JP2016150452A - 三次元造形装置、製造方法およびコンピュータープログラム - Google Patents

Abstract

【課題】液体を吐出して三次元物体を造形する三次元造形装置において、精度よく三次元物体を造形可能な技術を提供する。
【解決手段】三次元の物体を造形する三次元造形装置１００は、物体の一材料である液体を吐出して物体を造形するヘッド部５０を備える。ヘッド部５０は、物体のうちの本体部分を造形するために液体を吐出する第１吐出部と、物体のうちの、本体部分の形状を補正するための補正部分を造形するために液体を吐出する第２吐出部と、を有する。第２吐出部から吐出される１滴あたりの液体の量は、第１吐出部から吐出される１滴あたりの液体の量よりも少ない。
【選択図】図１

Description

本発明は、三次元造形装置に関する。

近年、印刷技術を応用した三次元造形装置が注目されている。例えば、特許文献１に記載された三次元造形装置では、印刷技術において一般的に用いられているインクジェット技術が採用されている。インクジェット技術を採用した三次元造形装置では、硬化性を有する液体（以下、「硬化液」という）を吐出して水平方向に沿った一層分の断面体を形成する工程を、高さ方向に何層にもわたって行うことで、三次元物体の造形が行われる。

特開２０００−２８０３５４号公報

インクジェット方式の三次元造形装置では、硬化液の硬化収縮による変形等により、各断面体の厚みがばらつき、最終的に造形される物体に寸法誤差が生じる場合がある。そのため、液体を吐出して三次元物体を造形する三次元造形装置において、精度よく三次元物体を造形可能な技術が求められている。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、三次元の物体を造形する三次元造形装置が提供される。この三次元造形装置は、前記物体の一材料である液体を液滴状に吐出して前記物体を造形するヘッド部を備え、前記ヘッド部は、前記物体のうちの本体部分を造形するために前記液体を吐出する第１吐出部と、前記物体のうちの、前記本体部分の形状を補正するための補正部分を造形するために前記液体を吐出する第２吐出部と、を有し、前記第２吐出部から吐出される１滴あたりの前記液体の量は、前記第１吐出部から吐出される１滴あたりの前記液体の量よりも少ないことを特徴とする。このような形態の三次元造形装置であれば、造形される三次元物体の本体部分に寸法誤差が生じる場合であっても、その誤差を、本体部分を造形する第１吐出部よりも１滴あたりの吐出量が少ない第２吐出部を用いて補正することができる。そのため、寸法誤差を精度よく補正することが可能になり、最終的に造形される三次元物体の造形精度を向上させることができる。

（２）上記形態の三次元造形装置は、更に、前記本体部分の形状を測定する測定部を備えてもよく、前記ヘッド部は、前記測定部による測定結果に基づき、前記補正部分の造形を行ってもよい。このような形態の三次元造形装置であれば、造形された本体部分の形状に基づいて補正を行うことができるので、より高い精度で補正することができる。

本発明は、三次元造形装置としての形態以外にも、種々の形態で実現することが可能である。例えば、三次元造形装置が三次元の物体を製造する製造方法や、コンピューターが三次元造形装置を制御して三次元の物体を造形するためのコンピュータープログラム、そのコンピュータープログラムが記録された一次的でない記録媒体等の形態で実現することができる。

第１実施形態における三次元造形装置の概略構成を示す説明図である。 ヘッド部の下面の状態を示す図である。 三次元造形処理の具体的なフローチャートである。 造形された三次元物体の本体部分を示す説明図である。 補正データの概念を示す図である。 第２実施形態における三次元造形装置の概略構成を示す説明図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態における三次元造形装置の概略構成を示す説明図である。三次元造形装置１００は、造形部１０と、粉体供給部２０と、平坦化機構３０と、粉体回収部４０と、ヘッド部５０と、測定部５５と、硬化エネルギー付与部６０と、制御部７０と、を備えている。制御部７０には、コンピューター２００が接続されている。三次元造形装置１００とコンピューター２００とをあわせて広義の三次元造形装置として捉えることもできる。図１には、互いに直行するＸ方向とＹ方向とＺ方向とを示している。Ｚ方向は、鉛直方向に沿った方向であり、Ｘ方向は、水平方向に沿った方向である。Ｙ方向は、Ｚ方向およびＸ方向に垂直な方向である。以下では、図１の＋Ｚ方向を「上」、−Ｚ方向を「下」という場合がある。

