JP2020151897A - 立体造形装置、立体造形方法、及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】品質を向上させる。【解決手段】実施形態にかかる立体造形装置は、複数の走査を繰り返して、複数の造形層及びサポート層を積層する立体造形装置であって、第１の走査の間に造形層を形成させるとともに、第２の走査の間にサポート層を形成させる吐出制御部と、造形層、及びサポート層のうち、いずれか高い方を平坦化する平坦化制御部と、造形層及びサポート層のうち平坦化された方を硬化させる硬化制御部と、を備えている。【選択図】図７

Description

本発明は、立体造形装置、立体造形方法、及びプログラムに関する。

立体物を生産可能な装置として、３Ｄプリンタが普及しつつある。

例えば、モデル材とサポート材とを別々に吐出する技術が提案されている（特許文献１）。

しかしながら、モデル材とサポート材とを別々に吐出した場合に、サポート材の面と、モデル材の面と、を同じ高さで形成すると、先に形成した面（例えばモデル材の表面）に、後に形成した面（サポート材）の造形時に、造形に用いる平坦化手段が衝突するという問題が生じていた。このため、例えば、造形される立体物の寸法精度が低下する可能性がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、平坦化手段が造形物の表面に衝突させるのを抑止し、造形される立体物の品質を向上させる立体造形装置、立体造形方法、及びプログラムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の１つの実施形態に係る立体造形装置は、複数の走査を繰り返し、複数の造形層及びサポート層を積層する立体造形装置であって、第１の走査の間に造形層を形成させるとともに、第２の走査の間にサポート層を形成させる吐出制御部と、造形層、及びサポート層のうち、いずれか高い方を平坦化する平坦化制御部と、造形層及びサポート層のうち平坦化された方を硬化させる硬化制御部と、を備える。

本発明によれば、平坦化手段が造形物の表面に衝突させるのを抑止し、造形される立体物の品質を向上させるという効果を奏する。

図１は、第１の実施形態にかかる立体造形装置の模式的に示した説明図である。 図２は、第１の実施形態にかかる立体造形物の断面を模式的に示した説明図である。 図３は、第１の実施形態にかかる立体造形装置の構成を示したブロック図である。 図４は、第１の実施形態にかかる立体造形装置におけるパージエリアを説明した図である。 図５は、第１の実施形態にかかる立体造形装置のメンテナンスシーケンス時の位置関係を示した図である。 図６は、第１の実施形態にかかる立体造形装置の吐出開始時の位置関係を示した図である。 図７は、第１の実施形態にかかる立体造形装置の主制御部で実行されるプログラムの構成を示したブロック図である。 図８は、第１の実施形態にかかる立体造形装置の主制御部が実行する処理手順を示したフローチャートである。 図９は、第１の実施形態の立体造形装置によって形成された立体造形物の断面を例示した図である。 図１０は、往路において第１の実施形態の吐出制御部がモデル材を吐出する際の電圧の波形データを例示した図である。 図１１は、復路において第１の実施形態の吐出制御部がモデル材を吐出する際の電圧の波形データを例示した図である。 図１２は、第１の実施形態にかかる吐出制御部がサポート材を吐出する際の電圧の波形データを例示した図である。 図１３は、変形例１の立体造形装置の主制御部が実行する処理手順を示したフローチャートである。 図１４は、変形例１の立体造形装置によって形成された立体造形物の断面を例示した図である。 図１５は、変形例２の立体造形装置の主制御部が実行する処理手順を示したフローチャートである。 図１６は、変形例１の立体造形装置によって形成された立体造形物の断面を例示した図である。

以下に添付図面を参照して、立体造形装置、立体造形方法、及びプログラムを説明する。なお、以下の実施形態により本発明が限定されるものではない。

（第１の実施形態）
第１の実施形態として、マテリアルジェット方式により立体造形物を造形する立体造形装置への適用例を示す。なお、以下に示す実施形態は、マテリアルジェット方式に限定するものではない。その他にも、任意の造形方式で立体造形物を造形する立体造形装置に適用してよい。

図１は、第１の実施形態にかかる立体造形装置の模式的に示した説明図である。

図１に示される立体造形物を造形する装置（立体造形装置と称する）１０は、材料噴射造形装置であり、造形物３０が積層されて立体造形物が造形される造形ステージ１４と、造形ステージ１４上に造形物３０を順次積層しながら造形する造形ユニット２０とを備えている。図１では造形材料としてモデル材３０１とサポート材３０２を用いた例を示している。具体的には、モデル材３０１の造形層３１１とサポート材３０２のサポート層３１２がそれぞれ複数積層された造形物３０を示している。

造形ユニット２０は、第１ヘッド１１と、第２ヘッド１２と、ＵＶ照射ユニット１３と、平坦ローラ１６を備えている。第１ヘッド１１は、第１の吐出手段としてモデル材３０１を吐出する。第２ヘッド１２は、第２の吐出手段としてサポート材３０２を吐出する。ＵＶ照射ユニット１３は、硬化手段として活性エネルギー線としての紫外線を照射する。ＵＶ照射ユニット１３によって、造形層３１１とサポート層３１２が硬化する。ＵＶ照射ユニット１３しては、例えば、高圧水銀灯、超高圧水銀灯、メタルハライドなどが挙げられる。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など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る。
平坦ローラ１６は、平坦化手段として造形層３１１とサポート層３１２を平坦化する。平坦ローラ１６は、すべての造形層３１１とサポート層３１２に対して平坦化しなくてもよい。

ここでは、Ｘ方向において、第１ヘッド１１を挟んで２つの第２ヘッド１２を配置し、２つの第２ヘッド１２の外側にそれぞれＵＶ照射ユニット１３を配置し、更に、ＵＶ照射ユニット１３の外側にそれぞれ平坦ローラ１６を配置している。

