JP6807758B2 - 三次元造形装置及び三次元造形方法 - Google Patents

Description

本発明は、硬化性のモデル材及び／又は硬化性のサポート材を含む単位層を順次積層して得た造形中間物から、前記サポート材で構成される支持部材を除去することで、主に前記モデル材で構成される三次元造形物を生成する三次元造形装置及び三次元造形方法に関する。

近時、スライス単位の層状体（以下、単位層という）を固化させながら鉛直方向に沿って順次積層することで、三次元形状の造形物を生成する三次元造形装置（いわゆる、３Ｄプリンタ）が開発されている。一般的には、モデル材及び／又はサポート材を含む単位層を順次積層して得た造形中間物から、サポート材で構成される支持部材を除去することで、主にモデル材で構成される三次元造形物を生成する。

載置台の作業面上に直接的に三次元造形物を造形する場合、造形中間物を載置台から取り外す際にその底面が変形し、三次元造形物の品位を損なう可能性がある。具体的には、底面に作業面の表面形状が転写されたり、作業面への固着により底面の一部が欠損したりする現象が起こり得る。この現象を避けるため、後に除去可能なサポート材からなる土台部を、底面と作業面の間に配置することがある。

ところで、三次元造形物の造形条件の違いにより単位層同士が干渉し、無視できない程度に硬化特性が変動する場合がある。特に、材料毎の硬化特性の差異に起因して、土台部と接触する最下面領域での歪みが起こり、土台部に対する本体部の密着性が低下し易くなる。その結果、造形中間物の形成途中に両者の剥離が起こり、上層側における造形位置の再現性が低下する懸念もある。

そこで、特許文献１では、載置台にヒータ（heating element）を設けることで、造形中間物の下側から加熱する装置が提案されている。これにより、異なる材料の合一から生じる界面部（interface line）が小さくなるので、土台部に対する本体部の密着性が保たれる旨が概ね記載されている。

米国特許第８６３６４９４号明細書（図３Ａ、図４Ｂ、図４Ｃ等）

しかしながら、特許文献１で提案される装置のようにヒータを増設することで、装置の製造コストが増加するのみならず、ヒータを駆動するための電力消費量が増加する問題も生じる。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、モデル材及びサポート材を硬化する前に特別な物理的処理を施すことなく、土台部と接触する最下面領域における密着性が十分な三次元造形物を生成可能な三次元造形装置及び三次元造形方法を提供することを目的とする。

本発明に係る「三次元造形装置」は、硬化性のモデル材及び／又は硬化性のサポート材を含む単位層を順次積層して得た造形中間物から、前記サポート材で構成される支持部材を除去することで、主に前記モデル材で構成される三次元造形物を生成する装置であって、前記単位層を積層してなる積層構造体を載置可能な載置台と、前記載置台に対して相対移動しながら、前記モデル材の液滴及び前記サポート材の液滴を前記積層構造体の最上面に向けて吐出する吐出手段と、前記最上面にある前記モデル材及び前記サポート材を硬化する硬化手段と、前記造形中間物の一部をなす前記支持部材が、前記三次元造形物と前記載置台の間に配置される土台部を含んで構成される場合、該土台部と接触する前記三次元造形物の最下面領域内にて前記モデル材及び前記サポート材を混在して配置するように、前記吐出手段及び前記硬化手段を制御する混在配置手段を備える。

このように、造形中間物の一部をなす支持部材が、三次元造形物と載置台の間に配置される土台部を含んで構成される場合、三次元造形物の最下面領域内にてモデル材及びサポート材を混在して配置するので、混在させない場合と比べてモデル材とサポート材の接触表面積が増加し、その分だけ密着性が向上する。これにより、モデル材及びサポート材を硬化する前に特別な物理的処理を施すことなく、土台部と接触する最下面領域における密着性が十分な三次元造形物を生成できる。

また、前記混在配置手段は、前記最下面領域内にて前記モデル材及び前記サポート材を市松模様状に配置するように、前記吐出手段及び前記硬化手段を制御することが好ましい。これにより、モデル材及びサポート材の配置分布が均一化されるので、密着性が更に向上する。

また、前記混在配置手段は、前記サポート材の液滴が市松模様状に配置された前記最下面領域を含む先行単位層、及び前記モデル材の液滴が市松模様状に配置された前記最下面領域を含む後行単位層を順次重ね合わせて積層するように、前記吐出手段及び前記硬化手段を制御することが好ましい。これにより、硬化前におけるモデル材及びサポート材の合一化を防止可能となり、最下面領域内のサポート材を漏れなく除去できる。

また、前記混在配置手段は、前記モデル材と前記サポート材の色差が閾値よりも大きい場合、前記先行単位層及び前記後行単位層を順次重ね合わせて積層するように、前記吐出手段及び前記硬化手段を制御することが好ましい。サポート材の残存によって最下面領域内の色が斑状になり、三次元造形物の品位が低下する可能性がある。そこで、モデル材とサポート材の色差が大きい場合には、上記したサポート材の除去効果が顕著に現われる。

また、前記混在配置手段は、前記モデル材の液滴及び前記サポート材の液滴が市松模様状に配置された前記最下面領域を含む混在単位層を積層するように、前記吐出手段及び前記硬化手段を制御することが好ましい。１つの混在単位層に纏めて最下面領域を形成することで、モデル材とサポート材の密着性が大きく向上する。

