JP2012131094A - ３次元造形装置、３次元造形方法及び造形物 - Google Patents

Abstract

【課題】造形物を構成する領域のうち、造形物を割れやすくさせる領域が形成されることを抑制し、その割れやすい方向での造形物の損壊を防止することができる３次元造形装置、３次元造形方法及びその造形物を提供すること。
【解決手段】Ｘヘッド４１Ｘ及びＹヘッド４１Ｙが互いに直交する方向に沿って移動しながら、粉体Ｐの１層ごとに交互に液体を吐出する。したがって、仮にＸヘッド４１Ｘ及び／またはＹヘッド４１Ｙにおける複数のノズルうちのうち少なくとも１つに吐出欠陥が発生していても、その欠陥領域は異方的となる。すなわち、粉体Ｐの積層方向（Ｚ軸方向）で同じ位置に連続して欠陥領域が形成されることを抑制できる。これにより、割れやすい方向での造形物Ｔの損壊を防止することができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、断面画像データに基づいて積層により３次元形状の造形物を形成する３次元造形装置、３次元造形方法及びその造形物に関する。

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に大分される。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、接着剤や結合剤等の液体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では、例えば市販のインクジェットプリンタのヘッドを用いて、あたかも印刷するように、粉体が敷き詰められたシート上に、粉体を固化させるべき領域に応じて選択的に接着剤等の液体を吐出する。特許文献１に記載された三次元造形装置は、粉体造形方式でインクジェットヘッドを採用した装置である（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１０１６５１号公報

粉体造形方式でインクジェットヘッドを用いた造形装置では、例えばインクジェットヘッドが有する複数のノズルのうち一部に、目詰まり等の吐出欠陥が生じた場合、欠陥部分を含む粉体層が積層されることになる。つまり、インクジェットヘッドは所定の方向にスキャンされるので、吐出部の吐出欠陥が生じた場合、形成された造形物に直線状の未結合部分が生じ、造形物が一方向に割れやすい、という致命的な問題が起こる。

以上のような事情に鑑み、本発明の課題は、造形物を構成する領域のうち、造形物を割れやすくさせる領域が形成されることを抑制し、その割れやすい方向での造形物の損壊を防止することができる３次元造形装置、３次元造形方法及びその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、ステージと、供給機構と、複数のヘッドと、移動機構とを具備する。
前記ステージには、粉体材料が積層するように堆積される。
前記供給機構は、前記ステージ上に１層ごとに前記粉体材料を供給する。
前記複数のヘッドは、造形物を形成するための液体を吐出する複数のノズルをそれぞれ有し、前記供給機構により前記ステージ上に供給された前記粉体材料に前記液体を吐出可能である。
前記移動機構は、前記複数のヘッドを異なる方向で、前記ステージに相対的にそれぞれ移動させる。

少なくとも１つのヘッドのうちの複数のノズルのうちの１つに吐出欠陥が生じている場合であっても、移動機構によって、複数のヘッドが異なる方向でステージに相対的に移動する。すなわち、本発明によれば、ヘッドが１つのみ設けられている場合に起こり得る、造形物を割れやすくさせる一方向に集中した境界領域である欠陥領域が形成されることを抑制できる。したがって、割れやすい方向での造形物の損壊を防止することができる。

前記移動機構は、前記複数のヘッドである２つのヘッドの移動方向が直交するように、前記２つのヘッドを移動させてもよい。２つのヘッドの移動方向が直交することにより、直交でない場合に比べ、ヘッドや移動機構の構造を単純化することができる。

前記移動機構は、前記供給機構により１層の前記粉体材料が供給されるごとに、前記複数のヘッドを交互に移動させてもよい。これにより、吐出欠陥が生じている場合に、粉体材料の積層方向で同じ位置に連続して欠陥領域が形成されることを抑制できる。あるいは、次請求項でもよい。

前記移動機構は、前記供給機構により連続する第１の層数の前記粉体材料が供給される時に、前記複数のヘッドのうち第１のヘッドを移動させ、前記供給機構により連続する第２の層数の前記粉体材料が供給される時に、前記複数のヘッドのうち前記第１のヘッドとは異なる第２のヘッドを移動させてもよい。

この場合に、前記第１の層数と前記第２の層数とが異なってもよい。例えば各ヘッドから吐出される液体がそれぞれ異なる場合や、ヘッドごとに供給機構により供給される材料がそれぞれ異なる場合に、本発明は有用である。

