JPWO2015151832A1 - 三次元造形装置 - Google Patents

Abstract

造形工程におけるインクジェットヘッドの待ち時間を少なくして、造形時間を短縮することができる三次元造形装置を提供するものであり、リコータ２によって造形テーブル３０上に砂を撒いて積層し、造形データに基づいて、撒かれた砂の上にバインダをヘッド１から吐出・塗布し、砂Ｓをバインダで結合させて三次元造形物を作る三次元造形装置において、リコータ２を、造形テーブル３０の１つの辺の長さ分の砂Ｓを撒布できる長さにして、１つの辺に対して直交する方向に移動可能に形成し、ヘッド１を、１つの辺に隣接する辺の長さ分のバインダを吐出できるラインヘッドとして形成して、１つの辺に隣接する辺に対して直交する方向に移動可能に形成し、リコータ２とヘッド１を交互に動作させて、造形テーブル３０上に三次元造形物を形成する。

Description

本発明は、粉体材料と粉体材料の結合剤を使用して三次元造形物を造形する三次元造形装置に関し、特に、造形に必要な砂を撒布するリコータと、砂にバインダを塗布するインクジェットヘッドの配置に関する。

近年、三次元の設計データを入力することにより、印刷するように立体物（三次元造形物）を造形する三次元造形装置（３Ｄプリンタ）が実用化されている。低価格帯（１００万円以下）の普及機では、製作台の上に溶かした樹脂をノズルから撒布して薄い層を形成し、この薄い層を重ねることによって立体物を造形しており、薄い層の１層当たりの高さは０．２ｍｍ程度である。普及機は玩具等を作るのに適している。

一方、高い精度が必要な立体物を造形するためには、数百万円程度する中価格帯の中級機が必要である。中級機の中には、樹脂の粒を噴射して層を積み重ねて造形するものがあり、溶かした樹脂を重ねて造形する普及機に比べて表面の仕上がりが滑らかである。また、中級機の中には数種類の素材を組み合わせて造形物を作るものもあり、色の付いた立体物や、外側部分を透明にして内部構造を見通せるような立体物を造形することができる。このような中級機は部品の機能検証を目的とした試作品の製作や、プレゼンテーション用の模型の製作に適している。

更に、数千万円から１億円を超す高価格帯の高級機は製造業向けであり、最終製品に近い造形品を作ることができる。このため、高級機は製品の最終確認やマーケティング、市場調査等で活用するのに適している。また、この高級機に属する三次元造形装置の中には、鋳造品の量産に使用する砂型を作成できるものがある。

砂型製造用の三次元造形装置には、本体に砂を貯蔵し、先端部から砂をライン状に撒布できるリコータと、リコータが造形テーブルの上に薄く均一に撒いた砂の上に、バインダと呼ばれる結合剤を塗布するインクジェットヘッドとが備えられている。砂型製造用の三次元造形装置では、造形テーブルの上に薄く均一に撒いた砂の層の上に結合剤を吐出・塗布して固め、積層して造形物を作成した後に、焼成している。粉体から三次元物品を製造する装置については特許文献１に開示がある。

特開２００６−２４８２３１号公報

ところが、従来の砂型製造用の三次元造形装置では、造形テーブルに対してリコータとインクジェットヘッドとが同じ方向に移動するようになっているので、造形に時間がかかるという課題があった。即ち、従来は、リコータが造形テーブルの一端から他端に向かって砂を撒いて元の位置に戻った後に、インクジェットヘッドが砂の上に結合剤を吐出・塗布する動作を繰り返しているので、リコータが元の位置に戻るまでインクジェットヘッドに待ち時間があった。

本発明は、従来の砂型製造用の三次元造形装置におけるリコータとインクジェットヘッドの動作を見直し、砂を積層する工程におけるインクジェットヘッドの待ち時間を少なくして、造形時間を短縮することができる三次元造形装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の形態によれば、リコータによって造形テーブル上に粉体材料を撒布して積層し、造形データに基づいて、撒布された粉体材料の上に結合剤をインクジェットヘッドから吐出・塗布し、粉体材料を結合させて三次元造形物を作る三次元造形装置であって、リコータを、造形テーブルの１つの辺の長さ分の粉体材料を撒布できる長さにして、１つの辺に対して直交する方向に移動可能に形成し、インクジェットヘッドを、１つの辺に隣接する辺の長さ分の結合剤を吐出・塗布できるラインヘッドとして形成して、１つの辺に隣接する辺に対して直交する方向に移動可能に形成したことを特徴とする三次元造形装置が提供される。

本発明の第２の形態によれば、リコータによって造形テーブル上に粉体材料を撒布して積層し、撒布後の粉体材料の上に、造形データに基づいて、結合剤をインクジェットヘッドから吐出・塗布し、粉体材料を結合させて三次元造形物を作る三次元造形装置であって、リコータを、造形テーブルの１つの辺の長さ分の粉体材料を撒布できる長さにして、１つの辺に対して直交する方向に移動可能に形成し、インクジェットヘッドを、造形テーブルの縦横方向に自在に移動して結合剤を吐出・塗布できるシリアルヘッドとして形成すると共に、リコータの移動軌跡の外にも移動可能に形成し、リコータが１つの辺に対して直交する方向に移動して造形テーブルの上に粉体材料を撒布している動作中に、インクジェットヘッドに前記リコータを後追いさせて、リコータが撒布した粉体材料の上に結合剤を吐出・塗布することを特徴とする三次元造形装置が提供される。

本発明の三次元造形装置によれば、造形テーブルの上に砂を撒くリコータの戻り動作を待つことなく、造形テーブルの上に撒かれた砂の上にインクジェットヘッドから結合剤を吐出・塗布することができるので、造形時間を短縮することができるという効果がある。

