JP2021146569A - 立体造形物製造装置および立体造形物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】筋状欠陥および表面汚染のない高品質な立体造形物を造形できる立体造形物製造装置の提供。【解決手段】造形層を形成するモデル材およびサポート材の少なくともいずれかの一部を除去する第一の除去手段と、前記第一の除去手段に付着した前記モデル材および前記サポート材の少なくともいずれかを掻き取る第二の除去手段と、前記第二の除去手段に付着した前記モデル材および前記サポート材の少なくともいずれかを除去する第三の除去手段と、を備えた立体造形物製造装置である。【選択図】図３

Description

本発明は、立体造形物製造装置および立体造形物の製造方法に関する。

近年、インクジェット方式により液状の光硬化性樹脂を造形物の必要箇所に像形成し、これを多層化することで３次元造形物を形成する、マテリアルジェッティング方式が開発されている。
マテリアルジェッティング方式においては、造形精度を上げるため、通常ノズルから吐出された造形材料の余剰分をローラー等の手段で除去し、各層の厚みを均一化する（例えば、特許文献１参照）。

ここで、図１は、ローラー部３で造形材料の余剰分を除去する状態の側面図を示す。この例では、造形基板１上に吐出された造形材料の表面を、流動可能な状態で、ローラー本体２で均す状態を示している。ローラー部３は、回転体であるローラー本体２と、ローラー本体２の表面に対して接触するように配置された固定ブレード４と、該固定ブレード４で掻き取られた造形材料を溜める受け皿５と、受け皿５に溜まった造形材料を排出する吸引パイプ６とを備えている。
ローラー本体２はヘッド部（図示を省略）の進行方向に対して逆回転（図１において時計回り）に回転され、流動可能な造形材料７を掻き上げる。掻き上げられた造形材料７は、ローラー本体２に付着して固定ブレード４まで運ばれた後、固定ブレード４で掻き取られて受け皿５に案内される。このため、固定ブレード４は、受け皿５に向かって下り勾配の姿勢で固定される。吸引パイプ６は廃液経路（図示を省略）に接続されており、ポンプ等を用いて受け皿５に溜まった造形材料を吸引して、廃液タンク（図示を省略）に溜めるように構成されている。

しかしながら、乾燥性溶媒を用いている造形材料は、固定ブレード４上で乾燥により増粘やゲル化しやすい。また、硬化に用いるＵＶランプの輻射光や装置環境の熱により造形材料の反応が進むことにより、固定ブレード４に付着した造形材料が徐々に増粘や硬化することがある。さらに、掻き取られた造形材料がモデル材とサポート材である場合には、固定ブレード４上で混合すると増粘しやすく、造形材料が流れ落ちるのを阻害する。
このようなローラー部３では、図２に示すように、固定ブレード４に付着した造形材料７が、受け皿５に十分に流れ落ちず、除々に固定ブレード４上に増粘物もしくは固形物が滞留することにより、造形材料が堆積する傾向がある。その結果、ローラー本体２と固定ブレード４の接触面に沿って液体状の造形材料が流れ出し、ローラー２の側面に到達することで、造形面を汚染し、造形欠陥を発生することがある。また、固定ブレード４のローラー２に付着した造形材料を掻き取る性能が低下することにより、ローラー２表面が造形材料でコーティングされ、造形面を汚染し、造形欠陥を発生することがある。

本発明は、筋状欠陥および表面汚染のない高品質な立体造形物を造形できる立体造形物製造装置を提供することを目的とする。

前記課題を達成するための手段としての本発明の立体造形物製造装置は、造形層を形成するモデル材およびサポート材の少なくともいずれかの一部を除去する第一の除去手段と、前記第一の除去手段に付着した前記モデル材および前記サポート材の少なくともいずれかを掻き取る第二の除去手段と、前記第二の除去手段に付着した前記モデル材および前記サポート材の少なくともいずれかを除去する第三の除去手段と、を備えている。

本発明によると、筋状欠陥および表面汚染のない高品質な立体造形物を造形できる立体造形物製造装置を提供することができる。

図１は、従来の立体造形物製造装置におけるクリーニング機構の一例を示し、ローラー部で造形材料の余剰分を除去する状態の側面図を示す。 図２は、図１のローラー部の拡大図である。 図３は、本発明の立体造形物製造装置におけるクリーニング機構の一例を示す概略図である。 図４は、本発明の立体造形物製造装置におけるクリーニング機構の他の一例を示す概略図である。 図５は、本発明の立体造形物製造装置におけるクリーニング機構の他の一例を示す概略図である。 図６は、本発明の立体造形物製造装置の一例を示す概略図である。

