JP6443410B2 - 三次元造形システムおよび三次元造形方法 - Google Patents

Description

本発明は、粒状材料を積層固化することにより造形物を形成する三次元造形システムおよび三次元造形方法に関する。

近年の立体物の造形においては、三次元の物体を層状積層物の積み重ねられた構造とすることにより、その造形作業を自動的に行う三次元造形システムが普及しつつある。例えば、特許文献１には、粒状材料の砂を造形テーブル上に広げて、造形する砂型の立体形状の横断面形状に対応する一部領域の砂をバインダにより固化して積層する作業を繰り返すことにより、所望の砂型（造形物）を積層物として造形する三次元造形システムが記載されている。

国際公開ＷＯ２０１５／１５１８３２号公報

しかしながら、このような三次元造形システムにあっては、造形する砂型の大きさに関係なく、言い換えると、造形物の横断面形状の大小に関係なく、造形テーブル上の最大面積の砂を積層している。

このことから、図５に示すように、小さな造形物Ｐを造形する場合でも、造形テーブル１２上の最大面積の範囲内にリコータ２２から繰り返し造形砂Ｓを吐出して広げる作業工程を実行している。このため、その造形作業後には造形物Ｐを構成する造形砂Ｓｐ以外の大量の不必要な造形砂Ｓｄを取り除いて回収する作業も必要となる。

このように、小さな造形物Ｐであるのにも拘わらずに、大型の造形物を作製可能な大量の造形砂Ｓを積層して一部を固化した後に、大量に残る造形砂Ｓｄを回収するのでは、作業負荷が大きく時間も掛かってしまう、という問題があった。

そこで、本発明は、造形物の大きさに応じた量の粒状材料を用いる造形作業とすることにより、造形物の大きさに見合った作業負荷で造形物を造形することのできる三次元造形システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決する三次元造形システムの発明の一態様は、造形テーブルの上面上に層状に重ねる粒状材料の一部の領域を固化して積層することにより、造形物を形成する三次元造形システムであって、前記造形テーブルの上面上に長尺形状の吐出口から前記粒状材料を吐出して層状に重ねるリコータと、前記リコータを前記吐出口の長手方向と交差して前記造形テーブルの上面に平行な平面方向に往復移動させる移動機構と、前記造形テーブルの上面上に層状に重ねられる前記粒状材料の当該造形テーブルの上面の平面方向における一部領域を固化させる固化装置と、前記リコータの前記吐出口の長手方向の１箇所以上で開口の一部を閉じて前記粒状材料の吐出範囲を制限する取り外し可能な栓部材と、を備えている。

このように本発明の一態様によれば、造形テーブルの上面上に粒状材料を吐出して積層するリコータの吐出口の１箇所以上に一部開口を閉じる栓部材をセットするだけで、固化装置により固化される粒状材料の固化領域程度までに造形砂の吐出範囲を制限することができる。すなわち、粒状材料の固化領域の形成を妨げない範囲に、言い換えると、造形物の積層造形に必要な横断面形状に対応する領域をカバーする範囲に粒状材料を吐出して積層する一方で、その範囲以外への粒状材料の吐出を制限することができる。

したがって、造形物（積層物）の横断面形状に対応する領域に必要十分な粒状材料を吐出して積層固化する造形作業を繰り返すことができ、不必要に大量の粒状材料を吐出することを回避しつつ、造形物を造形することができる。

この結果、造形物の大きさに応じた粒状材料を用いる造形作業を実現することができ、造形物の大きさに応じた作業負荷に軽減して、その大きさに見合った時間で造形物を造形可能な三次元造形システムを提供することができる。

図１は、本発明の三次元造形システムに係る第１実施形態を示す図であり、その概略全体構成を示す平面図である。 図２は、そのリコータの構造を説明する概略縦断面図である。 図３は、そのリコータの吐出構造を示す図であり、栓部材をセットした状態の縦断面図である。 図４は、その制御系統を示す概念ブロック図である。 図５は、そのリコータによる粒状材料の積層を説明する図であり、（ａ）はリコータの造形テーブルの平面方向への往復移動を説明する平面図、（ｂ）はそのリコータにより粒状材料を積層して造形物を造形可能な造形領域を説明する平面図である。 図６は、栓部材をリコータにセットして造形物を造形する際のそのリコータによる粒状材料の積層を説明する平面図である。 図７は、本発明の三次元造形システムに係る第２実施形態を説明する図であり、その要部構成を説明する平面図である。 図８は、その造形テーブルの上面上に積層する造形物と壁形状物との構造を示す概略縦断面図である。 図９は、その三次元造形システムの第２実施形態を用いる本発明の三次元造形方法に係る一実施形態を示す図であり、その造形処理方法を説明するフローチャートである。 図１０は、その三次元造形システムの第２実施形態および三次元造形方法の一実施形態の他の態様を説明する図であり、造形テーブルの上面上に積層する造形物と壁形状物との構造を示す概略縦断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１〜図６は本発明の三次元造形システムに係る第１実施形態を示す図である。

図１および図２において、本実施形態の三次元造形システム１００は、昇降テーブル装置１１と、粉粒材料積層装置２１と、バインダ噴射装置３１と、コントローラ９１と、を備えて構築されており、駆動系１０の各装置１１、２１、３１を制御系のコントローラ９１が統括制御するようになっている。

