JP2020152021A - 立体造形物の製造装置、及び立体造形物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】立体造形物の造形精度を低下させずに、より短時間で立体造形物を製造することができる立体造形物の製造装置の提供。【解決手段】粉体層３１を形成する粉体層形成手段と、前記粉体層上に放射エネルギー吸収剤を付与する放射エネルギー吸収剤付与手段と、前記放射エネルギー吸収剤が付与された前記粉体層に放射エネルギーを付与する放射エネルギー付与手段８０と、気流を発生させる気流発生装置と、を有し、前記放射エネルギー付与手段は、放射エネルギーを放射する放射エネルギー源８１と、前記放射エネルギー源から放射される放射エネルギーを透過可能な放射エネルギー透過部材８２と、前記放射エネルギー透過部材と一体化されて前記放射エネルギー源を収容する放射エネルギー源収容部材と、を有し、前記気流発生装置により発生される前記気流は、前記エネルギー源収容部材内で前記放射エネルギー源に向けて流入する立体造形物の製造装置である。【選択図】図１２

Description

本発明は、立体造形物の製造装置、及び立体造形物の製造方法に関する。

粉体積層による三次元造形方式（粉体積層造形方式）において、粉体層の面上の造形領域に放射エネルギー吸収剤を含む造形用液体を吐出し、放射エネルギーを付与して樹脂粒子を含む粉体どうしを融着させ、立体造形物を造形する方式が知られている。

このような造形方式は、Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ（ＨＳＳ）方式の一種であり、このＨＳＳ方式において粉体どうしを融着させるために放射エネルギーを付与する装置について様々な提案がされている。例えば、ガウス分布に近い放射エネルギーを付与できるようにすることを主な目的として、複数のランプと、複数のランプを覆う複数のリフレクターを備える装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

本発明は、立体造形物の造形精度を低下させずに、より短時間で立体造形物を製造することができる立体造形物の製造装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための手段としての本発明の立体造形物の製造装置は、
粉体層を形成する粉体層形成手段と、
前記粉体層上に放射エネルギー吸収剤を付与する放射エネルギー吸収剤付与手段と、
前記放射エネルギー吸収剤が付与された前記粉体層に放射エネルギーを付与する放射エネルギー付与手段と、
気流を発生させる気流発生装置と、
を有し、
前記放射エネルギー付与手段は、放射エネルギーを放射する放射エネルギー源と、前記放射エネルギー源から放射される放射エネルギーを透過可能な放射エネルギー透過部材と、前記放射エネルギー透過部材と一体化されて前記放射エネルギー源を収容する放射エネルギー源収容部材と、を有し、
前記気流発生装置により発生される前記気流は、前記エネルギー源収容部材内で前記放射エネルギー源に向けて流入することを特徴とする。

本発明によると、立体造形物の造形精度を低下させずに、より短時間で立体造形物を製造することができる立体造形物の製造装置を提供することができる。

図１は、第１の実施形態における立体造形物の製造装置を説明するための平面図である。 図２は、第１の実施形態における立体造形物の製造装置を説明するための側面図である。 図３は、第１の実施形態における立体造形物の製造装置を説明するための断面図である。 図４は、第１の実施形態における立体造形物の製造装置の制御部のブロック図である。 図５Ａは、第１の実施形態における立体造形物の製造装置の動作を説明するための概略図である。 図５Ｂは、第１の実施形態における立体造形物の製造装置の動作を説明するための概略図である。 図５Ｃは、第１の実施形態における立体造形物の製造装置の動作を説明するための概略図である。 図５Ｄは、第１の実施形態における立体造形物の製造装置の動作を説明するための概略図である。 図５Ｅは、第１の実施形態における立体造形物の製造装置の動作を説明するための概略図である。 図５Ｆは、第１の実施形態における立体造形物の製造装置の動作を説明するための概略図である。 図６は、粉体層にエネルギーを付与した時間と粉体層の温度との関係の一例を示すグラフである。 図７Ａは、第１の実施形態における放射エネルギー源、放射エネルギー透過部材、及び放射エネルギー源収容部材のｘｚ平面での断面図である。 図７Ｂは、第１の実施形態における放射エネルギー源、放射エネルギー透過部材、及び放射エネルギー源収容部材のｙｚ平面での断面図である。 図８は、第１の実施形態における気流発生装置を示す説明図である。 図９は、粉体層に付与したエネルギーと粉体層の温度との関係の一例を示すグラフである。 図１０Ａは、第２の実施形態の立体造形物の製造装置を示す概略図である。 図１０Ｂは、第２の実施形態の立体造形物の製造装置を示す概略図である。 図１１Ａは、第２の実施形態の立体造形物の製造装置の変形例を示す概略図である。 図１１Ｂは、第２の実施形態の立体造形物の製造装置の変形例を示す概略図である。 図１２は、第３の実施形態の立体造形物の製造装置を示す概略図である。 図１３Ａは、第３の実施形態の立体造形物の製造装置の変形例を示す概略図である。 図１３Ｂは、第３の実施形態の立体造形物の製造装置の変形例を示す概略図である。 図１４は、第４の実施形態の立体造形物の製造装置を示す概略図である。 図１５は、第４の実施形態の立体造形物の製造装置の変形例を示す概略図である。

（立体造形物の製造装置、立体造形物の製造方法）
本発明の立体造形物の製造装置は、粉体層を形成する粉体層形成手段と、粉体層上に放射エネルギー吸収剤を付与する放射エネルギー吸収剤付与手段と、放射エネルギー吸収剤が付与された粉体層に放射エネルギーを付与する放射エネルギー付与手段と、気流を発生させる気流発生装置と、を有する。放射エネルギー付与手段は、放射エネルギーを放射する放射エネルギー源と、放射エネルギー源から放射される放射エネルギーを透過可能な放射エネルギー透過部材と、放射エネルギー透過部材と一体化されて放射エネルギー源を収容する放射エネルギー源収容部材と、を有する。気流発生装置により発生される気流は、エネルギー源収容部材内で放射エネルギー源に向けて流入する。
本発明の立体造形物の製造方法は、粉体層を形成する粉体層形成工程と、粉体層上に放射エネルギー吸収剤を付与する放射エネルギー吸収剤付与工程と、放射エネルギー吸収剤が付与された粉体層に放射エネルギーを付与する放射エネルギー付与工程と、を含む。放射エネルギー付与工程において、粉体層には接触させることなく、放射エネルギーを付与する放射エネルギー源に対し気流を流入させる。

