JP2022021960A - 三次元造形装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】粉末層に液体をノズルから吐出して三次元造形物を製造する三次元造形装置において、フラッシング動作を行ってもノズルに混入した粉末が除去できない場合がある。【解決手段】造形テーブル９と、造形テーブル９に粉末層５００を形成する層形成部２及び６と、造形領域Ｐにバインダーを含む液体をノズルＮから吐出するヘッド３と、造形テーブル９に対するヘッド３の移動と電圧を印加することによるヘッド３の駆動とを制御する制御部１２と、を備え、制御部１２は、造形領域Ｐ１とフラッシング位置Ｐ２との距離Ｌが閾値未満の場合に第１フラッシング動作を実行させ、造形領域Ｐ１とフラッシング位置Ｐ２との距離Ｌが閾値以上の場合に第２フラッシング動作を実行させるよう制御する三次元造形装置１。【選択図】図１

Description

本発明は、三次元造形装置に関する。
従来から、様々な種類の三次元造形装置が使用されている。このうち、粉末層を形成し、該粉末層における三次元造形物の造形領域にバインダーを含む液体をノズルから吐出して三次元造形物を製造する三次元造形装置がある。例えば、特許文献１には、粉末材料で層を形成し、ラインヘッドのノズルから該層に硬化液を吐出して三次元造形物を製造する三次元造形装置が開示されている。
特開２０１９－１０１０号公報
特許文献１に記載される三次元造形装置は、ノズルの硬化液を吐出するフラッシング動作を実行するためのフラッシングステージが形成されている。フラッシング動作によりノズル内の異物が除去される。フラッシング動作は、フラッシング動作の際の制御を簡単にするため、三次元造形物の造形時、すなわち、三次元造形物の造形領域に液体を吐出する際と同様の吐出条件で行われることが一般的である。しかしながら、近年、様々な材料で三次元造形物が製造されるようになっており、様々な粉末が使用されるようになっている。このため、使用される粉末によっては多くの粉末が舞い上がってノズルに混入する場合があった。粉末が舞い上がってノズルに混入する可能性は、粉末層上をヘッドが吐出を伴わない空走状態で移動する時間が長くなるほど高くなる。ノズルに混入した粉末が除去できないと、液体の吐出不良などが生じ得る。
上記課題を解決するための本発明の三次元造形装置は、造形テーブルと、前記造形テーブルに粉末層を形成する層形成部と、前記粉末層における三次元造形物の造形領域にバインダーを含む液体をノズルから吐出するヘッドと、前記造形テーブルに対する前記ヘッドの移動と電圧を印加することによる前記ヘッドの駆動とを制御するとともに、前記造形領域とは異なる位置であるフラッシング位置において前記ヘッドにフラッシング動作を実行させるよう制御する、制御部と、を備え、前記制御部は、前記造形領域と前記フラッシング位置との距離が閾値未満の場合に、前記ヘッドに第１フラッシング動作を実行させ、前記造形領域と前記フラッシング位置との距離が前記閾値以上の場合に、前記第１フラッシング動作と異なるフラッシング条件で前記ヘッドに第２フラッシング動作を実行させるよう制御することを特徴とする。
一実施例に係る本発明の三次元造形装置を表す概略構成図。 図１の三次元造形装置の液体共有システムを表す概略図。 図１の三次元造形装置のヘッドを表す斜視図。 図１の三次元造形装置のヘッドを表す底面側から見た図５の一点鎖線Ａで切った断面図であって、一部の構成部材を透視して破線で表した図。 図１の三次元造形装置のヘッドを表す図５の一点鎖線Ｂで切った側面断面図。 図１の三次元造形装置を用いて行う三次元造形方法のフローチャート。 図６のフローチャートにおけるフラッシング工程を表すフローチャート。 図１の三次元造形装置を用いて行う三次元造形方法を説明するための概略図であって、１層目を形成する様子を表す図である。 図１の三次元造形装置を用いて行う三次元造形方法を説明するための概略図であって、１層目の形成の際と同じ方向に供給ユニットを移動させて２層目を形成する様子を表す図である。 図１の三次元造形装置を用いて行う三次元造形方法を説明するための概略図であって、１層目の形成の際と反対の方向に供給ユニットを移動させて２層目を形成する様子を表す図である。 図１の三次元造形装置を用いて行う三次元造形方法を説明するための概略図であって、ノズルごとに空走距離を判断してフラッシング動作をノズルごとに異ならせる場合を説明するための図である。
最初に、本発明について概略的に説明する。
上記課題を解決するための本発明の第１の態様の三次元造形装置は、造形テーブルと、前記造形テーブルに粉末層を形成する層形成部と、前記粉末層における三次元造形物の造形領域にバインダーを含む液体をノズルから吐出するヘッドと、前記造形テーブルに対する前記ヘッドの移動と電圧を印加することによる前記ヘッドの駆動とを制御するとともに、前記造形領域とは異なる位置であるフラッシング位置において前記ヘッドにフラッシング動作を実行させるよう制御する、制御部と、を備え、前記制御部は、前記造形領域と前記フラッシング位置との距離が閾値未満の場合に、前記ヘッドに第１フラッシング動作を実行させ、前記造形領域と前記フラッシング位置との距離が前記閾値以上の場合に、前記第１フラッシング動作と異なるフラッシング条件で前記ヘッドに第２フラッシング動作を実行させるよう制御することを特徴とする。
本態様によれば、造形領域とフラッシング位置との距離が閾値未満の場合に第１フラッシング動作を実行させ、造形領域とフラッシング位置との距離が閾値以上の場合に第１フラッシング動作と異なるフラッシング条件で第２フラッシング動作を実行させる。すなわち、造形領域とフラッシング位置との距離が短い場合と長い場合とでフラッシング条件を異ならせる。このため、例えば、造形領域とフラッシング位置との距離が長くなり粉末層上をヘッドが空走状態で移動する時間が長くなる場合に、フラッシング効果が高い条件でヘッド内のインクを排出させることができる。したがって、フラッシング動作を行ってもノズルに混入した粉末が除去できないということを抑制できる。
