(57)【要約】【課題】造形される三次元造形物の解像度を高くすることが可能な三次元造形装置を提供する。【解決手段】三次元造形装置１００は、造形ステージ１４０に対して相対的に第１走査方向及び第２走査方向に走査するヘッドユニット１２０と、ヘッドユニット１２０に配置され、造形ステージ１４０に向けて光硬化性のモデル材を吐出する第１吐出ヘッド１２１と、ヘッドユニット１２０に配置され、造形ステージ１４０に向けて光硬化性のサポート材を吐出する第２吐出ヘッド１２２と、第１および第２走査方向において第１吐出ヘッド１２１と第２吐出ヘッド１２２との間に配置され、第１吐出ヘッド１２１により吐出されたモデル材、および、第２吐出ヘッド１２２により吐出されたサポート材に光を照射することによって当該モデル材およびサポート材を硬化させる光源１２５とを備える。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
造形ステージ上に造形材からなる造形材層を順に形成して積層することによって三次元造形物を造形する三次元造形装置であって、
前記造形ステージに対して相対的に第１走査方向及び前記第１走査方向と逆方向である第２走査方向に走査するキャリッジと、
前記キャリッジに配置され、前記造形ステージに向けてエネルギー硬化性の第１造形材を吐出する第１吐出部と、
前記キャリッジに配置され、前記造形ステージに向けてエネルギー硬化性の第２造形材を吐出する第２吐出部と、
前記キャリッジの、前記第１および第２走査方向において前記第１吐出部と前記第２吐出部との間に配置され、前記第１吐出部により吐出された前記第１造形材、および、前記第２吐出部により吐出された前記第２造形材にエネルギーを付与することによって当該第１造形材および当該第２造形材を硬化させる硬化部と、
前記キャリッジを前記第１走査方向に走査しながら、前記造形ステージに向けて前記第１吐出部から前記第１造形材を吐出させて前記硬化部によりエネルギーを付与し、前記キャリッジを前記第２走査方向に走査しながら、前記造形ステージに向けて前記第２吐出部から前記第２造形材を吐出させて前記硬化部によりエネルギーを付与するように制御する制御部と、
を備えることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項２】
前記制御部は、造形中、前記造形ステージに向けて継続的にエネルギーを付与するように前記硬化部を制御することを特徴とする請求項１に記載の三次元造形装置。
【請求項３】
前記第１造形材はモデル材であり、前記第２造形材はサポート材であることを特徴とする請求項１または２に記載の三次元造形装置。
【請求項４】
前記第１および第２造形材は、同じ種類のモデル材であることを特徴とする請求項１または２に記載の三次元造形装置。
【請求項５】
前記第１および第２走査方向と直交する第３走査方向において、前記第１吐出部による前記第１造形材の吐出位置と、前記第２吐出部による前記第２造形材の吐出位置とは異なることを特徴とする請求項４に記載の三次元造形装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記三次元造形物を造形するための造形モードとして、第１モードと第２モードとで造形が実行されるように制御を行い、前記第１モードでは、前記第１および第２吐出部の両方の吐出動作によって前記第２モードよりも高精細に１層分の造形材層を形成し、前記第２モードでは、前記造形ステージに向けて吐出される前記第１または第２造形材の量が前記第１モードより多く、前記第１および第２吐出部のうちの一方の吐出動作によって１層分の造形材層を形成することを特徴とする請求項５に記載の三次元造形装置。
【請求項７】
前記第１および第２造形材は、それぞれ異なる種類のモデル材であることを特徴とする請求項１または２に記載の三次元造形装置。
【請求項８】
前記第１および第２造形材は、それぞれ色が異なるモデル材であることを特徴とする請求項７に記載の三次元造形装置。
【請求項９】
前記第１および第２造形材は、それぞれ物性が異なるモデル材であることを特徴とする請求項７に記載の三次元造形装置。
【請求項１０】
前記第１および第２造形材は、光硬化性樹脂であり、
前記硬化部は、光を照射することによって前記エネルギーを前記第１および第２造形材に付与することを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の三次元造形装置。
【請求項１１】
前記第１および第２吐出部により吐出された前記第１および第２造形材の表面を平滑化する平坦化部を備えることを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の三次元造形装置。
【請求項１２】
前記平坦化部は、前記キャリッジに配置された第１および第２の回転体を含み、
前記第１の回転体は、前記第１および第２走査方向において、前記第１吐出部と前記硬化部との間にあり、
前記第２の回転体は、前記第１および第２走査方向において、前記第２吐出部と前記硬化部との間にあることを特徴とする請求項１１に記載の三次元造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
三次元の立体物（以下「三次元造形物」）を造形する技術として、ラピッド・プロトタイピング（ＲＰ：Rapid Prototyping）と呼ばれる技術が知られている。この技術は、１つの三次元造形物の表面を３角形の集まりとして記述したデータ（ＳＴＬ（Standard Triangulated Language）フォーマットのデータ）により、積層方向について薄く切った断面形状を計算し、その形状に従って各層を形成して三次元造形物を造形する技術である。また、三次元造形物を造形する手法としては、溶融物堆積方式（ＦＤＭ：Fused Deposition Molding）、インクジェット方式、インクジェットバインダ方式、光造形方式（ＳＬ：Stereo Lithography）、粉末焼結方式（ＳＬＳ：Selective Laser Sintering）などが知られている。
【０００３】
インクジェット方式による三次元造形方法としては、例えば、造形ステージに対してインクジェットヘッドから選択的に、造形物となるモデル材として、例えば光硬化性樹脂を吐出する工程、その表面を平滑化する工程、および当該モデル材を硬化させる工程（光硬化性樹脂の場合は光源による光照射工程）によって１層分の造形材層（硬化層）を形成し、この造形材層を複数積層して三次元造形物を造形する技術が提供されている。このような方式によれば、造形対象物の三次元形状に基づいてモデル材を微小な液滴（液滴径：数十［μｍ］）として吐出することにより高精細な造形材層が形成されるため、これを積層することにより高精細な三次元造形物を造形することができる。また、インクジェットヘッドとして、複数の吐出ノズルが配列され副走査を不要とする長さを有するインクジェットヘッド（いわゆるラインヘッド）を使用することによって、大きな三次元造形物であっても比較的短時間で造形できるように工夫がされている。
【０００４】
また、上記三次元造形方法では、造形ステージに対して、三次元造形物の造形中にモデル材を支持するためのサポート材を供給する。サポート材は、例えば造形対象物がオーバーハングする部分（張り出し部分）を有している場合に、モデル材の外周や内周に設けられ、三次元造形物の造形が完了するまでオーバーハング部分を支持する。サポート材は、三次元造形物の造形が完了した後に除去される。
【０００５】
近年、三次元造形物を高精細に造形すること、具体的には６００［ｄｐｉ］（１インチ当たり６００［ドット］、約４２［μｍ］ピッチ）以上の解像度で造形することが求められている。三次元造形物の積層方向の高解像度化は、造形ステージの降下量あるいはインクジェットヘッドの上昇量（送りピッチ）を小さくしていくことで対応することができる。また、主走査方向（吐出ノズルの配列方向に直交する方向）の高解像度化は、インクジェットヘッドに印加する電圧の周波数（吐出周波数）を高くする、または造形ステージやインクジェットヘッドの走査速度を小さくすることで対応することができる。
