(57)【要約】【課題】高精度に３次元構造物を形成するための粉末材料、粉末材料を用いた３次元造形装置、粉末材料を用いた３次元造形方法を提供する。【解決手段】紛体は、フィラーＦと接着剤Ａとを備える。紛体に対し、液体Ｌが吐出される。フィラーＦは、紛体に吐出される液体Ｌの比重より大きい。液体Ｌと接触した接着剤Ａが液体Ｌに溶解し、フィラーＦ間の隙間に浸透する。この浸透によりフィラーＦ同士が接着される。液体Ｌは吐出後、次第に揮発する。液体Ｌが揮発した後も、接着剤Ａと液体Ｌとが接触した接触領域においてフィラーＦ同士は接着されたままである。この接触領域がそのまま固化し、造形物を形成する。フィラーＦは、紛体に吐出される液体Ｌの比重より大きいため、接着剤Ａの溶解、又は液体Ｌの揮発中に、フィラーＦが液体Ｌの中で浮遊せず、造形物の反りを抑えることが出来る。【選択図】        図１２
2012125996.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
堆積面に堆積された粉末材料の特定領域に対し、造形液を吐出することで３次元構造物を造形する３次元造形に用いられる粉末材料であって、
３次元構造物を形成する粒子である充填材と、
前記造形液に溶解することで前記充填材同士を接着する接着剤と、を備え、
前記充填材の比重は、前記粉末材料に吐出される前記造形液の比重より大きいことを特徴とする粉末材料。
【請求項２】
前記充填材の粒径は、前記接着剤の粒径より大きいことを特徴とする請求項１記載の粉末材料。
【請求項３】
前記粉末材料において前記充填材の占める体積率は、前記接着剤の占める体積率より大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の粉末材料。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の前記粉末材料が堆積される前記堆積面と、
前記粉末材料を前記堆積面に供給して堆積させる粉末供給部と、
前記堆積面に堆積された前記粉末材料を平坦化する平坦化部と、
平坦化された前記粉末材料に対し前記造形液を吐出する吐出部と、を備えることを特徴とする３次元造形装置。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれかに記載の前記粉末材料を前記堆積面に供給して堆積させる粉末供給ステップと、
前記堆積面に堆積された前記粉末材料を平坦化する平坦化ステップと、
平坦化された前記粉末材料に対し前記造形液を吐出する吐出ステップと、を備えることを特徴とする３次元造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、堆積された粉末材料に対し造形液を吐出することで３次元構造物を形成する３次元造形に用いられる粉末材料、粉末材料を用いた３次元造形装置、粉末材料を用いた３次元造形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、３次元構造物を形成する３次元造形装置が種々提案されている。その一例として、特許文献１に開示されている３次元造形装置は、堆積された粉末材料に対し造形液を吐出することで３次元構造物を形成している。即ち、特定の領域に粉末材料を堆積させる。堆積された粉末材料の層をスキージにより平坦化する。造形液を粉末材料の特定領域に吐出する。造形液が粉末材料に吐出されることで、粉末材料の粒子同士が接着される。次に堆積された粉末材料の層の上に更に粉末材料が堆積される。そして、堆積された粉末材料に対し、平坦化、及び造形液の吐出を行う。この粉末材料の堆積、平坦化、及び造形液の吐出を繰り返すことで、３次元構造物が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００４−５３８１９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示されている３次元造形では、３次元構造物を形成するための粉末材料の特性によっては、３次元構造物が造形中又は造形後に反ってしまい、高精度に３次元構造物を形成することができなかった。
【０００５】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、高精度に３次元構造物を形成するための粉末材料、粉末材料を用いた３次元造形装置、粉末材料を用いた３次元造形方法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】
上記目的を達成するために、請求項１記載の本発明は、堆積面に堆積された粉末材料の特定領域に対し、造形液を吐出することで３次元構造物を造形する３次元造形に用いられる粉末材料であって、３次元構造物を形成する粒子である充填材と、前記造形液に溶解することで前記充填材同士を接着する接着剤と、を備え、前記充填材の比重は、前記粉末材料に吐出される前記造形液の比重より大きいことを特徴とするものである。
【０００７】
請求項２記載の本発明は、請求項１記載の発明において、前記充填材の粒径は、前記接着剤の粒径より大きいことを特徴とするものである。