また、前記混在配置手段は、前記モデル材と前記サポート材の色差が閾値よりも小さい場合、前記混在単位層を積層するように前記吐出手段及び前記硬化手段を制御することが好ましい。サポート材の残存によって最下面領域内の色が斑状になり、三次元造形物の品位が低下する可能性がある。ところが、モデル材とサポート材の色差が小さい場合には、サポート材の残存があっても色の変化が起こらないか或いは軽微である。つまり、上記した密着性の向上効果を優先的に得ながらも、色の見栄えに関わる品位が実質的に低下しない三次元造形物を生成できる。

本発明に係る「三次元造形方法」は、硬化性のモデル材及び／又は硬化性のサポート材を含む単位層を順次積層して得た造形中間物から、前記サポート材で構成される支持部材を除去することで、主に前記モデル材で構成される三次元造形物を生成する方法であって、前記単位層を積層してなる積層構造体を載置可能な載置台に対して相対移動しながら、前記モデル材の液滴及び前記サポート材の液滴を前記積層構造体の最上面に向けて吐出する吐出工程と、前記最上面にある前記モデル材及び前記サポート材を硬化する硬化工程と、前記造形中間物の一部をなす前記支持部材が、前記三次元造形物と前記載置台の間に配置される土台部を含んで構成される場合、該土台部と接触する前記三次元造形物の最下面領域内にて前記モデル材及び前記サポート材を混在して配置するように、前記吐出手段及び前記硬化手段を制御する混在配置工程を備える。

本発明に係る三次元造形装置及び三次元造形方法によれば、モデル材及びサポート材を硬化する前に特別な物理的処理を施すことなく、土台部と接触する最下面領域における密着性が十分な三次元造形物を生成できる。

この実施形態に係る三次元造形装置の要部を示す概略図である。 図１に示す三次元造形装置の電気ブロック図である。 三次元造形物及び造形中間物の形態を示す図である。 図１及び図２に示す三次元造形装置の動作説明に供されるフローチャートである。 最下面領域における吐出データの第１構造例を示す図である。 第１混在配置による造形工程を示す時系列図である。 第１混在配置による造形工程を示す時系列図である。 最下面領域における吐出データの第２構造例を示す図である。 第２混在配置による造形工程を示す時系列図である。 第２混在配置による造形工程を示す時系列図である。 最下面領域における三次元造形物の部分拡大断面図である。

以下、本発明に係る三次元造形装置について、三次元造形方法との関係において好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。

＜三次元造形装置１０の要部構成＞
図１は、この実施形態に係る三次元造形装置１０の要部を示す概略図である。より詳しくは、図１（Ａ）は三次元造形装置１０の概略側面図であり、図１（Ｂ）は三次元造形装置１０の概略平面図である。本図では、生成途中の三次元造形物１００である積層構造体１０２が表記されている。

積層構造体１０２は、三次元造形物１００の原料・素材であるモデル材１０４と、モデル材１０４を外側又は内側から支持するサポート材１０６とから構成される。つまり、積層構造体１０２は、モデル材１０４及び／又はサポート材１０６を含む単位層１４１〜１４７（図７、図１０、図１１参照）を鉛直方向に沿って順次積層してなる。

三次元造形装置１０は、積層構造体１０２を載置する載置部１２、モデル材１０４及びサポート材１０６の吐出機構を搭載するキャリッジ１４、及び、キャリッジ１４をＸ方向及びＹ方向に駆動させるキャリッジ駆動部１６を含んで構成される、インクジェット方式の造形装置である。

載置部１２は、平坦な作業面１８を有する載置台２０と、作業面１８の法線方向（Ｚ方向）に載置台２０を移動させるステージ駆動部２２を有する。キャリッジ駆動部１６は、Ｘ方向に沿って平行に延びる一対のガイドレール２４、２４（Ｘバー）と、各ガイドレール２４に沿って移動可能な２つのスライダ２６、２６と、２つのスライダ２６、２６間に架け渡されると共にＹ方向に延びるキャリッジレール２８（Ｙバー）を有する。

キャリッジ１４は、該キャリッジ１４を取り付けたキャリッジレール２８に沿って、又は、キャリッジレール２８と一体的に各ガイドレール２４、２４に沿って移動可能に構成される。これにより、キャリッジ１４及び載置台２０は、互いに交差するＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に対してそれぞれ相対的に移動可能である。この実施形態では、Ｘ方向及びＹ方向は「水平方向」に、Ｚ方向は「鉛直方向」にそれぞれ一致し、３つの方向は互いに直交する関係下にある。

キャリッジ１４には、流動性のモデル材１０４及び流動性のサポート材１０６（以下、総称して「液滴３０」ともいう）を積層構造体１０２の最上面１０８に向けて吐出する吐出ユニット３２（吐出手段）と、最上面１０８を平坦化する平坦化ローラ３４（平坦化手段）と、最上面１０８にある液滴３０を硬化する硬化ユニット３６（硬化手段）がそれぞれ搭載される。

