(57)【要約】【課題】インクジェットヘッドを用いて立体造形物を所望の形状通りに造形することができる立体造形物の製造方法、立体造形物、および立体造形装置を提供する。【解決手段】立体造形装置は、水溶性ポリマーを含有した立体造形粉体を載置ベルト上に供給する（Ｓ２）。立体造形装置は、インクジェットヘッドから立体造形粉体に造形液を吐出することで、立体造形粉体が造形液に溶解することによって生じる生成物を有する層を生成する（Ｓ３）。層を積み重ねることで、所望の形状の立体造形物が造形される。造形液は、水の蒸発を抑制すると共に造形液を増粘させる増粘湿潤剤と、界面活性剤とを含有し、ｐＨ値が７以上９以下である。【選択図】図４
2011230421.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水溶性ポリマーを含有した立体造形粉体によって層を形成する層形成工程と、
前記層形成工程において形成された前記層に、水を溶媒とする造形液をインクジェットヘッドから吐出させることで、前記立体造形粉体が前記造形液に溶解することによって生じる生成物を有する層を生成する生成工程とを備える立体造形物の製造方法であって、
前記造形液は、前記水の蒸発を抑制すると共に前記造形液を増粘させる増粘湿潤剤と、界面活性剤とを含有し、ｐＨ値が７以上であって９以下であることを特徴とする立体造形物の製造方法。
【請求項２】
前記造形液に含有される前記増粘湿潤剤が、２価以上のアルコールであることを特徴とする請求項１に記載の立体造形物の製造方法。
【請求項３】
前記造形液が、前記増粘湿潤剤を２０重量％以上５０重量％以下含有することを特徴とする請求項２に記載の立体造形物の製造方法。
【請求項４】
水溶性ポリマーを含有した立体造形粉体と、水を溶媒とする造形液とから生成される生成物が層状に積層されることによって形成される立体造形物であって、
前記造形液は、前記水の蒸発を抑制すると共に前記造形液を増粘させる増粘湿潤剤と、界面活性剤とを含有し、ｐＨ値が７以上であって９以下であることを特徴とする立体造形物。
【請求項５】
水溶性ポリマーを含有した立体造形粉体を載置する載置台と、
水を溶媒として、前記水の蒸発を抑制すると共に液体を増粘させる増粘湿潤剤、および界面活性剤を含有し、ｐＨ値が７以上であって９以下である造形液を吐出可能なインクジェットヘッド部と、
前記インクジェットヘッド部と前記載置台に載置された前記立体造形粉体との相対位置を移動させる移動機構と、
前記移動機構を動作させることで、前記載置台に載置された前記立体造形粉体と前記インクジェットヘッド部との間の、前記載置台に垂直な方向の距離を調整する距離制御手段と、
前記載置台に載置された前記立体造形粉体の特定の範囲に前記造形液が吐出されるように、前記インクジェットヘッド部が前記造形液を吐出する動作、および前記移動機構が前記載置台に平行な方向における前記相対位置を移動させる動作を制御する吐出制御手段と
を備えたことを特徴とする立体造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、造形液と立体造形粉体とを混合して固化することで造形される立体造形物の製造方法、立体造形物、および立体造形物を製造するための立体造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、立体造形粉体と造形液とを混合して固化することにより、立体造形物を造形する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の粉体は、接着剤と、充填剤と、繊維とを含む。造形液は、水を溶媒とする。平坦に配置された粉体に、インクジェットヘッドから造形液が滴下されて造形液と粉体とが混合すると、粉体に含まれる接着剤が溶解する。溶解した接着剤同士が結合し、層が生成される。上記処理が繰り返されて層が重ねられることで、作業者が所望する形状の立体造形物が造形される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３６０７３００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１が開示している従来の造形液は、立体造形粉体との適合性が悪い場合があった。例えば、従来の造形液はｐＨ値について考慮されておらず、立体造形粉体の分解を促進する等の問題が生じていた。造形液と立体造形粉体との適合性が悪いと、所望の形状の立体造形物を造形することができないという問題点があった。
【０００５】
