JP5589817B2 - 粉末材料、粉末材料を用いた３次元造形装置、粉末材料を用いた３次元造形方法。 - Google Patents

Description

本発明は、堆積された粉末材料に対し造形液を吐出することで３次元構造物を形成する３次元造形に用いられる粉末材料、粉末材料を用いた３次元造形装置、粉末材料を用いた３次元造形方法に関する。

従来より、３次元構造物を形成する３次元造形装置が種々提案されている。その一例として、特許文献１に開示されている３次元造形装置は、堆積された粉末材料に対し造形液を吐出することで３次元構造物を形成している。即ち、特定の領域に粉末材料を堆積させる。堆積された粉末材料の層をローラーやヘラ等により平坦化する。造形液を粉末材料の特定領域に吐出する。造形液が粉末材料に吐出されることで、粉末材料の粒子同士が接着される。次に堆積された粉末材料の層の上に更に粉末材料が堆積される。そして、堆積された粉末材料に対し、平坦化、及び造形液の吐出を行う。この粉末材料の堆積、及び造形液の吐出を繰り返すことで、３次元構造物が形成される。

特表２００４−５３８１９１号公報

粉末材料の層の平坦化は、最終的に形成される３次元構造物の形状精度を出すために行われる。しかしながら、このような平坦化を行ってもなお、３次元構造物を形成するための粉末材料の特性によっては、粉末材料の層の高い平坦性を得ることが出来ず、高精度に３次元構造物を形成することができなかった。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、高精度に３次元構造物を形成するための粉末材料、粉末材料を用いた３次元造形装置、粉末材料を用いた３次元造形方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の本発明は、粉末材料が堆積された堆積面と、前記堆積面に平行な下端面を有する平坦化部とが、前記堆積面に平行な方向に相対移動し、平坦化された前記粉末材料の特定領域に対し、造形液を吐出することで３次元構造物を造形する３次元造形に用いられる粉末材料であって、体積平均粒子径が、２５μｍより大きく、且つ体積平均粒子径が、１５０μｍ未満である粒子を備え回転翼の先端スピードが７０ｍｍ／ｓ、回転翼の侵入角度が−５°の測定条件下におけるパウダーレオメータ測定により、前記粉末材料の充填表面から深さ９０ｍｍまでのトータルエネルギー量が１４６０ｍＪ以上、且つ１７９０ｍＪ以下と測定される流動性を備え、前記粒子は、少なくともポリビニルアルコールを含むことを特徴とするものである。
請求項２記載の本発明は、粉末材料が堆積された堆積面と、前記堆積面に平行な下端面を有する平坦化部とが、前記堆積面に平行な方向に相対移動し、平坦化された前記粉末材料の特定領域に対し、造形液を吐出することで３次元構造物を造形する３次元造形に用いられる粉末材料であって、体積平均粒子径が、２５μｍより大きく、且つ体積平均粒子径が、１５０μｍ未満である粒子を備え、粉末材料のかさ密度／真比重が、０．３１以上、且つ０．４７以下であり、前記粒子は、少なくともポリビニルアルコールを含むことを特徴とする。

請求項３記載の本発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記粒子の体積平均粒子径は、５３μｍより大きく、且つ７５μｍ未満であることを特徴とするものである。

上記目的を達成するために、請求項４記載の本発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の前記粉末材料が堆積される前記堆積面と、前記粉末材料を前記堆積面に供給して前記堆積面に堆積させる粉末供給部と、前記堆積面に平行な下端面を有し、前記粉末材料が堆積された堆積面に対して、前記堆積面に平行な方向に相対移動し、前記粉末材料を平坦化する平坦化部と、平坦化された前記粉末材料に対し前記造形液を吐出する吐出部と、を備えることを特徴とする。

上記目的を達成するために、請求項５記載の本発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の前記粉末材料を前記堆積面に供給して前記堆積面に堆積させる粉末供給ステップと、粉末材料が堆積された堆積面と、前記堆積面に平行な下端面を有する平坦化部とが、前記堆積面に平行な方向に相対移動し、平坦化された前記粉末材料を平坦化する平坦化ステップと、平坦化された前記粉末材料に対し前記造形液を吐出する吐出ステップと、を備えることを特徴とする。

本発明者は、堆積面に堆積された粉末材料の特定領域に対し、造形液を吐出することで３次元構造物を造形する３次元造形に用いられる粉末材料を開発し、改良を重ねてきた。本発明者は、この粉末材料に対し、実験を行うことにより、体積平均粒子径が、２５μｍより大きく、且つ体積平均粒子径が、１５０μｍ未満である粒子を備え、回転翼の先端スピードが７０ｍｍ／ｓ、回転翼の侵入角度が−５°の測定条件下におけるパウダーレオメーター測定により、前記粉末材料の充填表面から深さ９０ｍｍまでのトータルエネルギー量が１４６０ｍＪ以上、且つ１７９０ｍＪ以下と測定される流動性を備える粉末材料により、粉末材料の層の高い平坦性を得ることが出来ることを確認した。

従って、請求項１記載の粉末材料によれば、粉末材料の層の高い平坦性を得ることが出来るため、高精度に３次元構造物を形成することが可能となる。
また、請求項２記載の粉末材料によれば、体積平均粒子径が、２５μｍより大きく、且つ体積平均粒子径が、１５０μｍ未満である粒子を備え、かさ密度／真比重が０．３１以上、且つ０．４７以下の粉末材料により、粉末材料の層の顕著に高い平坦性を得ることが出来、高精度に３次元構造物を形成することが可能となることが分かる。また、粒子が、潮解性、及び吸湿性の少ないポリビニルアルコールを少なくとも含むことにより、高強度な３次元構造物を形成することが可能となる。

