JP2013176893A - 立体造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】造形層の乾燥を制御し、効率良く立体造形物を造形することができる立体造形装置を提供する。
【解決手段】立体造形装置のＣＰＵは、造形データに基づきステージ面に印刷される印刷面積を算出し（Ｓ５）、テーブル記憶領域に記憶されている印刷面積テーブルに従い、粉体加熱部による加熱条件を決定する（Ｓ６）。ＣＰＵは、造形データに基づきステージ面の印刷位置を算出し（Ｓ７）、テーブル記憶領域に記憶されている加熱位置テーブルに従い、粉体加熱部による加熱位置を決定する（Ｓ８）。全ての層の加熱条件、加熱位置を決定し、これを乾燥条件とし印刷を実行する。
【選択図】図１２

Description

本発明は、立体造形物を造形する立体造形装置に関する。

従来、立体的な造形対象物を平行な複数の面で切断した各断面に対応する粉末の薄層を結合剤（以下、バインダという。）により順次結合させることによって、造形対象物の三次元モデルとなる造形物を生成する技術が知られている。このような技術は、ラピッドプロトタイピングと呼ばれる試作に利用することができる。

例えば、特許文献１には、バインダを吐出する吐出手段により吐出されたバインダの領域を乾燥させる手段を有する三次元造形装置（立体造形装置に相当）が開示されている。まず、この装置では、ブレード機構により粉末の薄層を平らな表面上に均一に拡げる。次に、この粉末の薄層における所定の領域に対して、ノズルヘッドを走査させてバインダを吐出する。バインダが吐出された領域の粉末材料は、乾燥され、接合状態となるとともに、既に形成済の下層とも結合する。そして、造形物全体が完成するまで、粉末層を上部に順次堆積させて、バインダを吐出する工程を繰り返す。最終的に、バインダが付着されなかった領域は、粉末が個々に独立した状態、すなわち互いに非結合な状態であるため、作業者が造形物を装置から取り出す際に落下させることで分離する。これにより、所望の三次元造形物が得られる。

特開２００１−１５０５５６号公報

しかしながら、バインダ吐出手段により吐出されたバインダの領域を乾燥させるために、乾燥プロセスを追加することにより、立体造形物の造形時間が長くなり、立体造形物を造形する効率が下がるという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、造形層の乾燥を制御し、効率良く立体造形物を造形す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。

上記課題を解決するため、本発明の一態様の立体造形装置は、造形液と混合することで固化する立体造形粉体が載置されるステージ面と、前記ステージ面又は前記ステージ面の一端部の外側に設けられ、前記立体造形粉体が供給される供給部と、前記供給部に前記立体造形粉体を供給可能な粉体供給手段と、前記ステージ面に対し、前記ステージ面に平行な一方向である第一方向に相対移動することで、前記粉体供給手段によって前記供給部に供給された前記立体造形粉体を前記ステージ面上に拡げつつ、前記立体造形粉体の表面を平坦化して前記立体造形粉体の層である粉体層を形成可能な平坦化手段と、前記平坦化手段によって形成された前記粉体層に前記造形液を吐出して前記立体造形粉体を固化して造形層を造形可能な吐出手段と、前記ステージ面に垂直な方向における、前記ステージ面と前記平坦化手段との間の距離を変更する昇降手段とを備え、立体造形物の形状を示す造形データに基づき、前記粉体供給手段による前記立体造形粉体の供給と、前記平坦化手段による前記粉体層の形成と、前記吐出手段による前記造形層の造形と、前記昇降手段による前記ステージ面と前記平坦化手段との間の距離の変更とを繰り返すことで、前記造形層が積層された前記立体造形物を作成する立体造形装置であって、前記ステージ面に造形された前記造形層を乾燥させるために前記造形層又は前記立体造形粉体を加熱する加熱手段と、前記ステージ面において、前記加熱手段によって加熱される前記造形層の加熱位置を前記造形データに基づき決定する加熱位置決定手段と、前記加熱手段による加熱強度、又は加熱時間である加熱条件を前記造形データに基づき決定する加熱条件決定手段と、前記加熱位置決定手段にて決定された前記加熱位置と、前記加熱条件決定手段により決定される前記加熱条件とに基づいて、前記加熱手段を制御する加熱制御手段とを備える。

この場合、立体造形物の形状を示す造形データに基づき、粉体供給手段による立体造形粉体の供給と、平坦化手段による粉体層の形成と、吐出手段による造形層の造形と、昇降手段によるステージ面と平坦化手段との間の距離の変更とを繰り返し、造形層が積層された立体造形物を作成する。吐出手段により造形された造形層のうち加熱位置決定手段により決定された加熱位置を加熱手段により加熱することで乾燥させる。加熱による乾燥のプロセスを追加することで、一般的には、立体造形物の造形に要する時間が増大する、又は立体造形物の造形に要するエネルギー（例えば、立体造形装置の消費電力など）が増大するなどのデメリットがある。しかしながら、予め造形層の加熱位置を絞ることにより、加熱手段による加熱を必要最小限にとどめることができ、ひいては立体造形物を効率的に造形することができる。