本発明の第２の態様の三次元造形装置は、前記第２フラッシング動作における前記ヘッドへ入力される波形の周波数は、前記第１フラッシング動作における前記ヘッドへ入力される波形の周波数よりも高いことを特徴とする。
一般的に、造形領域とフラッシング位置との距離が長くなり粉末層上をヘッドが移動する時間が長くなる場合のほうが、ノズルにより多くの粉末が混入し、ノズルに混入した粉末を排出することが困難な場合が多い。しかしながら、本態様によれば、第２フラッシング動作におけるヘッドへ入力される波形の周波数は、第１フラッシング動作におけるヘッドへ入力される波形の周波数よりも高い。ヘッドへ入力される波形の周波数を高くするとノズルに混入した粉末を効果的に排出できるようになるため、本態様によれば、造形領域とフラッシング位置との距離が長くなり粉末層上をヘッドが空走状態で移動する時間が長くなる場合も、ノズルに混入した粉末を効果的に排出することができる。
本発明の第３の態様の三次元造形装置は、前記第１または第２の態様において、前記第２フラッシング動作における前記ヘッドへの印加電圧は、前記第１フラッシング動作における前記ヘッドへの印加電圧よりも高いことを特徴とする。
本態様によれば、第２フラッシング動作におけるヘッドへの印加電圧は、第１フラッシング動作におけるヘッドへの印加電圧よりも高い。ヘッドへの印加電圧を高くするとノズルに混入した粉末を効果的に排出できるようになるため、本態様によれば、造形領域とフラッシング位置との距離が長くなり粉末層上をヘッドが空走状態で移動する時間が長くなる場合も、ノズルに混入した粉末を効果的に排出することができる。
本発明の第４の態様の三次元造形装置は、前記第１から第３のいずれか１つの態様において、前記第２フラッシング動作における前記ヘッドからの前記液体の吐出速度は、前記第１フラッシング動作における前記ヘッドからの液体の吐出速度よりも速いことを特徴とする。
本態様によれば、第２フラッシング動作におけるヘッドからの液体の吐出速度は、第１フラッシング動作におけるヘッドからの液体の吐出速度よりも速い。ヘッドからの液体の吐出速度を速くするとノズルに混入した粉末を効果的に排出できるようになるため、本態様によれば、造形領域とフラッシング位置との距離が長くなり粉末層上をヘッドが空走状態で移動する時間が長くなる場合も、ノズルに混入した粉末を効果的に排出することができる。
本発明の第５の態様の三次元造形装置は、前記第１から第４のいずれか１つの態様において、前記第２フラッシング動作において前記ヘッドから吐出される前記液体の液滴サイズは、前記第１フラッシング動作における前記ヘッドから吐出される前記液体の液滴サイズよりも大きいことを特徴とする。
本態様によれば、第２フラッシング動作においてヘッドから吐出される液体の液滴サイズは、第１フラッシング動作におけるヘッドから吐出される液体の液滴サイズよりも大きい。ヘッドからの液体の吐出量を多くするとノズルに混入した粉末を効果的に排出できるようになるため、本態様によれば、造形領域とフラッシング位置との距離が長くなり粉末層上をヘッドが空走状態で移動する時間が長くなる場合も、ノズルに混入した粉末を効果的に排出することができる。
本発明の第６の態様の三次元造形装置は、前記第１から第５のいずれか１つの態様において、前記ヘッドは、前記ノズルに連通する圧力室と、前記圧力室に前記液体を供給する供給路と、循環させるために前記圧力室から前記液体を流入する循環路と、を備えることを特徴とする。
本態様によれば、ヘッドは液体を循環させるための循環路を備えている。このため、液体を循環させることで液体に含有される固形成分の沈降などを抑制でき、該固形成分が沈降することに伴う不具合を抑制できる。
本発明の第７の態様の三次元造形装置は、前記第６の態様において、前記制御部は、単位時間当たりに前記循環路に流入する前記液体の流量をｑ１とし、単位時間当たりに前記ノズルから吐出される前記液体の最大流量をｑ２としたときに、ｑ２／ｑ１が０．０５以上２０以下となるよう制御することを特徴とする。
本態様によれば、循環路に流入する液体の流量を適正な範囲に制御する。このことで、ノズル内の液体にかかる圧力と外気圧との圧力差が大きくなることを抑制できる。該圧力差が大きくなることを抑制することで、ノズルに粉末が混入することを抑制できる。
本発明の第８の態様の三次元造形装置は、前記第７の態様において、前記ｑ２／ｑ１は、０．０５であることを特徴とする。
本態様によれば、循環路に流入する液体の流量を特に好ましい範囲に制御する。このことで、ノズル内の液体にかかる圧力と外気圧との圧力差が大きくなることを特に効果的に抑制でき、ノズルに粉末が混入することを特に効果的に抑制できる。
以下、添付図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。
最初に、本発明の三次元造形装置１の一実施例について図１を参照して説明する。ここで、図１及び後述する各図における図中のＸ方向は水平方向であり供給ユニット８の往復移動方向に対応し、このうち、Ｘ１方向は往方向、Ｘ２方向は復方向に対応する。また、Ｙ方向は水平方向であるとともにＸ方向と直交する方向であり、ローラー６の回転軸の延びる方向に対応する。また、Ｚ方向は鉛直方向であり、層５００の積層方向に対応する。
なお、本明細書における「三次元造形」とは、いわゆる立体造形物を形成することを示すものであって、例えば、平板状、いわゆる二次元形状の形状であっても厚さを有する形状を形成することも含まれる。
本実施例の三次元造形装置１は、層５０１、層５０２、層５０３、・・・層５０ｎからなる層５００を積層することにより三次元造形物を製造する三次元造形装置である。そして、図１で表されるように、本実施例の三次元造形装置１は、造形テーブル９を有するテーブルユニット１０と、三次元造形物の造形材料を造形テーブル９に供給する供給ユニット８と、テーブルユニット１０及び供給ユニット８の動作を制御する制御部１２と、を備えている。なお、三次元造形装置１は、パーソナルコンピューターなどの外部装置２０と電気的に接続されており、外部装置２０を介してユーザーからの指示を受け付け可能な構成となっている。
