JP2018144262A - 三次元造形装置及び三次元造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】モデル材及びサポート材を硬化する前に特別な処理を施すことなく、単位層間における密着性が十分な三次元造形物を生成可能な三次元造形装置及び三次元造形方法を提供する。【解決手段】三次元造形装置１０は、単位層１５１〜１５８を積層してなる積層構造体１０２を載置可能な載置台２０と、モデル材１０４及びサポート材１０６の液滴３０を積層構造体１０２の最上面１０８に向けて吐出する吐出ユニット３２と、最上面１０８を硬化する硬化ユニット３６と、造形中間物１２０の下層側ほど積層速度Ｖを低くし、かつ造形中間物１２０の上層側ほど積層速度Ｖを高くするように、吐出ユニット３２の吐出制御を行う吐出制御部６８を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、硬化性のモデル材及び／又は硬化性のサポート材を含む単位層を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に関する。

近時、スライス単位の層状体（以下、単位層という）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。一般的には、モデル材及び／又はサポート材を含む単位層を順次積層して得た造形中間物から、サポート材で構成される支持部材を除去することで、モデル材で構成される三次元造形物を生成する。

載置台の作業面上に直接的に三次元造形物を造形する場合、造形中間物を載置台から取り外す際にその底面が変形し、三次元造形物の品位を損なう可能性がある。具体的には、底面に作業面の表面形状が転写されたり、作業面への固着により底面の一部が欠損したりする現象が起こり得る。この現象を避けるため、後に除去可能なサポート材からなる土台部を、底面と作業面の間に配置することがある。

ところで、三次元造形物の造形条件の違いにより単位層同士が干渉し、無視できない程度に硬化特性が変動する場合がある。特に、材料毎の硬化特性の差異に起因して、造形物の本体部と土台部の接触面近傍での歪みが起こり、土台部に対する本体部の密着性が低下し易くなる。その結果、造形中間物の形成途中に両者の剥離が起こり、上層側における造形位置の再現性が低下する懸念もある。

そこで、特許文献１では、載置台にヒータ（heating element）を設けることで、造形中間物の下側から加熱する装置が提案されている。これにより、異なる材料の合一による界面部（interface line）が小さくなるので、土台部に対する本体部の密着性が保たれる旨が概ね記載されている。

米国特許第８６３６４９４号明細書（図３Ａ、図４Ｂ、図４Ｃ等）

しかしながら、特許文献１で提案される装置のようにヒータを増設することで、装置の製造コストが増加するのみならず、ヒータを駆動するための電力消費量が増加する問題も生じる。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、モデル材及びサポート材を硬化する前に特別な処理を施すことなく、単位層間における密着性が十分な三次元造形物を生成可能な三次元造形装置及び三次元造形方法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、硬化性のモデル材及び／又は硬化性のサポート材を含む単位層を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、前記単位層を積層してなる積層構造体を載置可能な載置台と、前記載置台に対して相対移動しながら、前記モデル材及び前記サポート材の液滴を前記積層構造体の最上面に向けて吐出する吐出手段と、前記液滴の吐出により形成される前記最上面を硬化する硬化手段と、前記造形中間物の下層側ほど積層速度を低くし、かつ前記造形中間物の上層側ほど積層速度を高くするように、前記吐出手段の吐出制御を行う吐出制御部を備える。

造形中間物に作用する自重の影響により、単位層間に作用するせん断応力は、下層側ほど大きくなり、かつ上層側ほど小さくなる傾向がある。そこで、造形中間物の下層側ほど積層速度を低くするように吐出手段の吐出制御を行うことで、下層側の単位層が完全に硬化するまでの所要時間が相対的に短くなり、硬化特性の変動が起こり難くなる。これにより、モデル材及びサポート材を硬化する前に特別な処理を施すことなく、単位層間における密着性が十分な三次元造形物を生成できる。

一方、造形中間物の上層側ほど積層速度を高くするように吐出手段の吐出制御を行うことで、その分だけ完成時間が短縮され、造形中間物の生産性が向上する。なお、造形中間物の自重による応力が少ない上層側では、硬化までの所要時間が相対的に長くなったとしても上記した密着性に与える影響が少ない。

また、前記吐出制御部は、前記造形中間物の下層側ほど積層間隔を小さくすると共に前記液滴の吐出量を少なくし、かつ、前記造形中間物の上層側ほど積層間隔を大きくすると共に前記液滴の吐出量を多くするように、前記吐出手段の吐出制御を行うことが好ましい。積層間隔及び吐出量を可変に制御することで、他の吐出条件を実質的に変更することなく積層速度を自由に変更できる。

