JP2015131439A - 三次元造形装置および三次元造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】三次元造形物をより高精度で造形することが可能な三次元造形装置および三次元造形方法を提供する。
【解決手段】三次元造形装置１００は、造形対象物の三次元形状に基づいて静電潜像を感光体ドラム１８１，１９１の表面に形成する露光装置１８３，１９３と、液体現像剤を供給し、当該液体現像剤中の粒子３２０によって静電潜像を顕像化し、感光体ドラム１８１，１９１上に第１粒子像２３１および第２粒子像２３２を形成する液体現像装置１８４，１９４と、形成された第１粒子像２３１および第２粒子像２３２を造形ステージ１７０上の造形面２３３に静電的に転写する転写部（転写ベルト２２０および二次転写ローラー２２２）と、転写された第１粒子像２３１および第２粒子像２３２を加熱することによって粒子層を形成する粒子層形成部２００とを備え、造形ステージ１７０上に粒子層を順に形成し積層して三次元造形物２３０を造形する。
【選択図】図１

Description

本発明は、三次元造形装置および三次元造形方法に関する。

三次元の立体物（以下「三次元造形物」）を造形する技術として、ラピッド・プロトタイピング（ＲＰ：Rapid Prototyping）と呼ばれる技術が知られている。この技術は、１つの三次元造形物の表面を３角形の集まりとして記述したデータ（ＳＴＬ（Standard Triangulated Language）フォーマットのデータ）により、積層方向について薄く切った断面形状を計算し、その形状に従って各層を形成して三次元造形物を造形する技術である。また、三次元造形物を造形する手法としては、溶融物堆積方式（ＦＤＭ：Fused Deposition Molding）、インクジェット方式、インクジェットバインダ方式、光造形方式（ＳＬ：Stereo Lithography）、粉末焼結方式（ＳＬＳ：Selective Laser Sintering）などが知られている。

粉末焼結方式による三次元造形方法では、平面状に敷設された粉末材料上に、レーザー等の加熱用ビームを走査することによって、粉末の表面を溶融させて粉末同士を接合させ、焼結された粉末薄層を形成する。このとき、すでに焼結されている下層の薄膜との接合も同時に行われる。次に、新たな粉末の薄層が再度上面に供給され、この行程を繰り返して粉末焼結層を順次形成すると同時に積層させていくことによって三次元造形物の造形を行う。この粉末焼結方式は、金属の三次元造形物を造形することができる等のメリットがあり、今後の用途拡大が期待されている。しかし、粉末材料の粒子の大きさは数十［μｍ］と大きく、またブレードで粉末材料の層の厚みを規制することによって粉末の薄層を供給しているため、当該薄層の厚さも数十［μｍ］と大きい。これにより、三次元造形物を高精度で造形することができないという問題があった。

一方、上記手法とは異なり、電気写真方式を適用した三次元造形方法が知られている（例えば、特許文献１，２を参照）。この電気写真方式の三次元造形方法によれば、小さい粒径（例えば、数［μｍ］程度）のトナー粒子を用いたり、トナー粒子層の厚さを数［μｍ］程度にしたりすることができるため、上記粉末焼結方式と比べると、三次元造形物の造形精度を大幅に向上させることが期待できる。

特開平１０−２０７１９４号公報 特開平１０−２２４５８１号公報

ところで、近年、三次元造形物をより高精度で造形するニーズが急速に高まってきている。しかしながら、既存の各種の三次元造形方式では、このニーズに十分応えることができなくなってきている。上記特許文献１，２に記載の技術においても、粒径が数［μｍ］程度である樹脂性粒子をそのままの状態で用いて現像を行うこと（乾式現像法）が前提とされており、より粒径の小さいトナー粒子（例えば、１［μｍ］以下の粒子）を用いること、ひいては三次元造形物をより高精度で造形することは困難であるという問題があった。

本発明の目的は、三次元造形物をより高精度で造形することが可能な三次元造形装置および三次元造形方法を提供することである。

本発明に係る三次元造形装置は、
造形対象物の三次元形状に基づいて静電潜像を像担持体の表面に形成する静電潜像形成部と、
帯電性を有する粒子がキャリア液中に分散されている液体現像剤を供給し、当該粒子によって前記静電潜像を顕像化し、前記像担持体上に粒子像を形成する粒子像形成部と、
造形ステージ上の造形面に、前記像担持体上に形成された前記粒子像を静電的に転写する転写部と、
前記転写部により転写された前記粒子像を加熱することによって前記造形面上に粒子層を形成する粒子層形成部と、
前記造形ステージ上に前記粒子層を順に形成して積層することによって三次元造形物を造形するように、前記静電潜像形成部、前記粒子像形成部、前記転写部および前記粒子層形成部を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする。

本発明に係る三次元造形方法は、
造形対象物の三次元形状に基づいて静電潜像を像担持体の表面に形成し、
帯電性を有する粒子がキャリア液中に分散されている液体現像剤を供給して前記静電潜像を顕像化することにより前記像担持体上に粒子像を形成し、
造形ステージ上の造形面に、前記像担持体上に形成された前記粒子像を静電的に転写し、
静電転写された前記粒子像を加熱することによって前記造形面上に粒子層を形成し、
前記造形ステージ上に前記粒子層を順に形成して積層することによって三次元造形物を造形することを特徴とする。

