(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
未硬化の粉末材料を有する複数の粉末材料層に、各粉末材料層に対応する階層形状データに基づいて、３次元造形物及び支柱部の各階層となる結合体、並びに、前記３次元造形物及び前記支柱部の各階層とは異なる階層において前記支柱部に支持されたトレイ本体の各階層となる結合体を形成することを特徴とする３次元造形方法。
【請求項２】
前記複数の粉末材料層のうちの下階層の粉末材料層に、前記３次元造形物の前記結合体及び前記支柱部の前記結合体を形成した後、前記下階層の粉末材料層上に前記複数の粉末材料層のうちの上階層の粉末材料層を積層し、前記上階層の粉末材料層に、前記３次元造形物の前記結合体及び前記支柱部の前記結合体を形成することを特徴とする請求項１記載の３次元造形方法。
【請求項３】
前記粉末材料層のうち前記３次元造形物の前記結合体となるべき領域に結合剤を滴下して前記３次元造形物の前記結合体を形成し、
前記粉末材料層のうち前記支柱部の前記結合体となるべき領域及び前記トレイ本体の前記結合体となるべき領域に結合剤を滴下して前記支柱部の前記結合体及び前記トレイ本体の前記結合体を形成することを特徴とする請求項１又は２記載の３次元造形方法。
【請求項４】
前記トレイ本体上に他の階層の粉末材料層を積層し、前記他の階層の粉末材料層に他の前記３次元造形物の前記結合体を形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の３次元造形方法。
【請求項５】
前記粉末材料層に形成された前記３次元造形物の前記結合体及び前記支柱部の前記結合体上に他の階層の未硬化の粉末材料を有する粉末材料層を積層し、前記他の階層の粉末材料層に前記支柱部の他の階層の結合体を形成し、前記他の階層の粉末材料層上に第２の他の階層の未硬化の粉末材料を有する粉末材料層を積層し、前記他の階層の前記支柱部の他の階層の結合体に結合されるとともに前記他の階層の粉末材料層の未硬化の部位を介して前記３次元造形物の前記結合体に対向する前記トレイ本体を前記第２の他の階層の粉末材料層に形成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の３次元造形方法。
【請求項６】
一の段に一の前記３次元造形物、一の前記支柱部、及び、一の前記トレイ本体を形成し、他の段に他の前記３次元造形物、他の前記支柱部、及び、他の前記トレイ本体を形成し、一の前記支柱部は、前記他のトレイ本体に結合されることなく前記他のトレイ本体上に載置されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の３次元造形方法。
【請求項７】
複数の階層の結合体を含む一の段の３次元造形物と、前記一の段の３次元造形物の各階層とは異なる複数の階層の結合体を含む他の段の３次元造形物と、
前記一の段の３次元造形物と同一の階層の結合体を含む支柱部と、前記一の段の３次元造形物及び前記他の段の３次元造形物とは異なる階層の結合体を含むトレイ本体と、を有することを特徴とする造形物複合体。
【請求項８】
未硬化の粉末材料を有する複数の粉末材料層に、各粉末材料層に対応する階層形状データに基づいて結合剤を滴下し、前記複数の粉末材料層に３次元造形物及び支柱部の各階層となる結合体、並びに、前記３次元造形物及び前記支柱部の各階層とは異なる階層において前記支柱部に支持されたトレイ本体の各階層となる結合体を形成する結合剤吐出部と、
前記結合剤吐出部を制御して、支柱部と、前記支柱部に支持されたトレイ本体と、を有する前記結合体を形成させる制御部と、
を備えることを特徴とする３次元造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元造形方法及び造形物複合体並びに３次元造形装置に関し、特に、粉末積層法を用いて３次元の造形物（立体物）を形成する３次元造形方法、及び、当該３次元造形方法で用いる造形物複合体、並びに、当該３次元造形方法を実行するための３次元造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
３次元の造形物を形成（造形）する方法として、３次元積層造形法が知られている。３次元積層造形法は、概略、対象となる造形物の３次元データに基づいて、当該造形物を特定方向に層状に輪切りにした場合の各階層形状を示す階層データを生成し、各階層データに応じた形状にパターニングされた材料層を順次積み重ねていくことにより、造形物を形成するものである。ここで、３次元積層造形方法としては、例えば、粉末を用いる粉末積層法が知られている。このような積層造形法は、３次元のＣＡＤ（computer aided
design；コンピュータ支援設計）データから直接３次元造形物を製造することができるので、設計や製造現場における３次元ＣＡＤの普及や活用に伴って急速に普及してきた技術である。
【０００３】
上述した粉末積層法は、粉末材料をステージ上面に薄く拡げ、上述した階層データに対応する領域の粉末材料を、バインダ（結合剤）や熱、光硬化物質等により硬化（結合）させて１層分の材料層からなる結合体を形成する工程を、上方に積層しながら繰り返すことにより３次元造形物を形成するものである。ここで、この粉末積層法においては、積層された粉末材料の中に造形物が積層されながら形成されていく。造形物の形成後に未硬化の粉末材料を除去することにより、簡易かつ良好に３次元造形物を形成することができる、という特長を有している。特に、各層の結合体を形成し、当該結合体相互を各層間で接合（固着）させるための手法として、インクジェットプリンタに用いられるプリンタヘッドから上記のバインダを吐出するインクジェット方式を適用することにより、既に確立されたインクジェットプリンタ技術を用いて、簡易かつ良好に３次元造形物を形成することができる。このような粉末積層法を用いた３次元造形技術については、例えば特許文献１に詳しく記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−３０２７０１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、積層された粉末材料の中に造形物が埋設されながら製造されていくため、粉末材料に埋没された状態で完成している造形物は視認性が低い。特に複数の造形物を同時に製造すると、埋設された粉末材料の中から取り出す際に互いにぶつけやすい。上述したような粉末積層法を用いた３次元造形方法により形成される３次元造形物は、他の材料を用いた造形方法や成形法により形成された造形物に比較して、一般に柔軟性が低いため、造形物の形成時や取出時等にぶつけたときに破損しやすいという問題を有している。そのため、大量生産には不向きであるという問題を有していた。
【０００６】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑み、造形物の破損を抑制することができる３次元造形方法及び造形物複合体並びに３次元造形装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る３次元造形方法は、
未硬化の粉末材料を有する複数の粉末材料層に、各粉末材料層に対応する階層形状データに基づいて、３次元造形物及び支柱部の各階層となる結合体、並びに、前記３次元造形物及び前記支柱部の各階層とは異なる階層において前記支柱部に支持されたトレイ本体の各階層となる結合体を形成することを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る造形物複合体は、
複数の階層の結合体を含む一の段の３次元造形物と、前記一の段の３次元造形物の各階層とは異なる複数の階層の結合体を含む他の段の３次元造形物と、
前記一の段の３次元造形物と同一の階層の結合体を含む支柱部と、前記一の段の３次元造形物及び前記他の段の３次元造形物とは異なる階層の結合体を含むトレイ本体と、を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る３次元造形装置は、
未硬化の粉末材料を有する複数の粉末材料層に、各粉末材料層に対応する階層形状データに基づいて結合剤を滴下し、前記複数の粉末材料層に３次元造形物及び支柱部の各階層となる結合体、並びに、前記３次元造形物及び前記支柱部の各階層とは異なる階層において前記支柱部に支持されたトレイ本体の各階層となる結合体を形成する結合剤吐出部と、
前記結合剤吐出部を制御して、支柱部と、前記支柱部に支持されたトレイ本体と、を有する前記結合体を形成させる制御部と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、造形物の破損を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る３次元造形方法の第１の実施形態を示すフローチャートである。
【図２】第１の実施形態に係る３次元造形方法における造形物・支持部材積層造形工程の一例を示すフローチャートである。
【図３】第１の実施形態に係る造形物・支持部材積層造形工程における造形物及びトレイの形成状態を示す概略工程図（その１）である。
【図４】第１の実施形態に係る造形物・支持部材積層造形工程における造形物及びトレイの形成状態を示す概略工程図（その２）である。
【図５】第１の実施形態に係る造形物・支持部材積層造形工程における造形物及びトレイの形成状態を示す概略工程図（その３）である。
【図６】第１の実施形態に係る造形物・支持部材積層造形工程における造形物及びトレイの形成状態を示す概略工程図（その４）である。
【図７】第１の実施形態に係る造形物・支持部材積層造形工程により形成される造形物及びトレイの一例を示す概略構成図である。
【図８】第１の実施形態に係る粉末除去工程及び造形物取出工程における造形物の支持状態を示す概略工程図である。
【図９】比較例に係る３次元造形方法を説明するための概略工程図である。
【図１０】本発明に係る３次元造形方法の第２の実施形態において形成される造形物及びトレイの一構成例を示す概略図である。
【図１１】第２の実施形態に係る造形物取出工程における造形物の取出状態を示す概略工程図である。
【図１２】本発明に係る３次元造形方法の第３の実施形態における造形物・支持部材積層造形工程の一例を示すフローチャートである。
【図１３】第３の実施形態に係る造形物・支持部材積層造形工程及び粉末材料除去工程における造形物及びトレイの形成状態を示す概略工程図（その１）である。
【図１４】第３の実施形態に係る造形物・支持部材積層造形工程及び粉末材料除去工程における造形物及びトレイの形成状態を示す概略工程図（その２）である。
【図１５】第３の実施形態に係る造形物・支持部材積層造形工程及び粉末材料除去工程における造形物及びトレイの形成状態を示す概略工程図（その３）である。
【図１６】第３の実施形態に係る造形物・支持部材積層造形工程により形成される造形物及びランナーの一例を示す概略構成図である。
【図１７】本発明に係る３次元造形方法の第４の実施形態において形成される造形物及びランナーの一構成例を示す概略図である。
【図１８】第４の実施形態に係る造形物取出工程における造形物の取出状態を示す概略工程図である。
【図１９】本発明に係る３次元造形方法の第５の実施形態において形成される造形物及び造形物支持部材（トレイ、ランナー）の形成状態を示す概略図である。
