(57)【要約】【課題】平坦化済領域への粉体落下を防止し、造形製品の精度低下を防止する。【解決手段】平坦化手段（回転ローラ１２及び粉体除去板１３）が粉体槽１１に対して離間できるように、平坦化手段が昇降できる機構を設ける。回転ローラ１２で粉体２０を平坦化した後、原点復帰工程の前に平坦化手段を上昇させてから原点復帰工程を実施する。平坦化手段を上昇させることで、平坦化済粉体面や粉体槽１１の枠部に付着・堆積した粉体面と距離が開くため、原点復帰で水平移動する最中に粉体が平坦化済領域へ落下することを防止できる。【選択図】図３
2016093909.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉体に対して造形液を滴下して三次元造形物を形成する三次元造形装置であって、
粉体を保持・積層するための槽と、
平坦化ユニットを移動させることで粉体を平坦化する平坦化手段と
を備え、
前記平坦化ユニットが前記移動後に原点復帰する際に、前記槽と前記平坦化手段との距離が、前記移動時における前記槽と前記平坦化手段との距離よりも大きくなるように、前記平坦化手段と前記槽とを離間させる離間機構を備えることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項２】
前記離間機構は、前記平坦化ユニットが前記槽に対して離間可能な構成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】
前記離間機構は、前記槽が前記平坦化ユニットに対して離間可能な構成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４】
前記離間機構は、前記槽の、前記平坦化ユニットの粉体平坦化時の移動方向下流側の槽枠が前記平坦化ユニットに対して離間可能な構成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５】
前記槽の、前記平坦化ユニットの粉体平坦化時の移動方向下流側の槽枠の上端部が傾斜面として設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の三次元造形装置。
【請求項６】
粉体に対して造形液を滴下して三次元造形物を形成する三次元造形装置であって、
粉体を保持・積層するための槽と、
平坦化ユニットを移動させることで粉体を平坦化する平坦化手段と
を備え、
前記槽の、前記平坦化ユニットの粉体平坦化時の移動方向下流側の槽枠の上端部が傾斜面として設けられていることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項７】
前記傾斜面として設けられた前記槽枠の上端部近傍を振動させる振動手段を有することを特徴とする請求項５または６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、立体造形物を造形する三次元造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上下方向に移動可能なテーブル（ステージ）上に積載した金属又は非金属による粉体に対し、各層毎に、造形液を塗布することによって積層し、所定の三次元造形物を製作する三次元造形装置において、移動方向に対し反対方向に回転する（逆回転）ローラを用いて粉体を平坦な層状を形成する技術が既に知られている。
【０００３】
従来の三次元造形装置では、図７に模式的に示すように、回転ローラ１２やブレードで粉体２０を所定の厚さの層として押し広げた後（平坦な層状を形成した後）、回転ローラやブレードが原点位置に戻る際において、粉体槽１１の枠部に付着している粉体が回転ローラやブレードに転写し、その転写した粉体が、押し広げた領域（平坦化済領域）に落下することで、平坦精度を悪化させ、造形製品の精度が低下するという問題があった。
【０００４】
特許第５４０８１５１号公報（特許文献１）には、ローラで粉面を平坦化した領域へのローラに付着した粉体の飛散防止を目的として、ローラに付着した粉体を除去する粉体除去板を、粉体未平坦化領域でかつ、ローラ回転中心以下の位置でローラに接するように設けるという構成が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に記載の構成でも、回転ローラやブレードで粉体を所定の厚さの層として押し広げた後、回転ローラやブレードが原点位置に戻る際において、粉体槽の枠部に付着している粉体が回転ローラやブレードに転写し、その転写した粉体が、平坦化済領域に落下することで、平坦精度を悪化させ、造形製品の精度が低下するという課題は解消できていない。