前記供給機構は、前記複数のヘッドにそれぞれ対応する複数の異なる粉体材料を前記ステージに供給してもよい。あるいは、上記のように前記複数のヘッドは、異なる液体をそれぞれ吐出する。これらの発明により、造形物を構成する１層または複数層ごとに異なる特性を持つ造形物を形成することができる。

本発明の他の形態に係る３次元造形装置は、ステージと、供給機構と、ヘッドと、移動機構とを具備する。
前記ステージには、粉体材料が積層するように堆積される。
前記供給機構は、前記ステージ上に１層ごとに前記粉体材料を供給する。
前記ヘッドは、造形物を形成するための液体を吐出する複数のノズルを有し、前記供給機構により前記ステージ上に供給された前記粉体材料に前記液体を吐出可能である。
前記移動機構は、前記供給機構により供給される異なる層の前記粉体材料に前記液体をそれぞれ吐出する時に、前記ヘッドをそれぞれ異なる方向で、前記ステージに相対的に移動させる。

ヘッドが有する複数のノズルのうちの１つに吐出欠陥が生じている場合であっても、移動機構によって、ヘッドが異なる方向でステージに相対的に移動する。すなわち、ヘッドが１つのみ設けられている場合に起こり得る、造形物が割れやすくなる一方向に集中した境界領域である欠陥領域が形成されることを抑制でき、造形物の損壊を防止することができる。
この場合に、前記３次元造形装置は、前記粉体材料の積層方向に沿った軸の周りに、前記ヘッドを回転させる回転機構をさらに具備してもよい。これにより、ヘッドの移動方向を変えることができる。

本発明に係る３次元造形方法は、１層分の前記粉体材料をステージ上に供給することを含む。
前記第１のヘッドが前記ステージと相対的に第１の方向に移動しながら、前記ステージ上に供給された前記粉体材料に、前記ヘッドから、造形物を形成するための液体が吐出される。
前記第１のヘッドからの液体の吐出後、１層分の前記粉体材料が前記ステージ上に供給される。
第２のヘッドが前記ステージと相対的に第１の方向とは異なる第２の方向に移動しながら、前記ステージ上に供給された前記粉体材料に、前記第２のヘッドから造形物を形成するための液体が吐出される。

本発明に係る造形物は、上記３次元造形方法により形成された造形物である。

以上、本発明によれば、造形物を構成する領域のうち、造形物を割れやすくさせる領域が形成されることを抑制し、その割れやすい方向での造形物の損壊を防止することができる。

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図である。 図２は、３次元造形装置の本体ボックスの内部の構造を示す斜視図である。 図３は、図２に示した３次元造形装置の平面図である。 図４は、３次元造形装置の側面から見た断面図であり、本体ボックスからトップカバーが外された３次元造形装置の状態を示している。 図５Ａは、Ｘヘッド及びＹヘッドを示す模式的な平面図である。図５Ｂは、その変形例である。 ３次元造形装置の動作を説明する。図６Ａ〜Ｅは、その動作を順に示す、３次元造形装置の主要部を示す模式的な平面図である。 図７Ａ及びＢは、本実施形態と比較の対象とされる方法で形成された造形物を収容した造形ボックスを示す平面図である。 図８は、本発明の第２の実施形態に係る３次元造形装置の主要部を示す斜視図である。 図９は、図８に示す３次元造形装置であって、トッププレート及びプリントベースプレートを外した状態の３次元造形装置を示す斜視図である。 図１０は、本発明の第３の実施形態に係る３次元造形装置の主要部を示す図であり、造形ボックス及びヘッドを示す平面図である。 図１１は、本発明の第４の実施形態に係る３次元造形装置の主要部を示す図であり、造形ボックス及びヘッドを示す平面図である。

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図である。

３次元造形装置１００は、ほぼ直方体形状の本体ボックス１と、この本体ボックス１に接続された制御回路ボックス３とを備える。本体ボックス１は、サイドカバー５と、これに装着された本体カバー７と、本体カバー７に対して着脱可能なトップカバー６とを有する。

図２は、３次元造形装置１００の本体ボックス１の内部の構造を示す斜視図である。図３は、図２に示した３次元造形装置１００の平面図である。図４は、この３次元造形装置１００の側面から見た断面図であり、本体ボックス１からトップカバー６が外された、３次元造形装置１００の状態を示している。

