CN102001123A - 三维成型装置、生产三维物体的方法以及三维物体 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三维成型装置，其包括台架、头、移动机构以及控制单元。头用于将处理液体供应到台架上，所述处理液体是溶液与分散液之一，以通过从处理液体中蒸发溶剂与分散介质之一而使构成三维物体的材料从处理液体中析出。移动机构相对地移动头与台架。控制单元控制移动机构的驱动以形成三维物体。本发明可扩展材料的可选择范围，并可实现三维成型装置的尺寸的降低。

Description

三维成型装置、生产三维物体的方法以及三维物体

相关文件的交叉引用

本申请包含与2009年9月2日向日本专利局提交的日本专利申请JP2009-202406中公开的相关主题并要求其优先权，将其全部内容通过引用并入此处。

技术领域

本发明涉及形成三维物体的三维成型(modeling)装置、生产三维物体的方法以及三维物体。

背景技术

在过去，已知的三维成型装置是快速形成原型(prototyping)的装置，其被广泛地商业应用。作为用于三维成型装置的主要方法，例如可使用立体光刻、层叠物体制造、以粉末成型以及直接成型。

在直接成型中，例如使用喷墨技术。以喷墨头将光固化树脂或热塑性树脂直接地排出成期望的形状，同时以UV光或热对排出的树脂进行照射，从而生产三维物体。

作为直接成型的例子，日本专利特表2003-535712号公报(以下称为专利文献1)公开了包括印刷头和固化装置的三维印刷装置。该印刷头包括用于从中排出光固化树脂材料的多个喷嘴。固化装置发出UV(紫外)光或IR(红外)光，以固化材料(例如参见专利文献1的0025段)。

作为直接成型的另一例子，日本专利特开2002-18967号公报(以下称为专利文献2)公开了一种目标物体生产装置，其包括材料喷射头部、相位变换促进头部以及平行连杆机构。材料喷射头部用于喷射诸如光固化树脂的材料。相位变换促进头部用于输出诸如激光的固化加速因子。平行连杆机构用于支撑所述头部。借助于平行连杆机构，从任意方向喷射光固化树脂材料，并以激光从任意方向照射材料(例如参见专利文献2的0036段与0038段)。

发明内容

在使用光固化树脂的直接成型中，多数情况下使用UV固化树脂。由于可使用的UV固化树脂有限，故对环境造成很大的负担。而且，必须以UV光照射将要成型的全部树脂，这就需要设有UV照射装置的安装位置。因此，难以降低整个装置的尺寸。

鉴于上述情况，需要提供能够降低尺寸并能够同时扩展材料的可选择范围的生产三维物体的三维成型装置与方法，以及提供通过该三维成型装置与三维物体的生产方法获得的三维物体。

根据本发明的实施方式，提供了一种三维成型装置，其包括台架、头、移动机构以及控制装置。

头将处理液体供应到台架上，所述处理液体是溶液与分散液之一，以通过从处理液体中蒸发溶剂与分散介质之一而使得构成三维物体的材料从处理液体中析出。

移动机构相对地移动头与台架。

控制装置控制移动机构的驱动以形成三维物体。

由于通过蒸发溶剂或分散介质和使材料析出而形成3D物体，故不必使用UV固化树脂和安装UV照射装置等。因此，可扩展材料的可选择范围，并可实现三维成型装置的尺寸的降低。此外，由于不使用UV光，因此可提高安全性。

控制装置可以以所述材料形成至少两个垂直棒状体，并以该材料形成非垂直的棒状体。非垂直的棒状体连接两个垂直棒状体。溶剂或分散介质自然地蒸发，以使材料析出和凝固。因此，非垂直的棒状体可桥接于两个垂直棒状体之间。

