JP2019155710A - 造形方法、造形装置およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 立体造形物の強度と造形精度を向上する造形方法、造形装置およびプログラムを提供すること。【解決手段】 立体造形物を造形する造形方法であって、第１の粉末層を形成する第１の形成工程と、前記第１の粉末層に液滴を吐出することで層状造形物を形成する第２の形成工程と、前記層状造形物の表面に前記液滴が残留した状態で前記層状造形物上に第２の粉末層を形成する第３の形成工程とを含む。【選択図】 図７

Description

本発明は、造形方法、造形装置およびプログラムに関する。

入力された立体形状データ（モデルデータ）に基づいて、立体的な造形物を造形する立体造形装置（いわゆる「３Ｄプリンタ」）が開発されている。

立体造形には種々の造形方式があり、例えば、バインダジェッティングと呼ばれる方式が挙げられる。バインダジェッティング方式では、造形ステージ上に形成された粒子の薄層に対して、バインダと呼ばれる液滴を吐出することで、粒子が結合された層状造形物を形成する。その後、層状造形物上にさらに粉末の薄層を形成し、バインダを吐出して、層状造形物を積層する。上記の工程を繰り返すことで、立体的な造形物を造形することができる。

このような立体造形において、造形物の強度と精度を向上させる技術が提案されている。例えば、特開２０１７−９４７１４号公報（特許文献１）には、形成されたスラリー材料層に含まれる水分を揮発させる層乾燥工程を含む造形技術が開示されている。

しかしながら、特許文献１は、形成された層を乾燥させるものであって、吐出されたバインダを乾燥させるものではなかった。そのため、バインダの状態に応じた制御が充分ではなく、造形物の強度と精度を向上させる、さらなる技術が求められていた。

本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、立体造形物の強度と造形精度を向上する造形方法、造形装置およびプログラムを提供することを目的とする。

すなわち、本発明によれば、立体造形物を造形する造形方法であって、
第１の粉末層を形成する第１の形成工程と、
前記第１の粉末層に液滴を吐出することで層状造形物を形成する第２の形成工程と、
前記層状造形物の表面に前記液滴が残留した状態で、前記層状造形物上に第２の粉末層を形成する第３の形成工程と
を含む、造形方法が提供される。

上述したように、本発明によれば、立体造形物の強度と造形精度を向上する造形方法、造形装置およびプログラムが提供される。

本発明の実施形態における立体造形装置の概略構成を示す上面図。 本実施形態の造形部を示す側面図。 本実施形態の制御部の構成図。 本実施形態の立体造形装置に含まれる詳細なソフトウェアブロック図。 一般的なバインダジェッティング方式における一連の立体造形工程を示す図。 粉末層内部のバインダの様子を例示する断面図。 第１の実施形態における立体造形装置が実行する処理を示すフローチャート。 第１の実施形態における造形プロセスを示す図。 第２の実施形態における立体造形装置が実行する処理を示すフローチャート。 第２の実施形態における造形プロセスを示す図。

以下、本発明を、実施形態をもって説明するが、本発明は後述する実施形態に限定されるものではない。なお、以下に参照する各図においては、共通する要素について同じ符号を用い、適宜その説明を省略するものとする。

本発明の実施形態における立体造形装置の構成について、図１および図２を以て説明する。図１は、本発明の実施形態における立体造形装置の概略構成を示す上面図であり、図２は、本実施形態の造形部１を示す側面図である。

この立体造形装置は、粉末積層造形装置である。図１に示すように、立体造形装置は造形部１と、造形ユニット５を備える。造形部１は、粉末２０が結合された層状の造形物である層状造形物３０が形成される。造形ユニット５は、造形部１の層状に敷き詰められた粉末層３１にバインダ１０を吐出して立体造形物を造形する。なお、バインダ１０は、後述するように、各色に着色されたインクであってもよい。

まず、造形部１の詳細について図２（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。ここで、Ｘ方向とは図１における左右方向であり、Ｙ方向は図１における上下方向である。Ｚ方向とは、図２（ａ）における上下方向（図１における表裏方向）である。図２（ａ）は造形部１をＸ方向から見た断面図、図２（ｂ）は造形部１の要部をＸ方向から見た断面図である。

図２に示すように、造形部１は、粉末槽１１を有する。粉末槽１１は、供給槽２１と、造形槽２２と、余剰粉末受け槽２９と、ローラ部材１００ａと、粉末除去板１３を備える。

供給槽２１は、造形槽２２に供給する粉末２０を保持する。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。
造形槽２２は、層状造形物３０が積層されて立体造形物が造形される。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おり、造形ステージ２４上に層状造形物３０が積層された立体造形物が造形される。

