JP2013075388A - 立体造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】立体造形物が載置されるステージの傾きの発生および昇降精度の悪化を防止しつつ、ステージを効率よく十分に振動させることができる立体造形装置を提供する。
【解決手段】立体造形装置は、ステージ１１に載置された立体造形粉体に造形液を吐出して固化することで立体造形物を造形する。立体造形装置は、回収口６５と、加振モータ４６と、振動板６０とを備える。回収口６５はステージ１１の下方に配置される。ステージ１１から落下した立体造形粉体は、回収口６５に回収される。加振モータ４６は、筐体９に固定されて振動を発生させる。振動板６０は、ステージ１１の昇降範囲の下端に配置され、加振モータ４６に装着されて加振モータ４６の動力で振動する。振動板６０は、昇降範囲の下端に移動したステージ１１の底面に、弾性体６３を介して接触する。
【選択図】図５

Description

本発明は、立体造形粉体に造形液を吐出して固化することで立体造形物を造形する立体造形装置に関する。

従来、立体造形粉体（以下、単に「粉体」という場合がある。）と造形液とを混合して固化することで立体造形物を造形する立体造形装置が知られている。例えば、立体造形装置は、平坦に配置した粉体に対し、インクジェットヘッドを用いて造形液を吐出する。粉体と造形液とが混合すると、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して層を形成する。以上の工程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。立体造形装置は、固化せずに残存した立体造形物周辺の未硬化の粉体（以下、「未硬化粉体」という。）を回収する。

未硬化粉体を円滑に回収する等の目的で、立体造形物が載置されるステージを振動させる場合がある。例えば、特許文献１が開示している立体造形装置は、ステージの底面にモータを装着する。モータは、偏心盤を回転させることで振動を発生させる。モータが発生させた振動は、ステージに直接伝わる。

特開２０００−３３６４０３号公報

立体造形装置は、層を重ねることで立体造形物を造形するため、立体造形物が載置されるステージを昇降させる必要がある。特許文献１が開示している立体造形装置は、モータをステージの底面に直接装着するため、ステージをモータと共に昇降させなければならない。従って、モータの重さによって、ステージを昇降させる際の精度の悪化、ステージの傾き等が生じ、立体造形物の品質が低下する場合がある。また、ステージを取り囲む壁面にモータを設けると、昇降精度の悪化等の問題は生じないが、ステージを効率よく十分に振動させることはできない。

本発明は、立体造形物が載置されるステージの傾きの発生および昇降精度の悪化を防止しつつ、ステージを効率よく十分に振動させることができる立体造形装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る立体造形装置は、立体造形粉体が載置されるステージと、前記ステージを昇降させる昇降手段とを備え、前記ステージに載置された立体造形粉体に造形液を吐出して固化することで立体造形物を造形する立体造形装置であって、前記ステージの下方に配置され、前記ステージから落下した前記立体造形粉体が回収される回収口と、筐体に固定され、振動を発生させる加振手段と、前記ステージの昇降範囲の下端に設置され、前記加振手段に装着されて前記加振手段の動力で振動し、前記昇降範囲の下端に移動した前記ステージの底面に弾性体を介して接触する振動板とを備えている。

本発明に係る立体造形装置では、ステージが昇降範囲の下端に移動すると、振動板が弾性体を介してステージの底面に接触し、加振手段の振動が効率よくステージに伝わる。さらに、加振手段はステージには装着されていないため、ステージの昇降精度の悪化、ステージの傾き等が加振手段の重さによって引き起こされることはない。従って、立体造形装置は、ステージの傾きの発生および昇降精度の悪化を防止しつつ、ステージを効率よく十分に振動させることができる。

また、前記立体造形装置は、前記加振手段が前記ステージに加える振動よりも周波数が低い低周波振動を前記ステージに加える低周波加振手段をさらに備えていてもよい。一定の周波数を加えるだけでは、未硬化粉体を回収する際に、未硬化粉体を十分にステージから落下させることができず、粉詰まりが生じる可能性も高くなる。立体造形装置は、加振手段と低周波加振手段とによって、周波数が異なる複数の振動をステージに加えることで、円滑に未硬化粉体を回収することができる。

また、前記低周波加振手段は、前記昇降手段を制御し、前記ステージを前記昇降範囲の下端部分で往復昇降させることで低周波振動を加える昇降制御手段を含んでいてもよい。ステージは、弾性体を介して振動板に接触するため、振動板に接触した状態のまま微小距離を往復昇降することができる。従って、立体造形装置は、昇降範囲の下端部分でステージを往復昇降させることで、往復昇降による低周波振動と、加振手段による高周波振動とをステージに加えることができる。立体造形に必要な昇降手段を利用して低周波振動を加えることができるため、低周波振動を加えるための別の機構を備える必要がない。

また、前記低周波加振手段は、前記ステージの昇降経路に固定され、昇降する前記ステージに接触する接触部を含み、前記低周波加振手段は、前記昇降制御手段によって前記ステージを往復昇降させて前記接触部に接触させることで低周波振動を加えてもよい。この場合、立体造形装置は、ステージを往復昇降させるだけで、接触部によって容易且つ効果的に低周波振動をステージに加えることができる。従って、簡易な構成で確実に低周波振動と高周波振動とをステージに加えることができ、未硬化粉体を円滑に回収することができる。

また、前記接触部は、前記昇降経路の下端を遮断する形状に形成してあり、前記低周波加振手段は、前記昇降制御手段によって前記ステージを前記接触部に断続して衝突させることで、前記ステージにパルス振動を加えてもよい。この場合、立体造形装置は、加振手段による高周波振動に加え、大きな振動を断続的にステージに加えることができる。よって、簡易な構成で、より効率よく未硬化粉体を回収することができる。

