JP2016043493A - 積層造形装置および積層造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高価な有色の帯電性粉体の使用量を抑制することができ、立体像を安価に作製することができる積層造形装置を提供する。
【解決手段】積層造形装置１は、中間転写ベルト３１と、中間転写ベルト３１上に有色の粉体像Ｔを形成する少なくとも１つの有色像形成部ＵＹと、中間転写ベルト３１上に透明の粉体像Ｔを形成する少なくとも１つの透明像形成部ＵＴと、中間転写ベルト３１上の粉体像Ｔが転写される昇降ステージ２３ａとを備えている。積層造形装置１は、粉体像Ｔを積層して形成される立体像Ｆの構造を設計する立体像設計部５１によって、立体像Ｆの内部を透明の粉体像Ｔで形成し、立体像Ｆの外周部を有色の粉体像Ｔで形成した構造とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、粉体像を積層して立体像を造形する積層造形装置並びに、その積層造形方法に関する。

近年、樹脂や金属といった材料を少しずつ積層しながら固めて、立体像を形成する積層造形装置、所謂３Ｄプリンタが脚光を集めている。現在、実用化されている３Ｄプリンタの方式としては、大きく分類して次の５つの方式がある。

第１の熱溶解積層法は、加熱によって軟化する熱可塑性樹脂（ＡＢＳやＰＣ）を材料とする方式である。この方式では、プリンタヘッドを移動させつつ、プリンタヘッドから加熱溶融された熱可塑性樹脂を押し出してステージ上に積層し、立体像を形成する。材料としては、糸状または繊維状の樹脂を用いており、この樹脂を加熱溶解しながら押し出して積層する。

第２の光学造形法は、光硬化性樹脂をレーザービームによって硬化させる方式である。この方式では、液体状の光硬化性樹脂をプールに満たし、光硬化性樹脂の液面より僅かに低い位置にステージを配置する。そして、ステージ上の光硬化性樹脂の層は、レーザービームの照射によって部分的に硬化する。硬化させた層は、ステージを一層分だけ下降させることで、液面より下に降ろされ、次の層に対して同じ処理を施す。このようなレーザービームの照射とステージの下降とを繰り返して、複数層の硬化部分をステージ上に積層することで、立体像を形成している。

第３のインクジェット法は、インクジェットヘッドを使って噴射した紫外線硬化性の樹脂を、紫外線で固めながら積層していく方式である。この方式では、ステージを移動させつつ、インクジェットヘッドからステージ上に紫外線硬化性の樹脂を噴出し、紫外線を照射して硬化させる。次に、ステージを一層分だけ下降させてから、同様に樹脂を噴出して硬化させる。このような樹脂の噴出硬化とステージの下降とを繰り返して、立体像をステージ上に形成している。

第４の粉末造形法は、石膏等の粉末に水滴（接着剤）を噴射し固形化する方式である。この方式では、石膏粉末の薄い層をステージ上に形成し、インクジェットヘッドから接着剤を噴出して、部分的に硬化させる。その後、他の方式と同様に、積層を繰り返して立体像を形成する。

第５の粉末焼結積層造形法は、金属粉末にレーザービームや電子ビームを照射して焼結させ、各層を硬化させていく方式である。この方式では、金属粉末としてチタン合金やニッケル合金を用いており、積層を繰り返して立体像を形成する。

ところで、「熱溶解積層法」、「インクジェット法」、および「粉末造形法」では、プリントヘッドやインクジェットヘッドを往復移動させるため、造形速度が遅いという課題がある。そして、「光学造形法」でも、光硬化性樹脂の液面が安定するまでの時間が長く、かつ光硬化性樹脂の硬化に長い時間が費やされるため、造形速度が遅いという課題がある。また、「粉末造形法」では、材料である石膏を接着剤で硬化させる方式なので、造形物の強度が弱いという課題がある。さらに、「粉末焼結積層造形法」では、樹脂材料に対応できず、消費エネルギーが大きいという課題がある。そして、いずれの方式においても、一層の厚さが５０〜２００μｍと厚いため、立体像の表面がざらざらした仕上がりになってしまうという共通の課題がある。

上述した現行の３Ｄプリンタ方式に対して、周知の電子写真の技術を応用した積層造形装置が提案されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。特許文献１および特許文献２に開示されている積層造形装置では、静電潜像を誘電体表面に形成する工程と、誘電体表面の静電潜像を帯電性粉体で現像して、誘電体表面に粉体像を形成する工程と、粉体像を誘電体表面から中間転写体に転写する工程と、粉体像を加熱して溶融または軟化させる工程と、粉体像を中間転写体からステージへと転写する工程とを有し、これらの工程を繰り返すことで、複数の粉体像を積層して立体像をステージ上に形成している。

このような電子写真の技術を応用した方法では、消費エネルギーが比較的小さく、立体像を高速で形成することができる。また、直径１０μｍ程度の微粒子の集合からなる帯電性粉体を使用することから、一層の厚さが１０μｍ程度と薄く、強度が高くて表面の仕上がりが良好な立体像を形成することができる。

特開平１０−２０７１９４号公報 特開２００２−３４７１２９号公報

特許文献１に記載の積層造形方法では、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、およびホワイト（Ｗ）の４色の帯電性粉体を用いることで、フルカラーの３次元立体像を造形している。具体的には、図１５の複数色の帯電性粉体が混合された帯電性粉体層の模式図に示すように、帯電性粉体層１００は、イエロー粉体１０１、マゼンタ粉体１０２、シアン粉体１０３、およびホワイト粉体１０４の各色の帯電性粉体を混合して形成されている。そして、帯電性粉体層１００をシート形成手段によってシート状に形成し、ステージへの転写と積層とを繰り返すことでカラーの立体像を造形していた。

また、図１６Ａの立体像の側面例１の模式図に示すように、単色の帯電性粉体層１１０を積層する場合もある。つまり、立体像の側面について、所望の色を再現する場合、再現する色の各色の混合比に応じて、各単色の帯電性粉体層１１０をそれぞれ形成し、複数の帯電性粉体層１１０を積層することで、所望の色を再現している。

