三次元造形装置及び三次元造形方法
【課題】サポート材の除去を容易にしつつも、取り扱いし易さを維持させる。
【解決手段】制御手段が、水平駆動手段でヘッド部２０を一方向に往復走査させて、造形材吐出手段によりモデル材ＭＡ及びサポート材ＳＡを造形プレート４０上に吐出させ、該往復走査の往路又は復路の少なくともいずれか一方で、硬化手段２４でモデル材ＭＡ及び／又はサポート材ＳＡを硬化させることにより、スライスを生成し、高さ方向に造形プレート４０とヘッド部２０の相対位置を移動させて、スライスの積層を繰り返すことにより造形を実行するよう制御してなり、サポート材ＳＡは、外表面に該サポート材ＳＡと異なる材質のサポート殻ＳＳを設けてなり、サポート殻ＳＳは、サポート材ＳＡよりも剛性の高い材質で構成される。
【解決手段】制御手段が、水平駆動手段でヘッド部２０を一方向に往復走査させて、造形材吐出手段によりモデル材ＭＡ及びサポート材ＳＡを造形プレート４０上に吐出させ、該往復走査の往路又は復路の少なくともいずれか一方で、硬化手段２４でモデル材ＭＡ及び／又はサポート材ＳＡを硬化させることにより、スライスを生成し、高さ方向に造形プレート４０とヘッド部２０の相対位置を移動させて、スライスの積層を繰り返すことにより造形を実行するよう制御してなり、サポート材ＳＡは、外表面に該サポート材ＳＡと異なる材質のサポート殻ＳＳを設けてなり、サポート殻ＳＳは、サポート材ＳＡよりも剛性の高い材質で構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェット方式で立体造形物を作製する三次元造形装置及び三次元造形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、造形物を平行な複数の面で切断した各断面毎に樹脂を順次積層することよって立体造形を行い、造形物の三次元モデルとなる造形物を生成する装置が知られている。特に製品開発において試作等に用いられるラピッド・プロトタイピング（Rapid Prototyping：ＲＰ）の分野では、三次元造型が可能な積層造形法が利用されている。積層造形法は、製品の三次元ＣＡＤデータをスライスし、薄板を重ね合わせたようなものを製造の元データとして作成し、それに粉体、樹脂、鋼板、紙等の材料を積層して試作品を作成する。このような積層造形法としては、インクジェット法、粉末法、光造形法、シート積層法、押し出し法等が知られている。この内、インクジェット法は、液化した材料を噴射した後、紫外光（ＵＶ）を照射したり、冷却する等によって層を硬化させて形成する。この方法によれば、インクジェットプリンタの原理を応用できることから、高精細化が容易となる利点が得られる。
【０００３】
樹脂積層方式の三次元造形装置は、最終的な造形物となるモデル材と、モデル材の張り出し（オーバーハング）部分を支え、最終的に除去されるサポート材をＸＹ方向に走査しながら造形プレート上に吐出し、高さ方向に積層していくことにより、造形を行う。モデル材とサポート材は、紫外光を照射することにより硬化する特性を有する樹脂で構成されている。紫外光を照射する紫外光ランプを、モデル材とサポート材を吐出するノズルと共に、ＸＹ方向に走査し、ノズルから吐出されたモデル材およびサポート材に紫外光を照射して硬化させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００３−５３５７１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このサポート材は最終的に除去されるものであるため、除去し易さを考慮すれば、ある程度の柔らかさや柔軟性を備えた材質とすることが好ましい。しかしながら、サポート材に使用する樹脂の特性によっては、このような柔らかい樹脂では熱や湿度によって変形や潮解し易いという問題がある。また、サポート材の強度が低いと、ユーザがこれを持ったときに崩れてしまう。さらに、溶融し易さを考慮してサポート材に非硬化成分を含ませると、サポート材表面がべたつくため、手に持ったユーザに不快感を与えてしまうという問題もある。
【０００６】
このような観点に鑑みれば、熱や湿度で変形せず、ユーザが手で触れても崩れないような剛性をサポート材に持たせることが必要となる。また一方で、モデル材の張り出し部分をサポート材で支持するという目的に鑑みても、モデル材を支持できる程度の剛性がサポート材に求められる。
【０００７】
しかしながら、剛性を高めると、サポート材を除去する際に、モデル材から剥がれにくくなり、また除去の際にモデル材も一緒に引き剥がされて破損する可能性がある等、サポート材の除去作業が面倒になるという問題もある。このようにサポート材は、除去し易さと、取り扱い易さとで相反する特性が求められているため、このような相反する要求を満たすことのできるサポート材が求められていた。
【０００８】
本発明は、従来のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、サポート材の除去を容易にしつつも、取り扱いし易さを維持させた三次元造形装置及び三次元造形方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明の第１の側面に係る三次元造形装置によれば、造形プレート４０上に、造形材として、最終的な造形物となるモデル材ＭＡと、前記モデル材ＭＡが張り出した張り出し部分を支え、最終的に除去されるサポート材ＳＡと、を少なくとも一方向に走査しながら吐出させ、かつこれを硬化させる動作を繰り返すことで、高さ方向に所定の厚みを有するスライスを生成し、該スライスを高さ方向に積層していくことにより造形を行う三次元造形装置であって、造形物を載置するための前記造形プレート４０と、前記モデル材ＭＡを吐出するためのモデル材吐出ノズル２１、及び前記サポート材ＳＡを吐出するためのサポート材吐出ノズル２２を、それぞれ一方向に複数個配列させた造形材吐出手段と、前記モデル材ＭＡ及びサポート材ＳＡを硬化させるための硬化手段２４と、前記造形材吐出手段及び硬化手段２４を備えるヘッド部２０と、前記ヘッド部２０を水平方向に往復走査させるための水平駆動手段と、前記ヘッド部２０と造形プレート４０との高さ方向の相対位置を移動させるための垂直駆動手段と、前記水平駆動手段及び垂直駆動手段の駆動を制御し、かつ前記造形材吐出手段による前記造形材による吐出及び硬化手段２４による硬化を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段が、前記水平駆動手段で前記ヘッド部２０を一方向に往復走査させて、前記造形材吐出手段により前記モデル材ＭＡ及びサポート材ＳＡを前記造形プレート４０上に吐出させ、該往復走査の往路又は復路の少なくともいずれか一方で、前記硬化手段２４で前記モデル材ＭＡ及び／又はサポート材ＳＡを硬化させることにより、前記スライスを生成し、高さ方向に前記造形プレート４０とヘッド部２０の相対位置を移動させて、前記スライスの積層を繰り返すことにより造形を実行するよう制御してなり、前記サポート材ＳＡは、外表面に該サポート材ＳＡと異なる材質のサポート殻ＳＳを設けてなり、前記サポート殻ＳＳは、前記サポート材ＳＡよりも剛性の高い材質で構成できる。これにより、サポート材に要求される造形後の除去し易さと、造形時の剛性という相反する特性を、サポート材の外殻にサポート材よりも剛性の高いサポート殻を設けることで解消している。すなわち、造形時においてはサポート殻でサポート材の流出を阻止し、さらに造形後においては、サポート殻で被覆されたサポート材を流出させて、容易にサポート材をモデル材から除去できるようになる。
【００１０】
また、第２の側面に係る三次元造形装置によれば、前記サポート材ＳＡを、水溶性の材質で構成できる。これにより、造形後に造形物を水槽に満たした水に含浸する等して、サポート材を溶出させてこれを極めて簡単に除去することができる。
【００１１】
さらに、第３の側面に係る三次元造形装置によれば、前記サポート殻ＳＳを、前記モデル材ＭＡと同じ材質で構成できる。これにより、サポート殻の形成を、モデル材の造形時に合わせて行うことができ、別途異なる造形材を容易にする必要を無くして工数を減らし、また共通の造形材を用いることで製造コストも削減できる。
【００１２】
さらにまた、第４の側面に係る三次元造形装置によれば、前記制御手段が、各スライスの形成時に前記サポート材ＳＡの外表面で前記サポート殻ＳＳが形成される位置に、前記モデル材ＭＡを吐出して硬化させ、前記サポート材ＳＡの外表面が薄いモデル材ＭＡで覆われるように前記造形材吐出手段を制御することができる。これにより、サポート材の表面に薄いモデル材を形成してサポート殻を容易に形成できる利点が得られる。
【００１３】
さらにまた、第５の側面に係る三次元造形装置によれば、前記サポート殻ＳＳは、部分的にサポート材ＳＡを露出させた露出部を設けることができる。これにより、造形物の造形後に露出部でサポート殻を破断したり、あるいは造形物を水に含浸して露出部からサポート材を溶出させる等して、サポート殻を造形物から剥離し易くできる。
【００１４】
さらにまた、第６の側面に係る三次元造形装置によれば、前記露出部を、前記サポート殻ＳＳの表面に開口された多数の穴５３とできる。これにより、造形後に造形物を水に含浸して、穴を介してサポート材を溶出させることができる。
【００１５】
さらにまた、第７の側面に係る三次元造形装置によれば、前記露出部を、前記サポート殻ＳＳの表面に、部分的な開口を直線状に設けた切り取り線状５１とできる。これにより、切り取り線に沿って手でサポート殻を破断し易くできる。
【００１６】
さらにまた、第８の側面に係る三次元造形装置によれば、前記サポート殻ＳＳを、一定の大きさの小片５４を離間させて配列し、該小片５４同士の間を露出部とすることができる。これにより、造形後に造形物を水に含浸すると、露出部からサポート材を溶出させてサポート殻が小片に細かく分解されるため、サポート材のより多くの部分が露出されることとなり、一層容易にかつ短時間でサポート材を除去できる利点が得られる。
【００１７】
さらにまた、第９の側面に係る三次元造形装置によれば、前記サポート殻ＳＳに、部分的に肉薄にした溝部を形成することができる。これにより、造形物の造形後に肉薄の溝部でサポート殻を破断し易くできる。特にサポート材を直接外部に露出させないことで、サポート材を空気に触れさせず潮解を回避でき、また露出部分からサポート材が流出する事態を回避できる利点が得られる。
【００１８】
さらにまた、第１０の側面に係る三次元造形装置によれば、前記サポート殻ＳＳは、前記モデル材ＭＡで造形される造形物と接触しないように離間して形成できる。これにより、モデル材とサポート殻が連続的に成形される部位を排除し、サポート殻をサポート材から剥離する際に、造形物のモデル材が部分的に破損される事態を回避し、モデル材を除去をスムーズに行えると共に、高品質な造形物を得ることができる。
【００１９】
さらにまた、第１１の側面に係る三次元造形装置によれば、前記サポート殻ＳＳは、造形物の外形を簡素化した形状に形成されてなり、前記サポート殻ＳＳとモデル材ＭＡとの間に前記サポート材ＳＡを充填できる。これにより、特に造形物の外形が複雑な場合に、該複雑な外形に沿ったサポート殻を形成しないことで、サポート殻を除去し易くできる利点が得られる。
【００２０】
さらにまた、第１２の側面に係る三次元造形装置によれば、前記スライスは、前記サポート殻ＳＳを形成する位置を、造形物を構成するモデル材ＭＡよりも外周に位置させることができる。これにより、サポート材の水平方向において間欠的にサポート殻を有しない、サポート材が露出する造形物が形成され、サポート殻が造形物と接合される事態を回避し、サポート材の除去し易さと造形物の保護を図ることができる。
【００２１】
さらにまた、第１３の側面に係る三次元造形装置によれば、前記スライスは、前記サポート材ＳＡの表面にサポート殻を形成しないスライスを含めることができる。これにより、サポート材の高さ方向において間欠的にサポート殻を有しない、サポート材が露出する造形物が形成され、サポート殻が造形物と接合される事態を回避し、サポート材の除去し易さと造形物の保護を図ることができる。
【００２２】
さらにまた、第１４の側面に係る三次元造形装置によれば、前記サポート殻ＳＳは、前記サポート材ＳＡの外表面の内、角度が急峻に変化する部位に設けないようにできる。これにより、エッジ部分にはサポート殻が形成されないため、手でサポート殻を破断し易くできる。
【００２３】
さらにまた、第１５の側面に係る三次元造形方法によれば、造形プレート４０上に、造形材として、最終的な造形物となるモデル材ＭＡと、前記モデル材ＭＡが張り出した張り出し部分を支え、最終的に除去されるサポート材ＳＡと、を少なくとも一方向に走査しながら吐出させ、かつこれを硬化させる動作を繰り返すことで、高さ方向に所定の厚みを有するスライスを生成し、該スライスを高さ方向に積層していくことにより造形を行う三次元造形方法であって、造形物を載置するための前記造形プレート４０上に、前記モデル材ＭＡ及び／又はサポート材ＳＡを吐出させる造形材吐出手段及び前記モデル材ＭＡ及びサポート材ＳＡを硬化させる硬化手段２４を備えるヘッド部２０を一方向に往復走査させる往路又は復路の少なくともいずれか一方で、前記モデル材ＭＡ及びサポート材ＳＡを前記造形材吐出手段で前記造形プレート４０上に吐出させ、他方で前記硬化手段２４で前記モデル材ＭＡ及び／又はサポート材ＳＡを硬化させ、スライスを生成する工程と、高さ方向に前記造形プレート４０とヘッド部２０の相対位置を移動させて、前記スライスの積層を繰り返す工程と、を含み、前記スライスの生成及び積層工程において、前記サポート材ＳＡの外表面に、該サポート材ＳＡよりも剛性の高い材質で構成されたサポート殻ＳＳが設けることができる。これにより、サポート材に要求される造形後の除去し易さと、造形時の剛性という相反する特性を、サポート材の外殻にサポート材よりも剛性の高いサポート殻を設けることで解消している。すなわち、造形時においてはサポート殻でサポート材の流出を阻止し、さらに造形後においては、サポート殻で被覆されたサポート材を流出させて、容易にサポート材をモデル材から除去できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施例１に係る三次元造形装置を示すブロック図である。