造形ユニット２０はＸ方向に往復移動されるとともに、造形ステージ１４に対してＹ方向にも相対的に移動可能とされている。造形ユニット２０が造形ステージ１４に対して移動してもよいし、造形ステージ１４が造形ユニット２０に対して移動してもよい。

造形ステージ１４は、昇降手段１５によってＺ方向に昇降される。なお、造形ステージ１４を固定して、造形ユニット２０をＺ方向に昇降してもよい。

次に、立体造形装置１０による造形動作の概要について図２を参照して説明する。図２は、実施形態にかかる立体造形物の断面を模式的に示した説明図である。図２に示される例では、便宜上液滴形状を矩形状で示している。

造形ステージ１４に対して造形ユニット２０をＸ方向へ相対移動させながら、第一の走査の際に、第１ヘッド１１からモデル材３０１を造形ステージ１４の造形領域に吐出させて、造形層３１１を形成する。第２の走査の際に、第２ヘッド１２からサポート材３０２を造形ステージ１４のサポート領域に吐出させて、サポート層３１２を形成させる。第１の走査と第２の走査はタイミングが異なる。サポート領域は、造形領域とは異なる領域であり、サポート層は、造形動作が終了した後に除去される。

そして、ＵＶ照射ユニット１３によって、モデル材３０１の造形層３１１及びサポート材３０２のサポート層３１２上に紫外線を照射して硬化させ、造形層３１１とサポート層３１２を含む１層分の造形物３０が形成する。

この造形物３０を繰り返し造形して順次積層し、モデル材３０１からなる目的とする立体造形物を造形する。

例えば、図１の例では、造形物３０Ａ〜３０Ｅの５層を積層した状態を示している。また、図２の例では、造形物３０Ａ〜３０Ｃの３層を積層した状態を示している。このように、造形層３１１を複数積層することでモデル材造形物３２１を造形し、サポート層３１２を複数積層することでサポート材造形物３２２を造形する。

本実施形態では、造形物３０のうち、造形層３１１又はサポート層３１２を複数層（固定値である必要はない。）積層する毎に、平坦ローラ１６を最表面の造形物３０に押し付けて平坦化する。これにより、造形物３０の厚み精度や平坦性を確保できる。

なお、平坦化手段として、平坦ローラ１６のようなローラ形状の部材を使用する場合、Ｘ方向における移動方向に対して、平坦ローラ１６を逆転させる方向で回転させることで、平坦化（平坦化）の効果がより有効に発揮される。

また、造形ユニット２０と最表面の造形物３０とのギャップを一定に保つために、ここでは、所定の数の層を形成する毎に造形ステージ１４を昇降手段１５によって下降させている。なお、造形ユニット２０を上昇させる構成でもよい。

また、立体造形装置１０としては、モデル材３０１やサポート材３０２の回収、リサイクル機構などを備えることもできる。また、第１ヘッド１１、第２ヘッド１２のノズル面を清浄化する清浄化手段や不吐出ノズルを検知する吐出状態検出手段を備えることができる。また、造形時の装置内の環境温度を制御することも好ましい。

次に、立体造形装置の制御部の概要について説明する。図３は、本実施形態にかかる立体造形装置１０の構成を示したブロック図である。

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を備えている。

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。

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外部Ｉ／Ｆ５０６を備えている。

なお、造形データ作成装置６００は、最終形態の造形物（立体造形物）を各造形層毎にスライスしたスライスデータである造形データ（断面データ）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、造形ユニット２０の第１ヘッド１１を駆動制御するヘッド駆動制御部５０８と、第２ヘッド１２を駆動制御するヘッド駆動制御部５０９を備えている。

制御部５００は、造形ユニット２０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２０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５１１を備えている。なお、造形ユニット２０に対して、造形ステージ１４をＸ方向またはＹ方向に移動させるために、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または、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５１１を駆動させてもよい。

制御部５００は、造形ステージ１４をＺ方向に昇降させる昇降手段１５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。なお、Ｚ方向への昇降は造形ユニット２０を昇降させる構成とすることもできる。その場合、造形ユニット２０をＺ方向に昇降させるために、造形ユニット２０がモータ駆動部５１２で駆動される。

制御部５００は、平坦ローラ１６を回転駆動するモータ２６を駆動するモータ駆動部５１６、第１ヘッド１１、第２ヘッド１２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は、ＵＶ照射ユニット１３による紫外線照射を制御する照射制御部５１９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物３０の内の造形層３１１を形成するデータ（造形領域のデータ）である。

そして、主制御部５００Ａは、造形データ（造形領域データ）にサポート材３０２を付与するサポート領域のデータを付加したデータを作成し、ヘッド駆動制御部５０８、５０９に与える。ヘッド駆動制御部５０８、５０９は、それぞれ、第１ヘッド１１から液状のモデル材３０１の液滴を造形領域に吐出させ、第２ヘッド１２から液状のサポート材３０２の液滴をサポート領域に吐出させる。

なお、造形データ作成装置６００と立体造形装置１０によって造形装置が構成される。また、立体造形装置１０は、第１ヘッド１１及び第２ヘッド１２においてクリーニングを行うために、モデル材３０１及サポート材３０２のインクを廃棄する必要がある。次に、立体造形装置１０におけるインクの廃棄手順について説明する。

図４は、本実施形態にかかる立体造形装置１０におけるパージエリア１０１を説明した図である。図４に示されるように、立体造形装置１０は、造形ユニット２０に含まれる第１ヘッド１１の直下にパージエリア１０１がある。レール１０２は、昇降手段１５の上に設けられている。そして、造形ステージ１４は、レール１０２上を滑りながらＸ方向に移動し、所定の位置（ホームポジション）に退避する。

