JP7452246B2 - 三次元造形物の製造装置 - Google Patents

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Description

本発明は、三次元造形物の製造装置に関する。
従来から、様々な種類の三次元造形物の製造装置が使用されている。このうち、粉末層を形成し、該粉末層における三次元造形物の造形領域にヘッドのノズルから液体を吐出して、三次元造形物を製造する三次元造形物の製造装置がある。例えば、特許文献１には、粉末材料で層を形成し、ラインヘッドのノズルから該層に硬化液を吐出して三次元造形物を製造する三次元造形装置が開示されている。
特開２０１９－１０１０号公報
しかしながら、特許文献１に記載される三次元造形装置のように、粉末層にヘッドから液体を吐出して三次元造形物を製造する三次元造形物の製造装置においては、粉末層を形成する粉末がノズルからヘッド内に進入する場合がある。ヘッド内にこのような粉末が進入すると、液体が増粘する場合があり、液体の吐出不良を招く場合がある。
上記課題を解決するための本発明の三次元造形物の製造装置は、造形テーブルと、前記造形テーブルに粉末層を形成する層形成部と、前記粉末層における三次元造形物の造形領域にバインダーを含む液体を吐出するヘッドと、前記ヘッドに前記液体を供給する液体供給システムと、前記造形テーブルに対して前記ヘッドを相対移動させる移動システムと、を備え、前記ヘッドは、前記液体を吐出するノズルと、前記ノズルに連通する圧力室と、前記液体の供給方向における上流側で前記圧力室に通じる供給流路と、前記供給方向における下流側で前記圧力室に通じる循環流路と、を備え、前記循環流路は、第１フィルターを備え、前記第１フィルターの孔径は、前記粉末層を形成する粉末の粒子径よりも大きいことを特徴とする。
実施例１に係る本発明の三次元造形物の製造装置を表す概略構成図。 図１の三次元造形物の製造装置の液体共有システムを表す概略図。 図１の三次元造形物の製造装置を用いて行う三次元造形物の製造方法を説明するための概略図。 図１の三次元造形物の製造装置を用いて行う三次元造形物の製造方法の一例を表すフローチャート。 図１の三次元造形物の製造装置のヘッドを表す斜視図。 図１の三次元造形物の製造装置のヘッドを表す底面側から見た図５の一点鎖線Ａで切った断面図であって、一部の構成部材を透視して破線で表した図。 図１の三次元造形物の製造装置のヘッドを表す図５の一点鎖線Ｂで切った側面断面図。 実施例２に係る本発明の三次元造形物の製造装置のヘッドを表す側面断面図。
最初に、本発明について概略的に説明する。
上記課題を解決するための本発明の第１の態様の三次元造形物の製造装置は、造形テーブルと、前記造形テーブルに粉末層を形成する層形成部と、前記粉末層における三次元造形物の造形領域にバインダーを含む液体を吐出するヘッドと、前記ヘッドに前記液体を供給する液体供給システムと、前記造形テーブルに対して前記ヘッドを相対移動させる移動システムと、を備え、前記ヘッドは、前記液体を吐出するノズルと、前記ノズルに連通する圧力室と、前記液体の供給方向における上流側で前記圧力室に通じる供給流路と、前記供給方向における下流側で前記圧力室に通じる循環流路と、を備え、前記循環流路は、第１フィルターを備え、前記第１フィルターの孔径は、前記粉末層を形成する粉末の粒子径よりも大きいことを特徴とする。
ヘッドの製造時などにおいて該ヘッドの製造に伴い発生する異物が循環流路から圧力室に逆流し、ヘッドの性能が低下する場合があるが、本態様のように第１フィルターを循環流路に備えることでヘッドの製造に伴い発生する異物が循環流路から圧力室に逆流することを抑制できる。また、本態様によれば、第１フィルターの孔径は粉末層を形成する粉末の粒子径よりも大きい。このため、ノズルからヘッド内に進入した粉末が第１フィルターを通過できずにヘッド内に次々と滞留してノズルと第１フィルターとの間で液体が増粘し続けていくことを、抑制できる。したがって、ヘッド内の液体が増粘することを抑制でき、液体の吐出不良を抑制することができる。
本発明の第２の態様の三次元造形物の製造装置は、前記第１の態様において、前記ノズルの内径は、前記第１フィルターの孔径よりも大きいことを特徴とする。
本態様によれば、ノズルの内径は、第１フィルターの孔径よりも大きい。このため、ノズルからヘッド内に粉末が進入したとしても、ノズルを通して該粉末を再度排出することが可能になる。
本発明の第３の態様の三次元造形物の製造装置は、前記第１または第２の態様において、前記第１フィルターよりも前記供給方向における下流側の位置に、第２フィルターを備えることを特徴とする。
本態様によれば、第１フィルターよりも供給方向における下流側の位置に第２フィルターを備える。このため、循環流路から供給流路に戻る液体に含まれる異物の捕捉性能を高めることができる。
本発明の第４の態様の三次元造形物の製造装置は、前記第３の態様において、前記第２フィルターの孔径は、前記粉末層を形成する粉末の粒子径よりも小さいことを特徴とする。
本態様によれば、第２フィルターの孔径は粉末層を形成する粉末の粒子径よりも小さい。このため、ノズルからヘッド内に進入し第１フィルターを通過した粉末を第２フィルターで捕捉することができる。
