JP5472511B2 - 三次元造形装置、および三次元造形方法 - Google Patents

Description

本発明は、三次元物体を造形する技術に関し、詳しくは、硬化液を吐出して粉末材料（粉体）を結合させることによって、三次元物体を造形する技術に関する。

粉体を硬化液で固めながら、三次元物体を造形する技術が知られている。この技術では、次のような操作を繰り返すことによって三次元物体を造形する。先ず、粉体を均一な厚さで薄く敷き詰めて粉体層を形成し、この粉体層の所望部分に硬化液の液滴を吐出することによって粉体同士を結合させる。この結果、粉体層の中で、硬化液の液滴が吐出された部分だけが結合して、薄い板状の部材が形成される。本明細書中では、この薄い板状の部材を「断面部材」と呼ぶことにする。次いで、その粉体層の上に更に粉体層を薄く形成し、所望部分に硬化液の液滴を吐出する。その結果、新たに形成された粉体層の硬化液が吐出された部分にも、新たな断面部材が形成される。このような操作を繰り返して、薄い板状の断面部材を一層ずつ積層することによって、三次元物体を造形することができる。

このような三次元造形技術は、造形しようとする物体の三次元形状データさえあれば、粉体を結合させて直ちに造形可能であり、造形に先立って金型を作成するなどの必要がないので、迅速にしかも安価に三次元物体を造形することが可能である。また、薄い板状の断面部材を一層ずつ積層して造形するので、例えば内部構造を有する複雑な物体であっても、複数の部品に分けることなく一体の造形物として形成することが可能となる（例えば、特許文献１）。

特開２００２−３０７５６２号公報

しかし、このようにして造形した三次元物体は、表面を滑らかに造形することが難しいという問題があった。すなわち、粉体層の上に硬化液の液滴が吐出されると、液滴は、深さ方向に染み込むと同時に横方向にも染み込んでいく。そして、硬化液の染み込み方は均一にはならないので、物体の表面部分に凸凹ができてしまう。あるいは、粉体と粉体との間に染み込んだ硬化液が凸状に固まったり、更には、他の粉体と完全には結合していない粉体が脱落して、その後に凹みができてしまうといったことも起こり得る。また、粉体同士の結合速度（硬化液の硬化速度）のばらつきによって、造形物の性状が変わってしまうという問題があった。すなわち、硬化速度が速い場合には、粉体同士を強固に結合でき、多少の外力を受けても変形しにくいが、その反面、大きな外力を受けると割れやすくなる。一方、硬化速度を遅くした場合には、大きな外力を受けても割れ難くなるものの、比較的小さな外力を受けた場合に変形しやすくなるといったことも起こり得る。

本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例にかかる三次元造形装置は、粉体を硬化液で互いに結合させることによって、三次元物体を造形する三次元造形装置であって、前記粉体を略均一な厚さに敷き詰めることによって粉体層を形成する粉体層形成手段と、前記硬化液の液滴を吐出する吐出ノズルが設けられ、前記粉体層に向けて該硬化液の液滴を吐出する硬化液吐出ヘッドと、前記三次元物体を複数の断面で層状に切断したときに各層で得られる断面データを、該三次元物体の形状データに基づいて生成する断面データ生成手段と、前記断面データに従って前記硬化液吐出ヘッドから前記硬化液の液滴を前記粉体層に向けて吐出することにより、該粉体層の粉体同士が結合した断面部材を形成する断面部材積層手段と、を備え、前記断面部材積層手段では、吐出された前記硬化液の前記粉体層に対して染み込む速度を制御する染み込み速度制御手段を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、三次元物体の造形に先立って、造形しようとする三次元物体を複数の断面で層状に切断したときの各層での断面データを、その三次元物体の形状データに基づいて生成する。そして、粉体を略均一な厚さに敷き詰めて粉体層を形成し、断面データに従って、その粉体層の上で硬化液吐出ヘッドから硬化液の液滴を吐出する。硬化液が供給されると粉体は互いに結合するので、粉体層に硬化液の液滴を吐出することにより、粉体層の厚みに相当する厚さを有し且つ三次元物体のある断面での断面形状を有する部材（断面部材）を形成することができる。そこで、断面部材が形成された粉体層の上に、新たな粉体層を形成し、その粉体層に対して、断面データに従って硬化液の液滴を吐出することで、新たな断面部材を形成するとともに先に形成した断面部材の上に積層する。このような操作を繰り返すことにより、三次元物体を造形することができる。ここで、断面部材を形成するに際して、硬化液吐出ヘッドから吐出された硬化液の粉体層に対する染み込む速度が制御される。従って、当該染み込み速度を制御することにより、三次元物体の表面部の凹凸の発生を抑制することができる。

［適用例２］上記適用例にかかる三次元造形装置は、前記粉体を略均一な厚さに敷き詰めることによって粉体層を形成する粉体層形成手段と、前記硬化液の液滴を吐出する吐出ノズルが設けられ、前記粉体層の上を往復動しながら該粉体層に向けて該硬化液の液滴を吐出する硬化液吐出ヘッドと、前記三次元物体を複数の断面で層状に切断したときに各層で得られる断面データを、該三次元物体の形状データに基づいて生成する断面データ生成手段と、前記硬化液吐出ヘッドを往復動させながら前記断面データに従って前記硬化液の液滴を前記粉体層に向けて吐出することにより、該粉体層の粉体同士が結合した断面部材を形成するとともに、該断面部材を、下層に形成されている断面部材の上に積層する断面部材積層手段とを備え、前記断面部材積層手段は、前記硬化液吐出ヘッドを往復動させながら前記硬化液の液滴を吐出する際に、前記吐出ヘッドの通過経路上に吐出する複数の液滴を複数回に分けて吐出するとともに、後から吐出する液滴は先に吐出された液滴の間に吐出することによって、前記断面部材を形成する手段であることを特徴とする。

この構成によれば、三次元物体の造形に先立って、造形しようとする三次元物体を複数の断面で層状に切断したときの各層での断面データを、その三次元物体の形状データに基づいて生成する。そして、粉体を略均一な厚さに敷き詰めて粉体層を形成し、断面データに従って、その粉体層の上で硬化液吐出ヘッドから硬化液の液滴を吐出する。硬化液が供給されると粉体は互いに結合するので、粉体層に硬化液の液滴を吐出することにより、粉体層の厚みに相当する厚さを有し且つ三次元物体のある断面での断面形状を有する部材（断面部材）を形成することができる。そこで、断面部材が形成された粉体層の上に、新たな粉体層を形成し、その粉体層に対して、断面データに従って硬化液の液滴を吐出することで、新たな断面部材を形成するとともに先に形成した断面部材の上に積層する。このような操作を繰り返すことにより、三次元物体を造形することができる。ここで、断面部材を形成するに際しては、硬化液吐出ヘッドの通過経路上に吐出する複数の液滴を、複数回に分けて吐出するとともに、後から吐出する液滴は、先に吐出した液滴の間に吐出することによって断面部材を形成する。後から吐出した液滴は、先に吐出した液滴が粉体層の中に染み込んだ部分によって邪魔されて、横方向には広がることができず、その結果として深さ方向に優先的に染み込むようになる。従って、先に吐出する液滴を小さめにして横方向への広がりを抑制しつつ、後から吐出する液滴は深さ方向に優先的に染み込ませることができるので、表面部分で、液滴が横方向に広がることによる凹凸の発生を抑制することが可能となる。

［適用例３］上記適用例にかかる三次元造形装置において、前記断面部材積層手段は、前記硬化液吐出ヘッドを往復動させながら前記硬化液の液滴を吐出する際に、該硬化液吐出ヘッドの移動方向に沿って１つおきの位置に液滴を吐出して、前記断面部材を形成する手段であることを特徴とする。

このように、１つおきの位置に液滴を吐出すれば、後から吐出する液滴は、先に吐出した液滴によって両側を挟まれた状態となるので、硬化液を深さ方向に効率よく染み込ませることが可能となる。加えて、１つおきの位置に液滴を吐出することとすれば、結局は、液滴を２回に分けて吐出することになる。三次元物体を迅速に造形する観点からは、液滴を吐出する回数は少ない方が望ましく、この点で、２回というのは、複数回の中では最も少ない回数であることから、三次元物体の造形速度の低下を最小限に抑制しながら、滑らかな表面に造形することが可能となる。

［適用例４］上記適用例にかかる三次元造形装置において、前記断面部材積層手段は、前記硬化液吐出ヘッドの往動時と復動時とに前記硬化液の液滴を吐出して、前記断面部材を形成する手段であることを特徴とする。

この構成によれば、硬化液吐出ヘッドは粉体層の上を往復動しながら硬化液の液滴を吐出しているから、往動時と復動時とに液滴を吐出することとすれば、短時間で効率よく液滴を吐出することができ、延いては、三次元物体を迅速に造形することが可能となる。