また、前記造形中間物の一部である前記支持部材には、前記三次元造形物と前記載置台の間に配置される土台部が含まれることが好ましい。モデル材とサポート材の硬化特性の差異に起因して、三次元造形物の本体部と土台部の接触面近傍での歪みが起こり、土台部に対する本体部の密着性が低下し易くなる。このため、上記した密着性の向上効果がより顕著に現われる。

本発明に係る「三次元造形方法」は、硬化性のモデル材及び／又は硬化性のサポート材を含む単位層を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方法であって、前記単位層を積層してなる積層構造体を載置可能な載置台に対して相対移動しながら、前記モデル材及び前記サポート材の液滴を前記積層構造体の最上面に向けて吐出する吐出工程と、前記液滴の吐出により形成される前記最上面を硬化する硬化工程と、前記造形中間物の下層側ほど積層速度を低くし、かつ前記造形中間物の上層側ほど積層速度を高くするように吐出制御を行う制御工程を備える。

本発明に係る三次元造形装置及び三次元造形方法によれば、モデル材及びサポート材を硬化する前に特別な処理を施すことなく、単位層間における密着性が十分な三次元造形物を生成できる。

第１実施形態に係る三次元造形装置の要部を示す概略図である。 図１に示す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１及び図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。 積層速度の位置依存性を示す図である。 吐出データの部分的な構造例を示す図である。 本体部と土台部の接触面近傍における造形中間物の部分拡大断面図である。

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、この実施形態に係る三次元造形装置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である積層構造体１０２が表記されている。

積層構造体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、積層構造体１０２は、モデル材１０４及び／又はサポート材１０６を含む単位層１５１〜１５８（図７（Ｂ）参照）を鉛直方向に沿って順次積層してなる。

三次元造形装置１０は、積層構造体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）を積層構造体１０２の最上面１０８に向けて吐出する吐出ユニット３２（吐出手段）と、最上面１０８を平坦化する平坦化ローラ３４（平坦化手段）と、最上面１０８上の液滴３０を硬化する硬化ユニット３６（硬化手段）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或いは最上面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、必要に応じて積層構造体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。

＜三次元造形装置１０の電気ブロック図＞
図２は、図１に示す三次元造形装置１０の電気ブロック図である。この三次元造形装置１０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）、ＧＰＵ（Graphics 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及び配置決定部６６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６８と、硬化ユニット３６の硬化制御を司る硬化制御部７０とから構成される。

吐出制御部６８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７０は、エネルギーの付与量（この実施形態では、紫外線の照射量）に応じた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、積層構造体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、ここでは紫外線硬化樹脂からなる。紫外線硬化樹脂として、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、上面１１６を除いた全ての外表面１１２を覆う概略鉢形状を有する。つまり、支持部材１２２には、三次元造形物１００と載置台２０（図１）の間に配置される土台部１２４が含まれる点に留意する。なお、支持部材１２２は、上述の通り、紫外線硬化性を有し、かつ三次元造形物１００を変質させずに除去可能な材料からなる。

＜三次元造形装置１０の動作＞
続いて、図１及び図２に示す三次元造形装置１０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を定義すると共に、この作業領域を構成する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１５１〜１５８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１５１〜１５８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。

また、作業面１８上に直接的に三次元造形物１００を造形する場合、造形中間物１２０を載置台２０から取り外す際に本体部１１０の底面１１４が変形し、三次元造形物１００の品位を損なう可能性がある。具体的には、底面１１４に作業面１８の表面形状が転写されたり、作業面１８への固着により底面１１４の一部が欠損したりする現象が起こり得る。そこで、底面１１４と作業面１８の間に、後に除去可能なサポート材１０６からなる土台部１２４を配置する必要がある。

ステップＳ４において、三次元造形装置１０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１０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１５１〜１５８をＺ方向に沿って順次積層することで積層構造体１０２を生成する。

このとき、［１］形成しようとする単位層１５１〜１５８の指定（Ｓ４１）、［２］吐出制御（Ｓ４２ａ）下での液滴３０の吐出（Ｓ４２ｂ）、［３］平坦化ローラ３４を用いた最上面１０８の平坦化（Ｓ４３）、及び［４］硬化ユニット３６を用いた最上面１０８の硬化（Ｓ４４）が順次実行される。これにより、積層構造体１０２は鉛直方向（Ｚ方向）に沿って徐々に成長する。