【０００６】
本発明は立体造形装置における上記の課題に鑑みてなされたものであり、平坦化済領域への粉体落下を防止し、造形製品の精度低下を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記の課題を解決するため、本発明は、粉体に対して造形液を滴下して三次元造形物を形成する三次元造形装置であって、粉体を保持・積層するための槽と、平坦化ユニットを移動させることで粉体を平坦化する平坦化手段とを備え、前記平坦化ユニットが前記移動後に原点復帰する際に、前記槽と前記平坦化手段との距離が、前記移動時における前記槽と前記平坦化手段との距離よりも大きくなるように、前記平坦化手段と前記槽とを離間させる離間機構を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、前記の課題を解決するため、本発明は、粉体に対して造形液を滴下して三次元造形物を形成する三次元造形装置であって、粉体を保持・積層するための槽と、平坦化ユニットを移動させることで粉体を平坦化する平坦化手段とを備え、前記槽の、前記平坦化ユニットの粉体平坦化時の移動方向下流側の槽枠の上端部が傾斜面として設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の立体造形装置によれば、粉体平坦化後に平坦化ユニットが原点位置に戻る際において、平坦化済領域を通過する上流側（平坦化時の下流側）における平坦化手段への粉体転写を防止できるため、平坦化済領域への粉体落下を防止できるので、造形製品の精度低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る三次元造形装置の一例を示す外観斜視図である。
【図２】三次元造形装置における造形の流れについて説明する模式図である。
【図３】発明の第１実施形態の特長について説明する模式図である。
【図４】発明の第２実施形態の特長について説明する模式図である。
【図５】発明の第３実施形態の特長について説明する模式図である。
【図６】発明の第４実施形態の特長について説明する模式図である。
【図７】三次元造形装置における問題点を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る三次元造形装置の一例を示す外観斜視図である。また、図２は、三次元造形装置における造形の流れについて説明する模式図である。
【００１２】
図１に示す三次元造形装置（立体造形装置）は、粉体が結合された造形層が形成される造形部１と、造形部１に造形液を吐出して立体造形物を造形する造形ユニット５とを備えている。そのほか、図示しない粉体供給部も備えられる。
【００１３】
造形部１には、粉体を保持・積層するための粉体槽１１や平坦化手段である平坦化ローラ１２などが含まれる。また、造形ユニット５には、吐出ヘッドユニット５１やヘッドクリーニング機構などが含まれる。
【００１４】
粉体槽１１は、供給槽２１及び造形槽２２を備えたタンク状または箱型を成しており、その底面部のステージ（テーブル）２３，２４が鉛直方向に昇降自在となっている。 また、供給槽２１と造形槽２２は隣接して設けられており、造形槽２２のステージ２４上では三次元造形物が造形される。
【００１５】
供給槽２１のステージ２３を上げ（上昇させ）、供給槽２１に充填されている粉体２０を、平坦化ローラ１２を利用して供給槽のステージ２３上に粉末材料を供給する。平坦化ローラ１２は、供給槽２１と造形槽２２のステージ上に積載された粉末材料の上面を平坦化し、粉体層を形成する。
【００１６】
ヘッド５１ａを利用してステージ２４上に形成された粉体層２０に造形液を吐出する。ヘッドクリーニング機構は、ヘッド５１ａに密着して造形液を吸引し、吐出口をワイプする。
【００１７】
粉体槽１１は、箱型形状を成し、供給槽２１と造形槽２２の、上面が開放された２つの槽を備えている。供給槽２１と造形槽２２のそれぞれの内側には、ステージ２３，２４が昇降可能に保持される。各ステージの側面はそれぞれの槽の枠に接するようにして配置され、ステージの上面は水平に保たれている。
【００１８】
粉体槽１１の周りには上面が開放された凹形状である粉体落下口（図示せず）が設けられている。この粉体落下口には、粉体層を形成する際に平坦化ローラ１２によって集積された余剰粉体が落下する。粉体落下口に落下した余剰粉体は、作業者によって、もしくは吸引機構などによって、供給槽２１の上方に位置する粉体供給部（図示せず）内に戻される。
