(57)【要約】【課題】内部に部品を埋め込んだ三次元造形物を造形できる三次元造形装置を提案する。【解決手段】  本発明に係る三次元造形装置において、第１記憶部は、空洞を有する被造形物の形状が指定された形状情報を記憶する。第２記憶部は、造形を中断する高さが指定された中断情報を記憶する。前記造形を中断する高さは、被造形物において空洞が形成される高さである。第３記憶部は、被造形物において材料粉末を除去する場所が指定された除去情報を記憶する。前記材料粉末を除去する場所には、前記空洞内が含まれる。制御部は、中断情報に基づいて、造形を中断する高さまで造形が終了したとき造形を停止し、除去情報に基づいて、空洞内を含む指定された場所の材料粉末を除去機構に除去させる。【選択図】図５
2018039153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料粉末を載せる造形槽と、
前記造形槽に前記材料粉末を供給する材料供給機構と、
前記材料粉末を硬化させる硬化液吐出ヘッドを含む、一つまたは複数の吐出ヘッドと、
前記吐出ヘッドを保持した保持部を備え、前記造形槽に対して、前記造形槽上で前記保持部を動かす移動機構と、
前記造形槽内の前記材料粉末を除去する除去機構と、
空洞を有する被造形物の形状が指定された形状情報を記憶するように設定された第１記憶部と、
前記第１記憶部に記憶された前記形状情報に基づき、前記被造形物に前記空洞が形成される高さであって、前記被造形物において造形を中断する高さが指定された中断情報を記憶するように設定された第２記憶部と、
前記第１記憶部に記憶された前記形状情報に基づき、前記材料粉末を除去する、前記空洞内を含む前記被造形物における場所が指定された除去情報を記憶するように設定された第３記憶部と、
前記第２記憶部に記憶された前記中断情報に基づいて、前記造形を中断する高さまで造形が終了したときに前記吐出ヘッドと前記材料供給機構と前記移動機構とに造形を停止させ、前記第３記憶部に記憶された前記除去情報に基づいて、前記除去機構に前記造形槽内の前記指定された場所の前記材料粉末を除去させる、ように設定された制御部と、
を備えた、
三次元造形装置。
【請求項２】
前記除去機構は、前記移動機構に備えられた前記保持部に配置され、
前記制御部は、前記除去情報に基づいて、前記移動機構を制御する、
請求項１に記載の三次元造形装置。
【請求項３】
前記除去機構は、前記材料粉末を吸引する吸引部を備えた、
請求項１または２に記載の三次元造形装置。
【請求項４】
前記除去機構は、一端が前記吸引部に接続され、他端が少なくとも上下方向に伸縮する集塵管を備えた、
請求項３に記載の三次元造形装置。
【請求項５】
前記除去機構は、空気を送出するブロー部を備えた、
請求項１または２に記載の三次元造形装置。
【請求項６】
前記除去機構は、一端が前記ブロー部に接続され、他端が少なくとも上下方向に伸縮する集塵管を備えた、
請求項５に記載の三次元造形装置。
【請求項７】
前記造形槽を動かす槽移動機構を備え、
前記制御部は、造形の中断後、前記槽移動機構に、予め定められた動きに従って前記造形槽を移動させるように設定された、
請求項１〜６のいずれか一つに記載の三次元造形装置。
【請求項８】
造形を中断中、造形を中断していることを知らせる信号を出力する出力機構を備え、
前記制御部は、前記出力機構に、前記三次元造形装置が造形を中断していることを知らせる信号を出力させるように設定された、
請求項１〜７のいずれか一つに記載の三次元造形装置。
【請求項９】
造形の中断がその時間を超えた場合、中断前に前記硬化液が吐出された前記造形槽上の領域に対して再度硬化液の吐出を行うべき再吐出時間を指定した時間情報を記憶するように設定された第４記憶部を備え、
前記制御部は、造形を再開する前に、前記第４記憶部に記憶された前記時間情報に基づいて、前記硬化液吐出ヘッドに前記硬化液を吐出させるように設定された、
請求項１〜８のいずれか一つに記載の三次元造形装置。
【請求項１０】
造形を再開する前に前記造形槽に供給する材料粉末の量を指定した材料供給情報を記憶するように設定された第５記憶部を備え、
前記制御部は、造形を再開する前に、前記第５記憶部に記憶された前記材料供給情報に基づいて、前記材料供給機構に、前記材料粉末を前記造形槽に供給させるように設定された、
請求項１〜９のいずれか一つに記載の三次元造形装置。
【請求項１１】
前記制御部は、予め定められた操作がされることにより、前記吐出ヘッドと前記材料供給機構と前記移動機構とに造形を再開させるように設定された、
請求項１〜１０のいずれか一つに記載の三次元造形装置。
【請求項１２】
予め定められた部品を前記造形槽内に供給する部品供給機構と、
前記造形槽内において前記予め定められた部品が供給される部品供給位置を指定した部品供給情報を記憶する第６記憶部と、
を備え、
前記制御部は、前記第６記憶部に記憶された前記部品供給情報に基づいて、前記部品供給機構に、前記部品供給位置に前記予め定められた部品を供給させ、前記部品の供給が完了することにより、前記吐出ヘッドと前記材料供給機構と前記移動機構とに造形を再開させる、ように設定された、
請求項１〜１０のいずれか一つに記載の三次元造形装置。
【請求項１３】
被造形物内に予め定められた部品が埋め込まれた三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法であって、
造形槽内の材料粉末の層上を移動する吐出ヘッドによって前記材料粉末の層に少なくとも硬化液を吐出して硬化させ、予め定められた断面形状の層を下から積層して、前記予め定められた部品を装着する空洞を備えた前記被造形物の形状を造形する工程と、
前記予め定められた部品を装着する空洞が形成される予め定められた高さまで造形が行われた後、造形を中断する工程と、
少なくとも前記空洞内を含む前記造形槽内の予め定められた領域から前記材料粉末を除去する工程と、
前記材料粉末の除去の後に、前記空洞に前記予め定められた部品を装着する工程と、