（立体造形物製造装置および立体造形物の製造方法）
本発明の立体造形物製造装置は、造形層を形成するモデル材およびサポート材の少なくともいずれかの一部を除去する第一の除去手段と、前記第一の除去手段に付着した前記モデル材および前記サポート材の少なくともいずれかを掻き取る第二の除去手段と、前記第二の除去手段に付着した前記モデル材および前記サポート材の少なくともいずれかを除去する第三の除去手段と、を備え、さらに必要に応じてその他の手段を備えている。

本発明の立体造形物の製造方法は、本発明の立体造形物製造装置を用いて造形する。

従来技術では、図１および図２に示すように、ローラー本体２と固定ブレード４の接触面に沿って液体状の造形材料が流れ出し、ローラー２の側面に到達することで、造形面を汚染し、造形欠陥を発生することがある。また、固定ブレード４のローラー２に付着した造形材料を掻き取る性能が低下することにより、ローラー２表面が造形材料でコーティングされ、造形面を汚染し、造形欠陥を発生することがある。
このような問題に対する対策としては、ブレード上での造形材料の堆積を防ぐため、流れ落ちやすい粘度の低い造形材料を用いたり、高沸点溶媒を用いた造形材料が用いられたり、余剰造形材料の増粘を防ぐ遮光、もしくは低湿度環境を作製する、固体状余剰造形材料の発生を抑制するローラー押し圧条件を設定する、モデル材とサポート材の混合による増粘がない造形材料の組み合わせを見つけることなどがあるが、造形材料の選択性を狭くしたり、プロセス条件の最適化が困難であるという問題がある。

本発明においては、造形層を形成するモデル材およびサポート材の少なくともいずれかの一部を除去する第一の除去手段と、前記第一の除去手段に付着した前記モデル材および前記サポート材の少なくともいずれかを掻き取る第二の除去手段と、前記第二の除去手段に付着した前記モデル材および前記サポート材の少なくともいずれかを除去する第三の除去手段と、を備えているので、平坦化手段であるローラー等に回収した造形材料が付着するのを確実に防止でき、筋状欠陥および表面汚染のない高品質な立体造形物を造形することができる。

本発明の一態様において、第三の除去手段が、前記第二の除去手段に付着した前記モデル材およびサポート材の少なくともいずれかを掻き取る回転ブレードを有する。
第二の除去手段に付着した造形材料を除去する第三の除去手段として回転ブレードを有することによって、定期的に第二の除去手段をクリーニングすることにより、造形面の汚染を防止でき、造形精度が向上した正常な造形が可能となる。

好ましい一態様において、さらに、前記回転ブレードに付着した前記モデル材およびサポート材の少なくともいずれかを掻き取る棒状または板状の対向部材を有する。
回転ブレードに付着した造形材料を掻き取る棒状または板状の対向部材によって、回転ブレードに付着した造形材料を掻き取ることにより、回転ブレードのクリーニングが行え、造形面の汚染を防止でき、造形精度が向上した正常な造形が可能となる。

本発明の別の一態様において、第三の除去手段が、前記第二の除去手段に付着した前記モデル材およびサポート材の少なくともいずれかを吸引するノズルである。
第二の除去手段に付着した造形材料を除去する第三の除去手段として吸引ノズルを有することによって、定期的に第二の除去手段をクリーニングすることにより、造形面の汚染を防止でき、造形精度が向上した正常な造形が可能となる。

本発明の別の一態様において、第三の除去手段が、前記第二の除去手段に対し洗浄液を噴射する手段である。
第二の除去手段に付着した造形材料を除去する第三の除去手段として洗浄液を噴射する手段を有することによって、定期的に第二の除去手段をクリーニングすることにより、造形面の汚染を防止でき、造形精度が向上した正常な造形が可能となる。

本発明の一態様において、モデル材がハイドロゲル前駆体液である。従来技術では、ハイドロゲル前駆体液をモデル材として用いる場合には、液膜形成後、ローラーなどの平坦化手段で回収する際に、乾燥などにより回収したモデル材の粘度が上昇してしまう。その結果、回収したモデル材がローラー等に付着してしまい、十分に平坦化が行えなくなる、回収したはずのモデル材が回収装置に流れず液膜に戻って再付着してしまう、などの理由によって、造形精度に大きな影響を与えてしまうという課題が特に顕著に生じる。
本発明においては、モデル材としてハイドロゲル前駆体液のように乾燥などにより増粘しやすいインクを用いた場合でも、第三の除去手段によって固定ブレードを定期的にクリーニングすることにより、造形面の汚染を防止でき、造形精度が向上した正常な造形が可能となる。

＜第一の除去手段＞
第一の除去手段は、造形層を形成するモデル材およびサポート材の少なくともいずれかの一部を除去する手段である。
第一の除去手段は平坦化手段に相当し、例えば、ローラー、キャタピラなどが挙げられる。
ローラーとしては、その形状、材質、大きさ、構造などについては、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。
ローラーの材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、金属、ポリウレタンゴム、ポリウレタンエラストマー等の弾性材料などが挙げられる。

