JP2022027172A - 立体造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】立体造形装置におけるリコータローラの摺り切り工程で余剰粉の発生を少なくし、また、造形槽全体に粉体を充足させることを可能とする。
【解決手段】粉体が層状に敷かれ、粉体が結合された層状造形物が積層される造形槽と、造形槽の粉体を平坦化するローラと、を備えた立体造形装置であって、ローラは、ローラが回転することで、造形槽の粉体を、ローラの長手方向に沿って移動させる螺旋状に設けられた溝部を有する。これにより、造形槽の粉体を移動させながら平滑化でき、摺り切り工程で余剰粉の発生を少なくできると共に、造形槽全体に粉体を充足させることができる。
【選択図】図８

Description

本発明は、立体造形装置に関する。

立体造形物（三次元造形物）を造形する立体造形装置（三次元造形装置）として、例えば積層造形法で造形するものが知られている。この立体造形装置は、造形槽に平坦化された金属又は非金属の粉体で、層状の粉体層を形成する。そして、立体造形装置は、この粉体層に対して造形液を吐出することで、粉体同士が結合された層状造形物（造形層）を形成する。立体造形装置は、このようにして形成された造形層上に、再度、粉体層を形成すると共に、再度、造形液を吐出して造形層を形成する工程を繰り返し行う。これにより、複数の造形層が徐々に積層されて立体造形物が造形されることとなる。

ここで、このような積層造形法の立体造形装置には、リコータローラが設けられており、このリコータローラにより、造形槽の粉体が擦り切られて平坦化されて用いられる。このような粉体の摺り切り工程では、造形槽での粉面を一様に平滑に形成するために、必要量以上の粉体を、リコータローラにより造形槽上で擦り切る。この摺り切り工程により発生した余剰粉は、回収槽内へ落下する。

特許文献１（特表２００８－５３８３３３号公報）には、表面の上に粉体材料の層を付着させるための装置が開示されている。この装置は、付着装置５２を作業面５５に対して平行に移動させることで、支持体２又は先に固化された層の上に第１の粉体層を積層する。この積層工程において、ブレードにより、余剰粉体が作製場から外側へ移動されて除去される。

摺り切り工程により発生する余剰粉は、造形槽で使用されないため、少なく抑えることができれば、供給槽に用意する粉体の量を少なくできる。このため、粉体の量を、造形槽を埋める粉量よりも多少多めの粉量とする。この場合、リコータローラの摺り切り工程で発生する余剰粉の量は少なくなるが、造形槽の中央部の粉体は充足されるのに対し、造形槽の両端部で粉体が不足する不具合が発生する。粉体の量を、造形槽の両端部で粉体の不足を発生させない量とすると、リコータローラの摺り切り工程で発生する余剰粉が多くなる。

このようにリコータローラの摺り切り工程で発生する余剰粉の量と、造形槽内の粉体不足とは、トレードオフの関係にある。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、リコータローラの摺り切り工程で余剰粉の発生を少なくできると共に、造形槽全体に粉体を充足させることを可能とした立体造形装置の提供を目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、粉体が層状に敷かれ、粉体が結合された層状造形物が積層される造形槽と、造形槽の粉体を平坦化するローラと、を備えた立体造形装置であって、ローラは、ローラが回転することで、造形槽の粉体を、ローラの長手方向に沿って移動させる螺旋状に設けられた溝部を有することを特徴とする。

本発明によれば、リコータローラの摺り切り工程で余剰粉の発生を少なくできると共に、造形槽全体に粉体を充足させることができるという効果を奏する。

図１は、第１の実施の形態となる立体造形装置の概略的な平面図である。 図２は、第１の実施の形態となる立体造形装置の概略的な側面図である。 図３は、第１の実施の形態となる立体造形装置に設けられている造形部の断面図である。 図４は、第１の実施の形態となる立体造形装置の要部の斜視図である。 図５は、第１の実施の形態となる立体造形装置に設けられている造形部の斜視図である。 図６は、第１の実施の形態の立体造形装置のブロック図である。 図７は、第１の実施の形態の立体造形装置における立体造形物の造形動作を説明するための模式図である。 図８は、第１の実施の形態の立体造形装置の平坦化ローラの斜視図である。 図９は、溝部が設けられていない第１の比較例の平坦化ローラによる、粉体の平坦化作業の様子を示す図である。 図１０は、第１の比較例の平坦化ローラの平坦化作業により、造形槽の中央には粉体が充足され、左右の端部近傍には粉体が不足する現象を説明するための図である。 図１１は、第２の比較例となる平坦化ローラの斜視図である。 図１２は、第１の実施の形態の立体造形装置の平坦化ローラによる、粉体の平坦化作業の様子を示す図である。 図１３は、第２の実施の形態の立体造形装置の平坦化ローラの斜視図である。 図１４は、第３の実施の形態の立体造形装置の平坦化ローラの斜視図である。 図１５は、第４の実施の形態の立体造形装置の平坦化ローラの斜視図である。 図１６は、第５の実施の形態の立体造形装置の平坦化ローラの斜視図である。 図１７は、第６の実施の形態の立体造形装置の平坦化ローラの斜視図である。 図１８は、第７の実施の形態の立体造形装置の平坦化ローラの斜視図である。

