(57)【要約】【課題】加熱乾燥において意図しない場所の材料粉末の固化を抑える三次元造形物の製造方法、および三次元造形装置を提案する。【解決手段】  ここで提案する三次元造形物の製造方法は、準備工程と、造形工程と、加熱工程とを有する。準備工程では、通気性を有する造形テーブル３０が内部に配置された造形槽２０を用意する。造形工程では、造形テーブル３０上に敷きつめた材料粉末３００の上の所定の位置に硬化液を吐出することによって、前記所定の位置の材料粉末３００が接合された一層の材料粉末層を形成し、材料粉末層を一層ずつ上方に重ねることによって、造形槽２０内の材料粉末３００中に、三次元造形物３２０を造形する。加熱工程は、造形工程の後に行われ、造形槽２０内の三次元造形物３２０を加熱する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
通気性を有する造形テーブルが内部に配置された造形槽を用意する準備工程と、
前記造形テーブルの上に予め定められた厚さに材料粉末を敷きつめ、前記敷きつめられた材料粉末の上の予め定められた位置に硬化液を吐出することによって前記予め定められた位置の前記材料粉末が接合された一層の材料粉末層を形成し、前記造形槽内において前記材料粉末層を一層ずつ上方に重ねることによって、前記造形槽内の前記材料粉末中に予め定められた三次元造形物を造形する造形工程と、
前記造形工程の後に、前記造形槽内の前記三次元造形物を加熱する加熱工程と、
を有する、
三次元造形物の製造方法。
【請求項２】
前記加熱工程中の所定の時間に、前記造形テーブルを通じて前記造形槽内に空気を送る送風工程を有する、
請求項１に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項３】
前記準備工程の後、前記造形工程の前に、前記造形テーブルの上に前記材料粉末を敷きつめる第１の敷きつめ工程を有する、
請求項１または２に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項４】
前記造形工程の後、前記加熱工程の前に、前記造形工程において最後に重ねられた前記材料粉末層の上に、更に前記材料粉末を敷きつめる第２の敷きつめ工程を有する、
請求項１〜３のいずれか一つに記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項５】
前記加熱工程は、マイクロ波による加熱方式で行う、
請求項１〜４のいずれか一つに記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項６】
前記加熱工程中の所定の時間に、前記造形槽内の空気を排気する排気工程を有する、
請求項５に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項７】
前記加熱工程は、吸水物質によって前記造形槽内の水蒸気を除去する除湿工程を伴う、
請求項５または６に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項８】
前記加熱工程は、熱による加熱方式で行う、
請求項１〜４のいずれか一つに記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項９】
前記加熱工程中の所定の時間に、前記造形テーブルを通じて前記造形槽内の空気を吸引する吸引工程を有する、
請求項８に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項１０】
造形槽と、
前記造形槽内に配置された、通気性を有する造形テーブルと、
を備えた、
三次元造形装置。
【請求項１１】
前記造形テーブルは、少なくとも一部が通気性を有する多孔質板から構成された、
請求項１０に記載の三次元造形装置。
【請求項１２】
前記造形槽内で三次元造形物を加熱する加熱機構を備えた、
請求項１１または１２に記載の三次元造形装置。
【請求項１３】
前記造形テーブルを通じて前記造形槽内に送風する送風機を備えた、
請求項１２に記載の三次元造形装置。
【請求項１４】
前記加熱機構は、マイクロ波によって前記三次元造形物を加熱する加熱機構である、
請求項１２または１３に記載の三次元造形装置。
【請求項１５】
前記造形槽の上方の空間に向けて開口された排気機構を備えた、
請求項１４に記載の三次元造形装置。
【請求項１６】
吸水物質を備えた除湿機構を、前記造形槽の上方の空間に備えた、
請求項１４または１５に記載の三次元造形装置。
【請求項１７】
前記加熱機構は、熱によって前記三次元造形物を加熱する加熱部である、
請求項１２または１３に記載の三次元造形装置。
【請求項１８】
前記造形テーブルを通じて前記造形槽内の空気を吸引する吸引機を備えた、
請求項１７に記載の三次元造形装置。
【請求項１９】
前記造形槽および前記造形テーブルは、前記三次元造形装置から着脱可能に構成された、
請求項１０または１１に記載の三次元造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元造形物の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、粉末素材に接着物質を吐出し、粉末素材を硬化させることによって三次元造形物を造形する三次元造形装置が知られている。特許文献１に示すように、粉末素材を硬化させるタイプの三次元造形装置は、例えば、粉末素材が収容される造形チャンバーと、造形チャンバーに供給される粉末素材が収容される素材収容チャンバーと、素材収容チャンバーから造形チャンバーに粉末素材を供給する素材供給ユニットとを備えている。造形チャンバーの上方には、接着物質を吐出するプリンティングヘッドが配置されている。プリンティングヘッドは、造形チャンバーに収容された粉末素材のうち三次元造形物の断面形状に対応する部分に接着物質を吐出する。粉末素材のうち接着物質が吐出された部分は硬化し、断面形状に対応した粉末硬化層が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１３７１７３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、粉末硬化タイプの三次元造形物の製造方法において硬化時間が長い場合には、造形後、三次元造形物の加熱乾燥を行う場合がある。粉末硬化タイプの三次元造形物の製造方法では、三次元造形物は造形槽内で造形されるため、加熱乾燥は造形槽ごと行う。しかし加熱乾燥すると、造形槽内で硬化を意図していない場所の材料粉末が固化してしまうことがある。