【０００８】
請求項３記載の本発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記粉末材料において前記充填材の占める体積率は、前記接着剤の占める体積率より大きいことを特徴とするものである。
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項４記載の本発明は、３次元造形装置であって、請求項１〜３のいずれかに記載の発明の前記粉末材料が堆積される前記堆積面と、前記粉末材料を前記堆積面に供給して堆積させる粉末供給部と、前記堆積面に堆積された前記粉末材料を平坦化する平坦化部と、平坦化された前記粉末材料に対し前記造形液を吐出する吐出部と、を備えることを特徴とするものである。
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項５記載の本発明は、３次元造形方法であって、請求項１〜３のいずれかに記載の発明の前記粉末材料を前記堆積面に供給して堆積させる粉末供給ステップと、前記堆積面に堆積された前記粉末材料を平坦化する平坦化ステップと、平坦化された前記粉末材料に対し前記造形液を吐出する吐出ステップと、を備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明者は、堆積面に堆積された粉末材料の特定領域に対し、造形液を吐出することで３次元構造物を造形する３次元造形に用いられる粉末材料を開発し、改良を重ねてきた。本発明者は、この粉末材料に対し、実験を行うことにより、３次元構造物を形成する粒子である充填材と、前記造形液に溶解することで前記充填材同士を接着する接着剤と、を備え、前記充填材として、前記粉末材料に吐出される前記造形液の比重より大きい粉末材料を選択することにより、３次元構造物を構成する粉末材料の層の造形液吐出後の反りを低減出来ることを確認した。
【００１２】
従って、請求項１記載の粉末材料によれば、粉末材料の層の造形液吐出後の反りを低減出来るため、複数の粉末材料の層により構成される３次元構造物の寸法変化を低減出来る。よって、高精度に３次元構造物を形成することが出来る。
【００１３】
請求項２記載の粉末材料によれば、接着剤の粒径が充填材の粒径よりも小さいので、接着剤が造形液に速やかに溶解し、接着剤が充填材と充填材との隙間に速やかに浸透する。従って、接着剤が造形液に溶解する間に粉末材料の層が反ってしまうおそれを低減出来る。従って、高精度に３次元構造物を形成することが出来る。
【００１４】
請求項３記載の粉末材料によれば、接着剤の占める体積率が充填材の占める体積率よりも小さいので、接着剤が造形液に速やかに溶解し、接着剤が充填材と充填材との隙間に速やかに浸透する。従って、接着剤が造形液に溶解する間に粉末材料の層が反ってしまうおそれを低減出来る。従って、高精度に３次元構造物を形成することが出来る。
【００１５】
請求項４記載の３次元造形装置、及び請求項５記載の３次元造形方法によれば、粉末材料の層の反りを低減出来るため、複数の粉末材料の層により構成される３次元構造物の寸法変化を低減出来る。よって、高精度に３次元構造物を形成することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る３次元造形装置１を示す外観図である。
【図２】上記３次元造形装置１の内部構成を示す図である。
【図３】上記３次元造形装置１の内部構成の主要部を示す図である。
【図４】上記３次元造形装置１の電気的構成を示す機能ブロック図である。
【図５】上記３次元造形装置１の一連の処理を示すフローチャートである。
【図６】図５のＳ３に示す構造形成処理を示すフローチャートである。
【図７】図５のＳ４に示す吐出処理を示すフローチャートである。
【図８】上記実施形態に係るフィラーＦと接着剤Ａとを備える紛体を説明するための説明図である。
【図９】本発明者が測定した造形物の反りを説明するための説明図である。
【図１０】上記実施形態に係るフィラーＦと接着剤Ａとを備える紛体に対し、液体Ｌが吐出された状態を説明するための説明図である。
【図１１】液体Ｌと接触した接着剤Ａの液体Ｌへの溶解、及びフィラーＦの液体Ｌの中における浮遊を説明するための説明図である。
【図１２】本実施形態におけるフィラーＦが液体Ｌの中で浮遊せず、造形物の反りを抑えることができることを説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（実施形態）
本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１８】
[３次元造形装置の外観]
図１は、本実施形態に係る３次元造形装置１の斜視図である。３次元造形装置１は、造形部２と、設定部３と、を備える。造形部２の開放部２ａの図１に示すＸ軸正方向側には、イエロータンク１１１ａ、マゼンタタンク１１２ａ、シアンタンク１１３ａ及びクリアタンク１１４ａが配置される。イエロータンク１１１ａ、マゼンタタンク１１２ａ、シアンタンク１１３ａ及びクリアタンク１１４ａは、各々、造形部２内に配置され、図２に示すヘッド１１０に対して各色の造形液を供給するためのタンクである。設定部３は操作部５００と外部インターフェース６００とを備える。操作部５００は、電源スイッチや造形開始ボタン等、各種設定スイッチを備える。３次元造形装置１は、外部インターフェース６００を介して、ＰＣ等の外部装置と接続することができる。
