(57)【要約】【課題】立体造形粉体の耐湿性を高め、また、立体造形物の耐水性を高めることができる立体造形装置、立体造形物の製造方法、立体造形装置用の造形液、および立体造形粉体を提供する。【解決手段】立体造形装置は、水溶性ポリマーを含有した立体造形粉体を載置ベルト上に供給する（Ｓ２）。立体造形装置は、インクジェットヘッドから立体造形粉体に造形液を吐出することで、立体造形粉体が造形液に反応することによって生じる生成物を有する層を生成する（Ｓ３）。層を積み重ねることで、所望の形状の立体造形物が造形される。造形液は、水の蒸発を抑制すると共に造形液を増粘させる増粘湿潤剤と、界面活性剤と、接着剤を含有し、立体造形粉体は水溶性の接着剤を含有しない。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼石膏を含有した立体造形粉体を載置する載置台と、
水を溶媒として、接着剤を含有した造形液を吐出可能なインクジェットヘッド部と、
前記インクジェットヘッド部と前記載置台に載置された前記立体造形粉体との相対位置を移動させる移動機構と、
前記移動機構を動作させることで、前記載置台に載置された前記立体造形粉体と前記インクジェットヘッド部との間の、前記載置台に垂直な方向の距離を調整する距離制御手段と、
前記載置台に載置された前記立体造形粉体の特定の範囲に前記造形液が吐出されるように、前記インクジェットヘッド部が前記造形液を吐出する動作、および前記移動機構が前記載置台に平行な方向における前記相対位置を移動させる動作を制御する吐出制御手段とを備え、
前記造形液が接着剤を含有したことを特徴とする立体造形装置。
【請求項２】
前記造形液が含有する接着剤は、分散型接着剤であることを特徴とする請求項１に記載の立体造形装置。
【請求項３】
前記造形液は、少なくとも前記立体造形粉体に滴下される透明インクに含有されることを特徴とする請求項１又は２に記載の立体造形装置。
【請求項４】
前記立体造形粉体の主成分は前記焼石膏であり、当該焼石膏よりも少量の無機化合物が前記立体造形粉体に添加されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の立体造形装置。
【請求項５】
前記焼石膏はアルファ型焼石膏であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の立体造形装置。
【請求項６】
前記立体造形粉体に前記アルファ型焼石膏よりも少量の撥水剤が含まれていることを特徴とする請求項５に記載の立体造形装置。
【請求項７】
前記撥水剤は、金属石鹸であることを特徴とする請求項６に記載の立体造形装置。
【請求項８】
前記立体造形粉体に前記アルファ型焼石膏よりも少量のベータ型焼石膏が含まれていることを特徴とする請求項５〜７の何れかに記載の立体造形装置。
【請求項９】
前記無機化合物は、塩類、硫酸塩類、ミョウバン類、硝酸塩類、硫酸水素塩類、オキソ塩類、アルミン酸塩類、鉱酸の少なくとも一つであることを特徴とする請求項４に記載の立体造形装置。
【請求項１０】
前記造形液は、水を溶媒として、前記水の蒸発を抑制すると共に液体を増粘させる増粘湿潤剤、界面活性剤、ｐＨ調整剤及び前記接着剤を含有したことを特徴とする請求項１〜９の何れかに記載の立体造形装置。
【請求項１１】
焼石膏を含有した立体造形粉体によって層を形成する層形成工程と、
前記層形成工程において形成された前記層に、水を溶媒とする造形液をインクジェットヘッドから吐出させることで、前記立体造形粉体が前記造形液に反応することによって生じる生成物を有する層を生成する生成工程とを備える立体造形物の製造方法であって、
前記造形液が接着剤を含有したことを特徴とする立体造形物の製造方法。
【請求項１２】
前記造形液が含有する接着剤は、分散型接着剤であることを特徴とする請求項１１に記載の立体造形物の製造方法。
【請求項１３】
載置台に載置した焼石膏を含有した立体造形粉体に対して、インクジェットヘッド部から造形液を吐出して、立体を形成する立体造形装置用の造形液であって、
当該造形液は、水を溶媒として、前記水の蒸発を抑制すると共に液体を増粘させる増粘湿潤剤、界面活性剤、ｐＨ調整剤及び接着剤を含有したことを特徴とする立体造形装置用の造形液。
【請求項１４】
前記造形液が含有する接着剤は、分散型接着剤であることを特徴とする請求項１３に記載の立体造形装置用の造形液。
【請求項１５】
載置台に載置した焼石膏を含有した立体造形粉体に対して、インクジェットヘッド部から接着剤を含有した造形液を吐出して、立体を形成する立体造形装置用の立体造形粉体であって、
前記立体造形粉体は、主成分は前記焼石膏であり、当該焼石膏よりも少量の無機化合物が添加されていることを特徴とする立体造形装置用の立体造形粉体。
【請求項１６】
前記焼石膏はアルファ型焼石膏であることを特徴とする請求項１５に記載の立体造形装置用の立体造形粉体。
【請求項１７】
前記立体造形粉体に前記アルファ型焼石膏よりも少量の撥水剤が含まれていることを特徴とする請求項１６に記載の立体造形装置用の立体造形粉体。
【請求項１８】
前記撥水剤は、金属石鹸であることを特徴とする請求項１７に記載の立体造形装置用の立体造形粉体。
【請求項１９】
前記立体造形粉体に前記アルファ型焼石膏よりも少量のベータ型焼石膏が含まれていることを特徴とする請求項１６〜１８の何れかに記載の立体造形装置用の立体造形粉体。
【請求項２０】
