JP6624901B2 - 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、槽内に収容された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三次元造形装置が知られている。

この種の三次元造形装置は、例えば、特許文献１に示すように、粉末材料が収容される造形槽と、造形槽に供給される粉末材料が収容される粉末材料収容槽と、粉末材料収容槽から造形槽に粉末材料を供給する供給部材とを備えている。造形槽の上方には、バインダを吐出する造形ヘッドが配置されている。造形ヘッドは、造形槽に収容された粉末材料のうち三次元造形物の断面形状に対応する部分にバインダを吐出する。粉末材料のうちバインダが吐出された部分が硬化することで、断面形状に対応した粉末硬化層が形成される。そして、粉末硬化層が順次積層されることで、所望の三次元造形物が造形される。なお、ここでは、造形槽内において、造形ヘッドがバインダを吐出することができる範囲を「造形領域」と称する。

特開２００６−１３７１７３号公報

従来の三次元造形装置では、造形槽に粉末材料を供給する際の供給部材の移動方向と、バインダを吐出する際の造形ヘッドの移動方向とは異なる。一層の粉末硬化層を形成する場合、まず、供給部材によって、造形領域の全体に粉末材料が供給される。ところで、造形槽の造形領域よりも小さい領域で造形可能な三次元造形物（例えば、平面視において、造形領域の面積の半分の領域を使用することで造形可能な三次元造形物）を造形することもあり得る。造形槽の造形領域よりも小さい領域で造形可能な三次元造形物の一層分の粉末硬化層を形成する場合であっても、造形領域の全体に粉末材料が供給される。造形領域に供給された粉末材料のうち、バインダが吐出されなかった領域の粉末材料は、処分される。このように、従来の三次元造形装置において、余分な粉末材料が造形領域に供給されるため、粉末材料が無駄に使用されることがあった。

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、粉末材料の無駄遣いを抑制することが可能な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、粉末材料を硬化させて所定の断面形状の粉末硬化層を順次積層することによって三次元造形物を造形する三次元造形装置である。前記三次元造形装置は、造形槽と、粉末材料収容槽と、供給部材と、供給部材移動機構と、造形ヘッドと、ヘッド移動機構と、造形槽移動機構と、制御装置とを備えている。前記造形槽は、粉末材料が収容される。前記粉末材料収容槽は、前記造形槽に供給される粉末材料が収容される。前記供給部材は、前記造形槽および前記粉末材料収容槽の上方において、前記粉末材料収容槽から前記造形槽に向かう所定の第１方向に移動し、前記粉末材料収容槽に収容された粉末材料を前記造形槽に供給する。前記供給部材移動機構は、前記供給部材を前記第１方向に移動させる。前記造形ヘッドは、前記造形槽の上方において、前記第１方向に移動し、前記造形槽に収容された粉末材料にバインダを吐出する。前記ヘッド移動機構は、前記造形ヘッドを前記第１方向に移動させる。前記造形槽移動機構は、前記第１方向と平面視において直交する方向を所定の第２方向としたとき、前記造形ヘッドに対して前記造形槽を前記第２方向に相対的に移動させる。前記制御装置は、前記供給部材移動機構、前記造形ヘッド、前記ヘッド移動機構、および、前記造形槽移動機構に接続されている。前記制御装置は、記憶部と、吐出制御部と、第１移動制御部と、第２移動制御部と、第３移動制御部とを備えている。前記記憶部は、前記三次元造形物を、所定の方向に連続する複数の層にスライスした断面画像を記憶する。前記吐出制御部は、前記断面画像に基づいて、前記造形槽に収容された粉末材料に前記バインダを吐出するように前記造形ヘッドを制御する。前記第１移動制御部は、前記供給部材移動機構を駆動させることによって、前記供給部材を前記第１方向に移動させることで前記造形槽上の所定の領域を通過させて、前記領域に粉末材料を供給する。前記第２移動制御部は、前記領域を前記供給部材が通過して所定の時間が経過した後、前記ヘッド移動機構を駆動させることによって、前記領域上に前記造形ヘッドを通過させる。前記第３移動制御部は、前記第２移動制御部によって前記造形ヘッドが前記領域上を通過した後、前記造形槽移動機構を駆動させることで、前記造形槽を前記第２方向に所定の長さ移動させる。

本発明の三次元造形装置によれば、所定の断面形状に対応した領域に基づいて、供給部材が造形槽に粉末材料を供給することができる。よって、必要な領域にのみ粉末材料を供給することが可能である。本発明の三次元造形装置では、粉末材料を造形槽に供給する際の供給部材が移動する方向と、バインダを吐出する際に造形ヘッドが移動する方向とは同じ第１方向である。よって、供給部材が粉末材料を供給した領域に沿って、造形ヘッドがバインダを吐出することができる。したがって、所定の断面形状に対応した領域に基づいて、粉末材料を供給し、かつ、バインダを吐出することができるため、無駄な粉末材料が使用されることを抑制することができる。