【０００５】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、加熱乾燥において意図しない場所の材料粉末の硬化を抑制する三次元造形物の製造方法、および、意図しない場所の材料粉末の硬化を抑制する機構を備えた三次元造形装置を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
ここで提案する三次元造形物の製造方法は、準備工程と、造形工程と、加熱工程とを有する。準備工程では、通気性を有する造形テーブルが内部に配置された造形槽を用意する。造形工程では、造形テーブル上に予め定められた厚さに材料粉末を敷きつめ、敷きつめられた材料粉末の上の予め定められた位置に硬化液を吐出することによって、前記予め定められた位置の材料粉末が接合された一層の材料粉末層を形成する。そして、造形槽内において材料粉末層を一層ずつ上方に重ねることによって、造形槽内の材料粉末中に、予め定められた三次元造形物を造形する。加熱工程は、造形工程の後に行われ、造形槽内の三次元造形物を加熱する。
【０００７】
造形テーブルを通気性を有するものにすることにより、加熱乾燥において造形槽内の意図しない場所の材料粉末の固化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】一実施形態における三次元造形装置を前方から見た断面図である。
【図２】図１の三次元造形装置を上方から見た平面図である。
【図３】一実施形態における加熱炉を前方から見た断面図である。
【図４】ヒーターを備えた加熱炉を前方から見た断面図である。
【図５】材料粉末の意図しない固化を抑える機構を備えた三次元造形装置の一実施形態を前方から見た断面図である。
【図６】加熱機構にヒーターを備えた三次元造形装置を前方から見た断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について説明する。ここで説明される実施形態は、当然ながら本発明を限定することを意図したものではない。また、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付し、重複する説明は省略または簡潔化する。
【００１０】
先述したように、三次元造形物の加熱乾燥において、造形槽内の材料粉末の意図しない場所が固化してしまうという問題が、ときにより発生する（以下、この造形槽内の意図しない場所の材料粉末の固化を、単に意図しない固化と呼ぶ。）。本願の発明者は、この意図しない固化は、造形槽２０の中の材料粉末内に熱と、加熱によって発生した硬化液の蒸気がこもるために発生することを発見した。従って、造形槽内の熱と蒸気のこもりを緩和すれば、意図しない固化を抑制することができる。造形槽内の熱と蒸気のこもりの緩和のためには、材料槽内に通気すればよいことを、本願発明者は見出した。そして、造形テーブルを通気性を有するものにすることによって、造形槽内の通気が改善され、意図しない固化が抑制できることを発見した。
【００１１】
ここに開示する三次元造形物の製造方法は、準備工程と、造形工程と、加熱工程とを有する。準備工程では、通気性を有する造形テーブルが内部に配置された造形槽を用意する。造形工程では、造形テーブル上に予め定められた厚さに材料粉末を敷きつめ、敷きつめられた材料粉末の上の予め定められた位置に硬化液を吐出することによって、前記予め定められた位置の材料粉末が接合された一層の材料粉末層を形成する。そして、造形槽内において材料粉末層を一層ずつ上方に重ねることによって、造形槽内の材料粉末中に、予め定められた三次元造形物を造形する。加熱工程は、造形工程の後に行われ、造形槽内の三次元造形物を加熱する。
【００１２】
本製造方法の一つの好ましい実施形態によれば、準備工程・造形工程と加熱工程とは別の装置で行われる。準備工程・造形工程は、三次元造形装置で実施される。造形工程の終了後、三次元造形物が収容された造形槽が三次元造形装置から取り外され、加熱炉に投入される。そして、加熱炉にて、加熱工程が実施される。
【００１３】
まず、準備工程および造形工程が行われる三次元造形装置の一実施形態について説明する。図１は一実施形態における三次元造形装置１０を前方から見た断面図である。図１の左方は、三次元造形装置１０の左方Ｌである。同様に、図１の右方を三次元造形装置１０の右方Ｒ、図１の上方を装置の上方Ｕ、図１の下方を装置の下方Ｄとする。また、図２は、図１の三次元造形装置１０を上方から見た平面図である。図１は、図２におけるＩ−Ｉ断面図である。そこで、図２の左方は三次元造形装置１０の左方Ｌ、図２の右方は三次元造形装置１０の右方Ｒ、図２の下方は装置の前方Ｆ、図２の上方は三次元造形装置の後方Ｒｒである。以後、三次元造形装置１０の説明において方向について述べるときは、上述の方向を意味するものとする。ただし、これらは説明の便宜上の方向に過ぎず、三次元造形装置１０の設置態様を限定するものではない。
【００１４】
図１、図２に示すように、本実施形態によれば、三次元造形装置１０は、筐体１２と、造形槽２０と、造形テーブル３０と、第１昇降機構４０と、材料槽４２と、第２昇降機構４４と、ローラー４６と、吐出ヘッド４８と、タンク５０と、移動機構５２と、を備えている。
