JP2021055173A - ３次元造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】平坦な粉末層を形成してより高品質な造形物の造形を支援する技術を提供する。【解決手段】３次元造形装置は、粉末を均して粉末層を形成する均し手段と、造形物の３次元データに基づいて、前記粉末層に対して前記粉末を結合させる液体を付与する液体付与手段と、前記粉末層の形成と前記液体の付与とを繰り返して、積層された前記粉末層内に前記造形物を形成するよう、前記均し手段および前記液体付与手段とを制御する制御手段と、を有し、前記均し手段は、前記粉末層の形成時に前記粉末の付着が低減するように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、粉末を積層造形することで造形物を造形する３次元造形装置に関する。

３次元の造形物（立体物）を造形する方法として、造形対象物である３次元モデルのスライスデータに従って粉末を積層する積層造形法が注目されている。積層造形法によって造形物を造形する３次元造形装置は、粉末層を形成する手段（リコータ）によって粉末を均して粉末層を形成し、粉末層に対して液体（バインダ）を付与する。そして、３次元造形装置は、粉末層の形成と液体の付与を繰り返すことで、造形物を積層造形する。３次元造形装置による粉末層の形成においては、造形物が造形される造形室内に供給された粉末がローラやスクイージによって平滑化される。特許文献１では、粉末を均すローラの表面に蓄積した余分な粉末を除去するために、ローラの表面に形成された孔から粉末を吸引して回収する技術が提案されている。

特開２０１７−１２７９８９号公報

３次元造形装置において使用される粉末は、金属やセラミックなど、その種類は多岐にわたる。それぞれの粉末の特性（材質や平均粒径など）によっては、孔から粉末を吸引できず、粉末層を形成する手段が有するローラやスクイージの表面に粉末が付着して、平坦な粉末層を形成できない可能性がある。

本件開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであり、平坦な粉末層を形成してより高品質な造形物の造形を支援する技術を提供する。

本件開示の技術である３次元造形装置は、
粉末を均して粉末層を形成する均し手段と、
造形物の３次元データに基づいて、前記粉末層に対して前記粉末を結合させる液体を付与する液体付与手段と、
前記粉末層の形成と前記液体の付与とを繰り返して、積層された前記粉末層内に前記造形物を形成するよう、前記均し手段および前記液体付与手段とを制御する制御手段と、
を有し、
前記均し手段は、前記粉末層の形成時に前記粉末の付着が低減するように構成されている、
ことを特徴とする。

本件開示の技術によれば、粉末層形成手段に粉末が付着することを抑制して、より平坦な粉末層を形成してより高品質な造形物の造形を行うことができる。

第１実施形態に係る３次元造形装置の概略構成図 粉末層を形成するための３次元造形装置の動作シーケンス 乾燥手段を有する３次元造形装置における課題を示す図 乾燥手段を有しない３次元造形装置における課題を示す図 第１実施形態に係る３次元造形装置の粉末層形成手段の概略構成図 第１実施形態に係る３次元造形装置の動作説明図 第２実施形態に係る３次元造形装置の粉末層形成手段の概略構成図 第２実施形態に係る３次元造形装置の動作説明図 第３実施形態に係る３次元造形装置の粉末層形成手段の概略構成図 第３実施形態に係る３次元造形装置における効果を示す図

以下に、図面を参照しつつ、本件開示の技術の好適な実施の形態について説明する。ただし、以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状およびそれらの相対配置などは、発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものである。よって、この発明の範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。特に図示あるいは記述をしない構成や工程には、当該技術分野の周知技術または公知技術を適用することが可能である。また、重複する説明は省略する場合がある。

本件開示の技術は、粒子状の材料（母粒子とも称する）である粉末を用いて立体的な造形物を作製する技術に関する。よって本件開示の技術は、アディティブマニファクチャリング（ＡＭ）システム、３次元プリンタ、ラピッドプロトタイピングシステムなどと呼ばれる３次元造形装置として捉えられる。

また、本件開示の技術に係る３次元造形装置には、造形ステージ上に粉末を均して粉末層を形成するステップと、造形物の３次元データを基に粉末層に液体を付与するステップと、を交互に繰り返して粉末層内に造形物を形成する装置を含む。この場合、粉末には、樹脂や金属、セラミックスなどの粉末が好適に用いられる。また、粉末層に付与される液体には、粉末を結合させる結着液の他、ナノ粒子を分散させた粒子分散液などが好適に用いられる。

