JP2018114652A - 立体物造形装置及び立体物造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】着弾した造形材の効果的な平坦化を実現することができ、立体物の成形精度を向上することができる立体物造形装置及び立体物造形方法を提供する。【解決手段】立体物造形装置１は、造形物Ａを載置するための載置台１０と、該載置台とＹ軸方向に相対移動しながら造形物Ａを成形するための造形材を吐出するキャリッジ２０と、載置台１０と相対移動しながら載置台１０上に着弾した硬化前の造形材に接触することで当該造形材を平坦化させるローラ３０−１と、載置台１０上の造形材を硬化させる硬化ユニット４０−１と、キャリッジ２０及びローラ３０−１の載置台１０との相対移動を制御する制御部４５とを有している。キャリッジ２０のノズル列２４−１は、造形材の液滴を吐出する複数のノズル２４−１ａ〜２４−１ｆがＸ方向と交差する方向に列設されてなる。ローラ３０−１は、載置台１０に対してＹ方向に交差するＸ方向に相対移動可能に設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、立体的な造形物を成形する立体物造形装置及び立体物造形方法に関する。

従来、スライス単位の層状体を固化させながら鉛直方向に順次積層することで、立体的な造形物を成形する立体物造形装置（いわゆる３Ｄプリンタ）が開発されている。このような立体物造形装置のうち、インクジェット方式が採用されているものでは、精度の良い造形を行うために、各層の形成において高さ方向にマージンをもってモデル材やサポート材等の造形材料を吐出し、樹脂の吐出後に、ノズルから吐出された樹脂の余剰分を、余剰樹脂回収機構で回収しながら造形を行っている。

従来のインクジェット方式の立体物造形装置として、例えば図１１に示すものがある。この立体物造形装置１００は、モデル材吐出ノズル１２１及びサポート材吐出ノズル１２２を有するヘッド部１２０と、Ｚ方向に昇降自在な造形プレート１４０とを備える。この立体物造形装置では、ヘッド１２０のノズル列１２３と平行に硬化手段１２４及びローラ１２５を設けて、ヘッド１２０をノズル列１２３の方向（図中のＹ’方向）と交差する方向（図中のＸ’方向）に走査させて造形材を吐出し、吐出させた造形材のうち余剰分をローラ１２５で掻き取り、その後、硬化手段１２４で造形材を硬化する。このように、本構成ではローラ１２５が移動しながら未硬化の造形材の余剰分を掻き取るため、ローラ１２５の移動方向に造形材が流動し、ローラ１２５の移動方向である主走査方向に隣接する着弾造形材（ドット）を一体化させ、平坦化を促進することが可能となっている（特許文献１参照）。

特開２０１３−６７１１６号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、ヘッドの一走査（主走査）で着弾する造形材のノズル列方向（Ｙ’方向）における間隔は、隣接するノズルの間隔に相当するものであり、ヘッド固有の値（一定値）である。一方、副走査方向（Ｘ’方向）における造形材の着弾間隔は、ヘッドの副走査方向への駆動制御によって調整することができる。よって、ノズル列方向（主走査方向）の着弾間隔は、副走査方向の着弾間隔よりも広くなり易い。また、ローラの移動方向がヘッドの副走査方向と同じであるため、着弾した造形材が、主に着弾間隔が狭い副走査方向に流動する。この結果、ローラの移動方向、すなわちノズル列方向に隣接する着弾後の造形材が一体化され難く、ノズル列方向（Ｙ’方向）に関して効果的な平坦化を行うことができず、立体物の成形精度が低下するという問題がある。

本発明の目的は、着弾した造形材の効果的な平坦化を実現することができ、立体物の成形精度を向上することができる立体物造形装置及び立体物造形方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る立体物造形装置は、造形物を載置するための載置台と、前記載置台と第一方向に相対移動しながら前記造形物を成形するための造形材を吐出する吐出手段と、前記載置台と相対移動しながら前記載置台上に着弾した硬化前の前記造形材に接触することで前記造形材を平坦化させる平坦化手段と、前記載置台上の前記造形材を硬化させる硬化手段と、前記吐出手段及び前記平坦化手段の前記載置台との相対移動を制御する移動制御部とを有し、前記吐出手段は、前記造形材の液滴を吐出する複数のノズルが前記第一方向と交差する方向に列設されたノズル列を有し、前記平坦化手段は、前記載置台に対して前記第一方向に交差する第二方向に相対移動可能に設けられることを特徴とする。

本構成によれば、第一方向（主走査方向）に交差する第二方向（副走査方向）に平坦化手段を移動させることで、硬化前の造形材の第一方向への流動のみならず、第二方向への流動を促すことができる。よって、ノズル列方向に隣接する造形材の連結が促進され、これにより効果的な平坦化を行うことができ、造形物の成形精度を向上することができる。

また、前記硬化手段は、前記平坦化手段の平坦化領域以上の硬化領域を有する第一硬化手段を有し、前記第一硬化手段は、前記第二方向に移動しながら、前記平坦化手段による平坦化タイミングから所定期間経過後に、前記造形材を硬化させる。

これにより、着弾した硬化前の造形材を平坦化した後、一定時間経過後に当該造形材を硬化させることで、硬化前に造形材の表面が重力によりならされ、平坦化のばらつきを抑制することができ、表面が均一に平坦化された状態で造形材を硬化することができる。

