JP7330577B1 - ３ｄプリンタによる造形物の製造方法及び３ｄプリンタ制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】良好な透明度を有する造形物を作成する３Ｄプリンタによる造形物の製造方法及び３Ｄプリンタ制御プログラムを提供する。【解決手段】未硬化の造形材料により一層分の造形層を形成する未硬化層形成工程（Ｓ１）と、一層分の造形層を硬化させる未硬化層硬化工程（Ｓ２）と、を順次繰り返すことにより造形物を製造する３Ｄプリンタによる造形物の製造方法であって、直前の未硬化層形成工程（Ｓ１）により形成された一層分の造形層の最終硬化前に、未硬化層硬化工程（Ｓ２）を終了し、次の一層分の造形層を形成するための未硬化層形成工程（Ｓ１）を実行することを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、造形材料を積層しつつ硬化させて造形物を製造する３Ｄプリンタの技術分野に属する。

ＭＥＸ方式（材料押出積層法・フードプリンター等を含む）、ＦＤＭ方式（熱溶融積層法）又はＬＡＭ方式（液体積層造形法）の３Ｄプリンタにあっては、造形可能材料として、ＰＬＡ、ＡＢＳ、ＰＣ、ＴＰＥ等の樹脂が使用されており、ノズルから液状の樹脂をステージ上に押し出して吐出させて、適宜ノズルを３次元方向に作動制御することにより、下層から次第に上層へ積層形成することにより目的とする造形物を作成するように構成されている。

しかしながら、このようなＭＥＸ方式による樹脂素材等を使用した造形物にあっては、積層過程において形成される各層の外方端部が、外方へ膨出した形状のまま残存してしまい、形成された造形物の外表面には、上下方向に連続すると共に幅方向に形成される微細な凸条が連続することとなっていた。

その結果、造形物の外表面において上下方向に連続すると共に幅方向に形成される微細な凸条がいわゆる「積層痕」を形成し、透明色の造形物を形成しようとした場合であっても、積層痕が原因となって透明度が低くなり、結果的に、造形物の美観に欠けることとなる、という問題点があった。

特開２０１７－２２６１４０号公報

そこで、本発明は、良好な透明度を有する造形物を作成する３Ｄプリンタによる造形物の製造方法及び３Ｄプリンタ制御プログラムを提供することを課題とする。

請求項１記載の製造方法は、未硬化の造形材料をノズルから、前記ノズル下方に配置されたステージ部上に吐出し積層させ、前記未硬化の造形材料により一層分の造形層を形成する未硬化層形成工程と、前記一層分の造形層を硬化させる未硬化層硬化工程とを積層方向において順次繰り返して造形物を作成する３Ｄプリンタによる造形物の製造方法であって、前記３Ｄプリンタは、ＬＡＭ方式（液体積層造形方式）の３Ｄプリンタであると共に、前記未硬化の造形材料は、紫外線硬化液状シリコーンゴムであり、直前の前記未硬化層形成工程により形成された前記一層分の造形層の最終硬化前に前記未硬化層硬化工程を終了し、次の前記一層分の造形層を形成するための前記未硬化層形成工程を実行し、粘性を有した状態の前記一層分の造形層と粘性を有した前記次の一層分の造形層とを接着硬化させて造形物を作成し、前記未硬化層硬化工程は、前記紫外線硬化液状シリコーンゴムの粘性の時間的変化、紫外線の強度、照射時間、前記造形材料の前記ノズルからの吐出圧、次の造形層を形成するタイミング又は前記ノズルの移動軌跡を制御しつつ、前記未硬化の造形材料である前記紫外線硬化液状シリコーンゴムに紫外線を照射する工程であることを特徴とする３Ｄプリンタによる造形物の製造方法である。

請求項１記載の製造方法によれば、造形材料が最終硬化するまでに所定の時間を要することを利用して、互いに接する上下の造形層すなわち、形成された造形層とその次に形成される造形層の双方を、当該形成された造形層が硬化する前に、その次に形成される粘性を有した造形層とが外縁部を含めて接着がされることにより、通常は、当該造形層が硬化された後に、ノズルから造形材料が吐出されることにより次の造形層が形成されることにより造形物の端面部において隣接する造形層の間に形成される空隙部が、いわゆる「積層痕」の原因を形成するものであるが、この空隙部を可能な限り小さくすることができる。

その結果、従来、上下方向において隣接する各造形層の外縁部の間に発生する空隙により形成される「積層痕」の形成を回避することが可能となり、その結果、造形物の端面部がより平滑で透明度の高い造形物を造形できる。

さらに、上下の造形層の端縁部が互いに接着することにより、オーバーハング部や、アンダーカット部が形成される造形物であっても、当該部分にサポート材を設置する必要がなく、製造工程における煩雑さを回避し、製造効率を向上させることが可能となる。

本発明に係る製造方法によれば、上記ノズルの移動軌跡、紫外線の強度等を制御することにより造形材料に使用する紫外線硬化液状シリコーンゴムの粘度を調整し、当該造形層の粘度を適切にコントロールして、当該造形層の端縁部と上方の造形層の端縁部とをその間の空隙を低減した形で接着することが可能となり、造形物の表面における、いわゆる「積層痕」を最小限にとどめ、透明度が高く、かつサポート材を必要としない造形物を作成することが可能となる。

請求項２記載の製造方法は、請求項１記載の３Ｄプリンタによる造形物の製造方法において、前記未硬化層形成工程は、前記ノズルを、前記一層分の造形層を形成する領域の内方から外縁部に向かって移動させつつ、前記ノズルから前記未硬化の造形材料を吐出することにより、前記未硬化の造形材料により前記一層分の造形層を形成する工程であり、前記未硬化層硬化工程は、直前の前記未硬化層形成工程により形成された粘性を有する前記一層分の造形層の外縁部と、次の前記未硬化層形成工程により形成された前記一層分の造形層の外縁部とを互いに接着硬化させることを特徴とする３Ｄプリンタによる造形物の製造方法である。

