JP2020131455A - 立体物造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】立体物の内部に容易に空洞を形成することが可能な立体物造形方法を提供する。【解決手段】立体物造形方法は、作業面にインクの層を積層して積層体を形成する立体物造形方法であって、作業面上又は作業面に形成されたインクの層の最上層のうち所定領域を囲む範囲にインクの層を積層することで、インクで囲まれた空隙部を形成する空隙部形成工程と、空隙部を含むインクの層に新たなインクの層を積層する場合において、空隙部に面するインク上に新たなインクを配置する際、インクの一部を空隙部の外形形状が崩れない範囲の積層角度で空隙部の内側にはみ出した状態とすることで、上方に向けて空隙部の外周側から内側に張り出して空隙部を囲うオーバーハング部を形成するオーバーハング部形成工程とを含む。【選択図】図１４

Description

本発明は、立体物造形方法に関する。

従来、三次元プリンタで造形材を積層して造形される立体物において、例えば軽量化や材料費の削減を図る等の目的のために、立体物の内部に空洞を形成する技術が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

特開２０１７−０７１１５４号公報 特開２０１７−２１７８８９号公報

しかしながら、特許文献１、特許文献２に開示された手法では、立体物に内部空洞を設けるために、積層体に凹部を形成し、凹部を蓋部材或いは固形物で塞いだ後、蓋部材或いは固形物の上に新たなインク層を積層するものである。この場合、例えば蓋部材或いは固形物を傾いて塞ぐと、インクを吐出するヘッドと干渉してしまうため、空洞を有する立体物の形成が困難となり、故障の原因にもなる。従って、凹部を蓋部材或いは固形物で塞ぐ工程は、自動でも手動であっても緻密な正確さが要求される。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、空隙部を囲うオーバーハング部を容易に形成することが可能な立体物造形方法を提供することを目的とする。

本発明に係る立体物造形方法は、作業面にインクの層を積層して積層体を形成する立体物造形方法であって、前記作業面上又は前記作業面に形成された前記インクの層の最上層のうち所定領域を囲む範囲に前記インクの層を積層することで、前記インクで囲まれた空隙部を形成する空隙部形成工程と、前記空隙部を含む前記インクの層に新たな前記インクの層を積層する場合において、前記空隙部に面する前記インク上に新たな前記インクを配置する際、前記インクの一部を前記空隙部の外形形状が崩れない範囲の積層角度で前記空隙部の内側にはみ出した状態とすることで、上方に向けて前記空隙部の外周側から内側に張り出して前記空隙部を囲うオーバーハング部を形成するオーバーハング部形成工程とを含む。

本発明によれば、インク層の一部に空隙部を形成し、空隙部の外周側から空隙部の外形形状が崩れない範囲の積層角度で内側にオーバーハング部を形成することができる。これにより、空隙部を囲うオーバーハング部を容易に形成することができる。

また、上記の立体物造形方法において、前記オーバーハング部上に前記インクを配置して前記空隙部を塞ぐことで空洞部を形成する空洞部閉塞工程を更に含む。これにより、立体物の内部に容易に空洞部を形成することが可能となる。また、立体物の内部に凹部を設けて蓋部材或いは固形物で塞ぐことで空洞部を形成する手法に比べて、蓋部材或いは固形物が不要となり、空洞部の配置、容積等の設計の自由度が高まることになる。

また、上記の立体物造形方法において、前記オーバーハング部形成工程は、一部が前記空隙部の内側にはみ出した状態の前記インクの上に複数層の前記インクを重畳して配置することを含んでもよい。これにより、作業面とオーバーハング部の内側の壁面とのなす角度が大きくなるため、オーバーハング部の形状を崩すことなく、安定させることができる。

また、上記の立体物造形方法において、前記オーバーハング部形成工程は、前記作業面と前記オーバーハング部の内側の壁面とのなす角度が６０°以上、９０°以下となる層数で前記インクを重畳させてもよい。これにより、作業面とオーバーハング部の内側の壁面とのなす角度を十分大きくすることができるため、オーバーハング部の形状を崩すことなく、安定させることができる。

また、上記の立体物造形方法において、前記インクは、平面視でマトリクス状に所定のピッチで滴下され、前記オーバーハング部形成工程は、前記空隙部の内側に前記インクの滴下位置を１ピッチ分ずらして前記インクを滴下することで、前記インクの一部を前記空隙部の内側にはみ出した状態としてもよい。これにより、インクの一部を空隙部の内側にはみ出した状態を容易に実現することができる。

また、上記の立体物造形方法において、前記空隙部形成工程は、前記所定領域を囲む範囲に前記インクの層を複数層重畳させることを含んでもよい。これにより、空洞部を上下に広く形成できる。

また、上記の立体物造形方法において、前記空隙部形成工程は、前記空隙部を広げるように前記インクの層を重畳させることを含んでもよい。これにより、空洞部を平面方向に広く形成できる。

また、上記の立体物造形方法において、前記空隙部形成工程は、複数の前記空隙部を形成し、前記オーバーハング部形成工程及び前記空洞部形成工程の少なくとも一方は、複数の前記空隙部の間の部分を前記インクによる補強部として形成してもよい。これにより、立体物の内部に複数の空洞部を有する立体物の強度を確保することができる。

また、上記の立体物造形方法において、前記積層体は、造形材により形成される積層体、及び前記造形材を支持するサポート材により形成される積層体の少なくとも一方を含んでもよい。これにより、造形材及びサポート材を節約することができる。

