JP6439477B2 - 立体造形装置、立体造形方法、プログラム - Google Patents

Description

本発明は立体造形装置、立体造形方法、プログラムに関する。

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金属又は非金属の粉体層を形成し、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。

従来、レーザで焼結させる粉末焼結積層造形装置で、造形領域の上方などに加熱手段を配置して材料粉末の薄層の表面温度の均一化を図るものがある（特許文献１）。
特許文献１）。

特許第４９１７３８１号公報

上述したように粉体層に造形液を吐出して造形層を形成し、造形層を積層して立体造形物を造形するとき、造形液が乾燥するまで立体造形物を取出すことができず、立体造形物を取出せるまでの待ち時間が長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、立体造形物を取り出すときの待ち時間を短くすることを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の請求項１に係る立体造形装置は、
粉体が供給されて粉体層が形成され、前記粉体層の粉体が結合された造形層が積層形成される造形槽と、
往復移動可能に配置され、前記造形槽における前記粉体の表面を平坦化して前記粉体層を形成する平坦化部材と、
前記造形槽の前記粉体層に対して造形液を吐出して前記造形層を形成する液体吐出手段と、
前記平坦化部材を加熱する加熱手段と、
前記平坦化部材を、前記加熱手段で加熱した状態で、前記造形層上の前記粉体に接触させて移動させる手段と、を有し、
積層方向で重なる領域を有して連続する前記造形層を形成するときに、前記重なる領域に前記液体吐出手段から吐出した液体量が所定量以上になったときには、前記平坦化手段の移動速度を、前記所定量未満であるときの移動速度よりも遅い速度とする制御をする
構成とした。

本発明によれば、立体造形物取り出しの待ち時間を短縮することができる。

本発明に係る立体造形装置の第１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。 造形部の断面説明図である。 造形部の斜視説明図である。 平坦化ローラ周りの側面説明図である。 同じく要部拡大説明図である。 同じく平面説明図である。 制御部のブロック図である。 一般的な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実施形態における制御部による粉体層形成動作に係わる制御の説明に供するフロー図である。 同じく具体的説明に供する断面説明図である。 本発明の第２実施形態における平坦化ローラの戻し速度の制御の説明に供する断面説明図である。 本発明の第３実施形態における平坦化ローラの戻し速度の制御の説明に供する平面説明図である。 本発明の第４実施形態における平坦化ローラの戻し速度の制御の説明に供する平面説明図である。 同じく造形層の積層数と戻し速度の関係の一例の説明に供する説明図である。 本発明の第５実施形態における平坦化ローラの戻し速度の制御の説明に供する平面説明図である。 本発明の第６実施形態における平坦化ローラの戻し速度の制御の説明に供する平面説明図である。 同じく造形層の積層数と戻し速度と造形液の着弾量の関係の一例の説明に供する説明図である。 立体造形装置の第２例の要部斜視説明図である。 同じく造形の流れと共に説明する造形部の断面説明図である。

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ないし図４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、図３は造形部の断面説明図、図４は造形部の斜視説明図である。なお、図３は造形時の状態で示している。

この立体造形装置は、粉体造形装置（粉末造形装置ともいう。）であり、粉体（粉末）が結合された造形層３０が形成される造形部１と、造形部１に造形液１０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、平坦化部材としての回転体である平坦化ローラ（リコータとも称される）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によって矢印Ｚ方向に昇降され、造形ステージ２４はモータ２８によって矢印Ｚ方向に昇降される。

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、平坦化部材である平坦化ローラ１２によって均して平坦化して、後述する粉体層３１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、造形ステージ２４のステージ面（粉体２０が積載される面）に沿って矢印Ｙ方向に、ステージ面に対して相対的に往復移動可能に配置され、モータ２６によって回転駆動される。

造形ユニット５は、図３に示すように、造形ステージ２４上の粉体層３１に造形液１０を吐出する１又は複数の液体吐出ヘッド（以下、「ヘッド」という。）５０を有する吐出ユニット５１を備えている。

この吐出ユニット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に装着される。

なお、造形ユニット５には、吐出ユニット５１のヘッド５０をクリーニングするヘッドクリーニング機構（図８のクリーニング装置５５５）なども備えている。

ヘッドクリーニング機構（装置）は、主にキャップとワイパで構成される。キャップをヘッド下方のノズル面に密着させ、ノズルから造形液を吸引する。ノズルに詰まった粉体の排出や高粘度化した造形液を排出するためである。その後、ノズルのメニスカス形成（ノズル内は負圧状態である）のため、ノズル面をワイピング（払拭）する。また、ヘッドクリーニング機構は、造形液の吐出が行われない場合に、ヘッドのノズル面を覆い、粉体がノズルに混入することや造形液が乾燥することを防止する。

