JP2015009495A - 三次元造形体およびサポート形成方法 - Google Patents

三次元造形体およびサポート形成方法 Download PDF

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Abstract

【課題】造形物を適切に支持することができる三次元造形体およびサポート形成方法の提供を図る。
【解決手段】造形テーブル４上に積層された造形材料３と、前記造形材料内に形成された造形物１１ａ〜１１ｃと、前記造形材料内に形成され、前記造形物に対して所定の間隙ｄ０、ｄ１を介して設けられたサポート２３ａ，２３ｂは板状サポート、２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂと、を有するように構成する。
【選択図】図３

Description

本明細書で言及する実施例は、三次元造形体およびサポート形成方法に関する。
近年、光造形法や粉末造形法、或いは、ＦＤＭ法(Fused Deposition Modeling：熱溶解積層法)などを適用した三次元積層造形装置(いわゆる、３Ｄプリンター)が注目されている。
このような三次元積層造形装置では、造形物(モデル)を作成する際、その造形物が変形しないよう、造形物を支持するサポート(支持部材)も同時に造形する手法が知られている。なお、サポートは、造形終了後に取り外して処分される。
具体的に、光造形法としては、例えば、造形浴に入れた液状の光硬化性樹脂(流動性材料)の液面に所望のパターンが得られるようにコンピュータ制御された光(例えば、紫外線レーザー)を選択的に照射して、光硬化性樹脂を硬化させる。さらに、その光硬化した層の上に１層分の光硬化性樹脂を供給して、再び光を照射して光硬化性樹脂を硬化させ、同様の処理を繰り返して目的とする造形物を形成する。
このような液状の光硬化性樹脂を用いる光造形法において、例えば、造形物のオーバーハング部などでは、光照射により硬化した部分を未硬化の樹脂で支えることができないため、ダレや変形が生じる虞がある。
そこで、例えば、光造形法を適用した三次元積層造形装置では、通常、流動性材料を使用するため、光照射により硬化したオーバーハング部などを支持するサポートは不可欠なものとなっている。さらに、造形物が造形テーブルに固着するといった不都合を避けるためにもサポートが必要とされている。
このように、例えば、光造形法を適用した三次元積層造形装置において、サポートは不可欠なものであるが、このサポートは、本質的に邪魔なものであるため、より小さく、より取り外しやすく造形するのが好ましい。
また、ＦＤＭ法を適用した三次元積層造形装置は、例えば、糸状の熱可塑性樹脂を造形ヘッド内のヒータで溶融し、その溶融された熱可塑性樹脂を射出制御すると共に、造形テーブルの昇降により積層造形するものである。
このＦＤＭ法を適用した三次元積層造形装置でも、造形物の形状によっては、その形状物の自重に勝てずに撓んでしまうため、例えば、造形物の材料(モデル材)とは別にサポートを形成するための材料(サポート材)が必要となる。
ＦＤＭ法を適用した三次元積層造形装置では、通常、複数の樹脂(糸状の樹脂)を使用することができるため樹脂の取り外しは容易になるが、例えば、加工が困難な個所にサポートを設ける場合などでは、サポートの取り外しに困難を来すこともある。
さらに、例えば、アルカリ溶液を利用してサポートを溶解させて除去することが行われているが、これは、操作が煩雑になるだけでなく、アルカリ溶液の処理といった危険を伴うことにもなる。
ところで、従来、三次元積層造形装置により造形物を形成するときのサポート形成技術としては、様々な提案がなされている。
国際公開第０９／１３６０４７号パンフレット 特開平０８−０２５４８７号公報 特開２０００−３０９０５７号公報
上述したように、一般的な光造形法を適用した三次元積層造形装置において、サポートの使用は不可欠である。これに対して、非流動性状態とされた光硬化性樹脂を利用する光造形法を適用した三次元積層造形装置が提案されている。
この非流動性状態とされた光硬化性樹脂を利用する光造形法を適用した三次元積層造形装置は、例えば、所定の融解温度の液状の光硬化性樹脂を用いて造形物を形成するとき、光照射により硬化されたのと同じ層の光硬化性樹脂をその融解温度未満の温度として固化状態に保ち、その表面上に、１層分の光硬化性樹脂を供給して光照射を行うことで、造形物におけるダレなどの変形を防止せんとするものである。なお、固化状態とは、非流動性の状態のことであり、例えば、ワックス状、ゼリー状およびゲル状なども含む。
しかしながら、このような三次元積層造形装置は、例えば、光硬化性樹脂をその融解温度未満の温度として非流動性の状態を利用するものであるが、例えば、造形物の形状が大きくて重く、非流動性の光硬化性樹脂によっても造形物が沈み込んでしまう場合、或いは、造形中に発生する内部応力による反りなどの変形が生じる場合などでは問題を生じる虞がある。
さらに、以下に述べる粉末造形法を適用した三次元積層造形装置と同様に、造形物の後処理を自動化する場合、造形物が不安定な形状の場合、或いは、複数の造形物を高さ方向(Ｚ方向)に重ねて形成する場合などでは、様々な問題を生じる虞がある。
