JP3476678B2 - 立体造形装置および立体造形方法 - Google Patents
立体造形装置および立体造形方法Info
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Description
立体造形方法に関し、特に石膏の薄層を順次、硬化、積
層することにより立体形状の加工物を形成する立体造形
装置及び立体造形方法に関する。
を作成する方法として、積層造形方法が知られている
(例えば、積層造形システム(中川威雄、丸山洋二編
著、工業調査会発行、発行日1996年11月15
日))。積層造形法とは、三次元の実体形状物を複数枚
の薄層に分けて、これを立体形状物を構成するデータと
して取扱い、再び、該薄層形状データに基づいて、実体
的な薄層を順次積層することにより元の実体形状物を復
元する加工法の総称であるが、その代表的な加工法とし
て光造形法が知られている。
用し、これに光を照射し、その際に起こる光固化反応を
利用して硬化させ、加工物を作製するものである。しか
し、光造形法によれば、材料の光硬化性樹脂が高価であ
ることや、光硬化性樹脂が液状であるため、特に複雑な
形状を作製する場合に加工物の支持構造(サポート)を
付加する必要がある(同書、第38頁〜第41頁参照)
ことなどから、費用の低減や加工時間の短縮が求められ
る用途に適用することが困難であった。
料として焼き石膏が知られている。焼き石膏は単に「石
膏」と呼ばれることもあるが、硬化した「石膏」と区別
するため、ここでは「焼き石膏」と呼ぶことにする。
「焼き石膏」の主成分は硫酸カルシウムの1/2水和物
であって、これに水を加えると水和反応が起こり、2水
和物である、いわ
に示す。
い、新たに作られる「石膏」の結晶は相互に結合するの
で、結果として硬化が起こることになるのである。この
現象を利用して「焼き石膏」は、古くから型取りなどに
利用されている。しかし、「焼き石膏」に水を加え、水
和反応を起こさせて硬化させるためには
ねばならないことから、上記化1で示される化学当量よ
りも多量の水が必要であるとともに、「焼き石膏」の結
晶構造が変化するには長い時間がかかる。例えば、粉末
の「焼き石膏」に、該「焼き石膏」が十分に硬化するだ
けの水を加えると、硬化を完了した「焼き石膏」、硬化
中の「焼き石膏」、未反応の粉末状態の「焼き石膏」等
の様々な状態が発生する。このため、全体の反応が終了
する前に、「焼き石膏」の粉末の表面に陥没が生じたり
して形状が崩れるので、「焼き石膏」はもっぱら型取り
の材料として使用されてきたが、積層造形法には使用さ
れることはなかった。
れたものであり、液体との反応によって硬化する、「焼
き石膏」等の粉末を用いて、安価に、かつ制御性よく立
体形状を作製することのできる立体造形装置、および立
体造形方法を提供することを目的とする。
は、薄層を積層させて元の実体形状物の形状を復元する
立体造形装置において、液体との反応によって硬化する
粉末と、前記粉末を載置する台と、前記台上の粉末を平
にして薄層化する手段と、実体形状物の薄層形状データ
に従って、前記薄層の完全硬化に必要な量より少ない量
の液体の量を1回分とし、時間の間隔をおいて複数回に
分けて前記粉末の表面の同じ所定区域に液体を散布又は
噴射して該薄層を硬化する液体供給手段とを有すること
を特徴とする。
形装置において、各回の液体を散布又は噴射する毎に、
散布又は噴射された液体と粉末との反応進行状態を検査
する検査手段と、前記検査手段からの検査信号に従っ
て、前記液体供給手段を制御する調整手段を有すること
を特徴とする。
反射光の反射率測定手段や、誘電率測定手段や加工物ま
たは加工物周辺の温度を測定する手段が用いられる。ま
た液体供給の調整手段は、液体供給手段が散布又は噴射
する液体の供給量、供給時間、供給回数、または供給時
期を調整することを特徴とする。
て元の実体形状物の形状を復元する立体造形方法におい
て、液体との反応によって硬化する粉末を供給する工程
と、前記粉末の表面を平坦にする工程と、実体形状物の
薄層形状データに従って、前記粉末表面の所定の区域に
液体を散布又は噴射する工程と、実体形状物の薄層形状
データに従って、前記薄層の完全硬化に必要な量より少
ない量の液体の量を1回分とし、時間の間隔をおいて複
数回に分けて同じ所定区域に液体を散布又は噴射する工