造形ユニット５は、図２に示すように、ベース部材８上に配置されたガイド部材５２に移動可能に保持されたスライダ部５３を有し、造形ユニット５全体が矢印Ｙ方向（副走査方向）に往復移動可能である。この造形ユニット５は、後述するモータ５５２を含む走査機構によって全体が矢印Ｙ方向に往復移動される。

吐出ユニット５１は、ガイド部材５４、５５で矢印Ｘ方向（主走査方向）に往復移動可能に支持され、後述するモータ５５０を含む走査機構によってＸ方向に往復移動される。

吐出ユニット５１は、ガイド部材５４、５５とともに矢印Ｚ方向に昇降可能に支持され、後述するモータ５５１を含む昇降機構によってＺ方向に昇降される。

ここで、造形部１の詳細について上述した図３及び図４も参照して説明する。

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配置される。

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４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３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に粉体を供給する粉体供給部内に戻される。

なお、図１では図示しない粉体供給装置（粉体供給手段、図８の粉体供給装置５５４））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、表面を均すことで所定の厚みの粉体層３１を形成する。

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（ステージ面と平行な矢印Ｙ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。

また、図３に示すように、平坦化ローラ１２の周面に接触して、平坦化ローラ１２に付着した粉体２０を除去するための粉体除去部材である粉体除去板１３が配置されている。

粉体除去板１３は、平坦化ローラ１２の周面に接触した状態で、平坦化ローラ１２とともに移動する。また、粉体除去板１３は、平坦化ローラ１２が平坦化を行うときの回転方向に回転するときにカウンタ方向になる状態で配置されている。

本実施形態では、造形部１の粉体槽１１が供給槽２１と造形槽２２の二つの槽を有する構成としているが、造形槽２２のみとして、造形槽２２に粉体供給装置から粉体を供給して、平坦化手段で平坦化する構成とすることもできる。

次に、平坦化ローラ周りの構成について図５ないし図７を参照して説明する。図５は同平坦化ローラ周りの側面説明図、図６は同じく要部拡大説明図、図７は同じく平面説明図である。

平坦化ローラ１２は、両側の軸端部１２ａが玉軸受け６１を介してフレーム６０に回転可能に保持されている。平坦化ローラ１２の一方の軸端部１２ａにはプーリ６３がねじ６４で固定され、モータ２６の回転軸２６ａに取り付けたプーリ６５との間にベルト６６が掛け回され、モータ２６の回転が平坦化ローラ１２に伝達されている。

なお、モータ２６から平坦化ローラ１２への駆動力伝達機構は、例えば、モータ２６の軸と平坦化ローラ１２の軸１２ａを同列にしてカップリングで繋ぐ構成や、モータ２６と平坦化ローラ１２をギア列で繋ぐ構成などを使用することもできる。

平坦化ローラ１２の内部にはハロゲンヒータなどの加熱手段１４を配置している。加熱手段１４としては、例えば電熱線やＩＨコイルなどを使用することもできる。

ここで、加熱手段１４はフレーム６０に取り付けた加熱手段保持部材６７に軸部１４ｂが保持されている。加熱手段１４の電源供給端子１４ａをねじ１８でフレーム６０に固定し、電源供給端子１４ａにケーブル１７を接続している。

また、加熱手段１４の軸部１４ｂと平坦化ローラ１２との間には玉軸受け１５を介在して、加熱手段１４は平坦化ローラ１２に対して相対回転可能とし、平坦化ローラ１２が回転されても加熱手段１４は回転しない状態を保つことができるようにしている。

また、平坦化ローラ１２の内部には、平坦化ローラ１２の温度を検出する温度センサ５６２が配置されている。温度センサ５６２は平坦化ローラ１２が粉体２０と接する範囲に設けることが好ましい。

次に、上記立体造形装置の制御部の概要について図８を参照して説明する。図８は同制御部のブロック図である。

制御部５００は、この立体造形装置全体の制御を司るＣＰＵ５０１と、ＣＰＵ５０１に本発明に係わる処理を含む立体造形動作の制御を実行させるための本発明に係るプログラムを含むプログラム、その他の固定データを格納するＲＯＭ５０２と、画像データ（印刷データ）等を一時格納するＲＡＭ５０３とを含む主制御部５００Ａを備えている。

制御部５００は、装置の電源が遮断されている間もデータを保持するための不揮発性メモリ（ＮＶＲＡＭ）５０４を備えている。また、制御部５００は、画像データに対する各種信号処理等を行う画像処理やその他装置全体を制御するための入出力信号を処理するＡＳＩＣ５０５を備えている。

