JP2017094540A - 三次元造形装置、三次元造形方法、プログラムおよび記録媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】三次元造形における造形精度の向上を目的とする。【解決手段】三次元造形装置１０，１１は、材料を所定の固化パターンで固化させてなる単位層ｕｌを積層していくことで三次元造形物Ｏを製造する三次元造形機２０，４０と、材料特性と造形条件と設備条件との少なくとも一つに基づき、製造時の変形を考慮して造形対象モデルＭの積層方向に沿った各位置での断面パターンｓｐを補正することで、各断面パターンｓｐに対応した固化パターンを決定する制御器１５と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、材料を所定の固化パターンで固化させてなる単位層を積層していくことで三次元造形物を製造する三次元造形装置及び三次元造形方法、並びに、三次元造形装置を用いた造形に使用されるプログラム及び記録媒体に関する。

例えば特許文献１〜３に開示されているように、近年、積層造形法であるＡＭ（Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）技術が、種々の技術分野において、注目を集めている。ＡＭ技術によれば、造形に先立って金型を準備する必要がないので、三次元造形物を安価且つ迅速に製造することができる。また、積層造形法では、材料を所定のパターンで固化してなる薄い層（本明細書では「単位層」と呼ぶ）を連続的に結合していくことで、三次元造形物を製造する。したがって、ＡＭ技術によれば、複数の部品に分けることなく、比較的複雑な形状の三次元造形物を一体的に製造することができる。

特開２００９−１０７２４４号公報 特開２０００−４３１４８号公報 特表２０１３−５２６４２９号公報

ＡＭ技術による三次元造形では、特許文献１で開示されているように、固化された単位層が、固化直後の形状から変形してしまう。特許文献１は、この変形を見込んだパターンで材料を固化することを提案している。しかしながら、特許文献１で考慮されている変形は、樹脂材料の硬化収縮による変形のみである。このため、特許文献１に開示された手法だけでは、三次元造形物を十分な精度で製造することができない。

そもそも、特許文献１では、三次元造形の方式として、液状の結合剤を所定パターンで粉末材料の層上に塗布して粉末材料を結合することで単位層を積層形成していく方式（材料噴射方式）のみに言及している。しかしながら、今般、ＡＭ技術としては、例えば特許文献２に開示されているように、光硬化性樹脂組成物の表層に所定のパターンで光を照射することで硬化した樹脂からなる単位層を順次積層していく方式（液槽光重合方式）や、例えば特許文献３に開示されているように、粉末材料の層に所定のパターンで光を照射することで焼結材料からなる単位層を順次積層していく方式（粉末床溶融結合方式）も、広く検討されつつある。一方、特許文献１で提案された手法は、他の方式のＡＭ技術にそのまま適用し得ないことが予想される。

本発明は、以上の点を考慮してなされたものであり、三次元造形における造形精度の向上を目的とする。

本発明による三次元造形装置は、
材料を所定の固化パターンで固化させてなる単位層を積層していくことで三次元造形物を製造する三次元造形機と、
材料特性と造形条件と設備条件との少なくとも一つに基づき、製造時の変形を考慮して造形対象モデルの積層方向に沿った各位置での断面パターンを補正することで、各断面パターンに対応した前記固化パターンを決定する制御器と、を備える。

本発明による三次元造形装置において、前記材料特性は、密度、比熱、熱伝導率、放射率、及び、粘度の少なくとも一つであるようにしてもよい。

本発明による三次元造形装置において、
固化前の前記材料が、重合開始剤を含んだ光硬化性樹脂組成物であり、
前記材料特性は、前記重合開始剤の種類および割合を含むようにしてもよい。

本発明による三次元造形装置において、前記造形条件は、前記三次元造形物を製造中に支持するサポートの形状、積層方向、積層ピッチ、固化処理条件、雰囲気温度、及び、雰囲気の熱伝達率の少なくとも一つであるようにしてもよい。

本発明による三次元造形装置において、前記固化処理条件は、前記材料に照射されるエネルギのスキャン方向、及び、前記材料に照射されるエネルギ出力密度の少なくとも一つであるようにしてもよい。