また、前記立体造形装置は、前記ステージに振動を加える間に、前記加振手段に対し、振動と停止を交互に繰り返し実行させる間欠駆動手段をさらに備えていてもよい。立体造形装置は、加振手段を間欠駆動して振動と停止を交互に繰り返すことで、一定の振動によって粉詰まり等が生じる可能性を低下させることができる。

また、前記立体造形装置は、固化せずに残存した前記立体造形粉体を吸引する吸引手段と、前記吸引手段の動作を制御する吸引制御手段とをさらに備え、前記吸引制御手段は、前記ステージに振動が加えられるタイミングで前記吸引手段による吸引を開始してもよい。未硬化粉体が載置されているステージを振動させずに吸引手段のみを駆動すると、吸引手段には未硬化粉体の粉詰まりが生じやすい。また、ステージのみを振動させて、未硬化粉体が集積される回収口に大量の未硬化粉体が集積されると、その後に吸引を開始しても十分に吸引できない可能性がある。立体造形装置は、ステージに振動が加えられるタイミングで吸引を開始することで、粉詰まりが生じる可能性を低下させて円滑に未硬化粉体を吸引することができる。

また、前記回収口は前記加振手段に接続してもよい。回収口では未硬化粉体の粉詰まりが生じやすい。立体造形装置は、回収口を加振手段に接続させて、加振手段が発生させた振動を回収口にも伝えることで、回収口で粉詰まりが生じる可能性を効率よく低下させることができる。

また、前記加振手段は、振動の伝播を減衰させる除振部材を介して前記筐体に固定されてもよい。この場合、立体造形装置は、振動を加える必要の無い部分に振動が伝わることを抑制しつつ、加振手段の振動を効果的にステージに伝えることができる。

立体造形装置１の外観斜視図である。 造形台６の斜視図である。 立体造形装置１の内部構成を右側面から見た図である。 粉体供給部１５および平坦化ローラ１６の近傍の拡大斜視図である。 図２におけるＡ−Ａ線矢視方向断面図（ステージ１１が弾性体６３に接触していない状態）である。 図２におけるＡ−Ａ線矢視方向断面図（ステージ１１と弾性体６３とが接触している状態）である。 立体造形装置１の電気的構成を示すブロック図である。 立体造形装置１が実行する立体造形処理のフローチャートである。 立体造形処理中に実行される未硬化粉体回収処理のフローチャートである。 ステージ１１に加えられる各種振動の時間と振幅を模式的に示すグラフである。 変形例における筐体９およびステージ１１の一部を示す部分拡大図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。なお、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、各種処理のフローチャート等は、それのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例である。図１および図２の左下側および右上側は、それぞれ、立体造形装置１の正面側および背面側である。図１および図２の左右方向および上下方向は、それぞれ、立体造形装置１の左右方向および上下方向である。図３の左側、右側、上側、下側、紙面手前側、紙面奥側は、それぞれ、立体造形装置１の正面側、背面側、上側、下側、右側、左側である。図４の左側、右側、上側、下側、紙面右手前側、紙面左奥側は、それぞれ、立体造形装置１の正面側、背面側、上側、下側、右側、左側である。立体造形装置１の右方をＸ座標の正方向、後方をＹ座標の正方向、上方をＺ座標の正方向とする。

図１を参照して、立体造形装置１の概略構成について説明する。立体造形装置１は、座標データおよび色データを含む立体造形データに従ってヘッド２０等を駆動することで、立体造形物を造形することができる。パーソナルコンピュータ（以下、「ＰＣ」という。）１００は、物体の三次元形状を示す立体データに基づいて立体造形データを作成し、ネットワーク等を介して立体造形装置１に送信する。立体造形装置１は、ＰＣ１００から受信した立体造形データに従って立体造形物を造形する。なお、立体造形装置１は、立体データを他のデバイスから取得し、取得した立体データに基づいて自ら立体造形データを作成することもできる。

立体造形装置１は、土台２と、造形台６と、粉体供給部１５と、平坦化ローラ１６と、ヘッド２０と、ヘッドクリーニング機構２２と、粉体回収部２３とを主に備える。土台２は、左右方向（Ｘ軸方向）を長手方向とする矩形板状に形成されており、立体造形装置１の全体を支持する。造形台６はステージ１１を備え、ステージ１１上で立体造形物が造形される。粉体供給部１５は、造形台６のステージ１１上に立体造形粉体を供給する。平坦化ローラ１６は、ステージ１１上に載置された立体造形粉体の上面を平坦化し、立体造形粉体の層（以下、「粉体層」という。）を形成する。ヘッド２０は、ステージ１１上に形成された粉体層に造形液を吐出する。ヘッドクリーニング機構２２は、ヘッド２０の吐出口をワイプし、また、密着して造形液を吸引する。粉体回収部２３は、ステージ１１上で固化せずに残存した余分な立体造形粉体（以下、「未硬化粉体」という。）を回収する。以下、各構成について説明する。

造形台６について説明する。図２に示すように、造形台６は、造形台６を支持する基部７と、基部７の上部に支持される筐体９とを備える。基部７の左右の各々には、前後方向（Ｙ軸方向）に貫通する貫通孔８が形成されている。図１に示すように、土台２の略中央には、前後方向に平行に延びる２本のレール３が設けられている。２本のレール３は、土台２の正面側端部に設けられた支持部４と、背面側端部に設けられた支持部（図示せず）とによって、土台２の上面から所定の高さで支持されている。２本のレール３の各々は、造形台６の基部７に形成された２つの貫通孔８の各々を貫通する。さらに、土台２の背面側端部には、造形台６を前後動させるための造形台前後動モータ４１（図７参照）が設けられる。造形台前後動モータ４１が駆動すると、キャリッジベルト（図示せず）を介して動力が造形台６に伝わり、造形台６は２本のレール３に沿って前後方向（Ｙ軸方向）に移動する。つまり、造形台前後動モータ４１が駆動すると、粉体供給部１５、平坦化ローラ１６、およびヘッド２０は、造形台６のステージ１１に対して前後方向（ステージ面と平行な方向）に相対移動する。