前記無機化合物は、塩類、硫酸塩類、ミョウバン類、硝酸塩類、硫酸水素塩類、オキソ塩類、アルミン酸塩類、鉱酸の少なくとも一つであることを特徴とする請求項１５〜１９の何れかに記載の立体造形装置用の立体造形粉体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立体造形粉体に造形液を吐出して硬化することで立体造形物を造形する立体造形装置、立体造形物の製造方法、立体造形装置用の造形液、および立体造形粉体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、立体造形用の粉体（以下、「立体造形粉体」と言う。）と造形液とを混合して硬化することにより、立体造形物を造形する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の立体造形粉体は、接着剤と、充填剤と、繊維とを含む。造形液は、水を溶媒とする。平坦に配置された立体造形粉体に、インクジェットヘッドから造形液が滴下されて造形液と立体造形粉体とが混合すると、立体造形粉体に含まれる接着剤が反応する。反応した接着剤同士が結合し、層が生成される。上記処理が繰り返されて層が重ねられることで、作業者が所望する形状の立体造形物が造形される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３６０７３００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１が開示している従来の立体造形粉体は、水溶性の接着剤を含んでいるため、立体造形粉体の保管中に水分を吸収して硬化したり、劣化してしまうという問題点があった。また、立体造形物が耐水性に欠けるという問題点があった。
【０００５】
本発明は、立体造形粉体の耐湿性を高め、また、立体造形物の耐水性を高めることができる立体造形装置、立体造形物の製造方法、立体造形装置用の造形液、および立体造形粉体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】
本発明の第一の態様に係る立体造形装置は、焼石膏を含有した立体造形粉体を載置する載置台と、水を溶媒として、接着剤を含有した造形液を吐出可能なインクジェットヘッド部と、前記インクジェットヘッド部と前記載置台に載置された前記立体造形粉体との相対位置を移動させる移動機構と、前記移動機構を動作させることで、前記載置台に載置された前記立体造形粉体と前記インクジェットヘッド部との間の、前記載置台に垂直な方向の距離を調整する距離制御手段と、前記載置台に載置された前記立体造形粉体の特定の範囲に前記造形液が吐出されるように、前記インクジェットヘッド部が前記造形液を吐出する動作、および前記移動機構が前記載置台に平行な方向における前記相対位置を移動させる動作を制御する吐出制御手段とを備え、前記造形液が接着剤を含有したことを特徴とする。
【０００７】
第一の態様に係る立体造形装置では、造形液が接着剤を含有しているために、立体造形粉体に接着剤を含有させる必要がない。従って、保管中に立体造形粉体が水分を吸収して硬化したり、劣化してしまうことを防止できる。また、立体造形物の耐水性を高めることができる。
【０００８】
前記造形液が含有する接着剤は、分散型接着剤であってもよい。造形液が含有する接着剤として分散型接着剤を用いることにより、立体造形物の硬化後は耐水性が向上する。
【０００９】
前記造形液は、少なくとも前記立体造形粉体に滴下される透明インクに含有されてもよい。透明インクに接着剤を含有する造形液を含ませれば、透明インクをインクジェットヘッド部から立体造形粉体に吐出することにより、立体造形粉体を硬化させることができる。
【００１０】
前記立体造形粉体の主成分は前記焼石膏であり、当該焼石膏よりも少量の無機化合物が前記立体造形粉体に添加されてもよい。無機化合物が硬化促進剤として機能して、硬化速度及び硬度が増し、造形直後の立体造形物の耐水性が向上する。また、立体造形粉体が目標とした大きさよりも大きくなる所謂「滲み」を低減できる。
【００１１】
前記焼石膏はアルファ型焼石膏であってもよい。硬化速度及び硬度が増し、立体造形物の耐水性が向上する。
【００１２】
前記立体造形粉体に前記アルファ型焼石膏よりも少量の撥水剤が含まれていてもよい。保管中の立体造形粉体の性質が安定し、立体造形物の耐水性が向上する。
【００１３】
前記撥水剤は、金属石鹸であってもよい。立体造形粉体が撥水剤として金属石鹸を含有すると、立体造形粉体の流動性が向上するため、保管中の立体造形粉体の硬化防止や安定性の向上を図ることが出来る。
【００１４】
前記立体造形粉体に前記アルファ型焼石膏よりも少量のベータ型焼石膏が含まれていいてもよい。ベータ型焼石膏を含有すると、アルファ型焼石膏単体よりも硬化に必要な水分量が増加するために、保管中の立体造形粉体の安定性が向上する。
【００１５】
前記無機化合物は、塩類、硫酸塩類、ミョウバン類、硝酸塩類、硫酸水素塩類、オキソ塩類、アルミン酸塩類、鉱酸の少なくとも一つであってもよい。これらは、硬化促進剤として機能し、短時間で硬化するために造形直後の強度が強く、上記物質の無添加に比べて耐水性も向上する。
【００１６】
前記造形液は、水を溶媒として、前記水の蒸発を抑制すると共に液体を増粘させる増粘湿潤剤、界面活性剤、ｐＨ調整剤及び前記接着剤を含有してもよい。この場合には、容易に水の蒸発を抑制し、且つ造形液を増粘させることができる。その結果、インクジェットヘッドで造形液が乾燥して詰まりが生じることを防止し、且つ、造形液をインクジェットヘッドから精度良く立体造形粉体に吐出させることができる。
