JP7241049B2 - 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、粉末材料に硬化液を吐出して所望の断面形状を有する薄い硬化層を形成し、硬化層を積層することによって三次元造形物を作製する装置が知られている。例えば、特許文献１には、内部で被造形物が造形される造形槽と、造形槽に粉末材料を供給する粉体移送手段と、粉末材料を硬化させるための硬化液を吐出する吐出ヘッドと、を備えた三次元造形装置が開示されている。

特開２０１８－１２６９７４号公報

例えば引用文献１に記載されているような粉末硬化型の三次元造形装置では、硬化液の吐出によって造形槽内の粉末材料が舞い上がることがある。舞い上がった粉末材料が吐出ヘッドのノズルに付着すると、付着した粉末材料は硬化液によって硬化するおそれがある。ノズルに付着した粉末材料が硬化すると、例えばノズル詰まりや硬化液の飛翔方向の曲がり等の不具合が発生する。

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、硬化液の吐出によって粉末材料がノズルに付着することを抑制する三次元造形装置を提供することである。

ここに開示する第１の三次元造形装置は、少なくとも一部に開口部を有する箱状に形成され、粉末材料が収容される造形槽と、前記造形槽の前記開口部に対向するように設けられ、前記粉末材料を硬化させる硬化液を前記開口部に向かって吐出する吐出装置と、を備える。前記吐出装置は、所定の第１方向に並んで配置された複数のノズルからそれぞれ構成された複数のノズル列を有している。前記複数のノズルは、それぞれが前記硬化液を吐出するように構成され、前記複数のノズル列の各ノズル列において、前記第１方向に関して１２００ｄｐｉ以下の密度で配置されている。前記複数のノズル列は、前記第１方向と直交する第２方向に関して、互いに５ｍｍ以上離れて配置されている。

本願発明者の知見によれば、三次元造形装置のノズル列における複数のノズルの密度をある程度以下とし、複数のノズル列をある程度の距離以上離して配置すれば、硬化液の吐出による造形槽内の粉末材料の舞い上がりが抑制される。その結果、ノズルへの粉末材料の付着が抑制される。上記第１の三次元造形装置では、ノズル列における複数のノズルの密度が１２００ｄｐｉ以下とされ、複数のノズル列が互いに５ｍｍ以上離れて配置されているため、硬化液の吐出によって粉末材料がノズルに付着することを抑制することができる。

また、ここに開示する第２の三次元造形装置は、少なくとも一部に開口部を有する箱状に形成され、粉末材料が収容される造形槽と、前記造形槽の前記開口部に対向するように設けられ、前記粉末材料を硬化させる硬化液を前記開口部に向かって吐出する吐出装置と、前記吐出装置を制御して前記硬化液を吐出させる制御装置と、を備える。
前記吐出装置は、第１ノズル列と、第２ノズル列と、第３ノズル列と、を有している。前記第１ノズル列は、所定の第１方向に並んで配置されるとともにそれぞれが前記硬化液を吐出する複数のノズルから構成されている。前記第２ノズル列は、前記第１方向に並んで配置されるとともにそれぞれが前記硬化液を吐出する他の複数のノズルから構成されている。前記第３ノズル列は、前記第１方向に並んで配置されるとともにそれぞれが前記硬化液を吐出するさらに他の複数のノズルから構成されている。前記第１ノズル列と前記第２ノズル列とは、前記第１方向と直交する第２方向に関して所定の第１距離よりも接近して配置されている。前記第１ノズル列と前記第３ノズル列とは、前記第２方向に関して前記第１距離以上離れて配置されている。
前記制御装置は、前記吐出装置から前記硬化液を吐出させる時間のうちの少なくとも一部において、前記第１ノズル列の前記複数のノズルおよび前記第３ノズル列の前記さらに他の複数のノズルから前記硬化液を吐出させ、前記第２ノズル列の前記他の複数のノズルからは前記硬化液を吐出させないように設定されている。

上記第２の三次元造形装置によれば、第１ノズル列との距離が第１距離未満である第２ノズル列のノズルからは、吐出装置から硬化液を吐出させる時間のうちの少なくとも一部において、硬化液が吐出されない。そのため、上記少なくとも一部の時間においては、互いに第１距離よりも接近した第１ノズル列のノズルと第２ノズル列のノズルから同時に硬化液が吐出されない。これにより、第１の三次元造形装置と同様の理由により、硬化液の吐出によって粉末材料がノズルに付着することが抑制される。

第１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。 三次元造形装置を模式的に示した平面図である。 キャリッジの下面を模式的に示した平面図である。 硬化液の吐出条件によるノズルへの粉末材料の付着状況を示す表である。 第２実施形態に係る三次元造形装置のキャリッジの下面を模式的に示す平面図である。 第２実施形態に係る三次元造形装置のブロック図である。

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、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。ここでは、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。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。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。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。主走査方向Ｙ、副走査方向Ｘ、および上下方向Ｚは、互いに直交している。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、三次元造形装置１０は、本体１１と、造形槽ユニット１２と、ローラユニット３０と、キャリッジ８５と、ヘッドユニット７０と、副走査方向移動機構２０と、主走査方向移動機構８０と、制御装置１００とを備えている。造形槽ユニット１２は、供給槽４０と、造形槽５０と、粉末回収槽６０とを搭載している。三次元造形装置１０は、供給槽４０から供給される粉末材料２００を造形槽５０上で均して粉末層２１０を形成し、粉末層２１０の所望の場所に硬化液を吐出して硬化させることによって硬化層２２０を形成する。そして、硬化層２２０を上方に積層することによって被造形物２３０を造形する。

