(57)【要約】【課題】硬化液の補充、交換を簡単に行える三次元造形装置を提供する。【解決手段】  本発明に係る三次元造形装置は、硬化液９３を貯留する硬化液容器７１と、硬化液容器７１よりも高い位置に配置され、粉末材料に向けて硬化液９３を吐出する吐出ヘッド５２と、硬化液容器７１よりも高い位置に配置され、硬化液９３を一時的に貯留するとともに、貯留する硬化液９３の液面の高さを吐出ヘッド５２の高さに対して所定の範囲に保つ中間貯留部材７４と、硬化液容器７１と中間貯留部材７４とを接続する第１硬化液供給路７３ａと、中間貯留部材７４と吐出ヘッド５２とを接続する第２硬化液供給路７３ｂと、第１硬化液供給路７３ａに設けられ、硬化液容器７１から中間貯留部材７４に硬化液９３を送出するポンプ７５と、を備える。【選択図】図３
2019051673.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末材料が載置される造形テーブルと、
前記粉末材料を硬化させる硬化液を貯留する硬化液容器と、
前記硬化液容器よりも高い位置に配置され、前記造形テーブル上の前記粉末材料に向けて前記硬化液を吐出する吐出ヘッドと、
前記硬化液容器よりも高い位置に配置され、前記硬化液を一時的に貯留するとともに、貯留する前記硬化液の液面の高さを前記吐出ヘッドの高さに対して所定の範囲に保つ中間貯留部材と、
前記硬化液容器と前記中間貯留部材とを接続する第１硬化液供給路と、
前記中間貯留部材と前記吐出ヘッドとを接続する第２硬化液供給路と、
前記第１硬化液供給路に設けられ、前記硬化液容器から前記中間貯留部材に前記硬化液を送出するポンプと、
を備えた、
三次元造形装置。
【請求項２】
前記硬化液容器は、内容量が１０リットル以上の容器である、
請求項１に記載の三次元造形装置。
【請求項３】
前記硬化液は、２５℃における粘度が１ｍＰａ・ｓ以上２０ｍＰａ・ｓ以下の液体である、
請求項１または２に記載の三次元造形装置。
【請求項４】
前記造形テーブルは、１００リットル以上の前記粉末材料を載置可能に構成されている、
請求項１〜３のいずれか一つに記載の三次元造形装置。
【請求項５】
前記硬化液容器を所定の角度に傾斜させて支持する容器ホルダを備え、
前記硬化液容器は、前記容器ホルダに支持され、
前記第１硬化液供給路は、前記硬化液容器の内部に挿入された第１端部を備え、
前記第１端部は、傾斜して支持された前記硬化液容器において最も下方に位置する隅まで挿入されている、
請求項１〜４のいずれか一つに記載の三次元造形装置。
【請求項６】
前記ポンプの駆動時間から前記硬化液容器内の前記硬化液の残量を算出する算出装置を備えている、
請求項１〜５のいずれか一つに記載の三次元造形装置。
【請求項７】
前記硬化液容器内の前記硬化液の残量を検知する検知装置を備えている、
請求項１〜５のいずれか一つに記載の三次元造形装置。
【請求項８】
前記検知装置は、前記硬化液が貯留された状態の前記硬化液容器の重量を測定する重量測定部材を備えている、
請求項７に記載の三次元造形装置。
【請求項９】
前記硬化液容器は、大気開放された容器である、
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】
前記第２硬化液供給路に設けられ、前記第２硬化液供給路内の空気を除去する脱気モジュールを備えた、
請求項９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、三次元造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、特許文献１に開示されているように、粉末材料にバインダを吐出し、粉末材料を硬化させることによって所望の三次元造形物を造形する粉末積層法が知られている。
【０００３】
特許文献１に開示された三次元造形装置は、粉末が収容される造形部と、造形部に供給される粉末が収納される粉末供給部と、造形部より上方に配置されたインクジェットヘッドとを備えている。インクジェットヘッドは、造形部に収容された粉末に水性インクを吐出する。即ち、インクジェットヘッドは、造形部に収容された粉末のうち三次元造形物の断面形状に対応する部分に水性インクを吐出する。造形部に収容された粉末のうち水性インクが吐出された部分は硬化し、断面形状に対応した硬化層が形成される。そして、硬化層を順次積層することで、所望の三次元造形物が造形される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５４０００４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記したような粉末硬化型の三次元造形装置においては、粉末材料の種類などにもよるが、例えば、粉末材料１０に対して３程度の量（体積比）の硬化液が使用される。従って、例えば粉末材料を１００リットル保管できる三次元造形装置では、３０リットル程度の硬化液を貯留できることが望ましい。このような比較的大型の三次元造形装置においては、硬化液の補充、交換等には大きな労力が必要である。三次元造形装置では、吐出ヘッドにおける硬化液の液圧を適正な圧力に保つために、硬化液の液面を吐出ヘッドの高さに近い所定の範囲内に保つ必要があり、硬化液の保管場所は吐出ヘッドと同程度の高さの場所に配置されている。このような高さまで大量の硬化液が貯留された硬化液容器を持ち上げるのは重労働であるとともに危険である。一方、例えば典型的にはパウチ等である少量の硬化液供給容器を多数設置するのには手間を要する。
【０００６】