【図２０】本発明に係る３次元造形方法を実現可能な３次元造形装置の一例を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る３次元造形方法及び造形物支持部材並びに３次元造形装置について、実施形態を示して詳しく説明する。
（３次元造形方法）
まず、本発明に係る３次元造形方法及び造形物支持部材について説明する。
【００１３】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明に係る３次元造形方法の第１の実施形態を示すフローチャートである。図２は、本実施形態に係る３次元造形方法における造形物・支持部材積層造形工程の一例を示すフローチャートである。図３〜図６は、本実施形態に係る造形物・支持部材積層造形工程における造形物及びトレイの形成状態を示す概略工程図である。図７は、本実施形態に係る造形物・支持部材積層造形工程により形成される造形物及びトレイの一例を示す概略構成図である。ここで、図７においては、説明を簡明にするために、粉末材料層を透視して、造形物及びトレイのみを示した。図８は、本実施形態に係る粉末除去工程及び造形物取出工程における造形物の支持状態を示す概略工程図である。
【００１４】
本発明に係る３次元造形方法の第１の実施形態は、図１に示すように、概略、３次元データ準備工程（Ｓ１０１）と、造形物・支持部材階層データ生成工程（Ｓ１０２）と、造形物・支持部材積層造形工程（Ｓ１０３）と、粉末除去工程（Ｓ１０４）と、造形物取出工程（Ｓ１０５）と、を有している。本実施形態においては、造形物・支持部材積層造形工程において、造形ステージ上に積層された粉末材料層中に、複数の３次元造形物（以下、単に「造形物」と略記する）が、造形物支持部材であるトレイに載置され、複数の階層を積み重ねた状態で形成される（図７参照）。
【００１５】
まず、３次元データ準備工程（Ｓ１０１）においては、造形物・支持部材積層造形工程（Ｓ１０３）において造形の対象となる造形物の３次元ＣＡＤデータを準備する。また、この３次元データ準備工程（Ｓ１０１）においては、造形物を構成する粉末材料、及び、当該粉末材料を結合して硬化させるためのバインダ（結合剤）を準備する。本実施形態に係る粉末積層法を用いた３次元造形方法においては、粉末材料として例えばα石膏等の石膏やデンプン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン等の樹脂の粉末を適用することができ、バインダは、粉末材料自体が硬化反応するための触媒が含まれていてもよく、この場合、粉末材料が石膏であると硫酸塩が好適である。またバインダは、樹脂系の接着剤を適用してもよい。ここで結合とは化学的な結合或いは物理的な接着の少なくともいずれかを含む。
【００１６】
次いで、造形物・支持部材階層データ生成工程（Ｓ１０２）においては、準備された３次元ＣＡＤデータに基づいて、造形物を形成する際の造形ステージの上面を基準面として、当該基準面に平行な平面に造形物を輪切りにした（分割した）場合の、輪切りにされた各階層の階層形状データ（以下、便宜的に「造形物階層データ」と記す）を生成する。
【００１７】
また、この造形物・支持部材階層データ生成工程（Ｓ１０２）においては、造形ステージ上方に複数の階層に積み重ねた状態で形成される複数の造形物に対して、各段の造形物を載置して支持するトレイを、上述した造形物の場合と同一の、上記基準面に平行な平面で複数層に輪切りにした（分割した）場合の、各階層の階層形状データ（以下、便宜的に「トレイ階層データ」と記す）を生成する。なお、トレイの形状は詳しくは後述するが、本実施形態においては、例えば図７に示すように、各段の複数の造形物２２、３２、４２の下方側にそれぞれ配置されるトレイ本体１３、２３、３３と、当該トレイ本体１３、２３、３３の下面側にそれぞれ設けられ、トレイ本体１３、２３、３３相互の配置間隔を規定する支柱部１４、２４、３４と、を備え、これらが複数の階層分、一体的に形成された構成を有している。ここで、１段目の造形物は、造形ステージの上面に配置するよう形成されるため、１段目のトレイ本体１３及び支柱部１４により、その上方側が覆われている。トレイ本体は、下方に位置する複数の支柱部によって支持されているが、支柱部と結合されていてもよく、製造された造形物を槽から容易に取り出せるよう、支柱部に結合されることなく支柱部上に載置されているだけであってもよい。
【００１８】
次いで、造形物・支持部材積層造形工程（Ｓ１０３）は、図２に示すように、粉末材料層形成ステップ（Ｓ１１１）と、結合体形成ステップ（Ｓ１１２）と、結合体積層ステップ（Ｓ１１３）と、造形物・トレイ積層ステップ（Ｓ１１４）と、造形物積層ステップ（Ｓ１１５）と、を有している。
【００１９】
まず、粉末材料層形成ステップ（Ｓ１１１）においては、図３（ａ）に示すように、３次元造形装置の槽１０９に囲まれた造形ステージ１１０の上面に未硬化の粉末材料を所定の厚さになるように平坦に堆積させて、１階層分（すなわち、１段目の第１階層）の粉末材料層１１−１を形成する。この粉末材料層１１−１における所定の厚さは、例えば０．１ｍｍ程度又はそれ以上に設定される。
【００２０】
次いで、結合体形成ステップ（Ｓ１１２）においては、３次元ＣＡＤデータから生成された造形物階層データ及びトレイ階層データに基づいて、粉末材料層１１−１を選択的に硬化させて、当該層に造形物の階層形状に対応する結合体、及び、トレイの支柱部の階層形状に対応する結合体を同時に形成する。具体的には、図３（ｂ）に示すように、造形物階層データ及びトレイ階層データのうち、造形ステージ１１０の上面を基準面として、当該基準面側から１層目となる第１階層の造形物階層データ及びトレイ階層データに基づいて、バインダ吐出部１２０を走査させつつ、当該バインダ吐出部１２０から第１階層の粉末材料層１１−１の、当該階層データに対応する領域にバインダ１２１を吐出する。すなわち、粉末材料層１１−１に造形物及びトレイの第１階層の階層形状が、滴下されたバインダ１２１で描画される。このバインダ１２１が硬化することにより、図３（ｃ）に示すように、バインダ１２１が浸透した領域の粉末材料層１１−１の粉末材料が結合して硬化し、造形物の第１階層の階層形状に対応する結合体１２−１、及び、トレイの支柱部の第１階層の階層形状に対応する結合体１４−１が形成される。ここで、バインダ吐出部１２０は、後述するように、インクジェットプリンタに用いられるプリンタヘッド若しくはインクジェットプリンタに用いられるプリンタヘッドと同等の吐出機構を備えている。
【００２１】
次いで、結合体積層ステップ（Ｓ１１３）においては、上記の粉末材料層形成ステップ（Ｓ１１１）及び結合体形成ステップ（Ｓ１１２）を繰り返して、各層の粉末材料層に形成された結合体を順次積層して造形物及びトレイをそれぞれ１階層分ごと形成していく。具体的には、図３（ｄ）に示すように、造形ステージ１１０上の第１階層の粉末材料層１１−１の上面に、粉末材料を所定の厚さになるように平坦に堆積させて、第２階層の粉末材料層１１−２を形成する。ここで造形ステージ１１０が第１階層の粉末材料層１１−１とともに槽１０９内で第２階層の粉末材料層１１−２の層の厚さ分だけ下降し、次いで、第２階層の粉末材料層１１−２を第１階層の粉末材料層１１−１上に堆積する。
【００２２】
次いで、図３（ｅ）に示すように、造形物階層データ及びトレイ階層データのうち、上記基準面側から２層目となる第２階層の造形物階層データ及びトレイ階層データに基づいて、バインダ吐出部１２０を走査させつつ、第２階層の粉末材料層１１−２の、当該階層データに対応する領域にバインダ１２１を吐出する。このバインダ１２１が硬化することにより、図４（ａ）に示すように、バインダ１２１が浸透した領域の粉末材料層１１−２の粉末材料が結合して硬化し、造形物の第２階層の階層形状に対応する結合体１２−２、及び、トレイの支柱部の第２階層の階層形状に対応する結合体１４−２が形成される。
【００２３】
このとき、図面上方から造形ステージ１１０を平面視して、第１階層の粉末材料層１１−１に形成された結合体１２−１、１４−１に平面的に重なる領域に形成された第２階層の粉末材料層１１−２の結合体１２−２、１４−２が形成される。このとき、滴下されたバインダ１２１が第１階層の結合体１２−１、１４−１にも到達するので、第１階層の結合体１２−１と第２階層の結合体１２−２とが結合されるように硬化し、第１階層の結合体１４−１と第２階層の結合体１４−２とが結合されるように硬化する。すなわち、下層の結合体とその上層の結合体が平面的に重なるように形成された領域では、上層及び下層の結合体は結果的に一体の結合体として形成される。
【００２４】
このような結合体積層ステップ（Ｓ１１３）を繰り返すことにより、図４（ｂ）に示すように、造形ステージ１１０が粉末材料層１１−１、１１−２とともに槽１０９内で第３階層の粉末材料層１１−３の層の厚さ分だけ下降し、次いで第３階層の粉末材料層１１−３を第２階層の粉末材料層１１−２上に堆積する。造形物の第１階層から最上層（図では第３階層）までの造形物階層データに基づいて、粉末材料層１１−１〜１１−３中に、結合体１２−１〜１２−３を有する１段目の造形物１２が一体的に積層形成される。第３階層の粉末材料層１１−３は、粉末材料層１１−４を形成するための層であるとともに、結合体１２−１〜１２−３と、その後形成されるトレイ本体１３と、の間に隙間を形成するための層である。そして、図４（ｃ）に示すように、造形ステージ１１０が粉末材料層１１−１〜１１−３とともに槽１０９内で第４階層の粉末材料層１１−４の層の厚さ分だけ下降し、次いで第４階層の粉末材料層１１−４を第３階層の粉末材料層１１−３上に堆積する。また、このとき同時に、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、トレイの支柱部の第１階層から最上層（図では第４階層）までのトレイ階層データに基づいて、粉末材料層１１−１〜１１−４中に、結合体１４−１〜１４−４を有する１段目のトレイの支柱部１４が一体的に積層形成される。さらに、図４（ｄ）に示すように、造形ステージ１１０が粉末材料層１１−１〜１１−３４とともに、槽１０９内で第５階層の粉末材料層１１−５の層の厚さ分だけ下降した後、第５階層の粉末材料層１１−５を第４階層の粉末材料層１１−４上に堆積する。トレイ本体（図では第５階層）のトレイ階層データに基づいて、粉末材料層１１−５中に、支柱部１４に支持された結合体を有する１段目のトレイ本体１３が積層形成される。トレイ本体１３は、下方に位置する複数の支柱部１４によって支持されているが、支柱部１４と結合されていてもよく、製造された造形物１２を槽１０９から容易に取り出せるよう、支柱部１４に結合されることなく支柱部１４上に載置されているだけであってもよい。またトレイ本体１３及び支柱部１４は、ともに、同一段の各造形物１２との間に未硬化の粉末材料を介するように配置されている。ここで、トレイ本体１３は、後述する粉末除去工程において造形物やトレイの周囲を覆う未硬化の粉末材料を排出しやすいように、例えば図７に示すように、トレイ本体１３の上面側と下面側が細かな網目やメッシュ、格子等の開口部を介して連通された平板状の構造を有している。トレイ本体１３の開口部は、粉末材料の各粉末が開口部から余裕を持って通過できる程度であって且つ当該トレイ本体１３の上部に配置される結合体或いは造形物が開口部を通過しない程度の開口面積及び開口形状を有している。
【００２５】
