JP6266676B2 - ３次元造形装置 - Google Patents

Description

本発明は、造形台に供給した造形材料にバインダを塗布して造形物を造形する３次元造形装置に関する。

３次元造形物の造形では、適用する造形材料に応じて種々の造形方法が採られており、例えば、造形材料を供給する供給部と、バインダを塗布する塗布部とを有する３次元造形装置が用いられる。この種の３次元造形装置は、通常、供給部及び塗布部を水平方向に並進運動させて造形層を一層形成した後、供給部及び塗布部の動作を停止し（又は元の位置に復帰させて）、次の並進運動により次の造形層を形成する動作を繰り返す。このように並進運動と動作停止を繰り返すので、３次元造形装置は、造形物の造形に時間がかかるという問題があった。

上記の問題に対し、特許文献１に開示の３次元造形装置は、バインダを塗布するタイプの装置ではないものの、中空部材の壁（造形台）を印字ヘッドの周りで回転させて、印字ヘッドから造形台に造形材料を出射する構成となっている。すなわち、造形台を回転することで、並進運動と動作停止による時間的損失が低減されるため、造形作業の効率化が図られる。

特開２０１５−１６６８９号公報

しかしながら、特許文献１に開示の３次元造形装置は、造形台を回転させるため、射出した造形材料が造形台の回転力を受けて流動し、造形物の造形精度が低下するおそれがある。特に、供給部及び塗布部を有する３次元造形装置は、作業効率の観点により造形材料及びバインダの供給速度や造形台の移動速度等を速くすると、回転力が上がってしまうため造形精度の低下が一層顕著になる。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、簡単な構成によって、造形台に対する造形材料の供給及びバインダの塗布を効率的に行うことができ、しかも造形物を精度よく造形することが可能な３次元造形装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明に係る３次元造形装置は、造形台と、前記造形台に造形材料を供給する供給部と、前記造形台に供給された前記造形材料にバインダを塗布する塗布部と、前記供給部及び前記塗布部を保持する保持体を有し、前記造形台に対して前記保持体を相対回転させる回転部と、を備え、前記回転部は、前記保持体の回転方向の異なる位置に前記供給部と前記塗布部を配置し、前記保持体の回転時に、前記供給部と前記塗布部を前記造形台に時間差をもって交互に対向させ、前記塗布部は、前記回転方向よりも前記回転部の回転軸側に傾斜させて前記バインダを塗布することを特徴とする。

上記によれば、３次元造形装置は、保持体の回転により供給部と塗布部を造形台に時間差をもって対向させることで、供給部と塗布部の移動を止めることなく、造形材料の供給及びバインダの塗布を繰り返して造形物を層状に造形していくことができる。すなわち、３次元造形装置は、保持体を回転可能とし、供給部と塗布部を保持体の回転方向の異なる位置に配置するという簡単な構成によって、造形台に対する造形材料の供給及びバインダの塗布を効率的に行うことができる。また、造形台の造形層の積層方向と直交する面方向に、造形台を移動させないようにすることが可能となり、造形台に対しバインダを良好に塗布して、造形物を精度よく造形することができる。また、塗布部は、回転方向よりも回転部の回転軸側に傾斜させてバインダを塗布することで、保持体の回転時に塗布部にかかる遠心力の影響を抑えることができる。そのため、３次元造形装置は、造形物の造形精度を一層向上させることが可能となる。

この場合、前記塗布部は、前記回転方向の反対側に向けて前記バインダを塗布することが好ましい。

このように、塗布部が回転方向の反対側に向けてバインダを塗布することで、保持体の回転時に塗布部にかかる回転速度（周速度）の影響を抑えることもできる。よって、３次元造形装置は、造形物の造形精度を一層向上させることが可能となる。

上記構成に加えて、前記塗布部は、前記バインダを噴射する噴射部を前記保持体の径方向に複数備え、前記複数の噴射部は、前記回転軸から径方向外側に向かうにつれて前記回転軸側への傾斜を大きくして前記バインダを噴射するとよい。

このように、塗布部は、複数の噴射部が回転軸から径方向外側に向かうにつれて回転軸側への傾斜を大きくしてバインダを噴射することで、径方向に異なる遠心力に対応することができる。従って、造形材料に対し、複数の噴射部の離間幅に応じてバインダを正確に塗布することができる。

さらに、前記噴射部は、前記回転方向に対する前記バインダの噴射方向の傾斜角を、前記保持体の回転時の遠心力を相殺する角度に設定しており、前記噴射部の噴射口の同位置に前記バインダを落下させることが好ましい。

このように、バインダの噴射方向の傾斜角を、遠心力を相殺する角度に設定することで、遠心力の影響を殆どなくすことが可能となる。そのため、噴射口の同位置にバインダを落下させることになり、設定した目標の塗布座標上にバインダをより正確に塗布することができる。

また、前記の目的を達成するために、本発明に係る３次元造形装置は、造形台と、前記造形台に造形材料を供給する供給部と、前記造形台に供給された前記造形材料にバインダを塗布する塗布部と、前記供給部及び前記塗布部を保持する保持体を有し、前記造形台に対して前記保持体を相対回転させる回転部と、を備え、前記回転部は、前記保持体の回転方向の異なる位置に前記供給部と前記塗布部を配置し、前記保持体の回転時に、前記供給部と前記塗布部を前記造形台に時間差をもって交互に対向させ、前記塗布部は、前記回転方向の反対側に向けて前記バインダを塗布することを特徴とする。

上記によれば、３次元造形装置は、保持体の回転により供給部と塗布部を造形台に時間差をもって対向させることで、供給部と塗布部の移動を止めることなく、造形材料の供給及びバインダの塗布を繰り返して造形物を層状に造形していくことができる。また、造形台の造形層の積層方向と直交する面方向に、造形台を移動させないようにすることが可能となり、造形台に対しバインダを良好に塗布して、造形物を精度よく造形することができる。さらに、塗布部が回転方向の反対側に向けてバインダを塗布することで、保持体の回転時に塗布部にかかる回転速度（周速度）の影響を抑えることができる。よって、３次元造形装置は、造形物の造形精度を一層向上させることが可能となる。

