三维造型装置和三维造型方法与流程

本发明涉及一种通过将使材料以规定的固化图案固化而成的单位层进行层叠来制造三维造型物的三维造型装置、三维造型方法以及在使用了三维造型装置的造型中使用的程序和记录介质。

背景技术：

例如JP2009-107244A、JP2000-43148A以及JP2013-526429A所公开的那样，近年来，作为层叠造型法的AM(Additive Manufacturing：增材制造)技术在各种技术领域中备受关注。根据AM技术，不需要在造型之前准备模具，因此能够廉价且迅速地制造三维造型物。另外，在层叠造型法中，通过将使材料以规定的图案固化而成的薄层(在本说明书中称为“单位层”)连续地结合来制造三维造型物。因而，根据AM技术，能够不分成多个部件而是一体地制造比较复杂的形状的三维造型物。

在基于AM技术的三维造型中，如JP2009-107244A所公开的那样，固化而成的单位层相对于刚固化后的形状发生变形。JP2009-107244A提出了一种以将该变形估计在内的图案使材料固化的技术。然而，JP2009-107244A中所考虑到的变形仅是由树脂材料的固化收缩所导致的变形。因此，仅利用JP2009-107244A中公开的方法无法以足够的精度制造三维造型物。

说起来，在JP2009-107244A中，作为三维造型的方式，就仅提及了以下方式(材料喷射方式)：将液状的结合剂以规定图案涂布在粉末材料的层上来将粉末材料结合，由此层叠形成单位层。然而，作为AM技术，如今还正在广泛研究以下方式：例如JP2000-43148A所公开的那样，通过以规定的图案向光固化性树脂组合物的表层照射光来依次层叠由固化后的树脂形成的单位层的方式(液槽光聚合方式)、或例如JP2013-526429A所公开的那样，通过以规定的图案向粉末材料层照射光来依次层叠由烧结材料形成的单位层的方式(粉末床熔融结合方式)。另一方面，可以预想到JP2009-107244A中提出的方法无法直接应用于其它方式的AM技术。

技术实现要素：

本发明是考虑了以上方面而完成的，以提高三维造型中的造型精度为目的。

本发明的三维造型装置具备：

三维造型机，其通过将使材料以规定的固化图案固化而成的单位层进行层叠来制造三维造型物；以及

控制器，其基于材料特性、造型条件以及设备条件中的至少一个，考虑制造时的变形来对造型对象模型的沿着层叠方向的各位置处的截面图案进行校正，由此决定与各截面图案对应的所述固化图案。

在基于本发明的三维造型装置中，所述材料特性也可以是密度、比热、热导率、放射率以及粘度中的至少一个。

在基于本发明的三维造型装置中，固化前的所述材料也可以是含有聚合引发剂的光固化性树脂组合物，所述材料特性也可以包括所述聚合引发剂的种类和比例。

在基于本发明的三维造型装置中，所述造型条件也可以是在制造所述三维造型物的过程中支承所述三维造型物的支承件的形状、层叠方向、层叠间距、固化处理条件、气氛温度以及气氛的热导率中的至少一个。

在基于本发明的三维造型装置中，所述固化处理条件也可以是向所述材料照射的能量的扫描方向和向所述材料照射的能量的输出密度中的至少一个。

在基于本发明的三维造型装置中，所述造型条件也可以包括重力和浮力中的至少一方的影响。

在基于本发明的三维造型装置中，

所述三维造型机也可以具有在制造所述三维造型物的过程中支承所述三维造型物的台，

所述设备条件也可以是所述台的重量、材料、比热以及放射率中的至少一个。

基于本发明的三维造型方法是通过将使材料以规定的固化图案固化而成的单位层进行层叠来制造三维造型物的三维造型方法，其包括以下工序：

基于材料特性、造型条件以及设备条件中的至少一个，考虑制造时的变形来对造型对象模型的沿着层叠方向的各位置处的截面图案进行校正，由此决定与各截面图案对应的所述固化图案；以及

