(57)【要約】【課題】ユーザーが所望する表面粗さを有する三次元造形物を造形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、モデル材を吐出してモデル材領域２１０を形成するモデル材領域形成部（第１吐出ヘッド１２２等）と、サポート材を吐出してサポート材領域２２０を形成するサポート材領域形成部（第２吐出ヘッド１２４等）と、サポート材領域２２０が形成された後、かつ、モデル材領域２１０が形成される前に、光エネルギーを付与してサポート材領域２２０を硬化させる光源１２６と、光エネルギー量を変化させることにより、モデル材領域２１０が形成される際、モデル材領域２１０とサポート材領域２２０との界面部２３０におけるモデル材とサポート材との混合度合いを調整する制御部１１０とを備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギー硬化性の第１造形材からなる第１造形材領域と、造形中は当該第１造形材に接しており造形完了後に取り除かれる、エネルギー硬化性の第２造形材からなる第２造形材領域とを有する造形材層を含む複数の造形材層が積層される造形ステージと、
前記第１造形材を吐出して前記第１造形材領域を形成する第１造形材領域形成部と、
前記第２造形材を吐出して前記第２造形材領域を形成する第２造形材領域形成部と、
前記第１造形材領域および前記第２造形材領域のうち少なくとも一方の領域に対して、当該一方の領域を硬化させるためのエネルギーを付与するエネルギー付与装置と、
少なくとも前記エネルギー付与装置を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記一方の領域が形成された後、かつ、前記第１造形材領域および前記第２造形材領域のうち他方の領域が形成される前に、前記一方の領域に対して付与するエネルギー量を変化させることにより、前記他方の領域が形成される際に形成される、前記第１造形材領域と前記第２造形材領域との界面部における前記第１造形材と前記第２造形材との混合度合いを調整する、
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、所定量の前記エネルギーを付与する時間を変化させることにより、前記エネルギー量を変化させ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】
前記制御部は、前記エネルギーの強さを変化させることにより、前記エネルギー量を変化させ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４】
前記造形材層に向けて超音波を照射する超音波照射部をさらに備え、
前記制御部は、前記界面部が形成された後に、前記超音波照射部を制御して、前記エネルギー量に加えて前記界面部に照射する前記超音波の強さを変化させることにより、前記混合度合いを調整することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の三次元造形装置。
【請求項５】
前記造形材層に向けて超音波を照射する超音波照射部をさらに備え、
前記制御部は、前記界面部が形成された後に、前記超音波照射部を制御して、前記エネルギー量に加えて前記界面部に照射する前記超音波の照射時間を変化させることにより、前記混合度合いを調整することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の三次元造形装置。
【請求項６】
前記造形ステージ周囲の温度を調整する温度調整部をさらに備え、
前記制御部は、前記界面部が形成された後に、前記温度調整部を制御して、前記エネルギー量に加えて前記造形ステージ周囲の温度を変化させることにより、前記混合度合いを調整することを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の三次元造形装置。
【請求項７】
前記第１造形材および前記第２造形材は、いずれも光硬化性樹脂であり、
前記エネルギー付与装置は、光を照射することによって前記エネルギーを前記一方の領域に付与す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】
造形すべき三次元造形物の表面状態に関する情報を受け取る情報受取部をさらに備え、  前記制御部は、前記情報受取部が受け取った前記情報に基づいて、前記一方の領域に対して付与されるエネルギー量を変化させる請求項１〜７の何れか１項に記載の三次元造形装置。
【請求項９】
エネルギー硬化性の第１造形材からなる第１造形材領域と、当該第１造形材に接しており造形完了後には取り除かれる、エネルギー硬化性の第２造形材からなる第２造形材領域とを有する造形材層を含む複数の造形材層が積層される造形ステージと、
前記第１造形材を吐出して前記第１造形材領域を形成する第１造形材領域形成部と、
前記第２造形材を吐出して前記第２造形材領域を形成する第２造形材領域形成部と、
前記第１造形材領域および前記第２造形材領域のうち少なくとも一方の領域に対して、当該一方の領域を硬化させるための第１のエネルギーを付与する第１エネルギー付与装置と、
第２のエネルギーを前記造形材層に付与する第２エネルギー付与装置と、
少なくとも前記第１及び第２エネルギー付与装置を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記一方の領域が形成された後、前記一方の領域に対して前記第１のエネルギーを付与して半硬化させ、半硬化された前記一方の領域に接するように前記第１造形材領域および前記第２造形材領域のうち他方が形成された後に、前記第１造形材領域と前記第２造形材領域との界面部に付与する前記第２のエネルギー量を変化させることにより、前記界面部における前記第１造形材と前記第２造形材との混合度合いを調整する、
ことを特徴とする三次元造形装置。
【請求項１０】
造形すべき三次元造形物の表面状態に関する情報を受け取り、
エネルギー硬化性の第１造形材からなる第１造形材領域、および、造形中は前記第１造形領域に接して造形完了後には取り除かれるエネルギー硬化性の第２造形材からなる第２造形材領域のうち一方の領域を形成し、
前記情報に基づいて調整された量のエネルギーを前記一方の領域に付与して硬化を進行させ、
前記第１造形材領域および前記第２造形材領域のうち他方の領域を、エネルギーが付与された前記一方の領域に接するように形成して、前記第２造形材領域に面する前記第１造形材領域の界面部を前記情報に対応する表面状態となすことを特徴とする三次元造形方法。
【請求項１１】
前記第１造形材および前記第２造形材はいずれも光硬化性樹脂であり、光を照射することによって前記エネルギーを前記一方の領域に付与す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、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例えば光硬化性樹脂のモデル材を吐出する工程、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照射工程）によって一層分の造形材層（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た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）を有している場合等に、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】
一般にインクジェット方式による三次元造形装置として、モデル材およびサポート材を共に液体で吐出するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような三次元造形装置では、モデル材とサポート材の双方をインクジェット方式で精密に形成することができ、形状再現性に優れた三次元造形物が得られやすい。
【０００６】
一方、最近では、三次元造形物の全体的な形状再現性のみならず、三次元造形物の表面状態についても制御できることが求められるようになっている。例えば、製品（三次元造形物）のグリップ感を最適化するために、表面粗さを作り分けた複数の試作品の作製が求められる場面が挙げられる。そのような場面においては、ユーザーの狙い通りに三次元造形物の表面粗さを作り分けられることが求められる。