図２に示すように、筐体９は、略立方体の箱型形状を成す。筐体９は、上面が開放された平面視矩形状の凹部であるステージ保持部１０を有している。ステージ保持部１０の内側には、立体造形物が造形されるステージ１１が昇降可能に保持される。ステージ１１は、ステージ保持部１０の内周面に接するように平面視矩形状に形成されており、且つ、ステージ１１の上面は水平に保たれている。筐体９の右側面には、未硬化粉体をステージ保持部１０内から粉体回収部２３（図１参照）に導くための回収路１２が接続している。

ステージ保持部１０の背面側には、上面が開放された平面視矩形の凹部である粉体落下口１３が設けられている。粉体落下口１３には、粉体層を形成する際に、平坦化ローラ１６によって集積された余剰粉体が落下する。粉体落下口１３に落下した余剰粉体は、作業者によって、造形台６の上方に位置する粉体供給部１５（図１、図３、および図４参照）内に戻される。しかし、立体造形装置１は、粉体落下口１３に落下した余剰粉体を吸引等によって回収し、粉体供給部１５に自動的に戻してもよい。造形台６の内部構造の詳細については後述する。

粉体供給部１５について説明する。図３および図４に示すように、粉体供給部１５は、上方へ向けて徐々に前後方向の幅が広がる箱状に形成されており、内部に立体造形粉体を収容する。粉体供給部１５は、造形台６の上方に位置するように、粉体回収部２３（図１参照）の左側面に固定されている。粉体供給部１５の下面には、左右方向を長手方向とする開口である供給口（図示せず）が形成されている。供給口は、ステージ１１上の左右方向に線状に延びる全領域に立体造形粉体を供給できるように、ステージ１１の左右方向の幅以上の幅に形成されている。供給口には、供給口を開閉するシャッター（図示せず）が設けられている。立体造形装置１は、粉体供給モータ４４（図７参照）によってシャッターの開閉を制御することで、ステージ１１上に立体造形粉体を供給する。

平坦化ローラ１６について説明する。平坦化ローラ１６は、ステージ１１上に供給された立体造形粉体の上面を平坦化して粉体層を形成するために設けられる。図３および図４に示すように、平坦化ローラ１６の回転軸１７は、ステージ１１の上面と平行な状態で、造形台６の移動方向と交差する方向（左右方向）に延びる。回転軸１７は、粉体回収部２３（図１参照）に配置されたローラ回転モータ４３（図７参照）に接続している。ローラ回転モータ４３が駆動すると、平坦化ローラ１６は、図４に示す矢印方向（右側面視反時計回りの方向）に回転する。立体造形装置１は、粉体層を形成する場合、粉体供給部１５のシャッターを開放させた状態で、平坦化ローラ１６を回転させながら造形台６を後方から前方へ（Ｙ軸の負の方向へ）移動させる。その結果、ステージ１１（図２参照）に載置された立体造形粉体の上面は、平坦化ローラ１６によって平坦化される。平坦化ローラ１６の背面側に集積した余剰粉体は、造形台６の背面側に形成された粉体落下口１３に落下する。

図３および図４に示すように、粉体供給部１５の正面には板状のブレード１８が固定されている。ブレード１８は、平坦化ローラ１６に付着した立体造形粉体を除去するために設けられる。ブレード１８は、粉体供給部１５の正面の壁面から前方斜め下方へ延び、平坦化ローラ１６の背面側に隙間無く接触している。図４に示すように、平坦化ローラ１６のうち、ブレード１８が接触する位置Ｐは、回転軸１７の高さＨ以下の高さに調整されている。従って、立体造形粉体は、ブレード１８と平坦化ローラ１６との間に堆積することなく、平坦化ローラ１６の表面から容易に剥がれ落ちる。さらに、ブレード１８の板面は、平坦化ローラ１６の正面側の空間と背面側の空間との間を遮断する。従って、ブレード１８は、平坦化ローラ１６の背面側の立体造形粉体が正面側に飛散することを防止することができる。よって、平坦化ローラ１６によって形成された粉体層の上面は平坦に保たれる。飛散した立体造形粉体がヘッド２０に付着する可能性も低下する。

ヘッド２０について説明する。図示しないが、ヘッド２０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。立体造形装置１の左胴部２５（図１参照）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２０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２０は、ＣＰＵ３０（図７参照）の制御によって、各色の造形液を粉体層に吐出する。なお、吐出する造形液の種類は変更できる。例えば、シアンヘッド、マゼンタヘッド、イエローヘッド、およびクリアヘッドによって、４種類の造形液を吐出してもよい。この場合、シアン、マゼンタ、およびイエローを混色させて黒色を再現する。４種類の液体を吐出するヘッドは、シアン、マゼンタ、イエロー、およびブラックのインクを吐出する通常の印刷装置で一般に用いられている。通常の印刷装置のヘッドのうち、ブラックのインクを吐出するヘッドをクリア造形液用に用いれば、印刷装置のヘッドを立体造形装置１にそのまま転用することができる。

