JP2015178247A - 造形ユニットおよび三次元積層造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】費用の大幅な増加を招くことなく、リコーターユニットおよびラインヘッドユニットによる往復の造形処理を可能とする造形ユニットおよび三次元積層造形装置の提供を図る。
【解決手段】一層分の粉末（３０）をライン全体で同時にコーティングするリコーターユニット３と、前記コーティングされた粉末層に対してライン全体で同時に結合剤（２０）を塗布するラインヘッドユニット２と、前記粉末層に対して、前記リコーターユニットおよび前記ラインヘッドユニットを、一体的に往復移動させる移動機構２１，３１と、前記リコーターユニットおよび前記ラインヘッドユニットが往復移動するとき、前記リコーターユニットおよび前記ラインヘッドユニットが往路および復路の両方で同じ順序となるように、前記リコーターユニットおよび前記ラインヘッドユニットを入れ替えるヘッド入れ替え機構３１ａ，３１ｂと、を有するように構成する。
【選択図】図３

Description

本明細書で言及する実施例は、造形ユニットおよび三次元積層造形装置に関する。

近年、光造形法や粉末造形法、或いは、ＦＤＭ法(Fused Deposition Modeling：熱溶解積層法)などを適用した三次元積層造形装置(いわゆる、３Ｄプリンター)が注目されている。

具体的に、光造形法を適用した三次元積層造形装置は、例えば、造形浴に入れた液状の光硬化性樹脂の液面に所望のパターンが得られるようにコンピュータ制御された光(例えば、紫外線レーザー)を選択的に照射して、光硬化性樹脂を硬化させる。さらに、その光硬化した層の上に一層分の光硬化性樹脂を供給して、再び光を照射して光硬化性樹脂を硬化させ、同様の処理を繰り返して目的とする造形物(モデル)を形成する。

また、ＦＤＭ法を適用した三次元積層造形装置は、例えば、糸状の熱可塑性樹脂を造形ヘッド内のヒータで溶融し、その溶融された熱可塑性樹脂を射出制御すると共に、造形テーブルの昇降により積層造形するものである。

さらに、粉末造形法を適用した三次元積層造形装置、例えば、粉末焼結や粉末溶融、或いは、粉末インクジェット(Powder Bed and Inkjet Head 3D Printing)による三次元積層造形装置として、例えば、リコーターユニットにより造形テーブル上に一層分の粉末をコーティングし、その後、インクジェットユニット(インクジェットヘッドユニット)によりコーティングされた粉末面に対するバインダー(結合剤)の塗布を行い、造形物の一層分を形成する。

そして、造形テーブルを粉末の一層分だけ降下させ、再び、リコーターユニットによる粉末のコーティングを行った後、インクジェットユニットによる結合剤の塗布を行って造形物の次の一層分を形成する。そして、同様の処理を繰り返すことにより所望とする造形物を形成する。

なお、粉末造形法を適用した三次元積層造形装置において、使用する粉末としては、例えば、砂，金属粉末，石膏，澱粉，人工骨，プラスチック粉末など様々なものが含まれる。また、造形物としても様々なものがあり得るが、例えば、粉末として砂を使用し、造形物として鋳型を造型することもできる。さらに、粉末として、熱可塑性樹脂(プラスチック粉末)を適用してもよく、或いは、砂の粒子に熱可塑性樹脂をコーティングしたものを適用してもよい。

また、粉末として金属粉末を使用し、例えば、金属粉末層に対してレーザーを照射して焼結して金属よりなる造形物を形成することもできる。さらに、粉末として金属粉末を使用し、結合剤を塗布して造形物を形成した後、その造形物を焼結して金属造形物を得るようにすることも可能である。

ところで、従来、粉末造形法を適用した三次元積層造形装置としては様々なものが提案されている。

国際公開第１１／０６３７８６号パンフレット

上述したように、粉末造形法を適用した三次元積層造形装置としては様々なものがあるが、例えば、ライン全体を処理するリコーターユニットおよびラインヘッドユニットを同時に移動させることにより、一層分の造形処理を行うものが考えられる。

このような三次元積層造形装置において、例えば、先行するリコーターユニットにより粉末をコーティングすると共に、同時に移動する後行のラインヘッドユニットにより結合剤を塗布するには、リコーターユニットおよびラインヘッドユニットを一方向のみに移動させて造形処理を行う。これは、当然のことながら、両方向で造形処理を行う三次元積層造形装置に比較して、造形物を形成するまでの時間が大幅に長くなる。

或いは、リコーターユニットおよびラインヘッドユニットを両方向に移動して往復の造形処理を可能とするには、例えば、各方向に対して専用のラインヘッドユニットまたはリコーターユニットを設けなければならず、費用の大幅な増加を招くことになる。

