JP2018051951A - 三次元造形装置、三次元物体製造方法および三次元造形プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】光硬化性樹脂内で硬化収縮率の分布や変化が生じても良好な造形精度を得る。【解決手段】三次元造形装置１００は、透光部２１２を有し、液状の光硬化性樹脂ＲＡを保持する容器２０１と、複数の画素２６１を有し、光源からの光を画素ごとに変調する光変調素子２５３と、光変調素子からの変調光を、透光部を通して光硬化性樹脂に照射する光学系２５０と、三次元形状データを変換情報を用いて複数の二次元変調制御データに変換する変換部３００と、該複数の二次元変調制御データのそれぞれに基づいて光変調素子を制御する制御部３００と、光硬化性樹脂のうち変調光を受けて硬化した硬化部ＷＡを透光部から離れる方向に移動させる移動部材２０２とを有する。変換部は、光硬化性樹脂のうち複数の樹脂領域のそれぞれの硬化収縮率に応じて、三次元形状データにおける複数の樹脂領域に対応する複数のデータ領域のそれぞれの変換情報を設定する。【選択図】図１

Description

本発明は、光硬化性樹脂を硬化させて三次元物体を造形する技術に関する。

三次元造形では、三次元物体の形状を示す三次元形状データから高さ方向の位置ごとの二次元形状データ（画像データ）を生成し、該断面形状データのそれぞれに対応する形状を有する造形層を順次形成して積層していくことで三次元物体（造形物）を得る。このような三次元造形方法の一つとして、特許文献１には、光硬化性樹脂を用いる方法が開示されている。

具体的には、液状の光硬化性樹脂を保持する容器の底面を透光板で構成し、該透光板の下側から透光板を通して照射された光で光硬化性樹脂を硬化させる。この際、二次元配列された複数の画素を有する光変調素子によって上記断面形状データに応じて変調した光を光硬化性樹脂に一括投射（照射）することで１つの造形層の全体を同時に硬化させる。そして、硬化した造形層を上方に移動させて次の造形層を形成する工程を繰り返すことで三次元物体を造形することができる。

この方法によれば、造形層ごとにレーザ光（スポット）で走査して光硬化性樹脂を順次硬化させる方法に比べて、造形に要する時間を短縮することが可能である。

特開２０１５−０１６６１０号公報

しかしながら、特許文献１にて開示されたような三次元造形方法では、環境温度の変動や光硬化性樹脂の光硬化による発熱等によって光硬化性樹脂内での温度分布や温度変化が発生する。そして、光硬化性樹脂の硬化収縮率は温度によって変動するため、造形中に光硬化性樹脂内での硬化収縮率の分布や変化が生じる。この結果、造形された三次元物体に歪みが生じて良好な造形精度が得られない。

本発明は、造形中に光硬化性樹脂内での硬化収縮率の分布や変化が生じても良好な造形精度が得られるようにした三次元造形装置等を提供する。

本発明の一側面としての三次元造形装置は、透光部を有し、液状の光硬化性樹脂を保持する容器と、複数の画素を有し、光源からの光を画素ごとに変調する光変調素子と、光変調素子からの変調光を、透光部を通して光硬化性樹脂に照射する光学系と、三次元形状データを変換情報を用いて複数の二次元変調制御データに変換する変換部と、該複数の二次元変調制御データのそれぞれに基づいて光変調素子を制御する制御部と、光硬化性樹脂のうち変調光を受けて硬化した硬化部を透光部から離れる方向に移動させる移動部材とを有する。そして、変換部は、光硬化性樹脂において変調光が照射される複数の樹脂領域のそれぞれの硬化収縮率に応じた変換情報を、三次元形状データにおいて複数の樹脂領域のそれぞれに対応するデータ領域ごとに設定することを特徴とする。

また、本発明の一側面としての三次元物体製造方法は、透光部を有する容器に液状の光硬化性樹脂を保持し、複数の画素を有して光源からの光を画素ごとに変調する光変調素子を、三次元形状データを変換情報を用いて変換することで得られた複数の二次元変調制御データのそれぞれに基づいて制御して、該光変調素子からの変調光を透光部を通して光硬化性樹脂に照射し、光硬化性樹脂のうち変調光を受けて硬化した硬化部を透光部から離れる方向に移動させて三次元物体を製造する方法である。該製造方法は、光硬化性樹脂において変調光が照射される複数の樹脂領域のそれぞれの硬化収縮率に応じた変換情報を、三次元形状データにおいて複数の樹脂領域のそれぞれに対応するデータ領域ごとに設定することを特徴とする。

なお、上記三次元造形装置のコンピュータに上記三次元物体製造方法に従う三次元造形プロセスを実行させるコンピュータプログラムとしての三次元造形プログラムも、本発明の他の側面を構成する。

