JP2009039891A - 三次元造形装置、および三次元造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】粉体を結合させて、外力に変形し難く割れ難い三次元物体を造形する。
【解決手段】粉体層を硬化液で結合させた断面部材を積層して三次元物体を造形する。このとき、硬化液を速く硬化させて粉体を結合させる箇所と、遅く硬化させる箇所とを設ける。硬化液の硬化速度が高い部分は外力に対して変形し難いが割れ易い。逆に、硬化速度が低い部分は外力で変形し易いが割れ難い。そこで、場所に硬化速度を異ならせて粉体を結合させれば、変形に対しても割れに対しても強い三次元物体を造形することができる。変形と割れとを同時に満足する硬化速度を試行錯誤で設定する手間もない。硬化速度の制御は、硬化液の種類を変えても良いし、硬化を促進する材料、あるいは硬化を抑制する材料を用いても良い。
【選択図】図３

Description

本発明は、三次元物体を造形する技術に関し、詳しくは、硬化液を吐出して粉末材料を結合させることによって、三次元物体を造形する技術に関する。

粉体を硬化液で固めながら、三次元物体を造形する技術が知られている。この技術では、次のような操作を繰り返すことによって三次元物体を造形する。先ず、粉体を均一な厚さで薄く敷き詰めて粉体層を形成し、この粉体層の所望部分に硬化液を吐出することによって粉体を結合させる。この結果、粉体層の中で、硬化液が吐出された部分だけが結合して、薄い板状の部材が形成される。本明細書中では、この薄い板状の部材を「断面部材」と呼ぶことにする。次いで、その粉体層の上に更に粉体層を薄く形成し、所望部分に硬化液を吐出する。その結果、新たに形成された粉体層の硬化液が吐出された部分にも、新たな断面部材が形成される。このような操作を繰り返して、薄い板状の断面部材を一層ずつ積層することによって、三次元物体を造形する。このようにして三次元物体を造形すれば、金型などを作成せずとも、三次元物体を形状データから直ちに造形可能であるため、迅速にしかも安価に造形することが可能である。また、薄い板状の断面部材を一層ずつ積層して造形するので、例えば内部構造を有する複雑な物体であっても、複数の部品に分けることなく一体の造形物として形成することができる（例えば、特許文献１）。

特開２００２−３０７５６２号公報

しかし、このように粉体を結合させて三次元物体を造形する技術では、粉体の結合速度（換言すれば、硬化液の硬化速度）の設定が難しいという問題があった。すなわち、硬化速度が速い方が粉体を強固に結合することができるので、多少の力を受けても変形し難くすることができるが、その反面、大きな力を受けると割れ易くなってしまう。逆に、硬化速度を遅くすると、大きな力を受けたときの割れ易さは緩和することができるが、比較的小さな力に対して変形し易くなる。このため、現状では、多少の力では変形せず、大きな力を受けた場合でも割れ難くなるような硬化速度を、試行錯誤によって設定しなければならず、設定に手間がかかるだけでなく、結局は、変形および割れの何れに対しても中途半端な設定になってしまう虞があった。

この発明は、従来の技術が有する上述した課題を解決するためになされたものであり、適切な硬化速度を簡単に設定可能であり、力を受けたときの変形および割れの何れも満足する三次元物体を造形可能な技術の提供を目的とする。

上述した課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の第１の三次元造形装置は次の構成を採用した。すなわち、
粉体を硬化液で結合させることによって、三次元物体を造形する三次元造形装置であって、
予め記憶されている前記三次元物体の形状データに基づいて、該三次元物体を複数の断面で層状に切断したときに各層で得られる断面データを生成する断面データ生成手段と、
前記粉体による略均一な厚さの粉体層を形成する粉体層形成手段と、
前記粉体層に前記硬化液を供給して、該粉体層を形成する粉体を結合させる粉体結合手段と、
前記供給された硬化液が硬化する速度を制御する硬化速度制御手段と、
前記断面データに従って前記粉体層に前記硬化液を供給して、前記三次元物体の一層分の断面形状に相当する断面部材を形成する操作を繰り返し、該断面部材を積層することによって該三次元物体を造形する三次元物体造形手段と
を備え、
前記断面データ生成手段は、前記断面データを生成するに際して、前記断面部材の場所毎に前記硬化液の硬化速度に関する情報を表す硬化速度情報も、併せて生成する手段であり、
前記三次元物体造形手段は、前記硬化速度情報を参照しながら、前記硬化速度制御手段を用いて前記硬化液の硬化速度を制御しつつ前記断面部材を積層することにより、前記三次元物体を造形する手段であることを要旨とする。