前記立体造形装置において、前記ステージ面において、前記造形層の印刷領域の面積を算出する印刷面積算出手段を備え、前記印刷面積算出手段によって算出された前記造形層の前記印刷領域の面積に応じて、前記加熱条件決定手段は前記加熱条件を決定してもよい。この場合、印刷面積算出手段により、加熱による乾燥が必要な印刷領域の面積が算出される。算出された印刷領域の面積の大きさに応じて、加熱手段による加熱条件を決定することができる。例えば、印刷領域の面積が小さい場合には加熱手段による加熱の時間を短くするように加熱条件を決定することができ、印刷領域面積に応じて加熱手段による加熱を必要最小限に抑えることができる。

前記立体造形装置において、前記印刷面積算出手段によって算出された前記造形層の前記印刷領域の面積が所定値より小さい場合、前記加熱条件決定手段は前記加熱手段による加熱の加熱温度を下げる、又は加熱時間を短くするように前記加熱条件を決定してもよい。この場合、印刷面積算出手段によって算出された印刷領域の面積の大きさが、所定値より小さい場合、加熱手段による加熱の加熱温度を下げる、又は加熱時間を短くするように加熱条件を決定することができる。これにより、加熱手段による加熱を必要最小限に抑えることができる。

前記立体造形装置において、前記造形層の積層ピッチに応じて、前記加熱条件決定手段は前記加熱条件を決定してもよい。この場合、加熱による乾燥が必要な造形層の積層ピッチに応じて、加熱手段による加熱条件を決定することができる。例えば、積層ピッチの面積が小さい場合には加熱手段による加熱の時間を短くするように加熱条件を決定することができ、積層ピッチに応じて加熱手段による加熱を必要最小限に抑えることができる。

前記立体造形装置において、前記積層ピッチ記憶手段が記憶している前記造形層の前記積層ピッチが所定値より小さい場合、前記加熱条件決定手段は前記加熱手段による加熱の加熱温度を下げる、又は加熱時間を短くするように前記加熱条件を決定してもよい。この場合、加熱による乾燥が必要な造形層の積層ピッチの大きさが、所定値より小さい場合、加熱手段による加熱の加熱温度を下げる、又は加熱時間を短くするように加熱条件を決定することができる。これにより、加熱手段による加熱を必要最小限に抑えることができる。

前記立体造形装置において、前記加熱手段は、前記平坦化手段によって前記粉体層として積層される前記立体造形粉体を選択的に加熱するように設けられていてもよい。この場合、平坦化手段によって立体造形粉体を積層する前に、予め立体造形粉体を加熱しておくことによって、ステージ面上の立体造形粉体を均一に加熱することができ、均一に乾燥させることができる。また、立体造形粉体が積層された後の乾燥のプロセスを省略することができる。

前記立体造形装置において、前記加熱制御手段は、前記供給部に前記立体造形粉体を供給する前記粉体供給手段において前記立体造形粉体を加熱するように設けられていてもよい。この場合、供給部に立体造形粉体を供給する粉体供給手段の内部において立体造形粉体を加熱し、乾燥させる。積層された立体造形粉体を加熱する場合と比べて、より多くの立体造形粉体を均一に加熱することができる。

前記立体造形装置において、前記加熱制御手段は、前記供給部より前記立体造形粉体が落下する位置である粉体落下部を加熱するように設けられていてもよい。この場合、供給部にある立体造形粉体の全てを加熱する必要はなく、供給部から粉体落下部に落下した立体造形粉体のみを加熱し、乾燥させることができる。平坦化手段による平坦化に必要な量の立体造形粉体を加熱すればよいので、効率的に立体造形物を造形することができる。

前記立体造形装置において、前記加熱手段は前記平坦化手段に設けられており、前記平坦化手段は平坦化ローラからなり、前記加熱制御手段は、前記平坦化ローラを加熱するように前記加熱手段を制御してもよい。この場合、平坦化ローラによる平坦化と加熱手段の加熱による乾燥を同時に行うことができるので、立体造形物を造形する時間を短縮することができる。

前記立体造形装置において、前記平坦化手段によって形成された前記粉体層に前記吐出手段により前記造形液を吐出して前記立体造形粉体を固化して前記造形層を造形している場合において、前記加熱制御手段は、前記造形層の前記印刷領域を加熱するように前記加熱手段を制御してもよい。この場合、立体造形粉体を固化して造形層を造形している場合、印刷領域のみを加熱することによって、効率的に立体造形物を造形することができる。

前記立体造形装置において、前記加熱手段は、赤外線ランプが用いられ、前記吐出手段の近辺に装着されており、前記加熱制御手段は、前記吐出手段により造形された直後の前記造形層の前記印刷領域を加熱するように前記加熱手段を制御してもよい。この場合、吐出手段の移動方向の後方側に設けられた赤外線ランプによって、吐出手段により造形された直後の造形層を加熱することができる。造形層が造形された直後に乾燥することができるので、効率的に立体造形物を造形することができる。

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。 図２におけるＡ−Ａ線矢視方向断面図である。 粉体供給部１５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。 粉体落下部７４に供給された立体造形粉体７５を示す図である。 平坦化ローラ１６によって平坦化される立体造形粉体７５を示す図である。 立体造形装置１の電気的構成を示すブロック図である。 印刷面積テーブル３２１の概念図である。 加熱位置テーブル３２２の概念図である。 第一加熱データ作成処理のフローチャートである。 積層ピッチテーブル３２３の概念図である。 第二加熱データ作成処理のフローチャートである。 赤外線ランプ４９Ａ、４９Ｂが造形層を加熱する例を示した図である。

