(57)【要約】【課題】  インクジェットヘッドより吐出される液滴の速度が速いと液滴の飛翔形状は、細長い形状となって飛行し、飛行距離が長ければ長いほど長くなる。従って、造形物を成形するステージ上に到達し、その直後に固化するとその形状は瓢箪状になってしまい、造形物の稜線部にヒゲ状（糸状）の輪郭が不明瞭な成形品となってしまうという問題ある。【解決手段】  本発明は、貯留タンクから供給される溶液をドロップオンデマンド型インクジェット式ヘッドより液滴として吐出した後に、吐出した溶液を固化する工程を複数回繰り返して積層し３次元造形物を形成する３次元造形機において、前記インクジェット式ヘッドより吐出される液滴が、ノズル面から距離１ｍｍを通過する間の平均速度は７ｍ／ｓ以下４ｍ／ｓ以上であることを特徴とする。  また、前記インクジェト式ヘッドの液滴吐出面と積層形成される媒体との距離は、１ｍｍ以上３ｍｍ以下であることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
貯留タンクから供給される溶液をドロップオンデマンド型インクジェット式ヘッドより液滴として吐出した後に、吐出した溶液を固化する工程を複数回繰り返して積層し３次元造形物を形成する３次元造形機において、前記インクジェット式ヘッドのノズル面から距離１ｍｍを通過する間の平均液滴速度が、７ｍ／ｓ以下、４ｍ／ｓ以上であることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項２】
前記ノズル面と積層形成される媒体との距離は、１ｍｍ以上、３ｍｍ以下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。
【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し、より具体的には樹脂を液体或いは流体状態でインクジェット方式によって吐出・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。
【背景技術】
【０００２】
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、上記従来の三次元造形装置を示す概略図である。１００は三次元造形装置を示し、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インクジェットヘッド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インクジェットヘッド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に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脂は放熱・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。そして上記と同様な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て造形物１１７が造形される。
【０００５】
また、造形物１１７がオーバーハング形状の場合には、コンピュータ１１１において造形対象物をデータ化する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、上記造形物の造形と同時に、その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熱可塑性樹脂とは溶融温度が異なる熱可塑性樹脂をもう一つのインクジェットヘッド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。
【０００６】
そして、積層完了後に造形物を上記支持部用樹脂の融点より高く、上記造形物用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。）。本方式の装置例として三次元造形装置として米国の３Ｄシステムズ社のＴｈｅｒｍｏｊｅｔがある。
【０００７】
また、上記構成とほぼ同じ構成であるが、インクジェット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、夫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。
【０００８】
【特許文献１】特開平２０００−２８０３５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、インクジェットヘッドより吐出される液滴の速度が速いと液滴の飛翔形状は、図３に示すような細長い形状となって飛行する。そして、その形状は飛行距離が長ければ長いほど益々長くなっていく。従って、造形物を成形するステージ上に到達し、その直後に固化するとその形状は瓢箪状になってしまう。その結果、造形物の稜線部にヒゲ状（糸状）の輪郭が発生し、不明瞭な成形品となってしまうという問題ある。
【００１０】
また、液滴の速度が速いとステージに衝突する際の衝突エネルギーが大きくなるため、微細な液滴（サテライト）となって造形物の周りを漂ったり、液滴を吐出するノズル面に付着したりして吐出安定性を損なうことがある。
【００１１】
さらに、液滴が既に形成された造形物に衝突する際に気泡を巻き込み、その状態で固化されるため気泡が内在した状態で成形品が完成される。気泡が内在すると造形物の色が白色化したようなものとなり、本来の色を損なう。また、気泡の内在により造形物が脆くなるという問題があった。
【００１２】
本発明の目的は、インクジェットヘッドのノズル開口から小滴として吐出される液滴の飛翔速度を抑え、造形ステージに到達する時には、限りなく球形に近づけると共に衝突エネルギーを小さくすることで成形品の品質向上を図った三次元造形装置を提供である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、貯留タンクから供給される溶液をドロップオンデマンド型インクジェット式ヘッドより液滴として吐出した後に、吐出した溶液を固化する工程を複数回繰り返して積層し３次元造形物を形成する３次元造形機において、前記インクジェット式ヘッドより吐出される液滴が、ノズル面から距離１ｍｍを通過する間の平均速度を７ｍ／ｓ以下、４ｍ／ｓ以上とすることを特徴とする。
【００１４】
また、前記インクジェト式ヘッドの液滴吐出面と積層形成される媒体との距離は、１ｍｍ以上、３ｍｍ以下とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、インクジェットヘッドのノズル開口から小滴として吐出される液滴の飛翔速度を抑え、ＧＡＰ１ｍｍ間の平均吐出速度を７ｍ／ｓ以下、４ｍ／ｓ以上とすることで造形ステージ或いは造形積層部に到達する時には、限りなく球形に近づけると共に衝突エネルギーを小さくなり、それによって成形された三次元造形物は、造形精度の向上及び見た目の品質向上が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