造形部１０は、内部に三次元物体が造形される槽状の構造体である。造形部１０は、ＸＹ方向に沿った平坦な造形ステージ１１と、造形ステージ１１の周囲を囲みＺ方向に立設された枠体１２と、造形ステージ１１をＺ方向に沿って移動させるアクチュエーター１３とを備える。造形ステージ１１は、制御部７０がアクチュエーター１３の動作を制御することにより、枠体１２内においてＺ方向に移動する。

粉体供給部２０は、造形部１０内に、三次元物体の一材料である粉体を供給する装置である。粉体供給部２０は、例えば、ホッパーやディスペンサーにより構成される。

平坦化機構３０は、造形部１０の上面を水平方向（ＸＹ方向）に移動することによって、造形部１０内または、枠体１２上に供給された粉体を平坦化し、造形ステージ１１上に粉体層を形成するための機構である。平坦化機構３０は、例えば、スキージやローラーによって構成される。平坦化機構３０によって造形部１０から押し出された粉体は、造形部１０に隣接して設けられた粉体回収部４０内に排出される。

第１実施形態における三次元造形装置１００は、三次元物体の材料として、硬化性を有する液体（以下、硬化液という）と、上述した粉体とを用いる。硬化液としては、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を用いる。また、硬化液をヘッド部５０から液滴として吐出可能な程度の低粘度となるように、硬化液中のモノマーとしては比較的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数も数分子程度に調整されている。この硬化液は、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、本実施形態では、粉体として、その表面に、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た粉体を用いる。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。そのため、造形部１０内の粉体に硬化液を供給すると、硬化液が粉体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。なお、粉体として、その表面に重合開始剤が付着された粉体を用いる場合には、重合開始剤を含まない硬化液を用いることも可能である。

ヘッド部５０は、ヘッド部５０に接続されたタンク５１から上述した硬化液の供給を受け、その硬化液をＺ方向に沿って、造形部１０中の粉体層に液滴状に吐出する装置である。ヘッド部５０は、造形部１０中に造形される三次元物体に対して、Ｘ方向およびＹ方向に移動可能である。また、ヘッド部５０は、造形部１０内の造形ステージ１１がＺ方向に移動することによって、三次元物体に対して相対的にＺ方向に移動可能である。本実施形態のヘッド部５０は、いわゆるピエゾ駆動方式の液滴吐出ヘッドである。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硬化液で満たしておき、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硬化液を液滴として吐出することが可能である。

図２は、ヘッド部５０の下面の状態を示す図である。本実施形態では、ヘッド部５０は、造形ステージ１１に対向して第１吐出部５２と第２吐出部５３とを備えている。第１吐出部５２は、三次元物体のうちの本体部分を造形するために硬化液を吐出するノズル穴５２ｈを有する。第２吐出部５３は、三次元物体のうちの補正部分を造形するために硬化液を吐出するノズル穴５３ｈを有する。補正部分とは、三次元物体のうち、本体部分の形状を補正するための部分である。本実施形態では、第２吐出部５３のノズル穴５３ｈから吐出される１滴あたりの硬化液の量は、第１吐出部５２のノズル穴５２ｈから吐出される１滴あたりの硬化液の量よりも少ない。本実施形態では、第１吐出部５２からは１滴あたり１０ｎｇの硬化液が吐出され、第２吐出部５３からは１滴あたり５ｎｇの硬化液が吐出される。

