(57)【要約】【課題】造形物の形成に要する時間を短縮することができる造形装置およびこれによる造形物の製造方法を提供すること。【解決手段】造形装置は、ステージと、照射ユニットと、移動機構と、ステージ回転機構とを具備する。前記照射ユニットは、前記ステージ上に供給された材料の領域に選択的にエネルギー線を照射する。前記移動機構は、少なくとも前記材料の積層方向で、前記ステージと前記照射ユニットとを相対的に移動させる。前記ステージ回転機構は、前記ステージを回転させる。【選択図】図１
2015120261.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステージと、
前記ステージ上に供給された材料の領域に選択的にエネルギー線を照射する照射ユニットと、
少なくとも前記材料の積層方向で、前記ステージと前記照射ユニットとを相対的に移動させる移動機構と、
前記ステージを回転させるステージ回転機構と
を具備する造形装置。
【請求項２】
請求項１に記載の造形装置であって、
前記ステージに向けて凸状の曲面でなる表面を有し、前記ステージに対向することで、前記ステージと前記表面との間に保持領域を形成するように配置され得る規制体をさらに具備し、
前記照射ユニットは、前記保持領域内に保持された前記材料に、前記規制体を介して前記エネルギー線を照射する
造形装置。
【請求項３】
請求項１に記載の造形装置であって、
前記照射ユニットによる照射により形成される前記材料に、エネルギー線を照射する追加照射ユニットをさらに具備する
造形装置。
【請求項４】
請求項１に記載の造形装置であって、
前記移動機構は、前記ステージが有するステージ面に直交する軸、および前記ステージ面に沿う互いに直交する２軸に沿って、前記ステージおよび前記照射ユニットを相対的に移動させる
造形装置。
【請求項５】
請求項１に記載の造形装置であって、
前記ステージが有するステージ面に沿う軸の周りで前記規制体を回転させる規制体回転機構をさらに具備する
造形装置。
【請求項６】
ステージと、
前記ステージ上に供給された材料の領域に選択的にエネルギー線を照射する第１の照射ユニットと、
前記材料の積層方向で、前記ステージと前記照射ユニットとを相対的に移動させる移動機構と、
前記第１の照射ユニットにより照射された前記材料に、エネルギー線を照射する第２の照射ユニットと
を具備する造形装置。
【請求項７】
請求項６に記載の造形装置であって、
前記第２の照射ユニットは、前記第１の照射ユニットの照射による単位時間および単位立体角当たりのエネルギーより大きい、単位時間および単位立体角当たりのエネルギーを持つエネルギー線を前記材料に照射する
造形装置。
【請求項８】
請求項６に記載の造形装置であって、
前記照射ユニットによる照射により硬化した前記材料上に残る未硬化の材料を除去する除去機構をさらに具備する
造形装置。
【請求項９】
ステージと、
複数の固体発光素子で構成された発光アレイを有し、前記ステージ上に供給された材料の領域に選択的に、前記発光アレイにより露光する露光ユニットと
少なくとも前記材料の積層方向で、前記ステージと前記発光アレイとを相対的に移動させる移動機構と
を具備する造形装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の造形装置であって、
前記複数の固体発光素子は、１次元状に配列され、
前記移動機構は、前記複数の固体発光素子の配列方向に直交する方向に沿って、前記ステージおよび前記発光アレイを相対的に移動させる機構をさらに有する
造形装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の造形装置であって、
前記複数の固体発光素子は、２次元状に配列されている
造形装置。
【請求項１２】
ステージと、
前記ステージに向けて凸状の曲面でなる表面を有し、前記ステージに対向することで、前記ステージと前記表面との間に、前記ステージに垂直な方向に形成される最小隙間の位置を含む保持領域を形成するように配置され得る規制体と、
前記保持領域内に保持された材料のうち、前記最小隙間の位置からずれた位置にある材料に、エネルギー線を照射する照射ユニットと、
前記材料の積層方向で、前記ステージおよび前記規制体を相対的に移動させる移動機構と
を具備する造形装置。
【請求項１３】
ステージと、
複数の領域に区画された表面を有し、前記ステージに対向することで、前記表面の前記複数の領域のうち任意の１つの領域と前記ステージとの間に保持領域を形成するように配置され得る規制体と、
前記保持領域に保持された材料に、エネルギー線を照射する照射ユニットと、
前記材料の積層方向で、前記ステージおよび前記規制体を相対的に移動させる移動機構と
を具備する造形装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の造形装置であって、
前記任意の１つの領域である第１の領域と、前記ステージとの間に、第１の材料を供給可能であり、前記任意の１つの領域である、前記第１の領域とは異なる第２の領域と、前記ステージとの間に、前記第１の材料とは異なる第２の材料を供給可能な供給ユニットをさらに具備する
造形装置。
【請求項１５】
請求項１３に記載の造形装置であって、
前記規制体は、前記複数の領域を区画する区画壁を有する
造形装置。
【請求項１６】
造形対象面に向けて凸状の曲面でなる表面を有し、前記造形対象面に対向することで、前記造形対象面と前記表面との間の隙間を含む保持領域を形成するように配置され得る規制体と、
前記保持領域内に保持された材料の領域に選択的にエネルギー線を照射する照射ユニットと、
前記規制体および前記照射ユニットを搭載し、前記造形対象面上を走行する走行体と、
前記走行体に搭載され、前記材料の積層方向で前記規制体を移動させる移動機構と
を具備する造形装置。
【請求項１７】
外面と、第１の空隙と、前記第１の空隙の容積より大きい容積を有する第２の空隙と、前記外面および前記第１の空隙を連通する連通路とを含む第１の材料で構成される構造体と、
前記連通路および前記第１の空隙内に充填され、前記第１の材料とは異なる固体の第２の材料とで構成される充填部と
を具備する造形物。
【請求項１８】
ステージ上に材料を供給し、
前記ステージ上に供給された前記材料の領域にエネルギー線を照射することで、１層以上の前記材料を印刷し、
前記ステージを回転させることにより、または、吸引により、前記印刷で硬化した材料上に残る未硬化の材料を除去し、
前記未硬化の材料の除去後、前記材料の供給の工程、および前記１層以上の前記材料を硬化させる工程を順に行う
造形物の製造方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の造形物の製造方法であって、
前記未硬化の材料の除去後、前記材料の供給前に、前記印刷で硬化した前記材料に、エネルギー線を照射することで、後硬化を行う工程をさらに具備する
造形物の製造方法。
【請求項２０】
エネルギー線を、第１の材料の領域に１層ごとに選択的に照射することにより、外面と、第１の空隙と、前記第１の空隙の容積より大きい容積を有する第２の空隙と、前記外面および前記第１の空隙を連通する連通路とを含む構造体を形成し、
前記第１の空隙内に、前記第１の材料とは異なる第２の材料を、前記連通路を介して毛細管力により充填し、
前記含浸された第２の材料を硬化させる
造形物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光等のエネルギー線で硬化する材料により３次元の物体を形成する造形装置およびこの造形装置による造形物の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
造形装置の主な方式の１つとして、例えば光造形方式は、光硬化性樹脂にレーザ光を部分選択的に照射することにより、樹脂の所望の部分を硬化させて描画し、造形物を形成する方式である。光造形方式の中でも、規制液面法と呼ばれる方式では、光硬化性樹脂の液面が例えば平坦なガラス面により規制され、そのガラスを介して、レーザ光が液面とガラス面との界面にフォーカスされることで描画される。
【０００３】
特許文献１に記載の造形装置は、例えば円筒状のドラムを備え、ドラムと造形ステージとの間に一方向に長いスリット領域を形成して、このスリット領域内で光硬化性材料に光を照射する。これは１次元規制液面法と呼ばれる。これにより、ドラムから材料の硬化層がきれいに剥がすことができる（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−４０７５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、造形装置による造形物の形成に要する時間は長く、生産性が低いという欠点がある。本技術の目的は、造形物の形成に要する時間を短縮することができる造形装置およびこれによる造形物の製造方法を提供することにある。
【０００６】
一方、造形装置による造形精度を高めること、つまり高精度に印刷することの要求は年々高まりつつある。本技術の別の目的は、高精度な造形物を形成することができる造形装置およびこれにおる造形物の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る造形装置は、ステージと、照射ユニットと、移動機構と、ステージ回転機構とを具備する。
