JP2012106437A - ３次元造形装置、３次元造形方法及び造形物 - Google Patents

Abstract

【課題】長時間を要することなく高精細な造形物を形成することができる３次元造形装置、３次元造形方法及びこれらにより形成された造形物を提供すること。
【解決手段】３次元造形装置１００は、造形物を構成する主な材料である樹脂材料を造形ステージ１５上に供給する供給ノズル１７と、造形物全体の３次元データを構成する積層された断面画像データに基づき、樹脂材料にレーザ光を照射して硬化させる照射機構と、その断面画像データに基づき、樹脂材料の硬化層にカラーインクを吐出するインクジェットヘッド３０とを備える。樹脂材料とは異なる材料であるインクが供給されるので、従来の装置のように例えば１層ごとの厚さの薄いＵＶインクにより造形物を形成して着色等する場合に比べ、短時間で造形物を形成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光等のエネルギー線の照射により硬化する材料を用いて３次元の物体を形成する３次元造形装置、３次元造形方法及びこれらにより形成された造形物に関する。

従来から、３次元の造形物を形成する造形装置は、ラピッドプロトタイピングと呼ばれる装置として知られており、業務用として広く使われている。一般的には、３次元造形装置は、造形される対象物の所定の厚さごとの形状データ、つまり各層ごとの形状データに基づき、１層ずつ造形物を形成していく。

３次元造形装置の主な方式の１つとして、例えばエネルギー線として光を利用する光造形方式は、光硬化性樹脂にレーザ光を部分選択的に照射することにより、樹脂の所望の部分を硬化させて描画し、造形物を形成する方式である。

光造形方式の中には、例えば自由液面法及び規制液面法がある。自由液面法では、液体の光硬化性樹脂の液面が空中に露出しており、レーザ光が空気と液面の界面にフォーカスされることで描画される。規制液面法では、液体の光硬化性樹脂の液面がガラス等で規制され、そのガラスを通して光が光硬化性樹脂（とガラスとの界面）にフォーカスされることで描画される。

そのほか、カラーに着色された造形物を形成する装置として、特許文献１に記載の三次元造形装置がある。この三次元造形装置は、熱可塑性樹脂を吐出するインクジェットヘッドを備えている。造形対象物の断面の形状データに応じて、１層ずつインクジェットヘッドが小滴の熱可塑性樹脂が吐出する。吐出された熱可塑性樹脂が放熱して冷えることで固まり、これにより造形物が形成される。インクジェットヘッドに設けられた着色用の吐出ノズルから着色された熱可塑性樹脂が吐出され、また、そのインクジェットヘッドに設けられた造形用の吐出ノズルから白色の熱可塑性樹脂が吐出される。これら着色用吐出ノズル及び造形用吐出ノズルから吐出される熱可塑性樹脂は、すべて造形物を構成する材料として用いられ、その違いは着色するか否か（白色は下地用）である（例えば、特許文献１の明細書段落[００３０]−[００３３]、[００５３]、[００６１]参照）。

特開２０００−２８０３５６号公報

特許文献１の三次元造形装置では、熱可塑性樹脂あるいは光硬化性樹脂（ＵＶインク）により造形物を形成する。したがって、造形物として積層される１層ごとの樹脂の厚さが１０μmより小さく非常に薄いため、３次元の造形物の形成時間について実用的な速度が得られないという問題がある。

また、３次元造形物を構成する材料として粉体を用いる方式もあるが、粉体の場合、材料として上記のような樹脂材料を用いる場合に比べ、造形物の形状が粗くなる、つまり高精細さに欠けるという問題もある。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、長時間を要することなく高精細な造形物を形成することができる３次元造形装置、３次元造形方法及びこれらにより形成された造形物を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る３次元造形装置は、支持体と、照射機構と、供給機構とを具備する。
前記支持体は、エネルギー線のエネルギーにより硬化する樹脂材料が積層されて形成される造形物を支持する。
前記照射機構は、前記造形物を形成するために、造形の対象となる造形対象物の３次元データを構成する積層された断面画像データに基づき、前記樹脂材料に前記エネルギー線を照射する。
前記供給機構は、前記断面画像データに基づき、前記照射機構により照射されて硬化した前記樹脂材料に、前記造形物の一部を構成し前記樹脂材料とは異なる材料を供給する。

造形物の主な材料である樹脂材料とは異なる材料であって、造形物の一部を構成する要素である材料が供給機構から供給されるので、従来の装置のように例えばＵＶインクにより造形物を形成して着色等する場合に比べ、短時間で造形物を形成することができる。また、粉体材料ではなく、エネルギー線のエネルギーにより硬化する樹脂材料が、造形物の主な構成材料として用いられるので、高精細な造形物を形成することができる。