吐出ユニット３２の吐出面３８は、作業面１８或いは最上面１０８に対向する位置関係下にある。吐出ユニット３２は、同一の又は異なる色のモデル材１０４を吐出する複数の吐出ヘッド４０、及び、サポート材１０６を吐出する１つの吐出ヘッド４２を含んで構成される。吐出ヘッド４０、４２による液滴３０の吐出機構として種々の方式を採ってもよい。例えば、圧電素子を含んで構成されるアクチュエータの変形によって液滴３０を吐出する方式を適用してもよい。また、ヒータ（発熱体）を介してモデル材１０４又はサポート材１０６を加熱することで気泡を発生させ、その圧力で液滴３０を吐出する方式を適用してもよい。

各吐出ヘッド４０、４２の吐出面３８側には、配列方向（本図例ではＸ方向）に沿って複数のノズル４４を並べたノズル列４６が形成されている。吐出ユニット３２に６つの吐出ヘッド４０が設けられている場合、例えば、６つの吐出ヘッド４０は、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）、ブラック（Ｋ）、クリア（ＣＬ）、ホワイト（Ｗ）に着色されたモデル材１０４の液滴３０をそれぞれ吐出する。

硬化ユニット３６は、各種エネルギーを付与することでモデル材１０４の液滴３０を硬化させる装置である。例えば、モデル材１０４が紫外線硬化樹脂である場合、硬化ユニット３６は、光エネルギーとしての紫外線を照射する紫外光源を含んで構成される。また、モデル材１０４が熱硬化樹脂である場合、硬化ユニット３６は、熱エネルギーを付与する加熱装置、必要に応じて積層構造体１０２を冷却する冷却装置を含んで構成される。

なお、紫外光源として、希ガス放電灯、水銀放電灯、蛍光灯ランプ、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）アレイ等を用いることができる。また、サポート材１０６は、三次元造形物１００を変質させずに除去可能な材料、例えば、水膨潤ゲル、ワックス、熱可塑性樹脂、水溶性材料、溶解性材料等からなる。

＜三次元造形装置１０の電気ブロック図＞
図２は、図１に示す三次元造形装置１０の電気ブロック図である。この三次元造形装置１０は、図１にそれぞれ示したキャリッジ駆動部１６、ステージ駆動部２２、吐出ユニット３２及び硬化ユニット３６の他、制御部５０、画像入力Ｉ／Ｆ５２、入力部５４、出力部５６、記憶部５８、三次元駆動部６０、及び駆動回路６２（混在配置手段）を含んで構成される。

画像入力Ｉ／Ｆ５２は、シリアルＩ／Ｆ又はパラレルＩ／Ｆで構成され、三次元造形物１００を示す画像情報を含む電気信号を、図示しない外部装置から受信する。入力部５４は、マウス、キーボード、タッチセンサ又はマイクロフォンを含んで構成される。出力部５６は、ディスプレイ又はスピーカを含んで構成される。

記憶部５８は、非一過性であり、且つ、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体で構成される。ここで、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、フラッシュメモリ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置である。また、この記憶媒体は、短時間に且つ動的にプログラムを保持するものであっても、一定時間プログラムを保持するものであってもよい。

三次元駆動部６０は、載置台２０及び吐出ユニット３２の少なくとも一方を駆動することで、載置台２０に対して吐出ユニット３２を三次元方向に相対移動させる。この実施形態では、三次元駆動部６０は、吐出ユニット３２をＸ方向及びＹ方向に移動させるキャリッジ駆動部１６と、載置台２０をＺ方向に移動させるステージ駆動部２２とから構成される。

制御部５０は、三次元造形装置１０を構成する各部の制御を司る演算装置であり、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）又はＭＰＵ（Micro-Processing Unit）によって構成されている。制御部５０は、記憶部５８に格納されたプログラムを読み出し実行することで、データ処理部６４及び配置決定部６６を含む各機能を実現可能である。

駆動回路６２は、制御部５０と電気的に接続されると共に、各ユニットを駆動することで造形処理を実行させる電気回路である。この実施形態では、駆動回路６２は、吐出ユニット３２の吐出制御を司る吐出制御部６８と、硬化ユニット３６の硬化制御を司る硬化制御部７０とから構成される。

吐出制御部６８は、制御部５０から供給される吐出データに基づき、吐出ヘッド４０、４２が備えるアクチュエータの駆動波形信号を生成し、この波形信号を吐出ユニット３２側に向けて出力する。硬化制御部７０は、エネルギーの付与量（この実施形態では、紫外線の照射量）に応じた駆動信号を硬化ユニット３６側に向けて出力する。

＜三次元造形物１００及び造形中間物１２０の形態＞
図３は、三次元造形物１００及び造形中間物１２０の形態を示す図である。より詳しくは、図３（Ａ）は三次元造形物１００の正面図であり、図３（Ｂ）は造形中間物１２０の正面図である。この造形中間物１２０は、積層構造体１０２の完成状態に相当し、サポート材１０６（支持部材１２２）が未だ除去されない造形物である。

図３（Ａ）に示すように、モデル材１０４で構成される三次元造形物１００は、逆円錐台状の本体部１１０を有する。本体部１１０の外表面１１２は、円状の底面１１４と、底面１１４よりも径が小さい上面１１６と、底面１１４と上面１１６を連結する側面１１８を含んで構成される。