前記照射ユニットは、前記ステージ上に供給された材料の領域に選択的にエネルギー線を照射する。
前記移動機構は、少なくとも前記材料の積層方向で、前記ステージと前記照射ユニットとを相対的に移動させる。
前記ステージ回転機構は、前記ステージを回転させる。
【０００８】
移動機構により積層造形が可能となるとともに、ステージの回転により、未硬化の材料を遠心力で振り切り、除去することができる。これにより、洗浄液で未硬化材料を洗い流す等の除去方法に比べ、造形物の形成に要する時間を短縮することができる。
【０００９】
一方、ステージが回転可能であることにより、造形物を回転させながら造形を行うことができる。したがって、平面内での２軸スキャンによる通常の印刷（による１層分の造形）に比べ、造形時間を短縮することができる。
【００１０】
本技術の他の形態に係る造形装置は、ステージと、第１の照射ユニットと、移動機構と、第２の照射ユニットとを具備する。
前記第１の照射ユニットは、前記ステージ上に供給された材料の領域に選択的にエネルギー線を照射する。
前記移動機構は、前記材料の積層方向で、前記ステージと前記照射ユニットとを相対的に移動させる。
前記第２の照射ユニットは、前記第１の照射ユニットにより照射された前記材料に、エネルギー線を照射する。
【００１１】
この造形装置は、第２の照射ユニットにより後硬化処理を行うことにより、高精度な造形物を形成することができる。
【００１２】
本技術の他の形態に係る造形装置は、ステージと、露光ユニットと、移動機構とを具備する。
前記露光ユニットは、複数の固体発光素子で構成された発光アレイを有し、前記ステージ上に供給された材料の領域に選択的に、前記発光アレイにより露光する。
前記移動機構は、少なくとも前記材料の積層方向で、前記ステージと前記発光アレイとを相対的に移動させる。
【００１３】
発光アレイが用いられることにより、露光ユニットの走査方向を減らすことができる。これにより造形物の形成に要する時間を短縮することができる。
【００１４】
本技術の他の形態に係る造形装置は、ステージと、規制体と、照射ユニットと、移動機構とを具備する。
前記規制体は、前記ステージに向けて凸状の曲面でなる表面を有する。前記規制体は、前記ステージに対向することで、前記ステージと前記表面との間に、前記ステージに垂直な方向に形成される最小隙間の位置を含む保持領域を形成するように配置され得る。
前記照射ユニットは、前記保持領域内に保持された材料のうち、前記最小隙間の位置からずれた位置にある材料に、エネルギー線を照射する。
前記移動機構は、前記材料の積層方向で、前記ステージおよび前記規制体を相対的に移動させる。
【００１５】
これにより、高精度な造形物を形成することができる。
【００１６】
本技術の他の形態に係る造形装置は、ステージと、規制体と、照射ユニットと、移動機構とを具備する。
前記規制体は、複数の領域に区画された表面を有する。前記規制体は、前記ステージに対向することで、前記表面の前記複数の領域のうち任意の１つの領域と前記ステージとの間に保持領域を形成するように配置され得る。
前記照射ユニットは、前記保持領域に保持された材料に、エネルギー線を照射する。
前記移動機構は、前記材料の積層方向で、前記ステージおよび前記規制体を相対的に移動させる。
【００１７】
これにより、複数の材料が一体となった高機能な構造体を、高精度に形成することができる。
【００１８】
本技術の他の形態に係る造形装置は、規制体と、照射ユニットと、走行体と、移動機構とを具備する。
前記規制体は、造形対象面に向けて凸状の曲面でなる表面を有する。前記規制体は、前記造形対象面に対向することで、前記造形対象面と前記表面との間の隙間を含む保持領域を形成するように配置され得る。
前記照射ユニットは、前記保持領域内に保持された材料の領域にエネルギー線を照射する。
前記走行体は、前記規制体および前記照射ユニットを搭載し、前記造形対象面上を走行する。
前記移動機構は、前記走行体に搭載され、前記材料の積層方向で前記規制体を移動させる。
【００１９】
これにより、造形装置を大型化することなく、あらゆるサイズの構造体を形成することができる。
【００２０】
本技術の一形態に係る造形物は、第１の材料で構成される構造体と、第２の材料で構成される充填部とを具備する。
前記第１の材料で構成される構造体は、外面と、第１の空隙と、前記第１の空隙の容積より大きい容積を有する第２の空隙と、前記外面および前記第１の空隙を連通する連通路とを含む。
前記第２の材料で構成される充填部は、前記連通路および前記第１の空隙内に充填され、前記第１の材料とは異なる固体の材料である。
【００２１】
本技術の一形態に係る造形物の製造方法は、ステージ上に材料を供給することを含む。
前記ステージ上に供給された前記材料の領域にエネルギー線を照射することで、１層以上の前記材料が印刷される。
前記ステージを回転させることにより、または、吸引により、前記印刷で硬化した材料上に残る未硬化の材料が除去される。
前記未硬化の材料の除去後、前記材料の供給の工程、および前記１層以上の前記材料を硬化させる工程が順に行われる。
【００２２】
本技術の一形態に係る造形物の製造方法は、エネルギー線を、第１の材料の領域に１層ごとに選択的に照射することにより、外面と、第１の空隙と、前記第１の空隙の容積より大きい容積を有する第２の空隙と、前記外面および前記第１の空隙を連通する連通路とを含む構造体を形成することを含む。
前記第１の空隙内に、前記第１の材料とは異なる第２の材料が、前記連通路を介して毛細管力により充填される。
前記充填された第２の材料が硬化される。
【発明の効果】
【００２３】
以上、本技術によれば、造形物の形成に要する時間を短縮することができる。あるいは、高精度な造形物を形成することができる。
【００２４】
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る造形装置を模式的に示す斜視図である。
【図２】図２は、主に露光ヘッドユニットをｙ方向で見た図である。
【図３】図３は、照射ユニットおよびドラムをｘ方向で見た図である。
【図４】図４Ａは、露光時の造形装置の要部をｘ方向で見た図であり、図４Ｂはそれをｙ方向で見た図である。
【図５】図５ＡおよびＢは、回転の遠心力により未硬化材料を除去する動作を示す。
【図６】図６は、回転による未硬化材料の除去の他の形態を示す。
【図７】図７ＡおよびＢは、第２の実施形態に係る造形装置の動作を順に示す。
【図８】図８ＡおよびＢは、図７Ｂに続き、第２の実施形態に係る造形装置の動作を順に示す。
【図９】図９ＡおよびＢは、第３の実施形態に係る造形装置の要部をｘ方向で見た図である。
【図１０】図１０は、第４の実施形態に係る造形装置の要部を示す。
【図１１】図１１は、図１０に示した中空パイプ状の構造体の他の製造方法を示す。
【図１２】図１２ＡおよびＢは、この造形装置による他の造形物の製造方法を示す。
【図１３】図１３は、回転対象形状でない構造体を示す斜視図である。
【図１４】図１４は、図１または１０に示した造形装置によって形成され得る、マイクロ流路を有する構造体を示す斜視図である。
【図１５】図１５ＡおよびＢは、図１４に示す構造体の製造方法を説明する図である。
【図１６】図１６Ａは、参考例として通常の造形法によって形成された、図１４に示した構造体と同様の構造体を示す斜視図である。図１６Ｂは、その構造体のボス部を示す。
【図１７】図１７は、立体メッシュ構造を構成するための単位セル構造を示す斜視図である。
【図１８】図１８は、第５の実施形態に係る造形装置の要部を示す。
【図１９】図１９は、照射位置の最小隙間の位置からのずれ量を定量的に説明するための図である。
【図２０】図２０は、第５の実施形態の変形例を示す。
【図２１】図２１は、第６の実施形態に係る造形装置に用いられるドラムを示す斜視図である。
【図２２】図２２は、図２１に示すドラムの断面図である。
【図２３】図２３は、本技術の一形態に係る構造体を模式的に示す断面図である。
【図２４】図２４は、第８の実施形態に係る造形装置を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照しながら、本技術の実施形態を説明する。
１．造形物の生産性を阻害する要因の考察
【００２７】
１）例えば、造形装置による造形終了後、未硬化の樹脂材料を洗浄液で洗い流し、除去する工程がある。これが造形物の生産性を落とす原因の１つであった。
【００２８】
２）造形装置が元々持つコンセプトとして、造形の対象物が汎用的であり、特定の造形物に最適化されていない点にある。一般的に、光造形は、ほとんどがモックアップ用途であったため、汎用的にどのような形状でも造形できなければならない。また、自由液面法を用いる光造形装置には、構造的に工夫の余地が少ない。
【００２９】
２．第１の実施形態
１）造形装置の全体構成
図１は、第１の実施形態に係る造形装置を模式的に示す斜視図である。造形装置１００は、ワークプレート１３、露光ヘッドユニット３０、移動機構２０、プレート回転機構１２（ステージ回転機構）、θ回転機構１４（規制体回転機構）を備える。
【００３０】