本発明者は、この粉末材料に対し、実験を行うことにより、粒子の体積平均粒子径が、５３μｍより大きく、且つ７５μｍ未満である場合に、粉末材料の層の高い平坦性を得ることが出来ることを確認した。

従って、請求項３記載の粉末材料によれば、粉末材料の層の高い平坦性を得ることが出来るため、高精度に３次元構造物を形成することが可能となる。

請求項４記載の３次元造形装置、及び請求項５記載の３次元造形方法によれば、粉末材料の層の高い平坦性を得ることが出来るため、高精度に３次元構造物を形成することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る３次元造形装置１を示す外観図である。 上記３次元造形装置１の内部構成を示す図である。 上記３次元造形装置１の内部構成の主要部を示す図である。 上記３次元造形装置１の電気的構成を示す機能ブロック図である。 上記３次元造形装置１の一連の処理を示すフローチャートである。 図５のＳ３に示す構造形成処理を示すフローチャートである。 図５のＳ４に示す吐出処理を示すフローチャートである。 粉末材料の流動性を測定するために用いたパウダーレオメータＰＲを説明するための説明図である。 上記パウダーレオメータＰＲにより測定されるトータルエネルギー量を説明するための説明図である。 上記パウダーレオメータＰＲにより測定されたトータルエネルギー量と粉末材料の層の最大凹凸平均値との相関関係を示すグラフである。 粉末材料のかさ密度／真比重と粉末材料の層の最大凹凸平均値との相関関係を示すグラフである。

（実施形態）
本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

[３次元造形装置の外観]
図１は、本実施形態に係る３次元造形装置１の斜視図である。３次元造形装置１は、造形部２と、設定部３と、を備える。造形部２の開放部２ａの図１に示すＸ軸正方向側には、イエロータンク１１１ａ、マゼンタタンク１１２ａ、シアンタンク１１３ａ及びクリアタンク１１４ａが配置される。イエロータンク１１１ａ、マゼンタタンク１１２ａ、シアンタンク１１３ａ及びクリアタンク１１４ａは、各々、造形部２内に配置され、図２に示すヘッド１１０に対して各色の造形液を供給するためのタンクである。設定部３は操作部５００と外部インターフェース６００とを備える。操作部５００は、電源スイッチや造形開始ボタン等、各種設定スイッチを備える。３次元造形装置１は、外部インターフェース６００を介して、ＰＣ等の外部装置と接続することができる。

図２、及び図３を用いて、造形部２について詳細に説明する。図２は、図１に示す造形部２の内部構成の一部をＸ軸正方向側から見た場合の側面図である。図３は、３次元造形装置１の内部の造形部２の一部を説明するための説明図である。造形部２は、図２に示すように、ヘッド１１０、ガントリ１３０、ヘッド吸引機構１５０、ステージ３１０、平坦化部３２０、粉末材料供給部３３０、粉末回収タンク３４０、及び制御部４を備える。以後、図２、及び図３に示すステージ３１０の堆積台３１０ａの堆積面ＳＦに平行な面をＸＹ平面、ＸＹ平面に垂直な方向をＺ軸方向と定義する。この定義は、他の図面においても共通のものとする。なお、図２、及び図３において、簡略化のため、図１におけるイエロータンク１１１ａ、マゼンタタンク１１２ａ、シアンタンク１１３ａ及びクリアタンク１１４ａから伸び、ヘッド１１０に接続される造形液供給用のチューブ等は省略している。

ヘッド１１０は、図３に示すように、イエローヘッド１１１と、マゼンタヘッド１１２と、シアンヘッド１１３と、クリアヘッド１１４とを有する。イエローヘッド１１１は、イエローの造形液を吐出可能に構成される。マゼンタヘッド１１２は、マゼンタの造形液を吐出可能に構成される。シアンヘッド１１３は、シアンの造形液を吐出可能に構成される。クリアヘッド１１４は、無色透明であるクリアの造形液を吐出可能に構成される。イエローヘッド１１１、マゼンタヘッド１１２、シアンヘッド１１３及びクリアヘッド１１４は、図１において示した中空のチューブＴＢを介して、イエロータンク１１１ａ、マゼンタタンク１１２ａ、シアンタンク１１３ａ、クリアタンク１１４ａに各々接続される。

イエローヘッド１１１と、マゼンタヘッド１１２と、シアンヘッド１１３と、クリアヘッド１１４とは、各々、複数の吐出口を有する。複数の吐出口は、Ｙ軸方向に並列されている。イエローヘッド１１１、マゼンタヘッド１１２、シアンヘッド１１３、及びクリアヘッド１１４は、Ｘ軸方向に並列されている。イエローヘッド１１１、マゼンタヘッド１１２、シアンヘッド１１３、及びクリアヘッド１１４が有する複数の吐出口から、各々、イエロー、マゼンタ、シアン、及びクリアの造形液が吐出される。

