JP6815861B2 - 三次元造形装置および三次元造形方法 - Google Patents

Description

本発明は、造形材の積層およびエネルギー線の照射により立体物を形成する三次元造形装置および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、吐出ヘッドから造形材料を吐出することで材料層を形成し、当該材料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、造形ステージ上にエネルギー硬化型（例えば紫外線硬化型）の造形材を吐出することで材料層を形成する。そして、当該材料層にエネルギー線（例えば紫外線）を照射することで、材料層を硬化させる。このような、造形材の吐出処理およびエネルギー線の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装置は、最終的に得られる最終造形物となるモデル材を吐出する吐出ヘッドと、最終造形物を支持するサポート部を形成するサポート材を吐出する吐出ヘッドと、液状のモデル材または液状のサポート材に紫外線を照射して硬化させるＵＶランプ等の光源とを備える。

特開２０１５−２０８９０４号公報

特許文献１に記載の三次元造形装置のように、吐出ヘッドと光源とが同じ空間に配置されている場合、光源から照射されたエネルギー線が装置内で反射し、様々な方向へと散乱する虞がある。散乱した紫外線が造形材の配管や吐出ヘッドのノズル面などに当たると、内部の造形材の流動性が悪くなる場合がある。その結果、造形材の吐出不良が発生する場合がある。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、エネルギー線による硬化処理を行う三次元造形装置において、エネルギー線の散乱を抑制できる技術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、エネルギー硬化型の造形材を積層および硬化させて立体物を形成する三次元造形装置であって、造形材からなる材料層が形成される造形ステージと、前記造形ステージ上に液状の前記造形材を吐出して前記材料層を形成する積層部と、前記造形ステージ上の前記造形材に対してエネルギー線を照射して硬化処理を行う照射部と、前記造形ステージと、前記積層部および前記照射部とを、搬送方向に相対的に移動させる移動機構と、各部を制御する制御部と、を有し、前記制御部は、前記移動機構による移動によって、前記造形ステージ上の所定の対象範囲が前記照射範囲に進入したと判断すると、前記照射部による前記エネルギー線の照射を開始し、前記対象範囲が前記照射範囲から出たと判断すると、前記照射部による前記エネルギー線の照射を終了し、前記エネルギー線の照射開始から予め設定された時間が経過したと判断すると、前記対象範囲が前記照射範囲内にある場合であっても、前記照射部による前記エネルギー線の照射を終了する。

本願の第２発明は、第１発明の三次元造形装置であって、前記対象範囲は、前記造形ステージの全体である。

本願の第３発明は、第１発明の三次元造形装置であって、前記対象範囲は、前記造形ステージのうち前記立体物が形成される範囲である。

本願の第４発明は、第１発明の三次元造形装置であって、前記対象範囲は、前記エネルギー線が未照射である液状の前記造形材の存在範囲である。

本願の第５発明は、第１発明ないし第４発明のいずれかの三次元造形装置であって、前記エネルギー線は紫外線である。

本願の第６発明は、エネルギー硬化型の造形材を積層および硬化させて立体物を形成する三次元造形方法であって、ａ）造形ステージと積層部とを搬送方向に相対的に移動させつつ、前記積層部から前記造形ステージ上に液状の前記造形材を吐出して材料層を形成する工程と、ｂ）前記造形ステージと照射部とを搬送方向に相対的に移動させつつ、前記照射部から前記造形ステージ層の前記造形材に対してエネルギー線を照射する工程と、を繰り返し行い、前記工程ｂ）では、前記造形ステージ上の所定の対象範囲が前記照射部の照射範囲内に進入したと制御部が判断すると、前記照射部による前記エネルギー線の照射を開始し、前記対象範囲が前記照射範囲内から出たと前記制御部が判断すると、前記照射部による前記エネルギー線の照射を終了し、前記工程ｂ）では、前記エネルギー線の照射開始から予め設定された時間が経過したと前記制御部が判断すると、前記対象範囲が前記照射範囲内にある場合であっても、前記照射部による前記エネルギー線の照射を終了する。

本願の第７発明は、第６発明の三次元造形方法であって、前記対象範囲は、前記造形ステージの全体である。

本願の第８発明は、第６発明の三次元造形方法であって、前記対象範囲は、前記造形ステージ上の前記立体物の形成範囲である。

本願の第９発明は、第６発明の三次元造形方法であって、前記対象範囲は、前記エネルギー線が未照射である液状の前記造形材の存在範囲である。

本願の第１０発明は、第６発明ないし第９発明のいずれかの三次元造形方法であって、前記エネルギー線は紫外線である。

本願の第１発明〜第１０発明によれば、造形ステージ上の対象範囲が照射範囲内にある場合にのみ、エネルギー線の照射を行う。これにより、エネルギー線の散乱を抑制できる。したがって、積層部における造形材の吐出不良を抑制できる。何らかの理由により造形ステージが照射範囲内に入ったまま造形ステージの移動が停止した場合であっても、紫外線の連続照射時間が長くなるのが抑制される。これにより、造形ステージ上の材料層が変質したり、材料層が熱を帯びたりするのが抑制される。