三维物体可以是网格状物体或多孔体。于是，可以在再生医学领域中提供用于身体组织的再生的骨架部件等。

控制装置可通过使头和台架在非垂直的方向上相对地移动而形成非垂直的棒状体。

头能够以倾斜方向排出处理液体。以该结构，不使用移动机构便可形成以非垂直的方向延伸的三维物体的一部分(例如非垂直的棒状体)。

控制装置可基于二维图像数据而控制移动机构的移动，所述二维图像数据是成型目标物体的断层成像图像。

根据本发明的另一实施方式，提供了一种包括相对地移动台架和头的生产三维物体的方法。

将处理液体从头排出到台架上，所述处理液体是溶液与分散液之一。

控制台架与头的相对位置，以通过从处理液体中蒸发溶剂与分散介质之一并使得材料析出而形成三维物体。

根据本发明的另一实施方式，提供了一种通过上述生产三维物体的方法而获得的三维物体。

如上所述，根据本发明的实施方式，可扩展材料的可选择范围，并可实现三维成型装置的尺寸的降低。

参照下面的对最佳实施方式的详细描述，使得本发明的这些与其它目的、特征和优点变得更加明显，所述最佳实施方式如附图所示。

附图说明

图1是表示根据本发明的实施方式的三维(3D)成型装置的外观的立体图；

图2A与图2B是从3D成型装置的侧面看的立体图；

图3是表示3D成型装置的内部结构的立体图，其沿平行于图1的Y方向的平面从近似中央部切开；

图4是图3的3D成型装置的横截面图；

图5是表示3D成型装置处于壳体与顶板被分离以使底板与印刷底板可被看到的状态中的立体图；

图6是表示图5的状态中的3D成型装置的平面图；

图7是表示3D成型装置处于印刷底板被进一步分离的状态中的平面图；

图8是表示根据本实施方式的安装于3D成型装置上的喷墨头的立体图；

图9是主要表示3D成型装置的控制系统的结构的框图；

图10A～图10F是表示生产网格状3D物体的方法的图；

图11A～图11F是表示图10A～图10F所示的生产网格状3D物体的方法的延续步骤的图；

图12是表示在成型目标物体的断层成像图像数据中对应于一层数据的物体的例子的立体图；

图13是表示所形成的3D物体的立体图；

图14A～图14F是依次表示通过操作3D成型装置而形成的3D物体的状态的图片；

图15A～图15F是表示图14A～图14F所示的图片的继续的图片；

图16是表示通过图14A～图14F与15A～图15F所示的操作形成的3D物体的图片；

图17A是表示人的头盖骨中的缺陷部的图，且图17B是表示由3D成型装置形成的对应于缺陷部的形状的网格状物体的图；

图18是表示根据另一实施方式的喷墨头的结构的分解立体图；

图19A与图19B分别是各自更详细地表示发热电阻器的布置的平面图与横截面图；

图20A～图20C是用于说明墨水的排出方向有所偏斜的状态的图；

图21A～图21F是表示在使用图18所示的喷墨头的情况下生产网格状3D物体的方法的图；以及

图22A～图22F是表示图21A～图21F所示的生产3D物体的方法的继续的图。

具体实施方式

下面，参照附图描述本发明的实施方式。

三维成型装置的结构

图1是表示根据本发明的实施方式的三维(3D)成型装置100的外观的立体图。

3D成型装置100包括形状近似为长方体的壳体90。壳体90由多个盖构成。具体地，壳体90的上部由顶盖1、右盖2以及左盖3形成，右盖2与左盖3从两侧夹着顶盖1。而且，3D成型装置100的壳体90包括前盖4、位于两侧表面上的侧盖5以及后盖(未图示)。顶盖1设有把手1a，通过把手1a可使顶盖1与右盖2以及左盖3分离。应注意，在壳体90的后侧上连接有控制电路盒。在控制电路盒中，合并有如后所述的用于控制3D成型装置100的各部件的控制电路。

图2A与图2B是从3D成型装置100的侧面看去的立体图。如图2B所示，在一个侧盖5上，设有用于取出所生成的3D物体的取出开口5a，且取出开口5a设有取出开口盖6以便开和关。

图3是表示3D成型装置100的内部结构的立体图，其沿平行于图1的Y方向的平面从近似中央部切开。图4是图3的3D成型装置100的横截面图。

3D成型装置100包括多个支撑柱28(参见图5)、底板9、印刷底板8以及顶板7。底板9、印刷底板8以及顶板7以预定的间隔与支撑柱28连接。

图5是表示3D成型装置100处于其壳体90与顶板7被分离的状态以允许底板9和印刷底板8被看到的立体图。图6是表示3D成型装置100处于图5的状态的平面图。图7是表示3D成型装置100处于其印刷底板8被进一步分离的状态时的平面图。

如图3～图7所示，在底板9上设有成型台架单元20。此外，在印刷底板8上，在从中央部朝着取出开口盖6沿Y方向偏移预定距离的位置处，设有用于将处理液体供应到成型台架单元20的成型台架21上的头单元30。

成型台架单元20包括成型台架21与用于升降成型台架21的升降单元22。作为升降单元22的驱动机构，可使用例如齿条与齿轮(未图示)、传动带驱动机构(未图示)、由电磁力驱动的线性马达(未图示)或例如使用液压的升降液压缸(未图示)。

在底板9上设有Y方向移动单元40。Y方向移动单元40在Y方向上移动成型台架单元20，并包括导轨41和驱动机构。导轨41在底板9上以Y方向延伸。驱动机构沿导轨41在Y方向上移动升降单元22(成型台架单元20)。如图9所示，驱动机构例如包括移动马达44、齿轮传动装置42以及齿条传动装置(参见图5与图9)43。齿轮传动装置42由移动马达44驱动。齿条传动装置43与齿轮传动装置42啮合。移动马达44例如设于成型台架单元20的升降单元22处。

作为如图所示的齿条与齿轮的替代，驱动机构可由诸如滚珠丝杠、传动带驱动以及由电磁力驱动的线性马达等各种机构形成。

如图5和图6所示，在印刷底板8的端部，设有用于取出形成于成型台架21上的3D物体的取出开口8a。在取出开口盖6打开的状态下，操作者或操作机器人通过取出开口5a和8a而取出3D物体。