【０００７】
例えば、特許文献１には、モデル材とサポート材を同時に吐出せず、いずれか一方のみを吐出、硬化させることで、同一ライン上で隣接するモデル材とサポート材との界面が共に未硬化となって混合する事態を回避する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２−９６４２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、これまでは、表面粗さをユーザーの意図するように制御し得る三次元造形装置は十分に検討がなされていないのが実情である。例えば、上記特許文献１には、モデル材とサポート材を同時に吐出せず、いずれか一方のみを吐出、硬化させることで、同一ライン上で隣接するモデル材とサポート材との界面が共に未硬化となって混合する事態を回避する技術が開示されている。特許文献１においては、隣接するモデル材とサポート材との界面部で両者が混合して混合部を生じると、造形品質の低下やサポート材の除去困難性を招くものとされており、これを防止するために、一方を吐出した後に硬化して混合部を生じないようにしている。従って、特許文献１に記載される技術では、最終的に得られる造形物の表面粗さを、ユーザーの意図するように制御することは困難である。
【００１０】
本発明の目的は、ユーザーが所望する表面粗さを有する三次元造形物を造形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】
【００１１】
本発明に係る三次元造形装置は、
エネルギー硬化性の第１造形材からなる第１造形材領域と、造形中は当該第１造形材に接しており造形完了後に取り除かれる、エネルギー硬化性の第２造形材からなる第２造形材領域とを有する造形材層を含む複数の造形材層が積層される造形ステージと、
前記第１造形材を吐出して前記第１造形材領域を形成する第１造形材領域形成部と、
前記第２造形材を吐出して前記第２造形材領域を形成する第２造形材領域形成部と、
前記第１造形材領域および前記第２造形材領域のうち少なくとも一方の領域に対して、当該一方の領域を硬化させるためのエネルギーを付与するエネルギー付与装置と、
少なくとも前記エネルギー付与装置を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記一方の領域が形成された後、かつ、前記第１造形材領域および前記第２造形材領域のうち他方の領域が形成される前に、前記一方の領域に対して付与するエネルギー量を変化させることにより、前記他方の領域が形成される際に形成される、前記第１造形材領域と前記第２造形材領域との界面部における前記第１造形材と前記第２造形材との混合度合いを調整する、
ことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る三次元造形装置は、
エネルギー硬化性の第１造形材からなる第１造形材領域と、当該第１造形材に接しており造形完了後には取り除かれる、エネルギー硬化性の第２造形材からなる第２造形材領域とを有する造形材層を含む複数の造形材層が積層される造形ステージと、
前記第１造形材を吐出して前記第１造形材領域を形成する第１造形材領域形成部と、
前記第２造形材を吐出して前記第２造形材領域を形成する第２造形材領域形成部と、
前記第１造形材領域および前記第２造形材領域のうち少なくとも一方の領域に対して、当該一方の領域を硬化させるための第１のエネルギーを付与する第１エネルギー付与装置と、
第２のエネルギーを前記造形材層に付与する第２エネルギー付与装置と、
少なくとも前記第１及び第２エネルギー付与装置を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記一方の領域が形成された後、前記一方の領域に対して前記第１のエネルギーを付与して半硬化させ、半硬化された前記一方の領域に接するように前記第１造形材領域および前記第２造形材領域のうち他方が形成された後に、前記第１造形材領域と前記第２造形材領域との界面部に付与する前記第２のエネルギー量を変化させることにより、前記界面部における前記第１造形材と前記第２造形材との混合度合いを調整する、
ことを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る三次元造形方法は、
造形すべき三次元造形物の表面状態に関する情報を受け取り、
エネルギー硬化性の第１造形材からなる第１造形材領域、および、造形中は前記第１造形領域に接して造形完了後には取り除かれるエネルギー硬化性の第２造形材からなる第２造形材領域のうち一方の領域を形成し、
前記情報に基づいて調整された量のエネルギーを前記一方の領域に付与して硬化を進行させ、
前記第１造形材領域および前記第２造形材領域のうち他方の領域を、エネルギーが付与された前記一方の領域に接するように形成して、前記第２造形材領域に面する前記第１造形材領域の界面部を前記情報に対応する表面状態となすことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、第１造形材領域と第２造形材領域との界面部における第１造形材と第２造形材との混合度合いを調整することが可能となるため、硬化が完了した後に当該界面部に残る凹凸度合いを調整することができる。したがって、第２造形材領域が除去された最終的な三次元造形物の表面（すなわち、第１造形材領域と第２造形材領域との界面部）における表面状態を制御することができる。つまり、ユーザーが所望する表面状態を有する三次元造形物を造形することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１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】第１の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】第１の実施の形態に係るヘッドユニットの構成を示す図である。
【図４】第１の実施の形態に係る三次元造形装置の三次元造形動作例を説明する図である。
【図５】第１の実施の形態に係る三次元造形装置の三次元造形動作例を説明する図である。
【図６】第１の実施の形態に係る三次元造形装置の三次元造形動作例を説明する図である。
【図７】第１の実施の形態に係る三次元造形物の表面粗さを指定する動作例を示すフローチャートである。
【図８】第２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９】第２の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１０】第２の実施の形態に係る超音波照射ユニットの構成を示す図である。
【図１１】第２の実施の形態に係る三次元造形装置の三次元造形動作例を説明する図である。
【図１２】第２の実施の形態に係る三次元造形装置の三次元造形動作例を説明する図である。
【図１３】第２の実施の形態に係る三次元造形装置の三次元造形動作例を説明する図である。
【図１４】第２の実施の形態に係る三次元造形物の表面粗さを指定する動作例を示すフローチャートである。
【図１５】造形ステージの下方に設けられる温度調整部の構成を示す図である。
【図１６】第１および第２の実施の形態に係るヘッドユニットの構成の変形例を示す図である。
【図１７】三次元造形装置の三次元造形動作例を説明する図である。
【図１８】三次元造形装置の三次元造形動作例を説明する図である。
【図１９】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】
【００１６】
＜第１の実施の形態＞
以下、第１の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、第１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、第１の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、精度の高い造形物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。
【００１７】