前記部品の装着の後に造形を再開する工程と、
を備えた、
三次元造形物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元造形装置に関する。
【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】
本願発明者は、上述のような材料粉末を硬化させて造形する三次元造形物の内部に機能部品を埋め込み、機能を持った三次元造形物を製作したいと考えた。本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、内部に部品を埋め込んだ三次元造形物を製作できる三次元造形装置を提案すること、および、内部に部品を埋め込んだ三次元造形物の製作方法を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
ここに提案する三次元造形装置は、材料粉末を載せる造形槽と、造形槽に材料粉末を供給する材料供給機構と、材料粉末を硬化させる硬化液を吐出する硬化液吐出ヘッドを含む一つまたは複数の吐出ヘッドと、移動機構と、造形槽内の材料粉末を除去する除去機構と、第１記憶部と、第２記憶部と、第３記憶部と、制御部とを備えている。移動機構は、吐出ヘッドを保持した保持部を備え、造形槽に対して、造形槽上で保持部を動かす。第１記憶部は、空洞を有する被造形物の形状が指定された形状情報を記憶するように設定されている。第２記憶部は、第１記憶部に記憶された形状情報に基づき、被造形物における造形を中断する高さが指定された中断情報を記憶するように設定されている。造形を中断する高さは、被造形物に空洞が形成される高さである。第３記憶部は、第１記憶部に記憶された形状情報に基づき、被造形物において材料粉末を除去する場所が指定された除去情報を記憶するように設定されている。被造形物において材料粉末を除去する場所には、空洞内が含まれている。制御部は、第２記憶部に記憶された中断情報に基づいて、造形を中断する高さまで造形が終了したとき、吐出ヘッドと材料供給機構と移動機構とに造形を停止させるように設定されている。また、制御部は、第３記憶部に記憶された除去情報に基づいて、除去機構に造形槽内の指定された場所の材料粉末を除去させるように設定されている。
【０００６】
本三次元造形装置において、制御部は、第２記憶部に記憶された中断情報に基づき、被造形物に空洞が形成された時点で造形をいったん中断する。この空洞は、被造形物内に予め定められた部品を装着する空洞である。さらに、制御部は、第３記憶部に記憶された除去情報に基づき、空洞を含む指定場所の材料粉末を除去させる。材料粉末の除去後に空洞に部品を装着することで、内部に部品を埋め込んだ被造形物を製作することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】一実施形態における三次元造形装置の斜視図である。
【図２】図１の三次元造形装置の縦断面図である。
【図３】除去機構が取り付けられた保持部の斜視図である。
【図４】被造形物と埋め込み部品の斜視図である。
【図５】造形槽内における、図４の被造形物の斜視図である。
【図６】造形槽を作業位置に移動させた状態の三次元造形装置の斜視図である。
【図７】造形開始から造形終了までに、制御部が行う処理のフローチャートである。
【図８】全工程を自動で行う三次元造形装置の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
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。
【０００９】
図１は一実施形態における三次元造形装置１０の斜視図である。図１にＦで示した方向が、三次元造形装置１０の前方Ｆである。図１にＲｒで示した方向が、三次元造形装置１０の後方Ｒｒである。同様に、図１において、Ｌで示した方向が前方Ｆから見た三次元造形装置１０の左方Ｌであり、Ｒで示した方向が前方Ｆから見た三次元造形装置１０の右方Ｒであり、Ｕで表した方向が三次元造形装置１０の上方Ｕであり、Ｄで表した方向が三次元造形装置１０の下方Ｄである。また、図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ断面図である。以後、実施形態の説明において、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。
【００１０】
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、吐出ヘッド２０ａ〜２０ｄと、タンク３０ａ〜３０ｄと、造形槽４０と、造形テーブル４２と、第１昇降機構４４と、材料供給機構５０と、移動機構６０と、除去機構７０と、槽移動機構８０と、出力機構９０と、第１記憶部１００と、第２記憶部１０２と、第３記憶部１０４と、第４記憶部１０６と、第５記憶部１０８と、制御部１２０と、を備えている。材料供給機構５０は、材料槽５２と、第２昇降機構５４と、ローラー５６と、材料回収槽５８と、を備えている。
【００１１】
吐出ヘッド２０ａ〜２０ｄは、材料粉末２００に液を吐出する機構である。本実施形態においては、吐出ヘッドは４個あり、保持部６０ａ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２０ａ〜２０ｄは、造形テーブル４２上の材料粉末２００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２に示すように、吐出ヘッド２０ａ〜２０ｄは、それぞれタンク３０ａ〜３０ｄと接続されている。そして、それぞれに接続されたタンク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２００を硬化させる硬化液２２０Ｂである。硬化液２２０Ｂ以外の吐出液は、例えば、被造形物２４０に着色するカラー液等である。本実施例においては、タンク３０ａには硬化液２２０Ｂが、タンク３０ｂにはシアンカラー液２２０Ｃが、タンク３０ｃにはマゼンタカラー液２２０Ｍが、タンク３０ｄにはイエローカラー液２２０Ｙが収納されている。従って、吐出ヘッド２０ａ〜２０ｄは、それぞれ、硬化液２２０Ｂ、シアンカラー液２２０Ｃ、マゼンタカラー液２２０Ｍ、イエローカラー液２２０Ｙを吐出する。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く、液の順番も例示した順番に限られない。吐出ヘッド２０ａ〜２０ｄ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。
