JP5917636B2 - 積層造形装置の材料供給装置、積層造形装置、及び材料供給方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、積層造形装置の材料供給装置、積層造形装置、及び材料供給方法に関する。

粉末状の材料の層を形成し、当該材料の層毎に材料をバインダー（結合剤）やレーザ光によって固化させ、三次元形状を造形する三次元プリンタのような積層造形装置が知られる。

特開２００３−５３８４９号公報

材料の層を形成する時間が短縮されることで、三次元形状を造形する時間が短縮される。

本発明が解決する課題の一例は、粉末状の材料の供給時間を短縮できる積層造形装置の材料供給装置、積層造形装置、及び材料供給方法を提供することである。

一つの実施の形態に係る積層造形装置の材料供給装置は、供給部と、昇温部とを備える。前記供給部は、電圧が印加されることで帯電可能な電極部と、前記電極部を覆う絶縁部と、を有する。前記電極部は、帯電状態を制御されることで正あるいは負の電荷が付与された粉末状の材料を前記絶縁部の表面で吸着及び離間するよう構成される。前記昇温部は、前記絶縁部の表面側を昇温可能である。

図１は、第１の実施の形態に係る三次元プリンタを概略的に示す図である。 図２は、第１の実施形態の材料槽及び材料供給装置の一部を概略的に示す断面図である。 図３は、第１の実施形態の造形槽及び材料供給装置の一部を概略的に示す断面図である。 図４は、第１の実施形態の供給領域に材料を供給する材料供給装置を概略的に示す断面図である。 図５は、第１の実施形態の材料にレーザ光が照射される造形槽を概略的に示す断面図である。 図６は、第２の実施の形態に係る造形槽及び材料供給装置の一部を概略的に示す断面図である。 図７は、第２の実施形態の供給領域に第２の材料を供給する材料供給装置を概略的に示す断面図である。 図８は、第２の実施形態の第１及び第２の材料にレーザ光が照射される造形槽を概略的に示す断面図である。 図９は、第２の実施形態の変形例に係る造形槽を概略的に示す断面図である。 図１０は、第３の実施の形態に係る材料槽及び材料供給装置の一部を概略的に示す断面図である。 図１１は、第４の実施の形態に係る材料槽及び材料供給装置の一部を概略的に示す断面図である。

以下に、第１の実施の形態について、図１乃至図５を参照して説明する。なお、本明細書においては、鉛直上方を上方向、鉛直下方を下方向と記す。また、実施形態に係る構成要素や、当該要素の説明について、複数の表現を併記することがある。当該構成要素及び説明について、記載されていない他の表現がされることは妨げられない。さらに、複数の表現が記載されない構成要素及び説明について、他の表現がされることは妨げられない。

図１は、三次元プリンタ１を概略的に示す図である。三次元プリンタ１は、積層造形装置の一例である。積層造形装置は、三次元プリンタに限らず、他の装置であっても良い。三次元プリンタ１は、粉末状の材料２の層の形成と、材料２の層の固化と、を繰り返すことで、三次元形状の造形物３を、例えば造形基板４の上に造形する。図１は、形成途中の造形物３を示す。

本実施形態において、材料２は、例えば、中心粒径が約４０μｍの粉末状の金属材料である。なお、材料２はこれに限らず、例えば、セラミックや合成樹脂であっても良い。造形物３及び造形基板４は、粉末状の材料２と同一の材料によって作られるが、これに限られない。

図１に示すように、三次元プリンタ１は、処理槽１１と、造形槽１２と、材料槽１３と、材料供給装置１４と、移動装置１５と、光学装置１６と、制御部１７と、を有する。処理槽１１は、例えば、筐体とも称され得る。造形槽１２は、例えば、台、ステージ、造形領域、又は供給領域とも称され得る。材料槽１３（収容部）は、収容部の一例であり、例えば、貯蔵部又は供給部とも称され得る。材料供給装置１４（供給部）は、供給部の一例であり、例えば、保持部、投下部、塗布部、又は撒布部とも称され得る。移動装置１５は、移動部の一例であり、例えば、搬送部とも称され得る。光学装置１６（造形部）は、造形部の一例であり、例えば、形成部、固化部、又は結合部とも称され得る。

図面に示されるように、本明細書において、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸が定義される。Ｘ軸とＹ軸とＺ軸とは、互いに直交する。本明細書では、Ｘ軸方向を、材料供給装置１４の幅方向、Ｙ軸方向を、材料供給装置１４の奥行き（長さ）方向、Ｚ軸方向を、材料供給装置１４の高さ方向とする。

処理槽１１は、例えば、密封可能な箱状に形成される。処理槽１１は、処理室１１ａを有する。処理室１１ａには、造形槽１２、材料槽１３、材料供給装置１４、移動装置１５、及び光学装置１６が収容されている。なお、造形槽１２、材料槽１３、材料供給装置１４、移動装置１５、及び光学装置１６は、処理室１１ａの外にあっても良い。

処理槽１１の処理室１１ａに、供給口２１と、排出口２２とが設けられる。例えば、処理槽１１の外部に設けられた供給装置が、窒素及びアルゴンのような不活性ガスを、供給口２１から処理室１１ａに供給する。例えば、処理槽１１の外部に設けられた排出装置が、排出口２２から処理室１１ａの上記不活性ガスを排出する。

造形槽１２において、材料２の層の形成と、材料２の層の固化と、が繰り返し行われる。これにより、造形槽１２の内部で、三次元形状の造形物３が造形される。造形槽１２は、載置台２５と、周壁２６とを有する。

載置台２５は、例えば、正方形の板材である。なお、載置台２５の形状はこれに限らず、矩形のような他の四角形（四辺形）、多角形、円、及び幾何学形状のような他の形状を呈する部材であっても良い。載置台２５は、例えば、金属のような導体によって作られる。載置台２５は、接地（グラウンド）されるが、これに限られない。

