(57)【要約】【課題】気泡が含有された液体が吐出・硬化して、薄い層が幾層にも積み重ねられていくと、最終的に得られた造形物の中に微少で無数の気泡が残るため、本来透明であるはずのものが白色化したり、造形物が着色されたものであっても本来の色を損なうするような現象が生じ、造形物の見た目の品質を損ったり、造形物の強度が低下し、脆くなるという問題があった。【解決手段】液体を貯留するタンクと、タンクから供給された液体を小滴としてを吐出する液滴吐出ヘッドと、液滴吐出ヘッドから吐出された液滴が積層するステージと、積層された液滴を硬化させる手段とを備え、ステージ上に繰り返し積層することで成形品を成形する三次元成形装置において、液滴吐出ヘッドから吐出される液滴を、供給される液体の中に含まれる溶存気体が脱気されたものとする。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を貯留するタンクと、該タンクから供給された液体を小滴として吐出する液滴吐出ヘッドと、該液滴吐出ヘッドから吐出された液滴が積層するステージと、積層された液滴を硬化させる手段とを備え、前記ステージ上に繰り返し積層することで造形物を成形する三次元造形装置において、前記タンクに貯蔵されている液体は溶存気体が脱気されたものであることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項２】
前記タンク内に貯蔵されている液体に含まれる溶存酸素量は２０％以下で、かつ液滴吐出ヘッドからの液滴吐出周波数の最大が１０ｋＨｚ以上であることを特徴とする請求項１記載の三次元造形装置。
【請求項３】
液体を貯留するタンクと、該タンクから供給された液体を小滴としてを吐出する液滴吐出ヘッドと、前記タンクから前記液滴吐出ヘッドに液体を供給する供給手段と、液体が液滴吐出ヘッドに供給される前に液体内に含まれる溶存空気を脱気する脱気手段と、該脱気手段と液滴吐出ヘッド間に設けられ、液体を前記タンクに回収する回収経路と前記液滴吐出ヘッドへ供給する供給経路に切り替え可能な切り換え弁と、該液滴吐出ヘッドから吐出された液滴が積層するステージと、積層された液滴を硬化させる手段とを備えたことを特徴とする三次元成形装置。
【請求項４】
請求項３記載の三次元造形装置において、電源を立ち上げた直後、前記切り替え手段の弁を液体がタンクへの回収経路を構成するように切り換え、その後に前記切り換え弁を液滴吐出ヘッド供給経路に切り換えた後、液体を前記液体吐出ヘッドの液滴吐出口から吸引廃棄する動作を行うようにしたことを特徴とする三次元造形装置。
【請求項５】
前記液体は光硬化性樹脂、あるいは熱硬化性樹脂を含む溶液、または熱溶融型液体であることを特徴とする請求項１ないし４記載のいずれかに記載の三次元造形装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は三次元造形装置に関するものであって、より具体的には樹脂を液体あるいは流体状態で液滴吐出方式によって吐出し、硬化させ、これを積層することによって、任意の造形物を製造する三次元造形装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、造形対象物を平行な複数の面で切断した各断面毎に樹脂を順次積層することよって立体造形を行い、造形対象物の三次元モデルとなる造形物を生成する装置が知られている。
【０００３】
図６は、従来の三次元造形装置１００を示す概略図である。この三次元造形装置１００において、コンピュータ１１１は三次元形状の造形材対象物、例えば、三次元ＣＡＤ等で設計されたモデルをデータ化し、それを複数の薄い断面体にスライスして得られる断面データの送信を行う。駆動制御部１１２はコンピュータ１１１からの断面データを取り込み、そのデータに従って液滴吐出ヘッド１１５、ＸＹ方向駆動部１１３及びＺ方向駆動部１１４を制御する。この駆動制御部１１２の制御により、ＸＹ駆動部１１３が作動するとともに液滴吐出ヘッド１１５より熱可塑性樹脂を小滴として吐出することにより、コンピュータ１１１から与えられた断面データの基づく断面形状が造形される。そしてステージ１１６上に吐出された熱可塑性樹種は放熱・冷却されて溶融状態から固体に変化して硬化する。このような動作によって、一層分の断面体すなわち層体が作りだされる。
【０００４】
その後、駆動制御部１１２によってＺ方向制御部１１４が制御され、ステージ１１６は一層分の厚さに相当する距離だけ降下する。そして上述した動作と同様の動作を繰り返し行うことにより、一層目の上側に新たな層が積層される。このように連続的に作り出された幾層もの薄い層体が積層され、造形物１１７が造形される。
