JP2016055625A - 立体造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】平坦化ローラと粉体除去板との間に溜まった粉体が凝集し、塊となって落下することによって粉体層の平面性が低下する。【解決手段】粉体が結合された造形層３０が積層形成される造形ステージ２４と、造形ステージ２４のステージ面に沿う方向に相対的に移動して、造形ステージ２４上の粉体２０の表面を平坦化して粉体層３１を形成する平坦化ローラ１２と、平坦化ローラ１２の周面に付着した粉体２０を除去する粉体除去板１３とを備え、平坦化ローラ１２を回転駆動して、平坦化ローラ１２の周面と粉体除去板１３との間に溜まった粉体２０を清掃する清掃動作を行う。【選択図】図１０

Description

本発明は立体造形装置に関する。

立体造形物（三次元造形物）を造形する立体造形装置（三次元造形装置）として、例えば積層造形法で造形するものが知られている。これは、例えば、造形ステージに平坦化された金属又は非金属の粉体層を形成し、形成された粉体層に対して造形液をヘッドから吐出して、粉体が結合された薄層の造形層を形成し、この造形層上に粉体層を形成して再度造形層を形成する工程を繰り返して、造形層を積層することで立体造形物を造形する。

従来、平坦化ローラによって平坦化した粉体層を形成するとき、平坦化した領域に平坦化ローラに付着した粉体が飛散するのを防止するために、平坦化ローラの周面に付着する粉体を除去する粉体除去板を配置することが知られている（特許文献１）。

特許第５４０８１５１号公報

ところで、粉体層の形成は、平坦化ローラを移動方向に対して前方側が上向きになる方向（これを「逆方向」又は「反対方向」とする。）に回転させて平坦化する。このとき、上述した粉体除去板は、カウンタ方向で平坦化ローラの周面に接触している。

この粉体除去板の平坦化ローラと対応するエッジ部が磨耗で削れるなどして、平坦化を行うときの供給粉体が平坦化ローラ周面と粉体除去板との隙間を通って、凝集することがある。このように粉体の凝集物が生じたときには、平坦化済の領域に凝集物が落下して平面度が低下するという課題が生じる。

また、平坦化後に、平坦化ローラを移動方向に対して前方側が下向きになる方向（これを「順方向」とする。）に回転させて平坦化した粉体層を圧粉する工程を行うことがある。この圧粉を行うとき、上述した粉体除去板と平坦化ローラの周面との間に粉体が溜まり凝集する。

そのため、圧粉を行っているときに、凝集された粉体が平坦化ローラと粉体除去板との間を通過して、粉体面（未圧粉領域）に落ち、平坦化ローラで粉体面に押し込むことで、粉体面の平面度が低下することがある。

また、圧粉した後の次層の平坦化時においては、平坦化ローラが逆回転するときに凝集された粉体が平坦化ローラ表面を伝って平坦化済の領域に落ち、粉体面の平面度が低下することがある、という課題が生じる。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、凝集した粉体の落下による粉体層の平面度の低下を低減することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係る立体造形装置は、
粉体が結合された造形層が積層形成される造形ステージと、
前記造形ステージのステージ面に沿う方向に回転しながら相対的に移動されて、前記造形ステージ上の前記粉体の表面を平坦化して粉体層を形成する回転体と、
前記回転体の周面に接触して前記回転体の周面に付着する粉体を除去する粉体除去部材と、を備え、
前記回転体を回転駆動して、前記回転体の周面と前記粉体除去手段との間に溜まった前記粉体を清掃する清掃動作を制御する清掃制御手段を有している
構成とした。

本発明によれば、凝集した粉体の落下による粉体層の平面度の低下を低減することができる。

本発明に係る立体造形装置の一例の要部斜視説明図である。 同じく概略側面説明図である。 同じく造形部の一例の説明に供する粉体槽の斜視説明図である。 同じく造形部の模式的断面説明図である。 同立体造形装置の制御部のブロック図である。 造形の流れの説明に供する造形部の模式的断面説明図である。 図６に続く模式的断面説明図である。 高密度化工程や平坦化工程における凝集粉体の落下による粉体層の平面性の低下の説明に供する説明図である。 本発明の第１実施形態における造形の流れの説明に供する造形部の模式的断面説明図である。 同じく図９に続く流れの説明に供する造形部の模式的断面説明図である。 本発明の第２実施形態における主制御部による造形処理の説明に供するフロー図である。 本発明の第３実施形態における清掃動作の説明に供する造形部の模式的断面説明図である。 同じく要部斜視説明図である。 本発明の第４実施形態における清掃動作の説明に供する造形部の模式的断面説明図である。 本発明の第５実施形態における清掃動作の説明に供する造形部の模式的断面説明図である。 本発明の第６実施形態における粉体槽の斜視説明図である。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。本発明に係る立体造形装置の一例について図１及び図２を参照して説明する。図１は同立体造形装置の要部斜視説明図、図２は同じく概略側面説明図である。

この立体造形装置は、粉体が結合された造形層が形成される造形部１と、造形部１に造形液を吐出して立体造形物を造形する造形ユニット５とを備えている。

造形部１は、粉体槽１１と、平坦化手段としての回転体である平坦化ローラ（リコータローラとも称される）１２などを備えている。

粉体槽１１は、粉体２０を供給する供給槽２１と、造形物が造形される造形槽２２とを有している。供給槽２１の底部は供給ステージ２３として鉛直方向（高さ方向）に昇降自在となっている。同様に、造形槽２２の底部は造形ステージ２４として鉛直方向（高さ方向）に昇降自在となっている。造形ステージ２４上に立体造形物が造形される。