さらに、図１６Ｂの立体像の側面例２の模式図に示すように、立体像の側面について、白色を背景として黄色の円形を描く場合、円形描画領域に黄色の帯電性粉体を用い、それ以外の領域に白色の帯電性粉体を用いていた。つまり、１層の帯電性粉体層１１０のうち、円形描画領域とそれ以外の領域とで、異なる色の帯電性粉体を用いており、同様にして形成した複数の帯電性粉体層１１０を積層していた。

ところで、有色の帯電性粉体は、基材となる熱可塑性のプラスチック樹脂に高価な顔料を添加して作製されるため、無着色の帯電性粉体に比べて高価となる。そして、特許文献１に記載の積層造形方法では、目に見える表面だけでなく、目に見えない内部も表面と同じ有色の帯電性粉体で造形しているため、高価な有色の帯電性粉体が多く必要となり、立体像の価格が高くなるという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、高価な有色の帯電性粉体の使用量を抑制することができ、立体像を安価に作製することができる積層造形装置および積層造形方法を提供することを目的とする。

本発明に係る積層造形装置は、像担持体と、有色の粉体像を前記像担持体上に形成する少なくとも１つの有色像形成部と、透明の粉体像を前記像担持体上に形成する少なくとも１つの透明像形成部と、前記像担持体上の粉体像が転写されるステージと、前記ステージ上に複数の粉体像を積層して形成される立体像の構造を設計する立体像設計部とを備える積層造形装置であって、前記立体像設計部は、前記立体像の内部を透明の粉体像で形成し、前記立体像の外周部を有色の粉体像で形成した構造を設計することを特徴とする。

本発明に係る積層造形装置では、前記有色像形成部のうちいずれかは、白色の粉体像を形成する構成としてもよい。

本発明に係る積層造形装置では、前記立体像設計部は、前記立体像のうち内部と外周部との間に設けられた中間部を、白色の粉体像で形成した構造を設計する構成としてもよい。

本発明に係る積層造形装置では、前記立体像設計部は、前記像担持体上に複数の粉体像を形成し、該像担持体上で隣り合う粉体像の一部と重なる重複領域を設けた構造を設計する構成としてもよい。

本発明に係る積層造形装置では、前記立体像設計部は、前記立体像の外周部の厚さを５０μｍ以上として設計する構成としてもよい。

本発明に係る積層造形装置では、前記立体像設計部は、前記立体像の外周部の厚さを２００μｍ以下として設計する構成としてもよい。

本発明に係る積層造形方法は、像担持体に透明の帯電性粉体を静電吸着させて、透明の粉体像を前記像担持体上に形成する第１像形成ステップと、前記像担持体上に形成された透明の粉体像の周囲に有色の帯電性粉体を静電吸着させて、有色の粉体像を前記像担持体上に形成する第２像形成ステップと、ステージを前記像担持体に接近する方向へ移動させて、前記像担持体上の粉体像を前記ステージまたは前記ステージ上の粉体像に、接触もしくは密着させる接触ステップと、前記ステージを前記像担持体から離間する方向へ移動させて、前記像担持体上の粉体像を前記ステージへ転写させる転写ステップとを含み、前記第１像形成ステップ、前記第２像形成ステップ、前記接触ステップ、および前記転写ステップを含む一連の処理を繰り返すことで、複数の粉体像を前記ステージ上に積層して立体像を形成することを特徴とする。

本発明によると、高価な有色の帯電性粉体の使用量を抑制することができ、立体像を安価に作製することができる。つまり、着色された立体像を形成する際に、目に見える外周部を有色とし、目に見えない内部を透明として着色された部分を減らすことで、有色の帯電性粉体を節約することができる。

本発明の実施の形態に係る積層造形装置の側面図である。 本発明の実施の形態に係る積層造形装置の概略構成図である。 図１の積層造形装置における中間転写ベルトを拡大して示す拡大側面図である。 図１の積層造形装置における面状ヒータの構成を示す拡大側面図である。 本発明の第１実施形態に係る積層造形方法で形成した立体像の上面図である。 図５における矢符Ｃ−Ｃでの立体像の縦断面図である。 図６における矢符Ｄ−Ｄでの立体像の横断面図である。 図６における矢符Ｅ−Ｅでの立体像の横断面図である。 本発明の第２実施形態に係る積層造形方法で形成した立体像であって、図７Ａの符号Ｇの領域を拡大して示す拡大断面図である。 本発明の第３実施形態に係る積層造形方法で形成した立体像の上面図である。 図９における矢符Ｈ−Ｈでの立体像の縦断面図である。 図１０における矢符Ｊ−Ｊでの立体像の横断面図である。 図１０における矢符Ｋ−Ｋでの立体像の横断面図である。 図１０における矢符Ｌ−Ｌでの立体像の横断面図である。 本発明の実施の形態に係る積層造形装置の変形例の側面図である。 図１２の積層造形装置の変形例における加熱部を拡大して示す拡大側面図である。 表面側から見た中間転写ベルトの加熱領域近傍を示す拡大平面図である。 従来の複数色の帯電性粉体が混合された帯電性粉体層の模式図である。 従来の立体像の他の側面例１の模式図である。 従来の立体像の他の側面例２の模式図である。

以下、本発明の実施の形態に係る積層造形装置について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る積層造形装置の側面図であって、図２は、本発明の実施の形態に係る積層造形装置の概略構成図である。

本発明の実施の形態に係る積層造形装置１は、カラーの立体像Ｆを造形する３次元（３Ｄ）プリンタであり、５つの像形成ユニット１０Ｙ、１０Ｍ、１０Ｃ、１０Ｗ、１０Ｔと、転写ユニット２０とを備えている。なお、以下では説明のため、５つの像形成ユニット１０Ｙ、１０Ｍ、１０Ｃ、１０Ｗ、１０Ｔを併せて、像形成ユニットと呼ぶことがある。