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２０と、造形槽ユニット１２と、制御装置１００とを収容している。また、図１に示されるように、本体１１は、ローラユニット３０と主走査方向移動機構８０とを支持している。

図１に示すように、造形槽ユニット１２は、本体１１に収容されている。造形槽ユニット１２の上面１２ａは平坦であって、この上面１２ａから凹むように造形槽５０と供給槽４０と粉末回収槽６０とが独立に並んで設けられている。

供給槽４０は、造形槽ユニット１２の後方側に配置されている。供給槽４０には、造形槽５０に供給される前の粉末材料２００が貯留されている。図１に示すように、供給槽４０は、上下方向に延びる筒状に形成された筒状部４１を備えている。図２に示すように、筒状部４１は、上方に向けて開口した開口部４１ａを備えている。開口部４１ａの形状は、平面視において矩形状である。ただし、開口部４１ａの平面形状は矩形に限定されるわけではない。

粉末材料２００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２００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。粉末材料２００が混合粉である場合、成分である各粉末の粒度が異なっていてもよい。例えば、骨材となる粉末よりもバインダとなる粉末の方が細かくてもよい。

筒状部４１の内部には、平面視において筒状部４１と同じ形の供給テーブル４２が収容されている。図１に示すように、供給テーブル４２は、平板上の形状を有している。供給テーブル４２は、略水平に筒状部４１に挿入されている。供給テーブル４２は、筒状部４１の内部で上下方向に昇降自在に構成されている。供給テーブル４２の下部には、供給テーブル昇降機構４３が設けられている。供給テーブル昇降機構４３は、供給テーブル４２を支持して昇降させるように構成されている。供給テーブル昇降機構４３は、ここでは、下方から供給テーブル４２を支持している。供給テーブル昇降機構４３は、支持部４３ａと、駆動モータ４３ｂと、図示しないボールねじとを備えている。支持部４３ａは、供給テーブル４２の下面に接続されている。支持部４３ａは、ボールねじを介して駆動モータ４３ｂに接続されている。駆動モータ４３ｂを駆動させることにより、支持部４３ａは、上下方向に移動される。供給テーブル４２は、支持部４３ａに支持され、支持部４３ａとともに上下方向に移動する。駆動モータ４３ｂは、制御装置１００と電気的に接続されており、制御装置１００によって制御されている。駆動モータ４３ｂは、例えば、サーボモータであり、供給テーブル４２の高さを制御できるように構成されている。

図２に示すように、造形槽５０は、供給槽４０の前方に設けられている。供給槽４０と造形槽５０とは、副走査方向Ｘに並んで設けられている。造形槽５０は、主走査方向Ｙに関して、供給槽４０と揃った位置に配置されている。造形槽５０は、箱状に形成され、少なくとも一部に開口部を有している。詳しくは、造形槽５０は、上下方向に延びる筒状に形成された筒状部５１（図１参照）を備えており、筒状部５１は、上方に向けて開口した開口部５１ａを備えている。造形槽５０には、粉末材料２００が収容される。造形槽５０は、その内部において粉末材料２００から被造形物２３０が造形される槽である。図２に示すように、開口部５１ａの形状は、平面視において矩形状である。ただし、開口部５１ａの平面形状は矩形に限定されるわけではない。平面視において、開口部５１ａの主走査方向Ｙの長さは、供給槽４０の開口部４１ａの主走査方向Ｙの長さと同じである。しかしながら、造形槽５０の開口部５１ａ主走査方向Ｙの長さは、供給槽４０の開口部４１ａの主走査方向Ｙの長さより短くてもよい。

図１に示すように、筒状部５１の内部には、平面視において筒状部５１と同じ形の造形テーブル５２が収容されている。被造形物２３０の造形においては、造形テーブル５２に粉末材料２００が供給され、造形テーブル５２上で造形が行われる。図１に示すように、造形テーブル５２は、平板上の形状を有している。造形テーブル５２は、略水平に筒状部５１に挿入されている。造形テーブル５２は、筒状部５１の内部で上下方向に昇降自在に構成されている。造形テーブル５２の下部には、造形テーブル昇降機構５３が設けられている。造形テーブル昇降機構５３は、造形テーブル５２を支持して昇降させるように構成されている。造形テーブル昇降機構５３は、ここでは、下方から造形テーブル５２を支持している。造形テーブル昇降機構５３は、支持部５３ａと、駆動モータ５３ｂと、図示しないボールねじとを備えている。支持部５３ａは、造形テーブル５２の下面に接続されている。支持部５３ａは、ボールねじを介して駆動モータ５３ｂに接続されている。駆動モータ５３ｂを駆動させることにより、支持部５３ａは、上下方向に移動される。造形テーブル５２は、支持部５３ａに支持され、支持部５３ａとともに上下方向に移動する。駆動モータ５３ｂは、制御装置１００と電気的に接続されており、制御装置１００によって制御されている。駆動モータ５３ｂは、例えば、サーボモータであり、造形テーブル５２の高さを制御できるように構成されている。

粉末回収槽６０は、粉末材料２００が造形槽５０に敷き詰められた際に、造形槽５０に収容しきれなかった粉末材料２００を回収する槽である。粉末回収槽６０は、造形槽５０の前方に配置されている。図２に示すように、粉末回収槽６０は、造形槽５０および供給槽４０と副走査方向Ｘに並んで設けられている。粉末回収槽６０は、主走査方向Ｙに関して造形槽５０と揃った位置に配置されている。粉末回収槽６０は、上方に向けて開口した開口部６０ａを備えている。開口部６０ａの形状は、平面視において矩形状である。ただし、開口部６０ａの平面形状は矩形に限定されるわけではない。平面視において、開口部６０ａの主走査方向Ｙの長さは、供給槽４０の開口部４１ａおよび造形槽５０の開口部５１ａの主走査方向Ｙの長さと同じである。しかしながら、粉末回収槽６０の開口部６０ａの主走査方向Ｙの長さは、造形槽５０の開口部５１ａの主走査方向Ｙの長さより長くてもよい。