すなわち、粉末造形法を適用した三次元積層造形装置、例えば、粉末焼結や粉末溶融、或いは、粉末インクジェット(Powder Bed and Inkjet Head 3D Printing)による三次元積層造形装置では、粉末が造形物の沈み込みや移動に抵抗するため、サポートは原理的には不要である。
しかしながら、例えば、造形物の後処理を自動化する場合、造形物が不安定な形状の場合、或いは、複数の造形物を高さ方向に重ねて形成する場合などでは、粉末(例えば、砂や金属粉末、石膏、澱粉、人工骨、プラスチック粉末など)を除去したとき、造形物が転倒し、或いは、複数の造形物が接触して破損するといった虞がある。
さらに、後処理を自動化しない場合でも、例えば、造形物の形状が大きくて重く、または、複数の造形物がある場合などでは、粉末を除去する作業者は、破損を避けながら造形物を扱わなければならず、大きな負担を受けることになる。さらに、例えば、造形物の形状が大きくて重い場合には、非流動性の粉末によっても造形物が沈み込んでしまう虞があり、また、造形中に発生する内部応力による反りなどの変形が生じる虞もある。
本実施形態は、三次元積層造形技術において、造形物を適切に支持することのできる三次元造形体およびサポート形成方法の提供を目的とする。
なお、本明細書において、三次元造形体とは、粉末造形法を適用して造形物を形成するとき、例えば、三次元積層造形装置の造形タンク内に形成される、造形物，サポートおよび結合剤が塗布されないか、レーザーもしくはサーマルヘッドにより焼結または溶融されずに残った粉末を含む全体を示す。この場合、目的とする造形物は、例えば、造形タンク内に形成された三次元造形体からサポートおよび粉末を取り除くことによって得られる。
さらに、本明細書において、三次元造形体とは、例えば、融解温度未満の温度とされた光硬化性樹脂のような非流動性材料を使用して造形物を形成するとき、例えば、三次元積層造形装置の造形タンク内に形成される、造形物，サポートおよび光硬化されずに残った光硬化性樹脂のような非流動性の造形材料(および、場合によっては、流動性の造形材料)を含む全体を示す。この場合、目的とする造形物は、例えば、造形タンク内に形成された三次元造形体からサポートおよび非流動性(および、流動性)の造形材料を取り除くことによって得られる。
本発明に係る第１実施形態によれば、造形テーブル上に積層された造形材料と、前記造形材料内に形成された造形物と、前記造形材料内に形成され、前記造形物に対して所定の間隙を介して設けられたサポートと、を有する三次元造形体が提供される。
また、本発明に係る第２実施形態によれば、造形テーブル上に、１層分の造形材料をコーティングする処理、および、該コーティングされた造形材料を処理して造形物の１層分を形成する処理を繰り返す三次元積層造形装置におけるサポート形成方法であって、前記造形物の１層分を形成するときに、該造形物と所定の間隙を介してサポートを形成するサポート形成方法が提供される。
開示の三次元造形体およびサポート形成方法は、造形物を適切に支持して形成することができるという効果を奏する。また、開示の三次元造形体およびサポート形成方法によれば、例えば、造形物の後処理を自動化する場合、造形物が不安定な形状の場合、或いは、複数の造形物を高さ方向に重ねて形成する場合などにおいて、造形物の破損を低減することができ、さらに、後処理を自動化しない場合でも、造形物の取り出しや非流動性材料を除去する作業者の負担を低減することが可能になる。
図１は、三次元積層造形装置の一例を概略的に示す斜視図である。 図２は、三次元造形体の一例を説明するための図である。 図３は、本発明に係る三次元造形体の第１実施例を説明するための図である。 図４は、図３に示す三次元造形体の変形例を示す図である。 図５は、図３に示す三次元造形体のさらに他の変形例を示す図である。 図６は、本発明に適用されるサポート形状の例を示す図である。 図７は、本発明に係る三次元造形体の第２実施例を、従来と比較して説明するための図である。 図８は、図７に示す造形物を形成するときのサポート形状の変形例を示す図である。 図９は、本発明に適用される造形物の他の例を説明するための図である。 図１０は、図９に示す造形物を含む三次元造形体を、従来および本実施例と比較して説明するための図である。 図１１は、本発明に適用される造形物のさらに他を含む三次元造形体を、従来および本実施例と比較して説明するための図である。 図１２は、造形物とサポートの関係の他の例を説明するための図である。 図１３は、造形物とサポートの関係のさらに他の例を説明するための図である。
まず、本発明に係る三次元造形体およびサポート形成方法の実施例を詳述する前に、図１および図２を参照して、粉末造形法を適用した三次元積層造形装置の一例、および、三次元積層造形装置により形成される三次元造形体、並びに、その問題点を説明する。
図１は、三次元積層造形装置の一例を概略的に示す斜視図であり、粉末造形法を適用した三次元積層造形装置１００の一例を示すものである。
図１に示されるように、三次元積層造形装置１００は、制御用コンピュータ１０１、プリンタヘッドユニット１０２、リコータユニット１０３、造形タンク１０４、昇降装置１０５、粉末供給ホッパーユニット１０６、クリーニングユニット１０７、および、薬品ユニット１０８を含む。ここで、造形タンク１０４には、昇降装置１０５によりＺ軸方向(高さ方向)の制御が行われる造形テーブル１４１が設けられている。
