(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
造形ステージに向けて光硬化性材料および熱硬化性材料を含む造形材を吐出し、吐出された造形材に含まれる前記光硬化性材料に光を照射して硬化させることによって造形材層を形成し、
複数の造形材層を積層することにより三次元造形物の少なくとも一部を構成する積層物を形成し、
形成された前記積層物に、前記複数の造形材層を積層する方向に沿ってマイクロ波を照射して当該積層物に含まれる前記熱硬化性材料を硬化させ、
前記マイクロ波の周波数は、０．８ＧＨｚ〜３０ＧＨｚの範囲内であり、
前記マイクロ波の出力は、２００Ｗ〜１５００Ｗの範囲内である、
三次元造形方法。
【請求項２】
前記熱硬化性材料は、分子内にマレイミド基、アリル基、環状エーテル基およびブロックイソシアネート基の何れかを少なくとも１つ含む請求項１に記載の三次元造形方法。
【請求項３】
前記熱硬化性材料は、分子内にマレイミド基、アリル基、環状エーテル基およびブロックイソシアネート基の何れかを少なくとも２つ含む請求項１に記載の三次元造形方法。
【請求項４】
造形ステージと、
前記造形ステージに向けて、光硬化性材料および熱硬化性材料を含む造形材を吐出する造形材吐出ヘッドと、
前記造形ステージおよび前記造形材吐出ヘッドのうち少なくとも一方を、両者の相対距離を可変に支持する支持機構と、
前記造形材吐出ヘッドにより吐出された造形材に含まれる前記光硬化性材料に光を照射して硬化させる光照射装置と、
前記造形ステージ上に前記造形材を吐出し、吐出された造形材に光を照射して前記造形材に含まれる光硬化性材料を硬化させることによって造形材層を形成し、複数の造形材層を積層することにより三次元造形物の少なくとも一部を構成する積層物を形成するように、前記造形材吐出ヘッド、前記支持機構および前記光照射装置を制御する制御部と、
形成された前記積層物に、周波数が０．８ＧＨｚ〜３０ＧＨｚの範囲内であり、かつ、出力が２００Ｗ〜１５００Ｗの範囲内であるマイクロ波を前記複数の造形材層を積層する方向に沿って照射して当該積層物に含まれる前記熱硬化性材料を硬化させるマイクロ波照射装置と、
を備える三次元造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元造形方法および三次元造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
三次元の立体物（以下「三次元造形物」）を造形する技術として、ラピッド・プロトタイピング（ＲＰ：Rapid Prototyping）または付加製造（ＡＭ：Additive manufacturing）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、粉体積層方式（Binder Jetting）、インクジェット方式（Material Jetting）、熱溶融方式（Material Extrusion）、シート積層方式（Sheet Lamination）、光造形方式（Vat Photopolymerization）、粉末焼結方式（Powder Bed Fusion）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、造形ステージに向け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等の光硬化性材料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（光硬化性材料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】
特許文献１には、インクジェットヘッドを主走査方向に走査しながらモデル材を吐出する第１動作の終了後に、モデル材の吐出中心位置が重ならないようにノズルピッチ以下で副走査方向に走査する第２動作を行い（つまり、吐出位置をノズル間位置にずらし）、この第１動作および第２動作を繰り返すことによって副走査方向の解像度を高くする立体造形装置が記載されている。
【０００５】
また、特許文献２には、吐出手段によって液滴を吐出して立体造形粉体を粒子に固化することで複数の粒子から成る造形層を形成し、造形層を複数重ねることで立体造形物を造形する立体造形装置が開示されている。特許文献２に記載の技術では、複数の造形層のうち一の層での液滴を吐出する位置を、当該一の層と隣接する層での液滴を吐出する位置と、制御手段は、吐出手段の主走査方向及び副走査方向において液滴を吐出する間隔の１／２ずつずらし、かつ、隣接する層間で斜め方向に配置される粒子が接触するように、吐出手段から液滴を吐出させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１３０８１７号公報
【特許文献２】特開２０１３−２０８８７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１を含め、従来提案されているインクジェット方式による三次元造形方法で造形された三次元造形物は、概して、積層方向（鉛直方向）における造形材層（Ｎ層目。以下、Ｎは自然数とする）と、次に形成される造形材層（Ｎ＋１層目）との界面部における接着力が不十分であり、界面部から容易に剥離する傾向がある。そのため、積層方向の強度が他の方向（例えば、水平面内において互いに直交する主走査方向および副走査方向）に比べて低下するという問題があった。
【０００８】
インクジェット方式による三次元造形方法において、積層方向の強度が他の方向に比べて低下する主な原因は、一層分の造形材層を形成するための造形材を吐出した後に光を照射して硬化させるため、造形材層間の結合力が不足することにあると考えられる。そこで、例えば硬化速度の遅い造形材を使用して、造形材層間の界面部において混ざり合う造形材の割合を多くすると、造形材層間の結合力が高められて、積層方向の強度の向上が期待される。しかし、硬化速度の遅い造形材はすぐに固まらず軟弱であるため、ある程度の数の造形材層が積層すると下に位置する造形材層が上に位置する造形材層を適切に支持できなくなる。その結果、造形材層の変形が生じやすく、造形される三次元造形物の造形精度が低下するという問題が発生すると想定される。
【０００９】
なお、上記特許文献２に記載の技術では、吐出手段の主走査方向及び副走査方向において粒子同士が接触していないため、立体造形物の当該主走査方向及び副走査方向における強度が低下するという問題があった。また、下層に存在する４個の粒子の隙間を塞ぐように上層の粒子（液滴）を正確に吐出させる必要があるため、吐出手段の制御が難しいという問題があった。
このように、従来提案されている技術だけでは、三次元造形物の造形精度を良好に保ちつつ、十分に層間の接着強度を高めることができなかった。
【００１０】
本発明の目的は、三次元造形物の造形精度を低下させることなく、三次元造形物の積層方向における強度を向上させることが可能な三次元造形方法、三次元造形物および三次元造形装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る三次元造形方法は、
造形ステージに向けて光硬化性材料および熱硬化性材料を含む造形材を吐出し、吐出された造形材に含まれる前記光硬化性材料に光を照射して硬化させることによって造形材層を形成し、
複数の造形材層を積層することにより三次元造形物の少なくとも一部を構成する積層物を形成し、
形成された前記積層物に、前記複数の造形材層を積層する方向に沿ってマイクロ波を照射して当該積層物に含まれる前記熱硬化性材料を硬化させ、
前記マイクロ波の周波数は、０．８ＧＨｚ〜３０ＧＨｚの範囲内であり、
前記マイクロ波の出力は、２００Ｗ〜１５００Ｗの範囲内である。
【００１３】
本発明に係る三次元造形装置は、
造形ステージと、
前記造形ステージに向けて、光硬化性材料および熱硬化性材料を含む造形材を吐出する造形材吐出ヘッドと、
前記造形ステージおよび前記造形材吐出ヘッドのうち少なくとも一方を、両者の相対距離を可変に支持する支持機構と、
前記造形材吐出ヘッドにより吐出された造形材に含まれる前記光硬化性材料に光を照射して硬化させる光照射装置と、
前記造形ステージ上に前記造形材を吐出し、吐出された造形材に光を照射して前記造形材に含まれる光硬化性材料を硬化させることによって造形材層を形成し、複数の造形材層を積層することにより三次元造形物の少なくとも一部を構成する積層物を形成するように、前記造形材吐出ヘッド、前記支持機構および前記光照射装置を制御する制御部と、
