(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
テーブル上に形成された粉体材料層中の粉体材料を、造形対象となる三次元造形物の形状に合わせて結合させる動作を繰り返し、前記粉体材料層を順次積層することにより前記三次元造形物を造形する三次元造形装置であって、
前記三次元造形装置は、前記粉体材料層において第１の粉体材料層を形成する第１の粉体材料供給装置と、前記粉体材料層において第２の粉体材料層を形成する第２の粉体材料供給装置と、前記粉体材料層にバインダ液を吐出して前記三次元造形物を造形するバインダ液供給装置とを有していて、前記第２の粉体材料供給装置は、
前記第１の粉体材料供給装置により形成された、前記第１の粉体材料層を形成する第１の粉体材料が前記バインダ液供給装置から吐出されるバインダ液によって結合される前の第１の粉体材料層の一部分を、該第１の粉体材料層と同じ層厚で除去する除去装置と、
前記第１の粉体材料層における、前記除去装置により除去された部分に、前記第１の粉体材料層を形成する前記第１の粉体材料とは異なる第２の粉体材料を供給して充填することにより前記第２の粉体材料層を形成する充填装置とを備えている、ことを特徴とする三次元造形装置。
【請求項２】
前記第２の粉体材料供給装置は、前記三次元造形物が造形されるテーブルの上方側を水平方向に移動自在に形成されていると共に、前記除去装置が前記第１の粉体材料層の一部を除去する向き及び充填装置が前記第２の粉体材料層を形成する向きを変更自在である、ことを特徴とする請求項１に記載の三次元造形装置。
【請求項３】
前記除去装置は、前記第１の粉体材料層における除去対象の部分の第１の粉体材料を吸引する吸引装置を備えている、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の三次元造形装置。
【請求項４】
前記第２の粉体材料供給装置は、前記除去装置と充填装置との一方又は両方を上下方向に昇降させる昇降機構を備えている、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項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、テーブル上に供給された層状の粉体材料に、該粉体材料を接合するバインダ液を吐出して形成した粉体材料層を複数層積層することにより、造形対象となる三次元造形物を造形する三次元造形装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、造形対象となる三次元の造形物を、水平な複数の断面により切断した断面形状を有する層を積層して造形する、いわゆるラピッドプロトタイピングと呼ばれる技術は広く知られている。
このラピッドプロトタイピングとしては、光硬化性樹脂にレーザを照射する光造形や、薄膜状のシートを接着して積層するシート積層造形、熱可塑性樹脂を押し出して積層する方式、粉体材料を赤外線レーザや電子線ビーム、サーマルヘッドなどにより焼結又は溶融する粉末焼結（溶融）造形、粉体材料をバインダ液で接合する粉体による造形等、種々の技術が存在する。【０００３】
このうち、粉体による造形は、他の技術に比べて取り扱いが比較的容易であり、また比較的安価に三次元造形物を形成することができるという利点がある。
この粉体による造形としては、例えば特許文献１及び特許文献２に示すように、粉体材料を所定の層厚の層状としてテーブルの上面に供給し、その層に対してインクジェットヘッド等によってバインダ液を吐出することにより三次元造形物の層の一部を形成し、その層を順次積層していくことにより三次元造形物を造形することが行われている。
【０００４】
このような粉体による造形を行う三次元造形装置においては、前記テーブルへの粉体材料の供給は粉体材料供給装置（いわゆるリコーター）によって行う一方、テーブル上に供給された粉体材料に対して、バインダ液の吐出する場合はバインダ液供給装置によって行うのが通常である。
このような構成の三次元造形装置によって造形物の造形を行うに際しては、一般に次のような動作が造形物の完成まで繰り返される。
まず、粉体材料供給装置を直線状に移動させて、テーブル上に所定の層厚の粉体材料層を形成した後、前記バインダ液供給装置を移動させる。その後、バインダ液をテーブル上の粉体材料に向けて吐出させることにより、その層において三次元造形物に合わせた形状に粉体材料を結合、硬化させた、該三次元造形物の一部の層部分を含む粉体材料層を形成する。
そして、前記三次元造形物の一部の層部分を含む粉体材料層を１層形成した後、前記粉体材料供給装置を再度移動させて新たな粉体材料を、テーブル上、より具体的には直前に形成された粉体材料層の上に供給して、所定の層厚に一様に拡げ、次の粉体材料層の形成を開始する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２１８７１２号公報
【特許文献２】特表２００４−５０８９４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、近年では、鋳物を形成する鋳型を前記三次元造形装置により形成するという試みがなされている。
ここで、通常の鋳型は、該鋳型内に流し込まれた溶かした金属が冷えて収縮する際に、空洞（ひけ巣）等の内部欠陥が鋳造対象の鋳物中に形成されるのを抑えるため、鋳造対象の鋳物とは別の部分である押湯が形成される部位が設けられている。これは、前記内部欠陥が最後に凝固する金属部分に集中して形成されることを利用して、前記押湯の部分の金属を最後に凝固させ、鋳造対象の鋳物に内部欠陥が可能な限り形成されないようにするためである。