移動機構２０は、ｚ移動機構２６、ｘ移動機構２２、およびｙ移動機構２４を含む。ｘ−ｙ平面が水平面であり、ｚ方向がその水平面に垂直な方向（重力方向）である。本明細書では、「移動機構」は、物体を直進移動させる機構であり、回転移動を行う「回転機構」と区別する。
【００３１】
ワークプレート１３は、造形物の形成するためのステージとして機能する。ワークプレート１３は例えば円盤状に構成されている。図１では、例えば容器状の造形物Ｔがワークプレート１３上に形成されている。
【００３２】
プレート回転機構１２はワークプレート１３に接続されており、ワークプレート１３を回転させる図示しないモータを有する。
【００３３】
ｚ移動機構２６は、モータ等を含む駆動部２６ａを備える。ｚ移動機構２６は、駆動部２６ａの駆動によりワークプレート１３を、このワークプレート１３の表面（ステージ面）に垂直な方向であるｚ方向に沿って移動させることが可能に構成されている。ｚ移動機構２６は、プレート回転機構１２に接続されており、プレート回転機構１２とワークプレート１３とを一体的にｚ方向に移動させる。
【００３４】
なお、ｚ移動機構がワークプレート１３に接続され、プレート回転機構が、このｚ移動機構およびワークプレート１３を一体的に回転するような構成であってもよい。
【００３５】
露光ヘッドユニット３０は、例えばワークプレート１３より下部側に配置されている。すなわちワークプレート１３上の、造形物Ｔが形成される表面は下側に向いている。露光ヘッドユニット３０は、例えば光を照射する照射ユニット（あるいは露光ユニット）４０と、造形物の材料となる光硬化性樹脂（以下、樹脂材料という。）を保持して樹脂材料Ｒの液面を規制する規制体としての円筒状のドラム３５と、このドラム３５を回転可能に支持する支持部３３とを備える。支持部３３には例えばドラム３５を回転させるモータ３１が取り付けられている。
【００３６】
図２は、主に露光ヘッドユニット３０をｙ方向で見た図である。ドラム３５の長手方向（ｘ方向）の一端３５ｂには、モータ３１の駆動軸が、図示しない接続部材を介して接続されている。ドラム３５の一端３５ｂは閉じていてもよい。ドラム３５の他端は開口されている（開口端３５ｃ）。ドラム３５は、ガラスやアクリル等、光が透過する材料で構成される。
【００３７】
照射ユニット４０は、ドラム３５内に配置され、ドラム３５の長手方向に沿って長い形状で設けられている。照射ユニット４０は、複数の固体発光素子として、複数のＬＥＤ（Light Emitting Diode）４１で構成されるＬＥＤアレイ（発光アレイ）４５を備える。複数のＬＥＤは、ドラム３５の長手方向に沿って１次元状に配列される。ＬＥＤアレイ４５は、半導体等の回路基板４３に実装され、回路基板４３は取付部材３６に取り付けられている。取付部材３６は、例えばドラム３５内からその開口端３５ｃを介してドラム３５の外方へ突出し、支持柱３４に接続されている。
【００３８】
図３は、照射ユニット４０およびドラム３５をｘ方向で見た図である。なお、図２、３では、理解をしやすくするために、照射ユニット４０の構成要素（ＬＥＤ４１等）の、ドラム３５に対する大きさの比率を大きくして描いている。
【００３９】
この造形装置１００は、樹脂材料Ｒを供給する供給ユニットの一部である供給ノズル１５を備える。供給ノズル１５は、例えばｘ方向に沿って長く形成され、ドラム３５の上部であってワークプレート１３の近傍の位置に配置されている。供給ノズル１５は、ワークプレート１３とドラム３５の表面３５ａとの間に樹脂材料Ｒを供給する。
【００４０】
供給ノズル１５は長い形状でなくてもよく、その場合、供給ノズル１５をｘ方向に走査する機構が備えられる。
【００４１】
照射ユニット４０は、ＬＥＤアレイ４５から出射した光を、ワークプレート１３（またはワークプレート１３上の形成途中の硬化物）上に供給される樹脂材料Ｒに、ドラム３５の側壁を介して照射する。露光ヘッドユニット３０は、後述するように、ｘ移動機構２２、ｙ移動機構２４およびθ回転機構１４によりこれら３軸の自由度で移動可能である。したがって、露光ヘッドユニット３０は、ドラム３５の表面３５ａをワークプレート１３の表面と対面するように、ドラム３５をワークプレート１３に対して配置させることができる。このようにドラム３５とワークプレート１３とが対向することにより、ドラム３５の表面と、ワークプレート１３（またはワークプレート１３上の形成途中の硬化物）との間に、毛細管力で樹脂材料Ｒを保持する保持領域Ｈが形成される。
【００４２】
ＬＥＤアレイ４５は例えばＬＥＤ４１ごとに集光レンズ４２を備えている。集光レンズ４２群は１次元のマイクロレンズアレイで構成される。これら集光レンズ４２の焦点が保持領域Ｈに保持された樹脂材料Ｒに合致するように、照射ユニット４０およびワークプレート１３の相対位置が設定されている。あるいは、ＬＥＤ４１から出射された拡散光を集光レンズ４２により平行光にするような光学設計によれば、集光レンズ４２の焦点距離に関係なく、照射ユニット４０およびワークプレート１３の距離を決定することができる。マイクロレンズアレイとして、屈折率分布型のロッドレンズアレイが使われる場合もある。
【００４３】
各ＬＥＤ４１のピッチは適宜設定可能であり、例えばサブミリメートルオーダのごく微小なピッチとすることができる。
【００４４】
回路基板４３は、ＬＥＤアレイ４５の各ＬＥＤ４１を個別に駆動するドライバを備えている。ドライバは、例えばこの造形装置１００の全体を制御するホストコンピュータの命令にしたがってＬＥＤ４１を駆動する。すなわちドライバは、複数のＬＥＤ４１のうち、樹脂材料Ｒを硬化させたい領域に対応する１以上のＬＥＤ４１を個別に駆動することにより、選択的に照射（露光）する。
【００４５】
ＬＥＤアレイ４５は、典型的には紫外線を照射する。この場合、樹脂材料として紫外線硬化性樹脂が用いられる。もちろん可視光や赤外線が用いられてもよく、樹脂材料もそれらに応じて適宜変更可能である。
【００４６】
図１に示すように、θ回転機構１４は、ベースステージ１４ａを有し、ベースステージ１４ａに接続された露光ヘッドユニット３０をｙ軸の周りに回転させることが可能に構成されている。露光ヘッドユニット３０の支持部３３のうち、ドラム３５の下側に設けられたベース部が、ベースステージ１４ａの図示しない回転軸に接続されている。ベース部に対する、その回転軸の位置は特に限定されなず、ベース部の中央であってもよいし、中央以外の位置であってもよい。
【００４７】
ｙ移動機構２４は、θ回転機構１４のベースステージ１４ａに接続され、θ回転機構１４および露光ヘッドユニット３０を一体的にｙ方向に移動させるように構成されている。
【００４８】
ｘ移動機構２２は、ｙ移動機構２４に接続され、ｙ移動機構２４、θ回転機構１４、および露光ヘッドユニット３０を一体的にｘ方向に移動させるように構成されている。
【００４９】
なお、造形装置１００は、造形物の形成たのめに、ｚ移動機構２６、ｘ移動機構２２、ｙ移動機構２４、プレート回転機構１２、およびθ回転機構１４のすべてを用いる必要はない。許容される造形時間や造形物の形状等に応じて適宜、造形時に使用される移動機構または回転機構が設定される。
【００５０】
２）造形装置の動作
移動機構２０およびθ回転機構１４の動作により、ワークプレート１３およびドラム３５が、図２に示すような位置に配置される。ワークプレート１３およびドラム３５の表面の間の最小隙間ｇ（図３参照）は、樹脂材料の印刷の１層分の厚さに対応する。すなわち、最小隙間ｇはｚ方向の造形の分解能に対応する。この分解能を低くする場合は最小隙間ｇが大きく設定され、分解能を高くする場合は最小隙間ｇを小さく設定される。作業者は、ホストコンピュータに適宜その設定を入力することができる。
【００５１】
供給ノズル１５から、その最小隙間ｇの位置を含む保持領域Ｈに樹脂材料Ｒが供給される。図４Ａは露光時の造形装置１００の要部をｘ方向で見た図であり、図４Ｂはそれをｙ方向で見た図である。なお、図４ＡおよびＢ以降では、照射ユニット４０を単純化して一方向に長い直方体として描いてる。
【００５２】
図４ＡおよびＢに示すように、ｙ移動機構２４により照射ユニット４０を含む露光ヘッドユニット３０が走査されながら、照射ユニット４０は、ＬＥＤアレイ４５を用いて、保持領域に保持された樹脂材料Ｒの領域に選択的に露光する。ＬＥＤアレイ４５は１次元アレイであるので、その１次元に直交するｙ方向に沿って移動することにより、２次元状に樹脂材料Ｒが露光されて印刷される。露光により硬化した樹脂材料である硬化物Ｔ’を下部からの支えるものは何もないが、硬化物Ｔ’はワークプレート１３に付着して固定されているので落下しない。
【００５３】
露光ヘッドユニット３０がｙ方向に移動している間、モータ３１は、例えばその露光ヘッドユニット３０の移動速度に対応するような、ドラム３５の表面の接線方向の速度を発生させる。なお、ドラム３５が樹脂材料Ｒに密着していることにより、ｙ方向の露光ヘッドユニット３０の移動力で連れられて回転する場合は、モータ３１の動作は不要となる。
【００５４】
図２に示すように、光の照射位置は、保持領域Ｈにおける樹脂材料Ｒのｙ方向の領域のうちの、上記最小隙間ｇの位置か、または、後の実施形態で説明するように、その最小隙間ｇの位置からずれた位置とされる。このように、保持領域Ｈにおける樹脂材料Ｒのｙ方向の領域のうち、光が照射される範囲は、保持領域Ｈに保持された全樹脂材料Ｒのうちごく一部である。したがって、ｙ方向の１回の走査で必要とされる樹脂材料Ｒの量は、保持領域Ｈに保持された樹脂材料の量で十分である。