程とを有することを特徴とする。
て、焼き石膏が考えられるが、水を含む液体との反応に
より硬化するものであれば、これに限らないことは明ら
かである。焼き石膏の混合物や、アルカリ土類金属塩を
含む類似の化合物の中には水和によって硬化する性質を
もつものがある。例えば、充填材が混合された改質石膏
や、ポルトランドセメントがその例である。
施の形態の立体造形装置を、添付の図面を用いて説明す
る。図1は本発明の実施の形態に係る立体造形装置の全
体構成を示す断面図である。図において、3は粉末の焼
き石膏であり、容器1の中の載置台2上に所定量が供給
される。4はネジ切りされた軸5を回転させる昇降駆動
手段であり、載置台2を適当な位置に昇降する。
によってネジ切りされた軸7が回転することにより、左
右に移動することができ、載置台2上の焼き石膏3の表
面を平にするものである。9はヘッドであり、焼き石膏
の表面に水を噴射する水噴射器10、焼き石膏の表面に
光を照射する光源11および焼き石膏の表面で反射され
た光を受光する光センサ12とを備えている。ヘッド9
は、ネジ切りされた軸13と係合しており、軸13がス
キャナ14によって回転すると、左右に移動する。ま
た、スキャナ14自身も、不図示の別のスキャナによ
り、前後に移動させられるので、ヘッド9は、前後左右
どの位置にも移動することができる。
上下させたり、スキャナ8,14を介してスキージ6や
ヘッド9の位置を移動させたり、あるいはヘッド9の水
噴射器10、光源11、光センサ12の制御を行う制御
装置である。16は制御装置15内に設けられた水添加
量調節器であり、光センサからの電気信号をもとに焼き
石膏の水和反応の進行状態を検知し、水噴射器10から
供給される水の量を調節する。
データが入力されている。なお、ここで実体形状物の薄
層形状データとは、実際の立体物を一定の厚さで輪切り
にした各薄層の平面形状を、位置データで表現したもの
をいう。図2は、図1に示す本願発明の実施の形態に係
る立体造形装置を用いて、焼き石膏の薄層を形成する成
層工程を示す図であり、図3は、同じく図1に示す本願
発明の実施の形態に係る立体造形装置を用いて、焼き石
膏の薄層に水を噴射して水和反応を起こさせる工程を示
す図である。
1と光センサ12の構成を示す図であり、光源11は発
光ダイオード11aと集光レンズ11bからなり、光セ
ンサ12はフォトトランジスタ12aと集光レンズ12
bとからなっている。そして、発光ダイオード11aか
ら照射された光が焼き石膏の表面で焦点を結び、該表面
で反射された光がフォトトランジスタ12aで集光され
るように、光の照射方向、および光の受光方向を設定し
ている。例えば、図3では、光の照射方向を約45°に
設定しているので、反射光の受光方向も対称的な位置で
約45°となる。
の表面に水を噴射したときの焼き石膏の水和反応現象を
模式的に表したものである。焼き石膏の粉末の表面に水
を噴射する前の状態(図5(a))では、焼き石膏の粒
子17の間には空気が満たされている。この状態で、水
を噴射すると、水1
化1で示されるような、水和反応が開始される(図5
(b))。水和反応には1時間ほどかかるが、水和反応
が進んだ状態では、図5(c)に示すように、焼き石膏
の粒子17が石膏の粒子19に変化する。反応によって
水が消費されるので、石膏の粒子19の空隙には再び空
気が入り込む。
子19の層との間には、水和が不完全な石膏の粒子20
の層ができる。そして、水の浸透が早いと、水和の不完
全な石膏の粒子20の層が厚くなってしまう。従って、
焼き石膏と水とを過不足なく適正に反応させるために
は、焼き石膏の層の厚さ、水噴射器10から供給する一
回の水の量、次の水の供給を行うタイミング、水の供給
回数等を、精密に設定する必要がある。
って焼き石膏の表面で反射する光の強さを検出し、焼き
石膏の水和反応の進行状態を監視している。まず、水を
噴射する前の状態(図5(a))では、焼き石膏の粒子
17によって光が乱反射するので、光センサ12に入力
する反射光量は少ない。次に、水を噴射すると、図5
(b)に示すように、水18が焼き石膏の粒子17の空
隙を充填するので、表面の平滑度が増加して光センサ1
2に入力する反射光量が増加する。そして、水和反応が
進んで石膏の粒子が生成すると、図5(c)に示すよう
に、再び表面の光の乱反射が増加して、光センサ12に