像形成ユニットは、感光体ドラム１１の周囲に帯電器１２、レーザ光照射部１３、現像器１４、転写ローラ１５、クリーナー１６、および除電部１７が配置された構成とされている。感光体ドラム１１と転写ローラ１５との間には、転写ユニット２０の中間転写ベルト３１（像担持体の一例）が挟み込まれており、転写ローラ１５によって中間転写ベルト３１を感光体ドラム１１の表面に圧接させている。なお、回転する感光体ドラム１１の周速は、周回方向Ａに周回移動する中間転写ベルト３１の周速と概ね同一に設定されている。

現像器１４には、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ホワイト（Ｗ）、および透明（Ｔ）の５色の帯電性粉体のうち、像形成ユニットで形成する粉体像Ｔの色に応じた帯電性粉体がそれぞれ収容されている。

帯電性粉体は、ポリエステルやスチレンアクリル等の熱可塑性樹脂に顔料からなる着色剤を添加した粉体で形成されている。帯電性粉体には、必要に応じて帯電制御剤（ＣＣＡ）を添加してもよく、また、現像性や転写性を向上させるために、シリカ等からなる外添剤を添加してもよい。本実施の形態では、帯電性粉体として、顔料および帯電制御剤を軟化点温度１２０℃のポリエステル樹脂に添加して混練した後、平均粒径７μｍに粉砕したものを用いている。また、一部の帯電性粉体には、粒径が７ｎｍのシリカからなる外添剤を添加している。なお、透明（Ｔ）の帯電性粉体については、顔料からなる着色剤は添加されていない。

像形成ユニットでは、帯電性粉体を用いて感光体ドラム１１の表面に粉体像Ｔを形成し、形成した粉体像Ｔを中間転写ベルト３１に転写する。なお、像形成ユニットの具体的な動作については後述する。また、以下では、粉体像Ｔの状態を区別するために、形成されている部分に応じて粉体像Ｔａないし粉体像Ｔｅと呼び、それらを併せて、粉体像Ｔと呼ぶことがある。

上述したように、像形成ユニットは、複数設けられており、像形成ユニット１０Ｙ、像形成ユニット１０Ｍ、像形成ユニット１０Ｃ、および像形成ユニット１０Ｗは、有色の粉体像Ｔを形成する有色像形成部ＵＹであって、像形成ユニット１０Ｔは、透明の粉体像Ｔを形成する透明像形成部ＵＴである。

転写ユニット２０は、中間転写ベルト３１、駆動ローラ２２ａ、テンションローラ２２ｂ、転写部２７、および冷却ファン２５ａ、２５ｂで構成されている。

中間転写ベルト３１は、無端状のベルトであって、駆動ローラ２２ａおよびテンションローラ２２ｂに張架されている。駆動ローラ２２ａは、駆動モータ５３（図２参照）によって回転駆動し、中間転写ベルト３１を周回方向Ａに周回移動させ、テンションローラ２２ｂを従動回転させる。また、中間転写ベルト３１では、像形成ユニット（図１では、像形成ユニット１０Ｙ）の周回方向Ａの下流側において、上流から順に加熱転写領域Ｗおよび冷却領域Ｚが設けられている。なお、以下では説明のため、中間転写ベルト３１において、粉体像Ｔが形成される面（感光体ドラム１１に当接する面）を表面と呼び、粉体像Ｔが形成されない面（転写ローラ１５に当接する面）を裏面と呼ぶことがある。つまり、中間転写ベルト３１では、厚さ方向で表面と裏面とが対向している。また、中間転写ベルト３１については、後述する図３を参照して、詳細に説明する。

転写部２７は、加熱転写領域Ｗにおいて、中間転写ベルト３１の表面側に配置されたステージユニット２３と、中間転写ベルト３１の裏面側に配置されたヒータユニット２４とを備える構成とされている。つまり、ステージユニット２３とヒータユニット２４は、中間転写ベルト３１を挟んで対向する位置に配置されている。

ステージユニット２３は、昇降ステージ２３ａ、ベース部２３ｂ、圧力センサ２３ｃ、転写温度センサ２３ｄ、および昇降駆動部２３ｅを備える構成とされている。昇降駆動部２３ｅは、ベース部２３ｂを支持して昇降させる。ベース部２３ｂの上面には、圧力センサ２３ｃを介して昇降ステージ２３ａが搭載されて固定されている。

昇降ステージ２３ａは、例えば、アルミニウム製の厚さ１０ｍｍの平板状に形成され、上面が中間転写ベルト３１の表面に対向するように設けられている。

転写温度センサ２３ｄは、例えばサーミスタであって、昇降ステージ２３ａの上面に埋め込まれており、昇降ステージ２３ａに積載される立体像Ｆの温度を測定する。

昇降駆動部２３ｅは、例えば、電動アクチュエータである。昇降ステージ２３ａは、昇降駆動部２３ｅの駆動によって矢符Ｂの方向に昇降し、中間転写ベルト３１を介してヒータユニット２４に押圧したり、中間転写ベルト３１から離間したりする。

圧力センサ２３ｃは、例えば、日本キスラー株式会社製薄型力センサ（直径１２ｍｍ、高さ３ｍｍ、定格７ｋＮ）であり、中間転写ベルト３１と昇降ステージ２３ａとの間の圧力を測定する。圧力センサ２３ｃによって測定された圧力は、制御部５２（図２参照）にフィードバックされ、制御部５２によって昇降ステージ２３ａの上下（矢符Ｂの方向）の移動量が制御される。その結果、昇降ステージ２３ａは、所定の圧力（本実施の形態では、５９ｋＰａ）で中間転写ベルト３１を押圧するように制御される。

