JP6390162B2

JP6390162B2 - 立体造形装置

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Publication number: JP6390162B2
Application number: JP2014102459A
Authority: JP
Inventors: 小野　泰一; 泰一小野
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2014-05-16
Filing date: 2014-05-16
Publication date: 2018-09-19
Anticipated expiration: 2034-05-16
Also published as: JP2015217587A

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。これは、例えば、造形ステージに平坦化された粉体層を形成し、形成された粉体層に対して造形液をヘッドから吐出して、粉体が結合された薄層の造形層を形成し、この造形層上に粉体層を形成して再度造形層を形成する工程を繰り返して、造形層を積層することで立体造形物を造形する。

このような立体造形装置として、例えば、リコータローラなどの平坦化手段によって造形槽における粉体を平坦化し、粉体層を形成するものが知られている。

この場合、リコータローラの移動速度を造形範囲や積層順に応じて変化させるものが知られている（特許文献１）。

特開２０１３−０７５３９１号公報

ところで、平坦化手段としての回転部材を用いて供給槽の粉体を造形槽に移送供給して粉体層を形成するとき、粉体の舞い上がりを低減することが求められる。この場合、回転部材の移動速度を遅くすれば、粉体の舞い上がりを低減できるが、造形速度が遅くなるという課題がある。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、粉体層を形成するときの粉体の舞い上がりを低減しつつ、造形速度の向上を図ることを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係る立体造形装置は、
粉体を供給する供給槽と、
前記供給槽から前記粉体が供給されて、粉体が結合された造形層が積層形成される造形槽と、
前記供給槽から前記造形槽に前記粉体を移送供給して、前記造形槽における前記粉体の表面を平坦化して粉体層を形成する回転部材と、を備え、
前記回転部材は、前記供給槽側と前記造形槽側とで逆方向に回転され、
前記回転部材は、回転しながら前記供給槽及び前記造形槽上を移動する
構成とした。

本発明によれば、粉体層を形成するときの粉体の舞い上がりを低減しつつ、造形速度の向上を図ることができる。

本発明に係る立体造形装置の一例の要部斜視説明図である。同じく概略側面説明図である。同じく造形部の一例の説明に供する粉体槽の斜視説明図である。同じく造形部の模式的断面説明図である。同じく造形の流れの説明に供する造形部の模式的断面説明図である。本発明の第１実施形態の説明に供する説明図である。同じく作用説明に供する説明図である。比較例の説明に供する説明図である。本発明の第２実施形態の説明に供する平坦化手段の移動速度の説明図である。本発明の第３実施形態の説明に供する説明図である。本発明の第４実施形態の説明に供する説明図である。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。本発明に係る立体造形装置の一例について図１及び図２を参照して説明する。図１は同立体造形装置の要部斜視説明図、図２は同じく概略側面説明図である。

この立体造形装置は、粉体が結合された造形層が形成される造形部１と、造形部１に造形液を吐出して立体造形物を造形する造形ユニット５とを備えている。

造形部１は、粉体槽１１と、平坦化手段としての回転部材である平坦化ローラ（リコータローラとも称される）１２などを備えている。

粉体槽１１は、粉体２０を供給する供給槽２１と、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）に昇降自在となっている。造形ステージ２４上に立体造形物が造形される。

供給ステージ２３はモータ２７によって昇降され、造形ステージ２４はモータ２８によって昇降される。

平坦化ローラ１２は、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、平坦化して粉体層を形成する。この平坦化ローラ１２は、往復移動機構２５によって矢印Ｘ方向に往復移動可能であり、モータ２６によって回転駆動される。

造形ユニット５は、造形ステージ２４上の粉体層に造形液を吐出する吐出ヘッドユニット５１を備えている。なお、造形ユニット５には、吐出ヘッドユニット５１をクリーニングするヘッドクリーニング機構なども備えている。

造形ユニット５はガイド部材５２に移動可能に保持されたスライダ部５３を有し、図示しないモータなどによって、造形ユニット５全体が矢印Ｘ方向に往復移動可能とされている。

吐出ヘッドユニット５１は、ガイド部材５４、５５で矢印Ｙ方向に往復移動可能に支持されている。

この吐出ヘッドユニット５１には、シアン造形液を吐出するヘッド、マゼンタ造形液を吐出するヘッド、イエロー造形液を吐出するヘッド、ブラック造形液を吐出するヘッド、及びクリア造形液を吐出するヘッドを備える。これらのシアン造形液、マゼンタ造形液、イエロー造形液、ブラック造形液及びクリア造形液の各々を収容した複数のタンクがタンク装着部５６に装着されている。

次に、造形部の一例について図３及び図４も参照して説明する。図３は造形部の粉体槽の斜視説明図、図４は同じく造形部の模式的断面説明図である。

粉体槽１１は、箱型形状をなし、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内部には供給ステージ２３が、造形槽２２内部には造形ステージ２４がそれぞれ昇降可能に保持される。

