JP2019055495A - 造形物の形成方法および三次元造形物製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】三次元造形物の高い造形精度の形成方法を提供する。
【解決手段】三次元造形物の形成方法は、紫外線の照射により重合する重合性化合物を含むインクを、インクジェット法により液滴にして表面が非吸液性の基材の表面に付与するステップＳ１の第１インク付与工程と、第１の時間間隔を開けて重合性化合物を粒状のまま重合・固化させるステップＳ２の第１固化工程と、インクを液滴にして付与するステップＳ３の第２インク付与工程と第２の時間間隔を開けて重合性化合物を重合・固化させるステップＳ４の第２固化工程と、を有し、第２の時間間隔は第１の時間間隔よりも長い。
【選択図】図２

Description

本発明は、造形物の形成方法および三次元造形物製造装置に関する。

インクジェット法により吐出したインクなどの造形材を積層していくことによって三次元造形物を造形する造形方法が知られている。特許文献１に造形方法が開示されている。それによると、三次元造形物の三次元データを複数の層に区画し、その最下層から順に吐出部から造形材を吐出し固化して積層していくことによって、その三次元データに合わせた三次元造形物を造形している。近年三次元造形物は、文化財の複製や手術の事前確認用模型などを造形するため、高精度な造形が要求されている。

特開２００４−９０５３０号公報

前述した特許文献１の三次元造形物製造装置では、主走査方向にヘッドを移動させながらノズルからインクを吐出している。そして、吐出させた粒状のインク同士を重ねて固化させることによって、三次元造形物を造形する。このとき、インクの粒の配列が乱れることがある。配列の乱れにより形状の凹凸が生じる。そこで、高い造形精度で造形ができる造形物の造形方法が望まれていた。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
本適用例に係る造形物の形成方法は、紫外線の照射により重合する重合性化合物を含むインクを、インクジェット法により液滴にして表面が非吸液性の基材の表面に付与する第１インク付与工程と、第１の時間間隔を開けて前記重合性化合物を粒状のまま重合・固化させる第１固化工程と、前記インクを液滴にして付与する第２インク付与工程と、第２の時間間隔を開けて前記重合性化合物を重合・固化させる第２固化工程と、を有し、前記第２の時間間隔は前記第１の時間間隔よりも長いことを特徴とする。

本適用例によれば、第１インク付与工程ではインクジェット法により粒状のインクが付与される。第１固化工程では第１の時間間隔を開けてインクが固化されている。非吸液性の材料で構成された基材の表面にインクが付与されるのでインクが粒状に存在する。このとき、基材の表面には粒状のインクによる凹凸が形成される。

第２インク付与工程では粒状のインクが付与される。第２固化工程では第２の時間間隔を開けてインクが固化されている。第２の時間間隔は第１の時間間隔よりも長いので隣接した粒状のインクの凹部にインクが入って固化する。したがって、凹凸が抑制されるので高い造形精度の造形を行うことができる。

［適用例２］
上記に記載の造形物の形成方法であって、前記第１インク付与工程と前記第１固化工程とを繰り返して複数行った後に、前記第２インク付与工程と前記第２固化工程とを行うことを特徴とする。

本適用例によれば、第１インク付与工程と、第１固化工程を繰り返して複数行うので造形物が効率よく形成することが出来る。その後で第２インク付与工程と、第２固化工程を行うので上面が平坦な造形物を形成することが出来る。

［適用例３］
本適用例に係る三次元造形物製造装置は、層を積層して三次元造形物を製造する三次元造形物製造装置であって、重合性化合物を含むインクを積層して付与するインク付与手段と、前記インク付与手段と相対移動し、前記インクが積層されるステージと、前記インクに紫外線を照射する照射部と、前記照射部の照射タイミングを制御する制御部と、を有し、前記制御部は第１の照射タイミングと第２の照射タイミングと、を有し、前記第２の照射タイミングは前記第１の照射タイミングより前記インクを付与してから前記紫外線を照射するまでの時間が長いことを特徴とする。

