JP2015136915A - 三次元造形装置および三次元造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】造形対象物のサイズが大きい場合やオーバーハング部分が大きい場合においても、サポート材の除去作業における手間を減らすともに、サポート材の材料コストおよび廃棄物量を低減することが可能な三次元造形装置および三次元造形方法を提供する。
【解決手段】三次元造形装置１００は、モデル材を供給することによってモデル材領域１９０を形成するモデル材吐出ヘッド１２２と、中間材を供給することによって中間材領域１９２を形成する中間材吐出ヘッド１２４と、サポート材領域１９４におけるサポート材の充填率が中間材領域１９２における中間材の充填率より低くなるように、サポート材を供給することによってサポート材領域１９４を形成するディスペンスユニット１２８とを備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、三次元造形装置および三次元造形方法に関する。

三次元の立体物（以下「三次元造形物」）を造形する技術として、ラピッド・プロトタイピング（ＲＰ：Rapid Prototyping）と呼ばれる技術が知られている。この技術は、１つの三次元造形物の表面を３角形の集まりとして記述したデータ（ＳＴＬ（Standard Triangulated Language）フォーマットのデータ）により、積層方向について薄く切った断面形状を計算し、その形状に従って各層を形成して三次元造形物を造形する技術である。また、三次元造形物を造形する手法としては、溶融物堆積方式（ＦＤＭ：Fused Deposition Molding）、インクジェット方式、インクジェットバインダ方式、光造形方式（ＳＬ：Stereo Lithography）、粉末焼結方式（ＳＬＳ：Selective Laser Sintering）などが知られている。

インクジェット方式による三次元造形方法としては、例えば、造形ステージに対してインクジェットヘッドから選択的に例えば光硬化性樹脂のモデル材を吐出する工程、その表面を平滑化する工程、および当該モデル材を硬化させる工程（光硬化性樹脂の場合は光照射工程）によって一層分の造形材層（硬化層）を形成し、この造形材層を複数積層して三次元造形物を造形する技術が提供されている。このような方式によれば、造形対象物の三次元形状に基づいてモデル材を微小な液滴（液滴径：数十［μｍ］）として吐出することにより高精細な造形材層が形成されるため、これを積層することにより高精細な三次元造形物を造形することができる。また、インクジェットヘッドとして、複数の吐出ノズルが配列され副走査を不要とする長さを有するインクジェットヘッド（いわゆるラインヘッド）を使用することによって、大きな三次元造形物であっても比較的短時間で造形できるように工夫がされている。

また、上記三次元造形方法では、造形ステージに対して、三次元造形物の造形中にモデル材を支持するサポート材（支持材）を供給する。サポート材は、例えば造形対象物がオーバーハングする部分（張り出し部分）を有している場合等に、モデル材の外周や内周に設けられ、三次元造形物の造形が完了するまでオーバーハング部分を支持する。サポート材は、三次元造形物の造形が完了した後に除去される。

特許文献１には、サポート材と異なり、サポート材よりも剛性の高い材質であるサポート殻をサポート材の外表面に設けることが記載されており、サポート材に要求される造形後の除去し易さと、造形時の剛性とが実現できるとされている。
また、特許文献２には、モデル材とサポート材の分離を容易にするために、モデル材とサポート材との間に第２のサポート材を吐出するようにしたインクジェット方式の三次元造形装置が記載されている。

特開２０１２−９６４２８号公報 特開２００４−２５５８３９号公報

しかしながら、サポート材の使用については、サポート材の材料コストや廃棄物量の低減という課題や、サポート材の除去作業を容易にするという課題において、改善の余地があり、造形対象物のサイズが大きい場合やオーバーハング部分が大きい場合、これらの課題が顕著に現れるという問題もあった。

特許文献１に記載の技術では、サポート材に加えてサポート殻をも形成するため、サポート材全体の材料コストおよび廃棄物量の増加という上記問題を解消することができない。また、特許文献２に記載の技術では、使用されるサポート材の減量という点で課題があり、造形物の形状が複雑な場合にはサポート材除去に改善の余地がある。

本発明の目的は、造形対象物のサイズが大きい場合やオーバーハング部分が大きい場合においても、サポート材の除去作業における手間を減らすともに、サポート材の材料コストおよび廃棄物量を低減することが可能な三次元造形装置および三次元造形方法を提供することである。

本発明に係る三次元造形装置は、
モデル材を用いて、最終的に三次元造形物を構成するモデル材領域を形成するモデル材領域形成部と、
前記モデル材領域を支持するためのサポート材領域を、サポート材を用いて形成するサポート材領域形成部と、
前記サポート材領域と前記モデル材領域との間に、中間材を用いて中間材領域を形成する中間材領域形成部と、
三次元造形物が形成される造形ステージと、
を備え、
前記サポート材領域形成部は、前記サポート材領域における前記サポート材の充填率が前記中間材領域における前記中間材の充填率より低くなるように前記サポート材を供給し、
前記造形ステージ上に、前記モデル材領域、前記中間材領域、及び、前記サポート材領域からなる造形材層を含む複数の造形材層を順に形成して積層することにより三次元造形物を造形することを特徴とする。