本発明によれば、液体現像剤を用いた現像方式（湿式現像法）により粒子層が形成されるため、粒子をそのままの状態で用いた現像方式（乾式現像法）により粒子層を形成する場合と比べて、より小さな粒径を有する粒子を用いることができる。より小さな粒径を有する粒子によって、造形対象物の細かな部分まで再現することができる。つまり、三次元造形物をより高精度で造形することができる。

本実施の形態に係る三次元造形装置の構成を概略的に示す図である。 本実施の形態に係る三次元造形装置の制御系の主要部を示す図である。 本実施の形態に係る液体現像剤の構成を示す図である。 図４Ａは、本実施の形態に係る移動機構の構成を示す図であり、図４Ｂは、造形初期における様子を模式的に示す図であり、図４Ｃは、造形完了直前の様子を模式的に示す図である。 本実施の形態に係る三次元造形装置の三次元造形動作例を示すフローチャートである。

以下、本実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本実施の形態に係る三次元造形装置１００の構成を概略的に示す図である。図２は、本実施の形態に係る三次元造形装置１００の制御系の主要部を示す図である。図１、２に示す三次元造形装置１００は、造形ステージ１７０上に帯電性を有する粒子からなる粒子層を順に形成して積層することによって、三次元造形物２３０を造形する。

三次元造形装置１００は、各部の制御や３Ｄデータの取り扱いを行うための制御部１１０、外部機器との間で３Ｄデータ等の各種情報を送受信するためのデータ入力部１２０、各種情報を表示するための表示部１４０、ユーザーからの指示を受け付けるための操作部１５０、造形物が形成される造形ステージ１７０、造形ステージ１７０を移動するための移動機構１６０、造形材料を用いて粒子像を形成するためのイメージングユニット１８０，１９０、粒子像を加熱して粒子層を形成するための粒子層形成部２００、造形ステージ１７０に電圧を印加するための電圧印加部２１０、および、造形ステージ１７０上の造形面を帯電するための造形面帯電部２４０を備える。三次元造形装置１００には、造形対象物を設計するための、あるいは、三次元測定機を用いて実物を測定して得られた三次元情報に基づいて造形用のデータを生成するためのコンピューター装置１３０が接続される。

データ入力部１２０は、造形対象物の三次元形状を示す３Ｄデータ（ＣＡＤデータやデザインデータなど）をコンピューター装置１３０から受け取り、制御部１１０に出力する。ＣＡＤデータやデザインデータには、造形対象物の三次元形状だけに限らず、造形対象物の表面の一部または全面および内部におけるカラー画像情報が含まれている場合もある。なお、３Ｄデータを取得する方法は特に限定されず、有線通信や無線通信、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの短距離無線通信を利用して取得しても良いし、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリなどの記録媒体を利用して取得しても良い。また、この３Ｄデータは、当該３Ｄデータを管理および保存するサーバーなどから取得しても良い。

制御部１１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算手段を有しており、データ入力部１２０から３Ｄデータを取得し、取得した３Ｄデータの解析処理や演算処理を行う。制御部１１０は、３Ｄデータを解析することによって、三次元造形物２３０のうち第１粒子を用いて形成する領域（図１に示す例では、領域２３４）を第１粒子領域に設定するとともに、第２粒子を用いて形成する領域（図１に示す例では、領域２３６）を第２粒子領域に設定する。

制御部１１０は、データ入力部１２０から取得した３Ｄデータを、積層方向について薄く切った複数のスライスデータに変換する。スライスデータは、三次元造形物２３０を造形するための粒子層毎のデータである。各スライスデータに対しては、第１粒子領域２３４および第２粒子領域２３６がそれぞれ設定されている。スライスデータの厚み、すなわち粒子層の厚みは、粒子層の一層分の厚さに応じた距離（積層ピッチ）と一致する。例えば、粒子層の厚みが０．０５［ｍｍ］である場合、制御部１１０は、１［ｍｍ］の高さの積層に必要な連続した２０［枚］のスライスデータを３Ｄデータから切り出す。

また、制御部１１０は、三次元造形物２３０の造形動作中、三次元造形装置１００全体の動作を制御する。例えば、イメージングユニット１８０，１９０によりそれぞれ形成された第１粒子像および第２粒子像を所望の場所に静電的に転写するための機構制御情報を移動機構１６０に対して出力するとともに、イメージングユニット１８０，１９０に対してスライスデータを出力する。すなわち、制御部１１０は、イメージングユニット１８０，１９０と移動機構１６０とを同期させて制御する。

表示部１４０は、制御部１１０の制御を受けて、ユーザーに認識させるべき各種の情報やメッセージを表示する。操作部１５０は、テンキー、スタートキー等の各種操作キーを備え、ユーザーによる各種入力操作を受け付けて、操作信号を制御部１１０に出力する。

図１に示すように、三次元造形装置１００は、本体内部のほぼ中央部に、転写ベルト２２０を備えている。転写ベルト２２０の真上には、２種類の粒子（第１粒子および第２粒子）による粒子像（第１粒子像および第２粒子像）を形成するためのイメージングユニット１８０，１９０が、左から右へとこの順番で配置される。

イメージングユニット１８０は、第１粒子像を担持し、制御部１１０の制御を受けて図中反時計回り方向に回転可能な像担持体である感光体ドラム１８１を有する。イメージングユニット１８０は、感光体ドラム１８１の回転方向（矢印方向）に沿って、帯電装置１８２、静電潜像を形成するための露光装置１８３、粒子像を形成するための液体現像装置１８４、一次転写ローラー１８５およびクリーニングブレード１８６が設けられている。

