JP6550444B2 - 三次元造形装置 - Google Patents

Description

本発明は、三次元造形装置に関する。

従来から、特許文献１に開示されているように、粉末材料にバインダを吐出し、粉末材料を硬化させることによって所望の三次元造形物を造形する粉末積層法が知られている。

特許文献１に開示された三次元造形装置は、粉末が収容される造形部と、造形部に供給される粉末が収納される粉末供給部と、造形部より上方に配置されたインクジェットヘッドとを備えている。インクジェットヘッドは、造形部に収容された粉末に水性インクを吐出する。即ち、インクジェットヘッドは、造形部に収容された粉末のうち三次元造形物の断面形状に対応する部分に水性インクを吐出する。造形部に収容された粉末のうち水性インクが吐出された部分は硬化し、断面形状に対応した硬化層が形成される。そして、硬化層を順次積層することで、所望の三次元造形物が造形される。

特許第５４０００４２号公報

ところで、特許文献１に示されたような粉末硬化タイプの三次元造形装置では、粉末材料の硬化に先立ち、三次元造形物が造形される造形領域に粉末材料を敷き詰めて平らに均し、粉末層を形成する必要がある。この粉末層の形成においては、例えば、造形領域の外部に積み上げられた粉末材料をローラなどのリコータで均す方法が採られる。しかしその際、粉末層として形成される粉末材料よりも相当多くの粉末材料を供給しなければ、粉末層に欠陥が発生しやすかった。より具体的には、造形領域の端部（リコータの走行方向を例えば前方と呼ぶとした場合の左右の端部）付近の粉末材料の敷き詰めが不足することが多かった。本願発明者の知見によれば、１回の供給につき粉末層として形成される粉末材料の２倍〜３倍程度の粉末材料を供給しなければ、上記敷き詰め不足が頻繁に発生する。しかしながら、多量の粉末材料の供給を行おうとすると、材料供給槽などが大型化し、三次元造形装置の大型化を招きうる。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、比較的少量の粉末材料で、造形領域内に確実に粉末層を形成することができる三次元造形装置を提供することである。

本発明に係る三次元造形装置は、三次元造形物が造形される造形領域を含み、粉末材料を載置可能な造形槽と、前記造形槽に前記粉末材料を供給する材料供給装置と、前記造形領域内の前記粉末材料を硬化させる硬化装置と、を備える。前記材料供給装置は、供給テーブルと、リコータと、粉敷きガイドと、移動機構と、を備える。前記供給テーブルは、前記造形槽と第１方向に並んで配置され、前記粉末材料が載置される供給領域を含む。前記リコータは、前記第１方向に直交する第２方向に延び、前記粉末材料を均す形成部を備える。前記粉敷きガイドは、前記粉末材料と接触する接触面を備える。前記移動機構は、前記リコータおよび前記粉敷きガイドを前記第１方向に沿って前記供給テーブル上から前記造形槽上まで移動させる。前記移動機構は、前記リコータの移動において、前記形成部の下端が前記供給領域上の前記粉末材料の高さよりも低い第１高さに保たれるように前記リコータを保持する。また、前記移動機構は、前記粉敷きガイドの移動において、前記接触面の下端が前記供給領域上の前記粉末材料の高さよりも低い第２高さに保たれ、かつ、前記接触面が前記リコータよりも前記第１方向の前方側に位置し、かつ、前記接触面の少なくとも一部が前記第２方向に関して前記造形領域の外側を通るように、前記粉敷きガイドを保持する。前記接触面は、前記粉敷きガイドの移動において、接触した前記粉末材料の少なくとも一部を前記造形領域の内側に移動させるように構成されている。

上記三次元造形装置によれば、粉敷きガイドの接触面が粉末材料を造形領域の内側に向かって押しやるため、従来に比べ、造形領域の端部により多くの粉末材料が供給され、造形領域端部の粉末材料の敷き詰め不足が解消される。そのために、粉敷きガイドは、粉末材料よりも低い高さに設置されるとともに、粉末材料を造形領域に敷き詰めるリコータよりも前方に配置される。このように、上記三次元造形装置によれば、粉末材料の供給量が比較的少なくても、造形領域内に良好な粉末層を形成することができる。

一実施形態に係る三次元造形装置を模式的に示した断面図である。 一実施形態に係る三次元造形装置を模式的に示した平面図である。 層形成機構６０を模式的に示した斜視図である。 左側粉敷きガイド周辺を模式的に示した斜視図である。 左側粉敷きガイド周辺を模式的に示した平面図である。 左側粉敷きガイド周辺を模式的に示した側面図であって、右方から左方に向かって見た図である。 粉末層形成中における造形槽付近を模式的に示した平面図である。 第１変形例に係る粉敷きガイドを模式的に示した平面図である。 第２変形例に係る粉敷きガイドを模式的に示した平面図である。 第３変形例に係る粉敷きガイドを模式的に示した平面図である。 第４変形例に係る粉敷きガイドを模式的に示した平面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る三次元造形装置について説明する。なお、ここで説明される実施形態は、当然ながら本発明を特に限定することを意図したものではない。また、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付し、重複する説明は適宜省略または簡略化される。

図１は、一実施形態に係る三次元造形装置１０を模式的に示した断面図である。図２は、本実施形態に係る三次元造形装置１０の平面図である。図１は、図２のＩ−Ｉ断面である。図面中の符号Ｆは、前方を示し、符号Ｒｒは、後方を示している。本実施形態では、符号Ｆの方向から三次元造形装置１０を見たときの左、右、上、下が、それぞれ三次元造形装置１０の左、右、上、下である。ここでは、図面中の符号Ｌ、Ｒ、Ｕ、Ｄは、それぞれ左、右、上、下を意味するものとする。本実施形態では、符号Ｘ、Ｙ、Ｚは、それぞれ前後方向、左右方向、上下方向を示している。前後方向Ｘ、左右方向Ｙ、上下方向Ｚは、それぞれ互いに直交している。左右方向Ｙは、三次元造形装置１０の主走査方向である。前後方向Ｘは、三次元造形装置１０の副走査方向である。また、上下方向Ｚは、三次元造形における積層方向である。ただし、これら方向は説明の便宜上定めた方向に過ぎず、三次元造形装置１０の設置態様を何ら限定するものではない。