次いで、造形物・トレイ積層ステップ（Ｓ１１４）においては、上記の結合体積層ステップ（Ｓ１１３）を繰り返して、各層の結合体を有する１段分の造形物及びトレイを積み重ねて、複数段の造形物及びトレイを形成する。具体的には、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、造形ステージ１１０上の１段目の造形物１２及びトレイ本体１３、支柱部１４が形成された粉末材料層１１−１〜１１−５の上面に、上記の第１階層から第３階層の造形物階層データに基づいて、粉末材料層２１−１〜２１−３中に、結合体２２−１〜２２−３を有する２段目の造形物２２が一体的に積層形成される。また、このとき同時に、上記の第１階層から第４階層のトレイ階層データに基づいて、粉末材料層２１−１〜２１−４中に、結合体２４−１〜２４−４を有する２段目のトレイの支柱部２４が一体的に積層形成される。さらに、上記の第５階層のトレイ階層データに基づいて、粉末材料層２１−５中に、支柱部２４に接合された結合体を有する２段目のトレイ本体２３が積層形成される。
【００２６】
このような造形物・トレイ積層ステップ（Ｓ１１４）を繰り返すことにより、図６（ａ）に示すように、造形物階層データ及びトレイ階層データに基づいて、粉末材料層１１−１〜１１−５、２１−１〜２１−５、３１−１〜３１−５中に、１段目から最上段の１段下の段（図では３段目）までの各段の造形物１２、２２、３２、及び、トレイ本体１３、２３、３３、支柱部１４、２４、３４が積み重ねられた状態で形成される。ここで、順次積み重ねられた支柱部１４、トレイ本体１３、支柱部２４、トレイ本体２３、支柱部３４、トレイ本体３３は、一体的に積層形成されてトレイ１０Ａを構成する。
【００２７】
次いで、造形物積層ステップ（Ｓ１１５）においては、上記の造形物・トレイ積層ステップ（Ｓ１１４）のうち、造形物階層データのみに基づいて、最上段の造形物を形成する。具体的には、図６（ｂ）に示すように、造形ステージ１１０上のトレイ１０Ａの最上段のトレイ本体３３が形成された粉末材料層３１−５の上面に、上記の第１階層から第３階層の造形物階層データに基づいて、粉末材料層４１−１〜４１−３中に、結合体４２−１〜４２−３を有する最上段（図では４段目）の造形物４２が一体的に積層形成される。
【００２８】
このように、造形物・トレイ積層造形工程（Ｓ１０３）の各ステップにより、図６（ｂ）、図７に示すように、造形ステージ１１０上に積層された粉末材料１０１中に、硬化された粉末材料１０１により、トレイ本体１３、２３、３３及び支柱部１４、２４、３４を有するトレイ１０Ａが一体的に積層形成されるとともに、当該トレイ１０Ａの各段のトレイ本体１３、２３、３３上に２段目から最上段の各造形物２２、３２、４２が載置された状態で形成される。また、１段目の造形物１２は、造形ステージ１１０の上面に載置された状態で形成されるとともに、その上方側が１段目のトレイ本体１３及び支柱部１４により覆われている。このとき、各段に形成された造形物１２、２２、３２、４２及びトレイ１０Ａは、製造過程及び製造完了直後では造形ステージ１１０上に積層された未硬化（未結合）の粉末材料層１１−１〜１１−５、２１−１〜２１−５、３１−１〜３１−５、４１−１〜４１−３を有する粉末材料１０１中に埋め込まれた状態で形成され、周囲に未硬化の粉末材料１０１が充填されて支えられている。このため、例えば重心の偏った造形物や、硬化された下側の粉末材料層に対して横方向に突き出ている硬化された上側の材料層で構成されたオーバーハング部分が存在する造形物であっても、転倒や損傷が防止される。
【００２９】
次いで、粉末除去工程（Ｓ１０４）においては、造形ステージ１１０上に積層された未硬化の粉末材料１０１を除去して、造形物１２、２２、３２、４２を露出させる。具体的には、図８（ａ）に示すように、造形ステージ１１０に設けられた粉末排出口１１０ｈが開口し、粉末材料１０１が自重で粉末排出口１１０ｈから排出される。なお、図示しない吸引機構によって粉末材料１０１を吸引して排出してもよい。ここで、造形物２２、３２、４２が載置されているトレイ本体１３、２３、３３は、上述したように（図７参照）、網目状やメッシュ、格子状等の開口部が設けられた平板状の構造を有しているので、トレイ本体１３、２３、３３上に堆積された未硬化の粉末材料１０１は、これらの開口部を介して下方に落ちていき、造形ステージ１１０の粉末排出口１１０ｈから排出される。このとき、２段目から最上段（４段目）の造形物２２、３２、４２はトレイ１０Ａの各段のトレイ本体１３、２３、３３の上面に載置されて支持された状態で露出する。また、１段目の造形物１２は造形ステージ１１０の上面に載置されて支持された状態で露出する。なお、槽１０９及び造形ステージ１１０を揺らすことによって、下方に落ちきらずに造形物１２、２２、３２、４２上やトレイ１０Ａ上に留まっている未硬化の粉末材料１０１を、落とすこともできる。
【００３０】
なお、本実施形態においては、造形ステージ１１０上の粉末材料１０１を、造形ステージ１１０に設けられた粉末排出口１１０ｈを介して排出する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明に係る３次元造形方法は、例えば造形ステージ１１０上に積層された粉末材料１０１を、風圧で吹き飛ばしたり、音波振動により除去するものであってもよい。
【００３１】
次いで、造形物取出工程（Ｓ１０５）においては、上記の粉末除去工程（Ｓ１０４）により粉末材料１０１から露出した造形物１２、２２、３２、４２を順次取り出す。具体的には、図８（ｂ）に示すように、造形ステージ１１０上から粉末材料１０１がすべて除去された後、あるいは、造形ステージ１１０上から粉末材料１０１を除去しつつ、露出した造形物１２、２２、３２、４２を順次トレイ１０Ａ及び造形ステージ１１０上から取り出す。
【００３２】
次に、上述した３次元造形方法の作用効果について、比較例を示して検証する。ここでは、まず、比較例となる３次元造形方法を示して、その問題点を検証した後、本実施形態に係る３次元造形方法の特徴と作用効果について説明する。
【００３３】
図９は、比較例に係る３次元造形方法を説明するための概略工程図である。ここで、説明を簡便にするために、上述した本発明の実施形態と同等の構成については、同一の符号を付して説明する。
【００３４】
本発明の比較例となる３次元造形方法においては、例えば図９（ａ）に示すように、まず、造形ステージ１１０の上面に１層分（１段目の第１階層）の粉末材料層１１−１を形成した後、３次元ＣＡＤデータに基づいて生成された造形物の階層形状データ（造形物階層データ）に基づいて、粉末材料層１１−１を選択的に硬化させて、当該造形物階層データに対応した結合体を形成する。
【００３５】
このような１階層分の粉末材料層に結合体を形成するステップを繰り返すことにより、造形物の第１階層から最上層（図では第３階層）までの造形物階層データに基づいて、粉末材料層１１−１〜１１−３中に、硬化した粉末材料１０１を有する１段目の造形物１２が一体的に積層形成される。その後、２段目の造形物２２との結合を防止するため、粉末材料層１１−３の上面に、粉末材料層（又は結合防止層）１１−６が形成される。
【００３６】
さらに、このような各層の結合体を有する１段分の造形物を形成するステップを繰り返すことにより、図９（ａ）に示すように、造形ステージ１１０上に積層された粉末材料層１１−１〜１１−３、２１−１〜２１−３、３１−１〜３１−３、４１−１〜４１−３中に、１段目から最上段（図では４段目）までの各段の造形物１２、２２、３２、４２が形成されるとともに、これらの各段の造形物１２、２２、３２、４２が、粉末材料層１１−６、２１−６、３１−６を介して積み重ねられた状態で形成される。
【００３７】
このような比較例となる３次元造形方法においては、例えば図９（ａ）に示すように、造形ステージ１１０上に積み重ねられて形成された各段の造形物１２、２２、３２、４２を粉末材料層に埋設された状態のまま取り出そうとすると、造形物１２、２２、３２、４２同士をぶつけたり、造形物１２、２２、３２、４２に不用意に機械的応力が加わったりして破損しやすくなってしまう。また、粉末材料１０１を造形ステージ１１０に設けられた粉末排出口１１０ｈから吸引して排出し、造形物１２、２２、３２、４２の周囲から除去したとしても、図９（ｂ）に示すように、上段の造形物２２、３２、４２が造形ステージ１１０上に落下したり、造形物１２、２２、３２、４２相互が接触したりする場合がある。そのため、造形物１２、２２、３２、４２に傷が付いたり破損したりして製造歩留まりが低下するという問題を有している。また、造形ステージ１１０上に不規則に落下した造形物１２、２２、３２、４２が粉末排出口１１０ｈを塞ぎ、粉末材料１０１が十分に排出されずに残留して、造形物１２、２２、３２、４２が取り出しにくくなり、生産性が低下するという問題を有している。
【００３８】
さらに、図９（ａ）に示すように、図面上方から造形ステージ１１０を平面視した際に、各段の造形物１２、２２、３２、４２が平面的に重なるように配置されて形成されると、造形物１２、２２、３２、４２が形成される各粉末材料層１１−１〜１１−３、２１−１〜２１−３、３１−１〜３１−３、４１−１〜４１−３の略同等の領域にのみバインダが滴下されて硬化する。バインダが滴下された粉末材料層は、バインダが滴下されていない粉末材料層に比べて比重が高くなり、未硬化の粉末材料層内に沈み込みやすくなるので、当該硬化した領域と未硬化の領域との間で、粉末材料層の平坦性に差異が生じて撓みや歪みが生じる。そのため、粉末材料層が積層された上段の造形物ほど、粉末材料層の撓みや歪みの影響を大きく受けることになり、３次元ＣＡＤデータに基づく本来の立体形状が得られなくなるという問題を有している。
【００３９】
そこで、本発明に係る３次元造形方法においては、上述したように、各段の造形物１２、２２、３２と同時に、当該造形物２２、３２、４２が載置されるトレイ１０Ａが形成される。また、当該トレイ本体１３、２３、３３は、支柱部１４、２４、３４の長さ（具体的には粉末材料層の積層数）を規定することにより、相互の配置間隔が造形物１２、２２、３２の高さよりも高くなるように形成されている。さらに、当該トレイ本体１３、２３、３３は、粉末材料１０１を排出しやすいように、網目状やメッシュ、格子状等の開口部が設けられた平板状の構造を有している。
【００４０】
このような３次元造形方法によれば、造形ステージ１１０上の粉末材料１０１を除去して造形物１２、２２、３２、４２を取り出す際に、図８（ａ）、（ｂ）に示したように、造形物２２、３２、４２はトレイ１０Ａの各段のトレイ本体１３、２３、３３上に載置されて支持されるので、粉末材料層が間に介在しなくても造形ステージ１１０上に落下したり、造形物１２、２２、３２、４２相互が接触したりして傷が付いたり破損することを防止することができる。また、造形物１２、２２、３２、４２が造形ステージ１１０及び各段のトレイ本体１３、２３、３３上に載置されて支持された状態で良好に露出するので、造形物１２、２２、３２、４２をトレイ１０Ａの各段から簡易に取り出すことができる。
【００４１】
さらに、トレイ１０Ａが造形物１２、２２、３２、４２を積み重ねた状態で支えているので、造形物１２、２２、３２、４２が粉末材料層内に沈み込まない。そして造形ステージ１１０の上面、及び、トレイ１０Ａの各段のトレイ本体１３、２３、３３の上面が各段の造形物１２、２２、３２、４２を形成する際の基準面となり、粉末材料層１１−１〜１１−３、２１−１〜２１−３、３１−１〜３１−３、４１−１〜４１−３の撓みや歪みを抑制することができるので、３次元ＣＡＤデータに基づく本来の立体形状を有する造形物１２、２２、３２、４２を良好に形成することができる。
【００４２】
したがって、本実施形態によれば、粉末積層法を用いて３次元造形物を大量に形成する際に、造形物の破損を抑制しつつ簡易に取り出すことができ、製造歩留まりや生産性を向上させることができる。
