JP6474290B2 - 三次元造形装置 - Google Patents

Description

本発明は、粉末材料を結合させて立体造形物を成形する三次元造形装置に関する。

従来から、石膏や澱粉などの粉末材料を貯留する材料貯留槽および粉末材料を結合させて立体造形物を成形する造形槽を備えた三次元造形装置がある。例えば、下記特許文献１には、材料貯留槽に貯留されている粉末材料を回転駆動する伸展ローラによって造形槽に供給して造形槽内で立体造形物を成形する三次元造形装置が開示されている。

特開２００３−２３１１８３号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された三次元造形装置においては、伸展体（伸展ローラ）が粉末材料を造形槽側に押し出して敷き均す際に粉末材料が流動せず単に押されて平行移動すると伸展体が通過した材料貯留槽側では粉末材料の表層が固められていくとともに造形槽側では粉末材料の表面が伸展体の前方で塊のまま単に押されている粉末材料の所謂ダマによって表面が荒れる。このため、従来の三次元造形装置においては、粉末材料の円滑かつ十分な供給ができないとともに、立体造形物における各層間の接合強度や表面粗さが粗くなるという問題があった。

本発明は上記問題に対処するためなされたもので、その目的は、造形槽内に凹凸なく平らに粉末材料を敷くことによって強度および表面精度をそれぞれ向上させた立体造形物を成形することができる三次元造形装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の特徴は、粉末材料を結合させて立体造形物を成形する三次元造形装置において、上方が開口するとともに底部を構成する供給ステージが昇降する容器内に粉末材料を貯留する材料貯留槽と、材料貯留槽に隣接配置されて上方が開口するとともに底部を構成する造形ステージが昇降する容器内に材料貯留槽から粉末材料を受け入れるとともに立体造形物を収容する造形槽と、材料貯留槽上から造形槽上に移動して材料貯留槽に貯留された粉末材料の表層部分を造形槽側に押し出して同造形槽内における粉末材料の上面に敷いて平らに均す伸展体と、伸展体に対して造形槽側に配置されて材料貯留槽に貯留された粉末材料の表層部分に挿し込まれて同表層部分を解す解し部を有した材料解し体とを備えたことにある。

このように構成した本発明の特徴によれば、三次元造形装置は、伸展体によって押し出される伸展体の移動方向前方側の粉末材料が材料解し体によって予め解されるため、材料貯留槽内においては固められた粉末材料が解されるとともに、造形槽内においては解された粉末材料が伸展体で押されて伸展体の前方で全体が連続的に流動（湧水のように湧き上がってくるような状態）しながら敷かれていく。これにより、本発明に係る三次元造形装置においては、粉末材料を円滑かつ十分な供給量で造形槽内に凹凸なく平らに粉末材料を敷くことができ、強度および表面精度をそれぞれ向上させた立体造形物を成形することができる。

また、本発明の他の特徴は、前記三次元造形装置において、材料解し体は、回転自在な棒体で構成された回転ロッドを有し、解し部は、回転ロッドの外周面上にて径方向外側に突出して形成されていることにある。

このように構成した本発明の他の特徴によれば、三次元造形装置は、材料解し体が回転自在な棒体で構成された回転ロッドの外周面上に解し部が径方向外側に突出して形成されているため、回転ロッドが回転することにより伸展体の前方の粉末材料を連続的または断続的に解すことができる。この場合、材料解し体は、材料解し体が伸展体とともに造形槽側に変位する際に粉末材料の表層に引っ掛かることによって引き摺り回転する場合と、後述する電動機によって強制的に回転駆動される場合とがある。

また、本発明の他の特徴は、前記三次元造形装置において、回転ロッドは、電動機によって強制的に回転駆動されることにある。

このように構成した本発明の他の特徴によれば、三次元造形装置は、回転ロッドが電動機によって強制的に回転駆動されるため、粉末材料が固まっている場合であってもより確実かつ精度良く解すことができる。

また、本発明の他の特徴は、前記三次元造形装置において、伸展体は、電動機によって回転ロッドとともに回転駆動する丸棒体で構成されていることにある。

このように構成した本発明の他の特徴によれば、三次元造形装置は、伸展体が電動機によって回転ロッドとともに回転駆動する丸棒体で構成されているため、回転駆動する伸展体によって材料貯留槽内の粉末材料の表層部分を平らに成形しながら造形槽に導くことができるとともに造形槽内にて粉末材料を平らに敷くことできる。また、三次元造形装置は、伸展体と材料解し体とを回転駆動させる電動機を共通化して構成を簡単化することができる。

また、本発明の他の特徴は、前記三次元造形装置において、伸展体は、造形槽側に対して下方から上方側に回転駆動し、材料解し体は、伸展体側に対して下方から上方側に回転駆動することにある。

このように構成した本発明の他の特徴によれば、三次元造形装置は、伸展体が造形槽側に対して下方から上方側に回転駆動するとともに、材料解し体が伸展体側に対して下方から上方側に回転駆動するため、伸展体の前方で粉末材料全体が連続的に流動して精度良く粉体材料を移動させて敷くことができる。

また、本発明の他の特徴は、三次元造形装置において、解し部は、回転ロッドの外周面における周方向に沿って複数設けられていることにある。

このように構成した本発明の他の特徴によれば、三次元造形装置は、解し部が回転ロッドの外周面における周方向に沿って複数設けられているため、早期かつきめ細かに粉末材料を解すことができる。

また、本発明の他の特徴は、前記三次元造形装置において、材料解し体は、解し部の下端部が伸展体の下端部以上の高さに形成されていることにある。

このように構成した本発明の他の特徴によれば、三次元造形装置は、材料解し体における解し部の下端部が伸展体の下端部以上の高さに形成されているため、伸展体の下端部より下方の粉末材料を解すことがなく精度良く粉末材料を敷くことができるとともに、材料解し体が材料貯留槽や造形槽の各上端部に接触することによる各部、具体的には、材料貯留槽、造形槽、材料解し体、伸展体、平らに成形した粉末材料および立体造形物をそれぞれ損傷することを防止することができる。

また、本発明の他の特徴は、前記三次元造形装置において、材料解し体は、解し部が弾性変形可能な弾性体で構成されていることにある。この場合、解し部を構成する弾性体としては、樹脂材やゴム材を板状、球状や半球状、またはブラシ状に形成して構成することができる。