本発明の第５の態様の三次元造形物の製造装置は、前記第３または第４の態様において、前記第２フィルターは、交換可能であることを特徴とする。
本態様によれば、第２フィルターは交換可能である。このため、第２フィルターが目詰まりなどしてフィルターとしての性能が低下した場合などにおいて、簡単に元の状態に戻すことができる。
本発明の第６の態様の三次元造形物の製造装置は、前記第５の態様において、前記循環流路における前記第２フィルターよりも前記供給方向における下流側の位置に、前記液体の流量センサーを備え、前記流量センサーによって前記液体の流量が閾値以下の流量であると検出された場合に、前記第２フィルターの交換情報を出力することを特徴とする。
本態様によれば、液体の流量センサーを備え、流量センサーによって液体の流量が閾値以下の流量であると検出された場合に第２フィルターの交換情報を出力する。このため、ユーザーは、簡単に第２フィルターの適正な交換時期を認識することができる。
本発明の第７の態様の三次元造形物の製造装置は、前記第１から第６のいずれか１つの態様において、前記供給流路に、前記粉末層を形成する粉末の粒子径よりも小さい孔径の第３フィルターを備えることを特徴とする。
本態様によれば、供給流路に粉末層を形成する粉末の粒子径よりも小さい孔径の第３フィルターを備える。このため、ノズルからヘッド内に進入した粉末が供給流路を逆流していくことを抑制することができる。
本発明の第８の態様の三次元造形物の製造装置は、前記第１から第７のいずれか１つの態様において、前記循環流路における前記圧力室と隣接する領域の底面は、前記供給流路における前記圧力室と隣接する領域の底面よりも、重力方向において下側の位置に配置されることを特徴とする。
本態様によれば、循環流路における圧力室と隣接する領域の底面は、供給流路における圧力室と隣接する領域の底面よりも、重力方向において下側の位置に配置される。ノズルからヘッド内に進入した粉末は重力の影響のためより低い方に流れやすいので、該粉末は供給流路側に逆流するよりも循環流路側に流れやすくなる。したがって、ノズルからヘッド内に進入した粉末が供給流路を逆流していくことを抑制することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。
［実施例１］
最初に、実施例１三次元造形物の製造装置１の概要について図１を参照して説明する。ここで、図１及び後述する各図における図中のＸ方向は水平方向であり供給ユニット８の往復移動方向に対応し、このうち、Ｘ１方向は往方向、Ｘ２方向は復方向に対応する。また、Ｙ方向は水平方向であるとともにＸ方向と直交する方向であり、ローラー６の回転軸の延びる方向に対応する。また、Ｚ方向は鉛直方向であり、層５００の積層方向に対応する。
なお、本明細書における「三次元造形」とは、いわゆる立体造形物を形成することを示すものであって、例えば、平板状、いわゆる二次元形状であっても厚さを有する形状を形成することも含まれる。
本実施例の三次元造形物の製造装置１は、層５０１、層５０２、層５０３、・・・層５０ｎからなる層５００を積層することにより三次元造形物を製造する三次元造形物の製造装置である。そして、図１で表されるように、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、造形テーブル９を有するテーブルユニット１０と、三次元造形物の造形材料を造形テーブル９に供給する供給ユニット８と、テーブルユニット１０及び供給ユニット８の動作を制御する制御部１２と、を備えている。なお、三次元造形物の製造装置１は、パーソナルコンピューターなどの外部装置２０と電気的に接続されており、外部装置２０を介してユーザーからの指示を受け付け可能な構成となっている。
造形テーブル９は、制御部１２の制御によりＺ方向に移動可能な構成となっている。造形テーブル９の造形面９ａをテーブルユニット１０の上面部１０ａに対してＺ方向において所定の距離だけ低い位置に配置し、造形面９ａに供給ユニット８から三次元造形物の造形材料を供給して１層分の層５００を形成する。そして、造形テーブル９の所定の距離分の下方への移動と、供給ユニット８からの三次元造形物の造形材料の供給と、を繰り返すことで積層する。図１は、層５０１、層５０２、層５０３及び層５０４の４層分の層形成を繰り返して、造形面９ａ上に三次元造形物の構造体Ｓを形成した様子を表している。
供給ユニット８は、ガイドバー１１に沿って、Ｘ方向に移動可能な構成となっている。また、供給ユニット８は、金属やセラミックスや樹脂などの粉末を含む造形材料を造形テーブル９に供給する造形材料供給部２を備えている。なお、造形材料供給部２として、Ｘ１方向の先頭側端部に形成された造形材料供給部２Ａと、Ｘ２方向の先頭側端部に形成された造形材料供給部２Ｂと、を備えている。
また、供給ユニット８は、造形テーブル９に供給された造形材料を圧縮して均すことが可能なローラー６を備えている。なお、ローラー６として、Ｘ方向における造形材料供給部２Ａの隣に形成されたローラー６Ａと、Ｘ方向における造形材料供給部２Ｂの隣に形成されたローラー６Ｂと、を備えている。ここで、造形材料供給部２とローラー６とで、造形テーブル９に粉末層である層５００を形成する、層形成部を構成している。なお、供給ユニット８は、ローラー６の代わりに、造形テーブル９に供給された造形材料を均すことが可能なスキージを備えていても構わない。