【００４３】
なお、上述した実施形態においては、造形ステージ１１０の上面や、トレイ１０Ａの各段のトレイ本体１３、２３、３３の上面に、造形物１２、２２、３２、４２の底面が直接接触する状態で、造形物１２、２２、３２、４２を構成する結合体を形成する場合について説明した。ここで、造形ステージ１１０の上面と造形物１２の底面、あるいは、トレイ本体１３、２３、３３の上面と造形物２２、３２、４２の底面が結合しやすく、造形物１２、２２、３２、４２を良好に取り出すことができない場合には、各段の第１階層の粉末材料層１１−１、２１−１、３１−１、４１−１を形成する前に、造形ステージ１１０の上面やトレイ本体１３、２３、３３が形成される粉末材料層１１−５、２１−５、３１−５の上面のみに、粉末材料層と同じ未硬化の粉末材料を有する結合防止層を形成するものであってもよい。この結合防止層の厚みは、結合防止層上の第１階層の粉末材料層に滴下されるバインダが結合防止層下のトレイ本体に到達しないよう設定された厚さであり、例えば上述した粉末材料層１１−１〜１１−５、２１−１〜２１−５、３１−１〜３１−５、４１−１〜４１−３と同様に、０．１ｍｍ程度又はそれ以上に設定される。具体的には、結合防止層の厚みは、１階層分の粉末材料層１１−１〜１１−５、２１−１〜２１−５、３１−１〜３１−５、４１−１〜４１−３の厚みを基準として、その整数倍に設定することが好ましい。このように、結合防止層の厚みを、造形物１２、２２、３２、４２を形成するための粉末材料層１１−１〜１１−５、２１−１〜２１−５、３１−１〜３１−５、４１−１〜４１−３と同一の厚み、又は、その整数倍に設定することにより、３次元造形装置における造形条件（数値設定等）を変更する必要がなく、動作制御や入力操作を簡略化することができる。また、小さい機械的応力を加えることで、造形物が当該トレイ本体から容易に分離可能となるように、造形物をその直下に位置するトレイ本体にわずかに結合されていてもよい。この場合、粉末材料１０１が造形物に当たりながら粉末排出口１１０ｈから排出される際に、造形物が転倒することを防止できる。
【００４４】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明に係る３次元造形方法の第２の実施形態について説明する。
上述した第１の実施形態においては、造形物１２、２２、３２、４２と同時に形成されるトレイ１０Ａが、図７に示したように、各段のトレイ本体１３、２３、３３と支柱部１４、２４、３４が交互に積み重ねられた一体的な構成を有する場合について説明した。第２の実施形態においては、トレイ１０Ａが段ごとに分離可能な構成を有している。
【００４５】
図１０は、本発明に係る３次元造形方法の第２の実施形態において形成される造形物及びトレイの一構成例を示す概略図である。図１０（ａ）は、本実施形態における造形物及びトレイの形成状態を示す概略工程図であり、図１０（ｂ）は、本実施形態により形成される各段（１段分）のトレイの一例を示す概略構成図である。図１１は、本実施形態に係る造形物取出工程における造形物の取出状態を示す概略工程図である。なお、上述した第１の実施形態と同等の工程、処理ステップ、構成については、同一の符号等を用い、適宜図１〜図８を参照しつつ説明する。
【００４６】
本発明に係る３次元造形方法の第２の実施形態は、上述した第１の実施形態（図１、図２参照）に示した造形物・支持部材積層造形工程（Ｓ１０３）において、図１０（ａ）に示すように、造形ステージ１１０上に積層された粉末材料層１１−１〜１１−５、２１−１〜２１−５、３１−１〜３１−５、４１−１〜４１−３を有する粉末材料１０１中に、造形物１２、２２、３２、４２がトレイ１０Ａの各段に載置されて複数段積み重ねた状態で形成されるとともに、当該トレイ１０Ａが段ごとに分離可能な状態で形成される。
【００４７】
具体的には、造形物・支持部材積層造形工程（Ｓ１０３）において、まず、１段目の造形物１２及びトレイ１０Ａ−１の支柱部１４と、造形ステージ１１０との結合を防止するために、造形ステージ１１０の上面全域に、粉末材料を薄くかつ均一に拡げて、未硬化の粉末材料を有する結合防止層１１−０を形成する。結合防止層は、粉末材料層と同じ材料であるが、粉末材料層と異なる材料で且つ粉末材料層を硬化する条件では硬化しにくい或いは硬化しない材料であってもよい。次いで、図２に示した粉末材料層形成ステップ（Ｓ１１１）、結合体形成ステップ（Ｓ１１２）及び結合体積層ステップ（Ｓ１１３）を実行することにより、粉末材料層１１−１〜１１−３中に、１段目の造形物１２が一体的に積層形成される。また、このとき同時に、粉末材料層１１−１〜１１−４中に、１段目の支柱部１４が一体的に積層形成され、粉末材料層１１−５中に、支柱部１４に接合された１段目のトレイ本体１３が積層形成される。すなわち、図１０（ｂ）に示すように、支柱部１４及びトレイ本体１３を有する１段目のトレイ１０Ａ−１が一体的に積層形成される。
【００４８】
次いで、２段目の造形物２２及びトレイ１０Ａ−２の支柱部２４と、上記の１段目のトレイ１０Ａ−１との結合を防止するために、トレイ本体１３が形成された粉末材料層１１−５の上面全域に、つまりトレイ本体１３上面及び未硬化の粉末材料層１１−５の上面に、未硬化の粉末材料を有する結合防止層２１−０を形成する。次いで、１段目と同様に、粉末材料層２１−１〜２１−３中に、２段目の造形物２２が一体的に積層形成され、また、粉末材料層２１−１〜２１−４中に、２段目の支柱部２４が一体的に積層形成され、さらに、粉末材料層２１−５中に、支柱部２４に接合された２段目のトレイ本体２３が積層形成される。すなわち、１段目と同様に、支柱部２４及びトレイ本体２３を有する２段目のトレイ１０Ａ−２が一体的に積層形成される。
【００４９】
このように、未硬化の粉末材料を有する結合防止層を形成した後、図２に示した造形物・トレイ積層ステップ（Ｓ１１４）を実行する一連の処理を繰り返すことにより、図１０（ａ）に示すように、粉末材料層１１−１〜１１−５、２１−１〜２１−５、３１−１〜３１−５中に、１段目から３段目までの各段の造形物１２、２２、３２、及び、各段のトレイ１０Ａ−１〜１０Ａ−３が積み重ねられた状態で形成される。ここで、順次積み重ねられたトレイ１０Ａ−１〜１０Ａ−３は、各段に未硬化の粉末材料を有する結合防止層１１−０〜３１−０が粉末材料層全域にわたって介在することにより、段ごとに分離可能に構成されている。
【００５０】
次いで、最上段（図では４段目）の造形物４２と、上記の３段目のトレイ１０Ａ−３とのを防止するために、トレイ本体３３が形成された粉末材料層３１−５の上面に、未硬化の粉末材料を有する結合防止層４１−０を形成する。次いで、図２に示した造形物積層ステップ（Ｓ１１５）を実行することにより、粉末材料層４１−１〜４１−３中に、４段目の造形物４２が形成される。
【００５１】
このように、本実施形態においては、図１０（ａ）に示すように、造形ステージ１１０上に積層された粉末材料１０１中に、硬化された粉末材料１０１により、各段にトレイ本体１３及び支柱部１４を有するトレイ１０Ａ−１、トレイ本体２３及び支柱部２４を有するトレイ１０Ａ−２、トレイ本体３３及び支柱部３４を有するトレイ１０Ａ−３が積み重ねられた状態で形成されるとともに、造形ステージ１１０上及び各段のトレイ１０Ａ−１〜１０Ａ−３上に各段の造形物１２、２２、３２、４２が載置された状態で形成される。また、造形ステージ１１０は、結合防止層１１−０によって、トレイ１０Ａ−１との結合が防止されるとともに造形物１２との結合が防止されており、トレイ１０Ａ−１は、結合防止層２１−０によって、トレイ１０Ａ−２との結合が防止されるとともに造形物２２との結合が防止されており、トレイ１０Ａ−２は、結合防止層３１−０によって、トレイ１０Ａ−３との結合が防止されるとともに造形物３２との結合が防止されており、トレイ１０Ａ−３は、結合防止層４１−０によって、造形物４２との結合が防止されている。したがって、各段のトレイ１０Ａ−１〜１０Ａ−３は、各段の最下層（すなわち、各段の間）に結合防止層１１−０〜４１−０が形成されていることにより造形ステージ１１０及び各段のトレイ１０Ａ−１〜１０Ａ−３相互、並びに、各段の造形物１２、２２、３２、４２との結合が防止されて、分離可能に積み重ねられている。
【００５２】
次いで、図１に示した粉末除去工程（Ｓ１０４）において、造形ステージ１１０上に積層された未硬化の粉末材料１０１を除去することにより、各段の造形物１２、２２、３２、４２を露出させる。このとき、造形物１２、２２、３２、４２は造形ステージ１１０及び各段のトレイ１０Ａ−１〜１０Ａ−３上に載置されて支持された状態で露出する。
【００５３】
図１に示した造形物取出工程（Ｓ１０５）において、造形ステージ１１０上から粉末材料１０１がすべて除去されるとともに、造形物１２、２２、３２、４２直下の結合防止層１１−０、２１−０、３１−０、４１−０、並びに支柱部１４、２４、３４直下の結合防止層１１−０、２１−０、３１−０を除く結合防止層１１−０、２１−０、３１−０、４１−０を除去された後、あるいは、除去されている最中に、露出した造形物１２、２２、３２、４２を順次トレイ１０Ａ−１〜１０Ａ−３及び造形ステージ１１０上から取り出す。このとき、造形物２２、３２、４２は、各段のトレイ１０Ａ−１〜１０Ａ−３上から個別に取り出されるものであってもよいし、分離可能な各段のトレイ１０Ａ−１〜１０Ａ−３ごと複数の造形物２２、３２、４２が一括して取り出されるものであってもよい。すなわち、図１１に示すように、最上段（４段目）の造形物４２は、３段目のトレイ１０Ａ−３上に載置されて支持された状態で、造形ステージ１１０（３次元造形装置）から一括して取り出され、また、３段目の造形物３２は、２段目のトレイ１０Ａ−２上に載置されて支持された状態で一括して取り出され、また、２段目の造形物２２は、１段目のトレイ１０Ａ−１上に載置されて支持された状態で一括して取り出されるものであってもよい。
【００５４】
なお、本実施形態において、各段の最下層に形成される結合防止層１１−０〜４１−０は、粉末材料層と同じ材料の場合、結合防止層上の第１階層の粉末材料層に滴下されるバインダが当該結合防止層下のトレイ本体に到達しないよう設定された厚さであり、上述した第１の実施形態と同様に、例えば０．１ｍｍ程度又はそれ以上に設定される。すなわち、結合防止層１１−０〜４１−０の厚みは、１階層分の粉末材料層１１−１〜１１−５、２１−１〜２１−５、３１−１〜３１−５、４１−１〜４１−３の厚みを基準として、同一の厚み、又は、その整数倍に設定することが好ましい。また、結合防止層１１−０〜４１−０は、粉末材料層と異なる材料で且つ粉末材料層を硬化する条件では硬化しにくい或いは硬化しない材料の場合、その厚さは特に限定されないが、バインダが結合防止層の粉末粒子間を通って当該結合防止層下のトレイ本体に到達しないように粉末粒子が緻密に堆積されるよう粉末粒径が小さいことが好ましい。また、各結合防止層１１−０〜４１−０は粉末状ではなく、トレイ本体１３、２３、３３に設けられた開口部に応じて粉末材料の各粉末が通過できる程度の開口部を有する一枚のシートであってもよい。この場合、表面がフッ素加工されていることが好ましい。
【００５５】