本発明によれば、粉末材料の無駄遣いを抑制することが可能な三次元造形装置を提供することができる。

第１実施形態に係る三次元造形装置の斜視図である。 第１実施形態に係る三次元造形装置の斜視図であって、図１から造形部および余剰粉末収容槽を省略した図である。 図１中のＩＩＩ‐ＩＩＩ線に沿う断面図である。 キャリッジの正面図である。 キャリッジの底面図である。 制御装置のブロック図である。 図７（ａ）は、造形槽の造形領域と、供給ローラと、造形ヘッドとの位置関係を模式的に示した平面図であり、図７（ｂ）は、造形槽の造形領域と、供給ローラと、造形ヘッドとの位置関係を模式的に示した右側面断面図である。 図８（ａ）は、造形槽の造形領域と、供給ローラと、造形ヘッドとの位置関係を模式的に示した平面図であり、図８（ｂ）は、造形槽の造形領域と、供給ローラと、造形ヘッドとの位置関係を模式的に示した右側面断面図である。 図９（ａ）は、造形槽の造形領域と、供給ローラと、造形ヘッドとの位置関係を模式的に示した平面図であり、図９（ｂ）は、造形槽の造形領域と、供給ローラと、造形ヘッドとの位置関係を模式的に示した右側面断面図である。 造形領域と、造形される三次元造形物との大小関係を模式的に示した平面図である。 図１１（ａ）は、第２実施形態において、造形槽の造形領域と、供給ローラと、造形ヘッドとの位置関係を模式的に示した平面図であり、図１１（ｂ）は、第２実施形態において、造形槽の造形領域と、供給ローラと、造形ヘッドとの位置関係を模式的に示した右側面断面図である。 図１２（ａ）は、第２実施形態において、造形槽の造形領域と、供給ローラと、造形ヘッドとの位置関係を模式的に示した平面図であり、図１２（ｂ）は、第２実施形態において、造形槽の造形領域と、供給ローラと、造形ヘッドとの位置関係を模式的に示した右側面断面図である。

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、当然ながら特に本発明を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する。

＜第１実施形態＞
図１および図２は、本実施形態に係る三次元造形装置１０の斜視図である。なお、図面中の符号Ｆ、Ｒｅ、Ｌ、Ｒ、Ｕ、Ｄは、それぞれ前、後、左、右、上、下を示している。ただし、これらは説明の便宜上の方向に過ぎず、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。ここでは、左右方向のうち右から左へ向かう方向を「第１方向Ｄ１」と称する。前後方向のうち前から後へ向かう方向を「第２方向Ｄ２」と称する。

三次元造形装置１０は、所望の三次元造形物を造形する装置である。ここでは、色が施された三次元造形物、すなわち、フルカラーの三次元造形物を造形する三次元造形装置１０について説明する。ただし、三次元造形装置１０は、色が施されていない三次元造形物を造形する装置であってもよい。三次元造形装置１０において、三次元造形物の断面形状を表すフルカラーの断面画像に基づいて、粉末材料にバインダを吐出し、粉末材料を硬化させて、断面画像に沿った粉末硬化層を形成する。そして、粉末硬化層を順次積層することで、所望の三次元造形物を造形する。ここで、「断面形状」とは、造形する三次元造形物を所定の方向（例えば左右方向）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られない。）ごとにスライスしたときの断面の形状である。「粉末材料」としては、例えば、石膏、セラミックス、金属、プラスチックなどが挙げられる。「バインダ」は、上記粉末材料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。バインダとして、例えば、水性顔料インクなどの水を主成分とした液体が挙げられる。

図１に示すように、三次元造形装置１０は、筐体１２と、キャリッジ３０と、造形部６０と、粉末材料供給部７０と、制御装置８０とを備えている。なお、図２は、図１の三次元造形装置１０において、造形部６０、および、後述する余剰粉末収容槽７８を省略した図である。

図１に示すように、筐体１２は、第１筐体１３と、第１筐体１３の後部に設けられた第２筐体１４とを備えている。第１筐体１３は、直方体形状であって、板状に形成された部材である。第２筐体１４は、直方体形状に形成された部材である。図２に示すように、第２筐体１４の左右方向の中央部分には、造形部６０が通過する開口１４ａが形成されている。

ここでは、第１筐体１３の左右方向の中央部分には、一対のガイドレール２５Ｌ、２５Ｒが設けられている。ガイドレール２５Ｌ、２５Ｒは、前後方向に延びた部材である。ここでは、ガイドレール２５Ｌ、２５Ｒは、造形部６０を前後方向にガイドするものである。ガイドレール２５Ｌ、２５Ｒのそれぞれの後部は、第２筐体１４の開口１４ａに位置している。

本実施形態では、第２筐体１４の左部には、カートリッジ収容部２４が設けられている。カートリッジ収容部２４には、バインダが収容されたバインダカートリッジ２４Ａ、および、インクが収容された複数のインクカートリッジ２４Ｂが収容される。複数のインクカートリッジ２４Ｂのそれぞれには、異なる色のインクが収容されている。

次に、造形部６０について説明する。図３は、図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。図３に示すように、造形部６０では、三次元造形物５が造形される。図１に示すように、造形部６０は、筐体１２の第１筐体１３に設けられている。ここでは、造形部６０は、第１筐体１３に設けられたガイドレール２５Ｌ、２５Ｒ（図２参照）にスライド自在に配置されている。すなわち、造形部６０は、ガイドレール２５Ｌ、２５Ｒに沿って前後方向（例えば、第２方向Ｄ２）に移動する。造形部６０には、移動機構６０Ａが接続されている。移動機構６０Ａが駆動することで、造形部６０は前後方向に移動する。移動機構６０Ａは、造形部６０を前後方向に移動させる機構である。なお、移動機構６０Ａの具体的な構成は特に限定されず、例えば、モータなどによって構成されている。また、移動機構６０Ａの設置場所は特に限定されないが、例えば、移動機構６０Ａは、第１筐体１３に設けられている。本実施形態では、移動機構６０Ａは、本発明の「造形槽移動機構」に対応する。

図３に示すように、造形部６０は、造形槽６１と、造形テーブル６２と、テーブル昇降装置６３とを備えている。図１に示すように、造形槽６１は、直方体形状の槽である。図３に示すように、造形槽６１内には、粉末材料８が収容される。粉末材料８は、粉末材料供給部７０から供給される。ここでは、造形槽６１内に、造形テーブル６２が配置されている。造形テーブル６２上において、三次元造形物５が造形される。詳しくは、造形槽６１において、造形テーブル６２上に、粉末材料８がバインダによって硬化した粉末硬化層５Ａが順次積層され、三次元造形物５が造形される。造形テーブル６２は、造形槽６１内を上下方向に移動する。造形テーブル６２は、テーブル昇降装置６３と連結している。テーブル昇降装置６３は、造形テーブル６２を上下方向に移動させる装置である。ここでは、造形テーブル６２上に、一層の粉末硬化層５Ａが形成されると、テーブル昇降装置６３は、造形テーブル６２を下方に移動させる。テーブル昇降装置６３は、粉末硬化層５Ａの一層分の厚み（例えば、０．１ｍｍ）だけ造形テーブル６２を下方に移動させる。なお、図１では、便宜上、粉末材料８、粉末硬化層５Ａおよび三次元造形物５の図示を省略している。