余剰粉末受け槽２９は、粉末層３１を形成するときに、後述するローラ部材１００によって移送供給される粉末２０のうち、粉末層３１を形成しないで落下する余剰の粉末２０を溜める。余剰粉末受け槽２９の底面は、粉末２０を吸引する機構が備えられた構成や、余剰粉末受け槽２９が簡単に取り外せるような構成となっている。

供給ステージ２３は、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、モータ２８によって矢印Ｚ方向に昇降される。

ローラ部材１００ａは粉末層形成部の一例であり、粉末層３１を形成する。より具体的には、ローラ部材１００ａは、供給槽２１の供給ステージ２３上に供給された粉末２０を造形槽２２に移送し、粉末２０を敷いて粉末層３１を形成する。

ローラ部材１００は、造形ステージ２４のステージ面（粉末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、往復移動機構２５によって移動される。また、ローラ部材１００は、モータ２６によって図２（ｂ）の矢印Ａ方向に回転駆動される（即ち、ローラ部材１００は回転部材の一例である）。

粉末除去板１３は、ローラ部材１００ａの周面に接触して、ローラ部材１００に付着した粉末２０を除去する。粉末除去板１３は、ローラ部材１００ａの周面に接触した状態で、ローラ部材１００ａとともに移動する。

次に、造形ユニット５の構成について説明する。図２に示すように、造形ユニット５は、液体吐出ユニット５０を備えている。液体吐出部である液体吐出ユニット５０は、造形ステージ２４上の粉末層３１にバインダ１０を吐出する。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、バインダ１０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、ローラ部材１００ａによって形成された粉末層３１に、シアンインク及びマゼンタインクを吐出する。他方のヘッド５２ｂの２つのノズル列は、ローラ部材１００ａによって形成された粉末層３１に、イエローインク及びブラックインクを吐出する。なお、ヘッド構成はこれに限るものではない。

これらのシアンインク、マゼンタインク、イエローインク、ブラックインク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、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。

また図１に示すように、造形ユニット５は、メンテナンス機構６１を備える。メンテナンス機構６１は、Ｘ方向の一方側に備えられ、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は、主にキャップ６２とワイパ６３で構成される。キャップ６２は、ヘッド５２のノズル面（ノズルが形成された面）に密着し、ノズルからバインダ１０を吸引する。ノズルに詰まった粉末２０の排出や高粘度化したバインダ１０を排出するためである。

ワイパ６３は、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、メンテナンス機構６１は、バインダ１０の吐出が行われない場合に、ヘッド５２のノズル面をキャップ６２で覆い、粉末２０がノズルに混入することやバインダ１０が乾燥することを防止する。

さらに、造形ユニット５は、スライダ部７２を有する。スライダ部７２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ており、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。

ここで、造形部１の詳細について説明する。

図２に示すように、粉末槽１１は、箱型形状をなし、供給槽２１と造形槽２２と、余剰粉末受け槽２９の３つの上面が開放された槽とを備えている。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の隣には余剰粉末受け槽２９が設けられている。

余剰粉末受け槽２９には、粉末層３１を形成するときにローラ部材１００によって移送供給される粉末２０のうちの余剰の粉末２０が落下する。余剰粉末受け槽２９に落下した余剰の粉末２０は供給槽２１に粉末２０を供給する粉末供給装置５５４に戻される。

供給槽２１上には粉末供給装置５５４が配置される。粉末供給装置５５４は、造形の初期動作時や供給槽２１の粉末量が減少した場合に、粉末供給装置５５４を構成するタンク内の粉末２０を供給槽２１に供給する。粉末供給のための粉末搬送方法としては、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。

粉末供給装置５５４がＹ方向に移動するローラ部材１００と接触しないように、粉末供給装置５５４をＹ方向に移動可能な構成としても良いし、Ｚ方向に退避する構成としても良く、供給槽２１に粉末２０を供給できる構成であればこれらの構成に限らない。

また、ローラ部材１００は、造形槽２２及び供給槽２１の内寸（即ち、粉末２０が供給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２５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。

このローラ部材１００は、モータ２６によって図２（ｂ）の矢印Ａ方向に回転しながら、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、粉末２０が造形槽２２上へと移送供給され、ローラ部材１００が造形槽２２上を通過しながら粉末層３１が形成される。