如图6所示，头单元30包括喷墨头31与X方向移动单元32。喷墨头31设有多个颜色的墨水箱311。X方向移动机构32在X方向上移动喷墨头31。印刷底板8具有在X方向上延伸的开口8b。喷墨头31可在开口8b中由X方向移动单元32在X方向上移动。通过开口8b，排出作为处理液体的例子的墨水。

X方向移动单元32使用马达等(未图示)使喷墨头31沿着在X方向上延伸的导轴33而在X方向上滑动。

移动机构由至少X方向移动单元32、Y方向移动单元40以及升降单元22之一形成。

图8是表示根据本实施方式的喷墨头31的立体图。

作为喷墨头31，可使用与喷墨头31具有相同结构和功能的用于普通打印机应用的喷墨头。例如，在喷墨头31的外壳35之中，设有多个墨水箱311。墨水箱311由分别包含青色、品红色以及黄色(以下简写为CMY)的箱311C、311M以及311Y构成。在该例子中，墨水箱311C、311M以及311Y以X方向排列。在墨水箱311C、311M以及311Y下方，形成有用于排出墨水的大量的排出开口36(喷嘴)。作为喷墨产生机构，可使用压电式或热动式，并可使用已知的排出原理。

通过使用如上所述的彩色墨水，可形成彩色3D物体。

喷墨头31不限于图8所示的形状、结构等。可使用各种已知的喷墨头。不仅可设有CMY三种颜色，还可设有黑色、白色或无色墨水的墨水箱。

根据该实施方式的墨水包括一种以上在常温下可溶于水的固体盐或分散成分(dispersion element)(所述盐或分散成分是用于形成3D物体的材料，其包含于作为处理液体的溶液或分散液中)。如后所述，处理液体从喷墨头31排出之后，溶剂或分散介质蒸发，从而使作为残留成分的固体材料析出，从而可获得棒状(或柱状)3D物体。

当选择包括羧基(carboxyl group)或磺基(sulfone group)的彩色酸的诸如钠盐与锂盐的彩色材料作为所述盐时，可获得彩色3D物体。对于彩色酸盐，可使用黑色墨水、彩色墨水等，而没有具体限制。例如，使用以直接颜色(direct color)、酸染料等为代表的水性染料。

水性染料的具体例子包括下面的染料。

作为黄色染料，可使用下面的染料：

C.I.直接黄1、2、4、8、11、12、23、24、26、27、28、31、33、34、37、39、41、44、46、48、58、62、63、75、79、80、81、83、84、86、87、88、89、95、99、113、50、85、98、100、110、132、135、142、144、173等；C.I.酸性黄1、3、4、7、11、12、13、14、17、18、19、23、25、29、34、36、38、40、41、42、44、53、55、59、61、70、71、72、75、76、78、79、98、99、110、111、112、114、116、118、119、122、127、128、131、135、141、142、161、162、163、164、165等；以及Y-104、Y-1189(由伊尔福瑞士公司(ILFORD Imaging Switzerland)生产)等。

作为品红色染料，可使用下面的染料：

C.I.直接红1、2、4、8、11、13、15、17、20、28、31、33、37、39、51、59、62、63、73、80、83、87、90、94、95、99、101、110、114、189、197、201、218、220、224、225、226、227、228、229、230、321等；C.I.酸性红1、4、6、8、9、13、14、15、18、21、26、27、32、35、37、42、51、52、57、75、77、80、82、83、85、87、88、89、92、94、97、106、110、111、114、115、117、118、119、129、130、131、133、134、138、143、144、145、154、155、158、168、180、183、184、186、194、198、199、209、211、215、216、217、219、249、252、254、256、257、262、265、266、274、276、282、283、303、317、318、320、321、322等；或M-377、M-1114(由伊尔福瑞士公司生产)等。

作为青色染料，可使用下面的染料：

C.I.直接蓝1、2、6、8、15、22、25、34、41、70、71、76、77、78、80、86、90、98、106、108、112、120、142、158、160、163、165、168、192、193、194、195、196、199、200、201、202、203、207、218、225、226、236、237、246、248、249、287、307等；或C.I.酸性蓝1、7、9、15、22、23、25、27、29、40、41、43、45、54、55、59、60、62、72、74、78、80、81、82、83、90、92、93、100、102、103、104、111、112、113、117、120、126、127、129、130、131、138、140、142、143、151、154、158、161、166、167、168、170、171、175、182、183、184、185、187、192、199、203、204、205、229、234、236、249、254等。

作为黑色染料，可使用下面的染料：

C.I.直接黑2、4、9、11、17、19、22、32、38、51、56、62、71、74、75、77、80、94、105、106、107、108、112、113、117、118、132、133、146、151、154、168、171、194、195等；C.I.酸性黑1、2、7、16、24、26、28、29、31、44、48、50、51、52、58、60、62、63、64、67、72、76、77、94、107、108、109、110、112、115、118、119、121、122、131、132、139、140、155、156、157、158、159、172、191、194、208等；M-1236(由伊尔福瑞士公司生产)；或MJA-371(由三菱化学株式会社(Mitsubishi Chemical corporation)生产)等。