［適用例５］上記適用例にかかる三次元造形装置において、前記断面部材積層手段は、前記粉体層を形成する方向とは交差する方向に前記硬化液吐出ヘッドを往復動させながら、前記硬化液の液滴を吐出することによって、前記断面部材を形成する手段であることを特徴とする。

この構成によれば、粉体層を形成した端から、直ぐその後側で硬化液吐出ヘッドを往復動させて液滴を吐出して断面部材を形成することができる。従って、断面部材を形成するために硬化液吐出ヘッドから複数回に分けて液滴を吐出しなければならない場合でも、短時間で効率よく断面部材を形成することが可能となり、延いては三次元物体を迅速に造形することが可能となる。

［適用例６］上記適用例にかかる三次元造形装置において、前記断面部材積層手段は、前記後から吐出する液滴の大きさが、前記先に吐出された液滴の大きさよりも大きい液滴を吐出することを特徴とする。

この構成によれば、先に吐出する液滴の大きさは、後に吐出される液滴の大きさよりも小さいので、粉体同士の硬化を粉層体の上層で留めておくことができる。そして、深さ方向だけでなく横方向への硬化の促進を抑制することができる。

［適用例７］上記適用例にかかる三次元造形装置において、前記断面部材積層手段では、前記粉体層に吐出された前記硬化液の硬化速度を制御する硬化速度制御手段を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、硬化速度制御手段を用いて硬化液の硬化速度を制御して、造形物の性状の均一化を図ることができる。

［適用例８］上記適用例にかかる三次元造形装置において、前記硬化液は、電磁波の照射によって硬化する電磁波硬化液であり、前記硬化速度制御手段は、前記電磁波硬化液が付着した前記粉体層に対して電磁波を照射する電磁波照射部を有することを特徴とする。

この構成によれば、電磁波照射部から照射する電磁波を制御することにより、硬化液の硬化速度を制御することができる。

［適用例９］上記適用例にかかる三次元造形装置において、前記硬化速度制御手段は、さらに、前記電磁波照射部と前記粉体層との間に、前記電磁波の透過を抑制する抑制部材を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、抑制部材によって、容易に電磁波の照射量を調整することができる。

［適用例１０］上記適用例にかかる三次元造形装置において、前記硬化液は、紫外光の照射によって硬化する紫外光硬化液であり、前記硬化速度制御手段は、前記紫外光硬化液が付着した前記粉体層に対して紫外光を照射する紫外光照射部を有し、さらに、前記紫外光照射部と前記粉体層との間に、前記紫外光の透過を抑制する抑制部材を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、例えば、紫外光照射部から照射する紫外光の照射量を制御することにより、さらに、抑制部材によって、容易に紫外光の照射量を調整することにより、硬化速度を制御することができる。

［適用例１１］上記適用例にかかる三次元造形装置において、前記硬化液は、加熱することによって硬化する熱硬化液であり、前記硬化速度制御手段は、前記熱硬化液が付着した前記粉体層を加熱する加熱部を有することを特徴とする。

この構成によれば、例えば、加熱温度を制御することにより、硬化速度を制御することができる。

［適用例１２］上記適用例にかかる三次元造形装置において、前記硬化速度制御手段は、前記硬化液吐出ヘッドから吐出される前記硬化液であって、後から吐出する硬化液が、先に吐出された硬化液よりも硬化速度が遅い硬化液を液滴として吐出することを特徴とする。

この構成によれば、粉体層において先に吐出された硬化液と後に吐出された硬化液とが同時期に硬化するので、硬化速度を制御するとともに、硬化速度のばらつきを抑制することができる。

［適用例１３］本適用例にかかる三次元造形方法は、粉体を硬化液で互いに結合させることによって、三次元物体を造形する三次元造形方法であって、前記粉体を略均一な厚さに敷き詰めることによって粉体層を形成する粉体層形成工程と、前記三次元物体を複数の断面で層状に切断したときに各層で得られる断面データを、該三次元物体の形状データに基づいて生成する断面データ生成工程と、前記断面データに従って前記硬化液の液滴を吐出する吐出ノズルが設けられた硬化液吐出ヘッドから前記粉体層に向けて液滴を吐出することにより、該粉体層の粉体同士が結合した断面部材を形成する断面部材積層工程と、を備え、前記断面部材積層工程では、吐出された前記硬化液の前記粉体層に対して染み込む速度を制御しながら前記断面部材を形成することを特徴とする。

この構成によれば、三次元物体の造形に先立って、造形しようとする三次元物体を複数の断面で層状に切断したときの各層での断面データを、その三次元物体の形状データに基づいて生成する。そして、粉体を略均一な厚さに敷き詰めて粉体層を形成し、断面データに従って、その粉体層の上で硬化液吐出ヘッドから硬化液の液滴を吐出する。硬化液が供給されると粉体は互いに結合するので、粉体層に硬化液の液滴を吐出することにより、粉体層の厚みに相当する厚さを有し且つ三次元物体のある断面での断面形状を有する部材（断面部材）を形成することができる。そこで、断面部材が形成された粉体層の上に、新たな粉体層を形成し、その粉体層に対して、断面データに従って硬化液の液滴を吐出することで、新たな断面部材を形成するとともに先に形成した断面部材の上に積層する。このような操作を繰り返すことにより、三次元物体を造形することができる。ここで、硬化液吐出ヘッドから吐出された硬化液の粉体層に対する染み込む速度が制御しながら断面部材が形成される。従って、当該染み込み速度を制御することにより、三次元物体の表面部の凹凸の発生を抑制することができる。

［適用例１４］上記適用例にかかる三次元造形方法において、前記粉体を略均一な厚さに敷き詰めることによって粉体層を形成する粉体層形成工程と、前記三次元物体を複数の断面で層状に切断したときに各層で得られる断面データを、該三次元物体の形状データに基づいて生成する断面データ生成工程と、前記硬化液の液滴を吐出する吐出ノズルが設けられた硬化液吐出ヘッドを、前記粉体層の上を往復動させながら、前記断面データに従って該粉体層に向けて液滴を吐出することにより、該粉体層の粉体同士が結合した断面部材を形成するとともに、該断面部材を、下層に形成されている断面部材の上に積層する断面部材積層工程とを備え、前記断面部材積層工程は、前記硬化液吐出ヘッドを往復動させながら前記硬化液の液滴を吐出する際に、前記吐出ヘッドの通過経路上に吐出する複数の液滴を複数回に分けて吐出するとともに、後から吐出する液滴は先に吐出された液滴の間に吐出することによって、前記断面部材を形成する工程であることを特徴とする。

この構成によれば、三次元物体の造形に先立って、造形しようとする三次元物体を複数の断面で層状に切断したときの各層での断面データを、その三次元物体の形状データに基づいて生成する。そして、粉体を略均一な厚さに敷き詰めて粉体層を形成し、断面データに従って、その粉体層の上で硬化液吐出ヘッドから硬化液の液滴を吐出する。硬化液が供給されると粉体は互いに結合するので、粉体層に硬化液の液滴を吐出することにより、粉体層の厚みに相当する厚さを有し且つ三次元物体のある断面での断面形状を有する部材（断面部材）を形成することができる。そこで、断面部材が形成された粉体層の上に、新たな粉体層を形成し、その粉体層に対して、断面データに従って硬化液の液滴を吐出することで、新たな断面部材を形成するとともに先に形成した断面部材の上に積層する。このような操作を繰り返すことにより、三次元物体を造形することができる。ここで、断面部材を形成するに際しては、硬化液吐出ヘッドの通過経路上に吐出する複数の液滴を、複数回に分けて吐出するとともに、後から吐出する液滴は、先に吐出した液滴の間に吐出することによって断面部材を形成する。後から吐出した液滴は、先に吐出した液滴が粉体層の中に染み込んだ部分によって邪魔されて、横方向には広がることができず、その結果として深さ方向に優先的に染み込むようになる。従って、先に吐出する液滴を小さめにして横方向への広がりを抑制しつつ、後から吐出する液滴は深さ方向に優先的に染み込ませることができるので、表面部分で、液滴が横方向に広がることによる凹凸の発生を抑制することが可能となる。

［適用例１５］上記適用例にかかる三次元造形方法において、前記断面部材積層工程では、前記硬化液吐出ヘッドを往復動させながら前記硬化液の液滴を吐出する際に、該硬化液吐出ヘッドの移動方向に沿って１つおきの位置に液滴を吐出して、前記断面部材を形成することを特徴とする。

このように、１つおきの位置に液滴を吐出すれば、後から吐出する液滴は、先に吐出した液滴によって両側を挟まれた状態となるので、硬化液を深さ方向に効率よく染み込ませることが可能となる。加えて、１つおきの位置に液滴を吐出することとすれば、結局は、液滴を２回に分けて吐出することになる。三次元物体を迅速に造形する観点からは、液滴を吐出する回数は少ない方が望ましく、この点で、２回というのは、複数回の中では最も少ない回数であることから、三次元物体の造形速度の低下を最小限に抑制しながら、滑らかな表面に造形することが可能となる。

