JP2019142053A - 立体造形物の製造方法及び立体造形物の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】立体造形物を壊すことなく、容易に立体造形物を製造する立体造形物の製造方法の提供。【解決手段】下地層を形成する下地層形成工程と、下地層の上方にモデル部形成材料の硬化物からなる立体造形物を造形する造形工程と、を含み、前記下地層は、少なくとも破断伸度が異なる第一の領域と第二の領域を有する立体造形物の製造方法である。【選択図】図１

Description

本発明は、立体造形物の製造方法及び立体造形物の製造装置に関する。

近年、立体造形物（三次元造形物）を造形する方式として、種類や物性の異なる複数の光硬化性樹脂組成物のそれぞれをノズルから液滴で吐出させて、ノズルと造形ステージの相対位置を移動させながら液滴を所定位置に配置し、液滴を合一して膜を形成した状態で平滑化した後、光エネルギーを付与することで光造形を行う材料噴射造形方式（マテリアルジェット方式）が知られている。

マテリアルジェット方式では、モデル部を積層して立体物を造形する場合に原理的に造形が困難な形状（例えば、オーバーハング部を有する形状など）がある。その際、形状支持用にサポート部を同時に造形し、モデル部を支持する方法が採用されている。例えば、サポート部をモデル部と同じ材料で造形し、切削や研磨等の後加工により除去する方法（例えば、特許文献１参照）、水溶性の硬化性材料でサポート部を造形し、水に溶解させることによりサポート部を除去する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

本発明は、立体造形物を壊すことなく、容易に立体造形物を製造する立体造形物の製造方法を提供することを目的とする。

前述の課題を解決するための手段としての本発明の立体造形物の製造方法は、下地層を形成する下地層形成工程と、下地層の上方にモデル部形成材料の硬化物からなる立体造形物を造形する造形工程と、を含み、前記下地層は、少なくとも破断伸度が異なる第一の領域と第二の領域を有する。

本発明によると、立体造形物を壊すことなく、容易に立体造形物を製造する立体造形物の製造方法を提供することができる。

図１は、下地層の形成方法の一例を示す概略図である。 図２は、図１の下地層の形成方法で形成された下地層上に立体造形物を造形した状態の一例を示す概略図である。 図３は、下地層の形成方法の他の一例を示す概略図である。 図４は、図３の下地層の形成方法で形成された下地層上に立体造形物を造形した状態の一例を示す概略図である。 図５は、本発明で用いられる立体造形物の製造装置の一例を示す平面概略図である。 図６は、図５の立体造形物の製造装置の一例を示す側面概略図である。 図７は、図５の立体造形物の製造装置の一例を示す副走査方向（Ｙ方向）の概略断面図である。 図８は、図５の立体造形物の製造装置の一例を示す主走査方向（Ｘ方向）の概略断面図である。 図９は、本発明で用いられる立体造形物の製造装置の制御部の一例を示すブロック図である。

（立体造形物の製造方法及び立体造形物の製造装置）
本発明の立体造形物の製造方法は、下地層を形成する下地層形成工程と、下地層の上方にモデル部形成材料の硬化物からなる立体造形物を造形する造形工程と、を含み、前記下地層は、少なくとも破断伸度が異なる第一の領域と第二の領域を有し、更に必要に応じてその他の工程を含む。

本発明の立体造形物の製造装置は、下地層を形成する下地層形成手段と、下地層の上方にモデル部形成材料の硬化物からなる立体造形物を造形する造形手段と、を有し、前記下地層は、少なくとも破断伸度が異なる第一の領域と第二の領域を有し、更に必要に応じてその他の手段を有する。

本発明の立体造形物の製造方法及び立体造形物の製造装置は、従来技術では、造形ステージから立体造形物を取り除く際に、下地層をヘラ等で剥離すると、下地層を構成する材料の微細な粉が発生したり、下地層が剛直であるため剥離の際に立体造形物を破損してしまうことがあるという知見に基づくものである。

＜下地層形成工程及び下地層形成手段＞
下地層形成工程は、下地層を形成する工程である。より具体的には、造形ステージ上に、モデル部形成材料及びサポート部形成材料を用いて下地層を形成する。下地層形成工程は、下地層形成手段により実施される。
下地層は、造形ステージと立体造形物との間に設けられる。
造形ステージは、複数の吐出孔よりモデル部形成材料及びサポート部形成材料からなる液滴を所定位置に吐出する液体吐出ヘッドと対向配置されており、造形ステージと液体吐出ヘッドとは互いに相対的に移動可能である。

下地層は、少なくとも破断伸度が異なる第一の領域と第二の領域を有する。これにより、造形ステージから立体造形物を取り除く際に、下地層を構成する材料の微細な粉が発生したり、立体造形物を壊すことなく、容易に立体造形物を製造することができる。
第一の領域、及び第二の領域は、下地層を構成する同一層に存在してもよく、異なる層に存在していてもよい。
第一の領域、及び第二の領域が積層されていることが、破断伸度が異なる第一の領域と第二の領域を形成する点から好ましい。
前記第一の領域と前記第二の領域の一方がサポート部形成材料からなり、他方がモデル部形成材料からなることが、破断伸度が異なる第一の領域と第二の領域を形成する点から好ましい。
サポート部形成材料及びモデル部形成材料としては、造形工程と同様なものを用いることができる。

下地層の平均厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下が好ましい。
下地層の破断伸度は、３０ＭＰａ以上であることが好ましく、サポート部形成材料からなる層（サポート部）の破断伸度より大きい。これにより、造形ステージから立体造形物を剥離する際に、下地層を構成する材料の微細な粉を発生させず、立体造形物を壊すことなく、立体造形物を容易に剥離することができる。
ここで、破断伸度は、ＪＩＳ Ｋ７１６１に記載される引張試験方法であり、対象形状はＴｙｐｅＩＶダンベル片の標線間距離は２５ｍｍ、厚さ４ｍｍの形状を造形した。破断伸度は、引張破断時の試料長さと破断時の試料長さより求めることができる。

