JP2000280354A - 三次元造形装置および三次元造形方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 短時間で低コストかつ容易に、複数の色を有
する三次元造形物や任意の混合色からなる三次元造形物
を造形できること。 【解決手段】 三次元造形装置１０において、第１の材
料として内部造形用となる無着色または白色の樹脂がタ
ンク１８ｄに収容されており、第２の材料として表面側
造形用の着色された樹脂がタンク１８ａ〜１８ｃに収容
されている。これらの樹脂材料は吐出ノズル１５ａ〜１
５ｄからステージ２０の方向に吐出される。制御手段で
ある駆動制御部１２がノズルヘッド１５をＸＹ面内で移
動させつつ、各吐出ノズル１５ａ〜１５ｄからの樹脂材
料の吐出を制御する。三次元造形物２１の内部側造形時
には少なくとも内部造形用の樹脂を吐出させ、表面側造
形時には少なくとも表面側造形用の着色樹脂を吐出させ
る。つまり、表面形成時と内部側形成時とで樹脂材料の
吐出を変更するのである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、三次元造形装置
および三次元造形方法に関するものであって、とりわけ
樹脂を液体あるいは流体状態でインクジェット方式等に
よって噴出し、硬化させ、これを積層することによっ
て、目的とする三次元造形物を製造する三次元造形装置
および三次元造形方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、造形対象物を平行な複数の面
で切断した各断面ごとに樹脂を順次積層することによっ
て立体造形を行い、造形対象物の三次元モデルとなる造
形物を生成する装置が知られている。

【０００３】図２２は、このような従来の三次元造形装
置１００を示す概略図である。この三次元造形装置１０
０において、コンピュータ１１１は三次元形状の造形対
象物をデータ化し、それを幾層もの薄い断面体にスライ
スして得られる断面データの送り出しを行う。駆動制御
部１１２はコンピュータ１１１からの断面データを取り
込み、そのデータに従って、インクジェットヘッド１１
５、ＸＹ方向駆動部１１３およびＺ方向駆動部１１４を
制御する。この駆動制御部１１２の制御により、ＸＹ方
向駆動部１１３が作動するとともにインクジェットヘッ
ド１１５より熱可塑性樹脂を小滴として吐出することに
より、コンピュータ１１１から与えられた断面データに
基づく断面形状が造形される。そしてステージ１１６上
にて吐出された熱可塑性樹脂は放熱・冷却されて溶融状
態から固体に変化して硬化する。このような動作によっ
て一層分の断面体すなわち層体が作り出される。

【０００４】その後、駆動制御部１１２によってＺ方向
駆動部１１４が制御され、ステージ１１６は一層分の厚
さに相当する距離だけ降下する。そして上記と同様の動
作を行うことにより一層目の上側に新たな層が積層され
る。このように連続的に作り出された幾層もの薄い層体
が積層されて造形物１１７が造形される。

【０００５】また、造形物１１７がオーバーハング形状
を有する場合には、コンピュータ１１１において造形対
象物のデータ化を行う際に必要に応じてオーバーハング
支持部形状が付加される。そして駆動制御部１１２は、
上記造形物の造形と同時に、そのオーバーハング支持部
形状に基づいて造形物を造形するための熱可塑性樹脂と
は溶融温度の異なる熱可塑性樹脂をインクジェットヘッ
ド１１８から小滴として吐出させることによりオーバー
ハング支持部１１９を形成する。

【０００６】そして、積層完了後に造形物を上記支持部
用樹脂の融点より高く、上記造形物用樹脂の融点より低
い温度に加熱・保温することにより、オーバーハング支
持部１１９を形成している樹脂を溶融除去することがで
き、所望の三次元造形物を得ることができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
三次元造形装置、あるいは射出成形機や切削加工機で
は、作成された三次元造形物は二材成形等の特殊な場合
を除き、単一樹脂材料で形成されるため単一の着色状態
でしかない。そのため、三次元造形物に彩色が必要な場
合にはその後工程でデザイナーが模様を描いたり、色付
けを行ったりしなければならず、時間と費用が必要以上
にかかるという問題があった。

【０００８】すなわち、複数の色を有する三次元造形物
を作成する場合や任意の混合色からなる三次元造形物を
作成する場合、従来の装置では短時間で低コストかつ容
易に造形を行うことができず、造形後に人手に頼らざる
を得なかったのである。

【０００９】ここで三次元造形物に彩色が必要な部分は
主として表面側であり、表面側に彩色が施されていれば
内部側は特に問題とならない。したがって、三次元造形
物の表面側造形時と内部側造形時とで吐出する材料を使
い分けることが望ましいのであるが、そのためには三次
元造形物を一層ごとに積層していく際に、三次元造形物
の表面側付近を造形するときには彩色用の材料を吐出す
る一方、内部側を造形するときには内部用として準備さ
れた材料を吐出するように構成することが必要になる。

【００１０】ところが、上記のような従来の三次元造形
装置ではそのようなことは不可能である。

【００１１】そこで、この発明は、表面側造形時と内部
側造形時とで吐出する材料を使い分けることにより、短
時間で低コストかつ容易に造形を行うことができる三次
元造形装置および三次元造形方法を提供することを目的
とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明は、造形対象物を平行な複数
の面で切断した各断面に対応する層体を所定の材料を吐
出することによって形成し、前記層体を順次積層してい
くことで前記造形対象物の三次元造形物を生成する三次
元造形装置であって、第１の材料を吐出する第１のノズ
ルと、第２の材料を吐出する第２のノズルと、前記三次
元造形物の層体ごとの内部側造形時には少なくとも前記
第１のノズルから前記第１の材料を吐出させ、前記三次
元造形物の層体ごとの表面側造形時には少なくとも前記
第２のノズルから前記第２の材料を吐出させる制御手段
とを備えている。

【００１３】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の三次元造形装置において、前記第２の材料は、それぞ
れ異なる色成分に着色された複数の樹脂であることを特
徴としている。

【００１４】請求項３に記載の発明は、請求項１に記載
の三次元造形装置において、前記第２の材料は、それぞ
れ異なる色の複数のインクであることを特徴としてい
る。

【００１５】請求項４に記載の発明は、請求項２または
請求項３に記載の三次元造形装置において、前記第１の
材料は白色に着色された樹脂であることを特徴としてい
る。

【００１６】請求項５に記載の発明は、造形対象物を平
行な複数の面で切断した各断面に対応する層体を所定の
材料を吐出することによって形成し、前記層体を順次積
層していくことで前記造形対象物の三次元造形物を生成
する三次元造形方法であって、第１の材料を吐出する第
１のノズルと第２の材料を吐出する第２のノズルとを所
定のステージに対して相対的に移動させる工程と、前記
三次元造形物の層体ごとの内部側を形成する際に、少な
くとも前記第１のノズルから前記第１の材料を吐出させ
る工程と、前記三次元造形物の層体ごとの表面側を形成
する際に、少なくとも前記第２のノズルから前記第２の
材料を吐出させる工程とを有している。

【００１７】

【発明の実施の形態】＜１．第１の実施の形態＞この実
施形態では、表面用と内部用との２つの材料としてそれ
ぞれ樹脂を使用する例を示し、表面造形時と内部造形時
とでそれぞれの樹脂を吐出制御することのできる構成を
示す。そして、表面用材料としての樹脂は着色された樹
脂を使用し、それによって三次元造形物の表面側に対し
て彩色を行う一方、外部から観察することのできない三
次元造形物の内部側については内部用材料としての樹脂
を使用するようにすれば、効率的な造形を行うことがで
きるとともに着色用樹脂の消費量を低減できる。

【００１８】以下、この発明の第１の実施の形態を図面
を参照しつつ説明する。

【００１９】＜１−１．三次元造形装置の全体的構成＞
図１は、この実施形態における三次元造形装置１０を示
す概略図である。この三次元造形装置１０は、コンピュ
ータ１１と駆動制御部１２とＸＹ方向駆動部１３とＺ方
向駆動部１４とノズルヘッド１５とタンク部１８と溶融
部１９とステージ２０とを備えて構成される。

【００２０】コンピュータ１１は内部にＣＰＵやメモリ
等を備えて構成される一般的な卓上型コンピュータ等で
ある。このコンピュータ１１は三次元形状の造形対象物
をデータ化し、それを幾層もの薄い断面体にスライスし
て得られる断面データを駆動制御部１２に対して出力す
る。

【００２１】駆動制御部１２は、ＸＹ方向駆動部１３と
Ｚ方向駆動部１４と溶融部１９とノズルヘッド１５とス
テージ２０とをそれぞれに駆動制御する制御手段として
機能する。駆動制御部１２はコンピュータ１１から断面
データを取得すると、その断面データに基づいて上記の
各部に対して駆動指令を与えることによりステージ２０
上に一層ごとの断面形状を積層していく。

【００２２】ＸＹ方向駆動部１３はノズルヘッド１５を
Ｘ軸およびＹ軸によって規定される平面内で移動させる
べく設けられた駆動手段であり、駆動制御部１２からの
駆動指令に基づいてノズルヘッド１５をその平面におけ
る駆動範囲内で任意の位置に移動させることができる。