本発明によれば、立体物の内部に容易に空洞を形成することが可能な立体物造形方法を提供することができる。

図１は、本実施形態に係る立体物製造方法に用いられる立体物造形装置を示す模式図である。 図２は、吐出ユニットをインク滴の吐出面側から見た説明図である。 図３は、制御部の一例を示す機能ブロック図である。 図４は、実施形態に係る立体物製造方法において製造される立体物の断面構成の一例を示す図である。 図５は、空洞部の一例を示す断面図である。 図６は、空洞部の一例を示す斜視図である。 図７は、空洞部の他の例を示す斜視図である。 図８は、空洞部の他の例を示す断面図である。 図９は、空洞部の他の例を示す断面図である。 図１０は、空洞部の他の例を示す断面図である。 図１１は、空洞部の一例を示す斜視図である。 図１２は、造形部内に空洞部を複数配置した場合の一例を示す図である。 図１３は、図１２におけるＺＸ断面図である。 図１４は、本実施形態に係る立体物製造方法の一例を示すフローチャートである。 図１５は、立体物製造方法の製造過程を示す図である。 図１６は、インクの形状の一例を示す図である。 図１７は、仮想インク滴によりオーバーハング部を形成する場合の一例を示す図である。 図１８は、三次元データに空洞データを付加する処理の一例を示すフローチャートである。 図１９は、空洞データを編集する場合の処理の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る立体物造形方法の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、本実施形態に係る立体物製造方法に用いられる立体物造形装置１０を示す模式図である。図１に示す立体物造形装置１０は、積層造形法により立体物５を造形する三次元プリンタである。この場合、積層造形法とは、例えば、複数の層を重ねて立体物５を造形する方法である。立体物５とは、例えば、三次元構造物のことである。立体物造形装置１０において実行する立体物造形方法は、例えば、三次元構造物の形状情報とカラー画像情報とから三次元構造物を造形するカラー造形方法であってもよい。

また、以下に説明する点を除き、立体物造形装置１０は、公知の立体物造形装置と同一、または同様の構成を有してよい。また、立体物造形装置１０は、例えば、公知の平面への印刷装置であるインクジェットプリンタの構成の一部を変更した装置であってよい。例えば、立体物造形装置１０は、紫外線硬化型インク（ＵＶインク）を用いるインクジェットプリンタの一部を変更した装置であってよい。

本実施形態に係る立体物造形装置１０は、吐出ユニット１２と、主走査駆動部１４と、立体物５を載置する載置台である造形台１６と、制御部１８と、を備えている。吐出ユニット１２は、立体物５の材料となる液滴を吐出する部分であり、所定の条件に応じて硬化する樹脂である硬化性樹脂の液滴等を吐出し、硬化させることにより、立体物５を構成する各層を形成する。より具体的には、吐出ユニット１２は、例えば、制御部１８の指示に応じて液滴を吐出することにより、硬化性樹脂の層を形成する層形成動作と、層形成動作で形成された硬化性樹脂の層を硬化させる硬化動作とを複数回繰り返して行う。吐出ユニット１２は、これらの動作を繰り返し行うことにより、硬化した硬化性樹脂の層を複数層重ねて形成する。

また、本実施形態に係る立体物造形装置１０では、吐出ユニット１２は、有色の紫外線硬化型インクのインク滴を吐出することにより、立体物５の表面或いは内部に対して着色を行い、着色された立体物５を造形する。また、吐出ユニット１２は、立体物５の造形時において、図１に示すように、立体物５の周囲にサポート６を形成する。サポート６は、造形中の立体物５を支えるための積層構造物（サポート層）であり、立体物５の造形完了後に、水等により溶解除去される。

主走査駆動部１４は、吐出ユニット１２に主走査動作を行わせる駆動部である。なお、本実施形態において、吐出ユニット１２に主走査動作を行わせるとは、例えば、吐出ユニット１２が有するインクジェットヘッドに主走査動作を行わせることである。また、主走査動作とは、例えば、予め設定された主走査方向（図中のＹ方向）へ移動しつつ、インク滴を吐出する動作である。

主走査駆動部１４は、キャリッジ２２及びガイドレール２４を有している。このうち、キャリッジ２２は、造形台１６と対向させて吐出ユニット１２を保持する保持部である。即ち、キャリッジ２２は、吐出ユニット１２から吐出するインク滴の吐出方向が造形台１６へ向かう方向になるように、吐出ユニット１２を保持している。主走査動作時において、キャリッジ２２は、吐出ユニット１２を保持した状態で、ガイドレール２４に沿 って移動する。ガイドレール２４は、キャリッジ２２の移動をガイドするレール部材であり、主走査動作時において、制御部１８の指示に応じて、キャリッジ２２を移動させる。

なお、主走査動作時における吐出ユニット１２の移動は、立体物５に対する相対的な移動であってよい。そのため、立体物造形装置１０の構成の変形例においては、例えば、吐出ユニット１２の位置を固定して、造形台１６を移動させることにより、立体物５側を移動させてもよい。

造形台１６は、造形中の立体物５を上面である作業面１６ａに載置する載置台である。この造形台１６は、作業面１６ａを上下方向（図中のＺ方向）へ移動させる機能を有しており、制御部１８の指示に応じて、立体物５の造形の進行に合わせて、作業面１６ａを移動させる。これにより、造形途中の立体物５における被造形面と、吐出ユニット１２との間の距離（ギャップ）を適宜調整することが可能になっている。なお、この場合における立体物５の被造形面とは、吐出ユニット１２による次の層が形成される面のことである。また、吐出ユニット１２に対して造形台１６を上下動させるＺ方向への走査は、吐出ユニット１２側をＺ方向へ移動させることで行ってもよい。

制御部１８は、立体物造形装置１０の各部を制御する装置になっており、各種処理を実行するコントローラとして機能するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）や、各種情報を記憶するメモリとして機能するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）及びＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等を有している。制御部１８は、造形すべき立体物５の形状情報や、カラー画像情報等に基づいて立体物造形装置１０の各部を制御することにより、立体物５を造形するための動作の制御を行う。