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、硬化液の補充、交換を簡単に行える三次元造形装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る三次元造形装置は、粉末材料が載置される造形テーブルと、前記粉末材料を硬化させる硬化液を貯留する硬化液容器と、前記硬化液容器よりも高い位置に配置され、前記造形テーブル上の前記粉末材料に向けて前記硬化液を吐出する吐出ヘッドと、前記硬化液容器よりも高い位置に配置され、前記硬化液を一時的に貯留するとともに、貯留する前記硬化液の液面の高さを前記吐出ヘッドの高さに対して所定の範囲に保つ中間貯留部材と、前記硬化液容器と前記中間貯留部材とを接続する第１硬化液供給路と、前記中間貯留部材と前記吐出ヘッドとを接続する第２硬化液供給路と、前記第１硬化液供給路に設けられ、前記硬化液容器から前記中間貯留部材に前記硬化液を送出するポンプと、を備える。
【０００８】
上記三次元造形装置によれば、硬化液容器が吐出ヘッドよりも低い位置に配置されているため、硬化液容器の交換等の労力が軽減できる。また、硬化液容器を高所に持ち上げることがないため、交換作業に伴う危険もない。さらに、上記三次元造形装置は、吐出ヘッドにおける硬化液の液圧を適正な範囲に調整する中間貯留部材と、硬化液容器から中間貯留部材に硬化液を汲み上げるポンプとを備える。従って、硬化液容器を低い位置に設置しているにもかかわらず、吐出ヘッドにおける硬化液の液圧を適正な圧力に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態に係る三次元造形装置を模式的に示した断面図である。
【図２】三次元造形装置を模式的に示した平面図である。
【図３】硬化液供給システムの構成を示す模式図である。
【図４】三次元造形装置のブロック図である。
【図５】硬化液の残量を検出する検出装置を備えた硬化液供給システムの構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る三次元造形装置について説明する。なお、ここで説明される実施形態は、当然ながら本発明を特に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、重複する説明は適宜省略または簡略化される。
【００１１】
図１は、一実施形態に係る三次元造形装置１０の断面図である。図２は、本実施形態に係る三次元造形装置１０の平面図である。図１は、図２のＩ−Ｉ断面である。図面中の符号Ｆは、前方を示し、符号Ｒｒは、後方を示している。本実施形態では、符号Ｆの方向から三次元造形装置１０を見たときの左、右、上、下が、それぞれ三次元造形装置１０の左、右、上、下である。ここでは、図面中の符号Ｌ、Ｒ、Ｕ、Ｄは、それぞれ左、右、上、下を意味するものとする。本実施形態では、符号Ｘ、Ｙ、Ｚは、それぞれ前後方向、左右方向、上下方向を示している。左右方向Ｙは、三次元造形装置１０の主走査方向である。前後方向Ｘは、三次元造形装置１０の副走査方向である。また、上下方向Ｚは、三次元造形における積層方向である。ただし、これら方向は説明の便宜上定めた方向に過ぎず、三次元造形装置１０の設置態様を何ら限定するものではない。
【００１２】
図１に示すように、本実施形態に係る三次元造形装置１０は、粉末材料９０を硬化液９３で固めて硬化層９１を形成し、これを上下方向Ｚに順次一体的に積層することによって三次元造形物９２を造形する装置である。本実施形態に係る三次元造形装置１０は、例えば、三次元データから製品や部品を直接造形するダイレクトデジタルマニュファクチュアリング（ＤＤＭ）に特化した大型の三次元造形装置である。本実施形態に係る三次元造形装置１０は、所望の三次元造形物９２の断面形状を示す断面画像に基づいて粉末材料９０に硬化液９３を吐出し、粉末材料９０を硬化させて硬化層９１を形成する。そして、硬化層９１を順次積層することで、所望の三次元造形物９２を造形する。
【００１３】
ここで、「断面形状」とは、造形する三次元造形物９２を所定の方向（例えば水平方向）に所定の厚み（例えば０．１ｍｍ。なお、所定の厚みは必ずしも一定の厚みに限定されない。）ごとにスライスしたときの断面の形状である。
【００１４】
粉末材料９０の組成や形態等は特に制限されず、樹脂材料、金属材料および無機材料等の各種の材料から構成された粉体を対象とすることができる。粉末材料９０としては、例えば、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア等のセラミック材料や、鉄、アルミニウム、チタンおよびこれらの合金（典型的にはステンレス鋼、チタン合金、アルミニウム合金）、半水石膏（α型焼石膏、β型焼石膏）、アパタイト、食塩、プラスチック等が挙げられる。これらはいずれか１種の材料から構成されていてもよいし、２種以上が組み合わされていてもよい。
【００１５】
硬化液９３は、粉末材料９０の粒子同士を固着することが可能な材料であれば特に限定されない。ただし、詳しくは後述するが、本実施形態では、硬化液９３は汲み上げポンプ７５（図３参照）によって汲み上げられるため、ある程度粘度の低い液体が好ましい。硬化液９３の好適な粘度は１〜２０ｍＰａ・ｓ（ａｔ  ２５℃）である。さらに好適には、硬化液９３の粘度は、１〜２ｍＰａ・ｓ（ａｔ  ２５℃）である。また、硬化液９３は、吐出ヘッド５２から吐出される関係上、２５〜３５ｍＮ／ｍ程度の表面張力を有することが好ましい。粉末材料９０が副材として水溶性樹脂を有している場合には、硬化液９３として、水溶性樹脂を溶解可能な液体、例えば水を用いることもできる。かかる水溶性樹脂は特に制限されないが、例えば、澱粉、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、水溶性アクリル樹脂、水溶性ウレタン樹脂、水溶性ポリアミド等が挙げられる。あるいは、副材には速乾セメントなどを用いることもできる。