本発明に係る三次元造形方法は、
モデル材を用いて、最終的に三次元造形物を構成するモデル材領域を形成し、
前記モデル材領域を支持するためのサポート材領域を、サポート材を用いて形成し、
前記サポート材領域と前記モデル材領域との間に、中間材を用いて中間材領域を形成し、
前記サポート材領域を形成するにあたっては、前記サポート材領域における前記サポート材の充填率が前記中間材領域における前記中間材の充填率より低くなるように前記サポート材を供給し、
造形ステージ上に、前記モデル材領域、前記中間材領域、及び、前記サポート材領域からなる造形材層を含む複数の造形材層を順に形成して積層することにより三次元造形物を造形することを特徴とする。

本発明によれば、サポート材の除去作業における手間を減らすともに、サポート材の材料コストおよび廃棄物量を低減することができる。

本実施の形態に係る三次元造形装置の構成を概略的に示す図である。 本実施の形態に係る三次元造形装置の制御系の主要部を示す図である。 本実施の形態に係るヘッドユニットの構成を示す図である。 本実施の形態に係るディスペンスユニットの構成を示す図である。 三次元造形物の造形時におけるモデル材、中間材およびサポート材の供給場所を示す図である。 中間材領域とサポート材領域との界面部分を示す図である。 造形材層を形成して積層する動作を示す図である。 本実施の形態に係る三次元造形装置の三次元造形動作例を示すフローチャートである。 本実施の形態に係るディスペンスユニットの構成の変形例を示す図である。

以下、本実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本実施の形態に係る三次元造形装置１００の構成を概略的に示す図である。図２は、本実施の形態に係る三次元造形装置１００の制御系の主要部を示す図である。図１、２に示す三次元造形装置１００は、造形ステージ１４０上に最終的に三次元造形物２００を構成するモデル材領域と、モデル材領域を支持するためのサポート材領域と、サポート材領域とモデル材領域との間に設けられる中間材領域とからなる造形材層を含む複数の造形材層を順に形成して積層することによって、三次元造形物２００を造形する。サポート材および中間材は、例えば造形対象物がオーバーハングする部分（張り出し部分）を有している場合等に、モデル材の外周や内周に設けられる。サポート材および中間材は、三次元造形物２００の造形が完了した後に、ユーザーによって除去される。ここで、造形材とは、モデル材、サポート材、中間材を指し、造形材層とは、これら３つの材料のうちの一つからなる層、または、３つの材料のうちの複数の材料からなる複数の領域を含む層を指す。

三次元造形装置１００は、各部の制御や３Ｄデータの取り扱いを行うための制御部１１０、造形材を用いて造形を行うためのヘッドユニット１２０、サポート材を供給するためのディスペンスユニット１２８、移動機構１３０、造形物が形成される造形ステージ１４０、各種情報を表示するための表示部１４５、外部機器との間で３Ｄデータ等の各種情報を送受信するためのデータ入力部１５０、および、ユーザーからの指示を受け付けるための操作部１６０を備える。三次元造形装置１００には、造形対象物を設計するための、あるいは、三次元測定機を用いて実物を測定して得られた三次元情報に基づいて造形用のデータを生成するためのコンピューター装置１５５が接続される。

データ入力部１５０は、造形対象物の三次元形状を示す３Ｄデータ（ＣＡＤデータやデザインデータなど）をコンピューター装置１５５から受け取り、制御部１１０に出力する。ＣＡＤデータやデザインデータには、造形対象物の三次元形状だけに限らず、造形対象物の表面の一部または全面および内部におけるカラー画像情報が含まれている場合もある。なお、３Ｄデータを取得する方法は特に限定されず、有線通信や無線通信、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの短距離無線通信を利用して取得しても良いし、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリなどの記録媒体を利用して取得しても良い。また、この３Ｄデータは、当該３Ｄデータを管理および保存するサーバーなどから取得しても良い。

制御部１１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算手段を有しており、データ入力部１５０から３Ｄデータを取得し、取得した３Ｄデータの解析処理や演算処理を行う。制御部１１０は、３Ｄデータを解析することによって、最終的に三次元造形物２００を構成する領域を、モデル材を用いて形成するモデル材領域に設定する。また、制御部１１０は、三次元造形物２００を構成するモデル材を支持するための領域を、サポート材を用いて形成するサポート材領域に設定する。また、制御部１１０は、サポート材領域とモデル材領域との間に設けられる領域を、中間材を用いて形成する中間材領域に設定する。

制御部１１０は、データ入力部１５０から取得した３Ｄデータを、積層方向について薄く切った複数のスライスデータに変換する。スライスデータは、三次元造形物２００を造形するための造形材層毎のデータである。各スライスデータに対しては、モデル材領域、中間材領域およびサポート材領域がそれぞれ設定されている。スライスデータの厚み、すなわち造形材層の厚みは、造形材層の一層分の厚さに応じた距離（積層ピッチ）と一致する。例えば、造形材層の厚みが０．０５［ｍｍ］である場合、制御部１１０は、１［ｍｍ］の高さの積層に必要な連続した２０［枚］のスライスデータを３Ｄデータから切り出す。

また、制御部１１０は、三次元造形物２００の造形動作中、三次元造形装置１００全体の動作を制御する。例えば、モデル材、中間材およびサポート材を所望の場所に吐出するための機構制御情報を移動機構１３０に対して出力するとともに、ヘッドユニット１２０およびディスペンスユニット１２８に対してスライスデータを出力する。すなわち、制御部１１０は、ヘッドユニット１２０およびディスペンスユニット１２８と移動機構１３０とを同期させて制御する。