【００２３】Ｚ方向駆動部１４はステージ２０上に三次
元造形物の一層分の造形または数層分の造形が行われる
ごとにステージ２０を下降させるべく設けられた駆動手
段であり、駆動制御部１２からの駆動指令に基づいてス
テージ２０を鉛直なＺ軸に沿って移動させる。このＺ方
向駆動部１４が三次元造形物の造形が進むにつれてステ
ージ２０を下降させていくことにより、ステージ２０上
に積層生成される三次元造形物とノズルヘッド１５とが
接触することを回避することができるのである。

【００２４】タンク部１８はそれぞれ異なる種類の熱可
塑性樹脂を収容する複数のタンク１８ａ〜１８ｅを備え
る。それぞれのタンク１８ａ〜１８ｅには、常温で固体
状態であり、スティックのような塊状、ペレット状、あ
るいは粉末状の熱可塑性樹脂が収容される。また、溶融
部１９にはタンク部１８に設けられたタンク１８ａ〜１
８ｅのそれぞれに個別に温度調整が可能な溶融ヒータ１
９ａ〜１９ｅが設けられている。したがって、タンク１
８ａ〜１８ｅのそれぞれに収容される熱可塑性樹脂はそ
れぞれのタンク下方に設けられた溶融ヒータ１９ａ〜１
９ｅによって加熱・溶融されるのである。

【００２５】ノズルヘッド１５はＸＹ方向駆動部１３の
下部に固定されており、ＸＹ方向駆動部１３とともに一
体となってＸＹ平面内で移動自在となっている。また、
ノズルヘッド１５はタンク部１８のタンク数と同数の吐
出ノズル１５ａ〜１５ｅを備えており、各タンク１８ａ
〜１８ｅにおいて溶融された熱可塑性樹脂は対応して設
けられた各吐出ノズル１５ａ〜１５ｅに加熱保温状態で
供給される。各吐出ノズル１５ａ〜１５ｅは溶融された
熱可塑性樹脂を例えばインクジェット方式等で微小な液
滴として吐出（噴出）するノズルである。各吐出ノズル
１５ａ〜１５ｅによる熱可塑性樹脂の吐出は駆動制御部
１２によって個別に制御されており、各吐出ノズル１５
ａ〜１５ｅから吐出される熱可塑性樹脂はノズルヘッド
１５に対向する位置に設けられているステージ２０上に
付着する。なお、吐出ノズル１５ｅはオーバーハング形
状を支持する支持部用となる樹脂を吐出するノズルであ
る。

【００２６】ステージ２０は三次元造形物を生成するた
めの基盤として機能し、各吐出ノズル１５ａ〜１５ｅか
ら吐出された熱可塑性樹脂はステージ２０上にて放熱・
冷却されて溶融状態から固体に変化して硬化する。

【００２７】なお、ステージ２０の上面側すなわち造形
面側には複数の小領域に分割されるとともに各小領域に
は分割ステージ２０ａが配置されている。これらの各分
割ステージ２０ａは駆動制御部１２の制御指令によって
独立した昇降動作を行う。

【００２８】この実施の形態では、複数の色を有する三
次元造形物や任意の混合色からなる三次元造形物を作成
するために、三次元造形物の表面側造形時には主として
有彩色に着色された樹脂を使用する。一方、三次元造形
物の内部側には特に着色の必要性がないため、無彩色ま
たは無着色の樹脂を使用する。このため、上記タンク部
１８の各タンク１８ａ〜１８ｅのうち、タンク１８ａ〜
１８ｃには表面側造形時において三次元造形物の表面に
有彩色の着色作用を施すためにそれぞれ異なる色成分に
着色された樹脂が収容されており、タンク１８ｄには主
として内部側造形時において使用する無彩色または無着
色の樹脂が収容されている。なお、無彩色または無着色
の樹脂としては自然色のものを使用してもよいし、白色
あるいは淡い色に着色されている樹脂を使用してもよ
い。

【００２９】具体的には、タンク１８ａ〜１８ｃにはそ
れぞれＹ（イエロー），Ｍ（マゼンタ），Ｃ（シアン）
に着色された樹脂が収容されており、タンク１８ｄには
Ｗ（ホワイト）に着色された樹脂が収容されている。さ
らにタンク１８ｅには支持部用樹脂が収容されている。
なお、支持部用樹脂以外の樹脂は同一の樹脂材料であっ
てもよいし、異なる樹脂材料であってもよい。例えば、
それぞれに各色成分の着色剤と相性のよい樹脂を用いて
もよい。

【００３０】また、この実施の形態では積層造形に用い
る樹脂の一例として上記のように熱可塑性樹脂を利用す
る。室温では固体であり、かつ融点が低く、溶融粘度の
低い樹脂が造形容易であり、例えば高分子量のポリスチ
レン、ポリカプロラクトンなどが挙げられる。

【００３１】また、熱可塑性樹脂以外にも光硬化性樹脂
や熱硬化性樹脂を利用することも可能であるが、その場
合には、上述した溶融部１９は不必要となる反面、ステ
ージ２０上に付着した樹脂を硬化させるためのエネルギ
ー線照射装置が必要となる。

【００３２】オーバーハング支持部２２を形成するため
の支持部用樹脂としては、三次元造形物の造形用となる
他の樹脂よりも融点の低い熱可塑性樹脂を用いる。例え
ばワックス系の樹脂、アジペート系エステルなどがあ
る。そのような支持部用樹脂を使用することによって、
オーバーハング支持部２２を含む積層完了後の造形物の
温度を支持部用樹脂の融点以上、造形用樹脂の融点以下
の温度におくことで、支持部用樹脂のみを溶融・除去す
ることで所望の三次元造形物の完成品を得ることができ
るのである。

【００３３】＜１−２．三次元造形装置１０における動
作＞次に、この三次元造形装置１０における動作につい
て説明する。図２はこの実施形態における三次元造形装
置１０の動作の一例を示すフローチャートである。

【００３４】まず、コンピュータ１１が、三次元形状で
あり表面にカラー模様等が施された造形対象物がモデル
データとしてデータ化される（ステップＳ１）。造形す
るためのもとになる造形対象物のデータには一般の三次
元ＣＡＤモデリングソフトウェアで作成されるカラー三
次元モデルデータを使用することができる。また、三次
元形状入力装置で計測された形状データおよびテクスチ
ャを利用することも可能である。

【００３５】このようにして得られるモデルデータにお
いて色情報は三次元モデルの表面にのみ付与されている
場合と、三次元モデルの内部まで付与されている場合と
がある。後者の場合でも造形に際してモデル表面の色情
報のみを使用することも可能であるし、モデル内部の色
情報も使用することも可能である。この実施形態におい
ては、三次元モデルの表面付近の色情報を利用する。

【００３６】また、このデータ化を行うとき、造形対象
物がオーバーハング形状を有する場合にはオーバーハン
グ支持部形状が付加される。

【００３７】そして、そのモデルデータから、造形する
際の積層厚さに基づいて造形対象物をスライスした各断
面ごとの断面データを生成する（ステップＳ２）。モデ
ルデータから積層する樹脂の一層分の厚みに相当する厚
さピッチでスライスされた断面体を切り出し、断面形状
および彩色領域のデータを作成する。

【００３８】図３はステップＳ２で生成される断面デー
タの一例を示す図である。図３に示すように、モデルデ
ータからある断面体を切り出し、格子状に細分化し、各
ボクセルごとに色情報を持たせた断面データを得ること
ができる。つまり、この断面データでは二次元画像のビ
ットマップと同様の形態で色情報を持つことができるの
である。

【００３９】なお、この断面データにはオーバーハング
形状を有する場合には、そのオーバーハング形状を支持
するために造形する支持部情報も含まれている。そし
て、コンピュータ１１で生成された断面データは駆動制
御部１２に送られる。

【００４０】ステップＳ３においては、断面データを作
成するときに用いた積層厚さに関する情報がコンピュー
タ１１から駆動制御部１２に入力される。

【００４１】次のステップＳ４以降については駆動制御
部１２が各部を制御することによって行われる動作であ
る。ステップＳ４ではステージ２０を一層目の断面形状
（すなわち、最初の層体）を吐出造形するために適した
位置に上昇させる。これにより、ステージ２０とノズル
ヘッド１５との位置関係は所定の位置関係となり、ノズ
ルヘッド１５の各吐出ノズル１５ａ〜１５ｅから吐出さ
れる樹脂はステージ２０上の適切な位置に付着するので
ある。

【００４２】そしてステージ２０の移動が終了するとス
テップＳ５に進み、駆動制御部１２の内部に設けられた
図示しないデータ変換手段で断面データに対して階調変
換等のデータ変換が行われ、各吐出ノズル１５ａ〜１５
ｅから吐出される液滴サイズに適した層形状や彩色等に
関する情報が生成される。

