JP6442997B2

JP6442997B2 - 立体造形装置

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Publication number: JP6442997B2
Application number: JP2014233848A
Authority: JP
Inventors: 小野　泰一; 泰一小野
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2014-09-12
Filing date: 2014-11-18
Publication date: 2018-12-26
Anticipated expiration: 2034-11-18
Also published as: JP2016060195A

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、例えば粉体（粉末ともいう）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、造形槽の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、形成された粉体層に対して造形液の液滴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。

そして、従来、層形成部とバインダ吐出部との間に粉末の飛散を防止する粉末シールド部を備えるものが知られている（特許文献１）。

特開２００３−２３１１８３号公報

ところで、上述したように粉体の薄層である粉体層に造形液の液滴を吐出して固化させて造形層を形成して粉体積層造形法にあっては、ヘッドが移動することで粉体が舞い上がりヘッドの吐出面に付着し、吐出不良が発生することがある。

この場合、特許文献１に開示されているように粉末シールド部を備える構成にあっては、吐出面への粉体付着を低減するための構成が複雑に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、簡単な構成でヘッドの吐出面への粉体付着を低減することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係る立体造形装置は、
粉体が結合された造形層が積層されて立体造形物が造形される造形槽と、
前記造形槽の前記粉体に対して造形液の液滴を吐出するヘッドを有する造形手段と、を備え、
前記ヘッドは第１の方向に往復移動可能に設けられ、
前記造形手段と前記造形槽とは前記第１の方向と直交する第２の方向に相対的に移動可能に設けられ、
前記ヘッド及び前記造形槽の少なくともいずれかは高さ方向に昇降可能に設けられ、
前記ヘッドが前記造形槽に対向した状態で前記造形手段を相対的に前記第２の方向に移動させるときには、前記ヘッド及び前記造形槽の少なくともいずれかを上昇又は下降させて、前記ヘッドと前記造形槽の粉体面との間隔を、液滴を吐出させるときよりも広くする退避動作を制御する退避制御手段を有する
構成とした。

本発明によれば、簡単な構成でヘッドの吐出面への粉体付着を低減することができる。

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。同じく造形部の断面説明図である。吐出ヘッドユニットによる造形時の平面説明図である。同装置の制御部を示すブロック図である。造形の流れの説明に供する断面説明図である。本発明の第１実施形態における主制御部による造形制御（印字制御）を示すフロー図である。同じく吐出ヘッドユニットの動きの説明に供する説明図である。印字ギャップ及び退避ギャップの説明に供する説明図である。本発明の第２実施形態における主制御部による造形制御（印字制御）を示すフロー図である。同じく吐出ヘッドユニットの動きの説明に供する説明図である。本発明の第３実施形態における主制御部による造形制御（印字制御）を示すフロー図である。同実施形態の説明に供する粉体粒径と退避ギャップとの関係の説明に供する説明図である。本発明の第４実施形態における主制御部による造形制御（印字制御）を示すフロー図である。本発明の第５実施形態の説明に供する環境温度と退避ギャップとの関係の説明に供する説明図である。本発明の第６実施形態の説明に供する環境温度と退避ギャップとの関係の説明に供する説明図である。立体造形装置の他の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。同装置における造形の流れの説明に供する断面説明図である。吐出ヘッドユニットの第１例の説明に供する平面説明図である。同じく側面説明図である。同吐出ヘッドユニットの第２例の説明に供する平面説明図である。同じく側面説明図である。

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３を参照して説明する。図１は同装置の要部斜視説明図、図２は同じく造形部の断面説明図、図３は吐出ヘッドユニットによる造形時の平面説明図である。なお、図２は１層の造形層が形成された上に１層の粉体層が形成された状態で示している。

この立体造形装置は、粉体積層造形装置であり、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、粉体槽１１と、平坦化手段としての回転体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が供給されて、造形物が造形される造形槽２２を有している。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上に造形物が造形される。

なお、粉体槽１１は、造形槽２２とともに、造形層に粉体２０を供給する供給槽を有する二槽構成とすることもできる。この場合には粉体供給装置から供給槽に粉体が供給され、平坦化ローラ１２が供給槽から造形槽２２にまで回転しながら移動することで、粉体の造形槽２２への移送と平坦化を行う。

