JP2009107244A - 三次元造形装置、三次元造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】仕上げ作業を要することなく、正確な形状の三次元物体を造形する。
【解決手段】結合液を用いて粉体層を固めて断面部材を形成し、断面部材を積層して三次
元物体を造形する。この時、結合液の体積変化によって断面部材に歪みが生じ、三次元物
体を歪ませる。そこで、この歪みを、三次元物体の形状データから推定し、これを打ち消
すように形状データを補正してから、三次元物体を造形する。歪みの推定は、補正前の形
状データに基づいて断面部材を形成した場合の、断面部材を構成する複数の端部からの距
離と、三次元物体の厚みとを、断面部材の各位置で考慮することによって行う。断面部材
の歪みは、これらに強く影響されることが経験上分かっており、こうすることで歪みを精
度良く推定することができる。推定結果に基づいて形状データを補正しておくことで、歪
みのない三次元物体を得ることが可能となる。
【選択図】図４

Description

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

粉体を結合液で固めて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、粉体
の微粒子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結合液
を吐出することによって、結合液が吐出された部分の粉体を結合する。こうして粉体層の
粉体が結合液で結合されることによって形成された薄い板状の部材を、本明細書中では「
断面部材」と呼ぶことにする。次いで、その上に粉体層を薄く形成し、所望部分に結合液
を吐出することによって、その部分に新たな断面部材を形成する。このとき、粉体層上に
吐出した結合液が染み込むことにより、新たに形成された断面部材は、先に形成された断
面部材に結合される。このような操作を繰り返し、薄い板状の断面部材を積層することに
よって、三次元物体を造形している。

このような三次元造形技術は、造形に先立って金型を製作する必要がないので、迅速に
しかも安価に三次元物体を造形することができる。また、薄い板状の断面部材を積層して
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可能である（例えば、特許文献１、特許文献２な
ど）。

特開２００２−３０７５６２号公報 特開２００５−０８８３９２号公報

しかし、これらの提案されている技術では、粉体層に吐出した結合液が硬化する際に生
じる僅かな収縮の影響で、造形物が若干反り返ってしまうため、正確な形状の造形物を得
るためには、造形後に仕上げ作業が必要になるという問題があった。

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、
造形後に仕上げ作業を要することなく、正確な形状の三次元物体を造形可能とする技術の
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、本発明の三次元造形装置は次の構成
を採用した。すなわち、
粉体を結合液で互いに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、
前記三次元物体の形状データを記憶している形状データ記憶手段と、
前記三次元物体を造形したときに該三次元物体に生じる歪みを、前記記憶されている形
状データに基づいて推定し、該歪みが打ち消されるように、該形状データを補正する形状
データ補正手段と、
前記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、前
記補正された形状データに基づいて生成する断面データ生成手段と、
前記粉体を略均一な厚さに敷き詰めて粉体層を形成するとともに、前記結合液を前記断
面データに従って該粉体層に供給することにより、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断面部材形成手段と、
前記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、該新たな粉体層に前記
断面データに従って前記結合液を供給することで新たな断面部材を形成して、先に形成さ
れた断面部材の上に順次積層することによって、前記三次元物体を造形する三次元物体造
形手段と
を備え、
前記形状データ補正手段は、前記補正前の形状データに基づいて前記断面データを生成
し、該断面データが表す断面形状の各位置で、該断面形状を構成する複数の端部からの距
離と、前記三次元物体の厚みとを考慮することにより、該三次元物体に生じる歪みを推定
する手段であることを要旨とする。

また、上述した三次元造形装置に対応する本発明の三次元造形方法は、
粉体を結合液で互いに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、
前記三次元物体の形状データを記憶している第１の工程と、
前記三次元物体を造形したときに該三次元物体に生じる歪みを、前記記憶されている形
状データに基づいて推定し、該歪みが打ち消されるように、該形状データを補正する第２
の工程と、
前記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、前
記補正された形状データに基づいて生成する第３の工程と、
前記粉体を略均一な厚さに敷き詰めて粉体層を形成するとともに、前記結合液を前記断
面データに従って該粉体層に供給することにより、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第４の工程と、
前記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、該新たな粉体層に前記
断面データに従って前記結合液を供給することで新たな断面部材を形成して、先に形成さ
れた断面部材の上に順次積層することによって、前記三次元物体を造形する第５の工程と
を備え、
前記第２の工程は、前記補正前の形状データに基づいて前記断面データを生成し、該断
面データが表す断面形状の各位置で、該断面形状を構成する複数の端部からの距離と、前
記三次元物体の厚みとを考慮することにより、該三次元物体に生じる歪みを推定する工程
であることを要旨とする。

