JP2003048253A

JP2003048253A - 立体造形方法及びそれに用いる装置

Info

Publication number: JP2003048253A
Application number: JP2001239123A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Nishida; 聡西田; Hirobumi Sasaki; 博文佐々木; Okushi Okuyama; 奥士奥山; Hiroshi Yamaguchi; 宏山口; Hitoshi Morimoto; 仁士森本
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2001-08-07
Filing date: 2001-08-07
Publication date: 2003-02-18

Abstract

(57)【要約】【課題】形状の補正、特に高さ方向の補正を行うのが
容易で、且つ精度良く短時間で３次元物体の造形が可能
な立体造形方法及びそれに用いる装置を提供する。【解決手段】３次元物体の断面に対応する薄片を粉体
で構成し、該薄片を造形物支持部材側に転写定着する工
程を経て３次元物体を造形するにあたり、薄片の厚みを
変化せしめる工程及び／又は１つの薄片において厚みに
分布を持たせる工程を有する立体造形方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、立体造形方法及び
それに用いる装置に関し、詳しくは造形時の高さ方向の
補正が容易で形状の精度を出せる立体造形方法及びそれ
に用いる装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、工業製品の部品設計に３次元（３
Ｄ）ＣＡＤを用いることが、開発期間の短縮やコストダ
ウンの要請に伴って急速に浸透してきている。それとあ
いまって、積層造形方法が複雑な形状の３次元物体を短
時間で造形する方法として近年急速に普及している。積
層造形方法で作製された３次元物体は、種々の装置の部
品のプロトタイプ（試作品）として、部品の動作や形状
の良否を調べるために利用される。

【０００３】実用に供されているものとしては、例え
ば、紫外線などの光照射により硬化する光硬化性樹脂を
満たした槽の上面より、３次元物体の断面形状データに
応じてレーザービームで２次元走査を行って硬化樹脂の
薄層を形成し、この工程を繰り返すことにより３次元物
体を造形する「光造形法」、薄い粉体層を形成した槽に
レーザー光を照射することにより粉体層を所望の形状の
薄層に焼結し、この工程を繰り返すことにより焼結体に
よる３次元物体を造形する「粉体焼結法」、粉体焼結法
と同じく粉体を用いるものであるが、焼結する代わりに
接着剤を堆積させて固める「粉体接着法」、熱可塑性樹
脂を溶融し、インクジェット方式でノズルから吐出して
堆積させる「熱溶融接着法」等が有る。

【０００４】また特開平１０−２０７１９４号公報に、
電子写真方式を用い断面形状データから薄層を成形し、
該薄層を積層する立体造形法として、誘電体表面に静電
潜像を形成し、帯電性粉体で現像した後、ヒートロール
で加熱定着した後、シート上の帯電性粉体層を再加熱溶
融しつつステージ上に転写し、積層して立体を造形する
ものが提案されている。

【０００５】これらの方法は、「積層による３次元物体
の造形」に起因して、形状の補正が高さ方向の積層の補
正となる。前述の光造形法、粉体焼結法、粉体接着法、
熱溶融接着法では、積層作業数回毎に、予め或いはその
都度作製した基準造形物の寸法を測り、それと対比して
ステージやレーザー光学系、ノズル径や吐出量などの微
調整を行って補正するので、手間が掛かり、時間が取ら
れる問題がある。

【０００６】また、光造形法、粉体焼結法ではレーザー
の照射エネルギーが１回の造形では基本的に固定される
こと、粉体接着法では粉体１層でなければ接着剤による
接着が不可能であることにより造形中に自由に薄層の厚
みを変更することが難しい。