【００１９】
図２、及び図３を用いて、造形部２について詳細に説明する。図２は、図１に示す造形部２の内部構成の一部をＸ軸正方向側から見た場合の側面図である。図３は、３次元造形装置１の内部の造形部２の一部を説明するための説明図である。造形部２は、図２に示すように、ヘッド１１０、ガントリ１３０、ヘッド吸引機構１５０、ステージ３１０、平坦化部３２０、粉末材料供給部３３０、粉末回収タンク３４０、及び制御部４を備える。以後、図２、及び図３に示すステージ３１０の堆積台３１０ａの堆積面ＳＦに平行な面をＸＹ平面、ＸＹ平面に垂直な方向をＺ軸方向と定義する。この定義は、他の図面においても共通のものとする。
【００２０】
ヘッド１１０は、図３に示すように、イエローヘッド１１１と、マゼンタヘッド１１２と、シアンヘッド１１３と、クリアヘッド１１４とを有する。イエローヘッド１１１は、イエローの造形液を吐出可能に構成される。マゼンタヘッド１１２は、マゼンタの造形液を吐出可能に構成される。シアンヘッド１１３は、シアンの造形液を吐出可能に構成される。クリアヘッド１１４は、無色透明であるクリアの造形液を吐出可能に構成される。イエローヘッド１１１、マゼンタヘッド１１２、シアンヘッド１１３及びクリアヘッド１１４は、図１において示した中空のチューブＴＢを介して、イエロータンク１１１ａ、マゼンタタンク１１２ａ、シアンタンク１１３ａ、クリアタンク１１４ａに各々接続される。
【００２１】
イエローヘッド１１１と、マゼンタヘッド１１２と、シアンヘッド１１３と、クリアヘッド１１４は、各々、複数の吐出口を有する。複数の吐出口は、Ｙ軸方向に並列されている。イエローヘッド１１１、マゼンタヘッド１１２、シアンヘッド１１３、及びクリアヘッド１１４は、Ｘ軸方向に並列されている。イエローヘッド１１１、マゼンタヘッド１１２、シアンヘッド１１３、及びクリアヘッド１１４が有する複数の吐出口から、各々、イエロー、マゼンタ、シアン、及びクリアの造形液が吐出される。
【００２２】
ガントリ１３０は、ヘッド１１０をステージ３１０の上側に保持する。ガントリ１３０は、図２に示すＹ軸方向に延出したレール１６０により、レール１６０に沿って摺動可能に保持される。ガントリ１３０は、図３に示すように、Ｘ軸方向に平行に延出するガイドシャフト１３０ａを有する。ヘッド１１０は、図３に示すように、ガイドシャフト１３０ａに沿って摺動可能に、ガイドシャフト１３０ａに取り付けられる。ヘッド１１０は、図示しないタイミングベルトとそのタイミングベルトを移動させるモータとによってガイドシャフト１３０ａに沿ってＸ軸方向に移動される。ガントリ１３０は、図示しないタイミングベルトとそのタイミングベルトを移動させるモータとによって図２に示すレール１６０に沿ってＹ軸方向に移動される。このように、ヘッド１１０とガントリ１３０とが移動されることにより、ヘッド１１０が堆積面ＳＦに対し、Ｘ軸方向、及びＹ軸方向に相対移動される。
【００２３】
ヘッド吸引機構１５０はキャップ１５０ａを有する。ヘッド吸引機構１５０は、非図示の昇降機構によってＺ軸方向に昇降可能に構成される。ヘッド吸引機構１５０は、非図示のポンプによって、キャップ１５０ａの内部を吸引可能に構成される。ヘッド１１０が、ヘッド吸引機構１５０の上側に移動されると、ヘッド吸引機構１５０はＺ軸正方向に上昇する。上昇したヘッド吸引機構１５０は、ヘッド１１０のＺ軸負方向側の面に密着し、各色のヘッド１１１〜１１４の下面に存在する複数の吐出口に各色の造形液が達するまで吸引を行う。
【００２４】
ステージ３１０は、堆積台３１０ａと堆積台移動部３１０ｂとを備える。粉末材料供給部３３０から供給される粉末材料が堆積台３１０ａの堆積面ＳＦ上に堆積される。堆積台移動部３１０ｂは、図示しない堆積台移動モータにより駆動される。堆積台移動部３１０ｂが駆動されると、堆積台移動部３１０ｂは、堆積台３１０ａをＺ軸方向に移動させる。この移動により、ヘッド１１０が、堆積面ＳＦに対し、Ｚ軸方向に相対移動される。
【００２５】
平坦化部３２０は、図２に示すように、造形部２のＹ軸負方向側に固定される。平坦化部３２０は、スキージ部３２０ａとスキージシャフト３２０ｂとを備える。スキージ部３２０ａは、スキージシャフト３２０ｂに沿って摺動可能に、スキージシャフト３２０ｂに取り付けられる。スキージ部３２０ａは、図示しないモータによりスキージシャフト３２０ｂに沿って摺動される。スキージシャフト３２０ｂは、図２に示すように造形部２のＹ軸負方向側に固定される。スキージシャフト３２０ｂは、Ｙ軸正方向側に延出する。堆積面ＳＦに堆積された粉末材料は、スキージシャフト３２０ｂに沿って摺動するスキージ部３２０ａによって平坦化される。平坦化処理の基本構成は、特表２００４−５３８１９１号公報に開示されている。