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３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（図４では省略）。粉体落下口２９には、粉体層を形成するときに平坦化ローラ１２によって集積された余剰の粉体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に粉体を供給する図示しない粉体供給部内に戻される。

なお、図示しない粉体供給部は、タンク状をなし、供給槽２１の上方に配置される。造形の初期動作時や供給槽２１の粉体量が減少した場合に、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、所定の厚みの粉体層を形成する機能を有している。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、前述した往復移動機構２５によってステージ面に沿う方向（ステージ面と平行で矢印Ｘ方向）に往復移動される。

この平坦化ローラ１２は、モータ２６によって回転されながら、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して水平移動し、これにより粉体２０が造形槽２２上へと移送供給される。

次に、造形の流れについて図５も参照して説明する。図５は造形の流れの説明に供する造形部の模式的断面説明図である。

まず、図５（ａ）に示すように、造形槽２２に粉体２０の層（粉体層）が形成された状態で、吐出ヘッドユニット５１のヘッド５１ａから造形液１０を吐出して、図５（ｂ）に示すように１層目の造形層３０を形成する。

そして、図５（ｃ）に示すように、供給槽２１の供給ステージ２３を矢印Ｚ１方向に上昇させ、造形槽２２の造形ステージ２４を矢印Ｚ２方向に下降させる。

このとき、造形槽２２の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Δｔ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Δｔが次に形成する造形層の厚みに相当する。間隔Δｔは、５０〜２００μｍ程度であることが好ましく、例えば約１００μｍである。

次いで、図５（ｄ）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、平坦化ローラ１２を回転しながら造形槽２２側に移動することで、造形槽２２へと移送供給する。

さらに、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、造形ステージ２４の造形層３０上で所定の厚さΔｔになる粉体層３１を形成する。粉体層形成後、平坦化ローラ１２は逆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。一定に保って移動できることで、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の上に均一厚さの粉体層３１を形成できる。

その後、前述したと同様に、吐出ヘッドユニット５１のヘッド５１ａから造形液１０を吐出して、厚さΔｔの造形層３０を積層形成する。

なお、造形層３０は、例えば、ヘッド５１ａ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。

次いで、上述した粉体供給・平坦化工程、ヘッドによる造形液吐出工程を繰り返して新たな造形層を形成する。このとき、新たな造形層とその下層の造形層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・平坦化工程、ヘッド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。

次に、本発明で使用している立体造形用粉末材料（粉体）及び造形液について説明する。

立体造形用粉末材料は、基材と、この基材を平均厚み５ｎｍ〜５００ｎｍで被覆し、造形液としての架橋剤含有水の作用により溶解し架橋可能な水溶性有機材料とを有してなる。

この立体造形用粉末材料においては、基材を被覆する水溶性有機材料が、架橋剤含有水の作用により溶解し架橋可能であるため、水溶性有機材料に架橋剤含有水が付与されると、水溶性有機材料は、溶解すると共に、架橋剤含有水に含まれる架橋剤の作用により架橋する。

これにより、上記立体造形用粉末材料を用いて薄層（粉体層）を形成し、粉体層に架橋剤含有水を造形液１０として吐出することで、粉体層においては、溶解した水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、基材を被覆する水溶性有機材料の被覆量が平均厚みで５ｎｍ〜５００ｎｍであるため、水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。

このようにして得られた立体造形物は、良好な硬度を有するため、手で持ったり、エアーブロー処理をして余分な立体造形用粉末材料の除去等を行っても、型崩れが生ずることがなく、その後に焼結等を簡便に行うことができる。

そして、上記のようにして形成された立体造形物においては、基材が密に（高充填率で）存在し、水溶性有機材料は基材どうしの周囲に極僅かだけ存在するため、その後に焼結等して成形体（立体造形物）を得たとき、得られた成形体に不要な空隙等は存在せず、外観の美麗な成形体（立体造形物）が得られる。

−基材−
基材としては、粉末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、木材、生体親和材料、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（ＳｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、チタニア（ＴｉＯ_２）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。

ポリマーとしては、例えば、水に不溶な公知の樹脂などが挙げられる。

木材としては、例えば、ウッドチップ、セルロースなどが挙げられる。

生体親和材料としては、例えば、ポリ乳酸、リン酸カルシウムなどが挙げられる。

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。

なお、本発明においては、基材として、これらの材料で形成された市販品の粒子ないし粉末を使用することができる。市販品としては、例えば、ＳＵＳ３１６Ｌ（山陽特殊鋼製、ＰＳＳ３１６Ｌ）、ＳｉＯ_２（トクヤマ製、エクセリカＳＥ−１５）、ＡｌＯ_２（大明化学工業製、タイミクロンＴＭ−５Ｄ）、ＺｒＯ_２（東ソー製、ＴＺ−Ｂ５３）などが挙げられる。