図１に示すように、本実施形態に係る三次元造形装置１０は、粉末材料１００を硬化液で固めて硬化層１０１を形成し、これを上下方向Ｚに順次一体的に積層することによって三次元造形物１１０を造形する装置である。本実施形態に係る三次元造形装置１０は、粉末材料１００を造形槽２２内に敷き詰めて粉末層１０２を形成した後、所望の三次元造形物１１０の断面形状を示す断面画像に基づいて粉末材料１００に硬化液を吐出し、粉末材料１００を硬化させて硬化層１０１を形成する。そして、硬化層１０１を順次積層することで、所望の三次元造形物１１０を造形する。

ここで、「断面形状」とは、造形する三次元造形物１１０を所定の方向（例えば水平方向）に所定の厚み（例えば０．１ｍｍ。なお、所定の厚みは必ずしも一定の厚みに限定されない。）ごとにスライスしたときの断面の形状である。

粉末材料１００の組成や形態等は特に制限されず、樹脂材料、金属材料および無機材料等の各種の材料から構成された粉体を対象とすることができる。粉末材料１００としては、例えば、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア等のセラミック材料や、鉄、アルミニウム、チタンおよびこれらの合金（典型的にはステンレス鋼、チタン合金、アルミニウム合金）、半水石膏（α型焼石膏、β型焼石膏）、アパタイト、食塩、プラスチック等が挙げられる。これらはいずれか１種の材料から構成されていてもよいし、２種以上が組み合わされていてもよい。

「硬化液」は、上記粉末材料１００同士を固着することが可能な材料であれば特に限定されない。例えば、硬化液としては、粉末材料に応じて、当該粉末材料を構成する粒子同士を結着させることが可能な液体（粘性体を含む。）が用いられる。硬化液としては、例えば、水、ワックス、バインダ等を含む液体が挙げられる。また、粉末材料が副材として水溶性樹脂を有している場合には、硬化液として、水溶性樹脂を溶解可能な液体、例えば水を用いることもできる。かかる水溶性樹脂は特に制限されないが、例えば、澱粉、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、水溶性アクリル樹脂、水溶性ウレタン樹脂、水溶性ポリアミド等が挙げられる。

図１に示すように、三次元造形装置１０は、本体１１と、造形槽ユニット２０と、副走査方向移動機構３０と、ヘッドユニット４０と、主走査方向移動機構５０と、層形成機構６０と、制御装置８０と、を備えている。

図２に示すように、本体１１は、副走査方向Ｘに長い形状を有する三次元造形装置１０の外装体である。本体１１は、上方に向けて開口する箱型形状に形成されている。本体１１は、副走査方向移動機構３０と、造形槽ユニット２０と、制御装置８０とを収容する。また、図１に示されるように、本体１１は、層形成機構６０と主走査方向移動機構５０とを支持する支持台でもある。

図１に示すように、造形槽ユニット２０は、本体１１に収容されている。造形槽ユニット２０は、造形槽２２と、供給槽２５と、余剰粉末収容槽２８とを備えている。造形槽ユニット２０の上面２１は平坦であって、この上面２１から凹むように造形槽２２と供給槽２５と余剰粉末収容槽２８とが独立に並んで設けられている。

図１に示すように、造形槽２２は、造形槽ユニット２０に設けられている。造形槽２２は、その内部で三次元造形物１１０が造形される槽である。図２に示すように、造形槽２２は、平面視において矩形の形状を有している。ただし、造形槽２２は、平面視において矩形である必要は必ずしもない。図１に示すように、造形槽２２の内部には、平面形状において造形槽２２と同形の造形テーブル２３が挿入されている。造形槽２２の内部にはさらに、造形テーブル昇降機構２４が設けられ、造形テーブル２３は造形テーブル昇降機構２４の駆動に従って昇降するようになっている。

造形テーブル昇降機構２４は、造形テーブル２３を上下方向Ｚに移動させる機構である。造形テーブル昇降機構２４の構成は特に限定されないが、本実施形態では図示しないサーボモータとボールねじなどを備えている。造形テーブル昇降機構２４は、造形テーブル２３に下方から接続されている。造形テーブル２３は、造形テーブル昇降機構２４のサーボモータが駆動することによって上下方向Ｚに移動する。造形テーブル昇降機構２４は、制御装置８０と電気的に接続されており、制御装置８０によって制御される。

供給槽２５は、粉末材料１００が造形槽２２に供給される前において貯留されている槽である。図２に示されるように、供給槽２５の形状は、平面視において矩形状である。ただし、供給槽２５の平面形状は矩形に限定されるわけではない。図１に示すように、供給槽２５の内部には、平面形状において供給槽２５と同形の供給テーブル２６が収納されている。供給テーブル２６上の粉末材料１００は、後述する層形成機構６０によって造形槽２２の造形テーブル２３上に敷き詰められる。供給槽２５は、造形槽２２の後方に配置されている。供給槽２５は、主走査方向Ｙに関して造形槽２２と揃った位置に配置されている。図２に示すように、平面視において、供給槽２５の主走査方向Ｙの長さは、造形槽２２の主走査方向Ｙの長さと同じである。本実施形態では、粉末材料１００が載置され、そこから造形槽２２に粉末材料１００が供給される供給領域２６Ａは、供給テーブル２６上の全ての領域である。

供給テーブル２６は、供給槽２５内部において、上下方向Ｚに移動可能に構成されている。供給テーブル２６の下部には、供給テーブル昇降機構２７が連結されている。供給テーブル昇降機構２７は、供給テーブル２６を上下方向Ｚに移動させる機構である。供給テーブル昇降機構２７の構成は、特に限定されないが、本実施形態では、造形テーブル昇降機構２４と同様に、図示しないサーボモータとボールねじなどを備えている。供給テーブル昇降機構２７のサーボモータが駆動することで、供給テーブル２６は上下方向Ｚに移動する。供給テーブル昇降機構２７は、制御装置８０と電気的に接続されており、制御装置８０によって制御される。

余剰粉末収容槽２８は、粉末材料１００が層形成機構６０によって造形槽２２に敷き詰められた際に、造形槽２２に収容しきれなかった粉末材料１００を回収する槽である。余剰粉末収容槽２８は、造形槽２２の前方に配置されている。余剰粉末収容槽２８は、主走査方向Ｙに関して造形槽２２と揃った位置に配置されている。図２に示すように、平面視において、余剰粉末収容槽２８の主走査方向Ｙの長さは、造形槽２２の主走査方向Ｙの長さと同じである。