下地層のショアＡ硬度は、７０以下であることが好ましく、立体造形物（モデル部）のショアＡ硬度よりも低いことが好ましい。下地層のショアＡ硬度が立体造形物のショアＡ硬度よりも低いことにより、剥離の際に造形物を破壊することなく、下地層と剥離されるという利点がある。
ここで、ショアＡ硬度は、ＪＩＳ Ｋ６２５３に記載される方法であり、デュロメーター（タイプＡ）を用い、評価サンプルは、下地層又はモデル部（立体造形物）と同じ製造方法により厚さ１０ｍｍの試験片を造形し、これらのショアＡ硬度を測定する。

下地層形成方法には、以下の第１の下地層形成方法と第２の下地層形成方法とがある。

＜＜第１の下地層の形成方法＞＞
第１の下地層形成方法は、モデル部形成材料及びサポート部形成材料を硬化する前に同じ位置に着弾させて、その後、モデル部形成材料及びサポート部形成材料を硬化させる方法である。
この場合、モデル部形成材料とサポート部形成材料とを混合してなる下地層が立体造形物と接して造形されることが、立体造形物の造形ステージからの剥離性の点から好ましい。

ここで、第１の下地層形成方法は、図１に示すように、ヘッド１６０と造形ステージ１６１の相対位置を移動しながらモデル部形成材料Ｍとサポート部形成材料Ｓを、同一箇所１６２に着弾させ、ローラ１６３により平滑化し、紫外線照射装置１６４で硬化して層を形成する。この際、モデル部形成材料Ｍとサポート部形成材料Ｓは硬化前に混合するため、硬化後の層はモデル部形成材料Ｍとサポート部形成材料Ｓをそれぞれ単独の硬化物とは異なる物性を示す。
上記層形成を複数回繰り返して行い、図２に示す所定の厚さの下地層１７１を得る。図２中１７０は立体造形物、１７２はサポート部である。

＜＜第２の下地層の形成方法＞＞
第２の下地層形成方法は、下地層が、サポート部形成材料を含むサポート材層とモデル部形成材料を含むモデル材層とを配置してなる多層構造に形成する方法である。この場合、モデル部形成材料を含むモデル材層が立体造形物と接して造形されることが、立体造形物の造形ステージからの剥離性の点から好ましい。

第２の下地層形成方法は、図３に示すように、第１層目はヘッド１６０と造形ステージ１６１の相対位置を移動しながらモデル部形成材料Ｍからなるモデル材層を形成する。第１の下地層形成方法とは異なり、モデル部形成材料Ｍとサポート部形成材料Ｓを同じ場所に着弾することはない。続いて、第２層目以降は、サポート部形成材料Ｓが５０％以上の面積を有する層、第３層目はモデル部形成材料Ｍからなる層、というように層毎にパターンを変える。このような構成により、図４に示すような下地層１８１を形成する。この下地層１８１は、モデル部形成材料Ｍ及びサポート部形成材料Ｓをそれぞれ単独の硬化物とは異なる物性を示す。即ち、下地層は、少なくとも破断伸度が異なる第一の領域と第二の領域が積層されている。

＜造形工程及び造形手段＞
造形工程は、下地層の上方にモデル部形成材料の硬化物からなる立体造形物を造形する工程であり、造形手段により実施される。
造形される立体造形物は、下地層の上方であればよく、下地層に接している場合と、下地層に接していない場合の両方を含む。
下地層形成工程で形成された下地層の上にモデル部形成材料を用いてモデル部（立体造形物）を形成する。この場合、下地層上にサポート部形成材料からなる層を１層形成し、サポート部形成材料からなる層上にモデル部を形成することが、下地層とモデル部との剥離性の点から好ましい。

＜＜モデル部形成材料＞＞
モデル部形成材料は、モデル部を形成するための材料である。また、モデル部形成材料は、モデル部を構成する液膜を成膜する。更に、モデル部形成材料は、モデル部を構成する部分を造形することができる。
本発明において、モデル部とは、本発明の立体造形物を造形する本体を構成する部を意味する。

モデル部形成材料としては、硬化性液体材料を、立体造形物を造形する本体を構成する上で求められる性能に基づいて、適宜選択して付与することにより得ることができる。また、硬化性液体材料を同一位置に付与することにより、得られる液膜中のモデル部形成材料の含有量を適宜調整することができる。

モデル部形成材料は、光や熱等のエネルギーを付与することにより硬化する液体であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、単官能モノマー、多官能モノマー等の重合性モノマー、オリゴマーを含むことが好ましく、更に必要に応じてその他の成分を含む。好ましくはインクジェット用プリンター等に用いられるインク吐出ヘッドで吐出できる粘度や表面張力等の液物性を有する。
また、モデル部形成材料としては、重合性モノマーを好適に用いることができる。

−重合性モノマー−
重合性モノマーとしては、例えば、単官能モノマー、多官能モノマーなどが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。

−−単官能モノマー−−
単官能モノマーとしては、例えば、アクリルアミド、Ｎ−置換アクリルアミド誘導体、Ｎ，Ｎ−ジ置換アクリルアミド誘導体、Ｎ−置換メタクリルアミド誘導体、Ｎ，Ｎ−ジ置換メタクリルアミド誘導体、アクリル酸などが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。これらの中でも、アクリルアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド、Ｎ−イソプロピルアクリルアミド、アクリロイルモルホリン、ヒドロキシエチルアクリルアミド、イソボルニル（メタ）アクリレートが好ましい。