本発明によれば、造形中に光硬化性樹脂内で硬化収縮率の分布や変化が生じても、それに応じてデータ領域ごとに変換情報を設定するため、良好な造形精度を得ることができる。

本発明の実施例１である三次元造形装置の構成を示す図。 実施例１の三次元造形装置に用いられる画像形成素子と造形ユニットを示す図。 実施例１における三次元造形プロセスを示すフローチャート。 実施例１におけるＸ方向での温度分布、収縮率分布、データ変換比率および造形物の幅を示す図。 実施例１における時間ごとの温度変化、収縮率変化、データ変換比率および造形物の厚みを示す図。 本発明の実施例２である三次元造形装置の構成を示す図。 本発明の実施例３である三次元造形装置の構成を示す図。 実施例３の三次元造形プロセスを示すフローチャート 本発明の実施例４である三次元造形装置の造形ユニットを示す図。 従来装置における画像データと造形物の歪みを示す図。 従来装置におけるＸ方向での温度分布、収縮率分布、データ変換比率および造形物の幅を示す図。 従来装置における時間ごとの温度変化、収縮率分布、データ変換比率および造形物の厚みを示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例１である三次元造形装置の構成を示す。三次元造形装置１００は、液状の光硬化性樹脂に後述する画像光を照射して硬化させることで形成した造形層を順次積層することで三次元造形物を形成する。本実施例では、画像光が紫外線（以下、ＵＶ光という）であり、光硬化性樹脂として紫外線硬化性樹脂（以下、ＵＶ硬化性樹脂という）を用いる場合を例として説明する。ただし、ＵＶ光以外の画像光およびＵＶ硬化性樹脂以外の光硬化性樹脂を用いてもよい。

三次元造形装置１００は、造形ユニット２００と、造形ユニット２００を制御する制御部３００とを有する。制御部３００には、外部コンピュータである画像処理装置４００が接続されている。

造形ユニット２００は、容器２０１と、移動部材としての保持板２０２と、移動機構２０３と、投射ユニット２５０とを有する。容器２０１は、液状のＵＶ硬化性樹脂ＲＡを保持する液槽であり、その上部には開口が形成されている。容器２０１は、容器本体２１１と、該容器本体２０１の底面に形成された開口を塞ぐように設けられた透光性を有する透光板（透光部）２１２とにより構成されている。ＵＶ硬化性樹脂ＲＡは、所定光量以上のＵＶ光が照射されたときに硬化する特性を有する。このため、硬化させる領域にのみ所定光量以上の光量のＵＶ光を照射することで、目的とする形状を有する造形物ＷＢを形成することができる。

透光板２１２は、ＵＶ光を透過し、かつ酸素を透過するＵＶ／酸素透過性を有する。このような透光板２１２としては、薄いフッ素樹脂板、例えばテフロン（登録商標）ＡＦ２４００を用いることができる。透光板２１２は、空気中の酸素を透過してＵＶ硬化性樹脂ＲＡとの界面に酸素豊富な雰囲気を形成することでＵＶ硬化性樹脂ＲＡのＵＶ光による硬化（ラジカル重合反応）を妨げる。すなわち、ＵＶ硬化性樹脂ＲＡは、ＵＶ光により硬化する一方、酸素豊富な環境では硬化が妨げられる特性を有する。

このため、図２（Ｂ）に示すように、透光板２１２の近傍には、ＵＶ硬化性樹脂ＲＡがＵＶ光を受けても硬化しないデッドゾーン（不感帯）ＤＺが層状に形成される。そして、ＵＶ硬化性樹脂ＲＡのうちデッドゾーンＤＺの直上に位置する層状の部分（以下、造形樹脂液層という）ＰＡがＵＶ光（画像光）を受けることで硬化して、硬化部としての造形層（造形途中の中間物）ＷＡを形成する。これにより、造形層ＷＡが透光板２１２に付着することはない。

なお、透光板２１２を透過する酸素は、上述した空気中の酸素を用いてもよいし、不図示の酸素供給装置（ノズル）を透光板２１２の近傍に配置して透光板２１２に向けて酸素を供給するようにしてもよい。造形ユニット２００または三次元造形装置１００全体を高圧酸素雰囲気中に配置してもよい。

移動機構２０３は、容器２０１の上部開口を通して保持板２０２を上下方向に移動させる。移動機構２０３は、パルスモータとボールねじ等により構成され、制御部３００からの制御によって任意の速度または任意のピッチで保持板２０２を移動させる。以下の説明では、図１中の移動機構２０３による保持板２０２の移動方向（図の上下方向）をＺ方向（厚み方向）とし、該Ｚ方向に直交する方向（図の左右方向）をＸ方向とする。さらに、Ｚ方向およびＸ方向に直交する方向（図中の奥行き方向）をＹ方向とする。

移動機構２０３は、Ｚ方向において、保持板２０２を透光板２１２から離れる方向（上方）および透光板２１２に近づける方向（下方）に移動させる。造形中は、保持板２０２を上記デッドゾーンＤＺに近づいて対向した下端位置から上方に移動させる。保持板２０２が下端位置にある状態で透光板２１２を通して画像光をＵＶ硬化性樹脂ＲＡに照射することで最初の造形層が保持板２０２に付着した状態で形成される。そして、最初の造形層が下端位置から所定量だけ引き上げられた状態で透光板２１２を通して画像光をＵＶ硬化性樹脂ＲＡに照射することで、最初の造形層とデッドゾーンＤＺとの間で次の造形層が最初の造形層に積層されて形成される。この工程を繰り返すことで、順次形成される複数の造形層ＷＡが積層された造形物ＷＢを形成することができる。

容器２０１の下側には投射ユニット２５０が配置されている。投射ユニット２５０は、ＵＶ光源２５１と、ビームスプリッタ２５２と、光変調素子としての画像形成素子２５３と、駆動機構２５４と、投射光学系２５５とを有する。必要に応じて、投射ユニット２５０に投射光路を変更する別の光学素子を追加してもよい。