次に、キャリッジ３０について説明する。図１に示すように、キャリッジ３０は、第２筐体１４に設けられている。本実施形態では、第２筐体１４の前面であって、開口１４ａの上方には、ガイドレール２３が設けられている。ガイドレール２３は、左右方向に延びている。図示は省略するが、キャリッジ３０は、ガイドレール２３にスライド自在に係合している。キャリッジ３０は、ガイドレール２３に沿って左右方向に移動する。本実施形態では、キャリッジ３０には、移動機構３０Ａが接続されている。移動機構３０Ａが駆動することで、キャリッジ３０は、左右方向に移動する。移動機構３０Ａは、キャリッジ３０を左右方向に移動させる機構である。なお、移動機構３０Ａの具体的な構成は特に限定されない。例えば、移動機構３０Ａは、モータによって構成されている。また、移動機構３０Ａの設置位置も特に限定されず、例えば、移動機構３０Ａは、第２筐体１４に設けられている。本実施形態では、移動機構３０Ａは、本発明の「供給部材移動機構」および「ヘッド移動機構」に対応する。

図４は、キャリッジ３０の正面図である。図５は、キャリッジ３０の底面図である。図４に示すように、キャリッジ３０は、造形ヘッド３２と複数のインクヘッド３４とを備えている。造形ヘッド３２および複数のインクヘッド３４は、キャリッジ３０を介してガイドレール２３（図１参照）にスライド自在に配置されている。本実施形態では、造形ヘッド３２と複数のインクヘッド３４とは、キャリッジ３０に設けられているが、それぞれ別体のキャリッジに設けられていてもよい。

造形ヘッド３２は、造形槽６１に収容された粉末材料８（図３参照）にバインダを吐出する。ここでは、造形ヘッド３２は、造形槽６１に収容された粉末材料８のうち、断面画像に沿った断面形状に対応する領域にバインダを吐出する。造形ヘッド３２は、バインダを吐出するノズル（図示せず）を備えている。造形ヘッド３２の上記ノズルは、カートリッジ収容部２４に収容されたバインダカートリッジ２４Ａ（図１参照）に接続されている。

複数のインクヘッド３４は、バインダが吐出されて硬化した粉末硬化層５Ａ（図３参照）上にインクを吐出する。複数のインクヘッド３４は、それぞれ異なる色のインクを吐出する。複数のインクヘッド３４は、断面画像に基づいた色のインクを粉末硬化層５Ａに吐出する。インクヘッド３４は、インクを吐出するノズル（図示せず）を備えている。各インクヘッド３４の上記ノズルは、カートリッジ収容部２４に収容されたインクカートリッジ２４Ｂ（図１参照）にそれぞれ接続されている。

次に、粉末材料供給部７０について説明する。図３に示すように、粉末材料供給部７０は、造形部６０の造形槽６１内に粉末材料８を供給するものである。図１に示すように、粉末材料供給部７０は、筐体１２の第１筐体１３に設けられている。詳しくは、図２に示すように、粉末材料供給部７０は、ガイドレール２５Ｒよりも右方であって、造形部６０の造形槽６１（図１参照）よりも右方に配置されている。粉末材料供給部７０は、第２筐体１４の前方であって、第２筐体１４の開口１４ａよりも右方に配置されている。ここでは、図１に示すように、造形部６０と、粉末材料供給部７０とは、平面視において、左右方向に並んでいる。なお、粉末材料供給部７０の配置位置は、造形部６０よりも右方の位置に限定されず、例えば、造形部６０よりも左方に配置されていてもよい。

図３に示すように、粉末材料供給部７０は、粉末材料収容槽７１と、供給テーブル７２と、テーブル昇降装置７３と、供給ローラ７５（図４参照）とを備えている。粉末材料収容槽７１は、造形槽６１に供給する粉末材料８が収容された槽である。粉末材料収容槽７１は、造形槽６１より右方に配置されている。ここでは、造形槽６１と粉末材料収容槽７１とは、左右方向に並んでいる。粉末材料収容槽７１は、造形槽６１に隣接している。図１に示すように、粉末材料収容槽７１の前後方向の長さは、造形槽６１の前後方向の長さよりも短い。粉末材料収容槽７１の左右方向の長さは、造形槽６１の左右方向の長さよりも短い。

図３に示すように、供給テーブル７２は、粉末材料収容槽７１内に配置されている。粉末材料収容槽７１において、供給テーブル７２上に粉末材料８が収容されている。供給テーブル７２は、粉末材料収容槽７１内を上下方向に移動する。供給テーブル７２は、テーブル昇降装置７３と連結している。テーブル昇降装置７３は、供給テーブル７２を上下方向に移動させる装置である。粉末材料収容槽７１から造形槽６１に粉末材料８が供給されると、テーブル昇降装置７３は、供給テーブル７２を上方に移動させる。本実施形態では、供給テーブル７２を上方に移動させるときの供給テーブル７２の移動量は、造形テーブル６２を下方に移動させるときの造形テーブル６２の移動量よりも大きい。例えば、造形テーブル６２が０．１ｍｍ下方に移動したとき、供給テーブル７２は、１ｍｍ上方に移動する。