形成された前記積層物に、周波数が０．８ＧＨｚ〜３０ＧＨｚの範囲内であり、かつ、出力が２００Ｗ〜１５００Ｗの範囲内であるマイクロ波を前記複数の造形材層を積層する方向に沿って照射して当該積層物に含まれる前記熱硬化性材料を硬化させるマイクロ波照射装置と、
を備える。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、吐出された造形材に含まれる光硬化性材料に光を照射して硬化させると、造形材層には、熱硬化性材料が未硬化の状態で分散することとなる。そして、複数の造形材層を積層することにより形成された積層物にマイクロ波を照射して加熱すると、積層物に含まれる熱硬化性材料は、熱重合反応により造形材層間で化学的な結合を形成する。その結果、三次元造形物の積層方向における強度を向上させることができる。また、マイクロ波が照射される前の積層物を構成する造形材層は、光硬化性材料の硬化に伴い、その形状を維持することができる程度に硬化されているため、造形される三次元造形物の造形精度が低下することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施の形態における三次元造形装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】本実施の形態における三次元造形装置の制御系の主要部を示す図である。
【図３】本実施の形態におけるヘッドユニットの構成を示す図である。
【図４】本実施の形態における三次元造形物の造形動作を説明する図である。
【図５】本実施の形態におけるヘッドユニットの構成の変形例を示す図である。
【図６】試験片の寸法および形状を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本実施の形態に係る三次元造形装置１００の構成を概略的に示す図である。図２は、本実施の形態に係る三次元造形装置１００の制御系の主要部を示す図である。図１、２に示す三次元造形装置１００は、造形ステージ１４０上に、三次元造形物２００を構成するための第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。モデル材は、光を照射することで硬化する光硬化性材料と、マイクロ波を照射することで硬化する熱硬化性材料とを含む。サポート材は、光、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材料、または、６０〜８０［℃］程度に加熱すると溶融して低粘度となるワックスを含む。ワックスは、加熱して吐出された後、冷却されることによって硬化する。本実施の形態では、サポート材として、光を照射することによって硬化する光硬化性材料が用いられる。なお、図１においては、理解を容易にするため、三次元造形物２００のうちモデル材を用いて形成するモデル領域に相当する部分は実線で示し、サポート材を用いて形成しモデル領域を支持するサポート領域に相当する部分は破線で示している。
【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を含む各種の情報を記憶する記憶部１１５、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を移動可能に支持するための支持機構１３０、三次元造形物２００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、最終的に三次元造形物２００を構成する領域をモデル領域に設定する。また、制御部１１０は、モデル領域を支持し、最終的に三次元造形物２００から除去される領域をサポート領域（除去対象領域）に設定する。なお、モデル領域を支持しない領域であっても、最終的に三次元造形物２００から除去される領域であれば除去対象領域に設定される場合もある。例えば、積層方向に複数の造形物を造形する際に、隣り合う造形物間の仕切りとなる層を除去対象領域に設定したり、三次元造形物２００を保護するために三次元造形物２００の表面を覆うように除去対象領域が設けられるように設定したりすることができる。
【００２０】
制御部１１０は、データ入力部１５０から取得した３Ｄデータを、造形材層の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造形データである。各スライスデータに対しては、モデル領域およびサポート領域の少なくとも一方が設定されている。つまり、スライスデータに対して、モデル領域のみが設定されている場合もあるし、サポート領域のみが設定されている場合もある。サポート領域や上述した表面保護層が必要ない場合もあるし、上述したように、積層方向に多数個の造形物を作製する際の仕切りの役目で、サポート領域が造形材層の１００［％］を使用する場合もあるからである。三次元造形物２００のオーバーハング部分に相当するオーバーハング領域は、モデル領域およびサポート領域として設定されている。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支持機構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と支持機構１３０とを同期させて制御する。制御部１１０は、後述する光照射装置１２４およびマイクロ波照射装置１２５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、その入力操作に応じた操作信号を制御部１１０に出力する。
【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、サポート領域を含む三次元造形物２００が造形される。
【００２４】
支持機構１３０は、ヘッドユニット１２０および造形ステージ１４０のうち少なくとも一方を、両者の相対距離を可変に支持し、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、支持機構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】
支持機構１３０は、制御部１１０から出力された機構制御情報に従って、図示しないモーターおよび駆動機構を駆動し、キャリッジを兼ねるヘッドユニット１２０を主走査方向および副走査方向に自在に移動させる（図１を参照）。なお、支持機構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、支持機構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、支持機構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は、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、支持機構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モデル材吐出ヘッド１２１、サポート材吐出ヘッド１２２、平滑化装置１２３、光照射装置１２４およびマイクロ波照射装置１２５を筐体１２０Ａの内部に備える。モデル材吐出ヘッド１２１は、造形ステージ１４０に向けて、造形材であるモデル材を吐出する造形材吐出ヘッドとして構成される。
【００２８】
モデル材吐出ヘッド１２１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。モデル材吐出ヘッド１２１は、長手方向に直交する主走査方向に走査しながら、造形ステージ１４０に向けて複数の吐出ノズルからモデル材の液滴を選択的に吐出する。造形材吐出ヘッド１２１は、１層分の造形材層が形成される際、その造形材層に対応するスライスデータに対してモデル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領域を形成する。造形材層のモデル領域は、光エネルギーおよびマイクロ波の照射による硬化処理が施されることにより硬化する。
【００２９】