また、前記立体物造形装置は、前記第二方向に延在したＸバーと、前記第二方向に移動可能となるように前記Ｘバーに取り付けられ、前記第一方向に延在したＹバーとを更に有し、前記吐出手段は、前記第一方向に移動可能となるように前記Ｙバーに取り付けられ、前記平坦化手段は、前記第一方向に延在し、且つ前記第二方向に移動可能に設けられ、前記Ｙバー及び前記平坦化手段の双方が、前記移動制御部によって前記第二方向に移動する。

本構成によれば、吐出手段が第一方向及び第二方向の双方に移動し、平坦化手段が第二方向に移動するので、載置台を第一，第二方向に移動させる必要がなく、省スペースで立体物を造形することができる。

また、前記載置台は、前記第二方向及び前記造形材の積層方向の双方に移動可能に設けられ、前記吐出手段及び前記平坦化手段は、前記載置台の造形領域の前記第二方向における距離Ｌ以上離間して配置される。

これにより、載置台を第二方向及び積層方向の双方に移動し、吐出手段を第一方向に移動させることで造形することができ、これらを移動させるための駆動制御が容易となる。

また、前記硬化手段は、前記第二方向において前記吐出手段と重なる位置であって、前記第一方向において前記ノズル列と平行配置された第二硬化手段を更に有し、前記第二硬化手段は、前記造形材を仮硬化可能なエネルギーを当該造形材に付与する。

これにより、第二硬化手段が吐出手段のノズル列と平行に設けられるので、１又は複数の単位層の形成の際に第二硬化手段により造形材を仮硬化させ、更に１又は複数の単位層ごとに第一硬化手段で造形材を本硬化させることができる。よって、第一硬化手段による硬化が行われる際に、造形材に含まれるインクが流れ出したり、或いはインクを含有しない他の造形材と混ざるのを抑制することができ、造形精度を更に向上することが可能となる。

上記目的を達成するために、本発明に係る立体物造形方法は、立体的な造形物を成形する立体物造形方法であって、造形材の液滴を吐出する複数のノズルが第一方向と交差する方向に列設されたノズル列を有する吐出手段を載置台と前記第一方向に相対移動させながら、前記造形物を成形するための造形材を前記載置台上に吐出する吐出工程と、前記第一方向に交差する第二方向に移動可能に設けられた平坦化手段を前記載置台と相対移動させて、該載置台上に着弾した硬化前の前記造形材に接触することで前記造形材を平坦化させる平坦化工程と、前記載置台上の前記造形材を硬化させる硬化工程と、を有することを特徴とする。本方法によれば、上記立体物造形装置と同様の効果を奏することができる。

本発明によれば、着弾した造形材の効果的な平坦化を実現することができ、立体物の成形精度を向上することができる。

（ａ）は、本発明の実施形態に係る立体物造形装置のハードウェア構成を概略的に示す平面図であり、（ｂ）は線Ｉ−Ｉに沿う断面図である。 図１の立体物造形装置の電気的構成を概略的に示すブロック図である。 （ａ）は、図１の立体物造形装置における吐出手段及び平坦化手段を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）の吐出手段の拡大平面図である。 （ａ）は、吐出手段により造形材が載置台上に着弾した状態を示す平面図であり、（ｂ）は、平坦化手段により着弾後の造形材が平坦化された状態を示す平面図である。 図１の立体物造形装置で実行される立体物造形方法を示すフローチャートである。 （ａ）は、図１の立体物造形装置の変形例を示す平面図であり、（ｂ）は平面図である。 図６の立体物造形装置で実行される立体物造形方法を示すフローチャートである。 図１の立体物造形装置の他の変形例を示す平面図である。 図１の立体物造形装置の他の変形例を示す平面図である。 図１の立体物造形装置における硬化手段の変形例を示す平面図である。 従来の立体物造形装置の構成を示す平面図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら詳細に説明する。

図１（ａ）は、本発明の実施形態に係る立体物造形装置のハードウェア構成を概略的に示す平面図であり、図１（ｂ）は、線Ｉ−Ｉに沿う断面図である。この立体物造形装置は、インクジェット方式の装置（いわゆる３Ｄプリンタ）である。

同図に示すように、立体物造形装置１は、造形物Ａを載置するための載置台１０と、該載置台とＹ軸方向（第一方向、主走査方向ともいう）に相対移動しながら造形物Ａを成形するための造形材を吐出するキャリッジ２０（吐出手段）と、載置台１０と相対移動しながら載置台１０上に着弾した硬化前の造形材に接触することで当該造形材を平坦化させるローラ３０−１，３０−２（平坦化手段）と、載置台１０上の造形材を硬化させる硬化ユニット４０−１，４０−２（硬化手段）と、キャリッジ２０及びローラ３０−１，３０−２の載置台１０との相対移動を制御する制御部４５とを有している（図２参照）。本実施形態では、Ｘ軸方向（第二方向、副走査方向ともいう）に関してキャリッジ２０の両側にそれぞれ一組のローラ及び硬化ユニットが配置されており、装置全体で二組のローラ及び硬化ユニットが設けられている。

載置台１０は、造形物Ａが載置される、Ｚ軸に直交する面（Ｘ−Ｙ平面）を形成する載置面１１を有している。載置台１０は、載置台移動用モータ１２の駆動により（図２参照）、載置面１１をＺ軸方向に昇降することが可能である。載置面１１における破線部分は、造形することが可能な領域（造形領域）である。