本発明において「造形層」とは、造形材料を層状に付与し、それを平坦化および硬化して形成される層を意味する。
「造形材料」は、造形物の製造において吐出手段から吐出される材料を意味し、典型的には立体造形物そのものを形成するためのモデル材や、オーバーハング部やディテール部などを造形する際に用いられるサポート材などが挙げられる。本発明においては、モデル材により形成された造形層を特に「モデル層」、サポート材により形成された造形層を特に「サポート層」という場合がある。

モデル材は、モデル部を構成する部分を造形する造形材料である。
本発明において、モデル部とは、立体造形物を造形する本体を構成する部を意味し、モデル層の積層により造形される。

本発明において、サポート部とは、モデル部が固化するまで、立体造形物を所定の位置に保持する部分を意味し、サポート層の積層により造形される。サポート部は、例えば、モデル部の重力方向に対し支持する部分に配置され、モデル部と接し、モデル部を下方向から支持する部を意味する。立体造形物の製造においては、通常サポート部はモデル部から最終的に剥離され、モデル部のみで立体造形物となる。
好ましい一態様において、サポート材は、モデル材とは異なる材質（組成、濃度等）であり、サポート材の硬化物は、より好ましくは、水溶性、潮解性、崩壊性などモデル部から剥離しやすい性質を有している。

造形材料としては、光や熱等のエネルギーを付与することにより硬化する液体材料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が、重合性モノマー、および重合性オリゴマーを含み、さらに必要に応じてその他の成分を含む。これらの中でも、造形材料ジェット用プリンター等に用いられる造形材料吐出ヘッドで吐出できる粘度や表面張力等の液物性を有する材料が好ましい。

−重合性モノマー−
重合性モノマーとしては、例えば、単官能モノマー、多官能モノマーなどが挙げられる。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。

−−単官能モノマー−−
単官能モノマーとしては、例えば、アクリルアミド、Ｎ−置換アクリルアミド誘導体、Ｎ，Ｎ−ジ置換アクリルアミド誘導体、Ｎ−置換メタクリルアミド誘導体、Ｎ，Ｎ−ジ置換メタクリルアミド誘導体、アクリル酸などが挙げられる。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。これらの中でも、アクリルアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド、Ｎ−イソプロピルアクリルアミド、アクリロイルモルホリン、ヒドロキシエチルアクリルアミド、イソボルニルアクリレートが好ましい。

単官能モノマーの含有量は、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、造形材料の全量に対して、０．５質量％以上９０質量％以下が好ましい。

上記以外の単官能モノマーとしては、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、２−エチルヘキシル（メタ）アクリレート、２−ヒドロキシエチル（メタ）アクリレート、２−ヒドロキシプロピル（メタ）アクリレート、カプロラクトン変性テトラヒドロフルフリル（メタ）アクリレート、３−メトキシブチル（メタ）アクリレート、テトラヒドロフルフリル（メタ）アクリレート、ラウリル（メタ）アクリレート、２−フェノキシエチル（メタ）アクリレート、イソデシル（メタ）アクリレート、イソオクチル（メタ）アクリレート、トリデシル（メタ）アクリレート、カプロラクトン（メタ）アクリレート、エトキシ化ノニルフェノール（メタ）アクリレートなどが挙げられる。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。

−−多官能モノマー−−
多官能モノマーとしては、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、二官能モノマー、三官能以上のモノマーなどが挙げられる。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。

二官能モノマーとしては、例えば、トリプロピレングリコールジ（メタ）アクリレート、トリエチレングリコールジ（メタ）アクリレート、テトラエチレングリコールジ（メタ）アクリレート、ポリプロピレングリコールジ（メタ）アクリレート、ネオペンチルグリコールヒドロキシピバリン酸エステルジ（メタ）アクリレート、ヒドロキシピバリン酸ネオペンチルグリコールエステルジ（メタ）アクリレート、１，３−ブタンジオールジ（メタ）アクリレート、１，４−ブタンジオールジ（メタ）アクリレート、１，６−ヘキサンジオールジ（メタ）アクリレート、１，９−ノナンジオールジ（メタ）アクリレート、ジエチレングリコールジ（メタ）アクリレート、ネオペンチルグリコールジ（メタ）アクリレート、トリプロピレングリコールジ（メタ）アクリレート、カプロラクトン変性ヒドロキシピバリン酸ネオペンチルグリコールエステルジ（メタ）アクリレート、プロポキシ化オペンチルグリコールジ（メタ）アクリレート、エトキシ変性ビスフェノールＡジ（メタ）アクリレート、ポリエチレングリコール２００ジ（メタ）アクリレート、ポリエチレングリコール４００ジ（メタ）アクリレートなどが挙げられる。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。

