JP6668649B2 - 立体造形装置、プログラム - Google Patents

Description

本発明は立体造形装置、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を層状に形成し、層状の粉体（これを「粉体層」という。）に対して粉体を結合させる造形液を吐出して、粉体が結合された層状造形物（これを「造形層」といい。）を形成する。そして、この造形層上に粉体層に形成し、再度、造形層を形成する動作を繰り返して、造形層を積層することで立体造形物を造形する。

従来、造形対象物の形状情報及び重量情報と造形材料データベースから取得した１又は複数の造形材料の重量情報とに基づいて、造形対象物と同じ重量の造形物を作製可能な造形材料の粗密の程度を表す充填率又は複数の造形材料の混合比を算出し、算出した充填率又は混合比に従って造形材料を積層させるための造形情報を生成し、造形情報に従って造形材料を積層するものが知られている（特許文献１）。

特許第５４０８２０７号公報

しかしながら、造形材料の粗密の程度を表す充填率を変化させるためにハニカム構造やスポンジ構造になる造形層を形成するのでは、元々の造形データに多くの変更を加えなければならず、最終形態の造形物自体の形状変更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、簡単な構成で内部に疎密のある造形物が得られるように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、
粉体を層状にした粉体層に対して造形液を与えて前記粉体層の粉体が結合された層状造形物を形成する手段と、
空隙形成剤を供給する手段と、
前記層状造形物を積層して立体造形物を造形するとき、密度を疎にする部分に前記供給する手段から前記空隙形成剤を供給させる制御をする手段と、を備えている
構成とした。

本発明によれば、簡単な構成で内部に疎密がある造形物が得られるようにすることができる。

本発明に係る立体造形装置の一例の概略平面説明図である。 同じく概略側面説明図である。 同じく造形部の断面説明図である。 同じく具体的構成の要部斜視説明図である。 同立体造形装置の制御部の概要の説明に供するブロック図である。 空隙形成剤を使用しない場合の造形の流れの説明に供する模式的説明図である。 本発明の第１実施形態の説明に供する説明図である。 同じく立体造形物を焼成した造形物の説明図である。 本発明の第２実施形態の説明に供する説明図である。 本発明の第３実施形態の説明に供する説明図である。 第２、第３実施形態の作用効果の説明に供する説明図である。 本発明の第４実施形態の説明に供する説明図である。 本発明の第５実施形態の説明に供する説明図である。 第５実施形態の造形物となる立体造形物の造形工程の一例の説明に供する平面説明図である。

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。本発明の第１実施形態に係る立体造形装置の一例の概要について図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概略平面説明図、図２は同じく概略側面説明図、図３は同じく造形部の断面説明図である。なお、図３は造形時の状態で示している。また、図４は同じく具体的構成の要部斜視説明図である。

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）が結合された層状造形物である造形層３０が形成される造形部１と、造形部１の層状に敷き詰められた粉体層３１に対して造形液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（リコータ）である回転体としての平坦化ローラ１２などを備えている。なお、平坦化手段は、回転体に代えて、例えば板状部材（ブレード）とすることもできる。

粉体槽１１は、造形槽２２に供給する粉体２０を保持する供給槽２１と、造形層３０が積層されて立体造形物が造形される造形槽２２と、粉体層３１を形成するときに平坦化ローラ１２によって移送供給される粉体２０のうち、粉体層３１を形成しないで落下する余剰の粉体２０を溜める余剰粉体受け槽２９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上に造形層３０が積層された立体造形物が造形される。余剰粉体受け槽２９の底面には粉体２０を吸引する機構が備えられた構成や、余剰粉体受け槽２９が簡単に取り外せるような構成となっている。

供給ステージ２３は、例えば図４に示すように、モータ２７によって矢印Ｚ方向（高さ方向）に昇降され、造形ステージ２４は、同じく、モータ２８によって矢印Ｚ方向に昇降される。

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に移送して供給する。平坦化手段である平坦化ローラ１２によって造形槽２２に供給した粉体２０の表面を均して平坦化して、粉体層３１を形成する。