単官能モノマーとしては、重合させることにより、有機ポリマーを得ることができる。

単官能モノマーの含有量としては、モデル部形成材料全量に対して、０．５質量％以上２０質量％以下が好ましい。

上記以外の単官能モノマーとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、２−エチルヘキシル（メタ）アクリレート、２−ヒドロキシエチル（メタ）アクリレート、２−ヒドロキシプロピル（メタ）アクリレート、カプロラクトン変性テトラヒドロフルフリル（メタ）アクリレート、３−メトキシブチル（メタ）アクリレート、テトラヒドロフルフリル（メタ）アクリレート、ラウリル（メタ）アクリレート、２−フェノキシエチル（メタ）アクリレート、イソデシル（メタ）アクリレート、イソオクチル（メタ）アクリレート、トリデシル（メタ）アクリレート、カプロラクトン（メタ）アクリレート、エトキシ化ノニルフェノール（メタ）アクリレートなどが挙げられる。

−−多官能モノマー−−
多官能モノマーとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、二官能モノマー、三官能以上のモノマーなどが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。

二官能モノマーとしては、例えば、トリプロピレングリコールジ（メタ）アクリレート、トリエチレングリコールジ（メタ）アクリレート，テトラエチレングリコールジ（メタ）アクリレート，ポリプロピレングリコールジ（メタ）アクリレート、ネオペンチルグリコールヒドロキシピバリン酸エステルジ（メタ）アクリレート、ヒドロキシピバリン酸ネオペンチルグリコールエステルジ（メタ）アクリレート、１，３−ブタンジオールジ（メタ）アクリレート、１，４−ブタンジオールジ（メタ）アクリレート、１，６−ヘキサンジオールジ（メタ）アクリレート、１，９−ノナンジオールジ（メタ）アクリレート、ジエチレングリコールジ（メタ）アクリレート、ネオペンチルグリコールジ（メタ）アクリレート、トリプロピレングリコールジ（メタ）アクリレート、カプロラクトン変性ヒドロキシピバリン酸ネオペンチルグリコールエステルジ（メタ）アクリレート、プロポキシ化オペンチルグリコールジ（メタ）アクリレート、エトキシ変性ビスフェノールＡジ（メタ）アクリレート、ポリエチレングリコール２００ジ（メタ）アクリレート、ポリエチレングリコール４００ジ（メタ）アクリレートなどが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。

三官能以上のモノマーとしては、例えば、トリメチロールプロパントリ（メタ）アクリレート、ペンタエリスリトールトリ（メタ）アクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサ（メタ）アクリレート、トリアリルイソシアヌレート、ε−カプロラクトン変性ジペンタエリスリトールトリ（メタ）アクリレート、ε−カプロラクトン変性ジペンタエリスリトールテトラ（メタ）アクリレート、（メタ）アクリレート、ε−カプロラクトン変性ジペンタエリスリトールペンタ（メタ）アクリレート、ε−カプロラクトン変性ジペンタエリスリトールヘキサ（メタ）アクリレート、トリス（２−ヒドロキシエチル）イソシアヌレートトリ（メタ）アクリレート、エトキシ化トリメチロールプロパントリ（メタ）アクリレート，プロポキシ化トリメチロールプロパントリ（メタ）アクリレート，プロポキシ化グリセリルトリ（メタ）アクリレート、ペンタエリスリトールテトラ（メタ）アクリレート、ジトリメチロールプロパンテトラ（メタ）アクリレート、ジペンタエリスリトールヒドロキシペンタ（メタ）アクリレート、エトキシ化ペンタエリスリトールテトラ（メタ）アクリレート、ペンタ（メタ）アクリレートエステルなどが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。

−オリゴマー−
オリゴマーとしては、上記モノマーの低重合体や末端に反応性不飽和結合基を有するものを１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。

−その他の成分−
その他の成分としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、安定化剤、表面処理剤、重合開始剤、着色剤、粘度調整剤、接着性付与剤、酸化防止剤、老化防止剤、架橋促進剤、紫外線吸収剤、可塑剤、防腐剤、分散剤などが挙げられる。

−−表面処理剤−−
表面処理剤としては、例えば、ポリエステル樹脂、ポリ酢酸ビニル樹脂、シリコーン樹脂、クマロン樹脂、脂肪酸エステル、グリセライド、ワックスなどが挙げられる。

−−重合開始剤−−
重合開始剤としては、例えば、熱重合開始剤、光重合開始剤などが挙げられる。これらの中でも、保存安定性の点から、光重合開始剤が好ましい。
光重合開始剤としては、光（特に波長２２０ｎｍ〜４００ｎｍの紫外線）の照射によりラジカルを生成する任意の物質を用いることができる。
光重合開始剤としては、例えば、アセトフェノン、２，２−ジエトキシアセトフェノン、ｐ−ジメチルアミノアセトフェノン、ベンゾフェノン、２−クロロベンゾフェノン、ｐ，ｐ’−ジクロロベンゾフェノン、ｐ，ｐ−ビスジエチルアミノベンゾフェノン、ミヒラーケトン、ベンジル、ベンゾイン、ベンゾインメチルエーテル、ベンゾインエチルエーテル、ベンゾインイソプロピルエーテル、ベンゾイン−ｎ−プロピルエーテル、ベンゾインイソブチルエーテル、ベンゾイン−ｎ−ブチルエーテル、ベンジルメチルケタール、チオキサントン、２−クロロチオキサントン、２−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニル−１−オン、１−（４−イソプロピルフェニル）２−ヒドロキシ−２−メチルプロパン−１−オン、メチルベンゾイルフォーメート、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、アゾビスイソブチロニトリル、ベンゾイルペルオキシド、ジ−ｔｅｒｔ−ブチルペルオキシドなどが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。

熱重合開始剤としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、アゾ系開始剤、過酸化物開始剤、過硫酸塩開始剤、レドックス（酸化還元）開始剤などが挙げられる。