ＵＶ光源２５１、ビームスプリッタ２５２および光変調素子２５３は水平方向であるＸ方向に直列に配置されている。ビームスプリッタ２５２の上方（Ｚ方向）には、投射光学系２５５が配置されている。投射光学系２５５は、その光出射面が透光板２１２に対向するように配置されている。

ＵＶ光源２５１は、ＵＶ光を発するＬＥＤや高圧水銀ランプ等により構成されている。ＵＶ光源２５１から発せられたＵＶ光は、ビームスプリッタ２５２を透過して画像形成素子２５３にＵＶ光を照射する。

画像形成素子２５３は、複数の画素を有し、照射されたＵＶ光を画素ごとに変調して変調光としての画像光を生成する。本実施例では、画像形成素子２５３として、ＤＭＤ（Digital Micro mirror Device）を用いる。ＤＭＤとしての画像形成素子２５３は、図２（Ａ）に示すように、二次元配列された複数の画素２６１のそれぞれが、２つの角度位置（オン位置とオフ位置）の間で移動（回動）する微細な反射ミラーで構成されている。各画素２６１は、反射ミラーがオン位置にあるオン状態と反射ミラーがオフ位置にあるオフ状態とで明暗を表現する２値制御が可能である。

画像処理装置４００は、三次元物体の形状データとして予め用意された三次元形状データからＺ方向での複数の断面の二次元形状データとしての複数の原画像データを生成する。各原画像データは、二次元の複数の画素位置に対して造形画素位置であることを示す１または非造形画素位置であることを示す０を含む２値化データである。画像処理装置４００は、複数の原画像データが時系列に配列された動画像データを制御部３００に出力する。

制御部３００は、動画像データ内の複数の原画像データ（つまりは三次元形状データ）を、後述する変換情報としてのデータ変換比率を用いて複数の二次元変調制御データとしての複数の補正画像データに変換する。そして、これら複数の補正画像データのそれぞれに基づいて、順次、画像形成素子２５３の画素２６１ごとの２値制御を行うことで、上述したようにＵＶ光を画素２６１ごとに変調して画像光を生成する。なお、制御部３００は、各画素２６１のオン状態とオフ状態との切り替えを高速で行うデューティ制御を行って中間調を表現することもできる。制御部３００は、変換部としても機能する。

また、本実施例では、画像形成素子２５３としてＤＭＤを用いる場合について説明するが、画像形成素子２５３として反射型液晶パネルを用いてもよいし、透過型液晶パネルを用いてもよい。この場合も、画素の反射率または透過率の２値制御による明暗表現だけでなく、反射率または透過率の高速スイッチングによる中間調表現も可能である。その他、明暗や中間調を有する画像光を形成できる素子であれば、画像形成素子２５３として用いることができる。

ビームスプリッタ２５２は、前述したようにＵＶ光源２５１からのＵＶ光を透過させ、画像形成素子２５３からの画像光を投射光学系２５５に向けて反射する。投射光学系２５５は、１つまたは複数のレンズにより構成されており、画像形成素子２５３（ビームスプリッタ２５２）からの画像光を、容器２０１内において画像形成素子２５３と光学的に共役な位置に結像させるように投射（照射）する。本実施例では、この画像光の結像位置を造形位置とする。造形位置は、容器２０１内における上述したデッドゾーンＤＺの直上の位置であり、ＵＶ硬化性樹脂ＲＡのうち造形位置にある造形樹脂液層ＰＡが画像光を受けることで造形層ＷＡが形成される。画像形成素子２５３の各画素からの画像光を造形位置に結像させる、すなわち最も絞った状態とすることにより、良好な解像度の造形層ＷＡを形成することができる。

制御部３００は、ＵＶ光源２５１、移動機構２０３、画像形成素子２５３および駆動機構２５４を制御し、上述した動画像データに応じた造形層ＷＡの形成（硬化）と同期した速度で連続的または断続的に移動機構２０３に保持板２０２を引き上げさせる。これにより、保持板２０２によって上端が保持された造形物ＷＢが成長するように三次元造形が行われる。

このように本実施例の三次元造形装置１００は、順次積層される複数の造形層ＷＡのそれぞれを形成する際に、投射ユニット２５０から画像光を造形位置に一括投射して造形樹脂液層ＰＡを一度に硬化させる。このため、各造形層をレーザ光の走査により形成したり、ＵＶ硬化性樹脂を塗布してから光を照射して形成したりする他の装置に比べて、造形物ＷＢの造形に要する時間を短くすることができる。

制御部３００は、ＣＰＵ３０１と、ＣＰＵ３０１の演算に用いられる作業領域を有するＲＡＭ３０２と、ＲＯＭ３０３とを有するコンピュータとして構成されている。ＲＯＭ３０３は、プログラム３０４が記録された記録媒体であり、ＥＥＰＲＯＭ等の書き換え可能な不揮発性のメモリである。ＣＰＵ３０１は、ＲＯＭ３０３に記録されたコンピュータプログラムとしての三次元造形プログラム３０４を読み出して造形ユニット２００を制御する後述する三次元造形プロセス（三次元物体製造方法）を実行する。

なお、三次元造形プログラム３０４は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体、例えば不揮発性メモリ（半導体メモリ等）、記録ディスク（光ディスクや磁気ディスク）、外部記憶装置（ハードディスク）等に記録されていてもよい。