このように構成した本発明の他の特徴によれば、三次元造形装置は、材料解し体における解し部が弾性変形可能な弾性体で構成されているため、解し部の弾性力によって粉末材料を掻き上げることで効果的に解すことができるとともに、解し部が材料貯留槽や造形槽に接触した場合における上記各部の損傷を防止することができる。

また、本発明の他の特徴は、前記三次元造形装置において、さらに、材料解し体に対して造形槽側に配置されて材料解し体に導かれる粉末材料の高さを規制する高さ規制体を備えることにある。この場合、高さ規制体は、例えば、金属製や樹脂製の棒体、板状体または刷毛状に形成して粉末材料の上面から所定の隙間を介した上方に配置して構成することができる。

このように構成した本発明の他の特徴によれば、三次元造形装置は、高さ規制体によって材料解し体に過度な厚さや量の粉末材料が導かれることが防止されて常に所定量以下の厚さの粉末材料が材料解し体に供給されるため、精度良く粉末材料を造形槽に導いて平らに敷くことができる。

本発明の一実施形態に係る三次元造形装置の主要部の構成を模式的に示す断面図である。 図１に示す三次元造形装置の作動を制御する制御システムのブロック図である。 図１に示す三次元造形装置における材料解し体の外観構成の概略を示す斜視図である。 図１に示す三次元造形装置における造形槽を材料貯留槽に隣接配置した状態を示す断面図である。 図４に示す三次元造形装置において造形槽の造形ステージを下降させるとともに材料貯留槽の供給ステージを上昇させた状態を示す断面図である。 図５に示す三次元造形装置において材料伸展ユニットを材料貯留槽から造形槽側に移動させた場合における材料貯留槽上での作動状態を示す断面図である。 図５に示す三次元造形装置において材料伸展ユニットを材料貯留槽から造形槽側に移動させた場合における材料貯留槽と造形槽との境界部分上での作動状態を示す断面図である。 図５に示す三次元造形装置において材料伸展ユニットを材料貯留槽から造形槽側に移動させた場合における造形槽上での作動状態を示す断面図である。 図５に示す三次元造形装置において材料伸展ユニットを材料貯留槽から造形槽側に移動させた場合における不要材料受け体上での作動状態を示す断面図である。

以下、本発明に係る三次元造形装置の一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る三次元造形装置１００の主要部の構成を模式的に示す断面図である。また、図２は、図１に示す三次元造形装置１００の作動を制御するための制御システムのブロック図である。なお、本明細書において参照する各図は、本発明の理解を容易にするために一部の構成要素を誇張して表わすなど模式的に表している。このため、各構成要素間の寸法や比率などは異なっていることがある。この三次元造形装置１００は、石膏や澱粉などからなる粉末材料を結合剤によって結合させることにより所望する立体造形物ＷＫを下方から上方に向かって積層して成形する機械装置である。

（三次元造形装置１００の構成）
三次元造形装置１００は、造形槽１１０を備えている。造形槽１１０は、立体造形物ＷＫの材料となる粉末材料ＰＭを後述する材料貯留槽１４０から受け入れて立体造形物ＷＫを成形するための収容容器であり、金属板を平面視で方形の有底筒状に形成して構成されている。より具体的には、造形槽１１０は、主として、造形ステージ１１１および側壁１１２をそれぞれ備えて構成されている。

造形ステージ１１１は、造形槽１１０の底部を構成する板状の部品であり、平面視で方形の金属板で構成されている。この造形ステージ１１１は、造形ステージ昇降機構１１３によって側壁１１２に対して摺動しながらＺ軸方向となる図示上下方向に昇降可能に支持されている。側壁１１２は、造形槽１１０の側壁を構成する板状の部品であり、造形ステージ１１１の周囲を囲むように造形ステージ１１１の４つの辺上に起立した状態でそれぞれ設けられている。これにより、造形槽１１０は、造形ステージ１１１の対向する上方が開口する箱状に形成されている。なお、造形槽１１０の側壁１１２の上端部の高さは後述する材料貯留槽１４０の側壁１４２の上端部と同じ高さの面一に形成されている。

造形ステージ昇降機構１１３は、後述する制御装置１７０の作動制御によって造形ステージ１１１を上下方向に昇降させるための機械装置であり、主として、昇降台座１１３ａ、支持軸１１３ｂ、駆動モータ１１３ｃおよび駆動ベルト１１３ｄをそれぞれ備えて構成されている。昇降台座１１３ａは、造形ステージ１１１を下方から支持する金属板製の部品であり、造形ステージ１１１を支持する方形の水平板状部分の各周囲がそれぞれ下方に屈曲したした後、下端部が再び水平方向外側にそれぞれ屈曲してフランジ状に張り出す縦断面が矩形波形状に形成されている。

支持軸１１３ｂは、昇降台座１１３ａにおける下端部の張り出した部分に対してネジ嵌合した状態で貫通して起立する棒体である。この支持軸１１３ｂは、昇降台座１１３ａを水平状態に保った状態で上下方向に案内できるように昇降台座１１３ａの周囲に複数配置（本実施形態においては４つ）されている。これらの各支持軸１１３ｂは、両端部がそれぞれ後述する支持筐体１１４に対して回転自在な状態で支持されている。

駆動モータ１１３ｃは、造形ステージ１１１を昇降させる駆動源であり、制御装置１７０によって作動制御される電動機で構成されている。この駆動モータ１１３ｃの駆動軸は、駆動ベルト１１３ｄを介して前記支持軸１１３ｂに連結されている。駆動ベルト１１３ｄは、駆動モータ１１３ｃおよび各支持軸１１３ｂを互いに連結して駆動モータ１１３ｃの駆動力を各支持軸１１３ｂに伝達するためのゴム製の無端ベルトである。したがって、造形ステージ昇降機構１１３は、駆動モータ１１３ｃが回転駆動することによって駆動ベルト１１３ｄを介して各支持軸１１３ｂが回転駆動することによって昇降台座１１３ａが昇降して造形ステージ１１１が昇降する。