載置台２５は、上面２５ａと、端面２５ｂとを有する。上面２５ａは、例えば、上方に向く、２５０ｍｍ×２５０ｍｍの四角形の平坦な面である。なお、上面２５ａの大きさ及び形状はこれに限らない。端面２５ｂは、上面２５ａと直交する面である。

周壁２６は、例えば、Ｚ軸に沿う方向に延びるとともに、載置台２５を囲む四角形の筒状に形成される。載置台２５の端面２５ｂは、周壁２６の内面にそれぞれ接する。周壁２６は、四角形の枠状に形成され、開放された上端２６ａを有する。

載置台２５の上面２５ａの上に、造形基板４が載置固定されるとともに、材料２が堆積される。さらに、造形基板４の上に、造形物３が造形される。なお、載置台２５の上面２５ａに造形基板４を配置することなく、載置台２５の上面２５ａの上に直接、造形物３が造形されても良い。造形槽１２において、材料２、造形物３、及び造形基板４は、周壁２６に囲まれる。

載置台２５の上の材料２、造形物３、及び造形基板４の少なくとも一つは、周壁２６の上端２６ａから露出される供給領域Ｒ１を形成する。供給領域Ｒ１は、材料が供給される領域の一例である。供給領域Ｒ１は、上方に向く面状の部分である。供給領域Ｒ１の大きさ及び形状は、載置台２５の上面２５ａの大きさ及び形状と大よそ同じである。

載置台２５は、油圧昇降機のような種々の装置によって、周壁２６の内部をＺ軸に沿う方向に移動可能である。載置台２５が移動することで、載置台２５の上の材料２、造形物３、及び造形基板４の少なくとも一つが形成する供給領域Ｒ１が上下に移動する。

材料槽１３は、造形槽１２に層を形成するための材料２を収容する。材料槽１３は、造形槽１２に隣接して設けられるが、造形槽１２から離間して配置されても良い。材料槽１３は、支持台３１と、周壁３２と、図２の帯電部３３と、スキージング部３４とを有する。

支持台３１は、造形槽１２の載置台２５と同じく、例えば、正方形の板材である。なお、支持台３１の形状はこれに限らない。支持台３１は、例えば、金属のような導体によって作られる。

支持台３１は、上面３１ａと、端面３１ｂとを有する。上面３１ａは、例えば、載置台２５の上面２５ａと同じ大きさ及び形状を有する、上方に向く平坦な面である。なお、上面３１ａの大きさ及び形状はこれに限らない。端面３１ｂは、上面３１ａと直交する面である。

周壁３２は、例えば、Ｚ軸に沿う方向に延びるとともに、支持台３１を囲む四角形の筒状に形成される。支持台３１の端面３１ｂは、周壁３２の内面にそれぞれ接する。周壁３２は、四角形の枠状に形成され、開放された上端３２ａを有する。

材料２は、支持台３１の上面３１ａの上に堆積されるとともに、周壁３２に囲まれる。材料槽１３に収容された材料２は、周壁３２の上端３２ａから露出される吸着領域Ｒ２を形成する。吸着領域Ｒ２は、上方に向く面状の部分である。吸着領域Ｒ２の大きさ及び形状は、支持台３１の上面３１ａの大きさ及び形状と大よそ同じである。

支持台３１は、油圧昇降機のような種々の装置によって、周壁３２の内部をＺ軸に沿う方向に移動可能である。支持台３１が移動することで、材料２が形成する吸着領域Ｒ２が上下に移動する。

図２は、材料槽１３及び材料供給装置１４の一部を概略的に示す断面図である。帯電部３３は、支持台３１に接続される。帯電部３３は、例えば支持台３１に電流を流す（電圧を印加する）ことで、支持台３１と、支持台３１に支持された材料２とを帯電させる。言い換えると、帯電部３３は、材料２に電荷を付与する。なお、帯電部３３はこれに限らず、例えばコロナ放電により支持台３１及び材料２を帯電させても良い。帯電部３３は、例えば、図２のように材料２を負（マイナス）に帯電させるが、正（プラス）に帯電させても良い。また、材料槽１３の材料２は、帯電されずに電荷がゼロであっても良い。

図１に示すスキージング部３４は、例えば、ローラや可撓性のブレードを有する。スキージング部３４は、Ｘ軸又はＹ軸に沿う方向に延び、当該方向と交差する方向に移動可能である。スキージング部３４は、移動することで、材料２が形成する吸着領域Ｒ２を均す。これにより、スキージング部３４は、例えば、材料２の吸着領域Ｒ２を、周壁３２の上端３２ａと略同一平面とする。

材料槽１３に、例えば、予め十分な量の材料２が収容される。材料槽１３の材料２が減少し、吸着領域Ｒ２が周壁３２の上端３２ａよりも下がると、支持台３１が上昇する。これにより、支持台３１は、供給領域Ｒ２を、周壁３２の上端３２ａと略同一平面に保つ。材料槽１３の材料２はこれに限らず、例えば、減少するとともに他の装置から材料槽１３に補充されても良い。

材料供給装置１４は、材料槽１３に収容された材料２を造形槽１２に供給し、材料２の層を形成する。材料供給装置１４は、吸着基板４１（電極部）と、絶縁層４２（絶縁部）と、昇温装置４３と、図２の帯電部４４とを有する。吸着基板４１は、電極部の一例であり、例えば、吸引部、吸着部、又は保持部とも称され得る。絶縁層４２は、絶縁部の一例であり、例えば、隔壁、壁、又は膜とも称され得る。昇温装置４３は、昇温部の一例であり、例えば、加温部、加熱部、又はヒータとも称され得る。

吸着基板４１は、載置台２５と同じく、例えば、正方形の板材である。なお、吸着基板４１の形状はこれに限らない。吸着基板４１は、例えば、金属のような導体によって作られる。そのため、吸着基板４１は帯電部４４から流される電流により帯電する。なお、吸着基板４１はこれに限らず、例えば、半導体によって作られても良い。