本体部１１０は、物理的処理又は化学的処理を経て硬化する材料、ここでは紫外線硬化樹脂からなる。紫外線硬化樹脂として、ラジカル重合反応を起こして硬化するラジカル重合型、或いは、カチオン重合反応を起こして硬化するカチオン重合型の硬化性樹脂を用いることができる。ラジカル重合型の紫外線硬化樹脂には、ウレタンアクリレート、アクリルアクリレート、エポキシアクリレートが含まれる。

図３（Ｂ）に示すように、造形中間物１２０は、上記した本体部１１０と、本体部１１０の外側から支持する支持部材１２２から構成される。支持部材１２２は、上面１１６を除いた全ての外表面１１２を覆う概略鉢形状を有する。なお、支持部材１２２は、上述の通り、紫外線硬化性を有し、かつ三次元造形物１００を変質させずに除去可能な材料からなる。

本図例では、支持部材１２２には、三次元造形物１００と載置台２０（図１）の間に配置される土台部１２４が含まれる。以下、土台部１２４と三次元造形物１００が接触する面状領域、ここでは底面１１４がなす領域を「最下面領域Ｒ」と称する。

＜三次元造形装置１０の動作＞
続いて、図１及び図２に示す三次元造形装置１０の動作、図３（Ａ）に示す三次元造形物１００の生成動作について、図４のフローチャート及び図５〜図１０を適宜参照しながら説明する。

図４のステップＳ１において、制御部５０は、画像入力Ｉ／Ｆ５２を介して、３Ｄ−ＣＡＤ（Computer Aided Design）データを含む造形データを取得する。例えば、ワイヤフレームモデルの造形データは、三次元造形物１００の三次元フレームを示す形状モデルデータ、及び、外表面１１２の画像を示す表面画像データの組み合わせからなる。なお、造形データの表現方式は、ワイヤフレームモデルに限られず、サーフェスモデル又はソリッドモデルであってもよい。

ステップＳ２において、データ処理部６４は、ステップＳ１で取得されたベクトル形式の造形データに対してラスタライズ処理を実行する。この処理に先立ち、データ処理部６４は、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向の三次元空間を示す作業領域を定義すると共に、この作業領域を構成するＸ軸−Ｙ軸−Ｚ軸の三次元解像度（実サイズとの対応付け）も決定しておく。

次いで、データ処理部６４は、フレーム内の色（例えばホワイト）を特定し、公知のテクスチャマッピング手法を用いてフレーム面上に表面画像を配置する。その後、データ処理部６４は、表面画像が配置されたベクトルデータを三次元解像度に応じたラスタデータに変換する。更に、データ処理部６４は、ディザ法・誤差拡散法を含むハーフトーン処理、同系色／異系色間の分版処理、ドットサイズ（吐出量）の割り付け処理、打滴数の制限処理等の各種画像処理を実行する。これにより、一方向（Ｚ軸）に沿った単位層１４１〜１４７毎のスライスデータ（以下、「スライス群データ」）が得られる。

ステップＳ３において、配置決定部６６は、ステップＳ２で得られたスライス群データを用いて、モデル材１０４及びサポート材１０６の配置を決定する。具体的には、配置決定部６６は、造形中間物１２０の生成過程にてモデル材１０４を物理的に支持可能な位置にサポート材１０６を配置する。この配置処理を通じて、液滴３０の有無及び種類を三次元位置毎に示す「吐出データ」が作成される。

図３（Ａ）に示す例では、本体部１１０の側面１１８は、庇（ひさし）のように突き出た外壁（以下、オーバーハング）を形成する。鉛直方向の下側から上側に単位層１４１〜１４７を積み重ねてオーバーハングを造形する場合、外側に突き出したモデル材１０４は、その形状を維持するための物理的強度が得られず自重により落下してしまう。そこで、作業面１８と側面１１８の間に、側面１１８の各部を下方側から補強・支持するためのサポート材１０６を配置する必要がある。

また、作業面１８上に直接的に三次元造形物１００を造形する場合、造形中間物１２０を載置台２０から取り外す際に本体部１１０の底面１１４が変形し、三次元造形物１００の品位を損なう可能性がある。具体的には、底面１１４に作業面１８の表面形状が転写されたり、作業面１８への固着により底面１１４の一部が欠損したりする現象が起こり得る。そこで、底面１１４と作業面１８の間に、後に除去可能なサポート材１０６からなる土台部１２４を配置する必要がある。

このように、支持部材１２２が土台部１２４を含む場合、この土台部１２４と接触する三次元造形物１００の最下面領域Ｒ内にてモデル材１０４及びサポート材１０６を混在して配置する「混在配置」を行う。この混在配置の具体的方法及びその効果については後述する。

ステップＳ４において、制御部５０は、ステップＳ３で得られた吐出データを解析し、最下面領域Ｒを形成するモデル材１０４の色を判別する。判別された色がホワイト（Ｗ）以外である場合（ステップＳ４：Ｗ以外）、ステップＳ５ａの造形処理に進む。一方、判別された色がホワイト（Ｗ）である場合（ステップＳ４：Ｗ）、ステップＳ５ｂの造形処理に進む。

