JP2018144261A - 三次元造形装置及び三次元造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低温状態下の光硬化により硬化収縮が大きくなる性質を有する光硬化性材料を、モデル材及びサポート材として用いる場合であっても、単位層間における密着性が十分な三次元造形物を生成可能な三次元造形装置及び三次元造形方法を提供する。【解決手段】三次元造形装置１０は、単位層１３１〜１３４を積層してなる積層構造体１０２を載置可能な載置台２０と、載置台２０に対して相対移動しながら、モデル材１０４及びサポート材１０６を積層構造体１０２の最上面１０８に向けて吐出する吐出ユニット３２と、モデル材１０４及びサポート材１０６を硬化可能である活性光線を照射する照射ユニット３８と、造形中間物１２０の形成途中に積層構造体１０２の最上面１０８を加熱する加熱ユニット３６を備える。【選択図】図１

Description

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

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

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

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

そこで、特許文献１では、載置台にヒータ（heating element）を設けることで、造形中間物の下側から加熱する装置が提案されている。これにより、異なる材料の合一による界面部（interface line）が小さくなるので、土台部に対する本体部の密着性が保たれる旨が概ね記載されている。

米国特許第８６３６４９４号明細書（図３Ａ、図４Ｂ、図４Ｃ等）

モデル材及びサポート材として光硬化性材料を用いる場合、特に硬化収縮の発生が問題となり得る。例えば、光硬化性材料の種類に応じて、低温状態下の光硬化により硬化収縮が大きくなり、単位層間での歪みが発生し易くなる場合がある。

しかしながら、特許文献１で提案される装置では下層側から加熱する構成を採用するため、直近に形成された最上層又はその近傍を加熱するまでに時間が掛かる。その結果、最上面が完全に硬化する前に十分な加熱を行うことができず、単位層間における密着性の維持効果が期待通りに得られないという問題が生じる。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、低温状態下の光硬化により硬化収縮が大きくなる性質を有する光硬化性材料を、モデル材及びサポート材として用いる場合であっても、単位層間における密着性が十分な三次元造形物を生成可能な三次元造形装置及び三次元造形方法を提供することを目的とする。

本発明に係る「三次元造形装置」は、光硬化性のモデル材及び／又は光硬化性のサポート材を含む単位層を順次積層して得た造形中間物から、前記サポート材で構成される支持部材を除去することで、前記モデル材で構成される三次元造形物を生成する装置であって、前記単位層を積層してなる積層構造体を載置可能な載置台と、前記載置台に対して相対移動しながら、前記モデル材及び前記サポート材を前記積層構造体の最上面に向けて吐出する吐出手段と、前記モデル材及び前記サポート材を硬化可能である活性光線を照射する照射手段と、前記造形中間物の形成途中に前記積層構造体の最上面を加熱する加熱手段を備える。

このように、光硬化性のモデル材及び光硬化性のサポート材を硬化可能である活性光線を照射する照射手段と、造形中間物の形成途中に積層構造体の最上面を加熱する加熱手段を設けたので、活性光線の照射によって完全に硬化する前である最上面を直接的かつ効率的に加熱可能となる。これにより、低温状態下の光硬化により硬化収縮が大きくなる性質を有する光硬化性材料を、モデル材及びサポート材として用いる場合であっても、単位層間における密着性が十分な三次元造形物を生成できる。

また、前記造形中間物の一部である前記支持部材には、前記三次元造形物と前記載置台の間に配置される土台部が含まれることが好ましい。モデル材とサポート材の硬化特性の差異に起因して、三次元造形物の本体部と土台部の接触面近傍での歪みが起こり、土台部に対する本体部の密着性が低下し易くなる。このため、上記した密着性の向上効果がより顕著に現われる。

また、前記加熱手段は、前記吐出手段による吐出及び前記照射手段による照射が繰り返される前記最上面を順次加熱することが好ましい。吐出、加熱及び照射を含む動作単位を繰り返して実行することで、すべての単位層間での密着性を維持できる。

また、前記造形中間物の下層側ほど高い温度で加熱し、かつ前記造形中間物の上層側ほど低い温度で加熱するように、前記加熱手段の温度制御を行う加熱制御部を更に備えることが好ましい。単位層間に作用するせん断応力は、造形中間物の下層側ほど大きくなり、かつ上層側ほど小さくなる傾向がある。そこで、単位層の剥離が相対的に生じにくい上層側での熱エネルギーを削減することで、造形処理の省エネルギー化が図られる。