本明細書における造形物とは、典型的には造形対象の立体物であり、造形物の３次元データには、立体物の形状データやスライスデータなどが含まれる。造形物は必ずしも高い強度を持たず、造形物形状に応じて立体的に液体を付与したものを含む。また、液体を付与した箇所を乾燥や加熱などの手段で固化し、固化していない領域を取り除くことで得られるものについても造形物と呼ぶ。また、さらに熱処理を行い、焼結することで強度を増加させたものも造形物に含む。

また、以下の説明では、３次元データに従って粉末を固定させるための液体（バインダ）を粉末層に吐出し、造形物を形成していくバインダージェット方式を例に説明する。ただし、以下の説明は、粉末層にレーザーや電子線を照射して粉末を溶結し、造形物を形成していく熱源方式にも適用可能である。

（第１実施形態）
以下に、第１実施形態に係る３次元造形装置について説明する。図１は、第１実施形態に係る３次元造形装置１００の全体構成図である。まず、３次元造形装置１００の各構成要素について説明する。

粉末供給槽１は、粉末４を供給するための供給ステージ２と供給テーブル３とを備える粉末供給部１０１と、造形物を造形するための造形ステージ６と造形テーブル７と造形槽５とを備える造形部１２とを有する。また、供給ステージ２と造形ステージ６は、それぞれ供給ステージ制御部１６と造形ステージ制御部１７によって駆動制御される。粉末供給
部１０１によって保持される粉末４は、造形部１０２に供給される。粉末供給部１０１では、供給テーブル３上に粉末４が堆積されている。供給テーブル３は供給ステージ２によって鉛直（紙面の上下）方向に駆動され、粉末４が造形槽５に搬送される。造形槽５では、造形テーブル７上に、粉末供給部１０１から搬送された粉末４が堆積されて粉末層２１が形成される。造形テーブル７は造形ステージ６によって鉛直方向に駆動され、造形テーブル７の位置が、粉末４によって形成される粉末層２１の高さが造形に必要な高さになるように調整される。造形槽５は粉末供給槽１から分離可能に構成されており、粉末供給槽１において造形物の造形が終了した後に、造形物は造形槽５と共に取り出され、加熱炉で加熱処理が行われる。

また、３次元造形装置１００は、粉末４を粉末供給部１０１から造形部１０２に搬送するためのリコータユニット９を有する。リコータユニット９は、リコータユニット制御部１８によって駆動制御される。また、リコータユニット９には、造形部１０２に搬送された粉末４を均して平坦な粉末層２１を形成するためのローラ１１および／またはスクイージ１２が設けられる。ローラ１１および／またはスクイージ１２には、後述する圧縮気体制御部１９が接続されている。なお、図１では、リコータユニット９にローラ１１とスクイージ１２とが設けられているが、いずれか一方がリコータユニット９に設けられる構成としてもよい。なお、ローラ１１および／またはスクイージ１２が、粉末を均して粉末層を形成する均し手段の一例である。

また、３次元造形装置１００は、造形槽５に形成された粉末層２１に液体を吐出するための液体吐出ユニット１０を有する。液体吐出ユニット１０は、液体吐出ユニット制御部２０によって駆動制御される。液体吐出ユニット１０は、複数の液体吐出ヘッド１３を有し、３次元データに従って、造形槽５に形成された粉末層２１に対して、粉末４を結合させるための液体を吐出する。なお、液体吐出ユニット１０が、３次元データに基づいて粉末を結合させる液体を付与する液体付与手段の一例である。本実施形態では、リコータユニット９と液体吐出ユニット１０は、ガイド８によって支持され、それぞれ水平（紙面の左右）方向に駆動される。

また、３次元造形装置１００は、装置内の各部の動作を制御する制御手段として機能するシステムコントローラ１５を有する。システムコントローラ１５は、粉末４の特性に関する情報や造形物の３次元データを情報取得部１４から受信する。また、システムコントローラ１５は、装置駆動シーケンスに従って供給ステージ制御部１６、造形ステージ制御部１７、リコータユニット制御部１８、圧縮気体制御部１９、液体吐出ユニット制御部２０にそれぞれ指示を送信する。これら制御部によって装置内の各部の動作が制御されることで、造形部１０２における造形物の造形が行われる。