従来の三次元造形装置において造形を行う際に、環境の変動やＵＶ硬化性樹脂の光硬化による発熱等によってＵＶ硬化性樹脂内での温度分布や温度変化が発生する。ＵＶ硬化性樹脂の硬化収縮率は温度によって変動する。このため、造形中に発生した温度分布や温度変化によって光硬化性樹脂内での硬化収縮率の分布や変化が生じる。この結果、造形された造形物に歪みが生じる。

図１０（Ａ）には、立方体としての造形物を形成するために与えられた三次元形状データの例を示す。該三次元形状データから、ＸＹ面に平行な３つの断面の形状を示す３つの原画像データ５１，５２，５３が得られる。各原画像データは、Ｘ方向（およびＹ方向）に３つに分割されたデータ領域を有する。また、各原画像データは、三次元形状データの単位厚みの造形に用いられる。

また、図１０（Ｂ）には、従来の三次元造形装置（以下、従来装置という）が図１０（Ａ）の原画像データ５１，５２，５３に基づいて画像光をＵＶ硬化性樹脂に照射することにより形成した造形物を示している。造形物は、原画像データ５１，５２，５３に対応する造形層６１，６２，６３が積層されて構成されている。ただし、各造形層の厚みは、三次元形状データの単位厚みに対応する厚みよりも縮んでいる。

図１１（Ａ）には、従来装置で図１０（Ｂ）に示した造形物を造形しているときの造形樹脂液層のＸ方向での温度分布の例を示している。一般的な造形物の造形においては、中心部の方が周辺部より温度が高くなる。図１１（Ｂ）には、図１１（Ａ）に示した温度分布を有する場合の造形樹脂液層におけるＸ方向での硬化収縮率の分布の例を示している。

硬化収縮率は、硬化前のＵＶ硬化性樹脂のサイズ（断面積、体積、幅および厚み）を硬化後のＵＶ硬化性樹脂のサイズで除して得られる比率である。硬化収縮率が１であるときに硬化の前後でＵＶ硬化性樹脂のサイズ（以下、樹脂サイズという）は変化せず、画像光を受けた樹脂サイズが造形層のサイズとなる。また、硬化収縮率が１より大きいときは、硬化前に比べて硬化後の樹脂サイズが縮んでおり、硬化収縮率が大きいほど縮み量が大きいことを示す。逆に硬化収縮率が１より小さいときは、硬化前に比べて硬化後の樹脂サイズが膨張しており、硬化収縮率が小さいほど膨張量が大きいことを示す。図１１（Ｂ）では、温度が高いほど硬化収縮率が高くなっている。

図１１（Ｃ）には、従来装置において造形樹脂液層のＸ方向での複数の樹脂領域に対応する複数のデータ領域に対して設定されるデータ変換比率の例を示している。ここで、本実施例および従来装置におけるデータ変換比率について説明する。

データ変換比率は、例えば、三次元形状データの１断面の原画像データの単位面積（つまりは三次元形状データの単位面積）に対する画像形成素子２５３上の画素数、言い換えればＵＶ硬化性樹脂（造形樹脂液層）に変調光を照射する照射面積の比率である。このデータ変換比率が１であるときの画像形成素子２５３上の画素数を１とすると、データ変換比率が１より大きいときの画像形成素子２５３上の画素数も１より大きくなる。また、データ変換比率は、例えば、三次元形状データの１断面の原画像データに基づいて形成されるべき造形層の厚み（つまりは三次元形状データの単位厚み）に対するＵＶ硬化性樹脂に画像光を照射する照射時間（照射光量）の比率である。このデータ変換比率が１であるときの単位厚みに対する照射時間を１とするとき、データ変換比率が１より大きいときの照射時間も１より大きくなる。

図１１（Ｃ）に示すように、従来装置では、全てのデータ領域に対して同一のデータ変換比率（例えば、１）が設定されている。この場合、図１１（Ｄ）および図１０（Ｂ）に示すように、形成された造形物では、Ｘ方向（およびＹ方向）の中心部ほどサイズ（幅）がより縮むような歪みが生じる。これは、中心部の方が周辺部より温度が高くなり、硬化収縮率も高くなるためである。

さらに、図１２（Ａ）には、造形物の造形の開始から終了までの時間ごとの造形樹脂液層におけるある樹脂領域（例えば中心部）の温度変化の例を示している。造形開始からの時間の経過とともに造形樹脂液層内で熱が蓄積していきその温度が高くなっていく。図１２（Ｂ）には、図１２（Ａ）に示した温度変化に対する樹脂領域における硬化収縮率の変化の例を示している。そして、図１２（Ｃ）には、従来装置において造形開始からの時間ごとに造形対象であるデータ領域に対して設定されるデータ変換比率の例を示している。従来装置では、造形開始からの時間の経過にかかわらず常に同一のデータ変換比率（例えば、１）が設定される。この結果、図１２（Ｄ）および図１０（Ｂ）に示すように、造形物では、造形開始から形成されるまでの経過時間が長いほど、すなわち樹脂領域の温度が高いほど、Ｚ方向のサイズ（厚み）がより縮むような歪みが生じる。図１０（Ｂ）では、造形層６３が最もＺ軸方向に縮んでいる。

このように、造形中に常に同一のデータ変換比率を用いると、造形樹脂液層内での温度分布や温度変化による硬化収縮率の差（分布）に起因した造形物の歪みが発生し、良好な造形精度の造形物が得られない。