【００４３】ステップＳ６では上記のデータ変換によっ
て生成された層形状、彩色情報に従って駆動制御部１２
がＸＹ方向駆動部１３に駆動指令を与えることによりノ
ズルヘッド１５を所定方向に移動させるとともに、その
移動に伴って各吐出ノズル１５ａ〜１５ｅからの樹脂の
吐出を適宜に行わせる。

【００４４】そして、三次元造形物の表面側付近に相当
する部分について樹脂の吐出を行う際には造形対象物か
ら導かれた彩色情報に基づいてＹ，Ｍ，Ｃのそれぞれに
着色された樹脂を吐出することにより、三次元造形物の
表面側にカラー造形を行う。一方、三次元造形物の内部
側に相当する部分について樹脂の吐出を行う際にはＷに
着色された樹脂を吐出することにより、三次元造形物の
内部側造形を行う。

【００４５】また、オーバーハング形状を有する場合に
はオーバーハング部を支持するオーバーハング支持部２
２を造形するために支持部用樹脂を吐出する。

【００４６】ステージ２０上に付着する樹脂は自然放熱
又はステージ２０の内部側に設けられた図示しない冷却
手段によって冷却されて溶融状態から固体に変化して硬
化する。

【００４７】このようにしてステップＳ６において三次
元造形物の一層分の断面体である層体の造形が行われる
のである。

【００４８】そして、一層分の造形が終了するとステッ
プＳ７に進んで、駆動制御部１２が三次元造形物の造形
が完了したかどうかを判断し、「ＮＯ」と判断された場
合はさらに次の層の造形を行うべくステップＳ４に戻
り、「ＹＥＳ」と判断された場合は造形動作は終了す
る。

【００４９】なお、ステップＳ４に戻った場合は、ステ
ージ２０を造形された一層の高さ寸法分だけ下降させ、
次の層の造形時においてノズルヘッド１５とステージ２
０上に積層されていく造形物との位置関係を適切な位置
関係に修正する。

【００５０】なお、高精度に作る場合、または、造形さ
れた一層分の厚さより断面データを作成するときに用い
た積層厚さに関する情報が小さいときには、一層ごとに
カッターで削って高さをそろえるようにしてもよい。ま
た、造形された一層分の厚さより断面データを作成する
ときに用いた積層厚さに関する情報が大きいときは、実
際の積層厚さが断面データ作成時に用いた厚さに達する
まで同じ断面データに基づいて造形を繰り返すようにし
てもよいし、一層分の造形の際に１つの場所に複数滴ず
つ積んでいくようにしてもよい。

【００５１】そして上記の動作を繰り返すことにより、
一層目の上側に二層目の新たな層体が積層されるのであ
る。このような動作を断面体の数の分だけ繰り返すこと
により、ステージ２０上に一層ごとのカラー化された層
体が順次積層されていき最終的に造形対象物の三次元造
形物２１がステージ２０上に造形されるのである。そし
て造形される三次元造形物２１は表面側に彩色が施され
たものとなる。

【００５２】このようにして得られる三次元造形物２１
を図４に示す。図４（ａ）は三次元造形物２１の断面を
示したものであり、図４（ｂ）は（ａ）におけるＡ部分
を拡大表示したものである。図４（ｂ）において、三次
元造形物２１の表面側付近２１ａには斜線領域で示すよ
うにＹ，Ｍ，Ｃの樹脂によって彩色が施されるととも
に、内部側２１ｂはＷの樹脂によって造形が行われる。
したがって、この実施の形態における三次元造形装置１
０のような構成とすることにより、三次元造形物の造形
過程においてその表面側に彩色を施すことができ、人手
に頼ることなく短時間で低コストかつ容易にカラー造形
を行うことができるのである。

【００５３】なお、図４（ｂ）において、彩色が施され
る領域が三次元造形物２１の表面だけでなく、若干内部
側領域まで及んでいるのは、厳密に表面だけを彩色する
ことはノズルヘッド１５の移動量と各樹脂の吐出タイミ
ングとに対する高精度な制御が必要であるため、断面デ
ータにおいて彩色情報を所定幅だけ内部側までオフセッ
トさせているからである。また、図４（ｂ）のように彩
色領域を所定幅分だけ内部側に形成することにより、そ
の後に三次元造形物２０の表面に傷等が生じた場合であ
っても内部用樹脂の白色が露呈することを防止すること
ができるのである。その一方で、表面だけに彩色領域を
造形するように高精度な制御を行えば、彩色用の樹脂の
使用量を減少させることができるのである。

【００５４】三次元造形物２１がオーバーハング形状を
有する場合には、図２に示すフローチャートが終了した
ときにはオーバーハング支持部２２が一体となって造形
されている。このため、造形完了後、三次元造形物を支
持部用樹脂の融点よりも高く、かつ、他の樹脂の融点よ
りも低い温度下に置くことでオーバーハング支持部２２
のみを溶融させて取り除く。このように支持部用樹脂を
使用することによって造形対象物が複雑な形状であって
もその三次元造形物を生成することができるのである。

【００５５】以上、この実施形態における三次元造形装
置１０の概略構成とその動作について説明したが、コン
ピュータ１１にＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥのシステムを導
入すれば、造形の際のスピードアップ化とデザインの質
的向上をおしすすめることも可能である。

【００５６】＜１−３．彩色について＞次に、この実施
形態における造形過程での彩色について説明する。この
実施形態では、三次元造形物２１の表面側にＹ，Ｍ，Ｃ
の３原色に着色された複数の樹脂を積層していくことに
より、三次元造形物２１の造形過程での彩色を行ってい
る。

【００５７】吐出ノズル１５ａ〜１５ｃのそれぞれから
は減色混合によって異なる色成分を表現することができ
るＹ，Ｍ，Ｃの各色成分に着色された樹脂が吐出される
一方、吐出ノズル１５ｄからは白色に着色された樹脂が
吐出される。ここで、無着色の樹脂は一般的に白色やク
リーム色等のものがあるため、吐出ノズル１５ｄから吐
出する樹脂を無着色状態において白色のものを用いれば
よい。

【００５８】このように吐出ノズル１５ｄから吐出され
る三次元造形物２１の内部造形用として白色の樹脂を使
用することにより、各吐出ノズル１５ａ〜１５ｄから吐
出される微小な樹脂の液滴の集合によって混色あるいは
色の階調を表現することができる。

【００５９】一般に、彩色を行うためにはＹ，Ｍ，Ｃの
三原色を混色すればよいが、色の濃淡を表現するために
は三原色に加えて白色に着色された樹脂を吐出して混色
することが有効となる。一般のプリンタ等では白色の紙
にインク、トナー等で字、画像をプリントしていくた
め、基材となる紙の白色を利用すれば白色インクは必要
ではなく、Ｙ，Ｍ，Ｃの三色を使用するだけで原理的に
各色成分の濃淡を表現することができる。しかしなが
ら、三次元造形のように基材となるものが存在しない場
合には白色の樹脂を使用することが特に有益となるので
ある。

【００６０】つまり、Ｙ，Ｍ，Ｃの各色成分を混合する
ことによって暗い色を表現することができることができ
るが、白色は表現することはできないため、内部造形用
として白色等淡い色の樹脂を準備し、この白色の樹脂を
表面彩色の際にも使用すれば、三次元造形物２１に対し
て適切な彩色を施すことが可能になる。

【００６１】このようにして三次元造形物２１に彩色を
施す際の濃淡を表示する場合の樹脂の吐出形態の一例に
ついて説明する。

【００６２】図５は、シアンについての階調表現の一例
を示す図である。駆動制御部１２において所定の階調変
換が行われると、断面データに含まれる多値の階調デー
タは一定領域を有する２値データに変換される。この２
値データは各吐出ノズル１５ａ〜１５ｅをＯＮ／ＯＦＦ
制御するための情報となる。

【００６３】図５にはこの一定領域を示しており、この
彩色のための一定領域内への各色成分の樹脂の吐出パタ
ーンを変化させることにより、階調表現や混合色表現を
行うことが可能になる。淡いシアンを表示する場合には
一定領域にシアンを１滴吐出し、他の領域にはホワイト
を吐出する。また、濃いシアンを表示する場合には一定
領域の全体にシアンを４滴吐出する。このように一定領
域に対するシアンの樹脂とホワイトの樹脂との吐出割合
を変化させることにより、淡いシアンから濃いシアンへ
の階調変化を適切に表現することが可能になる。

【００６４】なお、図５の例では説明の都合上、階調変
換によって生じる彩色のための一定領域を４個の吐出領
域で示しているが、これに限定するものではない。例え
ば、断面データにおいて２５６階調を有している場合で
あってその階調を低下させずにＯＮ／ＯＦＦ制御のため
の２値データに変換する場合、一定領域内には２５６個
の吐出領域が定められる。