造形テーブル９は、制御部１２の制御によりＺ方向に移動可能な構成となっている。造形テーブル９の造形面９ａをテーブルユニット１０の上面部１０ａに対してＺ方向において所定の距離だけ低い位置に配置し、造形面９ａに供給ユニット８から三次元造形物の造形材料を供給して１層分の層５００を形成する。そして、造形テーブル９の所定の距離分の下方への移動と、供給ユニット８からの三次元造形物の造形材料の供給と、を繰り返すことで積層する。図１は、層５０１、層５０２、層５０３及び層５０４の４層分の層形成を繰り返して、造形面９ａ上に三次元造形物の構造体Ｓを形成した様子を表している。
供給ユニット８は、ガイドバー１１に沿って、Ｘ方向に移動可能な構成となっている。また、供給ユニット８は、金属やセラミックスや樹脂などの粉末を含む造形材料を造形テーブル９に供給する造形材料供給部２を備えている。なお、造形材料供給部２として、Ｘ１方向の先頭側端部に形成された造形材料供給部２Ａと、Ｘ２方向の先頭側端部に形成された造形材料供給部２Ｂと、を備えている。
また、供給ユニット８は、造形テーブル９に供給された造形材料を圧縮して均すことが可能なローラー６を備えている。なお、ローラー６として、Ｘ方向における造形材料供給部２Ａの隣に形成されたローラー６Ａと、Ｘ方向における造形材料供給部２Ｂの隣に形成されたローラー６Ｂと、を備えている。ここで、造形材料供給部２とローラー６とで、造形テーブル９に粉末層である層５００を形成する、層形成部を構成している。なお、供給ユニット８は、ローラー６の代わりに、造形テーブル９に供給された造形材料を均すことが可能なスキージを備えていても構わない。
また、供給ユニット８は、造形材料供給部２から供給された造形材料に含まれる粉末を結着するバインダーを含む液体を、三次元造形物の造形領域Ｐ１に吐出するヘッド３を備えている。なお、ヘッド３として、Ｘ方向におけるローラー６Ａの隣に形成されたヘッド３Ａと、Ｘ方向におけるローラー６Ｂの隣に形成されたヘッド３Ｂと、を備えている。ここで、ヘッド３Ａ及びヘッド３Ｂから吐出される液体は同じ液体であり、ともに、バインダーとして紫外線硬化樹脂を含む液体である。ただし、このような液体に限定されず、熱硬化樹脂をバインダーとして含む液体や、バインダーとしての固体の樹脂が揮発性の溶媒に溶解された状態の液体などを使用してもよい。
そして、Ｘ方向におけるヘッド３Ａとヘッド３Ｂとの間には、紫外線硬化樹脂を硬化させることが可能な紫外線を照射する紫外線照射部４を備えている。なお、本実施例の供給ユニット８は、紫外線照射部４を１つ備える構成であるが、紫外線照射部４を２つ以上備える構成や、使用する液体の種類などに応じて、紫外線照射部４を備えない構成や、紫外線照射部４の代わりに熱硬化樹脂を硬化させるため或いは溶媒を揮発させるためのヒーターを備える構成などであってもよい。
図１で表されるように、本実施例の供給ユニット８は、Ｘ方向において構成部材の形状が対称となっている。このため、本実施例の三次元造形装置１は、供給ユニット８をＸ１方向に移動させつつ三次元造形物の造形動作を実行できるとともに、供給ユニット８をＸ２方向に移動させつつ三次元造形物の造形動作を実行できる。
また、図１で表されるように、本実施例の三次元造形装置１は、テーブルユニット１０に液体受け部５が設けられており、液体受け部５と対向する位置でヘッド３から液体を吐出させてフラッシング動作を実行可能である。すなわち、液体受け部５と対向する位置がフラッシング位置Ｐ２であり、このため当然、フラッシング位置Ｐ２は三次元造形物の造形領域Ｐ１とは異なる位置である。なお、液体受け部５として、液体受け部５Ａと、液体受け部５Ｂと、を備えている。
このように、本実施例の三次元造形装置１は、造形テーブル９と、造形テーブル９に粉末層である層５００を形成する層形成部としての造形材料供給部２及びローラー６と、層５００における三次元造形物の造形領域Ｐ１にバインダーを含む液体をノズルから吐出するヘッド３と、造形テーブル９に対するヘッド３の移動と、電圧を印可することによるヘッド３の駆動と、を制御する制御部１２と、を備えている。そして、制御部１２は、造形領域Ｐ１への液体の吐出後に、造形領域Ｐ１とは異なる位置であるフラッシング位置においてヘッド３に電圧を印可して、ノズルから液体を吐出するフラッシング動作を実行させる。なお、本実施例の三次元造形装置１は、液体受け部５と対向する位置をフラッシング位置Ｐ２としているが、このような構成に限定されず、例えば、造形面９ａ上の造形領域Ｐ１とは異なる領域をフラッシング位置Ｐ２としてもよい。
また、本実施例の三次元造形装置１は、ヘッド３に液体を供給する液体供給システム４０を備えている。そこで、以下に、図２から図５を参照して、液体供給システム４０、並びに、ヘッド３について詳細に説明する。ここで、図２に示す液体供給システム４０は、ヘッド３に液体を供給するための供給流路４５ａを含む循環部４１と、循環部４１に液体を補充するための液体補充流路４５ｄを含む補充部４２と、によって構成されている。
最初に、液体供給システム４０について説明する。図２で表されるように、循環部４１は、ヘッド３と、加圧制御用液体タンク４３ａと減圧制御用液体タンク４３ｂと、加圧制御用ポンプ４４ａと、減圧制御用ポンプ４４ｂと、流動用ポンプ４４ｃと、電磁弁Ｖ１と、を有する。また、循環部４１は、加圧制御用液体タンク４３ａとヘッド３を連結する供給流路４５ａと、ヘッド３と減圧制御用液体タンク４３ｂを連結する第１循環流路４５ｂと、加圧制御用液体タンク４３ａと減圧制御用液体タンク４３ｂとを連結する第２循環流路４５ｃと、を有する。ここで、第１循環流路４５ｂには、フィルターＦ２と、第１循環流路４５ｂ中を流れる液体の流量を検出する流量センサー４６と、が設けられている。