この製造方法によれば、特に、平面状の部位又は円盤状の部位が平面方向外方へ突出するような形状を有する造形物を作成する場合において、上下の造形層の外縁部が互いに、空隙が低減された状態で接着されることにより、サポート材を必要としない造形が可能となる。

即ち、平面状の部位又は円盤状の部位を有する造形物であって当該平面状の部位又は円盤状の部位が平面方向外方へ突出するような形状を有する造形物を作成する場合には、３Ｄプリンタの造形材料を吐出するノズルは、内方部から外方部へ移動するように制御されているが、従来のように、ある造形層の外縁部が完全に硬化した後に、次の上層の造形層に相当する造形材料がノズルから吐出されて造形層が形成される場合には、下方の造形層が固化してしまい粘度が低くなっていることから、上方の造形層のオーバーハング部においては接着性が低く、造形が崩壊する場合があり、これを防止するためにはサポート材が必要であった。

しかしながら、本発明にあっては、直前の前記未硬化層形成工程により形成された当該造形層の外縁部が完全に硬化する以前の粘着性のある状態において、次の前記未硬化層形成工程により形成された上層となる造形層の外縁部とが互いに接着することから接着性が高く、オーバーハング部又はアンダーカット部においても、サポート材を設置しない場合であっても造形が崩れることはない。

その結果、特に、平面状の部位又は円盤状の部位を有する造形物であって当該平面状の部位又は円盤状の部位が平面方向外方へ突出するような形状を有する造形物を作成する場合であっても、端縁部にサポート材を設置することが不要となり、製造工程における煩雑さを回避し、製造効率を向上させることが可能となる。

また同時に、上下方向において隣接する各造形層の外縁部の間に発生する空隙により形成される「積層痕」の形成を回避することが可能となり、その結果、造形物の端面部がより平滑で透明度の高い造形物を造形できる。

請求項３記載の発明にあっては、未硬化の造形材料をノズルから、前記ノズル下方に配置されたステージ部上に吐出し積層させ、前記未硬化の造形材料により一層分の造形層を形成する未硬化層形成工程と、前記一層分の造形層を硬化させる未硬化層硬化工程とを積層方向において順次繰り返して造形物を作成する３Ｄプリンタによる造形物の製造方法であって、前記３Ｄプリンタは、ＬＡＭ方式（液体積層造形方式）の３Ｄプリンタであると共に前記未硬化の造形材料は、熱硬化液状シリコーンゴムであり、直前の前記未硬化層形成工程により形成された前記一層分の造形層の最終硬化前に前記未硬化層硬化工程を終了し、次の前記一層分の造形層を形成するための前記未硬化層形成工程を実行し、粘性を有した状態の前記一層分の造形層と粘性を有した前記次の一層分の造形層とを接着硬化させて造形物を作成し、前記未硬化層硬化工程は、前記熱硬化液状シリコーンゴムの粘性の時間的変化、加熱時間、前記造形材料の前記ノズルからの吐出圧、次の造形層を形成するタイミング又は前記ノズルの移動軌跡を制御しつつ、前記未硬化の造形材料である熱硬化液状シリコーンゴムを加熱する工程であることを特徴とする３Ｄプリンタによる造形物の製造方法である。

従って、本発明によれば、上記ノズルの移動軌跡、加熱温度等を制御することにより、造形材料に使用する熱硬化液状シリコーンゴムの粘度を調整し、当該造形層の粘度を適切にコントロールして、当該造形層の端縁部と上方の造形層の端縁部とをその間の空隙を低減した形で接着することが可能となり、造形物の表面における、いわゆる「積層痕」を最小限にとどめ、透明度が高く、かつサポート材を必要としない造形物を作成することが可能となる。

請求項４記載の発明にあっては、前記熱硬化液状シリコーンゴムは、ＲＴＶ（常温硬化型）シリコーンゴムであることを特徴とする請求項３記載の３Ｄプリンタによる造形物の製造方法である。
ＲＴＶシリコーンゴムは、室温において硬化する造形材料であることから、造形作業においてはノズルの移動軌跡、造形時間、ノズルからの吐出圧等の管理が紫外線硬化タイプの造形材料の場合よりもさらに重要となるが、これらの条件を適切に制御することにより、ＲＴＶシリコーンゴムの粘度等を調整し、当該造形層の粘度を適切にコントロールして、当該造形層の端縁部と上方の造形層の端縁部とをその間の空隙を低減した形で接着することが可能となり、造形物の表面における「積層痕」を最小限にとどめ、透明度が高く、かつサポート材を必要としない造形物を作成することが可能となる。

請求項５記載の製造方法は、未硬化の造形材料をノズルから、前記ノズル下方に配置されたステージ部上に吐出し積層させ、前記未硬化の造形材料により一層分の造形層を形成する未硬化層形成工程と、前記一層分の造形層を硬化させる未硬化層硬化工程と、を順次繰り返すことにより造形物を製造する３Ｄプリンタの制御装置の作動を実行するプログラムであって、前記３Ｄプリンタは、ＬＡＭ方式（液体積層造形方式）の３Ｄプリンタであると共に、前記未硬化の造形材料は、紫外線硬化液状シリコーンゴムであり、直前の前記未硬化層形成工程により形成された前記一層分の造形層の最終硬化前に、前記未硬化層硬化工程を終了し、次の前記一層分の造形層を形成し、前記未硬化層硬化工程は、前記紫外線硬化液状シリコーンゴムの粘性の時間的変化、紫外線の強度、照射時間、前記造形材料の前記ノズルからの吐出圧、次の造形層を形成するタイミング又は前記ノズルの移動軌跡を含むパラメータに基づき、前記未硬化の造形材料である前記紫外線硬化液状シリコーンゴムに紫外線を照射する工程であることを特徴とする、３Ｄプリンタ制御プログラムである。

請求項５記載の３Ｄプリンタ制御プログラムによれば、これを３Ｄプリンタの制御装置（コンピュータ）に実装し実行することにより、未硬化の造形材料により一層分の造形層を形成する未硬化層形成工程と、前記一層分の造形層を硬化させる未硬化層硬化工程と、を順次繰り返すことにより造形物を製造する３Ｄプリンタを制御し、造形材料が最終硬化するまでに所定の時間を要することを利用して、互いに接する上下の造形層を互いに接着させて、サポート材を必要とせずに透明度の高い造形物を造形することが可能となる。