制御部５００は、外部の造形データ作成装置６００から造形データを受信するときに使用するデータ及び信号の送受を行うためのＩ／Ｆ５０６を備えている。なお、造形データ作成装置６００は、最終形態の造形物を各造形層にスライスした造形データを作成する装置であり、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置で構成されている。

制御部５００は、各種センサの検知信号を取り込むためのＩ／Ｏ５０７を備えている。

制御部５００は、吐出ユニット５１の各ヘッド５０を駆動制御するヘッド駆動制御部５０８を備えている。

制御部５００は、吐出ユニット５１を矢印Ｘ方向に移動させるＸ方向走査モータ５５０を駆動するモータ駆動部５１０と、造形ユニット５を矢印Ｙ方向に移動させるＹ方向走査モータ５５２を駆動するモータ駆動部５１２を備えている。

制御部５００は、吐出ユニット５１を矢印Ｚ方向に移動（昇降）させるＺ方向昇降モータ５５１を駆動するモータ駆動部５１１を備えている。なお、矢印Ｚ方向への昇降は造形ユニット５全体を昇降させる構成とすることもできる。

制御部５００は、供給ステージ２３を昇降させるモータ２７を駆動するモータ駆動部５１３と、造形ステージ２４を昇降させるモータ２８を駆動するモータ駆動部５１４を備えている。

制御部５００は、平坦化ローラ１２を移動させる往復移動機構２５のモータ５５３を駆動するモータ駆動部５１５と、平坦化ローラ１２を回転駆動するモータ２６を駆動する５１６を備えている。

制御部５００は、供給槽２１に粉体２０を供給する粉体供給装置５５４を駆動する供給系駆動部５１７と、吐出ユニット５１をクリーニング（メンテナンス、維持回復）するクリーニング装置５５５を駆動するクリーニング駆動部５１８を備えている。

制御部５００は、平坦化ローラ１２内の加熱手段１４に対する給電のオン／オフ制御を行う加熱給電部５１９を備え、ている。加熱給電部５１９は、温度センサ５６２からの検知信号などに基づいて給電量を制御することで、加熱手段１４の加熱温度を変更制御する。

つまり、制御部５００は、造形槽２２に粉体層３１を形成するとき、加熱手段１４により平坦化ローラ１２を加熱した状態で造形層３０上の粉体２０に接触させて移動させる手段を兼ねている。

なお、「粉体層３１を形成するとき」とは、平坦化ローラ１２が造形槽２２上を移動しているときの意味である。したがって、平坦化ローラ１２で供給槽２１から造形槽２２に粉体２０を供給しながら平坦化するとき（平坦化ローラ１２の往路移動のとき）、及び、造形槽２２の粉体層３１の表面に接触させて平坦化ローラ１２を戻すとき（平坦化ローラ１２の復路移動のとき）の少なくともいずれかのときである。

制御部５００のＩ／Ｏ５０７には、平坦化ローラ１２の温度を検知する温度センサ５６２、装置の環境条件としての温度及び湿度を検出する温湿度センサ５６０、などの検知信号やその他のセンサ類の検知信号が入力される。

制御部５００には、この装置に必要な情報の入力及び表示を行うための操作パネル５２２が接続されている。

なお、造形データ作成装置６００と立体造形装置（粉体積層造形装置）６０１によって造形装置が構成される。

次に、一般的な造形の流れについて図９も参照して説明する。図９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。

造形槽２２の造形ステージ２４上に、１層目の造形層３０が形成されている。

この造形層３０上に次の造形層３０を形成するときには、図９（ａ）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Δｔ１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Δｔ１が次に形成する粉体層３１の厚さに相当する。間隔Δｔ１は、数十〜１００μｍ程度であることが好ましい。

次いで、図９（ｂ）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を順方向（矢印方向）に回転しながらＹ２方向（造形槽２２側）に移動することで、粉体２０を造形槽２２へと移送供給する（粉体供給）。

さらに、図９（ｃ）に示すように、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、図９（ｄ）に示すように、造形ステージ２４の造形層３０上で所定の厚さΔｔ１になる粉体層３１を形成する（平坦化）。粉体層３１を形成後、平坦化ローラ１２は矢印Ｙ１方向に移動されて初期位置に戻される。

このとき、平坦化ローラ１２は加熱手段１４によって加熱されており、平坦化ローラ１２が造形層３０上を通過するときに、造形層３０上に形成された粉体層３１を通じて造形層３０が加熱される。これにより、造形層３０の乾燥が促進される。

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Δｔ１の粉体層３１を形成できる。

その後、図９（ｅ）に示すように、吐出ユニット５１のヘッド５０から造形液１０の液滴を吐出して、次の粉体層３１に造形層３０を積層形成する（造形）。

なお、造形層３０は、例えば、ヘッド５０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。

したがって、造形層３０が加熱されることで造形液１０の乾燥が促進されて、造形層３０を積層して立体造形物を形成したとき、完成後速やかに立体造形物を取出すことができ、待ち時間が短くなる。