ガントリ１３０は、ヘッド１１０をステージ３１０の上側に保持する。ガントリ１３０は、Ｙ軸方向に延出したレール１６０により、レール１６０に沿って摺動可能に保持される。ガントリ１３０は、図３に示すように、Ｘ軸方向に平行に延出するガイドシャフト１３０ａを有する。ヘッド１１０は、図３に示すように、ガイドシャフト１３０ａに沿って摺動可能に、ガイドシャフト１３０ａに取り付けられる。ヘッド１１０は、図示しないタイミングベルトとそのタイミングベルトを移動させるモータとによってガイドシャフト１３０ａに沿ってＸ軸方向に移動される。ガントリ１３０は、図示しないタイミングベルトとそのタイミングベルトを移動させるモータとによってレール１６０に沿ってＹ軸方向に移動される。このように、ヘッド１１０とガントリ１３０とが移動されることにより、ヘッド１１０が堆積面ＳＦに対し、Ｘ軸方向、及びＹ軸方向に相対移動される。

ヘッド吸引機構１５０はキャップ１５０ａを有する。ヘッド吸引機構１５０は、非図示の昇降機構によってＺ軸方向に昇降可能に構成される。ヘッド吸引機構１５０は、非図示のポンプによって、キャップ１５０ａの内部を吸引可能に構成される。ヘッド１１０が、ヘッド吸引機構１５０の上側に移動されると、ヘッド吸引機構１５０はＺ軸正方向に上昇する。上昇したヘッド吸引機構１５０は、ヘッド１１０のＺ軸負方向側の面に密着し、各色のヘッド１１１〜１１４の下面に存在する複数の吐出口に各色の造形液が達するまで吸引を行う。

ステージ３１０は、堆積台３１０ａと堆積台移動部３１０ｂとを備える。粉末材料供給部３３０から供給される粉末材料が堆積台３１０ａの堆積面ＳＦ上に堆積される。堆積台移動部３１０ｂは、図示しない堆積台移動モータにより駆動される。堆積台移動部３１０ｂが駆動されると、堆積台移動部３１０ｂは、堆積台３１０ａをＺ軸方向に移動させる。この移動により、ヘッド１１０が、堆積面ＳＦに対し、Ｚ軸方向に相対移動される。

平坦化部３２０は、図２に示すように、造形部２のＹ軸負方向側に固定される。平坦化部３２０は、ヘラ部３２０ａとヘラシャフト３２０ｂとを備える。ヘラ部３２０ａは、ヘラシャフト３２０ｂに沿って摺動可能に、ヘラシャフト３２０ｂに取り付けられる。ヘラ部３２０ａは、図示しないモータによりヘラシャフト３２０ｂに沿って摺動される。ヘラシャフト３２０ｂは、図２に示すように造形部２のＹ軸負方向側に固定される。ヘラシャフト３２０ｂは、Ｙ軸正方向側に延出する。堆積面ＳＦに堆積された粉末材料は、ヘラシャフト３２０ｂに沿って摺動するヘラ部３２０ａによって平坦化される。平坦化処理の基本構成は、特表２００４−５３８１９１号公報に開示されている。

粉末材料供給部３３０は、粉末材料を収容可能な粉末材料タンク３３０ａと粉末供給路３３０ｂとを備える。粉末材料タンク３３０ａに収容された粉末材料は、粉末供給路３３０ｂ内を通って、堆積面ＳＦに供給される。造形対象領域を形成しない不要な粉末材料は、粉末回収タンク３４０により回収される。

制御部４は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、フラッシュＲＯＭ等を有するコンピューターにより構成される。制御部４は、ヘッド１１０、ガントリ１３０、及び堆積台移動部３１０ｂの駆動制御を行う。ヘッド１１０のＸ軸方向への移動やガントリ１３０のＹ軸方向への移動により、ヘッド１１０が堆積面ＳＦ上に配置されることで、堆積面ＳＦに堆積された粉末材料に各色の造形液が吐出可能となる。

［３次元造形装置の電気的構成］
図４を用いて、３次元造形装置１の電気的構成について説明する。図４は、３次元造形装置１の電気的構成を示す図である。制御部４と、図４に示す３次元造形装置１の各電気的構成部分とは、バス７００により接続される。

図４に示すＸ軸モータ２１０ｘは、ヘッド１１０をＸ軸方向に移動させる。Ｙ軸モータ２１０ｙは、ガントリ１３０をＹ軸方向に移動させる。Ｚ軸モータ２１０ｚは、堆積台移動部３１０ｂをＺ軸方向に移動させる。Ｘ軸モータ２１０ｘ、Ｙ軸モータ２１０ｙ、及びＺ軸モータ２１０ｚは、各々、エンコーダを内蔵するステッピングモータと、モータドライバとにより構成される。Ｘ軸モータ２１０ｘ、Ｙ軸モータ２１０ｙ、及びＺ軸モータ２１０ｚは、エンコーダを有するため、各々、ヘッド１１０、ガントリ１３０、堆積台移動部３１０ｂの移動量及び原点位置を検出可能である。検出されたステージ３１０の移動量及び原点位置のデータはバス７００を介して制御部４に供給される。

吐出制御回路１２０は、制御部４から供給される吐出信号と色データとに従って、造形液の吐出タイミングと吐出すべき造形液の色を決定する。決定された造形液の色は、色選択信号としてヘッド１１０に供給される。ヘッド１１０は、色選択信号に従って、各色のヘッド１１１〜１１４の内、吐出すべき色のヘッドから造形液を吐出する。