【００１６】
図１に示すように、三次元造形装置１０は、本体１１と、副走査方向移動機構２０と、敷詰ローラ３０と、造形槽ユニット４０と、ヘッドユニット５０と、主走査方向移動機構６０と、硬化液供給システム７０と、制御装置１００と、を備えている。
【００１７】
図２に示すように、本体１１は、副走査方向Ｘに長い形状を有する三次元造形装置１０の外装体である。本体１１は、上方に向けて開口する箱型形状に形成されている。本体１１は、副走査方向移動機構２０と、造形槽ユニット４０と、硬化液供給システム７０の一部と、制御装置１００とを収容する。また、図１に示されるように、本体１１は、敷詰ローラ３０と、主走査方向移動機構６０と、硬化液供給システム７０の一部とを支持する支持台でもある。
【００１８】
図１に示すように、造形槽ユニット４０は、本体１１に収容されている。造形槽ユニット４０は、造形槽４２と、造形テーブル４３と、テーブル昇降機構４５と、供給槽４６と、供給槽昇降機構４８と、余剰粉末収容槽４９とを備えている。造形槽ユニット４０の上面４１は平坦であって、この上面４１から凹むように造形槽４２と供給槽４６と余剰粉末収容槽４９とが独立に並んで設けられている。
【００１９】
図１に示すように、造形槽４２は、造形槽ユニット４０に設けられている。造形槽４２は、その内部で三次元造形物９２が造形される槽である。造形槽４２は、粉末材料９０が収容される造形空間４２Ａを有する。造形空間４２Ａには粉末材料９０が供給され、造形空間４２Ａにおいて三次元造形物９２が造形される。造形槽４２の造形空間４２Ａの大きさは限定されないが、例えば、最大で１００〜１３０リットル程度の粉末材料９０を貯留することができる。
【００２０】
図１に示すように、造形テーブル４３は、造形槽４２の造形空間４２Ａ内に配置されている。造形テーブル４３には、粉末材料９０が載置される。造形テーブル４３上において、三次元造形物９２が造形される。造形テーブル４３は、上下方向Ｚに移動可能に構成されている。図２に示されるように、造形テーブル４３の形状は、平面視において矩形状である。ただし、造形テーブル４３の平面形状は矩形に限定されるわけではない。造形テーブル４３には、テーブル支持部材４４が設けられている。テーブル支持部材４４は、造形テーブル４３の底面から下方に向かって延びた部材である。テーブル支持部材４４は、造形テーブル４３と一体となって上下方向Ｚに移動可能に構成されている。
【００２１】
テーブル昇降機構４５は、造形テーブル４３を上下方向Ｚに移動させる機構である。テーブル昇降機構４５の構成は、特に限定されない。本実施形態では、テーブル昇降機構４５は、図示しないサーボモータとボールねじなどを備えている。例えば、サーボモータは、テーブル支持部材４４に接続されており、テーブル支持部材４４を介して、造形テーブル４３に接続されている。サーボモータが駆動することで、テーブル支持部材４４が上下方向Ｚに移動する。そして、テーブル支持部材４４の上下方向Ｚの移動に伴い、造形テーブル４３は上下方向Ｚに移動する。テーブル昇降機構４５は、制御装置１００と電気的に接続されており、制御装置１００によって制御される。
【００２２】
供給槽４６は、造形槽４２の造形空間４２Ａに供給される前において、粉末材料９０が貯留されている槽である。図２に示されるように、供給槽４６の形状は、平面視において矩形状である。ただし、供給槽４６の平面形状は矩形に限定されるわけではない。供給槽４６の内部には、平面形状において供給槽４６と同形の底部材４７が収納されている。供給槽４６と底部材４７とは、粉末材料９０が収容される貯留空間４６Ａを構成している。貯留空間４６Ａには、造形開始前に粉末材料９０が貯留される。貯留空間４６Ａ内の粉末材料９０は、後述する敷詰ローラ３０によって造形槽４２の造形空間４２Ａに敷き詰められる。供給槽４６は、造形槽４２の後方に配置されている。供給槽４６は、主走査方向Ｙに関して造形槽４２と揃った位置に配置されている。図２に示すように、平面視において、造形槽４２の造形空間４２Ａの主走査方向Ｙの長さ（即ち造形テーブル４３の主走査方向Ｙの長さ）は、供給槽４６の貯留空間４６Ａの主走査方向Ｙの寸法と同じである。しかしながら、貯留空間４６Ａの主走査方向Ｙの寸法は、造形空間４２Ａの主走査方向Ｙの長さより長くてもよい。
【００２３】
底部材４７は、供給槽４６内部において、上下方向Ｚに移動可能に構成されている。底部材４７の下部には、供給槽昇降機構４８が連結されている。供給槽昇降機構４８は、底部材４７を上下方向Ｚに移動させる機構である。供給槽昇降機構４８の構成は、特に限定されないが、本実施形態では、テーブル昇降機構４５と同様に、図示しないサーボモータとボールねじなどを備えている。供給槽昇降機構４８のサーボモータが駆動することで、底部材４７は上下方向Ｚに移動する。供給槽昇降機構４８は、制御装置１００と電気的に接続されており、制御装置１００によって制御される。
【００２４】
余剰粉末収容槽４９は、粉末材料９０が敷詰ローラ３０によって造形槽４２に敷き詰められた際に、造形槽４２に収容しきれなかった粉末材料９０を回収する槽である。余剰粉末収容槽４９は、粉末材料９０が収容される収容空間４９Ａを有する。余剰粉末収容槽４９は、造形槽４２の前方に配置されている。余剰粉末収容槽４９は、主走査方向Ｙに関して造形槽４２と揃った位置に配置されている。図２に示すように、平面視において、造形槽４２の造形空間４２Ａの主走査方向Ｙの長さと、余剰粉末収容槽４９の収容空間４９Ａの主走査方向Ｙの寸法とは同じである。しかしながら、収容空間４９Ａの主走査方向Ｙの寸法は、造形空間４２Ａの主走査方向Ｙの長さより長くてもよい。