この吐出制御（Ｓ４２ａ）は、単位層１５１〜１５８に応じて積層速度Ｖを変更させる技術的特徴を有する。ここで、「積層速度Ｖ」とは、単位時間当たりの積層構造体１０２の成長量（単位は、例えば［ｍｍ／ｓ］）を示す。以下、具体的な吐出制御方法について図５及び図６を参照しながら説明する。

図５は、積層速度Ｖの位置依存性を示す図である。グラフの横軸はＺ方向の位置（単位：ｍｍ）であり、グラフの縦軸は積層速度Ｖ（単位：ｍｍ／ｓ）である。ここでは、作業面１８上の位置を基準点とし、単位層１５１〜１５８の積層方向を正の向きとする。

本図から理解されるように、積層速度Ｖは、Ｚ方向の位置（単位層１５１〜１５８の位置）に応じて段階的に変化する。具体的には、０≦Ｚ≦Ｚ１（下層側）の場合には積層速度Ｖ＝Ｖ１であり、Ｚ１＜Ｚ＜Ｚ２（中層側）の場合には積層速度Ｖ＝Ｖ２であり、Ｚ≧Ｚ２（上層側）の場合には積層速度Ｖ＝Ｖ３である。なお、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３は、Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ３の関係を満たす正値である。

このように、吐出制御部６８は、造形中間物１２０の下層側ほど積層速度Ｖを低くし、かつ造形中間物１２０の上層側ほど積層速度Ｖを高くするように、吐出ユニット３２の吐出制御を行う。続いて、この吐出制御（つまり、積層速度Ｖの変更）を行うための吐出データの具体例について説明する。

図６は、吐出データの部分的な構造例を示す図である。より詳しくは、図６（Ａ）は下層側に対応するデータ構造、図６（Ｂ）は中層側に対応するデータ構造、図６（Ｃ）は上層側に対応するデータ構造をそれぞれ示す。

図６（Ａ）に示す第１データ列１３１は、水平方向（Ｐｘ／Ｐｙ）の８つずつのボクセル、高さ方向（Ｐｚ）の６つのボクセルで構成される三次元データである。ボクセル内に表記された数字は、液滴３０のサイズ（モデル材１０４の吐出量）を識別するボクセル値に相当する。なお、矩形セルの辺の長さは、ボクセル間隔に比例する点に留意する。

このボクセル値は、例えば、大サイズは「３」、中サイズは「２」、小サイズは「１」であり、吐出がない位置には「０」が書き込まれる。この場合、第１データ列１３１は、ボクセル値がすべて「１」であるため、小サイズの液滴３０が隙間なく吐出される状態を示す。

図６（Ｂ）に示す第２データ列１３２は、水平方向（Ｐｘ／Ｐｙ）の８つずつのボクセル、高さ方向（Ｐｚ）の３つのボクセルで構成される三次元データである。本図から理解されるように、矩形セルのＺ方向の長さは、図６（Ａ）の長さに対して２倍である。そして、第２データ列１３２は、ボクセル値がすべて「２」であるため、中サイズの液滴３０が隙間なく吐出される状態を示す。

図６（Ｃ）に示す第３データ列１３３は、水平方向（Ｐｘ／Ｐｙ）の８つずつのボクセル、高さ方向（Ｐｚ）の２つのボクセルで構成される三次元データである。本図から理解されるように、矩形セルのＺ方向の長さは、図６（Ａ）の長さに対して３倍である。そして、第３データ列１３３は、ボクセル値がすべて「３」であるため、大サイズの液滴３０が隙間なく吐出される状態を示す。

このように、吐出制御部６８は、造形中間物１２０の下層側（第１データ列１３１）ほど積層間隔を小さくすると共に液滴３０の吐出量を少なくし、かつ、造形中間物１２０の上層側（第３データ列１３３）ほど積層間隔を大きくすると共に液滴３０の吐出量を多くするように、吐出ユニット３２の吐出制御を行ってもよい。積層間隔及び吐出量を可変に制御することで、他の吐出条件（例えば、水平方向の解像度）を実質的に変更することなく積層速度Ｖを自由に変更できる。