本発明の立体造形物の製造方法は本発明の立体造形物の製造装置により好適に行うことができ、粉体層形成工程は粉体層形成手段により好適に行うことができ、放射エネルギー吸収剤付与工程は放射エネルギー吸収剤付与手段により好適に行うことができ、放射エネルギー付与工程は放射エネルギー付与手段により好適に行うことができる。
つまり、本発明の立体造形物の製造方法は、本発明の立体造形物の製造装置を用い実施することと同義である。また、本発明の立体造形物の製造装置は、本発明の立体造形物の製造方法を実施することと同義である。
したがって、本発明の立体造形物の製造装置の説明を通じて本発明の立体造形物の製造方法の詳細についても明らかにする。

本発明の立体造形物の製造装置は、従来の放射エネルギーを付与する装置では、立体造形物をより短時間で製造しようとすると、ハロゲンランプの耐熱性が問題になる場合があるという知見に基づくものである。
具体的には、従来の放射エネルギーを付与する装置は、複数のランプと、複数のランプを覆う複数のリフレクターを備えているが、リフレクターで覆われているランプどうしが加熱し合うとともに蓄熱しやすいことから、ランプが熱で故障しやすいという問題がある。したがって、従来の放射エネルギーを付与する装置では、放射エネルギーを高めて粉体層の融着速度を高めようとするとランプが熱で故障しやすいことから、立体造形物をより短時間で製造することは困難な場合がある。

また、気流を吹き付けてランプを冷却することが可能なメタルハライドランプを用いた照明装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、このような空冷による照明装置をＨＳＳ方式の立体造形物の製造装置に適用した場合、立体造形物の材料である粉体が装置内にあるため、ランプを冷却する気流により粉体が舞い上がってしまう。すると、舞い上がった粉体が立体造形物の材料として用いられなくなるため、立体造形物の造形精度が低下するという問題がある。
さらに、メタルハライドランプは、発光及び消灯に時間がかかるため、数秒単位で発光及び消灯を繰り返すＨＳＳ方式に適用することは難しい。
なお、水冷による方法では、液体を循環させる装置が必要になるほか、発光を一部遮ってしまうため効率的ではない。また、従来からＨＳＳ方式で用いられているハロゲンランプをＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｅｄ Ｄｉｏｄｅ）やレーザーダイオードに代えても、ハロゲンランプと同様に、耐熱性の問題がある。他に、耐熱ファイバーによりレーザー光を槽内に導光するようにしても、レーザーや耐熱ファイバーが必要となるため部品点数が増大してしまうという問題がある。

またさらに、例えば、スーパーエンジニアリングプラスチックのような融点の高い材料に対応する場合には、（１）粉体の予熱温度を上げる、（２）粉体を融着させるエネルギーの付与時間を長くする、（３）融着させるエネルギーを高くする、の３つが挙げられる。
（１）については、融着させるエネルギーを高める必要がないが、予熱温度を２００℃以上にすると、放射エネルギー吸収剤を含有する造形用液体を吐出するインクジェットヘッド内の造形用液体が乾燥してしまい、吐出できなくなる場合がある。また、予熱温度を２００℃以上にするための部品の耐熱性が問題になる場合がある。また、（２）については生産性が低下してしまうことから、（３）が好ましい。
したがって、ＨＳＳ方式で高融点材料により立体造形物を製造する場合には、生産性の観点から融着させるエネルギーを高くすることが好ましいが、上述のようにランプの耐熱性の問題があるため、より短時間で立体造形物を製造することは困難であった。

そこで、本発明の立体造形物の製造装置では、放射エネルギーを透過可能な放射エネルギー透過部材と一体化されて放射エネルギー源を収容する放射エネルギー源収容部材内で、放射エネルギー源に対し気流を流入させる気流発生装置を有する。
これにより、本発明の立体造形物の製造装置は、気流により放射エネルギー源を冷却することができるため、放射エネルギーを高めても放射エネルギー源が熱により故障しにくくなることから、高い放射エネルギーで、より短時間で立体造形物を製造できる。また、本発明の立体造形物の製造装置は、エネルギー源収容部材内で放射エネルギー源に対し気流を流入させることで、装置内の粉体を舞い散らすことがなくなり、立体造形物となる粉体が減少しないことから、造形精度を低下させずに立体造形物を製造することができる。
なお、以下では、スーパーエンジニアリングプラスチックを「スーパーエンプラ」と称することがある。

本発明の立体造形物の製造装置は、粉体層形成手段と、放射エネルギー吸収剤付与手段と、放射エネルギー付与手段とを有し、更に必要に応じてその他の手段を有する。

＜粉体層形成手段＞
粉体層形成手段は、粉体層を形成する。
粉体層形成手段としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、粉体を供給する機構と、供給された粉体を均しながら粉体層を形成する機構の組合せなどが挙げられる。

＜＜粉体層＞＞
粉体層とは、粉体による層を意味する。
粉体層の平均厚みとしては、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が、１０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。

−粉体−
粉体としては、粉末乃至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。

粉体層に用いる材料、即ち粉体の材料としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、樹脂粒子を含有し、更に必要に応じてその他の材料を含有するものが挙げられる。

樹脂粒子とは、樹脂成分を含む粒子を意味する。なお、以下では、樹脂粒子を「樹脂粉末」又は「樹脂粉体」と称することがある。樹脂粒子は、樹脂成分の他に、必要に応じてその他の成分を含んでいてもよい。
樹脂成分としては、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が、熱可塑性樹脂であることが好ましい。

熱可塑性樹脂とは、熱を加えると可塑化し、溶融する樹脂を意味する。
熱可塑性樹脂としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、結晶性樹脂、非結晶性樹脂、液晶樹脂などが挙げられる。熱可塑性樹脂としては、結晶性樹脂が好ましい。また、熱可塑性樹脂としては、融解開始温度と、冷却時の再結晶温度の差が大きな樹脂が好ましい。
なお、結晶性樹脂とは、ＩＳＯ３１４６（プラスチック転移温度測定方法、ＪＩＳ Ｋ７１２１）に準拠した測定において、融点ピークが検出される樹脂である。

熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリエステル、ポリエーテル、ポリフェニレンスルフィド、ポリアセタール（ＰＯＭ：Ｐｏｌｙｏｘｙｍｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ポリイミド、フッ素樹脂などが挙げられる。これらは、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。

ポリオレフィンとしては、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）などが挙げられる。

ポリアミドとしては、例えば、ポリアミド４１０（ＰＡ４１０）、ポリアミド６（ＰＡ６）、ポリアミド６６（ＰＡ６６）、ポリアミド６１０（ＰＡ６１０）、ポリアミド６１２（ＰＡ６１２）、ポリアミド１１（ＰＡ１１）、及びポリアミド１２（ＰＡ１２）；並びにポリアミド４Ｔ（ＰＡ４Ｔ）、ポリアミドＭＸＤ６（ＰＡＭＸＤ６）、ポリアミド６Ｔ（ＰＡ６Ｔ）、ポリアミド９Ｔ（ＰＡ９Ｔ）、及びポリアミド１０Ｔ（ＰＡ１０Ｔ）などの半芳香族性のポリアミドが挙げられる。

