JP7468078B2 - 造形装置及び造形方法 - Google Patents
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Description
本発明は、造形装置及び造形方法に関する。
今日において、立体物の断面データに基づいて、例えば樹脂又は金属等を積層して立体物を造形する積層造形方式が知られている。この積層造形方式の一つとして、粉末積層造形方式が知られている。また、粉末積層造形方式としては、粉末床溶融結合方式、及び、結合剤噴射方式等が知られている。
粉末床溶融結合方式は、積層した金属粉体にレーザ光を照射して焼結することで造形物を造形する方式である。また、造形液噴射方式は、積層された粉体に造形液を吐出して固めることで造形物を造形する方式である。
特許文献１（特開２００８－１３２７８６号公報）には、状況に応じた清掃を液体吐出ヘッドに施す液体吐出装置が開示されている。この液体吐出装置は、液体吐出ヘッドの吐出異常が検出された場合、吐出口面に対する固着物の付着の有無に応じて、吐出口面に対するブレード部材の当接圧力を所定の当接圧よりも大きくし、又は、予備吐出動作及び液体吐出ヘッド内の液の吸引動作のうち、少なくとも１つの動作を行う。
ここで、液体吐出ヘッドから粉体に対して吐出された造形液の液滴が粉面に着弾した際、造形液の液滴で粉面の粉が舞い上がり、粉面が荒れる不都合を生ずる。この荒れた粉面上に、新たに粉体が積層されると、下の荒れた粉面と、積層された上の粉面との間に隙間が生じ、造形物が低密度化する不都合を生ずる。
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、粉面に対する造形液の液滴の着弾時における粉の舞い上がりを低減して、造形物の低密度化等を防止可能とした造形装置及び造形方法の提供を目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、粉体層を形成する粉体層形成部と、粉体層に造形液を吐出する造形液吐出部と、後から吐出される造形液よりも低い運動エネルギーの造形液を、先に吐出するように、造形液吐出部を吐出制御する吐出制御部と、を有する。吐出制御部は、二滴目の造形液を、一滴目の造形液が吐出された領域と少なくとも一部が重なる領域に吐出する。
本発明によれば、粉面に対する造形液の液滴の着弾時における粉の舞い上がりを低減して、造形物の低密度化等を防止できるという効果を奏する。
以下、添付図面を参照して、実施の形態となる立体造形装置の説明をする。
（立体造形装置の外観構成）
図１は、実施の形態の立体造形装置（造形装置の一例）の上面図である。図２は、実施の形態の立体造形装置の一部を切り欠いて示す側面図である。図３は、実施の形態の立体造形装置の粉体槽の断面図である。図４は、実施の形態の立体造形装置の要部の斜視図である。図５は、実施の形態の立体造形装置の粉体槽及び液体吐出ユニット５０の斜視図である。
図１は、実施の形態の立体造形装置（造形装置の一例）の上面図である。図２は、実施の形態の立体造形装置の一部を切り欠いて示す側面図である。図３は、実施の形態の立体造形装置の粉体槽の断面図である。図４は、実施の形態の立体造形装置の要部の斜視図である。図５は、実施の形態の立体造形装置の粉体槽及び液体吐出ユニット５０の斜視図である。
実施の形態の立体造形装置（粉体造形装置又は粉末造形装置ともいう）は、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、粉体層形成部の一例であり、粉体槽１１と、平坦化部材（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、平坦化部材は、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、粉体２０を供給する供給槽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。
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。
粉体槽１１は、箱型形状をなし、供給槽２１と造形槽２２の２つの上面が開放された槽を備えている。供給槽２１の内部には、供給ステージ２３が、造形槽２２の内部には、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。