三官能以上のモノマーとしては、例えば、トリメチロールプロパントリ（メタ）アクリレート、ペンタエリスリトールトリ（メタ）アクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサ（メタ）アクリレート、トリアリルイソシアヌレート、ε−カプロラクトン変性ジペンタエリスリトールトリ（メタ）アクリレート、ε−カプロラクトン変性ジペンタエリスリトールテトラ（メタ）アクリレート、ε−カプロラクトン変性ジペンタエリスリトールペンタ（メタ）アクリレート、ε−カプロラクトン変性ジペンタエリスリトールヘキサ（メタ）アクリレート、トリス（２−ヒドロキシエチル）イソシアヌレートトリ（メタ）アクリレート、エトキシ化トリメチロールプロパントリ（メタ）アクリレート，プロポキシ化トリメチロールプロパントリ（メタ）アクリレート，プロポキシ化グリセリルトリ（メタ）アクリレート、ペンタエリスリトールテトラ（メタ）アクリレート、ジトリメチロールプロパンテトラ（メタ）アクリレート、ジペンタエリスリトールヒドロキシペンタ（メタ）アクリレート、エトキシ化ペンタエリスリトールテトラ（メタ）アクリレート、ペンタ（メタ）アクリレートエステルなどが挙げられる。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。

−−重合性オリゴマー−−
重合性オリゴマーとしては、上記単官能モノマーの低重合体や末端に反応性不飽和結合基を有するものを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。

−−その他の成分−−
その他の成分としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、界面活性剤、重合禁止剤、重合開始剤、着色剤、粘度調整剤、接着性付与剤、酸化防止剤、老化防止剤、架橋促進剤、紫外線吸収剤、可塑剤、防腐剤、分散剤などが挙げられる。

本発明の立体造形物製造装置および立体造形物の製造方法は、造形材料としてハイドロゲル前駆体液を用いる場合に、特に効果的である。

−ハイドロゲル前駆体液−
ハイドロゲル前駆体液は、水、およびハイドロゲル前駆体を含み、好ましくはさらに水に分散可能な鉱物を含み、さらに必要に応じてその他の成分を含む。

−−水−−
水としては、例えば、イオン交換水、限外濾過水、逆浸透水、蒸留水等の純水、または超純水を用いることができる。
水には、保湿性付与、抗菌性付与、導電性付与、硬度調整などの目的に応じて有機溶媒等のその他の成分を溶解乃至分散させてもよい。

−−ハイドロゲル前駆体−−
ハイドロゲル前駆体は、活性エネルギー線（例えば紫外線など）の照射により重合し、三次元網目状構造を有するポリマーを形成し得る重合性モノマーを含有する。したがって前記ハイドロゲル前駆体液に活性エネルギー線を照射することにより、ポリマーの三次元網目状構造内に溶媒の水を取り込み、ハイドロゲルを形成する。

重合性モノマーとしては、上述したものと同様のものであってよく、例えば、アクリルアミド、Ｎ−置換アクリルアミド誘導体、Ｎ，Ｎ−ジ置換アクリルアミド誘導体、Ｎ−置換メタクリルアミド誘導体、Ｎ，Ｎ−ジ置換メタクリルアミド誘導体、などが挙げられ、具体的には、アクリルアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド、Ｎ−イソプロピルアクリルアミドなどが挙げられる。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。一態様において、上記単官能モノマーと上記多官能モノマーとが併用される。
前記重合性モノマーを重合させることにより、アミド基、アミノ基、水酸基、テトラメチルアンモニウム基、シラノール基、エポキシ基などを有する水溶性有機ポリマーが得られる。前記アミド基、アミノ基、水酸基、テトラメチルアンモニウム基、シラノール基、エポキシ基などを有する水溶性有機ポリマーは、水系のゲルの強度を保つために有利な構成成分である。
前記重合性モノマーの含有量は、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、ハイドロゲル前駆体液の全量に対して、０．５質量％〜２０質量％が好ましい。

−−水に分散可能な鉱物−−
水に分散可能な鉱物としては、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、層状粘土鉱物などが挙げられる。
前記層状粘土鉱物とは、結晶構造が層状となる粘土鉱物であり、望ましくは水中で一次結晶のレベルで均一に分散可能な材料であり、例えば、水膨潤性スメクタイト、水膨潤性雲母などが挙げられる。より具体的には、ナトリウムを層間イオンとして含む水膨潤性ヘクトライト、水膨潤性モンモリナイト、水膨潤性サポナイト、水膨潤性合成雲母などが挙げられる。
前記層状粘土鉱物としては、前記例示したものを、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよく、また、適宜合成したものであってもよいし、市販品であってもよい。
前記市販品としては、例えば、合成ヘクトライト（ラポナイトＸＬＧ、ＲｏｃｋＷｏｏｄ社製）、ＳＷＮ（Ｃｏｏｐ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｌｔｄ．製）、フッ素化ヘクトライト ＳＷＦ（Ｃｏｏｐ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｌｔｄ．製）などが挙げられる。
前記水に分散可能な鉱物の含有量は、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、ハイドロゲル前駆体液の全量に対して、１質量％〜４０質量％が好ましい。

