JP2018043441A - 三次元造形装置、三次元造形方法、および、コンピュータープログラム - Google Patents

Abstract

【課題】材料の流動に起因する立体物の造形精度の低下を抑制できる技術を提供する。【解決手段】三次元造形装置は、流動性を有する材料によって形成される材料層を積層して立体物を造形し、前記材料層の積層方向に突出する複数の凸部を形成することによって、２以上の前記凸部に隣接し、前記凸部よりも前記積層方向に窪んでいる凹部を形成する第１造形処理と、前記凸部の上に前記材料層を積層するとともに、前記凹部内に、前記凸部の上に積層される前記材料層とは離間している前記材料層を形成する第２造形処理と、前記凹部内の前記材料層の上に前記材料を配置して前記凹部を埋める第３造形処理と、を実行する。【選択図】図１

Description

本発明は、三次元造形装置、三次元造形方法、および、三次元造形のためのコンピュータープログラムに関する。

三次元造形装置には、造形対象である立体物の断面を表す材料層を、順に高さ方向に積み重ねて形成していくことによって当該立体物を造形する方法を採用するものがある（例えば、下記特許文献１）。こうした造形技術は、アディティブ・マニュファクチュアリング（ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）とも呼ばれる。

特開２０１５−２１２０４２号公報

上記のような三次元造形装置においては、立体物を構成する材料層を形成するときに、材料が流動性を有していることによって、立体物の寸法精度（造形精度）が低下してしまう場合があった。本発明は、従来とは異なる方法によって、材料の流動に起因する立体物の造形精度の低下を改善することができる技術を提供することを目的とする。

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］本発明の第１形態によれば、三次元造形装置が提供される。この三次元造形装置は、造形部と、制御部と、を有する。前記造形部は、流動性を有する材料によって形成される材料層を積層して立体物を造形する。前記制御部は、前記造形部を制御する。前記制御部は、前記材料層が積層される積層方向に突出する複数の凸部を形成することによって、前記凸部よりも前記積層方向に窪んでいる凹部を形成する第１造形処理を実行する。前記制御部は、前記凸部の上に前記材料層を積層するとともに、前記凹部内に、前記凸部の上に積層される前記材料層とは離間している前記材料層を形成する第２造形処理を実行する。前記制御部は、前記凹部内の前記材料層の上に前記材料を配置して前記凹部を埋める第３造形処理を実行する。
この形態の三次元造形装置によれば、凹部に配置された材料の流動が抑制されるとともに、凸部の頂部に配置された材料が凹部へと流動することが抑制され、凸部および凹部のそれぞれにおいて液体が流動する範囲が制限される。そのため、材料の流動によって、材料層の表面の平坦性が低下してしまうことが抑制され、立体物の造形精度が高められる。

［２］上記形態の三次元造形装置において、前記第１造形処理は、２層以上の前記材料層を積層して前記凸部を形成する処理であり、前記第２造形処理は、前記凸部の前記材料層と、前記凹部内の前記材料層との間に、２層分の前記材料層の厚み以上の離間距離を生じさせたまま、前記凸部の上と前記凹部内とにそれぞれ前記材料層を１層以上、積層する処理であってよい。
この形態の三次元造形装置によれば、凸部の上に積層される材料層と凹部内に形成される材料層とを積層方向に適切に離間させることができ、凸部から凹部への材料の流動がさらに抑制される。よって、材料層の表面の平坦性が低下してしまうことがさらに抑制される。

［３］上記形態の三次元造形装置において、前記第１造形処理は、前記積層方向に垂直な第１方向と、前記積層方向と前記第１方向とに垂直な第２方向のそれぞれにおいて、前記凸部と前記凹部とが交互に配列されるように、前記凸部を形成する処理であってよい。
この形態の三次元造形装置によれば、凸部と凹部とが、形成される材料層の表面に沿った方向に分散するように形成されるため、材料層の表面の平滑性を高めることができる。

［４］上記形態の三次元造形装置において、前記造形部は、前記材料に含まれる溶媒の少なくとも一部を除去することによって前記材料層を形成してよい。この形態の三次元造形装置によれば、溶媒を除去する前の材料の流動範囲が制限されるため、材料層の表面の平坦性の低下が抑制される。

［５］上記形態の三次元造形装置において、前記造形部は、前記材料に含まれる粉末を溶融させて硬化させることによって前記材料層を形成してよい。この形態の三次元造形装置によれば、材料を溶融させたときの当該材料の流動範囲が制限されるため、材料層の表面の平坦性の低下が抑制される。

［６］本発明の第２形態によれば、流動性を有する材料によって形成される材料層を積層して、立体物を造形する方法であって；前記材料層が積層される積層方向に突出する複数の凸部を形成することによって、前記凸部よりも前記積層方向に窪んでいる凹部を形成する工程と；前記凸部の上に前記材料層を積層するとともに、前記凹部内に、前記凸部の上に積層される前記材料層とは離間している前記材料層を形成する工程と；前記凹部内の前記材料層の上に前記材料を配置して前記凹部を埋める工程と；を備える、方法が提供される。
この三次元造形方法によれば、凸部および凹部のそれぞれの形成領域において材料の流動範囲が制限されるため、材料の流動性に起因して材料層の表面の平坦性が低下してしまうことが抑制される。