この平坦化ローラ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）に沿って矢印Ｙ方向に、ステージ面に対して相対的に往復移動可能に配置され、往復移動機構２５によって移動される。また、平坦化ローラ１２は、モータ２６によって回転駆動される。

一方、造形ユニット５は、造形ステージ２４上の粉体層３１に粉体２０を結合させる造形液１０を吐出して（与えて）、粉体２０が結合された層状造形物としての造形層３０を形成する液体吐出ユニット５０を備えている。

液体吐出ユニット５０は、キャリッジ５１と、キャリッジ５１に搭載された２つ（１又は３つ以上でもよい。）の液体吐出ヘッド（以下、単に「ヘッド」という。）５２ａ、５２ｂを備えている。

キャリッジ５１は、ガイド部材５４及び５５に移動可能に保持されている。ガイド部材５４及び５５は、両側の側板７０、７０に昇降可能に保持されている。

このキャリッジ５１は、後述するＸ方向走査機構５５０を構成するＸ方向走査モータによってプーリ及びベルトを介して主走査方向である矢印Ｘ方向（以下、単に「Ｘ方向」という。他のＹ、Ｚについても同様とする。）に往復移動される。

２つのヘッド５２ａ、５２ｂ（以下、区別しないときは「ヘッド５２」という。）は、造形液を吐出する複数のノズルを配列したノズル列がそれぞれ２列配置されている。一方のヘッド５２ａの２つのノズル列は、シアン造形液及びマゼンタ造形液を吐出する。他方のヘッド５２ｂの２つのノズル列は、イエロー造形液及びブラック造形液をそれぞれ吐出する。なお、ヘッド構成はこれに限るものではない。

これらのシアン造形液、マゼンタ造形液、イエロー造形液、ブラック造形液の各々を収容した複数のタンク６０がタンク装着部５６に装着され、供給チューブなどを介してヘッド５２ａ、５２ｂに供給される。

また、Ｘ方向の一方側には、液体吐出ユニット５０のヘッド５２の維持回復を行うメンテナンス機構６１が配置されている。

メンテナンス機構６１は、主にキャップ６２とワイパ６３で構成される。キャップ６２をヘッド５２のノズル面（ノズルが形成された面）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、ノズル面をワイパ６３でワイピング（払拭）する。また、メンテナンス機構６１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キャップ６２で覆い、粉体２０がノズルに混入することや造形液１０が乾燥することを防止する。

また、この装置では、キャリッジ５１に、粉体層３１に対して空隙形成剤を供給する手段として、空隙形成剤を含有する造形液を吐出する液体吐出ヘッド５３も備えている。

造形ユニット５は、ベース部材７上に配置されたガイド部材７１に移動可能に保持されたスライダ部７２を有し、造形ユニット５全体がＸ方向と直交する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Ｙ方向走査機構５５２によって全体がＹ方向に往復移動される。

液体吐出ユニット５０は、ガイド部材５４、５５とともに矢印Ｚ方向に昇降可能に配置され、後述するＺ方向昇降機構５５１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と、余剰粉体受け槽２９の３つの上面が開放された槽とを備えている。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。

造形槽２２の隣りには余剰粉体受け槽２９が設けられている。

余剰粉体受け槽２９には、粉体層３１を形成するときに平坦化ローラ１２によって移送供給される粉体２０のうちの余剰の粉体２０が落下する。余剰粉体受け槽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装置に戻される。

供給槽２１上には後述する図５の粉体供給装置５５４が配置される。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、粉体供給装置５５４を構成する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、表面を均すことで平坦化して所定の厚みの層状の粉体である粉体層３１を形成する。

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、往復移動機構２５によってステージ面に沿ってＹ方向（副走査方向）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する。これにより、粉体２０が造形槽２２上へと移送供給され、平坦化ローラ１２が造形槽２２上を通過しながら粉体２０を平坦化することで粉体層３１が形成される。

また、図２にも示すように、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。

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に本発明に係わる制御を含む立体造形動作の制御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、造形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、液体吐出ユニット５０のヘッド５２及びヘッド５３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、液体吐出ユニット５０のキャリッジ５１をＸ方向（主走査方向）に移動させるＸ方向走査機構５５０を構成するモータを駆動するモータ駆動部５１０と、造形ユニット５をＹ方向（副走査方向）に移動させるＹ方向走査機構５５２を構成するモータを駆動するモータ駆動部５１２を備えている。

