JP2018114653A - 三次元造形装置、方法、及び造形中間物、並びに三次元造形物 - Google Patents

三次元造形装置、方法、及び造形中間物、並びに三次元造形物 Download PDF

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Abstract

【課題】造形物の外形の違いにかかわらず表面の光沢性に関する仕上がり品位を向上可能な三次元造形装置、方法、及び造形中間物、並びに、表面の光沢性に関する仕上がり品位が高い三次元造形物を提供する。
【解決手段】単位層１５１〜１５７を作業面１８の上に順次積層して得た造形中間物１２０から、サポート材１０６で構成される支持部材１２２を除去することで、モデル材１０４で構成される三次元造形物１００を生成する。三次元造形物１００の外表面１１２と支持部材１２２が部分的に接触するように、モデル材１０４及びサポート材１０６の配置を決定する。モデル材１０４がなす外表面１１２のうち、作業面１８に平行な底面１１４、上面１１６がなす特定領域１３６、１３８に対して粗化処理を施す。
【選択図】図５

Description

本発明は、モデル材及び／又はサポート材を含む単位層を作業面上に順次積層して得た造形中間物から、前記サポート材で構成される支持部材を除去することで、前記モデル材で構成される三次元造形物を生成する三次元造形装置及び三次元造形方法、並びに、この方法を用いて生成される造形中間物及び三次元造形物に関する。
近時、単位層を固化させながら鉛直方向に沿って順次積層することで、三次元形状の造形物を生成する三次元造形装置（いわゆる、３Ｄプリンタ）が開発されている。この種の装置では、造形物を構成する「モデル材」及び造形物の形状を保持する「サポート材」を用いて造形中間物を形成した後、この造形中間物からサポート材を除去することで、所望の造形物を生成する（例えば、特許文献１を参照）。
特開２０１２−９６４２８号公報（要約）
ところで、本発明者の鋭意検討によれば、表面の光沢性が、造形物の外形に依存して局所的に変化することを見出した。具体的には、サポート材との接触があった面は、接触がなかった面よりも非光沢性が強く現われる傾向がみられる。特に、側面で接触した場合の方が、上面又は底面で接触した場合よりも、造形物の非光沢性（マット調）が強く現われる傾向がみられる。
しかしながら、特許文献１では、上記した光沢局所性の存在及び弊害について何ら記載されていない。つまり、特許文献１で提案された装置及び方法をそのまま用いた場合、観察者は、表面の質感が局所的に異なる造形物に対して違和感を覚えることになる。
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、造形物の外形の違いにかかわらず表面の光沢性に関する仕上がり品位を向上可能な三次元造形装置、方法、及び造形中間物、並びに、表面の光沢性に関する仕上がり品位が高い三次元造形物を提供することを目的とする。
本発明に係る「三次元造形装置」は、モデル材及び／又はサポート材を含む単位層を作業面の上に順次積層して得た造形中間物から、前記サポート材で構成される支持部材を除去することで、前記モデル材で構成される三次元造形物を生成する装置であって、前記三次元造形物と前記支持部材が部分的に面接触するように、前記モデル材及び前記サポート材の配置を決定する配置決定部と、前記配置決定部により配置が決定された前記モデル材がなす外表面のうち、前記作業面に平行な面がなす特定領域に対して粗化処理を施す粗化処理手段を備える。
モデル材がなす外表面の粗さは、モデル材及び／又はサポート材が配置される位置精度又は位置関係によって変化し得る。例えば、作業面に平行な面がなす特定領域は、１つの単位層のみで構成されており、モデル材の位置精度が総じて高くなるため、相対的に小さい表面粗さを有する傾向がある。一方、モデル材とサポート材が面接触する接触領域は、両者の材料間にて発生する界面現象により、微視的に不均質な界面を形成する。その結果、サポート材を除去した後のこの不均質な界面は、大きな表面粗さとして顕在化する。特に、作業面に対して傾斜する領域では、重力の影響或いは量子化誤差に起因する位置精度の低下が生じ易く、表面粗さが大きくなる傾向がある。
そこで、上記の特定領域に対して粗化処理を施す粗化処理手段を設けたので、特定領域と上記の接触領域の間における表面粗さの差異を低減可能となり、少なくとも両者の部位間にて外表面の光沢度が均一に近づく。これにより、造形物の外形の違いにかかわらず表面の光沢性に関する仕上がり品位を向上できる。
また、前記粗化処理手段は、前記サポート材が被覆されない前記特定領域に対して粗化処理を施すことが好ましい。サポート材が被覆されない特定領域では表面粗さが小さくなり、その光沢感が特に際立つ傾向がある。そこで、この特定領域に対して粗化処理を施すことで部分的な光沢感を抑制可能となり、観察者による違和感が緩和される。
また、前記粗化処理手段は、前記特定領域に隣接する領域に前記サポート材が被覆される場合、前記特定領域に対して粗化処理を施すことが好ましい。上述した通り、サポート材が被覆される領域では表面粗さが大きくなる傾向がある。そして、特定領域に隣接する領域の表面粗さが大きい場合、いわゆる同時対比効果により、特定領域の光沢感が特に際立って視認されることがある。そこで、この特定領域に対して粗化処理を施すことで同時対比効果の発現を抑制可能となり、観察者による違和感が緩和される。
また、前記モデル材及び前記サポート材の液滴を吐出する吐出ユニットを更に備え、前記粗化処理手段は、前記吐出ユニットを制御することで、前記液滴の吐出密度、吐出量及び吐出速度のうち少なくとも１つを前記特定領域内にて不均一化させる吐出制御部であることが好ましい。これにより、吐出ユニットを制御する段階において特定領域の粗化処理を実行できる。