なお、立体物造形装置１０は、立体物５の造形や着色等に必要な各種構成をさらに備えてよい。例えば、立体物造形装置１０は、吐出ユニット１２に副走査動作を行わせる副走査駆動部等を備えてもよい。この場合、副走査動作とは、例えば、造形中の立体物５に対して相対的に、主走査方向と直交する副走査方向（図中のＸ方向）へ、吐出ユニット１２におけるインクジェットヘッドを移動させる動作である。副走査駆動部は、例えば、副走査方向における長さが吐出ユニット１２におけるインクジェットヘッドの造形幅よりも長い立体物５を造形する場合等に、必要に応じて吐出ユニット１２に副走査動作を行わせる。より具体的には、副走査駆動部は、造形台１６を副走査方向へ移動させる駆動部であってもよく、または、吐出ユニット１２を保持するキャリッジ２２と共にガイドレール２４を副走査方向へ移動させる駆動部であってもよい。

図２は、吐出ユニットをインク滴の吐出面側から見た説明図である。吐出ユニット１２は、複数の有色インク用ヘッド３２ｙ、３２ｍ、３２ｃ、３２ｋ（以下、複数の有色インク用ヘッド３２ｙ〜３２ｋと記載する）、白インク用ヘッド３６、クリアインク用ヘッド３８、造形材用ヘッド３４、サポート材用ヘッド４０、複数の紫外線光源４４、及び平坦化ローラユニット５０を有している。

有色インク用ヘッド３２ｙ〜３２ｋ、白インク用ヘッド３６、クリアインク用ヘッド３８、及び造形材用ヘッド３４は、インクジェット方式で硬化性樹脂の液滴を吐出する吐出手段である吐出ヘッドになっている。これらの有色インク用ヘッド３２ｙ〜３２ｋ、白インク用ヘッド３６、クリアインク用ヘッド３８、及び造形材用ヘッド３４は、紫外線硬化型インクのインク滴を吐出するインクジェットヘッドになっており、副走査方向（Ｘ方向）における位置を揃えて、主走査方向（Ｙ方向）へ並んで配設されている。

有色インク用ヘッド３２ｙ〜ｋは、互いに異なる色の有色のインクのインク滴をそれぞれ吐出するインクジェットヘッドになっている。この有色インク用ヘッド３２ｙ〜ｋは、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）の各色の紫外線硬化型インクのインク滴を吐出することが可能になっている。また、白インク用ヘッド３６は、白色（Ｗ）の紫外線硬化型インクのインク滴を吐出するインクジェットヘッドになっている。

また、造形材用ヘッド３４は、立体物５を形成するための流動性を有する造形材として用いる紫外線硬化型インクのインク滴を吐出するインクジェットヘッドになっている。この造形材用ヘッド３４は、所定の色の造形用インク（ＭＯ）のインク滴を吐出することが可能になっている。造形用インクとしては、例えば、白色のインク、またはクリアインク等を用いてもよい。

また、クリアインク用ヘッド３８は、紫外線硬化型のクリアインクのインク滴を吐出するインクジェットヘッドになっている。このクリアインクとは、透明（Ｔ）のインクである。このクリアインクは、紫外線硬化型の樹脂を含み、且つ、着色剤を含まないインクになっている。

また、サポート材用ヘッド４０は、サポート６（図２参照）の材料（Ｓ）を含むインク滴を吐出するインクジェットヘッドになっている。この場合におけるサポート６の材料としては、紫外線硬化型インクであるとともに、立体物５の造形後に水で溶解可能な水溶性の材料を用いることが好ましい。なお、サポート６の材料としては、サポート６用の公知の材料を適宜用いてもよい。また、サポート材用ヘッド４０は、有色インク用ヘッド３２ｙ〜ｋ、白インク用ヘッド３６、クリアインク用ヘッド３８、及び造形材用ヘッド３４に対し、副走査方向における位置を揃えて、主走査方向へ並んで配設される。

なお、有色インク用ヘッド３２ｙ〜ｋ、白インク用ヘッド３６、クリアインク用ヘッド３８、造形材用ヘッド３４、及びサポート材用ヘッド４０としては、例えば、公知のインクジェットヘッドを好適に用いることができる。これらのインクジェットヘッドは、造形台１６（図１参照）と対向する面に、複数のノズルが副走査方向へ並ぶノズル列を有する。この場合、それぞれのインクジェットヘッドにおけるノズル列は、並び方向が同一で、且つ、互いに平行になる。また、主走査動作時において、ノズルが並ぶ方向と直交する主走査方向へ移動しつつ、Ｚ方向へインク滴をそれぞれ吐出する。

複数の紫外線光源４４は、紫外線硬化型インクを硬化させる紫外線の光源であり、紫外ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、メタルハライドランプ、水銀ランプ等が用いられる。複数の紫外線光源４４のそれぞれは、間に有色インク用ヘッド３２ｙ〜ｋ、白インク用ヘッド３６、クリアインク用ヘッド３８、造形材用ヘッド３４、及びサポート材用ヘッド４０を挟むように、吐出ユニット１２における主走査方向の一端側及び他端側のそれぞれに配設される。本実施形態１に係る立体物造形装置１０では、紫外線光源４４としてＵＶ１とＵＶ２とが設けられており、ＵＶ１は、主走査方向（Ｙ方向）における吐出ユニット１２の左端側に配設されており、吐出ユニット１２が造形台１６に対して相対的に右方向へ主走査する際に点灯する。ＵＶ２は、主走査方向（Ｙ方向）における吐出ユニット１２の右端側に配設されており、吐出ユニット１２が造形台１６に対して相対的に左方向へ主走査する際に点灯する。尚、インクの紫外線による硬化感度によっては、ＵＶ１とＵＶ２の両方が同時に点灯する場合があってもよく、また、ＵＶ１とＵＶ２のいずれか一方のみ有して、他方は無くてもよい。