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、上記立体造形装置で使用する立体造形用粉末材料（粉体）及び造形液の一例について説明する。なお、以下で説明する粉体及び造形液に限定されるものではない。

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。

−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、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、５〜３０ｍＰａ・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１０及び図１１を参照して説明する。図１０は同実施形態における制御部による立体造型動作に係わる制御の説明に供するフロー図、図１１は同じく具体的説明に供する断面説明図である。なお、図１０では平坦化ローラを「リコータ」と表記する。

まず、第ｎ層目の造形層３０を形成した後、前述したように供給ステージ２３の上昇と造形ステージ２４の下降を行う。

その後、図１１（ａ）にも示すように、平坦化ローラ１２（リコータ）を回転させながら速度ｖ１で供給槽２１から造形槽２２側に移動させて、供給槽２１から造形槽２２に粉体２０を供給して平坦化し、粉体層３１を形成する。

そして、平坦化ローラ１２が造形槽２２側の終端位置まで到達した後、平坦化ローラ１２の加熱手段１４に給電して平坦化ローラ１２を加熱状態にする。

その後、図１１（ｂ）にも示すように、加熱状態にある平坦化ローラ１２を速度ｖ２（ｖ２≦ｖ１）で初期位置側に移動させる。

このように、加熱状態にある平坦化ローラ１２が造形槽２２の粉体層３１の粉体２０に接触した状態で初期位置に戻る（復路移動する）ことで、粉体層３１の下方にある前回造形された造形層３０が加熱され、造形液１０が乾燥する。

そして、平坦化ローラ１２が造形槽２２を通過したときには、加熱手段１４による平坦化ローラ１２の加熱を停止し、平坦化ローラ１２が初期位置に戻ったときに、平坦化ローラ１２を移動停止する。

ここで、図１１（ａ）に示すように、平坦化ローラ１２に移動させて造形槽２２に粉体２０を供給し平坦化するときの移動速度を速度ｖ１とし、図１１（ｂ）に示すように、平坦化ローラ１２を終端位置から造形槽２２上を通って供給槽２１側の初期位置に戻すときの移動速度（戻し速度）を速度ｖ２とする。

このとき、速度ｖ１よりも速度ｖ２を遅くする（ｖ２＜ｖ１）ことで、造形槽２２上で平坦化ローラ１２による造形層３０の加熱をより確実に行うことができる。

このように、平坦化ローラ１２によって粉体層３１の粉体２０を介して造形層３０を加熱することで、造形液１０の乾燥を促進することができる。

したがって、造形層３０を積層して立体造形物を形成したとき、立体造型物完成後、速やかに、立体造形物を取出すことができ、待ち時間が短くなる。

なお、ここでは、平坦化ローラ１２を造形槽２２側の終端位置から戻す復路移動のときに平坦化ローラ１２を加熱状態にしているが、供給槽２１側から粉体２０を造形槽２２に供給しながら均す往路移動のときに加熱する構成とすることもできる。また、造形槽２２上を移動させるときは平坦化ローラ１２を常時加熱した状態とすることもできる。以下の実施形態においても同じである。

次に、本発明の第２実施形態について図１２を参照して説明する。図１２は同実施形態における平坦化ローラの戻し速度の制御の説明に供する断面説明図である。

本実施形態では、平坦化ローラ１２を加熱状態で戻すとき、造形槽２２上を通過する間は戻し速度（復路移動速度）ｖを速度ｖ３として、造形槽２２を通過した後は戻し速度を速度ｖ２（ｖ２＞ｖ３）に変更する。なお、供給槽２１上を戻すときの戻し速度ｖは、前述した供給時の速度ｖ１（ｖ１＞ｖ２）とすることもできる（以下の実施形態でも同様である。）。

このように、造形槽２２上を通過するときだけ平坦化ローラ１２の速度を遅くすることで、造形層３０を確実に加熱することができる。そして、供給槽２１上を通過するときには平坦化ローラ１２の速度を速くすることで、造形時間を短縮できる。

次に、本発明の第３実施形態について図１３を参照して説明する。図１３は同実施形態における平坦化ローラの戻し速度の制御の説明に供する平面説明図である。

本実施形態では、造形層３０を造形（形成する）ときにヘッド５０から吐出した造形液１０の液体量（吐出液体量）Ｍに応じて平坦化ローラ１２を戻すときの造形槽２２上での戻し速度ｖを変更するようにしている。