図１に示すように、供給ローラ７５は、粉末材料収容槽７１に収容された粉末材料８（図３参照）を、造形槽６１に供給する供給部材である。供給ローラ７５は、左右方向に移動する。供給ローラ７５は、第１方向Ｄ１に回転する。本実施形態では、図４に示すように、供給ローラ７５は、キャリッジ３０に連結している。図１に示すように、供給ローラ７５は、移動機構３０Ａが駆動することによって、キャリッジ３０と共に、ガイドレール２３に沿って左右方向に移動する。本実施形態では、１つの移動機構３０Ａによって、キャリッジ３０の造形ヘッド３２（図４参照）と供給ローラ７５とは左右方向に移動する。なお、供給ローラ７５とキャリッジ３０との連結方法は特に限定されない。ここでは、図５に示すように、キャリッジ３０の左側面の前部には、キャリッジ３０から左方に延びた第１連結部材７６ａが設けられている。キャリッジ３０の左側面の後部には、キャリッジ３０から左方に延びた第２連結部材７６ｂが設けられている。第１連結部材７６ａと第２連結部材７６ｂとは、軸部材７７によって連結している。軸部材７７は、前後方向に延びた部材である。ここでは、軸部材７７に供給ローラ７５が設けられている。供給ローラ７５は、軸部材７７に対して回転自在に配置されている。

本実施形態では、図１に示すように、供給ローラ７５が粉末材料収容槽７１に収容された粉末材料８を造形槽６１に供給するとき、供給ローラ７５は、粉末材料収容槽７１より右方に位置する。このとき、供給ローラ７５は、粉末材料収容槽７１に対して造形槽６１と反対側に配置される。このとき、図３に示すように、粉末材料供給部７０のテーブル昇降装置７３は、所定の移動量（例えば、１ｍｍ）だけ供給テーブル７２を上方に移動させる。そして、図１に示すように、供給ローラ７５がガイドレール２３に沿って右から左へ向かう第１方向Ｄ１に移動することによって、粉末材料収容槽７１内の粉末材料８が造形槽６１内に供給される。ここで、第１方向Ｄ１とは、粉末材料収容槽７１から造形槽６１に向かう方向でもある。なお、本実施形態では、造形槽６１内に収容しきれなかった粉末材料８は、第１筐体１３に設けられた余剰粉末収容槽７８に収容される。余剰粉末収容槽７８は、造形槽６１より左方に配置されている。余剰粉末収容槽７８は、左右方向において、造形槽６１と並ぶように配置されている。余剰粉末収容槽７８と造形槽６１とは、隣接している。

ところで、本実施形態では、上述したように、造形ヘッド３２とインクヘッド３４と供給ローラ７５とは連結して、左右方向（例えば、第１方向Ｄ１）に移動する。造形ヘッド３２とインクヘッド３４と供給ローラ７５とは、左右方向、かつ、一直線上に並んでいる。ここでは、左から順に、供給ローラ７５、造形ヘッド３２、インクヘッド３４の順に並んでいる。そのため、造形時において、第１方向Ｄ１にキャリッジ３０が移動するとき、供給ローラ７５によって造形槽６１に粉末材料８が供給された後に、粉末材料８が供給された領域において、造形ヘッド３２からバインダが吐出されることで粉末硬化層５Ａが形成される。言い換えると、造形槽６１において、１パスごとに供給ローラ７５によって粉末材料８が造形槽６１に供給される。その後、供給された粉末材料８にバインダが造形ヘッド３２によって吐出されることで粉末硬化層５Ａが形成される。本実施形態では、「パス」とは、同一の造形領域上を造形ヘッド３２がバインダを吐出しながら一方向に移動することをいう。ここでは、１パスによって造形される領域のことを「パス造形領域」と称する。このように、本実施形態では、一層の粉末硬化層５Ａを形成する場合において、粉末硬化層５Ａに対応した造形領域を複数のパス造形領域に分割されているとき、パス造形領域ごとに、粉末材料８を供給して、バインダおよびインクを吐出することで、一層の粉末硬化層５Ａが形成される。そして、粉末硬化層５Ａを順次積層することで、三次元造形物５が造形される。三次元造形物５を造形する詳細な手順は後述する。ここでは、制御装置８０で各部位の移動などを制御することで、三次元造形物５を造形する。

次に、制御装置８０について説明する。制御装置８０は、マイクロコンピュータからなっており、三次元造形装置１０の内部に設けられている。制御装置８０は、中央演算装置（ＣＰＵ）と、ＣＰＵが実行するプログラムなどを格納したＲＯＭと、ＲＡＭなどを備えている。ここでは、マイクロコンピュータ内に保存されたプログラムを使用して、三次元造形物を造形することに関する制御を行う。

図６は、制御装置８０のブロック図である。本実施形態では、図６に示すように、制御装置８０は、移動機構３０Ａと、造形ヘッド３２と、インクヘッド３４と、移動機構６０Ａと、造形部６０のテーブル昇降装置６３と、粉末材料供給部７０のテーブル昇降装置７３と接続している。

制御装置８０は、移動機構３０Ａの駆動を制御することによって、キャリッジ３０の左右方向の移動を制御する。制御装置８０は、造形ヘッド３２を制御することによって、造形ヘッド３２がバインダを吐出するタイミングなどを制御する。制御装置８０は、インクヘッド３４を制御することによって、インクヘッド３４が所定のインクを吐出するタイミングなどを制御する。制御装置８０は、移動機構６０Ａの駆動を制御することによって、造形槽６１の前後方向の移動を制御する。制御装置８０は、造形部６０のテーブル昇降装置６３を制御することによって、造形テーブル６２の上方または下方への移動を制御する。また、制御装置８０は、粉末材料供給部７０のテーブル昇降装置７３を制御することによって、供給テーブル７２の上方または下方への移動を制御する。

制御装置は、記憶部８２と、キャリッジ移動制御部８４と、造形槽移動制御部８６と、バインダ吐出制御部８８と、インク吐出制御部９０とを備えている。なお、上述した各部は、ソフトウェアによって構成されていてもよいし、ハードウェアによって構成されていてもよい。