【図２】変形例に係る三次元造形装置を示すブロック図である。
【図３】ヘッド部がＸＹ方向に移動される様子を示す平面図である。
【図４】モデル材とサポート材で造形された造形物を示す斜視図である。
【図５】図４の断面図である。
【図６】サポート殻に切り取り線を設けた例を示す斜視図である。
【図７】サポート殻に切れ目を設けた例を示す斜視図である。
【図８】サポート殻に多数の穴を設けた例を示す斜視図である。
【図９】サポート殻を多数の小片で構成した例を示す斜視図である。
【図１０】サポート材表面にサポート殻を設けない例を示す断面図である。
【図１１】図１０のサポート材表面にサポート殻を設けた例を示す断面図である。
【図１２】サポート殻をモデル材から水平方向に離間させた例を示す断面図である。
【図１３】サポート殻をモデル材から垂直方向に離間させた例を示す断面図である。
【図１４】図１４（ａ）はサポート殻をモデル材の表面形状に沿って設けた例を示す水平断面図、図１４（ｂ）はサポート殻をモデル材の表面形状を単純化して設けた例を示す水平断面図である。
【図１５】ヘッド部の外観を示す斜視図である。
【図１６】図１５のヘッド部で造形材を吐出する様子を示す平面図である。
【図１７】ローラ部で造形材の余剰分を除去する状態を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための三次元造形装置及び三次元造形方法を例示するものであって、本発明は三次元造形装置及び三次元造形方法を以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
【００２６】
本発明の実施例において使用される三次元造形装置とこれに接続される操作、制御、表示、その他の処理等のためのコンピュータ、プリンタ、外部記憶装置その他の周辺機器との接続は、例えばＩＥＥＥ１３９４、ＲＳ−２３２ｘやＲＳ−４２２、ＲＳ−４２３、ＲＳ−４８５、ＵＳＢ等のシリアル接続、パラレル接続、あるいは１０ＢＡＳＥ−Ｔ、１００ＢＡＳＥ−ＴＸ、１０００ＢＡＳＥ−Ｔ等のネットワークを介して電気的、あるいは磁気的、光学的に接続して通信を行う。接続は有線を使った物理的な接続に限られず、ＩＥＥＥ８０２．１ｘ等の無線ＬＡＮやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の電波、赤外線、光通信等を利用した無線接続等でもよい。さらにデータの交換や設定の保存等を行うための記録媒体には、メモリカードや磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等が利用できる。なお本明細書において三次元造形装置とは、三次元造形装置本体のみならず、これにコンピュータ、外部記憶装置等の周辺機器を組み合わせた三次元造形システムも含む意味で使用する。
【００２７】
また、本明細書において三次元造形装置、三次元造形方法、三次元造形プログラムは、三次元造形を行うシステムそのもの、ならびに画像生成に関連する入出力、表示、演算、通信その他の処理をハードウエア的に行う装置や方法に限定するものではない。ソフトウエア的に処理を実現する装置や方法も本発明の範囲内に包含する。例えば汎用の回路やコンピュータにソフトウエアやプログラム、プラグイン、オブジェクト、ライブラリ、アプレット、コンパイラ、モジュール、特定のプログラム上で動作するマクロ等を組み込んで画像生成そのものあるいはこれに関連する処理を可能とした装置やシステムも、本発明の三次元造形装置、三次元造形方法、三次元造形プログラム及びコンピュータで読み取り可能な記録媒体に該当する。また本明細書においてコンピュータには、汎用あるいは専用の電子計算機の他、ワークステーション、端末、携帯型電子機器、ＰＤＣやＣＤＭＡ、Ｗ−ＣＤＭＡ、ＦＯＭＡ（登録商標）、ＧＳＭ、ＩＭＴ２０００や第４世代等の携帯電話、ＰＨＳ、ＰＤＡ、ページャ、スマートフォンその他の電子デバイスも包含する。さらに本明細書においてプログラムとは、単体で使用されるものに限られず、特定のコンピュータプログラムやソフトウエア、サービス等の一部として機能する態様や、必要時に呼び出されて機能する態様、ＯＳ等の環境においてサービスとして提供される態様、環境に常駐して動作する態様、バックグラウンドで動作する態様やその他の支援プログラムという位置付けで使用することもできる。
（実施例１）
【００２８】
図１に、本発明の実施例１に係る三次元造形システム１００のブロック図を示す。この三次元造形システム１００は、造形材を液体又は流体状態でインクジェット方式によって吐出、硬化させ、これを積層することによって任意の造形物を製造するものである。造形材には、最終的な造形物を構成するモデル材ＭＡと、このモデル材ＭＡが張り出した張り出し部分を支えるために造形され、最終的に除去されるサポート材ＳＡとが利用される。
【００２９】
図１に示す三次元造形システム１００は、三次元造形装置２に設定データを送出する設定データ作成装置１（図１ではコンピュータＰＣ）と、三次元造形装置２で構成される。三次元造形装置２は、制御手段１０と、ヘッド部２０と、造形プレート４０とを備える。ヘッド部２０は、造形材吐出手段として、モデル材ＭＡを吐出するモデル材吐出ノズル２１と、サポート材ＳＡを吐出するサポート材吐出ノズル２２を備えている。またこれらの吐出された造形材から余剰分を掻き取ることにより造形材の表面を平滑化するためのローラ部２５と、造形材を硬化させる硬化手段２４も、ヘッド部２０に備えられる。さらにヘッド部２０を水平方向において、モデル材吐出ノズル２１とサポート材吐出ノズル２２から造形材を液体又は流体状態でインクジェット方式によって、造形プレート４０上の適切な位置に吐出させるために、往復走査するＸ方向と、このＸ方向に直交するＹ方向に走査させるための水平駆動手段、及びヘッド部２０と造形プレート４０との高さ方向の相対位置を移動させるための垂直駆動手段として、ＸＹ方向駆動部３１及びＺ方向駆動部３２を備えている。
【００３０】
コンピュータＰＣは、三次元形状の造形物、例えば三次元ＣＡＤ等で設計されたモデルデータの入力を外部から受けると、まずこのＣＡＤデータを、例えばＳＴＬ（Stereo Lithography Data）データに変換し、更にこのＳＴＬデータを複数の薄い断面体にスライスして得られる断面データを生成し、そしてこのスライスデータを、一括又は各スライス層単位にて三次元造形装置２に対して送信を行う設定データ作成装置１として機能する。この際、三次元ＣＡＤ等で設計されたモデルデータ（実際は、変換後のＳＴＬデータ）の造形プレート４０上における姿勢の決定に対応し、この姿勢におけるモデル材にて形成されるモデルを支持することが必要な空間又は箇所に対して、サポート材ＳＡを設ける位置の設定が行われ、これらのデータを元に各層に対応するスライスデータが形成される。制御手段１０は、コンピュータＰＣからの断面データを取り込み、そのデータに従ってヘッド部２０、ＸＹ方向駆動部３１及びＺ方向駆動部３２を制御する。この制御手段１０の制御により、ＸＹ方向駆動部３１が作動すると共に、ヘッド部２０のモデル材吐出ノズル２１及びサポート材吐出ノズル２２より造形材としてのモデル材ＭＡならびにサポート材ＳＡを、小滴として造形プレート４０上の適切な位置に吐出することにより、コンピュータＰＣから与えられた断面データに基づく断面形状が造形される。そして造形プレート４０上に吐出された造形材の一であるモデル材ＭＡは少なくとも硬化されて液体又は流体状態から固体に変化して硬化する。このような動作によって一層分の断面体すなわちスライスが作り出される。
（スライス）
【００３１】
ここで「スライス」とは、造形物のｚ方向の積層単位であり、スライス数は高さを積層厚で除算した値となる。実際には、各スライスの厚みを決定する要件としては、各吐出ノズルからの吐出可能な最小限の単位吐出量やローラ部２５のローラの上下方向における偏心によるばらつき等によって、設定可能な最小の厚みが決定される。このような観点に基づいて設定された値をスライスの最小値として、後は、ユーザが造形物に対して、求める、例えば、造形精度や造形速度の観点から各スライス量を最終的に決定できる。つまり、ユーザが造形精度を優先することを選択すれば、上述したスライス最小値又はその近傍の値にて各スライス量を決定し、一方造形速度を優先すれば、最低限の造形精度を維持した各スライス量を決定することができる。または、別の方法としては、造形精度と造形速度の比率をユーザに感覚的に選択させる方法や、ユーザに許容可能な最大造形時間を入力させることにより、いくつかの造形時間と造形精度の組み合わせを候補として表示し、その中からユーザが好む条件を選択させることも可能である。
【００３２】
また、一つのスライスデータに対する造形行為は、少なくともヘッド部２０をＸ方向に往復動作する際の少なくとも往路又は復路にてモデル材吐出ノズル２１とサポート材吐出ノズル２２から造形材を液体又は流体状態でインクジェット方式によって吐出させ、造形プレート４０上に吐出された造形物が未硬化の状態にて、少なくとも往路又は復路にてその未硬化の造形物の表面を平滑化するためにローラ部２５を作用させると共に、平滑化された造形物の表面に対して、硬化手段２４から特定波長の光を照射することにより、造形物を硬化させる一連のステップを少なくとも一回行うことで行われるが、この回数は、スライスデータの厚みや要求される造形精度によって自動的に変更されることはいうまでもない。
【００３３】
一方、また少なくとも往路又は復路にてモデル材吐出ノズル２１とサポート材吐出ノズル２２から吐出され、造形プレート上に形成される一回の最大の厚みは、吐出された液滴の着弾後の断面形状が略円形を留めることが可能な単位吐出量によって決まる。
（造形プレート４０）
【００３４】
造形プレート４０は、Ｚ方向駆動部３２によって昇降自在としている。一スライスが形成されると、制御手段１０によってＺ方向駆動部３２が制御され、造形プレート４０は一スライス分の厚さに相当する距離だけ降下する。そして上記と同様な動作を繰り返し行うことにより一スライス目の上側（上表面）に新たなスライスが積層される。このように連続的に作り出された幾層もの薄いスライスが積層されて造形物が造形される。
【００３５】
また、造形物が張り出した、いわゆるオーバーハング形状の場合には、コンピュータＰＣにおいて造形物をデータ化する際に必要に応じてオーバーハング支持部形状が付加される。そして制御手段１０は、最終造形物を構成するモデル材ＭＡの造形と同時に、そのオーバーハング支持部形状に基づいて、オーバーハング支持部ＳＢを造形する。具体的には、モデル材ＭＡとは別のサポート材ＳＡを、サポート材吐出ノズル２２から小滴として吐出させることにより、オーバーハング支持部ＳＢを形成する。造形後に、オーバーハング支持部ＳＢを構成するサポート材ＳＡを除去することで、目的の三次元造形物を得ることができる
【００３６】
ヘッド部２０は、図３の平面図に示すように、ヘッド移動手段３０により水平方向、すなわちＸＹ方向に移動される。さらに造形プレート４０が、図１に示すようにプレート昇降手段（Ｚ方向駆動部３２）によって高さ方向、すなわちＺ方向に移動される。これによって、ヘッド部２０と造形プレート４０の相対高さを変更でき、立体的な造形が可能となる。より詳細には、まずヘッド部２０は、ヘッド移動手段３０によりモデル材吐出ノズル２１及びサポート材吐出ノズル２２より造形材としてのモデル材ＭＡならびにサポート材ＳＡをスライスデータに基づいた適切な箇所に吐出するために、Ｘ方向に往復動作され、各吐出ノズル２１、２２に各々設けられる複数のＹ方向に伸びるオリフィスから、モデル材ＭＡ及びサポート材ＳＡが吐出される。さらに、図３に示すように、各吐出ノズル２１、２２のＹ方向の幅が、造形プレート４０上の造形可能なＹ方向の幅より小さい場合で、且つ造形用のモデルデータのＹ方向の幅が、Ｙ方向に伸びるオリフィスの全長より大きい場合は、各吐出ノズル２１、２２の所定の位置におけるＸ方向の往復動作の後、Ｙ方向に各吐出ノズル２１、２２を所定量シフトさせ、その位置でのＸ方向の往復走査と共に、モデル材ＭＡ及びサポート材ＳＡをスライスデータに基づいた適切な箇所に吐出させることを繰り返すことにより、設定された全ての造形データに対応した造形物の生成を行う。
【００３７】
なお図１の例では、Ｚ方向駆動部３２として造形プレート４０を昇降させるプレート昇降手段を用いているが、この例に限られず、図２に示す三次元造形装置２’のように、造形プレート４０側を高さ方向に固定し、ヘッド部側をＺ方向に移動させるＺ方向駆動部３２’を採用することもできる。また、ＸＹ方向への移動も、ヘッド部側を固定して、造形プレート側を移動させてもよい。また、上述したような、ヘッド部２０のＹ方向へのシフトは、各ノズルの幅を、実質的に造形プレート４０の造形可能なＹ方向の幅と同じにすれば、その必要はないが、その際においても、例えばノズルに設けられるオリフィスの間隔で決定される造形物のＹ方向の解像度を高める目的として、ヘッド部２０のＹ方向へのシフトにより、各オリフィスが、先の造形時におけるオリフィスとオリフィスの間に位置するようにシフトさせてもよい。
（制御手段１０）
【００３８】
制御手段１０は、造形材の吐出パターンを制御する。すなわちモデル材ＭＡ及びサポート材ＳＡを、Ｘ方向における往復走査の内、少なくとも往路又は復路の一方にて造形材吐出手段により造形プレート４０上に吐出させながら、ヘッド部２０を一方向に往復走査させて、造形材吐出手段により造形材が造形プレート上に吐出された後で、且つ往路又は復路の少なくともいずれか一方で、モデル材ＭＡ及びサポート材ＳＡに対して硬化手段２４で硬化させることにより、スライスを生成し、高さ方向に造形プレート４０とヘッド部２０の相対位置を移動させて、スライスの積層を繰り返すことにより造形を実行する。なお、詳細は後述するが、ローラ部２５による造形材表面の平滑化は、造形材吐出手段により造形材が造形プレート上に吐出された後で、且つ硬化手段２４にて造形材の表面が硬化させる前に、往路又は復路の少なくともいずれか一方で、行われる。