［７］本発明の第３形態によれば、流動性を有する材料によって形成される材料層を積層して立体物を造形する三次元造形装置に、前記立体物を造形させるためのコンピュータープログラムであって；前記材料層が積層される積層方向に突出する複数の凸部を形成することによって、前記凸部よりも前記積層方向に窪んでいる凹部を形成する機能と；前記凸部の上に前記材料層を積層するとともに、前記凹部内に、前記凸部の上に積層される前記材料層とは離間している前記材料層を形成する機能と；前記凹部内の前記材料層の上に前記材料を配置して前記凹部を埋める機能と；を前記三次元造形装置が有するコンピューターに実現させる、コンピュータープログラムが提供される。
このコンピュータープログラムによれば、三次元造形装置における立体物の造形精度を高めることができる。

上述した本発明の各形態の有する複数の構成要素はすべてが必須のものではなく、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、適宜、前記複数の構成要素の一部について、その変更、削除、新たな他の構成要素との差し替え、限定内容の一部削除を行うことが可能である。また、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、上述した本発明の一形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部を上述した本発明の他の形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部と組み合わせて、本発明の独立した一形態とすることも可能である。

本発明は、三次元造形装置、三次元造形方法、および、コンピュータープログラム以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、三次元造形装置の制御方法や制御装置、三次元造形のためのデータの作製方法および当該データを作製するためのコンピュータープログラム、三次元造形のためのコンピュータープログラムを記録した一時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構成を示す概略図。 三次元造形装置において実行される造形工程の手順を示すフロー図。 工程１において形成される材料層を模式的に示す第１の概略図。 工程１において形成される材料層を模式的に示す第２の概略図。 工程２において形成される材料層を模式的に示す第１の概略図。 工程２において形成される材料層を模式的に示す第２の概略図。 工程３において形成される材料層を模式的に示す第１の概略図。 工程３において形成される材料層を模式的に示す第２の概略図。 工程４において形成される材料層を模式的に示す概略図。 第２実施形態における三次元造形装置の構成を示す概略図。

A．第１実施形態：
図１は、第１実施形態における三次元造形装置１００の構成を示す概略図である。図１には、三次元造形装置１００が通常の使用状態で配置されているときの重力方向（鉛直方向）を示す矢印Ｇが図示されている。矢印Ｇは、後に参照される各図においても、適宜、図示されている。

本実施形態の三次元造形装置１００は、造形部１０によって、材料層を順に積み重ねていくことによって立体物を造形する。当該材料層は、造形対象である立体物を、一定の方向に微小な間隔で複数に切断することによって得られる層を構成し、流動性を有する材料ＭＴを配置して硬化させることによって形成される。本実施形態では、各材料層は、造形解像度に応じて予め決められている座標に、溶媒を含むことによって流動性を有する材料ＭＴを点状（ドット状）に配列させて形成される。材料ＭＴの具体例については後述する。三次元造形装置１００の造形部１０は、材料供給部１１と、造形ステージ１２と、移動機構１３と、硬化エネルギー付与部１４と、を備えている。

材料供給部１１は、造形ステージ１２上の指定された位置に、流動性を有する材料ＭＴの液滴を吐出して配置する。材料供給部１１は、金属製の中空容器によって構成された本体部１１ｍを備える。材料供給部１１の本体部１１ｍには、本体部の内部空間に連通しているノズル１１ｎが設けられている。ノズル１１ｎは造形ステージ１２に向かって開口している。ノズル１１ｎの開口径は、例えば、５〜３００μｍ程度であってよい。材料供給部１１は、材料供給源（図示は省略）から本体部１１ｍに圧送供給される材料ＭＴを、本体部１１ｍの内部に設けられたピストンの往復運動によって、ノズル１１ｎから液滴状にして吐出する。本実施形態では、材料供給部１１は、重力方向上側から下方の造形ステージ１２に向かって材料ＭＴの液滴を吐出する。材料供給部１１は、１回の吐出につき、１ドット分の材料ＭＴを吐出する。なお、材料供給部１１は、ピストンの往復運動以外の方法によって材料ＭＴをノズル１１ｎから吐出させてもよい。材料供給部１１は、例えば、材料ＭＴが充填される圧力室の内壁面を圧電素子等によって変形させたときの当該圧力室内の圧力変動を利用して材料ＭＴを吐出するものとしてもよい。

造形ステージ１２は、造形対象である立体物を造形するための基台であり、材料層が形成される面１２ｓを有している。本実施形態では、面１２ｓは水平に配置されている。図１には、造形ステージ１２の面１２ｓを基準とする方向を示す矢印Ｘ，Ｙ，Ｚが図示されている。矢印Ｘ，Ｙはそれぞれ、造形ステージ１２の面１２ｓに沿った互いに直交する二方向を示している。矢印Ｘ，Ｙの方向はそれぞれ、材料供給部１１が、造形ステージ１２の面１２ｓ上において材料ＭＴの液滴を着弾させる座標の座標軸の方向に一致する。本実施形態では、矢印Ｘ，Ｙは水平方向に平行な方向を示している。矢印Ｚは、造形ステージ１２の面１２ｓに直交する方向を示している。矢印Ｚの方向は、造形ステージ１２上において材料層が積層される積層方向に一致する。積層方向は、立体物の高さ方向であるとしてよい。本実施形態では、矢印Ｚの方向は、重力方向に一致する。