平坦化ローラユニット５０は、立体物５の造形中に形成される紫外線硬化型インクの層を平坦化し、層の厚さを一定にするための構成である。平坦化ローラユニット５０は、有色インク用ヘッド３２ｙ〜３２ｋ、白インク用ヘッド３６、クリアインク用ヘッド３８、造形材用ヘッド３４、及びサポート材用ヘッド４０の並びと、吐出ユニット１２の他端側に配設される紫外線光源４４であるＵＶ２との間に配設される。これにより、平坦化ローラユニット５０は、有色インク用ヘッド３２ｙ〜３２ｋ、白インク用ヘッド３６、クリアインク用ヘッド３８、造形材用ヘッド３４、及びサポート材用ヘッド４０の並びに対して、副走査方向の位置を揃えて、主走査方向へ並べて配設される。この平坦化ローラユニット５０は、吐出ユニット１２に対して上下方向に移動可能に吐出ユニット１２に設けられており、下方向に移動した状態でインクの層に接触して、層の厚さを一定にする。平坦化ローラユニット５０は、キャリッジ２２と共に主走査方向（図中の左方向）へ移動して流動可能な状態の造形材における余剰造形材を掻き取るために、時計方向に回転するローラ部５１と、ローラ部５１により掻き取られた余剰造形材を回収する余剰造形材回収機構５２（図１参照）と、を有している。

図３は、制御部１８の一例を示す機能ブロック図である。本実施形態では、制御部１８の制御により、上記した立体物５の他に、例えば後述する造形部６１、サポート部６２及び空洞部６３を有する立体物６０（図４参照）を製造可能である。図３に示すように、制御部１８は、三次元データ入力部１８１と、三次元データ出力部１８２と、入力操作部１８３と、処理部１８４と、演算部１８５と、選択部１８６と、空洞データ作成変更部１８７と、記憶部１８８と、表示部１８９とを有する。

三次元データ入力部１８１は、サーバーやパーソナルコンピュータ等の不図示の入力元からの三次元データが入力される。三次元データ入力部１８１に入力される三次元データには、空洞部６３の位置、諸元（寸法、容積等）に関する空洞データは含まれていない。三次元データ出力部１８２は、処理部１８４で処理された三次元データが出力される。三次元データ出力部１８２から出力される三次元データは、空洞データが含まれている場合がある。入力操作部１８３は、例えば操作ボタン、マウス、キーボード等の入力装置が用いられ、所定の操作データを入力可能である。

処理部１８４は、三次元データ入力部１８１から入力される三次元データに、空洞部６３の位置、諸元等に関する空洞データを付加した付加データを生成する。処理部１８４は、生成した付加データを三次元データ出力部１８２に出力する。

演算部１８５は、三次元データに空洞データを付加することが可能な付加可能領域の形状、寸法、体積等の諸元を演算する。選択部１８６は、演算部１８５で演算された付加可能領域の諸元に基づいて、記憶部１８８に記憶される空洞のパターンの中から三次元データに付加する空洞データを選択する。

空洞データ作成変更部１８７は、例えば入力操作部１８３からの入力結果に基づいて、記憶部１８８に記憶される新たな空洞データを作成する。また、空洞データ作成変更部１８７は、例えば入力操作部１８３からの入力結果に基づいて、記憶部１８８に記憶される空洞データの諸元を編集する。

記憶部１８８には、空洞データが複数記憶される。例えば、記憶部１８８には、予め設定される定形空洞データと、新たに生成される不定形空洞データとが記憶される。

表示部１８９は、例えば液晶ディスプレイ等の表示装置が用いられる。表示部１８９は、処理部１８４から出力されるデータを表示させることが可能である。例えば、表示部１８９は、処理部１８４により生成された三次元データ又は付加データを表示させることが可能である。

次に、立体物造形装置１０を用いた実施形態に係る立体物製造方法について説明する。図４は、実施形態に係る立体物製造方法において製造される立体物６０の断面構成の一例を示す図である。本実施形態において、立体物６０は、例えば鳥の三次元形状であるが、これに限定されず、人物や車、建造物、飲食物等をモデルとする三次元形状等であってもよい。

図４に示すように、立体物６０は、造形部６１と、サポート部６２と、空洞部６３とを有する。造形部６１は、造形材によって、例えば鳥の三次元形状が形成される。造形部６１の表面は、例えば鳥の外観の色が有色インクによって形成されてもよい。サポート部６２は、サポート材によって形成される。空洞部６３は、造形内空洞部６４と、サポート内空洞部６５とを含む。造形内空洞部６４は、造形部６１の内部に形成される空洞部である。サポート内空洞部６５は、サポート部６２の内部に形成される空洞部である。以下、造形内空洞部６４とサポート内空洞部６５とを区別しない場合には、「空洞部」と表記する。

図５は、空洞部６３の一例を示す断面図である。図５に示す空洞部６３Ａは、底面Ｆ１と、垂直面Ｆ２と、オーバーハング面Ｆ３とを有する。底面Ｆ１は、例えば作業面１６ａに平行な平面である。垂直面Ｆ２は、例えば作業面１６ａ及び底面Ｆ１に垂直な平面である。垂直面Ｆ２は、図５における左右方向の両端に配置される。

オーバーハング面Ｆ３は、造形部６１のオーバーハング部６１Ｈによって形成される。オーバーハング部６１Ｈは、造形部６１のうち、上方に向けて空洞部６３Ａの内側に張り出す部分である。オーバーハング部６１Ｈの内側の壁面がオーバーハング面Ｆ３である。オーバーハング面Ｆ３は、例えば作業面１６ａに平行な平面に対して空洞部６３Ａの内側に角度θだけ傾いた平面である。角度θは、例えば６０°以上、９０°以下とすることが好ましい。なお、オーバーハング面Ｆ３は、平面には限定されず、曲面を含んでもよい。この場合、曲面の接平面と作業面１６ａに平行な平面との間の角度が６０°以上、９０°以下となることが好ましい。