特に、本願の第２発明および第７発明によれば、造形対象ごとに対象範囲の設定を変更する必要がない。

特に、本願の第３発明および第８発明によれば、造形対象となる立体物の形成範囲が照射範囲内にある場合にのみ、エネルギー線の照射を行う。これにより、エネルギー線の散乱をより抑制できる。また、積層の途中において、対象範囲を変更する必要がない。

特に、本願の第４発明および第９発明によれば、エネルギー線が未照射の造形材の存在範囲が照射範囲内にある場合にのみ、エネルギー線の照射を行う。これにより、エネルギー線の散乱をより抑制できる。

第１実施形態に係る三次元造形装置の構成を示した図である。 第１実施形態に係る積層装置の構成を示した図である。 第１実施形態に係る積層装置の造形ステージ、昇降機構および移動機構の正面図である。 第１実施形態に係る積層装置の造形ステージ、昇降機構および移動機構の側面図である。 第１実施形態に係る積層装置の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。 第１実施形態に係る積層処理の過程を示したフローチャートである。 第１実施形態に係る積層処理中の照射部の動作の流れを示したフローチャートである。 第１実施形態に係る積層処理中の紫外線照射工程の前後における照射部と造形ステージとの位置関係を示した図である。 第２実施形態に係る積層処理中の紫外線照射工程の前後における照射部と造形ステージとの位置関係を示した図である。 第３実施形態に係る積層処理中の照射部の動作の流れを示したフローチャートである。 第３実施形態に係る積層処理中の紫外線照射工程の前後における照射部と造形ステージとの位置関係を示した図である。

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。

＜１．第１実施形態＞
＜１−１．三次元造形装置の構成＞
図１は、第１実施形態に係る三次元造形装置１の構成を示した図である。この三次元造形装置１は、搬入装置１１、積層装置１０、搬送装置１２、洗浄装置１３、および搬出装置１４を有する。

搬入装置１１は、後述する造形ステージＳを積層装置１０に搬送する装置である。搬入装置１１は、第１搬送機構１１０を有する。第１搬送機構１１０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、第１搬送機構１１０は、他の機構により構成されていてもよい。造形ステージＳは、外部から搬入装置１１内に搬入されると、第１搬送機構１１０により、積層装置１０に搬送される。なお、積層装置１０の構成については、後述する。

搬送装置１２は、造形ステージＳを積層装置１０から洗浄装置１３へと搬送する装置である。搬送装置１２は、第２搬送機構１２０を有する。第２搬送機構１２０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、第２搬送機構１２０は、他の機構により構成されていてもよい。積層装置１０により、造形ステージＳの上面にモデル材とサポート材とを積層させて成る立体物９が形成されると、造形ステージＳは、第２搬送機構１２０により洗浄装置１３に搬送される。

洗浄装置１３は、立体物９からサポート材を除去する装置である。洗浄装置１３は、薬液１３２に満たされた処理槽１３１を有する。造形ステージＳが洗浄装置１３内に搬入されると、立体物９は、処理槽１３１の薬液１３２内に浸漬される。これにより、立体物９からサポート材が除去される。その結果、造形ステージＳの上面にモデル材から成る最終造形物９００が形成される。

搬出装置１４は、造形ステージＳを洗浄装置１３から三次元造形装置１の外部へと搬出する装置である。搬出装置１４は、第３搬送機構１４０を有する。第３搬送機構１４０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、第３搬送機構１４０は、他の機構により構成されていてもよい。洗浄装置１３において立体物９からサポート材が除去された後、造形ステージＳは、搬出装置１４の第３搬送機構１４０により、装置外部へと搬出される。

＜１−２．積層装置の構成＞
続いて、積層装置１０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１０の構成を示した図である。なお、ここでは、水平方向に延びる搬送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。また、搬送方向に直交し、かつ水平方向に延びる方向を幅方向と称する。ただし、この前後方向の定義によって、積層装置１０および三次元造形装置１の向きを限定する意図はない。

この積層装置１０は、三次元造形における最終造形物９００の製造工程において、造形材であるモデル材およびサポート材からなる立体物９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、目的とする最終造形物９００を構成する造形材である。サポート材は、造形物の製造中に造形材料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造形材である。立体物９は、モデル材およびサポート材からなる材料層９０を積層することで形成される。