【００１７】
本発明の第二の態様に係る立体造形物の製造方法は、焼石膏を含有した立体造形粉体によって層を形成する層形成工程と、前記層形成工程において形成された前記層に、水を溶媒とする造形液をインクジェットヘッドから吐出させることで、前記立体造形粉体が前記造形液に反応することによって生じる生成物を有する層を生成する生成工程とを備える立体造形物の製造方法であって、前記造形液が接着剤を含有したことを特徴とする。第二の態様に係る立体造形物の製造方法では、造形液が接着剤を含有しているために、立体造形粉体に接着剤を含有させる必要がない。従って、保管中に立体造形粉体が水分を吸収して硬化したり、劣化してしまうことを防止できる。また、立体造形物の耐水性を高めることができる。
【００１８】
前記造形液が含有する接着剤は、分散型接着剤であってもよい。造形液が含有する接着剤として分散型接着剤を用いることにより、立体造形物の硬化後は耐水性が向上する。
【００１９】
第三の態様に係る立体造形装置用の造形液は、載置台に載置した焼石膏を含有した立体造形粉体に対して、インクジェットヘッド部から造形液を吐出して、立体を形成する立体造形装置用の造形液であって、当該造形液は、水を溶媒として、前記水の蒸発を抑制すると共に液体を増粘させる増粘湿潤剤、界面活性剤、ｐＨ調整剤及び接着剤を含有してもよい。この場合には、造形液が接着剤を含有しているために、立体造形粉体に接着剤を含有させる必要がない。従って、保管中に立体造形粉体が水分を吸収して硬化したり、劣化してしまうことを防止できる。また、立体造形物の耐水性を高めることができる。また、容易に水の蒸発を抑制し、且つ造形液を増粘させることができる。その結果、インクジェットヘッドで造形液が乾燥して詰まりが生じることを防止し、且つ、造形液をインクジェットヘッドから精度良く立体造形粉体に吐出させることができる。
【００２０】
前記造形液が含有する接着剤は、分散型接着剤であってもよい。造形液が含有する接着剤として分散型接着剤を用いることにより、立体造形物の硬化後は耐水性が向上する。
【００２１】
第四の態様に係る立体造形装置用の立体造形粉体は、載置台に載置した焼石膏を含有した立体造形粉体に対して、インクジェットヘッド部から接着剤を含有した造形液を吐出して、立体を形成する立体造形装置用の立体造形粉体であって、前記立体造形粉体は、主成分は前記焼石膏であり、当該焼石膏よりも少量の無機化合物が添加されていることを特徴とする。無機化合物が硬化促進剤として機能して、硬化速度及び硬度が増し、造形直後の立体造形物の耐水性が向上する。また、立体造形粉体が予定した大きさよりも大きくなる滲みを低減できる。
【００２２】
前記焼石膏はアルファ型焼石膏であってもよい。硬化速度及び硬度が増し、立体造形物の耐水性が向上する。
【００２３】
前記立体造形粉体に前記アルファ型焼石膏よりも少量の撥水剤が含まれていてもよい。保管中の立体造形粉体の性質が安定し、立体造形物の耐水性が向上する。
【００２４】
前記撥水剤は、金属石鹸であってもよい。立体造形粉体に撥水剤として金属石鹸を含有すると、立体造形粉体の流動性が向上するため、保管中の立体造形粉体の硬化防止や安定性の向上を図ることが出来る。
【００２５】
前記立体造形粉体に前記アルファ型焼石膏よりも少量のベータ型焼石膏が含まれていてもよい。ベータ型焼石膏を含有すると、アルファ型焼石膏単体よりも硬化に必要な水分量が増加するために、保管中の立体造形粉体の安定性が向上する。
【００２６】
前記無機化合物は、塩類、硫酸塩類、ミョウバン類、硝酸塩類、硫酸水素塩類、オキソ塩類、アルミン酸塩類、鉱酸の少なくとも一つであってもよい。これらは、硬化促進剤として機能し、短時間で硬化するために造形直後の強度が強く、上記物質の無添加に比べて耐水性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】立体造形装置１を右斜め上方から見た斜視図である。
【図２】図１におけるＩ−Ｉ線矢視方向断面図である。
【図３】立体造形装置１の電気的構成を示すブロック図である。
【図４】立体造形装置１が実行する造形処理のフローチャートである。
【図５】造形試験片１００の形状及び寸法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明を具現化した実施の形態の一例について、図面を参照して説明する。参照する図面は、本発明が採用し得る技術的特徴を説明するために用いられるものである。図面に記載されている装置の構成等は、それのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例である。
【００２９】
造形液および立体造形粉体の用途について、概略的に説明する。造形液および立体造形粉体は、立体造形物を造形するための材料である。本実施の形態の立体造形装置１は、水溶性の接着剤を含有しない立体造形粉体に造形液を滴下し、立体造形粉体を造形液に反応させて硬化させることによって、立体造形物を造形する。
【００３０】