また、供給ユニット８は、造形材料供給部２から供給された造形材料に含まれる粉末を結着するバインダーを含む液体を、三次元造形物の造形領域Ｐに吐出するヘッド３を備えている。なお、ヘッド３として、Ｘ方向におけるローラー６Ａの隣に形成されたヘッド３Ａと、Ｘ方向におけるローラー６Ｂの隣に形成されたヘッド３Ｂと、を備えている。ヘッド３の詳細な構成、並びに、該ヘッド３に液体を供給するための図２で表される液体供給システム４０の構成、についての詳細は後述する。なお、ヘッド３から吐出される液体は必ずしもバインダーを含む必要はなく、造形材料供給部２から供給された造形材料にバインダーを含む構成としてもかまわない。
ここで、ヘッド３Ａ及びヘッド３Ｂから吐出される液体は同じ液体であり、ともに、バインダーとして紫外線硬化樹脂を含む液体である。ただし、このような液体に限定されず、熱硬化樹脂をバインダーとして含む液体や、バインダーとしての固体の樹脂が揮発性の溶媒に溶解された状態の液体などを使用してもよい。また、供給ユニット８には、ヘッド３のノズルの温度を検出する温度センサー７がヘッド３Ａ及びヘッド３Ｂに対応して設けられている。
そして、Ｘ方向におけるヘッド３Ａとヘッド３Ｂとの間には、紫外線硬化樹脂を硬化させることが可能な紫外線を照射する紫外線照射部４を備えている。なお、本実施例の供給ユニット８は、紫外線照射部４を１つ備える構成であるが、紫外線照射部４を２つ以上備える構成や、使用する液体の種類などに応じて、紫外線照射部４を備えない構成や、紫外線照射部４の代わりに熱硬化樹脂を硬化させるため或いは溶媒を揮発させるためのヒーターを備える構成などであってもよい。
図１で表されるように、本実施例の供給ユニット８は、Ｘ方向において構成部材の形状が対称となっている。このため、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、供給ユニット８をＸ１方向に移動させつつ三次元造形物の造形動作を実行できるとともに、供給ユニット８をＸ２方向に移動させつつ三次元造形物の造形動作を実行できる。
また、図１で表されるように、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、テーブルユニット１０に液体受け部５が設けられており、液体受け部５と対向する位置でヘッド３から液体を吐出させてフラッシング動作を実行可能である。すなわち、液体受け部５と対向する位置がフラッシング位置であり、このため当然、フラッシング位置は三次元造形物の造形領域Ｐとは異なる位置である。なお、液体受け部５として、液体受け部５Ａと、液体受け部５Ｂと、を備えている。
このように、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、造形テーブル９と、造形テーブル９に粉末層である層５００を形成する層形成部としての造形材料供給部２及びローラー６と、層５００における三次元造形物の造形領域Ｐにバインダーを含む液体をノズルから吐出するヘッド３と、造形テーブル９に対してヘッド３を相対移動させる移動システムとしての供給ユニット８及びテーブルユニット１０と、造形テーブル９に対するヘッド３の移動と、電圧を印可することによるヘッド３の駆動と、を制御する制御部１２と、を備えている。また、ヘッド３に液体を供給する液体供給システム４０を備えている。
以下に、図２を参照して液体供給システム４０について詳細に説明する。図２に示す液体供給システム４０は、ヘッド３に液体を供給するための供給流路４５ａを含む循環部４１と、循環部４１に液体を補充するための液体補充流路４５ｄを含む補充部４２と、によって構成されている。
循環部４１は、ヘッド３と、加圧制御用液体タンク４３ａと減圧制御用液体タンク４３ｂと、加圧制御用ポンプ４４ａと、減圧制御用ポンプ４４ｂと、流動用ポンプ４４ｃと、電磁弁Ｖ１と、を有する。また、循環部４１は、加圧制御用液体タンク４３ａとヘッド３を連結する供給流路４５ａと、ヘッド３と減圧制御用液体タンク４３ｂを連結する第１循環流路４５ｂと、加圧制御用液体タンク４３ａと減圧制御用液体タンク４３ｂとを連結する第２循環流路４５ｃと、を有する。ここで、第１循環流路４５ｂには、フィルターＦ２と、第１循環流路４５ｂ中を流れる液体の流量を検出する流量センサー４６と、が設けられている。
加圧制御用液体タンク４３ａ、加圧制御用ポンプ４４ａ、減圧制御用液体タンク４３ｂ、減圧制御用ポンプ４４ｂによって、図６で表されるヘッド３のノズルＮには大気圧から若干負圧が掛かるように差圧制御が行われる。
減圧用タンクである減圧制御用液体タンク４３ｂから加圧用タンクである加圧制御用液体タンク４３ａに液体を流動させる第２循環流路４５ｃには、流動用ポンプ４４ｃと、電磁弁Ｖ１が設置されている。ヘッド３における液体吐出動作が実行されるとき、ヘッド３に液体を供給するときは、電磁弁Ｖ１を開き、流動用ポンプ４４ｃを動作させて、供給流路４５ａ、第１循環流路４５ｂ及び第２循環流路４５ｃにおいて液体を循環させる。