アゾ系開始剤としては、例えば、ＶＡ−０４４、ＶＡ−４６Ｂ、Ｖ−５０、ＶＡ−０５７、ＶＡ−０６１、ＶＡ−０６７、ＶＡ−０８６、２，２’−アゾビス（４−メトキシ−２，４−ジメチルバレロニトリル）（ＶＡＺＯ ３３）、２，２’−アゾビス（２−アミジノプロパン）二塩酸塩（ＶＡＺＯ ５０）、２，２’−アゾビス（２，４−ジメチルバレロニトリル）（ＶＡＺＯ ５２）、２，２’−アゾビス（イソブチロニトリル）（ＶＡＺＯ ６４）、２，２’−アゾビス−２−メチルブチロニトリル（ＶＡＺＯ ６７）、１，１−アゾビス（１−シクロヘキサンカルボニトリル）（ＶＡＺＯ ８８）（以上、ＤｕＰｏｎｔ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社製）、２，２’−アゾビス（２−シクロプロピルプロピオニトリル）、２，２’−アゾビス（メチルイソブチレ−ト）（Ｖ−６０１）（以上、和光純薬工業株式会社製）などが挙げられる。

過酸化物開始剤としては、例えば、過酸化ベンゾイル、過酸化アセチル、過酸化ラウロイル、過酸化デカノイル、ジセチルパーオキシジカーボネート、ジ（４−ｔ−ブチルシクロヘキシル）パーオキシジカーボネート（商品名：Ｐｅｒｋａｄｏｘ １６Ｓ、Ａｋｚｏ Ｎｏｂｅｌ社製）、ジ（２−エチルヘキシル）パーオキシジカーボネート、ｔ−ブチルパーオキシピバレート（商品名：Ｌｕｐｅｒｓｏｌ １１、Ｅｌｆ Ａｔｏｃｈｅｍ社製）、ｔ−ブチルパーオキシ−２−エチルヘキサノエート（商品名：Ｔｒｉｇｏｎｏｘ ２１−Ｃ５０、Ａｋｚｏ Ｎｏｂｅｌ社製）、過酸化ジクミルなどが挙げられる。

過硫酸塩開始剤としては、例えば、過硫酸カリウム、過硫酸ナトリウム、過硫酸アンモニウムなどが挙げられる。

レドックス（酸化還元）開始剤としては、例えば、過硫酸塩開始剤とメタ亜硫酸水素ナトリウム及び亜硫酸水素ナトリウムのような還元剤との組合せ、有機過酸化物と第３級アミンとに基づく系（例えば、過酸化ベンゾイルとジメチルアニリンとに基づく系）、有機ヒドロパーオキシドと遷移金属とに基づく系（例えば、クメンヒドロパーオキシドとコバルトナフテートとに基づく系）などが挙げられる。

重合開始剤の含有量としては、モデル部形成材料全量に対して、１０質量％以下が好ましく、５質量％以下がより好ましい。含有量が、１０質量％以下であると、硬化反応を阻害することを防止できる。

−着色剤−
着色剤としては、モデル部形成材料中に溶解又は安定に分散し、更に熱安定性に優れた染料及び顔料が適している。これらの中でも、溶解性染料（Ｓｏｌｖｅｎｔ Ｄｙｅ）が好ましい。また色の調整等で２種類以上の着色剤を適時混合することが可能である。

モデル部形成材料の含有量としては、モデル部を構成する液膜においてはモデル部を構成する液膜全量に対して、８０質量％以上１００質量％以下が好ましい。

＜＜サポート部形成材料＞＞
サポート部形成材料は、サポート部を形成するための材料である。また、サポート部形成材料は、サポート部を構成する液膜を成膜する。
本発明において、サポート部とは、モデル部が固化するまでの時間、立体造形物を所定の位置に保持するために、モデル部の重力方向に対する支持部に配置され、モデル部と接し、下方向でモデル部を支持する部を意味する。

サポート部を構成する液膜としては、モデル部形成材料を、モデル部の重力方向において支持する性能に基づいて、適宜選択して付与することにより得ることができる。

サポート部形成材料は、光や熱等のエネルギーを付与することにより硬化する液体であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。サポート部形成材料の組成は、モデル部形成材料の組成と同一でもよいし、異なっていてもよい。

＜硬化工程及び硬化手段＞
硬化工程は、造形工程において吐出したサポート部材料及びモデル部材料を硬化する工程である。硬化工程は硬化手段により実施される。

硬化工程に用いられる硬化手段としては、例えば、紫外線（ＵＶ）照射ランプ、電子線などが挙げられる。液膜を硬化する手段には、オゾンを除去する機構が具備されることが好ましい。
紫外線（ＵＶ）照射ランプの種類としては、例えば、高圧水銀灯、超高圧水銀灯、メタルハライド、ＬＥＤなどが挙げられる。
超高圧水銀灯は点光源であるが、光学系と組み合わせて光利用効率を高くしたＤｅｅｐＵＶタイプは、短波長領域の照射が可能である。
メタルハライドは、波長領域が広いため着色物に有効であり、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｆｅ等の金属のハロゲン化物が用いられ、重合開始剤の吸収スペクトルに合わせて選択できる。
硬化に用いられるランプとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ＦｕｓｉｏｎＳｙｓｔｅｍ社製のＨランプ、Ｄランプ、Ｖランプ等の市販品などを用いることができる。
また、硬化性液体材料としてラジカル重合性モノマー、オリゴマーを使用する場合には、成膜、硬化工程を実施する環境における酸素濃度が低いことが好ましく、例えば、窒素等で置換された空間であることが特に好ましい。

＜除去工程及び除去手段＞
本発明の立体造形物の製造方法は、除去工程を更に含むことが好ましい。
除去工程は、形成されたサポート部を除去する工程である。除去工程は除去手段により実施される。

除去工程は、トリミングする方法、液体に溶解させる方法、液体に浸漬して除去する方法、温度を加える方法、超音波振動する方法、撹拌によるエネルギーを与える方法などの補助的処理を行うことができ、これらを適宜組み合せて行ってもよい。
これらの中でも、液体に溶解させる方法が好ましく、サポート部が液体に浸漬されて溶解する方法がより好ましい。
液体としては、例えば、水、有機溶剤などが挙げられる。