【０００７】更に、特開平１０−２０７１９４号公報に
記載の方法では、加熱定着するときと、転写するときと
２回帯電性粉体を加熱することになり、溶融により形状
が崩れて精度が保ちにくい問題が有る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の事情に
鑑みてなされたものであり、その目的は、形状の補正、
特に高さ方向の補正を行うのが容易で、且つ精度良く短
時間で３次元物体の造形が可能な立体造形方法及びそれ
に用いる装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は、３次元物体の断面に対応する薄片を粉体で構成し、
該薄片を造形物支持部材側に転写定着する工程を経て３
次元物体を造形するにあたり、薄片の厚みを変化せしめ
る工程及び／又は１つの薄片において厚みに分布を持た
せる工程を有する立体造形方法、３次元物体の断面に対応する薄片を粉体で構成し、
該薄片を造形物支持部材側に転写定着する工程を経て３
次元物体を造形するにあたり、造形物支持部材上の既成
造形物の高さの測定値に基づいて、薄片の厚みを補正す
る工程を有する立体造形方法、前記薄片の厚みを補正す
る工程は、転写定着による積層を少なくとも１０回繰り
返す毎に行うこと、前記測定値は非接触のセンサによっ
て得られたものであること、造形中の１断面を補正用の
薄片と残りの部分を構成する薄片とで形成すること、
、において、粉体が帯電性の熱可塑性樹脂からなる
こと、転写定着を加熱及び加圧にて行うこと、３次元物体の断面に対応する粉体からなる薄片を、
粉体の帯電を経て構成する手段、該薄片を造形物支持部
材側に転写定着する手段及び造形物支持部材上の既成造
形物の高さを測定する手段を有する立体造形装置、前記
測定手段が造形物支持部材面上を測定可能領域として移
動可能であること、前記測定手段が造形物支持部材に対
して造形物を介して転写定着手段側に有ること、転写定
着手段が加熱及び加圧によるものであること、によって
達成される。

【００１０】即ち本発明者は、造形する立体の断面形状
が、高さ方向に変化がない場合は積層する厚みを厚くす
れば作業時間の短縮が可能であり、断面に対応する薄片
の厚さに分布を持たせれば、造形作業の中断を伴わずに
高さ方向の補正が可能であるとの認識に基づいて本発明
に至ったものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限
定されない。

【００１２】図１は本発明の立体造形方法の１例を示す
モデル図である。図において、１０は３次元物体の断面
に対応する粉体からなる薄片を、粉体の帯電を経て構成
する手段であり、具体的には、電子写真方式により３次
元物体の断面に対応する薄片を帯電性の粉体（いわゆる
トナー）を用いて構成する。

【００１３】薄片構成手段１０において、感光体１１
は、本実施の形態においては、円筒状の基体の外周に、
導電層及び有機感光層（ＯＰＣ）の光導電体層を形成し
たものであり、図示しない駆動源からの動力により、或
いは中間転写体２０の転写ベルト２１に従動し、導電層
を接地された状態で矢印で示す方向に回転される。

【００１４】１２は帯電手段としてのスコロトロン帯電
器で、感光体１１の移動方向に対して直交する方向に感
光体１１と対峙し近接して取り付けられ、帯電性粉体と
同極性のコロナ放電によって、感光体１１に対し一様な
電位を与える。

【００１５】１３は造形する立体の断面形状データに基
づいて像露光を行う像露光手段としての露光光学系で、
例えばポリゴンミラー等によって感光体１１の回転軸と
平行に走査を行う走査光学系である。一様帯電された感
光体１１上に露光光学系１３によって像露光を行うこと
により静電潜像が形成される。

【００１６】断面形状データは、立体を特定の厚さでス
ライスしたときの断面の形状に関するデータである。汎
用されている立体設計図（３ＤＣＡＤ図面）用作成ソフ
トを用いることにより得ることが出来る。本実施の形態
においては、造形物がテーパーを有する、造形物支持部
材（ステージとも言う）３０側部分については、転写・
定着後の帯電性粉体層の一層の厚さが２０μｍとなるよ
うに現像、転写および定着を行うよう設計したので、断
面形状データは、造形する立体を２０μｍごとの厚さで
スライスしたときのものを用いた。それに引き続く上部
は同一形状の断面が続くので１００μｍ毎の厚さでスラ
イスした断面形状データを用いた。

【００１７】帯電性粉体を内包した現像手段としての現
像器１４が設けられており、磁石体を内蔵し、帯電性粉
体を保持して回転する搬送体としての現像スリーブ１４
ａによって現像する。