図２に示すように、本実施形態の積層装置１０は、積層部２０、ローラ部３０、照射部４０、昇降機構５０、移動機構６０および制御部１００を有する。

積層部２０は、搬入装置１１から搬入された造形ステージＳ上に、モデル材およびサポート材からなる材料層９０を積層する。造形ステージＳは、材料層９０を支持する支持台である。造形ステージＳは、水平に拡がる上面を有する。図２の矢印および破線矢印に示すように、造形ステージＳは、昇降機構５０および移動機構６０により前後方向および下方へ移動する。そして、造形ステージＳが移動している間に、その上面に、モデル材およびサポート材からなる材料層９０が順次積層される。これにより、造形ステージＳの上面に立体物９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Ｓの表面は、黒色の被膜処理や、黒色フィルムの貼り付け等の、反射防止処理がされていることが好ましい。

積層部２０は、造形ステージＳ上に、液状の造形材（モデル材およびサポート材）を吐出することで、造形ステージＳの上面に材料層９０を形成する。積層部２０は、第１吐出ヘッド２１と、第１吐出ヘッド２１よりも前方に配置された第２吐出ヘッド２２とを有する。第１吐出ヘッド２１および第２吐出ヘッド２２は、造形ステージＳの搬送経路の上方に配置される。第１吐出ヘッド２１は、搬送方向である前後方向に相対的に移動する造形ステージＳに対して、幅方向に配列された複数のノズルから、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、搬送方向である前後方向に相対的に移動する造形ステージＳに対して、幅方向に配列された複数のノズルから、サポート材の液滴を選択的に吐出する。

ローラ部３０は、第１ローラ３１と、第２ローラ３２とを有する。第１ローラ３１および第２ローラ３２は、それぞれ、円筒状の外周面を有する回転体である。ローラ３１,３２の材料には、例えば、材料層９０を構成するモデル材およびサポート材よりも硬度の高いＳＵＳ等の金属が用いられる。第１ローラ３１は、第１吐出ヘッド２１の前方かつ照射部４０の後方に配置される。第２ローラ３２は、第２吐出ヘッド２２の後方かつ照射部４０の前方に配置される。

各ローラ３１，３２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。ローラ３１，３２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。当該モータを駆動させると、モータの出力軸とともに、ローラ３１，３２が回転軸を中心に回転する。ローラ部３０は、吐出ヘッド２１，２２のいずれかが材料層９０の最上層に液状の造形材を吐出した後、その造形材が硬化する前に、当該材料層９０の上面を平坦化する。平坦化処理を行うときには、造形ステージＳを前後方向に移動させて、材料層９０の上面にローラ３１，３２を接触させつつ、ローラ３１，３２を回転させる。これにより、材料層９０の上面が平坦化される。第１ローラ３１は、第１吐出ヘッド２１から吐出された液状のモデル材の上面を平坦化する。第２ローラ３２は、第２吐出ヘッド２２から吐出された液状のサポート材の上面を平坦化する。

照射部４０は、造形ステージＳ上の材料層９０にエネルギー線を照射することにより、材料層９０の硬化処理を行う。本実施形態の照射部４０は、造形ステージＳの上面に形成された材料層９０に対して、紫外線を照射する。照射部４０は、第１吐出ヘッド２１および第１ローラ３１と、第２吐出ヘッド２２および第２ローラ３２と、の間に配置される。また、照射部４０は、造形ステージＳの搬送経路の上方に配置される。

照射部４０は、後述する制御部１００によって、照射タイミングや発光強度が制御される。照射部４０の光源としては、例えば、ＵＶランプが用いられる。ただし、照射部４０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。

昇降機構５０は、造形ステージＳを上下に移動させる機構である。図３は、造形ステージＳ、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Ｓ、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Ｓ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Ｓ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Ｓを前後方向に往復移動させる機構である。移動機構６０は、積層部２０、ローラ部３０および照射部４０に対して、造形ステージＳを、搬送方向に相対的に移動させる。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に沿って前後方向に移動する。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Ｓ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１００は、積層装置１０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１００と、積層装置１０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１００は、ＣＰＵ等の演算処理部１０１、ＲＡＭ等のメモリ１０２およびハードディスクドライブ等の記憶部１０３を有するコンピュータにより構成される。記憶部１０３内には、積層装置１０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１００は、積層部２０の第１吐出ヘッド２１および第２吐出ヘッド２２と、ローラ部３０の第１ローラ３１および第２ローラ３２と、照射部４０と、昇降機構５０と、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１００は、記憶部１０３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１０２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１０１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Ｓ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。

＜１−３．積層処理について＞
次に、上記の積層装置１０による積層処理について、図６を参照しつつ説明する。図６は、本実施形態の積層処理の過程を示したフローチャートである。

積層処理を行うときは、予め、製造したい立体物の形状を高さ位置ごとに分割した設計データが制御部１００へと入力される。そして、制御部１００が、当該設計データに従って、後述する積層処理を行う。