供給ステージ２３はモータ２７によって昇降され、造形ステージ２４はモータ２８によって昇降される。

平坦化ローラ１２は、供給槽２１の供給ステージ２３上に供給された粉体２０を造形槽２２に供給し、平坦化して粉体層を形成する。この平坦化ローラ１２は、往復移動機構２５によって、造形ステージ２４のステージ面（粉体２０が積載される面）に沿う方向である矢印Ｘ方向に、ステージ面に対して相対的に往復移動可能であり、モータ２６によって回転駆動される。

造形ユニット５は、造形ステージ２４上の粉体層に造形液を吐出する液体吐出ヘッドで構成される吐出ヘッドユニット５１を備えている。なお、造形ユニット５には、吐出ヘッドユニット５１をクリーニングするヘッドクリーニング機構（図５のクリーニング装置５５５）なども備えている。

なお、ヘッドクリーニング機構（装置）は、主にキャップとワイパで構成される。キャップをヘッド下方のノズル面に密着させ、ノズルから造形液を吸引する。ノズルに詰まった粉体の排出や高粘度化した造形液を排出するためである。その後、ノズルのメニスカス形成（ノズル内は負圧状態である）のため、ノズル面をワイピング（払拭）する。また、ヘッドクリーニング機構は、造形液の吐出が行われない場合に、ヘッドのノズル面を覆い、粉体がノズルに混入することや造形液が乾燥することを防止する。

造形ユニット５はガイド部材５２に移動可能に保持されたスライダ部５３を有し、造形ユニット５全体が矢印Ｘ方向に往復移動可能であり、後述するモータ５５１を含む走査機構によって造形ユニット５全体が矢印Ｘ方向に往復移動される。

吐出ヘッドユニット５１は、ガイド部材５４、５５で矢印Ｙ方向に往復移動可能に支持され、後述するモータ５５０を含む走査機構によってＹ方向に往復移動される。

吐出ヘッドユニット５１は、ガイド部材５４、５５とともに矢印Ｚ方向に昇降可能に支持され、後述するモータ５５２を含む昇降機構によってＺ方向に昇降される。

この吐出ヘッドユニット５１には、シアン造形液を吐出するヘッド、マゼンタ造形液を吐出するヘッド、イエロー造形液を吐出するヘッド、ブラック造形液を吐出するヘッド、及びクリア造形液を吐出するヘッドを備える。これらのシアン造形液、マゼンタ造形液、イエロー造形液、ブラック造形液及びクリア造形液の各々を収容した複数のタンクがタンク装着部５６に装着されている。

次に、造形部の一例について図３及び図４も参照して説明する。図３は造形部の粉体槽の斜視説明図、図４は同じく造形部の模式的断面説明図である。

粉体槽１１は、箱型形状をなし、供給槽２１と造形槽２２の２つの上面が開放された槽を備えている。供給槽２１内部には供給ステージ２３が、造形槽２２内部には造形ステージ２４がそれぞれ昇降可能に配置される。

供給ステージ２３の側面は供給槽２１の内側面に接するように配置されている。造形ステージ２４の側面は造形槽２２の内側面に接するように配置されている。これらの供給ステージ２３及び造形ステージ２４の上面は水平に保たれている。

粉体槽１１の周りには、図３に示すように、上面が開放された凹形状である粉体落下口２９が設けられている（図４では省略）。粉体落下口２９には、粉体層を形成するときに平坦化ローラ１２によって集積された余剰の粉体２０が落下する。粉体落下口２９に落下した余剰の粉体２０は供給槽２１に粉体を供給する図示しない粉体供給部内に戻される。

なお、図１では図示しない粉体供給装置（粉体供給手段、図５の粉体供給装置５５４））は、タンク状をなし、供給槽２１の上方に配置される。造形の初期動作時や供給槽２１の粉体量が減少した場合に、タンク内の粉体を供給槽２１に供給する。粉体供給のための粉体搬送方法としては、スクリューを利用したスクリューコンベア方式や、エアーを利用した空気輸送方式などが挙げられる。

平坦化ローラ１２は、供給槽２１から粉体２０を造形槽２２へと移送供給して、所定の厚みの粉体層を形成する機能を有している。

この平坦化ローラ１２は、造形槽２２及び供給槽２１の内寸（即ち、粉体が供される部分又は仕込まれている部分の幅）よりも長い棒状部材であり、前述した往復移動機構２５によってステージ面に沿う方向（ステージ面と平行な矢印Ｘ方向）に往復移動される。

この平坦化ローラ１２は、モータ２６によって回転されながら、供給槽２１の外側から供給槽２１及び造形槽２２の上方を通過するようにして水平移動し、これにより粉体２０が造形槽２２上へと移送供給される。

また、図４に示すように、平坦化ローラ１２の周面に接触して、平坦化ローラ１２に付着した粉体２０を除去するための粉体除去部材である粉体除去板１３が配置されている。

粉体除去板１３は、平坦化ローラ１２の周面に接触した状態で、平坦化ローラ１２とともに移動する。また、粉体除去板１３は、平坦化ローラ１２が図４で矢印Ａ方向（平坦化を行うときの回転方向）に回転するときにカウンタ方向になる状態で配置されている。

なお、図４における平坦化ローラ１２の矢印Ｂ方向への回転を、平坦化を行うときの回転体の回転方向である「順方向」とし、平坦化ローラ１２の矢印Ａ方向への回転を、平坦化を行うときの回転体の回転方向である順方向と反対の方向である「逆方向」とする。

本実施形態では、造形部１の粉体槽１１が供給槽２１と造形槽２２の二つの槽を有する構成としているが、造形槽２２のみとして、造形槽２２に粉体供給装置から粉体を供給して、平坦化手段で平坦化する構成とすることもできる。