図１に示すように、副走査方向移動機構３０は、ヘッドユニット４０および層形成機構６０に対して造形槽ユニット２０を副走査方向Ｘに移動させる機構である。本実施形態では、副走査方向移動機構３０は、一対のガイドレール３１と、フィードモータ３２とを備えている。

図１に示すように、ガイドレール３１は、造形槽ユニット２０の副走査方向Ｘへの移動をガイドする。ガイドレール３１は、本体１１内に設けられている。ガイドレール３１は、副走査方向Ｘに延びている。造形槽ユニット２０は、ガイドレール３１に摺動可能に係合している。ただし、ガイドレール３１の設置位置および数は特に限定されない。フィードモータ３２は、例えば、ボールねじ等を介して造形槽ユニット２０に接続されている。フィードモータ３２は、制御装置８０に電気的に接続されている。フィードモータ３２が回転駆動することによって、造形槽ユニット２０は、ガイドレール３１上を副走査方向Ｘに移動することができる。

図２に示すように、ヘッドユニット４０は、キャリッジ４１と、キャリッジ４１に搭載された複数の吐出ヘッド４２とを備えている。複数の吐出ヘッド４２は、キャリッジ４１の下面に配置されている。吐出ヘッド４２は、粉末材料１００を結合させる硬化液を造形テーブル２３上の粉末材料１００に対して吐出する。図２に示すように、複数の吐出ヘッド４２は、主走査方向Ｙに並んでいる。吐出ヘッド４２は、硬化液を吐出する複数のノズル４３を有している。複数のノズル４３は、副走査方向Ｘに直線状に並んでいる。吐出ヘッド４２における硬化液の吐出機構は特に制限されず、例えばインクジェット方式などが好適に利用できる。吐出ヘッド４２は、制御装置８０に電気的に接続されている。吐出ヘッド４２のノズル４３からの硬化液の吐出は、制御装置８０によって制御される。

主走査方向移動機構５０は、キャリッジ４１を主走査方向Ｙに移動させる機構である。主走査方向移動機構５０は、本体１１に設けられている。図２に示されるように、主走査方向移動機構５０は、ガイドレール５１を備えている。ガイドレール５１は、主走査方向Ｙに延びている。ガイドレール５１には、キャリッジ４１が摺動自在に係合している。キャリッジ４１には、例えば、無端状のベルトとプーリなどを介してキャリッジモータ５２が接続されている。キャリッジモータ５２が駆動することによって、キャリッジ４１は、ガイドレール５１に沿って主走査方向Ｙに移動する。キャリッジモータ５２は、制御装置８０と電気的に接続されている。キャリッジモータ５２は、制御装置８０によって制御される。キャリッジ４１が主走査方向Ｙに移動することによって、複数の吐出ヘッド４２も主走査方向Ｙに移動する。

キャリッジ４１に搭載された複数の吐出ヘッド４２は、副走査方向移動機構３０および主走査方向移動機構５０の動きにより、造形槽２２上の所望の位置に移動される。副走査方向移動機構３０と、主走査方向移動機構５０と、ヘッドユニット４０とは、粉末材料１００を硬化させて三次元造形物１１０を造形する硬化装置の一例である。三次元造形物１１０は、造形槽２２上の所定の造形領域１０３内に造形される。三次元造形物１１０は造形テーブル２３上の全ての位置において造形可能ではなく、造形領域１０３は、平面視において三次元造形物１１０を造形可能な最大領域である。図２に示されるように、造形領域１０３は、造形槽２２上の矩形の領域であり、前後左右にそれぞれ仮想の境界線を有している。造形領域１０３は、前側境界線１０３Ｆ、後側境界線１０３Ｒｒ、左側境界線１０３Ｌ、および右側境界線１０３Ｒによって区画されている。左側境界線１０３Ｌは、供給テーブル２６の左端２６Ｌおよび余剰粉末収容槽２８の左端２８Ｌよりも右方に位置している。右側境界線１０３Ｒは、供給テーブル２６の右端２６Ｒおよび余剰粉末収容槽２８の右端２８Ｒよりも左方に位置している。言い換えれば、供給槽２５および余剰粉末収容槽２８の主走査方向Ｙの長さは、造形領域１０３の主走査方向Ｙの長さよりも長い。

層形成機構６０は、供給槽２５に貯留されている粉末材料１００を造形槽２２に敷き詰めて粉末層１０２を形成する部材である。層形成機構６０と、副走査方向移動機構３０と、供給槽２５に係る各部材（供給槽２５、供給テーブル２６、供給テーブル昇降機構２７）とは、造形槽２２に対して粉末材料１００を供給する材料供給装置を構成している。層形成機構６０は、造形槽ユニット２０が副走査方向移動機構３０によって移動されることにより、造形槽ユニット２０に対して相対的に移動する。より詳しくは、造形槽２２、供給槽２５、および余剰粉末収容槽２８上を通過する。図３は、本実施形態に係る層形成機構６０を模式的に示す斜視図である。図３に示されるように、層形成機構６０は、ローラ６１と、保持部材６２と、ローラモータ６３と、左側粉敷きガイド７０Ｌと、右側粉敷きガイド７０Ｒとを備えている。なお、以下の説明では、左側粉敷きガイド７０Ｌと右側粉敷きガイド７０Ｒを総称して、粉敷きガイド７０と称することがある。

ローラ６１は、粉末材料１００の表面を平らに均して粉末層１０２を形成する。層形成機構６０を構成する部材のうち、ローラ６１は、粉末材料１００に接触する部材である。ローラ６１は、粉末材料１００の表面を均して粉末層１０２を形成する「リコータ」の一例である。ローラ６１は、本体１１の上面１１Ａに設けられた保持部材６２によって回転可能に保持されている。保持部材６２は、一対のフレーム６２Ａと、ブリッジ６２Ｂとを備えている。図２に示されるように、一対のフレーム６２Ａのうち右側のフレーム６２Ａは、造形槽ユニット２０よりも右方に設けられている。左側のフレーム６２Ａは、造形槽ユニット２０よりも左方に設けられている。一対のフレーム６２Ａは、ヘッドユニット４０よりも前方に配置されている。一対のフレーム６２Ａの間には、ブリッジ６２Ｂが水平に架橋されている。ブリッジ６２Ｂは、主走査方向Ｙに延びている。ブリッジ６２Ｂは、ローラ６１を回転可能に保持している。また、ブリッジ６２Ｂには、ローラモータ６３が設けられている。ローラモータ６３は、ローラ６１を回転させる部材である。ローラモータ６３とローラ６１とは、例えばギア等を備えた接続装置（図示せず）によって接続されている。ローラモータ６３は、制御装置８０に電気的に接続され、制御装置８０の制御に基づいてローラ６１を回転させる。