第１吐出部５２および第２吐出部５３には、それぞれ、ノズル穴５２ｈ、５３ｈが、Ｙ方向に沿って２列にわたって交互の位置になるように千鳥状に配置されている。Ｙ方向に隣り合うノズル穴５２ｈ、５３ｈの間隔は、それぞれ、本実施形態では６００ｄｐｉ（ドット／インチ）である。なお、ノズル穴５２ｈ，５３ｈは、千鳥状に限らず、例えば、一列に配列されていてもよいし、３列以上にわたって配列されていてもよい。本実施形態では、ヘッド部５０は、Ｘ方向に移動しつつ硬化液を吐出し、Ｘ方向について硬化液の吐出が完了する毎に、Ｙ方向に、ノズル列のＹ方向に沿った幅分、移動する。このように、本実施形態では、Ｘ方向への移動とＹ方向への移動とを繰り返すことにより、ヘッド部５０は、指定されたＸＹ座標に硬化液を吐出する。

測定部５５（図１）は、造形された三次元物体の形状を測定する装置である。本実施形態では、測定部５５は、ヘッド部５０に取り付けられている。そのため、測定部５５は、ＸＹ方向にヘッド部５０を移動させることにより、任意のＸＹ座標における三次元物体のＺ方向の寸法（高さ）を測定することが可能である。測定部５５としては、接触式あるいは非接触式の任意の測定装置を利用することが可能である。なお、測定部５５は、ヘッド部５０に取り付けられていなくても構わない。

硬化エネルギー付与部６０は、ヘッド部５０から吐出された硬化液を硬化させるためのエネルギーを付与する装置である。本実施形態では、硬化エネルギー付与部６０は、ヘッド部５０の−Ｘ方向の側方に取り付けられている。そのため、ヘッド部５０が＋Ｘ方向に移動しつつ硬化液を吐出すると、それに伴い硬化エネルギー付与部６０も＋Ｘ方向に移動しながら、吐出された硬化液を次々に硬化させる。本実施形態では、硬化エネルギー付与部６０は、硬化液を硬化させるためのエネルギーとして紫外線を照射する。

制御部７０は、上述したアクチュエーター１３と、粉体供給部２０と、平坦化機構３０と、ヘッド部５０と、測定部５５と、硬化エネルギー付与部６０と、を制御して三次元物体を造形する装置である。制御部７０は、ＣＰＵとメモリーとを備えている。ＣＰＵは、メモリーあるいは記録媒体に記憶されたコンピュータープログラムをメモリーにロードして実行することによって、上述した各部を制御する。制御部７０は、第１吐出部５２と第２吐出部５３とにそれぞれ備えられたピエゾ素子に対して印加する電圧波形を異なる波形にすることによって、第２吐出部５３から吐出される硬化液の１滴あたりの量を、第１吐出部５２から吐出される１滴あたりの量よりも少なくする機能を有する。なお、制御部７０が有する機能は、コンピューター２００側に備えられていてもよい。

三次元造形装置１００が三次元物体を造形する手順を簡単に説明する。まず、コンピューター２００が、三次元物体の形状を表す三次元データを、Ｚ方向の積層ピッチに従ってスライスし、ＸＹ方向に沿った複数の断面データを生成する。

三次元造形装置１００の制御部７０は、コンピューター２００から断面データを取得すると、粉体供給部２０および平坦化機構３０を制御して造形部１０内に粉体層を形成する。そして、断面データに従ってヘッド部５０を駆動して硬化液を粉体層に吐出し、その後、吐出された硬化液に向かって硬化エネルギー付与部６０を制御して紫外光を照射する。すると、紫外光によって硬化液が硬化して粉体同士が結合し、造形部１０内には、１層分の断面データに対応する断面体が形成される。こうして１層分の断面体を形成すると、制御部７０は、アクチュエーター１３を駆動して造形ステージ１１を、Ｚ方向の造形解像度に応じた積層ピッチ分、Ｚ方向に沿って降下させる。造形ステージ１１を降下させると、制御部７０は、造形ステージ１１上に既に形成された断面体の上に新たな粉体層を形成する。新たな粉体層を形成すると、制御部７０は、コンピューター２００から次の断面データを受け取って、新たな粉体層に硬化液を吐出して紫外光を照射することにより、新たな断面体を形成する。このように制御部７０は、コンピューター２００から各層の断面データを受け取ると、アクチュエーター１３や粉体供給部２０、平坦化機構３０、ヘッド部５０、硬化エネルギー付与部６０を制御することにより、１層ずつ断面体を形成し、それを積層していくことにより、三次元物体を造形する。