サポート材吐出ヘッド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。サポート材吐出ヘッド１２２は、長手方向に直交する主走査方向に走査しながら、造形ステージ１４０に向けて複数の吐出ノズルからサポート材の液滴を選択的に吐出する。サポート材吐出ヘッド１２２は、１層分の造形材層が形成される際、その造形材層に対応するスライスデータに対してサポート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領域を形成する。造形材層のサポート領域は、使用するサポート材により硬化処理が異なり、光硬化性樹脂を用いる場合は、光照射による硬化処理が施される。なお、ワックスを用いる場合は、加熱により溶融させ低粘度状態で吐出した後に冷却することによる硬化処理が施される。
【００３０】
このように、制御部１１０からの制御信号によって支持機構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、モデル材吐出ヘッド１２１からはモデル材が選択的に造形ステージ１４０に供給され、サポート材吐出ヘッド１２２からはサポート材が選択的に造形ステージ１４０に供給されることで三次元造形物２００の造形が行われる。すなわち、制御部１１０、支持機構１３０、ヘッドユニット１２０、モデル材吐出ヘッド１２１およびサポート材吐出ヘッド１２２等によって、モデル領域およびサポート領域の少なくとも一方を含む造形材層が形成される。
【００３１】
モデル材吐出ヘッド１２１およびサポート材吐出ヘッド１２２としては、従来公知の画像形成用のインクジェットヘッドが用いられる。なお、モデル材吐出ヘッド１２１およびサポート材吐出ヘッド１２２が有する複数の吐出ノズルは、列状に配列されていれば良く、直線状に並んでいても良いし、ジグザグ配列で全体として直線状になるように並んでいても良い。
【００３２】
モデル材吐出ヘッド１２１は、モデル材を吐出可能な状態で貯留する。本実施の形態では、モデル材吐出ヘッド１２１として、例えば、粘度が１〜１００［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望ましい。モデル材は、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としての光硬化性モノマー、マイクロ波が照射されることにより硬化する熱硬化性材料としての熱硬化性モノマーおよび光ラジカル重合開始剤を含む。
【００３３】
光ラジカル重合開始剤としては、光、レーザー、電子線等によりラジカルを発生し、ラジカル重合反応を開始する化合物であれば任意に使用することができる。光ラジカル重合開始剤としては例えば、ベンゾイン、ベンゾインメチルエーテル、ベンゾインエチルエーテル、ベンゾインイソプロピルエーテル等のベンゾインとベンゾインアルキルエーテル類；アセトフェノン、２，２−ジメトキシ−２−フェニルアセトフェノン、２，２−ジエトキシ−２−フェニルアセトフェノン、１，１−ジクロロアセトフェノン等のアセトフェノン類；２−メチル−１−［４−（メチルチオ）フェニル］−２−モルホリノプロパン−１−オン、２−ベンジル−２−ジメチルアミノ−１−（４−モルホリノフェニル）−ブタン−１−オン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノアセトフェノン等のアミノアセトフェノン類；２−メチルアントラキノン、２−エチルアントラキノン、２−ｔ−ブチルアントラキノン、１−クロロアントラキノン等のアントラキノン類；２，４−ジメチルチオキサントン、２，４−ジエチルチオキサントン、２−クロロチオキサントン、２，４−ジイソプロピルチオキサントン等のチオキサントン類；アセトフェノンジメチルケタール、ベンジルジメチルケタール等のケタール類；２，４，５−トリアリールイミダゾール二量体；リボフラビンテトラブチレート；２−メルカプトベンゾイミダゾール、２−メルカプトベンゾオキサゾール、２−メルカプトベンゾチアゾール等のチオール化合物；２，４，６−トリス−ｓ−トリアジン、２，２，２−トリブロモエタノール、トリブロモメチルフェニルスルホン等の有機ハロゲン化合物；ベンゾフェノン、４，４´−ビスジエチルアミノベンゾフェノン等のベンゾフェノン類またはキサントン類；２，４，６−トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキサイドなどが挙げられる。これらの光ラジカル重合開始剤は、単独で、または、２種類以上を混合して使用することができる。
【００３４】
光ラジカル重合開始剤に、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノ安息香酸エチルエステル、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノ安息香酸イソアミルエステル、ペンチル−４−ジメチルアミノベンゾエート、トリエチルアミン、トリエタノールアミン等の三級アミン類などの光開始助剤を加えても良い。また、可視光領域に吸収のあるＣＧＩ−７８４等（チバ・スペシャルティ・ケミカルズ（株）製）のチタノセン化合物等も、光反応を促進するために添加して良い。なお、光重合開始剤は、紫外光もしくは可視光領域で光を吸収し、（メタ）アクリロイル基等の不飽和基をラジカル重合させるものであれば、特に限定されるものではない。光開始剤の好ましい配合量としては、造形材全体に対して質量比で、１０［％］〜０．００１［％］であり、さらに好ましくは３［％］〜０．０５［％］である。
【００３５】
光硬化性モノマーは、活性光線の照射により架橋または重合する重合性化合物である。活性光線は、例えば電子線、紫外線、α線、γ線、およびエックス線などであり、好ましくは紫外線または電子線である。重合性化合物は、カチオン重合性化合物、ラジカル重合性化合物、またはそれらの混合物である。ラジカル重合性化合物の例には、（メタ）アクリレート化合物が含まれる。（メタ）アクリレート化合物は、単官能モノマー、二官能モノマーまたは三官能以上の多官能モノマーである。単官能モノマーの例には、イソアミル（メタ）アクリレート、ステアリル（メタ）アクリレート、ラウリル（メタ）アクリレート、オクチル（メタ）アクリレート、デシル（メタ）アクリレート、イソミルスチル（メタ）アクリレート、イソステアリル（メタ）アクリレート、２−エチルヘキシル−ジグリコール（メタ）アクリレート、２−ヒドロキシブチル（メタ）アクリレート、２−（メタ）アクリロイロキシエチルヘキサヒドロフタル酸、ブトキシエチル（メタ）アクリレート、エトキシジエチレングリコール（メタ）アクリレート、メトキシジエチレングリコール（メタ）アクリレート、メトキシポリエチレングリコール（メタ）アクリレート、メトキシプロピレングリコール（メタ）アクリレート、フェノキシエチル（メタ）アクリレート、テトラヒドロフルフリル（メタ）アクリレート、イソボルニル（メタ）アクリレート、２−ヒドロキシエチル（メタ）アクリレート、２−ヒドロキシプロピル（メタ）アクリレート、２−ヒドロキシ−３−フェノキシプロピル（メタ）アクリレート、２−（メタ）アクリロイロキシエチルコハク酸、２−（メタ）アクリロイロキシエチルフタル酸、２−（メタ）アクリロイロキシエチル−２−ヒドロキシエチル−フタル酸、ｔ−ブチルシクロヘキシル（メタ）アクリレート等が含まれる。
【００３６】
二官能モノマーの例には、トリエチレングリコールジ（メタ）アクリレート、テトラエチレングリコールジ（メタ）アクリレート、ポリエチレングリコールジ（メタ）アクリレート、トリプロピレングリコールジ（メタ）アクリレート、ポリプロピレングリコールジ（メタ）アクリレート、１，４−ブタンジオールジ（メタ）アクリレート、１，６−ヘキサンジオールジ（メタ）アクリレート、１，９−ノナンジオールジ（メタ）アクリレート、ネオペンチルグリコールジ（メタ）アクリレート、ジメチロール−トリシクロデカンジ（メタ）アクリレート、ヒドロキシピバリン酸ネオペンチルグリコールジ（メタ）アクリレート、ポリテトラメチレングリコールジ（メタ）アクリレート等が含まれる。
【００３７】
三官能以上の多官能モノマーの例には、トリメチロールプロパントリ（メタ）アクリレート、ペンタエリスリトールトリ（メタ）アクリレート、ペンタエリスリトールテトラ（メタ）アクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサ（メタ）アクリレート、ジトリメチロールプロパンテトラ（メタ）アクリレート、グリセリンプロポキシトリ（メタ）アクリレート、ペンタエリスリトールエトキシテトラ（メタ）アクリレート等が含まれる。光硬化モノマーの好ましい配合量としては、造形材全体に対して質量比で、４０［％］〜９８［％］であり、さらに好ましくは６０［％］〜９０［％］である。
【００３８】
