(57)【要約】【課題】三次元造形物の積層方向における強度の低下を防止することが可能な三次元造形装置および三次元造形方法を提供する。【解決手段】三次元造形装置１００は、造形ステージ１４０に向けて造形材料を吐出することによって、造形材料層を形成する吐出部１２２と、吐出部１２２により形成された造形材料層の表面を平滑化する平滑化部１２４と、平滑化部１２４により平滑化された造形材料層の少なくとも表面の硬化を進める硬化処理を行う硬化部１２６と、硬化部１２６の硬化処理により硬化の進んだ造形材料層の表面を粗面化する粗面化部１２８とを備える。【選択図】図２
2015074164.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
造形ステージ上に造形材料からなる造形材料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向けて前記造形材料を吐出することによって、前記造形材料層を形成する吐出部と、
前記吐出部により形成された前記造形材料層の表面を平滑化する平滑化部と、
前記平滑化部により平滑化された前記造形材料層の少なくとも表面の硬化を進める硬化処理を行う硬化部と、
前記硬化部の硬化処理により硬化の進んだ前記造形材料層の表面を粗面化する粗面化部と、
を備えることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項２】
前記粗面化部は、前記造形材料層の表面に対して、表面が粗面化された押圧部材を用いて押圧することにより粗面化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】
前記押圧部材は、ローラーであり、前記造形材料層の表面上を走査することを特徴とする請求項２に記載の三次元造形装置。
【請求項４】
前記押圧部材は、当該押圧部材に対する前記造形材料層の表面の相対移動方向に対してウィズ方向に回転することを特徴とする請求項３に記載の三次元造形装置。
【請求項５】
前記押圧部材は、前記造形材料層の表面との接触により従動回転す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】
前記押圧部材の断面曲線のスキューネス（Ｒｓｋ）は、０＜Ｒｓｋ＜３の範囲にあることを特徴とする請求項２〜５の何れか１項に記載の三次元造形装置。
【請求項７】
前記粗面化部により粗面化される前において、前記造形材料層の表面のユニバーサル硬さは、５（Ｎ／ｍｍ2）以上２００（Ｎ／ｍｍ2）以下であることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の三次元造形装置。
【請求項８】
前記造形材料は、光硬化性を有する造形材料であり、
前記硬化部は、前記造形材料に光を照射することによって硬化させることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の三次元造形装置。
【請求項９】
造形材料からなる造形材料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方法であって、
前記造形材料層を形成する第１のステップと、
前記第１のステップにより形成された前記造形材料層の表面を平滑化する第２のステップと、
前記第２のステップにより平滑化された前記造形材料層の少なくとも表面の硬化を進める硬化処理を行う第３のステップと、
前記第３のステップの硬化処理により硬化の進んだ前記造形材料層の表面を粗面化する第４のステップと、
を有することを特徴とする三次元造形方法。
【請求項１０】
前記第４のステップにおいて、表面が粗面化された押圧部材を前記造形材料層の表面に押圧することにより、前記造形材料層の表面を粗面化することを特徴とする請求項９に記載の三次元造形方法。
【請求項１１】
前記押圧部材の断面曲線のスキューネス（Ｒｓｋ）は、０＜Ｒｓｋ＜３の範囲にあることを特徴とする請求項１０に記載の三次元造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元造形装置および三次元造形方法に関する。
