JP6809858B2

JP6809858B2 - 三次元造形方法

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Publication number: JP6809858B2
Application number: JP2016192761A
Authority: JP
Inventors: 一樹直木
Original assignee: Screen Holdings Co Ltd
Current assignee: Screen Holdings Co Ltd
Priority date: 2016-09-30
Filing date: 2016-09-30
Publication date: 2021-01-06
Anticipated expiration: 2036-09-30
Also published as: JP2018052026A

Description

本発明は、モデル材およびサポート材を積層して造形物を形成する三次元造形方法に関する。

近年、３Ｄプリンティング等の三次元造形技術が急速に普及している。三次元造形により得られる造形物は、例えば、工業製品の試作品、展示品、医療用模型などに利用される。三次元造形の方式としては、インクジェット方式、光造形方式、粉末方式等が知られている。

一般的に、インクジェット方式の三次元造形装置は、吐出ヘッドからモデル材を吐出することでモデル材層を形成し、当該モデル材層を積み重ねることで、指定された立体形状の造形物を製造する。具体的には、造形ステージ上に紫外線硬化型のモデル材を吐出することでモデル材層を形成する。そして、当該モデル材層に紫外線を照射することで、モデル材層を硬化させる。このような、モデル材の吐出処理および照射部による紫外線照射処理を繰り返すことで、造形ステージ上に造形物が形成される。インクジェット方式の三次元造形技術については、例えば、特許文献１に記載される。

特許文献１に記載の三次元造形システムは、立体造形物を形成する三次元造形装置、および三次元造形装置に設定データを送出する設定データ作成装置によって構成される。三次元造形装置は、モデル材およびサポート材をそれぞれ吐出するノズル、吐出された造形材から余剰分を掻き取り表面を平滑化するローラ部、および造形材を硬化させる硬化手段を有するヘッド部と、造形材を造形プレートの適切な位置に吐出させるためにヘッド部を移動させる水平駆動手段と、ヘッド部と造形プレートとの高さ方向の相対位置を移動させる垂直駆動手段とを有する。

また、設定データ作成装置は、ＣＡＤデータ等の三次元データを取得する入力手段と、三次元データに従ってオブジェクトの最適な位置と姿勢を演算する演算手段と、演算手段で演算された最適位置及び最適姿勢をユーザが微調整し、あるいは所望の位置と姿勢を手動で調整するための調整手段と、決定された位置と姿勢に従って三次元造形装置を駆動するためのデータを三次元造形装置に向けて出力する出力手段とを有する。

特開２０１２−０９６４２６号公報

特許文献１の三次元造形装置では、吐出されたモデル材およびサポート材の表面にローラ部を接触させ、余剰分を掻き取ることにより、表面を平滑化している。しかしながら、モデル材およびサポート材を積層する造形プレートの上面とローラ部とが水平方向に互いに平行に配置されていない場合、積層の初期段階で掻き取り量にばらつきが生じてしまい、下面が傾斜した精度の低い造形物が形成される虞がある。

一般に、三次元造形物の形成にあたっては、μｍ単位の高い精度が求められる。しかしながら、機械的な調整だけで、μｍ単位の高い精度で造形ステージおよびローラ等の位置関係を調整することは困難である。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、造形ステージとローラとの間の平行度が低い場合であっても、精度の高い造形物を形成できる三次元造形方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本願の第１発明は、モデル材およびサポート材を積層して造形物を形成する三次元造形方法であって、１）造形ステージの上面にサポート層を形成する工程と、２）前記サポート層の上部に前記造形物層を形成する工程と、を有し、前記工程１）は、ａ）前記造形ステージに向けて、前記モデル材および前記サポート材または前記サポート材のみを吐出して、少なくとも上面が前記サポート材からなるサポート層を形成する工程と、ｂ）所定の高さにおいて回転するローラの外周面に、前記サポート層の前記上面を接触させつつ、前記ローラに対して前記造形ステージを水平方向に相対移動させて、前記サポート層の前記上面を平坦化し、かつ前記ローラと平行な面にする工程と、を有し、前記工程２）は、ｃ）前記工程１）において形成された前記サポート層の上部に、前記モデル材および前記サポート材を吐出して、造形物層を形成する工程と、ｄ）前記ローラの外周面に、前記造形物層の上面を接触させつつ、前記ローラに対して前記造形ステージを相対移動させて、前記造形物層の前記上面を平坦化する工程と、ｅ）前記工程ｃ）および前記工程ｄ）を１または複数回行った後、前記造形ステージ上の前記サポート材を除去する工程と、を有し、前記工程１）において、前記造形ステージの高さは一定であり、前記工程２）において、前記工程ｃ）および前記工程ｄ）を実行するたびに、前記造形ステージを下方に移動させる。

