JP2011156783A - ３次元造形装置、３次元造形物の製造方法及び３次元造形物 - Google Patents

Abstract

【課題】無駄に使用される粉体材料を減らすことができる３次元造形装置、３次元造形物の製造方法及び３次元造形物を提供すること。
【解決手段】３次元造形物６０の本体６１だけでなく、枠体６２も３次元造形物６０の一部として、造形ボックス２１内に形成される。これにより、少なくとも、その枠体６２自身の体積とその枠体６２内の容積との合計分の粉体４が造形ステージ２２上に供給されればよいので、造形ボックス２１内に均一に粉体４を敷き詰める必要がなくなる。したがって、無駄に使用される粉体４を減らすことができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、断面画像データの積層により３次元形状を形成する３次元造形装置及びその３次元造形装置により造られた造形物に関する。

従来から、この種の３次元造形装置は、ラピッドプロトタイピングと呼ばれる装置として知られており、業務用として広く使われている。３次元造形装置の主な方式として、光造形方式、シート積層造形方式、そして、粉体造形方式がある。

光造形方式は、光硬化型の樹脂に高出力レーザを照射して、断面形状を形成し、その積層によって３次元形状を造るものである。シート積層造形方式は、薄厚シートを層状に切り抜き、接着して積層して、３次元形状を造るものである。粉体造形方式は、粉体材料を層状に敷き詰めて、断面形状を作り、それを積層して３次元形状を造るものである。

粉体造形方式は、更に、粉体を溶融または焼結するものと、接着剤を使って粉体を固化させるものとに大分される。前者は、ナイロン材料にレーザを照射して断面を形成することにより３次元形状を造るものである。後者は、石膏を主成分とする粉末に、印刷機等に用いられるインクジェットのヘッドを用いて、接着剤を吐出して固化させ、断面層を形成し、それを積層することによって３次元形状を造るものである。

インクジェットヘッドを利用した粉体造形方式では、インクジェットプリンタのヘッドが、石膏の粉体が敷き詰められたシート上であたかも印刷をするように移動しながら、粉体を結合させる結合剤溶液を吐出する。

このような粉体造形方式を採用した装置が特許文献１に開示されている。特許文献１では、特許文献１では、その図２に示されるように、粉体を吐出するヘッド（４１）（粉体分散ヘッド（１３））が、粉体が収容される領域（フォーム）（１４及び４２）上を移動しながら粉体を供給する。そして、粉体粒子同士を結合させるための結合剤材料を吐出するヘッド（４３）（インクジェット印刷ヘッド（１５））が、その領域（４２）上を移動しながら、結合剤材料を粉体に選択的に吐出することで、結合剤層が形成される（特許文献１の明細書のページ７に記載。）。また、この装置は、その図７に示されるように、供給された粉体の表面をレベリングするための水平ローラ（１０１）も走行する構造になっている。

特表平７−５０７５０８号公報

このような粉体造形方式による造形装置では、粉体が収容される領域であるボックス全体に粉体が均一に敷き詰められ、そのボックス内で造形物が形成される。したがって、形成される造形物の容積に比べ、ボックス内に収容されなければならない粉体の容積は大きくなる。特に、特許文献１の図１に示されるように、ボックス（フォーム）内に複数の同じ造形物を一度に形成する装置ではボックス内の容積が大きいため、大量の粉体を必要とし、使用されない無駄な粉体が多くなる。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、無駄に使用される粉体材料を減らすことができる３次元造形装置、３次元造形物の製造方法及び３次元造形物を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る３次元造形装置は、供給機構と、堆積領域と、可変機構と、吐出機構と、制御手段とを具備する。
前記供給機構は、粉体材料を供給する。
前記堆積領域は、前記供給機構により供給された前記粉体材料が堆積される領域である。
前記可変機構は、前記粉体材料を所定の層厚ごとに前記堆積領域内に堆積させるために、前記層厚ごとに前記堆積領域の容積を変える。
前記吐出機構は、前記粉体材料を硬化させることが可能な、３次元造形物を形成するための液剤を、前記堆積領域内に堆積された前記層厚ごとの前記粉体材料に吐出する。
前記制御手段は、前記３次元造形物のうち、造形対象物体の造形物である本体と、前記本体の周囲に形成される造形物である枠体とを形成するように、前記粉体材料に前記液剤を前記吐出機構により吐出させる。

本発明では、供給機構により、少なくとも、その枠体自身の体積とその枠体内の容積との合計分の粉体材料が堆積領域内に供給されればよいので、堆積領域に均一な厚さで粉体材料を敷き詰める必要がなくなる。したがって、無駄に使用される粉体材料を減らすことができる。

前記堆積領域は、第１の側と、前記第１の側の反対側の第２の側とを有する。その場合、前記供給機構は、供給ボックスと、搬送機構とを有してもよい。

前記供給ボックスは、前記堆積領域の前記第１の側に隣接するように配置され、前記粉体材料を貯留することが可能である。
前記搬送機構は、前記堆積領域の全領域のうち、前記第２の側より前記第１の側に近い領域に前記粉体材料が多く偏るように、前記供給ボックスに貯留された前記粉体材料を搬送する。

本体及び枠体を含む全体の３次元造形物が、堆積領域の全領域より小さい領域に形成される場合、堆積領域の全領域ではなく、全体の３次元造形物が形成される領域である、堆積領域の少なくとも一部の領域（第１の側に近い領域）に粉体材料が供給されればよい。この場合に、堆積領域の全領域のうち、供給ボックス側に近い領域に粉体材料が多く偏るように搬送機構が粉体材料を堆積領域に搬送することができる。