請求項６記載の発明にあっては、未硬化の造形材料をノズルから、前記ノズル下方に配置されたステージ部上に吐出し積層させ、前記未硬化の造形材料により一層分の造形層を形成する未硬化層形成工程と、前記一層分の造形層を硬化させる未硬化層硬化工程と、を順次繰り返すことにより造形物を製造する３Ｄプリンタの制御装置の作動を実行するプログラムであって、前記３Ｄプリンタは、ＬＡＭ方式（液体積層造形方式）の３Ｄプリンタであると共に、前記未硬化の造形材料は熱硬化液状シリコーンゴムであり、直前の前記未硬化層形成工程により形成された前記一層分の造形層の最終硬化前に、前記未硬化層硬化工程を終了し、次の前記一層分の造形層を形成し、前記未硬化層硬化工程は、前記熱硬化液状シリコーンゴムの粘性の時間的変化、加熱時間、前記造形材料の前記ノズルからの吐出圧、次の造形層を形成するタイミング又は前記ノズルの移動軌跡を含むパラメータに基づき、前記未硬化の造形材料である熱硬化液状シリコーンゴムを加熱する工程であることを特徴とする、３Ｄプリンタ制御プログラムである。

請求項７記載の発明にあっては、吐出された各種の前記未硬化の造形材料の粘度の時間的変化、前記ノズルからの吐出圧、加熱時間、紫外線の強度、紫外線の照射時間、硬化速度、前記未硬化層硬化工程の実行時間、次の前記造形層を形成するタイミング、形態条件、又はノズルの移動軌跡に関する造形条件のデータ、及び、前記造形条件のデータに基づき造形した場合の前記造形物の透明度の良否又は積層痕に関する造形結果データを含む学習用データを得るステップと、得られた前記学習用データを使用して機械学習することにより前記造形条件を最適化した学習済みモデルを生成するステップと、前記学習済みモデルに基づいて３Ｄプリンタを制御するステップを有することを特徴とする請求項５又は６記載の３Ｄプリンタ制御プログラムである。

請求項１～４記載の本願発明に係る製造方法によれば、造形材料が最終硬化するまでに所定の時間を要することを利用して、互いに接する上下の造形層すなわち、形成された造形層とその次に形成される造形層の双方の端縁部を、当該形成された造形層が硬化する前に、その次に形成される造形層と接着させることにより、通常は、当該造形層が硬化された後に、ノズルから造形材料が吐出されることにより次の造形層が形成されることにより造形物の端面部において隣接する造形層の間に形成される空隙部が、いわゆる「積層痕」の原因を形成するものであるが、この空隙部を可能な限り小さくすることができる。

その結果、従来、上下方向において隣接する各造形層の間に発生する空隙により形成される「積層痕」の形成を回避することが可能となり、その結果、造形物の端面部がより平滑で透明度の高い造形物を造形できる。
さらに、上下の造形層の端縁部が互いに接着することにより、オーバーハング部や、アンダーカット部が形成される造形物であっても、当該部分にサポート材を設置する必要がなく、製造工程における煩雑さを回避し、製造効率を向上させることが可能となる。

また、上記のように「積層痕」を低減して透明度の高い造形物を作製するためや、サポート材を使用することなく複雑な形状の造形物や、オーバーハング、アンダーカット部を有する複雑な形状の造形物を作製するためには、ノズルから吐出された造形材料の粘性の時間的変化に関する情報、造形材料の硬化のための紫外線又は熱エネルギーを付与する時間、及び次の層を形成するタイミング及び最適化された吐出ノズルの移動軌跡（「造形パス」と称する）等の条件設定が非常に重要となる。

従って、上記課題を解決するためには以上の条件をクリアできるように３Ｄプリンタの駆動を制御できるスライスソフトが必要となるが、従来のスライスソフトにあっては、吐出された各種の前記未硬化の造形材料の粘度の時間的変化、前記ノズルからの吐出圧、加熱時間、紫外線の強度、紫外線の照射時間、硬化速度、前記未硬化層硬化工程の実行時間、次の前記造形層を形成するタイミング、形態条件、又はノズルの移動軌跡に関する造形条件を考慮していない。
その結果、従来は本願発明の課題を解決できておらず、請求項５～７記載の本願発明に係る３Ｄプリンタ制御プログラムにより初めて解決可能となるものである。
また、特に、請求項１３記載の発明に係る３Ｄプリンタの制御プログラムにあっては、造形物の造形作業を実行することにより、上記吐出された各種の前記未硬化の造形材料の粘度の時間的変化、前記ノズルからの吐出圧、加熱時間、紫外線の強度、紫外線の照射時間、硬化速度、前記未硬化層硬化工程の実行時間、次の前記造形層を形成するタイミング、形態条件、又はノズルの移動軌跡等の造形条件に関するデータ及び、その結果、造形される造形物の透明度の良否又は積層痕に関する造形結果を含む学習用データを取得、蓄積して、ＡＩ（人工知能）による機械学習を行うことにより、造形条件を最適化した学習済みモデルを形成し、この学習済みモデルに基づいて３Ｄプリンタの作動制御を行うように構成されていることから、最適な造形条件により目的とする造形物を効率的に製造することが可能となる。

本発明に係る一実施形態の製造方法により造形物を製造するための３Ｄプリンタの概念図である。 図１に示す３Ｄプリンタのディスペンサ部及び移動機構の概念図である。 本発明に係る一実施形態の製造方法のフローチャートである。 本発明に係る製造方法の一実施の形態を示し、造形材料が紫外線硬化液状シリコーンゴムである場合の例であって、（ａ）は、未硬化層形成工程の説明図である。（ｂ）は、未硬化層硬化工程の説明図である。 本発明に係る製造方法の一実施の形態を示し、（ａ）は一実施形態の製造方法により形成される造形層の外縁部の状態を示す断面相当概念図である。（ｂ）は従来の製造方法により形成される造形層の外縁部の状態を示す断面相当概念図である。 本発明に係る製造方法の一実施の形態を示し、一実施形態の製造方法により形成される造形層の外縁部の状態を示す断面相当概念図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。ここでは、紫外線硬化材料（例えば、紫外線硬化液状シリコーンゴム）を造形材料に使用して液体積層造形法により造形物を製造する３Ｄプリンタについて説明する。