図２は、造形槽５内に粉末層２１を生成するステップ（粉末層形成ステップ）と、粉末層に液体を吐出して造形物を造形するステップ（液体吐出ステップ）とを含む、動作シーケンスの一例を示す。以下に、図２に示す各ステップにおける３次元造形装置１００の動作について説明する。

（ステップ１）
まず、リコータユニット９と液体吐出ユニット１０がホーム位置に移動される。図２において、リコータユニット９はガイド８の一端（左端）のホーム位置に、また、液体吐出ユニット１０はガイド８の他端（右端）のホーム位置に、それぞれ位置決めされている。リコータユニット９には、リコータユニット９を上下方向に移動させる不図示の駆動機構が設けられており、ローラ１１とスクイージ１２を使用しない場合は、リコータユニット９は上昇されて待機状態となる。

粉末供給槽１の粉末供給部１０１には、造形物の造形に使用する粉末４が貯蔵されている。造形部１０２における造形物の造形時に粉末４が不足する場合は、不図示の粉末４の粉末貯蔵タンクから粉末供給部１０１に、粉末搬送用ダクトなどを介して粉末４が供給される。

（ステップ２）
次に、粉末供給部１０１において、供給ステージ２が上昇され、造形ステージ６が下降される。また、供給ステージ２の上昇に伴って押し上げられた粉末４を造形部１０２の造形槽５に搬送するため、待機状態にあるリコータユニット９が下降される。

造形物の３次元データは、造形物全体のＣＡＤデータが、データ変換プログラム（スライサー）によって、造形物の高さ方向に沿ってあらかじめ定められた積層単位で複数に分割されることで生成される。一般に、３次元造形装置では、３次元データにおける層の厚さは数μｍから数百μｍに設定される。仮に供給テーブル３と造形テーブル７の上面の面積が同じであるとすると、３次元データにおける層の厚さが１００μｍである場合、造形ステージ６が１００μｍ下降され、供給ステージ２が１００μｍ上昇される。なお、造形槽５の上面に平坦な粉末層を形成するには、粉末供給部１０１から造形部１０２に、粉末層の形成に必要な量よりも多い量の粉末４が供給されるとよいため、供給ステージ２が上昇される高さは１００μｍ以上であることが望ましい。

（ステップ３）
次に、下降されたリコータユニット９が粉末供給部１０１側から造形部１０２側に向かって移動され、リコータユニット９に設けられているローラ１１またはスクイージ１２あるいはその両方によって粉末４が造形槽５内の造形ステージ７上に搬送される。さらに、リコータユニット９が移動され、搬送された粉末４がローラ１１またはスクイージ１２あるいはその両方によって均され、造形槽５において均一で平坦な１００μｍの粉末層２１が形成される。

（ステップ４）
そして、ローラ１１および／またはスクイージ１２による粉末層２１の形成が完了すると、リコータユニット９は、造形槽５の上面を通過した後に停止される。そして、リコータユニット９は、ホーム位置に戻るために上昇されて待機状態となる。これにより、リコータユニット９がホーム位置まで移動される際に、形成された粉末層２１に接触することが防止される。

（ステップ５）
リコータユニット９のホーム位置への移動開始とともに、ホーム位置で待機状態にある液体吐出ユニット１０が造形部１０２側に移動し、３次元データに従って液体吐出ヘッド１３から粉末層２１に向けて液体２２を吐出する。このように、リコータユニット９の移動と液体吐出ユニット１０の移動をまとめて行うことで、造形時間の短縮を図ることができる。

例えば、粉末層２１に吐出される液体２２は、水を主たる溶媒としており、粉末４の平均粒径よりも小さい平均粒径の金属またはセラミックスの粒子をバインダとして含む。粒径の小さな粒子は、粒径の大きい粒子に比べてより低い焼結温度で焼結する性質がある。このことから、液体２２が付与された粉末層２１を、粉末４の焼結温度よりも低い温度で加熱することで、液体２２に含まれるバインダが焼結され、粉末層２１から造形物を取り出すことができる。また、液体２２に樹脂系のバインダを使用しないことで、焼結時に炭素などの不純物が残らず、より高純度な造形物を得ることができるという効果が期待できる。ただし、液体２２はこれに限定されるものではなく、熱硬化性の樹脂バインダ組成物
や光硬化性の樹脂バインダ組成物を溶媒に溶解した液などを用いることもできる。