副走査方向移動機構２０は、ヘッドユニット７０およびローラユニット３０に対して、造形槽ユニット１２を副走査方向Ｘに移動させるように構成されている。副走査方向移動機構２０は、一対のガイドレール２１と、フィードモータ２２とを備えている。

図１に示すように、ガイドレール２１は、造形槽ユニット１２の副走査方向Ｘへの移動をガイドする。ガイドレール２１は、本体１１内に設けられている。ガイドレール２１は、副走査方向Ｘに延びている。造形槽ユニット１２は、ガイドレール２１に摺動可能に係合している。ただし、ガイドレール２１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２２は、例えば、ボールねじ等を介して造形槽ユニット１２に接続されている。フィードモータ２２は、制御装置１００に電気的に接続されている。フィードモータ２２が回転駆動することによって、造形槽ユニット１２は、ガイドレール２１上を副走査方向Ｘに移動される。

副走査方向移動機構２０と、ローラユニット３０とは、供給槽４０によって供給された粉末材料２００を造形槽５０上で均す層形成装置を構成している。ローラユニット３０は、敷詰ローラ３１と、敷詰ローラ３１を支持するローラ支持部材３２とを備えている。敷詰ローラ３１は、本体１１の上方に配置されている。敷詰ローラ３１は、ヘッドユニット７０より前方に配置されている。敷詰ローラ３１は、長尺の円筒形状を有している。敷詰ローラ３１は、円筒軸が主走査方向Ｙに沿うように配置されている。敷詰ローラ３１は、主走査方向Ｙの長さが造形槽５０よりも長い。敷詰ローラ３１の下端は、造形槽ユニット１２の上面１２ａとの間に所定のクリアランス（間隙）が形成されるように、造形槽ユニット１２の僅かに上方に設置されている。敷詰ローラ３１は、本体１１の上面１１ａに設けられた一対のローラ支持部材３２によって回転可能に支持されている。敷詰ローラ３１は、例えば接続されたモータなどによって回転するように構成されていてもよい。

副走査方向移動機構２０によって造形槽ユニット１２が後方に移動されると、敷詰ローラ３１は、供給槽４０、造形槽５０、および粉末回収槽６０に対して、相対的に前方に移動する。そこで、このとき、敷詰ローラ３１は、供給槽４０上から、造形槽５０上を経て、粉末回収槽６０上まで移動する。敷詰ローラ３１は、このとき、供給槽４０、造形槽５０、および粉末回収槽６０よりも上方の所定の高さを保ちながら、供給槽４０上から粉末回収槽６０上まで移動する。

図２に示すように、ヘッドユニット７０は、キャリッジ８５の下面に設けられている。ヘッドユニット７０は、造形槽５０の開口部５１ａに対向するように設けられている。ヘッドユニット７０は、粉末材料２００を硬化させる硬化液を開口部５１ａに向かって吐出するように構成されている。ヘッドユニット７０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。ヘッドユニット７０は、制御装置１００に電気的に接続され、制御装置１００によって制御されている。

図３は、キャリッジ８５の下面を模式的に示した平面図である。図３に示すように、ヘッドユニット７０は、それぞれ複数のノズル７１から構成された複数のノズル列７２を有している。各ノズル列７２を構成する複数のノズル７１は副走査方向Ｘに並んで配置されている。各ノズル７１は、硬化液を吐出するように構成されている。図３では少数しか図示していないが、本実施形態では、複数のノズル７１は、複数のノズル列７２のそれぞれにおいて、副走査方向Ｘに関して１２００ｄｐｉの密度で配置されている。すなわち、１インチ当たり１２００個のノズル７１が並ぶピッチでノズル７１が配置されている。ただし、複数のノズル７１は、各ノズル列７２において、副走査方向Ｘに関して１２００ｄｐｉよりも小さい密度、例えば、３６０ｄｐｉや７２０ｄｐｉの密度で配置されていてもよい。

図３に示すように、ヘッドユニット７０は複数の吐出ヘッド７３を備えている。本実施形態では、複数の吐出ヘッド７３は、それぞれ１つのノズル列７２を有している。複数の吐出ヘッド７３は、主走査方向Ｙに並んで配置されている。そのため、複数のノズル列７２も、主走査方向Ｙに並んで配置されている。本実施形態では、複数のノズル列７２は、主走査方向Ｙに関して、互いに１１ｍｍ離れて配置されている。図３に示す距離Ｄ０は、ここでは１１ｍｍである。この複数のノズル列７２間の距離Ｄ０は１つの好適な距離に過ぎず、１１ｍｍより長くても短くてもよい。ただし、複数のノズル列７２間の距離は、５ｍｍ以上であることが好ましい。その理由は後述する。

硬化液は、粉末材料２００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。硬化液には、粉末材料２００の種類に応じて、粉末材料２００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２００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。