また、本実施の形態に係る造形液は接着剤を含有しており、立体造形装置１（図１から図３参照）のインクジェットヘッド部５から造形液を立体造形粉体に吐出させることで立体の造形を行う。作業者は、平坦に配置した立体造形粉体の層に、立体造形装置１を用いて造形液を滴下することで、所望の形状の固形物の層を容易に得ることができる。１つの固形物の層を形成する処理が終了すると、形成した固形物の層の上面に、立体造形粉体の層をさらに重ねて形成する。立体造形装置１を用いて再び造形液を滴下し、固形物の層を重ねる。以上の処理が繰り返されて層が重ねられることで、作業者が所望する形状の立体造形物が造形される。
【００３１】
図１および図２を参照して、立体造形物の製造に用いられる立体造形装置１の機械的構成について説明する。図１の左下側を立体造形装置１の正面側とし、図１の右上側を立体造形装置１の背面側とする。図１の右側を立体造形装置１の右側とし、図１の左側を立体造形装置１の左側とする。
【００３２】
図１に示すように、立体造形装置１は、直方体状の基部２を備える。基部２は、立体造形装置１の全体を支持し、且つ搬送部２０等の各種機構を備える。基部２の上部背面側には、箱状の印刷部３が設けられている。印刷部３の右端には、造形液を収納する４つのカートリッジ４が配置される。カートリッジ４の内部には、造形液を封入して脱気された密封パックが収容されている。密封パックは造形液の使用量に応じて収縮し、密封パック内に気体が混入することがないため、気泡は生じない。よって、立体造形装置１は、確実に造形液を吐出することができる。カートリッジ４の各々は、インクジェットヘッド部５（図２参照）が備える４つのインクジェットヘッドの各々にチューブ６によって接続し、各インクジェットヘッドに造形液を供給する。印刷部３の正面壁部７の下部には、矩形の開口８が形成されている。
【００３３】
基部２は、上部中央に搬送部２０を備える。搬送部２０は、立体造形粉体２５が載置される幅広のタイミングベルトである載置ベルト２１を備える。基部２の正面左側には、作業者からの種々の入力を受け付ける操作部２８が設けられる。基部２の右側面の背面側端部には、立体造形装置１と外部機器（例えば、パーソナルコンピュータ）とを接続するための外部Ｉ／Ｆ２９が設けられる。
【００３４】
図２に示すように、印刷部３の内部には、インクジェットヘッド部５が設けられる。インクジェットヘッド部５は、４つのインクジェットヘッドを左右方向に並べて保持する。インクジェットヘッド部５には、左右方向に延びるガイドシャフト９が貫通している。さらに、インクジェットヘッド部５にはタイミングベルト１０が接続している。立体造形装置１は、ステップモータであるヘッド用モータ３５（図３参照）によってタイミングベルト１０を回転させることで、インクジェットヘッド部５をガイドシャフト９に沿って左右方向に移動させつつ、載置ベルト２１に載置された立体造形粉体２５に造形液を吐出させることができる。
【００３５】
印刷部３の内部の左端には、インクジェットヘッド吸引部１２が設けられる。インクジェットヘッド吸引部１２は、４つのキャップ（図示せず）を備えており、上下方向に昇降することができる。インクジェットヘッド部５がガイドシャフト９に沿って左端に移動すると、インクジェットヘッド吸引部１２が上昇する。４つのキャップの各々が、インクジェットヘッド部５に設けられた４つのインクジェットヘッドの各々の下部に密着し、インクジェットヘッド内部の造形液を吸引する。その結果、造形液は、インクジェットヘッドの下端のノズル（図示せず）に到達する。造形液がノズルに到達すると、立体造形装置１は、造形液を円滑に吐出できる状態となる。さらに、立体造形装置１は、造形液の吐出を行わない間、インクジェットヘッド吸引部１２のキャップをインクジェットヘッドに密着させる。従って、立体造形装置１は、立体造形粉体２５を載置ベルト２１上に載置する際に、立体造形粉体２５がインクジェットヘッドに付着することを防止することができる。
【００３６】
搬送部２０は、左右方向を回転軸の伸長方向とする２つのプーリ２２，２３を備える。立体造形粉体２５が載置される載置ベルト２１は、左右方向に所定の幅を有する。ステップモータである載置ベルト用モータ４１（図３参照）によって２つのプーリ２２，２３が回転することで、載置ベルト２１は前後方向に回転する。載置ベルト２１は、基部２の先端部から後端部まで延びる。従って、載置ベルト２１に載置された立体造形粉体２５は、開口８を通って印刷部３の内部と外部との間を移動できる。立体造形粉体２５は、印刷部３の外部で載置ベルト２１に載置される。立体造形装置１は、立体造形粉体２５が載置ベルト２１上に載置される際に、飛散した立体造形粉体２５の印刷部３内部への侵入を、印刷部３の正面壁部７によって防ぐことができる。
【００３７】
さらに、搬送部２０は、載置ベルト２１を上下方向に昇降させる昇降機構４２（図３参照）を備える。立体造形装置１は、立体造形物の層が重ねられる毎に載置ベルト２１を下方に移動させることで、立体造形物および立体造形粉体２５の上面とインクジェットヘッド部５との間の距離を一定に保つことができる。よって、立体造形装置１は、より正確な位置に造形液を吐出することができる。なお、基部２の内部の背面側下部には、立体造形装置１の動作を制御する制御部３０が設けられる。
【００３８】
図３を参照して、立体造形装置１の電気的構成について説明する。立体造形装置１は、制御部３０、印刷部３、搬送部２０、操作部２８、および外部Ｉ／Ｆ２９を備える。各部は、バス４５によって電気的に接続される。
【００３９】
制御部３０は、ＣＰＵ３１、ＲＡＭ３２、およびＲＯＭ３３を備える。ＣＰＵ３１は、立体造形装置１の制御を司る。ＲＡＭ３２は、制御プログラムで使用される各種の情報を一時的に記憶する。ＲＯＭ３３は、立体造形装置１を動作させるためのプログラムおよび初期値等を記憶している。