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や表面粗さ指定情報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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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、造形材層の一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。
【００２１】
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１２６の制御も行う。
【００２２】
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の表面粗さの指定は、この操作部１６０の操作によって行われる。
【００２３】
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。
【００２４】
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１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。
【００２５】
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１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。
【００２６】
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。
【００２７】
ヘッドユニット１２０は、図２，３に示すように、インクジェット方式の第１吐出ヘッド１２２および第２吐出ヘッド１２４、平滑化装置１２５および光源１２６（硬化部として機能）を筐体１２１の内部に備える。第１吐出ヘッド１２２は、造形材層のうちモデル材領域を形成するためのモデル材領域形成部の一部を構成しており、第２吐出ヘッド１２４は、造形材層のうちサポート材領域を形成するためのサポート材領域形成部の一部を構成している。
【００２８】
第１吐出ヘッド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。第１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モデル材の液滴を選択的に吐出する。第１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。
【００２９】
第２吐出ヘッド１２４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１２４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１２４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。
【００３０】
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１２２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１２４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造形が行われる。すなわち、制御部１１０、移動機構１３０、ヘッドユニット１２０、第１吐出ヘッド１２２等によってモデル材領域を形成するためのモデル材領域形成部が構成され、制御部１１０、移動機構１３０、ヘッドユニット１２０、第２吐出ヘッド１２４等によってサポート材領域を形成するためのサポート材領域形成部が構成される。
【００３１】
第１吐出ヘッド１２２および第２吐出ヘッド１２４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１２２および第２吐出ヘッド１２４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。
【００３２】
第１吐出ヘッド１２２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１２２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。
【００３３】
第２吐出ヘッド１２４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、親水性置換基を有するアクリル化オリゴマ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。
【００３４】
モデル材およびサポート材は、第１吐出ヘッド１２２および第２吐出ヘッド１２４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。
【００３５】
平滑化装置１２５は、均しローラー１２５Ａ、掻き取り部材１２５Ｂ（ブレード）および回収部材１２５Ｃを筐体１２１の内部に備える。均しローラー１２５Ａは、制御部１１０の制御下において回転駆動可能であり、第１吐出ヘッド１２２および第２吐出ヘッド１２４により吐出されたモデル材表面およびサポート材表面に接触してモデル材表面およびサポート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（モデル材領域およびサポート材領域）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１２５Ａの表面に付着したモデル材およびサポート材は、均しローラー１２５Ａの近傍に設けられた掻き取り部材１２５Ｂによって掻き取られる。掻き取り部材１２５Ｂによって掻き取られたモデル材およびサポート材は、回収部材１２５Ｃによって回収される。なお、掻き取り部材１２５Ｂによって掻き取られたモデル材やサポート材は、第１吐出ヘッド１２２や第２吐出ヘッド１２４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。
【００３６】
エネルギー付与装置としての光源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１２６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。光源１２６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１２６に加える電圧や電流等を調整して光源１２６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１２６と造形材との間に、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。
【００３７】
次に、模式的に示した図４〜６を参照し、三次元造形装置１００が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を造形する動作例について説明する。図４Ａに示すように、三次元造形装置１００が、造形ステージ１４０上にモデル材領域およびサポート材領域を有する造形材層を順に形成して積層することによって、４層分の造形材層からなる三次元造形物２００（図中破線部分、以下同じ）を造形する場合について説明する。本実施の形態においては、予め、ユーザーが操作部１６０のテンキーと実行キーの操作等によって、最終的に得られる三次元造形物２００の側面の表面状態（ここでは表面粗さ）を指定するための表面粗さ指定情報が入力され、情報受取部として機能する記憶部１１５に記憶されている。外部のコンピューター装置１５５から送られる３Ｄデータに上記表面粗さ指定情報を含ませておき、制御部１１０にてこの情報を抽出して記憶部１１５に記憶するようにしても良い。
【００３８】