【００１２】
図２に示すように、造形槽４０の内側には造形テーブル４２が設置されており、造形テーブル４２は、造形槽４０内で上下に摺動可能になっている。造形テーブル４２は、下方から第１昇降機構４４に接続され、第１昇降機構４４は、造形テーブル４２を上下に動かすことができる。第１昇降機構４４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４２には、材料粉末２００が載せられている。造形テーブル４２は、その上で造形が行われる部材であり、造形の進行につれて、被造形物２４０のそれまでに造形の終わった部分の上に新しい層が積層されてゆく。そこで、造形テーブル４２上には、被造形物２４０のそれまでに造形の終わった部分が、硬化されなかった材料粉末２００に埋まる形で載置されている。
【００１３】
材料供給機構５０は、材料槽５２と、第２昇降機構５４と、ローラー５６と、材料回収槽５８と、を備えている。材料槽５２は、造形槽４０の隣にあり、材料粉末２００を収納している。材料槽５２の底部５２ａは、材料槽５２内を上下に摺動可能なように設置されており、底部５２ａの下面には、第２昇降機構５４が接続されている。第２昇降機構５４も、第１昇降機構４４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底部５２ａを材料槽５２内で上下に移動させる。材料槽５２に収納されている材料粉末２００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。ローラー５６は、造形槽４０内に材料粉末２００を運び、かつ造形テーブル４２上に材料粉末２００の層を形成する。ローラー５６は、表面下部が、造形槽４０内において造形が行われる面（以下、造形面Ｌｙと呼ぶ。）と同じ高さになるように設計されている。ローラー５６は、図示されない駆動部によって左右方向に水平移動することによって、造形面Ｌｙと同じ高さの材料粉末２００の層を形成する。造形テーブル４２上の全面に材料粉末２００の層を形成できるよう、ローラー５６の前後方向の長さは、造形槽４０、および材料槽５２の前後方向の幅よりも長い。材料回収槽５８は、ローラー５６が材料粉末２００の層を形成した余りの材料粉末２００を回収する槽であり、造形槽４０のローラー５６の進行方向側、つまり、造形槽４０の右側に配置されている。
【００１４】
移動機構６０は、吐出ヘッド２０ａ〜２０ｄを保持して、造形槽４０上を動かす機構である。移動機構６０は、吐出ヘッド２０ａ〜２０ｄを保持する保持部６０ａを備えている。保持部６０ａに保持された吐出ヘッド２０ａ〜２０ｄの吐出面と、造形面Ｌｙとの間には、例えば２ｍｍ程度の所定の間隔が保たれている。本実施形態によれば、移動機構６０は、主走査方向Ｙと副走査方向Ｘに、保持部６０ａを走査させる。主走査方向Ｙは、吐出ヘッド２０ａ〜２０ｄ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、本実施例においては、図１のように、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６０は、主走査方向Ｙに保持部６０ａを動かす主走査部６０ｙと、副走査方向Ｘに保持部６０ａを動かす副走査部６０ｘを備えている。主走査部６０ｙは、保持部６０ａと接続され、保持部６０ａを主走査部ガイドレール６０ｙｇに沿ってＹ方向に動かす。副走査部６０ｘは、主走査部６０ｙと接続され、主走査部６０ｙを副走査部ガイドレール６０ｘｇ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４０は不動であって、吐出ヘッド２０ａ〜２０ｄが移動機構６０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４０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。
【００１５】
除去機構７０は、保持部６０ａに取り付けられている。図３は、除去機構７０が取り付けられた保持部６０ａの斜視図である。除去機構７０は、材料粉末２００を吸引する吸引部７２を備え、また、吸引部７２と上端が接続され下端が上下に伸縮する集塵管７６を備えている。集塵管７６は、保持部６０ａの側面に取り付けられている。材料粉末２００の除去時を除き、集塵管７６の下端は、保持部６０ａよりも下方に飛び出さないように縮められている。材料粉末２００の除去時には、除去情報で指定された除去場所ＥＥに先端が届くように、集塵管７６は伸ばされる。例えば、この伸縮はエアシリンダ等で行われる。集塵管７６の上端と、吸引部７２は、例えば、チューブ７８で接続されている。吸引部７２は、減圧ポンプを備えた集塵機等であり、チューブ７８の途中には吸引力を調整する絞り等が接続されていることが好ましい。あるいは、除去機構７０は、吸引部７２の代わりにブロー部７４を備えていてもよい。ブロー部７４は、材料粉末２００を吹き飛ばす空気を送出する機構であり、例えば、コンプレッサ等である。この場合、チューブ７８の途中には、動作制御用の開閉弁や減圧弁や絞りが接続されていることが望ましい。
【００１６】
