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JP3265497B2 - ３次元物体の製造方法および装置 - Google Patents

３次元物体の製造方法および装置

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JP3265497B2
JP3265497B2 JP10047396A JP10047396A JP3265497B2 JP 3265497 B2 JP3265497 B2 JP 3265497B2 JP 10047396 A JP10047396 A JP 10047396A JP 10047396 A JP10047396 A JP 10047396A JP 3265497 B2 JP3265497 B2 JP 3265497B2
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radius
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザー焼結によ
り３次元物体を製造する装置、即ち、対象物体の横断面
に相当する複数のポイントで、材料粉末からなる複数の
層を、当該材料粉末を固化する放射を用いて順次連続し
て固化することにより物体を製造するものに関する。本
発明はさらに、３次元物体を製造するための対応する製
造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】“選択レーザー焼結”として公知の３次
元物体の製造方法およびこの方法を実施するための対応
する装置は、ＷＯ８８／０２６７７号公報に開示されて
いる。この方法において、３次元物体は、電磁放射を用
いて物体の横断面に相当する各位置で成形材料粉末の複
数の層を順次連続して各々固化あるいは焼結することに
より製造される。公知の装置は、順次固化される層の成
形用材料粉末を供給及び平坦化するための回転ドラムを
使用している。
【０００３】ドイツ特許第４３００４７８号は、塗工装
置を用いて粉末を供給および平坦化することにより、レ
ーザー焼結を用いて３次元物体を製造する装置および方
法について開示している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この公
知の方法は、レーザービームを用いて金属粉末を焼結す
る際、粉末の高い表面張力により不均一かつ粗い表面が
形成されてしまうという問題を抱えている。焼結された
粉末粒子はレーザービームでちょうど走査したばかりの
層の上に突出して、後に続く層の供給を問題なく行うこ
とができなくなることがある。なぜならば、層の供給に
用いられるワイパーがそれらの粒子にひっかかったり、
それらをちぎり取ったりするからである。これにより、
もし繊細な構造の場合、全体が破損されてしまうことに
なる。さらに、突出した粒子は各層の表面の質も相当下
げてしまう。
【０００５】ヨーロッパ特許公開公報ＥＰ−Ａ−０３６
１８４７号は、電磁放射を用いて重合される液状材料か
らなる層を順次固化することによって３次元物体を製造
する方法および装置について開示している。その固化を
行う前に、材料の層を平坦化するために堅いドクターブ
レードが用いられる。ドクターブレードの下縁は、液体
の表面に対し５度から８度の傾斜角を有する傾斜縁とな
っている。この傾斜は、層を平坦化する際刃の下の液体
の乱流および泡だちを防止すると言われる。
【０００６】本発明の目的は、レーザー焼結により３次
元物体を製造するための改善された装置およびそれに対
応する改善された方法を提供することにある。本発明の
さらなる目的は、固化された層および物体の表面の特質
を向上させる方法および装置を提供することにある。本
発明のさらに他の目的は、後続の材料層を問題なく供給
できることを計算に入れた方法及び装置を提供すること
にある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、物体の横断面に相当する複数のポイン
トで材料粉末からなる複数の層を材料粉末を固化する放
射を用いて順次連続して固化することにより物体を製造
する装置において、物体を支持する実質的に平坦な上面
を有する支持手段と、材料の層を上面上あるいは上面上
