JP2016055452A - 積層造形装置および積層造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光の照射によって液化する固着剤を用いて、処理速度を向上させて高速化を図ることができ、消費電力の削減を図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、粉体を用いて粉体像Ｔを形成する像形成ユニット１０と、粉体像Ｔが積層される昇降ステージ２３ａと、粉体像Ｔへ光を照射する光照射部２８とを備えており、光照射部２８から照射された光によって液化する固着剤Ｌを用いて、粉体像Ｔを固着し立体像Ｆを形成する。
【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

ところで、特許文献１および特許文献２に記載された積層造形装置では、中間転写ベルト上でトナー像を加熱溶融した後、ステージ上に順次転写することで立体像を形成していた。ここで、トナー像を加熱および冷却する必要があることから、積層時間が長くなり、消費電力が多くなるといった課題があった。

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、処理速度を向上させて高速化を図ることができ、且つ、消費電力の少ない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、粉体を用いて粉体像を形成する像形成部と、前記粉体像が積層されるステージと、前記粉体像へ光を照射する光照射部とを備えた積層造形装置であって、前記光照射部から照射された光によって液化する固着剤を用いて、前記粉体像を固着し立体像を形成することを特徴とする。

本発明に係る積層造形装置では、前記像形成部によって前記粉体像が形成される像担持体を備え、前記像担持体上に形成された粉体像は、前記ステージ上へ転写される構成としてもよい。

本発明に係る積層造形装置では、前記粉体像上に前記固着剤を用いて固着剤像を形成する固着剤像形成部を備える構成としてもよい。

本発明に係る積層造形装置では、前記像形成部は、前記固着剤を付着させた粉体を用いて前記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、前記光照射部は、前記像担持体上に形成された粉体像に対して光を照射する構成とされ、前記ステージ上に積層される粉体像と前記ステージ、および、前記ステージ上に積層される粉体像同士は、それぞれ液化した固着剤によって接着される構成としてもよい。

本発明に係る積層造形装置では、前記立体像に対して熱エネルギーを照射する加熱部を備え、前記粉体は、加熱されると溶融固化する熱可塑性樹脂で形成されている構成としてもよい。

本発明に係る積層造形装置では、前記像担持体上にサポート材を用いてサポート像を形成するサポート像形成部を備え、前記サポート材は、前記粉体より融点が高い構成としてもよい。

本発明に係る積層造形装置では、前記ステージ上に積層される粉体像は、前記粉体で形成された像本体部と、前記サポート材で形成されたサポート部とを含む構成とされており、前記サポート部は、前記ステージ上に形成された立体像に対し光を照射することで、前記像本体部から分離する構成としてもよい。

本発明に係る積層造形装置では、前記像形成部は、前記粉体と前記固着剤とを混合した薄層を前記ステージ上に形成する構成とされ、前記光照射部は、前記薄層のうち前記粉体像に対応する領域に光を照射して固着させる構成としてもよい。

本発明に係る積層造形装置では、前記固着剤は、分子中にシス−トランス光異性化反応を生じる官能基を含む化合物で形成されている構成としてもよい。

本発明に係る積層造形方法は、粉体を用いて粉体像を形成する像形成ステップと、前記粉体像をステージ上へ積層する積層ステップと、前記粉体像へ光を照射する光照射ステップとを含み、前記光照射ステップで照射した光によって液化する固着剤を用いて、前記粉体像を固着し立体像を形成することを特徴とする。

本発明によると、光の照射によって液化する固着剤を用いているため、処理速度を向上させて高速化を図ることができ、且つ、消費電力の削減を図ることができる。つまり、固着剤を加熱して固着させるといった方法を用いていないため、加熱や冷却といった処理を省略できる。