以下、一例として、積層造形法で立体造形物（三次元造形物）を造形する実施の形態の立体造形装置（三次元造形装置）の説明をする。

［第１の実施の形態］
（立体造形装置の構成）
図１は、第１の実施の形態となる立体造形装置の概略的な平面図である。図２は、第１の実施の形態となる立体造形装置の概略的な側面図である。図３は、第１の実施の形態となる立体造形装置に設けられている造形部の断面図である。なお、この図３は、立体造形物の造形時の状態で示している。また、図４は、第１の実施の形態となる立体造形装置の要部の斜視図である。また、図５は、第１の実施の形態となる立体造形装置に設けられている造形部の斜視図である。

第１の実施の形態の立体造形装置は、粉体（粉末：コーティング粉末）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を有している。また、立体造形装置は、造形部１の層状に敷き詰められた粉体層３１に造形液１０を吐出して立体造形物を造形する造形ユニット５を有している。

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等を備えている。なお、平坦化部材として、回転体の代わりに、例えば板状部材（ブレード）を設けてもよい。

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とを有している。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）に沿って昇降自在となっている。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）に沿って昇降自在となっている。この造形ステージ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は、モータ２７により、例えば図４に矢印で示すＺ方向（高さ方向）に昇降され、同じく、造形ステージ２４も、モータ２８によりＺ方向に昇降される。

平坦化ローラ１２は、ローラ装置の一例であり、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に供給して平坦化し、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、図４に矢印で示すＹ方向に配置されている。この平坦化ローラ１２は、往復移動機構２５により、ステージ面に対して相対的に往復移動される。また、平坦化ローラ１２は、モータ２６によって、進行方向に対するカウンタ方向に回転駆動される。

一方、造形ユニット５は、造形ステージ２４上の粉体層３１に、複数の造形液１０を選択的に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に設けられた２つ（１つ又は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、５５により移動可能に支持されている。ガイド部材５４、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、後述するＸ方向走査機構５５０（図６参照）によって、モータ、プーリ及びベルトから構成される主走査移動機構を介して主走査方向であるＸ方向に往復移動される。

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、造形液Ａ及び造形液Ｂを吐出する。他方のヘッド５２ｂの２つのノズル列は、造形液Ｃ及び造形液Ｄをそれぞれ吐出する。なお、ヘッド構成はこれに限るものではない。

造形液Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、それぞれに同一でもよいし、又は、異なる架橋剤含有液を組み合わせてもよく、その構成を制限するものではない。

これらの造形液Ａ、造形液Ｂ、造形液Ｃ、造形液Ｄをそれぞれ収容した複数のタンク６０がタンク装着部５６に装着され、供給チューブ等を介してヘッド５２ａ、５２ｂに供給される。

また、キャリッジ５１には、造形槽２２に１層の造形層３０を形成するときに、少なくとも当該造形液１０が付着した領域に粉体２０を供給する粉体後供給部８０が一体的に設けられている。

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が設けられている。メンテナンス機構６１は、主にキャップ６２とワイパ６３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、ノズルから造形液を吸引する。ノズルに詰まった粉体の排出及び高粘度化した造形液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、造形液の吐出が行われない場合に、ヘッドのノズル面をキャップ６２で覆い、ノズルに対する粉体２０の混入、及び、造形液１０の乾燥を防止する。

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）に往復移動可能となっている。この造形ユニット５は、後述するＹ方向走査機構５５２により、全体がＹ方向に往復移動される。

液体吐出ユニット５０は、ガイド部材５４、５５と共に、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。

（造形部の詳細な構成）
粉体槽１１は、箱型形状を有しており、供給槽２１と造形槽２２の２つの上面が開放された槽を備えている。供給槽２１の内部には、供給ステージ２３が昇降可能に設けられており、造形槽２２の内部にも造形ステージ２４が昇降可能に設けられている。また、供給槽２１で供給される粉体量ａ１と、造形槽２２の容量（粉体量ａ２）との関係は、「ａ１×１．０１＞ａ２」の関係となっている。

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。

粉体槽１１の周りには、図５に示すように、上面が開放された凹形状である粉体落下口２９が設けられている。粉体落下口２９には、粉体層３１を形成するときに平坦化ローラ１２によって供給される粉体２０のうち、余剰となる粉体２０が落下する。粉体落下口２９に落下した余剰の粉体２０は、供給槽２１に粉体を供給する粉体供給装置に戻される。

供給槽２１上には、後述する粉体供給装置５５４（図６参照）が設けられる。造形の初期動作時又は供給槽２１の粉体量が減少した際に、粉体供給装置５５４を構成するタンク内の粉体を供給槽２１に供給する。粉体供給のための粉体搬送方法としては、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。

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。

この平坦化ローラ１２は、モータ２６によって回転駆動された状態で、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２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板１３が設けられている。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と共に移動して平坦化ローラ１２に付着した粉体２０を除去する。

なお、造形部１の粉体槽１１が供給槽２１と造形槽２２の２つの槽を有することとしたが、造形槽２２のみを有する構成として、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構成としてもよい。

（立体造形装置の電気構成）
図６に、第１の実施の形態の立体造形装置のブロック図を示す。この図６において、制御部５００は、この立体造形装置全体の制御を司るＣＰＵ５０１と、ＣＰＵ５０１に立体造形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を含む主制御部５００Ａを備えている。