まず、図４Ｂに示すように、ヘッドユニット１２０は、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、サポート材２２０Ａを吐出するとともに、造形ステージ１４０に向けて吐出されたサポート材２２０Ａに硬化処理（光エネルギー照射処理）を施して所定の度合いまで硬化を進行させる（第１動作）。次に、ヘッドユニット１２０は、サポート材２２０Ａの吐出を一旦停止し、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、ヘッドユニット１２０によるサポート材２２０Ａ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）。なお、第２動作及び第３動作の間は、造形ステージ１４０を移動機構１３０におり一時的に鉛直方向に降下させても良い。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層目の造形材層（サポート材領域２２０）を形成する。本実施の形態では、制御部１１０は、操作部１６０の操作等によって指定された三次元造形物２００の表面粗さに応じて、サポート材領域２２０に照射する光エネルギー量を変化させることにより、サポート材領域２２０の硬化状態を制御する。例えば、所定量の光エネルギーを照射する時間を変化させる、または照射する光エネルギーの強さを変化させることによって、サポート材領域２２０に照射する光エネルギー量を変化させる。ここで、最終的に得ようとする三次元造形物２００の表面状態を粗くしたい場合は、サポート材領域２２０に作用させる光エネルギー量を小さくし、平滑にしたい場合は、光エネルギー量を比較的大きくする。なお、エネルギー量を変化させるため、エネルギーの強度と照射時間の両方を変化させても良い。また、上記第３動作において、例えば、吐出ノズルのピッチ以下の距離だけ副走査方向にヘッドユニット１２０を移動させることによって、解像度を高めるようにしている場合などは、サポート材領域２２０の硬化状態をできるだけ均一にするために、上記第１動作の際には光源１２６による露光は行わず、必要な回数だけ第１〜第３動作を繰り返した後に、一括して露光を行うようにしても良い。
【００３９】
次に、図４Ｃに示すように、ヘッドユニット１２０は、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２１０Ａを吐出する（第４動作）。次に、ヘッドユニット１２０は、モデル材２１０Ａの吐出を一旦停止し、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５動作）。次に、ヘッドユニット１２０は、ヘッドユニット１２０によるモデル材２１０Ａ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６動作）。なお、第５動作及び第６動作の間は、造形ステージ１４０を移動機構１３０により一時的に鉛直方向に降下させても良い。これらの第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、１層目の造形材層（モデル材領域２１０）を形成する。本実施の形態では、サポート材領域２２０の硬化状態に応じて、モデル材領域２１０が形成される際、モデル材領域２１０とサポート材領域２２０との界面部２３０におけるモデル材２１０Ａとサポート材２２０Ａとの混合度合いが変化する。本件発明者の検討によれば、モデル材およびサポート材のうち一方を半硬化状態とした後に、他方を接触させると両者が界面部で混合すること、この混合の度合いは上記一方の造形材の硬化度合いによって変化すること、および、この変化を利用して最終的に得られる三次元造形物２００の表面状態を変化させ得ることが判明している。つまり、エネルギーが付与されたモデル材領域２１０をサポート材領域２２０に接するように形成することにより、サポート材領域２２０に面するモデル材領域２１０の界面部２３０を、記憶部１１５に記憶されている表面状態に関する情報（ここでは表面粗さ指定情報）に対応する表面状態となすことができる。ここで、サポート材領域２２０の硬化度合いが小さい場合は、両者の混合度合いが高くなり、ひいては硬化完了後において界面部２３０に残る凹凸度合いが大きくなる。また、サポート材領域２２０の硬化度合いが大きい場合は、両者の混合度合いが低くなり、ひいては硬化完了後において界面部２３０に残る凹凸度合いが小さくなる。なお、図４Ｃにおいては、理解を容易にするために、造形材の混合によって界面部の粗さが増大した様子を誇張して図示している。以下説明する図５、図６においても同様である。
【００４０】
次に、図５Ａに示すように、ヘッドユニット１２０は、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、形成済みのモデル材領域２１０およびサポート材領域２２０に硬化処理を施して硬化させる（第７動作）。次に、ヘッドユニット１２０は、硬化処理を一旦停止し、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８動作）。次に、ヘッドユニット１２０は、ヘッドユニット１２０による光の照射位置が重ならないように副走査方向に走査する（第９動作）。これらの第７動作〜第９動作を繰り返すことにより、１層目の造形材層（モデル材領域２１０およびサポート材領域２２０）全体を硬化させる。
【００４１】
次に、図５Ｂに示すように、ヘッドユニット１２０は、上述した第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、２層目の造形材層（サポート材領域２２０）を形成するとともに、サポート材領域２２０に硬化処理を施して所定の硬度まで硬化を進める。
【００４２】
次に、図５Ｃに示すように、ヘッドユニット１２０は、上述した第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、２層目の造形材層（モデル材領域２１０）を形成する。
【００４３】
次に、図６Ａに示すように、ヘッドユニット１２０は、上述した第７動作〜第９動作を繰り返すことにより、２層目の造形材層（モデル材領域２１０およびサポート材領域２２０）全体を硬化させる。
【００４４】
その後、図６Ｂに示すように、ヘッドユニット１２０は、上述した第１動作〜第９動作を繰り返すことにより、３，４層目の造形材層（モデル材領域２１０およびサポート材領域２２０）を順に形成し、当該３，４層目の造形材層全体を順に硬化させる。こうして三次元造形物２００の造形が完了する。
【００４５】
得られたサポート材を含む三次元造形物２００から、図６Ｃに示すように、サポート材領域２２０がユーザーによって除去される。これにより、サポート材を含まない三次元造形物２００が得られる。本実施の形態では、モデル材領域２１０とサポート材領域２２０との界面部２３０に残る凹凸度合いは、ユーザーによって指定された表面粗さに合うように調整されている。
【００４６】
図７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の表面粗さを指定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の表面粗さを指定する表面粗さ指定モードが選択されることにより開始する。
【００４７】
まず、制御部１１０は、操作部１６０を介したユーザー操作により指定される表面粗さ指定情報、又は、データ入力部１５０が受け取る３Ｄデータに含まれる表面粗さ指定情報に基づいて処理を開始し、まず、ステップＳ１００において、入力された表面粗さ情報が、記憶部１１５に記憶されているデフォルト値（例えば、５［μｍ］）より大きい値（つまり、より粗い値）が指定されたか否かについて判定する（ステップＳ１００）。この判定の結果、デフォルト値より大きい値（例えば、７［μｍ］）が指定された場合（ステップＳ１００、ＹＥＳ）、制御部１１０は、１層分の造形材層を形成する際、モデル材領域２１０の前に形成されたサポート材領域２２０に照射する光エネルギー量（硬化エネルギー量）を減少させる設定を行う（ステップＳ１２０）。この設定により、モデル材領域２１０が形成される際、モデル材領域２１０とサポート材領域２２０との界面部２３０におけるモデル材とサポート材との混合度合い（硬化後において界面部２３０に残る凹凸度合い）が大きくなるように調整される。その結果、最終的な三次元造形物２００の表面（モデル材領域２１０とサポート材領域２２０との界面部２３０）における表面粗さを粗くすることができる。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７における処理を終了する。