前記供給機構は、前記造形物を着色するために、前記樹脂材料とは異なる材料としてインクを吐出するインクジェットヘッドを有してもよい。これにより、造形物に白黒、グレースケール、またはカラー等で着色することができる。

例えば、前記樹脂材料は、可視光を透過する材料、または白色系の材料である。

前記供給機構は、前記樹脂材料とは異なる材料として、特定の性質を持つ機能性材料を供給してもよい。これにより、造形物の領域に応じて、磁性や導電性等の特性を持つ領域を形成することができる。

前記供給機構は、少なくとも１層の前記樹脂材料が積層されるごとに前記樹脂材料とは異なる材料を供給してもよい。

前記供給機構は、樹脂材料の積層方向で重ならない領域に、１層ごとに交互に、前記樹脂材料とは異なる材料を供給してもよい。その場合、前記照射機構は、樹脂材料の積層方向で重ならない領域に、１層ごとに交互に、前記エネルギー線を照射する。これにより、エネルギー線の使用のためのエネルギーを節約することができる。

前記３次元造形装置は、規制体と、供給ノズルと、移動機構とをさらに具備してもよい。
前記規制体は、第１の方向に沿う直線状の領域を含む表面を有し、前記表面のうち前記直線状の領域が前記支持体に最も近くなるように、前記支持体に対面して配置される。
前記供給ノズルは、前記支持体側と前記直線状の領域との間の領域であるスリット領域に、前記樹脂材料を供給する。
前記移動機構は、１層分の前記樹脂材料の硬化層を形成するために、前記第１の方向とは異なる第２の方向に沿って、前記規制体に相対的に前記支持体ジを移動させ、前記エネルギー線により前記材料の前記硬化層を積層するために、前記積層の方向に沿って前記規制体と前記支持体とを相対的に移動させる。
前記照射機構は、前記供給ノズルにより前記スリット領域に供給された前記樹脂材料に、前記規制体を介して前記エネルギー線を照射する。

規制体の直線状の領域が支持体に最も近くなるように規制体が配置されるので、そのスリット領域またはその近傍の領域で材料にエネルギー線が照射され樹脂材料が硬化する。つまり実質的に支持体側と直線状の領域との間のスリット領域で材料が硬化し、規制体の下流側では、規制体の表面が支持体から離れていくように両者が移動機構によって相対的に移動していく。これにより、規制体から材料の硬化層をきれいに剥がすことができる。

また、広い平面状の領域ではなく、規制体の直線状の領域によりスリット領域が形成されている。したがって、上述のように材料が規制体から剥がれやすい。また、材料が硬化するときの収縮力が規制体に加えられても、規制体に歪みや変形が生じることもない。これにより、各硬化層の平面度を高め、その各硬化層の厚さを高精度に制御することができる。

本発明に係る３次元造形方法は、造形の対象となる造形対象物の３次元データを構成する積層された断面画像データに基づき、樹脂材料にエネルギー線を照射することで、前記樹脂材料の領域に応じて選択的に前記樹脂材料を硬化させることを含む。
断面画像データに基づき、前記エネルギー線の照射により硬化された前記樹脂材料に、造形物の一部を構成し前記樹脂材料とは異なる材料が供給される。

造形物の主な材料である樹脂材料とは異なる材料であって、造形物の一部を構成する要素である材料が供給されるので、従来の装置のように例えばＵＶインクにより造形物を形成して着色等する場合に比べ、短時間で造形物を形成することができる。また、粉体材料ではなく、エネルギー線のエネルギーにより硬化する樹脂材料が、造形物の主な構成材料として用いられるので、高精細な造形物を形成することができる。

本発明に係る造形物は、上記の３次元造形方法により形成される造形物である。

以上、本発明によれば、長時間を要することなく高精細な造形物を形成することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る３次元造形装置を示す側面図である。 図２は、図１に示した３次元造形装置の平面図であり、 図３は、その３次元造形装置の正面図である。 図４は、ドラムを支持する機構の例を説明するための図であり、ドラムの長手方向と直交する方向で見た図である。 図５は、３次元造形装置の動作を順に示す図である。 図６は、図５から続く、３次元造形装置の動作を順に示す図である。 図７は、スリット領域及びその周辺の状態を示す図である。 図８は、図５Ｃに示した、造形ステージ上の樹脂材料Ｒ及び硬化層を拡大して示した図である。 図９は、このようにカラーで着色された造形物が形成される過程を順に示した模式的な図である。 図１０は、本発明の第２の実施形態に係る３次元造形装置を示す側面図である。 図１１は、図１０に示した３次元造形装置の平面図である。 図１２は、別の実施形態に係る造形物を示す斜視図である。 図１３は、さらに別の実施形態に係る造形物を示す斜視図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