本発明の第１実施形態に係る積層造形装置の側面図である。 本発明の第１実施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光照射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照射領域近傍を示す拡大平面図である。 中間転写ベルト上に粉体像を形成する工程を示す説明図である。 粉体像に光を照射する工程を示す説明図である。 昇降ステージ上に粉体像を転写する工程を示す説明図である。 昇降ステージ上の粉体像を加熱する工程を示す説明図である。 本発明の第２実施形態に係る積層造形装置の側面図である。 本発明の第２実施形態に係る積層造形装置の概略構成図である。 中間転写ベルト上に粉体像を形成する工程を示す説明図である。 粉体像に光を照射する工程を示す説明図である。 昇降ステージ上に粉体像を転写する工程を示す説明図である。 昇降ステージ上の粉体像を加熱する工程を示す説明図である。 立体像に光を照射する工程を示す説明図である。 光を照射した後の立体像を示す説明図である。 本発明の第３実施形態に係る積層造形装置の概略側面図である。 供給ステージおよび造形ステージを移動させる工程を示す説明図である。 ローラを移動させる工程を示す説明図である。 光照射部によって光を照射する工程を示す説明図である。 上面側から見た造形開口部近傍を示す拡大平面図である。

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

本発明の第１実施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、４つの像形成ユニット１０（像形成部の一例）と、固着剤像形成部１８と、転写ユニット２０とを備えている。なお、以下では、４つの像形成ユニット１０をそれぞれ区別するため、像形成ユニット１０Ｙ、像形成ユニット１０Ｍ、像形成ユニット１０Ｃ、または像形成ユニット１０Ｗと呼ぶことがある。

像形成ユニット１０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２１（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２１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２１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）、およびホワイト（Ｗ）の４色の帯電性粉体のうち、像形成ユニット１０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、必要に応じて、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もよい。

像形成ユニット１０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２１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Ｔｈと呼び、それらを併せて、粉体像Ｔと呼ぶことがある。

固着剤像形成部１８は、像形成ユニット１０と略同様の構成とされ、現像器１４において、帯電性粉体の換わりに固着剤Ｌが収容されている点で異なり、中間転写ベルト２１上の粉体像Ｔｂの上に固着剤像Ｌｂを形成する。本実施の形態では、固着剤Ｌは、分子中にシス−トランス光異性化反応を生じる官能基を含む化合物で形成されており、官能基は、例えば、アゾベンゼン基である。上述した固着剤Ｌでは、光異性化反応を用いており、光が照射されると液化して、接した物質を接着するため、加熱せずに固着することができる。なお、粉体像Ｔを積層して立体像Ｆを形成する工程については、後述する図６Ａないし図６Ｄを参照して、詳細に説明する。

転写ユニット２０は、中間転写ベルト２１、駆動ローラ２２ａ、テンションローラ２２ｂ、光照射部２８、および転写部２７で構成されている。

中間転写ベルト２１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２１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２１では、固着剤像形成部１８の周回方向Ａの下流側において、上流から順に照射領域Ｘおよび転写領域Ｙ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２１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２１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２１については、後述する図３を参照して、詳細に説明する。

光照射部２８は、照射領域Ｘにおいて、中間転写ベルト２１の表面側（表面に対向する位置）に配置されている。また、光照射部２８は、中間転写ベルト２１から離間して設けられ、粉体像Ｔに対して光を照射する構成とされている。つまり、光照射部２８と粉体像Ｔとが接触しないので、光照射部２８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、光照射部２８は、複数のＬＥＤ素子２８ａを備えるＬＥＤユニット２８とされている。なお、光照射部２８については、後述する図４および図５を参照して、詳細に説明する。

転写部２７は、転写領域Ｙにおいて、中間転写ベルト２１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２１の裏面側に配置されたバックアップユニット２６および加熱部２９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とバックアップユニット２６は、中間転写ベルト２１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（ステージの一例）、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２１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２１を介してバックアップユニット２６に押圧したり、中間転写ベルト２１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２１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２１を押圧するように制御される。

加熱部２９は、昇降ステージ２３ａに対し斜め上に配置されたＬＥＤユニットであって、立体像Ｆを間に挟むように２つ設けられている。加熱部２９は、加熱基板２９ｂと、加熱基板２９ｂ上に配置された加熱ＬＥＤ素子２９ａとで構成されている。本実施の形態では、加熱ＬＥＤ素子２９ａ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、加熱基板２９ｂは、厚さ２ｍｍの銅製基板で形成されており、加熱ＬＥＤ素子２９ａで発生する発熱エネルギーを逃がして冷却する。

積層造形装置１は、さらに、制御部５２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１０および転写部２７等を制御する。位置センサ５４は、中間転写ベルト２１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。