例えば、造形層３０を造形するときの吐出液体量Ｍが所定量Ｍ１未満である（Ｍ＜Ｍ１）であるときには平坦化ローラ１２は戻し速度ｖ２で移動させ、造形層３０を造形するときの吐出液体量Ｍが所定量Ｍ１以上であるときには平坦化ローラ１２は戻し速度ｖ３（ｖ３＜ｖ２）で移動させる。

図１３（ａ）に示すように、面積の小さな造形層３０Ａを造形する場合には吐出液体量Ｍが少なく、所定量Ｍ１未満（Ｍ＜Ｍ１）であることから、速度ｖ２で平坦化ローラ１２を戻している。

一方、図１３（ｂ）に示すように、面積の大きな造形層３０Ｂを造形する場合には吐出液体量Ｍが多く、所定量Ｍ１以上（Ｍ≧Ｍ１）であることから、速度ｖ３で平坦化ローラ１２を戻している。

つまり、造形層３０を造形するために吐出した造形液１０の液体量が少ないときには、乾燥しやすいので、平坦化ローラ１２の速度を速くしても確実に造形層３０を加熱できる。そこで、平坦化ローラ１２の速度を速くして造形速度を向上する。

これに対し、造形層３０を造形するために吐出した造形液１０の液体量が多いときには、乾燥しにくくなるので、平坦化ローラ１２の速度を遅くして戻すことで、乾燥時間が長くなり、確実に造形層３０を加熱乾燥することができる。

このように、造形層を形成するときに液体吐出手段から吐出した吐出液体量に基づいて平坦化手段の移動速度を制御することで、立体造形物の取り出し待ち時間の短縮と造形速度の向上とを図ることができる。

この場合、吐出液体量が所定量以上であるときには、平坦化手段の移動速度を、所定量未満であるときの移動速度よりも遅い速度とすることで、確実に加熱時間を確保して乾燥することができる。

次に、本発明の第４実施形態について図１４及び図１５を参照して説明する。図１４は同実施形態における平坦化ローラの戻し速度の制御の説明に供する平面説明図、図１５は同じく造形層の積層数と戻し速度の関係の一例の説明に供する説明図である。

本実施形態では、積層方向で重なる領域を有して連続する造形層３０を形成するときに、重なる領域に吐出した吐出液体量に応じて平坦化ローラ１２を戻すときの造形槽２２上での戻し速度ｖを変更するようにしている。

ここでは、重なる領域に吐出した吐出液体量を、積層方向で重なる領域を有して連続する造形層３０の積層数（これを「連続積層数」という。）Ｌをカウントして得ている。そして、例えば、造形層３０の連続積層数Ｌが所定値Ｌ１未満である間は戻し速度ｖを速度ｖ２として、所定値Ｌ１以上（Ｌ≧Ｌ１）になったときは戻し速度ｖを速度ｖ３（ｖ３＜ｖ２）にする。

つまり、造形層３０の面積自体が小さい場合でも、造形層３０が同じ領域で積み重なるにつれて積み重ねられた複数の造形層３０に含まれる造形液１０の量が増えるので、乾燥しにくくなる。

例えば、図１４の例では、第α層目の造形層３０上に、第α層目の造形層３０を含む形状（又は同じ形状）の第（α＋１）層目の造形層３０を造形し、同様の造形が繰り返され、第（α＋ｎ）層目の造形層３０が造形されている。

このように、粉体層３１を１層形成するごとに同じ領域に造形液１０を吐出して造形層３０を形成すると、造形層３０の面積自体が小さい場合でも、１層の粉体層３１の形成完了時の加熱だけでは造形液１０がすべて乾燥しないことがある。つまり、造形層３０が同じ領域で積み重なるにつれて、乾燥残りの造形液１０の量が増えるので、乾燥しにくくなる。

そこで、例えば、図１５に示すように、上記所定値Ｌ１を例えば４層（Ｌ１＝４）に設定し、同じ領域における造形層３０の連続積層数Ｌをカウントして、連続積層数Ｌが４層になったときには、平坦化ローラ１２を戻すときの造形槽２２上での移動速度ｖを速度ｖ２よりも遅い速度ｖ３にする。

これにより、同じ領域における造形層３０の連続積層数Ｌが増加したときには、平坦化ローラ１２による乾燥時間が長くなり、確実に造形層３０を加熱乾燥することができる。

その後、図１５に示す例では、平坦化ローラ１２の戻し速度ｖを速度ｖ２に戻している。つまり、連続積層数Ｌが所定値Ｌ１以上になって速度ｖ３で平坦化ローラ１２を戻したときには、連続積層数Ｌのカウント値をリセットしている。ただし、速度ｖ３で所定回数戻したときに、連続積層数Ｌのカウント値をリセットして速度ｖ２に戻すようにすることもできる。