帯電装置１８２は、回転する感光体ドラム１８１の表面をコロナ放電等により帯電させる。露光装置１８３は、制御部１１０から出力されたスライスデータに基づいてレーザービームを照射し、造形対象物の各粒子層（第１粒子領域）に対応する静電潜像を感光体ドラム１８１の表面に形成する。なお、帯電装置１８２として導電性のローラーを使用しても良い。

液体現像装置１８４は、絶縁性のキャリア液中に第１粒子が分散された液体現像剤１８４ｄの供給を液体現像剤貯蔵タンク１８７から受けて、当該液体現像剤１８４ｄを貯留する。液体現像剤１８４ｄは、供給ローラー１８４ｃによって搬送ローラー１８４ｂの表面に供給される。搬送ローラー１８４ｂの表面には、例えば凹状の微細な溝構造があり、または規制部材（図示せず）が設けられているなど、搬送する液体現像剤量が調整されるようになっている。これにより、搬送ローラー１８４ｂは、一定量の液体現像剤１８４ｄを搬送し、現像ローラー１８４ａに転移させる。そして、現像ローラー１８４ａ上には、液体現像剤１８４ｄの薄層が形成される。従来、三次元造形装置においては顧みられることのなかった液体現像方式によって造形を行うことにより、他の造形方式では使用が困難な小粒形の造形材料粒子を用いることができ、高精度な造形物を得ることができる。

液体現像装置１８４においては、現像ローラー１８４ａに現像バイアスが印加され、感光体ドラム１８１の表面に形成された静電潜像との電位差により、現像ローラー１８４ａ上に担持された液体現像剤１８４ｄの薄層内の第１粒子が感光体ドラム１８１上の静電潜像に移動する。これにより、静電潜像が顕像化され、感光体ドラム１８１上に第１粒子像が形成される。

一次転写ローラー１８５は、転写ベルト２２０の内周面側に設けられ、第１粒子の帯電極性（例えば、マイナス極性）とは逆極性（例えば、プラス極性）の一次転写バイアスが印加される。これにより、感光体ドラム１８１上に形成された第１粒子像は、感光体ドラム１８１の周速と同速度で搬送される転写ベルト２２０上に転写される。

クリーニングブレード１８６は、その一部が感光体ドラム１８１の表面に押し当てられた状態で設けられていて、感光体ドラム１８１の表面に残留する液体現像剤（第１粒子やキャリア液）を除去する。クリーニングブレード１８６は、例えば熱硬化性ポリウレタンゴムを用いた弾性ゴムブレードからなる。クリーニングブレード１８６により除去された液体現像剤は、付設された回収槽（図示せず）に回収され、再利用または廃棄される。

イメージングユニット１９０は、第２粒子像を担持し、制御部１１０の制御を受けて図中反時計回り方向に回転可能な感光体ドラム１９１を有する。イメージングユニット１９０は、感光体ドラム１９１の回転方向（矢印方向）に沿って、帯電装置１９２、露光装置１９３、液体現像装置１９４、一次転写ローラー１９５およびドラムクリーニング装置としてのクリーニングブレード１９６が設けられている。液体現像装置１９４は、液体現像剤貯蔵タンク１９７から供給される、絶縁性のキャリア液中に第２粒子が分散された液体現像剤１９４ｄを用いて像形成を行う。ここで、液体現像剤１９４ｄは、液体現像剤１８４ｄと同じ種類の材料であっても良いし、異なる種類の材料であっても良い。前者の場合は、１パスで複数層の像形成を行うことで造形時間を短縮することができる。後者の場合は、造形物を構成する材質を部分的に異ならせたり、造形中に造形物を支持し造形完了後に除去されるサポート材としての役目を果たす材質を用いたりすることができる。なお、感光体ドラム１９１、帯電装置１９２、露光装置１９３、現像ローラー１９４ａ、搬送ローラー１９４ｂ、供給ローラー１９４ｃ、一次転写ローラー１９５、及び、クリーニングブレード１９６は、イメージングユニット１８０と同様の構成を有し、イメージングユニット１８０と同様に作動するため、詳しい説明を省略する。

次に、感光体ドラム１８１，１９１上に粒子像（第１粒子像、第２粒子像）を形成するために用いられる液体現像剤について説明する。

図３に示すように、液体現像剤は、キャリア液３００中に粒子３２０を分散したものである。また、液体現像剤には、キャリア液３００中に粒子３２０を均一に分散させるための分散安定剤３１０が添加されている。なお、液体現像剤には、分散安定剤３１０の他に、荷電制御剤等の添加剤が添加されても良い。液体現像剤の重量に対する粒子３２０の重量の割合は例えば３０［％］である。また、液体現像剤の重量に対するキャリア液３００の重量の割合は例えば７０［％］である。また、液体現像剤の重量に対する分散安定剤３１０の重量の割合は例えば１［％］未満である。

本実施の形態では、粒子３２０は、粒径が１００〜５００［ｎｍ］の金属粒子であり、例えば、銀、銅、鉄、ニッケル、チタン、パラジウム、クロム、白金、金等の単体金属、及び、これらの金属や他の金属との合金からなる金属をナノ粒子化したものが利用される。粒子３２０として使用できる市販の材料としては、例えば、ハリマ化成社製銀ナノ粒子インク（ＮＰＳ−Ｊ）、ＩｎｋＴｅｃ社製銀インク（ＴＥＣ−ＰＲタイプ、ＴＥＣ−ＩＪタイプ）、ＡＮＰ社製銀ペーストインク（ＤＧＰ−ＯＳタイプ）、三菱マテリアル社製銀ナノコロイドシリーズ（Ａ−１タイプ、Ａ−２タイプ）等が挙げられる。