[第１の実施形態]

（３次元造形装置の構成）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る３次元造形装置を示す側面図である。図２は、図１に示した３次元造形装置１００の平面図であり、図３はその正面図である。

この３次元造形装置１００は、規制液面法のうち、２次元領域で液面を規制する従来までの方法とは異なり、１次元領域で液面を規制する１次元規制液面法を採用している。

３次元造形装置１００は、ベース１１と、ベース１１上に配置された造形ステージ１５と、上下方向（Ｚ軸方向）で造形ステージ１５に対面可能に配置されたドラム１０とを備える。また、３次元造形装置１００は、ドラム１０の下方に配置され樹脂材料をドラム１０の表面に供給する供給ノズル１７と、供給ノズル１７により供給された樹脂材料に、エネルギー線としてレーザ光を照射する照射機構２０（図３参照）とを備える。図１及び２に示すように、ドラム１０のＹ軸方向での隣には、造形物を構成する樹脂材料の硬化層に、カラーインクを吐出するインクジェットヘッド３０が配置されている。

ドラム１０は実質的には円筒状に形成され、その中身は空洞となっている。ドラム１０はその長手方向がＸ軸方向に沿って配置されている。規制体として機能するドラム１０は、後述するように、供給ノズル１７から造形ステージ１５及びドラム１０の間に供給された材料の高さ（厚さ）を上述のように１次元領域で規制する。１次元領域とは、図７に示すように、ドラム１０の長手方向、つまりＸ軸方向に沿った１次元とみなせる直線状の領域Ａ１である。

ドラム１０は、例えばガラス、アクリル、その他の透明樹脂で形成される。ドラム１０は、必ずしもこれらの材料に限られず、照射機構２０から照射されるエネルギー線を透過する材料であれば何でもよい。

図４は、ドラム１０を支持する機構の例を説明するための図であり、ドラム１０の長手方向と直交するＹ軸方向で見た図である。

図４に示すように、ドラム１０の両側にはＸ軸の周りにドラム１０を回転可能に支持する複数のガイドローラ６、７が設けられている。図４以外の図では、上記ガイドローラ６，７を示していない。これらのガイドローラ６、７は、ローラ支持部８に回転可能に支持されている。ガイドローラ７は、ドラム１０の内周面を下方に押さえ、ガイドローラ６は、ドラム１０の表面である外周面１０ａを下方から支持している。例えばガイドローラ６は、図４で見て奥行き方向に複数設けられていてもよい。このように、ドラム１０は、ガイドローラ６、７により挟み込まれることで回転可能に支持される。

ガイドローラ６、７は、造形ステージ１５側とドラム１０の外周面１０ａとの間に、後述するスリット領域Ｓ（図７参照）を形成するように、Ｚ軸方向における所定の高さ位置でドラム１０を支持している。すなわち、造形ステージ１５の表面と、ドラム１０の外周面１０ａの最下の部分（ドラム１０のうち最も造形ステージ１５に近い部分）である、上記直線状の領域Ａ１とが対面することにより、スリット領域Ｓが形成される。

なお、このようにガイドローラ６、７で支持される形態以外にも、Ｘ軸方向でのドラム１０の端部に、回転軸を持つ支持部材がベアリングを介して接続されていてもよい。

造形ステージ１５は、１層の樹脂材料ごとに形成されていく造形物を支持する支持体として機能する。造形ステージ１５は、昇降機構１６により昇降可能に支持されている。図１に示すように、造形ステージ１５及び昇降機構１６は、Ｙ軸移動機構１４によってＹ軸方向に沿って移動可能とされている。

Ｙ軸移動機構１４は、昇降機構１６を搭載した移動ベース１２と、図示しないモータと、ベース１１上に敷設され、移動ベース１２の移動をガイドするガイドレール１３とを有する。ガイドレール１３は、Ｙ軸方向でドラム１０及びインクジェットヘッド３０をカバーするような長さに敷設されている。このＹ軸移動機構１４により、造形ステージ１５は、ドラム１０及びインクジェットヘッド３０のそれぞれの下方に配置されるように、Ｙ軸方向に沿って連続的に移動可能となる。