制御用コンピュータ１０１は、三次元データ(例えば、ＳＴＬデータ：Standard Triangulated Language Data)を入力とし、スライス処理やオフセット処理、および、ビットマップ変換処理などを行って、三次元積層造形装置１００の制御を行う。
プリンタヘッドユニット１０２は、例えば、ビットマップ化されたデータに基づいて結合剤(バインダー)を造形テーブル１４１上の粉末面に塗布(吐出)して一層分の造形を行う。なお、プリンタヘッドユニット１０２には、例えば、複数の吐出ノズルが設けられた複数のインクジェットヘッドが搭載されている。
ここで、プリンタヘッドユニット１０２は、例えば、造形テーブル１４１上の粉末面に対して、プリンタヘッド１２１をＸ軸方向(装置正面から見て左右方向)に移動させながら結合剤の塗布を行う。
さらに、１行のＸ軸の塗布作業が終わったら、プリンタヘッド１２１をＹ軸方向(装置正面から見て前後方向)に移動させ、再びプリンタヘッド１２１をＸ軸方向に移動させて結合剤の塗布を行う。このような処理を繰り返すことで、一層分の造形処理を行う。
なお、プリンタヘッド１２１は、例えば、造形テーブル１４１のＸ軸方向全体の長さを有するラインヘッドとして構成してもよい。この場合、プリンタヘッド１２１をＹ軸方向に移動させるだけで、造形テーブル１４１上の粉末全面に対する結合剤の塗布、すなわち、一層分の造形処理を行うことが可能になる。
そして、造形テーブル１４１上の粉末全面に対する一層分の造形処理が終了したら、例えば、昇降装置１０５により造形テーブル１４１をＺ軸方向(高さ方向)に降下させ、さらに、リコータユニット１０３をＹ軸方向に移動させながら、一層分の粉末をコーティングする。
ここで、リコータユニット１０３は、例えば、リコータ内ホッパー１３１および振動ブレード１３２を含む。リコータ内ホッパー１３１は、粉末供給ホッパーユニット１０６から供給された粉末を貯蔵する。
振動ブレード１３２は、リコータユニット１０３がＹ軸方向に移動しているときに動作し、リコータユニット１０３が移動中に造形テーブル１４１上に粉末を密に、かつ、水平(Ｘ−Ｙ平面)となるように供給する。なお、昇降装置１０５により造形テーブル１４１を降下させる量(高さ)と、リコータユニット１０３によりコーティングする粉末の厚さ(積層ピッチ)は一致するように制御される。
以上の処理を繰り返し行うことで、造形タンク１０４内において、最終的な造形物が完成する。すなわち、造形タンク１０４内には、例えば、目的とする造形物，サポート，および，結合剤が塗布されずに残った粉末を含む三次元造形体が形成されることになる。
ここで、造形タンク１０４は、例えば、造形タンク移送ユニットにより三次元積層造形装置１００の外部へ移動し、自動または手作業によって内部に形成された三次元造形体から不要なサポートおよび粉末を取り除き、目的とする造形物を取り出すことになる。
クリーニングユニット１０７は、プリンタヘッド１２１の余分な結合剤や粉末などを取り除くためのものである。また、薬品ユニット１０８は、造形処理に使用する薬品(結合剤や洗浄剤)を貯蔵するものであり、結合剤はプリンタヘッド１２１に供給され、洗浄剤はクリーニングユニット１０７に供給される。なお、洗浄剤は、例えば、プリンタヘッドの内部や吐出口を洗浄するために使用され、或いは、未使用時にプリンタヘッドが乾いて劣化しないように充填される。
なお、三次元積層造形装置１００には、図示しない、クリーニングユニット１０７による廃液を回収する廃液タンク、結合剤や洗浄剤の吐出に使用するエアー圧コントロールユニットなども設けられている。
ここで、図１は、粉末造形法を適用した三次元積層造形装置の単なる例を示すものであり、本実施例の適用は、図１に示すものに限定されず、例えば、粉末造形法を適用した三次元積層造形装置による三次元造形体およびサポート形成方法に対して適用される。
すなわち、本実施例は、例えば、粉末焼結や粉末溶融、或いは、粉末インクジェットなどによる様々な粉末造形法を適用した三次元積層造形装置による三次元造形体およびサポート形成方法として適用することができる。なお、造形物(モデル)としても様々なものがあり得るが、例えば、粉末として砂を使用し、造形物として鋳型を造型することもできるのはいうまでもない。
さらに、本実施例は、粉末造形法を適用した三次元積層造形装置に限定されず、例えば、非流動性状態とされた光硬化性樹脂を利用する光造形法を適用した三次元積層造形装置による三次元造形体およびサポート形成方法に対して適用される。すなわち、本実地例は、造形材料として、粉末状，ワックス状，ゼリー状およびゾル状を含む非流動性材料を使用して造形物を形成する三次元積層造形装置による三次元造形体およびサポート形成方法に対して幅広く適用され得るものである。
ところで、前述したように、造形材料として非流動性材料を使用して造形物を形成する三次元積層造形装置においても、造形物の後処理を自動化する場合、造形物が不安定な形状の場合、または、複数の造形物を高さ方向に重ねて形成する場合などでは、非流動性材料を除去したときに造形物の転倒や複数の造形物の接触による破損を防止し、さらに、造形中に発生する内部応力による反りなどの変形を防止し、或いは、非流動性材料を除去する作業者の負担を低減するためにサポートを使用するのが好ましい。