前記吐出機構は、複数色のインクを前記液剤として吐出可能であってもよい。その場合、前記制御手段は、前記枠体を形成する前記粉体材料に複数色のインクを前記吐出機構に吐出させることにより、前記複数色で色付けられた前記枠体が形成される。これにより、上記複数色で色付けられた枠体を、作業者またはコンピュータが認識して、所望の色のインクが吐出されているか等を検査することができる。

前記制御手段は、少なくとも前記粉体の積層方向に垂直な面内で見て、前記枠体の外形が等方形状を有するように、前記吐出機構に前記液剤を吐出させてもよい。仮に枠体がない場合であって、造形物である本体の本来の形状が等方形状を有していない場合、本体の完成後に本体が歪む場合がある。本発明では、枠体が形成されることにより、その歪みが発生することを抑制することができる。

前記制御手段は、前記枠体を含む造形物を複数形成するように、前記吐出機構に前記液剤を吐出させてもよい。

前記３次元造形装置は、前記形成された枠体を撮影するカメラをさらに具備してもよい。例えば、カメラにより得られた枠体の画像を、作業者が確認することにより、液剤の吐出状態を把握することができる。あるいは、枠体の画像情報がコンピュータにフィードバックされ、液剤の吐出機構のメンテナンス等の調整が行われてもよい。

本発明に係る３次元造形物の製造方法では、粉体材料が堆積領域に供給される。
前記粉体材料を所定の層厚ごとに前記堆積領域内に堆積させるために、前記層厚ごとに前記堆積領域の容積が変えられる。
３次元造形物のうち、造形対象物体の造形物である本体と、前記本体の周囲に形成される造形物である枠体とを形成するように、前記粉体材料を硬化させることが可能な、前記３次元造形物を形成するための液剤が、前記堆積領域内に堆積された前記粉体材料に吐出される。

本発明に係る３次元造形物は、上記製造方法により得られたものである。

本発明の他の観点に係る３次元造形装置は、供給機構と、堆積領域と、可変機構と、吐出機構と、制御手段とを具備する。
前記供給機構は、粉体材料を供給する。
前記堆積領域は、前記供給機構により供給された前記粉体材料が堆積される領域である。
前記可変機構は、前記粉体材料を所定の層厚ごとに前記堆積領域内に堆積させるために、前記層厚ごとに前記堆積領域の容積を変える。
前記吐出機構は、前記粉体材料を硬化させることが可能な、３次元造形物を形成するための液剤を、前記堆積領域内に堆積された前記層厚ごとの前記粉体材料に吐出する。
前記制御手段は、前記３次元造形物のうち、造形対象物体の造形物である本体と、前記堆積領域内を仕切るための仕切体とを形成するように、前記粉体材料に前記液剤を前記吐出機構により吐出させる。

本発明では、供給機構により、少なくとも、本体自身の体積、その仕切体自身の体積、及び、本体と仕切体との間の容積との合計分の粉体材料が堆積領域内に供給されればよいので、堆積領域に均一な厚さで粉体材料を敷き詰める必要がなくなる。したがって、無駄に使用される粉体材料を減らすことができる。

以上、本発明によれば、無駄に使用される粉体材料を減らすことができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る３次元造形装置を示す斜視図である。 図２は、図１に示す３次元造形装置の平面図である。 図３は、その側面図である。 図４は、主に３次元造形装置の制御システムの構成を示すブロック図である。 図５は、３次元造形装置の機械的な動作を順に示す、側面から見た模式図である。 図６は、３次元造形装置により形成される、造形ボックス内の３次元造形物を示す平面図である。 図７は、その３次元造形物を示す斜視図である。 図８（Ａ）〜（Ｄ）は、造形物が形成された後、作業者がその造形物を３次元造形装置から取り出す手順を示す図である。 図９は。インクジェットヘッドによる吐出不良により描かれる造形物の例を示す図である。 図１０は、本発明の第２の実施形態に係る３次元造形装置の一部を模式的に示す図である。 図１１は、枠体の形状の他の実施形態を説明するための平面図である。 図１２は、枠体の形状のさらに別の実施形態を示す平面図である。 図１３は、枠体の形状のさらに別の実施形態を示す平面図である。 図１４（Ａ）〜（Ｅ）は、１つの造形ボックスで、本体及び四角の枠体を含む造形物が複数形成される例を示す平面図である。 図１５（Ａ）及び（Ｂ）は、さらに別の実施形態に係る枠体の配置を示す平面図である。 図１６は、一部の側壁がない枠体を示す平面図である。 図１７は、上記各実施形態で説明した枠体に代えて、造形物としての仕切体が形成される例を示す平面図である。 図１８は、本発明の第３の実施形態に係る３次元造形装置の一部を模式的に示す図である。 図１９は、枠体が形成されない場合に、本体が歪む方向を説明するための図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

[第１の実施形態]
（３次元造形装置の構成）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る３次元造形装置を示す斜視図である。図２は、図１に示す３次元造形装置１００の平面図であり、図３は、その側面図である。

３次元造形装置１００は、立体格子状のフレーム１と、このフレーム１上に固定されたプレート２とを備える。プレート２の中央部には、プレート２の長手方向であるＹ方向に沿って造形作業用の開口部２ａが設けられている。その開口部２ａの下部には、粉体材料（以下、単に粉体４という。）の供給機構としての供給部１０、粉体４による造形物が形成される造形部２０、粉体４の回収ボックス３１が配置されている。これら供給部１０、造形部２０及び回収ボックス３１は、図２及び図３に示すように、それらの図中左側からＹ方向に沿って順に並ぶように配置されている。