加圧制御用液体タンク４３ａ、加圧制御用ポンプ４４ａ、減圧制御用液体タンク４３ｂ、減圧制御用ポンプ４４ｂによって、ヘッド３のノズルＮには大気圧から若干負圧が掛かるように差圧制御が行われる。
減圧用タンクである減圧制御用液体タンク４３ｂから加圧用タンクである加圧制御用液体タンク４３ａに液体を流動させる第２循環流路４５ｃには、流動用ポンプ４４ｃと、電磁弁Ｖ１が設置されている。ヘッド３における液体吐出動作が実行されるとき、ヘッド３に液体を供給するときは、電磁弁Ｖ１を開き、流動用ポンプ４４ｃを動作させて、供給流路４５ａ、第１循環流路４５ｂ及び第２循環流路４５ｃにおいて液体を循環させる。
補充部４２は、液体が収容された交換可能な液体カートリッジ４３ｃと、流動用ポンプ４４ｄと、電磁弁Ｖ２と、を有する。また、補充部４２は、加圧制御用液体タンク４３ａと液体カートリッジ４３ｃとを連結する液体補充流路４５ｄを有する。液体カートリッジ４３ｃから加圧制御用液体タンク４３ａに液体を補充するときは、電磁弁Ｖ２を開き、流動用ポンプ４４ｄを動作させて、液体補充流路４５ｄにおいて液体を流させる。
次に、ヘッド３の詳細な構成について図３から図５を参照して説明する。なお、図５中の実線の矢印は、ヘッド３の内部での液体の流れる方向を表している。
図３に示されるように、ヘッド３は、供給流路４５ａ及び第１循環流路４５ｂと接続されている。ヘッド３の内部に液体を供給する供給流路としての供給流路４５ａ、並びに、ヘッド３の内部の液体を一旦外部に排出して循環させる循環流路としての第１循環流路４５ｂは、ヘッド３の一部を構成しているとみなすことができる。別の表現をすると、ヘッド３は、供給流路４５ａ及び第１循環流路４５ｂを備えている。供給流路４５ａは供給口３３に接続され、第１循環流路４５ｂは排出口３４に接続されている。
ヘッド３は、図３から図５で表されるように、供給口３３を有する供給液室３１を有し、液体は、供給流路４５ａから供給口３３を介して供給液室３１に送られる。また、ヘッド３は、図４及び図５で表されるように、フィルターＦ３を介して供給液室３１と通じる個別供給流路３７を有し、供給液室３１に供給された液体は、個別供給流路３７に送られる。
ヘッド３は、図３及び図５で表されるように、電圧を印加させることでＺ方向に沿って変形する圧電素子３５を有し、圧電素子３５は、Ｚ方向において振動板Ｄを挟んで圧力室３６と反対側の空間に配置されている。図４及び図５で表されるように、圧力室３６は個別供給流路３７と通じており、液体は個別供給流路３７から圧力室３６に送られる。また、圧力室３６にはノズルＮが連通しており、圧電素子３５が変形することで圧力室３６の容積が収縮し、圧力室３６中の液体が加圧されることで、ノズルＮから液体が吐出する。なお、図５における下方が鉛直下方向であり、ノズルＮからの液体の吐出方向は、重力方向に対応する鉛直下方向である。
なお、上記のように、本実施例の三次元造形装置１は、図２で表される液体供給システム４０を備えており、ヘッド３に供給する液体を循環して供給している。このため、圧力室３６に一度送られた液体を循環させるため、圧力室３６は個別供給流路３７に加えて個別循環流路３８にも通じている。個別循環流路３８は、フィルターＦ１を介して、排出口３４を有する循環液室３２と通じている。本実施例の三次元造形装置１は、ヘッド３の内部において、供給流路４５ａ、供給液室３１、個別供給流路３７、圧力室３６、個別循環流路３８、循環液室３２、第１循環流路４５ｂ、と液体を流すことで該液体を循環させている。
上記のように、ヘッド３は、ノズルＮに連通する圧力室３６と、圧力室３６にバインダーを含む液体を供給する供給路としての供給流路４５ａ、供給液室３１、個別供給流路３７と、循環させるために圧力室３６からバインダーを含む液体を流入する循環路としての個別循環流路３８、循環液室３２、第１循環流路４５ｂと、を備えている。ここで、バインダーを含む液体中には固形成分などが含まれている場合があるが、上記のように、ヘッド３はバインダーを含む液体を循環させるための循環路を備えている。このため、該液体を循環させることで該液体に含有される固形成分の沈降などを抑制でき、該固形成分が沈降することに伴う不具合を抑制できる。
なお、制御部１２は、単位時間当たりに循環路に流入するバインダーを含む液体の流量をｑ１とし、単位時間当たりにノズルＮから吐出されるバインダーを含む液体の最大流量をｑ２としたときに、ｑ２／ｑ１が０．０５以上２０以下となるよう制御する。すなわち、本実施例の三次元造形装置１は、循環路に流入するバインダーを含む液体の流量を適正な範囲に制御する。このことで、ノズルＮ内の液体にかかる圧力と外気圧との圧力差が大きくなることを抑制できる。本実施例の三次元造形装置１は、該圧力差が大きくなることを抑制することで、ノズルＮに層５００を形成する粉末が混入することを抑制できる。
なお、制御部１２は、通常状態においては、前記ｑ２／ｑ１を０．０５とする。すなわち、本実施例の三次元造形装置１は、循環路に流入するバインダーを含む液体の流量を特に好ましい範囲に制御する。このことで、本実施例の三次元造形装置１は、ノズルＮ内の液体にかかる圧力と外気圧との圧力差が大きくなることを特に効果的に抑制でき、ノズルＮに層５００を形成する粉末が混入することを特に効果的に抑制できる。
次に、本実施例の三次元造形装置１で使用可能な造形材料についての具体例を説明する。層５００を形成する造形材料に含有可能な金属粉末としては、例えばマグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）やクロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）の単体粉末、もしくはこれらの金属を１つ以上含む合金（マルエージング鋼、ステンレス（ＳＵＳ）、コバルトクロムモリブデン、チタニウム合金、ニッケル合金、アルミニウム合金、コバルト合金、コバルトクロム合金）の粉末、これらの混合粉末を、用いることが可能である。