主走査方向移動機構８０は、キャリッジ８５を主走査方向Ｙに移動させる。図２に示すように、主走査方向移動機構８０は、ガイドレール８１を備えている。ガイドレール８１は、主走査方向Ｙに延びている。ガイドレール８１には、キャリッジ８５が摺動自在に係合している。キャリッジ８５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８２（図１参照）が接続されている。キャリッジモータ８２が駆動することによって、キャリッジ８５は、ガイドレール８１に沿って主走査方向Ｙに移動する。キャリッジモータ８２は、制御装置１００と電気的に接続され、制御装置１００によって制御されている。キャリッジ８５が主走査方向Ｙに移動することによって、ヘッドユニット７０も主走査方向Ｙに移動する。

図１に示すように、本体１１の前面には、操作パネル１５０が設けられている。操作パネル１５０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１５０は、三次元造形装置１０の各種の動作を制御する制御装置１００と接続されている。制御装置１００は、フィードモータ２２、供給テーブル昇降機構４３の駆動モータ４３ｂ、造形テーブル昇降機構５３の駆動モータ５３ｂ、ヘッドユニット７０、およびキャリッジモータ８２と電気的に接続されており、それらの動作を制御している。

制御装置１００の構成は特に限定されない。制御装置１００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１００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。

三次元造形装置１０は、例えば以下のようなプロセスで被造形物２３０を造形する。１つの好適なプロセスによれば、三次元造形装置１０は、１つの硬化層２２０の形成が終わると、供給テーブル４２を上昇させ、造形テーブル５２を下降させる。１つの硬化層２２０の形成が終わった時点では、供給テーブル４２上の粉末材料２００の上面は、敷詰ローラ３１の下端部の高さと同じ高さに位置している。このとき、造形槽５０において最も上に形成された硬化層２２０の上面も、敷詰ローラ３１の下端部の高さと同じ高さに位置している。

この状態から供給テーブル４２を上昇させると、粉末材料２００の上方側の一部は、供給槽４０から溢れる。この供給槽４０から溢れた粉末材料２００が、供給槽４０から供給される粉末材料２００となる。造形テーブル５２は、上記した状態から所定の距離だけ下降する。この所定の距離は、次に形成される硬化層２２０の厚さと同じである。造形テーブル５２は、粉末材料２００の供給の際、硬化層２２０の１層の厚み分だけ下降する。この距離は、例えば、０．１ｍｍである。

この後、三次元造形装置１０は、敷詰ローラ３１を造形槽ユニット１２に対して前方に移動させる。このとき、実際には敷詰ローラ３１は不動であり、造形槽ユニット１２が後方に向かって移動している。この相対移動により、敷詰ローラ３１は、供給槽４０の後方から、供給槽４０および造形槽５０の上方を経由して、粉末回収槽６０の上方まで移動する。敷詰ローラ３１により、造形槽テーブル５２上に新たな粉末材料２００が敷き詰められる。これにより、造形槽テーブル５２上に新たな粉末層２１０が形成される。造形槽テーブル５２上に敷き詰められなかった粉末材料２００は、粉末回収槽６０に落下する。

上記のようにして硬化層２２０の上に新たな粉末層２１０が形成された後、三次元造形装置１０は、フィードモータ２２、ヘッドユニット７０、およびキャリッジモータ８２を制御して粉末層２１０上の所望の場所に硬化液を吐出させる。これにより、粉末層２１０に新たな硬化層２２０が形成される。これを繰り返すことにより、被造形物２３０が完成する。なお、かかるプロセスは好適な例示に過ぎず、被造形物２３０を形成するプロセスはこれに限定されない。

複数の吐出ヘッド７３は、硬化液を吐出しているとき、上下方向に関して造形槽５０上の粉末層２１０と予め定められた距離だけ離れている。以下、この距離をヘッドギャップとも呼ぶ。ヘッドギャップは、ノズル列７２が形成された吐出ヘッド７３の下面（ノズル面とも言う）と、粉末層２１０の上面との間の上下方向に関する距離である。上下方向に関して、粉末層２１０の上面の位置は、敷詰ローラ３１の下端の位置に等しい。本実施形態では、ヘッドギャップは２ｍｍである。ただし、ヘッドギャップは、２ｍｍより大きくてもよく、小さくてもよい。

（従来の三次元造形装置の問題）
従来の粉末硬化型の三次元造形装置においては、硬化液の吐出によって造形槽内の粉末材料が舞い上がるという問題が知られている。舞い上がった粉末材料が吐出ヘッドのノズルに付着すると、付着した粉末材料は硬化液によって硬化するおそれがある。ノズルに付着した粉末材料が硬化すると、例えばノズル詰まりや硬化液の飛翔方向の曲がり等の不具合が発生する。

本願発明者の知見によれば、このような粉末材料の舞い上がりは、ヘッドユニットから吐出された多数の硬化液の液滴が上昇気流を発生させることに起因している。硬化液の多数の液滴は高速で吐出されるため、それぞれ、ノズルと粉末層との間の空間に気流を発生させる。本願発明者の知見によれば、特に主走査方向Ｙに関して、２つの硬化液の液滴が近い距離で吐出されると、両者が発生させる気流が干渉して上昇気流を発生させる。この上昇気流により粉末材料が巻き上げられる。

上記知見に基づき、本願発明者は、主走査方向Ｙおよび副走査方向Ｘに関して、特に主走査方向Ｙに関して、２つの硬化液の液滴がある程度よりも遠い距離で吐出されると、両者が発生させる気流が干渉せず、上昇気流の発生が抑えられる可能性に思い至った。

そこで、本実施形態に係る三次元造形装置１０では、複数のノズル７１は各ノズル列７２において主走査方向Ｙに関して１２００ｄｐｉの密度で配置され、複数のノズル列７２は、主走査方向Ｙと直交する副走査方向Ｘに関して、互いに１１ｍｍ離れて配置されている。以下では、本実施形態に係る三次元造形装置１０における粉末材料２００のノズル７１への付着の程度を他の三次元造形装置と比較しながら示すこととする。