【００４０】
印刷部３は、インクジェットヘッド部５、ヘッド用モータ３５、吐出制御回路３６、および吸引制御機構３７を備える。ステップモータであるヘッド用モータ３５は、ＣＰＵ３１からの信号に従って回転することでタイミングベルト１０（図２参照）を回転させて、インクジェットヘッド部５を左右方向に移動させる。吐出制御回路３６は、ＣＰＵ３１からの信号に従って、インクジェットヘッド部５が備える各インクジェットヘッドからの造形液の吐出を制御する。吸引制御機構３７は、ＣＰＵ３１からの信号に従って、インクジェットヘッド吸引部１２の昇降動作、およびインクジェットヘッド内部の造形液の吸引動作を制御する。
【００４１】
搬送部２０は、載置ベルト用モータ４１および昇降機構４２を備える。ステップモータである載置ベルト用モータ４１は、ＣＰＵ３１からの信号に従って回転することで載置ベルト２１を回転させて、立体造形粉体２５を搬送する。昇降機構４２は、載置ベルト２１を昇降させて、立体造形粉体２５の上面とインクジェットヘッド部５との間の上下方向の距離を調整する。
【００４２】
なお、図示しないが、立体造形装置１は、立体造形粉体を計量する計量機構と、計量機構によって計量された立体造形粉体が投入されるふるいと、ふるいを振動させる振動機構とを備える。立体造形装置１は、計量機構、ふるい、および振動機構によって、一定量の立体造形粉体を均一に載置ベルト２１上にふるい落とすことができる。また、立体造形装置１は、載置ベルト２１の上方に、載置ベルト２１と平行にスキージ（図示外）を備える。立体造形装置１は、昇降機構４２によって載置ベルト２１の上下方向の位置を調整し、載置ベルト２１を回転させることで、立体造形粉体の上面をスキージに接触させて、粉体上面を平坦化させることができる。スキージの材質は、ステンレス、アルミニウム等の錆び難い金属、または紙が望ましい。また、静電気が生じ難い材質のスキージを用いることで、静電気の影響等によって粉体の上面が荒れることを防止することができる。スキージ以外に回転するローラーを用いることができる。
【００４３】
図４を参照して、立体造形装置１を用いた立体造形物の造形手順（製造方法）について説明する。作業者は、あらかじめカートリッジ４内に造形液を詰めて、立体造形装置１に配置する。次いで、インクジェットヘッド吸引部１２によって、カートリッジ４内の造形液をインクジェットヘッドのノズルまで導入させる。さらに、作業者は、造形する立体造形物の三次元データから、固形物の層の厚み毎に、立体造形物の断面データをパーソナルコンピュータ等に生成させる。以上の処理を行った後、造形処理の開始指示を立体造形装置１の操作部２８に入力すると、立体造形装置１のＣＰＵ３１は、図４に示す造形処理を実行する。
【００４４】
まず、立体造形装置１は、立体造形物の断面データをパーソナルコンピュータ等から取得する（Ｓ１）。計量機構および振動機構を動作させて、載置ベルト２１上に敷かれた載置媒体（例えば、布、プラスチックシート、アルミ箔等）の上に、立体造形粉体を供給する（Ｓ２）。なお、本実施の形態に係る立体造形装置１は、立体造形粉体の供給が終了すると、載置ベルト２１を回転させて立体造形粉体の上面をスキージに接触させることで、立体造形粉体を所定の厚みで平坦化させる。
【００４５】
次いで、立体造形装置１は、造形する立体造形物についての１または複数の断面データのうち、最下層の断面データに基づいて、ヘッド用モータ３５および載置ベルト用モータ４１を駆動して立体造形粉体を移動させながら造形液を吐出する（Ｓ３）。その結果、造形液に立体造形粉体が反応して生成物が生じ、この生成物を含む固形物の層が生成される。生成された層は、立体造形物の最下層となる。ここで、立体造形装置１は、同一箇所に造形液を複数回吐出してもよい。具体的には、立体造形装置１は、固形物の層の厚みに応じて吐出回数を変えてもよい。また、立体造形装置１は、周囲に吐出される造形液の量が少ない箇所には、より多くの造形液を吐出することが望ましい。この場合、立体造形装置１は、細い線、点等の細かい形状の造形物も確実に造形することができる。
【００４６】
１または複数の固形物の層のうち、最も上面の層の造形が終了していなければ（Ｓ４：ＮＯ）、立体造形装置１は、１つの層の厚み分だけ載置ベルト２１を降下させる（Ｓ５）。立体造形装置１は、既に造形された固形物の層の上面に立体造形粉体を供給する（Ｓ２）。立体造形装置１は、前回造形した層よりも１つ上の層の断面データに基づいて、造形液を吐出する（Ｓ３）。Ｓ２〜Ｓ５の手順が繰り返されることで、三次元データによって示される形状の立体造形物が、下の層から順に造形されていく。なお、造形される固形物の層は１つでもよい。つまり、層を積み重ねなくてもよい。
【００４７】
最も上面の層の造形が終了すると（Ｓ４：ＹＥＳ）、立体造形装置１は、造形された固形物の上面に再び立体造形粉体を供給する（Ｓ６）。その結果、立体造形物の最上面の造形面が埋没部と同条件になり造形物全体の精度や色合いが均一化する。以上により、造形処理は終了する。その後、作業者は、粉体中から立体造形物を取り出す。集塵機で粉塵を吸引しながら、エアガンで余分な粉体を吹き飛ばし、除去する。以上の手順によって、１つの立体造形物の造形が完了する。
【００４８】