【００２５】
図１に示すように、副走査方向移動機構２０は、ヘッドユニット５０、敷詰ローラ３０に対して造形槽ユニット４０を副走査方向Ｘに移動させる機構である。本実施形態では、副走査方向移動機構２０は、一対のガイドレール２１と、フィードモータ２２とを備えている。
【００２６】
図１に示すように、ガイドレール２１は、造形槽ユニット４０の副走査方向Ｘへの移動をガイドする。ガイドレール２１は、本体１１内に設けられている。ガイドレール２１は、副走査方向Ｘに延びている。造形槽ユニット４０は、ガイドレール２１に摺動可能に係合している。ただし、ガイドレール２１の設置位置および数は特に限定されない。フィードモータ２２は、例えば、ボールねじ等を介して造形槽ユニット４０に接続されている。フィードモータ２２は、制御装置１００に電気的に接続されている。フィードモータ２２が回転駆動することによって、造形槽ユニット４０は、ガイドレール２１上を副走査方向Ｘに移動することができる。
【００２７】
敷詰ローラ３０は、供給槽４６の貯留空間４６Ａに貯留されている粉末材料９０を造形空間４２Ａに敷き詰める部材である。敷詰ローラ３０は、粉末材料９０の表面を平らにならして層を形成する。敷詰ローラ３０は、本体１１の上方に配置されている。敷詰ローラ３０は、ヘッドユニット５０より前方に配置されている。敷詰ローラ３０は、長尺の円筒形状を有している。敷詰ローラ３０は、円筒軸が主走査方向Ｙに沿うように配置されている。敷詰ローラ３０は、主走査方向Ｙの寸法が造形槽４２の造形空間４２Ａの寸法よりも長い。敷詰ローラ３０の下端は、造形槽ユニット４０の上面４１との間に所定のクリアランス（間隙）が形成されるように、造形槽ユニット４０の僅かに上方に設置されている。敷詰ローラ３０は、本体１１の上面１１Ａに設けられた一対の支持部材３１に回転可能に支持されている。
【００２８】
図２に示すように、ヘッドユニット５０は、キャリッジ５１と、キャリッジ５１に搭載された複数の吐出ヘッド５２とを備えている。複数の吐出ヘッド５２は、キャリッジ５１の下面に配置されている。吐出ヘッド５２は、粉末材料９０を結合させる硬化液９３を造形テーブル４３上の粉末材料９０に対して吐出する部材である。複数の吐出ヘッド５２は、主走査方向Ｙに並んでいる。吐出ヘッド５２は、硬化液９３を吐出する複数のノズル５３を有している。複数のノズル５３は、図２に示すように、副走査方向Ｘに直線状に並んでいる。吐出ヘッド５２における硬化液９３の吐出機構は特に制限されず、例えば圧電素子の膨張収縮を利用したピエゾ式のインクジェット方式である。吐出ヘッド５２は、制御装置１００に電気的に接続されている。吐出ヘッド５２のノズル５３からの硬化液９３の吐出は、制御装置１００によって制御される。
【００２９】
主走査方向移動機構６０は、キャリッジ５１を主走査方向Ｙに移動させる機構である。図２に示されるように、主走査方向移動機構６０は、ガイドレール６１を備えている。ガイドレール６１は、主走査方向Ｙに延びている。ガイドレール６１には、キャリッジ５１が摺動自在に係合している。キャリッジ５１には、例えば、無端状のベルトとプーリなどを介してキャリッジモータ６２が接続されている。キャリッジモータ６２が駆動することによって、キャリッジ５１は、ガイドレール６１に沿って主走査方向Ｙに移動する。キャリッジモータ６２は、制御装置１００と電気的に接続されている。キャリッジモータ６２は、制御装置１００によって制御される。キャリッジ５１が主走査方向Ｙに移動することによって、複数の吐出ヘッド５２も主走査方向Ｙに移動する。
【００３０】
吐出ヘッド５２には、硬化液供給システム７０が接続されている。硬化液供給システム７０は、吐出ヘッド５２に硬化液９３を供給する機構である。図３は、硬化液供給システム７０の構成を示す模式図である。図３に示されるように、硬化液供給システム７０は、硬化液容器７１と、容器ホルダ７２と、第１供給流路７３ａと、第２供給流路７３ｂと、中間タンク７４と、汲み上げポンプ７５と、脱気モジュール７６と、供給ポンプ７７と、ダンパ７８とを備えている。
【００３１】
硬化液容器７１は、硬化液９３が貯留される部材である。硬化液容器７１は、例えば、樹脂製のタンクである。本実施形態に係る硬化液容器７１は、硬化液９３の補充の際、硬化液９３が満量貯留された新品とそのまま交換できるように構成されている。ただし、硬化液９３は、硬化液容器７１に注ぎ足されて補充されてもよい。図３に示されるように、硬化液容器７１は上部に開口７１ａを備えている。硬化液容器７１は、開口７１ａによって内部が大気開放されている。開口７１ａは、運搬時には閉じることができてもよい。硬化液容器７１の内容量は、例えば２０リットル程度である。２０リットル程度の内容量の容器は、大量に製造されており、入手性に優れ、安価である。しかし、硬化液容器７１の内容量は上記に限定されるわけではない。また、本実施形態では、硬化液容器７１は１つであるが、複数（例えば２個〜３個）設置されてもよい。硬化液容器７１の個数は限定されない。
【００３２】
硬化液容器７１は、容器ホルダ７２上に載置されている。図３に示されるように、容器ホルダ７２の硬化液容器７１を載置する面（載置面７２ａ）は、水平面から傾斜角αだけ傾いている。そこで、硬化液容器７１は、容器ホルダ７２上において傾斜角αだけ傾いて設置されている。容器ホルダ７２は、硬化液容器７１を安定的に載置できるように背板７２ｂと側板７２ｃとを備えている。
【００３３】