また、前記モデル材及び前記サポート材の液滴を吐出する吐出ユニットを更に備え、前記粗化処理手段は、前記吐出ユニットの吐出制御に供される吐出データを前記特定領域内にて不均一化させるデータ修正部であることが好ましい。これにより、吐出データを作成する段階において特定領域の粗化処理を実行できる。
また、前記粗化処理手段は、前記特定領域を被覆する位置に前記サポート材を追加的に配置させる配置修正部であることが好ましい。これにより、モデル材及びサポート材を配置する段階において特定領域の粗化処理を実行できる。
本発明に係る「三次元造形方法」は、モデル材及び／又はサポート材を含む単位層を作業面の上に順次積層して得た造形中間物から、前記サポート材で構成される支持部材を除去することで、前記モデル材で構成される三次元造形物を生成する三次元造形装置を用いた方法であって、前記三次元造形物と前記支持部材が部分的に面接触するように、前記モデル材及び前記サポート材の配置を決定する決定ステップと、配置が決定された前記モデル材がなす外表面のうち、前記作業面に平行な面がなす特定領域に対して粗化処理を施す粗化ステップを備える。
また、前記粗化ステップでは、前記サポート材が被覆されない前記特定領域に対して粗化処理を施すことが好ましい。
また、前記粗化ステップでは、前記特定領域に隣接する領域に前記サポート材が被覆される場合、前記特定領域に対して粗化処理を施すことが好ましい。
また、前記三次元造形装置が有する吐出ユニットを用いて前記モデル材及び前記サポート材の液滴を吐出する吐出ステップを更に備え、前記粗化ステップでは、前記吐出ユニットを制御することで、前記液滴の吐出密度、吐出量及び吐出速度のうち少なくとも１つを前記特定領域内にて不均一化させることが好ましい。
また、前記三次元造形装置が有する吐出ユニットを用いて前記モデル材及び前記サポート材の液滴を吐出する吐出ステップを更に備え、前記粗化ステップでは、前記吐出ユニットの吐出制御に供される吐出データを前記特定領域内にて不均一化させることが好ましい。
また、前記粗化ステップでは、前記特定領域を被覆する位置に前記サポート材を追加的に配置させることが好ましい。
本発明に係る「造形中間物」は、上記したいずれかの三次元造形方法を用いて生成される。本発明に係る「三次元造形物」は、上記したいずれかの三次元造形方法を用いて得た前記造形中間物から前記支持部材を除去して生成される。
本発明に係る三次元造形装置、方法、及び造形中間物によれば、造形物の外形の違いにかかわらず表面の光沢性に関する仕上がり品位を向上できる。本発明に係る三次元造形物によれば、表面の光沢性に関する仕上がり品位が高くなる。
各実施形態に共通する三次元造形装置の要部を示す概略図である。 第１実施形態に係る三次元造形装置の電気ブロック図である。 三次元造形物及び造形中間物の形態を示す図である。 図２に示す三次元造形装置の動作説明に供されるフローチャートである。 特定領域の抽出結果を示す模式図である。 吐出制御条件の不均一化に関する説明図である。 特定領域の近傍における造形中間物の部分拡大断面図である。 第２実施形態に係る三次元造形装置の電気ブロック図である。 図８に示す三次元造形装置の動作説明に供されるフローチャートである。 吐出データの不均一化に関する説明図である。 第３実施形態に係る三次元造形装置の電気ブロック図である。 図１１に示す三次元造形装置の動作説明に供されるフローチャートである。 サポート材の追加配置に関する説明図である。
以下、本発明に係る三次元造形装置について、三次元造形方法、造形中間物、及び三次元造形物との関係において好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。
［三次元造形装置１０の要部構成］
図１は、各実施形態に共通する三次元造形装置１０の要部を示す概略図である。より詳しくは、図１（ａ）は三次元造形装置１０の概略側面図であり、図１（ｂ）は三次元造形装置１０の概略平面図である。本図では、生成途中の三次元造形物１００であるスライス積層体１０２が表記されている。
スライス積層体１０２は、三次元造形物１００の原料・素材であるモデル材１０４と、モデル材１０４を外側又は内側から支持するサポート材１０６とから構成される。つまり、スライス積層体１０２は、モデル材１０４及び／又はサポート材１０６を含む単位層（「スライス体」ともいう）を鉛直方向に沿って順次積層してなる。以下、スライス積層体１０２の最上面を「スライス面１０８」と称する場合がある。
三次元造形装置１０は、スライス積層体１０２を載置する載置部１２、モデル材１０４及びサポート材１０６の吐出機構を搭載するキャリッジ１４、及び、キャリッジ１４をＸ方向及びＹ方向に駆動させるキャリッジ駆動部１６を含んで構成される。
載置部１２は、平坦な作業面１８を有する載置台２０と、作業面１８の法線方向（Ｚ方向）に載置台２０を移動させるステージ駆動部２２を有する。キャリッジ駆動部１６は、Ｘ方向に沿って平行に延びる一対のガイドレール２４、２４（Ｘバー）と、各ガイドレール２４に沿って移動可能な２つのスライダ２６、２６と、２つのスライダ２６、２６間に架け渡されると共にＹ方向に延びるキャリッジレール２８（Ｙバー）を有する。
キャリッジ１４は、該キャリッジ１４を取り付けたキャリッジレール２８に沿って、又は、キャリッジレール２８と一体的に各ガイドレール２４、２４に沿って移動可能に構成される。これにより、キャリッジ１４及び載置台２０は、互いに交差するＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に対してそれぞれ相対的に移動可能である。この実施形態では、Ｘ方向及びＹ方向は「水平方向」に、Ｚ方向は「鉛直方向」にそれぞれ一致し、３つの方向は互いに直交する関係下にある。
キャリッジ１４には、流動性のモデル材１０４及び流動性のサポート材１０６（以下、総称して「液滴３０」ともいう）を作業面１８に向けて吐出する吐出ユニット３２と、スライス面１０８を平坦化する平坦化ローラ３４と、スライス面１０８上の液滴３０を硬化する硬化ユニット３６がそれぞれ搭載される。