支持筐体１１４は、造形槽１１０を支持するとともに造形ステージ昇降機構１１３を覆う部品であり、金属板を箱状に形成して構成されている。この支持筐体１１４の下面は、材料貯留槽１４０に対して接近または離隔するＹ軸方向（図示左右方向）に沿って貫通した状態で凹状に凹んで形成されるとともに、この凹状に凹んだ部分に配置された造形槽移動機構１１５に連結されて支持されている。なお、Ｙ軸方向は、前記Ｚ軸方向に対して直交している。

造形槽移動機構１１５は、造形槽１１０を材料貯留槽１４０に対して接近させて密着または離隔させるＹ軸方向に往復移動させるための装置であり、主として、Ｙ方向第１案内ガイド１１５ａおよび駆動モータ１１５ｂをそれぞれ備えて構成されている。Ｙ方向第１案内ガイド１１５ａは、支持筐体１１４を支持した状態で材料貯留槽１４０に接近させて密着または離隔させるＹ軸方向に案内するためにＹ軸方向に延びる金属製のレールや送りネジ機構（いずれも図示せず）を備えた部品である。このＹ方向第１案内ガイド１１５ａは、三次元造形装置１００において固定的に設けられた基台１２０上に固定的に取り付けられている。

駆動モータ１１５ｂは、造形槽１１０および支持筐体１１４を材料貯留槽１４０に対して接近または離隔させる方向に往復移動させる駆動源であり、制御装置１７０によって作動制御される電動機で構成されている。この駆動モータ１１５ｂは、Ｙ方向第１案内ガイド１１５ａ内の送りネジ機構を回転駆動させることによって造形槽１１０および支持筐体１１４をそれぞれ往復移動させる。

造形槽１１０に対して材料貯留槽１４０側とは反対側における支持筐体１１４上には、不要材料受け体１１６が設けられている。不要材料受け体１１６は、造形槽１１０に供給した粉末材料ＰＭのうちの使用仕切れなかった余剰分を回収するための金属製の容器である。この不要材料受け体１１６は、造形槽１１０と同様に上方が開口する箱状に形成されて造形槽１１０に隣接配置されている。また、造形槽１１０の上方には、造形ヘッド１３０が設けられている。

造形ヘッド１３０は、造形槽１１０内の粉末材料ＰＭをユーザが所望する立体形状となるように結合させるための機械装置であり、主として、吐出ヘッド１３１およびＵＶランプ１３２をそれぞれ備えて構成されている。吐出ヘッド１３１は、造形槽１１０内の粉末材料ＰＭに対して紫外線硬化樹脂の液滴を噴射する装置であり、インクジェット方式（圧電素子の撓み変形による体積変化で吐出力を得る方式）の液滴吐出ヘッドで構成されている。ここで、紫外線硬化樹脂は、紫外線を照射されることによってラジカル重合反応やカチオン重合反応により硬化する液体のアクリレート系やエポキシ系の樹脂材である。

ＵＶランプ１３２は、造形槽１１０内の粉末材料ＰＭに対して吐出された紫外線硬化樹脂を硬化させるための紫外線を照射する光源であり、紫外線を発光するＬＥＤによって構成されている。このＵＶランプ１３２は、前記Ｚ軸方向および前記Ｙ軸方向にそれぞれ直交するＸ軸方向上において吐出ヘッド１３１の両側にそれぞれ設けられている。これらの吐出ヘッド１３１およびＵＶランプ１３２は、制御装置１７０によってそれぞれ作動が制御される。この造形ヘッド１３０は、造形ヘッド走査機構１３３によって支持されている。

造形ヘッド走査機構１３３は、造形ヘッド１３０を前記Ｘ軸方向に沿って往復変位させるための機械装置であり、主として、Ｘ方向案内ガイド１３３ａおよび駆動モータ１３３ｂをそれぞれ備えて構成されている。Ｘ方向案内ガイド１３３ａは、造形ヘッド１３０を支持した状態で図示Ｘ軸方向に案内するためにＸ軸方向に延びる金属製のレールや２つのプーリ間に無端ベルトを架設した無端ベルト送り機構（いずれも図示せず）を備えた部品である。

駆動モータ１３３ｂは、造形ヘッド１３０を造形槽１１０に対してＸ軸方向に往復移動させる駆動源であり、制御装置１７０によって作動制御される電動機で構成されている。この駆動モータ１３３ｂは、Ｘ方向案内ガイド１３３ａ内の無端ベルト送り機構を回転駆動させることによって造形ヘッド１３０をＸ軸方向に往復移動させる。

材料貯留槽１４０は、造形槽１１０に供給する粉末材料ＰＭを貯留するための収容容器であり、金属板を平面視で方形の有底筒状に形成して構成されている。より具体的には、材料貯留槽１３０は、主として、供給ステージ１４１および側壁１４２をそれぞれ備えて構成されている。供給ステージ１４１は、材料貯留槽１４０の底部および側壁の一部をそれぞれ構成して図示上下方向に昇降する部品であり、金属板を側面視でＬ字状に形成して構成されている。この供給ステージ１４１は、供給ステージ昇降機構１４３によって側壁１４２に対して摺動しながら図示上下方向に昇降可能に支持されている。

側壁１４２は、供給ステージ１４１における材料貯留槽１４０の底部を構成する平面視で方形の部分の周囲（３辺）を囲んで起立する金属板製の部品である。これにより、材料貯留槽１４０は、供給ステージ１４１における材料貯留槽１４０の底部を構成する部分に対向する上方が開口する箱状に形成されている。この側壁１４２は、基台１２０の上面に起立した状態で設けられている。すなわち、材料貯留槽１４０は、供給ステージ１４１が昇降可能な状態で基台１２０上に固定的に設けられている。

供給ステージ昇降機構１４３は、制御装置１７０の作動制御によって供給ステージ１４１を上下方向に昇降させる装置であり、主として、Ｚ方向案内ガイド１４３ａおよび駆動モータ１４３ｂをそれぞれ備えて構成されている。Ｚ方向案内ガイド１４３ａは、供給ステージ１４１を図示Ｚ軸方向に案内するためにＺ軸方向に延びる金属製のレールや送りネジ機構（いずれも図示せず）を備えた部品である。このＺ方向案内ガイド１４３ａは、基台１２０上に起立した状態で固定的に設けられている。