かかる本発明の三次元造形装置および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し、そ
の断面データに従って、粉体層に結合液を供給して粉体を結合させることによって、断面
部材を形成する。このようにして、断面データに従って断面部材を形成しながら積み上げ
ていくことによって、三次元物体を造形する。もっとも、結合液で粉体を結合させる際に
は、結合液が収縮（あるいは膨張）することによって、三次元物体に歪みが発生する。そ
こで、三次元物体の形状データに基づいて、発生する歪みを、次のようにして推定し、歪
みが打ち消されるように形状データを予め補正しておく。歪みを推定するに際しては、補
正前の形状データに基づいて断面データを生成する。次いで、断面データが表す断面形状
の各位置で、その断面形状を構成する複数の端部からの距離と、三次元物体の厚みとを考
慮することによって、三次元物体に生じる歪みを推定する。

三次元物体に生じる歪みは、各断面部材を形成する際に生じた歪みに起因して生じるも
のであり、そして、断面部材の歪みは、断面部材を構成する複数の端部からの距離と、三
次元物体の厚みとに強く影響されることが、経験上から分かっている。そこで、三次元物
体に生じる歪みを、上述した方法で予め推定しておき、これを打ち消すように三次元物体
の形状データを補正しておけば、歪みが打ち消された三次元物体を造形することが可能と
なる。

また、上述した本発明の三次元造形装置においては、断面形状を構成する複数の端部か
らの距離を、次のような方法で考慮することとしても良い。先ず、断面形状の任意の位置
を選択し、その位置から、断面形状の各端部までの距離を求める。次いで、それらの乗算
値を算出する。断面形状の内部の各位置で、このような操作を行うことにより、断面形状
の各位置での端部からの影響を考慮することとしても良い。

各端部からの距離の影響は、乗算値を用いることで精度良く近似できることが、経験上
から分かっている。従って、上述した方法で、それぞれの端部からの距離の影響を考慮す
ることで、断面部材に生じる歪みを精度良く推定することができ、延いては、三次元物体
の歪みを精度良く推定することが可能となる。

また、上述した本発明の三次元造形装置においては、三次元物体の厚みの影響を、次の
ような方法で考慮することとしても良い。すなわち、三次元物体の厚みが所定値に達する
までは、厚みが増加するほど歪みも大きくなり、厚みが所定値に達した後は、厚みは歪み
に影響を与えないものとして、三次元物体の厚みの影響を考慮することとしてもよい。

上述したように、三次元物体に生じる歪みは、断面部材で生じる歪みに起因しており、
複数の断面部材で歪みが生じると、それらが累積して、三次元物体の歪みとして現れる。
従って、三次元物体が厚くなるほど（断面部材が累積するほど）、厚みの影響は大きくな
る。しかし、三次元物体がある程度以上に厚くなると、新たに積層した断面部材が歪ませ
ようとしても、三次元物体の剛性が高くなるので歪まなくなる。このことから、三次元物
体の厚みの影響を考慮するに際しては、厚みが所定値に達するまでは、厚みが増加するほ
ど歪みも大きくなり、厚みが所定値に達した後は、厚みは歪みに影響を与えないものとし
て考慮することで、三次元物体の厚みの影響を適切に考慮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．三次元物体の造形方法の概要：
Ｃ．三次元形状データの補正方法：

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２
０と、粉体同士を結合させる結合液を粉体層に供給する結合液供給部３０と、粉体層に供
給された結合液に紫外光を照射して結合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、結合液供
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、結合液供給部３０を駆動して結合液を断面データに従って粉体層に供
給しながら、供給した結合液に向かって紫外光を照射する。すると、紫外光によって結合
液が硬化して粉体同士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。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、その上から結合液を供給し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、結合液供給部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、結合液供
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
位置決めしながら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１
４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２
０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。