この三次元造形システム１００は、昇降テーブル装置１１の造形テーブル１２の上面１２ａ上に、粉粒材料積層装置２１から粉粒材料、例えば、造形砂Ｓを吐出して積層する吐出層Ｌの一部領域に、バインダ噴射装置３１から液状のバインダを噴射して結合固化させる造形処理動作を繰り返す。これにより、造形テーブル１２の上面１２ａ上に吐出された造形砂Ｓの吐出層Ｌの一部が積層固化されて所望の立体形状の造形物Ｐに造形される。

ここで、本実施形態の三次元造形システム１００は、例えば、特定樹脂がコーティングされている造形砂Ｓを用いて、その特定樹脂に反応するバインダをその造形砂Ｓに向けて噴射することにより、造形テーブル１２の上面１２ａ上に積層する吐出層Ｌの一部領域の造形砂Ｓ間を結合固化させて造形物Ｐを造形する。なお、本発明は、本実施形態のバインダによる結合固化方式に限らず、例えば、熱や光により一部領域を結合固化させて積層することにより立体形状の造形物Ｐを形成する造形方式に適用してもよい。

ところで、粉粒材料積層装置２１が吐出して積層する造形砂Ｓは、例えば、砂に加えて、レジン剤や硬化剤などを混練機１１０により混ぜて一定の粒径になるように練りこんで所望の流動性を有するように調整した後に、後述する投入部４１に投入されてホッパ４６内に供給される。なお、図２には、混練機１１０から直接、造形砂Ｓを投入部４１に投入する形態で図示するが、これに限るものではない。例えば、混練機１１０により調整された造形砂Ｓは、ベルトコンベアやバケツなどで投入部４１に投入するようにしてもよい。また、本実施形態では、特定樹脂コーティングされている造形砂Ｓをバインダにより結合固化させる場合を一例として説明するが、これに限るものではない。例えば、微細な粒径のケイ砂を造形砂として採用して、そのケイ砂用の連結糊をバインダとして噴射することにより造形物Ｐを形成するようにしてもよい。

昇降テーブル装置１１は、造形テーブル１２と、この造形テーブル１２を収容する枠部材１３と、その造形テーブル１２を支持する昇降装置１４（図２を参照）と、を備えている。造形テーブル１２は、造形物Ｐの平面図における最大外郭が内部に位置するように、短辺１２ｙおよび長辺１２ｘに囲まれている大面積の矩形形状の造形領域Ａを確保可能な平坦な上面１２ａを有している。枠部材１３は、造形テーブル１２の上下方向への移動を妨げることなく取り囲んで、上面１２ａ上に積層する吐出層Ｌの造形砂Ｓが漏れないように、その造形テーブル１２の４つの短辺１２ｙおよび長辺１２ｘに沿う壁形状に形成されている。

昇降装置１４は、造形テーブル１２の下部を支持するように枠部材１３内に設置されている。この昇降装置１４は、後述するコントローラ９１からの制御信号に従って上面１２ａの水平状態を維持したまま造形テーブル１２を鉛直方向に昇降させるようになっている。例えば、昇降装置１４は、造形制御処理中にコントローラ９１から送られてくる制御信号に従って、新たに吐出する造形砂Ｓの吐出層Ｌの層厚ｄ（図８を参照）が一定になるように造形テーブル１２を精度良く１層分だけ降下させる。なお、本実施形態では、造形テーブル１２を降下させて造形砂Ｓを積層する場合を一例として説明するが、これに限るものではなく、例えば、後述する粉粒材料積層装置２１を上昇させて造形砂Ｓを積層してもよい。しかしながら、枠部材１３が粉粒材料積層装置２１の移動の妨げになることから本実施形態のように造形テーブル１２を昇降させる方が好適である。

粉粒材料積層装置２１は、造形テーブル１２の上面１２ａに向けて開口する後述の吐出部５１の吐出口５１ｏから造形砂Ｓを吐出して積層するリコータ２２と、このリコータ２２を支持して造形テーブル１２に対する姿勢を維持しつつ上面１２ａと平行な平面方向に移動させる移動機構２５と、を備えている。

リコータ２２は、吐出部５１の吐出口５１ｏが造形テーブル１２の長辺１２ｘと平行方向に延在して、その吐出口５１ｏの造形テーブル１２の上面１２ａとの離隔間隔が一定になる姿勢で移動機構２５に支持されている。このリコータ２２は、吐出部５１の吐出口５１ｏの長手方向と直交（直角に交差）する造形テーブル１２の短辺１２ｙと平行方向に移動機構２５により往復移動される。

移動機構２５は、造形テーブル１２の短辺１２ｙの両外側に配置されて平行方向に延在する一対のリコータＹレール２６と、リコータ２２の両端部２２ａを支持しつつリコータＹレール２６上に移動自在に設置される一対のリコータＹスライダ２７と、を備えている。この移動機構２５は、後述するコントローラ９１からの制御信号に従ってリコータＹスライダ２７がリコータＹレール２６上を正逆方向に走行する。

これにより、粉粒材料積層装置２１のリコータ２２は、造形テーブル１２の長辺１２ｘを跨ぐように横断する状態のまま、その短辺１２ｙの平行方向に移動機構２５により往復移動される。このとき、リコータ２２は、吐出口５１ｏから造形テーブル１２の上面１２ａ上に造形砂Ｓを吐出させて造形領域Ａに一定量の層厚ｄで積層することができる。

バインダ噴射装置３１は、造形テーブル１２の上面１２ａに向くように形成されている不図示の複数の噴射孔から造形砂Ｓ用のバインダを噴射する噴射ヘッド３２と、この噴射ヘッド３２を支持して造形テーブル１２に対する姿勢を維持しつつ移動させる移動機構３５と、を備えている。