図６は、空洞部６３Ａの一例を示す斜視図である。図５に示す空洞部６３Ａは、例えばＦ１、Ｆ２、Ｆ３の５つの面と、図６に示すように、五角形のオーバーハングしない垂直（ＺＹ面）の２面を有する構成と見ることができる。また、図７は、空洞部６３Ａの他の例を示す斜視図である。空洞部６３Ａは、例えば図７に示すように、上端にオーバーハングの円錐を有する円柱状の断面構成と見ることもできる。この場合のオーバーハングの角度θも６０°以上、９０°以下となることが好ましい。

図８は、空洞部６３の他の例を示す断面図である。図８に示す空洞部６３Ｂは、底面Ｆ１と、オーバーハング面Ｆ３とを有する。空洞部６３Ｂは、空洞部６３Ａに対して、垂直面Ｆ２が設けられない構成である。この場合のオーバーハングの角度θも６０°以上、９０°以下となることが好ましい。

図９は、空洞部６３の他の例を示す断面図である。図９に示す空洞部６３Ｃは、底面Ｆ１と、垂直面Ｆ２と、オーバーハング面Ｆ３とを有する。空洞部６３Ｃは、底面Ｆ１が作業面１６ａに平行な平面ではなく、造形部６１の外形に沿って湾曲又は屈曲された形状であってもよい。この場合のオーバーハング面Ｆ３の角度θも６０°以上、９０°以下となることが好ましい。

図１０は、空洞部６３の他の例を示す断面図である。図１０に示す空洞部６３Ｄは、外側傾斜面Ｆ４と、オーバーハング面Ｆ３とを有する。この場合のオーバーハング面Ｆ３の角度θも６０°以上、９０°以下となることが好ましい。外側傾斜面Ｆ４は、空洞部６３Ｄの下端から上方に向けて空洞部６３Ｄの外側に傾いた平面である。なお、外側傾斜面Ｆ４は、平面に限定されず、曲面を含む構成であってもよい。図１１は、空洞部６３Ｄの一例を示す斜視図である。

図１２は、造形部６１内に空洞部６３Ｄを複数配置した場合の一例を示す図である。図１３は、図１２におけるＺＸ断面図である。なお、図１２は、図１３におけるＺＹ断面図となっている。図１２及び図１３に示すように、空洞部６３Ｄは、隣り合う空洞部６３Ｄ同士の間で、一方のオーバーハング面Ｆ３と他方の外側傾斜面Ｆ４とが対向するように配置される。

造形部６１には、複数の空洞部６３Ｄの周囲に補強部６１Ｐが形成される。補強部６１Ｐは、隣り合う空洞部６３Ｄ同士の間であって一方のオーバーハング面Ｆ３と他方の外側傾斜面Ｆ４との間の部分においては、板状に形成される。また、補強部６１Ｐは、例えば図１２に示す例において、空洞部６３Ｄの断面形状の角部同士の間の部分においては、例えば梁状に形成される。このように、梁状の補強部６１Ｐと板状の補強部６１Ｐとが複数の空洞部６３Ｄの間に形成される。なお、一方のオーバーハング面Ｆ３と他方の外側傾斜面Ｆ４との間に形成される板状の補強部６１Ｐは、オーバーハング部６１Ｈを構成する部分でもある。補強部６１Ｐの形状は、板状又は梁状に限定されず、他の形状であってもよい。なお、サポート部６２内に空洞部６３を配置する場合であっても、同様の説明が可能である。

次に、上記の立体物６０を製造するための具体的な方法を説明する。図１４は、本実施形態に係る立体物製造方法の一例を示すフローチャートである。図１５は、立体物製造方法の製造過程を示す図である。図１４に示すように、本実施形態に係る立体物造形方法は、空隙部形成工程（ステップＳ１０）と、オーバーハング部形成工程（ステップＳ２０）と、空洞部形成工程（ステップＳ３０）とを有する。

空隙部形成工程Ｓ１０は、図１５（Ａ）に示すように、作業面１６ａ上又は作業面１６ａに形成されたインクの最上層Ｒ０のうち所定領域ＡＲを囲む範囲にインクの層Ｒ１を積層することで、インクで囲まれた空隙部６６を形成する。空隙部形成工程Ｓ１０は、所定領域ＡＲを囲む範囲にインクの層を垂直（Ｚ）方向に複数層重畳させてもよい。この場合、空洞部６３を上下に広く形成できる。また、空隙部形成工程Ｓ１０は、空隙部６６を上方に向けて広げるようにインクの層を垂直（Ｚ）方向に重畳させてもよい。この場合、空洞部６３を平面方向に広く形成できる。

オーバーハング部形成工程Ｓ２０は、図１５（Ｂ）に示すように、空隙部６６を含むインクの層Ｒ１に新たなインクの層Ｒ２を積層する場合において、空隙部６６に面するインク上に新たなインクを配置する際、インクの一部を空隙部６６の内側にはみ出した状態とすることで、上方に向けて空隙部６６の外周側から内側に張り出すオーバーハング部６１Ｈを形成する。

オーバーハング部形成工程Ｓ２０は、一部が空隙部６６の内側にはみ出した状態のインクの上に複数層のインクを重畳して配置することを含んでもよい。これにより、作業面１６ａとオーバーハング面Ｆ３とのなす角度が大きくなるため、オーバーハング部６１Ｈの形状を安定させることができる。

また、オーバーハング部形成工程Ｓ２０は、作業面１６ａとオーバーハング面Ｆ３とのなす角度θが６０°以上、９０°以下となる層数でインクを重畳させる。これにより、角度θを十分大きくすることができるため、オーバーハング部６１Ｈの形状を安定させることができる。