第１実施形態において、中間転写ベルト２１は、裏面側からベルト基材２１ａ、弾性層２１ｂ、および離型層２１ｃが積層された３層構成とされている。ベルト基材２１ａ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２１ｂは、ベルト基材２１ａ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２１ｃは、弾性層２１ｂ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２１において、離型層２１ｃが表面とされ、ベルト基材２１ａが裏面とされている。

ベルト基材２１ａの第１の役割は、中間転写ベルト２１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２１の剛性を高くすることにある。中間転写ベルト２１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２１の端部をそのカラーに当接させて、中間転写ベルト２１の蛇行を抑制することができる。

弾性層２１ｂの役割は、中間転写ベルト２１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２１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２１ｂ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。

離型層２１ｃの役割は、中間転写ベルト２１に対する粉体像Ｔの付着力を弱めて、離型層２１ｃからの粉体像Ｔの剥離を容易にし、中間転写ベルト２１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光照射部を拡大して示す拡大側面図であって、図５は、表面側から見た中間転写ベルトの照射領域近傍を示す拡大平面図である。

光照射部２８は、基板２８ｂと、基板２８ｂの表面を覆う絶縁層２８ｃと、基板２８ｂ上に絶縁層２８ｃを介して配置された複数のＬＥＤ素子２８ａと、ＬＥＤ素子２８ａに給電するための給電パターン２８ｄとで構成されたＬＥＤユニットである。ＬＥＤ素子２８ａは、粉体像Ｔが照射領域Ｘを通過する際に、ＬＥＤ光を照射し、固着剤像Ｌｂを液化させる。

図５では、中間転写ベルト２１に対する複数のＬＥＤ素子２８ａの位置関係を示しており、基板２８ｂを透視的に示している。図５に示すように、複数のＬＥＤ素子２８ａは、周回方向Ａに対して直交する方向（中間転写ベルト２１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２８ａは、隣り合う列のＬＥＤ素子２８ａに対して、ＬＥＤ素子２８ａ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２８ａ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２８ａを千鳥状に配列することで、隣り合うＬＥＤ素子２８ａ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。本実施の形態では、ＬＥＤ素子２８ａは、サイズが６．８ｍｍ×６．８ｍｍ×２．１ｍｍで、光出力が４５０ｍＷで、波長が３６５ｎｍの高出力紫外線ＬＥＤ素子を１２５個（１列当たり２５個×５列）用いた。また、基板２８ｂは、厚さ２ｍｍの銅製基板で形成されており、ＬＥＤ素子２８ａで発生する発熱エネルギーを逃がして冷却する。

また、図５では、中間転写ベルト２１上に形成された粉体像Ｔに対して、複数のＬＥＤ素子２８ａのうち、一部の動作させるＬＥＤ素子２８ａをハッチングしている。本実施の形態では、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２８ａを動作させている。つまり、粉体像Ｔが照射領域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２８ａ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２８ａを停止させることで、省エネルギー化を図っている。なお、図５では、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２８ａ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。

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、図６Ａないし図６Ｄを参照して説明する。

図６Ａは、中間転写ベルト上に粉体像を形成する工程を示す説明図である。

図６Ａは、像形成ユニット１０および固着剤像形成部１８によって、中間転写ベルト２１上に形成された粉体像Ｔｂおよび固着剤像Ｌｂを示している。積層造形装置１では、先ず、中間転写ベルト２１を周回方向Ａに周回移動させ、像形成ユニット１０を起動する。像形成ユニット１０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、静電潜像に帯電性微粒子（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、帯電性微粒子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２１の上に転写される（粉体像Ｔｂとなる）。

ここで、４つの像形成ユニット１０Ｙ、１０Ｍ、１０Ｃ、１０Ｗ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２１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２１の上には、カラーの粉体像Ｔｂが形成される。

そして、固着剤像形成部１８では、像形成ユニット１０と同様にして、感光体ドラム１１の表面に固着剤像Ｌａが形成され、中間転写ベルト２１上の粉体像Ｔｂに重ねるように固着剤像Ｌａが転写される。

図６Ｂは、粉体像に光を照射する工程を示す説明図である。

図６Ｂでは、図６Ａに示した中間転写ベルト２１上の粉体像Ｔｂは、中間転写ベルト２１の周回移動に伴い、照射領域Ｘへと搬送されている（図１では、粉体像Ｔｃの位置）。粉体像Ｔｃは、照射領域Ｘを通過する際に、光照射部２８から紫外光ＵＶ１が照射され、粉体像Ｔｃ上の固着剤像Ｌｃは液化する。