【００６５】次に、図６は淡いシアンから淡いイエロー
へ変化する表現の一例を示す図である。図６の左端は淡
いシアンを表現する際のＣとＷとの吐出パターンであ
り、右端は淡いイエローを表現する際のＹとＷとの吐出
パターンである。淡いシアンからシアンとイエローとの
混合色を経て淡いイエローへと変化させる際には図６に
示すように一定領域内へのＣとＹとＷとを吐出する割合
をしだいに変化させていくことによってそのような色の
変化を表現することが可能になる。

【００６６】また、図７には上記の彩色のための一定領
域が複数個集合したものを示している。図７（ａ）はＣ
とＷとの吐出パターンを示しており、図７（ｂ）は
（ａ）の吐出パターンによって表現される彩色形態を具
体的に示している。図７に示すように駆動制御部１２が
吐出パターンを制御することによって三次元造形物２１
の造形過程における彩色を行うことが可能になる。

【００６７】ところで、隣接する複数の一定領域におい
て同一の階調を表示しようとする場合、吐出パターンが
同一であるとそのパターンの規則的配置によって造形対
象物にはない模様が三次元造形物２１上に現れる場合が
ある。このような事態を回避するために同一の階調を表
示する場合であっても吐出パターンを変化させることが
好ましい。図８は吐出パターンを変化させる例を示す図
であり、（ａ）は１滴のシアンに対して３滴のホワイ
ト、（ｂ）は２滴のシアンに対して２滴のホワイト、
（ｃ）は３滴のシアンに対して１滴のホワイトをそれぞ
れ吐出する例を示している。同じ階調が隣接する場合に
は駆動制御部１２が吐出パターン決定手段として機能
し、各吐出ノズル１５ａ〜１５ｄからの吐出パターンを
シアンが１滴の場合は図８（ａ）に示すように、またシ
アンが２滴の場合は図８（ｂ）に示すように、さらにシ
アンが３滴の場合は図８（ｃ）に示すようにそれぞれ変
化させることにより、造形対象物にはない模様が三次元
造形物２１上に現れることを回避することができる。こ
こで、図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の各図においていず
れの吐出パターンを選択するかはランダムに決定しても
よいし、規則的に決定してもよい。

【００６８】このようにこの実施形態では、三次元造形
物２１の表面側付近を造形する際に表面造形用として
Ｙ，Ｍ，Ｃに着色された樹脂を使用し、内部側を造形す
る際には内部造形用として白色の樹脂を使用することに
より、造形過程において三次元造形物の表面側に造形対
象物に対応した彩色を施していくことができる。

【００６９】なお、吐出ノズル１５ａ〜１５ｃから吐出
される着色された樹脂はそれぞれ他の色成分（例えば、
Ｒ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）等）に着色されていても
よいが、Ｙ，Ｍ，Ｃの三原色に着色された樹脂を使用し
てこれらを混合することにより、三次元造形物２１の表
面側に中間色等の全ての色成分の彩色することができる
という効果がある。

【００７０】また、吐出ノズル１５ｄから吐出される内
部造形用の樹脂は白色に限定されるものではなく、クリ
ーム色等の無着色の樹脂であってもよい。ただし、生成
される三次元造形物２１において造形対象物の白色や階
調を鮮明に再現するためには、内部造形用として白色の
樹脂を使用することが望ましい。

【００７１】さらに、三次元造形物２１の表面側に黒色
を再現する場合には、Ｙ，Ｍ，Ｃの三色を吐出すること
で黒色を表現することができるが、鮮明な黒色を再現す
るために別途黒色に着色された樹脂を吐出するための吐
出ノズルを設けてもよい。

【００７２】＜１−４．ノズルヘッドの構成＞次に、上
記の三次元造形装置１０におけるノズルヘッド１５の構
成例について説明する。

【００７３】ノズルヘッド１５における各吐出ノズル１
５ａ〜１５ｅはそれぞれに圧電アクチュエータ等の圧力
発生手段が設けられており、当該圧力発生手段によって
ノズル内部に供給される溶融状態の樹脂に対して一定の
圧力が付与されてノズル先端部から液滴状の樹脂が吐出
されるように構成されている。

【００７４】このような構成にすることにより、駆動制
御部１２が各吐出ノズル１５ａ〜１５ｅの圧力発生手段
を独立に駆動制御することが可能になり、それによって
各色に着色された樹脂やその他の樹脂の吐出を個別に制
御することができるのである。

【００７５】また、このようにノズルヘッド１５に設け
られる各吐出ノズル１５ａ〜１５ｅが個別に制御可能で
あることから、ノズルヘッド１５の構成例についてもい
くつかの実施例が考えられる。

【００７６】まず第１に、上記のように個別に制御可能
なノズルヘッド１５では、図１に示すような複数の吐出
ノズル１５ａ〜１５ｅが直線状に配置されたノズルユニ
ットをさらに複数個並設することが考えられる。

【００７７】図９は、三次元造形物に彩色を施すための
ノズルヘッド１５の構成の一例を示す図であり、図９
（ａ）は三原色に着色された樹脂と白色の樹脂と支持部
用樹脂との５種類の樹脂を個別に吐出する構成例を示し
ており、（ｂ）はさらに黒色の樹脂を吐出する構成例を
示している。図９において、Ｙはイエローの樹脂、Ｍは
マゼンタの樹脂、Ｃはシアンの樹脂、Ｗはホワイトの樹
脂、Ｓは支持部用樹脂、Ｋは黒色の樹脂をそれぞれ吐出
するための吐出ノズルである。

【００７８】図９に示すように、複数の吐出ノズル１５
ａ〜１５ｅ（又は１５ａ〜１５ｆ）が直線状に配置され
たものを１つのノズルユニット１７として構成し、この
ノズルユニット１７を複数個並設することによって複数
の吐出ノズルをマトリクス状に配置することで、効率よ
く、かつ確実に彩色造形を行うことが可能になる。例え
ば、ノズルヘッド１５をＸ方向に移動させると、ノズル
ヘッド１５のＹ方向の幅を１走査分として同時に造形す
ることができるため、効率よく造形を行うことができ、
造形時間の短縮化を図ることが可能になる。

【００７９】図９において、複数の吐出ノズルの軸（す
なわち吐出方向）はそれぞれ平行になるように配置され
ており、ノズルヘッド１５のＸ方向またはＹ方向への移
動タイミングに合わせて駆動制御部１２が時系列的に各
樹脂を吐出させることで一定領域内において複数色の樹
脂を混色することができるのである。

【００８０】また第２に、上記のように個別に制御可能
なノズルヘッド１５では、支持部用樹脂以外の樹脂を吐
出する吐出ノズル１５ａ〜１５ｄ、１５ｆのうち、Ｙ，
Ｍ，Ｃ（さらにはＫ）に着色された樹脂を吐出する吐出
ノズル１５ａ〜１５ｃ、１５ｆを内部造形用として設け
られた白色の樹脂を吐出する吐出ノズル１５ｄの周囲に
配置することも考えられる。

【００８１】図１０はこのような配置構成の概念を示す
図であり、（ａ）は側方からみた概念図であり、（ｂ）
は上方からみた概念図である。図１０（ｂ）に示すよう
に吐出ノズル１５ａ〜１５ｃ、１５ｆは内部造形用の樹
脂である白色の樹脂の吐出ノズル１５ｄの周囲に配置さ
れており、図１０（ａ）に示すように複数の吐出ノズル
１５ａ〜１５ｆの各軸（吐出方向）を彩色のための一定
領域内で交差するように配置することで、彩色のための
一定領域内に対しては同時に各色の樹脂を吐出すること
ができる。このような吐出ノズル１５ａ〜１５ｆを１つ
のノズルユニット１７としたときに、このノズルユニッ
ト１７を図１１に示すように複数個配置することで、効
率よくかつ確実に彩色造形を行うことが可能になる。な
お、図１１（ａ）は図１０のノズルユニット１７をＹ方
向に直線状に配置したノズルヘッド１５の例を示してお
り、図１１（ｂ）はＸＹ平面内に配置したノズルヘッド
１５の例を示している。図１１（ａ）の構成のノズルヘ
ッド１５をＸ方向に走査することで造形の隙間が生じる
場合には、図１１（ｂ）の構成を採用すればよい。

【００８２】＜１−５．ステージ２０について＞ステー
ジ２０の造形面側は格子状に分割されており、その各々
は独立に昇降可能な分割ステージ２０ａとして構成され
ている。これら各分割ステージ２０ａは駆動制御部１２
によって昇降動作の制御が行われる。例えば各分割ステ
ージ２０ａごとにステッピングモータを配置し、駆動制
御部１２がステッピングモータを駆動制御することによ
り、分割ステージ２０ａを個別に昇降させる。