（ステップ６）
次に、リコータユニット９は、ホーム位置まで移動されて、次の粉末層の形成が開始されるまで待機状態となる。また、液体吐出ユニット１０は、粉末層２１に対する液体２２の吐出が完了すると停止される。そして、３次元データに従って液体２２が吐出された粉末層２１は、赤外線ランプなどの乾燥手段２３によって乾燥され、１層分の造形が完了する。そして、次の層の造形を開始するために液体吐出ユニット１０がホーム位置に移動された後、上記のステップ１〜ステップ６の動作が繰り返されることで、３次元データに従った造形物の造形が行われる。

３次元造形装置１００によって造形される造形物には、産業機械、自動車、航空宇宙、医療など種々の分野の造形物が含まれ、使用される粉末４の種類も、金属、セラミックなど多岐にわたる。粉末４の特性（平均粒径、材質など）によっては、均し手段であるローラ１１やスクイージ１２の表面に粉末４が付着する結果、平坦で均一な粉末層２１を形成できない可能性がある。

ここで、図３および図４を参照しながら、ローラを使用して粉末層を形成する場合に、従来の３次元造形装置において懸念される問題について説明する。図３および図４では、３次元造形装置１００において従来のローラ１１１を使用する場合を想定する。図３Ａに示すように、赤外線ランプなどの乾燥手段２３により、液体２２が付与された粉末層２１を乾燥させる場合、液体２２は水を主な溶媒としているため、加熱によって液体２２の蒸気が発生し、ローラ１１１の表面に液体２２が付着する。この結果、図３Ｂに示すように、ローラ１１１によって粉末４が均される際に、ローラ１１１の表面に粉末４が付着し、ローラ１１１を用いて平坦で均一な粉末層が形成できない可能性がある。

また、図４Ａに示すように上記の乾燥手段２３による粉末層２１の乾燥ステップが行われない場合は、図４Ｂに示すように液体２２が粉末層２１の表面に染み出してくることでローラ１１１の表面に液体２２が付着する。この結果、ローラ表面１１１によって粉末４が均される際に、ローラ１１１の表面に粉末４が付着し、ローラ１１１を用いて平坦で均一な粉末層を形成できない可能性がある。

また、均し手段としてローラ１１１の代わりにスクイージを使用した場合でも、上記と同様の理由からスクイージの表面に水分が付着する。この結果、スクイージによって粉末４が均される際に、スクイージの表面に粉末４が付着し、スクイージを用いて平坦で均一な粉末層が形成できない可能性がある。

次に、上記の問題を解決するための本実施形態に係る３次元造形装置１００の均し手段の概略構成について、図５Ａ、図５Ｂを参照しながら説明する。図５Ａは、均し手段としてローラ１１を用いる場合に、ローラ１１によって粉末４を積層して粉末層２１を形成する構成を示す。ローラ１１には、粉末４と接触する外周部分に、粉末４の付着を抑制する手段として多孔質体２４が設けられている。図５Ｂは、均し手段としてスクイージ１２を用いる場合に、粉末４を積層して粉末層２１を形成する構成を示す。ローラ１１と同様、スクイージ１２には、粉末４と接触する部分に、粉末４の付着を抑制する手段として多孔質体２４が設けられている。

次に、図６Ａを参照しながら、スクイージ１２を使用する場合の３次元造形装置１００の動作について説明する。

多孔質体２４は、その内部から表面までの領域全体に亘って小さい気孔が多数形成され
ている部材であり、多孔質体２４の材質として金属やセラミックスなどが挙げられる。図６Ａに示すように、スクイージ１２には多孔質体２４が設けられており、多孔質体２４は配管２９を介してサーボバルブ２８に接続されている。スクイージ１２は水平（紙面の左右）方向に動きながら粉末４を均すため、配管２９には、スクイージ１２の移動に伴って変形する可撓性チューブが採用される。また、コンプレッサ２７によって圧縮気体が生成され、生成された圧縮気体は配管２９を介してサーボバルブ２８に送られる。サーボバルブ２８は、圧縮気体制御部１９からの指示に従って動作することで、圧縮気体の流速を調整する流速調整手段として機能する。圧縮気体は、サーボバルブ２８によって流速が調整されることで、配管２９を介して多孔質体２４に所定圧力で供給され、多孔質体２４の表面から噴出される。この結果、多孔質体２４の表面に圧縮気体の層が形成されることにより、多孔質体２４の表面に液体２２が付着する可能性が抑えられるとともに、スクイージ１２による平坦で均一な粉末層２１の形成が達成される。