また、前記加熱手段は、前記吐出手段と一体的に、前記載置台に対して相対移動可能であり、前記加熱手段が前記最上面を加熱できない位置にある場合に加熱を一時的に抑制又は停止するように、前記加熱手段の温度制御を行う加熱制御部を更に備えることが好ましい。これにより、最上面の加熱に寄与しない位置での熱エネルギーの付与を抑制可能となり、造形処理の省エネルギー化が図られる。

また、前記加熱手段は、前記最上面に向けて温風を噴出する温風噴出部であることが好ましい。温風を噴出することで非接触により加熱できるため、最上面を荒らさなくても済む。

また、前記載置台に対して相対移動しながら前記最上面に接触することで、該最上面を平坦化する平坦化ローラを更に備え、前記加熱手段は、内蔵ヒータにより加熱される前記平坦化ローラであることが好ましい。これにより、最上面の平坦化及び加熱を同時に行うことができる。

本発明に係る「三次元造形方法」は、光硬化性のモデル材及び／又は光硬化性のサポート材を含む単位層を順次積層して得た造形中間物から、前記サポート材で構成される支持部材を除去することで、前記モデル材で構成される三次元造形物を生成する方法であって、前記単位層を積層してなる積層構造体を載置可能な載置台に対して相対移動しながら、前記モデル材及び前記サポート材を前記積層構造体の最上面に向けて吐出する吐出工程と、前記モデル材及び前記サポート材を硬化可能である活性光線を照射する照射工程と、前記造形中間物の形成途中に前記積層構造体の最上面を加熱する加熱工程を備える。

本発明に係る三次元造形装置及び三次元造形方法によれば、低温状態下の光硬化により硬化収縮が大きくなる性質を有する光硬化性材料を、モデル材及びサポート材として用いる場合であっても、単位層間における密着性が十分な三次元造形物を生成できる。

第１実施形態に係る三次元造形装置の要部を示す概略図である。 図１に示す三次元造形装置の電気ブロック図である。 三次元造形物及び造形中間物の形態を示す図である。 図１及び図２に示す三次元造形装置の動作説明に供されるフローチャートである。 本体部と土台部の接触面近傍における造形中間物の部分拡大断面図である。 加熱ユニットの温度制御方法に関する説明図である。 第２実施形態に係る三次元造形装置の要部を示す概略図である。 第３実施形態に係る三次元造形装置の要部を示す概略図である。

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

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

積層構造体１０２は、三次元造形物１００の原料・素材であるモデル材１０４と、モデル材１０４を外側又は内側から支持するサポート材１０６とから構成される。つまり、積層構造体１０２は、モデル材１０４及び／又はサポート材１０６を含む単位層１３１〜１３４（図６）を鉛直方向に沿って順次積層してなる。

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

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

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

キャリッジ１４には、流動性のモデル材１０４及び流動性のサポート材１０６（以下、総称して「液滴３０」ともいう）を積層構造体１０２の最上面１０８に向けて吐出する吐出ユニット３２（吐出手段）と、最上面１０８を平坦化する平坦化ローラ３４（平坦化手段）と、最上面１０８を加熱する加熱ユニット３６（加熱手段）と、最上面１０８に向けて活性光線を照射する照射ユニット３８（照射手段）がそれぞれ搭載される。

吐出ユニット３２の吐出面４０は、作業面１８或いは最上面１０８に対向する位置関係下にある。吐出ユニット３２は、同一の又は異なる色のモデル材１０４を吐出する複数の吐出ヘッド４２、及び、サポート材１０６を吐出する１つの吐出ヘッド４３を含んで構成される。吐出ヘッド４２、４３による液滴３０の吐出機構として種々の方式を採ってもよい。例えば、圧電素子を含んで構成されるアクチュエータの変形によって液滴３０を吐出する方式を適用してもよい。また、ヒータ（発熱体）を介してモデル材１０４又はサポート材１０６を加熱することで気泡を発生させ、その圧力で液滴３０を吐出する方式を適用してもよい。