キャリッジ２０は、載置台１０を跨ぐように配置された支持体５０に支持される。支持体５０は、Ｚ軸方向に延出するポール５１と、該ポールに固定され、Ｘ軸方向に沿って互いに平行に延びる一対のガイドレール５２，５２（Ｘバー）と、ガイドレール５２，５２のそれぞれに長手方向に移動可能に取り付けられる２つのスライダ５３，５３と、２つのスライダ５３，５３間に架け渡されると共にＹ軸方向に延びるキャリッジレール５４（Ｙバー）を有する。キャリッジ２０は、キャリッジ移動用モータ２１の駆動により（図２）、ガイドレール５２に沿って移動し（Ｘ軸方向）、且つキャリッジレール５４に沿って移動する（Ｙ軸方向）。これにより、キャリッジ２０及び載置台１０は、互いに交差するＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に対してそれぞれ相対的に移動可能である。なお、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の３つの方向は、互いに直交するが、本発明においては第一方向と第二方向が必ずしも直交していなくてもよい。

キャリッジ２０は、制御部４５からの信号に応じて、硬化前の造形材（液滴ともいう）を載置面１１上あるいは造形物Ａの上面Ａ１上に吐出する。キャリッジ２０の構成については追って後述する。

ローラ３０−１は、ガイドレール５２，５２のそれぞれに長手方向に移動可能に取り付けられた２つのスライダ５５−１，５５−１に固定され、これらスライダ５５−１，５５−１間に架け渡されると共にＹ方向に延在している。ローラ３０−１は、キャリッジ２０の１層分の走査完了に伴って、上面Ａ１上に着弾した造形材を平坦化する。本実施形態のローラ３０−１は、ローラ移動用モータ３１の駆動により（図２参照）、ガイドレール５２に沿って移動し（Ｘ軸方向）、Ｙ軸方向及びＺ軸方向には移動しない構成となっている。

硬化ユニット４０−１は、ガイドレール５２，５２のそれぞれに長手方向に移動可能に取り付けられた２つのスライダ５６−１，５６−１に固定されており、２つのスライダ５６−１，５６−１間に架け渡されると共にＹ方向に延在している。本実施形態の硬化ユニット４０−１は、硬化ユニット移動用モータ４１の駆動により（図２参照）、ガイドレール５２に沿って移動し（Ｘ軸方向）、Ｙ軸方向及びＺ軸方向には移動しない構成となっている。

硬化ユニット４０−１は、上面Ａ１上に着弾した造形材に各種エネルギーを付与し、当該造形材を硬化する。例えば、造形材が紫外線硬化樹脂である場合、硬化ユニット４０−１は、紫外線を照射する紫外光源、例えば希ガス放電灯、水銀放電灯、蛍光灯ランプ又はＬＥＤ（Light Emitting Diode）アレイを含んで構成される。また、造形材が熱硬化樹脂である場合、硬化ユニット４０−１は、熱エネルギーを付与する加熱装置と、必要に応じて造形物Ａを冷却する冷却装置とを含んで構成される。

ローラ３０−１及び硬化ユニット４０−１は、キャリッジ２０の＋Ｘ方向に関して後方に近接して配置されており、キャリッジ２０の副走査方向（＋Ｘ方向）への移動によって１層分の走査が完了した後、互いに協働して或いは独立して＋Ｘ方向に移動する。

ローラ３０−２は、ローラ３０−１と同様、ガイドレール５２，５２のそれぞれに長手方向に移動可能に取り付けられた２つのスライダ５５−２，５５−２に取り付けられており、２つのスライダ５５−２，５５−２間に架け渡されると共にＹ方向に延在している。

また硬化ユニット４０−２は、硬化ユニット４０−１と同様、ガイドレール５２，５２のそれぞれに長手方向に移動可能に取り付けられた２つのスライダ５６−２，５６−２に取り付けられており、２つのスライダ５６−２，５６−２間に架け渡されると共にＹ方向に延在している。ローラ３０−２及び硬化ユニット４０−２は、それぞれローラ移動用モータ３１及び硬化ユニット移動用モータ４１の駆動により、ガイドレール５２に沿って移動し（Ｘ軸方向）、Ｙ軸方向及びＺ軸方向には移動しない。硬化ユニット４０−２は、硬化ユニット４０−１と同様、上面Ａ１上に着弾した造形材に各種エネルギーを付与し、当該造形材を硬化する。硬化ユニット４０−２のエネルギー付与の方法は、硬化ユニット４０−１と同じであってもよいし、異なる方法であってもよい。

ローラ３０−２及び硬化ユニット４０−２は、キャリッジ２０の＋Ｘ方向に関して前方に近接して配置されており、キャリッジ２０の副走査方向（−Ｘ方向）への移動によって１層分の走査が完了した後、協働して或いは独立して−Ｘ方向に移動する。

図２は、図１の立体物造形装置１の電気的構成を概略的に示すブロック図である。同図に示すように、立体物造形装置１は、外部通信Ｉ／Ｆ６１、入力部６２、出力部６３、記憶部６４、制御部４５、データ処理部６５、モータ駆動部６６、吐出ユニット駆動部６７、硬化ユニット駆動部６８、載置台移動用モータ１２、キャリッジ移動用モータ２１、ローラ移動用モータ３１、硬化ユニット移動用モータ４１及び液滴用アクチュエータ２２を有している。

外部通信Ｉ／Ｆ６１は、シリアルＩ／Ｆ又はパラレルＩ／Ｆで構成され、造形物Ａを示す画像情報を含む電気信号を図示しない外部装置（ＰＣ等）から受信する。入力部６２は、マウス、キーボード、タッチセンサ又はマイクロフォンを含んで構成される。出力部６３は、ディスプレイ又はスピーカを含んで構成される。記憶部６４は、コンピュータ読み取り可能であって非一過性の記憶媒体、具体的にはメモリ装置で構成される。