そこで、本実施例では、以下に説明する三次元造形プロセスを実行する。図３のフローチャートには、本実施例において制御部３００内のＣＰＵ３０１が前述した三次元造形プログラムに従って実行する三次元造形プロセスの流れを示している。

ステップＳ１において、ＣＰＵ３０１は、画像処理装置４００から複数の原画像データが時系列に配列された動画像データ、つまりは造形する三次元物体の三次元形状データを取得する。

次にステップＳ２において、ＣＰＵ３０１は、図１に示す温度検出手段としてのサーモグラフィセンサ（赤外線カメラ）２５６を用いて、透光板２１２の温度分布をリアルタイムに検出（計測）する。透光板２１２は、前述したデッドゾーＤＺを挟んで前述した造形位置の近傍に位置する。このため、透光板２１２の温度分布を検出することは、造形位置にある造形樹脂液層ＰＡの温度分布を取得することと等価である。透光板２１２の温度分布と造形樹脂液層ＰＡの実際の温度分布とに差が生じる場合は、検出した透光板２１２の温度分布を補正して造形樹脂液層ＰＡの温度分布として用いればよい。

本実施例では、造形樹脂液層ＰＡをＸ方向およびＹ方向のそれぞれに複数に分割することで複数の樹脂領域を設け、検出した温度分布から樹脂領域ごとの温度を取得する。１つの樹脂領域は、画像形成素子２５３の１または２以上の画素から画像光を受ける領域である。また、サーモグラフィセンサ２５６によって所定時間ごとに温度分布を検出することで、樹脂領域ごとの温度変化も検出することができる。なお、造形樹脂液層ＰＡの温度分布を直接、検出する方法を採用してもよい。

次にステップＳ３において、ＣＰＵ３０１は、ステップＳ２で検出した温度分布や温度変化に基づいて、複数の原画像データのそれぞれにおいて複数の樹脂領域のそれぞれに対応するデータ領域について前述したデータ変換比率を取得する。つまりは、次のステップＳ４で生成する補正画像データごとにデータ変換比率を取得する。ここでは、様々な温度分布や温度に対応するデータ領域ごとのデータ変換比率を含むデータテーブルが予めＲＡＭ３０２内の記憶部３０５に記憶されており、ＣＰＵ３０１は、検出した温度分布や温度に対応するデータ変換比率をデータテーブルから読み出す。なお、ＣＰＵ３０１は、演算式を用いて樹脂領域ごとのデータ変換比率を算出してもよい。

次のステップＳ４では、ＣＰＵ３０１は、ステップＳ１で取得したそれぞれの原画像データにそのデータ領域ごとのデータ変換比率を乗じて補正画像データを生成する。このようにして補正画像データを生成することは、三次元形状データを、データ変換比率を用いて補正画像データに変換することに相当する。

次にステップＳ５では、ＣＰＵ３０１は、複数の補正画像データに対応する画像光を順次、造形樹脂液層ＰＡに照射する。また、補正画像データに対応する画像光の照射に同期して保持板２０２が上方に移動するように移動機構２０３を制御する。このようにして所定時間の間、複数の造形層ＷＡからなる造形物ＷＢの造形を行う。

次にステップＳ６において、ＣＰＵ３０１は、補正画像データの全てについて画像光の照射が終了したか否かを判断する。残りの補正画像データがあればステップＳ２に戻って全補正画像データについての画像光の照射が終了するまでステップＳ２からステップＳ５までの処理を繰り返す。

ここで、造形物の造形開始からの時間の経過に伴って光硬化により生じた熱や三次元造形装置１００が設置された空間の温度の変化によって、造形樹脂液層ＰＡの温度が変化するおそれがある。このため、本実施例では、上記所定時間ごとにステップＳ２からステップＳ４の処理を繰り返した上でステップＳ５にて造形を行うようにしている。すなわち、ＣＰＵ３０１は、造形中において所定時間ごとに透光板２１２（造形樹脂液層ＰＡ）の温度分布を検出し、該温度の変化に応じて新たなデータ変換比率をデータテーブルから読み出して補正画像データを更新する。これにより、造形開始から終了に至るまで造形層ＷＡの歪みの発生を抑えることができる。

図４（Ａ）には、本実施例の三次元造形装置１００において造形樹脂液層ＰＡのＸ方向での温度分布の例を示している。図４（Ｂ）には、図４（Ａ）に示した温度分布を有する場合の造形樹脂液層ＰＡにおけるＸ方向での硬化収縮率の分布の例を示している。図４（Ａ）および図４（Ｂ）はそれぞれ、図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）と同じ温度分布および硬化収縮率分布を示している。

図４（Ｃ）には、造形樹脂液層ＰＡにおいて図４（Ａ）に示した温度分布が検出された場合に、造形樹脂液層ＰＡにおけるＸ方向の複数の樹脂領域に対応する複数のデータ領域に対して設定されるデータ変換比率の例を示している。温度が異なる樹脂領域ごとに異なるデータ変換比率が設定されている。具体的には、樹脂領域の温度が高いほど、その樹脂領域に対応するデータ領域のデータ変換比率を大きく、つまりは原画像データの単位面積に対する画像光の照射面積が大きくなるようになるように設定されている。