この色の分類は、サポート材１０６の色との近似性に応じて予め決定されている。例えば、硬化後のサポート材１０６が白濁色を有する場合、この白濁色との色差（例えば、ＣＩＥＬＡＢ表色系のΔＥ）が閾値以下であるホワイト（Ｗ）と、この白濁色との色差が閾値を上回る「残りの色」に分類される。この実施形態では、残りの色は、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）、ブラック（Ｋ）及びクリア（ＣＬ）の５色である。

ステップＳ５ａにおいて、三次元造形装置１０は、ステップＳ３で作成された吐出データに基づいて造形処理を実行する。具体的には、三次元造形装置１０は、載置台２０及び吐出ユニット３２を三次元方向に相対移動させながら、モデル材１０４及びサポート材１０６を含む単位層１４１〜１４７をＺ方向に沿って順次積層することで積層構造体１０２を生成する。

このとき、［１］形成しようとする単位層１４１〜１４７の指定、［２］吐出ユニット３２を用いた液滴３０の吐出、［３］平坦化ローラ３４を用いた最上面１０８の平坦化、及び［４］硬化ユニット３６を用いた最上面１０８の硬化、が順次実行される。これにより、積層構造体１０２は鉛直方向（Ｚ方向）に沿って徐々に成長する。

なお、ステップＳ５ａの造形処理は、最下面領域Ｒを含む１つの単位層１４４を２つの単位層１４２、１４３に分割し、順次重ね合わせて積層する混在配置（以下「第１混在配置」という）を行う。この場合、吐出制御部６８は、この第１混在配置を実行可能となるように吐出データの一部を修正する。

図５は、最下面領域Ｒにおける吐出データの第１構造例を示す図である。より詳しくは、図５（Ａ）は分割前における単位層データ１３１を示し、図５（Ｂ）は分割後における一方の単位層データ１３２を示し、図５（Ｃ）は分割後における他方の単位層データ１３３を示す。ここで、単位層データ１３１〜１３３は、各々の単位層１４１〜１４３（図７）に対応する吐出データ（Ｐｘ−Ｐｙ平面座標系）である。

本図は、最下面領域Ｒの一部を構成する正方形状の部分領域を表している。斜線ハッチングを付したセルはサポート材１０６の吐出位置を示すと共に、格子状ハッチングを付したセルはモデル材１０４の吐出位置を示す。なお、ハッチングが付されていない残余のセルは、液滴３０の吐出がない位置を示す。

図５（Ａ）の単位層データ１３１では、１００％の吐出率（或いは、デューティ比）でサポート材１０６が隙間なく配置されている。一方、図５（Ｂ）の単位層データ１３２では、５０％の吐出率でサポート材１０６が市松模様状に配置されている。同様に、図５（Ｃ）の単位層データ１３３では、５０％の吐出率でモデル材１０４が市松模様状に配置されている。図５（Ｂ）（Ｃ）から理解されるように、単位層データ１３２、１３３は、吐出位置が相補的な関係性を有する点に留意する。

以下、第１混在配置による造形工程について、図６及び図７の時系列図を参照しながら説明する。ここでは、［１］最下面領域Ｒの直下にある単位層１４１、［２］最下面領域Ｒを含む単位層１４４、及び［３］最下面領域Ｒの直上にある単位層１４５、の積層過程について詳細に説明する。

図６（Ａ）において、駆動回路６２は、単位層データ１３１（図５（Ａ））に基づいて吐出ユニット３２の吐出制御及び硬化ユニット３６の硬化制御を行う。これにより、サポート材１０６の液滴３０が最上面１０８（不図示）に向けて隙間なく吐出された後に、最上面１０８に向けて紫外線が照射される。その結果、硬化済みのサポート材１０６からなる単位層１４１が形成される。

図６（Ｂ）において、吐出制御部６８は、単位層データ１３２（図５（Ｂ））に基づいて吐出ユニット３２の吐出制御を行う。これにより、サポート材１０６の液滴３０が単位層１４１の上に向けて市松模様状に吐出され、未硬化のサポート材１０６からなる未硬化層１４２ｄが形成される。

図６（Ｃ）において、硬化制御部７０が硬化ユニット３６の硬化制御を行うことで未硬化層１４２ｄが硬化され、硬化済みのサポート材１０６からなる単位層１４２（先行単位層）が市松模様状に形成される。

図７（Ａ）において、吐出制御部６８は、単位層データ１３３（図５（Ｃ））に基づいて吐出ユニット３２の吐出制御を行う。これにより、モデル材１０４の液滴３０が単位層１４２（市松模様状の隙間）に向けて吐出され、未硬化のモデル材１０４からなる未硬化層１４３ｄが形成される。

図７（Ｂ）において、硬化制御部７０の硬化制御により未硬化層１４３ｄが硬化され、硬化済みのモデル材１０４からなる単位層１４３（後行単位層）が市松模様状に形成される。すなわち、単位層１４２のサポート材１０６及び単位層１４３のモデル材１０４が相補的に配置されることで、１つの単位層１４４（混在単位層）が形成される。

図７（Ｃ）において、駆動回路６２の吐出制御及び硬化制御により、硬化済みのモデル材１０４からなる単位層１４５が形成される。このようにして、第１混在配置による造形処理が終了する（ステップＳ５ａ）。