【０００６】
また、副走査方向（吐出ノズルの配列方向に平行な方向）の高解像度化は、インクジェットヘッドのノズル解像度を大きくする、すなわちノズルピッチを小さくすることで対応することができる。しかしながら、インクジェットヘッドのノズル解像度を大きくするには限度があり、現在使用されているものはせいぜい１００［ｄｐｉ］（１インチ当たり１００個のノズル、約０．２５［ｍｍ］ピッチ）程度である。このため、主走査方向に走査しながらモデル材を吐出する第１動作の終了後に、モデル材の吐出中心位置が重ならないようにノズルピッチ以下で副走査方向に走査する第２動作を行い（つまり、吐出位置をノズル間位置にずらし）、この第１動作および第２動作を繰り返すことによって副走査方向の解像度を高くすることが行われている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００７】
なお、三次元造形装置に関する技術として、１層分の造形材層を形成する時間、ひいては三次元造形物の造形時間を短縮するために、インクジェットヘッドを主走査方向に往復走査させ、往動時と復動時の両動作時にモデル材を吐出させる技術が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。
【０００８】
また、インクジェットヘッドの目詰まりを防止するとともに、たれ等のない寸法精度に優れた三次元造形物を得るため、インクジェットヘッドから吐出された光硬化性樹脂液滴の飛翔中に当該光硬化性樹脂液滴に光を照射して部分的に硬化させる技術が提案されている（例えば、特許文献３を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−１３０８１７号公報
【特許文献２】特開２００４−２９１６２５号公報
【特許文献３】特開平２−３０７７３１号公報
【特許文献４】特開２０００−３０９７０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記特許文献１に記載されている技術のように、第１動作および第２動作を繰り返すことによって副走査方向の解像度を高くしようとしても、解像度の数値が示すような高解像度化には程遠い。例えば６００［ｄｐｉ］の解像度で造形する場合、１［ドット］当たり約４２［μｍ］であるため、数値上は造形対象物の溝を数十［μｍ］で再現できるはずであるが、実際には数百［μｍ］程度でしか再現できない。これは、インクジェットヘッドにより吐出された液滴の着弾から光源による光の照射までの時間が長くなり液滴の接触角が変化するため、液滴の形状を保持しておくことができない、すなわち液滴の形状が崩れてしまうからである。図１は、２５［℃］での表面張力が３０［ｍＮ／ｍ］の液滴が着弾した瞬間からの液滴の接触角の時間変化を示す図である。図２Ａは、着弾直後（図１の点Ａ）における液滴の状態を示す模式図である。図２Ｂは、着弾してから１０秒後（図１の点Ｂ）における液滴の状態を示す模式図である。ここで、接触角とは、液滴が固体表面（造形ステージ表面）と接触した部分の固体表面との間の角度であり、いわゆる濡れ性を表した指標である。接触角は、液体（液滴）と固体表面の物性や固体表面の粗さに依存する値である。
【００１１】
図１に示すように、着弾直後（点Ａ）の接触角は９２［°］と比較的大きい値であるが、時間の経過とともに値が低下し、１０秒後（点Ｂ）には８０［°］まで低下している。接触角の低下とともに液滴径φは大きくなり（点Ａにおける液滴径：φＡ＜点Ｂにおける液滴径：φＢ）、液滴高さＬは小さくなる（点Ａにおける液滴高さ：ＬＡ＞点Ｂにおける液滴高さ：ＬＢ）。液滴径φが大きくなると、造形される三次元造形物の主走査方向および副走査方向における精度、特に細かい部分の再現性（解像度）が低下する。また、液滴高さＬが小さくなると、三次元造形物の積層方向における解像度が低下する。液滴の接触角が時間の経過とともに変化する現象は、吐出面となる液滴（モデル材）そのものの表面張力に依存し、表面張力が小さいほど液滴の形状が崩れる速度が速くなる。つまり、モデル材の表面張力を大きくすることでこの現象は改善できる。しかし、モデル材の表面張力を大きくすると、インクジェットヘッドで微小な液滴を吐出できなくなる。また、着弾後の隣接する液滴同士が合体してしまう現象（いわゆる液寄り現象）が発生し、造形材層の表面（造形面）を平面状に形成できず、むらのある造形面になってしまう。
【００１２】
吐出された液滴の形状が時間の経過とともに崩れる問題は、三次元造形装置の低コスト化のために、モデル材を硬化させるための光源を例えば主走査方向におけるインクジェットヘッドの片側にのみ配置した場合に顕著となる。図３は、モデル材として光硬化性樹脂を用いて造形を行うためのヘッドユニット１であって、光源を１つだけ備える場合の構成を概略的に示す図である。図３に示すように、ヘッドユニット１は図中左側から、モデル材の液滴を選択的に吐出するインクジェットヘッド３、サポート材の液滴を選択的に吐出するインクジェットヘッド４、インクジェットヘッド３，４により吐出された液滴表面７の凹凸を平滑化する均しローラー５および、造形ステージ８に向けて吐出されたモデル材およびサポート材の液滴に光を照射して硬化させる光源６（例えば、高圧水銀ランプ）を筐体２の内部に備える。
【００１３】
ヘッドユニット１は、主走査方向または副走査方向に走査しながら、モデル材および必要に応じてサポート材の液滴を各インクジェットヘッド３，４から所定の位置に吐出し、光源６の光照射によって硬化させる前に均しローラー５を当接させ液滴表面７の高さを均一にするとともに平滑に均していく。造形動作中、光源６は常時点灯しており、造形ステージ８上の造形材（モデル材、サポート材）に向けて継続的にエネルギーを付与する。これにより、吐出された液滴を光照射されて硬化する。１層分の造形材層の形成が終了した時点で、造形ステージ８が積層ピッチだけ鉛直方向下方に移動し、次の造形材層の造形が継続される。図４を参照し、例えば、主走査方向に走査しながらモデル材を吐出する第１動作を２往復（計４回）行うことによって１層分の造形材料層を形成する場合について説明する。
【００１４】
図４は、造形ステージ８上に１層分の造形材層を形成する場合のヘッドユニット１の動作を説明する図である。図４Ａは、ヘッドユニット１が１回目の第１動作を行う前の状態、すなわち主走査方向における走査の起点となる基準位置に位置している状態を示している。図４Ｂは、１回目の第１動作および第２動作（モデル材の吐出中心位置が重ならないようにノズルピッチ以下で副走査方向に走査する）を行った後の状態を示している。図４Ｃは、ヘッドユニット１が２回目の第１動作および第２動作を行った後の状態を示している。図４Ｄは、ヘッドユニット１が３回目の第１動作および第２動作を行った後の状態を示している。図４Ｅは、ヘッドユニット１が４回目の第１動作を行った後の状態を示している。図４Ｂ〜図４Ｅにおいて、造形ステージ８上の太線は、ヘッドユニット１が第１動作を行った際に、インクジェットヘッド３により吐出されたモデル材の液滴を示している。以下、ｎ回目の第１動作で、インクジェットヘッド３により吐出された液滴をそれぞれ「Ｌｉｎｅ−ｎ」と称する。
【００１５】
ヘッドユニット１が備えるインクジェットヘッド３は、複数の吐出ノズルが副走査方向に配列されたラインヘッドである。光源６は、最初の第１動作（図４Ａを参照）の走査方向において、インクジェットヘッド３の前方に位置する。光源６は、造形ステージ８に向けて光１０を照射する。ここでは、一例として、ノズル解像度が１５０［ｄｐｉ］（１インチ当たり１５０個のノズル、１６７［μｍ］ピッチ）のインクジェットヘッド３を用いて、副走査方向における解像度が６００［ｄｐｉ］の三次元造形物を造形する場合を想定している。この場合、６００／１５０＝４となるので、第２動作では、副走査方向にヘッドユニット１が、例えばインクジェットヘッド３のノズル解像度（１６７［μｍ］）の１／４である４２［μｍ］移動する。第１動作および第２動作を４回繰り返す（４回目の第２動作は基準位置への復帰動作）ことによって、副走査方向における解像度が６００［ｄｐｉ］である造形材層が形成される。