平坦化ローラ１２は、造形ステージ２４のステージ面（粉体２０が積載される面）に沿う方向にステージ面に対して相対的に往復移動可能であり、造形槽２２に供給された粉体２０を平坦化して粉体層３１を形成する。

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を有する吐出ヘッドユニット５１を備えている。

吐出ヘッドユニット５１には、例えば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。

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。

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。

ここで、吐出ヘッドユニット５１は、ガイド部材５４、５５で第１の方向である矢印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る。

造形ユニット５は、第１の方向と直交する第２の方向である矢印Ｙ方向（これを「副走査方向」とする。）に往復移動可能である。

吐出ヘッドユニット５１は、高さ方向である矢印Ｚ方向に昇降可能に設けられている。吐出ヘッドユニット５１を昇降させることで、ヘッド５０の吐出面５０ｎと造形槽２２の粉体面２０ａとの間隔（ギャップ）を変化させることができる。

吐出ヘッドユニット５１の高さ（ヘッド５０の高さ）を調整する高さ調整機構６０は、吐出ヘッドユニット５１を支持するガイド部材５４、５５の各軸部が偏心して取り付けられる調整板６１、６２と、調整板６１、６２を連動させるリンク機構６３とを有する。

そして、調整板６１に連結された操作部材６４を、Ｚ方向昇降モータ５５２によって伝達機構５５２Ａを介して駆動することで、調整板６１が回転してガイド部材５４、５５の高さが変化し、吐出ヘッドユニット５１の高さが変化する。これにより、ヘッド５０の吐出面５０ｎと造形槽２２の粉体面２０ａとの間隔（ギャップ）を調整できる。

次に、立体造形装置の制御部の概要について図４を参照して説明する。図４は同制御部を示すブロック図である。

制御部５００は、この装置全体の制御を司るＣＰＵ５０１と、ＣＰＵ５０１が実行するプログラム、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、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、本発明に係るプログラムを含む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、吐出ヘッドユニット５１の各ヘッド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、吐出ヘッドユニット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５５１を駆動するモータ駆動部５１１を備えている。

制御部５００は、吐出ヘッドユニット５１を矢印Ｚ方向に移動（昇降）させるＺ方向昇降モータ５５２を駆動するモータ駆動部５１２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、造形ユニット５全体を昇降させることで吐出ヘッドユニット５１のヘッド５０の高さを変化できる。

制御部５００は、造形ステージ２４を昇降させるモータ５５３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を移動させるモータ５５４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５５５を駆動する５１６を備えている。

制御部５００は、造形槽２２に粉体２０を供給する粉体供給装置５５６を駆動する供給系駆動部５１７と、吐出ヘッドユニット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５５７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のＩ／Ｏ５０７には、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からの検知信号などが入力される。

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。

主制御部５００Ａは、退避制御手段を兼ねており、ＲＯＭ５０２に格納されたプログラムに従って、吐出ヘッドユニット５１のヘッド５０を上昇させて、ヘッド５０と造形槽２２の粉体面（粉体層３１の表面）との間隔を、液滴を吐出させるときよりも広くする退避動作を制御する。

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。

図５（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に吐出ヘッドユニット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、吐出ヘッドユニット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層分造形層３０を造形する。なお、１層分造形層３０を造形後に造形ユニット５は図５（ｂ）に示すように副走査方向上流側まで戻される。

その後、図５（ｂ）に示すように、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Ｚ１方向に下降させる。

そして、造形槽２２に粉体供給装置５５６から粉体２０を供給する。

次いで、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、吐出ヘッドユニット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。

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、５〜３０ｍＰａ・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。

ただし、上述したように架橋剤含有水を使用することで、立体造形物が所要の強度を持つまでには造形後の水分蒸発が必要になることで、本発明を適用しなければ、造形後取り出し可能状態になるまで待機する必要がある。

次に、本発明の第１実施形態について図６ないし図８を参照して説明する。図６は同実施形態における主制御部による造形制御（印字制御）を示すフロー図、図７は同じく吐出ヘッドユニットの動きの説明に供する説明図、図８はギャップの説明に供する説明図である。