ローラ６１は、長尺の円筒形状を有している。ローラ６１は、保持部材６２によって、円筒軸が主走査方向Ｙに沿うように保持されている。ローラ６１は、主走査方向Ｙに延びており、その長さは造形領域１０３の主走査方向Ｙの寸法よりも長い。さらに、その長さは造形槽２２の主走査方向Ｙの寸法よりも長いが、ローラ６１は造形領域１０３の主走査方向Ｙの寸法よりも長ければ足り、必ずしも造形槽２２の主走査方向Ｙの寸法より長くなくともよい。ローラ６１は、本体１１の上方で支持されている。ローラ６１は、下端６１Ａが造形槽ユニット２０の上面２１から所定の高さＴ１に位置するように保持されている（図６参照）。ローラ６１は回転可能に構成されているが、円筒状であるため下端６１Ａの高さＴ１は一定である。ローラ６１の下端６１Ａの高さＴ１（以下では単に、ローラ６１の高さＴ１と呼ぶ。）は、粉末材料１００の供給時に供給領域２６Ａ上に積み上げられる粉末材料１００の高さよりも低い。そこで、ローラ６１は、粉末材料１００の供給時、前面下部６１Ｂにおいて粉末材料１００に接触する。ローラ６１の前面下部６１Ｂ（図６も参照）は、粉末材料１００に接触し、粉末材料１００を均す「形成部」の一例である。

ブリッジ６２Ｂには、左側粉敷きガイド７０Ｌと、右側粉敷きガイド７０Ｒが固定されている。図４は、左側粉敷きガイド７０Ｌの周辺を模式的に示す斜視図である。図５は、左側粉敷きガイド７０Ｌの周辺を上方から見た平面図である。図６は、左側粉敷きガイド７０Ｌの周辺を右方から左方に向かって見た側面図である。右側粉敷きガイド７０Ｒについては詳しく図示しないが、左側粉敷きガイド７０Ｌを左右反転させた形状を有している。

左側粉敷きガイド７０Ｌは、固定部７６でブリッジ６２Ｂに固定されている。図４に示すように、ここでは固定部７６は、スリット７６Ａと、ボルト穴７６Ｂとを備えている。スリット７６Ａにはブリッジ６２Ｂの一部が挿入され、両者はボルト穴７６Ｂを介して図示しないボルトによって固定されている。ただし、上記した固定部７６の構造は１つの例に過ぎず、それに限定されるわけではない。図４〜図６に示されるように、左側粉敷きガイド７０Ｌは、副走査方向Ｘに対して斜めに形成された第１誘導面７１Ａと、第１誘導面７１Ａよりも前方に突出した第２誘導面７１Ｂとを備えている。第２誘導面７１Ｂは、第１誘導面７１Ａよりも左方（外側）に位置している。第１誘導面７１Ａと第２誘導面７１Ｂとは、粉末材料１００に接触する接触面７１を構成している。第１誘導面７１Ａの後方には、内側側面７２が形成されている。第２誘導面７１Ｂの前方には、前面７３が形成されている。第１誘導面７１Ａ、第２誘導面７１Ｂ、内側側面７２、および前面７３は、ここではいずれも鉛直面である。

図５に示すように、第１誘導面７１Ａは、平面視において、前方から後方に向かうにつれて右方に向かうように傾斜している。言い換えれば、第１誘導面７１Ａは、左前方から右後方に向かって延びている。第２誘導面７１Ｂは、第１誘導面７１Ａの前端に接続され、前方に延びる鉛直面である。第２誘導面７１Ｂは、副走査方向Ｘに平行に延びている。従って、第２誘導面７１Ｂは、右方を向いている。内側側面７２は、第１誘導面７１Ａの後端に接続された副走査方向Ｘに平行な鉛直面である。内側側面７２は右方を向いている。

前面７３は、左側粉敷きガイド７０Ｌにおいて最も前方に位置する面であり、副走査方向Ｘに垂直な鉛直面である。前面７３は、下端に面取り部７３Ａを備えている。面取り部７３Ａは、後方に向かって切り落とされた傾斜面である。面取り部７３Ａは、上前方から下後方に向かって延びている。面取り部７３Ａは、鉛直面から、例えば４５度程度傾いて形成されている。

図６に示すように、左側粉敷きガイド７０Ｌの底面７４は、造形槽ユニット２０の上面２１と平行に形成されている。底面７４は、水平面である。図６に示すように、底面７４は、造形槽ユニット２０の上面２１よりも所定の高さＴ２だけ上方に位置している。底面７４の造形槽ユニット２０の上面２１に対する高さＴ２（以下では、単に左側粉敷きガイド７０Ｌの高さＴ２と呼ぶ。）と、ローラ６１の高さＴ１とは、本実施形態では同じ高さである。

図６に示すように、内側側面７２の後端には、背面７５が接続されている。背面７５は湾曲しながら上方に延びる曲面である。背面７５は、左側粉敷きガイド７０Ｌにおいて最も後方に位置し、ローラ６１の前面下部６１Ｂ（形成部）に近接している。図６に示されるように、背面７５は、ローラ６１の前面下部６１Ｂの外周に沿うように湾曲している。従って、背面７５は、下端が最も後方に突出し、上端が最も前方に位置している。