（硬化液の吐出条件および粉末材料の付着確認結果）
図４は、硬化液の吐出条件によるノズルへの粉末材料の付着状況を示す表である。図４は、本実施形態に係る三次元造形装置１０における硬化液の吐出条件、および、そのときの粉末材料２００の付着状況を示している。また、図４は、他の三次元造形装置における複数の硬化液の吐出条件と、各吐出条件で硬化液を吐出したときの粉末材料の付着状況とを示している。

図４に示すように、本実施形態に係る三次元造形装置１０では、複数のノズル列７２間の距離は１１ｍｍである。ヘッドギャップは２ｍｍである。キャリッジ８５の走査速度は１５０ｍｍ／ｓである。副走査方向Ｘに関するノズル７１の密度は１２００ｄｐｉである。主走査方向Ｙに関する硬化液の吐出密度は１２００ｄｐｉである。硬化液の液滴のサイズ（体積）は８ｐｌ（ピコリットル）である。粉末材料２００は、セラミック粉８５％＋バインダ粉１５％の混合粉であり、その平均粒径は５０μｍである。硬化液は界面活性剤が５％添加された水である。硬化層２２０の１層の厚さは０．１ｍｍである。図４に示すように、かかる吐出条件の下では、硬化層２２０を１００層形成した後でもノズル７１への粉末材料２００の付着は認められなかった。

一方、他の三次元造形装置では、図４に示すように、複数のノズル列間の距離は２．３ｍｍである。この距離は、本実施形態に係る三次元造形装置１０のそれよりも小さい。ヘッドギャップは、本実施形態に係る三次元造形装置１０の場合と同じ２ｍｍである。キャリッジの走査速度は、本実施形態に係る三次元造形装置１０の場合と同じ１５０ｍｍ／ｓである。副走査方向に関するノズルの密度は１８０ｄｐｉである。主走査方向に関する硬化液の吐出密度は７２０ｄｐｉである。粉末材料および硬化液は、本実施形態に係る三次元造形装置１０に使用されたものと同じである。硬化層の厚さおよび硬化液の吐出範囲（面積）は、本実施形態に係る三次元造形装置１０の場合と同じである。他の三次元造形装置では、硬化液の体積が１１ｐｌ、３８ｐｌ、６０ｐｌの場合について試験を行っている。

図４に示すように、他の三次元造形装置では、どの硬化液のサイズの場合でも、硬化層を３層形成した後において既にノズルへの粉末材料の付着が認められた。この結果より、本実施形態に係る三次元造形装置１０によれば従来の三次元造形装置よりも粉末材料のノズルへの付着を抑制できることは明らかである。

硬化液の吐出条件につき、三次元造形装置１０と他の三次元造形装置との間で同じであるものは上記差異に関係していないと考えられる。条件が異なるもののうち、副走査方向に関するノズルの密度については、小さい方が上昇気流の発生が抑えられ、粉末材料の付着を少なくできるものと考えられる。また、主走査方向に関する硬化液の吐出密度については、小さい方がキャリッジの走査回数が少なくなり、そのため粉末材料の付着を少なくできるものと考えられる。図４に示す試験の場合には、副走査方向に関するノズルの密度および主走査方向に関する硬化液の吐出密度が小さい他の三次元造形装置の方が、本実施形態に係る三次元造形装置１０よりも粉末材料の付着が多い。従って、粉末材料の付着の抑制に関して、副走査方向に関するノズルの密度および主走査方向に関する硬化液の吐出密度の寄与は小さいものと考えられる。

また、硬化液のサイズは、他の三次元造形装置の試験結果に影響を与えていない。従って、硬化液のサイズも、粉末材料の付着の抑制への寄与が小さい要素と考えられる。

これらの考察により、粉末材料のノズルへの付着を抑制するためには、ノズル列間の距離を大きくすることが有効であると考えられる。図４の試験の結果より、ノズル列間の距離が１１ｍｍ以上であれば、粉末材料のノズルへの付着をほぼなくすことができる。副走査方向に関するノズルの密度は、少なくとも１２００ｄｐｉ以下であればよく、１２００ｄｐｉ以下である限りにおいて粉末材料のノズルへの付着にほとんど影響を与えない。

さらに、本願発明者は、粉末材料のノズルへの付着を抑制できる範囲でノズル列間の距離を接近させ、ヘッドユニットの主走査方向に関するサイズをよりコンパクトにし、より少ない走査時間で主走査方向に関して所定の吐出密度を達成できるようにすることを考えた。

本願発明者の知見によれば、主走査方向Ｙに関して、複数のノズル列が互いに５ｍｍ以上離れて配置されていれば、粉末材料の舞い上がりを抑え、粉末材料のノズルへの付着を抑制することができる。

硬化液の吐出シミュレーションの結果によれば、複数のノズル列が互いに５ｍｍ以上離れていれば、上昇気流の発生が少なくなることが分かった。従って、複数のノズル列を互いに５ｍｍ以上離して配置すれば、粉末材料の舞い上がりを抑え、粉末材料のノズルへの付着を抑制することができるものと考えられる。ただし、かかる構成による効果は、ノズルに粉末材料がほとんど付着しないことを必ずしも意味するものではなく、従来の三次元造形装置、例えば、ノズル列間距離が２．３ｍｍの三次元造形装置と比較して、粉末材料の付着量を減少させることであってもよい。