［適用例１６］上記適用例にかかる三次元造形方法において、前記断面部材積層工程では、前記硬化液吐出ヘッドの往動時と復動時とに前記硬化液の液滴を吐出して、前記断面部材を形成することを特徴とする。

この構成によれば、硬化液吐出ヘッドは粉体層の上を往復動しながら硬化液の液滴を吐出しているから、往動時と復動時とに液滴を吐出することとすれば、短時間で効率よく液滴を吐出することができ、延いては、三次元物体を迅速に造形することが可能となる。

［適用例１７］上記適用例にかかる三次元造形方法において、前記断面部材積層工程では、前記粉体層を形成する方向とは交差する方向に前記硬化液吐出ヘッドを往復動させながら、前記硬化液の液滴を吐出することによって、前記断面部材を形成することを特徴とする。

この構成によれば、粉体層を形成した端から、直ぐその後側で硬化液吐出ヘッドを往復動させて液滴を吐出して断面部材を形成することができる。従って、断面部材を形成するために硬化液吐出ヘッドから複数回に分けて液滴を吐出しなければならない場合でも、短時間で効率よく断面部材を形成することが可能となり、延いては三次元物体を迅速に造形することが可能となる。

［適用例１８］上記適用例にかかる三次元造形方法において、前記断面部材積層工程では、前記後から吐出する液滴の大きさが、前記先に吐出された液滴の大きさよりも大きい液滴を吐出することを特徴とする。

この構成によれば、先に吐出する液滴の大きさは、後に吐出する液滴の大きさよりも小さいので、粉体同士の硬化を粉層体の上層で留めておくことができる。そして、深さ方向だけでなく横方向への硬化の促進を抑制することができる。

［適用例１９］上記適用例にかかる三次元造形方法において、前記断面部材積層工程では、前記粉体層に吐出された前記硬化液の硬化速度を制御しながら前記断面部材を形成することを特徴とする。

この構成によれば、硬化速度を制御することにより、造形物の性状の均一化を図ることができる。

［適用例２０］上記適用例にかかる三次元造形方法において、前記断面部材積層工程では、電磁波の照射によって硬化する電磁波硬化液を液滴として吐出し、前記電磁波硬化液が付着した前記粉体層に対して電磁波を照射することを特徴とする。

この構成によれば、例えば、照射される電磁波の照射量等を制御することにより、硬化液の硬化速度を制御することができる。

［適用例２１］上記適用例にかかる三次元造形方法において、前記断面部材積層工程では、紫外光の照射によって硬化する紫外光硬化液を液滴として吐出し、前記紫外光硬化液が付着した前記粉体層に対して紫外光を照射することを特徴とする。

この構成によれば、例えば、照射される紫外光の照射量等を制御することにより、硬化液の硬化速度を制御することができる。

［適用例２２］上記適用例にかかる三次元造形方法において、前記断面部材積層工程では、加熱によって硬化する熱硬化液を液滴として吐出し、前記熱硬化液が付着した前記粉体層を加熱することを特徴とする。

この構成によれば、例えば、加熱温度を制御することにより、硬化速度を制御することができる。

［適用例２３］上記適用例にかかる三次元造形方法において、前記断面部材積層工程では、後から吐出する硬化液が、先に吐出された硬化液よりも硬化速度が遅い硬化液を液滴として吐出することを特徴とする。

この構成によれば、粉体層において先に吐出された硬化液と後に吐出された硬化液とが同時期に硬化するので、硬化速度を制御することができる。

第１実施形態における三次元造形装置の大まかな構成を示した説明図。 第１実施形態における三次元造形装置において粉体層形成部と硬化液吐出ヘッドと紫外光照射部とが搭載されている位置関係を示した斜視図。 三次元造形装置で三次元物体を造形する様子を概念的に示した説明図。 一般的な方法で粉体層上に液滴を吐出することによって三次元物体を造形する様子を概念的に示した説明図。 第１実施形態における三次元造形装置が粉体層上に液滴を吐出して三次元物体を造形する様子を概念的に示した説明図。 第２実施形態における三次元造形装置の大まかな構成を示した説明図。 第２実施形態における三次元造形装置において粉体層形成部とヘッドユニットと紫外光照射部と抑制部材とが搭載されている位置関係を示した斜視図。 第２実施形態におけるヘッドユニットの平面図。 第２実施形態における三次元造形装置が粉体層上に液滴を吐出して三次元物体を造形する様子を概念的に示した説明図。 変形例における三次元造形装置が粉体層上に液滴を吐出して三次元物体を造形する様子を概念的に示した説明図。

［第１実施形態］
以下では、上述した本願発明にかかる第１実施形態の内容を明確にするために、次のような順序に従って説明する。
Ａ−１．第１実施形態における装置構成：
Ｂ−１．第１実施形態における造形方法：

Ａ−１．第１実施形態における装置構成：
図１は、本実施形態の三次元造形装置１００の大まかな構成を示した説明図である。図示されているように、三次元造形装置１００は、大きな枠体から構成され内部に三次元物体が造形される造形部１０と、造形部１０内に粉体による粉体層を形成する粉体層形成部２０と、粉体同士を結合させる硬化液を粉体層に供給する硬化液供給部３０と、粉体層に供給された硬化液に紫外光を照射して硬化液を硬化させる紫外光照射部５０と、三次元造形装置１００の全体の動作を制御するために各種の演算処理を行う演算処理部４０などから構成されている。

演算処理部４０は、造形しようとする三次元物体の形状データを記憶しておくとともに、三次元物体を複数の断面で層状に切断して、各層での断面データを生成する断面データ生成部４２と、得られた断面データに従って造形部１０や、粉体層形成部２０、硬化液供給部３０等の動作を制御する制御部４４などから構成されている。制御部４４は、断面データ生成部４２から断面データを受け取ると、粉体層形成部２０を駆動して造形部１０内に粉体層を形成し、硬化液供給部３０を駆動して硬化液を断面データに従って粉体層に供給しながら、供給した硬化液に向かって紫外光を照射する。すると、紫外光によって硬化液が硬化して粉体同士を結合させることにより、造形部１０内には、１層分の断面データに対応する断面形状の薄板状の部材（断面部材）が形成される。こうして１層分の断面部材が形成されたら、底面駆動部１６を駆動して底面部１４を少しだけ低下させる。次いで、断面データ生成部４２から次の断面データを受け取って、断面部材を形成した粉体層の上に新たな粉体層を形成し、その上から硬化液を供給して紫外光を照射することにより、新たな断面部材を形成する。このように制御部４４は、断面データ生成部４２から各層の断面データを受け取ると、造形部１０や、粉体層形成部２０、硬化液供給部３０、紫外光照射部５０を駆動することにより、１層ずつ断面部材を形成して積層していく。

尚、断面データ生成部４２は、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスクなどが相互にデータをやり取り可能に構成された周知のコンピュータを用いて構成することができる。また、制御部４４は、断面データを変換して、造形部１０や粉体層形成部２０、硬化液供給部３０への駆動信号を生成する専用のＩＣチップを用いて構成することができる。もちろん、こうした変換をＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭなどを用いて実行しても良い。この場合は、断面データ生成部４２を構成するコンピュータに制御部４４の機能を組み込んで、断面データ生成部４２と制御部４４とを一体に構成することも可能である。

造形部１０は、上方から見ると矩形形状をした枠体１２と、枠体１２の底面を形成して上下方向に摺動可能な底面部１４と、底面部１４を上下方向に摺動させる底面駆動部１６等から構成されており、枠体１２と底面部１４との間に形成された空間に三次元物体が造形される。また、底面駆動部１６は制御部４４からの制御によって、底面部１４を正確に上下方向に移動させることが可能となっている。

粉体層形成部２０は、粉体が収納されるホッパー２２と、ホッパー２２の下部で回転することにより粉体を一定量ずつ供給する粉体供給ローラ２４と、粉体供給ローラ２４から供給された粉体を一定厚さに伸展させて粉体層を形成する伸展ローラ２６などから構成されている。ホッパー２２や、粉体供給ローラ２４、伸展ローラ２６は図１の紙面に直角方向（Ｙ方向）に延びるように形成されており、また粉体層形成部２０は全体が、図１の紙面上で左右方向（Ｘ方向）に移動可能に構成されている。

粉体層を形成する際には、先ず初めに、粉体層形成部２０を図１の左端に移動させる。このとき、形成する粉体層の厚さに相当する分だけ、底面駆動部１６を駆動して底面部１４の位置を下方（マイナスのＺ方向）に下げておく。そして、粉体供給ローラ２４を回転させて、伸展ローラ２６の前方に粉体を供給しながら、粉体層形成部２０を右方向（プラスのＸ方向）に移動させる。伸展ローラ２６は、進行方向に対して逆回転させておく。こうすると、伸展ローラ２６は、余分な粉体を進行方向に蹴り出すようにしながら移動することになり、その結果、後方には、均一な厚さを有する粉体層が形成される。このとき、粉体の供給速度は、形成する粉体層の厚さおよび粉体層形成部２０の移動速度に応じて、適切な供給速度に制御されている。また、伸展ローラ２６の回転速度は、粉体層形成部２０の移動速度に応じて適切な回転速度に制御されている。こうすることで、余分な粉体を進行方向に蹴り出して、常に適量分ずつの粉体を伸展させることが可能となり、その結果、粉体を過度に踏み固めてしまうことを回避することが可能となる。