図２に示されるように、左側粉敷きガイド７０Ｌは、保持部材６２において、ローラ６１よりも前方に取り付けられている。また、左側粉敷きガイド７０Ｌの主要部は、左右方向Ｙに関して、造形領域１０３の左側境界線１０３Ｌと供給テーブル２６の左端２６Ｌとの間の領域（以下では適宜、左側周縁領域１０４Ｌと称する。）に位置している。より詳しくは、左側粉敷きガイド７０Ｌは、内側側面７２が造形領域１０３の左側境界線１０３Ｌ上に位置し、第２誘導面７１Ｂが供給テーブル２６の左端２６Ｌ上に位置するように設置されている。言い換えれば、左側粉敷きガイド７０Ｌの第１誘導面７１Ａの右端は造形領域１０３の左側境界線１０３Ｌ上に位置し、左端は供給テーブル２６の左端２６Ｌ上に位置している。そこで、第１誘導面７１Ａは、造形槽ユニット２０が副走査方向Ｘに移動されるとき、左側周縁領域１０４Ｌ上を通過する。ただし、第１誘導面７１Ａの右端の位置は造形領域１０３の左側境界線１０３Ｌのちょうど真上でなくともよく、例えば、わずかに左側（造形領域１０３の外側）でもよい。また、第１誘導面７１Ａの左端の位置は供給テーブル２６の左端２６Ｌのちょうど真上でなくともよく、例えば、わずかに右側（供給領域２６Ａの内側）でもよい。

なお、右側粉敷きガイド７０Ｒは、左側粉敷きガイド７０Ｌと同様に、内側側面が造形領域１０３の右側境界線１０３Ｒ上に位置し、第２誘導面が供給テーブル２６の右端２６Ｒ上に位置するように配置されている。そこで、右側粉敷きガイド７０Ｒの第１誘導面は、造形槽ユニット２０が副走査方向Ｘに移動されるとき、右側周縁領域１０４Ｒ（＝造形領域１０３の右側境界線１０３Ｒと供給テーブル２６の右端２６Ｒとの間の領域）上を通過する。

図１に示すように、本体１１の前面には、操作パネル８５が設けられている。操作パネル８５には、機器状態を表示する表示部と、ユーザーによって操作される入力キー等が設けられている。操作パネル８５は、三次元造形装置１０の各種の動作を制御する制御装置８０と接続されている。制御装置８０は、フィードモータ３２、キャリッジモータ５２、吐出ヘッド４２、造形テーブル昇降機構２４、供給テーブル昇降機構２７、およびローラモータ６３と電気的に接続され、それらの動作を制御している。

制御装置８０の構成は特に限定されない。制御装置８０は、例えばマイクロコンピュータである。マイクロコンピュータのハードウェア構成は特に限定されないが、例えば、ホストコンピュータ等の外部機器から造形データ等を受信するインターフェイス（Ｉ／Ｆ）と、制御プログラムの命令を実行する中央演算処理装置（ＣＰＵ：central processing unit）と、ＣＰＵが実行するプログラムを格納したＲＯＭ（read only memory）と、プログラムを展開するワーキングエリアとして使用されるＲＡＭ（random access memory）と、上記プログラムや各種データを格納するメモリ等の記憶装置とを備えている。なお、制御装置８０は必ずしも三次元造形装置１０の内部に設けられている必要はなく、例えば、三次元造形装置１０の外部に設置され、有線または無線を介して三次元造形装置１０と通信可能に接続されたコンピュータ等であってもよい。

本実施形態に係る三次元造形装置１０においては、造形テーブル２３の下降と、粉末層１０２の形成と、硬化層１０１の形成とが繰り返されることによって三次元造形物１１０が造形される。本実施形態に係る制御装置８０は、１つの硬化層１０１の形成が終了すると、造形テーブル昇降機構２４を制御して次の硬化層１０１の厚み分だけ造形テーブル２３を下降させる。同時に、制御装置８０は、供給テーブル昇降機構２７を制御して、供給テーブル２６を上昇させる。この供給テーブル２６の上昇により、供給槽２５上には粉末材料１００が積み上がる。この積み上がった粉末材料１００は、ローラ６１の走行により造形槽２２の方に押しやられ、一部が造形テーブル２３上に敷き詰められる。敷き詰められなかった残りの粉末材料１００は、余剰粉末収容槽２８に収容される。こうして硬化層１０１の上に新たな粉末層１０２が形成される。制御装置８０は、粉末層１０２の形成後、フィードモータ３２、吐出ヘッド４２、およびキャリッジモータ５２を制御して造形領域１０３上の所定の場所に硬化液を吐出させ、新たな硬化層１０１を形成する。

上記したように、粉末層１０２の形成プロセスにおいては、１回ごとに供給槽２５から造形槽２２に対して粉末材料１００が供給される。しかし、その際、従来の三次元造形装置では、粉末層１０２として形成される量よりも相当多量の粉末材料１００を供給しなければ、粉末層１０２に欠陥が発生しやすかった。より具体的には、造形領域１０３の左側境界線１０３Ｌおよび右側境界線１０３Ｒ付近の粉末材料の敷き詰めが不足することが多かった。その中でも特に、前側境界線１０３Ｆの近くほど敷き詰め不足となる領域が大きかった。これは、ローラ６１の走行の途中で、粉末材料１００が造形領域１０３の中央に寄ってしまったり、造形領域１０３の左右にこぼれてしまったりすることによるものである。本願発明者の知見によれば、従来の三次元造形装置においては、１回の供給につき粉末層１０２として形成される量の２倍〜３倍程度の粉末材料１００を供給しなければ、上記敷き詰め不足が頻繁に発生する。造形領域１０３は三次元造形物１１０を造形する領域であることから、良好な粉末層１０２の形成は必須である。しかしながら、多量の粉末材料１００を供給しようとすると、供給槽２５や余剰粉末収容槽２８が大型化し、三次元造形装置１０の大型化を招きうる。

そこで、本実施形態に係る三次元造形装置１０は、ローラ６１の進行方向前方に粉敷きガイド７０を備え、比較的少ない粉末材料１００でも、確実に粉末層１０２を形成できるように構成されている。粉敷きガイド７０の接触面７１は、ローラ６１の形成部（前面下部６１Ｂ）よりも先に粉末材料１００に接触し、接触した粉末材料１００を、造形領域１０３の内側方向に移動させる。接触面７１は、下端の高さが供給領域２６Ａ上の粉末材料１００の高さよりも低い高さＴ２に設定されており、少なくともその一部が造形領域１０３の外側を通過する。そして、接触面７１は、接触した粉末材料１００を造形領域１０３の内側に向かって寄せるような形状に形成されている。従って、本実施形態に係る三次元造形装置１０によれば、従来よりも多量の粉末材料１００を造形領域１０３の左右の境界線１０３Ｌ、１０３Ｒ付近に供給することができる。ローラ６１は、粉敷きガイド７０が造形領域１０３内に移動させた粉末材料１００を平らにならし、欠陥のない良好な粉末層１０２を形成する。このように、本実施形態に係る三次元造形装置１０によれば、比較的少ない粉末材料１００でも良好な粉末層１０２を形成することができる。