不仅可使用上述染料，还可使用各种不同的染料。

根据该实施方式的墨水不仅可使用水，还可包括水溶性的有机溶剂以作为溶剂。作为水溶性有机溶剂，可使用脂肪族一元醇(aliphatic monovalent alcohol)、多元醇、多元醇衍生物等。

作为脂肪族一元醇，可使用诸如甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、仲丁醇以及叔丁醇等低级醇。

作为多元醇，例如可使用诸如乙二醇、二甘醇、三甘醇、丙二醇、丁二醇以及丙三醇的亚烷基二醇或烷基二醇、诸如聚乙二醇与聚丙二醇的聚亚烷基二醇或硫二甘醇。

作为多元醇衍生物，在可实现3D成型的范围内，可酌情使用例如诸如乙二醇二甲醚、溶纤剂(cellosolve)以及二乙二醇单甲醚等上述多元醇的低级烷基醚或诸如二乙酸乙二醇酯等上述多元醇的低级羧酸的酯。

而且，在溶剂中，可添加诸如各种表面活性剂、防沫剂、保湿剂、pH调节剂或杀真菌剂等添加剂。此外，可酌情使用诸如单三乙醇胺与双三乙醇胺的醇胺、诸如二甲基甲酰胺与二甲基酮酰胺(dimethyl ketone amide)的酰胺、诸如甲乙酮的酮或诸如二氧杂环乙烷的醚。

作为表面活性剂，可使用非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂或两性离子表面活性剂。具体地，由于许多情况下彩色材料是阴离子，故为了保藏稳定性而多半使用非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂或两性离子表面活性剂。

非离子表面活性剂的例子包括聚氧乙烯烷基苯基醚、聚氧乙烯烷基醚、聚氧乙烯脂肪酸酯、山梨糖醇酐脂肪酸酯、聚氧乙烯山梨糖醇酐脂肪酸酯、聚氧乙烯甘油脂肪酸酯、聚脂肪酸甘油酯、聚氧乙烯山梨醇脂肪酸酯、聚氧乙烯甾醇、聚氧乙烯聚氧丙烯醚、聚氧乙烯脂肪酸酰胺、聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物、非离子乙炔二醇表面活性剂、四甲基癸炔二醇以及四甲基癸炔二醇环氧乙烷加合物。

阴离子表面活性剂的例子包括烷基苯磺酸盐/酯、烷基苯基磺酸盐/酯、烷基萘磺酸盐/酯、高级脂肪酸、高级脂肪酸酯的硫酸酯、高级脂肪酸酯的磺酸盐/酯、高级醇醚的硫酸酯与磺酸盐/酯、高级烷基磺基琥珀酸盐/酯、萘磺酸盐/酯的甲醛缩合物、聚苯乙烯磺酸盐/酯、聚丙烯酸盐/酯、聚氧乙烯烷基醚磷酸盐/酯、烷基醚羧酸盐/酯、烷基硫酸盐/酯、丙烯酸-丙烯酸酯共聚物、甲基丙酸烯-甲基丙酸烯酯共聚物、苯乙烯-丙烯酸共聚物、苯乙烯-丙烯酸-丙烯酸酯共聚物、苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物以及苯乙烯-甲基丙酸烯-甲基丙酸烯酯共聚物。

两性离子表面活性剂的例子包括诸如甜菜碱、磺基甜菜碱、硫酸甜菜碱、咪唑啉以及聚硅氧烷聚氧乙烯加合物的硅酮-系列表面活性剂；全氟烷基羧酸盐/酯；全氟烷基磺酸盐/酯；诸如氧乙烯全氟烷基醚的氟-系列表面活性剂；以及诸如刺孢青霉酸(spiculisporic acid)、鼠李糖脂以及溶血卵磷脂的生物表面活性剂。

3D成型装置的控制系统

图9是主要表示3D成型装置100的控制系统的构造的框图。

控制系统包括主计算机51、存储器52、图像处理计算机95、移动马达控制器54、升降单元控制器53以及头驱动控制器56。这些元件部分地或整体地构成控制装置。

主计算机51对存储器52和各种控制器的驱动进行总体控制。存储器52连接于主计算机51。

图像处理计算机95加载CT(计算机断层扫描，computed tomography)图像数据作为后述的成型目标物体的横截面图像，并进行诸如将CT图像数据转换为BMP(位图)格式的图像处理。通常，图像处理计算机95与3D成型装置100分开设置，并经由USB(通用串行总线)等连接于主计算机51，并将已经过图像处理的已存储的图像数据传输到主计算机51。