また、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及び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。

また、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信を行うための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を用いることができる。

また、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の各ヘッド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を構成するモータを駆動するモータ駆動部５１０と、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を構成する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全体を昇降させる構成としてもよい。

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５５４を駆動する供給系駆動部５１７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等の検知信号及び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。

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により、立体造型システムが構築される。

（造形動作）
図７は、第１の実施の形態の立体造形装置における立体造形物の造形動作を説明するための模式図である。このうち、図７（ａ）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を示している。この状態で、造形層３０上に次の造形層３０を形成するときには、図７（ａ）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Ｚ２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Δｔ１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Δｔ１は、次に形成する粉体層３１の厚さに相当する。一例ではあるが、間隔Δｔ１は、数十～１００μｍ程度である。

次に、図７（ｂ）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、順方向（矢印方向）に回転駆動される平坦化ローラ１２により、Ｙ２方向（造形槽２２側）に移動する。これにより、粉体２０が造形槽２２へと移送供給される（粉体供給）。

さらに、図７（ｃ）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７（ｄ）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Δｔ１になる粉体層３１を形成する（平坦化）。平坦化ローラ１２は、粉体層３１を形成後、図７（ｄ）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。これにより、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の上に均一の厚さΔｔ１の粉体層３１を形成できる。

その後、図７（ｅ）に示すように、液体吐出ユニット５０のヘッド５２から造形液１０の液滴を吐出して、次の粉体層３１に造形層３０を積層形成する（造形）。

なお、造形層３０は、例えばヘッド５２から吐出された造形液１０が粉体２０と混合されることで、粉体２０に含まれる接着剤が溶解し、溶解した接着剤同士が結合して粉体２０が結合されることで形成される。

次に、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による造形液吐出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とは一体化して三次元形状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による造形液吐出工程を必要な回数繰り返すことによって、三次元形状造形物（立体造形物）を完成させる。

（立体造形用粉体材料）
次に、上記立体造形装置で使用する立体造形用粉体材料（粉体）及び造形液の一例について説明する。なお、以下で説明する粉体及び造形液に限定されるものではない。

立体造形用粉体材料は、基材と、この基材を平均厚み５ｎｍ～１０００ｎｍで被覆し、造形液としての架橋剤含有液の作用により溶解し架橋可能な可溶性有機材料とを有している。この立体造形用粉体材料においては、基材を被覆する可溶性有機材料が、架橋剤含有液の作用により溶解し架橋可能であるため、可溶性有機材料に架橋剤含有液が付与されると、可溶性有機材料は、溶解すると共に、架橋剤含有液に含まれる架橋剤の作用により架橋する。

これにより、上記立体造形用粉体材料を用いて薄層（粉体層）を形成し、粉体層に架橋剤含有液を造形液１０として吐出することで、粉体層においては、溶解した可溶性有機材料が架橋する結果、粉体層が結合硬化して造形層３０が形成される。このとき、基材を被覆する可溶性有機材料の被覆量が平均厚みで５ｎｍ～１０００ｎｍであるため、可溶性有機材料が溶解したときに基材の周囲に必要最小量だけ存在し、これが架橋して三次元ネットワークを形成するため、粉体層の硬化は寸法精度良く、かつ、良好な強度をもって行われる。

この操作を繰り返すことにより、簡便かつ効率的に、焼結等の前に型崩れが生ずることなく、寸法精度良く複雑な立体造形物を形成することができる。

可溶性有機材料は、粉体中に存在し、可溶性有機材料を架橋結合させる造形液を塗布することで造形物を形成してもよいし、可溶性有機材料を基材にコーティングするのではなく、基材と混合させて用いてもよい。また、粉体２０を基材のみで構成し、可溶性有機材料を造形液に含ませて塗布して造形物を形成してもよい。

（基材）
基材としては、粉体ないし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。その材質としては、例えば、金属、セラミックス、カーボン、ポリマーなどが挙げられるが、高強度な立体造形物を得る観点からは、最終的に焼結処理が可能な金属、セラミックスなどが好ましい。

金属としては、例えば、ステンレス（ＳＵＳ）鋼、鉄、銅、チタン、銀、アルミなどが好適に挙げられ、該ステンレス（ＳＵＳ）鋼としては、例えばＳＵＳ３１６Ｌなどが挙げられる。

セラミックスとしては、例えば、金属酸化物などが挙げられ、具体的には、シリカ（ＳｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、チタニア（ＴｉＯ２）などが挙げられる。

カーボンとしては、例えば、グラファイト、グラフェン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、フラーレンなどが挙げられる。

これらの材料は、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。また、基材としては、可溶性有機材料との親和性を高める目的等で、公知の表面（改質）処理がされていてもよい。

（可溶性有機材料）
可溶性有機材料としては、造形液に溶解し、架橋剤の作用により架橋可能な性質を有するものを用いることができる。換言すると、造形液に可溶性であって架橋剤によって架橋可能である限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できる。可溶性有機材料として、例えばポリビニルアルコール又はポリアクリル酸等を適用できる。