次に、上記立体造形装置の制御部の概要について図５を参照して説明する。図５は同制御部のブロック図である。

制御部５００は、この立体造形装置全体の制御を司るＣＰＵ５０１と、ＣＰＵ５０１が実行するプログラム、その他の固定データを格納するＲＯＭ５０２と、画像データ（印刷データ）等を一時格納するＲＡＭ５０３とを含む主制御部５００Ａを備えている。

制御部５００は、装置の電源が遮断されている間もデータを保持するための不揮発性メモリ（ＮＶＲＡＭ）５０４を備えている。また、制御部５００は、画像データに対する各種信号処理等を行う画像処理やその他装置全体を制御するための入出力信号を処理するＡＳＩＣ５０５を備えている。

制御部５００は、外部の造形データ作成装置６００から造形データを受信するときに使用するデータ及び信号の送受を行うためのＩ／Ｆ５０６を備えている。なお、造形データ作成装置６００は、最終形態の造形物を各造形層にスライスした造形データを作成する装置であり、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置で構成されている。

制御部５００は、各種センサの検知信号を取り込むためのＩ／Ｏ５０７を備えている。

制御部５００は、吐出ヘッドユニット５１の各ヘッドを駆動制御するヘッド駆動制御部５０８を備えている。

制御部５００は、吐出ヘッドユニット５１を矢印Ｙ方向に移動させるＹ方向走査モータ５５０を駆動するモータ駆動部５１０と、造形ユニット５を矢印Ｘ方向に移動させるＸ方向走査モータ５５１を駆動するモータ駆動部５１１を備えている。

制御部５００は、吐出ヘッドユニット５１を矢印Ｚ方向に移動（昇降）させるＺ方向昇降モータ５５２を駆動するモータ駆動部５１２を備えている。なお、矢印Ｚ方向への昇降は造形ユニット５全体を昇降させる構成とすることもできる。

制御部５００は、供給ステージ２３を昇降させるモータ２７を駆動するモータ駆動部５１３と、造形ステージ２４を昇降させるモータ２８を駆動するモータ駆動部５１４を備えている。

制御部５００は、平坦化ローラ１２を移動させる往復移動機構２５のモータ２６を駆動するモータ駆動部５１５と、平坦化ローラ１２を回転駆動するモータ５５３を駆動する５１６を備えている。

制御部５００は、供給槽２１に粉体２０を供給する粉体供給装置５５４を駆動する供給系駆動部５１７と、吐出ヘッドユニット５１をクリーニング（メンテナンス、維持回復）するクリーニング装置５５５を駆動するクリーニング駆動部５１８を備えている。

制御部５００のＩ／Ｏ５０７には、環境条件としての温度及び湿度を検出する温湿度センサ５６０からの検知信号やその他のセンサ類の検知信号が入力される。また、Ｉ／Ｏ５０７には、平坦化ローラ１２と粉体除去板１３との間に溜まった粉体を検知する凝集検知手段（センサ）５６１の検知信号や供給槽２１の粉体残量の検知信号なども入力される。

制御部５００には、この装置に必要な情報の入力及び表示を行うための操作パネル５２２が接続されている。

主制御部５００Ａは、本発明に係る清掃制御手段を兼ねており、平坦化ローラ１２を回転駆動して、平坦化ローラ１２の周面と粉体除去板１３との間に溜まった粉体２０を清掃する清掃動作を制御する。

次に、造形の流れについて図６及び図７も参照して説明する。図６は造形の流れの説明に供する造形部の模式的断面説明図、図７は図６に続く模式的断面説明図である。

造形槽２２の造形ステージ２４上に、例えば図４に示すように、１層目の造形層３０が形成されている。

この造形層３０上に次の造形層３０を形成するときには、図６（ａ）に示すように、供給槽２１の供給ステージ２３を矢印Ｚ１方向に上昇させ、造形槽２２の造形ステージ２４を矢印Ｚ２方向に下降させる。

このとき、造形槽２２の粉体層表面と平坦化ローラ１２の下部（下方接線部）との間隔がΔｔ１となるように造形ステージ２４の下降距離を設定する。この間隔Δｔ１が次に形成する粉体層の厚みに相当する。間隔Δｔ１は、５０〜３００μｍ程度であることが好ましく、ここでは約１５０μｍとしている。

次いで、図６（ｂ）に示すように、供給槽２１の上面レベルよりも上方に位置する粉体２０を、平坦化ローラ１２を逆方向に回転しながら造形槽２２側に移動することで、粉体２０を造形槽２２へと移送供給する（粉体供給）。

さらに、図６（ｃ）に示すように、平坦化ローラ１２を造形槽２２の造形ステージ２４のステージ面と平行に移動させ、造形ステージ２４の造形層３０上で所定の厚さΔｔ１になる粉体層３１を形成する（平坦化）。粉体層形成後、図６（ｄ）に示すように、平坦化ローラ１２は矢印Ｘ２方向に移動されて初期位置に戻される。

ここで、平坦化ローラ１２は、造形槽２２及び供給槽２１の上面レベルとの距離を一定に保って移動できるようになっている。一定に保って移動できることで、平坦化ローラ１２で粉体２０を造形槽２２の上へと搬送させつつ、造形槽２２上又は既に形成された造形層３０の上に均一厚さΔｔ１の粉体層３１を形成できる。

このようにして平坦化工程（図６（ｃ））を行った後、次に図７に示す高密度化工程（圧粉工程）に移行する。

すなわち、図７（ａ）に示すように、造形槽２２の造形ステージ２４を矢印Ｚ１方向に上昇させる。このときの造形槽２２の粉体層表面と平坦化ローラ１２の下部（下方接線部）との間隔がΔｔ２となるように造形ステージ２４の上昇距離を設定する。この間隔Δｔ２は５０〜１００μｍ程度であることが好ましく、本実施形態では約５０μｍとしている。