補充部４２は、液体が収容された交換可能な液体カートリッジ４３ｃと、流動用ポンプ４４ｄと、電磁弁Ｖ２と、を有する。また、補充部４２は、加圧制御用液体タンク４３ａと液体カートリッジ４３ｃとを連結する液体補充流路４５ｄを有する。液体カートリッジ４３ｃから加圧制御用液体タンク４３ａに液体を補充するときは、電磁弁Ｖ２を開き、流動用ポンプ４４ｄを動作させて、液体補充流路４５ｄにおいて液体を流させる。
ここで、本実施例の三次元造形物の製造装置１においては、ヘッド３Ａ及びヘッド３Ｂのそれぞれに対して１つずつの液体供給システム４０を備える構成である。しかしながら、例えばヘッド３Ａがヘッド３Ｂを介して第１循環流路４５ｂに接続されるなどして、１つの液体供給システムがヘッド３Ａ及びヘッド３Ｂの両方の液体供給システムを兼ねる構成としてもよい。すなわち、１つの液体供給システムが複数のヘッドに対応する構成としてもよい。このとき、後述するヘッド３Ｂの供給口３３は、後述するヘッド３Ａの排出口３４に接続されている。このような構成では、ヘッド３Ａのノズルからヘッド内に進入した粉末が、ヘッド３Ｂへ侵入することを抑制できる。
次に、本実施例の三次元造形物の製造装置１で使用可能な粉末層である層５００を構成する造形材料についての具体例を説明する。造形材料に含有可能な金属粉末としては、例えばマグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）やクロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）の単体粉末、もしくはこれらの金属を１つ以上含む合金（マルエージング鋼、ステンレス（ＳＵＳ）、コバルトクロムモリブデン、チタニウム合金、ニッケル合金、アルミニウム合金、コバルト合金、コバルトクロム合金）の粉末、これらの混合粉末を、用いることが可能である。
また、造形材料に含有可能なセラミックス粉末としては、例えば二酸化ケイ素、二酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化ケイ素などを好ましく使用可能である。
また、造形材料に含有可能な樹脂粉末、或いは、ヘッド３から吐出される液体中に含有されるバインダーとしては、例えば、ＰＭＭＡ（アクリル）、ＡＢＳ（アクリロニトリル－ブタジエン－アクリル酸エステル）、ＡＳＡ（アクリロニトリル－スチレン－アクリル酸エステル）、ＰＬＡ（ポリ乳酸）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＡ（ポリアミド）、ＥＰ（エポキシ）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＳ（ポリスチレン）、パラフィンワックス、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、カルボキシメチルセルロース、ポリオキシメチレン、ポリメチルメタクリレートなどを好ましく使用可能である。また、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、セルロース系樹脂或いはその他の合成樹脂などを単独で或いは組み合わせて用いることができる。さらには、熱可塑性樹脂や、アクリルなどのような不飽和二重結合のラジカル重合を用いるタイプやエポキシなどのカチオン重合を用いるタイプの紫外線硬化性樹脂を用いることもできる。
また、ヘッド３から吐出される液体中に含有される溶剤としては、例えば、水；エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等の（ポリ）アルキレングリコールモノアルキルエーテル類；酢酸エチル、酢酸ｎ－プロピル、酢酸ｉｓｏ－プロピル、酢酸ｎ－ブチル、酢酸ｉｓｏ－ブチル等の酢酸エステル類；ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類；メチルエチルケトン、アセトン、メチルイソブチルケトン、エチル－ｎ－ブチルケトン、ジイソプロピルケトン、アセチルアセトン等のケトン類；エタノール、プロパノール、ブタノール等のアルコール類；テトラアルキルアンモニウムアセテート類；ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド等のスルホキシド系溶剤；ピリジン、γ－ピコリン、２，６－ルチジン等のピリジン系溶剤；テトラアルキルアンモニウムアセテート（例えば、テトラブチルアンモニウムアセテート等）等のイオン液体等が挙げられ、これらから選択される１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
次に、三次元造形物の製造装置１を用いて実行可能な三次元造形物の製造方法の一例について、図３を参照しつつ、図４のフローチャートを用いて説明する。図４のフローチャートで表される本実施例の三次元造形物の製造方法は、供給ユニット８や造形テーブル９など三次元造形物の製造装置１の各構成部材の制御を制御部１２が行うことにより行われる。なお、図３は、層５００のうちの層５０２を形成する際の一例を表している。
本実施例の三次元造形物の製造方法においては、図４で表されるように、最初に、ステップＳ１１０の造形データ入力工程で、製造する三次元造形物の造形データを入力する。三次元造形物の造形データの入力元に特に限定はないが、外部装置２０を用いて造形データを三次元造形物の製造装置１に入力できる。