本発明による三次元造形装置において、前記造形条件は、重力及び浮力の少なくとも一方の影響を含むようにしてもよい。

本発明による三次元造形装置において、
前記三次元造形機は、前記三次元造形物を製造中に支持するテーブルを有し、
前記設備条件は、前記テーブルの重量、材料、比熱、及び、放射率の少なくとも一つであるようにしてもよい。

本発明による三次元造形方法は、
材料を所定の固化パターンで固化させてなる単位層を積層していくことで三次元造形物を製造する三次元造形方法であって、
材料特性と造形条件と設備条件との少なくとも一つに基づき、製造時の変形を考慮して造形対象モデルの積層方向に沿った各位置での断面パターンを補正することで、各断面パターンに対応した前記固化パターンを決定する工程と、
決定された前記固化パターンにしたがって前記材料を固化して単位層を順次作製する工程と、を備える。

本発明による三次元造形方法において、前記材料特性は、密度、比熱、熱伝導率、放射率、及び、粘度の少なくとも一つであるようにしてもよい。

本発明による三次元造形方法において、
固化前の前記材料が、重合開始剤を含んだ光硬化性樹脂組成物であり、
前記材料特性は、前記重合開始剤の種類および割合を含むようにしてもよい。

本発明による三次元造形方法において、前記造形条件は、三次元造形物を製造中に支持するサポートの形状、積層方向、積層ピッチ、固化処理条件、雰囲気温度、及び、雰囲気の熱伝達率の少なくとも一つであるようにしてもよい。

本発明による三次元造形方法において、前記固化処理条件は、前記材料に照射されるエネルギのスキャン方向、及び、前記材料に照射されるエネルギ出力密度の少なくとも一つであるようにしてもよい。

本発明による三次元造形方法において、前記造形条件は、重力及び浮力の少なくとも一方の影響を含むようにしてもよい。

本発明による三次元造形方法において、前記設備条件は、前記三次元造形物を製造中に支持するようになるテーブルの重量、材料、比熱、及び、放射率の少なくとも一つであるようにしてもよい。

本発明によるプログラムは、
三次元造形装置を用いた三次元造形物の製造を制御する制御器によって実行されるプログラムであって、
前記制御器によって実行されることにより、上述した本発明による三次元造形方法を、三次元造形装置に実施させる。

本発明による記録媒体は、
三次元造形装置を用いた三次元造形物の製造を制御する制御器によって実行されるプログラムが記録された記録媒体であって、
前記プログラムが前記制御器によって実行されることにより、上述した本発明による三次元造形方法を、三次元造形装置に実施させる。

本発明によれば、三次元造形における造形精度を向上させることができる。

図１は、本発明の一実施の形態を説明するための図であって、三次元造形装置の一例を示す模式図である。 図２は、図１に示された三次元造形装置を用いた三次元造形方法を説明するための図である。 図３は、三次元造形装置の他の例を示す図である。 図４は、三次元造形方法を説明するためのフローチャートである。 図５は、三次元造形対象となる三次元造形モデルの一例を示す斜視図である。 図６は、図５の三次元造形モデルの断面パターンを示す図である。 図７は、図５の三次元造形モデルを造形した際に生じ得る変形の一例を説明するための正面図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。

まず、図１〜図３を参照して、三次元造形装置について説明する。なお、図１及び図２は、三次元造形装置の一例を示す図である。図３は、図２に対応する図であって、三次元造形装置の三次元造形機の変形例を示す図である。

図１に示すように、三次元造形装置１０は、制御器１５及び三次元造形機２０を有している。制御器１５は、三次元造形機２０の各構成要素の動作を制御する。制御器１５は、操作者等が三次元造形装置１０を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボード１７や、三次元造形装置１０の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ１８等の入出力装置と接続されている。また、制御器１５は、三次元造形装置１０で実行される処理を実現するためのプログラム等が記録された記録媒体１６にアクセス可能となっている。記録媒体１６は、ＲＯＭおよびＲＡＭ等のメモリ、ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭおよびフレキシブルディスク等のディスク状記録媒体等、既知のプログラム記録媒体から構成され得る。