【００１８】帯電性粉体で構成する薄片の厚さを変化さ
せるには、例えば積層１０回毎に厚さの分布を測定し、
薄い部分について次の１０回の積層時に、その部分だけ
感光体上での露光量を多くして粉体の現像量を増す方法
を採用することができる。

【００１９】電子写真方式の現像に使用する帯電性粉体
で立体造形するには、該粉体は小粒径で（数μｍ〜２０
μｍ程度）、帯電性および定着性能（溶融接着性能）を
有することが必要である。また、定着、積層して立体造
形された後、装置部品のプロトタイプに用いることがで
きる程度に強度を有することが好ましい。このような素
材としては、熱硬化性樹脂を小粒径の粉体としたものを
用いることが出来る。好ましい熱硬化性樹脂としては、
ＡＢＳ樹脂が挙げられる。ＡＢＳ樹脂はペレットを粉砕
してそのまま使用しても構わないが、帯電性能や定着性
能を付与するために周知の添加剤を溶融混練した後、粉
砕することが好ましい。

【００２０】尚、本実施の形態では、添加剤を加えたＡ
ＢＳ樹脂を粉砕し、平均粒径を１３．６７μｍとした帯
電性粉体を用いて立体造形を行った。

【００２１】又、一種類の帯電性粉体を用いたモノカラ
ーの立体造形に限られるものではなく、マゼンタ、シア
ン、イエロー、ブラック等複数色の帯電性粉体と複数の
形成手段を適用することにより、フルカラーの立体造形
装置とすることも可能である。

【００２２】この帯電性粉体は、現像スリーブ１４ａ上
で層厚規制されて現像域へと搬送される。

【００２３】現像域における現像スリーブ１４ａと感光
体１１との間隙は帯電性粉体の層厚よりも大きくし、現
像スリーブ１４ａと感光体１１との間には直流電圧Ｖ_DC
に交流電圧Ｖ_ACを重畳した交流バイアス電圧を印加す
る。帯電性粉体の帯電は直流電圧Ｖ_DCと同極性であり、
交流電圧Ｖ_ACによって現像スリーブ１４ａから離脱する
きっかけを与えられた帯電性粉体は、直流電圧Ｖ_DCより
電位の絶対値の高いＶ_Hの部分には付着せず、電位の絶
対値の低いＶ_Lの部分にその電位差に応じた帯電性粉体
量が付着し顕像化（現像）する。また、現像スリーブ１
４ａと感光体１１との間には直流電圧Ｖ_DCのみを印加し
てもよい。なお現像は接触現像であっても差し支えな
い。

【００２４】中間転写体２０の転写ベルト２１は、体積
抵抗率が１０⁸〜１０¹²Ω・ｃｍ、表面抵抗率が１０⁸〜
１０¹²Ωであり、例えば変性ポリイミド、熱硬化ポリイ
ミド、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体、ポリ
フッ化ビニリデン、ナイロンアロイ等のエンジニアリン
グプラスチックに導電材料を分散した、厚さ０．１〜
１．０ｍｍの半導電性フィルム基体の外側に、好ましく
はトナーフィルミング防止層として厚さ５〜５０μｍの
フッ素コーティングを行った、２層構成のシームレスベ
ルトである。転写ベルト２１としては、この他に、シリ
コンゴム或いはウレタンゴム等に導電材料を分散した厚
さ０．５〜２．０ｍｍの半導電性ゴムベルトを使用する
こともできる。

【００２５】転写ベルト２１は、ローラ２２ａ、２２ｂ
および２２ｃに外接して張架され、帯電性粉体による薄
片の形成時には、不図示の駆動モータよりの駆動をうけ
て回転され、転写ローラ１５により感光体１１に転写ベ
ルト２１が押圧され、転写ベルト２１が図の矢印で示す
方向に回転される。

【００２６】転写ローラ１５は、転写ベルト２１を挟ん
で感光体１１に対向して設けられ、転写ベルト２１と感
光体１１との間に転写領域（符号なし）を形成する。転
写ローラ１５には帯電性粉体と反対極性の直流電圧から
なる転写バイアス（符号なし）を印加し、転写領域に転
写電界を形成することにより、感光体１１上の帯電性粉
体を転写ベルト２１上に転写する。