図５に示すように、供給槽２１及び造形槽２２の周りを含め、造形槽２２に隣接させて余剰粉体受け槽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によって移送される粉体２０のうち、余剰となった粉体２０が落下する。供給槽２１上には、粉体供給装置（図６の符号５５４）が設けられており、余剰粉体受け槽２９に落下した余剰となった粉体２０は、この粉体供給装置５５４により、供給槽２１に戻される。
造形の初期動作時又は供給槽２１の粉体量が減少した場合、粉体供給装置５５４の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等を用いることができる。
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に供給して平坦化することで、粉体層３１を形成する。平坦化ローラ１２は、往復移動機構２５により、造形ステージ２４のステージ面（粉体２０が積載される面）に対して相対的に往復移動（図２及び図４に示す矢印Ｙ方向）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。
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（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。
平坦化ローラ１２は、図４に示すモータ２６で回転駆動されることで、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が平坦化され粉体層３１が形成される。
また、図２に示すように、平坦化ローラ１２には、粉体除去板１３が設けられている。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と共に移動して、平坦化ローラ１２に付着した粉体２０を除去する。
なお、実施の形態の立体造形装置は、造形部１の粉体槽１１が供給槽２１と造形槽２２の二つの槽を有することとして説明を進めるが、造形槽２２のみとして、造形槽２２に粉体供給装置から粉体を供給して、平坦化ローラ１２で平坦化する構成としてもよい。
造形ユニット５は、造形ステージ２４上の粉体層３１に造形液１０を吐出する液体吐出ユニット５０を備えている。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）に往復移動可能となっている。この造形ユニット５は、後述するＹ方向走査機構（図６の符号５５２）により、全体がＹ方向に往復移動される。
液体吐出ユニット５０は、造形液吐出部の一例であり、キャリッジ５１と、キャリッジ５１に設けられた例えば２つ（１つ又は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。液体吐出ユニット５０は、ガイド部材５４、５５と共に、図４に示す矢印Ｚ方向に昇降可能に設けられ、後述するＺ方向昇降機構（図６の符号５５１）によりＺ方向に昇降される。
キャリッジ５１は、ガイド部材５４及びガイド部材５５に移動可能に保持されている。ガイド部材５４及びガイド部材５５は、両側の側板７０に昇降可能に保持されている。また、キャリッジ５１は、後述するＸ方向走査機構（図６の符号５５０）により、モータ、プーリ及びベルトから構成される主走査移動機構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１０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。なお、ヘッド構成や吐出する液体はこれらに限るものではない。タンク装着部５６には、これらの液体を収容した複数のタンク６０が装着される。各タンク６０の液体は、供給チューブ等を介してヘッド５２ａ、５２ｂに供給される。
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が設けられている。メンテナンス機構６１は、キャップ６２及びワイパ６３を備える。メンテナンス機構６１は、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ことで、ノズルに詰まった粉体の排出及び高粘度化した造形液を排出する。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１０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、ノズルに対する粉体２０の混入、及び、造形液１０の乾燥を防止する。
（ハードウェア構成）