上記構成に加えて、前記塗布部は、前記バインダを噴射する噴射部を前記保持体の径方向に複数備え、前記複数の噴射部は、前記回転部の回転軸から径方向外側に向かうにつれて噴射速度を速めて前記バインダを噴射するとよい。

このように、塗布部は、複数の噴射部が回転軸から径方向外側に向かうにつれて噴射速度を速めてバインダを噴射することで、径方向に異なる回転速度の影響に対応することができる。従って、造形材料に対してバインダの塗布面積の広がりを抑えて、バインダを正確に塗布することができる。

さらに、前記噴射部は、前記バインダの噴射速度を、前記保持体の回転時の回転速度を相殺する速度に設定しており、前記噴射部の噴射口の同位置に前記バインダを落下させることが好ましい。

このように、噴射部は、バインダの噴射速度を、回転速度を相殺する速度に設定することで、回転速度の影響を殆どなくすことが可能となる。よって、目標の塗布座標上にバインダをより一層正確に塗布することができる。

また、前記供給部、前記塗布部及び前記回転部の動作を制御する制御部を有し、前記制御部は、前記回転部により前記保持体が等速円運動となった状態で、前記供給部からの前記造形材料の供給と、前記塗布部からの前記バインダの塗布とを行うことが好ましい。

このように、保持体が等速円運動となった状態で造形材料の供給とバインダの塗布とを行うことで、塗布部にかかる遠心力や回転速度が安定化するので、さらに精度よく造形作業を行うことが可能となる。

さらにまた、前記制御部は、前記等速円運動時に、前記供給部と前記塗布部が１回対向する毎に、前記造形材料の供給厚み分ずつ前記造形台を移動させるとよい。

これにより、造形層を形成する毎に造形台が移動することで、保持体側を回転と共に回転軸方向に移動させることがなくなり、３次元造形装置の構成を簡素化することができる。

またさらに、前記保持体は、前記供給部と前記塗布部の間に前記造形台に供給された前記造形材料を均す均し部を有していてもよい。

このように、供給部と塗布部の間に造形台に供給された造形材料を均す均し部を有することで、保持体の回転時に、塗布部は、均された造形材料に対してバインダを塗布することができる。よって、造形物の造形精度をさらに高めることができる。

本発明によれば、３次元造形装置は、簡単な構成によって、造形台に対する造形材料の供給及びバインダの塗布を効率的に行うことができ、しかも造形物を精度よく造形することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る３次元造形装置の全体構成を示す部分側面断面図である。 図１の３次元造形装置の造形状態を示す部分側面断面図である。 図１の回転装置の回転盤を示す平面図である。 図４Ａは、図１の回転装置の回転盤を上側から示す斜視図であり、図４Ｂは、図１の回転装置の回転盤を下側から示す斜視図である。 図１の塗装装置によるバインダの噴射状態を説明するための部分断面図である。 図１の塗装装置によるバインダの噴射状態を説明するための部分平面図である。 図７Ａは、従来の３次元造形装置の供給装置及び塗装装置の動作を示す説明図であり、図７Ｂは、本実施形態に係る３次元造形装置の供給装置及び塗装装置の動作を示す説明図であり、図７Ｃは、図７Ａの供給装置及び塗布装置の造形層形成時の時間と速度の関係を示すグラフであり、図７Ｄは、図７Ｂの供給装置及び塗布装置の造形層形成時の時間と速度の関係を示すグラフである。 変形例に係る塗布装置を説明する断面図である。 図８に示す塗布装置の本体部が回転した状態を示す断面図である。

以下、本発明に係る３次元造形装置について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

本発明の一実施形態に係る３次元造形装置１０は、図１及び図２に示すように、造形材料を造形台３０に供給し、次に造形材料を結合するバインダを塗布することで、所望の３次元形状の造形物を製造するシステムである。具体的に、３次元造形装置１０は、粉体（粉状や粒状を含む）である造形材料の供給により所定の厚みの粉体層１００（略２次元層）を作り、この粉体層１００にバインダを塗布して粉体を結合することで、一層の造形層１０２を形成する（図５も参照）。これにより造形層１０２には、造形物を構成する結合部１０４が形成される。そして、３次元造形装置１０は、同様の造形層形成動作（粉体の供給及びバインダの塗布）を繰り返して造形層１０２を積層していくことで、結合部１０４がまとまって１つの造形物を構築する。

以下では、３次元造形装置１０が製造する造形物として中子を製造する場合について説明する。なお、３次元造形装置１０は、中子を製造する装置に限定されないことは勿論であり、種々の造形物を製造する装置に適用してよい。

中子を製造する場合の造形材料は、特に限定されるものではないが、例えば、珪砂、アルミナ砂、ジルコン砂、クロマイト砂、オリビン砂及びムライト砂等があげられ、またこの他にもフェロクロム系スラグ、フェロニッケル系スラグ、転炉スラグ等のスラグ系粒子、アルミナ系粒子、ムライト系粒子等の多孔質粒子及びこれらの再生粒子等を適用することができる。或いは、他の造形物を造形する場合の造形材料としては、例えば、石膏（α石膏等）、デンプン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン等の樹脂があげられる。造形材料は、粉体以外にも、液体やゲルの状態で供給されてもよい。

一方、造形材料に塗布されるバインダも、造形材料に応じて適切なものが採用されればよく、例えば、フェノール系樹脂、フラン樹脂等の有機材料、水溶性無機化合物（クレー類、セメント、水ガラス等）の無機材料等を主成分に含むもの等があげられる。また、バインダには、造形材料自体が硬化反応するための触媒が含まれていてもよい。換言すれば、本明細書におけるバインダによる「結合」とは、化学的な結合、或いは物理的な接着の概念を含む表現である。