３次元造形装置１００は、下から順に、ベースプレート２、プリントベースプレート４及びトッププレート８を有し、これらは、複数の柱部材９により接続されている。図３及び４に示すように、ベースプレート２及びプリントベースプレート４の間には、Ｙ軸方向に沿って配列された、供給ユニット１０及び造形ユニット２０が設けられている。造形ユニット２０は、Ｘ及びＹ軸方向で実質的に中央位置に配置されている。

供給機構として機能する供給ユニット１０は、粉体材料Ｐ（以下、単に粉体Ｐという。）（図４参照）を造形ユニット２０に供給する。供給ユニット１０は、粉体Ｐが貯留される供給ボックス１１と、供給ボックス１１内に配置された昇降プレート１２と、この供給ボックス１１の始端から後述する造形ボックス２１の終端にわたっての上面付近をＹ軸方向に沿って移動可能に設けられた供給ローラ１３とを有する。供給ローラ１３は、例えばボールネジ等の図示しない移動機構によってＹ軸方向に移動可能となっている。

図２及び４に示すように、プリントベースプレート４、トッププレート８及び本体カバー７は、Ｚ軸方向で見てほぼ同じ位置に開口部４ａ、８ａ及び７ａをそれぞれ有している。本体カバー７のこの開口部７ａに上記トップカバー６（図１参照）が装着される。トップカバー６が本体カバー７から外された状態で、ユーザがトッププレート８の上方からそれらの開口部４ａ、８ａ及び７ａを介して、供給ボックス１１内の昇降プレート１２上に粉体Ｐを供給する。

昇降プレート１２は、昇降モータ１４により昇降可能となっている。供給ローラ１３は、例えば図４に示すような待機位置から、反時計回りに回転（自転）しながら右方向へ移動可能となっている。これにより、供給ローラ１３が昇降プレート１２上に堆積された粉体Ｐの表面を擦りながら右方向へ移動することで、粉体Ｐを造形ユニット２０の方へ押し進め、１層分の量の粉体Ｐが造形ユニット２０に供給される。

造形ユニット２０は、造形ボックス２１と、この造形ボックス２１内に配置され、粉体Ｐが積層するように堆積される造形ステージ２２と、この造形ステージ２２を造形ボックス２１内で昇降移動させる昇降モータ２３とを有する。上記のように供給ローラ１３によって供給された粉体Ｐは、造形ボックス２１内に（造形ステージ２２上）に堆積される。造形物処理時には、１層分の量の粉体Ｐが供給ローラ１３により供給されるごとに、造形ステージ２２が１層分の粉体Ｐの厚さ分下降するように、昇降モータ２３により駆動される。

なお、造形ユニット２０の、供給ユニット１０が設けられる側とはＹ軸方向で反対側には、余剰の粉体Ｐが収容される収容ボックス３０が配置されている。これら余剰の粉体Ｐは、廃棄されたり、再利用されたりする。

プリントベースプレート４上には、造形ボックス２１内の造形ステージ２２上の粉体Ｐに液体をそれぞれ吐出する複数のヘッドとして、２つのヘッドであるＸヘッド４１Ｘ及びＹヘッド４１Ｙが設けられている。これらＸヘッド４１Ｘ及びＹヘッド４１Ｙは、互いに直交する方向に沿って造形ボックス２１上を移動可能となっている。

例えば図２及び３に示すように、Ｘヘッド４１Ｘは、Ｘ軸移動機構４０ＸによりＸ軸方向に沿って移動可能とされている。Ｙヘッド４１Ｙは、Ｙ軸移動機構４０ＹによりＹ軸方向に沿って移動可能とされている。Ｘ軸移動機構４０Ｘは、Ｘ軸方向に沿って設けられたガイドレール４３Ｘと、Ｘヘッド４１Ｘを保持し、このガイドレール４３Ｘに沿って図示しないモータにより移動可能に設けられたヘッドホルダ４２Ｘとを有する。Ｙ軸移動機構４０ＹもＸ軸移動機構４０Ｘと同様に、Ｙ軸方向に沿って設けられたガイドレール４３Ｙと、Ｙヘッド４１Ｙを保持し、このガイドレール４３Ｙに沿って図示しないモータにより移動可能に設けられたヘッドホルダ４２Ｙとを有する。Ｘ軸移動機構４０Ｘ及びＹ軸移動機構４０Ｙは、例えばボールネジ、あるいはラックアンドピニオン等の機構により移動機構を構成している。

