JP6471852B2 - 立体造形装置、立体造形物の生産方法、プログラム - Google Patents
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Description
本発明は立体造形装置、立体造形物の生産方法、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、形成しようとする粉体層の底面が位置する平面と、平坦化ローラとの間の距離である厚み決定距離を、粉体層の厚みよりも大きい距離として、事前平坦化を実行し、その後、厚み決定距離を粉体層の厚みと一致させて、最終平坦化を実行し、粉体層を形成するものが知られている（特許文献１）。
上述したように粉体層に造形液の液滴を着弾させて造形層を形成したとき、造形液が着弾して形成された造形層（造形部分）の表面が当該造形層を含む粉体層の表面（造形層が形成されていない未造形部分の領域の表面）に対して凹んだ状態になる。
そのため、次の粉体層を形成するときに、造形層が形成されている領域と形成されていない領域とで供給される粉体層の厚みが異なり、得られる造形物に密度ムラが生じ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、造形物の品質を向上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、
粉体層に対して造形液の液滴を吐出して前記粉体層の粉体が結合された造形層を順次積層して立体造形物を形成する立体造形装置において、
前記造形層が積層形成される造形ステージと、
前記造形ステージのステージ面に沿う方向に相対的に移動されて、前記造形ステージ上の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手段と、を備え、
前記造形層が形成された前記粉体層上に次層の前記粉体層を形成するとき、前記次層を形成する前に、前記造形ステージを上昇させ、前記平坦化手段で造形層が形成されていない領域の粉体を除去する動作を行うことにより、前記造形層の表面と当該造形層が形成された前記粉体層の前記造形層が形成されていない領域の表面との高さを揃える
構成とした。
粉体層に対して造形液の液滴を吐出して前記粉体層の粉体が結合された造形層を順次積層して立体造形物を形成する立体造形装置において、
前記造形層が積層形成される造形ステージと、
前記造形ステージのステージ面に沿う方向に相対的に移動されて、前記造形ステージ上の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手段と、を備え、
前記造形層が形成された前記粉体層上に次層の前記粉体層を形成するとき、前記次層を形成する前に、前記造形ステージを上昇させ、前記平坦化手段で造形層が形成されていない領域の粉体を除去する動作を行うことにより、前記造形層の表面と当該造形層が形成された前記粉体層の前記造形層が形成されていない領域の表面との高さを揃える
構成とした。
本発明によれば、造形物の品質を向上することができる。
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、平坦化手段である平坦化ローラ１２によって平坦化して、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。
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５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、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５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、所定の厚みの粉体層３１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、上記立体造形装置の制御部の概要について図５を参照して説明する。図５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のＩ／Ｏ５０７には、粉体層３１及び造形層３０の表面高さを検出する高さセンサ５６１、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６も参照して説明する。図６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６（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６（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６（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６（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６（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。
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。
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（ＳｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、チタニア（ＴｉＯ２）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）、ＳｉＯ２（トクヤマ製、エクセリカＳＥ−１５）、ＡｌＯ２（大明化学工業製、タイミクロンＴＭ−５Ｄ）、ＺｒＯ２（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。