（ａ）は一般的な三次元造形装置を構成する部材を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）に示した三次元造形装置で形成される三次元造形物の鋳型によって鋳造された円柱を三次元造形物の例として示す斜視図、（ｃ）は（ｂ）に示した円柱を鋳造するために造形タンク内に形成された造形物の一例を示す斜視図である。 （ａ）は図１に示した造形タンク内に格納された造形テーブルの上にリコータにより第１層目の砂層が形成される工程を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の工程によって造形テーブルの上に作られた砂層に、インクジェットヘッドによりバインダが吐出・塗布される工程を示す斜視図、（ｃ）は（ｂ）に示した第１層目の砂層の上に、リコータによる第２層目の砂層が形成される工程を示す斜視図、（ｄ）はリコータによる砂層の形成とインクジェットヘッドによるバインダの吐出・塗布が複数層に渡って行われた後に、砂層の上にインクジェットヘッドによりバインダを吐出・塗布する工程を示す斜視図である。 （ａ）は図２（ａ）に示した状態を造形タンクと造形テーブルを昇降させる昇降装置と共に示す断面図、（ｂ）は図２（ｂ）に示した状態を造形タンクと造形テーブルを昇降させる昇降装置と共に示す断面図、（ｃ）は図２（ｃ）に示した状態を造形タンクと造形テーブルを昇降させる昇降装置と共に示す断面図、（ｄ）は（ｃ）の工程によって形成された２層目の砂層の上にインクジェットヘッドによりバインダを吐出・塗布する工程を示す断面図、（ｅ）は造形タンク内の造形テーブルの上に砂層が複数層に渡って形成された状態を示す断面図、（ｆ）は造形タンク内の造形テーブルの上に砂層が最後の層まで形成され、砂層の中にバインダによって中空造形物が形成された状態を示す断面図である。 （ａ）は図３（ｆ）のＡ−Ａ線における断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ線における断面図、（ｄ）は（ａ）のＤ−Ｄ線における断面図、（ｅ）は（ａ）のＥ−Ｅ線における断面図、（ｆ）は（ａ）のＦ−Ｆ線における断面図、（ｇ）は（ａ）のＧ−Ｇ線における断面図である。 （ａ）は本発明の三次元造形装置の第１の実施例におけるインクジェットヘッドとリコータの移動機構の構造を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すインクジェットヘッドとリコータの移動機構を、矢印Ａ方向から見た矢視図、（ｃ）は（ａ）に示すインクジェットヘッドとリコータの移動機構を、矢印Ｂ方向から見た矢視図である。 （ａ）は図５（ａ）に示したインクジェットヘッドとリコータの移動機構を矢印Ｃ方向から見た斜視図、（ｂ）は（ａ）に示した状態から、ヘッドが移動している状態を示す斜視図、（ｃ）は（ｂ）に示した状態からヘッドの移動が終わり、リコータが移動している状態を示す斜視図である。 （ａ）は本発明の三次元造形装置の第１の実施例におけるインクジェットヘッドのバインダの噴口部分の構造の一例を示す斜視図、（ｂ）は（本発明の三次元造形装置の第１の実施例におけるインクジェットヘッドのバインダの噴口部分の構造の他の例を示す斜視図である。 本発明の三次元造形装置の第１の実施例におけるインクジェットヘッドとリコータの動作を説明するものであり、（ａ）はインクジェットヘッドとリコータが待避状態にある時の斜視図、（ｂ）はリコータが造形テーブル上に砂を撒布している状態を示す斜視図、（ｃ）はリコータによって撒かれた砂の上に、インクジェットヘッドによってバインダが吐出・塗布されている状態を示す斜視図である。 （ａ）は本発明の三次元造形装置の第２の実施例におけるインクジェットヘッドとリコータの移動機構の構造を示す斜視図であり、インクジェットヘッドとリコータが待避位置にある状態を示す図、（ｂ）は（ａ）に示した状態からリコータが移動して砂撒きをしている状態を示す斜視図、（ｃ）は（ｂ）に示した状態から、インクジェットヘッドがリコータを後追いして動作している状態を示す斜視図、（ｄ）はリコータが砂撒き動作を終了して待避位置に入り、インクジェットヘッドが移動してバインダを吐出・塗布している状態を示す斜視図である。 （ａ）はインクジェットヘッドとリコータが待避位置にある状態を示す図、（ｂ）は（ａ）に示した状態からリコータが移動して砂撒きをしている状態を示す斜視図、（ｃ）は（ｂ）に示した状態から、インクジェットヘッドがリコータを後追いして動作している状態を示す斜視図、（ｄ）はリコータが砂撒き動作を終了して待避位置に入り、インクジェットヘッドが移動してバインダを吐出・塗布している状態を示す斜視図である。 （ａ）は本発明の三次元造形装置の第２の実施例において、リコータが移動して砂撒きを行い、インクジェットヘッドがリコータを後追いしてバインダを吐出・塗布している状態を示す部分拡大斜視図、（ｂ）は（ａ）の平面図である。 （ａ）は本発明の三次元造形装置の第３の実施例におけるインクジェットヘッドとリコータの移動機構の構造を簡略化して示す平面図であり、インクジェットヘッドとリコータが待避位置にある状態を示す図、（ｂ）は（ａ）に示した状態からリコータが移動して砂撒き動作を行い、インクジェットヘッドがリコータを後追いして動作している状態を示す平面図、（ｃ）は（ｂ）に示した状態から、リコータが砂撒き動作を終了して待避位置に入り、インクジェットヘッドもバインダの吐出・塗布動作を終了して待避位置に入った状態を示す平面図である。

以下、添付図面を用いて本発明の実施の形態を、具体的な実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明の実施の形態を説明する前に、図１から図４を用いてこれまでの一般的な粉体材料として砂を用いた三次元造形装置の構造及び動作を説明する。なお、砂は一例であり、三次元造形装置の造形タンクは、砂以外の他の粉体材料に対しても適用が可能である。また、本発明の三次元造形装置の構造は、後述するインクジェットヘッドとリコータの移動機構の部分を除いて、図１（ａ）に示す三次元造形装置１０の構造と同一で良いので、本発明の実施例の説明においては、インクジェットヘッドとリコータの移動機構の部分を除く三次元造形装置の構造については説明を省略する。