【００１６】
光源６による光の照射に着目すると、１回目の第１動作においては、光源６はインクジェットヘッド３よりも走査方向の前方に位置しているため、Ｌｉｎｅ−１は、光源６による光１０の照射を受けない。２回目の第１動作においては、光源６はインクジェットヘッド３よりも走査方向の後方に位置しているため、Ｌｉｎｅ−１およびＬｉｎｅ−２は、光源６による光１０の照射を受ける。
【００１７】
同様に、３回目の第１動作においては、光源６はインクジェットヘッド３よりも走査方向の前方に位置しているため、Ｌｉｎｅ−３は、光源６による光１０の照射を受けない。４回目の第１動作においては、光源６はインクジェットヘッド３よりも走査方向の後方に位置しているため、Ｌｉｎｅ−３およびＬｉｎｅ−４は、光源６による光１０の照射を受ける。
【００１８】
以上より、ヘッドユニット１を用いて１層分の造形材層を形成する場合、Ｌｉｎｅ−１およびＬｉｎｅ−３は、インクジェットヘッド３により液滴が吐出されてから光源６による光１０の照射を受けるまでにタイムラグが生じる一方、Ｌｉｎｅ−２およびＬｉｎｅ−４は、インクジェットヘッド３により液滴が吐出された直後に光源６による光１０の照射を受けて硬化する。例えば、１回目の第１動作および第２動作、２回目の第１動作および第２動作ともに５［秒］かかるとすると、Ｌｉｎｅ−１のうちインクジェットヘッド３により最初に吐出された液滴が光源６による光１０の照射を受けるまでに１０［秒］かかることになる。したがって、Ｌｉｎｅ−１およびＬｉｎｅ−３を構成する各液滴は、光源６による光１０の照射を受けるまでに形状が崩れてしまい、造形される三次元造形物の主走査方向、副走査方向および積層方向における解像度が低下する。
【００１９】
吐出された液滴の形状が時間の経過とともに崩れることを防止するため、主走査方向におけるインクジェットヘッドの両側に光源を配置したヘッドユニットとすることも考えられる。図５に、インクジェットヘッドの両側に光源を配置したヘッドユニットの一例を模式的に示す。図５に示すように、モデル材を用いて造形を行うためのヘッドユニット１は図中左側から、造形ステージ８に向けて吐出されたモデル材およびサポート材の液滴に光を照射して硬化させる光源９、モデル材の液滴を選択的に吐出するインクジェットヘッド３、サポート材の液滴を選択的に吐出するインクジェットヘッド４、インクジェットヘッド３，４により吐出された液滴表面７の凹凸を平滑化する均しローラー５および、造形ステージ８に向けて吐出されたモデル材およびサポート材の液滴に光を照射して硬化させる光源６を筐体２の内部に備える。このヘッドユニット１を用いて、図４に示すように造形ステージ８上に１層分の造形材層を形成する場合、Ｌｉｎｅ−１およびＬｉｎｅ−３を構成する各液滴は、着弾直後に光源９による光１０の照射を受けて硬化し、Ｌｉｎｅ−２およびＬｉｎｅ−４を構成する各液滴は、着弾直後に光源６による光１０の照射を受けて硬化する。よって、インクジェットヘッド３により吐出されたモデル材の液滴の形状が崩れることを防止することができ、造形される三次元造形物の解像度を高くすることができる。
【００２０】
しかしながら、インクジェットヘッド３，４の両側に配置された２つの光源６、９を有しているため、ヘッドユニット１が大きく重くなり、造形速度を大きくできなかったり、駆動のためのエネルギーが大きくなったりするという問題があった。また、光源６，９は常時点灯しているため、三次元造形物を造形する際における光源６，９の消費電力は大きくなるという問題があった。仮にインクジェットヘッド３によりモデル材の液滴（Ｌｉｎｅ−１、Ｌｉｎｅ−３）を吐出する際に光源６を消灯して光源９を点灯し、インクジェットヘッド３によりモデル材の液滴（Ｌｉｎｅ−２、Ｌｉｎｅ−４）を吐出する際に光源９を消灯して光源６を点灯するように制御した場合、光源６，９の消費電力は小さくなるものの、光源６，９は点灯と消灯とを多く繰り返す必要があり、光源６，９の寿命が極端に低下する。また、光源６，９に高圧水銀ランプあるいはメタルハライドランプを使用した場合には、点灯から安定した光量が得られるまでに数分かかるため、インクジェットヘッド３により吐出された液滴の着弾直後に光を照射しても当該液滴を十分に硬化させることができない。仮に光源６，９にＬＥＤランプを使用した場合でも、上記した同様の課題（寿命、光量安定性）は発生し、また点灯から短い時間で安定した光量が得られるようにするためにはシステムの高コスト化を招いてしまう。
【００２１】
上記した一連の課題を解消するため、ゾル−ゲル相転移温度を有するモデル材を使用して三次元造形物を造形することが行われている（例えば、特許文献４を参照）。例えば、常温（熱したり冷やしたりしない自然な温度）よりも高いゾル−ゲル相転移温度を有するモデル材が使用される。ゾル−ゲル相転移温度とは、ゾル状態の液体の温度を下げていった場合に、当該液体の粘度の値が５００［ｍＰａ・ｓ］を超えたところの温度である。粘度の値が５００［ｍＰａ・ｓ］を超えると、大きさ数十［μｍ］の液滴は外力を加えない限り流動しない。すなわち、液滴は崩れず、当該液滴の形状を保持しておくことができる。
【００２２】
図６は、ゾル−ゲル相転移温度を有するモデル材について粘度の温度依存性を示す図である。粘度の値は、レオメータＭＣＲ３００（ＰａａｒＰｈｙｓｉｃａｌ社製）を用いて、剪断速度１０００［１／ｓ］の条件で測定した値である。図６において、Ｌ１は、ゾル−ゲル相転移温度を有しないモデル材について粘度の温度依存性を示している。Ｌ２は、常温よりも高いゾル−ゲル相転移温度を有するモデル材について粘度の温度依存性を示している。
【００２３】
図６に示すように、ゾル−ゲル相転移温度を有しないモデル材（Ｌ１）は、温度を下げていくと粘度が線形に上昇していくが、１０［℃］付近まで下げても５００［ｍＰａ・ｓ］を超えることはなく、ゾル状態からゲル状態に相転移しない。一方、常温よりも高いゾル−ゲル相転移温度を有するモデル材（Ｌ２）は、およそ４５［℃］付近で粘度の値が５００［ｍＰａ・ｓ］を超えて、ゾル状態からゲル状態に相転移する。
【００２４】
常温よりも高いゾル−ゲル相転移温度を有するモデル材を使用する場合、インクジェットヘッド３を６０［℃］に加熱することによって当該モデル材の液滴をゾル状態で吐出させることができ、吐出されて着弾した液滴は４５［℃］以下まで瞬時に自然冷却されてゾル状態からゲル状態に相転移する。そのため、光源６，９による光の照射を受けて硬化反応が起こるまでにタイムラグが存在しても、液滴の形状が崩れることを防止することができ、造形される三次元造形物の解像度を高くすることができる。
【００２５】
しかしながら、ゾル−ゲル相転移温度を有するモデル材を吐出するためにはインクジェットヘッド３を比較的高温に加熱する必要があり、その加熱によってモデル材の劣化が起こりやすい。特に、モデル材が光硬化性樹脂である場合、当該モデル材の劣化が起こりやすい。光硬化性樹脂は、主にモノマーと光重合開始剤で構成されており、光重合開始剤が紫外線光により励起されてラジカル化し、モノマーと反応する。そして、モノマーが連鎖的に反応を起こして高分子量化する。光重合開始剤は、紫外線光によって励起されるものであるが、熱によっても励起されて硬化反応が起こる可能性があり、加熱を継続すると粘度などの物性が変化してしまうおそれがある。また、モデル材を貯蔵するタンクからインクジェットヘッド３までの経路も加熱する必要があり、消費電力が非常に高くなり、また、その加熱手段を設けることによってシステムが高コスト化してしまう。
【００２６】