移動機構１３は、造形ステージ１２を、材料供給部１１のノズル１１ｎに対して相対的に移動させる。移動機構１３は、造形ステージ１２を、矢印Ｘ，Ｙ，Ｚに沿った方向に変位させる。移動機構１３は、駆動力を発生するモーターと、造形ステージ１２を矢印Ｘ，Ｙに沿った方向に移動させるローラーやベルト、造形ステージ１２を矢印Ｚに沿った方向に移動させるリフトなどの各種のアクチュエーターを備える（それぞれ図示は省略）。本実施形態では、造形ステージ１２が、材料供給部１１に対して移動することによって、造形ステージ１２の面１２ｓ上における材料ＭＴの液滴の着弾位置が制御される。なお、三次元造形装置１００においては、造形ステージ１２が固定され、材料供給部１１が移動機構１３によって造形ステージ１２に対して変位するように構成されていてもよい。

硬化エネルギー付与部１４は、造形ステージ１２に着弾した材料ＭＴの液滴にエネルギーを付与して、材料ＭＴに含まれている溶媒の少なくとも一部を除去し、材料ＭＴの流動性を低減させ、材料ＭＴを、吐出されたときよりも硬化させる。このとき、硬化エネルギー付与部１４は、少なくとも、材料層の形状が維持できる程度に材料ＭＴを硬化することが望ましい。本実施形態では、硬化エネルギー付与部１４は、レーザー装置によって構成され、レーザーの照射によって、光エネルギーを材料ＭＴに付与する。硬化エネルギー付与部１４は、少なくとも、レーザー光源と、レーザー光源から射出されたレーザーを造形ステージ１２に着弾した液滴に集光させるための集光レンズと、レーザーを走査するためのガルバノミラーと、を含む（図示は省略）。硬化エネルギー付与部１４は、材料ＭＴの着弾位置をレーザーによって走査し、レーザーの光エネルギーによって材料ＭＴを加熱して、材料ＭＴに含まれる溶媒の量を低減させる。硬化エネルギー付与部１４は、材料供給部１１が材料ＭＴの液滴を１回、吐出するたびに、あるいは、材料層ごとに当該材料ＭＴに硬化のためのエネルギーを付与する。

三次元造形装置１００は、上述した造形部１０に加えて、造形部１０を制御する制御部１５を備えている。制御部１５は、ＣＰＵ１５ａと、メモリー１５ｂと、を備えるコンピューターによって構成される。ＣＰＵ１５ａは、メモリー１５ｂに、コンピュータープログラムを読み出して実行することにより、種々の機能を発揮する。ＣＰＵ１５ａは、三次元造形装置１００に立体物を造形させるためのコンピュータープログラムを実行する。このコンピュータープログラムは、後述する平坦部位の造形工程を造形部１０に実行させる機能を制御部１５に実現させる。このコンピュータープログラムは、例えば、ハードディスクやフラッシュメモリー、ＤＶＤ−ＲＯＭなどの各種の記録媒体に記録されていてもよい。

制御部１５は、上記のコンピュータープログラムに従って、上述の材料供給部１１、移動機構１３、および、硬化エネルギー付与部１４を制御する。制御部１５は、三次元造形装置１００に接続される外部のコンピューター（図示は省略）から、立体物を造形するためのデータＭＤを受信する。当該データＭＤには、立体物の高さ方向に積み重ねられる各材料層を形成するための材料ＭＴの配置位置を表すデータが含まれている。また、本実施形態において、データＭＤに表されている材料ＭＴの配置位置は、材料供給部１１による吐出によって材料ＭＴのドットが配置される位置である。

制御部１５は、当該データＭＤに基づいて、材料供給部１１に材料ＭＴの液滴を吐出させるタイミングや、造形ステージ１２上における当該液滴の着弾位置、硬化エネルギー付与部１４によるレーザー照射位置や照射タイミングなどの処理条件を決定する。制御部１５は、立体物を表すデータＭＤから、後述する造形工程における材料層の形成順序を表すデータを作製する機能を有していてもよい。制御部１５は、外部のコンピューターからではなく、ネットワークや記録媒体を介してデータＭＤを取得してもよい。制御部１５の制御下において実行される造形工程の内容については後述する。