図１（ａ）は一般的な三次元造形装置１０の外観とその内部に設けられる部材を取り出して示すものである。三次元造形装置１０は３Ｄプリンタとも呼ばれる。三次元造形装置１０には、インクジェットヘッド１、リコータ２、造形タンク３、昇降装置４、砂供給ホッパユニット５、クリーニングユニット６、造形タンク移送ユニット７及び薬品ユニット８等が内蔵されている。なお、以後、インクジェットヘッド１は単にヘッド１と記す。

ヘッド１は、ヘッドＸ軸ＨＡＸとヘッドＹ軸ＨＡＹにより矢印で示す前後左右に移動することができる。また、ヘッド１は、ビットマップやＮＣのパスデータ等の３次元データが２次元の層の集まりに変換されたデータを元に、砂を結合させる結合剤であるバインダを吐出し、造形テーブルの上に塗布する。結合剤は以後、バインダと記載する。ヘッド１の近傍にはリコータ２が設けられている。リコータ２は、リコータ内ホッパと振動ブレード（共に図示せず）を備えている。リコータ内ホッパは、砂供給ホッパユニット５から供給される砂を貯蔵する。また、振動ブレードは、リコータ２がリコータ軸ＲＡＹ１によって矢印で示す装置正面から見て前後方向に移動している時に動作し、移動中にリコータ２から砂を造形テーブルの上に密に且つ水平に同じ厚さで撒く。

造形タンク３は後述する造形テーブルを格納するものであり、造形テーブルの上に造形したモデル（本発明では三次元造形物）が完成する。造形タンク３の中にモデルが完成すると、造形タンク３は造形タンク移送ユニット７の駆動ローラによって自動で三次元造形装置１０の外に送り出される。造形タンク３を三次元造形装置１０の中に挿入する時も造形タンク移送ユニット７の駆動ローラによって自動で造形タンク３が三次元造形装置１０の中に挿入される。

昇降装置４は造形タンク３に格納された造形テーブルを矢印で示すＺ軸方向に移動させるものであり、汎用のものが使用できるので、ここではその構成についての説明は省略する。また、クリーニングユニット６は、ヘッド１に付着した余分なバインダや砂等を取り除くものであり、薬品ユニット８は、造形プロセスに使用する薬品（バインダ、クリーナ）を貯蔵するものである。バインダはヘッド１に供給され、クリーナはクリーニングユニット６に供給される。また、薬品ユニット８には廃液タンクがあり、クリーニングユニット６で発生した廃液がこのタンクに回収される。

リコータやヘッドの各軸に沿った移動は、ボールねじを使用する、タイミングベルトを使用する、或いは空気圧を使用したエアスライドシリンダを使用する等の公知の手段によって行うことができる。同様に昇降装置による造形テーブルの昇降には、ボールねじを使用した機構、チェーンと歯車を使用した機構、空気圧を使用したエアスライドシリンダ、或いは油圧機構等の公知の機構を使用することができる。

図１（ａ）に示した三次元造形装置１０では、図１（ｂ）に示すような鋳造品９０を作るための、図１（ｃ）に示すような砂型を三次元造形物２０として造形することが可能である。図１（ｃ）に示す三次元造形物２０には、鋳造品９０を鋳込むための内部空間２１と内部空間２１に鋳鉄を流入させるための連絡部である湯口２２が設けられている。

ここで、図１（ａ）に示した造形タンク３の中に、ヘッド１とリコータ２を使用して三次元造形物を作る工程の一般的な例について、図２から図４を用いて説明する。なお、この例では、造形タンク３の中に作る粉体材料が封入された三次元造形物として、図１（ｂ）に示した鋳造品９０と同形状の鋳造品を作る鋳型を、最小限の三次元造形物として作る場合について説明する。

図２（ａ）、図３（a）は、図１（ａ）に示した造形タンク３内に格納された造形テーブル３０の上に、リコータ２により砂Ｓを水平に撒いて第１層目の砂層Ｓ１を形成する工程を示すものである。図３（ａ）に示すように、この例では、造形開始時点において、造形テーブル３０の上面３０Ｓは造形タンク３の上端面３Ｔと同じ高さの面になっているものとする。リコータ２の中には図１（ａ）に示した砂供給ホッパユニット５から供給される砂Ｓが入っており、リコータ２はリコータ軸ＲＡＹ１に沿って矢印の方向に移動して、この砂Ｓを造形テーブル３０の上面３０Ｓに撒いて第１層目の砂層Ｓ１を形成する。リコータ２は造形テーブル３０の一端から他端まで連続的に移動し、造形テーブル３０の上面３０Ｓの全面に砂Ｓを薄く撒く。砂Ｓを撒き終えたリコータ２は造形テーブル３０の外まで移動して待機する。

図４（ｂ）が造形テーブル３０の上に形成された第１層目の砂層Ｓ１を示している。第１層目の砂層Ｓ１の厚さを含め、第１層目の砂層Ｓ１の上に以後積層される砂層の厚さは常に一定である。図２（ｂ）、図３（ｂ）は、図４（ａ）に示した第１層目の砂層Ｓ１に、ヘッド１によりバインダが吐出・塗布される工程を示すものである。ヘッド１は、図１（ａ）に示したヘッドＸ軸ＨＡＸとヘッドＹ軸ＨＡＹにより矢印で示す前後左右に移動することができる。具体的には、ヘッド１は、造形データに従って、まずＸ方向に移動してバインダを吐出・塗布し、次いでＹ方向に１ライン分移動してからＸ方向にバインダを吐出・塗布する動作を繰り返す。造形物が無い部分、即ち、造形データが無い部分ではバインダを吐出しない。