なお、特許文献２，３に記載の技術は、造形される三次元造形物の解像度を高くすることを目的としたものではなく、したがってそのための構成を有していない。特に、特許文献２には、光硬化性造形材をモデル材として吐出するヘッド３０の移動方向前後に２つの紫外線照射機３３、３４を設け、マルチヘッドユニットが矢印Ａ方向に移動するときは、造形物用インク噴射ヘッドユニット３０、紫外線照射機３４を用いて造形物３５を形成し、マルチヘッドユニットが矢印Ｂ方向に移動するときは、造形物用インク噴射ヘッドユニット３０、紫外線照射機３３を用いて造形物３５を形成することが記載されている。しかし、特許文献２に記載の技術では、上述した図５と同様に、光照射機を２台備えていることによってヘッドユニットの大型化の問題がある。また、マルチヘッドユニットの移動方向が変わる度に、紫外線照射機３３，３４は点灯と消灯とを繰り返すのであれば、紫外線照射機３３，３４の寿命が極端に低下するという問題があるし、仮に紫外線照射機３３，３４が常時点灯しているのであれば、消費電力や高コスト化の問題も生じる。
【００２７】
本発明の目的は、造形される三次元造形物の解像度を高くすることが可能な、エネルギー硬化性の造形材を用いる三次元造形装置を提供することである。また、本発明の他の目的は、簡素な構成でありながら、造形材に対して安定してエネルギーを付与することができる三次元造形装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
本発明に係る三次元造形装置は、
造形ステージ上に造形材からなる造形材層を順に形成して積層することによって三次元造形物を造形する三次元造形装置であって、
前記造形ステージに対して相対的に第１走査方向及び前記第１走査方向と逆方向である第２走査方向に走査するキャリッジと、
前記キャリッジに配置され、前記造形ステージに向けてエネルギー硬化性の第１造形材を吐出する第１吐出部と、
前記キャリッジに配置され、前記造形ステージに向けてエネルギー硬化性の第２造形材を吐出する第２吐出部と、
前記キャリッジの、前記第１および第２走査方向において前記第１吐出部と前記第２吐出部との間に配置され、前記第１吐出部により吐出された前記第１造形材、および、前記第２吐出部により吐出された前記第２造形材にエネルギーを付与することによって当該第１造形材および当該第２造形材を硬化させる硬化部と、
前記キャリッジを前記第１走査方向に走査しながら、前記造形ステージに向けて前記第１吐出部から前記第１造形材を吐出させて前記硬化部によりエネルギーを付与し、前記キャリッジを前記第２走査方向に走査しながら、前記造形ステージに向けて前記第２吐出部から前記第２造形材を吐出させて前記硬化部によりエネルギーを付与するように制御する制御部と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、簡素な構成でありながら、造形材に対して安定してエネルギーを付与することができ、しかも、第１および第２吐出部から第１および第２造形材が吐出された後、当該第１および第２造形材に対してエネルギーが付与されるまでの時間が長くなることに起因して当該第１および第２造形材の形状が崩れることを防止することができ、ひいては、造形される三次元造形物の解像度を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】液滴が着弾した瞬間からの接触角の時間変化の一例を示す図である。
【図２】着弾直後、着弾してから１０秒後における液滴の状態を示す模式図である。
【図３】光源を１つ備えるヘッドユニットの構成を示す図である。
【図４】造形ステージ上に１層分の造形材層を形成する場合のヘッドユニットの動作を説明する図である。
【図５】吐出ヘッドの両側に配置された２つの光源を有するヘッドユニットの構成を示す図である。
【図６】ゾル−ゲル相転移温度を有する造形材について粘度の温度依存性を示す図である。
【図７】本実施の形態における三次元造形装置の構成を概略的に示す図である。
【図８】本実施の形態における三次元造形装置の制御系の主要部を示す図である。
【図９】本実施の形態におけるヘッドユニットの構成を示す図である。
【図１０】本実施の形態におけるヘッドユニットの動作を示す図である。
【図１１】本実施の形態におけるヘッドユニットの構成の変形例を示す図である。
【図１２】高速モードと高精細モードとの違いを説明する図である。
【図１３】本実施の形態における三次元造形物の造形動作例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図７は、本実施の形態における三次元造形装置１００の構成を概略的に示す図である。図８は、本実施の形態における三次元造形装置１００の制御系の主要部を示す図である。図７、８に示す三次元造形装置１００は、造形ステージ１４０上に第１造形材であるモデル材と、三次元造形物２００の造形動作中にモデル材に接してモデル材を支持及び／又は覆うための第２造形材であるサポート材とからなる造形材層を含む複数の造形材層を順に形成して積層することによって、三次元造形物２００を造形する。サポート材は、例えば造形対象物がオーバーハングする部分（張り出し部分）を有している場合等に、モデル材の外周や内周に設けられ、三次元造形物２００の造形が完了するまでオーバーハング部分（モデル材）を支持する。サポート材は、三次元造形物２００の造形が完了した後に、ユーザーによって除去される。モデル材およびサポート材としては、光、熱、放射線等のエネルギーを付与することで硬化するエネルギー硬化性の材料が用いられる。光硬化性樹脂材料や熱硬化性樹脂材料などの、エネルギー硬化性の材料は比較的粘度が低く、後述するインクジェット方式の吐出ヘッドから吐出することで、精度の高い三次元造形物２００を作製することができる。本実施の形態においては、モデル材およびサポート材として、光硬化性材料を用いるものとして説明する。なお、図７においては、理解を容易にするため、サポート材に相当する部分は破線で示してある。
【００３２】
三次元造形装置１００は、各部の制御や３Ｄデータの取り扱いを行うための制御部１１０、制御部１１０の実行する制御プログラムを含む各種の情報を記憶する記憶部１１５、後述するモデル材を用いて造形を行うためのヘッドユニット１２０、ヘッドユニット１２０を移動させるための移動機構１３０、造形物が形成される造形ステージ１４０、各種情報を表示するための表示部１４５、外部機器との間で３Ｄデータ等の各種情報を送受信するためのデータ入力部１５０、および、ユーザーからの指示を受け付けるための操作部１６０を備える。三次元造形装置１００には、造形対象物を設計するための、あるいは、三次元測定機を用いて実物を測定して得られた三次元情報に基づいて造形用のデータを生成するためのコンピューター装置１５５が接続される。
【００３３】
データ入力部１５０は、造形対象物の三次元形状を示す３Ｄデータ（ＣＡＤデータやデザインデータなど）をコンピューター装置１５５から受け取り、制御部１１０に出力する。ＣＡＤデータやデザインデータには、造形対象物の三次元形状だけに限らず、造形対象物の表面の一部または全面および内部におけるカラー画像情報が含まれている場合もある。なお、３Ｄデータを取得する方法は特に限定されず、有線通信や無線通信、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの短距離無線通信を利用して取得しても良いし、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｓｅｒｉａｌ  Ｂｕｓ）メモリなどの記録媒体を利用して取得しても良い。また、この３Ｄデータは、当該３Ｄデータを管理および保存するサーバーなどから取得しても良い。
【００３４】