図２に示すように、吸着基板４１は、下面４１ａを有する。下面４１ａは、例えば、載置台２５の上面２５ａと同じ大きさ及び形状を有する、下方に向く平坦な面である。なお、下面４１ａの大きさ及び形状はこれに限らない。

帯電部４４は、制御部１７に制御され、吸着基板４１に電流を流すことが可能（電圧を印加可能）である。帯電部４４は、吸着基板４１に正又は負の電流を選択的に流す。なお、帯電部４４はこれに限らず、吸着基板４１に正及び負のいずれか一方のみの電流を流しても良い。

絶縁層４２は、例えば、合成樹脂やセラミックのような絶縁体によって作られる。絶縁層４２は、吸着基板４１の下面４１ａに形成され、下面４１ａを覆う。なお、絶縁層４２は、吸着基板４１の下面４１ａを部分的に露出させても良い。

絶縁層４２は、下方に向く表面４２ａを有する。表面４２ａは、載置台２５の上面２５ａと同じ大きさ及び形状を有し、下方に向く平坦な面である。なお、表面４２ａの大きさ及び形状はこれに限らない。

図１に示すように、昇温装置４３は、例えば吸着基板４１の内部に設けられる。昇温装置４３は、吸着基板４１及び絶縁層４２を昇温させ、所定の温度に保つことが可能である。すなわち、昇温装置４３は、絶縁層４２の表面４２ａを昇温可能である。絶縁層４２の表面４２ａは、昇温装置４３によって昇温されることで、乾燥しやすくなる。

移動装置１５は、材料供給装置１４に結合されたレール、搬送アーム、又は他の種々の装置を有する。移動装置１５は、材料供給装置１４を例えば、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸に沿う方向に平行移動させることができる。

移動装置１５は、材料供給装置１４を、例えば、吸着位置Ｐ１と、供給位置Ｐ２との間で移動させる。図１は、吸着位置Ｐ１にある材料供給装置１４を実線で示し、供給位置Ｐ２に位置する材料供給装置１４を二点鎖線で示す。

吸着位置Ｐ１にある材料供給装置１４は、材料槽１３の上方に位置する。図２に示すように、吸着位置Ｐ１において、材料供給装置１４の絶縁層４２の表面４２ａは、材料槽１３に収容された材料２が形成する吸着領域Ｒ２に面する。このため、吸着基板４１の下面４１ａは、絶縁層４２を介して、材料槽１３の材料２に面する。

図１に示すように、供給位置Ｐ２にある材料供給装置１４は、造形槽１２の上方に位置する。供給位置Ｐ２において、材料供給装置１４の絶縁層４２の表面４２ａは、造形槽１２の材料２、造形物３、及び造形基板４の少なくとも一つが形成する供給領域Ｒ１に面する。このため、吸着基板４１の下面４１ａは、絶縁層４２を介して、供給領域Ｒ１に面する。

吸着位置Ｐ１と供給位置Ｐ２とは、互いに外れた場所に位置する。このように、移動装置１５は、供給領域Ｒ１及び吸着領域Ｒ２に対する材料供給装置１４の相対的な位置を変化させる。言い換えると、材料供給装置１４は、吸着位置Ｐ１と供給位置Ｐ２とに配置可能である。なお、移動装置１５は、例えば、材料供給装置１４に対して造形槽１２及び材料槽１３を移動させても良い。

光学装置１６は、発振素子を有しレーザ光Ｌを出射する光源、レーザ光Ｌを平行光に変換する変換レンズ、レーザ光Ｌを収束させる収束レンズ、及び、レーザ光Ｌの照射位置を移動させるガルバノミラーのような、種々の部品を有する。光学装置１６は、レーザ光Ｌのパワー密度を変更可能である。

光学装置１６は、造形槽１２の上方に位置する。なお、光学装置１６は他の場所に配置されても良い。光学装置１６は、前記光源が出射したレーザ光Ｌを、前記変換レンズによって平行光に変換する。光学装置１６は、傾斜角度を変更可能な前記ガルバノミラーにレーザ光Ｌを反射させ、前記収束レンズによってレーザ光Ｌを収束させることで、レーザ光Ｌを所望の位置に照射する。

制御部１７は、造形槽１２、材料槽１３、材料供給装置１４、移動装置１５、及び光学装置１６に、電気的に接続される。制御部１７は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭのような種々の電子部品を有する。制御部１７は、前記ＲＯＭ、又は他の記憶装置に格納されたプログラムを読み出し実行することで、造形槽１２、材料槽１３、材料供給装置１４、移動装置１５、及び光学装置１６を制御する。三次元プリンタ１は、制御部１７の制御（プログラム）に基づき、造形物３を造形する。

以下、三次元プリンタ１が粉末状の材料２から造形物３を造形する手順の一例について説明する。なお、三次元プリンタ１が造形物３を造形する方法は、以下に説明されるものに限らない。

まず、三次元プリンタ１の制御部１７に、例えば外部のパーソナルコンピュータから、造形物３の三次元形状のデータが入力される。当該三次元形状のデータは、例えばＣＡＤのデータであるが、これに限らない。

制御部１７は、造形物３の三次元形状のデータから、複数の断面形状のデータを生成する。例えば、制御部１７は、造形物３の三次元形状を所定の厚さ毎に複数の層状に分割し、各層の断面形状のデータを生成する。本実施形態において、制御部１７は、造形物３の三次元形状のデータから、例えば５０μｍの厚さを有する複数の断面形状のデータを生成する。なお、断面形状の厚さはこれに限らない。

次に、移動装置１５は、材料供給装置１４を吸着位置Ｐ１に配置する。吸着位置Ｐ１において、材料供給装置１４の絶縁層４２の表面４２ａは、材料槽１３の材料２が形成する吸着領域Ｒ２に面する。絶縁層４２の表面４２ａと、吸着領域Ｒ２との間には、隙間が設けられる。なお、絶縁層４２の表面４２ａが吸着領域Ｒ２の材料２と接してもよい。