データ処理部６５は、外部通信Ｉ／Ｆ６１を介して造形データを取得すると共に、必要に応じて当該造形データを修正する。また、データ処理部６５は、造形処理実行時に、液滴の吐出の有無及び吐出位置を示す中間データ（吐出データともいう）を作成する。

モータ駆動部６６（駆動制御部）は、載置台移動用モータ１２、キャリッジ移動用モータ２１、ローラ移動用モータ３１及び硬化ユニット移動用モータ４１とそれぞれ電気的に接続されている。モータ駆動部６６は、載置台移動用モータ１２及びキャリッジ移動用モータ２１の少なくとも一方を駆動することで、キャリッジ２０を載置台１０に対して三次元方向（Ｘ軸−Ｙ軸−Ｚ軸方向）に相対移動させる。また、モータ駆動部６６は、ローラ移動用モータ３１及び硬化ユニット移動用モータ４１を駆動することで、ローラ３０−１，３０−２、並びに硬化ユニット４０−１，４０−２をＸ軸方向に移動する。

吐出ユニット駆動部６７は、制御部４５から供給される吐出データに基づき、液滴用アクチュエータ２２の駆動波形信号を生成し、この波形信号をキャリッジ２０に出力する。硬化ユニット駆動部６８は、紫外線や熱などの各種エネルギーを付与するための駆動信号を生成し、この駆動信号を硬化ユニット４０−１，４０−２に出力する。

制御部４５は、立体物造形装置１を構成する各部の制御を司る演算装置であり、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）又はＭＰＵ（Micro-Processing Unit）によって構成されている。制御部４５は、記憶部６４に格納されたプログラムを読み出し実行することで、立体物造形装置１の各機能を実現する。

図３（ａ）は、図１の立体物造形装置１におけるキャリッジ２０及びローラ３０−１を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のキャリッジ２０の拡大平面図である。
キャリッジ２０は、キャリッジ本体２３と、硬化前の造形材を吐出する吐出ユニット２４を有している。この吐出ユニット２４は、互いに平行に並べて配置される複数のノズル列２４−１〜２４−５で構成されている。ノズル列２４−１は、造形材の液滴を吐出する複数のノズル２４−１ａ〜２４−１ｆがＸ方向と交差する方向（Ｙ方向）に列設されてなる。そして、複数のノズル２４−１ａ〜２４−１ｆは、液滴用アクチュエータ２２の作動により、所定タイミングで液滴を吐出する。ノズル列２４−２，２４−３、２４−４，２４−５も、ノズル列２４−１と同様の構成であるので、その説明を省略する。

ローラ３０−１は、載置台１０に対してＹ方向に交差するＸ方向に相対移動可能に設けられている。本実施形態では、スライダ５５−１とスライダ５３とが同一のガイドレール５２に取り付けられており、キャリッジ２０とローラ３０−１とがＺ方向に関して同じ位置（高さ）で移動する。

キャリッジ２０がＹ方向（主走査方向）に移動する際に、液滴が造形物Ａの上面Ａ１に着弾した状態を図４（ａ）に示す。説明の便器上、吐出ユニット２４がＹ方向に移動しながら吐出動作を１回行った場合を説明する。

吐出ユニット２４におけるノズル列２４−１〜２４−５の各ノズルから所定量の液滴が吐出されると、各液滴が造形物Ａの上面Ａ１に着弾する。これにより、上記複数のノズルに対応する位置に、硬化前の造形材１ａ〜１ｆ，２ａ〜２ｆ，３ａ〜３ｆ、４ａ〜４ｆ、５ａ〜５ｆが形成される。このドット状に形成された複数の造形材１ａ〜５ｆにおいて、Ｘ方向の着弾間隔Ｐ１は、Ｙ方向の着弾間隔Ｐ２よりも大きい（Ｐ１＞Ｐ２）。

図４（ｂ）は、ローラ３０−１により造形材１ａ〜５ｆが平坦化された状態を示す平面図である。キャリッジ２０の１層分の走査が完了すると、ローラ３０−１はＸ軸方向（副走査方向）に移動し、硬化前の造形材１ａ〜５ｆと接触しながら、造形物Ａの上面Ａ１を平坦化する。このとき、硬化前の造形材１ａ〜５ｆは、ローラ３０−１から付与される応力によってＸ軸方向及びＹ軸方向に流動し、隣接する造形材同士が一体化される。また、ローラ３０−１の移動方向がＸ軸方向であるため、Ｘ軸方向への流動量がＹ軸方向への流動量よりも多くなる。よって、着弾間隔Ｐ１で形成された造形材同士が確実に一体化し、また、着弾間隔Ｐ２で形成された造形材同士も一体化され、これにより平面視においてほぼ隙間のない層部Ｂが形成される。換言すれば、Ｘ方向に沿うスジが生じ難くなり，効率的に平坦化することができる。

図５は、図１の立体物造形装置１で実行される立体物造形方法のフローチャートである。記憶部６４には、立体物造形装置１の動作を制御するための制御プログラムが格納されており、制御部４５が当該制御プログラムを読み出して各処理を実行する。

先ず、制御部４５は、画像入力Ｉ／Ｆ６１を介して造形物に関する情報（造形物データ）を取得し、載置面１１上における造形物の載置位置を決定する（ステップＳ１）。このとき、上記造形物を支持するためのサポート部材が必要な場合には、サポート部材に関する情報（サポート部材データ）を合わせて取得、決定する。