また、層５００を形成する造形材料に含有可能なセラミックス粉末としては、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）などを好ましく使用可能である。
また、層５００を形成する造形材料に含有可能な樹脂粒子、或いは、ヘッド３から造形領域Ｐ１に吐出される液体中に含有されるバインダーとしては、例えば、ＰＭＭＡ（アクリル）、ＡＢＳ（アクリロニトリル－ブタジエン－アクリル酸エステル）、ＡＳＡ（アクリロニトリル－スチレン－アクリル酸エステル）、ＰＬＡ（ポリ乳酸）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＡ（ポリアミド）、ＥＰ（エポキシ）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＳ（ポリスチレン）、パラフィンワックス、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、カルボキシメチルセルロース、ポリオキシメチレン、ポリメチルメタクリレートなどを好ましく使用可能である。また、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、セルロース系樹脂或いはその他の合成樹脂などを単独で或いは組み合わせて用いることができる。さらには、熱可塑性樹脂や、アクリルなどのような不飽和二重結合のラジカル重合を用いるタイプやエポキシなどのカチオン重合を用いるタイプの紫外線硬化性樹脂を用いることもできる。
また、ヘッド３から吐出される液体中に含有される溶剤としては、例えば、水；エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等の（ポリ）アルキレングリコールモノアルキルエーテル類；酢酸エチル、酢酸ｎ－プロピル、酢酸ｉｓｏ－プロピル、酢酸ｎ－ブチル、酢酸ｉｓｏ－ブチル等の酢酸エステル類；ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類；メチルエチルケトン、アセトン、メチルイソブチルケトン、エチル－ｎ－ブチルケトン、ジイソプロピルケトン、アセチルアセトン等のケトン類；エタノール、プロパノール、ブタノール等のアルコール類；テトラアルキルアンモニウムアセテート類；ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド等のスルホキシド系溶剤；ピリジン、γ－ピコリン、２，６－ルチジン等のピリジン系溶剤；テトラアルキルアンモニウムアセテート（例えば、テトラブチルアンモニウムアセテート等）等のイオン液体等が挙げられ、これらから選択される１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
次に、本実施例の三次元造形装置１を用いて実行可能な三次元造形方法の一例について、図８から図１１を参照しつつ、図６及び図７のフローチャートを用いて説明する。なお、図７のフローチャートは、図６のフローチャートにおけるステップＳ１６０のフラッシング工程を具体的に表すフローチャートである。図６及び図７のフローチャートで表される本実施例の三次元造形方法は、供給ユニット８や造形テーブル９など三次元造形装置１の各構成部材の制御を制御部１２が行うことにより行われる。また、図８は、層５００のうちの１層目である層５０１を形成する際の一例を表している。また、図９及び図１０は層５００のうちの２層目である層５０２を形成する際の一例を表している。
本実施例の三次元造形装置１は、各層５００を形成する際に、供給ユニット８をＸ１方向に移動させて層５００を形成することができる。さらに、各層５００を形成する際に、奇数段目の層５００では供給ユニット８をＸ１方向に移動させるとともに、偶数段目の層５００では供給ユニット８をＸ２方向に移動させて層５００を形成することができる。ここで、図９は、奇数段目の層５００である層５０１を形成する場合だけでなく、偶数段目の層５００である層５０２を形成する場合も、供給ユニット８をＸ１方向に移動させて層５００を形成する際の一例を表している。一方、図１０は、奇数段目の層５００を形成する場合には供給ユニット８をＸ１方向に移動させるとともに、偶数段目の層５００を形成する場合には供給ユニット８をＸ２方向に移動させることで、層５００を形成する際の一例を表している。
図６で表されるように、最初に、ステップＳ１１０の造形データ入力工程で、製造する三次元造形物の造形データを入力する。三次元造形物の造形データの入力元に特に限定はないが、外部装置２０を用いて造形データを三次元造形装置１に入力できる。
次に、ステップＳ１２０の造形前フラッシング工程で、ヘッド３について造形前フラッシングを行う。ここで、造形前フラッシングは、フラッシング位置である液体受け部５と対向する位置であるフラッシング位置Ｐ２にヘッド３を移動し、該フラッシング位置Ｐ２で行う。なお、本ステップＳ１２０の造形前フラッシング工程は、省略してもよい。
次に、ステップＳ１３０の層形成工程で、造形材料供給部２から造形材料を造形テーブル９の造形面９ａに供給するとともにローラー６で造形材料を圧縮して均すことで層５００を形成する。ここで、図８の一番上の状態は、Ｘ１方向に供給ユニット８を移動して１層目の層５０１を形成している状態を表している。また、図９の一番上の状態は、Ｘ１方向に供給ユニット８を移動して２層目の層５０２を形成している状態を表している。このように、Ｘ１方向に供給ユニット８を移動して層５００を形成する場合は、造形材料供給部２Ａから造形材料を供給するとともにローラー６Ａで造形材料を圧縮して均すことで層５００を形成する。一方、図１０の一番上の状態で表されるように、Ｘ２方向に供給ユニット８を移動して層５００を形成する場合は、造形材料供給部２Ｂから造形材料を供給するとともにローラー６Ｂで造形材料を圧縮して均すことで層５００を形成する。