以下、本発明の第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。以下の説明では、図１及び図２の紙面左下側、右上側、左側、右側、上側、下側を、それぞれ立体造形装置１の前側、後側、左側、右側、上側、下側と定義して説明する。また、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。

本発明の立体造形装置１は、造形層を乾燥させつつ立体造形物を造形する。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、立体造形物の形状を示す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、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は造形データを他のデバイスから取得し、作業者は立体造形装置１が取得した造形データを編集することができる。

図１に示すように、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、粉体回収部２３、赤外線ランプ４９Ａ、４９Ｂ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を備えている。ステージ１１の上面をステージ面１１０という（図２参照）。ステージ面１１０上で立体造形物が造形される。粉体供給部１５は、造形台６の供給面１４（後述）上に立体造形粉体を供給する。例えば、この供給される立体造形粉体は、粉体加熱部５０（後述）により加熱可能である。平坦化ローラ１６は、供給面１４上に供給された立体造形粉体をステージ面１１０上に拡げつつ、立体造形粉体の表面を平坦化して立体造形粉体の層（以下、「粉体層」という。）を形成する。また、平坦化ローラ１６は、回転軸１７の内部に左右方向に延びる棒状の加熱部１１６（図５、６参照）を備え、内部に立体造形粉体をステージ面１１０上に拡げながら加熱することが可能である。ヘッド２０は、ステージ面１１０上に形成された粉体層に造形液を吐出する。ヘッド２０には、左右に赤外線ランプ４９Ａ、４９Ｂが設けられている。粉体回収部２３は、ステージ面１１０上で固化せずに残存した立体造形物周辺の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枠部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の前端部に設けられた支持部４と、後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（図２参照）の各々を貫通する。さらに、土台２の後端部には、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９参照）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のステージ面１１０に対して前後方向（ステージ面１１０と平行な方向）に相対移動する。

図２に示すように、枠部９は、略立方体の箱型形状を成す。枠部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を備えている。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ている。ステージ１１の周囲には、前側の壁部である前壁９０１、後側の壁部である後壁９０２、左側の壁部である左壁９０３、及び右側の壁部である右壁９０４が設けられている。各壁９０１〜９０４は、ステージ保持部１０の一部であり、ステージ面１１０に接し、且つステージ面１１０の昇降範囲の外周を取り囲む。枠部９の上面の前部には、粉体供給部１５から立体造形粉体が供給される供給面１４が設けられている。言い換えると、供給面１４は、ステージ面１１０の前端部の外側に設けられている。供給面１４は、前方に向けて突出している。

枠部９の右側面には、未硬化粉体をステージ保持部１０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の後方には、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、平坦化ローラ１６によって粉体層を形成する際に余っ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４〜図６参照）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。

図３に示すように、ステージ１１は、上部ステージ５１および下部ステージ５２を備える。上部ステージ５１は矩形板状の部材であり、水平に配置される。上部ステージ５１には、上下方向に貫通する孔７１（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と略同一形状の板状部材であり、上部ステージ５１の下方において上部ステージ５１と平行に配置される。下部ステージ５２にも、上部ステージ５１と同様に複数の孔（図示せず）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７１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７１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７１が設けられている位置では、立体造形粉体は孔７１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。よって、上部ステージ５１から落下した立体造形粉体は、下部ステージ５２の上面に堆積する。その結果、ステージ面１１０上に立体造形粉体が堆積する。

下部ステージ５２の下方には、上部ステージ５１および下部ステージ５２を支持する受け皿５３が設けられている。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。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。

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９参照）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に接続している受け皿５３が昇降する。その結果、受け皿５３によって支持されているステージ１１が昇降する。

立体造形装置１は、立体造形物を造形する場合、回収口６５よりも高い位置にステージ１１を位置させる。詳細には、立体造形装置１は、昇降範囲の上部からステージ面１１０を、造形、粉体平坦化を繰り返し、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て、誘導口５５を回収口６５に連結する。次いで、粉体吸引モータを駆動し、受け皿５３上や、孔７１より未硬化の粉体を吸引させ、ステージ１１に未硬化粉体が無くなるまで吸引を続ける。吸引された未硬化粉体は、誘導口５５および回収口６５を通じて回収される。