噴射ヘッド３２は、不図示のタンクから供給される造形砂Ｓ用のバインダを噴射孔から噴射するようになっている。この噴射ヘッド３２は、噴射孔の造形テーブル１２の上面１２ａとの離隔間隔が一定になる姿勢で移動機構３５に支持されている。また、噴射ヘッド３２は、その姿勢のまま造形テーブル１２の長辺１２ｘと平行方向なＸ軸方向と、その造形テーブル１２の短辺１２ｙと平行方向なＹ軸方向とに移動機構３５により移動される。

移動機構３５は、造形テーブル１２の短辺１２ｙの両外側で移動機構２５の一対のリコータＹレール２６の内側に位置する一対のヘッドＹレール３６と、噴射ヘッド３２を後述のヘッドＸレール３８およびヘッドＸスライダ３９を介して支持しつつヘッドＹレール３６上に移動自在に設置される一対のヘッドＹスライダ３７と、両端部３８ａをヘッドＹスライダ３７に連結支持されるヘッドＸレール３８と、噴射ヘッド３２を支持しつつヘッドＸレール３８に移動自在に設置されるヘッドＸスライダ３９と、を備えている。この移動機構３５は、後述するコントローラ９１からの制御信号に従ってスライダ３７、３９がレール３６、３８上をそれぞれ正逆方向に走行する。

これにより、バインダ噴射装置３１の噴射ヘッド３２は、造形テーブル１２の長辺１２ｘおよび短辺１２ｙを超える位置までそれぞれの平行方向に移動機構３５により往復移動される。このとき、噴射ヘッド３２は、噴射孔から造形テーブル１２の上面１２ａ上の平面方向に広がる造形領域Ａの一部領域にバインダの一定量を噴射することにより、積層される層厚ｄの造形砂Ｓを結合固化させることができる。すなわち、バインダ噴射装置３１が固化装置を構成している。

そして、粉粒材料積層装置２１のリコータ２２は、投入部４１と、貯留部４５と、吐出部５１と、を備えて構築されている。

投入部４１は、リコータ２２の長さ方向の片側に設置されて、貯留部４５の後述のホッパ４６内に連通する投入口４１ｉが上方に向かって開口している。この投入部４１は、混練機１１０で調整された造形砂Ｓを投入口４１ｉから投入されて貯留部４５（ホッパ４６）内に供給する。

貯留部４５は、ホッパ４６と、フィーダ４７と、残量センサ４８と、を備えている。

ホッパ４６は、造形テーブル１２の長辺１２ｘと同等の長さを有するブロック形状のリコータ２２の本体部材２２Ｂの上部側に形成されている。ホッパ４６は、造形テーブル１２の長辺１２ｘと同等の長さで短辺１２ｙの方向に幅狭となる長尺な開口４６ｉが上方に向かって開放されている。

このホッパ４６は、図３に示すように、開口４６ｉから下方に連続する収容空間４６ｓを有して、その収容空間４６ｓ内に造形砂Ｓを収容する。このホッパ４６の収容空間４６ｓは、造形テーブル１２の短辺１２ｙと平行な縦断面形状がその短辺１２ｙ方向の中央に向かって絞られる逆三角形に形成されて、その逆三角形の最下の位置に造形砂Ｓの流出溝４６ｂが形成されている。

フィーダ４７は、シャフト４７ａと、螺旋板４７ｂとを備えて、ホッパ４６の収容空間４６ｓ内に横臥するように設置されているスクリュー型のコンベア（オーガー装置とも称される）構造に構成されている。フィーダ４７のシャフト４７ａは、ホッパ４６の長さ方向に延在して収容空間４６ｓ内で回転するように不図示の軸受により支持されて、一端側に取り付けられているモータ４７ｃにより回転される。また、フィーダ４７の螺旋板４７ｂは、そのシャフト４７ａの周りで螺旋状に周回する形状に形成されて固定されている。

残量センサ４８は、投入口４１ｉから離隔する反対側のホッパ４６上部に設置されている。この残量センサ４８は、そのホッパ４６内に溜まっている造形砂Ｓの貯留量として、その造形砂Ｓの上面位置の高さを検出する。この残量センサ４８は、後述するコントローラ９１に検出信号を送出可能に接続されている。

これにより、貯留部４５のフィーダ４７は、後述するコントローラ９１から受け取る残量センサ４８のセンサ信号（検出情報）に基づく制御信号に従ってモータ４７ｃが正逆駆動されてシャフト４７ａ周りの螺旋板４７ｂが回転される。このとき、フィーダ４７は、回転する螺旋板４７ｂがホッパ４６の収容空間４６ｓ内に貯留されている造形砂Ｓをその回転方向に応じて押し出すようにして移送させることができ、投入口４１ｉから投入される造形砂Ｓをホッパ４６の長手方向に略均等になるように均すことができる。

吐出部５１は、吐出通路５２と、バイブレータ５３と、均し部５４と、を備えている。

吐出通路５２は、図３に示すように、リコータ２２の本体部材２２Ｂの下部に形成されている。吐出通路５２は、貯留部４５のホッパ４６の下部に位置して流出溝４６ｂから連続するように形成されている。