吐出ユニット３２の吐出面３８は、作業面１８或いはスライス面１０８に対向する位置関係下にある。吐出ユニット３２は、同一の又は異なる色のモデル材１０４を吐出する複数の吐出ヘッド４０、及び、サポート材１０６を吐出する１つの吐出ヘッド４２を含んで構成される。吐出ヘッド４０、４２による液滴３０の吐出機構として種々の方式を採ってもよい。例えば、圧電素子を含んで構成されるアクチュエータの変形によって液滴３０を吐出する方式を適用してもよい。また、ヒータ（発熱体）を介してモデル材１０４又はサポート材１０６を加熱することで気泡を発生させ、その圧力で液滴３０を吐出する方式を適用してもよい。
各吐出ヘッド４０、４２の吐出面３８側には、配列方向（本図例ではＸ方向）に沿って複数のノズル４４を並べたノズル列４６が形成されている。吐出ユニット３２に６つの吐出ヘッド４０が設けられている場合、例えば、６つの吐出ヘッド４０は、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）、ブラック（Ｋ）、クリア（ＣＬ）、ホワイト（Ｗ）に着色されたモデル材１０４の液滴３０をそれぞれ吐出する。
硬化ユニット３６は、各種エネルギーを付与することでモデル材１０４の液滴３０を硬化させる装置である。例えば、モデル材１０４が紫外線硬化樹脂である場合、硬化ユニット３６は、光エネルギーとしての紫外線を照射する紫外光源を含んで構成される。また、モデル材１０４が熱硬化樹脂である場合、硬化ユニット３６は、熱エネルギーを付与する加熱装置、必要に応じてスライス積層体１０２を冷却する冷却装置を含んで構成される。
なお、紫外光源として、希ガス放電灯、水銀放電灯、蛍光灯ランプ、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）アレイ等を用いることができる。また、サポート材１０６は、三次元造形物１００を変質させずに除去可能な材料、例えば、水膨潤ゲル、ワックス、熱可塑性樹脂、水溶性材料、溶解性材料等からなる。
［第１実施形態］
続いて、第１実施形態に係る三次元造形装置１０Ａについて、図２〜図７を参照しながら説明する。
＜三次元造形装置１０Ａの電気ブロック図＞
図２は、第１実施形態に係る三次元造形装置１０Ａの電気ブロック図である。この三次元造形装置１０Ａは、図１にそれぞれ示したキャリッジ駆動部１６、ステージ駆動部２２、吐出ユニット３２及び硬化ユニット３６の他、制御部５０、画像入力Ｉ／Ｆ５２、入力部５４、出力部５６、記憶部５８、三次元駆動部６０、及び駆動回路６２を含んで構成される。
画像入力Ｉ／Ｆ５２は、シリアルＩ／Ｆ又はパラレルＩ／Ｆで構成され、三次元造形物１００を示す画像情報を含む電気信号を、図示しない外部装置から受信する。入力部５４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５６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５８は、非一過性であり、且つ、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体で構成される。ここで、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、フラッシュメモリ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置である。また、この記憶媒体は、短時間に且つ動的にプログラムを保持するものであっても、一定時間プログラムを保持するものであってもよい。
三次元駆動部６０は、載置台２０及び吐出ユニット３２の少なくとも一方を駆動することで、載置台２０に対して吐出ユニット３２を三次元方向に相対移動させる。この実施形態では、三次元駆動部６０は、吐出ユニット３２をＸ方向及びＹ方向に移動させるキャリッジ駆動部１６と、載置台２０をＺ方向に移動させるステージ駆動部２２とから構成される。
制御部５０は、三次元造形装置１０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５０は、記憶部５８に格納されたプログラムを読み出し実行することで、データ処理部６４、配置決定部６６、特定領域抽出部６８、及び特定領域指示部７０を含む各機能を実現可能である。
駆動回路６２は、制御部５０と電気的に接続されると共に、各ユニットを駆動することで造形処理を実行させる電気回路である。この実施形態では、駆動回路６２は、吐出ユニット３２の吐出制御を司る吐出制御部７２（粗化処理手段）と、硬化ユニット３６の硬化制御を司る硬化制御部７４とから構成される。
吐出制御部７２は、制御部５０から供給される吐出データに基づき、吐出ヘッド４０、４２が備えるアクチュエータの駆動波形信号を生成し、この波形信号を吐出ユニット３２側に向けて出力する。硬化制御部７４は、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３６側に向けて出力する。
＜三次元造形物１００及び造形中間物１２０の形態＞
図３は、三次元造形物１００及び造形中間物１２０の形態を示す図である。より詳しくは、図３（ａ）は三次元造形物１００の正面図であり、図３（ｂ）は造形中間物１２０の正面図である。この造形中間物１２０は、スライス積層体１０２の完成状態に相当し、サポート材１０６（支持部材１２２）が未だ除去されない造形物である。
図３（ａ）に示すように、モデル材１０４で構成される三次元造形物１００は、逆円錐台状の本体部１１０を有する。本体部１１０の外表面１１２は、円状の底面１１４と、底面１１４よりも径が小さい上面１１６と、底面１１４と上面１１６を連結する側面１１８を含んで構成される。