次に、ステップＳ１２０の造形前フラッシング工程で、ヘッド３の造形前フラッシングを行う。ここで、Ｘ１方向に供給ユニット８を移動して層５００を形成する際には、液体受け部５Ｂと対向する位置でヘッド３Ａの造形前フラッシングを行う。一方、Ｘ２方向に供給ユニット８を移動して層５００を形成する際には、液体受け部５Ａと対向する位置でヘッド３Ｂの造形前フラッシングを行う。なお、本ステップＳ１２０の造形前フラッシング工程は、省略してもよい。
次に、ステップＳ１３０の層形成工程で、造形材料供給部２から造形材料を造形テーブル９の造形面９ａに供給するとともにローラー６で造形材料を圧縮して均すことで層５００を形成する。図３の一番上の状態は、Ｘ１方向に供給ユニット８を移動して層５０２を形成している状態を表している。ここで、Ｘ１方向に供給ユニット８を移動して層５００を形成する場合は、造形材料供給部２Ａから造形材料を供給するとともにローラー６Ａで造形材料を圧縮して均すことで層５００を形成する。一方、Ｘ２方向に供給ユニット８を移動して層５００を形成する場合は、造形材料供給部２Ｂから造形材料を供給するとともにローラー６Ｂで造形材料を圧縮して均すことで層５００を形成する。
次に、ステップＳ１４０の液体吐出工程で、層５００における三次元造形物の造形領域Ｐにバインダーを含む液体をヘッド３のノズルＮから吐出する。図３の上から２番目の状態は、Ｘ１方向に供給ユニット８を移動しつつ層５０２の造形領域Ｐに液体をヘッド３のノズルＮから吐出している状態を表している。ここで、Ｘ１方向に供給ユニット８を移動して層５００を形成する場合は、ヘッド３Ａから液体を吐出する。一方、Ｘ２方向に供給ユニット８を移動して層５００を形成する場合は、ヘッド３Ｂから液体を吐出する。
次に、ステップＳ１５０の紫外線照射工程で、層５００における三次元造形物の造形領域Ｐに向けて紫外線照射部４から紫外線を照射する。図３の一番下の状態は、Ｘ１方向に供給ユニット８を移動しつつ層５０２における三次元造形物の造形領域Ｐに向けて紫外線照射部４から紫外線を照射している状態を表している。
次に、ステップＳ１６０のフラッシング工程で、ヘッド３のフラッシングを行う。ここで、Ｘ１方向に供給ユニット８を移動して層５００を形成する際には、液体受け部５Ａと対向する位置でヘッド３Ａのフラッシングを行う。一方、Ｘ２方向に供給ユニット８を移動して層５００を形成する際には、液体受け部５Ｂと対向する位置でヘッド３Ｂのフラッシングを行う。
そして、ステップＳ１７０の造形データ終了有無判断工程で、三次元造形物の製造装置１の制御部１２において、ステップＳ１１０で入力した造形データに基づく層５００の形成が全て終了したかどうかを判断する。層５００の形成が全て終了していないと判断した場合、ステップＳ１２０の造形前フラッシング工程に戻り、次の層５００を形成する。一方、層５００の形成が全て終了したと判断した場合、ステップＳ１８０の脱脂工程に進む。
ステップＳ１８０の脱脂工程では、バインダーなど、ステップＳ１２０の造形前フラッシング工程からステップＳ１７０の造形データ終了有無判断工程を繰り返すことで製造された構造体Ｓの樹脂成分を、外部装置などを用いて脱脂する。なお、脱脂の方法は、加熱することにより樹脂成分を揮発させる方法や、溶剤中に構造体Ｓを漬けて樹脂成分を溶解させる方法などがあるが、特に限定はない。なお、樹脂製の三次元造形物を製造する場合など、製造する三次元造形物の種類などによっては、本ステップＳ１８０の脱脂工程を省略してもよい。
そして、ステップＳ１９０の焼結工程では、ステップＳ１８０の脱脂工程で脱脂がなされた構造体Ｓを外部装置などを用いて加熱して造形材料を焼結する。なお、ステップＳ１８０の脱脂工程を実行した後においても構造体Ｓのバインダーなどの樹脂成分が残存していた場合でも、本ステップＳ１９０の焼結工程の実行に伴い該樹脂成分は除去される。そして、本ステップＳ１９０の焼結工程の終了に伴い、本実施例の三次元造形物の製造方法を終了する。なお、ステップＳ１８０の脱脂工程と同様、製造する三次元造形物の種類などによっては、本ステップＳ１９０の焼結工程を省略してもよい。
次に、ヘッド３の詳細な構成について図５から図７を参照して説明する。ここで、ヘッド３Ａ及びヘッド３Ｂは、同じ構造をしている。したがって、以下の説明は、ヘッド３Ａ及びヘッド３Ｂの両方に対応する。なお、図７中の実線の矢印は、ヘッド３の内部での液体の流れる方向を表している。
図５に示されるように、ヘッド３は、供給流路４５ａ及び第１循環流路４５ｂと接続されている。ヘッド３の内部に液体を供給する供給流路としての供給流路４５ａ、並びに、ヘッド３の内部の液体を一旦外部に排出して循環させる循環流路としての第１循環流路４５ｂは、ヘッド３の一部を構成しているとみなすことができる。別の表現をすると、ヘッド３は、供給流路４５ａ及び第１循環流路４５ｂを備えている。供給流路４５ａは供給口３３に接続され、第１循環流路４５ｂは排出口３４に接続されている。
ヘッド３は、図５から図７で表されるように、供給口３３を有する供給液室３１を有し、液体は、供給流路４５ａから供給口３３を介して供給液室３１に送られる。また、ヘッド３は、図６及び図７で表されるように、フィルターＦ３を介して供給液室３１と通じる個別供給流路３７を有し、供給液室３１に供給された液体は、個別供給流路３７に送られる。