図７は、本体部１１０と土台部１２４の接触面近傍における造形中間物１２０の部分拡大断面図である。より詳しくは、図７（Ａ）は積層速度Ｖが高い吐出制御により得られる造形中間物１２０の部分拡大断面図であり、図７（Ｂ）は積層速度Ｖが低い吐出制御により得られる造形中間物１２０の部分拡大断面図である。

図７（Ａ）に示すように、接触面（つまり、底面１１４）の近傍では、［１］サポート材１０６の単位層１４１、［２］サポート材１０６の単位層１４２、［３］モデル材１０４の単位層１４３、及び［４］モデル材１０４の単位層１４４、が順次積層されている。本図では、２つの単位層１４２、１４３間に複数の隙間部１４５が生じている。その原因は、モデル材１０４及びサポート材１０６の硬化特性の差異に起因して、単位層１４２、１４３間での歪みが発生したためである。特に、単位層１４１〜１４４が厚いので、完全に硬化するまでの所要時間が相対的に長くなり、硬化特性の変動が起こり易くなる。

その後、単位層１４２、１４３間における密着性が低下した状態のまま、徐々に成長する造形中間物１２０の自重により、大きいせん断応力が接触面の近傍に作用する。そして、単位層１４２、１４３が剥離した状態になると、上層側における造形位置の再現性が低下し、所望の三次元形状を有する造形中間物１２０が得られない場合もある。

一方、図７（Ｂ）に示すように、接触面（つまり、底面１１４）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］サポート材１０６の単位層１５３、［４］サポート材１０６の単位層１５４、［５］モデル材１０４の単位層１５５、［６］モデル材１０４の単位層１５６、［７］モデル材１０４の単位層１５７、及び［８］モデル材１０４の単位層１５８、が順次積層されている。これら単位層１５１〜１５８の厚さは、単位層１４１〜１４４（図７（Ａ））の約半分である。

本図から理解されるように、単位層１５１〜１５８のそれぞれの層間には１つの隙間部も生じていない。なぜならば、下層側の積層速度Ｖを低くして下層(例えば、土台部１２４)を構成する複数の単位層１５１〜１５８の１層ずつを薄くすることで、完全に硬化するまでの所要時間が相対的に短くなり、硬化特性の変動が起こり難くなるからである。単位層１５１〜１５８間における密着性が維持されるので、造形中間物１２０の成長に伴う単位層１５１〜１５８の剥離を防止可能となる。その結果、全層における造形位置の再現性が維持され、所望の三次元形状を有する造形中間物１２０が得られる。

このようにして、造形中間物１２０の造形処理が終了する（ステップＳ４）。なお、支持部材１２２に土台部１２４が含まれる場合、上記した密着性の向上効果がより顕著に現われる。なぜならば、モデル材１０４とサポート材１０６の硬化特性の差異に起因して、土台部１２４に対する本体部１１０の密着性が低下し易くなるからである。

図４のステップＳ５において、積層構造体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、造形中間物１２０は、全層における三次元造形物１００の造形位置の再現性が維持されており、所望の三次元形状を有する点に留意する。

ステップＳ６において、ステップＳ５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Ｓ７において、三次元造形物１００（図３（Ａ）参照）が完成される。この三次元造形物１００は、所望の三次元形状を有する。

＜この実施形態による効果＞
以上のように、三次元造形装置１０は、硬化性のモデル材１０４及び／又は硬化性のサポート材１０６を含む単位層１５１〜１５８を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、［１］単位層１５１〜１５８を積層してなる積層構造体１０２を載置可能な載置台２０と、［２］載置台２０に対して相対移動しながら、モデル材１０４及びサポート材１０６の液滴３０を積層構造体１０２の最上面１０８に向けて吐出する吐出ユニット３２と、［３］液滴３０の吐出により形成される最上面１０８を硬化する硬化ユニット３６と、［４］造形中間物１２０の下層側ほど積層速度Ｖを低くし、かつ造形中間物１２０の上層側ほど積層速度Ｖを高くするように、吐出ユニット３２の吐出制御を行う吐出制御部６８と、を備える。

また、この三次元造形装置１０を用いた三次元造形方法は、［１］単位層１５１〜１５８を積層してなる積層構造体１０２を載置可能な載置台２０に対して相対移動しながら、モデル材１０４及びサポート材１０６の液滴３０を積層構造体１０２の最上面１０８に向けて吐出する吐出工程（Ｓ４２ｂ）と、［２］液滴３０の吐出により形成される最上面１０８を硬化する硬化工程（Ｓ４４）と、［３］造形中間物１２０の下層側ほど積層速度Ｖを低くし、かつ造形中間物１２０の上層側ほど積層速度Ｖを高くするように吐出制御を行う制御工程（Ｓ４２ａ）と、を備える。