本体部１１０は、物理的処理又は化学的処理を経て硬化する材料、例えば、光硬化樹脂或いは熱硬化樹脂からなる。紫外線（Ultra-Violet；ＵＶ）の照射により硬化する紫外線硬化樹脂の場合、ラジカル重合反応を起こして硬化するラジカル重合型、或いは、カチオン重合反応を起こして硬化するカチオン重合型の硬化性樹脂を用いることができる。ラジカル重合型の紫外線硬化樹脂には、ウレタンアクリレート、アクリルアクリレート、エポキシアクリレートが含まれる。
図３（ｂ）に示すように、造形中間物１２０は、上記した本体部１１０と、本体部１１０の外側から支持する支持部材１２２から構成される。支持部材１２２は、概略鉢形状を有し、底面１１４及び側面１１８の全体を覆うように配される。支持部材１２２は、三次元造形物１００を変質させずに除去可能な材料、例えば、水膨潤ゲル、ワックス、熱可塑性樹脂、水溶性材料、溶解性材料等からなる。
なお、底面１１４、上面１１６及び側面１１８はいずれも、同じ程度の表面粗さを有しており、光沢度が略均一になっている。この「表面粗さ」は、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（１９９４）、ＪＩＳ Ｂ ００３１（１９９４）にて定義される物理量であり、算術平均粗さ（Ｒａ）、最大高さ（Ｒｙ）、十点平均粗さ（Ｒｚ）、凹凸の平均間隔（Ｓｍ）、局部山頂の平均間隔（Ｓ）及び負荷長さ率（ｔｐ）のうちの少なくとも１つである。
＜三次元造形装置１０Ａの動作＞
続いて、図２に示す三次元造形装置１０Ａの動作、図３（ａ）に示す三次元造形物１００の生成動作について、図４のフローチャート及び図５〜図７を適宜参照しながら説明する。
図４のステップＳ１において、制御部５０は、画像入力Ｉ／Ｆ５２を介して、３Ｄ−ＣＡＤ（Computer Aided Design）データを含む造形データを取得する。例えば、ワイヤフレームモデルの造形データは、三次元造形物１００の三次元フレームを示す形状モデルデータ、及び、外表面１１２の画像を示す表面画像データの組み合わせからなる。なお、造形データの表現方式は、ワイヤフレームモデルに限られず、サーフェスモデル又はソリッドモデルであってもよい。
ステップＳ２において、データ処理部６４は、ステップＳ１で取得されたベクトルデータ形式の造形データに対してラスタライズ処理を実行する。この処理に先立ち、データ処理部６４は、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向の三次元空間を示す作業領域１３０（図５）を定義すると共に、作業領域１３０を構成するＸ軸−Ｙ軸−Ｚ軸の三次元解像度（実サイズとの対応付け）も決定しておく。
次いで、データ処理部６４は、フレーム内の色（例えばホワイト）を特定し、公知のテクスチャマッピング手法を用いてフレーム面上に表面画像を配置する。その後、データ処理部６４は、表面画像が配置されたベクトルデータを三次元解像度に応じたラスタデータに変換する。更に、データ処理部６４は、ディザ法・誤差拡散法を含むハーフトーン処理、同系色／異系色間の分版処理、ドットサイズ（液滴量）の割り付け処理、打滴数の制限処理等の各種画像処理を実行する。これにより、一方向（Ｚ軸）に沿った単位層毎のスライスデータ（以下、「スライス群データ」）が得られる。
ステップＳ３において、配置決定部６６は、ステップＳ２で得られたスライス群データを用いて、モデル材１０４及びサポート材１０６の配置を決定する。具体的には、配置決定部６６は、造形中間物１２０の生成過程にてモデル材１０４を物理的に支持可能な位置にサポート材１０６を配置する。この配置処理を通じて、液滴３０の有無及び種類を三次元位置毎に示す「吐出データ」が作成される。
図３（ａ）に示す例では、本体部１１０の側面１１８は、庇（ひさし）のように突き出た外壁（以下、オーバーハング）を形成する。鉛直方向の下側から上側に単位層を積み重ねてオーバーハングを造形する場合、外側に突き出したモデル材１０４は、その形状を維持するための物理的強度が得られず自重により落下してしまう。そこで、作業面１８と側面１１８の間に、側面１１８の各部を下方側から補強・支持するためのサポート材１０６を配置する必要がある。
ステップＳ４において、特定領域抽出部６８は、ステップＳ３にて配置が決定されたモデル材１０４がなす外表面１１２のうち、作業面１８に平行する面がなす二次元領域（以下、特定領域１３６、１３８）を抽出する。ここでは、１つの単位層のみで構成され、表面粗さが相対的に小さい領域を抽出する点に留意する。
図５は、特定領域１３６、１３８の抽出結果を示す模式図である。本図は、造形中間物１２０を示す仮想オブジェクトを作業領域１３０内に配置した状態を表記している。作業領域１３０は、図１及び図３に示す「Ｘ方向」「Ｙ方向」「Ｚ方向」をそれぞれ「Ｘ軸」「Ｙ軸」「Ｚ軸」とし、特定の基準位置（例えば、最端点の１つ）を「原点Ｏ」とする仮想空間に相当する。
実線で示す閉空間は、モデル材１０４の三次元配置を示す造形領域１３２に相当する。破線で示す閉空間は、サポート材１０６の三次元配置を示す支持領域１３４に相当する。また、作業面１８の位置は、作業領域１３０内では、Ｘ軸−Ｙ軸平面に平行し、且つ、Ｚ軸に直交する位置に対応する。
この場合、特定領域抽出部６８は、造形領域１３２をなす閉曲面のうち、Ｘ軸−Ｙ軸に平行な面である底面１１４、上面１１６（図３）に対応する２つの二次元領域を、それぞれ特定領域１３６、１３８として抽出する。そして、特定領域抽出部６８は、特定領域１３６、１３８の位置情報（例えば、単位層の識別番号、作業領域１３０内の座標等）を取得する。
ここでは、支持領域１３４の形状・配置にかかわらず、すべての特定領域１３６、１３８を抽出しているが、造形領域１３２及び支持領域１３４の相対的位置関係を考慮した上で抽出してもよい。例えば、特定領域抽出部６８は、サポート材１０６が被覆されない特定領域１３８のみを抽出してもよいし、或いは、隣接する領域にサポート材１０６が被覆される場合を条件として特定領域１３６、１３８を抽出してもよい。