【００１５】
造形テーブル３０は、造形槽２０の内側に配置されている。造形槽２０内において、造形テーブル３０は、下方から第１昇降機構４０に支持されており、上下に摺動可能である。第１昇降機構４０は、造形槽２０内で、造形テーブル３０を上下に移動させることができる。第１昇降機構４０は、例えば、昇降するシリンダを備えている。このシリンダは、サーボモーターとボールねじで駆動させる電動シリンダ等である。造形テーブル３０は、第１昇降機構４０上に載せられているだけで固定されていない。造形槽２０は、図１に示すように、筐体１２の上に載置されている。造形槽２０も、筐体１２に載せられているだけが望ましいが、もしそれでは不安定ならば、簡単に外せる固定方法で固定されているのが好ましい。造形槽２０は、造形テーブル３０が引っ掛かる段２０ａを有し、第１昇降機構４０の支えがなくても、造形テーブル３０が落ちないようになっている。このような構造を持つことで、第１昇降機構４０のシリンダを造形テーブル３０と離れるまで下げれば、造形槽２０および造形テーブル３０は、三次元造形装置１０から簡単に取り外せる。造形テーブル３０の全部または大半は、通気性を有する多孔質板３２で構成されている。造形テーブル３０において、その上方に三次元造形物３２０が造形され得る部分は、多孔質板３２で構成されているのが望ましい。多孔質板３２の材質は、例えば、ポリプロピレン粒の焼結体等のプラスチック焼結体や、あるいはセラミック焼結体等である。造形テーブル３０上には、材料粉末３００が敷きつめられる。三次元造形物３２０は、造形テーブル３０上に敷きつめられた材料粉末３００のうち所定の位置にある材料粉末３００を接合させた層を上方に一層ずつ積み重ねて造形していくため、造形テーブル３０上には、三次元造形物３２０のそれまでに造形の終わった部分が、材料粉末３００に埋まる形で載置される。
【００１６】
材料槽４２は、本実施形態にあっては、造形槽２０の隣にあり、材料粉末３００を収納している。材料槽４２は、材料粉末３００を造形テーブル３０上に供給する機構の一つである。材料槽４２の底部４２ａは、材料槽４２内を、上下に摺動可能となっている。底部４２ａの下面には、第２昇降機構４４が接続されている。第２昇降機構４４も、第１昇降機構４０と同様に昇降するシリンダを有し、このシリンダによって、第２昇降機構４４は、底部４２ａを材料槽４２内で上下に移動させる。材料槽４２に収納される材料粉末３００は、例えば、石膏、セラミックス、金属、プラスチック等の粉末である。
【００１７】
ローラー４６は、造形テーブル３０上に、材料粉末３００を敷き詰める機構である。ローラー４６は、図示されない駆動部によって左右方向に水平移動し、造形テーブル３０上に、所定の厚さで材料粉末３００をならして敷きつめる。従って、敷きつめられる材料粉末３００の上面の高さは、ローラー４６の下部の高さである。ローラー４６は、造形テーブル３０上の全面に材料粉末３００を敷きつめられるよう、前後方向の長さが、造形槽２０、および材料槽４２の前後方向の幅よりも長く設計されている。
【００１８】
吐出ヘッド４８は、材料粉末３００に硬化液ほかの液を吐出する機構である。吐出ヘッド４８は、保持部５２ａによって、左右方向に列をなして保持されている。吐出ヘッド４８は、造形テーブル３０上の材料粉末３００に向けて液を吐出できるよう、吐出面を下方Ｄに向けて保持されている。図１に示すように、吐出ヘッド４８は、それぞれ１個のタンク５０と接続されている。そして、それぞれに接続されたタンク５０に収納された吐出液を吐出する。吐出液のうちの少なくとも一つは、材料粉末３００を硬化させる硬化液であり、硬化液以外の吐出液は、例えば、シアン、マゼンタ、イエローなどのカラー液である。勿論これは一つの例示であって、実施に当たっては必要な液を用意すればよい。吐出ヘッド４８の駆動方式には、例えば、ピエゾ駆動方式が採用されている。ピエゾ駆動方式の吐出ヘッドは、吐出する液体で満たされた圧力室を備えている。そして、圧力室には、微細なノズル孔が開けられている。圧力室の外壁には、圧電素子（ピエゾ素子）が接している。このとき、ピエゾ素子に電圧を印加すると、電圧印加によるピエゾ素子の変異が圧力室に伝わる。それによって圧力室の体積が減少させられ、体積減少分が液滴として吐出される。
【００１９】
移動機構５２は、吐出ヘッド４８を保持して、造形槽２０上を動かす機構である。移動機構５２は、吐出ヘッド４８を保持する保持部５２ａを備え、敷きつめられた材料粉末３００の上方において、保持部５２ａに保持された吐出ヘッド４８を、材料粉末３００の上面に対して、所定の距離を保って移動させる。その所定の距離は、例えば２ｍｍ程度である。図１、図２に示した実施形態によれば、移動機構５２は、主走査方向Ｙと副走査方向Ｘに、吐出ヘッド４８を走査させる。主走査方向Ｙは、吐出ヘッド４８が吐出を行いながら（即ち造形を行いながら）走査される方向である。副走査方向Ｘは、主走査方向Ｙと交差する方向であり、通常は主走査方向Ｙと直交している。この交差は直交に限られるものではないが、本実施形態においては、主走査方向Ｙは左右方向であり、副走査方向Ｘは前後方向である。移動機構５２は、主走査方向Ｙに吐出ヘッド４８を動かす主走査部５２ｙと、副走査方向Ｘに吐出ヘッド４８を動かす副走査部５２ｘを備えている。主走査部５２ｙは、保持部５２ａと接続され、保持部５２ａを主走査部ガイドレール５２ｙｇに沿ってＹ方向に動かす。副走査部５２ｘは、主走査部５２ｙと接続され、主走査部５２ｙを副走査部ガイドレール５２ｘｇに沿ってＸ方向に動かす。なお、ここに示した実施形態では、造形中、造形槽２０は不動であって、吐出ヘッド４８が移動機構５２によって移動されるが、この移動は相対的なものであればよく、造形槽２０が、主走査方向Ｙ、副走査方向Ｘのいずれか、または両方に移動されても構わない。
【００２０】