熱硬化性モノマーは、熱により架橋または重合する重合性化合物である。熱硬化性モノマーとしては、オレフィン類（エチレン、プロピレン、ブテン−１、イソブテン、４−メチルペンテン−１、オクテンなど）；芳香族ビニル炭化水素またはその置換体（スチレン、α-メチルスチレン、t-ブチルスチレン、ジメチルスチレン、アセトキシスチレン、ビニルトルエンなど）；（メタ）アクリル酸およびそのアルキルエステル（アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸ブチル、メタクリル酸メチルなど）；ビニルエーテル（メチルビニルエーテル、エチルビニルエーテル、イソプロピルビニルエーテルなど）；ビニルアルコール誘導体（酢酸ビニル、酪酸ビニルなど）；（メタ）アクリロニトリル；（メタ）アクリルアミドおよびそのＮ置換誘導体；エチレンのハロゲン置換化合物（塩化ビニル、塩化ビニリデン、テトラフルオロエチレン、フッ化ビニリデンなど）；１，２−ジ置換不飽和ポリカルボン酸またはその誘導体（無水マレイン酸、マレイン酸、フマル酸およびそのエステル化合物など）；ジエン類（ブタジエン、イソプレンなど）；マレイミド化合物（ポリフェニルメタンマレイミド、４，４’−ジフェニルメタンビスマレイミド、ｍ−フェニレンビスマレイミド、ビスフェノールＡジフェニルエーテルビスマレイミド、３，３’−ジメチル−５，５’−ジエチル−４，４’−ジフェニルメタンビスマレイミド、４−メチル−１，３−フェニレンビスマレイミド、１，６−ビスマレイミド−（２，２，４−トリメチル）ヘキサン）；アリル化合物（ジアリルフタレート、ジアリルイソフタレート、ジアリルテレフタレート、トリメチロールプロパンジアリルエーテル）；多官能アクリレートとして、エチレングリコールジアクリレート、ジエチレングリコールジアクリレート、プロピレングリコールジアクリレート、ジプロピレングリコールジアクリレート、ポリエチレングリコールジアクリレート、ポリプロピレングリコールジアクリレート、ネオペンチルグリコールジアクリレート、グリセリンジアクリレート、１，４−ブタンジオールジアクリレート、１，６−ヘキサンジオールジアクリレート、１，９−ノナンジオールジアクリレート、１，１０−デカンジオールジアクリレート、３−メチル−１，５−ペンタンジオールジアクリレート、２−ブチル−２−エチル−１，３−プロパンジオールジアクリレート、ジメチロール−トリシクロデカンジアクリレート、ビスフェノールＡのエチレンオキサイド付加物のジアクリレート、ビスフェノールＡのプロピレンオキサイド付加物のジアクリレート、トリメチロールプロパンアクリル酸安息香酸エステル、ビスフェノールＡジグリシジルエーテルアクリル酸付加物、ヒドロキシピバリン酸ネオペンチルグリコールジアクリレート、２−アクリロイロキシエチルアシッドホスフェート等の２官能アクリレート、グリセリントリアクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレート、トリメチロールプロパンのエチレンオキサイド付加物のトリアクリレート等の３官能アクリレートが例示される。また、４〜６官能アクリレートとしては、ペンタエリスリトールテトラアクリレート、ジペンタエリスリトールペンタ���クリレート、ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート；低分子量ジオール［エチレングリコール、プロピレングリコール、１，４−ブタンジオール、１，６−ヘキサンジオールなど］；ポリエーテルジオール［上記に例示した低分子量ジオールのアルキレンオキシド（エチレンオキシド、プロピレンオキシド、ブチレンオキシドなど）付加物、アルキレンオキシドの開環重合物（ポリテトラメチレングリコールなど）］；ポリエステルジオール［脂肪族ジカルボン酸（アジピン酸、マレイン酸、二量化リノレイン酸など）または芳香族ジカルボン酸（フタル酸、テレフタル酸など）と上記に例示した低分子量ジオールとの縮合ポリエステルジオール、ε-カプロラクトンの開環重合によるポリラクトン ジオールなど］；低分子量ジアミン（イソホロンジアミン、４，４'-ジアミノジシクロヘキシルメタン、４，４'-ジアミノ−３，３'−ジメチルジシクロヘキシルメタンなど）；芳香族ジイソシアネート（トリレンジイソシアネート、キシリレンジイソシアネート、ナフチレンジイソシアネート、ジフェニルメタンジイソシアネートなど）、脂環式ジイソシアネート（イソホロンジイソシアネート、ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート、シクロヘキシレンジイソシアネート、ジイソシアネートメチルシクロヘキサンなど）、脂肪族ジイソシアネート（ヘキサメチレンジイソシアネートなど）；３官能以上の活性水素含有化合物（トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ソルビトールなどの多価アルコール；ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミンなどの多価アミン；トリエタノールアミンなどのアミノアルコールなど）および／または３官能以上のポリイソシアネート［トリフェニルメタントリイソシアネート、トリス（イソシアネートフェニル）チオフォスフェート、トリメチロールプロパンとヘキサメチレンジイソシアネートの１対３付加物、ヘキサメチレンジイソシアネートの環状３量体など］；フェノールエーテル系グリシジル化合物（ビスフェノールＡ、ビスフェノールＦなどのジグリシジルエーテル類など）；エーテル系グリシジル化合物（ジグリシジルエーテル、グリセリンのトリグリシジルエーテル、ポリアリルグリシジルエーテルなど）；エステル系グリシジル化合物［グリシジル（メタ）アクリレートとエチレン性不飽和単量体（アクリロニトリルなど）との共重合体など］；グリシジルアミン類（パラアミノフェノールのグリシジルエーテルなど）、非グリシジル型エポキシ化合物（エポキシ化ポリオレフィン、エポキシ化大豆油など）；ポリアミン類および（無水）ポリカルボン酸などを挙げることができる。ポリアミン類としては、例えば脂肪族ポリアミン類（エチレンジアミン、テトラメチレンジアミンなどのアルキレンジアミン類、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミンなどのポリアルキレンポリアミン類、アルキルアミノプロピルアミン、アミノエチルエタノールアミンなどのアルキルまたはヒドロキシアルキルアミン類、キシリレンジアミンなどの芳香環含有脂肪族アミン類、ポリオキシプロピレンポリアミンなどのポリエーテルポリアミン類など）；脂環または複素環含有脂肪族ポリアミン類（Ｎ−アミノエチルピペラジン、１,３−ジアミノシクロヘキサン、イソホロンジアミンなど）；芳香族ポリアミン類（フェニレンジアミン、トルエンジアミン、ジアミノジフェニルメタンなど）；ポリアミドポリアミン類（上記ポリアミン類とダイマー酸との縮合物）；ベンゾグアナミンおよび／またはアルキルグアナミンおよびその変性物；およびジシアンジアミド；脂肪族ジカルボン 酸エステル類の重合体（ポリブチレンアジペート、ポリエチレンアジペートなど）；ポリカーボネート；並びにこれらの２種以上の共エステル化物やこれら重合体を構成する化合物とアルキレンオキシド（ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコールなど）、３官能以上の低分子架橋剤（トリメチロールプロパン、グリセリン、トリメリット酸など）との共重縮合物が挙げられる。ポリアミド系としては、６−ナイロン、６,６−ナイロン、６，１０−ナイロン、１１−ナイロン、１２−ナイロン、４,６−ナイロン等およびこれらの２種以上の共アミド化物やこれら重合体を構成する化合物とポリエステルを構成する化合物もしくはアルキレンオキシド（ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコールなど）、３官能以上の低分子架橋剤（トリメリット酸など）との共重縮合物；ピロメリット酸と１,４−ジアミノベンゼンとの重縮合物；これらポリイミドを構成する化合物と上記ポリアミドを構成する化合物との共重縮合物、すなわちポリアミドイミド；３官能以上の活性水素含有化合物（トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ソルビトールなどの多価アルコール；ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミンなどの多価アミン；トリエタノールアミンなどのアミノアルコールなど）、トリメリット酸、および／または３官能以上のポリイソシアネート［トリフェニルメタントリイソシアネート、トリス（イソシアネートフェニル）チオフォスフェート、トリメチロールプロパンとヘキサメチレンジイソシアネートの１対３付加物、ヘキサメチレンジイソシアネートの環状３量体など］との組み合わせ；イソシアネート基をブロック剤（アルコール類、フェノール類、ラクタム類、オキシム類、アセト酢酸アルキルエステル類、マロン酸アルキルエステル類、フタルイミド類、イミダゾール類、塩化水素、シアン化水素、亜硫酸水素ナトリウム）で保護したブロックイソシアネート基を含有したブロックイソシアネートなどが挙げられる。