粉体供給部１５について説明する。図４に示すように、粉体供給部１５は、箱状部材１５１、粉体供給ローラ１５２、シャッター１５３、及び加熱部１１５を備えている。なお、図４では、粉体供給部１５に固定されている板状のブレード１８（図５参照）の図示は省略している。箱状部材１５１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。箱状部材１５１の下端には、左右方向に長い矩形状の開口１５４が設けられている。左右方向に延びる円柱状の粉体供給ローラ１５２は、箱状部材１５１の下端の開口１５４の内側に回転可能に設けられている。粉体供給ローラ１５２の回転軸（図示外）は、箱状部材１５１に回転可能に支持されている。粉体供給ローラ１５２の外周面には、左右方向（つまり、粉体供給ローラ１５２の軸線方向）に長く、且つ粉体供給ローラ１５２の中心に向かって凹んだ凹部１５５が設けられている。凹部１５５には、箱状部材１５１の内部に収納された立体造形粉体が溜まる。粉体供給ローラ１５２の凹部１５５以外の外周面は、箱状部材１５１の下端の開口１５４に隙間無く接触している。このため、箱状部材１５１に収容された立体造形粉体は、粉体供給ローラ１５２の凹部１５５以外の外周面と開口１５４との間からは落下しない。粉体供給ローラ１５２は、粉体供給モータ４４（図９参照）の駆動によって一方向及び逆方向に回転する。粉体供給ローラ１５２が回転すると凹部１５５に溜まった立体造形粉体が供給面１４に落下する。

シャッター１５３は、粉体供給ローラ１５２の下側において、粉体供給ローラ１５２の外周側面に沿って設けられている。シャッター１５３の左右方向の長さは、粉体供給ローラ１５２と略同一である。シャッター１５３は、シャッター駆動モータ４７（図９参照）の駆動によって、左右方向に移動し、粉体供給ローラ１５２の凹部１５５を開閉する。加熱部１１５は、粉体供給部１５の内部にあって、左右方向に延びる棒状に形成されている。また、加熱部１１５は、粉体供給部１５の中の立体造形粉体を加熱することが可能である。

シャッター１５３が最も左端まで移動した場合、シャッター１５３によって、粉体供給ローラ１５２の外周側面の下部が全て覆われる。このため、仮に粉体供給ローラ１５２が回転しても、凹部１５５に溜まった立体造形粉体が下方に落下することがない。一方、シャッター１５３が右方向に移動した場合、図４に示すように、シャッター１５３が移動した左右方向（Ｘ軸方向）の長さ分、粉体供給ローラ１５２の外周面の下部が下方に露出される。このため、粉体供給ローラ１５２が回転すると、凹部１５５に溜まった立体造形粉体のうち、外部に露出する凹部１５５の左部（シャッター１５３が移動した左右方向の長さに対応する部分）から、粉体が落下する。これによって、シャッター１５３が移動した左右方向の長さ分の立体造形粉体が供給面１４に供給される。このように、本実施形態では、シャッター１５３を移動させることで、確実に立体造形粉体の供給位置を変更できる。

平坦化ローラ１６について説明する。平坦化ローラ１６は、造形台６のステージ面１１０に対して、ステージ面１１０に平行な一方向（本実施形態では、後方向。以下、「平坦化方向」という。）に相対移動することで、供給面１４上に供給された立体造形粉体をステージ面１１０上に均一に拡げつつ、粉体層を形成する。図５および図６に示すように、平坦化ローラ１６の回転軸１７は、ステージ面１１０と平行且つ平坦化方向に直交する方向（本実施形態ではＸ軸方向）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９参照）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６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、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、供給面１４に載置された立体造形粉体は、平坦化ローラ１６によってステージ面１１０に均一に拡げられつつ、平坦化される。また、上述したように、平坦化と同時に加熱部１１６による加熱を行うことも可能である。尚、加熱部１１６は、平坦化ローラ１６の内部にあって左右方向に延びる棒状に形成されているが、平坦化ローラ１６の表面近く内側に筒状に左右方向に形成されてもよい。

図５および図６に示すように、粉体供給部１５の箱状部材１５１の正面には板状のブレード１８が固定されている。平坦化ローラ１６の表面に付着した立体造形粉体は、ブレード１８によって除去される。

ヘッド２０（図１参照）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（無色の造形液）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９参照）の制御によって、各色の造形液を粉体層に吐出する。なお、前記ヘッド２０は、造形液用のクリアヘッドと着色用のヘッドを含めばいかなるものであってもよく、例えば、シアンヘッド、マゼンタヘッド、イエローヘッド、クリアヘッドの合計４つのヘッドを備えていてもよい。この場合、印刷用のブラックヘッドをクリアヘッドとして代用することでも実施でき、量産などによる低コスト化が期待できる。尚、ヘッド２０には、左右に赤外線ランプ４９Ａ、４９Ｂが設けられているが、詳しくは後述する。

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Ｘ軸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の左側面に接続されている。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９参照）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。

図１に示すように、粉体回収部２３は、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および図３参照）内の未硬化粉体を吸引するための粉体吸引ポンプ４８（図９参照）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、図３、および図６参照）および粉体回収部２３を通じて、粉体供給部１５の箱状部材１５１に戻される。

次に、図７、８を参照して、造形層７６を形成する前に、立体造形粉体７５を粉体加熱部５０によって加熱する例について説明する。図７、８は、図１における立体造形装置を右側面から見た図である。図７に示すように、粉体加熱部５０は、粉体供給部１５の加熱部１１５、平坦化ローラ１６の加熱部１１６、粉体落下部７４に落下した立体造形粉体７５を加熱する左右方向に長い角柱状に形成された加熱部７３を含む。粉体供給部１５の加熱部１１５は、粉体供給部１５の中にある立体造形粉体７５を加熱する。粉体供給部１５で加熱された立体造形粉体７５が粉体落下部７４に落下し、平坦化ローラ１６によってＱ方向（図８参照）に平坦化される。