次に、造形液の組成について説明する。造形液は、水を溶媒として、接着剤、増粘湿潤剤、及び界面活性剤を含有する。さらに、造形液はｐＨ調整剤を含有し、ｐＨ値が７以上９以下となっている。本実施の形態に係る造形液は、無色透明であり、一般的な印刷用のインクとは異なる。尚、造形液は、インクジェットヘッド部５から吐出される、透明インクに少なくとも含有させるが、インクジェットヘッド部５から吐出される、シアン、マゼンタ、イエロー、ブラック等の他のインクに含有してもよい。以下、各成分について詳述する。
【００４９】
造形液が含有する接着剤について説明する。接着剤は、一例として、分散型接着剤（水分散系（ラテックス・エマルジョン）の接着剤）を用いる。この分散型接着剤は、初期状態は高分子の固形分を水中で重合させた懸濁水溶液である。コロイド状態の天然または合成ゴムが主体の場合にはラテックス系接着剤、本来水に反応しない高分子が保護コロイドでエマルジョン化されて水に溶けることができる状態となっているものはエマルジョン系接着剤と分類される。これらは特性を付与するために異なる高分子成分を混合する場合もあり、物性を設計する上での自由度が高い。貯蔵性に優れるが凍結させると分解し本来の機能を発揮しなくなってしまう。常温で接着するが低温の環境では充分に固化せず白化した状態となるため、最低造膜温度(Minimun Film Forming Temperature)上での作業が求められる。接着過程は溶液系と同様に、溶媒が気化し溶質が硬化することで接着する。特徴も溶液系に準ずる。分散型接着剤の一例としては、エマルジョンとして、ポリビニールアルコール、酢酸ビニル、アクリル、ＥＶＡ等を用いることができる。造形液への添加量としては、一例として、３重量％である。尚、分散型接着剤の造形液への添加量は、１〜３０重量％の範囲が望ましい。発明者の実験結果によると、分散型接着剤を造形液へ１重量％程度以上混合しなければ接着剤としての効果が表れず、また、３０重量％を超えるようだと、造形物の硬化に支障を来すからである。
【００５０】
次に、増粘湿潤剤について説明する。増粘湿潤剤は、造形液の粘度を上昇させると共に、溶媒である水の蒸発を抑制するものである。インクジェットヘッドの特性（ヘッドの構成、駆動電圧、および周波数等）が、吐出する液体の特性に合わないと、インクジェットヘッドは、液体を正確に吐出することが困難である。特に、ピエゾ式のインクジェットヘッドは吐出力が弱いため、造形液の粘度をインクジェットヘッドの特性に合わせる必要性が高い。造形液は、増粘湿潤剤によって増粘されることで、インクジェットヘッドによって精度良く吐出される。また、溶媒である水の蒸発が早ければ、造形液がインクジェットヘッドにおいて固化しやすくなるため、インクジェットヘッドは目詰まりを起こしやすくなる。造形液は、増粘湿潤剤によって水の蒸発を抑制されることで、インクジェットヘッドを詰まり難くすることができる。従って、増粘湿潤剤を含有する造形液は、インクジェットヘッドによる吐出に適している。さらに、造形液が増粘湿潤剤を含有しなければ、水の蒸発によって立体造形物の収縮が増大する。その結果、布等の載置媒体に張り付いている部分に比べて、載置媒体との間の距離が大きい部分の収縮率が大きくなり、作業者が所望する形状の立体造形物が造形されない。造形液は、増粘湿潤剤を含有することで立体造形物の収縮を抑制し、精度良く立体造形物を造形することができる。また、造形液が増粘湿潤剤を含有すると、シアノアクリレート系接着剤による後硬化剤による仕上げ処理効果が向上する。
【００５１】
増粘湿潤剤には種々の物質を用いることができるが、２価以上のアルコールを用いることが好ましい。具体的には、グリセリン、ジエチレングリコール、およびポリエチレングリコール等の２価以上のアルコールのうちの１種以上を、増粘湿潤剤として用いるのが好ましい。特に、グリセリン、およびジエチレングリコールの少なくともいずれかを増粘湿潤剤として用いるのがさらに好ましい。グリセリン、およびジエチレングリコールは、蒸気圧が低いため、水の蒸発を抑制する効果（所謂湿潤効果）を効率良く得ることができる。さらに、グリセリン、およびジエチレングリコールは、毒性が低いため、作業者は安全に造形液を取り扱うことができる。グリセリン、およびジエチレングリコールは、塩化ビニル樹脂、およびポリスチレン等の汎用樹脂と共に用いることも可能であるため、立体造形装置１等の材料が制約されることもない。
【００５２】
重合度の高いポリエチレングリコール（例えば、ポリエチレングリコール６００）は、融点が約２０℃であるため、温度環境に応じて固体となる場合と液体となる場合とがある。従って、重合度の高いポリエチレングリコールは、取り扱いが困難であり、低温条件で析出する可能性もある。よって、ポリエチレングリコールを増粘湿潤剤として造形液に含有させる場合には、重合度の低いもの（例えば、ポリエチレングリコール２００）を用いることが望ましい。少量のポリエチレングリコールを含有させるだけで、造形液を容易に増粘させることができる。
【００５３】
また、増粘湿潤剤として、２Ｐ＝２−ピロリドン、ＮＭＰ＝Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ＤＭＩ＝１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン等を用いることも可能である。つまり、２０℃での蒸気圧が１ｈＰａ以下であり、且つ水と自由に混和する有機溶剤を、増粘湿潤剤として用いることができる。
【００５４】