三次元造形機２０は、制御器１５からの制御信号に基づき、材料を所定の固化パターンで固化させてなる単位層ｕｌを積層していくことで三次元造形物Ｏを製造する。図１及び図２に示された例において、三次元造形機２０は、粉末床溶融結合方式の積層造形を実施する装置として構成されている。すなわち、図１及び図２に示された三次元造形機２０は、粉末材料ｐｍの層に所定のパターンでエネルギを照射することで焼結材料からなる単位層ｕｌを順次形成していき、三次元造形物Ｏを製造する。ここで、粉末材料ｐｍはチタンや鋼その他の合金も含む金属粉末のほか、ポリアミドまたはポリスチレンなどの合成粉末、ＰＥＥＫ、合成被覆砂またはセラミック粉末を用いることができる。

図２に示すように、三次元造形機２０は、筐体２１と、筐体２１内に配置された固化手段２２及び昇降テーブル２５を有している。固化手段２２は、粉末材料ｐｍにエネルギを照射する照射装置２３として構成されている。図示された例において、照射装置２３は、レーザ光や電子ビーム等を射出するエネルギ源と、射出されたエネルギの進路を調節する走査装置と、を有している。光路を調整する走査装置としては、ガルバノミラーやＭＥＭＳを用いることができる。

図２によく示されているように、三次元造形機２０は、造形中の三次元造形物Ｏを支持する昇降テーブル２５と、供給前の粉末材料ｐｍを支持する供給テーブル２８と、余剰の粉末材料ｐｍを回収する回収テーブル３１と、をさらに有している。昇降テーブル２５は、筐体２１内における昇降ガイド室２６内に位置している。昇降ガイド室２６は、昇降ガイド区画壁２７によって区画され、上方に開口した室である。昇降テーブル２５は、昇降ガイド室２６内を上下に移動可能となっている。

同様に、供給テーブル２８は、筐体２１内における供給ガイド室２９内に位置している。供給ガイド室２９は、供給ガイド区画壁３０によって区画され、上方に開口した室である。供給テーブル２８は、供給ガイド室２９内を上下に移動可能となっている。さらに、回収テーブル３１は、筐体２１内における回収ガイド室３２内に位置している。回収ガイド室３２は、回収ガイド区画壁３３によって区画され、上方に開口した室である。回収テーブル３１は、回収ガイド室３２内を上下に移動可能となっている。

供給ガイド室２９内における供給テーブル２８の上方には、使用前の粉末材料ｐｍが保持されている。供給テーブル２８が所定量だけ上昇すると、塗布装置３４が水平方向に移動して、一定量の粉末材料ｐｍを供給テーブル２８上から掻き取る。塗布装置３４が掻き取った粉末材料ｐｍは、昇降テーブル２５上に供給され、余分な粉末材料ｐｍは、回収ガイド室３２内の回収テーブル３１上に回収される。次に、固化手段２２が、昇降テーブル２５上の粉末材料ｐｍの層に、制御器１５からの制御信号にしたがった所定パターンでレーザ光または電子ビームを照射する。レーザ光等を照射された領域ｉａにおいて、粉末材料ｐｍは溶融して結合する。このようにして、粉末材料ｐｍが所定のパターン（二次元形状）で固められてなる単位層ｕｌが形成される。その後、回収テーブル３１及び昇降テーブル２５は所定量、例えば０．１ミリメートルだけ降下し、供給テーブル２８は所定量、例えば０．２ミリメートルだけ上昇する。この状態から再び、塗布装置３４の動作が開始して、上述したようにして次の単位層ｕｌが形成される。昇降テーブル２５の降下量は、単位層ｕｌの厚みとなる。順次形成される単位層ｕｌが互いに溶融結合していくことにより、三次元造形物Ｏを一体的に形成することができる。

図３には、図１及び図２に示された三次元造形装置１０とは異なる三次元造形装置１１が図示されている。図３に示された三次元造形装置１１では、図１及び図２に示された三次元造形装置１０と同様に、制御器１５からの制御信号に基づき、材料を所定の固化パターンで固化させてなる単位層ｕｌを積層していくことで三次元造形物Ｏを製造する。図３に示された例において、三次元造形装置１１の三次元造形機４０は、液槽光重合方式の積層造形、いわゆる光造形を実施する装置として構成されている。すなわち、図３に示された三次元造形機４０は、光硬化性樹脂組成物ｒｃの表層に所定のパターンでレーザ光を照射することで硬化した樹脂からなる単位層ｕｌを順次積層していき、三次元造形物Ｏを製造する。なお、レーザ光を用いる代わりに、いわゆる面露光と呼ばれる方式（紫外線領域の光を発生するランプを用いて面状の光を照射するもの）を用いても良い。