以下では、粉末層１０２の形成のプロセスを説明する。既に説明したように、１層の硬化層１０１の形成が終わると、制御装置８０は、造形テーブル昇降機構２４を制御して、造形テーブル２３を次の硬化層１０１の厚さ分だけ下降させる。このときに造形テーブル２３が下降される距離は、例えば、０．１ｍｍ程度である。同時に、制御装置８０は、供給テーブル昇降機構２７を制御して、供給テーブル２６を上昇させる。本実施形態では、そのときの粉末材料１００の供給量は、例えば、粉末層１０２として形成される量の１．３〜１．５倍程度である。本願発明者の実施によれば、本実施形態では、粉末層１０２として形成される量の１．３〜１．５倍程度の粉末材料１００を供給すれば、良好な粉末層１０２を形成することができる。

供給テーブル２６の上昇により積み上げられた粉末材料１００は、次のステップにおいて、粉末層１０２に形成される。図７は、粉末層１０２形成中における造形槽２２付近を模式的に示した平面図である。図７において、制御装置８０はフィードモータ３２を制御して造形槽ユニット２０を後方に移動させている。従って、造形槽ユニット２０に対し層形成機構６０が相対的に前方に走行している。図７に示されるように、層形成機構６０が供給領域２６Ａ上を走行しているとき、左側粉敷きガイド７０Ｌの第１誘導面７１Ａは、左側周縁領域１０４Ｌの上方を通過している。左側周縁領域１０４Ｌのうち供給領域２６Ａ上でもある領域１０５Ｌには、粉末材料１００が載置されている。そこで、第１誘導面７１Ａは、領域１０５Ｌで粉末材料１００と接触する。本実施形態に係る三次元造形装置１０では、このように、粉敷きガイド７０を周縁領域１０４上で走行させ、周縁領域１０４上の粉末材料１００を造形領域１０３内に移動させることによって、造形領域１０３の左右端部付近により多くの粉末材料１００を供給する。

左側粉敷きガイド７０Ｌの第１誘導面７１Ａは、左前方から右後方に向かって延びる鉛直面である。そこで、第１誘導面７１Ａと接触した粉末材料１００は、右後方に流れるように誘導される。第１誘導面７１Ａの後端は、造形領域１０３の左側境界線１０３Ｌと主走査方向Ｙに関して揃っているため、第１誘導面７１Ａが通過した領域上の粉末材料１００の多くは、造形領域１０３の内部へと移動される（図７の矢印Ａ）。このとき、第１誘導面７１Ａの右端は、造形領域１０３の左側境界線１０３Ｌ上を通過しており、左側周縁領域１０４Ｌにおいて最も内側に存在している粉末材料１００も直接に造形領域１０３内に誘導する。ただし、第１誘導面７１Ａの右端は、造形領域１０３の左側境界線１０３Ｌ上のわずかに外側を通過してもよい。左側粉敷きガイド７０Ｌの後方には、ローラ６１が配置されており、第１誘導面７１Ａによって誘導された粉末材料１００も加えて粉末層１０２を形成する。

なお、このときローラ６１は、ローラモータ６３の駆動によって回転しており、回転によって粉末材料１００を押圧し、より強固な粉末層１０２を形成している。

本実施形態では、左側粉敷きガイド７０Ｌは、第２誘導面７１Ｂも備えている。第２誘導面７１Ｂは前後方向Ｘに延びる鉛直面であり、粉末材料１００が供給テーブル２６の左端２６Ｌよりも左方にこぼれるのを防いでいる（図７の矢印Ｂ）。本実施形態では、第２誘導面７１Ｂは供給テーブル２６の左端２６Ｌ上を通るように配置されている。供給テーブル２６の左端２６Ｌ上を通ることにより、第２誘導面７１Ｂは、供給領域２６Ａの全域において粉末材料１００を内側に押し戻すとともに、供給領域２６Ａの外側に粉末材料１００をこぼさないように構成されている。ただし、第２誘導面７１Ｂは、供給テーブル２６の左端２６Ｌのわずかに内側を通過してもよい。なお、図６に示したように、前面７３には面取り部７３Ａが設けられ、前面７３に粉末材料１００が接触した場合であっても粉末材料１００を速やかに後方に送るように構成されている。

さらに、本実施形態では、左側粉敷きガイド７０Ｌの高さＴ２とローラ６１の高さＴ１とが同じ高さに設定されている。左側粉敷きガイド７０Ｌの高さＴ２がローラ６１の高さＴ１よりも低いと、ローラ６１が均すべき粉末材料１００を左側粉敷きガイド７０Ｌがえぐってしまう恐れがあり、好ましくない。一方、左側粉敷きガイド７０Ｌの高さＴ２がローラ６１の高さＴ１よりも高いと、接触面７１によって誘導される粉末材料１００の量が減少し、左側粉敷きガイド７０Ｌの効果が低下する。従って、左側粉敷きガイド７０Ｌの高さＴ２は、ローラ６１の高さＴ１と同じ高さであることが好ましい。ただし、左側粉敷きガイド７０Ｌの高さＴ２は、ローラ６１の高さＴ１よりわずかに高くてもよい。

また、図６に示されるように、左側粉敷きガイド７０Ｌの背面７５は、ローラ６１の外周面に沿って後方に延び、ローラ６１の外周面と左側粉敷きガイド７０Ｌとの間の隙間を小さくしている。従って、ローラ６１の外周面と左側粉敷きガイド７０Ｌとの間の隙間から造形領域１０３の外側に逃げてゆく粉末材料１００の量を減らすことができ、左側粉敷きガイド７０Ｌの効果を向上させている。