図１に示すように、造形台６の上方、且つ粉体供給部１５の前方には、ヘッド２０の左右方向の移動を案内するためのガイドレール２１が設けられている。ガイドレール２１は、立体造形装置１の左胴部２５の右側面から右方へ真っ直ぐに水平に延び、粉体回収部２３の左側面に接続する。ガイドレール２１は、ヘッド２０を左右方向に貫通しており、ヘッド２０はガイドレール２１に沿って左右に移動できる。立体造形装置１の左胴部２５には、ヘッド２０を移動させるためのヘッド移動モータ４５（図７参照）が設けられている。ヘッド移動モータ４５が駆動すると、キャリッジベルト（図示せず）を介して動力がヘッド２０に伝わり、ヘッド２０が左右方向（Ｘ軸方向）に移動する。

ヘッドクリーニング機構２２は、ヘッド２０の下方のノズル面をワイプ（拭き取り）し、また、密着し、ノズルに各色の造形液が達するまで吸引を行う。また、ヘッドクリーニング機構２２は、造形液の吐出が行われない場合にヘッド２０のノズル面を覆い、造形液が乾燥することを防止する。

粉体回収部２３は、図１に示すように、造形台６と右胴部２６との間に配置される。粉体回収部２３は、造形台６のステージ保持部１０（図２参照）内の未硬化粉体を吸引するための粉体吸引ポンプ４８（図７参照）を備える。粉体吸引ポンプ４８が吸引を開始すると、ステージ保持部１０内の未硬化粉体は、回収路１２（図２および図４参照）および粉体回収部２３を通じて、粉体供給部１５に戻される。

なお、立体造形装置１の右胴部２６の正面には操作パネル２７が設けられている。操作パネル２７は、各種操作キーと表示部とを有する。作業者は、表示部を見ながら操作キーを操作することで、立体造形装置１に対する操作指示を入力する。

図５および図６を参照して、造形台６の内部構造について説明する。まず、ステージ１１の詳細な構造について説明する。ステージ１１は、上部ステージ５１、下部ステージ５２、および受け皿５３を備える。上部ステージ５１は矩形板状の部材である。上部ステージ５１には、厚み方向に貫通する孔５４（図２参照）が複数設けられている。下部ステージ５２は、上部ステージ５１と略同一形状の部材である。図示しないが、下部ステージ５２にも、上部ステージ５１と同様に複数の孔が設けられている。しかし、平面視において、上部ステージ５１に設けられた孔５４の位置と、下部ステージ５２に設けられた孔の位置とが重複しないように、上部ステージ５１および下部ステージ５２が形成されている。従って、上部ステージ５１に立体造形粉体が載置されると、孔５４が設けられていない位置では、上部ステージ５１の上面に立体造形粉体が堆積する。孔５４が設けられている位置では、立体造形粉体は孔５４から下部ステージ５２に落下する。しかし、落下地点には下部ステージ５２の孔は形成されていないため、立体造形粉体は下部ステージ５２の上面に堆積する。その結果、ステージ１１上に立体造形粉体が堆積する。

詳細は後述するが、立体造形物の造形が完了すると、立体造形装置１はステージ１１を振動させる。ステージ１１が振動すると、下部ステージ５２と上部ステージ５１との間に位置する未硬化粉体は、下部ステージ５２の孔から受け皿５３に落下する。これに伴い、上部ステージ５１上に堆積していた未硬化粉体は、孔５４から下部ステージ５２に落下し、さらに下部ステージ５２の孔から受け皿５３に落下する。

受け皿５３は、下部ステージ５２の全体の下部を覆うように、平面視略矩形状に形成されている。受け皿５３の右端部近傍における前後方向略中心には、下部ステージ５２から落下した未硬化粉体を回収路１２に導く誘導口５５が形成されている。受け皿５３は、誘導口５５に近づく程高さが低くなるように傾斜している。従って、受け皿５３が振動すると、未硬化粉体は誘導口５５に向かって移動する。

受け皿５３の中心下部にはボールねじ５７が接続している。ボールねじ５７は、受け皿５３から鉛直下方へ延び、ナット（図示せず）に装着されている。造形台６の下部には、ボールねじ５７を回転させるためのステップモータであるステージ昇降モータ４２（図７参照）が設けられている。ステージ昇降モータ４２が駆動すると、ボールねじ５７が回転して昇降し、ボールねじ５７に接続しているステージ１１が昇降する。

ステージ１１を振動させるための機構について詳細に説明する。筐体９の内側におけるステージ１１の下方には、振動を発生させる加振モータ４６が固定されている。加振モータ４６は、伝播する振動を減衰させるための除振シート５８（例えば、ゴムシート）を介して筐体９に固定されている。従って、加振モータ４６が発生させた振動は、振動させる必要が無い筐体９には伝わり難い。

加振モータ４６の上面には振動板６０が接続（固定）されている。振動板６０の材質には、加振モータ４６の振動が容易に伝播するように、硬度が高い金属等を用いることが望ましい。しかし、樹脂等を用いて振動板６０を形成することも可能である。本実施形態の振動板６０は、ステージ１１よりもやや小さい平面視矩形の板状部材である。しかし、振動板の大きさ、形状を変更できることは言うまでも無い。振動板６０の中心には、ボールねじ５７を挿通するための挿通孔６１が形成されている。

振動板６０の上面には弾性体６３が設けられている。弾性体６３は、ゴム等の弾性を有する部材によって形成すればよい。本実施形態の弾性体６３は、振動板６０よりもやや小さい平面視矩形に形成されている。弾性体６３の中心には、ボールねじ５７を挿通するための挿通孔６４が形成されている。弾性体６３の上面は、傾斜している受け皿５３の下面の形状に一致するように成形されている。従って、ステージ１１が下降すると、ステージ１１の受け皿５３の下面は弾性体６３に密着し、振動板６０の振動が効率よく受け皿５３に伝わる。

受け皿５３の誘導口５５の鉛直下方には、回収路１２の入口である回収口６５が配置されている。回収口６５は、未硬化粉体が振動によって集積される部位である。回収口６５には、振動板６０の右端が接続されている。つまり、回収口６５は、振動板６０を介して加振モータ４６に接続している。よって、加振モータ４６が振動すると、振動は振動板６０を介して回収口６５に伝播する。