次に、立体造形装置の制御部５００について図３を参照して説明する。図３は、本実施形態の制御部５００の構成図である。

図３に示すように、制御部５００は、主制御部５００Ａを備える。主制御部５００Ａは、ＣＰＵ５０１と、ＲＯＭ５０２と、ＲＡＭ５０３を備える。

ＣＰＵ５０１は、立体造形装置全体の制御を司る。ＲＯＭ５０２は、ＣＰＵ５０１に本実施形態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。ＲＡＭ５０３は、造形データ等を一時格納する。

さらに、制御部５００は、不揮発性メモリ（ＮＶＲＡＭ）５０４と、ＡＳＩＣ５０５と、外部Ｉ／Ｆ５０６を備える。

不揮発性メモリ（ＮＶＲＡＭ）５０４は、装置の電源が遮断されている間もデータを保持する。

ＡＳＩＣ５０５は、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。

外部Ｉ／Ｆ５０６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。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。

さらに、制御部５００は、Ｉ／Ｏ５０７と、ヘッド駆動制御部５０８を備える。

Ｉ／Ｏ５０７は、各種センサの検知信号を取り込む。ヘッド駆動制御部５０８は、液体吐出ユニット５０の各ヘッド５２を駆動制御する。

さらに、制御部５００は、各種モータ駆動部５１０〜５１６を備える。

モータ駆動部５１０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５１１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。

モータ駆動部５１２は、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５１３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５１４は、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５１５は、ローラ部材１００を移動させる往復移動機構２５のモータ５５３を駆動する。モータ駆動部５１６は、ローラ部材１００を回転駆動するモータ２６を駆動する。

さらに、制御部５００は、供給系駆動部５１７と、メンテナンス駆動部５１８を備える。

供給系駆動部５１７は、供給槽２１に粉末２０を供給する粉末供給装置５５４を駆動する。メンテナンス駆動部５１８は、液体吐出ユニット５０のメンテナンス機構６１を駆動する。

さらに、制御部５００は、後供給駆動部５１９と、モータ駆動部５２０を備える。

後供給駆動部５１９は、粉末後供給部８０から粉末２０の供給を行わせる。モータ駆動部５２０は、制御部５００は、後述する粉末回収部９０の移送スクリュー９７、９７を回転駆動するモータ５５５を駆動する。

さらに、制御部５００は、加熱制御部５２２を備える。加熱制御部５２２は、粉末層３１に吐出されたバインダ１０を乾燥させるヒータ１０１に接続され、ヒータ１０１が行う加熱動作を制御する。なお、バインダ１０を乾燥させる方法は、ヒータ１０１を用いる方法以外のものであってもよく、例えば、所定時間が経過するまで次工程を待機し、自然乾燥させるといった方法であってもよい。

さらに、制御部５００のＩ／Ｏ５０７には、温湿度センサ５６０が接続される。温湿度センサ５６０は、装置の環境条件としての温度及び湿度を検出する。

また、Ｉ／Ｏ５０７に接続されるセンサとして、カメラなどを備えていてもよい。この場合、Ｉ／Ｏ５０７は、粉末層３１に吐出されたバインダ１０の痕跡の有無などを示すデータを検出信号として検知する。なお、バインダ１０の痕跡の有無を検出するセンサは、カメラ以外のセンサであってもよい。

さらに、制御部５００には、操作パネル５２４が接続される。操作パネル５２４は、必要な情報の入力及び表示を行う。

なお、造形データ作成装置６００と立体造形装置（粉末積層造形装置）６１０によって造形装置が構成される。

次に、造形データ作成装置６００が行う造形データ作成の一例について説明する。

まず、所望する立体データ（例えばＳＴＬなどのＣＡＤデータ）を積層方向（即ちＺ方向）で分断して、複数のスライスデータ１２とする。

そして、各スライスデータ１２の各Ｘ座標と各Ｙ座標に対応した液滴吐出の有無や、液滴の大きさ、液滴の種類、などを決定し、これを造形データとする。

なお、上記の造形データの作成方法は一例であり、これに限るものでなく、造形データ作成装置６００を別体のパーソナルコンピュータで行うこともできるし、所望する立体データのスライスデータ１２への変換を必須とするものではない。

以上、本実施形態の立体造形装置の構成について説明した。次に、本実施形態における各ハードウェアによって実行される機能手段について、図４を以て説明する。図４は、本実施形態の立体造形装置に含まれる詳細なソフトウェアブロック図である。

立体造形装置は、造形データ入力部６１１、造形制御部６１２、層状造形物状態取得部６１３、バインダ状態判定部６１４を含んで構成される。以下に各機能ブロックの詳細について説明する。