造形物の材料となる粉末４は、平均粒径が数μｍ〜数十μｍ程度の微粉末であることから、スクイージ１２から噴出される圧縮気体の流速が大きくなると、粉末層２１を形成している粉末４まで吹き飛ばされて粉末層２１の外部に移動してしまう可能性がある。本実施形態では、情報取得部１４が、粉末４の特性（平均粒径、材質など）の情報を取得し、取得した情報をシステムコントローラ１５に送信する。システムコントローラ１５は、情報取得部１４から取得した粉末の特性の情報に基づいて圧縮気体の流速を算出する。本実施形態では、粉末４の特性から圧縮気体の流速を算出するための式やテーブルが３次元造形装置１００の図示しない記憶部に記憶されている。システムコントローラ１５は、記憶部に記憶されている式やテーブルを基に、粉末４の特性から圧縮気体の流速を算出する。なお、システムコントローラ１５は、理論計算によって圧縮気体の流速を算出してもよい。また、粉末４の特性と圧縮気体の流速との関係についての実験結果やシミュレーション結果が記憶部に記憶され、システムコントローラ１５は、記憶部に記憶されている実験結果やシミュレーション結果を基に、圧縮気体の流速を算出してもよい。

システムコントローラ１５は、算出した圧縮気体の流速を設定値として圧縮気体制御部１９に送信する。圧縮気体制御部１９は、システムコントローラ１５から受信した設定値を基に、サーボバルブ２８を制御する。これにより、圧縮気体によって粉末層２１を形成している粉末４が粉末層２１の外部に移動しないように、多孔質体２４に供給される圧縮気体の流速がサーボバルブ２８によって調整される。なお、システムコントローラ１５、圧縮気体制御部１９、サーボバルブ２８が、圧縮気体の流速を調整する調整手段の一例である。

本実施形態では、図１、図５に示すように、粉末供給槽１、ガイド８、リコータユニット９、液体吐出ユニット１０、ローラ１１、スクイージ１２などの各構成要素がチャンバ２５内に収容されている。スクイージ１２に供給される圧縮気体として一般的には空気が使用されるが、空気の代わりに窒素やアルゴンなどの不活性気体も使用可能である。圧縮気体に使用される気体の種類は、３次元造形装置１００の使用環境に合わせて決定される。また、粉末４にチタンやアルミなどの粉末を使う場合には、粉末４の酸化を防止するために、圧縮気体には不活性気体が使用される。また、圧縮気体の圧力は、チャンバ２５内の圧力との差によって決まることから、情報取得部１４が、チャンバ２５内の圧力の情報もシステムコントローラ１５に提供されてよい。そして、システムコントローラ１５は、チャンバ２５内の圧力の情報も用いて圧縮気体の流速を決定することができる。

多孔質体２４の気孔のサイズは粉末４の平均粒径よりも小さいことが、粉末４による目詰まりの可能性が低くなる点で好ましい。本実施形態では、リコータユニット９がホーム位置で待機状態にあるときに、多孔質体２４に供給される圧縮気体の供給圧力を一時的に上げることで、多孔質体２４から目詰まりした粉末４を吹き飛ばすことができる。また、
３次元造形装置１００内において吹き飛ばされた粉末４が舞い上がらないように、吸引装置（不図示）によって吹き飛ばされた粉末４を回収したり、可動式の遮蔽板（不図示）によって粉末４が飛び散ることを防止したりする構成が採用されてよい。

なお、上記の説明は、スクイージ１２の代わりに図６Ｂに示すローラ１１に置き換えた場合にも適用できる。図６Ｂに示すように、ローラ１１に多孔質体２４が設けられ、多孔質体２４は配管２９を介してサーボバルブ２８に接続されている。そして、圧縮気体が配管２９を介して多孔質体２４に供給され、多孔質体２４の表面から圧縮気体が噴出される。この結果、多孔質体２４の表面に圧縮気体の層が形成されることにより、多孔質体２４の表面に液体２２が付着する可能性が抑えられるとともに、スクイージ１２による平坦で均一な粉末層２１の形成が達成される。