ヒータユニット２４は、面状ヒータ２４ａ、ヒータ温度センサ２４ｂ、およびヒータホルダー２４ｃを備える構成とされている。面状ヒータ２４ａは、ヒータホルダー２４ｃの下面に取り付けられて、中間転写ベルト３１の裏面と対向し、中間転写ベルト３１の裏面に対して接触もしくは近接して配置されている。ヒータ温度センサ２４ｂは、例えば、サーミスタであって、ヒータホルダー２４ｃの下面に埋め込まれており、面状ヒータ２４ａの上面に対して接触もしくは近接して配置されている。ヒータホルダー２４ｃは、アルミ等の金属で形成されている。また、面状ヒータ２４ａについては、後述する図４を参照して、詳細に説明する。

冷却ファン２５ａ、２５ｂは、冷却領域Ｚにおいて、中間転写ベルト３１を挟んで対向する位置に配置されており、例えば、山洋電機製のＤＣファン（商品名「ＳａｎＡｃｅ６０」、サイズ６０ｍｍ×６０ｍｍ×１５ｍｍ、定格入力３．１２Ｗ）である。冷却ファン２５ａは、中間転写ベルト３１の表面側において、中間転写ベルト３１の幅方向（積層造形装置１の奥行き方向）に５個ずつ２列に並べて配置されている。冷却ファン２５ｂは、中間転写ベルト３１の裏面側において、冷却ファン２５ａと同様に、中間転写ベルト３１の幅方向に５個ずつ２列に並べて配置されている。つまり、中間転写ベルト３１を挟んで対向する位置に、合計２０個の冷却ファン２５ａ、２５ｂが設けられている。

積層造形装置１は、さらに、制御部５２、立体像設計部５１、および位置センサ５４を備えている。制御部５２は、立体像Ｆを形成する際、像形成ユニットおよび転写部２７等を制御する。立体像設計部５１は、粉体像Ｔを積層して形成される立体像Ｆの構造を設計する。なお、立体像Ｆの構造については、後述する図５ないし図７Ｂを参照して、詳細に説明する。位置センサ５４は、中間転写ベルト３１上の粉体像Ｔの位置を検知する。

図３は、図１の積層造形装置における中間転写ベルトを拡大して示す拡大側面図である。

本実施の形態において、中間転写ベルト３１は、裏面側からベルト基材３１ａ、弾性層３１ｂ、および離型層３１ｃが積層された３層構成の３層ベルトとされている。ベルト基材３１ａは、例えば、ポリイミドで形成され、周長が５００ｍｍとされ、厚さが５０μｍとされている。弾性層３１ｂは、ベルト基材３１ａの外周面にシリコンゴムで形成され、厚さが３００μｍとされている。離型層３１ｃは、弾性層３１ｂの外周面にフッ素樹脂で形成され、厚さが１０μｍとされている。中間転写ベルト３１において、離型層３１ｃが表面とされ、ベルト基材３１ａが裏面とされている。

ベルト基材３１ａの第１の役割は、中間転写ベルト３１の周回方向Ａの伸縮を抑制し、周回方向Ａの位置精度を向上させることにある。また、第２の役割は、中間転写ベルト３１の剛性を高くすることにある。中間転写ベルト３１の剛性を高くすると、駆動ローラ２２ａやテンションローラ２２ｂの端部にカラー（図示しない）を設け、中間転写ベルト３１の端部をそのカラーに当接させて、中間転写ベルト３１の蛇行を抑制することができる。

弾性層３１ｂの役割は、中間転写ベルト３１から昇降ステージ２３ａ側への粉体像Ｔの転写効率を向上させることにある。すなわち、中間転写ベルト３１上の粉体像Ｔを転写部２７に転写する際、積層された粉体像Ｔに応じて弾性層３１ｂが弾性変形し、転写部２７上の粉体像Ｔと均一に接触するため、粉体像Ｔの転写性を向上させることができる。また、弾性層３１ｂは、熱伝導性が低いため、中間転写ベルト３１の表面側に加熱部４１を設けることで、粉体像Ｔを効率よく加熱することができる。

離型層３１ｃの役割は、中間転写ベルト３１に対する粉体像Ｔの付着力を弱めて、離型層３１ｃからの粉体像Ｔの剥離を容易にし、中間転写ベルト３１から転写部２７への粉体像Ｔの転写効率を向上させることにある。

図４は、図１の積層造形装置における面状ヒータの構成を示す拡大側面図である。

面状ヒータ２４ａは、ヒータ基板２４ａ１、ヒータ発熱層２４ａ２、およびヒータ絶縁層２４ａ３を順次重ね合わせた積層構造とされている。ヒータ基板２４ａ１は、例えば、ガラスやセラミック等で形成され、厚さが２ｍｍとされている。ヒータ発熱層２４ａ２は、銀パラジウム等で形成され、厚さが５０μｍとされている。ヒータ絶縁層２４ａ３は、ガラス等で形成され、厚さが３０μｍとされている。面状ヒータ２４ａは、給電電極（図示しない）を通じてヒータ発熱層２４ａ２に電流を流すことで、ジュール熱を生じて発熱する。ヒータ温度センサ２４ｂは、面状ヒータ２４ａの温度を測定する。ヒータ温度センサ２４ｂに測定された温度は、制御部５２にフィードバックされ、制御部５２によって面状ヒータ２４ａが所定の温度になるように制御される。ここで、面状ヒータ２４ａ、中間転写ベルト３１、および粉体像Ｔが重ね合わされた接触状態では、ヒータ温度センサ２４ｂに測定された温度が粉体像Ｔの温度に概ね等しい。従って、ヒータ温度センサ２４ｂによって測定された温度は、中間転写ベルト３１から昇降ステージ２３ａへと転写されるときの粉体像Ｔの温度の近似値（間接測定値）となる。