供給部１０は、粉体４を貯留することが可能な供給ボックス１１、供給ボックス１１内に配置され供給ボックス１１に貯留された粉体４を下から押し上げることで、開口部２ａを介してプレート２上に粉体４を供給する供給ステージ１２、供給ステージ１２を昇降させる昇降シリンダ１３を有する。

粉体４としては、例えば、食塩、石膏、硫酸マグネシウム、硫酸カルシウム、塩化マグネシウム、塩化カリウム、塩化ナトリウムなどの無機物が用いられる。塩化ナトリウムとにがり成分（硫酸マグネシウム、塩化マグネシウム、塩化カリウムなど）が混合されたものが用いられてもよい。すなわち、これは塩化ナトリウムを主成分とするものである。あるいは、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリル酸アンモニウム、ポリアクリル酸ナトリウム、メタアクリル酸アンモニウム、メタアクリル酸ナトリウムやその共重合体などの有機物を用いることもできる。粉体４の平均粒子径は、典型的には１０μｍ以上１００μｍ以下である。食塩が用いられることにより、例えば金属またはプラスチック等の粉体材料を用いる場合に比べ、粉体材料の抽出や加工等に要するエネルギーが低いので環境に良い。しかしながら、粉体として金属またはプラスチックが用いられてもよい。

供給部１０に隣接して配置された造形部２０は、粉体４を貯留することが可能な造形ボックス２１、造形ボックス２１内に配置され、粉体４が堆積され、形成される造形物を下から支持する造形ステージ２２、造形ステージ２２を昇降させる昇降シリンダ２３を有する。昇降シリンダ１３及び２３は、例えばボイスコイルモータを利用するもの、あるいは流体圧を利用するものが用いられる。造形ステージ２２を底面として、造形ボックス２１内の領域が、粉体４の堆積される堆積領域となる。

図２に示すように、造形部２０は、Ｙ方向で第１の側２０１とその反対側の第２の側２０２とを有する。造形ボックス２１は、第１の側２０１が供給部１０に隣接するように配置されている。

図２で見て、造形ボックス２１のＸ方向の長さは１０〜５０ｃｍ、そのＹ方向の長さは２０〜１００ｃｍに設定されるが、この範囲に限られない。

供給ボックス１１及び造形ボックス２１のそれぞれの底面には、余剰な粉体４を排出するための排出口１２ａ及び２２ａが設けられている。排出口１２ａ及び２２ａには、粉体４の排出路を形成する部材５が接続されている。それらの部材５の下方には、排出口１２ａ及び２２ａ及びその排出路を形成する部材５を介して自重により排出されてきた粉体４を回収するボックス６がそれぞれ配置されている。

各ボックス１１、１２及び３１の上部は開口され、それらの開口面は、プレート２の開口部２ａにそれぞれ対面するように配置されている。

プレート２の開口部２ａの供給部１０側の端部付近には、供給部１０から供給された粉体４を造形部２０に搬送する搬送機構としてのローラ１６が配置されている。ローラ１６は、各ボックス１１、１２及び３１の配列方向とは水平面内で直交する方向、すなわちＸ方向に沿って設けられた回転軸１７を有する。また、プレート２上にはローラ１６をＹ方向に移動させる移動機構２６が設けられている。

移動機構２６は、開口部２ａのＸ方向での両側でＹ方向に沿って延設されたガイドレール２５と、これらのガイドレール２５の上部に配置された駆動機構とを有する。駆動機構としては、例えばラックアンドピニオンによる駆動機構が用いられる。この場合、図４に示すように、駆動機構は、移動モータ３２、この移動モータ３２により駆動されるギア２８、このギア２８と噛み合うラックギア２７を有する。ラックギア２７は、ガイドレール２５またはプレート２上の適切な位置に配置されている。

また、図４に示すように、３次元造形装置１００は、ローラ１６を回転させるための回転モータ２９を備えている。ローラ１６を回転させるために、移動モータ３２の駆動力が図示しないギア等を介してローラ１６の回転軸１７に伝達されるようにしてもよい。

上記駆動機構として、ラックアンドピニオン駆動機構に限られず、ボールネジ駆動機構、ベルト駆動機構、チェーン駆動機構、電磁的または静電気的な作用によるリニアモータ駆動機構が用いられもよい。

また、造形部２０において造形ステージ２２上の粉体４にインクを吐出することが可能な吐出機構としてのインクジェットヘッド４１が、プレート２上で移動可能に設けられている。インクジェットヘッド４１は、移動機構２６に接続された駆動ユニット４０に搭載されており、駆動ユニット４０は、移動機構２６によりＹ方向に移動可能に設けられている。例えば、駆動ユニット４０は、図４に示すように、Ｙ方向移動モータ３３、このＹ方向移動モータ３３により駆動されるギア４８、及び上記ラックギア２７によりＹ方向に移動する。このような構成により、インクジェットヘッド４１は、プレート２の開口部２ａ上で、Ｘ−Ｙ平面内でスキャン移動が可能となる。

図１〜３に示すように、駆動ユニット４０は、移動体４３と、移動体４３上に搭載されたボールネジ４２とを備えている。インクジェットヘッド４１は、このボールネジ４２により移動体４３上をＸ方向に移動可能とされている。駆動ユニット４０は、ボールネジ駆動機構に代えて、上記した他の駆動機構を有していてもよい。

インクジェットヘッド４１は、一般的なプリンタ用のインクジェットヘッド４１の構成及び機能と同様のものが用いられればよい。インクジェットの発生機構として、例えばピエゾ素子やサーマル素子が用いられる。インクジェットヘッド４１は、例えば、シアン、マゼンダ及びイエローの各色（以下ＣＭＹという。）のインクを吐出することができ、つまり、カラーのインクを吐出することができる。