図２は、三次元造形体の一例を説明するための図であり、図２(a)は、三次元造形体における造形物およびサポートを示す斜視図であり、図２(b)は、三次元造形体の正面図を示す。
図２(a)および図２(b)において、参照符号１１ａ〜１１ｃは造形物(モデル)、２１および２２はサポート(支持部材)、２１ａ〜２１ｃおよびサポート２２はそれぞれサポート２１および２２の接続部、並びに、４は造形テーブルを示す。
なお、参照符号３は、例えば、結合剤が塗布されずに残った粉末、すなわち、造形物およびサポートとして使用しない粉末を示す。ここで、図２(a)および図２(b)は、例えば、図１に示す三次元積層造形装置１００により、目的とする３つの直方体形状の造形物１１ａ〜１１ｃを形成する場合を示している。
図２(a)に示されるように、例えば、３つの直方体形状の造形物１１ａ〜１１ｃを形成する場合、各造形物１１ａ〜１１ｃは、それぞれ接続部２１ａ〜２１ｃおよび２２ａ〜２２ｃを介してサポート２１および２２と一体的に形成される。
すなわち、図２(b)に示されるように、例えば、図１に示す三次元積層造形装置１００の造形タンク１０４内に形成される三次元造形体は、図２(a)に示す造形物１１ａ〜１１ｃおよびサポート２１，２２（２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃ）と、それらの間の粉末３を含む。
これにより、例えば、図２(b)に示す三次元造形体から粉末３を取り除いた場合でも、高さ方向に形成した３つの造形物１１ａ〜１１ｃが互いに接触して破損などを生じることがないようにすることができる。
しかしながら、造形物１１ａ〜１１ｃとサポート２１，２２（２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃ）を一体的に造形した場合、それぞれの造形物１１ａ〜１１ｃをサポートから切り離す必要がある。従って、例えば、金属粉末の溶融による三次元積層造形装置では、造形物とサポート間の金属を切断しなければならない。
以下、本発明に係る三次元造形体およびサポート形成方法の実施例を、添付図面を参照して詳述する。以下の説明では、主として粉末造形法を適用した三次元積層造形装置による三次元造形体およびサポート形成方法を説明するが、本発明の適用は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、例えば、造形材料として非流動性材料を使用して造形物を形成する三次元積層造形装置による三次元造形体およびサポート形成方法として、幅広く適用され得るものである。
なお、粉末焼結や粉末溶融、或いは、粉末インクジェットなどによる様々な粉末造形法を適用した三次元積層造形装置による三次元造形体およびサポート形成方法において、造形物(モデル)としても様々なものがあり得るが、例えば、粉末として砂や金属粉末、石膏、澱粉、人工骨、プラスチック粉末などを使用し、造形物として鋳型を造型することもできるのはいうまでもない。
図３は、本発明に係る三次元造形体の第１実施例を説明するための図であり、図３(a)は、三次元造形体における造形物およびサポートを示す斜視図を示し、図３(b)は、三次元造形体の正面図を示す。なお、図３(c)は、図３(b)に示す三次元造形体において、例えば、粉末吸引装置を使用して粉末の大部分を除いた様子を示している。
図３(a)〜図３(c)において、参照符号１１ａ〜１１ｃは直方体形状の造形物、２３ａ，２３ｂは板状サポート、２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂは柱状サポート、並びに、４は造形テーブルを示す。
なお、参照符号３は、例えば、結合剤が塗布されずに残った粉末、すなわち、造形物およびサポートとして使用しない粉末を示す。また、柱状サポート２４ａ，２５ａ，２４ｂ，２５ｂは、板状サポート２３ａ，２３ｂを支持するように四隅に設けられている。
図３(a)に示されるように、第１実施例の三次元造形体では、例えば、３つの直方体形状の造形物１１ａ〜１１ｃを形成する場合、板状サポート２３ａ，２３ｂおよび柱状サポート２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂにより棚形状としている。なお、各板状サポート２３ａ，２３ｂと、造形物１１ａ〜１１ｃおよび柱状サポート２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂの間には間隙(ｄ０，ｄ１)を持たせるようになっている。
すなわち、図３(b)に示されるように、例えば、図１に示す三次元積層造形装置１００の造形タンク１０４内に形成される三次元造形体は、造形テーブル４と板状サポート２３ａの間に造形物１１ａおよび柱状サポート２４ａ，２５ａを形成し、板状サポート２３ａと板状サポート２３ｂの間に造形物１１ｂおよび柱状サポート２４ｂ，２５ｂを形成する。さらに、板状サポート２３ｂの上方に造形物１１ｃを形成する。