図３に示すように、三次元造形機４０は、図示しない筐体と、筐体内に配置された液槽４１及び固化手段４２と、を有している。液槽４１は、液体の光硬化性樹脂組成物ｒｃを保持している。また、三次元造形機４０は、昇降可能な昇降テーブル４５を有している。昇降テーブル４５は、降下することにより、液槽４１に貯留された樹脂組成物ｒｃ内に浸漬可能となっている。固化手段４２は、例えば、光硬化性樹脂組成物ｒｃの硬化反応を引き起こす光、例えば紫外線帯域のレーザ光を射出する照射装置４３から構成される。照射装置４３は、上述した図１及び図２の照射装置２３と同様に、光源及び走査装置を含むようにしてもよい。

図３に示すように、造形中、未硬化の樹脂組成物ｒｃが所定量の厚みで昇降テーブル４５の上方に存在するよう、昇降テーブル４５が位置決めされる。次に、固化手段４２が、昇降テーブル４５上の液体樹脂組成物ｒｃの層に、制御器１５からの制御信号にしたがった所定パターン（2次元形状）を構成するようにレーザ光（面露光方式の場合は面状の光）を照射する。レーザ光を照射された領域ｉａにおいて、液体樹脂組成物ｒｃは光重合反応を開始して硬化する。このようにして、液体樹脂組成物ｒｃが所定のパターンで固化してなる単位層ｕｌが形成される。その後、昇降テーブル４５は所定量、例えば０．１ミリメートルだけ降下する。この状態から、固化手段４２のレーザ光照射が再度実施され、次の単位層ｕｌが形成される。昇降テーブル４５の降下量は、単位層ｕｌの厚みとなる。順次形成される単位層ｕｌが互いに結合していくことにより、三次元造形物Ｏを一体的に形成することができる。

次に、三次元造形装置１０を用いた三次元造形方法について、言い換えると、三次元造形装置１０を用いて三次元造形物Ｏを製造する方法について、説明する。以下に説明する三次元造形方法は、制御器１５が記録媒体１６に予め記録されたプログラムを読み込むことにより、実施される。

図４に示すように、三次元造形方法は、第１の工程Ｓ１〜第５の工程Ｓ５を含んでいる。まず、第１の工程Ｓ１では、造形対象となるモデルを決定する。一例として、図５に示された三次元造形モデルＭを、造形対象として、製造する例を検討する。なお、図５に示された三次元造形モデルＭは、直方体の本体部に、上方に開口した円柱状の穴ｈが形成されるとともに、側方に突出した突出部ｐが設けられている。突出部ｐは、いわゆるオーバーハングと呼ばれる部位であり、鉛直方向下方から支持されていない。

次に、第２の工程Ｓ２として、三次元造形モデルＭのＣＡＤデータを、三次元造形装置１０での造形に用いられる造形データへ変換する。このデータ処理は、例えば、制御器１５が記録媒体１６に格納された三次元造形モデルＭのＣＡＤデータを取り込んで処理することにより、実施される。具体的には、制御器１５は、三次元造形モデルＭの断面形状を示す断面パターンｓｐを生成する。断面パターンｓｐは、積層造形される際の積層方向に対して直交する断面での形状と一致する。断面パターンｓｐの生成は、積層造形される際の積層方向へのピッチと同ピッチとなる三次元造形モデルＭの各位置で実施される。図６は、図５に示された三次元造形モデルＭを複数の断面パターンｓｐに分解した例を示している。

また、第２の工程Ｓ２において、制御器１５は、三次元造形モデルＭの形状からオーバーハング部を鉛直方向から支持するサポートの要否も判断する。サポートが必要と判断された場合、断面パターンｓｐにサポートの断面形状も含まれるようになる。