【０００５】
一方、造形物１１７がオーバーハング形状をする場合には、コンピュータ１１１において造形対象物のデータを行う際に必要に応じてオーバーハング支持部形状が付加される。そして駆動制御部１１２は造形物の造形と同時に、オーバーハング支持部形状に基づいて造形物を造形するための第１の熱可塑性樹脂とは溶融温度が異なる第２の熱可塑性樹脂を第２の液滴吐出ヘッド１１８から小滴として吐出させることにより、オーバーハング支持部１１９を形成する。
そして、積層完了後に造形物を支持部用の第２の熱可塑性樹脂の融点より高く、造形物用の第１の熱可塑性樹脂の融点より低い温度に加熱・保温することにより、オーバーハング支持部１１９を形成している第２の熱可塑性樹脂を溶融除去することができ、目的の三次元造形物を得ることができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、上記構成とほぼ同じ構成であるが、液滴吐出ヘッドより吐出される液体は、光硬化性樹脂を含む溶液で、其々造形モデル用材料と異形形状部を支持するサポート用材料の２種類の溶液を使用して成形する方法もある。
【０００７】
【特許文献１】
特開平２０００−２８０３５４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述した造形物は一般に単一色で、場合によっては染料や顔料を加えない硬化性樹脂そのもので半透明なものもある。このため吐出された液体に溶け込んでいる僅かな気体が造形用のステージや積層硬化された造形途中のものに衝突する際にキャビテーション現象により気泡に成長することがある。そして、気泡が発生した直後に放熱・冷却あるいは紫外線照射により吐出された溶液が硬化される。このように気泡が残ったままの状態で薄い層が幾層にも積み重ねられていくと、最終的に得られた造形物の中に微少で無数の気泡が残るため、本来、比較的透明であるはずのものが白色化するような現象となり造形物の見た目の品質を損なうことがある。また、造形物が着色されたものであっても本来の色を損なう恐れがある。更には、細かな気泡が造形内部に存在することは造形物の強度が低下し、脆くなるという問題があった。
【０００９】
また、造形速度を速めるために小滴を吐出させる周期を短くする必要がある。しかしながら、連続吐出の応答性を高めていくと液体に溶け込んでいる溶存気体が、気泡に成長することがある。例えば、１０ｋＨｚ以上となるような周波数（いわゆる超音波振動に近い状態）で駆動されると、液滴吐出ヘッド内では負圧、正圧が繰り返されるため、ノズル開口に向かう液滴吐出ヘッド内の液体流路内でキャビテーション現象により気泡が発生する。この気泡がノズルからの小滴吐出の妨げとなり、不吐出や液滴の直進性を乱す原因となる。結果的に吐出される液体の量が少なくなったりする。単純に不吐出により液体の吐出量が少なくなっても印刷物のようにドット抜けが目立つことにはならないが、吐出方向の曲がりにより造形の偏り等、成形品精度に影響を及ぼすこととなる。
【００１０】
そこで本発明の目的は、液滴吐出ヘッドのノズル開口から小滴として吐出される溶液内に含まれる溶存気体を以前に除去することにより、吐出液内の気泡の発生や吐出不良を防止し、品質の良い造形物を成形でき、かつ溶液を安定して吐出させることができる三次元造形装置を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の請求項１に記載の発明は、液体を貯留するタンクと、該タンクから供給された液体を小滴として吐出する液滴吐出ヘッドと、該液滴吐出ヘッドから吐出された液滴が積層するステージと、積層された液滴を硬化させる手段とを備え、前記ステージ上に繰り返し積層することで造形物を成形する三次元造形装置において、前記タンクに貯蔵されている液体は溶存気体が脱気されたものであることを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記タンク内に貯蔵されている液体に含まれる溶存酸素量が２０％以下で、かつ液滴吐出ヘッドからの液滴吐出周波数の最大が１０ｋＨｚ以上であることを特徴とする。
【００１３】