本発明は、インクジェットヘッドを用いて立体造形物を所望の形状通りに造形することができる立体造形物の製造方法、立体造形物、および立体造形装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第一の態様に係る立体造形物の製造方法は、水溶性ポリマーを含有した立体造形粉体によって層を形成する層形成工程と、前記層形成工程において形成された前記層に、水を溶媒とする造形液をインクジェットヘッドから吐出させることで、前記立体造形粉体が前記造形液に溶解することによって生じる生成物を有する層を生成する生成工程とを備える立体造形物の製造方法であって、前記造形液は、前記水の蒸発を抑制すると共に前記造形液を増粘させる増粘湿潤剤と、界面活性剤とを含有し、ｐＨ値が７以上であって９以下であることを特徴とする。
【０００７】
第一の態様に係る立体造形物の製造方法では、造形液が弱アルカリ性であるため、立体造形粉体に含有されている水溶性ポリマーが活性化される。よって、立体造形粉体と造形液とによって生成される生成物が得られやすい。また、水溶性ポリマーの加水分解が促進されることも防止される。よって、第一の態様に係る立体造形物の製造方法によると、インクジェットヘッドを用いて立体造形物を所望の形状に造形することができる。
【０００８】
前記造形液に含有される前記増粘湿潤剤は、２価以上のアルコールであってもよい。増粘湿潤剤として２価以上のアルコールを用いることで、容易に水の蒸発を抑制し、且つ造形液を増粘させることができる。その結果、インクジェットヘッドで造形液が乾燥して詰まりが生じることを防止し、且つ、造形液をインクジェットヘッドから精度良く立体造形粉体に吐出させることができる。前記造形液は、前記増粘湿潤剤を２０重量％以上５０重量％以下含有してもよい。この場合、造形液の粘度を適切な値とすることができる。さらに、水の蒸発が適切に抑制される。
【０００９】
本発明の第二の態様に係る立体造形物は、水溶性ポリマーを含有した立体造形粉体と、水を溶媒とする造形液とから生成される生成物が層状に積層されることによって形成される立体造形物であって、前記造形液は、前記水の蒸発を抑制すると共に前記造形液を増粘させる増粘湿潤剤と、界面活性剤とを含有し、ｐＨ値が７以上であって９以下であることを特徴とする。
【００１０】
第二の態様に係る立体造形物は、原料である造形液が弱アルカリ性である。従って、造形液と立体造形粉体とが混合された際に、立体造形粉体に含有されている水溶性ポリマーが活性化されるので、立体造形粉体と造形液との生成物が得られやすい。また、水溶性ポリマーの加水分解が促進されることも防止される。
【００１１】
本発明の第三の態様に係る立体造形装置は、水溶性ポリマーを含有した立体造形粉体を載置する載置台と、水を溶媒として、前記水の蒸発を抑制すると共に液体を増粘させる増粘湿潤剤、および界面活性剤を含有し、ｐＨ値が７以上であって９以下である造形液を吐出可能なインクジェットヘッド部と、前記インクジェットヘッド部と前記載置台に載置された前記立体造形粉体との相対位置を移動させる移動機構と、前記移動機構を動作させることで、前記載置台に載置された前記立体造形粉体と前記インクジェットヘッド部との間の、前記載置台に垂直な方向の距離を調整する距離制御手段と、前記載置台に載置された前記立体造形粉体の特定の範囲に前記造形液が吐出されるように、前記インクジェットヘッド部が前記造形液を吐出する動作、および前記移動機構が前記載置台に平行な方向における前記相対位置を移動させる動作を制御する吐出制御手段とを備えている。
【００１２】
立体造形装置が吐出する造形液は、弱アルカリ性である。従って、造形液と立体造形粉体とが混合された際に、立体造形粉体に含有されている水溶性ポリマーが活性化されるので、立体造形粉体と造形液との生成物が得られやすい。また、水溶性ポリマーの加水分解が促進されることも防止される。よって、第三の態様に係る立体造形装置によると、インクジェットヘッドを用いて立体造形物を所望の形状に造形することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】立体造形装置１を右斜め上方から見た斜視図である。
【図２】図１におけるＩ−Ｉ線矢視方向断面図である。
【図３】立体造形装置１の電気的構成を示すブロック図である。
【図４】立体造形装置１が実行する造形処理のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を具現化した実施の形態の一例について、図面を参照して説明する。参照する図面は、本発明が採用し得る技術的特徴を説明するために用いられるものである。図面に記載されている装置の構成等は、それのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例である。
【００１５】