造形テーブル３０の下には昇降装置４が設置されているが、リコータ２の動作が終了した直後にヘッド１が動作する時には、昇降装置４は動作しない。ヘッド１から第１層目の砂層Ｓ１へのバインダの吐出・塗布が終了した状態が図４（ｃ）に示される。第１層目の砂層Ｓ１の上へのバインダの吐出・塗布が終了すると、第１層目の砂層Ｓ１のバインダ塗布部分Ｂ１が固化する。第１層目の砂層Ｓ１の上へのバインダの塗布が終了すると、昇降装置４により、造形テーブル３０が第１層目の砂層Ｓ１の厚さ分だけ下降する。この結果、第１層目の砂層Ｓ１の上面が造形タンク３の上端面３Ｔと同じ面になる。

この状態で、ヘッド１とリコータ２とが元の位置に戻り、続いて、図２（ｃ）、図３（ｃ）に示すように、バインダが塗布された第１層目の砂層Ｓ１の上に、矢印で示す方向に移動するリコータ２から砂Ｓが撒布されて、第２層目の砂層Ｓ２を形成する工程が行われる。リコータ２による第２層目の砂層Ｓ２の形成により、第１層目の砂層Ｓ１に塗布されたバインダ塗布部分Ｂ１は砂Ｓで完全に隠れる。

次いで、図３（ｄ）に示すように、第２層目の砂層Ｓ２に、ヘッド１によりバインダが吐出・塗布され、第２層目の砂層Ｓ２のバインダ塗布部分Ｂ２が固化し、第１層目の砂層Ｓ１のバインダ塗布部分Ｂ１と繋がる。このようなリコータ２による砂層の撒布と、ヘッド１によるバインダの吐出・塗布は、昇降装置４によって造形テーブル３０を砂層の厚さ分だけ降下させながら繰り返し行われる。ヘッド１により砂層上に形成されるバインダの塗布部分の形状は、作る造形物の形状によって異なる。本例のように、図１（ｃ）に示した砂型と同形状のものを中空の三次元造形物として作る場合、砂層の上のバインダ塗布部分の形状は図４（ｃ）〜図４（ｇ）のように変化する。

図２（ｄ）に示す状態が、造形タンク３の中に中空造形物が半分程度作られた状態を示している。そして、図４（ｅ）に示す状態の、ｎ（ｎは自然数）層目の砂層Ｓｎを形成する工程が図３（ｅ）に示され、砂層Ｓｎの上にバインダを吐出・塗布してバインダ塗布部分Ｂｎを形成する工程が図２（ｄ）に示される。この時、造形テーブル３０は昇降装置４によって造形タンク３の深さの半分程度の位置まで降下している。

造形テーブル３０の上に砂の最終層Ｓｚが形成され、砂の最終層Ｓｚの上にバインダ塗布部分Ｂｚが形成された状態が図３（ｆ）及び図４（ｇ）に示される。この状態では、造形テーブル３０の下面３０Ｂは、昇降装置４によって造形タンク３の下端面３Ｂの位置まで降下している。また、図３（ｆ）のＡ−Ａ線における断面が図４（ａ）に示される。そして、図４（ａ）に示す断面から図４（ｂ）〜図４（ｇ）に示されるバインダ塗布部分の形状は、それぞれ図４（ａ）におけるＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線、Ｅ−Ｅ線、Ｆ−Ｆ線及びＧ−Ｇ線における形状であることが分る。なお、造形テーブル３０の上に形成される三次元造形物の高さが、造形タンク３の深さよりも低い場合には、三次元造形装置の造形終了時に、造形テーブル３０が造形タンク３の下端部まで達しないこともある。

以上説明した工程が終了すると、造形タンク３の内部には、図３（ｆ）に示すような三次元造形物２０が形成されている。三次元造形物２０の上端面には、内部と外部との連絡部である湯口２２が形成されている。この状態から昇降装置４を動作させて造形テーブル３０とその上の砂層を含む三次元造形物２０とを内蔵する造形タンク３を、図５（ａ）に示すように造形タンク移送ユニット７の上に置き、ローラ７０の上を転がして三次元造形装置から抜き出す。そして、図５（ｂ）に示すように、三次元造形装置の外部で造形テーブル３０とその上に積層された砂層と三次元造形物２０とを残して造形タンク３を引き上げ、砂層を除去すると図１（ｃ）に示すような三次元造形物２０が出来上がる。

以上説明した一般的な三次元造形装置１０におけるヘッド１とリコータ２の構造及び動作に対して、本発明の第１の実施例の三次元造形装置におけるヘッド１とリコータ２の構造及び動作を以下に説明する。本発明の三次元造形装置においても、図１から図４を用いて説明した一般的な三次元造形装置１０と同じ構成部品については、同じ符号を付して説明する。

図５（ａ）は本発明の三次元造形装置の第１の実施例におけるヘッド（インクジェットヘッド）１Ｌとリコータ２の移動機構の構造及び造形テーブル３０との関係を示すものである。造形テーブル３０は前述のように、造形タンク３内を昇降する１枚の板であるが、本実施例では、造形テーブル３０のヘッド１Ｌとリコータ２に対する位置を明確にするために、高さ方向の厚さを誇張して描いてある。リコータ２には砂Ｓが充填されている。また、図５（ｂ）は図５（ａ）に示すヘッド１Ｌとリコータ２の移動機構を矢印Ａ方向から見たものであり、図５（ｃ）は図５（ａ）に示すヘッド１Ｌとリコータ２の移動機構を矢印Ｂ方向から見たものである。本発明の三次元造形装置のその他の部分の構成は、図１（ａ）で説明した一般的な三次元造形装置１０の構成と同じで良いので、図示及び説明を省略する。