制御部１１０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）などの演算手段を有しており、データ入力部１５０から３Ｄデータを取得し、取得した３Ｄデータの解析処理や演算処理を行う。制御部１１０は、３Ｄデータを解析することによって、三次元造形物２００を構成する領域を、モデル材を用いて形成するモデル材領域に設定する。また、制御部１１０は、三次元造形物２００を構成するモデル材を支持する領域を、サポート材を用いて形成するサポート材領域に設定する。
【００３５】
制御部１１０は、データ入力部１５０から取得した３Ｄデータを、積層方向について薄く切った複数のスライスデータに変換する。スライスデータは、三次元造形物２００を造形するための造形材層毎のデータである。各スライスデータに対しては、モデル材領域およびサポート材領域がそれぞれ設定されている。スライスデータの厚み、すなわち造形材層の厚みは、造形材層の１層分の厚さに応じた距離（積層ピッチ）と一致する。例えば、造形材層の厚みが０．０５［ｍｍ］である場合、制御部１１０は、１［ｍｍ］の高さの積層に必要な連続した２０［枚］のスライスデータを３Ｄデータから切り出す。
【００３６】
また、制御部１１０は、三次元造形物２００の造形動作中、三次元造形装置１００全体の動作を制御する。例えば、モデル材およびサポート材を所望の場所に吐出するための機構制御情報を移動機構１３０に対して出力するとともに、ヘッドユニット１２０に対してスライスデータを出力する。すなわち、制御部１１０は、ヘッドユニット１２０と移動機構１３０とを同期させて制御する。制御部１１０は、後述する光源１２５の制御も行う。
【００３７】
表示部１４５は、制御部１１０の制御を受けて、ユーザーに認識させるべき各種の情報やメッセージを表示する。操作部１６０は、テンキー、実行キー、スタートキー等の各種操作キーを備え、ユーザーによる各種の入力操作を受け付けて、操作信号を制御部１１０に出力する。後述する、三次元造形物２００を造形する造形モードの選択は、この操作部１６０の操作によって行われる。
【００３８】
図７に示すように、造形ステージ１４０は、ヘッドユニット１２０の下方に配置される。造形ステージ１４０には、ヘッドユニット１２０によって造形材層が形成され、この造形材層が積層されることにより、サポート材領域を含む三次元造形物２００が造形される。
【００３９】
移動機構１３０は、ヘッドユニット１２０と造形ステージ１４０との相対位置を３次元で変化させる。具体的には、移動機構１３０は、図７に示すように、ヘッドユニット１２０に係合する主走査方向ガイド１３２と、主走査方向ガイド１３２を副走査方向に案内する副走査方向ガイド１３４と、造形ステージ１４０を鉛直方向に案内する鉛直方向ガイド１３６とを備え、さらに図示しないモーターや駆動リール等からなる駆動機構を備えている。
【００４０】
移動機構１３０は、制御部１１０から出力された機構制御情報に従って、図示しないモーターおよび駆動機構を駆動し、キャリッジを兼ねるヘッドユニット１２０を主走査方向および副走査方向に自在に移動させる（図７を参照）。なお、移動機構１３０は、ヘッドユニット１２０の位置を固定し、造形ステージ１４０を主走査方向および副走査方向に移動させるように構成しても良いし、ヘッドユニット１２０と造形ステージ１４０との双方を移動させるように構成しても良い。
【００４１】
また、移動機構１３０は、制御部１１０から出力された機構制御情報に従って、図示しないモーターおよび駆動機構を駆動し、造形ステージ１４０を鉛直方向下方に移動させてヘッドユニット１２０と三次元造形物２００との間隔を調整する（図７を参照）。すなわち、造形ステージ１４０は、移動機構１３０によって鉛直方向に移動可能に構成されており、造形ステージ１４０上に、Ｎを自然数としたときに、Ｎ層目の造形材層が形成された後、積層ピッチだけ鉛直方向下方に移動する。そして、造形ステージ１４０上にＮ＋１層目の造形材層が形成された後、積層ピッチだけ鉛直方向下方に再び移動する。なお、移動機構１３０は、造形ステージ１４０の鉛直方向位置を固定し、ヘッドユニット１２０を鉛直方向上方に移動させても良いし、ヘッドユニット１２０と造形ステージ１４０との双方を移動させても良い。
【００４２】
ヘッドユニット１２０は、図８，９に示すように、インクジェット方式の第１吐出ヘッド１２１および第２吐出ヘッド１２２、平坦化部として機能する平滑化装置１２３および平滑化装置１２４および光源１２５（硬化部として機能）を筐体１２０ａの内部に備える。
【００４３】
第１吐出ヘッド１２１（第１吐出部として機能）は、長手方向（副走査方向）に列状に配列された複数の吐出ノズルを有する。第１吐出ヘッド１２１は、長手方向に直交する主走査方向に走査しながら、造形ステージ１４０に向けて複数の吐出ノズルからモデル材の液滴を選択的に吐出する。第１吐出ヘッド１２１は、１層分の造形材層が形成される際、その造形材層に対応するスライスデータに対してモデル材領域が設定された領域に、モデル材の液滴を吐出する。この吐出動作を、副走査方向にずらしながら複数回繰り返すことにより、造形ステージ１４０上の所望の領域に造形材層のモデル材領域を形成する。モデル材領域は、光エネルギーの照射による硬化処理が施されることにより硬化する。硬化の度合いは照射されるエネルギー量によって異なり、半硬化の状態にすることもできるし、実質的に完全に硬化した状態にすることもできる。ここで、半硬化とは、モデル材が、層（造形材層）として形状を維持することができる程度の粘度を有するように完全硬化よりも低い度合いで硬化された状態を言うものとする。
【００４４】
第２吐出ヘッド１２２（第２吐出部として機能）は、長手方向（副走査方向）に列状に配列された複数の吐出ノズルを有する。第２吐出ヘッド１２２は、長手方向に直交する主走査方向に走査しながら、造形ステージ１４０に向けて複数の吐出ノズルからサポート材の液滴を選択的に吐出する。第２吐出ヘッド１２２は、１層分の造形材層が形成される際、その造形材層に対応するスライスデータに対してサポート材領域が設定された領域に、サポート材の液滴を吐出する。この吐出動作を、副走査方向にずらして複数回繰り返すことにより造形ステージ１４０上の所望の領域に造形材層のサポート材領域を形成する。
【００４５】
このように、制御部１１０からの制御信号によって移動機構１３０が作動するとともに、制御部１１０から送られるスライスデータに基づいて、第１吐出ヘッド１２１からはモデル材が選択的に造形ステージ１４０に供給され、第２吐出ヘッド１２２からはサポート材が選択的に造形ステージ１４０に供給されることで三次元造形物２００の造形が行われる。
【００４６】
第１吐出ヘッド１２１および第２吐出ヘッド１２２としては、従来公知の画像形成用のインクジェットヘッドが用いられる。なお、第１吐出ヘッド１２１および第２吐出ヘッド１２２が有する複数の吐出ノズルは、列状に配列されていれば良く、直線状に並んでいても良いし、ジグザグ配列で全体として直線状になるように並んでいても良い。
【００４７】
第１吐出ヘッド１２１は、モデル材を吐出可能な状態で貯留する。本実施の形態では、第１吐出ヘッド１２１として、例えば、粘度が５〜１５［ｍＰａ・ｓ］の範囲でモデル材を吐出できるものを採用することができる。モデル材としては、特定波長の光（光エネルギー）が照射されることにより硬化する光硬化性材料が用いられる。光硬化性材料としては、例えば、紫外線硬化性樹脂が挙げられ、アクリル酸エステルまたはビニルエーテル等のラジカル重合系紫外線硬化性樹脂や、エポキシまたはオキセタン等のモノマーやオリゴマーと、樹脂に応じた重合開始剤（反応開始剤）としてアセトフェノンやベンゾフェノン等とを組み合わせて使用するカチオン重合系紫外線硬化性樹脂を用いることができる。光硬化性材料は、硬化を進行させ得る特定波長の光を遮光部材やフィルターなどにより遮断しておくことで、吐出可能な状態で貯留することができる。なお、モデル材として、熱エネルギーが付与されることにより硬化する熱硬化性材料を用いても良いし、放射線の照射により硬化する放射線硬化材料を用いても良い。
【００４８】