表示部１４５は、制御部１１０の制御を受けて、ユーザーに認識させるべき各種の情報やメッセージを表示する。操作部１６０は、テンキー、スタートキー等の各種操作キーを備え、ユーザーによる各種入力操作を受け付けて、操作信号を制御部１１０に出力する。

造形ステージ１４０は、ヘッドユニット１２０およびディスペンスユニット１２８の下方に配置される。造形ステージ１４０には、ヘッドユニット１２０およびディスペンスユニット１２８によって造形材層が形成され、この造形材層が積層されることにより三次元造形物２００（中間材領域およびサポート材領域を含む）が造形される。

移動機構１３０は、ヘッドユニット１２０およびディスペンスユニット１２８と造形ステージ１４０との相対位置を３次元で変化させる。具体的には、移動機構１３０は、図１に示すように、ヘッドユニット１２０およびディスペンスユニット１２８に係合する主走査方向ガイド１３２と、主走査方向ガイド１３２を副走査方向に案内する副走査方向ガイド１３４と、造形ステージ１４０を鉛直方向に案内する鉛直方向ガイド１３６とを備え、さらに図示しないモーターや駆動リール等からなる駆動機構を備えている。

移動機構１３０は、制御部１１０から出力された機構制御情報に従って、図示しないモーターおよび駆動機構を駆動し、ヘッドユニット１２０およびディスペンスユニット１２８を主走査方向および副走査方向に自在に移動させる（図１を参照）。なお、移動機構１３０は、ヘッドユニット１２０およびディスペンスユニット１２８の位置を固定し、造形ステージ１４０を主走査方向および副走査方向に移動させるように構成しても良いし、ヘッドユニット１２０およびディスペンスユニット１２８と造形ステージ１４０との双方を移動させるように構成しても良い。また、移動機構１３０は、２つの主走査方向ガイド１３２を備え、当該２つの主走査方向ガイド１３２の各々にヘッドユニット１２０およびディスペンスユニット１２８の各々が係合するように構成しても良い。

本実施の形態では、ヘッドユニット１２０を主走査方向に自在に移動させるために、ヘッドユニット１２０の移動を阻害しないようにディスペンスユニット１２８を必要に応じて移動させる。また、ディスペンスユニット１２８を主走査方向に自在に移動させるために、ディスペンスユニット１２８の移動を阻害しないようにヘッドユニット１２０を必要に応じて移動させる。ヘッドユニット１２０およびディスペンスユニット１２８について、互いに干渉しないような退避位置をそれぞれ設定しておき、各退避位置へ移動させるようにしても良い。

また、移動機構１３０は、制御部１１０から出力された機構制御情報に従って、図示しないモーターおよび駆動機構を駆動し、造形ステージ１４０を鉛直方向下方に移動させてヘッドユニット１２０と三次元造形物２００との間隔を調整する（図１を参照）。すなわち、造形ステージ１４０は、移動機構１３０によって鉛直方向に移動可能に構成されており、造形ステージ１４０上にＮ層目（Ｎは自然数）の造形材層が形成された後、積層ピッチだけ鉛直方向下方に移動する。そして、造形ステージ１４０上にＮ＋１層目の造形材層が形成された後、積層ピッチだけ鉛直方向下方に再び移動する。なお、移動機構１３０は、造形ステージ１４０の鉛直方向位置を固定し、ヘッドユニット１２０を鉛直方向上方に移動させても良いし、ヘッドユニット１２０およびディスペンスユニット１２８と造形ステージ１４０との双方を移動させても良い。

ヘッドユニット１２０は、図２，３に示すように、それぞれインクジェット方式の、モデル材領域形成部としてのモデル材吐出ヘッド１２２および中間材領域形成部としての中間材吐出ヘッド１２４、平滑化装置１２５、光源１２６を筐体１２１の内部に備える。制御部１１０、ヘッドユニット１２０、モデル材吐出ヘッド１２２、移動機構１３０等により、モデル材領域を形成するためのモデル材領域形成部が構成される。また、制御部１１０、ヘッドユニット１２０、中間材吐出ヘッド１２４、移動機構１３０等により、中間材領域を形成するための中間材領域形成部が構成される。

モデル材吐出ヘッド１２２は、長手方向（副走査方向）に列状に配列された複数の吐出ノズルを有する。モデル材吐出ヘッド１２２は、長手方向に直交する主走査方向に走査しながら、造形ステージ１４０に向けて複数の吐出ノズルからモデル材の液滴を選択的に吐出する。モデル材吐出ヘッド１２２は、１層分の造形材層が形成される際、その造形材層に対応するスライスデータに対してモデル材領域が設定された領域に、モデル材の液滴を吐出する。この吐出動作を、副走査方向にずらして複数回繰り返すことにより造形ステージ１４０上の所望の領域に造形材層のモデル材領域を形成する。モデル材領域は、光照射による硬化処理が施されることにより半硬化する。ここで、半硬化とは、モデル材領域が、層（造形材層）として形状を維持することができる程度の粘度を有するように硬化された状態を言う。