按照所决定的所述固化图案使所述材料固化来依次制作单位层。

在基于本发明的三维造型方法中，所述材料特性也可以是密度、比热、热导率、放射率以及粘度中的至少一个。

在基于本发明的三维造型方法中，

固化前的所述材料也可以是含有聚合引发剂的光固化性树脂组合物，

所述材料特性也可以包括所述聚合引发剂的种类和比例。

在基于本发明的三维造型方法中，所述造型条件也可以是在制造三维造型物的过程中支承三维造型物的支承件的形状、层叠方向、层叠间距、固化处理条件、气氛温度以及气氛的热导率中的至少一个。

在基于本发明的三维造型方法中，所述固化处理条件也可以是向所述材料照射的能量的扫描方向和向所述材料照射的能量的输出密度中的至少一个。

在基于本发明的三维造型方法中，所述造型条件也可以包括重力和浮力中的至少一方的影响。

在基于本发明的三维造型方法中，所述设备条件也可以是在制造所述三维造型物的过程中支承所述三维造型物的台的重量、材料、比热以及放射率中的至少一个。

基于本发明的程序是由对使用了三维造型装置的三维造型物的制造进行控制的控制器执行的程序，

通过由所述控制器执行该程序，来使三维造型装置实施基于本发明的上述三维造型方法。

基于本发明的记录介质是记录有由对使用了三维造型装置的三维造型物的制造进行控制的控制器所执行的程序的记录介质，

通过由所述控制器执行该程序，来使三维造型装置实施基于本发明的上述三维造型方法。

根据本发明，能够使三维造型中的造型精度提高。

附图说明

图1是用于说明本发明的一个实施方式的图，是表示三维造型装置的一例的示意图。

图2是用于说明使用了图1示出的三维造型装置的三维造型方法的图。

图3是表示三维造型装置的其它例的图。

图4是用于说明三维造型方法的流程图。

图5是表示作为三维造型对象的三维造型模型的一例的立体图。

图6是表示图5的三维造型模型的截面图案的图。

图7是用于说明在对图5的三维造型模型进行造型时可能发生的变形的一例的主视图。

具体实施方式

下面，参照附图来说明本发明的一个实施方式。此外，在本案说明书中添附的附图中，为了易于图示和理解，相对于实物适当地变更并夸大了比例尺和纵横向的尺寸比等。

首先，参照图1～图3来说明三维造型装置。此外，图1和图2是表示三维造型装置的一例的图。图3是与图2对应的图，是表示三维造型装置的三维造型机的变形例的图。

如图1所示，三维造型装置10具有控制器15和三维造型机20。控制器15控制三维造型机20的各结构要素的动作。控制器15与键盘17、显示器18等输入输出装置连接，其中，该键盘17用于操作者等进行命令的输入操作等以管理三维造型装置10，该显示器18可视化地显示三维造型装置10的运行状况。另外，控制器15能够访问记录有用于实现在三维造型装置10中执行的处理的程序等的记录介质16。记录介质16能够由ROM和RAM等存储器、硬盘、CD-ROM、DVD-ROM以及软盘等盘状记录介质等现有的程序记录介质构成。

三维造型机20基于来自控制器15的控制信号将使材料以规定的固化图案固化而成的单位层ul进行层叠，由此制造三维造型物O。在图1和图2示出的例子中，三维造型机20构成为实施粉末床熔融结合方式的层叠造型的装置。即，图1和图2示出的三维造型机20通过以规定的图案向粉末材料pm的层照射能量来依次形成由烧结材料形成的单位层ul，从而制造三维造型物O。在此，粉末材料pm除了使用含有钛、钢及其它合金的金属粉末以外，还能够使用聚酰胺或聚苯乙烯等合成粉末、PEEK、合成包覆砂或陶瓷粉末。

如图2所示，三维造型机20具有壳体21以及配置在壳体21内的固化单元22和升降台25。固化单元22构成为向粉末材料pm照射能量的照射装置23。在图示的例子中，照射装置23具有射出激光、电子束等的能量源以及对所射出的能量的路径进行调节的扫描装置。作为调整光路的扫描装置，能够使用检流计镜、MEMS。