インクの材料としては、例えば水性インクが用いられ、市販のインクジェットプリンタ用のインクを用いることも可能である。インクには接着剤であるＰＶＰ（ポリビニルピロリドン）が混ざったものが用いられもよい。インクは、粉体４の材料に応じて油性であってもよい。無色インクも用いられてもよい。例えば、純水とエチルアルコールを重量比で１対１に混合したもの、純水にグリセリンを重量比５〜２０％混合したもの、これらの混合物にさらに微量の界面活性剤を混合したものが用いられる。

本実施形態では、例えばインク中の水分により粉体４が硬化（つまり、粉体粒子同士が結合）するような、インク及び粉体４の各材料が選定される。

図４は、主に３次元造形装置１００の制御システムの構成を示すブロック図である。

この制御システムは、ホストコンピュータ５１、メモリ５２、画像処理コンピュータ９０、粉体供給コントローラ５３、造形ステージコントローラ５４、回転モータコントローラ５６、移動モータコントローラ５５、ヘッド駆動コントローラ５７、ヘッドスキャンコントローラ５８を備える。

ホストコンピュータ５１は、上記メモリ５２及び各種コントローラの駆動を統括的に制御する。メモリ５２は、ホストコンピュータ５１に接続され、揮発性または不揮発性のどちらでもよい。

画像処理コンピュータ９０は、後述するように造形対象物体の断層化画像としてＣＴ（Computed Tomography）の画像データを取り込み、このＣＴ画像データについてＢＭＰ（ビットマップ）形式に変換する等の画像処理を実行する。画像処理コンピュータ９０は、典型的には３次元造形装置１００とは別体のコンピュータであり、ホストコンピュータ５１に例えばＵＳＢ（Universal Serial Bus）により接続され、記憶された画像処理後の画像データをホストコンピュータ５１に送信する。

ホストコンピュータ５１と画像処理コンピュータ９０の接続形態は、ＵＳＢに限られず、ＳＣＳＩ（Small Computer System Interface）、その他の形態でもよい。また、有線及び無線のどちらでもよい。なお、画像処理コンピュータ９０は、３次元造形装置１００内に搭載された画像処理用のデバイスであってもよい。また、画像処理コンピュータ９０が３次元造形装置１００と別体の装置である場合、画像処理コンピュータ９０は、ＣＴ装置と一体となっていてもよい。

粉体供給コントローラ５３は、供給ステージ１２の昇降駆動を制御することで、プレート２の開口部２ａを介してプレート２上に盛り出る粉体４の量を制御するため、昇降シリンダ１３の昇降駆動量を制御する。

造形ステージコントローラ５４は、インクジェットヘッド４１による１層分の粉体４へのプリント動作ごとに、後述するように造形ステージ２２を所定の高さ単位で下降させていくために、昇降シリンダ１３の昇降駆動量を制御する。

ヘッド駆動コントローラ５７は、ヘッドのＸ−Ｙ平面内での駆動信号をヘッドスキャンコントローラ５８に出力する。また、ヘッド駆動コントローラ５７は、各色のインクの吐出量を制御するために、インクジェットヘッド４１内のインクジェットの発生機構に駆動信号を出力する。

ヘッドスキャンコントローラ５８は、Ｙ方向移動モータ３３及び駆動ユニット４０に搭載された、上記ボールネジ駆動機構のＸ方向駆動用のモータの駆動を制御する。

上記ホストコンピュータ５１、画像処理コンピュータ９０、造形ステージコントローラ５４、粉体供給コントローラ５３、回転モータコントローラ５６、移動モータコントローラ５５、ヘッド駆動コントローラ５７及びヘッドスキャンコントローラ５８は、例えば次のようなハードウェア、または、そのハードウェアとソフトウェアとの組み合わせにより実現されればよい。そのハードウェアは制御手段の一部または全部として構成され、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、あるいはこれらに類するものが用いられる。

メモリ５２は、固体（半導体、誘電体または磁気抵抗）メモリのほか、磁気ディスク、光ディスク等の記憶デバイスでもよい。

（３次元造形装置の動作）
以上のように構成された３次元造形装置１００（及び画像処理コンピュータ９０）の動作について説明する。

画像処理コンピュータ９０により、例えば造形の対象物体の断層化画像のデータであるＣＴ画像データが読み込まれる。ＣＴ画像データは、医療分野において、典型的にはＤＩＣＯＭ（Digital Imaging and COmmunication in Medicine）データとして扱われる。ＣＴとは、Ｘ線を用いたＣＴに限られず、ＳＰＥＣＴ（Single Photon Emission CT）、ＰＥＴ（Positron Emission Tomography）、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）等を含む広義のＣＴを意味する。

画像処理コンピュータ９０により読み込まれたＣＴ画像データは、カラーによるビットマップ化等の所定の処理が施されて上記ＤＩＣＯＭデータが生成され、このＤＩＣＯＭデータがホストコンピュータ５１に読み込まれる。ビットマップ画像データまたはＤＩＣＯＭデータの作成時において、作成者は色の選択を自由に行えばよい。例えば造形対象物が人体の一部、例えば臓器等の場合、血管を赤、脂肪を黄色というように色付けすることができる。３次元造形装置１００では、その画像データに対応して複数色で色付けされた３次元造形物６０が形成される。あるいは、ビットマップ画像データは、白黒の２値、またはグレースケールで作成されてもよい。ホストコンピュータ５１は、このＤＩＣＯＭデータによる１層ごとの画像に基づき、以下のように３次元造形装置１００を動作させる。