モデル材吐出ヘッド１２２は、暗室１７０に設けられたモデル材貯蔵タンク１７２に接続され、モデル材貯蔵タンク１７２からモデル材の供給を受ける。モデル材貯蔵タンク１７２は、モデル材を吐出可能な状態で貯留する。本実施の形態では、モデル材吐出ヘッド１２２として、粘度が５〜１５［ｍＰａ・ｓ］の範囲でモデル材を吐出できるものが採用されている。モデル材としては、特定波長の光が照射されることにより硬化する光硬化性材料が用いられる。光硬化性材料としては、例えば、紫外線硬化性樹脂が挙げられ、アクリル酸エステルまたはビニルエーテル等のラジカル重合系紫外線硬化性樹脂や、エポキシまたはオキセタン等のモノマーやオリゴマーと、樹脂に応じた重合開始剤（反応開始剤）としてアセトフェノンやベンゾフェノン等とを組み合わせて使用するカチオン重合系紫外線硬化性樹脂を用いることができる。光硬化性材料は、硬化を進行させ得る特定波長の光を遮光部材やフィルターなどにより遮断しておくことで、吐出可能な状態で貯留することができる。

中間材吐出ヘッド１２４は、長手方向（副走査方向）に列状に配列された複数の吐出ノズルを有する。中間材吐出ヘッド１２４は、長手方向に直交する主走査方向に走査しながら、造形ステージ１４０に向けて複数の吐出ノズルから中間材の液滴を選択的に吐出する。中間材吐出ヘッド１２４は、１層分の造形材層が形成される際、その造形材層に対応するスライスデータに対して中間材領域が設定された領域に、中間材の液滴を吐出する。この吐出動作を、副走査方向にずらして複数回繰り返すことにより造形ステージ１４０上の所望の領域に造形材層の中間材領域を形成する。中間材領域は、中間材の吐出後に、周囲の空気に触れて冷却され硬化する。

中間材吐出ヘッド１２４は、中間材貯蔵タンク１７４に接続され、中間材貯蔵タンク１７４から中間材の供給を受ける。中間材貯蔵タンク１７４は、中間材を吐出可能な状態で貯留する。中間材としては、常温環境において固体であり、加熱されることによって固体から液体に遷移する熱可塑性材料等が用いられる。なお、中間材としてフッ素系樹脂材料やワックスを用いても良い。

モデル材吐出ヘッド１２２および中間材吐出ヘッド１２４としては、従来公知の画像形成用のインクジェットヘッドが用いられる。なお、モデル材吐出ヘッド１２２および中間材吐出ヘッド１２４が有する複数の吐出ノズルは、列状に配列されていれば良く、直線状に並んでいても良いし、ジグザグ配列で全体として直線状になるように並んでいても良い。

平滑化装置１２５は、均しローラー１２５Ａ、掻き取り部材１２５Ｂおよび回収部材１２５Ｃを筐体１２１の内部に備える。均しローラー１２５Ａは、制御部１１０の制御下において回転駆動可能であり、モデル材吐出ヘッド１２２および中間材吐出ヘッド１２４により吐出されたモデル材表面および中間材表面に接触してモデル材表面および中間材表面の凹凸を平滑化する。その結果、均一な層厚を有する造形材層（モデル材領域および中間材領域）が形成される。造形材層の表面が平滑化されることにより、次の造形材層を精度良く形成して積層することができるので、高精度の三次元造形物２００を造形することができる。均しローラー１２５Ａの表面に付着したモデル材および中間材は、均しローラー１２５Ａの近傍に設けられた掻き取り部材１２５Ｂによって掻き取られる。掻き取り部材１２５Ｂによって掻き取られたモデル材および中間材は、回収部材１２５Ｃによって回収される。なお、掻き取り部材１２５Ｂによって掻き取られたモデル材や中間材は、モデル材吐出ヘッド１２２や中間材吐出ヘッド１２４に供給されて再利用されるものとしても良いし、廃タンク（図示せず）に輸送されるものとしても良い。

光源１２６は、造形ステージ１４０に向けて吐出された光硬化性樹脂のモデル材に硬化処理（光照射処理）を施して、半硬化させる。本実施の形態では、モデル材が紫外線硬化性材料であるため、光源１２６として、紫外線（ＵＶ）レーザーを放射するＵＶランプが用いられる。なお、光源１２６としては、低圧水銀灯、中圧水銀灯、超高圧水銀灯、カーボンアーク灯、高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプまたは紫外線ＬＥＤランプ等を用いることができる。

ディスペンスユニット１２８は、図４に示すように、造形ステージ１４０に向けてサポート材を供給する溶融物堆積方式のディスペンサー１２８Ａを筐体１２９の内部に備える。ディスペンサー１２８Ａは、制御部１１０の制御を受けて、サポート材の吐出量、および、サポート材の吐出と停止との間における切り替えを制御でき、連続的にサポート材を供給し得る供給ノズルを有する。制御部１１０、ディスペンスユニット１２８、ディスペンサー１２８Ａ、移動機構１３０等により、サポート材領域を形成するためのサポート材領域形成部が構成される。ディスペンスユニット１２８は、１層分の造形材層が形成される際、その造形材層に対応するスライスデータに対してサポート材領域が設定された領域に、サポート材領域におけるサポート材の充填率（例えば、２５［％］）が中間材領域における中間材の充填率（例えば、１００［％］）より低くなるように、サポート材の液滴を吐出する。この吐出動作を、副走査方向にずらして複数回繰り返すことにより造形ステージ１４０上の所望の領域に造形材層のサポート材領域を形成する。なお、ディスペンスユニット１２８は、サポート材の液滴を吐出するディスペンサー１２８Ａを複数備えても良い。