硬化液供給部３０は、硬化液による液滴を吐出する吐出ヘッドと、硬化液を収容しておく収容部などから構成されており、硬化液収容部３４に収容された硬化液の液滴を、硬化液吐出ヘッド３２から粉体層に向けて吐出することが可能となっている。

ここで、本実施形態の硬化液吐出ヘッド３２には、いわゆるピエゾ駆動方式の液滴吐出ヘッドが採用されている。ピエゾ駆動方式の液滴吐出ヘッドは、微細なノズル穴が設けられた圧力室を液体で満たしておき、ピエゾ素子を用いて圧力室の側壁を撓ませることによって、圧力室の容積減少分に相当する体積の液体を液滴として吐出することが可能である。本実施例の硬化液供給部３０では、硬化液収容部３４に収容された硬化液を、硬化液吐出ヘッド３２の圧力室に導いてピエゾ素子を駆動することによって、液滴状の硬化液を吐出することが可能となっている。

ここで硬化液としては、モノマーと、モノマーが結合したオリゴマーとを主成分とする液体の樹脂材料と、紫外光が照射されると励起状態となってモノマーあるいはオリゴマーに働きかけて重合を開始させる重合開始剤との混合物が用いられている。また、ピエゾ駆動方式の液滴吐出ヘッドから液滴として吐出可能な程度の低粘度となるように、硬化液のモノマーは比較的低分子量のモノマーが選択されており、更に１つのオリゴマーに含まれるモノマーの数も数分子程度に調整されている。そして、硬化液は、紫外光を浴びない限りは安定であるため、硬化液収容部３４や硬化液吐出ヘッド３２の内部で硬化することなく、液滴として吐出することができるが、紫外光を浴びて重合開始剤が励起状態になると、モノマーが互いに重合してオリゴマーに成長し、またオリゴマー同士もところどころで重合して、速やかに硬化して固体となる性質を有している。

また、粉体の表面には、硬化液内に含まれているものとは別のタイプの重合開始剤が付着されている。粉体の表面に付着された重合開始剤は、硬化液と接触するとモノマーあるいはオリゴマーに働きかけて重合を開始させる性質を有している。このため、粉体層に硬化液の液滴を供給すると、硬化液が粉体層の内部に浸透するとともに、粉体表面の重合開始剤に接触して硬化し、その結果、硬化液が吐出された部分では、粉体同士が硬化した硬化液によって結合された状態となる。

また、硬化液吐出ヘッド３２は、制御部４４の制御の元で、粉体層形成部２０とは独立して、Ｘ方向（図１の紙面上で左右方向）およびＹ方向（図１の紙面に垂直方向）に移動させることが可能となっている。この点については別図を用いて後述する。

紫外光照射部５０は、Ｙ方向（図１の紙面に垂直方向）に沿って設けられた細長い紫外光照射ランプと、紫外光が下方にのみ照射されるように紫外光照射ランプの三方を囲う紫外光遮蔽部材などから構成されている。紫外光照射部５０は、制御部４４からの制御によって点灯あるいは消灯するとともに、粉体層形成部２０や硬化液供給部３０と一緒にＸ方向（図１の紙面上で左右方向）に移動することによって、粉体層の全面にわたって均一に紫外光を照射することが可能となっている。

図２は、本実施形態の三次元造形装置１００において粉体層形成部２０と、硬化液吐出ヘッド３２と、紫外光照射部５０とが搭載されている位置関係を示した斜視図である。図２（ａ）に示されているように、粉体層形成部２０および紫外光照射部５０は、Ｙ方向に長く形成されており、粉体層形成部２０および紫外光照射部５０の間には、硬化液吐出ヘッド３２が搭載されている。硬化液吐出ヘッド３２は、Ｙ方向に往復動可能に構成されており、硬化液吐出ヘッド３２の底面側（粉体層の側）には、硬化液の液滴を吐出する吐出ヘッドが設けられている。図２（ｂ）には、硬化液吐出ヘッド３２の底面側に吐出ノズル３２ｎが設けられている様子が示されている。図示されるように、硬化液吐出ヘッド３２の底面には、複数の吐出ノズル３２ｎが一定の間隔で設けられており、硬化液吐出ヘッド３２をＹ方向に移動させながら液滴を吐出することで、複数のライン上に硬化液の液滴を吐出することが可能となっている。

図３は、以上のような構成を有する本実施形態の三次元造形装置１００で三次元物体を造形する様子を概念的に示した説明図である。三次元物体を造形するにあたっては、造形しようとする物体の三次元形状データを予め記憶しておく必要がある。図３（ａ）は、造形しようとする三次元物体の形状データを概念的に表している。図３（ａ）に示した例では、造形しようとする三次元物体は、中央部が若干絞られた茶筒形状をしており、茶筒形状の上面および下面の中央には丸い大きな窓が形成されている。そして、茶筒形状の内部には、茶筒形状の内部を上下に仕切る仕切り板が設けられている。このような三次元物体を上面（あるいは下面）に平行な複数の断面で層状に切断すると、図３（ｂ）に示すような断面データを得ることができる。尚、断面を取る間隔は必ずしも等間隔である必要はないが、ここでは等間隔であるものとする。また、これらの処理は、断面データ生成部４２で行われ、得られた断面データは制御部４４に供給される。

制御部４４は、造形部１０および粉体層形成部２０を駆動して粉体層を形成するとともに、断面データ生成部４２から受け取った断面データに従って硬化液吐出ヘッド３２を駆動して、粉体層に硬化液の液滴を吐出する。前述したように、液滴を吐出する硬化液吐出ヘッド３２は、インクジェットプリンタでも用いられているピエゾ駆動方式の液滴吐出ヘッドが採用されており、制御部４４によってＸ方向およびＹ方向に正確に位置決めしながら液滴を吐出することができる。このため、断面データに従って、粉体層の表面の正確な位置に硬化液を吐出することで、断面データに示される通りの断面部材を形成することが可能であり、こうした操作を繰り返して断面部材を積層していくことにより、三次元形状データに対応する三次元物体を造形することが可能となる。

もっとも、粉体層に吐出された液滴は、深さ方向だけでなく周囲にも広がろうとするので、造形した三次元物体の表面に凸凹ができてしまう。周囲への広がりを抑制しようとして、液滴の大きさを小さくすると深さ方向への染み込みも抑制されてしまうので、断面部材同士を結合することができなくなる。こうした点に鑑みて、本実施例の三次元造形装置１００では、次のような方法で液滴を吐出することにより、滑らかな表面の三次元物体を造形可能としている。

Ｂ−１．第１実施形態における造形方法：
理解の便宜のため、先ず初めに、一般的な方法で液滴を吐出した場合について簡単に説明する。図４は、一般的な方法で粉体層上に液滴を吐出することによって三次元物体を造形する様子を概念的に示した説明図である。図では、硬化液で粉体が固められた断面部材の上に粉体層が形成され、その上から硬化液吐出ヘッド３２によって硬化液の液滴が吐出される様子が示されている。吐出された液滴は、粉体層の表面に着弾すると、そこから深さ方向および周囲に向かって染み込んでいく。また、前述したように粉体の表面には重合開始剤が塗布されているので、硬化液は粉体層内部に染み込んでいくとともに、粉体表面の重合開始剤に触れた部分から重合を開始する。図４には、硬化液の液滴が初めに着弾して染み込んだ部分が黒塗りで表されており、その周囲に広がった部分が細かい斜線を付して表されており、更にその周囲に広がった部分が粗い斜線を付して表されている。

硬化液の液滴が粉体層に染み込む際には、重力の影響も若干は受けるが、主には、粉体の間の隙間を毛細管現象で吸い込まれるようにして染み込んでいくので、液滴は、図４に示されているように、着弾位置を中心としてほぼ半球状に染み込んでいくことになる。そして、最上面に形成された粉体層を、下側に形成された断面部材にしっかりと結合するためには、硬化液が粉体層の底面（下側の断面部材の上面）に行き渡るように、大きめの液滴を吐出しなければならない。その結果、周囲への染み込みも大きくなってしまい、表面に凹凸が発生してしまう。仮に、硬化液を下方向に選択的に染み込ませることができれば、表面に発生する凹凸を抑制することも可能であるが、硬化液が染み込む現象は、粉体間の隙間に毛細管現象で硬化液が吸い込まれる現象によって主に支配されており、粉体間にできる隙間を制御することは極めて難しい。そこで、本実施例の三次元造形装置１００では次のような方法で、硬化液を吐出している。