図５は、その３次元造形装置１００の機械的な動作を順に示す、側面から見た模式図である。図５（Ａ）〜（Ｄ）では、後述するように、インクが吐出されることで粉体４が硬化される層が１層分（所定の層厚分）形成される工程が示されている。粉体４及び未硬化の粉体４がドットのハッチングで示され、硬化層が黒塗りで示されている。

図６は、３次元造形装置１００により形成される、造形ボックス２１内の３次元造形物を示す平面図である。図７は、この３次元造形物６０を示す斜視図である。図６及び７に示すように、本実施形態では、造形の対象物体の造形物である本体６１と、この本体６１の周囲に形成される造形物である枠体６２とが形成される。図６に示した例では、造形対象物体は人間の顎骨とされている。枠体６２は、上記ホストコンピュータ５１により予め設定された形状に形成され、本実施形態では、上壁及び底壁がない四方の側壁で構成された、外形が直方体形状でなるものである。

また、枠体６２のＸ−Ｙ平面で見た形状は、等方性（等方形状）を有している。ここで、等方性を有するとは、少なくとも１つの面であるＸ−Ｙ平面内において、２つの直交する直線を軸にした場合、それぞれの軸に対して軸対称形状を有することを意味する。例えば２つの直線はＸ及びＹの両方向にそれぞれ沿った軸であるが、これに限られない。等方性については、Ｙ−Ｚ平面及びＺ−Ｘ平面についても同様である。図６に示した枠体６２は、例えば実質的に正方形を有している。このように枠体６２の少なくとも１平面での形状が等方性を有することにより、後に詳述するように、本体６１の形状の歪みが発生することを抑制することができる。

本実施形態では、図５（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、造形ステージ２２及び造形ボックス２１内の全領域のうち、第２の側２０２より第１の側２０１に粉体４が多く偏るように、ローラ１６により粉体４が造形ボックス２１内に搬送される。これは、粉体４の使用量を極力減らすためである。これにより、粉体４が堆積される、造形ボックス２１内の堆積領域の全領域のうち、供給部１０に近い側に偏るように、本体６１及び枠体６２を含む３次元造形物６０が形成される。

図５（Ａ）に示すように、造形部２０の造形ステージ２２には、硬化層及び未硬化の粉体層が積層された状態となっており、この状態から、硬化層を１層形成する工程が開始される。図５（Ａ）において、ローラ１６及びインクジェットヘッド４１が示されている位置が、ぞれぞれの待機位置とされる。

まず、図５（Ｂ）に示すように、供給部１０の供給ステージ１２に堆積している粉体４が昇降シリンダ１３により押し上げられ、１層分の粉体層よりも少し過剰な量の粉体４が、プレート２の上面より高い位置まで供給される。また、造形部２０において、造形ステージ２２が降下することで、硬化層及び未硬化の粉体層の上面とプレート２の上面との間に、粉体層（硬化層）の１層分の厚さの間隔が設けられる。この場合、例えば造形ステージコントローラ５４及び昇降シリンダ１３は、粉体４の堆積領域の容積を変える可変機構として機能する。

図５（Ｂ）において粉体層の１層分の厚さｕは、積層のＣＴ画像データのピッチである１ｍｍと同じか、それより小さい１／１０（０．１ｍｍ）とされるが、これに限られない。粉体層の１層分の厚さｕがＣＴ画像データのピッチより小さい場合、画像処理コンピュータ９０は、ＣＴ画像データに基づき補間等の処理を実行するソフトウェアによって、２層分のＣＴ画像データの間を形成する１枚または複数枚のＤＩＣＯＭデータを生成してもよい。

図５（Ｃ）に示すように、図５（Ｃ）においてローラ１６が反時計回りに回転しつつ、白抜きの矢印の方向に移動することにより、供給部１０から供給された粉体４が搬送される。ここで、ローラ１６の回転方向は、ローラ１６を回転自在にして（ローラ１６の回転軸にかかる回転力をフリーにして）白抜きの矢印の方向に移動させたとしたときに、ローラ１６と造形部２０との摩擦によりローラ１６が回転するであろう方向に対して逆の方向である。このようなローラ１６の回転により粉体４が搬送されることで、造形部２０の硬化層及び未硬化の粉体層の上面に設けられた間隔に粉体４が、少なくとも３次元造形物６０が形成される領域において、均一に均された粉体層が形成される。

図５（Ｄ）に示すように、ローラ１６が造形部２０を通過して、過剰な量の粉体４を回収ボックス３１に排出して待機位置まで戻る動作と連動するように、インクジェットヘッド４１が移動しながら、カラー画像を描くようにインクを吐出する。この場合、ヘッド駆動コントローラ５７等は、ホストコンピュータ５１からの指令に応じて、本体６１及び枠体６２を形成するように、１層分の粉体層に、インクジェットヘッド４１からインクを選択的に吐出する。これにより、粉体層にインクが浸透し、インクが吐出された部分の粉体４が互いに接着され、硬化層が形成される。

なお、ローラ１６が粉体４を搬送し終えて待機位置に戻った後に、ヘッド駆動コントローラ５７は、インクジェットヘッド４１の移動を開始し、インクの吐出を開始させてもよい。しかし、上記のように、ローラ１６の戻り動作の時間帯とヘッドの移動動作の時間帯とが重なることにより、処理時間を短縮することができる。

インクジェットヘッド４１が待機位置まで戻ると、図５（Ａ）に示す状態に戻り、１層分の着色されたＤＩＣＯＭ画像データに対応する、造形物が形成される。そして、次の層の多値化画像が、図５（Ｂ）〜（Ｃ）の示した動作により、粉体４に描かれ、硬化層が積層される。このような動作によって、枠体６２を含む３次元造形物６０を形成することができる。

