JP7347151B2 - 材料回収装置及び三次元造形装置 - Google Patents

Description

本発明は、材料回収装置及び三次元造形装置に関する。

従来、インクジェット方式で立体造形物を作成する三次元造形装置において、材料を１層ごとに印刷し積み重ねることによって立体造形を行う造形技術が知られている。この技術では、各層の表面を未硬化の状態で、回転するローラによって均し、その後に紫外光照射などにより層を硬化させる処理が行われる。ローラに付着した余剰材料は、ローラの表面に対して突出するよう配置されたブレードにより掻き取られ、ブレードが固定されている桶状のバスに溜められる。ローラ、ブレード、バスなどは、材料回収装置の要素である。

特許文献１には、材料回収装置のカバーを開いてバスを露出させ、バスに溜められた余剰材料を吸引する吸引パイプを上方の退避位置に移動させた状態で、バスを取り外して交換または清掃を行う構成が記載されている。また、吸引パイプを退避位置に移動させるために、切替レバーを上方に回動させ、切替レバーがこの位置にあるときにはレバーがカバーと抵触して閉塞を妨げることで、バスの取り付け忘れを防止する構成が記載されている。

しかしながら、特許文献１に記載の構成では、バス（収容部材）を取り付けていない状態でも切替レバーを下方に回動させればレバーがカバーを阻害せずにカバーを閉じることも可能であるので、バスの取り付け忘れを防止できない場合がある。

本発明は、余剰材料を収容する収容部材の取り付け忘れを防止できることを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明の一観点に係る材料回収装置は、三次元造形物の形成用に積層された材料の表面を押圧して平滑化する平滑化部材と接触し、前記平滑化部材に付着した余剰材料を掻き取る掻き取り部材と、前記掻き取り部材が固定され、前記掻き取り部材により掻き取られた前記余剰材料を収容する収容部材と、前記収容部材を載置面に向けて押圧する押圧部材と、前記掻き取り部材、前記収容部材、及び前記押圧部材が収容される筐体と、前記筐体に開閉自在に取り付けられ、開き時に前記収容部材及び前記押圧部材が露出するカバーと、前記収容部材の有無で前記カバーの閉じ可否を変化させる閉じ制御機構と、を備える。

余剰材料を収容する収容部材の取り付け忘れを防止できる。

実施形態に係る三次元造形装置の要部正面図 実施形態に係る三次元造形装置の平面図 実施形態に係る三次元造形装置の側面図 ローラユニットの構成を示す模式図 造形ユニットの構成の一例を示す斜視図 造形ユニットのカバーを開けた状態の斜視図 押圧プレートをブレードホルダから離間させた状態の斜視図 ブレードホルダを取り付けずに押圧プレートを下げた状態を示す図 ブレードホルダが設置されている場合のカバーを閉じる動作の模式図 ブレードホルダが設置されていない場合のカバーを閉じる動作の模式図 変形例に係る閉じ制御機構の概略構成を示す図

以下、添付図面を参照しながら実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

なお、以下の説明において、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は互いに垂直な方向である。Ｘ方向及びＹ方向は水平方向であり、Ｚ方向は鉛直方向である。また、以下では説明の便宜上、Ｚ正方向側を上側、Ｚ負方向側を下側とも表現する場合がある。

＜三次元造形装置の概要＞
図１～図３を参照して、実施形態に係る三次元造形装置１０の一例の概要について説明する。図１は、実施形態に係る三次元造形装置１０の要部正面図である。図２は、実施形態に係る三次元造形装置１０の平面図である。図３は、実施形態に係る三次元造形装置１０の側面図である。

三次元造形装置１０は、立体造形物（三次元造形物）を製造する装置である。本実施形態では三次元造形装置１０は、インクジェット方式、すなわち材料噴射造形装置であり、図１～図３に示すように、層状造形物である造形層３０（図１では３０Ａ～３０Ｅの五層）が積層されて立体造形物が造形される造形ステージであるステージ１４と、ステージ１４上に造形層３０を順次積層しながら造形する造形ユニット２０とを備えている。

図１、図２に示すように、造形ユニット２０は、ユニットホルダ２１に、造形材料を吐出する吐出手段である第１ヘッド１１と、活性エネルギー線としての紫外線を照射するＵＶ照射ユニット１３と、造形層３０を平坦化する平坦化手段であるローラユニット１６を備えている。なお、立体造形物を造形するモデル材としての造形材料だけでなく、立体造形物の造形を支持するサポート材を吐出させるための第２ヘッド１２を備えることができる。