【００３９】
この制御手段１０は、一回の往復走査でモデル材ＭＡ又はサポート材ＳＡのいずれか一方の造形材を吐出して、ローラ部２５による造形材表面の平滑化を行い、更に硬化手段２４により硬化させてから、次回以降の往復走査で、吐出されなかった他方の造形材を吐出して、造形材表面の平滑化を行い、硬化させる。これら一連の工程を少なくとも一回行うことにより、一枚のスライスの生成を行う。いうまでもなく、一層のスライスデータに対応した上記一連の工程は、例えばユーザの求める最終的なモデルの表面精度や造形時間に応じて、複数回繰り返すことが含まれる。これにより、モデル材ＭＡ又はサポート材ＳＡのいずれか一方を未硬化の状態でその表面を平滑化し、そして硬化させた後、他方を吐出することで個別に硬化でき、これらモデル材ＭＡとサポート材ＳＡの界面における混合を効果的に回避できる利点が得られる。
（造形材）
【００４０】
上述の通り、造形材には、最終的な造形物となるモデル材ＭＡと、このモデル材ＭＡが張り出した張り出し部分を支え、最終的に除去されるサポート材ＳＡが用いられる。図４に、球状のモデル材ＭＡの周囲を直方体状のサポート材ＳＡで覆うようにして造形された造形物の斜視図を、図５にこの断面図を、それぞれ示す。
（硬化手段２４）
【００４１】
モデル材ＭＡには、光硬化樹脂、例えば紫外線硬化樹脂が使用できる。この場合、硬化手段２４は少なくともモデル材ＭＡの材料が反応して硬化する特定波長を含む光を照射する光照射手段であり、例えば紫外線ランプ等の紫外線照射手段である。紫外光ランプには、ハロゲンランプや水銀灯、ＬＥＤ等が利用できる。またこの例では、サポート材も紫外線硬化樹脂としている。同じ波長の紫外線で硬化する紫外線硬化樹脂を使用する場合は、同じ紫外線照射手段を利用でき、光源を共通化できる利点が得られる。あるいはモデル材として熱硬化性樹脂を使用する場合は、硬化手段２４は冷却気体を照射する冷却手段が利用できる。
（モデル材ＭＡ）
【００４２】
またモデル材として、熱可塑性樹脂を使用することもできる。この場合、硬化手段２４は、冷却手段となる。なおモデル材とサポート材にいずれも熱可塑性樹脂を使用する場合は、モデル材の融点をサポート材の融点よりも高いものを採用することにより、積層完了後に造形物をサポート材の融点より高く、モデル材の融点より低い温度に加熱、保温することにより、サポート材を溶融除去することができる。さらに、モデル材とサポート材の一方を光硬化樹脂、他方を熱可塑性樹脂とすることもできる。
【００４３】
あるいは、硬化材との化学反応により硬化可能な材料をモデル材に用いることもできる。さらにモデル材は、粘度や表面張力等の噴射特性を調整するために、必要に応じて液体改質剤を混合してもよい。また温度調整によって噴射特性を変更することもできる。モデル材の他の例としては、紫外線フォトポリマー、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン等が挙げられる。
（サポート材ＳＡ）
【００４４】
サポート材ＳＡは、除去可能な材料として、水膨潤ゲル、ワックス、熱可塑性樹脂、水溶性材料、溶解性材料等が使用できる。サポート材ＳＡの除去には、サポート材の性質に応じて水溶、加熱、化学反応、水圧洗浄等の動力洗浄や電磁波の照射により溶解させる、熱膨張差を利用した分離等の方法が適宜利用できる。
【００４５】
サポート材は、最終的に除去されるため、除去しやすいような特性が求められる。例えば水溶性のサポート材は、造形物が造形された後、水槽に投入することでサポート材を溶融させて除去することができる。一方で、サポート材の可溶性を高めるほど、サポート材の強度が低下し、湿度が高いと潮解し、型崩れしたり垂れる等が起こりやすくなる。サポート材の剛性が不十分になると、モデル材を支持する能力が低下し、サポート材の上面にモデル材を造形することが難しくなり、モデル材の精度が低下するおそれもある。その一方でサポート材の剛性を高めると、最終造形物からサポート材を除去する際に、水に溶出し難くなり、除去に時間がかかる。このようにサポート材には相反する特性が求められる結果、最適な特性を備えるサポート材を得ることが従来は困難であった。
【００４６】
そこで本実施例のように、サポート材として例えば、水溶性の材料を用いる場合は、サポート材ＳＡの外殻としてサポート殻ＳＳを形成することにより、造形装置におけるモデルの造形中にサポート材が直接空気に触れることを極力抑制でき、その結果サポート材が空気中の水分を吸収することが抑制できることにより、造形時における、サポート材の変形やサポート材の変形によるモデル材の変形を防止できる。さらに、サポート殻ＳＳの形成により、内部のサポート材が空気中の水分を吸収することを抑制できるため、サポート材の水溶性としての性能を高めることができ、その結果、サポート材除去時に水等の溶液中に浸した場合のサポート材の溶出速度を高めることができる。この構成であれば、十分な剛性を備えつつ、除去の際には最外殻のサポート材ＳＡを破ることで溶出を早め、サポート材の除去を短時間で行える利点が得られる。図４、図５の例では、直方体状の表面に被覆されたサポート殻ＳＳを破断して、内部のサポート材ＳＡを除去する。
（サポート材ＳＡの詳細）
【００４７】
サポート材ＳＡには非硬化性成分が含まれる。特に、可溶性を高めることで、水槽中に投入して短時間でサポート材を溶出させ、除去できる。サポート材の可溶性は、水溶性に限らず、特定の溶媒に対する可溶性としてもよい。一方でこのようなサポート材は液状又はゲル状となるため、手で触るとべとつきやぬめりがあり、汚れやすくなる。そこで、上述の通りサポート材の表面にサポート殻ＳＳを設けて保護している。
（サポート殻ＳＳ）
【００４８】
サポート材ＳＡの外表面に設けられるサポート殻ＳＳは、サポート材ＳＡよりも剛性の高いモデル材ＭＡで構成されている。このようにしてサポート材ＳＡの表面の剛性を高め、サポート材ＳＡの流出を阻止できる。本実施例ではサポート殻ＳＳをモデル材吐出用ノズル２１から吐出されるモデル材ＭＡにより構成しているため、ヘッド部２０のモデル材吐出ノズル２１をサポート殻ＳＳの吐出ノズルとして共用化でき、モデル材ＭＡの造形時にサポート材ＳＡのサポート殻ＳＳも合わせて造形できるので、コスト面、スピード面でも有利となる。具体的には、少なくともモデル材ＭＡとサポート材ＳＡにて三次元の造形データを生成する時点において、その造形データにおいて、サポート材にて造形データの外表面が形成される位置に対して、自動的にその外表面に位置するサポート材を、モデル材に変更するか、又はサポート材のその外表面を覆うようにモデル材から形成される薄膜の層を形成するようにデータを生成する。そして、この生成されたデータに対応する各スライスの形成時にサポート材ＳＡの外表面でサポート殻ＳＳが形成される位置に、モデル材ＭＡを吐出して硬化させ、サポート材ＳＡの外表面が薄いモデル材ＭＡで覆われるように、制御手段１０が造形材吐出手段を制御する。これにより、サポート材ＳＡの表面に薄いモデル材ＭＡを形成することで、サポート殻ＳＳを容易に形成できる利点が得られる。なお、このモデル材にて形成される薄膜の厚みは、除去のし易さと強度の確保のバランスという観点から考えると、その厚みは０．１ｍｍ〜５ｍｍ程度が好ましいと考える。さらに、本実施例ではサポート殻ＳＳをモデル材吐出用ノズル２１から吐出されるモデル材ＭＡにより構成したが、サポート殻として適切な特性を有する材料であれば、モデル材ＭＡとは異なる材料を吐出するノズルを別途設けてサポート殻を構成するようにしてもよい。この際、このサポート殻用の材料の特性としては、除去のし易さと強度の確保をより高い次元でバランスさせるという観点から、モデル材ＭＡよりも硬度があり、且つ靭性が低い材料であることが好ましい。
（サポート殻ＳＳの剥離構造）
【００４９】
一方で、サポート材ＳＡにサポート殻ＳＳを設ける構成では、サポート殻ＳＳの剛性が高い程、造形材からサポート殻ＳＳを剥離し難くなる。そこで、サポート殻ＳＳを剥離しやすくする構造を付加することが好ましい。具体的には、サポート材ＳＡの表面をすべてサポート殻ＳＳで覆うのでなく、部分的にサポート材ＳＡを露出させた露出部を設ける。このようにすることで、造形物の造形後に露出部でサポート殻ＳＳを破断し易くなる。またサポート材ＳＡを可溶性とした場合は、造形物の造形後に液中に含浸して露出部からサポート材ＳＡを溶出させることができ、サポート殻ＳＳを破断させることなく造形物から剥離でき、サポート材ＳＡの除去作業を省力化できる利点が得られる。または、サポート殻ＳＳを成形しなければならない連続する外表面の外周部のみを、サポート殻ＳＳが形成される他の外表面に比較して、厚みのある形状とすることにより、サポート殻ＳＳが成形される連続する外表面を一体的に剥ぎ取りやすくすることも可能である。
（露出部）
【００５０】
このような露出部には、様々な形態が利用できる。例えば、図６に示す例では露出部を、サポート殻ＳＳの表面に、部分的な開口を直線状に設けた切り取り線状５１としている。この構成では、切り取り線状５１に沿って手でサポート殻ＳＳを破断し易くできる。また、図７に示すように、サポート材ＳＡのエッジ部分等、外表面の角度が大きく変わる部分にはサポート殻ＳＳを設けない切れ目５２とすることでも、同様に手でサポート殻ＳＳを容易に剥離できるようになる。あるいはこれらの切り取り線状５１や切れ目５２を設けた造形物を、上述の通り液中に含浸させることでも、サポート殻ＳＳに設けられた切り取り線状５１や切れ目５２の隙間からサポート材ＳＡが流出できるため、自然にサポート材ＳＡを除去することもできる。
【００５１】
また、他の露出部の形態として、図８に示すように、サポート殻ＳＳの表面に多数の穴５３を開口することもできる。このように多くの穴５３を開口することで、より多くの面積で水がサポート殻ＳＳ内部に侵入するため、サポート材ＳＡを溶出し易くできる。このような穴５３は、サポート殻ＳＳの表面に均一に設けることが好ましい。
【００５２】
さらに他の露出部の形態として、図９に示すように、サポート殻ＳＳを多数の小片５４に分割し、この小片５４を離間させて配列することで、小片５４同士の間に露出部を設ける構成とすることもできる。この構成によれば、露出部がより均一にサポート殻ＳＳの表面に形成されるため、造形物を水に含浸すると、効率よくサポート材ＳＡが溶出される。サポート材ＳＡが溶出されるとサポート殻ＳＳが小片５４に細かく分解されるため、サポート材ＳＡのより多くの部分が露出される。加えて、サポート殻ＳＳが分解されることで内部のモデル材ＭＡを取り出せるため、サポート殻ＳＳを破断する必要が無くなり、一層容易にかつ短時間でサポート材を除去できる利点が得られる。
【００５３】
以上述べた露出部の様々な形態は、２以上を組み合わせることも可能であることはいうまでもない。
【００５４】
また、露出部を形成する構成に代えて、あるいはこれに加えて、サポート殻を部分的に肉薄にした溝部を形成することもできる。この構成によれば、肉薄の溝部でサポート殻を破断し易くできる。またサポート材を直接外部に露出させないことで、サポート材を外気に触れさせず、高湿度による潮解を回避でき、また露出部分からサポート材が垂れる事態も回避できる利点が得られる。
【００５５】
このような露出部分や溝部は、サポート殻ＳＳを形成する際に、サポート殻ＳＳを部分的に吐出しない、あるいは吐出量を制限することで容易に形成できる。
【００５６】
なお露出部を、モデル材ＭＡを造形プレート４０上に載置した状態で、極力サポート材ＳＡの上面に設けると潮解したサポート材ＳＡが露出部から漏れ出す事態を回避でき、好ましい。
（サポート殻ＳＳの離間構造）
【００５７】
またサポート殻ＳＳは、最終的に除去されるため、剥離する際にはモデル材ＭＡで造形された造形物を破損しないように留意する必要がある。仮に、サポート殻がモデル材と接合されていると、サポート殻の剥離時にモデル材が部分的に破損される可能性がある。特に、サポート殻をモデル材と同じ材質で構成する際は、モデル材と繋がるようにサポート殻が成形されてしまうことが考えられる。例えば図１０に示すようなモデル材ＭＡの造形において、サポート材ＳＡの側面にサポート殻ＳＳを形成しようとすると、図１１に示すようにサポート殻ＳＳの上端がモデル材ＭＡと接触して形成される。この場合にサポート殻を剥離しようとすれば、矢印で示す部位でモデル材の一部が破断される可能性もある。そこで本実施例では、サポート殻を成形する際に、予めモデル材と接触しないように離間して形成するように制御する。
（サポート材ＳＡの拡張）
【００５８】
具体的には、図１２に示すように、サポート殻ＳＳを形成する位置を、造形物を構成するモデル材ＭＡよりも外周に位置させるよう、制御手段１０がスライス成形時に制御する。言い換えると、サポート材ＳＡを水平方向に拡張することで、サポート材ＳＡの最外殻をモデル材ＭＡの最外殻と離間させる。このようにすることで、サポート殻がモデル材と接触することが回避され、破断の虞を無くすと共に、サポート殻の剥離も容易となる。
【００５９】
またこのようなサポート材ＳＡの拡張は、水平方向のみならず、垂直方向にも行える。具体的には、図１３のようなモデル材ＭＡを形成する際、下方のモデル材ＭＡが、その上面に積層されるサポート材ＳＡのサポート殻ＳＳと接触しないように、サポート材ＳＡを下方向に拡張する。この結果、サポート殻ＳＳの下端は、下方のモデル材ＭＡと離間されて、モデル材ＭＡの保護とサポート材ＳＡの除去し易さとを図ることができる。
【００６０】
またこの場合は、サポート材を垂直方向に拡張する他、サポート殻の高さを小さくする、いいかえると下方のモデル材との接触部分にサポート殻を設けないことでも、同様の効果が得られる。この場合は、サポート材の使用量を低減できる利点が得られる。いずれの場合も、スライスの成形時に、サポート材の下面においてはサポート殻を設けないことで、このような離間構造が実現できる。すなわち、サポート材の外縁にモデル材を吐出しないスライスを間欠的に生成することで、サポート材表面の高さ方向に、間欠的に露出部を形成できる。