（第２実施形態）
第２実施形態では、複数のノズル列は、粉末材料の巻き上げを抑制する所定の距離よりも短い距離をおいて配置されるが、同時に使用されるノズル列が制限される。それにより、同時に使用するノズル列の間の距離は、粉末材料の巻き上げを抑制する所定の距離よりも長く保たれる。以下の第２実施形態の説明では、第１実施形態と共通の機能を奏する部材には、第１実施形態と共通の符号を使用するものとする。また、重複する説明は適宜省略または簡略化する。

図５は、第２実施形態に係る三次元造形装置１０のキャリッジ８５の下面を模式的に示す平面図である。図５に示すように、本実施形態では、複数の吐出ヘッド７３は、それぞれ２つのノズル列７２を備えている。ここでは、ヘッドユニット７０は、主走査方向Ｙに並んだ４つの吐出ヘッド７３を備えるものとする。以下では、複数のノズル列７２を互いに区別するため、複数のノズル列７２を左から右に向かって順に第１ノズル列７２Ａ～第８ノズル列７２Ｈと呼ぶこととする。また、複数の吐出ヘッド７３を互いに区別するため、複数の吐出ヘッド７３を左から右に向かって順に第１ヘッド７３Ａ、第２ヘッド７３Ｃ、第３ヘッド７３Ｅ、および第４ヘッド７３Ｇと呼ぶこととする。ただし、吐出ヘッド７３の数は特に限定されず、吐出ヘッド７３に形成されるノズル列７２の数も特に限定されない。

図５に示すように、第１ノズル列７２Ａおよび第２ノズル列７２Ｂは、第１ヘッド７３Ａに形成されている。第３ノズル列７２Ｃおよび第４ノズル列７２Ｄは、第２ヘッド７３Ｃに形成されている。第５ノズル列７２Ｅおよび第６ノズル列７２Ｆは、第３ヘッド７３Ｅに形成されている。第７ノズル列７２Ｇおよび第８ノズル列７２Ｈは、第４ヘッド７３Ｇに形成されている。

第１ノズル列７２Ａ～第８ノズル列７２Ｈは、それぞれ、副走査方向Ｘに並んで配置されるとともにそれぞれが硬化液を吐出する複数のノズル７１から構成されている。図５に示すように、第１ノズル列７２Ａと第２ノズル列７２Ｂとは、主走査方向Ｙに関して所定の第１距離Ｄ１よりも接近して配置されている。詳しくは、第１ノズル列７２Ａと第２ノズル列７２Ｂとは、主走査方向Ｙに関して、第１距離Ｄ１よりも小さい第２距離Ｄ２だけ離れて配置されている。第１距離Ｄ１は、粉末材料２００の巻き上げを抑制できるノズル列７２間の距離である。第１距離Ｄ１は、例えば５ｍｍに設定されてもよい。または、第１距離Ｄ１は、５ｍｍよりも大きく１１ｍｍよりも小さい距離に設定されてもよい。第１距離Ｄ１は１１ｍｍに設定されてもよい。

一方、第１ノズル列７２Ａと第３ノズル列７２Ｃとは、主走査方向Ｙに関して第１距離Ｄ１以上離れて配置されている。詳しくは、第１ノズル列７２Ａと第３ノズル列７２Ｃとの距離は、第１距離Ｄ１よりも大きい第３距離Ｄ３である。ただし、第３距離Ｄ３は、第１距離Ｄ１と等しくてもよい。以下同様に、第３ノズル列７２Ｃと第４ノズル列７２Ｄとは、主走査方向Ｙに関して第２距離Ｄ２だけ離れて配置されている。第３ノズル列７２Ｃと第５ノズル列７２Ｅとは、主走査方向Ｙに関して第３距離Ｄ３だけ離れて配置されている。第５ノズル列７２Ｅと第６ノズル列７２Ｆとは、主走査方向Ｙに関して第２距離Ｄ２だけ離れて配置されている。第５ノズル列７２Ｅと第７ノズル列７２Ｇとは、主走査方向Ｙに関して第３距離Ｄ３だけ離れて配置されている。第７ノズル列７２Ｇと第８ノズル列７２Ｈとは、主走査方向Ｙに関して第２距離Ｄ２だけ離れて配置されている。

よって、図示は省略するが、主走査方向Ｙに関する第２ノズル列７２Ｂと第４ノズル列７２Ｄとの距離、第４ノズル列７２Ｄと第６ノズル列７２Ｆとの距離、および第６ノズル列７２Ｆと第８ノズル列７２Ｈとの距離は、いずれも第３距離Ｄ３である。

本実施形態に係る制御装置１００は、ヘッドユニット７０から硬化液を吐出させる時間のうちの少なくとも一部において、第１ノズル列７２Ａ、第３ノズル列７２Ｃ、第５ノズル列７２Ｅ、および第７ノズル列７２Ｇのノズル７１から硬化液を吐出させ、第２ノズル列７２Ｂ、第４ノズル列７２Ｄ、第６ノズル列７２Ｆ、および第８ノズル列７２Ｈのノズル７１からは硬化液を吐出させないように設定されている。詳しくは、本実施形態に係る制御装置１００は、ヘッドユニット７０から硬化液を吐出させる時間のうちの一部（以下、第１時間帯と言う）において、第１ノズル列７２Ａ、第３ノズル列７２Ｃ、第５ノズル列７２Ｅ、および第７ノズル列７２Ｇのノズル７１から硬化液を吐出させ、第２ノズル列７２Ｂ、第４ノズル列７２Ｄ、第６ノズル列７２Ｆ、および第８ノズル列７２Ｈのノズル７１からは硬化液を吐出させないように設定されている。図５では、第１時間帯において硬化液を吐出するノズル７１を二重丸で示している。