【００５５】
１層分の樹脂材料の印刷が終了すると、上記の動作を繰り返すことにより、材料が積層されつつ印刷が行われる。この場合、造形装置１００は、１層ごとにｚ移動機構２６の動作によりワークプレート１３を移動（上昇）させながら印刷する。
【００５６】
形成された硬化物Ｔ’の下には支えがないので、移動機構２０によりワークプレート１３からドラム３５が離れることにより、樹脂材料に働く毛細管力が解除され、不要な未硬化の樹脂材料（以下、未硬化材料という。）の大部分は重力により下に流れ落ちる。
【００５７】
１層分または２以上の所定層分の樹脂材料の印刷が終了する。この時点で、図５Ａに示すように、未硬化材料が、硬化物Ｔ’の下部に付着している。図５Ｂに示すように、プレート回転機構１２の動作によりワークプレート１３が回転する。これにより、遠心力により、途中まで形成された硬化物Ｔ’上に残る未硬化材料が周囲に飛散し、除去される。この場合、プレート回転機構１２は、未硬化材料の「除去機構」として機能する。
【００５８】
このように遠心力により樹脂材料が除去されることにより、洗浄液で未硬化材料を洗い流す等の除去方法に比べ、造形物の形成に要する時間を短縮することができる。すなわち、洗浄液を使用する方法は、造形物の生産性を阻害する原因の１つとなっていたが、本技術によれば、造形物の生産性を向上させることができる。
【００５９】
造形物の形成後（造形完了後）、エタノール等の溶剤で造形物を洗浄する際には、その溶剤の使用量を大幅に減らすことができる。
【００６０】
点光源で主走査方向をｘ方向とし副走査方向をｙ方向とした一般的な露光の走査方法に比べ、本実施形態のようにＬＥＤアレイ４５を用いることにより、ｘ方向の走査速度の限界を超えることができる。すなわち、ＬＥＤアレイ４５がｙ方向のみ走査されることにより、短時間で２次元領域を選択露光することができる。
【００６１】
ＬＥＤアレイ４５は多数の発光点を有するため、点光源に比べ、トータルでの光のパワー（つまりエネルギー）が大きくなり、硬化速度をさらに高めるので、造形時間を短縮することができる。
【００６２】
ｘ方向の機械的な走査を行う必要がなく、ドラム３５内の機械を減らすことができるので、ドラム３５の径を小さくすることができたり、機構が簡単になる等の利点がある。
【００６３】
３）未硬化材料の除去動作の変形例
図６は、回転による未硬化材料の除去の他の形態を示す。この造形装置は、プレート回転機構１２を、ワークプレート１３に対して傾斜させる傾斜機構１６を備える。例えばプレート回転機構１２とワークプレート１３との間に、傾斜機構１６が配置される。傾斜機構１６は、所定の角度範囲内の任意の角度で、プレート回転機構１２を傾斜させるように構成されている。これにより、ｚ軸を傾斜させることができる。
【００６４】
図のようにプレート回転機構１２が傾斜された状態で、プレート回転機構１２がワークプレート１３を回転させる。造形物の形状や、造形物のワークプレート１３上の配置によっては、このように回転軸が傾斜している方が効率良く未硬化材料を飛散させることができる。例えば、硬化物Ｔ’の領域のうち、ワークプレート１３のうち中心に近いほど、回転時に働く遠心力が小さくなる。ワークプレート１３に対して回転軸の傾斜が所定の角度に設定されることにより、回転時に、ワークプレート１３の中心位置にある材料に所望の遠心力を与えることができ、未硬化材料を除去することができる。
【００６５】
３．第２の実施形態
次に第２の実施形態について説明する。これ以降の説明では、図１等に示した実施形態に係る造形装置１００が含む部材や機能等について同様のものは説明を簡略化または省略し、異なる点を中心に説明する。
【００６６】
図７Ａ、Ｂ、図８Ａ、Ｂは、第２の実施形態に係る造形装置の動作を順に示し、それぞれｘ方向で見た図である。図７Ａに示すように、この造形装置の露光ヘッドユニット１３０は、選択露光を行う上記の照射ユニット４０（第１の照射ユニット）に加え、追加照射ユニット（第２の照射ユニット）４６をさらに備える。追加照射ユニット４６は、第１の照射ユニット４０と同様に、１次元のＬＥＤアレイを有しているか、または固体発光素子を用いないｘ方向に長いランプであってもよい。
【００６７】
追加照射ユニット４６は、例えばドラム３５の外側であればどこでもよい。また、露光ヘッドユニット１３０と一体的に動くように設けられることにより、造形時間の効率が良く、また別途の移動機構２０を設ける場合に比べ、機構を減らし、造形装置を小型化することができる。
【００６８】
図７ＡおよびＢに示すように、１層以上の所定層分の選択露光プロセスが終了すると、図８ＡおよびＢに順に示すように、追加照射ユニット４６により、硬化物Ｔ’上に残る未硬化材料を硬化させる。
【００６９】
この場合、造形装置は、図７ＡおよびＢで示した選択露光プロセスを、ｙ方向の走査の往路の間に行い、図８ＡおよびＢで示した後硬化（追加照射）を、ｙ方向の走査の復路の間に行ってもよい。これにより造形時間を短縮することができる。
【００７０】
後硬化処理を行うことにより、上述したような溶剤で造形物を洗浄する工程も不要になる。
【００７１】
本実施形態は、上記第１の実施形態と組み合わせてもよい。例えば、図５Ｂに示したようにプレート回転機構１２による未硬化材料の除去後、図８に示した後硬化処理が行われてもよい。
【００７２】
例えば、選択露光時において樹脂材料が完全に硬化する光量で露光するのでなく、形状を維持できる程度の少ない光量で露光し、全層の造形終了後、追加で全体を露光して完全に硬化させる、という方法も考えられる。しかしながら、この場合、追加の全体照射により、造形物が完全硬化するので全体が収縮する。造形物全体の収縮率は、全体ではない所定層数分の樹脂材料の硬化物の収縮率に比べ大きくなる。したがって、この場合、造形精度が低下する場合がある。
【００７３】
これに対しこの第２の実施形態に係る技術では、１層ごと、あるいは数層毎に、後硬化処理を行うことにより、収縮する層は、未完の硬化物Ｔ’の１層あるいは数層の、ごく薄い層に限られるので、寸法の変化は最小限に抑えることができる。これにより、高精度で高品質な造形物を形成することができる。第１の実施形態による回転除去と、この第２の実施形態を組み合わせることにより、造形物の精度をより高めることができる。
【００７４】
追加照射ユニット４６は、第１の照射ユニット４０による単位時間および単位立体角のエネルギーより大きい、単位時間および単位立体角当たりのエネルギーを持つ光を、樹脂材料に照射するようにしてもよい。
【００７５】
追加照射ユニット４６を設けず、後硬化処理のための照射を、第１の照射ユニット４０が行うようにしてもよい。
【００７６】
４．第３の実施形態
図９ＡおよびＢは、第３の実施形態に係る造形装置の要部をｘ方向で見た図である。この造形装置は、露光ヘッドユニット３０と一体で移動可能に、あるいは独立して移動可能に、除去機構の少なくとも一部としての吸引機構５０が設けられている。吸引機構５０は、図示しない減圧機構に接続されており、未硬化材料を吸引するように構成されている。
【００７７】
例えば図に示すように、露光プロセスの途中、すなわち露光ヘッドユニット３０が走査されて移動している間に、吸引機構５０が硬化物Ｔ’に接近し、未硬化材料を吸引して除去する。これにより、造形の時間効率を上げることができる。
【００７８】
吸引機構５０の別の形態として、例えば多孔質体が用いられ、多孔質体が硬化物に押し当てられるようにしてもよい。多孔質体としては、メッシュ体やスポンジが用いられる。
【００７９】
造形物として流路構造体を形成する場合は、ワークプレート１３に空圧用の穴を設けておき、この穴から、造形物の流路に直接、圧縮空気などを送る方法もある。
【００８０】
別の形態に係る除去機構は、エアブロー等を用いて、気体を硬化物に吹き付けるようにして未硬化材料を除去してもよい。
【００８１】
５．第４の実施形態
図１０は、第４の実施形態に係る造形装置の要部を示す。この造形装置は、図１に示した造形装置１００において、例えば長さが短く形成されたドラム１３５を用いている。照射ユニット１４０の長さもそれに合わせて短く形成されている。
【００８２】
造形装置は、例えば中空パイプ状の構造体を形成する場合、ドラム１３５はｘやｙ方向に走査されず静止したままにする。そして、樹脂材料の１層ごとに、プレート回転機構１２がワークプレート１３を回転させながら、照射ユニット４０が露光を行う。１層ごとにワークプレート１３が１回転し、１層分の露光が完了後、ｚ移動機構２６によりワークプレート１３が１層分上昇する。造形装置は、この工程を順に繰り返す。
【００８３】
一般的な造形装置は、ｘ、ｙ方向の走査を要するが、本実施形態に係る造形装置は、ワークプレート１３を回転させるのみで造形物を形成することができる。短時間で、円筒状あるいは容器状の造形物を形成することができる。また、造形装置の構成を簡単にすることができ、造形装置の小型化を実現できる。
【００８４】
図１１は、図１０に示した中空パイプ状の構造体の他の製造方法を示す。本実施形態に係る造形装置は、プレート回転機構１２によりワークプレート１３を回転させ、その回転を連続させ、かつ、ｚ移動機構２６によるワークプレート１３の移動も連続させることにより、照射ユニット１４０は樹脂材料を露光しながらせん状に樹脂材料を積層していく。この場合も、ドラム１３５を静止させたまま露光が行われる。本実施形態では、図１０に示した製造方法に比べ、造形時間をさらに短縮することができる。