記憶部８２は、造形する三次元造形物５を所定の方向に連続する複数の層にスライスした断面画像を記憶する。また、記憶部８２は、制御装置８０の各部で使用される値が予め記憶されている。

キャリッジ移動制御部８４は、移動機構３０Ａを駆動させることによって、供給ローラ７５を第１方向Ｄ１に移動させることで造形槽６１上の所定のパス造形領域を通過させて、所定のパス造形領域に粉末材料８を供給する。また、キャリッジ移動制御部８４は、所定のパス造形領域を供給ローラ７５が通過して所定の時間が経過した後、移動機構３０Ａを駆動させることによって、所定のパス造形領域上に造形ヘッド３２を通過させる。本実施形態では、図４に示すように、供給ローラ７５と造形ヘッド３２とは連結しており、一体となって第１方向Ｄ１に移動する。ここでは、上述した「所定の時間」は、キャリッジ３０が第１方向Ｄ１に移動する速さと、供給ローラ７５と造形ヘッド３２との間の距離によって一意的に決定される時間である。なお、本実施形態では、キャリッジ移動制御部８４は、本発明の「第１移動制御部」および「第２移動制御部」に対応する。本発明の「第１移動制御部」と「第２移動制御部」を併せた部が、キャリッジ移動制御部８４である。

造形槽移動制御部８６は、造形ヘッド３２が所定のパス造形領域上を通過した後、移動機構６０Ａを駆動させることとで、造形槽６１を第２方向Ｄ２に所定の長さ移動させる。「所定の長さ」とは、造形ヘッド３２が１パスにおいてバインダを吐出する領域の第２方向Ｄ２（前後方向）における長さである。ここでは、「所定の長さ」とは、造形ヘッド３２に第２方向Ｄ２における長さである。なお、本実施形態では、造形槽移動制御部８６は、本発明の「第３移動制御部」に対応する。

バインダ吐出制御部８８は、造形ヘッド３２からのバインダの吐出を制御する。バインダ吐出制御部８８は、記憶部８２に記憶された断面画像に基づいて、造形槽６１に収容された粉末材料８にバインダを吐出するように造形ヘッド３２を制御する。なお、本実施形態では、バインダ吐出制御部８８は、本発明の「吐出制御部」に対応する。

インク吐出制御部９０は、記憶部８２に記憶された断面画像に基づいて、造形槽６１内の造形テーブル６２上に形成された粉末硬化層５Ａに所定のインクを吐出するようにインクヘッド３４を制御する。

図７（ａ）、図８（ａ）および図９（ａ）は、造形槽６１の造形領域Ｒと、供給ローラ７５と、造形ヘッド３２との位置関係を模式的に示した平面図である。図７（ｂ）、図８（ｂ）および図９（ｂ）は、造形槽６１の造形領域Ｒと、供給ローラ７５と、造形ヘッド３２との位置関係を模式的に示した右側面断面図である。次に、三次元造形装置１０が三次元造形物５を造形する手順を、図７〜図９の一例を用いて説明する。ここでは、一層分の粉末硬化層５Ａを形成し、形成した粉末硬化層５Ａを順次積層することで、三次元造形物５が造形される。図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、造形ヘッド３２がバインダを吐出可能な造形領域Ｒが４つのパス造形領域Ｒ１〜Ｒ４に分けられており、４パスで一層分の粉末硬化層５Ａが造形される。ここで、複数のパス造形領域Ｒ１〜Ｒ４の前後方向の長さは、それぞれ同じである。パス造形領域Ｒ１〜Ｒ４の前後方向の長さは、造形ヘッド３２の前後方向の長さと同じである。

ここでは、図７（ａ）に示すように、平面視において、パス造形領域Ｒ１がキャリッジ３０の走査線Ｄ１０上に配置されているとする。なお、走査線Ｄ１０は、供給ローラ７５および造形ヘッド３２の走査線でもある。まず、キャリッジ移動制御部８４は、移動機構３０Ａを駆動させることで、パス造形領域Ｒ１上において、キャリッジ３０を第１方向Ｄ１に移動させる。このとき、パス造形領域Ｒ１上を供給ローラ７５が通過することで、図８（ｂ）に示すように、パス造形領域Ｒ１に粉末材料８が供給される。ここでは、パス造形領域Ｒ１に粉末材料８が供給された後、造形ヘッド３２およびインクヘッド３４がパス造形領域Ｒ１を通過することで、パス造形領域Ｒ１内において断面画像に対応する箇所に、バインダおよびインクが吐出される。このことによって、パス造形領域Ｒ１における粉末硬化層５Ａが形成される。

その後、図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、造形槽移動制御部８６は、移動機構６０Ａを駆動させることによって、造形槽６１を、前から後へ向かう第２方向Ｄ２に、パス造形領域Ｒ１の前後方向の長さ分移動させる。このとき、図８（ａ）に示すように、平面視において、パス造形領域Ｒ２がキャリッジ３０の走査線Ｄ１０上に配置される。そして、キャリッジ移動制御部８４は、パス造形領域Ｒ２上において、キャリッジ３０を第１方向Ｄ１に移動させることで、パス造形領域Ｒ２における粉末硬化層５Ａが形成される。その後、同様にして、平面視において、パス造形領域Ｒ３、Ｒ４がキャリッジ３０の走査線Ｄ１０上にそれぞれ配置される。そして、パス造形領域Ｒ３、Ｒ４に粉末材料８が供給され、かつ、バインダが吐出されることで、パス造形領域Ｒ３、Ｒ４における粉末硬化層５Ａが形成される。以上の手順によって、図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、一層の粉末硬化層５Ａが形成される。