造形液および立体造形粉体の用途について、概略的に説明する。造形液および立体造形粉体は、立体造形物を造形するための材料である。水溶性ポリマーを含有した立体造形粉体に造形液を滴下し、立体造形粉体を造形液に溶解させて固化させることによって、立体造形物を造形することができる。
【００１６】
特に、本実施の形態に係る造形液は、立体造形装置１（図１から図３参照）のインクジェットヘッド部５から吐出させることに適している。作業者は、平坦に配置した立体造形粉体の層に、立体造形装置１を用いて造形液を滴下することで、所望の形状の固形物の層を容易に得ることができる。１つの固形物の層を形成する処理が終了すると、形成した固形物の層の上面に、立体造形粉体の層をさらに重ねて形成する。立体造形装置１を用いて再び造形液を滴下し、固形物の層を重ねる。以上の処理が繰り返されて層が重ねられることで、作業者が所望する形状の立体造形物が造形される。
【００１７】
図１および図２を参照して、立体造形物の製造に用いられる立体造形装置１の機械的構成について説明する。図１の左下側を立体造形装置１の正面側とし、図１の右上側を立体造形装置１の背面側とする。図１の右側を立体造形装置１の右側とし、図１の左側を立体造形装置１の左側とする。
【００１８】
図１に示すように、立体造形装置１は、直方体状の基部２を備える。基部２は、立体造形装置１の全体を支持し、且つ搬送部２０等の各種機構を備える。基部２の上部背面側には、箱状の印刷部３が設けられている。印刷部３の右端には、造形液を収納する４つのカートリッジ４が配置される。カートリッジ４の内部には、造形液を封入して脱気された密封パックが収容されている。密封パックは造形液の使用量に応じて収縮し、密封パック内に気体が混入することがないため、気泡は生じない。よって、立体造形装置１は、確実に造形液を吐出することができる。カートリッジ４の各々は、インクジェットヘッド部５（図２参照）が備える４つのインクジェットヘッドの各々にチューブ６によって接続し、各インクジェットヘッドに造形液を供給する。印刷部３の正面壁部７の下部には、矩形の開口８が形成されている。
【００１９】
基部２は、上部中央に搬送部２０を備える。搬送部２０は、立体造形粉体２５が載置される幅広のタイミングベルトである載置ベルト２１を備える。基部２の正面左側には、作業者からの種々の入力を受け付ける操作部２８が設けられる。基部２の右側面の背面側端部には、立体造形装置１と外部機器（例えば、パーソナルコンピュータ）とを接続するための外部Ｉ／Ｆ２９が設けられる。
【００２０】
図２に示すように、印刷部３の内部には、インクジェットヘッド部５が設けられる。インクジェットヘッド部５は、４つのインクジェットヘッドを左右方向に並べて保持する。インクジェットヘッド部５には、左右方向に延びるガイドシャフト９が貫通している。さらに、インクジェットヘッド部５にはタイミングベルト１０が接続している。立体造形装置１は、ステップモータであるヘッド用モータ３５（図３参照）によってタイミングベルト１０を回転させることで、インクジェットヘッド部５をガイドシャフト９に沿って左右方向に移動させつつ、載置ベルト２１に載置された立体造形粉体２５に造形液を吐出させることができる。
【００２１】
印刷部３の内部の左端には、インクジェットヘッド吸引部１２が設けられる。インクジェットヘッド吸引部１２は、４つのキャップ（図示せず）を備えており、上下方向に昇降することができる。インクジェットヘッド部５がガイドシャフト９に沿って左端に移動すると、インクジェットヘッド吸引部１２が上昇する。４つのキャップの各々が、インクジェットヘッド部５に設けられた４つのインクジェットヘッドの各々の下部に密着し、インクジェットヘッド内部の造形液を吸引する。その結果、造形液は、インクジェットヘッドの下端のノズル（図示せず）に到達する。造形液がノズルに到達すると、立体造形装置１は、造形液を円滑に吐出できる状態となる。さらに、立体造形装置１は、造形液の吐出を行わない間、インクジェットヘッド吸引部１２のキャップをインクジェットヘッドに密着させる。従って、立体造形装置１は、立体造形粉体２５を載置ベルト２１上に載置する際に、立体造形粉体２５がインクジェットヘッドに付着することを防止することができる。
【００２２】
搬送部２０は、左右方向を回転軸の伸長方向とする２つのプーリ２２，２３を備える。立体造形粉体２５が載置される載置ベルト２１は、左右方向に所定の幅を有する。ステップモータである載置ベルト用モータ４１（図３参照）によって２つのプーリ２２，２３が回転することで、載置ベルト２１は前後方向に回転する。載置ベルト２１は、基部２の先端部から後端部まで延びる。従って、載置ベルト２１に載置された立体造形粉体２５は、開口８を通って印刷部３の内部と外部との間を移動できる。立体造形粉体２５は、印刷部３の外部で載置ベルト２１に載置される。立体造形装置１は、立体造形粉体２５が載置ベルト２１上に載置される際に、飛散した立体造形粉体２５の印刷部３内部への侵入を、印刷部３の正面壁部７によって防ぐことができる。