［３Ｄプリンタの構成］
［３Ｄプリンタ］
本実施の形態に係る造形物の製造方法に使用される３Ｄプリンタ１０はＬＡＭ方式であって、図１及び図２に示すように、プリンタ本体６０と、プリンタ本体６０を覆って紫外線を遮蔽する筐体７０と、制御装置８０とを備えている。
プリンタ本体６０は、紫外線硬化材料Ｍを射出するディスペンサ部２０と、ディスペンサ部２０から射出された紫外線硬化材料Ｍが積層されるステージ部３０と、ディスペンサ部２０とステージ部３０とを互いに相対的に移動させる移動機構部４０と、ステージ部３０に射出された紫外線硬化材料Ｍに紫外線ＵＶを照射する紫外線照射部５０とにより構成されている。

プリンタ本体６０は、さらに、３Ｄプリンタ１０の底部を構成する基部６１と、基部６１から上方に延びる二つの支持部６２、６３とを有する。ディスペンサ部２０は一方の支持部６２に支持されており、紫外線照射部５０は他方の支持部６３に支持されている。ステージ部３０は、基部６１上に設けられている。

ディスペンサ部２０は、紫外線硬化材料Ｍを収容した材料カートリッジ２１と、材料カートリッジ２１を交換可能に保持するカートリッジ保持部２２と、カートリッジ保持部２２に保持（装着）された材料カートリッジ２１から紫外線硬化材料Ｍを射出させる圧縮空気供給部（材料射出手段）２３とを有する。

カートリッジ保持部２２は、昇降機構４１を介して支持部６２に支持されている。昇降機構４１は、カートリッジ保持部２２を上下方向（矢印Ｚで示す方向）に移動させる。

圧縮空気供給部２３は、支持部６２に固定して設けられている。圧縮空気供給部２３は、圧縮空気を吐出する圧縮空気吐出機構２３ａと、圧縮空気吐出機構２３ａから吐出された圧縮空気を、カートリッジ保持部２２に装着された材料カートリッジ２１に供給するための圧縮空気供給管２３ｂと、を有している。

図２に示すように、材料カートリッジ２１は、シリンジ状の材料容器部２１ａと、材料容器部２１ａに挿入されたピストン部２１ｂとを有する。
材料容器部２１ａの基端（上端）には、圧縮空気供給管２３ｂが接続される圧縮空気入口２１ｃが設けられている。材料カートリッジ２１は、圧縮空気吐出機構２３ａから圧縮空気供給管２３ｂを通して供給される圧縮空気Ａにより、ピストン部２１ｂが押圧されることにより、材料容器部２１ａの先端（下端）に設けられたノズル２１ｄから紫外線硬化材料Ｍを吐出する。材料容器部２１ａ及びピストン部２１ｂは紫外線遮蔽性の合成樹脂材料により形成されている。

図１及び図２に示すように、ステージ部３０は、水平移動機構４２を介して基部６１に支持されている。水平移動機構４２は、ステージ部３０を左右方向（矢印Ｘで示す方向）及び前後方向（矢印Ｙで示す方向）に移動させる。

移動機構部４０は、昇降機構４１及び水平移動機構４２により構成される。すなわち、移動機構部４０は、ディスペンサ部２０とステージ部３０とを互いに直交する３軸方向（上下、左右及び前後）に移動させることができるように構成されている。

紫外線照射部５０は、光源としてＵＶランプ又はＵＶ－ＬＥＤを備える。紫外線照射部５０は、ステージ部３０の中央部を含むワーク製造領域に積層された紫外線硬化材料Ｍに紫外線を均一に照射し得るように構成されている。
本実施の形態においては、一層分の紫外線硬化材料Ｍがステージ部３０に吐出される毎に、ステージ部３０のワーク製造領域が紫外線照射部５０の紫外線照射範囲に入るようにステージ部３０が移動され、ステージ部３０上の紫外線硬化材料Ｍに紫外線ＵＶが照射される。

制御装置８０は、製造すべき製品の３Ｄデータに基づいて、圧縮空気供給部２３、移動機構部４０及び紫外線照射部５０を制御する。
すなわち、制御装置８０は、ノズル２１ｄからの紫外線硬化材料Ｍの吐出量、ノズル２１ｄとステージ部３０との相対移動量、紫外線ＵＶの照射タイミング、照射量、照射時間等を制御すると共に、ノズル２１ｄの移動軌跡（造形パス）を駆動制御する。

制御装置８０は、各種演算を行うプロセッサ、各種情報（プログラム、データ）を記憶する非一過性の記憶媒体を有する記憶装置、制御装置８０の内部と外部とのデータの入出力を制御する入出力装置等を備える。制御装置８０には本発明に係る３Ｄプリンタ制御プログラム（いわゆる「スライスソフト」）が格納されている。

本実施の形態に係る３Ｄプリンタ制御プログラム（スライスソフト）は、製作する予定の造形物の３次元イメージ情報、各部位の寸法情報等を基礎として、さらに、ノズル２１ｄから吐出された紫外線硬化液状シリコーンゴムの粘性の時間的変化情報に基づき、紫外線硬化液状シリコーンゴムにより形成される一層分の未硬化層に対して照射される紫外線の強度、紫外線の照射時間を適宜設定すると共に、予定する造形物の製作に最適な、前記造形材料の前記ノズルからの吐出圧、次の造形層を形成するタイミング及びノズル２１ｄの移動軌跡（パス）を設定し、これらのパラメータに基づき圧縮空気供給部２３、移動機構部４０及び紫外線照射部５０を制御するように構成されている。
その結果、制御装置８０が本発明に係る３Ｄプリンタ制御プログラムを実行することにより、本実施の形態に係る３Ｄプリンタ１０による造形物Ｗの製造方法が実現される。
即ち、原理的には、本実施の形態における液状シリコーンゴムは非ニュートン流体であり、ノズルから吐出された後においても、即時には硬化せずなお所定の粘性を有し、若干変形する性質がある。
従って、本実施の形態にあっては、この液状シリコーンゴムの性質を利用して、３Ｄプリンターのノズルから液状シリコーンゴムを吐出させてある層を形成した後、紫外線照射を制御することにより当該層を完全に硬化させずに粘性を有する時間内に次の層を形成して接着させ、最終的に各層を全体として硬化させるようにして造形物を作製するように構成されている。