如在图2中清楚地示出那样，三维造型机20还具有用于支承造型过程中的三维造型物O的升降台25、用于支承供给前的粉末材料pm的供给台28以及回收剩余的粉末材料pm的回收台31。升降台25位于壳体21内的升降引导室26内。升降引导室26是由升降引导划分壁27划分出的朝上方开口的室。升降台25能够在升降引导室26内上下移动。

同样地，供给台28位于壳体21内的供给引导室29内。供给引导室29是由供给引导划分壁30划分出的朝上方开口的室。供给台28能够在供给引导室29内上下移动。并且，回收台31位于壳体21内的回收引导室32内。回收引导室32是由回收引导划分壁33划分出的朝上方开口的室。回收台31能够在回收引导室32内上下移动。

在供给引导室29内的供给台28的上方保持有使用前的粉末材料pm。当供给台28上升规定量时，涂布装置34在水平方向上移动，从供给台28上刮取固定量的粉末材料pm。由涂布装置34刮取的粉末材料pm被供给到升降台25上，剩余的粉末材料pm被回收到回收引导室32内的回收台31上。接着，固化单元22以按照来自控制器15的控制信号的规定图案向升降台25上的粉末材料pm的层照射激光或电子束。在照射了激光等的区域ia内，粉末材料pm熔融而结合。通过这样，形成粉末材料pm以规定的图案(二维形状)固化而成的单位层ul。之后，回收台31和升降台25下降规定量、例如0.1毫米，供给台28上升规定量、例如0.2毫米。从该状态起再次开始进行涂布装置34的动作，来如上述那样形成下一个单位层ul。升降台25的下降量为单位层ul的厚度。依次形成的单位层ul相互熔融结合，由此能够一体地形成三维造型物O。

在图3中图示了与图1和图2示出的三维造型装置10不同的三维造型装置11。在图3示出的三维造型装置11中，与图1和图2示出的三维造型装置10同样地，基于来自控制器15的控制信号，将使材料以规定的固化图案固化而成的单位层ul进行层叠，由此制造三维造型物O。在图3示出的例子中，三维造型装置11的三维造型机40构成为实施液槽光聚合方式的层叠造型、所谓的光造型的装置。即，图3示出的三维造型机40通过以规定的图案向光固化性树脂组合物rc的表层照射激光，来依次层叠由固化后的树脂形成的单位层ul，从而制造三维造型物O。此外，也可以替代使用激光，而使用被称为所谓的面曝光的方式(使用产生紫外线区域的光的灯来照射面状的光的方式)。

如图3所示，三维造型机40具有未图示的壳体以及配置在壳体内的液槽41和固化单元42。液槽41保持有液体的光固化性树脂组合物rc。另外，三维造型机40具有能够升降的升降台45。升降台45能够通过下降来浸渍于液槽41中积存的树脂组合物rc内。固化单元42例如包括照射装置43，该照射装置43射出引发光固化性树脂组合物rc的固化反应的光、例如紫外线频带的激光。与上述图1和图2的照射装置23同样地，照射装置43也可以包括光源和扫描装置。

如图3所示，在造型过程中，以使未固化的树脂组合物rc以规定量的厚度存在于升降台45的上方的方式对升降台45进行定位。接着，固化单元42以构成按照来自控制器15的控制信号的规定图案(二维形状)的方式向升降台45上的液体树脂组合物rc的层照射激光(在面曝光方式的情况下为面状的光)。在被照射到激光的区域ia内，液体树脂组合物rc开始进行光聚合反应而固化。通过这样，形成液体树脂组合物rc以规定的图案固化而成的单位层ul。之后，升降台45下降规定量、例如0.1毫米。从该状态起再次实施固化单元42的激光照射，来形成下一个单位层ul。升降台45的下降量为单位层ul的厚度。依次形成的单位层ul相互结合，由此能够一体地形成三维造型物O。

接着，对使用了三维造型装置10的三维造型方法、换言之对使用三维造型装置10来制造三维造型物O的方法进行说明。控制器15读取被预先记录于记录介质16的程序，由此实施以下要说明的三维造型方法。