筐体９の内周面のうち、振動板６０の高さとほぼ同一の高さに、内側に突出する接触部６７が設けられている。本実施形態の接触部６７は、下降したステージ１１の下部に接触してステージ１１の昇降経路の下端を遮断するように、矩形環状に形成されている。接触部６７の左部の内側には、ステージ１１が昇降範囲の下端に位置しているか否かを検出するためのステージ位置検出センサ３６が設置されている。本実施形態のステージ位置検出センサ３６は周知の光学センサであるが、ステージ１１の下降による押圧によって機械的に近接を検知したりする近接スイッチ等の他のセンサやスイッチを用いることも可能である。

ステージ１１の昇降動作、および、加振モータ４６が発生する振動の伝播について説明する。図５に示すように、ステージ１１は加振モータ４６を装着していないため、加振モータ４６とは別個に独立して昇降する。従って、ステージ１１の昇降精度の悪化、ステージ１１の傾き等、加振モータ４６の重さによるステージ１１の不具合が生じることはない。ステージ１１は円滑にステージ保持部１０内を昇降する。立体造形装置１は、昇降範囲の上端からステージ１１を徐々に下降させながら立体造形物を造形する。

立体造形装置１は、立体造形物の造形が完了すると、ステージ１１を昇降範囲の下端まで下降させる。ステージ１１が昇降範囲の下端に達すると、ステージ１１の外周縁部が、筐体９に形成された接触部６７に接触（衝突）する。その結果、ステージ１１に衝撃が加えられて、ステージ１１は振動する。

立体造形装置１は、ステージ１１が昇降範囲の下端に到達すると、加振モータ４６を駆動する。ステージ１１が昇降範囲の下端部分に位置すると、ステージ１１の受け皿５３の底面は、振動板６０の上面に設けられた弾性体６３に接触する。弾性体６３は、受け皿５３の底面に密着し、加振モータ４６から振動板６０を介して伝わった振動をステージ１１に伝播させる。従って、ステージ１１は、加振モータ４６の動力によって振動する。

弾性体６３は、ゴム等の弾性部材によって形成される。従って、ステージ１１は、弾性体６３との間の接触状態を維持した状態で所定量の昇降を行うことができる。立体造形装置１は、ステージ１１と弾性体６３とを接触させたまま、ステージ１１を昇降範囲の下端部分の所定範囲で往復昇降させる。その結果、ステージ１１には、昇降を行うことによる振動と、接触部６７に衝突することによる振動と、弾性体６３を介して伝わる加振モータ４６の振動とがいずれも加わる。よって、複数の周波数および振幅の振動がステージ１１に加わり、未硬化粉体が円滑に回収される。

図７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、立体造形装置１の制御を司るＣＰＵ３０を備える。ＣＰＵ３０には、ＲＡＭ３１、ＲＯＭ３２、モータ駆動部３３、ヘッド駆動部３５、ヘッドクリーニング機構２２、粉体吸引ポンプ４８、ステージ位置検出センサ３６、操作パネル２７、および外部通信Ｉ／Ｆ３７が、バス３９を介して接続されている。

ＲＡＭ３１には、ＰＣ１００から受信した立体造形データ等の各種データが一時的に記憶される。ＲＯＭ３２には、立体造形装置１の動作を制御するための制御プログラム、初期値等が記憶されている。モータ駆動部３３は、造形台前後動モータ４１、ステージ昇降モータ４２、ローラ回転モータ４３、粉体供給モータ４４、ヘッド移動モータ４５、および加振モータ４６の各々の動作を制御する。ヘッド駆動部３５はヘッド２０に接続しており、ヘッド２０の各吐出チャンネルに設けられた圧電素子を駆動する。外部通信Ｉ／Ｆ３７は、立体造形装置１をＰＣ１００等の外部機器に接続する。なお、立体造形装置１は、ＵＳＢインタフェース、インターネット等を介して、他のデバイス（例えば、ＵＳＢメモリ、サーバ等）からデータを取得することも可能である。

図８および図９を参照して、立体造形装置１が実行する立体造形処理について説明する。前述したように、立体造形装置１のＲＯＭ３２には、立体造形装置１の動作を制御するための制御プログラムが記憶されている。立体造形装置１のＣＰＵ３０は、造形の開始指示を入力すると、制御プログラムに従って、図８に示す立体造形処理を実行する。

まず、初期化処理が実行される（Ｓ１）。初期化処理では、ヘッドクリーニング機構２２によって、ヘッド２０の下面がワイプされ、また、ノズルに造形液が達するまで吸引が行われる。吸引によって、ヘッド２０が造形液を吐出できる状態となる。また、ＲＡＭ３１に記憶されているデータが一旦消去される。

立体造形物を造形するための立体造形データがＲＡＭ３１に記憶されているか否かが判断される（Ｓ２）。ＰＣ１００から立体造形データを受信しておらず、ＲＡＭ３１に立体造形データが記憶されていない場合には（Ｓ２：ＮＯ）、Ｓ２の判断が繰り返される。立体造形データが存在する場合（Ｓ２：ＹＥＳ）、立体造形データのうち最小のＺ座標の値が、Ｚ座標の座標位置に設定される。設定された座標位置Ｚにおける立体造形データが読み出される（Ｓ４）。