なお、３次元造形装置１００が図３等に示すように待機状態にある時の２つのヘッド４１Ｘ及び４１Ｙのホーム位置は、造形ボックス２１の側部の上方にある。

図５Ａは、Ｘヘッド４１Ｘ及びＹヘッド４１Ｙを示す模式的な平面図である。Ｘヘッド４１Ｘ及びＹヘッド４１Ｙによる液体の吐出原理は、典型的には公知のインクジェットプリンタのヘッドと同様である。Ｘヘッド４１Ｘ及びＹヘッド４１Ｙは、それぞれライン型のヘッドである。すなわち図３に示すように、Ｘヘッド４１ＸのＹ軸方向の長さは、造形ボックス２１内の少なくとも所定の造形領域のＹ軸方向に沿った長さ以上とされている。

図５Ａに示すように、Ｘヘッド４１Ｘは、Ｙ軸方向に配列された液体を吐出する複数のノズルｎＸを有する。また、Ｙヘッド４１ＹのＸ軸方向の長さは、造形ボックス２１内の所定の造形領域２２ａのＸ軸方向に沿った長さ以上とされている。そして、Ｙヘッド４１Ｙは、図示しない、Ｘ軸方向に配列された液体を吐出する複数のノズルｎＹを有する。ノズルｎＸ及びｎＹは、１つのヘッドで例えば３０００〜５０００個設けられている。
なお、図５Ｂに示すように、造形ステージ２２及び造形領域２２ａのＺ軸方向で見た形状が長方形であってもよい。この場合も、Ｘヘッド４１Ｘ及びＹヘッド４１Ｙのそれぞれの長さは、その造形領域２２ａの各辺に応じた長さに形成される。

粉体Ｐとしては、例えば石膏が用いられる。他にも、例えば、食塩、硫酸マグネシウム、塩化マグネシウム、塩化カリウム、塩化ナトリウムなどの水溶性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（ＰＶＰ）、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Ｐの平均粒子径は、典型的には１０μｍ以上１００μｍ以下である。

Ｘヘッド４１Ｘ及びＹヘッド４１Ｙから吐出される液体は、造形物を形成するために、粉体Ｐ同士を接着あるいは結合させる成分を含む。あるいは、粉体Ｐが予めバインダ（例えば上記ＰＶＰ等の接着剤）を含む場合、液体は水等の、バインダを溶解させる液体が用いられる。

造形物の外面あるいは造形物の内部に色付けを行う場合、液体としては、シアン、マゼンタ、イエロー、ブラックの各染料または顔料インクが用いられる。色付けをしない場合には、透明インクでもよい。

Ｘ軸移動機構４０Ｘ及びＹ軸移動機構４０Ｙの、Ｚ軸方向でのそれぞれの配置位置は、互いの機械的干渉を避けるため、トッププレート８のＺ軸方向での位置を基準としている。例えばＸ軸移動機構４０Ｘのガイドレール４３Ｘは、トッププレート８の上面からＺ軸方向で所定距離の位置に配置されている。Ｙ軸移動機構４０Ｙのガイドレール４３Ｙは、トッププレート８の下面からＺ軸方向で所定距離の位置に配置されている。

図１に示した制御回路ボックス３には、図示しない制御回路が内蔵されている。この制御回路は、図示しないが、上記の各ユニット及び移動機構のモータのドライバを含むコントローラ、これらのコントローラを統括制御するメインコントローラ等を含む。メインコントローラは、制御回路ボックス３の外に配置される場合もある。これらのコントローラは、ハードウェア、または、ハードウェア及びソフトウェア（つまり、コンピュータ）により構成される。メインコントローラは、メモリ等に記憶された、造形対象物を構成する積層された断面画像データに基づき、その画像データ１つごとに１層分ずつ粉体Ｐを供給して造形物を形成するように、各ユニット及び移動機構を制御する。

（３次元造形装置の動作）
以上の構成された３次元造形装置１００の動作を説明する。図６Ａ〜Ｅは、その動作を順に示す、３次元造形装置１００の主要部を示す模式的な平面図である。