また、インクは、平面視でマトリクス状に所定のピッチＰｖで滴下され、オーバーハング部形成工程Ｓ２０は、空隙部６６の内側にインクの滴下位置を１ピッチ分ずらしてインクを滴下することで、インクの一部を空隙部６６の内側にはみ出した状態とする。これにより、インクの一部を空隙部６６の内側にはみ出した状態を容易に実現することができる。

図１６は、インクの形状の一例を示す図である。図１６に示すように、例えば吐出ユニット１２から例えば平面上に吐出されるインク滴７０は、平面視において円形に形成される。また、このインク滴７０は、側面視において示されるようにインク滴７０の外周部分から中央部分に向けて上方に盛り上がった形状に形成される。

このようなインク滴７０は、例えば平面視で正方形の仮想インク滴７１として設定することができる。つまり、仮想インク滴７１は、吐出ユニット１２により吐出されるインク滴７０のピッチ、すなわち解像度の逆数をＰｖとすると、
Ｖ＝３Ｐｖ
を満たす長さＶを一辺とする正方形のインク滴として設定することができる。例えばインク滴７０を解像度６００ｄｐｉで吐出する吐出ユニット１２の場合、
Ｐｖ＝（１インチ/６００ドット）＝４２μｍ
Ｖ＝１２６μｍ
である。また、この場合、仮想インク滴７１の厚さｔは、インク滴７０の体積を仮想インク滴７１の正方形の面積で割った値とすることができる。本実施形態では、例えば
ｔ＝１８μｍ
とすることができる。

図１７は、仮想インク滴７１によりオーバーハング部６１Ｈを形成する場合の一例を示す図である。本実施形態では、オーバーハング部６１Ｈを形成する場合、インクを１ピッチ分、空隙部６６側にはみ出すように配置する。作業面１６ａに平行な平面とオーバーハング面Ｆ３との角度θを６０°以上とする場合、図１７に示すように、空隙部６６側にはみ出したインクの上に新たなインクを重畳して積層させるようにする。インクを重畳させる層数をＮ（ただし、Ｎは自然数）とすると、
ｔａｎθ＝Ｎ・ｔ／Ｐｖ
と表すことができる。

本実施形態では、例えばＰｖ＝４２μｍ、ｔ＝１８μｍの場合、Ｎ＝４層のときにθ≒６０°となる。したがって、Ｎ≧４の場合、つまり４層以上インクを積層した状態で新たなインクを１ピッチ分空隙部６６側にはみ出すように配置する、という動作を繰り返すことにより、θが概ね６０°以上となるようなオーバーハング面Ｆ３を有するオーバーハング部６１Ｈを形成することができる。なお、自然数Ｎの値は４以上に限定されず、例えばピッチＰｖ、仮想インク滴７１の一辺の長さＶ、厚さｔの各値に応じて適宜設定することができる。

オーバーハング部形成工程Ｓ２０を繰り返し行うことにより、空隙部６６の上部の面積が小さくなっていく。そこで、空洞部形成工程Ｓ３０を行う。空洞部形成工程Ｓ３０は、図１５（Ｃ）に示すように、オーバーハング部６１Ｈ上にインクの層Ｒｎを配置して空隙部６６の上部を塞ぐ。空洞部６３が形成された後、立体物６０の外郭に到達するまで、造形部６１を形成する。

上記した空隙部形成工程Ｓ１０において、複数の空隙部６６を形成しておき、オーバーハング部形成工程Ｓ２０及び空洞部形成工程Ｓ３０の少なくとも一方において、複数の空隙部６６の間の部分をインクによる補強部６１Ｐとして形成してもよい。これにより、立体物６０の内部に複数の空洞部６３を効率的に形成しつつ、立体物６０の強度を確保することができる。

また、上記の立体物造形方法において、立体物６０として、造形材により形成される積層体である造形部６１、及びサポート材により形成される積層体であるサポート部６２の少なくとも一方の内部に空洞部６３を形成することができる。これにより、造形材及びサポート材を節約することができる。

次に、立体物６０を造形するための三次元データ（付加データ）を生成する処理について説明する。図１８は、三次元データに空洞データを付加する処理の一例を示すフローチャートである。図１８に示すように、三次元データ入力部１８１に三次元データが入力された場合（ステップＳ１０１）、処理部１８４は、空洞データを付加するか否かの判定を行う（ステップＳ１０２）。ステップＳ１０２において、処理部１８４は、空洞データを付加するか否かを入力操作部１８３に入力するように案内する案内画面を表示部１８９に表示させる。その後、処理部１８４は、入力操作部１８３の入力内容に基づいて、空洞データを付加するか否かの判定を行う。

空洞データを付加する場合（ステップＳ１０２のＹｅｓ）、三次元データのうち造形部６１に対応するデータに空洞データを付加するか否か（ステップＳ１０３）、また、サポート部６２に対応するデータに空洞データを付加するか否か（ステップＳ１０４）を、それぞれ判定する。ステップＳ１０３、ステップＳ１０４では、ステップＳ１０２と同様に、処理部１８４は、入力操作部１８３の入力内容に基づいて、空洞データを付加するか否かの判定を行う。

空洞データを付加する場合（ステップＳ１０３のＹｅｓ、ステップＳ１０４のＹｅｓ）、記憶部１８８に記憶される空洞データの中から付加する空洞データを選択する（ステップＳ１０５）。ステップＳ１０５では、例えば演算部１８５により付加可能領域の諸元を演算し、演算部１８５の演算結果に基づいて、選択部１８６が空洞データを選択する。