【００６１】
なおサポート材ＳＡとモデル材ＭＡを離間させる距離は、短い程好ましい。距離を小さくすれば、サポート材の使用量を少なくできる。ただ、上述したサポート材の溶出を促進するための露出部としても機能させる場合は、距離を大きくすることもできる。スライス成形の厚さの公差等を考慮して、例えばスライス１枚〜３枚分程度の厚さだけ、サポート材をモデル材と離間させる。
【００６２】
またこのようなサポート殻とモデル材の離間構造は、モデル材の保護のみならず、上述の通りサポート殻の剥離しやすさの面でも有利となる。モデル材からサポート殻を分離するよう破断する必要がないことから、弱い力でもサポート殻を手で剥離できる。
【００６３】
さらに加えて、サポート殻の形状を簡素化することでも、剥離しやすくできる。例えば、図１４（ａ）の水平断面図に示すような、表面に多数の突起を有する形状のモデル材ＭＡを形成する場合、単にモデル材ＭＡの表面形状に沿ってサポート材ＳＡを設けようとすれば、同様に多数の突起が形成されることとなる。このサポート材ＳＡの表面にサポート殻ＳＳを付加すると、サポート殻ＳＳの形状も複雑になり、これを手で除去しようとすれば、除去作業が面倒になる。そこで、図１４（ｂ）の水平断面図に示すように、サポート材ＳＡの外形をより単純化して球状に変形させることで、その表面に形成されるサポート殻ＳＳの形状も単純化させ、手での剥離作業を容易に行えるようになる。このようなサポート材ＳＡの変形は、例えばモデル材ＭＡの外形を、画像処理によって膨張、収縮させる処理を繰り返す等により単純化させることで行える。このようにサポート材の外形は必ずしも最終造形物となるモデル材の外表面と一致させる必要はなく、一定の簡素な形状に規格化することで、サポート殻を剥離し易くできる。
（ヘッド部２０）
【００６４】
図１５に、インクジェット方式の三次元造形装置のヘッド部２０の一例を示す。この図に示すヘッド部２０は、造形材吐出手段として、モデル材ＭＡとサポート材ＳＡの吐出を個別に行う専用の吐出ノズルを設けている。具体的には、モデル材ＭＡを吐出するためのモデル材吐出ノズル２１と、サポート材ＳＡを吐出するためのサポート材吐出ノズル２２を、平行に離間させて備えている。各吐出ノズルは、２つのノズル列２３を設けており、これらのノズル列２３は、図１６の平面図に示すように半ノズル分ずらして配置することで、分解能を向上させている。またオフセット状態に配置された各ノズル列２３は、モデル材吐出ノズル２１とサポート材吐出ノズル２２とで、それぞれ同一ライン上に一致するように配置することで、モデル材とサポート材の分解能を一致させている。
【００６５】
ヘッド部２０では、左からサポート材吐出ノズル２２、モデル材吐出ノズル２１、ローラ部２５、硬化手段２４が一体的に設けられている。各吐出ノズルは、圧電素子方式のインクジェットプリントヘッドの要領で、インク状の造形材を吐出する。また造形材は、吐出ノズルから吐出可能な粘度に調整される。
【００６６】
図１５の例では、ヘッド部２０が先にモデル材ＭＡを吐出した後、サポート材ＳＡを吐出している。またヘッド部２０は往路（図において左から右）で造形材を吐出し、復路（図において右から左）ではこれを硬化手段２４で硬化させている。
（ローラ部２５）
【００６７】
ヘッド部２０はさらに、吐出されたモデル材ＭＡ及びサポート材ＳＡの表面を未硬化の状態で押圧し、造形材の余剰分を除去することにより、造形材表面を平滑化するためのローラ部２５を設けている。このようなローラ部２５の動作の様子を、図１７の模式図に基づいて説明する。この例では、吐出されたモデル材ＭＡの表面を、未硬化の状態でローラ本体２６で均す状態を示している。ローラ部２５は、回転体であるローラ本体２６と、ローラ本体２６の表面に対して突出するように配置されたブレード２７と、ブレード２７で掻き取られた造形材を溜めるバス２８と、バス２８に溜まった造形材を排出する吸引パイプ２９とを備えている。ローラ本体２６はヘッド部２０の進行方向に対して逆回転（図１７において時計回り）に回転され、未硬化の造形材を掻き上げる。掻き上げられた造形材は、ローラ本体２６に付着してブレード２７まで運ばれた後、ブレード２７で掻き取られてバス２８に案内される。このためブレード２７は、バス２８に向かって下り勾配の姿勢で固定される。また吸引パイプ２９はポンプに接続されており、バス２８に溜まった造形材を吸引して排出する。この例では、ローラ本体２６の外形をφ２０ｍｍ程度、回転速度を１０回転／ｓ程度としている。
【００６８】
このローラ部２５は、図においてヘッド部２０が右から左に進行する際に、掻き取りを行う。換言すると、左から右にヘッド部２０が進行しつつ、スライスデータに基づいて、適切な位置にモデル材吐出ノズル２１とサポート材吐出ノズル２２から各々モデル材ＭＡとサポート材ＳＡを吐出する際は、ローラ部２５は造形材に接触せず、同様に硬化手段２４の光源からの照明も行われない。図においてヘッド部２０の左から右への主走査方向の例えば、往路にて少なくとも造形材の吐出が各ノズル２１、２２から実行された後の右から左方向への復路としての主走査方向において、上述したローラ部２５の掻き取り動作が実行されると共に、少なくともモデル材ＭＡを硬化するための光を照射する光源としての硬化手段２４も動作することになる。
【００６９】
図１、図１５に示すように、ヘッド部２０の進行方向に対してローラ部２５は硬化手段２４の前方、図において左側に配置されている。この結果、先に未硬化の造形材をローラ部２５で掻き取った後、硬化手段２４が造形材を硬化させる。このような配置によって、同一のパスで造形材の掻き取りと硬化を行うことができ、効率よく処理できる利点が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明の三次元造形装置及び三次元造形方法は、インクジェット方式で紫外線硬化樹脂を積層した三次元造形に好適に利用できる。
【符号の説明】
【００７１】
１００…三次元造形システム
１…設定データ作成装置
２、２’…三次元造形装置
１０…制御手段
２０…ヘッド部
２１…モデル材吐出ノズル
２２…サポート材吐出ノズル
２３…ノズル列
２４…硬化手段
２５…ローラ部
２６…ローラ本体
２７…ブレード
２８…バス
２９…吸引パイプ
３０…ヘッド移動手段
３１…ＸＹ方向駆動部
３２、３２’…Ｚ方向駆動部
４０…造形プレート
５１…切り取り線状
５２…切れ目
５３…穴
５４…小片
ＭＡ…モデル材
ＳＡ…サポート材
ＳＳ…サポート殻
ＰＣ…コンピュータ
ＳＢ…オーバーハング支持部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェット方式で立体造形物を作製する三次元造形装置及び三次元造形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、造形物を平行な複数の面で切断した各断面毎に樹脂を順次積層することよって立体造形を行い、造形物の三次元モデルとなる造形物を生成する装置が知られている。特に製品開発において試作等に用いられるラピッド・プロトタイピング（Rapid Prototyping：ＲＰ）の分野では、三次元造型が可能な積層造形法が利用されている。積層造形法は、製品の三次元ＣＡＤデータをスライスし、薄板を重ね合わせたようなものを製造の元データとして作成し、それに粉体、樹脂、鋼板、紙等の材料を積層して試作品を作成する。このような積層造形法としては、インクジェット法、粉末法、光造形法、シート積層法、押し出し法等が知られている。この内、インクジェット法は、液化した材料を噴射した後、紫外光（ＵＶ）を照射したり、冷却する等によって層を硬化させて形成する。この方法によれば、インクジェットプリンタの原理を応用できることから、高精細化が容易となる利点が得られる。
【０００３】
樹脂積層方式の三次元造形装置は、最終的な造形物となるモデル材と、モデル材の張り出し（オーバーハング）部分を支え、最終的に除去されるサポート材をＸＹ方向に走査しながら造形プレート上に吐出し、高さ方向に積層していくことにより、造形を行う。モデル材とサポート材は、紫外光を照射することにより硬化する特性を有する樹脂で構成されている。紫外光を照射する紫外光ランプを、モデル材とサポート材を吐出するノズルと共に、ＸＹ方向に走査し、ノズルから吐出されたモデル材およびサポート材に紫外光を照射して硬化させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００３−５３５７１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このサポート材は最終的に除去されるものであるため、除去し易さを考慮すれば、ある程度の柔らかさや柔軟性を備えた材質とすることが好ましい。しかしながら、サポート材に使用する樹脂の特性によっては、このような柔らかい樹脂では熱や湿度によって変形や潮解し易いという問題がある。また、サポート材の強度が低いと、ユーザがこれを持ったときに崩れてしまう。さらに、溶融し易さを考慮してサポート材に非硬化成分を含ませると、サポート材表面がべたつくため、手に持ったユーザに不快感を与えてしまうという問題もある。
【０００６】
このような観点に鑑みれば、熱や湿度で変形せず、ユーザが手で触れても崩れないような剛性をサポート材に持たせることが必要となる。また一方で、モデル材の張り出し部分をサポート材で支持するという目的に鑑みても、モデル材を支持できる程度の剛性がサポート材に求められる。
【０００７】
しかしながら、剛性を高めると、サポート材を除去する際に、モデル材から剥がれにくくなり、また除去の際にモデル材も一緒に引き剥がされて破損する可能性がある等、サポート材の除去作業が面倒になるという問題もある。このようにサポート材は、除去し易さと、取り扱い易さとで相反する特性が求められているため、このような相反する要求を満たすことのできるサポート材が求められていた。
【０００８】
本発明は、従来のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、サポート材の除去を容易にしつつも、取り扱いし易さを維持させた三次元造形装置及び三次元造形方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明の第１の側面に係る三次元造形装置によれば、造形プレート４０上に、造形材として、最終的な造形物となるモデル材ＭＡと、前記モデル材ＭＡが張り出した張り出し部分を支え、最終的に除去されるサポート材ＳＡと、を少なくとも一方向に走査しながら吐出させ、かつこれを硬化させる動作を繰り返すことで、高さ方向に所定の厚みを有するスライスを生成し、該スライスを高さ方向に積層していくことにより造形を行う三次元造形装置であって、造形物を載置するための前記造形プレート４０と、前記モデル材ＭＡを吐出するためのモデル材吐出ノズル２１、及び前記サポート材ＳＡを吐出するためのサポート材吐出ノズル２２を、それぞれ一方向に複数個配列させた造形材吐出手段と、前記モデル材ＭＡ及びサポート材ＳＡを硬化させるための硬化手段２４と、前記造形材吐出手段及び硬化手段２４を備えるヘッド部２０と、前記ヘッド部２０を水平方向に往復走査させるための水平駆動手段と、前記ヘッド部２０と造形プレート４０との高さ方向の相対位置を移動させるための垂直駆動手段と、前記水平駆動手段及び垂直駆動手段の駆動を制御し、かつ前記造形材吐出手段による前記造形材による吐出及び硬化手段２４による硬化を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段が、前記水平駆動手段で前記ヘッド部２０を一方向に往復走査させて、前記造形材吐出手段により前記モデル材ＭＡ及びサポート材ＳＡを前記造形プレート４０上に吐出させ、該往復走査の往路又は復路の少なくともいずれか一方で、前記硬化手段２４で前記モデル材ＭＡ及び／又はサポート材ＳＡを硬化させることにより、前記スライスを生成し、高さ方向に前記造形プレート４０とヘッド部２０の相対位置を移動させて、前記スライスの積層を繰り返すことにより造形を実行するよう制御してなり、前記サポート材ＳＡは、外表面に該サポート材ＳＡと異なる材質のサポート殻ＳＳを設けてなり、前記サポート殻ＳＳは、前記サポート材ＳＡよりも剛性の高い材質で構成できる。これにより、サポート材に要求される造形後の除去し易さと、造形時の剛性という相反する特性を、サポート材の外殻にサポート材よりも剛性の高いサポート殻を設けることで解消している。すなわち、造形時においてはサポート殻でサポート材の流出を阻止し、さらに造形後においては、サポート殻で被覆されたサポート材を流出させて、容易にサポート材をモデル材から除去できるようになる。
【００１０】
また、第２の側面に係る三次元造形装置によれば、前記サポート材ＳＡを、水溶性の材質で構成できる。これにより、造形後に造形物を水槽に満たした水に含浸する等して、サポート材を溶出させてこれを極めて簡単に除去することができる。
【００１１】
さらに、第３の側面に係る三次元造形装置によれば、前記サポート殻ＳＳを、前記モデル材ＭＡと同じ材質で構成できる。これにより、サポート殻の形成を、モデル材の造形時に合わせて行うことができ、別途異なる造形材を容易にする必要を無くして工数を減らし、また共通の造形材を用いることで製造コストも削減できる。
【００１２】
さらにまた、第４の側面に係る三次元造形装置によれば、前記制御手段が、各スライスの形成時に前記サポート材ＳＡの外表面で前記サポート殻ＳＳが形成される位置に、前記モデル材ＭＡを吐出して硬化させ、前記サポート材ＳＡの外表面が薄いモデル材ＭＡで覆われるように前記造形材吐出手段を制御することができる。これにより、サポート材の表面に薄いモデル材を形成してサポート殻を容易に形成できる利点が得られる。
【００１３】