なお、三次元造形装置１０が用いる造形材料には、特に制限はなく、立体造形物を造形する本体を構成する上で求められる性能に基づいて、適宜選択することができる。造形材料としては、例えば、モデル材、サポート材などが挙げられる。また、造形材料は、光や熱等のエネルギーを付与することにより硬化する液体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が、単官能モノマー、多官能モノマー等の重合性モノマー、オリゴマーを含むことが好ましく、更に必要に応じてその他の成分を含む。好ましくは造形材料ジェット用プリンター等に用いられる造形材料吐出ヘッドで吐出できる粘度や表面張力等の液物性を有する。

図１～図３に例示する構成では、Ｘ方向において、正方向に沿って第１ヘッド１１、第２ヘッド１２、ローラユニット１６、ＵＶ照射ユニット１３の順番で配置されている。なお、各要素の配置順は他の順番でもよい。

第１ヘッド１１には、図２に示すように、カートリッジ装着部５６に交換可能に装着されるカートリッジ６０によって造形材料が供給チューブなどを介して供給される。なお、ブラック、シアン、マゼンタ、イエローなどのカラーの造形材料を使用する場合には、第１ヘッド１１に各色の液滴を吐出する複数のノズル列を配置することができる。

ＵＶ照射ユニット１３は、第１ヘッド１１から吐出された造形材料を硬化する。また、ＵＶ照射ユニット１３は、サポート材を含む場合は、第２ヘッド１２から吐出されたサポート材からなる造形層３０を硬化する。

なお、ＵＶ照射ユニット１３に紫外線照射ランプを使用する場合、紫外線照射により発生するオゾンを除去する機構を備えることが好ましい。紫外線照射ランプの種類としては、高圧水銀灯、超高圧水銀灯、メタルハライドなどが挙げられる。超高圧水銀灯は点光源であるが、光学系と組み合わせて光利用効率を高くした紫外線照射ランプは、短波長領域の照射が可能である。メタルハライドは、波長領域が広いため着色物の硬化に効果的である。Ｐｂ、Ｓｎ、Ｆｅなどの金属のハロゲン化物が用いられ、光開始剤の吸収スペクトルに合わせて選択できる。

ローラユニット１６は、ローラが回転されながら、ステージ１４との相対移動により、ステージ１４上に積層された造形層３０の表面を平坦化する。なお、「ステージ１４上」とは、特に限定しない限り、ステージ１４及びステージ１４上で積層させる造形層３０上を含むことを意味する。本実施形態では、ローラユニット１６は、造形層３０の表面がＵＶ照射ユニット１３により硬化される前に平滑化を行う。

図２、図３に示すように、造形ユニット２０のユニットホルダ２１は、Ｘ方向に配置されたガイド部材５４、５５に移動可能に保持されている。また、造形ユニット２０のＸ方向の一方側には、第１ヘッド１１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。

また、造形ユニット２０のユニットホルダ２１を保持しているガイド部材５４及び５５は、両側の側板７０、７０に保持されている。側板７０、７０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２０はＸ方向と直交するＹ方向に往復走査可能である。

ステージ１４は、昇降手段１５によってＺ方向に昇降される。昇降手段１５は、ベース部材７上にＸ方向に配置されたガイド部材７５、７６上に移動可能に配置される。

なお、図１、図２に示す例では、ステージ１４（及びステージ１４上の立体造形物）がＸ方向及びＺ方向に移動可能であり、造形ユニット２０がＸ方向及びＹ方向に移動可能な構成を例示したが、ステージ１４と造形ユニット２０とがＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の各方向へ相対移動でき、両者の相対距離を任意に変更可能な構成であればよく、図１、図２の構成以外の他の構成でもよい。

次に、この三次元造形装置１０による造形動作の概要について、図１を参照して説明する。

まず、造形ユニット２０をＹ方向に走査させてステージ１４上に位置させる。次に、ステージ１４を停止している造形ユニット２０に対して走査させながら、第１ヘッド１１から造形材料３０１を造形領域（立体造形物を構成する領域）に吐出させる。サポート材を用いる場合は、第２ヘッド１２からサポート材３０２を造形領域以外のサポート領域（造形後除去する領域）に吐出させる。

次に、ＵＶ照射ユニット１３によって、造形材料３０１及びサポート材３０２上に紫外線を照射して硬化させ、造形材料による造形物１７とサポート材による造形物１８を含む１層分の造形層３０が形成する。

この造形層３０を繰り返し造形して順次積層し、モデル材３０１をサポート材３０２で支持しながらモデル材３０１からなる目的とする立体造形物を造形する。例えば、図１の例では、造形層３０Ａ～３０Ｅの５層を積層した状態を示している。