即ち、本実施の形態において、制御装置８０にインストールされている３Ｄプリンタ制御プログラムは、造形予定物の具体的な３次元形状のデータ、造形予定物の立体的な大きさを特定する各種寸法データ、造形材料の種類のデータ、当該造形材料が硬化するまでの材料の時間的変化データ、紫外線照射によるＵＶ架橋により硬化に至る時間データ等の、各種パラメータが入力されることにより、ある造形層が硬化しきらずに一定の粘度を保持した状態で、次の上方に位置する造形層の造形を開始させて双方の造形層を接着固化できるタイミングを自動算出し、適切にノズルの移動軌跡（「造形パス」）を形成して、当該造形パスに従ってノズルを駆動制御し、その結果、所望の造形物を作成できるように構成されている。

［３Ｄプリンタによる造形物の製造方法］
つぎに、図３、図４及び図５を参照して、３Ｄプリンタ１０による造形物Ｗの製造方法について説明する。

図３に示すように、本実施の形態においては、３Ｄプリンタ１０は、未硬化層形成工程（ステップＳ１）と、未硬化層を不完全に硬化させ、粘着状態を保持した状態で硬化させる未硬化層硬化工程（ステップＳ２）とを、積層方向に沿って順次繰り返すことにより造形物Ｗを製造するように構成されている。

未硬化層形成工程（ステップＳ１）は、図４（ａ）に示すように、ステージ３０上において所定の未硬化の紫外線硬化材料Ｍにより一層分の造形層Ｌを形成する工程である。
本実施の形態においては、未硬化層形成工程（ステップＳ１）は、ノズル２１ｄを、例えば、造形予定物の、所定の一層分の造形層Ｌを形成する領域において、内方（中心部）から外方（外縁部）に向かって同心円を描くようにノズルの移動予定軌跡（造形パス）に沿って移動させつつ、ノズル２１ｄから未硬化の紫外線硬化材料Ｍを吐出することにより、未硬化の紫外線硬化材料Ｍにより一層分の造形層Ｌを形成する工程である。
なお、造形パスは、基本的には、同心円を描くようにして、造形予定物の内方から外方へ向かって形成される。

未硬化層硬化工程（ステップＳ２）は、図４（ｂ）に示すように、一層分の造形層Ｌに対して紫外線ＵＶを照射することにより、造形層Ｌが完全には硬化しないように紫外線ＵＶの照射時間、照射強度を制御しつつ、吐出された紫外線硬化材料Ｍである紫外線硬化液状シリコーンゴムが所定の粘性を保持したままで、不完全な状態で硬化させる工程である。従って、この工程においては、紫外線照射後においても造形層Ｌは完全には硬化せず、粘性を有した状態にある。

制御装置８０は、搭載された本実施の形態に係るスライスソフトにより、直前の未硬化層形成工程（ステップＳ１）により形成された一層分の造形層Ｌが最終硬化しないように不完全硬化をさせる硬化工程Ｓ２を実行し、その後、次の工程である、上層の造形層Ｌの未硬化層形成工程Ｓ１を実行するように、圧縮空気供給部２３、移動機構部４０及び紫外線照射部５０を制御する。
即ち、制御装置８０に搭載されたスライスソフトは、直前の前記未硬化層形成工程により形成された一層分の造形層Ｌの最終硬化前に硬化工程Ｓ２を終了し、上層に形成される次の一層分の造形層Ｌを形成するための未硬化層形成工程Ｓ１を実行するように３Ｄプリンタを制御するように構成されている。

その結果、未硬化層硬化工程（ステップＳ２）は、直前の未硬化層形成工程（ステップＳ１）により形成された一層分の造形層Ｌの外縁部Ｌ１と、次の未硬化層形成工程（ステップＳ１）により形成された一層分の造形層Ｌの外縁部Ｌ２と、が互いに接着した状態となる。そして、３Ｄプリンタ１０はこの未硬化層形成工程Ｓ１及び、当該未硬化層を高い粘度を有した状態で不完全に硬化させる硬化工程Ｓ２とを繰り返しながら上層に向かってノズルを駆動制御し、造形物を作製する。

［作用・効果］
本実施の形態に係る製造方法によれば、本実施の形態に係る製造方法を実行できるようにプログラミングされたスライスソフトにより、適宜、強度及び照射時間が制御された紫外線により照射され、高い粘度を有した状態で不完全硬化されることから、紫外線硬化材料Ｍが最終硬化するまでの所定の時間内に、互いに接する上下の造形層Ｌを上層に形成し、前に形成された下方の造形層Ｌ１とその次に形成された上方の造形層Ｌ２とを互いに接着させて、造形物Ｗの端面部における積層痕（凹凸、空隙、等）を排除し、透明度の高い造形物Ｗを造形できる。
この場合、接着された造形層Ｌ１、Ｌ２の最終的な硬化に関しては、紫外線照射部５０による照射が形成される層分だけ繰り返し行われることから、結果的に、照射による硬化エネルギーは全層に供給されて、最終的に全ての層に関する硬化が行われて造形物が作製される。