造形データ入力部６１１は、外部Ｉ／Ｆ５０６を介して、造形データ作成装置６００から造形データの入力を受け付ける手段である。

造形制御部６１２は、入力された造形データに基づいて、造形部１、造形ユニット５などの各種ハードウェアの動作を制御する手段である。立体造形装置は、造形制御部６１２が制御する各種動作によって、粉末層３１を形成し、バインダ１０の液滴の吐出でき、立体造形物を造形する。

層状造形物状態取得部６１３は、カメラなどの各種センサ類によって、層状造形物３０の表面の状態を取得する手段である。バインダ状態判定部６１４は、層状造形物状態取得部６１３が取得した層状造形物３０の状態を解析し、層状造形物３０の表面のバインダ１０の痕跡などの状態を判定する手段である。

粉末層３１に対して吐出されたバインダ１０が、層内の粉末２０を結合させることで層状造形物３０を形成する。このとき、バインダ１０は、時間の経過に伴って、乾燥したり、層状造形物３０の内部に浸透したりするので、層状造形物３０の表面のバインダ１０の状態が変化する。バインダ状態判定部６１４は、層状造形物状態取得部６１３が取得した層状造形物３０の表面の状態の時間的な変化に基づいて、バインダ１０の状態を判定する。例えば、層状造形物３０の表面の状態の変化が観測された場合には、バインダ状態判定部６１４は、層状造形物３０の表面にバインダ１０が残留しているものと判定できる。また、層状造形物３０の表面の状態の変化が観測されない場合には、バインダ状態判定部６１４は、層状造形物３０の表面からバインダ１０が消失したものと判定できる。

なお、上述したソフトウェアブロックは、ＣＰＵ５０１が本実施形態のプログラムを実行することで、各ハードウェアを機能させることにより、実現される機能手段に相当する。また、各実施形態に示した機能手段は、全部がソフトウェア的に実現されても良いし、その一部または全部を同等の機能を提供するハードウェアとして実装することもできる。

次に、造形プロセスについて図５を以て説明する。図５は、一般的なバインダジェッティング方式における一連の立体造形工程を示す図である。

図５（ａ）は、１層の層状造形物３０が形成された後に、次層を形成する処理を開始するためのステージ準備工程を示している。図５（ａ）に示すように、次層造形処理の開始に伴って、造形制御部６１２は、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。造形ステージ２４上には、１層目の層状造形物３０が造形されていて、当該層状造形物３０の表面は、造形槽２２の開口端面から、Δｔだけ下がった位置にある。ここで、Δｔは、積層ピッチに相当し、特に数値を限定するものではないが、数１０μｍ〜１００μｍ程度であることが好ましい。

図５（ｂ）は、粉末２０の供給工程を示す図である。図５（ａ）の状態とした後、図５（ｂ）に示すように、ローラ部材１００ａは、造形ステージ２４のステージ面と平行に移動する。ローラ部材１００ａは、矢印で示す方向に回転しながら、粉末２０を伴ってｙ２方向に移動する。これによって、粉末２０を造形槽２２へ供給できる。

図５（ｃ）は、粉末層３１を形成する粉末層形成工程を示す図である。図５（ｃ）に示すように、ローラ部材１００ａは、粉末２０を１層目の層状造形物３０の上部に供給しながら、引き続きｙ２方向に移動する。ローラ部材１００ａは、その下部が造形槽２２の開口端面に接する高さに配置されて、造形ステージ２４のステージ面と平行に移動する。これによって、積層ピッチΔｔの厚みを有する粉末層３１を形成することができる。また、粉末層形成工程において、粉末層３１に使用されなかった余剰の粉末２０は、余剰粉末受け槽２９に落とされ、溜められてもよい。

図５（ｄ）は、ローラ部材１００ａの復帰工程を示す図である。粉末層形成工程を完了した後、ローラ部材１００ａは、ｙ１方向に移動し、初期位置に復帰する。なお、復帰工程におけるローラ部材１００ａの高さは、粉末層形成工程と同じ高さであってもよい。または、ローラ部材１００ａの両端にモータを用いた昇降機構や、段差を有するレールを設けることで、ローラ部材１００ａの高さを粉末層形成工程よりも高くてしてもよい。

図５（ｅ）は、層状造形物形成工程を示す図である。図５（ｅ）に示すように、ヘッド５２から粉末層３１に対してバインダ１０の液滴を吐出することで、層状造形物３０を形成する。層状造形物形成工程では、バインダ１０を造形データに基づく領域に吐出することで、粉末２０を結合させ、所望の形状の層状造形物３０を形成する。なお、形成される層状造形物３０は、立体造形物の一部分を構成する形状である。