ステップＳ５において、三次元造形装置１０Ａは、ステップＳ３で作成された吐出データに基づいて造形処理を実行する。具体的には、三次元造形装置１０Ａは、載置台２０及び吐出ユニット３２を三次元方向に相対移動させながら、モデル材１０４及びサポート材１０６を含む単位層１５１〜１５７をＺ方向に沿って順次積層することでスライス積層体１０２を生成する。このとき、［１］吐出ユニット３２による液滴３０の吐出、［２］平坦化ローラ３４によるスライス面１０８の平坦化、［３］硬化ユニット３６による液滴３０の硬化、及び［４］スライス積層体１０２の成長、が順次実行される。
ところで、特定領域指示部７０は、吐出データの送信処理の際、特定領域１３６、１３８の存在及び位置を指示する信号を駆動回路６２（吐出制御部７２）に向けて送信する。そうすると、吐出制御部７２は、特定領域１３６、１３８に対して粗化処理を施すように吐出ユニット３２の吐出制御を行う。ここで、「粗化処理」とは、処理の前後にわたって表面粗さを大きくするハードウェア処理又はソフトウェア処理を意味する。
図６は、吐出制御条件の不均一化に関する説明図である。より詳しくは、図６（ａ）は通常時における吐出制御条件の属性を示す分布図であり、図６（ｂ）は粗化処理時における吐出制御条件の属性を示す第１の分布図であり、図６（ｃ）は粗化処理時における吐出制御条件の属性を示す第２の分布図である。
図６（ａ）に示す均一領域１４０は、縦方向の８つのセル、横方向の８つのセルで構成される平面座標マトリクスである。ハッチングを付したセルは、吐出制御条件を変更しない不変位置１４２に相当する。塗り潰しがないセルは、吐出制御条件を変更する変更位置１４４に相当する。この均一領域１４０内には変更位置１４４が１つも存在しないので、すべて同じ吐出制御条件（第１条件）にて液滴３０が吐出される。
図６（ｂ）に示す不均一領域１４６は、不変位置１４２及び変更位置１４４が「１×１セル」を基本単位とする市松模様状に配置されてなる。このとき、不変位置１４２では第１の吐出制御条件にて液滴３０が吐出されると共に、変更位置１４４では第１条件とは異なる吐出制御条件（第２条件）にて液滴３０が吐出される。
例えば、第１条件及び第２条件の間で「吐出の有無」を異ならせることで、吐出密度が不均一化されるので、不均一領域１４６内の表面粗さが大きくなる。また、両条件の間で「吐出量」を異ならせることで、吐出量の分布が不均一化されるので、不均一領域１４６内の表面粗さが大きくなる。また、両条件の間で「吐出速度」を異ならせることで、液滴３０の高さ分布が不均一化されるので、不均一領域１４６内の表面粗さが大きくなる。
図６（ｃ）に示す不均一領域１４８は、不変位置１４２及び変更位置１４４が「２×２セル」を基本単位とする市松模様状に配置されてなる。このとき、不変位置１４２では第１条件にて液滴３０が吐出されると共に、変更位置１４４では第２条件にて液滴３０が吐出される。図６（ｃ）の形態では、図６（ｂ）と比べて市松模様のサイズが大きいので、表面粗さが一層大きくなる傾向がみられる。
図７は、特定領域１３６、１３８の近傍における造形中間物１２０の部分拡大断面図である。より詳細には、図７（ａ）は特定領域１３６の近傍における造形中間物１２０の部分拡大断面図であり、図７（ｂ）は特定領域１３８の近傍における造形中間物１２０の部分拡大断面図である。
図７（ａ）に示すように、特定領域１３６の近傍では、［１］サポート材１０６の単位層１５１、［２］サポート材１０６の単位層１５２、［３］モデル材１０４の単位層１５３、及び［４］モデル材１０４の単位層１５４、が順次積層されている。ここでは、単位層１５２を不均一化することで、支持部材１２２と本体部１１０の間の界面（つまり、底面１１４）に対して粗化処理が施される。
図７（ｂ）に示すように、特定領域１３８の近傍では、［５］モデル材１０４の単位層１５５、［６］モデル材１０４の単位層１５６、及び［３］モデル材１０４の単位層１５７、が順次積層されている。ここでは、単位層１５７を不均一化することで、粗化処理が施された上面１１６が形成される。
なお、粗化処理を施す手法は上記した図７の例に限られない。例えば、単位層１５２の代わりに、直上の単位層１５３若しくは直下の単位層１５１、又はこれらの組み合わせの単位層をそれぞれ不均一化することで、底面１１４に対して粗化処理を施してもよい。また、単位層１５７の代わりに、直下の単位層１５６、或いは、単位層１５６、１５７の両方をそれぞれ不均一化することで、上面１１６に対して粗化処理を施してもよい。
このように、吐出制御部７２は、吐出ユニット３２を制御することで、液滴３０の吐出密度、吐出量及び吐出速度のうち少なくとも１つを特定領域１３６、１３８内にて不均一化させる（ステップＳ５）。
ステップＳ６において、スライス積層体１０２の完成状態である造形中間物１２０が得られる（図３（ｂ）参照）。ここで、底面１１４及び上面１１６に対してそれぞれ粗化処理がなされている点に留意する。
ステップＳ７において、ステップＳ６にて得られた造形中間物１２０に対してサポート材１０６（支持部材１２２）の除去処理を施す。この除去処理は、サポート材１０６の性質に応じた物理的処理又は化学的処理、具体的には、水溶、加熱、化学反応、水圧洗浄、電磁波の照射によって実現できる。
ステップＳ８において、三次元造形物１００（図３（ａ）参照）が完成される。底面１１４、上面１１６及び側面１１８はいずれも、同じ程度の表面粗さを有しており、光沢度が略均一になっている。その結果、表面の光沢性に関する仕上がり品位が高くなる。
なお、粗化処理手段としての吐出制御部７２は、サポート材１０６が被覆されない特定領域１３８に対して粗化処理を施してもよい。サポート材１０６が被覆されない特定領域１３８では表面粗さが小さくなり、その光沢感が特に際立つ傾向がある。そこで、この特定領域１３８に対して粗化処理を施すことで部分的な光沢感を抑制可能となり、観察者による違和感が緩和される。