上記では、左側粉敷きガイド７０Ｌについて説明したが、右側粉敷きガイド７０Ｒについても同様である。右側粉敷きガイド７０Ｒは、右側周縁領域１０４Ｒ上の粉末材料１００を造形領域１０３内部に移動させることにより、右側境界線１０３Ｒ付近の粉末層１０２が良好に形成されるのを補助する。

なお、粉敷きガイドの形状は、上記した形状の他、いくつかの変形例によって実施することも可能である。図８Ａ〜図８Ｄは、それぞれ、第１変形例〜第４変形例に係る粉敷きガイド１７１〜１７４を模式的に示した平面図である。

図８Ａに示すように、第１変形例に係る粉敷きガイド１７１は、接触面から第２誘導面をなくし第１誘導面１７１Ａだけとした変形例である。第１変形例に係る粉敷きガイド１７１のように、第１誘導面１７１Ａだけでも接触した粉末材料１００を造形領域１０３の内側に誘導することができ、作用効果を奏する。即ち、粉敷きガイドは必ずしも第２誘導面を備えなくともよい。

図８Ｂに示すように、第２変形例に係る粉敷きガイド１７２は、第１誘導面１７２Ａが主走査方向Ｙに平行に構成された変形例である。第１誘導面１７２Ａがこのような形態であっても、第２誘導面１７２Ｂとの組み合わせによって、接触した粉末材料１００を内側に誘導することができ、作用効果を奏する。即ち、第１誘導面は、平面視において、必ずしも主走査方向Ｙに対して傾斜していなくともよい。

図８Ｃに示すように、第３変形例に係る粉敷きガイド１７３は、第２誘導面１７３Ｂが副走査方向Ｘに対して傾斜している変形例である。本変形例では、平面視において、第２誘導面１７３Ｂは副走査方向Ｘに対して傾斜し、第２誘導面１７３Ｂと第１誘導面１７３Ａとは、最初の実施形態よりもさらに鈍角をなして接続されている。このような形態であっても接触した粉末材料１００を造形領域１０３の内側に誘導することができ、作用効果を奏する。即ち、第２誘導面は副走査方向Ｘに平行でなくともよい。なお、第１誘導面１７３Ａと第２誘導面１７３Ｂとは、平面視において、副走査方向Ｘに対して同じ傾斜角を備え、１つの面をなしていてもよい。

図８Ｄに示すように、第４変形例に係る粉敷きガイド１７４は、第１誘導面を備えず、第２誘導面１７４Ｂだけを備える変形例である。本変形例に係る粉敷きガイド１７４の下部は、単純な矩形である。本変形例でも、第２誘導面１７４Ｂは供給テーブル２６の左端２６Ｌ上を通過する。従って、本変形例では、粉敷きガイド１７４の接触面は周縁領域１０４上を通過せず、周縁領域１０４上の粉末材料１００を積極的には移動させない。しかしながら、このような形態であっても粉末材料１００が造形領域１０３の外側にこぼれるのを防ぐことができ、造形領域１０３内の粉末材料１００の量を従来よりも確保することができる。つまり、より少ない量の粉末材料１００でも粉末層１０２を形成できるという作用効果を奏する。

なお、上記した実施形態では、接触面その他の面は鉛直面であったが、それには限られない。接触面は、接触した粉末材料１００の少なくとも一部を造形領域１０３の内側に移動させることができればよく、鉛直面である必要はない。例えば接触面は、水平面に対し鋭角または鈍角で傾斜する傾斜面であってもよい。その他、粉敷きガイドの形状には作用効果を奏することができるあらゆる形状が含まれ、上記した形状に限定されるものではない。ただし、鉛直面には、製作において容易かつ安価であるというメリットがある。また、上記した実施形態では、接触面は１つまたは複数の平面から構成されていたが、曲面によって構成されていてもよい。

以上、本発明のいくつかの好適な実施形態について説明した。しかし、上記した実施形態は例示に過ぎず、本発明は他の種々の形態で実施することができる。

例えば、上記した実施形態では、造形槽２２の主走査方向Ｙの長さと供給槽２５の主走査方向Ｙの長さとは同じであり、造形領域１０３の主走査方向Ｙの長さだけが供給槽２５の主走査方向Ｙの長さよりも短かった。しかし、造形槽２２の主走査方向Ｙの長さ、供給槽２５の主走査方向Ｙの長さ、造形領域１０３の主走査方向Ｙの長さ、さらには、供給槽２５における供給領域２６Ａ（粉末材料１００が実際に供給される領域）の主走査方向Ｙの長さの大小関係は可能な範囲で任意に設定されてよい。例えば、供給槽２５の主走査方向Ｙの長さは、造形槽２２の主走査方向Ｙの長さよりも大きくてもよい。あるいは、供給領域２６Ａの主走査方向Ｙの長さは、供給槽２５の主走査方向Ｙの長さより小さくてもよい。

上記した実施形態では、粉敷きガイド７０の内側側面７２は造形領域１０３の境界線上を通り、第２誘導面７１Ｂは供給領域２６Ａの境界線上を通ったが、それに限定されない。粉敷きガイド７０の内側側面７２は造形領域１０３の内側または外側を通ってもよく、第２誘導面７１Ｂは供給領域２６Ａの内側または外側を通ってもよい。

また、本実施形態では、粉敷きガイド７０のほぼ全体がローラ６１よりも前方に保持されていたが、粉敷きガイド７０とローラ６１の位置関係はそれに限られない。粉敷きガイド７０とローラ６１の位置関係においては、少なくとも粉敷きガイド７０の接触面７１がローラ６１の形成部６１Ｂよりも前方に配置されていればよく、その他の位置関係は任意である。

さらに、上記した実施形態では、ローラ６１と粉敷きガイド７０とは１つの保持部材６２に固定され、１つの副走査方向移動機構３０によって同時に移動されたが、それには限定されない。ローラ６１と粉敷きガイド７０とはそれぞれ別の保持部材によって保持されてもよく、それぞれ別の駆動機構によって移動されてもよい。ただし、ローラ６１と粉敷きガイド７０とを１つの保持部材に保持させ、その保持部材を１つの駆動機構で移動させる構成は単純確実であり、部品点数、装置サイズ、コストの点で有利である。