次に、ステップＳ１４０の液体吐出工程で、層５００における三次元造形物の造形領域Ｐ１にバインダーを含む液体をヘッド３のノズルＮから吐出する。図８の上から２番目の状態は、Ｘ１方向に供給ユニット８を移動しつつ層５０１の造形領域Ｐ１に液体をヘッド３のノズルＮから吐出している状態を表している。また、図９の上から２番目の状態は、Ｘ１方向に供給ユニット８を移動しつつ層５０１の造形領域Ｐ１に液体をヘッド３のノズルＮから吐出している状態を表している。このように、Ｘ１方向に供給ユニット８を移動して層５００を形成する場合は、ヘッド３Ａから液体を吐出する。一方、図１０の上から２番目の状態で表されるように、Ｘ２方向に供給ユニット８を移動して層５００を形成する場合は、ヘッド３Ｂから液体を吐出する。
次に、ステップＳ１５０の紫外線照射工程で、層５００における三次元造形物の造形領域Ｐ１に向けて紫外線照射部４から紫外線を照射する。図８の上から３番目の状態は、Ｘ１方向に供給ユニット８を移動しつつ層５０１における三次元造形物の造形領域Ｐ１に向けて紫外線照射部４から紫外線を照射している状態を表している。また、図９の上から３番目の状態は、Ｘ１方向に供給ユニット８を移動しつつ層５０２における三次元造形物の造形領域Ｐ１に向けて紫外線照射部４から紫外線を照射している状態を表している。そして、図１０の上から３番目の状態は、Ｘ１方向に供給ユニット８を移動しつつ層５０２における三次元造形物の造形領域Ｐ１に向けて紫外線照射部４から紫外線を照射している状態を表している。
次に、ステップＳ１６０のフラッシング工程で、ヘッド３のフラッシングを行う。ここで、図８の一番下の状態、並びに、図９の一番下の状態で表されるように、Ｘ１方向に供給ユニット８を移動して層５００を形成する際には、液体受け部５Ａと対向する側のフラッシング位置Ｐ２でヘッド３Ａのフラッシングを行う。なお、ヘッド３Ａのフラッシングに引き続いて、液体受け部５Ａと対向する側のフラッシング位置Ｐ２でヘッド３Ｂのフラッシングも行うことができる。一方、図１０の一番下の状態で表されるように、Ｘ２方向に供給ユニット８を移動して層５００を形成する際には、液体受け部５Ｂと対向する側のフラッシング位置Ｐ２でヘッド３Ｂのフラッシングを行う。なお、ヘッド３Ｂのフラッシングに引き続いて、液体受け部５Ｂと対向する側のフラッシング位置Ｐ２でヘッド３Ａのフラッシングも行うことができる。
ここで、図７を参照して、ステップＳ１６０のフラッシング工程の詳細について説明する。図７で表されるように、フラッシング工程を開始すると、最初に、ステップＳ１６１０の空走距離取得工程で、造形領域Ｐ１とフラッシング位置Ｐ２との距離に対応する空走距離Ｌを取得する。図８の上から２番目の状態においては、該空走距離Ｌは空走距離Ｌ１となる。また、図９の上から２番目の状態においては、該空走距離Ｌは空走距離Ｌ２Ａとなる。そして、図１０の上から２番目の状態においては、該空走距離Ｌは空走距離Ｌ２Ｂとなる。
ここで、「造形領域Ｐ１とフラッシング位置Ｐ２との距離」とは、ヘッド３または供給ユニット８が移動する方向における造形領域Ｐ１と非造形領域との境界からフラッシング位置Ｐ２までの直線距離を意味する。該距離の移動中においてヘッド３は液滴を吐出していないため、該距離を空走距離Ｌとしている。空走距離Ｌの算出は、ヘッド３に印加される波形データの元となるステップＳ１１０の造形データ入力工程で入力した造形データに基づいて制御部１２により算出される。なお、該波形データは、ビットマップ化された造形データに基づいて制御部１２により生成される。
次に、ステップＳ１６２０の空走距離判断工程で、空走距離Ｌが閾値未満か否かを制御部１２において判断する。そして、空走距離Ｌが閾値未満だと制御部１２が判断するとステップＳ１６３０の第１フラッシング動作実行工程に進み、空走距離Ｌが閾値以上だと制御部１２が判断するとステップＳ１６４０の第２フラッシング動作実行工程に進む。例えば、図８の上から２番目の状態における空走距離Ｌ１は、短く、閾値未満である。このため、このような場合はステップＳ１６３０の第１フラッシング動作実行工程に進む。一方、図９の上から２番目の状態における空走距離Ｌ２Ａ及び図１０の上から２番目の状態における空走距離Ｌ２Ｂは、長く、閾値以上である。このため、このような場合はステップＳ１６４０の第２フラッシング動作実行工程に進む。
なお、本実施例の三次元造形装置１は、Ｘ方向に沿って移動するヘッド３の１回の移動ごとに、ヘッド３に複数あるノズルＮのうちの各ノズルＮにおいて空走距離Ｌを判断し、その空走距離Ｌが最長となるノズルＮに対応する空走距離Ｌを採用することができる。そして、各ノズルＮに対してまとめて同じ条件で、第１フラッシング動作か第２フラッシング動作かのいずれかのフラッシング動作を実行することができる。
ただし、本実施例の三次元造形装置１は、Ｘ方向に沿って移動するヘッド３の１回の移動ごとに、ヘッド３に複数あるノズルＮのうちの各ノズルＮにおいて空走距離Ｌを判断し、空走距離Ｌが閾値未満のノズルＮごと、そして、空走距離Ｌが閾値以上のノズルＮごとに、第１フラッシング動作か第２フラッシング動作かのいずれかのフラッシング動作を実行することもできる。例えば、図１１はヘッド３をＸ１方向に移動させつつ領域Ｓａ及び領域Ｓｂを有する三次元造形物の構造体Ｓを造形している状態を表す図であるが、図１１で表されるように、構造体Ｓのうちの領域Ｓａを形成するノズルＮには第１フラッシング動作を実行し、構造体Ｓのうちの領域Ｓｂを形成するノズルＮには第２フラッシング動作を実行することができる。領域Ｓａを形成するノズルＮに対応する空走距離Ｌａは短く空走距離Ｌが閾値未満に該当し、領域Ｓｂを形成するノズルＮに対応する空走距離Ｌｂは長く空走距離Ｌが閾値以上に該当する。しかしながら、上記のように、本実施例の三次元造形装置１は、図１１で表される構造体Ｓを形成する場合において、空走距離Ｌが閾値以上に該当すると制御部１２において判断し、すべてのノズルＮに対してまとめて第２フラッシング動作を実行することもできる。