空洞データが選択された後、処理部１８４は、空洞データを自動配置するか否かの判定を行う（ステップＳ１０６）。ステップＳ１０６において、処理部１８４は、入力操作部１８３の入力内容に基づいて、空洞データを自動配置するか否かの判定を行う。空洞データを自動配置しない場合（ステップＳ１０６のＮｏ）、作業者が空洞データを手作業で配置する（ステップＳ１０７）。空洞データを自動配置する場合（ステップＳ１０６のＹｅｓ）、処理部１８４は、選択された空洞データに基づいて、三次元データに空洞データを付加した付加データを生成する。その後、処理部１８４は、入力操作部１８３の入力内容に基づいて、空洞データを付加する付加処理を終了するか否かを判定する（ステップＳ１０８）。

ステップＳ１０８において付加処理を終了すると判定した場合（ステップＳ１０８のＹｅｓ）、又は、ステップ１０２若しくはステップＳ１０４において空洞データを付加しないと判定した場合（ステップＳ１０２のＮｏ、ステップＳ１０４のＮｏ）、処理部１８４は、入力操作部１８３の入力内容に基づいて、造形動作を開始するか否かの判定を行う（ステップＳ１０９）。造形動作を行う場合（ステップＳ１０９のＹｅｓ）、吐出ユニット１２に対して造形動作を開始する旨の制御信号を出力する（ステップＳ１１０）。また、造形動作を行わない場合（ステップＳ１０９のＮｏ）、造形動作を行わずに処理を終了する。

図１９は、空洞データを編集する場合の処理の一例を示すフローチャートである。図１９に示すように、処理部１８４は、入力操作部１８３の入力内容に基づいて、記憶部１８８に記憶されない非定形の空洞データを新規に作成するか否かの判定を行う（ステップＳ２０１）。新規作成を行う場合（ステップＳ２０１のＹｅｓ）、空洞データ作成変更部１８７は、例えば入力操作部１８３からの入力結果に基づいて、記憶部１８８に記憶される新規の空洞データを作成する（ステップＳ２０２）。新規の空洞データを作成した後、作成した空洞データを記憶部１８８に記憶するか否かを判定する（ステップＳ２０３）。記憶すると判定した場合（ステップＳ２０３のＹｅｓ）、選択部１８６は、作成した空洞データを新規に記憶部１８８に記憶する（ステップＳ２０４）。記憶しないと判定した場合（ステップＳ２０３のＮｏ）、ステップＳ２０１以降の処理を繰り返し行わせる。

新規作成を行わない場合（ステップＳ２０１のＮｏ）、又はステップＳ２０４において新規の空洞データを記憶した後、処理部１８４は、入力操作部１８３の入力内容に基づいて、記憶部１８８に記憶される既存の空洞データを変更するか否かの判定を行う（ステップＳ２０５）。変更を行うと判定された場合（ステップＳ２０５のＹｅｓ）、空洞データ作成変更部１８７は、例えば入力操作部１８３からの入力結果に基づいて、記憶部１８８に記憶される空洞データの諸元を変更する（ステップＳ２０６）。空洞データの諸元を変更した後、処理部１８４は、入力操作部１８３の入力内容に基づいて、変更された空洞データを記憶部１８８に記憶するか否かを判定する（ステップＳ２０７）。記憶すると判定した場合（ステップＳ２０７のＹｅｓ）、上書きするか否かを判定する（ステップＳ２０８）。上書きすると判定した場合（ステップＳ２０８のＹｅｓ）、選択部１８６は、変更後の空洞データを記憶部１８８に上書きして記憶する（ステップＳ２０９）。上書きしないと判定した場合（ステップＳ２０８のＮｏ）、選択部１８６は、変更後の空洞データを記憶部１８８に新規に記憶する（ステップＳ２１０）。

ステップＳ２０５において空洞データの変更を行わない場合（ステップＳ２０５のＮｏ）、ステップＳ２０９において上書き記憶を行った場合、又はステップＳ２１０にて新規記憶を行った場合、処理を終了する。

以上のように、本発明によれば、インクの層Ｒ１の一部に空隙部６６を形成し、空隙部６６の外周側から内側にオーバーハング部６１Ｈを形成することで、空隙部６６を囲うオーバーハング部６１Ｈを容易に形成することができる。

また、オーバーハング部６１Ｈ上にインクを配置して空洞部６３を塞ぐことで、内部に空洞部６３を有する立体物６０を容易に形成することができる。これにより、立体物６０の内部に容易に空洞部６３を形成することが可能となる。また、立体物の内部に凹部を設けて蓋部材で塞ぐことで空洞部を形成する手法に比べて、空洞部６３の配置、容積等の設計の自由度が高まることになる。

また、上記の立体物造形方法において、オーバーハング部形成工程Ｓ２０は、一部が空隙部６６の内側にはみ出した状態のインクの上に複数層のインクを重畳して配置してもよい。これにより、作業面１６ａとオーバーハング面Ｆ３とのなす角度θが大きくなるため、オーバーハング部６１Ｈの形状を安定させることができる。

また、上記の立体物造形方法において、オーバーハング部形成工程Ｓ２０は、作業面１６ａとオーバーハング面Ｆ３とのなす角度θが６０°以上、９０°以下となる層数でインクを重畳させる。これにより、作業面１６ａとオーバーハング面Ｆ３とのなす角度θを十分大きくすることができるため、オーバーハング部６１Ｈの形状を安定させることができる。尚、角度θについては、９０°に近いほどオーバーハング面を安定に形成できるが、空隙のトータルの容積は少なくなり、インクの節約量が減る。逆に６０°に近いほどオーバーハング面の形成が不安定になるが、空隙のトータルの容積は大きくなり、インクの節約量が増える。さらに、角度θはインクの物性にも依存し、例えば粘度や表面張力が大きいほど小さな角度でも、例えば５０°でもオーバーハング面を安定に形成できる。

