーク、構築台、および構築物は、槽の上方に位置しており、フォーク、構築台、および構築物体とまだ接触している未使用樹脂は、工程１６４によれば、槽中に流れ落ちる。有効な排液を行う十分なドウェル時間後、工程１６６にしたがって、自動取出しカートが構築台と、完成し排液された構築物体とを取り出す。コンピュータコントローラが、自動取出しカートの伸縮式アーム上に構築台と構築物を載せるためにフォークを下げられるように、一組の伸縮式アームを自動取出しカートから昇降機フォークの下へと伸ばす。伸縮式アーム上に排液受けに構築台と完了した構築物体が置かれるように、排液受けが伸縮式アーム上にあることが望ましい。伸縮式アームは、昇降機フォークとステレオリソグラフィーチャンバから構築台と構築物体を取り出すように引っ込められる。

最初の構築物がチャンバから取り出された後、昇降機は、工程１６８にしたがって、新たな構築台を受け取る位置にフォークを移動させる。伸縮式アームは再度、自動取出しカートから伸びる。自動取出しカートの構造に応じて、そのカートは、一組または二組の伸縮式アームを有していてもよい。二組ある場合、最初の構築物体と構築台は、チャンバの外部の適所に保持される。一組の場合、最初の構築物体は、チャンバと槽の上の区域に再び入り、フォークの上に位置している。工程１７０にしたがって、昇降機フォークは、伸縮式アームから新たな構築台と係合しそれを受け取るように上昇させられ、次いで、伸縮式アームが外され、第２の構築物体が完了し、オペレータが装置に戻るまで、最初の構築物体と構築台は自動取出しカートに貯蔵される。

新たな構築台が一旦取り付けられたら、装置は、工程１７２に示したように以前の工程のいくつかを繰り返すように戻る。昇降機は、新たな構築台を樹脂中に降下させ（工程１７１）、構築台を適切なレベルに配置する。装置は、自動的に、センサに応答して、槽に補充し、樹脂レベルと温度を調節し、作業面を掃引して第２の構築の準備をする。第２の構築が進行し、完了したら、リコータが待機させられ、昇降機が槽から出た上の位置に第２の構築物と構築台を上昇させる。

オペレータが戻ったときに、最初と第２の構築は完了しており、第１の構築物体は自動取出しカート上でチャンバの外部に貯蔵されており、第２の構築物体はチャンバ内にあり、槽の上で排液され、取出しの用意ができている。単独の構築は、物体を構築する工程で似ており、自動取出しカートは所望のように取り付けられていてもいなくてもよいことが理解されるであろう。いずれの場合にも、単独の構築について、装置は、最初の構築後に停止するように指示されている。図１の装置は２チャンバ装置であり、各カートに１つずつでチャンバの外部に２つの構築物と、各チャンバ内に１つずつでチャンバ内に２つの構築物を提供するために、１つのレーザ、および各チャンバについて別々のスキャナと自動取出しカートを使用して、二回の無人構築を行うことができる。

上述した説明と関連する図面に示された教示の恩恵を受けた当業者には、ここに述べた本発明の多くの改変と他の実施の形態が思い浮かべられるであろう。したがって、本発明は、開示された特定の実施の形態に制限されるべきではなく、改変と他の実施の形態が添付の特許請求の範囲に含まれることが意図されているのが理解されよう。特定の用語がここに用いられているが、それらは、一般的な説明の意味であって、制限の目的に用いられているのではない。

ステレオリソグラフィーにより物体を製造するための本発明の２チャンバハウジングとそれに関連する樹脂槽を示す斜視図 物体支持台および支持台を樹脂内で昇降させるための昇降機のサブアセンブリを分解図でその上に位置しているのを示す樹脂槽の斜視図 昇降機サブアセンブリの様々な詳細を示すためにそこから一部分が取り除かれた、図２の昇降機サブアセンブリの一部の斜視図 本発明のリコータアセンブリの斜視図 図４のリコータアセンブリの一端のリコータキャリヤとリコータブレードの分解部分斜視図 図５のリコータブレードの部分の裏面の部分斜視図 昇降機サブアセンブリの一部を示す、本発明のステレオリソグラフィーチャンバの内側の後の斜視図 図２の昇降機サブアセンブリの一部に対する関係を示す、図７の昇降機サブアセンブリの部分斜視図と分解図 図２と８の昇降機サブアセンブリの組み立てられた様子を示す部分斜視図 昇降機の移動軸（垂直ｚ軸）、リコータブレードとキャリヤの移動軸（水平の前方から後方へのｙ軸）、およびブレード間隙センサの移動軸（ｙ軸と水平の側方のｘ軸）を示す、チャンバハウジングの一部の部分切取り図 プロセスチャンバに進入する樹脂カートを示す断面側面図 プロセスチャンバ内の位置にあり昇降機に取り付けられた樹脂カートおよび支持台の昇降を示す断面側面図 プロセスチャンバ内の位置にあり昇降機に取り付けられた樹脂カートおよび支持台の昇降を示す断面側面図 プロセスチャンバ内の位置にあり昇降機に取り付けられた樹脂カートおよび支持台の昇降を示す断面側面図 ブレード間隙を維持するための読み取り値を得るセンサおよび樹脂表面を横切るリコータアセンブリの斜視図 樹脂表面の上に隔離され、ブレード間隙を維持するための読み取り値を得るリコータアセンブリを示す側面図 槽を横切るリコータアセンブリの動きとレーザスキャナの関係を示す斜視図 ステレオリソグラフィーレーザビームの極端な位置でのスポットサイズ、焦点長さ、およびパワーの評価を示す斜視図 樹脂の層を固化するためのレーザビームの適用を示す斜視図 構築された１つの物体の構築の完了段階を示す図１９の斜視図の断面側面図 構築された１つの物体の構築の完了段階を示す図１９の斜視図の断面側面図 取出し位置まで樹脂のレベルの上に上昇させられた構築物体と支持台の断面側面図 取出し位置まで樹脂のレベルの上に上昇させられた構築物体と支持台の斜視図 第１の構築物の完了を含む自動取出しカートの動作を示す側面図 第１の構築物の完了とカートへの取出しを含む自動取出しカートの動作を示す側面図 第１の構築物のカートへの取出しを含む自動取出しカートの動作を示す側面図 第１の構築物のカートへの取出しを含む自動取出しカートの動作を示す側面図 新たな支持台の取付けを含む自動取出しカートの動作を示す側面図 新たな支持台の取付けを含む自動取出しカートの動作を示す側面図 第２の構築物の形成を含む自動取出しカートの動作を示す側面図 第２の構築物の完了と層からの取出しを含む自動取出しカートの動作を示す側面図 補給樹脂容器およびその上に取り付けられたレベル維持容器を備えた本発明の樹脂槽の斜視図 第２の無人の構築の完了に広く採用される工程を示す流れ図