図１及び４に示すように、供給ノズル１７は、例えばドラム１０の下部であって、直線状の領域Ａ１から離れた位置に配置されている。供給ノズル１７として、その長手方向に沿って、樹脂材料Ｒを吐出するための図示を省略した複数の穴またはスリットが設けられている。これらの複数の穴またはスリットは、ドラム１０側に向けて開口している。

エネルギー線が光である場合には、樹脂材料Ｒとしては、典型的には光硬化性樹脂が用いられる。後述するように、本実施形態に係る３次元造形装置１００は、カラーで着色された造形物を形成するので、樹脂材料Ｒとしては透明あるいは半透明、つまり、可視光（の実質的に全部または一部）を透過する材料が用いられる。例えば、アクリル系の光硬化性樹脂が用いられる。あるいは、樹脂材料Ｒとして白色系（白色あるいは乳白色等）の材料が用いられてもよい。

図３に示すように、照射機構２０は、レーザ光源２２と、レーザ光源２２から出射されたレーザ光を反射してスキャンさせるための、回転可能に設けられたポリゴンミラー２１とを有する。また、照射機構２０は、レーザ光源２２から出射されたレーザ光をポリゴンミラー２１に導く光学系２３と、ポリゴンミラー２１からのレーザ光を反射して上記スリット領域Ｓに導くミラー２４とを有する。

ミラー２４は長尺形状を有し、ポリゴンミラー２１からのスキャン光を下方へ反射するためにドラム１０内に斜めに配置されている。レーザ光としては紫外線レーザが用いられる。ドラム１０は紫外線を透過する材質、例えば上述したようにガラスである。ドラム１０の内部からドラム１０を介してドラム１０の外部のスリット領域Ｓにある樹脂材料Ｒにレーザ光ＵＶＬが照射される（図７参照）。

なお図１及び２等では、照射機構２０の構成要素のうち、ドラム１０内に配置されたミラー２４のみを示している。

インクジェットヘッド３０は、樹脂材料Ｒとは異なる材料であるカラーインクを供給する供給機構として機能する。インクジェットヘッド３０は、ライン型のヘッドであり、図２に示すようにＸ軸方向に沿って、造形ステージ１５上の造形領域（造形物が形成される領域）をカバーするように長く形成されている。インクジェットヘッド３０は、図示しないインクタンクに接続されている。インクジェットヘッド３０は、典型的には、Ｃ（シアン）、Ｍ（マゼンダ）、Ｙ（イエロー）及びＫ（ブラック）の４色の顔料インクを吐出するヘッド３１〜３４を有する。これらの４つのヘッド３１〜３４は、Ｙ軸方向に沿って配列され、それぞれのヘッド３１〜３４が、Ｘ軸方向に沿って配列された、インクを吐出する図示しない複数のノズルを有する。インクジェットヘッド３０は、これら４つのヘッド３１〜３４に加え、白等のインクを吐出するヘッドを備えていてもよい。

インクは、顔料インクのほか、ＵＶ硬化型インクでもよい。

図示しないが、３次元造形装置１００は、昇降機構１６内のモータ、Ｙ軸移動機構１４内のモータ、ポリゴンミラー２１を駆動するモータ及びレーザ光源２２をそれぞれ駆動するドライバを備える。それらのドライバは、図示しないメインコントローラに接続され、メインコントローラにより各部の動作のタイミング等が制御される。また特に、メインコントローラは、図示しないメモリ等に記憶された、造形対象物の３次元データを構成する積層された断面画像データ（典型的には断面の形状データ）に基づき、レーザ光源２２のドライバ及びポリゴンミラー２１を駆動するモータのドライバを制御する。

あるいは、各部をそれぞれ制御するコントローラが設けられていてもよい。

これらのドライバやコントローラは、ハードウェア、または、ハードウェア及びソフトウェア（つまり、コンピュータ）により構成される。

（３次元造形装置の動作）
次に、以上のように構成された３次元造形装置１００の動作を説明する。図５Ａ〜Ｃはその動作を順に示す図である。

図５Ａは、３次元造形装置１００の静止状態を示し、移動ベース１２が初期位置にある状態を示している。実際に造形を実行する前に、樹脂材料Ｒである硬化層の１層分の厚さが上記メインコントローラを介して設定される。例えば昇降機構１６の駆動により造形ステージ１５が上昇する。そして、造形ステージ１５がドラム１０の最も低い部分である直線状の領域Ａ１に接触した時の造形ステージ１５の高さ位置が、Ｚ軸方向での原点として設定される。