その後、第３の工程Ｓ３として、例えばキーボード１７及びディスプレイ１８を利用しながら、材料の種類や造形条件等を制御器１５に入力する。

次に、第４の工程Ｓ４として、制御器１５が、三次元造形モデルＭの積層方向に沿った各位置での断面パターンｓｐを補正することで、各断面パターンｓｐに対応した固定パターンを決定してく。積層造形による三次元造形においては、材料を固化しなる単位層ｕｌを順に積層形成していく。造形精度を向上させる観点から、単位層ｕｌの厚みは極めて薄い。積層造形による三次元造形に限られることなく、種々の加工において、造形時に変形が生じる。とりわけ、粉末床溶融結合方式による三次元造形では、レーザ光や電子ビームにより材料を局所的に溶融状態とし、その後、冷却して固化することにより、極めて薄い単位層ｕｌを順次形成していくが、その過程で熱応力の影響を強く受けるため、造形時に変形が生じてしまう。一方、液槽光重合方式による三次元造形では、光重合反応により固化することより、極めて薄い単位層ｕｌを順次形成していくが、微視的には光重合反応が不均一に起こるため、造形時に変形が生じてしまう。例えば、図５に示された三次元造形モデルＭを造形する際、図６に示された断面パターンｓｐで材料層を固化していくと、製造された三次元造形物Ｏは、側面視において、図７に二点鎖線で示すように、実線で示された三次元造形モデルＭから変形することが予想され得る。なお、図７のでは図中下方に変形したように二点鎖線で示したが、あくまで例示にすぎず、放熱条件や造形する形状等によって変形の方向や量は異なる。

第４の工程Ｓ４では、造形時の変形を考慮して、材料の層に固化処理を施す際の固化パターンを決定する。図１及び図２に示された例では、粉末材料ｐｍの表面層にエネルギ（高エネルギを照射可能な固体レーザからのレーザ光や電子ビーム等）を照射する範囲を固化パターンとして特定し、図３に示された例では、液体樹脂組成物ｒｃの表面層に紫外線領域のレーザ光や面状の光を照射する範囲を固化パターンとして特定する。

一具体例として、第４の工程Ｓ４において、まず、最後に形成される単位層ｕｌが、最終的に、三次元造形モデルＭの対応する部位の断面パターンｓｐと同一形状となるよう、断面パターンｓｐを補正することで、固化パターンを決定する。次に、その直前に積層される層の固化パターンを、当該固化パターンで固化処理を施された単位層ｕｌが、最終的に、三次元造形モデルＭの対応する部位の断面パターンｓｐと同一形状となるよう、決定する。このようにして、各単位層ｕｌに関する固化パターンを、積層順とは逆の順番で決定していく。最終的に、三次元造形モデルＭのすべての断面パターンｓｐに対応した固化パターンが決定される。

ところで、上述したように造形時の変形は、オーバーハングに代表される三次元造形モデルＭの形状に起因して生じる。したがって、断面パターンｓｐに対する補正は、三次元造形モデルＭの形状の基づいた製造時の変形を考慮し、実施される。しかしながら、本件発明者らが、実験を繰り返したところ、三次元造形モデルＭの形状のみに基づく変形だけを考慮しても、三次元造形物Ｏを十分高精度に製造することができなかった。

この点について、本件発明者らは、さらに鋭意研究を実施し、その結果、材料特性と造形条件と設備条件との少なくとも一つに基づいて製造時の変形を予測することで、三次元造形物Ｏを高精度に製造し得ることを知見した。すなわち、各断面パターンｓｐに対応した固化パターンを決定する際、材料特性と造形条件と設備条件との少なくとも一つに基づき、製造時の変形を考慮して三次元造形モデルＭの積層方向に沿った各位置での断面パターンを補正することが有効である。この補正手法によれば、三次元造形物Ｏを高精度に製造し得ることが可能となるだけでなく、さらには、これまではサポートが必要とされていた三次元形状を、サポートを省略して、十分高精度に製造することもできる。サポートを省略することで、サポートを除去する後工程を排除することができ、また、三次元造形物Ｏにサポート除去痕が残るといった、サポートを用いた際に不可避的に生じる不具合を回避することもできる。

ここで、製造中の変形を推測するにあたり検討すべき材料特性とは、固化前の材料の特性及び固化後における材料の特性の少なくとも一方である。断面パターンｓｐを補正して固化パターンを決定する際に検討すべき材料特性として、「密度」、「比熱」、「熱伝導率」、「材料の放射率（輻射率）」及び、「粘度」を少なくとも例示することができる。

「密度」については、製造中の三次元造形物Ｏ及びその周囲に存在する固化していない材料が受ける重力（液槽光重合方式の場合は浮力にも影響する）の大きさを示す指標となる。三次元造形モデルＭの形状に加えて密度を考慮することで、製造時の変形をより正確に予測することができる。