この吐出通路５２は、そのホッパ４６の収容空間４６ｓの造形テーブル１２の長辺１２ｘの方向に同等の長さ（幅）を有するように形成されて、リコータ２２の下部に開口する長尺形状の吐出部５１の吐出口５１ｏに連続する形状に作製されている。すなわち、吐出部５１は、貯留部４５のホッパ４６に同等の長さ（幅）に形成されている吐出通路５２が連続することにより、そのホッパ４６内に貯留する造形砂Ｓを造形テーブル１２の上面１２ａ上に長辺１２ｘと同等の幅で吐出口５１ｏから吐出させて吐出層Ｌを形成可能に構成されている。

この吐出通路５２は、貯留部４５のホッパ４６の最下の流出溝４６ｂに同一幅で連続して下方に延在する第１降下通路５２ａと、この第１降下通路５２ａに連続して直角方向に屈折することにより水平方向に延在する水平通路５２ｂと、この水平通路５２ｂに連続して直角方向に屈折することにより下方に延在する第２降下通路５２ｃと、を備えるように形成され、その第２降下通路５２ｃが本体部材２２Ｂの下面５１ｕに向かって降下することにより吐出口５１ｏとして開口している。

このような構造により、吐出通路５２は、ホッパ４６内に貯留する造形砂Ｓが流出溝４６ｂから自重により第１降下通路５２ａに流出し降下しても、その先の直角に屈折する水平通路５２ｂ内を造形砂Ｓが制限なく進んでしまうことを抑制することができる。

バイブレータ５３は、本体部材２２Ｂにおける吐出部５１の長手方向の両端側外面５１ｓのそれぞれに固定されて、貯留部４５のホッパ４６の下部の吐出通路５２に振動を入力する。このバイブレータ５３は、後述するコントローラ９１に接続されて、駆動電流の入力と遮断が切り換えられることにより駆動を制御されるようになっている。

これにより、吐出部５１では、バイブレータ５３が適宜駆動されて振動入力されることにより、ホッパ４６の流出溝４６ｂから吐出通路５２の第１降下通路５２ａを介して水平通路５２ｂ内に降下する造形砂Ｓがその振動入力により水平方向に進行されて第２降下通路５２ｃ内に流入される。このため、吐出部５１では、バイブレータ５３が適宜振動または停止されることにより、ホッパ４６内に貯留されている造形砂Ｓが吐出通路５２の第１降下通路５２ａ、水平通路５２ｂおよび第２降下通路５２ｃを経由されて、その第２降下通路５２ｃの終端出口の吐出口５１ｏから所望量に調整されつつ吐出される。

均し部５４は、吐出部５１の吐出口５１ｏの開口する本体部材２２Ｂの下面５１ｕの片側に隣接する箇所に段差が形成されて、鉛直壁５４ｖと、下面５４ｕとを備えることにより構成されている。この段差形状の均し部５４は、本体部材２２Ｂの下面５１ｕで開口する吐出口５１ｏの長手方向に延在している。この均し部５４の鉛直壁５４ｖは、その下面５１ｕのレベルよりも造形テーブル１２の上面１２ａに近接する方向に降下する形状に形成され、下面５４ｕは、その鉛直壁５４ｖの下辺レベルのまま吐出口５１ｏから離隔する方向に延長されて造形テーブル１２の上面１２ａに対面する形状に形成されている。なお、本実施形態では、リコータ２２の本体部材２２Ｂに均し部５４を一体に形成する場合を一例に説明するが、これに限るものではない。例えば、均し部をリコータ２２と同様の方向に往復移動する単独のブレードなどで構成することにより、造形テーブル１２の上面１２ａ上の造形砂Ｓを掻き均して一定の層厚ｄに平坦化するようにしてもよい。

これにより、均し部５４は、リコータ２２の吐出部５１と一体に移動することによって、造形テーブル１２の上面１２ａ上に吐出された余分な造形砂Ｓを鉛直壁５４ｖにより掻き寄せることができ、造形領域Ａの造形砂Ｓが下面５４ｕと造形テーブル１２の上面１２ａとの離隔間隔に一致する層厚ｄで均一に均されて平坦化される。

そして、コントローラ９１は、予めメモリ９２内に格納されている制御プログラムを実行して三次元造形システム１００の駆動系１０を構成する昇降テーブル装置１１、粉粒材料積層装置２１、およびバインダ噴射装置３１を統括制御し駆動させることにより造形物Ｐを作製するようになっている。

具体的に、図４に示すように、コントローラ９１は、オペレータが各種入力操作をする操作パネル９５を備えている。コントローラ９１は、その操作パネル９５からの入力操作に従って、接続されている不図示のコンピュータから立体データを受け取って、あるいは、セットされる不図示のメディアから選択された立体データを読み出してメモリ９２内に格納する。コントローラ９１は、メモリ９２内に格納する立体データから造形物Ｐの層厚ｄ毎の造形物固化領域Ｈｐ（図５を参照）を、造形テーブル１２の上面１２ａ上の造形領域Ａの造形砂Ｓに形成するための横断面形状データを作成してそのメモリ９２内に格納（設定）する。すなわち、コントローラ９１が本発明の固化領域設定部を構成している。

このコントローラ９１は、そのメモリ９２内の造形物Ｐの層厚ｄ毎の横断面形状データに基づいて駆動系１０の各装置１１、２１、３１を統括制御することにより、造形砂Ｓの造形領域Ａ内に造形物固化領域Ｈｐを形成する造形処理作業を繰り返して所望の造形物Ｐを造形する。なお、本実施形態では、メモリ９２内に造形物Ｐの立体データを格納して、コントローラ９１が層厚ｄ毎の造形物固化領域Ｈｐとする横断面形状データを作成してメモリ９２内に格納する場合を一例にして説明するが、これに限るものではない。例えば、予め作成されている造形物Ｐの立体データの横断面形状データや層厚ｄなどの必要なデータを受け取ってメモリ９２内に格納し造形処理作業を実行するようにしてもよい。