３次元造形装置１０は、設置基部１６と、この設置基部１６に連結され上方に延びる複数のフレーム１８と、複数のフレーム１８の間を囲う図示しない周壁とで構成されたハウジング２０を有し、ハウジング２０内の閉じた造形室で造形物を製造する。このハウジング２０内の設置基部１６上には、図１及び図３に示すように供給装置（供給部）１２と、塗布装置（塗布部）１４と、上記の造形台３０を有する台座装置２２と、供給装置１２及び塗布装置１４を回転する回転装置（回転部）２４とが設けられている。一方、ハウジング２０の外部には、各装置の動作を制御する制御装置（制御部）２６が設けられている。

設置基部１６は、作業場所等の設置面に対し水平に固定される。この設置基部１６から上方向に延びる幾つかのフレーム１８又は周壁には、回転装置２４の外フレーム８６の回転を支持及びガイドするガイドレール２８が設けられている。なお図示は省略するが、３次元造形装置１０は、造形時に、ハウジング２０の上方で動作する供給装置１２や回転装置２４に対するユーザの接触を防止するため、これらの装置１２、１４又はハウジング２０を全体的に覆う筐体を備えていてもよい。

３次元造形装置１０の台座装置２２は、粉体の供給及びバインダの塗布がなされる造形台３０を有している。造形台３０の上面には、造形物が造形される（すなわち、造形層１０２が積層される）平坦状の造形領域３０ａが形成されている。造形台３０は、所定の厚みを有する板体に形成され、３次元造形装置１０の設置面に対して水平に設置される。

また、台座装置２２は、回転装置２４の回転軸Ｏを間に挟んで一対配置され、ハウジング２０内の異なる位置で造形物を製造可能としている。一対の造形台３０上に形成される造形物は、互いに同形状に造形されてもよく、異なる形状に造形されてもよい。一対の造形台３０は、平面視（図３参照）で、略半月形状に形成され互いに対称に配置されている。また、造形台３０は、平面視で、回転装置２４の回転盤３２の外壁３２ｂよりも内側に配置されることで、造形領域３０ａを定常的に回転盤３２に対向させている。

そして、台座装置２２は、造形物の造形において、造形層１０２を一層形成していく毎に造形台３０が一層分下降する構成となっている。このため、台座装置２２は、造形台３０の下側に昇降駆動部３４を備える。昇降駆動部３４は、制御装置２６の制御下に、造形台３０の水平の姿勢を維持しつつ昇降動作を行う。

具体的には、昇降駆動部３４は、造形台３０に駆動力を付与するシリンダ機構３６と、シリンダ機構３６の周囲で造形台３０の昇降をガイドするガイド機構３８とを有する。シリンダ機構３６は、例えば、空気圧シリンダや油圧シリンダ等を適用することができ、制御装置２６の制御下に、造形台３０を固定支持する可動棒３６ａを上下動させる。可動棒３６ａは、造形台３０の重心位置付近の下面に連結されている。なお、造形台３０を昇降させる昇降駆動部３４の構成は、上記に限定されるものではく、例えば、モータとギア機構等により構成されてもよい。

ガイド機構３８は、例えば、造形台３０に連結され下方に延出する中空状の筒部３８ａと、設置基部１６に固定支持され筒部３８ａ内に挿入される柱部３８ｂとを含む。そして、シリンダ機構３６の駆動時に筒部３８ａが柱部３８ｂに沿って上下動することで造形台３０を昇降させる。

３次元造形装置１０の供給装置１２は、粉体を貯留する粉体貯留槽４０と、回転装置２４の回転盤（保持体）３２に設けられる供給構造部４２とを含んで構成される。粉体貯留槽４０は、供給構造部４２（回転盤３２）の上方に設けられ、その下部には、粉体流出口、及び粉体流出口を開閉する開閉駆動部が設けられている（共に図示せず）。開閉駆動部は、制御装置２６の制御下に適宜のタイミングで粉体流出口を開閉し、開放状態で粉体を供給構造部４２に流出（落下）させる。

一方、供給構造部４２は、回転盤３２の上面に形成されて粉体貯留槽４０から流出した粉体を一時的に受ける受面４４と、受面４４の所定位置で回転盤３２の下面に貫通形成された供給口４６と、供給口４６を開閉する開閉蓋４８とを有する。

受面４４は、一対の造形台３０に対応するように、回転装置２４の回転軸Ｏを挟んで一対形成されている。各受面４４は、図３に示す平面視で、回転盤３２の周方向に沿って概ね半円弧状を描き、回転盤３２の径方向に幅広な扇状を呈している。また、受面４４は、回転盤３２の周方向に沿った側面断面視で、周方向の両端部４４ａ、４４ｂ側が高い一方で、周方向（円弧方向）中央部に向かって下方向に傾斜したすり鉢状に構成されている。そして、受面４４の周方向中央部に供給口４６が設けられている。

図３及び図４Ａに示すように、供給装置１２の受面４４、回転盤３２の内壁３２ａ及び外壁３２ｂで形成される受容空間５０は、１個分の造形物が造形可能な量の粉体を受け入れる容積に設定されるとよい。これにより、造形物の造形時に粉体貯留槽４０からの粉体の供給動作がなくなるので、回転盤３２をより一層高速に回転させることが可能となる。なお、受容空間５０には、回転盤３２の回転中に適宜のタイミングで、粉体貯留槽４０から粉体が供給されてもよい。

供給口４６は、受容空間５０に流入し、受面４４の傾斜に沿って流動してきた粉体を回転盤３２の下側に流出させる。供給口４６は、平面視で、幅方向（周方向）に短く回転盤３２の径方向に沿って長い方形状に形成されている。この供給口４６は、造形台３０の幅方向の長さよりも短く設定され、ちょうど造形領域３０ａに重なる（対向可能な）位置に設けられる。なお、供給口４６の形成位置は、受面４４の周方向中央部に限定されず、例えば、受面４４の回転方向基端側に設置されてもよい。これにより、回転盤３２の回転による作用力を受けて回転方向基端側に流動する粉体を、供給口４６から良好に排出させることができる。

開閉蓋４８は、回転盤３２の周方向中央部の受面４４側で、図示しない駆動機構により供給口４６に対しスライド自在に設けられる。この開閉蓋４８は、制御装置２６の制御指示（電気的信号）により供給口４６を開閉し、開放状態で造形台３０上に粉体を供給し、閉塞状態で粉体の供給を停止する。