−−その他の成分−−
その他の成分としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、
例えば、安定化剤、表面処理剤、光重合開始剤、着色剤、粘度調整剤、接着性付与剤、酸化防止剤、老化防止剤、架橋促進剤、紫外線吸収剤、可塑剤、防腐剤、分散剤などが挙げられる。

安定化剤は、上記水膨潤性層状粘土鉱物を分散安定させ、ゾル状態を保つために用いられる。また、インクジェット方式では液体としての特性安定化のために必要に応じて安定化剤が用いられる。
安定化剤としては、例えば、高濃度リン酸塩、グリコール、非イオン界面活性剤などが挙げられる。
表面処理剤としては、例えば、ポリエステル樹脂、ポリ酢酸ビニル樹脂、シリコーン樹脂、クマロン樹脂、脂肪酸エステル、グリセライド、ワックスなどが挙げられる。

＜第二の除去手段＞
第二の除去手段は、第一の除去手段に付着したモデル材およびサポート材の少なくともいずれかを掻き取る手段である。
第二の除去手段としては、例えば、固定ブレードなどが挙げられる。
固定ブレードは、第一の除去手段に付着した造形材料を掻き取ることができるように固定されており、その形状、材質、大きさ、構造などについては、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。
固定ブレードの形状としては、例えば、平板状、短冊状、シート状などが挙げられる。
固定ブレードの大きさとしては、特に制限はなく、第一の除去手段であるローラーの大きさに応じて適宜選択することができる。
固定ブレードの材質としては、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が、高弾性が得られやすい点から、金属、樹脂などが好適である。

＜第三の除去手段＞
第三の除去手段は、第二の除去手段に付着した前記モデル材および前記サポート材の少なくともいずれかを除去する手段であり、第三の除去手段は「クリーニング機構」と称することもある。
第三の除去手段としては、例えば、回転ブレード、吸引ノズル、洗浄液噴射手段、などが挙げられる。

回転ブレードとしては、第二の除去手段に付着したモデル材およびサポート材の少なくともいずれかを除去することができれば、その形状、材質、大きさ、構造などについては、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。
回転ブレードの形状としては、例えば、平板状、短冊状、シート状などが挙げられる。
回転ブレードの大きさとしては、特に制限はなく、第二の除去手段の大きさ、位置に応じて適宜選択することができる。
回転ブレードの材質としては、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が、柔軟性を付与できる点から、ニトリルゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴムなどが挙げられる。これらの中でも、耐溶剤性の点から、フッ素ゴムが好ましい。
回転ブレードとしては、回転ブレードと掻き取り用シャフト、または掻き取り用ブレードとの組み合わせなどが挙げられる。
回転ブレードは、回転シャフトに取り付け、固定ブレードに回転接触させることによって、随時、固定ブレード上に付着する余剰造形材料を掻き取ることができる。
クリーニング機構が回転ブレードである場合、好ましい一態様において、さらに前記回転ブレードに付着した造形材料（モデル材および／またはサポート材）を除去するための対向部材を有する。かかる対向部材は、回転ブレードから造形材料を除去することができる構造であればよく、例えば棒状または板状であり得る。

吸引ノズルとしては、液体を吸引することができるものであればよく、例えば、筒状で単独もしくは複数の穴を有する構造体に対し、負圧形成ポンプが接続されている構造物などが挙げられる。前記穴が詰まることを防ぐため、穴径は大きい方が望ましい。

洗浄液噴射手段としては、液体を正圧にて注入して噴出できる筒状構造体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、例えば、複数の噴出口を有するシャワーノズル、単一の噴出口を有するシングルノズルなどが挙げられる。
洗浄液としては、モデル材およびサポート材の少なくともいずれかと混合可能な溶媒を用いることが好ましく、低粘度かつ比較的高沸点なものがより好ましく、例えば、水、１−ペンタノール、２−エチルヘキサノール、２，３−ブタンジオール、１，３−ブタンジオール、３−メチル−１，３−ブタンジオール等のアルコール系、エチレングリコール、プロピレングリコール等のグリコール系、ジエチレングリコールエチルメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート等のグリコールエーテル系などが挙げられる。