ここで、造形テーブル４の上面と造形物１１ａの下面の間、板状サポート２３ａの上面と造形物１１ｂの下面の間、および、板状サポート２３ｂの上面と造形物１１ｃの下面の間には、例えば、図１を参照して説明したリコータユニット１０３によりコーティングされる粉末層の１層〜数層分(例えば、１ｍｍ以下)の間隙ｄ０が設けられている。
ところで、例えば、インクジェットヘッドにより結合剤(バインダー)を吐出する場合、コーティングされる粉末層の１層にのみ結合が生じるわけではなく、粉末や結合剤の種類などによっては、数層分にわたって結合が生じることもある。さらに、粉末を焼結や溶融して造形物を形成する場合でも、その焼結や溶融が１層にのみ生じるわけではなく、数層にわたって生じることもある。
そのため、造形テーブル４の上面と造形物１１ａの下面の間、或いは、板状サポート２３ａの上面と造形物１１ｂの下面の間などに対して、高さ方向(Ｚ軸方向)にオフセット処理を行ってオフセット層を設け、粉末層の数層分の間隙を最小限に押さえることもできる。
また、造形物１１ａの上面および柱状サポート２４ａ，２５ａの上面と板状サポート２３ｂの下面の間、並びに、柱状サポート２４ｂ，２５ｂの上面と板状サポート２３ｂの下面の間にも、間隙ｄ０が設けられている。
さらに、造形物１１ｂの上面と板状サポート２３ｂの下面の間には、例えば、間隙ｄ０よりも大きい間隙ｄ１が設けられている。従って、各間隙ｄ０，ｄ１には、例えば、結合剤が塗布されていない粉末が積層されることになる。
なお、上述した間隙ｄ０，ｄ１は、造形物の形状や大きさなどにより様々に変更することができるが、例えば、間隙ｄ０が１ｍｍ程度以下であれば、造形物やサポートが落下或いは転倒することはない。
そして、図３(b)に示される三次元造形体から、例えば、粉末吸引装置などを使用して粉末の大部分を除くと、図３(c)のようになる。すなわち、図３(c)では、造形テーブル４の上面と造形物１１ａの下面の間、板状サポート２３ａの上面と造形物１１ｂの下面の間、および、板状サポート２３ｂの上面と造形物１１ｃの下面の間における間隙ｄ０の部分の粉末は残っているが、他の部分の粉末は取り除かれている。
従って、図３(c)に示されるように、３つの造形物１１ａ〜１１ｃは、相互に接触して破損することがない。すなわち、上方から順に、造形物１１ａを取り出した後、板状サポート２３ｂおよび柱状サポート２４ｂ，２５ｂを除去して造形物１１ｂを取り出し、さらに、板状サポート２３ａおよび柱状サポート２４ａ，２５ａを除去して造形物１１ａを取り出す。
このように、第１実施例の三次元造形体によれば、例えば、複数の造形物を高さ方向に重ねて形成する場合でも、粉末を除去したときに造形物の転倒や複数の造形物の接触による破損を防止することが可能になる。
さらに、造形物は、造形テーブルや板状サポートとの間の粉末層により分離されるため、造形物の取り出しや粉末を除去する作業者の負担を低減することができる。例えば、金属粉末の溶融による三次元積層造形装置に適用した場合、造形物とサポートの間には、粉末が設けられることになるため、金属の切断といった作業を行う必要はない。
図４は、図３に示す三次元造形体の変形例を示す図であり、図４(a)〜図４(d)は、それぞれ図３(b)の変形を示すものである。以下、図３(b)に示す三次元造形体との相違個所を説明する。
図４(a)に示す三次元造形体では、柱状サポート２４ｂ，２５ｂが上方の板状サポート２３ｂと一体的に形成されており、図４(b)に示す三次元造形体では、さらに、柱状サポート２４ａ，２５ａも上方の板状サポート２３ａと一体的に形成されている。なお、図４(b)の三次元造形体では、造形テーブル４の上面と柱状サポート２４ａ，２５ａの下面の間に間隙ｄ０が設けられている。
また、図４(c)に示す三次元造形体では、柱状サポート２４ｂ，２５ｂが下方の板状サポート２３ａと一体的に形成されており、図４(d)に示す三次元造形体では、柱状サポート２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂを設けずに、板状サポート２３ａ，２３ｂだけが設けられている。なお、造形テーブル４および板状サポート２３ａ，２３ｂと、造形物１１ａ〜１１ｃの間には、それぞれ間隙ｄ０が設けられている。
図５は、図３に示す三次元造形体のさらに他の変形例を示す図であり、造形物１１ａ〜１１ｃの形状が異なる場合を示すものである。図５に示されるように、造形物１１ａ〜１１ｃは、同じ形状のものである必要はなく、全て異なった形状のものであってもよい。
また、各造形物１１ａ〜１１ｃと、造形テーブル４および板状サポート２３ａ，２３ｂの間も様々に変更することができ、例えば、造形テーブル４の上面と造形物１１ａの下面の間に、粉末による間隙ｄ１１のオフセット層を設け、また、板状サポート２３ａの上面と造形物１１ｂの下面の間に、粉末による間隙ｄ１３のオフセット層を設け、さらに、板状サポート２３ｂの上面と造形物１１ｃの下面の間に、粉末による間隙ｄ１５のオフセット層を設ける。
これらオフセット層の厚さｄ１１，ｄ１３，ｄ１５は、例えば、１ｍｍ以下の同じ値に設定してもよいが、例えば、造形物の形状や重さによる粉末層への沈み込みの相違などを考慮して、異なる値に設定することもできる。なお、通常、造形物の余剰硬化は、Ｚ軸方向(高さ方向)の下向きに生じる。