（架橋剤含有液）
造形液である架橋剤含有液としては、液状媒体中に架橋剤を含有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。なお、架橋剤含有液は、液状媒体、架橋剤のほか、必要に応じて適宜選択したその他の成分を含有していてもよい。

その他の成分としては、架橋剤含有液を付与する手段の種類、使用頻度又は量等の諸条件を考慮して適宜選択することができる。例えば、液体吐出法によって架橋剤含有液を付与する場合には、液体吐出ヘッドのノズルへの目詰り等の影響を考慮して選択することができる。

（平坦化ローラ）
次に、図８に、平坦化ローラ１２の斜視図を示す。この図８に示すように、平坦化ローラ１２は、右端部近傍の右端部領域１２Ｒ、左端部近傍の左端部領域１２Ｌ、及び、中心領域１２Ｃを有している。

中心領域１２Ｃは、長手方向粉体接触長の１／２から左右１／１０の領域に設けられている。そして、この中心領域１２Ｃには、溝部は設けられていない。この中心領域１２Ｃは、溝部非形成領域の一例である。

平坦化ローラ１２の右端部領域１２Ｒには、右螺子方向の螺旋状に凹状の溝部が設けられている。また、左端部領域１２Ｌには、左螺子方向の螺旋状に凹状の溝部が設けられている。すなわち、平坦化ローラ１２の溝部は、平坦化ローラ１２の長手方向の中心Ｃで線対称（右螺子方向の螺旋状の溝部及び左螺子方向の螺旋状の溝部）となっている。

右端部領域１２Ｒ及び左端部領域１２Ｌに設けられている溝は、平坦化ローラ１２が回転することで接触した粉体を、それぞれ右端部１２ａの方向又は左端部１２ｂの方向に移動するように設けられている。なお、図８に示す「凸部」は、平坦化ローラ１２から突出していてもよいし、平坦化ローラ１２の表面と同じ高さでもよい。

また、平坦化ローラ１２の溝部は、平坦化ローラ１２の長手方向中心で線対称となっている。これにより、粉体２０の偏りの発生及び思わぬ粉体不足の発生を防止できる。

次に、平坦化ローラ１２の溝部の螺旋間隔が大きすぎると、粉体２０は溝部に詰まり端部へ移動しづらくなる虞がある。反対に、溝部の螺旋間隔が狭くなると、平坦化ローラ１２の回転量に対して粉体２０の移動距離が小さくなるため、多くの粉体２０を移動させることが困難となる。このようなことから、第１の実施の形態の立体造形装置の平坦化ローラ１２の溝部の螺旋間隔は、平坦化ローラ１２の直径～平坦化ローラ１２の直径の１／２０の範囲となるように形成されている。

次に、平坦化ローラ１２の溝部の深さ「Ｄ」が、Ｄ５０以下の場合、粉体２０を移動させる作用が不足する。また、平坦化ローラ１２の溝部の深さ「Ｄ」が、Ｄ５０×１０００以上の場合は、明らかに目視できる跡が粉面に形成され、造形品質が悪化する。このため、平坦化ローラ１２の溝部は、深さ「Ｄ」が、粉体２０のＤ５０以上、かつ、Ｄ５０×１０００以下となるように形成されている。

次に、平坦化ローラ１２の溝部の幅を螺旋間隔の１／１０以下とすると、粉体２０の移動量が少なくなる虞がある。また、平坦化ローラ１２の溝部の幅を螺旋間隔の１／２以上とすると、幅が広すぎるため、粉体２０に対して作用しにくくなり、粉体２０の移動量が少なくなる虞がある。このため、平坦化ローラ１２の溝部の幅は、螺旋間隔の１／１０以上、かつ、１／２以下の範囲内となるように形成されている。

次に、平坦化ローラ１２の回転速度が遅いと、粉体２０を十分に敷き詰めることが困難となる。また、平坦化ローラ１２の回転速度が速いと、粉体２０は平坦化ローラ１２により巻き上げられ飛散する量が増し、粉面が荒れる不都合を生ずる。このため、第１の実施の形態の立体造形装置では、平坦化ローラ１２の回転速度は、図６に示したＣＰＵ５０１及びモータ駆動部５１６により、１ｒｐｍ～１０００ｒｐｍの範囲の回転速度に制御される。

また、粉面とリコータ面に線速差が必要となる。平坦化ローラ１２の移動方向に対する順方向に、移動速度より速く平坦化ローラ１２を回転制御して、線速差を得ようとすると、平坦化ローラ１２により粉体２０を後方に掻き出すようになるため、粉面が荒れる。このため、第１の実施の形態の場合、図６に示したＣＰＵ５０１及びモータ駆動部５１６により、進行方向に対して逆回転（カウンタ方向の回転）となるように、平坦化ローラ１２が回転制御される。これにより、容易に線速差を得ることができる。なお、ＣＰＵ５０１及びモータ駆動部５１６は、回転駆動部の一例である。

また、平坦化ローラ１２の移動速度が遅い場合、造形作業に時間を要して生産性が低下する。反対に、平坦化ローラ１２の移動速度が速い場合、粉体２０を十分に敷き詰めることが難しくなり、また飛散する粉体量も増す。このため、図６に示したＣＰＵ５０１、モータ駆動部５１６により、平坦化ローラ１２の移動速度は、１ｍｍ／ｓ～１０００ｍｍ／ｓの範囲で移動制御される。