次いで、粉末供給・平坦化処理が行われる（Ｓ５）。詳細には、ステージ１１の上面の高さが、形成する粉体層の厚み分だけ造形台６の上端よりも低い位置に調整される。粉体供給モータ４４が駆動されて、ステージ１１上への立体造形粉体の供給が開始される。ローラ回転モータ４３による平坦化ローラ１６の回転が開始される。造形台前後動モータ４１が駆動されて、造形台６が後方から前方へ移動される。その結果、立体造形粉体の上面が平坦化されて、粉体層が形成される。粉体層の厚み（積層ピッチ）は、造形台６の上端とステージ１１の上面との間の距離に等しくなる。

粉体層が形成されると、造形台前後動モータ４１およびヘッド移動モータ４５が駆動されて、ヘッド２０が成形領域の初期位置に相対移動される（Ｓ６）。設定された座標位置Ｚにおける立体造形データに応じて、ヘッド２０の相対移動および吐出制御が実行され、立体造形データに応じた位置に各色の造形液が吐出される（Ｓ７）。造形液が吐出された部位では、立体造形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、立体造形物の層（以下、「造形層」という。）が形成される。

造形が完了したか否かが判断される（Ｓ９）。完了していなければ（Ｓ９：ＮＯ）、次の層（前回処理した層の１つ上の層）のＺ座標の値に座標位置が変更される（Ｓ１１）。処理はＳ４へ戻り、次の層の立体造形データが読み出される（Ｓ４）。次の層の厚み分だけステージ１１が下降され、粉体層が積層される（Ｓ５）。造形液が吐出されて、造形層が積層される（Ｓ６、Ｓ７）。造形が完了すると（Ｓ９：ＹＥＳ）、未硬化粉体回収処理が行われて（Ｓ１２）、立体造形処理は終了する。

図９を参照して、未硬化粉体回収処理について説明する。まず、ステージ昇降モータ４２が駆動され、ステージ１１の下降が開始される（Ｓ２１）。ステージ位置検出センサ３６（図５〜図７参照）の検出結果から、ステージ１１が昇降範囲の下端に到達したか否かが判断される（Ｓ２２）。下端に到達していなければ（Ｓ２２：ＮＯ）、Ｓ２２の判断が繰り返される。ステージ１１が昇降範囲の下端に到達したと判断されると（Ｓ２２：ＹＥＳ）、粉体吸引ポンプ４８（図７参照）による未硬化粉体の吸引が開始される（Ｓ２３）。加振モータ４６（図５〜図７参照）の振動が開始される（Ｓ２４）。ここで、本実施形態では、加振モータ４６の駆動と停止とが交互に繰り返される。つまり、加振モータ４６は間欠駆動される。さらに、ステージ昇降モータ４２が駆動され、昇降範囲の下端部分の所定範囲（ステージ１１と弾性体６３との接触状態が維持される範囲）でステージ１１の昇降が繰り返される（Ｓ２５）。ステージ１１に振動が所定時間加えられると、未硬化粉体回収処理は終了する。

本実施形態の立体造形装置１における効果について説明する。立体造形装置１では、ステージ１１が昇降範囲の下端に移動すると、振動板６０が弾性体６３を介してステージ１１の底面（詳細には、ステージ１１の受け皿５３の底面）に接触し、加振モータ４６の振動が効率よくステージ１１に伝わる。さらに、加振モータ４６はステージ１１には装着されていないため、ステージ１１の昇降精度の悪化、ステージ１１の傾き等が加振モータ４６の重さによって引き起こされることはない。従って、立体造形装置１は、ステージ１１の傾きの発生および昇降精度の悪化を防止しつつ、ステージ１１を効率よく十分に振動させることができる。

図１０は、本実施形態においてステージ１１に加えられる各種振動を説明するためのグラフであり、各種振動における時間と振幅とを模式的に示している。図１０に示すように、立体造形装置１は、加振モータ４６によって高周波振動をステージ１１に加えることができる。さらに、立体造形装置は、加振モータ４６による高周波振動よりも周波数が低い低周波振動をステージ１１に加えることができる。一定の周波数の振動を加えるだけでは、未硬化粉体を回収する際に、未硬化粉体を十分にステージ１１から落下させることができず、粉詰まりが生じる可能性も高くなる。立体造形装置１は、高周波振動に加えて低周波振動を加えることで、円滑に未硬化粉体を回収することができる。

詳細には、立体造形装置１は、ステージ１１と弾性体６３とを接触させたまま、ステージ１１を往復昇降させることで、ステージ１１に低周波振動を加えることができる。立体造形装置１は、立体造形に必要なステージ１１の昇降手段（ステージ昇降モータ４２）を利用して低周波振動を加えることができ、低周波振動を加えるための別の機構を備える必要が無い。ステージ１１が往復昇降すると、ステージ１１と弾性体６３との間の押圧力が変化して、ステージ１１に加わる振動の振幅が変化する。よって、振動が不規則になり、粉詰まり等が生じる可能性はさらに低下する。

さらに、立体造形装置１は、ステージ１１を下降させて接触部６７（図５および図６参照）に接触させることで、ステージ１１に低周波振動を加えることができる。よって、立体造形装置１は、簡易な構成で確実に低周波振動と高周波振動とをステージ１１に加えることができ、未硬化粉体を円滑に回収することができる。

本実施形態における接触部６７は、ステージ１１の昇降経路の下端を遮断する形状に形成してある。さらに、ＣＰＵ３０は、ステージ１１を昇降範囲の下端部分で往復昇降させて、ステージ１１を接触部６７に断続して衝突させる。従って、図１０に示すように、ステージ１１が接触部６７に接触することで生じる振動はパルス振動となる。断続的に加わるパルス振動が、加振モータ４６による振動と共にステージ１１に加わるため、未硬化粉体は円滑に回収される。

図１０に示すように、ＣＰＵ３０は、加振モータ４６を間欠駆動する。従って、ステージ１１に加わる振動は不規則となる。よって、立体造形装置１は、一定の振動によって粉詰まり等が生じる可能性を低下させることができる。