一方で、前記通常の鋳型は、前記押湯の部分の金属を最後に凝固させるため、冷し金と呼ばれる冷却用の部材が設けられていて、この冷し金を鋳型の適切な位置に配置することにより、鋳型内の金属の冷却が進む方向を制御して、前記押湯の部分ができるだけ最後に冷却されるようにしている。【０００７】
そのため、前記鋳型を前記三次元造形装置により形成する場合には、鋳型内の金属の冷却が進む方向を適切に制御できるようにして、金属が冷えて収縮する際に形成される空洞等の内部欠陥が鋳造対象の鋳物中に形成されないようにすることが必要である。
また、その一方で、前記押湯の部分は、基本的に鋳造対象の鋳物とは全く関係がない余剰部分であるため、金属の使用量を抑えるためにはこの押湯の部分をできるだけ小さくし、鋳造の歩留まりを向上させることが好ましい。そのためにも、前述のように、鋳型内の金属の冷却が進む方向を適切に制御して、前記内部欠陥が従来よりも小さな押湯の部分に集中して形成されるようにすることが肝要である。【０００８】
このような観点から、発明者らが鋭意研究を重ねた結果、前記三次元造形装置により鋳型を形成する場合において、該鋳型内の金属の冷却が進む方向を適切に制御できるようにするためには、前記鋳型を複数種類の粉体材料によって形成して、材料の特性に基づいて該鋳型全体としての冷却性能を制御することにより、鋳型内の金属の冷却による凝固に指向性を持たせることが有効であるとの結論を得た。
そのためには、各種類の粉体材料による粉体材料層を適切な位置に形成することが重要であり、１層の粉体材料層中であっても複数種の粉体材料による粉体材料層を併設しなければならない場合もあることから、そのような造形を行うことができる三次元造形装置が必要となる。【０００９】
本発明の技術的課題は、１層の粉体材料層内に複数種類の粉体材料による粉体材料層をそれぞれ適切な位置に併設しながら三次元造形物の造形を行うことができる三次元造形装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するため、本発明の三次元造形装置は、テーブル上に形成された粉体材料層中の粉体材料を、造形対象となる三次元造形物の形状に合わせて結合させる動作を繰り返し、前記粉体材料層を順次積層することにより前記三次元造形物を造形する三次元造形装置であって、前記三次元造形装置は、前記粉体材料層において第１の粉体材料層を形成する第１の粉体材料供給装置と、前記粉体材料層において第２の粉体材料層を形成する第２の粉体材料供給装置と、前記粉体材料層にバインダ液を吐出して前記三次元造形物を造形するバインダ液供給装置とを有していて、前記第２の粉体材料供給装置は、前記第１の粉体材料供給装置により形成された、前記第１の粉体材料層を形成する第１の粉体材料が前記バインダ液供給装置から吐出されるバインダ液によって結合される前の第１の粉体材料層の一部分を、該第１の粉体材料層と同じ層厚で除去する除去装置と、前記第１の粉体材料層における、前記除去装置により除去された部分に、前記第１の粉体材料層を形成する前記第１の粉体材料とは異なる第２の粉体材料を供給して充填することにより前記第２の粉体材料層を形成する充填装置とを備えていることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明においては、前記第２の粉体材料供給装置は、前記三次元造形物が造形されるテーブルの上方側を水平方向に移動自在に形成されていると共に、前記除去装置が前記第１の粉体材料層の一部を除去する向き及び充填装置が前記第２の粉体材料層を形成する向きを変更自在であるものとすることが好ましい。【００１２】
また、本発明においては、前記除去装置は、前記第１の粉体材料層における除去対象の部分の第１の粉体材料を吸引する吸引装置を備えているものとすることができる。【００１３】
本発明においては、前記第２の粉体材料供給装置は、前記除去装置と充填装置との一方又は両方を上下方向に昇降させる昇降機構を備えているものとしてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、第１の粉体材料供給装置とは別に設けられた第２の粉体材料供給装置が、除去装置と充填装置とを備えていて、該除去装置により、先に第１の粉体材料供給装置が形成した第１の粉体材料層の一部分を除去することができる。さらに、前記充填装置が、前記除去装置により除去された部分に、第１の粉体材料層を形成する第１の粉体材料とは異なる第２の粉体材料を供給し充填して第２の粉体材料層を形成することができるため、１層の粉体材料層内に複数種類の粉体材料による粉体材料層をそれぞれ適切な位置に併設することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は本発明の三次元造形装置の一実施の形態を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は本発明の三次元造形装置の一実施の形態において、第１の粉体材料層及び第２の粉体材料層を形成している状態を模式的に示す要部拡大斜視図である。
【図３】図３は三次元造形装置の一実施の形態において、第１の粉体材料層及び第２の粉体材料層を形成している状態を模式的に示す要部拡大断面図である。
【図４】図４は本発明の三次元造形装置の一実施の形態に係る第２の粉体材料供給装置が、平面視において湾曲した第２の粉体材料層を形成している状態を模式的に示す要部平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１〜図４は、本発明に係る三次元造形装置の一実施の形態を示すもので、この実施の形態の三次元造形装置１は、粉体材料からなる粉体材料層２に、該粉体材料を結合させるバインダ液を供給して、該バインダ液が供給された部分の粉体材料を結合させる動作を繰り返しながら、前記粉体材料層２を順次積層することにより三次元造形物を造形するものである。