結合液供給部３０は、粉体層に向けて結合液を供給するための結合液供給ヘッド３２と
、結合液を収容しておく結合液収容部３４とが搭載されており、制御部４４の制御の下で
結合液供給ヘッド３２から結合液を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、本実施例の結合液供給ヘッド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。
本実施例の結合液供給部３０では、結合液収容部３４に収容された結合液を、結合液供給
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、液滴状の結合液を吐出
する。

ここで結合液としては、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、結合液の
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、結合液は、紫外光を浴びない
限りは安定であるため、結合液収容部３４や結合液供給ヘッド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、結合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、結合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、粉体層に結
合液の液滴を供給すると、結合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、結合液が吐出された部分では、粉体同士が硬化した結
合液によって結合された状態となる。

また、結合液供給部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や結合液供給部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．三次元物体の造形方法の概要 ：
図２は、断面部材を積層して三次元物体を造形する様子を概念的に示した説明図である
。一例として、図２（ａ）に示した形状の物体を造形しようとする場合について説明する
。このような形状の物体を造形しようとする場合には、先ず、造形しようとする物体の三
次元形状データを予め記憶しておき、次いで、三次元物体を複数の断面で層状に切断して
、各断面での断面データを生成する。図２（ｂ）は、三次元形状データから生成された各
断面での断面データを概念的に表している。そして、上述したように粉体層を形成して、
その上に断面データに従って結合液を吐出し、紫外光を照射して粉体層を結合させながら
、一層ずつ断面部材を積層する操作を繰り返すことによって、目的とする形状の三次元物
体を造形することが可能となる。

ここで、一般的に結合液は、硬化する際にごく僅かに収縮する性質を有している。この
ため、断面部材を積層する際に、断面部材の上に新たな粉体層を形成して結合液を吐出し
、硬化させると、結合液が硬化するときに収縮する影響で、先に形成されていた断面部材
が僅かではあるが反り返るように変形する。その上に、更に断面部材を積層するために粉
体層を形成して結合液を吐出すると、その結合液が硬化するときの収縮によって、更に反
り返るように変形する。この結果、図２を用いて説明したように、造形しようとする物体
の三次元形状データをそのまま用いて断面データを生成し、生成した断面データに従って
断面部材を積層したのでは、板状の部分が反り返るように変形した形状に造形されてしま
う。図３は、このようにして三次元物体が反り返った状態で形成された様子を概念的に表
した説明図である。図中に細い破線は三次元形状データに示された形状を表しており、太
い破線は、実際に得られる造形物の形状を表している。このように結合液が硬化する際に
若干収縮する影響で、実際に得られる三次元造形物の形状は、三次元形状データによって
表される形状とは異なり、若干歪んだ形状となっている。このため、この歪みが問題とな
る場合には、物体の造形後に、表面を研磨するなど手作業による仕上げ作業が必要となっ
ている。

そこで、本実施例の三次元造形装置１００では、造形しようとする三次元形状データを
そのまま用いて断面データを生成するのではなく、造形したときの歪みが打ち消されるよ
うに三次元形状データを予め補正しておき、補正した三次元形状データから断面データを
生成して三次元物体を造形する。図４は、造形後の歪みを考慮して補正した三次元形状デ
ータを概念的に示した説明図である。図中に示した細い破線は補正する前の三次元形状デ
ータを表しており、太い実線は補正後の三次元形状データを表している。図３を用いて前
述したように、三次元形状データをそのまま用いて造形すると、端に行くほど上に反り返
るように歪むことから、これを打ち消すためには、予め端に行くほど下に垂れ下がるよう
な形状に、三次元形状データを補正しておけばよい。図４には、このようにして補正され
た三次元形状データが実線で表されている。このように三次元形状データを補正する方法
については、後ほど詳しく説明する。