この間隔Δｔ２分だけ粉体層３１の厚さΔｔ１を減少させて造形層３０の厚みΔｔを（Δｔ１−Δｔ２）にする。つまり、この（Δｔ１−Δｔ２）が造形層３０の積層ピッチに相当する。

そして、図７（ｂ）に示すように、平坦化ローラ１２を順方向に回転させながら造形槽２２の造形ステージ２４のステージ面と平行に移動させ、造形ステージ２４の粉体層３１を圧粉する（圧粉化：高密度化）。このように、平坦化ローラ１２をカウンタ方向とは反対方向に回転しながら水平移動することで、粉体の密度向上効果を得ることもできる。

次いで、平坦化ローラ１２を供給槽２１側に戻した後、再度、図７（ｃ）に示すように、平坦化ローラ１２を順方向に回転させながら造形槽２２の造形ステージ２４のステージ面と平行に移動させ、造形ステージ２４の圧粉した粉体層３１の表面を再度平坦化する（平坦化）。

その後、図７（ｄ）に示すように、吐出ヘッドユニット５１のヘッド５１ａから造形液１０を吐出して、厚さΔｔの造形層３０を積層形成する（造形）。

なお、造形層３０は、例えば、ヘッド５１ａから吐出された造形液１０が粉体２０と混合されることで、粉体２０に含まれる接着剤が溶解し、溶解した接着剤同士が結合して粉体２０が結合されることで形成される。

次いで、上述した粉体供給・平坦化工程、ヘッドによる造形液吐出工程を繰り返して新たな造形層を形成する。このとき、新たな造形層とその下層の造形層とは一体化して三次元形状造形物の一部を構成する。

以後、粉体の供給・平坦化工程、ヘッドによる造形液吐出工程を必要な回数繰り返すことによって、三次元形状造形物（立体造形物）を完成させる。

次に、本発明で使用している立体造形用粉末材料（粉体）及び造形液について説明する。

立体造形用粉末材料は、基材と、この基材を平均厚み５ｎｍ〜５００ｎｍで被覆し、造形液としての架橋剤含有水の作用により溶解し架橋可能な水溶性有機材料とを有してなる。

この立体造形用粉末材料においては、基材を被覆する水溶性有機材料が、架橋剤含有水の作用により溶解し架橋可能であるため、水溶性有機材料に架橋剤含有水が付与されると、水溶性有機材料は、溶解すると共に、架橋剤含有水に含まれる架橋剤の作用により架橋する。

これにより、上記立体造形用粉末材料を用いて薄層（粉体層）を形成し、粉体層に架橋剤含有水を造形液１０として吐出することで、粉体層においては、溶解した水溶性有機材料が架橋する結果、粉体層が結合硬化して造形層３０が形成される。

このとき、基材を被覆する水溶性有機材料の被覆量が平均厚みで５ｎｍ〜５００ｎｍであるため、水溶性有機材料が溶解したときに基材の周囲に必要最小量だけ存在し、これが架橋して三次元ネットワークを形成するため、粉体層の硬化は寸法精度良く、かつ、良好な強度をもって行われる。

この操作を繰り返すことにより、簡便かつ効率的に、焼結等の前に型崩れが生ずることなく、寸法精度良く複雑な立体造形物を形成することができる。

このようにして得られた立体造形物は、良好な硬度を有するため、手で持ったり、エアーブロー処理をして余分な立体造形用粉末材料の除去等を行っても、型崩れが生ずることがなく、その後に焼結等を簡便に行うことができる。

そして、上記のようにして形成された立体造形物においては、基材が密に（高充填率で）存在し、水溶性有機材料は基材どうしの周囲に極僅かだけ存在するため、その後に焼結等して成形体（立体造形物）を得たとき、得られた成形体に不要な空隙等は存在せず、外観の美麗な成形体（立体造形物）が得られる。

−基材−
基材としては、粉末ないし粒子の形態を有する限り特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。その材質としては、例えば、金属、セラミックス、カーボン、ポリマー、木材、生体親和材料、などが挙げられるが、高強度な立体造形物を得る観点からは、最終的に焼結処理が可能な金属、セラミックスなどが好ましい。

金属としては、例えば、ステンレス（ＳＵＳ）鋼、鉄、銅、チタン、銀などが好適に挙げられ、該ステンレス（ＳＵＳ）鋼としては、例えば、ＳＵＳ３１６Ｌなどが挙げられる。

セラミックスとしては、例えば、金属酸化物などが挙げられ、具体的には、シリカ（ＳｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、チタニア（ＴｉＯ_２）などが挙げられる。

カーボンとしては、例えば、グラファイト、グラフェン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、フラーレンなどが挙げられる。

ポリマーとしては、例えば、水に不溶な公知の樹脂などが挙げられる。

木材としては、例えば、ウッドチップ、セルロースなどが挙げられる。

生体親和材料としては、例えば、ポリ乳酸、リン酸カルシウムなどが挙げられる。

これらの材料は、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。

なお、本発明においては、基材として、これらの材料で形成された市販品の粒子ないし粉末を使用することができる。市販品としては、例えば、ＳＵＳ３１６Ｌ（山陽特殊鋼製、ＰＳＳ３１６Ｌ）、ＳｉＯ_２（トクヤマ製、エクセリカＳＥ−１５）、ＡｌＯ_２（大明化学工業製、タイミクロンＴＭ−５Ｄ）、ＺｒＯ_２（東ソー製、ＴＺ−Ｂ５３）などが挙げられる。