次いで１層目の造形を開始する。具体的には、載置台１０をＺ軸方向に移動する（ステップＳ２）。その後、ステップＳ１で決定された造形物の載置位置に基づいて、キャリッジ２０を初期位置から＋Ｙ方向に移動しながら、吐出ユニット２４から液滴を吐出する（ステップＳ３）。すなわち、本ステップでは、液滴を吐出する複数のノズル１ａ〜１ｆがＹ軸方向と交差するＸ軸方向に列設されたノズル列２４−１を有する吐出ユニット２４を載置台１０とＹ軸方向に相対移動させながら、造形物を成形するための造形材を載置台１０上に吐出する（吐出工程）。

次いで、キャリッジ２０を＋Ｘ方向に所定距離移動した後（ステップＳ４）、キャリッジ２０を−Ｙ方向に移動しながら、液滴を吐出する（ステップＳ５）。そして上記ステップＳ３〜Ｓ５を繰り返して、キャリッジ２０の＋Ｘ方向への移動が完了し、第１層分の着弾が完了する（ステップＳ６）。

次いで、ローラ３０−１（第１ローラ）を＋Ｘ方向に移動して、ステップＳ６で着弾完了した造形材を平坦化する（ステップＳ７）。すなわち本ステップでは、Ｙ軸方向に交差するＸ軸方向に移動可能に設けられたローラ３０−１を載置台１０と相対移動させて、該載置台上に着弾した硬化前の造形材に接触させることで造形材を平坦化する（平坦化工程）。これにより、硬化前の造形材が一体化される。その後、硬化ユニット４０−１（第１硬化ユニット）を＋Ｘ方向に移動しながら造形材にエネルギーを付与して、ステップＳ７で平坦化された載置台１０上の造形材を硬化する（ステップＳ８）。これにより、造形物における第１層が形成される。このとき、硬化ユニット４０−１は、ローラ３０−１による平坦化タイミングから所定期間経過後に、＋Ｘ方向に移動しながら造形材を硬化させてもよい。

次に、第１層上に第２層を積層する。具体的には、載置台を−Ｚ方向に所定距離移動する（ステップＳ９）。そしてキャリッジ２０を−Ｙ方向に移動しながら液滴を吐出する（ステップＳ１０）。このとき、液滴は上記ステップＳ８で形成された硬化後の第１層上に吐出される。次いで−Ｘ方向に移動した後（ステップＳ１１）、＋Ｙ方向に移動しながら液滴を吐出する（ステップＳ１２）。これらステップＳ１０〜Ｓ１２を繰り返して、キャリッジ２０の−Ｘ方向への移動が完了し、第２層分の着弾が完了する（ステップＳ１３）。

次いで、ローラ３０−２（第２ローラ）を−Ｘ方向に移動して、ステップＳ１３で着弾完了した造形材を平坦化する（ステップＳ１４）。これにより、硬化前の造形材が一体化される。また、硬化ユニット４０−２（第２硬化ユニット）を−Ｘ方向に移動しながら造形材にエネルギーを付与して、ステップＳ１４で平坦化された造形材を硬化する（ステップＳ１５）。このとき、硬化ユニット４０−２は、ローラ３０−２による平坦化タイミングから所定期間経過後に、−Ｘ方向に移動しながら造形材を硬化させてもよい。これにより、造形物における第２層が形成される。その後、造形物全体を構成するための全層が形成されたか否かを判定し（ステップＳ１６）、全層が形成されていなければ、ステップＳ２に戻って以後のステップを実行し、全層が形成されていれば本処理を終了する。

本構成によれば、Ｙ軸方向、すなわち主走査方向に交差するＸ軸方向（副走査方向）にローラ３０−１，３０−２を移動させることで、硬化前の造形材のＹ軸方向への流動のみならず、Ｘ軸方向への流動を促すことができる。よって、ノズル列方向に隣接する造形材の連結が促進され、これにより効果的な平坦化を行うことができ、造形物の成形精度を向上することができる。また、ノズル列方向の着弾間隔Ｐ１が物理的に制約される場合であっても、着弾した硬化前の造形材を主に副走査方向に流動させることができ、ノズル列方向（Ｘ軸方向）に関して効果的な平坦化を行うことができる。

また、キャリッジ２０がＹ軸方向及びＸ軸方向の双方に移動し、ローラ３０−１，３０−２がＸ軸方向に移動するので、載置台１０をＹ軸方向，Ｘ軸方向に移動させる必要がなく、省スペースで立体物を造形することができる。

更に、着弾した硬化前の造形材を平坦化した後、一定時間経過後に当該造形材を硬化させることで、硬化前に造形材の表面が重力によりならされ、平坦化のばらつきを抑制することができ、表面が均一に平坦化された状態で造形材を硬化することができる。また、＋Ｘ方向と−Ｘ方向の双方向で吐出行程、平坦化工程及び硬化工程を実行できるため、一方向の実行と比較して造形時の時間短縮を実現できる。

図６（ａ）は、図１の立体物造形装置の変形例を示す平面図であり、（ｂ）は平面図である。図１の立体物造形装置１は、二組のローラ及び硬化ユニットが設けられているが、図６の立体物造形装置は、一組のローラ及び硬化ユニットが設けられている点で異なる。なお、図６の立体物造形装置は、上記以外の部分については図１のものと基本的に同じであるので、その説明を省略し、以下に異なる部分を説明する。