本願の第２発明は、モデル材およびサポート材を積層して造形物を形成する三次元造形方法であって、１）造形ステージの上面にサポート層を形成する工程と、２）前記サポート層の上部に前記造形物層を形成する工程と、を有し、前記工程１）は、ａ）前記造形ステージに向けて、前記モデル材および前記サポート材または前記サポート材のみを吐出して、少なくとも上面が前記サポート材からなるサポート層を形成する工程と、ｂ）所定の高さにおいて回転するローラの外周面に、前記サポート層の前記上面を接触させつつ、前記ローラに対して前記造形ステージを水平方向に相対移動させて、前記サポート層の前記上面を平坦化する工程と、を有し、前記工程２）は、ｃ）前記工程１）において形成された前記サポート層の上部に、前記モデル材および前記サポート材を吐出して、造形物層を形成する工程と、ｄ）前記ローラの外周面に、前記造形物層の上面を接触させつつ、前記ローラに対して前記造形ステージを相対移動させて、前記造形物層の前記上面を平坦化する工程と、ｅ）前記工程ｃ）および前記工程ｄ）を１または複数回行った後、前記造形ステージ上の前記サポート材を除去する工程と、を有し、前記サポート層の最下層は、前記モデル材のみからなる。

本願の第３発明は、モデル材およびサポート材を積層して造形物を形成する三次元造形方法であって、１）造形ステージの上面にサポート層を形成する工程と、２）前記サポート層の上部に前記造形物層を形成する工程と、を有し、前記工程１）は、ａ）前記造形ステージに向けて、前記モデル材および前記サポート材または前記サポート材のみを吐出して、少なくとも上面が前記サポート材からなるサポート層を形成する工程と、ｂ）所定の高さにおいて回転するローラの外周面に、前記サポート層の前記上面を接触させつつ、前記ローラに対して前記造形ステージを水平方向に相対移動させて、前記サポート層の前記上面を平坦化する工程と、を有し、前記工程２）は、ｃ）前記工程１）において形成された前記サポート層の上部に、前記モデル材および前記サポート材を吐出して、造形物層を形成する工程と、ｄ）前記ローラの外周面に、前記造形物層の上面を接触させつつ、前記ローラに対して前記造形ステージを相対移動させて、前記造形物層の前記上面を平坦化する工程と、ｅ）前記工程ｃ）および前記工程ｄ）を１または複数回行った後、前記造形ステージ上の前記サポート材を除去する工程と、を有し、前記サポート層の最下層は、前記モデル材および前記サポート材からなる。

本願の第４発明は、第１発明から第３発明までのいずれか１発明の三次元造形方法であって、前記工程１）において、前記サポート層の上面と前記ローラの外周面との接触の有無が、監視カメラにより得られる画像に基づいて判定される。

本願の第１発明〜第４発明によれば、造形ステージの上面に予めサポート層を形成して、サポート層とローラとを接触させることで、サポート層の上面を平坦かつローラと平行な面にすることにより、精度の高い造形物を形成できる。

また、造形ステージと造形物との間に介在するサポート層の少なくとも上面をサポート材のみからなる層にすることで、造形物を造形ステージから容易に取り外すことができる。

三次元造形装置の構成を示した図である。積層装置の構成を示した図である。造形ステージ、昇降機構および移動機構の正面図である。造形ステージ、昇降機構および移動機構の側面図である。制御部と積層装置内の各部との接続を示したブロック図である。造形ステージ、ローラ、およびサポート層の縦断面図である。インクジェット方式の三次元造形の過程を示したフローチャートである。変形例に係る造形ステージおよびサポート層の縦断面図である。変形例に係る造形ステージおよびサポート層の縦断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、本明細書では、
水平方向に沿って往復移動する造形ステージの、往路方向を前方とし、復路方向を後方として、各部の位置関係を説明する。

＜１．三次元造形装置の構成＞
図１は、本実施形態に係る三次元造形装置２の構成を示した図である。この三次元造形装置２は、搬入装置３、積層装置１、搬送装置４、洗浄装置５、および搬出装置６を有する。

搬入装置３は、後述する造形ステージ１０を積層装置１に搬送する装置である。搬入装置３は、搬送機構３０１を有する。搬送機構３０１は、例えば、ロボット機構、ローラ機構等により構成される。ただし、搬送機構３０１は、他の機構により構成されてもよい。造形ステージ１０は、外部から搬入装置３内に搬入されると、搬送機構３０１により、積層装置１に搬送される。なお、積層装置１の構成については、後述する。

搬送装置４は、造形ステージ１０を積層装置１から洗浄装置５へと搬送する装置である。搬送装置４は、搬送機構４０１を有する。搬送機構４０１は、例えば、ロボット機構、ローラ機構等により構成される。ただし、搬送機構４０１は、他の機構により構成されてもよい。積層装置１により、造形ステージ１０の上面に材料層９からなる立体物が形成されると、造形ステージ１０は、搬送機構４０１により洗浄装置５に搬送される。

洗浄装置５は、材料層９からなる立体物からサポート材を除去する装置である。洗浄装置５は、薬液５０２に満たされた処理槽５０１を有する。造形ステージ１０が洗浄装置内に搬入されると、立体物は処理槽５０１の薬液５０２中に浸漬される。これにより、立体物からサポート材が除去される。その結果、造形ステージ１０の上面にモデル材からなる造形物９１が形成される。その後、造形ステージ１０は、搬出装置６の搬送機構６０１により、装置外部へと搬出される。