本実施形態は、費用の大幅な増加を招くことなく、リコーターユニットおよびラインヘッドユニットによる往復の造形処理を可能とする造形ユニットおよび三次元積層造形装置の提供を目的とする。

なお、本実施形態は、例えば、粉末インクジェットによる三次元積層造形装置に適用することができるが、これに限定されず、ライン全体で同時に粉末をコーティングするリコーターユニット、および、コーティングされた粉末面に対してライン全体で同時に結合剤を塗布するラインヘッドユニットを使用する三次元積層造形装置に対して幅広く適用することができる。

本発明に係る第１実施形態によれば、一層分の粉末をライン全体で同時にコーティングするリコーターユニットと、前記コーティングされた粉末層に対してライン全体で同時に結合剤を塗布するラインヘッドユニットと、前記粉末層に対して、前記リコーターユニットおよび前記ラインヘッドユニットを、一体的に往復移動させる移動機構と、前記リコーターユニットおよび前記ラインヘッドユニットが往復移動するとき、前記リコーターユニットおよび前記ラインヘッドユニットが往路および復路の両方で同じ順序となるように、前記リコーターユニットおよび前記ラインヘッドユニットを入れ替えるヘッド入れ替え機構と、を有する造形ユニットが提供される。

また、本発明に係る第２実施形態によれば、造形ユニットと、前記造形ユニットにより造形処理された前記粉末の各層を積層する造形テーブルと、を含む三次元積層造形装置であって、前記造形ユニットは、一層分の粉末をライン全体で同時にコーティングするリコーターユニットと、前記コーティングされた粉末層に対してライン全体で同時に結合剤を塗布するラインヘッドユニットと、前記粉末層に対して、前記リコーターユニットおよび前記ラインヘッドユニットを、一体的に往復移動させる移動機構と、前記リコーターユニットおよび前記ラインヘッドユニットが往復移動するとき、前記リコーターユニットおよび前記ラインヘッドユニットが往路および復路の両方で同じ順序となるように、前記リコーターユニットおよび前記ラインヘッドユニットを入れ替えるヘッド入れ替え機構と、を有する三次元積層造形装置が提供される。

開示の造形ユニットおよび三次元積層造形装置は、費用の大幅な増加を招くことなく、リコーターユニットおよびラインヘッドユニットによる往復の造形処理を可能とするという効果を奏する。

図１は、関連技術としての三次元積層造形装置の一例を概略的に示す斜視図である。 図２は、図１に示す三次元積層造形装置において、リコーターユニットとラインヘッドユニットを一体化した造形ユニットの例を示す図である。 図３は、造形ユニットの第１実施例を説明するための図である。 図４は、図３に示す造形ユニットの変形例を説明するための図である。 図５は、造形ユニットの第２実施例を説明するための図である。 図６は、造形ユニットの第３実施例を説明するための図である。 図７は、本実施形態の造形ユニットの一例を説明するための図である。 図８は、本実施形態の造形ユニットの他の例を説明するための図である。

まず、本発明に係る造形ユニットおよび三次元積層造形装置の実施例を詳述する前に、図１および図２を参照して、関連技術としての粉末造形法を適用した三次元積層造形装置の一例、および、三次元積層造形装置における造形ユニットの例、並びに、その問題点を説明する。

図１は、関連技術としての三次元積層造形装置の一例を概略的に示す斜視図であり、粉末造形法を適用した三次元積層造形装置１００の一例を示すものである。

図１に示されるように、三次元積層造形装置１００は、制御用コンピュータ１０１、ラインヘッドインクジェットユニット(ラインヘッドユニット)１０２、リコーターユニット１０３、造形タンク１０４、昇降装置１０５、粉末供給ホッパーユニット１０６、クリーニングユニット１０７、および、薬品ユニット１０８を含む。ここで、造形タンク１０４には、昇降装置１０５によりＺ軸方向(高さ方向)の制御が行われる造形テーブル１４１が設けられている。

制御用コンピュータ１０１は、三次元データ(例えば、ＳＴＬデータ：Standard Triangulated Language Data)を入力とし、スライス処理やオフセット処理、および、ビットマップ変換処理などを行って、三次元積層造形装置１００の制御を行う。

ラインヘッドユニット１０２は、例えば、Ｘ軸方向(装置正面から見て左右方向)の両端に設けられたラインヘッドユニット用レール１２１，１２１に沿ってＹ軸方向(装置正面から見て前後方向)に移動し、ビットマップ化されたデータに基づいて結合剤(バインダー)を造形テーブル１４１上の粉末面に塗布(吐出)して一層分の造形を行う。