第１の実施例では、上面３０Ｓに三次元造形物を形成する造形テーブル３０の一辺の方向（これをＸ方向とする）に平行に、２本のヘッドＸ軸ＨＡＸ１が設けられており、２本のヘッドＸ軸ＨＡＸ１の上には、門型フレーム１５がヘッドＸ軸ＨＡＸ１に沿って移動可能に取り付けられている。門型フレーム１５には、造形テーブル３０の一辺に隣接する辺の長さを備えたヘッド１Ｌが取り付けられている。ヘッド１Ｌはラインヘッドであり、ヘッド１Ｌの構造については後述する。従って、門型フレーム１５がヘッドＸ軸ＨＡＸ１に沿って移動することにより、造形テーブル３０の上面３０Ｓに、造形データに応じた形状にバインダを塗布することができる。

造形テーブル３０の前述の一辺に隣接する辺の方向（これをＹ方向とする）には、２本のヘッドＸ軸ＨＡＸ１の外側の位置に、２本のリコータＹ軸ＲＡＹ１が設けられている。２本のリコータＹ軸ＲＡＹ１の上には、門型フレーム２５がリコータＹ軸ＲＡＹ１に沿って移動可能に取り付けられている。門型フレーム２５には、造形テーブル３０の一辺の長さを備えたリコータ２が取り付けられている。リコータ２には、図１（ａ）で説明した一般的な三次元造形装置１０におけるリコータ２と同じものを使用することができる。門型フレーム２５がリコータＹ軸ＲＡＹ１に沿って移動することにより、造形テーブル３０の上面３０Ｓの全面に、砂を均一な厚さで撒くことができる。

図６（ａ）は、図５（ａ）に示したヘッド１Ｌとリコータ２の移動機構を矢印Ｃ方向から見たものであり、ヘッド１Ｌとリコータ２が共に、造形テーブル３０の上面３０Ｓから外れた待避位置にある状態を示している。また、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示した状態からヘッド１Ｌが移動して、造形テーブル３０の上面３０Ｓにバインダを吐出・塗布している状態を示すものである。更に、図６（ｃ）は、図６（ｂ）に示した状態からヘッド１Ｌの移動が終わって反対側の待避位置に至った状態で、リコータ２が移動して、造形テーブル３０の上面３０Ｓに砂Ｓを撒いている状態を示すものである。第１の実施例では、このようにヘッド１Ｌとリコータ２は片方ずつ動作、一方の動作中は他方は待避位置にあり、往復動作の両方において、造形テーブル３０の上面３０Ｓに砂を撒き、バインダを塗布することができる。

図７（ａ）は、第１の実施例におけるヘッド１Ｌの構造の一例を示すものである。バインダを吐出する面であるヘッド１Ｌの吐出面１Ｆには、バインダ吐出用の細長いノズル１Ｎが複数個、斜めに並んで設けられている。ノズル１Ｎの間隔は１ｍｍ〜０．０５ｍｍ程度であり、製作する造形物に求められる細密さによって異なる。また、図７（ｂ）は、第１の実施例におけるヘッド１Ｌの構造の他の例を示すものである。この例では、ヘッド１Ｌのバインダの吐出面１Ｆに、バインダ吐出用のノズル複数個（数十〜数百個単位）並んだノズル群１Ｍが、所定間隔を隔てて２列に並んで設けられている。２列のノズル群１Ｍは、一方の隙間部分１Ｓに他方のノズル群１Ｍの中央部が重なるように、ノズル群１Ｍが互い違いに配置されている。このように、ヘッド１Ｌに複数のノズル群１Ｍを配置することにより、市販のインクジェットヘッドを組み合わせ、ソフトウエアによって各ヘッドを制御することにより、簡便にラインインクジェットヘッドを実現できる。

図８（ａ）から（ｃ）は、第１の実施例におけるヘッド１Ｌとリコータ２の動作を説明するものである。図８（ａ）は、ヘッド１Ｌとリコータ２が待避状態にある時の、造形テーブル３０に対するヘッド１Ｌとリコータ２の位置を示すものである。造形テーブル３０の上に三次元造形物を形成する場合は、まず、図８（ｂ）に示すように、リコータ２が造形テーブル３０の上に砂Ｓを水平に撒いて第１層目の砂層Ｓ１を形成する。リコータ２が造形テーブル３０の上に砂Ｓを撒き終えて、第１層目の砂層Ｓ１が形成されると、リコータ２は図８（ｃ）に示すように、図８（ａ）に示した待避位置と反対側の待避位置に入る。この待避位置は、ヘッド１Ｌの動作に干渉しない位置である。

図８（ｃ）に示すように、リコータ２が造形テーブル３０の上に第１層目の砂層Ｓ１を形成し終えて待避位置に入ると、ヘッド１Ｌが動作し、リコータ２によって撒かれた第１層目の砂層Ｓ１の上に、ヘッド１Ｌによってバインダが吐出・塗布される。図８（ｃ）にはバインダの塗布部分が符号Ｂ１で示されており、第１層目の砂層Ｓ１のバインダ塗布部分Ｂ１は固化する。ヘッド１Ｌによるバインダの吐出・塗布が終了すると、ヘッド１Ｌは図８（ａ）に示した待避位置と反対側の待避位置に入る。この待避位置は、リコータ２の動作に干渉しない位置である。

この動作の後に、図示しない昇降装置により、造形テーブル３０が第１層目の砂層Ｓ１の厚さ分だけ下降し、第１層目の砂層Ｓ１の上面が、砂Ｓを撒く前の造形テーブル３０の上面３０Ｓの位置と同じ位置になる。この後、リコータ２は図８（ａ）に示した待避位置に向かって移動し、造形テーブル３０の上に砂Ｓを撒いて第２層目の砂層を形成する。リコータ２の砂撒き動作が終了すると、ヘッド１Ｌが図８（ａ）に示した待避位置に向かって移動して、撒かれた砂の上にバインダを吐出・塗布する。

以後、リコータ２による砂撒き動作とヘッド１Ｌによるバインダの吐出・塗布動作及び昇降装置による位置調整が繰り返し行われて、造形テーブル３０の上に、図１（ａ）に示した一般の三次元造形装置１０と同様に、三次元造形物が形成される。第１の実施例では、ヘッド１Ｌがラインヘッドであり、リコータ２とヘッド１Ｌが直交する方向に移動することにより、造形テーブル３０の上に短時間で三次元造形物を形成することができる。