ここで、バインダ１０によって層状造形物３０の形成する方法について説明する。第１の方法では、バインダ１０が接着性を有しており、粉末層３１に対して吐出させる。粉末層３１の表面に到達したバインダ１０が、粉末層３１の内部に浸透することで、粉末２０同士を接着させることで、結合し、所望の形状の層状造形物３０を形成する。また、別の方法では、バインダ１０に替えて接着性を有さない液滴を使用し、接着剤を含む粉末２０の粉末層３１に対して吐出してもよい。この場合、液滴が粉末２０の接着剤を溶解させることで、粉末２０同士を接着することができる。粉末層３１の表面に到達した液滴が、粉末層３１の内部に浸透する点については、第１の方法と同様である。

また、層状造形物形成工程において吐出されたバインダ１０は、粉末層３１の粉末２０を結合させるだけでなく、下層の層状造形物３０と、上層の粉末層３１の粉末２０とを結合させることができる。これによって、各層状造形物３０が結合できるので、立体造形物を造形することができる。層状造形物形成工程の後、ステージ準備工程に戻り、最表層を形成するまで、図５の各工程を繰り返す。これによって、層状造形物３０が積層した立体造形物を造形することができる。

ここまで、立体造形物を造形する一連の工程について説明した。次に、立体造形工程における造形精度の低下について図６を以て説明する。図６は、粉末層３１内部のバインダ１０の様子を例示する断面図であり、複数の層状造形物３０が積層された様子を示している。

図６（ａ）は、層状造形物３０が所望の形状で形成され、積層された場合の立体造形物を示している。ここでは、同じ形状の層状造形物３０が理想的に積層された場合を例示している。

図６（ｂ）は、バインダ１０が残った状態で上部の層状造形物３０が形成された場合の立体造形物を示しており、図中の破線で示す形状は、層状造形物３０の所望の形状である。下部の層状造形物３０の内部に過剰にバインダ１０が存在したまま次々と上層が形成されると、バインダ１０が粉末層３１に浸透し、所望の形状の領域外に染み出す。バインダ１０が所望の形状の領域外に染み出すと、図６（ｂ）に示すように、層状造形物３０の形状が所望の形状から乖離し、立体造形物の造形精度および余剰粉末の除去性が低下する。

ここで、過剰なバインダ１０をヒータ１０１などによって乾燥させる工程を立体造形工程に含めることで、所望の形状の領域外へのバインダ１０の染み出しを抑制できる。しかしながら、乾燥工程によって層状造形物３０の表面が乾燥することから、下層の層状造形物３０と、上層の粉末層３１の粉末２０との結合が充分ではなくなり、立体造形物の強度が低下する。

したがって、以下に説明する各実施形態では、領域外への染み出しを抑制するように乾燥しつつ、層状造形物３０の表面にバインダ１０を残して次層の粉末層３１を形成する。まず、第１の実施形態について、図７，８を以て説明する。第１の実施形態では、粉末層形成工程の後に、乾燥工程を実施する。

図７は、第１の実施形態における立体造形装置が実行する処理を示すフローチャートである。立体造形装置は、造形データの入力を受けて、ステップＳ１０００から造形処理を開始する。その後、立体造形装置は、ステップＳ１００１において、ステージ準備工程、供給工程、粉末層形成工程を実施し、第１層目の粉末層３１を形成する。

ステップＳ１００２では、立体造形装置は、ヘッド５２を制御してバインダ１０を吐出し、所望の形状の層状造形物３０を形成する。

ステップＳ１００３では、ステップＳ１００２で形成された層状造形物３０が最表層であるか否かによって処理を分岐する。最表層を形成した場合には（ＹＥＳ）、立体造形物が完成したものとして、ステップＳ１００６に進み、造形処理を終了する。最表層を形成していない場合には（ＮＯ）、ステップＳ１００４に進み、次層を形成する処理に移行する。

ステップＳ１００４では、ステージ準備工程、供給工程、粉末層形成工程を経て、次層の粉末層３１を形成する。ここで、次層の粉末層３１は、下部の層状造形物３０の表面にバインダ１０が残留した状態で形成される。これによって、残留しているバインダ１０は、粉末層３１が形成されると同時に、粉末２０を接着できる。すなわち、下層の層状造形物３０と、上層の形成された粉末層３１の粉末２０とを結合させることができるので、立体造形物の強度を向上できる。