【００８５】
なお、この場合、樹脂材料の供給タイミングは適宜設定されればよい。
【００８６】
図１２ＡおよびＢは、この造形装置による他の造形物の製造方法を示す。この造形物Ｔは、中空の球状体（または球形状を利用した容器）である。造形装置は、プレート回転機構１２によりワークプレート１３を回転させながら、また、θ回転機構１４（図１参照）により露光ヘッドユニットを回転させながら樹脂材料を露光し、硬化物を１層ごとに積層していく。すなわち、１層ごとあるいは２以上の所定層ごとに、樹脂材料の積層方向を適宜変更することで、球面や曲面形状を効率良く形成することができる。
【００８７】
この場合、図１１に示したように、造形装置は、ワークプレート１３の回転を連続させて、らせん状に硬化物を積層してもよい。
【００８８】
このような製造方法によれば、自由な曲率の球面や曲面を持つ構造体を、短時間で形成することができる。
【００８９】
図１０、１１、１２Ａ、Ｂに示した構造体は、回転対称形状を有していた。しかしながら、図１０に示した造形装置は、プレート回転機構１２に、θ回転機構１４、ｘ移動機構２２、およびｙ移動機構２４の動作を組み合わせることにより、回転対称形状でない構造体ももちろん形成することができる。
【００９０】
図１３は、その構造体を示す斜視図である。造形装置は、平面を持つ側壁２１０、また、４角に曲面（Ｒ）２２０を有する容器状の非回転対称形状の構造体を形成することができる。例えば、造形装置は、ｘ移動機構２２およびｙ移動機構２４（図１参照）を動作させることにより、平面を持つ側壁２１０を形成することができ、プレート回転機構１２を動作せることにより、曲面２２０の部分を形成することができる。
【００９１】
なお、この場合も、造形装置は、図１０に示したように、１層ごとに樹脂材料を積層してもよいし、あるいは、図１１に示したようにらせん状に樹脂材料を積層してもよい。
【００９２】
図１０〜１２に示した構造体は、図１に示したように長い形状を有するドラム３５を備えた造形装置によっても、もちろん形成され得る。
【００９３】
以上のように、１次元規制液面法を用いる光造形では、樹脂材料を毛細管現象により、トラップするので、造形面の姿勢の自由度が高い。すなわち、床面、壁面、天井面など、あらゆる姿勢で造形が行える。このため、造形装置にさまざまな工夫を行うことができ、造形物の形状の自由度も高い。
【００９４】
また、１次元規制液面法の造形装置では、微細で制御された緻密な立体メッシュ構造を作成可能になる。その応用例として、軽量で剛性の高い構造材の製造が考えられる。このような構造は、上述のような中空パイプ状や球状に形成されることが多い。１次元規制液面法によれば、このような中空パイプや球状の構造の作成に適した、図１や１０に示した造形装置の構成を実現することができる。
【００９５】
図１４は、図１または１０に示した造形装置によって形成され得る、マイクロ流路を有する構造体を示す斜視図である。
【００９６】
この構造体２５０は、直方体状の本体２６０と、この本体２６０の側面に設けられた中空パイプ状のボス部２７０とを備える。本体２６０は、その上面に設けられた穴２６５と、この穴の底部からボス部２７０の内部まで連通するＬ字状の流路２６３とを有する。
【００９７】
造形装置によるこの構造体の具体的な製造方法は、次のような方法である。ここでは、図１に示した造形装置１００による製造方法について説明する。造形装置１００は、照射ユニット４０のｙ方向の移動、および１層ごとの硬化物の積層のためのｚ方向の移動により、流路２６３および穴２６５を有する本体２６０を形成する（図１５Ａ参照）。
【００９８】
次に、造形装置１００は、θ回転機構１４（これに加えさらにｘ移動機構２２を用いる場合もある）により、照射ユニット４０の長手方向がｚ方向に向くように、露光ヘッドユニット３０を回転させる。そして、造形装置１００は、本体２６０の側面上から、ボス部２７０の軸方向（ｘ方向）に沿って１層ごとの積層により、このボス部２７０を形成する（図１５Ｂ参照）。
【００９９】
図１６Ａは、参考例としてｘ、ｙの走査（平面走査）、およびその平面に垂直な方向の樹脂材料の積層（垂直積層）による、通常の造形法によって形成された、図１４に示した構造体と同様の構造体を示す斜視図である。図１６Ｂは、その構造体のボス部を示す。
【０１００】
平面走査および垂直積層を用いる造形法では、その平面内の分解能と垂直面内の分解能とが異なる。垂直面内の分解能は、樹脂材料の１層ごとの厚さ（積層ピッチ）に依存する。このことを利用すると、平面内の分解能を高くし、積層ピッチを厚くして、高速に造形することが可能になる。しかし、この場合は、造形物において平面に平行な分解能は高いが、それに垂直な面の分解能は低くなる。このため、造形物の形状によっては、高速に造形が行えず、また、必要な精度が得られないことがある。
【０１０１】
このようなマイクロ流路構造では、流路やボス部の形状精度が重要になる。図１６Ｂに示すように、ボス部３７０の側面形状やその穴の内面形状が、垂直面内の低分解能の影響を受け、階段状に形成されてしまう。ボス部の場合、本来は、その垂直面内で高分解能を要し、平面内の分解能は不要である。しかし、通常の造形法は、積層方向を変えることはできないので、ボス部３７０を垂直方向に積層して形成する。
【０１０２】
これに対して、図１５Ｂに示すように、本実施形態に係る造形装置１００は、平面内の分解能が高めた本体２６０と、垂直面内の分解能を高めたボス部２７０とを分けて形成することができる。このように、本実施形態では、高分解能を必要とする方向に応じて、適宜その積層方向を変えて造形物を形成することができる。
【０１０３】
また、図１６Ｂに示す例の構造体は、ボス部３７０を支持する支持部３７５を有する。一般に、垂直方向のみの積層造形の場合、下部の層の造形範囲より広い範囲で造形する場合、つまり、ボス部３７０のようなオーバーハングがある場合、このような支持部３７５が不可欠となる。また、造形終了後、この支持部３７５を除去する場合があり、構造体の完成までに時間を要する。
【０１０４】
これに対して、本実施形態に係る造形装置１００は、積層方向を適宜変えることができるので、支持部３７５の形成は不要となる。また、これにより造形時間を短縮することができる。
【０１０５】
図１７は、立体メッシュ構造を構成するための単位セル構造を示す斜視図である。
【０１０６】
本技術による造形装置は、この単位セル構造３００を基本構造として、微細で緻密な立体メッシュ構造を形成することができる。単位セル構造３００は、第１の方向（例えば水平方向）に設けられたハニカム構造３１０と、その第１の方向とは異なる第２の方向（例えば垂直方向）に設けられ、ハニカム構造３１０をつなぐ接続構造３２０とを有する。接続構造３２０は、例えば棒状の部材で形成される。
【０１０７】
このような単位セル構造３００で構成される立体メッシュ構造は、上下方向の剛性は低く、一方、水平方向では剛性が高いという特徴を有する。すなわち、立体メッシュ構造は、剛性の異方性を有する。このように異方性を積極的に利用することにより、一方向に伸縮が容易な高機能な実現することができる。
【０１０８】
図１７に示した単位セル構造３００は、一方向のみに剛性を有する構造体なので、一方向のみの積層方向による造形法であっても、比較的に作りやすい。しかし、一方向のみのな積層方向による一般的な造形法により、例えば複数の異なる方向で、剛性を有する構造体、例えば複数の異なる方向にハニカム構造を形成しようとすると、造形に長時間を要する。これに対し、本技術に係る造形装置によれば、積層方向が自由であるため、それを短時間で形成することができる。
【０１０９】
また、本技術に係る造形装置は、剛性の異方性だけでなく、電磁的特性、光学的特性の異方性を持たせる構造も、簡単に形成することができる。これらはメタマテリアルの分野に応用することができる。
【０１１０】
６．第５の実施形態
図１８は、第５の実施形態に係る造形装置の要部を示す。
【０１１１】
この造形装置に係る照射ユニット４０は、ドラム３５とステージとの距離が最も小さくなる最小隙間ｇ（図２参照）から、ｙ方向でずれた位置にある樹脂材料Ｒに、光を照射するように配置されている。最小隙間を通るｚ軸上の中心線Ｃは、ドラム３５の円筒の半径に沿う線であり、照射位置がこの中心線Ｃからｙ方向にずれるように、照射ユニット４０の位置が設定される。その照射位置は、その中心線Ｃ上の位置にあるドラム３５の部分が、照射位置から遠ざかる方向となる側（図中、中心線Ｃより左側）である。
【０１１２】
このように、照射ユニット４０による照射位置が中心線Ｃからずれて設定されることにより、次のようなメリットがある。
【０１１３】
例えば、硬化する時の収縮率が比較的大きい樹脂材料が使用される場合を想定する。樹脂材料の収縮率が大きいと、最小隙間の位置において、樹脂材料の収縮後、その収縮した材料とドラム３５の表面との間に、周囲の未硬化の樹脂材料（以下、樹脂液という。）が毛細管力により流れ込み、それが中途半端に硬化する。その結果、高精度な硬化面を形成することができない場合がある。
【０１１４】