CT不限于是使用X射线的CT，且意味着广义上的CT包括SPECT(单光子发射CT)、PET(正电子发射断层显像)、MRI(核磁共振成像)等。

主计算机51与图像处理计算机95之间的连接形式不限于是USB，而可以是SCSI(小型计算机系统接口)或其它形式。此外，使用有线连接还是无线连接并无区别。应注意，图像处理计算机95可以是安装于3D成型装置100上的用于图像处理的装置。而且，在图像处理计算机95与3D成型装置100分开的情况下，图像处理计算机95可以是产生图像数据的CT扫描装置。

升降单元控制器53控制升降单元22的驱动机构，从而控制成型台架21的高度。

移动马达控制器54控制Y方向移动单元40的驱动，从而控制成型台架单元20的开始或停止、其移动速度等。

头驱动控制器56输出驱动信号到喷墨头31中的喷墨产生机构，以便控制墨水的喷射量。而且，头驱动控制器56控制X方向移动单元32的马达(未图示)的驱动，从而控制喷墨头31在X方向上的位置。

主计算机51、图像处理计算机95、升降单元控制器53、移动马达控制器54以及头驱动控制器56可通过下面的硬件或硬件与软件的结合而实现。硬件的例子包括CPU(中央处理单元)、DSP(数字信号处理器)、FPGA(现场可编程门阵列)、ASIC(特定用途集成电路)或类似于这些硬件的硬件。

存储器52可以是固态存储器(半导体、电介质或磁阻存储器)或诸如磁盘和光盘的存储装置。

3D成型装置的操作

接下来，描述生产3D物体的方法。图10与图11是表示生产3D物体的方法的图。参照图10与图11，描述基于从图像处理计算机95获得的断层成像图像中的X方向上的一个层的CT图像数据而形成对应于该一个层的部分网格状物体的操作。

首先，基于头驱动控制器56、移动马达控制器54以及升降单元控制器53的控制，喷墨头31与成型台架21被定位于预定位置。可恰当地设置成型台架21的高度(成型台架21距喷墨头31的距离)。在形成对应于Z方向上的一个层的网格状物体的时段期间，成型台架21的高度例如是固定的。

定位之后，如图10A～图10C所示，墨水不断地从喷墨头31排出(不断地排出墨滴)预定的时段，形成高度大约为100μm的大致垂直的棒状体(柱状体)85a。棒状体85a具有近似20～40μm的宽度。当墨水从喷墨头31排出后，例如大约1秒之后，溶剂或分散介质立即从墨水蒸发，且材料(盐或分散成分)固化时，可获得该宽度。即，墨水按照滴到成型台架21上的顺序依次固化，且物体以垂直方向生长，从而生产出棒状体85a。

每个墨滴的排出频率可低于从常用打印机的头排出的频率。在该实施方式中，排出频率设置例如，为10～20Hz，但在必要时可以变化。墨水的排出量也可恰当地设置。

如图10D所示，喷墨头31或成型台架21在X方向上移动例如大约100μm。类似于图10A～10C所示的操作，通过排出墨水而形成高度大约为100μm的棒状体(柱状体)85b(参见图10D～图10F)。

接下来，如图11A～图11C所示，在喷墨头31或成型台架21正在移动的时段期间，例如当成型台架21以负的X方向移动时，墨水不断地从喷墨头31排出。因此，棒状体85c形成为从垂直棒状体85b以非垂直的方向延伸，例如在大致水平方向上延伸。

取决于喷墨头31与成型台架21在X方向上的相对速度或取决于墨水的黏性(或重量)，棒状体85c可在图11A～11C的水平方向或倾斜方向上生长。倾斜方向可包括向上倾斜方向和向下倾斜方向。

随后，如图11D～图11F所示，在移动喷墨头31或成型台架21以使成型台架21看起来在正的X方向上移动的时段期间，墨水不断地从喷墨头31排出。因此，棒状体85d形成为以例如大致水平的方向从垂直棒状体85b延伸，并与水平棒状体85c结合。于是，形成了连接两个垂直棒状体85a与85b的水平棒状体85e。

如上所述，溶剂或分散介质自然地蒸发，且材料被析出并固化，因此水平棒状体85e可桥接于两个垂直棒状体85a与85b之间。

基于一层的CT图像数据，3D成型装置100在X方向和Y方向上重复地进行图10与图11所示的操作，从而使其可以形成对应于例如图12所示的一个层的物体。图12表示对应于所述一个层的物体，且在平面图上为正方形，以便于理解。

此外，基于多个层的CT图像数据，3D成型装置100使成型台架21每层下降100μm，并重复地进行上述操作，因此可获得具有期望的形状的3D物体。图13是表示所形成的3D物体的立体图。可形成这样的正方金字塔形3D物体。当然也可应用于任何形状的3D物体。

应注意，例如在形成彩色3D物体的情况下，图像处理计算机95对CT图像数据进行多值处理，且3D成型装置100产生对已经过多值处理的图像的每个区域有选择地加以染色的图像。3D成型装置100可基于彩色的图像数据而形成彩色3D物体。