如图4所示，三维造型方法包括第一工序S1～第五工序S5。首先，在第一工序S1中，决定作为造型对象的模型。作为一例，研究将图5示出的三维造型模型M作为造型对象来进行制造的例子。此外，图5示出的三维造型模型M在长方体的主体部处形成有朝上方开口的圆柱状的孔h，并且设置有向侧方突出的突出部p。突出部p是被称为所谓的悬突的部位，未从铅垂方向下方被支承。

接着，作为第二工序S2，将三维造型模型M的CAD数据变换为用于三维造型装置10的造型的造型数据。例如控制器15取入被保存于记录介质16的三维造型模型M的CAD数据并进行处理，由此实施造型数据的数据处理。具体地说，控制器15生成表示三维造型模型M的截面形状的截面图案sp。截面图案sp与同进行层叠造型时的层叠方向正交的截面的形状一致。在与进行层叠造型时的层叠方向上的间距为相同间距的三维造型模型M的各位置处实施截面图案sp的生成。图6示出了将图5示出的三维造型模型M分解为多个截面图案sp的例子。

另外，在第二工序S2中，控制器15根据三维造型模型M的形状来判断是否需要从铅垂方向支承悬突部的支承件。在判断为需要支承件的情况下，在截面图案sp中还包含支承件的截面形状。

之后，作为第三工序S3，例如一边利用键盘17和显示器18一边将材料的种类、造型条件等输入到控制器15。

接着，作为第四工序S4，控制器15通过对三维造型模型M的沿着层叠方向的各位置处的截面图案sp进行校正，来决定与各截面图案sp对应的固定图案。在基于层叠造型的三维造型中，依次层叠形成使材料固化而成的单位层ul。基于使造型精度提高的观点，单位层ul的厚度极薄。不仅限于基于层叠造型的三维造型，在各种加工中会在造型时发生变形。特别是在基于粉末床熔融结合方式的三维造型中，利用激光、电子束使材料局部变为熔融状态，之后通过进行冷却并固化来依次形成极薄的单位层ul，但在该过程中受到热应力的强烈影响，因此在造型时发生变形。另一方面，在基于液槽光聚合方式的三维造型中，通过光聚合反应来进行固化，由此依次形成极薄的单位层ul，但从微观上来看发生光聚合反应不均匀，因此在造型时发生变形。例如在对图5示出的三维造型模型M进行造型时，如果以图6示出的截面图案sp将材料层固化，则能够预测到的是，在从侧面观察时，所制造出的三维造型物O如图7中的双点划线所示那样相对于用实线示出的三维造型模型M发生变形。此外，在图7中用双点划线示出了向图中下方发生变形的情况，但终归只是例示，根据散热条件、要造型的形状等，变形的方向、量会不同。

在第四工序S4中，考虑到造型时的变形来决定对材料的层实施固化处理时的固化图案。在图1和图2示出的例子中，将向粉末材料pm的表面层照射能量(来自能够照射高能量的固体激光器的激光、电子束等)的范围确定为固化图案，在图3示出的例子中，将向液体树脂组合物rc的表面层照射紫外线区域的激光、面状的光的范围确定为固化图案。

作为一个具体例，在第四工序S4中，首先，以使最后形成的单位层ul最终与三维造型模型M的对应部位的截面图案sp成为同一形状的方式来校正截面图案sp，由此决定固化图案。接着，以如下方式决定紧接在此之前层叠的层的固化图案：使以该固化图案实施固化处理所得到的单位层ul最终与三维造型模型M的对应部位的截面图案sp成为同一形状。通过这样，按与层叠顺序相反的顺序来决定与各单位层ul有关的固化图案。最终决定出与三维造型模型M的所有截面图案sp对应的固化图案。

另外，如上所述，造型时的变形是由于以悬突为代表的三维造型模型M的形状而产生的。因而，考虑基于三维造型模型M的形状的制造时的变形来实施对截面图案sp的校正。然而，本案的发明人等在反复进行实验时发现，即使考虑仅基于三维造型模型M的形状的变形，也无法以足够高的精度制造三维造型物O。