増粘湿潤剤の含有量は、２価以上のアルコールを増粘湿潤剤として用いる場合、造形液全体に対して１重量％以上５０重量％以下であることが望ましい。２価以上のアルコールの含有量を１重量％以上とすることで、容易に水の蒸発を抑制し、且つ造形液を増粘させることができる。含有量を５０重量％以下とすることで、水の蒸発が過度に抑制されて造形物の硬度が著しく低下することを防止することができる。
【００５５】
なお、インクジェットヘッドを用いた印刷に用いられる印刷用インクの粘度は、一般的には約２．５ｍＰａ・ｓ以上である。従って、増粘湿潤剤によって造形液の粘度を約２．５ｍＰａ・ｓ以上とすれば、印刷用のインクジェットヘッドを用いても、印刷用インクと同様に精度良く造形液を吐出させることができる。
【００５６】
ｐＨ調整剤について説明する。ｐＨ調整剤は、造形液のｐＨ値を調整するために用いられる。造形液が酸性にならなければ、インクジェットヘッドに錆びが生じ難くなる。具体的には、造形液のｐＨ値は７以上であることが望ましい。また、造形液が過度のアルカリ性にならなければ、作業者は造形液を安全に取り扱うことができる。造形液のｐＨ値は、７以上９以下であることが望ましい。なお、ｐＨ調整剤には種々の物質を用いることができる。特に、毒性が少ないアミン類をｐＨ調整剤として用いるのが望ましい。例えば、トリエタノールアミン（２，２´，２´´−ニトリロトリエタノール）をｐＨ調整剤として使用できる。
【００５７】
界面活性剤について説明する。界面活性剤は、造形液の表面張力を減少させるために含有される。表面張力が大きい液体をインクジェットヘッドに精度良く吐出させることは困難である。界面活性剤を含有する造形液は、界面活性剤を含有しない造形液に比べて表面張力が小さいため、より精度良くインクジェットヘッドから吐出させることができる。さらに、造形液の表面張力が低ければ、表面張力が高い場合に比べて容易に造形液が立体造形粉体に浸透する。よって、作業者は円滑に造形工程を進行させることができる。
【００５８】
次に、立体造形粉体の組成について説明する。立体造形粉体は、焼石膏を主成分として、水溶性ポリマー等の水溶性接着剤を含有しない。本実施の形態では、造形液が接着剤を含有しているために、立体造形粉体に接着剤を含有させる必要がない。従って、立体造形粉体の保管中に立体造形粉体が水分を吸収して硬化したり、劣化してしまうことを防止できる。また、立体造形物の耐水性を高めることができる。焼石膏としては、市販のアルファ型焼石膏を主成分とし、アルファ型焼石膏の粒子径は、篩２５μｍのメッシュ上〜１００μｍのメッシュ下に残存する粒子を使用する。アルファ型焼石膏は、硬化速度及び硬度が増し、立体造形物の耐水性が向上する。
【００５９】
また、市販のベータ型焼石膏を一例として３０重量パーセントを立体造形粉体に添加する。尚、ベータ型焼石膏の立体造形粉体への添加量は１０〜３０重量％の範囲が望ましい。発明者の実験結果によると、１０重量％未満では、滲み低減の効果が見られるものの小さく、一方３０重量％より多いと滲み低減の効果が大きい一方で強度が低下するからである。ベータ型焼石膏の粒子径は、篩２５μｍのメッシュ上〜１００μｍのメッシュ下に残存する粒子を使用する。尚、ベータ型焼石膏の添加量は、アルファ型焼石膏の含有量よりも少量にする。ベータ型焼石膏を添加すると、アルファ型焼石膏単体よりも硬化に必要な水分量が増加するために、保管中の立体造形粉体の安定性が向上する。
【００６０】
また、立体造形粉体には、硬化促進剤として、焼石膏よりも少量の無機化合物が添加されている。無機化合物の一例としては、塩類、硫酸塩類、ミョウバン類、硝酸塩類、硫酸水素塩類、オキソ塩類、アルミン酸塩類、鉱酸等が添加される。一例として、硫酸カリウムを３重量パーセントを立体造形粉体に添加する。無機化合物の添加量としては１〜５重量％が望ましい。これらは、硬化促進剤として機能し、短時間で硬化するために造形直後の強度が強く、上記物質の無添加に比べて耐水性も向上する。また、立体造形粉体が予定した大きさよりも大きくなる滲みを防止できる。
【００６１】
また、立体造形粉体には、アルファ型焼石膏よりも少量の撥水剤が添加されている。撥水剤の一例としては金属石鹸を用いる。立体造形粉体に撥水剤として金属石鹸を含有すると、立体造形粉体の流動性が向上するため、保管中の立体造形粉体の硬化防止や安定性の向上を図ることが出来る。金属石鹸の一例としては、長鎖脂肪酸金属塩、Ｍｇ、Ｃａ，Ｚｎ等を用いることができる。一例としては、ステアリン酸亜鉛を０．０１重量パーセントを立体造形粉体に添加する。
【００６２】
また、立体造形粉体は、接着力を有さないフィラー（充填剤）を含有することが望ましい。立体造形粉体にフィラーを含有させることで、水の蒸発による立体造形物の収縮を抑制することができるため、作業者が所望する形状の立体造形物が精度良く造形される。フィラーは、無機物でも有機物でもよい。フィラーは、撥水性がないことが望ましい。撥水性がないフィラーを立体造形粉体に含有させることで、造形液が立体造形粉体にはじかれ難くなる。その結果、作業者は円滑に立体造形物を造形することができる。例えば、炭酸カルシウム、ポリエチレンテレフタレート、ポリエステル、タルク、ＥＶＡ（エチレン・酢酸ビニル共重合樹脂）等、粉の状態で撥水性が低い材質をフィラーとして用いるとよい。
【００６３】
次に、硬化促進剤の効果について確認するために、実施例１の試験を行った。図５及び図６を参照して実施例１を説明する。実施例１では、上記構成の立体造形装置１を用いて、上記の立体造形粉体にインクジェットヘッド部５から造形液を吐出して、図５に示す、長さ目標Ａ：８０ｍｍ、幅目標Ｂ：１０ｍｍ、厚さ目標Ｃ：４ｍｍの造形試験片１００を作成した。硬化促進剤が添加されている造形試験片１００と、硬化促進剤の添加をしない造形試験片１００とを作成した。