当然，不仅可使用上述颜色，网格状3D物体还可以以白色、黑色或白色与黑色之外的另一其它颜色形成。或者，物体可以灰度级形成。

如上所述，在根据该实施方式的3D成型装置100中，由于溶剂或分散介质蒸发且材料析出，从而形成3D物体，故不必使用UV固化树脂并安装UV照射装置。因此，可以扩展材料的可选择范围并实现3D成型装置100的尺寸的降低。此外，未使用UV光，从而可提高安全性。

具体地，由于形成了网格状3D物体，从而可以提供在再生医学等领域中用于再生身体组织的骨架部件。例如，日本专利特开2009-95401号公报与日本专利特开2009-22480号公报提出了一种多孔骨架部件。作为其替代，可应用根据本实施方式的3D物体。

在再生医学领域中，已知的一种技术是，在患者的骨缺陷中需要使身体组织再生的情况下，要填塞多孔的生物相容性(biocompatible)材料，以引起骨细胞的自我繁殖，从而实现再生。然而，问题在于，在手术期间医生将生物相容性材料填充到缺陷部时，会使多孔材料的孔封闭，导致再生速度低。

此外，存在另一技术，其中缺陷部通过手工成型，并使多孔、网格状3D物体适配于患者的缺陷部分，从而以相同方式使身体组织再生。然而，缺陷部具有三维形状，从而难以手工地形成3D物体。实际上，多孔材料可由3D成型装置100形成，但是使用相关技术中的成型装置难以生产小孔距网格状3D物体。例如，如果由使用UV固化树脂或类似材料的成型装置生产网格状3D物体，则格子的孔距最小近似为500μm，这大于根据本实施方式的3D物体的格子孔距。这是因为UV固化树脂通常具有低的黏性。此外，使用粉末材料的成型装置例如会遇到粉末被格子的孔阻塞的问题。

图17A是表示例如人的头盖骨的图。在头盖骨的部位86具有缺陷或坏死的情况下，3D成型装置100可基于缺陷部86的CT图像数据而形成对应于缺陷部86的形状的网格状物体。

如上所述，在该实施方式中，基于CT图像数据形成网格状3D物体，从而可容易地获得使缺陷部或坏死部精确再现的模型。

而且，在该实施方式中，使用了水溶性墨水，故可获得下面的效果。例如，在使用根据该实施方式的网格状3D物体作为骨架部件，并使生物材料再生成3D物体之后，医生可通过用水冲洗而除去作为不必要的析出结构的3D物体。

图14A～图14F、图15A～图15F以及图16是依次表示通过3D成型装置100的操作而形成物体的状态的图片。图片从图14A～图14F～图15A～图15F是连续的。图16是表示平面图中在Z方向上直立的物体的图片。应注意，在该实验中，本发明的发明人不是在水平的XY平面上形成二维物体，而是仅在Z方向上形成二维物体。

如上所述，这些图片中的格子孔距近似为100μm。

而且，在由本发明的发明人进行的实验中，不仅成功地生产了具有四边形孔的网格状物体，而且成功地生产了类似于字母A形状的在Z方向上直立的物体。

从该实验明显可以看出，在Z方向上直立的、具体地为形成于ZX平面上的平面物体可以是对应于成型目标物体的断层成像图像的一个层的部件。这种情况下，一个层的物体仅需要水平地、即在Y方向上层叠。

墨水的例子

以下，给出墨水的例子。

<例子1：盐、溶剂(水)以及表面活性剂的组合>

作为盐的可从伊尔福瑞士公司商业上获取的黄色染料Y1189(物质名称：1，3-萘二磺酸7-[[4-[[4，6-双-[(3-磺丙基)硫基]-1，3，5-三嗪-2-基]氨基]-3-甲氧苯基]偶氮]四钠盐)与作为表面活性剂的由Nissin Chemical Industry Co.，Ltd.生产的surfynol E1010(物质名称：2，4，7，9-四甲基-5-癸炔-4，7-二醇-二(聚氧乙烯)醚)在作为溶剂的纯水中分别测量为具有20wt％与0.3wt％的浓度，而制备墨水。

<例子2：盐、保湿剂、溶剂(水)以及表面活性剂的组合>

作为盐的可从伊尔福瑞士公司商业获得的黄色染料Y1189(材料名称：1，3-萘二磺酸7-[[4-[[4，6-双-[(3-磺丙基)硫基]-1，3，5-三嗪-2-基]氨基]-3-甲氧苯基]偶氮]四钠盐)、作为保湿剂的三羟甲基丙烷，以及作为表面活性剂的由Nissin Chemical Industry Co.，Ltd.生产的surfynol E1010(材料名称：2，4，7，9-四甲基-5-癸炔-4，7-二醇-二(聚氧乙烯)醚)在作为溶剂的纯水中分别测量为具有16wt％、16wt％以及0.3wt％的浓度，从而制备墨水。<例子3：盐、保湿剂、溶剂(水)以及表面活性剂的组合>(浓度不同于例子2)