本実施形態において用いられる材料ＭＴの具体例を説明する。本実施形態では、材料ＭＴは、粉末材料と、溶媒と、を含むペースト状の流動性組成物である。材料ＭＴは、粉末材料と、溶媒と、を含んでよい。粉末材料としては、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）の単体粉末、もしくは、これらの金属を１つ以上含む合金粉末（マルエージング鋼、ステンレス、コバルトクロムモリブデン、チタニウム合金、ニッケル合金、アルミニウム合金、コバルト合金、コバルトクロム合金）、または、単体粉末や合金粉末から選択される１種または２種以上を組み合わせた混合粉末でもよい。材料ＭＴの溶媒は、例えば、水；エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等の（ポリ）アルキレングリコールモノアルキルエーテル類；酢酸エチル、酢酸ｎ−プロピル、酢酸ｉｓｏ−プロピル、酢酸ｎ−ブチル、酢酸ｉｓｏ−ブチル等の酢酸エステル類；ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類；メチルエチルケトン、アセトン、メチルイソブチルケトン、エチル−ｎ−ブチルケトン、ジイソプロピルケトン、アセチルアセトン等のケトン類；エタノール、プロパノール、ブタノール等のアルコール類；テトラアルキルアンモニウムアセテート類；ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド等のスルホキシド系溶剤；ピリジン、γ−ピコリン、２，６−ルチジン等のピリジン系溶剤；テトラアルキルアンモニウムアセテート（例えば、テトラブチルアンモニウムアセテート等）等のイオン液体等や、これらから選択される１種または２種以上を組み合わせたものであってもよい。

材料ＭＴは、上記の粉末材料と溶媒に、バインダーを混合してスラリー状、あるいは、ペースト状にした混合材料であってもよい。バインダーは、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、セルロース系樹脂或いはその他の合成樹脂又はＰＬＡ（ポリ乳酸）、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）或いはその他の熱可塑性樹脂であってもよい。材料ＭＴは、上記の粉末材料を含むものに限定されず、例えば、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレートなどの汎用エンジニアリングプラスチックなどの樹脂を溶融させたものであってもよい。材料ＭＴは、その他、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリアリレート、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトンなどのエンジニアリングプラスチックなどの樹脂であってもよい。このように、材料ＭＴとしては、上記金属以外の金属やセラミックス、樹脂等を採用可能である。材料ＭＴには、焼結助剤が含まれていてもよい。

図２〜図９を参照して、三次元造形装置１００において実行される造形工程の一例を説明する。図２は、三次元造形装置１００において実行される造形工程の手順を示すフロー図である。図３〜図９は、図２の各工程において造形ステージ１２の上に積層されていく材料層ＭＬの一例を模式的に示す概略図である。図３〜図９の紙面上段には、矢印Ｚの方向に見たときの造形ステージ１２上の材料層ＭＬを図示してある。また、図３〜図９の紙面下段には、それぞれの紙面上段に示されたＡ−Ａ切断における材料層ＭＬの概略断面を図示してある。

図３〜図９の紙面上段では、便宜上、造形ステージ１２の面１２ｓ上の座標を、格子状に仕切る破線によって図示してある。制御部１５は、材料供給部１１に、その破線で区画された各グリッド内に材料ＭＴの液滴を吐出させ、材料ＭＴのドットを形成する。以下、１つの材料ＭＴのドットによって形成され、材料層ＭＬの一部を構成するドット単位の材料層を「材料層ＭＬｓ」と呼ぶ。図３〜図９では、便宜上、材料層ＭＬｓのハッチングを、形成される工程ごとに変えてある。また、図３〜図９では、材料層ＭＬｓを、便宜上、立方形状で図示してある。実際には、単体の材料層ＭＬｓは、他の材料層ＭＬｓと連結しないように形成された場合には、矢印Ｚの方向に見たときに略円形形状の外周輪郭を有し、矢印Ｘ，Ｙの方向に見たときには、略半円形が積層方向に圧縮された形状を有する。

本実施形態の三次元造形装置１００は、少なくとも、立体物に含まれる平坦部位を形成する際に、以下に説明する造形工程を実行する。「平坦部位」とは、平坦な材料層ＭＬが予め決められた層数以上、積層された部位である。「平坦な材料層ＭＬ」とは、矢印Ｘ，Ｙの方向に、それぞれ予め決められた数以上の材料層ＭＬｓが、ドット間隔を空けることなく連続して配列されている材料層ＭＬである。本実施形態では、矢印Ｘ，Ｙのそれぞれの方向に２以上の数の材料層ＭＬｓが配列された平坦な材料層ＭＬが、４層以上積層される部位を平坦部位とする。平坦部位の表面は、必ずしも、造形対象である立体物の表面を構成していなくてもよい。平坦部位は、立体物の内部に、一部または全部が埋もれている部位であってもよい。以下では、理解を容易にするための具体例として、略直方体形状を有する平坦部位の造形工程を説明する。

工程１では、制御部１５は、造形ステージ１２上に、積層方向に突出する複数の凸部２０を、材料供給部１１から吐出された材料ＭＴを硬化させることによって形成する第１造形処理を実行する（図３，図４）。各凸部２０は、異なる座標に頂点を有していればよく、下端部などにおいて一部が他の凸部２０に連結していてもよい。各凸部２０は、２層以上の材料層ＭＬｓを積層して形成されることが望ましい。この理由については後述する。本実施形態では、各凸部２０は、２層の材料層ＭＬｓを積層して形成される（図４）。