また、基材としては、水溶性有機材料との親和性を高める目的等で、公知の表面（改質）処理がされていてもよい。

−水溶性有機材料−
水溶性有機材料としては、水に溶解し、架橋剤の作用により架橋可能な性質を有するものであれば、換言すれば、水溶性であって架橋剤によって架橋可能である限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。

ここでは、水溶性有機材料の水溶性は、例えば、３０℃の水１００ｇに水溶性有機材料を１ｇ混合して撹拌したとき、その９０質量％以上が溶解するものを意味する。

また、水溶性有機材料としては、その４質量％（ｗ／ｗ％）水溶液の２０℃における粘度が、４０ｍＰａ・ｓ以下であるものが好ましく、１〜３５Ｐａ・ｓであるものがより好ましく、５〜３０Ｐａ・ｓであるものが特に好ましい。

水溶性有機材料の粘度が、４０ｍＰａ・ｓを超えると、立体造形用粉末材料に架橋剤含有水を付与して形成した立体造形物用粉末材料（粉体層）による硬化物（立体造形物、焼結用硬化物）の強度が充分でないことがあり、その後の焼結等の処理ないし取扱い時に型崩れ等の問題が生ずることがある。また、立体造形用粉末材料に架橋剤含有水を付与して形成した立体造形物用粉末材料（粉体層）による硬化物（立体造形物、焼結用硬化物）の寸法精度が充分でないことがある。

水溶性有機材料の粘度は、例えば、ＪＩＳＫ７１１７に準拠して測定することができる。

−架橋剤含有水−
造形液である架橋剤含有水としては、水性媒体中に架橋剤を含有するものであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。なお、架橋剤含有水は、水性媒体、架橋剤のほか、必要に応じて適宜選択したその他の成分を含有していてもよい。

その他の成分としては、架橋剤含有水を付与する手段の種類、使用頻度や量などの諸条件を考慮して適宜選択することができる。例えば、液体吐出法によって架橋剤含有水を付与する場合には、液体吐出ヘッドのノズルへの目詰り等の影響を考慮して選択することができる。

水性媒体としては、例えば、水、エタノール等のアルコール、エーテル、ケトン、などが挙げられるが、水が好ましい。なお、水性媒体は、水がアルコール等の水以外の成分を若干量含有するものであってもよい。

上述した立体造形物用粉末材料及び造形液としての架橋剤含有水を使用することで、粉体（基材）を接着させるためのバインダーを液体吐出ヘッドから吐出する構成に比べて、ノズルの目詰まりが少なく、ヘッドの耐久性が向上する。

次に、高密度化工程や平坦化工程における凝集粉体の落下による粉体層３１の平面性の低下について図８を参照して説明する。図８は同説明に供する説明図である。

まず、図８（ａ）に示すように、高密度化工程では、平坦化ローラ１２を順方向に回転させるために、平坦化ローラ１２の周面に付着した粉体２０Ａが粉体除去板１３で堰き止められて凝集する。この凝集粉体２０Ｂが、平坦化ローラ１２の周面と粉体除去板１３との間を通過して、塊２０Ｃとなって圧粉済領域に落下することで、粉体層３１の平面性が低下する。

また、図８（ｂ）に示すように、高密度化工程を行った後にも平坦化工程を行うと、平坦化ローラ１２を逆方向に回転させるために凝集粉体２０Ｂの一部が塊２０Ｃとなって平坦化済領域に落下することで、粉体層３１の平面性が低下する。

また、高密度化工程を行わない場合でも、粉体除去板１３の平坦化ローラ１２と接触するエッジ部が磨耗で削れるなどして、平坦化を行うときの粉体が平坦化ローラ１２周面と粉体除去板１３との隙間を通って、凝集することがある。このように粉体の凝集物が生じたときには、平坦化済の領域に凝集粉体の一部が塊となって落下して平面度が低下する。

次に、本発明の第１実施形態について図９及び図１０を参照して説明する。図９は同実施形態における造形の流れの説明に供する造形部の模式的断面説明図、図１０は同じく図９に続く流れの説明に供する造形部の模式的断面説明図である。

本実施形態では、前記図６で説明したと同様な平坦化工程を行う。すなわち、図９に示すように、造形層３０上に次の造形層３０を形成するときには、図９（ａ）に示すように、供給槽２１の供給ステージ２３を矢印Ｚ１方向に上昇させ、造形槽２２の造形ステージ２４を矢印Ｚ２方向に下降させる。

このとき、造形槽２２の粉体層３１表面と平坦化ローラ１２の下部（下方接線部）との間隔がΔｔ１となるように造形ステージ２４の下降距離を設定する。

次いで、図９（ｂ）に示すように、供給槽２１の上面レベルよりも上方に位置する粉体２０を、平坦化ローラ１２を逆方向に回転しながら造形槽２２側に移動することで、粉体２０を造形槽２２へと移送供給する（粉体供給）。

さらに、図９（ｃ）に示すように、平坦化ローラ１２を造形槽２２の造形ステージ２４のステージ面と平行に移動させ、図９（ｄ）に示すように、造形ステージ２４の造形層３０上で所定の厚さΔｔ１になる粉体層３１を形成する（平坦化）。粉体層形成後、平坦化ローラ１２は矢印Ｘ２方向に移動されて初期位置に戻される。

その後、図１０（ａ）に示すように、造形槽２２の造形ステージ２４を矢印Ｚ１方向に上昇させる。このときの造形槽２２の粉体層表面と平坦化ローラ１２の下部（下方接線部）との間隔がΔｔ２となるように造形ステージ２４の上昇距離を設定する。