ここで、バインダ１０が残留しているか否かは、層状造形物状態取得部６１３が、層状造形物３０の表面の状態を取得することによって判定されてもよい。例えば、カメラなどによって層状造形物３０の画像を取得し、バインダ状態判定部６１４が、バインダ１０の痕跡の有無に基づいて残留状態を判定するといった方法が挙げられる。このようにして、バインダ１０が層状造形物３０の表面に残留している状態を確認して、ステップＳ１００４で粉末層３１を形成することで、下層の層状造形物３０と、上層の形成された粉末層３１の粉末２０とを結合でき、立体造形物の強度を向上できる。

その後、ステップＳ１００５では、残留しているバインダ１０を乾燥させる乾燥工程を実施する。乾燥工程を実施することで、次層の層状造形物３０を形成するためにバインダ１０が吐出されても、バインダ１０の量が過剰とならず、所望の形状の領域外への染み出しを抑制できるので、立体造形物の強度を向上できる。なお、乾燥工程は、ヒータ１０１などによって加熱することで行われてもよいし、所定時間が経過するまで次の処理を待機して自然乾燥することで行われてもよい。

ステップＳ１００５で乾燥工程を実施した後、ステップＳ１００２に戻り、最表層を形成するまで処理を繰り返す。

上述した処理を行うことで、各層間が結合する強度を向上でき、かつ、所望の形状の領域外へのバインダ１０の染み出しを抑制できる。

次に、上述した第１の実施形態における造形プロセスを説明する。図８は、第１の実施形態における造形プロセスを示す図である。図８（ａ）は、図５（ｄ）に対応する状態であり、粉末層３１を形成したローラ部材１００ａが初期位置に復帰している。このとき、層状造形物３０の表面には、バインダ１０が残留していることから、層状造形物３０と、粉末層３１の粉末２０とを結合でき、層間の結合を強固にできる。

その後、図８（ｂ）に示すように、ステップＳ１００５に対応する乾燥工程を実施する。ここでは、ヒータ１０１によって加熱することで、過剰に残留しているバインダ１０を乾燥させる例を示している。これによって、バインダ１０の染み出しを抑制でき、立体造形物の造形精度を向上できる。

乾燥工程の後、図８（ｃ）に示すように、層状造形物形成工程を実施する。なお、図８（ｃ）は、図５（ｅ）に対応する工程である。

ここまで説明したように、第１の実施形態によれば、粉末層形成工程の後に乾燥工程を実施することで、各層間が結合する強度を向上でき、かつ、所望の形状の領域外へのバインダ１０の染み出しを抑制できる。したがって、立体造形物の強度と造形精度を向上できる。

次に、第２の実施形態について、図９、１０を以て説明する。第２の実施形態では、層状造形物形成工程の後に、乾燥工程と再吐出工程とを実施する。

図９は、第２の実施形態における立体造形装置が実行する処理を示すフローチャートである。立体造形装置は、造形データの入力を受けて、ステップＳ２０００から造形処理を開始する。立体造形装置は、ステップＳ２００１〜Ｓ２００２で、第１層目の粉末層３１を形成し、所望形状の層状造形物３０を形成する。なお、ステップＳ２００１〜Ｓ２００２の処理は、ステップＳ１００１〜Ｓ１００２の処理と同様である。

ステップＳ２００３では、ステップＳ１００３と同様に、Ｓ２００２で形成された層状造形物３０が最表層であるか否かによって処理を分岐する。最表層を形成した場合には（ＹＥＳ）、立体造形物が完成したものとしてステップＳ２００７に進み、造形処理を終了する。最表層を形成していない場合には（ＮＯ）、ステップＳ２００４に進み、次層を形成する処理に移行する。

ステップＳ２００４では、ステップＳ２００２で吐出されたバインダ１０を乾燥させる乾燥工程を実施する。乾燥工程を実施することによって、層状造形物３０の表面や内部のバインダ１０を乾燥させて取り除くことができる。これによって、バインダ１０の量が過剰となることを防止できるので、その後に層状造形物３０が積層された場合の造形精度を向上できる。なお、乾燥工程は、ヒータ１０１などによって加熱することで行われてもよいし、所定時間が経過するまで次の処理を待機して自然乾燥することで行われてもよい。