本実施形態は、吐出ヘッドユニットの双方向（往路及び復路）で造形液の液滴を吐出して造形層を形成する動作（双方向印字）を行う。

まず、造形ユニット５を移動して造形槽２２に対向する位置まで移動し、吐出ヘッドユニット５１をスタート位置（図７の位置Ｓ１）に移動する。

このとき、ヘッド５０は、図８（ａ）に示すように、ヘッド５０の吐出面５０ｎと造形槽２２の粉体面２０ａとの間隔が粉体２０に液滴を吐出して造形を行うときの印字ギャップＧ１になる高さ（印字時高さ）に設定する。

そして、吐出ヘッドユニット５１を主走査方向に移動させながら、ヘッド５０から所要の造形液１０の液滴を吐出させて造形層３０を形成し、吐出ヘッドユニット５１を図７の位置Ｓ２まで移動する。なお、往路を図７のＸ１方向、復路を図７のＸ２方向とする。

その後、ヘッド５０を上昇させて、図８（ｂ）に示すように、ヘッド５０の吐出面５０ｎと造形槽２２の粉体面２０ａとの間隔が印字ギャップＧ１よりも広い退避ギャップＧ２（Ｇ２＞Ｇ１）になる高さ（退避時高さ）にする退避動作を行う。

その後、ヘッド５０を退避時高さにした状態で、造形ユニット５を副走査方向（図７のＹ１方向）に移動させ、ヘッド５０を次の走査位置（図７の位置Ｓ３）まで移動させる。

そして、当該造形層の造形が終了したか否かを判別する。

このとき、当該造形層の造形が終了していなければ、ヘッド５０を下降させて、ヘッド５０を印字ギャップＧ１となる印字高さにし、吐出ヘッドユニット５１を主走査方向に移動させながら、ヘッド５０から所要の造形液１０の液滴を吐出させて造形層３０を形成する。

以後、上記の動作を当該造形層の造形が終了するまで繰り返す。

そして、当該造形層の造形が終了すれば、すべての造形が終了したか否かを判別する。

このとき、すべての造形が終了していなければ、次の造形層の造形を行うために、ヘッドをスタート位置に移動する。そして、すべての造形が終了したときには、この処理を終了する。

このように、ヘッド５０から滴吐出を行わないで、吐出ヘッドユニット５１を造形槽２２の粉体２０に対向して移動させるとき、すなわち吐出ヘッドユニット５１を副走査方向に移動させるときには、印字ギャップＧ１よりも広い退避ギャップＧ２になる高さまでヘッド５０を退避させる。

これにより、吐出ヘッドユニット５１の移動によって造形槽２２の粉体２０の舞い上がりが生じても、ヘッド５０の吐出面５０ｎに到達して付着する粉体量が低減する。したがって、ヘッド５０の吐出面５０ｎへの粉体２０の付着による吐出不良（吐出曲り、吐出不能）が低減する。

次に、本発明の第２実施形態について図９及び図１０を参照して説明する。図９は同実施形態における主制御部による造形制御（印字制御）を示すフロー図、図１０は同じく吐出ヘッドユニットの動きの説明に供する説明図である。

本実施形態は、吐出ヘッドユニットの片方向（往路又は復路の一方）で造形液の液滴を吐出して造形層を形成する動作（片方向印字）を行う。

まず、造形ユニット５を移動して造形槽２２に対向する位置まで移動し、吐出ヘッドユニット５１をスタート位置（図１０の位置Ｓ１）に移動する。

このとき、ヘッド５０の高さを、前記第１実施形態と同様に、印字ギャップＧ１になる印字時高さにする。

そして、吐出ヘッドユニット５１を主走査方向（往路方向：図１０のＸ１方向）に移動させながら、ヘッド５０から所要の造形液１０の液滴を吐出させて造形層３０を形成する。なお、Ｘ１方向が、第１の方向の一方の方向である。

その後、ヘッド５０を上昇させて、印字ギャップＧ１よりも広い退避ギャップＧ２になる退避時高さに設定する。

その後、ヘッド５０を退避時高さにした状態で、吐出ヘッドユニット５１を主走査方向（復路方向：図１０のＸ２方向）に移動させて位置Ｓ１側まで戻す。なお、Ｘ２方向が、第１の方向の他方の方向である。