あるいは、最小隙間位置で樹脂材料が収縮した時に、上記のように樹脂液に働く毛細管力よりも、その樹脂液の粘度や、ドラム３５の表面に対して樹脂液に働く摩擦力が大きい場合、樹脂液は当該最小隙間位置には移動しない。その場合、樹脂材料が収縮した分の体積の領域が真空となる。このような真空領域が形成されると、高精度な造形物を形成できないおそれがある。
【０１１５】
本実施形態に係る造形装置では、最小隙間位置からずれた位置にある樹脂材料Ｒが収縮することにより、その収縮後の硬化物の厚さが、最小隙間と実質的に同じ厚さ（あるいはそれよりわずかに薄い厚さ）となる。すなわち、その収縮後の硬化物の厚さが、最小隙間と実質的に同じ厚さとなる程度に、最小隙間からずれた位置に照射位置が設定される。
【０１１６】
これにより、最小隙間位置への樹脂液の流入や真空領域の発生を抑えることができ、高精度な造形物を形成することができる。
【０１１７】
またこのように、樹脂材料の厚さ方向の収縮の自由度を高めることにより、その分、その厚さ方向に垂直な面内での収縮を抑える効果がある。
【０１１８】
図１９は、照射位置の最小隙間ｇの位置からのずれ量を定量的に説明するための図である。
【０１１９】
図中の円は、ドラム３５の表面３５ａを表す円である。最小隙間の位置からのずれ量dDを求めるものとする。ただし、dD<<Rgとする。
【０１２０】
α：樹脂材料の厚さ方向の収縮率
dH：樹脂材料の収縮厚さ
Ht：樹脂材料の目標膜厚
Rg：円筒の半径
【０１２１】
樹脂材料の収縮は、下記の式（１）で表すことができる。
【数１】
2015120261.tif 000003
幾何では、図１９から下記の式（２）を得ることができる。
【数２】
2015120261.tif 000004
上記式（１）および（２）から、下記の式（３）を得ることができる。
【数３】
2015120261.tif 000005
【０１２２】
図２０は、第５の実施形態の変形例を示す。図１８に示した例において、ドラム１３５に対する照射ユニット４０のｙ方向における位置が固定である場合、造形のためのｙ方向の走査が片道に限られる。そこで、図２０に示す例に係る造形装置は、照射ユニット４０を、ドラム３５に対して、照射ユニットの長手方向に直交する方向（ｙ方向）に移動させる機構（照射位置移動機構）を備える。これにより、照射ユニット４０のｙ方向における位置を、ｙ方向の往路と復路で、中心線Ｃを挟んで交互に変更することで、往復の露光処理が可能となる。その結果、図１８に示した例に比べ、造形時間を短縮することができる。
【０１２３】
また、このような機構により、造形装置は、樹脂材料の積層膜厚に応じて、ｙ方向における最適な照射位置を確保することができる。例えば１つまたは複数の造形物の形成工程で、積層膜厚を変化させる場合、その設定された積層膜厚に応じて、照射位置の最適値を選択することができる。
【０１２４】
７．第６の実施形態
一般に、積層造形では、１つの材料で造形物が形成される。複数の材料で造形物を形成することができれば、その造形物の機能や用途の幅が広がると考えられる。第６の実施形態に係る技術の目的は、複数の材料を使用することができる造形装置およびその造形物の製造方法を提供することにある。
【０１２５】
図２１は、第６の実施形態に係る造形装置に用いられるドラムを示す斜視図である。図２２は、このドラム６０の断面図である。
【０１２６】
このドラム６０は、複数の領域６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃに区画された表面を有し、ワークプレート１３（図１参照）に対向することで、それら領域のうち任意の１つの領域と、ワークプレート１３との間に、樹脂材料の保持領域が形成されるように構成される。
【０１２７】
例えば、ドラム６０の表面には、それら領域を形成するための区画壁６１を有する区画部材６５が設けられている。区画壁６１は、例えばドラム６０の長手方向に沿って延設されたリブ部６１ａと、ドラム６０の表面の円周方向に沿って設けられたリング部６１ｂとを有する。各領域６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃは、これらリブ部６１ａおよびリング部６１ｂにより画定される。
【０１２８】
リブ部６１ａの先端には、その長手方向にわたってフランジ部６２が設けられている。フランジ部６２の突出方向は、円周方向である。このフランジ部６２により、ドラム６０表面、リブ部６１ａ、およびフランジ部６２で囲まれた空間内に樹脂材料Ｒを溜めることができ、樹脂材料Ｒを落下させたり、他の樹脂材料と混ざらないようにすることができる。
【０１２９】
図の例では、各領域６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃは、ドラム６０の円周方向に沿って１２０°ずつ、つまり３等分に分割されて構成されるが、もちろん、２等分であってもよいし、４等分以上であってもよい。また、領域は不等分に分割されていてもよい。
【０１３０】
造形装置、例えば複数の異なる材料を用いて、それらの領域６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃでそれぞれ印刷を行う。複数の異なる材料としては、例えば粘度のる材料、誘電率の異なる複数の材料、あるいは、導電性を持つ材料と持たない材料などがある。
【０１３１】
例えば、造形装置は、複数の領域６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃのうち第１の領域６０Ａをワークプレートの表面に対面させ、それら第１の領域６０Ａとドラム６０の表面との間に形成された保持領域に第１の材料を供給する。そして造形装置は、第１の材料で造形物の第１の部分を形成する。次に、ドラム６０を回転させることで、複数の領域のうち第２の領域６０Ｂをワークプレートの表面に対面させ、それらの間に形成された保持領域に第２の材料を供給する。そして造形装置は、第２の材料で造形物の第２の部分を形成する。
【０１３２】
このような造形装置および製造方法によれば、複数の材料が一体となった高機能な構造体を、高精度に製造することができる。
【０１３３】
複数の樹脂材料を使用するために、例えば特許文献１の図１８、１９に記載のように、複数のドラムを使用し、材料ごとにドラムを変えることが考えられる。しかしながら、この場合、造形装置が大型化することは避けられない。本実施形態によれば、造形装置の小型化を実現しながらも、複数の材料が一体となった高機能な構造体を形成することができる。
【０１３４】
８．第７の実施形態
第７の実施形態に係る技術の目的は、複数の材料を用いて高機能な構造体を製造する方法を提供し、また、その構造体を提供することにある。本技術は、構造体内の複数の空隙のうち、樹脂材料を充填させる空隙と、充填させない空隙とを意図的に制御する「制御含浸」の技術である。
【０１３５】
図２３は、本技術の概念を説明するために、本技術により製造される構造体を模式的に示す断面図である。この構造体（造形物）４００は、複数の材料、例えば２種類の材料で構成される。この構造体４００の第１の材料で構成される部分４１０は、外面４０１と、複数の微小空隙（第１の空隙）４０２と、これらの微小空隙４０２より大きい容積を有する空隙（第２の空隙）４０３と、微小空隙４０２および外面４０１を連通する連通路（図示せず）とを含む。第１の材料とは異なる第２の材料で構成される部分４２０は、連通路および微小空隙４０２内に充填された充填部４０４されている。
【０１３６】
例えば、微小空隙４０２のサイズ（直径など）は数十〜数百μm程度であり、空隙４０３は、例えば数mm以上である。微小空隙４０２のサイズは、使用される第２の材料の種類によって適宜設定される。
【０１３７】
微小空隙４０２は、典型的には、例えば図１７に示したように単位セル構造３００を用いて構成されてもよい。すなわち、微小空隙４０２を形成する第１の材料は、単位セル構造３００による骨格であり、立体メッシュ構造であればよい。
【０１３８】
空隙４０３は、構造体４００が元々設計上持っている空隙であり、中空の構造体を実現するための空隙である。
【０１３９】
この構造体４００の製造方法は、次のようなものである。例えば、上記各実施形態に係る造形装置のうちいずれか１つが、構造体のうち第１の材料でなる造形物を形成する。第１の材料としては、例えば光硬化性樹脂が用いられる。第１の材料でなるこの造形物を、例えば液体の第２の材料に含浸させる。そうすると、外面４０１から連通路を介して毛細管力により、微小空隙４０２に第２の材料が流入する。これにより充填部４０４が形成される。
【０１４０】
空隙４０３は容積が大きいため、第２の材料がその空隙４０３のすべてに充填されることはなく、例えば空隙４０３の表面（内面）にのみ第２の材料が付着する。第２の材料として、例えば熱硬化性樹脂等が用いられる場合、第１の材料で形成される造形物の第２の材料への含浸後に、熱処理を行うことにより、第２の材料が硬化して（固体になり）、構造体が完成する。
【０１４１】
第２の材料として、光硬化性樹脂を用いる必要がなく、材料の選択の幅が広がる。したがって、高機能な構造体を実現することができる。第２の材料として第１の材料より低粘度の材料、あるいは安価な材料が用いられてもよい。あるいは、第２の材料として、第１の材料より比重の小さい材料を用いることにより、構造体の軽量化を図ることができるし、また、空隙４０３に何も充填されない場合に比べ、構造体の剛性を高めることができる。すなわち、高剛性および軽量の両方を実現することができる。