【００３９】
熱硬化性モノマーは、モデル材吐出ヘッド１２１の吐出安定性を向上させる観点から、分子内にマレイミド基、アリル基、環状エーテル基およびブロックイソシアネート基の何れかを少なくとも１つ含むことが好ましい。また、熱硬化性モノマーは、三次元造形物２００の積層方向における強度を向上させる観点から、分子内にマレイミド基、アリル基、環状エーテル基およびブロックイソシアネート基の何れかを少なくとも２つ含むことが好ましい。熱硬化性モノマーの好ましい配合量としては、造形材全体に対して質量比で、１［％］〜５０［％］であり、さらに好ましくは５［％］〜３０［％］である。
【００４０】
なお、モデル材は、光硬化性モノマー、熱硬化性モノマーおよび光ラジカル重合開始剤の他に、熱開始剤をさらに含んでも良い。熱開始剤としては、過酸化物およびアゾ化合物、アミン類、イミダゾール類、酸無水物が挙げられ、使用する熱硬化性モノマーにより適宜選択される。過酸化物としては、無機過酸化物（例えば、過酸化水素、過硫酸アンモニウム、過硫酸カリウム、過硫酸ナトリウムなど）、および有機過酸化物（例えば、過酸化ベンゾイル、ジ−ｔ−ブチルパーオキサイド、クメンヒドロパーオキサイド、ラウリルパーオキシドなど）などが挙げられる。アゾ化合物としては、アゾビス（２，４−ジメチルバレロニトリル）、アゾビスイソブチロニトリル、アゾビス（２−メチルブチロニトリル）、アゾビスシアノ吉草酸およびその塩（例えば塩酸塩など）、およびアゾビス（２−アミジノプロパン）ハイドロクロライドなどが挙げられる。アミン類としては、ジエチレントリアミン、ジエチルアミノプロピルアミン、Ｎ-アミノエチルピベラジン、イソフロオロンジアミン、キシレンジアミン、メタフェニレンジアミン、ジアミノジフェニルスルフォンなどが挙げられる。イミダゾール類としては、２-メチルイミダゾール、２−エチル−４−メチルイミダゾール、１−シアノエチル−２−ウンデシルイミダゾリウムトリメリテートなどが挙げられる。酸無水物としては、無水フタル酸、無水トリメット酸、無水ピロメット酸、無水ベンゾフェノンテトラカルボン酸、無水マレイン酸、メチルブテニルテトラヒドロ無水フタル酸、無水コハク酸、クロレンド酸無水物、メチルシクロヘキセンジカルボン酸無水物、ポリアゼライン酸無水物などが挙げられる。熱開始剤の好ましい配合量としては、造形材全体に対して質量比で、０．０００１［％］〜２０［％］であり、さらに好ましくは０．００５［％］〜１０［％］である。その他、モデル材は、重合安定化剤や色材をさらに含んでも良い。
【００４１】
サポート材吐出ヘッド１２２は、サポート材を吐出可能な状態で貯留する。本実施の形態では、サポート材吐出ヘッド１２２として、例えば、粘度が１〜１００［ｍＰａ・ｓ］の範囲でサポート材を吐出できるものを採用することが望ましい。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としての光硬化性モノマーおよび光ラジカル重合開始剤を含む。サポート材には、ポリエチレングリコール、部分的にアクリル化された多価アルコール・オリゴマー、親水性置換基を有するアクリル化オリゴマーやそれらを組み合わせた材料を添加することで水との接触に対して膨潤する機能を持たせても良い。これにより、サポート材の除去を行いやすくすることができる。なお、サポート材として、熱を与えることにより硬化する熱硬化性材料を用いても良いし、放射線が照射されること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。
【００４２】
モデル材およびサポート材は、モデル材吐出ヘッド１２１およびサポート材吐出ヘッド１２２により造形ステージ１４０上にそれぞれ吐出されてモデル材領域およびサポート材領域の少なくとも一方を含む造形材層を形成する。造形材層は、光およびマイクロ波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。
【００４３】
平滑化装置１２３は、均しローラー１２３Ａ、ブレード等の掻き取り部材１２３Ｂおよび回収部材１２３Ｃを筐体１２０Ａの内部に備える。均しローラー１２３Ａは、制御部１１０の制御下において図３中の反時計回り方向に回転駆動可能であり、モデル材吐出ヘッド１２１およびサポート材吐出ヘッド１２２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が形成される。造形材層の表面が平滑化されることにより、次の造形材層を精度良く形成して積層することができるので、高精度の三次元造形物２００を造形することができる。均しローラー１２３Ａの表面に付着した造形材は、均しローラー１２３Ａの近傍に設けられた掻き取り部材１２３Ｂによって掻き取られる。掻き取り部材１２３Ｂによって掻き取られたモデル材およびサポート材は、回収部材１２３Ｃによって回収される。なお、掻き取り部材１２３Ｂによって掻き取られたモデル材やサポート材は、モデル材吐出ヘッド１２１やサポート材吐出ヘッド１２２に供給されて再利用されるものとしても良いし、廃タンク（図示せず）に輸送されるものとしても良い。なお、均しローラー１２３Ａに代えて、他の回転体、例えば、無端ベルトを用いるようにしても良い。
【００４４】
光照射装置１２４は、造形ステージ１４０に向けて吐出された、光硬化性材料を含むモデル材およびサポート材に硬化処理としての光エネルギー照射処理を施して、半硬化させる露光ヘッドである。硬化の度合いは照射される光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、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。モデル材およびサポート材に紫外線硬化性材料が含まれる場合、光照射装置１２４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、光照射装置１２４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ランプ等を任意に用いることができる。光照射装置１２４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、光照射装置１２４に加える電圧や電流等を調整して光照射装置１２４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、光照射装置１２４と造形材であるモデル材やサポート材との間に、光学的なフィルターを挿抜できるように配置したり、複数種類のフィルターを切り替えられるように構成して、これらを挿抜したり切り替えたりすることで行うようにしても良い。
【００４５】
マイクロ波照射装置１２５は、造形ステージ１４０に向けてマイクロ波を選択的に照射する。マイクロ波照射装置１２５は、円形の所定範囲にマイクロ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。マイクロ波照射装置１２５は、制御部１１０の制御を受けて、マイクロ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、照射するマイクロの強さ、当該マイクロ波の周波数および出力等を変化させる。本実施の形態では、マイクロ波照射装置１２５は、複数の造形材層が形成され積層されることによって三次元造形物２００の少なくとも一部を構成する積層物が形成された段階で、当該積層物にマイクロ波を照射する。
【００４６】