図９は、溝部が設けられていない第１の比較例の平坦化ローラ５００による、粉体５０２の平坦化作業の様子を示す図である。溝部が設けられていない場合、この図９に示すように、平坦化ローラ５００が造形槽５０１上を移動した際に、左右の端部を介して、造形槽５０１外に、多くの余剰粉体が排出される（ロスト粉の発生）。これに対して、平坦化ローラ５００中央の領域の粉体５０２は多く残った状態で平坦化される。これにより、図１０に示すように、造形槽５０１の中央には粉体が充足されているが、左右の端部近傍には粉体が不足している不具合が発生する。

また、図１１は、右端部５１０ａから左端部５１０ｂに掛けて、左螺子方向の螺旋状の溝部が設けられた第２の比較例の平坦化ローラ５１０の斜視図である。この平坦化ローラ５１０の場合、一方向に偏って粉体が搬送されるため、平坦化ローラ５１０の長手方向で粉体が均一化されず、余剰の粉体が発生する不都合を生ずる。

これに対して、第１の実施の形態の立体造形装置の場合、回転駆動された平坦化ローラ１２が造形槽２２上を移動することで、平坦化ローラ１２の中央に偏っていた粉体２０を、右端部１２ａの方向又は左端部１２ｂの方向に移動させながら粉体２０を平坦化することができる。これにより、粉体２０の摺り切り工程で余剰粉の発生を少なくできると共に、造形槽２２の中央、及び、左右の端部近傍に対して、共に粉体２０を充足させることができる。換言すれば、造形槽２２全体の粉体２０を均一化して平坦化する摺り切り工程を、粉体の余剰粉の発生を極略少なくして実現できる。

［第２の実施の形態］
次に、第２の実施の形態の立体造形装置の説明をする。上述の第１の実施の形態と、以下に説明する第２の実施の形態とでは、平坦化ローラ１２の溝部の形態のみが異なる。このため、以下、平坦化ローラ１２の説明のみ行い、重複説明は省略する。

図１３は、第２の実施の形態の立体造形装置に設けられている平坦化ローラ１２の斜視図である。上述の第１の実施の形態で説明した平坦化ローラ１２は、溝部が設けられていない中心領域１２Ｃを有していた（図８参照）。これに対して、第２の実施の形態の場合、図１３に示すように中心領域１２Ｃに相当する領域にまで、溝部が設けられている。

すなわち、第２の実施の形態の場合、平坦化ローラ１２の長手方向の中心Ｃを境にして、右側の右端部領域１２Ｒには、右螺子方向の螺旋状に凹状の溝部が設けられている。また、平坦化ローラ１２の長手方向の中心Ｃを境にして、左端部領域１２Ｌには、左螺子方向の螺旋状に凹状の溝部が設けられている。

これにより、回転する平坦化ローラ１２に接触した粉体２０を、平坦化ローラ１２の長手方向の中心Ｃを境にして、右端部領域１２Ｒの溝部により右端部１２ａの方向に移動させながら平坦化できると共に、左端部領域１２Ｌの溝部により右端部１２ｂの方向に移動させながら平坦化できる。従って、上述の第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

［第３の実施の形態］
次に、第３の実施の形態の立体造形装置の説明をする。上述の各実施の形態と、以下に説明する第３の実施の形態とでは、平坦化ローラ１２の溝部の形態のみが異なる。このため、以下、平坦化ローラ１２の説明のみ行い、重複説明は省略する。

図１４は、第３の実施の形態の立体造形装置に設けられている平坦化ローラ１２の斜視図である。上述の第２の実施の形態で説明した平坦化ローラ１２は、平坦化ローラ１２の長手方向の中心Ｃを境にして、左端部領域１２Ｌに、左螺子方向の螺旋状の溝部が設けられており、右端部領域１２Ｒに、右螺子方向の螺旋状の溝部が設けられている例であった。

これに対して、第３の実施の形態の場合、平坦化ローラ１２の溝部は、平坦化ローラ１２の長手方向中心Ｃで線対称となっており、中心Ｃを境にして、左端部領域１２Ｌ１に、左螺子方向の螺旋状の溝部が設けられている。これに対して、中心Ｃを境にして、右端部領域１２Ｒ１には、右螺子方向の螺旋状の溝部が設けられている。この点は、上述の第２の実施の形態と同様である。

しかし、第３の実施の形態の場合、平坦化ローラ１２の右端部１２ａ近傍の右端部領域１２Ｒ２には、右端部領域１２Ｒ１の溝部の螺旋方向に対して逆方向の螺旋方向の溝部が設けられている。すなわち、右端部領域１２Ｒ１の溝部の螺旋方向は、右螺子方向であるのに対して、右端部領域１２Ｒ２の溝部の螺旋方向は、左螺子方向となっている。同様に、左端部領域１２Ｌ１の溝部の螺旋方向は、左螺子方向であるのに対して、左端部領域１２Ｌ２の溝部の螺旋方向は、右螺子方向となっている。