制御部５００は、液体吐出ユニット５０のキャリッジ５１をＺ方向に移動（昇降）させるＺ方向昇降機構５５１を構成するモータ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、液体吐出ユニット５０のメンテナンス機構６１を駆動するメンテナンス駆動部５１８を備えている。

制御部５００は、粉体後供給部８０から粉体２０の供給を行わせる後供給駆動部５１９を備えている。

制御部５００のＩ／Ｏ５０７には、装置の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。

制御部５００は、上述したように、造形データ作成装置６００から造形データを受領する。造形データは、目的とする立体造形物の形状をスライスしたスライスデータとしての各造形層３０の形状データ（造形データ）と各造形層３０の内の密度が疎となる部分の形状データとを含む。

そして、主制御部５００Ａは、造形層３０の造形データに基づいてヘッド５２からの造形液の吐出を行わせる制御をし、密度が疎となる部分の形状データに基づいてヘッド５３からの空隙形成剤の供給（この装置では吐出）を行わせる制御をする。

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、空隙形成剤を使用しない場合の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模式的説明図である。

ここでは、造形槽２２の造形ステージ２４上に、１層目の造形層３０が形成されている状態から説明する。

この１層目の造形層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Ｚ１方向に上昇させ、造形槽２２の造形ステージ２４をＺ２方向に下降させる。

このとき、造形槽２２の粉体層３１の表面（粉体面）の上面と平坦化ローラ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。の間隔Δｔ１が次に形成する粉体層３１の厚さ（積層ピッチ）に相当する。間隔Δｔ１は、数十〜１００μｍ程度であることが好ましい。

この場合、平坦化ローラ１２は供給槽２１及び造形槽２２の上端面に対してギャップを置いて配置している。したがって、造形槽２２に粉体２０を移送供給して平坦化するとき、粉体層３１の表面（粉体面）は供給槽２１及び造形槽２２の上端面よりも高い位置になる。

これにより、平坦化ローラ１２が供給槽２１及び造形槽２２の上端面に接触することを確実に防止できて、平坦化ローラ１２の損傷が低減する。平坦化ローラ１２の表面が損傷すると粉体層３１の表面にスジが発生して平坦性が低下する。

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を逆方向（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、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）。このとき、粉体層３１の形成に使用されなかった余剰の粉体２０は余剰粉体受け槽２９に落下する。

粉体層３１を形成後、平坦化ローラ１２は、図６（ｄ）に示すように、Ｙ１方向に移動されて初期位置（原点位置）に戻される（復帰される）。

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、液体吐出ユニット５０のヘッド５２から造形液１０の液滴を吐出して、次の粉体層３１に所要形状の造形層３０を積層形成する（造形）。

なお、造形層３０は、例えば、ヘッド５２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・平坦化よる粉体層３１を形成する工程、ヘッド５２による造形液吐出工程を繰り返して新たな造形層３０を形成する。このとき、新たな造形層３０とその下層の造形層３０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・平坦化よる粉体層３１を形成する工程、ヘッド５２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、本実施形態で使用している粉体（立体造形用粉末材料）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（バインダー）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３１）を形成し、粉体層に架橋剤含有水を造形液として吐出することで、粉体層３１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３１が結合硬化して造形層３０が形成される。

基材としては、粉末、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、Ｎｉ、Ｎｉ基合金、Ｃｕ、Ｃｕ基合金、Ｆｅ、Ｆｅ基合金、Ｔｉ、Ｔｉ基合金、Ａｌ、Ａｌ基合金が挙げられる。セラミックスとしては、アルミナ、マグネシア、ジルコニア、シリカ、炭化珪素、窒化ケイ素等が挙げられる。

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、５〜３０Ｐａ・ｓであるものが特に好ましい。

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。

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、本発明の第１実施形態について図７及び図８を参照して説明する。図７は同実施形態の説明に供する説明図、図８は同じく立体造形物を焼成した造形物の説明図である。