図３は、制御部７０によって実行される三次元造形処理の具体的なフローチャートである。本実施形態では、まず、制御部７０は、コンピューター２００から取得された断面データに従って、上述した手順に従い、ヘッド部５０に備えられた第１吐出部５２から硬化液を吐出させることによって、本体部分の造形を行う（ステップＳ１０）。

図４は、造形された三次元物体の本体部分を示す説明図である。造形された三次元物体の本体部分は、硬化液の硬化収縮に伴う変形等により、各層の厚みがばらつき、最終的な形状に寸法誤差が生じる場合がある。図４に示した例では、Ｚ方向に寸法誤差が生じることにより、高さが、破線で示す本来の設計値よりも低くなっている部分がある。

本体部分の造形を行った後、制御部７０は、測定部５５を用いて造形された本体部分の形状を測定する（ステップＳ２０）。本実施形態では、測定部５５は、本体部分の上面の高さ（Ｚ方向の位置）を、本体部分の上面全体にわたって計測する。三次元物体の形状を測定すると、続いて、制御部７０は、測定された本体部分の形状に基づいて、補正部分の形状を特定し、補正データを生成する（ステップＳ３０）。

図５は、補正データの概念を示す図である。図５に示した破線部分は、三次元物体の本来の形状（設計値）を示し、実線部分が補正データによって表される補正部分を示している。制御部７０は、この補正データを、本来の三次元物体の形状（図４の破線）から、ステップＳ２０で測定された三次元物体の形状（図４の実線部分）を差し引き、残された形状をＺ方向について反転させることによって生成する。補正データは、本体部分と同様に、積層ピッチに対応する断面毎に生成される。

補正データを生成した後、制御部７０は、その補正データに従い、ヘッド部５０に備えられた第２吐出部５３から硬化液を吐出させることによって、補正部分の造形を行う（ステップＳ４０）。第２吐出部５３から吐出される１滴あたりの硬化液の量は、第１吐出部５２から吐出される１滴あたりの硬化液の量よりも少ない。そのため、制御部７０は、同じ体積であれば、補正部分については本体部分よりも多くの回数、硬化液を吐出させることによって造形を行う。本実施形態では、第１吐出部５２からは１滴あたり１０ｎｇ吐出され、第２吐出部５３からは１滴あたり５ｎｇ吐出される。そのため、補正部分に硬化液が吐出される回数は、単位体積あたり本体部分の２倍となり、細かな造形が可能になる。

以上で説明した本実施形態の三次元造形装置１００によれば、第１吐出部５２によって造形される三次元物体の本体部分に寸法誤差が生じた場合であっても、その誤差は、１滴あたりの硬化液の吐出量が第１吐出部５２よりも少ない第２吐出部５３によって補正される。そのため、補正部分を細かく造形することが可能になり、寸法誤差を精度よく補正することが可能になる。この結果、最終的に造形される三次元物体の造形精度を高めることができる。また、本実施形態によれば、本体部分と補正部分とが異なる吐出部により造形されるため、各吐出部から吐出させる硬化液の量を容易に異なる量とすることができる。そのため、本体部分と補正部分とで、使用する吐出部を切り替えるだけで、補正部分について細かな造形を行うことが可能になる。更に、本実施形態では、三次元造形装置１００に測定部５５が備えられているため、実際に造形された三次元物体の形状に基づいて、精度よく本体部分を補正することができる。