以上のように、本実施形態によれば、ローラ１１および／またはスクイージ１２の粉末４と接触する部分に多孔質体２４を配置することで、粉末層２１の形成時に粉末４がローラ１１および／またはスクイージ１２に付着する可能性を低減させることができる。これにより、本実施形態に係る３次元造形装置１００によれば、従来の３次元造形装置に比べて、より平坦な粉末層を形成してより高品質な造形物の造形を行うことができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る３次元造形装置について説明する。なお、以下の説明において、第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。図７Ａ、図７Ｂを参照しながら、第２実施形態に係る３次元造形装置２００の均し手段について説明する。図７Ａは、均し手段としてローラ２１１を用いる場合に、ローラ２１１によって粉末４を積層して粉末層２１を形成する構成を示す。ローラ２１１には、粉末４と接触する外周部分に、粉末４の付着を抑制する手段として発熱体３０が設けられている。図７Ｂは、均し手段としてスクイージ２１２を用いる場合に、スクイージ２１２によって粉末４を積層して粉末層２１を形成する構成を示す。スクイージ２１２には、粉末４と接触する部分に、粉末４の付着を抑制する手段として発熱体３０が設けられている。発熱体３０として、炭化ケイ素などの非金属発熱体や、ニッケル−クロムなどの金属発熱体が用いられる。本実施形態では、発熱体３０によってローラ２１１および／またはスクイージ２１２の表面に付着した液体２２が蒸発される。なお、発熱体３０が、発熱手段の一例である。

次に、図８Ａを参照しながら、スクイージ２１２を使用する場合の３次元造形装置２００の動作について説明する。

スクイージ２１２の構成の一例として、図８Ａに示すように、スクイージ２１２が、発熱体３０を挟持する２つの保持部２１２ａ、２１２ｂに分かれている。なお、スクイージ２１２が２つの保持部２１２ａ、２１２ｂに分かれずに一体的に構成され、スクイージ２１２自体が発熱体として構成されていてもよい。また、ローラ２１１の構成の一例として、図８Ｂに示すように、ローラ２１１が内層２１１ａと外層２１１ｂとに分かれ、発熱体３０が内層２１１ａと外層２１１ｂとで挟持されるように配置されている。なお、ローラ２１１が内層２１１ａと外層２１１ｂに分かれずに一体的に構成され、ローラ２１１自体が発熱体として構成されていてもよい。

粉末層２１の形成時の発熱体３０の温度は、粉末層２１に付与される液体２２の特性（成分、粘度など）や粉末４の特性（平均粒径、材質など）に合わせて適宜設定される。そのため、情報取得部１４が、粉末の特性情報をシステムコントローラ１５に送信し、システムコントローラ１５が受信した粉末の特性情報を基に発熱体３０の温度を算出し、算出した温度を設定値として発熱体制御部３１に送信する。また、電源３４からの電力は、サ
イリスタなどの電力用半導体素子３３によって制御され、発熱体３０の温度が調整される。発熱体３０の温度調整によってスクイージ２１２の表面の温度も調整され、粉末層２１に付与された液体２２とともに粉末４がスクイージ２１２の表面に付着しても、粉末４が乾燥される。この結果、スクイージ２１２の表面に粉末４が付着する可能性が抑えられるとともに、スクイージ２１２による平坦で均一な粉末層２１の形成が達成される。なお、ここでスクイージ２１２の代わりにローラ２１１に置き換えても、同様にローラ２１１による平坦で均一な粉末層２１の形成が達成できる。

以上のように、本実施形態によれば、ローラ２１１および／またはスクイージ２１２に発熱体３０を配置することで、粉末層２１の形成時に粉末４がローラ２１１および／またはスクイージ２１２に付着する可能性を低減させることができる。これにより、本実施形態に係る３次元造形装置２００によれば、従来の３次元造形装置に比べて、より平坦な粉末層を形成してより高品質な造形物の造形を行うことができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態に係る３次元造形装置について説明する。なお、なお、以下の説明において、第１、２実施形態と同様の構成については、同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。図９Ａ、図９Ｂを参照しながら、第３実施形態に係る３次元造形装置３００の均し手段について説明する。図９Ａは、均し手段としてローラ３１１を用いる場合に、ローラ３１１によって粉末４を積層して粉末層２１を形成する構成を示す。ローラ３１１には、粉末４と接触する外周部分に撥液処理が施されることで、粉末４の付着を抑制する手段としての撥液部材３５が設けられている。図９Ｂは、均し手段としてスクイージ３１２を用いる場合に、スクイージ３１２によって粉末４を積層して粉末層２１を形成する構成を示す。スクイージ３１２には、粉末４と接触する部分に撥液処理が施されることで、粉末４の付着を抑制する手段としての撥液部材３５が設けられている。