【００２７】除電手段である分離電極１７は、好ましく
はコロナ放電器により構成され、転写ローラ１５により
帯電された転写ベルト２１を除電する。

【００２８】転写後の感光体１１の周面上に残った帯電
性粉体は、クリーナ１６のブレード１６ａにより掻き落
とされ、除去清掃される。

【００２９】帯電性粉体による薄片の形成においては、
まず不図示の感光体駆動モータの始動により感光体１１
が回転され、スコロトロン帯電器１２の帯電作用により
感光体１１に電位の付与が開始される。

【００３０】感光体１１は電位を付与されたあと、露光
光学系１３によって造形する立体の断面形状データに対
応する電気信号による画像書込が開始され、感光体１１
の表面に前記断面形状データに対応する静電潜像が形成
される。

【００３１】前記静電潜像は現像器１４により接触或い
は非接触の状態で現像がなされ、感光体１１の回転に応
じ断面形状の帯電性粉体層の形成がなされる。

【００３２】上記プロセスによって薄片構成手段１０の
感光体１１上に形成された帯電性粉体層が、転写領域
（符号なし）において、転写ローラ１５によって、転写
ベルト２１上に転写される。転写ベルト２１は、転写さ
れた未定着の帯電性粉体層Ｍ３Ｐを矢印方向に回転移動
する。

【００３３】感光体１１から転写ベルト２１上に転写さ
れた未定着の帯電性粉体層Ｍ３Ｐは、転写定着後２０μ
ｍの場合、層厚４０μｍ程度、転写定着後１００μｍの
場合、層厚２００μｍ程度となるよう現像および転写を
行った。

【００３４】転写ベルト２１に転写された未定着の帯電
性粉体層Ｍ３Ｐは、ステージ３０と面状ヒータ４０とが
対向した転写・定着位置（転写・定着部の符号なし）に
おいて、転写・定着がなされる。転写・定着部において
は、転写ベルト２１上の帯電性粉体の粘度がゴム状領域
となるよう面状ヒータ４０の温度設定がなされている。
これにより先に積層された定着済みの帯電性粉体層への
帯電性粉体の融着が起こり、良好な転写と定着が同時に
行われる。尚、定着済みの帯電性粉体層がない場合（造
形開始時）にはステージ（又は基体）上に直接転写およ
び定着が行われる。なおＭは造形物である。

【００３５】面状ヒータ４０は、転写ベルト２１に担持
された帯電性粉体層Ｍ３Ｐの全面を転写ベルト２１を介
して均一に加熱し、且つ、ステージ３０またはステージ
３０上に積層された定着済みの帯電性粉体層に押圧でき
るものであれば特に限定はないが、例えば、ポリエチレ
ンテレフタレート樹脂等を支持体としてニクロム線等の
発熱体を挟み込んだ面状発熱体やセラミック発熱体など
が用いられる。

【００３６】また、面状ヒータ４０は、磁性発熱体を用
いても良い。磁性発熱体は、電磁誘導素子の発する磁力
線により交流磁界を発生し、発熱するものである。電磁
誘導素子としては、磁性コアと、該磁性コアに巻設され
る励磁コイル部の組み合わせが挙げられる。前記励磁コ
イル部に電流を流すことにより前記磁性コアから磁力線
が発生する。そして、板状の磁性発熱体の内部に、０．
５〜５０ｋＨｚ程度の交流磁界が形成され、この交流磁
界により生じる磁性発熱体内の渦電流により当該磁性発
熱体が発熱するものである。電磁誘導素子と磁性発熱体
とは、当接あるいは０．５〜２ｍｍ程度わずかに離間し
て配設する。