「比熱」、「熱伝導率」及び「材料の放射率（輻射率）」については、製造中に生じた熱をどの程度蓄熱するか、或いは、製造中に生じた熱をどの程度の速度で放熱するかを示す指標となる。また、「粘度」については、溶融時における変形のしやすさを示す指標となるだけでなく、積層造形においては隣接する層との熱移動量にも大きな影響を及ぼすことになる。すなわち、粘度が低いと、流動しやすくなるので、隣接する層との密着度が高まり、熱移動量が増大する。また粘度が低いと変形はしやすくなる。その一方で、粘度が高いと、流動しにくくなるので、隣接する層との密着度が低くなり、熱移動量が低減する。また粘度が低いと変形はしにくくなる。以上のように、「比熱」、「熱伝導率」又は「粘度」を考慮することで、一般に発熱をともなう三次元造形時の変形をより正確に予測し、三次元造形物Ｏを十分高精度に造形することが可能となる。

また、材料が、重合開始剤を含有する光硬化性樹脂組成物を含む場合には、材料特性として、「重合開始剤の種類および割合」を考慮して、三次元造形時の変形を予測することが好ましい。重合開始剤を含有する光硬化性樹脂組成物の硬化速度は、重合開始剤の種類や、光硬化性樹脂組成物中における重合開始剤の配合割合に大きく依存する。したがって、「重合開始剤の種類および割合」を考慮することで、三次元造形時の変形をより正確に予測し、三次元造形物Ｏを十分高精度に造形することが可能となる。

製造中の変形を推測するにあたり検討すべき造形条件として、「三次元造形物Ｏを製造中に支持するサポートの形状」、「積層方向」、「積層ピッチ」、「固化処理条件」、「雰囲気温度」及び、「雰囲気の熱伝達率」の少なくとも一つとすることができる。「三次元造形物Ｏを製造中に支持するサポートの形状」については、同一形状の三次元造形モデルＭを造形する場合にも、サポートの有無やサポートの形状等に応じて、変形のしかたや変形の程度が大きく異なる。同様に、同一形状の三次元造形モデルＭを造形する場合であっても、「積層方向」が異なれば、変形のしかた及び変形の程度が大きく異なる。また、「積層ピッチ」、「固化処理条件」、「雰囲気温度」、「雰囲気の熱伝達率」に応じて、例えば固化された単位層ｕｌの蓄熱又は放熱の程度が大きく変化し、結果として、変形のしかたや変形の程度が大きく異なる。したがって、「三次元造形物Ｏを製造中に支持するサポートの形状」、「積層方向」、「積層ピッチ」、「固化処理条件」、「雰囲気温度」又は、「雰囲気の熱伝達率」を考慮することで、三次元造形時の変形をより正確に予測し、三次元造形物Ｏを十分高精度に造形することが可能となる。なお、雰囲気の熱伝達率は雰囲気がアルゴンガスや窒素ガス等の気体から構成される場合に設定されるものである。また、雰囲気の熱伝達率は、材料ごとに固定の値とするほか、より高精度な解析を行うため、ガスの流れをパラメータとして変動するものとして扱っても良い。

また、造形条件における「固化処理条件」については、材料に照射されるエネルギ（例えば、レーザ光、電子ビーム）のスキャン方向、及び、材料に照射される照射されるエネルギ出力密度の少なくとも一つとすることができる。スキャン方向に応じて、変形の指向性、例えば、反り返りの方向性が生じる。また、エネルギ密度の大小に依存して、変形の程度が異なる。したがって、「材料に照射されるエネルギ（例えば、レーザ光、電子ビーム）のスキャン方向」、又は、「材料に照射される照射されるエネルギ出力密度」を考慮することで、三次元造形時の変形をより正確に予測し、三次元造形物Ｏを十分高精度に造形することが可能となる。