本適用例によれば、インク付与手段が重合性化合物を含むインクを付与し、照射部がインクに紫外線を照射する。ステージがインク付与手段に対して相対移動し、インク付与手段がインクをステージ上に付与するので、ステージ上にはインクが積層されて層が形成される。そして、制御部が照射タイミングを制御する。インク付与から照射までの時間が短い第１の照射タイミング時は効率よく層が形成できる。インク付与から照射までの時間が長い第２の照射タイミング時はインクが広がるので層上を平坦にできる。したがって、制御部が照射タイミングを制御することにより効率よく、しかも層の上面を平坦にすることが出来る。

実施形態１に係わる三次元造形物製造装置の概略構成を示す図。 造形物の形成方法を示すフローチャート。 造形物の形成方法を説明するための模式図。 造形物の形成方法を説明するための模式図。 造形物の形成方法を説明するための模式図。 造形物の形成方法を説明するための模式図。 造形物の形成方法を説明するための模式図。 造形物の形成方法を説明するための模式図。 実施形態２に係わる造形物の形成方法を示すフローチャート。 造形物の形成方法を説明するための模式図。 造形物の形成方法を説明するための模式図。 造形物の形成方法を説明するための模式図。 造形物の形成方法を説明するための模式図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係わる三次元造形物製造装置の概略構成を示す図である。
まず、図１を用いて実施形態１に係る三次元造形物製造装置１００の概略構成について説明する。三次元造形物製造装置１００は材料の層を積層して三次元造形物を製造する装置である。

三次元造形物製造装置１００は基台１を備えている。基台１上にはＹ軸方向に直動移動するＹ軸テーブル２が設置されている。Ｙ軸テーブル２上には昇降部３が設置されている。昇降部３上にはステージ４が設置されている。昇降部３はステージ４をＺ軸方向に昇降する。ステージ４上には水分を吸収しない非吸液性の基材としての非吸収基材５が設置されている。ステージ４のＺ軸方向側にはＸ軸方向にのびるガイドレール６が設置されている。ガイドレール６にはキャリッジ７が設置されている。キャリッジ７はガイドレール６に沿ってＸ軸方向に往復移動する。キャリッジ７には重合性化合物を含むインクおよび液滴としての液滴インク２１を積層して付与するインク付与手段としてのヘッド部８と、液滴インク２１に紫外線２５を照射する照射部９が設置されている。Ｙ軸テーブル２、昇降部３、キャリッジ７、ヘッド部８、照射部９にこれらを駆動させる駆動制御部１０が接続されている。駆動制御部１０には制御部１１が接続されている。

Ｙ軸テーブル２は、移動量の分解能が高いものが好ましい。例えば、本実施形態ではＹ軸テーブル２は５μｍの移動量の分解能を有している。Ｙ軸テーブル２の機構としては、例えば、ＬＭ（Ｌｉｎｅａｒ Ｍｏｔｉｏｎ）ガイドとボールねじが挙げられる。昇降部３は、移動量の分解能が高いものが好ましい。例えば、本実施形態では昇降部３は５μｍの移動量の分解能を有している。昇降部３の機構としては、例えば、ＬＭガイドとボールねじが挙げられる。

ステージ４はヘッド部８と相対移動し、液滴インク２１が積層されるものである。ステージ４の材質は、高強度の材料で構成されたものであるのが好ましい。ステージ４の構成材料としては、例えば、ステンレス鋼等の各種金属材料等が挙げられる。非吸収基材５は、耐熱性、耐衝撃性がある材料で構成されたものであるのが好ましい。非吸収基材５の構成材料としては、例えば、ポリカーボネートが挙げられる。

キャリッジ７は、移動量の分解能が高いものが好ましい。例えば、本実施形態ではキャリッジ７は５μｍの移動量の分解能を有している。キャリッジ７の機構としては、例えば、ＬＭガイドとボールねじが挙げられる。