入力する反射光量が減少する。
滑度が変化する状態を示す図であり、水を噴霧した直後
は表面の平滑度が高く、水和反応が進むにつれて粒子化
が進むので乱反射が増加し、すなわち平滑度が低下し、
ある一定時間が経過すると、粒子化が終了する。このよ
うにして、光の反射光を観察することにより反応の終了
時点を正確に知ることができる。
を示す電気信号を監視し、反応によって水が消費されて
平滑度がある一定の値にまで低下したとき、再度水を噴
射すれば、意図しない部分に水を余分に浸透させること
なく、水を供給することができる。次に、図2〜図6を
参照しながら、本願発明の実施の形態に係る造形方法に
ついて説明する。
により、載置台2を所定量上昇させ、スキージ6に接近
させる。次いで、スキャナ8によりスキージ6を図の矢
印方向に移動させる。これにより、円筒状のスキージ6
は回転しながら移動し、スキージに接触した粉末は水平
方向に輸送され、余分な粉末は前方に排出される。これ
により、焼き石膏の粉末の表面は圧縮されることなく、
平坦で均一な厚さの薄層が形成される。
度の厚さの焼き石膏の粉末の薄い層を形成する。次に、
制御装置15は、ヘッド9を所定の開始位置まで移動さ
せ、ヘッド9の水噴射器10から、焼き石膏の粉末の薄
い層に向かって水の噴射を開始する。そして、薄層形状
データに従い、ヘッド9を走査させて所定の領域の表面
全域に水を噴射する。ここで、噴射器10は微細な水滴
を噴射するものであり、例えばインクジェットプリンタ
で用いられるものと類似のインクジェットを用いてもよ
い。
工程では、まず、光源11から焼き石膏の粉末表面に光
を照射し、該表面から反射された光を光センサ12によ
り受光する。光センサ12内のフォトトランジスタ12
bは、受光した光の強さを電気信号に変換して、制御装
置15内の水添加量調節器16に送る。水添加量調節器
16は、この電気信号の強さから水和反応の進行状態を
監視し、水和反応の終了する時点を把握する。
下、これについて説明する。最初の水の供給は、焼き石
膏の硬化に必要な量よりも少ない量の水を噴射する。こ
こでの水の浸透は、焼き石膏の粉末の層の厚さよりもい
くらか深い程度、例えば約0.3mm程度の深さに留め
る。このときの水の量は少ないので、不完全な硬化とな
る。その後、改めて2回目の走査を行い、水を噴射す
る。ここでも水の浸透は約0.3mmに留める。このよ
うにして何回か繰り返し水を供給することにより、薄層
は完全に硬化させることができる。
せることにより、加工精度を高め、加工分解能の向上を
図ることが可能となる。これに対して、一度に多量の水
を供給すると、所定の深さおよび領域以上に水が浸透
し、あるいは拡散して加工精度や加工分解能が低下する
とともに、硬化自体も不完全なものとなる恐れがある。
ド9に取り付けてあるので、水の供給時間と検査時間が
ほぼ同じになってしまい、適正な検査ができない。そこ
で、水噴射のためのヘッド9の走査を適当な間隔で中断
し、その間を利用してヘッド9を一定の位置に戻し、水
の消費状態を監視する方法が有効である。このような、
水噴射のためにヘッドを走査した後に、再び水和反応の
進行状態を把握するためのヘッドの走査を行う水和工程
を、図7のフローチャートに示している。
態では、焼き石膏の粉末の表面平滑度の変化を監視して
水和反応の進行を把握していたが、焼き石膏の水和反応
の進行状態が安定していて再現性が見込めるならば、予
め反応終了時間を予測することができる。この場合、焼
き石膏の粉末の表面平滑度の監視する工程を省略するこ
とも可能である。
形態に係る造形装置の構成を示す図であり、図1と同じ
符号を示すものは、同じ部材を示している。21は制御
装置であり、ヘッド9の走査回数を計数するカウンタ2
2と、ヘッド9の走査の開始時刻、走査の停止時刻や水
和反応終了予定時間等を設定するためのタイマ23を備
えている。
サであり、測定温度は制御装置21に送られる。制御装
置15には、温度に対応した水和反応特性データが予め
記憶しているので、温度センサ24の測定温度に基づい
て反応終了予定時間をより正確に算出することができ
る。これにより、水噴射の時間、量、間隔、回数を適正
に制御することが可能となる。
ば、焼き石膏の粉末の薄層を形成した後、タイマ23が
指示する時間に走査を開始し、所定の領域に水を噴射す