また、平坦化ローラ１６の加熱部１１６は、ステージ面１１０において、粉体供給部１５から粉体落下部７４に落下した立体造形粉体７５をQ方向に平坦化しながら加熱する。また、加熱部７３は、粉体供給部１５から粉体落下部７４に落下した立体造形粉体７５を加熱する。粉体落下部７４で加熱された立体造形粉体７５は、平坦化ローラ１６によってＱ方向に平坦化される。例えば、粉体加熱部５０の一例として、石英管ヒータ等を利用することがある。尚、粉体加熱部５０は、加熱部１１５、加熱部１１６、加熱部７３のうち少なくとも一つを含む構成であってもよい。また、粉体加熱部５０は、全体加熱だけでなく、左右方向に領域を選択して加熱できるよう、左右方向に分割配置されていてもよい。

図９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、粉体吸引ポンプ４８、操作パネル２７、外部通信Ｉ／Ｆ３７、および加熱制御部３８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、及びシャッター駆動モータ４７の各々の動作を制御する。また、ＲＯＭ３２は、テーブル記憶領域３２０を備えている。加熱制御部３８は、粉体加熱部５０を制御する。例えば、粉体加熱部５０は、電気ヒータにより加熱を行う構造であって、石英管ヒータなどが利用される。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し、造形液を吐出する。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１０を参照して、印刷面積テーブル３２１について説明する。立体造形装置１のＣＰＵ３０は、印刷面積テーブル３２１を参照し、ヘッド２０により印刷される印刷面積に応じて粉体加熱部５０の加熱温度や加熱時間を制御する。この印刷面積テーブル３２１は、予め実験を行って最適な加熱条件となるように定められている。印刷面積テーブル３２１は、立体造形装置１のＲＯＭ３２のテーブル記憶領域３２０に記憶されている。印刷面積テーブル３２１には、印刷面積と、加熱条件である加熱温度と加熱時間とが各々対応づけられて記憶されている。印刷面積は、ステージ面１１０上に形成された粉体層のXY面における印刷面積である。加熱温度は、例えば、印刷前に、粉体供給部１５の中にある立体造形粉体を加熱部１１５（図７参照）により加熱する温度である。加熱時間は、例えば、印刷前に、粉体供給部１５の中にある立体造形粉体を加熱部１１５により加熱する時間である。例えば、印刷面積が１ｃｍ^２以上〜５ｃｍ^２未満の場合、加熱温度は５０℃、加熱時間は１０秒となるように加熱制御部３８は粉体加熱部５０である加熱部１１５を制御する。また、印刷面積が１ｃｍ^２未満の場合、加熱を行わないようにするため、加熱制御部３８は加熱部１１５による加熱を行わないように制御する。尚、加熱温度（加熱強度）は、所定の値で一定で、加熱時間のみ印刷面積に応じて決められていてもよいし、また、加熱時間は、一定であったり、特に、規定しないで、加熱温度（加熱強度）のみ印刷面積に応じて決められていてもよい。

図１１を参照して、加熱位置テーブル３２２について説明する。立体造形装置１のＣＰＵ３０は、加熱位置テーブル３２２を参照し、ヘッド２０により印刷されるステージ面１１０上の位置に応じて粉体加熱部５０による加熱の位置を制御する。この加熱位置テーブル３２２は、予め実験を行って最適な加熱条件となるように定められている。加熱位置テーブル３２２は、立体造形装置１のＲＯＭ３２のテーブル記憶領域３２０に記憶されている。加熱位置テーブル３２２には、例えば、ステージ面１１０に形成された粉体層の位置と、平坦化ローラ１６の加熱部１１６による加熱位置が対応付けられて記憶されている。例えば、加熱部１１６が加熱する位置は、ステージ面１１０の左部１１０Ｌ、中央部１１０Ｃ、右部１１０Ｒの３つであり、加熱をする場合はＯＮ、加熱を行わない場合はＯＦＦである。例えば、ステージ面１１０内の粉体層の位置が左部１１０Ｌと中央部１１０Ｃである場合、つまりＬ＋Ｃである場合、左部１１０Ｌと中央部１１０Ｃに対応する位置を加熱するように加熱制御部３８は加熱部１１６を制御する。

図１２を参照して、立体造形装置１が実行する第一加熱データ作成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１２に示す第一加熱データ作成処理を実行する。

図１２に示すように第１加熱データ作成処理では、まず、作業者によって指定された立体造形物の形状を示す造形データが取得される（Ｓ１）。なお、この造形データは、予めＰＣ１００に備えられているハードディスク（ＨＤＤ）等に記憶されている造形データでもよいし、作業者が作成した三次元形状のデータであってもよい。次いで、立体造形物を造形する際の積層ピッチが、作業者による操作パネル２７の操作によって決定される（Ｓ２）。例えば、操作パネル２７に表示された８０μｍ、１００μｍ、２００μｍを表す３つのアイコンから作業者が選択することによって積層ピッチが決定される。積層ピッチが小さいほど、立体造形物を造形するのに要する時間はかかるが、立体造形物をより精密に造形することができる。ＣＰＵ３０は、Ｓ２で決定された積層ピッチに従って、Ｓ１において取得された造形データを層別に分割する（Ｓ３）。例えば、立体造形物のＺ軸方向の長さが１ｃｍ、積層ピッチが１００μｍである場合、層の全数は１００になる。次いで、ＣＰＵ３０は、積層順Ｎを１に設定する（Ｓ４）。ＣＰＵ３０は、積層順Ｎのステージ面１１０における印刷面積を積層順Ｎの造形データを参照して算出する（Ｓ５）。