駆動モータ１４３ｂは、供給ステージ１４１をＺ軸方向に昇降させる駆動源であり、制御装置１７０によって作動制御される電動機で構成されている。この駆動モータ１４３ｂは、Ｚ方向案内ガイド１４３の一方の端部側における基台１２０上に固定的に設けられており、Ｚ軸方向案内ガイド１４３ａ内の送りネジ機構を回転駆動させることによって供給ステージ１４１を昇降させる。

材料貯留槽１４０の上方には、材料伸展ユニット１５０が設けられている。材料伸展ユニット１５０は、材料貯留槽１４０上から造形槽１１０上に移動して材料貯留槽１３０内の粉末材料ＰＭを造形槽１１０上に供給して平らに敷き広げるための装置であり、主として、伸展体１５１、駆動ベルト１５２、材料解し体１５３、駆動モータ１５４、高さ規制体１５５およびユニット支持体１５６をそれぞれ備えて構成されている。

伸展体１５１は、材料貯留槽１４０内の粉末材料ＰＭの表層を造形槽１１０上に押し出して造形槽１１０上に敷き広げる部品であり、Ｘ軸方向に沿って延びる金属製のローラで構成されている。この伸展体１５１は、両端部がユニット支持体１５６に回転自在に保持された状態でプーリ（図示せず）、２つの歯車（図示せず）、および駆動ベルト１５２をそれぞれ介して駆動モータ１５４に連結されている。

この場合、プーリは、駆動ベルト１５２が掛けられて回転駆動する円筒状の部品であり、ユニット支持体１５６に回転自在に支持されている。また、２つの歯車は、前記プーリの回転方向を逆転させて伸展体１５１に伝達するための部品であり、一方の歯車が前記プーリと一体的に同方向に回転するとともに他方の歯車が伸展体１５１に取り付けられた状態で前記一方の歯車と噛合って同一方の歯車と逆は方向に回転する。また、伸展体１５１は、ローラの下端部が材料貯留槽１４０の側壁１４２の上端部よりも若干（例えば、０.１ｍｍ〜１.０ｍｍ）上方に位置する高さに支持されている。本実施形態においては、伸展体１５１は、ローラの下端部が材料貯留槽１４０の側壁１４２の上端部よりも０.５ｍｍだけ上方に位置する高さに支持されている。

駆動ベルト１５２は、駆動モータ１５４の回転駆動力を伸展体１５１および材料解し体１５３に伝達する部品であり、ゴム製の平ベルトからなる無端ベルトで構成されている。なお、駆動ベルト１５２は、駆動モータ１５４の回転駆動力を伸展体１５１および材料解し体１５３に伝達することができる部品であればよく、断面が円形や台形状のベルトであってもよいし、歯付きベルトであってもよい。

材料解し体１５３は、図３に示すように、材料貯留槽１４０内に貯留されている粉末材料ＰＭの表層部分を前記伸展体１５１の通過に先立って解すための部品であり、主として、回転ロッド１５３ａ、解し部１５３およびプーリ１５３ｃをそれぞれ備えて構成されている。回転ロッド１５２ａは、図３に示すように、解し部１５３ｂを支持して回転駆動する部品であり、Ｘ軸方向の延びる金属製の丸棒で構成されている。

解し部１５３ｂは、材料貯留槽１４０内に貯留されている粉末材料ＰＭの表層部分に挿し込まれてこの表層部分を解す部分であり、回転ロッド１５３ａの外周面から張り出して形成されている。より具体的には、解し部１５３ｂは、回転ロッド１５３ａの長手方向に延びる金属製の板状体が回転ロッド１５３ａの周方向に等間隔に複数枚取り付けられて構成されている。すなわち、材料解し体１５３は、水車のような形状に形成されている。本実施形態においては、解し部１５３ｂは、Ｘ軸方向に延びる長方形状（帯状）の板状体が回転ロッド１５３ａの周方向に等間隔に８つ設けられている。この場合、解し部１５３ｂのＸ軸方向の長さは、材料貯留槽１４０のＸ軸方向の内寸以下の長さに設定されている。

また、解し部１５３ｂの回転ロッド１５３ａからの張り出し量は、解し部１５３ｂが粉末材料ＰＭ内に挿し込まれた際に、回転ロッド１５３ａの外周面が粉末材料ＰＭの上面に接触する張り出し量または同粉末材料ＰＭの上面に回転ロッド１５３ａの外周面が接触しない張り出し量にそれぞれ設定することができる。この場合、解し部１５３ｂは、解し部１５３ｂが粉末材料ＰＭ内に挿し込まれた際に回転ロッド１５３ａの外周面が粉末材料ＰＭの上面に接触する張り出し量に設定することによって粉末材料ＰＭの飛散を抑えることができる。

また、解し部１５３ｂは、解し部１５３ｂが粉末材料ＰＭ内に挿し込まれた際に粉末材料ＰＭの上面に接触しない張り出し量に設定することによって粉末材料ＰＭを跳ね上げてより粉末状に解すことができる。本実施形態においては、解し部１５３ｂは、解し部１５３ｂが粉末材料ＰＭ内に挿し込まれた際に回転ロッド１５３ａの外周面が粉末材料ＰＭの上面に接触する張り出し量で、各解し部１５３ｂが同じ張り出し量で形成されている。

プーリ１５３ｃは、駆動ベルト１５２によって伝達される駆動モータ１５４の回転駆動力を回転ロッド１５３ａに伝達する部品であり、樹脂材を円筒状に形成して構成されている。すなわち、プーリ１５３ｃは、駆動ベルト１５２に対して平面同士が面接触することにより滑りを許容した状態で駆動モータ１５４の回転駆動力を受けている。

この材料解し体１５３は、回転ロッド１５３ａの両端部がユニット支持体１５６に回転自在に保持された状態でプーリ１５３ｃおよびこのプーリ１５３ｃに掛けられる駆動ベルト１５２を介して駆動モータ１５４に連結されている。この場合、材料解し体１５３は、解し部１５３ｂの下端部が回転ロッド１５３ａの下端部以上、好ましくは回転ロッド１５３ａの下端部よりも若干（例えば、０.１ｍｍ〜１.０ｍｍ）上方に位置する高さに支持されている。本実施形態においては、材料解し体１５３は、解し部１５３ｂの下端部が回転ロッド１５３ａの下端部よりも０.２ｍｍだけ上方に位置する位置に支持されている。