以上のように、モデル材１０４とサポート材１０６の第１混在配置を行うことで、混在させない場合と比べてモデル材１０４とサポート材１０６の接触表面積が増加し、その分だけ密着性が向上する。これにより、材料毎の硬化特性の差異に起因して、土台部１２４と接触する最下面領域Ｒでの歪みが発生したとしても、土台部１２４に対する三次元造形物１００の密着性が維持され易くなる。

また、駆動回路６２は、最下面領域Ｒ内にてモデル材１０４及びサポート材１０６を市松模様状に配置するように、吐出ユニット３２及び硬化ユニット３６を制御してもよい。これにより、モデル材１０４及びサポート材１０６の配置分布が均一化されるので、密着性が更に向上する。

また、駆動回路６２は、サポート材１０６の液滴３０が市松模様状に配置された最下面領域Ｒを含む先行単位層（単位層１４２）、及びモデル材１０４の液滴３０が市松模様状に配置された最下面領域Ｒを含む後行単位層（単位層１４３）を順次重ね合わせて積層するように、吐出ユニット３２及び硬化ユニット３６を制御してもよい。これにより、硬化前におけるモデル材１０４及びサポート材１０６の合一化を防止可能となり、最下面領域Ｒ内のサポート材１０６を漏れなく除去できる。

また、駆動回路６２は、モデル材１０４とサポート材１０６の色差が閾値よりも大きい場合、単位層１４２、１４３を順次重ね合わせて積層するように、吐出ユニット３２及び硬化ユニット３６を制御してもよい。サポート材１０６の残存によって最下面領域Ｒ内の色が斑状になり、三次元造形物１００の品位が低下する可能性がある。そこで、モデル材１０４とサポート材１０６の色差が大きい場合には、上記したサポート材１０６の除去効果が顕著に現われる。

続いて、図４のステップＳ５ａとは異なる造形処理（ステップＳ５ｂ）について説明する。

ステップＳ５ｂにおいて、三次元造形装置１０は、ステップＳ３で作成された吐出データに基づいて造形処理を実行する。具体的には、三次元造形装置１０は、載置台２０及び吐出ユニット３２を三次元方向に相対移動させながら、モデル材１０４及びサポート材１０６を含む単位層１４１〜１４７をＺ方向に沿って順次積層することで積層構造体１０２を生成する。

ここで、ステップＳ５ｂの造形処理は、最下面領域Ｒを含む１つの単位層１４４を積層する混在配置（以下「第２混在配置」という）を行う。この場合、吐出制御部６８は、この第２混在配置を実行可能となるように吐出データの一部を修正する。

図８は、最下面領域Ｒにおける吐出データの第２構造例を示す図である。より詳しくは、図８（Ａ）は修正前における単位層データ１３１を示し、図８（Ｂ）は修正後における単位層データ１３４を示す。ここで、単位層データ１３１、１３４は、各々の単位層１４１、１４４（図１０）に対応する吐出データ（Ｐｘ−Ｐｙ平面座標系）である。

図８（Ａ）の単位層データ１３１では、１００％の吐出率（或いは、デューティ比）でサポート材１０６が隙間なく配置されている。一方、図８（Ｂ）の単位層データ１３４では、５０％ずつの吐出率でモデル材１０４及びサポート材１０６が市松模様状に配置されている。

以下、第２混在配置による造形工程について、図９及び図１０の時系列図を参照しながら説明する。ここでは、［１］最下面領域Ｒの直下にある単位層１４１、［２］最下面領域Ｒを含む単位層１４４、及び［３］最下面領域Ｒの直上にある単位層１４５、の積層過程について詳細に説明する。

図９（Ａ）において、駆動回路６２は、単位層データ１３１（図８（Ａ））に基づいて吐出ユニット３２の吐出制御及び硬化ユニット３６の硬化制御を行う。これにより、サポート材１０６の液滴３０が最上面１０８（不図示）に向けて隙間なく吐出された後に、最上面１０８に向けて紫外線が照射される。その結果、硬化済みのサポート材１０６からなる単位層１４１が形成される。

図９（Ｂ）において、吐出制御部６８は、単位層データ１３４（図８（Ｂ））に基づいて吐出ユニット３２の吐出制御を行う。これにより、サポート材１０６の液滴３０が単位層１４１の上に向けて市松模様状に吐出され、未硬化のサポート材１０６からなる未硬化層１４２ｄが形成される。

図９（Ｃ）において、吐出制御部６８は、単位層データ１３４（図８（Ｂ））に基づいて吐出ユニット３２の吐出制御を行う。これにより、モデル材１０４の液滴３０が単位層１４１の上（市松模様状の隙間）に向けて吐出され、未硬化のモデル材１０４からなる未硬化層１４３ｄが形成される。これにより、隣接する液滴３０同士が部分的に混合し、モデル材１０４とサポート材１０６の密着性が高まる。

図１０（Ａ）において、硬化制御部７０が硬化ユニット３６の硬化制御を行うことで、並存する未硬化層１４２ｄ、１４３ｄが同時に硬化され、硬化済みのモデル材１０４及びサポート材１０６からなる単位層１４４（混在単位層）が形成される。