槽移動機構８０は、造形槽４０を移動させる機構であって、槽移動用ガイドレール８０ｇと駆動部を備えている。槽移動用ガイドレール８０ｇは、造形槽４０の下部に敷設され、駆動部の動力によって、造形槽４０を、三次元造形装置１０の前後方向に移動させる。駆動部は、例えば、モーターとボールねじ等である。また、造形槽４０が移動するとき近くに人がいると危険なので、図示しないが、カバーや安全用のライトカーテン等が設置されるのが好ましい。本実施形態においては、造形槽４０の移動方向は前後方向であるが、造形槽４０の移動方向は前後方向に限られず、例えば、左右方向であってもよい。
【００１７】
出力機構９０は、造形を中断中、中断していることを知らせる信号（以下、中断信号と呼ぶ。）を出力する。出力機構９０は、制御部１２０の制御に従って中断信号を出力する。この中断信号は、例えば、無電圧接点やオープンコレクタを介して出力される。中断信号は、出力先で、作業者に認識可能な形の表示に変換される。この表示は、例えば、三次元造形装置１０に備えられたランプやブザー等である。あるいは、表示は、外部のＰＣ等の機器に中断信号を取り込んで行われてもよい。
【００１８】
第１記憶部１００には、被造形物２４０の形状が指定された形状情報が記憶されている。被造形物２４０には、予め定められた埋め込むべき部品（以下、埋め込み部品と呼ぶ。）を搭載するための空洞が存在している。第１記憶部１００は、その空洞を含む被造形物２４０の形状情報を記憶している。第２記憶部１０２は、第１記憶部１００に記憶された形状情報に基づき、被造形物２４０において造形を中断する高さを指定した中断情報を記憶する。造形を中断する高さは、被造形物２４０に空洞が形成される高さであって、被造形物２４０の設計者または作業者が指定する。第３記憶部１０４には、第１記憶部１００に記憶された形状情報に基づき、被造形物２４０において材料粉末２００を除去する場所を指定した除去情報が記憶されている。この材料粉末２００を除去する場所は、埋め込み部品を搭載するために空けておくべき場所であって、当然、被造形物２４０の空洞内を含んでいる。除去場所もまた、被造形物２４０の設計者または作業者が指定する領域である。
【００１９】
第４記憶部１０６は、再吐出時間を指定した時間情報を記憶している。再吐出時間は、造形の中断がその時間を超えた場合、再開時に、中断前に硬化液２２０Ｂを吐出した領域に対して、硬化液２２０Ｂの再吐出を行うように指定された時間である。再吐出時間は、造形ごとに個別に指定できるようになっているのが好ましい。
【００２０】
第５記憶部１０８は、造形を再開する前に造形槽４０に供給する材料粉末２００の量を指定した材料供給情報を記憶している。材料供給情報に基づいて造形槽４０に供給される材料粉末２００は、中断時に除去機構７０によって除去された材料粉末２００を補うものである。第５記憶部１０８に記憶される材料粉末２００の供給量は、形状情報および除去情報に基づいて演算されてもよいし、単に作業者によって設定されてもよい。また、指定の仕方は、供給の回数に換算されていてもよい。いずれにしろ、余分な材料粉末２００はローラー５６で払い落とされるので、多めに指定されることが好ましい。さらに、作業者による目視確認等によって供給がまだ不足であることが分かった場合には、手動で材料粉末２００の供給が追加できるようになっているとよい。
【００２１】
制御部１２０は、第１〜第５記憶部に記憶された情報等に基づいて、各機構の制御を行う。制御部１２０は、第２記憶部１０２に記憶された中断情報に基づいて、造形を中断する高さまで造形が終了したとき、造形を停止する指令を出す。また、第３記憶部１０４に記憶された除去情報に基づいて、除去機構７０に造形槽４０内の指定された場所の材料粉末２００を除去させる。さらに、材料粉末２００の除去完了後、槽移動機構８０を制御して造形槽４０を前方に移動させ、また造形再開後は造形槽４０を元の位置に戻す。この造形再開の指令は、三次元造形装置１０に対して予め定められた操作がされることにより、制御部１２０が発する。再開操作は、例えば、三次元造形装置１０に対して行われるボタン操作等である。制御部１２０は、造形を再開する前に、第４記憶部１０６に記憶された時間情報に基づき、中断時間が再吐出時間を超えている場合には、硬化液吐出ヘッド２０ａに硬化液２２０Ｂを吐出させる。また、硬化液２２０Ｂの再吐出の後、第５記憶部１０８に記憶された材料供給情報に基づいて、材料供給機構５０に、材料粉末２００を供給させる。さらに、制御部１２０は、造形中断中は、出力機構９０に中断信号を出力させる。
【００２２】
第１記憶部１００、第２記憶部１０２、第３記憶部１０４、第４記憶部１０６、第５記憶部１０８、および制御部１２０は、単一の装置（例えば、三次元造形装置１０本体に組み込まれたユニット）に限られない。例えば、本体と接続された外部のコンピュータ等で、機能の一部または全部を担ってもよい。外部コンピュータ等は、データ等を送受信するインターフェイス（Ｉ／Ｆ）と、中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、ＣＰＵが実施する演算プログラムを格納するＲＯＭと、プログラムを展開するワーキングエリアとして使用されるＲＡＭと、各種データを格納する記憶装置とを備えているとよい。
【００２３】
以下、図４に示すような被造形物２４０を造形する場合のプロセスを例示する。図４は、ある被造形物２４０と埋め込み部品２６０の斜視図である。被造形物２４０は、左右２個のブロックに分かれ、左右のブロックは埋め込み部品２６０で連結されている。埋め込み部品２６０は、真ん中にジョイントを備えた関節部品であり、被造形物２４０の左右のブロックは、ジョイントを介して動かすことができるようになっている。埋め込み部品２６０の両端は、左右それぞれのブロックに埋め込まれ、固定されている。このような被造形物２４０の完成形状のうち、埋め込み部品２６０を除いた造形部分の形状が、形状情報として第１記憶部１００に記憶されている。
【００２４】