一層分の粉末硬化層５Ａが形成された後、造形槽移動制御部８６は、造形槽６１のパス造形領域Ｒ１がキャリッジ３０の走査線Ｄ１０上に配置されるように、造形槽６１を後から前に向かう方向に移動させる。このとき、制御装置８０は、図３に示すように、造形部６０のテーブル昇降装置６３を制御することで、粉末硬化層５Ａの一層分の厚み（例えば、０．１ｍｍ）だけ造形テーブル６２を下方に移動させる。そして、制御装置８０は、粉末材料供給部７０のテーブル昇降装置７３を制御することによって、所定の移動量（例えば、１ｍｍ）だけ供給テーブル７２を上方に移動させる。このように各部材を移動させた後、パス造形領域Ｒ１〜Ｒ４における次の層の粉末硬化層５Ａを形成することで、次の層の粉末硬化層５Ａが形成される。以上の手順を繰り返して、粉末硬化層５Ａを順次積層させることで三次元造形物５が造形される。

図７〜図９の例において、例えば、１つのパス造形領域に粉末材料８を供給し、かつ、バインダを吐出することで、１つのパス造形領域における粉末硬化層５Ａが形成される形成時間をｔとする。このとき、ｎ層目のパス造形領域Ｒ１における粉末硬化層５Ａの乾燥時間は、次のｎ＋１層目の粉末硬化層５Ａを形成する際にパス造形領域Ｒ１に粉末材料８が供給されるまでの時間が乾燥時間となる。ここでは、ｎ層目のパス造形領域Ｒ１における粉末硬化層５Ａが形成された後、ｎ層目のパス造形領域Ｒ２〜Ｒ４における粉末硬化層５Ａが形成される。その後、ｎ＋１層目のパス造形領域Ｒ１における粉末硬化層５Ａが形成される。そのため、ｎ層目のパス造形領域Ｒ１における粉末硬化層５Ａの乾燥時間は、３つのパス造形領域分の形成時間である３ｔとなる。同様に、パス造形領域Ｒ２〜Ｒ４における粉末硬化層５Ａの乾燥時間は、３ｔである。

例えば、同一層におけるパス造形領域Ｒ１〜Ｒ４における粉末硬化層５Ａの乾燥時間が異なる場合、パス造形領域Ｒ１〜Ｒ４における粉末硬化層５Ａが乾燥したことによって生じる反り方がそれぞれ異なることがあり得る。このことによって、誤差が生じ、積層する粉末硬化層５Ａの間でズレが生じることがあり得る。しかしながら、本実施形態では、同一層において、各パス造形領域Ｒ１〜Ｒ４における形成された粉末硬化層５Ａの乾燥時間は、同じである。そのため、上述のような誤差が生じることを抑制することができるため、積層する粉末硬化層５Ａの間でズレが生じることを抑制することができる。

本実施形態では、図１に示すように、供給ローラ７５と造形ヘッド３２とは、連結している。そのため、供給ローラ７５と造形ヘッド３２とは、一体となって第１方向Ｄ１に移動する。ここでは、造形槽６１に粉末材料８を供給する動作、および、造形ヘッド３２がバインダを吐出する動作は、同時に行われることがあり得る。よって、造形槽に粉末材料を供給する動作と、造形ヘッドがバインダを吐出する動作とが別々に行われる三次元造形装置と比べて、三次元造形物５が造形される時間を短縮することができる。

例えば、図１０に示すように、平面視において、造形槽６１の造形領域Ｒよりも小さい三次元造形物１５０を造形することがあり得る。この三次元造形物１５０では、左右方向の長さは、造形領域Ｒの左右方向の長さの１／２倍である。三次元造形物１５０の前後方向の長さは、パス造形領域Ｒ１の後端からＲ２の前端までの長さであり、造形領域Ｒの前後方向の長さの１／２倍である。従来では、このような三次元造形物１５０を造形する場合であっても、造形領域Ｒの全体に粉末材料８が供給される。造形領域Ｒに供給された粉末材料８のうち、バインダが吐出されなかった領域の粉末材料８は、処分される。そのため、従来では、余分な粉末材料８が造形領域Ｒに供給されるため、粉末材料８が無駄に使用されることがあった。しかしながら、本実施形態では、図１０のような三次元造形物１５０を造形する場合、造形領域Ｒのうち、パス造形領域Ｒ１、Ｒ２に含まれる造形領域Ｒ１５０のみに粉末材料８を供給すればよい。本実施形態では、粉末材料８を造形槽６１に供給する際の供給ローラ７５が移動する方向と、バインダが吐出する際に造形ヘッド３２が移動する方向とは、同じ第１方向Ｄ１（図１参照）である。よって、供給ローラ７５が粉末材料８を供給した造形領域Ｒ１５０に、造形ヘッド３２がバインダを吐出することができる。したがって、所定の断面形状に対応した領域に基づいて、粉末材料８を供給し、かつ、バインダを吐出することができるため、無駄な粉末材料８が使用されることを抑制することができる。

本実施形態では、図１に示すように、１つの移動機構３０Ａで、供給ローラ７５および造形ヘッド３２を左右方向に移動させている。このことによって、供給ローラ７５と造形ヘッド３２とを別々の移動機構によって駆動させる場合と比べて、部品点数を少なくすることができる。また、消費電力を抑制することができる。

本実施形態では、三次元造形装置１０は、造形槽６１および粉末材料収容槽７１より上方において、左右方向に延びたガイドレール２３と、ガイドレール２３に係合するキャリッジ３０とを備えている。供給ローラ７５および造形ヘッド３２は、キャリッジ３０に設けられている。このことによって、キャリッジ３０における左右方向の移動に伴って、供給ローラ７５と造形ヘッド３２を一体となって左右方向に移動させることができる。

図５に示すように、供給ローラ７５と造形ヘッド３２とは、左右方向に並んで配置されている。本実施形態では、供給ローラ７５は、左右方向において造形ヘッド３２の造形槽６１側（左側）に位置している。このことによって、同一のパス造形領域において、供給ローラ７５によって粉末材料８が供給された直後に、造形ヘッド３２によってバインダを吐出することができる。