各吐出ヘッド４２、４３の吐出面４０側には、配列方向（本図例ではＸ方向）に沿って複数のノズル４４を並べたノズル列４６が形成されている。吐出ユニット３２に６つの吐出ヘッド４２が設けられている場合、例えば、６つの吐出ヘッド４２は、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）、ブラック（Ｋ）、クリア（ＣＬ）、ホワイト（Ｗ）に着色されたモデル材１０４の液滴３０をそれぞれ吐出する。

加熱ユニット３６は、例えば、温風を噴射する温風噴射部で構成されており、温風の噴射を通じて熱エネルギーを付与可能な非接触ヒータである。この加熱ユニット３６は、液滴３０が完全に硬化する前に、適切な温度範囲（例えば、５０℃以上）になるように最上面１０８を加熱する。

照射ユニット３８は、モデル材１０４及びサポート材１０６が紫外線硬化樹脂である場合、活性光線の一形態である紫外線（Ultra-Violet；ＵＶ）を照射する紫外光源を含んで構成される。紫外光源として、希ガス放電灯、水銀放電灯、蛍光灯ランプ、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）アレイ等を用いることができる。また、サポート材１０６は、三次元造形物１００を変質させずに除去可能な材料、例えば、水膨潤ゲル、ワックス、熱可塑性樹脂、水溶性材料、溶解性材料等からなる。

＜三次元造形装置１０の電気ブロック図＞
図２は、図１に示す三次元造形装置１０の電気ブロック図である。この三次元造形装置１０は、図１にそれぞれ示したキャリッジ駆動部１６、ステージ駆動部２２、吐出ユニット３２、加熱ユニット３６及び照射ユニット３８の他、制御部５０、画像入力Ｉ／Ｆ５２、入力部５４、出力部５６、記憶部５８、三次元駆動部６０、及び駆動回路６２を含んで構成される。

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

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

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

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

駆動回路６２は、制御部５０と電気的に接続されると共に、各ユニットを駆動することで造形処理を実行させる電気回路である。この実施形態では、駆動回路６２は、吐出ユニット３２の吐出制御を司る吐出制御部６８と、加熱ユニット３６の温度制御を司る加熱制御部７０と、照射ユニット３８の照射制御を司る照射制御部７２とから構成される。

吐出制御部６８は、制御部５０から供給される吐出データに基づき、吐出ヘッド４２、４３が備えるアクチュエータの駆動波形信号を生成し、この波形信号を吐出ユニット３２側に向けて出力する。加熱制御部７０は、温風の温度又は噴射量に応じた駆動信号を加熱ユニット３６側に向けて出力する。照射制御部７２は、紫外線の照射量に応じた駆動信号を照射ユニット３８側に向けて出力する。

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

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

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

図３（Ｂ）に示すように、造形中間物１２０は、上記した本体部１１０と、本体部１１０の外側から支持する支持部材１２２から構成される。支持部材１２２は、上面１１６を除いた全ての外表面１１２を覆う概略鉢形状を有する。つまり、支持部材１２２には、三次元造形物１００と載置台２０（図１）の間に配置される土台部１２４が含まれる点に留意する。なお、支持部材１２２は、上述の通り、紫外線硬化性を有し、かつ三次元造形物１００を変質させずに除去可能な材料からなる。

＜三次元造形装置１０の動作＞
続いて、図１及び図２に示す三次元造形装置１０の動作、ここでは図３（Ａ）に示す三次元造形物１００の生成動作について、図４のフローチャート、図５及び図６を適宜参照しながら説明する。

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

ステップＳ２において、データ処理部６４は、ステップＳ１で取得されたベクトル形式の造形データに対してラスタライズ処理を実行する。この処理に先立ち、データ処理部６４は、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向の三次元空間を示す作業領域を定義すると共に、作業領域１３０を構成するＸ軸−Ｙ軸−Ｚ軸の三次元解像度（実サイズとの対応付け）も決定しておく。

次いで、データ処理部６４は、フレーム内の色（例えばホワイト）を特定し、公知のテクスチャマッピング手法を用いてフレーム面上に表面画像を配置する。その後、データ処理部６４は、表面画像が配置されたベクトルデータを三次元解像度に応じたラスタデータに変換する。更に、データ処理部６４は、ディザ法・誤差拡散法を含むハーフトーン処理、同系色／異系色間の分版処理、ドットサイズ（液滴量）の割り付け処理、打滴数の制限処理等の各種画像処理を実行する。これにより、一方向（Ｚ軸）に沿った単位層１３１〜１３４毎のスライスデータ（以下、「スライス群データ」）が得られる。