第２吐出ヘッド１２２は、サポート材を吐出可能な状態で貯留する。サポート材としては、特定波長の光が照射されることにより硬化する光硬化性材料がモデル材と配合比率を変えて用いられる。サポート材には、ポリエチレングリコール、部分的にアクリル化された多価アルコール・オリゴマー、親水性置換基を有するアクリル化オリゴマーやそれらを組み合わせた材料を添加することで水との接触に対して膨潤する機能を持たせても良い。これにより、サポート材の除去を行いやすくすることができる。なお、サポート材として、熱エネルギーが付与されることにより硬化する熱硬化性材料を用いても良いし、放射線の照射により硬化する放射線硬化材料を用いても良いし、これらに水膨潤性を持たせた材料を用いても良い。
【００４９】
モデル材およびサポート材は、第１吐出ヘッド１２１および第２吐出ヘッド１２２により造形ステージ１４０上にそれぞれ吐出されて造形材層（モデル材領域およびサポート材領域）を形成する。造形材層は、光エネルギーの照射による硬化処理が施されることにより、十分な強度が得られる程度の硬度になるまで硬化が進められる。
【００５０】
平滑化装置１２３は、均しローラー１２３Ａ、掻き取り部材１２３Ｂ（ブレード）および回収部材１２３Ｃを筐体１２０ａの内部に備える。均しローラー１２３Ａは、制御部１１０の制御下において図９中の反時計回り方向に回転駆動可能であり、第１吐出ヘッド１２１により吐出されたモデル材表面に接触してモデル材表面の凹凸を平滑化する。その結果、均一な層厚を有する造形材層（モデル材領域）が形成される。造形材層の表面が平滑化されることにより、次の造形材層を精度良く形成して積層することができるので、高精度の三次元造形物２００を造形することができる。均しローラー１２３Ａの表面に付着したモデル材は、均しローラー１２３Ａの近傍に設けられた掻き取り部材１２３Ｂによって掻き取られる。掻き取り部材１２３Ｂによって掻き取られたモデル材は、回収部材１２３Ｃによって回収される。なお、掻き取り部材１２３Ｂによって掻き取られたモデル材は、第１吐出ヘッド１２１に供給されて再利用されるものとしても良いし、廃タンク（図示せず）に輸送されるものとしても良い。
【００５１】
平滑化装置１２４は、均しローラー１２４Ａ、掻き取り部材１２４Ｂ（ブレード）および回収部材１２４Ｃを筐体１２０ａの内部に備える。均しローラー１２４Ａは、制御部１１０の制御下において図９中の時計回り方向に回転駆動可能であり、第２吐出ヘッド１２２により吐出されたサポート材表面に接触してサポート材表面の凹凸を平滑化する。均しローラー１２４Ａの表面に付着したサポート材は、均しローラー１２４Ａの近傍に設けられた掻き取り部材１２４Ｂによって掻き取られる。掻き取り部材１２４Ｂによって掻き取られたサポート材は、回収部材１２４Ｃによって回収される。なお、掻き取り部材１２４Ｂによって掻き取られたサポート材は、第２吐出ヘッド１２２に供給されて再利用されるものとしても良いし、廃タンク（図示せず）に輸送されるものとしても良い。なお、均しローラー１２３Ａ、１２３Ｂに代えて、他の回転体、例えば、無端ベルトを用いるようにしても構わない。
【００５２】
光源１２５は、主走査方向において第１吐出ヘッド１２１と第２吐出ヘッド１２２との間に配置され、造形ステージ１４０に向けて吐出された光硬化性樹脂のモデル材およびサポート材に硬化処理（光エネルギー照射処理）を施して、半硬化させる。モデル材として紫外線硬化性材料を用いる場合は、光源１２５として、紫外線を放射するＵＶランプ（例えば、高圧水銀ランプ）が好適に用いられる。なお、光源１２５としては、高圧水銀ランプの他に、低圧水銀灯、中圧水銀灯、超高圧水銀灯、カーボンアーク灯、メタルハライドランプ、キセノンランプまたは紫外線ＬＥＤランプ等を用いることができる。光源１２５は、制御部１１０からの制御信号によって、照射タイミングや露光量が制御される。露光量の制御は、光源１２５に加える電圧や電流等を調整して光源１２５の発光強度を変化させることで行うようにしても良いし、光源１２５と造形材（モデル材およびサポート材）との間に、光学的なフィルターを挿抜できるように配置したり、複数種類のフィルターを切り替えられるように構成して、これらを挿抜したり切り替えたりすることで行うようにしても良い。光源１２５は、造形に先立って点灯され、光源１２５の光量が安定した後、造形が開始される。また、造形動作中、光源１２５は常時点灯され、造形ステージ１４０に向けて継続的にエネルギーを付与するように制御される。
【００５３】
ヘッドユニット１２０は、１層分の造形材層を形成する際、主走査方向に造形ステージ１４０上の一方の端部から他方の端部まで走査しながら、モデル材を吐出する（第１動作）。次に、ヘッドユニット１２０は、モデル材の吐出を一旦停止し、所定の領域に対してサポート材の吐出を行いながら、主走査方向に造形ステージ１４０上の他方の端部から一方の端部まで走査する（第２動作）。次に、ヘッドユニット１２０は、第１吐出ヘッド１２１および第２吐出ヘッド１２２による造形材（モデル材およびサポート材）の吐出位置が重ならないように副走査方向に走査する（第３動作）。これらの第１動作〜第３動作を繰り返すことにより、造形ステージ１４０上の所定の領域を走査し、１層分の造形材料層を形成することができる。
【００５４】
本実施の形態では、ノズル解像度が１５０［ｄｐｉ］の第１吐出ヘッド１２１および第２吐出ヘッド１２２を用いて、副走査方向における解像度が６００［ｄｐｉ］の三次元造形物２００を造形する。この場合、ノズルピッチよりも小さい距離を単位として、第１吐出ヘッド１２１および第２吐出ヘッド１２２を副走査方向に移動させることで副走査方向における解像度をノズル解像度よりも高くすることができる。本実施の形態では、解像度の比は６００／１５０＝４となるので、第３動作では、副走査方向にヘッドユニット１２０が、例えば第１吐出ヘッド１２１および第２吐出ヘッド１２２のノズル解像度の１／４である４２［μｍ］移動する。第１動作〜第３動作を４回繰り返す（４回目の第３動作は基準位置への復帰動作）ことによって、副走査方向における解像度が６００［ｄｐｉ］である造形材層が形成される。
【００５５】
このように主走査方向の走査を４回行うことによって造形ステージ１４０上に１層分の造形材層を形成する場合におけるヘッドユニット１２０の動作を説明する。図１０は、ヘッドユニット１２０の動作を示す図である。
【００５６】
図１０Ａは、ヘッドユニット１２０が１回目の第１動作（１往路）を行う前の状態、すなわち主走査方向における走査の起点となる基準位置に位置している状態を示している。図１０Ｂは、ヘッドユニット１２０が１回目の第１動作（１往路）、第２動作（１復路）および第３動作を行った後の状態を示している。図１０Ｃは、ヘッドユニット１２０が２回目の第１動作（２往路）、第２動作（２復路）および第３動作を行った後の状態を示している。図１０Ｄは、ヘッドユニット１２０が３回目の第１動作（３往路）、第２動作（３復路）および第３動作を行った後の状態を示している。図１０Ｅは、ヘッドユニット１２０が４回目の第１動作（４往路）および第２動作（４復路）を行った後の状態を示している。図１０Ｂ〜図１０Ｅにおいて、造形ステージ１４０上の太線は、ヘッドユニット１２０が第１動作および第２動作を行った際に、第１吐出ヘッド１２１および第２吐出ヘッド１２２により吐出された造形材の液滴を示している。以下、ｎ回目の第１動作および第２動作で、第１吐出ヘッド１２１および第２吐出ヘッド１２２により吐出された液滴をそれぞれ「Ｌｉｎｅ−ｎ」と称する。
【００５７】
本実施の形態では、光源１２５は、ヘッドユニット１２０が１回目の第１動作の実行前から４回目の第２動作の実行後まで点灯している。
【００５８】
１回目の第１動作（１往路）では、走査方向（図１０中の右方向、本発明の「第１走査方向」に対応）において光源１２５は第１吐出ヘッド１２１よりも後方に位置しており、第１吐出ヘッド１２１により吐出された液滴（Ｌｉｎｅ−１のモデル材領域）は、着弾後に均しローラー１２３Ａにより表面の凹凸が平滑化され、直ちに光源１２５による光４０の照射を受けて硬化する。