【００２３】
さらに、搬送部２０は、載置ベルト２１を上下方向に昇降させる昇降機構４２（図３参照）を備える。立体造形装置１は、立体造形物の層が重ねられる毎に載置ベルト２１を下方に移動させることで、立体造形物および立体造形粉体２５の上面とインクジェットヘッド部５との間の距離を一定に保つことができる。よって、立体造形装置１は、より正確な位置に造形液を吐出することができる。なお、基部２の内部の背面側下部には、立体造形装置１の動作を制御する制御部３０が設けられる。
【００２４】
図３を参照して、立体造形装置１の電気的構成について説明する。立体造形装置１は、制御部３０、印刷部３、搬送部２０、操作部２８、および外部Ｉ／Ｆ２９を備える。各部は、バス４５によって電気的に接続される。
【００２５】
制御部３０は、ＣＰＵ３１、ＲＡＭ３２、およびＲＯＭ３３を備える。ＣＰＵ３１は、立体造形装置１の制御を司る。ＲＡＭ３２は、制御プログラムで使用される各種の情報を一時的に記憶する。ＲＯＭ３３は、立体造形装置１を動作させるためのプログラムおよび初期値等を記憶している。
【００２６】
印刷部３は、インクジェットヘッド部５、ヘッド用モータ３５、吐出制御回路３６、および吸引制御機構３７を備える。ステップモータであるヘッド用モータ３５は、ＣＰＵ３１からの信号に従って回転することでタイミングベルト１０（図２参照）を回転させて、インクジェットヘッド部５を左右方向に移動させる。吐出制御回路３６は、ＣＰＵ３１からの信号に従って、インクジェットヘッド部５が備える各インクジェットヘッドからの造形液の吐出を制御する。吸引制御機構３７は、ＣＰＵ３１からの信号に従って、インクジェットヘッド吸引部１２の昇降動作、およびインクジェットヘッド内部の造形液の吸引動作を制御する。
【００２７】
搬送部２０は、載置ベルト用モータ４１および昇降機構４２を備える。ステップモータである載置ベルト用モータ４１は、ＣＰＵ３１からの信号に従って回転することで載置ベルト２１を回転させて、立体造形粉体２５を搬送する。昇降機構４２は、載置ベルト２１を昇降させて、立体造形粉体２５の上面とインクジェットヘッド部５との間の上下方向の距離を調整する。
【００２８】
なお、図示しないが、立体造形装置１は、立体造形粉体を計量する計量機構と、計量機構によって計量された立体造形粉体が投入されるふるいと、ふるいを振動させる振動機構とを備える。立体造形装置１は、計量機構、ふるい、および振動機構によって、一定量の立体造形粉体を均一に載置ベルト２１上にふるい落とすことができる。また、立体造形装置１は、載置ベルト２１の上方に、載置ベルト２１と平行にスキージ（図示外）を備える。立体造形装置１は、昇降機構４２によって載置ベルト２１の上下方向の位置を調整し、載置ベルト２１を回転させることで、立体造形粉体の上面をスキージに接触させて、粉体上面を平坦化させることができる。スキージの材質は、ステンレス、アルミニウム等の錆び難い金属、または紙が望ましい。また、静電気が生じ難い材質のスキージを用いることで、静電気の影響等によって粉体の上面が荒れることを防止することができる。
【００２９】
図４を参照して、立体造形装置１を用いた立体造形物の造形手順（製造方法）について説明する。作業者は、あらかじめカートリッジ４内に造形液を詰めて、立体造形装置１に配置する。次いで、インクジェットヘッド吸引部１２によって、カートリッジ４内の造形液をインクジェットヘッドのノズルまで導入させる。さらに、作業者は、造形する立体造形物の三次元データから、固形物の層の厚み毎に、立体造形物の断面データをパーソナルコンピュータ等に生成させる。以上の処理を行った後、造形処理の開始指示を立体造形装置１の操作部２８に入力すると、立体造形装置１のＣＰＵ３１は、図４に示す造形処理を実行する。
【００３０】
まず、立体造形装置１は、立体造形物の断面データをパーソナルコンピュータ等から取得する（Ｓ１）。計量機構および振動機構を動作させて、載置ベルト２１上に敷かれた載置媒体（例えば、布、プラスチックシート、アルミ箔等）の上に、立体造形粉体を供給する（Ｓ２）。なお、本実施の形態に係る立体造形装置１は、立体造形粉体の供給が終了すると、載置ベルト２１を回転させて立体造形粉体の上面をスキージに接触させることで、立体造形粉体を所定の厚みで平坦化させる。
【００３１】