本実施形態において、粉体２０は、粉末、粒子など（単に「粒子」と総称し、「粒子１２０」と表記する。）の集合体である。粒子１２０は、基材粒子１２０ａをバインダ１２０ｂで被覆したものである。

また、ヘッド５３からは造形液１０中に空隙形成剤９１及び機能性粒子９２を含有する液体１１０を吐出する。

ここで、空隙形成剤９１としては、加熱されることで窒素ガス、炭酸ガス、一酸化炭素、アンモニアガス、水素ガス等の気体を発生させるものを使用している。例えば、アゾビスイソブチロニトリルのような樹脂発泡剤、低沸点炭化水素を熱可塑性のシェルで覆ったマイクロカプセル、揮発性液体を熱可塑性樹脂中に封入したマイクロカプセル、内部に空隙を持つ中空粒子、を挙げることができる。

特に、焼成（加熱）は、酸化膜は金属同士の結着を阻害することから、酸化の影響を防ぐために、不活性ガス雰囲気で行う。好ましくは、酸化膜を除去するために還元雰囲気で行う。

したがって、空隙形成剤９１としては、熱分解することで不活性ガスである窒素ガス、Ａｒガスを発生させるもの、より好ましくは還元性ガスである水素ガスを発生させるものを使用する。

機能性粒子９２としては、白金などの触媒、導電助剤などを挙げることができる。

そこで、図７を参照して、造形層３０の層間に密度を疎にする部分を形成する場合の制御について説明する。なお、以下では、便宜上、図で最初の造形層を「１層目」として説明する。

前述したように、平坦化ローラ１２によって供給槽２１から造形槽２２に粉体２０を移送供給して平坦化することで、図７（ａ）に示すように粉体層３１を形成する。

ここで、造形層３０と次の造形層３０との間に密度が疎の部分を形成するときには、図７（ｂ）に示すように、ヘッド５３から空隙形成剤９１及び機能性粒子９２を造形液１０に含む液体１１０を吐出させる。

これにより、液体１１０の造形液１０が粉体層３１内部へ浸透し、図７（ｃ）に示すように、粉体２０の粒子１２０を結合させて１層目の造形層３０が形成される。このとき、空隙形成剤９１及び機能性粒子９２は１層目の造形層３０の表面に残留する。

次いで、図７（ｄ）に示すように、次層の粉体層３１を形成する。そして、図７（ｅ）に示すように、ヘッド５３から空隙形成剤９１及び機能性粒子９２を造形液１０に含む液体１１０を吐出させる。

これにより、液体１１０の造形液１０が粉体層３１内部へ浸透し、図７（ｆ）に示すように、粉体２０の粒子１２０を結合させて２層目の造形層３０が形成される。このとき、空隙形成剤９１及び機能性粒子９２は２層目の造形層３０の表面に残留する。

さらに、次層の粉体層３１を形成し、ヘッド５２から造形液１０を吐出させることで、造形液１０が粉体層３１内部へ浸透し、図７（ｇ）に示すように、粉体２０の粒子１２０を結合させて３層目の造形層３０が形成される。

これにより、３層の造形層３０による立体造形物３００が得られる。

そこで、この立体造形物３００を焼結することで、空隙形成剤９１及びバインダ１２０ｂを除去すると共に、基材粒子１２０ａ同士を融着させて、図８に示すような焼結体としての造形物３０１を得る。

このとき、造形物３０１は、空隙形成剤９１は焼成に伴って気体化して消失するので、空隙形成剤９１を吐出した層間に密度が疎の部分が生じる。

したがって、焼結体としての造形物３０１は、密度が密な部分（領域）３０１ａと疎な部分（領域）３０１ｂが交互に積層されたものとなる。

このように、本実施形態による立体造形装置によれば、空隙形成剤を含む立体造形物を造形することができるので、簡単な構成で内部に粗密のある造形物を得ることができるようになる。

また、機能性粒子９２として例えば白金等の触媒などを使用することで、造形物３０１の空隙に触媒等を担持することができ、造形物３０１で触媒を含有するフィルタ部材を構成することができる。