【００６４】
立体造形粉体としては、市販のアルファ型焼石膏を主成分とし、市販のベータ型焼石膏を一例として３０重量パーセント添加した。 また、アルファ型焼石膏及びベータ型焼石膏の粒子径は、篩２５μｍのメッシュ上〜１００μｍのメッシュ下に残存する粒子を使用した。立体造形粉体には、撥水剤として、ステアリン酸亜鉛を０．０１重量パーセント添加した。硬化促進剤としては、硫酸カリウムを３重量パーセント添加したものと、しないもとを用いた。
【００６５】
造形液は、水を溶媒として、接着剤、増粘湿潤剤、及び界面活性剤を含有するものを用いた。造形液はｐＨ調整剤を含有し、ｐＨ値が７以上９以下となっている。また、接着剤としては、ポリビニールアルコールを１０重量パーセント造形液に添加した。測定結果を表１に示す。
【００６６】
【表１】
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【００６７】
表１に示すように、硬化促進剤の添加が無い場合に、立体造形粉体への造形液の吐出を行った。造形直後（０分）では造形試験片の強度不足であったので、造形後１０分で造形試験片１００を立体造形装置１から取り出して寸法を計測した。造形試験片１００は、長さＡ：８６．２０ｍｍ、幅Ｂ：１７．３０ｍｍ、厚さＣ：７．９３５ｍｍとなった。これに対して、硬化促進剤の添加が有る場合に、立体造形粉体への造形液の吐出を行って造形後、直ちに（０分）造形試験片１００を立体造形装置１から取り出して寸法を計測した。造形試験片１００は、長さＡ：８２．３５ｍｍ、幅Ｂ：１２．９０ｍｍ、厚さＣ：６．１３３ｍｍとなり、造形目標の長さＡ：８０ｍｍ、幅Ｂ：１０ｍｍ、厚さＣ：４ｍｍに近づいた。従って、硬化促進剤の添加が添加された場合には、造形試験片１００は、短時間で硬化し、寸法も目標寸法に近づき、目標寸法より大きくなる所謂「滲み」を減少できることが確認された。また、硬化促進剤と金属石鹸を添加した場合に、直ちに（０分）造形試験片１００を立体造形装置１から取り出して寸法を計測した。造形試験片１００は、長さＡ：８１．０５ｍｍ、幅Ｂ：１１．６０ｍｍ、厚さＣ：５．０９４ｍｍとなり、造形目標の長さＡ：８０ｍｍ、幅Ｂ：１０ｍｍ、厚さＣ：４ｍｍにさらに近づいた。金属石鹸を添加すると、滲みをさらに減少できることが確認された。
【００６８】
上記の実施の形態では、造形液が接着剤を含有しているので、立体造形粉体は、水溶性の接着剤を含有する必要がない。従って、保管中に立体造形粉体が水分を吸収して硬化したり、劣化してしまうことを防止できる。また、立体造形物の耐水性を高めることができる。
【００６９】
上記実施の形態において、図４のＳ２で立体造形粉体を載置ベルト２１に供給して層を形成する工程が、本発明の「層形成工程」に相当する。図４のＳ３で造形液を吐出する工程が「生成工程」に相当する。載置ベルト２１が本発明の「載置台」に相当する。搬送部２０、および印刷部３のガイドシャフト９、タイミングベルト１０、ヘッド用モータ３５が、本発明の「移動機構」に相当する。図４のＳ５で載置ベルト２１を降下させる制御を行うＣＰＵ３１が、本発明の「距離制御手段」として機能する。図４のＳ３で載置ベルト２１上の立体造形粉体を移動させながら造形液を吐出させる制御を行うＣＰＵ３１が、本発明の「吐出制御手段」として機能する。
【００７０】
本発明は上記実施の形態に限定されることはなく、様々な変形が可能であることは言うまでもない。例えば、立体造形粉体の主成分を成す石膏は、アルファ型焼石膏、ベータ型焼石膏以外に無水石膏を用いてもよい。また、図４を参照して説明した造形手順は適宜変更できる。より具体的には、最上層の造形の終了後に、立体造形粉体の供給（Ｓ６）を行うことなく、粉体を除去してもよい。造形液は、増粘湿潤剤、界面活性剤、およびｐＨ調整剤以外の物質を含有してもよい。上記実施例１で作製した造形液Ａ〜Ｊは、全てｐＨ調整剤を含有している。しかし、造形液は、ｐＨ調整剤を含有しない状態で望ましいｐＨ値（例えば、７以上９以下）となるのであれば、ｐＨ調整剤を含有しなくてもよい。
【００７１】
立体造形粉体を載置ベルト２１に供給する処理は、作業者自身が行ってもよい。この場合、望ましくは、作業者は、立体造形粉体の厚みを調整するための冶具を載置ベルト２１上に配置する。例えば、作業者は、１段毎の高さが所定距離（例えば、０．２ｍｍ）である階段状の２つの冶具を、段部が向かい合うように対称に配置するとよい。この場合、作業者は、後述する平坦化の工程において、スキージを２つの冶具の所定の段部に摺動させることで、立体造形粉体を正確な厚みで且つ平坦に配置することができる。冶具の構成は適宜変更できる。
【符号の説明】
【００７２】
１    立体造形装置
５    インクジェットヘッド部
９    ガイドシャフト
１０    タイミングベルト
２０    搬送部
２１    載置ベルト
２２，２３    プーリ
２５    立体造形粉体
３１    ＣＰＵ
３５    ヘッド用モータ
４１    載置ベルト用モータ
１００  造形試験片
【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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