パージエリア１０１は、第１ヘッド１１から吐出しすることによってパージした捨てインクを回収するユニットとする。そして、パージエリア１０１が回収した捨てインクは、廃液タンクに回収される。

図５は、本実施形態にかかる立体造形装置１０のメンテナンスシーケンス時の位置関係を示した図である。図５に示されるように、メンテナンスシーケンス時には、モデル材３０１をパージするために第１ヘッド１１が、パージエリア１０１近傍まで降下する。その際に、造形ステージ１４は、レール１０２によって、第１ヘッド１１とパージエリア１０１との間を妨げない位置（例えば左端）まで移動する。なお、第１ヘッド１１が、パージエリア１０１近傍まで移動できれば、第１ヘッド１１を降下させてもよいし、パージエリア１０１を上昇させてもよい。

図６は、本実施形態にかかる立体造形装置１０の吐出開始時の位置関係を示した図である。吐出開始時には、第１ヘッド１１と造形ステージ１４の関係で、第１ヘッド１１が吐出開始ギャップまでくるよう制御されたうえで、造形ステージ１４も吐出開始ポジションまで移動する。

図４〜図６に示される例では、第１ヘッド１１がモデル材３０１をパージエリア１０１に吐出する場合について説明したが、第２ヘッド１２がサポート材３０２をパージエリア１０１に吐出する場合についても同様の処理を行うものとして説明を省略する。

図７は、本実施形態の立体造形装置１０の主制御部５００Ａで実行されるプログラムの構成を示したブロック図である。図７に示される構成例は、ＲＯＭ５０２に格納されているプログラムをＣＰＵ５０１で実行することで実現される。

本実施形態の主制御部５００Ａは、モデル材３０１とサポート材３０２とをそれぞれ異なる走査で吐出制御することとした。これにより、本実施形態は、モデル材３０１とサポート材３０２とが混色することに基づいた、造形物の寸法が目標と異なる、造形物の表面にひびが入る、または柱、穴などの微細構造を造形できないという問題を解消している。

これに伴い、モデル材３０１による造形層３１１の平坦化と、サポート材３０２によるサポート層３１２の平坦化と、がそれぞれ異なるタイミングで行われることになる。その際、例えば、造形層３１１を平坦化した後、サポート層３１２を平坦化する際に、造形層３１１とサポート層３１２が同じ高さだと、平坦ローラ１６が、平坦化が行われた後の造形層３１１に衝突する可能性がある。このような処理が行われると、形成される立体造形物の精度が低下する可能性や、平坦ローラ１６の寿命が短くなる可能性がある。

そこで、本実施形態では、モデル材３０１による造形層３１１の平坦化を行う際に、造形層３１１をサポート層３１２より高くなるようにし、サポート材３０２によるサポート層３１２の平坦化を行う際に、サポート層３１２を造形層３１１より高くなるようにした。なお、具体的な処理手順については後述する。

図７に示されるように、主制御部５００Ａは、ステージ移動制御部７０１と、吐出制御部７０２と、硬化制御部７０３と、平坦化制御部７０４と、を備える。

ステージ移動制御部７０１は、モータ駆動部５１０、５１１に命令を出力することで、造形ステージ１４の移動制御を行う。

吐出制御部７０２は、第１ヘッド１１及び第２ヘッド１２の吐出制御を行う。つまり、吐出制御部７０２は、第１の走査の間に造形層３１１を形成させるとともに、第２の走査の間にサポート層３１２を形成させる。吐出制御部７０２は、第１ヘッド１１を制御することで、第１の走査の往路及び復路で、モデル材３０１を吐出させ、立体造形物を構成する造形層を形成させる。サポート層本実施形態は、第１の走査の往路及び復路でモデル材３０１を吐出させる例について説明するが、本実施形態は、第１の走査の往路及び復路でモデル材３０１を吐出させる例に制限するものではなく、第１の走査の往路または復路でモデル材３０１を吐出させてもよい。同様に、第２の走査の往路及び復路でサポート材３０２を吐出させる例に制限するものではなく、第２の走査の往路または復路でサポート材３０２を吐出させてもよい。また、往路及び復路とは、ＸまたはＹ方向に造形ユニット２０と造形ステージ１４が相対的に移動することをいう。

吐出制御部７０２により吐出制御されるサポート材３０２は、非水溶性であってよいし、水溶性であってもよい。サポート材３０２は除去のしやすさから水溶性であることが好ましい。水溶性とは水に浸漬したときに、硬化物が細かく分解され、当初有していた形状や性質を維持できなくなることを意味する。

平坦化制御部７０４は、モータ駆動部５１６を介して平坦ローラ１６の回転制御等を行う。例えば、平坦化制御部７０４は、造形層３１１及びサポート層３１２のうち、いずれか高いほうを平坦化手段に平坦化させる。また、平坦化制御部７０４は、モデル材３０１の吐出で形成された造形層３１１の高さと、サポート材３０２の吐出で形成されたサポート層３１２の高さと、が異なるタイミングで、造形層３１１、及びサポート層３１２のうち、いずれか高い方を、平坦化する。

本実施形態においては、第１の走査の往路及び復路でモデル材３０１を吐出させる場合に、平坦化制御部７０４は、復路に、平坦ローラ１６で造形層３１１の平坦化を行う。

一方、第２の走査の往路及び復路でサポート材３０２を吐出させる場合に、平坦化制御部７０４は、復路に、平坦ローラ１６でサポート層３１２の平坦化を行う。

硬化制御部７０３は、照射制御部５１９を介してＵＶ照射ユニット１３を制御して、モデル材３０１で形成された造形層３１１と、サポート材３０２で形成されたサポート層３１２と、を硬化させる。