キャリア液３００としては、絶縁性の溶媒が用いられる。キャリア液３００の材料としては、液体現像剤の分散媒として用いることができるのであれば、特に限定されないが、通常、体積固有抵抗値が１０^９［Ω・ｃｍ］以上、誘電率が３．５以上の、常温で不揮発性の溶媒が用いられる。例えば、キャリア液３００としては、エクソンモビール社製のイソパラフィン系のアイソパー（Ｇ、Ｈ、Ｌ、Ｍ等）、出光興産社製のＩＰソルベント（１６２０、２０２８、２８３５等）や、松村石油研究所社製のパラフィン系のモレスコホワイト（Ｐ−４０，Ｐ−７０，Ｐ−１２０）が挙げられる。その他、キャリア液３００として、シリコンオイル、ミネラルオイル等を用いることもできる。

分散安定剤３１０の材料としては、一般的な石鹸などに使われる高分子材料であれば、特に限定されない。分散安定剤３１０の主鎖の長さは、長すぎると分散安定剤３１０の分解に高エネルギーが必要になるため、数十［ｎｍ］程度が好ましい。分散安定剤３１０は絶縁性を有するため、その分散剤安定剤３１０に囲まれた粒子３２０の成分が金属であったとしても、当該粒子３２０は帯電することができる。分散安定剤３１０の市販品としては、ゼネカ社製のソルスパース２００００，ソルスパース２４０００，ソルスパース２６０００，ソルスパース２７０００，ソルスパース２８０００、ビックケミー社製のディスパービック１６０，ディスパービック１６１，ディスパービック１６２，ディスパービック１６３，ディスパービック１６６，ディスパービック１７０，ディスパービック１８０，ディスパービック１８２，ディスパービック１８４，ディスパービック１９０、ＥＦＫＡケミカル社製のＥＦＫＡ−４６，ＥＦＫＡ−４７，ＥＦＫＡ−４８，ＥＦＫＡ−４９，ポリマー１００，ポリマー１２０，ポリマー１５０，ポリマー４００，ポリマー４０１，ポリマー４０２，ポリマー４０３，ポリマー４５０，ポリマー４５１，ポリマー４５２，ポリマー４５３、味の素社製のアジスパーＰＢ７１１，アジスパーＰＡ１１１，アジスパーＰＢ８１１，アジスパーＰＷ９１１、共栄社化学社製のフローレンＤＯＰＡ−１５８，フローレンＤＯＰＡ−２２，フローレンＤＯＰＡ−１７，フローレンＴＧ−７３０Ｗ，フローレンＧ−７００，フローレンＴＧ−７２０Ｗ等が挙げられる。

三次元造形装置１００の構成の説明に戻る。転写ベルト２２０は、無端状ベルトで構成され、複数の支持ローラー（図示せず）にループ状に張架される。複数の支持ローラーのうちの少なくとも一つは駆動ローラーで構成され、その他は従動ローラーで構成される。転写ベルト２２０は、制御部１１０からの制御信号によって図中時計回り方向に回転駆動される。転写ベルト２２０は、感光体ドラム１８１，１９１からそれぞれ一次転写された第１粒子像２３１および第２粒子像２３２が造形ステージ１７０上の造形面に二次転写されるまで当該第１粒子像２３１および第２粒子像２３２を一時的に保持する。ここで、造形面は、三次元造形物２３０のうち１層目の粒子層を形成する場合であれば造形ステージ１７０の表面であり、Ｎを自然数としたときに、Ｎ＋１層目の粒子層を形成する場合にはＮ層目の粒子層の表面である。図１に示す例では、造形ステージ１７０上の造形面は、Ｎ層目の粒子層の表面２３３である。

転写ベルト２２０は、半導電性の基材と、表層として設けられた体積抵抗率が８〜１１［ｌｏｇΩ・ｃｍ］以上の絶縁樹脂層との２層からなる構造である。基材を構成する材料として、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ），ポリイミド（ＰＩ），ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、シリコンゴム，ウレタンゴム等のゴム材料、およびそれらの混合物が挙げられる。基材の厚みは通常、樹脂材料の場合は５０〜２００［μｍ］程度、ゴム材料の場合は３００〜７００［μｍ］程度に設定される。本実施の形態では、転写ベルト２２０の表面には、テフロン（登録商標）やＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）等のフッ素系化合物がコーティングされ、当該表面に撥インク性を持たせている。転写ベルト２２０の表面において第１粒子像２３１および第２粒子像２３２の離型性を向上させるためである。

転写ベルト２２０の内周面側には、二次転写ローラー２２２が設けられている。本実施の形態では、二次転写ローラー２２２に対して所定の電圧を印加して造形ステージ１７０との間で所定の電位差を持たせるため、二次転写ローラー２２２として金属ローラーが用いられる。二次転写ローラー２２２と造形ステージ１７０との間の電位差により、転写ベルト２２０上に保持された第１粒子像２３１および第２粒子像２３２は、造形ステージ１７０上の造形面に二次転写される。なお、転写ベルト２２０および二次転写ローラー２２２によって、造形面に粒子像を転写するための転写部が構成される。