ステップＳ１６３０の第１フラッシング動作実行工程、並びに、ステップＳ１６４０の第２フラッシング動作実行工程では、ヘッド３から液体受け部５に向けて液体を吐出させるフラッシング動作を実行する。ここで、第１フラッシング動作と第２フラッシング動作とではフラッシング条件が異なっている。第１フラッシング動作と第２フラッシング動作とにおける異なるフラッシング条件については後述する。
そして、ステップＳ１６３０の第１フラッシング動作実行工程、並びに、ステップＳ１６４０の第２フラッシング動作実行工程の終了に伴い、図６のフローチャートにおけるステップＳ１６０のフラッシング工程は終了する。図６のフローチャートにおけるステップＳ１６０のフラッシング工程の終了に伴い、図６のフローチャートにおけるステップＳ１７０の造形データ終了有無判断工程に進む。
図６のフローチャートに戻り、ステップＳ１７０の造形データ終了有無判断工程では、三次元造形装置１の制御部１２において、ステップＳ１１０で入力した造形データに基づく層５００の形成が全て終了したかどうかを判断する。層５００の形成が全て終了していないと判断した場合、ステップＳ１２０の造形前フラッシング工程に戻り、次の層５００を形成する。一方、層５００の形成が全て終了したと判断した場合、ステップＳ１８０の脱脂工程に進む。
ステップＳ１８０の脱脂工程では、バインダーなど、ステップＳ１２０の造形前フラッシング工程からステップＳ１７０の造形データ終了有無判断工程を繰り返すことで製造された構造体Ｓの樹脂成分を、外部装置などを用いて脱脂する。なお、脱脂の方法は、加熱することにより樹脂成分を揮発させる方法や、溶剤中に構造体Ｓを漬けて樹脂成分を溶解させる方法などがあるが、特に限定はない。なお、樹脂製の三次元造形物を製造する場合など、製造する三次元造形物の種類などによっては、本ステップＳ１８０の脱脂工程を省略してもよい。
そして、ステップＳ１９０の焼結工程では、外部装置などを用いてステップＳ１８０の脱脂工程で脱脂がなされた構造体Ｓを加熱して造形材料を焼結する。なお、ステップＳ１８０の脱脂工程を実行した後においても構造体Ｓのバインダーなどの樹脂成分が残存していた場合でも、本ステップＳ１９０の焼結工程の実行に伴い該樹脂成分は除去される。そして、本ステップＳ１９０の焼結工程の終了に伴い、本実施例の三次元造形物の製造方法を終了する。なお、ステップＳ１８０の脱脂工程と同様、製造する三次元造形物の種類などによっては、本ステップＳ１９０の焼結工程を省略してもよい。
ここで、一旦まとめると、本実施例の三次元造形装置１においては、制御部１２は、造形領域Ｐ１とフラッシング位置Ｐ２との距離である空走距離Ｌが閾値未満の場合に、ヘッド３に第１フラッシング動作を実行させ、空走距離Ｌが閾値以上の場合に、第１フラッシング動作と異なるフラッシング条件でヘッド３に第２フラッシング動作を実行させるよう制御する。すなわち、本実施例の三次元造形装置１は、空走距離Ｌが短い場合と長い場合とでフラッシング条件を異ならせる。このため、空走距離Ｌが長くなり粉末層である層５００上をヘッド３が空走状態で移動する時間が長くなる場合に、フラッシング効果が高い条件でヘッド３内のインクを排出させることができる。したがって、本実施例の三次元造形装置１は、フラッシング動作を行ってもノズルＮに混入した粉末が除去できないということを抑制できる。
なお、本実施例の三次元造形装置１は、空走距離Ｌが閾値未満の場合に第１フラッシング動作を実行させるとともに空走距離Ｌが閾値以上の場合に第２フラッシング動作を実行させるが、空走距離Ｌが閾値以下の場合に第１フラッシング動作を実行させるとともに空走距離Ｌが閾値を超える場合に第２フラッシング動作を実行させる構成としてもよい。さらには、閾値を複数設け、第１フラッシング動作及び第２フラッシング動作以外にも、第１フラッシング動作及び第２フラッシング動作と異なるフラッシング条件でフラッシング動作を行ってもよい。
本実施例の三次元造形装置１は、第２フラッシング動作におけるヘッド３へ入力される波形の周波数を、第１フラッシング動作におけるヘッド３へ入力される波形の周波数よりも高くすることができる。ヘッド３へ入力される波形の周波数を高くするとノズルＮに混入した粉末を効果的に排出できるようになるため、本実施例の三次元造形装置１は、造形領域Ｐ１とフラッシング位置Ｐ２との距離である空走距離Ｌが長くなり粉末層である層５００上をヘッド３が空走状態で移動する時間が長くなる場合も、ノズルＮに混入した粉末を効果的に排出することができる。
また、本実施例の三次元造形装置１は、第２フラッシング動作におけるヘッド３への印加電圧を、第１フラッシング動作におけるヘッド３への印加電圧よりも高くすることができる。ヘッド３への印加電圧を高くするとノズルＮに混入した粉末を効果的に排出できるようになるため、本実施例の三次元造形装置１は、空走距離Ｌが長くなり層５００上をヘッド３が空走状態で移動する時間が長くなる場合も、ノズルＮに混入した粉末を効果的に排出することができる。
また、本実施例の三次元造形装置１は、ヘッド３への印加電圧やヘッド３に電圧を印加する際の波形を調整することで、第２フラッシング動作におけるヘッド３からの液体の吐出速度を、第１フラッシング動作におけるヘッド３からの液体の吐出速度よりも速くすることができる。ヘッド３からの液体の吐出速度を速くするとノズルＮに混入した粉末を効果的に排出できるようになるため、本実施例の三次元造形装置１は、空走距離Ｌが長くなり層５００上をヘッド３が空走状態で移動する時間が長くなる場合も、ノズルＮに混入した粉末を効果的に排出することができる。