図４（Ａ）ではＸ方向の中心部の温度が高く、周辺部の温度が低くなっており、これに応じて、図４（Ｃ）でも中心部に対応するデータ領域に対するデータ変換比率が高く、周辺部に対応するデータ領域に対するデータ変換比率が低くなっている。一般に、造形物の中心部の方が周辺部より熱が蓄積して温度が高くなるため、中心部の方がデータ変換比率を大きくしている。これにより、温度がより高い樹脂領域にはより大きな照射面積で画像光が照射される。この結果、図４（Ｄ）に示すように、温度が高く硬化による縮み量が大きい樹脂領域の硬化後の樹脂サイズ（幅）を本来の原画像データが示す樹脂サイズ（幅）Ａに一致または近づけることができる。

一方、樹脂領域の温度が低いほど、その樹脂領域に対応するデータ領域のデータ変換比率を小さくする。これにより、温度が低く硬化による縮み量が小さい樹脂領域の硬化後の樹脂サイズ（幅）も、本来の原画像データが示す樹脂サイズ（幅）Ａに一致または近づけることができる。つまり、原画像データをデータ変換比率を用いて変換して得られた補正画像データに基づいて画像光を造形樹脂液層ＰＡに照射することで、造形樹脂液層ＰＡの温度分布による硬化収縮率の差（分布）に起因する造形物ＷＢの歪み（造形歪み）を抑えることができる。したがって、原画像データに対応する良好な造形精度で造形物ＷＢを形成することができる。

なお、図４（Ａ）〜（Ｄ）ではＸ方向についてのみ説明したが、Ｙ方向についても同様である。

また、図５（Ａ）には、造形の開始から終了までの時間ごとの造形樹脂液層ＰＡ（例えば中心部の樹脂領域）の温度変化の例を示している。図５（Ｂ）には、図５（Ａ）に示した温度変化に対する樹脂領域における硬化収縮率の変化の例を示している。図５（Ａ）および図５（Ｂ）はそれぞれ、図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）と同じ温度分布および硬化収縮率分布を示している。

図５（Ｃ）には、図５（Ａ）に示した温度変化が検出された場合にあるデータ領域（例えば、原画像データの中心のデータ領域）に対して設定されるデータ変換比率の変化の例を示している。ここでは、所定時間ごとに温度を検出し、その温度に応じてデータ変換比率を変更している。造形開始からの時間の経過とともに温度が高くなっていくため、図５（Ｂ）に示すように硬化収縮率も大きくなる。このため、図５（Ｃ）に示すように、時間が経過するほど、つまりは樹脂領域の温度が高くなるほど、その樹脂領域に対応するデータ領域のデータ変換比率をより大きくしている。すなわち、樹脂領域の温度が高いほど、単位厚みに対する照射時間が長くなるようにデータ変換比率が設定されている。照射時間が長くなることで、造形層ＷＡのＺ方向での厚みが増加する。なお、時間の経過に伴ってＺ方向において順次異なる造形層ＷＡが形成されていくため、Ｚ方向に対応する方向でのデータ領域ごとに異なるデータ変換比率が設定されることになる。このことは、ＸおよびＹ方向の各樹脂領域について同様である。

これにより、図５（Ｄ）に示すように、温度変化が生じても樹脂領域の硬化後の樹脂サイズ（厚み）を本来の原画像データが示す樹脂サイズ（厚み）Ｂに一致または近づけておくことができる。つまり、複数の原画像データのそれぞれをデータ変換比率を用いて変換して得られた補正画像データに基づいて画像光を造形樹脂液層ＰＡに照射することで、造形中の温度変化により生じる硬化収縮率の差に起因する造形歪みの発生を抑えることができる。したがって、三次元形状データに対する良好な造形精度で造形物ＷＢを形成することができる。

ただし、ＸおよびＹ方向においてデータ変換比率をデータ領域ごとに異ならせる際に、そのままのデータ領域の位置でデータ変換比率を異ならせると、造形物における互いに隣接する樹脂領域（硬化後の領域）の境界部でオーバーラップや離間が生じるおそれがある。このため、データ変換の原点を造形物（つまりは三次元形状データ）の中心または温度分布の中心に設定し、該原点に近いデータ領域からデータ変換比率に応じたデータ変換を行うことでオーバーラップや離間の発生を抑えることができる。造形物の中心を原点とするのは、一般にそこが温度分布の中心となりやすく、その場合には造形物の中心が硬化収縮率の分布の中心となり、データ変換比率が極値となる。このため、造形物の中心を原点とすることで、多くの場合に上述したオーバーラップや離間の発生を抑えることができる。

なお、図４（Ａ）〜（Ｄ）および図５（Ａ）〜（Ｄ）におけるデータ変換比率を異ならせるデータ領域や時間の分割数は説明のための例に過ぎず、分割数をできるだけ多くすることで、造形物の凹凸を十分に小さく抑えることができる。

次に、図６を用いて、本発明の実施例２である三次元処理装置１００′について説明する。本実施例の三次元処理装置１００′における基本的な構成は実施例１と同じであり、共通する構成要素には実施例１と同符号を付して説明に代える。

本実施例では、容器２０１内にＵＶ硬化性樹脂ＲＡの温度を検出する温度センサ２５８を設けている。これにより、ＵＶ硬化性樹脂ＲＡの温度（の変化）を直接、かつリアルタイムに検出する。