図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、立体物造形装置２は、支持体７０を備えており、この支持体７０は、Ｚ軸方向に延出するポール５１と、該ポールに固定され、Ｘ軸方向に沿って互いに平行に延びる一対のガイドレール５２，５２と、ポール５１に固定され、Ｘ軸方向に沿って互いに平行に延び且つ一対のガイドレールのＺ軸方向下方に配置された一対のガイドレール７１，７１を備えている。一対のガイドレール５２，５２には、キャリッジレール５４が固定されるスライダ５３，５３が移動可能に取り付けられ、一対のガイドレール７１，７１には、ローラ３０が固定されるスライダ７２，７２と、硬化ユニット４０が固定されるスライダ７３，７３が取り付けられる。すなわち本変形例では、一対のガイドレールを２セット設けると共に、Ｚ軸方向上方にキャリッジ２０を、下方にローラ３０及び硬化ユニット４０を配置することで、これらがＸ軸方向に移動する際に互いに干渉しないように構成されている。よって、キャリッジと、一組のローラ及び硬化ユニットをＺ軸方向に関して重ねて配置することができ、平面視において、少なくとも一組のローラ及び硬化ユニットの設置スペース分、載置台１３を小さく構成することが可能となっている。

図７は、図６の立体物造形装置２で実行される立体物造形方法のフローチャートである。先ず、制御部４５は、画像入力Ｉ／Ｆ６１を介して造形物に関する情報（造形物データ）を取得し、載置面１１上における造形物の載置位置を決定する（ステップＳ２１）。

次いで１層目の造形を開始する。具体的には、載置台１３をＺ軸方向に移動する（ステップＳ２２）。その後、ステップＳ２１で決定された造形物の載置位置に基づいて、キャリッジ２０を初期位置から＋Ｙ方向に移動しながら、吐出ユニット２４から液滴を吐出する（ステップＳ２３）。

次いで、キャリッジ２０を＋Ｘ方向に所定距離移動した後（ステップＳ２４）、キャリッジ２０を−Ｙ方向に移動しながら、液滴を吐出する（ステップＳ２５）。上記ステップＳ２３〜Ｓ２５を繰り返して、キャリッジ２０の＋Ｘ方向への移動が完了し、第１層分の着弾が完了する（ステップＳ２６）。

次いで、載置台１３を−Ｚ方向に所定距離移動する（ステップＳ２７）。このとき、着弾した造形材がローラ３０の外周面と接触する位置で載置台１３を固定する。そしてローラ３０を＋Ｘ方向に移動して、ステップＳ２６で着弾完了した造形材を平坦化する（ステップＳ２８）。これにより、硬化前の造形材が一体化される。その後、硬化ユニット４０を＋Ｘ方向に移動しながら造形材にエネルギーを付与して、ステップＳ２７で平坦化された載置台１３上の造形材を硬化する（ステップＳ２９）。これにより、造形物における第１層が形成される。

次に第１層上に第２層を積層する。具体的には、載置台１３を＋Ｚ方向に所定距離移動する（ステップＳ３０）。そしてキャリッジ２０を−Ｙ方向に移動しながら液滴を吐出する（ステップＳ３１）。このとき、液滴は上記ステップＳ２９で形成された硬化後の第１層上に吐出される。次いで−Ｘ方向に所定距離移動した後（ステップＳ３２）、＋Ｙ方向に移動しながら液滴を吐出する（ステップＳ３３）。これらステップＳ３１〜Ｓ３３を繰り返して、キャリッジ２０の−Ｘ方向への移動が完了し、第２層分の着弾が完了する（ステップＳ３４）。

次いで、ローラ３０を−Ｘ方向に移動して、ステップＳ３３で着弾完了した造形材を平坦化する（ステップＳ３５）。これにより、硬化前の造形材が一体化される。また、硬化ユニット４０を−Ｘ方向に移動しながら造形材にエネルギーを付与して、ステップＳ３４で平坦化された造形材を硬化する（ステップＳ３６）。これにより、造形物における第２層が形成される。その後、造形物における全ての層が形成されたか否かを判定し（ステップＳ３７）、全層が形成されていなければ、ステップＳ２２に戻って以後のステップを実行し、全層が形成されていれば本処理を終了する。

このように図６の立体物造形装置２では、一組のローラ及び硬化ユニットで平坦化工程及び硬化工程を実行することができ、装置構成を簡略化することができる。また、載置台１３を小さくすることができ、立体物造形装置２の小型化を実現することができる。

図８は、図１の立体物造形装置の他の変形例を示す平面図である。図１の立体物造形装置１では、各ローラと各硬化ユニットがそれぞれ異なるスライダに取り付けられているが、図８の立体物造形装置は、一組のローラ及び硬化ユニットが共通のスライダに取り付けられている点で異なる。なお、図８の立体物造形装置は、上記以外の部分については図１のものと基本的に同じであるので、その説明を省略し、以下に異なる部分を説明する。

具体的には、図８の立体物造形装置３において、一対のガイドレール５２，５２には、キャリッジレール５４が固定されるスライダ５３，５３が移動可能に取り付けられている。そして、ローラ３０−１及び硬化ユニット４０−１の双方が、ガイドレール５２，５２のそれぞれに長手方向に移動可能に取り付けられた２つのスライダ８１，８１に固定されている。また、ローラ３０−２及び硬化ユニット４０−２の双方が、ガイドレール５２，５２のそれぞれに長手方向に移動可能に取り付けられた２つのスライダ８２，８２に固定されている。