さらにまた、第５の側面に係る三次元造形装置によれば、前記サポート殻ＳＳは、部分的にサポート材ＳＡを露出させた露出部を設けることができる。これにより、造形物の造形後に露出部でサポート殻を破断したり、あるいは造形物を水に含浸して露出部からサポート材を溶出させる等して、サポート殻を造形物から剥離し易くできる。
【００１４】
さらにまた、第６の側面に係る三次元造形装置によれば、前記露出部を、前記サポート殻ＳＳの表面に開口された多数の穴５３とできる。これにより、造形後に造形物を水に含浸して、穴を介してサポート材を溶出させることができる。
【００１５】
さらにまた、第７の側面に係る三次元造形装置によれば、前記露出部を、前記サポート殻ＳＳの表面に、部分的な開口を直線状に設けた切り取り線状５１とできる。これにより、切り取り線に沿って手でサポート殻を破断し易くできる。
【００１６】
さらにまた、第８の側面に係る三次元造形装置によれば、前記サポート殻ＳＳを、一定の大きさの小片５４を離間させて配列し、該小片５４同士の間を露出部とすることができる。これにより、造形後に造形物を水に含浸すると、露出部からサポート材を溶出させてサポート殻が小片に細かく分解されるため、サポート材のより多くの部分が露出されることとなり、一層容易にかつ短時間でサポート材を除去できる利点が得られる。
【００１７】
さらにまた、第９の側面に係る三次元造形装置によれば、前記サポート殻ＳＳに、部分的に肉薄にした溝部を形成することができる。これにより、造形物の造形後に肉薄の溝部でサポート殻を破断し易くできる。特にサポート材を直接外部に露出させないことで、サポート材を空気に触れさせず潮解を回避でき、また露出部分からサポート材が流出する事態を回避できる利点が得られる。
【００１８】
さらにまた、第１０の側面に係る三次元造形装置によれば、前記サポート殻ＳＳは、前記モデル材ＭＡで造形される造形物と接触しないように離間して形成できる。これにより、モデル材とサポート殻が連続的に成形される部位を排除し、サポート殻をサポート材から剥離する際に、造形物のモデル材が部分的に破損される事態を回避し、モデル材を除去をスムーズに行えると共に、高品質な造形物を得ることができる。
【００１９】
さらにまた、第１１の側面に係る三次元造形装置によれば、前記サポート殻ＳＳは、造形物の外形を簡素化した形状に形成されてなり、前記サポート殻ＳＳとモデル材ＭＡとの間に前記サポート材ＳＡを充填できる。これにより、特に造形物の外形が複雑な場合に、該複雑な外形に沿ったサポート殻を形成しないことで、サポート殻を除去し易くできる利点が得られる。
【００２０】
さらにまた、第１２の側面に係る三次元造形装置によれば、前記スライスは、前記サポート殻ＳＳを形成する位置を、造形物を構成するモデル材ＭＡよりも外周に位置させることができる。これにより、サポート材の水平方向において間欠的にサポート殻を有しない、サポート材が露出する造形物が形成され、サポート殻が造形物と接合される事態を回避し、サポート材の除去し易さと造形物の保護を図ることができる。
【００２１】
さらにまた、第１３の側面に係る三次元造形装置によれば、前記スライスは、前記サポート材ＳＡの表面にサポート殻を形成しないスライスを含めることができる。これにより、サポート材の高さ方向において間欠的にサポート殻を有しない、サポート材が露出する造形物が形成され、サポート殻が造形物と接合される事態を回避し、サポート材の除去し易さと造形物の保護を図ることができる。
【００２２】
さらにまた、第１４の側面に係る三次元造形装置によれば、前記サポート殻ＳＳは、前記サポート材ＳＡの外表面の内、角度が急峻に変化する部位に設けないようにできる。これにより、エッジ部分にはサポート殻が形成されないため、手でサポート殻を破断し易くできる。
【００２３】
さらにまた、第１５の側面に係る三次元造形方法によれば、造形プレート４０上に、造形材として、最終的な造形物となるモデル材ＭＡと、前記モデル材ＭＡが張り出した張り出し部分を支え、最終的に除去されるサポート材ＳＡと、を少なくとも一方向に走査しながら吐出させ、かつこれを硬化させる動作を繰り返すことで、高さ方向に所定の厚みを有するスライスを生成し、該スライスを高さ方向に積層していくことにより造形を行う三次元造形方法であって、造形物を載置するための前記造形プレート４０上に、前記モデル材ＭＡ及び／又はサポート材ＳＡを吐出させる造形材吐出手段及び前記モデル材ＭＡ及びサポート材ＳＡを硬化させる硬化手段２４を備えるヘッド部２０を一方向に往復走査させる往路又は復路の少なくともいずれか一方で、前記モデル材ＭＡ及びサポート材ＳＡを前記造形材吐出手段で前記造形プレート４０上に吐出させ、他方で前記硬化手段２４で前記モデル材ＭＡ及び／又はサポート材ＳＡを硬化させ、スライスを生成する工程と、高さ方向に前記造形プレート４０とヘッド部２０の相対位置を移動させて、前記スライスの積層を繰り返す工程と、を含み、前記スライスの生成及び積層工程において、前記サポート材ＳＡの外表面に、該サポート材ＳＡよりも剛性の高い材質で構成されたサポート殻ＳＳが設けることができる。これにより、サポート材に要求される造形後の除去し易さと、造形時の剛性という相反する特性を、サポート材の外殻にサポート材よりも剛性の高いサポート殻を設けることで解消している。すなわち、造形時においてはサポート殻でサポート材の流出を阻止し、さらに造形後においては、サポート殻で被覆されたサポート材を流出させて、容易にサポート材をモデル材から除去できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施例１に係る三次元造形装置を示すブロック図である。
【図２】変形例に係る三次元造形装置を示すブロック図である。
【図３】ヘッド部がＸＹ方向に移動される様子を示す平面図である。
【図４】モデル材とサポート材で造形された造形物を示す斜視図である。
【図５】図４の断面図である。
【図６】サポート殻に切り取り線を設けた例を示す斜視図である。
【図７】サポート殻に切れ目を設けた例を示す斜視図である。
【図８】サポート殻に多数の穴を設けた例を示す斜視図である。
【図９】サポート殻を多数の小片で構成した例を示す斜視図である。
【図１０】サポート材表面にサポート殻を設けない例を示す断面図である。
【図１１】図１０のサポート材表面にサポート殻を設けた例を示す断面図である。
【図１２】サポート殻をモデル材から水平方向に離間させた例を示す断面図である。
【図１３】サポート殻をモデル材から垂直方向に離間させた例を示す断面図である。
【図１４】図１４（ａ）はサポート殻をモデル材の表面形状に沿って設けた例を示す水平断面図、図１４（ｂ）はサポート殻をモデル材の表面形状を単純化して設けた例を示す水平断面図である。
【図１５】ヘッド部の外観を示す斜視図である。
【図１６】図１５のヘッド部で造形材を吐出する様子を示す平面図である。
【図１７】ローラ部で造形材の余剰分を除去する状態を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための三次元造形装置及び三次元造形方法を例示するものであって、本発明は三次元造形装置及び三次元造形方法を以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
【００２６】
本発明の実施例において使用される三次元造形装置とこれに接続される操作、制御、表示、その他の処理等のためのコンピュータ、プリンタ、外部記憶装置その他の周辺機器との接続は、例えばＩＥＥＥ１３９４、ＲＳ−２３２ｘやＲＳ−４２２、ＲＳ−４２３、ＲＳ−４８５、ＵＳＢ等のシリアル接続、パラレル接続、あるいは１０ＢＡＳＥ−Ｔ、１００ＢＡＳＥ−ＴＸ、１０００ＢＡＳＥ−Ｔ等のネットワークを介して電気的、あるいは磁気的、光学的に接続して通信を行う。接続は有線を使った物理的な接続に限られず、ＩＥＥＥ８０２．１ｘ等の無線ＬＡＮやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の電波、赤外線、光通信等を利用した無線接続等でもよい。さらにデータの交換や設定の保存等を行うための記録媒体には、メモリカードや磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等が利用できる。なお本明細書において三次元造形装置とは、三次元造形装置本体のみならず、これにコンピュータ、外部記憶装置等の周辺機器を組み合わせた三次元造形システムも含む意味で使用する。
【００２７】
また、本明細書において三次元造形装置、三次元造形方法、三次元造形プログラムは、三次元造形を行うシステムそのもの、ならびに画像生成に関連する入出力、表示、演算、通信その他の処理をハードウエア的に行う装置や方法に限定するものではない。ソフトウエア的に処理を実現する装置や方法も本発明の範囲内に包含する。例えば汎用の回路やコンピュータにソフトウエアやプログラム、プラグイン、オブジェクト、ライブラリ、アプレット、コンパイラ、モジュール、特定のプログラム上で動作するマクロ等を組み込んで画像生成そのものあるいはこれに関連する処理を可能とした装置やシステムも、本発明の三次元造形装置、三次元造形方法、三次元造形プログラム及びコンピュータで読み取り可能な記録媒体に該当する。また本明細書においてコンピュータには、汎用あるいは専用の電子計算機の他、ワークステーション、端末、携帯型電子機器、ＰＤＣやＣＤＭＡ、Ｗ−ＣＤＭＡ、ＦＯＭＡ（登録商標）、ＧＳＭ、ＩＭＴ２０００や第４世代等の携帯電話、ＰＨＳ、ＰＤＡ、ページャ、スマートフォンその他の電子デバイスも包含する。さらに本明細書においてプログラムとは、単体で使用されるものに限られず、特定のコンピュータプログラムやソフトウエア、サービス等の一部として機能する態様や、必要時に呼び出されて機能する態様、ＯＳ等の環境においてサービスとして提供される態様、環境に常駐して動作する態様、バックグラウンドで動作する態様やその他の支援プログラムという位置付けで使用することもできる。
（実施例１）
【００２８】
図１に、本発明の実施例１に係る三次元造形システム１００のブロック図を示す。この三次元造形システム１００は、造形材を液体又は流体状態でインクジェット方式によって吐出、硬化させ、これを積層することによって任意の造形物を製造するものである。造形材には、最終的な造形物を構成するモデル材ＭＡと、このモデル材ＭＡが張り出した張り出し部分を支えるために造形され、最終的に除去されるサポート材ＳＡとが利用される。
【００２９】
図１に示す三次元造形システム１００は、三次元造形装置２に設定データを送出する設定データ作成装置１（図１ではコンピュータＰＣ）と、三次元造形装置２で構成される。三次元造形装置２は、制御手段１０と、ヘッド部２０と、造形プレート４０とを備える。ヘッド部２０は、造形材吐出手段として、モデル材ＭＡを吐出するモデル材吐出ノズル２１と、サポート材ＳＡを吐出するサポート材吐出ノズル２２を備えている。またこれらの吐出された造形材から余剰分を掻き取ることにより造形材の表面を平滑化するためのローラ部２５と、造形材を硬化させる硬化手段２４も、ヘッド部２０に備えられる。さらにヘッド部２０を水平方向において、モデル材吐出ノズル２１とサポート材吐出ノズル２２から造形材を液体又は流体状態でインクジェット方式によって、造形プレート４０上の適切な位置に吐出させるために、往復走査するＸ方向と、このＸ方向に直交するＹ方向に走査させるための水平駆動手段、及びヘッド部２０と造形プレート４０との高さ方向の相対位置を移動させるための垂直駆動手段として、ＸＹ方向駆動部３１及びＺ方向駆動部３２を備えている。
【００３０】
コンピュータＰＣは、三次元形状の造形物、例えば三次元ＣＡＤ等で設計されたモデルデータの入力を外部から受けると、まずこのＣＡＤデータを、例えばＳＴＬ（Stereo Lithography Data）データに変換し、更にこのＳＴＬデータを複数の薄い断面体にスライスして得られる断面データを生成し、そしてこのスライスデータを、一括又は各スライス層単位にて三次元造形装置２に対して送信を行う設定データ作成装置１として機能する。この際、三次元ＣＡＤ等で設計されたモデルデータ（実際は、変換後のＳＴＬデータ）の造形プレート４０上における姿勢の決定に対応し、この姿勢におけるモデル材にて形成されるモデルを支持することが必要な空間又は箇所に対して、サポート材ＳＡを設ける位置の設定が行われ、これらのデータを元に各層に対応するスライスデータが形成される。制御手段１０は、コンピュータＰＣからの断面データを取り込み、そのデータに従ってヘッド部２０、ＸＹ方向駆動部３１及びＺ方向駆動部３２を制御する。この制御手段１０の制御により、ＸＹ方向駆動部３１が作動すると共に、ヘッド部２０のモデル材吐出ノズル２１及びサポート材吐出ノズル２２より造形材としてのモデル材ＭＡならびにサポート材ＳＡを、小滴として造形プレート４０上の適切な位置に吐出することにより、コンピュータＰＣから与えられた断面データに基づく断面形状が造形される。そして造形プレート４０上に吐出された造形材の一であるモデル材ＭＡは少なくとも硬化されて液体又は流体状態から固体に変化して硬化する。このような動作によって一層分の断面体すなわちスライスが作り出される。
（スライス）
【００３１】
ここで「スライス」とは、造形物のｚ方向の積層単位であり、スライス数は高さを積層厚で除算した値となる。実際には、各スライスの厚みを決定する要件としては、各吐出ノズルからの吐出可能な最小限の単位吐出量やローラ部２５のローラの上下方向における偏心によるばらつき等によって、設定可能な最小の厚みが決定される。このような観点に基づいて設定された値をスライスの最小値として、後は、ユーザが造形物に対して、求める、例えば、造形精度や造形速度の観点から各スライス量を最終的に決定できる。つまり、ユーザが造形精度を優先することを選択すれば、上述したスライス最小値又はその近傍の値にて各スライス量を決定し、一方造形速度を優先すれば、最低限の造形精度を維持した各スライス量を決定することができる。または、別の方法としては、造形精度と造形速度の比率をユーザに感覚的に選択させる方法や、ユーザに許容可能な最大造形時間を入力させることにより、いくつかの造形時間と造形精度の組み合わせを候補として表示し、その中からユーザが好む条件を選択させることも可能である。