【００２６】
粉末材料供給部３３０は、粉末材料を収容可能な粉末材料タンク３３０ａと粉末供給路３３０ｂとを備える。粉末材料タンク３３０ａに収容された粉末材料は、粉末供給路３３０ｂ内を通って、堆積面ＳＦに供給される。造形対象領域を形成しない不要な粉末材料は、粉末回収タンク３４０により回収される。
【００２７】
制御部４は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、フラッシュＲＯＭ等を有するコンピューターにより構成される。制御部４は、ヘッド１１０、ガントリ１３０、及び堆積台移動部３１０ｂの駆動制御を行う。ヘッド１１０のＸ軸方向への移動やガントリ１３０のＹ軸方向への移動により、ヘッド１１０が堆積面ＳＦ上に配置されることで、堆積面ＳＦに堆積された粉末材料に各色の造形液が吐出可能となる。
【００２８】
［３次元造形装置の電気的構成］
図４を用いて、３次元造形装置１の電気的構成について説明する。図４は、３次元造形装置１の電気的構成を示す図である。制御部４と、３次元造形装置１の各電気的構成部分とは、バス７００により接続される。
【００２９】
図４に示すＸ軸モータ２１０ｘは、ヘッド１１０をＸ軸方向に移動させる。Ｙ軸モータ２１０ｙは、ガントリ１３０をＹ軸方向に移動させる。Ｚ軸モータ２１０ｚは、堆積台移動部３１０ｂをＺ軸方向に移動させる。Ｘ軸モータ２１０ｘ、Ｙ軸モータ２１０ｙ、及びＺ軸モータ２１０ｚは、各々、エンコーダを内蔵するステッピングモータと、モータドライバとにより構成される。Ｘ軸モータ２１０ｘ、Ｙ軸モータ２１０ｙ、及びＺ軸モータ２１０ｚは、エンコーダを有するため、各々、ヘッド１１０、ガントリ１３０、堆積台移動部３１０ｂの移動量及び原点位置を検出可能である。検出されたステージ３１０の移動量及び原点位置のデータはバス７００を介して制御部４に供給される。
【００３０】
吐出制御回路１２０は、制御部４から供給される吐出信号と色データとに従って、造形液の吐出タイミングと吐出すべき造形液の色を決定する。決定された造形液の色は、色選択信号としてヘッド１１０に供給される。ヘッド１１０は、色選択信号に従って、各色のヘッド１１１〜１１４の内、吐出すべき色のヘッドから造形液を吐出する。
【００３１】
ヘッド吸引機構１５０は、制御部４から供給される信号に従い、Ｚ軸方向への昇降、キャップの装着、及び吸引を行う。
【００３２】
制御部４は、図４に示すように、ＣＰＵ４１と、ＲＡＭ４２と、ＲＯＭ４３と、を備える。ＣＰＵ４１は、３次元造形装置１の各構成の駆動制御等の制御を行う。ＲＡＭ４２は、３次元造形装置１により造形される３次元構造物の色データ、及び座標データ等の各種データを記憶する。ＲＯＭ４３は、ＣＰＵ４１により実行される造形の手順に関するプログラム等の各種プログラムをあらかじめ記憶している。
【００３３】
ＣＰＵ４１は、ヘッド１１０を制御し、ヘッド１１０に着色造形液、及び無色造形液を吐出させる。具体的には、ヘッド１１０に着色造形液、及び無色造形液を吐出させるための吐出信号を、ヘッド１１０に供給する。吐出信号は、各ヘッド１１１〜１１４に内蔵されているピエゾ素子に供給される電圧値の時間変化を示す信号である。
【００３４】
ＣＰＵ４１は、吐出制御回路１２０に吐出信号と色データとを供給することで、ヘッド１１０を制御する。色データは、ＲＡＭ４２に記憶されている。吐出制御回路１２０は、色データに基づき、吐出すべき造形液の色を決定する。造形液の色は、色選択信号としてヘッド１１０に供給される。ヘッド１１０は、吐出制御回路１２０からの色選択信号に従って、各色のヘッド１１１〜１１４の内、吐出すべき色のヘッドから造形液を吐出する。
【００３５】
ＣＰＵ４１は、Ｘ軸モータ２１０ｘ、Ｙ軸モータ２１０ｙ、及びＺ軸モータ２１０ｚを制御する。ＣＰＵ４１は、Ｘ軸モータ２１０ｘ、Ｙ軸モータ２１０ｙ、及びＺ軸モータ２１０ｚの各々に駆動信号を供給する。駆動信号が供給されると、Ｘ軸モータ２１０ｘ、Ｙ軸モータ２１０ｙ、及びＺ軸モータ２１０ｚは、各々、ヘッド１１０、ガントリ１３０、及び堆積台移動部３１０ｂを、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に移動させる。
【００３６】
ＣＰＵ４１は、粉末材料供給部３３０を制御し、粉末材料を堆積面ＳＦに供給させる。ＣＰＵ４１は、平坦化部３２０を制御し、堆積面ＳＦに堆積された粉末材料を平坦化させる。ＣＰＵ４１は、ヘッド吸引機構１５０を制御する。この制御により、ヘッド吸引機構１５０はＺ軸方向への昇降、及びキャップの装着、及び吸引を行う。
【００３７】
ＣＰＵ４１は、ＲＯＭ４３に記憶されている各種プログラムに基づいて、３次元造形装置１を制御する。ＲＯＭ４３に記憶されている各種プログラムは、３次元造形装置１による造形の手順に関するプログラムを含む。ＣＰＵ４１は、ＲＯＭ４３に記憶されている手順に関するプログラムに基づいて、ある時点において着色、平坦化、及び吸引などの処理のうちどの処理を行うかを決定する。ＣＰＵ４１により、３次元造形装置１の各構成による処理の順序が決定され、また、異なる複数の処理の開始時点の同期がとられる。
