(57)【要約】【課題】切削の際に補助材料によって形成された部分と造形材料によって形成された部分とが解離するのを防止して、三次元造形物を確実に作製できるようにする。【解決手段】補助材料によって形成された補助材層を切削する工程と造形材料によって形成された造形材層を切削する工程とを繰り返し行った後、上記補助材層を除去して上記造形材層からなる三次元造形物を作製する三次元造形方法において、補助材料と造形材料とのいずれか一方の材料によって形成された領域の一部もしくは全部を、上記領域を形成する材料とは異なる他方の材料を供給して支持し、上記領域の一部を切削する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
補助材料によって形成された補助材層を切削する工程と造形材料によって形成された造形材層を切削する工程とを繰り返し行った後、前記補助材層を除去して前記造形材層からなる三次元造形物を作製する三次元造形方法において、
補助材料と造形材料とのいずれか一方の材料によって形成された領域の一部もしくは全部を、前記領域を形成する材料とは異なる他方の材料を供給して支持し、前記領域の一部を切削する
ことを特徴とする三次元造形方法。
【請求項２】
第１の材料によって形成された第１の領域上に、前記第１の材料とは異なる第２の材料を供給し、第２の領域を形成する第１の段階と、
前記第１の段階で形成された前記第２の領域の一部もしくは全部の表面と接するとともに前記第１の領域と連結するようにして前記第１の材料を供給する第２の段階と、
前記第２の領域の一部を切削する第３の段階と
を有することを特徴とする三次元造形方法。
【請求項３】
請求項２に記載の三次元造形方法において、
前記第１の材料は補助材料と造形材料とのいずれか一方であり、前記第２の材料は前記第１の材料とは異なるいずれか他方である
ことを特徴とする三次元造形方法。
【請求項４】
請求項１または請求項３のいずれか１項に記載の三次元造形方法において、
前記補助材料と前記造形材料との少なくともいずれか一方を、略ドット状で供給する
ことを特徴とする三次元造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元造形方法に関し、さらに詳細には、補助材料により形成される補助材層と造形材料により形成される造形材層とを積層しながら三次元造形物を作製する三次元造形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、補助材料で形成された補助材層の所定部分を、エンドミルなどの切削ツールなどで切削して除去した後、当該除去された部分に造形材料によって造形材層を形成して、これらを繰り返し行うことにより、二次元的な断面形状が積層させるようにして所望の三次元造形物を得ることができるようにした三次元造形装置が知られている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
上記したような三次元造形装置においては、既に形成された第一層（図１（ａ）参照）上に第二層が積層される為、第二層の補助材層は、第一層の造形材層に対する相互接着力でもって固定される（図１（ｂ）参照）。そして、第二層の補助材層が切削ツールたるエンドミルによって切削成形されるものである（図１（ｃ）参照）。
【０００４】
しかしながら、作製する三次元造形物の形状や大きさ、造形材料ならびに補助材料の種類などによっては、相互接着力が切削ツールによる切削の切削抵抗に負けてしまい、造形材層上に積層された補助材層を切削成形する過程で第一層の造形材層と第二層の補助材層とが解離してしまい（図１（ｄ）に示す破線参照）、結果的に三次元造形物を造形することができないという恐れがあった。
【特許文献１】特開平８−３１８５７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記したような従来の技術の有する種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、切削の際に補助材料によって形成された部分と造形材料によって形成された部分とが解離するのを防止して、三次元造形物を確実に作製できるようにした三次元造形方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、補助材料によって形成された補助材層を切削する工程と造形材料によって形成された造形材層を切削する工程とを繰り返し行った後、上記補助材層を除去して上記造形材層からなる三次元造形物を作製する三次元造形方法において、補助材料と造形材料とのいずれか一方の材料によって形成された領域の一部もしくは全部を、上記領域を形成する材料とは異なる他方の材料を供給して支持し、上記領域の一部を切削するようにしたものである。
【０００７】