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

図３（Ａ）に示す例では、本体部１１０の側面１１８は、庇（ひさし）のように突き出た外壁（以下、オーバーハング）を形成する。鉛直方向の下側から上側に単位層１３１〜１３４を積み重ねてオーバーハングを造形する場合、外側に突き出したモデル材１０４は、その形状を維持するための物理的強度が得られず自重により落下してしまう。そこで、作業面１８と側面１１８の間に、側面１１８の各部を下方側から補強・支持するためのサポート材１０６を配置する必要がある。

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

ステップＳ４において、三次元造形装置１０は、ステップＳ３で作成された吐出データに基づいて造形処理を実行する。具体的には、三次元造形装置１０は、載置台２０及び吐出ユニット３２を三次元方向に相対移動させながら、モデル材１０４及びサポート材１０６を含む単位層１３１〜１３４をＺ方向に沿って順次積層することで積層構造体１０２を生成する。

このとき、［１］形成しようとする単位層１３１〜１３４の指定（Ｓ４１）、［２］吐出ユニット３２を用いた液滴３０の吐出（Ｓ４２）、［３］平坦化ローラ３４を用いた最上面１０８の平坦化（Ｓ４３）、［４］加熱ユニット３６を用いた最上面１０８の加熱（Ｓ４４）、及び［５］照射ユニット３８を用いた紫外線の照射（Ｓ４５）が順次実行される。これにより、積層構造体１０２は鉛直方向（Ｚ方向）に沿って徐々に成長する。

ところで、最上面１０８上の液滴３０は、着弾直後には高い温度を有するが、外気との接触により急激に冷却される。モデル材１０４・サポート材１０６の種類、紫外線の照射量・照射タイミング等を組み合わせた造形条件に応じて、低温状態下の光硬化により硬化収縮が大きくなる場合がある。その結果、積層された単位層１３１〜１３４間における密着性が低下してしまう。

そこで、この実施形態に係る造形処理は、紫外線の照射工程（Ｓ４５）を行う前に、最上面１０８の加熱工程（Ｓ４４）を行う技術的特徴を有する。以下、この加熱工程によって得られる効果について、図５を参照しながら説明する。

図５は、本体部１１０と土台部１２４の接触面近傍における造形中間物１２０の部分拡大断面図である。より詳しくは、図５（Ａ）は加熱工程を含まない造形処理により得られる造形中間物１２０の部分拡大断面図であり、図５（Ｂ）は加熱工程を含む造形処理により得られる造形中間物１２０の部分拡大断面図である。

図５（Ａ）に示すように、接触面（つまり、底面１１４）の近傍では、［１］サポート材１０６の単位層１３１、［２］サポート材１０６の単位層１３２、［３］モデル材１０４の単位層１３３、及び［４］モデル材１０４の単位層１３４、が順次積層されている。本図では、２つの単位層１３２、１３３間に複数の隙間部１３５が生じている。その原因は、モデル材１０４及びサポート材１０６の硬化特性の差異に起因して、単位層１３２、１３３間での歪みが発生したためである。

その後、単位層１３２、１３３間における密着性が低下した状態のまま、徐々に成長する造形中間物１２０の自重により、大きいせん断応力が接触面の近傍に作用する。そして、単位層１３２、１３３が剥離した状態になると、上層側における造形位置の再現性が低下し、所望の三次元形状を有する造形中間物１２０が得られない場合もある。

一方、図５（Ｂ）では、単位層１３１〜１３４のそれぞれの層間には１つの隙間部も生じていない。なぜならば、紫外線が照射される前に単位層１３１〜１３４を予め加熱することで、最上面１０８の温度に起因する硬化収縮の発生が抑制されるからである。単位層１３１〜１３４間における密着性が維持されるので、造形中間物１２０の成長に伴う単位層１３１〜１３４の剥離を防止可能となる。その結果、全層における造形位置の再現性が維持され、所望の三次元形状を有する造形中間物１２０が得られる。

ところで、上記した効果を確実に得るためには、原則的には、最上面１０８の温度を高くする方がより望ましい。ところが、付与する熱エネルギーを大きくすればその分だけ加熱ユニット３６を駆動するための電力消費量が増加する。そこで、加熱ユニット３６の温度制御方法を工夫することで、造形処理の省エネルギー化を図ることができる。