に形成された別の層上に供給する材料供給装置と、照射
により材料の層を固化するための固化装置とを有し、前
記材料供給装置は、第１の側面、第２の側面、および上
面に平行かつ対面するベース面とを有する塗工装置と、
該塗工装置を支持手段の上面に平行な方向に移動する駆
動装置とを有し、上記塗工装置は、上記第１の側面およ
びベース面との間にありベース面に対し第１の傾斜を有
する第１の縁部と、上記第２の側面およびベース面との
間にありベース面に対し第１の傾斜より小さい第２の傾
斜を有する第２の縁部とを有していることを特徴とする
レーザー焼結により３次元物体を製造する装置を提供す
る。
【０００８】本発明はまた、照射によって物体の横断面
に相当する複数のポイントで成形物質からなる複数の層
を順次連続して固化することにより３次元物体を製造す
る方法を提供する。本方法は下記の、 ａ）成形物質の層を形成および固化するステップと、 ｂ）固化された層を平坦化および圧縮するステップと、 ｃ）固化された層上に成形物質を供給するステップと、 ｄ）その供給された物質を物体の横断面に相当する複数
のポイントで固化するステップと、 ｅ）その後の成形物質の層を形成するためにステップ
ｂ）からステップｄ）を繰り返すステップとを有する。
【０００９】
【発明の実施の形態】図１に最も適切に示されるよう
に、レーザー焼結を用いて３次元物体を製造する装置
は、上方開口した上端縁２を有するコンテナ１を備えて
いる。実質的に平坦でかつ上端縁２と平行な上面４を有
する支持体３が、成形される物体５を支持するためにコ
ンテナ内に配置されている。支持体の上面４に平行に延
在する粉末状の成形物質１４からなる複数の層を電磁放
射を用いて固化することによって下記の方法で成形され
る物体５は、支持体３の上面上に配置されている。支持
体３は、高さ調節装置６によって、垂直方向、すなわち
コンテナの側壁に平行でかつ支持体の上面４に直角な方
向に変位される。このように、コンテナの上端縁２に関
して支持体３の位置は調節が可能である。作業面７はコ
ンテナの上端縁２によって規定されている。
【００１０】作業面７に近接して成形される物体の最上
部の層を固化する固化装置８は、コンテナ１の上方に配
置される。固化装置は指向性光ビーム９を生成するレー
ザーとして形成された放射源を有する。偏向鏡１０はコ
ンテナ１の上方の概ね中央のジンバルの上に吊されてい
る。指向性光ビーム９が鏡１０によって反射され、その
反射光ビーム１２が実質的に作業面７のどのポイントに
も向けられるように、偏向鏡１０は、図式化して示され
た回転装置１１によって方向を定められる。
【００１１】成形物質１４を入れる貯蔵容器１３は、上
方が開口しており、コンテナ１の側面に設置されてい
る。コンテナの壁と隣接した貯蔵容器の側面は、コンテ
ナの上端縁２と面一の上方縁１５を有する。貯蔵容器
は、好ましくは金属粉末からなる粉末状成形物質１４
で、その粉末が常にコンテナ壁と隣接する上方縁１５よ
りわずかに突出するように充填される。この目的のため
に、貯蔵容器１３は、一層を形成するために粉末を除去
した後、粉末の充填レベルが再び上方縁１５より高くな
るように段階的に引上げ可能でありかつ垂直方向に移動
可能な底部（図１に図示なし）を有する。
【００１２】図１に図式化して示された塗工装置１６を
含む材料供給装置がコンテナ１の上方に配置されてい
る。塗工装置１６は、コンテナ１の上方開口を実質的に
横切って延在し、塗工装置１６の下縁は作業面７内にあ
る。変位装置１７が、塗工装置１６を作業面７に平行で
ありかつ支持体３の上面４に平行な面内で変位させるた
めに設けられている。変位装置１７は、コンテナ１の貯
蔵容器と反対側の位置Ｐ１から貯蔵容器上部の位置Ｐ２
へ、そしてまた逆方向へ、塗工装置１６を調整可能な可
変速度で移動させるように構成されている。
【００１３】図２に示される塗工装置１６の第１の実施
例は、第１の側面２０と、それに平行な第２の側面２１
と、支持体３の上面４に実質的に平行に延在し作業面７
内に位置するベース面２２とを有し、両側面２０および
２１は支持体３の上面４に実質的に垂直に延在してい
る。第１の側面２０および第２の側面２１は約１０mmの
距離Ｄの間隔で相互に離間している。第１の側面２０お
よびベース面２２は両者の間に、これら第１の側面およ