材料粉末３００は、例えば、アルミナとＰＶＡ（ポリビニルアルコール）の混合粉等である。ＰＶＡは水溶性の樹脂で、このような材料粉末を用いる造形においては接合剤である。ＰＶＡは水溶性なので、吐出ヘッド４８から吐出される硬化液には水を用いる。この水には、表面張力調整用の少量の界面活性剤等が添加されていてもよい。
【００２１】
次に、準備工程および造形工程について説明する。準備工程は、通気性を有する造形テーブル３０を内部に配置した造形槽２０を用意する工程である。本実施例に係る三次元造形装置１０においては、造形槽２０と造形テーブル３０は三次元造形装置１０から容易に着脱できるように構成され、加熱工程は、三次元造形装置１０から取り外して実施される。従って、取り外された造形槽２０と造形テーブル３０は、準備工程において、造形槽１０に再度装着される。準備工程においては、特に造形テーブル３０はクリーニングされ、造形テーブル３０の主要部分をなす多孔質板３２の通気性を確保しておくことが望ましい。造形テーブル３０は、造形槽２０内の段２０ａに引っかかるように造形槽２０内に載置され、造形槽２０は、筐体１２上の所定の位置にセットされる。そして、造形テーブル３０は、造形槽２０内で、第１昇降機構４０によって初期位置に移動される。初期位置は、造形槽２０内の最も高い位置である。次工程以降、プロセスが進むにつれ、造形テーブル３０は、造形槽２０内を次第に低い位置に移動してゆく。なお、上記の準備工程の実施内容は、本実施形態の場合における準備工程の実施内容であって、準備工程は、上記のような実施内容に限定されるものではない。例えば、三次元造形装置１０で加熱工程まで行う実施形態にあっては、造形槽２０は取り外されないため、当然に造形槽２０の再装着は行われず、適宜、造形テーブル３０のクリーニングや交換だけが行われる。
【００２２】
準備工程に続いて、造形工程が実施される。本三次元造形装置１０にあっては、三次元造形物３２０の造形は、例えば０．１ｍｍ程度の所定の厚みの硬化層を上方に次々に積層してゆくことによって行う。ここで言う硬化層とは、一層の材料粉末層の中で、硬化液によって所定の形状に接合された材料粉末３００である。そこで、垂直方向の、ある高さにおける硬化層の形状は、その高さにおける三次元造形物３２０の断面形状である。材料粉末層を構成する材料粉末３００は、材料槽４２から供給される。材料粉末３００の供給プロセスにおいては、まず、造形テーブル３０が、第１昇降機構４０によって、造形槽２０内を下方Ｄに移動される。このときの造形テーブル３０の移動量は、硬化層一層の厚み分である。次に、材料槽４２の底部４２ａが、第２昇降機構４４によって、材料槽４２内を、上方Ｕに移動される。そこで、材料槽４２内の材料粉末３００の一部が、材料槽４２の上端よりも上に、盛り上がって積まれる形になる。その盛り上がって積まれた材料粉末３００は、ローラー４６のＲ方向への水平移動によって、造形槽２０方向に移動させられ、造形テーブル３０上でならされる。この一連の動作によって、造形テーブル３０上に、例えば０．１ｍｍ程度の所定の厚さで材料粉末３００が敷きつめられる。余分な材料粉末３００は、そのままローラー４６によって払い落とされ、図示されない材料回収槽に回収される。こうして、所定の高さと厚みを備えた材料粉末層が、造形テーブル３０上に形成される。ただし、上記の材料粉末層の形成方法は一つの例であって、材料粉末層の形成方法は、ここに記した方法に限られるものではない。
【００２３】
続いて、造形テーブル上でならされた材料粉末３００に、吐出ヘッド４８が、硬化液ほかの液を吐出することによって、造形および着色が行われる。吐出ヘッド４８は、保持部５２ａによって保持されながら、主走査部５２ｙによって、材料粉末３００の上を主走査方向Ｙ１に走査される。ここでは、主走査方向ＹのうちＹ１方向が、造形中における前進方向である。Ｙ１方向に走査中、吐出ヘッド４８は、材料粉末３００に向かって、それぞれが接続されたタンク５０に収納されている液を吐出する。こうしてＸ軸における一つの位置で吐出作業が完了すると、吐出ヘッド４８は、主走査部５２ｙによって、Ｙ２方向に戻される。さらに吐出ヘッド４８は、副走査部５２ｘによって、副走査方向Ｘ１に移動させられる。副走査方向ＸのうちＸ１方向が、造形中における前進方向である。この移動後の位置においても、吐出ヘッド４８は、主走査方向Ｙ１に走査されながら、造形・着色作業を行う。このようにして、全造形領域に吐出ヘッド４８が走査され、材料粉末層一層分の造形が完了する。この一層分の造形プロセスを繰り返し、一層ずつ上方に積み重ねることによって、本三次元造形装置１０は、三次元造形物３２０の三次元形状を造形する。
【００２４】
続いて、加熱工程について説明する。上記造形工程の完了をもって、三次元造形装置１０を使用する工程は終了し、加熱炉にて実施される加熱工程に移る。造形工程と加熱工程の間に、作業者は、造形槽２０を三次元造形装置１０から取り外し、加熱炉に投入する。例えば本実施形態のように、アルミナ粉末とＰＶＡの混合粉を水で硬化させる場合、自然乾燥だと硬化に２４時間以上の時間が掛かる。これでは時間が掛かり過ぎるので、加熱炉等で加熱乾燥を行うのが普通である。まず、加熱炉の一実施形態について説明する。図３は、一実施形態における加熱炉６０を前方から見た断面図である。図３の左方は、加熱炉６０の左方Ｌである。同様にして、図３の右方は加熱炉６０の右方Ｒ、図３の上方は加熱炉６０の上方Ｕ、図３の下方は加熱炉６０の下方Ｄである。以後、加熱炉６０の説明において方向について述べるときには、以上の方向を意味する。ただし勿論、これらは説明の便宜上の方向に過ぎず、加熱炉６０の設置態様を限定するものではない。
【００２５】
加熱炉６０は、炉体６２と、加熱炉付きマイクロ波照射機構６４と、加熱炉付き送風機８０と、加熱炉付き排気機構９０と、加熱炉付き除湿機構１００とを備えている。また、加熱炉６０内には、造形工程完了後に三次元造形装置１０から取り外された造形槽２０と造形テーブル３０とが投入されている。造形テーブル３０は、造形槽２０内において、段２０ａ上に置かれており、造形テーブル３０上には、未乾燥の三次元造形物３２０が材料粉末３００に埋まって載置されている。