３次元造形物を形成する３次元造形機において、インクジェット式ヘッドより吐出される液滴が、ノズル面からある区間距離を通過する際の平均速度の好適値を求める。
【実施例】
【００１７】
本発明の詳細を実施例に基づき説明する。図１にインクジェットヘッドを用いた本発明の構成を適用した三次元造形装置の一実施例の模式図を示す。２００は三次元造形装置を示し、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インクジェットヘッド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インクジェットヘッド１より光硬化性樹脂を小滴５０として吐出し、その直後にインクジェットヘッド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、インクジェットヘッド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。
【００１８】
次に、インクジェットヘッド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（以下の説明ではインクと呼ぶ）は、インクタンク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。インクタンク２１は、可撓性の袋であって、ガスバリヤー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されている。
【００１９】
次に、インクジェットヘッド１から液滴が吐出する様子を図２の簡易吐出モデルで説明する。図２は、インクジェットヘッド１に複数並べられたノズル１０の一つの断面図を示す。図示されていないインク供給チューブから共通インク室１１にインクが補給される。インクは、流路１２、圧力室１３を経由してノズル開口部１０へとインクが供給される。前記圧力室１３に対向する位置に圧電素子が配置されその伸縮により圧力室１３内の圧力が変化し、共通インク室１１からインク（図２（ｂ）の矢印）を吸引し、ノズル開口１０から液滴を吐出する。その一連の流れが、（ａ）初期状態→（ｂ）インク吸引→（ｃ）インク加圧（吐出）→（ａ）初期状態という状態を繰り返すことで、液滴を必要な時に必要な場所に吐出することができる。
【００２０】
図３は、実際にノズル１０から吐出される液滴の飛翔形状を示す。図３に示されるように、液滴は球状で吐出するのではなく、先頭に比較的大きな液滴を有し、細長い棒状の尻尾（リガメント）を引きずって飛翔する。これは、液体の粘性の影響によるもので吐出するインクの粘度が高く、比較的表面張力が低い程、その傾向は強い。逆に、低粘度、高表面張力の場合は、棒状に伸びた液滴が、飛翔途中で分離して、複数の球形液滴となって飛翔する。いずれにしても、その状態で造形面に衝突するわけであるから、造形精度や品質が劣ることになる。
【００２１】
図４に液滴吐出口からの液滴飛翔距離（ＧＡＰ）とそれまでの液滴平均吐出速度（
Ｖｅｌｏｃｉｔｙ；以下、液滴速度とする）の関係を示す。図からわかるように、ＧＡＰが広いほど液滴速度は、だんだん低下する。
【００２２】
次に、上記液滴速度をパラメータとし、液滴の飛翔ＧＡＰと液滴の長さ（Ｌｉｇａｍｅｎｔ  Ｌｅｎｇｔｈ）の関係を図５に示す。ここで、液滴速度とは、液滴吐出面から液滴が吐出する状態から吐出された液滴の先頭がある距離までの到達時間から算出される平均速度を示す。本図の場合は、１ｍｍとした。また、液滴の先頭が飛翔距離、例えばδｍｍを通過した時点から液滴の最後尾がδｍｍを通過するまでの時間をリガメント長さと呼ぶこととする。図５から分かるように液滴速度が、ほぼ７ｍ／ｓを境にそれ以上速くなるとリガメント長さが長くなり、液滴速度が遅くなるほどリガメント長さは、短くなっていく。つまり、液滴の先頭速度より後尾の速度が速いためである。このような現象は、液滴の大きさ、吐出量やインクの粘度に関係なく、ほぼ同傾向を示すことが分かった。
【００２３】
従って、液滴速度を７ｍ／ｓ以下にすることでリガメントの長さが長くなることが抑えられ、球形に近い状態で吐出させることが出来るので造形精度及び造形品質を得ることができる。
【００２４】
また、液滴速度が６ｍ／ｓ以下になると液滴の飛行距離が長いほど球形になろうとするため、造形対象層までの距離を長くした方が良いことになる。液滴速度が５ｍ／ｓの場合、飛翔ＧＡＰが１．５ｍｍとなった時点でリガメント長さが０、つまり、球形となって飛翔する。しかし、液滴速度が遅いということは運動エネルギーも小さいので、外乱の影響、例えば風等の影響を受け易く液滴の直進を阻害し液滴の着地位置精度を悪くするため、液滴速度は、７ｍ／ｓ以下、４ｍ／ｓ以上であることが望ましい。逆に、１ｍｍ未満で距離がない場合、インクジェットヘッドの吐出面に造形物が接触する恐れがあるので、可能な限り広い方が良い。また、液滴の吐出方向が下向き、斜め或いは横向きの場合と様々となる。特に、横向きとなると液滴は、重力の影響で飛行距離が長いと自然に曲がってしまう。実験により、ノズル面から造形する層までの距離が１ｍｍ以上、３ｍｍ以下であればほぼ直進して飛翔することを確認した。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明を適用した三次元造形装置の模式図である。
【図２】本発明を適用したインクジェットヘッドの液滴吐出を示す模式図である。
【図３】本発明を適用したインクジェットヘッドから吐出された液滴の形状を示す図である。
【図４】本発明を適用したインクジェットヘッドから吐出された飛翔ＧＡＰと液滴速度の関係を示す図である。
【図５】本発明を適用したインクジェットヘッドから吐出された液滴の飛翔ＧＡＰと液滴長さの関係を示す図である。
【図６】従来技術における三次元造形装置を示す模式図である。
【符号の説明】
【００２６】
１はインクジェットヘッド、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インク、２１はメインタンク、２２はチューブ、５０はインク滴、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、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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