一方、３次元造形装置１０の塗布装置１４は、制御装置２６によりバインダの塗布タイミングや塗布量、噴射速度が制御されることで、造形台３０上で２次元に展開している粉体層１００の所定位置にバインダを落とすように構成される。この塗布装置１４は、図３及び図４Ｂに示すように、直方形状に形成された本体部５２を有し、この本体部５２は、回転装置２４の回転盤３２の下面（造形台３０の対向面）に連結固定される。本体部５２は、受面４４が形成されていない一対の境界部分（すなわち、回転盤３２の上面が最も高い部分の下面）にそれぞれ設けられている。なお、本体部５２は回転盤３２に一体成形されてもよい。

より具体的には、一対の本体部５２は、回転盤３２の回転方向（周方向）に１８０°ずれる、つまり回転軸Ｏを挟んで互いに対称となる位置で、その長手方向が回転盤３２の径方向に沿うように設置される。これにより一対の本体部５２は、供給装置１２の一対の供給口４６に対して周方向に９０°ずれている。

一対の本体部５２は、図３、図５及び図６に示すように、回転盤３２の径方向内側から外側に向かって、貯留部５４及び塗布ヘッド部５６をそれぞれ有する。貯留部５４は、回転盤３２の径方向に延在する本体部５２において回転軸Ｏ寄りに設けられ、その内部にバインダを貯留する貯留空間５４ａを有する。なお、貯留部５４は、例えば、後述する回転装置２４の回転シャフト７６の内部に設けられる、又は支持フレーム８４に取り付ける等、本体部５２の外部に設けられてもよい。

塗布ヘッド部５６は、貯留空間５４ａに貯留されているバインダを流動させて、本体部５２外にバインダを塗布する。この塗布ヘッド部５６は、貯留空間５４ａと連通して本体部５２の長手方向に直線状に延びる連通路５８と、連通路５８から分岐する複数の分岐路５９と、各分岐路５９に連通してバインダを実際に噴射する複数の噴射部６０とを有する。

連通路５８は、図示しないポンプ（或いは、回転盤３２の回転時の遠心力）によって、貯留空間５４ａに貯留されている液体状のバインダを流動させる。また、複数の分岐路５９は、各分岐路５９に連なる噴射部６０の駆動下に、連通路５８を流動するバインダを該噴射部６０に引き込む。

複数の噴射部６０は、本体部５２の長手方向、つまり回転盤３２の径方向に沿って相互に等間隔に並設され、制御装置２６により個別に駆動が制御される。そのため、塗布装置１４は、本体部５２の径方向の異なる位置から異なるタイミングでバインダを塗布し、造形領域３０ａの径方向（幅方向）上にバインダをドット状に滴下する。

噴射部６０の構成は、特に限定されるものではないが、図５に示すように、ピエゾ方式によってバインダを噴射する構造を採るとよい。この場合、噴射部６０は、分岐路５９に連通する圧力室６２と、制御装置２６に駆動制御される圧電素子６４と、圧電素子６４に連結されると共に圧力室６２の一部の内壁を構成する振動板６６と、圧力室６２に供給されたバインダを噴射する噴射口７０を有するノズル６８とを備える。

この場合、噴射部６０は、制御装置２６が制御する電力（電気的信号）に応じて圧電素子６４が変形することで、振動板６６を適宜振動させて圧力室６２の圧力を変化させる。そして例えば、圧力室６２を負圧にすることで分岐路５９からバインダを吸引し、圧力室６２を正圧にすることで圧力室６２から噴射路７２を介してバインダを押し出し、噴射路７２に連通する噴射口７０からバインダを噴射する。この場合、各噴射部６０は、圧電素子６４及び振動板６６の変形量を予め設定しておくことで、噴射するバインダの噴射速度を個々に設定することができる。

また、本実施形態に係る塗布装置１４は、回転盤３２の回転時に、本体部５２の下方に供給されている粉体層１００の塗布座標上にバインダを精度よく塗布するため、噴射部６０によるバインダの噴射速度及び噴射方向を適切に規定している。この塗布装置１４の構成については後に詳述する。

図１に戻り、３次元造形装置１０の回転装置２４は、供給装置１２の供給構造部４２及び塗布装置１４を造形台３０に対して相対回転させる機能を有している。回転装置２４は、上述した供給構造部４２及び本体部５２を保持する回転盤３２と、回転盤３２の中心位置に設けられる非回転の固定シャフト７４と、回転盤３２に連結され固定シャフト７４の周りを回転する回転シャフト７６と、回転シャフト７６に回転駆動力を付与する駆動機構７８とを備える。

回転盤３２は、平面視（図３参照）で、上下に所定の厚みを有する円環状を呈し、その中心部分には空洞部８０が貫通形成されている。回転盤３２は、その径方向内側を周回して空洞部８０を構成する内壁３２ａと、径方向外側を周回する外壁３２ｂとを有し、この内壁３２ａ及び外壁３２ｂの間と上面（受面４４）とにより、粉体を受容する供給構造部４２の受容空間５０を形成している。

回転盤３２の下面には、上記のとおり塗布装置１４の本体部５２が一対取り付けられている（図４Ｂ参照）。また、回転盤３２の上面及び下面を貫通する供給口４６の近傍には、供給口４６から造形台３０に供給された粉体を均すヘラ（均し部）８２が設けられている。

ヘラ８２は、長方形の平板に形成されており、回転盤３２の下面に固定されて、回転盤３２の下方に向かって所定長さ突出している。このヘラ８２は、その長手方向の長さが供給口４６の長手方向の長さと同程度に（又は供給口４６よりも多少長く）設定されており、回転盤３２の径方向に沿って延設される。ヘラ８２の下端部は、造形台３０の上面に対して平行（つまり水平）となっている。