次に、図６は、実施の形態の立体造形装置のハードウェア構成を示すブロック図である。この図６において、立体造形装置６０１の制御部５００は、ＣＰＵ（Center Processing Unit）５０１、ＲＯＭ（Read Only Memory）５０２、ＲＡＭ（Random Access Memory）５０３、ＮＶＲＡＭ（Non Volatile Random Access Memory）５０４を有している。ＣＰＵ５０１は、立体造形装置６０１全体の制御を行う。ＲＯＭ５０２には、ＣＰＵ５０１に立体造形制御を実行させるための造形プログラム等の各種プログラムの他、固定データ等が記憶されている。ＲＡＭ５０３は、造形データ等を一時的に記憶する。ＮＶＲＡＭ５０４は、装置の電源が遮断されている間もデータを保持する不揮発性メモリとなっている。主に、ＣＰＵ５０１、ＲＯＭ５０２及びＲＡＭ５０３で主制御部５００Ａが形成されている。
次に、図６は、実施の形態の立体造形装置のハードウェア構成を示すブロック図である。この図６において、立体造形装置６０１の制御部５００は、ＣＰＵ（Center Processing Unit）５０１、ＲＯＭ（Read Only Memory）５０２、ＲＡＭ（Random Access Memory）５０３、ＮＶＲＡＭ（Non Volatile Random Access Memory）５０４を有している。ＣＰＵ５０１は、立体造形装置６０１全体の制御を行う。ＲＯＭ５０２には、ＣＰＵ５０１に立体造形制御を実行させるための造形プログラム等の各種プログラムの他、固定データ等が記憶されている。ＲＡＭ５０３は、造形データ等を一時的に記憶する。ＮＶＲＡＭ５０４は、装置の電源が遮断されている間もデータを保持する不揮発性メモリとなっている。主に、ＣＰＵ５０１、ＲＯＭ５０２及びＲＡＭ５０３で主制御部５００Ａが形成されている。
また、制御部５００は、画像データに対して施す各種信号処理の他、装置全体を制御するための入出力信号を処理するＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）５０５を有している。また、制御部５００は、外部機器である造形データ作成装置６００との間で造形データ等の送受信を行うための外部インタフェース（外部Ｉ／Ｆ）５０６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装置等の情報処理装置で構成されている。
また、制御部５００は、各種センサの検知信号を取り込むための入出力部（Ｉ／Ｏ）５０７、及び、液体吐出ユニット５０の各ヘッド５２を駆動制御するヘッド駆動制御部５０８を備えている。ＣＰＵ５０１及びヘッド駆動制御部５０８は、吐出制御部の一例である。
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の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のモータを駆動するモータ駆動部５１２を備えている。
また、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の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してもよい。
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。また、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。
また、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のＩ／Ｏ５０７には、温湿度センサ５６０で検知された、装置の環境条件としての温度及び湿度を示す検知信号が供給される他、他のセンサ類の検知信号が供給される。また、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。
なお、造形データ作成装置６００及び立体造形装置６０１で立体造型システムが構成される。
（造形動作）
図７は、造形物の造形動作の流れを示す図である。図７（ａ）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を示している。この造形層３０上に次の造形層３０を形成する場合、図７（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の上面（粉体層表面）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。この間隔Δｔ１が次に形成する粉体層３１の厚さに相当する。一例ではあるが、間隔Δｔ１は、数十～１００μｍ程度であることが好ましい。