【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、ひと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材料（例えば、光硬化性樹脂）を吐出する工程、その表面をローラー、ブレード等の手段により所定の厚さに平滑化する工程、及び当該造形材料を硬化させる工程（光硬化性樹脂の場合は光照射工程）によって一層分の造形材料層（硬化層）を形成し、この造形材料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（例えば、特許文献１を参照）。このような方式によれば、造形材料を微小な液滴として吐出することにより高精細な造形材料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た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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表平１１−５１２６６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、平滑化された造形材料層（Ｎ層目。以下、Ｎは自然数とする）の表面上に、次に形成される造形材料層（Ｎ＋１層目）を積層した場合に、造形材料層間の界面における密着力が不十分となり、造形材料層の積層方向において三次元造形物の強度が低下するという問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、三次元造形物の積層方向における強度の低下を防止することが可能な三次元造形装置および三次元造形方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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料からなる造形材料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向けて前記造形材料を吐出することによって、前記造形材料層を形成する吐出部と、
前記吐出部により形成された前記造形材料層の表面を平滑化する平滑化部と、
前記平滑化部により平滑化された前記造形材料層の少なくとも表面の硬化を進める硬化処理を行う硬化部と、
前記硬化部の硬化処理により硬化の進んだ前記造形材料層の表面を粗面化する粗面化部と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る三次元造形方法は、
造形材料からなる造形材料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方法であって、
前記造形材料層を形成する第１のステップと、
前記第１のステップにより形成された前記造形材料層の表面を平滑化する第２のステップと、
前記第２のステップにより平滑化された前記造形材料層の少なくとも表面の硬化を進める硬化処理を行う第３のステップと、
前記第３のステップの硬化処理により硬化の進んだ前記造形材料層の表面を粗面化する第４のステップと、
を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、粗面化された造形材料層（Ｎ層目）の表面上に、次の造形材料層（Ｎ＋１層目）が形成される。そのため、造形材料層（Ｎ層目）と造形材料層（Ｎ＋１層目）との間における接触面積の増加や、造形材料層（Ｎ層目）の表面に造形材料層（Ｎ＋１層目）を構成する造形材料が入り込むアンカー効果により、造形材料層間の密着力を向上させることができる。したがって、三次元造形物の積層方向における強度の低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態に係る三次元造形装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】本実施の形態に係る三次元造形装置の制御系の主要部を示す図である。
【図３】本実施の形態に係るヘッドブロックの構成を示す図である。
【図４】本実施の形態に係る粗面化部の構成を示す図である。
【図５】本実施の形態に係る粗面化部の構成の変形例を示す図である。
【図６】本実施の形態に係る粗面化部の構成の変形例を示す図である。
【図７】実施例および比較例における評価実験の結果を表す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る三次元造形装置１００の構成を概略的に示す図である。図２は、本実施の形態に係る三次元造形装置１００の制御系の主要部を示す図である。図１、２に示す三次元造形装置１００は、造形ステージ１４０上に造形材料（モデル材ともいう）からなる造形材料層を順に積層形成することによって、三次元造形物２００を造形する。ここでは、造形材料として光硬化性樹脂を用いる場合について説明する。