なお、この原点の設定時における、造形ステージ１５のＹ軸方向での位置は、適宜設定可能である。

原点が設定されると、予め設定された、樹脂材料Ｒの１層の厚さ分、造形ステージ１５が下降する。樹脂材料Ｒの１層分の厚さは、例えば１０μ〜１００μｍである。

造形ステージ１５が下降した後、造形ステージ１５はＹ軸移動機構１４により、図５Ｂに示すような所定の位置である造形開始位置に移動する。この造形開始位置とは、造形ステージ１５とドラム１０の直線状の領域Ａ１との間のスリット領域Ｓが形成することができるような造形ステージ１５の位置である。この造形開始位置は、スリット領域Ｓが形成できるような造形ステージ１５の位置であれば、形成される造形物のＹ軸方向での大きさにより適宜設定が変更され得る。

造形ステージ１５が造形開始位置に位置すると、供給ノズル１７から液体の樹脂材料Ｒがドラム１０の下面側に供給される。

このようにしてドラム１０に樹脂材料Ｒが転写されると、樹脂材料Ｒは自重によりドラム１０の外周面１０ａを伝って下方の直線状の領域Ａ１まで流れる。この時のスリット領域Ｓ及びその周辺の状態を図７に拡大して示す。このような状態から、照射機構２０によるレーザ光ＵＶＬの樹脂材料Ｒへの照射、つまり露光が開始される。

なお、ガイドローラ６または７（図４参照）がモータにより駆動するようになっていてもよい。これは、樹脂材料Ｒの粘性が高く、樹脂材料Ｒが自重により下方に流れない場合に、ガイドローラ６または７が回転し、樹脂材料Ｒが付着した部分が最下部となるようにドラム１０が回転してもよい。

図５Ｂに示すように、照射機構２０によりレーザ光ＵＶＬが照射される。レーザ光源２２から発生したレーザ光ＵＶＬが、ポリゴンミラー２１によりＸ軸方向に沿ってスキャンされ、ドラム１０を介してスリット領域Ｓの樹脂材料Ｒに入射する。この時、造形対象物の１層分の断面画像データのうち、Ｘ軸方向の１列分のデータに基づきレーザ光源２２のパワーが制御され、樹脂材料Ｒの領域に応じて選択的に露光されていく。露光された樹脂材料Ｒの領域は硬化する。レーザ光ＵＶＬの照射による露光中は、ドラム１０は停止している。

樹脂材料ＲのＸ軸方向に沿った１列分の露光が終了すると、レーザ光の照射動作が停止し、Ｙ軸移動機構１４により造形ステージ１５がＹ軸に沿った方向で後方側（図５Ｂにおける右側）へ所定のピッチ移動する。そして、１層目内における次の１列分（最初の１列に隣接する１列）の選択的な露光が上記と同様に行われる。

３次元造形装置１００は、以上のようなレーザ光のＸ軸方向に沿ったスキャン照射、及び、造形ステージ１５のＹ軸方向に沿ったステップ送りを繰り返すことにより、図５Ｃに示すように、１層分の樹脂材料Ｒの選択的な硬化層、つまり１層分の造形物を形成する。造形ステージ１５のこのようなＹ軸に沿った方向における間欠的な移動のピッチは、レーザビームのスポット径にもより、つまり、造形物を形成するときの分解能にもよるが、この移動のピッチは適宜設定可能である。

図８は、図５Ｃに示した、造形ステージ１５上の樹脂材料Ｒ及び硬化層Ｒ１を拡大して示した図である。図８では、１層分の硬化層Ｒ１を黒塗りで表している。

ここで、Ｘ軸方向に沿った１列分の露光が終了し、造形ステージ１５がＹ軸移動機構１４によりＹ軸に沿った方向で移動する時、ドラム１０と造形ステージ１５側との摩擦力によりドラム１０が引きずられて図８において反時計回りに回転する。

樹脂材料Ｒの１列分の露光が終了し、造形ステージ１５が所定の１ピッチ分移動する時、スリット領域Ｓより下流側（図７において例えばスリット領域Ｓより右側）では、ドラム１０がＺ軸方向において造形ステージ１５から離れていくように、造形ステージ１５が移動する。これにより、形成された直後の硬化層Ｒ１（ドラム１０の外周面１０ａに付着した硬化層）をドラム１０からきれいに剥がすことができる。

また、本実施形態では、ドラム１０の外周面１０ａの形状は曲面（円筒面）であり、直線状の領域Ａ１で液面が規制される。したがって、樹脂材料Ｒが硬化するときの収縮力がドラム１０に加えられても、ドラム１０に変形や歪みが発生しにくく、また、露光前における樹脂材料Ｒの粘性によるドラム１０の変形も防止できる。これにより、硬化層Ｒ１の平面度を高め、また、その厚さを高精度に制御することができる。