図７は、造形物の造形動作の流れを示す図である。図７（ａ）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を示している。この造形層３０上に次の造形層３０を形成する場合、図７（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の上面（粉体層表面）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。この間隔Δｔ１が次に形成する粉体層３１の厚さに相当する。一例ではあるが、間隔Δｔ１は、数十～１００μｍ程度であることが好ましい。
次に、図７（ｂ）に示すように、平坦化ローラ１２を順方向（矢印方向）に回転させながらＹ２方向（造形槽２２側）に移動させることで、供給槽２１の上面レベルよりも上方に位置する粉体２０を造形槽２２へと移送供給する（粉体供給）。
次に、図７（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、図７（ｄ）に示すように、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）。粉体層３１を形成後、平坦化ローラ１２は、図７（ｄ）に示すように、Ｙ１方向に移動されて初期位置に戻される。
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７（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、粉体の供給及び平坦化よる粉体層３１の形成工程、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で、三次元形状の造形物（立体造形物）を完成させる。
（比較例における造形液着弾時の粉面の挙動）
ここで、比較例となる立体造形装置の造形時において、造形液１０の液滴が着弾した際の粉面の挙動を図８に示す。図８は、造形液１０の液滴１０ａと造形用粉末の粉体２０を拡大して模式的に示した図である。
ここで、比較例となる立体造形装置の造形時において、造形液１０の液滴が着弾した際の粉面の挙動を図８に示す。図８は、造形液１０の液滴１０ａと造形用粉末の粉体２０を拡大して模式的に示した図である。
この図８において、供給槽２１から平坦化ローラ１２によって造形槽２２へと移送供給された粉体２０は、その材質又は粒度分布にもよるが、かさ密度（所定の容積の容器に粉体を充填し、その内容積を体積として算出した密度）に近い密度で造形槽２２に堆積される。
図８（ａ）は、粉体層３１に液体吐出ヘッド５２から吐出された液滴３００ａを滴下したときの図であり、図８（ｂ）は、粉体層３１上に、液滴３００ａが着弾したときの図である。比較例の場合、液滴３００ａの運動エネルギーにより、粉体層３１の表面上の一部の粉体が、図８（ｂ）に示すように弾き飛ばされる。その結果、粉体層３１の表面には、図８（ｃ）に示すように、凹凸が形成される。
次に、図８（ｃ）は、２滴目の液滴３００ｂを滴下したときの図であり、図８（ｄ）は供給槽２１から平坦化ローラ２１によって粉体が造形槽２２に移送供給され、堆積されたときの図である。図８（ｃ）に示すように、液滴３００ａの着弾時に形成された凹凸により、造形層３０の中には、隙間（空隙）が形成される。この状態で、図８（ｄ）に示すように平坦化ローラ２１により、新たな粉体が積層されると、形成済みの造形層３０と、新たに積層された粉体層３１との間に、図８（ｅ）に示すように隙間部３０５が形成され、造形物が低密度化する不都合を生ずる。
また、液滴３００ａの着弾時に弾き飛ばされた粉体は、粉体層３１上を移動する液体吐出ヘッド５２のノズル面に付着する。これにより、液体吐出ヘッド５２の液滴の不吐出又は吐出曲がり（吐出位置のずれ）が発生し、造形物にスジ状の欠陥が発生する。
（実施の形態の液滴吐出制御）
次に、実施の形態の立体造形装置における液滴吐出制御を、図９を用いて説明する。図９（ａ）は、粉体層３１に液体吐出ヘッド５２から吐出された造形液１０の液滴１０ａを滴下したときの図であり、図９（ｂ）は粉体層３１上に、液滴１０ａが着弾したときの図である。図９（ｃ）は、２滴目の液滴１０ｂを滴下したときの図であり、図９（ｄ）は供給槽２１から平坦化ローラ１２によって造形槽２２に移送供給され、堆積されたときの図である。
次に、実施の形態の立体造形装置における液滴吐出制御を、図９を用いて説明する。図９（ａ）は、粉体層３１に液体吐出ヘッド５２から吐出された造形液１０の液滴１０ａを滴下したときの図であり、図９（ｂ）は粉体層３１上に、液滴１０ａが着弾したときの図である。図９（ｃ）は、２滴目の液滴１０ｂを滴下したときの図であり、図９（ｄ）は供給槽２１から平坦化ローラ１２によって造形槽２２に移送供給され、堆積されたときの図である。