次に、上述した積層造形装置１において、立体像Ｆを造形する工程について説明する。

先ず、中間転写ベルト３１を周回方向Ａに周回移動させ、像形成ユニットを起動する。像形成ユニットでは、帯電器１２によって感光体ドラム１１の表面を一様に帯電させる（本実施の形態では、−６００Ｖ）。次に、レーザ光照射部１３は、形成する粉体像Ｔに応じて、レーザ光を変調しながら照射して、感光体ドラム１１の表面に静電潜像を形成する。そして、現像器１４は、静電潜像に帯電性粉体（本実施の形態では、マイナスに帯電）を付着させて、感光体ドラム１１の表面に粉体像Ｔａを形成する。感光体ドラム１１上の粉体像Ｔａは、帯電性粉体とは逆極性のバイアス電圧（本実施の形態では、＋１．５ｋＶ）が印加された転写ローラ１５によって、中間転写ベルト３１の上に転写される（粉体像Ｔｂとなる）。

ここで、５つの像形成ユニット１０Ｙ、１０Ｍ、１０Ｃ、１０Ｗ、１０Ｔによって、感光体ドラム１１の表面に各色の粉体像Ｔａが形成され、各色の粉体像Ｔａを中間転写ベルト３１の上に順次重ね合わせて転写する。これによって、中間転写ベルト３１の上には、カラーの粉体像Ｔｂが形成される。

そして、中間転写ベルト３１上の粉体像Ｔｂは、中間転写ベルト３１の周回移動に伴い、加熱転写領域Ｗへと搬送される。粉体像Ｔｂが加熱転写領域Ｗに到達すると（図１では、粉体像Ｔｅの位置）、一旦、中間転写ベルト３１は周回移動を停止し、面状ヒータ２４ａによって粉体像Ｔｅを加熱溶融させる。本実施の形態では、面状ヒータ２４ａは、転写温度である１３０℃まで上昇させている。転写温度は、例えば、帯電性粉体の軟化点温度である１２０℃よりやや高く設定されており、帯電性粉体の構成に応じて適宜設定すればよい。

その後、昇降ステージ２３ａは、矢符Ｂの方向に上昇し、ヒータユニット２４との間に中間転写ベルト３１および粉体像Ｔｅを挟み込む。昇降ステージ２３ａは、中間転写ベルト３１に所定の圧力で圧接すると、上昇を停止する。それによって、粉体像Ｔｅは、昇降ステージ２３ａ、または昇降ステージ２３ａに以前に転写された最上層の粉体像Ｔに重ね合わせて密着される。

さらに、制御部５２は、面状ヒータ２４ａによる加熱を停止させ、ヒータ温度センサ２４ｂによって測定された温度が帯電性粉体の軟化点温度近傍（または、軟化点温度以下）の剥離温度まで低下すると、昇降ステージ２３ａを下降させて中間転写ベルト３１から離間させる。ここで、中間転写ベルト３１上の粉体像Ｔｅは、中間転写ベルト３１から剥がれて、昇降ステージ２３ａまたはその最上層の粉体像Ｔに転写される。

引き続いて、中間転写ベルト３１の周回移動を再開し、粉体像Ｔｅが形成されていた部分が冷却領域Ｚを通過する際、中間転写ベルト３１は、冷却ファン２５ａ、２５ｂによって、常温（本実施の形態では、３５℃以下）まで冷却される。その後、中間転写ベルト３１には、像形成ユニットによって、再度、各色の粉体像Ｔａを重ね合わせた粉体像Ｔｂが形成される。

上述した一連の動作を複数回繰り返すことで、昇降ステージ２３ａ（転写部２７）には、複数の粉体像Ｔを積層した立体像Ｆが形成される。

次に、本発明の実施の形態に係る積層造形装置１で形成される立体像Ｆの構造について説明する。積層造形装置１では、第１実施形態ないし第３実施形態に係る積層造形方法によって、構造が異なる立体像Ｆを形成することができる。

図５は、本発明の第１実施形態に係る積層造形方法で形成した立体像の上面図であって、図６は、図５における矢符Ｃ−Ｃでの立体像の縦断面図であって、図７Ａは、図６における矢符Ｄ−Ｄでの立体像の横断面図であって、図７Ｂは、図６における矢符Ｅ−Ｅでの立体像の横断面図である。なお、図５では、図面の見易さを考慮して、外周部６１を透視的に示している。

図６に示すように、立体像Ｆは、外部から視認できる外周部６１を有色の帯電性粉体で形成され、外部から視認できない内部６２を透明の帯電性粉体で形成されており、透明の部分が有色の部分で覆われている。外周部６１は、立体像Ｆの側面に対応する側面部６１ａと、立体像Ｆの上面に対応する天面部６１ｂと、立体像Ｆの下面に対応する底面部６１ｃとで構成されている。本実施の形態では、外周部６１は、厚さが１００μｍとされている。なお、底面部６１ｃについては、立体像Ｆを台などに載置して下面が隠されることを考慮し、透明の帯電性粉体で形成してもよい。

積層造形装置１では、立体像設計部５１によって、立体像Ｆの構造が設計される。立体像設計部５１は、立体像Ｆを示す３Ｄデータを用いて、立体像Ｆを複数層に切断した断面像を作成し、像形成ユニットによって、断面像に対応する粉体像Ｔを中間転写ベルト３１の上に形成させる。本実施の形態では、立体像Ｆは、上面視において、星型多角形状とされている。図７Ａに示す断面像は、有色の領域（側面部６１ａ）と透明の領域（内部６２）とで構成され、粉体像Ｔの外縁は、有色像形成部ＵＹによって形成され、粉体像Ｔの中央は、透明像形成部ＵＴによって形成されている。また、図７Ｂに示す断面像は、有色の領域（天面部６１ｂ）だけで構成され、粉体像Ｔの全体が有色像形成部ＵＹによって形成されている。