上記課題を解決する本発明の請求項３に記載の発明は、液体を貯留するタンクと、該タンクから供給された液体を小滴としてを吐出する液滴吐出ヘッドと、前記タンクから前記液滴吐出ヘッドに液体を供給する供給手段と、液体が液滴吐出ヘッドに供給される前に液体内に含まれる溶存空気を脱気する脱気手段と、該脱気手段と液滴吐出ヘッド間に設けられ、液体を前記タンクに回収する回収経路と前記液滴吐出ヘッドへ供給する供給経路に切り替え可能な切り換え弁と、該液滴吐出ヘッドから吐出された液滴が積層するステージと、積層された液滴を硬化させる手段とを備えたことを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項４に記載の発明は、請求項３記載の発明において、電源を立ち上げた直後、前記切り替え手段の弁を液体がタンクへの回収経路を構成するように切り換え、その後に前記切り換え弁を液滴吐出ヘッド供給経路に切り換えた後、液体を前記液体吐出ヘッドの液滴吐出口から吸引廃棄する動作を行うようにしたことを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項５に記載の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の発明において、液体は光硬化性樹脂、あるいは熱硬化性樹脂を含む溶液、または熱溶融型液体であることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細について説明する。
図１に液滴吐出ヘッドを用いての本発明の構成が適用されている三次元造形装置の一例の模式図を示す。この三次元造形装置２００において、コンピュータ１１１は三次元形状の造形材対象物、例えば、三次元ＣＡＤ等で設計されたモデルをデータ化し、それを複数の薄い断面体にスライスして得られる断面データの出力を行う。駆動制御部１１２はコンピュータ１１１からの断面データを取り込み、そのデータに従って液滴吐出ヘッド１、ＸＹ方向駆動部１１３及びＺ方向駆動部１１４を制御する。この駆動制御部１１２の制御により、ＸＹ駆動部１１３が作動するとともに液滴吐出ヘッド１より光硬化性樹脂を小滴として吐出し、その直後に液滴吐出ヘッド１の両側に取付けられた紫外線照射装置１８によって光照射することにより、コンピュータ１１１から与えられた断面データの基づく断面形状が造形される。このような動作によって一層分の断面体すなわち層体が作りだされる。また、液滴吐出ヘッド１は、モデル材１６用液を吐出するモデル材ヘッド１５ａとサポート材１７用液を吐出するサポート材ヘッド１５ｂから構成されている。
【００１７】
次に液滴吐出ヘッド１のモデル材ヘッド１５ａへの樹脂液の供給方法について説明する。光硬化性樹脂液（以下の説明では液体２０と呼ぶ）は、タンク２１から供給チューブ２２を介してモデル材ヘッド１５ａに供給される。タンク２１は可撓性の袋であって、ガスバリヤ性の向上のためにアルミ箔を２枚のフィルム、例えば外側をナイロンフィルム、内側をポリエチレンフィルムにより挟み込んだ、アルミラミネートフィルムによって構成されている。アルミラミネートフィルムを２枚重ね合わせ、周囲を熱溶着等によって接合している。
【００１８】
タンク２１は、図２に示すように、接合面の１辺にタンク２１内の液体２０をモデル材ヘッド１５ａに導出する取り出し口２５が熱溶着等によって接合されている。取り出し口２５はプラスチック成形品で、液体２０との接液において耐性の高いものを選択すると良い。取り出し口２５は、比較的柔らかいＪＩＳ  Ａスケールで４０°程度のゴム２６が配設され、液体２０と外気とは遮断されている。モデル材ヘッド１５ａに液体２０を供給する場合は、供給チューブ２２の一方に先端に取り付けられている鋭角の針２７をゴム２６に差し込み、針２７の先端部がタンク２１内に押し込まれることで、針先端部に開けられた穴から液体が導出され、モデル材ヘッド１５ａへ供給される。挿入された針は、ゴム２６の圧縮反発力によって密閉されるめ、外部に液体２０が漏れ出すことは無い。また、タンク２１内の液体２０は充填前に液体２０内に溶け込んでいる溶存気体を脱気したものであってタンク２１に真空充填されている。なお、サポート材ヘッド１５ｂへの液体の供給も全く同じ構成となっている。
【００１９】
筆者らの実験において、液滴吐出ヘッド１の１つのノズルから吐出される１滴の液量が、約６０ｎｇ、駆動周波数が１０ｋＨｚを超えてくると液滴が正常に吐出しなくなる現象が発生した。この時の液体２０内に含まれる溶存気体の量を、例えば溶存酸素量で測定すると、液体２０の溶存酸素量が４０％以上であるとこの不吐出現象が発生することが分かった。更に、駆動周波数を上げるためには溶存酸素量を極力少なくする必要があることが分かった。具体的には、液体２０内の溶存酸素量を２０％以下まで低下させることで、最大駆動周波数３０ｋＨｚまで３０分間連続で吐出させることが可能であることが確認できた。