１層分の樹脂材料Ｒへの露光が終了すると、図６Ａに示すように、造形ステージ１５上の硬化層Ｒ１がインクジェットヘッド３０の下部の位置まで移動する。そして、そのまま造形ステージ１５がＹ軸方向へ移動しながら、インクジェットヘッド３０から、カラー情報を含む断面画像データに応じてカラーインクが吐出される。硬化層Ｒ１以外の部位、つまり未硬化部分にはインクは吐出されない。このようにして、硬化層Ｒ１にカラー印刷されるように着色される。

１層分の硬化層Ｒ１のインクの吐出が終了すると、造形ステージ１５が元の位置に戻り、昇降機構１６により１層分の厚さ下降する。そして、３次元造形装置１００は、図５Ａ〜Ｃ、６Ａ及びＢの動作を順に行い、着色された２層目の硬化層Ｒ１が形成される。

以上のような動作が繰り返されることにより、１層ごとに着色された造形物を形成することができる。

なお、供給ノズル１７からの樹脂材料Ｒの供給は、１層の露光処理ごと、複数層の露光処理ごと、定期的、あるいは常時行われてもよい。

図９Ａ〜Ｅは、このようにカラーインクＩで着色された造形物が形成される過程を順に示した模式的な図である。なお、この例に係る造形物４０は、複数の柱部４１ａを有するサポート層４１と、造形物の本体４２とで構成され、本体４２は３層（Ｒ１、Ｒ２及びＲ３）まで形成されている例を示す。

サポート層４１は、造形物の完成後に造形物の本体４２から切り離される。例えば本体４２の最下面の形状が平坦でない場合に、このようなサポート層４１を形成することにより、造形物の本体４２の姿勢を造形ステージ１５上で一定に維持するようにしてこれを支持することができる。

このようにして形成された造形物４０は、その内部まで着色されているため、ユーザは、例えば完成された造形物４０を切断してもその内部の色を確認することができる。例えば、このような造形物４０は医療分野（例えば、手術のシミュレーション用あるいは医療教育用）において臓器の模型として用いられる。

典型的には、１層ごとの樹脂材料Ｒ（硬化層）の厚さが数十μmであり、１層分のインクＩの厚さは１０μm以下である。このような層厚の違いはあるが、巨視的には造形物４０が全体的に着色されているように見える。

本実施形態では、１層ごとにインクＩが吐出されて着色される形態を説明したが、断面画像データに応じた領域であれば、複数層ごとあるいはランダムな領域に着色されてもよい。

以上のように、本実施形態によれば、造形物を構成する主な材料である樹脂材料Ｒとは異なる材料であるインクが供給されるので、従来の装置のように例えば１層ごとの厚さの薄いＵＶインクにより造形物を形成して着色等する場合に比べ、短時間で造形物を形成することができる。

また、本実施形態では、粉体造形方式における粉体材料ではなく、光硬化性の樹脂材料、すなわち液体の樹脂材料が造形物の主な構成材料として用いられるので、高精細な造形物を形成することができる。

[第２の実施形態]

図１０は、本発明の第２の実施形態に係る３次元造形装置を示す側面図である。図１１は、図１０に示した３次元造形装置２００の平面図である。これ以降の説明では、図１等に示した実施形態に係る３次元造形装置１００が含む部材や機能等について同様のものは説明を簡略化または省略し、異なる点を中心に説明する。

上記第１の実施形態に係るインクジェットヘッド３０はライン型であった。この第２の実施形態に係るインクジェットヘッド１３０は、Ｘ軸方向にスキャンされるタイプのものである。すなわち、この３次元造形装置２００は、インクジェットヘッド１３０をＸ軸方向に沿ってスキャン駆動するＸ軸スキャン機構２５を備える。例えば、インクジェットヘッド１３０はホルダ２６によって保持され、このホルダ２６がＸ軸スキャン機構２５のガイド部２７に沿って移動可能に接続されている。

図１１に示すように、インクジェットヘッド３０は、シアン、マゼンダ、イエロー、ブラックのそれぞれのヘッド１３１〜１３４の長さ方向がＹ軸方向を向き、それらの図示しない複数の吐出ノズルがＹ軸方向に沿って配列される。

典型的には、インクジェットヘッド１３０のＸ軸方向の移動と、造形物を構成する硬化層を支持した造形ステージ１５のＹ軸方向の移動とを交互に繰り返すことで、１層分の断面画像データに応じた１層分の硬化層に着色される。つまり、いわゆるラスタースキャンの要領によって印刷される。インクジェットヘッド１３０は、Ｘ軸方向の往路及び復路の両方でインクを吐出してもよいし、そのうちいずれか一方でインクを吐出してもよい。