【００２６】
加熱炉付きマイクロ波照射機構６４は、炉体６２の右側面に配置されている。マイクロ波は、商用においては周波数が２４５０ＭＨｚの電磁波であって、水を誘電加熱するのに適した波長の電磁波である。マイクロ波は、水を選択的かつ急速に加熱できる。本実施例において硬化液は水であるので、マイクロ波による加熱方式は、三次元造形物３２０の乾燥に適している。本例の場合でなくとも、一般的に硬化液の溶媒は水のことが多いので、多くの場合にマイクロ波加熱方式は利用可能である。マイクロ波加熱は、急速に水を加熱することができるため、乾燥時間という点で有利である。加熱炉付きマイクロ波照射機構６４は、マグネトロンを搭載し、造形槽２０にマイクロ波を照射する。マイクロ波照射機構の出力は、例えば、５０Ｗ程度以上あればよい。
【００２７】
加熱炉付き送風機８０は、炉体６２の底部に開口した送風口８２と接続されている。造形槽２０は、送風口８２の上に置かれているので、加熱炉付き送風機８０は、造形テーブル３０の多孔質板３２を通して、造形槽２０内に風を送ることができる。加熱炉付き送風機８０は、例えば、電動ファン等である。加熱炉付き送風機８０は、加熱工程中の所定の時間、所定の風量で、送風口８２と造形テーブル３０を通して造形槽２０内に風を送るように制御されている。
【００２８】
加熱炉付き排気機構９０は、炉体６２の天井に設置され、造形槽２０内部の空気を排気している。加熱炉付き排気機構９０は、加熱によって造形槽２０内から発生する水蒸気を排気できるように、造形槽２０の上部の空間に開口されるように設置されるのが好ましい。加熱炉付き排気機構９０は、例えば、排気ポンプや排気ファン等であり、あるいは、建物の排気設備等に接続された配管等であってもよい。
【００２９】
加熱炉付き除湿機構１００は、水蒸気を吸収する吸水物質１０２と、吸水物質１０２を保持して炉体６２に固定する保持部品１０４から成っている。吸水物質１０２は、例えば、シリカゲルや各種の吸水ポリマー、あるいはスポンジ等である。加熱炉付き除湿機構１００も、造形槽２０から発生した水蒸気を吸収して炉体６２内を除湿できるように、造形槽２０の上方の空間に設置されるのが望ましい。本実施例においては、加熱炉付き除湿機構１００は、例えば、炉体６２の天井全体に配置されている。吸水物質１０２は消耗品なので、簡易に交換できるようになっているとよい。
【００３０】
加熱炉６０による加熱工程のプロセスは以下のようなものである。加熱工程は、作業者によって造形槽２０が炉体６２内の所定の位置にセットされた後、開始される。加熱工程の初期においては、加熱炉付きマイクロ波照射機構６４の出力は低出力に設定される。これは、加熱の初期段階において高出力で加熱すると、発生した水蒸気によって三次元造形物３２０の形が崩れる危険が高いからである。この形崩れを防止するために、加熱当初は、加熱炉付きマイクロ波照射機構６４の出力を低く設定する。そのときの出力は、例えば、３０Ｗ程度であり、三次元造形物３２０の温度が５０℃程度になるように調整する。更に乾燥時間が早いというマイクロ波加熱のメリットも確保するために、マイクロ波照射機構出力６４は、段階的に出力を上げていくように設定される。これは例えば、加熱工程後半の出力を５０Ｗ程度にするといったような設定である。このとき、三次元造形物３２０の温度は、７０℃程度に調整される。あるいは、出力そのものの調整の代わりに、間歇照射で加熱力を調整してもよい。間歇照射は、マイクロ波の照射を一定時間ＯＮ、一定時間ＯＦＦにして平均出力を調整する方法である。
【００３１】
加熱中、加熱炉付き送風機８０は、通気性を有する造形テーブル３０を通して、造形槽２０内に風を送る。この送風工程によって、造形槽２０内にこもって材料粉末３００の意図しない固化の原因となっていた熱と水蒸気を造形槽２０の外に排出する。このときの風量は、材料粉末３００を舞い上がらせない程度の風量に制御される。また、送風工程は、加熱工程全体を通じて実施される。
【００３２】
同じく加熱中、加熱炉付き排気機構９０は、炉体６２内の空気を排気する。この空気は、加熱によって発生した水蒸気を含む空気である。マイクロ波は水だけを選択加熱するため、加熱炉内は常温に近いままであり、発生した水蒸気が結露して水滴になりやすい。結露した水滴は、再び材料粉末３００の意図しない固化の原因になり得る。そこで、本実施形態における加熱炉６０にあっては、排気工程を実施し、加熱炉付き排気機構９０によって炉体６２内の水蒸気を放出している。この排気工程も、加熱工程の間ずっと実施されるのが好ましい。また、炉体６２の天井に配置された加熱炉付き除湿機構１００は、吸水物質１０２によって水蒸気を吸収して、炉体６２内を除湿する。結露は特に炉体６２の天井を含む炉壁で起こりやすいので、加熱炉付き除湿機構１００が炉体６２の天井に配置されているのは、除湿の上で有効である。
【００３３】
このように、ここに開示する三次元造形物３２０の製造方法は、通気性を有する造形テーブル３０が内部に配置された造形槽２０内を用意する準備工程と、造形工程と、造形槽２０内の三次元造形物３２０を加熱する加熱工程を有している。造形テーブル３０が通気性を有することで、加熱工程において、造形槽２０内に通気がなされ、熱と蒸気のこもりが緩和される。それによって、材料粉末３００の意図しない固化が抑えられる。
【００３４】
造形テーブル３０は、少なくともその一部が、通気性を有する多孔質板３２から構成されていてもよい。造形テーブル３０は、その上で造形が行われる部材であるため、通気性を有するだけでなく材料粉末３００を載せられることも求められる。通気性を有する多孔質板３２は、そのような要請に応えることができる。
【００３５】
また、加熱工程中の所定の時間に、造形テーブル３０を通じて造形槽２０内に空気を送る送風工程を実施してもよい。送風工程によって、さらに造形槽２０内の通気が促進され、材料粉末３００の意図しない固化が抑えられる。
【００３６】