【００４８】
一方、デフォルト値より大きい値が指定されていない場合（ステップＳ１００、ＮＯ）、制御部１１０は、三次元造形物２００の表面粗さとしてデフォルト値より小さい値（例えば、３［μｍ］。つまり、より細かい値）が指定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、デフォルト値より小さい値が指定された場合（ステップＳ１４０、ＹＥＳ）、制御部１１０は、１層分の造形材層を形成する際、モデル材領域２１０の前に形成されたサポート材領域２２０に照射する光エネルギー量を増加させる設定を行う（ステップＳ１６０）。この設定により、モデル材領域２１０が形成される際、モデル材領域２１０とサポート材領域２２０との界面部２３０におけるモデル材とサポート材との混合度合いが小さくなるように調整される。その結果、最終的な三次元造形物２００の表面（モデル材領域２１０とサポート材領域２２０との界面部２３０）における表面粗さを細かくすることができる。ステップＳ１６０の処理が完了することによって、三次元造形装置１００は、図７における処理を終了する。
【００４９】
一方、デフォルト値より小さい値が指定されていない場合（ステップＳ１４０、ＮＯ）、三次元造形装置１００は、図７における処理を終了する。この場合、制御部１１０は、１層分の造形材層を形成する際、モデル材領域２１０の前に形成されたサポート材領域２２０に照射する光エネルギー量をデフォルトの光エネルギー量から変更させない。以上のように、三次元造形物２００の表面粗さを指定する表面粗さ指定モードにおいて、ユーザーは、所望する表面粗さ（より粗い、デフォルトまたはより細かい）を任意に指定して、当該表面粗さを有する三次元造形物２００を三次元造形装置１００に造形させることができる。
【００５０】
［第１の実施の形態における効果］
以上詳しく説明したように、第１の実施の形態では、三次元造形装置１００は、エネルギー硬化性のモデル材からなるモデル材領域２１０と、造形中は当該モデル材に接しており造形完了後に取り除かれる、エネルギー硬化性のサポート材からなるサポート材領域２２０とを有する造形材層を含む複数の造形材層が積層される造形ステージ１４０と、モデル材を吐出してモデル材領域２１０を形成する第１造形材領域形成部と、サポート材を吐出してサポート材領域２２０を形成する第２造形材領域形成部と、モデル材領域２１０およびサポート材領域２２０のうち少なくとも一方の領域に対して、当該一方の領域を硬化させるためのエネルギーを付与する光源１２６と、少なくとも光源１２６を制御する制御部１１０とを備える。制御部１１０は、上記一方の領域が形成された後、かつ、モデル材領域２１０およびサポート材領域２２０のうち他方の領域が形成される前に、一方の領域に対して付与するエネルギー量を変化させることにより、他方の領域が形成される際に形成される、モデル材領域２１０とサポート材領域２２０との界面部２３０におけるモデル材とサポート材との混合度合いを調整する。
【００５１】
このように構成した第１の実施の形態によれば、モデル材領域２１０とサポート材領域２２０との界面部２３０におけるモデル材とサポート材との混合度合いを調整することが可能となるため、硬化後において界面部２３０に残る凹凸度合いを調整することができる。したがって、サポート材領域２２０が除去された最終的な三次元造形物の表面（モデル材領域２１０とサポート材領域２２０との界面部２３０）における表面粗さを作り分けることができる。つまり、ユーザーが所望する表面粗さを有する三次元造形物２００を造形することができる。
【００５２】
なお、上記第１の実施の形態では、１層分の造形材層を形成する際、サポート材領域２２０を形成した後にモデル材領域２１０を形成する例について説明したが、モデル材領域２１０を形成した後にサポート材領域２２０を形成しても良い。
【００５３】
＜第２の実施の形態＞
以下、第２の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図８は、第２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９は、第２の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８，９に示すように、三次元造形装置１００は、図１，２に示す構成に加えて、造形材層に向けて超音波を照射するための超音波照射部としての超音波照射ユニット１２８をさらに備えている。つまり、三次元造形装置１００は、モデル材領域および前記サポート材領域のうち少なくとも一方の領域にエネルギーを付与するための第１エネルギー付与装置としての光源１２６と、モデル材領域およびサポート材領域のうち他方にエネルギーを付与する第２エネルギー付与装置とを備えている。なお、第１の実施の形態における各部構成と同様のものについては同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００５４】
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および超音波照射ユニット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、ヘッドユニット１２０および超音波照射ユニット１２８と移動機構１３０とを同期させて制御する。
【００５５】
移動機構１３０は、ヘッドユニット１２０および超音波照射ユニット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８に示すように、ヘッドユニット１２０および超音波照射ユニット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。
【００５６】
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、ヘッドユニット１２０および超音波照射ユニット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８を参照）。なお、移動機構１３０は、ヘッドユニット１２０および超音波照射ユニット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ように構成しても良いし、ヘッドユニット１２０および超音波照射ユニット１２８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。また、移動機構１３０は、２つの主走査方向ガイド１３２を備え、当該２つの主走査方向ガイド１３２の各々にヘッドユニット１２０および超音波照射ユニット１２８の各々が係合するように構成しても良い。
【００５７】
本実施の形態では、ヘッドユニット１２０を主走査方向に自在に移動させるために、ヘッドユニット１２０の移動を阻害しないように超音波照射ユニット１２８を必要に応じて移動させる。また、超音波照射ユニット１２８を主走査方向に自在に移動させるために、超音波照射ユニット１２８の移動を阻害しないようにヘッドユニット１２０を必要に応じて移動させる。ヘッドユニット１２０および超音波照射ユニット１２８について、互いに干渉しないような退避位置をそれぞれ設定しておき、各退避位置へ移動させるようにしても良い。
【００５８】
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および超音波照射ユニット１２８と三次元造形物２００との間隔を調整する（図８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および超音波照射ユニット１２８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および超音波照射ユニット１２８と造形ステージ１４０との双方を移動させても良い。
【００５９】
超音波照射ユニット１２８は、図１０に示すように、造形ステージ１４０に向けて超音波を選択的に照射する超音波照射装置１７０を筐体１２９の内部に備える。超音波発生装置１７０は、円形の所定範囲に超音波を照射するものであっても良いし、これを列状に複数並べたものであっても良い。前者の場合は、移動機構１３０によって造形材層全体に超音波を作用させるように必要な回数走査すれば良い。後者は、走査回数を減らすのに有効である。超音波照射装置１７０は、制御部１１０の制御を受けて、超音波の照射と停止との間における切り替えを行うとともに、照射する超音波の強さ、当該超音波の照射時間等を変化させる。本実施の形態では、超音波照射装置１７０は、１層分の造形材層が形成される際、モデル材領域２１０とサポート材領域２２０との界面部２３０に超音波を照射する。