[第３の実施形態]

次に、本発明の別の実施形態を説明する。図１２Ａは、形成途中の造形物の例を示し、図１２Ｂは、完成された造形物の例を示す。図１２Ａに示すように、供給ノズル１７（図１、１０参照）により供給される樹脂材料により、所定のパターンを有する溝１４０ａを有する平板状の造形物１４０が形成される。図１２Ｂに示すように、この平板状の造形物１４０の材料とは異なる、特定の性質を持つ機能性材料１４１が、溝１４０ａに供給される。この機能性材料１４１は、たとえば導電性材料である。機能性材料１４１は、インクジェットヘッド３０や１３０と同様の構造を有するヘッドにより供給されてもよいし、それとは別の構造を有する供給機構により供給されてもよい。

このように構成された造形物１４０’は、機能性材料１４１の部分が導電線である電気回路デバイスとして利用することができる。

機能性材料１４１として、導電性のほか、磁性、ゴム等、親水性、疎水性の材料がある。また、図１２にＡ及びＢ示した形状の造形物にも限られない。

[第４の実施形態]

図１３は、さらに別の実施形態に係る造形物を示す斜視図である。

この造形物では、樹脂材料（硬化層）の積層方向で見て、着色された部分Ａ（図ではグレーの部分）が１層ごとに交互に入れ替わっている。

まず、ある第１の層２４１では、着色された部分Ａのみレーザ光が照射されて硬化し、白の部分Ｂはインクジェットヘッドから例えば光硬化性のインクが吐出される。このように構成された第１の層に隣接して形成される次の第２の層２４２では、レーザ光が照射される部分が入れ替わり、第１の層２４１におけるインクが吐出された領域にも第２の層２４２を介して光が届き、そのインクが硬化する。

すなわち、インクジェットヘッドから、樹脂材料の積層方向で重ならない領域に、１層ごとに交互にインクが吐出され、同様に樹脂材料の積層方向で重ならない領域に、１層ごとに交互に、レーザ光が照射される。

このような形成されるチェック模様のドットが十分に細かい場合、これを巨視的に見ると、インクが吐出された領域とされていない領域とが混合された色に見える。

このように、いわばインターレース方式でレーザ光の照射が行われることにより、積層方向における２層分の硬化層を１回のレーザ光の照射で形成することができ、造形物２４０の単位体積当りのレーザ光源の駆動のための電力量（すなわちエネルギー）を節約することができる。

本実施形態では、インクの代わりに上記第３の実施形態のように機能性材料が用いられてもよい。

[その他の実施形態]
本発明に係る実施形態は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態が実現される。

インクジェットヘッド３０及び１３０は、フルカラー用のインクジェットヘッドであった。しかし、白黒（２値）用、またはグレースケールで造形物が着色されてもよい。

印刷を行うための材料を供給する供給機構として、上記実施形態では、非接触型のインクジェットヘッドが用いられた。しかし、非接触型として、昇華型の印刷ヘッドが用いられてもよい。あるいは、レーザプリンタのような接触型の印刷方式で硬化層に印刷されてもよい。

造形物の材料は、光硬化性の樹脂材料に限られず、熱エネルギー、電子線、または超音波により硬化する材料が用いられてもよい。また、樹脂材料に、特定波長に対する、その樹脂材料の屈折率とは異なる屈折率を持つフィラーが混合された材料が用いられてもよい。

また、その樹脂材料に応じて照射機構２０から照射されるエネルギー線も適宜変更可能である。エネルギー線としては、紫外線のほか、赤外線、可視光、電子線、熱線または超音波等が挙げられる。熱線は赤外線でもよく、その場合赤外線レーザによるスポット加熱により硬化処理が行われる。熱線や超音波等は、比較的造形精度が低い造形物を形成する場合に用いられればよい。

上記各実施形態に係る３次元造形装置は、硬化層に付着した未硬化の樹脂材料を除去する除去機構をさらに備えていてもよい。この除去機構は、例えばエアブロー、洗浄液による洗浄、あるいはこれらの組み合わせ等がある。また、この除去機構は、例えば造形ステージ１５のＹ軸方向に沿った移動経路上で、ドラム１０とインクジェットヘッド３０（または１３０）との間に設けられていてもよい。あるいは、除去機構は、インクジェットヘッド３０（または１３０）よりさらに下流側に設けられていてもよい。