ヘッド吸引機構１５０は、制御部４から供給される信号に従い、Ｚ軸方向への昇降、キャップの装着、及び吸引を行う。

制御部４は、図４に示すように、ＣＰＵ４１と、ＲＡＭ４２と、ＲＯＭ４３と、を備える。ＣＰＵ４１は、３次元造形装置１の各構成の駆動制御等の制御を行う。ＲＡＭ４２は、３次元造形装置１により造形される３次元構造物の色データ、及び座標データ等の各種データを記憶する。ＲＯＭ４３は、ＣＰＵ４１により実行される造形の手順に関するプログラム等の各種プログラムをあらかじめ記憶している。

ＣＰＵ４１は、ヘッド１１０を制御し、ヘッド１１０に着色造形液、及び無色造形液を吐出させる。具体的には、ヘッド１１０に着色造形液、及び無色造形液を吐出させるための吐出信号を、ヘッド１１０に供給する。吐出信号は、各ヘッド１１１〜１１４に内蔵されているピエゾ素子に供給される電圧値の時間変化を示す信号である。

ＣＰＵ４１は、吐出制御回路１２０に吐出信号と色データとを供給することで、ヘッド１１０を制御する。色データは、ＲＡＭ４２に記憶されている。吐出制御回路１２０は、色データに基づき、吐出すべき造形液の色を決定する。造形液の色は、色選択信号としてヘッド１１０に供給される。ヘッド１１０は、吐出制御回路１２０からの色選択信号に従って、各色のヘッド１１１〜１１４の内、吐出すべき色のヘッドから造形液を吐出する。

ＣＰＵ４１は、Ｘ軸モータ２１０ｘ、Ｙ軸モータ２１０ｙ、及びＺ軸モータ２１０ｚを制御する。ＣＰＵ４１は、Ｘ軸モータ２１０ｘ、Ｙ軸モータ２１０ｙ、及びＺ軸モータ２１０ｚの各々に駆動信号を供給する。駆動信号が供給されると、Ｘ軸モータ２１０ｘ、Ｙ軸モータ２１０ｙ、及びＺ軸モータ２１０ｚは、各々、ヘッド１１０、ガントリ１３０、及び堆積台移動部３１０ｂを、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に移動させる。

ＣＰＵ４１は、粉末供給部３３０を制御し、粉末供給部３３０に粉末材料を堆積面ＳＦに供給させる。ＣＰＵ４１は、平坦化部３２０を制御し、堆積面ＳＦに堆積された粉末材料を平坦化させる。ＣＰＵ４１は、ヘッド吸引機構１５０を制御する。この制御により、ヘッド吸引機構１５０はＺ軸方向への昇降、及びキャップの吸引を行う。

ＣＰＵ４１は、ＲＯＭ４３に記憶されている各種プログラムに基づいて、３次元造形装置１を制御する。ＲＯＭ４３に記憶されている各種プログラムは、３次元造形装置１による造形の手順に関するプログラムを含む。ＣＰＵ４１は、ＲＯＭ４３に記憶されている手順に関するプログラムに基づいて、ある時点において着色、平坦化、及び吸引などの処理のうちどの処理を行うかを決定する。ＣＰＵ４１により、３次元造形装置１の各構成による処理の順序が決定され、また、異なる複数の処理の開始時点の同期がとられる。

ＲＡＭ４２により記憶される座標データ、及び色データは、ユーザが外部装置であるパーソナルコンピューター（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ、以後「ＰＣ」と記す）８００を操作することにより生成される。生成されたデータは外部インターフェース６００、及びバス７００を介して、ＲＡＭ４２に供給される。

座標データは、３次元造形装置１により造形される３次元構造物の座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）のデータである。色データは、座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）における３次元構造物の色のデータである。ユーザがＰＣ８００を操作し、仮想の３次元構造物の立体データが生成される。ＰＣ８００により立体データに基づいて座標データ、及び色データが生成される。ＲＡＭ４２により記憶される座標データは、ＰＣ８００上の仮想の堆積面上の空間に対し割り振られた直交座標系における座標位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）である。仮想の堆積面上の空間に対し割り振られた直交座標系における座標位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）は、堆積面ＳＦ上の直交座標系における座標位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）と対応している。色データは座標位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）における仮想の３次元構造物の色のデータである。

ＣＰＵ４１は、ＲＡＭ４２から、特定の座標位置Ｚにおける座標（Ｘ、Ｙ）の座標データを読み出す。ＣＰＵ４１は、特定の座標位置Ｚにおける全ての座標（Ｘ、Ｙ）に対し、粉末材料が供給されるように、粉末供給部３３０を制御する。具体的には、ＣＰＵ４１は、全ての座標（Ｘ、Ｙ）により構成される領域の面積と堆積台移動部３１０ｂのＺ軸方向の移動距離とから規定される１層分の堆積容積以上の量の粉末材料を、堆積面ＳＦに対し粉末供給部３３０に供給させる。堆積面ＳＦに対し供給された粉末材料は、平坦化部３２０により平坦化される。このように、特定の座標位置Ｚにおける全ての座標（Ｘ、Ｙ）に対し、粉末材料が供給され、平坦化されることで、特定の座標位置Ｚにおける造形対象領域が堆積面ＳＦ上に形成される。造形対象領域が堆積面ＳＦ上に形成された後、ヘッド１１０により造形液が吐出されることで、着色、及び造形が行われる。