ＣＰＵ３０は、テーブル記憶領域３２０に記憶されている印刷面積テーブル３２１（図１０参照）に従って加熱条件を決定する（Ｓ６）。Ｓ５において算出された印刷面積に従い、印刷面積テーブル３２１を参照して、加熱温度、加熱時間を決定する。例えば、印刷面積が５ｃｍ^２以上〜２５ｃｍ^２未満の場合、加熱温度は６０℃、加熱時間は２０秒である。ＣＰＵ３０は、積層順Ｎの造形データを参照してステージ面１１０内の印刷位置を算出する（Ｓ７）。テーブル記憶領域３２０に記憶されている加熱位置テーブル３２２（図１１参照）に従って加熱位置を決定する（Ｓ８）。Ｓ７において算出された印刷位置に従い、加熱位置テーブル３２２を参照して加熱位置を決定する。例えば、ステージ面１１０内の印刷位置がＣ＋Ｒである場合、ステージ面１１０の中央部１１０Ｃと右部１１０Ｒに対応する位置を加熱するように加熱制御部３８は加熱部１１６を制御する。ＣＰＵ３０は、全ての層の加熱条件、加熱位置を決定したか否を判断する（Ｓ９）。ＣＰＵ３０は、全ての層の加熱条件、加熱位置を決定していないと判断した場合（Ｓ９：ＮＯ）、積層順Ｎがインクリメントされて（Ｓ１０）、処理はＳ５に戻り、一つ上の層の造形データに対応する加熱データが作成される（Ｓ５〜Ｓ８）。ＣＰＵ３０は、全ての層の加熱条件、加熱位置を決定したと判断した場合（Ｓ９：ＹＥＳ）、決定された加熱条件、加熱位置を乾燥条件としてＲＡＭ３１に記憶させ、第一加熱データ作成処理を終了する。第一加熱データ作成処理において決定されＲＡＭ３１に記憶された乾燥条件に基づいて印刷を実行する。また、各層の造形の間に加熱条件を決め、加熱してもよい。例えば、Ｓ５の処理の前に加熱を実行する処理があってもよい。

以上説明したように、本実施形態の立体造形装置１では、ステージ面１１０に印刷される印刷面積の大きさに従って、粉体加熱部５０による加熱温度、又は加熱時間を制御することができる。また、粉体加熱部５０は、ステージ面１１０を左部１１０Ｌ、中央部１１０Ｃ、右部１１０ＲというＸ軸の方向に分割した領域に分けられており、加熱制御部３８は、印刷領域を含む領域のみを選択的に加熱するように粉体加熱部５０を制御する。例えば、右部１１０Ｒに印刷される場合には、右部１１０Ｒを加熱するように、加熱制御部３８は、粉体加熱部５０を制御する。印刷面積の大きさ、積層ピッチの大きさや印刷位置に従って加熱制御部３８が粉体加熱部５０を制御することによって立体造形装置１による立体造形物の造形を短時間に効率良く行うことができる。

また、上記第一実施形態に種々の変更を加えることも可能である。以下の説明では、第一実施形態の変形例である第二実施形態について説明する。

図１３、１４を参照して、第二実施形態について説明する。第二実施形態では、第二加熱データ作成処理が、積層ピッチテーブル３２３（図１３参照）と加熱位置テーブル３２２（図１１参照）を参照して実行される。

図１３を参照して、積層ピッチテーブル３２３について説明する。立体造形装置１のＣＰＵ３０は、積層ピッチテーブル３２３を参照し、ステージ面１１０上に形成される粉体層のＺ軸方向における粉体層の厚みに応じて粉体加熱部５０の加熱温度や加熱時間を制御する。この積層ピッチテーブル３２３は、予め実験を行って最適な加熱条件となるように定められている。積層ピッチテーブル３２３は、立体造形装置１のＲＯＭ３２のテーブル記憶領域３２０に記憶されている。積層ピッチテーブル３２３には、積層ピッチと、加熱条件である加熱温度と加熱時間とが各々対応づけられて記憶されている。積層ピッチは、ステージ面１１０上に形成された粉体層のＺ軸方向おける粉体層の厚みである。加熱温度は、粉体加熱部５０によって加熱、乾燥されるステージ面１１０に形成された粉体層の温度である。加熱時間は、ステージ面１１０に形成された粉体層を乾燥する場合における粉体加熱部５０による加熱の時間である。例えば、積層ピッチが１００μｍの場合、加熱温度は６０℃、加熱時間は２０秒となるように加熱制御部３８は粉体加熱部５０を制御する。

図１４を参照して、立体造形装置１が実行する第二加熱データ作成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１４に示す第二加熱データ作成処理を実行する。