【００３８】
ＲＡＭ４２により記憶される座標データ、及び色データは、ユーザが外部装置であるパーソナルコンピューター（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ、以後「ＰＣ」と記す）８００を操作することにより生成される。生成されたデータは外部インターフェース６００、及びバス７００を介して、ＲＡＭ４２に供給される。
【００３９】
座標データは、３次元造形装置１により造形される３次元構造物の座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）のデータである。色データは、座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）における３次元構造物の色のデータである。ユーザがＰＣ８００を操作し、仮想の３次元構造物の立体データが生成される。ＰＣ８００により立体データに基づいて座標データ、及び色データが生成される。ＲＡＭ４２により記憶される座標データは、ＰＣ８００上の仮想の堆積面上の空間に対し割り振られた直交座標系における座標位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）である。仮想の堆積面上の空間に対し割り振られた直交座標系における座標位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）は、堆積面ＳＦ上の直交座標系における座標位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）と対応している。色データは座標位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）における仮想の３次元構造物の色のデータである。
【００４０】
ＣＰＵ４１は、ＲＡＭ４２から、特定の座標位置Ｚにおける座標（Ｘ、Ｙ）の座標データを読み出す。ＣＰＵ４１は、特定の座標位置Ｚにおける全ての座標（Ｘ、Ｙ）に対し、粉末材料が供給されるように、粉末材料供給部３３０を制御する。具体的には、ＣＰＵ４１は、全ての座標（Ｘ、Ｙ）により構成される領域の面積と堆積台移動部３１０ｂのＺ軸方向の移動距離とから規定される１層分の堆積容積以上の量の粉末材料を、堆積面ＳＦに対し粉末材料供給部３３０に供給させる。堆積面ＳＦに対し供給された粉末材料は、平坦化部３２０により平坦化される。このように、特定の座標位置Ｚにおける全ての座標（Ｘ、Ｙ）に対し、粉末材料が供給され、平坦化されることで、特定の座標位置Ｚにおける造形対象領域が堆積面ＳＦ上に形成される。造形対象領域が堆積面ＳＦ上に形成された後、ヘッド１１０により造形液が吐出されることで、着色、及び造形が行われる。
【００４１】
ＣＰＵ４１は、ヘッド１１０、ガントリ１３０、及び堆積台移動部３１０ｂの移動量及び原点位置のデータとＲＡＭ４２に記憶されている座標データとに基づいて、ヘッド１１０の現在位置の座標位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を決定する。ステージ３１０の移動量及び原点位置のデータはＸ軸モータ２１０ｘ、Ｙ軸モータ２１０ｙ、及びＺ軸モータ２１０ｚの各エンコーダにより検出される。ヘッド１１０、ガントリ１３０、及び堆積台移動部３１０ｂの移動量及び原点位置のデータは、バス７００を介して、ＣＰＵ４１に供給される。
【００４２】
［３次元造形装置の処理］
以下、図５を用いて３次元造形装置１の一連の処理について説明する。図５は、３次元造形装置１の一連の処理を示すフローチャートである。図６は、図５に示す一連の処理のうちの構造形成処理を示すフローチャートである。図７は、図５に示す一連の処理のうちの吐出処理を示すフローチャートである。一連の処理は、制御部４により実行される。
【００４３】
図５に示す処理では、先ず、制御部４に電源ＯＮの指令が供給され、３次元造形装置１の駆動が開始される。３次元造形装置１の駆動が開始されると、初期化処理が行われる（ステップＳ１、以後Ｓ１と記す）。具体的には、ヘッド吸引機構１５０により、各色のヘッド１１１〜１１４の下面に存在する複数の吐出口に各色の造形液が達するまで吸引が行われる。この吸引により、各色のヘッド１１１〜１１４が吐出可能な状態となる。また、ＲＡＭ４２に記憶されているデータが一旦消去される。
【００４４】
初期化処理が行われると、データが記憶されているか否かが判定される（Ｓ２）。ＲＡＭ４２によりデータが記憶されていないと判定されると（Ｓ２：Ｎｏ）、ユーザにより３次元構造物に関するデータがＰＣ８００、及びバス７００を介して制御部４に供給されていないため、処理がＳ２に戻る。ＲＡＭ４２によりデータが記憶されていると判定されると（Ｓ２：Ｙｅｓ）、処理Ｓ３に移る。最初にＳ２からＳ３に処理が移るとき、ＲＡＭ４２により記憶されている座標位置Ｚのうち、最小の座標位置Ｚが現在の座標位置Ｚとして指定される。座標位置Ｚは、造形される３次元構造物のＺ軸方向の座標位置Ｚとして、ＲＡＭ４２に記憶されている。この現在の座標位置Ｚの指定は、制御部４により行われる。