ＣＰＵ４１は、ヘッド１１０、ガントリ１３０、及び堆積台移動部３１０ｂの移動量及び原点位置のデータとＲＡＭ４２に記憶されている座標データとに基づいて、ヘッド１１０の現在位置の座標位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を決定する。ステージ３１０の移動量及び原点位置のデータはＸ軸モータ２１０ｘ、Ｙ軸モータ２１０ｙ、及びＺ軸モータ２１０ｚの各エンコーダにより検出される。ヘッド１１０、ガントリ１３０、及び堆積台移動部３１０ｂの移動量及び原点位置のデータは、バス７００を介して、ＣＰＵ４１に供給される。

［３次元造形装置の処理］
以下、図５を用いて３次元造形装置１の一連の処理について説明する。図５は、３次元造形装置１の一連の処理を示すフローチャートである。図６は、図５に示す一連の処理のうちの構造形成処理を示すフローチャートである。図７は、図５に示す一連の処理のうちの吐出処理を示すフローチャートである。一連の処理は、制御部４により実行される。

図５に示す処理では、先ず、制御部４に電源ＯＮの指令が供給され、３次元造形装置１の駆動が開始される。３次元造形装置１の駆動が開始されると、初期化処理が行われる（ステップＳ１、以後Ｓ１と記す）。具体的には、ヘッド吸引機構１５０により、各色のヘッド１１１〜１１４の下面に存在する複数の吐出口に各色の造形液が達するまで吸引が行われる。この吸引により、各色のヘッド１１１〜１１４が吐出可能な状態となる。また、ＲＡＭ４２に記憶されているデータが一旦消去される。

初期化処理が行われると、データが記憶されているか否かが判定される（Ｓ２）。ＲＡＭ４２によりデータが記憶されていないと判定されると（Ｓ２：Ｎｏ）、ユーザにより３次元構造物に関するデータがＰＣ８００、及びバス７００を介して制御部４に供給されていないため、処理がＳ２に戻る。ＲＡＭ４２によりデータが記憶されていると判定されると（Ｓ２：Ｙｅｓ）、処理がＳ３に移る。最初にＳ２からＳ３に処理が移るとき、ＲＡＭ４２により記憶されている座標位置Ｚのうち、最小の座標位置Ｚが現在の座標位置Ｚとして指定される。座標位置Ｚは、造形される３次元構造物のＺ軸方向の座標位置Ｚとして、ＲＡＭ４２に記憶されている。この現在の座標位置Ｚの指定は、制御部４により行われる。

処理がＳ３に移ると、構造形成処理が行われる（Ｓ３）。Ｓ３における構造形成処理により、堆積面ＳＦにある座標位置Ｚにおける１層分の粉末材料が供給される。また、堆積面ＳＦに供給された粉末材料が平坦化される。この際、余分な粉末材料は平坦化部３２０により堆積面ＳＦから回収タンク３４０へ落下回収される。

構造形成処理が行われると、吐出処理が行われる（Ｓ４）。Ｓ４における吐出処理により、堆積面ＳＦに供給された粉末材料に造形液が吐出される。造形液の吐出により、粉末材料が結合される。粉末材料が結合されることで、造形される３次元構造物のうちの１層の造形がなされる。なお、下層がある場合は、現在造形された層と下層との結合造形もなされる。また、造形液の吐出により、造形と同時に着色がなされる。

吐出処理が行われると、造形終了か否かが判定される（Ｓ５）。具体的には、制御部４に電源ＯＦＦの指令が供給されたか、または図７において示したＲＡＭ４２に記憶されている全ての座標位置Ｚに対する処理が完了したかが判定される。造形終了でないと判定されると（Ｓ５：Ｎｏ）、処理がＳ６に移る。処理がＳ６に移ると、現在の座標位置Ｚが、ＲＡＭ４２に記憶されている座標位置Ｚのうち、現在の座標位置Ｚの次の座標位置Ｚに変更される（Ｓ６）。Ｓ６において次の座標位置Ｚは、ＲＡＭ４２に記憶されている座標位置Ｚのうち、現在の座標位置ＺよりもＺ軸正方向に大きい座標位置Ｚである。Ｓ６における変更は、制御部４により行われる。座標位置Ｚは、造形される３次元構造物のＺ軸方向の座標位置Ｚとして、ＲＡＭ４２に記憶されている。複数の層から形成される３次元構造物のうちの１層に対応した座標位置Ｚと対応付けられた座標位置（Ｘ、Ｙ）の座標データ、及び色データに基づき、構造形成処理、及び吐出処理が行われる。そして、Ｓ６において、座標位置Ｚが、現在の座標位置Ｚの次の座標位置Ｚに変更されることで、Ｓ３、及びＳ４の処理により、各々、３次元構造物のうちの次の層の構造形成処理、及び次の層に対する吐出処理が行われる。このように、３次元構造物の着色、及び造形が１層ずつ為される。Ｓ５において、造形終了と判定されると（Ｓ５：Ｙｅｓ）、全ての処理が終了する。

図６を用いて、図５に示す動作制御におけるＳ３の構造形成処理について具体的に説明する。図６に示す構造形成処理では、まず現在の座標位置ＺにおけるデータがＲＡＭ４２から読み出される（ＳＡ１）。読み出されるデータは、座標位置Ｚにおける座標（Ｘ、Ｙ）の座標データである。

座標データが読み出されると、粉末供給処理が行われる（ＳＡ２）。具体的には、ＣＰＵ４１により、粉末供給部３３０が制御される。この制御により、現在の座標位置Ｚにおける堆積面ＳＦ上の全ての座標（Ｘ、Ｙ）に対し、粉末材料が供給される。即ち、堆積面ＳＦに平行な面における所定の造形対象領域を含む領域の全面に対し、粉末材料が供給される。