【００３２】
また、一つのスライスデータに対する造形行為は、少なくともヘッド部２０をＸ方向に往復動作する際の少なくとも往路又は復路にてモデル材吐出ノズル２１とサポート材吐出ノズル２２から造形材を液体又は流体状態でインクジェット方式によって吐出させ、造形プレート４０上に吐出された造形物が未硬化の状態にて、少なくとも往路又は復路にてその未硬化の造形物の表面を平滑化するためにローラ部２５を作用させると共に、平滑化された造形物の表面に対して、硬化手段２４から特定波長の光を照射することにより、造形物を硬化させる一連のステップを少なくとも一回行うことで行われるが、この回数は、スライスデータの厚みや要求される造形精度によって自動的に変更されることはいうまでもない。
【００３３】
一方、また少なくとも往路又は復路にてモデル材吐出ノズル２１とサポート材吐出ノズル２２から吐出され、造形プレート上に形成される一回の最大の厚みは、吐出された液滴の着弾後の断面形状が略円形を留めることが可能な単位吐出量によって決まる。
（造形プレート４０）
【００３４】
造形プレート４０は、Ｚ方向駆動部３２によって昇降自在としている。一スライスが形成されると、制御手段１０によってＺ方向駆動部３２が制御され、造形プレート４０は一スライス分の厚さに相当する距離だけ降下する。そして上記と同様な動作を繰り返し行うことにより一スライス目の上側（上表面）に新たなスライスが積層される。このように連続的に作り出された幾層もの薄いスライスが積層されて造形物が造形される。
【００３５】
また、造形物が張り出した、いわゆるオーバーハング形状の場合には、コンピュータＰＣにおいて造形物をデータ化する際に必要に応じてオーバーハング支持部形状が付加される。そして制御手段１０は、最終造形物を構成するモデル材ＭＡの造形と同時に、そのオーバーハング支持部形状に基づいて、オーバーハング支持部ＳＢを造形する。具体的には、モデル材ＭＡとは別のサポート材ＳＡを、サポート材吐出ノズル２２から小滴として吐出させることにより、オーバーハング支持部ＳＢを形成する。造形後に、オーバーハング支持部ＳＢを構成するサポート材ＳＡを除去することで、目的の三次元造形物を得ることができる
【００３６】
ヘッド部２０は、図３の平面図に示すように、ヘッド移動手段３０により水平方向、すなわちＸＹ方向に移動される。さらに造形プレート４０が、図１に示すようにプレート昇降手段（Ｚ方向駆動部３２）によって高さ方向、すなわちＺ方向に移動される。これによって、ヘッド部２０と造形プレート４０の相対高さを変更でき、立体的な造形が可能となる。より詳細には、まずヘッド部２０は、ヘッド移動手段３０によりモデル材吐出ノズル２１及びサポート材吐出ノズル２２より造形材としてのモデル材ＭＡならびにサポート材ＳＡをスライスデータに基づいた適切な箇所に吐出するために、Ｘ方向に往復動作され、各吐出ノズル２１、２２に各々設けられる複数のＹ方向に伸びるオリフィスから、モデル材ＭＡ及びサポート材ＳＡが吐出される。さらに、図３に示すように、各吐出ノズル２１、２２のＹ方向の幅が、造形プレート４０上の造形可能なＹ方向の幅より小さい場合で、且つ造形用のモデルデータのＹ方向の幅が、Ｙ方向に伸びるオリフィスの全長より大きい場合は、各吐出ノズル２１、２２の所定の位置におけるＸ方向の往復動作の後、Ｙ方向に各吐出ノズル２１、２２を所定量シフトさせ、その位置でのＸ方向の往復走査と共に、モデル材ＭＡ及びサポート材ＳＡをスライスデータに基づいた適切な箇所に吐出させることを繰り返すことにより、設定された全ての造形データに対応した造形物の生成を行う。
【００３７】
なお図１の例では、Ｚ方向駆動部３２として造形プレート４０を昇降させるプレート昇降手段を用いているが、この例に限られず、図２に示す三次元造形装置２’のように、造形プレート４０側を高さ方向に固定し、ヘッド部側をＺ方向に移動させるＺ方向駆動部３２’を採用することもできる。また、ＸＹ方向への移動も、ヘッド部側を固定して、造形プレート側を移動させてもよい。また、上述したような、ヘッド部２０のＹ方向へのシフトは、各ノズルの幅を、実質的に造形プレート４０の造形可能なＹ方向の幅と同じにすれば、その必要はないが、その際においても、例えばノズルに設けられるオリフィスの間隔で決定される造形物のＹ方向の解像度を高める目的として、ヘッド部２０のＹ方向へのシフトにより、各オリフィスが、先の造形時におけるオリフィスとオリフィスの間に位置するようにシフトさせてもよい。
（制御手段１０）
【００３８】
制御手段１０は、造形材の吐出パターンを制御する。すなわちモデル材ＭＡ及びサポート材ＳＡを、Ｘ方向における往復走査の内、少なくとも往路又は復路の一方にて造形材吐出手段により造形プレート４０上に吐出させながら、ヘッド部２０を一方向に往復走査させて、造形材吐出手段により造形材が造形プレート上に吐出された後で、且つ往路又は復路の少なくともいずれか一方で、モデル材ＭＡ及びサポート材ＳＡに対して硬化手段２４で硬化させることにより、スライスを生成し、高さ方向に造形プレート４０とヘッド部２０の相対位置を移動させて、スライスの積層を繰り返すことにより造形を実行する。なお、詳細は後述するが、ローラ部２５による造形材表面の平滑化は、造形材吐出手段により造形材が造形プレート上に吐出された後で、且つ硬化手段２４にて造形材の表面が硬化させる前に、往路又は復路の少なくともいずれか一方で、行われる。
【００３９】
この制御手段１０は、一回の往復走査でモデル材ＭＡ又はサポート材ＳＡのいずれか一方の造形材を吐出して、ローラ部２５による造形材表面の平滑化を行い、更に硬化手段２４により硬化させてから、次回以降の往復走査で、吐出されなかった他方の造形材を吐出して、造形材表面の平滑化を行い、硬化させる。これら一連の工程を少なくとも一回行うことにより、一枚のスライスの生成を行う。いうまでもなく、一層のスライスデータに対応した上記一連の工程は、例えばユーザの求める最終的なモデルの表面精度や造形時間に応じて、複数回繰り返すことが含まれる。これにより、モデル材ＭＡ又はサポート材ＳＡのいずれか一方を未硬化の状態でその表面を平滑化し、そして硬化させた後、他方を吐出することで個別に硬化でき、これらモデル材ＭＡとサポート材ＳＡの界面における混合を効果的に回避できる利点が得られる。
（造形材）
【００４０】
上述の通り、造形材には、最終的な造形物となるモデル材ＭＡと、このモデル材ＭＡが張り出した張り出し部分を支え、最終的に除去されるサポート材ＳＡが用いられる。図４に、球状のモデル材ＭＡの周囲を直方体状のサポート材ＳＡで覆うようにして造形された造形物の斜視図を、図５にこの断面図を、それぞれ示す。
（硬化手段２４）
【００４１】
モデル材ＭＡには、光硬化樹脂、例えば紫外線硬化樹脂が使用できる。この場合、硬化手段２４は少なくともモデル材ＭＡの材料が反応して硬化する特定波長を含む光を照射する光照射手段であり、例えば紫外線ランプ等の紫外線照射手段である。紫外光ランプには、ハロゲンランプや水銀灯、ＬＥＤ等が利用できる。またこの例では、サポート材も紫外線硬化樹脂としている。同じ波長の紫外線で硬化する紫外線硬化樹脂を使用する場合は、同じ紫外線照射手段を利用でき、光源を共通化できる利点が得られる。あるいはモデル材として熱硬化性樹脂を使用する場合は、硬化手段２４は冷却気体を照射する冷却手段が利用できる。
（モデル材ＭＡ）
【００４２】
またモデル材として、熱可塑性樹脂を使用することもできる。この場合、硬化手段２４は、冷却手段となる。なおモデル材とサポート材にいずれも熱可塑性樹脂を使用する場合は、モデル材の融点をサポート材の融点よりも高いものを採用することにより、積層完了後に造形物をサポート材の融点より高く、モデル材の融点より低い温度に加熱、保温することにより、サポート材を溶融除去することができる。さらに、モデル材とサポート材の一方を光硬化樹脂、他方を熱可塑性樹脂とすることもできる。
【００４３】
あるいは、硬化材との化学反応により硬化可能な材料をモデル材に用いることもできる。さらにモデル材は、粘度や表面張力等の噴射特性を調整するために、必要に応じて液体改質剤を混合してもよい。また温度調整によって噴射特性を変更することもできる。モデル材の他の例としては、紫外線フォトポリマー、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン等が挙げられる。
（サポート材ＳＡ）
【００４４】
サポート材ＳＡは、除去可能な材料として、水膨潤ゲル、ワックス、熱可塑性樹脂、水溶性材料、溶解性材料等が使用できる。サポート材ＳＡの除去には、サポート材の性質に応じて水溶、加熱、化学反応、水圧洗浄等の動力洗浄や電磁波の照射により溶解させる、熱膨張差を利用した分離等の方法が適宜利用できる。
【００４５】
サポート材は、最終的に除去されるため、除去しやすいような特性が求められる。例えば水溶性のサポート材は、造形物が造形された後、水槽に投入することでサポート材を溶融させて除去することができる。一方で、サポート材の可溶性を高めるほど、サポート材の強度が低下し、湿度が高いと潮解し、型崩れしたり垂れる等が起こりやすくなる。サポート材の剛性が不十分になると、モデル材を支持する能力が低下し、サポート材の上面にモデル材を造形することが難しくなり、モデル材の精度が低下するおそれもある。その一方でサポート材の剛性を高めると、最終造形物からサポート材を除去する際に、水に溶出し難くなり、除去に時間がかかる。このようにサポート材には相反する特性が求められる結果、最適な特性を備えるサポート材を得ることが従来は困難であった。
【００４６】
そこで本実施例のように、サポート材として例えば、水溶性の材料を用いる場合は、サポート材ＳＡの外殻としてサポート殻ＳＳを形成することにより、造形装置におけるモデルの造形中にサポート材が直接空気に触れることを極力抑制でき、その結果サポート材が空気中の水分を吸収することが抑制できることにより、造形時における、サポート材の変形やサポート材の変形によるモデル材の変形を防止できる。さらに、サポート殻ＳＳの形成により、内部のサポート材が空気中の水分を吸収することを抑制できるため、サポート材の水溶性としての性能を高めることができ、その結果、サポート材除去時に水等の溶液中に浸した場合のサポート材の溶出速度を高めることができる。この構成であれば、十分な剛性を備えつつ、除去の際には最外殻のサポート材ＳＡを破ることで溶出を早め、サポート材の除去を短時間で行える利点が得られる。図４、図５の例では、直方体状の表面に被覆されたサポート殻ＳＳを破断して、内部のサポート材ＳＡを除去する。
（サポート材ＳＡの詳細）
【００４７】
サポート材ＳＡには非硬化性成分が含まれる。特に、可溶性を高めることで、水槽中に投入して短時間でサポート材を溶出させ、除去できる。サポート材の可溶性は、水溶性に限らず、特定の溶媒に対する可溶性としてもよい。一方でこのようなサポート材は液状又はゲル状となるため、手で触るとべとつきやぬめりがあり、汚れやすくなる。そこで、上述の通りサポート材の表面にサポート殻ＳＳを設けて保護している。
（サポート殻ＳＳ）
【００４８】
サポート材ＳＡの外表面に設けられるサポート殻ＳＳは、サポート材ＳＡよりも剛性の高いモデル材ＭＡで構成されている。このようにしてサポート材ＳＡの表面の剛性を高め、サポート材ＳＡの流出を阻止できる。本実施例ではサポート殻ＳＳをモデル材吐出用ノズル２１から吐出されるモデル材ＭＡにより構成しているため、ヘッド部２０のモデル材吐出ノズル２１をサポート殻ＳＳの吐出ノズルとして共用化でき、モデル材ＭＡの造形時にサポート材ＳＡのサポート殻ＳＳも合わせて造形できるので、コスト面、スピード面でも有利となる。具体的には、少なくともモデル材ＭＡとサポート材ＳＡにて三次元の造形データを生成する時点において、その造形データにおいて、サポート材にて造形データの外表面が形成される位置に対して、自動的にその外表面に位置するサポート材を、モデル材に変更するか、又はサポート材のその外表面を覆うようにモデル材から形成される薄膜の層を形成するようにデータを生成する。そして、この生成されたデータに対応する各スライスの形成時にサポート材ＳＡの外表面でサポート殻ＳＳが形成される位置に、モデル材ＭＡを吐出して硬化させ、サポート材ＳＡの外表面が薄いモデル材ＭＡで覆われるように、制御手段１０が造形材吐出手段を制御する。これにより、サポート材ＳＡの表面に薄いモデル材ＭＡを形成することで、サポート殻ＳＳを容易に形成できる利点が得られる。なお、このモデル材にて形成される薄膜の厚みは、除去のし易さと強度の確保のバランスという観点から考えると、その厚みは０．１ｍｍ〜５ｍｍ程度が好ましいと考える。さらに、本実施例ではサポート殻ＳＳをモデル材吐出用ノズル２１から吐出されるモデル材ＭＡにより構成したが、サポート殻として適切な特性を有する材料であれば、モデル材ＭＡとは異なる材料を吐出するノズルを別途設けてサポート殻を構成するようにしてもよい。この際、このサポート殻用の材料の特性としては、除去のし易さと強度の確保をより高い次元でバランスさせるという観点から、モデル材ＭＡよりも硬度があり、且つ靭性が低い材料であることが好ましい。
（サポート殻ＳＳの剥離構造）
【００４９】
一方で、サポート材ＳＡにサポート殻ＳＳを設ける構成では、サポート殻ＳＳの剛性が高い程、造形材からサポート殻ＳＳを剥離し難くなる。そこで、サポート殻ＳＳを剥離しやすくする構造を付加することが好ましい。具体的には、サポート材ＳＡの表面をすべてサポート殻ＳＳで覆うのでなく、部分的にサポート材ＳＡを露出させた露出部を設ける。このようにすることで、造形物の造形後に露出部でサポート殻ＳＳを破断し易くなる。またサポート材ＳＡを可溶性とした場合は、造形物の造形後に液中に含浸して露出部からサポート材ＳＡを溶出させることができ、サポート殻ＳＳを破断させることなく造形物から剥離でき、サポート材ＳＡの除去作業を省力化できる利点が得られる。または、サポート殻ＳＳを成形しなければならない連続する外表面の外周部のみを、サポート殻ＳＳが形成される他の外表面に比較して、厚みのある形状とすることにより、サポート殻ＳＳが成形される連続する外表面を一体的に剥ぎ取りやすくすることも可能である。