る。そして、タイマ23が指示する水和反応終了予定時
間まで待機する。水和反応終了予定時間が経過すると、
再び、ヘッド9を走査して同じ所定の領域に水噴射を行
う。このようにして、カウンタ22が指示する回数だ
け、走査して水噴射を行う。
焼き石膏の粉末の層を積層する。こうして上記各工程を
繰り返すことにより、最終的に立体物を形成することが
できる。 (第3の実施の形態)噴射する水に、染料や顔料などの
着色剤を加えておくと、加工物の造形と同時に着色を行
うこともできる。
数個、備えることにより、フルカラーを含む所望の着色
や模様を施すことも可能である。この方法によれば、反
応によって水が焼き石膏に吸収される一方で、着色剤が
加工物の表面で凝縮することになる。そのため乾燥した
石膏に直接着色剤を染み込ませて着色する方法よりも、
濃淡のハッキリした着色がなされる。
染料や顔料などの着色剤を加えた第3の実施の形態の場
合、焼き石膏の表面が着色剤で被覆されるので、反射光
の散乱状態が水のみを噴霧した場合と異なる場合があ
る。従って、光センサ12を用いて水和反応の進行を把
握する方法では、問題がある。
利用することにより、水和反応の進行を正しく把握する
ことができる。例えば、液体の水の誘電率は約81で、
この値は空気の約80倍、乾燥した焼き石膏や石膏の5
倍以上である。従って、噴射された水が焼き石膏の粒子
と反応する過程で、誘電率は著しく減少する。図9は、
焼き石膏の誘電率の変化を測定するための誘電率測定装
置25の構成を示す図である。図において、26a,2
6bは一定の間隔を置いて取り付けられた電極、27は
電極26aと電極26bとの間に交流電圧を印加し、そ
の間に流れる電流を測定する電子回路、28は外部電磁
ノイズを排除する接地シールド部材、29は底が平坦な
絶縁性被覆部材であり、これらによって誘電率測定装置
25は構成されている。
降機、31は軸32を回転することにより、誘電率測定
装置25を水平方向の任意の位置に移動させるスキャナ
である。次に、誘電率測定装置25を用いて、粉末の誘
電率を測定する方法について説明する。
て、誘電率測定装置25を所定の位置まで移動させ、誘
電率測定装置25の絶縁性被覆部材29の底部を薄層の
粉末表面に、ほぼ密着させる。粉末表面の誘電率は水和
反応の進行状態によって変化しているので、電極26a
と電極26bとの間に電子回路27により交流電圧を印
加すると、粉末表面の誘電率の影響を受け、電極26
a,電極26b間に流れる電流が変わる。この場合、誘
電率の変化と電流の大きさの変化の関係は、ほぼ線型の
関係にある。
データの代わりに、例えば、図1の制御装置15に送ら
れる。制御装置15は、誘電率データを水和反応の進行
状態データに変換して、水噴射器10を適宜制御する。 (第5の実施の形態)図10は、同じ形状の加工物を多
数個造形する場合に適した、さらに別の実施の形態に係
る造形装置の構成を示す図であり、図1と同じ符号を示
すものは、同じ部材を示している。
全体に一度に水を噴霧することのできる水噴霧器であ
り、容器1の上方に固定されている。35は薄いスクリ
ーンで形成されたステンシル、34aと34bはステン
シル35を次のステンシルに自動的に交換するステンシ
ル交換器である。図11はステンシル35の一部を示す
上面図であり、各穴の形状は同一で、立体物の薄層形状
データに従って形成されている。
層の数だけ用意される。次に、本実施の形態に係る造形
装置の動作について説明する。まず、焼き石膏の粉末が
供給された後、スキージ6が移動して焼き石膏の表面が
平にされる。次いで、ステンシル交換器34a,34b
により、最初の層に対応するステンシル35が焼き石膏
の粉末に接近した位置に設定される。
と、ステンシル35の穴の開いている部分を介して水が
焼き石膏の粉末に届き、その部分を選択的に硬化させ
る。何回か水を噴霧してその部分が十分に硬化したら、
次の層に対応するステンシルに交換する。こうして、層
の数に対応する数のステンシルを交換して、各層の硬化
を終了すると、一度に多数の同じ形状の立体物が出来上
がる。
しているので、水の噴射を選択的に行う必要がない。す
なわち、図1に示す造形装置に比べて、ヘッドの3次元
的移動や走査駆動が不要なので、造形時間の短縮を図る
ことができる。なおステンシルの穴は必ずしもすべてが
同一である必要がない。複数の異なった立体形状物に対