作为盐的可从伊尔福瑞士公司商业获得的黄色染料Y1189(材料名称：1，3-萘二磺酸7-[[4-[[4，6-双-[(3-磺丙基)硫基]-1，3，5-三嗪-2-基]氨基]-3-甲氧苯基]偶氮]四钠盐)、作为保湿剂的三羟甲基丙烷以及作为表面活性剂的由Nissin Chemical Industry Co.，Ltd.生产的surfynol E1010(材料名称：2，4，7，9-四甲基-5-癸炔-4，7-二醇-二(聚氧乙烯)醚)在作为溶剂的纯水中分别测量为具有10wt％、10wt％以及0.3wt％的浓度，从而制备墨水。

<例子4：盐、保湿剂、溶剂(水)以及表面活性剂的组合>(彩色材料不同于例子3)

作为盐的C.I.直接蓝色199、作为保湿剂的三羟甲基丙烷以及作为表面活性剂的由Nissin Chemical Industry Co.，Ltd.生产的surfynol E1010(材料名称：2，4，7，9-四甲基-5-癸炔-4，7-二醇-二(聚氧乙烯)醚)在作为溶剂的纯水中分别测量为具有10wt％、10wt％以及0.3wt的浓度％、从而制备墨水。

根据另一实施方式的喷墨头

图18是表示根据另一实施方式的喷墨头的结构的分解立体图。与如上所述的在一个方向上排出墨水的常用喷墨头不同，下面描述的喷墨头131在多个方向上排出墨水。喷墨头131采用热动式。

在图18中，喷嘴片117结合于阻挡层116上。该图表示了喷嘴片117被分离的状态。

基板部件114包括由硅等形成的半导体基板115和形成于半导体基板115的一个表面上的发热电阻器113。发热电阻器113通过形成于半导体基板115上的导电部(未图示)电连接于头驱动控制器56的电路。

阻挡层116由曝光固化型的干膜抗蚀剂形成。阻挡层116通过在半导体基板115的整个表面上层叠而形成，并随后通过光刻处理去除不必要的部分，所述半导体基板115上形成有发热电阻器113。

喷嘴片117包括多个喷嘴118。喷嘴片117通过电铸技术使用镍形成，并结合于阻挡层116上，从而喷嘴118与发热电阻器113相对。

墨水室112由基板部件114、阻挡层116以及喷嘴片117构成为围绕发热电阻器113。即，在图18中，基板部件114形成墨水室112的底，阻挡层116形成其侧壁，且喷嘴片117形成其顶壁。通过该结构，墨水室112在图18的右前侧具有开口表面，且开口表面与墨水流通路径(未图示)彼此连通。

一个喷墨头131包括上百个发热电阻器113和分别设有发热电阻器113的墨水室112。根据来自主计算机51的命令，喷墨头131从多个发热电阻器113中唯一地选择一个，并可从喷嘴118排出对应于所选发热电阻器113的墨水室112中的墨水。

即，墨水从连接于喷墨头131的墨水箱(未图示)填充于墨水室112中。随后，脉冲电流流至发热电阻器113并持续例如1～3μs的短时段，从而加热发热电阻器113。因此，在墨水与发热电阻器113接触的部分会产生气泡并膨胀，从而将墨水排开一定体积(墨水沸腾)。于是，在与同喷嘴118接触的部分中，与被排开的墨水具有几乎相同体积的墨水作为液滴从喷嘴118排出。

图19A与图19B分别是更详细地表示发热电阻器113的布置的平面图与横截面图。在图19A中，喷嘴118由点划线表示。

在该实施方式中，在一个墨水室112中，通过将发热电阻器113分成两个而得到的发热电阻器113a与113b平行排列。发热电阻器113a与113b的排列方向与喷嘴118的排列方向相同。通常，两个发热电阻器113a与113b设置为具有相同的阻抗。

当发热电阻器113a与113b的气泡产生之间出现时间滞后时，墨水的排出角度就变得不是垂直的。如图20A与图20B所示，墨水的排出方向有所偏离，即设置为倾斜方向。图20C表示时间滞后大致为零的情况。这种情况下，墨水的液滴D在沿发热电阻器113a与113b的中央线L的方向(以下称为垂直方向)排出。

为引起气泡产生中的时间滞后，头驱动控制器56进行控制，以使流入发热电阻器113a与113b的电流不同。在图20A中，流入左侧的发热电阻器113a的电流大于流入右侧的发热电阻器113b的电流。这种情况下，液滴D从中央线L向右偏离而排出。在图20B中，流入右侧发热电阻器113b的电流大于流入左侧发热电阻器113a的电流。这种情况下，液滴D从中央线L向左偏离而排出。图20C表示将大致相同的电流施加于发热电阻器113a与113b的状态，且这种情况下液滴D以垂直方向排出。

图21与图22是表示在使用喷墨头131的3D成型装置中生产网格状3D物体的方法的图。应注意，除了喷墨头131以外，使用了喷墨头131的3D成型装置的结构与3D成型装置100的结构相同。在图21与图22中，省略或简化了对与图10与图11中相同的部件的描述。