ヘッドユニット１２０は、１層分の造形材層を形成する際、主走査方向に造形ステージ１４０上の一方の端部から他方の端部まで走査しながら、モデル領域が設定された領域にモデル材を吐出するとともに、サポート領域が設定された領域にサポート材を吐出する。次に、ヘッドユニット１２０は、モデル材およびサポート材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。次に、ヘッドユニット１２０は、モデル材吐出ヘッド１２１によるモデル材の吐出位置、および、サポート材吐出ヘッド１２２によるサポート材の吐出位置が重ならないように副走査方向に走査する。これらの動作を繰り返すことにより、造形ステージ１４０上の所定の領域を走査し、１層分の造形材層を形成することができる。
【００４７】
次に、図４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。より具体的には、三次元造形装置１００が、造形ステージ１４０上にモデル領域およびサポート領域の少なくとも一方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、２層分の造形材層からなる三次元造形物２００を造形する場合について説明する。
【００４８】
まず、図４Ａ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、モデル領域が設定された領域に対して光硬化性モノマー２２０Ａおよび熱硬化性モノマー２２０Ｂを含むモデル材２２０の液滴を吐出するとともに、サポート領域が設定された領域に対して光硬化性モノマーを含むサポート材２３０の液滴を吐出する（第１動作）。第１動作中において、ヘッドユニット１２０は、図４Ｂに示すように、造形ステージ１４０に向けて吐出されたモデル材２２０に光照射処理を施し、光硬化性モノマー２２０Ａを光重合させることによって半硬化させるとともに、吐出されたサポート材２３０に光エネルギー照射処理を施して半硬化させる。つまり、１層目の造形材層は、光硬化性モノマーの硬化に伴い、その形状を維持することができる程度に硬化される。
【００４９】
次に、ヘッドユニット１２０は、モデル材２２０およびサポート材２３０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２２０およびサポート材２３０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（モデル領域２２２およびサポート領域２３２）を形成する。この段階で、１層目のモデル領域２２２には、熱硬化性モノマー２２０Ｂが未硬化の状態で分散している。
【００５０】
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、モデル領域が設定された領域に対して光硬化性モノマー２２０Ａおよび熱硬化性モノマー２２０Ｂを含むモデル材２２０の液滴を吐出するとともに、サポート領域が設定された領域に対して光硬化性モノマーを含むサポート材２３０の液滴を吐出する（第４動作）。第４動作中において、ヘッドユニット１２０は、図４Ｄに示すように、造形ステージ１４０に向けて吐出されたモデル材２２０に光照射処理を施し、光硬化性モノマー２２０Ａを光重合させることによって半硬化させるとともに、吐出されたサポート材２３０に光照射処理を施して半硬化させる。つまり、２層目の造形材層は、光硬化性モノマーの硬化に伴い、その形状を維持することができる程度に硬化される。
【００５１】
次に、ヘッドユニット１２０は、モデル材２２０およびサポート材２３０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２２０およびサポート材２３０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、２層目の造形材層（モデル領域２２２およびサポート領域２３２）を形成する。この段階で、１，２層目のモデル領域２２２には、両者の界面及び界面近傍も含め、熱硬化性モノマー２２０Ｂが未硬化の状態で分散している。こうして、２層分の造形材層が形成され積層されることによって、三次元造形物２００の全部を構成する積層物が形成される。
【００５２】
次に、図４Ｅ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、１，２層目の造形材層（積層物）にマイクロ波を照射する（第７動作）。次に、ヘッドユニット１２０は、マイクロ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によるマイクロ波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、造形ステージ１４０上の所定の領域を走査し、１，２層目の造形材層に含まれるモデル領域２２２の全体にマイクロ波を照射する。こうして三次元造形物２００の造形が完了する。１，２層目の造形材層に含まれるモデル領域２２２では、両者の界面及び界面近傍も含め、未硬化の状態で熱硬化性モノマー２２０Ｂが分散している。そして、１，２層目の造形材層にマイクロ波を照射すると、極性分子である熱硬化性モノマー２２０Ｂは、照射されたマイクロ波を吸収して加熱される。その結果、熱硬化性モノマー２２０Ｂは、熱重合反応を起こして１，２層目の造形材層間で化学的な結合を形成する。こうして、三次元造形物２００の積層方向における強度を向上させることができる。
【００５３】
得られたサポート材を含む三次元造形物２００から、図４Ｆに示すように、サポート領域２３２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。なお、サポート領域２３２が除去される前でなく、サポート領域２３２が除去された後に、ヘッドユニット１２０は、１，２層目の造形材層にマイクロ波を照射しても良い。
【００５４】
なお、マイクロ波を照射する方向は特に限定されないが、熱硬化性モノマー２２０Ｂの熱重合反応を均一に促進させる観点から、造形材層を積層する方向に沿って照射が行われるように設定することが好ましい。また、使用するマイクロ波の周波数としては、熱硬化性モノマー２２０Ｂを効率的に熱重合させる観点から、０．３ＧＨｚ〜１００ＧＨｚの範囲内とすることが好ましく、さらに０．８ＧＨｚ〜３０ＧＨｚがより好ましい。また、熱硬化性モノマー２２０Ｂが加熱されることにより三次元造形物２００（モデル領域２２２）の寸法精度ムラが発生することを防止する観点から、使用するマイクロ波の出力としては、５０Ｗ〜５０００Ｗの範囲内とすることが好ましく、さらに２００Ｗ〜１５００Ｗの範囲内とすることがより好ましい。
【００５５】
なお、図４に示す造形動作例では、理解を容易にするため、２層を積層した段階でマイクロ波照射装置１２５が積層物に対してマイクロ波を照射するものとして説明しているが、実際には、三次元造形物２００の全部を構成するのに必要な数の造形材層を全て積層して積層物が形成された段階で、当該積層物にマイクロ波を照射する。但し、三次元造形物２００の一部を構成する積層物が形成された段階で、当該積層物にマイクロ波を照射しても良い。この場合でも、熱硬化性モノマーの熱重合反応によって、積層物を構成する複数の造形材層間で化学的な結合が形成されるため、三次元造形物２００の積層方向における強度を向上させることができる。
【００５６】
以上詳しく説明したように、本実施の形態では、三次元造形装置１００は、造形ステージ１４０上にモデル材２２０を吐出し、吐出されたモデル材２２０に含まれる光硬化性モノマー２２０Ａに光照射して硬化させることによって造形材層を形成し、複数の造形材層を積層することにより三次元造形物２００を構成する積層物を形成する。そして、三次元造形装置１００は、形成された積層物にマイクロ波を照射して当該積層物に含まれる熱硬化性モノマー２２０Ｂを硬化させる。
【００５７】
このように構成した本実施の形態によれば、吐出されたモデル材２２０に含まれる光硬化性モノマー２２０Ａに光照射して硬化させると、造形材層には、熱硬化性モノマー２２０Ｂが未硬化の状態で分散することとなる。そして、複数の造形材層を積層することにより形成された積層物にマイクロ波を照射して加熱すると、積層物に含まれる熱硬化性モノマー２２０Ｂは、熱重合反応により造形材層間で化学的な結合を形成する。その結果、三次元造形物２００の積層方向における強度を向上させることができる。また、マイクロ波が照射される前の積層物を構成する造形材層は、光硬化性モノマー２２０Ａの硬化に伴い、その形状を維持することができる程度に硬化されているため、造形される三次元造形物２００の造形精度が低下することを防止することができる。
【００５８】