図６は、加熱ユニット３６の温度制御方法に関する説明図である。より詳しくは、図６（Ａ）は設定温度Ｔの位置依存性を示すグラフであり、図６（Ｂ）はＯＮ／ＯＦＦ制御の位置依存性を示すグラフである。

図６（Ａ）に示すグラフの横軸はＺ方向の位置（単位：ｍｍ）であり、グラフの縦軸は設定温度Ｔ（単位：℃）である。ここでは、作業面１８上の位置を基準点とし、単位層１３１〜１３４の積層方向を正の向きとする。０≦Ｚ≦Ｚ１の場合には設定温度ＴはＴ＝Ｔ１であり、Ｚ≧Ｚ２の場合には設定温度ＴはＴ＝Ｔ２（＜Ｔ１）である。また、Ｚ１＜Ｚ＜Ｚ２の場合、設定温度Ｔは、Ｔ＝Ｔ１＋（Ｔ２−Ｔ１）（Ｚ−Ｚ１）／（Ｚ２−Ｚ１）である。

すなわち、加熱制御部７０は、造形中間物１２０の下層側ほど高い温度で加熱し、かつ造形中間物１２０の上層側ほど低い温度で加熱するように、加熱ユニット３６の温度制御を行ってもよい。単位層１３１〜１３４間に作用するせん断応力は、造形中間物１２０の下層側ほど大きくなり、かつ上層側ほど小さくなる傾向がある。そこで、単位層１３１〜１３４の剥離が相対的に生じにくい上層側での熱エネルギーを削減することで、造形処理の省エネルギー化が図られる。

図６（Ｂ）に示すグラフの横軸はＸ方向の位置（単位：ｍｍ）であり、グラフの縦軸はＹ方向の位置（単位：ｍｍ）である。正方形で囲まれる領域は、液滴３０を吐出可能な空間範囲を示す造形可能領域Ｒｍである。また、円形で囲まれる領域は、積層構造体１０２の最上面１０８の領域を示す最上面領域Ｒｓである。

ここで、加熱制御部７０は、加熱ユニット３６の加熱目標位置が最上面領域Ｒｓ内にある場合、加熱「ＯＮ」となる温度制御を行う。一方、加熱制御部７０は、加熱ユニット３６の加熱目標位置が差集合領域（Ｒｍ−Ｒｓ）内にある場合、加熱「ＯＦＦ」となる温度制御を行う。ここで、加熱「ＯＦＦ」には、温風の噴射を停止する場合のみならず、加熱を一時的に抑制可能な制御形態（例えば、設定温度Ｔ又は噴射量を下げる制御）も含まれる。

すなわち、加熱ユニット３６が吐出ユニット３２と一体的に載置台２０に対して相対移動可能である場合、加熱制御部７０は、加熱ユニット３６が最上面１０８を加熱できる位置（ＯＮ領域）にある場合に加熱を行うように温度制御を行う。一方、加熱制御部７０は、加熱ユニット３６が最上面１０８を加熱できない位置（ＯＦＦ領域）にある場合に加熱を一時的に抑制又は停止するように温度制御を行ってもよい。これにより、最上面１０８の加熱に寄与しない位置での熱エネルギーの付与を抑制可能となり、造形処理の省エネルギー化が図られる。

このようにして、造形中間物１２０の造形処理が終了する（ステップＳ４）。なお、支持部材１２２に土台部１２４が含まれる場合、上記した密着性の向上効果がより顕著に現われる。なぜならば、モデル材１０４とサポート材１０６の硬化特性の差異に起因して、土台部１２４に対する本体部１１０の密着性が低下し易くなるからである。

また、キャリッジ１４のＹ方向への反復移動を伴って、加熱ユニット３６は、吐出ユニット３２による吐出及び照射ユニット３８による照射が繰り返される最上面１０８を順次加熱してもよい。吐出、加熱及び照射を含む動作単位を繰り返して実行することで、すべての単位層１３１〜１３４間での密着性を維持できる。

図４のステップＳ５において、積層構造体１０２の完成状態である造形中間物１２０が得られる（図３（Ｂ）参照）。ここで、造形中間物１２０は、全層における造形位置の再現性が維持されており、所望の三次元形状を有する点に留意する。