ポリエステルとしては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブタジエンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）などが挙げられる。これらの中でも、耐熱性を付与する点で、テレフタル酸やイソフタル酸を一部に含む芳香族を有するものが好ましい。

ポリエーテルとしては、例えば、ポリアリールケトン、ポリエーテルスルホンなどが挙げられる。
ポリアリールケトンとしては、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ、融点：３４０℃）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ、融点：３７０℃）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ、融点：３３０℃）、ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトンケトン（ＰＥＥＫＫ、融点：３６５℃）、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン（ＰＥＫＥＫＫ、融点：３８４℃）などが挙げられる。

熱可塑性樹脂としては、例えば、ＰＡ９Ｔのように２つの融点ピークを有するものでもよい。２つの融点ピークを有する熱可塑性樹脂は、高温側の融点ピーク以上の温度になると完全に溶融する。

また、ポリフタルアミド、ポリフェニレンサルファイド（融点：２８０℃）、液晶ポリマー、ポリスルホン（融点：２００℃）、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルイミド（融点：２１５℃）、ポリアミドイミド（融点：３００℃）、ポリエーテルエーテルケトン（融点：３４０℃）、及びポリテトラフルオロエチレン（融点：３２５℃）などは、「スーパーエンジニアリングプラスチック（スーパーエンプラ）」と称されている。

非結晶性樹脂としては、例えば、ポリカーボネート、ポリエーテルスルホン、アクリロニトリルブタジエンスチレンなどが挙げられる。

熱可塑性樹脂としては、スーパーエンプラから選択される少なくとも１種であることが好ましい。熱可塑性樹脂がスーパーエンプラであると、造形する立体造形物の引張強度、耐熱性、耐薬品性、及び難燃性を向上することができ、立体造形物を工業用途にも使用可能になる点で有利である。

粉体層形成手段が粉体層を形成する際には、粉体の温度が予め所望の温度になるように、粉体を予熱しておくことが好ましい。これにより、放射エネルギー付与手段により粉体の融点まで昇温させるための放射エネルギーを低減することができるとともに、放射エネルギーの照射時間を短縮することができる。

予熱温度としては、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が、粉体に含まれる樹脂粒子の再結晶化温度と溶融温度の間の温度であることが好ましい。予熱温度が樹脂粒子の再結晶化温度と溶融温度の間の温度であることにより、粉体層を形成する際の粉体の流動性を保ちつつ、造形した立体造形物における反りなどの発生を抑制することができる。

粉体を予熱する手段としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、赤外線ヒーターで上側から加熱する、接触式のヒーターで造形槽自体を加熱する、といった方法が可能である。

＜放射エネルギー吸収剤付与手段＞
放射エネルギー吸収剤付与手段は、粉体層上に放射エネルギー吸収剤を付与する。
放射エネルギーとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、光や電波等の電磁波などが挙げられる。
放射エネルギー吸収剤付与手段としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、放射エネルギー吸収剤を含む造形用液体を吐出させるインクジェットヘッドなどが挙げられる。

−造形用液体−
造形用液体としては、放射エネルギー吸収剤が含有し、常温において液状であることから液体成分を含有する。また、造形用液体としては、更に必要に応じてその他の成分を含有してもよい。

−−放射エネルギー吸収剤−−
放射エネルギー吸収剤としては、放射エネルギーを吸収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。
放射エネルギー吸収剤としては、適宜合成したものを使用してもよいし、市販品を使用してもよい。
市販品としては、例えば、カーボンブラックを含むインク型配合物であるＣＭ９９７Ａ（ヒューレット・パッカード社製）などが挙げられる。また、ＫＨＰ、骨炭、黒鉛、炭素繊維、白亜又は干渉顔料を有することもできる。さらに、赤外線吸収体、近赤外線吸収体、可視光吸収体、ＵＶ光吸収体などを含むことができる。例えば、可視光促進剤を含むインクの例としては、Ｈｅｗｌｅｔｔ−Ｐａｃｋａｒｄ Ｃｏｍｐａｎｙから市販されているＣＭ９９３Ａ及びＣＥ０４２Ａ（いずれもヒューレット・パッカード社製）として知られるインクのような、染料ベースの有色インク及び顔料ベースの有色インクが挙げられる。
これらは、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。

液体成分としては、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が、水や水溶性溶剤が好適に用いられ、特に水が主成分として用いられる。

造形用液体全体に占める水の割合としては、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が、４０質量％以上８５質量％以下が好ましく、５０質量％以上８０質量％以下がより好ましい。造形用液体全体に占める水の割合が好ましい範囲であると、放射エネルギー吸収剤付与手段がインクジェットヘッドであれば、待機時にノズルが乾燥することを抑制し、液詰まりやノズル抜けの発生を低減することができる。

水溶性溶剤は、特にインクジェットノズルを用いて造形用液体を吐出させる際、水分保持力や吐出安定性を高める上で有効である。水分保持力や吐出安定性が低下すると、ノズルが乾燥して吐出が不安定になったり、液詰まりが発生したりするため、立体造形物の強度や寸法精度が低下する場合がある。この点、水溶性溶剤は、水よりも粘度や沸点が高いものが多く、これらは特に造形用液体の湿潤剤や乾燥防止剤、粘度調整剤としても機能させることができ、有効である。

水溶性溶剤としては、水溶性を示す液体材料であれば、特に制限されるものではなく、適宜変更することができ、例えば、エタノール、プロパノール、ブ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。具体的には、１，２，６−ヘキサントリオール、１，２−ブタンジオール、１，２−ヘキサンジオール、２−ペンタンジオール、１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン、１，３−ブタンジオール、１，３−プロパンジオール、１，４−ブタンジオール、１，５−ペンタンジオール、１，６−ヘキサンジオール、２，２−ジメチル−１，３−プロパンジオール、２，３−ブタンジオール、２，４−ペンタンジオール、２，５−ヘキサンジオール、２−エチル−１，３−ヘキサンジオール、２−ピロリドン、２−メチル−１，３−プロパンジオール、２−メチル−２，４−ペンタンジオール、３−メチル−１，３−ブタンジオール、３−メチル−１，３−ヘキサンジオール、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、Ｎ−メチルピロリジノン、β−ブトキシ−Ｎ，Ｎ−ジメチルプロピオンアミド、β−メトキシ−Ｎ，Ｎ−ジメチルプロピオンアミド、γ−ブチロラクトン、ε−カプロラクタム、エチレングリコール、エチレングリコール−ｎ−ブチルエーテル、エチレングリコール−ｎ−プロピルエーテル、エチレングリコールフェニルエーテル、エチレングリコールモノ−２−エチルヘキシルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、グリセリン、ジエチレングリコール、ジエチレングリコール−ｎ−ヘキシルエーテル、ジエチレングリコールメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジグリセリン、ジプロピレングリコール、ジプロピレングリコールｎ−プロピルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジメチルスルホキシド、スルホラン、チオジグリコール、テトラエチレングリコール、トリエチレングリコール、トリエチレングリコールエチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテル、トリエチレングリコールメチルエーテル、トリプロピレングリコール、トリプロピレングリコール−ｎ−プロピルエーテル、トリプロピレングリコールメチルエーテル、トリメチロールエタン、トリメチロールプロパン、プロピルプロピレンジグリコール、プロピレングリコール、プロピレングリコール-ｎ-ブチルエーテル、プロピレングリコール-t-ブチルエーテル、プロピレングリコールフェニルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、ヘキシレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコールなどが挙げられる。