図２に示すように、材料槽１３の帯電部３３は、材料２を負に帯電させている。これに対し、材料供給装置１４の帯電部４４は、吸着位置Ｐ１において、吸着基板４１に正の電流を流す。すなわち、材料供給装置１４は、吸着基板４１に、帯電した材料２と正負が反対の電流を流す。これにより、材料槽１３に収容された材料２は、クーロン力（引力）によって吸着基板４１に向かって吸着される。言い換えると、材料２は、吸着基板４１に向かって移動する。

吸着基板４１に吸着される材料２は、吸着基板４１と吸着領域Ｒ２との間に介在する絶縁層４２の表面４２ａに付着する。すなわち、材料供給装置１４は、材料槽１３の材料２を、絶縁層４２の表面４２ａに吸着する。

負に帯電する材料２と、正の電流が流される吸着基板４１との間は、絶縁層４２によって絶縁される。このため、材料２は負に帯電したまま、絶縁層４２の表面４２ａに保持される。このように、吸着基板４１は帯電状態を制御することで材料２を絶縁層４２の表面４２ａに吸着する。

図３は、造形槽１２及び材料供給装置１４の一部を概略的に示す断面図である。図３に示すように、材料槽１３の材料２が絶縁層４２の表面４２ａに吸着されることで、絶縁層４２の表面４２ａに、材料２の層が形成される。当該材料２の層において、負に帯電した複数の材料２どうしが隣接する。このため、材料２と他の材料２との間に静電反発が生じ、絶縁層４２の表面４２ａにおける材料２の層の厚さは略均一になる。

さらに、絶縁層４２の表面４２ａにおける材料２の層の厚さは、帯電部４４が吸着基板４１に流す電流によって定まる。本実施形態において、材料供給装置１４は絶縁層４２の表面４２ａに、例えば、上記断面形状のデータの厚さと同じ５０μｍの厚さの材料２の層を形成する。なお、材料２の層の厚さはこれに限らない。

次に、移動装置１５は、材料２を吸着した材料供給装置１４を、吸着位置Ｐ１から供給位置Ｐ２に移動させる。図３において、供給位置Ｐ２に到達した材料供給装置１４の絶縁層４２の表面４２ａは、材料２及び造形物３によって形成された供給領域Ｒ１に面する。すなわち、絶縁層４２の表面４２ａに形成された材料２の層は、供給領域Ｒ１に面する。

造形槽１２は、載置台２５を下方に移動させることによって、予め供給領域Ｒ１を周壁２６の上端２６ａよりも下げる。Ｚ軸に沿う方向における供給領域Ｒ１と周壁２６の上端２６ａとの間の距離（高さの差）は、例えば、上記断面形状のデータの厚さと同じ５０μｍである。

図４は、供給領域Ｒ１に材料２を供給する材料供給装置１４を概略的に示す断面図である。図４に示すように、帯電部４４は、供給位置Ｐ２において吸着基板４１に負の電流を流す。すなわち、帯電部４４は、吸着基板４１に、帯電した材料２と正負が同じ電流を流す。これにより、絶縁層４２の表面４２ａに付着した材料２は、クーロン力（斥力）によって供給領域Ｒ１に向かって移動する。言い換えると、材料２は、絶縁層４２の表面４２ａから離間し、供給領域Ｒ１に供給される。このように、吸着基板４１は帯電状態を制御することで絶縁層４２の表面４２ａから材料２を離間する。

造形槽１２の載置台２５は、接地されている。載置台２５に載置される材料２、造形物３、及び造形基板４は、載置台２５を介して接地され、電荷がゼロになる。このため、絶縁層４２の表面４２ａの材料２と、造形槽１２の材料２、造形物３、及び造形基板４との間にクーロン力が生じることが抑制され、材料２は絶縁層４２の表面４２ａから供給領域Ｒ１に大よそ真っ直ぐ移動する。

なお、材料供給装置１４は、吸着基板４１に流す電流をゼロにしても良い。この場合、絶縁層４２の表面４２ａに付着する材料２と、吸着基板４１との間のクーロン力（引力）が消失する。これにより、絶縁層４２の表面４２ａに付着する材料２は、重力によって落下し、供給領域Ｒ１に供給される。

絶縁層４２の表面４２ａに層を形成する材料２が、供給領域Ｒ１に供給されることで、供給領域Ｒ１の上に材料２の層が形成される。供給領域Ｒ１に形成される材料２の層の厚さは、絶縁層４２の表面４２ａに形成された材料２の層の厚さと大よそ等しい。このため、供給領域Ｒ１に形成される材料２の層の上面は、周壁２６の上端２６ａと略同一平面を形成する。

供給領域Ｒ１に供給された材料２は、造形槽１２の材料２、造形物３、及び造形基板４を介して、接地された載置台２５に電気的に接続される。これにより、供給領域Ｒ１に供給された材料２の電荷がゼロになる。

材料供給装置１４が材料２を造形槽１２の供給領域Ｒ１に供給する間、材料槽１３の支持台３１が上方に移動する。これにより、材料２が形成する吸着領域Ｒ２の高さが、材料槽１３の周壁３２の上端３２ａの高さと大よそ等しくなる。スキージング部３４が吸着領域Ｒ２を均すことで、供給領域Ｒ２がより平坦になる。

次に、移動装置１５が、材料供給装置１４を吸着位置Ｐ１に移動させる。言い換えると、移動装置１５は、造形槽１２と光学装置１６との間に位置する材料供給装置１４を、造形槽１２の上から退避させる。

なお、移動装置１５は、材料供給装置１４を退避させる前に、材料供給装置１４を下方に移動させても良い。これにより、材料供給装置１４の絶縁層４２の表面４２ａが、供給領域Ｒ１に供給された材料２を押し、材料２を密にする。

図５は、材料２にレーザ光Ｌが照射される造形槽１２を概略的に示す断面図である。図５に示すように、制御部１７は、光学装置１６を制御することで、光学装置１６のレーザ光Ｌを、層を形成する材料２に照射させる。制御部１７は、生成した断面形状のデータに基づき、レーザ光Ｌの照射位置を定める。