ＣＰＵ３０は、ステージ１１が昇降範囲の下端に到達した際に、粉体吸引ポンプ４８の駆動を開始する。つまり、ＣＰＵ３０は、ステージ１１に振動が加えられるタイミングで、粉体吸引ポンプ４８による吸引を開始する。ステージ１１を振動させずに粉体吸引ポンプ４８のみを駆動すると、回収路１２等に粉詰まりが生じやすい。また、ステージ１１のみを振動させて、回収路１２の回収口６５（図５および図６参照）に大量の未硬化粉体が集積されると、その後に吸引を開始しても十分に吸引できない可能性がある。立体造形装置１は、ステージ１１に振動が加えられるタイミングで吸引を開始することで、粉詰まりが生じる可能性を低下させて円滑に未硬化粉体を回収することができる。

回収路１２の回収口６５は、加振モータ４６に接続している。その結果、加振モータ４６が発生させた振動は、回収口６５にも伝わる。よって、立体造形装置１は、未硬化粉体が集積されて粉詰まりが生じやすい回収口６５においても、粉詰まりが生じる可能性を低下させることができる。

加振モータ４６は、振動の伝播を減衰させる除振シート５８を介して筐体９に固定される。従って、立体造形装置１は、振動を加える必要の無い部分に振動が伝わることを抑制しつつ、加振モータ４６の振動を効果的にステージ１１に伝えることができる。

上記実施形態において、ステージ昇降モータ４２が本発明の「昇降手段」に相当する。加振モータ４６が本発明の「加振手段」に相当する。図９のＳ２５でステージ１１を往復昇降させるＣＰＵ３０が、本発明の「昇降制御手段」として機能する。図９のＳ２４で加振モータ４６を間欠駆動するＣＰＵ３０が「間欠駆動手段」として機能する。粉体吸引ポンプ４８が「吸引手段」に相当する。図９のＳ２３で粉体吸引ポンプ４８の動作を制御するＣＰＵ３０が「吸引制御手段」として機能する。

本発明は上記実施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。図１１を参照し、上記実施形態の変形例について説明する。上記実施形態では、ステージ１１の昇降経路に固定された接触部６７は、昇降経路の下端を遮断する形状に形成されている。一方で、図１１に示す変形例では、造形台６（図２参照）の筐体９の内側面に、内側へ突出する複数の接触部７０が設けられている。ステージ１１の上部ステージ５１の外周縁部には、外側へ突出する凸部５６が形成されている。ステージ１１が昇降すると、変形例の接触部７０はステージ１１の凸部５６に接触するが、ステージ１１の昇降経路を遮断することはない。従って、ステージ１１が昇降すると、ステージ１１の凸部５６は複数の接触部７０に連続して接触する。その結果、ステージ１１には、加振モータ４６による振動よりも周波数が低い低周波振動が加えられる。以上のように、接触部の形状、個数、位置は適宜変更することができる。接触部の形状、個数、位置を変更することで、ステージ１１に加える振動の態様を調整し、効率よく未硬化粉体を回収することができる。

上記実施形態はその他の変更も可能である。例えば、上記実施形態では、振動板６０を振動させる加振手段として加振モータ４６が用いられている。しかし、ピエゾ素子等の他の加振手段を用いることも可能である。上記実施形態では、加振モータ４６による高周波振動に加え、往復昇降および接触部６７による低周波振動が、ステージ１１に加えられる。しかし、加振モータ４６の振動のみを用いて未硬化粉体を回収することも可能である。この場合にも、上記実施形態と同様に、ステージ１１の昇降精度の悪化等を防止しつつ、ステージ１１を効率よく振動させることができる。

上記実施形態の立体造形装置１は、加振モータ４６を間欠駆動することで、ステージ１１に加える振動を不規則にし、粉詰まり等が生じる可能性を低下させる。しかし、立体造形装置１は、加振モータ４６を間欠駆動せずに連続して駆動してもよい。また、加振モータ４６による振動と、ステージ１１の往復昇降による振動とを別々にステージ１１に加えてもよい。例えば、立体造形装置１は、ステージ１１を弾性体６３に接触させたまま所定時間待機し、高周波振動を加える。その後、ステージ１１を弾性体６３から離間させて往復昇降させることで、低周波振動を加える。この場合、立体造形装置１は、高周波振動と低周波振動とを別々にステージ１１に加えて未硬化粉体を回収することができる。また、立体造形装置１は、加振モータ４６を間欠駆動せずに連続して駆動した状態で、ステージ１１を往復昇降させて、ステージ１１と弾性体６３の間の接触および離間を交互に繰り返してもよい。この場合、加振モータ４６を間欠駆動させる場合と同様に、ステージ１１に加える振動を変化させることができる。

振動板６０は、加振モータ４６の振動をステージ１１に効率よく伝播できる形状であればよく、振動板６０の形状は上記実施形態の形状に限られない。例えば、上記実施形態における振動板６０の代わりに、下方が開放されて上方が閉塞された箱状の部材を使用してもよい。この場合、上方を閉塞する板面が本発明の「振動板」に相当する。また、湾曲した板、凹凸を有する板等を振動板６０として使用することも可能である。振動板６０を加振モータ４６に直接固定せずに、板、棒等を介して固定してもよい。

同様に、弾性体６３の形状も変更することができる。より具体的には、上方に突出する突起を複数備えた弾性体を用いても良い。この場合、弾性体のうち、振動を強く伝播させたい部分（回収口６５に近い部分等）に多数の突起を設けることで、ステージ１１に伝わる振動の強さを部位によって変化させることができる。