また、基材としては、水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。

−水溶性有機材料−
水溶性有機材料としては、水に溶解し、架橋剤の作用により架橋可能な性質を有するものであれば、換言すれば、水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することができる。

ここでは、水溶性有機材料の水溶性は、例えば、３０℃の水１００ｇに水溶性有機材料を１ｇ混合して撹拌したとき、その９０質量％以上が溶解するものを意味する。

また、水溶性有機材料としては、その４質量％（ｗ／ｗ％）水溶液の２０℃における粘度が、４０ｍＰａ・ｓ以下であるものが好ましく、１〜３５Ｐａ・ｓであるものがより好ましく、５〜３０Ｐａ・ｓであるものが特に好ましい。

水溶性有機材料の粘度が、４０ｍＰａ・ｓを超えると、立体造形用粉末材料に架橋剤含有水を付与して形成した立体造形物用粉末材料（粉体層）による硬化物（立体造形物、焼結用硬化物）の強度が充分でないことがあり、その後の焼結等の処理ないし取扱い時に型崩れ等の問題が生ずることがある。また、立体造形用粉末材料に架橋剤含有水を付与して形成した立体造形物用粉末材料（粉体層）による硬化物（立体造形物、焼結用硬化物）の寸法精度が充分でないことがある。

水溶性有機材料の粘度は、例えば、ＪＩＳＫ７１１７に準拠して測定することができる。

−架橋剤含有水−
造形液である架橋剤含有水としては、水性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、架橋剤含有水は、水性媒体、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、架橋剤含有水を付与する手段の種類、使用頻度や量など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水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。

水性媒体としては、例えば、水、エタノール等のアルコール、エーテル、ケトン、などが挙げられるが、水が好ましい。なお、水性媒体は、水がアルコール等の水以外の成分を若干量含有するものであってもよい。

上述した立体造形物用粉末材料及び造形液としての架橋剤含有水を使用することで、粉体（基材）を接着させるためのバインダーを液体吐出ヘッドから吐出する構成に比べて、ノズルの目詰まりが少なく、ヘッドの耐久性が向上する。

次に、本発明の第１実施形態について図６及び図７を参照して説明する。図６は同実施形態の説明に供する説明図、図７は同じく作用説明に供する説明図である。

本実施形態では、平坦化ローラ１２は、供給槽２１側では移動方向（矢印Ｘ１方向）に対して順方向に回転（矢印Ａ方向に順転）し、造形槽２２側では移動方向に対して逆方向に回転（矢印Ｂ方向に逆転）する。つまり、平坦化ローラ１２は、供給槽２１側と造形槽２２側とでは回転方向が逆になる。

このように、供給槽２１側では平坦化ローラ１２を移動方向に対して順方向に回転させることで、図７（ａ）に示すように、平坦化ローラ１２の移動方向前方側にある粉体２０に対して矢印６１で示すように粉体２０を平坦化ローラ１２の下部に引き込む下向きの力（圧）が作用する。

これにより、平坦化ローラ１２に移動速度を速くしても粉体２０の舞い上がりを抑制することができる。

一方、造形槽２２側では平坦化ローラ１２を移動方向に対して逆方向に回転させることで、図７（ｂ）に示すように、平坦化ローラ１２の移動方向前方側にある粉体２０に対して矢印６２で示すように、粉体２０を前方側に押し込む方向の下向きの力（圧）が作用する。

これにより、粉体２０を加圧して均一な粉体層を形成することができるようになる。

このようにして、供給槽側と造形槽側で回転部材の回転方向を変えることで、供給槽側での移動速度を速くしても、回転部材の回転方向を移動方向に対して順方向とすることで、粉体の舞い上がりを低減することができ、造形速度の向上を図れる。

これに対して、図８に示す比較例のように、平坦化ローラ１２の回転方向を供給槽２１側と造形槽２２側とで同じにする場合、造形槽２２側での回転方向で供給槽２１側も回転させることになる。

この場合、平坦化ローラ１２の移動速度が遅ければ特に問題はないが、平坦化ローラ１２の移動速度を上げると、粉体２０が舞い上がってしまって均一に積層できなくなるので、平坦化ローラ１２の移動速度を遅くなることになり、結果として造形速度の向上を図れない。

次に、本発明の第２実施形態について図９を参照して説明する。図９は同実施形態の説明に供する平坦化手段の移動速度の説明図である。

本実施形態では、平坦化ローラ１２の供給槽２１側での移動速度Ｖ１を造形槽２２側での移動速度Ｖ２よりも速く（Ｖ１＞Ｖ２）している。

前述したように、供給槽２１側では平坦化ローラ１２を移動方向に対して順方向に回転させて粉体２０の舞い上がりを抑制しているので、供給槽２１側では平坦化ローラ１２の移動速度を速くすることができる。