本実施形態の硬化制御部７０３は、第１の走査の往路及び復路の各々で、造形層３１１を硬化させ、第２の走査の往路及び復路の各々で、サポート層３１２を硬化させる。これにより、平坦化制御部７０４によって造形層３１１またはサポート層３１２が平坦化された場合に、硬化制御部７０３は、造形層３１１またはサポート層３１２のうち平坦化された方を硬化させる。

昇降制御部７０５は、モータ駆動部５１２に命令を出力することで、造形ステージ１４の昇降制御を行う。なお、昇降制御部７０５は、造形ユニット２０の昇降制御を行ってもよい。

次に、本実施形態の立体造形装置１０の主制御部５００Ａが実行する処理手順について説明する。図８は、本実施形態の立体造形装置１０の主制御部５００Ａが実行する処理手順を示したフローチャートである。以下の処理手順において、往路及び復路の走査は造形ユニット２０と造形ステージ１４が相対的に移動されればよい。また、昇降制御も造形ユニット２０と造形ステージ１４がＺ軸方向へ相対的に移動されればよい。

まずは、ステージ移動制御部７０１による造形ステージ１４の往路方向移動時において、吐出制御部７０２によるモデル材３０１の吐出による造形層３１１の形成と、硬化制御部７０３による造形層３１１の硬化と、が行われる（Ｓ８０１）。

次に、ステージ移動制御部７０１による造形ステージ１４の復路方向移動時において、吐出制御部７０２によるモデル材３０１の吐出による造形層３１１の形成と、平坦化制御部７０４に制御された平坦ローラ１６による造形層３１１の平坦化と、硬化制御部７０３による造形層３１１の硬化と、が行われる（Ｓ８０２）。

そして、昇降制御部７０５は、サポート材３０２を吐出させるために、造形ステージ１４の昇降制御（Ｚ軸方向の移動）制御を行う（Ｓ８０３）。

次に、ステージ移動制御部７０１による造形ステージ１４の往路方向移動時において、吐出制御部７０２によるサポート材３０２の吐出によるサポート層３１２の形成と、硬化制御部７０３によるサポート層３１２の硬化と、が行われる（Ｓ８０４）。

そして、ステージ移動制御部７０１による造形ステージ１４の復路方向移動時において、吐出制御部７０２によるサポート材３０２の吐出によるサポート層３１２の形成と、平坦化制御部７０４に制御された平坦ローラ１６によるサポート層３１２の平坦化と、硬化制御部７０３によるサポート層３１２の硬化と、が行われる（Ｓ８０５）。

そして、昇降制御部７０５は、モデル材３０１を吐出させるために、造形ステージ１４の昇降制御（Ｚ軸方向の移動）制御を行う（Ｓ８０６）。

次に、ステージ移動制御部７０１による造形ステージ１４の往路方向移動時において、吐出制御部７０２によるモデル材３０１の吐出による造形層３１１の形成と、硬化制御部７０３による造形層３１１の硬化と、が行われる（Ｓ８０７）。

そして、ステージ移動制御部７０１による造形ステージ１４の復路方向移動時において、吐出制御部７０２によるモデル材３０１の吐出による造形層３１１の形成と、硬化制御部７０３による造形層３１１の硬化と、が行われる（Ｓ８０８）。

次に、ステージ移動制御部７０１による造形ステージ１４の往路方向移動時において、吐出制御部７０２によるモデル材３０１の吐出による造形層３１１の形成と、硬化制御部７０３による造形層３１１の硬化と、が行われる（Ｓ８０９）。

そして、ステージ移動制御部７０１による造形ステージ１４の復路方向移動時において、吐出制御部７０２によるモデル材３０１の吐出による造形層３１１の形成と、平坦化制御部７０４に制御された平坦ローラ１６による造形層３１１の平坦化と、硬化制御部７０３による造形層３１１の硬化と、が行われる（Ｓ８１０）。

そして、主制御部５００Ａは、立体造形物の形成が終了したか否かを判定する（Ｓ８１１）。立体造形物の形成が終了していないと判定した場合（Ｓ８１１：Ｎｏ）、昇降制御部７０５は、サポート材３０２を吐出させるために適した配置になるよう、造形ステージ１４の昇降制御（Ｚ軸方向の移動）制御を行う（Ｓ８１２）。

一方、立体造形物の形成が終了したと判定した場合（Ｓ８１１：Ｙｅｓ）、処理を終了する。

図９は、本実施形態の立体造形装置１０によって形成された立体造形物の断面を例示した図である。図９に示される立体造形物９００の断面の例では、モデル材３０１による複数の造形層３１１と、サポート材３０２による複数のサポート層３１２とで構成されている。図９に示される例では、造形層３１１の層９０１、９０２、９０３、９０４、９０５、９０６が形成され、サポート層３１２の層９１１、９１２、９１３が形成されている。

図９に示される立体造形物９００は、図９で示した処理手順に従って形成されたものである。例えば、造形層３１１の層９０１は、Ｓ８０１による造形層３１１の形成、硬化に基づき、造形層３１１の層９０２は、Ｓ８０２による造形層３１１の形成、平坦化、硬化に基づいている。Ｓ８０２では平坦化が行われているため、層９０２の上面９５１は、平坦な面となっている。

Ｓ８０２の段階では、造形層３１１の層９０２が、サポート層３１２より高いため、平坦ローラ１６は、造形層３１１の層９０２のみ平坦化する。

そのあと、サポート層３１２の層９１１は、Ｓ８０４によるサポート層３１２の形成、硬化に基づき、サポート層３１２の層９１２は、Ｓ８０５によるサポート層３１２の形成、平坦化、硬化に基づいている。Ｓ８０５では平坦化が行われているため、層９１２の上面９６１は、平坦な面となっている。