【００１９】
図示しない粉体供給部はタンク状を成しており、供給槽２１の上方に配置されている。造形の初期動作時や供給槽の粉体量が減少した場合、タンク内の粉体を供給槽に供給する。粉体供給のための粉体搬送方法としては、スクリューを利用したスクリューコンベア方式や、エアーを利用した空気輸送方式などが挙げられる。
【００２０】
平坦化ローラ１２は、粉体を供給槽２１から造形槽２２へと搬送させ、所定の厚み（例えば厚さΔｔ）の粉体層を形成する機能を有している。平坦化ローラ１２は、図１に示すように、造形槽２２及び供給槽２１の内寸（即ち、「粉体が供給される部分又は仕込まれている部分」の幅）よりも長い棒材であり、両端が往復動装置２５に支持されている。
【００２１】
平坦化ローラ１２は、回転しながら供給槽２１の外側から供給槽２１及び造形槽２２の上方を通過するようにして水平移動し、これにより粉体を造形槽上へと供給できる。具体的には、供給槽２１のステージ２３を上昇、造形槽２２のステージ２４を下降させる。 この際、造形槽２２の最上粉体層と平坦化ローラの下部（下方接線部）との間隔がΔｔとなるようにステージ２３の下降距離を設定する。本実施形態では、Δｔが５０〜３００μｍ程度であることが好ましく、例えば約１００μｍである。
【００２２】
次いで、供給槽２１の上面レベルよりも上方に位置する粉体２０を、平坦化ローラ１２を回転・移動させることで造形槽２２へと供給し、造形槽２２のステージ２４上に所定の厚さΔｔの粉体層を形成する。
【００２３】
ここで、平坦化ローラ１２は、造形槽２２及び供給槽２１の上面レベルとの距離を一定に保って移動できるようになっている。一定に保って移動できる結果、平坦化ローラ１２で粉体を造形槽２２の上へと搬送させつつ、造形槽上、又は既に形成された造形層３０の上に均一厚さの粉体層を形成できる。 平坦化ローラ１２は、粉体の搬送のためには、水平移動する方向に対してカウンタ方向に回転（逆回転）することが望ましい。
【００２４】
また、平坦化ローラ１２には付着した粉体を除去するための粉体除去板１３が設けられる。粉体除去板１３は、平坦化した領域へのローラに付着した粉体の飛散を防止するために、粉体未平坦化領域でかつ、ローラ回転中心以下の位置でローラに接するように設けるのが望ましい。
【００２５】
なお、平坦化部材はローラだけではなく、角材のブレードでも可能である。粉体の特性（例えば粒子の凝縮度合いや流動性など）や、粉体の保存状態（例えば高湿度環境での保存）に応じて、平坦化部材の選定や駆動条件を変更できる。
【００２６】
吐出ヘッドユニット５１は、シアンヘッド、マゼンタヘッド、イエローヘッド、ブラックヘッド、およびクリアヘッドを備える。三次元造形装置の内部には、シアン造形液、マゼンタ造形液、イエロー造形液、ブラック造形液、およびクリア造形液の各々を収容した複数のタンクが装着されている。ヘッドユニットが備える各色のヘッドの各々は、可撓性を有するチューブ（図示せず）によって、対応する色の造形液を収容したタンクに接続されている。ヘッド５１ａは制御によって、各色の造形液を粉体層に吐出する。
【００２７】
なお、ヘッド数や吐出する造形液の種類は変更できる。 例えば、造形物に色づけが不要である場合は、クリアヘッドのみをセットし、クリア造形液のみを吐出してもよい。
【００２８】
吐出ヘッドユニット５１は、ガイドレールを利用してＹ軸方向（図１の矢印Ｙ方向）及びＺ軸方向（図１及び図２の上下方向）に移動することができる。そして、平坦化ローラによって供給槽及び造形槽の表面（粉体層２０の表面）を平坦化、高密度化している場合、ヘッド５１ａは干渉しない位置に退避することができる。
【００２９】
ヘッド５１ａによって吐出された造形液が粉体２０と混合されると、粉体に含まれる接着剤が溶解し、溶解した接着剤同士が結合する。その結果、厚さΔtの造形層が形成される。
【００３０】
次いで、上述した粉体供給・平坦化工程、高密度化工程、ヘッドによる造形液吐出工程を繰り返して新たな造形層を形成する。この際、新たな造形層とその下層の造形層とは一体化して三次元形状造形物の一部を構成する。以後、粉体の供給・平坦化工程、高密度化工程、ヘッドによる造形液吐出工程を必要な回数繰り返すことによって、三次元形状造形物を完成させる。
【００３１】