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。
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、本実施形態における制御部による造形動作の制御について図７のフロー図を参照して説明する。
まず、第１層目の造形データを読み出し、供給槽２１から造形槽２２に粉体２０を供給して平坦化ローラ１２で平坦化し、粉体層３１を形成する（リコート）。そして、第１層目の造形データに応じて吐出ユニット５１を移動させながらヘッド５０から造形液１０の液滴１００を吐出させて造形層３０を形成する。
その後、高さセンサ５６１によって、造形層３０の表面（粉体面ともいう。）の高さと、粉体層３１のうちの造形層３０を形成していない造形層以外の領域の表面の高さを検知する。なお、造形層３０が形成されている領域を造形部分、造形層３０が形成されていない部分を非造形部分ともいう。高さセンサ５６１による高さの検知は、少なくとも２つの検知位置で行うことで、検知精度を高めることが好ましい。
そして、造形層３０の粉体面の高さと造形層３０以外の領域の粉体面に高さとの差分（高さの差分）Δｔを算出して、記憶手段（例えばＲＡＭ５０３）に記憶保持する。
次いで、記憶保持した差分Δｔだけ造形槽２２の造形ステージ２４をＺ１方向に上昇させる。
その後、平坦化ローラ１２によって差分Δｔの高さの部分の粉体２０を除去して、造形層３０の表面と粉体層３１の造形層３０を形成していない領域の表面の高さを揃える動作を行う（造形面出し）。なお、このとき、平坦化ローラ１２の動作条件は、高さの差分Δｔに応じて変更することが好ましい。
この動作により、造形部分と非造形部分の粉体高さが揃い、造形部分の凹みが解消されとともに、造形部分の表面を造形槽の粉体層の最表面に位置させることができる。
その後、前記図６で説明したと同様にして、供給槽２１側を上昇、造形槽２２側を下降させ、造形槽２２に粉体２０を供給して、平坦化ローラ１２による平坦化を行なって、造形層３０上の所定厚み（Δｔ１）の粉体層２１を形成する。
そして、第ｎ層目の造形データに応じて造形液を吐出して第ｎ層目の造形層３０を形成する。
その後、次の造形層のデータがあるか否かを判別する。
ここで、次の造形層のデータがあれば、記憶保持した差分Δｔだけ造形槽２２をＺ１方向に上昇させ、差分Δｔの部分の粉体２０を除去して、造形層３０の表面と粉体層３１の造形層３０を形成していない領域の表面の高さを揃える動作（造形面出し）を行う処理に戻る。
次の造形層のデータがなければ、造形動作を終了する。
次に、この造形動作について図８ないし図１３を参照して具体的に説明する。図８ないし図１３は同説明に供する説明図であり、（ａ）は斜視説明図、（ｂ）は断面説明図である。
まず、図８に示すように、第１層目の造形データに応じて、粉体層３１に対してヘッド５０から液滴を吐出して第１層目の造形層３０を形成する。
このとき、粉体層３１の粉体密度が低いと、粉体層３１の造形層３０を形成していない非造形部分の表面に比べて造形層３０が形成されている造形部分の表面が凹むことになる。
このように造形層３０が凹んだまま粉体２０を供給して次層の粉体層３１を形成すると、造形部分と非造形部分とで供給される粉体の厚さが異なり、得られる造形物に密度ムラが生じる。また、造形部分と非造形部分との境界にできた凹みによって、造形物の端部に粉体が供給できず、造形物の端部の形状精度が低下する。
そこで、図９に示すように、高さセンサ５６１によって、第１層目の造形層３０を形成した後に、次層の粉体層を形成する前に、造形部分と非造形部分の高さを検知する。この高さセンサ５６１は、吐出ユニット５１に備えて吐出ユニットと共に移動可能とすることもできるし、吐出ユニット５１と独立して移動可能に配置することもできる。
この高さ検知を行うときには、第１層目の画像データから、造形部分と非造形部分の位置を認識し、高さセンサ５６１によって、それぞれの粉体面（造形層３０の表面、造形層３０以外の粉体層３１の表面）の高さを検知する。このとき、粉体面の凹凸を考慮して、少なくとも２点以上の測定点（検知位置）で測定する。
そして、検知結果から算出された各粉体面の高さの差分の情報（差分情報）を記憶保持する。このように、第１層目の造形層を形成したときに得られる高さの差分情報を記憶しておくことで、次層以降である第２層目以降での造形部分と非造形部分の高さを揃える動作で使用することができる。
その後、図１０に示すように、造形槽２２の造形ステージ２４を差分だけ上昇させる。
そして、図１１に示すように、平坦化ローラ１２によって造形層３０（造形部分）よりも高い部分の粉体２０を除去して、凹みをなくし、粉体層３１の高さと造形層３０の高さを揃える。
次いで、図１２に示すように、次層の粉体層を形成するため、供給槽２１の供給ステージ２３を上昇させ、造形槽２２の造形ステージ２４を所定厚み分下降させ、図１３に示すように平坦化ローラ１２によって造形槽２２に粉体２０を供給して平坦化し、所定厚みの次層の粉体層３１を形成する。
その後、第ｎ層目の造形層３０を形成する動作を行い、所要層分の造形動作を繰り返して造形部を造形する。
このような一連の動作を行うことで、造形部分の平面を基準として常に一定の層厚で粉体層を形成することが可能となるので、得られる造形物は層毎の粉体密度ムラや積層厚みムラが抑制される。
また、積層毎に粉体が置かれる状態は第１層目の状態と変わらないため、高さの差分分の粉体を除去して高さを揃える動作（ならし動作）を行う前の造形ステージの上昇量は第１層目の検知結果をそのまま使用することができる。