上記した実施形態では、材料供給装置は、ローラ６１と、副走査方向移動機構３０と、供給槽２５に係る各部材（供給槽２５、供給テーブル２６、供給テーブル昇降機構２７）とによって構成されていたが、材料供給装置の構成はそのようなものに限られない。例えば、材料供給装置は、供給テーブル２６の上方に粉末材料１００を貯留する部材を備え、上方から供給テーブル２６上に粉末材料１００を落下させるように構成されていてもよい。また、粉末材料１００を均して粉末層１０２を形成する「リコータ」は、ローラ６１でなくともよく、例えば、スキージなどでもよい。「リコータ」が回転しない場合には、「リコータ」と粉敷きガイドとは一体に形成されていてもよく、また接触していてもよい。さらに、供給槽２５と層形成機構６０との相対移動においては、どちらがどの方向に移動してもよく、例えば、層形成機構６０が移動され供給槽２５が不動であってもよい。その他、ここに開示する技術においては、部材同士の移動は全て相対的なものであり、実際に移動される部材は限定されない。

上記した実施形態では、硬化液の吐出位置は、副走査方向移動機構３０および主走査方向移動機構５０によって調整されたが、いわゆるラインヘッド方式により、いずれか一方だけによってなされてもよい。また、粉末材料１００の硬化は硬化液の吐出による方法に限定されず、いかなる方法で実施されてもよい。例えば、レーザーの照射による焼結など公知の様々な技術が適用されてよい。

上記した実施形態に係る三次元造形装置１０は、左側粉敷きガイド７０Ｌおよび右側粉敷きガイド７０Ｒの２つの粉敷きガイドを備えていたが、それには限定されない。ここに開示する三次元造形装置は、１つの粉敷きガイドだけを有する形態を排除するものではなく、また、３つ以上の粉敷きガイドを有する形態を排除するものでもない。

１０ 三次元造形装置
２２ 造形槽
２５ 供給槽
２６ 供給テーブル
２６Ａ 供給領域
２６Ｌ 供給テーブル左端（第２境界線）
２７ 供給テーブル昇降機構
３０ 副走査方向移動機構（駆動部材）
６１ ローラ（リコータ）
６２ 保持部材
７０ 粉敷きガイド
７１ 接触面
７１Ａ 第１誘導面
７１Ｂ 第２誘導面
１００ 粉末材料
１０３ 造形領域
１０３Ｌ 造形領域の左側境界線（第１境界線）
１１０ 三次元造形物
１７４Ｂ 第４変形例における第２誘導面（散逸防止面）
Ｔ１ ローラの高さ（第１高さ）
Ｔ２ 粉敷きガイドの高さ（第２高さ）

Claims (10)

1. 三次元造形物が造形される造形領域を含み、粉末材料を載置可能な造形槽と、
   前記造形槽に前記粉末材料を供給する材料供給装置と、
   前記造形領域内の前記粉末材料を硬化させる硬化装置と、
   を備え、
   前記材料供給装置は、
   前記造形槽と第１方向に並んで配置され、前記粉末材料が載置される供給領域を含む供給テーブルと、
   前記第１方向に直交する第２方向に延び、前記粉末材料を均す形成部を備えたリコータと、
   前記粉末材料と接触する接触面を備えた粉敷きガイドと、
   前記リコータおよび前記粉敷きガイドを前記第１方向に沿って前記供給テーブル上から前記造形槽上まで移動させる移動機構と、
   を備え、
   前記供給領域の前記第２方向の長さは、前記造形領域の前記第２方向の長さよりも長く、
   前記移動機構は、
   前記リコータの移動において、前記形成部の下端が前記供給領域上の前記粉末材料の高さよりも低い第１高さに保たれるように前記リコータを保持し、
   前記粉敷きガイドの移動において、前記接触面の下端が前記供給領域上の前記粉末材料の高さよりも低い第２高さに保たれ、かつ、前記接触面が前記形成部よりも前記第１方向の前方側に位置し、かつ、前記接触面の少なくとも一部が前記第２方向に関して前記造形領域の外側であり前記供給領域の内側である領域上を通るように、前記粉敷きガイドを保持し、
   前記接触面は、前記粉敷きガイドの移動において、前記供給領域において接触した前記粉末材料の少なくとも一部を前記造形領域の内側に移動させるように構成されている、
   三次元造形装置。
2. 前記接触面は、少なくとも一部が前記第２方向に関して前記造形領域の外側を通るとともに前記第１方向の前方に向いた第１誘導面を備えている、
   請求項１に記載の三次元造形装置。
3. 前記第１誘導面は、鉛直面である、
   請求項２に記載の三次元造形装置。
4. 前記第１誘導面は、平面視において、前記第１方向の後方へ向かうにつれて前記造形領域の内側方向に向かうように傾斜している、
   請求項２または３に記載の三次元造形装置。
5. 前記造形領域は、前記第２方向の境界線である第１境界線を備え、
   前記第１誘導面は、前記第２方向に関して前記造形領域の内側方向の端部である第１端部を備え、
   前記第１端部は、前記粉敷きガイドの移動において、前記第１境界線上を通る、
   請求項２〜４のいずれか一つに記載の三次元造形装置。
6. 前記接触面は、前記第２方向に関して前記第１誘導面よりも前記造形領域の外側方向に位置するとともに前記第１誘導面よりも前記第１方向の前方に突出し、前記第２方向に関して前記造形領域の内側方向に向いた第２誘導面を備えている、
   請求項２〜５のいずれか一つに記載の三次元造形装置。
7. 前記供給領域は、前記第２方向の境界線である第２境界線を備え、
   前記第２誘導面は、前記粉敷きガイドの移動において、前記第２境界線上を通る、
   請求項６に記載の三次元造形装置。
8. 前記第２高さは、前記第１高さと同じ高さである、
   請求項１〜７のいずれか一つに記載の三次元造形装置。
9. 前記移動機構は、
   前記リコータおよび前記粉敷きガイドを保持する保持部材と、
   前記保持部材を所定の高さを保って前記第１方向に移動させる駆動部材と、
   を備えている、
   請求項１〜８のいずれか一つに記載の三次元造形装置。
10. 前記材料供給装置は、
    前記供給テーブルが収容される筒状の供給槽と、
    前記供給テーブルを支持し、前記供給槽において前記供給テーブルを昇降させる供給テーブル昇降機構と、
    を備えている、
    請求項１〜９のいずれか一つに記載の三次元造形装置。
    
    

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