材料２の層の、レーザ光Ｌが照射された部分は、溶融する。光学装置１６は、レーザ光Ｌを照射することにより、材料２を部分的に溶融した後に固める。これにより、材料２の層に、造形物３の一部（一層分）が形成される。図５は、レーザ光Ｌによって形成された造形物３の一部を、二点鎖線で区切って示す。なお、材料２は焼結されても良い。

光学装置１６が材料２にレーザ光Ｌを照射し終えると、載置台２５は、例えば、上記断面形状のデータの厚さと同じ５０μｍだけ下方に移動する。これにより、層を形成する材料２の上面と、周壁２６の上端２６ａと、の間のＺ軸に沿う方向における距離（高さの差）は、５０μｍになる。

層を形成する材料２の上面と、当該層に形成された造形物３の一部の上面とは、次の供給領域Ｒ１を形成する。当該供給領域Ｒ１に、上述の手順で、再度材料供給装置１４が材料２を供給する。

材料供給装置１４は、以上の説明と同様に、材料２を積層させ、材料２の複数の層を順次形成する。光学装置１６は、材料２の層が形成される毎に、当該層を形成する材料２を部分的に溶融させ、造形物３の一部を形成する。三次元プリンタ１は、このような材料供給装置１４による材料２の層の形成と、光学装置１６による材料２の溶融と、を繰り返すことにより、三次元形状の造形物３を造形する。

処理槽１１の内部において造形された造形物３は、例えば、処理槽１１に設けられたカバーを開くことによって、処理室１１ａから取り出される。なお、これに限らず、造形物３は、例えば搬送アーム等を有する搬送装置によって処理室１１ａの外に搬送されても良い。造形物３は、例えば開閉可能な扉によって処理室１１ａと隔離された部屋（副室）に搬送される。

レーザ光Ｌが照射されなかった材料２は、粉末状のまま残る。このため、材料２の中から、造形物３が容易に取り出され得る。残った粉末状の材料２は、回収されて再利用され得る。

第１の実施の形態に係る三次元プリンタ１において、材料供給装置１４の吸着基板４１は、帯電状態を制御することで材料２を絶縁層４２の表面４２ａに吸着し、また絶縁層４２の表面４２ａから材料２を離間することが可能である。材料供給装置１４は、供給位置Ｐ２において供給領域Ｒ１に材料２を供給することで材料２の層を形成する。すなわち、絶縁層４２に付着した材料２の層が、そのまま供給領域Ｒ１に供給される。これにより、材料２の供給時間が短縮される。

さらに、材料供給装置１４の吸着基板４１は、帯電状態を制御することで絶縁層４２の表面４２ａに材料２を吸着する。このため、絶縁層４２の表面４２ａに付着する材料２の層の厚さが、静電反発により略均一になる。粉末状の材料２の大きさが不均一であったとしても、絶縁層４２における材料２の層の厚さは略均一になる。したがって、均すことなしに、供給領域Ｒ１に形成された材料２の層が略平坦になり、材料２の供給時間が短縮される。また、材料２は、絶縁層４２の表面４２ａに吸着されることで向きを揃えられる。このため、絶縁層４２の表面４２ａに形成される材料２の層はより密になる。また、帯電部４４が吸着基板４１に流す電流を調整することで、絶縁層４２に吸着される材料２の層の厚さは調整可能である。

昇温装置４３は、絶縁層４２の表面４２ａを昇温可能である。絶縁層４２の表面４２ａが昇温されることで、絶縁層４２の表面４２ａが乾燥する。このため、絶縁層４２の表面４２ａに例えば水分の粘性により材料２が付着して、当該材料２の供給が妨げられることが抑制される。したがって、材料２の供給時間が短縮されるとともに、材料２の供給不良が抑制される。さらに、絶縁層４２に吸着された材料２が昇温装置４３によって昇温されることで、例えばレーザ光Ｌによる溶融のような加工の効率が良くなる。

帯電部３３は、材料槽１３の材料２に電荷を付与する。これにより、材料供給装置１４は、材料２に付与された電荷と正負が反対の電流を吸着基板４１に流すことで、容易に絶縁層４２の表面４２ａに材料２を吸着できる。これにより、材料供給装置１４がより早く材料２を吸着でき、材料２の供給時間が短縮される。

材料供給装置１４は、材料２に付与された電荷と正負が同じ電流を吸着基板４１に流すことで、絶縁層４２の表面４２ａから材料２を離間する。これにより、材料供給装置１４は、絶縁層４２の表面４２ａに付着した材料２を供給領域Ｒ１に容易に供給できるとともに、材料２が絶縁層４２の表面４２ａに残ることを抑制できる。したがって、材料２の供給時間が短縮されるとともに、材料２の供給不良が抑制される。

スキージング部３４は、材料槽１３の材料２を均す。これにより、絶縁層４２の表面４２ａに付着する材料２の層の厚さがより均一になりやすくなる。したがって、材料２の供給不良が抑制される。さらに、材料供給装置１４が供給領域Ｒ１に材料２を供給する間にスキージング部３４が材料槽１３の材料２を均すことで、材料２の供給時間が増大することが抑制される。

第１の実施形態において、造形槽１２の載置台２５は接地される。しかし、載置台２５は電流を流すことが可能であっても良い。造形槽１２は、載置台２５に電流を流すことによって、材料供給装置１４の絶縁層４２の表面４２ａに付着した材料２を吸着したり、材料２、造形物３、及び造形基板４を固定（静電チャック）したりすることができる。この場合、載置台２５の上面２５ａに、合成樹脂やセラミックのような絶縁体の層が設けられる。

以下に、第２の実施の形態について、図６乃至図９を参照して説明する。なお、以下の複数の実施形態の説明において、既に説明された構成要素と同様の機能を持つ構成要素は、当該既述の構成要素と同じ符号が付され、さらに説明が省略される場合がある。また、同じ符号が付された複数の構成要素は、全ての機能及び性質が共通するとは限らず、各実施形態に応じた異なる機能及び性質を有していても良い。