なお、上記実施の形態では、ヘッドユニット１２０がマイクロ波照射装置１２５を備える例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図５に示すように、ヘッドユニット１２０とマイクロ波照射装置１２５とを別体化し、ヘッドユニット１２０およびマイクロ波照射装置１２５のそれぞれが独立的に移動できるように構成しても良い。ただし、三次元造形装置１００をコンパクトにするとともに、ヘッドユニット１２０およびマイクロ波照射装置１２５の移動に要する消費電力を抑制する観点からは、ヘッドユニット１２０がマイクロ波照射装置１２５を備えていることが好ましい。
【００５９】
また、上記実施の形態では、モデル材吐出ヘッド１２１およびサポート材吐出ヘッド１２２と光照射装置１２４とが一体化される例について説明したが、モデル材吐出ヘッド１２１およびサポート材吐出ヘッド１２２と光照射装置１２４とを別体化し、それぞれが独立的に移動できるように構成しても良い。ただし、三次元造形装置１００をコンパクトにするとともに、モデル材吐出ヘッド１２１およびサポート材吐出ヘッド１２２、光照射装置１２４の移動に要する消費電力を抑制する観点からは、モデル材吐出ヘッド１２１およびサポート材吐出ヘッド１２２と光照射装置１２４とが一体化されていることが好ましい。
【００６０】
また、インクジェットヘッドを主走査方向に走査しながらモデル材を吐出した後に、モデル材の吐出中心位置が重ならないようにノズルピッチ以下で副走査方向に走査することによって副走査方向の解像度を高くする制御を取り入れて、造形物の精度を高めるとともに、積層方向の結合強度をさらに高めるようにしてもよい。
【００６１】
また、上記実施の形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【００６２】
［実験例］
上記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。実施例１〜１０および比較例１〜５において、造形材（モデル材）として使用した材料は、以下の通りである。
（光開始剤）
・ＩＲＧＡＣＵＲＥ１２７（ＢＡＳＦ社製）：２−ヒロドキシ−１−｛４−［４−（２−ヒドロキシ−２−メチル-プロピオニル)−ベンジル）フェニル］−２−メチル−プロパン−１−オン
・ＩＲＧＡＣＵＲＥ８１９（ＢＡＳＦ社製）：ビス(２，４，６−トリメチルベンゾイル)−フェニルフォスフィンオキサイド
（単官能モノマー（光硬化性））
・ＡＭＰ−２０ＧＹ（新中村化学工業社製）：フェノキシポリエチレングリコールアクリレート
（多官能モノマー（光硬化性））
・Ｐｈｏｔｏｍｅｒ  ４０７２（コグニス社製）：３ＰＯ変性トリメチロールプロパントリアクリレート
・Ｍｉｒａｍｅｒ  Ｍ３６０（東洋ケミカルズ社製）：トリメチロールプロパンＰＯ変性トリアクリレート
・ニューフロンティア  Ｒ−１３０１（第一工業社製）：ウレタンアクリレート
・Ｎ-ビニルホルムアミド（ＴＣＩ社製）
（多官能モノマー（熱硬化性））
・ＤＡＰ（ＴＣＩ社製）：ジアリルテレフタレート
・ＢＭＩ−ＴＭＨ（大和化成工業社製）：１，６’−ビスマレイミド−(２，２，４−トリメチル)ヘキサン
・セロキサイド２０２１Ｐ（ダイセル社製）：３’，４’−エポキシシクロヘキシルメチル  ３，４−エポキシシクロヘキサンカルボキシレート
・エラストロンＨ−３８（第一工業社製）：ポリエーテル系ブロックイソシアネート
・イミレックス（登録商標）−Ｐ（日本触媒社製）：Ｎ−フェニルマレイミド
（熱開始剤）
・ＨＮ−５５００（日立化成社製）：３ｏｒ４−メチル−ヘキサヒドロ無水フタル酸
【００６３】
（実施例１〜３，比較例１〜３における造形材の調製）
実施例１〜３，比較例１〜３では、以下の組成（下記表１の組成例１）で材料を混合し、８０［℃］に加熱して攪拌した。そして、得られた溶液の温度を保持したまま、ＡＤＶＡＴＥＣ社製テフロン（登録商標）３［μｍ］メンブランフィルターで濾過し、造形材を調製した。
・ＩＲＧＡＣＵＲＥ１２７    １．０質量部
・ＩＲＧＡＣＵＲＥ８１９    １．５質量部
・ＡＭＰ−２０ＧＹ          ４２．５質量部
・Ｐｈｏｔｏｍｅｒ４０７２  ４０．０質量部
・ＢＭＩ−ＴＭＨ            １５．０質量部
【００６４】
（実施例４における造形材の調製）
実施例４では、以下の組成（下記表１の組成例２）で材料を混合する以外は実施例１と同様の手順で造形材を調製した。
・ＩＲＧＡＣＵＲＥ１２７    １．０質量部
・ＩＲＧＡＣＵＲＥ８１９    １．５質量部
・ＡＭＰ−２０ＧＹ          ４２．０質量部
・Ｐｈｏｔｏｍｅｒ４０７２  ３５．５質量部
・ＤＡＰ                    ２０．０質量部
【００６５】
（実施例５における造形材の調製）
実施例５では、以下の組成（下記表１の組成例３）で材料を混合する以外は実施例１と同様の手順で造形材を調製した。
・ＩＲＧＡＣＵＲＥ１２７          １．０質量部
・ＩＲＧＡＣＵＲＥ８１９          １．５質量部
・ＡＭＰ−２０ＧＹ                ３２．０質量部
・Ｐｈｏｔｏｍｅｒ４０７２        ２５．５質量部
・セロキサイド２０２１Ｐ          ２０．０質量部
・メチルヘキサヒドロ無水フタル酸  ２０．０質量部
【００６６】
（実施例６における造形材の調製）
実施例６では、以下の組成（下記表１の組成例４）で材料を混合する以外は実施例１と同様の手順で造形材を調製した。
・ＩＲＧＡＣＵＲＥ１２７    １．０質量部
・ＩＲＧＡＣＵＲＥ８１９    １．５質量部
・ＡＭＰ−２０ＧＹ          ３２．０質量部
・ＭｉｒａｍａｅｒＭ３６０  ５０．５質量部
・セロキサイド２０２１Ｐ    １５．０質量部
【００６７】
（実施例７における造形材の調製）
実施例７では、以下の組成（下記表１の組成例５）で材料を混合する以外は実施例１と同様の手順で造形材を調製した。
・ＩＲＧＡＣＵＲＥ１２７    １．０質量部
・ＩＲＧＡＣＵＲＥ８１９    １．５質量部
・ＡＭＰ−２０ＧＹ          ５２．５質量部
・Ｐｈｏｔｏｍｅｒ４０７２  ３５．０質量部
・イミレックス−Ｐ          １０．０質量部
【００６８】
（実施例８における造形材の調製）
実施例８では、以下の組成（下記表１の組成例６）で材料を混合する以外は実施例１と同様の手順で造形材を調製した。
・ＩＲＧＡＣＵＲＥ１２７  １．０質量部
・ＩＲＧＡＣＵＲＥ８１９  １．５質量部
・ＡＭＰ−２０ＧＹ        ３２．０質量部
・Ｎ−ビニルホルムアミド  ３５．５質量部
・ＤＡＰ                  １５．０質量部
・ＢＭＩ−ＴＭＨ          １５．０質量部
【００６９】
（実施例９における造形材の調製）
実施例９では、以下の組成（下記表１の組成例７）で材料を混合する以外は実施例１と同様の手順で造形材を調製した。
・ＩＲＧＡＣＵＲＥ１２７          １．０質量部
・ＩＲＧＡＣＵＲＥ８１９          １．５質量部
・ＡＭＰ−２０ＧＹ                ２２．０質量部
・Ｐｈｏｔｏｍｅｒ４０７２        ２０．０質量部
・ＭｉｒａｍａｅｒＭ３６０        １５．５質量部
・ＤＡＰ                          １０．０質量部
・ＢＭＩ−ＴＭＨ                  １０．０質量部
・セロキサイド２０２１Ｐ          １０．０質量部
・メチルヘキサヒドロ無水フタル酸  １０．０質量部
【００７０】
（実施例１０における造形材の調製）
実施例１０では、以下の組成（下記表１の組成例８）で材料を混合する以外は実施例１と同様の手順で造形材を調製した。
・ＩＲＧＡＣＵＲＥ１２７          １．０質量部
・ＩＲＧＡＣＵＲＥ８１９          １．５質量部
・ＡＭＰ−２０ＧＹ                ２７．０質量部
・ニューフロンティアＲ−１３０１  ５０．５質量部
・エラストロンＨ−３８            ２０．０質量部
【００７１】
（比較例４における造形材の調製）
比較例４では、以下の組成（下記表１の組成例９）で材料を混合する以外は実施例１と同様の手順で造形材を調製した。
・ＩＲＧＡＣＵＲＥ１２７    １．０質量部
・ＩＲＧＡＣＵＲＥ８１９    １．５質量部
・ＡＭＰ−２０ＧＹ          ６２．０質量部
・Ｐｈｏｔｏｍｅｒ４０７２  ３５．５質量部
【００７２】
（比較例５における造形材の調製）
比較例５では、以下の組成（下記表１の組成例１０）で材料を混合する以外は実施例１と同様の手順で造形材を調製した。
・ＩＲＧＡＣＵＲＥ１２７    １．０質量部