そして、図１０（ｂ）に示すように、平坦化ローラ１２を順方向に回転させながら造形槽２２の造形ステージ２４のステージ面と平行に移動させ、造形ステージ２４の粉体層３１を圧粉する（高密度化：圧粉化）。

このとき、前述したように、平坦化ローラ１２の周面と粉体除去板１３との間に、平坦化ローラ１２の順方向の回転によって付着した粉体２０Ａが移送され、凝集粉体２０Ｂが生じる。

そこで、図１０（ｃ）に示すように、平坦化ローラ１２を造形槽２２外の造形外領域まで移動させた後、平坦化ローラ１２を逆方向（平坦化するときの回転方向）に回転させる。

これにより、平坦化ローラ１２の周面と粉体除去板１３との間で生じた凝集粉体２０Ｂは、平坦化ローラ１２の逆方向回転で移動して、平坦化ローラ１２の逆方向回転に対してカウンタ方向となる粉体除去板１３によって掻き落とされる（清掃）。

なお、ここでは、平坦化ローラ１２を逆方向に回転させて粉体の清掃を行う例で説明しているが、例えば、平坦化ローラ１２を逆方向に回転した後順方向に回転させる、というように、逆方向の回転及び順方向の回転を組み合わせることもできる。

このようにして、平坦化ローラ１２の周面と粉体除去板１３との間で凝集している粉体が清掃除去されるので、その後に、圧粉化や平坦化を行っても、凝集粉体が落下することが低減し、平面性の低下を低減できる。

この造形外領域への平坦化ローラ及び粉体除去板の移動、平坦化ローラの逆方向への回転による清掃動作は、前述したように主制御部５００Ａによって制御される。

次に、本発明の第２実施形態について図１１を参照して説明する。図１１は主制御部による造形処理の説明に供するフロー図である。

まず、造形データ作成装置６００からの印字ジョブ（ＪＯＢ）を受け付けると、前述したように、造形槽２２への粉体供給を行い、平坦化ローラ１２を逆方向に回転させながら移動させて平坦化を行なって、粉体層３１を形成する。

その後、高密度化（圧粉化）動作を実施するか否かを判別する。

ここで、高密度化（圧粉化）動作を実施するときには、平坦化ローラ１２を順方向に回転させながら移動させて高密度化する工程（動作）を実施する。そして、平坦化ローラ１２を逆方向に回転させて、平坦化ローラ１２の周面と粉体除去板１３との間に溜まって凝集した粉体を除去する清掃工程（粉体除去工程）を実施する。

その後、初期設定の圧粉回数分高密度化動作を実施したか否かを判別し、初期設定の圧粉回数分高密度化動作を実施していなければ、高密度化動作の実施に戻る。

また、初期設定の圧粉回数分高密度化動作を実施していれば、吐出ヘッドユニット５１のヘッド５１ａから造形液を吐出させて造形層３０を形成する造形動作（工程）を行う。その後、次の造形層のデータがあるか否かを判別し、次の造形層のデータがあれば、粉体供給に戻り、次の造形層のデータがなければ、処理を終了する。

一方、高密度化動作を実施しないときには、平坦化ローラ１２の累積回転数が所定回数Ｎ（回）以上であるか否か、粉体２０の粒径が所定径Ｄ（μｍ）以下であるか否か、温湿度センサ５６０で検出した湿度が所定湿度Ｔｈ（％）以上であるか否かを順次判別する。

なお、粉体２０の粒径が所定径Ｄ以下であるか否かは、例えば、データを格納するＲＯＭ５０２に予め粉体の種類ごとに粒径、粒径分布などの特性情報を格納保持しておき、主制御部５００Ａが、造形に用いる粉体２０の種類に対応する特性情報（材料、粒径分布など）を読み出して、当該粉体２０の粒径が所定径Ｄ以下であるか判別して行うことができる。

このとき、平坦化ローラ１２の累積回転数が所定回数Ｎ（回）以上、粉体２０の粒径が所定径Ｄ（μｍ）以下、温湿度センサ５６０で検出した湿度が所定湿度Ｔｈ（％）以上、のいずれかであるときには、清掃工程を実施する。

すなわち、本実施形態では、平坦化手段によって粉体層の平坦化を行なった後、もしくは高密度化動作を実施した後に、平坦化ローラ１２と粉体除去板１３との間に溜まった粉体２０を清掃する清掃動作（粉体除去動作）を行うようにしている。

清掃動作は、平坦化ローラ１２と粉体除去板１３の間に粉体２０が溜まり易い状態や、粉体同士の凝集が発生する可能性が高い状態において実施する。

ここでは、上述したように、（１）高密度化動作の実施の有無、（２）装置の耐久（回転体の累積回転数）、（３）粉体の粒子径（粒径）、（４）装置の使用湿度環境や装置の保管湿度環境、などによって、判別している。

このように、平坦化ローラ１２と粉体除去板１３の間に粉体２０が溜まり易い状態や、粉体同士の凝集が発生する可能性が高い状態においてのみ清掃動作を実施する。これにより、確実に凝集した粉体を取り除くことができ、かつ、平坦化動作を行う毎に清掃動作を行う場合に比べて、生産性の低下を抑えることができる。

具体的には、高密度化動作を実施する場合は、平坦化ローラ１２を順方向に回転させるため、平坦化ローラ１２と粉体除去板１３の間に粉体２０が溜まり易くなるので、清掃動作を実施する方が好ましい。

高密度化動作を実施しない場合においても、平坦化ローラ１２の累積回転数によっては清掃工程を実施することが好ましい。つまり、平坦化ローラ１２の回転によって、粉体２０との摩擦で平坦化ローラ１２表面が部分的に削られることがあり、その箇所に粉体２０が付着しやすくなる。また、粉体除去板１３における平坦化ローラ１２と接するエッジ部が磨耗する。