第１実施形態において図３Ａを参照しながら説明したように、粉末層２１の乾燥ステップでは、加熱によって液体２２の蒸気が発生し、ローラ１１１の表面に液体２２が付着する。また、第１実施形態において図４Ａ、図４Ｂを参照しながら説明したように、乾燥手段２３による粉末層２１の乾燥ステップが行われない場合は、液体２２が粉末層２１の表面に染み出してくることでローラ１１１の表面に液体２２が付着する。

図１０Ａ〜図１０Ｄは、スクイージ３１２の表面に付着する液体２２の液滴３６の状態について、撥液部材３５の有無による違いを模式的に示す図である。第３実施形態においても３次元造形装置３００は、図２の動作シーケンスに従って動作する。そして、粉末層２１の粉末４は液体２２によって結合されるため、粉末４には撥液性が悪い材料、すなわち液体２２に対する濡れ性が良い材料が用いられる。そのため、図１０Ａに示すように、粉末層２１における液体２２の液滴３６との接触面と、当該接触面に付着した液滴３６との接触角αは９０度以下となる。したがって、液滴３６は、粉末層２１の表面に広がって粉末層２１に付着しやすくなる。

図１０Ｂは、表面処理が施されていないスクイージ３１２に液体２２の液滴３６が付着した場合の一例を示す。スクイージ３１２が金属で構成されている場合に、表面処理が施されていないスクイージ３１２の表面は液体２２に対する撥液性が悪い（濡れ性が良い）といえる。このため、スクイージ３１２における液滴３６との接触面と、当該接触面に付着した液滴３６との接触角βは９０度以下となる。したがって、液滴３６は、スクイージ３１２に表面に広がってスクイージ３１２の表面に付着しやすくなる。この結果、スクイージ３１２を用いて粉末層２１を形成するステップを実行するときに、スクイージ３１２に液体２２とともに粉末４が付着しやすくなる。

次に、図１０Ｃは、表面処理として撥液処理が施されたスクイージ３１２に液体２２の液滴３６が付着した場合の一例を示す。また、スクイージ３１２は、金属で構成されていると想定する。図１０Ｃに示すようにスクイージ３１２には撥液部材３５が設けられており、撥液部材３５の表面は液体２２に対する撥液性が良い（濡れ性が悪い）といえる。このため、スクイージ３１２における液滴３６との接触面（撥液部材３５の表面）と、当該接触面に付着した液滴３６との接触角γは、上記の接触角αよりも大きくなる。したがって、液滴３６は、撥液部材３５の表面に付着しにくくなる。この結果、図１０Ｃに示すスクイージ３１２によって粉末層２１を形成するステップを実行するときに、図１０Ａ、図１０Ｂの場合に比べて、スクイージ３１２に液体２２とともに粉末４が付着しにくくなる。

上記の撥液処理の一例としては、フッ素樹脂加工処理が挙げられ、ローラ３１１および／またはスクイージ３１２の表面にフッ素樹脂加工処理（コーティング）が施されることで、スクイージ３１２の表面の摩擦係数を小さくすることができる。撥液処理としては、フッ素樹脂加工処理以外にも、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）コーティングなどが採用されてよい。スクイージ３１２に表面処理が施されることで、スクイージ３１２の表面に液滴３６が付着しても、液滴３６はスクイージ３１２の表面を滑りやすくなる結果、スクイージ３１２の表面に液体２２とともに粉末４が付着しにくくなる。

図１０Ｃは、スクイージ３１２が金属で構成されている場合にスクイージ３１２に表面処理が施されている例を示す。ただし、図１０Ｄに示すように、スクイージ３１２が撥液部材３５と同じフッ素樹脂材料で構成されている場合でも、上記と同様にスクイージ３１２の表面に液体２２とともに粉末４が付着しにくい効果が得られる。