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

ステップＳ７において、三次元造形物１００（図３（Ａ）参照）が完成される。この三次元造形物１００は、全層における造形位置の再現性が維持されており、所望の三次元形状を有する。

＜第１実施形態による効果＞
以上のように、三次元造形装置１０は、光硬化性のモデル材１０４及び／又は光硬化性のサポート材１０６を含む単位層１３１〜１３４を順次積層して得た造形中間物１２０から、サポート材１０６で構成される支持部材１２２を除去することで、モデル材１０４で構成される三次元造形物１００を生成する。

そして、三次元造形装置１０は、［１］単位層１３１〜１３４を積層してなる積層構造体１０２を載置可能な載置台２０と、［２］載置台２０に対して相対移動しながら、モデル材１０４及びサポート材１０６を積層構造体１０２の最上面１０８に向けて吐出する吐出ユニット３２と、［３］モデル材１０４及びサポート材１０６を硬化可能である活性光線を照射する照射ユニット３８と、［４］造形中間物１２０の形成途中に積層構造体１０２の最上面１０８を加熱する加熱ユニット３６（加熱手段）と、を備える。

また、この三次元造形装置１０を用いた三次元造形方法は、［１］単位層１３１〜１３４を積層してなる積層構造体１０２を載置可能な載置台２０に対して相対移動しながら、モデル材１０４及びサポート材１０６を積層構造体１０２の最上面１０８に向けて吐出する吐出工程（Ｓ４２）と、［２］モデル材１０４及びサポート材１０６を硬化可能である活性光線を照射する照射工程（Ｓ４５）と、［３］造形中間物１２０の形成途中に積層構造体１０２の最上面１０８を加熱する加熱工程（Ｓ４４）と、を備える。

このように構成したので、活性光線の照射によって完全に硬化する前である最上面１０８を直接的かつ効率的に加熱可能となる。これにより、低温状態下の光硬化により硬化収縮が大きくなる性質を有する光硬化性材料を、モデル材１０４及びサポート材１０６として用いる場合であっても、単位層１３１〜１３４間における密着性が十分な三次元造形物１００を生成できる。

なお、第１実施形態に係る加熱手段は、積層構造体１０２の最上面１０８に向けて温風を噴出する温風噴出部である。温風を噴出することで非接触により加熱できるため、最上面１０８を荒らさなくても済む。特に、最上面１０８の平坦化（Ｓ４３）を行った後の加熱であれば一層効果的である。

［第２実施形態］
続いて、第２実施形態に係る三次元造形装置２００について、図７を参照しながら説明する。なお、第１実施形態に係る三次元造形装置１０と同様の構成又は機能については、同一の参照符号を付すると共にその説明を省略する場合がある。

＜三次元造形装置２００の構成及び動作＞
図７は、第２実施形態に係る三次元造形装置２００の要部を示す概略図である。より詳しくは、図７（Ａ）は三次元造形装置２００の概略側面図であり、図７（Ｂ）は三次元造形装置２００の概略平面図である。

この三次元造形装置２００は、第１実施形態（図１のキャリッジ１４）とは異なる構成のキャリッジ２０２を備える。具体的には、キャリッジ２０２は、上記した吐出ユニット３２及び照射ユニット３８の他、積層構造体１０２の最上面１０８を平坦化する平坦化ローラ２０４（平坦化手段、加熱手段）が搭載される。平坦化ローラ２０４の内部には、温度制御可能な内蔵ヒータ２０６が設けられている。

続いて、三次元造形装置２００の動作、具体的には図３（Ａ）に示す三次元造形物１００の生成動作について説明する。三次元造形装置２００は、ステップＳ４の造形処理を除いて、基本的には図４のフローチャートに沿って動作する。

図４のステップＳ４において、三次元造形装置２００は、載置台２０及び吐出ユニット３２を三次元方向に相対移動させながら、モデル材１０４及びサポート材１０６を含む単位層１３１〜１３４をＺ方向に沿って順次積層することで積層構造体１０２を生成する。ここで、内蔵ヒータ２０６からの熱エネルギーは、平坦化ローラ２０４が最上面１０８に接触することで、平坦化ローラ２０４の外周面を介して最上面１０８側に伝達される。