このように、本実施形態に係る３次元造形方法においても、上述した第１の実施形態と同様に、造形ステージ１１０上の粉末材料１０１を除去して造形物１２、２２、３２、４２を取り出す際に、造形物２２、３２、４２は各段のトレイ１０Ａ−１、１０Ａ−２、１０Ａ−３上に載置されて支持されるので、造形ステージ１１０上に落下したり、造形物１２、２２、３２、４２相互が接触したりして傷が付いたり破損することを防止することができる。また、各段のトレイ１０Ａ−１、１０Ａ−２、１０Ａ−３が個別に取り出せるため、上段側のトレイを取り出すことによって下段側のトレイ上に載置された造形物が露出され、取り出しやすくなる。あるいは、各段のトレイ１０Ａ−１、１０Ａ−２、１０Ａ−３を分離して、造形物１２、２２、３２、４２をトレイ１０Ａ−１、１０Ａ−２、１０Ａ−３ごと一括して簡易に取り出すことができる。
【００５６】
さらに、造形物１２、２２、３２、４２を積み重ねた状態で形成する際に、造形ステージ１１０の上面、及び、各段のトレイ１０Ａ−１、１０Ａ−２、１０Ａ−３の上面が各段の造形物１２、２２、３２、４２を形成する際の基準面となり、粉末材料層１１−１〜１１−３、２１−１〜２１−３、３１−１〜３１−３、４１−１〜４１−３の撓みや歪みを抑制することができるので、３次元ＣＡＤデータに基づく本来の立体形状を有する造形物１２、２２、３２、４２を良好に形成することができる。
【００５７】
したがって、本実施形態においても、粉末積層法を用いて３次元造形物を大量に形成する際に、造形物の破損を抑制しつつ簡易に取り出すことができ、製造歩留まりや生産性を向上させることができる。
【００５８】
＜第３の実施形態＞
次に、本発明に係る３次元造形方法の第３の実施形態について説明する。
上述した第１及び第２の実施形態においては、図７、図１０に示したように、複数段に積み重ねて形成される造形物に対して、各段にトレイを形成して、当該トレイ（トレイ本体）に造形物が載置される場合について説明した。第３の実施形態においては、各段の隣り合う造形物が、ランナーにより相互に連結され、複数段積み重ねた状態で形成される。
【００５９】
図１２は、本発明に係る３次元造形方法の第３の実施形態における造形物・支持部材積層造形工程の一例を示すフローチャートである。図１３〜図１５は、本実施形態に係る造形物・支持部材積層造形工程及び粉末材料除去工程における造形物及びトレイの形成状態を示す概略工程図である。図１６は、本実施形態に係る造形物・支持部材積層造形工程により形成される造形物及びランナーの一例を示す概略構成図である。ここで、図１６においては、説明を簡明にするために、粉末材料層を透視して、造形物及びトレイのみを示した。なお、上述した第１及び第２の実施形態と同等の工程、処理ステップ、構成については、同一の符号等を用い、適宜図１〜図８、図１０〜図１１を参照しつつ説明する。
【００６０】
本発明に係る３次元造形方法の第３の実施形態は、図１に示した場合と同様に、概略、３次元データ準備工程（Ｓ１０１）と、造形物・支持部材階層データ生成工程（Ｓ１０２）と、造形物・支持部材積層造形工程（Ｓ１０３）と、粉末除去工程（Ｓ１０４）と、造形物取出工程（Ｓ１０５）と、を有している。本実施形態においては、造形物・支持部材積層造形工程において、造形ステージ上に積層された粉末材料層中に、複数の造形物が、造形物支持部材であるランナーに連結され、複数段積み重ねた状態で形成される（図１６参照）。
【００６１】
まず、３次元データ準備工程（Ｓ１０１）においては、第１の実施形態と同様に、造形物・支持部材積層造形工程（Ｓ１０３）において造形の対象となる造形物の３次元ＣＡＤデータを準備する。
【００６２】
次いで、造形物・支持部材階層データ生成工程（Ｓ１０２）においては、第１の実施形態と同様に、３次元ＣＡＤデータに基づいて造形物階層データを生成する。また、本実施形態においては、この造形物・支持部材階層データ生成工程（Ｓ１０２）において、造形ステージ上に複数段積み重ねた状態で形成される複数の造形物に対して、各段の造形物を相互に連結して支持するランナーを、上述した造形物の場合と同一の平面で複数層に輪切りにした（分割した）場合の、各層の階層形状データ（以下、便宜的に「ランナー階層データ」と記す）を生成する。なお、ランナーの形状は詳しくは後述するが、本実施形態においては、例えば図１６に示すように、各段の隣り合う造形物１２、２２、３２、４２を相互に連結する連結部１５、２５、３５、４５と、当該連結部１５、２５、３５、４５に接続され、各段の造形物１２、２２、３２、４２相互の配置間隔を規定する支柱部１４、２４、３４、４４と、を備え、これらが複数段分、一体的に形成された構成を有している。
【００６３】
次いで、造形物・支持部材積層造形工程（Ｓ１０３）においては、図１２に示すように、粉末材料層形成ステップ（Ｓ２１１）と、結合体形成ステップ（Ｓ２１２）と、結合体積層ステップ（Ｓ２１３）と、造形物・ランナー積層ステップ（Ｓ２１４）と、が実行される。
【００６４】
まず、粉末材料層形成ステップ（Ｓ２１１）及び結合体形成ステップ（Ｓ２１２）においては、第１の実施形態と同様に、図１３（ａ）に示すように、造形ステージ１１０の上面に形成された１階層分（すなわち、１段目の第１階層）の粉末材料層１１−１に対して、第１階層の造形物階層データ及びランナー階層データに基づいて、バインダ吐出部１２０を走査させつつ、当該バインダ吐出部１２０からバインダ１２１を吐出することにより、当該粉末材料層１１−１を選択的に硬化させて、造形物の第１階層の階層形状に対応する結合体１２−１、及び、ランナーの支柱部の第１階層の階層形状に対応する結合体１４−１を形成する。
【００６５】
次いで、結合体積層ステップ（Ｓ２１３）においては、図１３（ｂ）、（ｃ）に示すように、第１階層の粉末材料層１１−１上に第２階層の粉末材料層１１−２を形成し、第２階層の造形物階層データ及びランナー階層データに基づいて、バインダ吐出部１２０を走査させつつ、バインダ１２１を吐出することにより、当該粉末材料層１１−２を選択的に硬化させて、造形物の第２階層の階層形状に対応する結合体１２−２、及び、ランナーの支柱部の第２階層の階層形状に対応する結合体１４−２、並びに、ランナーの連結部１５の階層形状に対応する結合体が形成される。
【００６６】
このような粉末材料層形成ステップ（Ｓ２１１）及び結合体形成ステップ（Ｓ２１２）を繰り返すことにより、図１３（ｄ）、図１４（ａ）に示すように、粉末材料層１１−１〜１１−３中に、１段目の造形物１２が一体的に積層形成される。また、このとき同時に、粉末材料層１１−１〜１１−４中に、１段目の支柱部１４が一体的に積層形成される。さらに、粉末材料層１１−２中に、支柱部１４及び１段目の造形物１２を連結する連結部１５及び１段目の造形物１２同士を連結する連結部１５が形成される。造形物１２は、連結部１５に連結された状態で支柱部１４に支持されている。ここで、ランナーの連結部１５は、後述する造形物取出工程において各造形物１２を簡易に分離することができるように、造形物１２相互を連結できる最低限の厚み（薄さ）や強度を有していることが好ましい。なお、図１３〜図１６においては、図示の都合上、連結部として角柱状を有し、比較的太く表記したが、これに限定されるものではない。
【００６７】
次いで、造形物・ランナー積層ステップ（Ｓ２１４）においては、上記の結合体積層ステップ（Ｓ２１３）を繰り返すことにより、図１４（ｂ）〜図１５（ａ）に示すように、各層の結合体を有する１段分の造形物及びランナーを積み重ねて、複数段の造形物及びランナーを形成する。すなわち、造形物階層データ及びトレイ階層データに基づいて、粉末材料層１１−１〜１１−４、２１−１〜２１−４、３１−１〜３１−４、４１−１〜４１−３中に、１段目から最上段（図では４段目）までの各段の造形物１２、２２、３２、４２、及び、当該各段の造形物１２、２２、３２、４２を連結する連結部１５、２５、３５、４５、当該連結部１５、２５、３５、４５に接続された支柱部１４、２４、３４、４４が積み重ねられた状態で一体的に形成される。
【００６８】
このように、造形物・支持部材積層造形工程（Ｓ１０３）の各ステップにより、図１５（ａ）、図１６に示すように、造形ステージ１１０上に積層された粉末材料１０１中に、硬化された粉末材料１０１により、支柱部１４、２４、３４及び連結部１５、２５、３５、４５を有するランナー１０Ｂが一体的に積層形成されるとともに、当該ランナー１０Ｂの各段の連結部１５、２５、３５、４５により各段の造形物１２、２２、３２、４２が相互に連結された状態で支柱部１４に支持された形状に形成される。
【００６９】
次いで、粉末除去工程（Ｓ１０４）においては、第１の実施形態と同様に、図１５（ｂ）に示すように、造形ステージ１１０上に積層された未硬化の粉末材料１０１を、粉末排出口１１０ｈから吸引して排出して除去し、造形物１２、２２、３２、４２を露出させる。ここで、各段の造形物１２、２２、３２、４２は、上述したように（図１６参照）、ランナー１０Ｂの各段の連結部１５、２５、３５、４５に連結されているのみで、当該造形物１２、２２、３２、４２及び連結部１５、２５、３５、４５以外の領域が上方側及び下方側が連通しているので、粉末材料１０１は、この領域を介して造形ステージ１１０の粉末排出口１１０ｈから排出される。このとき、各段の造形物１２、２２、３２、４２はランナー１０Ｂの各段の連結部１５、２５、３５、４５に連結されて支柱部１４に支持された状態で露出する。造形ステージ１１０に載置される造形物１２を除いて、各連結部２５、３５、４５はそれぞれ各段の造形物２２、３２、４２の重さで亀裂あるいは切断されないよう十分な強度を有するために、それぞれ複数の粉末材料層を積層してなるものであってもよい。また、造形物１２は、連結部１５に連結されているために粉末材料１０１が排出する際にかかる応力によって位置ずれすることなく所定の位置に支持されるが、造形物１２が粉末材料１０１の応力によって位置ずれすることがないほど十分の重さ或いは形状であれば、連結部１５は必ずしも必要はない。
【００７０】
次いで、造形物取出工程（Ｓ１０５）においては、上記の粉末除去工程（Ｓ１０４）により粉末材料１０１から露出した造形物１２、２２、３２、４２を順次取り出す。具体的には、図１５（ｂ）に示すように、造形ステージ１１０上から粉末材料１０１がすべて除去された後、あるいは、造形ステージ１１０上から粉末材料１０１を除去しつつ、露出した造形物１２、２２、３２、４２を順次、ランナー１０Ｂの各段の連結部１５、２５、３５、４５から分離させて取り出す。
【００７１】
このような３次元造形方法によれば、造形ステージ１１０上の粉末材料１０１を除去して造形物１２、２２、３２、４２を取り出す際に、図１５（ｂ）に示したように、造形物１２、２２、３２、４２はランナー１０Ｂの各段の連結部１５、２５、３５、４５に連結されて支持されるので、造形ステージ１１０上に落下したり、造形物１２、２２、３２、４２相互が接触したりして傷が付いたり破損することを防止することができる。また、造形物１２、２２、３２、４２が各段の連結部１５、２５、３５、４５に連結されて支持された状態で良好に露出するので、槽１０９内において、造形物１２、２２、３２、４２をランナー１０Ｂの各段から簡易に分離させて取り出すことができる。なお、ランナー１０Ｂを十分強固にして、ランナー１０Ｂに連結したまま造形物１２、２２、３２、４２を槽１０９内から取りだした後、造形物１２、２２、３２、４２をランナー１０Ｂから分離するようにしてもよい。
【００７２】
さらに、造形物１２、２２、３２、４２を積み重ねた状態で形成する際に、当該造形物１２、２２、３２、４２がランナー１０Ｂの各段の連結部１５、２５、３５、４５に連結されていることにより、造形ステージ１１０の上面、及び、各段の最上層の粉末材料層１１−４、２１−４、３１−４の上面が各段の造形物１２、２２、３２、４２を形成する際の基準面となり、粉末材料層１１−１〜１１−４、２１−１〜２１−４、３１−１〜３１−４、４１−１〜４１−３の撓みや歪みを抑制することができるので、３次元ＣＡＤデータに基づく本来の立体形状を有する造形物１２、２２、３２、４２を良好に形成することができる。