なお、中間転写ベルト２１上の粉体像Ｔｃが照射領域Ｘを通過する際、ＬＥＤ素子２８ａは、中間転写ベルト２１の周回速度に応じて発光すればよく、固着剤像Ｌｃの全体に光が照射されて、液化させる程度の時間発光すればよい。つまり、固着剤像Ｌｃが照射領域Ｘを通過する時間に対して、光照射部２８の発光時間の方が短く設定されていれば、粉体像Ｔｃ（固着剤像Ｌｃ）を照射領域Ｘで停止させる必要が無く、中間転写ベルト２１は周回移動し続ければよい。

図６Ｃは、昇降ステージ上に粉体像を転写する工程を示す説明図である。

図６Ｃでは、図６Ｂに示す状態に対して、中間転写ベルト２１をさらに周回移動させており、粉体像Ｔｃは転写領域Ｙに到達しており（図１では、粉体像Ｔｄの位置）、中間転写ベルト２１は周回移動を停止している。転写領域Ｙにおいて、昇降ステージ２３ａは、矢符Ｂ１の方向に上昇し、バックアップユニット２６との間に中間転写ベルト２１および粉体像Ｔｄを挟み込む。昇降ステージ２３ａは、中間転写ベルト２１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Ｔｄ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。昇降ステージ２３ａに圧接された粉体像Ｔｄは、液化した固着剤像Ｌｄの接着力によって、昇降ステージ２３ａまたはその最上層の粉体像Ｔに接着されて、転写される。

図６Ｄは、昇降ステージ上の粉体像を加熱する工程を示す説明図である。

図６Ｄでは、図６Ｃに示す状態に対して、昇降ステージ２３ａを矢符Ｂ２の方向に下降させて中間転写ベルト２１から離間させている。ここで、中間転写ベルト２１上の粉体像Ｔｄは、中間転写ベルト２１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。また、中間転写ベルト２１から転写された粉体像Ｔｄは、加熱部２９によって赤外光Ｄが照射され、加熱溶融して立体像Ｆに固着する。つまり、粉体像Ｔｄは、固着剤Ｌによって仮接着された後、熱可塑性樹脂で形成された帯電性粉体を加熱溶融して固着されているため、立体像Ｆの強度を高めることができる。

その後、中間転写ベルト２１には、像形成ユニット１０および固着剤像形成部１８によって、再度、各色の粉体像Ｔａを重ね合わせた粉体像Ｔｂおよび固着剤像Ｌｂ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。

上述したように、本発明の第１実施形態に係る積層造形装置１は、粉体を用いて粉体像Ｔを形成する像形成ユニット１０と、粉体像Ｔが積層される昇降ステージ２３ａと、粉体像Ｔへ光を照射する光照射部２８とを備えており、光照射部２８から照射された光によって液化する固着剤Ｌを用いて、粉体像Ｔを固着し立体像Ｆを形成する。この構成によると、光の照射によって液化する固着剤Ｌを用いているため、処理速度を向上させて高速化を図ることができ、且つ、消費電力の削減を図ることができる。つまり、固着剤Ｌを加熱して固着させるといった方法を用いていないため、加熱や冷却といった処理を省略できる。

上述したように、積層造形装置１は、像形成ユニット１０によって粉体像Ｔが形成される中間転写ベルト２１（像担持体の一例）を備え、中間転写ベルト２１上に形成された粉体像Ｔは、昇降ステージ２３ａ上へ転写される。

また、本実施の形態では、固着剤像形成部１８によって、中間転写ベルト２１上の粉体像Ｔに固着剤像（例えば、固着剤像Ｌｂ）を重ねるように形成する構成とされ、固着剤像を粉体像Ｔに応じた形状とすることで、粉体像Ｔに対して適した量の固着剤Ｌを用いて立体像Ｆを形成することができる。

また、本発明の積層造形装置１における積層造形方法は、粉体を用いて粉体像Ｔを形成する像形成ステップと、粉体像Ｔを昇降ステージ２３ａ上へ積層する積層ステップと、粉体像Ｔへ光を照射する光照射ステップとを含み、光照射ステップで照射した光によって液化する固着剤Ｌを用いて、粉体像を固着し立体像Ｆを形成する。