また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、第１の材料によって形成された第１の領域上に、上記第１の材料とは異なる第２の材料を供給し、第２の領域を形成する第１の段階と、上記第１の段階で形成された上記第２の領域の一部もしくは全部の表面と接するとともに上記第１の領域と連結するようにして上記第１の材料を供給する第２の段階と、上記第２の領域の一部を切削する第３の段階とを有するようにしたものである。
【０００８】
また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、上記第１の材料は補助材料と造形材料とのいずれか一方であり、上記第２の材料は上記第１の材料とは異なるいずれか他方であるようにしたものである。
【０００９】
また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、請求項１または請求項３のいずれか１項に記載の発明において、上記補助材料と上記造形材料との少なくともいずれか一方を、略ドット状で供給するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、切削の際に補助材料によって形成された部分と造形材料によって形成された部分とが解離するのを防止して、三次元造形物を確実に作製できるという優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付の図面に基づいて、本発明による三次元造形方法の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。
【００１２】
はじめに、図２乃至図６を参照しながら、本発明の第１の実施の形態による三次元造形方法について説明する。
【００１３】
図２には、本発明による三次元造形方法を実現する三次元造形装置の実施の形態の一例の概略構成説明図が示されている。この図２に示す三次元造形装置１０は、上下方向に延長した略四角柱状の一対の支持部１２Ｌ、１２Ｒと、当該支持部１２Ｌ、１２Ｒを連結する底部１２Ｂとにより構成されたＵ字型状の門型アーム部１２を備えている。さらに一対の支持部１２Ｌ、１２Ｒの各々の上端部に支持されたレール部１４と、レール部１４にＸＹＺ直交座標系におけるＸ軸方向（図２の座標系を示す参考図参照）に所定範囲内で移動自在に配設されたキャリッジ１６を有する。
【００１４】
また、キャリッジ１６に対してＺ軸方向に所定範囲内で移動自在に設けられたヘッド（図２および図３参照）に、スピンドル２８と、補助材料を吐出するディスペンサー２４と、造形材料を吐出するディスペンサー２６とが併設されている。
【００１５】
また、フレーム部１８上には、Ｙ軸方向に所定範囲内で移動自在な上面が平面状のテーブル２２が配設されており、この上面２２ａにおいて、補助材料により形成される補助材層と造形材料により形成される造形材層とが積層されて三次元造形物が形作られるものである。
【００１６】
なお、三次元造形装置１０は、全体の動作をマイクロコンピュータにより制御されており、ディスペンサー２４、ディスペンサー２６ならびにスピンドル２８は、ヘッドの移動に伴ってＺ軸方向に、キャリッジ１６の移動に伴ってＸ軸方向に、またテーブル２２は、Ｙ軸方向に移動される。
【００１７】
従って、ディスペンサー２４、ディスペンサー２６ならびにスピンドル２８に支持されたエンドミル３０と、テーブル上面２２ａにおいて形作られる三次元造形物との相対的な位置関係は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の任意の方向で移動可能となっている。
【００１８】
次に、図３には、図２に示す三次元造形装置１０のキャリッジ１６部分を拡大して示した概略構成説明図（斜視図）が示されており、以下に詳細な説明を示す。
【００１９】
ディスペンサー２４は、図示しないタンクに収容された補助材料がヒーターを内蔵したシリンジ２４ｂに供給されるように設計されており、シリンジ内部に貯留された補助材料を所定の温度に加熱することができる。
【００２０】
なお、この実施の形態においては、補助材料として金属、特に、低融点合金を用いている。例えば、半田などである。
【００２１】
所定の温度まで加熱された低融点合金は、シリンジ２４ｂ内で溶融し、シリンジ２４ｂと連結されてディスペンサー２４の先端に位置する吐出口２４ａから１滴１滴吐出され、飛滴となって所定の位置に所定量塗布されるように制御されている。
【００２２】
ディスペンサー２６は、図示しないタンクに収容された造形材料がシリンジ２６ｂに供給されるように設計されており、シリンジ２６ｂと連結されてディスペンサー２６の先端に位置する吐出口２６ａから、造形材料が１滴１滴吐出され、飛滴となって所定の位置に所定量塗布されるように制御されている。
【００２３】
なお、この実施の形態においては、造形材料としては紫外線が照射されると硬化する紫外線硬化樹脂を用いている。
【００２４】