【００１２】
三次元造形装置１００は、制御部１１０、ヘッドブロック１２０、粗面化部１２８、移動機構１３０、造形ステージ１４０およびデータ入力部１５０を備えている。三次元造形装置１００には、コンピューター装置１６０が接続されている。
【００１３】
データ入力部１５０は、造形対象物の３Ｄデータ（ＣＡＤデータやデザインデータなど）を、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１６０から取得し、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。
【００１４】
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から出力された３Ｄデータに基づいて、三次元造形物２００を造形するための層毎のデータ（以下、「スライスデータ」と称する）を再構築する。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、造形材料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、ヘッドブロック１２０および粗面化部１２８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、ヘッドブロック１２０および粗面化部１２８と移動機構１３０とを同期させて制御する。
【００１５】
造形ステージ１４０は、ヘッドブロック１２０および粗面化部１２８の下方に配置される。造形ステージ１４０にはヘッドブロック１２０によって造形材料層が形成され、この造形材料層が積層されることにより三次元造形物が造形される。
【００１６】
ヘッドブロック１２０は、図３に示すように、吐出部１２２、平滑化部１２４および硬化部１２６を筐体１２１の内部に備える。インクジェット方式の吐出部１２２、平滑化部１２４および硬化部１２６は、この順で図３の右側からヘッドブロック１２０の内部に配置されている。
【００１７】
吐出部１２２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インクジェット方式の吐出ヘッドである。吐出部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造形材料の液滴を選択的に吐出する。この動作を、吐出部１２２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料層を形成する。このような吐出部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、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。
【００１８】
吐出部１２２は、造形材料を吐出可能な状態で貯留する。本実施の形態では、吐出部１２２として、粘度が５〜１５［ｍＰａ・ｓ］の範囲で造形材料を吐出できるものが採用されている。造形材料としては、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用いられる。光硬化性材料としては、例えば、特開２０１２−７１６１１号公報で開示されている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。具体的には、Ｏｂｊｅｔ社製の紫外線硬化性樹脂「ＶｅｒｏＷｈｉｔｅ  ＲＤＧ８３５」、「ＶｅｒｏＣｌｅａｒ  ＲＤＧ８１０」、「ＶｅｒｏＢｌａｃｋＰｌｕｓ  ＲＤＧ８７５」等が挙げられる。本実施の形態では、紫外線硬化性樹脂を造形材料として用いるものとする。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。造形材料は、吐出部１２２により造形ステージ１４０上に吐出されて造形材料層を形成する。造形材料層は、光照射による硬化処理が施されることにより半硬化する。ここで、半硬化とは、造形材料層が、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硬化された状態をいう。
【００１９】