【００７３】
したがって、本実施形態においても、粉末積層法を用いて３次元造形物を大量に形成する際に、造形物の破損を抑制しつつ簡易に取り出すことができ、製造歩留まりや生産性を向上させることができる。また、本実施形態においては、各段の隣り合う造形物１２、２２、３２、４２相互を、ランナー１０Ｂの連結部１５、２５、３５、４５により連結した状態で形成することができるので、複数段の造形物１２、２２、３２、４２を形成する際に必要とする粉末材料層の積層数を削減して、生産性をより向上させることができるとともに、生産コストを削減することができる。
【００７４】
＜第４の実施形態＞
次に、本発明に係る３次元造形方法の第４の実施形態について説明する。
上述した第３の実施形態においては、各段の造形物１２、２２、３２、４２を連結する連結部１５、２５、３５、４５、及び、当該連結部１５、２５、３５、４５が接続される支柱部１４、２４、３４、４４を有するランナー１０Ｂが、図１６に示したように、一体的な構成を有する場合について説明した。第４の実施形態においては、上述した第２の実施形態と同様に、ランナー１０Ｂが段ごとに分離可能な構成を有している。
【００７５】
図１７は、本発明に係る３次元造形方法の第４の実施形態において形成される造形物及びランナーの一構成例を示す概略図である。図１７（ａ）は、本実施形態における造形物及びランナーの形成状態を示す概略工程図であり、図１７（ｂ）は、本実施形態により形成されるランナーの一例を示す概略構成図である。図１８は、本実施形態に係る造形物取出工程における造形物の取出状態を示す概略工程図である。なお、上述した第３の実施形態と同等の工程、処理ステップ、構成については、同一の符号等を用い、適宜図１２〜図１６を参照しつつ説明する。
【００７６】
本発明に係る３次元造形方法の第４の実施形態は、上述した第３の実施形態（図１、図１２参照）に示した造形物・支持部材積層造形工程（Ｓ１０３）において、図１７（ａ）に示すように、造形ステージ１１０上に積層された粉末材料層１１−１〜１１−４、２１−１〜２１−４、３１−１〜３１−４、４１−１〜４１−３を有する粉末材料１０１中に、造形物１２、２２、３２、４２がランナー１０Ｂの各段の連結部１５、２５、３５、４５に連結されて複数段積み重ねた状態で形成されるとともに、当該ランナー１０Ｂが段ごとに分離可能な状態で形成される。
【００７７】
具体的には、造形物・支持部材積層造形工程（Ｓ１０３）において、まず、１段目の造形物１２及びランナー１０Ｂ−１の支柱部１４と、造形ステージ１１０との結合を防止するために、造形ステージ１１０の上面全域に、未硬化の粉末材料を有する結合防止層１１−０を形成する。次いで、図１２に示した粉末材料層形成ステップ（Ｓ２１１）、結合体形成ステップ（Ｓ２１２）及び結合体積層ステップ（Ｓ２１３）を実行することにより、粉末材料層１１−１〜１１−３中に、１段目の造形物１２が一体的に積層形成される。また、このとき同時に、粉末材料層１１−１〜１１−４中に、１段目の支柱部１４が一体的に積層形成され、粉末材料層１１−２中に、造形物１２に連結され、支柱部１４に接続された１段目の連結部１５が積層形成される。すなわち、図１７（ｂ）に示すように、支柱部１４及び連結部１５を有する１段目のランナー１０Ｂ−１と、連結部１５に連結された１段目の造形物１２が一体的に積層形成される。支柱部１４及び造形物１２は、結合防止層１１−０によって、造形ステージ１１０に結合することなく形成されている。
【００７８】
次いで、２段目の造形物２２及びランナー１０Ｂ−２の支柱部２４と、上記の１段目のランナー１０Ｂ−１との結合を防止するために、１段目のランナー１０Ｂ−１の最上層である粉末材料層１１−４の上面全域に、未硬化の粉末材料を有する結合防止層２１−０を形成する。次いで、１段目と同様に、粉末材料層２１−１〜２１−３中に、２段目の造形物２２が一体的に積層形成され、また、粉末材料層２１−１〜２１−４中に、２段目の支柱部２４が一体的に積層形成され、さらに、粉末材料層２１−２中に、造形物２２に連結され、支柱部２４に接続された２段目の連結部２５が積層形成される。すなわち、１段目と同様に、支柱部２４及び連結部２５を有する２段目のランナー１０Ｂ−２と、連結部２５に連結された２段目の造形物２２が一体的に積層形成される。支柱部２４は、結合防止層２１−０によって、支柱部１４に結合することなく形成されている。
【００７９】
このように、未硬化の粉末材料を有する結合防止層を形成した後、図１２に示した造形物・ランナー積層ステップ（Ｓ２１４）を実行する一連の処理を繰り返すことにより、図１７（ａ）に示すように、粉末材料層１１−１〜１１−４、２１−１〜２１−４、３１−１〜３１−４、４１−１〜４１−３中に、１段目から最上段までの各段の造形物１２、２２、３２、４２、及び、当該造形物１２、２２、３２、４２に連結された各段のランナー１０Ｂ−１〜１０Ｂ−４が積み重ねられた状態で形成される。ここで、順次積み重ねられたランナー１０Ｂ−１〜１０Ｂ−４は、各段に未硬化の粉末材料を有する結合防止層１１−０〜４１−０が介在することにより、段ごとに分離可能に構成されている。
【００８０】
次いで、図１に示した粉末除去工程（Ｓ１０４）において、造形ステージ１１０上に積層された未硬化の粉末材料１０１を除去することにより、各段の造形物１２、２２、３２、４２を露出させる。このとき、造形物１２、２２、３２、４２は各段のランナー１０Ｂ−１〜１０Ｂ−４の連結部１５、２５、３５、４５に連結されて支持された状態で露出する。
【００８１】
図１に示した造形物取出工程（Ｓ１０５）において、造形ステージ１１０上から粉末材料１０１がすべて除去されるとともに、造形物１２直下の結合防止層１１−０、並びに支柱部１４、２４、３４、４４直下の結合防止層１１−０、２１−０、３１−０、４１−０を除く結合防止層１１−０、２１−０、３１−０、４１−０を除去された後、あるいは、除去されている最中に、露出した造形物１２、２２、３２、４２を順次ランナー１０Ｂ−１〜１０Ｂ−４の連結部１５、２５、３５、４５から分離させて取り出す。このとき、造形物１２、２２、３２、４２は、各段のランナー１０Ｂ−１〜１０Ｂ−４から個別に取り出されるものであってもよいし、分離可能な各段のランナー１０Ｂ−１〜１０Ｂ−４ごと複数の造形物１２、２２、３２、４２が一括して取り出されるものであってもよい。すなわち、図１８に示すように、最上段（４段目）の造形物４２は、４段目のランナー１０Ｂ−４の連結部４５に連結されて支持された状態で、造形ステージ１１０（３次元造形装置）から一括して取り出され、また、３段目の造形物３２は、３段目のランナー１０Ｂ−３の連結部３５に連結されて支持された状態で一括して取り出され、また、２段目の造形物２２は、２段目のランナー１０Ｂ−２の連結部２５に連結されて支持された状態で一括して取り出され、また、１段目の造形物１２は、１段目のランナー１０Ｂ−１の連結部１５に連結されて支持された状態で一括して取り出されるものであってもよい。また、各結合防止層１１−０〜４１−０は粉末状ではなく、粉末材料の各粉末が通過できる程度の開口部を有する一枚のシートであってもよい。この場合、表面がフッ素加工されていることが好ましい。
【００８２】
このように、本実施形態に係る３次元造形方法においても、上述した第３の実施形態と同様に、造形ステージ１１０上の粉末材料１０１を除去して造形物１２、２２、３２、４２を取り出す際に、造形物１２、２２、３２、４２は各段のランナー１０Ｂ−１〜１０Ｂ−４の連結部１５、２５、３５、４５に連結されて支持されるので、造形ステージ１１０上に落下したり、造形物１２、２２、３２、４２相互が接触したりして傷が付いたり破損することを防止することができる。また、造形物１２、２２、３２、４２が各段のランナー１０Ｂ−１〜１０Ｂ−４の連結部１５、２５、３５、４５に連結されて支持された状態で良好に露出するので、造形物１２、２２、３２、４２を各段の連結部１５、２５、３５、４５から個別に簡易に分離させて取り出すことができる。あるいは、各段のランナー１０Ｂ−１〜１０Ｂ−４を分離して、造形物１２、２２、３２、４２をランナー１０Ｂ−１〜１０Ｂ−４ごと一括して簡易に分離させて取り出すことができる。
【００８３】
さらに、造形物１２、２２、３２、４２を積み重ねた状態で形成する際に、当該造形物１２、２２、３２、４２が各段のランナー１０Ｂ−１〜１０Ｂ−４の連結部１５、２５、３５、４５に連結されていることにより、造形ステージ１１０の上面、及び、各段の最上層の粉末材料層１１−４、２１−４、３１−４の上面が各段の造形物１２、２２、３２、４２を形成する際の基準面となり、粉末材料層１１−１〜１１−４、２１−１〜２１−４、３１−１〜３１−４、４１−１〜４１−３の撓みや歪みを抑制することができるので、３次元ＣＡＤデータに基づく本来の立体形状を有する造形物１２、２２、３２、４２を良好に形成することができる。
【００８４】
したがって、本実施形態においても、粉末積層法を用いて３次元造形物を大量に形成する際に、造形物の破損を抑制しつつ簡易に取り出すことができ、製造歩留まりや生産性を向上させることができる。また、本実施形態においても、複数段の造形物１２、２２、３２、４２を形成する際に必要とする粉末材料層の積層数を削減することができ、生産性をより向上させることができるとともに、生産コストを削減することができる。
【００８５】
＜第５の実施形態＞
次に、本発明に係る３次元造形方法の第５の実施形態について説明する。
上述した第１〜第４の実施形態においては、各段の造形物１２、２２、３２、４２を載置するトレイ１０Ａや、連結するランナー１０Ｂが、造形物１２、２２、３２、４２の周囲に積層形成された支柱部１４、２４、３４、４４により、各段の造形物１２、２２、３２、４２相互の配置間隔を規定する場合について説明した。第５の実施形態においては、支柱部１４、２４、３４、４４に加え、各段の造形物１２、１２間、造形物２２、２２間、造形物３２、３２間、造形物４２、４２間の少なくともいずれかに、前記支柱部に平行に積層形成された補助支柱部を配置させた構成を有している。
【００８６】
図１９は、本発明に係る３次元造形方法の第５の実施形態において形成される造形物及び造形物支持部材（トレイ、ランナー）の形成状態を示す概略図である。図１９（ａ）は、本実施形態における造形物及び造形物支持部材の第１の形成状態を示す概略工程図であり、図１９（ｂ）は、本実施形態における造形物及び造形物支持部材の第２の形成状態を示す概略工程図である。なお、図１９（ａ）、（ｂ）においては、上述した第１及び第３の実施形態に示した造形物支持部材（トレイ１０Ａ、ランナー１０Ｂ）に補助支柱部を形成した構成を示すが、本発明はこれに限らず、第２及び第４の実施形態に示した造形物支持部材（トレイ、ランナー）に補助支柱部を形成するものであってもよい。また、上述した第１〜第４の実施形態と同等の工程、処理ステップ、構成については、同一の符号等を用いて説明する。
【００８７】
本発明に係る３次元造形方法の第５の実施形態における造形物及び造形物支持部材（トレイ）の第１の形成状態は、図１９（ａ）に示すように、上述した第１の実施形態に示したトレイ１０Ａ（図６（ｂ）参照）において、造形物１２、１２間の造形ステージ１１０とトレイ本体１３とを連結する補助支柱部１６が形成され、造形物２２、２２間のトレイ本体１３とトレイ本体２３とを連結する補助支柱部２６が形成され、造形物３２、３２間のトレイ本体２３とトレイ本体３３とを連結する補助支柱部３６が形成されている。