【００２０】
この観点から、供給チューブ２２は気体透過率が低いことが望ましい。タンク２１内の液体２０が脱気された状態を維持できても液滴吐出ヘッド１までの供給系で液体２０内の溶存酸素量が増加しては意味がない。最も良いと考えられるものは金属材料を使用することで、かつ液体に対しての耐性が優れていることである。しかし、金属製のチューブとすると屈曲性がないため可動させることができない。従って、液滴吐出ヘッド１が動作しない装置構成の場合は、ＳＵＳ製パイプを使用しても良いが、液滴吐出ヘッドが搭載されたキャリッジが往復可動するような場合は屈曲性を持ち且つ気体透過率の低いチューブ、例えばフッ素系のＰＦＡとナイロンの２層チューブあるはいチューブ表面にアルミの蒸着膜をつけたりすると良い。更に、液体２０が光硬化性樹脂液の場合、液体供給チューブ内での硬化を防止するために透明チューブは避けることが良い。このように、予め液体２０内の溶存気体を脱気した液体２０を使用することで液体２０内から発生する気泡を回避することが出来る。
【００２１】
また、２層チューブを使用しても金属材料品に比べれば空気透過率は格段に異なる。そのため、液体２０がチューブ内に充填された状態で長期間放置されるような場合、チューブ２２の表面から空気が透過し、液体２０内に溶け込んでしまう。そこで、装置を立ち上げ造形を開始する前に液滴吐出ヘッド１及びチューブ２２内の液体を廃棄する必要がある。その方法として、液体滴を吐出するノズルから液体２０ポンプ等で吸引して廃棄するパージ動作を実施することで、液滴吐出ヘッド１内にはタンク２１から溶存気体が除去された新しい液体２０を充填されることにななる。このような動作を実行することで、造形開始時点から安定した吐出を実現できる。
【００２２】
次に、本発明に関わる他の例について、説明する。三次元造形モデルを製作していく工程は、前述した例と変わらないので省略する。前述した例と大きく異なる点は、タンク２１から送られた液体２０が脱気フィルタ装置３０を経由して液滴吐出ヘッド１に供給されることである。以下、図３に示す模式図により詳細な構成を説明する。
【００２３】
タンク２１には液体２０が充填され、吸引ポンプ３５により脱気フィルタ装置３０に供給される。タンク２１は、比較的硬い容器で大気開放されたタンクであっても、可撓性を有する容器であっても構わない。脱気フィルタ装置３０は真空ポンプ３６により高い負圧が得られる様になっていて、脱気フィルタ装置３０に送られた液体２０は、それを通過する間に液体２０内に溶け込んでいる溶存空気を脱気する。脱気された液体２０は供給チューブ２２と通って、そのまま液滴吐出ヘッド１へと供給される。このような構成とすることで、液体２０を事前に脱気して置く必要は無くなる。このような液滴吐出ヘッド１の直前で液体を脱気できるシステムは、例えば熱溶融型の材料（常温下では固形状態で温度を上げることで溶融するような液体）のように液体内の溶存気体を脱気することは難しい系において、非常に有効な手段である。
【００２４】
更に、本例では脱気フィルタ装置３０と液滴吐出ヘッド１間にバルブ４０を設け、液滴吐出ヘッド１への供給経路と、タンク２１への回収経路へと切り替えが出来るような構成とする。造形物を成形するために液滴吐出ヘッド１より液体２０が吐出されている間は、常に脱気された液体２０が供給されるが、造形を止めて装置を長期間停止している場合、脱気フィルタ装置３０と液滴吐出ヘッド１間の脱気された液体２０は、液滴吐出ヘッド１の液体吐出ノズル開口（図示せず）やチューブ２２表面からの空気の再溶け込みにより液体２０内の溶存気体の飽和度が高まり、再度装置を立ち上げ造形を開始する際、脱気フィルタ装置３０で脱気された液体２０が供給されるまでは溶存気体の含有率が高い状態で吐出されることになる。そこで、図４に示すようなフローチャートで造形を開始できるようにすると良い。
【００２５】
図４のフローにおいて、装置がパワーオンされると先ず、バルブ４０をｏｆｆとして液体２０の液滴吐出ヘッド１側への供給経路を封止し、液体がタンク２１側へと流れるように回収経路を開放するためバルブ４０を閉じる。そして、吸引ポンプ３５を作動させ、同時に真空ポンプ３６も作動させる。これにより脱気フィルタ装置３０に供給された液体２０はタンク２１へと流れる。タンク２１へ戻す量は、脱気フィルタ装置３０とバルブ４０間に充填されている液体量相当を送る程度で吸引を止める。次に、吸引ポンプ３５を停止し、バルブ４０を液滴吐出ヘッド１側へ供給される側へと開く。その後、液滴吐出ヘッド１を覆うように設けられたキャップ４６と吸引ポンプ４５により、液体２０を吸引廃棄するパージ動作を実施する。パージ動作により吸引される液体２０は廃液体タンク４５に貯留されるが、その量は液滴吐出ヘッド１内に充填された液体２０及び液滴吐出ヘッド１とバルブ４０間内に充填されている液体２０とほぼ同程度の量が廃棄される程度で良い。