図８の構成によれば、ローラ３０−１と硬化ユニット４０−１の間隔、並びにローラ３０−２と硬化ユニット４０−２の間隔を予め設定し、スライダ８１，８１間に共に固定することにより、上記と同様の効果を奏することができると共に、部品点数を少なくして装置構成を簡略化することができる。

図９は、図１の立体物造形装置の他の変形例を示す平面図である。図６の立体物造形装置１では、キャリッジ２０、ローラ３０及び硬化ユニット４０がＸ軸方向に移動可能に構成されているが、図９の立体物造形装置では、キャリッジ２０、ローラ３０及び硬化ユニット４０のいずれも、Ｘ軸方向に移動しない構成である点で異なる。なお、図９の立体物造形装置は、上記以外の部分については図１のものと基本的に同じであるので、その説明を省略し、以下に異なる部分を説明する。

図９の立体物造形装置４において、載置台９０は、載置台移動用モータ１２の駆動により、造形領域ＳがＸ軸方向及びＺ軸方向（積層方向）の双方向に移動することが可能な構成となっている。特に本装置では、上記吐出工程、平坦化工程及び硬化工程をいわゆる連続処理にて実行するために、Ｘ軸方向に、載置台の幅寸法の約３倍の距離を移動することが可能となっている。

キャリッジ２０を支持する支持体９１は、Ｚ軸方向に延出するポール９２と、該ポールに固定され、Ｘ軸方向に沿って互いに平行に延びる一対のガイドレール９３，９３と、ガイドレール９３，９３のそれぞれの所定位置に固定される２つの固定部材９４，９４と、２つの固定部材９４，９４間に架け渡されると共にＹ軸方向に延びるキャリッジレール５４とを有する。キャリッジ２０は、キャリッジ移動用モータ２１の駆動により（図２）、キャリッジレール５４に沿って移動し（Ｙ軸方向にのみ移動）、Ｘ軸方向には移動しない。

また、支持体９１は、ガイドレール５２，５２の所定位置に固定された２つの固定部材９５，９５を有しており、ローラ３０は、固定部材９５，９５間に架け渡されると共にＹ方向に延在している。すなわち本変形例のローラ３０は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向のいずれにも移動しない。また本変形例では、キャリッジ２０及びローラ３０は、載置台９０の造形領域ＳのＸ軸方向における距離Ｌ以上離間して配置される。この距離Ｌは、例えば載置台９０のＸ軸方向への移動速度に基づいて規定される。

硬化ユニット４０は、ガイドレール５２，５２の所定位置に固定された２つの固定部材９６，９６を有しており、硬化ユニット４０は、固定部材９５，９５間に架け渡されると共にＹ方向に延在している。本変形例の硬化ユニット４０は、ローラ３０と同様、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向のいずれにも移動しない。

上記のように構成される立体物造形装置４では、載置台９０がＸ軸方向（図９では−Ｘ方向）に移動して、キャリッジ２０、ローラ３０及び硬化ユニット４０の下方を通過する。このとき、吐出工程、平坦化工程及び硬化工程が順次実行されて、１層目の造形が完了する。２層目以降の造形を実行する際には、載置台９０をＸ軸方向の初期位置に戻し、−Ｚ方向に所定距離移動した後、１層目の場合と同様の工程を順次実行する。本変形例によれば、載置台９０をＸ軸方向及びＺ軸方向の双方に移動すると共に、キャリッジ２０をＹ方向にのみ移動させることで造形することができ、載置台９０及びキャリッジ２０を移動させるための駆動制御が容易となる。なお図９の立体物造形装置４では、一方向での造形処理を行うが、双方向での造形処理を行ってもよい。すなわち、Ｘ軸方向に関して、キャリッジ２０を中心としてローラ３０及び硬化ユニット４０の反対側に、他のローラ及び硬化ユニットを線対称となるように配置してもよい。

図１０は、図１の立体物造形装置１における硬化ユニットの変形例を示す平面図である。図１０に示すように、立体物造形装置１は、硬化ユニット４０−１，４０−２（第二硬化手段）を有すると共に、Ｘ軸方向においてキャリッジ２０と重なる位置であって、Ｙ軸方向においてノズル列と平行配置された硬化ユニット９７，９７（第二硬化手段）を更に有している。本変形例では、硬化ユニット９７，９７はキャリッジ２０に取り付けられており、Ｙ軸方向（主走査方向）において吐出ユニット２４の前方及び後方に配置されている。硬化ユニット９７，９７は、造形材を仮硬化させることが可能なエネルギーを付与するものであり、着弾した造形材に与える一走査当たりのエネルギー量は、硬化ユニット４０−１又は４０−２が同造形材に与えるエネルギー量よりも相対的に小さい。

本変形例によれば、硬化ユニット９７，９７がキャリッジ２０のノズル列２４−１〜２４−５と平行に設けられるので、１又は複数の単位層の形成の際に硬化ユニット９７，９７により造形材を仮硬化させ、更に１又は複数の単位層ごとに硬化ユニット４０−１，４０−２で造形材を本硬化させることができる。よって、硬化ユニット４０−１又は４０−２による硬化が行われる際に、造形材に含まれるインクが流れ出したり、或いはインクを含有しない他の造形材と混ざるのを抑制することができ、造形精度を更に向上することが可能となる。

以上、上記実施形態に係る立体物造形装置及び立体物造形方法について述べたが、本発明は記述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想に基づいて各種の変形および変更が可能である。