ここで、ラインヘッドユニット１０２は、例えば、Ｘ軸方向の１ラインに対応する複数の吐出ノズルが設けられたラインヘッドインクジェットユニットとして構成され、このラインヘッドインクジェットユニット１０２を、造形テーブル１４１上の粉末面に対してＹ軸方向に移動させながら結合剤を塗布することで、一層分の造形処理を行うようになっている。

造形テーブル１４１上の粉末全面に対する一層分の造形処理が終了したら、例えば、昇降装置１０５により造形テーブル１４１をＺ軸方向(高さ方向)に降下させる。さらに、リコーターユニット１０３を、例えば、Ｘ軸方向の両端に設けられたリコーターユニット用レール１３１，１３１に沿ってＹ軸方向に移動させながら、一層分の粉末をコーティングする。

ここで、リコーターユニット１０３には、例えば、粉末供給ホッパーユニット１０６から供給された粉末を貯蔵するリコータ内ホッパー、および、コーティングする粉末を密にすると共に、水平(Ｘ−Ｙ軸平面)となるように粉末表面を平坦化するブレード等が設けられている。

なお、ブレードは、能動的または受動的な振動によって、或いは、回転を伴って、粉末を所定の厚さで円滑にコーティング(堆積)するように構成してもよく、若しくは、ブレードを動作させることなく、一定量の粉末を堆積するように構成してもよい。

また、昇降装置１０５により造形テーブル１４１を降下させる量(高さ)と、リコーターユニット１０３によりコーティングする粉末の厚さ(粉末層の最上部における粉末の積層ピッチ)は一致するように制御される。

以上の処理を繰り返し行うことで、造形タンク１０４内において、最終的な造形物が完成する。すなわち、造形タンク１０４内には、例えば、目的とする造形物，サポート，および，結合済が塗布されずに残った粉末を含む造形ユニットが形成されることになる。

ここで、造形タンク１０４は、例えば、造形タンク移送ユニットにより三次元積層造形装置１００の外部へ移動し、自動または手作業によって内部に形成された造形ユニットから不要なサポートおよび粉末を取り除き、目的とする造形物を取り出すことになる。

クリーニングユニット１０７は、ラインヘッドユニット１０２の余分な結合剤や粉末などを取り除くためのものである。また、薬品ユニット１０８は、造形処理に使用する薬品(結合剤や洗浄剤)を貯蔵するものであり、結合剤はラインヘッドユニット１０２に供給され、洗浄剤はクリーニングユニット１０７に供給される。ここで、洗浄剤は、例えば、プリントヘッドの内部や吐出口を洗浄するために使用され、或いは、未使用時にプリントヘッドが乾いて劣化しないように充填される。

なお、三次元積層造形装置１００には、図示しない、クリーニングユニット１０７による廃液を回収する廃液タンク、結合剤や洗浄剤の吐出に使用するエアー圧コントロールユニットなども設けられている。

図２は、図１に示す三次元積層造形装置において、リコーターユニットとラインヘッドユニットを一体化した造形ユニットの例を示す図である。ここで、図２(a)は、一方向(ＤＲ)のみで造形処理を行う造形ユニットの例を示し、図２(b)は、往復方向(ＤＬ，ＤＲ)で造形処理を可能とする造形ユニットの例を示す。

図２(a)に示す造形ユニットは、例えば、右方向ＤＲへ移動するとき、移動方向の前方に位置するリコーターユニット３により粉末３０のコーティングを行い、その後、後方に位置するラインヘッドユニット(ラインヘッドインクジェットユニット)２により結合剤２０の塗布を行う。これにより、一層分の造形処理が完了する。

なお、図２(a)に示す造形ユニットでは、ＤＲと逆方向に移動時するとき、リコーターユニット３およびラインヘッドユニット２の動作は停止され、元の位置(左端の位置)に戻ったら、再び右方向ＤＲへ移動して一層分の造形処理を行うことになる。

次に、図２(b)に示す造形ユニットは、例えば、右方向ＤＲへ移動するとき、ラインヘッドユニット２ｂの動作を停止して、上述した図２(a)の造形ユニットと同様に、移動方向の前方に位置するリコーターユニット３が粉末３０のコーティングを行い、その後、後方に位置するラインヘッドユニット２ａが結合剤２０ａの塗布を行う。

また、ＤＲと逆の左方向ＤＬへ移動するとき、ラインヘッドユニット２ａの動作を停止して、移動方向の前方に位置するリコーターユニット３が粉末３０のコーティングを行い、その後、後方に位置するラインヘッドユニット２ｂが結合剤２０ｂの塗布を行う。

このように、図２(b)に示す造形ユニットは、往復方向(ＤＲおよびＤＬの両方向)のそれぞれで一層分の造形処理を行うことができ、造形物を形成する時間を短縮することが可能になる。