本実施の形態では、第１粒子像２３１および第２粒子像２３２が造形ステージ１７０上の造形面２３３に二次転写される際に二次転写ローラー２２２と当該造形面２３３との密着性を向上させて良好な転写性を実現するため、二次転写ローラー２２２の表面には導電性樹脂を用いたコーティング処理が施されている。

転写ベルト２２０の左端には、クリーニングブレード２２４が設けられている。クリーニングブレード２２４は、その一部が転写ベルト２２０の表面に押し当てられた状態で設けられていて、転写ベルト２２０の表面に残留する第１粒子像２３１および第２粒子像２３２やキャリア液を除去する。クリーニングブレード２２４は、例えば熱硬化性ポリウレタンゴムを用いた弾性ゴムブレードからなる。

造形ステージ１７０は、三次元造形物２３０の造形動作中、１層分の粒子層を形成する際、図１に示すように、移動機構１６０により基準位置、転写位置、加熱位置、退避位置および基準位置にこの順番で移動させられる。ここで、基準位置とは、転写ベルト２２０上の第１粒子像２３１および第２粒子像２３２が造形ステージ１７０上の造形面２３３に二次転写される前に、造形ステージ１７０が配置される位置である。転写位置とは、転写ベルト２２０上の第１粒子像２３１および第２粒子像２３２が造形ステージ１７０上の造形面２３３に二次転写される際、造形ステージ１７０が配置される位置である。加熱位置とは、造形ステージ１７０上の造形面２３３に二次転写された第１粒子像２３１および第２粒子像２３２が粒子層形成部２００によって加熱される際、配置される位置である。退避位置とは、二次転写された第１粒子像２３１および第２粒子像２３２が粒子層形成部２００によって加熱された後、基準位置に戻る前に造形ステージ１７０が配置される位置である。

造形ステージ１７０は、金属材料で構成されており、制御部１１０の制御を受けて造形ステージ１７０に第１粒子および第２粒子の帯電極性（例えば、マイナス極性）とは逆極性（例えば、プラス極性）の電圧を印加する電圧印加部２１０が接続されている。電圧印加部２１０は、造形ステージ１７０が基準位置から転写位置に移動した際、造形ステージ１７０上の造形面２３３が転写ベルト２２０上に保持された第１粒子像２３１および第２粒子像２３２と接触する前に、造形ステージ１７０に電圧を印加する。これにより、二次転写ローラー２２２と造形ステージ１７０との間で所定の電位差が生じ、造形ステージ１７０上の造形面２３３が転写ベルト２２０上に保持された第１粒子像２３１および第２粒子像２３２と接触した際、第１粒子像２３１および第２粒子像２３２は造形面２３３に二次転写される。なお、二次転写ローラー２２２と造形ステージ１７０との間で所定の電位差が生じていれば良いため、二次転写ローラー２２２の電位次第では、電圧印加部２１０は、造形ステージ１７０をグラウンド電位（０［Ｖ］）としても良い。

転写ベルト２２０の左方には、粒子層形成部２００が設けられている。本実施の形態では、粒子層形成部２００は、フラッシュランプであり、造形ステージ１７０が転写位置から加熱位置に移動した際、造形ステージ１７０上の造形面２３３に転写された第１粒子像２３１および第２粒子像２３２に対して光を照射することによって、当該第１粒子像２３１および第２粒子像２３２を加熱する。フラッシュランプは、コンデンサーに充電された電気エネルギーによってフラッシュランプ内の気体を放電発光させ光エネルギーを放射するものである。粒子層形成部２００としては、例えばＮｏｖａＣｅｎｔｒｉｃ社製（商品名：ＰｕｌｓｅＦｏｒｇｅ３２００）の光焼成装置が用いられる。粒子層形成部２００による加熱処理によって第１粒子像２３１および第２粒子像２３２には高エネルギーが与えられ、当該第１粒子像２３１および第２粒子像２３２は溶けて結合する。これにより、造形ステージ１７０上の造形面２３３（例えば、Ｎ層目の粒子層）に新しい粒子層２３５（例えば、Ｎ＋１層目の粒子層）が形成される。なお、粒子層形成部２００による加熱処理の際、造形ステージ１７０上の造形面２３３に転写されたキャリア液および分散安定剤は高温によって気化するため、当該造形面２３３上にはキャリア液３００および分散安定剤３１０は残らないか無視できる程度の残存量となる。

転写ベルト２２０上に保持された第１粒子像２３１および第２粒子像２３２が、造形ステージ１７０上の造形面２３３に二次転写された後でも、第１粒子像２３１および第２粒子像２３２の周りにはキャリア液３００および分散安定剤３１０が必ず残り、粒子層形成部２００の加熱処理によってキャリア液および分散安定剤を取り除く必要がある。例えば、キャリア液として出光興産社製のＩＰソルベント２０２８を用いた場合、その沸点は２１３〜２１６［℃］と高い。また、本実施の形態では、第１粒子および第２粒子として金属粒子を用いており、金属粒子同士を焼結させる必要があるため、２００〜３００［℃］の高い温度が必要となる。ここで、特許文献１、２に記載されるように、転写手段としてヒートローラーを使用し、そのヒートローラーの熱により第１粒子像２３１および第２粒子像２３２を加熱する構成を採用した場合、転写ベルト２２０が高温になり、ひいては転写ベルト２２０の熱がイメージングユニット１８０，１９０にまで伝わる。これにより、転写ベルト２２０、イメージングユニット１８０，１９０の構成部材において加熱障害が生じてしまう。そこで、本実施の形態では、粒子層形成部２００は、粒子層形成部２００による加熱の影響が転写ベルト２２０に及ばないように、当該転写ベルト２２０から離れた位置に配置される。これにより、転写ベルト２２０が高温になることを防止し、ひいては転写ベルト２２０の熱がイメージングユニット１８０，１９０にまで伝わることを防止することができるため、転写ベルト２２０、イメージングユニット１８０，１９０の構成部材への加熱障害を回避することができる。