本実施の形態では、ディスペンスユニット１２８は、移動機構１３０によって駆動されて一筆書きのように移動し、サポート材領域が格子形状を有するようにサポート材を吐出する。これにより、ユーザーは、格子を手で掴み引くことによってサポート材領域を塊で取り除いたり、手やハサミ等で格子を分解したりすることができるため、三次元造形物２００の造形が完了した後にサポート材領域を容易に除去することができる。また、インクジェット方式と異なり、溶融物堆積方式では、加熱されて溶融したサポート材が高粘度の状態で連続的に吐出され、サポート材領域が連続的に短時間で固化していく。そのため、サポート材の充填率が中間材領域における中間材の充填率より低いサポート材領域を容易に形成することができる。なお、サポート材領域全体にわたって格子形状を有するように形成しても良いし、一部の部位のみが格子形状を有するように形成しても良い。

ディスペンサー１２８Ａは、サポート材貯蔵タンク１８０に接続され、サポート材貯蔵タンク１８０からサポート材の供給を受ける。サポート材としては、常温環境において固体であり、加熱されることによって固体から液体に遷移する熱可塑性材料等が用いられる。サポート材貯蔵タンク１８０は、サポート材を吐出可能な状態（つまり加熱されて溶融し、高粘度を有する状態）で貯留する。ディスペンスユニット１２８によって形成されたサポート材領域は、サポート材の吐出後に、周囲の空気に触れて冷却され固化する（薄い硬化層となる）。なお、サポート材として溶剤溶解性の樹脂を用いた場合、溶解するサポート材の量が少なくなり、短時間で溶解させることができる。

図５は、中空部分を有する三次元造形物２００の造形時におけるモデル材、中間材およびサポート材の供給場所を示す図である。１９０は、三次元造形物２００を構成し、モデル材を用いて形成されるモデル材領域である。１９２は、中間材を用いて形成される中間材領域である。１９４は、サポート材を用いて形成されるサポート材領域である。中間材領域１９２は、モデル材領域１９０に対してサポート材領域１９４より近接するように配置される。中間材領域１９２の、モデル材領域１９０と接触する界面部分は、全ての造形材層が形成された後、中間材を三次元造形物２００から取り除いたときに、最終的な三次元造形物２００の表面となるため、精度良く造形される必要がある。その一方、サポート材領域１９４とモデル材領域１９０との間には中間材領域１９２が介在するので、サポート材領域１９４は他領域との界面部分の形状に高い精度は要求されない。従って、サポート材領域１９４については、中間材領域１９２よりも精度は低いが速い速度で造形を行えるような造形方式を採用することができ、例えば、中間材領域１９２をインクジェット方式で形成し、サポート材領域１９４を溶融物堆積方式で造形することができる。このようにすると、三次元造形物２００全体の造形速度を速めることができ、造形時間を短縮することができる。

図６は、サポート材領域１９４の上面１９４Ａに中間材領域１９２が積層される様子を示す図である。ここで、サポート材領域１９４は、中間材領域１９２との界面部分となるサポート材領域１９４の上面１９４Ａの密度が、当該上面１９４Ａ以外の部分の密度より高くなるように形成されている。このように、上面１９４Ａのうち必要な少なくとも一部の密度を高めることにより、中間材領域１９２やモデル材領域１９０の落下や進入を防止することができる。

本実施の形態では、三次元造形装置１００は、複数層（例えば、１０層）毎に、１０層分に相当するサポート材層を形成し、これを繰り返して複数の造形材層を積層することによって三次元造形物２００を造形する。図７は、造形材層を形成して積層する動作を示す図である。

まず、図７Ａに示すように、ヘッドユニット１２０は、主走査方向に造形ステージ１４０上の一方の端部から他方の端部まで走査しながら、モデル材および中間材を吐出する（第１動作）。次に、ヘッドユニット１２０は、モデル材および中間材の吐出を一旦停止し、主走査方向に造形ステージ１４０上の他方の端部から一方の端部まで走査する（第２動作）。次に、ヘッドユニット１２０は、ヘッドユニット１２０によるモデル材および中間材の吐出位置が重ならないように副走査方向に走査する（第３動作）。これらの第１動作〜第３動作を繰り返すことにより、造形ステージ１４０上の所定の領域を走査し、一層分の造形材層（モデル材領域１９０および中間材領域１９２）を形成する。なお、モデル材吐出ヘッド１２２及び中間材吐出ヘッド１２４の両側に、均しローラー１２５Ａ及び光源１２６を一組ずつ配置するなどして、主走査方向の走査の往路及び復路の両方でモデル材と中間材を吐出するようにしても構わない。そして、この造形材層の形成動作を複数回繰り返して、複数層分の造形材層（モデル材領域１９０および中間材領域１９２）を形成する。