具体的に、前記三次元造形装置１は、三次元造形物（以下、「造形物」という。）を形成する粉体材料層２が積層される単一のテーブル３と、該テーブル３上に該粉体材料層２の一部である第１の粉体材料層４を形成する第１の粉体材料供給装置５と、前記テーブル３上に供給された粉体材料層２に対して、該粉体材料層２中の粉体材料を結合させる前記バインダ液を吐出するバインダ液供給装置８とをそれぞれ有している。さらに、前記三次元造形装置１は、前記第１の粉体材料供給装置５とは別に、前記テーブル３上に、前記粉体材料層２の一部である第２の粉体材料層６を形成する第２の粉体材料供給装置７を備えている。
図１中の符号１０は、三次元造形装置１の筐体である。
【００１７】
なお、造形対象の造形物の一部の層部分が造形された前記第１の粉体材料層４及び第２の粉体材料層６の形成は、図示しない電子計算機に入力された造形対象となる造形物のデータ（例えば、ＳＴＬ（Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｅｄ  Ｌａｎｇｕａｇｅ）ファイル形式のデータまたは、そのＳＴＬファイルに基いて作られたスライス（輪切り）データ））に基づいて制御され、造形物の形状に合わせて粉体材料のテーブル３への供給及びバインダ液の吐出が行われる。
【００１８】
前記テーブル３は、複数の粉体材料層２が積層されて前記造形物が造形される平坦且つ水平な上面を有していて、前記粉体材料層２の層厚に応じて、上面が水平な状態を維持したまま鉛直方向に昇降自在となっている。
また、この実施の形態においては、前記テーブル３は、前記第１の粉体材料供給装置５及びバインダ液供給装置８の後述する移動方向と直交する方向（この実施の形態の場合、三次元造形装置１の左右方向）に長い、平面視略矩形状に形成されている。
【００１９】
さらに、前記テーブル３は、該テーブル３の正面側（三次元造形装置１の前側）及び背面側（三次元造形装置１の後側）、左右両面側の四方を取り囲む平面視矩形枠状に形成された、鉛直方向に延びる筒状部材９内に収容されている。そして、前記テーブル３上に前記粉体材料層２が１層形成されて、その１層の粉体材料層２に対するバインダ液の吐出が終了するたびに、該テーブル３がこの筒状部材９内を降下する構成となっている。
したがって、造形対象となる造形物は、最終的には、この筒状部材９内に、前記バインダ液によって結合されていない粉体材料と共に収容された状態で造形が完了することとなる。
【００２０】
なお、前記テーブル３には、該テーブル３を鉛直方向に昇降させる図示しないテーブル用昇降装置が取付けられている。
このテーブル用昇降装置としては、安定的な昇降及び精密な位置制御を行うことができる構成であれば任意の構成を用いることができる。例えば、鉛直方向に延びるねじ軸と、該ねじ軸の回転によりそのねじ軸の外周面を軸線方向に移動するナットを有するボールねじを用いることができる。即ち、前記ねじ軸の上端部を前記テーブル３の下面に連結すると共に、前記ナットを位置不動の基台に固定し、電動モータ等で該ねじ軸を回転させることにより、そのねじ軸を昇降させて前記テーブル３を昇降させる構成とすることができる。
あるいは、鉛直方向にチェーンが移動するチェーンコンベアを設けて、該チェーンコンベアのチェーンの移動によって前記テーブル３を昇降させる構造であってもよい。
さらには、ピストンが鉛直方向に上下動する流体圧シリンダを用いて、該流体圧シリンダのピストンロッドの先端をテーブルの下面に連結し、前記ピストンを移動させることによりテーブル３を昇降させることができる。
また、前記テーブル３の昇降は、ガイドレールによって鉛直方向に案内させた状態で行わせることが好ましく、この場合においては、テーブル３を滑らかに昇降させるため、円柱状や球状の転動子を有するリニアガイドを用いることができる。
【００２１】
前記バインダ液供給装置８は、三次元造形装置１の前後方向（前記テーブル３上の短手方向と略平行な方向。以下、「Ｙ軸方向」という。）及び左右方向（前記テーブル３上の長手方向と略平行な方向。以下、「Ｘ軸方向」という。）に、それぞれ直線的に移動自在となっている。
具体的に、前記バインダ液供給装置８は、前記バインダ液を、テーブル３上に供給された粉体材料に向けて吐出するインクジェットヘッドを備えていて、Ｘ軸方向に移動することにより、バインダ吐出用のノズルから、最大で前記テーブル３の長手方向の全長にわたってバインダ液を吐出することができる構成となっている。
【００２２】
なお、前記バインダ液供給装置８には、該バインダ液供給装置８をＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させるバインダ液供給装置用の移動装置１１が取付けられている。
前記移動装置１１は、前記テーブル３の長手方向の両端側において該テーブル３を挟むように設けられ、且つＹ軸方向に水平かつ相互に平行に延びる左右一対のガイドレール１２,１２と、これらの一対のガイドレール１２,１２の間に架け渡され、且つこれらの一対のガイドレール１２,１２上を前記三次元造形装置１の前後方向に移動自在に設けられた、前後方向移動部材１３とを備えている。
さらに、この前後方向移動部材１３には、該前後方向移動部材１３にＸ軸方向に移動自在に取付けられた左右方向移動部材１４を備えていて、この左右方向移動部材１４に前記バインダ液供給装置８が取付けられている。