本三次元造形装置１０は、以下のようなプロセスで造形を行う。即ち、本三次元造形装置１０は、例えば０．１ｍｍ程度の所定の厚みの層を、上方に次々に積層してゆくことによって、被造形物２４０の造形を行う。垂直方向の、ある高さにおける造形された層の形状は、その高さにおける被造形物２４０の断面形状である。ある一層の造形が終了したとき、造形テーブル４２は、第１昇降機構４４によって、造形槽４０内を下方Ｄに移動される。このときの移動量は、造形時の一層の厚み分である。次に、材料供給機構５０によって、造形テーブル４２上に材料粉末２００が供給され、造形テーブル４２上に、材料粉末２００の層が形成される。材料粉末２００の供給プロセスにおいては、まず、材料槽５２の底部５２ａが、第２昇降機構５４によって、材料槽５２内を、上方Ｕに移動される。そこで、材料槽５２内の材料粉末２００の一部が、材料槽５２の上端（造形面Ｌｙと同一面）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２００は、ローラー５６のＲ方向への水平移動によって、造形槽４０方向に運ばれ、造形テーブル４２上でならされる。余分な材料粉末２００は、そのままローラー５６によって払い落とされ、材料回収槽５８に回収される。こうして、造形面Ｌｙを上面とし、所定の一層分の厚みを持った材料粉末２００の層が、造形テーブル４２上に形成される。ただし、上述した材料供給機構５０の構成、および、層の形成方法は一つの例であって、層の形成方法は、これに限られるものではない。
【００２５】
続いて、層に形成された材料粉末２００に、吐出ヘッド２０ａ〜２０ｄが、硬化液２２０Ｂ他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２０ａ〜２０ｄは、保持部６０ａによって保持されながら、主走査部６０ｙによって、造形槽４０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２０ａ〜２０ｄは、材料粉末２００の層に向かって、それぞれが接続されたタンク３０ａ〜３０ｄに収納されている液を吐出する。走査中における、液の吐出のタイミングは、第１記憶部１００に記憶された形状情報に基づいて制御されている。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２０ａ〜２０ｄは、主走査部６０ｙによって、Ｙ２方向に戻される。さらに吐出ヘッド２０ａ〜２０ｄは、副走査部６０ｘ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２０ａ〜２０ｄ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２０ａ〜２０ｄが走査されると、一層分の造形が完了する。前述のように、この一層分の造形形状は、その高さにおける被造形物２４０の断面形状である。この一層分の造形プロセスを繰り返して、本三次元造形装置１０は、被造形物２４０の三次元形状を造形する。
【００２６】
さて、造形が進行し、第２記憶部１０２に記憶された中断高さまで造形が終了すると、制御部１２０は、中断情報に基づき、造形をいったん中断する。図５は、造形槽４０内における、図４の被造形物２４０の斜視図であり、第２記憶部１０２に記憶された中断情報において指定された中断高さＨ１まで造形が終了したところである。中断高さＨ１まで造形が終了すると、前記中断情報に基づき、制御部１２０は、吐出ヘッド２０ａ〜２０ｄ、材料供給機構５０、移動機構６０等を制御して、造形を中断させる。被造形物２４０のうちハッチングが施された部分は、この時点までに造形された部分を表している。二点鎖線で表した部分は、最終的に造形が予定されているが、まだ造形されていない造形未実施部分である。Ｈ２は、最終的な被造形物２４０の高さである。被造形物２４０の造形済み部分には、空洞２４２が造形されている。空洞２４２は、造形済み部分の最上面に露出し、その中には硬化されていない材料粉末２００が貯まっている。
【００２７】
造形が中断された後、制御部１２０は、除去情報に基づいて、指定された除去場所ＥＥの材料粉末２００を除去する。除去情報は、形状情報に基づいて材料粉末２００を除去する除去場所ＥＥを指定する情報であって、第３記憶部１０４に記憶されている。本実施例の場合、埋め込み部品２６０を装着するためには、被造形物２４０の左右のブロックに形成された空洞２４２内、および、埋め込み部品２６０のジョイント部分付近において、材料粉末２００が除去されることが好ましい。また、材料粉末２００は、硬化液２２０Ｂが十分に硬化するまで被造形物２４０が崩れないように支える役目も果たしているので、除去する必要のない場所からは除去しないことが望ましい。そこで、材料粉末２００を除去する除去場所ＥＥとしては、被造形物２４０の左右のブロックに形成された空洞２４２と、埋め込み部品２６０のジョイント部分付近だけが指定されることが好ましい。除去機構７０は、制御部１２０の制御に従って、除去場所ＥＥの材料粉末２００を除去する。除去にあたっては、まず集塵管７６が、保持部６０ａによって除去場所ＥＥの上に移動される。保持部６０ａは、除去情報に基づいて、制御部１２０によって制御されている。保持部６０ａが除去場所ＥＥの上に到達すると、集塵管７６が下方に伸びる。延びる長さは、図３に示すように、除去場所ＥＥに届くまでである。集塵管７６が除去場所ＥＥに到達すると、吸引部７２またはブロー部７４が、材料粉末２００を除去する。除去方法は、除去機構７０が吸引部７２を備える場合は吸引、ブロー部７４を備える場合は吹き飛ばしである。こうして、除去機構７０は、被造形物２４０における指定された除去場所ＥＥの材料粉末２００を狙って除去する。
【００２８】