粉末供給処理が行われると、粉末材料の平坦化処理が行われる（ＳＡ３）。具体的には、ＣＰＵ４１により、平坦化部３２０が制御される。この制御により、堆積面ＳＦに堆積された粉末材料が平坦化される。

平坦化処理が行われると図６に示す構造形成処理が完了し、処理が図５に示すＳ４の吐出処理に移る。例えば、現在の座標位置ＺがＲＡＭ４２により記憶されている最初の座標位置Ｚである場合、図６に示す構造形成処理により、粉末材料の層が形成される。以後、説明する吐出処理によりこの層の造形対象領域に対し造形液が吐出される。図６に示す構造形成処理により、形成される造形対象領域外の領域は、単に粉末材料が堆積された領域である。従って、この造形対象領域外の領域に、造形液は吐出されない。

図７を用いて、図５に示す動作制御におけるＳ４の吐出処理について具体的に説明する。図７に示す吐出処理では、まず現在の座標位置ＺにおけるデータがＲＡＭ４２から読み出される（ＳＢ１）。読み出されるデータは、座標位置Ｚにおける座標位置（Ｘ、Ｙ）の座標データ、及びその座標データにおける各座標位置（Ｘ、Ｙ）と対応付けて記憶されている色データである。データが読み出されると、ヘッド１１０が初期位置に相対移動される（ＳＢ２）。

ヘッド１１０が初期位置に相対移動されると、移動吐出処理が実行される（ＳＢ３）。即ち、ヘッド１１０が相対移動されながら、造形液の吐出が行われる。具体的には、ヘッド１１０が移動され、ＳＢ１において読み出された特定の座標位置（Ｘ、Ｙ）にヘッド１１０が到達すると、その座標位置（Ｘ、Ｙ）と対応付けられている色の造形液が吐出される。ＳＢ１において読み出された全ての座標データに関し、このＳＢ１の処理が行われることにより、図５のＳ３に示す構造形成処理により形成された粉末材料の層に対する造形、及び着色がなされる。ＳＢ１において読み出された全ての座標データに関し、このＳＢ１の処理が行われると、図７に示す吐出処理が終了する。

［実験結果］
グラフ等を用いて、粉末材料の層の平坦性に関する実験結果を示す。本発明者は、上記のような３次元造形に用いられる粉末材料を開発し、改良を重ねてきた。本発明者は、この粉末材料に対し、実験を行うことにより、粉末材料の流動性と粉末材料により形成される層の平坦性との間に相関関係があることを確認した。

本発明者は、粉末材料の流動性を測定するために、図８に示すような、パウダーレオメータＰＲによる測定を行った。パウダーレオメータＰＲとして、具体的には、Ｆｒｅｅｍａｎ Ｔｅｃｎｏｌｏｇｙ社製のパウダーレオメータＦＴ４を用いた。測定装置を、以下に示す条件下で用いた。
ブレード（回転翼）ＢＬ：４８ｍｍブレード
チップスピード（回転翼の先端スピード）：７０ｍｍ／ｓ
容器ＶＬの体積：１６０ｍｌ（内径５０ｍｌ）
ブレードＢＬの侵入角度：−５°

トータルエネルギー量は、以下に示すように測定した。即ち、図８に示すように、ブレードＢＬが容器ＶＬ内に充填された粉末材料の中を、例えば、Ｈ１からＨ２へと移動する際に得られた垂直荷重と回転トルクとが、図９に示すように高さごとのエネルギー勾配としてプロットされる。これらが積算されて得られた図９に示すハッチング部分の面積がトータルエネルギー量として粉末材料の流動性の指標とされる。

測定前の準備として、１６０ｍｌの体積の容器に粉末材料を充填した後、粉末材料のコンディショニングを行った。即ち、ブレードＢＬをゆるやかに回転することで、粉末材料の層内の過剰空気、又は部分的ストレスを除去して粉末材料の層を均一な状態にした。コンディショニング後、粉末材料の充填表面から深さ９０ｍｍまでのトータルエネルギー量を流動性の指標として測定した。

粉末材料の粒子としては、体積平均粒子径が、２５μｍ未満のポリビニルアルコール（以後、「ＰＶＡ」と記す）、２５μｍ以上、且つ５３μｍ未満（以後、「２５〜５３μｍ」と記す）のＰＶＡ、５３〜７５μｍのＰＶＡ、７５〜１５０μｍのＰＶＡ、１５０μｍ以上のＰＶＡの５種類の粒子を用いた。５種類の粒子により構成される粉末材料の各々に対して、上述のパウダーレオメータによる流動性測定を行った。更に、各粒子の粉末材料の流動性、即ち、トータルエネルギー量と粉末材料により形成される層の平坦性との間に相関関係があることを実験により確認した。層の平坦性は、層の最大凹凸値を測定し、最大凹凸平均値を算出することで決定した。各粉末材料の最大凹凸平均値は、１５０μｍ以上の粒径である粒子の最大凹凸平均値２０９μｍにより規格化した。