さらに、ディスペンサー２６の吐出口２６ａの外周側に位置するようにしてライトガイド部材４２が配設されている。このライトガイド部材４２は、導入管部４２ｃから引き込まれた紫外線を照射するための光ファイバー５０が連結部４２ｂを経てその先端部を傾斜面４２ｓに位置させるように設計されている。このため、光ファイバー５０の先端部から照射される紫外線は３６０°リング状に照射されて、本体部４２ａの略中央部位に穿設された貫通口４２ｈの直下にスポット状に集光される（図６（ｂ）参照）。
【００２５】
従って前述のように、ディスペンサー２６の吐出口２６ａより所定の位置に塗布された紫外線硬化樹脂は、ライトガイド部材４２より照射する紫外線により硬化させることができるように制御されている。
【００２６】
エンドミル３０は回転するスピンドル２８に連結され、切削部３０ａによって補助材層や造形材層を切削成形するものである。
【００２７】
以上の構成において、図４乃至図６を参照しながら、上記した三次元造形装置１０を用いて本発明の三次元造形方法により、図４（ｈ）に示す略半球状体の三次元造形物１００を作製する工程を詳細に説明する。なお、図４乃至図６においては適宜、補助材料によって形成された部分に薄墨を付して表すこととする。
【００２８】
まずマイクロコンピュータの制御によって、テーブル２２の上面２２ａと所定の間隔を開けて位置するディスペンサー２４の吐出口２４ａから、補助材料である低融点合金の飛滴は、テーブル上面２２ａの所定の位置に略ドット状で供給され、エンドミル３０による切削量が最小限に抑えられる三次元形状となり（図５（ａ）参照）、自然冷却して固化し補助材層１０２が形成される（図４（ａ）参照）。
【００２９】
こうして補助材料たる低融点合金により形成された補助材層１０２（図４（ａ）参照）は、エンドミル３０によって切削され、所望の形状１０２’を得る（図４（ｂ）参照）。
【００３０】
次に、マイクロコンピュータの制御によって、補助材層１０２’の上面１０２’ａと所定の間隔を開けて位置するディスペンサー２６の吐出口２６ａから、造形材料である紫外線硬化樹脂の飛滴は、補助材層１０２’上の所定の位置に略ドット状で供給されてエンドミル３０による切削量が最小限に抑えられる三次元形状となる（図６（ａ）参照）。
【００３１】
この際、前述のようにライトガイド部４２により紫外線が照射され、紫外線硬化樹脂の硬化も同時に行われる（図６（ｂ）参照）。
【００３２】
こうして図４（ｃ）に示すようにして補助材層１０２’上に造形材層１０４が積層されたならば、当該造形材層１０４の切削に先立って、補助材層１０２を形成する場合と同様の方法で、造形材層１０４をブリッジ状にサポートするようにして補助材料領域２０２が形成される（図４（ｄ−１）ならびに図５（ｂ）参照）。なお、図４（ｄ−２）には、図４（ｄ−１）のＡ矢視図が示されている。
【００３３】
より詳細には、この補助材料領域２０２は、所定の幅を有する帯状であり、造形材層１０４の下層に位置する補助材層１０２’の上面１０２’ａから、造形材層１０４を通って、再び補助材層１０２’の上面１０２’ａに至るアーチ様に形成されている。つまり、補助材材料領域２０２は、内面２０２ａが造形材層１０４の表面１０４ａに接着しているとともに、その両端部２０２ｂ，２０２ｃは造形材層１０４の下層に位置する同一の材料である低融点合金からなる補助材層１０２’と連結して所定の相互接着力を有するので、当該補助材料領域２０２によって、補助材層１０２’上に積層された造形材層１０４は、安定的に補助材層上面１０２’ａに固定された状態で補助材層１０２’と一体化している。
【００３４】
次に、造形材層１０４の補助材料領域２０２によって覆われていない部分が、エンドミル３０によって切削され、切削された後の造形材層１０４’は所望の形状である外表面１０４’ｂを有するようになる（図４（ｅ）参照）。
【００３５】
この際、前述のように造形材層１０４は安定的に補助材層上面１０２’ａに固定されており、即ち、造形材層１０４の切削は正確に行うことができる。
【００３６】
こうして、造形材層１０４’が形成されたならば、外表面１０４ｂ’を被覆するようにして、同様に補助材料領域２０４，２０６が形成される（図４（ｆ）参照）。
【００３７】
より詳細には、この補助材料領域２０４，２０６は、その内面が造形材層１０４’の外表面１０４’ｂに接着しているとともに、その下端部２０４ａ，２０６ａは造形材層１０４’の下層に位置する同一の材料である低融点合金からなる補助材層１０２’と連結して所定の相互接着力を有するので、当該補助材料領域２０４，２０６によって、補助材層１０２’上の造形材層１０４’は、安定的に補助材層上面１０２’ａに固定された状態で補助材層１０２’と一体化している。
【００３８】
次に、従前の切削において切削が行われていない部分、即ち、造形材層１０４’の補助材料領域２０２によって覆われた部分が、エンドミル３０によって所望の形状である外周面１０４’ｃに切削成形される（図４（ｇ）参照）。
【００３９】
また、この造形材層１０４’も前回と同様に、安定した固定により、正確な切削成形を行うことができる。
【００４０】