また、粗化処理手段としての吐出制御部７２は、特定領域１３６、１３８に隣接する領域（接触領域１３９）にサポート材１０６が被覆される場合、特定領域１３６、１３８に対して粗化処理を施してもよい。接触領域１３９の表面粗さが大きい場合、いわゆる同時対比効果により、特定領域１３６、１３８の光沢感が特に際立って視認されることがある。そこで、特定領域１３６、１３８に対して粗化処理を施すことで同時対比効果の発現を抑制可能となり、観察者による違和感が緩和される。
＜各実施形態に共通する効果＞
以上のように、三次元造形装置１０は、モデル材１０４及び／又はサポート材１０６を含む単位層１５１〜１５７を作業面１８の上に順次積層して得た造形中間物１２０から、サポート材１０６で構成される支持部材１２２を除去することで、モデル材１０４で構成される三次元造形物１００を生成する。そして、三次元造形装置１０は、三次元造形物１００と支持部材１２２が部分的に面接触するように、モデル材１０４及びサポート材１０６の配置を決定する配置決定部６６と、配置が決定されたモデル材１０４がなす外表面１１２のうち、作業面１８に平行な面（底面１１４及び上面１１６）がなす特定領域１３６、１３８に対して粗化処理を施す粗化処理手段を備える。
モデル材１０４がなす外表面１１２の粗さは、モデル材１０４及び／又はサポート材１０６が配置される位置精度又は位置関係によって変化し得る。例えば、作業面１８に平行な面がなす特定領域は、１つの単位層のみで構成されており、モデル材１０４の位置精度が総じて高くなるため、相対的に小さい表面粗さを有する傾向がある。一方、モデル材１０４とサポート材１０６が面接触する接触領域１３９は、両者の材料間にて発生する界面現象により、微視的に不均質な界面を形成する。その結果、サポート材１０６を除去した後のこの不均質な界面は、大きな表面粗さとして顕在化する。特に、作業面１８に対して傾斜する領域では、重力の影響或いは量子化誤差に起因する位置精度の低下が生じ易く、表面粗さが大きくなる傾向がある。
そこで、特定領域１３６、１３８に対して粗化処理を施す粗化処理手段を設けたので、特定領域１３６、１３８と接触領域１３９の間における表面粗さの差異を低減可能となり、少なくとも両者の部位間にて外表面１１２の光沢度が均一に近づく。これにより、造形物の外形の違いにかかわらず表面の光沢性に関する仕上がり品位を向上できる。
＜三次元造形装置１０Ａによる効果＞
三次元造形装置１０Ａを用いた三次元造形方法では、モデル材１０４及びサポート材１０６の配置を決定する決定ステップ（Ｓ３）と、特定領域１３６、１３８に対して粗化処理を施す粗化ステップ（Ｓ５）を実行する。
すなわち、三次元造形装置１０Ａは、モデル材１０４及びサポート材１０６の液滴３０を吐出する吐出ユニット３２を更に備え、粗化処理手段は、吐出ユニット３２を制御することで、液滴３０の吐出密度、吐出量及び吐出速度のうち少なくとも１つを特定領域１３６、１３８内にて不均一化させる吐出制御部７２である。これにより、吐出ユニット３２を制御する段階において特定領域１３６、１３８の粗化処理を実行できる。
［第２実施形態］
続いて、第２実施形態に係る三次元造形装置１０Ｂについて、図８〜図１０を参照しながら説明する。
＜三次元造形装置１０Ｂの電気ブロック図＞
図８は、第２実施形態に係る三次元造形装置１０Ｂの電気ブロック図である。三次元造形装置１０Ｂの構成は、制御部１８０の動作及び機能の点において、第１実施形態（図２の制御部５０）と異なっている。具体的には、制御部１８０は、記憶部５８に格納されたプログラムを読み出し実行することで、データ処理部６４、配置決定部６６、特定領域抽出部６８、及びデータ修正部１８２（粗化処理手段）を含む各機能を実現可能である。
＜三次元造形装置１０Ｂの動作＞
続いて、図８に示す三次元造形装置１０Ｂの動作、特に三次元造形物１００の生成動作について、図９のフローチャート及び図１０を適宜参照しながら説明する。
制御部５０は、画像入力Ｉ／Ｆ５２を介して造形データを取得する（ステップＳ１）。データ処理部６４は、ベクトルデータ形式の造形データに対してラスタライズ処理を実行する（ステップＳ２）。配置決定部６６は、モデル材１０４及びサポート材１０６の配置を決定する（ステップＳ３）。特定領域抽出部６８は、モデル材１０４がなす外表面１１２のうち特定領域１３６、１３８を抽出する（ステップＳ４）。
ステップＳ１０において、データ修正部１８２は、吐出ユニット３２の吐出制御に供される吐出データの一部を修正することで、特定領域１３６、１３８内にてボクセル値を不均一化させる。
図１０は、吐出データの不均一化に関する説明図である。より詳しくは、図１０（ａ）は通常時における吐出データを示す模式図であり、図１０（ｂ）は粗化処理時における吐出データを示す第１の模式図であり、図１０（ｃ）は粗化処理時における吐出データを示す第２の模式図である。
図１０（ａ）に示す均一領域１８４は、縦方向の８つのボクセル、横方向の８つのボクセルで構成される平面座標マトリクスである。ボクセル内に表記された数字は、モデル材１０４の種類を識別するボクセル値に相当する。この値は、例えば、シアンは「１」、マゼンタは「２」であり、吐出がない位置には「０」が書き込まれる。この均一領域１８４内には「０」が１つも存在しないので、均一な色（シアンとマゼンタの二次色）になるように液滴３０が吐出される。
図１０（ｂ）に示す不均一領域１８６は、「１」及び「２」の組み合わせからなる「１×２セル」及び「０」からなる「１×２セル」を基本単位とする市松模様状に配置されてなる。図１０（ｃ）に示す不均一領域１８８は、「１」及び「２」の組み合わせからなる「２×２セル」及び「０」からなる「２×２セル」を基本単位とする市松模様状に配置されてなる。図１０（ｃ）の形態では、図１０（ｂ）と比べて市松模様のサイズが大きいので、表面粗さが一層大きくなる傾向がみられる。
