JP2016221870A - 三次元造形装置および三次元造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】粉末層を安定させるとともに、粉体同士の間に隙間を生じさせることのないようにした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】三次元造形物の断面形状に基づいて造形槽１６に形成された粉末材料よりなる粉末層にバインダーを吐出することにより、上記粉末材料を硬化して三次元造形物を作製する三次元造形装置１０において、昇降可能で上面が平板である積層ステージを備えた造形槽１６と、造形槽１６に粉末材料を供給する供給手段３０と、上記積層ステージの上記上面と平行に対向する平面を備えた押圧部材３２とを有し、供給手段３０より供給された粉末材料よりなる未圧縮粉末層を上記積層ステージ上面に形成した後に上記積層ステージを上昇させて、上記未圧縮粉末層を押圧部材３２に当接させて圧縮して粉末層を形成するようにした三次元造形装置。
【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し、さらに詳細には、粉体を原料として三次元造形物を作製する三次元造形装置および三次元造形方法に関する。

従来より、三次元造形物を作製する手法として、石膏パウダー(石膏粉末）や樹脂パウダー(樹脂粉末）などの粉体を原料として三次元造形物を作製する粉末固着積層方式（バインダージェッティング方式）が知られている。

この粉末固着積層方式による三次元造形装置とは、インクジェットヘッドから液体結合剤であるバインダーを各種の粉末に噴射し、当該粉末を一層ずつ固めて三次元造形物を作製するというものである。

より詳細には、粉末固着積層方式による三次元造形装置では、まず、三次元造形物を造形する造形槽に粉末材料を敷き詰めて所定の厚さの粉末層を形成する。

次に、この粉末層に対して、三次元造形物の断面形状の所定の解像度を有する画像データに基づいて、吐出ヘッド（インクジェットヘッド）から粉末材料を硬化するバインダーを吐出して、粉末層に当該画像データに基づく断面形状を形成する。

その後、断面形状が形成された粉末層上に所定の厚さの新たな粉末層を形成し、この粉末層に、形成した断面形状の次の断面形状を表す画像データに基づいて、吐出ヘッドからバインダーを吐出し、当該新たな粉末層に当該画像データに基づく断面形状を形成する。

そして、こうした処理を繰り返し行い、全ての断面形状を表す画像データに基づく断面形状を順次形成することで、三次元造形物を作製することとなる。

ここで、従来の三次元造形装置においては、造形槽に粉末材料を供給し、ローラーで所定の厚さとなるように粉末材料を敷き詰めて均一な粉末層を形成した後に粉末層にバインダーを吐出して断面形状を形成していた。

しかしながら、粉末材料をローラーで敷き詰めて均一にするだけでは、粉末層を形成する粉末材料が舞い上がるなどして粉末層が安定しないという問題点があった。

また、粉末材料をローラーで敷き詰めて均一にするだけでは、粉体同士の間に隙間がある状態となり、作製された三次元造形物が美しい仕上がりとならないという問題点があった。

なお、本願出願人が特許出願時に知っている先行技術は、上記において説明したようなものであって文献公知発明に係る発明ではないため、記載すべき先行技術情報はない。

本発明は、上記したような従来の技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、粉末層を安定させるとともに、粉体同士の間に隙間を生じさせることのないようにした三次元造形装置および三次元造形方法を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明による三次元造形装置および三次元造形方法は、粉末層にバインダーを吐出する前に、粉末材料よりなる未圧縮粉末層を押圧部材に当接させて一層ごとに圧縮して粉末層を形成するようにしたものである。

即ち、本発明は、三次元造形物の断面形状に基づいて造形槽に形成された粉末材料よりなる粉末層にバインダーを吐出することにより、上記粉末材料を硬化して三次元造形物を作製する三次元造形装置において、昇降可能で上面が平板である積層ステージを備えた造形槽と、上記造形槽に粉末材料を供給する供給手段と、上記積層ステージの上記上面と平行して対向する平面を備えた押圧部材とを有し、上記供給手段より供給された粉末材料よりなる未圧縮粉末層を上記積層ステージ上面に形成した後に上記積層ステージを上昇させて、上記未圧縮粉末層を上記押圧部材に当接させて圧縮して粉末層を形成するようにした。

また、本発明は、上記した発明において、さらに、上記積層ステージ上に上記供給手段より粉末材料が供給されると、上記粉末材料を上記積層ステージ上に敷きつめて所定の厚さの未圧縮粉末層を形成するローラーとを有し、上記ローラーにより敷きつめて所定の厚さに形成された上記未圧縮粉末層に上記押圧部材を当接させて圧縮して粉末層を形成するようにした。