（露出部）
【００５０】
このような露出部には、様々な形態が利用できる。例えば、図６に示す例では露出部を、サポート殻ＳＳの表面に、部分的な開口を直線状に設けた切り取り線状５１としている。この構成では、切り取り線状５１に沿って手でサポート殻ＳＳを破断し易くできる。また、図７に示すように、サポート材ＳＡのエッジ部分等、外表面の角度が大きく変わる部分にはサポート殻ＳＳを設けない切れ目５２とすることでも、同様に手でサポート殻ＳＳを容易に剥離できるようになる。あるいはこれらの切り取り線状５１や切れ目５２を設けた造形物を、上述の通り液中に含浸させることでも、サポート殻ＳＳに設けられた切り取り線状５１や切れ目５２の隙間からサポート材ＳＡが流出できるため、自然にサポート材ＳＡを除去することもできる。
【００５１】
また、他の露出部の形態として、図８に示すように、サポート殻ＳＳの表面に多数の穴５３を開口することもできる。このように多くの穴５３を開口することで、より多くの面積で水がサポート殻ＳＳ内部に侵入するため、サポート材ＳＡを溶出し易くできる。このような穴５３は、サポート殻ＳＳの表面に均一に設けることが好ましい。
【００５２】
さらに他の露出部の形態として、図９に示すように、サポート殻ＳＳを多数の小片５４に分割し、この小片５４を離間させて配列することで、小片５４同士の間に露出部を設ける構成とすることもできる。この構成によれば、露出部がより均一にサポート殻ＳＳの表面に形成されるため、造形物を水に含浸すると、効率よくサポート材ＳＡが溶出される。サポート材ＳＡが溶出されるとサポート殻ＳＳが小片５４に細かく分解されるため、サポート材ＳＡのより多くの部分が露出される。加えて、サポート殻ＳＳが分解されることで内部のモデル材ＭＡを取り出せるため、サポート殻ＳＳを破断する必要が無くなり、一層容易にかつ短時間でサポート材を除去できる利点が得られる。
【００５３】
以上述べた露出部の様々な形態は、２以上を組み合わせることも可能であることはいうまでもない。
【００５４】
また、露出部を形成する構成に代えて、あるいはこれに加えて、サポート殻を部分的に肉薄にした溝部を形成することもできる。この構成によれば、肉薄の溝部でサポート殻を破断し易くできる。またサポート材を直接外部に露出させないことで、サポート材を外気に触れさせず、高湿度による潮解を回避でき、また露出部分からサポート材が垂れる事態も回避できる利点が得られる。
【００５５】
このような露出部分や溝部は、サポート殻ＳＳを形成する際に、サポート殻ＳＳを部分的に吐出しない、あるいは吐出量を制限することで容易に形成できる。
【００５６】
なお露出部を、モデル材ＭＡを造形プレート４０上に載置した状態で、極力サポート材ＳＡの上面に設けると潮解したサポート材ＳＡが露出部から漏れ出す事態を回避でき、好ましい。
（サポート殻ＳＳの離間構造）
【００５７】
またサポート殻ＳＳは、最終的に除去されるため、剥離する際にはモデル材ＭＡで造形された造形物を破損しないように留意する必要がある。仮に、サポート殻がモデル材と接合されていると、サポート殻の剥離時にモデル材が部分的に破損される可能性がある。特に、サポート殻をモデル材と同じ材質で構成する際は、モデル材と繋がるようにサポート殻が成形されてしまうことが考えられる。例えば図１０に示すようなモデル材ＭＡの造形において、サポート材ＳＡの側面にサポート殻ＳＳを形成しようとすると、図１１に示すようにサポート殻ＳＳの上端がモデル材ＭＡと接触して形成される。この場合にサポート殻を剥離しようとすれば、矢印で示す部位でモデル材の一部が破断される可能性もある。そこで本実施例では、サポート殻を成形する際に、予めモデル材と接触しないように離間して形成するように制御する。
（サポート材ＳＡの拡張）
【００５８】
具体的には、図１２に示すように、サポート殻ＳＳを形成する位置を、造形物を構成するモデル材ＭＡよりも外周に位置させるよう、制御手段１０がスライス成形時に制御する。言い換えると、サポート材ＳＡを水平方向に拡張することで、サポート材ＳＡの最外殻をモデル材ＭＡの最外殻と離間させる。このようにすることで、サポート殻がモデル材と接触することが回避され、破断の虞を無くすと共に、サポート殻の剥離も容易となる。
【００５９】
またこのようなサポート材ＳＡの拡張は、水平方向のみならず、垂直方向にも行える。具体的には、図１３のようなモデル材ＭＡを形成する際、下方のモデル材ＭＡが、その上面に積層されるサポート材ＳＡのサポート殻ＳＳと接触しないように、サポート材ＳＡを下方向に拡張する。この結果、サポート殻ＳＳの下端は、下方のモデル材ＭＡと離間されて、モデル材ＭＡの保護とサポート材ＳＡの除去し易さとを図ることができる。
【００６０】
またこの場合は、サポート材を垂直方向に拡張する他、サポート殻の高さを小さくする、いいかえると下方のモデル材との接触部分にサポート殻を設けないことでも、同様の効果が得られる。この場合は、サポート材の使用量を低減できる利点が得られる。いずれの場合も、スライスの成形時に、サポート材の下面においてはサポート殻を設けないことで、このような離間構造が実現できる。すなわち、サポート材の外縁にモデル材を吐出しないスライスを間欠的に生成することで、サポート材表面の高さ方向に、間欠的に露出部を形成できる。
【００６１】
なおサポート材ＳＡとモデル材ＭＡを離間させる距離は、短い程好ましい。距離を小さくすれば、サポート材の使用量を少なくできる。ただ、上述したサポート材の溶出を促進するための露出部としても機能させる場合は、距離を大きくすることもできる。スライス成形の厚さの公差等を考慮して、例えばスライス１枚〜３枚分程度の厚さだけ、サポート材をモデル材と離間させる。
【００６２】
またこのようなサポート殻とモデル材の離間構造は、モデル材の保護のみならず、上述の通りサポート殻の剥離しやすさの面でも有利となる。モデル材からサポート殻を分離するよう破断する必要がないことから、弱い力でもサポート殻を手で剥離できる。
【００６３】
さらに加えて、サポート殻の形状を簡素化することでも、剥離しやすくできる。例えば、図１４（ａ）の水平断面図に示すような、表面に多数の突起を有する形状のモデル材ＭＡを形成する場合、単にモデル材ＭＡの表面形状に沿ってサポート材ＳＡを設けようとすれば、同様に多数の突起が形成されることとなる。このサポート材ＳＡの表面にサポート殻ＳＳを付加すると、サポート殻ＳＳの形状も複雑になり、これを手で除去しようとすれば、除去作業が面倒になる。そこで、図１４（ｂ）の水平断面図に示すように、サポート材ＳＡの外形をより単純化して球状に変形させることで、その表面に形成されるサポート殻ＳＳの形状も単純化させ、手での剥離作業を容易に行えるようになる。このようなサポート材ＳＡの変形は、例えばモデル材ＭＡの外形を、画像処理によって膨張、収縮させる処理を繰り返す等により単純化させることで行える。このようにサポート材の外形は必ずしも最終造形物となるモデル材の外表面と一致させる必要はなく、一定の簡素な形状に規格化することで、サポート殻を剥離し易くできる。
（ヘッド部２０）
【００６４】
図１５に、インクジェット方式の三次元造形装置のヘッド部２０の一例を示す。この図に示すヘッド部２０は、造形材吐出手段として、モデル材ＭＡとサポート材ＳＡの吐出を個別に行う専用の吐出ノズルを設けている。具体的には、モデル材ＭＡを吐出するためのモデル材吐出ノズル２１と、サポート材ＳＡを吐出するためのサポート材吐出ノズル２２を、平行に離間させて備えている。各吐出ノズルは、２つのノズル列２３を設けており、これらのノズル列２３は、図１６の平面図に示すように半ノズル分ずらして配置することで、分解能を向上させている。またオフセット状態に配置された各ノズル列２３は、モデル材吐出ノズル２１とサポート材吐出ノズル２２とで、それぞれ同一ライン上に一致するように配置することで、モデル材とサポート材の分解能を一致させている。
【００６５】
ヘッド部２０では、左からサポート材吐出ノズル２２、モデル材吐出ノズル２１、ローラ部２５、硬化手段２４が一体的に設けられている。各吐出ノズルは、圧電素子方式のインクジェットプリントヘッドの要領で、インク状の造形材を吐出する。また造形材は、吐出ノズルから吐出可能な粘度に調整される。
【００６６】
図１５の例では、ヘッド部２０が先にモデル材ＭＡを吐出した後、サポート材ＳＡを吐出している。またヘッド部２０は往路（図において左から右）で造形材を吐出し、復路（図において右から左）ではこれを硬化手段２４で硬化させている。
（ローラ部２５）
【００６７】
ヘッド部２０はさらに、吐出されたモデル材ＭＡ及びサポート材ＳＡの表面を未硬化の状態で押圧し、造形材の余剰分を除去することにより、造形材表面を平滑化するためのローラ部２５を設けている。このようなローラ部２５の動作の様子を、図１７の模式図に基づいて説明する。この例では、吐出されたモデル材ＭＡの表面を、未硬化の状態でローラ本体２６で均す状態を示している。ローラ部２５は、回転体であるローラ本体２６と、ローラ本体２６の表面に対して突出するように配置されたブレード２７と、ブレード２７で掻き取られた造形材を溜めるバス２８と、バス２８に溜まった造形材を排出する吸引パイプ２９とを備えている。ローラ本体２６はヘッド部２０の進行方向に対して逆回転（図１７において時計回り）に回転され、未硬化の造形材を掻き上げる。掻き上げられた造形材は、ローラ本体２６に付着してブレード２７まで運ばれた後、ブレード２７で掻き取られてバス２８に案内される。このためブレード２７は、バス２８に向かって下り勾配の姿勢で固定される。また吸引パイプ２９はポンプに接続されており、バス２８に溜まった造形材を吸引して排出する。この例では、ローラ本体２６の外形をφ２０ｍｍ程度、回転速度を１０回転／ｓ程度としている。
【００６８】
このローラ部２５は、図においてヘッド部２０が右から左に進行する際に、掻き取りを行う。換言すると、左から右にヘッド部２０が進行しつつ、スライスデータに基づいて、適切な位置にモデル材吐出ノズル２１とサポート材吐出ノズル２２から各々モデル材ＭＡとサポート材ＳＡを吐出する際は、ローラ部２５は造形材に接触せず、同様に硬化手段２４の光源からの照明も行われない。図においてヘッド部２０の左から右への主走査方向の例えば、往路にて少なくとも造形材の吐出が各ノズル２１、２２から実行された後の右から左方向への復路としての主走査方向において、上述したローラ部２５の掻き取り動作が実行されると共に、少なくともモデル材ＭＡを硬化するための光を照射する光源としての硬化手段２４も動作することになる。
【００６９】
図１、図１５に示すように、ヘッド部２０の進行方向に対してローラ部２５は硬化手段２４の前方、図において左側に配置されている。この結果、先に未硬化の造形材をローラ部２５で掻き取った後、硬化手段２４が造形材を硬化させる。このような配置によって、同一のパスで造形材の掻き取りと硬化を行うことができ、効率よく処理できる利点が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明の三次元造形装置及び三次元造形方法は、インクジェット方式で紫外線硬化樹脂を積層した三次元造形に好適に利用できる。
【符号の説明】
【００７１】
１００…三次元造形システム
１…設定データ作成装置
２、２’…三次元造形装置
１０…制御手段
２０…ヘッド部
２１…モデル材吐出ノズル
２２…サポート材吐出ノズル
２３…ノズル列
２４…硬化手段
２５…ローラ部
２６…ローラ本体
２７…ブレード
２８…バス
２９…吸引パイプ
３０…ヘッド移動手段
３１…ＸＹ方向駆動部
３２、３２’…Ｚ方向駆動部
４０…造形プレート
５１…切り取り線状
５２…切れ目
５３…穴
５４…小片
ＭＡ…モデル材
ＳＡ…サポート材
ＳＳ…サポート殻
ＰＣ…コンピュータ
ＳＢ…オーバーハング支持部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
造形プレート(40)上に、造形材として、
最終的な造形物となるモデル材(MA)と、
前記モデル材(MA)が張り出した張り出し部分を支え、最終的に除去されるサポート材(SA)と、
を少なくとも一方向に走査しながら吐出させ、かつこれを硬化させる動作を繰り返すことで、高さ方向に所定の厚みを有するスライスを生成し、該スライスを高さ方向に積層していくことにより造形を行う三次元造形装置であって、
造形物を載置するための前記造形プレート(40)と、
前記モデル材(MA)を吐出するためのモデル材吐出ノズル(21)、及び前記サポート材(SA)を吐出するためのサポート材吐出ノズル(22)を、それぞれ一方向に複数個配列させた造形材吐出手段と、
前記モデル材(MA)及びサポート材(SA)を硬化させるための硬化手段(24)と、
前記造形材吐出手段及び硬化手段(24)を備えるヘッド部(20)と、
前記ヘッド部(20)を水平方向に往復走査させるための水平駆動手段と、
前記ヘッド部(20)と造形プレート(40)との高さ方向の相対位置を移動させるための垂直駆動手段と、
前記水平駆動手段及び垂直駆動手段の駆動を制御し、かつ前記造形材吐出手段による前記造形材による吐出及び硬化手段(24)による硬化を制御する制御手段(10)と、
を備え、
前記制御手段(10)が、前記水平駆動手段で前記ヘッド部(20)を一方向に往復走査させて、前記造形材吐出手段により前記モデル材(MA)及びサポート材(SA)を前記造形プレート(40)上に吐出させ、該往復走査の往路又は復路の少なくともいずれか一方で、前記硬化手段(24)で前記モデル材(MA)及び／又はサポート材(SA)を硬化させることにより、前記スライスを生成し、高さ方向に前記造形プレート(40)とヘッド部(20)の相対位置を移動させて、前記スライスの積層を繰り返すことにより造形を実行するよう制御してなり、