図５は、補正後の三次元形状データに基づいて断面部材を積層することによって、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５（ａ）は、三次元物体を
造形し始めの未だ数層分の断面部材しか積層していない状態を表している。図３および図
４を用いて前述したように、造形物の端部が上方に反り返ることを打ち消すために、三次
元形状データは、端部が垂れ下がった形状に補正されている。このため、造形の開始直後
は、端部の垂れ下がった部分から形成されることになる。当然ながら、端部同士は互いに
離れた位置にある。従って、図５（ａ）に示すように、伸展ローラ２６を用いて粉体層を
形成すると、結合液供給ヘッド３２から結合液を吐出して、初めは互いに離れた位置に断
面部材を積層していく。図５（ａ）には、このように補正後の三次元形状データに従って
、互いに離れた位置に断面部材を積層している様子が概念的に示されている。

もっとも、造形物の歪み量は、造形物の大きさに比べてそれほど大きくはないので、歪
みを打ち消すための端部の垂れ下げ量も、大した分量ではない。このため、端部の断面部
材を別々の位置に積層しているのは、造形の極初期の段階に過ぎず、例えば数層分の断面
部材を積層すると端部同士が繋がって、それ以降は一体の断面部材として積層されていく
。また、端部同士は別々の位置に形成されているとは言え、粉体層を形成した後に結合液
を吐出して正確な位置に形成されているので、互いの位置関係がズレてしまうことはなく
、常に正確な位置に保たれており、積層が進むうちに、やがて一体の断面部材として結合
される。

こうして積層される断面部材は、上層の粉体層に吐出した結合液が硬化するときの収縮
によって、端部が上方に反り返るように少しずつ歪んで行く。そして、三次元形状データ
は、この端部の反り返り量をちょうど打ち消す量だけ、端部が垂れ下がった形状に補正さ
れている。このため、三次元物体の造形が進んでいくと、端部が反り返っていない平板な
三次元物体を得ることが可能となる。図５（ｂ）には、断面部材を積層していくことによ
って、歪みが打ち消された三次元物体が造形される様子が概念的に示されている。もちろ
ん、こうしたことが可能となるためには、三次元物体の造形前に歪み量を算出し、その歪
みを打ち消すように三次元形状データを補正しておくことが必要となる。以下では、歪み
量を推定して三次元形状データを補正する方法について説明する。

Ｃ．三次元形状データの補正方法 ：
図６は、三次元形状データを補正するための基本的な考え方を示した説明図である。断
面部材を積層しながら平板を造形する場合、上側に積層した断面部材の収縮によって、平
板の端部が反り上がるように変形する。こうした変形は平板の上面側全体で生じるが、あ
る基準点を基準にして考えると、基準点からの距離が大きくなるほど、歪み量（反り返り
量）が大きくなることは明らかである。解析を簡単にするために、ここでは平板の一方の
端部を基準にとって考えることにする。図６には、左端の端部を基準にとって、基準位置
（左端の端部）からの距離と、歪み量（反り返り量）との関係が概念的に示されている。
図示されているように、歪み量（反り返り量）は、端部からの距離に対して正確には指数
関数的に増加するが、実際には歪み量は小さいので、直線近似が可能であり、歪み量は端
部からの距離にほぼ比例するものとして取り扱うことが可能である。本実施例の三次元造
形装置１００では、三次元形状データを補正するために、このような考え方に基づいて、
先ず初めに三次元造形物に生じる歪み量を推定する。

図７は、三次元造形物に生じる歪み量を推定するために、造形しようとする物体の各位
置で、端部からの距離の影響を求めている様子を示した説明図である。図７（ａ）には、
造形しようとする物体の底部を構成している十字型をした平板の各位置について、左端か
らの距離の影響が示されている。図７に示されるように、十字型の平板は、横長の板と縦
長の板とが直角に組み合わされた形状をしているが、先ず、横板の部分について考える。
横板の部分では、左端を基準に取ると、右側に行くほど距離の影響が大きく現れる。当然
、これに伴って歪み量も大きくなる。左端部を基準の「１」として、右側に行くほど距離
の影響を示す値が大きくなり、反対側の端部（横板の右端）では距離の影響を示す値が「
１１」になったものとする。また、横板に組み合わされた縦板の部分については、縦板の
左端を基準の「１」とすると、縦板の右端では距離の影響を示す値は「３」となる。図７
（ａ）には、造形しようとする物体の底部を構成している十字型の平板について、左端を
基準に取ったときの各位置での距離の影響を求めた結果が示されている。