次に前述の三次元造形物１００’（図４（ｇ）参照）を、テーブル２２の上面２２ａから取り外すなどして、所定の温度に加温する。すると、補助材層１０２’と補助材料領域２０４，２０６とを形成する補助材料たる低融点合金が熱溶解除去され、造形材層１０４’によって構成される三次元造形物１００（図４（ｈ）参照）が得られる。
【００４１】
上記したように、本発明の第１の実施の形態による三次元造形方法においては、補助材層１０２’に積層された造形材層１０４の切削に際しては、造形材層１０４，１０４’の一部に補助材料を供給して補助材料領域２０２，２０４，２０６を形成し、エンドミル３０の切削抵抗に対して、造形材料からなる造形材層１０４，１０４’が補助材料によって安定的に固定されるようにしたため、正確な三次元造形物を作製することができる。
【００４２】
従って、作製する三次元造形物の形状や大きさ、あるいは、造形材料ならびに補助材料の種類やその組み合わせなどによっては、相互接着力が乏しい条件となるような場合であっても、本発明による三次元造形方法によれば、三次元造形物の作製途中に、切削ツールによる切削の切削抵抗に負けて補助材料によって形成された部分と造形材料によって形成された部分とが解離するのを防止することができる。つまり、本発明は高い汎用性を有するものであり、本発明によれば、使用できる材料の幅や形状が大きく広がり、多様な三次元造形物を作製することができるようになる。
【００４３】
次に、図７を参照しながら、本発明の第２の実施の形態による三次元造形方法について説明する。
【００４４】
図７は、本発明の第２の実施の形態による三次元造形方法により、図７（ｈ）に示す三次元造形物を作製する工程を順次示した説明図である。なお、図７においては適宜、補助材料によって形成された部分に薄墨を付して表すこととする。
【００４５】
また、図７（ｈ）に示す三次元造形物は、上記した第１の実施の形態の三次元造形物１００（図４（ｈ）参照）と同一のものであり、図４乃至図６に示した構成と同一の構成に関しては、理解を容易にするために、同一の符号を付して示すものとする。
【００４６】
第１の実施の形態においては、造形材層１０４をブリッジ状にサポートするようにして、補助材料領域２０２、次いで２０４，２０６を形成したが、第２の実施の形態においては、造形材層１０４の略半分を覆うようにして補助材料領域３０２、次いで３０４を形成するものであり、第１の実施の形態と同様、第２の実施の形態においても、造形材層１０４，１０４’が補助材層によって安定的に固定されるようにしたため、正確な三次元造形物を作製することができる。
【００４７】
なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（７）に説明するように変形してもよい。
【００４８】
（１）上記した第１ならびに第２の実施の形態は、作製する三次元造形物の種類に応じて適宜組み合わせるようにしてもよい。さらに、単一の三次元造形物を作製するのに、造形材層を補助材料によって支持する工程と、補助材層を造形材料によって支持する工程とが行われるようにしてもよい。
【００４９】
（２）上記した実施の形態においては、補助材料として低融点合金を用い、造形材料として紫外線硬化樹脂を用いるようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、各種材料を補助材料あるは造形材料として用いるようにしてもよい。
【００５０】
例えば、補助材料としては、ワックスなどの熱可塑性樹脂を用いるようにしてもよいし、造形材料としては、紫外線とは異なる放射線の可視光や電子線あるいはその他の光によって硬化する光硬化樹脂や、補助材料と同様にワックスなどの熱可塑性樹脂を用いるようにしてもよい。
【００５１】
本発明による三次元造形方法によれば材料の自由度が広がるので、例えば、相互接着力が乏しいワックスと低融点合金との組み合わせも使用できるようになる。
【００５２】
（３）上記した第１の実施の形態の補助材料領域２０２，２０４，２０６（図４参照）、第２の実施の形態の補助材料領域３０２，３０４（図７参照）はそれぞれ、上記した実施の形態の形状に限定されるものではなく、造形材料（または補助材料）によって形成された部分を支持する補助材料（または造形材料）の形状や位置、大きさなどは、作製する三次元造形物の形状や大きさ、製作の過程で造形材層と補助材層とが互いに接する面積、切削や積層の順序などに応じて適宜変更可能なものである。
【００５３】
例えば、図４（ｄ−１）に示す帯状の補助材料領域２０２の幅はおよそ２〜３ｍｍとすることができるがこのサイズに限定されるものではない。また、作製する三次元造形物のによっては、造形材層の外周縁部に丘を作るようにして補助材料を塗布したり（図８（ａ）に示す符号５０２，５０４参照）、造形材層をすべて覆うように補助材料を塗布したり、造形材層の切削に先立ってドット状に供給される補助材料によって一連の鎖状で造形材層を支持するようにしてもよい（図８（ｂ）に示す符号５０６参照）。
【００５４】
また、作製する三次元造形物の形状などによっては、テーブル２２の上面２２ａに最初に形成された補助材層（または造形材層）を支持するようにして造形材料（または補助材料）を塗布するようにしてもよい。