図１０（Ｂ）において、駆動回路６２の吐出制御及び硬化制御により、硬化済みのモデル材１０４からなる単位層１４５が形成される。このようにして、第２混在配置による造形処理が終了する（ステップＳ５ｂ）。

以上のように、モデル材１０４とサポート材１０６の第２混在配置を行うことで、第１混在配置の場合と同様に、両者の密着性が向上する。また、最下面領域Ｒ内にてモデル材１０４及びサポート材１０６を市松模様状に配置することで、モデル材１０４及びサポート材１０６の配置分布が均一化されるので、密着性が更に向上する。

また、駆動回路６２は、モデル材１０４の液滴３０及びサポート材１０６の液滴３０が市松模様状に配置された最下面領域Ｒを含む混在単位層（単位層１４４）を積層するように、吐出ユニット３２及び硬化ユニット３６を制御してもよい。１つの混在単位層に纏めて最下面領域Ｒを形成することで、モデル材１０４とサポート材１０６の密着性が大きく向上する。

また、駆動回路６２は、モデル材１０４とサポート材１０６の色差が閾値よりも小さい場合、混在単位層を積層するように吐出ユニット３２及び硬化ユニット３６を制御してもよい。サポート材１０６の残存によって最下面領域Ｒ内の色が斑状になり、三次元造形物１００の品位が低下する可能性がある。ところが、モデル材１０４とサポート材１０６の色差が小さい場合には、サポート材１０６の残存があっても色の変化が起こらないか或いは軽微である。つまり、上記した密着性の向上効果を優先的に得ながらも、色の見栄えに関わる品位が実質的に低下しない三次元造形物１００を生成できる。

図４のステップＳ６において、積層構造体１０２の完成状態である造形中間物１２０が得られる（図３（Ｂ）参照）。ここで、造形中間物１２０は、全層における造形位置の再現性が維持されており、所望の三次元形状を有する点に留意する。

ステップＳ７において、ステップＳ６にて得られた造形中間物１２０に対してサポート材１０６（支持部材１２２）の除去処理を施す。この除去処理は、サポート材１０６の性質に応じた物理的処理又は化学的処理、具体的には、水溶、加熱、化学反応、水圧洗浄、電磁波の照射によって実現できる。

ステップＳ８において、三次元造形物１００（図３（Ａ）参照）が完成される。この三次元造形物１００は、全層における造形位置の再現性が維持されており、所望の三次元形状を有する。

＜最下面領域Ｒの表面性状＞
図１１は、最下面領域Ｒにおける三次元造形物１００の部分拡大断面図である。より詳しくは、図１１（Ａ）は第１混在配置を用いて生成された三次元造形物１００に関する図であり、図１１（Ｂ）は第２混在配置を用いて生成された三次元造形物１００に関する図である。

図１１（Ａ）に示すように、三次元造形物１００の底面１１４（最下面領域Ｒ）では、単位層１４１、１４２のサポート材１０６が漏れなく除去されている。つまり、同色の単位層１４３、１４４が外部に露呈しているので、最下面領域Ｒ内における色の均一性が保たれる。特に、モデル材１０４とサポート材１０６の色差が大きい場合には、上記したサポート材１０６の除去効果が顕著に現われる。

図１１（Ｂ）に示すように、三次元造形物１００の底面１１４（最下面領域Ｒ）では、単位層１４１のサポート材１０６のみが除去されている。この場合、単位層１４２のサポート材１０６が残存しているので、市松模様状の単位層１４４が外部に露呈している。ところが、ホワイト（Ｗ）とサポート材１０６の色差が十分に小さいため、最下面領域Ｒ内における色の均一性が保たれる。

＜この実施形態による効果＞
以上のように、三次元造形装置１０は、硬化性のモデル材１０４及び／又は硬化性のサポート材１０６を含む単位層１４１〜１４７を順次積層して得た造形中間物１２０から、サポート材１０６で構成される支持部材１２２を除去することで、モデル材１０４で構成される三次元造形物１００を生成する。

この三次元造形装置１０は、［１］単位層１４１〜１４７を積層してなる積層構造体１０２を載置可能な載置台２０と、［２］載置台２０に対して相対移動しながら、モデル材１０４の液滴３０及びサポート材１０６の液滴３０を積層構造体１０２の最上面１０８に向けて吐出する吐出ユニット３２と、［３］最上面１０８にあるモデル材１０４及びサポート材１０６を硬化する硬化ユニット３４と、［４］造形中間物１２０の一部をなす支持部材１２２が、三次元造形物１００と載置台２０の間に配置される土台部１２４を含んで構成される場合、土台部１２４と接触する三次元造形物１００の最下面領域Ｒ内にてモデル材１０４及びサポート材１０６を混在して配置するように、吐出ユニット３２及び硬化ユニット３４を制御する駆動回路６２と、を備える。

また、この三次元造形装置１０を用いた三次元造形方法は、［１］載置台２０に対して相対移動しながら液滴３０を最上面１０８に向けて吐出する吐出工程と、［２］最上面１０８にあるモデル材１０４及びサポート材１０６を硬化する硬化工程と、［３］支持部材１２２が土台部１２４を含んで構成される場合、最下面領域Ｒ内にてモデル材１０４及びサポート材１０６を混在して配置するように、吐出ユニット３２及び硬化ユニット３６を制御する混在配置工程と、を備える。