また、この実施の形態においては、前記バインダ液供給装置８は、前記テーブル３よりも、Ｙ軸方向における前記三次元造形装置１の後側（背面側）の位置を原点位置としている。
したがって、前記バインダ液供給装置８は、前記第１の粉体材料供給装置５及び第２の粉体材料供給装置７がテーブル３に向けて粉体材料を供給する際には、基本的に前記原点位置に待機し、第１の粉体材料供給装置５及び第２の粉体材料供給装置７による１層分の粉体材料層２の形成が終了した場合には、Ｙ軸方向における前記三次元造形装置１の前側（正面側）及びＸ軸方向に移動しながら前記バインダ液を該テーブル３上の粉体材料層２に吐出、供給する。そして、前記バインダ液供給装置８は、その１層の粉体材料層２に対するバインダ液の吐出が終了した場合には、前記原点位置に戻ることとなる。
【００２３】
また、前記バインダ液供給装置８におけるバインダ液の吐出量は、バインダ液の種類や、１回の吐出でどの程度の大きさの粉体材料２を固めるかによって異なるが、本発明においては、１ｐｌ〜２００ｐｌとすることができ、さらに好ましくは１０ｐｌ〜１５０ｐｌ、より好ましくは３０ｐｌ〜１００ｐｌである。
さらに、前記インクジェットヘッド８ａにおける吐出機構としては、ピエゾ型やサーマル型等の公知の機構を用いることができる。
【００２４】
さらに、本発明において使用される前記バインダ液は、粉体材料の種類に応じて自由に変えることが可能であるが、例えば粉体材料が石膏や澱粉の場合には水を主にした液体を用いることができ、また、通常のインクジェットプリンタで使われる種々のバインダ液を使うこともできる。この時、染料や顔料を使用してバインダを染色することもできる。
前記バインダ液として使用するものとしては、例えば、有機エステル、フルフリルアルコール、ポリイソシアネート、あるいはポリイソシアネートと３級アミン類とを混ぜたもの等が挙げられる。また、フルフリルアルコールとホルムアルデヒドとを混ぜたもの、場合によってはこれらのフルフリルアルコールとホルムアルデヒドとに尿素を混ぜたものを用いることができる。
【００２５】
一方、前記第１の粉体材料供給装置５は、一方向（この実施の形態の場合はＹ軸方向）に直線的に前後進自在に形成されたものである。そして、移動しながら前記第１の粉体材料層４を形成する第１の粉体材料１６を所定の供給幅で前記テーブル３に向けて供給自在となっている。
この第１の粉体材料供給装置５は、前記テーブル３上の長手方向（Ｘ軸方向）の長さとほぼ同じ幅で前記第１の粉体材料１６を供給することが可能となっていて、この第１の粉体材料供給装置５が前記テーブル３上をＹ軸方向に直線的に１回移動することにより、該テーブル３上のほぼ全面に前記第１の粉体材料１６を供給することが可能となっている。
この実施の形態においては、前記第１の粉体材料供給装置５が前進した場合（即ち、三次元造形装置１の後方向に移動した場合）に前記第１の粉体材料１６を前記テーブル３に向けて供給する構成となっている。
【００２６】
具体的に、前記第１の粉体材料供給装置５は、前記第１の粉体材料１６を貯蔵するタンク部（図示せず）と、該タンク部内の第１の粉体材料１６を前記テーブル３に向けて排出する排出口２１を備えた、前記タンク部２１から略鉛直下方向に延びる排出ノズル２２とを備えている。
さらに、前記第１の粉体材料供給装置５は、前記排出ノズル２２の排出口２１から前記テーブル３に向けて排出された第１の粉体材料１６により形成された第１の粉体材料層４を、予め定めた層厚に調整し且つその第１の粉体材料層４の上面の平坦にする平坦化部材２３を有している。
【００２７】
なお、前記第１の粉体材料供給装置５は、該第１の粉体材料供給装置５をＹ軸方向に移動させる、この第１の粉体材料供給装置用の移動装置２６が取付けられている。
前記移動装置２６は、Ｙ軸方向に相互に平行に延びる左右一対のガイドレール２７，２７と、これらの一対のガイドレール２７,２７を前記三次元造形装置１の前後方向に移動自在の移動部材２８，２８とを有していて、前記第１の粉体材料供給装置５は、その長手方向（Ｘ軸方向）の両端部がこの移動部材２８，２８に固定されている。
この実施の形態においては、前記第１の粉体材料供給装置５は、前記テーブル３よりも、Ｙ軸方向における前記三次元造形装置１の前側（正面側）を原点位置としている。そして、前記第１の粉体材料供給装置５は、前記原点位置から前記テーブル３の短手方向の前記三次元造形装置１の後側（背面側）に移動する際に、１層分の前記第１の粉体材料１６の供給を行って前記第１の粉体材料層４を形成し、供給が終了した場合には、後で詳述する前記第２の粉体材料供給装置７が原点位置に移動するのを待って、前記原点位置に移動する。
その後、この第１の粉体材料供給装置５は、前記バインダ液供給装置８によるバインダ液の吐出、供給が終了するまで該原点位置で待機するようになっている。
【００２８】
また、前記第２の粉体材料供給装置７は、前記第１の粉体材料供給装置５により形成された前記第１の粉体材料層４の一部分を除去すると共に、その第１の粉体材料層４を除去した部分に、該第１の粉体材料層４を形成する第１の粉体材料１６とは異なる第２の粉体材料３０を充填して前記第２の粉体材料層６を形成するものである。
【００２９】
ここで、本発明において、前記第１の粉体材料供給装置によりテーブルに供給する第１の粉体材料、及び前記第２の粉体材料供給装置によりテーブルに供給する第２の粉体材料としては、例えば有機樹脂、金属、セラミック、澱粉、ガラス粉末などが挙げられる。