＜その他の工程＞
その他の工程としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、成形体の研磨工程、成形体の清浄工程などが挙げられる。その他の工程は、その他の手段により実施される。

立体造形物の製造方法においては、各工程を複数回繰り返すものである。繰り返し回数としては、作製する立体造形物の大きさ、形状などに応じて異なり一概には規定できないが、１層あたりの平均厚みとしては、５μｍ以上５０μｍ以下が好ましい。平均厚みが、５μｍ以上５０μｍ以下であると、精度よく、剥離することもなく造形することが可能であり、立体造形物の高さ分だけ積層することができる。

以下、本発明の立体造形物の製造方法の具体的な実施形態について説明するが、本発明は、これらの実施形態に何ら限定されるものではない。

図５〜図８は、本発明の立体造形物を造形する立体造形物の製造装置の一例を示す概略図である。
この立体造形物の製造装置は、材料噴射造形装置であり、造形液１０が固化された層状造形物である造形層３０が形成される造形部１と、造形ステージ２４に対して造形液１０を吐出して造形層３０を造形する造形ユニット５とを備えている。

造形部１は、造形層３０が積層されて立体造形物が造形される造形槽２２を有する。造形槽２２の底部は造形ステージ２４として鉛直方向（高さ方向）に昇降可能となっており、造形ステージ２４上に、造形層３０が積層された立体造形物が造形される。
造形ステージ２４は、後述するモータ２８によって矢印Ｚ方向（高さ方向）に昇降可能である。

造形ユニット５は、造形ステージ２４上の造形層３０に造形液１０を吐出する液体吐出ユニット５０を備える。
液体吐出ユニット５０は、キャリッジ５１と、キャリッジ５１に搭載された造形液付与手段である２つ（１つ又は３つ以上でもよい）液体吐出ヘッド（以下、「ヘッド」ともいう。）５２ａ、５２ｂを備える。

キャリッジ５１は、ガイド部５４及び５５に移動可能に保持されている。ガイド部５４及び５５は、両側の側板７０、７０に昇降可能に保持される。
キャリッジ５１は、後述するＸ方向走査機構５５０を構成するＸ方向走査モータによってプーリ及びベルトを介して主走査方向である矢印Ｘ方向（以下、単に「Ｘ方向」という。他のＹ、Ｚについても同様とする。）に往復移動が可能である。

２つのヘッド５２ａ、５２ｂ（以下、区別しないときは「ヘッド５２」という。）は、造形液を吐出する複数のノズルを配列したノズル列がそれぞれ２列配置されている。一方のヘッド５２ａの２つのノズル列は、造形液１０としてモデル部形成材料を吐出する。他方のヘッド５２ｂの２つのノズル列は、造形液１０としてサポート部形成材料を吐出する。なお、ヘッド構成はこれに限るものではない。なお、上述の吐出工程は、液体吐出ユニット５０の２つのヘッド５２ａ、５２ｂでそれぞれ造形液１０を吐出することにより行われる。

これら各々の液を収容した複数のタンク６０がタンク装着部５６に装着され、供給チューブなどを介してヘッド５２ａ、５２ｂに供給される。

液体吐出ユニット５０は、キャリッジ５１に平坦化ローラ１２と、造形液硬化手段７００とを搭載する。キャリッジ５１の走査方向（Ｘ方向）かつ造形ステージ２４を形成するときのキャリッジの移動方向に沿って、キャリッジ５１に造形液硬化手段７００、平坦化ローラ１２、及びヘッド５２が、この順に配置される。

造形液硬化手段７００は、ヘッド５２から吐出された造形液１０（モデル部形成材料、サポート部形成材料）を硬化する。造形液１０を硬化する手段としては、紫外線（ＵＶ）照射ランプ、電子線等が挙げられる。紫外線により発生するオゾンを除去する機構が具備されることが好ましい。ランプの種類としては、高圧水銀灯、超高圧水銀灯、メタルハライド、ＬＥＤランプ等がある。超高圧水銀灯は点光源であるが、光学系と組み合わせて光利用効率を高くしたＵＶランプは、短波長領域の照射が可能である。メタルハライドは、波長領域が広いため着色物に有効的である。Ｐｂ、Ｓｎ、Ｆｅなどの金属のハロゲン化物が用いられ、光開始剤の吸収スペクトルに合わせて選択できる。造形液１０を硬化することに有効であるランプであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。なお、上述の硬化工程は、造形液硬化手段７００で造形液１０を硬化することにより行われる。

Ｘ方向の一方側には、液体吐出ユニット５０のヘッド５２の維持回復を行うメンテナンス機構６１が配置される。
メンテナンス機構６１は、主にキャップ６２とワイパ６３で構成される。キャップ６２をヘッド５２のノズル面（ノズルが形成された面）に密着させ、ノズルから造形液を吸引する。ノズルに詰まった高粘度化した造形液を排出するためである。その後、ノズルのメニスカス形成（ノズル内は負圧状態である）のため、ノズル面をワイパ６３でワイピング（払拭）する。また、メンテナンス機構６１は、造形液の吐出が行われない場合に、ヘッドのノズル面をキャップ６２で覆い、造形液１０が乾燥すること、及び光による液体の硬化を防止する。

造形ユニット５は、ベース部７上に配置されたガイド部７１に移動可能に保持されたスライダ部７２を有し、造形ユニット５全体がＸ方向と直交するＹ方向（副走査方向）に往復移動可能である。この造形ユニット５は、後述するＹ方向走査機構５５２によって全体がＹ方向に往復移動される。

液体吐出ユニット５０は、ガイド部５４、５５とともに矢印Ｚ方向に昇降可能に配置され、後述するＺ方向昇降機構５５１によってＺ方向に昇降可能である。

ここで、造形部１の詳細について説明する。
造形槽１１は、箱型形状をなし、上面が開放された槽を備える。造形槽２２内部には、造形ステージ２４がそれぞれ昇降可能に配置される。造形ステージ２４の側面は造形槽２２の内側面に接するように配置される。造形ステージ２４の上面は、水平に保持される。