＜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、吐出手段、硬化手段、制御手段などが挙げられる。

−吐出手段−
吐出手段としては、造形材料を吐出することができ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、例えば、吐出ヘッドなどが挙げられる。
吐出ヘッドとしては、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、圧電素子（ピエゾ素子）型ヘッド、熱膨張（サーマル）型ヘッドなどが挙げられる。これらの中でも、圧電素子（ピエゾ素子）型ヘッドが好ましい。

−硬化手段−
硬化手段としては、吐出された造形材料を硬化することが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、例えば、紫外線照射装置などが挙げられる。

紫外線照射装置としては、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、高圧水銀灯、超高圧水銀灯、メタルハライドなどが挙げられる。これらの中でも、ＬＥＤが照射強度を変更可能である点で特に好ましい。
高圧水銀灯は点光源であるが、光学系と組み合わせて光利用効率を高くしたＤｅｅｐＵＶタイプは、短波長領域の照射が可能である。
メタルハライドは、波長領域が広いため着色物に有効であり、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｆｅ等の金属のハロゲン化物が用いられ、重合開始剤の吸収スペクトルに合わせて選択できる。硬化に用いられるランプとしては、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、Ｆｕｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ社製のＨランプ、Ｄランプ、またはＶランプ等のような市販されているものも使用することができる。

−制御手段−
制御手段は、第一の除去手段、第二の除去手段、第三の除去手段、吐出手段および硬化手段などの動作を制御するための手段である。制御手段にはＲＯＭやＲＡＭなどの記憶手段およびＣＰＵ、ＦＰＧＡなどの計算手段を含んでよい。記憶手段には、吐出手段や硬化手段等の各手段に特定の動作を行わせるためのプログラムが記憶されていてよく、かかるプログラムに基づいて各手段の動作を制御する。

ここで、本発明の立体造形物の製造装置の実施形態について、図面を参照して説明する。

＜第一の実施形態＞
図３は、本発明の立体造形物製造装置におけるクリーニング機構の一例を示す概略図である。
この第一の実施形態では、固定ブレード４に対し、回転ブレード１１が回転シャフト１３を中心に回転可能に配置されている。
回転ブレード１１は、固定ブレード４に回転接触させることで、随時、固定ブレード４上に付着する余剰造形材料を掻き取ることができる。
回転ブレードとしては、フッ素ゴム製の柔軟性を有する材料から形成されている。
回転ブレード１１の回転方向は、固定ブレード４に対し上側もしくは下側から掻き取る形で回転させることが好ましい。接触方向はローラー２と反対回転の方がローラー２に巻き込まれにくい点から、好ましい。

また、ローラー２、固定ブレード４、および回転ブレード１１はインクジェットノズルの造形幅より長いことが好ましい。これはローラー２により転送される余剰造形材料がブレード４上で広がるため、ローラー２、固定ブレード４、および回転ブレード１１が造形幅方向に長い方がより安定して余剰造形材料を掻き取ることができるからである。具体的には、造形幅に対して長手方向左右にそれぞれ３０ｍｍ以上のマージンを有することが好ましく、造形ステージ幅と同等の長さであることがより好ましい。

回転ブレード１１による掻き取りは造形中に造形プロセスを止めずに行ってもよく、また、造形プロセスを止めて、別途クリーニングのタイミングを入れてもよい。掻き取りに要する回転操作は任意の回転方向で数回転〜常時回転までのセットで組み込むことができる。造形操作を止めず、常時回転させることによって効率的なクリーニングができることから好ましい。
回転ブレード１１に付着した造形材料を除去するため、固定ブレード４に対向接触する位置に掻き取り用シャフト１２を設置する。なお、掻き取り用シャフト１２の代わりに掻き取り用ブレードを用いることもできる。
この掻き取り用シャフト１２に回転ブレード１１が接触することで、回転ブレード１１に付着した余剰造形材料が掻き取り用シャフト１２により除去され、随時受け皿５に落下する。なお、掻き取り用シャフト１２は回転ブレード１１に対し複数設置してもよい。
これらの操作により、ローラー２および固定ブレード４に造形材料が付着せず、造形面が汚染することを防止できる。

＜第二の実施形態＞
図４は、第二の実施形態に係る立体造形物製造装置におけるクリーニング機構の一例を示す概略図である。
この第二の実施形態では、固定ブレード４に対し、固定ブレード表面に付着した余剰造形材料を吸引する吸引ノズル１４を設置したものである。これにより、固定ブレード４に余剰造形材料が堆積するのを抑制できる。
吸引ノズル１４としては、固定ブレード４の長手方向同等の長さのパイプに対し、複数の吸引口がついたタイプや、単一吸引口ノズルをスライドさせるタイプなどが使用できる。
吸引操作は吸引ノズル１４と固定ブレード４を一定のギャップを開けた状態で保持し、随時、固定ブレード４と吸引ノズル１４を接触させ、固定ブレード４に付着した造形材料を吸引させることによって実施される。