バインダ１０を乾燥させた後、ステップＳ２００５で、バインダ１０を層状造形物３０の表面に吐出させる再吐出工程を実施する。再吐出工程は、その後の粉末層形成工程において、粉末２０と層状造形物３０とを結合させるために実施するものである。したがって、再吐出工程におけるバインダ１０の吐出処理と、層状造形物形成工程におけるバインダ１０の吐出処理とは、必ずしも同様である必要はない。すなわち、層状造形物形成工程においては粉末層３１にバインダ１０を充分に浸透させる程度の吐出量を要するところ、再吐出工程においてはそれよりも少ない吐出量であってもよい。例えば、層状造形物形成工程で１５０ｐｌ〜２５０ｐｌ程度の吐出量で吐出している場合には、再吐出工程では、１０ｐｌ〜１００ｐｌ程度の吐出量で吐出すればよい。なお、ここで示した数値は、一例であって、特に実施形態を限定するものではない。

ステップＳ２００５の後、ステップＳ２００６において立体造形装置は粉末層形成工程を実施する。このとき、ステップＳ２００５で吐出されたバインダ１０が、層状造形物３０の表面に存在していることから、粉末層３１を構成する粉末２０と、層状造形物３０とが接着する強度を向上できる。

ステップＳ２００６で粉末層形成工程を実施した後、ステップＳ２００２に戻り、最表層を形成するまで処理を繰り返す。

上述した処理を行うことで、各層間が結合する強度を向上でき、かつ、所望の形状の領域外へのバインダ１０の染み出しを抑制できる。

ところで、上述した再吐出工程において吐出されるバインダ１０と、層状造形物形成工程において吐出されるバインダ１０とは、同じ解像度で吐出されなくてもよい。すなわち、層状造形物形成工程では立体造形物の造形精度を向上するために高解像度で吐出し、再吐出工程では層状造形物形成工程よりも低い解像度で吐出する構成としてもよい。例えば、再吐出工程では、層間の結合強度を維持できる程度の解像度で吐出することとしてもよい。

さらに、再吐出工程において吐出されるバインダ１０と、層状造形物形成工程において吐出されるバインダ１０とは、異なる物性であってもよく、例えば、粘度の異なるバインダ１０を用いてもよい。粘度が高いバインダ１０を用いると、層状造形物３０の表面から内部に浸透するまでの時間が長くなる。したがって、再吐出工程において、層状造形物形成工程よりも粘度の高いバインダ１０を用いることで、層状造形物３０の表面にバインダ１０を残留させたまま、粉末層３１を形成しやすくできる。例えば、層状造形物形成工程では４［ｍＰａ・ｓ］の粘度を有するバインダ１０を使用し、再吐出工程では８［ｍＰａ・ｓ］の粘度を有するバインダ１０を使用する。これによって、再吐出工程で吐出されたバインダ１０は、層状造形物３０の表面に留まりやすくなり、粉末層形成工程において粉末２０と接着する強度を向上できる。なお、ここで示した数値は、一例であって、特に実施形態を限定するものではない。

次に、上述した第２の実施形態における造形プロセスを説明する。図１０は、第２の実施形態における造形プロセスを示す図である。図１０（ａ）は、図５（ｅ）に対応する状態であり、ステップＳ２００２に対応する層状造形物形成工程を実施している。

その後、図１０（ｂ）に示すように、ステップＳ２００４に対応する乾燥工程を実施する。ここでは、ヒータ１０１によって加熱することで、過剰に残留しているバインダ１０を乾燥させる例を示している。これによって、バインダ１０の染み出しを抑制でき、立体造形物の造形精度および余剰粉末の除去性を向上できる。

乾燥工程の後、図１０（ｃ）に示すように、ステップＳ２００５に対応する再吐出工程を実施する。再吐出工程では、バインダ１０の吐出量を層状造形物形成工程よりも少なくすることで、下層へのバインダ１０の染み出しを防止でき、立体造形物の造形精度および余剰粉末の除去性が低下することを防ぐ。

再吐出工程の後、図１０（ｄ）に示すように、ステージ準備工程を実施し、以降、供給工程、粉末層形成工程と続く。したがって、再吐出工程によるバインダ１０が層状造形物３０の表面に存在したままで、以降の工程を行うことができるので、粉末層形成工程の際に、層状造形物３０と、粉末層３１の粉末２０とを結合でき、層間の結合を強固にできる。

ここまで説明したように、第２の実施形態によれば、層状造形物形成工程の後に、乾燥工程および再吐出工程を実施した上で粉末層形成工程を実施することで、各層間が結合する強度を向上でき、かつ、所望の形状の領域外へのバインダ１０の染み出しを抑制できる。したがって、立体造形物の強度と造形精度を向上できる。