具体的には、ポリスチレン樹脂、ナイロン（ポリアミド）樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル（ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル））樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂、ガラスフィラーの入った有機樹脂、カーボンファイバーの入った有機樹脂、微粒状ワックス、鋳物砂、珪酸アルミニウム、石膏、澱粉、石英、Ｔｉ6Ａｌ4Ｖ、ＡｌＳｉ12、ＡｌＳｉ10Ｍｇ、コバルトクロム合金、ニッケル合金、ステンレス合金、鉄、鋼等を用いることができる。
ただし、前記第１の粉体材料として用いる粉体材料と第２の粉体材料として用いる粉体材料とは、相互に異なる粉体材料である必要がある。
また、前記第１の粉体材料及び第２の粉体材料の粒径は、第１の粉体材料の場合は第１の粉体材料層の層厚、第２の粉体材料の場合は第２の粉体材料層の層厚より小さければ制限はないが、１μｍ〜３００μｍ程度とすることができ、さらに好ましくは１０μｍ〜２００μｍ、より好ましくは５０〜１５０μｍである。このとき、第１の粉体材料及び第２の粉体材料については、複数の異なる粒径のものを混在させて使用してもよい。例えば、１５０〜３００μｍの粉体材料と、１０〜５０μｍの粉体材料とを混在させた状態で用いることができる。なお、前記第１の粉体材料として用いる粉体材料の粒径と第２の粉体材料として用いる粉体材料の粒径とは、相互に同じであってもよいし、異なっていてもよい。
さらに、本発明において、前記第１の粉体材料供給装置が形成する第１の粉体材料層及び第２の粉体材料供給装置が形成する第２の粉体材料層の層厚については、造形対象となる造形物に応じて異なる。その造形物が鋳造や大型のケース備品のような非常に大きなものであればが、０．１５〜０．５ｍｍ程度とすることができ、さらに好ましくは０．２〜０．４ｍｍ、より好ましくは０．２５〜０．３５ｍｍである。前記造形物が一般的な工業製品であれば、０．０５〜０．２ｍｍ程度とすることができ、さらに好ましくは０．０７５〜０．１５ｍｍ程度とすることができる。小型の工業製品、例えばコネクタ等の小さなものであれば、０，０１〜０．１ｍｍ程度とすることができ、さらに好ましくは０．０２５〜０．０７５ｍｍ程度とすることができる。
【００３０】
そして、前記第２の粉体材料供給装置７は、具体的には、前記第１の粉体材料層４の一部分を除去する除去装置３１と、該除去装置３１が第１の粉体材料層４を除去した部分に、第２の粉体材料３０を供給して充填することにより前記第２の粉体材料層６を形成する充填装置３２とを備えている。
この実施の形態においては、前記第２の粉体材料供給装置７における、前記第１の粉体材料層４の除去幅及び第２の粉体材料３０の供給幅は、前記第１の粉体材料供給装置５が第１の粉体材料１６をテーブル３に向けて供給する供給幅や前記テーブル３の長手方向長さ及び短手方向長さに比べて、小さく設定されている。
【００３１】
前記除去装置３１は、前記第１の粉体材料供給装置５により前記テーブル３上（即ち、第１層形成時は該テーブル３の上面、第２層形成時は該テーブル３上に形成されている一段下層の既設の粉体材料層４の上面）に形成され且つ前記バインダ液供給装置８により前記バインダ液が吐出される前の第１の粉体材料層４の一部分を、該第１の粉体材料層４と同じ層厚で除去可能となっている。
この実施の形態における前記除去装置３１は、前記第１の粉体材料層４を該第１の粉体材料層４と同じ層厚で掻き上げる掻き上げ部材３６と、該掻き上げ部材３６が掻き上げた第１の粉体材料層４の第１の粉体材料１６を吸引する吸引装置３７とを備えている。
そして、前記第２の粉体材料供給装置７が前進することにより、この除去装置３１の前記掻き上げ部材３６が第１の粉体材料層４において除去対象となっている部分の第１の粉体材料１６を掻き上げると共に、その掻き上げた第１の粉体材料１６を前記吸引装置３７が吸引する構成となっている。したがって、前記除去装置３１が除去した前記第１の粉体材料層の部分は、前記第１の粉体材料１６が存在しない空間が形成された状態となる。
【００３２】
図３に示すように、前記掻き上げ部材３６は、先端部３６ａ側（前記第２の粉体材料供給装置７の前進方向）に行くに従って次第に先細る断面略三角形状に形成されたもので、前記第２の粉体材料供給装置７の前進方向と直交する水平方向に延設されている。
なお、この掻き上げ部材３６の長手方向の長さは、実質的に、前記除去装置３１における前記第１の粉体材料層４の除去幅となり、延いては、前記第２の粉体材料層６の幅（前記第２の粉体材料供給装置７の前進方向と直交する方向の長さ）となる。
さらに、この掻き上げ部材３６は、底面側は略水平な平坦面となっていると共に、上面側は先端側に向けて斜め下方向きに傾斜した傾斜面３６ｂとなっている。そして、前記第２の粉体材料供給装置７が、前記掻き上げ部材３６の先端部３６ａ方向に進行（即ち前進）した時にのみ、前記先端部３６ａにおいて、前記第１の粉体材料層４の第１の粉体材料１６を前記傾斜面３６ｂ側に向けて掻き上げることができるようになっている。
【００３３】
また、前記吸引装置３７は、前記掻き上げ部材３６が掻き上げた第１の粉体材料１６を吸引する吸引ノズル３８と、吸引力を発生させるコンプレッサー等の圧縮機や真空ポンプなどの各種吸引手段（図示せず）と、前記吸引ノズル３８と該吸引手段との間を連通させて、その吸引手段が発生させた吸引力により前記吸引ノズル３８が吸引した第１の粉体材料１６を搬送する配管３９を備えている。
この実施の形態においては、図３に示すように、前記吸引ノズル３８は、吸引口３８ａが前記掻き上げ部材３６の先端部３６ａ側を向いた状態で該掻き上げ部材３６の前記傾斜面３６ｂ上に配設されている。そして、前記吸引ノズル３８は、主として、前記掻き上げ部材３６の前記傾斜面３６ｂ上に載った第１の粉体材料１６を吸引することができるようになっている。