＜第２実施形態＞
図７は、本発明の第２実施形態に係る積層造形装置の側面図であって、図８は、本発明の第２実施形態に係る積層造形装置の概略構成図である。なお、第１実施形態と機能が実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

第２実施形態は、第１実施形態に対して、固着剤像形成部１８の換わりにサポート像形成部１９が設けられている点で異なっている。さらに、第２実施形態では、像形成ユニット１０の現像器１４に収容された帯電性粉体に添加する外添剤が異なっており、固着剤Ｌを粒径１μｍに粉砕して帯電性粉体に添加している。なお、第２実施形態において形成される粉体像Ｔについては、後述する図９Ａないし図９Ｆを参照して、詳細に説明する。

サポート像形成部１９は、像形成ユニット１０と略同様の構成とされ、現像器１４において、帯電性粉体の換わりにサポート材が収容されている点で異なり、中間転写ベルト２１上の粉体像Ｔの上にサポート像Ｓを形成する。サポート材は、ポリエステルやスチレンアクリル等の熱可塑性樹脂を粉体にしており、顔料が添加されていないため透明である。また、サポート材は、粉体像Ｔを形成する帯電性粉体よりも融点が高く、本実施の形態では、軟化点温度が１６０℃とされている。サポート材は、ポリエステル樹脂を平均粒径７μｍに粉砕して形成され、帯電性粉体と同様に、固着剤Ｌが添加されている。さらに、サポート材には、現像性や転写性を向上させるため、粒径７μｍのシリカ等を添加してもよい。

次に、第２実施形態に係る積層造形装置１において、立体像Ｆを造形する工程について、図９Ａないし図９Ｆを参照して説明する。

図９Ａは、中間転写ベルト上に粉体像を形成する工程を示す説明図である。

図９Ａは、像形成ユニット１０およびサポート像形成部１９によって、中間転写ベルト２１上に形成された粉体像Ｔｆおよびサポート像Ｓを示している。第２実施形態では、第１実施形態と同様にして、４つの像形成ユニット１０Ｙ、１０Ｍ、１０Ｃ、１０Ｗによって形成した粉体像Ｔｅを重ね合わせて、中間転写ベルト２１上に粉体像Ｔｆを形成する。図９Ａに示すように、粉体像Ｔｆを形成する粉体の周囲には、固着剤Ｌが付着している。

そして、サポート像形成部１９では、像形成ユニット１０と同様にして、感光体ドラム１１の表面にサポート像Ｓが形成され、中間転写ベルト２１上に固着剤Ｌを付着させたサポート像Ｓが転写される。

第２実施形態では、中間転写ベルト２１上に形成される粉体像Ｔは、粉体（粉体像Ｔｆ）で形成された像本体部６１と、サポート材で形成されたサポート部６２とを含む構成とされている。つまり、積層造形装置１では、立体像Ｆを複数層に切断した断面に対応する粉体像Ｔを積層しているが、像本体部６１とサポート部６２と一体となって上述した断面を構成している。なお、サポート部６２は、上述した断面の外縁に配置されていることが望ましい。また、図９Ａないし図９Ｅでは、帯電性粉体とサポート材との違いを明確にするため、帯電性粉体で形成された像本体部６１をハッチングしており、サポート材で形成されたサポート部６２はハッチングしていない。

図９Ｂは、粉体像に光を照射する工程を示す説明図である。

図９Ｂでは、図９Ａに示す状態に対して、中間転写ベルト２１を周回移動させており、粉体像Ｔｅは照射領域Ｘに到達しており（図７では、粉体像Ｔｇの位置）、粉体像Ｔｇは、照射領域Ｘを通過する際に、光照射部２８から紫外光ＵＶ１が照射される。ここで、光照射部２８に面する側の固着剤Ｌは液化するが、光照射部２８に対し反対側（中間転写ベルト２１側）には、紫外光ＵＶ１が届かないため、中間転写ベルト２１に面する側の固着剤Ｌは液化しない。