また、本実施例の三次元造形装置１は、ヘッド３への印加電圧やヘッド３に電圧を印加する際の波形を調整することで、第２フラッシング動作においてヘッド３から吐出される液体の液滴サイズを、第１フラッシング動作におけるヘッド３から吐出される液体の液滴サイズよりも大きくすることができる。ヘッド３からの液体の吐出量を多くするとノズルＮに混入した粉末を効果的に排出できるようになるため、本実施例の三次元造形装置１は、空走距離Ｌが長くなり層５００上をヘッド３が空走状態で移動する時間が長くなる場合も、ノズルＮに混入した粉末を効果的に排出することができる。
また、本実施例の三次元造形装置１は、造形領域Ｐ１とフラッシング位置Ｐ２との距離が閾値未満の場合に第１フラッシング動作を実行させ、造形領域Ｐ１とフラッシング位置Ｐ２との距離が閾値以上の場合に第１フラッシング動作と異なるフラッシング条件で第２フラッシング動作を実行させるとしたが、造形領域Ｐ１とフラッシング位置Ｐ２との距離が当該閾値よりも長い第２閾値以上の場合に第２フラッシング動作と異なるフラッシング条件で第３フラッシング動作を実行させても構わない。このため、例えば、造形領域とフラッシング位置との距離に応じて適切なフラッシング条件でヘッド内のインクを排出させることができる。したがって、フラッシング動作を行ってもノズルに混入した粉末が除去できないということを抑制できる。
本発明は、上述の実施例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
１…三次元造形装置、２…造形材料供給部（層形成部）、２Ａ…造形材料供給部、
２Ｂ…造形材料供給部、３…ヘッド、３Ａ…ヘッド、３Ｂ…ヘッド、
４…紫外線照射部、５…液体受け部、５Ａ…液体受け部、５Ｂ…液体受け部、
６…ローラー（層形成部）、６Ａ…ローラー、６Ｂ…ローラー、８…供給ユニット、
９…造形テーブル、９ａ…造形面、１０…テーブルユニット、１０ａ…上面部、
１１…ガイドバー、１２…制御部、２０…外部装置、３１…供給液室（供給路）、
３２…循環液室（循環路）、３３…供給口、３４…排出口、３５…圧電素子、
３６…圧力室、３７…個別供給流路（供給路）、３８…個別循環流路（循環路）、
４０…液体供給システム、４１…循環部、４２…補充部、
４３ａ…加圧制御用液体タンク、４３ｂ…減圧制御用液体タンク、
４３ｃ…液体カートリッジ、４４ａ…加圧制御用ポンプ、４４ｂ…減圧制御用ポンプ、
４４ｃ…流動用ポンプ、４４ｄ…流動用ポンプ、４５ａ…供給流路（供給路）、
４５ｂ…第１循環流路（循環路）、４５ｃ…第２循環流路、４５ｄ…液体補充流路、
４６…流量センサー、５００…層（粉末層）、
５０１、５０２、５０３、・・・５０ｎ…層、Ｄ…振動板、
Ｆ１…フィルター、Ｆ２…フィルター、Ｆ３…フィルター、Ｎ…ノズル、
Ｌ…空走距離（造形領域Ｐ１とフラッシング位置Ｐ２との距離）、Ｌ１…空走距離、
Ｌ２Ａ…空走距離、Ｌ２Ｂ…空走距離、Ｌａ…空走距離、Ｌｂ…空走距離、
Ｐ１…造形領域、Ｐ２…フラッシング位置、Ｓ…構造体、Ｓａ…領域、Ｓｂ…領域、
Ｖ１…電磁弁、Ｖ２…電磁弁

Claims (8)

  1. 造形テーブルと、
    前記造形テーブルに粉末層を形成する層形成部と、
    前記粉末層における三次元造形物の造形領域にバインダーを含む液体をノズルから吐出するヘッドと、
    前記造形テーブルに対する前記ヘッドの移動と電圧を印加することによる前記ヘッドの駆動とを制御するとともに、前記造形領域とは異なる位置であるフラッシング位置において前記ヘッドにフラッシング動作を実行させるよう制御する、制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、
    前記造形領域と前記フラッシング位置との距離が閾値未満の場合に、前記ヘッドに第１フラッシング動作を実行させ、
    前記造形領域と前記フラッシング位置との距離が前記閾値以上の場合に、前記第１フラッシング動作と異なるフラッシング条件で前記ヘッドに第２フラッシング動作を実行させるよう制御することを特徴とする三次元造形装置。
  2. 請求項１に記載された三次元造形装置において、
    前記第２フラッシング動作における前記ヘッドへ入力される波形の周波数は、前記第１フラッシング動作における前記ヘッドへ入力される波形の周波数よりも高いことを特徴とする三次元造形装置。
  3. 請求項１または２に記載された三次元造形装置において、
    前記第２フラッシング動作における前記ヘッドへの印加電圧は、前記第１フラッシング動作における前記ヘッドへの印加電圧よりも高いことを特徴とする三次元造形装置。
  4. 請求項１から３のいずれか１項に記載された三次元造形装置において、
    前記第２フラッシング動作における前記ヘッドからの前記液体の吐出速度は、前記第１フラッシング動作における前記ヘッドからの前記液体の吐出速度よりも速いことを特徴とする三次元造形装置。
  5. 請求項１から４のいずれか１項に記載された三次元造形装置において、
    前記第２フラッシング動作において前記ヘッドから吐出される前記液体の液滴サイズは、前記第１フラッシング動作における前記ヘッドから吐出される前記液体の液滴サイズよりも大きいことを特徴とする三次元造形装置。
  6. 請求項１から５のいずれか１項に記載された三次元造形装置において、
    前記ヘッドは、前記ノズルに連通する圧力室と、前記圧力室に前記液体を供給する供給路と、循環させるために前記圧力室から前記液体を流入する循環路と、を備えることを特徴とする三次元造形装置。
  7. 請求項６に記載された三次元造形装置において、
    前記制御部は、単位時間当たりに前記循環路に流入する前記液体の流量をｑ１とし、単位時間当たりに前記ノズルから吐出される前記液体の最大流量をｑ２としたときに、ｑ２／ｑ１が０．０５以上２０以下となるよう制御することを特徴とする三次元造形装置。
  8. 請求項７に記載された三次元造形装置において、
    前記ｑ２／ｑ１は、０．０５であることを特徴とする三次元造形装置。
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