なお、機能性粒子９２は空隙形成剤９１で被覆して造形液１０に分散させることもできる。このように、機能性粒子９２を分散させるときに発ガス性のある樹脂などの空隙形成剤で被覆することで、機能性粒子を均一に分散させることができる。

また、機能性粒子９２として導電助剤を使用することで、造形物３０１で導電性を向上ないし調整した電極材を構成できる。

次に、本発明の第２実施形態について図９を参照して説明する。図９は同実施形態の説明に供する説明図である。

前述したように、平坦化ローラ１２によって供給槽２１から造形槽２２に粉体２０を移送供給して平坦化することで、図９（ａ）に示すように粉体層３１を形成する。

ここで、造形層３０と次の造形層３０との間に密度が疎の部分を形成するときには、図９（ｂ）に示すように、ヘッド５３から空隙形成剤９１及び機能性粒子９２を造形液１０に含む液体１１０を吐出させる。

これにより、液体１１０の造形液１０が粉体層３１内部へ浸透し、図９（ｃ）に示すように、粉体２０の粒子１２０を結合させて１層目の造形層３０が形成される。このとき、空隙形成剤９１及び機能性粒子９２は１層目の造形層３０の表面に残留する。

次いで、図９（ｄ）に示すように、次層の粉体層３１を形成し、図９（ｅ）に示すように、ヘッド５２から造形液１０を吐出させる。

これにより、造形液１０が粉体層３１内部へ浸透し、図９（ｆ）に示すように、粉体２０の粒子１２０を結合させて、１層目の造形層３０上に空隙形成剤９１及び機能性粒子９２が介在した状態で２層目の造形層３０が形成される。

さらに、図９（ｇ）に示すように、次層の粉体層３１を形成し、ヘッド５２から造形液１０を吐出させることで、造形液１０が粉体層３１内部へ浸透し、図８（ｈ）に示すように、粉体２０の粒子１２０を結合させて３層目の造形層３０が形成される。

このとき、２層目と３層目の各造形層３０の間には空隙形成剤９１が供給されていないので、密度が密となる部分は２層分の厚みとなる。

このようにして、立体造形物の密度が密となる部分の厚みを変化させることができる。

次に、本発明の第３実施形態について図１０を参照して説明する。図１０は同実施形態の説明に供する説明図である。

前述したように、平坦化ローラ１２によって供給槽２１から造形槽２２に粉体２０を移送供給して平坦化することで、図１０（ａ）に示すように粉体層３１を形成する。

ここで、造形層３０と次の造形層３０との間に密度が疎の部分を形成するときには、図１０（ｂ）に示すように、ヘッド５３から空隙形成剤９１及び機能性粒子９２を造形液１０に含む液体１１０を吐出させる。

これにより、液体１１０の造形液１０が粉体層３１内部へ浸透し、図１０（ｃ）に示すように、粉体２０の粒子１２０を結合させて１層目の造形層３０が形成される。このとき、空隙形成剤９１及び機能性粒子９２は１層目の造形層３０の表面に残留する。

次いで、図１０（ｄ）に示すように、次層（２層目となる）の粉体層３１を形成する。さらに、図１０（ｅ）に示すように、次層の粉体層３１を形成し、ヘッド５２から造形液１０を吐出させる。

これにより、造形液１０が３層目の粉体層３１内部へ浸透し、図１０（ｆ）に示すように、粉体２０の粒子１２０を結合させて、１層目の造形層３０上に、空隙形成剤９１及び機能性粒子９２並びに未結合の２層目の粉体層３１が介在した状態で３層目の造形層３０が形成される。

このとき、１層目と３層目の各造形層３０の間には空隙形成剤９１が供給され、２層目の粉体層３１が未結合状態であるので、密度が疎となる部分は１層分以上の厚みとなる。

なお、立体造形物３００の外周部分については２層目の粉体層３１に対しても造形液１０を吐出して結合状態する。

このようにして、立体造形物の密度が密となる部分の厚みを変化させることができる。

ここで、上記第２、第３実施形態の作用効果について図１１も参照して説明する。図１１は同作用効果の説明に供する説明図である。

図１１の造形物３０１は、厚みｔ１、ｔ３、ｔ５の密度が密の部分３０１ａと、厚みｔ２、ｔ４の密度が疎の部分３０１ｂとを積層方向に交互に積層したものである。

そして、図１１（ａ）の第１例は、密度が疎の部分３０１ｂの厚みを密度が密の部分３０１ａの厚みよりも厚くしたものである。図１１（ｂ）の第２例は、密度が疎の部分３０１ｂの厚みを密度が密の部分３０１ａの厚みとほぼ同じにしたものである。