したがって、前記除去装置３１が除去した前記第１の粉体材料層４の除去部分は、前記吸引装置３７が、前記掻き上げ部材３６が掻き上げた第１の粉体材料１６を吸引したことにより、第１の粉体材料１６が存在しない空間が形成された状態となる。
【００３４】
一方、前記充填装置３２は、前記第１の粉体材料供給装置５が形成した第１の粉体材料層４において前記除去装置３１により第１の粉体材料１６が除去された部分に、該第１の粉体材料層４を形成する第１の粉体材料１６とは異なる第２の粉体材料３０を供給して充填することにより前記第２の粉体材料層６を形成するものである。
この充填装置３２は、前記第２の粉体材料３０を貯蔵するタンク部と、該タンク部内の第２の粉体材料３０を前記テーブル３に向けて、さらに具体的には、前記第１の粉体材料層４において、前記除去装置３１により第１の粉体材料１６が除去された部分の空間に向けて排出する排出口４１を備えた、略鉛直下方向に延びる排出ノズル４２とを備えている。
さらに、前記充填装置３２は、前記第２の粉体材料３０により形成された前記第２の粉体材料層６を、前記第１の粉体材料層４と同じ層厚に調整し且つ該第２の粉体材料層６の上面の平坦にする平坦化部材４３を有している。
【００３５】
前記排出ノズル４２の排出口４１は、前記除去装置３１の掻き上げ部材３６の長手方向の長さ、即ち、該除去装置３１の前記第１の粉体材料層４の除去幅と同じ供給幅で前記第２の粉体材料３０を前記テーブル３に向けて（より具体的には、前記除去装置３１により第１の粉体材料１６が除去された部分の空間に向けて）排出自在となっている。したがって、実質的に、この排出口４１からの前記第２の粉体材料３０の供給幅が、前記充填装置３２における第２の粉体材料３０の供給幅となる。
また、前記平坦化部材４３は、前記排出ノズル４２の排出口４１から排出された第２の粉体材料３０により形成された第２の粉体材料層６の上面を擦り切るようにして、その層厚を第１の粉体材料層４と同じ大きさにすると共に、該上面を平坦化している。この実施の形態においては、前記排出ノズル４２と相互に連結されている。
【００３６】
ここで、前記第２の粉体材料供給装置７は、前記除去装置３１と充填装置３２との一方又は両方を上下方向に昇降させる昇降機構４５を備えている。
前記第２の粉体材料供給装置７は、この昇降機構４５により前記除去装置３１や充填装置３２の高さを調整が可能となるため、例えば、前記第１の粉体材料層４の層厚に適合するようにこれらの除去装置３１及び充填装置３２の高さを調整することができる。
また、この第２の粉体材料供給装置７は、前記昇降機構４５により、前記第２の粉体材料層６を形成するに際して前記除去装置３１によって第１粉体材料層４における除去対象となる部分を除去する場合には、除去開始時には該除去装置３１のみを下降させる一方で、充填装置３２は前記第１の粉体材料層４に接触しない位置にまで上昇させることができる。さらに、前記除去装置３１による前記第１の粉体材料層４の第１の粉体材料１６の除去により、該第１の粉体材料層４に該充填装置３２が入る空間が形成された場合に、前記第２の粉体材料層６の形成のために該充填装置３２を下降させることができる。
その他、前記除去装置３１が第１の粉体材料層４における除去対象の部分の除去が完了し、充填装置３２による第２の粉体材料３０の供給に係る作業のみが残されているときに、該除去装置３１のみを上昇させて第１の粉体材料層４と接触しないようにする一方で、前記充填装置３２の高さを維持して第２の粉体材料の供給を継続させたりすることもできる。
このように、前記昇降機構４５は、前記除去装置３１や充填装置３２の昇降を自在とするため、前記第２の粉体材料供給装置７全体としての多様な運用が可能となる。
【００３７】
前記昇降機構４５としては、前記除去装置３１と前記充填装置３２との一方又は両方を上下方向に安定的に昇降させることができ、また精密な位置制御を行うことができる構成であれば任意の構成を用いることができる。
例えば、鉛直方向に延びるねじ軸と、該ねじ軸の回転によりそのねじ軸の外周面を軸線方向に移動するナットとを有するボールねじを用いることができる。即ち、前記ねじ軸の下端部を前記除去装置３１に取付け、前記ナットを後述する回転装置５２に固定し、電動モータ等で該ねじ軸を回転させることにより、そのねじ軸を昇降させて前記除去装置３１を昇降させる構成とすることができる。また、前記充填装置３２についても同様の構成のボールねじを用いることにより昇降させることができ、したがって、この充填装置３２に用いているボールねじ及び前記除去装置３１に用いているボールねじのねじ軸の回転数や回転角度を制御することにより、これらの除去装置３１と充填装置３２の位置を制御することが可能である。
その他、電動式のスライドテーブル等を用いることができる。
【００３８】
ところで、前記第２の粉体材料供給装置７は、前記テーブル３の上方側を水平方向に移動自在に形成されていると共に、前記除去装置３１が前記第１の粉体材料層４の一部を除去する向き及び充填装置３２が前記第２の粉体材料層６を形成する向き、即ち第２の粉体材料供給装置７が前進する方向を変更自在となっている。
具体的に、前記第２の粉体材料供給装置７には、該第２の粉体材料供給装置７をＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させる第２の粉体材料供給装置７用の移動装置５１と、第２の粉体材料供給装置７を鉛直方向に延びる軸線まわりに回転させて該第２の粉体材料供給装置７の向き（前進方向）を変更する回転装置５２とが取付けられている。