図５は、本実施形態の三次元造形装置１００が粉体層上に液滴を吐出して三次元物体を造形する様子を概念的に示した説明図である。図示されているように、本実施例の三次元造形装置１００では、液滴を複数回に分けて吐出している。こうすることで、以下に説明する理由から、硬化液を下方向に優先的に染み込ませることが可能となり、その結果として、横方向への染み込みが抑制された分だけ、表面に発生する凹凸を小さくすることが可能となる。以下、図５を参照しながら詳しく説明する。

本実施形態の三次元造形装置１００では、図５（ａ）に示すように、先ず初めは、飛び飛びの位置に（すなわち、間引きした状態で）液滴を吐出する。このときに吐出した液滴は、粉体層の下面まで染み込む必要はないので、小さな液滴を吐出しておけば十分である。吐出された液滴は、前述したように粉体間の隙間を毛細管現象によって吸い込まれて、略半球形状に広がっていき、粉体表面に塗布された重合開始剤に触れて、重合を開始する。図５（ａ）には、このようにして小さめの液滴が吐出されて、粉体層内に染み込んでいく様子が示されている。

次いで、先に液滴を吐出した間の位置に液滴を吐出する。図５（ｂ）には、先に液滴を吐出した間の位置に新たな液滴を吐出する様子が概念的に示されている。図５（ａ）を用いて説明したように、先に吐出した液滴は粉体層の中に染み込んで重合を開始しており、半ば固まりかけた状態となっている。図５（ｂ）では、先に吐出した硬化液が粉体層内で半ば固まりかけた部分を、格子状のハッチングを付すことによって表している。格子状のハッチングを付した部分は、粉体間の隙間が埋まった状態となっているので、後から吐出した液滴は、この部分には染み込むことができず、結果として下方に優先的に染み込むこととなる。その結果、後から吐出した硬化液は、速やかに粉体層の下面まで到達するとともに、先に吐出した液滴が固まりかけた部分の下方にも染み込むので、粉体層全体が固まって新たな断面部材が形成され、先に形成されていた断面部材の上に積層することになる。

以上に説明した本実施形態の造形方法では、硬化液吐出ヘッド３２が粉体層の上を１回移動する間に形成可能な液滴を、複数回（上述した実施例では２回）に分けて吐出することとして、初めに吐出した液滴によっては粉体層の下面を硬化させることができなくても、後から吐出した液滴によって硬化させることができればよい。このため、初めに吐出する液滴は小さめの液滴とすることができるので、吐出した硬化液が横方向に染み込むことを抑制することができる。次いで、後から吐出した液滴は、先に吐出した液滴によって邪魔されるため、横方向にはあまり広がることができず、結果として深さ方向に優先的に染み込むようになる。結局、初めに吐出する液滴については、深さ方向と同じように横方向にも広がるものの、後から吐出する液滴については、横方向への広がりが抑えられて深さ方向に優先的に染み込むこととなり、全体としては、液滴を深さ方向に優先的に染み込ませることができる。その結果、三次元物体の表面にできる凹凸を抑制して、滑らかな表面の三次元物体を造形することが可能となる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態の内容を下記の順序に従って説明する。尚、本実施形態では、硬化液の硬化速度の制御について主に説明する。
Ａ−２．第２実施形態における装置構成：
Ｂ−２．第２実施形態における造形方法：

Ａ−２．第２実施形態における装置構成：
図６は、本実施形態の三次元造形装置１１０の大まかな構成を示した説明図である。図示されているように、三次元造形装置１１０は、大きな枠体から構成され内部に三次元物体が造形される造形部１０と、造形部１０内に粉体による粉体層を形成する粉体層形成部２０と、粉体同士を結合させる硬化液を粉体層に供給する硬化液供給部３０と、粉体層に供給された硬化液の硬化速度を制御する硬化速度制御手段と、三次元造形装置１１０の全体の動作を制御するために各種の演算処理を行う演算処理部４０などから構成されている。

尚、本実施形態では、硬化液として紫外光の照射によって硬化する紫外光硬化液を例として説明する。そして、硬化速度制御手段としては、紫外光硬化液に紫外光を照射する紫外光照射部５０と、紫外光照射部５０と粉体層との間に設けられ、紫外光の透過を抑制する抑制部材７０を備えた三次元造形装置１１０を例にして説明する。

演算処理部４０は、造形しようとする三次元物体の形状データを記憶しておくとともに、三次元物体を複数の断面で層状に切断して、各層での断面データを生成する断面データ生成部４２と、紫外光照射部５０得られた断面データに従って造形部１０や、粉体層形成部２０、硬化液供給部３０、紫外光照射部５０、抑制部材７０の動作を制御する制御部４４などから構成されている。制御部４４は、断面データ生成部４２から断面データを受け取ると、粉体層形成部２０を駆動して造形部１０内に粉体層を形成し、硬化液供給部３０を駆動して紫外光硬化液を断面データに従って粉体層に供給しながら、供給した紫外光硬化液に向かって紫外光照射部５０から紫外光を照射する。照射された紫外光が、粉体層に照射されると、紫外光硬化液が硬化して粉体同士を結合させることにより、造形部１０内には、１層分の断面データに対応する断面形状の薄板状の部材（断面部材）が形成される。こうして１層分の断面部材が形成されたら、底面駆動部１６を駆動して底面部１４を少しだけ低下させる。次いで、断面データ生成部４２から次の断面データを受け取って、断面部材を形成した粉体層の上に新たな粉体層を形成し、その上から紫外光硬化液を供給して紫外光を照射することにより、新たな断面部材を形成する。このように制御部４４は、断面データ生成部４２から各層の断面データを受け取ると、造形部１０や、粉体層形成部２０、硬化液供給部３０、紫外光照射部５０、抑制部材７０を駆動することにより、１層ずつ断面部材を形成して積層していく。

また、断面データ生成部４２は、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスクなどが相互にデータをやり取り可能に構成された周知のコンピュータを用いて構成することができる。また、制御部４４は、断面データを変換して、造形部１０や粉体層形成部２０、硬化液供給部３０への駆動信号を生成する専用のＩＣチップを用いて構成することができる。もちろん、こうした変換をＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭなどを用いて実行しても良い。この場合は、断面データ生成部４２を構成するコンピュータに制御部４４の機能を組み込んで、断面データ生成部４２と制御部４４とを一体に構成することも可能である。

造形部１０は、上方から見ると矩形形状をした枠体１２と、枠体１２の底面を形成して上下方向に摺動可能な底面部１４と、底面部１４を上下方向に摺動させる底面駆動部１６等から構成されており、枠体１２と底面部１４との間に形成された空間に三次元物体が造形される。また、底面駆動部１６は制御部４４からの制御によって、底面部１４を正確に上下方向に移動させることが可能となっている。

粉体層形成部２０は、粉体が収納されるホッパー２２と、ホッパー２２の下部で回転することにより粉体を一定量ずつ供給する粉体供給ローラ２４と、粉体供給ローラ２４から供給された粉体を一定厚さに伸展させて粉体層を形成する伸展ローラ２６などから構成されている。ホッパー２２や、粉体供給ローラ２４、伸展ローラ２６は図６の紙面に直角方向（Ｙ方向）に延びるように形成されており、また粉体層形成部２０は全体が、図６の紙面上で左右方向（Ｘ方向）に移動可能に構成されている。

粉体層を形成する際には、先ず初めに、粉体層形成部２０を図６の左端に移動させる。このとき、形成する粉体層の厚さに相当する分だけ、底面駆動部１６を駆動して底面部１４の位置を下方（マイナスのＺ方向）に下げておく。そして、粉体供給ローラ２４を回転させて、伸展ローラ２６の前方に粉体を供給しながら、粉体層形成部２０を右方向（プラスのＸ方向）に移動させる。伸展ローラ２６は、進行方向に対して逆回転させておく。こうすると、伸展ローラ２６は、余分な粉体を進行方向に蹴り出すようにしながら移動することになり、その結果、後方には、均一な厚さを有する粉体層が形成される。このとき、粉体の供給速度は、形成する粉体層の厚さおよび粉体層形成部２０の移動速度に応じて、適切な供給速度に制御されている。また、伸展ローラ２６の回転速度は、粉体層形成部２０の移動速度に応じて適切な回転速度に制御されている。こうすることで、余分な粉体を進行方向に蹴り出して、常に適量分ずつの粉体を伸展させることが可能となり、その結果、粉体を過度に踏み固めてしまうことを回避することが可能となる。

硬化液供給部３０は、複数の硬化液吐出ヘッド６１（図８参照）を有するヘッドユニット６０と、紫外光硬化液を収容しておく硬化液収容部３４などから構成されている。ヘッドユニット６１は、Ｙ方向（図６の紙面に垂直方向）に沿って設けられている。そして、硬化液収容部３４に収容された紫外光硬化液の液滴を、硬化液吐出ヘッド６１から粉体層に向けて吐出することが可能となっている。