キャリッジ５１に搭載された平坦化ローラ１２は、造形槽２２の内寸よりも長い棒状部であり、キャリッジ５１と共にステージ面に沿ってＸ方向（主走査方向）に往復移動が可能である。

平坦化ローラ１２は、モータ２６によって回転されながら、造形槽２２の外側から造形槽２２の上方を通過するようにして水平移動する。これにより、平坦化ローラ１２が造形槽２２上を通過しながら、造形ステージ２４上に吐出された造形液１０の表面を平坦化することで造形層３０が形成される。

また、図６にも示すように、平坦化ローラ１２の周面に接触して、平坦化ローラ１２に付着した造形液１０を除去するための除去部である液体除去板１３が配置されている。
液体除去板１３は、平坦化ローラ１２の周面に接触した状態で、平坦化ローラ１２と共に移動する。また、液体除去板１３は、平坦化ローラ１２が平坦化を行うときの回転方向に回転するときにカウンタ方向でも、順方向での配置可能である。

なお、下地層の形成方法及び条件は、上述した立体造形物の製造方法における造形工程とは、モデル部形成材料とサポート部形成材料の配置が異なる以外は、同様であり、上記第１の下地層形成方法、又は第２の下地層形成方法により行われる。

次に、立体造形物の製造装置の制御部の概要について図９を参照して説明する。この図９は制御部のブロック図である。
制御部５００は、この装置全体の制御を司るＣＰＵ５０１と、ＣＰＵ５０１に本発明に係わる制御を含む立体造形動作の制御を実行させるためのプログラム、その他の固定データを格納するＲＯＭ５０２と、造形データ等を一時格納するＲＡＭ５０３とを含む主制御部５００Ａを備える。

制御部５００は、装置の電源が遮断されている間もデータを保持するための不揮発性メモリ（ＮＶＲＡＭ）５０４を備えている。また、制御部５００は、画像データに対する各種信号処理等を行う画像処理やその他装置全体を制御するための入出力信号を処理するＡＳＩＣ５０５を備えている。
また、制御部５００は、外部の造形データ作成装置６００から造形データを受信するときに使用するデータ及び信号の送受を行うためのＩ／Ｆ５０６を備えている。

造形データ作成装置６００は、最終形態の造形物（立体造形物）を造形層ごとにスライスしたスライスデータである造形データを作成する本発明の立体造形物を造形するデータを作成する装置であり、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置で構成されている。

制御部５００は、各種センサの検知信号を取り込むためのＩ／Ｏ５０７を備えている。

制御部５００は、液体吐出ユニット５０のヘッド５２を駆動制御するヘッド駆動制御部
５０８を備えている。

制御部５００は、液体吐出ユニット５０のキャリッジ５１をＸ方向（主走査方向）に移動させるＸ方向走査機構５５０を構成するモータを駆動するモータ駆動部５１０と、造形ユニット５をＹ方向（副走査方向）に移動させるＹ方向走査機構５５２を構成するモータを駆動するモータ駆動部５１２を備えている。

制御部５００は、液体吐出ユニット５０のキャリッジ５１をＺ方向に移動（昇降）させるＺ方向昇降機構５５１を構成するモータを駆動するモータ駆動部５１１を備えている。
なお、矢印Ｚ方向への昇降は造形ユニット５全体を昇降させる構成とすることもできる。

制御部５００は、供給ステージ２３を昇降させるモータ２７を駆動するモータ駆動部５１３と、造形ステージ２４を昇降させるモータ２８を駆動するモータ駆動部５１４を備えている。

制御部５００は、平坦化ローラ１２を回転駆動するモータ２６を駆動する５１６を備えている。

制御部５００は、液体吐出ユニット５０のメンテナンス機構６１を駆動するメンテナンス駆動部５１８を備えている。

制御部５００のＩ／Ｏ５０７には、装置の環境条件としての温度及び湿度を検出する温湿度センサ５６０などの検知信号やその他のセンサ類の検知信号が入力される。

制御部５００には、この装置に必要な情報の入力及び表示を行うための操作パネル５２２が接続されている。

制御部５００は、上述したように、造形データ作成装置６００から造形データを受領する。造形データは、目的とする立体造形物の形状をスライスしたスライスデータとしての各造形層３０の形状データ（造形データ）を含む。

そして、主制御部５００Ａは、造形層３０の造形データに基づいてヘッド５２からの造形液の吐出を行わせる制御をする。

なお、造形データ作成装置６００と立体造形物の製造装置６０１によって造形装置が構成される。

次に、造形の流れについて図８を参照して説明する

ここでは、造形槽２２の造形ステージ２４上に、１層目の造形層３０が形成されている状態から説明する。

この１層目の造形層３０上に次の造形層３０を形成するときには、造形槽２２の造形ステージ２４をＺ方向に下降させる。

その後、図８に示すように液体吐出ユニット５０のヘッド５２ｂ及び５２ａから造形ステージ２４上に造形液１０（モデル部形成材料、サポート部形成材料）の液滴を吐出して造形層３０を形成する（造形液吐出工程）。平坦化ローラ１２は、造形ステージ２４上に形成された造形層３０の表面を平坦にし（平坦化工程）、造形液硬化手段７００は、平坦化ローラ１２によって表面が平坦にされた造形層３０を、紫外線照射によって重合硬化する（造形層硬化工程）。以上の工程により、造形層３０上に所要形状の造形層３０を積層形成する。

キャリッジ５１にヘッド５２ａ及び５２ｂ、平坦化ローラ１２、及び造形液硬化手段７００が搭載されているので、図８においてキャリッジ５１のＸ方向（主走査方向）の矢印で示した左方に移動しながら、ヘッド５２による造形液吐出工程、平坦化ローラ１２による平坦化工程、造形液硬化手段７００による造形層硬化工程が順次実行される。