また、上記の三次元造形装置に対応する本発明の第１の三次元造形方法は、
粉体を硬化液で結合させることによって、三次元物体を造形する三次元造形方法であって、
予め記憶されている前記三次元物体の形状データに基づいて、該三次元物体を複数の断面で層状に切断したときに各層で得られる断面データを生成する断面データ生成工程と、
前記粉体による略均一な厚さの粉体層を形成する粉体層形成工程と、
前記粉体層に前記硬化液を供給して、該粉体層を形成する粉体を結合させる粉体結合工程と、
前記供給された硬化液が硬化する速度を制御する硬化速度制御工程と、
前記断面データに従って前記粉体層に前記硬化液を供給して、前記三次元物体の一層分の断面形状に相当する断面部材を形成する操作を繰り返し、該断面部材を積層することによって該三次元物体を造形する三次元物体造形工程と
を備え、
前記断面データ生成工程は、前記断面データを生成するに際して、前記断面部材の場所毎に前記硬化液の硬化速度に関する情報を表す硬化速度情報も、併せて生成する工程であり、
前記三次元物体造形工程は、前記硬化速度情報を参照しながら、前記硬化液の硬化速度を制御しつつ前記断面部材を積層することにより、前記三次元物体を造形する工程であることを要旨とする。

かかる本発明の第１の三次元造形装置および第１の三次元造形方法においては、造形しようとする三次元物体の形状データを予め記憶しており、その三次元物体を複数の断面で層状に切断したときの各層での断面データを生成する。そして、粉体を用いて、略均一な厚さの粉体層を形成し、その粉体層に対して断面データに従って硬化液を供給する。硬化液が供給されると粉体は結合するので、粉体層に断面データに従って硬化液を供給することにより、粉体層の厚みに相当する厚さを有し且つ三次元物体のある断面での断面形状を有する部材（断面部材）を形成することができる。そこで、断面部材が形成された粉体層の上に、新たな粉体層を形成し、その粉体層に対して、断面データに従って硬化液を供給することで、新たな断面部材を形成するとともに先に形成した断面部材の上に積層する。このような操作を繰り返すことにより、三次元物体を造形することができる。また、粉体層の上に供給された硬化液が硬化する硬化速度を制御することが可能となっている。そして、断面データを生成するに際しては、断面部材の場所毎に硬化速度を表した硬化速度情報も併せて生成しておき、断面部材を形成するに対しては、硬化速度情報に従って硬化速度を制御しながら、断面部材を形成する。

こうすれば、硬化液を速く硬化させることによって外力に対して変形し難くした部分と、硬化液をゆっくりと硬化させることによって割れ難くした部分とを組み合わせて、三次元物体を造形することができる。例えば、三次元物体の表面あるいは内側の一方については、外力を受けても変形し難くなるように、高い硬化速度で粉体を結合させ、他方については、低い硬化速度で粉体を結合させることによって、三次元物体が容易に割れなくなるようにすることができる。このため、外力に対する変形し難さと割れ難さとを同時に満足させるような硬化速度の設定を、試行錯誤によって探さなくても、変形し難さと割れ難さとを同時に満足する三次元物体を簡単に造形することが可能となる。もちろん、変形し難さおよび割れ難さの何れに対しても中途半端な設定となってしまう虞もない。

尚、硬化液の硬化速度を制御するに際しては、硬化液の硬化を速めることによっても、あるいは硬化を遅くすることによって制御しても良い。例えば、硬化液の硬化を促進する物質を、硬化液とともに（あるいは硬化液の後から）を供給することで、硬化速度を高めても良いし、逆に硬化液の硬化を抑制する物質を、硬化液とともに（あるいは硬化液の前に）供給することで、硬化速度を低くするようにしても良い。

また、上記の本発明の三次元造形装置においては、所定波長の電磁波を照射して、硬化液の硬化を促進することにより、硬化液の硬化速度を制御するようにしても良い。

例えば、硬化液として、所定波長の電磁波が照射されることによって硬化が促進されるような硬化液を用いれば、電磁波を照射するか否か、あるいは照射量（照射強度、照射時間など）によって、硬化速度を制御することができる。もちろん、電磁波を用いて硬化速度を促進する方法はこうした方法に限られず、電磁波を照射して硬化液を温めて反応し易くすることによって、硬化液の硬化速度を上げるようにしても良い。

また、上述した本発明の第１の三次元造形装置においては、物体の表面を、内部よりも速い速度で硬化させることによって、三次元物体を造形しても良い。

三次元物体の表面を、高い硬化速度で形成すれば、粉体層に供給した硬化液が、粉体の隙間に染み込んで周囲に広がることを抑制することができるので、滑らかな表面の三次元物体を造形することが可能となる。

また、前述した従来の技術が有する課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の第２の三次元造形装置は次の構成を採用した。すなわち、
粉体を硬化液で結合させることによって、三次元物体を造形する三次元造形装置であって、
予め記憶されている前記三次元物体の形状データに基づいて、該三次元物体を複数の断面で層状に切断したときに各層で得られる断面データを生成する断面データ生成手段と、
前記粉体により略均一な厚さの粉体層を形成する粉体層形成手段と、
互いに硬化速度の異なる第１の硬化液または第２の硬化液を、前記硬化液として前記粉体層に供給することで、該粉体層を形成する粉体を結合させる粉体結合手段と、
前記断面データに従って前記粉体層に前記第１の硬化液又は前記第２の硬化液を供給して、前記三次元物体の一層分の断面形状に相当する断面部材を形成する操作を繰り返し、該断面部材を積層することによって該三次元物体を造形する三次元物体造形手段と
を備え、
前記断面データ生成手段は、前記断面データを生成するに際して、前記断面部材の場所毎に前記硬化液の硬化速度に関する情報を表す硬化速度情報も、併せて生成する手段であり、
前記三次元物体造形手段は、前記硬化速度情報に基づいて、前記第１の硬化液または前記第２の硬化液を供給しながら、前記断面部材を積層することにより、前記三次元物体を造形する手段であることを要旨とする。