上述したように、本発明の実施の形態に係る積層造形装置１は、中間転写ベルト３１と、有色の粉体像Ｔを中間転写ベルト３１上に形成する少なくとも１つの有色像形成部ＵＹと、透明の粉体像Ｔを中間転写ベルト３１上に形成する少なくとも１つの透明像形成部ＵＴと、中間転写ベルト３１上の粉体像が転写される昇降ステージ２３ａと、昇降ステージ２３ａ上に複数の粉体像Ｔを積層して形成される立体像Ｆの構造を設計する立体像設計部５１とを備えている。立体像設計部５１は、立体像Ｆの内部６２を透明の粉体像Ｔで形成し、立体像Ｆの外周部６１を有色の粉体像Ｔで形成した構造を設計する。従って、高価な有色の帯電性粉体の使用量を抑制することができ、立体像Ｆを安価に作製することができる。ここで、帯電性粉体は、顔料等によって着色されており、有色の帯電性粉体は、材料を多く必要とするため、透明の帯電性粉体よりも高価である。ところで、立体像Ｆの内部６２は、周囲を覆われており外部から視認することができないため、透明の帯電性粉体で形成しても、立体像Ｆの外観には影響しない。つまり、着色された立体像Ｆを形成する際に、目に見える外周部６１を有色とし、目に見えない内部６２を透明として着色された部分を減らすことで、有色の帯電性粉体を節約することができる。

また、本発明の積層造形装置１における積層造形方法は、中間転写ベルト３１に透明の帯電性粉体を静電吸着させて、透明の粉体像Ｔを中間転写ベルト３１上に形成する第１像形成ステップと、中間転写ベルト３１上に形成された透明の粉体像Ｔの周囲に有色の帯電性粉体を静電吸着させて、有色の粉体像Ｔを中間転写ベルト３１上に形成する第２像形成ステップと、昇降ステージ２３ａを中間転写ベルト３１に接近する方向へ移動させて、中間転写ベルト３１上の粉体像Ｔを昇降ステージ２３ａまたは昇降ステージ２３ａ上の粉体像Ｔに、接触もしくは密着させる接触ステップと、昇降ステージ２３ａを中間転写ベルト３１から離間する方向へ移動させて、中間転写ベルト３１上の粉体像Ｔを昇降ステージ２３ａへ転写させる転写ステップとを含み、第１像形成ステップ、第２像形成ステップ、接触ステップ、および転写ステップを含む一連の処理を繰り返すことで、複数の粉体像Ｔを昇降ステージ２３ａ上に積層して立体像Ｆを形成する。

図８は、本発明の第２実施形態に係る積層造形方法で形成した立体像であって、図７Ａの符号Ｇの領域を拡大して示す拡大断面図である。

図８に示す立体像Ｆは、図５ないし図７Ｂに示す立体像Ｆと略同様の構造であって、外周部６１と内部６２との境界部分が異なる。具体的には、外周部６１（側面部６１ａ）と内部６２との境界には、互いに一部が重なる重複領域６３が設けられている。つまり、重複領域６３では、透明像形成部ＵＴによって形成された粉体像Ｔと、有色像形成部ＵＹによって形成された粉体像Ｔとが繋がっている。

上述したように、立体像設計部５１は、中間転写ベルト３１上に複数の粉体像Ｔを形成し、中間転写ベルト３１上で隣り合う粉体像Ｔの一部と重なる重複領域６３を設けた構造を設計している。この構成によると、粉体像Ｔ同士の位置がずれることで生じる色ずれ（レジストレーションずれ）によって密着性が弱くなり、外周部が剥がれやすくといった事態に対し、重複領域６３を設けることで、粉体像Ｔが離間することを防ぎ、充分な接着強度を確保することができる。また、色ずれは、一般的に５０〜１００μｍ程度生じ、外周部６１と内部６２とが重なるようにするためには、外周部６１の厚さを少なくとも５０μｍ以上とすることが望ましい。さらに、外周部６１が厚くなると、有色の帯電性粉体の使用量が増加するため、外周部６１の厚さを２００μｍ以下とすることが望ましい。

図９は、本発明の第３実施形態に係る積層造形方法で形成した立体像の上面図であって、図１０は、図９における矢符Ｈ−Ｈでの立体像の縦断面図であって、図１１Ａは、図１０における矢符Ｊ−Ｊでの立体像の横断面図であって、図１１Ｂは、図１０における矢符Ｋ−Ｋでの立体像の横断面図であって、図１１Ｃは、図１０における矢符Ｌ−Ｌでの立体像の横断面図である。なお、図９では、図面の見易さを考慮して、外周部６１および中間部６４を透視的に示している。

図１０に示す立体像Ｆは、図６に示す立体像Ｆに対して、内部６２と外周部６１との間に中間部６４が設けられている点で異なり、中間部６４は、白色の粉体像Ｔで形成されている。従って、外周部６１の下地に白色の粉体像Ｔで形成された中間部６４が設けられているため、外周部６１の色再現性を確保することができる。仮に、中間部６４を設けなかった場合、外周部６１の色や厚さによっては、外部からの光が透過して、外周部６１が本来とは異なる色に視認される虞がある。しかしながら、白色の中間部６４によって外部からの光が反射され、外周部６１の色再現性を向上させることができる。

中間部６４は、側面部６１ａに面した中間側面部６４ａと、天面部６１ｂに面した中間天面部６４ｂと、底面部６１ｃに面した中間底面部６４ｃとで構成されている。本実施の形態では、中間部６４は、外周部６１と同様に、厚さが１００μｍとされている。なお、底面部６１ｃを透明とした場合には、中間底面部６４ｃも同様に、透明とすればよい。

図１１Ａに示す断面像は、有色の領域（側面部６１ａ）と白色の領域（中間側面部６４ａ）と透明の領域（内部６２）とで構成されている。粉体像Ｔの外縁は、有色像形成部ＵＹによって形成され、粉体像Ｔの中央は、透明像形成部ＵＴによって形成されており、有色の領域の内周に沿った白色の領域は、像形成ユニット１０Ｗによって形成されている。また、図１１Ｂに示す断面像は、有色の領域（側面部６１ａ）と白色の領域（中間天面部６４ｂ）とで構成され、粉体像Ｔの外縁は、有色像形成部ＵＹによって形成され、粉体像Ｔの中央は、像形成ユニット１０Ｗによって形成されている。図１１Ｃに示す断面像は、図７Ｂと同様に、有色の領域（天面部６１ｂ）だけで構成され、粉体像Ｔの全体が有色像形成部ＵＹによって形成されている。