またヘラ８２は、回転盤３２の回転方向において供給口４６よりも基端側（後側）に配置されている。換言すれば、３次元造形装置１０は、回転盤３２の回転方向の異なる位置に、供給装置１２の供給口４６、ヘラ８２、塗布装置１４の本体部５２を順に配置している。これにより、回転盤３２の回転時に、供給口４６から造形台３０に粉体を供給して粉体層１００を概ね形成した後に、ヘラ８２により粉体層１００を平坦状に均すことができる。そして、塗布装置１４は、均した後の粉体層１００にバインダを塗布する。

図１に戻り、回転盤３２は、回転シャフト７６の外周面から径方向外側に突出する支持フレーム８４に固定支持され、回転シャフト７６と一体的に回転するように構成されている。回転盤３２の外周面には、支持フレーム８４に連結された外フレーム８６が設けられており、この外フレーム８６は、支持フレーム８４の回転に伴い、ハウジング２０のガイドレール２８に案内されつつ回転する。これにより回転盤３２の回転が安定化する。

また、回転盤３２の空洞部８０には、固定シャフト７４の上部と、固定シャフト７４の上部に設けられ径方向外側に突出するフランジ部８８が配置される。固定シャフト７４は、回転盤３２の軸心に配置され、回転盤３２からハウジング２０の設置基部１６まで上下方向に延在し、回転盤３２及び回転シャフト７６の回転をぶれずに回転させる支柱として機能する。また、固定シャフト７４の内部には、回転盤３２内の電気駆動部（供給装置１２の開閉蓋４８や噴射部６０、ポンプ等）と、制御装置２６との間を電気的に接続する図示しない導線が設けられている。

フランジ部８８は、固定シャフト７４から回転盤３２に電気的信号（電力）を供給するために設けられ、その内部に固定シャフト７４の導線が配線されている。そして、フランジ部８８の外周面と、回転盤３２の内壁３２ａの内周面との間には、電気的信号を伝達するスリップリング機構９０が設けられている。

図１及び図３に示すように、スリップリング機構９０は、例えば、フランジ部８８の外周面に設けられる複数の接触端子９２と、回転盤３２の内周面に設けられる複数の回転端子９４とを有する。各接触端子９２は、径方向外側で対向する回転端子９４に対して、弾力的に接触することが可能な板バネ等に構成されている。一方、各回転端子９４は、回転盤３２の上下方向に並び、且つ回転盤３２の内周面の周方向全周にわたって設けられて、回転盤３２と共に回転する。そのため、接触端子９２は、回転端子９４が回転した状態でも常に接触することができる。

なお、回転盤３２に電力（電気的信号）を伝達する構成は、スリップリング機構９０に限定されるものではなく、種々の手段を採用し得る。例えば、回転装置２４は、固定シャフト７４を備えずに、中空筒状の回転シャフト７６の内部に周知のロータリコネクタ（回転接続用コネクタ）を収容して、回転シャフト７６と一体的に回転する配線に電力を伝える構成でもよい。

一方、回転装置２４の回転シャフト７６は、固定シャフト７４を内部に収容する空間を有する円筒状に形成され、その軸心（回転軸Ｏ）に固定シャフト７４を配置している。固定シャフト７４と回転シャフト７６の間には、ベアリング７５が設けられ、このベアリング７５により回転シャフト７６の回転が軸支される。回転シャフト７６の上端には、上述した支持フレーム８４が固定されている。

回転装置２４の駆動機構７８は、回転シャフト７６を挟んだ対称位置に一対設けられている。駆動機構７８は、例えば、モータ７８ａと、モータ７８ａの駆動シャフトに連結されるモータギア７８ｂと、回転シャフト７６の外周面に連結されモータギア７８ｂと噛み合う回転シャフトギア７８ｃとを有する。モータ７８ａは、制御装置２６により回転駆動が制御され、モータギア７８ｂを介して回転シャフトギア７８ｃに駆動力を伝達する。これにより、回転シャフト７６は、固定シャフト７４と相対的に回転し、回転盤３２を回転軸Ｏ（固定シャフト７４）周りに一体的に回転させる。

また、３次元造形装置１０の制御装置２６は、図示しない入出力インターフェース、プロセッサ及びメモリを有する周知のコンピュータを適用することができる。この制御装置２６は、図示しない制御プログラムを実行処理することで、ユーザが提供する３次元モデルデータに応じて各装置の動作を制御する。特に、制御装置２６は、３次元モデルデータに応じて、複数の噴射部６０から噴射するバインダの噴射タイミングや噴射量等を制御することで、粉体層１００上の適宜の位置にバインダを塗布する。

ここで、回転盤３２を回転させながら造形物を造形する場合には、回転盤３２の回転時に、回転軸Ｏから径方向外側に距離（回転半径）が遠くなるにつれて、回転速度（周速度）や遠心力が増加する。従って、３次元造形装置１０は、回転速度及び遠心力に基づき、バインダを塗布することが望ましい。

そのため、塗布装置１４は、図４Ｂに示すように、各噴射部６０のノズル６８を回転盤３２の回転方向に対向する向きに配置し、回転方向の反対側に向けてバインダを塗布する構成となっている。具体的に、本体部５２は、断面視（図５参照）で、回転盤３２の下面で回転盤３２と連結している連結面５２ａと、連結面５２ａと反対面で造形台３０に対向する下面５２ｂと、回転方向を臨む回転先端面５２ｃと、回転先端面５２ｃの反対側の回転基端面５２ｄとを有する。そして、塗布装置１４は、ノズル６８を回転基端面５２ｄに設けている。

従って、噴射部６０は、回転盤３２の回転方向とは逆方向に、圧電素子６４及び振動板６６の変形量に応じた噴射速度でバインダを噴射する。このように噴射されたバインダは、回転時の回転速度に応じたトルクを受けることで、結局、噴射口７０から噴射された時点の粉体層１００上に落下することになる。