ここで、本実施形態の硬化液吐出ヘッド６１には、いわゆるピエゾ駆動方式の液滴吐出ヘッドが採用されている。ピエゾ駆動方式の液滴吐出ヘッドは、微細なノズル穴が設けられた圧力室を液体で満たしておき、ピエゾ素子を用いて圧力室の側壁を撓ませることによって、圧力室の容積減少分に相当する体積の液体を液滴として吐出することが可能である。本実施形態の硬化液供給部３０では、硬化液収容部３４に収容された紫外光硬化液を、硬化液吐出ヘッド６１の圧力室に導いてピエゾ素子を駆動することによって、液滴状の紫外光硬化液を吐出することが可能となっている。

ここで紫外光硬化液としては、モノマーと、モノマーが結合したオリゴマーとを主成分とする液体の樹脂材料と、紫外光が照射されると励起状態となってモノマーあるいはオリゴマーに働きかけて重合を開始させる重合開始剤との混合物が用いられている。また、ピエゾ駆動方式の液滴吐出ヘッドから液滴として吐出可能な程度の低粘度となるように、紫外光硬化液のモノマーは比較的低分子量のモノマーが選択されており、更に１つのオリゴマーに含まれるモノマーの数も数分子程度に調整されている。そして、紫外光硬化液は、紫外光を浴びない限りは安定であるため、硬化液収容部３４や硬化液吐出ヘッド６１の内部で硬化することなく、液滴として吐出することができるが、紫外光を浴びて重合開始剤が励起状態になると、モノマーが互いに重合してオリゴマーに成長し、またオリゴマー同士もところどころで重合して、速やかに硬化して固体となる性質を有している。

また、粉体の表面には、紫外光硬化液内に含まれているものとは別のタイプの重合開始剤が付着されている。粉体の表面に付着された重合開始剤は、紫外光硬化液と接触するとモノマーあるいはオリゴマーに働きかけて重合を開始させる性質を有している。このため、粉体層に紫外光硬化液の液滴を供給すると、紫外光硬化液が粉体層の内部に浸透するとともに、粉体表面の重合開始剤に接触して硬化し、その結果、紫外光硬化液が吐出された部分では、粉体同士が硬化した紫外光硬化液によって結合された状態となる。

また、硬化液吐出ヘッド６１は、制御部４４の制御の元で、粉体層形成部２０とは独立して、Ｘ方向（図６の紙面上で左右方向）に移動させることが可能となっている。この点については別図を用いて後述する。

紫外光照射部５０は、Ｙ方向（図６の紙面に垂直方向）に沿って設けられた細長い紫外光照射ランプと、紫外光が下方にのみ照射されるように紫外光照射ランプの三方を囲う紫外光遮蔽部材などから構成されている。紫外光照射部５０は、制御部４４からの制御によって点灯あるいは消灯するとともに、粉体層形成部２０や硬化液供給部３０と一緒にＸ方向（図６の紙面上で左右方向）に移動することによって、粉体層の全面にわたって均一に紫外光を照射することが可能となっている。

抑制部材７０は、紫外光の透過を抑制する部材からなり、例えば、酸化チタン、酸化亜鉛などの酸化物、ベンゾトリアゾール系、ヒンダードアミン系などを含有するプラスチック材、又は光を吸収し易いカーボン、黒色素を含有するプラスチック材等を採用することができる。また、抑制部材７０の表面に凹凸を設けて紫外光を反射させる部材であってもよい。さらには、紫外光の抑制部材７０は、紫外光照射部５０と粉体層との間に設けられている。本実施形態では、抑制部材７０は、Ｙ方向（図６の紙面に垂直方向）に沿って紫外光遮蔽部材を覆うほどの大きさの板状部材である。そして、制御部４４からの制御によって紫外光照射部５０とともにＸ方向（図６の紙面上で左右方向）に移動可能となっている。また、抑制部材７０には、開閉可能な開閉部が設けられ、制御部４４からの制御によって開閉部の開閉が行われるようになっている。そして、開閉部が閉じた状態であれば、紫外光照射部５０から照射された紫外光の透過が抑制され、開閉部が開いた状態であれば、紫外光が開口部を通して粉体層に照射されるようになっている。本実施形態では、抑制部材７０の所定の個所に複数の開閉部が設けられており、当該開閉部の開閉は制御部４４からの制御によって開閉される。

図７は、本実施形態の三次元造形装置１１０において粉体層形成部２０と、ヘッドユニット６０と、紫外光照射部５０、抑制部材７０とが搭載されている位置関係を示した斜視図である。図７に示されているように、粉体層形成部２０および紫外光照射部５０は、Ｙ方向に長く形成されており、粉体層形成部２０および紫外光照射部５０の間には、ヘッドユニット６０が搭載されている。ヘッドユニット６０は、Ｙ方向に長く形成されており、Ｙ方向を往復移動することなく、粉体層のＹ方向の領域に紫外光硬化液を吐出することができる。図８には、ヘッドユニット６０の平面からみた様子を示している。ヘッドユニット６０は、複数の硬化液吐出ヘッド６１から構成され、硬化液吐出ヘッド６１には複数の吐出ノズル６１ｎが設けられている。図示されるように、硬化液吐出ヘッド６１には、複数の吐出ノズル６１ｎが一定の間隔で設けられており、１回の吐出動作で広い領域に紫外光硬化液を粉体層に塗布することができる。

以上のような構成を有する本実施形態の三次元造形装置１１０で三次元物体を造形する三次元物体のデータ処理等については、実施形態１（図３参照）と同様なので説明を省略する。

なお、三次元物体の造形においては、紫外光硬化液の硬化速度のばらつきによって、三次元物体造形物の性状が変わってしまい、割れや変形が生じる場合がある。こうした点に鑑みて、本実施形態の三次元造形装置１１０では、紫外光硬化液の硬化速度を制御するための三次元造形方法を可能としている。

Ｂ−２．第２実施形態における造形方法：
一般的な造形方法については実施形態１における説明（図４参照）と同様なので、説明を省略する。

図９は、本実施形態の三次元造形装置１１０が粉体層上に紫外光硬化液を液滴として吐出して三次元物体を造形する様子を概念的に示した説明図である。

本実施形態における造形方法では、まず、粉体を略均一な厚さに敷き詰めることによって粉体層を形成する（粉体層形成工程）。次いで、三次元物体を複数の断面で層状に切断したときに各層で得られる断面データを、該三次元物体の形状データに基づいて生成する（断面データ生成工程）。次に、断面データに従って紫外光硬化液の液滴を吐出する吐出ノズルが設けられた硬化液吐出ヘッドから粉体層に向けて液滴を吐出することにより、該粉体層の粉体同士が結合した断面部材を形成する（断面部材積層工程）ことによって、三次元物体を造形する。

ここで、断面部材積層工程について詳細に説明する。図９（ａ）に示すように、ヘッドユニット６０の硬化液吐出ヘッド６１から粉体層に向けて、紫外光の照射によって硬化する紫外光硬化液を液滴として吐出する。ヘッドユニット６０は、複数の硬化液吐出ヘッド６１から構成されているので、１回の液滴の吐出動作により同時期に粉体層の広域に塗布することができる。そして、硬化液吐出ヘッド６１から吐出された液滴は、粉体間の隙間を毛細管現象によって吸い込まれて、略半球形状に広がっていき、粉体表面に塗布された重合開始剤に触れて、重合を開始する。図９（ａ）には、このようにして小さめの液滴が吐出されて、粉体層内に染み込んでいく様子が示されている。

次に、粉体層に付着され紫外光硬化液の硬化速度の制御につてい説明する。図９（ｂ）、（ｃ）は、紫外光硬化液の硬化速度を制御しながら断面部材を形成する様子を示している。本実施形態では、紫外光硬化液の硬化速度を制御する硬化速度制御手段としての紫外光照射部５０及び紫外光の透過を抑制する抑制部材７０を用いて紫外光硬化液の硬化速度を制御している。

具体的には、図９（ｂ）に示すように、紫外光照射部５０と紫外光硬化液が塗布された粉体層との間に抑制部材７０を配置する。抑制部材７０には任意の個所に絞り機構を有する開閉部が備えられている。本実施形態では、粉体層に紫外光硬化液が塗布された領域に対応した個所に開閉部が備えられている。そして、まず、紫外光硬化液が塗布された個所に対応して開閉部の絞り機構を開き、図に示すように、比較的小さな開口（開口部７０ａ）となる第１の開状態とする。本実施形態では、紫外光硬化液が塗布された全ての個所に対応した開閉部が同様の開口部７０ａとなるように設定されている。この状態において、紫外光照射部５０から紫外光を粉体層に向けて照射する。紫外光照射部５０から照射された紫外光は、開口部７０ａを通過して紫外光硬化液が塗布された粉体層に照射される。一方、開口部７０ａ以外の抑制部材７０の領域に照射された紫外光は、抑制部材７０によって透過が抑制されるので、粉体層には照射されない。したがって、照射された紫外光を抑制する領域が多く、粉体層に照射される紫外光の照射量が少ないので、紫外光硬化液の硬化速度を比較的緩やかにすることができる。