図９（ａ）は、本発明の三次元造形装置の第２の実施例におけるヘッド１とリコータ２の移動機構の構造を示すものであり、ヘッド１とリコータ２が待避位置にある状態を示している。第２の実施例においても、ヘッド１とリコータ２の移動機構以外のその他の部分の構成は、図１（ａ）で説明した一般的な三次元造形装置１０の構成と同じで良いので、図示及び説明を省略する。

第２の実施例では、三次元造形物を形成する造形テーブル３０の一辺の方向をＸ方向とし、隣接する辺の方向をＹ方向とする。第２の実施例では、Ｙ方向に平行に、２本のリコータＹ軸ＲＡＹ１が設けられている。２本のリコータＹ軸ＲＡＹ１は造形テーブル３０の両側に延長され、延長部分が斜め下側に曲げられた後に、リコータＹ軸ＲＡＹ１に平行な状態に戻されて、擦れ違いレールＲＡＹ２が形成されている。２本のリコータＹ軸ＲＡＹ１の間には、リコータＹ軸ＲＡＹ１に沿ってＹ方向に移動できる取付バー１６が掛け渡され、取付バー１６に造形テーブル３０の一辺の長さを備えたリコータ２が取り付けられている。リコータ２には、図１（ａ）で説明した一般的な三次元造形装置１０におけるリコータ２と同じものを使用することができる。取付バー１６がリコータＹ軸ＲＡＹ１に沿って移動することにより、造形テーブル３０の上面３０Ｓの全面に、砂を均一な厚さで撒くことができる。

２本のリコータＹ軸ＲＡＹ１の上側には、２本のヘッドＹ軸ＨＡＹ１が平行に設けられている。２本のリコータＹ軸ＲＡＹ１と２本のヘッドＹ軸ＨＡＹ１の間隔は同じである。２本のヘッドＹ軸ＨＡＹ１は造形テーブル３０の両側に延長され、延長部分が斜め上側に曲げられた後に、ヘッドＹ軸ＨＡＹ１に平行な状態に戻されて、擦れ違いレールＨＡＹ２Ａが形成されている。２本のヘッドＹ軸ＨＡＹ１の間には、ヘッドＹ軸ＨＡＹ１に沿ってＹ方向に移動できるヘッドＸ軸ＨＡＸ１が掛け渡され、ヘッドＸ軸ＨＡＸ１にヘッド１がＸ方向に移動可能に取り付けられている。ヘッド１には、図１（ａ）で説明した一般的な三次元造形装置１０におけるヘッド１と同じものを使用することができる。

ヘッドＸ軸ＨＡＸ１がヘッドＹ軸ＨＡＹ１に沿ってＹ方向に移動でき、ヘッド１がヘッドＸ軸ＨＡＸ１に沿ってＸ方向に移動できることにより、ヘッド１は、造形テーブル３０の上面３０Ｓの全面に対して自在に移動してバインダを吐出・塗布することができる。また、擦れ違いレールＲＡＹ２により、リコータＹ軸ＲＡＹ１に沿って移動してきたリコータ２は、造形テーブル３０の外側で造形テーブル３０の下方に移動することができる。逆に、擦れ違いレールＨＡＹ２により、ヘッドＹ軸ＨＡＹ１に沿って移動してきたヘッド１は、造形テーブル３０の外側で造形テーブル３０の上方に移動することができる。

そして、図９（ａ）に示すように、擦れ違いレールＨＡＹ２に位置して待避状態にあるヘッド１と、擦れ違いレールＲＡＹ２に位置して待避状態にあるリコータ２は干渉せず、上下方向に位置することができる。これに対して、平行なヘッドＹ軸ＨＡＹ１とリコータＹ軸ＲＡＹ１の区間では、ヘッド１とリコータ２は干渉し、上下方向に位置することはできない。

造形テーブル３０の上面３０Ｓの上に三次元造形物を形成する場合は、図９（ｂ）に示すように、図９（ａ）に示した待避位置にあるリコータ２がまず往路を移動して、造形テーブル３０の上に砂撒き行う。第２の実施例では、リコータ２が造形テーブル３０の上にある程度砂撒きをしたら、図９（ｃ）に示すように、リコータ２による砂撒きが終了する前に、ヘッド１がリコータ２を後追いして移動し、リコータ２が撒いた砂の上にバインダを吐出・塗布する動作を開始する。

図１１（ａ）は、第２の実施例において、リコータ２が移動して砂撒きを行っている最中に、ヘッド１がリコータ２を後追いして砂の上にバインダを吐出・塗布している状態を示している。また、図１１（ｂ）は図１１（ａ）に示したヘッド１がリコータ２を後追いして砂の上にバインダを吐出・塗布している状態を平面視したものである。リコータ２が造形テーブル３０のＹ方向に移動して撒いた砂の上に、ヘッド１はバインダを吐出・塗布する。ヘッド１は造形テーブル３０の上をまずＸ方向に移動してバインダを吐出し、バインダをＸ方向に塗布した後に、Ｙ方向に移動してＸ方向に逆方向に移動してバインダを吐出・塗布する動作を繰り返す。ヘッド１にバインダの噴射口（ノズル）が１つしかない場合は、ヘッド１は１ラインずつＹ方向に移動するが、ヘッド１にバインダの噴射口がＹ方向に複数個並んで設けられている場合は、ヘッド１は複数ラインずつＹ方向に移動すれば良い。