図９Ｃは、昇降ステージ上に粉体像を転写する工程を示す説明図である。

図９Ｃでは、図９Ｂに示す状態に対して、中間転写ベルト２１をさらに周回移動させており、粉体像Ｔｇは転写領域Ｙに到達しており（図７では、粉体像Ｔｈの位置）、中間転写ベルト２１は周回移動を停止している。転写領域Ｙにおいて、粉体像Ｔは、第１実施形態と同様にして、昇降ステージ２３ａに転写し、液化した固着剤Ｌの接着力によって接着する。図９Ｃに示すように、昇降ステージ２３ａに積層された像本体部６１と中間転写ベルト２１上に形成された像本体部６１とが異なる形状とされていてもよい。つまり、中間転写ベルト２１上の像本体部６１のうち、昇降ステージ２３ａ上の像本体部６１より外側へ突出した領域は、サポート部６２の上に積層される。

図９Ｄは、昇降ステージ上の粉体像を加熱する工程を示す説明図である。

図９Ｄでは、図９Ｃに示す状態に対して、昇降ステージ２３ａを矢符Ｂ２の方向に下降させて中間転写ベルト２１から離間させている。ここで、中間転写ベルト２１上の粉体像Ｔｈは、中間転写ベルト２１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。また、中間転写ベルト２１から転写された粉体像Ｔは、加熱部２９によって赤外光Ｄが照射され、１３０℃程度まで加熱される。その結果、粉体像Ｔｈ（像本体部６１）は、加熱溶融して立体像Ｆに固着される。一方、サポート像Ｓ（サポート部６２）は、溶融せずに従来の形状が維持される。

図９Ｅは、立体像に光を照射する工程を示す説明図であって、図９Ｆは、光を照射した後の立体像を示す説明図である。

図９Ｅでは、図９Ａないし図９Ｄに示す一連の動作を複数回繰り返して、複数の粉体像Ｔを積層した立体像Ｆを示している。立体像Ｆは、像本体部６１とサポート部６２とが一体になっている。これに対し、紫外光ＵＶ２を照射することで、再度、固着剤Ｌが液化して、サポート部６２は、像本体部６１から分離する。それによって、図９Ｆに示すように、像本体部６１だけで構成された立体像Ｆが得られる。上述したように、サポート材の融点が粉体の融点より高いため、粉体を固化しても、サポート材は、固化せずに固着剤Ｌで仮固着された状態が維持される。従って、立体像Ｆに光を照射することで、固着剤Ｌを液化させてサポート材を取り除くことができる。

第２実施形態では、像形成ユニット１０は、固着剤Ｌを付着させた粉体を用いて粉体像Ｔを形成している。固着剤Ｌは、粒径が小さく形成されているため、高価な光液化材料の使用量を削減することができ、光照射による反応速度を向上させることができる。

＜第３実施形態＞
図１０Ａは、本発明の第３実施形態に係る積層造形装置の概略側面図である。

第３実施形態に係る積層造形装置４１は、粉末造形法を用いた構成とされている。具体的に、積層造形装置４１は、プレート４２、ローラ４３（像形成部の一例）、光照射部２８、供給部４４、および造形部４５で構成されている。

プレート４２は、平面状に形成され、供給開口部４２ｂおよび造形開口部４２ｃが設けられている。ローラ４３は、プレート４２の一端側（図１０Ａでは、左方）に配置されており、プレート４２の上面４２ａに沿って移動する構成とされている。供給開口部４２ｂおよび造形開口部４２ｃは、ローラ４３の移動方向に沿って、プレート４２の一端側から順に設けられている。つまり、ローラ４３は、供給開口部４２ｂおよび造形開口部４２ｃの上を通過するように移動する構成とされている。

光照射部２８は、プレート４２の他端側（図１０Ａでは、右方）に配置されており、上面４２ａに沿って移動し、光を照射する構成とされている。なお、光照射部２８の具体的な構造については、第１実施形態および第２実施形態（例えば、図４参照）と同様であるので説明を省略する。