材料粉末２００の除去が完了すると、造形槽４０が、槽移動機構８０によって前方に移動される。以下、移動前の造形槽４０の位置であって造形が行われる位置を造形位置、移動後の造形槽４０の位置を作業位置と呼ぶ。図６は、図１に示された造形位置から、槽移動機構８０によって造形槽４０が作業位置に移動されたところを表した斜視図である。作業位置は、作業者が埋め込み部品２６０の搭載作業を行いやすいように設定された位置である。従って、作業位置では、近傍に埋め込み部品２６０の搭載作業の邪魔になり得るものがないことが望ましい。本実施形態において、造形槽４０は、材料粉末２００が除去された後に槽移動機構８０によって作業位置に移動されるが、この順序は、除去機構７０の配置によっては逆になってもよい。つまり、除去機構７０が作業位置近くに配置されている場合には、造形槽４０が作業位置に移動後、材料粉末２００の除去が行われても構わない。
【００２９】
造形槽４０が作業位置に移動した時点で作業者には埋め込み部品２６０の搭載作業が可能になるが、本実施形態に係る三次元造形装置１０は、埋め込み部品２６０の搭載作業が可能になったことを作業者に報知する機能を備えている。出力機構９０は、制御部１２０の制御に従って、造形槽４０の作業位置への移動完了後に、中断信号を出力する。中断信号は、例えば、ブザーの鳴動等に変換され、作業者に、造形が中断に入ったことを報知する。作業者は、この報知によって埋め込み部品２６０の搭載作業が可能になったことを知り、埋め込み部品２６０の搭載作業を行う。埋め込み部品２６０の搭載作業後、作業者は、ボタン押下等の所定の再開操作を行う。この再開操作が行われることによって、制御部１２０は、造形の再開指令を発する。
【００３０】
制御部１２０が再開指令を発すると、制御部１２０の制御に従って、出力機構９０は中断信号の出力を停止する。これによって、造形が中断中であることを表す表示が消える。さらに、制御部１２０は、槽移動機構８０を制御して、造形槽４０を造形位置に戻す。これによって、三次元造形装置１０は、中断前の状態に復帰する。
【００３１】
ところで、造形の中断後、再開までに時間が経過し過ぎると、中断前に吐出した硬化液２２０Ｂが硬化してしまい、再開後に造形された部分との間で層間接着不良を起こす可能性が出てくる。層間接着不良が発生すると、造形の中断高さＨ１の水平面に沿って被造形物２４０が断裂する等の不具合が発生する虞がある。この層間接着不良を防止するために、本三次元造形装置１０は、中断時間が一定の時間を超えた場合には、中断前に硬化液２２０Ｂが吐出された領域に対して、再度硬化液２２０Ｂの吐出を行うようになっている。硬化液２２０Ｂの再吐出を行うかどうかは、中断時間が第４記憶部１０６に記憶されている時間情報において指定された再吐出時間を超えているかどうかで判断される。層間接着不良のリスクが高まる時間は硬化液２２０Ｂの種類等によって異なるため、再吐出時間は、造形１回ごとに指定できるのが望ましい。もしも中断時間が再吐出時間を超えている場合、制御部１２０は、硬化液吐出ヘッド２０ａおよび移動機構６０を制御して、中断前の最後の層、即ち、その時点での最上面の層において硬化液２２０Ｂを吐出した領域に、再度硬化液２２０Ｂを吐出させる。これによって、中断前に硬化液２２０Ｂを吐出された領域の表面状態は、次の層を造形するときには、連続で造形したのとほぼ同じ状態になり、層間接着不良のリスクは低減される。
【００３２】
さらに、ここに開示する三次元造形装置１０は、造形再開前に、造形槽４０に材料粉末２００を指定量だけ供給する機能を有する。先述したように、これは、中断時に除去機構７０が除去した材料粉末２００を補うものである。通常の材料供給においては、造形槽４０内に材料粉末２００の不足があることは想定されておらず、造形槽４０内は、材料粉末２００および被造形物２４０でぎっしり埋まっていると想定されている。しかし、造形の中断中に材料粉末２００が除去されたことで、埋め込み部品２６０を搭載しても、いくらかは造形槽４０内には隙間ができているはずである。材料供給をしたとき、供給された材料粉末２００の一部は、この隙間に落ちるが、隙間に落ちる材料粉末２００が多いと、材料粉末２００の層の一部が造形面Ｌｙよりも凹んでいるという事態になり得る。このような凹みがあると、造形品質に影響を与える虞がある。そこで、制御部１２０は、第５記憶部１０８に記憶された材料供給情報に基づき、材料供給機構５０に、指定された量の材料粉末２００を供給させる。その供給方法は、例えば、指定された供給回数に基づいて供給する方法である。１回の材料供給は、通常の造形時と同様であり、造形槽４０が一層の厚み分だけ下降し、材料槽５２が所定の高さだけ上昇し、材料槽５２上で溢れた材料粉末２００をローラー５６がならす。しかし、１回の材料供給だけでは造形槽４０上の造形面Ｌｙ上に凹みができるかも知れないので、指定された回数、例えば３回、材料供給を繰り返す。２回目の供給以降は、造形槽４０は下降しない。供給回数は、試作等によって決定すればよいが、１回限りの造形の場合はそうはいかないので、手動での追加供給も可能なようになっているとよい。その場合、材料供給の完了時点で、一時停止が掛かるとよい。手動での追加供給も含めて材料供給が完了すると、三次元造形装置１０は、中断高さＨ１よりも後の造形を再開する。その造形プロセスは、中断前と同じである。造形が最終的な被造形物２４０の高さＨ２まで完了すると、全プロセスが終了する。
【００３３】
図７に、造形開始から造形終了までに、制御部１２０が行う処理のフローチャートを示す。ステップＳ０１において、制御部１２０は、第１記憶部１００に記憶された形状情報に基づいて、造形を開始する。造形が進み、中断高さＨ１まで造形が終了すると、ステップＳ０２に入る。ステップＳ０２において、制御部１２０は、第２記憶部１０２に記憶された中断情報に基づき、造形を中断する。造形中断後、処理はステップＳ０３に入り、制御部１２０は、第３記憶部１０４に記憶された除去情報に基づいて、除去機構７０に、除去場所ＥＥにある材料粉末２００を除去させる。ステップＳ０４では、造形槽４０が槽移動機構８０によって作業位置に移動される。続いて、ステップＳ０５において、制御部１２０は、出力機構９０に、中断信号を出力させる。この後の埋め込み部品２６０の装着は、作業者による作業なので、三次元造形装置１０は関与しない。作業者は埋め込み部品２６０の装着完了後、ボタン押下等の予め定められた再開操作を行う。この再開操作によって、処理はステップＳ０６に入る。ステップＳ０６において、制御部１２０は、出力機構９０が出力していた中断信号を停止させる。さらに、ステップＳ０７において、造形槽４０を造形位置に移動させる。続いて、ステップＳ０８において、第４記憶部１０６に記憶された時間情報に基づき、必要ならば、硬化液２２０Ｂの再吐出を指令する。その後、ステップＳ０９において、第５記憶部１０８に記憶された材料供給情報に基づき、指定量の材料粉末２００を造形槽４０に供給する。そして、ステップＳ１０において造形を再開し、最後まで造形を終了したところで、全工程を終了する。