【００３７】また、面状ヒータ４０としては、熱伝導性
のあるシート状部材の裏側から、加熱ロールをかけるも
のであってもよい。

【００３８】面状ヒータ４０は、転写ベルト２１上に担
持された未定着の帯電性粉体層Ｍ３Ｐが転写・定着位置
に来るまでは、転写ベルト２１から離間して上方に待機
している。次に、前記帯電性粉体層Ｍ３Ｐが転写・定着
位置まで来たら、図示しない駆動手段により下降し、転
写ベルト２１を介して、帯電性粉体層ＭＰ３を定着済み
帯電性粉体層上に加熱押圧する。このとき、転写ベルト
２１は、面状ヒータ４０の押圧力により下方に撓むこと
になる。そして、面状ヒータ４０の加熱加圧作用により
帯電性粉体層がゴム状に溶融し、その層密度を高めて厚
みは収縮し、定着済み帯電性粉体層となる。その後、面
状ヒータ４０は、上昇し、定着済み帯電性粉体層をステ
ージ３０側に剥離転写し、自身は転写ベルト２１から離
間する。

【００３９】テーパがある部分を造形する時、面状ヒー
タ４０による転写・定着後の帯電性粉体層Ｍ３は、２０
μｍ程度となるよう面状ヒータ４０の下降距離を調整
し、加熱加圧定着した。これに伴い、対向するステージ
３０の位置は、帯電性粉体層が重なるたびに、２０μｍ
づつ下降するよう駆動を調整した。また１００μｍ毎の
造形の時は、双方の下降距離は１００μｍになる様調整
した。

【００４０】転写・定着位置（転写・定着部）での転写
は極めて高い転写率をもって転写されるが、転写ベルト
２１に残留した帯電性粉体はローラ２２ｃに対向した転
写ベルトクリーナ７０のクリーニングローラ７１によっ
てクリーニングされる。

【００４１】また、転写ベルト２１は面状ヒータ４０に
よって加熱されるので、転写・定着部の下流側で、冷却
ファン５０によって温度調整される。冷却ファン５０の
代わりに、転写ベルト２１の背面に放熱板を当接させて
もよい。

【００４２】なお、転写ベルト２１からの帯電性粉体層
Ｍ３Ｐの転写をスムーズに行うために、転写ベルト２１
の帯電性粉体担持面の離型性を保持するためのオイル塗
布を行っても良い。離型剤としては、シリコーンオイル
等を用いることができる。

【００４３】以上のプロセスを繰り返し、粉体からなる
薄片を転写・定着、積層することによって立体を造形し
ていく。

【００４４】上記の様に３次元物体の断面に対応する薄
片を構成するにあたり、断面形状データに対応して静電
潜像を形成し、帯電性粉体で現像する工程は、電子写真
の方法が適用可能であり、高速で３次元物体の一断面を
形成できる。また、帯電性粉体であれば、樹脂のみなら
ず、セラミックス・金属などを帯電性樹脂で包含したも
のを用いると、これらの材料を主成分とする３次元物体
の造形が可能となる。さらに、帯電性粉体に着色を施す
ことにより、３次元物体のカラー化が可能となる。

【００４５】図１の実施形態は、３次元物体の断面に対
応する薄片の厚みそのものを、断面形状データの段階か
ら変化させて作業時間の短縮を図るものであるが、１つ
の薄片において厚みに分布を持たせ、高さ方向の補正を
行う１例のモデルを図２に示す。なお符号は図１のそれ
と共通である。

【００４６】図は、高さを検知するセンサ（図示せず）
により既成の造形部分に、所期の形状に反して傾斜部分
が存在することを検知した場合、それを補完するために
粉体により構成する薄片の厚さに分布を持たせたもので
ある。この様な薄片の厚みを補正する工程は、作業の効
率も鑑みて、転写定着による積層を少なくとも１０回繰
り返す毎に行うことが好ましく、それにあたり造形中の
１断面を補正用の薄片と残りの部分を構成する薄片とで
形成することが造形物の形状の精度の点から好ましい。

【００４７】この様に、本発明に係る１つの薄片におい
て厚みに分布を持たせる工程を既成造形物の高さの測定
と組み合わせることによって、造形作業とは別途の、高
さ方向の調整の手間や時間を必要としない。