＜２．積層装置の構成＞
続いて、積層装置１の構成について説明する。図２は、本実施形態に係る積層装置１の構成を示した図である。この積層装置１は、三次元造形における造形物９１の製造工程において、モデル材およびサポート材からなる立体物を形成する装置である。本実施形態のモデル材およびサポート材は、いずれも紫外線硬化型の材料である。モデル材は、目的とする造形物を構成する材料である。サポート材は、造形物の製造中にモデル材が崩れたり撓んだりすることを防止するために、モデル材を支持する材料である。立体物は、サポート材およびモデル材からなる材料層９を積層することで形成される。後述のとおり、材料層９は、造形物９１を形成するための造形物層９０と、造形物層９０と造形ステージ１０との間に介在するサポート層９２とを含む。

図２に示すように、本実施形態の積層装置１は、造形ステージ１０、吐出ヘッド２０、照射部３０、ローラ４０、昇降機構５０、移動機構６０および制御部８０を有する。

造形ステージ１０は、材料層９を支持する支持台である。造形ステージ１０は、水平に広がる上面を有する。図２の矢印および破線矢印に示すように、造形ステージ１０は前後方向および下方に移動しつつ、上面に材料層９が順次積層形成される。これにより、造形ステージ１０の上面に立体物が形成される。なお、後述する紫外線の反射を抑制するために、造形ステージ１０の表面には、黒色の皮膜処理や、黒色フィルムの貼り付け等の、反射防止処理がされていてもよい。

吐出ヘッド２０は、サポート材およびモデル材を吐出することで、造形ステージ１０の上面に材料層９を形成する。吐出ヘッド２０は造形ステージ１０の上方に配置される。本実施形態では、吐出ヘッド２０は、モデル材を吐出する第１吐出ヘッド２１と、第１吐出ヘッド２１の前方に配置され、サポート材を吐出する第２吐出ヘッド２２を有する。第１吐出ヘッド２１は、前後方向に移動する造形ステージ１０の上面に、モデル材の液滴を選択的に吐出する。第２吐出ヘッド２２は、前後方向に移動する造形ステージ１０の上面に、サポート材の液滴を選択的に吐出する。

照射部３０は、造形ステージ１０の上面に形成された材料層９に紫外線を照射する機構である。照射部３０は、後述する制御部８０によって、照射タイミングや発光強度が制御される。本実施形態の照射部３０の光源としては、ＵＶランプが用いられる。ただし、照射部３０の光源には、メタルハライドランプ、キセノンランプまたはＬＥＤランプ等を用いてもよい。図２に示すように、本実施形態では、一つの照射部３０が、積層装置１の前後方向の中央付近に配置される。具体的には、一つの照射部３０は、造形ステージ１０の上方、かつ第１吐出ヘッド２１と第２吐出ヘッド２２の間に配置される。

ローラ４０は、円筒状の外周面を有する回転体である。ローラ４０の材料には、例えば、材料層９よりも硬度の高いＳＵＳ等の金属が用いられる。図２に示すように、本実施形態のローラ４０は、第１吐出ヘッド２１の後方に配置される第１ローラ４１と、照射部３０と第２吐出ヘッド２２との間に配置される第２ローラ４２と、を有する。図２に示すように、ローラ４０は、水平に延びる回転軸を中心として、回転可能に支持される。なお、本実施形態では、２つのローラ４０が設けられているが、ローラ４０は１つであっても、３つ以上であってもよい。

ローラ４０は、例えば、図示を省略したモータ等の駆動源と接続されている。そして、当該モータを駆動させると、当該モータの出力軸とともにローラ４０が回転軸を中心に回転する。後述のとおり、造形ステージ１０に向けてモデル材およびサポート材が吐出された後、積層された材料層９の上面に対して、ローラ４０による平坦化処理が行われる。平坦化処理を行うときには、造形ステージ１０を前後方向に移動させて、材料層９の上面にローラ４０を接触させつつ、ローラ４０を回転させる。これにより、材料層９の上面は平坦化される。

昇降機構５０は、造形ステージ１０を上下に移動させる機構である。図３は、造形ステージ１０、昇降機構５０および移動機構６０の正面図である。図４は、造形ステージ１０、昇降機構５０および移動機構６０の側面図である。本実施形態の昇降機構５０には、モータの回転運動をボールねじを介して直進運動に変換する機構が用いられる。造形ステージ１０は、保持部５１上に支持される。保持部５１は、ボールねじの外周面に設けられた螺旋状のねじ溝と噛み合うように、ボールねじに取り付けられている。図示を省略したモータを駆動させると、ボールねじがその軸心周りに回転する。これにより、保持部５１および造形ステージ１０が、ボールねじに沿って上下方向に移動する。ただし、昇降機構５０には、リニアモータ等の他の機構を用いてもよい。