また図６に示すように、回転盤３２の径方向に並ぶ複数の噴射部６０にかかる回転速度は、回転軸Ｏ側（径方向内側）が最も遅く、径方向外側に向かうにつれて速くなる。回転速度（周速度）は、回転軸Ｏからの回転半径に比例するからである。従って、図６中において径方向に並ぶ４つの噴射部６０を、径方向外側から径方向内側に向かって順に第１噴射部６０Ａ、第２噴射部６０Ｂ、第３噴射部６０Ｃ、第４噴射部６０Ｄとした場合は、白抜きの矢印で示すように、第４噴射部６０Ｄ、第３噴射部６０Ｃ、第２噴射部６０Ｂ、第１噴射部６０Ａの順に回転速度が速くなる。

そのため、塗布装置１４は、各噴射部６０によるバインダの噴射速度（噴射力）を、回転半径に応じた回転速度とそれぞれ釣り合うように設定している。つまり、径方向外側の第１噴射部６０Ａの噴射速度が最も速く、第２噴射部６０Ｂ、第３噴射部６０Ｃ、第４噴射部６０Ｄの順に噴射速度が段階的に遅くなっている。これにより、各噴射部６０から噴射されたバインダは、回転方向にかかるトルクが相殺されることになり、噴射口７０からの噴射直後に、真下に落下する。

また、噴射口７０から噴射されたバインダには、回転盤３２の回転時に遠心力がかかる。このため、塗布装置１４の噴射部６０は、平面視で、回転盤３２の径方向に対しバインダを直交する方向（回転時の各噴射口７０の接線方向）に噴射させずに、接線方向よりも内側に傾いた方向にバインダを噴射する構成となっている。

そして、この遠心力も、図６中のハッチで示す矢印のように、径方向内側の噴射部６０が弱く、径方向外側に向かうにつれて強くなる。そのため、塗布装置１４は、各噴射部６０によるバインダの噴射方向を、噴射口７０にかかる遠心力と釣り合うように設定している。例えば、各噴射部６０は、平面視で各ノズル６８を内側に傾けると共に、各噴射路７２の角度が斜めに設定されることで、バインダの噴射方向を規定する。

つまり、第１噴射部６０Ａは、接線方向（回転方向）に対する噴射角度θ１が最も大きく設定され、最も回転軸Ｏ側にバインダを噴射する構成となっている。そして、第１噴射部６０Ａの噴射角度θ１、第２噴射部６０Ｂの噴射角度θ２、第３噴射部６０Ｃの噴射角度θ３、第４噴射部６０Ｄの噴射角度θ４の順に、段階的に角度が小さくなるように設定されている。これにより、各噴射部６０の噴射口７０から吐出したバインダにかかる遠心力を相殺することができ、各噴射部６０の噴射口７０と同位置（同じ径方向位置）の粉体層１００上に、バインダを落下させることが可能となる。

なお、塗布装置１４は、噴射部６０の傾斜角度θを調整可能な調整機構（図示せず）を備えていてもよい。調整機構は、個々の噴射部６０の姿勢を変動させる、本体部５２の姿勢を変動させる等、種々の手段を採用し得る。また、回転盤３２の回転速度に基づき、制御装置２６が自動的に調整機構を駆動して傾斜角度θを調整するとより好ましい。

上記の各噴射部６０によるバインダの噴射状態についてまとめると、図６に示すように、バインダ噴射時における噴射速度のベクトルＶｓ（以下、噴射ベクトルＶｓという）は黒い矢印で示すベクトルとなる。なお、噴射ベクトルＶｓのスカラー量は噴射速さである。その一方で、回転盤３２の回転時にバインダ（噴射部６０）にかかる、回転速度のベクトルＶｒは白抜きの矢印で示され、遠心力のベクトルＶｃはハッチの矢印で示される。

そして、噴射ベクトルＶｓを分解すると、回転速度のベクトルＶｒ及び遠心力のベクトルＶｃと反対方向且つ同じ大きさになる。その結果、噴射部６０から噴射されるバインダは、噴射時点における噴射部６０の噴射口７０の位置に一致した粉体層１００上に滴下される。

本実施形態に係る３次元造形装置１０は、基本的には、以上のように構成されるものであり、以下その作用効果について説明する。

３次元造形装置１０は、図１に示す制御装置２６が制御プログラムを実行することで、３次元造形装置１０の各装置を連動させて造形物の造形を行う。制御プログラムは、ユーザが提供した３次元モデルデータを読み込み、このデータを造形層１０２毎にスライス（分割）して、バインダの塗布座標をスライスした層毎に設定する。そして、スライス層毎の塗布座標に応じて、台座装置２２、供給装置１２、塗布装置１４及び回転装置２４の動作を制御する。

詳細には、供給装置１２の粉体貯留槽４０から回転盤３２（供給構造部４２）の受容空間５０に粉体を供給して、造形物の造形に必要な量の粉体を受容空間５０に溜める。その後、制御装置２６は、回転装置２４のモータを回転駆動して、固定シャフト７４の軸周りに回転シャフト７６を回転させることで、造形台３０と相対的に回転盤３２を回転させる。さらに、制御装置２６は、回転盤３２の速度（角速度）が上がって一定となる、つまり等速円運動になるまで回転盤３２を回転させる。

回転盤３２が等速円運動になった後、制御装置２６は、供給装置１２による造形台３０上への粉体の供給、塗布装置１４による造形台３０上へのバインダの塗布、及び台座装置２２による造形台３０の下降を連動させて、造形層１０２の形成及び積層を行う。制御時において、供給装置１２の開閉蓋４８の開閉を行う電気的信号、及び塗布装置１４の各噴射部６０によるバインダの噴射を行う電気的信号は、上述したスリップリング機構９０を介して回転盤３２内に送られる。

造形層１０２を一層形成する場合には、回転盤３２の回転下に、供給口４６が造形領域３０ａの一端に対向したタイミングで開閉蓋４８を開放して、造形領域３０ａに粉体を供給する。また供給口４６が造形領域３０ａの他端に達するタイミングで開閉蓋４８を閉塞して、粉体の供給を停止する。さらに、供給口４６の回転方向基端側に設けられたヘラ８２は、造形領域３０ａに供給された粉体層１００を均して平坦面とする。