照射機構は上記実施形態に限られない。例えばポリゴンミラー２１に代えて平面ミラーが設けられ、この平面ミラーがレーザ光源２２をスキャンするように駆動されてもよい。あるいは照射機構は、ポリゴンミラー２１によるスキャン機構に限られず、ドラム１０内に配置された、光源ユニット及びこれをＸ軸方向でスキャン移動させる機構を有していてもよい。

上記実施形態に係る造形方式として、１次元領域による規制液面方式が用いられたが、もちろん２次元領域による規制液面方式が用いられてもよい。あるいは規制液面方式に限られず、自由液面方式が用いられてもよい。

Ｒ…樹脂材料
Ａ１…直線状の領域
Ｓ…スリット領域
Ｒ１（Ｒ２、Ｒ３）…硬化層
Ｉ…カラーインク
１０…ドラム
１０ａ…外周面
１４…Ｙ軸移動機構
１５…造形ステージ
１７…供給ノズル
２０…照射機構
３０、１３０…インクジェットヘッド
４０、１４０、１５０…造形物
１００、２００…次元造形装置
１４１…機能性材料

Claims (9)

1. エネルギー線のエネルギーにより硬化する樹脂材料が積層されて形成される造形物を支持する支持体と、
   前記造形物を形成するために、造形の対象となる造形対象物の３次元データを構成する積層された断面画像データに基づき、前記樹脂材料に前記エネルギー線を照射する照射機構と、
   前記断面画像データに基づき、前記照射機構により照射されて硬化した前記樹脂材料に、前記造形物の一部を構成し前記樹脂材料とは異なる材料を供給する供給機構と
   を具備する３次元造形装置。
2. 請求項１に記載の３次元造形装置であって、
   前記供給機構は、前記造形物を着色するために、前記樹脂材料とは異なる材料としてインクを吐出するインクジェットヘッドを有する
   ３次元造形装置。
3. 請求項２に記載の３次元造形装置であって、
   前記樹脂材料は、可視光を透過する材料、または白色系の材料である
   ３次元造形装置。
4. 請求項１に記載の３次元造形装置であって、
   前記供給機構は、前記樹脂材料とは異なる材料として、特定の性質を持つ機能性材料を供給する
   ３次元造形装置。
5. 請求項１から４のうちいずれか１項に記載の３次元造形装置であって、
   前記供給機構は、少なくとも１層の前記樹脂材料が積層されるごとに前記樹脂材料とは異なる材料を供給する
   ３次元造形装置。
6. 請求項１から５のうちいずれか１項に記載の３次元造形装置であって、
   前記供給機構は、樹脂材料の積層方向で重ならない領域に、１層ごとに交互に、前記樹脂材料とは異なる材料を供給し、
   前記照射機構は、樹脂材料の積層方向で重ならない領域に、１層ごとに交互に、前記エネルギー線を照射する
   ３次元造形装置。
7. 請求項１から６のうちいずれか１項に記載の３次元造形装置であって、
   第１の方向に沿う直線状の領域を含む表面を有し、前記表面のうち前記直線状の領域が前記支持体に最も近くなるように、前記支持体に対面して配置された規制体と、
   前記支持体側と前記直線状の領域との間の領域であるスリット領域に、前記樹脂材料を供給する供給ノズルと
   １層分の前記樹脂材料の硬化層を形成するために、前記第１の方向とは異なる第２の方向に沿って、前記規制体に相対的に前記支持体を移動させ、前記エネルギー線により前記材料の前記硬化層を積層するために、前記積層の方向に沿って前記規制体と前記支持体とを相対的に移動させる移動機構とをさらに具備し、
   前記照射機構は、前記供給ノズルにより前記スリット領域に供給された前記樹脂材料に、前記規制体を介して前記エネルギー線を照射する
   ３次元造形装置。
8. 造形の対象となる造形対象物の３次元データを構成する積層された断面画像データに基づき、樹脂材料にエネルギー線を照射することで、前記樹脂材料の領域に応じて選択的に前記樹脂材料を硬化させ、
   断面画像データに基づき、前記エネルギー線の照射により硬化された前記樹脂材料に、造形物の一部を構成し前記樹脂材料とは異なる材料を供給する
   ３次元造形方法。
9. 造形の対象となる造形対象物の３次元データを構成する積層された断面画像データに基づき、樹脂材料にエネルギー線を照射することで、前記樹脂材料の領域に応じて選択的に前記樹脂材料を硬化させ、
   断面画像データに基づき、前記エネルギー線の照射により硬化された前記樹脂材料に、造形物の一部を構成し前記樹脂材料とは異なる材料を供給する
   ３次元造形方法により形成された造形物。