さらに、断面パターンｓｐを補正して固化パターンを決定する際に、製造中の三次元造形物Ｏに及ぼされる重力や、製造中の三次元造形物Ｏに働く浮力を考慮することも有効である。図１及び図２に示された三次元造形装置１０において、製造中の三次元造形物Ｏが周囲から受ける重力と、図３に示された三次元造形装置１１において、製造中の三次元造形物Ｏが周囲から受ける浮力とでは、力が働く向きをも含め大きく異なってくる。したがって、「重力及び浮力の少なくとも一方の影響」を考慮することで、三次元造形時の変形をより正確に予測し、三次元造形物Ｏを十分高精度に造形することが可能となる。

製造中の変形を推測するにあたり検討すべき設備条件として、「昇降テーブル２５の重量」、「昇降テーブル２５の材料」、「昇降テーブル２５の比熱」、及び、「昇降テーブル２５の放射率」の少なくとも一つとすることができる。積層造形中、通常、固化された単位層ｕｌが発熱する。「昇降テーブル２５の重量」、「昇降テーブル２５の材料」、「昇降テーブル２５の比熱」、及び、「昇降テーブル２５の放射率」は、単位層ｕｌで発熱した熱の放熱速度に影響を与えることになる。したがって、「昇降テーブル２５の重量」、「昇降テーブル２５の材料」、「昇降テーブル２５の比熱」、又は、「昇降テーブル２５の放射率」を考慮することで、三次元造形時の変形をより正確に予測し、三次元造形物Ｏを十分高精度に造形することが可能となる。

以上のようにして第４の工程Ｓ４で造形データの補正を行った後、第５の工程Ｓ５として、固化パターンで材料の層に固化処理を施すことで、三次元造形物Ｏを製造する。具体的には、図１及び図２に示された三次元造形装置１０を用いる場合、粉末材料ｐｍの層に対し第４の工程Ｓ４で決定された固化パターンの範囲にエネルギを照射することで、焼結材料からなる単位層ｕｌを順次形成していき、三次元造形物Ｏを製造する。また、図３に示された三次元造形装置１１を用いる場合、液体の光硬化性樹脂組成物ｒｃの表層に対し第４の工程Ｓ４で決定された固化パターンの範囲に光を照射することで、硬化した樹脂からなる単位層ｕｌを順次積層していき、三次元造形物Ｏを製造する。

以上に説明した本実施の形態においては、材料を所定の固化パターンで固化させてなる単位層ｕｌを積層していくことで三次元造形物Ｏを製造する三次元造形方法は、材料特性と造形条件と設備条件との少なくとも一つに基づき、製造時の変形を考慮して造形対象モデルＭの積層方向に沿った各位置での断面パターンｓｐを補正することで、各断面パターンｓｐに対応した固化パターンを決定する工程と、決定された固化パターンにしたがって材料を固化して単位層ｕｌを順次作製する工程と、を含んでいる。また、三次元造形装置１０，１１は、材料を所定の固化パターンで固化させてなる単位層ｕｌを積層していくことで三次元造形物Ｏを製造する三次元造形機２０，４０と、材料特性と造形条件と設備条件との少なくとも一つに基づき、製造時の変形を考慮して造形対象モデルＭの積層方向に沿った各位置での断面パターンｓｐを補正することで、各断面パターンｓｐに対応した固化パターンを決定する制御器１５と、を有している。このような本実施の形態によれば、三次元造形物Ｏを十分高精度に造形することが可能となる。

以上、本発明を図示する実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、この他にも種々の態様で実施可能である。例えば、上述した三次元造形方式は一例に過ぎず、例えば、加熱することにより溶融状態になる樹脂をノズルより押し出し積層させる造形方式（材料押出方式）、液状の結合剤をノズルより噴射し粉末材料を結合させる積層造形方式（結合材噴射方式）、液体材料をノズルより噴射し選択的に堆積させていく積層造形方式（材料噴射）、及び、金属材料を供給しながらレーザ等で熱エネルギを与え溶融・堆積させる造形方式（指向性エネルギ堆積方式）等にも本発明を適用することができる。

Ｍ 三次元造形モデル
Ｏ 三次元造形物
ｕｌ 単位層
ｐｍ 粉末材料
ｒｃ 樹脂組成物
ｓｐ 断面パターン
１０ 三次元造形装置
１１ 三次元造形装置
１５ 制御器
１６ 記録媒体
１７ キーボード
１８ ディスプレイ
２０ 三次元造形機
２１ 筐体
２２ 固化手段
２３ 照射装置
２５ 昇降テーブル
２６ 昇降ガイド室
２７ 昇降ガイド区画壁
２８ 供給テーブル
２９ 供給ガイド室
３０ 供給ガイド区画壁
３１ 回収テーブル
３２ 回収ガイド室
３３ 回収ガイド区画壁
３４ 塗布装置
４０ 三次元造形機
４１ 液槽
４２ 固化手段
４３ 照射装置
４５ 昇降テーブル