制御部１５は、各凸部２０の基端部である第１層２０ａを構成する複数の材料層ＭＬｓを形成する（図３）。第１層２０ａを構成する材料層ＭＬｓは、平坦部位の最下層である１層目の材料層ＭＬ_１の一部を構成する。本実施形態では、第１層２０ａを構成する材料層ＭＬｓは、矢印Ｘの方向（第１方向）と矢印Ｙの方向（第２方向）とにそれぞれ、材料層ＭＬｓが形成される領域と形成されない領域とが交互に生じるように配列されている。より具体的には、第１層２０ａを構成する材料層ＭＬｓは、矢印Ｘの方向と矢印Ｙの方向とにそれぞれ、１ドットずつの間隔をあけて配列される。

次に、制御部１５は、各第１層２０ａの上に、凸部２０の上端部である第２層２０ｂを構成する材料層ＭＬｓを形成する（図４）。第２層２０ｂを構成する材料層ＭＬｓは、平坦部位の２層目の材料層ＭＬ_２の一部を構成する。

工程１の第１造形処理では、上記の凸部２０が形成されることによって、造形ステージ１２上に、積層方向に窪む複数の凹部２１が形成される（図４）。各凹部２１は、２以上の凸部２０に隣接し、凸部２０よりも積層方向に窪んでいる部位である。各凹部２１は、互いに対向する位置に形成されている２つの凸部２０の側面に面している領域によって構成される。当該領域には、２つの凸部２０に挟まれている領域や、隣り合って配列された２つの凸部２０のそれぞれに面し、その配列方向において、当該２つの凸部２０の間に位置する領域が含まれる。例えば、図４においては、Ｘ方向とＹ方向のうちの少なくとも１つの方向において２つの凸部２０に挟まれている領域や、Ｘ方向およびＹ方向のそれぞれに少なくとも１つずつ隣り合う凸部２０が存在する領域が含まれる。本実施形態においては、第１造形処理は、積層方向に垂直な第１方向と、積層方向と第１方向とに垂直な第２方向のそれぞれにおいて、凸部２０と凹部２１とが交互に配列されるように、凸部２０が形成される処理であると解釈される。

工程２では、制御部１５は、各凸部２０の上に材料層ＭＬｓを積層するとともに、各凹部２１内に材料層ＭＬｓを形成する第２造形処理を実行する（図５）。第２造形処理では、各凹部２１内に形成される材料層ＭＬｓは、各凸部２０の上に積層される材料層ＭＬｓから積層方向に離間するように形成され、各凸部２０の上に積層される材料層ＭＬｓとは直接的には連結されない。各凹部２１内に形成される材料層ＭＬｓは、隣接する凸部２０の上に積層される材料層ＭＬｓよりも下方において、当該凸部２０を構成する材料層ＭＬｓと接するように形成される。

本実施形態では、第２造形処理における１回目の材料層ＭＬｓの積層工程において、各凸部２０の上に、平坦部位の３層目の材料層ＭＬ_３を構成する材料層ＭＬｓが形成され、各凹部２１内に、平坦部位の１層目の材料層ＭＬ_１を構成する材料層ＭＬｓが形成される。この積層工程によって、平坦部位の１層目の材料層ＭＬ_１が完成する。

工程２の第２造形処理では、上記の１回目の材料層ＭＬｓの積層工程の後、各凸部２０の材料層ＭＬｓの上と、各凹部２１内の材料層ＭＬｓの上に、材料層ＭＬｓを積層する積層工程が繰り返される（図６）。第２造形処理における２回目以降の材料層ＭＬｓの積層工程は、各凸部２０の材料層ＭＬｓが、ｎ−１層目の高さに到達するまで繰り返される。ｎは自然数であり、平坦部位を構成する材料層ＭＬの層数である。平坦部位が４層の材料層ＭＬによって構成される場合には、第２造形処理における２回目以降の積層工程は省略される。

第２造形処理は、凸部２０の最上の材料層ＭＬｓと凹部２１内の最上の材料層ＭＬｓとの間に、２層分の材料層ＭＬｓの厚み以上の離間距離を生じさせたまま、凸部２０の上と凹部２１内とにそれぞれ材料層ＭＬｓを１層以上積層する処理である。本実施形態の第２造形処理では、前記の離間距離として、２層分の材料層ＭＬｓの厚みを生じさせたまま、材料層ＭＬｓの積層工程を繰り返す。

本実施形態では、工程２の第２造形処理によって、凸部２０の上に、平坦部位のｎ−１層目とｎ−２層目の材料層ＭＬ_ｎ−１，ＭＬ_ｎ−２の一部を構成する材料層ＭＬｓが形成される。また、凹部２１内に、ｎ−３層分の材料層ＭＬｓが積層され、平坦部位のｎ−３層目の材料層ＭＬ_ｎ−３まで完成する。