例えば上記実施形態では、主にインクジェット方式の立体物造形装置について説明したが、この造形方式に限られない。例えば、熱融解積層方式、光造形方式、粉末焼結方式、プロジェクション方式、インクジェット粉末積層方式にも適用することができる。

１，２，３，４ 立体物造形装置
１ａ，１ｂ，１ｃ 造形材
１ｄ，１ｅ，１ｆ 造形材
２ａ，２ｂ，２ｃ 造形材
２ｄ，２ｅ，２ｆ 造形材
３ａ，３ｂ，３ｃ 造形材
３ｄ，３ｅ，３ｆ 造形材
４ａ，４ｂ，４ｃ 造形材
４ｄ，４ｅ，４ｆ 造形材
５ａ，５ｂ，５ｃ 造形材
５ｄ，５ｅ，５ｆ 造形材
１０ 載置台
１１ 載置面
１２ 載置台移動用モータ
１３ 載置台
２０ キャリッジ
２１ キャリッジ移動用モータ
２２ 液滴用アクチュエータ
２３ キャリッジ本体
２４ 吐出ユニット
２４−１，２４−２ ノズル列
２４−３，２４−４ ノズル列
２４−５ ノズル列
２４−１ａ，２４−１ｂ ノズル
２４−１ｃ，２４−１ｄ ノズル
２４−１ｅ，２４−１ｆ ノズル
３０ ローラ
３０−１，３０−２ ローラ
３１ ローラ移動用モータ
４０ 硬化ユニット
４０−１，４０−２ 硬化ユニット
４１ 硬化ユニット移動用モータ
４５ 制御部
５０ 支持体
５１ ポール
５２，５２ ガイドレール
５３，５３ スライダ
５４ キャリッジレール
５５−１，５５−１ スライダ
５６−１，５６−１ スライダ
５５−２，５５−２ スライダ
５６−２，５６−２ スライダ
６１ 外部通信Ｉ／Ｆ
６２ 入力部
６３ 出力部
６４ 記憶部
６５ データ処理部
６６ モータ駆動部
６７ 吐出ユニット駆動部
６８ 硬化ユニット駆動部
７０ 支持体
７１，７１ ガイドレール
７２，７２ スライダ
７３，７３ スライダ
８１，８１ スライダ
８２，８２ スライダ
９０ 載置台
９１ 支持体
９２ ポール
９３，９３ ガイドレール
９４，９４ 固定部材
９５，９５ 固定部材
９６，９６ 固定部材
９７，９７ 硬化ユニット
Ａ 造形物
Ａ１ 上面
Ｂ 層部
Ｐ１ 着弾間隔
Ｐ２ 着弾間隔

Claims (6)

1. 造形物を載置するための載置台と、
   前記載置台と第一方向に相対移動しながら前記造形物を成形するための造形材を吐出する吐出手段と、
   前記載置台と相対移動しながら前記載置台上に着弾した硬化前の前記造形材に接触することで前記造形材を平坦化させる平坦化手段と、
   前記載置台上の前記造形材を硬化させる硬化手段と、
   前記吐出手段及び前記平坦化手段の前記載置台との相対移動を制御する移動制御部とを有し、
   前記吐出手段は、前記造形材の液滴を吐出する複数のノズルが前記第一方向と交差する方向に列設されたノズル列を有し、
   前記平坦化手段は、前記載置台に対して前記第一方向に交差する第二方向に相対移動可能に設けられることを特徴とする立体物造形装置。
2. 前記硬化手段は、前記平坦化手段の平坦化領域以上の硬化領域を有する第一硬化手段を有し、
   前記第一硬化手段は、前記第二方向に移動しながら、前記平坦化手段による平坦化タイミングから所定期間経過後に、前記造形材を硬化させる、請求項１記載の立体物造形装置。
3. 前記第二方向に延在したＸバーと、
   前記第二方向に移動可能となるように前記Ｘバーに取り付けられ、前記第一方向に延在したＹバーとを更に有し、
   前記吐出手段は、前記第一方向に移動可能となるように前記Ｙバーに取り付けられ、
   前記平坦化手段は、前記第一方向に延在し、且つ前記第二方向に移動可能に設けられ、
   前記Ｙバー及び前記平坦化手段の双方が、前記移動制御部によって前記第二方向に移動する、請求項１又は２記載の立体物造形装置。
4. 前記載置台は、前記第二方向及び前記造形材の積層方向の双方に移動可能に設けられ、
   前記吐出手段及び前記平坦化手段は、前記載置台の造形領域の前記第二方向における距離Ｌ以上離間して配置される、請求項１又は２記載の立体物造形装置。
5. 前記硬化手段は、前記第二方向において前記吐出手段と重なる位置であって、前記第一方向において前記ノズル列と平行配置された第二硬化手段を更に有し、
   前記第二硬化手段は、前記造形材を仮硬化させることが可能なエネルギーを付与する、請求項２記載の立体物造形装置。
6. 立体的な造形物を成形する立体物造形方法であって、
   造形材の液滴を吐出する複数のノズルが第一方向と交差する方向に列設されたノズル列を有する吐出手段を載置台と前記第一方向に相対移動させながら、前記造形物を成形するための造形材を前記載置台上に吐出する吐出工程と、
   前記第一方向に交差する第二方向に移動可能に設けられた平坦化手段を前記載置台と相対移動させて、該載置台上に着弾した硬化前の前記造形材に接触させることで前記造形材を平坦化する平坦化工程と、
   前記載置台上の前記造形材を硬化させる硬化工程と、を有することを特徴とする立体物造形方法。

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