次いで、立体造形装置１は、造形する立体造形物についての１または複数の断面データのうち、最下層の断面データに基づいて、ヘッド用モータ３５および載置ベルト用モータ４１を駆動して立体造形粉体を移動させながら造形液を吐出する（Ｓ３）。その結果、造形液に立体造形粉体が溶解して生成物が生じ、この生成物を含む固形物の層が生成される。生成された層は、立体造形物の最下層となる。ここで、立体造形装置１は、同一箇所に造形液を複数回吐出してもよい。具体的には、立体造形装置１は、固形物の層の厚みに応じて吐出回数を変えてもよい。また、立体造形装置１は、周囲に吐出される造形液の量が少ない箇所には、より多くの造形液を吐出することが望ましい。この場合、立体造形装置１は、細い線、点等の細かい形状の造形物も確実に造形することができる。
【００３２】
１または複数の固形物の層のうち、最も上面の層の造形が終了していなければ（Ｓ４：ＮＯ）、立体造形装置１は、１つの層の厚み分だけ載置ベルト２１を降下させる（Ｓ５）。立体造形装置１は、既に造形された固形物の層の上面に立体造形粉体を供給する（Ｓ２）。立体造形装置１は、前回造形した層よりも１つ上の層の断面データに基づいて、造形液を吐出する（Ｓ３）。Ｓ２〜Ｓ５の手順が繰り返されることで、三次元データによって示される形状の立体造形物が、下の層から順に造形されていく。なお、造形される固形物の層は１つでもよい。つまり、層を積み重ねなくてもよい。
【００３３】
最も上面の層の造形が終了すると（Ｓ４：ＹＥＳ）、立体造形装置１は、造形された固形物の上面に再び立体造形粉体を供給する（Ｓ６）。その結果、立体造形物の最上面の造形の精度が向上し、且つ余分な粉体を除去し易くなる。以上により、造形処理は終了する。その後、作業者は、粉体中から立体造形物を取り出す。集塵機で粉塵を吸引しながら、エアガンで余分な粉体を吹き飛ばし、除去する。以上の手順によって、１つの立体造形物の造形が完了する。
【００３４】
次に、造形液の組成について説明する。造形液は、水を溶媒として、増粘湿潤剤、および界面活性剤を含有する。さらに、造形液はｐＨ調整剤を含有し、ｐＨ値が７以上９以下となっている。本実施の形態に係る造形液は、無色透明であり、一般的な印刷用のインクとは異なる。以下、各成分について詳述する。
【００３５】
増粘湿潤剤について説明する。増粘湿潤剤は、造形液の粘度を上昇させると共に、溶媒である水の蒸発を抑制するものである。インクジェットヘッドの特性（ヘッドの構成、駆動電圧、および周波数等）が、吐出する液体の特性に合わないと、インクジェットヘッドは、液体を正確に吐出することが困難である。特に、ピエゾ式のインクジェットヘッドは吐出力が弱いため、造形液の粘度をインクジェットヘッドの特性に合わせる必要性が高い。造形液は、増粘湿潤剤によって増粘されることで、インクジェットヘッドによって精度良く吐出される。また、溶媒である水の蒸発が早ければ、造形液がインクジェットヘッドにおいて固化しやすくなるため、インクジェットヘッドは目詰まりを起こしやすくなる。造形液は、増粘湿潤剤によって水の蒸発を抑制されることで、インクジェットヘッドを詰まり難くすることができる。従って、増粘湿潤剤を含有する造形液は、インクジェットヘッドによる吐出に適している。さらに、造形液が増粘湿潤剤を含有しなければ、水の蒸発によって立体造形物が収縮する。その結果、布等の載置媒体に張り付いている部分に比べて、載置媒体との間の距離が大きい部分の収縮率が大きくなり、作業者が所望する形状の立体造形物が造形されない。造形液は、増粘湿潤剤を含有することで立体造形物の収縮を抑制し、精度良く立体造形物を造形することができる。また、造形液が増粘湿潤剤を含有すると、立体造形物の弾力性が向上する。
【００３６】
増粘湿潤剤には種々の物質を用いることができるが、２価以上のアルコールを用いることが好ましい。具体的には、グリセリン、ジエチレングリコール、およびポリエチレングリコール等の２価以上のアルコールのうちの１種以上を、増粘湿潤剤として用いるのが好ましい。特に、グリセリン、およびジエチレングリコールの少なくともいずれかを増粘湿潤剤として用いるのがさらに好ましい。グリセリン、およびジエチレングリコールは、蒸気圧が低いため、水の蒸発を抑制する効果（所謂湿潤効果）を効率良く得ることができる。さらに、グリセリン、およびジエチレングリコールは、毒性が低いため、作業者は安全に造形液を取り扱うことができる。グリセリン、およびジエチレングリコールは、塩化ビニル樹脂、およびポリスチレン等の汎用樹脂と共に用いることも可能であるため、立体造形装置１等の材料が制約されることもない。
【００３７】
重合度の高いポリエチレングリコール（例えば、ポリエチレングリコール６００）は、融点が約２０℃であるため、温度環境に応じて固体となる場合と液体となる場合とがある。従って、重合度の高いポリエチレングリコールは、取り扱いが困難であり、低温条件で析出する可能性もある。よって、ポリエチレングリコールを増粘湿潤剤として造形液に含有させる場合には、重合度の低いもの（例えば、ポリエチレングリコール２００）を用いることが望ましい。少量のポリエチレングリコールを含有させるだけで、造形液を容易に増粘させることができる。