また、上記の三次元造形装置に対応する本発明の第２の三次元造形方法は、
粉体を硬化液で結合させることによって、三次元物体を造形する三次元造形方法であって、
予め記憶されている前記三次元物体の形状データに基づいて、該三次元物体を複数の断面で層状に切断したときに各層で得られる断面データを生成する断面データ生成工程と、
前記粉体により略均一な厚さの粉体層を形成する粉体層形成工程と、
互いに硬化速度の異なる第１の硬化液または第２の硬化液を、前記硬化液として前記粉体層に供給することで、該粉体層を形成する粉体を結合させる粉体結合工程と、
前記断面データに従って前記粉体層に前記第１の硬化液又は前記第２の硬化液を供給して、前記三次元物体の一層分の断面形状に相当する断面部材を形成する操作を繰り返し、該断面部材を積層することによって該三次元物体を造形する三次元物体造形工程と
を備え、
前記断面データ生成工程は、前記断面データを生成するに際して、前記断面部材の場所毎に前記硬化液の硬化速度に関する情報を表す硬化速度情報も、併せて生成する工程であり、
前記三次元物体造形工程は、前記硬化速度情報に基づいて、前記第１の硬化液または前記第２の硬化液を供給しながら、前記断面部材を積層することにより、前記三次元物体を造形する工程であることを要旨とする。

かかる本発明の第２の三次元造形装置および第２の三次元造形方法においては、互いに硬化速度の異なる第１の硬化液および第２の硬化液を供給して粉体を結合することによって、三次元物体を造形する。このとき、硬化速度情報に従って、第１の硬化液あるいは第２の硬化液を供給することにより、供給する硬化液によって硬化速度を異ならせた状態で、三次元物体を造形する。

こうすれば、第２の三次元造形装置あるいは第２の三次元造形方法においても、硬化液が速く硬化して外力に対して変形し難い部分と、ゆっくり硬化して割れ難い部分とを組み合わせることにより、変形し難さと割れ難さとを同時に満足する三次元物体を簡単に造形することが可能となる。もちろん、試行錯誤によって適切な硬化速度を設定するための手間が発生することもなく、また、変形し難さおよび割れ難さの何れに対しても中途半端な設定となってしまう虞もない。

また、かかる本発明の第２の三次元造形装置においても、物体の表面を、内部よりも速い速度で硬化させることとしてもよい。

前述した本発明の第１の三次元造形装置と同様に第２の三次元造形装置においても、三次元物体の表面を高い硬化速度で形成すれば、粉体層に供給した硬化液が、粉体の隙間に染み込んで周囲に広がることを抑制することができるので、滑らかな表面の三次元物体を造形することが可能となる。

以下では、上述した本願発明の内容を明確にするために、次のような順序に従って実施例を説明する。
Ａ．装置構成：
Ｂ．本実施例の造形方法：
Ｃ．変形例：
Ｃ−１．第１の変形例：
Ｃ−２．第２の変形例：

Ａ．装置構成 ：
図１は、本実施例の三次元造形装置１００の大まかな構成を示した説明図である。図示されているように、三次元造形装置１００は、大きな枠体から構成され内部に三次元物体が造形される造形部１０と、造形部１０内に粉体による粉体層を形成する粉体層形成部２０と、粉体を結合させる硬化液を粉体層に供給する硬化液供給部３０と、粉体層に供給された硬化液に紫外光を照射して硬化液を硬化させる紫外光照射部５０と、三次元造形装置１００の全体の動作を制御するために各種の演算処理を行う演算処理部４０などから構成されている。

演算処理部４０は、造形しようとする三次元物体の形状データを記憶しておくとともに、三次元物体を複数の断面で層状に切断して、各層での断面データを生成する断面データ生成部４２と、得られた断面データに従って造形部１０や、粉体層形成部２０、硬化液供給部３０の動作を制御する制御部４４などから構成されている。制御部４４は、断面データ生成部４２から断面データを受け取ると、粉体層形成部２０を駆動して造形部１０内に粉体層を形成させ、硬化液供給部３０を駆動して硬化液を断面データに従って粉体層に供給する。すると、硬化液が硬化を開始して粉体を結合させることにより、造形部１０内には、１層分の断面データに対応する断面形状の薄板状の部材（断面部材）が形成される。尚、粉体層に硬化液を供給後、供給した硬化液に向かって紫外光を照射してもよい。紫外光が照射されると硬化液はより速やかに硬化して粉体を結合させることができる。こうして１層分の断面部材が形成されたら、底面駆動部１６を駆動して底面部１４を少しだけ低下させる。次いで、断面データ生成部４２から次の断面データを受け取って、断面部材を形成した粉体層の上に新たな粉体層を形成し、その上から硬化液を供給し、必要に応じて紫外光を照射することにより、新たな断面部材を形成する。このように制御部４４は、断面データ生成部４２から各層の断面データを受け取ると、造形部１０や、粉体層形成部２０、硬化液供給部３０、紫外光照射部５０を駆動することにより、１層ずつ断面部材を形成して積層していく。