昇降テーブル装置１１は、造形テーブル１２の上面１２ａの高さを検出する高さセンサ９６を含む各種センサが設置されている。高さセンサ９６を含む各種センサは、センサ信号を送出可能にコントローラ９１に接続されている。

コントローラ９１は、バインダ噴射装置３１による後述のバインダの噴射処理後に、メモリ９２内に設定されている層厚ｄ分だけ造形テーブル１２を降下させる駆動信号を昇降装置１４に送って駆動させる。コントローラ９１は、昇降テーブル装置１１の高さセンサ９６のセンサ信号から造形テーブル１２の層厚ｄ分の降下が完了したことを把握（取得）したときに、昇降装置１４に停止信号を送って停止させる。

粉粒材料積層装置２１は、残量センサ４８と、移動機構２５のリコータＹレール２６上のリコータＹスライダ２７の位置を検出するエンコーダなどのリコータＹ位置センサ９７とが他の各種センサと共に設置されている。リコータＹ位置センサ９７および残量センサ４８を含む各種センサは、センサ信号を送出可能にコントローラ９１に接続されている。

コントローラ９１は、昇降テーブル装置１１の造形テーブル１２の層厚ｄ分の降下後に、移動機構２５のリコータＹレール２６上のリコータＹスライダ２７を予め設定されている吐出用速度で吐出方向に走行させるとともにバイブレータ５３を振動させる。

これにより、リコータ２２がホームポジションＨｒから造形領域Ａを超える終点位置まで移動される際に、吐出部５１の吐出口５１ｏから造形砂Ｓが造形テーブル１２の上面１２ａ上に吐出される。

このコントローラ９１は、粉粒材料積層装置２１のリコータＹ位置センサ９７のセンサ信号からリコータ２２が造形テーブル１２上の造形領域Ａを超えるまで移動したことを把握したときに、移動機構２５のリコータＹレール２６上のリコータＹスライダ２７を予め設定されている均し速度で吐出方向と逆方向に走行させる。

これにより、リコータ２２が終点位置からホームポジションＨｒまで戻される際に、造形テーブル１２の上面１２ａ上にある程度の厚さで吐出されている造形砂Ｓが均し部５４の鉛直壁５４ｖにより掻き寄せられつつその下面５４ｕの造形テーブル１２の上面１２ａとの間の離隔間隔の層厚ｄに均一に均されて平坦化される。すなわち、コントローラ９１が移動制御部を構成している。

このとき、コントローラ９１は、粉粒材料積層装置２１の残量センサ４８のセンサ信号からホッパ４６内に貯留する造形砂Ｓの高さが予め設定されている補充閾値を下回ることを把握したときに、フィーダ４７を回転駆動させて螺旋板４７ｂにより造形砂Ｓの高さを概略均等に調整する制御動作を実行する。このコントローラ９１は、そのフィーダ４７による造形砂Ｓを均す制御動作の実行後にも、残量センサ４８の検出するセンサ信号から造形砂Ｓの高さが補充閾値を下回ると判断した場合には、造形砂Ｓの補充が必要なことをオペレータに報知する、例えば、不図示の補充ランプを点滅させてその補充作業を促す。

バインダ噴射装置３１は、移動機構３５のヘッドＹレール３６上のヘッドＹスライダ３７の位置を検出するエンコーダなどのヘッドＹ位置センサ９８と、移動機構３５のヘッドＸレール３８上のヘッドＸスライダ３９の位置を検出するエンコーダなどのヘッドＸ位置センサ９９と、が他の各種センサと共に設置されている。ヘッドＹ位置センサ９８およびヘッドＸ位置センサ９９を含む各種センサは、センサ信号を送出可能にコントローラ９１に接続されている。

コントローラ９１は、造形テーブル１２の上面１２ａ上に造形砂Ｓを吐出積層したリコータ２２をホームポジションＨｒに戻した後に、移動機構３５のヘッドＹスライダ３７とヘッドＸスライダ３９とを予め設定されている噴射用速度でＸ軸方向とＹ軸方向とに走行させて噴射ヘッド３２の噴射孔からバインダを噴射させる。このとき、コントローラ９１は、造形テーブル１２の上面１２ａ上に積層されている造形砂Ｓの最上層における造形物Ｐの横断面形状データに対応する造形物固化領域Ｈｐにバインダを噴射させる。

このコントローラ９１は、ヘッドＹ位置センサ９８とヘッドＸ位置センサ９９とのセンサ信号から噴射ヘッド３２がその造形物固化領域Ｈｐからメモリ９２内に予め設定されているオーバ距離だけ超える位置まで移動したことを把握したときに、ヘッドＹスライダ３７とヘッドＸスライダ３９とを予め設定されている戻し速度で走行させて噴射ヘッド３２をホームポジションＨｈに戻す。

これにより、造形テーブル１２の上面１２ａ上に吐出されて積層される造形砂Ｓの最上層における造形物固化領域Ｈｐが結合固化されて、バインダ噴射装置３１による造形砂Ｓの層厚ｄの１層分のバインダの噴射処理が終了される。

そして、コントローラ９１は、このように造形砂Ｓを造形テーブル１２の上面１２ａ上に吐出積層して結合固化させる工程を繰り返すことにより、その造形砂Ｓの層厚ｄ毎の造形物固化領域Ｈｐを積層した造形物Ｐを造形し、この一連の造形作業処理を終了する。この造形物Ｐは、未固化の造形砂Ｓｄ内に形成されている。