以上のように、本実施形態によれば、ローラ３１１および／またはスクイージ３１２に表面処理（撥液処理）を施すことで、粉末層２１の形成時に粉末４がローラ３１１および／またはスクイージ３１２に付着する可能性を低減させることができる。これにより、本実施形態に係る３次元造形装置３００によれば、従来の３次元造形装置に比べて、より平坦な粉末層を形成してより高品質な造形物の造形を行うことができる。

以上が本件開示の技術に係る実施形態の説明であるが、各実施形態の説明は本件開示の技術を説明する上での例示であり、本件開示の技術は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更または組み合わせて実施することができる。例えば、上記の実施形態において、スクイージの代わりに、造形ステージ７上に形成される粉末層２１の全面を覆う平板状の押圧部材を用いてもよい。この場合、上記と同様の構成により、押圧部材に多孔質体、撥液部材、または発熱体が設けられる。これにより、押圧部材に粉末が付着する可能性を低減させて、押圧部材を用いてより平坦な粉末層を形成し、より高品質な造形物の造形を行うことができる。また、粉末層に付与される液体の付与量に応じて、圧縮気体の流速、発熱体の温度、乾燥手段による加熱温度や乾燥時間などが適宜変更されてよい。

４・・・粉末、９・・・リコータユニット、１０・・・液体吐出ユニット、１１・・・ローラ、１２・・・スクイージ、２１・・・粉末層、２２・・・液体、２４・・・多孔質体、２７・・・コンプレッサ、１００、２００、３００・・・３次元造形装置

Claims (15)

1. 粉末を均して粉末層を形成する均し手段と、
   造形物の３次元データに基づいて、前記粉末層に対して前記粉末を結合させる液体を付与する液体付与手段と、
   前記粉末層の形成と前記液体の付与とを繰り返して、積層された前記粉末層内に前記造形物を形成するよう、前記均し手段および前記液体付与手段とを制御する制御手段と、
   を有し、
   前記均し手段は、前記粉末層の形成時に前記粉末の付着が低減するように構成されている、
   ことを特徴とする３次元造形装置。
2. 前記均し手段の前記粉末と接触する表面から気体が噴出される、ことを特徴とする請求項１に記載の３次元造形装置。
3. 前記均し手段の前記表面に多孔質体が設けられている、ことを特徴とする請求項２に記載の３次元造形装置。
4. 前記気体によって前記粉末層の粉末が前記粉末層の外部に移動しないように、前記気体の流速を調整する調整手段をさらに有する、ことを特徴とする請求項２または３に記載の３次元造形装置。
5. 前記調整手段は、前記粉末の特性に基づいて前記気体の流速を決定し、前記決定した流速を用いて前記気体の流速を調整する、ことを特徴とする請求項４に記載の３次元造形装置。
6. 前記粉末の特性は、前記粉末の材質または前記粉末を構成する粒子の平均粒径を含む、ことを特徴とする請求項５に記載の３次元造形装置。
7. 前記均し手段に撥液処理が施されている、ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の３次元造形装置。
8. 前記均し手段における前記液体の液滴との接触面と前記液滴との接触角は、前記粉末層における前記液滴との接触面と前記液滴との接触角よりも大きい、ことを特徴とする請求項７に記載の３次元造形装置。
9. 前記撥液処理は、フッ素樹脂加工処理である、ことを特徴とする請求項７または８に記載の３次元造形装置。
10. 前記均し手段を加熱して前記均し手段に付着した前記液体を蒸発させる発熱手段をさらに有する、ことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の３次元造形装置。
11. 前記粉末の材質は、金属またはセラミックスである、ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の３次元造形装置。
12. 前記液体は、液体またはセラミックスからなる、前記粉末を構成する粒子の平均粒径よりも小さい平均粒径である粒子を含む、ことを特徴とする請求項１１に記載の３次元造形装置。
13. 前記液体の主たる溶媒は、水である、ことを特徴とする請求項１２に記載の３次元造形
    装置。
14. 前記液体を付与された前記粉末層を乾燥させる乾燥手段をさらに有する、ことを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の３次元造形装置。
15. 前記乾燥手段は、赤外線ランプを有する、ことを特徴とする請求項１４に記載の３次元造形装置。
    

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