ここで、図５に示す例では、各造形物１１ａ〜１１ｃのオフセット層の厚さｄ１１，ｄ１３，ｄ１５は、各柱状サポート２４ａ，２５ａおよび，２４ｂ，２５ｂの上面と板状サポート２３ａおよび２３ｂの下面の間の間隙ｄ２０と同じまたは少し大きくに設定(ｄ１１＝ｄ１３＝ｄ１５≧ｄ２０)され、各柱状サポート２４ｂ，２５ｂの下面と板状サポート２３ａの上面の間の間隙ｄ１０は、間隙ｄ２０よりも少し大きくに設定(ｄ１０＞ｄ２０)されている。
なお、造形物１１ａの上面と板状サポート２３ａの下面の間の間隙ｄ１２および造形物１１ｂの上面と板状サポート２３ｂの下面の間の間隙ｄ１４は、オフセット層(ｄ１１，ｄ１３，ｄ１５)よりも十分大きく設定されている。
このように、例えば、同じ三次元造形体に形成する複数の造形物は、同じ形状のものでもよいが、異なった形状とすることもでき、また、各造形物およびサポート間の間隙も必要に応じて様々な値に設定することができる。
図６は、本発明に適用されるサポート形状の例を示す図であり、図６(a)および図６(b)は、柱状サポートの形状の変形を示し、図６(c)は、板状サポートと柱状サポートの結合部分の形状の変形例を示すものである。
すなわち、図６(a)および図６(b)に示されるように、各柱状サポート２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂは、円柱形状とはせずに、例えば、粉末を取り除いたときに下方の造形テーブル４や板状サポート２３ａに対して安定するような下面が広くなる形状とすることができる。
さらに、例えば、粉末を取り除いたとき、下方および上方の柱状サポート２４ａ，２４ｂと板状サポート２３ａが適切にかみあうように、それぞれテーパー部が形成されるようになっている。
なお、柱状サポートは、円柱形状である必要はなく、四角や多角形に基づく棒状のものでもよく、また、板状であってもよい。さらに、柱状サポートの数も板状サポートの四隅ではなく、必要な数を必要な個所に設けることができる。このように、サポートの形状や数は様々に変更することができる。
以上において、サポートの使用は、上述した複数の造形物を重ねて形成する場合に限定されるものではなく、例えば、造形物の後処理を自動化する場合、或いは、造形物が不安定な形状の場合などでも、造形物の破損低減や作業者の負担軽減を考慮して、適切な形状のものが使用されることになる。
また、サポートの使用は、粉末面に結合剤を塗布して造形物を形成する、例えば、インクジェットによる三次元積層造形装置に限定されず、例えば、金属粉末の溶融による三次元積層造形装置を始めとする様々な三次元積層造形装置に対しても適用される。さらに、サポートの使用は、粉末造形法を適用した三次元積層造形装置だけでなく、造形材料として非流動性材料を使用して造形物を形成する三次元積層造形装置に対して幅広く適用することができる。
例えば、金属粉末の溶融による三次元積層造形装置では、金属粉末が溶融したところの方が高密度になるため、その重量に負けて生じる変形(ダレ)を防止するのにサポートを使用してもよい。或いは、造形物の薄い部分で生じる変形(反り)を防止するのにサポートを使用することもできる。
図７は、本発明に係る三次元造形体の第２実施例を、従来と比較して説明するための図であり、図７(a)は、ダレが生じた状態を示し、図７(b)は、図２(a)および図２(b)を参照して説明したものに相当するサポートを示す。
また、図７(c)は、本発明に係る三次元造形体の第２実施例を示す。なお、図７(a)〜図７(c)において、参照符号３は粉末、４は造形テーブル、１０は上部が大きくオーバーハング部を有する造形物、２０および２６はサポートを示す。
上述したように、例えば、金属粉末の溶融による三次元積層造形装置では、ダレが生じる虞がある。すなわち、図７(a)に示されるように、ダレが生じた状態を示し、図７(b)は、図２(a)および図２(b)を参照して説明したような造形物とサポートが一体的に形成された場合を示す。
図７(b)に示されるように、図７(a)に示すダレ１０ａが生じないように造形物１０を形成するには、例えば、造形物１０との接合個所２０ａを小さく(薄く)した複数のサポート２０を適用することができるが、この場合でも、完成した造形物１０を取り出すには、サポート２０(２０ａ)を取り除く作業が必要になる。
これに対して、第２実施例の三次元造形体では、図７(c)に示されるように、造形物１０のオーバーハング部分の下方(縦方向)に間隙ｄを介してサポート２６を形成する。なお、横方向における造形物１０とサポート２６の間にも間隙ｄが設けられる。すなわち、三次元造形体において、造形物１０は、サポート２６に対して間隙ｄの粉末層を介して接することになる。
ここで、造形物１０のオーバーハング部分とサポート２６の間の間隙ｄは、例えば、順次コーティングされる粉末層の１層〜数層分(例えば、１ｍｍ以下)であるため、造形物１０のダレが生じることはない。さらに、造形物１０とサポート２６の間には、間隙ｄの粉末層が存在するため、完成した造形物１０を容易に取り出すことが可能になる。
なお、造形物１０のオーバーハング部分とサポート２６の間の縦方向の間隙と、造形物１０とサポート２６の横方向の間隙は、必ずしも等しくする必要はなく、また、間隙ｄも１ｍｍ以下に限定されず、造形物１０の形状や材質、或いは、三次元積層造形装置が使用する粉末の材料や方式などにより適切な厚さが選択される。