造形用液体全体に対する水溶性溶剤の割合としては、特に制限されるものではなく、適宜変更することができるが、５質量％以上６０質量％以下が好ましく、１０質量％以上５０質量％以下がより好ましく、１５質量％以上４０質量％以下が更に好ましい。造形用液体全体に対する水溶性溶剤の割合が５質量％以上であると、造形用液体の水分保持力を良好にすることができ、待機時にインクジェットヘッド内部の造形用液体が乾燥して吐出不良となることを抑制することができる。また、事前に行うチェック時と実際の吐出時の吐出量が異なることを防ぎ、所望の強度や形状を有する立体造形物が得られやすくなる。造形用液体全体に対する水溶性溶剤の割合が６０質量％以下であると、造形用液体の粘度が高くなり過ぎず、吐出安定性を向上させることができる。また、粉体の樹脂粒子の溶解性が低下することを抑制できるため、立体造形物の強度が低下しにくくすることができる。また、立体造形物の乾燥時間が長くなりすぎず、製造効率の低下や立体造形物の変形を抑制することができる。

造形用液体のその他の成分としては、例えば、湿潤剤、乾燥防止剤、粘度調整剤、界面活性剤、浸透剤、架橋剤、消泡剤、ｐＨ調整剤、防腐剤、防黴剤、着色剤、保存剤、安定化剤など、従来公知の材料を制限なく添加することができる。

［造形用液体の調製方法］
造形用液体の調製方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、水や水溶性溶剤などの液体成分に、放射エネルギー吸収剤、及び必要に応じてその他の成分を添加し、混合撹拌する方法が挙げられる。

［粉体と造形用液体の作用の一例］
粉体と造形用液体の作用としては、例えば、上記のような粉体及び造形用液体を用いることにより、粉体を用いて粉体層を形成し、放射エネルギー吸収剤を含有する造形用液体を粉体層に付与した後、放射エネルギーを粉体層に付与すると、粉体どうしが融着して造形層が形成される。

＜放射エネルギー付与手段＞
放射エネルギー付与手段は、放射エネルギー吸収剤が付与された粉体層に放射エネルギーを付与する。
放射エネルギー付与手段は、放射エネルギー源と、放射エネルギー透過部材と、放射エネルギー源収容部材とを有する。

＜＜放射エネルギー源＞＞
放射エネルギー源は、放射エネルギーを放射する。
放射エネルギー付与手段としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、光照射手段、マイクロ波照射手段などが挙げられる。これらの中でも、光照射手段が照射エネルギーの制御性の点で好ましい。

光照射手段としては、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が、光源と、光源から出射される光を反射するリフレクターとを備えることが好ましい。

光源としては、例えば、ハロゲンランプ、ＬＥＤ、半導体レーザ、ファイバーに導光されたレーザー光などが挙げられる。
光源の形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、球状灯、棒状灯などが挙げられる。
球状灯としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、電球の形状を有するものが挙げられる。
棒状灯としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、蛍光灯の形状を有するものが挙げられる。

放射エネルギー源が光源であり、放射エネルギーが光であり、放射エネルギー付与手段が光照射手段であることが好ましい。このような好ましい態様であると、実現しやすい点で有利である。

リフレクターとしては、光源から出射される光を反射でき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が、光源から出射される光を一定方向に反射可能であることが好ましい。リフレクターが好ましい態様であると、光源から出射される光を集光してエネルギーを高められる点で有利である。

リフレクターの形状としては、例えば、一端が開口した略ドーム形状、一端が開口し、開口の形状が略直方体などが挙げられる。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。これらの中でも、光源から出射される光を一方向に反射可能であるものが、放射エネルギー密度を高めることができる点で好ましい。
リフレクターの構造、大きさ及び材質としては、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。

＜＜放射エネルギー透過部材＞＞
放射エネルギー透過部材は、放射エネルギー源から放射される放射エネルギーを透過可能な部材である。
放射エネルギー透過部材としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、単なる板状の形状としてもよく、例えば、球面レンズ、非球面レンズ、シリンドリカルレンズ、マイクロレンズアレイなどにすることで集光機能を持たせて照射エネルギー密度を大きくすることも可能である。

放射エネルギー透過部材の位置としては、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が、粉体層形成手段が形成した粉体層に対向して配置されていることが好ましい。放射エネルギー透過部材が粉体層に対向して配置されていると、粉体層に放射エネルギーを付与しやすい点で有利である。

なお、放射エネルギー透過部材は、全部が放射エネルギーを透過するものであっても、一部が放射エネルギーを透過するものであってもよい。

＜＜放射エネルギー源収容部材＞＞
放射エネルギー源収容部材は、放射エネルギー透過部材と一体化されて放射エネルギー源を収容する。
放射エネルギー源収容部材としては、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が、放射エネルギー源から放射される放射エネルギーを放射エネルギー透過部材に向けて反射可能なリフレクターであることが好ましい。放射エネルギー源収容部材がリフレクターであると、リフレクターが集光機能を有するため、放射エネルギー源からより多くのエネルギーを粉体層に照射することができ、放射エネルギー密度を高めることができる点で有利である。

＜＜気流発生装置＞＞
気流発生装置は、エネルギー源収容部材内で放射エネルギー源に対し気流を流入させる。

気流発生装置としては、放射エネルギー源収容部材の内部に気流を導入する気流導入部材と、放射エネルギー源収容部材の外部に気流を導出する気流導出部材とを有することが好ましい。また、気流導入部材から気流を放射エネルギー源収容部材の内部に導入したとき、気流導出部材が、放射エネルギー源収容部材の内部における気流の下流側に接続されていることが好ましい。さらに、放射エネルギー源が棒状である場合には、棒状の放射エネルギー源を収容する放射エネルギー源収容部材における放射エネルギー源は、一端側に気流導入部材が接続され、他端側に気流導出部材が接続されていることが好ましい。
これらの好ましい態様では、気流発生装置における気流が一方向に流れるため、放射エネルギー源を確実に冷却することができる。