【００５９】
１回目の第２動作（１復路）では、走査方向（図１０中の左方向、本発明の「第２走査方向」に対応）において光源１２５は第２吐出ヘッド１２２よりも後方に位置しており、第２吐出ヘッド１２２により吐出された液滴（Ｌｉｎｅ−１のサポート材領域）は、着弾後に均しローラー１２４Ａにより表面の凹凸が平滑化され、直ちに光源１２５による光４０の照射を受けて硬化する。
【００６０】
２回目の第１動作（２往路）では、走査方向（図１０中の右方向）において光源１２５は第１吐出ヘッド１２１よりも後方に位置しており、第１吐出ヘッド１２１により吐出された液滴（Ｌｉｎｅ−２のモデル材領域）は、着弾後に均しローラー１２３Ａにより表面の凹凸が平滑化され、直ちに光源１２５による光４０の照射を受けて硬化する。
【００６１】
２回目の第２動作（１復路）では、走査方向（図１０中の左方向、本発明の「第２走査方向」に対応）において光源１２５は第２吐出ヘッド１２２よりも後方に位置しており、第２吐出ヘッド１２２により吐出された液滴（Ｌｉｎｅ−２のサポート材領域）は、着弾後に均しローラー１２４Ａにより表面の凹凸が平滑化され、直ちに光源１２５による光４０の照射を受けて硬化する。
【００６２】
３回目の第１動作（３往路）では、走査方向（図１０中の右方向）において光源１２５は第１吐出ヘッド１２１よりも後方に位置しており、第１吐出ヘッド１２１により吐出された液滴（Ｌｉｎｅ−３のモデル材領域）は、着弾後に均しローラー１２３Ａにより表面の凹凸が平滑化され、直ちに光源１２５による光４０の照射を受けて硬化する。
【００６３】
３回目の第２動作（３復路）では、走査方向（図１０中の左方向）において光源１２５は第２吐出ヘッド１２２よりも後方に位置しており、第２吐出ヘッド１２２により吐出された液滴（Ｌｉｎｅ−３のサポート材領域）は、着弾後に均しローラー１２４Ａにより表面の凹凸が平滑化され、直ちに光源１２５による光４０の照射を受けて硬化する。
【００６４】
４回目の第１動作（４往路）では、走査方向（図１０中の右方向）において光源１２５は第１吐出ヘッド１２１よりも後方に位置しており、第１吐出ヘッド１２１により吐出された液滴（Ｌｉｎｅ−４のモデル材領域）は、着弾後に均しローラー１２３Ａにより表面の凹凸が平滑化され、直ちに光源１２５による光４０の照射を受けて硬化する。
【００６５】
４回目の第２動作（４復路）では、走査方向（図１０中の左方向）において光源１２５は第２吐出ヘッド１２２よりも後方に位置しており、第２吐出ヘッド１２２により吐出された液滴（Ｌｉｎｅ−４のサポート材領域）は、着弾後に均しローラー１２４Ａにより表面の凹凸が平滑化され、直ちに光源１２５による光４０の照射を受けて硬化する。
【００６６】
上記したように、１層分の造形材層を形成する際、第１吐出ヘッド１２１および第２吐出ヘッド１２２により吐出された各液滴は、着弾直後に光源１２５による光４０の照射を受けて硬化する。よって、第１吐出ヘッド１２１および第２吐出ヘッド１２２により吐出された液滴の形状が崩れることを防止することができ、ひいては造形される三次元造形物２００の解像度を高くすることができる。
【００６７】
なお、第１動作において均しローラー１２４Ａが第１吐出ヘッド１２１により吐出された液滴（モデル材）の表面に接触するが、この接触は当該液滴の硬化後に生じるため、特に問題は起こらない。第１吐出ヘッド１２１により吐出された液滴（モデル材）の表面に対して均しローラー１２４Ａが摺擦することを防止する観点から、均しローラー１２４Ａの線速度（回転速度）をヘッドユニット１２０の線速度（走査速度）と同等に設定することが好ましい。
【００６８】
同様に、第２動作において均しローラー１２３Ａが第２吐出ヘッド１２２により吐出された液滴（サポート材）の表面に接触するが、この接触は当該液滴の硬化後に生じるため、特に問題は起こらない。第２吐出ヘッド１２２により吐出された液滴（サポート材）の表面に対して均しローラー１２３Ａが摺擦することを防止する観点から、均しローラー１２３Ａの線速度（回転速度）をヘッドユニット１２０の線速度（走査速度）と同等に設定することが好ましい。
【００６９】
以上詳しく説明したように、本実施の形態では、三次元造形装置１００は、造形ステージ１４０に対して相対的に第１走査方向に走査しながら、造形ステージ１４０に向けて光硬化性のモデル材を吐出する第１吐出ヘッド１２１と、造形ステージ１４０に対して相対的に第１走査方向と逆方向である第２走査方向に走査しながら、造形ステージ１４０に向けて光硬化性のサポート材を吐出する第２吐出ヘッド１２２と、第１および第２走査方向において第１吐出ヘッド１２１と第２吐出ヘッド１２２との間に配置され、第１吐出ヘッド１２１により吐出されたモデル材、および、第２吐出ヘッド１２２により吐出されたサポート材に光を照射することによって当該モデル材およびサポート材を硬化させる光源１２５とを備える。
【００７０】
このように構成した本実施の形態によれば、第１および第２吐出ヘッド１２１，１２２からモデル材およびサポート材が吐出された後、当該モデル材およびサポート材に対して光が照射されるまでの時間が長くなることに起因して当該モデル材およびサポート材の形状が崩れることを防止することができ、ひいては、造形される三次元造形物２００の解像度を高くすることができる。また、モデル材が吐出されて硬化した後に、サポート材は吐出されるため、当該モデル材と当該サポート材との硬化前の混合を防止することができる。よって、三次元造形物２００の造形が完了しサポート材が除去された後、モデル材のうち当該モデル材と当該サポート材との界面部分が粗くなってしまうことを防止することができる。また、従来技術のように、ゾル−ゲル相転移温度を有するモデル材を使用する必要がない。また、従来技術のように、光源を複数設ける必要がなくなるため、光源の消費電力を最小限に抑えることができる。また、三次元造形物２００の造形動作中に光源１２５を常時点灯しておくことによって、光源１２５の寿命を向上させることができるとともに、光源１２５から硬化に必要な光量を安定して得ることができる。
【００７１】
なお、上記実施の形態では、第１吐出ヘッド１２１がモデル材を第１造形材として吐出し、第２吐出ヘッド１２２がサポート材を第２造形材として吐出する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、第１吐出ヘッド１２１がサポート材を第１造形材として吐出し、第２吐出ヘッド１２２がモデル材を第２造形材として吐出しても良い。また、第１吐出ヘッド１２１が吐出する第１造形材と、第２吐出ヘッド１２２が吐出する第２造形材とは、それぞれ異なる種類のモデル材でも良い。具体的には、第１造形材と第２造形材とは、それぞれ色（例えば、白、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラック）が異なるモデル材でも良い。白色のモデル材は主に三次元造形物２００の内部に使用され（ただし、三次元造形物２００の外部に使用される場合もあり）、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックのカラー色のモデル材は三次元造形物２００の外部に使用される。白色のモデル材の代わりにクリア色（透明色）のモデル材を使用し、当該白色のモデル材をカラー色のモデル材の１つとして使用しても良い。また、第１造形材と第２造形材とは、色の違いだけでなく、それぞれ物性（例えば、硬化後の硬度）が異なるモデル材でも良い。
【００７２】