より詳細には、直前の未硬化層形成工程（ステップＳ１）により形成された一層分の造形層Ｌの最終硬化前に、硬化工程（ステップＳ２）を終了し、次の一層分の造形層Ｌを形成するための未硬化層形成工程（ステップＳ１）を実行することにより、図５（ａ）に示すように、ある一層分の造形層Ｌ１及びその上層の造形層Ｌ２を形成する紫外線硬化材料Ｍには粘性が残存しており、その結果、各造形層Ｌの外縁部Ｌｅには「垂れ」が発生し、互いに隣接する上下の造形層Ｌの各外縁部Ｌｅが接着する。
その結果、本実施の形態にあっては、各造形層Ｌの外縁部Ｌｅの間の隙間（積層痕の要因）Ｇが小さくなるため、積層痕や乱反射による造形物Ｗの透明度の低下を抑制できる。

これに対し、従来行われているように、硬化工程（ステップＳ２）により各造形層Ｌを、その都度、最終硬化（完全に硬化）させる方法では、図５（ｂ）に示すように、互いに隣接する上下の造形層Ｌの外縁部Ｌｅの隙間Ｇが大きくなるため、積層痕や乱反射により造形物の透明度が低下することになっていたものである。従って、本実施の形態に係る製造方法によれば、このような従来の欠点を排除することが可能となる。

また、この製造方法によれば、紫外線硬化材料Ｍとして例えば紫外線硬化液状シリコーンゴムを使用し、その粘性等を調整することにより、金型成形により得られるシリコーンゴム造形物に匹敵する高精度のシリコーンゴム造形物Ｗを製造することが可能となる。また、この製造方法により製造されるシリコーンゴム造形物Ｗの物性は、特に、引張強度、伸びなどに関し金型成形により得られるシリコーンゴム造形物の物性と同等である。

また、この製造方法によれば、上下の造形層Ｌ２、Ｌ１が互いに接着することで、サポート材を必要としない製造方法の実行が可能となる。
即ち、図６に示すような、上方の造形層Ｌ２の外方縁部Ｌｅが下方の造形層Ｌ１の外方縁部Ｌｅに対してオーバーハングとなっている状態の場合、従来のように、下方の造形層Ｌ１が完全に硬化するまで紫外線照射を行った製造方法の場合には、造形層Ｌ１の外縁部Ｌｅの粘度がない状態となるため、上方に形成される造形層Ｌ２を紫外線硬化させて場合でも外縁部Ｌｅの強度が維持できず、崩れてしまう場合がある。従って、従来はこのようなオーバーハング、アンダーカット等が発生する部位に関してはサポート材を必要としており、製作作業が煩雑であった。

しかしながら。本実施の形態に係る製造方法にあっては、互いに上下方向に隣接する造形層Ｌ２、Ｌ１の外縁部Ｌｅが互いに未硬化の状態で接着するように、下方の造形層Ｌ１に対して紫外線ＵＶを照射する未硬化層硬化工程（ステップＳ２）が行われることにより、図６に示すように、上の造形層Ｌ２の外縁部Ｌｅが下の造形層Ｌ１の外縁部Ｌｅよりも外方に突出して形成される造形条件においても、下の造形層Ｌ１の外縁部Ｌｅは所定の適切な粘度を以て形成されるため、接着力があり、上方の造形層Ｌ２の外縁部Ｌｅは下方の造形層Ｌｅに接着固定するため、上方の造形層Ｌ２の外縁部Ｌｅが崩れてしまうことがない。従って、本実施の形態においては、サポート材を必要とせず、円滑に造形物の製造作業を行うことが可能となる。

また、ＡＩ（人工知能）による機械学習を利用して、ノズルから吐出された未硬化硬化材料の粘性、粘度の時間的変化、紫外線強度、照射時間、加熱時間等のパラメータに基づき造形条件を最適化して造形物を作製することができる。
即ち、本実施の形態に係る３Ｄプリンタ制御プログラムを、吐出された各種の前記未硬化の造形材料の粘度の時間的変化、前記ノズルからの吐出圧、加熱時間、紫外線の強度、紫外線の照射時間、硬化速度、前記未硬化層硬化工程の実行時間、次の前記造形層を形成するタイミング、形態条件、又はノズルの移動軌跡に関する造形条件のデータ、及び、前記造形条件のデータに基づき造形した場合の前記造形物の透明度の良否又は積層痕に関する造形結果データを含む学習用データを得るステップと、得られた前記学習用データを使用して機械学習することにより前記造形条件を最適化した学習済みモデルを生成するステップと、前記学習済みモデルに基づいて３Ｄプリンタを制御するステップを有するように構成することもできる。

このように各種のパラメータ制御に関し機械学習を利用した場合には、造形物Ｗの造形を多数回実行することにより、例えば、造形条件（吐出された各種の造形材料の粘度の時間的変化、硬化速度、各未硬化層硬化工程の実行時間、紫外線強度、等）と造形結果（造形物の透明度の良否など）とからなる多数の学習用データ（データセット）を取得し、取得された学習用データを使用して機械学習することにより造形条件を最適化した学習済みモデルを生成し、その学習済みモデルに基づいて３Ｄプリンタ１０を制御する機能を３Ｄプリンタ制御プログラムに実装することにより、造形物Ｗの造形回数が増えるに連れて、より高品質の造形物Ｗを製造することが可能となる。
［その他の実施形態］

本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、上記実施形態では、ディスペンサ部２０は、紫外線硬化材料Ｍを収容した材料カートリッジ２１と、材料カートリッジ２１から紫外線硬化材料Ｍを射出させる圧縮空気供給部２３と、を有することとしたが、この構成に限らず、例えば、二種類の液状のシリコーンゴムをブレンドし、エクストルーダで押出すように構成したディスペンサ部２０を採用することも可能である。
また、上記実施形態では、移動機構部４０は、ディスペンサ部２０をステージ部３０に対して上下に移動させる昇降機構４１と、ステージ部３０をディスペンサ部２０に対して水平方向に移動させる水平移動機構４２とを備えているが、昇降機構４１を省略するとともに、水平移動機構４２に代えて、ステージ部３０をディスペンサ部２０に対して３軸方向（上下、左右及び前後）に移動させる移動機構を採用してもよい。