最初、造形ボックス２１内の造形ステージ２２は、Ｚ軸方向で造形時における最も高い位置に配置され、造形処理が開始されると、例えば粉体Ｐの１層分の距離分Ｚ軸方向に沿って下降する。この粉体Ｐの１層分の距離は、例えば０．１mmであるが、これに限られない。

供給ボックス１１内に粉体Ｐが供給される。造形ステージ２２上に少なくとも１層分の粉体Ｐを造形ステージ２２上に供給できるような距離分、昇降プレート１２が上昇する。そして、図６Ａに示すように、供給ローラ１３が回転しながらＹ軸方向に沿って移動する。これにより、昇降プレート１２上にある粉体Ｐが造形ボックス２１内に押し出され、引き続き造形ステージ２２上で供給ローラ１３が回転しながらＹ軸方向に沿って移動することにより、平坦な１層分の粉体Ｐが造形ステージ２２上に堆積される。

なお、このような造形ステージ２２上での粉体Ｐの平坦化のために、造形ステージ２２上で回転しながらＹ軸方向に沿って移動する図示しないローラが、供給ローラ１３とは別に設けられていてもよい。

図６Ｂに示すように、Ｙヘッド４１ＹがＹ軸方向に沿って移動しながら、あたかも通常のプリンタによる印刷を行うように、造形領域２２ａ（図５Ａ及びＢ参照）全体のうち、断面画像データに応じた領域に選択的に液体を吐出する。これにより、液体が吐出された領域にある粉体Ｐ同士が結合し、固化する。

図６Ｃに示すように、前回と同じように昇降プレート１２が上昇し、また、粉体Ｐの１層分、造形ステージ２２が下降する。そして、供給ローラ１３により１層分の粉体Ｐが造形ステージ２２上（先ほど造形処理された１層目の粉体Ｐ上）に供給される。

図６Ｄに示すように、Ｘヘッド４１ＸがＸ軸方向に沿って移動しながら、あたかも通常のプリンタによる印刷を行うように、造形領域２２ａ全体のうち、断面画像データに応じた領域に選択的に液体を吐出する。このように２層目の粉体Ｐには、Ｘヘッド４１Ｘを用いて液体が供給される。

次に供給ローラ１３により供給された３層目の粉体Ｐには、再度Ｙヘッド４１Ｙが用いられて液体が吐出される。このように、以下、Ｘヘッド４１Ｘからの吐出、Ｙヘッド４１Ｙからの吐出、Ｘヘッド４１Ｘからの吐出、・・・というように交互に液体の吐出が行われる。

そして、最後の層の粉体Ｐに液体の吐出が行われた後、図６Ｅに示すように、形成された造形物Ｔが造形ボックス２１から取り出される。

図７Ａは、本実施形態と比較の対象とされる方法で形成された造形物を収容した造形ボックス２１を示す平面図である。この例は、Ｙ軸方向に沿って移動可能な１つのライン型のヘッドを用いて、人の顎骨（歯を含む）を造形対象物として造形物Ｔ’を形成したものである。図７Ａに示すように、ヘッド１４１内でＸ軸方向に配列された複数のノズルｎＸのうち少なくとも１つのノズルｎＸ’に目詰まり等の吐出欠陥が生じた場合、そのノズルｎＸ’が通るライン上には液体が適切に吐出されない。そうすると、造形物Ｔ’を割れやすくさせる、等方的にＹ軸方向に集中した境界領域である欠陥領域Ｄが形成される。造形物Ｔ’にこのような欠陥領域Ｄが形成されると、図７Ｂに示すように、形成された造形物Ｔ’に筋状の裂け目による欠陥Ｔａ’が発生する。

また、吐出欠陥が生じていなくても、例えば各ノズルｎＸの吐出量にばらつきがある場合、図７Ａにおいて、Ｘ軸方向に造形物Ｔ’が割れやすい、Ｙ軸方向には割れにくい、などといった問題も発生する。

これに対して本実施形態に係る３次元造形装置１００によれば、Ｘヘッド４１Ｘ及びＹヘッド４１Ｙが互いに直交する方向に沿って移動しながら、粉体Ｐの１層ごとに交互に液体を吐出する。したがって、仮にＸヘッド４１Ｘ及び／またはＹヘッド４１Ｙにおける複数のノズルｎＸ及びｎＹうちのうち少なくとも１つに吐出欠陥が発生していても、あるいはそれらのノズルｎＸ及びｎＹからの吐出量にばらつきがあったとしても、その欠陥領域Ｄやそのばらつきは異方的となる。すなわち、図７で示したような、粉体Ｐの積層方向（Ｚ軸方向）で同じ位置に連続して欠陥領域Ｄが形成されることを抑制できる。これにより、割れやすい方向での造形物Ｔの損壊を防止することができる。