Ｓ８０５の段階では、サポート層３１２の層９１２が、造形層３１１の層９０２より高いため、平坦ローラ１６は、造形層３１１の層９０２を平坦化せず、サポート層３１２の層９１２のみ平坦化する。

同様に、Ｓ８０７〜Ｓ８１０までの処理が行われることで、造形層３１１の層９０３、９０４、９０５、９０６が形成される。そして、Ｓ８１０では平坦化が行われているため、層９０６の上面９５２は、平坦な面となっている。

Ｓ８１０の段階では、造形層３１１の層９０６が、サポート層３１２の層９１２より高いため、平坦ローラ１６は、サポート層３１２を平坦化せず、造形層３１１の層９０６のみ平坦化する。

その後、立体造形物の形成が終了していないと判定された結果、再び、サポート層３１２の層９１３の形成が行われる。以降の処理については省略する。

本実施形態においては、上述した処理を行うことで、サポート層３１２の層の平坦化を行う場合には、平坦ローラ１６が造形層３１１に衝突するのを抑止する。また、造形層３１１の層の平坦化が行う場合には、平坦ローラ１６がサポート層３１２に衝突するのを抑止する。

また、図９に示されるように、復路に形成される造形層３１１の層９０２、９０４、９０６が、往路に形成される造形層３１１の層９０１、９０３、９０５と比べて厚くなるように、吐出制御部７０２による吐出制御が行われる。

例えば、モデル材３０１及びサポート材３０２を吐出する方式として、電圧により収縮するピエゾ素子を使ったピエゾ方式を適用した場合、吐出制御部７０２は、往路で掛ける電圧と比べて、復路で掛ける電圧を高くなるように制御する。これにより、往路より復路において、一回あたりに吐出されるモデル材３０１を多くすることができる。

逆に、往路で形成される層を、復路で形成される層より厚くした場合に、復路で形成される層の幅が小さくなるため、造形層３１１の平坦な面を形成する際において、当該造形層３１１の厚みを調整するのが難しくなる。

これに対して、本実施形態では、復路に形成される造形層３１１の層９０２、９０４、９０６が、往路に形成される造形層３１１の層９０１、９０３、９０５と比べて厚くなるように形成される。このため、復路において造形層３１１の平坦な面（例えば、９５１、９５２）を形成する際において、当該造形層３１１の厚みを調整するのが容易となる。これにより、平坦ローラ１６が衝突する可能性を低減できる。

また、本実施形態は、厚みの調整する手法として、往路で掛ける電圧と比べて、復路で掛ける電圧を高くなるように制御する手法に制限するものではない。パルス数を調整することで、当該造形層３１１の層の厚みを調整してもよい。

図１０は、往路において吐出制御部７０２が第１ヘッド１１にモデル材３０１を吐出させる際の電圧の波形データを例示した図であり、図１１は、復路において吐出制御部７０２が第１ヘッド１１にモデル材３０１を吐出させる際の電圧の波形データを例示した図である。

図１０に示される例では、吐出制御部７０２は、電圧Ｖ₁₁から電圧Ｖ₁₂（電圧０近傍）まで下げた後、再び電圧Ｖ₁₁まで上げる制御を行うことで、１滴のモデル材３０１が吐出された例とする。

図１１に示される例では、吐出制御部７０２は、電圧Ｖ₂₁から電圧Ｖ₂₂まで下げた後、再び電圧Ｖ₂₁まで上げる制御を行うことで、第１ヘッド１１から１滴のモデル材３０１が吐出される。その後、吐出制御部７０２は、電圧Ｖ₂₁から電圧Ｖ₂₃まで下げた後、再び電圧Ｖ₂₁まで上げる制御を行うことで、第１ヘッド１１から１滴のモデル材３０１が吐出される。その後、吐出制御部７０２は、電圧Ｖ₂₁から電圧Ｖ₂₄まで下げた後、再び電圧Ｖ₂₁まで上げる制御を行うことで、第１ヘッド１１から１滴のモデル材３０１が吐出される。吐出された３滴のモデル材３０１は、空中で結合することで、大きな１滴のモデル材３０１として吐出される。

これにより、平坦ローラ１６で平坦化される復路で形成される造形層３１１を、平坦ローラ１６で平坦化されない往路で形成される造形層３１１より厚くできるので、層の厚みの調整が容易となるため、より精度の良い平坦な面の形成が実現できる。これにより、平坦ローラ１６が造形層３１１に衝突することを抑止できる。

図１２は、吐出制御部７０２が第２ヘッド１２からサポート材３０２を吐出する際の電圧の波形データを例示した図である。図１２で示される例では、吐出制御部７０２は、電圧Ｖ₃₁から電圧Ｖ₃₂まで下げた後、再び電圧Ｖ₃₁まで上げる制御を行うことで、第２ヘッド１２から１滴のサポート材３０２が吐出される。その後、吐出制御部７０２は、電圧Ｖ₃₁から電圧Ｖ₃₂まで下げた後、再び電圧Ｖ₃₁まで上げる制御を行うことで、第２ヘッド１２から１滴のサポート材３０２が吐出される。その後、吐出制御部７０２は、電圧Ｖ₃₁から電圧Ｖ₃₃まで下げた後、再び電圧Ｖ₃₁まで上げる制御を行うことで、第２ヘッド１２から１滴のサポート材３０２が吐出される。吐出された３滴のサポート材３０２は、空中で結合することで、大きな１滴のサポート材３０２として、立体造形物に吐出される。

図１２に示される電圧Ｖ₃₁は、電圧Ｖ₁₁及び電圧Ｖ₂₁より高いものとする。これにより、サポート材３０２で形成されるサポート層３１２を、モデル材３０１で形成される造形層３１１より厚くできる。これにより、図９で示したような、立体造形物の断面が実現される。