これにより、粉体層を１層形成するごとに平坦化ローラ１２を初期位置に戻す速度を遅くする必要がなくなる。

次に、本発明の第５実施形態について図１６を参照して説明する。図１６は同実施形態における平坦化ローラの戻し速度の制御の説明に供する平面説明図である。

本実施形態では、造形層３０を造形するときに吐出された吐出液体量の分布に応じて平坦化ローラ１２を戻すときの造形槽２２上での戻し速度ｖを変更するようにしている。

例えば、図１６に示すように、平坦化ローラ１２が初期位置に戻る方向において所定長さ毎の複数の領域７００に分割する（破線で区切られる領域）。そして、領域７００内における造形液１０の吐出液体量を、例えば、相対的に多い領域、中間の領域、少ない領域の三段階に分けている。

そこで、平坦化ローラ１２の戻し速度ｖを、吐出液体量Ｍａが多い領域７００については速度ｖ３、吐出液体量Ｍａが中間の領域７００については速度ｖ５、吐出液体量Ｍａが少ない領域７００については速度ｖ４（ｖ３＜ｖ５＜ｖ４＜ｖ２）とする。なお、速度ｖ２は供給槽２１側での戻し速度ｖである。

つまり、１層の粉体層３１の中で造形液１０を吐出させる分布が大きく異なる場合がある。この場合、前記第３実施形態で説明したように、全体的な吐出液体量だけでは、乾燥が不十分になる領域が生じ、逆に、不要に乾燥を時間が長くなる領域が生じて効率的でない。

そこで、図１６に示すように、造形層３０の内、吐出液体量Ｍａが相対的に多い領域７００となる造形領域３０ａでは最も遅い速度ｖ３で平坦化ローラ１２を戻し、吐出液体量Ｍａが相対的に少ない領域７００となる造形領域３０ｂでは最も速い速度ｖ４で平坦化ローラ１２を戻し、吐出液体量Ｍａが相対的に中間の領域７００となる造形領域３０ｃでは中間の速度ｖ５で平坦化ローラ１２を戻す制御を行う。ただし、いずれの領域でも供給槽２１側での戻し速度ｖ２よりは遅くしている。

これにより、造形液１０の吐出液体量の分布に応じた速度で平坦化ローラ１２を移動させて、加熱時間の確保と戻し時間の短縮化を図ることができる。

なお、戻し速度の設定段階数は３段階に限らず、２段階でもよいし、あるいは４段階以上でもよい。

次に、本発明の第６実施形態について図１７及び図１８を参照して説明する。図１７は同実施形態における平坦化ローラの戻し速度の制御の説明に供する平面説明図、図１８は同じく造形層の積層数と戻し速度と造形液の吐出液体量の関係の一例の説明に供する説明図である。

本実施形態では、積層方向で重なる領域における造形層３０の連続積層数Ｌと、同じ粉体層３１内における造形液１０の吐出液体量の分布とに応じて、平坦化ローラ１２を戻すときの造形槽２２上での戻し速度ｖを変更するようにしている。

すなわち、造形層３０の連続積層数Ｌが所定値Ｌ１未満である間、及び、平坦化ローラ１２が初期位置に戻る方向において所定長さ毎の複数の領域７００における造形液１０の吐出液体量Ｍａが所定量Ｍａ１未満であるときには、平坦化ローラ１２を戻すときの造形槽２２上での戻し速度ｖを速度ｖ２とする。

一方、造形層３０の連続積層数Ｌが所定値Ｌ１以上になったとき、或いは、平坦化ローラ１２が初期位置に戻る方向において所定長さ毎の複数の領域７００における造形液１０の吐出液体量Ｍａが所定量Ｍａ１以上であるときには、平坦化ローラ１２を戻すときの造形槽２２上での戻し速度ｖを速度ｖ３（ｖ３＜ｖ２）とする。

例えば、図１７に示すように、造形層３０Ｃ〜３０Ｆを造形した場合、平坦化ローラ１２の移動方向において、造形層３０Ｃ〜３０Ｅが造形された領域Ａと、造形層３０がない領域Ｂと、造形層３０Ｆが造形された領域Ｃとに分けることができる。

このとき、領域Ａでは、図１８（ａ）に示すように、１層の粉体層３１に形成される造形層３０Ｃ〜３０Ｅを合わせた吐出液体量Ｍａが所定量Ｍａ１以上となる。領域Ｂでは、図１８（ｂ）に示すように、造形層３０が造形されないので、連続積層数Ｌが所定値Ｌ１未満であり、かつ、吐出液体量Ｍａが所定量Ｍａ１未満となる。領域Ｃでは、図１８（ｃ）に示すように、造形層３０Ｄの吐出液体量Ｍａが所定量Ｍａ１未満であるが、連続積層数Ｌが所定値Ｌ１（Ｌ１＝３とする）以上になる。