ここで、前記第３実施形態を実施することで、図１１（ａ）の第１例のように密度が疎の部分３０１ｂの厚みを厚くすることができる。

このように、密度が密の部分の厚み、疎の部分の厚みを調整することで、造形物の強度を調整することができる。

ここで、上述したように、１層の造形層毎に或いは複層の造形層毎に疎の部分を形成したミルフィーユ構造とするときには、造形データ作成装置６００において、目的とする造形物をスライスしたスライスデータとしての各造形層３０の形状データと、造形層３０の層間での空隙形成剤９１の供給の有無及び供給量を指定するデータを作成して、立体造形装置に与えればよい。

次に、本発明の第４実施形態について図１２を参照して説明する。図１２は同実施形態の説明に供する説明図である。

前述したように、平坦化ローラ１２によって供給槽２１から造形槽２２に粉体２０を移送供給して平坦化することで、図１２（ａ）に示すように粉体層３１を形成する。

ここで、造形層３０と次の造形層３０との間に密度が疎の部分を形成するときには、図１２（ｂ）に示すように、ヘッド５３から空隙形成剤９１及び機能性粒子９２を造形液１０に含む液体１１０を吐出させる。

これにより、液体１１０の造形液１０が粉体層３１内部へ浸透し、図１２（ｃ）に示すように、粉体２０の粒子１２０を結合させて１層目の造形層３０が形成される。このとき、空隙形成剤９１及び機能性粒子９２は１層目の造形層３０の表面に残留する。

次いで、図１２（ｄ）に示すように、次層（２層目となる）の粉体層３１を形成する。そして、ヘッド５２から１層分の浸透しない量の造形液１０を吐出させる。

これにより、図１２（ｅ）に示すように、造形液１０が２層目の粉体層３１の表面側内部へ浸透し、１層目の造形層３０上に、空隙形成剤９１及び機能性粒子９２を介して、部分的に未結合の部分を含む状態で２層目の造形層３０が形成される。

２層目の粉体層３１の一部が未結合状態であるので、密度が疎となる部分は空隙形成剤９１によって生じる疎の部分の厚み以上の厚みとなる。

このように、造形液の量を制御することによって、立体造形物の密度が疎となる部分又は密となる部分の厚みを変化させることができる。

なお、空隙形成剤の量を調整すること、すなわち、焼成時の発ガス量を調整することによっても、疎となる部分の厚さの調整を行うこともできる。ただし、発ガス量が多すぎると、疎となる部分内で剥離が起きるおそれがある。積層ピッチ以下の疎となる部分を制作する場合には、未結合部分を作らず、空隙形成剤の膨張により疎となる部分を形成することが好ましい。

次に、本発明の第５実施形態について図１３を参照して説明する。図１３は同実施形態の説明に供する説明図である。

本実施形態では、造形物３０１内に、１層目から５層目のうち、１層目、３層目、５層目に密度が密な部分３０１ａを、２層目と４層目に密度が疎な部分３０１ｂを配置したものである。なお、造形物３０１の外周部分は形状を保持するために密度が密な部分３０１ａとしている。

このように、水平断面内で疎となる部分３０１ｂと密となる部分３０１ａを分布させることで、造形物３０１の強度を調整できる。

次に、上記第５実施形態の造形物となる立体造形物３００の造形工程の一例について図１４を参照して説明する。図１４は同説明に供する平面説明図である。

図１４（ａ）に示すように、１層目の粉体層３１の所要の領域に、空隙形成剤９１などを含まない造形液１０を吐出して造形層部分３０ａを形成し、１層目の造形層３０を形成する。