図６は、第２の実施の形態に係る造形槽１２及び材料供給装置１４の一部を概略的に示す断面図である。第２の実施形態において、造形物３は、二種類の材料２（第１の材料２Ａ及び第２の材料２Ｂ）によって作られる。第１の材料２Ａと第２の材料２Ｂとは、例えば、互いに種類及び大きさが異なる。

第２の実施形態の三次元プリンタ１は、二つの材料槽１３を有する。一方の材料槽１３は、第１の材料２Ａを収容する。他方の材料槽１３は、第２の材料２Ｂを収容する。移動装置１５は、材料供給装置１４を、一方の材料槽１３の上方に位置する一方の吸着位置Ｐ１と、他方の材料槽１３の上方に位置する他方の吸着位置Ｐ１とに移動させることが可能である。

第２の実施形態において、材料供給装置１４は、まず第１の材料２Ａを絶縁層４２の表面４２ａに吸着する。そして、材料供給装置１４は、供給位置Ｐ２において、第１の材料２Ａを供給領域Ｒ１に供給し、第１の材料２Ａの層を形成する。

図７は、供給領域Ｒ１に第２の材料２Ｂを供給する材料供給装置１４を概略的に示す断面図である。次に、材料供給装置１４は、第２の材料２Ｂを絶縁層４２の表面４２ａに吸着する。そして、図７に示すように、材料供給装置１４は、供給位置Ｐ２において、第２の材料２Ｂを第１の材料２Ａの層の上面に供給し、第２の材料２Ｂの層を形成する。

第１の材料２Ａの層の厚さと、第２の材料２Ｂの層の厚さとの合計は、制御部１７が生成する断面形状のデータの厚さと同じ５０μｍである。すなわち、材料供給装置１４が形成する第１の材料２Ａの層の厚さと、第２の材料２Ｂの層の厚さとは、それぞれ、断面形状のデータの厚さより薄い。

図７に示すように、供給領域Ｒ１の上に、第１の材料２Ａの層と、第２の材料２Ｂの層とが形成される。言い換えると、供給領域Ｒ１の上に、第１の材料２Ａと第２の材料２Ｂとの層が形成される。なお、供給領域Ｒ１の少なくとも一部に、第１の材料２Ａのみの層や、第２の材料２Ｂのみの層が形成されても良い。

図８は、第１及び第２の材料２Ａ，２Ｂにレーザ光Ｌが照射される造形槽１２を概略的に示す断面図である。図８に示すように、制御部１７は、光学装置１６を制御することで、光学装置１６のレーザ光Ｌを、層を形成する第１及び第２の材料２Ａ，２Ｂに照射させる。

第１及び第２の材料２Ａ，２Ｂの層の、レーザ光Ｌが照射された部分は、溶融又は焼結する。言い換えると、二種類の材料２（第１の材料２Ａ及び第２の材料２Ｂ）は、レーザ光Ｌが照射されることにより、部分的に溶融された後に固められ、又は焼結させられる。これにより、第１の材料２Ａ及び第２の材料２Ｂによって作られた造形物３の一部（一層分）が形成される。

第２の実施形態の三次元プリンタ１において、材料供給装置１４は、供給領域Ｒ１に、第１の材料２Ａと第２の材料２Ｂとの層を形成する。これにより、三次元プリンタ１は、複数種類の材料によって造形物３を容易に造形することができる。

さらに、帯電部４４が吸着基板４１に流す電流を調整することによって、絶縁層４２の表面４２ａに付着する材料２（第１の材料２Ａ及び第２の材料２Ｂ）の層の厚みが調整される。このため、複数種類の材料２を用いる場合であっても、材料供給装置１４は、所定の厚さの材料２（第１の材料２Ａ及び第２の材料２Ｂ）の層を容易に形成できる。

第２の実施形態において、第１の材料２Ａと第２の材料２Ｂとは、互いに種類及び大きさが異なる。しかし、第１の材料２Ａと第２の材料２Ｂとは、これに限られない。例えば、第１の材料２Ａと第２の材料２Ｂとは、大きさが略同一であり、種類のみが異なっても良い。また、第１の材料２Ａと第２の材料２Ｂとは、種類が同一であり、大きさが異なっても良い。

図９は、第２の実施形態の変形例に係る造形槽１２を概略的に示す断面図である。図９に示すように、制御部１７は、光学装置１６のレーザ光Ｌを、層を形成する第１の材料２Ａと、層を形成する第２の材料２Ｂと、に個別に照射させる。

制御部１７は、第１の材料２Ａの層が形成されると、光学装置１６のレーザ光Ｌを第１の材料２Ａに照射させ、第１の材料２Ａを部分的に溶融させた後に固め、又は焼結させる。これにより、第１の材料２Ａの層に、造形物３の一部３ａが形成される。

部分的に固められた第１の材料２Ａの層の上に第２の材料２Ｂの層が形成されると、制御部１７は、光学装置１６のレーザ光Ｌを第２の材料２Ｂに照射させ、第２の材料２Ｂを部分的に溶融させた後に固め、又は焼結させる。これにより、第２の材料２Ｂの層に、造形物３の一部３ｂが形成される。

上記のように、制御部１７は、光学装置１６のレーザ光Ｌによって、第１の材料２Ａの層の一部と、第２の材料２Ｂの層の一部と、を順次固める。これにより、第１の材料２Ａによって作られた造形物３の一部と、第２の材料２Ｂによって作られた造形物３の一部と、が積層され、造形物３を形成する。

以下に、第３の実施の形態について、図１０を参照して説明する。図１０は、第３の実施の形態に係る材料槽１３及び材料供給装置１４の一部を概略的に示す断面図である。図１０に示すように、第３の実施形態において、材料槽１３における材料２が形成する吸着領域Ｒ２は、材料供給装置１４の絶縁層４２の表面４２ａよりも狭い。さらに、吸着領域Ｒ２は、供給領域Ｒ１よりも狭い。