【００３８】
また、増粘湿潤剤として、２Ｐ＝２−ピロリドン、ＮＭＰ＝Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ＤＭＩ＝１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン等を用いることも可能である。つまり、２０℃での蒸気圧が１ｈＰａ以下であり、且つ水と自由に混和する有機溶剤を、増粘湿潤剤として用いることができる。
【００３９】
増粘湿潤剤の含有量は、２価以上のアルコールを増粘湿潤剤として用いる場合、造形液全体に対して２０重量％以上５０重量％以下であることが望ましい。２価以上のアルコールの含有量を２０重量％以上とすることで、容易に水の蒸発を抑制し、且つ造形液を増粘させることができる。含有量を５０重量％以下とすることで、水の蒸発が過度に抑制されて造形物の硬度が著しく低下することを防止することができる。
【００４０】
なお、インクジェットヘッドを用いた印刷に用いられる印刷用インクの粘度は、一般的には約２．５ｍＰａ・ｓ以上である。従って、増粘湿潤剤によって造形液の粘度を約２．５ｍＰａ・ｓ以上とすれば、印刷用のインクジェットヘッドを用いても、印刷用インクと同様に精度良く造形液を吐出させることができる。
【００４１】
ｐＨ調整剤について説明する。ｐＨ調整剤は、造形液のｐＨ値を調整するために用いられる。造形液が酸性にならなければ、インクジェットヘッドに錆びが生じ難くなる。具体的には、造形液のｐＨ値は７以上であることが望ましい。また、造形液が過度のアルカリ性にならなければ、作業者は造形液を安全に取り扱うことができる。特に、加水分解する水溶性ポリマー（例えば、ポリビニルアルコール）を立体造形粉体に含有させる場合には、ｐＨ値を調整することで、造形液が過度のアルカリ性になって加水分解が促進されることを防止することができる。よって、加水分解によって立体造形物の硬度が低下することを防止することができる。さらに、造形液が弱アルカリ性であれば、立体造形粉体に含有されている水溶性ポリマーが活性化されるので、立体造形粉体と造形液とによって生成される生成物が得られやすい。よって、立体造形物が円滑に造形される。以上より、造形液のｐＨ値は、７以上９以下であることが望ましい。なお、ｐＨ調整剤には種々の物質を用いることができる。特に、毒性が少ないアミン類をｐＨ調整剤として用いるのが望ましい。例えば、トリエタノールアミン（２，２´，２´´−ニトリロトリエタノール）をｐＨ調整剤として使用できる。
【００４２】
界面活性剤について説明する。界面活性剤は、造形液の表面張力を減少させるために含有される。表面張力が大きい液体をインクジェットヘッドに精度良く吐出させることは困難である。界面活性剤を含有する造形液は、界面活性剤を含有しない造形液に比べて表面張力が小さいため、より精度良くインクジェットヘッドから吐出させることができる。さらに、造形液の表面張力が低ければ、表面張力が高い場合に比べて容易に造形液が立体造形粉体に浸透する。よって、作業者は円滑に造形工程を進行させることができる。
【００４３】
次に、立体造形粉体の組成について説明する。立体造形粉体は、水溶性ポリマーを含有する。好適な水溶性ポリマーとしてポリビニルアルコールが挙げられるが、その他にも、ポリエチレングリコール、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリビニルピロリドン、ポリアクリル酸ナトリウムとマレイン酸とのコポリマー、ポリビニルピロリドンと酢酸ビニルとのコポリマー等が挙げられる。特に、部分けん化型のポリビニルアルコールを水溶性ポリマーとして用いることで、造形された固形物の層を反り返り難くすることができる。立体造形粉体は、接着力を有さないフィラー（充填剤）を含有することが望ましい。立体造形粉体にフィラーを含有させることで、水の蒸発による立体造形物の収縮を抑制することができるため、作業者が所望する形状の立体造形物が精度良く造形される。フィラーは、無機物でも有機物でもよい。フィラーは、撥水性がないことが望ましい。撥水性がないフィラーを立体造形粉体に含有させることで、造形液が立体造形粉体にはじかれ難くなる。その結果、作業者は円滑に立体造形物を造形することができる。例えば、炭酸カルシウム、ポリエチレンテレフタレート、ポリエステル、タルク、ＥＶＡ（エチレン・酢酸ビニル共重合樹脂）等、粉の状態で撥水性が低い材質をフィラーとして用いるとよい。
【００４４】
以上説明した造形液および造形手順によって得られる効果を確認するために、実施例１〜３に示す試験を行った。以下、実施例１〜３について説明する。
［実施例１］