図８は、図７に示す造形物を形成するときのサポート形状の変形例を示す図であり、図８(a)〜図８(c)は、図７(c)に示すサポート２６の変形を示すものである。
すなわち、図８(a)に示すサポート２６ａは、図７(c)のサポート２６が造形物１０の底面(造形テーブル４)から全体的に設けられていたのに対して、造形物１０のオーバーハング部分の下方における所定の厚さだけ設けるようになっている。
また、図８(b)および図８(c)に示すサポート２６ｂおよび２６ｃは、図７(c)のサポート２６の内部に中空個所を設け、例えば、その部分の粉末を回収して再使用を可能とするようになっている。このように、図７(c)に示すサポート２６も、様々に変形することができる。
以上の説明では、造形物１１ａ〜１１ｃ，１０を矩形(直方体，オーバーハング部分を有する直方体の組み合わせ)として説明したが、造形物としては、様々な形状があり得る。図９は、本発明に適用される造形物の他の例を説明するための図であり、図９(a)は、造形物１２を示す斜視図であり、図９(b)は、造形物１２およびサポート２７を示す図である。
図９(a)および図９(b)に示されるように、例えば、造形物１２が円柱形状の場合、サポート２７は、円柱形状の造形物１２に対して、所定の間隙ｄを介した形状として形成される。
図１０は、図９に示す造形物を含む三次元造形体を、従来および本実施例と比較して説明するための図である。ここで、図１０(a)は理想的な場合を示し、図１０(b)は実際の場合を示し、図１０(c)は本実施例を適用した場合を示す。
図１０(a)および図１０(b)に示されるように、例えば、円柱形状の造形物１２を粉末３中に形成(造形)する場合、実際には、すなわち、サポートを使用しないと、造形物１２の下部分にはダレ１２ａが生じてしまう。そこで、本実施例の三次元造形体では、図１０(c)に示されるように、円柱形状の造形物１２の下方に、所定の間隙ｄを介して造形物１２に対応する形状のサポート２７を形成するようになっている。
図１１は、本発明に適用される造形物のさらに他を含む三次元造形体を、従来および本発明を比較して説明するための図である。ここで、図１１(a)は理想的な場合を示し、図１１(b)は実際の場合を示し、図１１(c)は本実施例を適用した場合を示す。すなわち、図１１(a)〜図１１(c)は、図１０(a)〜図１０(c)における円柱形状の造形物１２を、中心をくり抜いた筒(チューブ)形状の造形物１３に変更した場合を示す。
図１１(a)および図１１(b)に示されるように、例えば、筒形状の造形物１３を粉末３中に形成する場合、サポートを使用しないと、造形物１３の内面の下部分にダレ１３ａが生じ、また、造形物１３の外面の下部分にダレ１３ｂが生じてしまう。
そこで、本実施例の三次元造形体では、図１１(c)に示されるように、まず、前述した図１０(c)と同様に、筒柱形状の造形物１２の外面下方に、所定の間隙ｄを介して造形物１２の外面に対応する形状のサポート２７を形成する。さらに、筒柱形状の造形物１２の内面下方に、所定の間隙ｄを介して筒形状の造形物１２の内面に対応する形状のサポート２８を形成するようになっている。
このように、本実施例に係る三次元造形体によれば、様々な形状の造形物に対して、例えば、ダレが生じる虞がある部分の下方に、所定の間隙ｄを介して対応する形状のサポートを形成することで、造形物におけるダレの発生を防止することが可能になる。
なお、サポートと造形物との間には、間隙ｄの粉末層が介在することになるため、例えば、完成した造形物を取り出す際、サポートを簡単に除去することがで、さらに、造形物にサポートの跡が残ることもなく、例えば、磨き処理などの後加工も不要とすることができる。なお、上述した粉末層の間隙が介在することによる利点は、他の実施例でも同様に得ることができる。
図１２は、造形物とサポートの関係の他の例を説明するための図である。図１２に示されるように、例えば、造形物１４の下端が鋭角状になっていて不安定な形状の場合、そのような形状の造形物１４を保持するためにもサポート２９を適用することができる。
すなわち、例えば、三次元造形体から粉末３を除去すると、造形物１４が転倒して破損する虞があるような場合、粉末３を除去しても造形物１４が転倒することがないように、サポート２９を設けることができる。なお、サポート２９の形状は、例えば、前述した図６(a)および図６(b)、或いは、他の様々な形状とすることができるのは言うまでもない。
図１３は、造形物とサポートの関係のさらに他の例を説明するための図である。図１３に示されるように、例えば、造形物１５が水平方向(Ｘ−Ｙ軸面)に薄い板状部分１５ａを有するとき、サポートを設けないと、その板状部分１５ａが上方向に反り返る虞がある。
図１３では、このような板状部分１５ａの反りを防止するために、板状部分１５ａの上方に所定の間隙ｄを介してサポート３０を設けるようになっている。なお、例えば、サポート３０の重さが問題になる場合には、粉末を除去したときでも、他のサポートによりサポート３０の重さが造形物１５の薄い板状部分１５ａに加わらないようにすることもできる。