【００８３】図１２に示すように裏面が凹形状のレリー
フの造形を行う場合、各層ごとの造形が行われる度に各
分割ステージ２０ａを個別に昇降制御することで三次元
造形物２１の裏面側に凹形状を有する造形を行うことが
可能になる。すなわち、まず、図１２（ａ）に示すよう
に凹形状に対応する領域の分割ステージ２０ａをノズル
ヘッド１５と干渉しない程度まで上昇させ、この状態で
凹形状以外の造形を行う領域にノズルヘッド１５より樹
脂を吐出していく。そして、造形が進み、ステージ２０
が下降するのに伴って、凹形状に対応する領域の分割ス
テージ２０ａをノズルヘッド１５に干渉しない程度に上
昇させていく（図１２（ｂ））。そして造形が完了する
と、三次元造形物２１の裏面側には所定の凹形状が形成
される（図１２（ｃ）、（ｄ））。このような分割ステ
ージ２０ａの構成を採用することで、三次元造形物２１
の裏面側に所望の凹形状を形成することができるととも
に、裏面側において使用される造形用の樹脂の使用量を
低減することができ、造形速度の高速化を図ることが可
能になる。この結果、三次元造形物２１の制作コストを
低減し、効率的な造形を行うことができるのである。ま
た、このような分割ステージ２０ａをオーバーハング形
状の支持部において昇降動作させることで支持部用樹脂
の使用量の低減を行うことも可能である。

【００８４】なお、このようにステージ２０の各分割ス
テージ２０ａを個別に昇降させて三次元造形物２１の裏
面側に凹形状を形成する場合には、図１３に示すように
造形用の断面データ生成時において各分割ステージ２０
ａによる昇降動作を考慮して造形部分から造形不要部分
を除去したデータを生成しておくことは言うまでもな
い。

【００８５】＜２．第２の実施の形態＞この実施形態で
は、表面用の材料として着色用のインクを、内部用の材
料として樹脂を使用する例を示し、表面造形時と内部造
形時とでインクと樹脂とを吐出制御することのできる構
成を示す。

【００８６】以下、この発明の第２の実施の形態を図面
を参照しつつ説明する。

【００８７】＜２−１．三次元造形装置の全体的構成＞
図１４は、この実施形態における三次元造形装置３０を
示す概略図である。なお、図１４において上記第１の実
施の形態で説明した各部材と同一の作用効果を奏する部
材については同一符号を付している。

【００８８】この三次元造形装置３０は、第１の実施形
態と同様に、コンピュータ１１と駆動制御部１２とＸＹ
方向駆動部１３とＺ方向駆動部１４とノズルヘッド３５
とタンク部３８と溶融部３９とステージ２０とを備えて
構成される。

【００８９】コンピュータ１１と駆動制御部１２とＸＹ
方向駆動部１３とＺ方向駆動部１４とステージ２０とは
上記第１の実施の形態と同一の作用効果を示すものであ
るため、ここではその説明を省略する。

【００９０】この実施形態において第１の実施の形態と
異なるものは、ノズルヘッド３５とタンク部３８と溶融
部３９とである。

【００９１】タンク部３８は造形用と支持部用との融点
の異なる熱可塑性樹脂をそれぞれに収容する２つのタン
ク３８ａ、３８ｂと、異なる色成分のインクをそれぞれ
に収容する複数のタンク４０ａ〜４０ｄとを備える。ま
た、溶融部３９には熱可塑性樹脂を収容するタンク３８
ａ、３８ｂとのそれぞれに対応して２つの溶融ヒータ３
９ａ、３９ｂが設けられている。このため、タンク３８
ａ、３８ｂのそれぞれに収容される熱可塑性樹脂はそれ
ぞれのタンク下方に設けられた溶融ヒータ３９ａ、３９
ｂによって加熱・溶融される。一方、複数のタンク４０
ａ〜４０ｄに収容されるそれぞれのインクは常温で液体
であるため溶融ヒータ等を設ける必要はない。

【００９２】ノズルヘッド３５はＸＹ方向駆動部１３の
下部に固定されており、ＸＹ方向駆動部１３とともに一
体となってＸＹ平面内で移動自在となっている。また、
ノズルヘッド３５はタンク部３８のタンク数と同数の吐
出ノズル３５ａ〜３５ｄ、３６ａ、３６ｂを備えてお
り、タンク３８ａ、３８ｂにおいて溶融された熱可塑性
樹脂は対応して設けられた各吐出ノズル３６ａ、３６ｂ
に加熱保温状態で供給されるとともに、タンク４０ａ〜
４０ｄに収容されている各色ごとのインクはそれぞれに
対応する吐出ノズル３５ａ〜３５ｄに供給される。各吐
出ノズル３５ａ〜３５ｄ、３６ａ、３６ｂはインクまた
は樹脂を例えばインクジェット方式等で微小な液滴とし
て吐出（噴出）するノズルである。各吐出ノズルによる
インクまたは樹脂の吐出は駆動制御部１２によって個別
に制御されており、各吐出ノズルから吐出されるインク
または樹脂はノズルヘッド３５に対向する位置に設けら
れているステージ２０上に付着する。なお、吐出ノズル
３６ａは造形用となる樹脂を吐出するノズルであり、吐
出ノズル３６ｂは支持部用となる樹脂を吐出するノズル
である。

【００９３】この実施の形態では、複数の色を有する三
次元造形物や任意の混合色からなる三次元造形物を作成
するために、三次元造形物の内部側および表面側造形時
において樹脂を吐出によって造形を行うとともに、表面
側造形時には樹脂に加えて異なる色成分のインクを使用
する。三次元造形物を造形するための樹脂は特に着色の
必要性がないため、無彩色または無着色の樹脂を使用す
る。このため、上記タンク部３８の樹脂用となるタンク
３８ａ、３８ｂのうち、タンク１８ａには造形時におい
て使用する無彩色または無着色の樹脂が収容されてい
る。なお、無彩色または無着色の樹脂としては自然色の
ものを使用してもよいし、白色あるいは淡い色に着色さ
れている樹脂を使用してもよい。また、タンク３８ｂに
は支持部用樹脂が収容されている。

【００９４】一方、タンク４０ａ〜４０ｄにはそれぞれ
Ｙ（イエロー），Ｍ（マゼンタ），Ｃ（シアン），Ｗ
（ホワイト）のインクが収容されている。

【００９５】なお、ステージ２０の造形面側は格子状に
分割されており、その各々は独立に昇降可能な分割ステ
ージ２０ａとして構成されている点については第１の実
施の形態と同様である。

【００９６】＜２−２．三次元造形装置３０における動
作＞次に、この三次元造形装置３０における動作につい
て説明する。図１５はこの実施形態における三次元造形
装置３０の動作の一例を示すフローチャートである。こ
の図１５のフローチャートは、ほぼ図２のフローチャー
トと同様であり、異なる処理はステップＳ６０である。

【００９７】まず、ステップＳ１において造形対象物の
データ化が行われ、続いてステップＳ２において造形す
る際の積層厚さに基づいて造形対象物がスライスされた
各断面ごとの断面データが生成される。そしてステップ
Ｓ３において断面データを作成するときに用いた積層厚
さに関する情報がコンピュータ１１から駆動制御部１２
に入力される。

【００９８】そして、ステップＳ４においてステージ２
０を所定位置に移動させ、ステップＳ５においてデータ
変換手段でのデータ変換が行われて各吐出ノズルから吐
出される液滴サイズに適した層形状や彩色等に関する情
報が生成される。

【００９９】そして、ステップＳ６０では上記のデータ
変換によって生成された層形状、彩色情報に従って駆動
制御部１２がＸＹ方向駆動部１３に駆動指令を与えるこ
とによりノズルヘッド３５を所定方向に移動させるとと
もに、その移動に伴って各吐出ノズルからのインクまた
は樹脂の吐出を適宜に行わせる。

【０１００】三次元造形物の内部側および表面側の造形
時には造形用となる樹脂が吐出され、表面側の造形時に
はさらに造形用樹脂の吐出に伴って造形対象物から導か
れた彩色情報に基づいてＹ，Ｍ，Ｃ，Ｗのそれぞれのイ
ンクを吐出することにより、三次元造形物の表面側にカ
ラー造形を行う。

【０１０１】また、オーバーハング形状を有する場合に
はオーバーハング部を支持するオーバーハング支持部４
３を造形するために支持部用樹脂を吐出する。

【０１０２】ステージ２０上に付着する樹脂は自然放熱
又はステージ２０の内部側に設けられた図示しない冷却
手段によって冷却されて溶融状態から固体に変化して硬
化する。

【０１０３】このようにしてステップＳ６０において三
次元造形物の一層分の断面体である層体の造形が行われ
るのである。

【０１０４】そして、一層分の造形が終了するとステッ
プＳ７に進んで、駆動制御部１２が三次元造形物の造形
が完了したかどうかを判断し、「ＮＯ」と判断された場
合はステップＳ４からの処理を繰り返し、「ＹＥＳ」と
判断された場合は造形動作は終了する。

【０１０５】なお、高精度に作る場合、または、造形さ
れた一層分の厚さより断面データを作成するときに用い
た積層厚さに関する情報が小さいときには、一層ごとに
カッターで削って高さをそろえるようにしてもよい。ま
た、造形された一層分の厚さより断面データを作成する
ときに用いた積層厚さに関する情報が大きいときは、実
際の積層厚さが断面データ作成時に用いた厚さに達する
まで同じ断面データに基づいて造形を繰り返すようにし
てもよいし、一層分の造形の際に１つの場所に複数滴ず
つ積んでいくようにしてもよい。