移動機構６０は、造形ステージ１０を前後方向に往復移動させる機構である。本実施形態の移動機構６０には、リニアモータ機構が用いられる。移動機構６０は、ガイド６１、駆動部６２および接続部６３により構成される。接続部６３は、駆動部６２と、昇降機構５０の筐体とを接続する。リニアモータを駆動すると、駆動部６２がガイド６１に沿って前後に移動する。これにより、駆動部６２に接続された昇降機構５０および造形ステージ１０が、一体として、ガイド６１に沿って前後方向に移動する。ただし、移動機構６０には、ボールねじ等の他の機構を用いてもよい。

制御部８０は、積層装置１内の各部を動作制御するための手段である。図５は、制御部８０と、積層装置１内の各部との接続を示したブロック図である。図５中に概念的に示したように、制御部８０は、ＣＰＵ等の演算処理部８１、ＲＡＭ等のメモリ８２およびハードディスクドライブ等の記憶部８３を有するコンピュータにより構成される。記憶部８３内には、積層装置１による各処理を実行するためのコンピュータプログラムＰが、インストールされている。

図５に示すように、制御部８０は、吐出ヘッド２０、照射部３０、ローラ４０、昇降機構５０および移動機構６０と、それぞれ通信可能に接続されている。制御部８０は、記憶部８３に記憶されたコンピュータプログラムＰやデータをメモリ８２に一時的に読み出し、当該コンピュータプログラムＰに基づいて、演算処理部８１が演算処理を行うことにより、上記の各部を動作制御する。これにより、造形ステージ１０の搬送処理、モデル材およびサポート材の吐出処理、紫外線照射処理および平坦化処理が進行する。

＜３．材料層の構成＞
続いて、材料層９の構成について説明する。図６は、本実施形態に係る造形ステージ１０、ローラ４０、およびサポート層９２の縦断面図である。図６に示すとおり、この積層装置１は、造形ステージ１０の上面と、造形物９１を形成するための造形物層９０との間に、予めサポート層９２を形成する。

後述のように、造形ステージ１０の上面にサポート層９２を形成する際には、サポート層９２とローラ４０とを接触させつつ、造形ステージ１０を前後方向に移動させる。これにより、サポート層９２の上面を平坦に、かつローラ４０と平行な面にする。そして、その上でサポート層９２の上部に造形物層９０を形成するとともに、サポート層９２の上面と平行になっているローラ４０を用いて、造形物層９０の平坦化処理を行う。これにより、精度の高い造形物９１を形成できる。

なお、サポート層９２は、造形ステージ１０の上面にサポート剤を１または複数層分吐出し、平坦化処理および紫外線照射処理を行うことによって形成される。しかし、サポート層９２は、サポート材のみではなく、サポート材に加えてモデル材も合わせて造形ステージ１０上に吐出して、形成されてもよい。ただし、サポート層９２の少なくとも上面を含む最上層は、サポート材のみで形成される。サポート層９２の上面は、造形物層９０の下面に接触する面である。洗浄液等を用いて容易に除去することができるサポート材を、造形物層９０の下面全体に接触させることで、最終的に造形物９１を造形ステージ１０から取り外すことが容易になる。

＜４．積層処理について＞
次に、上記の積層装置１による積層処理について説明する。図７は、三次元造形処理の過程を示したフローチャートである。三次元造形処理を行うときは、まず、材料層９の各層の設計データを用意する。そして、当該設計データに基づいて、造形ステージ１０の上面に、まずサポート層９２を形成し、そのサポート層９２の上部に造形物層９０を形成する。

造形物層９０の積層時には、造形ステージ１０を前後方向に一往復させるたびに、造形ステージ１０を下方に移動させる。しかしながら、サポート層９２の積層時には、造形ステージ１０を下降させず予め設定した一定の高さに保った状態で、造形ステージ１０の上面にサポート層９２を積層する。制御部８０内には、サポート層９２の上面がローラ４０に接触するまでの積層回数「Ｎ」が、予め設定されている。ただし、サポート層９２の積層処理の間に、造形ステージ１０の下降が１回以上実行されてもよい。

＜４−１．サポート層の積層処理について＞
造形ステージ１０の上面にサポート層９２を形成する工程について具体的に説明する。図７に示すとおり、まず、移動機構６０は、造形ステージ１０を、開始位置である後方端（図２参照）から前方に向けて移動させる。そうすると、造形ステージ１０は、第１ローラ４１の下方を通過する。この段階では、造形ステージ１０は、第１ローラ４１の外周面と接触することなく、第１ローラ４１の下方を通過する。続いて、移動機構６０は、造形ステージ１０をさらに前方へと移動させ、第１吐出ヘッド２１の下方、照射部３０の下方、および第２ローラ４２の下方を通過させる。この段階では、造形ステージ１０の上面に向けて、モデル材の液滴の吐出、および照射部３０による紫外線の照射はされない。また、第２ローラ４２の外周面とは接触しない。