駆動モータ１５４は、伸展体１５１および材料解し体１５３をそれぞれ回転駆動させる駆動源であり、制御装置１７０によって作動制御される電動機で構成されている。この駆動モータ１５４は、ユニット支持体１５６に取り付けられており、前記した図示しないプーリおよびプーリ１５３ｃに駆動ベルト１５２を介してそれぞれ連結されている。これにより、駆動モータ１５４は、伸展体１５１を前記プーリ、前記２つの歯車および駆動ベルト１５２をそれぞれ介して造形槽１１０側に対して下方から上方に向かって回転駆動させるとともに、材料解し体１５３を駆動ベルト１５２およびプーリ１５３ｃをそれぞれ介して伸展体１５１側に対して下方孔から上方に向かって回転駆動させる。

高さ規制体１５５は、材料解し体１５３に対して材料貯留槽１４０内に貯留されている粉末材料ＰＭの表層部分の高さを規定するための部品であり、金属製の板状体で構成されている。より具体的には、高さ規制体１５５は、Ｘ軸方向に延びる長方形（帯状）の板状体で構成されており、その両端部がユニット支持体１５６にそれぞれ固定的に支持されている。この場合、高さ規制体１５５は、材料解し体１５３に対して供給が許容できる粉末材料ＰＭの上面位置に板状体の下端部が位置するように設けられている。

ユニット支持体１５６は、材料貯留槽１４０および造形槽１１０の各上方で伸展体１５１、材料解し体１５３および高さ規制体１５５をそれぞれ支持する部品であり、伸展体１５１、材料解し体１５３および高さ規制体１５５の各両端部側にそれぞれ起立する金属製の板状体で構成されている。このユニット支持体１５６は、下端部が伸展ユニット移動機構１６０に支持された状態で、材料貯留槽１４０および造形槽１１０の各上方で伸展体１５１、材料解し体１５３および高さ規制体１５５の各両端部を支持している。

伸展ユニット移動機構１６０は、材料伸展ユニット１５０を材料貯留槽１４０と造形槽１１０との間で往復移動させるための装置であり、主として、Ｙ方向第２案内ガイド１６１および駆動モータ１６２をそれぞれ備えて構成されている。Ｙ方向第２案内ガイド１６１は、ユニット支持体１５６を支持して材料貯留槽１４０と造形槽１１０との間のＹ軸方向に案内するためにＹ軸方向に延びる金属製のレールや送りネジ機構（いずれも図示せず）を備えた部品である。このＹ方向第２案内ガイド１６１は、前記基台１２０上に固定的に取り付けられている。

駆動モータ１６２は、材料伸展ユニット１５０を材料貯留槽１４０と造形槽１１０との間で往復移動させる駆動源であり、制御装置１７０によって作動制御される電動機で構成されている。この駆動モータ１６２は、Ｙ方向第２案内ガイド１６１内の送りネジ機構を回転駆動させることによって材料伸展ユニット１５０を往復移動させる。

制御装置１７０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどからなるマイクロコンピュータによって構成されており、インターフェース１７１を介して接続される外部コンピュータ装置２００からの指示および三次元造形装置１００における図示しない筐体に設けられる操作パネル１７２からの入力操作に従って三次元造形装置１００の全体の作動を総合的に制御する。本実施形態においては、制御装置１７０は、少なくとも、造形ステージ昇降機構１１３の駆動モータ１１３ｃ、造形槽移動機構１１５の駆動モータ１１５ｂ、造形ヘッド１３０、造形ヘッド走査機構１３３の駆動モータ１３３ｂ、供給ステージ昇降機構１４３の駆動モータ１４３ｂ、材料伸展ユニット１５０の駆動モータ１５５および伸展ユニット移動機構１６０の駆動モータ１６２の作動をそれぞれ制御する。

外部コンピュータ装置２００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスクなどからなるマイクロコンピュータによって構成されており、キーボードおよびマウスからなる入力装置２０１および液晶ディスプレイからなる表示装置２０２を備えるパーソナルコンピュータ（所謂パソコン）であり、図示しない造形プログラムを実行することにより三次元造形装置１００の作動を制御する。この場合、造形プログラムは、ユーザにより予め前記ハードディスクに記憶されている。なお、外部コンピュータ装置２００は、三次元造形装置１００の作動を制御することができれば、どのような形式のコンピュータ装置であってもよい。

（三次元造形装置１００の作動）
次に、このように構成した三次元造形装置１００の作動について説明する。まず、ユーザは、外部コンピュータ装置２００と三次元造形装置１００とをインターフェース１３１を介して接続し、外部コンピュータ装置２００および三次元造形装置１００の電源をそれぞれＯＮにする。これにより、外部コンピュータ装置２００は、図示しない所定の制御プログラムを実行することによりユーザからの指令の入力を待つ待機状態となる。

また、三次元造形装置１００は、制御装置１７０内のＲＯＭに予め記憶されている図示しない所定の制御プログラムを実行することにより、造形槽１１０、造形ステージ１１１、造形ヘッド１３０、供給ステージ１４１および材料伸展ユニット１５０をそれぞれ原点復帰させた後（図１参照）、外部コンピュータ装置２００からの指示を待つ待機状態となる。

なお、この場合、造形槽１１０の原点位置とは、材料貯留槽１４０からＹ軸方向上における最も離隔した立体造形物ＷＫを造形する位置である。また、造形ステージ１１１の原点位置とは、Ｚ軸方向上で最も上昇した位置であって造形ステージ１１１が側壁１１２の上端部と面一となる位置である。また、造形ヘッド１３０の原点位置とは、Ｘ軸方向における一方の端部側の移動可能限界位置である。また、供給ステージ１４１の原点位置とは、Ｚ軸方向に最も下降した位置であって材料貯留槽１４０のＺ方向における最奥部である。また、材料伸展ユニット１５０の原点位置とは、造形槽１１０からＹ軸方向上においても最も離隔した三次元造形装置１００の前面側の位置である。

次に、ユーザは、三次元造形装置１００における材料貯留槽１４０内に粉末材料ＰＭを充填した後、外部コンピュータ装置２００の入力装置２０１を操作して、外部コンピュータ装置２００に図示しない造形プログラムの実行を指示する。この場合、この造形プログラムは、ユーザが所望する三次元形状を立体造形物ＷＫとして成形するために、立体造形物ＷＫを複数の横断面で分割した断面加工データを生成して三次元造形装置１００に出力するプログラムである。