気流導入部材及び気流導出部材としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、直線状の配管、蛇腹状の配管などが挙げられる。

気流発生装置としては、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が、送風機を有することが好ましく、この場合には、気流導入部材及び気流導出部材が送風機に接続された管であることが好ましい。これにより、気流発生装置の気流が一方向に流れるため、放射エネルギー源をより確実に簡易な構成で冷却することができる。

送風機としては、例えば、同軸ファンなどが挙げられる。

＜その他の手段＞
その他の手段としては、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、本発明における立体造形物の製造装置の複数の実施形態について図面を参照して説明する。
なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。また、下記構成部材の数、位置、形状等は本実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好ましい数、位置、形状等にすることができる。

（第１の実施形態）
第１の実施形態における立体造形物の製造装置を図１〜図５Ｆを参照して説明する。
図１は、第１の実施形態における立体造形物の製造装置を説明するための平面図である。図２は、第１の実施形態における立体造形物の製造装置を説明するための側面図である。図３は、第１の実施形態における立体造形物の製造装置を説明するための断面図である。図４は、第１の実施形態における立体造形物の製造装置の制御部のブロック図である。図５Ａ〜図５Ｆは、第１の実施形態における立体造形物の製造装置の動作を説明するための概略図である。

本実施形態の立体造形物の製造装置は粉体積層造形装置であり、粉体２０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に対して造形用液体の液滴１０を吐出して、液滴１０を粉体層３１に塗布することにより、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、粉体２０を供給する供給槽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とを有する。造形前に供給槽２１に粉体を供給する。
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）に昇降可能となっている。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）に昇降可能となっている。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。
供給ステージ２３と造形ステージ２４は、モータによって矢印Ｚ方向（高さ方向）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に供給し、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２０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、往復移動機構によって移動される。また、平坦化ローラ１２は、モータ２６（図４参照）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３１に液滴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に搭載された吐出手段である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に昇降可能に保持されている。このキャリッジ５１は、Ｘ方向走査機構５５０の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、液体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複数列配置されている。ヘッド５２ノズル列は、放射エネルギー吸収剤を含んだ造形用液体（インク）を吐出する。ヘッド５２ａやヘッド５２ｂのノズル列は、シアン、マゼンタ、イエロー、ブラックなど色がついた造形用液体をそれぞれ吐出することもできる。なお、ヘッド構成はこれに限るものではない。
これらの造形用液体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。

ヘッドの左右には放射エネルギー付与手段８０が備わる。なお、どちらか片方のみの設置でも可能である。ヘッド５２から放射エネルギー吸収剤を含む造形用液体が吐出された領域上を放射エネルギー付与手段８０が駆動する。放射エネルギー付与手段８０はキャリッジ５１内に備えることで、ヘッド５２と駆動を共有することも可能だが、個別に駆動源を用意することで単体でのＸ方向間の駆動を可能とすることができる。

メンテナンス機構６１は、主にキャップ６２とワイパ６３とを備える。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、ノズルから造形用液体を吸引する。ノズルに詰まった粉体の排出や高粘度化した造形用液体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、造形用液体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、粉体２０がノズルに混入することや液滴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、Ｙ方向走査機構５５２のＹ方向走査モータによって全体がＹ方向に往復移動される。
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、Ｚ方向昇降機構５５１（図４参照）のＺ方向走査モータによってＺ方向に昇降される。

次に、造形部１の詳細について説明する。
造形部１は粉体槽１１を有しており、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２５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。

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。

また、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３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回転するときのカウンタ方向でも、順方向でも配置可能である。

なお、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こともできる。

＜制御部の概要及び造形の流れ＞
次に、本実施形態の立体造形物の製造装置における制御部の概要について図４を参照して説明する。図４は、同制御部のブロック図である。

制御部５００は、この装置全体の制御を行うＣＰＵ５０１と、ＣＰＵ５０１に本実施形態の製造方法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、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（立体造形物）の３Ｄデータなどから造形層ごとにスライスしたスライスデータ等の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ある。

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のモータを駆動するモータ駆動部５１０と、液体吐出ユニット５０のキャリッジ５１をＹ方向（副走査方向）に移動させるＹ方向走査機構５５２の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の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全体を昇降させるようにすることもできる。

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を駆動するモータ駆動部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を駆動する供給系駆動部と、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。

制御部５００は、造形データ作成装置６００から造形データを受領する。造形データは、目的とする立体造形物の形状をスライスしたスライスデータとしての各造形層３０の形状データ（造形データ）を含む。

そして、主制御部５００Ａは、造形層３０の造形データに基づいてヘッド５２からの造形用液体の吐出を行わせる制御をする。

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、本実施形態の立体造形物の製造装置における造形の流れについて図５Ａ〜図５Ｆを参照して説明する。

図５Ａ〜図５Ｆは、造形の流れの説明に供する模式的説明図である。ここでは、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。
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５Ａ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Ｚ方向に下降させる。

このとき、造形槽２２の上面（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Δｔ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Δｔが次に形成する粉体層３１の厚さに相当する。間隔Δｔは、数十μｍ〜１００μｍ程度であることが好ましい。

次いで、図５Ｂ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５Ｃ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５Ｄ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Δｔになる粉体層３１を形成する（平坦化）。粉体層３１を形成後、平坦化ローラ１２は、図５Ｄに示すように、Ｙ１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ｈ（積層ピッチΔｔに相当）の粉体層３１を形成できる。

なお、以下、粉体層３１の厚みｈと積層ピッチΔｔ１とを区別せずに説明することがあるが、特に断りのない限り、同じ厚みを意味する。また、粉体層３１の厚みｈを実際に測定して求めてもよく、この場合、複数箇所の平均値とすることが好ましい。

その後、図５Ｅに示すように、液体吐出ユニット５０のヘッド５２から造形用液体の液滴を吐出する。

図５Ｆに示すように、放射エネルギー付与手段８０を走査させて粉体層３１上に放射エネルギーを付与することで、粉体層３１が融着して反りのない１層分の造形層３０を得る。なお、詳細については後述する。

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による造形用液体吐出工程、放射エネルギー照射の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とは一体化して立体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による造形用液体吐出工程、放射エネルギー照射の工程を必要な回数繰り返すことによって、立体造形物を完成させる。