そして、図１４（ｂ）に示すように、２層目の粉体層３１に対して、密度が密となる部分には造形液１０を吐出して造形槽部分３０ａを形成し、密度が疎となる部分には造形液１０を吐出して造形層部分３０ｂを形成して、２層目の造形層３０を形成する。

次いで、図１４（ｃ）に示すように、３層目の粉体層３１に対して造形液１０を吐出して造形層部分３０ａを形成して３層目の造形層３０を形成する。

そして、図１４（ｄ）に示すように、４層目の粉体層３１の所要の領域に、造形液１０を吐出して造形層部分３０ａを形成し、密度が疎となる部分には造形液１０を吐出して造形層部分３０ｂを形成して、３層目の造形層３０を形成する。

その後、図１４（ｅ）に示すように、５層目の粉体層３１に対して造形液１０を吐出して造形層部分３０ａを形成して４層目の造形層３０を形成する。

つまり、密となる部分を積層方向と直交する方向で配置した造形物が得られる立体造形物を造形するには、造形データ作成装置６００において、目的とする造形物のスライスデータとしての各造形層３０の形状データと、空隙形成剤９１を供給する領域及び供給量を指定するデータとを作成して立体造形装置６０１に与えればよい。

これにより、積層方向と直交する方向における気孔率に分布を持たせることができる。

次に、本発明に係る立体造形装置で造形する立体造形物の例について説明する。

造形物がフィルタ部材である立体造形物を造形することで、空隙としての貫通穴を持ちながら機械的強度の高い構造を作成することができる。また、機能性粒子として触媒粒子を用いることで、触媒の分布を制御することができる。

造形物が吸音部材である立体造形物を造形することで、空隙としての貫通穴を積層方向揃えることができる。

造形物が電極部材である立体造形物を造形することで、気孔率と強度の調整が可能となる。また、機能性粒子として導電助剤を用いることで導電助剤の分布を制御できる。

なお、上記各実施形態においては、空隙形成剤９１及び機能性粒子９２を造形液に含めて吐出する例で説明しているが、これに限るものではない。例えば、空隙形成剤９１や機能性粒子９２のみを上方から所要の領域に自然落下させたり、あるいは、吹き付けるなどして供給することもできる。

なお、上記実施形態では、供給槽と造形槽の２層構造の立体造形装置で説明したが、造形槽の１層構造とし、造形槽に直接粉体を供給してブレードやローラなどの平坦化手段で平坦化する構成の立体造形装置にも本発明を適用することができる。

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（層状造形物）
３１ 粉体層（層状の粉体）
５０ 液体吐出ユニット
５１ キャリッジ
５２ 液体吐出ヘッド（造形液用）
５３ 液体吐出ヘッド（空隙形成剤用）

Claims (6)

1. 粉体を層状にした粉体層に対して造形液を与えて前記粉体層の粉体が結合された層状造形物を形成する手段と、
   空隙形成剤を供給する手段と、
   前記層状造形物を積層して立体造形物を造形するとき、密度を疎にする部分に前記供給する手段から前記空隙形成剤を供給させる制御をする手段と、を備えている
   ことを特徴とする立体造形装置。
2. 前記空隙形成剤は、加熱することで還元性ガス又は不活性ガスを発生させる剤である
   ことを特徴とする請求項１に記載の立体造形装置。
3. 前記供給する手段は、前記空隙形成剤が含まれている前記造形液を吐出する手段である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の立体造形装置。
4. 前記空隙形成剤が含まれている前記造形液は、前記立体造形物を焼結したときに焼結体に所要の機能を付与する機能性粒子を含有する
   ことを特徴とする請求項３に記載の立体造形装置。
5. 前記機能性粒子が、触媒粒子又は導電助剤である
   ことを特徴とする請求項４に記載の立体造形装置。
6. 粉体を層状にした粉体層に対して造形液を与えて前記粉体層の粉体が結合された層状造形物を形成する手段と、
   空隙形成剤を供給する手段と、を備える立体造形装置による造形動作の制御をコンピュータに行わせるためのプログラムであって、
   前記層状造形物を積層して立体造形物を造形するとき、密度を疎にする部分に前記供給する手段から前記空隙形成剤を供給させる制御をコンピュータに行わせるためのプログラム。

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