Claims (16)

1. 材料を所定の固化パターンで固化させてなる単位層を積層していくことで三次元造形物を製造する三次元造形機と、
   材料特性と造形条件と設備条件との少なくとも一つに基づき、製造時の変形を考慮して造形対象モデルの積層方向に沿った各位置での断面パターンを補正することで、各断面パターンに対応した前記固化パターンを決定する制御器と、を備える、三次元造形装置。
2. 前記材料特性は、密度、比熱、熱伝導率、放射率及び、粘度の少なくとも一つである、請求項１に記載の三次元造形装置。
3. 固化前の前記材料が、重合開始剤を含んだ光硬化性樹脂組成物であり、
   前記材料特性は、前記重合開始剤の種類および割合を含む、請求項１又は２に記載の三次元造形装置。
4. 前記造形条件は、前記三次元造形物を製造中に支持するサポートの形状、積層方向、積層ピッチ、固化処理条件、雰囲気温度及び、雰囲気の熱伝達率の少なくとも一つである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の三次元造形装置。
5. 前記固化処理条件は、前記材料に照射されるエネルギのスキャン方向、及び、前記材料に照射されるエネルギ出力密度の少なくとも一つである、請求項４に記載の三次元造形装置。
6. 前記造形条件は、重力及び浮力の少なくとも一方の影響を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の三次元造形装置。
7. 前記三次元造形機は、前記三次元造形物を製造中に支持するテーブルを有し、
   前記設備条件は、前記テーブルの重量、材料、比熱、及び、放射率の少なくとも一つである、請求項１〜６のいずれか一項に記載の三次元造形装置。
8. 材料を所定の固化パターンで固化させてなる単位層を積層していくことで三次元造形物を製造する三次元造形方法であって、
   材料特性と造形条件と設備条件との少なくとも一つに基づき、製造時の変形を考慮して造形対象モデルの積層方向に沿った各位置での断面パターンを補正することで、各断面パターンに対応した前記固化パターンを決定する工程と、
   決定された前記固化パターンにしたがって前記材料を固化して単位層を順次作製する工程と、を備える、三次元造形方法。
9. 前記材料特性は、密度、比熱、熱伝導率、放射率、及び、粘度の少なくとも一つである、請求項８に記載の三次元造形方法。
10. 固化前の前記材料が、重合開始剤を含んだ光硬化性樹脂組成物であり、
    前記材料特性は、前記重合開始剤の種類および割合を含む、請求項８又は９に記載の三次元造形方法。
11. 前記造形条件は、三次元造形物を製造中に支持するサポートの形状、積層方向、積層ピッチ、固化処理条件、雰囲気温度及び、雰囲気の熱伝達率の少なくとも一つである、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の三次元造形方法。
12. 前記固化処理条件は、前記材料に照射されるエネルギのスキャン方向、及び、前記材料に照射されるエネルギ出力密度の少なくとも一つである、請求項１１に記載の三次元造形方法。
13. 前記造形条件は、重力及び浮力の少なくとも一方の影響を含む、請求項８〜１２のいずれか一項に記載の三次元造形方法。
14. 前記設備条件は、前記三次元造形物を製造中に支持するようになるテーブルの重量、材料、比熱、及び、放射率の少なくとも一つである、請求項８〜１３のいずれか一項に記載の三次元造形方法。
15. 三次元造形装置を用いた三次元造形物の製造を制御する制御器によって実行されるプログラムであって、
    前記制御器によって実行されることにより、請求項８〜１４のいずれか一項に記載された三次元造形方法を、三次元造形装置に実施させる、プログラム。
16. 三次元造形装置を用いた三次元造形物の製造を制御する制御器によって実行されるプログラムが記録された記録媒体であって、
    前記プログラムが前記制御器によって実行されることにより、請求項８〜１４のいずれか一項に記載された三次元造形方法を、三次元造形装置に実施させる、記録媒体。

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