続いて、移動機構６０は、造形ステージ１０をさらに前方へと移動させ、第２吐出ヘッド２２の下方を通過させる。そして、第２吐出ヘッド２２は、下方を通過する造形ステージ１０の上面に向けて、サポート材の液滴を吐出する（ステップＳ１）。これにより、サポート層９２のうち１層分のサポート材の層が形成される。１層分のサポート材の層が形成されると、移動機構６０は造形ステージ１０を前方端まで移動させる。

次に、移動機構６０は、造形ステージ１０を後方へと移動させ、再度、第２吐出ヘッド２２の下方を通過させる。第２吐出ヘッド２２は、下方を通過する造形ステージ１０の上面に向けて、サポート材の液滴を吐出する（ステップＳ２）。これにより、２層目のサポート材の層が形成される。

続いて、移動機構６０は、造形ステージ１０をさらに後方へと移動させる。そうすると、造形ステージ１０は、第２ローラ４２の下方を通過する。サポート層９２の上面がローラ４０に接触するまでの積層回数「Ｎ」が２よりも大きい場合、造形ステージ１０は、第２ローラ４２の外周面と接触することなく、第２ローラ４２の下方を通過する（ステップＳ３）。

続いて、移動機構６０は造形ステージ１０をさらに後方へと移動させ、照射部３０の下方を通過させる。照射部３０は、下方を通過する造形ステージ１０へ向けて紫外線を照射する（ステップＳ４）。これにより、造形ステージ１０の上面に形成された２層分のサポート材の層が硬化する。

続いて、移動機構６０は、造形ステージ１０をさらに後方へと移動させ、第１吐出ヘッド２１の下方、および第１ローラ４１の下方を通過させる。この段階では、造形ステージ１０の上面に向けて、モデル材の液滴の吐出はされない。また、サポート層９２の上面がローラ４０に接触するまでの積層回数「Ｎ」が２よりも大きい場合、造形ステージ１０は、第１ローラ４１の外周面と接触することなく、第１ローラ４１の下方を通過する。

次に、制御部８０は、積層すべき次のサポート材の層があるか否かを確認する（ステップＳ５）。そして、積層すべき次のサポート材の層がある場合は、ステップＳ１に戻り、ステップＳ１〜Ｓ４の処理を繰り返すことにより、サポート材の層をさらに積層する。

造形ステージ１０の上面にサポート材の層がＮ層分積層されると、移動機構６０により造形ステージ１０が後方へと移動する際、サポート材の層の上面と、第２ローラ４２の外周面とが接触する。その結果、サポート材の層の上面が第２ローラ４２により平坦化される（ステップＳ３）。このとき、図２中に矢印で示したように、第２ローラ４２は、造形ステージ１０の後方への移動の向きに逆らう向きに回転している。これにより、サポート材の層を効果的に平坦化できる。

このように、所定の高さにおいて回転するローラ４０の外周面に、サポート材の層の上面を接触させつつ、ローラ４０に対して造形ステージ１０を水平方向に相対移動させてサポート材の層の上面を平坦化することによって、サポート層９２の形成が完了する。その後、移動機構６０により、造形ステージ１０が後方端に戻される。

なお、本実施形態では、サポート層９２の上面がローラ４０に接触するまでの積層回数「Ｎ」を予め設定していた。しかしながら、ステップＳ１〜Ｓ４の処理を繰り返す過程においてサポート層９２の上面がローラ４０に接触したかどうかを監視カメラにより得られる画像に基づいて判定するようにしてもよい。例えば、制御部８０が監視カメラにより得られる画像に基づいて接触の有無を自動的に判定し、サポート層９２を形成する工程が完了したかどうかを判断するようにしてもよい。

＜４−２．造形物層の積層処理について＞
次に、サポート層９２の上部に造形物層９０を形成する工程について具体的に説明する。

サポート層９２が形成された後、昇降機構５０は、サポート層９２が第１ローラ４１および第２ローラ４２と接触しない高さまで、造形物層９０のうち２層分の高さだけ造形ステージ１０を下降させる（ステップＳ６）。そして、移動機構６０は、造形ステージ１０を、後方端から前方に向けて移動させる。そうすると、造形ステージ１０は、第１ローラ４１の下方を通過する。ここで、造形ステージ１０は、造形物層９０のうち２層分の高さだけ下降している。このため、造形ステージ１０およびサポート層９２は、第１ローラ４１の外周面と接触することなく、第１ローラ４１の下方を通過する。そして、第１吐出ヘッド２１は、下方を通過するサポート層９２の上面に向けて、設計データに基づいて、モデル材の液滴を吐出する（ステップＳ７）。これにより、設計データの形状に応じた１層分のモデル材の層が形成される。

続いて、移動機構６０は造形ステージ１０をさらに前方へと移動させ、照射部３０の下方を通過させる。照射部３０は、下方を通過する造形ステージ１０へ向けて紫外線を照射する（ステップＳ８）。これにより、サポート層９２の上面に形成されたモデル材の層が硬化する。