加熱工程は、マイクロ波による加熱方式で行ってもよい。マイクロ波による加熱方式によれば、水を選択的かつ急速に加熱できるため、加熱工程に要する時間を短縮できる。
【００３７】
マイクロ波による加熱方式においてはさらに、加熱工程中の所定の時間に、造形槽２０内の空気を排気する排気工程を実施してもよい。さらに、加熱工程は、吸水物質１０２によって造形槽２０内の水蒸気を除去する除湿工程を伴っていてもよい。マイクロ波による加熱方式では炉体６２内に結露が起きやすいが、加熱工程中に排気工程および除湿工程を実施し、水蒸気を除去することにより、結露を防ぐことができる。結露を防ぐことで、結露によって水滴になった水が、再度材料粉末３００の意図しない固化の原因となるのを抑えることができる。
【００３８】
造形槽２０および造形テーブル３０は、三次元造形装置１０から着脱可能に構成されていてもよい。造形工程の終了後、三次元造形物３２０が収容された造形槽２０が三次元造形装置１０から取り外され、加熱炉６０に投入される場合に、造形テーブル３０を内部に配置した造形槽２０が三次元造形装置１０から着脱可能に構成されていれば作業性が良い。また、三次元造形装置１０から加熱炉に移動するとき、移動作業によって三次元造形物３２０を壊してしまうリスクも低減できる。
【００３９】
以上、本三次元造形物の製造方法における好ましい一実施形態として、マイクロ波加熱方式による加熱炉６０を含む実施形態について説明した。しかし、当然ながら、三次元造形物３２０の加熱方式はマイクロ波加熱方式に限られるものではない。加熱工程は、熱による加熱方式で実施されてもよい。熱を発生させて加熱する方式はごく一般的な方式であり、市販の恒温槽やバンドヒーター等で可能である。従って、既存設備等を利用しやすく、また制御性もよい。
【００４０】
上述の熱による加熱方式での加熱工程においては、所定の時間に、造形テーブル３０を通して造形槽２０内の空気を吸引する吸引工程を実施してもよい。熱による加熱方式においては、加熱工程中に、送風工程と吸引工程を織り交ぜることによって、乾燥時間を短縮することができる。
【００４１】
以下、図４を使って、熱による加熱方式を含む実施形態について説明する。図４は、ヒーターを備えた加熱炉６０を前方から見た断面図である。加熱炉付きヒーター６６は、例えば電熱線ヒーターである。加熱炉６０は、加熱炉付き攪拌機６８を備えている。加熱炉付き攪拌機６８は、加熱炉付きヒーター６６が発生させた熱を熱風として炉体６２内に送り、炉体６２内の空気を攪拌する。加熱炉付き攪拌機６８は、例えば、モーター駆動のブロワ―である。炉体６２内には、熱電対７０等の温度測定ユニットが設置され、熱電対７０等で測定した測定温度と、設定温度に基づいて、炉内温度を制御している。本実施例のように接合剤がＰＶＡである場合には、炉内温度は例えば７５℃程度である。この熱風加熱においては、先述のマイクロ波加熱よりも乾燥時間が掛かる傾向がある。例えば、マイクロ波方式で３０分程度であったサンプルの乾燥時間が、熱風乾燥では１２０分以上の乾燥時間になる。勿論これは一つの例であって、実際の時間は、三次元造形物３２０の大きさや造形槽２０の大きさ等によって異なる。いずれにしろ熱風加熱は、マイクロ波加熱に比べて、設備が簡易で制御性が良い代わりに乾燥時間が掛かる傾向にあるので、乾燥時間の短縮ができればより好ましい。図４の１１０は、加熱炉付き吸引機である。加熱炉付き吸引機１１０は、通気性の造形テーブル３０を通して、造形槽２０内の空気を吸引する。加熱炉付き送風機８０による送風工程と吸引機１１０による吸引工程は、送風口８２を通して交互に実施され、その切り替えは方向切り替え弁１１２で行われる。加熱炉付き送風機８０がファンである場合には、送風と吸引の切り替えは、ファンの回転方向で行ってもよい。切り替え時間は、例えば、１０分おき程度である。この吸引によって、加熱で発生した水蒸気が造形槽２０の外に効率的に排出され、乾燥に掛かる時間が短縮される。本発明者の実験によれば、熱風乾燥と送風で１２０分程度乾燥させたとき、乾燥が不十分であったサンプルが、吸引を併用することによって１２０分の乾燥時間で十分乾燥できた。なお、本発明者は、加熱工程中、吸引のみを行う方法も実施してみたが、材料粉末３００が吸い固められ、造形槽２０下部に熱と水蒸気のこもりが発生し、逆に材料粉末３００の意図しない固化を誘発した。従って、送風工程と吸引工程はバランスを取って行うことが望ましい。
【００４２】
ところで、本方法によって材料粉末３００の意図しない固化を抑制する際の効果について、本願発明者は、造形槽２０内の場所によってばらつきがあることを発見した。即ち、造形槽２０の下部において三次元造形物３２０が存在している場所の上部は固化抑制の効果が比較的薄く、造形槽２０の下部において三次元造形物３２０が存在していない場所の上部は固化抑制の効果が比較的高いことを発見した。そして、このばらつきは、三次元造形物３２０の有無によって空気の通りやすさに差が出るために起こることを見出した。
【００４３】
また、加熱工程によって、三次元造形物３２０が反ってしまうことがあることを、本願発明者は発見した。そして、この反りは、造形槽２０内の上部と下部とで乾燥具合に差が生じるために起こることを見出した。
【００４４】
そこで、ここに開示する三次元造形物３２０の製造方法にあっては、準備工程の後、造形工程の前に、造形テーブル３０上に材料粉末３００を敷きつめる第１の敷きつめ工程が実施されてもよい。
【００４５】
さらに、造形工程の後、加熱工程の前に、造形工程において最後に重ねられた材料粉末層の上に、更に材料粉末３００を敷きつめる第２の敷きつめ工程が実施されてもよい。
【００４６】