・ＩＲＧＡＣＵＲＥ８１９          １．５質量部
・ＤＡＰ                          ５７．５質量部
・ＢＭＩ−ＴＭＨ                  ３０．０質量部
・メチルヘキサヒドロ無水フタル酸  １０．０質量部
【表１】
0006439338.tif 000002
【００７３】
［実施例１］
実施例１において、評価用の試験片（テストピース）は、コニカミノルタ社製インクジェットヘッドＫＭ５１２（標準液滴量４２［ｐｌ］、ノズル解像度３６０［ｄｐｉ］≒ノズルピッチ７０．５［μｍ］）を搭載し、固定された当該インクジェットヘッドに対して造形ステージを１８９［ｍｍ／ｓ］で移動させる三次元造形装置を用いて造形することによって作製した。上記三次元造形装置のインクジェットヘッド（より具体的には８０［℃］に保持された吐出ノズル）から組成例１で調製した造形材を吐出し均しローラーで平滑化した後、光源としてＬＥＤ（波長：３６５ｎｍ）を用いて照射強度１００ｍＷ／ｃｍ２で光照射処理を施して造形材を硬化させた。これらの動作を繰り返すことで造形材からなる造形材層を順に形成して積層した後、インクジェットヘッドに搭載されたマイクロ波照射装置からマイクロ波（周波数：２．４５ＧＨｚ、出力：１０００Ｗ）を、造形物に照射し、さらにサポート材の除去作業を行い、図６に示すような所定形状の試験片（厚み：２ｍｍ）を造形した。なお、マイクロ波を照射する方向は、複数の造形材層を積層する方向と同じ方向（平行）である。
［実施例２］
実施例２では、実施例１と同様に造形材層を積層した後、マイクロ波照射装置に対して造形物を９０°傾けた状態すなわちマイクロ波を照射する方向と、複数の造形材層を積層する方向とが垂直となる状態で、マイクロ波照射装置からマイクロ波（周波数：２．４５ＧＨｚ、出力：１０００Ｗ）を造形物に照射した。
［実施例３］
実施例３では、実施例１と同様に造形材層を積層した後、マイクロ波照射装置からマイクロ波（周波数：２．４５ＧＨｚ、出力：２０００Ｗ）を造形物に照射した。
［比較例１］
比較例１では、実施例１と同様に造形材層を積層した後、マイクロ波を照射する代わりに、インクジェットヘッドに搭載された光源の照射強度を５０００ｍＷ／ｃｍ２に変更し、造形物に光を照射した。
[比較例２]
比較例２では、実施例１で使用したインクジェットヘッドを用い、造形材を吐出し均しローラーで平滑化した後、インクジェットヘッドに搭載されたマイクロ波照射装置からマイクロ波（周波数：２．４５ＧＨｚ、出力：１０００Ｗ）を照射した。これらの動作を繰り返すことで造形材からなる造形材層を順に形成して積層した後、インクジェットヘッドに搭載の光源を用いて光を造形物に照射した。
[比較例３]
比較例３では、実施例１と同様に造形材層を積層した後、１００℃に設定したオーブン（アズワン社製、ＭＯＶ−３００Ｓ）に６０分間放置した後、オーブンから取り出すことによって試験片を造形した。
［実施例４〜１０］
実施例４〜１０では、組成例２〜８でそれぞれ調製した造形材を吐出し均しローラーで平滑化した後、光源としてＬＥＤ（波長：３６５ｎｍ）を用いて照射強度１００ｍＷ／ｃｍ２で光照射処理を施した。これらの動作を繰り返すことで造形材からなる造形材層を順に形成して積層した後、インクジェットヘッドに搭載されたマイクロ波照射装置からマイクロ波（周波数：２．４５ＧＨｚ、出力：１０００Ｗ）を造形物に照射し、さらにサポート材の除去作業を行い、所定形状の試験片を造形した。
［比較例４、５］
比較例４、５では、組成例９、１０でそれぞれ調製した造形材を吐出し均しローラーで平滑化した後、光源としてＬＥＤ（波長：３６５ｎｍ）を用いて照射強度１００ｍＷ／ｃｍ２で光照射処理を施した。これらの動作を繰り返すことで造形材からなる造形材層を順に形成して積層した後、インクジェットヘッドに搭載されたマイクロ波照射装置からマイクロ波（周波数：２．４５ＧＨｚ、出力：１０００Ｗ）を造形物に照射し、さらにサポート材の除去作業を行い、所定形状の試験片を造形した。
【００７４】
本評価実験では、東洋精機社製「テンシロンＵＴＭ−ＩＩＩ」を用いて、造形した試験片を２０［ｍｍ／ｍｉｎ］の速さで引っ張り、試験片が破断したときの破断強度［ＭＰａ］を測定した（ＩＳＯ  ５２７−１（ＪＩＳ  Ｋ  ７１６１））。実施例１〜１０および比較例１〜５でそれぞれ作製した試験片の破断強度について、下記評価基準に基づいて評価した。
（試験片の破断強度）
◎：６０以上
○：４０以上かつ６０未満
△：２０以上かつ４０未満
×：２０未満
【００７５】
また、本評価実験では、造形した試験片のくびれ部分（１０ｍｍ）の寸法を、ノギスを用いて測定した。実施例１〜１０および比較例１〜５でそれぞれ作製した試験片の寸法精度について、下記評価基準に基づいて評価した。なお、比較例５では、造形材に対して光照射処理を施したが硬化せず、ひいては試験片を造形することができなかったため、試験片の破断強度および寸法精度について評価することができなかった。
（試験片の寸法精度）
◎：１０±０．１（ｍｍ）
○：１０±０．２（ｍｍ）
△：１０±０．３（ｍｍ）
×：１０±０．４（ｍｍ）
【００７６】
表２は、実施例１〜１０および比較例１〜５における評価実験の結果を表す表である。
【表２】
0006439338.tif 000003
【００７７】
表２に示すように、実施例１〜１０で造形した試験片は、比較例１〜４で作製した試験片と比べて造形材層の積層方向における強度（破断強度）が向上した。また、実施例１〜１０で造形した試験片は、比較例１〜４で作製した試験片と比べて、寸法精度が同等または向上した。特に、実施例１、４〜６、８〜１０は、マイクロ波の強度が適度であり、マイクロ波が吸収されやすい照射方向に設定されていること、及び、造形材に含まれる熱硬化性モノマーが、マレイミド基、アリル基、環状エーテル基、又は、ブロックイソシアネート基を複数分子内に含む構造を有しているため、特に良好な結果が得られたものと考えられる。
【００７８】
一方、比較例１では、試験片の破断強度の評価が×となっている。これは、造形材に含まれる熱硬化性モノマーが加熱されず、造形材層間で化学的な結合を形成できなかった、言い換えると造形材層間に界面部が生じてしまい、造形材層の積層方向における強度が弱くなったため、試験片の破断強度が低下したと考えられる。
【００７９】
また、比較例２では、試験片の破断強度の評価が×となっている。これは、最後に造形物に光を照射すると、光が造形材層の内部まで透過しないため、造形材を十分に硬化させられず、造形材層の積層方向における強度が弱くなり、試験片の破断強度が低下したと考えられる。
【００８０】
また、比較例３では、オーブンによる加熱を行ったため、造形材層の内部まで十分に加熱されない、すなわち造形材層間で化学的な結合を十分に形成できなかったため、造形材層の積層方向における強度が弱くなり、試験片の破断強度が低下したと考えられる。さらに、造形材層の全体が加熱されたことにより、造形材層の変形が生じて試験片の寸法精度が落ちたものと考えられる。
【００８１】
また、比較例４では、試験片の破断強度の評価が×となっている。これは、マイクロ波の照射により造形材が熱硬化されなかったため、造形材層間で化学的な結合を形成できず、積層方向における強度が弱くなり、試験片の破断強度が低下したと考えられる。
【符号の説明】
【００８２】
１００  三次元造形装置
１１０  制御部
１２０  ヘッドユニット（キャリッジ）
１２０Ａ  筐体
１２１  モデル材吐出ヘッド
１２２  サポート材吐出ヘッド
１２３  平滑化装置
１２３Ａ  均しローラー
１２３Ｂ  掻き取り部材
１２３Ｃ  回収部材
１２４  光照射装置
１２５  マイクロ波照射装置
１３０  支持機構
１３２  主走査方向ガイド
１３４  副走査方向ガイド
１３６  鉛直方向ガイド
１４０  造形ステージ
１４５  表示部
１５０  データ入力部
１５５  コンピューター装置
１６０  操作部
２００  三次元造形物
２２０  モデル材
２２０Ａ  光硬化性モノマー
２２０Ｂ  熱硬化性モノマー
２２２  モデル領域
２３０  サポート材
２３２  サポート領域
【図１】
0006439338.tif 000004
【図２】
0006439338.tif 000005
【図３】
0006439338.tif 000006
【図４】
0006439338.tif 000007
【図５】
0006439338.tif 000008
【図６】
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