ヘッド３は、図５及び図７で表されるように、電圧を印可させることでＺ方向に沿って変形する圧電素子３５を有し、圧電素子３５は、Ｚ方向において振動板Ｄを挟んで圧力室３６と反対側の空間に配置されている。図６及び図７で表されるように、圧力室３６は個別供給流路３７と通じており、液体は個別供給流路３７から圧力室３６に送られる。また、圧力室３６にはノズルＮが連通しており、圧電素子３５が変形することで圧力室３６の容積が収縮し、圧力室３６中の液体が加圧されることで、ノズルＮから液体が吐出する。なお、図７における下方が鉛直下方向であり、ノズルＮからの液体の吐出方向は、重力方向に対応する鉛直下方向である。
なお、上記のように、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、図２で表される液体供給システム４０を備えており、ヘッド３に供給する液体を循環して供給している。このため、圧力室３６に一度送られた液体を循環させるため、圧力室３６は個別供給流路３７に加えて個別循環流路３８にも通じている。個別循環流路３８は、フィルターＦ１を介して、排出口３４を有する循環液室３２と通じている。本実施例の三次元造形物の製造装置１は、ヘッド３の内部において、供給流路４５ａ、供給液室３１、個別供給流路３７、圧力室３６、個別循環流路３８、循環液室３２、第１循環流路４５ｂ、と液体を流すことで該液体を循環させている。
このように、ヘッド３は、液体を吐出するノズルＮと、ノズルＮに連通する圧力室３６と、液体の供給方向における上流側で圧力室３６に通じる供給流路としての供給流路４５ａ、供給液室３１及び個別供給流路３７と、液体の供給方向における下流側で圧力室３６に通じる循環流路としての個別循環流路３８、循環液室３２及び第１循環流路４５ｂと、を備えている。また、該循環流路に第１フィルターとしてのフィルターＦ１を備え、該フィルターＦ１は、その孔径が粉末層を形成する粉末の粒子径よりも大きいものが使用されている。なお、「液体の供給方向」とは、供給流路４５ａ側から圧力室３６側に液体の流れる方向に加えて、圧力室３６側から第１循環流路４５ｂ側に液体の流れる方向を含む意味である。すなわち、液体の供給方向は、循環部４１における液体の循環方向に対応する。また、「孔径」とは、例えば孔の最大径とすることができるとともに、フィルターのカタログ値などを採用することができる。また、「粒子径」とは、例えば粉末の最大粒子径などとすることができるとともに、レーザー回折や散乱法などで計測された値などを採用することができる。その他、該粉末を電子顕微鏡で観察して計測された値などを採用することもできる。
ヘッド３の製造時などにおいて該ヘッド３の製造に伴い発生する異物が循環流路から圧力室３６に逆流し、ヘッド３の性能が低下する場合があるが、本実施例の三次元造形物の製造装置１のようにフィルターＦ１を循環流路に備えることでヘッド３の製造に伴い発生する異物が循環流路から圧力室３６に逆流することを抑制できる。また、本実施例の三次元造形物の製造装置１のように、粉末層を形成し、該粉末層にヘッド３のノズルＮから液体を吐出する構成においては、ノズルＮから粉末層を形成する粉末がヘッド３の内部に進入する場合がある。ヘッド３の内部に粉末が進入すると、液体の増粘が生じ、液体の吐出不良が生じる虞がある。しかしながら、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、循環流路にフィルターＦ１を備え、該フィルターＦ１の孔径は粉末層を形成する粉末の粒子径よりも大きい。このため、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、ノズルＮからヘッド３内に進入した粉末がフィルターＦ１を通過できずにヘッド３内に次々と滞留してノズルＮとフィルターＦ１との間で液体が増粘し続けていくことを、抑制できる。したがって、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、ヘッド３内の液体が増粘することを抑制でき、液体の吐出不良を抑制することができる。
ここで、ノズルＮの内径は、フィルターＦ１の孔径よりも大きい。このため、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、ノズルＮからヘッド３内に粉末が進入したとしても、造形前フラッシング工程や液体吐出工程やフラッシング工程などにおいて、ノズルＮを通して該粉末を再度排出することができる。
また、図２で表されるように、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、第１循環流路４５ｂにフィルターＦ２を備えている。別の表現をすると、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、フィルターＦ１よりも液体の供給方向における下流側の位置に、第２フィルターとしてのフィルターＦ２を備えている。このため、循環流路から供給流路に戻る液体に含まれる異物の捕捉性能を高めている。なお、上記のように、本実施例の三次元造形物の製造装置１においては、循環流路におけるフィルターＦ１よりも液体の供給方向における下流側の位置として、第１循環流路４５ｂに、フィルターＦ２を備えている。ただし、このような構成に限定されず、例えば、第２循環流路４５ｃ、加圧制御用液体タンク４３ａまたは減圧制御用液体タンク４３ｂに、フィルターＦ２を備えていてもよい。