実施の形態の立体造形装置では、粉体層３１を形成した後に、粉体層３１上に液滴１０ａが着弾され、液滴１０ａが着弾された領域と少なくとも一部が重なる領域に２滴目の液滴１０ｂが着弾され、その後に、次の粉体層３１が形成される。すなわち、粉体層３１が形成され、次の粉体層３１が形成される前に、複数の液滴の着弾領域の少なくとも一部が重なるようにヘッド５２から液滴が滴下される。
実施の形態の立体造形装置の場合、ヘッド駆動制御部５０８は、ＣＰＵ５０１の駆動制御により、図９（ａ）に示すように、一滴目となる液滴１０ａを、二滴目の液滴１０ｂよりも運動エネルギーが小さい液滴として吐出するようにヘッド５２を制御する。粉体層３１における１つの画素に対して複数の液滴が吐出される。すなわち、二滴目の液滴１０ｂは、一滴目となる液滴１０ａに対して少なくとも一部が重なるように吐出される。
また、１滴目が着弾された領域と少なくとも一部が重なるように２滴以上の液滴数の吐出がされる場合には、ｎ滴目の運動エネルギーが、ｎ＋１滴目の運動エネルギーより小さくなるようにヘッド５２を制御することが好ましい。反対に言えば、ｎ滴目の運動エネルギーよりも、ｎ＋１滴目の方が、高い運動エネルギーの液滴を吐出するようにヘッド５２を制御する。図９（ａ）には、運動エネルギーが小さい液滴の例として、質量の小さい液滴を図示している。
このような液滴１０ａを粉体層３１に着弾させた場合、運動エネルギーが小さいため、図９（ｂ）に示すように、粉体層３１の表面の粉体が弾き飛ばされる数、及び、弾き飛ばされた粉体の速度は小さくなる。その結果、液滴１０ａが着弾した後の粉体層３１の凹凸は小さくなる。
次に、ヘッド駆動制御部５０８は、ＣＰＵ５０１の駆動制御により、図９（ｃ）に示すように、二滴目の液滴として、通常の運動エネルギーの液滴１０ｂを吐出するようにヘッド５２を制御する。この二滴目の液滴１０ｂは、一滴目となる液滴１０ａよりも運動エネルギーが大きな液滴となる。すなわち、実施の形態の立体造形装置は、一滴目となる液滴１０ａを、通常よりも小さな液滴として吐出し、二滴目以後は、通常の大きさの液滴を吐出する。
二滴目の液滴１０ｂの滴下時には、図９（ｃ）に示すように、一滴目の液滴１０ａが粉体層３１に染み込んでいるため、粉体層３１の表面の粉体は動きづらくなっている。結果として、二滴目の液滴１０ｂが着弾しても、粉体層３１の表面上の粉体はほとんど弾き飛ばされることはなく、粉体層３１には、殆ど凹凸が形成されず、また、形成される凹凸も小さなものとなる。
この状態で、図９（ｄ）に示すように、平坦化ローラ１２によって粉体を堆積させると、粉体層３１の凹凸が小さいため、造形層３０の中に形成される隙間を小さくすることができる。そして、このような小さな隙間により、図９（ｅ）に示すように、造形物の密度を高くすることができ、造形物の強度、耐久性、熱伝導率などの特性が高い造形物を得ることができる。
また、実施の形態の立体造形装置は、粉体１０の舞い上がりを小さくできるため、ノズル面への粉体１０の付着を少なくすることができ、吐出曲がり又は不吐出等の吐出不良を防止して、造形物にスジ状の欠陥が発生する不都合を防止できる。
図６に示したＣＰＵ５０１は、例えばＲＯＭ５０２等の記憶部に記憶されている液滴吐出プログラムに基づいて、少なくとも、
１．粉体層を形成する粉体層形成ステップと、
２．粉体層に造形液を吐出する第１の造形液吐出ステップと、
３．第１の造形液吐出ステップにより造形液が吐出された領域と少なくとも一部が重なる領域に、第１の造化液吐出ステップにより吐出された造形液よりも高い運動エネルギーの造形液を吐出する第２の造形液吐出ステップと、を実行する。これにより、上述の効果を得ることができる。
１．粉体層を形成する粉体層形成ステップと、
２．粉体層に造形液を吐出する第１の造形液吐出ステップと、
３．第１の造形液吐出ステップにより造形液が吐出された領域と少なくとも一部が重なる領域に、第１の造化液吐出ステップにより吐出された造形液よりも高い運動エネルギーの造形液を吐出する第２の造形液吐出ステップと、を実行する。これにより、上述の効果を得ることができる。
（試作実験結果）
以下に、このような立体造形装置の試作実験結果を示す。この試作実験には、粉体１０として、シリコン系のアルミ合金（ＡｌＳｉ１０Ｍｇ）を用いた。また、チャートのサイズは、主走査方向を４０ｍｍ、副走査方向を２０ｍｍ、積層方向を５ｍｍとした。そして、以下の表１～表１１に示す造形条件で造形物の造形を行った。