積層処理においては、まず、造形ステージＳが初期位置である後方端に配置される（ステップＳ１１）。本実施形態において、後方端は、図２に示すように、第１吐出ヘッド２１および第１ローラ３１よりも後方である。また、ステップＳ１１では、後方端において、造形ステージＳの上面と、第１ローラ３１および第２ローラ３２の下端部とは、上下方向に材料層１層分の距離をあけて配置される。本実施形態の積層処理においては、移動機構６０により造形ステージＳを前後方向に搬送しつつ、造形材の積層および硬化を１層分行う。そして、昇降機構５０により造形ステージＳを造形した層の厚み分下降させる。このような造形材の積層・硬化と、造形ステージＳの下降とを繰り返すことにより、積層処理が進行する。

ステップＳ１１において造形ステージＳが後方端に配置されると、続いて、移動機構６０が、造形ステージＳを後方端から前方へ向けて移動させる。これにより、造形ステージＳが第１吐出ヘッド２１の下方を通過する。第１吐出ヘッド２１は、下方を通過する造形ステージＳの上面に向けて、分割されたデータに基づいて、モデル材の液滴を吐出する（ステップＳ１２）。これにより、設計データの各高さ位置の形状に応じた１層分のモデル材の層が形成される。当該モデル材の層が、材料層９０のうち、最終造形物９００となる部位を形成する。

次に、移動機構６０は、造形ステージＳをさらに前方へと移動させる。これにより、ステップＳ１２で形成された液状のモデル材の層の上面と、第１ローラ３１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３１により平坦化される（ステップＳ１３）。このとき、図２中に矢印で示したように、第１ローラ３１は、造形ステージＳの前方への移動に逆らう向きに回転する。これにより、モデル材の層が、効率的に平坦化される。

モデル材の層が平坦化されると、続いて、移動機構６０は、造形ステージＳをさらに前方へと移動させ、照射部４０の下方を通過させる。照射部４０は、下方を通過する造形ステージＳへ向けて紫外線を照射する（ステップＳ１４）。これにより、造形ステージＳの上面に形成されたモデル材の層が硬化する。ステップＳ１４の前後における照射部４０の挙動については、後述する。

続いて、移動機構６０は、造形ステージＳをさらに前方へと移動させる。造形ステージＳは、第２ローラ３２の下方および第２吐出ヘッド２２の下方を通過して、前方端まで移動する。このとき、第２吐出ヘッド２２からのサポート材の吐出は行われない。本実施形態において、前方端は、図２に示すように、第２ローラ３２および第２吐出ヘッド２２よりも前方である。

次に、移動機構６０は、造形ステージＳを前方端から後方へ向けて移動させる。これにより、造形ステージＳが第２吐出ヘッド２２の下方を通過する。第２吐出ヘッド２２は、下方を通過する造形ステージＳの上面に向けて、分割されたデータに基づいて、サポート材の液滴を吐出する（ステップＳ１５）。これにより、設計データの各高さ位置の形状に応じた１層分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Ｓをさらに後方へと移動させる。これにより、ステップＳ１５で形成された液状のサポート材の層の上面と、第２ローラ３２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３２により平坦化される（ステップＳ１６）。このとき、図２中に矢印で示したように、第２ローラ３２は、造形ステージＳの後方への移動に逆らう向きに回転する。これにより、サポート材の層が、効率的に平坦化される。

サポート材の層が平坦化されると、続いて、移動機構６０は、造形ステージＳをさらに後方へと移動させ、照射部４０の下方を通過させる。照射部４０は、下方を通過する造形ステージＳ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Ｓの上面に形成されたサポート材の層が硬化する。ステップＳ１７の前後における照射部４０の挙動については、後述する。

その後、移動機構６０は、造形ステージＳをさらに後方へと移動させる。造形ステージＳは、第１ローラ３１の下方および第１吐出ヘッド２１の下方を通過して、後方端まで移動する。そして、後方端において、昇降機構５０は、１層分の材料層９０の高さだけ、造形ステージＳを下降させる。なお、昇降機構５０は、ステップＳ１７の後、後方端への移動を行う前に、造形ステージＳを照射部４０の下方において下降させてもよい。

そして、制御部１００は、積層すべき次の材料層があるか否かを確認する（ステップＳ１９）。積層すべき次の材料層がある場合は、ステップＳ１２に戻り、ステップＳ１２〜Ｓ１８の処理を繰り返すことにより、材料層をさらに積層する。一方、全ての材料層の積層が完了すると、積層処理が終了する。

＜１−４．積層処理中の照射部の動作について＞
続いて、ステップＳ１４の前後における照射部４０の動作について、図７および図８を参照しつつ説明する。図７は、積層処理中の照射部４０の動作の流れを示したフローチャートである。図８は、積層処理中のステップＳ１４の前後における照射部４０と造形ステージＳとの位置関係を示した図である。図８中の符号９１は、硬化済みのモデル材の層を示している。図８中の符号９１ａは、未硬化のモデル材の層を示している。また、図８中の符号９２は、サポート材の層を示している。