本実施形態においては、上述した処理を行うことで、サポート層３１２の層の平坦化を行う場合には、平坦ローラ１６が造形層３１１に衝突するのを抑止する。また、造形層３１１の層の平坦化が行う場合には、平坦ローラ１６がサポート層３１２に衝突するのを抑止する。

次に、実施形態で用いられるサポート材について説明する。なお、液状のサポート材を形状支持用液体、硬化後のサポート材を硬化物とも称している。また、サポート材は、ディティール材や反り防止のように、モデル材に接して所定形状を保持する。オーバーハング形状を支えるだけでなく、モデル材の側面に接したり、造形物の形状を保ったりしてもよい。

液状のサポート材（形状支持用液体）の表面張力としては、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、２０ｍＮ／ｍ以上４５ｍＮ／ｍ以下が好ましく、２５ｍＮ／ｍ以上３４ｍＮ／ｍ以下がより好ましい。表面張力が、２０ｍＮ／ｍ以上であると、造形の際に吐出が不安定（吐出方向が曲がる、吐出しない）になることを防止でき、４５ｍＮ／ｍ以下であると、造形用の吐出ノズル等に液体を充填する際に、容易に充填することができる。

なお、表面張力は、例えば、表面張力計などを用いて測定することができる。

−粘度−
液状のサポート材（形状支持用液体）の粘度としては、２５℃にて１００ｍＰａ・ｓ以下であり、２５℃にて、３ｍＰａ・ｓ以上７０ｍＰａ・ｓ以下が好ましく、６ｍＰａ・ｓ以上５０ｍＰａ・ｓ以下がより好ましい。粘度が、１００ｍＰａ・ｓ以下であると、吐出安定性を向上できる。

なお、粘度は、例えば、回転粘度計を用いて２５℃の環境下にて測定することができる。

−粘度変化率−
液状のサポート材（形状支持用液体）としては、５０℃にて２週間放置した前後の粘度変化率が±２０％以下であることが好ましく、±１０％以下がより好ましい。粘度変化率が、±２０％以下であると、保存安定性が適正であり、吐出安定性が良好となる。

５０℃にて２週間放置した前後の粘度変化率としては、以下のようにして測定することができる。

形状支持用液体をポリプロピレン製広口瓶（５０ｍＬ）に入れて、５０℃の恒温槽中に２週間放置した後、恒温槽から取り出して室温（２５℃）になるまで放置して、粘度測定を行う。恒温槽に入れる前の形状支持用液体の粘度を保存前粘度、恒温槽から取り出した後の形状支持用液体の粘度を保存後粘度とし、下記式により粘度変化率を算出することができる。なお、保存前粘度及び保存後粘度は、例えば、Ｒ型粘度計を用いて、２５℃で測定することができる。

粘度変化率（％）＝［（保存後粘度）−（保存前粘度）］／（保存前粘度）×１００

［サポート材の硬化後の支持力］
液状のサポート材（形状支持用液体）の硬化後の支持力（単に「サポート材の支持力」という。）としては、サポート材がモデル材を支える性能であり、１％圧縮時の圧縮応力で表すことができる。

サポート材の支持力としては、立体造形物の造形精度、サポート材の溶解性の点から、２５℃環境下で１％圧縮時の圧縮応力が０．５ｋＰａ以上が好ましく、２ｋＰａ以上がより好ましい。

（変形例１）
上述した実施形態は、モデル材３０１及びサポート材３０２の吐出、平坦、硬化処理の一例を示したものであって、上述した処理手順に制限されるものではない。そこで、変形例１では、モデル材３０１及びサポート材３０２の吐出、平坦、硬化処理の他の例を示したものである。なお、立体造形装置１０の構成は、第一の実施形態と同様として説明を省略する。

変形例１の立体造形装置１０の主制御部５００Ａが実行する処理手順について説明する。図１３は、変形例１の立体造形装置１０の主制御部５００Ａが実行する処理手順を示したフローチャートである。

図１３に示される処理手順では、図８に示された処理手順と同様の処理を行うことで、ステージ移動制御部７０１による造形ステージ１４の復路方向移動時において、吐出制御部７０２によるモデル材３０１の吐出による造形層３１１の形成と、硬化制御部７０３による造形層３１１の硬化と、まで行われる（Ｓ８０１〜Ｓ８０８）。

次に、ステージ移動制御部７０１が、造形ステージ１４の往路方向に移動させる（Ｓ１３０１）。その際に、モデル材３０１の吐出による造形層３１１の形成及び、造形層３１１の硬化は行われない。

その後は、Ｓ８１０で示されるように、ステージ移動制御部７０１による造形ステージ１４の復路方向移動時において、吐出制御部７０２によるモデル材３０１の吐出による造形層３１１の形成と、平坦化制御部７０４に制御された平坦ローラ１６による造形層３１１の平坦化と、硬化制御部７０３による造形層３１１の硬化と、が行われる。以降の処理については、実施形態の図８と同様として説明を省略する。

図１４は、変形例１の立体造形装置１０によって形成された立体造形物の断面を例示した図である。図１４に示される立体造形物１４００の断面の例では、モデル材３０１による複数の造形層３１１と、サポート材３０２による複数のサポート層３１２とで構成されている。図１４に示される例では、造形層３１１の層９０１、９０２、９０３、１４０１、１４０２、１４０３が形成され、サポート層３１２の層９１１、９１２、９１３が形成されている。

図１４に示される立体造形物１４００は、図１３で示した処理手順に従って形成されたものである。このため、Ｓ８０１〜Ｓ８０６の処理を行うことで、造形層３１１の層９０１、９０２、及びサポート層３１２の層９１１、９１２が作成される。なお、当該処理は、実施形態と同様の処理手順と同様とする。