尚、断面データ生成部４２は、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスクなどが相互にデータをやり取り可能に構成された周知のコンピュータを用いて構成することができる。また、制御部４４は、断面データを変換して、造形部１０や粉体層形成部２０、硬化液供給部３０への駆動信号を生成する専用のＩＣチップを用いて構成することができる。もちろん、こうした変換をＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭなどを用いて実行しても良い。この場合は、断面データ生成部４２を構成するコンピュータに制御部４４の機能を組み込んで、断面データ生成部４２と制御部４４とを一体に構成することも可能である。

造形部１０は、上方から見ると矩形形状をした枠体１２と、枠体１２の底面を形成して上下方向に摺動可能な底面部１４と、底面部１４を上下方向に摺動させる底面駆動部１６等から構成されており、枠体１２と底面部１４との間に形成された空間に三次元物体が造形される。また、底面駆動部１６は制御部４４からの制御によって、底面部１４を正確に上下方向に移動させることが可能となっている。

粉体層形成部２０は、粉体が収納されるホッパー２２と、ホッパー２２の下部で回転することにより粉体を一定量ずつ供給する粉体供給ローラ２４と、粉体供給ローラ２４から供給された粉体を一定厚さに伸展させて粉体層を形成する伸展ローラ２６などから構成されている。ホッパー２２や、粉体供給ローラ２４、伸展ローラ２６は図１の紙面に直角方向（Ｙ方向）に延びるように形成されており、また粉体層形成部２０は全体が、図１の紙面上で左右方向（Ｘ方向）に移動可能に構成されている。

粉体層を形成する際には、先ず初めに、粉体層形成部２０を図１の左端に移動させる。このとき、形成する粉体層の厚さに相当する分だけ、底面駆動部１６を駆動して底面部１４の位置を下方（マイナスのＹ方向）に下げておく。そして、粉体供給ローラ２４を回転させて、伸展ローラ２６の前方に粉体を供給しながら、粉体層形成部２０を右方向（プラスのＸ方向）に移動させる。伸展ローラ２６は、進行方向に対して逆回転させておく。こうすると、伸展ローラ２６は、余分な粉体を進行方向に蹴り出すようにしながら移動することになり、その結果、後方には、均一な厚さを有する粉体層が形成される。このとき、粉体の供給速度は、形成する粉体層の厚さおよび粉体層形成部２０の移動速度に応じて、適切な供給速度に制御されている。また、伸展ローラ２６の回転速度は、粉体層形成部２０の移動速度に応じて適切な回転速度に制御されている。こうすることで、余分な粉体を進行方向に蹴り出して、常に適量分ずつの粉体を伸展させることが可能となり、その結果、粉体を過度に踏み固めてしまうことを回避することが可能となる。

硬化液供給部３０は、粉体層に向けて硬化液を供給するための供給ヘッドと、硬化液を収容しておく収容部とが搭載されており、硬化液収容部３４に収容された硬化液を、硬化液供給ヘッド３２から粉体層に向けて供給することが可能となっている。

ここで、本実施例の硬化液供給ヘッド３２には、いわゆるピエゾ駆動方式の液滴吐出ヘッドが採用されている。ピエゾ駆動方式の液滴吐出ヘッドは、微細なノズル穴が設けられた圧力室を液体で満たしておき、ピエゾ素子を用いて圧力室の側壁を撓ませることによって、圧力室の容積減少分に相当する体積の液体を液滴として吐出することが可能である。本実施例の硬化液供給部３０では、硬化液収容部３４に収容された硬化液を、硬化液供給ヘッド３２の圧力室に導いてピエゾ素子を駆動することによって、液滴状の硬化液を吐出することが可能となっている。

ここで硬化液としては、例えば、モノマーと、モノマーが結合したオリゴマーとを主成分とする液体の樹脂材料と、紫外光が照射されると励起状態となってモノマーあるいはオリゴマーに働きかけて重合を開始させる重合開始剤との混合物が用いられている。また、ピエゾ駆動方式の液滴吐出ヘッドから液滴として吐出可能な程度の低粘度となるように、硬化液のモノマーは比較低分子量のモノマーが選択されており、更に１つのオリゴマーに含まれるモノマーの分子数も数分子程度に調整されている。そして、硬化液は、紫外光を浴びない限りは安定であるため、硬化液収容部３４や硬化液供給ヘッド３２の内部で硬化することなく、液滴として吐出することができるが、紫外光を浴びて重合開始剤が励起状態になると、モノマーが互いに重合してオリゴマーに成長し、またオリゴマー同士もところどころで重合して、速やかに硬化して固体となる性質を有している。

また、粉体の表面には、硬化液内に含まれているものとは別のタイプの重合開始剤が付着されている。粉体の表面に付着された重合開始剤は、硬化液と接触するとモノマーあるいはオリゴマーに働きかけて重合を開始させる性質を有している。このため、粉体層に硬化液の液滴を供給すると、硬化液が粉体層の内部に浸透するとともに、粉体表面の重合開始剤に接触して硬化し、その結果、硬化液が吐出された部分では、粉体同士が硬化した硬化液によって結合された状態となる。