次いで、図９（ｃ）に示すように、開閉部の絞り機構をさらに開き、比較的大きな開口（開口部７０ｂ）となる第２の開状態とする。この状態において、紫外光照射部５０から紫外光を粉体層に向けて照射する。紫外光照射部５０から照射された紫外光は、開口部７０ｂを通過して紫外光硬化液が塗布された粉体層に照射される。したがって、紫外光を抑制する領域が少なく、粉体層に照射される紫外光の照射量が多いので、紫外光硬化液の硬化速度を比較的速やかにすることができる。

上記に説明したように、第１の開状態状態では、紫外光硬化液に対する紫外光の照射量が少ないので、紫外光硬化液の硬化速度は遅く、紫外光硬化液は速やかに粉体層の下面まで浸透する。そして、第２の開状態において、紫外光硬化液に対する紫外光の照射量が多くなるので、紫外光硬化液の硬化速度が速まり、紫外光硬化液が付着した粉体層の全体の硬化が進み、粉体層の全体が固まって新たな断面部材が形成される。

従って、上記の第２実施形態によれば、第１次実施形態の効果に加え、以下に示す効果がある。

（１）紫外光硬化液が付着した粉体層に対して、紫外光照射部５０から紫外光を照射して、紫外光硬化液を硬化させる際に、粉体層と紫外光照射部５０との間に抑制部材７０を配置した。そして、抑制部材７０の開閉部の開閉状態を変えることにより、粉体層に対する紫外光の照射量を制御した。従って、抑制部材７０の開閉部の開閉状態に応じて、粉体層に付着した紫外光硬化液の硬化速度を制御することができる。

（２）例えば、吐出する紫外光硬化液の種類や性質が異なる場合であっても、紫外光の照射量を制御することにより、容易に紫外光硬化液の硬化速度を制御でき、条件出し等の作業性を向上させることができる。

Ｃ．変形例：
上述した実施形態に限定されず、幾つかの変形例を考えることができる。以下では、これら変形例について簡単に説明する。

Ｃ−１．第１の変形例 ：
第１実施形態では、硬化液吐出ヘッド３２の往動時および復動時に液滴を吐出するものとしたが、もちろん往動時にのみ液滴を吐出するようにしても良い。復動時に液滴を吐出して、正確な位置に液滴を着弾させるためには高度な処理が必要となるが、その反面、復動時にも液滴を吐出してやれば、短時間で液滴を吐出することができ、延いては、三次元物体を迅速に造形することが可能となる。

Ｃ−２．第２の変形例 ：
第１実施形態では、染み込み速度制御手段として、液滴を２回に分けて吐出するものとして説明した。しかし、２回ではなく、より多くの回数に分けて吐出するようにしても良い。但し、硬化液の液滴を分けて吐出する回数が多くなるほど、硬化液吐出ヘッド３２を何度も往復動させなければならなくなるので、時間がかかってしまう。従って、２回または３回程度に分けて吐出することが望ましい。

Ｃ−３．第３の変形例 ：
第１実施形態では、先に吐出する液滴と、後から吐出する液滴とで、液滴の大きさには大きな違いはないものとして説明した。しかし、液滴の大きさを変えて、先に吐出する液滴は小さな液滴とし、後から吐出する液滴は大きな液滴としても良い。先に吐出する液滴は、前述したように、深さ方向だけでなく横方向にも広がろうとするから、表面にできる凹凸を抑制するためには、先に吐出する液滴は小さい方が望ましい。また、後から吐出する液滴は、先に吐出した液滴によって横方向への広がりが抑制され、深さ方向に優先的に染み込むので、先に液滴を吐出した部分の下面側も含めて、粉体層全体に行き渡らせるとともに、形成した断面部材を先に形成した断面部材の上に結合して積層させるためにも、大きめの液滴を吐出することが望ましい。

Ｃ−４．第４の変形例 ：
第１実施形態において、粉体層を形成する方向とは交差する方向に硬化液吐出ヘッド３２を往復動させながら、硬化液の液滴を吐出して、断面部材を形成することとしてもよい。このようにすれば、粉体層を形成した端から、直ぐその後側で硬化液吐出ヘッド３２を往復動させて液滴を吐出して断面部材を形成することができる。従って、断面部材を形成するために硬化液吐出ヘッド３２から複数回に分けて液滴を吐出しなければならない場合でも、短時間で効率よく断面部材を形成することが可能となり、延いては三次元物体を迅速に造形することが可能となる。

Ｃ−５．第５の変形例 ：
第１実施形態では、粉体層の上を往復動する硬化液吐出ヘッド３２を用いたが、これに限定されず、例えば、複数のヘッドを整列させて構成したヘッドユニットを用いてもよい（例えば、図８参照）。このようにしても、複数の液滴を複数回に分けて吐出するとともに、後から吐出する液滴は先に吐出された液滴の間に吐出することができる。

Ｃ−６．第６の変形例 ：
第１実施形態では、硬化液を１つおきの位置に吐出して、後から吐出する液滴は、先に吐出した液滴によって両側を挟まれた状態をつくることで、滑らかな表面を有する造形部を形成したが、これに限定されない。例えば、紫外光の透過を抑制する抑制部材を用いてもよい。具体的には、図１０に示すように、ヘッドユニット６０から粉体層に向けて硬化液を液滴を吐出して、粉体層に液滴を付着させる（図１０（ａ））。そして、図１０（ｂ）に示すように、ヘッドユニット６０と粉体層との間に抑制部材８０を配置する。そして、液滴が塗布された１つおきの位置に対応する抑制部材８０の位置に開口部８０ａを形成する。この状態で、紫外光照射部５０から紫外光を照射させる。照射された紫外光は、開口部８０ａを通じて、硬化液が付着した粉体層に照射される。一方、開口部８０ａ以外の抑制部材８０の領域では、紫外光は透過しない。従って、開口部８０ａに対応する硬化液が付着した粉体層の部分が先行して硬化する。次に、図１０（ｃ）に示すように、先に硬化液が硬化した部分以外の位置に対応する位置の開口部８０ｂとし、紫外光を照射する。このようにしても、後から紫外光を照射する硬化液は、先に照射された硬化部分によって邪魔されるため、横方向にはあまり広がることができず、結果として深さ方向に優先的に染み込むようになる。結局、初めに紫外光を照射した硬化液については、深さ方向と同じように横方向にも広がるものの、後から照射する硬化液については、横方向への広がりが抑えられて深さ方向に優先的に染み込むこととなり、全体としては、硬化液を深さ方向に優先的に染み込ませることができる。その結果、三次元物体の表面にできる凹凸を抑制して、滑らかな表面の三次元物体を造形することが可能となる。さらには、任意の個所において抑制部材８０を配置すれば、硬化液の硬化速度を制御することができる。

Ｃ−７．第７の変形例 ：
第２実施形態では、電磁波の例として紫外光を照射して紫外光硬化液を硬化させたが、これに限定されない。例えば、その他に、赤外線、可視光線、Ｘ線等を用いて、それぞれの照射によって硬化する硬化液を用いてもよい。このようにしても、造形物を形成することができる。

Ｃ−８．第８の変形例 ：
第２実施形態では、紫外光の透過を抑制する抑制部材を用いたが、紫外光の波長によって透過率が異なるフィルタを用いてもよい。このようにしても、紫外光の透過率によって透過される紫外光の照射量が制御されるので、紫外光硬化液の硬化速度を制御することができる。

Ｃ−９．第９の変形例 ：
第２実施形態では、硬化速度制御手段として紫外光照射部５０を用いたが、これに限定されない。例えば、他に、加熱することによって硬化する熱硬化液を採用し、当該熱硬化液に対して加熱部を用いて加熱する構成であってもよい。このようにしても、加熱調整を行うことにより硬化液の硬化速度を制御することができる。

Ｃ−１０．第１０の変形例 ：
上記実施形態において、硬化速度が同一の紫外光硬化液を液滴として吐出したが、これに限定されず、異なる硬化速度を有する複数種の硬化液を液滴として吐出してもよい。例えば、後から吐出される硬化液が、先に吐出される硬化液よりも硬化速度が遅い硬化液を液滴として吐出してもよい。このようにすれば、先に吐出される硬化液と後に吐出される硬化液とが同時期に硬化するので、硬化速度を制御し、さらに、粉体層における硬化速度のばらつきを抑制することができる。

Ｃ−１１．第１１の変形例 ：
第２実施形態において、制御部材に絞り機構を採用したが、これに限定されない。例えば、抑制部材に移動手段を設け、紫外光照射部からの紫外光を任意に遮断する構成としてもよい。このようにしても、紫外光の照射量を調整することができる。

Ｃ−１２．第１２の変形例 ：
第２実施形態では、紫外光照射部５０を固定して配置したが、これに限定されない。紫外光照射部５０が移動する移動手段を備えてもよい。この場合において、紫外光硬化液が塗布された粉体層の任意の個所に移動して、紫外光を照射する。このようにしても、選択された個所における紫外光硬化液の硬化速度を制御することができる。