インクジェット法におけるヘッド部８の駆動方式としては、ピエゾ方式や、インクを加熱して発生した泡によりインクを吐出させる方式等を用いることができる。照射部９は、液滴インク２１の固化に必要な特定波長を照射するユニットであれば良く、ＵＶ光照射用ランプやＵＶ光を照射するＬＥＤ光源を含むものを用いることができる。

駆動制御部１０はＹ軸テーブル２、昇降部３、キャリッジ７、ヘッド部８、照射部９の駆動を制御する。具体的には、例えば、Ｙ軸テーブル２の移動量、昇降部３の移動量、キャリッジ７の移動速度や移動量、ヘッド部８の吐出量や吐出タイミング、照射部９の照射光量や照射タイミングを制御できる。

制御部１１はＹ軸テーブル２、昇降部３、キャリッジ７、ヘッド部８、照射部９の駆動タイミングを制御する。制御部１１は駆動制御部１０に駆動信号を出力する。そして、各部位の動作を統合して制御する。そして、制御部１１は照射部９の照射タイミングを制御する。

三次元造形物製造装置１００は、Ｙ軸テーブル２をＹ軸方向に動かし、昇降部３をＺ軸方向に動かしてステージ４を造形開始地点に移動させる。次に、キャリッジ７をＸ軸方向に動かし、造形開始地点に移動させる。次に、キャリッジ７をＸ軸方向に移動し、キャリッジ７に設置されたヘッド部８から液滴インク２１を非吸収基材５に付与する。付与された液滴インク２１をキャリッジ７に設置された照射部９から照射される紫外線２５により固化させる。固化された液滴インク２１の面が形成された後では昇降部３はステージ４をＺ軸方向に降下させる。この工程を複数繰り返して造形物を形成する。

図２は造形物の形成方法を示すフローチャートである。図２において、ステップＳ１は第１インク付与工程である。この工程は、紫外線２５の照射により重合する重合性化合物を含むインクを、インクジェット法により液滴にして表面が非吸液性の基材の表面に付与する工程である。次にステップＳ２に移行する。ステップＳ２は第１固化工程である。この工程は、第１の時間間隔を開けて前記重合性化合物を重合・固化させる工程である。次にステップＳ３に移行する。

ステップＳ３は第２インク付与工程である。この工程は、インクを液滴にして付与する工程である。次にステップＳ４に移行する。ステップＳ４は第２固化工程である。この工程は、第２の時間間隔を開けて前記重合性化合物を重合・固化させる工程である。この第２の時間間隔は第１の時間間隔よりも長い時間になっている。次にステップＳ５に移行する。ステップＳ５は造形終了判断工程である。造形を終わらせずに継続するとき（ＮＯのとき）、ステップＳ１に移行する。造形を終了するとき（ＹＥＳのとき）、造形物の形成工程を終了する。

次に、フローチャートに基づいて図３から図８までを用いて詳細な説明をする。図３から図８までは造形物の形成方法を説明するための模式図である。図３はステップＳ１、ステップＳ２に対応する図である。図３に示すように、キャリッジ７は＋Ｘ軸方向に移動している。キャリッジ７に設置されたヘッド部８からインクジェット法により液滴インク２１が吐出される。ステージ４上に設置された非吸収基材５の上面に液滴インク２１が付与される。付与された液滴インク２１に第１の時間間隔をあけて、キャリッジ７に設置された照射部９から紫外線２５が照射される。第１の時間間隔をあけて紫外線２５を照射するタイミングを第１の照射タイミングとする。液滴インク２１の吐出と紫外線２５の照射とが並行して行われる。従って、第１の時間間隔は短い時間になっている。

その結果、液滴インク２１が粒状で固化し、粒状固化層２２が形成される。キャリッジ７の移動、液滴インク２１の付与と固化が連続して行われている。そして、Ｘ軸方向に粒状固化層２２の列が形成される。次に、Ｙ軸テーブル２かステージ４を移動する。粒状固化層２２の列の形成とステージ４の移動が繰り返して行われ、粒状固化層２２の面ができる。粒状固化層２２の面は凹凸のある面になっている。その後、昇降部３は粒状固化層２２の高さ分だけステージ４を−Ｚ軸方向に下降させる。