【０１０６】このようにして得られる三次元造形物４２
を図１６および図１７に示す。図１６および図１７にお
いて（ａ）は三次元造形物４２の断面を示したものであ
り、（ｂ）は（ａ）におけるＡ部分を拡大表示したもの
である。

【０１０７】まず、図１６（ｂ）において、三次元造形
物４２の表面側付近４２ａには斜線領域で示すように
Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｗのインクによって彩色が施されるととも
に、内部側４２ｂは造形用の樹脂によって造形が行われ
る。

【０１０８】図１６では三次元造形物４２がオーバーハ
ング形状を有する場合にそのオーバーハング部の裏面側
にも表面着色用のインクが吐出されている。このような
三次元造形物４２を造形するためには、オーバーハング
部に相当する層体の造形を行う際にノズルヘッド３５を
２回走査させることが必要になる。１回目のＸＹ平面を
走査する際には三次元造形物４２の表面側付近において
インクのみを吐出し、２回目のＸＹ平面を走査する際に
は造形用の樹脂を吐出して造形を行うとともに表面側付
近においてはインクの吐出をも行い彩色を施すのであ
る。このような２回走査を行うと、オーバーハング形状
を有する三次元造形物４２のオーバーハング部の裏面側
にも彩色を施すことが可能になる。このため、造形対象
物に忠実な彩色を再現することができ、質の高い三次元
造形物４２を得ることができる。

【０１０９】次に、図１７（ｂ）においても同様に、三
次元造形物４２の表面側付近４２ａには斜線領域で示す
ようにＹ，Ｍ，Ｃ，Ｗのインクによって彩色が施される
とともに、内部側４２ｂは造形用の樹脂によって造形が
行われる。

【０１１０】ところが、図１７では三次元造形物４２が
オーバーハング形状を有する場合であってもそのオーバ
ーハング部の裏面側には表面着色用のインクが吐出され
ていない。一般的には三次元造形物４２のオーバーハン
グ部の裏面側には着色が施されていなくとも問題となる
ことは少ない。また、オーバーハング部の裏面側に彩色
を行わない場合には、１層分の層体を造形するのにノズ
ルヘッド３５を１回の走査で造形を行うことが可能であ
る。したがって、三次元造形物４２の裏面側への着色を
行わない場合には、裏面側への着色をも行う場合に比べ
て造形効率が向上する。

【０１１１】このように、この実施の形態における三次
元造形装置３０のような構成とすることにより、三次元
造形物の造形過程においてその表面側に彩色を施すこと
ができ、人手に頼ることなく短時間で低コストかつ容易
にカラー造形を行うことができるのである。

【０１１２】なお、図１６（ｂ）および図１７（ｂ）に
おいて、インクによる彩色が施される領域が三次元造形
物４２の表面だけでなく、若干内部側領域まで及んでい
るのは、厳密に表面だけを彩色することはノズルヘッド
３５の移動量と各インクの吐出タイミングとに対する高
精度な制御が必要であるため、断面データにおいて彩色
情報を所定幅だけ内部側までオフセットさせているから
である。

【０１１３】三次元造形物４２がオーバーハング形状を
有する場合には、図１５に示すフローチャートが終了し
たときにはオーバーハング支持部４３が一体となって造
形されている。このため、造形完了後、三次元造形物４
２を支持部用樹脂の融点よりも高く、かつ、造形用樹脂
の融点よりも低い温度下に置くことでオーバーハング支
持部４３のみを溶融させて取り除く。このように支持部
用樹脂を使用することによって造形対象物が複雑な形状
であってもその三次元造形物を生成することができるの
である。

【０１１４】＜２−３．彩色について＞次に、この実施
形態における造形過程での彩色について説明する。この
実施形態では、三次元造形物４２の造形用として樹脂を
使用するとともに、その表面側にＹ，Ｍ，Ｃ，Ｗの４色
のインクを吐出していくことによって三次元造形物４２
の造形過程での彩色を行っている。

【０１１５】吐出ノズル３５ａ〜３５ｃのそれぞれから
は減色混合によって異なる色成分を表現することができ
るＹ，Ｍ，Ｃの各色成分のインクが吐出される一方、吐
出ノズル３５ｄからはホワイトのインクが吐出される。
また、吐出ノズル３６ａからは三次元造形物４２の造形
用となる無着色の樹脂が吐出される。

【０１１６】このように吐出ノズル３６ａから吐出され
る三次元造形物４２の造形用として無着色の樹脂を使用
することにより三次元造形物４２の立体形状を造形する
ことができるとともに、各吐出ノズル３５ａ〜３５ｄか
ら吐出される微小なインクの液滴の集合によってその三
次元造形物４２の表面に混色あるいは色の階調を表現す
ることができる。

【０１１７】一般に、彩色を行うためにはＹ，Ｍ，Ｃの
三原色のインクを混色すればよいが、色の濃淡を表現す
るためには三原色に加えて白色のインクを吐出し混色す
ることが有効となる。このため、この実施形態ではＹ，
Ｍ，Ｃの３色のインクに加えてＷのインクを使用するの
である。しかしながら、第１の実施の形態で説明したよ
うに吐出ノズル３６ａから吐出される造形用樹脂が白色
のものを使用する場合には、特にＷのインクを使用する
必要はない。なぜなら、この実施形態では造形用樹脂を
基材としてその樹脂に対してインクを吐出して着色する
ように構成されているため、基材となる樹脂の白色を利
用すれば白色インクは必要でないからである。

【０１１８】そして、Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｗの各色成分のイン
クをステージ２０上に吐出される造形用樹脂に対して付
着させていくことにより、三次元造形物４２に対して適
切な彩色を施すことが可能になる。

【０１１９】なお、この実施形態において三次元造形物
４２に彩色を施す際の各インクの吐出形態は、第１の実
施の形態と同様である。すなわち、図５ないし図８の各
図はこの実施形態における各インクの吐出形態をも示し
ており、その詳細は第１の実施の形態におけるものと同
様であるのでここではその説明を省略する。

【０１２０】このようにこの実施形態では、三次元造形
物４２の表面側付近を造形する際に使用する材料として
Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｗのインクを使用するとともに、三次元造
形物４２の造形用の材料として樹脂を使用することによ
り、造形過程において三次元造形物の表面側に造形対象
物に対応した彩色を施していくことができる。

【０１２１】なお、吐出ノズル３５ａ〜３５ｃから吐出
されるインクはそれぞれ他の色成分（例えば、Ｒ
（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）等）のインクであってもよ
いが、Ｙ，Ｍ，Ｃの三原色のインクを使用してこれらを
混合することにより、三次元造形物４２の表面側に中間
色等の全ての色成分の彩色することができるという効果
がある。

【０１２２】さらに、三次元造形物４２の表面側に黒色
を再現する場合には、Ｙ，Ｍ，Ｃの三色を吐出すること
で黒色を表現することができるが、より鮮明な黒色を再
現するために別途黒色のインクを吐出するための吐出ノ
ズルを設けてもよい。

【０１２３】＜２−４．ノズルヘッドの構成＞次に、こ
の三次元造形装置３０におけるノズルヘッド３５の構成
例について説明する。

【０１２４】ノズルヘッド３５における各吐出ノズル３
５ａ〜３５ｄ、３６ａ、３６ｂはそれぞれに圧電アクチ
ュエータ等の圧力発生手段が設けられており、当該圧力
発生手段によってノズル内部に供給されるインクまたは
溶融状態の樹脂に対して一定の圧力が付与されてノズル
先端部から液滴状のインクまたは樹脂が吐出されるよう
に構成されている。

【０１２５】このような構成にすることにより、駆動制
御部１２が各吐出ノズル３５ａ〜３５ｄ、３６ａ、３６
ｂの圧力発生手段を独立に駆動制御することが可能にな
り、それによって各色のインクや樹脂の吐出を個別に制
御することができるのである。

【０１２６】また、このようにノズルヘッド３５に設け
られる各吐出ノズルが個別に制御可能であることから、
ノズルヘッド３５の構成例についてもいくつかの実施例
が考えられる。

【０１２７】まず第１に、上記のように個別に制御可能
なノズルヘッド３５では、図１４に示すような複数の吐
出ノズル３５ａ〜３５ｄ、３６ａ、３６ｂが直線状に配
置されたノズルユニットをさらに複数個並設することが
考えられる。

【０１２８】図１８は、三次元造形物に彩色を施すため
のノズルヘッド３５の構成の一例を示す図であり、図１
８（ａ）は三原色および白色の４種類のインクを吐出す
るとともに、造形用の樹脂と支持部用樹脂との２種類の
樹脂を吐出する構成例を示しており、（ｂ）はこれに加
えて黒色のインクを吐出する構成例を示しており、
（ｃ）は造形用樹脂として白色の樹脂を使用し、インク
の色をＹ，Ｍ，Ｃ以外のＢ，Ｇ，Ｒと黒色との４色を使
用する構成例を示している。なお、Ｙはイエローのイン
ク、Ｍはマゼンタのインク、Ｃはシアンのインク、Ｗは
ホワイトのインク、Ｐａは造形用樹脂、Ｐｂは支持部用
樹脂、Ｋは黒色のインク、Ｂは青のインク、Ｇは緑のイ
ンク、Ｒは赤のインク、Ｐは白色の樹脂をそれぞれ吐出
するための吐出ノズルである。