また、硬化液供給部３０は、制御部４４の制御の元で、粉体層形成部２０とは独立して、Ｘ方向（図１の紙面上で左右方向）およびＹ方向（図１の紙面に垂直方向）に移動させることが可能となっている。

紫外光照射部５０は、Ｙ方向（図１の紙面に垂直方向）に沿って設けられた細長い紫外光照射ランプと、紫外光が下方にのみ照射されるように紫外光照射ランプの三方を囲う紫外光遮蔽部材などから構成されている。紫外光照射部５０は、制御部４４からの制御によって点灯あるいは消灯するとともに、粉体層形成部２０や硬化液供給部３０と一緒にＸ方向（図１の紙面上で左右方向）に移動することによって、粉体層の全面にわたって均一に紫外光を照射することが可能となっている。

Ｂ．本実施例の造形方法 ：
以上のような構成を有する本実施例の三次元造形装置１００では、多少の力を受けた程度では変形せず、尚且つ、大きな力を受けても割れ難い三次元物体を造形するために、次のような造形方法を採用している。以下、本実施例の三次元物体の造形方法について説明する。

図２は、本実施例の三次元造形装置１００が三次元物体を造形するために行う三次元造形処理の流れを示すフローチャートである。図示されているように、三次元造形処理を開始すると、先ず初めに、造形しようとする三次元物体の形状データを取得する（ステップＳ１００）。次いで、その三次元物体の形状データから、断面データおよび硬化速度情報を生成する（ステップＳ１０２）。ここで断面データとは、三次元物体を複数の断面で層状に切断したときに各層で得られる複数のデータである。また、硬化速度情報とは、断面データに従って粉体層に硬化液を吐出して断面部材を形成する際に、硬化液を硬化させる速度に関する情報である。例えば、段階的に硬化速度を切り換え可能である場合は、何れの硬化速度で硬化させるかといったことを、直接あるいは間接的に決定することの可能な情報である。

このような硬化速度情報は、種々の方法で生成することができる。例えば、形状データから三次元物体の断面形状を生成した後、表面からの距離あるいは中心（または内側）までの割合に応じて、硬化速度を切り換えることによって、硬化速度情報を生成することができる。もちろん、三次元物体の形状データに、硬化速度情報に関する内容も記述しておき、かかる記述に基づいて硬化速度情報を生成することも可能である。

次いで、制御部４４は、断面データ生成部４２で生成された複数の断面データおよび硬化速度情報の中から、一層分の断面データおよび硬化速度情報を読み出す（ステップＳ１０４）。そして、硬化速度情報を参照しながら、断面データに基づいて硬化液を吐出することによって、断面部材を形成する（ステップＳ１０６）。また、このとき、硬化速度情報に応じて、紫外光照射部５０から紫外光を照射することによって、硬化液の硬化を促進させる。

図３は、本実施例の三次元造形装置１００が粉体層に硬化液を吐出しながら三次元物体を造形している様子を概念的に示した説明図である。図中に水平方向に示した細い破線は、粉体層を表しており、粉体層中に斜線を付した部分は、硬化液によって粉体が固められた部分を表している。また、斜線が付された部分には、細かい斜線の部分と粗い斜線の部分とが存在するが、細かい斜線が付された部分は、硬化液を速く硬化させながら断面部材を形成した部分であり、粗い斜線が付された部分は、硬化液をゆっくりと硬化させながら断面部材を形成した部分である。図３（ａ）は、硬化液を速く硬化させて断面部材を形成する様子を概念的に表している。図示されているように、粉体層形成部２０をプラスのＸ方向（紙面上では右方向）に移動させながら、粉体供給ローラ２４を用いて粉体を供給しつつ伸展ローラ２６を回転させることによって粉体層を形成し、その後、断面データに従って、硬化液供給ヘッド３２から硬化液を吐出することによって、粉体を結合させる。前述したように、硬化液供給ヘッド３２には、インクジェットプリンタで用いられているピエゾ駆動方式の液滴吐出ヘッドが採用されており、正確な位置に正確な分量だけ硬化液を吐出することが可能である。尚、ここでは、速く硬化させる部分（図３では細かい斜線が付された部分）を初めに形成することとしているから、硬化速度情報を参照して、速い硬化速度の設定になっている部分にのみ、硬化液を吐出するとともに、紫外光照射部５０から紫外光を照射する。本実施例の三次元造形装置１００で用いられている硬化液は、特定の波長の電磁波（ここでは紫外光）が照射されると活性化して、硬化液内のモノマーやオリゴマーに働きかけて重合を開始させる重合開始剤が含まれているので、紫外光を照射することで硬化液を速やかに硬化させることができる。

こうして、粉体層形成部２０、硬化液供給部３０、紫外光照射部５０をプラスのＸ方向に移動させて、粉体層を形成すると共に、速い硬化速度に設定されている部分の断面部材を形成したら、粉体層形成部２０、硬化液供給部３０、紫外光照射部５０をマイナスＸ方向に移動させて初期位置に戻した後、残余の部分（遅い硬化速度に設定されている部分）の断面部材を形成する。