図４はステップＳ３に対応する図である。図４に示すように、キャリッジ７は＋Ｘ軸方向に移動している。キャリッジ７に設置されたヘッド部８から液滴インク２１が吐出される。そして、粒状固化層２２の上面に液滴インク２１が付与される。付与された液滴インク２１は第２の時間間隔の間固化されないので、液滴インク２１は凹凸の凹んだ部分に進行する。非吸収基材５上面では隣接した液滴インク２１同士が結合し、未固化インク膜２３が形成される。ステップＳ１およびステップＳ２と同様に、キャリッジ７とＹ軸テーブル２を移動して、未固化インク膜を形成する。未固化インク膜の上面は平坦な面になる。

図５はステップＳ４、ステップＳ５に対応する図である。図５に示すように、キャリッジ７は＋Ｘ軸方向に移動している。第２の時間間隔をあけてキャリッジ７に設置された照射部９から紫外線２５が未固化インク膜２３に照射される。第２の時間間隔をあけて紫外線２５を照射するタイミングを第２の照射タイミングとする。第２の照射タイミングは第１の照射タイミングより液滴インク２１を付与してから紫外線２５を照射するまでの時間が長くなっている。キャリッジ７の移動とステージ４の移動により、未固化インク膜２３上の平面に紫外線２５が照射される。これにより、上面が平坦化されている固化済インク層２４が形成される。その後、固化済インク層２４の高さ分だけ昇降部３がステージ４を−Ｚ軸方向に下降させている。ステップＳ５で造形を継続する判断をした場合はステップＳ１から再度工程が行われる。

図６は２回目以降のステップＳ１、ステップＳ２に対応する図である。図６に示すように、２回目以降のステップＳ１工程では、キャリッジ７に設置されたヘッド部８から吐出された液滴インク２１がステージ４上に設置された非吸収基材５の上面、又は固化済インク層２４の上面に付与される。付与された液滴インク２１に第１の時間間隔をあけた第１の照射タイミングにて、キャリッジ７に設置された照射部９から紫外線２５が照射されて粒状で固化し、粒状固化層２２が形成される。紫外線２５が照射されるときには、キャリッジ７の移動とステージ４の移動が行われ、２次元に渡って粒状固化層２２が形成される。その後、粒状固化層２２の高さ分だけ昇降部３がステージ４を−Ｚ軸方向に下降させる。

図７は２回目以降のステップＳ３に対応する図である。図７に示すように、２回目以降のステップＳ３工程では、キャリッジ７に設置されたヘッド部８から液滴インク２１が吐出される。粒状固化層２２の上面に液滴インク２１が付与される。付与された液滴インク２１は第２の時間間隔の間固化させない。このため、非吸収基材５上面又は粒状固化層２２の上面で隣接した液滴インク２１同士が結合し、未固化インク膜２３が形成される。

図８は２回目以降のステップＳ４、ステップＳ５に対応する図である。図８に示すように、２回目以降のステップＳ４工程では、１回目のステップＳ４、ステップＳ５の工程と同様の工程が行われる。造形物の形成を継続する場合はステップＳ１から再度工程が行われ、継続されない場合は工程が終了される。以上の工程により造形物が形成される。

以上のように、実施形態１に示す造形物の形成方法では、ステップＳ１の第１インク付与工程にて紫外線２５の照射により重合・固化する重合性化合物を含む液滴インク２１を非吸収基材５の表面に付与する。ステップＳ２の第１固化工程では第１の時間間隔を開けて重合性化合物を粒状のまま重合・固化させる。ステップＳ３の第２インク付与工程では液滴インク２１を付与する。ステップＳ４の第２固化工程では第２の時間間隔を開けて重合性化合物を重合・固化させる。そして、第２の時間間隔は第１の時間間隔よりも長くなっている。