工程３では、制御部１５は、凹部２１内の材料層ＭＬｓの上に材料ＭＴを配置して硬化させることによって凹部２１を埋める第３造形処理を実行する（図７）。本実施形態では、凹部２１内に、複数の材料層ＭＬｓを、凸部２０の最上の材料層ＭＬｓと同じ高さ位置まで積層し、ｎ−１層目の材料層ＭＬ_ｎ−１の表面を平坦にする（図８）。より具体的には、凹部２１内に、平坦部位のｎ−１層目とｎ−２層目の材料層ＭＬ_ｎ−１，ＭＬ_ｎ−２の一部を構成する２層の材料層ＭＬｓを積層する。これによって、平坦部位のｎ−１層目の材料層ＭＬ_ｎ−１まで完成する。

工程４では、制御部１５は、平坦部位の最上層であるｎ層目の材料層ＭＬ_ｎを形成する第４造形処理を実行する（図９）。工程４では、造形ステージ１２の平坦部位の形成領域内の全体を覆うように材料層ＭＬｓを形成して平坦な材料層ＭＬ_ｎを形成する。以上の工程によって、平坦部位の造形工程が完了する。なお、工程４の第４造形処理は省略されてもよい。ただし、第４造形処理を実行することによって、平坦部位の上面の平坦性や平滑性が高められる。工程４の後、造形ステージ１２において造形された立体物は、加熱炉やヒーターによって焼結されてもよい。

以上のように、本実施形態の三次元造形装置１００では、平坦部位を形成する際に、第１造形処理において、凸部２０および凹部２１を形成し、第２造形処理において、凸部２０の上と凹部２１内とに材料層ＭＬｓを形成する。第２造形処理では、凸部２０の上に形成される材料層ＭＬｓと凹部２１内に形成される材料層ＭＬｓとが直接的に連結されないように形成され、凸部２０の上に配置される材料ＭＴと凹部２１内に配置される材料ＭＴとが接触しない。これによって、凹部２１内に配置された材料ＭＴの流動が凸部２０によって抑制されるとともに、凸部２０の上に配置された材料ＭＴが凹部２１内へと流動してしまうことが抑制される。従って、流動性を有する材料ＭＴの配置領域を細かく分散させることができ、流動性を有する１ドット分の材料ＭＴ同士がつながって、材料ＭＴが広範囲にわたって流動して広がってしまうことが抑制される。そのため、材料ＭＴの配置領域内における乾燥速度のムラの発生が抑制され、そうした部位ごとの乾燥時間の差に起因して、各材料層ＭＬの表面の平坦性が低下してしまうことが抑制される。また、材料ＭＴの表面張力による材料層ＭＬ表面の湾曲によって、平坦部位の上面の平坦性が低下してしまうことが抑制される。

本実施形態の第２造形処理では、２層以上の材料層ＭＬｓによって凸部２０を構成した後に、凸部２０の上と凹部２１内とに材料層ＭＬｓを積層している。従って、凸部の上の領域に配置される材料ＭＴと、凹部２１内の領域に配置される材料ＭＴとの離間距離が確保され、凸部２０の上から凹部２１内への材料ＭＴの流動がさらに抑制される。よって、各領域における材料層ＭＬの形状の崩れが抑制され、平坦部位の寸法精度の低下をさらに抑制することができる。

本実施形態の第１造形処理では、矢印Ｘ，Ｙの方向のそれぞれにおいて、凸部２０と凹部２１とが交互に配列されるように、凸部２０が形成される。これによって、材料層ＭＬｓの形成領域が、より細かく分散されるため、平坦部位の寸法精度の低下を、さらに抑制することができる。特に、本実施形態では、凸部２０と凹部２１とが１ドット単位で交互に配列されているため、各材料層ＭＬの上面の平坦性を、より高めることができる。

また、本実施形態では、第４造形処理において、平坦性が高められたｎ−１層目の材料層ＭＬ_ｎ−１の上に、ドット間隔をあけることなく材料ＭＴを配置して形成されたｎ層目の材料層ＭＬ_ｎが形成される。これによって、上述したように、平坦部位の上面をよりきめ細かく造形することができる。

本実施形態の三次元造形装置１００が造形する平坦部位の形状は、具体例として説明した上記の略直方体形状には限定されない。平坦部位は、積層方向に垂直な切断面における断面形状が略四角形状でなくてもよく、略円形形状や多角形状などの任意の形状を有していてもよい。また、本実施形態の三次元造形装置１００は、上述した平坦部位の造形処理に加えて、平坦部位とは異なる形状を有する部位を造形するための他の造形処理を適宜実行してもよい。

B．第２実施形態：
図１０は、第２実施形態における三次元造形装置１００Ａの構成を示す概略図である。第２実施形態の三次元造形装置１００Ａは、硬化エネルギー付与部１４の代わりに、溶融エネルギー付与部１６を備えている点以外は、第１実施形態の三次元造形装置１００とほぼ同じ構成を有している。

溶融エネルギー付与部１６は、材料供給部１１が造形ステージ１２上に配置した材料ＭＴを、レーザー照射して、材料ＭＴ中の粉末材料の融点以上の温度まで加熱する。溶融エネルギー付与部１６によってレーザーを照射された材料ＭＴの粉末材料は、溶融して流動性を有する状態になった後に硬化する。