同様な操作を、十字型の平板の上端を基準にとっても行う。図７（ｂ）には、平板の上
端を基準にとった時の各位置での距離の影響を求めた結果が示されている。また、図７（
ｃ）には、平板の右端を基準に取った場合の、各位置での距離の影響が示されており、図
７（ｄ）には、平板の下端を基準に取った場合の、各位置での距離の影響が示されている
。実際の平板には、これら各端部からの距離の影響が複合的に現れる。そして、経験上、
実際の平板に現れる歪み量は、各端部からの影響の値を乗算した値と、良い相関が見られ
ることが分かっている。

図８は、各端部からの距離の影響を乗算することによって、各位置における距離の影響
を求めている様子を示した説明図である。図８（ａ）には、図７に示したように、各位置
で求めた各端部からの距離の影響を示す値を、乗算した結果が示されている。図８（ａ）
を見れば明らかなように、乗算値が大きな値を取る箇所では、何れの端部からも遠く、ま
た乗算値が小さな値の箇所では何れかの端部に近くなっている。また、図６に示したよう
に、端部からの距離が大きくなるほど歪み量も大きくなるから、図８（ａ）では、乗算値
の大きな箇所ほど、下側に大きく凹んでいると考えることができる。そこで、最も凹み量
の大きな位置を基準とするために、最も乗算値の大きな値「１２９６」を、各位置の乗算
値で割ってやると、図８（ｂ）を得ることができる。例えば、十字型の平板の中央位置を
基準の「１」とすると、左端の上部の位置（図中に「ａ」と示した位置）では約「３９．
３」だけ上方に反り返り、左端の中央部の位置（図中に「ｂ」と示した位置）では約「２
９．５」だけ上方に反り返るように変形することになる。

もっとも、こうして得られた値は、実際の歪み量を表しているのではなく、各位置での
歪み量の比率を表しているに過ぎない。例えば、図８（ｂ）中に示した位置「ａ」では位
置「ｂ」よりも、約１．３（≒３９．３／２９．５）倍の歪みが発生することを示してい
るに過ぎない。そこで、こうして求めた値に対して、予め実験的に求めておいた比例係数
（歪み係数）を乗算することによって、実際の歪み量に変換する。また、この際に、造形
しようとする三次元物体の厚みの影響も考慮する。

図９は、各端部からの距離の影響を考慮して求めた歪み量の比率を、実際の歪み量に変
換するために用いる歪み係数を概念的に示した説明図である。図６を用いて前述したよう
に、造形物に生じる歪み量は、物体の端部からの距離にほぼ比例すると考えることができ
る。従って、端部からの距離の影響を示す値と歪み量とは比例し、図８（ｂ）に示した歪
み量の比率と歪み量とも比例関係にある。このことから、歪み量の比率と、実際の歪み量
との関係を示す比例係数（すなわち、歪み係数）を、実験的な手法によって求めておくこ
とができる。また、この歪み係数は、造形物の厚さに相関があり、造形物が厚くなるほど
歪み係数は大きくなるが、ある厚さに達して造形物が変形し難くなると、それ以上は歪み
係数が大きくならず、一定値を取るようになる。図９に示したように、造形物の厚さに対
して、このような関係にある歪み係数を、実験的に予め求めておく。そして、造形物の形
状に基づいて、端部からの距離の影響を考慮して求めた歪み量の比率に、歪み係数を乗算
することによって、実際に造形物に生じる歪み量を推定することができる。