また、本発明は、三次元造形物の断面形状に基づいて造形槽に形成された粉末材料よりなる粉末層にバインダーを吐出することにより、上記粉末材料を硬化して三次元造形物を作製する三次元造形方法において、昇降可能で上面が平板である積層ステージを備えた造形槽に粉末材料を供給して未圧縮粉末層を上記積層ステージ上面に形成した後に、上記積層ステージを上昇させて上記未圧縮粉末層を上記積層ステージの上記上面と平行に対向する平面を備えた押圧部材に当接させて圧縮して粉末層を形成するようにした。

また、本発明は、上記した発明において、さらに、上記積層ステージ上に粉末材料が供給されると、ローラーを用いて上記粉末材料を上記積層ステージ上に敷きつめて所定の厚さの未圧縮粉末層を形成し、上記ローラーにより敷きつめて所定の厚さに形成された上記未圧縮粉末層に上記押圧部材を当接させて圧縮して粉末層を形成するようにした。

本発明は、以上説明したように構成されているので、粉末層を安定させることができるとともに、粉体同士の間に隙間を生じさせることがないという優れた効果を奏するものである。

図１は、本発明による三次元造形装置の概略構成斜視説明図である。 図２（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、本発明による三次元造形装置において三次元造形物を作製する手順を順次示した概念説明図である。 図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、本発明による三次元造形装置における粉末層の圧縮を説明した概念説明図である。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明による三次元造形装置および三次元造形方法の実施の形態の一例を詳細に説明することとする。

図１には、本発明の実施の形態の一例による三次元造形装置１０が示されている。

この図１に示す三次元造形装置１０は、造形ステージ前後移動式の三次元造形装置であって、固定系部材である基台部１２と、基台部１２内に形成されるＸＹＺ直交座標系におけるＸ軸方向に延長する溝部１４と、溝部１４内に配置される造形槽１６と、造形槽１６と一体的に連接され、Ｘ軸方向に移動自在に配置される収容槽１８と、基台部１２上に立ち上がり形成された一対の支持部２０と、支持部２０により支持されて、ＸＹＺ直交座標系におけるＹ軸方向に沿って延長して配設された貯留槽支持レール２２と、貯留槽支持レール２２上のＹ軸方向の中央部位に配置される下方に開閉自在の開口部２４ａを備えた貯留槽２４と、基台部１２上に立ち上がり形成されて溝部１４の後方側を覆うように平面部２６ａを有する一対のローラー支持部２６と、ローラー支持部２６の前方側に支持されて造形槽１６上を相対的にＸ軸方向の後方側から前方側へ移動することが可能なローラー２８と、ローラー支持部２６の平面部２６ａの前方側の面である前面部２６ｂが有するガイドレール２６ｃに支持されてＹ軸方向に往復移動可能で造形槽１６に対してバインダーを吐出する吐出ヘッド３０と、ローラー支持部２６の平面部２６ａの下面であって、溝部１４の上方側に位置する領域に配置される押圧部材３２とを有するように構成されている。

ここで、造形槽１６と収容槽１８との位置関係は、造形槽１６に対してＸ軸方向前方側に収容槽１８が配置されている。

また、造形槽１６の底面は、その上面が平板状に形成され、かつ、昇降軸１６ｃにより上下方向に昇降可能な積層ステージ１６ａとされている。この積層ステージ１６ａ上に粉末層が積層される。

なお、こうした造形槽１６と積層ステージ１６ａとの構成は、従来より公知の技術を適用することが可能であるため、その詳細な説明は省略する。

また、吐出ヘッド３０は、Ｘ軸方向においてローラー２８の後方側に位置するように配置されてバインダーを吐出する。

また、ローラー支持部２６の平面部２６ａに配置される押圧部材３２は、造形槽１６が最も後方側に移動し、かつ、造形槽１６内部の積層ステージ１６ａが上昇した際に、造形槽１６内部の積層ステージ１６ａ上に形成された粉末層と当接するように配置されている。

この押圧部材３２が粉末層と当接する面は、平板状に形成されており、粉末層の圧縮の際には、押圧部材３２が粉末層と当接する面と積層ステージ１６ａの上面とが平行して対向する。

また、押圧部材３２の下面３２ａの高さ方向における位置としては、造形槽１６が押圧部材３２の下方側への移動が可能である高さであって、かつ、造形槽１６の上端部１６ｂが下面３２ａの直下となる高さに位置するようにする。

なお、上記押圧部材３２は、本実施の形態においては、便宜上、平面部２６ａの下面より突出しているものとして説明するが、これに限られるものではないことは勿論であり、押圧部材３２は、少なくとも積層ステージ１６ａの上面と平行な平面形状体であればよく、平面部２６ａの下面を用いるなどしてもよいものである。

以上の構成において、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）を参照しながら三次元造形装置１０による三次元造形物の作製手順について説明すると、はじめに、内部に粉末材料を貯留した貯留槽２４の開口部２４ａと造形槽１６とが対向した図１に示す初期状態から、貯留槽２４の開口部２４ａを開いて、造形槽１６の積層ステージ１６上へ粉末材料を供給する（図２（ａ）を参照する。）。

このとき、図２（ａ）に示すように、造形槽１６内部の積層ステージ１６ａは造形槽１６において上方側の所定の位置に上昇させておく。

ここで、所定の位置とは、積層ステージ１６ａと造形槽１６の上端部１６ｂとの間に、少なくとも一層分の造形に用いる粉末材料を供給することが可能となる高さ方向における位置である。

次に、図２（ｂ）に示すように、溝部１４内において造形槽１６および収容槽１８をＸ軸方向の前方側から後方側に移動することにより、ローラー２８が造形槽１６上を相対的にＸ軸方向の後方側から前方側へ移動することになり、造形槽１６へ供給された粉末材料は造形槽１６内に敷きつめられて積層ステージ１６ａ上に所定の厚さの未圧縮粉末層が形成される。

次に、図２（ｃ）に示すように、溝部１４内において造形槽１６および収容槽１８はＸ軸方向の後方側にさらに移動し、造形槽１６が平面部２６ａの下面に配置された押圧部材３２の下方側に位置する場所まで移動する。

ここで、未圧縮粉末層を形成された積層ステージ１６ａを一層分の粉末層を形成可能な位置まで上昇させ、未圧縮粉末層を押圧部材３２に当接して未圧縮粉末層を圧縮し、一層分の粉末層を形成する。

なお、積層ステージ１６ａにおいて粉末層の形成に用いられなかった余分な粉末材料は、図２（ｃ）に示すように、ローラー２８が造形槽１６から収容槽１８へと相対的にＸ軸方向の後方側から前方側に移動することにより、溝部１４内において造形槽１６とともにＸ軸方向の前方側から後方側に移動する収容槽１８に収容される。

上記のようにして造形槽１６内に未圧縮粉末層を形成した後に未圧縮粉末層を圧縮して一層分の粉末層を形成し、溝部１４内において造形槽１６をＸ軸方向における前方側へ移動して、造形槽１６を吐出ヘッド３０の下方の所定の位置に配置し、積層ステージ１６ａ上の一層分の粉末層に対して吐出ヘッド３０から粉末材料を硬化するバインダーを吐出して造形を行う（図２（ｄ）を参照する。）。

こうして積層ステージ１６ａ上に三次元造形物の一層目についての造形が終了したら、一層目の粉末層上に上記手順に従って二層目を造形し、さらに二層目以降の造形を繰り返すことにより三次元造形物を作製する。

なお、本実施の形態において用いるバインダーは、透明のものでも着色されたものでもよい。

次に、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）を参照しながら、積層ステージ１６ａ上の未圧縮粉末層の圧縮について詳細に説明する。

図３（ａ）に示す未圧縮粉末層は、ローラー２８で敷きつめられた後の状態であり、粉末材料が安定していない状態を示している。

次に、図３（ｂ）および図３（ｃ）に示すように、造形槽１６を押圧部材３２の下方側へ移動し、積層ステージ１６ａを上昇させる。

即ち、未圧縮粉末層に圧力がかかるまで積層ステージ１６ａを上昇させて、押圧部材３２と積層ステージ１６ａとの間で未圧縮粉末層が圧縮されている。

未圧縮粉末層を圧縮することにより、粉末層を形成する粉末材料が一体となる。

圧縮が終了すると、図３（ｄ）に示すように、再び前方側へ移動してバインダーの吐出が行われる。

このとき、粉末層は圧縮されて粉末材料が一体となっているため、粉末材料が安定せずに舞い上がるなどのおそれがなく、粉体同士の間の隙間がなくなる。

なお、未圧縮粉末層を圧縮する際の圧力としては、例えば、９．８Ｐａ（＝１ｋｇｆ／ｍ^２）程度の力を加えればよいものであるが、粉末層を形成する粉末材料によって任意に設定してよいものである。

即ち、本発明による三次元造形装置および三次元造形方法においては、粉末層にバインダーを吐出する前に、粉末材料よりなる未圧縮粉末層を積層ステージ上に形成した後に積層ステージを上昇させて、未圧縮粉末層を平面形状を有する押圧部材に当接させて一層ごとに圧縮して粉末層を形成するようにした。

これにより、未圧縮粉末層を形成する粉末材料が圧縮されて安定した粉末層が形成され、粉末材料が安定するため舞い上がるなどのおそれがなくなり、粉体同士の間に隙間がなくなる。

なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（６）に示すように変形するようにしてもよい。

（１）上記した実施の形態においては、積層ステージ１６ａ上の粉末層を押圧部材３２と当接させて圧縮するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、単に平面形状を有する面に当接して圧縮するようにしてもよい。

（２）上記した実施の形態においては、ローラー支持部２６が有する平面部２６ｂの下面に押圧部材３２を配置するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、ローラー支持部２６とは別に、ローラー支持部２６の後方側であって、溝部１４の上方側の領域に、別途に平面形状体を配設するようにしてもよい。

（３）上記した実施の形態においては、押圧部材３２の下面３２ａの高さ方向における位置としては、造形槽１６が押圧部材３２の下方側への移動が可能である高さであって、かつ、造形槽１６の上端部１６ｂが下面３２ａの直下となる高さに位置するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、積層ステージ１６ａを上昇させて未圧縮粉末層を押圧部材３２に当接させた際に、造形槽１６から粉末が溢れ出ることのない高さであれば、押圧部材３２の下面３２ａと造形槽１６の上端部１６ｂとの間隙は任意に設定してよい。

（４）上記した実施の形態においては、押圧部材３２は、ローラー支持部２６の平面部２６ａに配置され、造形槽１６が最も後方側に移動し、積層ステージ１６ａが上昇したときに、積層ステージ１６ａ上に形成された未圧縮粉末層と当接する位置に配置したが、これに限られるものではないことは勿論であり、未圧縮粉末層を圧縮する際に、造形槽１６が有する積層ステージ１６ａの上面と押圧部材３２とが対向する位置となるように、押圧部材３２と造形槽１６とが相対的に移動可能であればよく、どちらかを移動するようにしてもよいし、両方を移動するようにしてもよい。

（５）上記した実施の形態においては、造形槽１６へ供給された粉末材料はローラー２８によって造形槽１６内に敷きつめられて積層ステージ１６ａ上に所定の厚さの未圧縮粉末層を形成するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、ローラー２８を用いることなく積層ステージ１６ａ上に未圧縮粉末層を形成するようにしてもよい。

（６）上記した実施の形態ならびに上記した（１）乃至（５）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。

本発明は、粉末固着積層方式の三次元造形装置により三次元造形を行う際に用いて好適である。

１０ 三次元造形装置、１２ 基台部、１４ 溝部、１６ 造形槽、１８ 収容槽、２０ 支持部、２２ 貯留槽支持レール、２４ 貯留槽、２４ａ 開口部、２６ ローラー支持部、２８ ローラー、３０ 吐出ヘッド、３２ 押圧部材

Claims (4)

1. 三次元造形物の断面形状に基づいて造形槽に形成された粉末材料よりなる粉末層にバインダーを吐出することにより、前記粉末材料を硬化して三次元造形物を作製する三次元造形装置において、
   昇降可能で上面が平板である積層ステージを備えた造形槽と、
   前記造形槽に粉末材料を供給する供給手段と、
   前記積層ステージの前記上面と平行して対向する平面を備えた押圧部材と
   を有し、
   前記供給手段より供給された粉末材料よりなる未圧縮粉末層を前記積層ステージ上面に形成した後に前記積層ステージを上昇させて、前記未圧縮粉末層を前記押圧部材に当接させて圧縮して粉末層を形成する
   ことを特徴とする三次元造形装置。
2. 請求項１に記載の三次元造形装置において、さらに、
   前記積層ステージ上に前記供給手段より粉末材料が供給されると、前記粉末材料を前記積層ステージ上に敷きつめて所定の厚さの未圧縮粉末層を形成するローラーと
   を有し、
   前記ローラーにより敷きつめて所定の厚さに形成された前記未圧縮粉末層に前記押圧部材を当接させて圧縮して粉末層を形成する
   ことを特徴とする三次元造形装置。
3. 三次元造形物の断面形状に基づいて造形槽に形成された粉末材料よりなる粉末層にバインダーを吐出することにより、前記粉末材料を硬化して三次元造形物を作製する三次元造形方法において、
   昇降可能で上面が平板である積層ステージを備えた造形槽に粉末材料を供給して未圧縮粉末層を前記積層ステージ上面に形成した後に、
   前記積層ステージを上昇させて前記未圧縮粉末層を前記積層ステージの前記上面と平行に対向する平面を備えた押圧部材に当接させて圧縮して粉末層を形成する
   ことを特徴とする三次元造形方法。
4. 請求項３に記載の三次元造形方法において、さらに、
   前記積層ステージ上に粉末材料が供給されると、ローラーを用いて前記粉末材料を前記積層ステージ上に敷きつめて所定の厚さの未圧縮粉末層を形成し、
   前記ローラーにより敷きつめて所定の厚さに形成された前記未圧縮粉末層に前記押圧部材を当接させて圧縮して粉末層を形成する
   ことを特徴とする三次元造形方法。

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