換言すると、平坦化ローラ１２の長手方向の長さは、造形槽２２の幅の長さよりも、若干長くなっている。造形槽２２内の粉体２０は、平坦化ローラ１２の左端部領域１２Ｌ１の溝部により中心Ｃから左端部１２ｂ側に移動されることで、余剰粉体が、造形槽２２の左端部から排出される。同様に、造形槽２２内の粉体２０は、平坦化ローラ１２の右端部領域１２Ｒ１の溝部により中心Ｃから左端部１２ａ側に移動されることで、余剰粉体が、造形槽２２の右端部から排出される。

しかしながら、第３の実施の形態の場合、造形槽２２の左端部から排出される余剰粉体が、平坦化ローラ１２の左端部領域１２Ｌ２の溝部により、造形槽２２内に戻される。同様に、造形槽２２の右端部から排出される余剰粉体が、平坦化ローラ１２の右端部領域１２Ｒ２の溝部により、造形槽２２内に戻される。

これにより、造形槽２２外へ排出される余剰粉体を少なくすることができ、粉体２０を有効に用いて、図１０を用いて説明した粉体不足の発生を、より少ない粉体２０で防止可能とすることができる他、上述の各実施の形態と同じ効果を得ることができる。

［第４の実施の形態］
次に、第４の実施の形態の立体造形装置の説明をする。上述の各実施の形態と、以下に説明する第４の実施の形態とでは、平坦化ローラ１２の溝部の形態のみが異なる。このため、以下、平坦化ローラ１２の説明のみ行い、重複説明は省略する。

図１５は、第４の実施の形態の立体造形装置に設けられている平坦化ローラ１２の斜視図である。上述の第３の実施の形態で説明した平坦化ローラ１２は、平坦化ローラ１２の長手方向の中心Ｃを境にして、左右の溝部の螺旋方向が異なる例であった。

これに対して、第４の実施の形態の場合、第３の実施の形態で説明した平坦化ローラ１２の中心領域１２Ｃに対して、溝部を設けていない例である。このような第４の実施の形態の場合、第３の実施の形態で説明したように、左右の端部１２ｂ、１２ａ近傍の左端部領域１２Ｌ２の溝部及び右端部領域１２Ｒ２の溝部により、造形槽２２内に余剰粉体が戻される。また、平坦化ローラ１２の中心領域１２Ｃには、溝部が設けられていないため、この溝部が設けられていない部分により、造形槽２２の中央部の粉体２２を、より均一に平滑化することができる。

（第１～第４の実施の形態及び第１、第２の比較例の試作実験結果）
ここで、上述の第１～第４の実施の形態の立体造形装置及び第１、第２の比較例の試作実験結果を、以下の表１に示す。

まず、この表１に示すように、図８に示した第１の実施の形態の平坦化ローラ１２を設けた立体造形装置を試作実験した結果、図１０を用いて説明した造形槽２２の両端部の粉不足は発生しなかった。また、第１の実施の形態の場合、供給した粉体の量に対する余剰粉の割合（％）は、５％であった。後述するように、第１の比較例の場合、供給した粉体の量に対する余剰粉の割合（％）は、１２％である。また、第２の比較例の場合、供給した粉体の量に対する余剰粉の割合（％）は、１０％である。このため、第１の実施の形態の場合、余剰粉を大幅に削減できることがわかる。

同様に、図１３に示した第２の実施の形態の立体造形装置を試作実験した結果、図１０を用いて説明した造形槽２２の両端部の粉不足は発生しなかった。また、第２の実施の形態の場合、供給した粉体の量に対する余剰粉の割合（％）は、４％であった。このため、余剰粉の割合が１０％以上となる第１の比較例及び第２の比較例よりも、余剰粉を大幅に削減できることがわかる。

同様に、図１４に示した第３の実施の形態の立体造形装置を試作実験した結果、図１０を用いて説明した造形槽２２の両端部の粉不足は発生しなかった。また、第３の実施の形態の場合、供給した粉体の量に対する余剰粉の割合（％）は、３％であった。このため、余剰粉の割合が１０％以上となる第１の比較例及び第２の比較例よりも、余剰粉を大幅に削減できることがわかる。

同様に、図１５に示した第４の実施の形態の立体造形装置を試作実験した結果、図１０を用いて説明した造形槽２２の両端部の粉不足は発生しなかった。また、第４の実施の形態の場合、供給した粉体の量に対する余剰粉の割合（％）は、２％であった。このため、余剰粉の割合が１０％以上となる第１の比較例及び第２の比較例よりも、余剰粉を大幅に削減できることがわかる。

［第５の実施の形態］
次に、第５の実施の形態の立体造形装置の説明をする。上述の各実施の形態と、以下に説明する第５の実施の形態とでは、平坦化ローラ１２の溝部の形態のみが異なる。このため、以下、平坦化ローラ１２の説明のみ行い、重複説明は省略する。

図１６は、第５の実施の形態の立体造形装置に設けられている平坦化ローラ１２の斜視図である。上述の各実施の形態で説明した平坦化ローラ１２は、平坦化ローラ１２の中心Ｃから左端部１２ｂ方向、又は、右端部１２ａ方向に粉体２０を移動させるように溝部が設けられている例であった。