また、本実施形態では、Ｘヘッド４１Ｘ及びＹヘッド４１Ｙが直交するように移動するので、それらが例えば直交でない場合に比べ、それらヘッド４１Ｘ及び４１Ｙや移動機構４０Ｘ及び４０Ｙの構造を単純化することができる。

本実施形態では、Ｘヘッド４１Ｘ及びＹヘッド４１Ｙが１層ごとに交互に用いられるのではなく、複数層ごとに交互に用いられてもよい。

[第２の実施形態]

図８は、本発明の第２の実施形態に係る３次元造形装置の主要部を示す斜視図である。図９は、図８に示す３次元造形装置２００であって、トッププレート２８及びプリントベースプレート２４を外した状態の３次元造形装置２００を示す斜視図である。これ以降の説明では、上記第１の実施形態に係る３次元造形装置２００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２００は、２つの供給ユニット１０Ｘ及び１０Ｙを備えている。これらの供給ユニット１０Ｘ及び１０Ｙの基本的な構造及び機能は、第１の実施形態に係る供給ユニット１０とそれぞれ同様である。本実施形態では、Ｙ供給ユニット１０Ｙに、Ｘ供給ユニット１０Ｘが新たに加えられている。図９に示すように、Ｘ供給ユニット１０Ｘは、造形ユニット２０とＸ軸方向で並ぶように設けられている。

Ｘ供給ユニット１０Ｘは、回転しながらＸ軸方向へ移動可能なＸ供給ローラ１３Ｘを有する。各供給ユニット１０には、それぞれ異なる粉体が供給される。異なる粉体とは、例えば形状、大きさ、または材料等の違い、あるいは、磁性、硬度等の特性の違いにより分けられる。

本実施形態の場合は、典型的には、Ｘ供給ユニット１０Ｘにより供給された粉体には、Ｘヘッド４１Ｘにより液体が供給され、Ｙ供給ユニット１０Ｙにより供給された粉体には、Ｙヘッド４１Ｙにより液体が供給される。あるいは、Ｘ供給ユニット１０Ｘにより供給された粉体には、Ｙヘッド４１Ｙにより液体が供給され、Ｙ供給ユニット１０Ｙにより供給された粉体には、Ｘヘッド４１Ｘにより液体が供給されてもよい。

また、本実施形態でも上記第１の実施形態と同様に、１層ごとに、または複数層ごとに、交互にＸヘッド４１Ｘ及びＹヘッド４１Ｙを用いて液体が吐出される。

以上のように、本実施形態では、上記第１の実施形態と同様に、等方的にかつ層方向で連続して欠陥領域Ｄが形成されることを抑制できる。また、異なる２種類の粉体により造形物が形成されることにより、１つの造形物に、異なる材料や特性を含む領域を含ませることができる。

本実施形態の場合、Ｘヘッド４１Ｘ及びＹヘッド４１Ｙから異なる液体が吐出されてもよい。その場合、例えば２つの供給ユニット１０Ｘ及び１０Ｙのうち１つの供給ユニットからは、ＰＶＰ等のバインダを含む第１の粉体が造形ボックス２１に供給され、他の１つの供給ユニットからは、石膏等の第２の粉体（バインダを含まない粉体）が造形ボックス２１に供給されてもよい。そして、２つのヘッド４１Ｘ及び４１Ｙのうち、１つのヘッドが水溶性インク等のバインダを含まない液体を第１の粉体に吐出し、他の１つのヘッドが、バインダを含む第２の液体を第２の粉体に吐出してもよい。

本実施形態では、Ｘ供給ユニット１０Ｘ及びＹ供給ユニット１０Ｙから同じ粉体が供給されてもよい。この場合、２つの供給ボックス１１Ｘ及び１１Ｙにそれぞれ収容される粉体量を、１つの供給ボックス１１の場合に比べ半分とすることができるので、２つの供給ボックス１１Ｘ及び１１Ｙの各厚さもその半分とすることができる。これにより、３次元造形装置２００の薄型化を実現することができる。

[第３の実施形態]