造形物６０が形成された後、作業者は図８（Ａ）〜（Ｄ）に順に示すような手順で作業する。図８（Ａ）に示すように、作業者は、本体６１及び枠体６２を含む造形物６０を、造形ステージ２２のプレート２２ａごと造形ボックス２１内から取り出す。なお、プレート２２ａは造形ステージ２２とは別体であって、造形ステージ２２上にプレートが載置され、そのプレート上に造形物６０が形成されてもよい。作業者は、図８（Ｂ）に示すように、枠体６２の外側にある余分な粉体４を取り除き、本体６１及び枠体６２を含む造形物６０をプレート２２ａごと図示しない加熱処理装置により加熱する。そして、図８（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、枠体６２と本体６１とを分離する。このような加熱処理によって、水分が蒸発した、すなわち硬度を高められた造形物を得ることができる。

なお、本実施形態ではカラーインクが吐出されることにより、粉体４がカラーで着色され、カラーの３次元造形物６０が形成される。造形物６０の領域ごとに異なるカラーで着色できれば、完成した造形物６０の各領域を観察しやすくしたりすることができるなど、利便性が向上する。ここでいう造形物６０の領域とは、造形物６０の表面だけでなく内部の領域の意味も含む。

以上のように、本実施形態では、本体６１だけでなく、枠体６２も３次元造形物６０の一部として形成される。これにより、少なくとも、その枠体６２自身の体積とその枠体６２内の容積との合計分の粉体４が造形ステージ２２上に供給されればよいので、造形ボックス２１内に均一に粉体４を敷き詰める必要がなくなる。したがって、無駄に使用される粉体４を減らすことができる。

また、枠体６２の外形が等方性を有することにより、次のような効果を得ることができる。仮に枠体６２がない場合であって、本体６１の本来の形状が等方的でない場合は、例えば図１９に示すように、方向によって本体６１の加熱処理時に本体６１での熱の伝わり方が部分によって異なり、本体６１が伸びたり縮んだりして形状が歪む場合がある。本実施形態では、等方性の外形を有する枠体６２が形成されることにより、加熱処理時の熱の伝わり方が均一になるため、伸縮を起こす力の発生を抑え、本体６１の形状の歪みの発生を抑えることができる。

本実施形態では、造形部２０の第２の側２０２まで均一に粉体４を供給する必要がないので、ローラ１６がその第２の側２０２まで移動する必要がない。したがって、ローラ１６の移動時間を短縮することができ、その結果、造形物６０の形成に要する時間を短縮することができる。１つの造形物６０が形成されるまでには、１層分の厚さにもよるが数百層の硬化層が必要になるため、１層分の処理時間を少しでも減らすことができればメリットは大きい。

本実施形態では、枠体６２が形成されることにより、枠体６２の形状が立方体や直方体等であり単純であるため、形成された造形物（枠体６２）のサイズを測定しやすい。また、それによって本体６１のサイズの管理も容易になる。

本実施形態では、枠体６２が形成され、かつ、本体６１及び枠体６２を含む造形物６０が、造形部２０の第１の側２０１に近い側に形成されることにより、回収ボックス３１の容積を小さくできるか、または回収ボックス３１が不要になる、というメリットもある。これにより、３次元造形装置１００を小型化することができる。すなわち、造形ボックス２１内における、第２の側２０２側に近い領域での粉体４の量をその他の領域に比べ少なくすることができるので、回収ボックス３１に収容される粉体４の量も少なくなる。これにより、回収ボックス３１の容積を小さくできるか、または回収ボックス３１が不要になる。

本実施形態では、枠体６２の一部にもカラーで着色された領域が形成される。図６に示した例では、枠体６２の、Ｙ方向に沿った２つの側壁６２ａがカラーで着色されている。この場合、２つの側壁６２ａの全部またはＺ方向における上層部（所定厚さの表面部）がカラーで着色されればよい。このようなカラーで着色された側壁６２ａはカラーバーとして機能する。すなわち、作業者がこのカラーバーを見ることにより、インクジェットヘッド４１のインクのカラー調整を行うことができる。カラーバーとして機能するためには全色が着色されていることが望ましいが、必ずしも全色でなくてもよい。

また本実施形態では、図６に示すように、枠体６２の、Ｘ方向に沿った２つの側壁６２ｂ及び６２ｃのうち、１つの側壁６２ｂには所定の連続するパターンで、図形や模様等が印刷されている。例えば図９に示すように、その連続したパターンを作業者が観察することにより、点状または線状にインクが抜ける欠陥である点欠陥６４または線欠陥６３等、インクジェットヘッド４１による吐出不良を容易に発見することができる。インクの吐出不良が起こると、造形物６０に割れたり欠けたりするおそれがある。

また本実施形態では、図６に示すように、枠体６２の、Ｘ方向に沿った２つの側壁６２ｂ及び６２ｃのうち、側壁６２ｃに造形物６０（の本体６１）の管理番号が印刷されている。これにより、造形物６０の管理が容易になる。管理番号が印刷されることにより、後述するように、１つの造形ボックス２１内に複数の造形物６０が形成される場合にも有効である。

これら枠体６２の、Ｘ方向に沿った２つの側壁６２ｂ及び６２ｃは１色でそれぞれ着色されてもよく、その場合、比較的濃い色が用いられればよい。

[第２の実施形態]
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る３次元造形装置の一部を模式的に示す図である。これ以降の説明では、図１等に示した実施形態に係る３次元造形装置１００が含む部材や機能等について同様のものは説明を簡略化または省略し、異なる点を中心に説明する。