図８に示すように、造形ステージＳの上面には、紫外線を照射すべき対象範囲Ａ１が、設定されている。制御部１００内の記憶部１０３には、対象範囲Ａ１を示す情報が、予め記憶されている。図８の例では、造形ステージＳの上面全体が、対象範囲Ａ１となっている。積層装置１０において積層処理が開始されると、制御部１００は、造形ステージＳ上の対象範囲Ａ１が、照射部４０の照射範囲Ａｏに入ったか否かを監視する（ステップＳ２１）。

上述したステップＳ１１〜Ｓ１３の間は、造形ステージＳの対象範囲Ａ１は、照射部４０の照射範囲Ａｏに入っていない。このため、ステップＳ２１において、制御部１００は、対象範囲Ａ１が照射範囲Ａｏに入っていないと判断する。その場合、制御部１００は、引き続きステップＳ２１による判断を繰り返し行う。

やがて、造形ステージＳは、図８に示す第１位置Ｐ１に配置される。第１位置Ｐ１では、造形ステージＳ上の対象範囲Ａ１の前端部が、照射部４０の照射範囲Ａｏの後端部と一致する。その後、造形ステージＳが第１位置Ｐ１よりもさらに前方へ移動すると、対象範囲Ａ１の一部が、照射部４０の照射範囲Ａｏと重なる。すると、制御部１００は、ステップＳ２１において対象範囲Ａ１が照射範囲Ａｏに進入したと判断し、紫外線の照射を開始する（ステップＳ２２）。

なお、本実施形態の照射部４０は、光源であるＵＶ−ＬＥＤを点灯することにより、紫外線の照射を開始する。また、ＵＶ−ＬＥＤを消灯することにより、紫外線の照射を停止する。光源としてＬＥＤを用いれば、点灯／消灯の切り替えを、応答性よく行うことができる。ただし、照射部４０は、光源を点灯状態に維持しつつ、光源と造形ステージＳとの間に設けられたシャッターを開閉することにより、紫外線の照射を開始／停止してもよい。

また、本実施形態では、第１ローラ３１と照射部４０との搬送方向の間隔が、造形ステージＳの搬送方向の長さに比べて十分に大きい。このため、第１ローラ３１によるモデル材の平坦化工程と、照射部４０による紫外線照射工程とが、同時に行われない。しかしながら、造形ステージＳの後端部において、第１ローラ３１によるモデル材の平坦化工程が終了する前に、造形ステージＳの前端部において、照射部４０からの紫外線の照射が開始されてもよい。

紫外線の照射が開始されると、制御部１００は、ステップＳ２２における紫外線の照射開始からの経過時間、すなわち紫外線の照射時間Ｔが、予め設定された照射制限時間Ｔｏを超えたか否かを判断する（ステップＳ２３）。

ステップＳ２３において、紫外線の照射時間Ｔが照射制限時間Ｔｏを超えたと判断すると、制御部１００は、照射部４０による紫外線の照射を停止するとともに、オペレータに対して警告動作を行う（ステップＳ２３１）。警告動作は、例えば、三次元造形装置１や積層装置１０の筐体に設けられた表示部への警告メッセージの表示であってもよいし、警告ランプの点灯であってもよいし、警告音の出力であってもよい。

また、ステップＳ２３において、紫外線の照射時間Ｔが照射制限時間Ｔｏ以下であると判断すると、次に、制御部１００は、造形ステージＳ上の対象範囲Ａ１が照射部４０の照射範囲Ａｏから出たか否かを判断する（ステップＳ２４）。ステップＳ２４において、対象範囲Ａ１が照射部４０の照射範囲Ａｏから出ていないと判断すると、制御部１００は、ステップＳ２３へ戻って、再び判断処理を行う。

やがて、造形ステージＳは、図８に示す第２位置Ｐ２に配置される。第２位置Ｐ２では、造形ステージＳ上の対象範囲Ａ１の後端部が、照射部４０の照射範囲Ａｏの前端部と一致する。その後、造形ステージＳが第２位置Ｐ２よりもさらに前方へ移動すると、対象範囲Ａ１の全体が照射部４０の照射範囲Ａｏから外れる。すると、制御部１００は、ステップＳ２４において対象範囲Ａ１が照射範囲Ａｏから出たと判断し、紫外線の照射を終了する（ステップＳ２５）。これにより、図６に示すステップＳ１４における紫外線照射工程が終了し、ステップＳ２１へと戻る。

その後、上述したステップＳ１５〜Ｓ１６の間は、造形ステージＳの対象範囲Ａ１は、照射部４０の照射範囲Ａｏに入っていない。このため、ステップＳ２１において、制御部１００は、対象範囲Ａ１が照射範囲Ａｏに入っていないと判断する。その場合、制御部１００は、引き続きステップＳ２１による判断を繰り返し行う。