この指示に応答して、外部コンピュータ装置２００は、造形プログラムの実行を開始して断面加工データを生成する。この場合、外部コンピュータ装置２００は、ユーザによって入力された三次元形状を表わす３次元形状データに基づいて断面加工データを生成する。そして、外部コンピュータ装置２００は、生成した断面加工データを三次元造形装置１００の制御装置１７０に出力する。断面加工データを入力した三次元造形装置１００の制御装置１７０は、造形ステージ昇降機構１１３、造形槽移動機構１１５、造形ヘッド１３０、造形ヘッド走査機構１３３、供給ステージ昇降機構１４３、材料伸展ユニット１５０および伸展ユニット移動機構１６０の作動をそれぞれ制御して造形槽１１０内で粉末材料ＰＭを結合させて立体造形物ＷＫを下方から上方に向かって層を積み重ねて成形する。

この立体造形物ＷＫの造形過程において、制御装置１７０は、材料貯留槽１４０内の粉末材料ＰＭを造形槽１１０に供給しながら立体造形物ＷＫの造形を行う。具体的には、制御装置１７０は、次のサブステップ１〜サブステップ４の各処理を実行することによって粉末材料ＰＭの供給処理を実行する。

サブステップ１；まず、制御装置１７０は、造形槽１１０の位置決めを行う。具体的には、制御装置１７０は、図４に示すように、造形槽移動機構１１５の駆動モータ１１５ｂの作動を制御することにより造形槽１１０を材料貯留槽１４０側に移動させて材料貯留槽１４０に密着させる。

サブステップ２：次に、制御装置１７０は、造形ステージ１１１および供給ステージ１４１のＺ軸方向における位置である高さの位置決めを行う。具体的には、制御装置１７０は、図５に示すように、供給ステージ昇降機構１４３の駆動モータ１４３ｂの作動を制御して供給ステージ１４１を上昇させるとともに造形ステージ昇降機構１１３の駆動モータ１１３ｃの作動を制御して造形ステージ１１１を下降させる。

この場合、制御装置１７０は、供給ステージ１４１を供給ステージ１４１上の粉末材料ＰＭの上面が材料貯留槽１４０の側壁１４２の上端部に対して僅か（０.５ｍｍ〜数ｍｍ）に上方に突出する高さ位置に位置決めする。本実施形態においては、制御装置１７０は、供給ステージ１４１を供給ステージ１４１上の粉末材料ＰＭの上面が材料貯留槽１４０の側壁１４２の上端部に対して１.０ｍｍだけ上方に突出する高さ位置に位置決めする。これにより、材料伸展ユニット１５０における伸展ローラ１５１および材料解し体１５３の解し部１５３ｂの各下端部が押上げられた粉末材料ＰＭの表層部分にそれぞれ挿入される。

また、制御装置１７０は、造形ステージ１１１を造形ステージ１１１上の粉末材料ＰＭの上面が造形槽１１０の側壁１１２の上端部に対して僅か（０.０５ｍｍ〜数ｍｍ）に下方に突出する高さ位置に位置決めする。本実施形態においては、制御装置１７０は、造形ステージ１１１を造形ステージ１１１上の粉末材料ＰＭの上面が造形槽１１０の側壁１１２の上端部に対して０.１ｍｍだけ下方に突出する高さ位置に位置決めする。

サブステップ３：次に、制御装置１７０は、材料伸展ユニット１５０を用いて材料貯留槽１４０内の粉末材料ＰＭを造形槽１１０内に供給する。具体的には、制御装置１７０は、図６に示すように、材料伸展ユニット１５０における駆動モータ１５４を作動させて材料解し体１５３および伸展ローラ１５１をそれぞれ回転駆動させた後、伸展ユニット移動機構１６０の駆動モータ１６２の作動を制御して材料伸展ユニット１５０を材料貯留槽１４０から造形槽１１０に向けて移動させる。この場合、図６における破線矢印に示すように、材料解し体１５３は伸展体１５１側に対して下方から上方に向かって回転駆動するとともに、伸展体１５１は材料解し体１５３側に対して下方から上方に向かって回転駆動する。すなわち、材料解し体１５３と伸展体１５１とは互いに向かい合う側で互いに下方から上方に向かう互いに逆方向に回転駆動する。

これにより、材料貯留槽１４０内の粉末材料ＰＭの表層部分は、高さ規制体１５５によって所定の高さ以下の高さに調整された後、回転駆動する材料解し体１４３の解し部１５３ｂによって掘り起こされて解される。そして、材料解し体１４３によって解された粉末材料ＰＭの表層部分は、材料解し体１４３の回転駆動によって伸展体１５１側に押し出された後、伸展体１５１の回転駆動によって上方に押し出されながら造形槽１１０側に向かって搬送される。この場合、伸展体１５１に達した粉末材料ＰＭは、材料解し体１５３によって予め解されているため全体が伸展体１５１の前方で連続的に湧水のように流動しながら造形槽１１０側に搬送される。

伸展体１５１によって造形槽１１０側に押された粉末材料ＰＭは、図７に示すように、互いに密着する材料貯留槽１４０の側壁１４２および造形槽１１０の側壁１１２の各上端部上を通って造形槽１１０内に運ばれる。この場合、材料解し体１５３の解し部１５３ｂおよび伸展体１５１の各下端部は、貯留槽１４０の側壁１４２および造形槽１１０の側壁１１２の各上端部よりも上方に位置しているため、各側壁１４２，１１２に接触することはない。

また、仮に、材料解し体１５３の解し部１５３ｂおよび伸展体１５１が何らかの不具合によって各側壁１４２，１１２に接触した場合であっても、材料解し体１５３および伸展体１５１が駆動ベルト１５２に対してプーリ１５３ｃや図示しない前記プーリが滑ることにより材料解し体１５３、伸展体１５１、造形槽１１０および材料貯留槽１４０を損傷することが防止される。