ヘッドクリーニング機構は、主にキャップとワイパーブレードで構成される。キャップをヘッド５１ａのノズル面に密着させ、ノズルから造形液を吸引する。ノズルに詰まった粉体の排出や高粘度化した造形液を排出するためである。その後、ノズルのメニスカス形成（ノズル内は負圧状態である）のため、ノズル面をワイプ（拭き取り）する。また、ヘッドクリーニング機構は、造形液の吐出が行われない場合にヘッドのノズル面を覆い、粉体がノズルに混入することや造形液が乾燥することを防止する。
【００３２】
本発明の三次元造形装置に用いられる粉体は、金属粉末やセラミック粉末、ガラス粉末でも可である。使用する粉体の粒径や要求される精度に応じて、粉体層の厚みや平坦化手段の駆動条件や、高密度化駆動条件は適宜変更が可能である。
【００３３】
次に、図３を参照して、発明の第１実施形態の特長について説明する。本第１実施形態は、平坦化手段が粉体槽に対して離間できるように、平坦化手段が昇降（上昇及び下降）できる機構を設けた構成である。なお、本実施形態における平坦化手段としては、平坦化ローラ１２を用いたものとし、平坦化ローラ１２及び粉体除去板１３を含む平坦化ユニットが昇降可能な構成としている。ただし平坦化手段としては上記したようにブレードを用いることもできる。
【００３４】
図３に示すように、平坦化ユニット（回転ローラ１２及び粉体除去板１３）で粉体２０を平坦化した後（平坦化のための移動後）、原点復帰工程の前に平坦化ユニットを上昇させてから原点復帰工程を実施する。平坦化ユニットを上昇させることで、平坦化済粉体面や粉体槽の枠部に付着・堆積した粉体面と距離が開くため、原点復帰で水平移動する最中に粉体が平坦化ユニット（回転ローラの接線部やブレードのエッジ、底面部）に付着・転写することを防ぐことができる。そのため、平坦化済領域への粉体落下を防止できるので、造形製品の精度低下を防止できる。
【００３５】
なお、平面化ユニット上昇距離（Δｔ１）は生産性向上のため短い方が望ましい。例えば、１ｍｍである。また、平坦化ユニット上昇は、平坦化工程において平坦化ユニットが平坦化下流部の槽枠（粉体槽１１の枠）を通過したタイミングで実施することで、生産性を向上させることができる。
平坦化ユニットが原点復帰した後は、平坦化ユニット下降工程を実施する。下降距離は、上昇距離（Δｔ１）と同じ値である。
【００３６】
次に、図４を参照して、発明の第２実施形態の特長について説明する。本第２実施形態は、粉体槽１１が平坦化手段に対して離間できるように、粉体槽全体が昇降（上昇及び下降）できる機構を設けた構成である。なお、上記第１実施形態と重複する説明は省略する。
【００３７】
平坦化ユニット（平坦化ローラ１２及び粉体除去板１３）で粉体２０を平坦化した後（平坦化のための移動後）、原点復帰工程の前に粉体槽１１を（仮想線から実線の位置に）下降させてから原点復帰工程を実施する。第１実施形態の効果と同様、粉体槽１１を下降させることで、平坦化済粉体面や粉体槽の枠部に付着・堆積した粉体面と距離が開くため、原点復帰で水平移動する最中に粉体が平坦化ユニット（回転ローラの接線部やブレードのエッジ、底面部）に付着・転写することを防ぐことができる。そのため、平坦化済領域への粉体落下を防止できるので、造形製品の精度低下を防止できる。
【００３８】
なお、粉体槽下降距離（Δｔ２）は生産性向上のため短い方が望ましい。例えば、１ｍｍである。また、第１実施形態における平坦化ユニット上昇と同様、粉体槽１１の下降は、平坦化工程において平坦化ユニットが平坦化下流部の槽枠（粉体槽１１の枠）を通過したタイミングで実施することで、生産性を向上させることができる。
【００３９】
平坦化ユニットが原点復帰した後は、粉体槽上昇工程を実施する。上昇距離は、下降距離（Δｔ２）と同じ値である。なお、平坦化手段としては、ブレードを用いることもできる。
【００４０】
次に、図５を参照して、発明の第３実施形態の特長について説明する。本第３実施形態は、平坦化下流側（平坦化ユニット移動方向の下流側＝図の右側）の粉体槽壁（槽枠）１１Ｄのみが昇降（上昇及び下降）できる機構を設けた構成である。なお、上記第２実施形態と重複する説明は省略する。
【００４１】
平坦化ユニット（平坦化ローラ１２及び粉体除去板１３）で粉体２０を平坦化した後、供給槽及び造形槽のステージ２３，２４ならびに粉体槽壁１１Ｄを下降させてから、平坦化ユニットが原点復帰する工程順である。第２実施形態の効果同様、ステージ２３，２４および粉体槽壁１１Ｄを下降させることで、平坦化済粉体面や槽枠部に付着・堆積した粉体面と距離が開くため、原点復帰で水平移動する最中に粉体が平坦化ユニット（回転ローラの接線部やブレードのエッジ、底面部）に付着・転写することを防ぐことができる。そのため、平坦化済領域への粉体落下を防止できるので、造形製品の精度低下防止できる。