【０１４２】
本実施形態において、第１の材料を構成する部分４１０には、外面４０１と空隙４０３とを連通する連通路（第１の連通路）と、微小空隙４０２と空隙４０３とを連通する連通路（第２の連通路）とが形成されていてもよい。第１の材料でなる造形物を第２の材料に含浸させた場合、外面４０１から第１の連通路および空隙４０３を介して、第２の連通路および微小空隙４０２に第２の材料が充填される。
【０１４３】
このような構造体の構造に加え、上記のように微小空隙４０２と外面４０１とを連通する連通路が設けられていてもよい。
【０１４４】
９．第８の実施形態
一般に、造形装置により形成される構造体として、人が手で持つことができるサイズから例えば自動車のボディようなサイズまで、幅広いサイズを適用可能である。しかし、構造体のサイズが大型化するほど、それに対応して造形ステージを大きくする必要があり、造形装置を大型化せざるを得ない。第８の実施形態に係る技術の目的は、造形装置を大型化することなく、あらゆるサイズの構造体を形成することができる造形装置を提供することにある。
【０１４５】
図２４は、第８の実施形態に係る造形装置を示す側面図である。
【０１４６】
この造形装置１５０は、造形対象面Ｄに対向して配置され得るドラム３５と、このドラム３５を搭載し、造形対象面Ｄを走行する走行体７０とを備える。走行体７０は、本体７８と、本体７８に回転可能に接続された例えば２組（合計４つ）のホイール７５を有する。
【０１４７】
ドラム３５は、本体７８に図示しないモータによって回転可能に取り付けられている。ドラム３５内には、上記各実施形態と同様な照射ユニット４０が設けられている。本体７８には、樹脂材料の積層方向にドラム３５を移動させて、造形対象面Ｄとドラム３５の表面との距離を制御する図示しない移動機構が搭載されている。
【０１４８】
図中、左右のホイール７５の回転軸の高さが異なっている。これは、図中の左右方向（走行体７０の走行方向）における、硬化物Ｔ’の形状の違いや、造形途中の層数の違い等を吸収するためである。このようなホイール７５の高さの違いを吸収する機構として、バネ等が用いられる。
【０１４９】
造形対象面Ｄは、造形物Ｔが形成される対象の面であり、走行体７０が移動できる面であれば、その面積や長さは問わない。
【０１５０】
このように、走行体７０が自走することにより、造形装置よりも大きなサイズの構造体を形成することができる。すなわち造形装置を大型化することなく、あらゆるサイズの構造体を形成することができる。
【０１５１】
応用例として、この造形装置は、例えば建築物の壁等の資材を形成することができる。例えば、造形装置が自身で形成した構造物を基準とし、その基準の構造物の上面を造形対象面Ｄとして、材料を積層していくことができる。
【０１５２】
１０．その他の実施形態
本技術は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。
【０１５３】
上記実施形態では、ｘ移動機構２２、ｙ移動機構２４は、露光ヘッドユニット３０を移動させる機構であり、ｚ移動機構２６は、ワークプレート１３を移動させる機構であった。このような構成に限られず、ｘ、ｙ移動機構２４がワークプレート１３を移動させる機構であり、あるいは、ｚ移動機構２６が露光ヘッドユニット３０を移動させる機構であってもよい。すなわち、露光ヘッドユニット３０とワークプレートとの移動は相対的なものであってよい。
【０１５４】
上記実施形態に係る照射ユニットは、エネルギー線として光を照射するものであった。他のエネルギー線として、例えば、超音波または電子線等が用いられてもよい。
上記実施形態に係る照射ユニットとして、ＬＥＤアレイを有するものが用いられた。しかし、これに限られず、例えばｘ方向にライン状の光を照射可能な照射ユニットとして、例えばロッドレンズによりライン状の光を形成したり、ポリゴンミラーやガルバノミラー等を使用して、ライン方向に走査してライン状の光を形成したりする照射ユニットが用いられてもよい。
例えば図２０で説明した、照射位置移動機構は、光源を移動させるのではなく、上記ポリゴンミラーの取り付け角度や別のミラーの角度を変えることにより、照射位置を変えるようにしてもよい。
【０１５５】
図１８に示した第５の実施形態以外の造形装置による造形ついては、例えばドラムを備えていない造形装置により、すなわち１次元規制液面法を用いずに、他の一般的な光造形法を用いて造形物を形成してもよい。
【０１５６】
上記照射ユニットは、１次元のＬＥＤアレイを備えていたが、２次元ＬＥＤアレイを備えていてもよい。あるいは、照射ユニット４０は、１点に照射する０次元の光源を有し、この光源を少なくともｘおよびｙ方向の２軸で走査して印刷してもよい。
【０１５７】
規制体の形状を円筒状、つまりドラム形状とした。しかし、規制体は円筒体の一部で構成されていてもよい。あるいは、規制体のｘ方向で見た表面の形状、円以外にも、楕円や放物線など、円錐曲線であってもよく、すなわち、ワークプレート１３に向けて凸状の曲面を有してればどのような形状でもよい。
【０１５８】
上記実施形態に係る造形装置は、材料を保持領域Ｈに供給する供給ユニットを備えていたが、作業者の手作業により材料を保持領域に供給してもよい。
【０１５９】
以上説明した各形態の特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を組み合わせることも可能である。
【０１６０】
本技術は以下のような構成もとることができる。
（１）
ステージと、
前記ステージ上に供給された材料の領域に選択的にエネルギー線を照射する照射ユニットと、
少なくとも前記材料の積層方向で、前記ステージと前記照射ユニットとを相対的に移動させる移動機構と、
前記ステージを回転させるステージ回転機構と
を具備する造形装置。
（２）
（１）に記載の造形装置であって、
前記ステージに向けて凸状の曲面でなる表面を有し、前記ステージに対向することで、前記ステージと前記表面との間に保持領域を形成するように配置され得る規制体をさらに具備し、
前記照射ユニットは、前記保持領域内に保持された前記材料に、前記規制体を介して前記エネルギー線を照射する
造形装置。
（３）
（１）または（２）のうちいずれか１つにに記載の造形装置であって、
前記照射ユニットによる照射により形成される前記材料に、エネルギー線を照射する追加照射ユニットをさらに具備する
造形装置。
（４）
（１）から（３）のうちいずれか１つに記載の造形装置であって、
前記移動機構は、前記ステージが有するステージ面に直交する軸、および前記ステージ面に沿う互いに直交する２軸に沿って、前記ステージおよび前記照射ユニットを相対的に移動させる
造形装置。
（５）
（１）に記載の造形装置であって、
前記ステージが有するステージ面に沿う軸の周りで前記規制体を回転させる規制体回転機構をさらに具備する
造形装置。
（６）
ステージと、
前記ステージ上に供給された材料の領域に選択的にエネルギー線を照射する第１の照射ユニットと、
前記材料の積層方向で、前記ステージと前記照射ユニットとを相対的に移動させる移動機構と、
前記第１の照射ユニットにより照射された前記材料に、エネルギー線を照射する第２の照射ユニットと
を具備する造形装置。
（７）
（６）に記載の造形装置であって、
前記第２の照射ユニットは、前記第１の照射ユニットの照射による単位時間および単位立体角当たりのエネルギーより大きい、単位時間および単位立体角当たりのエネルギーを持つエネルギー線を前記材料に照射する
造形装置。
（８）
（６）に記載の造形装置であって、
前記照射ユニットによる照射により硬化した前記材料上に残る未硬化の材料を除去する除去機構をさらに具備する
造形装置。
（９）
ステージと、
複数の固体発光素子で構成された発光アレイを有し、前記ステージ上に供給された材料の領域に選択的に、前記発光アレイにより露光する露光ユニットと
少なくとも前記材料の積層方向で、前記ステージと前記発光アレイとを相対的に移動させる移動機構と
を具備する造形装置。
（１０）
（９）に記載の造形装置であって、
前記複数の固体発光素子は、１次元状に配列され、
前記移動機構は、前記複数の固体発光素子の配列方向に直交する方向に沿って、前記ステージおよび前記発光アレイを相対的に移動させる機構をさらに有する
造形装置。
（１１）
（９）に記載の造形装置であって、
前記複数の固体発光素子は、２次元状に配列されている
造形装置。
（１２）
ステージと、
前記ステージに向けて凸状の曲面でなる表面を有し、前記ステージに対向することで、前記ステージと前記表面との間に、前記ステージに垂直な方向に形成される最小隙間の位置を含む保持領域を形成するように配置され得る規制体と、
前記保持領域内に保持された材料のうち、前記最小隙間の位置からずれた位置にある材料に、エネルギー線を照射する照射ユニットと、
前記材料の積層方向で、前記ステージおよび前記規制体を相対的に移動させる移動機構と
を具備する造形装置。
（１３）
（１２）に記載の造形装置であって、
前記照射ユニットによるエネルギー線の照射位置を、前記規制体に対して、前記最小隙間の位置からのずれの方向に移動させる照射位置移動機構をさらに具備する