【００３４】
以上のようにして、本三次元造形装置１０は、内部に埋め込み部品２６０を埋め込んだ被造形物２４０を造形する。そのために、三次元造形装置１０は、造形槽４０内の材料粉末を除去する除去機構７０と、第１記憶部１００と、第２記憶部１０２と、第３記憶部１０４と、制御部１２０とを備えている。第１記憶部１００は、空洞２４２を有する被造形物２４０の形状が指定された形状情報を記憶するように設定されている。第２記憶部１０２は、第１記憶部１００に記憶された形状情報に基づき、被造形物２４０における造形を中断する高さＨ１が指定された中断情報を記憶するように設定されている。造形を中断する高さＨ１は、被造形物２４０に空洞２４２が形成される高さである。第３記憶部１０４は、第１記憶部１００に記憶された形状情報に基づき、被造形物２４０において材料粉末２００を除去する場所が指定された除去情報を記憶するように設定されている。被造形物２４０において材料粉末２００を除去する場所には、空洞２４２内が含まれている。制御部１２０は、第２記憶部１０２に記憶された中断情報に基づいて、造形を中断する高さＨ１まで造形が終了したとき、吐出ヘッド２０ａ〜２０ｄと材料供給機構５０と移動機構６０とに造形を停止させるように設定されている。また、制御部１２０は、第３記憶部１０４に記憶された除去情報に基づいて、除去機構７０に造形槽４０内の指定された場所ＥＥの材料粉末２００を除去させるように設定されている。
【００３５】
本願に係る三次元造形装置１０によれば、第２記憶部１０２に記憶された中断情報に基づいて被造形物２４０に空洞２４２が形成された時点で造形がいったん中断され、さらに、第３記憶部１０４に記憶された除去情報に基づいて空洞２４２を含む除去場所ＥＥの材料粉末２００が除去される。それにより、材料粉末２００の除去後の除去場所ＥＥに埋め込み部品２６０を装着することができ、内部に部品を埋め込んだ被造形物２４０を製作することができる。
【００３６】
除去機構７０は、移動機構６０に備えられた保持部６０ａに配置され、移動機構６０は、制御部１２０によって、除去情報に基づいて制御されてもよい。保持部６０ａは、移動機構６０によって造形槽４０上を水平移動できるので、除去機構７０は、自前の水平移動機構を持たなくても、造形槽４０上の目的の位置に移動することができる。
【００３７】
また、除去機構７０は、材料粉末２００を吸引する吸引部７２を備えていてもよい。吸引部７２によって、除去機構７０は、材料粉末２００を吸引して除去することができる。
【００３８】
あるいは、除去機構７０は、空気を送出するブロー部７４を備えていてもよい。ブロー部７４から送出される空気によって、除去機構７０は、材料粉末２００を吹き飛ばして除去することができる。
【００３９】
吸引部７２とブロー部７４のいずれを備えている場合にも、除去機構７０は、集塵管７６を備えていてもよい。集塵管７６は、一端が前記吸引部７２またはブロー部７４に接続され、他端が少なくとも上下方向に伸縮する。集塵管７６を上下方向に伸ばして除去場所ＥＥ内に送ることにより、除去機構７０は、除去場所ＥＥ内の材料粉末２００を選択的に除去することができる。
【００４０】
本三次元造形装置１０はさらに、造形槽４０を動かす槽移動機構８０を備え、制御部１２０は、造形中断後、槽移動機構８０によって、予め定められた動きに従って、造形槽４０を移動させるように設定されていてもよい。この移動によって、造形槽４０は造形位置から作業位置に移り、作業者は埋め込み部品２６０の搭載作業を行いやすくなる。
【００４１】
さらに、本三次元造形装置１０は、造形を中断中、中断信号を出力する出力機構９０を備え、制御部１２０は、出力機構９０に、中断信号を出力させるように設定されていてもよい。中断信号を出力することにより、埋め込み部品２６０の搭載作業のタイミングを作業者に知らせることができる。
【００４２】
制御部１２０は、予め定められた操作がされることにより、吐出ヘッド２０ａ〜２０ｄと、材料供給機構５０と、移動機構６０とに造形を再開させるように設定されていてもよい。この操作は、例えば、ボタン押下等の予め定められた操作である。
【００４３】
本三次元造形装置１０は、造形の中断がその時間を超えた場合、中断前に硬化液２２０Ｂが吐出された造形槽４０上の領域に対して再度硬化液２２０Ｂの吐出を行うべき再吐出時間を指定した時間情報を記憶するように設定された第４記憶部１０６を備えていてもよい。制御部１２０は、造形を再開する前に、第４記憶部１０６に記憶された時間情報に基づいて、硬化液吐出ヘッド２０ａに硬化液２２０Ｂを吐出させるように設定される。造形中断前に硬化液２２０Ｂが吐出された造形槽４０上の領域に対して、再度硬化液２２０Ｂを吐出することによって、層間接着不良を防止することができる。
【００４４】
さらに、本三次元造形装置１０は、造形を再開する前に造形槽４０に供給する材料粉末２００の量を指定した材料供給情報を記憶するように設定された第５記憶部１０８を備えていてもよい。制御部１２０は、造形を再開する前に、第５記憶部１０８に記憶された材料供給情報に基づいて、材料供給機構５０に、材料粉末２００を造形槽４０に供給させるように設定される。この材料供給により、除去機構７０が中断時に材料粉末２００を除去したために、材料粉末２００が造形槽４０内で不足するという事態を回避することができる。