しかしながら、図２(b)に示す造形ユニットでは、例えば、リコーターユニット３の両側にラインヘッドユニット２ａ，２ｂを設けなければならず、造形ユニットの費用が大幅に増加することになり、さらに、その造形ユニットを適用した三次元積層造形装置も高価格になってしまう。

以下、本発明に係る造形ユニットおよび三次元積層造形装置の実施例を、添付図面を参照して詳述する。

本発明は、例えば、粉末インクジェットによる三次元積層造形装置に適用することができるが、これに限定されず、ライン全体で同時に粉末をコーティングするリコーターユニット、および、コーティングされた粉末面に対してライン全体で同時に結合剤を塗布するラインヘッドユニットを使用する三次元積層造形装置に対して幅広く適用することができる。

また、本発明の造形ユニットは、一層分の粉末をライン全体で同時にコーティングするリコーターユニットと、コーティングされた粉末層に対してライン全体で同時に結合剤を塗布するラインヘッドユニットと、粉末層に対してリコーターユニットおよびラインヘッドユニットを一体的に往復移動させる移動機構と、リコーターユニットおよびラインヘッドユニットが往復移動するとき、リコーターユニットおよびラインヘッドユニットが往路および復路の両方で同じ順序となるように、リコーターユニットおよびラインヘッドユニットを入れ替えるヘッド入れ替え機構と、を含む。

なお、本発明の三次元積層造形装置において、使用する粉末としては、例えば、砂，金属粉末，石膏，澱粉，人工骨，プラスチック粉末など様々なものが含まれる。また、造形物(モデル)としても様々なものがあり得るが、例えば、粉末として砂を使用し、造形物として鋳型を造型することもできるのはいうまでもない。

図３は、造形ユニットの第１実施例を説明するための図であり、図３(a)〜図３(d)は、時間の流れに従ったリコーターユニット３およびラインヘッドインクジェットユニット(ラインヘッドユニット)２の位置を示すものである。

なお、図３(b)および図３(d)において、参照符号ＳＡは、リコーターユニット３およびラインヘッドユニット２が一体的に移動して造形物を形成する造形処理領域を示し、実際の三次元積層造形装置では、この造形処理領域ＳＡが、例えば、レール２１，２１の殆どの領域を占めることになる。

リコーターユニット３は、例えば、Ｘ軸方向の両端(リコーターユニット３の両端に対応する位置に設けられたリコーターユニット用レール(移動機構：第１レール)３１，３１に沿って移動し、造形テーブル(１４１)上に一層分の粉末(３０)をライン全体で同時にコーティングする。これにより、リコーターユニット３をＹ軸方向へ移動するだけで一層分の粉末のコーティングを行うことができる。

ラインヘッドユニット(インクジェットヘッド)２は、例えば、Ｘ軸方向の両端に設けられたレール(移動機構：第２レール)２１，２１に沿って移動し、ビットマップ化されたデータに基づいて結合剤(２０)をコーティングされた粉末層に対してライン全体で同時に塗布する。これにより、ラインヘッドユニット２をＹ軸方向へ移動するだけで一層分の造形(結合剤の塗布)を行うことができる。

ここで、リコーターユニット３を移動するためのリコーターユニット用レール３１，３１の両端には、移動方向に関わらず、常に、リコーターユニット３がラインヘッドユニット２の前方位置となるようにして造形処理が行われるように、ヘッドの入れ替えを行うヘッド入れ替え機構が設けられている。

すなわち、リコーターユニット用レール３１，３１の両端には、ラインヘッドユニット用レール２１，２１の上方に位置する退避領域３１ａ，３１ａ，３１ｂ，３１ｂが設けられ、リコーターユニット３を退避領域３１ａ，３１ａおよび３１ｂ，３１ｂに退避させることでリコーターユニット３とラインヘッドユニット２の入れ替えを行い、常に、リコーターユニット３がラインヘッドユニット２の前方位置となるように制御される。

例えば、図３(b)に示されるように、リコーターユニット３がラインヘッドユニット２の前方位置となるようにしてＤＲ方向(図中、左から右方向)へ一体的に移動して造形処理を行う。そして、図３(c)に示されるように、ラインヘッドユニット２がラインヘッドユニット用レール２１，２１の右端に接近すると、リコーターユニット３は、リコーターユニット用レール３１，３１から右端に設けられた退避領域３１ｂ，３１ｂに沿ってラインヘッドユニット２の上方位置に移動する。

次に、移動方向が反転されてＤＬ方向(図中、右から左方向)へ移動するが、このとき、最初に、リコーターユニット３が退避領域３１ｂ，３１ｂからラインヘッドユニット２の前方位置となるように移動する。すなわち、図３(d)に示されるように、ラインヘッドユニット２がリコーターユニット３の後方位置となるように(リコーターユニット３がラインヘッドユニット２の前方位置となるように)してＤＬ方向へ一体的に移動して造形処理を行う。