关于这一点，本发明的发明人等进一步实施了深入研究，其结果发现：通过基于材料特性、造型条件以及设备条件中的至少一个来预测制造时的变形，能够高精度地制造三维造型物O。即，在决定与各截面图案sp对应的固化图案时，基于材料特性、造型条件以及设备条件中的至少一个考虑制造时的变形来对三维造型模型M的沿着层叠方向的各位置处的截面图案进行校正是有效的。根据该校正方法，不仅能够高精度地制造三维造型物O，还能够省略支承件来以足够高的精度制造至今为止需要支承件的三维形状。通过省略支承件，能够将去除支承件的后工序删除，另外，还能够避免在三维造型物O中残留支承件去除痕迹之类的在使用支承件时不可避免地产生的缺陷。

在此，在推测制造过程中的变形时要研究的材料特性是指固化前的材料的特性和固化后的材料的特性中的至少一方。作为在校正截面图案sp来决定固化图案时要研究的材料特性，至少能够例示“密度”、“比热”、“热导率”、“材料的放射率(辐射率)”以及“粘度”。

“密度”为表示制造过程中的三维造型物O及其周围存在的未固化的材料所受的重力(在液槽光聚合方式的情况下也对浮力造成影响)的大小的指标。除了考虑三维造型模型M的形状以外还考虑密度，由此能够更加准确地预测制造时的变形。

“比热”、“热导率”以及“材料的放射率(辐射率)”为表示将制造过程中产生的热蓄积到何种程度或以何种程度的速度散发制造过程中产生的热的指标。另外，“粘度”不仅为表示熔融时的变形的难易度的指标，还对在层叠造型中与相邻的层之间的热移动量造成大的影响。即，当粘度低时，易于流动，因此与相邻的层之间的密合度升高，热移动量增大。另外，当粘度低时易于发生变形。另一方面，当粘度高时，不易流动，因此与相邻的层之间的密合度降低，热移动量减少。另外，当粘度低时，不易发生变形。如上所述，通过考虑“比热”、“热导率”或“粘度”，能够更加准确地预测一般伴随发热引起的三维造型时的变形，从而能够以足够高的精度对三维造型物O进行造型。

另外，在材料包括含有聚合引发剂的光固化性树脂组合物的情况下，作为材料特性，优选考虑“聚合引发剂的种类和比例”来预测三维造型时的变形。含有聚合引发剂的光固化性树脂组合物的固化速度很大程度上依赖于聚合引发剂的种类、光固化性树脂组合物中的聚合引发剂的混合比例。因而，通过考虑“聚合引发剂的种类和比例”，能够更加准确地预测三维造型时的变形，从而能够以足够高的精度对三维造型物O进行造型。

作为在推测制造过程中的变形时要研究的造型条件，能够设为“在制造过程中支承三维造型物O的支承件的形状”、“层叠方向”、“层叠间距”、“固化处理条件”、“气氛温度”以及“气氛的热导率”中的至少一个。关于“在制造过程中支承三维造型物O的支承件的形状”，即使在对同一形状的三维造型模型M进行造型的情况下，根据支承件的有无、支承件的形状等，变形的方式、变形的程度大不相同。同样地，即使在对同一形状的三维造型模型M进行造型的情况下，如果“层叠方向”不同，则变形的方式和变形的程度大不相同。另外，根据“层叠间距”、“固化处理条件”、“气氛温度”、“气氛的热导率”，例如固化后的单位层ul的蓄热或散热的程度大幅地变化，其结果，变形的方式、变形的程度大不相同。因而，通过考虑“在制造过程中支承三维造型物O的支承件的形状”、“层叠方向”、“层叠间距”、“固化处理条件”、“气氛温度”以及“气氛的热导率，能够更加准确地预测三维造型时的变形，从而能够以足够高的精度对三维造型物O进行造型。此外，气氛的热导率是在气氛由氩气、氮气等气体构成的情况下设定的。另外，气氛的热导率除了按每种材料设为固定的值以外，为了进一步进行高精度的分析，气氛的热导率也可以设为以气体的流动为参数发生变动的值来进行处理。