このように、三次元造形装置１００Ａは、材料ＭＴに含まれる粉末材料を一旦、溶融させて粒子同士を結合し、硬化させることによって材料層ＭＬを形成する。なお、三次元造形装置１００Ａでは、材料供給部１１は、粉末材料と溶媒とを含むペースト状の材料ＭＴを吐出する代わりに、乾燥した粉末材料を、制御部１５によって指定された座標位置に配置するものとしてもよい。材料供給部１１は、例えば、当該粉末材料を、除去可能な被膜によって包んだ状態で、指定された座標位置に配置してもよい。三次元造形装置１００Ａでは、溶融エネルギー付与部１６によって、材料ＭＴは、溶融した流動性を有する状態にされている。三次元造形装置１００Ａは、立体物の造形の際に、流動性を有する材料ＭＴによって材料層ＭＬを形成していると解釈できる。

三次元造形装置１００Ａは、平坦部位の造形の際に、第１実施形態で説明したのと同様な造形処理を実行する（図２）。これによって、第１実施形態で説明したのと同様に、平坦部位の造形精度が高められている。ただし、第２実施形態の三次元造形装置１００Ａでは、第１造形処理において形成される凸部２０は、３層以上の材料層ＭＬｓによって形成されることが好ましい。この理由は、材料ＭＴを溶融して材料層ＭＬｓを形成する場合には、材料層ＭＬｓの高さ（厚み）が、その溶融により第１実施形態の三次元造形装置１００の場合よりも小さくなる可能性があるためである。

以上のように、第２実施形態の三次元造形装置１００Ａにおいても、第１実施形態の三次元造形装置１００と同様に、材料の流動によって、立体物の寸法精度が低下してしまうことを抑制でき、立体物の造形精度を高めることができる。その他に、第２実施形態の三次元造形装置１００Ａによれば、第１実施形態で説明したのと同様な種々の作用効果を奏することができる。

C．変形例：
C1．変形例１：
上記の各実施形態では、材料供給部１１は、材料ＭＴを、造形ステージ１２の面１２ｓに１ドット単位で吐出して配置している。これに対して、材料供給部１１は、材料ＭＴを、１ドット単位で造形ステージ１２の面１２ｓに配置しなくてもよいし、吐出以外の方法で、造形ステージ１２の面１２ｓに配置してもよい。材料供給部１１は、例えば、材料ＭＴを、スクリーン印刷などの方法によって、造形ステージ１２の面１２ｓ上に材料層ＭＬのパターンごとに配置してもよい。材料供給部１１は、材料ＭＴを、１ドットずつ、あるいは、材料層ＭＬごとに、造形ステージ１２の面１２ｓ上に転写により配置してもよい。

C2．変形例２：
上記第１実施形態では、造形部１０は、硬化エネルギー付与部１４によるレーザーの照射によって、材料ＭＴに含まれる溶媒の少なくとも一部を除去して、硬化させ、材料ＭＴの流動性を低下させている。上記第２実施形態では、造形部１０は、溶融エネルギー付与部１６によるレーザーの照射によって、材料ＭＴに含まれる粉末材料を溶融させて硬化させている。これに対して、造形部１０は、レーザーの照射以外の方法で、材料ＭＴの溶媒を除去してもよいし、材料ＭＴに含まれる粉末材料を溶融させてもよい。造形部１０は、例えば、ヒーターなどによって材料ＭＴを加熱してもよい。造形部１０は、例えば、溶融剤によって材料ＭＴを溶融させてもよい。また、造形部１０は、流動性を有する材料ＭＴを加熱して焼結させることによって硬化させてもよい。造形部１０はその他の方法で材料ＭＴを硬化させてもよい。造形部１０は、例えば、材料ＭＴに硬化剤を塗布することによって硬化させてもよい。造形部１０は、材料ＭＴとして光硬化性樹脂を用いて、光硬化によって材料ＭＴを硬化させてもよい。

C3．変形例３：
上記の各実施形態では、工程１の第１造形処理（図３，図４）において、矢印Ｘの方向と矢印Ｙの方向のそれぞれにおいて、凸部２０と凹部２１とが交互に配列されるように、凸部２０を形成している。これに対して、工程１の第１造形処理では、例えば、矢印Ｘまたは矢印Ｙの方向の一方向においてのみ、凸部２０と凹部２１とが交互に配列されるように、凸部２０が形成されてもよい。

C4．変形例４：
上記の各実施形態では、工程１の第１造形処理（図３，図４）において、複数の凸部２０は、１ドット間隔で千鳥に配列されるように形成されている。これに対して、複数の凸部２０は、１ドット以上の間隔で配列されてもよいし、千鳥に配列されることなく格子状に配列されていてもよい。複数の凸部２０は、ランダムに形成されてもよい。

C5．変形例５：
上記の各実施形態では、工程１の第１造形処理（図３，図４）において、各凸部２０は、２層以上の材料層ＭＬｓを積層して形成されている。これに対して、各凸部２０は、複数の材料層ＭＬｓを積層することなく、１層の材料層ＭＬｓによって形成されてもよい。この場合には、凸部２０を構成する材料層ＭＬｓは、他の部位の材料層ＭＬｓよりも高く形成されるものとしてもよい。