そして、図３(a)に示されるように、ラインヘッドユニット２がラインヘッドユニット用レール２１，２１の左端に接近すると、リコーターユニット３は、リコーターユニット用レール３１，３１から左端に設けられた退避領域３１ａ，３１ａに沿ってラインヘッドユニット２の上方位置に移動する。

再び、移動方向が反転され、リコーターユニット３およびラインヘッドユニット２は、リコーターユニット３が前方位置となるようにしてＤＬ方向へ一体的に移動して造形処理を行うことになる(図３(b)参照)。以上の処理を繰り返すことで、１つのリコーターユニット３および１つのラインヘッドユニット２により、往復の造形処理を実現することが可能となる。

上述した第１実施例において、ラインヘッドユニット２は、結合剤を塗布して造形処理を行うため正確な位置制御が必要とされるので、常に同一平面上を移動するように構成されている。すなわち、ラインヘッドユニット２は、直線状のラインヘッドユニット用レール２１，２１に沿って移動するようになっている。

これに対して、リコーターユニット３は、粉末を平面的に均一にコーティングするだけでよく、ラインヘッドユニット２における正確な位置制御による結合剤の塗布といった要求がないため、レールに退避領域を設けて三次元的な移動を行わせるのは、リコーターユニット３の方が好ましい。ここで、ラインヘッドユニット２を正確な位置制御を行って移動させるラインヘッドユニット用レール２１，２１として、例えば、タイミングベルトやボールねじ等を適用するのが好ましい。

造形処理領域ＳＡにおいて、リコーターユニット３およびラインヘッドユニット２を一体的に移動させるには、リコーターユニット用レール３１に対してリコーターユニット３を移動させる機構を設けると共に、ラインヘッドユニット用レール２１に対してラインヘッドユニット２を移動させる機構を設けてもよいが、どちらか一方のレール(例えば、ラインヘッドユニット用レール２１)に対してのみ移動機構を設け、他方のレールの移動機構を省略することもできる。

すなわち、例えば、リコーターユニット用レール３１に対して、リコーターユニット３およびラインヘッドユニット２を一体的に移動させる機構を設けることができ、或いは、ラインヘッドユニット用レール２１に対して、リコーターユニット３およびラインヘッドユニット２を一体的に移動させる機構を設けることもできる。

また、図３(a)〜図３(d)では、リコーターユニット用レール３１，３１がラインヘッドユニット用レール２１，２１の外側に来るように、すなわち、リコーターユニット用レール３１，３１の幅(間隙)がラインヘッドユニット用レール２１，２１のものよりも広くなっているが、これは、必要に応じて適宜変更することができる。

さらに、ラインヘッドユニット用レール２１およびリコーターユニット用レール３１(退避領域３１ａ，３１ｂ)における駆動機構としては、タイミングベルトやボールねじの適用に限定されるものではなく、単なるワイヤを使用し、或いは、リコーターユニット３およびラインヘッドユニット２に対してモータを直接取り付けると共に、移動距離を計測するためのセンサを設けるといった、知られている様々な技術を適用することができる。

また、リコーターユニット３およびラインヘッドユニット２を一体的にして移動させる構造、或いは、退避領域３１ａ，３１ｂにおいて、リコーターユニット３およびラインヘッドユニット２を切り離して移動させる構造等に関しても、知られている様々な技術を適用することができるのは言うまでもない。

以上のように、第１実施例の造形ユニットによれば、リコーターユニット３およびラインヘッドユニット２は、移動方向に関わらず、常に、リコーターユニット３がラインヘッドユニット２の前方位置となるように、ヘッドの入れ替えを行うことができる。

図４は、図３に示す造形ユニットの変形例を説明するための図であり、図４(a)〜図４(d)は、上述した図３(a)〜図３(d)に対応している。図４(a)〜図４(d)と図３(a)〜図３(d)の比較から明らかなように、変形例の造形ユニットでは、リコーターユニット３に対して、図１を参照して説明した粉末供給ホッパーユニット１０６からの粉末が、粉末供給ホース１６０を介して常時供給されるようになっている。

ここで、実際の三次元積層造形装置において、粉末供給ホッパーユニット１０６からリコーターユニット３へ粉末を供給する粉末供給ホース１６０としては、例えば、空気圧や振動等を利用して適切な量の粉末を常に供給できるように構成することができる。