吸着領域Ｒ２の奥行き（Ｙ軸方向における寸法）は、絶縁層４２の表面４２ａの奥行きと大よそ等しい。一方、吸着領域Ｒ２の幅（Ｘ軸方向における寸法）は、絶縁層４２の表面４２ａの幅よりも狭い。

移動装置１５は、吸着基板４１を正に帯電させた材料供給装置１４を、Ｘ軸に沿う方向に移動させる。移動する材料供給装置１４の絶縁層４２の表面４２ａは、吸着領域Ｒ２を形成する材料２に面する位置を通過する。

材料槽１３の帯電部３３は、材料２を負に帯電させる。このため、吸着領域Ｒ２を形成する材料２は、クーロン力（引力）により、吸着領域Ｒ２に面する位置を通過する絶縁層４２の表面４２ａに吸着される。絶縁層４２の表面４２ａの全域が吸着領域Ｒ２に面する位置を通過すると、絶縁層４２の表面４２ａの全域に材料２が付着する。

第３の実施形態の三次元プリンタ１において、材料供給装置１４は、材料２に面する位置を絶縁層４２の表面４２ａが通過するように移動することで、絶縁層４２の表面４２ａに吸着領域Ｒ２の材料２を吸着させる。これにより、材料槽１３が小さくなり、三次元プリンタ１が小型化され得る。

なお、吸着領域Ｒ２の奥行きは、絶縁層４２の表面４２ａの奥行きより小さくても良い。この場合、移動装置１５が、材料供給装置１４をＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させることにより、絶縁層４２の表面４２ａの全域が、吸着領域Ｒ２に面する位置を通過する。絶縁層４２の表面４２ａの全域が吸着領域Ｒ２に面する位置を通過すると、絶縁層４２の表面４２ａの全域に材料２が付着する。

以下に、第４の実施の形態について、図１１を参照して説明する。図１１は、第４の実施の形態に係る材料槽１３及び材料供給装置１４の一部を概略的に示す断面図である。図１１に示すように、第４の実施形態の吸着基板４１は、複数の電極領域５１を有する。図１１は、それぞれの電極領域５１を二点鎖線で区切って示す。

電極領域５１は、例えば、数十μｍのピッチで設けられる四角形の領域である。第４の実施形態の吸着基板４１は、例えば半導体によって作られ、複数の電極領域５１に個別に電流を流すことが可能である。すなわち、複数の電極領域５１は、それぞれ、正又は負の電流を流すことで帯電し、又は電荷をゼロにされることが可能である。

材料供給装置１４は、吸着位置Ｐ１において、一部の電極領域５１（５１Ａ）に正の電流を流す。これにより、材料槽１３に収容された材料２は、クーロン力（引力）によって、正の電流が流された電極領域５１Ａに対応する位置で、絶縁層４２の表面４２ａに吸着される。一方、材料２は、電流が流されない電極領域５１（５１Ｂ）に対応する位置の絶縁層４２の表面４２ａには吸着されない。すなわち、材料供給装置１４は、材料槽１３の材料２を、絶縁層４２の表面４２ａの一部に吸着する。

材料供給装置１４は、供給位置Ｐ２において、絶縁層４２の表面４２ａに部分的に付着した材料２を、供給領域Ｒ１に供給する。これにより、正の電流が流された吸着基板４１の電極領域５１Ａの形状に応じた材料２の層が、供給領域Ｒ１に形成される。

三次元プリンタ１は、供給領域Ｒ１に部分的に形成された材料２の層を光学装置１６によって溶融しても良いが、供給領域Ｒ１に他の材料をさらに供給しても良い。例えば、材料供給装置１４は、絶縁層４２の表面４２ａが他の材料に面する位置で、電極領域５１Ｂに正の電流を流す。これにより、当該他の材料は、クーロン力（引力）によって、電極領域５１Ｂに対応する位置で、絶縁層４２の表面４２ａに吸着される。絶縁層４２の表面４２ａに、材料２と他の材料との層が形成される。材料供給装置１４は、絶縁層４２の表面４２ａに付着した材料２及び他の材料を供給領域Ｒ１に供給することで、供給領域Ｒ１に材料２及び他の材料の層を形成する。

第４の実施形態の三次元プリンタ１において、材料供給装置１４は、複数の電極領域５１の一部に電流を流すことで、材料２を絶縁層４２の表面４２ａの一部に吸着する。これにより、材料供給装置１４は、供給領域Ｒ１に部分的に材料２を供給したり、供給領域Ｒ１に複数の材料２により材料２の層を形成したりすることができる。

第４の実施形態において、電極領域５１は、数十μｍのピッチで設けられる。しかし、電極領域５１はこれに限らず、例えば吸着基板４１を複数個に分割するような比較的大きな領域であっても良い。

以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、供給部は、電圧が印加されることで帯電可能な電極部と、前記電極部を覆う絶縁部と、を有し、前記電極部は帯電状態を制御することで粉末状の材料を前記絶縁部の表面に吸着し、また前記絶縁部の表面から前記材料を離間することが可能である。これにより、粉末状の材料の供給時間が短縮される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、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、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。

例えば、上記実施形態において、三次元プリンタ１は、レーザ光Ｌによって材料２を溶融させることにより、造形物３を造形する。しかし、これに限らず、三次元プリンタ１は、例えば、材料２にインクジェットなどによって結合剤（バインダー）を供給して材料２を部分的に固めることで、造形物３を造形しても良い。この場合、材料２は金属に限らず、合成樹脂のような他の材料であっても良い。