そして、制御装置２６は、回転盤３２の回転下に、塗布装置１４（本体部５２）が造形領域３０ａ上の所定位置（塗布座標により設定された位置）に移動すると、回転盤３２の径方向に並ぶ噴射部６０のうち適宜の噴射部６０を動作させてバインダの噴射を行う。図６に示すように、各噴射部６０は、回転盤３２の回転速度及び遠心力に応じた噴射ベクトルＶｓでバインダを噴射する。これにより、所定タイミングで噴射口７０から噴射されたバインダは、そのタイミングに噴射口７０が位置した場所（噴射部６０の設置点）、つまり塗布座標に応じた粉体層１００上に精度よく滴下される。結果として、塗布装置１４は、塗布面積が狭いドット状のバインダを粉体層１００に塗布して、塗布座標に基づく結合部１０４を粉体層１００に高精度に形成することができる。

バインダの塗布後、制御装置２６は、台座装置２２のシリンダ機構３６を駆動して、造形台３０を所定量（一層の造形層１０２分）下降させる。造形台３０の下降は、バインダの塗布後であれば供給口４６が粉体を供給している間でもよく、少なくともヘラ８２が粉体層１００を均す前に下降させればよい。そして、制御装置２６は、次の造形層１０２を形成するため、上記と同様に、粉体の供給及びバインダの塗布を行い、以下同様の動作を繰り返して造形物を造形する。

ここで、図７Ａに示すように、供給装置２１２及び塗布装置２１４が造形台２３０の上方を往復動（並進運動）する従来の３次元造形装置２１０は、１層の造形層１０２の形成毎に、供給装置２１２及び塗布装置２１４の移動を停止する動作を繰り返していた。特に、３次元造形装置２１０は、図７Ｃに示す供給装置２１２及び塗布装置２１４の速度が増加又は低下する間（移動開始時付近及び移動停止時付近）は、速度が安定しないため造形作業を実施していない。そのため、３次元造形装置２１０は、時間的損失が増加して、造形物の造形に時間がかかることになる。

これに対し、本実施形態に係る３次元造形装置１０は、図７Ｂに示すように、回転盤３２を等速円運動で回転させた状態で、供給装置１２の粉体の供給及び塗布装置１４のバインダの塗布を行う。すなわち、図７Ｄに示すように、移動開始後は、回転盤３２の回転を停止することなく、供給口４６と本体部５２（複数の噴射部６０）を、時間差をもって繰り返し造形台３０に対向させて造形層１０２を積層していく。従って、３次元造形装置１０は、供給装置１２及び塗布装置１４の移動開始時や移動停止時における時間的損失がなくなり、造形物の造形作業の短時間化を図ることができる。

以上のように、３次元造形装置１０は、簡単な構成によって、供給装置１２と塗布装置１４の移動を止めることなく、粉体の供給及びバインダの塗布を繰り返して、造形層１０２を効率的に形成していくことができる。また、３次元造形装置１０は、造形層１０２の積層方向と直交する面方向に、造形台３０を移動させないようにすることが可能となり、造形台３０に対しバインダを良好に塗布して、造形物を精度よく造形することができる。

この場合、塗布装置１４は、回転盤３２の回転方向よりも回転軸Ｏ側に傾斜させてバインダを塗布することで、回転盤３２の回転時に塗布装置１４にかかる遠心力の影響を抑えることができる。これに加えて、複数の噴射部６０が回転軸Ｏから径方向外側に向かうにつれて回転軸Ｏ側への傾斜を大きくしてバインダを噴射するので、径方向に異なる遠心力に対応することができる。従って、造形材料に対し、複数の噴射部６０の離間幅に応じてバインダを正確に塗布することができる。さらに、塗布装置１４は、バインダの噴射方向の傾斜角を、遠心力を相殺する角度に設定することで、遠心力の影響を殆どなくすことが可能となる。そのため、噴射口７０の径方向同位置にバインダを落下させることになり、設定した塗布座標上にバインダをより正確に塗布することができる。

そして、塗布装置１４は、回転方向の反対側に向けてバインダを塗布することで、回転盤３２の回転時に塗布装置１４にかかる回転速度（周速度）の影響を抑えることができる。これに加えて、複数の噴射部６０が回転軸Ｏから径方向外側に向かうにつれて噴射速度を速めてバインダを噴射することで、径方向に異なる回転速度の影響に対応することができる。従って、造形材料に対し、バインダの塗布面積の広がりを抑えて、バインダを正確に塗布することができる。さらに、塗布装置１４は、回転速度を相殺する速度にバインダの噴射速度を設定することで、回転速度の影響を殆どなくすことが可能となる。よって、設定した塗布座標上にバインダをより一層正確に塗布することができる。

また、３次元造形装置１０は、回転盤３２が等速円運動となった状態で粉体の供給とバインダの塗布とを行うことで、塗布装置１４にかかる遠心力や回転速度が安定化するので、さらに精度よく造形作業を行うことが可能となる。さらにまた、台座装置２２は、造形層１０２を形成する毎に造形台３０を移動させるので、回転盤３２側を回転と共に回転軸Ｏ方向に移動させることがなくなる。よって、３次元造形装置１０の構成を簡素化することができる。

なお、本発明に係る３次元造形装置１０は、上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形例及び応用例をとり得る。例えば、図８及び図９に示す変形例に係る３次元造形装置１０は、バインダの塗布速度（噴射速度）に応じて塗布装置１４Ａの本体部５２Ａを回転可能としている。なお、塗布装置１４Ａ以外の構成は、上述した３次元造形装置１０の各構成と同一であり、その詳細な説明は省略する。

この場合、本体部５２Ａは、回転盤３２の径方向に沿った回転軸を基点に回転盤３２に対して相対回転するように構成されている。より詳細には、本体部５２Ａは、ノズル６８が回転方向の基端側を臨む基端指向位置と、ノズル６８が造形台３０（粉体層１００）を臨む下方指向位置との間、すなわち９０°を回転することが可能となっている。