前記サポート材(SA)は、外表面に該サポート材(SA)と異なる材質のサポート殻(SS)を設けてなり、
前記サポート殻(SS)は、前記サポート材(SA)よりも剛性の高い材質で構成されてなることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項２】
請求項１に記載される三次元造形装置であって、
前記サポート材(SA)は、水溶性の材質で構成されてなることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載される三次元造形装置であって、
前記サポート殻(SS)は、前記モデル材(MA)と同じ材質で構成されてなることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項４】
請求項３に記載される三次元造形装置であって、
前記制御手段(10)が、各スライスの形成時に前記サポート材(SA)の外表面で前記サポート殻(SS)が形成される位置に、前記モデル材(MA)を吐出して硬化させ、前記サポート材(SA)の外表面が薄いモデル材(MA)で覆われるように前記造形材吐出手段を制御することを特徴とする三次元造形装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一に記載される三次元造形装置であって、
前記サポート殻(SS)は、部分的にサポート材(SA)を露出させた露出部を設けてなることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項６】
請求項５に記載される三次元造形装置であって、
前記露出部は、前記サポート殻(SS)の表面に開口された多数の穴(53)であることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項７】
請求項５に記載される三次元造形装置であって、
前記露出部は、前記サポート殻(SS)の表面に、部分的な開口を直線状に設けた切り取り線状(51)であることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項８】
請求項５に記載される三次元造形装置であって、
前記サポート殻(SS)は、一定の大きさの小片(54)を離間させて配列し、該小片(54)同士の間を露出部としてなることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項９】
請求項１から４のいずれか一に記載される三次元造形装置であって、
前記サポート殻(SS)は、部分的に肉薄にした溝部を形成してなることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一に記載される三次元造形装置であって、
前記サポート殻(SS)は、前記モデル材(MA)で造形される造形物と接触しないように離間して形成されてなることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載される三次元造形装置であって、
前記サポート殻(SS)は、造形物の外形を簡素化した形状に形成されてなり、前記サポート殻(SS)とモデル材(MA)との間に前記サポート材(SA)が充填されてなることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか一に記載される三次元造形装置であって、
前記スライスは、前記サポート殻(SS)を形成する位置を、造形物を構成するモデル材(MA)よりも外周に位置させてなることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか一に記載される三次元造形装置であって、
前記スライスは、前記サポート材(SA)の表面にサポート殻(SS)を形成しないスライスを含んでなることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか一に記載される三次元造形装置であって、
前記サポート殻(SS)は、前記サポート材(SA)の外表面の内、角度が急峻に変化する部位に設けないことを特徴とする三次元造形装置。
【請求項１５】
造形プレート(40)上に、造形材として、
最終的な造形物となるモデル材(MA)と、
前記モデル材(MA)が張り出した張り出し部分を支え、最終的に除去されるサポート材(SA)と、
を少なくとも一方向に走査しながら吐出させ、かつこれを硬化させる動作を繰り返すことで、高さ方向に所定の厚みを有するスライスを生成し、該スライスを高さ方向に積層していくことにより造形を行う三次元造形方法であって、
造形物を載置するための前記造形プレート(40)上に、前記モデル材(MA)及び／又はサポート材(SA)を吐出させる造形材吐出手段及び前記モデル材(MA)及びサポート材(SA)を硬化させる硬化手段(24)を備えるヘッド部(20)を一方向に往復走査させる往路又は復路の少なくともいずれか一方で、前記モデル材(MA)及びサポート材(SA)を前記造形材吐出手段で前記造形プレート(40)上に吐出させ、他方で前記硬化手段(24)で前記モデル材(MA)及び／又はサポート材(SA)を硬化させ、スライスを生成する工程と、
高さ方向に前記造形プレート(40)とヘッド部(20)の相対位置を移動させて、前記スライスの積層を繰り返す工程と、
を含み、
前記スライスの生成及び積層工程において、前記サポート材(SA)の外表面に、該サポート材(SA)よりも剛性の高い材質で構成されたサポート殻(SS)が設けることを特徴とする三次元造形方法。
【請求項１】
造形プレート(40)上に、造形材として、
最終的な造形物となるモデル材(MA)と、
前記モデル材(MA)が張り出した張り出し部分を支え、最終的に除去されるサポート材(SA)と、
を少なくとも一方向に走査しながら吐出させ、かつこれを硬化させる動作を繰り返すことで、高さ方向に所定の厚みを有するスライスを生成し、該スライスを高さ方向に積層していくことにより造形を行う三次元造形装置であって、
造形物を載置するための前記造形プレート(40)と、
前記モデル材(MA)を吐出するためのモデル材吐出ノズル(21)、及び前記サポート材(SA)を吐出するためのサポート材吐出ノズル(22)を、それぞれ一方向に複数個配列させた造形材吐出手段と、
前記モデル材(MA)及びサポート材(SA)を硬化させるための硬化手段(24)と、
前記造形材吐出手段及び硬化手段(24)を備えるヘッド部(20)と、
前記ヘッド部(20)を水平方向に往復走査させるための水平駆動手段と、
前記ヘッド部(20)と造形プレート(40)との高さ方向の相対位置を移動させるための垂直駆動手段と、
前記水平駆動手段及び垂直駆動手段の駆動を制御し、かつ前記造形材吐出手段による前記造形材による吐出及び硬化手段(24)による硬化を制御する制御手段(10)と、
を備え、
前記制御手段(10)が、前記水平駆動手段で前記ヘッド部(20)を一方向に往復走査させて、前記造形材吐出手段により前記モデル材(MA)及びサポート材(SA)を前記造形プレート(40)上に吐出させ、該往復走査の往路又は復路の少なくともいずれか一方で、前記硬化手段(24)で前記モデル材(MA)及び／又はサポート材(SA)を硬化させることにより、前記スライスを生成し、高さ方向に前記造形プレート(40)とヘッド部(20)の相対位置を移動させて、前記スライスの積層を繰り返すことにより造形を実行するよう制御してなり、
前記サポート材(SA)は、外表面に該サポート材(SA)と異なる材質のサポート殻(SS)を設けてなり、
前記サポート殻(SS)は、前記サポート材(SA)よりも剛性の高い材質で構成されてなることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項２】
請求項１に記載される三次元造形装置であって、
前記サポート材(SA)は、水溶性の材質で構成されてなることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載される三次元造形装置であって、
前記サポート殻(SS)は、前記モデル材(MA)と同じ材質で構成されてなることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項４】
請求項３に記載される三次元造形装置であって、
前記制御手段(10)が、各スライスの形成時に前記サポート材(SA)の外表面で前記サポート殻(SS)が形成される位置に、前記モデル材(MA)を吐出して硬化させ、前記サポート材(SA)の外表面が薄いモデル材(MA)で覆われるように前記造形材吐出手段を制御することを特徴とする三次元造形装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一に記載される三次元造形装置であって、
前記サポート殻(SS)は、部分的にサポート材(SA)を露出させた露出部を設けてなることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項６】
請求項５に記載される三次元造形装置であって、
前記露出部は、前記サポート殻(SS)の表面に開口された多数の穴(53)であることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項７】
請求項５に記載される三次元造形装置であって、
前記露出部は、前記サポート殻(SS)の表面に、部分的な開口を直線状に設けた切り取り線状(51)であることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項８】
請求項５に記載される三次元造形装置であって、
前記サポート殻(SS)は、一定の大きさの小片(54)を離間させて配列し、該小片(54)同士の間を露出部としてなることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項９】
請求項１から４のいずれか一に記載される三次元造形装置であって、
前記サポート殻(SS)は、部分的に肉薄にした溝部を形成してなることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一に記載される三次元造形装置であって、
前記サポート殻(SS)は、前記モデル材(MA)で造形される造形物と接触しないように離間して形成されてなることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載される三次元造形装置であって、
前記サポート殻(SS)は、造形物の外形を簡素化した形状に形成されてなり、前記サポート殻(SS)とモデル材(MA)との間に前記サポート材(SA)が充填されてなることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか一に記載される三次元造形装置であって、
前記スライスは、前記サポート殻(SS)を形成する位置を、造形物を構成するモデル材(MA)よりも外周に位置させてなることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか一に記載される三次元造形装置であって、
前記スライスは、前記サポート材(SA)の表面にサポート殻(SS)を形成しないスライスを含んでなることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか一に記載される三次元造形装置であって、
前記サポート殻(SS)は、前記サポート材(SA)の外表面の内、角度が急峻に変化する部位に設けないことを特徴とする三次元造形装置。
【請求項１５】
造形プレート(40)上に、造形材として、
最終的な造形物となるモデル材(MA)と、
前記モデル材(MA)が張り出した張り出し部分を支え、最終的に除去されるサポート材(SA)と、
を少なくとも一方向に走査しながら吐出させ、かつこれを硬化させる動作を繰り返すことで、高さ方向に所定の厚みを有するスライスを生成し、該スライスを高さ方向に積層していくことにより造形を行う三次元造形方法であって、
造形物を載置するための前記造形プレート(40)上に、前記モデル材(MA)及び／又はサポート材(SA)を吐出させる造形材吐出手段及び前記モデル材(MA)及びサポート材(SA)を硬化させる硬化手段(24)を備えるヘッド部(20)を一方向に往復走査させる往路又は復路の少なくともいずれか一方で、前記モデル材(MA)及びサポート材(SA)を前記造形材吐出手段で前記造形プレート(40)上に吐出させ、他方で前記硬化手段(24)で前記モデル材(MA)及び／又はサポート材(SA)を硬化させ、スライスを生成する工程と、
高さ方向に前記造形プレート(40)とヘッド部(20)の相対位置を移動させて、前記スライスの積層を繰り返す工程と、
を含み、
前記スライスの生成及び積層工程において、前記サポート材(SA)の外表面に、該サポート材(SA)よりも剛性の高い材質で構成されたサポート殻(SS)が設けることを特徴とする三次元造形方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１２−９６４２８（Ｐ２０１２−９６４２８Ａ）
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４５０８５（Ｐ２０１０−２４５０８５）
【出願日】平成２２年１１月１日（２０１０．１１．１）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ＧＳＭ
【出願人】（０００１２９２５３）株式会社キーエンス (681)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１日（２０１０．１１．１）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ＧＳＭ
【出願人】（０００１２９２５３）株式会社キーエンス (681)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]