【００４８】粉体の付着量に分布を持たせるのも、同様
に、積層厚さの分布を測定し、感光体上の露光量を調整
して、粉体現像量に分布を持たせれば良い。

【００４９】図３に、本発明の立体造形装置に係る、造
形物支持部材上の既成造形物の高さを測定する手段の１
例のモデル図を示す。

【００５０】図においては、ステージ３０上の造形中の
プロトタイプ（造形物）Ｍの上空に、高さ測定手段６０
が設けられている。この場合、６１はレーザー変位計
で、支持棒６２に往復可能に懸架され、支持棒６２自身
も２つのガイド６３、６３′の貫通スリット６４、６
４′に両側を挟み込まれる形態で、やはりガイドの長手
方向に往復可能に支持される。これによりレーザー変位
計６１はステージ３０上の任意の点の造形物Ｍの高さを
測定できる。

【００５１】高さ方向の補正を行うにあたり、形状の精
度を得るために、ステージの４隅に最も近い造形物の位
置４点以上を測定するのが好ましく、更にはほぼ中心位
置の測定も付加するのがより好ましい。

【００５２】

【発明の効果】本発明によれば、立体造形時に、形状の
補正、特に高さ方向の補正を行うのが容易で、且つ精度
良く短時間で３次元物体の造形を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の立体造形方法の１例を示すモデル図で
ある。

【図２】高さ方向の補正を行う１例のモデルを示す図で
ある。

【図３】既成造形物の高さを測定する手段の１例のモデ
ルを示す図である。

【符号の説明】

１０薄片構成手段１１感光体１２帯電手段１３露光光学系１４現像手段１５転写ローラ２０中間転写体２１転写ベルト３０造形物支持部材（ステージ）４０面状ヒータＭ３Ｐ帯電性粉体層５０冷却ファン６０測定手段７０転写ベルトクリーナ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山口宏東京都日野市さくら町１番地コニカ株式会社内 (72)発明者森本仁士東京都日野市さくら町１番地コニカ株式会社内Ｆターム(参考） 2H027 DA32 DB01 DE02 DE07 EA02 EB01 EB04 EC06 ED06 ED24 ED25 EE07 EE08 EF09 ZA10 4F213 AC04 AP11 AR12 WA25 WB01 WK01 WK03 WK05 WL26 WL64 WL67 WL92

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】３次元物体の断面に対応する薄片を粉体
で構成し、該薄片を造形物支持部材側に転写定着する工
程を経て３次元物体を造形するにあたり、薄片の厚みを
変化せしめる工程及び／又は１つの薄片において厚みに
分布を持たせる工程を有することを特徴とする立体造形
方法。
【請求項２】３次元物体の断面に対応する薄片を粉体
で構成し、該薄片を造形物支持部材側に転写定着する工
程を経て３次元物体を造形するにあたり、造形物支持部
材上の既成造形物の高さの測定値に基づいて、薄片の厚
みを補正する工程を有することを特徴とする立体造形方
法。
【請求項３】前記薄片の厚みを補正する工程は、転写
定着による積層を少なくとも１０回繰り返す毎に行うこ
とを特徴とする請求項２に記載の立体造形方法。
【請求項４】前記測定値は非接触のセンサによって得
られたものであることを特徴とする請求項２又は３に記
載の立体造形方法。
【請求項５】造形中の１断面を補正用の薄片と残りの
部分を構成する薄片とで形成することを特徴とする請求
項２、３又は４に記載の立体造形方法。
【請求項６】粉体が帯電性の熱可塑性樹脂からなるこ
とを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の
立体造形方法。
【請求項７】転写定着を加熱及び加圧にて行うことを
特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の立体
造形方法。
【請求項８】３次元物体の断面に対応する粉体からな
る薄片を、粉体の帯電を経て構成する手段、該薄片を造
形物支持部材側に転写定着する手段及び造形物支持部材
上の既成造形物の高さを測定する手段を有することを特
徴とする立体造形装置。
【請求項９】前記測定手段が造形物支持部材面上を測
定可能領域として移動可能であることを特徴とする請求
項８に記載の立体造形装置。
【請求項１０】前記測定手段が造形物支持部材に対し
て造形物を介して転写定着手段側に有ることを特徴とす
る請求項８又は９に記載の立体造形装置。
【請求項１１】転写定着手段が加熱及び加圧によるも
のであることを特徴とする立体造形装置。