次いで、造形槽１１０内に導かれた粉末材料ＰＭは、図８に示すように、伸展体１５１の回転駆動によって一部が上方に押し出されながら他の一部が伸展体１５１に押圧されて後方に敷かれていく。これにより、伸展体１５１は、伸展体１５１の後方側に平らで凹凸のない緻密な表面で粉末材料ＰＭを敷くことができる。なお、この場合、回転駆動する材料解し体１５３は、解し部１５３ｂ下端部が伸展体１５１の下端部より上方に位置しているため、造形槽１１０内の粉末材料ＰＭや立体造形物ＷＫに接触することはない。そして、図９に示すように、伸展体１５３が不要材料受け体１１６上まで移動することによって造形槽１１１内で敷き切れなかった余剰の粉末材料ＰＭが不要材料受け体１１６内に導かれる。

次いで、制御装置１７０は、伸展ユニット移動機構１６０の駆動モータ１６２の作動を制御して材料伸展ユニット１５０を造形槽１１０から材料貯留槽１４０に向けて移動させる。この場合、制御装置１７０は、材料伸展ユニット１５０における駆動モータ１５４の作動を制御して材料解し体１５３および伸展ローラ１５１の各回転駆動を停止させてもよいが、これらの各回転駆動を維持した状態で伸展ユニット移動機構１６０を移動させることにより整地した粉末材料ＰＭの表面の損傷を防止することができる。そして、制御装置１７０は、材料伸展ユニット１５０を材料貯留槽１４０の原点位置に位置決めした後に、材料伸展ユニット１５０における駆動モータ１５４の作動を制御して材料解し体１５３および伸展ローラ１５１の各回転駆動を停止させる。

サブステップ４；次に、制御装置１７０は、造形槽１１０を造形ヘッド１３０に対して位置決めする。具体的には、制御装置１７０は、造形槽移動機構１１５の駆動モータ１１５ｂの作動を制御することにより造形槽１１０を材料貯留槽１４０から離隔させる側に移動させて造形ヘッド１３０の下方に位置決めする。

これにより、制御装置１７０は、造形槽１１０への粉末材料ＰＭの供給処理を終了することができる。したがって、制御装置１７０は、この後、造形槽移動機構１１５の駆動モータ１１５ｂおよび造形ヘッド１３０の駆動モータ１３３ｂの作動を制御することによって造形槽１１０と造形ヘッド１３０とをＸ−Ｙ軸方向に相対変位させながら吐出ヘッド１３１およびＵＶランプ１３２の各作動を制御して表層部の粉末材料ＰＭの一部を結合させる造形処理を実行することにより一層分の立体造形物ＷＫを成形する。そして、制御装置１７０は、前記した造形槽１１０への粉末材料ＰＭの供給処理と一層分の造形処理とを繰り返し実行することにより立体造形物ＷＫを下方から上方に向かって一層ずつ成形することができる。

上記作動説明からも理解できるように、上記実施形態によれば、三次元造形装置１００は、伸展体１５１によって押し出される伸展体１５１の移動方向前方側の粉末材料ＰＭが材料解し体１５３によって予め解されるため、材料貯留槽１４０内においては固められた粉末材料ＰＭが解されるとともに、造形槽１１０内においては解された粉末材料ＰＭが伸展体１５１で押されて伸展体１５１の前方で全体が連続的に流動（湧水のように湧き上がってくるような状態）しながら敷かれていく。これにより、本発明に係る三次元造形装置１００においては、粉末材料ＰＭを円滑かつ十分な供給量で造形槽１１０内に凹凸なく平らに粉末材料を敷くことができ、強度および表面精度をそれぞれ向上させた立体造形物ＷＫを成形することができる。

さらに、本発明の実施にあたっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

例えば、上記実施形態においては、材料解し体１５３は、回転ロッド１５３ａの外周面に板状の解し部１５３ｂを設けて構成した。しかし、材料解し体１５３は、伸展体１５１に対して造形槽１１０側への進行方向前側に設けられて粉末材料ＰＭを解すことができれば、必ずしも上記実施形態に限定されるものではない。したがって、材料解し体１５３は、解し部１５３ｂが、例えば、粉末材料ＰＭに挿し込まれる櫛状やブラシ状に形成することができる。この場合、材料解し体１５３は、上記実施形態のように回転駆動するようにしてもよいし、解し部１５３ｂが所定の挿し込み位置に固定的に位置決めされていてもよい。

また、上記実施形態においては、材料解し体１５３は、駆動モータ１５４によって回転駆動するように構成した。しかし、材料解し体１５３は、駆動モータ１５４を用いなくても回転駆動させることができる。例えば、材料解し体１５３は、回転ロッド１５３ａをユニット支持体１５６に回転自在な状態で取り付けておく。そして、材料解し体１５３は、材料伸展ユニット１５０が造形槽１１０側に移動することによって解し部１５３ｂが粉末材料ＰＭ上を転がることによって粉末材料ＰＭを解すことができる。

また、上記実施形態においては、材料解し体１５３は、伸展体１５１に対して下方から上方に向かって回転駆動するように構成した。しかし、材料解し体１５３は、造形槽１１０に対して下方から上方に向かって回転駆動するように構成することもできる。

また、上記実施形態においては、材料解し体１５３は、解し部１５３ｂを金属板製の剛体で構成した。しかし、材料解し体１５３は、解し部１５３ｂを金属板以外の材料、例えば、樹脂材、ゴム材、セラミック材、木材などで構成することができる。また、材料解し体１５３は、解し部１５３ｂを樹脂材やゴム材などの弾性体で構成することができる。また、材料解し体１５３は、解し部１５３ｂを板状以外の形状、例えば、球状や半球状、またはブラシ状に形成して構成することもできる。また、材料解し体１５３は、回転ロッド１５３ａの滑らかな外表面を解し部１５３ｂとして粉末材料ＰＭに押し付けて用いることができる。また、材料解し体１５３は、回転ロッド１５３ａの外表面にローレットなどの細かな凹凸を解し部１５３ｂとして形成することもできる。また、材料解し体１５３は、粉末材料ＰＭを解す少なくとも１つの解し部１５３ｂを備えていればよい。

また、上記実施形態においては、伸展体１５１は、駆動モータ１５４によって回転駆動するように構成した。しかし、伸展体１５１は、粉末材料ＰＭを材料貯留槽１４０から造形槽１１０に導いて敷くことができればよく、必ずしも回転駆動する構成でなくてもよい。したがって、伸展体１５１は、ユニット支持板１５６に固定的に支持されたローラや板状体で構成することができる。また、伸展体１５１は、回転駆動させる場合であっても、材料解し体１５３とは独立した駆動モータで回転駆動させることもできる。