これにより、前記第２の粉体材料供給装置７は、その前進方向を任意の方向に自由に設定することができ、例えば図４に示すような、平面視において任意の軌跡を描くように動くことができるため、前記第２の粉体材料層６の平面視形状を任意の形状に形成することができる。
【００３９】
前記第２の粉体材料供給装置７用の移動装置５１は、Ｙ軸方向に相互に並行に延びる左右一対のガイドレール５３，５３と、これらの一対のガイドレール５３,５３の間に架け渡され、且つこれらの一対のガイドレール５３,５３上をＹ軸方向に移動自在に設けられた、第２の粉体材料供給装置用の前後方向移動部材５４とを備えている。
さらに、この第２の粉体材料供給装置用の前後方向移動部材５４は、該前後方向移動部材５４にＸ軸方向に移動自在に取付けられた、第２の粉体材料供給装置用の左右方向移動部材５５を備えていて、この左右方向移動部材５５に前記第２の粉体材料供給装置７が、前記回転装置５２を介して取付けられている。
【００４０】
また、前記回転装置５２は、前記第２の粉体材料供給装置７を、前記第２の粉体材料供給装置用の左右方向移動部材５５に対して、鉛直方向に延びる軸線まわりに回転させるものであり、前記第２の粉体材料供給装置７と左右方向移動部材５５との間に介在させている。
この回転装置５２としては、前記第２の粉体材料供給装置７を鉛直方向に延びる軸線まわりに回転させることができ、且つ該第２の粉体材料供給装置７の方向を精密且つ安定的に制御することができれば、任意の構成のものを用いる。例えば、ステッピングモータやサーボモータ等や、これらのモータを用いたロータリーテーブルを用いることができる。
【００４１】
また、この実施の形態においては、前記第２の粉体材料供給装置７は、前記第１の粉体材料供給装置５の原点位置よりも、Ｙ軸方向における前記三次元造形装置１の前側（正面側）の位置を原点位置としている。
したがって、前記第２の粉体材料供給装置７は、前記第１の粉体材料供給装置５がテーブル３に向けて第１の粉体材料１６を供給する際には、前記原点位置に待機するか、もしくは、該第１の粉体材料供給装置５に一定の距離を保った状態で追随するように前進し、その第１の粉体材料供給装置５が形成した第１の粉体材料層４に対して、除去対象の部分の第１の粉体材料１６の除去及び第２の粉体材料３０の供給を行って第２の粉体材料層６を形成する。
そして、前記第２の粉体材料供給装置７は、第２の粉体材料層６の形成が終了した場合には、前記第１の粉体材料供給装置５の原点位置への移動の前に、この第２の粉体材料供給装置７の原点位置に戻り、前記バインダ液供給装置８によるバインダ液の吐出、供給が終了するまで該原点位置で待機するようになっている。
なお、造形物を作成する際、平面視略曲線状の第２の粉体材料層６を形成するために回転装置５２を用いる際には、前記吸引ノズル３８と前記排出ノズル４２の排出口４１とが同一の軌跡を描かないので、第２の粉体材料層６を形成の始終端を緩和曲線とすることが好ましい。緩和曲線としても同一の曲線を描くわけではないが、前記第２の粉体材料３０が重力や第２の粉体材料供給装置７から力を受けて広がる程度にすればよい。また、このような前記吸引ノズル３８と前記排出ノズル４２の排出口４１との軌跡が不一致であることに起因する影響を弱めるため、吸引ノズル３８と前記排出口４１との位置は、相互にできるだけ近いほうが好ましい。緩和曲線としては、クロソイド曲線、３次曲線、サイン半波長逓減曲線など、曲率を低減させる曲線であればよい。
【００４２】
前記構成を有する三次元造形装置１により前記造形物を形成する場合には、まず第１の粉体材料供給装置５を前進させて、テーブル３上に第１の粉体材料１６を供給して第１の粉体材料層４を形成する。
次に、第２の粉体材料供給装置７を、前記第１の粉体材料層４を形成後に、もしくは該第１の粉体材料供給装置５の前進に追随するように前進させる。そして、前記第１の粉体材料供給装置５が形成した、バインダ液供給装置８によりバインダ液が吐出される前の前記第１の粉体材料層４における除去対象の部分の第１の粉体材料１６を、除去装置３１により除去すると共に、該除去装置３１が除去した部分に前記充填装置３２によって第２の粉体材料３０を供給して充填することにより第２の粉体材料層６を形成する。
これにより、１層の粉体材料層２内に、第１の粉体材料層４と第２の粉体材料層６とが形成されることとなる。
【００４３】
その後、前記バインダ液供給装置８を移動させて、第１の粉体材料層４及び第２の粉体材料層６からなる１層の粉体材料層２に対して、造形対象となる造形物の形状に合わせてバインダ液を吐出させ、第１の粉体材料１６や第２の粉体材料３０を結合させる。
これにより、造形対象となる造形物の一部の層部分と、結合されていない粉体材料とを含む１層の粉体材料層２が形成される。
以降、前記テーブル３を１層分ずつ下降させながら、前記動作を繰り返して粉体材料層２を１層ずつ形成し、順次積層していくことにより、該粉体材料層２中の造形物の一部の層部分が積層され、最終的に造形対象となる造形物が完成することとなる。
【００４４】
このように、前記構成を有する三次元造形装置１によれば、前記第１の粉体材料供給装置５とは別に設けられた前記第２の粉体材料供給装置７が、前記除去装置３１と前記充填装置３２とを備えていて、これらの除去装置３１及び充填装置３２により、１層の粉体材料層２内に複数種類の粉体材料による複数の粉体材料層をそれぞれ適切な位置に安定的且つ確実に併設することが可能となる。
【００４５】
したがって、例えば、前記三次元造形装置により鋳型を形成する場合においては、各種類の粉体材料による粉体材料層を適切な位置に形成することができるため、それらの粉体材料に起因する機能によって、前記鋳型内の金属の冷却が進む方向を適切に制御でき、該鋳型全体としての冷却性能を制御し、鋳型内の金属の冷却による凝固に指向性を持たせることが可能となる。