以上、説明した本発明の実施形態によれば、立体造形物の強度と造形精度を向上する造形方法、造形装置およびプログラムを提供することができる。

上述した本発明の実施形態の各機能は、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、Ｊａｖａ（登録商標）等で記述された装置実行可能なプログラムにより実現でき、本実施形態のプログラムは、ハードディスク装置、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤ、フレキシブルディスク、ＥＥＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ等の装置可読な記録媒体に格納して頒布することができ、また他装置が可能な形式でネットワークを介して伝送することができる。

以上、本発明について実施形態をもって説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、当業者が推考しうる実施態様の範囲内において、本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

１…造形部、５…造形ユニット、７…ベース部材、１０…バインダ、１１…粉末槽、１２…スライスデータ、１３…粉末除去板、２０…粉末、２１…供給槽、２２…造形槽、２３…供給ステージ、２４…造形ステージ、２５…往復移動機構、２６〜２８…モータ、２９…余剰粉末受け槽、３０…層状造形物、３１…粉末層、５０…液体吐出ユニット、５１…キャリッジ、５２…ヘッド、５４、５５…ガイド部材、５６…タンク装着部、６０…タンク、６１…メンテナンス機構、６２…キャップ、６３…ワイパ、７０…側板、７１…ガイド部材、７２…スライダ部、８０…粉末後供給部、９０…粉末回収部、９７…移送スクリュー、１００…ローラ部材、１０１…ヒータ、５００…制御部、５０１…ＣＰＵ、５０２…ＲＯＭ、５０３…ＲＡＭ、５０５…ＡＳＩＣ、５０６…外部Ｉ／Ｆ、５０７…Ｉ／Ｏ、５０８…ヘッド駆動制御部、５１０〜５１６…モータ駆動部、５１７…供給系駆動部、５１８…メンテナンス駆動部、５１９…後供給駆動部、５２０…モータ駆動部、５２２…加熱制御部、５２４…操作パネル、５５０…Ｘ方向走査機構、５５１…Ｚ方向昇降機構、５５２…Ｙ方向走査機構、５５３…モータ、５５４…粉末供給装置、５５５…モータ、５６０…温湿度センサ、６００…造形データ作成装置、６１０…粉末積層造形装置、６１１…造形データ入力部、６１２…造形制御部、６１３…層状造形物状態取得部、６１４…バインダ状態判定部

特開２０１７−９４７１４号公報

Claims (10)

1. 立体造形物を造形する造形方法であって、
   第１の粉末層を形成する第１の形成工程と、
   前記第１の粉末層に液滴を吐出することで層状造形物を形成する第２の形成工程と、
   前記層状造形物の表面に前記液滴が残留した状態で、前記層状造形物上に第２の粉末層を形成する第３の形成工程と
   を含む、造形方法。
2. 前記第３の形成工程の後に、
   前記第２の粉末層と、前記層状造形物とを乾燥させる、乾燥工程をさらに含む、請求項１に記載の造形方法。
3. 前記層状造形物の表面における前記液滴の痕跡を取得する取得工程と、
   前記取得工程において取得した前記痕跡に基づいて、前記層状造形物の表面に前記液滴が残留しているか否かを判定する判定工程をと
   さらに含む、請求項２に記載の造形方法。
4. 前記第２の形成工程と、前記第３の形成工程との間に、
   前記層状造形物を乾燥させる乾燥工程と、
   前記層状造形物の表面に前記液滴を吐出する吐出工程と
   をさらに含む、請求項１に記載の造形方法。
5. 前記吐出工程で吐出される液滴は、前記第２の形成工程で吐出される液滴よりも少量であることを特徴とする、請求項４に記載の造形方法。
6. 前記吐出工程で吐出される液滴は、前記第２の形成工程で吐出される液滴よりも粘度が高いことを特徴とする、請求項４に記載の造形方法。
7. 前記乾燥工程は、加熱手段を用いることを特徴とする、請求項２〜６のいずれか１項に記載の造形方法。
8. 前記乾燥工程は、自然乾燥によって行われることを特徴とする、請求項２〜６のいずれか１項に記載の造形方法。
9. 立体造形物を造形する造形装置であって、
   粉末層を形成する粉末層形成手段と、
   前記粉末層に液滴を吐出することで層状造形物を形成する吐出手段と、
   前記液滴を乾燥させる乾燥手段と
   を含む、造形装置。
10. 立体造形物を造形する造形装置が実行するプログラムであって、前記造形装置を、
    粉末層を形成する粉末層形成手段、
    前記粉末層に液滴を吐出することで層状造形物を形成する吐出手段、
    前記液滴を乾燥させる乾燥手段
    として機能させる装置可読なプログラム。