另外，造型条件中的“固化处理条件”能够设为向材料照射的能量(例如激光、电子束)的扫描方向和向材料照射的能量的输出密度中的至少一个。与扫描方向相应地产生变形的指向性、例如弯曲的方向性。另外，变形的程度依赖于能量密度的大小而不同。因而，通过考虑“向材料照射的能量(例如激光、电子束)的扫描方向”或“向材料照射的能量的输出密度”，能够更加准确地预测三维造型时的变形，从而能够以足够高的精度对三维造型物O进行造型。

并且，在校正截面图案sp来决定固化图案时，考虑对制造过程中的三维造型物O施加的重力、作用于制造过程中的三维造型物O的浮力也是有效的。对于在图1和图2示出的三维造型装置10中进行制造的过程中的三维造型物O从周围承受的重力以及在图3示出的三维造型装置11中进行制造的过程中的三维造型物O从周围承受的浮力，包括力所作用的方向在内存在较大差异。因而，通过考虑“重力和浮力中的至少一方的影响”，能够更加准确地预测三维造型时的变形，从而能够以足够高的精度对三维造型物O进行造型。

作为在推测制造过程中的变形时要研究的设备条件，能够设为“升降台25的重量”、“升降台25的材料”、“升降台25的比热”以及“升降台25的放射率”中的至少一个。在层叠造型中，固化后的单位层ul通常会发热。“升降台25的重量”、“升降台25的材料”、“升降台25的比热”以及“升降台25的放射率”对由单位层ul发出的热的散热速度产生影响。因而，通过考虑“升降台25的重量”、“升降台25的材料”、“升降台25的比热”或“升降台25的放射率”，能够更加准确地预测三维造型时的变形，从而能够以足够高的精度对三维造型物O进行造型。

在如上述那样在第四工序S4中进行了造型数据的校正之后，作为第五工序S5，以固化图案对材料的层实施固化处理，由此制造三维造型物O。具体地说，在使用图1和图2示出的三维造型装置10的情况下，通过针对粉末材料pm的层向在第四工序S4中决定的固化图案的范围照射能量，来依次形成由烧结材料形成的单位层ul，从而制造三维造型物O。另外，在使用图3示出的三维造型装置11的情况下，通过针对液体的光固化性树脂组合物rc的表层向在第四工序S4中决定的固化图案的范围照射光，来依次层叠由固化后的树脂形成的单位层ul，从而制造三维造型物O。

在以上说明过的本实施方式中，通过将使材料以规定的固化图案固化而成的单位层ul进行层叠来制造三维造型物O的三维造型方法包括以下工序：基于材料特性、造型条件以及设备条件中的至少一个，考虑制造时的变形来对造型对象模型M的沿着层叠方向的各位置处的截面图案sp进行校正，由此决定与各截面图案sp对应的固化图案；以及按照所决定的固化图案使材料固化来依次制作单位层ul。另外，三维造型装置10、11具有：三维造型机20、40，其通过将使材料以规定的固化图案固化而成的单位层ul进行层叠来制造三维造型物O；以及控制器15，其基于材料特性、造型条件以及设备条件中的至少一个，考虑制造时的变形来对造型对象模型M的沿着层叠方向的各位置处的截面图案sp进行校正，由此决定与各截面图案sp对应的固化图案。根据这种本实施方式，能够以足够高的精度对三维造型物O进行造型。

以上，基于图示的实施方式对本发明进行了说明，但本发明并不限定于这些实施方式，除此以外能够以各种方式来实施。例如，上述三维造型方式只不过是一例，例如在如下方式中也能够应用本发明：从喷嘴将通过加热而变为熔融状态的树脂挤出并层叠的造型方式(材料挤出方式)、从喷嘴喷射液状的结合剂来使粉末材料结合的层叠造型方式(结合材料喷射方式)、从喷嘴喷射液体材料并使其选择性地堆积的层叠造型方式(材料喷射)以及一边供给金属材料一边利用激光器等施加热能来使该金属材料熔融和堆积的造型方式(指向性能量堆积方式)等。