続いて、移動機構６０は、造形ステージ１０をさらに前方へと移動させる。そうすると、造形ステージ１０は、第２ローラ４２の下方を通過する。ここで、造形ステージ１０は、造形物層９０のうち２層分の高さだけ下降している。このため、サポート層９２の上面に形成された１層分のモデル材の層は、第２ローラ４２の外周面と接触することなく、第２ローラ４２の下方を通過する。

続いて、移動機構６０は、造形ステージ１０をさらに前方へと移動させ、第２吐出ヘッド２２の下方を通過させる。第２吐出ヘッド２２は、下方を通過するサポート層９２の上面に向けて、設計データに基づいて、サポート材の液滴を吐出する（ステップＳ９）。これにより、設計データの形状に応じた１層分のサポート材の層が形成される。１層分のサポート材の層が形成されると、移動機構６０は造形ステージ１０を前方端まで移動させる。

次に、移動機構６０は、造形ステージ１０を後方へと移動させ、再度、第２吐出ヘッド２２の下方を通過させる。第２吐出ヘッド２２は、下方を通過するサポート層９２の上面に向けて、設計データに基づいて、サポート材の液滴を吐出する（ステップＳ１０）。これにより、設計データの形状に応じた、２層目のサポート材の層が形成される。

続いて、移動機構６０は、造形ステージ１０をさらに後方へと移動させる。これにより、２層目のサポート材の層の上面と、第２ローラ４２の外周面とが接触する。その結果、サポート材の層の上面が第２ローラ４２により平坦化される（ステップＳ１１）。このとき、図２中に矢印で示したように、第２ローラ４２は、造形ステージ１０の後方への移動の向きに逆らう向きに回転している。これにより、サポート材の層を効果的に平坦化できる。このように、第２ローラ４２の外周面に、２層分のサポート材の層の上面を接触させつつ、第２ローラ４２に対して造形ステージ１０を相対移動させて、２層分のサポート材の層の上面を平坦化する。

続いて、移動機構６０は造形ステージ１０をさらに後方へと移動させ、再度、照射部３０の下方を通過させる。照射部３０は、下方を通過する造形ステージ１０へ向けて紫外線を照射する（ステップＳ１２）。これにより、サポート層９２の上面に形成された、２層分のサポート材の層が硬化する。

続いて、移動機構６０は造形ステージ１０をさらに後方へと移動させ、再度、第１吐出ヘッド２１の下方を通過させる。第１吐出ヘッド２１は、下方を通過するサポート層９２の上面に向けて、設計データに基づいて、モデル材の液滴を吐出する（ステップＳ１３）。これにより、設計データの形状に応じた、２層目のモデル材の層が形成される。

続いて、移動機構６０は、造形ステージ１０をさらに後方へと移動させる。これにより、２層目のモデル材の層の上面と、第１ローラ４１の外周面とが接触する。その結果、モデル材の層の上面が第１ローラ４１により平坦化される（ステップＳ１４）。このとき、図２中に矢印で示したように、第１ローラ４１は、造形ステージ１０の後方への移動の向きに逆らう向きに回転している。これにより、モデル材の層を効果的に平坦化できる。このように、第１ローラ４１の外周面に、２層分のモデル材の層の上面を接触させつつ、第１ローラ４１に対して造形ステージ１０を相対移動させて、２層分のモデル材の層の上面を平坦化する。モデル材の層が平坦化されると、移動機構６０は造形ステージ１０を後方端まで移動させる。

次に、制御部８０は、積層すべき次のモデル材またはサポート材の層があるか否かを確認する（ステップＳ１５）。そして、積層すべき次の層がある場合は、ステップＳ６に戻り、昇降機構５０が、造形ステージ１０を造形物層９０のうち２層分の高さ分だけ下降させる。このように、ステップＳ７〜Ｓ１４の処理を実行するたびに、造形ステージ１０を下方に移動させる。そして、ステップＳ７〜Ｓ１４の処理を繰り返すことにより、造形物層９０の各層をさらに積層する。

一方で、造形物層９０のうちの全ての層の積層が完了すると、昇降機構５０は、造形物層９０が第１ローラ４１および第２ローラ４２と接触しない高さまで、造形ステージ１０を下降させる（ステップＳ１６）。そして、移動機構６０は造形ステージ１０をさらに前方へと移動させ、照射部３０の下方を通過させる。照射部３０は、下方を通過する造形ステージ１０へ向けて紫外線を照射する（ステップＳ１７）。これにより、造形ステージ１０の上面に形成された、最後のモデル材の層が硬化する。その結果、造形ステージ１０の上面に、モデル材およびサポート材からなる多層体である立体物が形成される。

その後、立体物を洗浄装置５へ移動させて、洗浄液中に立体物を浸漬する。これにより、モデル材およびサポート材からなる多層体からサポート材を除去する（ステップＳ１８）。そうすると、モデル材およびサポート材のうち、モデル材の部分のみが残り、設計データに応じた形状の造形物９１が得られる。なお、造形物層９０と造形ステージ１０との間に、少なくとも上面がサポート材のみからなるサポート層９２を有することで、造形ステージ１０から造形物９１を、容易に切り離すことができる。