びベース面に対して斜に延在する平面２３によって形成
された第１の縁部１６ａを規定している。平面２３は、
好ましくは、ベース面２２を含む平面に対して約６０度
の角度α１を成している。第２の側面２１およびベース
面２２は両者の間に、ベース面２２を含む面に対して好
ましくは３０度の角度α２を成す平面２４によって形成
された第２の縁部１６ｂを規定している。したがって、
塗工装置１６は、作業面７に対して垂直でありその変位
方向に対して平行な平面での横断面では非対称となって
いる。それにより、第１の縁部１６ａは角度α１を有す
る刃面で限定された塗工縁部を形成し、第２の縁部１６
ｂは角度α２の第２の刃面を有する平坦化用縁部を形成
する。角度α１は角度α２より大きい。
【００１４】図３に示された実施例において、塗工装置
１８も同様に第１の側面３０と、第２の側面３１と、支
持体の上面４に平行に延在しかつ作業面７内にあるベー
ス面３２とを有し、両側面３０および３１は互いに平行
であり塗工装置１８の変位方向に対して垂直に延在して
いる。この実施例で、第１の側面３０およびベース面３
２との間に延在する第１の縁部１８ａは、好ましくは約
３mmの曲率半径Ｒ１を有する湾曲した面３３を含む。第
２の側面３１およびベース面３２によって限定される第
２の縁部１８ｂは、好ましくは約１０mmの曲率半径Ｒ２
を有する湾曲した面３４を含む。したがって、第１の湾
曲面３３は物質を供給するための限定された塗工用縁部
を形成し、第２の湾曲面３４は層上の固化された物質を
平坦化および圧縮するための平坦化用縁部を形成する。
【００１５】塗工装置１６および１８は、剛性の材料、
特に金属あるいは熱抵抗性樹脂から形成される。
【００１６】塗工装置１６あるいは１８のそれぞれは、
第１の縁部１６ａあるいは１８ａがコンテナ１の貯蔵容
器１３とは反対側の端部と向き合い、第２の縁部１６ｂ
あるいは１８ｂが貯蔵容器１３と向き合うように図１の
装置内に配置される。
【００１７】変位装置１７、高さ調節装置６、および回
転装置１１は、いずれも、中央統括制御を行う中央制御
ユニット５０に接続されている。制御ユニット５０はさ
らにプロセッサー６０を有する。
【００１８】制御ユニット５０は、塗工装置１６が貯蔵
容器１３上の位置Ｐ２からその第１の縁部１６ａの方向
に、支持体３あるいは前もって固化された層を横切って
材料の新しい層を供給するために貯蔵容器１３とは反対
側のコンテナ縁部の位置Ｐ１へ移動するように変位装置
１７を制御する。制御ユニット５０はさらに物体５の層
の固化の後、塗工装置１６を位置Ｐ１から位置Ｐ２へ移
動させ、その結果、第２の縁部１６ｂが固化された層を
横切って戻る。
【００１９】上記の装置の変更は可能である。角度α１
は約３０度から約９０度の範囲内の値とすることができ
る。角度α２は約１度から約６０度の範囲内の値とする
ことができる。好ましい範囲はα１について６０度から
７０度の間であり、α２については２０度から３０度の
間である。曲率半径Ｒ１は約０mmから約３mmの範囲内で
あればよく、曲率半径Ｒ２は約１mmから１０mmの範囲内
であればよい。好ましい範囲はＲ１については１mmから
３mmの間であり、Ｒ２については５mmから１０mmの間で
ある。
【００２０】第１の縁部に丸くなった面を用いかつ第２
の縁部に斜のすなわち傾斜した面を用いる組み合わせ
や、さらにその逆の組み合わせもまた同様に可能であ
る。塗工縁を限定する第１の縁部は、平坦化および圧縮
を固化層に供給する第２の縁部よりベース面に対し大き
い傾斜すなわち勾配を有していなければならない。
【００２１】固化装置は必ずしもレーザーを備える必要
はなく、粉末を焼結するために十分なエネルギーを有す
る電磁放射源あるいは粒子放射源を用いてもよい。
【００２２】レーザー焼結により３次元物体を製造する
方法は下記のステップからなる。
【００２３】本装置の実施において、予備のステップ
は、制御ユニット５０と連結したコンピューター６０に
物体５の形状を説明するデータを設計プログラム等を用
いて生成および蓄積することである。物体５を製造する
ために、これらのデータは、物体を物体の寸法と比較し
て厚さの薄い多数の水平層に分解することによって処理
され、各層の形状データが供給される。
【００２４】最初のステップにおいて、支持体３は、そ