ここで、造形層３０を複数層（固定値である必要はない。）積層する毎に、例えば１０層積層する毎に、ローラユニット１６を最表面の造形層３０に押し付けて平滑化することにより、造形層３０の厚み精度や平坦性を確保する。

平坦化手段として、ローラ形状の部材を使用する場合、Ｘ方向における走査方向に対して、ローラユニット１６のローラを逆転させる方向で回転させることにより、平坦化の効果を向上させることができる。なお、各層５０Ａ～５０Ｅごとにローラユニット１６による表面の平坦化を行ってもよい。

また、造形ユニット２０と最表面の造形層３０とのギャップを一定に保つために、ここでは、１層の造形層３０を形成する毎にステージ１４を昇降手段１５によって下降させている。なお、造形ユニット２０を昇降させる構成でもよい。

三次元造形装置１０は、モデル材３０１やサポート材３０２の回収部材、リサイクル機構などを備えてもよい。また、第１ヘッド１１、第２ヘッド１２の不吐出ノズルを検知する吐出状態検出手段を備えてもよい。更に、造形時の装置内の環境温度を制御してもよい。

＜ローラユニットの構成＞
図４を参照してローラユニット１６の構成の詳細について説明する。図４は、ローラユニット１６の構成を示す模式図である。

図４に示すように、ローラユニット１６は、ローラ２２（平滑化部材）と、材料回収装置２３とを有する。ローラ２２は、造形層３０の表面に接触して回転移動しながら押圧することによって表面を平滑化する。また、ローラ２２には、平滑化処理によって造形層３０の表面から余剰材料３１がローラ表面に付着する。材料回収装置２３は、ローラ２２に付着した余剰材料３１をローラ表面から回収する。

材料回収装置２３は、ブレード２４（掻き取り部材）と、ブレードホルダ２５（収容部材）とを備える。ブレード２４は、ブレードホルダ２５に固定され、ローラ２２の表面に付着した余剰材料３１を掻き取る平板状部材である。ブレード２４は、ローラ２２から掻き取った余剰材料３１をブレードホルダ２５に送る。ブレードホルダ２５は、ブレード２４により掻き取られた余剰材料３１を収容する。ブレードホルダ２５は、「バス」とも呼ばれる場合がある。ブレードホルダ２５は例えば上部が開口する箱状の部材である。ブレードホルダ２５は、ローラ２２を軸支するローラホルダ２６（支持部材）の一部に設けられる載置面２７に載置される。さらに、ブレードホルダ２５は、上方から押圧プレート２８（押圧部材）により載置面２７に向けて押圧されることで、載置面２７と押圧プレート２８との間で挟持されて固定される。

ローラユニット１６は、このような材料回収装置２３を備えることにより、平滑化処理を行ったローラ２２から余剰材料３１を回収して、ローラ２２にさらに平滑化処理を行わせることができる。

＜ブレードホルダの脱着手順＞

図５～図７を参照して、ブレードホルダ２５を造形ユニット２０から取り外す手順と、取り付ける手順を説明する。

図５は、造形ユニット２０の構成の一例を示す斜視図であり、ＵＶ照射ユニット１３を含むカバー３２を閉じた状態の斜視図である。図６は、図５に示す造形ユニット２０のカバー３２を開けた状態の斜視図である。

ローラユニット１６の材料回収装置２３では、上述のようにブレードホルダ２５に余剰材料３１が溜まるため、定期的に取り外して清掃や交換を行う必要がある。本実施形態では、造形ユニット２０においてローラユニット１６のＸ方向外側にＵＶ照射ユニット１３が配置されるため、このＵＶ照射ユニット１３を含むカバー３２が、ユニット２０の本体であるユニットホルダ２１（筐体）に対して開閉し、カバー３２が開けられた状態ではブレードホルダ２５が外部に露出して、取り外し可能となるように構成されている。例えばカバー３２はヒンジ等の連結部材によってユニット２０の本体と開閉自在に取り付けられている。図５、図６では、図１～図４の各要素に対応するものには共通の符号を付している。

図６に示す状態では、ブレードホルダ２５は押圧プレート２８により下方に押圧されて、ローラホルダ２６の載置面２７と押圧プレート２８との間で挟持されて固定されている。押圧プレート２８は、レバー３３の上下への回動によって上方、下方に移動可能に構成されている。

図７は、押圧プレート２８をブレードホルダ２５から離間させた状態の斜視図である。図７に示すように、レバー３３を上方に回動させて押圧プレート２８がブレードホルダ２５から上方に離間した状態になると、ブレードホルダ２５を造形ユニット２０から取り外し可能となる。