これに対して、第５の実施の形態の場合、平坦化ローラ１２の右端部１２ａから中心Ｃ方向に対して粉体２０を移動させるように、右端部１２ａから中心Ｃに掛けて、螺旋方向が左螺子方向の溝部が設けられている。また、平坦化ローラ１２の左端部１２ｂから中心Ｃ方向に対して粉体２０を移動させるように、左端部１２ｂから中心Ｃに掛けて、螺旋方向が右螺子方向の溝部が設けられている。

この場合、図１２に示すように、平坦化ローラ１２の右端部１２ａ近傍、及び、左端部１２ｂ近傍で造形槽２２外に排出されようとする粉体２０を、造形槽２２の内方向に戻しさせながら平滑化することができる。このように、造形槽２２の左右の端部から排出される余剰粉体を造形槽２２内に戻すことで、造形槽２２外へ排出される余剰粉体を少なくすることができる。従って、粉体２０を有効に用いて、図１０を用いて説明した粉体不足の発生を、より少ない粉体２０で防止可能とすることができる他、上述の各実施の形態と同じ効果を得ることができる。

［第６の実施の形態］
次に、第６の実施の形態の立体造形装置の説明をする。上述の各実施の形態と、以下に説明する第６の実施の形態とでは、平坦化ローラ１２の溝部の形態のみが異なる。このため、以下、平坦化ローラ１２の説明のみ行い、重複説明は省略する。

図１７は、第６の実施の形態の立体造形装置に設けられている平坦化ローラ１２の斜視図である。上述の第６の実施の形態で説明した平坦化ローラ１２は、中央Ｃまで溝部が設けられている例であった。これに対して、第６の実施の形態は、中心領域１２Ｃには、溝部を形成しないようにした例である。

すなわち、第６の実施の形態の場合、平坦化ローラ１２は、右の端部１２ａ近傍の右端部領域１２Ｒに、螺旋方向が左螺子方向の溝部を設け、左の端部１２ｂ近傍の左端部領域１２Ｌに、螺旋方向が右螺子方向の溝部を設け、中心領域１２Ｃには、溝部を設けない構成となっている。

これにより、平坦化ローラ１２の左右の端部１２ａ、１２ｂから中心領域１２Ｃ側に、それぞれ粉体２０を移動させながら、平滑化することができる。従って、造形槽２２の右端部１２ａ側及び左端部１２ｂ側からそれぞれ排出される余剰粉体を、造形槽２２内に戻すことができ、造形槽２２外へ排出される余剰粉体を少なくすることができる。また、中心領域１２Ｃには、溝部が形成されていないため、造形槽２２内の粉体２０を、より均等に平滑化できる他、上述の各実施の形態の同じ効果を得ることができる。

［第６の実施の形態の変形例］
なお、この第６の実施の形態の場合、平坦化ローラ１２の右の端部１２ａ近傍の右端部領域１２Ｒに、螺旋方向が左螺子方向の溝部を設け、左の端部１２ｂ近傍の左端部領域１２Ｌに、螺旋方向が右螺子方向の溝部を設けることとした。

しかし、平坦化ローラ１２の右の端部１２ａ近傍の右端部領域１２Ｒに、螺旋方向が右螺子方向の溝部を設け、左の端部１２ｂ近傍の左端部領域１２Ｌに、螺旋方向が左螺子方向の溝部を設け、中心領域１２Ｃには、溝部を形成しない構成としてもよい。

この場合、中心領域１２Ｃに相当する造形槽２２の中央領域から発生する余剰粉体を、平坦化ローラ１２の左右の端部領域１２Ｌ、１２Ｒに設けられた各溝部により、造形槽２２の左右に分散することができ、造形槽２２内の粉体２０を均一化できる。このため、図１０を用いて説明した造形槽２２の両端部の粉不足の発生を防止できる他、上述の各実施の形態と同じ効果を得ることができる。

［第７の実施の形態］
次に、第７の実施の形態の立体造形装置の説明をする。上述の各実施の形態と、以下に説明する第７の実施の形態とでは、平坦化ローラ１２の溝部の形態のみが異なる。このため、以下、平坦化ローラ１２の説明のみ行い、重複説明は省略する。

図１８は、第７の実施の形態の立体造形装置に設けられている平坦化ローラ１２の斜視図である。この図１８に示すように、第７の実施の形態は、平坦化ローラ１２の右端部１２ａ近傍の右端部領域１２Ｒには、螺旋方向が左螺子方向の溝部を設けている。また、平坦化ローラ１２の左端部１２ｂ近傍の左端部領域１２Ｌには、螺旋方向が右螺子方向の溝部を設けている。

また、平坦化ローラ１２の中心領域１２Ｃにおいて、中心Ｃを境にして右側の領域には、螺旋方向が右螺子方向の溝部を設け、中心Ｃを境にして左側の領域には、螺旋方向が左螺子方向の溝部を設けている。

さらに、第７の実施の形態の場合、平坦化ローラ１２の右端部領域１２Ｒと中心領域１２Ｃとの間、及び、左端部領域１２Ｌと中心領域１２Ｃとの間には、それぞれ溝部を設けない構成となっている。