以下に、このような立体造形装置の試作実験結果を示す。この試作実験には、粉体１０として、シリコン系のアルミ合金（ＡｌＳｉ１０Ｍｇ）を用いた。また、チャートのサイズは、主走査方向を４０ｍｍ、副走査方向を２０ｍｍ、積層方向を５ｍｍとした。そして、以下の表１～表１１に示す造形条件で造形物の造形を行った。
まず、以下の表１は、同一スキャンにおいて、ヘッド駆動制御部５０８により、一滴目の液滴１０ａの吐出量を、二滴目の液滴１０ｂの吐出量の１／２の吐出量とすると共に（８ｐＬ：１６ｐＬ）、一滴目の液滴１０ａの吐出速度を、二滴目の液滴１０ｂの吐出速度の２／３程度の吐出速度（５ｍ／ｓ：７ｍ／ｓ）とした例である（同一スキャンにおける量及び速度を変更）。
一滴目の吐出量を二滴目より少なくして、吐出速度を遅くすることで、一滴目の運動エネルギーを小さくでき、粉体の舞い上がりを抑制できる。
次に、以下の表２は、同一スキャンにおいて、ヘッド駆動制御部５０８により、一滴目の液滴１０ａの吐出量を、二滴目の液滴１０ｂの吐出量の１／２の吐出量として、吐出速度等は一滴目及び二滴目で同じとした例である（同一スキャンにおける量のみを変更）。
一滴目の吐出量を二滴目より少なくすることで、一滴目の運動エネルギーを小さくでき、粉体の舞い上がりを抑制できる。
次に、以下の表３は、同一スキャンにおいて、ヘッド駆動制御部５０８により、一滴目の液滴１０ａの吐出速度を、二滴目の液滴１０ｂの吐出速度の２／３程度の吐出速度（５ｍ／ｓ：７ｍ／ｓ）として、吐出量等は一滴目及び二滴目で同じとした例である（同一スキャンにおける速度のみを変更）。
一滴目の吐出速度を二滴目より遅くすることで、一滴目の運動エネルギーを小さくでき、粉体の舞い上がりを抑制できる。
次に、以下の表４は、同一スキャンにおいて、ヘッド駆動制御部５０８が、３滴の液滴１０ａ～１０ｃの吐出量及び吐出速度を変更した例である。この例の場合、ヘッド駆動制御部５０８は、吐出量及び吐出速度を、一滴目＜二滴目＜三滴目のように制御する。具体的には、ヘッド駆動制御部５０８は、一滴目～三滴目の液滴１０ａ～１０ｃの吐出量を、それぞれ６ｐＬ、８ｐＬ、１６ｐＬに制御する。また、ヘッド駆動制御部５０８は、一滴目～三滴目の液滴１０ａ～１０ｃの吐出速度を、それぞれ５ｍ／ｓ、６ｍ／ｓ、７ｍ／ｓに制御する（同一スキャンにおける３滴の量及び速度を変更）。
一滴目～三滴目の吐出量及び吐出速度を、一滴目＜二滴目＜三滴目とすることで、一滴目から三滴目まで、運動エネルギーを段階的に大きく制御でき、粉体の舞い上がりを抑制できる。
次に、以下の表５は、別スキャンにおいて、ヘッド駆動制御部５０８により、一滴目の液滴１０ａの吐出量を、二滴目の液滴１０ｂの吐出量の１／２の吐出量とすると共に（８ｐＬ：１６ｐＬ）、一滴目の液滴１０ａの吐出速度を、二滴目の液滴１０ｂの吐出速度の２／３程度の吐出速度（５ｍ／ｓ：７ｍ／ｓ）とした例である（別スキャンにおける量及び速度を変更）。
一滴目と二滴目を別のスキャンで吐出することで、二滴目が着弾する前に一滴目が粉体に充分濡れ広がり、二滴目が着弾したときの粉体の舞い上がりを抑制できる。
次に、以下の表６は、同一スキャンにおいて、ヘッド駆動制御部５０８により、一滴目の主走査方向及び副走査方向の解像度を二滴目よりも高くし、さらに一滴目の液滴１０ａの吐出量を、二滴目の液滴１０ｂの吐出量の１／８の吐出量として、大幅に少なくすると共に（２ｐＬ：１６ｐＬ）、一滴目の液滴１０ａの吐出速度を、二滴目の液滴１０ｂの吐出速度の２／３程度の吐出速度（５ｍ／ｓ：７ｍ／ｓ）とした例である（同一スキャンにおける解像度及び量の大幅な削減及び速度の変更）。
次に、以下の表７は、同一スキャンにおいて、ヘッド駆動制御部５０８により、一滴目の主走査方向の解像度を二滴目よりも高くし、更に一滴目の液滴１０ａの吐出量を、二滴目の液滴１０ｂの吐出量の１／４の吐出量として少なくすると共に（４ｐＬ：１６ｐＬ）、一滴目の液滴１０ａの吐出速度を、二滴目の液滴１０ｂの吐出速度の２／３程度の吐出速度（５ｍ／ｓ：７ｍ／ｓ）とした例である（同一スキャンにおける解像度及び量の削減及び速度の変更）。
一滴目の吐出量を少なくして解像度を高くすると、積層方向への浸透深さに対して、粉面方向への浸透が多くなる。一方、造形物を得るためには積層方向に充分浸透し、層間に造形液が染みわたる必要がある。このため、一滴目の解像度を二滴目よりも高くすることで、二滴目が着弾する前に充分に粉面が造形液で濡れ、二滴目が着弾したときの粉体の舞い上がりを抑制できる。また、一滴目の吐出量よりも二滴目吐出量を多くして、一滴目の解像度よりも二滴目の解像度を落とすことで、積層方向への浸透も確保できる。