次に、立体造形装置の第２例について図１４及び図１５を参照して説明する。図１４は同装置の要部斜視説明図、図１５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１５（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１５（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１５（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
５６１ 高さセンサ（高さ検知手段）
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
５６１ 高さセンサ（高さ検知手段）
Claims (9)
- 粉体層に対して造形液の液滴を吐出して前記粉体層の粉体が結合された造形層を順次積層して立体造形物を形成する立体造形装置において、
前記造形層が積層形成される造形ステージと、
前記造形ステージのステージ面に沿う方向に相対的に移動されて、前記造形ステージ上の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手段と、を備え、
前記造形層が形成された前記粉体層上に次層の前記粉体層を形成するとき、前記次層を形成する前に、前記造形ステージを上昇させ、前記平坦化手段で造形層が形成されていない領域の粉体を除去する動作を行うことにより、前記造形層の表面と当該造形層が形成された前記粉体層の前記造形層が形成されていない領域の表面との高さを揃える
ことを特徴とする立体造形装置。 - 粉体層に対して造形液の液滴を吐出して前記粉体層の粉体が結合された造形層を順次積層して立体造形物を形成する立体造形装置において、
前記造形層が形成された前記粉体層上に次層の前記粉体層を形成するとき、前記次層を形成する前に、前記造形層の表面と当該造形層が形成された前記粉体層の前記造形層が形成されていない領域の表面との高さを揃える動作を行わせる手段と、
前記造形層及び前記造形層以外の領域の高さを検知する手段と、
前記造形層の表面と前記粉体層の前記造形層以外の領域の表面との高さの差分を算出する手段と、を備えている
ことを特徴とする立体造形装置。 - 前記高さを検知する手段で、少なくとも２点の検知位置で高さを検知する
ことを特徴とする請求項２に記載の立体造形装置。 - 前記造形層が積層形成される造形ステージと、
前記造形ステージのステージ面に沿う方向に相対的に移動されて、前記造形ステージ上の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手段と、を備え、
前記高さを揃える動作を行わせる手段は、
前記高さの差分だけ前記造形ステージを上昇させ、前記平坦化手段で前記造形層が形成されていない領域の前記粉体を除去する動作を行わせる
を備えている
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の立体造形装置。 - 前記高さを揃える動作を行わせる手段は、前記高さの差分に応じて前記平坦化手段の動作条件を変更する
ことを特徴とする請求項４に記載の立体造形装置。 - 前記高さを揃える動作を行う手段は、１層目の前記粉体層の表面と前記造形層の表面との高さの差を使用して２層目以降についての高さを揃える動作を行う
ことを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の立体造形装置。 - 前記高さを検知する手段は、前記造形液の液滴を吐出する手段とともに移動可能である
ことを特徴とする請求項２ないし６のいずれかに記載の立体造形装置。 - 粉体層に対して造形液の液滴を吐出して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ステージと、
前記造形ステージのステージ面に沿う方向に相対的に移動されて、前記造形ステージ上の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手段と、を備える立体造形装置を使用し、前記造形層を順次積層して立体造形物を形成する立体造形物の生産方法において、
前記造形層が形成された前記粉体層上に次層の前記粉体層を形成するとき、前記次層を形成する前に、前記造形ステージを上昇させ、前記平坦化手段で造形層が形成されていない領域の粉体を除去することにより、前記造形層の表面と当該造形層が形成された前記粉体層の前記造形層が形成されていない領域の表面との高さを揃える
ことを特徴とする立体造形物の生産方法。 - 粉体層に対して造形液の液滴を吐出して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ステージと、
前記造形ステージのステージ面に沿う方向に相対的に移動されて、前記造形ステージ上の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手段と、を備える立体造形装置による前記造形層を順次積層して立体造形物を形成する造形動作を制御する処理をコンピュータに行わせるためのプログラムであって、
前記造形層が形成された前記粉体層上に次層の前記粉体層を形成するとき、前記次層を形成する前に、前記造形ステージを上昇させ、前記平坦化手段で造形層が形成されていない領域の粉体を除去することにより、前記造形層の表面と当該造形層が形成された前記粉体層の前記造形層が形成されていない領域の表面との高さを揃え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。
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