次いで、造形ユニット５を副走査方向（Ｙ１方向）に移動させ、吐出ヘッドユニット５１を次の走査位置（図１０の位置Ｓ２）まで移動させる。

そして、当該造形層の造形が終了したか否かを判別する。

このように、ヘッド５０から滴吐出を行わないで、吐出ヘッドユニット５１を造形槽２２の粉体面２０ａに対向して移動させるとき、すなわち吐出ヘッドユニット５１を主走査方向で戻すとき、及び副走査方向に移動させるときには、印字ギャップＧ１よりも広い退避ギャップＧ２になる高さまでヘッド５０を退避させる。

また、片方向印字を行うときには、ヘッド５０を退避ギャップＧ２となり高さまで退避させているので、吐出ヘッドユニット５１をＸ１方向に移動させるときの速度（造形時速度）よりもＸ２方向に移動させるときの速度（復帰時速度）を速くすることできる。このようにしても、ヘッド５０の吐出面５０ｎへの粉体２０の付着を低減ないしなくすることができる。

次に、本発明の第３実施形態について図１１及び図１２を参照して説明する。図１１は同実施形態における主制御部による造形制御（印字制御）を示すフロー図、図１２は同実施形態の説明に供する粉体粒径と退避ギャップとの関係の説明に供する説明図である。

図１２に示すように、粉体２０の粒径が大きくなるほど、吐出ヘッドユニット５１の移動に伴う粉体２０の舞い上がりが少なくなる。したがって、退避ギャップＧ２を小さく（狭く）しても、ヘッド５０の吐出面５０ｎに到達して付着する粉体量が低減し、又は付着しなくなる。

そこで、図１１に示すように、ヘッド５０を退避時高さにするときの退避ギャップＧ２のギャップ量を粉体２０ｎ粒径に応じて変化させるようにしている。なお、粒径と退避ギャップとの関係はテーブル化してＲＯＭなどに記憶しておけばよい。

次に、本発明の第４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主制御部による造形制御（印字制御）を示すフロー図である。

本実施形態では、粉体２０の粒径が予め定めた粒径（閾値）以下であるときに、ヘッド５０を退避ギャップＧ２の高さまで退避させ、粉体２０の粒径が閾値を超えるときには印字ギャップＧ１のままで吐出ヘッドユニット５１を移動させる。

このようにすれば、粉体の付着の影響が少ないような場合にはヘッド５０の退避動作を行う必要がなくなる。

次に、本発明の第５実施形態について図１４を参照して説明する。図１４は同実施形態の説明に供する環境温度と退避ギャップとの関係の説明に供する説明図である。

環境湿度が一定であるとすると、環境温度が低くなるほど、吐出ヘッドユニット５１の移動に伴う粉体２０の舞い上がりが少なくなる。したがって、退避ギャップＧ２を小さく（狭く）しても、ヘッド５０の吐出面に５０ｎ到達して付着する粉体量が低減し、又は付着しなくなる。

そこで、前記第３実施形態における粉体２０の粒径に代えて環境温度を使用する。そして、ヘッド５０を退避時高さにするときの退避ギャップＧ２のギャップ量を温湿度センサ５６０で検出した環境温度に応じて変化させる。

あるいは、前記第４実施形態における粉体２０の粒径に代えて環境温度を使用する。そして、温湿度センサ５６０で検出した環境温度が予め定めた温度（閾値）以上であるときに、ヘッド５０を退避ギャップＧ２の高さまで退避させ、環境温度が閾値未満であるときには印字ギャップＧ１のままで吐出ヘッドユニット５１を移動させる。

次に、本発明の第６実施形態について図１５を参照して説明する。図１５は同実施形態の説明に供する環境温度と退避ギャップとの関係の説明に供する説明図である。

環境温度が一定であるとすると、環境湿度が高くなるほど、吐出ヘッドユニット５１の移動に伴う粉体２０の舞い上がりが少なくなる。したがって、退避ギャップＧ２を小さく（狭く）しても、ヘッド５０の吐出面５０ｎに到達して付着する粉体量が低減し、又は付着しなくなる。

そこで、前記第３実施形態における粉体２０の粒径に代えて環境湿度を使用する。そして、ヘッド５０を退避時高さにするときの退避ギャップＧ２のギャップ量を温湿度センサ５６０で検出した環境湿度に応じて変化させる。