また、上記実施形態においては、材料解し体１５３が造形層１１０に向かって移動する前側に高さ規制体１５５を設けた。これにより、材料伸展ユニット１５０は、高さ規制体１５５によって材料解し体１５３に過度な厚さや量の粉末材料ＰＭが導かれることが防止されて常に所定量以下の厚さの粉末材料ＰＭが材料解し体１５３に供給されるため、精度良く粉末材料ＰＭを造形槽１１０に導いて平らに敷くことができる。しかし、材料伸展ユニット１５０は、材料解し体１５３に供給される粉末材料ＰＭの厚さや量が問題とならない場合には、高さ規制体１５５を省略して構成することもできる。

また、上記実施形態においては、三次元造形装置１００は、粉末材料ＰＭに紫外線硬化樹脂を付着させた後に紫外線を照射して粉末材料ＰＭを結合させて立体造形物ＷＫを成形するように構成した。しかし、三次元造形装置１００は、粉末材料ＰＭを結合させて立体造形物ＷＫを成形するように構成されていればよく、必ずしも紫外線を用いて粉末材料ＰＭを結合させる構成に限定されるものではない。したがって、三次元造形装置１００は、光以外で固化する接着剤などからなるバインダ、例えば、熱によって固化するバインダのほか、嫌気性や好気性のバインダを吐出ヘッド１３１から吐出させて粉末材料ＰＭを結合させることもできる。また、三次元造形装置１００は、石膏からなる粉末材料ＰＭを水を含むバインダで硬化させるように構成することもできる。また、三次元造形装置１００は、バインダを噴射する吐出ヘッド１３１に加えて着色インクを噴射する吐出へヘッド１３１を設けることにより粉末材料ＰＭを着色して立体造形物ＷＫを成形することもできる。

ＷＫ…立体造形物、ＰＭ…粉末材料、
１００…三次元造形装置、
１１０…造形装置、１１１…造形ステージ、１１２…側壁、１１３…造形ステージ昇降機構、１１３ａ…昇降台座、１１３ｂ…支持軸、１１３ｃ…駆動モータ、１１３ｄ…駆動ベルト、１１４…支持筐体、１１５…造形槽移動機構、１１５ａ…Ｙ方向第１案内ガイド、１１５ｂ…駆動モータ、１１６…不要材料受け体、
１２０…基台、
１３０…造形ヘッド、１３１…吐出ヘッド、１３２…ＵＶランプ、１３３…造形ヘッド走査機構、１３３ａ…Ｘ方向案内ガイド、１３３ｂ…駆動モータ、
１４０…材料貯留槽、１４１…供給ステージ、１４２…側壁、１４３…供給ステージ昇降機構、１４３ａ…Ｚ方向案内ガイド、１４３ｂ…駆動モータ、
１５０…材料伸展ユニット、１５１…伸展体、１５２…駆動ベルト、１５３…材料解し体、１５３ａ…回転ロッド、１５３ｂ…解し部、１５３ｃ…プーリ、１５４…駆動モータ、１５５…高さ規制体、１５６…ユニット支持板、
１６０…伸展ユニット移動機構、１６１…Ｙ方向第２案内ガイド、１６２…駆動モータ、
１７０…制御装置、１７１…インターフェース、１７２…操作パネル、
２００…外部コンピュータ装置、２０１…入力装置、２０２…表示装置。

Claims (9)

1. 粉末材料を結合させて立体造形物を成形する三次元造形装置において、
   上方が開口するとともに底部を構成する供給ステージが昇降する容器内に前記粉末材料を貯留する材料貯留槽と、
   前記材料貯留槽に隣接配置されて上方が開口するとともに底部を構成する造形ステージが昇降する容器内に前記材料貯留槽から前記粉末材料を受け入れるとともに前記立体造形物を収容する造形槽と、
   前記材料貯留槽上から前記造形槽上に移動して前記材料貯留槽に貯留された前記粉末材料の表層部分を前記造形槽側に押し出して同造形槽内における前記粉末材料の上面に敷いて平らに均す伸展体と、
   前記伸展体に対して前記造形槽側に配置されて前記材料貯留槽に貯留された前記粉末材料の表層部分に挿し込まれて同表層部分を解す解し部を有した材料解し体とを備えることを特徴とする三次元造形装置。
2. 請求項１に記載した三次元造形装置において、
   前記材料解し体は、
   回転自在な棒体で構成された回転ロッドを有し、
   前記解し部は、
   前記回転ロッドの外周面上にて径方向外側に突出して形成されていることを特徴とする三次元造形装置。
3. 請求項２に記載した三次元造形装置において、
   前記回転ロッドは、
   電動機によって強制的に回転駆動されることを特徴とする三次元造形装置。
4. 請求項３に記載した三次元造形装置において、
   前記伸展体は、
   前記電動機によって前記回転ロッドとともに回転駆動する丸棒体で構成されていることを特徴とする三次元造形装置。
5. 請求項４に記載した三次元造形装置において、
   前記伸展体は、
   前記造形槽側に対して下方から上方側に回転駆動し、
   前記材料解し体は、
   前記伸展体側に対して下方から上方側に回転駆動することを特徴とする三次元造形装置。
6. 請求項２ないし請求項５のうちのいずれか１つに記載した三次元造形装置において、
   前記解し部は、
   前記回転ロッドの外周面における周方向に沿って複数設けられていることを特徴とする三次元造形装置。
7. 請求項１ないし請求項６のうちのいずれか１つに記載した三次元造形装置において、
   前記材料解し体は、
   前記解し部の下端部が前記伸展体の下端部以上の高さに形成されていることを特徴とする三次元造形装置。
8. 請求項１ないし請求項７のうちのいずれか１つに記載した三次元造形装置において、
   前記材料解し体は、
   前記解し部が弾性変形可能な弾性体で構成されていることを特徴とする三次元造形装置。
9. 請求項１ないし請求項８のうちのいずれか１つに記載した三次元造形装置において、さらに、
   前記材料解し体に対して前記造形槽側に配置されて前記材料解し体に導かれる前記粉末材料の高さを規制する高さ規制体を備えることを特徴とする三次元造形装置。

Images