Ｂ．第２実施形態：
図６は、第２実施形態における三次元造形装置の概略構成を示す説明図である。第１実施形態の三次元造形装置１００は、造形部１０内に供給された粉体に対して硬化液を吐出することによって三次元物体を造形している。これに対して、第２実施形態の三次元造形装置１００ａは、粉体を用いることなく、樹脂を含有する硬化液のみによって三次元物体を造形する。

三次元造形装置１００ａは、造形部１０と、ヘッド部５０と、測定部５５と、硬化エネルギー付与部６０と、制御部７０と、を備えている。造形部１０は、第１実施形態と同様に、造形ステージ１１と枠体１２とアクチュエーター１３とを備えている。ただし、枠体１２は省略してもよい。ヘッド部５０には、タンク５１が接続されている。つまり、三次元造形装置１００ａは、多くの部分で第１実施形態の三次元造形装置１００の構成と共通しており、第１実施形態の三次元造形装置１００から、粉体供給部２０と平坦化機構３０と粉体回収部４０とを省略した構成となっている。このような三次元造形装置１００ａであっても、粉体層を形成する工程を除いて、第１実施形態の三次元造形装置１００と同様の処理によって三次元物体を造形することができる。

Ｃ．変形例：
＜第１変形例＞
上記実施形態では、図３に示した三次元造形処理が実行される度に、三次元物体の本体部分の形状が測定され、補正データが生成される。これに対して、補正データは任意のタイミングで生成されてもよい。例えば、三次元造形処理を最初に実行した際、あるいは、同一形状の三次元物体を複数造形する場合の初回の三次元造形処理を実行する際においてのみ補正データが生成され、二回目以降の三次元造形処理では、その補正データを利用して補正部分を造形してもよい。また、補正データは、三次元造形装置１００の製造時に、所定の造形モデルを測定することによって生成され、制御部７０に不揮発的に記憶されていてもよい。予め補正データが生成されている場合には、例えば、三次元造形装置１００は、補正部分を先に造形した後で、本体部分を造形してもよい。また、本体部分を造形する途中で補正部分を造形してもよい。補正部分を本体部分よりも先に造形すれば、本体部分に対して補正が加えられたことを目立たなくすることが可能である。なお、予め補正データが生成されている場合には、三次元造形装置１００は、測定部５５を備えていなくてもよい。

＜第２変形例＞
上記実施形態では、第１吐出部５２からは１滴あたり１０ｎｇの硬化液が吐出され、第２吐出部５３からは１滴あたり５ｎｇの硬化液が吐出される。しかし、これらの値は第２吐出部５３から吐出される１滴あたりの硬化液の量が第１吐出部５２から吐出される１滴あたりの硬化液の量よりも少なければ、それぞれ任意である。例えば、第１吐出部５２からは１滴あたり１１ｎｇの硬化液が吐出され、第２吐出部５３からは１滴あたり１０ｎｇの硬化液が吐出されてもよい。第２吐出部５３から吐出される１滴あたりの硬化液が少ないか、または、それぞれの吐出部から吐出される１滴あたりの硬化液の量の差が小さければ、それだけ、補正部分の形状を細かく補正することが可能である。

＜第３変形例＞
上記実施形態では、第１吐出部５２と第２吐出部５３とに異なる電圧波形を印加することによって、それぞれから吐出される１滴あたりの硬化液の量を異なる量としているこれに対して、例えば、ノズル穴５２ｈとノズル穴５３ｈの径をそれぞれ異なる径にすることによって、各吐出部から吐出される１滴あたりの硬化液の量を異なる量としてもよい。また、ノズル穴につながる圧力室の容積を第１吐出部５２と第２吐出部５３とで異なる容積とすることによって、各吐出部から吐出される硬化液の１滴あたりの量を異なる量としてもよい。

＜第４変形例＞
上記実施形態では、制御部７０が測定部５５を制御して本体部分の測定を行い、補正データを生成している。これに対して、コンピューター２００が測定部５５を制御して本体部分の測定を行い、補正データを生成してもよい。