この場合、粉体除去板１３で除去されるべき粉体２０が除去しきれず、平坦化ローラ１２と粉体除去板１３との接触部付近において凝集される可能性があるため、清掃動作を実施することが好ましい。清掃動作を実施する平坦化ローラ１２の累積回転数Ｎは、平坦化ローラ１２と粉体除去板１３の材質によっても異なるが、例えば１０００万回である。

また、高密度化動作を実施しない場合においても、粉体２０の粒子径（粒径）によっては清掃動作を実施することが好ましい。粒子径が小さい場合は、粉体同士の付着力が高くなるため、凝集しやすく、平坦化ローラ１２周面や粉体除去板１３に付着しやすくなる。

したがって、前記同様、平坦化ローラ１２と粉体除去板１３との接触部付近において凝集される可能性があるため、清掃動作を実施することが好ましい。清掃動作を実施する粉体の粒径Ｄは、粉体の材質によっても異なるが、例えば２０μｍ以下である。

また、高密度化動作を実施しない場合においても、装置の使用湿度環境や装置の保管湿度環境によっては清掃動作を実施することが好ましい。装置の使用環境の湿度が高い場合は、前記同様粉体同士の付着力が高くなり、凝集しやすく、平坦化ローラ１２周面や粉体除去板１３に付着しやすくなる。

したがって、前記同様、平坦化ローラ１２と粉体除去板１３との接触部付近において凝集される可能性があるため、清掃動作を実施することが好ましい。清掃動作を実施する装置の保管・使用湿度Ｔｈは、粉体の材質によっても異なるが、例えば５０％以上である。

清掃動作においては、平坦化ローラ１２を高密度化（圧粉化）するときと逆の方向である平坦化を行うときと同じ方向に回転させる構成とする、つまり、ローラの空回転を行うことができる。

これにより、平坦化ローラ１２と粉体除去板１３との間に溜まった粉体が、平坦化ローラ１２の回転によって平坦化ローラ１２と粉体除去板１３との間から外に移動させられるため、粉体除去効果を得ることができる。また、新たな清掃手段を設けることなく、平坦化ローラ１２の回転だけで清掃を行うことができ、新規追加部品のよるコストアップや装置サイズアップを招くこともない。

なお、上述したように、清掃動作における平坦化ローラ１２の回転方向は、高密度化（圧粉化）動作時と逆の方向だけでなく、逆方向に回転させた後に逆の方向に回転させる（更に、これらの両方の回転を所定回数繰り返す）ようにすることもできる。

さらに、上記清掃動作は、造形ステージ２４から外れた造形外領域で実施することが好ましい。これにより、除去した粉体が造形領域に落ち、粉体層の平面性が低下することを防止できる。

つまり、清掃動作を行うときに、例えば、平坦化ローラ１２と造形ステージ２４との間に清掃動作で除去された粉体を受ける受け部が介在する構成とすることで、清掃動作を造形ステージ２４の上で実施することもできる。しかし、この構成では、平坦化ローラ１２が粉体を移送するとき、又は、高密度化するときには、受け部を退避させる機構が必要となる。このため、清掃動作を造形外領域で実施することで、このような機構を設けることなく、清掃動作を実施することができる。

また、装置放置後や、高密度化動作（圧粉化動作）の途中で装置の電源が落ちたりした場合、電源ＯＮ後は、平坦化前に必ず清掃動作を実施することが好ましい。

次に、本発明の第３実施形態について図１２及び図１３を参照して説明する。図１２は同実施形態における清掃動作の説明に供する造形部の模式的断面説明図、図１３は同じく要部斜視説明図である。

本実施形態では、平坦化ローラ１２と粉体除去板１３との間に溜まった粉体２０ないし凝集した粉体２０Ｂを吸引する吸引手段７０を備えている。吸引手段７０は、平坦化ローラ１２とほぼ同じ幅を有し、吸引ポンプなどに接続されている。

清掃動作を行うときには、平坦化ローラ１２と粉体除去板１３との間に吸引手段７０を臨ませて、吸引手段７０によって吸引する吸引動作を行うことで、平坦化ローラ１２と粉体除去板１３との間に溜まった粉体２０や凝集粉体２０Ｂを図１３に矢印で示すように吸引して除去することで清掃する。

この場合、前記第１、第２実施形態で説明したように、平坦化ローラ１２の回転を併用することもできる。つまり、前記第１、第２実施形態において、平坦化ローラ１２を回転させて清掃動作を行うとき、併せて、吸引手段７０から吸引する吸引動作を行うことができる。

なお、吸引手段としては、造形槽２２から造形物を取り出し、残った未接着粉体を取り除くときに用いる吸引手段を利用することができる。このようにすれば、新たに別途吸引手段を追加する必要がなくなる。

また、本実施形態では、造形ステージ２４上方で清掃動作を行っても、吸引手段７０で除去する粉体が造形ステージ２４に落下することを防ぐことができる。したがって、造形ステージ２４上方で清掃動作を行うことも可能である。もとより、造形外領域で清掃動作を実施することもできる。

次に、本発明の第４実施形態について図１４を参照して説明する。図１４は同実施形態における清掃動作の説明に供する造形部の模式的断面説明図である。

本実施形態では、粉体除去板１３は、平坦化ローラ１２の周面に対して接触及び離間可能に配置されている。

そして、清掃動作を行うときには、図１４に示すように、粉体除去板１３を平坦化ローラ１２の周面から離間させる。この状態で、清掃部材７１で平坦化ローラ１２の周面などに付着している粉体を払拭、若しくは、掻きとる。