【００６０】
次に、図１１〜１３を参照し、三次元造形装置１００が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を造形する動作例について説明する。図１１Ａに示すように、三次元造形装置１００が、造形ステージ１４０上にモデル材領域およびサポート材領域を有する造形材層を順に形成して積層することによって、４層分の造形材層からなる三次元造形物２００（図中破線部分、以下同じ）を造形する場合について説明する。
【００６１】
まず、図１１Ｂに示すように、ヘッドユニット１２０は、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２１０Ａを吐出するとともに、造形ステージ１４０に向けて吐出されたモデル材２１０Ａ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（第１動作）。次に、ヘッドユニット１２０は、モデル材２１０Ａの吐出を一旦停止し、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、ヘッドユニット１２０によるモデル材２１０Ａ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層目の造形材層（モデル材領域２１０）を形成する。本実施の形態では、制御部１１０は、操作部１６０の操作等によって入力された表面粗さ指定情報に応じて、モデル材領域２１０に照射する光エネルギー量を変化させることにより、モデル材領域２１０の硬化状態を制御する。例えば、所定量の光エネルギーを照射する時間を変化させることによって、モデル材領域２１０に照射する光エネルギー量を変化させる。
【００６２】
次に、図１１Ｃに示すように、ヘッドユニット１２０および超音波照射ユニット１２８は、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、サポート材２２０Ａを吐出してサポート材領域２２０を形成するとともに、モデル材領域２１０とサポート材領域２２０との界面部２３０に超音波を照射する（第４動作）。これにより、界面部２３０に超音波を照射しない場合と比べて、界面部２３０におけるモデル材２１０Ａおよびサポート材２２０Ａの拡散、混合が促進される。制御部１１０は、照射する超音波の強さ、または、当該超音波の照射時間を変化させることにより、界面部２３０におけるモデル材２１０Ａおよびサポート材２２０Ａの混合度合いを調整する。照射する超音波の強さを大きくすればするほど、また、当該超音波の照射時間を長くすればするほど、界面部２３０におけるモデル材２１０Ａおよびサポート材２２０Ａの拡散、混合を促進することができる。次に、ヘッドユニット１２０および超音波照射部１２８は、サポート材２２０Ａの吐出および超音波の照射を一旦停止し、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５動作）。次に、ヘッドユニット１２０は、ヘッドユニット１２０によるサポート材２２０Ａ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６動作）。これらの第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、１層目の造形材層（サポート材領域２２０）を形成する。本実施の形態では、モデル材領域２１０に対する硬化処理、モデル材領域２１０とサポート材領域２２０との界面部２３０に対する超音波の照射処理によって、界面部２３０におけるモデル材２１０Ａとサポート材２２０Ａとの混合度合い、ひいては硬化後において界面部２３０に残る凹凸度合いがより広い範囲で調整される。
【００６３】
次に、図１２Ａに示すように、ヘッドユニット１２０は、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、形成済みのモデル材領域２１０およびサポート材領域２２０に硬化処理を施して硬化させる（第７動作）。次に、ヘッドユニット１２０は、硬化処理を一旦停止し、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８動作）。次に、ヘッドユニット１２０は、ヘッドユニット１２０による光の照射位置が重ならないように副走査方向に走査する（第９動作）。これらの第７動作〜第９動作を繰り返すことにより、１層目の造形材層（モデル材領域２１０およびサポート材領域２２０）全体を硬化させる。
【００６４】
次に、図１２Ｂに示すように、ヘッドユニット１２０は、上述した第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、２層目の造形材層（モデル材領域２１０）を形成するとともに、モデル材領域２１０に硬化処理を施して半硬化させる。
【００６５】
次に、図１２Ｃに示すように、ヘッドユニット１２０および超音波照射部１２８は、上述した第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、２層目の造形材層（サポート材領域２２０）を形成するとともに、モデル材領域２１０とサポート材領域２２０との界面部２３０に超音波を照射する。
【００６６】
次に、図１３Ａに示すように、ヘッドユニット１２０は、上述した第７動作〜第９動作を繰り返すことにより、２層目の造形材層（モデル材領域２１０およびサポート材領域２２０）全体を硬化させる。
【００６７】
その後、図１３Ｂに示すように、ヘッドユニット１２０および超音波照射部１２８は、上述した第１動作〜第９動作を繰り返すことにより、３，４層目の造形材層（モデル材領域２１０およびサポート材領域２２０）を順に形成し、当該３，４層目の造形材層全体を順に硬化させる。３，４層目の造形材層（モデル材領域２１０およびサポート材領域２２０）を形成する際、モデル材領域２１０に硬化処理を施して所定の硬度まで硬化を進行させ、また、モデル材領域２１０とサポート材領域２２０との界面部２３０に超音波を照射する。こうして三次元造形物２００の造形が完了する。
【００６８】
得られたサポート材を含む三次元造形物２００から、図１３Ｃに示すように、サポート材領域２２０がユーザーによって除去される。これにより、サポート材を含まない三次元造形物２００が得られる。本実施の形態では、モデル材領域２１０とサポート材領域２２０との界面部２３０に残る凹凸度合いは、ユーザーによって指定された表面粗さに合うように調整されている。
【００６９】
図１４は、制御部１１０が実行する、三次元造形物２００の表面粗さを指定するための制御フローチャートである。ステップＳ２００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の表面粗さを指定する表面粗さ指定モードが選択されることにより開始する。
【００７０】
まず、制御部１１０は、操作部１６０を介したユーザー操作により指定される表面粗さ指定情報、又は、データ入力部１５０が受け取る３Ｄデータに含まれる表面粗さ指定情報に基づいて処理を開始し、まず、ステップＳ２００において、入力された表面粗さ情報が、記憶部１１５に記憶されているデフォルト値（例えば、５［μｍ］）より大きい値（つまり、より粗い値）が指定されたか否かについて判定する（ステップＳ２００）。この判定の結果、デフォルト値より大きい値（例えば、７［μｍ］）が指定された場合（ステップＳ２００、ＹＥＳ）、制御部１１０は、１層分の造形材層を形成する際、サポート材領域２２０の前に形成されたモデル材領域２１０に照射する光エネルギー量（硬化エネルギー量）を減少させる設定を行う（ステップＳ２２０）。この設定により、サポート材領域２２０が形成される際、モデル材領域２１０とサポート材領域２２０との界面部２３０におけるモデル材とサポート材との混合度合い（硬化後において界面部２３０に残る凹凸度合い）が大きくなるように調整される。その結果、最終的な三次元造形物２００の表面（モデル材領域２１０とサポート材領域２２０との界面部２３０）における表面粗さを粗くすることができる。