そこで、領域Ａでは、平坦化ローラ１２の戻し速度ｖを速度ｖ３にして移動させる。領域Ｂでは、平坦化ローラ１２の戻し速度ｖを速度ｖ２にして移動させる。領域Ｃでは、積層数Ｌが３層以上になるまでは平坦化ローラ１２の戻し速度ｖを速度ｖ２にして移動させ、３層以上になったときは平坦化ローラ１２の戻し速度ｖを速度ｖ３にして移動させる。

これにより、粉体層３１を１層形成するごとに平坦化ローラ１２を初期位置に戻す速度を遅くする必要がなくなり、造形層３０の分布によって必要な箇所にだけ乾燥時間を長くすることができる。

なお、戻し速度を変更する着弾面積の段階を３段階以上とすることもできる。また、戻し速度を変更する積層数も２層、あるいは、４層以上とすることもできる。また、戻し速度を変更した後、所定回数は変更後の速度で戻した後、リセットするようにすることもできる。

上述した各実施形態における平坦化ローラの戻し速度の制御は主制御部５００ＡのＣＰＵ５０１がＲＯＭ５０２に格納されたプログラムに従って実行する。

また、平坦化部材の戻し速度の変更を行う前述した造形液の吐出液体量の所定量や連続積層数の所定値は、ホスト６００や操作パネル５２２によって設定データを入力することで変更することができる。

次に、立体造形装置の第２例について図１９及び図２０を参照して説明する。図１９は同装置の要部斜視説明図、図２０は同じく造形の流れと共に説明する造形部の断面説明図である。

この立体造形装置は、粉体積層造形装置であり、前述した第１例の立体造形装置と同様に、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に造形液の液滴を吐出して立体造形物を造形する造形手段としての造形ユニット５とを備えている。

造形部１は造形槽２２のみを有し、粉体供給装置から造形槽２２に粉体供給する構成としている。

造形ユニット５は、吐出ユニット５１がガイド部材５４、５５で矢印Ｘ方向（これを「主走査方向」とする。）に往復移動可能に支持されている。

なお、その他の構成は前記第１例の立体造形装置と同様である。

この立体造形装置では、図２０（ａ）に示すように、造形槽２２の造形ステージ２４上に供給された粉体２０に吐出ユニット５１のヘッド５０から造形液１０の液滴を吐出して造形層３０を形成する。

このとき、吐出ユニット５１を主走査方向に移動させて１スキャン分（１走査領域分）の造形を行い、その後、造形ユニット５を副走査方向（Ｙ１方向）に１スキャン分移動させ、次の１走査領域分の造形を行うことを繰り返して、１層分の造形層３０を造形する。なお、１層分の造形層３０を造形後に造形ユニット５は図２０（ｂ）に示すように副走査方向上流側まで戻される。

その後、この造形層３０上に次の造形層３０を形成するために造形槽２２の造形ステージ２４を１層分の厚み分だけ矢印Ｚ２方向に下降させる。

次いで、図２０（ｂ）に示すように、造形槽２２に粉体供給装置から粉体２０を供給する。そして、平坦化ローラ１２を回転しながら造形槽２２の造形ステージ２４のステージ面に沿ってＹ２方向に移動させ、造形ステージ２４の造形層３０上で所定の厚さになる粉体層３１を形成する（平坦化）。

そして、吐出ユニット５１のヘッド５０から造形液１０の液滴を吐出して次の造形層３０を形成する。

このように、粉体層３１の形成と造形液１０の吐出による粉体２０の固化とを繰り返して造形層３０を順次積層して立体造形物を造形する。

１ 造形部
５ 造形ユニット
１０ 造形液
１２ 平坦化ローラ（平坦化手段、回転体）
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
３１ 粉体層
５０ 液体吐出ヘッド
５１ 吐出ユニット

Claims (8)