ここで、フィルターＦ２の孔径は、粉末層を形成する粉末の粒子径よりも小さい。このため、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、ノズルＮからヘッド３内に進入しフィルターＦ１を通過した粉末をフィルターＦ２で捕捉することができる構成になっている。
なお、フィルターＦ２は、第１循環流路４５ｂから取り外すことができ、ユーザーは新たなフィルターＦ２に簡単に交換することができる。このため、フィルターＦ２が目詰まりなどしてフィルターとしての性能が低下した場合などにおいて、ユーザーは簡単に元の状態に戻すことができる。
ここで、図２で表されるように、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、第１循環流路４５ｂに流量センサー４６を備えている。詳細には、第１循環流路４５ｂにおけるフィルターＦ２よりも液体の供給方向における下流側の位置に、該流量センサー４６を備えている。そして、制御部１２は、流量センサー４６によって液体の流量が予め設定された閾値以下の流量であると検出された場合に、フィルターＦ２の交換情報を外部装置２０としてのＰＣなどに出力する。このため、本実施例の三次元造形物の製造装置１を使用するユーザーは、簡単にフィルターＦ２の適正な交換時期を認識することができる。
また、図７で表されるように、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、共に供給流路を構成する供給液室３１と個別供給流路３７との間の位置に、第３フィルターとしてのフィルターＦ３を備えている。ここで、フィルターＦ３の孔径は、粉末層を形成する粉末の粒子径よりも小さい。このように、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、供給流路に粉末層を形成する粉末の粒子径よりも小さい孔径のフィルターＦ３を備えているため、ノズルＮからヘッド３内に進入した粉末が供給流路を逆流していくことを抑制することができる。
［実施例２］
以下に、実施例２の三次元造形物の製造装置１について、図８を参照して説明する。なお、図８は実施例１の三次元造形物の製造装置１における図７に対応する図であり、図８中の実線の矢印はヘッド３の内部での液体の流れる方向を表している。図８において上記実施例１と共通する構成部材は同じ符号で示しており、詳細な説明は省略する。
ここで、本実施例の三次元造形物の製造装置１においては、ヘッド３以外の構成は、実施例の三次元造形物の製造装置１と同様の構成である。また、本実施例のヘッド３は、実施例１のヘッド３と同様、供給口３３を有する供給液室３１を有し、液体は、供給流路４５ａから供給口３３を介して供給液室３１に送られる。そして、本実施例のヘッド３は、実施例１のヘッド３と同様、フィルターＦ３を介して供給液室３１と通じる個別供給流路３７を有し、供給液室３１に供給された液体は、個別供給流路３７に送られる。
本実施例のヘッド３は、実施例１のヘッド３と同様、図８で表されるように、電圧を印可させることでＺ方向に沿って変形する圧電素子３５を有し、Ｚ方向において圧電素子３５と対向する位置に、振動板Ｄを介して圧力室３６が形成されている。図８で表されるように、圧力室３６は個別供給流路３７と通じており、液体は個別供給流路３７から圧力室３６に送られる。また、圧力室３６にはノズルＮが連通しており、圧電素子３５が変形することで圧力室３６が振動板Ｄにより圧力室３６中の液体が押されて加圧されることで、ノズルＮから液体が吐出する。なお、図８における下方が鉛直下方向であり、ノズルＮからの液体の吐出方向は、重力方向に対応する鉛直下方向である。
なお、実施例１の三次元造形物の製造装置１と同様、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、図２で表される液体供給システム４０を備えており、ヘッド３に供給する液体を循環して供給している。このため、圧力室３６に一度送られた液体を循環させるため、圧力室３６は個別供給流路３７に加えて個別循環流路３８にも通じている。個別循環流路３８は、フィルターＦ１を介して、排出口３４を有する循環液室３２と通じている。すなわち、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、実施例１の三次元造形物の製造装置１と同様、ヘッド３の内部において、供給流路４５ａ、供給液室３１、個別供給流路３７、圧力室３６、個別循環流路３８、循環液室３２、第１循環流路４５ｂ、と液体を流すことで該液体を循環させている。
図７で表されるように、実施例１のヘッド３は、Ｚ方向における個別供給流路３７の底面３７ｂの位置と個別循環流路３８の底面３８ｂの位置とがほぼ同じ位置であった。一方、図８で表されるように、本実施例のヘッド３は、Ｚ方向における個別供給流路３７の底面３７ｂの位置に比べて、Ｚ方向における個別循環流路３８の底面３８ｂの位置は低い位置にある。