また、上記実施形態では、紫外線照射部５０がプリンタ本体６０に固定されているが、紫外線照射部５０はディスペンサ部２０に固定されてもよい。
また、上記実施形態では、紫外線硬化材料を造形材料に使用して液体積層造形法により造形物を製造する方法ついて説明したが、本発明は、熱硬化材料（例えば、熱硬化液状シリコーンゴム）等を造形材料に使用して液体積層造形法により造形物を製造する方法にも適用可能である。

さらに、本発明に係る３Ｄプリンタ制御プログラムに係るスライスソフトを使用することにより（常温硬化型）シリコーンゴム等の造形時間の管理が非常に重要となる造形材料を使用して造形物を製作する場合にも適用することができる。
ＲＴＶ（常温硬化型・Ｒｏｏｍ Ｔｅｍｐｒａｔｕｒｅ Ｖｕｌｃａｎｉｚｉｎｇ）シリコーンゴムは室温において硬化する造形材料であり、造形するための造形パス、造形順序、造形時間、ノズルからの造形材料の吐出圧等の各種パラメータを、紫外線硬化材料の場合等に比して、より精密に制御することが必要となる。
このようなＲＴＶシリコーンゴムによる造形物の造形は、本願発明に係る製造方法及び３Ｄプリンタ制御プログラムを備えたスライスソフトにより初めて可能となるものである。

ＲＴＶシリコーンゴムには１液型と２液型がある。１液型はカートリッジ等の容器から押し出された場合には空気中の湿気等と反応して室温で硬化が開始する。２液型は、主剤と硬化剤を混合させて、室温又は加熱することにより硬化が開始するものである。

このようなＲＴＶシリコーンゴムを使用して「積層痕」を低減し、かつ、サポート材を不要とするような造形物の造形を実行する場合には、シリンジ状の材料容器部内のＲＴＶシリコーンゴム（２液の場合）又はノズル先端のＲＴＶシリコーンゴム（１液の場合）は未だ硬化が開始していないので流動性が高く、造形開始直後においては問題なく造形を行うことが可能である。
一方、造形終盤に至るに従って、造形中に材料容器内のＲＴＶシリコーンゴム（２液の場合）又はノズル先端のＲＴＶシリコーンゴム（１液の場合）が硬化し始めるので、流動性が低くなってしまい、ノズル先端の吐出口が詰まる場合もある。
従って、このような事態に対応するために本願発明に係る製造方法及び３Ｄプリンタ制御プログラムを備えたスライスソフトを実施することにより吐出圧、造形パスを適宜制御して３Ｄプリンタにより造形物を製造することが可能となる。

熱硬化材料を造形材料に使用して液体積層造形法により造形物を製造する方式の場合、３Ｄプリンタ１０及び３Ｄプリンタ１０による造形材料の製造方法は、以下の構成のものに置換される。

３Ｄプリンタ１０は、熱硬化材料Ｍを射出するディスペンサ部２０と、ディスペンサ部２０から射出された熱硬化材料Ｍが積層されるステージ部３０と、ディスペンサ部２０とステージ部３０とを互いに相対的に移動させる移動機構部４０と、ステージ部３０に射出された熱硬化材料Ｍを加熱するハロゲンランプなどを用いた加熱部５０と、プリンタ本体６０と、制御装置８０と、を有することとなる。

未硬化層形成工程（ステップＳ１）は、未硬化の熱硬化材料Ｍにより一層分の造形層Ｌを形成する工程である。より詳細には、未硬化層形成工程（ステップＳ１）は、ノズル２１ｄを、一層分の造形層Ｌを形成する領域の内方から外縁部に移動させつつ、ノズル２１ｄから未硬化の熱硬化材料Ｍを吐出することにより、未硬化の熱硬化材料Ｍにより一層分の造形層Ｌを形成する工程である。

硬化工程（ステップＳ２）は、加熱することにより一層分の造形層Ｌを、高い粘度を輸した状態に、不完全に硬化させる工程である。制御装置８０は、直前の未硬化層形成工程（ステップＳ１）により形成された一層分の造形層Ｌの最終硬化前に、未硬化層硬化工程（ステップＳ２）を終了し、次の一層分の造形層Ｌを形成するための未硬化層形成工程（ステップＳ１）を実行するように、３Ｄプリンタ１０の各部を制御するようにプログラミングされたスライスソフトを搭載している。

その結果、未硬化層硬化工程（ステップＳ２）は、直前の未硬化層形成工程（ステップＳ１）により形成された一層分の造形層Ｌの外縁部Ｌｅと、次の未硬化層形成工程（ステップＳ１）により形成された一層分の造形層Ｌの外縁部Ｌｅと、が互いに未硬化の状態で、接着した状態となり、この上下に隣接する造形層Ｌの相互の接着状態が連続することにより造形物が製造されるものである。

上記実施の形態における各構成要素は、本願発明の要旨の範囲内において上記の記載に限定されない。

本発明は３Ｄプリンタによる造形物の製造方法及び３Ｄプリンタ制御プログラムに係るものであるので、広く産業上の利用可能性を有している。

１０ ３Ｄプリンタ
２０ ディスペンサ部
２１ｄ ノズル
３０ ステージ部
４０ 移動機構部
５０ 紫外線照射部
８０ 制御装置
Ｍ 紫外線硬化材料（造形材料）
Ｓ１ 未硬化層形成工程
Ｓ２ 未硬化層硬化工程
ＵＶ 紫外線
Ｗ 造形物

Claims (7)