本実施形態では、造形槽６１に粉末材料８を供給する部材は、供給ローラ７５である。このことによって、粉末材料８を造形槽６１に供給することができると共に、供給された粉末材料８を造形領域Ｒにおいて均すことができる。

本実施形態では、図７（ａ）に示すように、供給ローラ７５の前後方向の長さＬ１は、造形ヘッド３２が１パスにおいて造形槽６１にバインダを吐出する領域（パス造形領域）の第２方向Ｄ２の長さＬ２よりも長い。このことによって、供給ローラ７５によって粉末材料８が供給されていない、かつ、粉末材料８が均されていない領域にバインダが吐出されることを抑制することができる。

本実施形態では、供給ローラ７５の前後方向（第２方向Ｄ２）の長さＬ１は、造形槽６１の前後方向の長さＬ３よりも短い。このことによって、造形槽６１の造形領域Ｒを複数のパス造形領域（ここでは、４つのパス造形領域Ｒ１〜Ｒ４）に分けることができる。

図１に示すように、移動機構６０Ａは、造形槽６１を第２方向Ｄ２に移動させる。このことによって、簡単な構成で、造形槽６１を造形ヘッド３２に対して相対的に第２方向Ｄ２へ移動させることができる。

本実施形態では、例えば、造形ヘッド３２がパス造形領域Ｒ１にバインダを吐出した後に、移動機構６０Ａが造形槽６１を第２方向Ｄ２に移動させるときの長さは、パス造形領域Ｒ１の前後方向の長さ分である。このことによって、隣り合うパス造形領域の一部が重なること、または、隣り合うパス造形領域の間が空くことを抑制することができる。

以上、第１実施形態に係る三次元造形装置１０について説明した。本発明に係る三次元造形装置は、第１実施形態に係る三次元造形装置１０に限定されず、他の種々の形態で実施することができる。次に、他の実施形態について簡単に説明する。なお、以下の説明において、既に説明した構成と同じ構成には同じ符号を使用し、その説明は省略することとする。

＜第２実施形態＞
上記実施形態では、供給ローラ７５および造形ヘッド３２は、左右方向に並んでいた。供給ローラ７５と造形ヘッド３２とは、同一直線状に並んでいた。しかしながら、供給ローラ７５と造形ヘッド３２とは、同一直線状に並んでいなくてもよい。

図１１（ａ）および図１２（ａ）は、第２実施形態において、造形槽６１の造形領域Ｒと、供給ローラ７５と、造形ヘッド３２との位置関係を模式的に示した平面図である。図１１（ｂ）および図１２（ｂ）は、第２実施形態において、造形槽６１の造形領域Ｒと、供給ローラ７５と、造形ヘッド３２との位置関係を模式的に示した右側面断面図である。本実施形態では、図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示すように、平面視において、供給ローラ７５と造形ヘッド３２とは、前後方向にずれて配置されている。ここでは、平面視において、供給ローラ７５は、造形ヘッド３２より左斜め後ろに配置されている。図示は省略するが、供給ローラ７５と、造形ヘッド３２が設けられたキャリッジ３０とは、連結部材によって連結している。

例えば、図１１（ａ）に示すように、造形ヘッド３２がパス造形領域Ｒ２にバインダを吐出するとき、供給ローラ７５は、図１２（ｂ）に示すように、パス造形領域Ｒ２の後方に位置するパス造形領域Ｒ１に粉末材料８を供給する。そして、パス造形領域Ｒ１における粉末硬化層５Ａが形成された後、移動機構６０Ａによって、造形槽６１が第２方向Ｄ２にパス造形領域Ｒ２の前後方向の長さ分移動される。このとき、図１２（ａ）に示すように、平面視において、パス造形領域Ｒ２が供給ローラ７５の走査線Ｄ２０上に配置され、パス造形領域Ｒ３が造形ヘッド３２の走査線Ｄ２１上に配置される。次に、造形ヘッド３２がパス造形領域Ｒ３にバインダを吐出するとき、供給ローラ７５は、パス造形領域Ｒ２の後方に位置するパス造形領域Ｒ２に粉末材料８を供給する。以上のような動作を繰り返して、粉末硬化層５Ａが形成される。

例えば、１つのパス造形領域にバインダが吐出されて粉末硬化層５Ａが形成される形成時間をｔとする。本実施形態では、各パス造形領域Ｒ１〜Ｒ４における乾燥時間は、それぞれ１つのパス造形領域分の形成時間であるｔとなる。よって、本実施形態であっても、同一層の粉末硬化層５Ａにおいて、各パス造形領域Ｒ１〜Ｒ４における形成された粉末硬化層５Ａの乾燥時間をそれぞれ同じにすることができる。そのため、積層する粉末硬化層５Ａの間でずれが生じることを抑制することができる。その他のことについても、第１実施形態と同じ効果が得られる。

＜他の実施形態＞
上記各実施形態では、図１に示すように、供給ローラ７５は、キャリッジ３０に連結し、移動機構３０Ａが駆動することで、キャリッジ３０と共に左右方向に移動していた。しかしながら、供給ローラ７５は、移動機構３０Ａとは別途に設けられた移動機構によって、キャリッジ３０の移動に連動せずに単独で前後方向に移動するように構成されていてもよい。

上記各実施形態では、移動機構６０Ａが駆動して、造形槽６１が第２方向Ｄ２に移動することで、造形ヘッド３２（図４参照）に対して造形槽６１を第２方向Ｄ２に相対的に移動させていた。しかしながら、造形ヘッド３２が前後方向に移動するように構成されていてもよい。そして、造形ヘッド３２が前後方向に移動することで、造形ヘッド３２に対して造形槽６１を第２方向Ｄ２に相対的に移動させてもよい。