図３（ｂ）は、硬化液をゆっくりと硬化させて断面部材を形成する様子を概念的に表している。ここでは、既に粉体層が形成されていることから、粉体を供給することなく、硬化液供給ヘッド３２を駆動することにより、粉体層に硬化液を吐出する。ここで、本実施例の硬化液は、前述したように、紫外光によって活性化して重合を開始する重合開始剤が含まれているが、粉体粒子の表面にも別のタイプの重合開始剤が塗布されている。粉体粒子に塗布されている重合開始剤は、硬化液に触れると活性化して、モノマーやオリゴマーの重合を開始させる性質を有している。このため、粉体層に吐出された硬化液は、粉体の間を染み込んで行くとともに、粉体表面に触れた部分から重合を開始して、最終的には粉体を結合させる。すなわち、本実施例では、粉体層に硬化液を吐出すると、紫外光を照射せずとも硬化液が硬化して粉体を結合させるが、紫外光を照射することによって硬化を促進し、硬化速度を高くすることが可能となっている。

図２に示した三次元造形処理のステップＳ１０６では、以上のようにして、速い速度で硬化させる部分の断面部材を形成し、次にゆっくりと硬化させる部分の断面部材を形成することにより、断面データに従って断面部材を形成する処理を行う。尚、ここでは、速く硬化させる部分を初めに形成し、次に、ゆっくりと硬化させる部分を形成するものとしたが、これに限らず、ゆっくりと硬化させる部分を初めに形成し、次に、速く硬化させる部分を形成するようにしても良い。

以上のようにして、一層分の断面データに従って断面部材を形成したら、全断面データに対応する断面部材を形成したか否かを判断する（ステップＳ１０８）。そして、未だ断面部材を形成していない断面データが残っていると判断された場合は（ステップＳ１０８：ｎｏ）、次の一層分の断面データを読み出した後（ステップＳ１０４）、読み出した断面データに対して、上述した一連の処理を行うことにより、その断面データに対応する断面部材を形成する。以上のような処理を繰り返して、全ての断面データに対応する断面部材を形成したと判断されたら（ステップＳ１０８：ｙｅｓ）、図２に示した本実施例の三次元造形処理を終了する。このとき、造形部１０の中には、複数層の粉体層が積層されており、粉体層を積層する際に硬化液を吐出して形成した断面部材は互いに結合して一体となっている。そこで、造形部１０の中から一体となった断面部材を取り出せば、硬化液によって結合されていない粉体は脱落するので、形状データに対応する三次元物体を得ることができる。

以上のようにして形成された三次元物体は、表面部分は硬化液を速い速度で硬化させているので、粉体が強固に結合しており、多少の外力を受けても変形することがない。また、三次元物体の内側部分は硬化液を比較的ゆっくりと硬化させているので、大きな外力を受けても割れることがない。すなわち、外力による変形に耐える役割と外力による割れに耐える役割とを、物体の表面部分と内側部分とで分担することにより、外力を受けても変形し難く、且つ割れ難い三次元物体を得ることができる。また、硬化液を選択するに際しては、変形に耐える部分と、割れに耐える部分とで、それぞれに適した硬化液を選択すればよい。このため、変形にも耐え、それでいながら割れにも耐えるような、相矛盾する要請を同時に満足するような硬化液を、試行錯誤によって選択する手間も不要となる。もちろん、変形に対しても、割れに対しても中途半端になってしまう虞もない。

加えて、上述した本実施例の三次元造形方法では、三次元物体の表面部分については、硬化液を高い硬化速度で硬化させることとしている。こうすることで、次の理由から、滑らかな表面の三次元物体を造形することが可能となっている。先ず、粉体を固めるために粉体層に向けて硬化液を吐出すると、当然、硬化液は粉体の隙間に染み込んで周囲に広がろうとする。ここで、硬化液が染み込む速さは、粉体の周囲での隙間のでき方に関係しており、周囲に向かって均一な速さで染み込んでいくわけではない。このため、如何に正確な位置に硬化液を吐出したとしても、時間が経過するに従って、速く染み込む部分とゆっくり染み込む部分とで染み込み方に大きな違いが生じ、特に表面部分では、染み込み方の違いによる凹凸が発生する。しかし、本実施例の三次元造形方法では、表面部分は硬化液が速く硬化するので、硬化液の染み込み速度の違いが現れる前に硬化し、表面に凹凸が生じることを回避することが可能となる。

Ｃ．変形例 ：
上述した本実施例の三次元造形装置１００には、種々の変形例が存在している。以下では、これら変形例について簡単に説明する。

Ｃ−１．第１の変形例 ：
上述した実施例では、粉体の表面に塗された重合開始剤によっても、あるいは紫外光を照射されることによっても重合を開始する硬化液を使用し、ゆっくり硬化させる部分では粉体表面の重合開始剤によって硬化させ、速く硬化させる部分では、粉体表面の重合開始剤に加えて紫外光を照射して重合させることとした。しかし、硬化液の硬化速度を制御することができれば、このような方法に限らず、種々の方法を用いることができる。