図１４に示すように第二加熱データ作成処理において実行されるＳ２１〜Ｓ２４の処理は、上述した第一加熱データ作成処理のＳ１〜Ｓ４と同じ処理である。次いで、ＣＰＵ３０は、テーブル記憶領域３２０に記憶されている積層ピッチテーブル３２３（図１３参照）に従って、加熱条件を決定する（Ｓ２５）。ＣＰＵ３０は、Ｓ２２において決定された積層ピッチに従い、積層ピッチテーブル３２３を参照して、加熱温度、加熱時間を決定する。例えば、積層ピッチが２００μｍの場合、加熱温度は７０℃、加熱時間は３０秒である。続いて実行されるＳ２６〜Ｓ２９の処理は、上述した第一加熱データ作成処理のＳ７〜Ｓ１０の処理と同じ処理である。

以上説明したように、第二実施形態の立体造形装置１では、第一実施形態の立体造形装置と異なる特徴として、ステージ面１１０に印刷される粉体層の積層ピッチの大きさによって粉体加熱部５０による加熱の条件を決定しており、積層ピッチが大きくなるほど、加熱温度を上げ、加熱時間を長くするように粉体加熱部５０の加熱温度や加熱時間を制御している。従って、積層ピッチの大きさが大きい場合であっても、粉体加熱部５０の加熱条件を制御することによって立体造形装置１による立体造形物の造形を短時間に効率良く行うことができる。

以上の第一実施形態、第二実施形態では、造形層７６を間接的に加熱し、乾燥を促進する例を説明してきたが、次に、図１５を参照して、造形層７６を、直接、乾燥させる例（第三実施形態）について説明する。図１５は、図１における立体造形装置１を前面から見た図である。ステージ面１１０には第一粉体層１１１、第二粉体層１１２、第三粉体層１１３が形成されている。第一粉体層１１１は、第二粉体層１１２の上に堆積された立体造形粉体７５にヘッド２０から造形液７７が吐出されることによって形成される造形層７６が形成されている。同様に、第二粉体層１１２は、第三粉体層１１３の上に堆積された立体造形粉体７５にヘッド２０から造形液７７が吐出されることによって形成される造形層（図示外）が形成されている。加熱手段によって、最上層に形成された造形層は加熱され、乾燥が促進される。例えば、図８に示す、造形層７６は赤外線ランプ４９Ａ、又は４９Ｂによって加熱され、乾燥が促進される。

加熱制御部３８は、ステージ面１１０へ印刷する際のヘッド２０の移動する方向に従って、赤外線ランプ４９Ａ、又は４９Ｂの点灯、消灯を制御する。赤外線ランプ４９Ａ、４９Ｂは、ヘッド２０の近傍に取り付けられており、印刷と同期して加熱時間や加熱位置を制御することができる。印刷方向がＡ方向の場合は赤外線ランプ４９Ａを点灯し、印刷方向がＢ方向の場合は赤外線ランプ４９Ｂを点灯する。印刷後の印刷位置を加熱するように赤外線ランプ４９Ａ、又は４９Ｂを制御し、印刷と乾燥の工程を並行して進めることができる。これにより、立体造形物の造形の効率を上げることができる。尚、造形層７６を直接、加熱し乾燥させる別の例として、平坦化ローラ１６の前方（平坦化によって前方に押し出された粉体よりさらに前方）に平坦化ローラ１６と連動し、平坦化ローラ１６とほぼ同一の幅の領域を照射可能な赤外線ランプを備えていてもよい。この場合、印刷領域を通過する箇所の赤外線ランプのみを作動させることによって乾燥領域を限定することができ、効率良く乾燥をすることができる。尚、造形層を直接的、間接的に乾燥させるために、第一実施形態、第二実施形態、第三実施形態のいずれを採用してもよく、例えば、第一実施形態または、第二実施形態を採用する場合は、赤外線ランプ４９Ａ、４９Ｂを省いてよい。また、より乾燥を速めるために、全ての実施形態を採用してもよいことは言うまでもない。

上記第一、第二実施形態において、立体造形装置１が、本発明の「立体造形装置」に相当する。供給面１４が、本発明の「供給部」に相当する。粉体供給部１５が、本発明の「粉体供給手段」に相当する。平坦化ローラ１６が、本発明の「平坦化手段」に相当する。ヘッド２０が、本発明の「吐出手段」に相当する。加熱制御部３８が、本発明の「加熱制御手段」に相当する。ステージ昇降モータ４２が、本発明の「昇降手段」に相当する。赤外線ランプ４９Ａ、赤外線ランプ４９Ｂ、加熱部１１５、加熱部１１６、及び加熱部７３が、本発明の「加熱手段」に相当する。粉体落下部７４が、本発明の「粉体落下部」に相当する。ステージ面１１０が、本発明の「ステージ面」に相当する。印刷面積テーブル３２１が、本発明の「印刷面積記憶手段」に相当する。加熱位置テーブル３２２が、本発明の「加熱位置記憶手段」に相当する。Ｓ５の処理を実行するＣＰＵ３０が、本発明の「印刷面積算出手段」に相当する。Ｓ８の処理を実行するＣＰＵ３０が、本発明の「加熱位置決定手段」に相当する。Ｓ９の処理を実行するＣＰＵが３０、本発明の「加熱条件決定手段」に相当する。