【００４２】
さらに、粉体槽全体を昇降させる第２実施形態に比べ、粉体槽の平坦化下流側の槽壁１１Ｄのみを昇降させるため、必要なトルクが少なくてすむため、部品の小型化や部品点数の低減効果を得ることができる。
【００４３】
なお、粉体槽壁１１Ｄの下降距離（Δｔ３）は生産性向上のため短い方が望ましい。例えば、１ｍｍである。また、第２実施形態同様、ステージ２３，２４および粉体槽壁１１Ｄの下降は、平坦化工程において平坦化ユニットが平坦化下流側の槽枠１１Ｄを通過したタイミングで実施することで、生産性を向上させることができる。
平坦化ユニットが原点復帰した後は、ステージ２３，２４および粉体槽壁１１Ｄの上昇工程を実施する。上昇距離は、下降距離（Δｔ３）と同じ値である。
【００４４】
次に、図６を参照して、発明の第４実施形態の特長について説明する。本第４実施形態は、平坦化下流側（図の右側）の粉体槽壁１１の上端部を傾斜面１１Ｅとして設けた構成である。なお、上記各実施形態と重複する説明は省略する。
【００４５】
本第４実施形態において、平坦化下流側（図の右側）の粉体槽壁１１の上端部に設けた傾斜面１１Ｅは、造形槽２２側から平坦化下流の槽枠外側に向けて下降する方向の形状である。また、傾斜面１１Ｅの槽枠直下内部には振動子２９（振動手段）を設けるのが望ましい。振動子２９は、図示しない駆動手段により振動可能となっている。
【００４６】
平坦化下流側の槽枠部上面に傾斜面１１Ｅを設けることで、平坦化ユニット（平坦化ローラ１２及び粉体除去板１３）で粉体２０を平坦化した後、粉体が槽枠部（傾斜面１１Ｅ）から落下する。粉体が槽枠部から落下することで、平坦化ユニットが原点復帰する際の平坦化ユニットへの粉体の付着・転写を防ぐことができ、平坦化済領域への粉体落下を防止できる。このため、造形製品の精度低下を防止する効果を得ることができる。
【００４７】
なお、傾斜面１１Ｅの傾斜角度は急角度であるほど粉体落下効果を得ることができ、たとえば４５度以上が望ましい。
また、傾斜面１１Ｅの槽枠直下内部（槽枠の上端部近傍）に設けた振動子２９を起動する（振動させる）ことで、槽枠部に振動を与え、槽枠部（傾斜面１１Ｅ）に付着・堆積する粉体をより確実に落下させることができる。
【００４８】
さらに、傾斜面１１Ｅの表面を粉体の滑りを良くする表面処理を実施することで、さらなる粉体落下効果を得ることもできる。粉体落下を確実に実施することで、層枠部に付着・堆積した粉体面と平坦化ユニットとの距離が開くため、より確実に平坦化済領域への粉体落下防止効果を得ることができる。
【００４９】
本実施形態の構成は、上記説明した第１〜第３実施形態（平坦化手段と粉体槽とを離間させる離間機構を備えるもの）にも適用可能であり、その場合には、より確実に平坦化済領域への粉体落下防止効果を得ることができる。
また、第３実施形態のように平坦化下流側の粉体槽枠のみを昇降させる構成においては、別部品化した槽枠中に振動子を設けるのも良い。
【００５０】
以上、本発明を図示の実施形態により説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、適宜変更可能なものである。
【符号の説明】
【００５１】
１              造形部
５              造形ユニット
１１            粉体槽
１２            平坦化ローラ
１３            粉体除去板
２０            粉体層
２１            供給槽
２２            造形槽
２３            供給槽ステージ
２４            造形槽ステージ
２９            振動子（振動手段）
３０            造形層
５１            吐出ヘッドユニット
５１ａ          ヘッド
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５２】
【特許文献１】特許第５４０８１５１号公報
【図１】
2016093909.tif 000003
【図２】
2016093909.tif 000004
【図３】
2016093909.tif 000005
【図４】
2016093909.tif 000006
【図５】
2016093909.tif 000007
【図６】
2016093909.tif 000008
【図７】
2016093909.tif 000009