の上面４がコンテナの上端縁２より所望の層の厚さに相
当する間隔ｈ分だけ下になるように、コンテナ１内の位
置に移動される。このとき、塗工装置は貯蔵容器とは反
対側のスタート位置Ｐ１にあり、この位置から貯蔵容器
の上部にある位置Ｐ２まで移動される。その後、材料１
４の第１の層が、塗工装置１６を用いて、支持体の上面
４に供給される。この過程で、位置Ｐ２から離れた塗工
装置１６は、第１の縁部１６ａで材料１４を貯蔵容器１
３から支持体３の上面４とコンテナの上端縁２との間に
ある空間へと押し動かす。この第１の塗工工程の終了
後、塗工装置は貯蔵容器とは反対側の位置Ｐ１にある。
続いて、制御ユニット５０は、回転装置１１を制御し、
偏向ビーム１２が物体の横断面に相当する層のポイント
を照射し、これらのポイントの材料をそれぞれ焼結ある
いは固化する。
【００２５】粉末の高い表面張力により、固化された層
は不均質、すなわち粗い表面を持つ。固化された粉末粒
子の突出したものは、その下部のすでに固化された多孔
質の表面にわずかに接着される。
【００２６】その後、図４から図８あるいは図９から図
１３にそれぞれ図式化して示されたステップがその後の
各層に対して行われる。
【００２７】いずれの場合にも、走査された層から開始
される（図４）。塗工装置は貯蔵容器とは反対側の位置
Ｐ１にある（図９）。
【００２８】層を走査した後、支持体３はゼロから層の
厚さｈまでの間の予め定められた範囲だけ降下される
（図５）。
【００２９】新たな層を供給する準備のために、塗工装
置は、前部にある第２の縁部、すなわちより大きい刃の
斜面あるいは曲率半径をもつ側を先頭に、貯蔵容器１３
とは反対側の位置Ｐ１から、走査された層を横切り貯蔵
容器１３の方向へ移動される。これにより固化された粉
末の表面は平坦になりかつ圧縮される（図６および図１
０）。塗工装置は突出する粒子を完全には除去しない
が、機械的に粒子を変形して平坦な表面を形成する。突
出した粒子はその下の細孔中に押し込まれ、それにより
表面は圧縮される。
【００３０】図７に示されるように、次に支持体３は予
め定められた層の厚さｈ分だけ降下される（図７）。貯
蔵容器の移動可能な底部は、材料１４の充填レベルが再
び貯蔵容器の上端より上になるような範囲で上昇される
（図１１）。
【００３１】そこですぐに、塗工装置１６の第１の縁部
１６ａで材料を貯蔵容器１３から固化および平坦化され
た層を横切って押すように移動することにより、材料１
４の新しい層が前もって形成された層上に供給される
（図８）。その後、その層は物体に相当するポイントで
走査される（図８および図１３）。
【００３２】上記のステップは物体５が完成されるまで
繰り返される。その後、物体を移動できるように支持体
はコンテナから取り出される。さらにその後、物体から
粉末の付着残余物が取り除かれる。
【００３３】本発明について特定の実施例を参照して述
べてきたが、添付の請求項の目的と意図の範囲内におい
てあらゆる変更や等価のものを包含する意図であること
が理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】部分断面を含む本装置の概略図である。
【図２】第１の実施例による塗工装置の横断面図であ
る。
【図３】他の実施例による塗工装置の横断面図である。
【図４】個々の工程における層の表面を誇張して示した
図である。
【図５】個々の工程における層の表面を誇張して示した
図である。
【図６】個々の工程における層の表面を誇張して示した
図である。
【図７】個々の工程における層の表面を誇張して示した
図である。
【図８】個々の工程における層の表面を誇張して示した
図である。
【図９】個々の工程の概略を示す図である。
【図１０】個々の工程の概略を示す図である。
【図１１】個々の工程の概略を示す図である。
【図１２】個々の工程の概略を示す図である。
【図１３】個々の工程の概略を示す図である。
【符号の説明】