このようにして、粉粒材料積層装置２１は、図５（ａ）に示すように、リコータ２２をＹ軸方向に往復移動させることにより、昇降テーブル装置１１の造形テーブル１２上にそのリコータ２２から造形砂Ｓを吐出させて均一な層厚ｄで積層することができる。また、バインダ噴射装置３１は、図５（ｂ）に示すように、その造形テーブル１２上の造形砂Ｓの造形領域Ａ内の造形物固化領域Ｈｐに、Ｘ軸方向とＹ軸方向とに移動する噴射ヘッド３２からバインダを噴射させて結合固化させることができる。この結果、三次元造形システム１００は、造形砂Ｓの吐出積層工程と結合固化工程とを、造形テーブル１２を層厚ｄで降下させつつ繰り返すことにより、未固化の造形砂Ｓｄ内に固化させた造形砂Ｓｐを積層して立体形状の造形物Ｐを造形することができる。

さらに、本実施形態のリコータ２２は、貯留部４５のホッパ４６の収容空間４６ｓ内に開口４６ｉ側から１つ以上の栓部材４９を着脱自在にセット可能に備えている。栓部材４９は、ホッパ４６の収容空間４６ｓの下部に概略一致する縦断面逆三角形の柱状に形成されている。栓部材４９は、ホッパ４６の収容空間４６ｓ内のフィーダ４７の螺旋板４７ｂよりも下方に嵌め込んで、その収容空間４６ｓの最下の流出溝（開口）４６ｂの一部を閉止するように作製されている。

これにより、栓部材４９は、ホッパ４６に嵌め込んでセットすることによって、フィーダ４７による作業を妨げることなく、その収容空間４６ｓ内に貯留する造形砂Ｓを流出させる流出溝４６ｂを閉じることができる。このため、栓部材４９は、造形テーブル１２の上面１２ａ上に吐出口５１ｏから造形砂Ｓを吐出する範囲を、例えば、造形テーブル１２の上面１２ａ上の造形領域Ａ内の造形物固化領域Ｈｐを超える程度に狭める（吐出範囲を制限する）ことができる。

このように、本実施形態の三次元造形システム１００にあっては、リコータ２２のホッパ４６内に栓部材４９をセットすることにより、図６に示すように、造形テーブル１２の上面１２ａ上への造形砂Ｓの吐出範囲を造形物固化領域Ｈｐ程度に制限することができる。このため、造形テーブル１２の上面１２ａ上に吐出して積層する造形砂Ｓの吐出量を造形物Ｐの大きさに応じた適正量にすることができ、造形テーブル１２の上面１２ａ上の造形領域Ａの全面に造形砂Ｓを吐出して積層する場合よりも、未固化状態の造形砂Ｓｄの回収量を大幅に低減することができる。

この結果、造形物Ｐの大きさに応じた適正量の造形砂Ｓを用いる造形作業を実現することができ、造形物の大きさに応じた積層固化などの作業負荷に軽減して、その大きさに見合った時間で造形物を造形可能な三次元造形システムを提供することができる。

次に、図７および図８は本発明の三次元造形システムに係る第２実施形態を説明する図であり、図９はその三次元造形システムを用いる本発明の三次元造形方法に係る一実施形態を説明する図である。ここで、本実施形態は、上述実施形態と略同様に構成されていることから、図面を流用して同様の構成には同一の符号を付して特徴部分を説明する。

図１および図４において、本実施形態における三次元造形システム１００のコントローラ９１は、造形物Ｐの造形物固化領域Ｈｐの外側に壁形状物Ｗを造形する壁形状物固化領域Ｈｗの横断面形状データも、受け取る造形物Ｐの立体データに基づいて各層毎に作成しメモリ９２内に格納（設定）するようになっている。この壁形状物Ｗは、造形物Ｐに隣接してバインダにより結合固化されることなく非固化状態で積層される造形砂Ｓを貯留するように、造形物Ｐと一緒に層厚ｄで積層される。

ここで、コントローラ９１は、造形テーブル１２の上面１２ａ上の造形領域Ａにおける壁形状物Ｗの形成位置が予め設定されている近接閾値よりも枠部材１３に接近している場合には、その近接箇所以外の壁形状物Ｗが枠部材１３に連続するように形成する。すなわち、枠部材１３が壁形状物Ｗとして機能することから、図７に破線で示すその近接箇所での壁形状物Ｗの造形処理は省略する。

このコントローラ９１は、粉粒材料積層装置２１のリコータＹ位置センサ９７のセンサ信号からリコータ２２が造形テーブル１２上のＹ軸方向における壁形状物固化領域Ｈｗからメモリ９２内に予め設定されているオーバ距離だけ超える位置まで移動したことを把握したときに、リコータＹスライダ２７を均し速度で吐出方向と逆方向に走行させる。

そして、コントローラ９１は、メモリ９２内の制御プログラムを実行して、図９のフローチャートに示す三次元造形方法を実施することにより、造形物Ｐを造形するようになっている。

詳細に、まずは、コントローラ９１は、メモリ９２内に造形物Ｐの立体データと層厚ｄと共に、その層厚ｄ毎に積層する造形物固化領域Ｈｐに壁形状物固化領域Ｈｗを加えた各層毎の横断面形状データを格納するなどの準備処理を行う（ステップＳ１１）。