例えば、硬化液を吐出した後に、硬化を促進する液体を吐出することによって、硬化速度を制御することとしても良い。図４には、このような第１の変形例が例示されている。図示した例では、硬化液を吐出する硬化液供給ヘッド３２と、硬化を促進する促進液を吐出する促進液供給ヘッド３６とが設けられている。ここで、促進液としては、粉体表面に塗されている重合開始剤を含んだ液体を用いることができる。そして、硬化液を速い速度で硬化させたい部分（前述した実施例では表面部分）では、硬化液と促進液とを吐出し（図４（ａ）参照）、硬化液をゆっくりと硬化させたい部分では、硬化液のみを吐出する（図４（ｂ）参照）。硬化液のみが吐出された部分では、硬化液が粉体表面の重合開始剤に触れることによって重合を開始し、ゆっくりと硬化していく。これに対して、硬化液および促進液が吐出された部分では、粉体表面の重合開始剤および促進液中の重合開始剤によって重合するので、速やかに硬化していく。

前述した実施例のように紫外光を照射することによって硬化速度を速める場合には、紫外光が全体に照射されてしまう関係上、紫外光を照射せずに硬化させる部分（すなわち、ゆっくり硬化させる部分）と、紫外光を照射して硬化させる部分（すなわち、速く硬化させる部分）とを別の工程で形成する必要がある。これに対して第１の変形例では、硬化速度を速めたい部分にだけ促進液を吐出すればよいので、ゆっくり硬化させる部分と、速く硬化させる部分とを、一つの工程で同時に形成することが可能となる。

尚、上述した変形例では、促進液を加えることによって、すなわち、硬化液の硬化を促進することによって、硬化速度を制御するものとして説明した。しかし、硬化を促進するのではなく、硬化を抑制することによって硬化速度を制御することも可能である。例えば、粉体表面の重合開始剤と結合するような成分（この成分を重合阻害成分と呼ぶことにする）を含んだ液体を搭載しておき、粉体層に向けて、この液体を吐出した後に硬化液を吐出する。すると、粉体表面の重合開始剤の一部は、重合阻害成分と結合しているので、硬化液はなかなか重合することができず、その結果、ゆっくりと硬化させることが可能である。

Ｃ−２．第２の変形例 ：
以上に説明した実施例では、硬化液が硬化する反応を促進あるいは抑制することによって、硬化速度を制御するものとして説明した。しかし、より単純には、硬化速度の異なる複数種類の硬化液を搭載しておき、硬化液を速く硬化させたい部分では、硬化速度の速い硬化液を吐出し、硬化液をゆっくり硬化させたい部分では、硬化速度の遅い硬化液を吐出するようにしても良い。

図５には、こうした第２の変形例が概念的に示されている。図５に示した第２の変形例では、ゆっくりと硬化する第２の硬化液が硬化液収容部３９に収容されており、硬化液供給ヘッド３７から吐出することが可能となっている。そして、硬化液を速く硬化させたい部分（前述した実施例では表面部分）では、硬化液収容部３４に収容された速く硬化する硬化液を硬化液供給ヘッド３２から吐出し（図５（ａ）参照）、硬化液をゆっくり硬化させたい部分（前述した実施例では内側部分）では、硬化液収容部３９に収容されたゆっくり硬化する硬化液を硬化液供給ヘッド３７から吐出して（図５（ｂ）参照）、断面部材を形成するようにしても良い。

また、このような第２の変形例においても、吐出する硬化液を切り換えるだけで硬化速度を変更することができるので、ゆっくり硬化させる部分と、速く硬化させる部分とを、一つの工程で同時に形成することが可能となる。

尚、上述した第２の変形例では、通常の硬化液に加えて、ゆっくり硬化する硬化液を搭載するものとして説明した。しかし、硬化速度の異なる硬化液であれば、どのような硬化液を搭載しても良く、例えば、空気中の水分（あるいは酸素など）に触れると速やかに重合を開始する硬化液（例えば、瞬間接着剤など）を用いることも可能である。

以上、本実施例の三次元造形装置１００について説明したが、本発明は上記すべての実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。

本実施例の三次元造形装置の大まかな構成を示した説明図である。 本実施例の三次元造形処理の流れを示すフローチャートである。 本実施例の三次元造形装置が粉体層に硬化液を吐出しながら三次元物体を造形している様子を概念的に示した説明図である。 第１の変形例を概念的に示した説明図である。 第２の変形例を概念的に示した説明図である。

符号の説明

１０…造形部、 １２…枠体、 １４…底面部、 ２０…粉体層形成部、
２２…ホッパー、 ２４…粉体供給ローラ、 ２６…伸展ローラ、
３０…硬化液供給部、 ３２…硬化液供給ヘッド、 ３４…硬化液収容部、
３６…促進液供給ヘッド、 ３７…硬化液供給ヘッド、 ３９…硬化液収容部、
４０…演算処理部、 ４２…断面データ生成部、 ４４…制御部、
５０…紫外光照射部、 １００…三次元造形装置

Claims (7)