また、粉末供給ホッパーユニット１０６からリコーターユニット３に対する粉末の供給は、必ずしも常時供給されている必要はなく、例えば、粉末を供給する装置を、退避領域３１ａ，３１ｂの位置に設け、リコーターユニット３による一層分のコーティングが終わると、纏めて粉末を供給するようにしてもよい。なお、他の構成は、図３(a)〜図３(d)を参照して詳述したのと同様であり、その説明は省略する。

図５は、造形ユニットの第２実施例を説明するための図であり、図５(a)〜図５(d)も、上述した図３(a)〜図３(d)に対応している。図５(a)〜図５(d)と図３(a)〜図３(d)の比較から明らかなように、第２実施例の造形ユニットでは、リコーターユニット３およびラインヘッドユニット２の入れ替え処理を行うためにリコーターユニット用レール３１，３１の両端に設けた退避領域３１ｃ，３１ｃ，３１ｄ，３１ｄ(ヘッド入れ替え機構)が、ラインヘッドユニット用レール２１，２１の下方に位置するようになっている。

なお、第２実施例の造形ユニットにおいても、ラインヘッドユニット２は、結合剤を塗布して造形処理を行うため正確な位置制御が必要とされるので、直線状のラインヘッドユニット用レール２１，２１に沿って移動するようになっている。

これに対して、リコーターユニット３は、粉末を平面的に均一にコーティングするだけでよいため、リコーターユニット用レール３１，３１の両端には、リコーターユニット３を、ラインヘッドユニット用レール２１，２１の下方に移動させるための退避領域３１ｃ，３１ｃ，３１ｄ，３１ｄが設けられている。

ここで、第２実施例の造形ユニットでは、ラインヘッドユニット用レール２１，２１がリコーターユニット用レール３１，３１の外側に来るようになっているが、すなわち、ラインヘッドユニット用レール２１，２１の幅(間隙)がリコーターユニット用レール３１，３１のものよりも広くなっているが、これは、必要に応じて適宜変更することができるのは前述した通りである。なお、他の構成は、図３(a)〜図３(d)を参照して詳述したのと同様であり、その説明は省略する。

図６は、造形ユニットの第３実施例を説明するための図であり、図６(a)〜図６(d)は、上述した図３(a)〜図３(d)に対応している。図６(a)〜図６(d)と図３(a)〜図３(d)の比較から明らかなように、第３実施例の造形ユニットでは、図６(b)および図６(d)に示す造形処理領域ＳＡで一体的に移動するリコーターユニット３およびラインヘッドユニット２の移動方向が、図３(b)および図３(d)とは逆向きになっている。

すなわち、上述した第１実施例(変形例)および第２実施例の造形ユニットでは、リコーターユニット３およびラインヘッドユニット２が往復移動するとき、移動方向に対して、常にリコーターユニット３がラインヘッドユニット２の前方に位置するようにヘッドの入れ替え制御を行う。これは、ラインヘッドユニット２が、リコーターユニット３およびラインヘッドユニット２が同じ方向へ移動している間に、前方に位置するリコーターユニット３によりコーティングされた粉末層に対して結合剤の塗布を行う場合を想定しているからである。

これに対して、第３実施例の造形ユニットでは、例えば、図６(b)に示されるように、リコーターユニット３およびラインヘッドユニット２がＤＬ方向(第１方向)へ移動しているとき、その直前の、リコーターユニット３およびラインヘッドユニット２がＤＲ方向(第２方向：図６(d)参照)へ移動しているときにリコーターユニット３によりコーティングされた粉末層に対して結合剤の塗布を行う場合を想定している。

従って、第３実施例の造形ユニットでは、リコーターユニット３およびラインヘッドユニット２が往復移動するとき、移動方向に対して、常にリコーターユニット３がラインヘッドユニット２の後方に(常にラインヘッドユニット２がリコーターユニット３の前方に)位置するようにヘッドの入れ替え制御を行うようになっている。

例えば、図６(b)に示されるように、ラインヘッドユニット２がリコーターユニット３の前方位置となるようにしてＤＬ方向(図中、右から左方向)へ一体的に移動して造形処理を行うとき、ラインヘッドユニット２は、その直前に、例えば、図６(d)に示されるように、ラインヘッドユニット２がリコーターユニット３の前方位置となるようにしてＤＲ方向(図中、左から右方向)へ一体的に移動したときにリコーターユニット３がコーティングした粉末層に対して、結合剤を塗布して造形処理を行う。

そして、図６(b)に示されるように、ラインヘッドユニット２の後方位置にあるリコーターユニット３は、前方位置のラインヘッドユニット２により造形処理が行われた粉末層の上に一層分の粉末をコーティングする。このＤＬ方向へ移動したときにリコーターユニット３によりコーティングされた粉末層に対しては、次のＤＲ方向へ移動するラインヘッドユニット２による結合剤、すなわち、次にラインヘッドユニット２がリコーターユニット３の前方位置となるようにしてＤＲ方向へ一体的に移動するときのラインヘッドユニット２による結合剤が塗布されて造形処理が行われる(図６(d)参照)。そして、ラインヘッドユニット２による結合剤が塗布された粉末層は、直ちに、ラインヘッドユニット２の後方位置のリコーターユニット３により、その上方に新たな粉末層がコーティングされる。