あるいは、前記第４実施形態における粉体２０の粒径に代えて環境湿度を使用する。そして、温湿度センサ５６０で検出した環境温度が予め定めた湿度（閾値）以下であるときに、吐出ヘッドユニット５１を退避ギャップＧ２の高さまで退避させ、環境湿度が閾値を超えるときには印字ギャップＧ１のままで吐出ヘッドユニット５１を移動させる。

なお、粉体の粒径、環境温度、環境湿度を組み合わせて、退避時高さへの移動の有無、あるいは、退避ギャップのギャップ量を変化させる制御を行うようにすることもできる。また、上記第３ないし第５実施形態では、第１実施形態の双方向印字で説明しているが、第２実施形態の片方向印字にも適用できる。

次に、立体造形装置の他の例について図１６ないし図１８を参照して説明する。図１６は同立体造形装置の要部斜視説明図、図１７は同じく概略側面説明図、図１８は造形部の断面説明図である。なお、図１８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。

この装置では、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）に沿う方向である矢印Ｙ方向に、ステージ面に対して相対的に往復移動可能であり、モータ２６によって回転駆動される。

この平坦化ローラ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。

造形ユニット５は、造形ステージ２４上の粉体層３１に造形液１０を吐出する１又は複数のヘッド５０を有する吐出ヘッドユニット５１を備えている。この吐出ヘッドユニット５１の各ヘッド５０に与えるシアン造形液、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。

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、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。

吐出ヘッドユニット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る。

吐出ヘッドユニット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る。

このように紛体槽が２槽構成の立体造形装置による造形を行うときにも本発明を適用することができる。

ここで、２層構成の立体造形装置における造形の流れについて図１９も参照して説明する。図１９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１９（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１９（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）。

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さらに、図１９（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１９（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１９（ｅ）に示すように、吐出ヘッドユニット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。

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。

上記各実施形態においては、造形手段である造形ユニットが造形槽に対して移動する構成、ヘッドが造形槽に対して昇降する構成で説明したが、これに限るものではない。例えば、造形手段である造形ユニットに対して造形槽が移動する構成、造形槽がヘッドに対して昇降する構成とすることもできる。

次に、吐出ヘッドユニットの第１例について図２０及び図２１を参照して説明する。図２０は同吐出ヘッドユニットの平面説明図、図２１は同じく側面説明図である。なお、吐出ヘッドユニットはヘッド部分については透過状態で示している。

ここでも、吐出ヘッドユニット５１は、前述したガイド部材５４、５５に保持されている部分（キャリッジ）５１Ａにてヘッド５０を搭載している。

そして、吐出ヘッドユニット５１のキャリッジ５１Ａには、吐出ヘッドユニット５１が移動するときの移動方向前方となる側（ここでは、両側）の面５１ａ、５１ｂに空気の流れ７００を誘導する誘導手段５８を有している。

誘導手段５７の外形状は、平面視では、図２０に示すように、移動方向と直交する方向の両側に向かう方向に空気の流れを誘導する形状としている。

また、誘導手段５７の外形状は、側面視では、図２１に示すように、造形槽２２と反対側に向かう方向、すなわち、鉛直方向下方から上方に向かう方向に空気の流れ７００を誘導する形状としている。

このように構成したので、吐出ヘッドユニット５１がＸ１方向に移動するとき、液体吐出ヘッドユニット５１の前面となる面５１ａ側に当たる空気の流れ７００は、平面視では、図２０に示すように、移動方向と直交する方向の両側に向かう方向になる。また、空気の流れ７００は、側面視では、図２１に示すように、造形槽２２と反対側に向かう方向、すなわち、鉛直方向下方から上方に向かう方向になる。

これにより、吐出ヘッドユニット５１が移動するときに空気の流れ７００が造形槽２２の粉体２０側に向かうことが低減され、粉体２０の舞い上がりが抑制され、安定した滴吐出を行うことができる。

すなわち、吐出ヘッドユニット５１を移動させるときに生じる気流によって造形槽２２の粉体２０が舞い上がると、粉体２０がヘッド５０の吐出面５０ｎに付着して安定した吐出を行うことができなくなる。

そこで、上記のように、吐出ヘッドユニット５１を移動させるときに、吐出ヘッドユニット５１のノズル面５０ｎ側に向かう気流を低減することにより、粉体２０の舞い上がりを抑えて吐出面５０ｎへの粉体２０の付着を低減できる。