次に、以下の表８は、一滴目の液滴１０ａ及び二滴目の液滴１０ｂとして、それぞれ比重が異なる液滴を用いた例である。一例ではあるが、この図８の例の場合、一滴目の液滴１０ａとして比重が１．０４ｇ／ｃｍの液滴を用い、二滴目の液滴１０ｂとして比重が１．１６ｇ／ｃｍの液滴を用いている。また、この表８は、同一スキャンにおいて、ヘッド駆動制御部５０８により、一滴目の液滴１０ａの吐出量を、二滴目の液滴１０ｂの吐出量の１／２の吐出量として少なくすると共に（８ｐＬ：１６ｐＬ）、一滴目の液滴１０ａの吐出速度を、二滴目の液滴１０ｂの吐出速度の２／３程度の吐出速度（５ｍ／ｓ：７ｍ／ｓ）とした例である（同一スキャンでの異なる液材の使用、量及び速度の変更）。
次に、以下の表９は、一滴目の液滴１０ａ及び二滴目の液滴１０ｂとして、それぞれ比重が異なる液滴を用いた例である。一例ではあるが、この表９の例の場合、一滴目の液滴１０ａとして比重が１．０４ｇ／ｃｍの液滴を用い、二滴目の液滴１０ｂとして比重が１．１６ｇ／ｃｍの液滴を用いている。また、この表９は、一滴目の液滴１０ａの表面エネルギーを２６ｍＮ／ｍ、二滴目の液滴１０ｂの表面エネルギーを３２ｍＮ／ｍとし、一滴目の表面エネルギーを二滴目よりも小さくした例である。
また、この表９は、同一スキャンにおいて、ヘッド駆動制御部５０８により、一滴目の液滴１０ａの吐出量を、二滴目の液滴１０ｂの吐出量の１／２の吐出量として少なくすると共に（８ｐＬ：１６ｐＬ）、一滴目の液滴１０ａの吐出速度を、二滴目の液滴１０ｂの吐出速度の２／３程度の吐出速度（５ｍ／ｓ：７ｍ／ｓ）とした例である（同一スキャンでの異なる液材の使用、表面エネルギー、量及び速度の変更）。
このような表１～表９に対して、表１０及び表１１は、比較例の実験結果である。すなわち、以下の表１０は、一滴目及び二滴目の各液滴を、吐出量及び吐出速度等を変更することなく、同じ条件で吐出した例である。同様に、以下の表１１は、一滴目～三滴目の各液滴を、吐出量及び吐出速度等を変更することなく、同じ条件で吐出した例である。
そして、各表の条件での実験による造形物の密度比、造形物のスジ状の欠陥の有無、各液滴の運動エネルギーをまとめた表が、以下の表１２である。
この表１２に示す密度比は、アルキメデスの原理を利用して、粉体として用いたＡｌＳｉ１０Ｍｇの密度に対する造形物密度の比率である。また、液体吐出ヘッド５２からの液滴の不吐出又は吐出曲がりにより発生する造形物のスジ状の欠陥の有無は、造形物を目視して判別した。
表１２からわかるように、比較例とした表１０及び表１１の例の場合、全ての液滴の運動エネルギーが同じ運動エネルギーとなるため、密度比は４８．０％又は４９．１％と造形物の密度が低くなり、また、舞い上がった粉体がノズルに付着して、造形物にスジ状の欠陥が発生する。
これに対して、一滴目の運動エネルギーを小さくした表１～表９の例では、造形物の密度比を５２．３％～５４．８％と、大幅に高くすることができた。また、粉体の舞い上がりを抑制して、造形物にスジ状の欠陥が発生する不都合も防止できた。
（実施の形態の効果）
以上の説明から明らかなように、実施の形態の立体造形装置は、積層された粉体に造形液を吐出して固めることで造形物を造形する造形液噴射方式の立体造形装置において、１画素に対して、１滴目の造形液の運動エネルギーを、２滴目以降の造形液の運動エネルギーよりも小さくする。
以上の説明から明らかなように、実施の形態の立体造形装置は、積層された粉体に造形液を吐出して固めることで造形物を造形する造形液噴射方式の立体造形装置において、１画素に対して、１滴目の造形液の運動エネルギーを、２滴目以降の造形液の運動エネルギーよりも小さくする。
これにより、１滴目の造形液は、小さな運動エネルギーで粉面に着弾するための、粉体の舞い上がりを軽減できる。また、２滴目以降の造形液の着弾時には、１滴目の造形液により粉面が濡れているため、粉体が動きづらくなっている。このため、２滴目以降の造形液の着弾の際も、粉体の舞い上がりを軽減できる。従って、粉体の舞い上がりにより粉面が荒れる不都合を防止して、造形物の低密度化を防止できる。
また、液滴が着弾した際に、粉面から舞い上がる粉体を軽減できるため、粉面上を移動している液体吐出ヘッドのノズル面に、舞い上がった粉体が付着して、吐出曲がり又は吐出不良を生じ、正常な作像が困難となる不都合を防止できる。
最後に、上述の実施の形態は、一例として提示したものであり、本発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことも可能である。また、実施の形態及び実施の形態の変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