別の表現をすると、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、循環流路における圧力室３６と隣接する領域である個別循環流路３８の底面３８ｂは、供給流路における圧力室３６と隣接する領域である個別供給流路３７の底面３７ｂよりも、重力方向において下側の位置に配置されている。ここで、ノズルＮからヘッド３内に進入した粉末は、重力の影響により、より低い方に流れやすい。このため、このような構成とすることで、ノズルＮからヘッド３内に進入した粉末は、供給流路側に逆流するよりも、循環流路側に流れやすくなる。したがって、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、ノズルＮからヘッド３内に進入した粉末が供給流路を逆流していくことを抑制することができる。
本発明は、上述の実施例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
１…三次元造形物の製造装置、２…造形材料供給部（層形成部）、
２Ａ…造形材料供給部（層形成部）、２Ｂ…造形材料供給部（層形成部）、３…ヘッド、
３Ａ…ヘッド、３Ｂ…ヘッド、４…紫外線照射部、５…液体受け部、
５Ａ…液体受け部、５Ｂ…液体受け部、６…ローラー（層形成部）、
６Ａ…ローラー（層形成部）、６Ｂ…ローラー（層形成部）、７…温度センサー、
８…供給ユニット（移動システム）、９…造形テーブル、９ａ…造形面、
１０…テーブルユニット（移動システム）、１０ａ…上面部、１１…ガイドバー、
１２…制御部、２０…外部装置、３１…供給液室（供給流路）、
３２…循環液室（循環流路）、３３…供給口、３４…排出口、３５…圧電素子、
３６…圧力室、３７…個別供給流路（供給流路）、３７ａ…底面、
３８…個別循環流路（循環流路）、３８ｂ…底面、４０…液体供給システム、
４１…循環部、４２…補充部、４３ａ…加圧制御用液体タンク、
４３ｂ…減圧制御用液体タンク、４３ｃ…液体カートリッジ、
４４ａ…加圧制御用ポンプ、４４ｂ…減圧制御用ポンプ、４４ｃ…流動用ポンプ、
４４ｄ…流動用ポンプ、４５ａ…供給流路、４５ｂ…第１循環流路（共通循環流路）、
４５ｃ…第２循環流路、４５ｄ…液体補充流路、４６…流量センサー、
５００…層（粉末層）、５０１、５０２、５０３、・・・５０ｎ…層、Ｄ…振動板、
Ｆ１…フィルター（第１フィルター）、Ｆ２…フィルター（第２フィルター）、
Ｆ３…フィルター（第３フィルター）、Ｎ…ノズル、Ｐ…造形領域、Ｓ…構造体、
Ｖ１…電磁弁、Ｖ２…電磁弁

Claims (8)

  1. 造形テーブルと、
    前記造形テーブルに粉末層を形成する層形成部と、
    前記粉末層における三次元造形物の造形領域にバインダーを含む液体を吐出するヘッドと、
    前記ヘッドに前記液体を供給する液体供給システムと、
    前記造形テーブルに対して前記ヘッドを相対移動させる移動システムと、
    を備え、
    前記ヘッドは、前記液体を吐出するノズルと、前記ノズルに連通する圧力室と、前記液体の供給方向における上流側で前記圧力室に通じる供給流路と、前記供給方向における下流側で前記圧力室に通じる循環流路と、を備え、
    前記循環流路は、第１フィルターを備え、
    前記第１フィルターの孔径は、前記粉末層を形成する粉末の粒子径よりも大きいことを特徴とする三次元造形物の製造装置。
  2. 請求項１に記載された三次元造形物の製造装置において、
    前記ノズルの内径は、前記第１フィルターの孔径よりも大きいことを特徴とする三次元造形物の製造装置。
  3. 請求項１または２に記載された三次元造形物の製造装置において、
    前記第１フィルターよりも前記供給方向における下流側の位置に、第２フィルターを備えることを特徴とする三次元造形物の製造装置。
  4. 請求項３に記載された三次元造形物の製造装置において、
    前記第２フィルターの孔径は、前記粉末層を形成する粉末の粒子径よりも小さいことを特徴とする三次元造形物の製造装置。
  5. 請求項３または４に記載された三次元造形物の製造装置において、
    前記第２フィルターは、交換可能であることを特徴とする三次元造形物の製造装置。
  6. 請求項５に記載された三次元造形物の製造装置において、
    前記循環流路における前記第２フィルターよりも前記供給方向における下流側の位置に、前記液体の流量センサーを備え、
    前記流量センサーによって前記液体の流量が閾値以下の流量であると検出された場合に、前記第２フィルターの交換情報を出力することを特徴とする三次元造形物の製造装置。
  7. 請求項１から６のいずれか１項に記載された三次元造形物の製造装置において、
    前記供給流路に、前記粉末層を形成する粉末の粒子径よりも小さい孔径の第３フィルターを備えることを特徴とする三次元造形物の製造装置。
  8. 請求項１から７のいずれか１項に記載された三次元造形物の製造装置において、
    前記循環流路における前記圧力室と隣接する領域の底面は、前記供給流路における前記圧力室と隣接する領域の底面よりも、重力方向において下側の位置に配置されることを特徴とする三次元造形物の製造装置。
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