粒子層形成部２００による加熱処理が終了した後、造形ステージ１７０は、加熱位置から退避位置に移動する。その後、造形ステージ１７０は、退避位置から基準位置に移動する。このようにして、造形ステージ１７０が基準位置、転写位置、加熱位置、退避位置および基準位置にこの順で移動することにより、造形ステージ１７０上の造形面２３３には、１層分の粒子層２３５が形成される。造形ステージ１７０は、移動機構１６０によって鉛直方向（図１中上下方向）に移動可能に構成されており、造形ステージ１７０上の造形面２３３に１層分の粒子層２３５が形成された後、積層ピッチだけ鉛直方向下方に移動する。

次に、図４を参照し、移動機構１６０の構成について説明する。図４Ａに示すように、移動機構１６０は、ガイドベルト１６２、駆動ローラー１６４、従動ローラー１６６、ロッド１６８、ロッド１６８の移動機構１６９、および、ロッド１６８のガイド１７１を備える。ガイドベルト１６２は、無端状ベルトで構成され、駆動ローラー１６４および従動ローラー１６６にループ状に張架される。駆動ローラー１６４は、制御部１１０からの制御信号によって図中反時計回り方向に回転駆動される。これにより、ガイドベルト１６２は、図中反時計回り方向に回転駆動される。ガイドベルト１６２の側部には、ロッド１６８を図中上下方向（鉛直方向）に移動自在に保持する移動機構１６９が取り付けられている。ロッド１６８の上部には、造形ステージ１７０が水平状態を保ったまま接続されている。ガイドベルト１６２が図中反時計回り方向に回転駆動されることにより、造形ステージ１７０は、基準位置、転写位置、加熱位置、退避位置および基準位置にこの順で移動する。その際、ガイド１７１は、ガイドベルト１６２の縦断面形状に類似した形状に形成された図中に鎖線で示すガイド溝に沿って移動し、ロッド１６８を垂直に保ち続ける。図４Ｂに示すように、造形ステージ１７０上の造形面２３３に粒子層２３５が形成されると、ロッド１６８が積層ピッチだけ鉛直方向下方に移動し、造形ステージ１７０も同様に鉛直方向下方に移動する。ここで、液体現像剤中に分散される粒子の粒径は小さいため、複数の層が形成される毎に造形ステージ１７０を下降させるようにしてもよい。このようにすると、ロッド１６８の移動機構１６９に求められる精度が高くなり過ぎることを防止できる。上記各位置への移動を繰り返しながら造形を行い、図４Ｃに示すように、造形ステージ１７０の位置を徐々に下方へ移動させながら、必要な層の造形が完了する。なお、転写ベルト２２０の回転によって第１粒子像２３１および第２粒子像２３２が造形ステージ１７０上の造形面２３３に対向する位置に継続的に送られてくるため、造形ステージ１７０は図４Ａに示すような構成で基準位置、転写位置、加熱位置および退避位置の間を周回することが時間効率化の観点で好ましい。

造形面帯電部２４０は、第１粒子および第２粒子が金属粒子でなく樹脂粒子である場合、造形ステージ１７０上の造形面２３３が転写ベルト２２０上に保持された第１粒子像２３１および第２粒子像２３２と接触する前に、その造形面２３３をコロナ放電により第１粒子および第２粒子の帯電極性（例えば、マイナス極性）とは逆極性（例えば、プラス極性）に帯電させる。ここで、樹脂粒子としては、キャリア液３００中に分散できるものであれば特に制限するものではなく、例えば、比較的扱いが容易なものとしてスチレンアクリル等のアクリル系の熱可塑性樹脂が利用される。造形面帯電部２４０は、制御部１１０の制御を受けて、図１中上下左右方向に移動可能に構成され、例えば造形ステージ１７０が基準位置に位置している場合に造形ステージ１７０上の造形面２３３に接触するように移動して当該造形面２３３を帯電させる。帯電させた後は、造形面帯電部２４０は、造形ステージ１７０と接触しない位置（退避位置）に移動する。これにより、二次転写ローラー２２２と造形ステージ１７０上の造形面２３３との間で所定の電位差が生じ、造形ステージ１７０上の造形面２３３が転写ベルト２２０上に保持された第１粒子像２３１および第２粒子像２３２と接触した際、第１粒子像２３１および第２粒子像２３２は造形面２３３に二次転写される。

図５は、三次元造形装置１００の三次元造形動作例を示すフローチャートである。データ入力部１２０が、コンピューター装置１３０から造形を要求する信号を受信する等によりフローが開始され、制御部１１０内部の記憶領域の初期化や必要な変数やプログラムを記憶領域に展開したり、造形ステージ１７０を基準位置に戻したり、造形ステージ１７０の高さを初期位置になるようにロッド１６８の位置を調整したり、各造形プロセス機器の準備動作を開始したりするなどの初期設定を行う（ステップＳ１００）。また、これに続いて又は初期設定処理と並行して、データ入力部１２０がコンピューター装置１３０から３Ｄデータを受信し、制御部１１０が３Ｄデータを取得する（ステップＳ１１０）。