なお、吐出部１２２は、造形材料とともに、造形材料を支持する支持材料（サポート材ともいう）を吐出する構成としても良い。例えば、吐出部１２２に、造形材料用の吐出ノズルとは別の吐出ノズルを設け、この吐出ノズルから支持材料を吐出させても良いし、吐出部１２２とは別のインクジェットヘッド（図示せず）から支持材料を吐出させても良い。支持材料は、例えば造形対象物がオーバーハングする部位を有している場合等に、造形材料層の下層側に設けられ、少なくとも三次元造形物２００の造形が完了するまでオーバーハングする部位を支持する。また、支持材料は、造形材料層に隣接して設けられて、造形される三次元造形物２００を保護するものとしても良い。このような支持材料は、三次元造形物２００の造形が完了した後に除去される。
【００２０】
平滑化部１２４は、制御部１１０の制御下において回転駆動可能な平滑化ローラー１２５と、回収部材１３１とを備えており、吐出部１２２により吐出された液滴表面に平滑化ローラー１２５を接触させ、過剰な液滴を掻き取って液滴表面の凹凸を平滑化する。ヘッドブロック１２０が基準位置に復帰する際に平滑化ローラー１２５が造形物に接触するのを防止するために、ヘッドブロック１２０内で平滑化ローラー１２５を鉛直方向に移動するための駆動機構１２３が設けられている。本実施の形態では、平滑化ローラー１２５は、表面に所定の平均粗さを有し、平滑化部１２４に対する造形材料層の表面の相対移動方向（図４の左方向）に対してカウンター方向（互いに対向する表面が逆方向へ移動する方向）に回転する。その結果、均一な層厚を有する造形材料層が形成される。造形材料層の表面が平滑化されることにより、次の造形材料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。平滑化ローラー１２５の表面に付着した造形材料は、平滑化ローラー１２５の近傍に設けられたブレードを備えた回収部材１３１によって掻き取られる。ブレードによって掻き取られた造形材料は、吐出部１２２に供給されて再利用されるものとしても良いし、廃タンクに輸送されるものとしても良い。
【００２１】
硬化部１２６は、造形ステージ１４０に向けて吐出された光硬化性樹脂の液滴に硬化処理（光照射処理）を施して、半硬化させる。造形材料が紫外線硬化性材料である場合、硬化部１２６として、紫外線（ＵＶ）を放射するＵＶランプ（本実施の形態では、高圧水銀ランプ）が用いられる。なお、硬化部１２６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。ここで、硬化部１２６の硬化処理により硬化した造形材料層の表面におけるユニバーサル硬さは、５（Ｎ／ｍｍ２）以上２００（Ｎ／ｍｍ２）以下である。後述する粗面化ローラー１２８Ａ（図４参照）が造形材料層の表面を粗面化するためには、当該表面が、流動せず形状の転写可能な状態となっている必要があるからである。
【００２２】
ユニバーサル硬さＨＵは、ＨＵ＝Ｆ／（２６．４３×ｈ２）（Ｆ：試験荷重［Ｎ］、ｈ：試験荷重下での押し込み深さ［ｍｍ］）により求めることができる。具体的には、超微小硬度計「Ｈ−１００Ｖ」（フィッシャーインストルメント社製）を用い、ピラミッド型のダイヤモンド圧子（ビッカース圧子）を一定の荷重まで押し込み、その荷重（Ｆ）と押し込み深さ（ｈ）のプロファイルから硬さを求める。測定は、以下の条件で行うことができる。
【００２３】
測定機：微小硬度計「Ｈ−１００Ｖ」（フィッシャーインストルメント社製）
圧子形状：ビッカース圧子（１３６°）
測定環境：２０［℃］、６０［％ＲＨ］
最大試験荷重：３［ｍＮ］
荷重速度：３［ｍＮ］／２０［ｓｅｃ］
最大荷重クリープ時間：５．０［ｓｅｃ］
除荷速度：３［ｍＮ］／２０［ｓｅｃ］
なお、測定は各試料（造形材料層）とも副走査方向に均等間隔で５点の位置にて、主走査方向に均等間隔で３点の合計１５点測定し、その平均値をユニバーサル硬さＨＵとする。
【００２４】
ヘッドブロック１２０は、一層分の造形材料層を形成する際、主走査方向に造形ステージ１４０上の一方の端部（主走査方向における走査の起点となる基準位置）から他方の端部（主走査方向における走査の終点となる基準位置）まで走査しながら、造形材料をスライスデータに基づいて各吐出ノズルから選択的に吐出する（第１動作）。次に、ヘッドブロック１２０は、造形材料の吐出を停止した状態で、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して基準位置に戻る（第２動作）。第２動作の際、ヘッドブロック１２０の平滑化ローラー１２５と造形材料層の表面とが接触しないように、駆動機構１２３によって、平滑化ローラー１２５を一時的にヘッドブロック１２０内で鉛直方向上方に移動させ、第２動作完了後に平滑化ローラー１２５の鉛直方向の位置を元に戻す。