ステップＳ１１において、三次元造形装置１０Ｂは、ステップＳ１０で修正された吐出データに基づいて造形処理を実行する。具体的には、三次元造形装置１０Ｂは、載置台２０及び吐出ユニット３２を三次元方向に相対移動させながら、モデル材１０４及びサポート材１０６を含む単位層１５１〜１５７をＺ方向に沿って順次積層することでスライス積層体１０２を生成する。ここでは、第１実施形態の場合と異なり、特定領域１３６、１３８の属否に応じて吐出制御条件を異ならせる処理を行わない。
これにより、スライス積層体１０２の完成状態である造形中間物１２０が得られる（ステップＳ６）。最後に、造形中間物１２０に対してサポート材１０６の除去処理を施すことで（ステップＳ７）、仕上がり品位が高い三次元造形物１００が完成される（ステップＳ８）。
＜三次元造形装置１０Ｂによる効果＞
以上のように、三次元造形装置１０Ｂの構成によっても第１実施形態（三次元造形装置１０Ａ）の場合と同様の作用効果が得られる。すなわち、造形物の外形の違いにかかわらず表面の光沢性に関する仕上がり品位を向上できる。
三次元造形装置１０Ｂを用いた三次元造形方法では、モデル材１０４及びサポート材１０６の配置を決定する決定ステップ（Ｓ３）と、特定領域１３６、１３８に対して粗化処理を施す粗化ステップ（Ｓ１０）を実行する。
この場合、三次元造形装置１０Ｂは、モデル材１０４及びサポート材１０６の液滴３０を吐出する吐出ユニット３２を更に備え、粗化処理手段は、吐出ユニット３２の吐出制御に供される吐出データを特定領域１３６、１３８内にて不均一化させるデータ修正部１８２である。これにより、吐出データを作成する段階において特定領域１３６、１３８の粗化処理を実行できる。
［第３実施形態］
続いて、第３実施形態に係る三次元造形装置１０Ｃについて、図１１〜図１３を参照しながら説明する。
＜三次元造形装置１０Ｃの電気ブロック図＞
図１１は、第３実施形態に係る三次元造形装置１０Ｃの電気ブロック図である。三次元造形装置１０Ｃの構成は、制御部２００の動作及び機能の点において、第１実施形態（図２の制御部５０）と異なっている。具体的には、制御部２００は、記憶部５８に格納されたプログラムを読み出し実行することで、データ処理部６４、配置決定部６６、特定領域抽出部６８、及び配置修正部２０２（粗化処理手段）を含む各機能を実現可能である。
＜三次元造形装置１０Ｃの動作＞
続いて、図１１に示す三次元造形装置１０Ｃの動作、特に三次元造形物１００の生成動作について、図１２のフローチャート及び図１３を適宜参照しながら説明する。
制御部５０は、画像入力Ｉ／Ｆ５２を介して造形データを取得する（ステップＳ１）。データ処理部６４は、ベクトルデータ形式の造形データに対してラスタライズ処理を実行する（ステップＳ２）。配置決定部６６は、モデル材１０４及びサポート材１０６の配置を決定する（ステップＳ３）。特定領域抽出部６８は、モデル材１０４がなす外表面１１２のうち特定領域１３６、１３８を抽出する（ステップＳ４）。
ステップＳ２０において、配置修正部２０２は、ステップＳ３にて決定された配置に対して、特定領域１３８を被覆する位置にサポート材１０６を追加する。以下、図１３を参照しながら詳細に説明する。
図１３は、サポート材１０６の追加配置に関する説明図である。作業領域１３０の定義については図５の場合と同じであるため、その説明を省略する。実線で示す閉空間は、モデル材１０４の三次元配置を示す造形領域１３２に相当する。破線で示す閉空間は、サポート材１０６の三次元配置を示す支持領域１３４に相当する。
配置修正部２０２は、特定領域抽出部６８により抽出された特定領域１３６、１３８のうち、サポート材１０６が被覆されない領域が存在するか否かを判別する。本図例では、１つの特定領域１３８が存在すると判別される。そこで、配置修正部２０２は、特定領域１３８を被覆する位置に、所定の厚みを有するサポート材１０６を追加的に配置する。その結果、支持領域１３４及び追加領域２０４の集合体である修正済み支持領域２０６が得られる。
ステップＳ１１において、三次元造形装置１０Ｃは、ステップＳ２０で修正された吐出データに基づいて造形処理を実行する。ここでも、第１実施形態の場合と異なり、特定領域１３６、１３８の属否に応じて吐出制御条件を異ならせる処理を行わない。
これにより、スライス積層体１０２の完成状態である造形中間物１２０が得られる（ステップＳ６）。最後に、造形中間物１２０に対してサポート材１０６の除去処理を施すことで（ステップＳ７）、仕上がり品位が高い三次元造形物１００が完成される（ステップＳ８）。サポート材１０６の被覆により粗化された上面１１６は、底面１１４及び側面１１８と同じ程度の表面粗さを有する。
＜三次元造形装置１０Ｃによる効果＞
以上のように、三次元造形装置１０Ｃの構成によっても第１実施形態（三次元造形装置１０Ａ）の場合と同様の作用効果が得られる。すなわち、造形物の外形の違いにかかわらず表面の光沢性に関する仕上がり品位を向上できる。
三次元造形装置１０Ｃを用いた三次元造形方法では、モデル材１０４及びサポート材１０６の配置を決定する決定ステップ（Ｓ３）と、特定領域１３８に対して粗化処理を施す粗化ステップ（Ｓ２０）を実行する。
この場合、三次元造形装置１０Ｃの粗化処理手段は、特定領域１３８を被覆する位置にサポート材１０６を追加的に配置させる配置修正部２０２である。これにより、モデル材１０４及びサポート材１０６を配置する段階において特定領域１３８の粗化処理を実行できる。
［備考］
なお、この発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、この発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。
これらの実施形態では、載置台２０及び吐出ユニット３２の両方とも移動可能であるが、一方が固定された状態下に他方が移動可能であってもよいし、３つの移動方向（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向）の組み合わせは任意である。