【０１２９】図１８に示すようにインク用の複数の吐出
ノズル３５ａ〜３５ｈが直線状に配置されたものがＹ方
向に２列に設けられており、さらにこのインク用の吐出
ノズル３５ａ〜３５ｈのＸ方向側には造形用樹脂と支持
部用樹脂との吐出ノズル３６ａ〜３６ｃが設けられて１
つのノズルユニット３７を構成している。そして、この
ノズルユニット３７をＹ方向に複数個並設することによ
って複数の吐出ノズルをマトリクス状に配置することが
でき、それによって効率よく、かつ確実に彩色造形を行
うことが可能になる。例えば、このノズルヘッド３５を
Ｘ方向に移動させると、ノズルヘッド３５のＹ方向の幅
を１走査分として同時に造形および彩色することができ
るため、効率よく造形と彩色とを行うことができ、造形
時間の短縮化を図ることが可能になる。

【０１３０】一般的に樹脂とインクとの粘度を比較する
とインクの粘度の方が低いため、インクを液滴として吐
出させるための圧力発生手段は樹脂を液滴として吐出さ
せる圧力発生手段よりも小規模で構成することができ
る。つまり、インク用の吐出ノズル３５ａ〜３５ｈは樹
脂用の吐出ノズル３６ａ〜３６ｃよりも小規模に構成す
ることができ、その結果、インク用の吐出ノズル３５ａ
〜３５ｈのノズル径を樹脂用のノズル径よりも小さくす
ることができるのである。

【０１３１】そこで、この実施形態では、図１８（ａ）
〜（ｃ）に示すようにインク用の吐出ノズル３５ａ〜３
５ｈのノズル径が樹脂用の吐出ノズル３５ａ〜３６ｃに
比べて小さくなるように構成する。このような構成とす
ることにより、インクが吐出される際の液滴を樹脂の液
滴に比べて小さくすることができ、三次元造形物４２に
対して高精細な彩色を行うことが可能になる。

【０１３２】なお、図１８（ａ）〜（ｃ）においては吐
出ノズル３５ａ〜３５ｈのノズル径は吐出ノズル３６ａ
〜３６ｃノズル径の約１／２となっているが、これに限
定されるものではなくインクと樹脂との粘度に基づいて
任意のノズル径を採用してもよいことは明らかである。

【０１３３】そして、これら各吐出ノズルの軸（すなわ
ち吐出方向）はそれぞれ平行になるように配置されてお
り、ノズルヘッド３５の吐出ノズル３６ａから造形用樹
脂を吐出し、ノズルヘッド３５がさらにＸ方向に移動し
ていく過程においてインク用の各吐出ノズル３５ａ〜３
５ｄからそれぞれ所定のタイミングでインクを吐出する
ことにより、ステージ２０上において樹脂に着色が行わ
れる。つまり、ノズルヘッド３５のＸ方向またはＹ方向
への移動タイミングに合わせて駆動制御部１２が時系列
的にインクと樹脂とを吐出させることで造形と彩色とを
造形過程において同時に行うことができるのである。

【０１３４】なお、図１８（ｃ）においては支持部用樹
脂を吐出する吐出ノズルが設けられていないが、オーバ
ーハング形状に対応しないような三次元造形装置の場合
には支持部用樹脂の吐出ノズルは設ける必要はない。

【０１３５】次に第２に、上記のように個別に制御可能
なノズルヘッド３５では、造形用の樹脂を吐出する吐出
ノズル３６ａの周囲にインクを吐出する吐出ノズル３５
ａ〜３５ｄを配置することも考えられる。

【０１３６】図１９はこのような配置構成の概念を示す
図であり、（ａ）は側方からみた概念図であり、（ｂ）
は上方からみた概念図である。図１９（ｂ）に示すよう
に吐出ノズル３５ａ〜３５ｄは造形用樹脂の吐出ノズル
３６ａの周囲に同心円状に配置されており、図１９
（ａ）に示すようにインク用の各吐出ノズル３５ａ〜３
５ｄの各軸（吐出方向）を造形用樹脂の吐出ノズル３６
ａの軸と交差するように配置することで、吐出ノズル３
６ａから吐出される樹脂に対してインクによる着色を行
うことができ、それによって造形過程において彩色を同
時に行っていくことが可能になる。なお、図１９におい
ては吐出ノズル３５ａ〜３５ｄの各軸と吐出ノズル３６
ａの軸とが交差する位置はステージ２０の造形面若しく
は既にステージ２０上に形成されている層体の上端面で
ある。

【０１３７】また、図２０は図１９の構成を若干変形し
たものであり、（ａ）は側方からみた概念図であり、
（ｂ）は上方からみた概念図である。図２０（ｂ）に示
すように吐出ノズル３５ａ〜３５ｄは造形用樹脂の吐出
ノズル３６ａの周囲に同心円状に配置されている点、お
よび、図２０（ａ）に示すようにインク用の各吐出ノズ
ル３５ａ〜３５ｄの各軸と吐出ノズル３６ａの軸とが交
差するように配置されている点は図１９に示す構成と同
様であるが、各軸の交差する位置が異なり、図２０の構
成では各吐出ノズルの軸が交差する位置は、ステージ２
０若しくはステージ２０上に形成された層体と吐出ノズ
ルとの空間内に規定されている。つまり、吐出ノズル３
６ａから造形用樹脂が吐出されるとその樹脂がステージ
２０上若しくは層体上に着弾する前にインクによる着色
が施されるのである。この図２０のような構成とするこ
とにより、各吐出ノズルと樹脂の着弾位置との高さ寸法
の制限を無くすことが可能になる。

【０１３８】図１９の構成では、各吐出ノズルの軸の交
差する位置は樹脂による着弾位置（造形位置）と一致し
ているため、一層分の層体を形成するごとにその層体の
厚さ分だけステージ２０を下降させていく必要がある。
これに対して図２０の構成では、吐出ノズル３６ａから
吐出された樹脂は飛翔中にインク液滴が付着することに
よって着色され、その後に造形位置に着弾するように構
成されるので、着弾位置は各吐出ノズルの軸の交差する
位置よりも下方でありさえすれば問題はないため、一層
分の層体を形成するごとにその層体の厚さ分だけステー
ジ２０を下降させていく必要がなくなるのである。

【０１３９】なお、図１９および図２０の構成例でも、
上記と同様にインク用の吐出ノズル３５ａ〜３５ｄのノ
ズル径が樹脂用の吐出ノズル３５ａに比べて小さくなる
ように構成することが好ましい。このような構成とする
ことにより、インクが吐出される際の液滴を樹脂の液滴
に比べて小さくすることができ、三次元造形物４２に対
して高精細な彩色を行うことが可能になる。

【０１４０】そして、図１９または図２０のように構成
された吐出ノズル３５ａ〜３５ｄ、３６ａを１つのノズ
ルユニット３７としたときに、このノズルユニット３７
を図２１に示すように複数個配置することで、効率よく
かつ確実に彩色造形を行うことが可能になる。なお、図
２１（ａ）は図１９または図２０のノズルユニット３７
をＹ方向に直線状に配置したノズルヘッド３５の例を示
しており、図２１（ｂ）はＸＹ平面内に配置したノズル
ヘッド３５の例を示している。図２１（ａ）の構成のノ
ズルヘッド３５をＸ方向に走査することで造形の隙間が
生じる場合には、図２１（ｂ）の構成を採用すればよ
い。

【０１４１】＜３．特徴的作用効果＞上記各実施形態に
おいては、造形対象物を平行な複数の面で切断した各断
面に対応する層体を所定の材料を吐出することによって
形成し、そのような層体を順次積層していくことで造形
対象物の三次元造形物を生成する三次元造形装置１０、
３０について説明した。そして、三次元造形装置は、第
１の材料を吐出する第１のノズルと、第２の材料を吐出
する第２のノズルと、三次元造形物の層体ごとの内部側
造形時には少なくとも第１のノズルから第１の材料を吐
出させ、三次元造形物の層体ごとの表面側造形時には少
なくとも第２のノズルから第２の材料を吐出させる制御
手段とを備えている。このことは、第２の材料は厳密に
三次元造形物の表面のみに使用されるものではなく、上
述したように若干内部側までオフセットされた造形の形
態も実現できるものであることを意味する。

【０１４２】第１の実施の形態では、第１の材料は内部
造形用となる無着色または白色の樹脂であり、第２の材
料は着色された樹脂である。また、第２の実施の形態で
は第１の材料は造形用樹脂であり、第２の材料はインク
である。