以上述べたように、本実施形態に係る造形物の形成方法によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）上記実施形態１によれば、ステップＳ１の第１インク付与工程ではインクジェット法により液滴インク２１が付与される。ステップＳ２の第１固化工程では第１の時間間隔を開けて液滴インク２１が固化されている。液滴インク２１が非吸収基材５の表面に付与されるので粒状固化層２２が形成される。ステップＳ３の第２インク付与工程では液滴インク２１が付与される。ステップＳ４の第２固化工程では第２の時間間隔を開けて液滴インク２１が固化されている。第２の時間間隔は第１の時間間隔よりも長いので隣接した粒状のインクと結合する。したがって、凹凸が抑制されるので高い造形精度の造形を行うことができる。

（２）上記実施形態１によれば、ヘッド部８が重合性化合物を含むインクを付与し、照射部９が液滴インク２１に紫外線２５を照射する。ステージ４がヘッド部８に対して相対移動し、ヘッド部８が液滴インク２１をステージ４上に付与するので、ステージ４上には固化済インク層２４が形成される。そして、制御部１１が照射タイミングを制御する。インク付与から照射までのタイミングが短い第１の照射タイミング時は効率よく層が形成できる。インク付与から照射までのタイミングが長い第２の照射タイミング時はインクが広がるので層を平坦にできる。したがって、制御部１１が照射タイミングを制御することにより効率よく、しかも層の上面を平坦にすることができる。

（実施形態２）
実施形態２が実施形態１と異なる点は第１インク付与工程と、第１固化工程を繰り返して複数行った後に、第２インク付与工程と、第２固化工程を行う点にある。実施形態１と同じ点については説明を省略する。
図９は実施形態２に係わる造形物の形成方法を示すフローチャートである。

ステップＳ１１は第１インク付与工程である。この工程は、紫外線２５の照射により重合する重合性化合物を含むインクを、インクジェット法により液滴にして表面が非吸液性の基材の表面に付与する工程である。ステップＳ１１は実施形態１におけるステップＳ１の第１インク付与工程と同様の工程である。次にステップＳ１２に移行する。ステップＳ１２は第１固化工程である。この工程は、第１の時間間隔を開けて前記重合性化合物を粒状のまま重合・固化させる工程である。ステップＳ１２は実施形態１におけるステップＳ２の第１固化工程と同様の工程である。

次にステップＳ１３に移行する。ステップＳ１３は造形物上面を平坦化する必要を判断する工程である。平坦化する必要があるとき（ＹＥＳのとき）、ステップＳ１４に移行する。平坦化する必要がないとき（ＮＯのとき）、ステップＳ１１に移行する。ステップＳ１４は第２インク付与工程である。この工程は、インクを液滴にして付与する工程である。ステップＳ１４は実施形態１におけるステップＳ３の第２インク付与工程と同様の工程である。

次にステップＳ１５に移行する。ステップＳ１５は第２固化工程である。この工程は、第２の時間間隔を開けて前記重合性化合物を重合・固化させる工程である。ステップＳ１５は実施形態１におけるステップＳ４の第２固化工程と同様の工程である。次にステップＳ１６に移行する。ステップＳ１６は造形終了を判断する工程である。造形が必要なとき（ＮＯのとき）、ステップＳ１１に移行する。造形が必要ないとき（ＹＥＳのとき）、造形終了する。

次に、フローチャートに基づいて図１０から図１３までを用いて詳細な説明をする。図１０から図１３は、造形物の形成方法を説明するための模式図である。図１０はステップＳ１１、ステップＳ１２に対応する図である。図１０に示すステップＳ１１、ステップＳ１２の工程は実施形態１のステップＳ１、ステップＳ２とそれぞれ同様の工程であるため説明を省略する。

図１１はステップＳ１１、ステップＳ１２、ステップＳ１３に対応する図である。図１１に示すように、ステップＳ１１およびステップＳ１２において、粒状固化層２２が形成される。ステップＳ１３において、粒状固化層２２の上面に平坦化が必要ないと判断した場合は、ステップＳ１１に移行して、図１０の工程が複数繰り返される。その結果、粒状固化層２２が複数層重ねて形成される。粒状固化層２２の上面に平坦化が必要と判断した場合は、ステップＳ１４の工程に移行する。