図９（ｄ）は、リコータ２が砂撒き動作を終了して待避位置に入り、ヘッド１が移動してバインダを砂の上に吐出・塗布している状態を示す斜視図である。そして、ヘッド１によるバインダの吐出・塗布が終了すると、ヘッド１も待避位置に入る。以上が造形テーブル３０の上にリコータ２が第１層目の砂を撒き、第１層目の砂の上にヘッド１がバインダを吐出・塗布する往路における動作である。リコータ２は往復動作において造形テーブル３０の上に砂を撒くことができ、同様にヘッド１も往復動作において砂の上にバインダを吐出・塗布することができる。図１０（ａ）から（ｄ）はヘッド１とリコータ２の復路における動作を示すものである。

図１０（ａ）はヘッド１とリコータ２が待避位置にある状態を示している。また、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示した状態からリコータ２が移動して造形テーブル３０の上に砂撒きをしている状態を示している。ヘッド１は待避位置にある。図１０（ｃ）は図１０（ｂ）に示した状態から、ヘッド１がリコータ２を後追いして動作している状態を示しており、図９（ｃ）で説明した状態と同じである。図１０（ｄ）はリコータ２が砂撒き動作を終了して待避位置に入り、ヘッド１が移動してバインダを吐出・塗布している状態を示すものである。この後、ヘッド１とリコータ２は図９（ａ）に示した状態に戻る。以後は、図９（ａ）から図１０（ｄ）に示した動作が繰り返される。

このように、第２の実施例における三次元造形装置のヘッド１とリコータ２の移動構造では、リコータ２の砂撒き動作の途中で、ヘッド１を動作させて撒かれた砂の上にバインダを塗布することができるので、造形テーブル３０の上に短時間で三次元造形物を形成することができる。なお、一般にヘッド１の移動速度はリコータ２の移動速度よりも速いが、ヘッド１はＸ方向の動作が終了してから一定間隔でＹ方向の動作を行うのに対して、リコータ２はＹ方向のみの動作を行えば良いので、ヘッド１の動作開始をリコータ２がどの位置まで移動した時に行うかは、それぞれの移動速度に応じて決めれば良い。

図１２（ａ）は、本発明の三次元造形装置の第３の実施例におけるヘッド１とリコータ２の移動機構の構造を簡略化して示すものであり、ヘッド１とリコータ２が待避位置にある状態を示している。第３の実施例においても、ヘッド１とリコータ２の移動機構以外のその他の部分の構成は、図１（ａ）で説明した一般的な三次元造形装置１０の構成と同じで良いので、図示及び説明を省略する。

第３の実施例では、三次元造形物を形成する造形テーブル３０の一辺の方向をＸ方向とし、隣接する辺の方向をＹ方向とする。第３の実施例では、Ｙ方向に平行に、２本のリコータＹ軸ＲＡＹが設けられている。２本のリコータＹ軸ＲＡＹは造形テーブル３０の両側に延長され、リコータ２の待避部分が設けられている。２本のリコータＹ軸ＲＡＹの間には、造形テーブル３０の一辺の長さを備えたリコータ２が取り付けられている。リコータＹ軸ＲＡＹは簡素化して直線で示してあり、リコータ２を取り付ける取付バーの図示は省略してある。リコータ２には、図１（ａ）で説明した一般的な三次元造形装置１０におけるリコータ２と同じものを使用することができることも同様である。

２本のリコータＹ軸ＲＡＹの外側には、２本のヘッドＹ軸ＨＡＹが平行に設けられている。２本のヘッドＹ軸ＨＡＹの間隔は広く、２本のリコータＹ軸ＲＡＹを移動するリコータ２に干渉しないようになっている。２本のヘッドＹ軸ＨＡＹの間には、ヘッドＹ軸ＨＡＹに沿ってＹ方向に移動できるヘッドＸ軸ＨＡＸが掛け渡され、ヘッドＸ軸ＨＡＸにヘッド１がＸ方向に移動可能に取り付けられている。ヘッド１には、図１（ａ）で説明した一般的な三次元造形装置１０におけるヘッド１と同じものを使用することができる。

ヘッドＸ軸ＨＡＸがヘッドＹ軸ＨＡＹに沿ってＹ方向に移動でき、ヘッド１がヘッドＸ軸ＨＡＸに沿ってＸ方向に移動できることにより、ヘッド１は、造形テーブル３０の上面３０Ｓの全面に対して自在に移動してバインダを吐出・塗布することができる。前述のように、待避状態にあるヘッド１と、待避状態にあるリコータ２は干渉しない。

造形テーブル３０の上面３０Ｓの上に三次元造形物を形成する場合は、図１２（ａ）に示した待避位置にあるリコータ２がまず移動して、造形テーブル３０の上に砂撒き行う。第３の実施例でも、リコータ２が造形テーブル３０の上にある程度砂撒きをしたら、リコータ２による砂撒きが終了する前に、ヘッド１がリコータ２を後追いして移動し、リコータ２が撒いた砂の上にバインダを吐出・塗布する動作を開始する。

図１２（ｂ）は、第３の実施例において、リコータ２が移動して砂撒きを行っている最中に、ヘッド１がリコータ２を後追いして砂の上にバインダを吐出・塗布している状態を示している。リコータ２が造形テーブル３０のＹ方向に移動して撒いた砂の上に、ヘッド１はバインダを吐出・塗布する。ヘッド１は造形テーブル３０の上をまずＸ方向に移動してバインダを吐出し、バインダをＸ方向に塗布した後に、Ｙ方向に移動して再びＸ方向に移動してバインダを吐出・塗布する動作を繰り返す。ヘッド１にバインダの噴射口が１つしかない場合は、ヘッド１は１ラインずつＹ方向に移動するが、ヘッド１にバインダの噴射口がＹ方向に複数個並んで設けられている場合は、ヘッド１は複数ラインずつＹ方向に移動すれば良い。