また、本実施形態に係る制御装置１００は、ヘッドユニット７０から硬化液を吐出させる時間のうちの他の一部（以下、第２時間帯と言う）において、第２ノズル列７２Ｂ、第４ノズル列７２Ｄ、第６ノズル列７２Ｆ、および第８ノズル列７２Ｈのノズル７１から硬化液を吐出させ、第１ノズル列７２Ａ、第３ノズル列７２Ｃ、第５ノズル列７２Ｅ、および第７ノズル列７２Ｇのノズル７１からは硬化液を吐出させないように設定されている。図５では、第２時間帯において硬化液を吐出するノズル７１を三角で示している。

ただし、制御装置１００は、ヘッドユニット７０から硬化液を吐出させる時間の全部において、第１ノズル列７２Ａ、第３ノズル列７２Ｃ、第５ノズル列７２Ｅ、および第７ノズル列７２Ｇのノズル７１から硬化液を吐出させ、第２ノズル列７２Ｂ、第４ノズル列７２Ｄ、第６ノズル列７２Ｆ、および第８ノズル列７２Ｈのノズル７１からは硬化液を吐出させないように設定されていてもよい。あるいは、制御装置１００は、ヘッドユニット７０から硬化液を吐出させる時間の全部において、第２ノズル列７２Ｂ、第４ノズル列７２Ｄ、第６ノズル列７２Ｆ、および第８ノズル列７２Ｈのノズル７１から硬化液を吐出させ、第１ノズル列７２Ａ、第３ノズル列７２Ｃ、第５ノズル列７２Ｅ、および第７ノズル列７２Ｇのノズル７１からは硬化液を吐出させないように設定されていてもよい。言い換えると、三次元造形装置１０は、奇数番目のノズル列７２Ａ、７２Ｃ、７２Ｅ、および７２Ｇだけ、または、偶数番目のノズル列７２Ｂ、７２Ｄ、７２Ｆ、および７２Ｈだけを使用するように構成されていてもよい。

図６は、本実施形態に係る三次元造形装置１０のブロック図である。図６に示すように、本実施形態では、制御装置１００は、第１カウンター１１０と、第２カウンター１２０と、ノズル列選択部１３０と、タイミング補正部１４０とを備えている。第１カウンター１１０は、奇数番目のノズル列７２Ａ、７２Ｃ、７２Ｅ、および７２Ｇから硬化液が吐出されている積算時間（言い換えると、第１時間帯の積算時間）を計測するように構成されている。第１カウンター１１０によって積算された時間が所定時間を超えると、次の硬化層２２０の形成からは偶数番目のノズル列７２Ｂ、７２Ｄ、７２Ｆ、および７２Ｈが使用される。第２カウンター１２０は、偶数番目のノズル列７２Ｂ、７２Ｄ、７２Ｆ、および７２Ｈから硬化液が吐出されている積算時間（言い換えると、第２時間帯の積算時間）を計測するように構成されている。第２カウンター１２０によって積算された時間が所定時間を超えると、次の硬化層２２０の形成からは奇数番目のノズル列７２Ａ、７２Ｃ、７２Ｅ、および７２Ｇが再び使用される。

ノズル列選択部１３０は、第１カウンター１１０および第２カウンター１２０の計測に基づいて、使用するノズル列７２を選択する。タイミング補正部１４０は、選択されたノズル列７２に合わせて硬化液を吐出するタイミングを補正する。

ただし、かかる制御は好適な一例に過ぎず、ノズル列７２の選択に係る制御の方法は限定されない。例えば、第１時間帯と第２時間帯とは、所定数の硬化層２２０の形成ごとに切り替わってもよい。または、第１時間帯と第２時間帯とは、ジョブごとに切り替わってもよい。第１時間帯と第２時間帯とは、硬化液の所定のショット数ごとに切り替わってもよい。

なお、説明および図示は省略するが、制御装置１００は他の機能を担う他の制御部を備えていてもよい。

上記した制御によれば、同時に使用される複数のノズル列７２の間の距離が第１距離Ｄ１以上に保たれるため、ノズル７１への粉末材料２００の付着が抑制される。また、第１時間帯では一部のノズル列７２を使用し、第２時間帯では他の一部のノズル列７２を使用することにより、一部のノズル列７２だけの偏った使用が回避され、ヘッドユニット７０の寿命を延ばすことができる。

なお、上記した実施形態では、一部の時間帯では奇数番目のノズル列７２Ａ、７２Ｃ、７２Ｅ、および７２Ｇが使用され、他の一部の時間帯では偶数番目のノズル列７２Ｂ、７２Ｄ、７２Ｆ、および７２Ｈが使用されたが、使用するノズル列の時間帯による分配は、ノズル列の配置によって変わり得る。また、ノズル列の配置が上記と同じであっても、使用するノズル列の時間帯による分配は上記に限定されない。例えば、第１時間帯には第１ノズル列７２Ａおよび第５ノズル列７２Ｅが使用され、第２時間帯には第２ノズル列７２Ｂおよび第６ノズル列７２Ｆが使用され、第３時間帯には第３ノズル列７２Ｃおよび第７ノズル列７２Ｇが使用され、第４時間帯には第４ノズル列７２Ｄおよび第８ノズル列７２Ｈが使用されてもよい。複数のノズル列は、同時に１つだけ使用されてもよい。同時に使用されるノズル列は、互いに第１距離Ｄ１以上離れていればよく（単独使用の場合も含む）、それ以上は限定されない。