なお、第３実施形態では、第２実施形態と同様に、中間転写ベルト３１上で隣り合う粉体像Ｔ同士の一部が重なる重複領域６３を設けてもよい。つまり、外周部６１と中間部６４とが重なる重複領域や、中間部６４と内部６２とが重なる重複領域を設けた構造としてもよい。

次に、本発明の実施の形態に係る積層造形装置の変形例について、図面を参照して説明する。

図１２は、本発明の実施の形態に係る積層造形装置の変形例の側面図である。

変形例では、転写部２７に到達する前に中間転写ベルト３１上の粉体像Ｔを加熱する構造とされている。具体的に、中間転写ベルト３１では、像形成ユニットの周回方向Ａの下流側において、上流から順に加熱領域Ｘ、転写領域Ｙ、および冷却領域Ｚが設けられている。変形例において、加熱領域Ｘには、加熱部４１が設けられており、ヒータユニット２４に換えてバックアップユニット２６が設けられている。なお、それ以外の構成については、図１に示す積層造形装置１と同様であるので、説明を省略する。また、加熱部４１については、後述する図１３および図１４を参照して、詳細に説明する。

バックアップユニット２６は、バックアップホルダー２６ｂとバックアップ温度センサ２６ａとを備える構成とされている。バックアップホルダー２６ｂは、中間転写ベルト３１の裏面と対向し、下面が中間転写ベルト３１の裏面に対して接触もしくは近接して配置されている。バックアップ温度センサ２６ａは、バックアップホルダー２６ｂの下面に埋め込まれており、例えば、サーミスタであって、中間転写ベルト３１の温度を測定する。

図１３は、図１２の積層造形装置の変形例における加熱部を拡大して示す拡大側面図であって、図１４は、表面側から見た中間転写ベルトの加熱領域近傍を示す拡大平面図である。

加熱部４１は、加熱領域Ｘにおいて、中間転写ベルト３１の表面側（表面に対向する位置）に配置されている。また、加熱部４１は、中間転写ベルト３１から離間して設けられ、粉体像Ｔに対して熱エネルギーを照射する構成とされている。つまり、加熱部４１と粉体像Ｔとが接触しないので、加熱部４１が粉体像Ｔによって汚れる心配がない。本実施の形態では、加熱部４１は、複数のＬＥＤ素子４１ａを備えるＬＥＤユニットとされている。

加熱部４１は、基板４１ｂと、基板４１ｂの表面を覆う絶縁層４１ｃと、基板４１ｂ上に絶縁層４１ｃを介して配置された複数のＬＥＤ素子４１ａと、ＬＥＤ素子４１ａに給電するための給電パターン４１ｄとで構成されている。ＬＥＤ素子４１ａは、粉体像Ｔが加熱領域Ｘを通過する際に、ＬＥＤ光を照射し、粉体像Ｔに熱エネルギーを供給して加熱溶融させる。その結果、粉体像Ｔを効率よく加熱することができるため、中間転写ベルト３１の冷却時間を短縮することができ、消費電力の削減を図ることができる。

図１４では、中間転写ベルト３１に対する複数のＬＥＤ素子４１ａの位置関係を示しており、基板４１ｂを透視的に示している。図１４に示すように、複数のＬＥＤ素子４１ａは、周回方向Ａに対して直交する方向（中間転写ベルト３１の幅方向）に並べられた列を、５つ構成するように配置されている。また、一列に並べられたＬＥＤ素子４１ａは、隣り合う列のＬＥＤ素子４１ａに対して、ＬＥＤ素子４１ａの幅の半分程度ずらすように配置されており、複数のＬＥＤ素子４１ａが互い違いに配置された千鳥状に配列されている。複数のＬＥＤ素子４１ａを千鳥状に配列することで、隣り合うＬＥＤ素子４１ａの隙間によって生じる光エネルギーのムラを低減している。変形例では、ＬＥＤ素子４１ａは、サイズが８．５ｍｍ×１０．２ｍｍ×２．３ｍｍで、光出力が２．２Ｗで、波長が８５０ｎｍの高出力赤外ＬＥＤ素子を１２５個（１列当たり２５個×５列）用いた。また、基板４１ｂは、厚さ２ｍｍの銅製基板で形成されており、ＬＥＤ素子４１ａで発生する発熱エネルギーを逃がして冷却する。

また、図１４では、中間転写ベルト３１上に形成された粉体像Ｔに対して、複数のＬＥＤ素子４１ａのうち、一部の動作させるＬＥＤ素子４１ａをハッチングしている。変形例では、粉体像Ｔの周回方向Ａに直交する方向の幅に応じて、照射領域ＳＲを設定しており、照射領域ＳＲに対応するＬＥＤ素子４１ａを動作させている。つまり、粉体像Ｔが加熱領域Ｘを通過する際、粉体像Ｔが通過する領域に対向するＬＥＤ素子４１ａを部分的に動作（通電）させており、照射領域ＳＲに対応していないＬＥＤ素子４１ａを停止させることで、省エネルギー化を図っている。なお、照射領域ＳＲを１箇所に設定しているが、これに限定されず、照射領域ＳＲが複数に分割されていてもよい。つまり、周回方向Ａに直交する方向で粉体像Ｔが複数に分割されていれば、それぞれに対応するＬＥＤ素子４１ａを動作させればよい。また、照射領域ＳＲは、粉体像Ｔの周回方向Ａに直交する方向の幅より広く設定してもよく、粉体像Ｔ全体に光が照射されるように余裕を設けてもよい。