造形中間物１２０に作用する自重の影響により、単位層１５１〜１５８間に作用するせん断応力は、下層側ほど大きくなり、かつ上層側ほど小さくなる傾向がある。そこで、造形中間物１２０の下層側ほど積層速度Ｖを低くするように吐出ユニット３２の吐出制御を行うことで、下層側の単位層１５１〜１５８が完全に硬化するまでの所要時間が相対的に短くなり、硬化特性の変動が起こり難くなる。これにより、モデル材１０４及びサポート材１０６を硬化する前に特別な処理を施すことなく、単位層１５１〜１５８間における密着性が十分な三次元造形物１００を生成できる。

一方、造形中間物１２０の上層側ほど積層速度Ｖを高くするように吐出ユニット３２の吐出制御を行うことで、その分だけ完成時間が短縮され、造形中間物１２０の生産性が向上する。なお、造形中間物１２０の自重による応力が少ない上層側では、硬化までの所要時間が相対的に長くなったとしても上記した密着性に与える影響が少ない。

［備考］
なお、この発明は、上述した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。

例えば、この実施形態（図５）では、Ｚ方向の位置に応じて３つのレベルにて積層速度Ｖを離散的に変更しているが、速度レベルの数は３つの他にも、２つ又は４つ以上であってもよい。また、積層速度Ｖの位置依存性は、連続性又は不連続性を有する任意の関数形であってもよい。

また、積層速度Ｖを変更する方法として、積層間隔及び吐出量を可変に制御する方法の他に、走査速度を変更する方法を採用してもよい。例えば、走査間隔を遅くする、つまり、吐出するタイミングの時間間隔を空けることで、積層速度Ｖを遅くすることができる。

また、この実施形態では、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。

また、この実施形態では、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‥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（吐出手段）
３４‥平坦化ローラ ３６‥硬化ユニット（硬化手段）
４０、４２‥吐出ヘッド ４４‥ノズル
４６‥ノズル列 ５０‥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‥吐出制御部 ７２‥硬化制御部
１００‥三次元造形物 １０２‥積層構造体
１０４‥モデル材 １０６‥サポート材
１０８‥最上面 １１０‥本体部
１１２‥外表面 １２０‥造形中間物
１２２‥支持部材 １２４‥土台部
１３１‥第１データ列 １３２‥第２データ列
１３３‥第３データ列 １４１〜１４４、１５１〜１５８‥単位層
１４５‥空隙部

Claims (4)

1. 硬化性のモデル材及び／又は硬化性のサポート材を含む単位層を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、
   前記単位層を積層してなる積層構造体を載置可能な載置台と、
   前記載置台に対して相対移動しながら、前記モデル材及び前記サポート材の液滴を前記積層構造体の最上面に向けて吐出する吐出手段と、
   前記液滴の吐出により形成される前記最上面を硬化する硬化手段と、
   前記造形中間物の下層側ほど積層速度を低くし、かつ前記造形中間物の上層側ほど積層速度を高くするように、前記吐出手段の吐出制御を行う吐出制御部と
   を備えることを特徴とする三次元造形装置。
2. 前記吐出制御部は、前記造形中間物の下層側ほど積層間隔を小さくすると共に前記液滴の吐出量を少なくし、かつ、前記造形中間物の上層側ほど積層間隔を大きくすると共に前記液滴の吐出量を多くするように、前記吐出手段の吐出制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の三次元造形装置。
3. 前記造形中間物の一部である前記支持部材には、前記三次元造形物と前記載置台の間に配置される土台部が含まれることを特徴とする請求項１又は２に記載の三次元造形装置。
4. 硬化性のモデル材及び／又は硬化性のサポート材を含む単位層を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方法であって、
   前記単位層を積層してなる積層構造体を載置可能な載置台に対して相対移動しながら、前記モデル材及び前記サポート材の液滴を前記積層構造体の最上面に向けて吐出する吐出工程と、
   前記液滴の吐出により形成される前記最上面を硬化する硬化工程と、
   前記造形中間物の下層側ほど積層速度を低くし、かつ前記造形中間物の上層側ほど積層速度を高くするように吐出制御を行う制御工程と
   を備えることを特徴とする三次元造形方法。

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