造形液に含まれる各物質の含有量と、粘度、表面張力、およびｐＨとの関係を確認するための試験を行った。この試験では、増粘湿潤剤、ｐＨ調整剤、および界面活性剤の含有量を調整した複数の造形液Ａ〜Ｊを作製し、作製した造形液の粘度（単位：ｍＰａ・ｓ）、表面張力（ｍＮ／ｍ）、およびｐＨを測定した。増粘湿潤剤にはグリセリン（関東化学株式会社製特級）を用いた。ｐＨ調整剤にはトリエタノールアミン（関東化学株式会社製特級）を用いた。界面活性剤にはイノゲンＸＬ−７０（非イオン界面活性剤、第一工業製薬株式会社製）を用いた。測定結果を表１に示す。かっこ内に示す数値は、測定時の温度である。
【００４５】
【表１】
2011230421.tif 000003
【００４６】
前述したように、造形液は、増粘湿潤剤を含有することで粘度が上昇するため、増粘湿潤剤を含有しない場合に比べてインクジェットヘッドによる吐出に適したものとなる。さらに、インクジェットヘッドを用いた印刷に用いられる印刷用インクの粘度は、一般的には約２．５ｍＰａ・ｓ以上である。従って、造形液の粘度を約２．５ｍＰａ・ｓ以上とすれば、印刷用のインクジェットヘッドを用いても、印刷用インクと同様に精度良く造形液を吐出させることができる。表１に示すように、グリセリンを１０重量％含有する造形液Ａの粘度は１．７６ｍＰａ・ｓであった。グリセリンの含有量が２０重量％以上５０重量％以下である造形液Ｂ〜Ｊの粘度は、いずれも２．５０ｍＰａ・ｓ以上であった。よって、増粘湿潤剤であるグリセリンの含有量は、２０重量％以上５０重量％以下であることがより望ましいことが分かる。
【００４７】
造形液の表面張力は、界面活性剤であるイノゲンＸＬ−７０の含有量が０．２重量％である場合、純水よりも十分に低い数値（約３０ｍＮ／ｍ）となった。その結果、造形液Ａ〜Ｊは、インクジェットヘッドによる吐出に適したものとなった。なお、インクジェットヘッドを用いた印刷に用いられる印刷用インクの表面張力は、インクを紙等の印刷媒体に滲みこませるために、低い数値（約３０ｍＮ／ｍ）に調整されている。従って、造形液Ａ〜Ｊは、印刷用のインクジェットヘッドを用いた場合にも正確に吐出される。
【００４８】
また、造形液Ｄ〜Ｇ，Ｉ，ＪのｐＨ値はいずれも７以上であるため、インクジェットヘッド等に用いられている金属製部材は錆び難い。さらに、造形液Ｆ，Ｇ，ＪのｐＨ値は９以下（弱アルカリ性）であるため、立体造形粉体に含有されている水溶性ポリマーが活性化されて生成物が得られやすくなり、ポリビニルアルコールの加水分解等の不具合が生じる可能性も低い。よって、実施例１では、ｐＨ調整剤であるトリエタノールアミンの望ましい含有量は、０．０２重量％以下である。
【００４９】
［実施例２］
造形液が増粘湿潤剤を含有することによって、水が乾燥する際の立体造形物の収縮が抑制されることについて、確認試験を行った。この試験では、３種類の造形液のそれぞれを同一の立体造形粉体に滴下し、同一形状の立体造形物を造形した。次いで、水が乾燥して固化した立体造形物の寸法を計測した。造形した立体造形物は、手前の壁、左の壁、および右の壁によって形成される筒体（三角筒）である。各壁部の上辺および下辺の長さの目標値を２０．００ｍｍ、各壁部の厚みの目標値を２．０ｍｍ、各壁部の高さ（筒体の高さ）の目標値を１０．０ｍｍとした。
【００５０】
３種類の造形液は、比較例としての純水、および造形液Ｇ，Ｊ（実施例１参照）である。立体造形粉体は、ポリビニルアルコール（株式会社クラレ製、製品名「クラレポバール」）であり、けん化度は８７〜８９ｍｏｌ％、グレードは２２４Ｓ、重合度は２４００である。造形手順は、図４に示した手順である。詳細には、立体造形粉体を載置する載置媒体にはプラスチックシートを用いた。立体造形粉体を供給するために用いたふるいの開口径は４２５μｍであった。立体造形粉体の１つの層の厚みを０．３ｍｍとした。造形液は、１つの層の造形において、同一箇所に３回繰り返し吐出させた。各寸法は、立体造形粉体への造形液の吐出を行った日の翌日に測定した。寸法の計測結果を表２に示す。
【００５１】
【表２】
2011230421.tif 000004
【００５２】
表２に示すように、純水を造形液として用いた場合には、下辺の長さに比べて上辺の長さが短い。純水を造形液として用いた場合、増粘湿潤剤を造形液に含有させる場合に比べて水の蒸発量が多い。従って、水の蒸発に伴って各壁部は収縮する。各壁部の下部は、プラスチックシートに付着するため、上部に比べて収縮量が小さい。よって、各壁部が収縮すると、上辺の長さは下辺の長さよりも短くなる。一方、増粘湿潤剤を含有した造形液Ｇ，Ｊを用いた場合、各壁部の下辺の長さと上辺の長さとの誤差はほぼ無い。以上より、造形液が増粘湿潤剤を含有することによって、立体造形物の収縮が抑制されることが確認できた。
【００５３】