次に、図７Ｂに示すように、ディスペンスユニット１２８は、主走査方向に造形ステージ１４０上の一方の端部から他方の端部まで走査しながら、サポート材を吐出する（第４動作）。次に、ディスペンスユニット１２８は、ディスペンスユニット１２８によるサポート材の吐出位置が重ならないように副走査方向に走査する（第５動作）。このとき、サポート材の吐出を一旦中止してもよい。次に、ディスペンスユニット１２８は、主走査方向に造形ステージ１４０上の他方の端部から一方の端部まで走査する（第６動作）。これらの第４動作〜第６動作を繰り返すことにより、造形ステージ１４０上の所定の領域を走査し、一層分の造形材層（サポート材領域１９４）を形成する。そして、この造形材層の形成動作を複数回繰り返して、複数層分の造形材層（サポート材領域１９４）を形成する。これにより、複数層分の造形材層（モデル材領域１９０、中間材領域１９２およびサポート材領域１９４）が形成される。なお、ディスペンサー１２８Ａを、一回の吐出でモデル材領域１９０や中間材領域１９２の一層よりも厚くサポート材領域１９４を形成できるものとし、ディスペンスユニット１２８の主走査方向における走査回数を、ヘッドユニット１２０のそれよりも少なくしても良い。ディスペンスユニット１２８は、複数層分の造形材層（サポート材領域１９４）の形成を、形成済みの造形材層（モデル材領域１９０および中間材領域１９２）の高さ以下で停止する。これによって、次に、ヘッドユニット１２０が造形材層（モデル材領域１９０および中間材領域１９２）を形成する際、形成済みの造形材層（サポート材領域１９４）と衝突することが防止される。

次に、図７Ｃに示すように、ヘッドユニット１２０は再び、造形ステージ１４０上の所定の領域を走査し、複数層分の造形材層（モデル材領域１９０および中間材領域１９２）を形成する。

次に、図７Ｄに示すように、ディスペンスユニット１２８は再び、造形ステージ１４０上の所定の領域を走査し、複数層分の造形材層（サポート材領域１９４）を形成する。図７Ａ〜７Ｄを参照して説明したように、三次元造形装置１００は、モデル材領域１９０および中間材領域１９２と、サポート材領域１９４とを複数層毎に交互に形成して積層することによって、三次元造形物２００を造形する。

図８は、三次元造形装置１００の三次元造形動作例を示すフローチャートである。ステップＳ１００の処理は、データ入力部１５０が、コンピューター装置１５５から３Ｄデータを受け取ることにより開始する。

まず、制御部１１０は、データ入力部１５０に入力された３Ｄデータを取得する（ステップＳ１００）。次に、制御部１１０は、取得した３Ｄデータを解析することによって、モデル材領域１９０、中間材領域１９２およびサポート材領域１９４をそれぞれ設定する（ステップＳ１２０）。

次に、制御部１１０は、３Ｄデータを積層方向について薄く切った複数のスライスデータに変換する（ステップＳ１４０）。次に、制御部１１０は、ヘッドユニット１２０および移動機構１３０を制御し、モデル材および中間材の液滴を吐出させることによって、複数層分の造形材層（モデル材領域１９０および中間材領域１９２）を形成させる（ステップＳ１６０）。

次に、制御部１１０は、ディスペンスユニット１２８および移動機構１３０を制御し、サポート材の液滴を吐出させることによって、複数層分の造形材層（サポート材領域１９４）を形成させる（ステップＳ１８０）。最後に、制御部１１０は、三次元造形物２００を構成する最終層の造形材層（モデル材領域１９０、中間材領域１９２およびサポート材領域１９４）まで形成されたか否かについて判定する（ステップＳ２００）。この判定の結果、最終層の造形材層まで形成されていない場合（ステップＳ２００、ＮＯ）、処理はステップＳ１６０の前に戻る。なお、区切りの層数に達しない場合は、最後のフローで端数の層の造形を行っても良いし、プロセスの途中で適宜区切りの層数を増減することで、造形プロセス全体にわたって区切りの層数が類似したものになるように制御しても良い。一方、最終層の造形材層まで形成された場合（ステップＳ２００、ＹＥＳ）、三次元造形装置１００は、図８における処理を終了する。

以上のように、本実施の形態では、造形材層（モデル材領域１９０および中間材領域１９２）の形成動作と、造形材層（サポート材領域１９４）の形成動作とを複数層毎に切り替えることにより、１層毎に切り替える場合と比べて、三次元造形物２００の造形動作における切り替え回数が減り、三次元造形物２００の造形時間を短縮することができる。こうして造形が完了した後、得られた三次元造形物２００から中間材及びサポート材領域１９２，１９４を除去することで、最終的な三次元造形物２００を得ることができる。この際、サポート材領域１９４は、中間材領域１９２に比べて充填度が低いため、サポート材領域１９４を崩すようにして、中間材領域１９２を残った三次元造形物２００から剥がすように除去することができ、中間材及びサポート材領域１９２，１９４の除去が容易に行える。離型性を有する材料で中間材領域１９２を形成しておくことで、除去がより容易になる。また、三次元造形物２００を加熱することによって、除去を促進するようにしても良い。

［本実施の形態における効果］
以上詳しく説明したように、本実施の形態では、三次元造形装置１００は、モデル材を供給することによってモデル材領域１９０を形成するモデル材吐出ヘッド１２２と、中間材を供給することによって中間材領域１９２を形成する中間材吐出ヘッド１２４と、サポート材領域１９４におけるサポート材の充填率が中間材領域１９２における中間材の充填率より低くなるように、サポート材を供給することによってサポート材領域１９４を形成するディスペンスユニット１２８とを備える。