【００７１】
次に、制御部１１０は、三次元造形物２００の表面粗さとして、より大きい値（例えば、９［μｍ］。つまり、より粗い値）が指定されたか否かについて判定する（ステップＳ２４０）。この判定の結果、より大きい値が指定された場合（ステップＳ２４０、ＹＥＳ）、制御部１１０は、１層分の造形材層を形成する際、モデル材領域２１０とサポート材領域２２０との界面部２３０に超音波を照射する設定を行う（ステップＳ２６０）。この設定により、界面部２３０に超音波を照射しない場合と比べて、界面部２３０におけるモデル材およびサポート材の拡散、混合が促進される。その結果、最終的な三次元造形物２００の表面における表面粗さを、ずっと粗くすることができる。ステップＳ２６０の処理が完了することによって、三次元造形装置１００は、図１４における処理を終了する。一方、より大きい値が指定されていない場合（ステップＳ２４０、ＮＯ）、三次元造形装置１００は、図１４における処理を終了する。
【００７２】
ステップＳ２００の判定に戻り、デフォルト値より大きい値が指定されていない場合（ステップＳ２００、ＮＯ）、制御部１１０は、三次元造形物２００の表面粗さとしてデフォルト値より小さい値（つまり、より細かい値）が指定されたか否かについて判定する（ステップＳ２８０）。この判定の結果、デフォルト値より小さい値が指定された場合（ステップＳ２８０、ＹＥＳ）、制御部１１０は、１層分の造形材層を形成する際、サポート材領域２２０の前に形成されたモデル材領域２１０に照射する光エネルギー量を増加させる設定を行う（ステップＳ３００）。この設定により、サポート材領域２２０が形成される際、モデル材領域２１０とサポート材領域２２０との界面部２３０におけるモデル材とサポート材との混合度合いが小さくなるように調整される。その結果、最終的な三次元造形物２００の表面（モデル材領域２１０とサポート材領域２２０との界面部２３０）における表面粗さを細かくすることができる。ステップＳ３００の処理が完了することによって、三次元造形装置１００は、図１４における処理を終了する。
【００７３】
一方、デフォルト値より小さい値が指定されていない場合（ステップＳ２８０、ＮＯ）、三次元造形装置１００は、図１４における処理を終了する。この場合、制御部１１０は、１層分の造形材層を形成する際、サポート材領域２２０の前に形成されたモデル材領域２１０に照射する光エネルギー量をデフォルトの光エネルギー量から変更させない。以上のように、三次元造形物２００の表面粗さを指定する表面粗さ指定モードにおいて、ユーザーは、所望する表面粗さ（ずっと粗い、より粗い、デフォルトまたはより細かい）を任意に指定して、当該表面粗さを有する三次元造形物２００を三次元造形装置１００に造形させることができる。
【００７４】
［第２の実施の形態における効果］
以上詳しく説明したように、第２の実施の形態では、三次元造形装置１００は、１層分の造形材層を形成する際、サポート材領域２２０の前に形成されたモデル材領域２１０に光エネルギーを照射することに加えて、モデル材領域２１０とサポート材領域２２０との界面部２３０に超音波を照射する。これにより、界面部２３０に超音波を照射しない場合と比べて、界面部２３０におけるモデル材およびサポート材の拡散、混合が促進される。その結果、最終的な三次元造形物２００の表面における表面粗さを、超音波を照射しない場合よりも粗くすることができる。従って、光照射に加えて超音波を併用することで、三次元造形物２００の表面粗さをより広い範囲で制御することができる。また、超音波の強さおよび当該超音波の照射時間の少なくとも一方を変化させることにより、界面部２３０におけるモデル材およびサポート材の混合度合いを細かく調整することができ、ひいては最終的な三次元造形物２００の表面における表面粗さを細かく調整することができる。なお、第１段階で造形材に付与するエネルギー量を、造形材が半硬化するような値で固定し、第２段階で造形材に付与するエネルギーとしての超音波の照射量を変化させることで、界面部２３０の混合度合いを調整するようにしても良い。
【００７５】
＜その他の実施の形態＞
なお、上記第２の実施の形態では、ヘッドユニット１２０と超音波照射ユニット１２８とが別体化される例について説明したが、ヘッドユニット１２０および超音波照射ユニット１２８を一体化して構成することもできる。
【００７６】
また、上記第２の実施の形態では、１層分の造形材層を形成する際、モデル材領域２１０を形成した後にサポート材領域２２０を形成する例について説明したが、サポート材領域２２０を形成した後にモデル材領域２１０を形成しても良い。
【００７７】
また、上記第１および第２の実施の形態において、造形ステージ１４０周囲の温度を変化させることにより、界面部２３０におけるモデル材およびサポート材の混合度合いを調整しても良い。図１５は、熱電変換素子である公知のペルチェ素子を用いて、造形ステージ１４０周囲の温度を調整する構成を示す。図１５に示すように、造形ステージ１４０の下方にはペルチェ素子１８０が配設されている。ペルチェ素子１８０は、制御部１１０の制御を受けた電源１８５によって通電されることにより、造形ステージ１４０周囲、ひいては造形ステージ１４０上に形成された造形材層（モデル材領域２１０およびサポート材領域２２０）の温度を調整する。つまり、ペルチェ素子１８０および電源１８５が、造形ステージ１４０の周囲の温度を制御するための温度制御部として機能する。例えば、造形ステージ１４０周囲の温度を高く保つことによって、造形ステージ１４０上に吐出されたモデル材およびサポート材の粘度が低下し、モデル材領域２１０とサポート材領域２２０との界面部２３０におけるモデル材およびサポート材の拡散、混合が促進される。その結果、最終的な三次元造形物２００の表面における表面粗さを増大させることができる。一方、造形ステージ１４０周囲の温度を低く保つことによって、造形ステージ１４０上に吐出されたモデル材およびサポート材の粘度が増大し、モデル材領域２１０とサポート材領域２２０との界面部２３０におけるモデル材およびサポート材の拡散、混合が抑制される。その結果、最終的な三次元造形物２００の表面における表面粗さを減少させることができる。このように、光照射に加えて、又は、光照射及び超音波照射に加えて、温度を調整することで、三次元造形物２００の表面粗さの調整幅を拡げやすくなる。なお、光照射による硬化をある一定の度合いに固定して、造形ステージ１４０周囲の温度の制御によって、三次元造形物２００の表面粗さを調整するようにしても良い。
【００７８】
また、上記第１および第２の実施の形態では、１層分の造形材層を形成する際、１回目の硬化処理（先に形成されたモデル材領域２１０またはサポート材領域２２０に対する硬化処理）と、２回目の硬化処理（造形材層全体に対する硬化処理）とに同じ光源１２６を用いる例について説明したが、本発明はこれに限定されない。１回目の硬化処理と２回目の硬化処理とに異なる光源を用いても良い。例えば、モデル材及びサポート材として、紫外線硬化材料を用いる場合、図１６に示すように、１回目の硬化処理に紫外線波長分布が狭い光源１２６を用い、２回目の硬化処理に紫外線波長分布が広い光源１２７を用いても良い。紫外線波長分布が異なる光源１２６，１２７としては、例えば紫外線ＬＥＤランプを用いることが望ましい。
【００７９】
また、上記第１および第２の実施の形態において、同一の波長光に対してモデル材とサポート材とにおける硬化の進行度合いを変えられるように、モデル材およびサポート材のそれぞれについて重合開始剤を適切に調合しても良い。また、モデル材領域２１０およびサポート材領域２２０が形成されてから２回目の硬化処理を開始するまでの時間を変化させても良い。また、１回目の硬化処理と２回目の硬化処理とで使用する光の波長を変化させても良い。これにより、モデル材領域２１０とサポート材領域２２０との界面部２３０におけるモデル材とサポート材との混合度合いを調整することができ、最終的な三次元造形物２００の表面における表面粗さを制御することができる。
【００８０】