次に、制御部１１０は、取得した３Ｄデータを解析することによって、三次元造形物２３０に対して第１粒子領域２３４および第２粒子領域２３６をそれぞれ設定する（ステップＳ１２０）。

次に、制御部１１０は、３Ｄデータを積層方向について薄く切った複数のスライスデータに変換する（ステップＳ１４０）。次に、制御部１１０は、変換したスライスデータに基づいてイメージングユニット１８０，１９０（露光装置１８３，１９３）を制御し、造形対象物の粒子層（第１粒子領域および第２粒子領域）に対応する静電潜像を感光体ドラム１８１，１９１の表面に形成させる（ステップＳ１６０）。

次に、制御部１１０は、イメージングユニット１８０，１９０（液体現像装置１８４，１９４）を制御し、感光体ドラム１８１，１９１上に第１粒子像２３１および第２粒子像２３２をそれぞれ形成させる（ステップＳ１８０）。そして、制御部１１０は、イメージングユニット１８０，１９０を制御し、感光体ドラム１８１，１９１上に形成された第１粒子像２３１および第２粒子像２３２を転写ベルト２２０上に一次転写させる。

次に、制御部１１０は、移動機構１６０を制御してガイドベルト１６２を駆動し、造形ステージ１７０を転写位置に移動し（ステップＳ１９０）、さらに、電圧印加部２１０を制御し、転写ベルト２２０上に保持された第１粒子像２３１および第２粒子像２３２を造形ステージ１７０上の造形面２３３に二次転写させる（ステップＳ２００）。

次に、制御部１１０は、移動機構１６０を制御してガイドベルト１６２を駆動し、造形ステージ１７０を加熱位置に移動し（ステップＳ２１０）、さらに、および粒子層形成部２００を制御し、造形ステージ１７０上の造形面２３３に転写された第１粒子像２３１および第２粒子像２３２を加熱することによって、造形ステージ１７０上の造形面２３３に新しい粒子層２３５を形成させる（ステップＳ２２０）。そして、移動機構１６０を制御してガイドベルト１６２を駆動し、造形ステージ１７０を、退避位置を経由して基準位置に戻す（ステップＳ２３０）。最後に、制御部１１０は、三次元造形物２００を構成する最終層の粒子層（第１粒子領域２３４、第２粒子領域２３６）まで形成したか否かについて判定する（ステップＳ２４０）。この判定の結果、最終層の粒子層まで形成していない場合（ステップＳ２４０、ＮＯ）、造形ステージ１７０の降下が必要な数の層だけ積層が行われていれば、移動機構１６９を制御して造形ステージ１７０を積層ピッチ分下降させ（ステップＳ２６０）、処理はステップＳ１８０の前に戻る。一方、最終層の造形材料層まで形成した場合（ステップＳ２４０、ＹＥＳ）、三次元造形装置１００は、図５における処理を終了する。

［本実施の形態における効果］
以上詳しく説明したように、本実施の形態では、三次元造形装置１００は、造形対象物の三次元形状に基づいて静電潜像を感光体ドラム１８１，１９１の表面に形成する露光装置１８３，１９３と、帯電性を有する粒子３２０がキャリア液３００中に分散されている液体現像剤を供給し、当該粒子３２０によって静電潜像を顕像化し、感光体ドラム１８１，１９１上に第１粒子像２３１および第２粒子像２３２を形成する液体現像装置１８４，１９４と、造形ステージ１７０上の造形面２３３に、感光体ドラム１８１，１９１上に形成された第１粒子像２３１および第２粒子像２３２を静電的に転写する転写部（転写ベルト２２０および二次転写ローラー２２２）と、転写部により転写された第１粒子像２３１および第２粒子像２３２を加熱することによって造形面２３３上に粒子層２３５を形成する粒子層形成部２００と、造形ステージ１７０上に粒子層２３５を順に形成して積層することによって三次元造形物２３０を造形するように、露光装置１８３，１９３、液体現像装置１８４，１９４、転写部および粒子層形成部２００を制御する制御部１１０を備える。

このように構成した本実施の形態によれば、液体現像剤を用いた現像方式（湿式現像法）により粒子層が形成されるため、粒子をそのままの状態で用いた現像方式（乾式現像法）により粒子層を形成する場合と比べて、より小さな粒径を有する粒子を用いることができる。より小さな粒径を有する粒子によって、造形対象物の細かな部分まで再現することができる。つまり、三次元造形物２３０をより高精度で造形することができる。また、粒子像の転写後に、転写部から離れた加熱位置に造形ステージを移動し、加熱位置において
粒子像の加熱を行うため、造形を行うための各作像機器を熱で損傷したり劣化したりすることがない。従って、焼結のために高温が必要とされる金属粒子を用いたとしても良好に造形を行うことができ、ひいては、精度の高い金属製の立体造形物を得ることができる。

［変形例］
なお、上記実施の形態では、イメージングユニットの数が複数（２つ）である例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、イメージングユニットの数は、１つであっても良い。ただし、複数のイメージングユニットを設けることによって三次元造形物２３０の造形に用いる粒子にバリエーションを持たせることができるため好ましい。イメージングユニットの数が１つである場合（つまり、単一の粒子のみを用いて三次元造形物２３０を造形する場合）、イメージングユニットから直接、造形ステージ１７０上の造形面２３３に粒子像を転写させるように構成しても良い。この場合、転写ベルト２２０は不要となり、装置コストが減少するため好ましい。