そして本実施例でも、実施例１で図５（Ａ）〜（Ｄ）を用いて説明したように、ＵＶ硬化性樹脂ＲＡの温度変化に応じて造形開始から時間（三次元データにおけるＺ方向に対応する方向でのデータ領域）ごとにデータ変換比率を設定する。これにより、造形中の温度変化により生じる硬化収縮率の変化に起因する造形歪みを抑えることができる。

次に、本発明の実施例２での三次元処理装置１００″について図７を用いて説明する。本実施例の三次元処理装置１００″における基本的な構成は実施例１と同じであり、共通する構成要素には実施例１と同符号を付して説明に代える。

実施例１，２では、サーモグラフィセンサ２５６や温度センサ２５８を用いてＵＶ硬化性樹脂ＲＡの温度分布や温度変化を検出した。一方、本実施例ではそのような温度を検出するセンサを設けず、三次元形状データから造形中の温度分布や温度変化を予測し、該予測結果に基づいてＸ方向（およびＹ方向）やＺ方向に対応する方向のデータ領域ごとのデータ変換比率を設定する。これにより、サーモグラフィセンサ２５６や温度センサ２５８を省いたより簡易な装置構成により造形歪みの発生を抑えることができる。

造形物の造形に用いられる三次元形状データを解析することで、造形中におけるＵＶ硬化性樹脂ＲＡの樹脂領域ごとの画像光の照射タイミングや照射回数等の情報である照射予定情報を予め取得することができる。そしてこのような樹脂領域ごとの照射予定情報から造形中におけるＵＶ硬化性樹脂ＲＡの温度分布や温度変化を予測することが可能である。すなわち、三次元形状データから予測された画像光の照射予定情報を、温度分布や温度変化に関する情報として用いることができる。

より具体的には、各樹脂領域において時間ごとの照射予定情報を移動平均した結果から温度分布や温度変化を予測する。そして、予測した温度分布や温度変化に応じて、実施例１にて図４（Ａ）〜（Ｄ）や図５（Ａ）〜（Ｄ）を用いて説明したようにデータ変換比率を設定する。

図８のフローチャートには、本実施例においてＣＰＵ３０１が三次元造形プログラムに従って実行する三次元造形プロセスの流れを示している。図８のフローチャートのうちステップＳ１およびステップＳ４〜６は実施例１で図３に示したフローチャートと同じである。

図８のステップＳ１２では、ＣＰＵ３０１は、ステップＳ１で取得した三次元データ（複数の原画像データ）を解析して上述したように造形中におけるＵＶ硬化性樹脂ＲＡの樹脂領域ごとの照射予定情報を取得する。そして、該照射予定情報から予測した造形中におけるＵＶ硬化性樹脂ＲＡの温度分布や温度変化に基づいて、三次元データの各データ領域に対するデータ変換比率を取得（設定）する。その後、ステップＳ４に進む。

本実施例では、温度を実際に検出することなく、三次元データを解析して取得した照射予定情報から造形中の温度分布や温度変化を予測してデータ変換比率を設定する。これに代えて、同様に温度を実際に検出しない他のデータ変換比率の設定方法を用いてもよい。例えば、造形物ＷＢ用の三次元形状データとは異なる歪み校正用三次元形状データを用意して校正用造形物の造形を行い、該校正用造形物の形状を計測した結果に基づいてデータ変換比率を設定して記憶部３０５に記憶させてもよい。

また、本実施例で説明した構成と実施例１または２で説明した構成とを組み合わせてもよい。例えば、本実施例の構成で予測した温度分布や温度変化に基づいて設定したデータ変換比率を、実施例１または２の構成で造形中に実際に検出した温度分布や温度変化に応じて補正する。これにより、温度分布等を予測した時点とは異なる実際の造形中の環境温度の変化の影響を低減しつつ造形歪みの発生を抑えることができる。

なお、上記各実施例では、三次元形状データを補正画像データ（変調制御データ）に変換するために用いる変換情報としてデータ変換比率を用いた。しかし、変換情報は必ずしもデータ変換比率そのものである必要はなく、データ変換比率を係数化した値等、データ変換比率に関する情報であればよい。

実施例１〜３では、造形ユニット２００において、容器２０１の底部に設けられた透光板２１２を通して画像光を容器２０１内のＵＶ硬化性樹脂ＲＡに照射する場合について説明した。しかし、図９（Ａ）に示す本発明の実施例３の造形ユニット２００′のように、投射ユニット２５０からの画像光を容器２０１′の天井部に設けた透光板２１２を通してＵＶ硬化性樹脂ＲＡに照射してもよい。この場合、移動機構２０３′により保持板２０２′を下方に移動させながら造形層ＷＡを順次形成していけばよい。

また、図９（Ｂ）に示す造形ユニット２００″のように、投射ユニット２５０からの画像光を容器２０１″の側面部に設けた透光板２１２を通してＵＶ硬化性樹脂ＲＡに照射してもよい。この場合、移動機構２０３″により保持板２０２″を透光板２１２から離れる水平方向に移動させながら造形層ＷＡを順次形成していけばよい。

図９（Ａ），（Ｂ）に示す構成においても、環境温度の変動や光硬化性樹脂の光硬化による発熱等によって光硬化性樹脂内での温度分布や温度変化が発生する。このため、実施例１〜３で説明した三次元造形プロセスを実行することで、造形歪みの発生を抑えることができる。