＜第５変形例＞
上記実施形態において、図３に示した三次元造形処理は、制御部７０ではなく、コンピューター２００が三次元造形装置１００の各部を制御することによって実行してもよい。つまり、コンピューター２００が、三次元造形装置１００の制御部７０の機能を果たしてもよい。

＜第６変形例＞
上記実施形態では、ヘッド部５０は、本体部分を造形するための第１吐出部５２と、補正部分を造形するための第２吐出部５３とを備えているが、その他にも、例えば、三次元物体の表面を着色するためのカラーインクを吐出する吐出部や、三次元物体のオーバーハング部を支持するためのサポート材を吐出する吐出部などを備えていてもよい。

＜第７変形例＞
上記実施形態では、造形ステージ１１がＺ方向に移動することによって、ヘッド部５０が相対的にＺ方向に移動する。これに対して、造形ステージ１１の位置を固定し、ヘッド部５０をＺ方向に直接的に移動させてもよい。また、上記実施形態では、ヘッド部５０がＸ方向およびＹ方向に移動するが、ヘッド部５０のＸ方向およびＹ方向の位置を固定し、造形ステージ１１をＸ方向およびＹ方向に移動させてもよい。

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態や変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…造形部
１１…造形ステージ
１２…枠体
１３…アクチュエーター
２０…粉体供給部
３０…平坦化機構
４０…粉体回収部
５０…ヘッド部
５１…タンク
５２…第１吐出部
５２ｈ…ノズル穴
５３…第２吐出部
５３ｈ…ノズル穴
５５…測定部
６０…硬化エネルギー付与部
７０…制御部
１００，１００ａ…三次元造形装置
２００…コンピューター

Claims (4)

1. 三次元の物体を造形する三次元造形装置であって、
   前記物体の一材料である液体を液滴状に吐出して前記物体を造形するヘッド部を備え、
   前記ヘッド部は、
   前記物体のうちの本体部分を造形するために前記液体を吐出する第１吐出部と、
   前記物体のうちの、前記本体部分の形状を補正するための補正部分を造形するために前記液体を吐出する第２吐出部と、を有し、
   前記第２吐出部から吐出される１滴あたりの前記液体の量は、前記第１吐出部から吐出される１滴あたりの前記液体の量よりも少ない、
   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、
   前記本体部分の形状を測定する測定部を備え、
   前記ヘッド部は、前記測定部による測定結果に基づき、前記補正部分の造形を行う、
   三次元造形装置。
3. 三次元造形装置が三次元の物体を製造する製造方法であって、
   前記物体の一材料である液体を液滴状に吐出して前記物体を造形するヘッド部を備え、
   前記ヘッド部は、
   前記物体のうちの本体部分を造形するために前記液体を吐出する第１吐出部と、
   前記物体のうちの、前記本体部分の形状を補正するための補正部分を造形するために前記液体を吐出する第２吐出部と、を有し、
   前記第２吐出部から前記液体を吐出する場合に、吐出する１滴あたりの前記液体の量を、前記第１吐出部から前記液体を吐出する場合よりも少なくする、
   製造方法。
4. コンピューターが三次元造形装置を制御して三次元の物体を造形するためのコンピュータープログラムであって、
   前記三次元造形装置は、前記物体の一材料である液体を液滴状に吐出して前記物体を造形するヘッド部を備え、
   前記ヘッド部は、
   前記物体のうちの本体部分を造形するために前記液体を吐出する第１吐出部と、
   前記物体のうちの、前記本体部分の形状を補正するための補正部分を造形するために前記液体を吐出する第２吐出部と、を有し、
   前記ヘッド部が、前記第２吐出部から前記液体を吐出する場合に、吐出する１滴あたりの前記液体の量を、前記第１吐出部から前記液体を吐出する場合よりも少なくする機能、
   を前記コンピューターに実現させるためのコンピュータープログラム。

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