１ 造形部
５ 造形ユニット
７ ベース部材
１０ 造形液
１１ 粉体槽
１２ 平坦化ローラ
１３ 粉体除去板
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
２５ 往復移動機構
２９ 余剰粉体受け槽
３０ 造形層
３１ 粉体層
５０ 液体吐出ユニット
５１ キャリッジ
５２ 液体吐出ヘッド
５４ ガイド部材
５５ ガイド部材
６０ タンク
６１ メンテナンス機構
６２ キャップ
６３ ワイパ
７１ ガイド部材
７２ スライダ部
５００ 制御部
５００Ａ 主制御部
５０１ ＣＰＵ
５０８ ヘッド駆動制御部
５ 造形ユニット
７ ベース部材
１０ 造形液
１１ 粉体槽
１２ 平坦化ローラ
１３ 粉体除去板
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
２５ 往復移動機構
２９ 余剰粉体受け槽
３０ 造形層
３１ 粉体層
５０ 液体吐出ユニット
５１ キャリッジ
５２ 液体吐出ヘッド
５４ ガイド部材
５５ ガイド部材
６０ タンク
６１ メンテナンス機構
６２ キャップ
６３ ワイパ
７１ ガイド部材
７２ スライダ部
５００ 制御部
５００Ａ 主制御部
５０１ ＣＰＵ
５０８ ヘッド駆動制御部
Claims (13)
- 粉体層を形成する粉体層形成部と、
前記粉体層に造形液を吐出する造形液吐出部と、
後から吐出される前記造形液よりも低い運動エネルギーの前記造形液を、先に吐出するように、前記造形液吐出部を吐出制御する吐出制御部と、を有し、
前記吐出制御部は、二滴目の前記造形液を、一滴目の前記造形液が吐出された領域と少なくとも一部が重なる領域に吐出する、造形装置。 - 前記吐出制御部は、一滴目の前記造形液の吐出量が、二滴目の前記造形液の吐出量よりも少なくなるように、前記造形液吐出部を吐出制御すること
を特徴とする請求項１に記載の造形装置。 - 前記吐出制御部は、一滴目の前記造形液の吐出速度が、二滴目の前記造形液の吐出速度よりも遅くなるように、前記造形液吐出部を吐出制御すること
を特徴とする請求項１に記載の造形装置。 - 前記吐出制御部は、前記造形液の任意の液滴をｎ滴目（ｎは自然数）としたとき、前記ｎ滴目の運動エネルギーが、ｎ＋１滴目の運動エネルギーより低くなるように、前記造形液吐出部を吐出制御すること
を特徴とする請求項１に記載の造形装置。 - 前記吐出制御部は、前記造形液の任意の液滴をｎ滴目（ｎは自然数）としたとき、前記ｎ滴目の吐出速度が、ｎ＋１滴目の吐出速度より遅くなるように、前記造形液吐出部を吐出制御すること
を特徴とする請求項４に記載の造形装置。 - 前記吐出制御部は、前記造形液の任意の液滴をｎ滴目（ｎは自然数）としたとき、前記ｎ滴目の吐出量が、ｎ＋１滴目の吐出量より少なくなるように、前記造形液吐出部を吐出制御すること
を特徴とする請求項４に記載の造形装置。 - 前記吐出制御部は、前記造形液の一滴目及び二滴目を、別のスキャンで吐出するように、前記造形液吐出部を吐出制御すること
を特徴とする請求項１から請求項６のうち、いずれか一項に記載の造形装置。 - 前記吐出制御部は、前記造形液の一滴目の吐出量に対応する解像度が、二滴目に対応する解像度よりも高くなるように、前記造形液吐出部を吐出制御すること
を特徴とする請求項１から請求項７のうち、いずれか一項に記載の造形装置。 - 前記吐出制御部は、二滴目の吐出量に対応する前記造形液吐出部の主走査方向の解像度よりも、一滴目の吐出量に対応する前記造形液吐出部の主走査方向の解像度の方が高くなるように、前記造形液吐出部を吐出制御すること
を特徴とする請求項８に記載の造形装置。 - 前記吐出制御部は、一滴目の前記造形液と、二滴目の前記造形液とで、異なる種類の造形液を吐出するように、前記造形液吐出部を吐出制御すること
を特徴とする請求項１から請求項９のうち、いずれか一項に記載の造形装置。 - 前記一滴目の比重が二滴目よりも小さいこと
を特徴とする請求項１０に記載の造形装置。 - 前記一滴目の表面エネルギーが前記二滴目よりも小さいこと
を特徴とする請求項１０に記載の造形装置。 - 粉体層を形成する粉体層形成ステップと、
前記粉体層に造形液を吐出する第１の造形液吐出ステップと、
前記第１の造形液吐出ステップにより造形液が吐出された領域と少なくとも一部が重なる領域に、第１の造化液吐出ステップにより吐出された前記造形液よりも高い運動エネルギーの前記造形液を吐出する第２の造形液吐出ステップと、
を有する造形方法。
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