なお、造形液Ｇを用いて造形した立体造形物の硬度を、造形３日後にデュロメータで測定した。測定結果は４３であった。さらに、造形液Ｇを用いて造形した立体造形物に、綿棒を用いて水を塗布し、造形３日後の立体造形物の硬度をデュロメータで測定した。測定結果は４９であった。いずれの場合も、使用したデュロメータは株式会社テクロック製ＧＳ−７０１Ｎであり、ＪＩＳ  Ｓ６０５０に則っている。以上より、造形後の立体造形物に水を塗布することで、立体造形物の硬度が上がることが分かった。
【００５４】
［実施例３］
造形液のｐＨ値と立体造形物の硬度との関係を確認するための試験を行った。この試験では、まず、角型ケース（８７ｍｍ×５７ｍｍ×１９ｍｍ）を３つ用意し、３つの角型ケースのそれぞれに、立体造形粉体を２ｇずつ平坦に敷き詰めた。使用した立体造形粉体は、実施例２と同様に、グレードが２２４Ｓのクラレポバールである。次いで、角型ケースに敷き詰めた立体造形粉体に、３種類の造形液のうちの１つを２．８ｇ滴下し、全体に染み渡らせた。以上の手順を繰り返すことで固形物の層を積み重ねて、厚さ約４ｍｍの平板状の立体造形物を造形した。１５時間後に、各立体造形物の３箇所の硬度を、デュロメータで測定した。使用したデュロメータは、実施例２で使用したデュロメータと同一である。使用した造形液は、造形液Ｄ，Ｇ（実施例１参照）、および造形液Ｋである。造形液Ｋは、ｐＨ調整剤であるトリエタノールアミンを含有していない点のみが、造形液Ｇとは異なる。測定結果を表３に示す。
【００５５】
【表３】
2011230421.tif 000005
【００５６】
グリセリンは、ポリビニルアルコールの可塑剤として働く。造形液Ｄは、可塑剤として働くグリセリンの含有量が、造形液Ｇ，Ｋよりも少ない。しかし、表３に示すように、造形液Ｄによって造形された立体造形物の硬度は、造形液Ｇ，Ｋによって造形された立体造形物の硬度に比べて明らかに低い。ｐＨ値が９．８５である造形液Ｄが、ポリビニルアルコールを加水分解した結果、立体造形物の硬度が低下したことが原因と考えられる。表３に示す結果より、造形液の望ましいｐＨ値は９以下であることが分かる。また、造形液Ｋは酸性であるため、錆びが生じ易い。よって、造形液Ｄ，Ｇ，Ｋのうち、立体造形に用いるのが最も望ましい造形液は、ｐＨ値が７以上９以下の範囲にある造形液Ｇである。
【００５７】
上記実施の形態において、図４のＳ２で立体造形粉体を載置ベルト２１に供給して層を形成する工程が、本発明の「層形成工程」に相当する。図４のＳ３で造形液を吐出する工程が「生成工程」に相当する。載置ベルト２１が本発明の「載置台」に相当する。搬送部２０、および印刷部３のガイドシャフト９、タイミングベルト１０、ヘッド用モータ３５が、本発明の「移動機構」に相当する。図４のＳ５で載置ベルト２１を降下させる制御を行うＣＰＵ３１が、本発明の「距離制御手段」として機能する。図４のＳ３で載置ベルト２１上の立体造形粉体を移動させながら造形液を吐出させる制御を行うＣＰＵ３１が、本発明の「吐出制御手段」として機能する。
【００５８】
本発明は上記実施の形態に限定されることはなく、様々な変形が可能であることは言うまでもない。例えば、図４を参照して説明した造形手順は適宜変更できる。より具体的には、最上層の造形の終了後に、立体造形粉体の供給（Ｓ６）を行うことなく、粉体を除去してもよい。造形液は、増粘湿潤剤、界面活性剤、およびｐＨ調整剤以外の物質を含有してもよい。上記実施例１で作製した造形液Ａ〜Ｊは、全てｐＨ調整剤を含有している。しかし、造形液は、ｐＨ調整剤を含有しない状態で望ましいｐＨ値（例えば、７以上９以下）となるのであれば、ｐＨ調整剤を含有しなくてもよい。
【００５９】
立体造形粉体を載置ベルト２１に供給する処理は、作業者自身が行ってもよい。この場合、望ましくは、作業者は、立体造形粉体の厚みを調整するための冶具を載置ベルト２１上に配置する。例えば、作業者は、１段毎の高さが所定距離（例えば、２ｍｍ）である階段状の２つの冶具を、段部が向かい合うように対称に配置するとよい。この場合、作業者は、後述する平坦化の工程において、スキージを２つの冶具の所定の段部に摺動させることで、立体造形粉体を正確な厚みで且つ平坦に配置することができる。冶具の構成は適宜変更できる。
【符号の説明】
【００６０】
１    立体造形装置
５    インクジェットヘッド部
９    ガイドシャフト
１０    タイミングベルト
２０    搬送部
２１    載置ベルト
２２，２３    プーリ
２５    立体造形粉体
３１    ＣＰＵ
３５    ヘッド用モータ
４１    載置ベルト用モータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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