この第７の実施の形態の場合、右端部領域１２Ｒに設けられた溝部により、造形槽２２の右端部から排出される余剰粉体を造形槽２２内に戻すことができる。また、左端部領域１２Ｌに設けられた溝部により、造形槽２２の左端部から排出される余剰粉体を造形槽２２内に戻すことができる。このため、造形槽２２外へ排出される余剰粉体を少なくすることができる。また、中心領域１２Ｃに設けられた各溝部により、造形槽２２の中央領域の粉体２０を、中心Ｃを境にして左右に移動させることができ、造形槽２２内の粉体２０を均等化して平滑化できる。さらに、平坦化ローラ１２は、左右に溝部を設けない箇所を有しているため、平坦化ローラ１２の各端部側１２ａ、１２ｂから平坦化ローラ１２の中心領域Ｃ側に移動される粉体２０、及び、中心領域Ｃ側から各端部側１２ａ、１２ｂ側にそれ移動される粉体２０を、より平滑化できる他、上述の各実施の形態と同じ効果を得ることができる。

［第７の実施の形態の変形例］
上述の第７の実施の形態の説明では、平坦化ローラ１２の右端部領域１２Ｒに、螺旋方向が左螺子方向の溝部を設け、左端部領域１２Ｌに、螺旋方向が右螺子方向の溝部を設けることとした。

しかし、平坦化ローラ１２の右端部領域１２Ｒに、螺旋方向が右螺子方向の溝部を設け、左端部領域１２Ｌに、螺旋方向が左螺子方向の溝部を設けてもよい。

この場合、造形槽２２内の粉体２０を均一化に余剰となった粉体を、左右の溝部から排出でき、造形槽２２内の粉体２０を、より均一化できる他、上述の各実施の形態と同じ効果を得ることができる。

最後に、上述の各実施の形態及び各変形例は、一例として提示したものであり、本発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な各実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことも可能である。このような各実施の形態及び各実施の形態の変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ 造形部
５ 造形ユニット
１０ 造形液
１１ 粉体槽
１２ 平坦化ローラ
２０ 粉体
２１ 供給槽
２３ 供給ステージ
２４ 造形ステージ
３０ 造形層
３１ 粉体層

特表２００８－５３８３３３号公報

Claims (10)

1. 粉体が層状に敷かれ、前記粉体が結合された層状造形物が積層される造形槽と、前記造形槽の粉体を平坦化するローラと、を備えた立体造形装置であって、
   前記ローラは、
   前記ローラが回転することで、前記造形槽の粉体を、前記ローラの長手方向に沿った第１の方向に移動させるように螺旋状に設けられた第１の溝部と、前記造形槽の粉体を、前記第１の方向に対して反対方向となる第２の方向に移動させるように螺旋状に設けられた第２の溝部とを、少なくとも有すること
   を特徴とする立体造形装置。
2. 前記ローラの進行方向に対するカウンタ方向に、前記ローラを回転駆動する回転駆動部を、さらに備えること
   を特徴とする請求項１に記載の立体造形装置。
3. 前記ローラの前記第１の溝部及び前記第２の溝部は、前記ローラの長手方向中心を境にして、それぞれ前記粉体を前記ローラの長手方向に沿った異なる方向である前記第１の方向又は前記第２の方向に移動させるように、左右線対称とされた溝部であること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の立体造形装置。
4. 前記ローラの長手方向の中心を境にして右側に設けられている溝部は、前記ローラの右側の端部方向に前記粉体を移動させる溝部が設けられており、前記ローラの長手方向の中心を境にして左側に設けられている溝部は、前記ローラの左側の端部方向に前記粉体を移動させる溝部が設けられていること
   を特徴とする請求項３に記載の立体造形装置。
5. 前記ローラの前記第１の溝部は、前記ローラの一端部側から前記ローラの中心方向に前記粉体を移動させる溝部であり、
   前記ローラの前記第２の溝部は、前記ローラの他端部側から前記ローラの中心方向に前記粉体を移動させる溝部であること
   を特徴とする請求項４に記載の立体造形装置。
6. 前記第１の溝部は、前記ローラの一端部側から前記ローラの中心方向に前記粉体を移動させる前記溝部と共に、前記ローラの中心から一端部方向に前記粉体を移動させる溝部を備え、
   前記第２の溝部は、前記ローラの他端部側から前記ローラの中心方向に前記粉体を移動させる前記溝部と共に、前記ローラの中心から他端部方向に前記粉体を移動させる溝部を備えること、
   を特徴とする請求項５に記載の立体造形装置。
7. 前記ローラの長手方向の中心から左右の所定範囲は、溝部が設けられていない溝部非形成領域であること
   を特徴とする請求項１から請求項６のうち、いずれか一項に記載の立体造形装置。
8. 前記ローラは、長手方向の中心から一端部の間に、前記第１の溝部が設けられていない所定範囲の溝部非形成領域を備えると共に、長手方向の中心から他端部の間に、前記第２の溝部が設けられていない所定範囲の溝部非形成領域を備えること
   を特徴とする請求項１から請求項６のうち、いずれか一項に記載の立体造形装置。
9. 前記粉体は、コーティング粉末であること
   を特徴とする請求項１から請求項８のうち、いずれか一項に記載の立体造形装置。
10. 前記粉体を硬化させる反応液を選択的に前記粉体に吐出して固化させる液体吐出部を、さらに備えること
    を特徴とする請求項１から請求項９のうち、いずれか一項に記載の立体造形装置。

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