1. 未硬化の造形材料をノズルから、前記ノズル下方に配置されたステージ部上に吐出し積層させ、前記未硬化の造形材料により一層分の造形層を形成する未硬化層形成工程と、前記一層分の造形層を硬化させる未硬化層硬化工程とを積層方向において順次繰り返して造形物を作成する３Ｄプリンタによる造形物の製造方法であって、
   前記３Ｄプリンタは、ＬＡＭ方式（液体積層造形方式）の３Ｄプリンタであると共に、前記未硬化の造形材料は、紫外線硬化液状シリコーンゴムであり、
   直前の前記未硬化層形成工程により形成された前記一層分の造形層の最終硬化前に前記未硬化層硬化工程を終了し、次の前記一層分の造形層を形成するための前記未硬化層形成工程を実行し、粘性を有した状態の前記一層分の造形層と粘性を有した前記次の一層分の造形層とを接着硬化させて造形物を作成し、
   前記未硬化層硬化工程は、前記紫外線硬化液状シリコーンゴムの粘性の時間的変化、紫外線の強度、照射時間、前記造形材料の前記ノズルからの吐出圧、次の造形層を形成するタイミング又は前記ノズルの移動軌跡を制御しつつ、前記未硬化の造形材料である前記紫外線硬化液状シリコーンゴムに紫外線を照射する工程であることを特徴とする３Ｄプリンタによる造形物の製造方法。
2. 前記未硬化層形成工程は、前記ノズルを、前記一層分の造形層を形成する領域の内方から外縁部に向かって移動させつつ、前記ノズルから前記未硬化の造形材料を吐出することにより、前記未硬化の造形材料により前記一層分の造形層を形成する工程であり、
   前記未硬化層硬化工程は、直前の前記未硬化層形成工程により形成された、粘性を有する前記一層分の造形層の外縁部と、次の前記未硬化層形成工程により形成された前記一層分の造形層の外縁部とを互いに接着硬化させることを特徴とする、請求項１記載の３Ｄプリンタによる造形物の製造方法。
3. 未硬化の造形材料をノズルから、前記ノズル下方に配置されたステージ部上に吐出し積層させ、前記未硬化の造形材料により一層分の造形層を形成する未硬化層形成工程と、前記一層分の造形層を硬化させる未硬化層硬化工程とを積層方向において順次繰り返して造形物を作成する３Ｄプリンタによる造形物の製造方法であって、
   前記３Ｄプリンタは、ＬＡＭ方式（液体積層造形方式）の３Ｄプリンタであると共に前記未硬化の造形材料は、熱硬化液状シリコーンゴムであり、
   直前の前記未硬化層形成工程により形成された前記一層分の造形層の最終硬化前に前記未硬化層硬化工程を終了し、次の前記一層分の造形層を形成するための前記未硬化層形成工程を実行し、粘性を有した状態の前記一層分の造形層と粘性を有した前記次の一層分の造形層とを接着硬化させて造形物を作成し、
   前記未硬化層硬化工程は、前記熱硬化液状シリコーンゴムの粘性の時間的変化、加熱時間、前記造形材料の前記ノズルからの吐出圧、次の造形層を形成するタイミング又は前記ノズルの移動軌跡を制御しつつ、前記未硬化の造形材料である熱硬化液状シリコーンゴムを加熱する工程であることを特徴とする、３Ｄプリンタによる造形物の製造方法。
4. 前記熱硬化液状シリコーンゴムは、ＲＴＶ（常温硬化型）シリコーンゴムであることを特徴とする請求項３記載の３Ｄプリンタによる造形物の製造方法。
5. 未硬化の造形材料をノズルから、前記ノズル下方に配置されたステージ部上に吐出し積層させ、前記未硬化の造形材料により一層分の造形層を形成する未硬化層形成工程と、前記一層分の造形層を硬化させる未硬化層硬化工程と、を順次繰り返すことにより造形物を製造する３Ｄプリンタの制御装置の作動を実行するプログラムであって、
   前記３Ｄプリンタは、ＬＡＭ方式（液体積層造形方式）の３Ｄプリンタであると共に、前記未硬化の造形材料は、紫外線硬化液状シリコーンゴムであり、
   直前の前記未硬化層形成工程により形成された前記一層分の造形層の最終硬化前に、前記未硬化層硬化工程を終了し、次の前記一層分の造形層を形成し、
   前記未硬化層硬化工程は、前記紫外線硬化液状シリコーンゴムの粘性の時間的変化、紫外線の強度、照射時間、前記造形材料の前記ノズルからの吐出圧、次の造形層を形成するタイミング又は前記ノズルの移動軌跡を含むパラメータに基づき、前記未硬化の造形材料である前記紫外線硬化液状シリコーンゴムに紫外線を照射する工程であることを特徴とする、３Ｄプリンタ制御プログラム。
6. 未硬化の造形材料をノズルから、前記ノズル下方に配置されたステージ部上に吐出し積層させ、前記未硬化の造形材料により一層分の造形層を形成する未硬化層形成工程と、前記一層分の造形層を硬化させる未硬化層硬化工程と、を順次繰り返すことにより造形物を製造する３Ｄプリンタの制御装置の作動を実行するプログラムであって、
   前記３Ｄプリンタは、ＬＡＭ方式（液体積層造形方式）の３Ｄプリンタであると共に、前記未硬化の造形材料は熱硬化液状シリコーンゴムであり、
   直前の前記未硬化層形成工程により形成された前記一層分の造形層の最終硬化前に、前記未硬化層硬化工程を終了し、次の前記一層分の造形層を形成し、
   前記未硬化層硬化工程は、前記熱硬化液状シリコーンゴムの粘性の時間的変化、加熱時間、前記造形材料の前記ノズルからの吐出圧、次の造形層を形成するタイミング又は前記ノズルの移動軌跡を含むパラメータに基づき、前記未硬化の造形材料である熱硬化液状シリコーンゴムを加熱する工程であることを特徴とする、３Ｄプリンタ制御プログラム。
7. 吐出された各種の前記未硬化の造形材料の粘度の時間的変化、前記ノズルからの吐出圧、加熱時間、紫外線の強度、紫外線の照射時間、硬化速度、前記未硬化層硬化工程の実行時間、次の前記造形層を形成するタイミング、形態条件、又はノズルの移動軌跡に関する造形条件のデータ、及び、前記造形条件のデータに基づき造形した場合の前記造形物の透明度の良否又は積層痕に関する造形結果データを含む学習用データを得るステップと、
   得られた前記学習用データを使用して機械学習することにより前記造形条件を最適化した学習済みモデルを生成するステップと、
   前記学習済みモデルに基づいて３Ｄプリンタを制御するステップを有することを特徴とする、請求項５又は６記載の３Ｄプリンタ制御プログラム。