図１に示されるように、容器ホルダ７２と、その上に載置された硬化液容器７１とは、本体１１内部の床面に近い場所に設置されている。硬化液容器７１の設置されている高さは、吐出ヘッド５２よりも低い。また、中間タンク７４よりも低い。硬化液容器７１の好適な設置高さは、その最も低い場所において、例えば床面から１０ｃｍ〜５０ｃｍである。ただし、硬化液容器７１の設置高さは、上記範囲に限定されるわけではない。図２に示されるように、硬化液容器７１および容器ホルダ７２には、本体１１の左側面からアクセスするようになっている。
【００３４】
硬化液容器７１内の硬化液９３は、図３に示されるように、第１供給流路７３ａを通って中間タンク７４に供給される。第１供給流路７３ａは、硬化液容器７１と中間タンク７４とを接続し、硬化液９３が運ばれる流路である。第１供給流路７３ａは、例えば可撓性のチューブで形成されている。第１供給流路７３ａは、硬化液容器７１側が上流であり、中間タンク７４側が下流である。第１供給流路７３ａの上流側の端部である第１端部７３ｃは、硬化液容器７１の開口７１ａから硬化液容器７１の内部に挿入されている。第１端部７３ｃは、硬化液容器７１の底面の隅のうち最も下方に位置している隅７１ｂ付近まで挿入されている。硬化液容器７１の底面の隅は、硬化液容器７１が容器ホルダ７２によって傾いて支持されているために鉛直方向の位置が異なっている。具体的には、硬化液容器７１の底面の隅は、右方の隅７１ｂが低く、左方の隅が高くなっている。第１端部７３ｃは、硬化液容器７１の底面の右方の隅７１ｂ付近まで挿入されている。
【００３５】
第１供給流路７３ａは、硬化液容器７１の開口７１ａから上方に延びている。第１供給流路７３ａには、汲み上げポンプ７５が設けられている。汲み上げポンプ７５は、硬化液容器７１から中間タンク７４に硬化液９３を汲み上げるポンプである。汲み上げポンプ７５の種類は特に限定されないが、例えば、ダイヤフラムポンプ等である。汲み上げポンプ７５は、制御装置１００に電気的に接続され、制御装置１００によって制御されている。
【００３６】
第１供給流路７３ａの下流には、中間タンク７４が設けられている。中間タンク７４は、吐出ヘッド５２への供給の途中において硬化液９３が一時的に貯留されるタンクである。中間タンク７４は、吐出ヘッド５２内の液圧を所定の圧力に保つ役目を担っている。第１供給流路７３ａは、図３に示されるように、中間タンク７４の天面の開口７４ａから硬化液９３を中間タンク７４内に供給する。中間タンク７４は底面に排出口７４ｂを備え、排出口７４ｂには、第２供給流路７３ｂが接続されている。第２供給流路７３ｂは、中間タンク７４と吐出ヘッド５２とを接続する流路である。第２供給流路７３ｂも、例えば可撓性のチューブで形成されている。図３に示すように、中間タンク７４の天面付近からは底面方向に向かって液面センサ７４ｃの電極７４ｄ、７４ｅ、７４ｆが延びている。３本の電極７４ｄ、７４ｅ、７４ｆは棒状であって、それぞれ長さが異なっている。そのうち、コモン電極７４ｄは最も長く、最も中間タンク７４の底面に近い位置まで延びている。次に下限電極７４ｅが長く、上限電極７４ｆが最も短い。液面センサ７４ｃは、コモン電極７４ｄと下限電極７４ｅとの間、および、コモン電極７４ｄと上限電極７４ｆとの間にそれぞれ電圧を印加している。そこで、硬化液９３の液面が下限電極７４ｅの先端位置まで達すると、コモン電極７４ｄと下限電極７４ｅとの間が通電する。また、硬化液９３の液面が上限電極７４ｆの先端位置まで達すると、コモン電極７４ｄと上限電極７４ｆとの間が通電する。液面センサ７４ｃは、コモン電極７４ｄと下限電極７４ｅとの間の通電が切れると下限信号を送信し、コモン電極７４ｄと上限電極７４ｆとの間が通電すると上限信号を送信する。下限信号および上限信号は、制御装置１００によって受信される。制御装置１００は、下限信号を受信すると汲み上げポンプ７５を駆動させ、上限信号を受信すると汲み上げポンプ７５を停止させる。この制御により、中間タンク７４内の硬化液９３の液面は、下限電極７４ｅの先端位置と上限電極７４ｆの先端位置との間に保たれる。中間タンク７４における好適な硬化液９３の液面高さは、吐出ヘッド５２を基準として、例えば、−３００ｍｍ〜＋１００ｍｍ（吐出ヘッド５２よりも上方が＋側）程度である。さらに好適には、−２００ｍｍ〜＋６０ｍｍ程度である。硬化液９３の液面が上記した高さに保たれることにより、硬化液９３が吐出されていない時、吐出ヘッド５２には中間タンク７４から安定した水頭圧が掛かり、ノズル５３には適切なメニスカスが形成される。ただし、上記した液面センサ７４ｃの液面検出方式は一例に過ぎず、他の様々な方式を使用することができる。また、硬化液９３の液面高さの範囲も上記した数値に限定されるわけではない。
【００３７】
第２供給流路７３ｂの途中には、脱気モジュール７６が設けられている。脱気モジュール７６は、硬化液９３の中に含まれている空気を除去する部材である。図３に示されるように、脱気モジュール７６は、フィルタ７６ａと、減圧室７６ｂと、減圧ポンプ７６ｃとを備えている。フィルタ７６ａは、円筒形に形成され、内側が内部流路７６ｄとなっている。内部流路７６ｄには、硬化液９３が流れている。フィルタ７６ａは、気体は通過させるが、液体は通過させないフィルタである。フィルタ７６ａの外部には円筒形の減圧室７６ｂが設けられている。減圧室７６ｂには減圧ポンプ７６ｃが接続されている。減圧室７６ｂの内部は、減圧ポンプ７６ｃによって減圧され、負圧となっている。この負圧により、フィルタ７６ａを通して、内部流路７６ｄから減圧室７６ｂに空気だけが吸引される。このように、脱気モジュール７６によって、硬化液９３は脱気される。
【００３８】