当喷墨头131定位时，如图21A～图21C所示，墨水在垂直方向上不断地排出预定的时段，从而形成大致垂直的棒状体85a。随后，如图21D～图21F所示，喷墨头131或成型台架21例如在X方向上移动大约100μm，且随后如在图10A～图10C所示的操作中那样排出墨水，从而形成棒状体85b。

如图22A～图22C所示，喷墨头131以倾斜方向排出墨水，使得排出方向朝着垂直棒状体85a偏移。即，排出方向的角度从垂直方向逐渐增加。于是，棒状体85c形成为在非垂直的方向上，例如在大致水平方向上从垂直棒状体85b延伸。

如图22D所示，移动喷墨头131或成型台架21，使得喷墨头131的中央线L(参见图20)成为垂直棒状体85a的延伸。而且，如图22D～图22F所示，喷墨头131在倾斜方向排出墨水从而使排出方向朝着垂直棒状体85b逐渐地偏移。即，排出方向的角度从垂直方向逐渐增加。因此，棒状体85d形成为例如以大致水平方向从垂直棒状体85a延伸，且与水平棒状体85c结合。于是，形成连接两个垂直棒状体85a与85b的水平棒状体85e。

如上所述，通过控制排出(喷射)方向，物体可在水平或倾斜方向上生长而不需要细微地移动成型台架21。因此，可获得诸如减少了成型时长且简化了控制成型台架21的方法的优点。

本发明不限于上述实施方式，且可想到各种其它实施方式。

根据该实施方式的喷墨头31由X方向移动单元32在X方向上移动，但也可在XY平面上移动。或者，喷墨头31也可在Z方向上移动。而且，成型台架21可在XY平面上移动而喷墨头31位置固定。

在图11A～图11F与图22A～图22F中，从两个垂直棒状体分两次形成水平棒状体85e。然而，水平棒状体85e可从一个垂直棒状体形成为一个。所述实施方式可通过调节格子孔距或墨水的黏性等而实现。

在上述实施方式中，3D物体的格子的孔距在水平方向和垂直方向上设置为大致相同，但是也可不同。

在上述实施方式中，3D物体的格子孔距(例如大约100μm)与Z方向上的3D物体的一层孔距一致。然而，格子孔距可大于或小于Z方向上的一层孔距。

在上述实施方式中，3D物体基于二维(2D)断层成像图像数据而形成，但也可基于成型目标物体的3D数据而形成。

在根据上述实施方式的3D成型装置100中，用于加热形成于成型台架21上的3D物体的加热器位于头单元的下游侧(图4中的头单元右侧)。

在上述实施方式中，给出了形成网格状3D物体的例子。然而，3D物体不限于具有格子形状，还可以是多孔3D物体。这里的多孔体指其孔的3D形状不受限的物体，例如是其格子孔距是随机的物体。或者，3D成型装置100不仅可形成网格状或多孔3D物体，还可形成没有孔的普通3D物体。

Claims (10)

1.一种三维成型装置，其包括：

台架；

头，其用于将处理液体供应到所述台架上，所述处理液体是溶液与分散液之一，以通过从所述处理液体中蒸发溶剂与分散介质之一而使构成三维物体的材料从所述处理液体中析出；

移动机构，其用于相对地移动所述头与所述台架；以及

控制装置，其用于控制所述移动机构的驱动以形成所述三维物体。

2.根据权利要求1所述的三维成型装置，其中，所述控制装置以所述材料形成至少两个垂直棒状体并以所述材料形成非垂直的棒状体，所述非垂直的棒状体连接所述两个垂直棒状体。

3.根据权利要求2所述的三维成型装置，其中，所述三维物体是网格状物体。

4.根据权利要求1所述的三维成型装置，其中，所述三维物体是多孔体。

5.根据权利要求3或4所述的三维成型装置，其中，所述三维物体是用于身体组织的再生的骨架部件。

6.根据权利要求2所述的三维成型装置，其中，所述控制装置通过在非垂直的方向上相对地移动所述头与所述台架而形成所述非垂直的棒状体。

7.根据权利要求1所述的三维成型装置，其中，所述头能够以倾斜方向排出所述处理液体。

8.根据权利要求1所述的三维成型装置，其中，所述控制装置基于作为成型目标物体的断层成像图像的二维图像数据而控制所述移动机构的移动。

9.一种生产三维物体的方法，该方法包括：

相对地移动台架与头；

从所述头将处理液体排出到所述台架上，所述处理液体是溶液与分散液之一；以及

控制所述台架与所述头的相对位置，以通过从所述处理液体中蒸发溶剂与分散介质之一并使材料析出而形成三维物体。

10.一种三维物体，其通过生产三维物体的方法而获得，所述方法包括：

相对地移动台架与头，

从所述头将处理液体排出到所述台架上，所述处理液体是溶液与分散液之一，以及

控制所述台架与所述头的相对位置，以通过从所述处理液体中蒸发溶剂与分散介质之一并使材料析出而形成三维物体。

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