図１０は、測定により確認された粉末材料の流動性と粉末材料の層の平坦性との相関関係を示すグラフである。横軸は、トータルエネルギー量を示す。縦軸は、規格化された最大凹凸平均値を示す。図１０において、トータルエネルギー量が６００ｍＪ近傍のプロットは、体積平均粒子径が、２５μｍ未満のＰＶＡの測定結果を示す。図１０において、トータルエネルギー量が１４００ｍＪ近傍のプロットは、体積平均粒子径が、２５〜５３μｍのＰＶＡの測定結果を示す。図１０において、トータルエネルギー量が１６００ｍＪ近傍のプロットは、体積平均粒子径が、５３〜７５μｍのＰＶＡの測定結果を示す。図１０において、トータルエネルギー量が１８００ｍＪ近傍のプロットは、体積平均粒子径が、７５〜１５０μｍのＰＶＡの測定結果を示す。図１０において、トータルエネルギー量が１９００ｍＪ近傍のプロットは、体積平均粒子径が、１５０μｍ以上のＰＶＡの測定結果を示す。体積平均粒子径が、２５〜５３μｍのＰＶＡの粉末材料のトータルエネルギー量に対する測定値は、正確には１４６０ｍＪであった。体積平均粒子径が、７５〜１５０μｍのＰＶＡの粉末材料のトータルエネルギー量に対する測定値は、正確には１７９０ｍＪであった。

図１０に示すように、最大凹凸平均値は、トータルエネルギー量が６００ｍＪから大きくなるにつれ、下がっていく。即ち、層の平坦性が向上する。しかし、１６００ｍＪ近傍を境に、最大凹凸平均値は、トータルエネルギー量が大きくなるにつれ、上がっていく。即ち、層の平坦性が低下する。複数の層が積層されることで形成される３次元構造物の形状精度は、粉末材料の層の平坦性に依存する。即ち、例えば、１層の平坦性が低下すると、高精度に３次元構造物を形成することができない。一方、１層の平坦性が向上すると、高精度に３次元構造物を形成することができる。また、図１０に示すように、体積平均粒子径が大きくなるにつれ、トータルエネルギー量は大きくなる。即ち、流動性が上昇する。しかし、体積平均粒子径を１５０μｍ以上に大きくすると、層の平坦性の他にも３次元造形における種々の問題が起き得る。種々の問題とは、例えば、積層ピッチが粒子径の増加と伴に厚みを増し、造形精度が低下すること、造形物表面の滑らかさが低減すること、造形物の輪郭領域を形成する粒子の剥離欠陥が生じた場合、寸法精度の低下が大きくなること、造形物の空隙率が増加し、造形強度が低下するなどの問題である。

以上、図１０を用いて示したように、体積平均粒子径が、２５μｍより大きく、且つ体積平均粒子径が、１５０μｍ未満である粒子を備え、トータルエネルギー量が１４６０ｍＪ以上、且つ１７９０ｍＪ以下と測定される流動性を備える粉末材料により、粉末材料の層の高い平坦性を得ることが出来、高精度に３次元構造物を形成することが可能となることが分かる。

更に、図１０に示すように、５３〜７５μｍの粒子を備える粉末材料により、粉末材料の層の顕著に高い平坦性を得ることが出来、高精度に３次元構造物を形成することが可能となることが分かる。

また、粉末材料の粒子が、潮解性、及び吸湿性の少ないＰＶＡを少なくとも含むことにより、高強度な３次元構造物を形成することが可能となる。

なお、本発明者は、上述のパウダーレオメータ測定の他に、上述の５種類の粒子のかさ密度／真比重と層の平坦性との間にも相関関係があることを確認した。図１１は、粒子のかさ密度／真比重と層の平坦性との間の相関関係を示すグラフである。横軸は、粒子のかさ密度／真比重を示す。縦軸は、規格化された層の最大凹凸平均値を示す。なお、本実験のＰＶＡの真比重は１．２５ｇ／ｃｍ^３である。図１１において、かさ密度／真比重が０．２近傍のプロットは、体積平均粒子径が、２５μｍ未満のＰＶＡの測定結果を示す。図１１において、かさ密度／真比重が０．３近傍のプロットは、体積平均粒子径が、２５〜５３μｍのＰＶＡの測定結果を示す。図１１において、かさ密度／真比重が０．４近傍のプロットは、体積平均粒子径が、５３〜７５μｍのＰＶＡの測定結果を示す。図１１において、かさ密度／真比重が０．４５近傍のプロットは、体積平均粒子径が、７５〜１５０μｍのＰＶＡの測定結果を示す。図１１において、かさ密度／真比重が０．５５近傍のプロットは、体積平均粒子径が、１５０μｍ以上のＰＶＡの測定結果を示す。体積平均粒子径が、２５〜５３μｍのＰＶＡの粉末材料のかさ密度／真比重は、正確には０．３１であった。体積平均粒子径が、７５〜１５０μｍのＰＶＡの粉末材料のかさ密度／真比重は、正確には０．４７であった。

図１１に示すように、最大凹凸平均値は、かさ密度／真比重が０．２近傍から大きくなるにつれ、下がっていく。即ち、層の平坦性が向上する。しかし、０．４近傍を境に、最大凹凸平均値は、かさ密度／真比重が大きくなるにつれ、上がっていく。即ち、層の平坦性が低下する。また、図１１に示すように、体積平均粒子径が大きくなるにつれ、かさ密度／真比重は大きくなる。即ち、流動性が上昇する。しかし、体積平均粒子径を１５０μｍ以上に大きくすると、層の平坦性の他にも３次元造形における種々の問題が起き得る。