図６は、粉体層にエネルギーを付与した時間と粉体層の温度との関係の一例を示すグラフである。
図６では、ＰＥＥＫ粉末と黒インク（カーボンブラック含有、株式会社リコー製）を質量比１：１で混合し、得られたスラリーをスライドガラス上に平均厚み０．５ｍｍで塗布し，スライドガラスごとホットプレートに載置して、粉体層の表面温度が１７０℃となるように予熱をした。なお、粉体層の表面温度の測定は、サーモカメラＸｉ８０（Ｏｐｔｒｉｓ社製）を用いた。粉体層の表面温度が安定した後，粉体層の表面に放射エネルギーを付与し、付与している間の粉体層の表面の温度変化を記録した。放射エネルギー源としては、光加熱スポットヒーター（ＨＳＨ−１２０、フィンテック社製）を用いた。放射エネルギー密度の条件変更は，ハロゲンランプヒーター用電力コントローラー（ＨＬＣ−ＨＮ型、フィンテック社製）の出力設定で行った。

従来のＨＳＳ方式で用いられてきた低融点の材料（例えば、ＰＡ１２など）を用いる場合には、上記で１７０℃とした予熱温度から融着させるのに必要な昇温温度はわずか３０℃程度であったため、エネルギー密度が造形時間に与える影響は小さかった。具体的には、図６に示すように、予熱温度とした１７０℃から３０℃昇温させる時間は、０．１Ｗ／ｍｍ^２〜０．３Ｗ／ｍｍ^２のいずれの条件においても０．１ｓ以下であり、大きな違いはないことがわかる。図６において最もエネルギー密度が小さい０．０５Ｗ／ｍｍ^２の条件でも０．４ｓ以下であるため、高速な造形が可能である。

一方、耐熱性や耐溶剤性などに優れたスーパーエンプラなどの高融点の材料（例えば、ＰＥＥＫなど）を用いる場合には、予熱温度からの昇温温度を１４０℃以上としなければならず、図６に示すように、エネルギー密度が造形時間に大きな影響を与える。この場合には、インクジェットヘッドの耐熱性の問題により、粉体層の予熱温度を２００℃程度までしか上げることができないためである。
そこで、本実施形態の立体造形物の製造装置は、放射エネルギー源のエネルギー密度を高めることができるように、図７Ａ及び図７Ｂに示すとおり、放射エネルギー源収容部材内の放射エネルギー源を気流で冷却する。

図７Ａは、第１の実施形態における放射エネルギー源、放射エネルギー透過部材、及び放射エネルギー源収容部材を含む放射エネルギー付与手段のｘｚ平面での断面図である。図７Ｂは、第１の実施形態における放射エネルギー源、放射エネルギー透過部材、及び放射エネルギー源収容部材を含む放射エネルギー付与手段のｙｚ平面での断面図である。
図７Ａ及び図７Ｂに示すように、第１の実施形態の立体造形物の製造装置では、放射エネルギー源８１と粉体層３１は、放射エネルギー透過部材８２と放射エネルギー源収容部材８３により空間的に分離されている。第１の実施形態の立体造形物の製造装置では、分離された空間のうちの放射エネルギー源８１を含む内側のみを送風機により送り込まれた気流が流れるようになっている。また、放射エネルギー源８１の放射エネルギーは、図７Ａ及び図７Ｂの中の点線で示したとおり、放射エネルギー透過部材８２を透過して粉体層３１に付与される。これにより、第１の実施形態の立体造形物の製造装置では、粉体層３１を気流で乱すことなく放射エネルギー源８１を冷却することができるため、立体造形物の造形精度を低下させずに、より短時間で立体造形物を製造することができる。
なお、図７Ｂでは、放射エネルギー源８１と粉体層３１は、放射エネルギー透過部材８２により気体が流通しないようにしているものとしたが、これに限ることない。例えば、気流が粉体層３１に影響を及ぼさないのであれば、放射エネルギー透過部材８２に孔部が存在していてもよい。

図８は、第１の実施形態における気流発生装置を示す説明図である。
図８に示すように、気流発生装置９０は、送風機９１と、気流導入部材９２と、気流導出部材９３とを有する。放射エネルギー源８１を含む放射エネルギー源収容部材８３と送風機９１が一体として図８中ｙ方向に走査されるため、気流導入部材９２及び気流導出部材９３は走査されやすいように蛇腹状の配管としている。
なお、送風機９１が放射エネルギー源８１を含む放射エネルギー源収容部材８３とは別体にして固定とし、蛇腹状の気流導入部材９２及び気流導出部材９３のみを放射エネルギー付与手段８０とともに走査させる構成としてもよい。

このように、第１の実施形態の立体造形物の製造装置は、粉体を舞い上げること無く放射エネルギー源のエネルギー密度を高めることができるため、立体造形物の造形精度を低下させずに、より短時間で立体造形物を製造することができる。

（第２の実施形態）
図９は、粉体層に付与したエネルギーと粉体層の温度との関係の一例を示すグラフである。図９は、図６で示したグラフとは横軸が異なり、横軸を粉体層に付与したエネルギー（単位：Ｊ／ｍｍ^２）とした。放射エネルギー密度は、コントローラーに表示される出力（単位：Ｗ）を，露光される面積（単位：ｍｍ^２）で割った値で定義した。図９の横軸は，付与したエネルギー（単位：Ｊ／ｍｍ^２）とした。これは、放射エネルギー源のエネルギー密度（Ｗ／ｍｍ^２）と粉体層の表面の任意の点に放射エネルギーを付与する時間（秒間）の積である。付与した放射エネルギーに対して、温度上昇が大きいほうが、効率的に温度上昇していることが明らかとなった。例えば、付与した放射エネルギー密度が０．１Ｗ／ｍｍ^２の場合には２７７℃までしか上昇していないが、０．２Ｗ／ｍｍ^２の場合には３６０℃まで上昇している。このことは、例えば、３６０℃まで昇温することを考えると，高エネルギー密度を用いることで，昇温速度が速くなって生産性が高くなるだけではなく、エネルギー効率が上がるので，光源コストも低減できる。即ち、図６では、放射エネルギー密度の高い光源を用いたほうが短時間での造形が可能であることを示している。また、図９では、同じ出力の光源を用いる場合には光を集光して放射エネルギー密度（Ｗ／ｍｍ^２）を高くしたほうが、放射エネルギー（Ｊ）が小さくても高い温度に到達するため、エネルギー効率が向上することを示している。

このことから、図１０Ａ及び図１０Ｂに示す第２の実施形態の立体造形物の製造装置は、光源しての複数のＬＥＤ８４からの放射エネルギーを集光光学系のシリンドリカルレンズ８５で集光する態様としている。これにより、第２の実施形態の立体造形物の製造装置は、放射エネルギーをｙ方向に集光するため、粉体層３１に付与する放射エネルギー密度を高めることができる。

なお、第２の実施形態では集光光学系をシリンドリカルレンズ８５としたが、これに限ることなく、例えば、図１１Ａ及び図１１Ｂに示したように、リフレクター８６などにしてもよい。
また、第２の実施形態では光源を複数のＬＥＤとしたが、これに限ることなく、例えば、レーザー光源、ファイバーに導光されたレーザー光源、ランプなどとしてもよい。