上記した第１混在配置又は第２混在配置を行うことで、混在させない場合と比べてモデル材１０４とサポート材１０６の接触表面積が増加し、その分だけ密着性が向上する。これにより、モデル材１０４及びサポート材１０６を硬化する前に特別な物理的処理を施すことなく、土台部１２４と接触する最下面領域Ｒにおける密着性が十分な三次元造形物１００を生成できる。

［備考］
なお、この発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。

例えば、この実施形態では、載置台２０及び吐出ユニット３２の両方とも移動可能であるが、一方が固定された状態下に他方が移動可能であってもよいし、３つの移動方向（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向）の組み合わせは任意である。

１０‥三次元造形装置 １２‥載置部
１４‥キャリッジ １６‥キャリッジ駆動部
１８‥作業面 ２０‥載置台
２２‥ステージ駆動部 ２４‥ガイドレール
２６‥スライダ ２８‥キャリッジレール
３０‥液滴 ３２‥吐出ユニット（吐出手段）
３４‥平坦化ローラ ３６‥硬化ユニット（硬化手段）
４０、４２‥吐出ヘッド ４４‥ノズル
４６‥ノズル列 ５０‥制御部
６０‥三次元駆動部 ６２‥駆動回路（混在配置手段）
６４‥データ処理部 ６６‥配置決定部
６８‥吐出制御部 ７０‥硬化制御部
１００‥三次元造形物 １０２‥積層構造体
１０４‥モデル材 １０６‥サポート材
１０８‥最上面 １１０‥本体部
１１２‥外表面 １２０‥造形中間物
１２２‥支持部材 １２４‥土台部
１３１、１３２‥単位層データ １４１、１４５〜１４７‥単位層
１４２‥単位層（先行単位層） １４２ｄ、１４３ｄ‥未硬化層
１４３‥単位層（後行単位層） １４４‥単位層（混在単位層）
Ｒ‥最下面領域

Claims (6)

1. 硬化性のモデル材及び／又は硬化性のサポート材を含む単位層を順次積層して得た造形中間物から、前記サポート材で構成される支持部材を除去することで、主に前記モデル材で構成される三次元造形物を生成する三次元造形装置であって、
   前記単位層を積層してなる積層構造体を載置可能な載置台と、
   前記載置台に対して相対移動しながら、前記モデル材の液滴及び前記サポート材の液滴を前記積層構造体の最上面に向けて吐出する吐出手段と、
   前記最上面にある前記モデル材及び前記サポート材を硬化する硬化手段と、
   前記造形中間物の一部をなす前記支持部材が、前記三次元造形物と前記載置台の間に配置される土台部を含んで構成される場合、該土台部と接触する前記三次元造形物の最下面領域内にて前記モデル材及び前記サポート材を混在して配置するように、前記吐出手段及び前記硬化手段を制御する混在配置手段と、を備え、
   前記混在配置手段は、前記最下面領域内にて前記モデル材及び前記サポート材を市松模様状に配置するように、前記吐出手段及び前記硬化手段を制御することを特徴とする三次元造形装置。
2. 前記混在配置手段は、前記サポート材の液滴が市松模様状に配置された前記最下面領域を含む先行単位層、及び前記モデル材の液滴が市松模様状に配置された前記最下面領域を含む後行単位層を順次重ね合わせて積層するように、前記吐出手段及び前記硬化手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の三次元造形装置。
3. 前記混在配置手段は、前記モデル材と前記サポート材の色差が閾値よりも大きい場合、前記先行単位層及び前記後行単位層を順次重ね合わせて積層するように、前記吐出手段及び前記硬化手段を制御することを特徴とする請求項２に記載の三次元造形装置。
4. 前記混在配置手段は、前記モデル材の液滴及び前記サポート材の液滴が市松模様状に配置された前記最下面領域を含む混在単位層を積層するように、前記吐出手段及び前記硬化手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の三次元造形装置。
5. 前記混在配置手段は、前記モデル材と前記サポート材の色差が閾値よりも小さい場合、前記混在単位層を積層するように前記吐出手段及び前記硬化手段を制御することを特徴とする請求項４に記載の三次元造形装置。
6. 硬化性のモデル材及び／又は硬化性のサポート材を含む単位層を順次積層して得た造形中間物から、前記サポート材で構成される支持部材を除去することで、主に前記モデル材で構成される三次元造形物を生成する三次元造形方法であって、
   前記単位層を積層してなる積層構造体を載置可能な載置台に対して相対移動しながら、前記モデル材の液滴及び前記サポート材の液滴を前記積層構造体の最上面に向けて吐出する吐出工程と、
   前記最上面にある前記モデル材及び前記サポート材を硬化する硬化工程と、
   前記造形中間物の一部をなす前記支持部材が、前記三次元造形物と前記載置台の間に配置される土台部を含んで構成される場合、該土台部と接触する前記三次元造形物の最下面領域内にて前記モデル材及び前記サポート材を混在して配置するように、前記吐出工程及び前記硬化工程を制御する混在配置工程と、を備え、
   前記混在配置工程は、前記最下面領域内にて前記モデル材及び前記サポート材を市松模様状に配置するように、前記吐出工程及び前記硬化工程を制御することを特徴とする三次元造形方法。

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