やがて、造形ステージＳは、図８に示す第２位置Ｐ２に配置される。第２位置Ｐ２では、造形ステージＳ上の対象範囲Ａ１の後端部が、照射部４０の照射範囲Ａｏの前端部と一致する。その後、造形ステージＳが第２位置Ｐ２よりもさらに後方へ移動すると、対象範囲Ａ１の一部が、照射部４０の照射範囲Ａｏと重なる。すると、制御部１００は、ステップＳ２１において対象範囲Ａ１が照射範囲Ａｏに進入したと判断し、紫外線の照射を開始する（ステップＳ２２）。

紫外線の照射が開始されると、上記と同様にステップＳ２３が行われる。ステップＳ２３については、上記と同様であるため、説明を省略する。

ステップＳ２３において、紫外線の照射時間Ｔが照射制限時間Ｔｏ以下であると判断し、ステップＳ２４に進むと、制御部１００は、引き続き、造形ステージＳ上の対象範囲Ａ１が照射部４０の照射範囲Ａｏから出たか否かを判断する（ステップＳ２４）。ステップＳ２４において、対象範囲Ａ１が照射部４０の照射範囲Ａｏから出ていないと判断すると、制御部１００は、ステップＳ２３へ戻って、再び判断処理を行う。

やがて、造形ステージＳは、図８に示す第１位置Ｐ１に配置される。第１位置Ｐ１では、造形ステージＳ上の対象範囲Ａ１の前端部が、照射部４０の照射範囲Ａｏの後端部と一致する。その後、造形ステージＳが第１位置Ｐ１よりもさらに後方へ移動すると、対象範囲Ａ１の全体が照射部４０の照射範囲Ａｏから外れる。すると、制御部１００は、ステップＳ２４において対象範囲Ａ１が照射範囲Ａｏから出たと判断し、紫外線の照射を終了する（ステップＳ２５）。これにより、図６に示すステップＳ１７における紫外線照射工程が終了し、ステップＳ２１へと戻る。

なお、制御部１００は、ステップＳ２１およびＳ２４の判断処理を、例えば、移動機構６０に組み込まれたエンコーダの検出信号に基づいて行う。ただし、制御部１００は、造形ステージＳの位置を検出する他のセンサを利用して、ステップＳ２１およびＳ２４の判断処理を行ってもよい。また、制御部１００は、造形ステージＳの移動開始後の経過時間に基づいて、ステップＳ２１およびＳ２４の判断処理を行ってもよい。

このように、制御部１００は、造形ステージＳの位置に応じて照射部４０による紫外線の照射を開始／停止する。造形ステージＳが照射範囲Ａｏ外にある場合に紫外線の照射を行うと、紫外線の照射の必要の無い期間にも、積層装置１０内において紫外線の散乱が生じる。この積層装置１０では、造形ステージＳが照射範囲Ａｏ内にある場合にのみ紫外線の照射を行うことにより、紫外線の散乱を抑制できる。これにより、ノズルや配管においてモデル材およびサポート材を含む造形材の詰まりが生じるのを抑制できる。また、本実施形態のように、紫外線の照射の開始／停止を、照射部４０の光源のＯＮ／ＯＦＦにより行えば、照射部４０の消費電力を低減できる。

また、本実施形態では、ステップＳ２３およびステップＳ２３１において、紫外線の照射開始から所定時間経過したと判断すると、対象範囲Ａ１が照射範囲Ａｏ内にある場合であっても、照射部４０による紫外線の照射を終了する。積層処理の途中で、例えば移動機構６０の故障が起こった場合や、吐出ヘッド２１，２２の調整のために造形ステージＳの移動を一時的に停止した場合には、造形ステージＳ上の材料層９０が照射範囲Ａｏ内に入ったまま造形ステージＳの移動が停止する場合がある。その場合、紫外線の連続照射時間が長くなることによって、材料層９０が変質したり、材料層９０が熱を帯びる虞がある。本実施形態では、ステップＳ２３およびステップＳ２３１を実行することによって、紫外線の連続照射時間が長くなっていることを、ユーザに通知できる。これにより、造形ステージＳ上の材料層９０が変質したり、材料層９０が熱を帯びたりするのが抑制される。

＜２．第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係る積層処理中の照射部４０の動作について、第１実施形態との相違点を中心に説明する。図９は、第２実施形態に係る積層処理中のステップＳ１４の前後における照射部４０と造形ステージＳとの位置関係を示した図である。図９の例では、造形ステージＳの上面のうち、立体物９の形成範囲のみが、紫外線照射が行われる対象範囲Ａ２となっている。

第２実施形態においては、造形ステージＳが図９に示す第３位置Ｐ３と第４位置Ｐ４の間に配置された場合に、照射部４０による紫外線の照射が行われる。第３位置Ｐ３は、造形ステージＳ上の対象範囲Ａ２の前端部が、照射部４０の照射範囲Ａｏの後端部と一致する位置である。第４位置Ｐ４は、造形ステージＳ上の対象範囲Ａ２の後端部が、照射部４０の照射範囲Ａｏの前端部と一致する位置である。