これにより、造形速度の向上を図ることができる。

次に、本発明の第３実施形態について図１０を参照して説明する。図１０は同実施形態の説明に供する説明図である。

本実施形態では、図１０（ａ）に示すように造形槽２２内に既に造形層３０が形成されている上に粉体層を形成する場合に、造形槽２２内における平坦化ローラ１２の移動速度の変更を行っている。

つまり、図１０（ｂ）に示すように、平坦化ローラ１２の移動方向において、下層に造形層３０が形成されていない領域で移動速度Ｖ２で移動させるとき、下層に造形層３０が形成されている領域では移動速度Ｖ２よりも遅い移動速度Ｖ３で移動させるようにしている。

これは、造形槽２２側では、平坦化ローラ１２によって粉体を平坦化して粉体層を形成するとき、下層に造形層３０が形成されている領域で平坦化ローラ１２の移動速度が速いと、造形層３０が平坦化ローラ１２による圧を受けて移動する現象が発生する。既存の造形層３０の位置ずれが生じると高精度な造形物を造形することができなくなる。

そこで、下層に造形層３０がない領域よりも下層に造形層３０がある領域では平坦化ローラ１２の移動速度を遅くして、造形層３０の位置ずれを抑制して、高精度な造形物を得られるようにしている。

なお、平坦化ローラ１２の移動側を相対的に遅くする領域は、当該粉体層に形成する造形層によって異なるが、３次元パターンデータから得ることができる。

次に、本発明の第４実施形態について図１１を参照して説明する。図１１は同実施形態の説明に供する説明図である。

本実施形態は、図１１（ａ）に示すように、平坦化ローラ１２で形成する造形槽２２内における粉体層の高さによって、造形槽２２内における平坦化ローラ１２の移動速度の変更を行っている。

つまり、図１１（ｂ）に示すように、粉体層を形成するときの高さが低い低層部では、粉体層を形成するときの高さが高い高層部での移動速度Ｖ５よりも、平坦化ローラ１２の移動速度Ｖ４を遅く（Ｖ５＞Ｖ４）している。

造形槽２２内で粉体層の高さが低いときには造形層３０の積層数が少なく動きやすいので、平坦化ローラ１２によって下層の造形層３０上に粉体層を形成するときに、下層の造形層３０の位置ずれが生じることがある。

そこで、造形層３０の積層数が少ない低層部では平坦化ローラ１２の移動速度を遅くして、造形層３０の位置ずれを抑制する。そして、造形槽２２内で粉体層の高さが高くなった高層部では、つまり造形層３０の積層数が多くなって位置ずれが生じにくくなったときには、平坦化ローラ１２の移動速度を速くして、造形速度の向上を図るようにしている。

また、上述した各実施形態において回転部材である平坦化ローラは、粉体層形成終了後の戻し方向の移動速度は粉体層を形成するときの移動速度よりも速くなるようにしている。これにより、造形速度の更なる向上を図れる。

１造形部
５造形ユニット
１０造形液
１１粉体層
１２平坦化ローラ（平坦化手段、回転部材）
２０粉体
２１供給槽
２２造形槽
２３供給ステージ
２４造形ステージ
３０造形層
５１吐出ヘッドユニット

Claims

粉体を供給する供給槽と、
前記供給槽から前記粉体が供給されて、粉体が結合された造形層が積層形成される造形槽と、
前記供給槽から前記造形槽に前記粉体を移送供給して、前記造形槽における前記粉体の表面を平坦化して粉体層を形成する回転部材と、を備え、
前記回転部材は、前記供給槽側と前記造形槽側とで逆方向に回転され、
前記回転部材は、回転しながら前記供給槽及び前記造形槽上を移動する
ことを特徴とする立体造形装置。
前記回転部材は、前記供給槽側では移動方向に対して順転し、前記造形槽側では移動方向に対して逆転する
ことを特徴とする請求項１に記載の立体造形装置。
前記回転部材は、前記造形槽側での移動速度が前記供給槽側での移動速度よりも相対的に遅い
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の立体造形装置。
前記回転部材は、前記造形槽側において、下方に前記造形層が形成された領域での移動速度が下方に前記造形層が形成されていない領域での移動速度よりも相対的に遅い
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の立体造形装置。
前記回転部材は、前記造形槽側において、前記造形層の積層数が少ないときの移動速度よりも前記造形層の積層数が多いときの移動速度が速い
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の立体造形装置。
前記回転部材は、前記粉体層形成終了後の戻し方向の移動速度が前記粉体層を形成するときの移動速度よりも速い
ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の立体造形装置。