なお、第２動作の際に、ヘッドブロック１２０を鉛直方向に移動させ得るように移動機構１３０を構成し、移動機構１３０によってヘッドブロック１２０を鉛直方向上方に一時的に移動させるように構成しても良いし、造形ステージ１４０を一時的に鉛直方向下方に移動するように構成しても良い。次に、ヘッドブロック１２０は、造形材料の吐出を停止したまま、吐出部１２２による造形材料の吐出位置が重ならないように副走査方向に移動する（第３動作）。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、一層分の造形材料層を形成し積層することができる。なお、三次元造形物２００が小さい場合は、第３動作を省略することができる。
【００２５】
粗面化部１２８は、図４に示すように、表面が所定の凹凸パターンを有するように粗面化され、回転可能な粗面化ローラー１２８Ａ（押圧部材）を筐体１２７の内部に備える。粗面化部１２８が基準位置に復帰する際に粗面化ローラー１２８Ａが造形物に接触するのを防止するために、粗面化部１２８内で粗面化ローラー１２８Ａを鉛直方向に移動するための駆動機構１３３が設けられている。粗面化ローラー１２８Ａは、硬化部１２６の硬化処理により硬化した造形材料層の表面を押圧することにより、当該表面を粗面化する。粗面化ローラー１２８Ａは、表面粗さ（十点平均粗さ）が例えば０．５［μｍ］以上１．２［μｍ］以下となるように、造形材料層の表面を粗面化する。ここで、造形材料層表面の十点平均粗さは、ＪＩＳＢ０６０１−１９８２に記載の十点平均粗さを意味する。すなわち、基準長さの標準値の距離間で上位から５つの山頂の平均高さと、下位から５つの谷底の平均低さとの差である。粗面化ローラー１２８Ａの材質としては、造形材料層の表面を効果的に粗面化するため、樹脂よりも硬質な金属材料が好ましい。例えば、ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３０３）、鉄、アルミニウム、ニッケル、アルミニウム合金、ニッケル合金等の金属材料を挙げることができる。
【００２６】
本実施の形態では、粗面化された粗面化ローラー１２８Ａの表面粗さについて、断面曲線のスキューネス（Ｒｓｋ）は、０＜Ｒｓｋ＜３の範囲にある。スキューネスは、表面粗さの断面曲線の歪み度を指し、山部と谷部の非対称性を知る目安の統計量である。Ｒｓｋ＞０である場合、山部の先端が先鋭的な形状となり、谷部の幅が大きくなる。一方、Ｒｓｋ＜０である場合、谷部の先端が先鋭的な形状となり、山部の幅が大きくなる。Ｒｓｋ＞０である方が、造形材料層（Ｎ層目）の表面に造形材料層（Ｎ＋１層目）を構成する造形材料が入り込むアンカー効果が高くなり、造形材料層間の密着力を向上させることができる。一方、Ｒｓｋが３を超えて高くなりすぎると、造形材料層（Ｎ層目）の表面に造形材料が十分に入り込まず空隙が生じるため、造形材料層間の密着力が却って低下してしまう。
【００２７】
スキューネス（Ｒｓｋ）は、ＪＩＳＢ００３１の定義に準ずるものであり、下記式で表される。
【００２８】
【数１】
2015074164.tif 000003
【００２９】
Ｒｑ：二乗平均平方根粗さ
ｌｒ：Ｘ軸方向の長さ
Ｚ（ｘ）：ｘ位置でのＺ軸方向の高さ
また、スキューネス（Ｒｓｋ）の測定は、以下の測定条件で行う。
【００３０】
測定機：表面粗さ計（東京精密社製  Ｓｕｒｆｃｏｍ  １４００Ｄ）
測定長さＬ：８．０［ｍｍ］
カットオフ波長λｃ：０．０８［ｍｍ］
触針先端形状：先端角度６０°円錐
触針先端半径：０．５［μｍ］
測定速度：０．３［ｍｍ／ｓｅｃ］
測定倍率：１０００００倍
測定位置：粗面化ローラー１２８Ａにおいて回転軸心の中心と、回転軸心と端部との中
間点の３カ所）
上記３カ所の平均値を、本実施の形態におけるスキューネス（Ｒｓｋ）の値とする。
【００３１】
粗面化ローラー１２８Ａの表面に凹凸パターンを形成する方法としては、例えば切削加工により形成することができ、切削加工のバイト形状を変えることにより、または、バイトの押し込み角度、押し込み深さおよび回転数を適宜選択すること等により、単純なものから複雑なものまで、自由に凹凸パターン形状を刻むことができる。
【００３２】
切削加工のバイトとしては、荒加工では通常、多結晶ダイヤモンド焼結体からなるバイトが用いられ、仕上げ加工では単結晶ダイヤモンドまたは多結晶ダイヤモンド焼結体からなるバイトが用いられる。単結晶ダイヤモンドからなるバイトとしては、ノーズ形状は平、Ｒのどちらを用いても良い。ノーズ形状がＲ形状の場合、ノーズの丸みの半径Ｒは１０〜３０［ｍｍ］程度のものを使用することが好ましい。多結晶ダイヤモンド焼結体からなるバイトとしては、ノーズ形状は平、Ｒのどちらを用いても良いが、粒度が０．２［μｍ］以上１５［μｍ］以下のものを用い、バイトの切削面における研磨仕上げ粗さは最大粗さ（Ｒｔ）で０．３［μｍ］以上２．０［μｍ］以下となるように研磨することが好ましい。