このように構成した本実施の形態によれば、サポート材領域１９４におけるサポート材の充填率が中間材領域１９２における中間材の充填率より低くなるため、三次元造形物２００の造形に使用されるサポート材の量が減少する。そのため、造形対象物のサイズが大きい場合やオーバーハング部分が大きい場合においても、サポート材の除去作業における手間を減らすともに、サポート材の材料コストおよび廃棄物量を低減することができる。
また、本実施形態における、エネルギー硬化性材料と熱可塑性材料の組合せのような互いに硬化原理が異なる材料の組合せを採用するなどして、モデル材と中間材とを異なる種類の材料とすることにより、モデル材から中間材およびサポート材を除去しやすくすることができる。
また、本実施形態のように、サポート材と中間材をともに熱可塑性材料にするなどして、サポート材と中間材とを同じ種類の材料とすることにより、両者が強く結合し、サポート材及び中間材をモデル材から除去しやすくなる。
また、本実施形態のように、サポート材および中間材のうち少なくとも一方が、熱可塑性材料であることにより、入手しやすい材料により低コストで、モデル材を支持する構造を形成することができる。また、加熱することでサポート材をモデル材から除去しやすくできる。
また、本実施形態のように、モデル材領域形成部が、造形ステージに向けてインクジェット方式でモデル材を吐出するモデル材吐出ヘッド１２２を有し、中間材領域形成部が、造形ステージに向けてインクジェット方式で中間材を吐出する中間材吐出ヘッド１２４を有することにより、造形物を精度よく造形することができる。
また、本実施形態のように、サポート材領域形成部がサポート材を連続的に供給するディスペンサー１２８Ａを有することにより、短時間でサポート材領域１９４を形成しやすくなる。

［変形例］
なお、上記実施の形態では、熱可塑性を有する中間材およびサポート材を用いることによって、中間材領域１９２およびサポート材領域１９４をそれぞれ形成する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。互いに硬化原理が異なる中間材およびサポート材を用いることによって、中間材領域１９２およびサポート材領域１９４をそれぞれ形成することもできる。例えば、中間材およびサポート材のうち一方に光硬化性を有する材料を用い、他方に熱可塑性を有する材料を用いることによって、中間材領域１９２およびサポート材領域１９４をそれぞれ形成しても良い。また、中間材およびサポート材のうち一方に光硬化性を有する材料を用い、他方に熱硬化性を有する材料を用いることによって、中間材領域１９２およびサポート材領域１９４をそれぞれ形成しても良い。また、中間材およびサポート材のうち一方に熱可塑性を有する材料を用い、他方に熱硬化性を有する材料を用いることによって、中間材領域１９２およびサポート材領域１９４をそれぞれ形成しても良い。

また、上記実施の形態において、サポート材として多泡状態の材料を用いても良い。多泡状態の材料としては、発泡ポリウレタン等の発泡性材料を使用する場合と、発泡性をあまり有しない材料（中間材と同じでも良い）に気体を混合して多泡状態を形成する場合とがある。図９は、発泡性をあまり有しない材料に気体を混合して多泡状態を形成する場合におけるディスペンスユニット１２８の構成を示す図である。

図９に示すように、ディスペンスユニット１２８は、バルブ２１４を介して暗室２０１に設けられ、攪拌羽根等の混合機構を備える材料混合部２１２に接続される。材料混合部２１２は、バルブ２０４を介してサポート材貯蔵タンク２０２に接続される。サポート材貯蔵タンク２０２及び材料混合部２１２は暗室２０１内に設けられている。また、材料混合部２１２は、バルブ２１０を介して気体貯蔵タンク２０８に接続される。サポート材貯蔵タンク２０２は、光硬化性を有するサポート材を供給可能な状態で貯留する。気体貯蔵タンク２０８は、コンプレッサーポンプ２０６から送られてくる高圧の圧縮空気を貯蔵する。

材料混合部２１２は、バルブ２０４が開状態となってサポート材貯蔵タンク２０２から供給されたサポート材と、バルブ２１０が開状態となって気体貯蔵タンク２０８から流入した圧縮空気とを混合および攪拌してサポート材を泡立てる。これにより、多泡状態のサポート材を得ることができる。そして、筐体１２９の内部に備えられるディスペンサー１２８Ａは、バルブ２１４が開状態となった場合に、多泡状態のサポート材を材料混合部２１２から得て、造形ステージ１４０に向けて供給する。次に、造形ステージ１４０を鉛直方向下方に若干下げてヘッドユニット１２０の均しローラー１２５Ａと干渉しないようにした上で、ヘッドユニット１２０を走査して、ヘッドユニット１２０に設けられた光源１２６から光を照射させる。これにより、サポート材は、多泡状態が保たれたままで硬化する。なお、筺体１２９内のディスペンサー１２８Ａの周囲にサポート材を硬化させるための光を照射する光源を設けても良い。また、サポート材として熱可塑性樹脂を用いても良い。この場合、サポート材貯蔵タンク２０２に貯蔵されるペレット状またはフィラメント状の熱可塑性樹脂を、ヒーターを備える材料混合部２１２に搬送し、加熱して溶融状態にしたところへ、圧縮空気を圧入し、混合および攪拌によりサポート材を泡立てる。これにより、多泡状態のサポート材を得ることができる。サポート材には気体が多く含まれているため、サポート材の使用量が少なくて済む。なお、光硬化性樹脂材料などのエネルギー硬化性材料は、比較的粘度が低いため、ディスペンサー１２８Ａの位置を固定して、サポート材を供給するようにしてもよい。この場合も、図７で説明したように、モデル材及び中間材によって、最終的に得られる三次元造形物２００の表層部分を形成した後に、このモデル材及び中間材によって囲まれる空間にサポート材を供給することで、サポート材の粘度が低くても三次元造形物２００外に漏れ出すことを防止できる。