以上のように、この積層装置１では、造形ステージ１０の上面に、まずサポート層９２を形成し、サポート層９２の上面をローラ４０で平坦化した後に、造形物層９０を形成する。このため、仮に、ローラ４０の外周面に対して造形ステージ１０の上面が傾いていたとしても、サポート層９２の上面は、ローラ４０の外周面と平行に形成される。すなわち、造形ステージ１０の上面とローラ４０の外周面との平行度の誤差が、サポート層９２を形成することで、相殺される。したがって、ローラ４０の外周面と平行な面の上に、造形物層９０を形成することができる。このようにすれば、造形物９１の下面が傾斜することはなく、精度の高い造形物９１を形成できる。

また、この積層装置１では、第１吐出ヘッド２１と第２吐出ヘッド２２の間に配置される、一つの照射部３０により、サポート材およびモデル材を硬化させることができる。したがって、高価な照射部の数を抑えることができる。その結果、積層装置および三次元造形装置の製造コストを低減できる。さらに、積層装置および三次元造形装置を小型化することができる。

また、この積層装置１では、モデル材またはサポート材の層を２層分形成した後に、造形ステージ１０の復路でのみ、平坦化処理を行う。これにより、第１吐出ヘッド２１と照射部３０との間のローラ４０を省略できる。また、第２吐出ヘッド２２の前方のローラ４０を省略できる。このため、積層装置１の、ローラ４０の数を抑えることができる。その結果、積層装置１を小型化できる。また、積層装置１の製造コストを低減できる。さらに、ローラ４０による、平坦化処理の回数を抑えることができる。このため、薬液洗浄等による、ローラ４０のメンテナンス回数を低減できる。その結果、造形物の製造コストを低減できる。

また、ステップＳ１１およびステップＳ１４では、造形ステージ１０の後方移動のときにのみ、平坦化処理が行われる。このため、ローラ４０の回転方向を変更することなく、効果的に材料層９の表面を平坦化できる。その結果、三次元造形処理における制御を簡易化することができる。

なお、ステップＳ４、ステップＳ８、およびステップＳ１２の紫外線照射処理は、造形ステージ１０が照射部３０の下方を通過する際に適宜行えばよく、通過する度に毎回必ず行わなければならないわけではない。また、平坦化処理および紫外線照射処理は、互いに順序を変更してもよい。好例としては、造形ステージ１０上に吐出されたモデル材またはサポート材がローラ４０によって平坦化された直後に紫外線照射処理を行うことが望ましい。

＜５．変形例＞
以上、本発明の主たる実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。

図８は、変形例に係る造形ステージ１０Ｂおよびサポート層９２Ｂの縦断面図である。サポート層９２Ｂは、サポート材に加え、モデル材を用いて形成してもよい。図８の例では、造形ステージ１０Ｂの上面に接するサポート層９２Ｂの下面を含む最下層９２０Ｂが、モデル材（図８にて黒色で表示）を用いて形成されている。このように、サポート層９２Ｂと造形ステージ１０Ｂとの間にモデル材の層を設けることで、サポート層９２Ｂが熱を帯びた場合においても、サポート材の硬化や収縮によりサポート層９２Ｂが造形ステージ１０Ｂから剥がれることを抑制することができる。

図９は、変形例に係る造形ステージ１０Ｃおよびサポート層９２Ｃの縦断面図である。図９に示すように、サポート層９２Ｃの下面を含む層９２１Ｃを、モデル材（図９にて黒色で表示）およびサポート材を用いて形成してもよい。例えば、造形ステージ１０Ｃの上方から見た時に、縞柄またはチェック柄に見える位置にモデル材およびサポート材を交互に配置してもよい。このようにすれば、サポート層９２Ｃが熱を帯びた場合においても、サポート材の硬化や収縮によりサポート層９２Ｃが造形ステージ１０Ｃから剥がれることを抑制することができる。

また、上記の実施形態では、モデル材を吐出する第１ヘッドは、サポート材を吐出する第２ヘッドの後方に配置されていた。しかしながら、第１ヘッドは、第２ヘッドの前方に配置されてもよい。また、第１ヘッドおよび第２ヘッドの数は、それぞれ複数であってもよい。

また、上記の実施形態では、照射部の数は一つであった。しかしながら、照射部の数は、二つ以上であってもよい。

また、上記実施形態では、モデル材は紫外線硬化型の材料であった。しかしながら、モデル材は、熱、赤外線、レーザおよびＸ線等の、紫外線以外のエネルギーにより硬化するエネルギー硬化型の材料であってもよい。そして、照射部は、熱、赤外線、レーザおよびＸ線等のエネルギー線を照射するものであってもよい。さらに、モデル材およびサポート材は、熱可塑性を有する材料であってもよい。

また、積層装置および三次元造形装置の細部の形状および構造については、本願の各図に示された形状および構造と相違していてもよい。また、上記の実施形態や変形例に登場した各要素を、矛盾が生じない範囲で、適宜に組み合わせてもよい。