【００３３】
粗面化ローラー１２８Ａの表面に凹凸パターンを形成するためには、上記の切削加工を行った後、サンドブラスト、ドライアイスブラストおよび高圧ジェット水処理等を行い、これらの吹き付け強度を適宜選択して処理する必要がある。なお、切削加工については、特開２００７−２６４３７９号公報、サンドブラスト法については、特開２０００−１０５４８１号公報、特開２０００−１５５４３６号公報、ドライアイスブラスト法については、特開２００５−２９２５６５号公報、高圧ジェット水処理法については、特開２００６−３０５８０号公報等で開示されている方法を用いることができる。
【００３４】
本実施の形態では、粗面化ローラー１２８Ａは、造形材料層の表面との接触により、粗面化ローラー１２８Ａに対する造形材料層の表面の相対移動方向（図４の左方向）に対してウィズ方向（互いに対向する表面が同一方向へ移動する方向）に従動回転する。ウィズ方向に回転させることにより、造形材料層の表面から造形材料が剪断されるように掻き取られることを防止して、造形材料層の表面に所期の凹凸を付与することができる。また、粗面化ローラー１２８Ａを従動回転させることで、粗面化ローラー１２８Ａを駆動する機構を不要とすることができ、また、造形材料層の表面に対する粗面化ローラー１２８Ａの押圧力の増大を回避し、粗面化しづらくなるのを防止しやすくなる。粗面化ローラー１２８Ａの押圧力を増大させない観点からは、粗面化ローラー１２８Ａの回転速度と粗面化ローラー１２８Ａの走査速度とを一致させて、粗面化ローラー１２８Ａを駆動回転させても良い。
【００３５】
なお、粗面化ローラー１２８Ａが造形材料層の表面を押圧することにより当該表面を粗面化するのではなく、例えば造形材料層の表面に高圧水を吹き付けて粗面化しても良い。
【００３６】
本実施の形態では、一層分の造形材料層を形成する際、粗面化部１２８は、ヘッドブロック１２０の後を追従して走査する。すなわち、粗面化部１２８は、主走査方向に造形ステージ１４０上の一方の端部（主走査方向における走査の起点となる基準位置）から他方の端部（主走査方向における走査の終点となる基準位置）まで走査しながら、硬化部１２６の硬化処理により硬化した造形材料層の表面を粗面化する（第４動作）。次に、粗面化部１２８は、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して基準位置に戻る（第５動作）。第５動作の際、粗面化部１２８と造形材料層の表面とが接触しないように、粗面化ローラー１２８Ａを一時的に粗面化部１２８内で鉛直方向上方に移動させ、第５動作完了後に粗面化ローラー１２８Ａの鉛直方向の位置を元に戻す。なお、第５動作の際に、粗面化部１２８を鉛直方向に移動させ得るように移動機構１３０を構成し、移動機構１３０によって粗面化部１２８を鉛直方向上方に一時的に移動させるように構成しても良いし、造形ステージ１４０を一時的に鉛直方向下方に移動するように構成しても良い。次に、粗面化部１２８は、吐出部１２２と共に副走査方向に走査する（第６動作）。第４動作〜第６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、一層分の造形材料層の表面を粗面化することができる。なお、三次元造形物２００が小さい場合は、第６動作を省略することができる。また、粗面化部１２８は、第４動作では三次元造形物２００に接触しないように粗面化ローラー１２８Ａを鉛直方向上方に移動させておき、第５動作で基準位置に戻る際に造形材料層の表面を粗面化するようにしても良い。また、第４動作及び第５動作の両方で粗面化を行うようにしてもよい。さらに、ヘッドブロック１２０による、複数層の形成毎に粗面化動作を行うようにしてもよい。
【００３７】