供給部４４は、供給開口部４２ｂの下部に設けられ、供給ボックス４４ａおよび供給ステージ４４ｂで構成されている。供給ボックス４４ａは、上面視において、供給開口部４２ｂと同じ形状とされた容器であって、上面が開口しており、内部に帯電性粉体と固着剤Ｌとを混合した粉体Ｈが貯留されている。なお、帯電性粉体および固着剤Ｌについては、上述した第１実施形態および第２実施形態と同様の材料とすればよく、説明を省略する。また、以下では、粉体Ｈの状態を区別するために、存在している位置に応じて粉体Ｈａないし粉体Ｈｃと呼び、それらを併せて、粉体Ｈと呼ぶことがある。供給ステージ４４ｂは、供給ボックス４４ａの内部に設けられ、移動させることで粉体Ｈａを下から押し上げる。

造形部４５は、造形開口部４２ｃの下部に設けられ、造形ボックス４５ａおよび造形ステージ４５ｂ（ステージの一例）で構成されている。造形ボックス４５ａは、上面視において、造形開口部４２ｃと同じ四角形状（後述する図１１参照）とされた容器であって、上面が開口しており、供給部４４から供給された粉体Ｈが積層造形される。造形ステージ４５ｂは、造形ボックス４５ａの内部に設けられ、粉体Ｈｂが積層される。また、造形ステージ４５ｂは、造形ボックス４５ａの内部で上下に移動する構成とされており、粉体Ｈを固着して形成される立体像Ｆを支持する。

次に、第３実施形態に係る積層造形装置４１において、立体像Ｆを形成する工程について、図１０Ａないし図１０Ｄを参照して説明する。

図１０Ａに示すように、造形ステージ４５ｂには、粉体Ｈｂが貯留され、粉体Ｈｂの一部を固着させて形成した立体像Ｆが積層されている。ローラ４３は、プレート４２の一端側で停止し、光照射部２８は、プレート４２の他端側で停止しており、ローラ４３および光照射部２８は、図１０Ａに示す位置が待機位置とされている。供給部４４に貯留された粉体Ｈａおよび造形部４５に貯留された粉体Ｈｂは、プレート４２の上面４２ａと同じ高さとされている。

図１０Ｂは、供給ステージおよび造形ステージを移動させる工程を示す説明図である。

図１０Ｂでは、図１０Ａに示す状態に対して、供給ステージ４４ｂおよび造形ステージ４５ｂを移動させた後、停止している。具体的には、供給ステージ４４ｂは、矢符Ｋの方向へ上昇しており、粉体Ｈａを押し上げて上面４２ａより突出させている。造形ステージ４５ｂは、矢符Ｌの方向へ下降しており、粉体Ｈｂが上面４２ａより下に位置するように下げている。つまり、造形ステージ４５ｂを下げることで、造形ボックス４５ａには、粉体Ｈによって形成された薄層１層分を貯留する空間が確保される。なお、供給ステージ４４ｂを上昇させる距離については、造形ボックス４５ａに確保する空間によって設定すればよく、薄層１層分と同程度または少し過剰な量の粉体Ｈａを押し上げればよい。

図１０Ｃは、ローラを移動させる工程を示す説明図である。

図１０Ｃでは、図１０Ｂに示す状態に対して、ローラ４３を反時計回りに回転させながら、矢符Ｊ１の方向へ移動させている。ローラ４３は、供給開口部４２ｂを通過する際に、上面４２ａより突出した粉体Ｈａを造形開口部４２ｃ側へ搬送する。ローラ４３に搬送された粉体Ｈｃは、造形開口部４２ｃに到達すると、造形ボックス４５ａ内に充填される。また、ローラ４３が造形開口部４２ｃを通過することで、均一に均された薄層（粉体Ｈｂ）が形成される。

図１０Ｄは、光照射部によって光を照射する工程を示す説明図であって、図１１は、上面側から見た造形開口部近傍を示す拡大平面図である。

図１０Ｄでは、図１０Ｃに示す状態に対して、ローラ４３を矢符Ｊ２の方向へ移動させた後、停止させ、光照射部２８を矢符Ｍの方向へ移動させている。つまり、ローラ４３は、造形部４５を通過した後、待機位置へ戻っている。光照射部２８は、移動して造形開口部４２ｃを通過しており、造形ステージ４５ｂに積層された薄層（粉体Ｈｂ）に紫外光を照射している。ここで、光照射部２８は、薄層のうち粉体像に対応する領域に光を照射して固着させている。つまり、複数のＬＥＤ素子２８ａは、一部の動作させる構成とされており、図１１では、動作させるＬＥＤ素子２８ａをハッチングしている。光が照射された領域では、固着剤Ｌが液化して粉体Ｈｂを固着させる。光照射部２８は、造形開口部４２ｃを通過した後、待機位置へ戻り、図１０Ａに示す状態となる。