（第３の実施形態）
第３の実施形態における立体造形物の製造装置は、図１２に示すように、光源にハロゲンランプを用い、リフレクター８６を放射エネルギー源収容部材として兼用する態様としている。これにより、第３の実施形態における立体造形物の製造装置は、図１１Ａ及び図１１Ｂに示した態様から放射エネルギー源収容部材が不要になるため、簡易な構成で光源の冷却を行うことができるとともに、小型化及び軽量化することができる。放射エネルギー源を含むモジュールは、粉体層全体に放射エネルギーを付与するために走査されることから、小型・軽量化は、走査の安定性の観点から重要である。

また、図１２中の矢印が示す方向に送風を行うとする場合、送風機は、放射エネルギー源のＢ側よりもＡ側に設置されているほうが好ましい。送風機が放射エネルギー源のＡ側に設置されていると、装置が設置されている雰囲気温度の空気を光源に送り込むので、送風機が光源からの熱に晒されることがないことから、送風機に対して耐熱性が要求されない点で有利である。

なお、第２の実施形態ではリフレクター８６を放射エネルギー源収容部材として兼用するようにしたが、これに限ることなく、例えば、図１３Ａ及び図１３Ｂに示したように、シリンドリカルレンズ８５を放射エネルギー透過部材として兼用してもよい。

（第４の実施形態）
第４の実施形態における立体造形物の製造装置は、図１４に示すように、放射エネルギー透過部材を２枚設け、その間に断熱層を設ける態様としている。
断熱層としては、例えば、空気を充填した層、アルゴンガスのような熱伝導率の低い気体を充填した層、真空とした層などが挙げられる。具体的には、放射エネルギー透過部材の面積が０．０３ｍ^２、内側を通る内側温度が３０℃、外側温度が２００℃の場合、放射エネルギー透過部を厚さ１ｍｍの石英ガラス１枚とした場合の外側から内側への流入熱量を計算すると約６００Ｗとなる。これに対し、石英ガラス２枚を１ｍｍの空気層を挟んで密閉して配置した場合には約２０Ｗとなり、石英ガラス１枚の場合と比較して必要な冷却量が約５８０Ｗも削減できる。

また、図１４に示すように、複数の放射エネルギー透過部材を用いてその間に断熱層を設ける場合、放射エネルギー透過部材一枚あたりに生じる温度差が小さくなる。即ち、放射エネルギー透過部材一枚あたりに生じる温度勾配が小さくなるため、放射エネルギー透過部材にかかる熱応力が小さくなる。このため、放射エネルギー透過部材を一枚だけ設ける場合と比較して、破断応力の小さい部材を放射エネルギー透過部材に用いることができるようになり、材料選択性が増すという点で有利である。さらに、複数の放射エネルギー透過部材に同じ部材を用いたときに許容できる内側と外側の温度差を大きくすることができる。

さらに、ワークディスタンスの小さい集光系を用いて焦点位置でエネルギーを粉面に照射するためには、放射エネルギー透過部材の厚みを小さくする必要があるが、ワークディスタンスが大きく、また上記のように放射エネルギー透過部材に生じる熱応力が破断応力に対して問題にならないほど小さい場合には、単に放射エネルギー透過部材を厚くすることで断熱機能を持たせることももちろん可能である。
放射エネルギー透過部材の材質としては、耐熱性の観点から、石英ガラスが好ましい。

これにより、第４の実施形態における立体造形物の製造装置は、放射エネルギー透過部材と放射エネルギー収容部材に覆われている内側とその外側との間の熱抵抗を大きくすることができ、高い断熱性能を得ることができる。気流が流れる内側は、光源の冷却のために、例えば、５０℃以下に保ちたいところ、外側は、例えば、スーパーエンプラを用いる場合には、２００℃程度まで予熱されるため、内側よりも温度が高くなる。このように、外側の温度が内側の温度よりも高い場合には、外側から内側に熱流が流れ込んでしまうため内側を低温に保つために所定の冷却量が必要になる。

なお、図１５に示したような、１つのリフレクターで複数の放射エネルギー源を覆う放射エネルギー付与手段を有していても、気流により放射エネルギー源を冷却できるため、高い放射エネルギーを粉体層に付与できる。また、このような放射エネルギー付与手段は、複数の放射エネルギー源を１つのリフレクターで覆う態様であるため、小型化が可能となる。

以上説明したように、本発明の立体造形物の製造装置は、粉体層を形成する粉体層形成手段と、粉体層上に放射エネルギー吸収剤を付与する放射エネルギー吸収剤付与手段と、放射エネルギー吸収剤が付与された粉体層に放射エネルギーを付与する放射エネルギー付与手段と、気流を発生させる気流発生装置と、を有する。放射エネルギー付与手段は、放射エネルギーを放射する放射エネルギー源と、放射エネルギー源から放射される放射エネルギーを透過可能な放射エネルギー透過部材と、放射エネルギー透過部材と一体化されて放射エネルギー源を収容する放射エネルギー源収容部材と、を有する。そして、気流発生装置により発生される気流は、エネルギー源収容部材内で放射エネルギー源に向けて流入する。
これにより、本発明の立体造形物の製造装置は、気流により放射エネルギー源を冷却することができるため、放射エネルギーを高めても放射エネルギー源が熱により故障しにくくなることから、高い放射エネルギーで、より短時間で立体造形物を製造できる。また、本発明の立体造形物の製造装置は、エネルギー源収容部材内で放射エネルギー源に対し気流を流入させることで、装置内の粉体を舞い散らすことがなくなり、立体造形物となる粉体が減少しないことから、造形精度を低下させずに立体造形物を製造することができる。