ここで、本実施形態の三次元積層造形装置は、例えば、上述した図３(a)〜図３(d)を参照して説明した処理と、図６(a)〜図６(d)を参照して説明した処理をソフト的に切り替えることができる。

すなわち、本実施形態の三次元積層造形装置は、例えば、移動方向に従って活性化する(動作させる)ラインヘッドユニット２およびリコーターユニット３の切り替えを制御することにより、図３(a)〜図３(d)の処理と、図６(a)〜図６(d)の処理を切り替えることができる。

また、図３(a)〜図３(d)の処理と、図６(a)〜図６(d)の処理の切り替えは、例えば、リコーターユニット３が使用する粉末の種類や粒径、または、コーティングされる粉末層の厚さ、或いは、粉末に添加する添加材の種類、若しくは、ラインヘッドインクジェットユニットが使用する結合剤の種類や吐出量の組み合さ等に従って適切なものが選択される。

具体的に、リコーターユニットが使用する粉末としては、例えば、ポリスチレン樹脂、ナイロン(ポリアミド)樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル(ＰＭＭＡ：ポリメタクリル酸メチル)樹脂、ＰＥＥＫ(ポリエーテルエーテルケトン)樹脂、ガラスフィラーの入った有機樹脂、カーボンファイバーの入った有機樹脂、微粒状ワックス、鋳物砂、珪酸アルミニウム、石膏、澱粉、石英、Ｔｉ₆Ａｌ₄Ｖ、ＡｌＳｉ₁₂、ＡｌＳｉ₁₀Ｍｇ、コバルトクロム合金、ニッケル合金、ステンレス合金、鉄、鋼等が挙げられる。

また、粉末の粒径は、リコーターユニットによりコーティングされる粉末層の厚(例えば、０．０１〜０．５ｍｍ程度)より小さければ制限はないが、例えば、１μｍ〜３００μｍ程度である。

さらに、結合剤(バインダー)は、粉体材料の種類に応じて自由に変えることが可能であるが、例えば、粉体材料が石膏や澱粉の場合には水を主にした液体を用いることができ、また、通常のインクジェットプリンタで使われる種々の結合剤を使うこともできる。この時、染料や顔料を使用して結合剤を染色することもできる。

また、結合剤としては、例えば、有機エステル、フルフリルアルコール、ポリイソシアネート、或いは、ポリイソシアネートと３級アミン類とを混ぜたもの等が挙げられる。また、フルフリルアルコールとホルムアルデヒドとを混ぜたもの、場合によってはこれらのフルフリルアルコールとホルムアルデヒドとに尿素を混ぜたものを用いることもできる。なお、結合剤の吐出量は、その結合剤の種類や、１回の吐出でどの程度の大きさの粉末を固めるかによって異なるが、例えば、１ｐｌ〜２００ｐｌとすることができる。

そして、添加剤としては、結合剤の種類によって様々なものが選択されるが、例えば、添加剤が有機エステルであれば、珪酸ソーダやアルカリフェノールを用いることでき、また、バインダー液がフルフリルアルコールであれば、リン酸、硫酸、パラトルエンスルホン酸、キシレンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸等の酸を触媒としたものを用いることができ、場合によっては、これらの酸に加えてフェノール樹脂を添加することもできる。

さらに、結合剤がフルフリルアルコールとホルムアルデヒドを混ぜたものであれば、尿素や酸を触媒とした添加剤を使用することもでき、結合剤がポリイソシアネートであれば、アルキド樹脂と金属石鹸とを混ぜたものやアミンポリオール樹脂と金属石鹸を混ぜた添加剤を使用することもできる。また、結合剤が、ポリイソシアネートと３級アミン類とを混ぜたものであれば、添加剤として、ベンジリックエーテル型フェノール樹脂を用いることができる。

なお、図６に示す第３実施例の造形ユニットにおいても、前述した図４に示す変形例と同様に、リコーターユニット３に対して、粉末供給ホッパーユニット１０６からの粉末を、粉末供給ホース１６０を介して常時供給し、或いは、粉末供給装置を退避領域３１ａ，３１ｂの位置に設け、一層分のコーティングが終わると纏めて粉末を供給するようにしてもよい。

さらに、図６に示す第３実施例の造形ユニットにおいても、前述した図５に示す第２実施例と同様に、リコーターユニット用レール３１，３１の両端に設ける退避領域を、ラインヘッドユニット用レール２１，２１の下方に移動させるように構成してもよいのはいうまでもない。