上述したように、本発明は、粉末面に結合剤を塗布して造形物を形成する三次元積層造形装置を始めとして、金属粉末の溶融による三次元積層造形装置や他の様々な粉末による三次元積層造形装置に対して適用することができる。さらに、本発明は、粉末造形法を適用した三次元積層造形装置に限定されず、例えば、造形材料として、粉末状，ワックス状，ゼリー状およびゾル状を含む非流動性材料を使用して造形物を形成する三次元積層造形装置に対して幅広く適用され得るものである。
以上、実施形態を説明したが、ここに記載したすべての例や条件は、発明および技術に適用する発明の概念の理解を助ける目的で記載されたものであり、特に記載された例や条件は発明の範囲を制限することを意図するものではない。また、明細書のそのような記載は、発明の利点および欠点を示すものでもない。発明の実施形態を詳細に記載したが、各種の変更、置き換え、変形が発明の精神および範囲を逸脱することなく行えることが理解されるべきである。
３ 粉末
４，１４１ 造形テーブル
２１，２１ａ〜２１ｃ，２２，２２ａ〜２２ｃ，２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂ，２６ａ〜２６ｃ，２７〜２９ サポート
１０，１１ａ〜１１ｃ，１２〜１５ 造形物
１００ 三次元積層造形装置
１０１ 制御用コンピュータ
１０２ プリンタヘッドユニット
１０３ リコータユニット
１０４ 造形タンク
１０５ 昇降装置
１０６ 粉末供給ホッパーユニット
１０７ クリーニングユニット
１０８ 薬品ユニット
１３１ リコータ内ホッパー
１３２ 振動ブレード

Claims (15)

  1. 造形テーブル上に積層された造形材料と、
    前記造形材料内に形成された造形物と、
    前記造形材料内に形成され、前記造形物に対して所定の間隙を介して設けられたサポートと、を有する、
    ことを特徴とする三次元造形体。
  2. 前記造形物は、高さ方向に複数個形成され、
    前記サポートは、高さ方向に隣接する２つの前記造形物の間に設けられた板状の板状サポートを含む、
    ことを特徴とする請求項１に記載の三次元造形体。
  3. 前記サポートは、隣接する前記造形テーブルまたは前記板状サポートの間に形成される前記造形物よりも高い柱状の柱状サポートを含む、
    ことを特徴とする請求項２に記載の三次元造形体。
  4. 前記柱状サポートは、上方または下方に設けられた前記板状サポートの一方と一体的に形成されている、
    ことを特徴とする請求項３に記載の三次元造形体。
  5. 前記サポートは、前記造形物の形状に対応した形状を有する、
    ことを特徴とする請求項１に記載の三次元造形体。
  6. 前記サポートは、内部に中空個所を有する、
    ことを特徴とする請求項１に記載の三次元造形体。
  7. さらに、
    前記造形テーブルと、前記造形テーブル上に形成される造形物との間に設けられた前記造形材料によるオフセット層を、有する、
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の三次元造形体。
  8. 前記サポートは、前記造形物と同じ組成を有する、
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の三次元造形体。
  9. 前記造形材料は、粉末状，ワックス状，ゼリー状およびゾル状を含む非流動性材料である、
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の三次元造形体。
  10. 前記造形材料は、前記粉末状の非流動性材料であり、
    前記三次元造形体は、粉末焼結，粉末溶融および粉末インクジェットを含む粉末造形法を適用した三次元積層造形装置により形成される、
    ことを特徴とする請求項９に記載の三次元造形体。
  11. 造形テーブル上に、１層分の造形材料をコーティングする処理、および、該コーティングされた造形材料を処理して造形物の１層分を形成する処理を繰り返す三次元積層造形装置におけるサポート形成方法であって、
    前記造形物の１層分を形成するときに、該造形物と所定の間隙を介してサポートを形成する、
    ことを特徴とするサポート形成方法。
  12. さらに、
    前記造形テーブルと、前記造形テーブル上に形成される造形物との間に前記造形材料によるオフセット層を形成する、
    ことを特徴とする請求項１１に記載のサポート形成方法。
  13. 前記サポートは、前記造形物と同じ組成を有する、
    ことを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載のサポート形成方法。
  14. 前記造形材料は、粉末状，ワックス状，ゼリー状およびゾル状を含む非流動性材料である、
    ことを特徴とする請求項１１乃至請求項１３のいずれか１項に記載のサポート形成方法。
  15. 前記造形材料は、前記粉末状の非流動性材料であり、
    前記サポート形成方法は、粉末焼結，粉末溶融および粉末インクジェットを含む粉末造形法を適用した三次元積層造形装置に適用される、
    ことを特徴とする請求項１４に記載のサポート形成方法。
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