次いで、コントローラ９１は、造形テーブル１２の上面１２ａの造形領域Ａにおける造形物固化領域Ｈｐと壁形状物固化領域Ｈｗとの最外郭までの範囲に、造形砂Ｓを吐出することを妨げることのない（その最外郭まで造形砂Ｓを吐出可能な）栓部材４９のセットの要否と共にその種別の指示を操作パネル９５に表示出力する（ステップＳ１２）。

ここで、コントローラ９１は、造形物固化領域Ｈｐおよび壁形状物固化領域Ｈｗの最外郭から造形テーブル１２の上面１２ａの長辺１２ｘまでの最短の間隔が予めメモリ９２内に設定されている要否閾値よりも大きい場合に、その間隔に応じた長さの種別の栓部材４９のセットを指示する。なお、本実施形態では、壁形状物Ｗを形成する造形作業処理を説明する。

この後に、コントローラ９１は、その操作パネル９５での指示表示に従う栓部材４９のセットなどの作業後に行われるオペレータによる造形作業開始の指示入力を繰り返し確認する（ステップＳ１３）。

ステップＳ１３において、オペレータによる造形作業開始の指示入力を確認したコントローラ９１は、メモリ９２内の造形物Ｐの未処理の最下層の横断面形状データを読み出して造形テーブル１２の上面１２ａにおける造形領域Ａに造形物固化領域Ｈｐとして設定する（ステップＳ１４）。

次いで、コントローラ９１は、メモリ９２内の壁形状物Ｗの未処理の最下層の横断面形状データを読み出して造形テーブル１２の上面１２ａにおける造形領域Ａに壁形状物固化領域Ｈｗとして設定する（ステップＳ１５）。

次いで、コントローラ９１は、粉粒材料積層装置２１のリコータ２２をホームポジションＨｒから造形テーブル１２上の造形領域ＡのＹ軸方向に走行させて壁形状物固化領域Ｈｗからメモリ９２内のオーバ距離だけ超えた後に逆方向に走行させてホームポジションＨｒに戻すことにより造形砂Ｓの吐出積層作業を行う（ステップＳ１６）。このとき、コントローラ９１は、リコータ２２のホームポジションＨｒからの走行開始時に、バイブレータ５３を起動して吐出部５１の吐出口５１ｏから造形テーブル１２の上面１２ａ上に造形砂Ｓを吐出させる。この後に、コントローラ９１は、そのリコータ２２のホームポジションＨＰへの戻り走行時に、造形テーブル１２の上面１２ａ上の造形砂Ｓを均し部５４の鉛直壁５４ｖにより掻き寄せつつ下面５４ｕとの間の離隔間隔の層厚ｄで均一になるように均して平坦化させる。

次いで、コントローラ９１は、バインダ噴射装置３１の噴射ヘッド３２をホームポジションＨｈから造形テーブル１２の上面１２ａ上の造形領域ＡのＸ軸方向とＹ軸方向とに走行させつつ、その噴射ヘッド３２からバインダを噴射させて造形物固化領域Ｈｐと壁形状物固化領域Ｈｗとの造形砂Ｓの結合固化作業を行う（ステップＳ１７）。このとき、コントローラ９１は、噴射ヘッド３２をホームポジションＨｈから走行開始させてメモリ９２内の未処理の最下層の造形物固化領域Ｈｐと壁形状物固化領域Ｈｗへのバインダの噴射処理が終了した後に、その噴射ヘッド３２を逆方向に走行させてホームポジションＨｈに戻す。

この後に、コントローラ９１は、メモリ９２内に未処理の造形物固化領域Ｈｐと壁形状物固化領域Ｈｗの横断面形状データが残っているか否か確認して（ステップＳ１８）、残っている場合には、ステップＳ１４に戻って同様の制御処理を繰り返し、また、残っておらず造形物Ｐの立体データの造形処理が完了している場合には、操作パネル９５にその旨を表示出力して（ステップＳ１９）、この制御処理を終了する。

これにより、栓部材４９がリコータ２２の吐出口５１ｏから造形テーブル１２の上面１２ａ上に造形砂Ｓを吐出する範囲を造形物固化領域Ｈｐの外側の壁形状物固化領域Ｈｗを超える程度に制限するのに併せて、コントローラ９１は、造形物固化領域Ｈｐの外側の壁形状物固化領域Ｈｗを超える程度の範囲でリコータ２２を往復移動させることにより吐出口５１ｏからの造形砂Ｓの吐出量を大幅に削減することができる。

このとき、コントローラ９１は、造形物固化領域Ｈｐに加えて壁形状物固化領域Ｈｗを形成して造形物Ｐの外側の壁形状物Ｗとの間に未固化状態の造形砂Ｓを貯留可能にする。このため、造形物固化領域Ｈｐの造形砂Ｓの形状を維持するための傾斜面、所謂、法面形状を必要とすることなく、造形物固化領域Ｈｐの造形砂Ｓが崩れるのを壁形状物Ｗにより効果的に回避することができ、リコータ２２の往復する範囲を小さくしつつ栓部材４９による吐出制限範囲を大きくとって、造形砂Ｓの吐出量を大幅に低減することができる。

このように、本実施形態の三次元造形システム１００やこれを用いる三次元造形方法にあっては、上述の第１実施形態の作用効果に加えて、粉粒材料積層装置２１のリコータ２２による造形砂Ｓの吐出量をより削減して、固化させる必要のない造形砂Ｓｄの回収量をさらに低減することができる。