つまり、［１］形成しようとする単位層１３１〜１３４の指定（Ｓ４１）、［２］吐出ユニット３２を用いた液滴３０の吐出（Ｓ４２）、［３］平坦化ローラ３４を用いた最上面１０８の平坦化（Ｓ４３）及び加熱（Ｓ４４）、及び［４］照射ユニット３８を用いた紫外線の照射（Ｓ４５）が順次実行される。これにより、積層構造体１０２は鉛直方向（Ｚ方向）に沿って徐々に成長する。

＜第２実施形態による効果＞
以上のように、三次元造形装置２００は、［１］載置台２０、［２］吐出ユニット３２及び［３］照射ユニット３８の他、［４］造形中間物１２０の形成途中に積層構造体１０２の最上面１０８を加熱する加熱手段と、［５］載置台２０に対して相対移動しながら最上面１０８に接触することで、最上面１０８を平坦化する平坦化ローラ２０４と、を備える。

このような構成を採用しても、第１実施形態と同様に、単位層１３１〜１３４間における密着性が十分な三次元造形物１００を生成できる。そして、第２実施形態に係る加熱手段は、内蔵ヒータ２０６により加熱される平坦化ローラ２０４であるので、最上面１０８の平坦化（Ｓ４３）及び加熱（Ｓ４４）を同時に行うことができる。

［第３実施形態］
続いて、第３実施形態に係る三次元造形装置３００について、図８を参照しながら説明する。なお、第１実施形態に係る三次元造形装置１０と同様の構成又は機能については、同一の参照符号を付すると共にその説明を省略する場合がある。

＜三次元造形装置３００の構成及び動作＞
図８は、第３実施形態に係る三次元造形装置３００の要部を示す概略図である。より詳しくは、図８（Ａ）は三次元造形装置３００の概略側面図であり、図８（Ｂ）は三次元造形装置３００の概略平面図である。

この三次元造形装置３００は、第１実施形態（図１のキャリッジ１４）とは異なる構成のキャリッジ３０２と、更に、載置台２０の作業面１８に対向して配置された外付けヒータ３０４（加熱手段）を備える。このキャリッジ３０２には、吐出ユニット３２、平坦化ローラ３４及び照射ユニット３８のみが搭載されている。

続いて、三次元造形装置３００の動作、具体的には図３（Ａ）に示す三次元造形物１００の生成動作について説明する。三次元造形装置３００は、ステップＳ４の造形処理を除いて、基本的には図４のフローチャートに沿って動作する。

図４のステップＳ４において、三次元造形装置３００は、載置台２０及び吐出ユニット３２を三次元方向に相対移動させながら、モデル材１０４及びサポート材１０６を含む単位層１３１〜１３４をＺ方向に沿って順次積層することで積層構造体１０２を生成する。つまり、［１］形成しようとする単位層１３１〜１３４の指定（Ｓ４１）、［２］吐出ユニット３２を用いた液滴３０の吐出（Ｓ４２）、［３］平坦化ローラ３４を用いた最上面１０８の平坦化（Ｓ４３）、及び［４］照射ユニット３８を用いた紫外線の照射（Ｓ４５）が順次実行される。これにより、積層構造体１０２は鉛直方向（Ｚ方向）に沿って徐々に成長する。

ここで、加熱制御部７０は、少なくとも造形処理の実行中に、外付けヒータ３０４に対して加熱「ＯＮ」となる温度制御を行う。外付けヒータ３０４は積層構造体１０２に対向して配置されているので、外付けヒータ３０４からの熱エネルギーにより最上面１０８が加熱される。

＜第３実施形態による効果＞
以上のように、三次元造形装置３００は、［１］載置台２０、［２］吐出ユニット３２及び［３］照射ユニット３８の他、［４］載置台２０の作業面１８に対向して配置され、かつ造形中間物１２０の形成途中に積層構造体１０２の最上面１０８を加熱する外付けヒータ３０４と、を備える。このような構成を採用しても、第１実施形態と同様に、単位層１３１〜１３４間における密着性が十分な三次元造形物を生成できる。

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

例えば、第１〜第３実施形態では、照射工程（Ｓ４５）の前に加熱工程（Ｓ４４）を行う構成を採用しているが、液滴３０を完全に硬化させる前に加熱工程を行うことが可能であれば、両者の工程の実行順は問わない。例えば、２回の照射にわたって液滴３０を完全に硬化させる場合、１回目の照射工程、加熱工程、及び２回目の照射工程を順次行っても上記した密着性の向上効果が得られる。