本実施形態に係る３次元造形装置は、造形部２０上に配置されたカメラ７１を備えている。カメラ７１は図示しないＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）等の光電変換素子を有する。カメラ７１は、図１０に示すように複数、例えば２つでもよいが、１つでもよい。

カメラ７１により、少なくとも、造形物６０の一部として形成された枠体６２が撮影され、その画像データがホストコンピュータ５１に送られる。ホストコンピュータ５１は、この画像データを解析することにより、上述した点欠陥６４及び線欠陥６３を認識することができる。この解析結果の情報に基づき、作業者またはホストコンピュータ５１は、インクジェットヘッド４１を含むインクの供給装置のメンテナンス等の調整を行うことができる。

カメラ７１が本体６１のみを撮影して、点欠陥６４及び線欠陥６３を認識する場合に比べ、枠体６２を撮影してそれらを認識する場合の方が、それらの欠陥がはっきりと現れるので、その認識の精度を高めることができる。

[枠体６２の形状等に関する他の実施形態]
図１１は、枠体の形状の他の実施形態を説明するための図である。この実施形態に係る枠体６２１は、上壁及び底壁がない円筒形状を有する。この場合、Ｙ−Ｚ平面（あるいはＺ−Ｘ平面）で見た形状は、長方形または正方形である。枠体６２１は、上記実施形態の枠体６２と同様にカラーバーの機能を有する。このような枠体６２１の形状によっても、上記実施形態と同様の効果が得られる。

別の実施形態として図１２に示す枠体６２２は、Ｘ−Ｙ平面で見て正六角形状を有する。さらに別の実施形態として図１３に示す枠体６２３は、Ｘ−Ｙ平面で見て正五角形状を有する。これらの他、正三角形、正八角形、その他の多角形の枠体６２を実現可能である。

[枠体の個数及び造形ステージ上での配置に関する他の実施形態]
図１４（Ａ）〜（Ｅ）に示すように、１つの造形ステージ上（１つの造形ボックス２１内）で、本体６１及び四角の枠体６２を含む１つの造形物が複数形成されてもよい。これらの実施形態でも、複数の造形物が第１の側２０１に近い領域で形成されている。また、各造形物の配置形態についても、図１４（Ａ）〜（Ｅ）で示されるように種々の形態が実現可能である。

図１５（Ａ）に示す実施形態では、円筒状枠体６２１を含む造形物が複数、例えば２つ形成されている。図１５（Ｂ）に示す実施形態では、互いに異なる形状の枠体６２及び６２１を含む複数の造形物が形成されている。これら図１５（Ａ）及び（Ｂ）の実施形態における造形物の形状、個数及び配置は、図１２（Ａ）、（Ｂ）及び図１４（Ｂ）〜（Ｅ）のように適宜変更可能である。

[枠体の形状等に関するさらに別の実施形態]
（例１）
図１６に示す実施形態に係る枠体１６２は、造形部２０の第１の側２０１に近い方の側壁を有していない。その代わり、枠体１６２は、Ｙ方向に沿った２つの側壁１６２ａの端部が、造形ボックス２１の壁に近接するように形成され、造形物の形成時において、この造形ボックス２１の壁が枠体１６２の一部の機能を有する。

（例２）
図１７は、上記各実施形態で説明した枠体に代えて、造形物としての仕切体６８により造形ボックス２１内の堆積領域が仕切られている。この仕切体６８も、上記各実施形態に係る枠体と同様に、カラー、模様、形状、個数、配置等、種々の変形が可能である。

[第３の実施形態に係る３次元造形装置]
図１８は、本発明の第３の実施形態に係る３次元造形装置の一部を模式的に示す図である。

この３次元造形装置２００は、吐出機構としてのインクジェットヘッド４１と、粉体４を貯留する供給ユニット１１０と、供給ボックス１１３の下部を通るように、それらインクジェットヘッド４１及び供給ユニット１１０の並ぶ方向で移動可能な造形ユニット１２０とを備える。

供給ユニット１１０は、供給ボックス１１３と、供給ボックス１１３の下部に設けられた、粉体４の排出口１１１と、回転可能に設けられ、排出口１１１から粉体４の自重を利用して粉体４を下方に排出させる供給ローラ１１２とを有する。供給ローラ１１２は、例えば２つ設けられ、これらの供給ローラ１１２は互いに逆回転するようになっている。

造形ユニット１２０は、造形ボックス１２１及び昇降可能な造形ステージ１２２を有する。上記供給ローラ１１２は、造形ステージ１２２上の粉体をならす機能も有する。すなわち、供給ローラ１１２は、供給ボックス１１３の下方あたりで造形ユニット１２０が移動している間に、回転することにより、粉体４を造形ボックス１２１内に供給するとともに、造形ステージ１２２上の粉体をならす。

このように構成された３次元造形装置２００では、供給ユニット１１０により、実質的に１層分ずつの粉体４が造形ステージ１２２上に供給され、インクジェットヘッド４１によりインクが吐出される。インクジェットヘッド４１は、本体６１及び枠体６２を含む３次元造形物６０を形成するように、インクを粉体４に吐出する。形成される枠体６２として、図６及び７に示した形態に限られず、上記各実施形態に係る枠体が形成されてもよい。

[その他の実施形態]
本発明に係る実施形態は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態が実現される。

例えば図６及び７に示した枠体６２は４つの側壁で形成され、底壁を有しないものであったが、底壁を有していてもよい。この場合、図８に示したプレート２２ａはなくてもよい。

図６及び７に示した枠体６２、その他の上記各実施形態に係る枠体は、図１７に示すように仕切体６８としての機能を有する。この場合において、例えば、複数の造形物を形成する場合は、その仕切体によりマトリクス上に仕切られてもよい。