以上、図１１を用いて示したように、体積平均粒子径が、２５μｍより大きく、且つ体積平均粒子径が、１５０μｍ未満である粒子を備え、かさ密度／真比重が０．３１以上、且つ０．４７以下の粉末材料により、粉末材料の層の顕著に高い平坦性を得ることが出来、高精度に３次元構造物を形成することが可能となることが分かる。

（変形例）
本実施形態において、座標データ、及び色データは、ＰＣ８００から、外部インターフェース６００、及びバス７００を介して取得していた。しかし、これに限らず、例えば、ＰＣから取得した各種データを基に、制御部により座標データ、及び色データを生成してもよい。この場合、制御部は、座標データ、及び色データを生成する演算部を備える。データ記憶部は、演算部により生成された座標データ、及び色データを取得する。

本実施形態において、ヘッド１１０、ガントリ１３０、及び堆積台移動部３１０ｂが各々Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に移動されることにより、ヘッド１１０が堆積面ＳＦに対しＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に相対移動されていた。しかし、これに限らず、例えば、ステージがＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に移動されることによりヘッドが堆積面に対しＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に相対移動されてもよい。

本実施形態において、粉末材料の供給は、粉末供給部３３０によりなされていた。また、第１、及び第２の実施形態において、堆積面ＳＦに堆積された粉末材料の平坦化は、平坦化部３２０によりなされていた。しかし、これに限らず、例えば、粉末材料の供給、及び平坦化は、作業者によりなされてもよい。

本実施形態において、複数の層により３次元構造物が形成されていたが、これに限らず、例えば、１層のみで３次元構造物が形成されてもよい。また、この場合、ＲＡＭ等のデータ記憶部に記憶されるＺ座標位置は、１つとなる。

本実施形態において、粉末材料が接着性を有し、粉末材料が造形液により活性化されることで固化される態様と、造形液が接着性を有し、造形液が粉末材料に吐出されることで粉末材料が固化される態様とが考えられるが、いずれの態様であってもよい。

本実施形態において、粉末材料は、ＰＶＡであったが、これに限らず、例えば、石膏、シリカ粒子、変性ポリビニルアルコール樹脂、及びアクリル系樹脂などであってもよい。

１ ３次元造形装置
１１０ ヘッド
１１１ イエローヘッド
１１２ マゼンタヘッド
１１３ シアンヘッド
１１４ クリアヘッド
１３０ ガントリ
２１０ｘ Ｘ軸モータ
２１０ｙ Ｙ軸モータ
２１０ｚ Ｚ軸モータ
３１０ ステージ
３１０ａ 堆積台
３１０ｂ 堆積台移動部
３３０ 粉末供給部
４ 制御部
４１ ＣＰＵ
４２ ＲＡＭ
４３ ＲＯＭ
ＳＦ 堆積面

Claims (5)

1. 粉末材料が堆積された堆積面と、前記堆積面に平行な下端面を有する平坦化部とが、前記堆積面に平行な方向に相対移動し、平坦化された前記粉末材料の特定領域に対し、造形液を吐出することで３次元構造物を造形する３次元造形に用いられる粉末材料であって、
   体積平均粒子径が、２５μｍより大きく、且つ体積平均粒子径が、１５０μｍ未満である粒子を備え、
   回転翼の先端スピードが７０ｍｍ／ｓ、回転翼の侵入角度が−５°の測定条件下におけるパウダーレオメータ測定により、前記粉末材料の充填表面から深さ９０ｍｍまでのトータルエネルギー量が１４６０ｍＪ以上、且つ１７９０ｍＪ以下と測定される流動性を備え、前記粒子は、少なくともポリビニルアルコールを含むことを特徴とする粉末材料。
2. 粉末材料が堆積された堆積面と、前記堆積面に平行な下端面を有する平坦化部とが、前記堆積面に平行な方向に相対移動し、平坦化された前記粉末材料の特定領域に対し、造形液を吐出することで３次元構造物を造形する３次元造形に用いられる粉末材料であって、
   体積平均粒子径が、２５μｍより大きく、且つ体積平均粒子径が、１５０μｍ未満である粒子を備え、
   粉末材料のかさ密度／真比重が、０．３１以上、且つ０．４７以下であり、
   前記粒子は、少なくともポリビニルアルコールを含むことを特徴とする粉末材料。
3. 前記粒子の体積平均粒子径は、５３μｍより大きく、且つ７５μｍ未満であることを特徴とする請求項１又は２に記載の粉末材料。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の前記粉末材料が堆積される前記堆積面と、
   前記粉末材料を前記堆積面に供給して前記堆積面に堆積させる粉末供給部と、
   前記堆積面に平行な下端面を有し、前記粉末材料が堆積された堆積面に対して、前記堆積面に平行な方向に相対移動し、前記粉末材料を平坦化する平坦化部と、
   平坦化された前記粉末材料に対し前記造形液を吐出する吐出部と、を備えることを特徴とする３次元造形装置。
5. 請求項１〜３のいずれかに記載の前記粉末材料を前記堆積面に供給して前記堆積面に堆積させる粉末供給ステップと、
   粉末材料が堆積された堆積面と、前記堆積面に平行な下端面を有する平坦化部とが、前記堆積面に平行な方向に相対移動し、平坦化された前記粉末材料を平坦化する平坦化ステップと、
   平坦化された前記粉末材料に対し前記造形液を吐出する吐出ステップと、を備えることを特徴とする３次元造形方法。

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