【００５５】
（４）上記した実施の形態においては、補助材料領域２０２，２０４，２０６，３０２，３０４（図４ならびに図７参照）を形成した後直ちに、当該補助材料領域や造形材料領域によって支持されている造形材層や補助材層の切削を行うようにしたがこれに限られるものではないことは勿論である。
【００５６】
形成された補助材料領域や造形材料領域の位置や形状、あるいは、作製する三次元造形物の形状や大きさ、そして切削や積層の工程などに応じては、例えば、造形材層を支持するために補助材料を塗布し、その後造形材層に補助材層や造形材層の積層を行ってから、塗布された補助材料によって支持されている造形材層の切削を行うようにしてもよい。本発明による三次元造形方法は、材料の塗布・積層・切削を組み合わせた三次元造形物の作製工程において適宜変更可能なものである。
【００５７】
（５）上記した実施の形態においては、補助材料と造形材料とがいずれも略ドット状で供給されるようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、補助材料のみ、あるいは、造形材料のみが、略ドット状で供給されるようにしても、材料を高精度に塗布することができるものである。また、補助材料や造形材料の種類や塗布する範囲などに応じて、略ドット状とは異なる手法、例えば、線状に塗布したり、あるいは、所定量を流し込むように塗布してもよい。
【００５８】
（６）上記した実施の形態においては、図２ならびに図３に示す三次元造形装置１０を用いるようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、三次元造形装置１０に各種構成を付加したり、あるいは、その他の造形装置を用いるようにしてもよい。
【００５９】
従って、エンドミル３０とは異なるカッターなどのその他の切削ツールを用いたり、作製する三次元造形物とディスペンサー２４，２６などとの相対的な位置関係を三次元方向で変化させる構成も各種採用可能なものである。また、補助材料によって形成された部分を取り除いて三次元造形物を得る工程が、造形装置内のシステムにおいて実施されるようにしてもよい。
【００６０】
（７）上記した実施の形態ならびに上記（１）乃至（６）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、試作や量産での部品製作やデザインモデルを製作する際、モデリングマシンなど三次元加工装置や、ツールによって切削などを行う二次元彫刻装置などにおいて利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、従来の三次元造形装置における手法を順次示す説明図であり、（ｄ）は（ｃ）の斜視説明図である。
【図２】本発明による三次元造形方法を実現する三次元造形装置の実施の形態の一例を示す概略構成説明図である。
【図３】図２に示す三次元造形装置のキャリッジ部分を拡大して示した概略構成説明図（斜視図）である。
【図４】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ−１）（ｅ）（ｆ）（ｇ）は、本発明の第１の実施の形態による三次元造形方法により、（ｈ）に示す三次元造形物を作製する工程を順次示す説明図であり、（ｄ−２）は（ｄ−１）のＡ矢視図である。
【図５】（ａ）（ｂ）は補助材料の塗布を模式的に示した説明図である。
【図６】（ａ）（ｂ）は造形材料の塗布を模式的に示した説明図である。
【図７】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）（ｆ）（ｇ）は、本発明の第２の実施の形態による三次元造形方法により、（ｈ）に示す三次元造形物を作製する工程を順次示す説明図である。
【図８】（ａ）（ｂ）は、本発明による三次元造形方法の他の例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６３】
１０        三次元造形装置
１２        門型アーム部
１４        レール部
１６        キャリッジ
１８        フレーム部
２２        テーブル
２４        ディスペンサー
２６        ディスペンサー
２８        スピンドル
３０        エンドミル
４２        ライトガイド部材
５０        光ファイバー
１００        三次元造形物
【図１】
2006248039.tif 000003
【図２】
2006248039.tif 000004
【図３】
2006248039.tif 000005
【図４】
2006248039.tif 000006
【図５】
2006248039.tif 000007
【図６】
2006248039.tif 000008
【図７】
2006248039.tif 000009
【図８】
2006248039.tif 000010