1. 粉体が供給されて粉体層が形成され、前記粉体層の粉体が結合された造形層が積層形成される造形槽と、
   往復移動可能に配置され、前記造形槽における前記粉体の表面を平坦化して前記粉体層を形成する平坦化部材と、
   前記造形槽の前記粉体層に対して造形液を吐出して前記造形層を形成する液体吐出手段と、
   前記平坦化部材を加熱する加熱手段と、
   前記平坦化部材を、前記加熱手段で加熱した状態で、前記造形層上の前記粉体に接触させて移動させる手段と、を有し、
   積層方向で重なる領域を有して連続する前記造形層を形成するときに、前記重なる領域に前記液体吐出手段から吐出した液体量が所定量以上になったときには、前記平坦化手段の移動速度を、前記所定量未満であるときの移動速度よりも遅い速度とする制御をする
   ことを特徴とする立体造形装置。
2. 前記積層方向で重なる連続する前記造形層の積層数が所定値以上になったときに、前記平坦化手段の移動速度を、前記積層数が所定値未満であるときの移動速度よりも遅い速度とする制御をする
   ことを特徴とする請求項１に記載の立体造形装置。
3. 粉体が供給されて粉体層が形成され、前記粉体層の粉体が結合された造形層が積層形成される造形槽と、
   往復移動可能に配置され、前記造形槽における前記粉体の表面を平坦化して前記粉体層を形成する平坦化部材と、
   前記造形槽の前記粉体層に対して造形液を吐出して前記造形層を形成する液体吐出手段と、
   前記平坦化部材を加熱する加熱手段と、
   前記平坦化部材を、前記加熱手段で加熱した状態で、前記造形層上の前記粉体に接触させて移動させる手段と、を有し、
   前記平坦化手段を初期位置側に戻すときに、前記平坦化手段を前記加熱手段で加熱した状態にする
   ことを特徴とする立体造形装置。
4. 前記加熱手段による前記平坦化手段の加熱温度を変更させる手段を備えている
   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。
5. 粉体が供給されて粉体層が形成され、前記粉体層の粉体が結合された造形層が積層形成される造形槽と、
   往復移動可能に配置され、前記造形槽における前記粉体の表面を平坦化して前記粉体層を形成する平坦化部材と、
   前記造形槽の前記粉体層に対して造形液を吐出して前記造形層を形成する液体吐出手段と、
   前記平坦化部材を加熱する加熱手段と、を有する立体造形装置による立体造形方法であって、
   前記平坦化部材を、前記加熱手段で加熱した状態で、前記造形層上の前記粉体に接触させて移動させ、
   積層方向で重なる領域を有して連続する前記造形層を形成するときに、前記重なる領域に前記液体吐出手段から吐出した液体量が所定量以上になったときには、前記平坦化手段の移動速度を、前記所定量未満であるときの移動速度よりも遅い速度とする
   ことを特徴とする立体造形方法。
6. 粉体が供給されて粉体層が形成され、前記粉体層の粉体が結合された造形層が積層形成される造形槽と、
   往復移動可能に配置され、前記造形槽における前記粉体の表面を平坦化して前記粉体層を形成する平坦化部材と、
   前記造形槽の前記粉体層に対して造形液を吐出して前記造形層を形成する液体吐出手段と、
   前記平坦化部材を加熱する加熱手段と、を有する立体造形装置による立体造形方法であって、
   前記平坦化部材を、前記加熱手段で加熱した状態で、前記造形層上の前記粉体に接触させて移動させ、
   前記平坦化手段を初期位置側に戻すときに、前記平坦化手段を前記加熱手段で加熱した状態にする
   ことを特徴とする立体造形方法。
7. 粉体が供給されて粉体層が形成され、前記粉体層の粉体が結合された造形層が積層形成される造形槽と、
   往復移動可能に配置され、前記造形槽における前記粉体の表面を平坦化して前記粉体層を形成する平坦化部材と、
   前記造形槽の前記粉体層に対して造形液を吐出して前記造形層を形成する液体吐出手段と、
   前記平坦化部材を加熱する加熱手段と、
   を有する立体造形装置による立体造形動作の制御をコンピュータに行わせるためのプログラムであって、
   前記平坦化部材を、前記加熱手段で加熱した状態で、前記造形層上の前記粉体に接触させて移動させ、
   積層方向で重なる領域を有して連続する前記造形層を形成するときに、前記重なる領域に前記液体吐出手段から吐出した液体量が所定量以上になったときには、前記平坦化手段の移動速度を、前記所定量未満であるときの移動速度よりも遅い速度とする制御をする処理をコンピュータに行わせるためのプログラム。
8. 粉体が供給されて粉体層が形成され、前記粉体層の粉体が結合された造形層が積層形成される造形槽と、
   往復移動可能に配置され、前記造形槽における前記粉体の表面を平坦化して前記粉体層を形成する平坦化部材と、
   前記造形槽の前記粉体層に対して造形液を吐出して前記造形層を形成する液体吐出手段と、
   前記平坦化部材を加熱する加熱手段と、
   を有する立体造形装置による立体造形動作の制御をコンピュータに行わせるためのプログラムであって、
   前記平坦化部材を、前記加熱手段で加熱した状態で、前記造形層上の前記粉体に接触させて移動させ、
   前記平坦化手段を初期位置側に戻すときに、前記平坦化手段を前記加熱手段で加熱した状態にする処理をコンピュータに行わせるためのプログラム。

Images