次に、吐出ヘッドユニットの第２例について図２２及び図２３を参照して説明する。図２２は同吐出ヘッドユニットの平面説明図、図２３は同じく側面説明図である。なお、吐出ヘッドユニットはヘッド部分については透過状態で示している。

吐出ヘッドユニット５１には、吐出ヘッドユニット５１が移動するときの移動方向前方となる側（ここでは、両側）の面５１ａ、５１ｂに空気の流れを誘導する誘導手段５８を有している。

ここで、誘導手段５８は、外形状は第１例と同様であるが、吐出ヘッドユニット５１の面５１ａ、５１ｂとの間に隙間５９を形成する中空形状としている。

このように構成したので、吐出ヘッドユニット５１が移動するとき、隙間５９（中空部分）にも空気が流れ込むようになり、より空気の流れ７００が上方に向かうようになり、ヘッド５０の吐出面５０ｎに向かう流れを低減できる。

また、誘導手段を中空にすることで、部品自体を軽量化でき、吐出ヘッドユニット自体の重量増加を抑えることができる。

なお、上記第１例及び第２例では、吐出ヘッドユニット５１がＸ１方向に移動する状態における空気の流れで説明及び図示をしているが、両側に誘導手段を有しているので、吐出ヘッドユニット５１がＸ１方向と反対のＸ２方向に移動するときも同様の作用効果を得ることができる。

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、回転体）
２０粉体
２２造形槽
２４造形ステージ
３０造形層
３１粉体層
５０ヘッド
５１吐出ヘッドユニット
５７、５８誘導手段
６０高さ調整機構
６００造形データ作成装置

Claims

粉体が結合された造形層が積層されて立体造形物が造形される造形槽と、
前記造形層の前記粉体に対して造形液の液滴を吐出するヘッドを有する造形手段と、を備え、
前記ヘッドは第１の方向に往復移動可能に設けられ、
前記造形手段と前記造形槽とは前記第１の方向と直交する第２の方向に相対的に移動可能に設けられ、
前記ヘッド及び前記造形槽の少なくともいずれかは高さ方向に昇降可能に設けられ、
前記ヘッドが前記造形槽に対向した状態で前記造形手段を相対的に前記第２の方向に移動させるときには、前記ヘッド及び前記造形槽の少なくともいずれかを上昇又は下降させて、前記ヘッドと前記造形槽の粉体面との間隔を、液滴を吐出させるときよりも広くする退避動作を制御する退避制御手段を有する
ことを特徴とする立体造形装置。
前記ヘッドを前記第１の方向の一方の方向に移動させるときのみ前記液滴を吐出させて造形を行うとき、前記第１の方向の他方の方向に移動させるときには前記退避動作を行う
ことを特徴とする請求項１に記載の立体造形装置。
前記ヘッドを前記第１の方向の他方の方向に移動させるときの速度を、前記第１の方向の一方の方向に移動させるときの速度よりも速くする
ことを特徴とする請求項２に記載の立体造形装置。
前記粉体の粒径が予め定めた所定径よりも小さいときに前記退避動作を行う
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。
環境温度が予め定めた温度よりも高いときに前記退避動作を行う
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに載の立体造形装置。
環境湿度が予め定めた湿度よりも低いときに前記退避動作を行う
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。
前記粉体の粒径、環境温度、環境湿度の少なくともいずれかに応じて前記退避動作における前記ヘッドと前記造形槽との間隔を変化させる
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。
前記造形手段は、前記ヘッドを含む吐出ヘッドユニットを有し、
前記吐出ヘッドユニットが往復移動可能に配置され、
前記吐出ヘッドユニットは、前記吐出ヘッドユニットが移動するときの移動方向前方側に、側面視で、前記造形槽と反対側に向かう方向に空気の流れを誘導する手段を有している
ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の立体造形装置。
前記造形手段は、前記ヘッドを含む吐出ヘッドユニットを有し、
前記吐出ヘッドユニットが往復移動可能に配置され、
前記吐出ヘッドユニットは、前記吐出ヘッドユニットが移動するときの移動方向前方側に、平面視で、移動方向と直交する方向の両側に向かう方向に空気の流れを誘導する手段を有している
ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の立体造形装置。