また、上記実施の形態では、モデル材吐出ヘッド１２２および中間材吐出ヘッド１２４と、ディスペンスユニット１２８とが別体化される例について説明したが、モデル材吐出ヘッド１２２、中間材吐出ヘッド１２４およびディスペンスユニット１２８を一体化して構成する（すなわち、一つの筺体内に設置して一つのユニットとして構成する）こともできる。

また、上記実施の形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１００ 三次元造形装置
１１０ 制御部
１２０ ヘッドユニット
１２１，１２９ 筐体
１２２ モデル材吐出ヘッド
１２４ 中間材吐出ヘッド
１２５ 平滑化装置
１２５Ａ 均しローラー
１２５Ｂ 掻き取り部材
１２５Ｃ 回収部材
１２６ 光源
１２８ ディスペンスユニット
１３０ 移動機構
１３２ 主走査方向ガイド
１３４ 副走査方向ガイド
１３６ 鉛直方向ガイド
１４０ 造形ステージ
１４５ 表示部
１５０ データ入力部
１５５ コンピューター装置
１６０ 操作部
１７０，２０１ 暗室
１７２ モデル材貯蔵タンク
１７４ 中間材貯蔵タンク
１８０，２０２ サポート材貯蔵タンク
１９０ モデル材領域
１９２ 中間材領域
１９４ サポート材領域
１９４Ａ 上面
２００ 三次元造形物
２０４，２１０，２１４ バルブ
２０６ コンプレッサーポンプ
２０８ 気体貯蔵タンク
２１２ 材料混合部

Claims (13)

1. モデル材を用いて、最終的に三次元造形物を構成するモデル材領域を形成するモデル材領域形成部と、
   前記モデル材領域を支持するためのサポート材領域を、サポート材を用いて形成するサポート材領域形成部と、
   前記サポート材領域と前記モデル材領域との間に、中間材を用いて中間材領域を形成する中間材領域形成部と、
   三次元造形物が形成される造形ステージと、
   を備え、
   前記サポート材領域形成部は、前記サポート材領域における前記サポート材の充填率が前記中間材領域における前記中間材の充填率より低くなるように前記サポート材を供給し、
   前記造形ステージ上に、前記モデル材領域、前記中間材領域、及び、前記サポート材領域からなる造形材層を含む複数の造形材層を順に形成して積層することにより三次元造形物を造形することを特徴とする三次元造形装置。
2. 前記モデル材と前記中間材とが異なる種類の材料であることを特徴とする請求項１に記載の三次元造形装置。
3. 前記サポート材と前記中間材とが同じ種類の材料であることを特徴とする請求項１または２に記載の三次元造形装置。
4. 前記サポート材および前記中間材のうち少なくとも一方は、熱可塑性材料であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の三次元造形装置。
5. 前記モデル材領域形成部は、前記造形ステージに向けてインクジェット方式で前記モデル材を吐出するモデル材吐出ヘッドを有し、
   前記中間材領域形成部は、前記造形ステージに向けてインクジェット方式で前記中間材を吐出する中間材吐出ヘッドを有することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の三次元造形装置。
6. 前記サポート材領域形成部は、前記サポート材を連続的に供給するディスペンサーを有することを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の三次元造形装置。
7. 前記サポート材領域形成部は、前記ディスペンサーから多泡状態の前記サポート材を前記造形ステージに向けて供給することを特徴とする請求項６に記載の三次元造形装置。
8. 前記サポート材領域形成部は、前記サポート材を格子形状に構成した部位を含むサポート材領域を形成することを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の三次元造形装置。
9. 前記サポート材領域について、当該サポート材領域と前記中間材領域との界面部分の少なくとも一部の領域の密度は、当該領域以外の部分の密度より高いことを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の三次元造形装置。
10. 前記サポート材領域形成部は、複数の前記造形材層に相当する分の前記モデル材領域および前記中間材領域がそれぞれ形成される毎に、複数の前記造形材層に相当する分の前記サポート材領域を形成することを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の三次元造形装置。
11. モデル材を用いて、最終的に三次元造形物を構成するモデル材領域を形成し、
    前記モデル材領域を支持するためのサポート材領域を、サポート材を用いて形成し、
    前記サポート材領域と前記モデル材領域との間に、中間材を用いて中間材領域を形成し、
    前記サポート材領域を形成するにあたっては、前記サポート材領域における前記サポート材の充填率が前記中間材領域における前記中間材の充填率より低くなるように前記サポート材を供給し、
    造形ステージ上に、前記モデル材領域、前記中間材領域、及び、前記サポート材領域からなる造形材層を含む複数の造形材層を順に形成して積層することにより三次元造形物を造形することを特徴とする三次元造形方法。
12. 前記モデル材および前記中間材によって、最終的に得られる三次元造形物の表層部分を形成してから、前記サポート材を前記表層部分で囲まれる空間に供給することを特徴とする請求項１１に記載の三次元造形方法。
13. 前記サポート材領域について、当該サポート材領域と前記中間材領域との界面部分の少なくとも一部の領域の密度は、当該領域以外の部分の密度より高いことを特徴とする請求項１１または１２に記載の三次元造形方法。

Images