移動機構１３０は、ヘッドブロック１２０および粗面化部１２８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１に示すように、ヘッドブロック１２０および粗面化部１２８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。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、ヘッドブロック１２０および粗面化部１２８を主走査方向および副走査方向に自在に移動させる（図１を参照）。より具体的には、ヘッドブロック１２０を造形のために主走査方向に一定速度で移動させるとともに、造形材料層の粗面化のために粗面化部１２８を一定速度で主走査方向に移動させる。また、ヘッドブロック１２０及び粗面化部１２８が互いに移動を阻害しないように、一方の移動に先だって他方を両者が干渉しない位置に移動させる。また、大きな三次元造形物２００を造形するために、ヘッドブロック１２０及び粗面化部１２８を副走査方向に移動させる。なお、移動機構１３０は、ヘッドブロック１２０および粗面化部１２８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ことで、ヘッドブロック１２０および粗面化部１２８と、造形ステージ１４０との相対位置を変化させるように構成しても良いし、双方を可変に構成してもよい。また、２つの主走査方向ガイド１３２を設けて、当該２つの主走査方向ガイド１３２のそれぞれにヘッドブロック１２０および粗面化部１２８のそれぞれが係合するように構成しても良い。
【００３８】
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ブロック１２０および粗面化部１２８と三次元造形物２００との間隔を調整する（図１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層目の造形材料層が形成された後、造形材料層の一層分の厚さに応じた距離（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層目の造形材料層が形成された後、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、ヘッドブロック１２０および粗面化部１２８を鉛直方向上方に移動させても良いし、双方を移動させても良い。
【００３９】
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に向けて造形材料を吐出することによって、造形材料層を形成する吐出部１２２と、吐出部１２２により形成された造形材料層の表面を平滑化する平滑化部１２４と、平滑化部１２４により平滑化された造形材料層の少なくとも表面の硬化を進める硬化処理を行う硬化部１２６と、硬化部１２６の硬化処理により硬化の進んだ造形材料層の表面を粗面化する粗面化部１２８とを備える。
【００４０】
このように構成した本実施の形態によれば、粗面化された造形材料層（Ｎ層目）の表面上に、次の造形材料層（Ｎ＋１層目）が形成される。そのため、造形材料層（Ｎ層目）と造形材料層（Ｎ＋１層目）との間における接触面積の増加や、造形材料層（Ｎ層目）の表面（微細な凹凸）に造形材料層（Ｎ＋１層目）を構成する造形材料が入り込むアンカー効果により、造形材料層間の密着力を向上させることができる。したがって、三次元造形物の積層方向における強度の低下を防止することができる。
【００４１】
なお、上記実施の形態において、造形材料に熱硬化性材料を用い、抵抗発熱体等により発熱する加熱部がＵＶランプの代わりに、当該造形材料を加熱することによって硬化処理を行う硬化部１２６として機能しても良い。造形材料に熱硬化性材料を用いた場合にも、「発明が解決しようとする課題」において説明したような問題、すなわち造形材料層の積層方向において三次元造形物の強度が低下するという問題が発生するからである。
【００４２】
また、上記実施の形態では、ヘッドブロック１２０と粗面化部１２８とを別体化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、ヘッドブロック１２０と粗面化部１２８とを一体化しても良い。
【００４３】
また、上記実施の形態では、粗面化部１２８が粗面化ローラー１２８Ａを内部に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、粗面化部１２８は、図５に示すように、表面が所定の凹凸パターンを有するように粗面化され、制御部１１０の制御下において回転駆動可能なベルト部材１２８Ｂ（押圧部材）を筐体１２７の内部に備えても良い。ベルト部材１２８Ｂは、硬化部１２６の硬化処理により硬化した造形材料層の表面を押圧することにより、当該表面を粗面化する。ベルト部材１２８Ｂは、ベルト部材１２８Ｂに対する造形材料層の表面の相対移動方向（図５の左方向）に対してウィズ方向に回転する。
【００４４】