図７は、本実施形態の造形ユニットの一例を説明するための図であり、図３(a)〜図３(d)を参照して説明した第１実施例の造形ユニットの構成例を説明するためのものである。ここで、図７(a)および図７(b)は、図３(d)におけるラインヘッドユニット(ラインヘッドユニット)２およびリコーターユニット３を分けて描いたものに相当し、また、図７(c)および図７(d)は、図３(a)におけるラインヘッドユニット２およびリコーターユニット３を分けて描いたものに相当する。

すなわち、図７(a)および図７(b)に示されるように、ラインヘッドユニット２は、ベルト取付け部２２，ベルト２３および駆動部２４により駆動制御され、また、リコーターユニット３は、ベルト取付け部３２，ベルト３３および駆動部３４により駆動制御され、例えば、リコーターユニット３がラインヘッドユニット２の前方位置になるようにして、ＤＬ方向(図中、右から左方向)へ移動するようになっている。

ここで、ラインヘッドユニット２は、例えば、ステップモータにより回転制御される駆動部２４に従って、ベルト２３の所定個所に設けられたベルト取付け部２２によりラインヘッドユニット用レール２１上をＤＬ方向へ移動すると共に、結合剤(２０)の塗布を行う。

また、リコーターユニット３は、例えば、ステップモータにより回転制御される駆動部３４に従って、ベルト３３の所定個所に設けられたベルト取付け部３２によりリコーターユニット用レール３１(３１ａ，３１ｂ)上をＤＬ方向へ移動すると共に、粉末(３０)のコーティングを行う。

なお、図７(b)および図７(d)に示されるように、リコーターユニット３には、例えば、水平方向に移動するベルト取付け部３２に対して、リコーターユニット３が垂直方向に変化する退避領域３１ａ，３１ｂを有するリコーターユニット用レール３１上を滑らかに移動できるように、スライド部３５，３５が設けられている。

さらに、図７(c)および図７(d)に示されるように、ラインヘッドユニット２は、直線状のラインヘッドユニット用レール２１に従って左端の位置まで移動すると、リコーターユニット３は、ラインヘッドユニット用レール２１の上方に位置する退避領域３１ａに従って移動する。

そして、リコーターユニット３がラインヘッドユニット２の前方位置となるように、リコーターユニット３が左から右方向へ移動し、その後、ラインヘッドユニット２が右方向へ移動する。このようにして、前述した図３(a)〜図３(d)の動作が実現される。

図８は、本実施形態の造形ユニットの他の例を説明するための図であり、図８(a)〜図８(d)は、ラインヘッドユニット２に対してのみ駆動機構を設け、リコーターユニット３はラインヘッドユニット２に従って移動するようになっている。なお、図８(e)は、図８(a)〜図８(d)に示す造形ユニットを、図５を参照して説明した第２実施例に適用した場合を示すものである。

まず、図８(a)に示されるように、ラインヘッドユニット２は、例えば、ステップモータにより回転制御される駆動部２４に従って、ベルト２３の所定個所に設けられたベルト取付け部２２によりラインヘッドユニット用レール２１上をＤＬ方向へ移動すると共に、結合剤(２０)の塗布を行う。

リコーターユニット３は、連結部材２５を介してラインヘッドユニット２に連結され、ラインヘッドユニット２の移動に伴って、その前方位置において、リコーターユニット用レール３１上をＤＬ方向へ移動すると共に、粉末のコーティングを行う。

すなわち、リコーターユニット３およびラインヘッドユニット２は、一体的にＤＬ方向へ移動しつつ、前方位置のリコーターユニット３が粉末のコーティングを行うと共に、後方位置のラインヘッドユニット２が結合剤の塗布を行うことになる。

次に、図８(b)に示されるように、ラインヘッドユニット２が左端へ近づくと、リコーターユニット３は、例えば、ラインヘッドユニット用レール２１の上方になるように曲げられたリコーターユニット用レール３１の退避領域３１ａに沿って移動する。

そして、図８(c)に示されるように、ラインヘッドユニット２がさらに左端へ近づくと、リコーターユニット３は、ラインヘッドユニット２の真上に移動する。さらに、図８(d)に示されるように、ラインヘッドユニット２が左端へ来ると、リコーターユニット３は、連結部材２５により、ラインヘッドユニット２の右側の位置になるように移動する。

この図８(d)の状態から、ラインヘッドユニット２の移動方向をＤＬ方向から逆のＤＲ方向へ変化させると、リコーターユニット３がラインヘッドユニット２の前方位置に来ることになる。

すなわち、リコーターユニット３およびラインヘッドユニット２は、一体的にