JP2017154491A - 立体造形装置、立体造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】余剰粉体受け槽内において余剰粉体が偏って堆積して盛り上がる。【解決手段】粉体２０が層状に敷き詰められ、粉体２０が結合された造形層３０が積層される造形槽２２と、造形槽２２に対して相対的に移動して、造形槽２２に粉体２０を敷き詰めて平坦化する平坦化ローラ１２と、平坦化ローラ１２の移動方向と直交する方向の長手方向の両側に配置され、平坦化ローラ１２とともに移動する粉体漏れ防止部材１１１と、造形槽２２の外側に配置され、造形槽２２に敷き詰められなかった粉体２０を受ける余剰粉体受け槽２９とを備え、余剰粉体受け槽２９の枠部２９ａには、粉体漏れ防止部材１１１が通過可能な位置に、平坦化方向に沿って高くなるように傾斜する傾斜形状部１１４が設けられ、粉体漏れ防止部材１１１が傾斜形状部１１４を乗り越えたときに余剰粉体受け槽２９の枠部２９ａに当たって衝撃を付与する。【選択図】図１２

Description

本発明は立体造形装置、立体造形方法に関する。

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を層状に形成し、層状の粉体（これを「粉体層」という。）に対して造形液を吐出して、粉体が結合された層状造形物（これを「造形層」という。）を形成し、この造形層上に粉体層を形成し、再度、造形層を形成する工程を繰り返し、造形層を積層することで立体造形物を造形する。

従来、３次元物体を製作するための造形材料を内部に蓄えている材料供給リザーバを設け、材料供給リザーバからの造形材料の漸増する層を受け入れる造形チャンバを設け、材料供給リザーバから送られるが、造形チャンバで受け取られない余分量の造形材料を受け入れるためのオーバーフロー・キャビティを設け、材料供給リザーバまたは造形チャンバを通る空気流れを発生させる造形装置が知られている（特許文献１）。

特許第４５３７４７６号公報

ところで、粉体層を形成するときに、供給された粉体のうち、粉体層の形成に使用されない粉体、或いは、粉体層の形成に使用されなかった粉体（これらを「余剰粉体」という。）が生じる。

そこで、特許文献１に開示されているように、余剰粉体を受ける余剰粉体受け槽を設けて回収することが行われる。この場合、造形速度の向上、装置の小型化のためには、粉体層を形成する（平坦化する）平坦化部材の移動距離を余剰粉体受け槽の途中までとする。

しかしながら、このような構成にすると、平坦化部材が余剰粉体を押し切らないために、余剰粉体が余剰粉体受け槽内で壁面に沿って偏って堆積し、余剰粉体受け槽から盛り上がるという課題がある。余剰粉体受け槽から余剰粉体が盛り上がると、平坦化部材に付着して平坦化精度が低下などの問題を生じる。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、余剰粉体受け槽での余剰粉体の盛り上がり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、本発明の請求項１に係る立体造形装置は、
粉体が層状に敷き詰められ、前記粉体が結合された層状造形物が積層される造形槽と、
前記造形槽に対して相対的に移動して、前記造形槽に前記粉体を敷き詰める平坦化部材と、
前記造形槽の外側に配置され、前記造形槽に敷き詰められなかった前記粉体を受ける余剰粉体受け槽と、
前記平坦化部材とともに移動し、前記余剰粉体受け槽に当たって前記余剰粉体受け槽に対して衝撃を付与する衝撃付与部材と、を備えている
構成とした。

本発明によれば、余剰粉体受け槽での余剰粉体の盛り上がりを低減することができる。

本発明を適用する立体造形装置の一例の概略平面説明図である。 同じく概略側面説明図である。 同じく造形部の断面説明図である。 粉体回収手段の説明に供する模式的説明図である。 同回収再生手段の具体例を説明する模式的説明図である。 同立体造形装置の制御部の概要のブロック図である。 造形の流れの説明に供する模式的説明図である。 余剰粉体受け槽における余剰粉体の偏在堆積の説明に供する模式的側面説明図である。 本発明の第１実施形態における平坦化ローラ周りの粉体漏れ防止機構の説明に供する側面説明図である。 同じく図９の矢印Ａ方向から見た正面説明図である。 造形槽及び余剰粉体受け槽部分の模式的側面説明図である。 同実施形態の作用説明に供する模式的説明図である。 余剰粉体受け槽を圧電素子によって振動させる場合との差異の説明に供する説明図である。 粉体漏れ防止部材の形状説明に供する説明図である。 余剰粉体受け槽への衝撃を与えるタイミングを含めた造形の一連の流れの説明に供するフロー図である。 本発明の第２実施形態における造形層及び余剰粉体受け槽部分の説明図である。 本発明の第３実施形態の説明に供する造形槽及び余剰粉体受け槽部分の説明図である。 同実施形態における平坦化ローラの移動制御の説明に供するフロー図である。 本発明の第４実施形態における平坦化ローラの移動制御の説明に供するフロー図である。 本発明の第５実施形態の説明に供する説明図である。

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。本発明を適用する立体造形装置の一例の概要について図１ないし図３を参照して説明する。図１は同立体造形装置の概略平面説明図、図２は同じく概略側面説明図、図３は同じく造形部の断面説明図である。なお、図３は造形時の状態で示している。

この立体造形装置は、粉体造形装置（粉末造形装置ともいう。）であり、粉体（粉末）が結合された層状造形物である造形層３０が形成される造形部１と、造形部１の層状に敷き詰められた粉体層３１に造形液１０を吐出して造形層３０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、平坦化部材（リコータ）である回転体としての平坦化ローラ１２などを備えている。なお、平坦化部材は、回転体に代えて、例えば板状部材（ブレード）とすることもできる。

粉体槽１１は、造形槽２２に供給する粉体２０を保持する供給槽２１と、造形層３０が積層されて立体造形物が造形される造形槽２２と、粉体層３１を形成するときに平坦化ローラ１２によって移送供給される粉体２０のうち、粉体層３１を形成しないで落下する余剰の粉体２０を溜める余剰粉体受け槽２９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の底部も造形ステージ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上に造形層３０が積層された立体造形物が造形される。余剰粉体受け槽２９は、底面に粉体２０を吸引する機構を備えた構成や、造形槽２２簡単に取り外せるような構成としてもよい。

供給ステージ２３は、後述するモータ２７によって矢印Ｚ方向（高さ方向）に昇降され、造形ステージ２４は、同じく、モータ２８によって矢印Ｚ方向に昇降される。

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に移送して供給するとともに、平坦化手段である平坦化ローラ１２によって供給した粉体の層の表面を均して平坦化して、粉体層３１を形成する。

この平坦化ローラ１２は、造形ステージ２４のステージ面（粉体２０が積載される面）に沿って矢印Ｙ方向に、ステージ面に対して相対的に往復移動可能に配置され、後述する往復移動機構２５によって移動される。また、平坦化ローラ１２は、後述するモータ２６によって回転駆動される。

一方、造形ユニット５は、造形ステージ２４上の粉体層３１に造形液１０を吐出する液体吐出ユニット５０を備えている。

液体吐出ユニット５０は、キャリッジ５１と、キャリッジ５１に搭載された２つ（１又は３つ以上でもよい。）の液体吐出ヘッド（以下、単に「ヘッド」という。）５２ａ、５２ｂを備えている。

キャリッジ５１は、ガイド部材５４及び５５に移動可能に保持されている。ガイド部材５４及び５５は、両側の側板７０、７０に昇降可能に保持されている。

このキャリッジ５１は、後述するＸ方向走査機構５５０を構成するＸ方向走査モータによってプーリ及びベルトを介して主走査方向である矢印Ｘ方向（以下、単に「Ｘ方向」という。他のＹ、Ｚについても同様とする。）に往復移動される。

２つのヘッド５２ａ、５２ｂ（以下、区別しないときは「ヘッド５２」という。）は、造形液を吐出する複数のノズルを配列したノズル列がそれぞれ２列配置されている。一方のヘッド５２ａの２つのノズル列は、シアン造形液及びマゼンタ造形液を吐出する。他方のヘッド５２ｂの２つのノズル列は、イエロー造形液及びブラック造形液をそれぞれ吐出する。なお、ヘッド構成はこれに限るものではなく、色材を含まない無色の造形液を用いてもよい。

これらのシアン造形液、マゼンタ造形液、イエロー造形液、ブラック造形液の各々を収容した複数のタンク６０がタンク装着部５６に装着され、供給チューブなどを介してヘッド５２ａ、５２ｂに供給される。

また、Ｘ方向の一方側には、液体吐出ユニット５０のヘッド５２の維持回復を行うメンテナンス機構６１が配置されている。

メンテナンス機構６１は、主にキャップ６２とワイパ６３で構成される。キャップ６２をヘッド５２のノズル面（ノズルが形成された面）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、ノズル面をワイパ６３でワイピング（払拭）する。また、メンテナンス機構６１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キャップ６２で覆い、粉体２０がノズルに混入することや造形液１０が乾燥することを防止する。

造形ユニット５は、ベース部材７上に配置されたガイド部材７１に移動可能に保持されたスライダ部７２を有し、造形ユニット５全体がＸ方向と直交するＹ方向（副走査方向）に往復移動可能である。この造形ユニット５は、後述するＹ方向走査機構５５２によって全体がＹ方向に往復移動される。

液体吐出ユニット５０は、ガイド部材５４、５５とともに矢印Ｚ方向に昇降可能に配置され、後述するＺ方向昇降機構５５１によってＺ方向に昇降される。

ここで、造形部１の詳細について説明する。

粉体槽１１は、箱型形状をなし、供給槽２１と造形槽２２と、余剰粉体受け槽２９との３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。

造形槽２２の隣りには、造形槽２２外に排出される余剰な粉体を受ける余剰粉体受け部２９が配置されている。余剰粉体受け槽２９は、ロート形状をなし、底部に粉体２０を排出可能な排出口２９ａを有している。

余剰粉体受け槽２９には、粉体層３１を形成するときに平坦化ローラ１２によって移送供給される粉体２０のうちの余剰の粉体２０が落下する。余剰粉体受け槽２９に落下した余剰の粉体２０は、粉体回収再生装置である回収再生手段２０１を経由して、供給槽２１に粉体を供給する粉体供給装置１０１に戻される。

粉体供給装置１０１は供給槽２１上に配置される。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、粉体供給装置１０１を構成する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、表面を均すことで平坦化して所定の厚みの層状の粉体である粉体層３１を形成する。

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、往復移動機構によってステージ面に沿ってＹ方向（副走査方向）に往復移動される。

この平坦化ローラ１２は、往復移動機構のモータ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する。これにより、粉体２０が造形槽２２上へと移送供給され、平坦化ローラ１２が造形槽２２上を通過しながら粉体２０を平坦化することで粉体層３１が形成される。

また、図２にも示すように、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が平坦化を行うときの回転方向に対してカウンタ方向でも、順方向でも配置が可能である。

次に、粉体回収手段について図４及び図５を参照して説明する。図４は同粉体回収手段の説明に供する模式的説明図、図５は同回収再生手段の具体例を説明する模式的説明図である。

この装置では、造形槽２２外に排出される粉体２０を回収し、回収した粉体２０を再利用可能とする処理を行う回収再生手段２０１を備えている。

回収再生手段２０１は、造形槽２２外に排出される余剰の粉体２０を受ける余剰粉体受け部２９の排出口２９ａから送られる粉体２０を再利用可能とする処理を行う処理手段２１１を備えている。処理手段２１１で再利用可能に処理された粉体は移送手段２１２で粉体供給装置１０１に移送する。

図５を参照して、処理手段２１１は、容器２１０内に粉体２０を通過させることで凝集した粉体を排除して分級するフィルタ２３１を有し、容器２１０の外側に容器２１０全体を振動させる振動手段２３２を備えている。振動手段２３２で容器２１０全体を振動させることで、凝集した粉体を解砕しながら分級できる。

移送手段２１２は、処理手段２１１を通過した粉体２０を粉体供給装置１０１まで移送する移送経路２３３と、粉体２０を移送する複数のスクリュー２３４と、スクリュー２３４を回転駆動する複数のスクリュー回転モータ２３５とを備えている。

次に、上記立体造形装置の制御部の概要について図６を参照して説明する。図６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に本発明に係わる制御を含む立体造形動作の制御を実行させるためのプログラムを含むプログラム、その他の固定データを格納するＲＯＭ５０２と、造形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、液体吐出ユニット５０の各ヘッド５２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、液体吐出ユニット５０のキャリッジ５１をＸ方向（主走査方向）に移動させるＸ方向走査機構５５０を構成するモータを駆動するモータ駆動部５１０と、造形ユニット５をＹ方向（副走査方向）に移動させるＹ方向走査機構５５２を構成するモータを駆動するモータ駆動部５１２を備えている。

制御部５００は、液体吐出ユニット５０のキャリッジ５１をＺ方向に移動（昇降）させるＺ方向昇降機構５５１を構成するモータを駆動するモータ駆動部５１１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のモータ５５３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２６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１０１を駆動する供給系駆動部５１７と、液体吐出ユニット５０のメンテナンス機構６１を駆動するメンテナンス駆動部５１８を備えている。

制御部５００は、粉体後供給部８０から粉体２０の供給を行わせる後供給駆動部５１９を備えている。

制御部５００は、回収再生手段２０１の移送スクリュー２３４を回転駆動するモータ２３を駆動するモータ駆動部５２０を備えている。

制御部５００のＩ／Ｏ５０７には、装置の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など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。

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。

なお、造形データ作成装置６００と立体造形装置（粉体積層造形装置）６０１によって造形装置が構成される。

次に、造形の流れについて図７も参照して説明する。図７は造形の流れの説明に供する模式的説明図である。

造形槽２２の造形ステージ２４上に、１層目の造形層３０が形成されている状態から説明する。

この１層目の造形層３０上に次の造形層３０を形成するときには、図７（ａ）に示すように、供給槽２１の供給ステージ２３をＺ１方向に上昇させ、造形槽２２の造形ステージ２４をＺ２方向に下降させる。

このとき、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。この間隔Δｔ１が次に形成する粉体層３１の厚さ（積層ピッチ）に相当する。間隔Δｔ１は、数十〜１００μｍ程度であることが好ましい。

次いで、図７（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を順方向（矢印方向）に回転しながらＹ２方向（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７（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て、造形槽２２に粉体２０を均しながら供給する（平坦化：供給と均しの意味である。）。

これにより、図７（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が形成される。このとき、粉体層３１の形成に使用されなかった余剰の粉体２０は余剰粉体受け槽２９に落下する。

粉体層３１を形成後、平坦化ローラ１２は、図７（ｄ）に示すように、Ｙ１方向に移動されて初期位置（原点位置）に戻される（復帰される）。

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。

その後、図７（ｅ）に示すように、液体吐出ユニット５０のヘッド５２から造形液１０の液滴を吐出して、粉体層３１に造形層３０を積層形成する（造形）。

なお、造形層３０は、例えば、ヘッド５２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・平坦化よる粉体層３１を形成する工程、ヘッド５２による造形液吐出工程を繰り返して新たな造形層３０を形成する。このとき、新たな造形層３０とその下層の造形層３０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・平坦化よる粉体層３１を形成する工程、ヘッド５２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、余剰粉体受け槽における余剰粉体の偏在堆積について図８を参照して説明する。図８は同説明に供する模式的側面説明図である。

造形槽２２に粉体層３１を形成した平坦化ローラ１２を余剰粉体受け槽２９側まで移動させて余剰粉体２０を余剰粉体受け槽２９に送り込む。このとき、平坦化ローラ１２の平坦化方向（Ｙ２方向）への移動距離を長くして、余剰粉体受け槽２９の奥（平坦化方向端部：造形槽２２側と反対側の端部）まで余剰粉体を送り込めば、余剰粉体受け槽２９内での粉体２０の局所的な堆積は少なくなる。

しかしながら、平坦化ローラ１２の余剰粉体受け槽２９上で移動距離を長くすると、１層の粉体層３１の形成の開始から終了までの平坦化処理（工程）に要する時間が長くなり、造形速度が低下し、また、装置が大型化することになる。

そこで、図８に示すように、余剰粉体受け槽２９上での平坦化ローラ１２のＹ２方向への移動距離を短くして、余剰粉体受け槽２９の造形槽２２側の領域の所要の位置で原点位置方向への復帰移動を開始させることで、造形速度の向上、装置の小型化を図るようにする。

しかしながら、このように平坦化ローラ１２の移動距離を短くすると、余剰粉体２０が余剰粉体受け槽２９内に確実に落下しないまま壁面に付着し、次第に造形槽２２側の壁面に沿って偏在して堆積し、盛り上がってしまうという問題が生じる。

このように、余剰粉体受け槽２９で余剰粉体の盛り上がりが生じると、平坦化ローラ１２に余剰粉体が付着したままになり、原点位置に戻るときに平坦化した粉体層３１の表面を荒らすなど、造形精度の低下を生じることになる。

次に、本発明の第１実施形態における平坦化ローラ周りの粉体漏れ防止機構について図及び図１０を参照して説明する。図９は同機構の説明に供する側面説明図、図１０は図９の矢印Ａ方向から見た正面説明図である。

平坦化ローラ１２のＸ方向（移動方向と直交する方向：長手方向）の両側には、平坦化ローラ１２とともに移動する粉体漏れ防止部材１１１が配置されている。

この粉体漏れ防止部材１１１は、供給槽２１から造形槽２２へ粉体２０を移送供給するときに、粉体がＸ方向（主走査方向）に漏れて槽外に落下しないように防止している。

粉体漏れ防止部材１１１は、ピン１１２とばね１１３を備え、平坦化ローラ１２のＸ方向端面と造形槽２２の枠部２２ａの上面に接触しながら移動する。なお、粉体漏れ防止部材１１１は供給槽２１の枠部の上面にも接触する。

この粉体漏れ防止部材１１１は、ピン１１２で位置を決め、ばね１１３で造形槽２２の枠部２２ａなどに底面が押し付けられる構成としている。粉体漏れ防止部材１１１は滑りをよくするために樹脂などで形成することが好ましい。

次に、余剰粉体受け槽に衝撃を付与する構成について図１１を参照して説明する。図１１は造形槽及び余剰粉体受け槽部分の模式的側面説明図である。

余剰粉体受け槽２９の槽枠（枠部）２９ｂ（図１参照）には、粉体漏れ防止部材１１１が通過可能な位置に、平坦化ローラ１２が平坦化を行うときの移動方向（平坦化方向：Ｙ２方向）に沿って、一方向に高くなるように傾斜する傾斜形状部１１４が設けられている。ここでは、傾斜形状部１１４は、側面形状で直角三角形の形状としている。

ここで、余剰粉体受け槽２９における傾斜形状部１１４は、余剰粉体受け槽２９の枠部２９ｂと同一部材でも、別部品でも良い。別部品の場合、余剰粉体受け槽２９と同一材質でも、別材質でも良いが、粉体漏れ防止部材１１１よりも硬い材質が好ましい。これは、回数を重ねることで、傾斜形状部１１４が削られ、衝撃を与える効果が低下しないようにするためである。

次に、本実施形態の作用について図１２も参照して説明する。図１２は同作用説明に供する模式的説明図である。

図１２（ａ）に示すように、平坦化ローラ１２とともに粉体漏れ防止部材１１１が平坦化方向（Ｙ２方向）に移動して造形槽２２に粉体２０を敷き詰めて平坦化して粉体層３１が形成される。

そして、図１２（ｂ）に示すように、平坦化ローラ１２とともに粉体漏れ防止部材１１１が余剰粉体受け槽２９上に至ると、粉体漏れ防止部材１１１が傾斜形状部１１４に乗り上げて、Ｙ２方向への移動に伴って、傾斜形状部１１４の傾斜に沿ってＺ１方向に上昇する。

その後、図１２（ｃ）に示すように、粉体漏れ防止部材１１１が傾斜形状部１１４を通過して傾斜形状部１１４から外れる、つまり、粉体漏れ防止部材１１１が傾斜形状部１１４を乗り越えたとき、粉体漏れ防止部材１１１は余剰粉体受け槽２９の枠部２９ｂ上に落下して衝突する。

このとき、粉体漏れ防止部材１１１が傾斜形状部１１４の傾斜に沿ってＺ１方向に上昇するときに収縮されたばね１１３も復元し、より強い衝撃力で余剰粉体受け槽２９の枠部２９ｂに衝突する。

この粉体漏れ防止部材１１１の衝突によって余剰粉体受け槽２９の枠部２９ｂに衝撃が付与され、余剰粉体受け槽２９の内壁面に付着している粉体２０、余剰粉体受け槽２９内に溜まっている粉体２０が、下方向に移動する。

余剰粉体２０が下方向に移動することで、Ｙ方向において平坦化ローラ１２の移動範囲が余剰粉体受け槽２９の幅より短くても、余剰粉体受け槽２９の内壁面に余剰粉体２０が溜まって盛り上がることが低減される。

これにより、平坦化ローラ１２への粉体付着を低減することができるので、造形精度の確保や、装置の小型化、造形生産性の確保ができる。

また、余剰粉体受け槽２９に衝撃を与えることで、余剰粉体２０がタップされ、粉体密度が上がるので、粉体２０の占有体積も小さくなり、余剰粉体受け槽２９のサイズ低減が可能となる。

ここで、余剰粉体受け槽２９を圧電素子によって振動させる場合との差異について図１３を参照して説明する。

本実施形態では、粉体漏れ防止部材１１１を機械的な衝突させていることから、例えば図１３（ａ）に示すように、余剰粉体受け槽２９に対して瞬間的に大きな衝撃力Ｆ１が加わることになる。

これに対し、圧電素子を用いた場合には、図１３（ｂ）に示すように、余剰粉体受け槽２９が周期的な振動による力Ｆ２が与えられるだけで、本実施形態のような衝撃力は得られない。

このように、大きな衝撃力を与えられることで、例えば、ＳＵＳなどの比重が重い粉体を使用する場合でも、効果的に粉体の盛り上がりを崩すことができ、効率よく回収再利用を行うことができる。

また、余剰粉体受け槽２９の内壁面の内、少なくとも造形槽２２側の内壁面には、粉体２０との摩擦係数を低減する処理（別の部材を貼り付ける場合を含む。）、例えば、鏡面処理などを施すことが好ましい。

このようにすれば、余剰粉体受け槽２９に衝撃を与えたときに粉体２０が下方にすべり転がるように落下し、衝撃を与えたときの粉体落とし効果がより向上する。

次に、粉体漏れ防止部材１１１の形状について図１４も参照して説明する。図１４は同説明に供する説明図である。

上述したように、粉体漏れ防止部材１１１が傾斜形状部１１４を通過した後に余剰粉体受け槽２９上に落下して衝突することで、余剰粉体受け槽２９に衝撃を与える。そのため、傾斜形状部１１４は、平坦化方向下流側には傾斜を持たない形状としている。

そこで、粉体漏れ防止部材１１１が供給槽２１側に戻るときに傾斜形状部１１４に引っ掛からないように、粉体漏れ防止部材１１１には面取り部１１１ａを設けている。この場合、粉体漏れ防止部材１１１の面取り部１１１ａの高さＺ３は、傾斜形状部１１４の高さＺ４より高くしている（Ｚ３＞Ｚ４）。

また、傾斜形状部１１４のＹ方向における傾斜開始位置は、造形槽２２との境界よりも平坦化方向下流側であることが好ましい。これにより、造形槽２２内の造形層３０に衝撃が加わることで造形層３０の位置ずれを発生したり、造形層３０が破損したりすることによる立体造形物の精度低下を低減することができる。

なお、本実施形態においては、粉体漏れ防止部材１１１を余剰粉体受け槽２９に設けた傾斜形状部１１４に沿って上昇させ、余剰粉体受け槽２９上に落下させて衝撃を加える構成としているが、このような構成に限るものではない。平坦化ローラ１２の平坦化のための移動に伴って、落下による衝撃を余剰粉体受け槽２９に加えることができればよく、例えば余剰粉体受け槽２９とは別に傾斜形状部を設けたり、粉体漏れ防止部材１１１以外の部分を傾斜形状部で受けて上昇させてもよい。

本実施形態において、粉体漏れ防止部材１１１が余剰粉体受け槽２９に与える衝撃力は、粉体漏れ防止部材１１１のばね１１３と余剰粉体受け槽２９の傾斜形状部１１４の高さで決まる。

例えば、比重の軽い粉体で造形する場合は、弱い衝撃力を与えることが好ましい。比重が軽い粉体の場合に強めの衝撃力を与えると、余剰粉体受け槽２９内の粉体２０が舞い上がり、装置内を汚したり、ヘッド５２のノズルやモータ駆動部などに付着したりすることで造形精度を低下させるおそれがある。また、強めの衝撃によって造形槽２２内の造形層３０がひび割れしたりするおそれがある。

また、粉体付着力が強い粉体で造形する場合は、強めの衝撃力を与えることが好ましい。これは、粉体同士の付着力が強く、余剰粉体受け槽２９の壁面に付着しやすいためである。

さらに、装置保管温湿度環境に応じて、例えば、高温多湿環境では粉体が凝集しやすくなるため、強い衝撃力を与えることが好ましい。

ここで、余剰粉体受け槽への衝撃を与えるタイミングを含めた造形の一連の流れについて図１５のフロー図を参照して説明する。

まず、供給槽２１のステージ２３をＺ１方向に移動し、造形槽２２のステージ２４をＺ２方向に移動する。その後、平坦化ローラ１２を回転し、Ｙ２方向へ移動し、粉体２０を供給槽２１側から造形槽２２側に移送供給して平坦化し、粉体層３１を形成する（第１ステップ）。

そして、そのまま平坦化ローラ１２を余剰粉体受け槽２９上まで移動させ、余剰となった粉体２０を造形槽２２の外側に配置された余剰粉体受け槽２９に落下させ（第２ステップ）、粉体漏れ防止部材１１の傾斜形状部１１４を乗り越え、余剰粉体受け槽２９に衝撃が与えられる（第３ステップ）。

その後、平坦化ローラ１２をＹ１方向に移動して原点位置に復帰させる。

そして、造形ユニット５をＹ１方向に移動させ、ヘッド５２から造形液を吐出させて粉体層３１に対して造形層３０を形成する（第４ステップ）。１層の粉体層３１に対する造形層３０の形成後、造形ユニット５をＹ２方向に移動させて初期位置に戻す。

その後、立体造形物の造形（立体造形）が終了したか否かを判別し、立体造形が終了するまでは上記の処理を繰り返して、立体造形物を造形する。

以上のようにして、余剰粉体受け槽で２９の余剰粉体の盛り上がりを低減することできることにより、平坦化部材の移動範囲を短くして造形速度を向上し、小型化を図ることができる。

次に、本発明の第２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造形層及び余剰粉体受け槽部分の説明図である。

本実施形態では、余剰粉体受け槽２９の枠部２９ｂと造形槽２２の枠部２２ａを別部品化している。

これにより、余剰粉体受け槽２９に対する衝撃が造形槽２２に伝わり、造形層３０が位置ずれを発生したり、破損したりすることによる造形物の精度低下を低減することができる。

そして、本実施形態では、余剰粉体受け槽２９の枠部２９ｂと造形槽２２の枠部２２ａとの間に振動吸収部材１２０を設けている。

これにより、余剰粉体受け槽２９に対する衝撃が造形槽２２に伝わることをより確実に防止することができる。

次に、本発明の第３実施形態について図１７を参照して説明する。図１７は同実施形態の説明に供する造形槽及び余剰粉体受け槽部分の説明図である。

本実施形態では、余剰粉体受け槽２９の傾斜形状部１１４は、余剰粉体受け槽２９の造形槽２２側から距離Ｌ１だけ離間した位置に配置し、造形槽２２との間に、粉体漏れ防止部材１１１が傾斜形状部１１４に乗り上げない領域（距離Ｌ１の領域）を設けている。

距離Ｌ１の領域内でも、平坦化ローラ１２は余剰粉体受け槽２９に対向可能である。

ここで、平坦化ローラ１２の原点位置への復帰開始位置（平坦化方向への移動位置（移動終了位置）として、図１７（ｃ）に示すように粉体漏れ防止部材１１１が余剰粉体受け槽２９の傾斜形状部１１４を乗り越える位置Ｙ３と、図１７（ｂ）に示すように粉体漏れ防止部材１１１が余剰粉体受け槽２９の傾斜形状部１１４に乗りあげない位置Ｙ４とを設定している。

そこで、本実施形態における平坦化ローラの移動制御について図１８のフロー図も参照して説明する。

平坦化ローラ１２による平坦化を行うとき、立体造形の開始からの平坦化工程の実施回数（造形層３０を形成した回数：造形回数）ｎがＮ回以上か否かを判別する。

このとき、平坦化工程の実施回数ｎがＮ回以上でなければ、平坦化工程における移動終了位置を位置Ｙ４に設定し、平坦化ローラ１２をＹ２方向に移動して造形槽２２に粉体層３１を形成する。

そして、図１７（ｂ）に示すように、平坦化ローラ１２が位置Ｙ４まで移動したときに、平坦化ローラ１２をＹ１方向に反転移動させて、平坦化ローラ１２を原点位置まで移動させる。

その後、実施回数ｎをインクリメント（+１）する。

一方、平坦化工程の実施回数ｎがＮ回以上であれば、平坦化工程における移動終了位置を位置Ｙ３に設定し、平坦化ローラ１２をＹ２方向に移動して造形槽２２に粉体層３１を形成する。

そして、図１７（ｃ）に示すように、平坦化ローラ１２が位置Ｙ３まで移動したときに、平坦化ローラ１２をＹ１方向に反転移動させて、平坦化ローラ１２を原点位置まで移動させる。

これにより、造形回数ｎが設定回数Ｎになるまでは、図１７（ｂ）に示すように、平坦化ローラ１２は粉体漏れ防止部材１１１が傾斜形状部１１４を乗り上げない領域までの移動で原点位置の復帰を開始する。

そして、造形回数ｎが設定回数Ｎ以上になったときには、図１７（ｃ）に示すように、平坦化ローラ１２を粉体漏れ防止部材１１１が傾斜形状部１１４を乗り越える位置まで移動させて、粉体漏れ防止部材１１１によって余剰粉体受け槽２９に衝撃を与えて粉体２０を落下させる。

このように、余剰となった粉体を造形槽２２の外側に配置された余剰粉体受け槽２９に落下させる第２ステップを所定回数実施するまでは、余剰粉体受け槽２２に衝撃を付与する第３ステップを実施しない。

すなわち、造形の初期においては、余剰粉体受け槽２９の壁面に付着する粉体量が少なく、枠部２９ｂを超えるほどに盛り上がることがないので、傾斜形状部１１４に乗り上げない範囲に平坦化ローラ１２の移動範囲を設定する。これにより、造形速度を向上できる。

そして、造形回数が増加すると、余剰粉体受け槽２９の壁面に付着する粉体量が増加するので、傾斜形状部１１４を乗り越える位置まで移動するように平坦化ローラ１２の移動範囲を設定する。これにより、余剰粉体受け槽での余剰粉体の盛り上がりを低減できる。

なお、設定回数Ｎは、粉体の種類や特性、装置の保管温湿度環境によって異なる。粉体が余剰粉体受け槽２９の壁面に付着しやすい条件、例えば、粉体付着率が高い場合、比重が軽い場合、装置を高温多湿環境で使用する場合などは、設定回数Ｎの値は小さく設定した方が好ましい。

次に、本発明の第４実施形態について図１９を参照して説明する。図１９は同実施形態における平坦化ローラの移動制御の説明に供するフロー図である。

傾斜形状部１１４の配置位置は、前記第３実施形態と同様である。本実施形態では、通常は位置Ｙ４までの移動範囲で平坦化ローラ１２を移動させて平坦化工程を実施し、所定回数Ｍ（Ｍ回）ごとに位置Ｙ３まで平坦化ローラ１２を移動させる制御をする。

つまり、平坦化ローラ１２による平坦化を行うとき、平坦化工程の実施回数（造形層３０を形成した回数：造形回数）ｎがＭ回目かを判別する。

このとき、平坦化工程の実施回数ｎがＭ回でなければ、平坦化工程における移動終了位置を位置Ｙ４に設定し、平坦化ローラ１２をＹ２方向に移動して造形槽２２に粉体層３１を形成する。

そして、前述した図１７（ｂ）に示すように、平坦化ローラ１２が位置Ｙ４まで移動したときに、平坦化ローラ１２をＹ１方向に反転移動させて、平坦化ローラ１２を原点位置まで移動させる。

その後、実施回数ｎをインクリメント（+１）する。

一方、平坦化工程の実施回数ｎがＭ回目であれば、平坦化工程における移動終了位置を位置Ｙ３に設定し、平坦化ローラ１２をＹ２方向に移動して造形槽２２に粉体層３１を形成する。

そして、前述した図１７（ｃ）に示すように、平坦化ローラ１２が位置Ｙ３まで移動したときに、平坦化ローラ１２をＹ１方向に反転移動させて、平坦化ローラ１２を原点位置まで移動させる。

その後、実施回数ｎをリセット（ｎ＝０）する。

これにより、造形回数ｎが所定回数Ｍでない間は、前述した図１７（ｂ）に示すように、平坦化ローラ１２は粉体漏れ防止部材１１１が傾斜形状部１１４を乗り上げない領域までの移動で原点位置の復帰を開始する。

そして、造形回数ｎが所定回数Ｍ回目になったときには、前述した図１７（ｃ）に示すように、平坦化ローラ１２を粉体漏れ防止部材１１１が傾斜形状部１１４を乗り越える位置まで移動させて、粉体漏れ防止部材１１１によって余剰粉体受け槽２９に衝撃を与えて粉体２０を落下させる。

このように、余剰粉体受け槽２９に衝撃を付与する第３ステップを実施した後に、所定回数、余剰となった粉体２０を造形槽２２の外側に配置された余剰粉体受け槽２９に落下させる第２ステップを実施するまでは、次回の第３ステップを行わない。

すなわち、一旦、余剰粉体受け槽２９に対して衝撃を与えた場合、再度、余剰粉体が盛り上がるまでには所定回数Ｍの平坦化工程の実施を要する。そこで、Ｍ回ごとに位置Ｙ３まで平坦化ローラ１２を移動させ、余剰粉体受け槽２９に対して衝撃を与え、余剰粉体の盛り上がりを低減することで、再度、余剰粉体の盛り上がりが大きくなるまでは位置Ｙ４までの移動で平坦化工程を行う。

これによって、造形速度を向上することができる。

なお、所定回数Ｍは、粉体の種類や特性、装置の保管温湿度環境によって異なる。粉体が余剰粉体受け槽２９の壁面に付着しやすい条件、例えば、粉体付着率が高い場合、比重が軽い場合、装置を高温多湿環境で使用する場合などは、所定回数Ｍの設定値は小さく設定した方が好ましい。

次に、本発明の第５実施形態について図２０を参照して説明する。図２０は同実施形態の説明に供する説明図である。

本実施形態では、平坦化ローラ１２及び粉体漏れ防止部材１１１などを保持し、Ｙ方向に移動する平坦化ローラユニット１３０を備えている。平坦化ローラユニット１３０は、Ｙ方向に配置されたガイドレール１３１に沿って移動可能である。

そして、平坦化ローラユニット１３０の側板１３２に、平坦化ローラ１２とともに移動し、余剰粉体受け槽２９の枠部２９ｂの外面に当たって余剰粉体受け槽２９に対して衝撃を付与する衝撃付与部材１３５を設けている。

これにより、平坦化ローラユニット１３０の移動で余剰粉体受け槽２９に衝撃を与えることができるので、余剰粉体受け槽２９での余剰粉体の盛り上がりを低減することができ、追加部品が不要であるので、部品コスト低減を図れる。

この場合、前述した第３実施形態、あるいは、第４実施形態と同様な平坦化ローラの移動制御を行い、造形速度の向上を図ることができる。

つまり、平坦化ローラユニット１３０の移動終了位置として、平坦化ローラ１２が余剰粉体受け槽２９に対向するが、衝撃付与部材１３５が余剰粉体受け槽２９に当たらない位置を設定する。

そして、前述した第３実施形態と同様に、平坦化工程の実施回数が設定回数Ｎになるまでは衝撃付与部材１３５が余剰粉体受け槽２９に当たらない領域で移動させ、設定回数Ｎ以上になったときには衝撃付与部材１３５が余剰粉体受け槽２９に当たる位置まで移動させる。

あるいは、前述した第４実施形態と同様に、所定回数Ｍ毎に衝撃付与部材１３５が余剰粉体受け槽２９に当たる位置まで移動させる。

これによって、造形速度の向上を図ることができる。

１ 造形部
５ 造形ユニット
１０ 造形液
１２ 平坦化ローラ（平坦化部材、回転体）
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
２９ 余剰粉体受け槽
３０ 造形層（層状造形物）
３１ 粉体層（層状の粉体）
５０ 液体吐出ユニット
５１ キャリッジ
５２ 液体吐出ヘッド
１１１ 粉体漏れ防止部材
１１４ 傾斜形状部
１３５ 衝撃付与部材

Claims (15)

1. 粉体が層状に敷き詰められ、前記粉体が結合された層状造形物が積層される造形槽と、
   前記造形槽に対して相対的に移動して、前記造形槽に前記粉体を敷き詰める平坦化部材と、
   前記造形槽の外側に配置され、前記造形槽に敷き詰められなかった前記粉体を受ける余剰粉体受け槽と、
   前記平坦化部材とともに移動し、前記余剰粉体受け槽に当たって前記余剰粉体受け槽に対して衝撃を付与する衝撃付与部材と、を備えている
   ことを特徴とする立体造形装置。
2. 前記衝撃付与部材は、上方から前記余剰粉体受け槽の枠部に落下することで衝撃を付与する
   ことを特徴とする請求項１に記載の立体造形装置。
3. 前記衝撃付与部材は、前記平坦化部材とともに水平方向に移動することで、余剰粉体受け槽の外枠に当たって衝撃を付与する
   ことを特徴とする請求項１に記載の立体造形装置。
4. 前記平坦化部材の水平方向への移動に伴い、前記衝撃付与部材を上方へ押し上げる傾斜形状部を有する
   ことを特徴とする請求項２に記載の立体造形装置。
5. 前記傾斜形状部が前記余剰粉体受け部の枠部に設けられている
   ことを特徴とする請求項４に記載の立体造形装置。
6. 前記衝撃付与部材は、前記平坦化部材の移動方向と直交する方向の長手方向の両側に配置され、前記平坦化部材とともに移動する粉体漏れ防止部材であり、
   前記余剰粉体受け槽の枠部には、前記漏れ防止部材が通過可能な位置に、前記平坦化部材が平坦化を行うときの移動方向に沿って高くなるように傾斜する傾斜形状部が設けられ、
   前記漏れ防止部材が前記傾斜形状部を乗り越えたときに前記余剰粉体受け槽の枠部に当たって衝撃を付与する
   ことを特徴とする請求項５に記載の立体造形装置。
7. 前記造形槽の枠部と前記余剰粉体受け槽の枠部とは別部材である
   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. 前記造形槽の枠部と前記余剰粉体受け槽の枠部との間に振動吸収部材を設けた
   ことを特徴とする請求項７に記載の立体造形装置。
9. 前記余剰粉体受け槽の前記傾斜形状部は、前記余剰粉体受け槽の前記造形槽側から離間した位置に配置されて、前記造形槽との間に、前記衝撃付与部材が前記傾斜形状部に乗り上げない領域が設けられ、
   前記平坦化部材は、前記領域で前記余剰粉体受け槽に対向可能であり、
   前記平坦化部材による平坦化の回数が設定回数になるまでの間は、前記平坦化部材の移動位置を前記領域までとする
   ことを特徴とする請求項４ないし６のいずれかに記載の立体造形装置。
10. 前記余剰粉体受け槽の前記傾斜形状部は、前記余剰粉体受け槽の前記造形槽側から離間した位置に配置されて、前記造形槽との間に、前記漏れ防止部材が前記傾斜形状部に乗り上げない領域が設けられ、
    前記平坦化部材は、前記領域で前記余剰粉体受け槽に対向可能であり、
    前記平坦化部材による平坦化の回数が所定回数になる毎に、前記漏れ防止部材が前記傾斜形状部に乗り越える位置まで前記平坦化部材を移動させる
    ことを特徴とする請求項４ないし６のいずれかに記載の立体造形装置。
11. 前記余剰粉体受け槽の内壁面には前記粉体との摩擦係数を低減する処理が施されている
    ことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の立体造形装置。
12. 前記平坦化部材はローラである
    ことを特徴とする請求項１ないし１１に記載の立体造形装置。
13. 粉体が結合された層状造形物が積層される造形槽に前記粉体を敷き詰める第１ステップと、
    前記第１ステップにおいて余剰となった粉体を造形槽の外側に配置された余剰粉体受け槽に落下させる第２ステップと、
    前記余剰粉体受け槽に衝撃を付与する第３ステップと、
    前記粉体に造形液を付与して造形層を形成する第４ステップと、を含む工程を少なくとも一度行うことを特徴とする立体造形方法。
14. 前記第２ステップを所定回数実施するまでは、前記第３ステップを実施しない
    ことを特徴とする請求項１３に記載の立体造形方法。
15. 前記第３ステップを実施した後に、所定回数の前記第２ステップを実施するまでは、次回の第３ステップを行わないことを特徴とする請求項１３に記載の立体造形方法。

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