このため、ステップＳ１４の紫外線照射工程では、造形ステージＳが第３位置Ｐ３よりも前方へ移動すると、制御部１００は、対象範囲Ａ２が照射部４０の照射範囲Ａｏに進入したと判断して、紫外線の照射を開始する。そして、造形ステージＳが第４位置Ｐ４よりもさらに前方へ移動すると、制御部１００は、対象範囲Ａ２が照射部４０の照射範囲Ａｏから出たと判断して、紫外線の照射を停止する。

また、ステップＳ１７の紫外線照射工程では、造形ステージＳが第４位置Ｐ４よりも後方へ移動すると、制御部１００は、対象範囲Ａ２が照射部４０の照射範囲Ａｏに進入したと判断して、紫外線の照射を開始する。そして、造形ステージＳが第３位置Ｐ３よりもさらに前方へ移動すると、制御部１００は、対象範囲Ａ２が照射部４０の照射範囲Ａｏから出たと判断して、紫外線の照射を停止する。

紫外線照射工程では、少なくとも、未硬化の液状の造形材に紫外線を照射できればよい。このため、造形ステージＳ上において、材料層９０が形成されない範囲に紫外線を照射する必要はない。そこで、本実施形態では、造形対象となる立体物９の形成範囲を対象範囲Ａ２としている。このようにすれば、立体物９の形成範囲以外の領域に対する紫外線の照射量を低減できる。したがって、紫外線の散乱をより抑制できる。また、対象範囲Ａ２は、積層処理の前に、固定された範囲として、予め設定できる。積層処理の途中で、対象範囲Ａ２を変化させる必要はない。したがって、次の第３実施形態よりも、積層処理中における制御部１００の処理負担は軽い。

＜３．第３実施形態＞
続いて、第３実施形態に係る積層処理中の照射部４０の動作について、第１実施形態および第２実施形態との相違点を中心に説明する。図１０は、第３実施形態に係る積層処理中の照射部４０の動作の流れを示したフローチャートである。図１１は、第３実施形態に係る積層処理中のステップＳ１４の前後における照射部４０と造形ステージＳとの位置関係を示した図である。

第３実施形態では、造形ステージＳの上面のうち、紫外線がまだ照射されていない液状の造形材の存在範囲（図１１の例では、未硬化のモデル材９１ａの存在範囲）のみを、紫外線照射が行われる対象範囲Ａ３とする。このため、対象範囲Ａ３は、積層処理中に変化する。

図１０のステップＳ３１〜Ｓ３５およびステップＳ３３１の処理は、図７のステップＳ２１〜Ｓ２５およびステップＳ２３１の処理と同様である。ただし、第３実施形態では、ステップＳ３５において照射部４０による紫外線の照射が停止された後、対象範囲Ａ３が更新される（ステップＳ３６）。

図１０に示す照射部４０の動作を開始する前、制御部１００は、第１回目のステップＳ１２のモデル材吐出工程において吐出が行われる領域を、対象範囲Ａ３として設定する。第１回目のステップＳ１２の後には、当該対象範囲Ａ３に、未硬化のモデル材９１ａが存在する。第１回目のステップＳ１４では、当該対象範囲Ａ３が照射範囲Ａｏと重なる間にのみ、照射部４０からの紫外線の照射を行う。

ステップＳ１４の紫外線照射工程の終了時には、制御部１００は、ステップＳ３６において、次のステップＳ１５においてサポート材の吐出が行われる領域を、対象範囲Ａ３として更新する。また、ステップＳ１７の紫外線照射工程の終了時には、制御部１００は、ステップＳ３６において、次のステップＳ１２においてモデル材の吐出が行われる領域を、対象範囲Ａ３として更新する。

このため、ステップＳ１４の紫外線照射工程では、対象範囲Ａ３は、直前のステップＳ１２においてモデル材の吐出が行われた造形ステージＳ上の範囲となる。また、ステップＳ１７の紫外線照射工程では、対象範囲Ａ３は、直前のステップＳ１５においてサポート材の吐出が行われた造形ステージＳ上の範囲となる。このように、第３実施形態では、対象範囲Ａ３を、照射部４０による紫外線の照射工程を行う度に変化させる。

紫外線照射工程では、少なくとも、未硬化の液状の造形材に紫外線を照射できればよい。したがって、紫外線が未照射である液状の造形材の存在範囲である対象範囲Ａ３が、紫外線を照射すべき最小限の範囲である。第３実施形態では、当該最小限の範囲以外の領域に対する紫外線の照射量を低減できる。したがって、紫外線の散乱をさらに抑制できる。

＜４．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。

上記の実施形態の積層装置では、２つの吐出ヘッドの間に配置される１つの照射部により、モデル材およびサポート材の硬化を行っていた。このようにすれば、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とともに、小型化できる。しかしながら、本発明はこの限りではない。造形材の硬化処理を行う硬化部は、複数あってもよい。