そして、Ｓ８０７、Ｓ８０８の処理が行われることで、造形層３１１の層１４０１、１４０２が形成される。

その後、Ｓ１１０１では、造形ステージ１４の往路方向への移動のみ行われ、モデル材３０１の吐出は行われない。そして、次のＳ８１０では、造形層３１１の層１４０３の形成、平坦化、硬化が行われる。これにより、層１４０３の上面１４５１は平坦な面となる。

本変形例では、上述した処理を行うことで、吐出されるモデル材３０１のイールド向上と、平坦ローラ１６の衝突リスクを低減できる。このように本変形例では、Ｓ１１０１において、造形ステージ１４の往路方向への移動のみ行った場合でも実施形態と同様の効果が得られる。

（変形例２）
上述した実施形態及び変形例は、モデル材３０１及びサポート材３０２の吐出、平坦、硬化処理の一例を示したものであって、上述した処理手順に制限されるものではない。変形例２は、モデル材３０１及びサポート材３０２の吐出、平坦、硬化処理の他の例を示したものである。なお、立体造形装置１０の構成は、第一の実施形態と同様として説明を省略する。

上述した実施形態及び変形例では、所定の厚さの層を作成するために、モデル材３０１の吐出量とサポート材３０２の吐出量とを異ならせた例について説明した。つまり、上述した実施形態及び変形例では、往路又は復路のサポート材３０２の吐出量は、往路のモデル材３０１の吐出量と復路のモデル材３０１の吐出量との和に相当していた。

これに対して、変形例２では、往路及び復路の各々のモデル材３０１の吐出量と、往路及び復路の各々のサポート材３０２の吐出量と、が同じになる例について説明する。

変形例２の立体造形装置１０の主制御部５００Ａが実行する処理手順について説明する。図１５は、変形例２の立体造形装置１０の主制御部５００Ａが実行する処理手順を示したフローチャートである。

図１５に示される処理手順では、図８に示された処理手順と同様の処理を行うことで、ステージ移動制御部７０１による造形ステージ１４の復路方向移動時において、吐出制御部７０２によるモデル材３０１の吐出による造形層３１１の形成と、硬化制御部７０３による造形層３１１の硬化と、まで行われる（Ｓ８０１〜Ｓ８０３）。

次に、ステージ移動制御部７０１による造形ステージ１４の往路方向移動時及び復路方向移動時において、吐出制御部７０２によるサポート材３０２の吐出によるサポート層３１２の形成と、硬化制御部７０３によるサポート層３１２の硬化と、が行われる（Ｓ１５０１、Ｓ１５０２）。

その後、ステージ移動制御部７０１による造形ステージ１４の往路方向移動時において、吐出制御部７０２によるサポート材３０２の吐出によるサポート層３１２の形成と、硬化制御部７０３によるサポート層３１２の硬化と、が行われる（Ｓ１５０３）。そして、ステージ移動制御部７０１による造形ステージ１４の復路方向移動時において、ステージ移動制御部７０１による造形ステージ１４の吐出制御部７０２によるサポート材３０２の吐出によるサポート層３１２の形成と、平坦化制御部７０４に制御された平坦ローラ１６によるサポート層３１２の平坦化と、硬化制御部７０３によるサポート層３１２の硬化と、が行われる（Ｓ１５０４）。

このように、本変形例では、モデル材３０１及びサポート材３０２の吐出等の制御においては、往復２回の移動制御が行われる。

以降の処理（Ｓ８０６以降の処理）については、実施形態の図８と同様として説明を省略する。

図１６は、変形例１の立体造形装置１０によって形成された立体造形物の断面を例示した図である。図１６に示される立体造形物１６００の断面の例では、モデル材３０１による複数の造形層３１１と、サポート材３０２による複数のサポート層３１２とで構成されている。図１６に示される例では、造形層３１１の層９０１、９０２、９０３、９０４、９０５、９０６、１６０１、１６０２が形成され、サポート層３１２の層１６１１、１６１２、１６１３、１６１４、１６１５、１６１６、１６１７、１６１８が形成されている。

図１６に示される立体造形物１６００は、図１５で示した処理手順に従って形成されたものである。このため、Ｓ８０１〜Ｓ８０３の処理を行うことで、造形層３１１の層９０１、９０２が形成され、Ｓ１５０１〜Ｓ１５０４の処理を行うことで、サポート層３１２の層１６１１、１６１２、１６１３、１６１４が形成される。

サポート層３１２を形成する際、造形層３１１と同様に、復路におけるサポート材３０２の吐出量を、往路におけるサポート材３０２の吐出量より多くなるように、吐出制御部７０２により制御する。以降は同様の処理を繰り返すことで、造形層３１１とサポート層３１２の各層が形成される。

本変形例では、サポート材３０２の吐出量を、モデル材３０１の吐出量と同じになる、換言すれば、上述した実施形態及び変形と比べて、一走査あたりに吐出されるサポート材３０２の吐出量を低減させることで、サポート材３０２の品質を向上させることができる。これにより、形成される立体造形物の外面（換言すれば、サポート材３０２とモデル材３０１との界面）の品質を向上させることができる。

（変形例３）
上述した実施形態及び変形例は、モデル材３０１及びサポート材３０２の吐出、平坦、硬化処理の一例を示したものであって、上述した処理手順に制限されるものではない。変形例３は、モデル材３０１及びサポート材３０２の吐出、平坦、硬化処理の他の例を示したものである。なお、立体造形装置１０の構成は、第一の実施形態と同様として説明を省略する。