また、上記実施の形態では、感光体ドラム１８１，１９１が本発明の「像担持体」に対応する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、ベルト状の感光体が本発明の「像担持体」に対応しても良い。

また、上記実施の形態において、第１粒子および第２粒子が樹脂粒子である場合、造形ステージ１７０に第１粒子および第２粒子の帯電極性とは逆極性の電圧を印加しても良い。ただし、第１粒子および第２粒子が金属粒子である場合に、造形ステージ１７０に第１粒子および第２粒子の帯電極性とは逆極性の電圧を印加する方が好ましい。

また、上記実施の形態において、第１粒子および第２粒子が金属粒子である場合、造形ステージ１７０上の造形面２３３を、第１粒子および第２粒子の帯電極性とは逆極性に帯電させても良い。ただし、第１粒子および第２粒子が樹脂粒子である場合に、造形ステージ１７０上の造形面２３３を、第１粒子および第２粒子の帯電極性とは逆極性に帯電させる方が好ましい。

また、上記実施の形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１００ 三次元造形装置
１１０ 制御部
１２０ データ入力部
１３０ コンピューター装置
１４０ 表示部
１５０ 操作部
１６０ 移動機構
１６２ ガイドベルト
１６４ 駆動ローラー
１６６ 従動ローラー
１６８ ロッド
１７０ 造形ステージ
１８０，１９０ イメージングユニット
１８１，１９１ 感光体ドラム
１８２，１９２ 帯電装置
１８３，１９３ 露光装置
１８４，１９４ 液体現像装置
１８４ａ，１９４ａ 現像ローラー
１８４ｂ，１９４ｂ 搬送ローラー
１８４ｃ，１９４ｃ 供給ローラー
１８４ｄ，１９４ｄ 液体現像剤
１８５，１９５ 一次転写ローラー
１８６，１９６，２２４ クリーニングブレード
１８７，１９７ 液体現像剤貯蔵タンク
２００ 粒子層形成部
２１０ 電圧印加部
２２０ 転写ベルト
２２２ 二次転写ローラー
２３０ 三次元造形物
２３１ 第１粒子像
２３２ 第２粒子像
２３３ 造形面
２３４ 第１粒子領域
２３５ 粒子層
２３６ 第２粒子領域
２４０ 造形面帯電部
３００ キャリア液
３１０ 分散安定剤
３２０ 粒子

Claims (10)

1. 造形対象物の三次元形状に基づいて静電潜像を像担持体の表面に形成する静電潜像形成部と、
   帯電性を有する粒子がキャリア液中に分散されている液体現像剤を供給し、当該粒子によって前記静電潜像を顕像化し、前記像担持体上に粒子像を形成する粒子像形成部と、
   造形ステージ上の造形面に、前記像担持体上に形成された前記粒子像を静電的に転写する転写部と、
   前記転写部により転写された前記粒子像を加熱することによって前記造形面上に粒子層を形成する粒子層形成部と、
   前記造形ステージ上に前記粒子層を順に形成して積層することによって三次元造形物を造形するように、前記静電潜像形成部、前記粒子像形成部、前記転写部および前記粒子層形成部を制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする三次元造形装置。
2. 前記造形ステージ上の造形面に転写された前記粒子像を当該転写部から離れた加熱位置に移動する移動機構をさらに備え、
   前記粒子層形成部は、前記加熱位置で前記粒子像を加熱して粒子層を形成することを特徴とする請求項１に記載の三次元造形装置。
3. 前記粒子層形成部は、前記粒子像に光を照射することによって当該粒子像を加熱することを特徴とする請求項１または２に記載の三次元造形装置。
4. 前記粒子は、金属粒子であり、分散安定剤を用いて前記キャリア液中に分散されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の三次元造形装置。
5. 前記粒子は、樹脂粒子であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の三次元造形装置。
6. 前記造形ステージ上の造形面に前記粒子像が転写される際、前記粒子の帯電極性と逆極性の電圧を前記造形ステージに印加する電圧印加部を備えることを特徴とする請求項４または５に記載の三次元造形装置。
7. 前記造形ステージ上の造形面に前記粒子像が転写される際、前記粒子の帯電極性とは逆極性に当該造形面を帯電させる造形面帯電部を備えることを特徴とする請求項４または５に記載の三次元造形装置。
8. 前記造形面帯電部は、コロナ放電によって前記造形面を帯電させることを特徴とする請求項７に記載の三次元造形装置。
9. 造形対象物の三次元形状に基づいて静電潜像を像担持体の表面に形成し、
   帯電性を有する粒子がキャリア液中に分散されている液体現像剤を供給して前記静電潜像を顕像化することにより前記像担持体上に粒子像を形成し、
   造形ステージ上の造形面に、前記像担持体上に形成された前記粒子像を静電的に転写し、
   静電転写された前記粒子像を加熱することによって前記造形面上に粒子層を形成し、
   前記造形ステージ上に前記粒子層を順に形成して積層することによって三次元造形物を造形することを特徴とする三次元造形方法。
10. 前記造形ステージ上の造形面に転写された前記粒子像を当該粒子像の転写位置から離れた加熱位置に移動し、当該加熱位置で前記粒子像を加熱して前記粒子層を形成することを特徴とする請求項９に記載の三次元造形方法。