これにより、鋳型内の金属が冷えて収縮する際に形成される空洞等の内部欠陥を押湯の部分に集中させることができるため、鋳造対象の鋳物中に形成されることを安定的に抑えることができる。また、鋳型内の金属の冷却による凝固に指向性を持たせることが可能であることから、鋳造対象の鋳物とは全く関係がない押湯の部分についても最低限に抑えることができ、これにより金属の使用量を抑えて鋳造の歩留まりを向上させることができる。
【００４６】
前記実施の形態においては、前記第２の粉体材料供給装置７が、前記テーブル３の上方側を水平方向に移動自在に形成されていると共に、前記除去装置３１が前記第１の粉体材料層４の一部を除去する向き及び充填装置３２が前記第２の粉体材料層６を形成する向きを変更自在となっている。しかしながら、前記第２の粉体材料供給装置は、必ずしもこのような構成である必要はなく、例えば、Ｘ軸方向及びＹ軸方向にのみ移動でき、向きを変更しない構成であってもよい。
【００４７】
前記実施の形態においては、前記第２の粉体材料供給装置７の除去装置３１は、前記第１の粉体材料層４における除去対象の部分の第１の粉体材料１６を吸引する吸引装置３７を備えている。
しかしながら、前記除去装置は、除去した第１の粉体材料を一時的に保持可能として第２の粉体材料層の形成後に廃棄する等、除去対象の部分の第１の粉体材料を確実に除去することができれば、必ずしも吸引装置を備えている必要はない。
【００４８】
また、前記実施の形態では、前記第２の粉体材料供給装置７の除去装置３１は、前記第１の粉体材料層４を該第１の粉体材料層４と同じ層厚で掻き上げる掻き上げ部材３６を備えているが、前記第１の粉体材料層４の除去対象の部分を該第１の粉体材料層４と同じ層厚で除去することができれば、この掻き上げ部材は省略することができる。このとき、例えば前記吸引装置を有している場合は、前記第１の粉体材料層における除去対象の部分の第１の粉体材料を、該吸引装置の吸引ノズルの先端部（より具体的には吸引口の開口縁部分）で掻き上げながら吸引、あるいは該吸引装置の吸引力のみで直接的に吸引するようにしてもよい。
【００４９】
前記実施の形態においては、前記第２の粉体材料供給装置７は、前記除去装置３１と充填装置３２との一方又は両方を上下方向に昇降させる昇降機構４５を備えているが、前記除去装置や充填装置の高さを変更する必要がない場合は、第２の粉体材料供給装置は昇降機構を必ずしも備えていなくてもよい。
【００５０】
さらに、前記実施の形態においては、前記充填装置３２は、タンク部内の第２の粉体材料３０をテーブル３に向けて排出する排出ノズル４２を備えているが、充填装置は、第２の粉体材料を除去装置が第１の粉体材料を除去した部分に確実に供給して充填することができれば、タンク部の底部に排出口を直接設ける等、必ずしも排出ノズルを設ける必要はない。
また、前記実施の形態では、第１の粉体材料供給装置５は、タンク部内の第１の粉体材料１６をテーブル３に向けて排出する排出ノズル２２を備えているが、第１の粉体材料供給装置は、第１の粉体材料をテーブルに向けて確実に供給することができれば、排出ノズルは必ずしも必要ではない。
【００５１】
前記実施の形態においては、前記第２の粉体材料供給装置７は、除去装置３１と充填装置３２とが一体的に構成されているが、この第２の粉体材料供給装置は、除去装置と充填装置との間にある程度の空間が形成されて相互に離れた状態に配設された構成であってもよい。
【００５２】
なお、前記実施の形態においては、第１の粉体材料供給装置５からテーブル３上に供給した粉体材料層２に対して、バインダ液供給装置８から吐出したバインダ液によって粉体材料を結合して造形物を形成する、いわゆるインクジェット式の三次元造形装置に係るものであった。
しかしながら、三次元造形装置としては、粉体材料を任意の手段で結合して造形を行うものであれば、例えば粉体材料を赤外線レーザや電子線ビーム、サーマルヘッドなどにより焼結又は溶融する粉末焼結（溶融）造形に係るものであってもよい。このとき、粉体材料として粉体状の金属を用いる場合、溶融した該粉体状の金属を連続的に固体に変えていくため、物性が連続的に変化して粉体状の金属同士の接合が弱くならない。
あるいは、粉体材料供給装置によってテーブル上に粉体材料を供給して、その粉体材料に対して、インクジェットヘッド等によって造形物の形状に合わせて硬化阻害剤を吐出した後、硬化剤や該硬化剤と共に用いる添加剤を粉体材料に吐出することにより、造形物の一部の層を形成する手段を実施するための三次元造形装置であってもよい。
また、本発明の三次元造形装置によって鋳造用の鋳型（砂型）を形成する場合には、前記第１の粉体材料や第２の粉体材料に、砂鉄等の金属の微粒子や、アルミナ、窒化ケイ素、窒化ホウ素、酸化亜鉛、黒鉛、その他クロマイト砂やジルコン砂等の高熱伝導人工砂などを混合してもよく、これにより、鋳型の熱伝導率を位置によって変化させて、鋳型に入れる溶けた金属の冷却に指向性を持たせることが可能となる。
【符号の説明】
【００５３】
１    三次元造形装置
２    粉体材料層
３    テーブル
４    第１の粉体材料層
５    第１の粉体材料供給装置
６    第２の粉体材料層
７    第２の粉体材料供給装置
１６    第１の粉体材料
３０    第２の粉体材料
３１    除去装置
３２    充填装置
３７    吸引装置
４５    昇降機構
【図１】
0006482006.tif 000002
【図２】
0006482006.tif 000003
【図３】
0006482006.tif 000004
【図４】
0006482006.tif 000005