第１の敷きつめ工程は、準備工程の後、造形工程の前に行われ、造形テーブル３０上に材料粉末３００を敷きつめる工程である。以下、第１の敷きつめ工程で造形槽２０下部に敷きつめる材料粉末３００を下部サポート粉３０２と呼ぶ。下部サポート粉３０２は、図３、図４において、三次元造形物３２０よりも下方にある材料粉末３００である。下部サポート粉３０２は、例えば、材料槽４２に収納された材料粉末３００から供給される。材料粉末３００の供給方法は、造形工程における材料粉末３００の供給方法と同様である。即ち、第１の敷きつめ工程においては、まず、造形テーブル３０が、第１昇降機構４０によって、造形槽２０内を下方Ｄに移動される。ただし、このときの造形テーブル３０の移動量は、例えば１０ｍｍ程度である。下部サポート粉３０２の厚さが１０ｍｍ程度あれば、造形槽２０の下部における空気の通りを、必要程度まで均一化できる。以下、材料槽４２の底部４２ａが第２昇降機構４４によって材料槽４２内を上方Ｕに移動され、溢れた材料粉末３００がローラー４６によって造形テーブル３０上でならされるのは、造形時と同様である。この一連の作業により、造形テーブル３０上に、１０ｍｍ程度の所定の厚さを持った下部サポート粉の層が形成される。なお、上述の説明によれば、第１の敷きつめ工程における材料供給は１回で行われているが、１回で行い切れない場合は、数回に分けて実施してよい。また、材料供給は三次元造形装置１０が行うものとは限られず、例えば、作業者が外部で用意した材料粉末３００を供給しても構わない。
【００４７】
第２の敷きつめ工程は、造形工程の後、加熱工程の前に行われ、造形工程において最後に重ねられた材料粉末層の上に、更に材料粉末３００を敷きつめる工程である。第２の敷きつめ工程も、第１の敷きつめ工程と同様の作業によって行われ、敷きつめられる材料粉末３００の厚さは１０ｍｍ程度である。以下、第２の敷きつめ工程によって敷きつめられた材料粉末３００を上部サポート粉３０４と呼ぶ。図３、図４において、上部サポート粉３０４は、造形槽２０内において、三次元造形物３２０より上方に存在している。
【００４８】
造形槽２０内における材料粉末３００の固化抑制効果の場所によるばらつきは、造形槽２０下部において、三次元造形物３２０の有無によって空気の通りやすさに差が出るのが原因である。従って、造形槽２０の下部において空気の通りやすさを均一化することで、固化抑制効果の場所によるばらつきを少なくすることができる。第１の敷きつめ工程によれば、造形槽２０の下部に下部サポート粉３０２を敷きつめることで、造形槽２０下部の空気の通りが均一化される。それによって、材料粉末３００の固化抑制効果の場所によるばらつきが抑制される。
【００４９】
また、三次元造形物３２０の反りの原因は、造形槽２０内の上部と下部とで乾燥具合に差が生じるためである。従って、造形槽２０の上部と下部とでの乾燥具合の差を減じることによって、三次元造形物３２０の反りを少なくすることができる。第２の敷きつめ工程によって造形槽２０の上部に上部サポート粉３０４を敷きつめることで、三次元造形物３２０は、造形槽２０内の材料粉末３００の中心近くに位置することになる。それにより、加熱工程における造形槽２０の上部と下部との三次元造形物３２０の乾燥具合の差を少なくすることができ、三次元造形物３２０が反ってしまうという不具合を抑えることができる。
【００５０】
以上、加熱工程における材料粉末の意図しない固化を抑える三次元造形物の製造方法について説明した。以下では、当該方法に基づいて、加熱工程における材料粉末の意図しない固化を抑える三次元造形装置について説明する。以下に説明する三次元造形装置は、図１、図２において説明した三次元造形装置１０の実施形態を含み、従って、以下の説明においても、これまでに説明した部材については同じ符号を用いる。ただし、準備工程と造形工程に関わる部材およびプロセスについては、これまでに説明した部材およびプロセスと同様であるので説明を省略する。
【００５１】
ここに開示する三次元造形装置１０は、造形槽２０と、造形槽２０に配置され通気性を有する造形テーブル３０を備えている。造形テーブル３０が通気性を有することにより、三次元造形物３２０の加熱乾燥において造形槽２０内の材料粉末３００に通気がなされ、材料粉末３００の意図しない固化が抑制される。
【００５２】
図５は、加熱工程における材料粉末３００の意図しない固化を抑える機構を備えた三次元造形装置の一実施形態を正面から見た断面図である。本三次元造形装置１０は、造形槽２０と、通気性を有する造形テーブル３０を備えている。造形テーブル３０の主要な部分は、通気性の多孔質板であって、その材質は例えば、ポリプロピレン等のプラスチック焼結体やセラミック焼結体である。また、本三次元造形装置１０は、加熱機構１６０と、送風機１８０と、排気機構１９０と、除湿機構２００と、槽移動機構２２０とを備え、加熱機構１６０は、カバー１６２と、マイクロ波照射機構１６４とを備えている。造形槽２０は、加熱実施時には槽移動機構２２０によって右方Ｒに移動され、加熱機構１６０のカバー１６２内に収納されるようになっている。槽移動機構２２０は、例えば、造形槽２０の下に敷設されたガイドレール２２２を備え、モーターとボールねじによる駆動部で造形槽２０を移動させる機構を備えている。本実施形態においては、造形槽２０がカバー１６２内に移動するが、ここに提案する三次元造形装置１０は、そのような実施形態に限定されない。例えば、加熱機構１６０が造形槽２０の方に移動してもよいし、最初からカバー１６２が造形槽２０を覆っており、吐出ヘッド４８その他の部材が加熱時にカバー１６２内から退避する形になっていてもよい。カバー１６２は、主に作業者の安全のために設けられ、マイクロ波を遮蔽し、高温の水蒸気の拡散を防ぐ。マイクロ波照射機構１６４は、カバー１６２の上方に設置され、造形槽２０にマイクロ波を照射できるようになっている。製造方法の説明で述べたように、このマイクロ波照射機構１６４の出力は、例えば５０Ｗ程度である。送風機１８０は、造形テーブル３０の下部に接続されている。送風機１８０は、例えば、電動ファンである。送風機１８０は、加熱中の予め定められた時間に、予め定められた風量で、造形テーブル３０を通じて造形槽２０内に風を送るように制御されている。排気機構１９０は、カバー１６２の天井に取り付けられている。ただし、排気機構１９０の開口部の取り付けられる位置は、カバー１６２の天井には限られず、また、取り付け方向も垂直取り付けに限られない。排気機構１９０は、造形槽２０内から発生した水蒸気を排気できるよう、造形槽２０の上方の空間に開口部が配置されていればよい。排気機構１９０は、例えば、排気ポンプや排気ファン等である。あるいは、建物の排気設備等に接続された配管等であってもよい。除湿機構２００は、吸水性ポリマー等の吸水物質２０２と、吸水物質２０２を保持しカバー１６２に固定する保持部品２０４から成り、カバー１６２の天井全体に配置されている。