C6．変形例６：
上記の各実施形態では、工程１の第１造形処理（図３，図４）において、凸部２０は、造形ステージ１２上の平坦な面１２ｓ上に形成されている。これに対して、凸部２０は、造形ステージ１２上に予め設けられた凸構造の上に重ねて形成されてもよい。

C7．変形例７：
上記の各実施形態の第１造形処理（図３，図４）において、凸部２０を形成する際に、凸部２０の下層の部分を形成するときよりも上層の部分を形成するときの材料ＭＴの量を低減させるものとしてもよい。これによって、凸部２０を高く積み上げて形成することができる。上記の各実施形態の構成において、各材料層ＭＬｓの厚みを積層位置や配置部位ごとに変えてもよい。

C8．変形例８：
上記の各実施形態の材料ＭＴは、第１実施形態において例示したものに限定されることはない。材料ＭＴは、流動性を有する状態から硬化する性質を有するものであればよい。例えば、材料ＭＴとして粉末状の樹脂材量を用い、当該樹脂材量を溶融させて硬化させてもよい。

C9．変形例９：
上記の各実施形態において、ソフトウェアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ハードウェアによって実現されてもよい。また、ハードウェアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ソフトウェアによって実現されてもよい。ハードウェアとしては、例えば、集積回路、ディスクリート回路、または、それらの回路を組み合わせた回路モジュールなど、各種回路を用いることができる。

本発明は、上述の実施形態や実施例、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、実施例、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…材料供給部、１１ｍ…本体部、１１ｎ…ノズル、１２…造形ステージ、１２ｓ…面、１３…移動機構、１４…硬化エネルギー付与部、１５…制御部、１５ａ…ＣＰＵ、１５ｂ…メモリー、１６…溶融エネルギー付与部、２０…凸部、２０ａ…第１層、２０ｂ…第２層、２１…凹部、１００，１００Ａ…三次元造形装置、ＭＤ…データ、ＭＬ，ＭＬ_１〜ＭＬ_ｎ…材料層、ＭＬｓ…材料層、ＭＴ…材料

Claims (7)

1. 三次元造形装置であって、
   流動性を有する材料によって形成される材料層を積層して立体物を造形する造形部と、
   前記造形部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記材料層が積層される積層方向に突出する複数の凸部を形成することによって、前記凸部よりも前記積層方向に窪んでいる凹部を形成する第１造形処理と、
   前記凸部の上に前記材料層を積層するとともに、前記凹部内に、前記凸部の上に積層される前記材料層とは離間している前記材料層を形成する第２造形処理と、
   前記凹部内の前記材料層の上に前記材料を配置して前記凹部を埋める第３造形処理と、
   を実行する、三次元造形装置。
2. 請求項１記載の三次元造形装置であって、
   前記第１造形処理は、２層以上の前記材料層を積層して前記凸部を形成する処理であり、
   前記第２造形処理は、前記凸部の前記材料層と、前記凹部内の前記材料層との間に、２層分の前記材料層の厚み以上の離間距離を生じさせたまま、前記凸部の上と前記凹部内とにそれぞれ前記材料層を１層以上、積層する処理である、三次元造形装置。
3. 請求項１または請求項２記載の三次元造形装置であって、
   前記第１造形処理は、前記積層方向に垂直な第１方向と、前記積層方向と前記第１方向とに垂直な第２方向のそれぞれにおいて、前記凸部と前記凹部とが交互に配列されるように、前記凸部を形成する処理である、三次元造形装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の三次元造形装置であって、
   前記造形部は、前記材料に含まれる溶媒の少なくとも一部を除去することによって前記材料層を形成する、三次元造形装置。
5. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の三次元造形装置であって、
   前記造形部は、前記材料に含まれる粉末を溶融させて流動性を有する状態にした後に硬化させることによって前記材料層を形成する、三次元造形装置。
6. 流動性を有する材料によって形成される材料層を積層して、立体物を造形する方法であって、
   前記材料層が積層される積層方向に突出する複数の凸部を形成することによって、前記凸部よりも前記積層方向に窪んでいる凹部を形成する工程と、
   前記凸部の上に前記材料層を積層するとともに、前記凹部内に、前記凸部の上に積層される前記材料層とは離間している前記材料層を形成する工程と、
   前記凹部内の前記材料層の上に前記材料を配置して前記凹部を埋める工程と、
   を備える、方法。
7. 流動性を有する材料によって形成される材料層を積層して立体物を造形する三次元造形装置に、前記立体物を造形させるためのコンピュータープログラムであって、
   前記材料層が積層される積層方向に突出する複数の凸部を形成することによって、前記凸部よりも前記積層方向に窪んでいる凹部を形成する機能と、
   前記凸部の上に前記材料層を積層するとともに、前記凹部内に、前記凸部の上に積層される前記材料層とは離間している前記材料層を形成する機能と、
   前記凹部内の前記材料層の上に前記材料を配置して前記凹部を埋める機能と、
   を前記三次元造形装置が有するコンピューターに実現させる、コンピュータープログラム。

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