図１２（ｃ）は、リコータ２が砂撒き動作を終了して待避位置に入り、ヘッド１もバインダを砂の上に吐出・塗布する動作を終了して待避位置に入った状態を示している。以上が造形テーブル３０の上にリコータ２が第１層目の砂を撒き、第１層目の砂の上にヘッド１がバインダを吐出・塗布する動作である。リコータ２は往復動作において造形テーブル３０の上に砂を撒くことができ、同様にヘッド１も往復動作において砂の上にバインダを吐出・塗布することができる。このため、図示は省略するが、図１２（ｃ）に示す位置から再びリコータ２がＹ方向に移動して造形テーブル３０の上に砂撒きを行い、続いてヘッド１がリコータ２を後追いしてリコータ２が撒いた砂の上にバインダを吐出・塗布する動作を行うことができる。

このように、第３の実施例における三次元造形装置のヘッド１とリコータ２の移動構造でも、リコータ２の砂撒き動作の途中で、ヘッド１を動作させて撒かれた砂の上にバインダを塗布することができるので、造形テーブル３０の上に短時間で三次元造形物を形成することができる。前述のように、一般にヘッド１の移動速度はリコータ２の移動速度よりも速いが、ヘッド１はＸ方向の動作が終了してから一定間隔でＹ方向の動作を行うのに対して、リコータ２はＹ方向のみの動作を行えば良いので、ヘッド１の動作開始をリコータ２がどの位置まで移動した時に行うかは、それぞれの移動速度に応じて決めれば良い。

１、１Ｌ インクジェットヘッド（ヘッド）
２ リコータ
３ 造形タンク
４ 昇降装置
１０ 三次元造形装置
３０ 造形テーブル
ＨＡＸ、ＨＡＸ１ ヘッドＸ軸
ＨＡＹ、ＨＡＹ１ ヘッドＹ軸
ＲＡＹ、ＲＡＹ１ リコータ軸
ＨＡＹ２，ＲＡＹ２ 擦れ違いレール
Ｓ 砂

Claims (8)

1. リコータによって造形テーブル上に粉体材料を撒布して積層し、造形データに基づいて、撒布された粉体材料の上に結合剤をインクジェットヘッドから吐出・塗布し、前記粉体材料を結合させて三次元造形物を作る三次元造形装置において、
   前記リコータを、前記造形テーブルの１つの辺の長さ分の粉体材料を撒布できる長さにして、前記１つの辺に対して直交する方向に移動可能に形成し、
   前記インクジェットヘッドを、前記１つの辺に隣接する辺の長さ分の結合剤を吐出できるラインヘッドとして形成して、前記１つの辺に隣接する辺に対して直交する方向に移動可能に形成したことを特徴とする三次元造形装置。
2. 前記リコータは、前記１つの辺に対する往復動作の両方において、前記造形テーブルの上に粉体材料を撒布可能に形成し、
   前記インクジェットヘッドには、前記リコータの片道分の粉体材料撒布動作が終了した時点で、前記造形テーブルの上に撒布された粉体材料の上への結合剤の吐出・塗布を片道分行わせ、
   以後は前記リコータによる粉体材料の撒布動作と、前記インクジェットヘッドによる結合剤の吐出・塗布動作を、片道分ずつ交互に行わせることを特徴とする請求項１に記載の三次元造形装置。
3. 前記造形テーブルが長辺と短辺を備える矩形状である場合に、前記リコータは、前記長辺の長さ分の粉体材料を撒ける長さに形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の三次元造形装置。
4. リコータによって造形テーブル上に粉体材料を撒布して積層し、撒布後の粉体材料の上に、造形データに基づいて、結合剤をインクジェットヘッドから吐出・塗布し、前記粉体材料を結合させて三次元造形物を作る三次元造形装置において、
   前記リコータを、前記造形テーブルの１つの辺の長さ分の粉体材料を撒布できる長さにして、前記１つの辺に対して直交する方向に移動可能に形成し、
   前記インクジェットヘッドを、前記造形テーブルの縦横方向に自在に移動して結合剤を吐出できるシリアルヘッドとして形成すると共に、前記リコータの移動軌跡の外にも移動可能に形成し、
   前記リコータが前記１つの辺に対して直交する方向に移動して前記造形テーブルの上に粉体材料を撒布している動作中に、前記インクジェットヘッドに前記リコータを後追いさせて、前記リコータが撒布した粉体材料の上に結合剤を塗布することを特徴とする三次元造形装置。
5. 前記リコータは、前記１つの辺に対する往復動作の両方において、前記造形テーブルの上に粉体材料を撒布可能に形成し、
   前記リコータには、前記造形テーブルの上への片道分の粉体材料の撒布が終了した後に、前記インクジェットヘッドの動作が終了するまで、前記造形テーブルの外で待避させるようにしたことを特徴とする請求項４に記載の三次元造形装置。
6. 前記リコータは、前記１つの辺に対する往復動作の両方において、前記造形テーブルの上に粉体材料を撒布可能に形成し、
   前記リコータの、前記造形テーブルに対する往復路の両端部分に、前記リコータと前記インクジェットヘッドとを上下方向に収容可能なすれ違い路を形成し、
   前記リコータは、前記造形テーブルの上への片道分の粉体材料の撒布が終了した後に、前記すれ違い路で待避させ、
   前記インクジェットヘッドは、結合剤の吐出・塗布動作が終了した後に、前記すれ違い路で待避させ、
   前記リコータは、前記インクジェットヘッドが前記すれ違い路に入った事を確認後に前記造形テーブルの上への片道分の粉体材料の撒布を再開させるようにしたことを特徴とする請求項４に記載の三次元造形装置。
7. 前記インクジェットヘッドは、前記リコータによる１ライン分の粉体材料の撒布に対して、１ライン分の粉体材料の上に結合剤を吐出して塗布するように形成したことを特徴とする請求項４から６の何れか１項に記載の三次元造形装置。
8. 前記インクジェットヘッドは、前記リコータによる複数ライン分の粉体材料の撒布が終了するまで待避させ、前記リコータによる複数ライン分の粉体材料の撒布が終了した後に、複数ライン分の粉体材料の上に結合剤を吐出・塗布するように形成したことを特徴とする請求項４から６の何れか１項に記載の三次元造形装置。

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