第２供給流路７３ｂの脱気モジュール７６の下流には、供給ポンプ７７が設けられている。供給ポンプ７７は、硬化液９３が吐出ヘッド５２から吐出されているとき、吐出ヘッド５２に硬化液９３を供給するポンプである。供給ポンプ７７は、駆動時、中間タンク７４側から吐出ヘッド５２側に向かって硬化液９３を送るように設定されている。供給ポンプ７７の種類は限定されないが、例えばダイヤフラムポンプなどである。供給ポンプ７７は、制御装置１００に電気的に接続され、制御装置１００によって制御されている。
【００３９】
第２供給流路７３ｂの供給ポンプ７７と吐出ヘッド５２との間には、ダンパ７８が設けられている。ダンパ７８は、硬化液９３の圧力変動を緩和して、吐出ヘッド５２の吐出動作を安定させる部材である。本実施形態に係るダンパ７８は、硬化液９３を貯留する貯留室７８ａと、貯留室７８ａに貯留されている硬化液９３の圧力を検出する圧力センサ７８ｂとを備えている。造形時、ダンパ７８は、貯留室７８ａに貯留される硬化液９３の圧力を一定範囲に保つことで、硬化液９３の圧力変動を緩和する。貯留室７８ａに貯留される硬化液９３の圧力は、圧力センサ７８ｂが検知している。圧力センサ７８ｂは、例えば、位置検出用のフォトセンサである。貯留室７８ａは、壁面の一つが伸縮する膜７８ｃになっており、膜７８ｃは、貯留室７８ａに貯留されている硬化液９３の圧力に応じて凹凸する。圧力センサ７８ｂは、膜７８ｃの凹凸位置によって、貯留室７８ａ内の硬化液９３の圧力を検出する。圧力センサ７８ｂは、膜７８ｃが一定の位置を超えて膨張すると、制御装置１００に上限信号を送信する。また、圧力センサ７８ｂは、膜７８ｃが一定の位置以下に収縮すると、制御装置１００に下限信号を送信する。制御装置１００は、圧力センサ７８ｂから上限信号を受信すると供給ポンプ７７の駆動を停止し、下限信号を受信すると供給ポンプ７７の駆動を開始する。ただし、上記のようなダンパ７８の圧力検出機構は一例に過ぎず、貯留室７８ａ内の硬化液９３の圧力を検出する手段は、上記機構に限定されない。
【００４０】
図１に示すように、本体１１の前面には、操作パネル１１０が設けられている。操作パネル１１０には、機器状態を表示する表示部と、ユーザーによって操作される入力キー等が設けられている。操作パネル１１０は、三次元造形装置１０の各種の動作を制御する制御装置１００と接続されている。図４は、本実施形態に係る三次元造形装置１０のブロック図である。図４に示すように、制御装置１００は、フィードモータ２２、テーブル昇降機構４５、供給槽昇降機構４８、吐出ヘッド５２、キャリッジモータ６２、汲み上げポンプ７５、および供給ポンプ７７とそれぞれ通信可能に接続されており、それらを制御可能に構成されている。また、制御装置１００は、中間タンク７４の液面センサ７４ｃ、ダンパ７８の圧力センサ７８ｂとそれぞれ通信可能に接続され、それらからの信号を受信している。制御装置１００は、粉末供給制御部１０１と、吐出制御部１０２と、硬化液供給制御部１０３とを備えている。
【００４１】
制御装置１００の構成は特に限定されない。制御装置１００は、例えばマイクロコンピュータである。マイクロコンピュータのハードウェア構成は特に限定されないが、例えば、ホストコンピュータ等の外部機器から造形データ等を受信するインターフェイス（Ｉ／Ｆ）と、制御プログラムの命令を実行する中央演算処理装置（ＣＰＵ：central processing unit）と、ＣＰＵが実行するプログラムを格納したＲＯＭ（read only memory）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（random access memory）と、上記プログラムや各種データを格納するメモリ等の記憶装置とを備えている。なお、制御装置１００は必ずしも三次元造形装置１０の内部に設けられている必要はなく、例えば、三次元造形装置１０の外部に設置され、有線または無線を介して三次元造形装置１０と通信可能に接続されたコンピュータ等であってもよい。
【００４２】
粉末供給制御部１０１は、フィードモータ２２、テーブル昇降機構４５、および供給槽昇降機構４８を制御して、造形テーブル４３上に粉末材料９０を敷き詰めさせる部位である。粉末供給制御部１０１は、供給槽昇降機構４８を制御して粉末材料９０を供給させた後、フィードモータ２２を駆動させて、敷詰ローラ３０を造形槽４２および供給槽４６に対して相対的に移動させ、造形テーブル４３上に粉末材料９０を敷き詰めさせる。そのプロセスについては後述する。
【００４３】
吐出制御部１０２は、フィードモータ２２、吐出ヘッド５２、キャリッジモータ６２、および供給ポンプ７７を制御して、造形テーブル４３上に敷き詰められた粉末材料９０上の所定の位置に硬化液９３を吐出させる部位である。吐出制御部１０２は、フィードモータ２２およびキャリッジモータ６２を制御して吐出ヘッド５２を造形テーブル４３上の所定の位置に移動させながら、吐出ヘッド５２を制御して所定のタイミングで硬化液９３を吐出させる。また、供給ポンプ７７を制御して硬化液９３を吐出ヘッド５２に逐次供給させる。その際、吐出制御部１０２は、ダンパ７８の圧力センサ７８ｂからの信号を受け、その信号に基づいて供給ポンプ７７を制御する。
【００４４】