【００４５】
以上のようにして、上述の実施形態に係る三次元造形装置１０は、被造形物２４０への埋め込み部品２６０の装着と再開操作以外の工程を自動で行い、内部に部品が埋め込まれた三次元造形物を造形することができる。しかし、以下に示す別の実施形態によれば、三次元造形装置は、埋め込み部品の装着と造形再開操作を含めた全工程を自動で行うことも可能である。以下、この全自動で埋め込み造形を行う三次元造形装置の実施形態について説明する。この別の実施形態の説明においても、同じ部材に対して使用する符号は、これまでと同じである。
【００４６】
本実施形態に係る三次元造形装置１０は、予め定められた部品２６０を造形槽４０内に供給する部品供給機構１４０と、造形槽４０内において予め定められた部品２６０が供給される部品供給位置を指定した部品供給情報を記憶する第６記憶部１１０と、を備えていてもよい。制御部１２０は、第６記憶部１１０に記憶された部品供給情報に基づいて、部品供給機構１４０に、部品供給位置に予め定められた部品２６０を供給させるように設定される。また、制御部１２０は、部品の供給が完了することにより、吐出ヘッド２０ａ〜２０ｄと材料供給機構５０と移動機構６０とに造形を再開させるように設定される。
【００４７】
図８は、全工程を自動で行う三次元造形装置１０の斜視図である。この実施形態によれば、三次元造形装置１０は、造形槽４０が中断中に移動される作業位置の横に部品供給機構１４０を備えている。部品供給機構１４０による埋め込み部品２６０の供給は、造形槽４０が作業位置に移動した後、作業位置で行われる。部品供給機構１４０は、例えば、ロボットアーム等である。ロボットアームは、埋め込み部品２６０を把持し、被造形物２４０の空洞２４２内に供給する。埋め込み部品２６０の把持手段は、例えば、マグネットによる吸着や、吸引による吸着等である。ロボットアームは、例えば、水平方向に伸縮するアーム１４２の先端に、上下に伸縮し水平に旋回する把持部１４４を備え、アーム１４２は回転軸１４６によって水平に旋回する構造を備える。これにより、把持部１４４の先端を、可動範囲内の任意の位置に届かせることができ、埋め込み部品２６０の向きも調整できる。ロボットアームが埋め込み部品２６０を供給する部品供給位置は、予め指定され、部品供給情報として第６記憶部１１０に記憶されている。こうして、部品供給機構１４０によって被造形物２４０内の空洞２４２に埋め込み部品２６０の搭載が完了すると、制御部１２０は、吐出ヘッド２０ａ〜２０ｄ、材料供給機構５０、移動機構６０等に対して造形再開を指令する。このようにして、本実施形態に係る三次元造形装置１０は、全工程自動で、内部に部品が埋め込まれた三次元造形物を造形することができる。このような三次元造形装置１０は、人手を介さないため、繰り返し生産を行う場合に有利である。
【００４８】
第６記憶部１１０も、単一の装置（例えば、三次元造形装置１０本体に組み込まれたユニット）に限られない。例えば、本体と接続された外部のコンピュータ等で、機能の一部または全部を担ってもよい。外部コンピュータ等は、データ等を送受信するインターフェイス（Ｉ／Ｆ）と、中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、ＣＰＵが実施する演算プログラムを格納するＲＯＭと、プログラムを展開するワーキングエリアとして使用されるＲＡＭと、各種データを格納する記憶装置とを備えているとよい。
【００４９】
以上に説明した三次元造形装置は、以下の三次元造形物の製造方法に基づいている。即ち、当該製造方法は、被造形物内に予め定められた部品が埋め込まれた三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法であって、以下の工程を備えるものである。まず、本製造方法は、造形槽内の材料粉末の層上を移動する吐出ヘッドによって前記材料粉末の層に少なくとも硬化液を吐出して硬化させ、予め定められた断面形状の層を下から積層して、前記予め定められた部品を装着する空洞を備えた前記被造形物の形状を造形する工程を備える。次に、前記予め定められた部品を装着する空洞が形成される予め定められた高さまで造形を行った後、造形を中断する工程を備える。さらに、少なくとも前記空洞内を含む前記造形槽内の予め定められた領域から前記材料粉末を除去する工程を備える。また、前記材料粉末の除去の後に前記空洞に前記予め定められた部品を装着する工程と、前記部品の装着の後に造形を再開する工程と、を備える。
【００５０】
上述した三次元造形物の製造方法によれば、内部に部品が埋め込まれた三次元造形物を製造することができる。
【００５１】
以上、内部に部品が埋め込まれた三次元造形物を製作できる三次元造形装置の実施の形態について説明した。当然ながら、ここに開示される三次元造形装置は、上記に説明された形態だけに限られるものではない。
【符号の説明】
【００５２】
１０  三次元造形装置
２０ａ〜２０ｄ  吐出ヘッド
４０  造形槽
５０  材料供給機構
６０  移動機構
７０  除去機構
８０  槽移動機構
９０  出力機構
１００  第１記憶部
１０２  第２記憶部
１０４  第３記憶部
１０６  第４記憶部
１０８  第５記憶部
１１０  第６記憶部
１２０  制御部
１４０  部品供給機構
２００  材料粉末
２４０  被造形物
２４２  空洞
２６０  埋め込み部品
【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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【図７】
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【図８】
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