応した穴をステンシルに形成することにより、異なった
立体形状物を多数得ることができる。
し、かつこれらの加工物に別の着色を行う場合には、図
10に示す本実施の形態の造形装置と図1の第1の実施
の形態に係る造形装置とを併用すれば効果的である。例
えば、図10に示す本実施の形態の造形装置を用いる
と、同じ形状多数の加工物を一度に造形することができ
るし、図1の第1の実施の形態に係る造形装置を用い
て、それぞれの加工物に別々に所定の着色を行うことが
できる。
て硬化する、「焼き石膏」等の粉末を用いて、安価に、
かつ制御性よく立体物の形状を造形することができる。
構成を示す断面図である。
形装置を用いて、焼き石膏の薄層を形成する成層工程を
示す図であり
形装置を用いて、焼き石膏の薄層に水を噴射して水和反
応を起こさせる工程を示す図である。
12の構成を示す図である。
面に水を噴射したときの焼き石膏の水和反応現象を模式
的に表したものである。
る状態を示す図である。
和反応の進行状態を把握するためのヘッドの走査を行う
水和工程を示すフローチャートである。
示す図である。
率測定装置である。
の構成を示す図である。
Claims (12)
- 【請求項1】 薄層を積層させて元の実体形状物の形状
を復元する立体造形装置において、 液体との反応によって硬化する粉末と、 前記粉末を載置する台と、 前記台上の粉末を平にして薄層化する手段と、 実体形状物の薄層形状データに従って、前記薄層の完全
硬化に必要な量より少ない量の液体の量を1回分とし、
時間の間隔をおいて複数回に分けて前記粉末の表面の同
じ所定区域に液体を散布又は噴射して該薄層を硬化する
液体供給手段とを有することを特徴とする立体造形装
置。 - 【請求項2】 請求項1記載の立体造形装置において、 前記各回の液体を散布又は噴射する毎に、散布又は噴射
された液体と粉末との反応進行状態を検査する検査手段
と、 前記検査手段からの検査信号に従って、前記液体供給手
段を制御する調整手段を有することを特徴とする立体造
形装置。 - 【請求項3】 請求項2に記載の検査手段は、粉末の表
面での反射光の反射率測定手段であることを特徴とする
立体造形装置。 - 【請求項4】 請求項3に記載の反射率測定手段は、光
照射手段と受光手段とを備えていることを特徴とする立
体造形装置。 - 【請求項5】 請求項2に記載の検査手段は、誘電率測
定手段であることを特徴とする立体造形装置。 - 【請求項6】 請求項2に記載の立体造形装置の検査手
段において、加工物または加工物周辺の温度を測定する
手段を備え、温度依存性に基づいて前記液体と粉末との
反応の進行を推定することを特徴とする立体造形装置。 - 【請求項7】 請求項2乃至6のいずれかに記載の調整
手段は、前記液体供給手段が散布又は噴射する液体の供
給量、供給時間、供給回数、または供給時期を調整する
ものであることを特徴とする立体造形装置。 - 【請求項8】 請求項1に記載の立体形状装置の液体供
給手段は、無色又は複数種類の着色液体供給を行うもの
であることを特徴とする立体造形装置。 - 【請求項9】 請求項1乃至8のいずれかに記載の立体
造形装置において、 前記所定領域は、マスクを介して前記粉末の表面の所定
区域に液体を散布又は噴射することを特徴とする立体造
形装置。 - 【請求項10】 請求項1乃至9のいずれかに記載の立
体形状装置において、 前記粉末を載置する台を上下に移動する手段を備えてい
ることを特徴とする立体造形装置。 - 【請求項11】 請求項1乃至10のいずれかに記載の
立体形状装置において、 前記液体は水であり、前記粉末は焼き石膏であることを
特徴とする立体造形装置。 - 【請求項12】 薄層を積層させて元の実体形状物の形
状を復元する立体造形方法において、 液体との反応によって硬化する粉末を供給する工程と、 前記粉末の表面を平坦にする工程と、 実体形状物の薄層形状データに従って、前記粉末表面の
所定の区域に液体を散布又は噴射する工程と、 実体形状物の薄層形状データに従って、前記薄層の完全
硬化に必要な量より少ない量の液体の量を1回分とし、
時間の間隔をおいて複数回に分けて同じ所定区域に液体
を散布又は噴射する工程とを有する立体造形方法。
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