このようにして三次元物体の造形前に、造形物に生じる歪み量を推定したら、その歪み
量を打ち消すように、造形しようとする三次元物体の形状データを補正しておく。ここで
は、造形物は端部が上方に反り上がるように歪むと考えられるから、その歪み量に相当す
る分だけ、端部を下方に垂れ下げるように補正しておけばよい。本実施例の三次元造形装
置１００の演算処理部４０では、以上のようにして、三次元物体を造形する前に造形物に
生じる歪み量を推定し、推定した歪みを打ち消すように、三次元形状データを補正してお
く。そして、補正した三次元形状データに基づいて、結合液を吐出しながら粉体層を固め
ていくことにより、歪みのない三次元物体を造形することが可能となっている。

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。 断面部材を積層して三次元物体を造形する様子を概念的に示した説明図である。 三次元物体が反り返った状態で形成された様子を概念的に表した説明図である。 造形後の歪みを考慮して補正した三次元形状データを概念的に示した説明図である。 補正後の三次元形状データに基づいて断面部材を積層する様子を概念的に示した説明図である。 造形物に生じる歪みを推定するための基本的な考え方を示した説明図である。 歪み量を推定するために物体の端部からの距離の影響を各位置で求めている様子を示した説明図である。 各端部からの距離の影響を乗算することによって距離の影響を求めている様子を示した説明図である。 各端部からの距離の影響を考慮して求めた歪み量の比率を実際の歪み量に変換するために用いる歪み係数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、 １６…底面駆動部、
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…結合液供給部、 ３２…結合液供給ヘッド、
３４…結合液収容部、 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 (4)

1. 粉体を結合液で互いに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、
   前記三次元物体の形状データを記憶している形状データ記憶手段と、
   前記三次元物体を造形したときに該三次元物体に生じる歪みを、前記記憶されている形
   状データに基づいて推定し、該歪みが打ち消されるように、該形状データを補正する形状
   データ補正手段と、
   前記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、前
   記補正された形状データに基づいて生成する断面データ生成手段と、
   前記粉体を略均一な厚さに敷き詰めて粉体層を形成するとともに、前記結合液を前記断
   面データに従って該粉体層に供給することにより、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断面部材形成手段と、
   前記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、該新たな粉体層に前記
   断面データに従って前記結合液を供給することで新たな断面部材を形成して、先に形成さ
   れた断面部材の上に順次積層することによって、前記三次元物体を造形する三次元物体造
   形手段と
   を備え、
   前記形状データ補正手段は、前記補正前の形状データに基づいて前記断面データを生成
   し、該断面データが表す断面形状の各位置で、該断面形状を構成する複数の端部からの距
   離と、前記三次元物体の厚みとを考慮することにより、該三次元物体に生じる歪みを推定
   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、
   前記形状データ補正手段は、前記断面形状を構成する複数の端部までの距離を求めて乗
   算することにより、該断面形状の各位置での該端部からの距離の影響を考慮する手段であ
   る三次元造形装置。
3. 請求項１に記載の三次元造形装置であって、
   前記形状データ補正手段は、前記三次元物体の厚みが所定値に達するまでは、厚みが増
   加するほど該三次元物体の歪みも大きくなり、厚みが所定値に達した後は、厚みは歪みに
   影響を与えないものとして、該三次元物体の厚みの影響を考慮する手段である三次元造形
   装置。
4. 粉体を結合液で互いに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、
   前記三次元物体の形状データを記憶している第１の工程と、
   前記三次元物体を造形したときに該三次元物体に生じる歪みを、前記記憶されている形
   状データに基づいて推定し、該歪みが打ち消されるように、該形状データを補正する第２
   の工程と、
   前記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、前
   記補正された形状データに基づいて生成する第３の工程と、
   前記粉体を略均一な厚さに敷き詰めて粉体層を形成するとともに、前記結合液を前記断
   面データに従って該粉体層に供給することにより、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第４の工程と、
   前記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、該新たな粉体層に前記
   断面データに従って前記結合液を供給することで新たな断面部材を形成して、先に形成さ
   れた断面部材の上に順次積層することによって、前記三次元物体を造形する第５の工程と
   を備え、
   前記第２の工程は、前記補正前の形状データに基づいて前記断面データを生成し、該断
   面データが表す断面形状の各位置で、該断面形状を構成する複数の端部からの距離と、前
   記三次元物体の厚みとを考慮することにより、該三次元物体に生じる歪みを推定する工程
   である三次元造形方法。

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