符号の説明

１０ ２チャンバハウジング
１２，１３ チャンバ
１４，１５ 観察窓
１６，１７ ドア
２０，２１ 槽
２３ 昇降機取付ブラケット
２４ フレーム
２５ フォーク
３０，１２４ 物体支持台または構築台
４２ リコータブレード
４５ センサ
１００ スキャナ
１２０ 自動取出しカート
１２３，１２５ 伸縮式アーム
１２７，１２８，１２９ 補給樹脂容器

Claims (10)

1. レーザを樹脂に層毎に施すことによって、液体樹脂から三次元物体を製造するための装置であって、リコータの移動する長手方向に延在する回転の中心軸の周りで前記装置の作動中に調節するために、コントローラに動作可能に接続され、所定のデータに応答して制御されるリコータを備えた装置。
2. 前記リコータの調節のために所定のデータを得るための前記コントローラに動作可能に接続されたセンサをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 作業面を有する液体樹脂の槽をさらに含み、前記リコータが、該リコータを、移動方向に亘り前記作業面に対して平行に維持するように回転の中心軸の周りに自動的に調節されることを特徴とする請求項１記載の装置。
4. 前記リコータを調節するために所定のデータを得るための前記コントローラに動作可能に接続されたレーザダイオードセンサをさらに備えることを特徴とする請求項３記載の装置。
5. 前記リコータが前記コントローラによって、前記作業面に亘り水平に前後に、前記樹脂の表面に関して垂直に上下に、移動可能であることを特徴とする請求項３記載の装置。
6. 三次元物体を層毎に構築するように少なくとも一種類の構築媒質に施されたエネルギーに反応して該媒質から前記物体を製造するための装置であって、
   a) 構築媒質から三次元物体を製造するためのハウジング内にチャンバを画成する少なくとも１つの内部フレームを有するハウジング、
   b) 前記チャンバ内に受け入れられるように適合され、前記フレームに関して適所に解放可能に固定された、前記構築媒質のための容器、
   c) 前記容器内の前記構築媒質の表面層の選択された部分にエネルギーを供給して、前記層部分を固化するための、前記チャンバ内にあるエネルギー源、
   d) 前記構築媒質の固化した層部分を支持するための構築台であって、前記構築媒質の表面下で前記容器内に合うように適合された構築台、
   e) 前記構築台を水平方向に解放可能に固定し、それによって、前記構築台を昇降させるために、垂直に上下動し、前記チャンバ内で水平に延在するように前記フレームに平行移動可能に固定された昇降機、
   f) 前記構築媒質の表面の上方で垂直および水平に移動するための前記フレームに平行移動可能に固定されたリコータ、および
   g) 前記構築媒質へのエネルギー供給を制御するために前記エネルギー源に、前記構築台の垂直平行移動のために前記昇降機に、前記構築媒質の表面をリコートするために前記リコータに、動作可能に接続されたコントローラであって、前記リコータが、前記構築媒質の表面の上方で前記リコータの移動する水平方向に延在する回転の中心軸の周りで調節するために所定のデータに応答して制御されるものであるコントローラ、
   を備えた装置。
7. 前記リコータが、移動のためのキャリヤに解放可能に固定されていることを特徴とする請求項６記載の装置。
8. 前記リコータのキャリヤの垂直および水平の移動のために前記フレームに固定された駆動機構、および前記リコータのブレードの長手方向に沿って第１のセンサを移動させるための前記キャリヤに固定された駆動機構をさらに備えたことを特徴とする請求項６記載の装置。
9. 前記リコータの移動方向における複数の地点で前記構築媒質の表面から前記リコータの底面までの距離を決定するために、前記コントローラに動作可能に接続され、前記リコータの長手方向に沿って移動する、前記キャリヤに平行移動可能に固定されたセンサをさらに備えることを特徴とする請求項７記載の装置。
10. 前記装置がステレオリソグラフィー装置であり、前記容器が液体樹脂のための槽であり、前記エネルギー源がレーザであることを特徴とする請求項６記載の装置。

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