また、上述した各実施例では、透光板２１２を透過した酸素によってデッドゾーンが形成される場合について説明した。しかし、ＵＶ硬化性樹脂ＲＡと透光板２１２との間にＵＶ硬化性樹脂ＲＡとは異なる離形剤（離形層）を設けてもよいし、容器２０１（２０１′，２０１″）を微細振動させることで造形層が透光板２１２に付着しないようにしてもよい。
（その他の実施例）
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

１００，１００′，１００″ 三次元造形装置
２０１ 容器
２０２ 保持板（移動部材）
２１２ 透光板（透光部）
２５１ ＵＶ光源
２５３ 画像形成素子（光変調素子）
２６１ 画素
３００ 制御部

Claims (13)

1. 透光部を有し、液状の光硬化性樹脂を保持する容器と、
   複数の画素を有し、光源からの光を前記画素ごとに変調する光変調素子と、
   前記光変調素子からの変調光を、前記透光部を通して前記光硬化性樹脂に照射する光学系と、
   三次元形状データを変換情報を用いて複数の二次元変調制御データに変換する変換部と、
   前記複数の二次元変調制御データのそれぞれに基づいて前記光変調素子を制御する制御部と、
   前記光硬化性樹脂のうち前記変調光を受けて硬化した硬化部を前記透光部から離れる方向に移動させる移動部材とを有し、
   前記変換部は、前記光硬化性樹脂において前記変調光が照射される複数の樹脂領域のそれぞれの硬化収縮率に応じた前記変換情報を、前記三次元形状データにおいて前記複数の樹脂領域のそれぞれに対応するデータ領域ごとに設定することを特徴とする三次元造形装置。
2. 前記変換部は、前記複数の樹脂領域のそれぞれの前記硬化収縮率に応じた前記変換情報を、前記二次元変調制御データごとに設定す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. 前記変換情報は、前記三次元形状データにおける単位面積と前記光硬化性樹脂に前記変調光を照射する照射面積との比率に関する情報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. 前記変換部は、前記硬化収縮率が高いほど、前記単位面積に対する前記照射面積が大きくなるように前記比率を設定することを特徴とする請求項３に記載の三次元造形装置。
5. 前記変換情報は、前記三次元形状データにおける単位厚みと前記光硬化性樹脂に前記変調光を照射する照射時間との比率に関する情報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。
6. 前記変換部は、前記硬化収縮率が高いほど、前記単位厚みに対する前記照射時間が長くなるように前記比率を設定することを特徴とする請求項５に記載の三次元造形装置。
7. 前記光硬化性樹脂の温度分布または温度変化を検出するための温度検出手段を有し、
   前記変換部は、前記温度検出手段により検出された前記温度分布または前記温度変化に応じて前記変換情報を設定することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の三次元造形装置。
8. 前記変換部は、前記三次元形状データに応じて前記変換情報を設定することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の三次元造形装置。
9. 前記変換部は、前記三次元形状データに応じた前記複数の樹脂領域に対する前記変調光の照射予定情報を用いて前記変換情報を設定することを特徴とする請求項８に記載の三次元造形装置。
10. 前記変換部は、校正用三次元形状データに基づいて前記光変調素子を制御することで形成された前記硬化部の形状を計測した結果を用いて前記変換情報を設定することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の三次元造形装置。
11. 前記変換部は、前記三次元形状データが示す三次元物体の中心または前記光硬化性樹脂における温度分布の中心を原点として前記変換情報を設定することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の三次元造形装置。
12. 透光部を有する容器に液状の光硬化性樹脂を保持し、
    複数の画素を有して光源からの光を前記画素ごとに変調する光変調素子を、三次元形状データを変換情報を用いて変換することで生成された複数の二次元変調制御データのそれぞれに基づいて制御して、該光変調素子からの変調光を前記透光部を通して前記光硬化性樹脂に照射し、
    前記光硬化性樹脂のうち前記変調光を受けて硬化した硬化部を前記透光部から離れる方向に移動させて三次元物体を製造する三次元物体製造方法であって、
    前記光硬化性樹脂において前記変調光が照射される複数の樹脂領域のそれぞれの硬化収縮率に応じた前記変換情報を、前記三次元形状データにおいて前記複数の樹脂領域のそれぞれに対応するデータ領域ごとに設定することを特徴とする三次元物体製造方法。
13. 透光部を有して液状の光硬化性樹脂を保持する容器と、複数の画素を有して光源からの光を前記画素ごとに変調する光変調素子と、前記光変調素子からの変調光を前記透光部を通して前記光硬化性樹脂に照射する光学系とを有する三次元造形装置のコンピュータに三次元造形プロセスを実行させるコンピュータプログラムであって、
    前記コンピュータに、
    三次元形状データを変換情報を用いて複数の二次元変調制御データに変換させ、
    該複数の二次元変調制御データのそれぞれに基づいて前記光変調素子を制御させ、
    前記光硬化性樹脂のうち前記変調光を受けて硬化した硬化部を前記透光部から離れる方向に移動させる処理を行わせ、
    さらに前記コンピュータに、前記光硬化性樹脂において前記変調光が照射される複数の樹脂領域のそれぞれの硬化収縮率に応じた前記変換情報を、前記三次元形状データにおいて前記複数の樹脂領域のそれぞれに対応するデータ領域ごとに設定させることを特徴とする三次元造形プログラム。