また、上記の実施形態では、モデル材を吐出する第１吐出ヘッドと、サポート材を吐出する第２吐出ヘッドとは、それぞれ単一であった。しかしながら、第１吐出ヘッドおよび第２吐出ヘッドの数は、それぞれ複数であってもよい。

また、上記の実施形態では、各吐出ヘッドが１層分の造形材を吐出する毎に硬化処理を行っていた。しかしながら、各吐出ヘッドが複数層分の造形材と吐出する毎に硬化処理を行ってもよい。

また、上記の実施形態では、吐出ヘッド、ローラおよび照射部を含む処理ユニットの位置が固定されていた。そして、昇降機構および移動機構が、造形ステージを当該処理ユニットに対して移動させていた。しかしながら、固定された造形ステージに対して処理ユニットが移動する構成であってもよい。

また、上記の実施形態では、モデル材およびサポート材は紫外線硬化型の材料であった。しかしながら、モデル材およびサポート材は、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。

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 三次元造形装置
９ 立体物
１０ 積層装置
２０ 積層部
２１ 第１吐出ヘッド
２２ 第２吐出ヘッド
３０ ローラ部
３１ 第１ローラ
３２ 第２ローラ
４０ 照射部
５０ 昇降機構
６０ 移動機構
９０ 材料層
９１ａ モデル材
１００ 制御部
９００ 最終造形物
Ａ１，Ａ２，Ａ３ 対象範囲
Ａｏ 照射範囲
Ｓ 造形ステージ

Claims (10)

1. エネルギー硬化型の造形材を積層および硬化させて立体物を形成する三次元造形装置であって、
   造形材からなる材料層が形成される造形ステージと、
   前記造形ステージ上に液状の前記造形材を吐出して前記材料層を形成する積層部と、
   前記造形ステージ上の前記造形材に対してエネルギー線を照射して硬化処理を行う照射部と、
   前記造形ステージと、前記積層部および前記照射部とを、搬送方向に相対的に移動させる移動機構と、
   各部を制御する制御部と、
   を有し、
   前記制御部は、
   前記移動機構による移動によって、前記造形ステージ上の所定の対象範囲が前記照射部の照射範囲に進入したと判断すると、前記照射部による前記エネルギー線の照射を開始し、
   前記対象範囲が前記照射範囲から出たと判断すると、前記照射部による前記エネルギー線の照射を終了し、
   前記エネルギー線の照射開始から予め設定された時間が経過したと判断すると、前記対象範囲が前記照射範囲内にある場合であっても、前記照射部による前記エネルギー線の照射を終了する、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、
   前記対象範囲は、前記造形ステージの全体である、三次元造形装置。
3. 請求項１に記載の三次元造形装置であって、
   前記対象範囲は、前記造形ステージのうち前記立体物が形成される範囲である、三次元造形装置。
4. 請求項１に記載の三次元造形装置であって、
   前記対象範囲は、前記エネルギー線が未照射である液状の前記造形材の存在範囲である、三次元造形装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の三次元造形装置であって、
   前記エネルギー線は紫外線である、三次元造形装置。
6. エネルギー硬化型の造形材を積層および硬化させて立体物を形成する三次元造形方法であって、
   ａ）造形ステージと積層部とを搬送方向に相対的に移動させつつ、前記積層部から前記造形ステージ上に液状の前記造形材を吐出して材料層を形成する工程と、
   ｂ）前記造形ステージと照射部とを搬送方向に相対的に移動させつつ、前記照射部から前記造形ステージ上の前記造形材に対してエネルギー線を照射する工程と、
   を繰り返し行い、
   前記工程ｂ）では、前記造形ステージ上の所定の対象範囲が前記照射部の照射範囲内に進入したと制御部が判断すると、前記照射部による前記エネルギー線の照射を開始し、前記対象範囲が前記照射範囲内から出たと前記制御部が判断すると、前記照射部による前記エネルギー線の照射を終了し、
   前記工程ｂ）では、前記エネルギー線の照射開始から予め設定された時間が経過したと前記制御部が判断すると、前記対象範囲が前記照射範囲内にある場合であっても、前記照射部による前記エネルギー線の照射を終了する、三次元造形方法。
7. 請求項６に記載の三次元造形方法であって、
   前記対象範囲は、前記造形ステージの全体である、三次元造形方法。
8. 請求項６に記載の三次元造形方法であって、
   前記対象範囲は、前記造形ステージ上の前記立体物の形成範囲である、三次元造形方法。
9. 請求項６に記載の三次元造形方法であって、
   前記対象範囲は、前記エネルギー線が未照射である液状の前記造形材の存在範囲である、三次元造形方法。
10. 請求項６ないし請求項９のいずれかに記載の三次元造形方法であって、
    前記エネルギー線は紫外線である、三次元造形方法。
    

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