硬化液供給制御部１０３は、汲み上げポンプ７５を制御して中間タンク７４に硬化液９３を供給する。汲み上げのタイミングは、中間タンク７４の液面センサ７４ｃの信号に基づいており、吐出制御部１０２による吐出制御とは独立である。硬化液供給制御部１０３は、供給指示部１０３ａと、残量算出部１０３ｂと、警告部１０３ｃとを備えている。供給指示部１０３ａは、液面センサ７４ｃからの信号を受け、汲み上げポンプ７５に駆動または停止指令を発する部位である。残量算出部１０３ｂは、硬化液容器７１内の硬化液９３の残量を演算する部位である。本実施形態では、硬化液容器７１内の硬化液９３の残量は、汲み上げポンプ７５の駆動時間をもとに推定される。警告部１０３ｃは、硬化液容器７１内の硬化液９３の残量が少なくなったとき、および、中間タンク７４の液面が下限よりも低い時間が一定時間続き、硬化液９３が中間タンク７４に供給されていないと判断されたとき警告を発する部位である。
【００４５】
本実施形態に係る三次元造形装置１０は、以下のようなプロセスで三次元造形物９２の造形を実行する。１層の硬化層９１の形成が終了すると、粉末供給制御部１０１は、テーブル昇降機構４５を制御して造形テーブル４３を下降させる。そのときの下降距離は、次に形成する硬化層９１の厚さ分である。その厚さは、例えば０．１ｍｍ程度である。また、粉末供給制御部１０１は、供給槽昇降機構４８を制御して供給槽４６の底部材４７を上昇させる。供給槽４６の貯留空間４６Ａに貯留されていた粉末材料９０の一部は、底部材４７の上昇によって造形槽ユニット４０の上面４１よりも上方に盛り上がる。この状態において粉末供給制御部１０１は、フィードモータ２２を制御して造形槽ユニット４０を後方に移動させる。造形槽ユニット４０が後方に移動することによって、敷詰ローラ３０は、供給槽４６および造形槽４２に対して相対的に前方に移動する。敷詰ローラ３０は、この移動に伴って、供給槽４６上に盛り上がった粉末材料９０を造形テーブル４３の方向に押しやり、均一にならす。敷詰ローラ３０は、造形テーブル４３上に粉末材料９０の層を形成する。
【００４６】
造形テーブル４３上に粉末材料９０の層が形成された後、吐出制御部１０２は、粉末材料９０の層に対して硬化液９３を吐出させる。硬化液９３によって粉末材料９０が硬化され、造形テーブル４３上に硬化層９１が形成される。硬化層９１が形成された後には、粉末材料９０の層が再び形成される。三次元造形装置１０は、このように、粉末材料９０の層の形成と、硬化層９１の形成とを繰り返して三次元造形物９２を造形する。硬化液９３の使用量は造形される三次元造形物９２に依存するが、本実施形態に係る三次元造形装置１０では、最大３０リットル程度使用される可能性がある。使用されて中間タンク７４から出ていった硬化液９３は、汲み上げポンプ７５によって、硬化液容器７１から補充される。補充のタイミングは、中間タンク７４の液面センサ７４ｃが送信する信号に基づいて制御される。以上の説明から理解されるように、大型の粉末硬化型三次元造形装置においては、硬化液容器７１の内容量がある程度大きくなければ、硬化液容器７１内の硬化液９３が短時間で枯渇する。硬化液容器７１の硬化液９３が短時間で枯渇すると、硬化液９３の補充の頻度が頻繁になり、場合によっては造形途中で硬化液９３が欠乏する事態にもなり得る。
【００４７】
（本実施形態の作用効果）
本実施形態に係る三次元造形装置１０の目的の１つは、硬化液９３の補充および交換を簡単に行うことである。既に説明されたが、三次元造形装置では、吐出ヘッドにおける硬化液の液圧を適正な圧力に保つために、硬化液の液面を吐出ヘッドの高さに近い所定の範囲の高さに保つ必要があるが、このような高さまで大量の硬化液が貯留された硬化液容器を持ち上げるのは重労働であるとともに危険である。一方、例えば典型的にはパウチ等である少量の硬化液供給容器を多数設置するのには手間を要する。そこで、本実施形態に係る三次元造形装置１０は、硬化液容器７１よりも上方に設置された中間タンク７４と、硬化液容器７１から中間タンク７４に硬化液９３を汲み上げる汲み上げポンプ７５とを備えている。中間タンク７４は、非吐出時における吐出ヘッド５２内の硬化液９３の圧力を一定範囲内に保ち、ノズル５３に好適なメニスカスを形成させる役割を果たす。硬化液容器７１は、吐出ヘッド５２よりも下方の床面に近い高さの場所に設置され、多大な労力を要することなく、また安全面に問題を抱えることなく交換できるように構成されている。さらに、上記構成を備えた三次元造形装置によれば、硬化液容器７１の選択の自由度が広がり、例えばパウチなどでは非現実的な大容量の容器なども使用できるようになる。
【００４８】
硬化液容器７１の内容量は限定されないが、少なくとも１０リットル以上が好ましい。さらに好適には、３０リットル以上が好ましい。硬化液９３が１０リットル以上あれば、本実施形態に係る三次元造形装置１０と同程度のサイズを有する三次元造形装置において造形される通常の三次元造形物を硬化液９３の補充なしに造形することができる。硬化液９３が３０リットル以上あれば、本実施形態に係る三次元造形装置１０と同程度のサイズを有する三次元造形装置において造形可能なあらゆる三次元造形物を硬化液９３の補充なしに造形することができる。
【００４９】
さらに、硬化液容器７１は容器ホルダ７２上に載置され、容器ホルダ７２によって水平面から傾いて支持されている。そして、第１供給流路７３ａの上流側の端部である第１端部７３ｃは、傾いた硬化液容器７１において最も下方に位置する隅７１ｂまで挿入されている。硬化液容器７１、容器ホルダ７２、および第１供給流路７３ａの第１端部７３ｃがこのように構成されていることにより、汲み上げポンプ７５は、硬化液容器７１内の硬化液９３を無駄なく汲み上げることができる。
【００５０】
本実施形態に係る三次元造形装置１０は、硬化液供給制御部１０３に残量算出部１０３ｂを備え、硬化液容器７１内の硬化液９３の残量を推定している。そして、推定残量が所定の量よりも少なくなると警告部１０３ｃを介してユーザーに警告するように設定されている。この機能により、硬化液容器７１の交換時期を逸してしまい硬化液容器７１内の硬化液９３が枯渇するトラブルを防ぐことができる。本実施形態では、硬化液９３の残量は、汲み上げポンプ７５の駆動時間から推定されている。よって、部材を増やす必要がなく、制御も簡易である。