上述したように、変形例では、加熱部４１は、中間転写ベルト３１に対して、部分的に熱エネルギーを照射する構成とされている。つまり、中間転写ベルト３１の一部に熱エネルギーを照射することで、効率よく粉体像Ｔを加熱し、中間転写ベルト３１を必要以上に加熱することを防ぐことができる。

変形例では、像形成ユニットによって中間転写ベルト３１上に粉体像Ｔｂを形成した後、中間転写ベルト３１の周回移動に伴い、粉体像Ｔｂが加熱領域Ｘへと搬送される。粉体像Ｔｂは、加熱領域Ｘを通過する際に、ＬＥＤ素子４１ａ（加熱部４１）からＬＥＤ光が照射され、熱エネルギーが供給される。その結果、中間転写ベルト３１上の粉体像Ｔｂは、加熱溶融される（粉体像Ｔｃとなる）。

なお、中間転写ベルト３１上の粉体像Ｔｂが加熱領域Ｘを通過する際、ＬＥＤ素子４１ａは、中間転写ベルト３１の周回速度に応じて発光すればよく、粉体像Ｔｂの全体にＬＥＤ光が照射されて、加熱溶融させる程度の時間発光すればよい。つまり、粉体像Ｔｂが加熱領域Ｘを通過する時間に対して、ＬＥＤ素子４１ａ（加熱部４１）の発光時間（加熱時間）の方が短く設定されていれば、粉体像Ｔｂを加熱領域Ｘで停止させる必要が無く、中間転写ベルト３１は周回移動し続ければよい。

その後、中間転写ベルト３１の周回移動によって、粉体像Ｔｃが転写領域Ｙに到達すると（図１２では、粉体像Ｔｄの位置）、一旦、中間転写ベルト３１は周回移動を停止する。転写領域Ｙでは、図１に示す積層造形装置と同様に、昇降ステージ２３ａとバックアップユニット２６との間に中間転写ベルト３１および粉体像Ｔｄを挟み込み、転写部２７に粉体像Ｔｄを転写させる。

本実施の形態は、カラーの積層造形装置１とされていたが、これに限定されず、本発明はモノクロの積層造形装置にも適用することができる。つまり、立体像Ｆの外周部６１の色に拘わらず、内部６２を透明の帯電性粉体で形成することで、有色の帯電性粉体の使用量を低減することができる。

なお、今回開示した実施の形態は全ての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。従って、本発明の技術的範囲は、上記した実施の形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれる。

１ 積層造形装置
１０Ｃ、１０Ｍ、１０Ｔ、１０Ｗ、１０Ｙ 像形成ユニット
１１ 感光体ドラム
１２ 帯電器
１３ レーザ光照射部
１４ 現像器
１５ 転写ローラ
１６ クリーナー
１７ 除電部
２０ 転写ユニット
２２ａ 駆動ローラ
２２ｂ テンションローラ
２３ ステージユニット
２４ ヒータユニット
２５ａ、２５ｂ 冷却ファン
２６ バックアップユニット
２７ 転写部
３１ 中間転写ベルト（像担持体の一例）
４１ 加熱部
５１ 立体像設計部
５２ 制御部
６１ 外周部
６２ 内部
６３ 重複領域
６４ 中間部
Ａ 周回方向
Ｆ 立体像
Ｔ、Ｔａ〜Ｔｅ 粉体像
ＵＴ 透明像形成部
ＵＹ 有色像形成部
Ｗ 加熱転写領域
Ｘ 加熱領域
Ｙ 転写領域
Ｚ 冷却領域

Claims (7)

1. 像担持体と、
   有色の粉体像を前記像担持体上に形成する少なくとも１つの有色像形成部と、
   透明の粉体像を前記像担持体上に形成する少なくとも１つの透明像形成部と、
   前記像担持体上の粉体像が転写されるステージと、
   前記ステージ上に複数の粉体像を積層して形成される立体像の構造を設計する立体像設計部とを備える積層造形装置であって、
   前記立体像設計部は、前記立体像の内部を透明の粉体像で形成し、前記立体像の外周部を有色の粉体像で形成した構造を設計すること
   を特徴とする積層造形装置。
2. 請求項１に記載の積層造形装置であって、
   前記有色像形成部のうちいずれかは、白色の粉体像を形成すること
   を特徴とする積層造形装置。
3. 請求項２に記載の積層造形装置であって、
   前記立体像設計部は、前記立体像のうち内部と外周部との間に設けられた中間部を、白色の粉体像で形成した構造を設計すること
   を特徴とする積層造形装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の積層造形装置であって、
   前記立体像設計部は、前記像担持体上に複数の粉体像を形成し、該像担持体上で隣り合う粉体像の一部と重なる重複領域を設けた構造を設計すること
   を特徴とする積層造形装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載の積層造形装置であって、
   前記立体像設計部は、前記立体像の外周部の厚さを５０μｍ以上として設計すること
   を特徴とする積層造形装置。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載の積層造形装置であって、
   前記立体像設計部は、前記立体像の外周部の厚さを２００μｍ以下として設計すること
   を特徴とする積層造形装置。
7. 像担持体に透明の帯電性粉体を静電吸着させて、透明の粉体像を前記像担持体上に形成する第１像形成ステップと、
   前記像担持体上に形成された透明の粉体像の周囲に有色の帯電性粉体を静電吸着させて、有色の粉体像を前記像担持体上に形成する第２像形成ステップと、
   ステージを前記像担持体に接近する方向へ移動させて、前記像担持体上の粉体像を前記ステージまたは前記ステージ上の粉体像に、接触もしくは密着させる接触ステップと、
   前記ステージを前記像担持体から離間する方向へ移動させて、前記像担持体上の粉体像を前記ステージへ転写させる転写ステップとを含み、
   前記第１像形成ステップ、前記第２像形成ステップ、前記接触ステップ、および前記転写ステップを含む一連の処理を繰り返すことで、複数の粉体像を前記ステージ上に積層して立体像を形成すること
   を特徴とする積層造形方法。

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