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、ヘッドユニットは主走査方向に移動するキャリッジに搭載されていた。しかし、三次元造形装置はいわゆるラインヘッド方式に構成されていてもよい。その場合、ヘッドユニットは、それぞれ主走査方向に延びる複数のノズル列を有し、主走査方向に関して不動であってもよい。かつ、複数のノズル列は、所定の間隔以上の間隔をおいて副走査方向に並んでもよい。または、副走査方向に関して互いに所定の距離以上離れた一部のノズル列のみが同時に使用されてもよい。ノズル列の伸長方向および並び方向は特に限定されない。

上記した実施形態では、複数のノズル列の副走査方向に関する位置は揃っていた。また、それらの長さは同じであった。しかし、複数のノズル列はいわゆるスタガ配置され、その一部または全部は、副走査方向に関する位置がずれていてもよい。

硬化液の吐出方式は限定されない。硬化液は、例えばピエゾ素子等の圧電素子の駆動により吐出されてもよく、サーマル式などの他の種々の方式により吐出されてもよい。その他、上記した三次元造形装置の構成は例示に過ぎず、特に限定されない。また、特に言及しない限り、硬化液の吐出条件、硬化液および粉末材料の種類や特性、造形される被造形物の形状などは限定されない。

その他、ここに開示した実施形態は、特に断らない限り、本発明を限定しない。

１０ 三次元造形装置
４０ 供給槽
５０ 造形槽
７０ ヘッドユニット（吐出装置）
７１ ノズル
７２ ノズル列
１００ 制御装置
２００ 粉末材料
２１０ 粉末層
Ｄ０ ノズル列間距離（第１実施形態）
Ｄ１ 第１距離
Ｄ２ 第２距離（第１ノズル列と第２ノズル列との距離）
Ｄ３ 第３距離（第１ノズル列と第３ノズル列との距離）

Claims (4)

1. 少なくとも一部に開口部を有する箱状に形成され、粉末材料が収容される造形槽と、
   前記造形槽の前記開口部に対向するように設けられ、前記粉末材料を硬化させる硬化液を前記開口部に向かって吐出する吐出装置と、
   を備え、
   前記吐出装置は、所定の第１方向に並んで配置された複数のノズルからそれぞれ構成された複数のノズル列を有しており、
   前記複数のノズルは、それぞれが前記硬化液を吐出するように構成され、前記複数のノズル列の各ノズル列において、前記第１方向に関して１２００ｄｐｉ以下の密度で配置され、
   前記複数のノズル列は、前記第１方向と直交する第２方向に関して、互いに５ｍｍ以上離れて配置され、
   前記粉末材料は、セラミック粉とバインダ粉との混合粉であり、
   前記硬化液は、界面活性剤が添加された水である、
   三次元造形装置。
2. 前記複数のノズル列は、前記第２方向に関して、互いに１１ｍｍ以上離れて配置されている、
   請求項１に記載の三次元造形装置。
3. 少なくとも一部に開口部を有する箱状に形成され、粉末材料が収容される造形槽と、
   前記造形槽の前記開口部に対向するように設けられ、前記粉末材料を硬化させる硬化液を前記開口部に向かって吐出する吐出装置と、
   前記吐出装置を制御して前記硬化液を吐出させる制御装置と、
   を備え、
   前記吐出装置は、
   所定の第１方向に並んで配置されるとともにそれぞれが前記硬化液を吐出する複数のノズルから構成された第１ノズル列と、
   前記第１方向に並んで配置されるとともにそれぞれが前記硬化液を吐出する他の複数のノズルから構成された第２ノズル列と、
   前記第１方向に並んで配置されるとともにそれぞれが前記硬化液を吐出するさらに他の複数のノズルから構成された第３ノズル列と、
   を有しており、
   前記第１ノズル列と前記第２ノズル列とは、前記第１方向と直交する第２方向に関して所定の第１距離よりも接近して配置され、
   前記第１ノズル列と前記第３ノズル列とは、前記第２方向に関して前記第１距離以上離れて配置され、
   前記制御装置は、
   前記吐出装置から前記硬化液を吐出させる時間のうちの一部において、前記第１ノズル列の前記複数のノズルおよび前記第３ノズル列の前記さらに他の複数のノズルから前記硬化液を吐出させるとともに前記第２ノズル列の前記他の複数のノズルからは前記硬化液を吐出させず、前記吐出装置から前記硬化液を吐出させる時間のうちの他の一部において、少なくとも前記第２ノズル列の前記他の複数のノズルから前記硬化液を吐出させるとともに前記第１ノズル列の前記複数のノズルおよび前記第３ノズル列の前記さらに他の複数のノズルからは前記硬化液を吐出させないように設定されたノズル列選択部と、
   前記第１ノズル列の前記複数のノズルおよび前記第３ノズル列の前記さらに他の複数のノズルから前記硬化液が吐出される時間を積算する第１カウンターと、
   前記第２ノズル列の前記他の複数のノズルから前記硬化液が吐出される時間を積算する第２カウンターと、を備え、
   前記ノズル列選択部は、前記第１カウンターによって積算された時間が所定時間を越えると前記第１ノズル列の前記複数のノズルおよび前記第３ノズル列の前記さらに他の複数のノズルからの前記硬化液の吐出を中止して前記第２ノズル列の前記他の複数のノズルから前記硬化液を吐出させ、前記第２カウンターによって積算された時間が所定時間を越えると前記第２ノズル列の前記他の複数のノズルからの前記硬化液の吐出を中止して前記第１ノズル列の前記複数のノズルおよび前記第３ノズル列の前記さらに他の複数のノズルから前記硬化液を吐出させる、
   三次元造形装置。
4. 前記第１距離は、５ｍｍである、
   請求項３に記載の三次元造形装置。

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