【００４５】
処理がＳ３に移ると、構造形成処理が行われる（Ｓ３）。Ｓ３における構造形成処理により、堆積面ＳＦにある座標位置Ｚにおける１層分の粉末材料が供給される。また、堆積面ＳＦに供給された粉末材料が平坦化される。この際、余分な粉末材料は平坦化部３２０により堆積面ＳＦから粉末回収タンク３４０へ落下回収される。
【００４６】
構造形成処理が行われると、吐出処理が行われる（Ｓ４）。Ｓ４における吐出処理により、堆積面ＳＦに供給された粉末材料に造形液が吐出される。造形液の吐出により、粉末材料が結合される。粉末材料が結合されることで、造形される３次元構造物のうちの１層の造形がなされる。なお、下層がある場合は、現在造形された層と下層との結合造形もなされる。また、造形液の吐出により、造形と同時に着色がなされる。
【００４７】
吐出処理が行われると、造形終了か否かが判定される（Ｓ５）。具体的には、制御部４に電源ＯＦＦの指令が供給されたか、または図７において示したＲＡＭ４２に記憶されている全ての座標位置Ｚに対する処理が完了したかが判定される。造形終了でないと判定されると（Ｓ５：Ｎｏ）、処理がＳ６に移る。処理がＳ６に移ると、現在の座標位置Ｚが、ＲＡＭ４２に記憶されている座標位置Ｚのうち、現在の座標位置Ｚの次の座標位置Ｚに変更される（Ｓ６）。Ｓ６において次の座標位置Ｚは、ＲＡＭ４２に記憶されている座標位置Ｚのうち、現在の座標位置ＺよりもＺ軸正方向に大きい座標位置Ｚである。Ｓ６における変更は、制御部４により行われる。座標位置Ｚは、造形される３次元構造物のＺ軸方向の座標位置Ｚとして、ＲＡＭ４２に記憶されている。複数の層から形成される３次元構造物のうちの１層に対応した座標位置Ｚと対応付けられた座標位置（Ｘ、Ｙ）の座標データ、及び色データに基づき、構造形成処理、及び吐出処理が行われる。そして、Ｓ６において、座標位置Ｚが、現在の座標位置Ｚの次の座標位置Ｚに変更されることで、Ｓ３、及びＳ４の処理により、各々、３次元構造物のうちの次の層の構造形成処理、及び次の層に対する吐出処理が行われる。このように、３次元構造物の着色、及び造形が１層ずつ為される。Ｓ５において、造形終了と判定されると（Ｓ５：Ｙｅｓ）、全ての処理が終了する。
【００４８】
図６を用いて、図５に示す動作制御におけるＳ３の構造形成処理について具体的に説明する。図６に示す構造形成処理では、まず現在の座標位置ＺにおけるデータがＲＡＭ４２から読み出される（ＳＡ１）。読み出されるデータは、座標位置Ｚにおける座標（Ｘ、Ｙ）の座標データである。
【００４９】
座標データが読み出されると、粉末供給処理が行われる（ＳＡ２）。具体的には、ＣＰＵ４１により、粉末材料供給部３３０が制御される。この制御により、現在の座標位置Ｚにおける堆積面ＳＦ上に対し、粉末材料が供給される。
【００５０】
粉末供給処理が行われると、粉末材料の平坦化処理が行われる（ＳＡ３）。具体的には、ＣＰＵ４１により、平坦化部３２０が制御される。この制御により、堆積面ＳＦに堆積された粉末材料が所定の造形対象領域を含む領域内で平坦化される。
【００５１】
平坦化処理が行われると図６に示す構造形成処理が完了し、処理が図５に示すＳ４の吐出処理に移る。例えば、現在の座標位置ＺがＲＡＭ４２により記憶されている最初の座標位置Ｚである場合、図６に示す構造形成処理により、粉末材料の層が形成される。以後、説明する吐出処理によりこの層の造形対象領域に対し造形液が吐出される。図６に示す構造形成処理により、形成される造形対象領域外の領域は、単に粉末材料が堆積された領域である。従って、この造形対象領域外の領域に、造形液は吐出されない。
【００５２】
図７を用いて、図５に示す動作制御におけるＳ４の吐出処理について具体的に説明する。図７に示す吐出処理では、まず現在の座標位置ＺにおけるデータがＲＡＭ４２から読み出される（ＳＢ１）。読み出されるデータは、座標位置Ｚにおける座標位置（Ｘ、Ｙ）の座標データ、及びその座標データにおける各座標位置（Ｘ、Ｙ）と対応付けて記憶されている色データである。データが読み出されると、ヘッド１１０が初期位置に相対移動される（ＳＢ２）。
【００５３】
ヘッド１１０が初期位置に相対移動されると、移動吐出処理が実行される（ＳＢ３）。即ち、ヘッド１１０が相対移動されながら、造形液の吐出が行われる。具体的には、ヘッド１１０が移動され、ＳＢ１において読み出された特定の座標位置（Ｘ、Ｙ）にヘッド１１０が到達すると、その座標位置（Ｘ、Ｙ）と対応付けられている色の造形液が吐出される。ＳＢ１において読み出された全ての座標データに関し、このＳＢ３の処理が行われることにより、図５のＳ３に示す構造形成処理により形成された粉末材料の層に対する造形、及び着色がなされる。ＳＢ１において読み出された全ての座標データに関し、このＳＢ
３の処理が行われると、図７に示す吐出処理が終了する。
【００５４】
［実験結果］
本発明者は、上記のような３次元造形に用いられる粉末材料を開発し、改良を重ねてきた。本発明者は、この粉末材料に対し、実験を行うことにより、３次元構造物を形成する粒子である充填材と、造形液に溶解することで充填材同士を接着する接着剤と、を備え、充填材として、粉末材料に吐出される造形液の比重より大きい粉末材料を選択することにより、３次元構造物を構成する粉末材料の層の造形液吐出後の反りを低減出来ることを確認した。以下にその実験結果を示す。