さらに、造形物Ｐの外側の造形砂Ｓが崩れるのを回避する法面の傾斜角度などを考慮する作業を必要とすることなく、造形物固化領域Ｈｐに加えて壁形状物固化領域Ｈｗを簡易に加えて造形作業を実行することができる。

この結果、造形物Ｐの大きさに応じた、より適正量の造形砂Ｓを用いる造形作業を実現するのに加えて、造形作業を簡易にして、作業負荷をより軽減することのできる三次元造形システムや三次元造形方法を提供することができる。

ここで、本実施形態の他の態様としては、リコータ２２の吐出口５１ｏに連通するホッパ４６の流出溝４６ｂの片側１箇所にセットする１つの栓部材４９により造形砂Ｓの吐出範囲（開口）の一部を閉じる場合を一例にして説明するが、これに限るものではない。栓部材としては、その流出溝４６ｂの長手方向の複数個所にセットして一部開口を閉じるようにしてもよい。例えば、図１０に示すように、造形テーブル１２の上面１２ａ上の中央付近に造形物Ｐを形成して、その両側に壁形状物Ｗを形成する場合に、リコータ２２のホッパ４６の流出溝４６ｂの両側に栓部材をセットすることにより、枠部材１３に近接する側の一部を閉じるようにしてもよい。

なお、栓部材は、長さ等の異なる複数種類を備えて、適宜、選択して組み合わせて利用すればよく、例えば、短尺な栓部材の端部同士を連結状態に連続させてセットしてもよく、リコータ２２の吐出口５１ｏの造形砂Ｓの吐出範囲の制限も、適宜、余裕を持って設定するようにすればよい。

本発明の実施形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１２ 造形テーブル
１２ａ 上面
１３ 枠部材
２２ リコータ
２５、３５ 移動機構
３１ バインダ噴射装置（固化装置）
３２ 噴射ヘッド
４５ 貯留部
４６ ホッパ
４６ｂ 流出溝（開口）
４７ フィーダ
４９ 栓部材
５１ｏ 吐出口
５２ 吐出通路
５３ バイブレータ
５４ 均し部
５４ｕ 下面
５４ｖ 鉛直壁
９１ コントローラ（移動制御部、固化領域設定部）
９２ メモリ
９５ 操作パネル
１００ 三次元造形システム
Ａ 造形領域
ｄ 層厚
Ｈｐ 造形物固化領域
Ｈｗ 壁形状物固化領域
Ｌ 吐出層
Ｐ 造形物
Ｓ、Ｓｄ、Ｓｐ 造形砂
Ｗ 壁形状物

Claims (7)

1. 造形テーブルの上面上に層状に重ねる粒状材料の一部の領域を固化して積層することにより、造形物を形成する三次元造形システムであって、
   前記造形テーブルの上面上に長尺形状の吐出口から前記粒状材料を吐出して層状に重ねるリコータと、
   前記リコータを前記吐出口の長手方向と交差して前記造形テーブルの上面に平行な平面方向に往復移動させる移動機構と、
   前記造形テーブルの上面上に層状に重ねられる前記粒状材料の当該造形テーブルの上面の平面方向における一部領域を固化させる固化装置と、
   前記リコータの前記吐出口の長手方向の１箇所以上で開口の一部を閉じて前記粒状材料の吐出範囲を制限する取り外し可能な栓部材と、を備え、
   前記リコータは、前記粒状材料を貯留するホッパと、前記ホッパから前記吐出口に続く前記粒状材料の吐出通路と、前記吐出通路に振動を入力するバイブレータと、を有し、
   前記吐出通路は、前記ホッパから前記吐出口に前記粒状材料を降下させる通路の途中に、当該粒状材料を水平方向に進ませる通路が形成されている、三次元造形システム。
2. 前記粒状材料の各層の固化領域を設定する固化領域設定部を備えており、
   前記固化領域設定部は、前記造形物の固化領域に加えて、該造形物の固化領域の外側に、当該造形物に隣接して非固化状態で積層される前記粒状材料を貯留する壁形状物の固化領域が設定される、請求項１に記載の三次元造形システム。
3. 前記移動機構を制御する移動制御部を備えており、
   前記移動制御部は、前記吐出口が前記壁形状物の固化領域を予め設定されている距離だけ越える範囲内で往復するように前記リコータを移動させるように構成されている、請求項２に記載の三次元造形システム。
4. 前記栓部材は、前記ホッパ内にセットされて前記リコータの前記吐出口を長手方向にのみ狭くするように形成され、組み合わせ可能に２つ以上を備える、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の三次元造形システム。
5. 前記栓部材として、前記吐出口の長手方向の長さの異なる複数種類を選択可能に備える、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の三次元造形システム。
6. 上記請求項１から上記請求項５のいずれか１項に記載の三次元造形システムを用いて前記造形物を形成する三次元造形方法であって、
   前記造形テーブルの上面上に一定の厚さの層状に形成された前記粒状材料に、前記造形物とする造形物固化領域と、当該造形物固化領域の外側に隣接して非固化状態で積層される前記粒状材料を貯留する壁形状物とする壁形状物固化領域と、を前記固化装置により形成し、
   前記造形物固化領域と一緒に前記壁形状物固化領域を積層することにより前記造形物と前記壁形状物とを形成する、三次元造形方法。
7. 前記造形物固化領域が内側に位置する前記壁形状物固化領域の外側に前記粒状材料が吐出されることを制限する１つまたは２つ以上の前記栓部材を前記リコータの前記吐出口側にセットする、請求項６に記載の三次元造形方法。

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