【００５３】
本実施形態に係る三次元造形装置１０は、上記のように、加熱機構１６０を備え、加熱工程を行うことができるようになっている。本実施形態にあっては、加熱工程を実施するにあたり、造形槽２０が、槽移動機構２２０によって加熱機構１６０のカバー１６２内に移動される。造形槽２０のカバー１６２内への移動後、マイクロ波照射機構１６４によって造形槽２０に向けてマイクロ波が照射され、加熱が開始される。加熱初期においては、マイクロ波の出力は、三次元造形物３２０の形を崩さないような低出力に設定され、段階的に出力を上げるように設定される。例えば、その出力は前半３０Ｗ程度であり、後半５０Ｗ程度である。三次元造形物３２０の温度は、５０℃〜７０℃程度に調整される。加熱中、送風機１８０は、造形テーブル３０を通して造形槽２０内への送風を行う。この送風は、加熱工程を通じてずっと行われるのが望ましく、その風量は、造形槽２０内の材料粉末３００を吹き飛ばさない程度である。また、加熱中、排気機構１９０はカバー１６２内の水蒸気を含む空気の排気を行う。除湿機構２００は、吸水物質２０２によって水蒸気を吸着して、カバー１６２内を除湿する。こうして、排気機構１９０と除湿機構２００は、カバー１６２内の水蒸気を除去する。このようにして、本三次元造形装置１０は、通気と除湿によって、材料粉末３００の意図しない固化を抑制しながら三次元造形物３２０を乾燥する。
【００５４】
上記のように、本三次元造形装置１０は、造形槽２０と、造形槽２０に配置され通気性を有する造形テーブル３０を備える。造形テーブル３０から造形槽２０内に通気されることによって、三次元造形物３２０の加熱乾燥における材料粉末３００の意図しない固化を抑制することができる。
【００５５】
造形テーブル３０は、少なくともその一部が、通気性を有する多孔質板３２から構成されていてもよい。通気性を有する多孔質板３２は、造形テーブル３０の主要部品に適している。
【００５６】
また、上述の三次元造形装置１０は、造形槽２０内で三次元造形物３２０を加熱する加熱機構１６０を備えていてもよい。加熱機構１６０は、マイクロ波によって三次元造形物３２０を加熱する加熱機構であってもよい。加熱機構１６０を備えることにより、三次元造形装置１０は、加熱工程まで行うことができ、また、その加熱方式にマイクロ波による加熱方式を採用することによって、三次元造形物３２０の乾燥に要する時間を短くできる。
【００５７】
さらに、上述の三次元造形装置１０は、造形テーブル３０を通じて造形槽２０内に送風する送風機１８０を備えていてもよい。送風機１８０による造形槽２０内への送風によって、造形槽２０内の通気はさらに良くなり、材料粉末３００の意図しない固化をより抑制できる。
【００５８】
さらに、本三次元造形装置１０は、造形槽２０の上方の空間に開口された排気機構１９０を備えていてもよく、吸水物質２０２を備えた除湿機構２００を造形槽２０の上方の空間に備えていてもよい。排気機構１９０と除湿機構によって、カバー１６２内が除湿され、結露を防ぐことができる。
【００５９】
上述の三次元造形装置１０の実施形態とは別の好ましい一実施形態によれば、加熱機構１６０は、熱によって三次元造形物３２０を加熱する加熱機構であってもよい。熱によって三次元造形物３２０を加熱する実施形態によれば、装置が簡易で、制御が容易である。
【００６０】
熱によって三次元造形物３２０を加熱する実施形態においては、三次元造形装置１０は、造形テーブル３０を通じて造形槽２０内の空気を吸引する吸引機２１０を備えていてもよい。先述したように、三次元造形物３２０を熱で加熱する実施形態においては、送風と吸引を交互に行うことによって、乾燥に要する時間を短縮することができる。
【００６１】
図６は、加熱機構１６０にヒーターを備えた三次元造形装置１０を前方から見た断面図である。図６において、造形槽２０の側面には、バンドヒーター１６６が巻かれている。造形槽２０内の三次元造形物３２０は、バンドヒーター１６６によって加熱され、乾燥される。加熱機構１６０の加熱方式としてヒーター等による直接加熱方式を採用すれば、熱風方式よりもさらに三次元造形装置１０の機構をシンプルにし得る。例えば、図６の実施形態では、槽移動機構が存在していない。また、攪拌機も不要である。
【００６２】
以上、実施の形態について説明したが、本願に係る三次元造形物の製造方法および三次元造形装置は、上記に説明した実施形態に限られるものではない。
【符号の説明】
【００６３】
１０  三次元造形装置
２０  造形槽
３０  造形テーブル
６０  加熱炉
６４  加熱炉付きマイクロ波照射機構
６６  加熱炉付きヒーター
８０  加熱炉付き送風機
９０  加熱炉付き排気機構
１００  加熱炉付き除湿機構
１０２  吸水物質
１１０  加熱炉付き吸引機
１６０  加熱機構
１６４  マイクロ波照射機構
１６６  バンドヒーター
１８０  送風機
１９０  排気機構
２００  除湿機構
２０２  吸水物質
２１０  吸引機
３００  材料粉末
３０２  下部サポート粉
３０４  上部サポート粉
３２０  三次元造形物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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