Ｃ−１３．第１３の変形例 ：
第２実施形態において、紫外光硬化液の硬化速度を制御する硬化速度制御手段として、紫外光照射部５０と抑制部材７０を用いたが、これに限定されず、抑制部材７０を省略してもよい。この場合において、紫外光照射部５０から照射される紫外光の出力を演算処理部４０の制御部４４で制御すればよい。このようにしても、紫外光の照射量を制御して、紫外光硬化液の硬化速度を制御することができる。

以上、本実施形態の三次元造形装置１００，１１０について説明したが、本発明は上記すべての実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。もちろん、上記の各実施形態の構成を組み合わせた構成を採用してもよい。

例えば、上述した実施形態では、表面領域を形成するための硬化液としては、紫外光によって重合を開始する硬化液を用いた場合について説明した。しかし、空気中の水分（あるいは酸素など）に触れると速やかに重合を開始する硬化液（例えば、瞬間接着剤など）を用いることとしても良い。

１０…造形部、１２…枠体、１４…底面部、１６…底面駆動部、２０…粉体層形成部、２２…ホッパー、２４…粉体供給ローラ、２６…伸展ローラ、３０…硬化液供給部、３２，６１…硬化液吐出ヘッド、３２ｎ…吐出ノズル、３４…硬化液収容部、４０…演算処理部、４２…断面データ生成部、４４…制御部、５０…紫外光照射部、６０…ヘッドユニット、７０，８０…抑制部材、１００，１１０…三次元造形装置。

Claims (21)

1. 粉体を硬化液で結合させることによって、三次元物体を造形する三次元造形装置であっ
   て、
   前記粉体により粉体層を形成する粉体層形成手段と、
   前記硬化液の液滴を吐出する吐出ノズルが設けられ、前記粉体層の上を往復動しながら
   前記粉体層に向けて該硬化液の液滴を吐出する硬化液吐出ヘッドと、
   造形対象である前記三次元物体の形状データに基づく断面データを前記吐出ヘッドの駆
   動信号に変換する駆動信号生成手段と、
   前記駆動信号に基づいて、前記紛体層で、後から吐出される前記硬化液の横方向の浸透を抑制するための吐出と、前記横方向の浸透を抑制するために吐出された前記硬化液との間に前記硬化液を吐出することによって、下層に形成されている断面部材の上に前記粉体層の粉体同士が結合した断面部材を形成する断面部材積層手段と、を備える
   ことを特徴とする三次元造形装置。
2. 請求項１に記載の三次元造形装置であって、
   前記断面部材積層手段は、前記硬化液吐出ヘッドを往復動させながら前記硬化液の液滴
   を吐出する際に、該硬化液吐出ヘッドの移動方向に沿って１つおきの位置に液滴を吐出し
   て、前記断面部材を形成することを特徴とする三次元造形装置。
3. 請求項１または２に記載の三次元造形装置であって、
   前記断面部材積層手段は、前記硬化液吐出ヘッドの往動時と復動時とに前記硬化液の液
   滴を吐出して、前記断面部材を形成することを特徴とする三次元造形装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の三次元造形装置であって、
   前記断面部材積層手段は、前記粉体層を形成する方向とは交差する方向に前記硬化液吐
   出ヘッドを往復動させながら、前記硬化液の液滴を吐出することによって、前記断面部材
   を形成することを特徴とする三次元造形装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の三次元造形装置において、
   前記断面部材積層手段において、前記横方向の浸透が抑制された前記紛体層に吐出する
   前記硬化液の液滴の大きさは、前記紛体層で前記硬化液の横方向の浸透を抑制するために
   吐出された前記硬化液の液滴の大きさよりも大きい液滴で吐出することを特徴とする三次
   元造形装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の三次元造形装置において、
   前記断面部材積層手段では、前記粉体層に吐出された前記硬化液の硬化速度を制御する
   硬化速度制御手段を備えたことを特徴とする三次元造形装置。
7. 請求項６に記載の三次元造形装置において、
   前記硬化液は、電磁波の照射によって硬化する電磁波硬化液であり、
   前記硬化速度制御手段は、前記電磁波硬化液が付着した前記粉体層に対して電磁波を照
   射する電磁波照射部を有することを特徴とする三次元造形装置。
8. 請求項７に記載の三次元造形装置において、
   前記硬化速度制御手段は、さらに、前記電磁波照射部と前記粉体層との間に、前記電磁
   波の透過を抑制する抑制部材を備えたことを特徴とする三次元造形装置。
9. 請求項７または８に記載の三次元造形装置において、
   前記硬化液は、紫外光の照射によって硬化する紫外光硬化液であり、
   前記硬化速度制御手段は、前記紫外光硬化液が付着した前記粉体層に対して紫外光を照
   射する紫外光照射部を有し、さらに、前記紫外光照射部と前記粉体層との間に、前記紫外
   光の透過を抑制する抑制部材を備えたことを特徴とする三次元造形装置。
10. 請求項６に記載の三次元造形装置において、
    前記硬化液は、加熱することによって硬化する熱硬化液であり、
    前記硬化速度制御手段は、前記熱硬化液が付着した前記粉体層を加熱する加熱部を有す
    ることを特徴とする三次元造形装置。
11. 請求項６に記載の三次元造形装置において、
    前記硬化速度制御手段は、前記硬化液吐出ヘッドから吐出される前記硬化液であって、
    前記横方向の浸透が抑制された前記紛体層に吐出する前記硬化液が、前記紛体層で前記
    硬化液の横方向の浸透を抑制するために吐出された前記硬化液よりも硬化速度が遅い硬化
    液を液滴として吐出することを特徴とする三次元造形装置。
12. 粉体を硬化液で互いに結合させることによって、三次元物体を造形する三次元造形方法
    であって、
    前記粉体により粉体層を形成する粉体層形成工程と、
    造形対象である前記三次元物体の形状データに基づく断面データを前記吐出ヘッドの駆
    動信号に変換する駆動信号生成工程と、
    前記駆動信号に基づいて、前記紛体層で、後から吐出される前記硬化液の横方向の浸透を抑制するための吐出と、前記横方向の浸透を抑制するために吐出された前記硬化液との間に前記硬化液を吐出することによって、下層に形成されている断面部材の上に前記粉体層の粉体同士が結合した断面部材を形成する断面部材積層工程と、
    を備えることを特徴とする三次元造形方法。
13. 請求項１２に記載の三次元造形方法において、
    前記断面部材積層工程では、前記硬化液吐出ヘッドを往復動させながら前記硬化液の液
    滴を吐出する際に、前記硬化液吐出ヘッドの移動方向に沿って１つおきの位置に液滴を吐
    出して、前記断面部材を形成することを特徴とする三次元造形方法。
14. 請求項１２または１３に記載の三次元造形方法において、
    前記断面部材積層工程では、前記硬化液吐出ヘッドの往動時と復動時とに前記硬化液の
    液滴を吐出して、前記断面部材を形成することを特徴とする三次元造形方法。
15. 請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の三次元造形方法において、
    前記断面部材積層工程では、前記粉体層を形成する方向とは交差する方向に前記硬化液
    吐出ヘッドを往復動させながら、前記硬化液の液滴を吐出することによって、前記断面部
    材を形成することを特徴とする三次元造形方法。
16. 請求項１２〜１５のいずれか一項に記載の三次元造形方法において、
    前記断面部材積層工程では、前記横方向の浸透が抑制された前記紛体層に吐出する前記
    硬化液の液滴の大きさが、前記紛体層で前記硬化液の横方向の浸透を抑制するために吐出
    された前記硬化液の液滴の大きさよりも大きい液滴を吐出することを特徴とする三次元造
    形方法。
17. 請求項１２〜１６のいずれか一項に記載の三次元造形方法において、
    前記断面部材積層工程では、前記粉体層に吐出された前記硬化液の硬化速度を制御しな
    がら前記断面部材を形成することを特徴とする三次元造形方法。
18. 請求項１７に記載の三次元造形方法において、
    前記断面部材積層工程では、電磁波の照射によって硬化する電磁波硬化液を液滴として
    吐出し、前記電磁波硬化液が付着した前記粉体層に対して電磁波を照射することを特徴と
    する三次元造形方法。
19. 請求項１８に記載の三次元造形方法において、
    前記断面部材積層工程では、紫外光の照射によって硬化する紫外光硬化液を液滴として
    吐出し、前記紫外光硬化液が付着した前記粉体層に対して紫外光を照射することを特徴と
    する三次元造形方法。
20. 請求項１７に記載の三次元造形方法において、
    前記断面部材積層工程では、加熱によって硬化する熱硬化液を液滴として吐出し、前記
    熱硬化液が付着した前記粉体層を加熱することを特徴とする三次元造形方法。
21. 請求項１７に記載の三次元造形方法において、
    前記断面部材積層工程では、前記横方向の浸透が抑制された前記紛体層に吐出する前記
    硬化液の液滴の大きさが、前記紛体層で前記硬化液の横方向の浸透を抑制するために吐出
    された前記硬化液よりも硬化速度が遅い硬化液を液滴として吐出することを特徴とする三
    次元造形方法。

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