図１２はステップＳ１４に対応する図である。図１２に示すステップＳ１４の工程は実施形態１のステップＳ３と同様の工程であるため説明を省略する。

図１３はステップＳ１５、ステップＳ１６に対応する図である。図１３に示すステップＳ１５、ステップＳ１６の工程は実施形態１のステップＳ４、ステップＳ５と同様の工程であるため説明を省略する。

以上のように実施形態２で示す造形物の形成方法では、ステップＳ１１の第１インク付与工程と、ステップＳ１２の第１固化工程を繰り返して複数行う。そして、その後に、ステップＳ１４の第２インク付与工程と、ステップＳ１５の第２固化工程を行っている。

以上述べたように、本実施形態に係る造形物の形成方法によれば、実施形態１での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
（１）上記実施形態２によれば、ステップＳ１１の第１インク付与工程と、ステップＳ１２の第１固化工程を繰り返して複数行うので造形物が効率よく形成することが出来る。しかも、その後でステップＳ１４の第２インク付与工程と、ステップＳ１５の第２固化工程を行うので上面が平坦な造形物を形成することが出来る。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、上述した実施形態に種々の変更や改良などを加えることが可能である。変形例を以下に述べる。

（変形例１）
上記実施形態２では、図１１のように、ステップＳ１１とステップＳ１２を２回繰り返していたが、この構成に限定するものではない。ステップＳ１１とステップＳ１２を３回以上繰り返しても良い。また、図１２、図１３のようにステップＳ１４とステップＳ１５を１度行っていたが、この構成に限定するものではない。ステップＳ１４とステップＳ１５を２回以上繰り返して造形しても良い。

以上述べたように、本変形例に係る造形物の形成方法によれば、実施形態２での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
（１）上記変形例１によれば、ステップＳ１１の第１インク付与工程と、ステップＳ１２の第１固化工程を３回以上繰り返して造形を行うので実施形態２よりも造形物が効率よく形成することが出来る。しかも、その後でステップＳ１４の第２インク付与工程と、ステップＳ１５の第２固化工程を複数行うので実施形態２よりも上面がより平坦な造形物を形成することが出来る。

１…基台、２…Ｙ軸テーブル、３…昇降部、４…ステージ、５…非吸液性の基材としての非吸収基材、６…ガイドレール、７…キャリッジ、８…インク付与手段としてのヘッド部、９…照射部、１０…駆動制御部、１１…制御部、２１…インクおよび液滴としての液滴インク、２２…粒状固化層、２３…未固化インク膜、２４…固化済インク層、２５…紫外線、１００…三次元造形物製造装置。

Claims (3)

1. 紫外線の照射により重合する重合性化合物を含むインクを、インクジェット法により液滴にして表面が非吸液性の基材の表面に付与する第１インク付与工程と、
   第１の時間間隔を開けて前記重合性化合物を粒状のまま重合・固化させる第１固化工程と、
   前記インクを液滴にして付与する第２インク付与工程と、
   第２の時間間隔を開けて前記重合性化合物を重合・固化させる第２固化工程と、を有し、
   前記第２の時間間隔は前記第１の時間間隔よりも長いことを特徴とする造形物の形成方法。
2. 請求項１に記載の造形物の形成方法であって、
   前記第１インク付与工程と前記第１固化工程とを繰り返して複数行った後に、前記第２インク付与工程と前記第２固化工程とを行うことを特徴とする造形物の形成方法。
3. 層を積層して三次元造形物を製造する三次元造形物製造装置であって、
   重合性化合物を含むインクを積層して付与するインク付与手段と、
   前記インク付与手段と相対移動し、前記インクが積層されるステージと、
   前記インクに紫外線を照射する照射部と、
   前記照射部の照射タイミングを制御する制御部と、を有し、
   前記制御部は第１の照射タイミングと第２の照射タイミングと、を有し、
   前記第２の照射タイミングは前記第１の照射タイミングより前記インクを付与してから前記紫外線を照射するまでの時間が長いことを特徴とする三次元造形物製造装置。

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