【００８８】
具体的には、図１に示した造形物・支持部材積層造形工程（Ｓ１０３）において、図２に示した粉末材料層形成ステップ（Ｓ１１１）、結合体形成ステップ（Ｓ１１２）及び結合体積層ステップ（Ｓ１１３）を実行することにより、粉末材料層１１−１〜１１−３中に、１段目の造形物１２が一体的に積層形成され、このとき同時に、粉末材料層１１−１〜１１−４中に、１段目の支柱部１４及び補助支柱部１６が各々一体的に積層形成され、粉末材料層１１−５中に、支柱部１４及び補助支柱部１６に接合された１段目のトレイ本体１３が積層形成される。ここで、例えば図１９（ａ）に示すように、支柱部１４は、造形ステージ１１０上に積層形成される複数の造形物１２を取り囲む周辺領域に形成され、補助支柱部１６は、複数の造形物１２、１２間の領域に、支柱部１４に平行になるように形成される。
【００８９】
次いで、造形物・トレイ積層ステップ（Ｓ１１４）において、このような結合体積層ステップ（Ｓ１１３）を繰り返すことにより、図１９（ａ）に示すように、粉末材料層１１−１〜１１−５、２１−１〜２１−５、３１−１〜３１−５中に、１段目から３段目までの各段の造形物１２、２２、３２が形成されるとともに、トレイ本体１３、２３、３３、支柱部１４、２４、３４、補助支柱部１６、２６、３６が一体的に順次積み重ねられたトレイ１０Ａが形成される。なお、補助支柱部１６は造形ステージ１１０及びトレイ本体１３の少なくとも一方に結合されていることが好ましく、補助支柱部２６はトレイ本体１３及びトレイ本体２３の少なくとも一方に結合されていることが好ましく、補助支柱部３６はトレイ本体２３及びトレイ本体３３の少なくとも一方に結合されていることが好ましい。
【００９０】
このような構成を有するトレイ１０Ａを適用した３次元造形方法によれば、図１に示した粉末除去工程（Ｓ１０４）及び造形物取出工程（Ｓ１０５）において、造形物２２、３２、４２は、トレイ１０Ａの各段の支柱部１４、２４、３４及び補助支柱部１６、２６、３６により支持されたトレイ本体１３、２３、３３上に載置されて支持されるので、トレイ本体１３、２３、３３が造形物２２、３２、４２の重み等により崩壊して、造形ステージ１１０に落下したり、造形物１２、２２、３２、４２が破損したりすることを良好に防止することができる。また、造形物１２、２２、３２、４２が各段のトレイ本体１３、２３、３３上に確実に載置されて支持された状態で露出するので、造形物１２、２２、３２、４２をトレイ１０Ａの各段から簡易に取り出すことができる。
【００９１】
さらに、トレイ１０Ａの各段のトレイ本体１３、２３、３３の下面に各段の支柱部１４、２４、３４及び補助支柱部１６、２６、３６を設けることにより、トレイ本体１３、２３、３３並びに各段の造形物２２、３２、４２を支持する箇所が増え、各箇所に掛かるトレイ本体１３、２３、３３並びに各段の造形物２２、３２、４２の荷重を軽減させ、当該造形物１２、２２、３２、４２を形成する際の基準面の撓みや歪みが良好に抑制されるので、３次元ＣＡＤデータに基づく本来の立体形状を有する造形物１２、２２、３２、４２をより良好に形成することができる。
【００９２】
また、本実施形態における造形物及び造形物支持部材（ランナー）の第２の形成状態は、図１９（ｂ）に示すように、上述した第３の実施形態に示したトレイ１０Ａ（図１５（ａ）参照）において、造形物１２、１２間の造形ステージ１１０と、造形物１２、１２間の連結部１５との間に補助支柱部１６が形成され、造形物１２、１２間の連結部１５と、造形物２２、２２間の連結部２５との間に補助支柱部２６が形成され、造形物２２、２２間の連結部２５と、造形物３２、３２間の連結部３５との間に補助支柱部３６が形成され、造形物３２、３２間の連結部３５と、造形物４２、４２間の連結部４５との間に補助支柱部４６が形成されている。
【００９３】
具体的には、図１に示した造形物・支持部材積層造形工程（Ｓ１０３）において、図１２に示した粉末材料層形成ステップ（Ｓ２１１）、結合体形成ステップ（Ｓ２１２）及び結合体積層ステップ（Ｓ２１３）を実行することにより、粉末材料層１１−１〜１１−３中に、１段目の造形物１２が一体的に積層形成され、このとき同時に、粉末材料層１１−１〜１１−４中に、１段目の支柱部１４が一体的に積層形成され、粉末材料層１１−２中に、支柱部１４に接続されるとともに、１段目の造形物１２を相互に連結する連結部１５が形成され、粉末材料層１１−１、１１−３、１１−４中に、連結部１５に接続された補助支柱部１６が積層形成される。ここで、例えば図１９（ｂ）に示すように、支柱部１４は、造形ステージ１１０上に積層形成される複数の造形物１２を取り囲む周辺領域に形成され、補助支柱部１６は、複数の造形物１２の間の、連結部１５が形成された領域に、支柱部１４に平行になるように形成される。
【００９４】
次いで、造形物・ランナー積層ステップ（Ｓ２１４）において、このような結合体積層ステップ（Ｓ２１３）を繰り返すことにより、図１９（ｂ）に示すように、粉末材料層１１−１〜１１−４、２１−１〜２１−４、３１−１〜３１−４、４１−１〜４１−３中に、１段目から最上段までの各段の造形物１２、２２、３２、４２が形成されるとともに、連結部１５、２５、３５、４５、支柱部１４、２４、３４、４４、補助支柱部１６、２６、３６、４６が一体的に順次積み重ねられたランナー１０Ｂが形成される。なお、補助支柱部１６は造形ステージ１１０及び連結部１５の少なくとも一方に結合されていることが好ましく、補助支柱部２６は連結部１５及び連結部２５の少なくとも一方に結合されていることが好ましく、補助支柱部３６は連結部２５及び連結部３５の少なくとも一方に結合されていることが好ましい。補助支柱部４６は連結部３５及び連結部４５の少なくとも一方に結合されていることが好ましい。
【００９５】
このような構成を有するランナー１０Ｂを適用した３次元造形方法によれば、図１に示した粉末除去工程（Ｓ１０４）及び造形物取出工程（Ｓ１０５）において、造形物１２、２２、３２、４２は、ランナー１０Ｂの各段の支柱部１４、２４、３４、４４及び補助支柱部１６、２６、３６、４６により支持された連結部１５、２５、３５、４５に連結されて支持されるので、連結部１５、２５、３５、４５が造形物２２、３２、４２の重み等により崩壊して、造形ステージ１１０に落下したり、造形物１２、２２、３２、４２が破損したりすることを良好に防止することができる。また、造形物１２、２２、３２、４２が各段の連結部１５、２５、３５、４５に確実に連結されて支持された状態で露出するので、造形物１２、２２、３２、４２をランナー１０Ｂの各段から簡易に分離させて取り出すことができる。
【００９６】
さらに、補助支柱部１６、２６、３６、４６を設けることによって各段の造形物１２、２２、３２、４２を支持する箇所が増え、各箇所に掛かる造形物１２、２２、３２、４２の荷重を軽減させ、当該造形物１２、２２、３２、４２を形成する際の基準面の撓みや歪みが良好に抑制されるので、３次元ＣＡＤデータに基づく本来の立体形状を有する造形物１２、２２、３２、４２をより良好に形成することができる。
【００９７】
したがって、本実施形態においても、粉末積層法を用いて３次元造形物を大量に形成する際に、造形物の破損を抑制しつつ簡易に取り出すことができ、製造歩留まりや生産性を向上させることができる。
【００９８】
（３次元造形装置）
次に、上述したような３次元造形方法を実現可能な３次元造形装置について説明する。
図２０は、本発明に係る３次元造形方法を実現可能な３次元造形装置の一例を示す概略構成図である。ここで、上述した各実施形態と同等の構成については同一の符号を付して説明する。
【００９９】
上述した３次元造形方法（図１参照）のうち、少なくとも、造形物・支持部材階層データ生成工程（Ｓ１０２）と、造形物・支持部材積層造形工程（Ｓ１０３）と、粉末除去工程（Ｓ１０４）は、図２０に示すような３次元造形装置１００により実行することができる。
【０１００】
本実施形態に適用される３次元造形装置１００は、例えば図２０に示すように、概略、造形ステージ１１０と、バインダ吐出部１２０と、走査機構部１３０と、粉末材料供給部１４０と、粉末材料排出部１５０と、制御部１６０と、データ処理部１７０と、を有している。
【０１０１】
造形ステージ１１０は、上述した一連の３次元造形方法において、３次元ＣＡＤデータに基づく造形物１２、２２、３２、４２を形成する際の基準面となる上面を有し、造形物・支持部材積層造形工程（Ｓ１０３）を実行することにより、当該上面に粉末材料層が順次積層されるとともに、当該粉末材料層中に、３次元ＣＡＤデータに基づく造形物１２、２２、３２、４２、及び、当該造形物１２、２２、３２、４２を支持する造形物支持部材（トレイ１０Ａ、ランナー１０Ｂ）が形成される。また、造形ステージ１１０は、例えば、図示を省略した昇降機構を備え、造形ステージ１１０の上面に積層形成される各粉末材料層の上面の高さが常に一定になるように、造形ステージ１１０の上下方向（Ｚ方向）の位置が制御される。また、造形ステージ１１０は、例えば上面側から下面側に連通する粉末排出口１１０ｈを有し、粉末除去工程（Ｓ１０４）を実行することにより、造形ステージ１１０の上面に積層された粉末材料１０１が、当該粉末排出口１１０ｈを介して排出される。
【０１０２】
バインダ吐出部１２０は、インクジェットプリンタに用いられるプリンタヘッドと同等に、バインダを微小な液滴として吐出する吐出機構を備え、造形物・支持部材積層造形工程（Ｓ１０３）の結合体形成ステップ（Ｓ１１２、Ｓ２１２）において、走査機構部１３０により当該バインダ吐出部１２０を、造形ステージ１１０の上面に平行な平面（Ｘ−Ｙ平面）内において、造形物１２、２２、３２、４２及び造形物支持部材（トレイ１０Ａ、ランナー１０Ｂ）の階層データに基づいて移動させて、造形ステージ１１０の上面に形成された各層の粉末材料層における、造形物１２、２２、３２、４２が形成されるべき領域及び造形物支持部材（トレイ１０Ａ、ランナー１０Ｂ）が形成されるべき領域にバインダを吐出して硬化させる。
【０１０３】
走査機構部１３０は、造形ステージ１１０の上面に平行な平面内の、直交する２方向（Ｘ−Ｙ方向）に延在するガイドレール１３１を備え、造形物・支持部材積層造形工程（Ｓ１０３）の結合体形成ステップ（Ｓ１１２、Ｓ２１２）において、当該ガイドレール１３１に沿ってバインダ吐出部１２０を造形物１２、２２、３２、４２及び造形物支持部材（トレイ１０Ａ、ランナー１０Ｂ）の階層データに基づいて移動させることにより、造形ステージ１１０の上面に形成された各層の粉末材料層における、造形物１２、２２、３２、４２が形成されるべき領域及び造形物支持部材（トレイ１０Ａ、ランナー１０Ｂ）が形成されるべき領域の直上にバインダ吐出部１２０を移動させる。
【０１０４】
粉末材料供給部１４０は、粉末材料が貯留され、造形物・支持部材積層造形工程（Ｓ１０３）の粉末材料層形成ステップ（Ｓ１１１、Ｓ２１１）において、造形ステージ１１０の上面に粉末材料を薄くかつ均一に拡げて、所定の厚みの１階層分の粉末材料層を形成する。
【０１０５】
粉末材料排出部１５０は、造形ステージ１１０に設けられた粉末排出口１１０ｈに接続され、粉末除去工程（Ｓ１０４）において、造形ステージ１１０の上面に積層された未硬化の粉末材料１０１を、粉末排出口１１０ｈを介して吸引して造形ステージ１１０の上面から排出する。
【０１０６】