これらの実施形態では、インクジェット方式の三次元造形装置１０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できる。
１０（Ａ、Ｂ、Ｃ）‥三次元造形装置 １２‥載置部
１４‥キャリッジ １６‥キャリッジ駆動部
１８‥作業面 ２０‥載置台
２２‥ステージ駆動部 ２４‥ガイドレール
２６‥スライダ ２８‥キャリッジレール
３０‥液滴 ３２‥吐出ユニット
３４‥平坦化ローラ ３６‥硬化ユニット
３８、４０‥吐出ヘッド ４２‥ノズル
４４‥ノズル列 ５０、１８０、２００‥制御部
６０‥三次元駆動部 ６２‥駆動回路
６４‥データ処理部 ６６‥配置決定部
６８‥特定領域抽出部 ７０‥特定領域指示部
７２‥吐出制御部（粗化処理手段） ７４‥硬化制御部
１００‥三次元造形物 １０２‥スライス積層体
１０４‥モデル材 １０６‥サポート材
１０８‥スライス面 １１０‥本体部
１１２‥外表面 １２０‥造形中間物
１２２‥支持部材 １３０‥作業領域
１３２‥造形領域 １３４‥支持領域
１３６、１３８‥特定領域 １３９‥接触領域
１４０、１８４‥均一領域
１４６、１４８、１８６、１８８‥不均一領域
１５１〜１５７‥単位層 １８２‥データ修正部（粗化処理手段）
２０２‥配置修正部（粗化処理手段） ２０４‥追加領域
２０６‥修正済み支持領域

Claims (14)

  1. モデル材及び／又はサポート材を含む単位層を作業面の上に順次積層して得た造形中間物から、前記サポート材で構成される支持部材を除去することで、前記モデル材で構成される三次元造形物を生成する三次元造形装置であって、
    前記三次元造形物と前記支持部材が部分的に面接触するように、前記モデル材及び前記サポート材の配置を決定する配置決定部と、
    前記配置決定部により配置が決定された前記モデル材がなす外表面のうち、前記作業面に平行な面がなす特定領域に対して粗化処理を施す粗化処理手段と
    を備えることを特徴とする三次元造形装置。
  2. 前記粗化処理手段は、前記サポート材が被覆されない前記特定領域に対して粗化処理を施すことを特徴とする請求項１に記載の三次元造形装置。
  3. 前記粗化処理手段は、前記特定領域に隣接する領域に前記サポート材が被覆される場合、前記特定領域に対して粗化処理を施すことを特徴とする請求項２に記載の三次元造形装置。
  4. 前記モデル材及び前記サポート材の液滴を吐出する吐出ユニットを更に備え、
    前記粗化処理手段は、前記吐出ユニットを制御することで、前記液滴の吐出密度、吐出量及び吐出速度のうち少なくとも１つを前記特定領域内にて不均一化させる吐出制御部である
    ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
  5. 前記モデル材及び前記サポート材の液滴を吐出する吐出ユニットを更に備え、
    前記粗化処理手段は、前記吐出ユニットの吐出制御に供される吐出データを前記特定領域内にて不均一化させるデータ修正部である
    ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
  6. 前記粗化処理手段は、前記特定領域を被覆する位置に前記サポート材を追加的に配置させる配置修正部であることを特徴とする請求項２又は３に記載の三次元造形装置。
  7. モデル材及び／又はサポート材を含む単位層を作業面の上に順次積層して得た造形中間物から、前記サポート材で構成される支持部材を除去することで、前記モデル材で構成される三次元造形物を生成する三次元造形装置を用いた三次元造形方法であって、
    前記三次元造形物と前記支持部材が部分的に面接触するように、前記モデル材及び前記サポート材の配置を決定する決定ステップと、
    配置が決定された前記モデル材がなす外表面のうち、前記作業面に平行な面がなす特定領域に対して粗化処理を施す粗化ステップと
    を備えることを特徴とする三次元造形方法。
  8. 前記粗化ステップでは、前記サポート材が被覆されない前記特定領域に対して粗化処理を施すことを特徴とする請求項７に記載の三次元造形方法。
  9. 前記粗化ステップでは、前記特定領域に隣接する領域に前記サポート材が被覆される場合、前記特定領域に対して粗化処理を施すことを特徴とする請求項８に記載の三次元造形方法。
  10. 前記三次元造形装置が有する吐出ユニットを用いて前記モデル材及び前記サポート材の液滴を吐出する吐出ステップを更に備え、
    前記粗化ステップでは、前記吐出ユニットを制御することで、前記液滴の吐出密度、吐出量及び吐出速度のうち少なくとも１つを前記特定領域内にて不均一化させる
    ことを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の三次元造形方法。
  11. 前記三次元造形装置が有する吐出ユニットを用いて前記モデル材及び前記サポート材の液滴を吐出する吐出ステップを更に備え、
    前記粗化ステップでは、前記吐出ユニットの吐出制御に供される吐出データを前記特定領域内にて不均一化させる
    ことを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の三次元造形方法。
  12. 前記粗化ステップでは、前記特定領域を被覆する位置に前記サポート材を追加的に配置させることを特徴とする請求項８又は９に記載の三次元造形方法。
  13. 請求項７〜１２のいずれか１項に記載の三次元造形方法を用いて生成されたことを特徴とする造形中間物。
  14. 請求項７〜１２のいずれか１項に記載の三次元造形方法を用いて得た前記造形中間物から前記支持部材を除去して生成されたことを特徴とする三次元造形物。
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