1. 粉体を硬化液で結合させることによって、三次元物体を造形する三次元造形装置であって、
   予め記憶されている前記三次元物体の形状データに基づいて、該三次元物体を複数の断面で層状に切断したときに各層で得られる断面データを生成する断面データ生成手段と、
   前記粉体による略均一な厚さの粉体層を形成する粉体層形成手段と、
   前記粉体層に前記硬化液を供給して、該粉体層を形成する粉体を結合させる粉体結合手段と、
   前記供給された硬化液が硬化する速度を制御する硬化速度制御手段と、
   前記断面データに従って前記粉体層に前記硬化液を供給して、前記三次元物体の一層分の断面形状に相当する断面部材を形成する操作を繰り返し、該断面部材を積層することによって該三次元物体を造形する三次元物体造形手段と
   を備え、
   前記断面データ生成手段は、前記断面データを生成するに際して、前記断面部材の場所毎に前記硬化液の硬化速度に関する情報を表す硬化速度情報も、併せて生成する手段であり、
   前記三次元物体造形手段は、前記硬化速度情報を参照しながら、前記硬化速度制御手段を用いて前記硬化液の硬化速度を制御しつつ前記断面部材を積層することにより、前記三次元物体を造形する手段である三次元造形装置。
2. 請求項１に記載の三次元造形装置であって、
   前記硬化速度制御手段は、所定波長の電磁波を照射することによって、前記硬化液の硬化を促進する手段である三次元造形装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の三次元造形装置であって、
   前記断面データ生成手段は、前記硬化速度情報として、前記三次元物体の表面に対応する部分は、該三次元物体の内部に対応する部分よりも前記硬化液の硬化速度が速い旨の情報を生成する手段である三次元造形装置。
4. 粉体を硬化液で結合させることによって、三次元物体を造形する三次元造形装置であって、
   予め記憶されている前記三次元物体の形状データに基づいて、該三次元物体を複数の断面で層状に切断したときに各層で得られる断面データを生成する断面データ生成手段と、
   前記粉体により略均一な厚さの粉体層を形成する粉体層形成手段と、
   互いに硬化速度の異なる第１の硬化液または第２の硬化液を、前記硬化液として前記粉体層に供給することで、該粉体層を形成する粉体を結合させる粉体結合手段と、
   前記断面データに従って前記粉体層に前記第１の硬化液又は前記第２の硬化液を供給して、前記三次元物体の一層分の断面形状に相当する断面部材を形成する操作を繰り返し、該断面部材を積層することによって該三次元物体を造形する三次元物体造形手段と
   を備え、
   前記断面データ生成手段は、前記断面データを生成するに際して、前記断面部材の場所毎に前記硬化液の硬化速度に関する情報を表す硬化速度情報も、併せて生成する手段であり、
   前記三次元物体造形手段は、前記硬化速度情報に基づいて、前記第１の硬化液または前記第２の硬化液を供給しながら、前記断面部材を積層することにより、前記三次元物体を造形する手段である三次元造形装置。
5. 請求項４に記載の三次元造形装置であって、
   前記断面データ生成手段は、前記硬化速度情報として、前記三次元物体の表面に対応する部分は、該三次元物体の内部に対応する部分よりも前記硬化液の硬化速度が速い旨の情報を生成する手段である三次元造形装置。
6. 粉体を硬化液で結合させることによって、三次元物体を造形する三次元造形方法であって、
   予め記憶されている前記三次元物体の形状データに基づいて、該三次元物体を複数の断面で層状に切断したときに各層で得られる断面データを生成する断面データ生成工程と、
   前記粉体による略均一な厚さの粉体層を形成する粉体層形成工程と、
   前記粉体層に前記硬化液を供給して、該粉体層を形成する粉体を結合させる粉体結合工程と、
   前記供給された硬化液が硬化する速度を制御する硬化速度制御工程と、
   前記断面データに従って前記粉体層に前記硬化液を供給して、前記三次元物体の一層分の断面形状に相当する断面部材を形成する操作を繰り返し、該断面部材を積層することによって該三次元物体を造形する三次元物体造形工程と
   を備え、
   前記断面データ生成工程は、前記断面データを生成するに際して、前記断面部材の場所毎に前記硬化液の硬化速度に関する情報を表す硬化速度情報も、併せて生成する工程であり、
   前記三次元物体造形工程は、前記硬化速度情報を参照しながら、前記硬化液の硬化速度を制御しつつ前記断面部材を積層することにより、前記三次元物体を造形する工程である三次元造形方法。
7. 粉体を硬化液で結合させることによって、三次元物体を造形する三次元造形方法であって、
   予め記憶されている前記三次元物体の形状データに基づいて、該三次元物体を複数の断面で層状に切断したときに各層で得られる断面データを生成する断面データ生成工程と、
   前記粉体により略均一な厚さの粉体層を形成する粉体層形成工程と、
   互いに硬化速度の異なる第１の硬化液または第２の硬化液を、前記硬化液として前記粉体層に供給することで、該粉体層を形成する粉体を結合させる粉体結合工程と、
   前記断面データに従って前記粉体層に前記第１の硬化液又は前記第２の硬化液を供給して、前記三次元物体の一層分の断面形状に相当する断面部材を形成する操作を繰り返し、該断面部材を積層することによって該三次元物体を造形する三次元物体造形工程と
   を備え、
   前記断面データ生成工程は、前記断面データを生成するに際して、前記断面部材の場所毎に前記硬化液の硬化速度に関する情報を表す硬化速度情報も、併せて生成する工程であり、
   前記三次元物体造形工程は、前記硬化速度情報に基づいて、前記第１の硬化液または前記第２の硬化液を供給しながら、前記断面部材を積層することにより、前記三次元物体を造形する工程である三次元造形方法。

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