制御部１６０は、少なくとも、上記の造形ステージ１１０、バインダ吐出部１２０、走査機構部１３０、粉末材料供給部１４０及び粉末材料排出部１５０における各動作を制御する。具体的には、造形物・支持部材積層造形工程（Ｓ１０３）において、データ処理部１７０から供給される造形物及び造形物支持部材の階層データに基づいて、造形ステージ１１０、バインダ吐出部１２０、走査機構部１３０及び粉末材料供給部１４０の各動作を制御することにより、造形ステージ１１０上に積層された粉末材料１０１中に、３次元ＣＡＤデータに基づく造形物１２、２２、３２、４２及び造形物支持部材（トレイ１０Ａ、ランナー１０Ｂ）が複数段積み重ねられた状態で形成される。また、粉末除去工程（Ｓ１０４）において、造形ステージ１１０及び粉末材料排出部１５０の各動作を制御することにより、造形ステージ１１０上に積層された未硬化の粉末材料１０１を排出して除去し、各段の造形物１２、２２、３２、４２を造形物支持部材（トレイ１０Ａ、ランナー１０Ｂ）に支持させた状態で露出させる。
【０１０７】
データ処理部１７０は、例えばコンピュータ等の演算装置を有し、造形物・支持部材階層データ生成工程（Ｓ１０２）において、造形物１２、２２、３２、４２の３次元ＣＡＤデータに基づいて、当該造形物１２、２２、３２、４２、及び、当該造形物１２、２２、３２、４２を載置又は連結して支持する造形物支持部材（トレイ１０Ａ、ランナー１０Ｂ）を、造形ステージ１１０の上面（基準面）に平行な平面で複数層に輪切りにした（分割した）場合の階層データ（造形物階層データ、トレイ階層データ、ランナー階層データ）を生成する。
【０１０８】
このような構成を有する３次元造形装置１００において、上述した第１〜第５の実施形態に示した３次元造形方法を実行することにより、造形ステージ１１０上に積層された粉末材料１０１中に、造形物１２、２２、３２、４２、及び、当該造形物１２、２２、３２、４２を載置又は連結して支持する造形物支持部材（トレイ１０Ａ、ランナー１０Ｂ）が積み重ねられた状態で形成される。
【０１０９】
これにより、粉末除去工程（Ｓ１０４）及び造形物取出工程（Ｓ１０５）において、造形物２２、３２、４２は造形物支持部材（トレイ１０Ａ、ランナー１０Ｂ）の各段に載置又は連結されて支持された状態で粉末材料１０１から露出するので、造形ステージ１１０上への落下や造形物１２、２２、３２、４２相互の接触による破損等を防止しつつ、造形物１２、２２、３２、４２を簡易に取り出すことができる。造形物・支持部材積層造形工程において、造形物２２、３２、４２が造形物支持部材（トレイ１０Ａ、ランナー１０Ｂ）に載置又は連結された状態で順次積み重ねられていくので、造形物１２、２２、３２、４２を形成する際の基準面の撓みや歪みを抑制することができ、良好な立体形状を有する造形物１２、２２、３２、４２を複数段にわたり形成することができる。したがって、粉末積層法を用いて３次元造形物を大量に形成する場合であっても、製造歩留まりや生産性を向上させることができる。
【０１１０】
なお、上述した実施形態においては、造形物及び造形物支持部材の階層データに基づいて、各層の粉末材料に対してバインダを吐出して硬化させる工程を繰り返すことにより、造形物及び造形物支持部材を積層形成する場合について説明した。本発明はこれに限定されるものではなく、例えば粉末材料として、光硬化性樹脂粉末を用いて、造形物及び造形物支持部材の階層データに対応する領域に、所定の波長のレーザー光を照射することにより光硬化性樹脂粉末を選択的に硬化させる工程を繰り返して、造形物及び造形物支持部材を積層形成するものであってもよい。
【０１１１】
また、上述した実施形態においては、説明の都合上、粉末材料層中の各段に、同一の立体形状を有する造形物を形成する場合について説明した。本発明はこれに限定されるものではなく、例えば粉末材料層中の各段に、異なる立体形状の造形物が混在して積層形成されるものであってもよいし、段ごとに、異なる立体形状の造形物を積層形成するものであってもよい。
【０１１２】
以上、本発明のいくつかの実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲を含むものである。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
【０１１３】
（付記）
請求項１に記載の発明は、
未硬化の粉末材料を有する複数の粉末材料層にそれぞれ、各粉末材料層に対応する階層形状データに基づいて３次元造形物の各階層となる結合体を形成するとともに造形物支持部材の各階層となる結合体を形成することを特徴とする３次元造形方法である。
【０１１４】
請求項２に記載の発明は、
前記複数の粉末材料層のうちの下階層の粉末材料層に、前記３次元造形物の前記結合体を形成するとともに前記造形物支持部材の前記結合体を形成した後、前記下階層の粉末材料層上に前記複数の粉末材料層のうちの上階層の粉末材料層を積層し、前記上階層の粉末材料層に、前記３次元造形物の前記結合体を形成するとともに前記造形物支持部材の前記結合体を形成することを特徴とする請求項１記載の３次元造形方法である。
【０１１５】
請求項３に記載の発明は、
前記粉末材料層のうち前記３次元造形物の前記結合体となるべき領域に結合剤を滴下して前記３次元造形物の前記結合体を形成し、
前記粉末材料層のうち前記造形物支持部材の前記結合体となるべき領域に結合剤を滴下して前記造形物支持部材の前記結合体を形成することを特徴とする請求項１又は２記載の３次元造形方法である。
【０１１６】
請求項４に記載の発明は、
前記造形物支持部材上に他の階層の粉末材料層を積層し、前記他の階層の粉末材料層に他の前記３次元造形物の前記結合体を形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の３次元造形方法である。
【０１１７】
請求項５に記載の発明は、
前記造形物支持部材は、支柱部と、前記支柱部に支持されたトレイ本体と、を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の３次元造形方法である。
【０１１８】
請求項６に記載の発明は、
前記粉末材料層に前記３次元造形物の前記結合体とともに形成される前記造形物支持部材の前記結合体は、前記支柱部の結合体を含むことを特徴とする請求項５記載の３次元造形方法である。
【０１１９】
請求項７に記載の発明は、
前記粉末材料層に形成された前記３次元造形物の前記結合体及び前記支柱部の前記結合体上に他の階層の未硬化の粉末材料を有する粉末材料層を積層し、前記他の階層の粉末材料層に前記支柱部の他の階層の結合体を形成し、前記他の階層の粉末材料層上に第２の他の階層の未硬化の粉末材料を有する粉末材料層を積層し、前記他の階層の前記支柱部の他の階層の結合体に結合されるとともに前記他の階層の粉末材料層の未硬化の部位を介して前記３次元造形物の前記結合体に対向する前記トレイ本体を前記第２の他の階層の粉末材料層に形成することを特徴とする請求項５又は６記載の３次元造形方法である。
【０１２０】
請求項８に記載の発明は、
前記３次元造形物及び前記造形物支持部材を各段に形成し、前記造形物支持部材は、他の段の造形物支持部材に結合されることなく他の段の造形物支持部材上に載置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の３次元造形方法である。
【０１２１】
請求項９に記載の発明は、
一の段に形成された前記３次元造形物及び前記造形物支持部材上に結合防止層を積層し、前記結合防止層上に他の段の粉末材料層を積層し、前記他の段の粉末材料層に前記３次元造形物及び前記造形物支持部材を、前記一の段に形成された前記３次元造形物及び前記造形物支持部材に結合することなく形成することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の３次元造形方法である。
【０１２２】
請求項１０に記載の発明は、
前記３次元造形物を複数形成された段を複数積み重ねることによって、支柱部と、前記支柱部及び前記３次元造形物を連結する第１連結部と、各段の前記３次元造形物を相互に連結する第２連結部と、を有する前記造形物支持部材を形成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の３次元造形方法である。
【０１２３】
請求項１１に記載の発明は、
前記３次元造形物を複数形成された段を複数積み重ねることによって、前記段ごとの前記３次元造形物の間の領域に、前記支柱部に平行になるように形成された補助支柱部を有している前記造形物支持部材を形成することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の３次元造形方法である。
【０１２４】
請求項１２に記載の発明は、
複数の階層の結合体を含む一の段の３次元造形物と、前記３次元造形物の異なる階層の結合体を含む他の段の３次元造形物と、前記一の段の３次元造形物と同一の階層の結合体を含み、前記他の段の３次元造形物を支持する造形物支持部材と、有することを特徴とする造形物複合体である。
【０１２５】
請求項１３に記載の発明は、
前記造形物支持部材は、支柱部と、前記支柱部に支持されたトレイ本体と、を有することを特徴とする請求項１２記載の造形物複合体である。
【０１２６】
請求項１４に記載の発明は、
前記一の段の３次元造形物は複数あり、
前記造形物支持部材は、支柱部と、前記支柱部及び前記３次元造形物を連結する第１連結部と、前記一の段の３次元造形物を相互に連結する第２連結部と、を有することを特徴とする請求項１２に記載の造形物複合体である。
【０１２７】
請求項１５に記載の発明は、
未硬化の粉末材料を有する複数の粉末材料層にそれぞれ、各粉末材料層に対応する階層形状データに基づいて結合剤を滴下し、前記複数の粉末材料層に３次元造形物の各階層となる結合体を形成するとともに造形物支持部材の各階層となる結合体を形成する結合剤吐出部を備えることを特徴とする３次元造形装置である。
【符号の説明】
【０１２８】
１０Ａ    トレイ（造形物支持部材）
１０Ｂ    ランナー（造形物支持部材）
１１−０〜４１−０    結合防止層
１１−１〜１１−５、２１−１〜２１−５、３１−１〜３１−５、４１−１〜４１−３    粉末材料層
１２、２２、３２、４２      造形物
１３、２３、３３    トレイ本体
１４、２４、３４、４４    支柱部
１５、２５、３５、４５    連結部
１６、２６、３６、４６    補助支柱部
１０１      粉末材料
１００      ３次元造形装置
１１０      造形ステージ
１１０ｈ    粉末排出口
１２０      バインダ吐出部（結合剤吐出部）
１２１      バインダ（結合剤）
１３０      走査機構部
１４０      粉末材料供給部
１５０      粉末材料排出部
１６０      制御部（造形制御部）
１７０      データ処理部（階層形状データ生成部）
【図１】
0005772668.tif 000002
【図２】
0005772668.tif 000003
【図３】
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【図４】
0005772668.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
0005772668.tif 000008
【図８】
0005772668.tif 000009
【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】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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