このように、ブレードホルダ２５を取り外す際には、（１）カバー３２を開ける（図６）、（２）レバー３３を上方に回動させ、押圧プレート２８を上方に移動する（図７）、（３）ローラユニット１６からブレードホルダ２５を取り外す、という手順を行う。また、ブレードホルダ２５を取り付ける際には、これとは逆に、（１）ローラホルダ２６の載置面２７にブレードホルダ２５を載置し、（２）レバー３３を下方に回動させ、押圧プレート２８を下方に移動してブレードホルダ２５を押圧する、（３）カバー３２を閉める、という手順を行う。

＜閉じ制御機構＞
図５～図７を参照して説明したように、三次元造形装置１０では定期的にブレードホルダ２５を造形ユニット２０から取り外して清掃や交換を行う。その後に、ブレードホルダ２５を再度造形ユニット２０に取り付けて使用するのであるが、ブレードホルダ２５を付け忘れる場合がある。

図８は、ブレードホルダ２５を取り付けずに押圧プレート２８を下げた状態を示す図である。図８に示すように、ブレードホルダ２５が無い場合でもレバー３３を下方に回動させて押圧プレート２８を下方に下げることが可能である。この場合、押圧プレート２８のＺ方向の高さ位置Ｂ（第２の高さ）は、ブレードホルダ２５がある場合の高さ位置Ａ（第１の高さ）と比べて低い位置まで下がる（図６参照）。この状態でも、レバー３３はカバー３２と閉じられる位置まで下がっているため、従来の三次元造形装置ではカバー３２を閉じて造形ユニット２０を動作させることが可能である。この状態でカバー３２と閉じて造形ユニット２０を動作させると、ローラ２２に付着した余剰材料３１を剥ぎ取ることができず、造形物に造形不良が生じる虞があり、また、装置の故障に至る可能性もある。

そこで本実施形態では、ブレードホルダ２５の有無でカバー３２の閉じ可否を変化させる閉じ制御機構４０が設けられている。閉じ制御機構４０は、図６に示すように、カバー３２の内側面３２ａに設けられる凸部４１と、ブレードホルダ２５のＸ正方向側の端面に設けられる凹部４２と、を備える。

凸部４１は、図６に示すように、押圧プレート２８が、ブレードホルダ２５がある場合の高さ位置Ａ（第１の高さ）にあり、ブレードホルダ２５が押圧プレート２８により押圧された状態で造形ユニット２０の内部にあるときに、凹部４２が配置される位置に設けられる。

図９は、ブレードホルダ２５が設置されている場合のカバー３２を閉じる動作の模式図である。図９に示すように、ブレードホルダ２５が造形ユニット２０の内部の所定位置に取り付けられている場合には、閉じ制御機構４０の凸部４１と凹部４２とが嵌合可能に対向する位置となるので、カバー３２を閉じようとすると凸部４１が凹部４２に収容されて、カバー３２が閉じ可能となる。

図１０は、ブレードホルダ２５が設置されていない場合のカバー３２を閉じる動作の模式図である。一方、図８に示すように、押圧プレート２８が、ブレードホルダ２５が無い場合の高さ位置Ｂ（第２の高さ）にあり、ブレードホルダ２５が造形ユニット２０の内部に無いときには、図１０に示すように、閉じ制御機構４０の凸部４１と対向する位置に凹部４２が無くなるので、カバー３２を閉じようとすると、凸部４１が押圧プレート２８のＸ正方向側の端面２８ａと突き当たり、カバー３２が閉じ不能となる。

＜変形例＞
実施形態の閉じ制御機構４０は、第２の高さ位置Ｂまで下がった押圧プレート２８によって、カバー３２が閉じるのを規制できればよい。図１１は、変形例に係る閉じ制御機構４０Ａの概略構成を示す図である。例えば図１１に示すように、凸部と凹部の配置を入れ替え、閉じ制御機構４０Ａが、押圧プレート２８のＸ正方向側の端面２８ａに突出して設けられる凸部４３と、カバー３２の内側面３２ａに設けられる凹部４４と、を有する構成でもよい。

変形例に係る閉じ制御機構４０Ａでは、凹部４４は、押圧プレート２８が第１の高さ位置Ａにあり、ブレードホルダ２５が押圧プレート２８により押圧された状態で造形ユニット２０の内部にあるときに、凸部４３が配置される位置に設けられる。これにより、閉じ制御機構４０Ａの凸部４３と凹部４４とが嵌合可能に対向する位置となるので、カバー３２を閉じようとすると凸部４３が凹部４４に収容されて、カバー３２が閉じ可能となる。