【００５５】
実験方法としては、以下に示すような方法を用いた。
（１）まず、堆積面に堆積させた紛体を平らな層になるように平坦化した。
（２）紛体の上に液体を吐出した。その際、液体を吐出した領域、即ち造形対象領域は、１０ｍｍ×３０ｍｍの範囲とした。
（３）紛体が固化することで出来た約１０ｍｍ×３０ｍｍ×０．４ｍｍの体積の造形物の反りを測定した。
【００５６】
表１は、各種粉末材料（表１において「紛体」と記す。以後、「紛体」と記す。）に対し、造形液（表１において「液体」と記す。以後、「液体」と記す。）を吐出した際の造形物の反りの測定結果を示す。液体として、Ｈ２Ｏ／グリセリン（＝９０ｗｔ％／１０ｗｔ％）であり、比重が１．０２の液体を用いた。紛体として、表１に示す粒子径、及び比重を有する各種充填剤（表１において「フィラー」と記す。以後、「フィラー」と記す。）と、表１に示す粒子径の接着剤と、を表１に示す配合比にて混合した各種紛体を用いた。本実施形態に係る紛体は、図８に示すように、フィラーＦと接着剤Ａとを備える。表１に示す造形物の反りとは、図９に示すように、高さ方向における形成された造形物ＭＤの表面ＳＵの位置の最高値ＭＡＸと最低値ＭＩＮとの差である。本実施形態に係る紛体は実験Ｎｏ．３〜５の液体Ｌの比重より大きい比重を有するフィラーを含んだ紛体である。
【００５７】
【表１】
2012125996.tif 000003
【００５８】
表１に示す実験Ｎｏ．１の実験結果と実験Ｎｏ．２〜５の実験結果とを比較すると、実験Ｎｏ．１の造形物の反りが非常に大きいことが分かる。従って、本実施形態に係るフィラーＦと接着剤Ａとを備える紛体を３次元造形に用いる場合と比較して、紛体がフィラーＦを備えない場合、造形物の反りが非常に大きくなることが分かる。一方、本実施形態に係る実験Ｎｏ．３〜５の紛体を含む実験Ｎｏ．２〜５の紛体は、フィラーＦと接着剤Ａとを備えるため、造形液吐出後の造形物の反りを抑え、高精度に３次元構造物を形成することが出来る。
【００５９】
表１に示す実験Ｎｏ．２の実験結果と本実施形態に係る実験Ｎｏ．３〜５の実験結果とを比較すると、実験Ｎｏ．２の造形物の反りが実験Ｎｏ．３〜５の造形物の反りよりも大きいことが分かる。従って、フィラーＦの比重が、紛体に吐出される液体Ｌの比重より小さい場合（実験Ｎｏ．２ではフィラーＦ：０．４５＜液体Ｌ：１．０２である）、造形物の反りが大きくなることが分かる。一方、本実施形態に係る実験Ｎｏ．３〜５の紛体が備えるフィラーＦは、紛体に吐出される液体Ｌの比重より大きく、この場合に、造形液吐出後の造形物の反りが抑えられ、高精度に３次元構造物を形成することが出来ることが分かる。
【００６０】
本実施形態に係る紛体のように、フィラーＦの比重が紛体に吐出される液体Ｌの比重より大きい場合に、造形物の反りが抑えられるメカニズムについては種々考えられる。しかし、概ね以下に示すようなメカニズムに基づいて、本実施形態の紛体は、造形物の反りを抑えるという効果を奏するものと思われる。
【００６１】
即ち、図８において示したようなフィラーＦと接着剤Ａとを備える紛体に対し、図１０に示すように液体Ｌが吐出される。すると、図１２に示すように液体Ｌと接触した接着剤Ａが液体Ｌに溶解し、フィラーＦ間の隙間に浸透する。この浸透によりフィラーＦ同士が接着される。一方、図１２に示すように、液体Ｌと接触していない接着剤Ａは液体Ｌに溶解しない。よって、図１２に示すように、この非接触領域においては、フィラーＦ同士は接着されない。なお、図１２に示す液体Ｌは吐出後、次第に揮発する。液体Ｌが揮発した後も、接着剤Ａと液体Ｌとが接触した接触領域においてフィラーＦ同士は接着されたままである。よって、この接触領域がそのまま固化し、造形物を形成する。
【００６２】
実験Ｎｏ．２に示すようにフィラーＦの比重が、紛体に吐出される液体Ｌの比重より小さい場合、図１１に示すように、接着剤Ａの溶解、又は液体Ｌの揮発中に、フィラーＦが液体Ｌの中で浮遊してしまう。実験Ｎｏ．２に示す紛体が３次元造形に用いられる場合、この浮遊した状態で固化が起きるため形成される造形物の反りが起きてしまうものと考えられる。
【００６３】
一方、本実施形態に係る実験Ｎｏ．３〜５の紛体が３次元造形に用いられる場合、図１２に示すように、接着剤Ａの溶解、又は液体Ｌの揮発中に、フィラーＦが液体Ｌの中で浮遊せず、造形物の反りを抑えるという効果を奏するものと思われる。
【００６４】
以上示したように、本発明者は、紛体に吐出される液体Ｌの比重より大きい比重を有するフィラーＦを含む紛体を３次元造形に用いることにより、３次元構造物を構成する紛体の層の液体Ｌ吐出後の反りを低減出来ることを確認した。従って、本実施形態に係る紛体によれば、紛体の層の液体Ｌ吐出後の反りを低減出来るため、複数の紛体の層により構成される３次元構造物の寸法変化を低減出来る。よって、高精度に３次元構造物を形成することが出来る。
【００６５】