また、上記第１および第２の実施の形態において、ヘッドユニット１２０は、モデル材およびサポート材とともに、モデル材領域２１０およびサポート材領域２２０のうち先に形成された一方の粘性を調整する表面制御剤を吐出する構成を有していても良い。例えば、ヘッドユニット１２０に、第１吐出ヘッド１２２および第２吐出ヘッド１２４とは別の表面制御剤用の吐出ヘッドを設け、この吐出ヘッドから表面制御剤を吐出させても良いし、ヘッドユニット１２０とは別の吐出ヘッドから表面制御剤を吐出させても良い。表面制御剤を吐出することによって、モデル材領域２１０とサポート材領域２２０との界面部２３０におけるモデル材とサポート材との混合度合いを調整することができ、最終的な三次元造形物２００の表面における表面粗さを制御することができる。表面制御剤としては、フッ素系界面活性剤、シリコーン系界面活性剤（例えば、ビックケミ−社製ｂｙｋ３０７）等が挙げられる。
【００８１】
また、三次元造形物２００の部位によって、表面状態を異ならせるようにしても良い。例えば、積層方向における位置に応じて、第１段階で照射する光のエネルギー量を変化させることで、積層方向において、表面粗さの異なる複数の部位を形成することができる。
【００８２】
また、表面状態の制御の対象となるのは、三次元造形物２００の側面だけに限らず、三次元造形物２００の上面や、オーバーハング部の下面であってもよい。例えば、第１実施形態の図５Ａの工程において、モデル材領域２１０に照射する光のエネルギー量を調整して、モデル材の硬化状態を制御し（図１７Ａ）、その後、第２層としてモデル材領域２１０上にサポート材領域２２０を形成する際に、モデル材領域２１０の上面とサポート材領域２２０との間で混合が生じるようにする。ここで、図１７Ｂに示すように、最終的に三次元造形物２００の上面となる部位を覆うようにサポート材領域２２０を形成しておくことで、モデル材領域２１０の上面も表面状態を制御することができる。その後、図１７Ｃ、図１８Ａのように、モデル材の形成とサポート材の形成を繰り返して造形材層を積層することにより、図１８Ｂのように三次元造形物２００の全ての上面と側面の表面状態を制御することができる。
【００８３】
また、上記第１および第２の実施の形態は、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。
【００８４】
［実験例］
上記第１および第２の実施の形態の構成における効果を確認するための評価実験について説明する。図１９は、図８および図１５に示す構成を併せ持つ実験装置を用いて行った評価実験の結果を表す表である。本評価実験では、モデル材として、ウレタンアクリレートモノマー１５質量部、アクロイルモルホリン２０質量部、トリシクロデカンジメタノールジアクリレート１５質量部、イソボルニルアクリレート３０質量部、イルガキュア１８４（重合開始剤）３質量部、ルシリンＴＰＯ（重合開始剤）２質量部、２−ヒドロキシ−３−フェノキシプロピルアクリレート１０質量部、ビスフェノールＡエポキシジアクリレート３質量部および２質量部のｂｙｋ３０７をからなる紫外線硬化性樹脂材料を用いた。また、サポート材として、イルガキュア１８４（重合開始剤）３質量部、ルシリンＴＰＯ（重合開始剤）２質量部、２質量部のｂｙｋ３０７、フェノキシエチルアクリレート２０質量部、ポリエチレングリコールジアクリレート６０質量部、ポリエチレングリコールポリマー１０質量部、４−メタオキシフェノール３質量部を含むものを用いた。モデル材およびサポート材を硬化させるための光源として、一定の照度で発光する高圧水銀ランプを使用し、光源を搭載したヘッドユニットの掃引速度を一定にして走査回数を異ならせることによって照射時間を変更するようにした。評価用の三次元造形物として、一辺の長さが３［ｃｍ］の立方体を造形した。
【００８５】
実験例１〜５、１３、１４では、サポート材を吐出してサポート材領域を形成した後に、実験例１３を除いて、サポート材領域に１回目の硬化処理（光エネルギー照射処理）を施した。この硬化処理では、照度１００ｍＷ／ｃｍ２の紫外線（ＥＩＴ社製ＵＶ  ＰＯＷＥＲ  ＰＵＣＫ  ＩＩで計測）を、０〜１０秒の範囲で異なる時間だけ照射した。その後、モデル材を吐出してモデル材領域を形成した後に、造形材層全体に２回目の硬化処理を１０秒施して硬化を完了させた。なお、造形中は造形ステージの温度を２６℃に保ち、超音波はオフにしておいた。その後、サポート材領域を除去した最終的な三次元造形物の表面粗さを測定した。表面粗さは、東京精密社製のサーフコム１４００Ｄを用いて測定した。図１９に示すように、１回目の硬化処理における紫外線の照射時間を可変に調整する（つまり、光エネルギー量を変化させる）ことによって、三次元造形物の表面における表面粗さを１〜１０μｍの範囲で作り分けることができた。
【００８６】
実験例６〜１０では、実験例１〜５に準じてサポート材領域の形成と１回目の硬化処理（光エネルギー照射処理）を施し、サポート材を吐出してサポート材領域を形成した後、モデル材領域とサポート材領域との界面部に超音波を１秒照射した。超音波の照射には日本精機株式会社製の超音波ホモジナイザ―を使用し、造形材層の表面から２ｍｍ離れた位置から超音波を照射した。その後、実験例１〜５と同様の手順で、造形材層全体に２回目の硬化処理を１０秒施して硬化を完了させた。サポート材領域を除去した最終的な三次元造形物の表面粗さを測定したところ、図１９に示すように、表面粗さの最大値が１５μｍに拡大した。つまり、超音波を併用することで、モデル材とサポート材との拡散、混合が促進され、表面粗さをより粗くすることができた。従って、実施例１〜１０、１３、１４で示されるように、光エネルギー量の調整に加えて超音波によるエネルギー量を調整することで、より広範囲で表面粗さの調整が行えることを確認できた。また、例えば、実施例１と実験例６との比較から明らかなように、所定のエネルギー量の光照射でサポート材を半硬化させた後に、超音波によって与えるエネルギー量を変化させることで、最終的に得られる三次元造形物の表面粗さを調整し得ることが確認できた。
【００８７】
実験例１１、１２では、造形材層を形成する際、造形ステージの温度を別の温度（６０℃又は１０℃）に保つようにした以外は、実験例３に準じて造形を行った。図１９に示すように、造形ステージの温度を高くした場合は造形ステージ周囲の温度が変化し、造形ステージ上に吐出されたモデル材およびサポート材の粘度が低下し、モデル材領域とサポート材領域との界面部における両造形材の拡散、混合が促進され、最終的な三次元造形物の表面における表面粗さが増大した。一方、造形ステージの温度を低くした場合は、造形ステージ周囲の温度が低くなり、造形ステージ上に吐出されたモデル材およびサポート材の粘度が増大し、モデル材領域とサポート材領域との界面部における両造形材の拡散、混合が抑制され、最終的な三次元造形物の表面における表面粗さを減少した。つまり、所定のエネルギー量の光照射でサポート材を半硬化させた後に、造形ステージ周囲の温度を変化させることで、最終的に得られる三次元造形物の表面粗さを調整できることが確認された。
【符号の説明】
【００８８】
１００  三次元造形装置
１１０  制御部
１１５  記憶部
１２０  ヘッドユニット
１２１，１２９  筐体
１２２  第１吐出ヘッド
１２４  第２吐出ヘッド
１２５  平滑化装置
１２５Ａ  均しローラー
１２５Ｂ  掻き取り部材
１２５Ｃ  回収部材
１２６，１２７  光源
１２８  超音波照射ユニット
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
１７０  超音波照射装置
１８０  ペルチェ素子
１８５  電源
２００  三次元造形物
２１０  モデル材領域（第１造形材領域）
２２０  サポート材領域（第２造形材領域）
２３０  界面部
【図１】
2015139957.tif 000003
【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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【図１４】
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【図１５】
2015139957.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
2015139957.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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