５ 三次元造形物
８ 粉末材料
１０ 三次元造形装置
３０ キャリッジ
３０Ａ 移動機構（供給部材移動機構、ヘッド移動機構）
３２ 造形ヘッド
６０Ａ 移動機構（造形槽移動機構）
６１ 造形槽
７１ 粉末材料収容槽
７５ 供給ローラ（供給部材、ローラ）
８０ 制御装置
８２ 記憶部
８４ キャリッジ移動制御部（第１移動制御部、第２移動制御部）
８６ 造形槽移動制御部（第３移動制御部）
８８ バインダ吐出制御部（吐出制御部）

Claims (8)

1. 粉末材料を硬化させて所定の断面形状の粉末硬化層を順次積層することによって三次元造形物を造形する三次元造形装置であって、
   粉末材料が収容される造形槽と、
   前記造形槽に供給される粉末材料が収容される粉末材料収容槽と、
   前記造形槽および前記粉末材料収容槽の上方において、前記粉末材料収容槽から前記造形槽に向かう所定の第１方向に移動し、前記粉末材料収容槽に収容された粉末材料を前記造形槽に供給する供給部材と、
   前記供給部材を前記第１方向に移動させる供給部材移動機構と、
   前記造形槽の上方において、前記第１方向に移動し、前記造形槽に収容された粉末材料にバインダを吐出する造形ヘッドと、
   前記造形ヘッドを前記第１方向に移動させるヘッド移動機構と、
   前記第１方向と平面視において直交する方向を所定の第２方向としたとき、前記造形ヘッドに対して前記造形槽を前記第２方向に相対的に移動させる造形槽移動機構と、
   前記供給部材移動機構、前記造形ヘッド、前記ヘッド移動機構、および、前記造形槽移動機構に接続された制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記三次元造形物を、所定の方向に連続する複数の層にスライスした断面画像を記憶する記憶部と、
   前記断面画像に基づいて、前記造形槽に収容された粉末材料に前記バインダを吐出するように前記造形ヘッドを制御する吐出制御部と、
   前記供給部材移動機構を駆動させることによって、前記供給部材を前記第１方向に移動させることで前記造形槽上の所定の領域を通過させて、前記領域に粉末材料を供給する第１移動制御部と、
   前記領域を前記供給部材が通過して所定の時間が経過した後、前記ヘッド移動機構を駆動させることによって、前記領域上に前記造形ヘッドを通過させる第２移動制御部と、
   前記第２移動制御部によって前記造形ヘッドが前記領域上を通過した後、前記造形槽移動機構を駆動させることで、前記造形槽を前記第２方向に所定の長さ移動させる第３移動制御部と、
   を備え、
   前記供給部材移動機構と前記ヘッド移動機構とは、１つの移動機構である、三次元造形装置。
2. 粉末材料を硬化させて所定の断面形状の粉末硬化層を順次積層することによって三次元造形物を造形する三次元造形装置であって、
   粉末材料が収容される造形槽と、
   前記造形槽に供給される粉末材料が収容される粉末材料収容槽と、
   前記造形槽および前記粉末材料収容槽の上方において、前記粉末材料収容槽から前記造形槽に向かう所定の第１方向に移動し、前記粉末材料収容槽に収容された粉末材料を前記造形槽に供給する供給部材と、
   前記供給部材を前記第１方向に移動させる供給部材移動機構と、
   前記造形槽の上方において、前記第１方向に移動し、前記造形槽に収容された粉末材料にバインダを吐出する造形ヘッドと、
   前記造形ヘッドを前記第１方向に移動させるヘッド移動機構と、
   前記第１方向と平面視において直交する方向を所定の第２方向としたとき、前記造形ヘッドに対して前記造形槽を前記第２方向に相対的に移動させる造形槽移動機構と、
   前記供給部材移動機構、前記造形ヘッド、前記ヘッド移動機構、および、前記造形槽移動機構に接続された制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記三次元造形物を、所定の方向に連続する複数の層にスライスした断面画像を記憶する記憶部と、
   前記断面画像に基づいて、前記造形槽に収容された粉末材料に前記バインダを吐出するように前記造形ヘッドを制御する吐出制御部と、
   前記供給部材移動機構を駆動させることによって、前記供給部材を前記第１方向に移動させることで前記造形槽上の所定の領域を通過させて、前記領域に粉末材料を供給する第１移動制御部と、
   前記領域を前記供給部材が通過して所定の時間が経過した後、前記ヘッド移動機構を駆動させることによって、前記領域上に前記造形ヘッドを通過させる第２移動制御部と、
   前記第２移動制御部によって前記造形ヘッドが前記領域上を通過した後、前記造形槽移動機構を駆動させることで、前記造形槽を前記第２方向に所定の長さ移動させる第３移動制御部と、
   を備え、
   前記供給部材は、前記第１方向に回転するローラであり、
   前記ローラの前記第２方向の長さは、前記造形槽の前記第２方向の長さよりも短い、三次元造形装置。
3. 前記ローラの前記第２方向の長さは、前記造形ヘッドが前記造形槽にバインダを吐出する領域の前記第２方向の長さよりも長い、請求項２に記載された三次元造形装置。
4. 前記造形槽および前記粉末材料収容槽より上方において、前記第１方向に延びたガイドレールと、
   前記ガイドレールに係合するキャリッジと、
   を備え、
   前記供給部材および前記造形ヘッドは、前記キャリッジに設けられている、請求項１から３までの何れか１つに記載された三次元造形装置。
5. 前記供給部材と前記造形ヘッドとは、前記第１方向に並んで配置されている、請求項１から４までの何れか一つに記載された三次元造形装置。
6. 前記供給部材は、前記造形ヘッドにおける前記第１方向の前記造形槽側に位置している、請求項１から５までの何れか一つに記載された三次元造形装置。
7. 前記造形槽移動機構は、前記造形槽を前記第２方向に移動させる、請求項１から６までの何れか一つに記載された三次元造形装置。
8. 前記所定の長さは、前記造形ヘッドが前記造形槽にバインダを吐出する領域の前記第２方向の長さである、請求項１から７までの何れか一つに記載された三次元造形装置。

Images