また、第１〜第３実施形態では、載置台２０及び吐出ユニット３２の両方とも移動可能であるが、一方が固定された状態下に他方が移動可能であってもよいし、３つの移動方向（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向）の組み合わせは任意である。

１０、２００、３００‥三次元造形装置 １２‥載置部
１４、２０２、３０２‥キャリッジ １６‥キャリッジ駆動部
１８‥作業面 ２０‥載置台
２２‥ステージ駆動部 ２４‥ガイドレール
２６‥スライダ ２８‥キャリッジレール
３０‥液滴 ３２‥吐出ユニット（吐出手段）
３４‥平坦化ローラ ３６‥加熱ユニット（加熱手段）
３８‥照射ユニット（照射手段） ４２、４３‥吐出ヘッド
４４‥ノズル ４６‥ノズル列
５０‥制御部 ６０‥三次元駆動部
６２‥駆動回路 ６４‥データ処理部
６６‥配置決定部 ６８‥吐出制御部
７０‥加熱制御部 ７２‥照射制御部
１００‥三次元造形物 １０２‥積層構造体
１０４‥モデル材 １０６‥サポート材
１０８‥最上面 １１０‥本体部
１１２‥外表面 １２０‥造形中間物
１２２‥支持部材 １２４‥土台部
１３１〜１３４‥単位層 １３５‥隙間部
２０４‥平坦化ローラ（平坦化手段、加熱手段）
２０６‥内蔵ヒータ ３０４‥外付けヒータ（加熱手段）
Ｒｍ‥造形可能領域 Ｒｓ‥最上面領域

Claims (8)

1. 光硬化性のモデル材及び／又は光硬化性のサポート材を含む単位層を順次積層して得た造形中間物から、前記サポート材で構成される支持部材を除去することで、前記モデル材で構成される三次元造形物を生成する三次元造形装置であって、
   前記単位層を積層してなる積層構造体を載置可能な載置台と、
   前記載置台に対して相対移動しながら、前記モデル材及び前記サポート材を前記積層構造体の最上面に向けて吐出する吐出手段と、
   前記モデル材及び前記サポート材を硬化可能である活性光線を照射する照射手段と、
   前記造形中間物の形成途中に前記積層構造体の最上面を加熱する加熱手段と
   を備えることを特徴とする三次元造形装置。
2. 前記造形中間物の一部である前記支持部材には、前記三次元造形物と前記載置台の間に配置される土台部が含まれることを特徴とする請求項１に記載の三次元造形装置。
3. 前記加熱手段は、前記吐出手段による吐出及び前記照射手段による照射が繰り返される前記最上面を順次加熱することを特徴とする請求項１又は２に記載の三次元造形装置。
4. 前記造形中間物の下層側ほど高い温度で加熱し、かつ前記造形中間物の上層側ほど低い温度で加熱するように、前記加熱手段の温度制御を行う加熱制御部を更に備えることを特徴とする請求項３に記載の三次元造形装置。
5. 前記加熱手段は、前記吐出手段と一体的に、前記載置台に対して相対移動可能であり、
   前記加熱手段が前記最上面を加熱できない位置にある場合に加熱を一時的に抑制又は停止するように、前記加熱手段の温度制御を行う加熱制御部を更に備える
   ことを特徴とする請求項３に記載の三次元造形装置。
6. 前記加熱手段は、前記最上面に向けて温風を噴出する温風噴出部であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
7. 前記載置台に対して相対移動しながら前記最上面に接触することで、該最上面を平坦化する平坦化ローラを更に備え、
   前記加熱手段は、内蔵ヒータにより加熱される前記平坦化ローラである
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
8. 光硬化性のモデル材及び／又は光硬化性のサポート材を含む単位層を順次積層して得た造形中間物から、前記サポート材で構成される支持部材を除去することで、前記モデル材で構成される三次元造形物を生成する三次元造形方法であって、
   前記単位層を積層してなる積層構造体を載置可能な載置台に対して相対移動しながら、前記モデル材及び前記サポート材を前記積層構造体の最上面に向けて吐出する吐出工程と、
   前記モデル材及び前記サポート材を硬化可能である活性光線を照射する照射工程と、
   前記造形中間物の形成途中に前記積層構造体の最上面を加熱する加熱工程と
   を備えることを特徴とする三次元造形方法。

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