また、粗面化部１２８は、図５に示すように、表面が所定の凹凸パターンを有するように粗面化され、制御部１１０の制御下において回転駆動可能なベルト部材１２８Ｂ（押圧部材）を内部に備えても良い。ベルト部材１２８Ｂは、硬化部１２６の硬化処理により硬化した造形材料層の表面を押圧することにより、当該表面を粗面化する。ベルト部材１２８Ｂは、ベルト部材１２８Ｂに対する造形材料層の表面の相対移動方向（図５の左方向）に対してウィズ方向に回転する。粗面化部１２８内にはベルト部材１２８Ｂを鉛直方向に移動させるための駆動機構１３３が設けられている。
【００４５】
また、粗面化部１２８は、図６に示すように、表面が所定の凹凸パターンを有するように粗面化された板状部材１２８Ｃ（押圧部材）と、板状部材１２８Ｃを図中上下方向に案内する案内ガイド１２９とを内部に備えても良い。板状部材１２８Ｃは、硬化部１２６の硬化処理により硬化した造形材料層の表面を押圧することにより、当該表面を粗面化する。図６Ａは、板状部材１２８Ｃが造形材料層の表面を押圧する前に、基準位置に位置している状態を示している。この状態では、一層分の造形材料層の形成は終了しているものとする。図６Ｂは、板状部材１２８Ｃが案内ガイド１２９を介して図中下方向に移動し、造形材料層の表面を押圧している状態を示している。
【００４６】
その他、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。
【００４７】
最後に、上記実施の形態の構成（変形例を含む）における効果を確認するための評価実験（実施例１〜９、比較例１，２）を行ったので説明する。図７は、実施例および比較例における評価実験の結果を表す表である。本評価実験では、造形材料として紫外線硬化性樹脂「ＶｅｒｏＷｈｉｔｅ  ＲＤＧ８３５」を用いて、インクジェットヘッドから造形材料を吐出し、表面に１．２μｍの平均表面粗さを有する平滑化ローラーで平滑化した後、高圧水銀ランプを用いて光照射した。この後、予め準備した粗面化部材を用いて粗面化した。これらの動作を繰り返すことで造形材料からなる造形材料層を順に積層形成し、所定形状の三次元造形物を造形して試験片とした。ここで、粗面化部材としては、加工用のバイト形状を変化させることでスキューネスを異ならせたＳＵＳ３０３製の、ローラー４種類、ベルト１種類、押圧板１種類を用いた。そして、高圧水銀ランプの光量を変化させ、各押圧部材と図７に示す組み合わせで造形を行い、実施例１〜９の試験片を得た。そして、粗面化後における造形材料層表面の十点平均粗さと、試験片の破断強度とを測定した。また、同じ手順で試験片と同じ高さの積層物を得た後、粗面化前における造形材料層のユニバーサル硬さを測定した。
【００４８】
三次元造形物としての試験片の破断強度を測定するために、本評価実験では、引っ張り方向を積層方向として下記寸法のダンベル形状の試験片を作製した。その後、東洋精機社製「テンシロンＵＴＭ−ＩＩＩ」を用いて、作製した試験片を５０［ｍｍ／ｍｉｎ］の速さで伸長し、試験片が破断したときの破断強度［ＭＰａ］を測定した（ＩＳＯ ５２７−１（ＪＩＳ Ｋ ７１６１））。破断強度の値として、５つの測定値の平均を算出した。そして、実施例１〜９、比較例１、２の試験片の破断強度を下記評価基準により評価した。◎、○、△を実用に適するものとした。
【００４９】
（試験片（平行部）の寸法）
長さ：８０［ｍｍ］
幅：１０［ｍｍ］
厚み：１［ｍｍ］
つかみ間隔：１１５［ｍｍ］
【００５０】
（試験片の破断強度）
◎：３０以上
〇：２０以上３０未満
△：１０以上２０未満
×：１０未満
【００５１】
図７に示すように、実施例１〜９では、比較例１，２に対して破断強度が向上し、三次元造形物としての試験片の積層方向における強度の低下を防止することができるという上記実施の形態の効果を得ることができた。
【符号の説明】
【００５２】
１００  三次元造形装置
１１０  制御部
１２０  ヘッドブロック
１２２  吐出部
１２４  平滑化部
１２６  硬化部
１２８  粗面化部
１２８Ａ  粗面化ローラー
１２８Ｂ  ベルト部材
１２８Ｃ  板状部材
１２９  案内ガイド
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
１５０  データ入力部
１６０  コンピューター装置
２００  三次元造形物
【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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