次いで、上述したヘッド５２による造形液吐出工程、平坦化ローラ１２による平坦化工程、造形液硬化手段７００による造形層硬化工程を繰り返して新たな造形層３０を形成する。このとき、新たな造形層３０とその下層の造形層３０とは一体化して三次元形状造形物（立体造形物）の一部を構成する。以後、造形液吐出工程、平坦化工程、造形層硬化工程を必要な回数繰り返すことによって、三次元形状造形物（立体造形物）を完成させる。

以下、本発明の実施例を説明するが、本発明は、これらの実施例に何ら限定されるものではない。

＜サポート部形成材料の調製＞
アクリロイルモルホリン（ＡＣＭＯ、ＫＪケミカルズ株式会社製）５０質量部、１，５−ヘキサンジオール５０質量部、ポリオキシプロピレングリコール１５質量部、反応開始剤（商品名：イルガキュア８１９、ＢＡＳＦ社製）３質量部、及び重合禁止剤として１，４−ベンゾキノン０．０５質量部を混合し、フィルター（商品名：メンブレンフィルター、メルクミリポア社製、平均孔径：０．８μｍ）を通過させて、サポート部形成材料を得た。

＜モデル部形成材料の調製＞
イソボルニルアクリレート（共栄化学株式会社製）６５質量部に、ウレタンアクリレート（分子量２，０００、日本合成化学株式会社製、ＵＶ−１７００Ｂ）３３質量部を添加しビーカーにて混合し、反応開始剤（ＢＡＳＦ社製、イルガキュア８１９）２質量部を添加して、混合し、フィルター（商品名：メンブレンフィルター、メルクミリポア社製、平均孔径：０．８μｍ）を通過させて、モデル部形成材料を得た。

＜第１の下地層の形成方法＞
図１に示すように、ヘッド１６０と造形ステージ１６１の相対位置を移動しながらモデル部形成材料Ｍとサポート部形成材料Ｓを、同一箇所１６２に着弾させ、ローラ１６３により平滑化し、紫外線照射装置１６４で硬化して層を形成した。この際、モデル部形成材料Ｍとサポート部形成材料Ｓは硬化前に混合するため、硬化後の層はモデル部形成材料Ｍ及びサポート部形成材料Ｓをそれぞれ単独の硬化物とは異なる物性を示す。
上記層形成を複数層行い、図２に示すような下地層１７１を得た。

＜第２の下地層の形成方法＞
図３に示すように、第１層目はヘッド１６０と造形ステージ１６１の相対位置を移動しながらモデル部形成材料Ｍからなるモデル材層を形成した。上記第１の下地層形成方法とは異なり、モデル部形成材料Ｍとサポート部形成材料Ｓを同じ場所に着弾することはない。続いて、第２層目以降は、サポート部形成材料Ｓが５０％以上の面積を有する層、第３層目はモデル部形成材料Ｍからなる層、といったように層毎にパターンを変えた。このような構成により、図４に示すような下地層１８１を形成した。この下地層１８１は、モデル部形成材料Ｍ及びサポート部形成材料Ｓをそれぞれ単独の硬化物とは異なる物性を示す。

＜立体造形物の製造方法＞
以上のように形成した下地層の上に、上記サポート部形成材料からなる層を１層形成し、その上にモデル部形成材料からなるモデル材層を造形して立体造形物を製造した。
なお、本実施例では、モデル部形成材料の形状を評価するため、立体造形物の製造において、サポート部形成材料を使用しなかった。

＜破断伸度の測定方法＞
ＪＩＳ Ｋ７１６１に記載される引張試験方法であり、対象形状はＴｙｐｅＩＶダンベル片の標線間距離は２５ｍｍ、厚さ４ｍｍの形状を造形した。破断伸度は、引張破断時の試料長さと破断時の試料長さより求められる。
なお、上記サポート部形成材料だけでダンベル形状を作製して上記方法で測定した引張伸度は２．３％であった。

＜ショアＡ硬度の測定方法＞
ＪＩＳ Ｋ６２５３に記載される方法であり、デュロメーター（タイプＡ）を用い、評価サンプルは、下地層又は立体造形物と同じ製造方法で厚さ１０ｍｍの試験片を造形し、これらのショアＡ硬度を測定した。
なお、上記モデル部形成材料からなるモデル部（立体造形物）のショアＡ硬度は９５であった。

（実施例１）
上記第１の下地層形成方法により１００層からなる下地層を形成した（下地層の平均厚み２ｍｍ）後、下地層上に上記立体造形物の製造方法により高さ１０ｍｍ、Ｘ５０ｍｍ、Ｙ５０ｍｍの立体造形物を形成した。その後、ヘラを用いて造形ステージから造形体（下地層と立体造形物の組み合わせ）を剥離した。剥離の際に下地層のサポート部形成材料又はモデル部形成材料の粉は発生しなかった。剥離した造形体を水に４時間浸漬した結果、下地層と立体造形物は容易に剥離された。
実施例１の下地層の破断伸度は４．２％であり、サポート部形成材料からなる層の引張伸度２．３％より大きかった。
また、実施例１の下地層のショアＡ硬度は６０であり、モデル部（立体造形物）のショアＡ硬度９５よりも低かった。

（実施例２）
上記第２の下地層形成方法により１００層からなる下地層を形成した（下地層の平均厚み２ｍｍ）後、下地層上に上記立体造形物の製造方法により高さ１０ｍｍ、Ｘ５０ｍｍ、Ｙ５０ｍｍの造形物を形成した。その後、ヘラを用いて造形ステージから造形体（下地層と造形物の組み合わせ）を剥離した。剥離の際に下地層のサポート部形成材料又はモデル部形成材料の粉は発生しなかった。剥離した造形体を水に４時間浸漬した結果、下地層と立体造形物は容易に剥離された。
形成された下地層は、少なくとも破断伸度が異なる第一の領域と第二の領域を有しており、少なくとも破断伸度が異なる第一の領域と第二の領域が積層されていた。
実施例２の下地層の破断伸度は３．７％であり、サポート部形成材料からなる層の引張伸度２．３％より大きかった。
また、実施例２の下地層のショアＡ硬度は８０であり、モデル部（立体造形物）のショアＡ硬度９５よりも低かった。