造形装置。
（１４）
（１２）または（１３）に記載の造形装置であって、
前記規制体の表面は、円筒状の面であり、
前記照射ユニットは、光を照射するように構成され、
前記材料が光硬化性樹脂である場合、前記光硬化性樹脂の厚さ方向の収縮率をα、その収縮厚さをdH、前記光硬化性樹脂の目標膜厚をHt、前記円筒の半径をRg、前記最小隙間の位置からのずれ量をdDとし、dD<<Rgの場合、以下の式を満たす
【数４】
2015120261.tif 000006
造形装置。
（１５）
ステージと、
複数の領域に区画された表面を有し、前記ステージに対向することで、前記表面の前記複数の領域のうち任意の１つの領域と前記ステージとの間に保持領域を形成するように配置され得る規制体と、
前記保持領域に保持された材料に、エネルギー線を照射する照射ユニットと、
前記材料の積層方向で、前記ステージおよび前記規制体を相対的に移動させる移動機構と
を具備する造形装置。
（１６）
（１５）に記載の造形装置であって、
前記任意の１つの領域である第１の領域と、前記ステージとの間に、第１の材料を供給可能であり、前記任意の１つの領域である、前記第１の領域とは異なる第２の領域と、前記ステージとの間に、前記第１の材料とは異なる第２の材料を供給可能な供給ユニットをさらに具備する
造形装置。
（１７）
（１５）または（１６）に記載の造形装置であって、
前記規制体は、前記複数の領域を区画する区画壁を有する
造形装置。
（１８）
造形対象面に向けて凸状の曲面でなる表面を有し、前記造形対象面に対向することで、前記造形対象面と前記表面との間の隙間を含む保持領域を形成するように配置され得る規制体と、
前記保持領域内に保持された材料の領域に選択的にエネルギー線を照射する照射ユニットと、
前記規制体および前記照射ユニットを搭載し、前記造形対象面を走行する走行体と、
前記材料の積層方向で前記規制体を移動させる移動機構と
を具備する造形装置。
（１９）
外面と、第１の空隙と、前記第１の空隙の容積より大きい容積を有する第２の空隙と、前記外面および前記第１の空隙を連通する連通路とを含む第１の材料で構成される構造体と、
前記連通路および前記第１の空隙内に充填され、前記第１の材料とは異なる固体の第２の材料と
を具備する造形物。
（２０）
外面と、第１の空隙と、前記第１の空隙の容積より大きい容積を有する第２の空隙と、前記外面および前記第２の空隙を連通する第１の連通路と、前記第１の空隙および前記第２の空隙を連通する第２の連通路とを含む第１の材料で構成される構造体と、
前記第２の連通路および前記第１の空隙内に充填され、前記第１の材料とは異なる固体の第２の材料とで構成される充填部と
を具備する造形物。
（２１）
ステージ上に材料を供給し、
前記ステージ上に供給された前記材料の領域にエネルギー線を照射することで、１層以上の前記材料を印刷し、
前記ステージを回転させることにより、または、吸引により、前記印刷で硬化した材料上に残る未硬化の材料を除去し、
前記未硬化の材料の除去後、前記材料の供給の工程、および前記１層以上の前記材料を硬化させる工程を順に行う
造形物の製造方法。
（２２）
（２１）に記載の造形物の製造方法であって、
前記未硬化の材料の除去後、前記材料の供給前に、前記印刷で硬化した前記材料に、エネルギー線を照射することで、後硬化を行う工程をさらに具備する
造形物の製造方法。
（２３）
エネルギー線を、第１の材料の領域に１層ごとに選択的に照射することにより、外面と、第１の空隙と、前記第１の空隙の容積より大きい容積を有する第２の空隙と、前記外面および前記第２の空隙を連通する第１の連通路と、前記第１の空隙および前記第２の空隙を連通する第２の連通路とを含む構造体を形成し、
前記第１の空隙内に、前記第１の材料とは異なる第２の材料を、前記第１の連通路および前記第２の連通路を介して毛細管力により充填し、
前記充填された第２の材料を硬化させる
造形物の製造方法。
（２４）
エネルギー線を、第１の材料の領域に１層ごとに選択的に照射することにより、外面と、第１の空隙と、前記第１の空隙の容積より大きい容積を有する第２の空隙と、前記外面および前記第１の空隙を連通する連通路とを含む構造体を形成し、
前記第１の空隙内に、前記第１の材料とは異なる第２の材料を、前記連通路を介して毛細管力により充填し、
前記含浸された第２の材料を硬化させる
造形物の製造方法。
（２５）
ステージ上に材料を供給し、
前記ステージ上に供給された前記材料の領域に選択的にエネルギー線を照射することで、１層以上の前記材料を印刷し、
前記印刷されて得られる前記材料にさらにエネルギー線を照射することで、後硬化を行い、
前記後硬化の後、前記ステージ上に供給された材料の領域に選択的にエネルギー線を照射することで、１層以上の前記材料を印刷する
造形物の製造方法。
（２６）
ステージ上に材料を供給し、
複数の固体発光素子で構成された発光アレイにより、前記ステージ上に供給された前記材料の領域に選択的に露光し、
前記材料の積層方向で、前記ステージおよび前記発光アレイを相対的に移動させる
造形物の製造方法。
（２７）
ステージと、
前記ステージに向けて凸状の曲面でなる表面を有し、前記ステージに対向することで、前記ステージと前記表面との間に、前記ステージに垂直な方向に形成される最小隙間の位置を含む保持領域を形成するように配置され得る規制体とを具備する造形装置による造形物の製造方法であって、
前記ステージ上に材料を供給し、
照射ユニットにより、前記保持領域内に保持された材料のうち、前記最小隙間の位置からずれた位置にある材料に、エネルギー線を照射し、
前記材料の積層方向で、前記ステージおよび前記規制体を相対的に移動させる
造形物の製造方法。
（２８）
複数の領域に区画された表面を有する規制体を前記ステージに対向させることで、前記表面の前記複数の領域のうち任意の１つの領域である第１の領域と前記ステージとの間に保持領域を形成し、
前記保持領域内に第１の材料を供給し、
前記保持領域内に保持された前記第１の材料の領域に選択的にエネルギー線を照射することで、第１の材料で構成される１層以上の第１の構造体を形成し、
前記規制体を前記ステージに対向させることで、前記複数の領域のうち任意の１つの領域である、前記第１の領域とは異なる第２の領域と、前記ステージとの間に保持領域を形成し、
前記保持領域内に、前記第１の材料とは異なる第２の材料を供給し、
前記保持領域内に保持された前記第２の材料の領域に選択的にエネルギー線を照射することで、第２の材料で構成される１層以上の第２の構造体を前記第１の構造体上に形成する
造形物の製造方法。
（２９）
造形対象面に向けて凸状の曲面でなる表面を有する規制体を、前記造形対象面に対向させることで、前記造形対象面と前記表面との間の隙間を含む保持領域を形成し、
前記保持領域内に保持された材料の領域に選択的にエネルギー線を照射しながら、前記規制体および前記照射ユニットを搭載した走行体を、前記造形対象面上を走行させ、
前記材料の積層方向で前記規制体を移動させる
造形物の製造方法。
【符号の説明】
【０１６１】
１２…プレート回転機構
１３…ワークプレート
１４…θ回転機構
１５…供給ノズル
２０…移動機構
２２…ｘ移動機構
２４…ｙ移動機構
２６…ｚ移動機構
３０、１３０…露光ヘッドユニット
３５、６０、１３５…ドラム
３５ａ…ドラムの表面
４０、１４０…照射ユニット（第１の照射ユニット）
４１…ＬＥＤ
４５…ＬＥＤアレイ
４６…照射ユニット（第２の照射ユニット）
５０…吸引機構
６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ…領域
６１…区画壁
７０…走行体
１００、１５０…造形装置
４００…構造体（造形物）
４０１…外面
４０２…微小空隙
４０３…空隙
４０４…充填部
【図１】
2015120261.tif 000007
【図２】
2015120261.tif 000008
【図３】
2015120261.tif 000009
【図４】
2015120261.tif 000010
【図５】
2015120261.tif 000011
【図６】
2015120261.tif 000012
【図７】
2015120261.tif 000013
【図８】
2015120261.tif 000014
【図９】
2015120261.tif 000015
【図１０】
2015120261.tif 000016
【図１１】
2015120261.tif 000017
【図１２】
2015120261.tif 000018
【図１３】
2015120261.tif 000019
【図１４】
2015120261.tif 000020
【図１５】
2015120261.tif 000021
【図１６】
2015120261.tif 000022
【図１８】
2015120261.tif 000023
【図１９】
2015120261.tif 000024
【図２０】
2015120261.tif 000025
【図２１】
2015120261.tif 000026
【図２２】
2015120261.tif 000027
【図２３】
2015120261.tif 000028
【図２４】
2015120261.tif 000029
【図１７】
2015120261.tif 000030