上記実施形態では、造形部２０において、昇降シリンダ１３により造形ステージ２２が昇降される形態を示した。しかし、造形ステージ２２が固定で、造形ボックス２１が昇降する形態であってもよい。すなわち、粉体４の堆積領域の容積が変化すればよい。

インクジェットヘッド４１は、インクの吐出時に一方向にのみ移動するライン型ヘッド、あるいは、インクの吐出時に移動しない面型ヘッドであってもよい。面型ヘッドとは、例えば造形ボックス２１において造形物が形成される範囲に対応した、インクの吐出範囲を持つヘッドである。

上記インクジェットヘッド４１から吐出されるインクはＣＭＹのカラーインクであった。しかし、上述のシアン、マゼンダ及びイエローの３色に代えて、または、これらに加えて、黒、白または無色のインクが用いられてもよい。特に、黒、白または無色のインクタンクを有するインクジェットヘッドは、粉体４自体の色に応じて適宜設置されればよい。

１０…供給部
１１、１１３…供給ボックス
１６…ローラ
２０…造形部
２３…昇降シリンダ
４１…インクジェットヘッド
５１…ホストコンピュータ
６０…３次元造形物
６１…本体
６２、１６２、６２１、６２２、６２３…枠体
６２ａ、６２ｂ、６２ｃ…側壁
６８…仕切体
７１…カメラ
１００、２００…３次元造形装置
１１０…供給ユニット
１２０…造形ユニット
１６２…枠体
１６２ａ…側壁
２０１…第１の側
２０２…第２の側

Claims (9)

1. 粉体材料を供給する供給機構と、
   前記供給機構により供給された前記粉体材料が堆積される堆積領域と、
   前記粉体材料を所定の層厚ごとに前記堆積領域内に堆積させるために、前記層厚ごとに前記堆積領域の容積を変える可変機構と、
   前記粉体材料を硬化させることが可能な、３次元造形物を形成するための液剤を、前記堆積領域内に堆積された前記層厚ごとの前記粉体材料に吐出する吐出機構と、
   前記３次元造形物のうち、造形対象物体の造形物である本体と、前記本体の周囲に形成される造形物である枠体とを形成するように、前記粉体材料に前記液剤を前記吐出機構により吐出させる制御手段と
   を具備する３次元造形装置。
2. 請求項１に記載の３次元造形装置であって、
   前記堆積領域は、第１の側と、前記第１の側の反対側の第２の側とを有し、
   前記供給機構は、
   前記堆積領域の前記第１の側に隣接するように配置され、前記粉体材料を貯留することが可能な供給ボックスと、
   前記堆積領域の全領域のうち、前記第２の側より前記第１の側に近い領域に前記粉体材料が多く偏るように、前記供給ボックスに貯留された前記粉体材料を搬送する搬送機構と
   を有する３次元造形装置。
3. 請求項１または２に記載の３次元造形装置であって、
   前記吐出機構は、複数色のインクを前記液剤として吐出可能であり、
   前記制御手段は、前記枠体を形成する前記粉体材料に複数色のインクを前記吐出機構に吐出させることにより、前記複数色で色付けられた前記枠体が形成される３次元造形装置。
4. 請求項１から３のうちいずれか１項に記載の３次元造形装置であって、
   前記制御手段は、少なくとも前記粉体の積層方向に垂直な面内で見て、前記枠体の外形が等方形状を有するように、前記吐出機構に前記液剤を吐出させる３次元造形装置。
5. 請求項１から４のうちいずれか１項に記載の３次元造形装置であって、
   前記制御手段は、前記枠体を含む造形物を複数形成するように、前記吐出機構に前記液剤を吐出させる３次元造形装置。
6. 請求項１から５のうちいずれか１項に記載の３次元造形装置であって、
   前記形成された枠体を撮影するカメラをさらに具備する３次元造形装置。
7. 粉体材料を堆積領域に供給し、
   前記粉体材料を所定の層厚ごとに前記堆積領域内に堆積させるために、前記層厚ごとに前記堆積領域の容積を変え、
   ３次元造形物のうち、造形対象物体の造形物である本体と、前記本体の周囲に形成される造形物である枠体とを形成するように、前記粉体材料を硬化させることが可能な、前記３次元造形物を形成するための液剤を、前記堆積領域内に堆積された前記粉体材料に吐出する
   ３次元造形物の製造方法。
8. 粉体材料を堆積領域に供給し、
   前記粉体材料を所定の層厚ごとに前記堆積領域内に堆積させるために、前記層厚ごとに前記堆積領域の容積を変え、
   ３次元造形物のうち、造形対象物体の造形物である本体と、前記本体の周囲に形成される造形物である枠体とを形成するように、前記粉体材料を硬化させることが可能な、前記３次元造形物を形成するための液剤を、前記堆積領域内に堆積された前記粉体材料に吐出する
   製造方法により得られる３次元造形物。
9. 粉体材料を供給する供給機構と、
   前記供給機構により供給された前記粉体材料が堆積される堆積領域と、
   前記粉体材料を所定の層厚ごとに前記堆積領域内に堆積させるために、前記層厚ごとに前記堆積領域の容積を変える可変機構と、
   前記粉体材料を硬化させることが可能な、３次元造形物を形成するための液剤を、前記堆積領域内に堆積された前記層厚ごとの前記粉体材料に吐出する吐出機構と、
   前記３次元造形物のうち、造形対象物体の造形物である本体と、前記堆積領域内を仕切るための仕切体とを形成するように、前記粉体材料に前記液剤を前記吐出機構により吐出させる制御手段と
   を具備する３次元造形装置。