また、上記の立体物造形方法において、インクは、平面視でマトリクス状に所定のピッチＰｖで滴下され、オーバーハング部形成工程Ｓ２０は、空隙部６６の内側にインクの滴下位置を１ピッチ分ずらしてインクを滴下することで、インクの一部を空隙部６６の内側にはみ出した状態とする。これにより、インクの一部を空隙部６６の内側にはみ出した状態を容易に実現することができる。

また、上記の立体物造形方法において、空隙部形成工程Ｓ１０は、所定領域ＡＲを囲む範囲にインクの層Ｒ１を複数層重畳させることを含んでもよい。これにより、空洞部６３を上下に広く形成できる。

また、上記の立体物造形方法において、空隙部形成工程Ｓ１０は、空隙部６６を広げるようにインクの層Ｒ１を重畳させることを含んでもよい。これにより、空洞部６３を平面方向に広く形成できる。

また、上記の立体物造形方法において、空隙部形成工程Ｓ１０は、複数の空隙部６６を形成し、オーバーハング部形成工程Ｓ２０及び空洞部形成工程Ｓ３０の少なくとも一方は、複数の空隙部６６の間の部分をインクによる補強部６１Ｐとして形成してもよい。これにより、立体物６０の内部に複数の空洞部６３を効率的に形成しつつ、立体物６０の強度を確保することができる。

また、上記の立体物造形方法において、立体物６０は、造形材により形成される積層体である造形部６１、及び造形材を支持するサポート材により形成される積層体であるサポート部６２の少なくとも一方を含んでもよい。これにより、造形材及びサポート材を節約することができる。

また、上記の立体物造形方法において、紫外線硬化型インクを使用しての造形方法で説明したが、熱可塑性インク、すなわち加熱溶解して積層し、室温に戻ることで硬化するインクを使用しての造形方法であってもよい。これにより、紫外線光源が不要になる。

本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。

Ｆ１…底面、Ｆ２…垂直面、Ｆ３…オーバーハング面、Ｆ４…外側傾斜面、Ｒ０…最上層、Ｒ１，Ｒ２，Ｒｎ…層、Ｓ１０…空隙部形成工程、Ｓ２０…オーバーハング部形成工程、Ｓ３０…空洞部形成工程、ＡＲ…領域、Ｐｖ…ピッチ、１０…立体物造形装置、１２…吐出ユニット、１４…主走査駆動部、１６…造形台、１６ａ…作業面、１８…制御部、２２…キャリッジ、２４…ガイドレール、３２ｃ，３２ｋ，３２ｍ，３２ｙ…有色インク用ヘッド、３４…造形材用ヘッド、３６…白インク用ヘッド、３８…クリアインク用ヘッド、４０…サポート材用ヘッド、４４…紫外線光源、５０…平坦化ローラユニット、５１…ローラ部、５２…余剰造形材回収機構、６０…立体物、６１…造形部、６１Ｈ…オーバーハング部、６１Ｐ…補強部、６２…サポート部、６３，６３Ａ，６３Ｂ，６３Ｃ，６３Ｄ…空洞部、６４…造形内空洞部、６５…サポート内空洞部、６６…空隙部，７０…インク滴、７１…仮想インク滴、１８１…三次元データ入力部、１８２…三次元データ出力部、１８３…入力操作部、１８４…処理部、１８５…演算部、１８６…選択部、１８７…空洞データ作成変更部、１８８…記憶部、１８９…表示部

Claims (9)

1. 作業面にインクの層を積層して積層体を形成する立体物造形方法であって、
   前記作業面上又は前記作業面に形成された前記インクの層の最上層のうち所定領域を囲む範囲に前記インクの層を積層することで、前記インクで囲まれた空隙部を形成する空隙部形成工程と、
   前記空隙部を含む前記インクの層に新たな前記インクの層を積層する場合において、前記空隙部に面する前記インク上に新たな前記インクを配置する際、前記インクの一部を前記空隙部の外形形状が崩れない範囲の積層角度で前記空隙部の内側にはみ出した状態とすることで、上方に向けて前記空隙部の外周側から内側に張り出して前記空隙部を囲うオーバーハング部を形成するオーバーハング部形成工程と
   を含む立体物造形方法。
2. 前記オーバーハング部上に前記インクを配置して前記空隙部を塞ぐことで空洞部を形成する空洞部形成工程
   を更に含む立体物造形方法。
3. 前記オーバーハング部形成工程は、一部が前記空隙部の内側にはみ出した状態の前記インクの上に複数層の前記インクを重畳して配置することを含む
   請求項１又は請求項２に記載の立体物造形方法。
4. 前記オーバーハング部形成工程は、前記作業面と前記オーバーハング部の内側の壁面とのなす角度が６０°以上、９０°以下となる層数で前記インクを重畳させる
   請求項３に記載の立体物造形方法。
5. 前記インクは、平面視でマトリクス状に所定のピッチで滴下され、
   前記オーバーハング部形成工程は、前記空隙部の内側に前記インクの滴下位置を１ピッチ分ずらして前記インクを滴下することで、前記インクの一部を前記空隙部の内側にはみ出した状態とする
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の立体物造形方法。
6. 前記空隙部形成工程は、前記所定領域を囲む範囲に前記インクの層を複数層重畳させることを含む
   請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の立体物造形方法。
7. 前記空隙部形成工程は、前記空隙部を広げるように前記インクの層を重畳させることを含む
   請求項６に記載の立体物造形方法。
8. 前記空隙部形成工程は、複数の前記空隙部を形成し、
   前記オーバーハング部形成工程及び前記空洞部形成工程の少なくとも一方は、複数の前記空隙部の間の部分を前記インクによる補強部として形成する
   請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の立体物造形方法。
9. 前記積層体は、造形材により形成される積層体、及び前記造形材を支持するサポート材により形成される積層体の少なくとも一方を含む
   請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の立体物造形方法。

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