なお、実験Ｎｏ．３に示す実験結果と実験Ｎｏ．４に示す実験結果とを比較すると、フィラーＦの粒径が、接着剤Ａの粒径より大きい場合に、造形物の反りを可及的に小さくできることが分かる。即ち、実験Ｎｏ．３、及びの実験Ｎｏ．４のフィラーＦの粒径は、いずれも４０μｍである。実験Ｎｏ．３の接着剤Ａの粒径は、１０μｍであるため、実験Ｎｏ．３のフィラーＦの粒径は、接着剤Ａの粒径より大きい。一方、実験Ｎｏ．４の接着剤Ａの粒径は、１２０μｍであるため、実験Ｎｏ．４のフィラーＦの粒径は、接着剤Ａの粒径より小さい。実験Ｎｏ．３の造形物の反りは、０．０１ｍｍ以下であったのに対して、実験Ｎｏ．４の造形物の反りは、０．０５ｍｍと大きい。従って、本実施形態に係る紛体によれば、接着剤Ａの粒径より大きい粒径のフィラーＦを適用することで、造形物の反りを可及的に小さくし、高精度に３次元構造物を形成することが出来る。
【００６６】
また、実験Ｎｏ．３に示す実験結果と実験Ｎｏ．５に示す実験結果とを比較すると、紛体においてフィラーＦの占める体積率が、接着剤Ａの占める体積率より大きい場合に、造形物の反りを可及的に小さくできることが分かる。即ち、実験Ｎｏ．３の配合比（フィラー／接着剤）は、８０／２０であるのに対し、実験Ｎｏ．５の配合比は、３３／６７とフィラーＦの占める体積率が、接着剤Ａの占める体積率より小さい。実験Ｎｏ．３の造形物の反りは、０．０１ｍｍ以下であったのに対して、実験Ｎｏ．５の造形物の反りは、０．０３と大きい。従って、本実施形態に係る紛体によれば、紛体においてフィラーＦの占める体積率が、接着剤Ａの占める体積率より大きい紛体を適用することで、造形物の反りを可及的に小さくし、高精度に３次元構造物を形成することが出来る。
【００６７】
（変形例）
本実施形態において、座標データ、及び色データは、ＰＣ８００から、外部インターフェース６００、及びバス７００を介して取得していた。しかし、これに限らず、例えば、ＰＣから取得した各種データを基に、制御部により座標データ、及び色データを生成してもよい。この場合、制御部は、座標データ、及び色データを生成する演算部を備える。データ記憶部は、演算部により生成された座標データ、及び色データを取得する。
【００６８】
本実施形態において、ヘッド１１０、ガントリ１３０、及び堆積台移動部３１０ｂが各々Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に移動されることにより、ヘッド１１０が堆積面ＳＦに対しＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に相対移動されていた。しかし、これに限らず、例えば、ステージがＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に移動されることによりヘッドが堆積面に対しＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に相対移動されてもよい。
【００６９】
本実施形態において、粉末材料の供給は、粉末材料供給部３３０によりなされていた。また、堆積面ＳＦに堆積された粉末材料の平坦化は、平坦化部３２０によりなされていた。しかし、これに限らず、例えば、粉末材料の供給、及び平坦化は、作業者によりなされてもよい。
【００７０】
本実施形態において、複数の層により３次元構造物が形成されていたが、これに限らず、例えば、１層のみで３次元構造物が形成されてもよい。また、この場合、ＲＡＭ４２等のデータ記憶部に記憶されるＺ座標位置は、１つとなる。
【００７１】
本実施形態において、フィラーＦは、炭酸カルシウムであり、接着剤Ａはポリビニルアルコール、液体Ｌは、Ｈ２Ｏ／グリセリンであったが、これに限らず、フィラーの比重が、紛体に吐出される液体の比重より大きいという条件のもと、材料は何であってもよい。
【符号の説明】
【００７２】
１  ３次元造形装置
１１０  ヘッド
１１１  イエローヘッド
１１２  マゼンタヘッド
１１３  シアンヘッド
１１４  クリアヘッド
１３０  ガントリ
２１０ｘ  Ｘ軸モータ
２１０ｙ  Ｙ軸モータ
３１０  ステージ
３１０ａ  堆積台
３１０ｂ  堆積台移動部
３３０  粉末材料供給部
４  制御部
４１  ＣＰＵ
４２  ＲＡＭ
４３  ＲＯＭ
ＳＦ  堆積面
Ｆ  フィラー
Ａ  接着剤
Ｌ  液体
【図１】
2012125996.tif 000004
【図２】
2012125996.tif 000005
【図３】
2012125996.tif 000006
【図４】
2012125996.tif 000007
【図５】
2012125996.tif 000008
【図６】
2012125996.tif 000009
【図７】
2012125996.tif 000010
【図８】
2012125996.tif 000011
【図９】
2012125996.tif 000012
【図１０】
2012125996.tif 000013
【図１１】
2012125996.tif 000014
【図１２】
2012125996.tif 000015