１ コンテナ ２ 上端縁 ３ 支持体 ４ 上面 ５ 物体 ６ 高さ調節装置 ７ 作業面 ８ 固化装置 ９ 指向性光ビーム １０ 偏向鏡 １１ 回転装置 １２ 反射光ビーム １３ 貯蔵容器 １４ 成形物質 １５ 上方縁 １６ 塗工装置 １７ 変位装置 １８ 塗工装置 ５０ 制御ユニット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｃ２３Ｃ 26/00 Ｃ２３Ｃ 26/00 Ｅ (73)特許権者 596044675 Ｐａｓｉｎｇｅｒ Ｓｔｒａｓｓｅ ２，82152 Ｐｌａｎｅｇｇ，Ｇｅｒｍ ａｎｙ (72)発明者 アンドレアス ローネル ドイツ連邦共和国，85540 ハール，レ ッヒナー シュトラーセ 55 (72)発明者 クリスチャン ウィルケニング ドイツ連邦共和国，86911 ディーセン, アメルゼー，オーベラー アンゲル 14 (56)参考文献 特開 平３−183530（ＪＰ，Ａ) 特表 平８−509524（ＪＰ，Ａ) 国際公開93／8506（ＷＯ，Ａ１) 欧州特許出願公開361847（ＥＰ，Ａ １) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B23K 26/00 - 26/42 B22F 7/04 B29C 39/42 C23C 26/00

Claims (19)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 レーザー焼結により３次元物体を製造す
    る装置において、上記物体は上記物体の横断面に相当す
    る複数のポイントで材料粉末からなる複数の層を上記材
    料粉末を固化する放射を用いて順次連続して固化するこ
    とにより製造され、上記装置は、上記物体を支持する実
    質的に平坦な上面を有する支持手段と、上記材料の層を
    上記上面上あるいは上記上面上に形成された別の層上に
    供給する材料供給装置と、放射を用いて上記材料の層を
    固化する固化装置とを有し、上記材料供給装置は塗工装
    置および該塗工装置を上記支持手段の上記上面に平行な
    方向に移動させる移動装置とを有し、上記塗工装置は第
    １の側面と、第２の側面と、上記上面に平行かつ対面す
    るベース面と、上記第１の側面および上記ベース面との
    間にあり上記ベース面に対し第１の傾斜を有する第１の
    縁部と、上記第２の側面および上記ベース面との間にあ
    り上記ベース面に対し上記第１の傾斜より小さい第２の
    傾斜を有する第２の縁部とを有することを特徴とする３
    次元物体を製造する装置。
  2. 【請求項２】 上記第１および第２の各縁部は、上記第
    １および第２の傾斜にそれぞれ相当する上記ベース面の
    平面に対する傾斜角（α１およびα２）を含む平面を有
    することを特徴とする請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 上記第１の傾斜に相当する上記角度（α
    １）は約６０度から７０度の範囲であり、上記第２の傾
    斜に相当する上記角度（α２）は約２０度から３０度の
    範囲であることを特徴とする請求項２に記載の装置。
  4. 【請求項４】 上記第１の傾斜に相当する上記角度（α
    １）は約６０度であり上記第２の傾斜に相当する上記角
    度（α２）は約３０度であることを特徴とする請求項２
    に記載の装置。
  5. 【請求項５】 上記第１および第２の各縁部は、上記ベ
    ース面を上記側面のうちの相当する一方に連結し上記第
    １および第２の傾斜にそれぞれ相当する曲率半径（Ｒ１
    およびＲ２）を有する湾曲面を有し、それにより上記第
    １の傾斜に相当する第１の曲率半径（Ｒ１）は上記第２
    の傾斜に相当する第２の曲率半径（Ｒ２）より小さいこ
    とを特徴とする請求項１に記載の装置。
  6. 【請求項６】 上記第１の曲率半径（Ｒ１）は約０mmか
    ら３mmの間であり、上記第２の曲率半径（Ｒ２）は約５
    mmから約１０mmの間であることを特徴とする請求項５に
    記載の装置。
  7. 【請求項７】 上記第１の曲率半径（Ｒ１）は約３mmで
    あり、上記第２の曲率半径（Ｒ２）は約１０mmであるこ
    とを特徴とする請求項６に記載の装置。
  8. 【請求項８】 上記第１の縁部は上記ベース面および上
    記第１の側面との間に延在する平面からなり、上記第２
    の縁部は上記ベース面と上記第２の側面との間に延在す
    る湾曲面からなることを特徴とする請求項１に記載の装
    置。