【００５１】
本実施形態では、硬化液容器７１として樹脂製のタンクを使用している。このようなタンクならば、内容量を大きくすることが可能である。例えば、本実施形態では、硬化液容器７１の内容量は２０リットル程度である。樹脂製のタンクのような硬化液容器は通常、大気開放された容器である。大気開放された硬化液容器７１から供給される硬化液９３には当然に空気が混入していると考えられる。しかし、本実施形態に係る三次元造形装置１０は、硬化液を一時的に貯留する中間タンク７４を備え、中間タンク７４への一時貯留によって混入した空気を概ね放出することができる。従って、大気開放された硬化液容器７１を問題なく使用することができる。さらに、本実施形態に係る三次元造形装置１０は、第２供給流路７３ｂに脱気モジュール７６をさらに備え、脱気モジュール７６によっても残った空気を除去することができる。従って、本実施形態に係る三次元造形装置１０によれば、混入空気による不具合を起こすことなく吐出ヘッド５２から硬化液９３を吐出することができる。
【００５２】
上記に説明したような特徴は、例えば造形テーブル上に載置可能な粉末材料の量が１００リットル以上であるような大型の三次元造形装置において特に有効であり、硬化液の種類としては粘度の低い（例えば、粘度１〜２０ｍＰａ・ｓ）硬化液において特に有効である。
【００５３】
以上、本発明の好適な一実施形態について説明した。しかし、上記した実施形態は例示に過ぎず、本発明は他の種々の形態で実施することができる。
【００５４】
例えば、上記した実施形態では、フィルタ式の脱気モジュール７６が使用されていたが、それには限られない。脱気モジュール７６は、第２供給流路７３ｂ中の空気を除去するものであればよく、構造、原理などは限定されない。
【００５５】
上記した実施形態では、硬化液容器７１は変形不能な樹脂製のタンクであったが、それに限定されない。硬化液容器７１は、例えば、可撓性を有する袋状の容器などであってもよい。
【００５６】
また、上記した実施形態では、硬化液容器７１内の硬化液９３の残量は汲み上げポンプ７５の駆動時間から推定されたが、何らかの検出装置によって検出されてもよい。例えば、硬化液９３が貯留された硬化液容器７１の重量を測定する検出装置によって検出されてもよい。図５は、硬化液９３の残量を検出する検出装置７９を備えた硬化液供給システム７０の模式図である。図５に示されるように、検出装置７９は、重量測定部材７９ａを備えている。重量測定部材７９ａは、例えば、電子秤である。検出装置７９は、重量測定部材７９ａで容器ホルダ７２を支持している。重量測定部材７９ａは、容器ホルダ７２、硬化液容器７１、および硬化液９３の合計の重量を測定している。容器ホルダ７２および硬化液容器７１の重量は予め分かっているため、硬化液９３の残量は把握可能である。検出装置７９は、硬化液９３の重量が所定の重量を下回ると、警告部１０３ｃ（図４参照）に信号を送信する。汲み上げポンプ７５の駆動時間から硬化液９３の残量を推定する方式は簡易ではあるが、硬化液容器７１の交換ごとに駆動時間のリセット作業が必要であり、また不測の事態への対応力ではやや劣る。検出装置によって硬化液容器７１内の硬化液９３の残量を検出する方式は、リセット作業が不要であり、硬化液９３の残量の把握が確実である。
【００５７】
なお、硬化液９３の残量の検出装置の種類や方式は限定されない。上記のように重量を測定するものの他、液面を検知するものなど各種の方式が利用可能である。
【００５８】
上記した実施形態では、図３のような硬化液供給システム７０が提示されたが、硬化液供給システムはそれに限られない。本発明の対象となる硬化液供給システムには、硬化液容器よりも高い位置に配置された中間タンクを備え、中間タンクを介して吐出ヘッドに硬化液を供給可能な全てのシステムが含まれる。例えば、硬化液供給システムは、硬化液を内部で循環させる循環流路を備えていてもよいし、硬化液廃棄用の流路を備えていてもよい。その他、吐出ヘッドに硬化液を供給可能な限りにおいて、部材を適宜に追加してもよく、省略してもよい。
【００５９】
さらには、本発明の対象には硬化液で粉末材料を硬化させるタイプのあらゆる三次元造形装置が含まれる。その仕様は限定されない。例えば、粉末材料を造形テーブル上に供給する方式、あるいは装置内の可動部などは適宜に変更されてよい。また、本発明の対象には、上記したような大型の三次元造形装置ばかりでなく、あらゆるサイズの三次元造形装置が含まれる。
【符号の説明】
【００６０】
１０      三次元造形装置
４３      造形テーブル
５２      吐出ヘッド
７０      硬化液供給システム
７１      硬化液容器
７２      容器ホルダ
７３ａ    第１供給流路（第１硬化液供給路）
７３ｂ    第２供給流路（第２硬化液供給路）
７４      中間タンク（中間貯留部材）
７５      汲み上げポンプ（ポンプ）
７６      脱気モジュール
７９      検知装置
７９ａ    重量測定部材
９０      粉末材料
９３      硬化液
１００    制御装置
１０３ｂ  残量算出部（算出装置）
【図１】
2019051673.tif 000003
【図２】
2019051673.tif 000004
【図３】
2019051673.tif 000005
【図４】
2019051673.tif 000006
【図５】
2019051673.tif 000007