上述した実施形態、及び変形例２では、造形層３１１の上面を平坦な面にする際、モデル材３０１の吐出を、往復２回行う例について説明した。

その際、実施形態、及び変形例２では、平坦ローラ１６で平坦化するまでに２回行われる往路のモデル材３０１の吐出量、及び２回行われる復路のモデル材３０１の吐出量は異ならせなかった。変形例３では、平坦ローラ１６で平坦化するまでに２回行われる復路のモデル材３０１の吐出量を、平坦ローラ１６が当接するか否かに応じて、異ならせる例について説明する。

つまり、平坦ローラ１６で平坦化するまでに２回行われる復路のモデル材３０１の吐出のうち、１回目の復路のモデル材３０１の吐出は、平坦ローラ１６が当接しない位置から行われる。このように吐出対象となる面が離れている場合は、モデル材３０１の吐出先の位置がずれる可能性がある。このため、吐出制御部７０２は、１回目の復路のモデル材３０１の吐出量を、２回目の復路のモデル材３０１の吐出量をより少なくなるよう制御する。

一方、平坦ローラ１６で平坦化するまでに２回行われる復路のモデル材３０１の吐出のうち、２回目の復路のモデル材３０１の吐出は、平坦ローラ１６が当接する位置で行われる。このように吐出対象となる面が近い場合は、モデル材３０１の吐出先の位置がずれにくい。このため、吐出制御部７０２は、２回目の復路のモデル材３０１の吐出量を、１回目の復路のモデル材３０１の吐出量をより多くなるよう制御する。

また、本変形例は、往路で吐出されるモデル材３０１の吐出量と、復路で吐出されるモデル材３０１の吐出量と、について制限するものではない。上述した実施形態のように復路で吐出される吐出量を、往路で吐出される吐出量より多くしてもよいし、復路で吐出される吐出量と、往路で吐出される吐出量と、を同じになるように制御指定もよい。

上述した実施形態及び変形例においては、立体造形装置１０が上述した構成を備えることで、平坦ローラ１６で平坦化する際において、モデル材３０１の造形層３１１及びサポート材３０２のサポート層３１２の高さを異ならせることできる。これにより、平坦ローラ１６が、すでに平坦化された造形層３１１（またはサポート層３１２）に衝突することを抑止できる。

これにより、衝突による造形層３１１（またはサポート層３１２）の破壊や欠けを抑止できるとともに、平坦ローラ１６がバウンドすることによる平坦な面の波うち等を抑止できる。このような、造形層３１１（またはサポート層３１２）の破壊や変形を抑止することで、立体造形物の精度の向上を図ることができる。

さらには、平坦化された面を平坦ローラ１６が平坦化することによる、モータ２６の負荷を軽減できる。

１０ 立体造形装置
１１ 第１ヘッド
１２ 第２ヘッド
１６ 平坦ローラ
３０１ モデル材
３０２ サポート材
３１１ 造形層
３１２ サポート層
５００ 制御部
５００Ａ 主制御部
７０１ ステージ移動制御部
７０２ 吐出制御部
７０３ 硬化制御部
７０４ 平坦化制御部

特許第５７３７９０５号公報

Claims (8)

1. 複数の走査を繰り返し、複数の造形層及びサポート層を積層する立体造形装置であって、
   第１の走査の間に造形層を形成させるとともに、
   第２の走査の間にサポート層を形成させる吐出制御部と、
   前記造形層、及び前記サポート層のうち、いずれか高い方を平坦化する平坦化制御部と、
   前記造形層及び前記サポート層のうち平坦化された方を硬化させる硬化制御部と、
   を備える立体造形装置。
2. 前記吐出制御部は、前記第１の走査の往路及び復路に、前記造形層を形成させ、前記第２の走査の往路及び復路に、前記サポート層を形成させ、
   前記平坦化制御部は、前記第１の走査の復路に、前記造形層の平坦化を行い、前記第２の走査の復路に、前記サポート層の平坦化を行う、
   請求項１に記載の立体造形装置。
3. 前記吐出制御部は、前記第１の走査の復路で前記造形層を形成させる時に、モデル材を吐出するための電圧を、前記第２の走査の往路で前記造形層を形成させる時に、モデル材を吐出するための電圧と比べて高くなるように制御する、
   請求項２に記載の立体造形装置。
4. 前記吐出制御部は、前記第１の走査の復路で前記造形層を形成させる時に、モデル材を吐出するためのパルス数を、前記第２の走査の往路で前記造形層を形成させる時に、モデル材を吐出するためのパルス数と比べて多くなるように制御する、
   請求項２に記載の立体造形装置。
5. 前記硬化制御部は、前記第１の走査の往路及び復路の各々で、前記造形層を硬化させ、前記第２の走査の往路及び復路の各々で、前記サポート層を硬化させる、
   請求項２乃至４のいずれか一つに記載の立体造形装置。
6. 前記吐出制御部により形成される前記サポート層は、水溶性である、
   請求項１乃至５のいずれか一つに記載の立体造形装置。
7. 立体造形装置で実行され、複数の走査を繰り返し、複数の造形層及びサポート層を積層する立体造形方法であって、
   第１の走査の間に造形層を形成させるとともに、
   第２の走査の間にサポート層を形成させる形成ステップと、
   前記造形層、及び前記サポート層のうち、いずれか高い方を平坦化する平坦化ステップと、
   前記造形層及び前記サポート層のうち平坦化された方を硬化させる硬化ステップと、
   を含む立体造形方法。
8. 複数の走査を繰り返し、複数の造形層及びサポート層を積層するプログラムであって、
   第１の走査の間に造形層を形成させるとともに、
   第２の走査の間にサポート層を形成させる形成ステップと、
   前記造形層、及び前記サポート層のうち、いずれか高い方を平坦化する平坦化ステップと、
   前記造形層及び前記サポート層のうち平坦化された方を硬化させる硬化ステップと、
   をコンピュータに実行させるためのプログラム。

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