なお、上記第一、第二実施形態で示した立体造形データ作成処理を、メーカが保有するサーバ等で実行してもよい。この場合、サーバが本発明の「立体造形データ作成処理」に相当する。

１ 立体造形装置
１４ 供給面
１５ 粉体供給部
１６ 平坦化ローラ
２０ ヘッド
３０ ＣＰＵ
３８ 加熱制御部
４２ ステージ昇降モータ
４９Ａ 赤外線ランプ
４９Ｂ 赤外線ランプ
５０ 粉体加熱部
７３ 加熱部
１１５ 加熱部
１１６ 加熱部
７４ 粉体落下部
１１０ ステージ面
３２１ 印刷面積テーブル
３２２ 加熱位置テーブル

Claims (11)

1. 造形液と混合することで固化する立体造形粉体が載置されるステージ面と、
   前記ステージ面又は前記ステージ面の一端部の外側に設けられ、前記立体造形粉体が供給される供給部と、
   前記供給部に前記立体造形粉体を供給可能な粉体供給手段と、
   前記ステージ面に対し、前記ステージ面に平行な一方向である第一方向に相対移動することで、前記粉体供給手段によって前記供給部に供給された前記立体造形粉体を前記ステージ面上に拡げつつ、前記立体造形粉体の表面を平坦化して前記立体造形粉体の層である粉体層を形成可能な平坦化手段と、
   前記平坦化手段によって形成された前記粉体層に前記造形液を吐出して前記立体造形粉体を固化して造形層を造形可能な吐出手段と、
   前記ステージ面に垂直な方向における、前記ステージ面と前記平坦化手段との間の距離を変更する昇降手段とを備え、
   立体造形物の形状を示す造形データに基づき、前記粉体供給手段による前記立体造形粉体の供給と、前記平坦化手段による前記粉体層の形成と、前記吐出手段による前記造形層の造形と、前記昇降手段による前記ステージ面と前記平坦化手段との間の距離の変更とを繰り返すことで、前記造形層が積層された前記立体造形物を作成する立体造形装置であって、
   前記ステージ面に造形された前記造形層を乾燥させるために前記造形層又は前記立体造形粉体を加熱する加熱手段と、
   前記ステージ面において、前記加熱手段によって加熱される前記造形層の加熱位置を前記造形データに基づき決定する加熱位置決定手段と、
   前記加熱手段による加熱強度、又は加熱時間である加熱条件を前記造形データに基づき決定する加熱条件決定手段と、
   前記加熱位置決定手段にて決定された前記加熱位置と、前記加熱条件決定手段により決定される前記加熱条件とに基づいて、前記加熱手段を制御する加熱制御手段と
   を備えることを特徴とする立体造形装置。
2. 前記ステージ面において、前記造形層の印刷領域の面積を算出する印刷面積算出手段を備え、
   前記印刷面積算出手段によって算出された前記造形層の前記印刷領域の面積に応じて、前記加熱条件決定手段は前記加熱条件を決定することを特徴とする請求項１に記載の立体造形装置。
3. 前記印刷面積算出手段によって算出された前記造形層の前記印刷領域の面積が所定値より小さい場合、前記加熱条件決定手段は前記加熱手段による加熱の加熱温度を下げる、又は加熱時間を短くするように前記加熱条件を決定することを特徴とする請求項２に記載の立体造形装置。
4. 前記造形層の積層ピッチに応じて、前記加熱条件決定手段は前記加熱条件を決定することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の立体造形装置。
5. 前記積層ピッチ記憶手段が記憶している前記造形層の前記積層ピッチが所定値より小さい場合、前記加熱条件決定手段は前記加熱手段による加熱の加熱温度を下げる、又は加熱時間を短くするように前記加熱条件を決定することを特徴とする請求項４に記載の立体造形装置。
6. 前記加熱手段は、前記平坦化手段によって前記粉体層として積層される前記立体造形粉体を選択的に加熱するように設けられている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. 前記加熱制御手段は、前記供給部に前記立体造形粉体を供給する前記粉体供給手段において前記立体造形粉体を加熱するように設けられていることを特徴とする請求項６に記載の立体造形装置。
8. 前記加熱制御手段は、前記供給部より前記立体造形粉体が落下する位置である粉体落下部を加熱するように設けられていることを特徴とする請求項６又は７に記載の立体造形装置。
9. 前記加熱手段は前記平坦化手段に設けられており、
   前記平坦化手段は平坦化ローラからなり、前記加熱制御手段は、前記平坦化ローラを加熱するように前記加熱手段を制御することを特徴とする請求項６から８のいずれかに記載の立体造形装置。
10. 前記平坦化手段によって形成された前記粉体層に前記吐出手段により前記造形液を吐出して前記立体造形粉体を固化して前記造形層を造形している場合において、前記加熱制御手段は、前記造形層の前記印刷領域を加熱するように前記加熱手段を制御する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。
11. 前記加熱手段は、赤外線ランプが用いられ、前記吐出手段の近辺に装着されており、
    前記加熱制御手段は、前記吐出手段により造形された直後の前記造形層の前記印刷領域を加熱するように前記加熱手段を制御することを特徴とする請求項１０に記載の立体造形装置。

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