図１０は、本発明の第３の実施形態に係る３次元造形装置の主要部を示す図であり、造形ボックス及びヘッドを示す平面図である。

本実施形態に係る造形ボックス１２１は、例えば６角形の外形を有する。この造形ボックス１２１の周囲の３辺に沿った位置、例えばＺ軸を中心とした回転角度で互いに１２０°離れた位置に、液体を吐出するヘッド４４、４５及び４６がそれぞれ配置されている。これらのヘッド４４、４５及び４６は、図示しない移動機構により、互いに１２０°ずつ異なる角度でＸ−Ｙ平面に沿ってそれぞれ移動可能となっている。

このように、ヘッドの数が増えるほど、移動機構は複雑になるが、より異方性の高い造形物を形成することができる。

なお、造形ボックス２１は、６角形に限られず、上記のように４角形でもよいし、３角形や円形でもよい。

[第４の実施形態]

図１１は、本発明の第４の実施形態に係る３次元造形装置の主要部を示す図であり、造形ボックス及びヘッドを示す平面図である。

本実施形態に係る３次元造形装置は、液体を吐出する１つのヘッド４７を有し、ヘッド４７をＺ軸周りに回転させる回転機構を備えている。例えば、回転機構の回転軸ａ１は、ノズル４７の一端部付近に設けられている。また、このヘッド４７は、図示しないＸ−Ｙ移動機構によりＸ軸及びＹ軸方向に沿って移動可能とされている。Ｘ−Ｙ移動機構としては、例えば公知のＸＹステージの機構が用いられればよい。

このような構成された３次元造形装置では、１層ごと、または複数層ごとに、ヘッド４７の回転角度が９０°ずつ変えられ、それぞれＸ軸方向及びＹ軸方向に交互に移動しながら、造形ボックス２１内の粉体に液体が吐出される。

[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。

上記各実施形態では、粉体の同じ層数ごとにヘッドが交互に液体を吐出した。しかし、異なる層数ごとに、あるいはランダムの層数で、それらヘッドが交互に液体を吐出してもよい。異なる層数ごととは、例えば１つのヘッドが第１の層数（例えば１層）ごと、他の１つのヘッドは第１の層数とは異なる第２の層数（例えば２、３層）ごとに液体を吐出するパターンなどである。

あるいは、粉体の１層に対して、１つのヘッドが液体を吐出した後、その同じ粉体の層に対して別のヘッドが液体を吐出するようにしてもよい。

上記第１及び３の実施形態では、複数のヘッドが同じ液体を吐出する形態を示した。しかし、それらのヘッドのうち少なくとも２つは異なる液体を吐出してもよい。例えば液体がカラーインクであれば、異なる組成、つまり異なる色のインクが吐出されてもよい。

上記各実施形態に係る３次元造形装置は、１つのヘッドが一方向に移動するライン型のヘッドを備えていた。しかし、複数のヘッドのうち少なくとも１つのヘッドが、ライン型ヘッドではなく、複数のノズルを有し、造形ボックス２１内の造形幅より狭い長さを有する短ヘッドであってもよい。この場合、この短ヘッドを、そのノズルの配列方向と直交する方向に移動させながら、粉体上の局所的な１ライン分に液体を吐出後、ノズルの配列方向にヘッドを移動させ、粉体上の次の局所的な１ライン分に液体を吐出させる。この場合、１つのヘッドごとに、そのヘッドを移動させる２軸の移動機構が設けられる。

ライン型のヘッドを１つのみ用いる場合に、粉体１層または複数層ごとに、そのノズルの配列方向に所定の距離（例えば複数のノズル数分）だけヘッドの位置をずらして、用いるようにしてもよい。これにより、粉体の積層方向に沿って連続した多数の欠陥領域Ｄが発生することを避けることができる。

形成された造形物を加熱処理するヒータが上述した各３次元造形装置に設けられていてもよい。

複数のヘッドを洗浄するクリーニング機構が上述した各３次元造形装置に設けられていてもよい。この場合、第１のヘッドにより液体が吐出されている間に、第２のヘッドがそのクリーニング機構により洗浄されることにより、時間効率を向上させることができる。クリーニング機構としては、ブラシやワイパーによる機械的なクリーニング、洗浄液による化学的なクリーニング等、あるいは、これらの組合せ等がある。