＜第三の実施形態＞
図５は、第三の実施形態に係る立体造形物製造装置におけるクリーニング機構の一例を示す概略図である。
この第三の実施形態では、固定ブレード４に対し、洗浄液噴射手段としてのシャワーノズル１５から洗浄液（エチレングリコール）１６を噴射することにより、固定ブレード４上の余剰造形材料を除去する。これにより、固定ブレード４に余剰造形材料が堆積するのを抑制できる。
洗浄液噴射手段としては、出口がついたタイプ、単一ノズルをスライドさせるタイプなどが挙げられる。
シャワーノズル１５による洗浄は造形プロセスを止めずに行ってもよく、また、造形を止めて、別途クリーニングのタイミングを入れてもよい。造形操作を止めず、常時回転させることによって効率的なクリーニングができることから好ましい。

以下、本発明の実施例を説明するが、本発明は、これらの実施例に何ら限定されるものではない。

＜モデル材インクの調製例＞
以下では、減圧脱気を１０分間実施したイオン交換水を、「純水」と記載した。
まず、開始剤液として、純水９８質量部に対して１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン［商品名：イルガキュア１８４］（ＢＡＳＦ株式会社製）２質量部を溶解させた水溶液を準備した。
次に、純水１９５質量部を撹拌させながら、層状粘土鉱物として合成ヘクトライト（ラポナイトＸＬＧ、ＲｏｃｋＷｏｏｄ社製）８質量部を少しずつ添加し、撹拌して分散液を作製した。
次に、前記分散液に重合性モノマーとして、活性アルミナのカラムを通過させて重合禁止剤を除去したＮ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド（和光純薬工業株式会社製）を２０質量部添加した。
次に、界面活性剤としてドデシル硫酸ナトリウム（和光純薬工業株式会社製）を０．２質量部添加し、混合した。
次に、前記開始剤液を５質量部添加して撹拌混合した後、減圧脱気を１０分間実施し、ハイドロゲルモデル材インクを調製した。

＜サポート材インクの調製例＞
モノマーとしてドデシルアクリレート（東京化成工業株式会社製）２９質量部、ステアリルアクリレート（東京化成工業株式会社製）２９質量部を撹拌した後、光重合開始剤として１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトンを２質量部添加し、撹拌した。さらに１−ドデカノールを添加することで、サポート材インクを調製した。

（実施例１）
図６に示す立体造形物製造装置２００は、立体造形物１１０が載置される造形ステージ１１１と、造形ステージ１１１上に造形物１１０を順次積層しながら造形する造形ユニット１２０とを備えている。

造形ステージ１１１は、Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向に移動可能に構成されている。なお、造形ユニット１２０をＸ方向に移動させる構成とすることもできる。これによって、往路および復路の造形動作を実現できる。
造形ユニット１２０は、吐出手段として、モデル材インク２０１を吐出する吐出手段である第１ヘッド１２１と、サポート材インク２０２を吐出する吐出手段である第２ヘッド１２２とを備えている。
造形ユニット１２０は、吐出されたモデル材インク２０１およびサポート材インク２０２をそれぞれ平坦化する平坦化手段である平坦化ローラー１２３と、活性エネルギー線としての紫外線を照射してモデル材インク２０１およびサポート材インク２０２をそれぞれ硬化させる２つのＵＶ照射ユニット１２４Ａ，１２４Ｂとを備えている。

ここでは、Ｘ方向において、造形ステージ１１１が往路方向に移動するとき、第１ヘッド１２１の上流側に平坦化ローラー１２３を、平坦化ローラー１２３の上流側にＵＶ照射ユニット１２４Ａをそれぞれ配置している。また、同じく、第１ヘッド１２１の下流側に第２ヘッド１２２を、第２ヘッド１２２の下流側にＵＶ照射ユニット１２４Ｂを並べて配置している。

実施例１では、図６に示す立体造形物製造装置において、図３に示す回転ブレードを有するクリーニング機構を設け、上記モデル材インクおよびサポート材インクを用い、３０ｍｍ×３０ｍｍ×１００ｍｍの大きさの立体造形物を造形した。なお、サポート部とモデル部とは隣接して配置されている。
得られた立体造形物について、以下の基準に基づき、筋状欠陥および表面汚染の有無を評価した。結果を表１に示した。

＜評価試験＞
[評価基準]
〇：モデル部およびサポート部に筋状欠陥および表面汚染の少なくともいずれかが存在しない
×：モデル部およびサポート部に筋状欠陥および表面汚染が存在している