（比較例１）
上記第２の下地層形成方法によりすべてサポート部形成材料からなる１００層の下地層を形成した（下地層の平均厚み２ｍｍ）後、下地層上に上記立体造形物の製造方法により高さ１０ｍｍ、Ｘ５０ｍｍ、Ｙ５０ｍｍの造形物を形成した。その後、ヘラを用いて造形ステージから造形体（下地層と造形物の組み合わせ）を剥離した。比較例１の下地層は剥離の際に破断し、破片が造形ステージ上に散乱した。破片はスライドレールなどにも飛散し、これらが蓄積することで装置故障の原因となりうる。
比較例１のサポート部形成材料からなる下地層の破断伸度は２．３％であり、サポート部形成材料からなる層の引張伸度２．３％と同じであった。
また、比較例１の下地層のショアＡ硬度は２５であり、モデル部（立体造形物）のショアＡ硬度９５よりも小さかった。

（比較例２）
上記第２の下地層形成方法によりモデル部形成材料からなる９９層形成し、その上にサポート部形成材料からなる１層を形成し、合計１００層の下地層を形成した（下地層の平均厚み２ｍｍ）。下地層上に上記立体造形物の製造方法により高さ１０ｍｍ、Ｘ５０ｍｍ、Ｙ５０ｍｍの造形物を形成した。その後、ヘラを用いて造形ステージから造形体（下地層と造形物の組み合わせ）を剥離した。比較例２の下地層を剥離した際、硬いため造形物側にヒビが入ることが３回造形して１回発生した。
比較例２の下地層の破断伸度は２．０％であり、サポート部形成材料からなる層の引張伸度２．３％より小さかった。
また、比較例２の下地層のショアＡ硬度は９５であり、モデル部（立体造形物）のショアＡ硬度９５と同じであった。

本発明の態様としては、例えば、以下のとおりである。
＜１＞ 下地層を形成する下地層形成工程と、
下地層の上方にモデル部形成材料の硬化物からなる立体造形物を造形する造形工程と、を含み、
前記下地層は、少なくとも破断伸度が異なる第一の領域と第二の領域を有することを特徴とする立体造形物の製造方法である。
＜２＞ 前記第一の領域、及び前記第二の領域が積層されている前記＜１＞に記載の立体造形物の製造方法である。
＜３＞ 前記第一の領域と前記第二の領域の一方がサポート部形成材料からなり、他方がモデル部形成材料からなる前記＜１＞又は＜２＞に記載の立体造形物の製造方法である。
＜４＞ 前記下地層が前記立体造形物と接する前記＜１＞から＜３＞のいずれかに記載の立体造形物の製造方法である。
＜５＞ 前記下地層のショアＡ硬度が、前記立体造形物のショアＡ硬度よりも低い前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の立体造形物の製造方法である。
＜６＞ 下地層を形成する下地層形成手段と、
下地層の上方にモデル部形成材料の硬化物からなる立体造形物を造形する造形手段と、を有し、
前記下地層は、少なくとも破断伸度が異なる第一の領域と第二の領域を有することを特徴とする立体造形物の製造装置である。
＜７＞ 前記第一の領域、及び前記第二の領域が積層されている前記＜６＞に記載の立体造形物の製造装置である。
＜８＞ 前記第一の領域と前記第二の領域の一方がサポート部形成材料からなり、他方がモデル部形成材料からなる前記＜６＞又は＜７＞に記載の立体造形物の製造装置である。
＜９＞ 前記下地層が前記立体造形物と接する前記＜６＞から＜８＞のいずれかに記載の立体造形物の製造装置である。
＜１０＞ 前記下地層のショアＡ硬度が、前記立体造形物のショアＡ硬度よりも低い前記＜６＞から＜９＞のいずれかに記載の立体造形物の製造装置である。

前記＜１＞から＜５＞のいずれかに記載の立体造形物の製造方法、及び前記＜６＞から＜１０＞のいずれかに記載の立体造形物の製造装置によると、従来における前記諸問題を解決し、前記本発明の目的を達成することができる。

特表２００３−５３５７１２号公報 特開２０１２−１１１２２６号公報

１ 造形部
５ 造形ユニット
１０ 造形液
１２ 平坦化ローラ（平坦化手段）
２２ 造形槽
２４ 造形ステージ
３０ 造形層（層状造形物）
５０ 液体吐出ユニット
５１ キャリッジ
５２ 液体吐出ヘッド
５００ 制御部

Claims (6)

1. 下地層を形成する下地層形成工程と、
   下地層の上方にモデル部形成材料の硬化物からなる立体造形物を造形する造形工程と、を含み、
   前記下地層は、少なくとも破断伸度が異なる第一の領域と第二の領域を有することを特徴とする立体造形物の製造方法。
2. 前記第一の領域、及び前記第二の領域が積層されている請求項１に記載の立体造形物の製造方法。
3. 前記第一の領域と前記第二の領域の一方がサポート部形成材料からなり、他方がモデル部形成材料からなる請求項１又は２に記載の立体造形物の製造方法。
4. 前記下地層が前記立体造形物と接する請求項１から３のいずれかに記載の立体造形物の製造方法。
5. 前記下地層のショアＡ硬度が、前記立体造形物のショアＡ硬度よりも低い請求項１から４のいずれかに記載の立体造形物の製造方法。
6. 下地層を形成する下地層形成手段と、
   下地層の上方にモデル部形成材料の硬化物からなる立体造形物を造形する造形手段と、を有し、
   前記下地層は、少なくとも破断伸度が異なる第一の領域と第二の領域を有することを特徴とする立体造形物の製造装置。