上述した図１０Ａないし図１０Ｄに示す工程を繰り返すことで、造形ステージ４５ｂには、固着剤Ｌによって固着された立体像Ｆと、未硬化の粉体Ｈｂとが積層される。その後、造形ボックス４５ａから立体像Ｆが取り出される。

第１実施形態ないし第３実施形態は、カラーの積層造形装置とされていたが、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。

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、４１ 積層造形装置
１０、１０Ｃ、１０Ｍ、１０Ｗ、１０Ｙ 像形成ユニット（像形成部の一例）
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
１８ 固着剤像形成部
１９ サポート像形成部
２０ 転写ユニット
２１ 中間転写ベルト（像担持体の一例）
２２ａ 駆動ローラ
２２ｂ テンションローラ
２３ ステージユニット
２６ バックアップユニット
２７ 転写部
２８ 光照射部
２９ 加熱部
５２ 制御部
６１ 像本体部
６２ サポート部
Ｆ 立体像
Ｌ 固着剤
Ｌａ〜Ｌｄ 固着剤像
Ｓ サポート像
Ｔ、Ｔａ〜Ｔｈ 粉体像
Ｘ 照射領域
Ｙ 転写領域

Claims (11)

1. 粉体を用いて粉体像を形成する像形成部と、
   前記粉体像が積層されるステージと、
   前記粉体像へ光を照射する光照射部とを備えた積層造形装置であって、
   前記光照射部から照射された光によって液化する固着剤を用いて、前記粉体像を固着し立体像を形成すること
   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、
   前記像形成部によって前記粉体像が形成される像担持体を備え、
   前記像担持体上に形成された粉体像は、前記ステージ上へ転写されること
   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、
   前記粉体像上に前記固着剤を用いて固着剤像を形成する固着剤像形成部を備えること
   を特徴とする積層造形装置。
4. 請求項２に記載の積層造形装置であって、
   前記像形成部は、前記固着剤を付着させた粉体を用いて前記粉体像を形成すること
   を特徴とする積層造形装置。
5. 請求項２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、
   前記光照射部は、前記像担持体上に形成された粉体像に対して光を照射する構成とされ、
   前記ステージ上に積層される粉体像と前記ステージ、および、前記ステージ上に積層される粉体像同士は、それぞれ液化した固着剤によって接着されること
   を特徴とする積層造形装置。
6. 請求項２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、
   前記立体像に対して熱エネルギーを照射する加熱部を備え、
   前記粉体は、加熱されると溶融固化する熱可塑性樹脂で形成されていること
   を特徴とする積層造形装置。
7. 請求項２から請求項６までのいずれか１つに記載の積層造形装置であって、
   前記像担持体上にサポート材を用いてサポート像を形成するサポート像形成部を備え、
   前記サポート材は、前記粉体より融点が高いこと
   を特徴とする積層造形装置。
8. 請求項７に記載の積層造形装置であって、
   前記ステージ上に積層される粉体像は、前記粉体で形成された像本体部と、前記サポート材で形成されたサポート部とを含む構成とされており、
   前記サポート部は、前記ステージ上に形成された立体像に対し光を照射することで、前記像本体部から分離すること
   を特徴とする積層造形装置。
9. 請求項１に記載の積層造形装置であって、
   前記像形成部は、前記粉体と前記固着剤とを混合した薄層を前記ステージ上に形成する構成とされ、
   前記光照射部は、前記薄層のうち前記粉体像に対応する領域に光を照射して固着させること
   を特徴とする積層造形装置。
10. 請求項１から請求項９までのいずれか１つに記載の積層造形装置であって、
    前記固着剤は、分子中にシス−トランス光異性化反応を生じる官能基を含む化合物で形成されていること
    を特徴とする積層造形装置。
11. 粉体を用いて粉体像を形成する像形成ステップと、
    前記粉体像をステージ上へ積層する積層ステップと、
    前記粉体像へ光を照射する光照射ステップとを含み、
    前記光照射ステップで照射した光によって液化する固着剤を用いて、前記粉体像を固着し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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