そのため、塗布装置１４Ａは、制御装置２６の制御下に、本体部５２Ａを回転駆動させる回転駆動部９６を有する。回転駆動部９６は、本体部５２Ａを軸支する軸支部材９６ａ、サーボモータ等の駆動源９６ｂと、駆動源９６ｂの回転駆動力を本体部５２Ａに伝達する回転伝達機構９６ｃとを有する。回転伝達機構９６ｃは、本変形例において本体部５２Ａの角部に連結されたワイヤであり、駆動源９６ｂは、ワイヤの長さを制御することで、軸支部材８６ａに軸支された本体部５２Ａを回転させる。また、本体部５２Ａの下面５２ｂと回転先端面５２ｃの間の角部には、図示しない重りが埋め込まれてワイヤにテンションをかけている。なお、回転駆動部９６の構成は、特に限定されず、本体部５２Ａを回転させ得る適宜の機構（例えば、ギア機構）を適用してよい。

上記のように構成された塗布装置１４Ａは、制御装置２６の制御下に、本体部５２Ａの姿勢をバインダの塗布速度に応じて自動的に設定することができる。例えば、制御装置２６は、回転盤３２の回転速度（周速度）に基づき、噴射部６０の噴射速度を遅くした場合には、本体部５２Ａの角度を基端指向位置から所定角度（４５°）傾けて、ノズル６８を傾斜させた姿勢とする（図９の２点鎖線参照）。これにより、バインダに対する回転速度の影響を、噴射速度と共に噴射方向に反映することができ、バインダをより粉体層１００に正確に塗布することが可能となる。また例えば、回転盤３２の回転速度が充分に遅く、バインダの塗布において回転速度や遠心力の影響がない場合には、本体部５２Ａを下方指向位置とし、ノズル６８を造形台３０に対向させることで、噴射口７０の直下にバインダを塗布することも可能となる。

なお、塗布装置１４Ａの姿勢は、制御装置２６の制御に依らず、作業者が手動で変更してもよい。また、３次元造形装置１０は、噴射部６０の傾斜角度θを調整可能な調整機構と、回転駆動部９６とを連動させることで、回転盤３２の回転速度やバインダの塗布量等に基づき、適切な噴射方向に設定することもできる。

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能なことは言うまでもない。

１０…３次元造形装置 １２…供給装置
１４…塗布装置 ２２…台座装置
２４…回転装置 ２６…制御装置
３０…造形台 ３０ａ…造形領域
３２…回転盤 ４２…供給構造部
４６…供給口 ５６…塗布ヘッド部
６８…ノズル ７０…噴射口
７６…回転シャフト ８２…ヘラ
９０…スリップリング機構 １００…粉体層
１０２…造形層 １０４…結合部

Claims (10)

1. 造形台と、
   前記造形台に造形材料を供給する供給部と、
   前記造形台に供給された前記造形材料にバインダを塗布する塗布部と、
   前記供給部及び前記塗布部を保持する保持体を有し、前記造形台に対して前記保持体を相対回転させる回転部と、を備え、
   前記回転部は、前記保持体の回転方向の異なる位置に前記供給部と前記塗布部を配置し、前記保持体の回転時に、前記供給部と前記塗布部を前記造形台に時間差をもって交互に対向させ、
   前記塗布部は、前記回転方向よりも前記回転部の回転軸側に傾斜させて前記バインダを塗布する
   ことを特徴とする３次元造形装置。
2. 請求項１記載の３次元造形装置において、
   前記塗布部は、前記回転方向の反対側に向けて前記バインダを塗布する
   ことを特徴とする３次元造形装置。
3. 請求項１又は２記載の３次元造形装置において、
   前記塗布部は、前記バインダを噴射する噴射部を前記保持体の径方向に複数備え、
   前記複数の噴射部は、前記回転軸から径方向外側に向かうにつれて前記回転軸側への傾斜を大きくして前記バインダを噴射する
   ことを特徴とする３次元造形装置。
4. 請求項３記載の３次元造形装置において、
   前記噴射部は、前記回転方向に対する前記バインダの噴射方向の傾斜角を、前記保持体の回転時の遠心力を相殺する角度に設定しており、前記噴射部の噴射口の同位置に前記バインダを落下させる
   ことを特徴とする３次元造形装置。
5. 造形台と、
   前記造形台に造形材料を供給する供給部と、
   前記造形台に供給された前記造形材料にバインダを塗布する塗布部と、
   前記供給部及び前記塗布部を保持する保持体を有し、前記造形台に対して前記保持体を相対回転させる回転部と、を備え、
   前記回転部は、前記保持体の回転方向の異なる位置に前記供給部と前記塗布部を配置し、前記保持体の回転時に、前記供給部と前記塗布部を前記造形台に時間差をもって交互に対向させ、
   前記塗布部は、前記回転方向の反対側に向けて前記バインダを塗布する
   ことを特徴とする３次元造形装置。
6. 請求項２又は５記載の３次元造形装置において、
   前記塗布部は、前記バインダを噴射する噴射部を前記保持体の径方向に複数備え、
   前記複数の噴射部は、前記回転部の回転軸から径方向外側に向かうにつれて噴射速度を速めて前記バインダを噴射する
   ことを特徴とする３次元造形装置。
7. 請求項６記載の３次元造形装置において、
   前記噴射部は、前記バインダの噴射速度を、前記保持体の回転時の回転速度を相殺する速度に設定しており、前記噴射部の噴射口の同位置に前記バインダを落下させる
   ことを特徴とする３次元造形装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の３次元造形装置において、
   前記供給部、前記塗布部及び前記回転部の動作を制御する制御部を有し、
   前記制御部は、前記回転部により前記保持体が等速円運動となった状態で、前記供給部からの前記造形材料の供給と、前記塗布部からの前記バインダの塗布とを行う
   ことを特徴とする３次元造形装置。
9. 請求項８記載の３次元造形装置において、
   前記制御部は、前記等速円運動時に、前記供給部と前記塗布部が１回対向する毎に、前記造形材料の供給厚み分ずつ前記造形台を移動させる
   ことを特徴とする３次元造形装置。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の３次元造形装置において、
    前記保持体は、前記供給部と前記塗布部の間に前記造形台に供給された前記造形材料を均す均し部を有する
    ことを特徴とする３次元造形装置。

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