【０１４３】そして、これら第１の材料と第２の材料と
を制御手段のはたらきによって三次元造形物の表面側造
形時と内部側造形時とで使い分けることが可能となって
いる。

【０１４４】そして、第１の実施の形態のように第２の
材料としてそれぞれ異なる色成分に着色された複数の樹
脂を使用すれば、造形過程において三次元造形物の表面
側に彩色を施すことができるのである。また、第２の実
施の形態のように第２材料としてそれぞれ異なる色の複
数のインクを使用しても造形過程において三次元造形物
の表面側に彩色を施すことが可能になる。

【０１４５】さらに、第１の材料として白色に着色され
た樹脂を使用すれば、その樹脂の白色を有効に利用して
階調表現を行うことができるため、別途に白色成分の材
料を用意することなく、三次元造形物の表面の彩色の際
に色の濃淡を適切に表現することが可能になる。

【０１４６】＜４．変形例＞以上、この発明に係る三次
元造形装置および三次元造形方法についての一実施形態
を詳細に説明したが、この発明は上記説明したものに限
定されるものではない。

【０１４７】例えば、上記説明においてはノズルヘッド
１５，３５をステージ２０に対して相対的に移動させる
ために、ノズルヘッド１５，３５はＸＹ平面内を移動
し、積層厚さ方向すなわちＺ方向の移動は三次元造形物
を載せるステージ２０を昇降移動させることによって行
う例を示した。しかしながら、これに限定されるもので
はなく、ステージ２０が固定でノズルヘッド１５，３５
がＸＹＺ空間内を移動するように構成してもよい。ただ
し、ノズルヘッド１５，３５のステージ２０に対する相
対的位置関係を高精度かつ高効率で制御することを望む
場合には、それぞれの移動軸を別途に独立して設けるこ
とが好ましい。

【０１４８】また、上記説明のように、一層ごとの造形
に伴ってステージ２０を移動（下降）させていく場合に
は、積層厚さ方向の造形精度を向上させるために、前回
積層した層体の高さ寸法を光電型センサ等の距離計測手
段で計測し、それによって次に積層する層体の高さ寸法
を予測してその高さ位置までステージ２０を移動させる
ように構成することがより好ましい。

【０１４９】また、上記説明は造形面がＸＹ平面に平行
である場合（つまり水平である場合）についてのもので
あったが、造形面は特に水平面である必要はない。

【０１５０】また、上記説明においては、三次元造形物
の表面用材料として着色された材料を使用し、内部用材
料として無着色等の材料を使用する例について説明した
が、これに限定されるものでもない。例えば、内部用材
料として着色された材料を使用し、表面用材料として透
明材料を使用すれば、三次元造形物の内部側に彩色が施
されたものを造形過程において効率よく生成することも
できるのである。

【０１５１】また、第１の材料と第２の材料とのうちの
いずれかが三次元造形物に対して彩色を行うための材料
である必要もない。なぜなら、三次元造形物の表面側と
内部側とで積層する材料を変更することが可能になるこ
とで、例えば表面側には保護膜等を形成することも可能
になり、この場合には彩色を行うための材料は使用され
ず、保護膜等を形成するための材料が使用されるからで
ある。

【０１５２】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に記載の
三次元造形装置によれば、第１の材料を吐出する第１の
ノズルと、第２の材料を吐出する第２のノズルと、三次
元造形物の層体ごとの内部側造形時には少なくとも第１
のノズルから第１の材料を吐出させ、三次元造形物の層
体ごとの表面側造形時には少なくとも第２のノズルから
第２の材料を吐出させる制御手段とを備えて構成される
ため、三次元造形物の表面側と内部側とで積層する材料
を変更しながら造形を行うことができる。

【０１５３】請求項２に記載の三次元造形装置によれ
ば、第２の材料は、それぞれ異なる色成分に着色された
複数の樹脂であるため、造形過程において短時間で低コ
ストかつ容易に三次元造形物の表面側に彩色を施すこと
ができるのである。

【０１５４】請求項３に記載の三次元造形装置によれ
ば、第２の材料は、それぞれ異なる色の複数のインクで
あるため、造形過程において短時間で低コストかつ容易
に三次元造形物の表面側に彩色を施すことができるので
ある。

【０１５５】請求項４に記載の三次元造形装置によれ
ば、第１の材料は白色に着色された樹脂であるため、別
途に白色成分の材料を用意することなく、三次元造形物
の表面の彩色の際に短時間で低コストかつ容易に色の濃
淡を適切に表現することが可能になる。

【０１５６】請求項５に記載の三次元造形方法によれ
ば、三次元造形物の表面側と内部側とで積層する材料を
変更しながら造形を行うことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態における三次元造形装置を示
す概略図である。

【図２】第１の実施の形態における三次元造形装置の動
作の一例を示すフローチャートである。

【図３】断面データの一例を示す図である。

【図４】第１の実施の形態において得られる三次元造形
物を示す図である。

【図５】シアンについての階調表現の一例を示す図であ
る。

【図６】淡いシアンから淡いイエローへ変化する表現の
一例を示す図である。

【図７】彩色の一例を示す図である。

【図８】着色された樹脂等の吐出パターンを変化させる
例を示す図である。

【図９】第１の実施の形態におけるノズルヘッドの構成
の一例を示す図である。

【図１０】第１の実施の形態における同心円状に配置さ
れた複数の吐出ノズルの構成の概念を示す図である。

【図１１】第１の実施の形態におけるノズルヘッドの構
成の一例を示す図である。

【図１２】分割ステージの動作を示す図である。

【図１３】分割ステージを利用する場合の断面データの
一例を示す図である。

【図１４】第２の実施の形態における三次元造形装置を
示す概略図である。

【図１５】第２の実施の形態における三次元造形装置の
動作の一例を示すフローチャートである。

【図１６】第２の実施の形態において得られる三次元造
形物を示す図である。

【図１７】第２の実施の形態において得られる三次元造
形物を示す図である。

【図１８】第２の実施の形態におけるノズルヘッドの構
成の一例を示す図である。

【図１９】第２の実施の形態における同心円状に配置さ
れた複数の吐出ノズルの一構成の概念を示す図である。

【図２０】第２の実施の形態における同心円状に配置さ
れた複数の吐出ノズルの一構成の概念を示す図である。

【図２１】第２の実施の形態におけるノズルヘッドの構
成の一例を示す図である。

【図２２】従来の三次元造形装置を示す概略図である。

【符号の説明】

１０，３０ 三次元造形装置 １１ コンピュータ １２ 駆動制御部（制御手段） １３ ＸＹ方向駆動部 １４ Ｚ方向駆動部 １５，３５ ノズルヘッド １５ａ〜１５ｅ，３５ａ〜３５ｄ，３６ａ，３６ｂ 吐
出ノズル １８，３８ タンク部 １９，３９ 溶融部 ２０ ステージ ２０ａ 分割ステージ ２１，４２ 三次元造形物 ２２，４３ オーバーハング支持部

フロントページの続き Ｆターム(参考） 4F213 WA25 WA53 WA87 WA97 WB01 WF01 WF25 WL02 WL32 WL67 WL85 WL87 WL95

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 造形対象物を平行な複数の面で切断した
   各断面に対応する層体を所定の材料を吐出することによ
   って形成し、前記層体を順次積層していくことで前記造
   形対象物の三次元造形物を生成する三次元造形装置であ
   って、 第１の材料を吐出する第１のノズルと、 第２の材料を吐出する第２のノズルと、 前記三次元造形物の層体ごとの内部側造形時には少なく
   とも前記第１のノズルから前記第１の材料を吐出させ、
   前記三次元造形物の層体ごとの表面側造形時には少なく
   とも前記第２のノズルから前記第２の材料を吐出させる
   制御手段と、を備えることを特徴とする三次元造形装
   置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の三次元造形装置におい
   て、 前記第２の材料は、それぞれ異なる色成分に着色された
   複数の樹脂であることを特徴とする三次元造形装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の三次元造形装置におい
   て、 前記第２の材料は、それぞれ異なる色の複数のインクで
   あることを特徴とする三次元造形装置。
4. 【請求項４】 請求項２または請求項３に記載の三次元
   造形装置において、 前記第１の材料は白色に着色された樹脂であることを特
   徴とする三次元造形装置。
5. 【請求項５】 造形対象物を平行な複数の面で切断した
   各断面に対応する層体を所定の材料を吐出することによ
   って形成し、前記層体を順次積層していくことで前記造
   形対象物の三次元造形物を生成する三次元造形方法であ
   って、 第１の材料を吐出する第１のノズルと第２の材料を吐出
   する第２のノズルとを所定のステージに対して相対的に
   移動させる工程と、 前記三次元造形物の層体ごとの内部側を形成する際に、
   少なくとも前記第１のノズルから前記第１の材料を吐出
   させる工程と、 前記三次元造形物の層体ごとの表面側を形成する際に、
   少なくとも前記第２のノズルから前記第２の材料を吐出
   させる工程と、を有することを特徴とする三次元造形方
   法。