（実施例２）
実施例１において、図６に示す立体造形物製造装置において、図４に示すような吸引ノズル１４を有するクリーニング機構を設けた以外は、実施例１と同様にして、立体造形物を造形した。
得られた立体造形物について、実施例１と同様にして、筋状欠陥および表面汚染の有無を評価した。結果を表１に示した。

（実施例３）
実施例１において、図６に示す立体造形物製造装置において、図５に示すような洗浄液噴射手段としてのシャワーノズル１５を有するクリーニング機構を設けた以外は、実施例１と同様にして、立体造形物を造形した。
得られた立体造形物について、実施例１と同様にして、筋状欠陥および表面汚染の有無を評価した。結果を表１に示した。

（比較例１）
実施例１において、図３に示すクリーニング機構を有する立体造形物製造装置からクリーニング機構を除いた立体造形物製造装置を用いた以外は、実施例１と同様にして、立体造形物を造形した。
得られた立体造形物について、実施例１と同様にして、筋状欠陥および表面汚染の有無を評価した。結果を表１に示した。

表１の結果から、実施例１〜３では、図３〜図５に示すクリーニング機構を有しているので、クリーニング機構を有さない比較例１に比べて、造形欠陥および表面汚染の発生が防止できることがわかった。

本発明の態様としては、例えば、以下のとおりである。
＜１＞ 造形層を形成するモデル材およびサポート材の少なくともいずれかの一部を除去する第一の除去手段と、
前記第一の除去手段に付着した前記モデル材および前記サポート材の少なくともいずれかを掻き取る第二の除去手段と、
前記第二の除去手段に付着した前記モデル材および前記サポート材の少なくともいずれかを除去する第三の除去手段と、
を備えたことを特徴とする立体造形物製造装置である。
＜２＞ 前記第三の除去手段が、前記第二の除去手段に付着した前記モデル材およびサポート材の少なくともいずれかを掻き取る回転ブレードを有する、前記＜１＞に記載の立体造形物製造装置である。
＜３＞ さらに、前記回転ブレードに付着した前記モデル材およびサポート材の少なくともいずれかを掻き取る棒状または板状の対向部材を有する、前記＜２＞に記載の立体造形物製造装置である。
＜４＞ 前記第三の除去手段が、前記第二の除去手段に付着した前記モデル材およびサポート材の少なくともいずれかを吸引するノズルである、前記＜１＞に記載の立体造形物製造装置である。
＜５＞ 前記第三の除去手段が、前記第二の除去手段に対し洗浄液を噴射する手段である、前記＜１＞に記載の立体造形物製造装置である。
＜６＞ 前記モデル材がハイドロゲル前駆体液である、前記＜１＞から＜５＞のいずれかに記載の立体造形物製造装置である。
＜７＞ 前記＜１＞から＜６＞のいずれかに記載の立体造形物製造装置を用いて造形する立体造形物の製造方法である。

前記＜１＞から＜６＞のいずれかに記載の立体造形物製造装置、および前記＜７＞に記載の立体造形物の製造方法によると、従来における諸問題を解決し、本発明の目的を達成することができる。

１ 造形基板
２ ローラー
３ ローラー部
４ 固定ブレード
５ 受け皿
６ 吸引パイプ
１１ 回転ブレード
１２ 掻き取り用シャフト
１４ 吸引ノズル
１５ シャワーノズル
１６ 洗浄液

特開２０１３−６７１１６号公報

Claims (7)

1. 造形層を形成するモデル材およびサポート材の少なくともいずれかの一部を除去する第一の除去手段と、
   前記第一の除去手段に付着した前記モデル材および前記サポート材の少なくともいずれかを掻き取る第二の除去手段と、
   前記第二の除去手段に付着した前記モデル材および前記サポート材の少なくともいずれかを除去する第三の除去手段と、
   を備えたことを特徴とする立体造形物製造装置。
2. 前記第三の除去手段が、前記第二の除去手段に付着した前記モデル材およびサポート材の少なくともいずれかを掻き取る回転ブレードを有する、請求項１に記載の立体造形物製造装置。
3. さらに、前記回転ブレードに付着した前記モデル材およびサポート材の少なくともいずれかを掻き取る棒状または板状の対向部材を有する、請求項２に記載の立体造形物製造装置。
4. 前記第三の除去手段が、前記第二の除去手段に付着した前記モデル材およびサポート材の少なくともいずれかを吸引するノズルである、請求項１に記載の立体造形物製造装置。
5. 前記第三の除去手段が、前記第二の除去手段に対し洗浄液を噴射する手段である、請求項１に記載の立体造形物製造装置。
6. 前記モデル材がハイドロゲル前駆体液である、請求項１から５のいずれかに記載の立体造形物製造装置。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の立体造形物製造装置を用いて造形する立体造形物の製造方法。
   
   

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