上記実施形態では、複数のヘッドを移動させる移動機構が設けられていた。しかし、複数のヘッドは固定で、造形ボックス（造形ステージ）を移動させる移動機構が上記各３次元造形装置に設けられていてもよい。

Ｐ…粉体材料（粉体）
ｎＸ、ｎＹ…ノズル
Ｔ…造形物
１０…供給ユニット
１０Ｘ…Ｘ供給ユニット
１０Ｙ…Ｙ供給ユニット
２０…造形ユニット
２２…造形ステージ
４０Ｘ…Ｘ軸移動機構
４０Ｙ…Ｙ軸移動機構
４１Ｘ…Ｘヘッド
４１Ｙ…Ｙヘッド
４４〜４７、１４１…ヘッド
１００、２００…３次元造形装置

Claims (11)

1. 粉体材料が積層するように堆積されるステージと、
   前記ステージ上に１層ごとに前記粉体材料を供給する供給機構と、
   造形物を形成するための液体を吐出する複数のノズルをそれぞれ有し、前記供給機構により前記ステージ上に供給された前記粉体材料に前記液体を吐出可能な複数のヘッドと、
   前記複数のヘッドを異なる方向で、前記ステージに相対的にそれぞれ移動させる移動機構と
   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、
   前記移動機構は、前記複数のヘッドである２つのヘッドの移動方向が直交するように、前記２つのヘッドを移動させる
   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、
   前記移動機構は、前記供給機構により１層の前記粉体材料が供給されるごとに、前記複数のヘッドを交互に移動させる
   ３次元造形装置。
4. 請求項１または２に記載の３次元造形装置であって、
   前記移動機構は、前記供給機構により連続する第１の層数の前記粉体材料が供給される時に、前記複数のヘッドのうち第１のヘッドを移動させ、前記供給機構により連続する第２の層数の前記粉体材料が供給される時に、前記複数のヘッドのうち前記第１のヘッドとは異なる第２のヘッドを移動させる
   ３次元造形装置。
5. 請求項４に記載の３次元造形装置であって、
   前記第１の層数と前記第２の層数とが異なる
   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、
   前記供給機構は、前記複数のヘッドにそれぞれ対応する複数の異なる粉体材料を前記ステージに供給する
   ３次元造形装置。
7. 請求項１から６のうちいずれか１項に記載の３次元造形装置であって、
   前記複数のヘッドは、異なる液体をそれぞれ吐出する
   ３次元造形装置。
8. 粉体材料が積層するように堆積されるステージと、
   前記ステージ上に１層ごとに前記粉体材料を供給する供給機構と、
   造形物を形成するための液体を吐出する複数のノズルを有し、前記供給機構により前記ステージ上に供給された前記粉体材料に前記液体を吐出可能なヘッドと、
   前記供給機構により供給される異なる層の前記粉体材料に前記液体をそれぞれ吐出する時に、前記ヘッドをそれぞれ異なる方向で、前記ステージに相対的に移動させる移動機構と
   を具備する３次元造形装置。
9. 請求項８に記載の３次元造形装置であって、
   前記粉体材料の積層方向に沿った軸の周りに、前記ヘッドを回転させる回転機構をさらに具備する３次元造形装置。
10. １層分の前記粉体材料をステージ上に供給し、
    前記第１のヘッドを前記ステージと相対的に第１の方向に移動させながら、前記ステージ上に供給された前記粉体材料に、前記ヘッドから、造形物を形成するための液体を吐出させ、
    前記第１のヘッドからの液体の吐出後、１層分の前記粉体材料を前記ステージ上に供給し、
    第２のヘッドを前記ステージと相対的に第１の方向とは異なる第２の方向に移動させながら、前記ステージ上に供給された前記粉体材料に、前記第２のヘッドから造形物を形成するための液体を吐出させる
    ３次元造形方法。
11. １層分の前記粉体材料をステージ上に供給し、
    第１のヘッドを前記ステージと相対的に第１の方向に移動させながら、前記ステージ上に供給された前記粉体材料に、前記第１のヘッドから、造形物を形成するための液体を吐出させ、
    前記第１のヘッドからの液体の吐出後、１層分の前記粉体材料を前記ステージ上に供給し、
    第２のヘッドを前記ステージと相対的に第１の方向とは異なる第２の方向に移動させながら、前記ステージ上に供給された前記粉体材料に、前記第２のヘッドから造形物を形成するための液体を吐出させる
    ３次元造形方法により形成された造形物。

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