【００２６】
以上の動作により、液滴吐出ヘッド１へ供給されている液体２０は常に脱気された状態の液体２０が充填されることになる。その状態から造形を開始することで、初期状態から安定した吐出を得ることが可能となる。タンク２１から液滴吐出ヘッド１への液体２０の供給は、液滴吐出ヘッド１より液体滴が吐出されることによって液滴吐出ヘッド１内が負圧状態となることにより、液体が自然に供給されることとなる。このときの液体タンク２１の液面位置は、液滴吐出ヘッド１の液体滴吐出面より下水準に設定しておくことで液体の漏れをなくすことが出来る。また、初期的に液体２０を液滴吐出ヘッド１内に充填させる場合も同様な方法で容易に充填することが可能である。
【００２７】
ここで、脱気フィルタ装置の構成例としては、膜厚が１０〜５００μｍである中空糸膜内に液体２０を通液し、中空糸膜の外表面側を減圧することによって、溶存ガスを脱気する方法等が考えられるが、本発明で採用する脱気フィルタ装置３０はこれに限ることなく、同等の性能を有する構成であれば適用可能である。
【００２８】
なお、脱気フィルタ装置３０から脱気液体を排出できる性能に対し、液滴吐出ヘッド１から吐出される液体滴の量の方が多い場合には、図５に示すような構成とする。本構成の特徴は、メインタンク５１及び脱気フィルタ装置の系を液滴吐出ヘッドへの液体供給系と分離したことにある。
【００２９】
図５において、装置のパワーオンの際には、メインタンク５１側のバルブ５４と液滴吐出ヘッド１側のバルブ５５の両方を閉じ、サブタンク５０と脱気フィルタ装置３０の間で液体を循環させる。その後に上記と同様な方法で液体タンク５０内の液体を完全に脱気する。その後、バルブ５５を開放し、液体タンク５０から直接、液滴吐出ヘッド１へ液体２０を供給する。そして、液体タンク５０の液体が消費されたら液滴吐出ヘッド１からの液体滴の吐出を止め、バルブ５５を閉じ、そして、バルブ５４を開放し、メインタンク５１から液体タンク５０に液体を補給する。ほぼ満タンになった時点でバルブ５４を閉じ、上記同様に液体の脱気を実施すればよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明を用いた液滴吐出方式の三次元造形機によれば、液体を吐出する前に液体内に含まれている溶存気体を除去した後に吐出することができるので、成形物の内部に気泡を停滞することがなくなり完成したした成形品の見た目の品質が向上と成形品の脆さを改善することが可能となる。
更に、液体内の溶存気体が除去されることで液滴の吐出周波数を高めることが可能となり、安定した吐出と高速成形を実現出来る。
また、請求項４及び５に示すような構成としたことで、成形を開始する前のパージ動作による排液体の量を減らすことができるので、ランニングコストを削減できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される三次元造形装置の模式図である。
【図２】本発明で用いる液体タンクの一例を示す一部断面図である。
【図３】本発明が適用される三次元造形装置の他の例となる模式図である。
【図４】本発明の三次元造形装置の液滴吐出ヘッドへの液体充填に関するフローチャートである。
【図５】本発明が適用される三次元造形装置の他の例となる模式図である。
【図６】従来の三次元造形装置の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
１は液滴吐出ヘッド、１５ａはモデル材ヘッド、１５ｂはサポート材ヘッド、１６は成形されたモデル材、１７は成形されたサポート材、１８は紫外線照射装置、２０は液体、２１はタンク、２２はチューブ、３０は脱気フィルタ装置、４０は液体流路切り替え手段、１１１はコンピュータ、１１２は駆動制御部、１１３はＸＹ方向制御部、１１４はＺ方向駆動部、１１６はステージ、２００は三次元造形装置である。
【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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