さらに、上記実施形態において、三次元プリンタ１は、材料２を溶融するためのエネルギー線として、レーザ光Ｌを利用している。しかし、エネルギー線は、レーザ光Ｌのように材料を溶融できるものであれば良く、電子ビームや、マイクロ波から紫外線領域の電磁波などであっても良い。
以下、出願当初の特許請求の範囲の内容について付記する。
［１］電圧が印加されることで帯電可能な電極部と、前記電極部を覆う絶縁部と、を有し、前記電極部は帯電状態を制御することで粉末状の材料を前記絶縁部の表面に吸着し、また前記絶縁部の表面から前記材料を離間することが可能な、供給部、
を具備する積層造形装置の材料供給装置。
［２］前記絶縁部の表面を昇温可能な昇温部をさらに具備する、［１］の積層造形装置の材料供給装置。
［３］前記電極部は、それぞれ電圧が印加されることで帯電可能な複数の電極領域を有し、前記複数の電極領域の一部に電圧を印加することで、前記材料を前記絶縁部の表面の一部に吸着する、
［１］又は［２］の積層造形装置の材料供給装置。
［４］粉末状の材料を収容する収容部と、
電圧が印加されることで帯電可能な電極部と、前記電極部を覆う絶縁部と、を有し、前記電極部は帯電状態を制御することで前記材料を前記絶縁部の表面に吸着し、また前記絶縁部の表面から前記材料を離間することが可能な供給部と、
前記材料が供給される領域と、
前記供給部と前記領域との相対的な位置を変化させる移動部と、
前記材料を部分的に固める造形部と、
を具備する積層造形装置。
［５］前記収容部の前記材料に電荷を付与する帯電部をさらに具備する、［４］の積層造形装置。
［６］前記供給部は、前記材料に付与された電荷と正負が同じ電圧を前記電極部に印加することで、前記絶縁部の表面から前記材料を離間する、［５］の積層造形装置。
［７］前記絶縁部の表面を昇温可能な昇温部をさらに具備する、［４］乃至［６］のいずれか一つの積層造形装置。
［８］前記移動部は、前記収容部の前記材料に面する位置を前記絶縁部の表面が通過するように、前記供給部を移動させることで、前記絶縁部の表面に前記材料を吸着させる、
［４］乃至［７］のいずれか一つの積層造形装置。
［９］前記収容部の前記材料を均すスキージング部をさらに具備する［４］乃至［８］のいずれか一つの積層造形装置。
［１０］前記電極部は、それぞれ電圧が印加されることで帯電可能な複数の電極領域を有し、前記複数の電極領域の一部に電圧を印加することで、前記材料を前記絶縁部の表面の一部に吸着する、
［４］乃至［９］のいずれか一つの積層造形装置。
［１１］絶縁部に覆われた電極部に電圧を印加することで当該電極部を帯電させ、前記絶縁部の表面に粉末状の材料を吸着する工程と、
前記電極部の帯電状態を制御することで前記絶縁部の表面から前記材料を離間する工程と、
を備える材料供給方法。

１…三次元プリンタ、２…材料、２Ａ…第１の材料、２Ｂ…第２の材料、３…造形物、１２…造形槽、材料槽、１４…材料供給装置、１５…移動装置、１６…光学装置、３３，４４…帯電部、３４…スキージング部、４１…吸着基板、４２…絶縁層、４２ａ…表面、４３…昇温装置、５１，５１Ａ，５１Ｂ…電極領域、Ｐ１…吸着位置、Ｐ２…供給位置、Ｒ１…供給領域、Ｒ２…吸着領域。

Claims (10)

1. 電圧が印加されることで帯電可能な電極部と、前記電極部を覆う絶縁部と、を有し、前記電極部は帯電状態を制御されることで正あるいは負の電荷が付与された粉末状の材料を前記絶縁部の表面で吸着及び離間するよう構成された、供給部と、
   前記絶縁部の表面側を昇温可能な昇温部と、
   を具備する材料供給装置。
2. 前記電極部は、それぞれ電圧が印加されることで帯電可能な複数の電極領域を有し、前記複数の電極領域の一部に電圧を印加することで、前記材料を前記絶縁部の表面の一部に吸着するよう構成された、
   請求項１の材料供給装置。
3. 粉末状の材料を収容するよう構成された収容部と、
   電圧が印加されることで帯電可能な電極部と、前記電極部を覆う絶縁部と、を有し、前記電極部は帯電状態を制御されることで正あるいは負の電荷が付与された前記材料を前記絶縁部の表面で吸着及び離間するよう構成された、供給部と、
   前記材料が供給されるよう構成された領域と、
   前記供給部と前記領域との相対的な位置を変化させるよう構成された移動部と、
   前記材料を部分的に固めるよう構成された造形部と、
   前記収容部の前記材料に電荷を付与するよう構成された帯電部と、
   を具備する積層造形装置。
4. 前記供給部は、前記材料に付与された電荷と正負が同じ電圧を前記電極部に印加することで、前記絶縁部の表面から前記材料を離間するよう構成された、請求項３の積層造形装置。
5. 前記絶縁部の表面側を昇温可能な昇温部をさらに具備する、請求項３又は請求項４の積層造形装置。
6. 前記移動部は、前記収容部において露出した前記材料に面する位置を前記供給部に通過させることで、前記絶縁部の表面に前記材料を吸着させるよう構成された、
   請求項３乃至請求項５のいずれか一つの積層造形装置。
7. 前記材料を均すよう構成されたスキージング部をさらに具備する請求項３乃至請求項６のいずれか一つの積層造形装置。
8. 前記電極部は、それぞれ電圧が印加されることで帯電可能な複数の電極領域を有し、前記複数の電極領域の一部に電圧を印加することで、前記材料を前記絶縁部の表面の一部に吸着するよう構成された、
   請求項３乃至請求項７のいずれか一つの積層造形装置。
9. 帯電部で粉末状の材料に正あるいは負の電荷を付与することと、
   絶縁部に覆われた電極部に電圧を印加することで当該電極部を帯電させ、前記絶縁部の表面に前記材料を吸着することと、
   前記電極部の帯電状態を制御することで前記絶縁部の表面から前記材料を離間することと、
   を備える材料供給方法。
10. 前記絶縁部の表面に吸着された前記材料を昇温させること、をさらに備える請求項９の材料供給方法。

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