なお、清掃部材７１としては、例えば、平坦化ローラ１２の軸方向に移動する払拭部材やブラシ部材を用いることができる。

この場合、平坦化ローラ１２は回転させることで、周面全体を清掃することができる。

次に、本発明の第５実施形態について図１５を参照して説明する。図１５は同実施形態における清掃動作の説明に供する造形部の模式的断面説明図である。

本実施形態では、平坦化ローラ１２と粉体除去板１３との間に溜まる粉体２０を検知する凝集検知センサ５６１を備えている。

そして、主制御部５００Ａは、凝集検知センサ５６１による粉体２０の検知結果に基づいて、凝集した粉体２０Ｂが検知されたときにだけ清掃動作を行う制御をする。凝集検知センサ５６１は、例えば、レーザー変位計やフォトセンサを使用することができる。

これにより、平坦化を行なうごとに清掃動作を行う場合に比べて生産性の低下を抑制できる。

なお、凝集検知手段は、造形外領域で検知を行うことが好ましく、また、飛散した粉体が検知手段に付着しないよう、検知を必要としないときにはカバーで覆うなどすることが検知精度を維持する上で好ましい。

次に、本発明の第６実施形態について図１６を参照して説明する。図１６は同実施形態における粉体槽の斜視説明図である。

本実施形態では、粉体槽１１は、供給槽２１及び造形槽２２とともに、粉体層３１の形成に使用されなかった粉体２０を受ける余剰粉体受け部２９を備えている。

そこで、前述した平坦化ローラ１２の清掃動作を造形ステージ２４から外れた造形外領域で実施するときには、余剰粉体受け部２９上に平坦化ローラ１２を移動させた状態で清掃動作を行う。

これにより、清掃動作で除去される粉体２０を余剰粉体受け部２９に収容することができる。

１ 造形部
５ 造形ユニット
１０ 造形液
１１ 粉体層
１２ 平坦化ローラ（平坦化手段、回転体）
１３ 粉体除去板
２０ 粉体
２１ 供給槽
２２ 造形槽
２３ 供給ステージ
２４ 造形ステージ
３０ 造形層
３１ 粉体層
５１ 吐出ヘッドユニット

Claims (10)

1. 粉体が結合された造形層が積層形成される造形ステージと、
   前記造形ステージのステージ面に沿う方向に回転しながら相対的に移動されて、前記造形ステージ上の前記粉体の表面を平坦化して粉体層を形成する回転体と、
   前記回転体の周面に接触して前記回転体の周面に付着する粉体を除去する粉体除去部材と、を備え、
   前記回転体を回転駆動して、前記回転体の周面と前記粉体除去手段との間に溜まった前記粉体を清掃する清掃動作を制御する清掃制御手段を有している
   ことを特徴とする立体造形装置。
2. 前記平坦化を行うときの前記回転体の回転方向を順方向とするとき、前記清掃動作では、前記回転体を順方向とは反対の逆方向に回転させる
   ことを特徴とする請求項１に記載の立体造形装置。
3. 前記平坦化を行うときの前記回転体の回転方向を順方向とするとき、前記清掃動作では、前記回転体を順方向とは反対の逆方向に回転させた後、前記順方向に回転させる
   ことを特徴とする請求項１に記載の立体造形装置。
4. 前記回転体の周面と前記粉体除去手段との間に溜まる前記粉体を検知する手段を備え、
   前記検知手段の検知結果に基づいて前記清掃動作を行う
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の立体造形装置。
5. 前記回転体を逆方向に回転させながら移動させて前記平坦化された前記粉体を圧粉する高密度化動作の実施の有無に応じて前記清掃動作を行う
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の立体造形装置。
6. 前記回転体を逆方向に回転させながら移動させて前記平坦化された前記粉体を圧粉する高密度化動作の実施の有無、前記回転体の累積回転数、前記粉体の粒径、装置の使用環境に基づいて前記清掃動作を行うか否かを判別する
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の立体造形装置。
7. 前記回転体の周面と前記粉体除去手段との間に溜まった前記粉体を吸引する吸引手段を備え、
   前記清掃動作を行うとき、前記吸引手段による吸引動作も行う
   ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の立体造形装置。
8. 粉体が結合された造形層が積層形成される造形ステージと、
   前記造形ステージのステージ面に沿う方向に回転しながら相対的に移動されて、前記造形ステージ上の前記粉体の表面を平坦化して粉体層を形成する回転体と、
   前記回転体の周面に接触して前記回転体の周面に付着する粉体を除去する粉体除去部材と、を備え、
   前記回転体の周面と前記粉体除去手段との間に溜まった前記粉体を吸引する吸引手段と、
   前記吸引手段による吸引を行う清掃動作を制御する清掃制御手段と、を有している
   ことを特徴とする立体造形装置。
9. 粉体が結合された造形層が積層形成される造形ステージと、
   前記造形ステージのステージ面に沿う方向に回転しながら相対的に移動されて、前記造形ステージ上の前記粉体の表面を平坦化して粉体層を形成する回転体と、
   前記回転体の周面に接触して前記回転体の周面に付着する粉体を除去する粉体除去部材と、を備え、
   前記粉体除去部材は、前記回転体の周面に対して接触及び離間可能に配置され、
   前記回転体の周面に付着した前記粉体を払拭又は掻き取って清掃する清掃部材と、
   前記粉体除去部材を前記回転体の周面から離間させた状態にして、前記清掃部材で前記回転体の周面に付着している前記粉体を清掃する清掃動作を制御する清掃制御手段と、を有している
   ことを特徴とする立体造形装置。
10. 前記清掃動作は、前記造形ステージから外れた造形外領域で行う
    ことを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の立体造形装置。

Images