上記実施形態の接触部６７は、ステージ１１の昇降範囲の下端を遮断する形状であればよい。つまり、ステージ１１に接触または係止することでステージ１１の下方への移動を規制する形状であればよい。よって、接触部６７の形状は矩形環状に限られず、凸状の部材、棒状に形成してもよい。同様に、変形例に係る接触部７０（図１１参照）の形状も凸状に限られず、環状、棒状等であってもよい。

上記実施形態の振動板６０は、加振モータ４６の上部に直接固定されて接続されている。しかし、振動板６０は、棒・板等を介して加振モータ４６に接続してもよい。棒・板等を介することで、加振モータ４６を設置する位置と振動板６０の位置とが離間していても、加振モータ４６の振動を振動板６０に伝えることができる。

上記実施形態では、回収路１２の回収口６５は、振動板６０を介して加振モータ４６に接続している。しかし、回収口６５を加振モータ４６に直接接続してもよいことは言うまでもない。加振モータ４６を複数用いても良い。加振モータ４６を固定する位置も適宜変更可能である。

上記実施形態では、ステージ１１が昇降範囲の下端に到達すると、ステージ１１の振動が開始する。従って、立体造形装置１は、ステージ１１が昇降範囲の下端に到達したタイミングで、粉体吸引ポンプ４８による吸引を開始し、粉詰まり等を防止する。しかし、吸引を開始するタイミングは変更することができる。例えば、粉体吸引ポンプ４８に駆動開始の信号を出力してから、実際に吸引が開始されるまでに、所定の遅延時間が生じる場合がある。この場合、立体造形装置１は、ステージ１１の振動が開始するタイミングを予測し、予測したタイミングよりも所定の遅延時間だけ前に駆動開始の信号を出力するとよい。また、図１１に示す変形例の接触部７０が、振動板６０および弾性体６３よりも上方に位置する場合には、ステージ１１が昇降範囲の下端に到達する前にステージ１１が振動する。この場合、立体造形装置１は、ステージ１１が接触部７０に接触するタイミングで吸引を開始してもよい。また、ステージ１１の振動開始のタイミングと吸引開始のタイミングは全く同時でなくてもよく、多少ずれていてもよい。

立体造形装置１の他の構成も適宜変更できる。例えば、ステージ１１上の立体造形粉体を平坦化して粉体層を形成する場合、平坦化ローラ１６とステージ１１が相対的に移動すればよい。従って、立体造形装置１は、造形台６を固定した状態で平坦化ローラ１６を移動させてもよい。同様に、ヘッド２０から造形液を吐出する場合、立体造形装置１は、ヘッド２０を固定したまま造形台６を左右方向（Ｘ軸方向）に移動させてもよい。また、スキージ棒、板等を平坦化ローラ１６の代わりに用いても、立体造形粉体を平坦化することができる。また、本発明は、未硬化粉体の回収以外の目的でステージ１１を振動させる場合にも適用できる。例えば、粉体層における粉同士の隙間を埋めるためにステージ１１を振動させる場合でも、本発明は適用できる。

１ 立体造形装置
９ 筐体
１１ ステージ
１２ 回収路
２０ ヘッド
２３ 粉体回収部
３０ ＣＰＵ
３２ ＲＯＭ
４２ ステージ昇降モータ
４６ 加振モータ
４８ 粉体吸引ポンプ
５１ 上部ステージ
５２ 下部ステージ
５３ 受け皿
５５ 誘導口
５８ 除振シート
６０ 振動板
６３ 弾性体
６５ 回収口
６７，７０ 接触部

Claims (9)

1. 立体造形粉体が載置されるステージと、
   前記ステージを昇降させる昇降手段と
   を備え、前記ステージに載置された立体造形粉体に造形液を吐出して固化することで立体造形物を造形する立体造形装置であって、
   前記ステージの下方に配置され、前記ステージから落下した前記立体造形粉体が回収される回収口と、
   筐体に固定され、振動を発生させる加振手段と、
   前記ステージの昇降範囲の下端に設置され、前記加振手段に装着されて前記加振手段の動力で振動し、前記昇降範囲の下端に移動した前記ステージの底面に弾性体を介して接触する振動板と
   を備えたことを特徴とする立体造形装置。
2. 前記加振手段が前記ステージに加える振動よりも周波数が低い低周波振動を前記ステージに加える低周波加振手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の立体造形装置。
3. 前記低周波加振手段は、
   前記昇降手段を制御し、前記ステージを前記昇降範囲の下端部分で往復昇降させることで低周波振動を加える昇降制御手段を含むことを特徴とする請求項２に記載の立体造形装置。
4. 前記低周波加振手段は、
   前記ステージの昇降経路に固定され、昇降する前記ステージに接触する接触部を含み、
   前記昇降制御手段によって前記ステージを往復昇降させて前記接触部に接触させることで低周波振動を加えることを特徴とする請求項３に記載の立体造形装置。
5. 前記接触部は、前記昇降経路の下端を遮断する形状に形成してあり、
   前記低周波加振手段は、前記昇降制御手段によって前記ステージを前記接触部に断続して衝突させることで、前記ステージにパルス振動を加えることを特徴とする請求項４に記載の立体造形装置。
6. 前記ステージに振動を加える間に、前記加振手段に対し、振動と停止を交互に繰り返し実行させる間欠駆動手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の立体造形装置。
7. 固化せずに残存した前記立体造形粉体を吸引する吸引手段と、
   前記吸引手段の動作を制御する吸引制御手段とをさらに備え、
   前記吸引制御手段は、前記ステージに振動が加えられるタイミングで前記吸引手段による吸引を開始することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の立体造形装置。
8. 前記回収口は前記加振手段に接続することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の立体造形装置。
9. 前記加振手段は、振動の伝播を減衰させる除振部材を介して前記筐体に固定されることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の立体造形装置。

Images