一方、押圧プレート２８が第２の高さ位置Ｂにあり、ブレードホルダ２５が造形ユニット２０の内部に無いときには、凸部４３と凹部４４の高さ位置がずれてしまい嵌合不能となるので、カバー３２を閉じようとすると、凸部４３がカバー３２の内側面３２ａと突き当たり、カバー３２が閉じ不能となる。

なお、上記実施形態、変形例では、閉じ制御機構４０、４０Ａが、造形ユニット２０の内部にブレードホルダ２５が無い場合に、高さ位置Ｂ（第２の高さ）まで下がった押圧プレート２８によって、カバー３２が閉じるのを規制する構成を例示した。しかし、閉じ制御機構は、造形ユニット２０の内部にブレードホルダ２５が有るか無いかに応じてカバー３２の閉じ可否を変化させることができる機構であればよく、実施形態や変形例とは別の構成でもよい。例えば、制御装置が、センサなどを用いてブレードホルダ２５の有無や、押圧プレート２８の高さ位置などを検知して、造形ユニット２０の内部にブレードホルダ２５が設置されていないと判定した場合には、カバー３２を機械的または電気的にロックして、閉じられないようにする構成でもよい。

以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

１０ 三次元造形装置
２１ ユニットホルダ（筐体）
２２ ローラ（平滑化部材）
２３ 材料回収装置
２４ ブレード（掻き取り部材）
２５ ブレードホルダ（収容部材）
２６ ローラホルダ（支持部材）
２７ 載置面
２８ 押圧プレート（押圧部材）
３０ 造形層
３１ 余剰材料
３２ カバー
４０、４０Ａ 閉じ制御機構
４１、４３ 凸部
４２、４４ 凹部
Ａ 第１の高さ
Ｂ 第２の高さ

特開２０１３－６７１１６号公報

Claims (5)

1. 三次元造形物の形成用に積層された材料の表面を押圧して平滑化する平滑化部材と接触し、前記平滑化部材に付着した余剰材料を掻き取る掻き取り部材と、
   前記掻き取り部材が固定され、前記掻き取り部材により掻き取られた前記余剰材料を収容する収容部材と、
   前記収容部材を載置面に向けて押圧する押圧部材と、
   前記掻き取り部材、前記収容部材、及び前記押圧部材が収容される筐体と、
   前記筐体に開閉自在に取り付けられ、開き時に前記収容部材及び前記押圧部材が露出するカバーと、
   前記収容部材の有無で前記カバーの閉じ可否を変化させる閉じ制御機構と、
   を備える材料回収装置。
2. 前記押圧部材は、前記筐体内に前記収容部材が無い場合に、前記収容部材を押圧する場合の第１の高さより低い第２の高さまで下がり、
   前記閉じ制御機構は、前記第２の高さまで下がった前記押圧部材によって、前記カバーが閉じるのを規制する、
   請求項１に記載の材料回収装置。
3. 前記カバーが閉じた状態において、前記収容部材の一の端面が、前記カバーの内側面と対向するよう配置され、
   前記閉じ制御機構は、
   前記収容部材の前記端面に設けられる凹部と、
   前記カバーの前記内側面に設けられる凸部と、
   を有し、
   前記凸部は、前記押圧部材が前記第１の高さにあり、前記収容部材が前記押圧部材により押圧された状態で前記筐体内にあるときに、前記凹部が配置される位置に設けられ、前記凹部に収容されて前記カバーを閉じ可能とし、
   前記押圧部材が前記第２の高さにあり、前記収容部材が前記筐体内に無いときに、前記押圧部材の端面と突き当たって前記カバーを閉じ不能とする、
   請求項２に記載の材料回収装置。
4. 前記カバーが閉じた状態において、前記押圧部材の一の端面が、前記カバーの内側面と対向するよう配置され、
   前記閉じ制御機構は、
   前記押圧部材の前記端面に突出して設けられる凸部と、
   前記カバーの前記内側面に設けられる凹部と、
   を有し、
   前記凹部は、前記押圧部材が前記第１の高さにあり、前記収容部材が前記押圧部材により押圧された状態で前記筐体内にあるときに、前記凸部が配置される位置に設けられ、前記凸部を収容して前記カバーを閉じ可能とし、
   前記凸部は、前記押圧部材が前記第２の高さにあり、前記収容部材が前記筐体内に無いときに、前記カバーの前記内側面と突き当たって前記カバーを閉じ不能とする、
   請求項２に記載の材料回収装置。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の材料回収装置を備える三次元造形装置。

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