１積層装置
２三次元造形装置
３搬入装置
４搬送装置
５洗浄装置
６搬出装置
９材料層
１０，１０Ｂ，１０Ｃ造形ステージ
２０吐出ヘッド
２１第１吐出ヘッド
２２第２吐出ヘッド
３０照射部
４０ローラ
４１第１ローラ
４２第２ローラ
５０昇降機構
５１保持部
６０移動機構
６１ガイド
６２駆動部
６３接続部
８０制御部
８１演算処理部
８２メモリ
８３記憶部
９０造形物層
９１造形物
９２，９２Ｂ，９２Ｃサポート層
３０１搬送機構
４０１搬送機構
５０１処理槽
５０２薬液
６０１搬送機構
Ｐコンピュータプログラム

Claims

モデル材およびサポート材を積層して造形物を形成する三次元造形方法であって、
１）造形ステージの上面にサポート層を形成する工程と、
２）前記サポート層の上部に前記造形物層を形成する工程と、
を有し、
前記工程１）は、
ａ）前記造形ステージに向けて、前記モデル材および前記サポート材または前記サポート材のみを吐出して、少なくとも上面が前記サポート材からなるサポート層を形成する工程と、
ｂ）所定の高さにおいて回転するローラの外周面に、前記サポート層の前記上面を接触させつつ、前記ローラに対して前記造形ステージを水平方向に相対移動させて、前記サポート層の前記上面を平坦化し、かつ前記ローラと平行な面にする工程と、
を有し、
前記工程２）は、
ｃ）前記工程１）において形成された前記サポート層の上部に、前記モデル材および前記サポート材を吐出して、造形物層を形成する工程と、
ｄ）前記ローラの外周面に、前記造形物層の上面を接触させつつ、前記ローラに対して前記造形ステージを相対移動させて、前記造形物層の前記上面を平坦化する工程と、
ｅ）前記工程ｃ）および前記工程ｄ）を１または複数回行った後、前記造形ステージ上の前記サポート材を除去する工程と、
を有し、
前記工程１）において、前記造形ステージの高さは一定であり、
前記工程２）において、前記工程ｃ）および前記工程ｄ）を実行するたびに、前記造形ステージを下方に移動させる、三次元造形方法。
モデル材およびサポート材を積層して造形物を形成する三次元造形方法であって、
１）造形ステージの上面にサポート層を形成する工程と、
２）前記サポート層の上部に前記造形物層を形成する工程と、
を有し、
前記工程１）は、
ａ）前記造形ステージに向けて、前記モデル材および前記サポート材または前記サポート材のみを吐出して、少なくとも上面が前記サポート材からなるサポート層を形成する工程と、
ｂ）所定の高さにおいて回転するローラの外周面に、前記サポート層の前記上面を接触させつつ、前記ローラに対して前記造形ステージを水平方向に相対移動させて、前記サポート層の前記上面を平坦化する工程と、
を有し、
前記工程２）は、
ｃ）前記工程１）において形成された前記サポート層の上部に、前記モデル材および前記サポート材を吐出して、造形物層を形成する工程と、
ｄ）前記ローラの外周面に、前記造形物層の上面を接触させつつ、前記ローラに対して前記造形ステージを相対移動させて、前記造形物層の前記上面を平坦化する工程と、
ｅ）前記工程ｃ）および前記工程ｄ）を１または複数回行った後、前記造形ステージ上の前記サポート材を除去する工程と、
を有し、
前記サポート層の最下層は、前記モデル材のみからなる、三次元造形方法。
モデル材およびサポート材を積層して造形物を形成する三次元造形方法であって、
１）造形ステージの上面にサポート層を形成する工程と、
２）前記サポート層の上部に前記造形物層を形成する工程と、
を有し、
前記工程１）は、
ａ）前記造形ステージに向けて、前記モデル材および前記サポート材または前記サポート材のみを吐出して、少なくとも上面が前記サポート材からなるサポート層を形成する工程と、
ｂ）所定の高さにおいて回転するローラの外周面に、前記サポート層の前記上面を接触させつつ、前記ローラに対して前記造形ステージを水平方向に相対移動させて、前記サポート層の前記上面を平坦化する工程と、
を有し、
前記工程２）は、
ｃ）前記工程１）において形成された前記サポート層の上部に、前記モデル材および前記サポート材を吐出して、造形物層を形成する工程と、
ｄ）前記ローラの外周面に、前記造形物層の上面を接触させつつ、前記ローラに対して前記造形ステージを相対移動させて、前記造形物層の前記上面を平坦化する工程と、
ｅ）前記工程ｃ）および前記工程ｄ）を１または複数回行った後、前記造形ステージ上の前記サポート材を除去する工程と、
を有し、
前記サポート層の最下層は、前記モデル材および前記サポート材からなる、三次元造形方法。
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の三次元造形方法であって、
前記工程１）において、前記サポート層の上面と前記ローラの外周面との接触の有無が、監視カメラにより得られる画像に基づいて判定される、三次元造形方法。