  9. 【請求項９】 上記第１の縁部は上記ベース面および上
    記第１の側面との間に延在する湾曲面からなり、上記第
    ２の縁部は上記ベース面および上記第２の側面との間に
    延在する平面からなることを特徴とする請求項１に記載
    の装置。
  10. 【請求項１０】 上記支持手段上の上記材料粉末のため
    の貯蔵容器を有し、上記第１の縁部は、上記塗工装置の
    上記貯蔵容器とは反対側にあることを特徴とする請求項
    １に記載の装置。
  11. 【請求項１１】 上記第２の縁部は、上記塗工装置の上
    記貯蔵容器に対面する側にあることを特徴とする請求項
    １０に記載の装置。
  12. 【請求項１２】 上記支持手段上あるいは前もって形成
    された層上に材料を供給するために上記塗工装置を、上
    記貯蔵容器の上方の第２の位置から上記支持手段の上記
    上面に平行な方向に上記第１の縁部を先頭側にして上記
    貯蔵容器の反対側にある第１の位置へ駆動するための制
    御装置を有することを特徴とする請求項１０に記載の装
    置。
  13. 【請求項１３】 上記供給された層を固化した後、上記
    第２の縁部を先頭にして上記塗工装置を上記第１の位置
    から上記第２の位置へと駆動する制御手段を有すること
    を特徴とする請求項１２に記載の装置。
  14. 【請求項１４】 上記塗工装置は剛性の材料、特に金属
    からなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  15. 【請求項１５】 上記第１および第２の側面は各々上記
    ベース面に対して実質的に垂直であることを特徴とする
    請求項１に記載の装置。
  16. 【請求項１６】 請求項１による装置を用いてレーザー
    焼結により３次元物体を製造する方法において、上記方
    法は下記のステップ、 ａ）上記材料からなる第１の層を形成し固化するステッ
    プと、 ｂ）上記塗工装置を、上記支持手段の上記上面に平行に
    上記第２の縁部により限定された方向に上記層を横切り
    移動させることにより上記第１の層を平坦化しかつ圧縮
    するステップと、 ｃ）上記塗工装置を上記支持手段の上記上面に平行に上
    記第１の縁部によって限定された方向に移動させること
    により上記第１の層上に上記材料を供給するステップ
    と、 ｄ）上記材料の上記供給された層を上記物体の各横断面
    に相当するポイントで固化するステップと、 ｅ）上記物体のその後の層を形成するためにステップ
    ｂ）からステップｄ）を繰り返すステップとを有するこ
    とを特徴とする３次元物体を製造する方法。
  17. 【請求項１７】 平坦化および圧縮のステップの前に、
    ０から所望の層の厚さまでの範囲内の距離だけ上記支持
    手段を降下させるステップを含むことを特徴とする請求
    項１６に記載の方法。
  18. 【請求項１８】 上記材料を供給する前に所望の層の厚
    さに相当するレベルまで上記支持手段を降下させるステ
    ップを含む請求項１６に記載の方法。
  19. 【請求項１９】 放射により物体の横断面に相当する複
    数のポイントで成形物質の層を順次連続して固化するこ
    とにより３次元物体を製造する方法において、上記方法
    は、 ａ）上記材料の層を形成および固化するステップと、 ｂ）第１および第２の板面を備える板状を呈する塗工部
    品を上記物体を支持するための実質的に平坦な支持手段
    の主面に対して平行に、該第１の板面の向きに移動させ
    ることによって上記固化された層を平坦化および圧縮す
    るステップと、 ｃ）上記塗工部品を上記第２の板面の向きに移動させる
    ことによって上記成形物質を上記固化された層上に供給
    するステップと、 ｄ）上記供給された材料を上記物体の各横断面に相当す
    るポイントで固化するステップと、 ｅ）上記物体のその後の層を形成するためにステップ
    ｂ）からステップｄ）を繰り返すステップとを有するこ
    とを特徴とする３次元物体を製造する方法。
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