また、上記実施の形態では、ヘッドユニット１２０は、主走査方向における光源１２５の両側に第１吐出ヘッド１２１および第２吐出ヘッド１２２をそれぞれ備える例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図１１に示すように、ヘッドユニット１２０は、主走査方向における光源１２５の一方側（図中右側）に第１吐出ヘッド１２１を備え、他方側に第２吐出ヘッド１２２および第３吐出ヘッド１２６を備えても良い。この場合、第１吐出ヘッド１２１は、第１動作において例えばカラー色のモデル材を吐出する一方、第２吐出ヘッド１２２および第３吐出ヘッド１２６は、第２動作において例えば白色のモデル材およびサポート材をそれぞれ吐出する。また、第１吐出ヘッド１２１および第２吐出ヘッド１２２は、同じ種類のモデル材（第１造形材、第２造形材）を吐出するように構成しても良い。この構成により、三次元造形装置１００は、三次元造形物２００を造形するための造形モードとして、第１および第２動作の両方（第１吐出ヘッド１２１および第２吐出ヘッド１２２）によって１層分の造形材層を形成する高精細モード（第１モード）と、造形ステージ１４０に向けて吐出されるモデル材が高精細モードより多く、第１および第２動作の一方（第１吐出ヘッド１２１）によって１層分の造形材層を形成する高速モード（第２モード）とを選択的に実行することができる。高精細モードは、三次元造形物２００の造形時間を短縮することよりも、三次元造形物２００の解像度を高くすることを優先した造形モードである。高速モードは、三次元造形物２００の解像度を高くすることよりも、三次元造形物２００の造形時間を短縮することを優先した造形モードである。
【００７３】
まず、図１２Ａを参照し、高速モードについて説明する。高速モードで三次元造形物２００を造形する場合に使用される第１吐出ヘッド１２１は、長手方向（副走査方向）に吐出ノズル１２１ａが高密度に配置されたものである。第１吐出ヘッド１２１のノズル解像度は、６００［ｄｐｉ］（１インチ当たり６００個の吐出ノズル１２１ａ、４２．３［μｍ］ピッチ）である。第１吐出ヘッド１２１を使用することによって、１回の第１動作で副走査方向における解像度が６００［ｄｐｉ］である１層分の造形材層を形成することができる。そして、第２吐出ヘッド１２２も第１吐出ヘッド１２１と同様の構成で使用することによって、１回の第１および第２動作（往復）で２層分の造形材層を形成することができる。第１吐出ヘッド１２１および第２吐出ヘッド１２２により吐出される液滴量を２４［ｐｌ］として液滴２１０が着弾してちょうど半円になったと想定すると、液滴２１０の直径は４５．１［μｍ］であり、吐出ノズル１２１ａのノズルピッチ（４２．３［μｍ］）に対して３［μｍ］弱のオーバーラップ部分が生じ、１回の第１動作で１層分の造形材層を形成することができる。そのときの液滴高さは、２２．５［μｍ］である。つまり、均しローラー１２３Ａ，１２４Ａで１０［％］液滴高さを低く均一化すると、積層方向における三次元造形物２００の解像度は１２５０［ｄｐｉ］となる。ただし、第１動作（往路）でサポート材を吐出しないと隔層でサポート材の存在しない部分ができやすくなるため、往路でもサポート材を吐出することが好ましい。サポート材は三次元造形物２００の造形に直接関係ないので、ある程度、液滴の崩れがあっても問題はない。もし、第１動作（往路）でサポート材の液滴を吐出して着弾直後に硬化させる場合には、第１吐出ヘッド１２１の図１１中右側にサポート材を吐出する吐出ヘッドを設けても良い。
【００７４】
次に、図１２Ｂを参照し、高精細モードについて説明する。高精細モードは１回の第１および第２動作（１往復）で１層分の造形材層を形成する造形モードである。副走査方向（第３走査方向）において、第１吐出ヘッド１２１と第２吐出ヘッド１２２とは、吐出ノズル１２１ａ，１２２ａが互いに重ならないように配置され、第１吐出ヘッド１２１の吐出ノズル１２１ａのちょうど間に第２吐出ヘッド１２２の吐出ノズル１２２ａが配置される構成（いわゆる千鳥配置）となっている。言い換えると、副走査方向において、第１吐出ヘッド１２１によるモデル材（第１造形材）の吐出位置と、第２吐出ヘッド１２２によるモデル材（第２造形材）の吐出位置とは異なる。
【００７５】
高精細モードでは、まず第１動作（往路）で第１吐出ヘッド１２１からモデル材を吐出し、第２動作（復路）で第２吐出ヘッド１２２からモデル材を吐出して液滴２２０の間を埋める。これにより、１回の第１および第２動作（１往復）で１層分の造形材層を形成できるが、高速モードよりも２倍の高精細（１２００［ｄｐｉ］）な造形を行うことができる。そのためには、液滴２２０の大きさを、高速モード時の１／２（直径で２２．５［μｍ］）にする必要があり、そのときの液滴高さは１１［μｍ］で約２５００［ｄｐｉ］相当となる。また、第１吐出ヘッド１２１および第２吐出ヘッド１２２により吐出される液滴量は１／２３＝１／８の３［ｐｌ］（＝２４［ｐｌ］×１／８）となる。
【００７６】
第１吐出ヘッド１２１および第２吐出ヘッド１２２により吐出される液滴量は、高精細モード時に３［ｐｌ］、高速モード時に２４［ｐｌ］となるが、一般的な吐出ヘッドは、複数の液滴を連続的に吐出して着弾までに当該液滴を合体させる制御（いわゆるマルチドロップ制御）が可能である。そこで、１滴が３［ｐｌ］である液滴を吐出することが可能であり、ノズル解像度が６００［ｄｐｉ］である吐出ヘッドを使用し、高精細モード時は１滴だけで１つのドットを形成し、高速モード時は８滴のマルチドロップを行って１つのドットを形成するように構成しても良い。
【００７７】
図１３は、制御部１１０が実行する、三次元造形装置１００における三次元造形物２００の造形モードを選択的に実行するための制御フローチャートである。ステップＳ１００の処理は、操作部１６０を介したユーザー操作によって、三次元造形物２００の造形モードを選択する造形モード選択画面の表示が要求されることにより開始する。
【００７８】
まず、制御部１１０は、造形モード選択画面を表示部１４５に表示させる（ステップＳ１００）。次に、制御部１１０は、操作部１６０を介したユーザー操作によって、高速モードが選択されたか否かについて判定する（ステップＳ１２０）。この判定の結果、高速モードが選択された場合（ステップＳ１２０、ＹＥＳ）、制御部１１０は、三次元造形装置１００の各部を制御し、三次元造形物２００を高速モードで造形させる（ステップＳ１６０）。ステップＳ１２０の処理が完了することによって、三次元造形装置１００は、図１３における処理を終了する。
【００７９】
一方、高速モードが選択されていない場合（ステップＳ１２０、ＮＯ）、制御部１１０は、操作部１６０を介したユーザー操作によって、高精細モードが選択されたか否かについて判定する（ステップＳ１４０）。この判定の結果、高精細モードが選択された場合（ステップＳ１４０、ＹＥＳ）、制御部１１０は、三次元造形装置１００の各部を制御し、三次元造形物２００を高精細モードで造形させる（ステップＳ１８０）。ステップＳ１８０の処理が完了することによって、三次元造形装置１００は、図１３における処理を終了する。一方、高精細モードが選択されていない場合（ステップＳ１４０、ＮＯ）、処理は、ステップＳ１２０の前に戻る。
【００８０】
また、上記実施の形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【符号の説明】
【００８１】
１００  三次元造形装置
１１０  制御部
１１５  記憶部
１２０  ヘッドユニット（キャリッジ）
１２０ａ  筐体
１２１  第１吐出ヘッド
１２１ａ，１２２ａ  吐出ノズル
１２２  第２吐出ヘッド
１２３，１２４  平滑化装置
１２３Ａ，１２４Ａ  均しローラー
１２３Ｂ，１２４Ｂ  掻き取り部材
１２３Ｃ，１２４Ｃ  回収部材
１２５  光源
１２６  第３吐出ヘッド
１３０  移動機構
１３２  主走査方向ガイド
１３４  副走査方向ガイド
１３６  鉛直方向ガイド
１４０  造形ステージ
１４５  表示部
１５０  データ入力部
１５５  コンピューター装置
１６０  操作部
２００  三次元造形物
２１０，２２０  液滴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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