本発明の態様は、例えば、以下のとおりである。
＜１＞ 粉体層を形成する粉体層形成手段と、
前記粉体層上に放射エネルギー吸収剤を付与する放射エネルギー吸収剤付与手段と、
前記放射エネルギー吸収剤が付与された前記粉体層に放射エネルギーを付与する放射エネルギー付与手段と、
気流を発生させる気流発生装置と、
を有し、
前記放射エネルギー付与手段は、放射エネルギーを放射する放射エネルギー源と、前記放射エネルギー源から放射される放射エネルギーを透過可能な放射エネルギー透過部材と、前記放射エネルギー透過部材と一体化されて前記放射エネルギー源を収容する放射エネルギー源収容部材と、を有し、
前記気流発生装置により発生される前記気流は、前記エネルギー源収容部材内で前記放射エネルギー源に向けて流入することを特徴とする立体造形物の製造装置である。
である。
＜２＞ 前記気流発生装置が、前記放射エネルギー源収容部材の内部に気流を導入する気流導入部材と、前記前記放射エネルギー源収容部材の外部に気流を導出する気流導出部材とを有する、前記＜１＞に記載の立体造形物の製造装置である。
＜３＞ 前記気流発生装置が送風機を有し、
前記気流導入部材及び前記気流導出部材が前記送風機に接続された管である、前記＜２＞に記載の立体造形物の製造装置である。
＜４＞ 前記気流導入部材から前記気流を前記放射エネルギー源収容部材の内部に導入したとき、前記気流導出部材が、前記放射エネルギー源収容部材の内部における前記気流の下流側に接続された、前記＜２＞から＜３＞のいずれかに記載の立体造形物の製造装置である。
＜５＞ 前記放射エネルギー源が棒状であり、棒状の前記放射エネルギー源を収容する前記放射エネルギー源収容部材における前記放射エネルギー源の、一端側に前記気流導入部材が接続され、他端側に前記気流導出部材が接続された、前記＜２＞から＜４＞のいずれかに記載の立体造形物の製造装置である。
＜６＞ 前記放射エネルギー透過部材が、前記粉体層形成手段が形成した前記粉体層に対向して配置される、前記＜１＞から＜５＞のいずれかに記載の立体造形物の製造装置である。
＜７＞ 前記放射エネルギー源が光源であり、前記放射エネルギーが光であり、前記放射エネルギー付与手段が光照射手段である、前記＜１＞から＜６＞のいずれかに記載の立体造形物の製造装置である。
＜８＞ 前記放射エネルギー源収容部材又は前記放射エネルギー透過部材が、前記放射エネルギーを集光する集光機能を有する、前記＜１＞から＜７＞のいずれかに記載の立体造形物の製造装置である。
＜９＞ 前記放射エネルギー源収容部材が、前記放射エネルギー源から放射される前記放射エネルギーを前記放射エネルギー透過部材に向けて反射可能なリフレクターである、前記＜１＞から＜８＞のいずれかに記載の立体造形物の製造装置である。
＜１０＞ 粉体層を形成する粉体層形成工程と、
前記粉体層上に放射エネルギー吸収剤を付与する放射エネルギー吸収剤付与工程と、
前記放射エネルギー吸収剤が付与された前記粉体層に放射エネルギーを付与する放射エネルギー付与工程と、
を含み、
前記放射エネルギー付与工程において、前記粉体層には接触させることなく、前記放射エネルギーを付与する前記放射エネルギー源に対し気流を流入させる、
ことを特徴とする立体造形物の製造方法である。

前記＜１＞から＜９＞のいずれかに記載の立体造形物の製造装置、及び前記＜１０＞に記載の立体造形物の製造方法によると、従来における前記諸問題を解決し、前記本発明の目的を達成することができる。

国際公開第２０１７／１９７０１５号 特開平０８−１０２２９８号公報

１ 造形部
５ 造形ユニット
７ ベース部材
１０ 液滴
１１ 粉体槽
１２ 平坦化ローラ
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
２５ 余剰粉体受け槽
２６、２８ モータ
３０ 造形層
３１ 粉体層
５０ 液体吐出ユニット（放射エネルギー吸収剤付与手段の一例）
５１ キャリッジ
５２、５２ａ、５２ｂ 液体吐出ヘッド
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
７１ ガイド部材
７２ スライダ部
８０ 放射エネルギー付与手段
８１ 放射エネルギー源
８２ リフレクター
８３ 放射エネルギー源収容部材
９０ 気流発生装置
９１ 送風機
９２ 気流導入部材
９３ 気流導出部材

Claims (10)

1. 粉体層を形成する粉体層形成手段と、
   前記粉体層上に放射エネルギー吸収剤を付与する放射エネルギー吸収剤付与手段と、
   前記放射エネルギー吸収剤が付与された前記粉体層に放射エネルギーを付与する放射エネルギー付与手段と、
   気流を発生させる気流発生装置と、
   を有し、
   前記放射エネルギー付与手段は、放射エネルギーを放射する放射エネルギー源と、前記放射エネルギー源から放射される放射エネルギーを透過可能な放射エネルギー透過部材と、前記放射エネルギー透過部材と一体化されて前記放射エネルギー源を収容する放射エネルギー源収容部材と、を有し、
   前記気流発生装置により発生される前記気流は、前記エネルギー源収容部材内で前記放射エネルギー源に向けて流入することを特徴とする立体造形物の製造装置。
2. 前記気流発生装置が、前記放射エネルギー源収容部材の内部に気流を導入する気流導入部材と、前記前記放射エネルギー源収容部材の外部に気流を導出する気流導出部材とを有する、請求項１に記載の立体造形物の製造装置。
3. 前記気流発生装置が送風機を有し、
   前記気流導入部材及び前記気流導出部材が前記送風機に接続された管である、請求項２に記載の立体造形物の製造装置。
4. 前記気流導入部材から前記気流を前記放射エネルギー源収容部材の内部に導入したとき、前記気流導出部材が、前記放射エネルギー源収容部材の内部における前記気流の下流側に接続された、請求項２から３のいずれかに記載の立体造形物の製造装置。
5. 前記放射エネルギー源が棒状であり、棒状の前記放射エネルギー源を収容する前記放射エネルギー源収容部材における前記放射エネルギー源の、一端側に前記気流導入部材が接続され、他端側に前記気流導出部材が接続された、請求項２から４のいずれかに記載の立体造形物の製造装置。
6. 前記放射エネルギー透過部材が、前記粉体層形成手段が形成した前記粉体層に対向して配置される、請求項１から５のいずれかに記載の立体造形物の製造装置。
7. 前記放射エネルギー源が光源であり、前記放射エネルギーが光であり、前記放射エネルギー付与手段が光照射手段である、請求項１から６のいずれかに記載の立体造形物の製造装置。
8. 前記放射エネルギー源収容部材又は前記放射エネルギー透過部材が、前記放射エネルギーを集光する集光機能を有する、請求項１から７のいずれかに記載の立体造形物の製造装置。
9. 前記放射エネルギー源収容部材が、前記放射エネルギー源から放射される前記放射エネルギーを前記放射エネルギー透過部材に向けて反射可能なリフレクターである、請求項１から８のいずれかに記載の立体造形物の製造装置。
10. 粉体層を形成する粉体層形成工程と、
    前記粉体層上に放射エネルギー吸収剤を付与する放射エネルギー吸収剤付与工程と、
    前記放射エネルギー吸収剤が付与された前記粉体層に放射エネルギーを付与する放射エネルギー付与工程と、
    を含み、
    前記放射エネルギー付与工程において、前記粉体層には接触させることなく、前記放射エネルギーを付与する前記放射エネルギー源に対し気流を流入させる、
    ことを特徴とする立体造形物の製造方法。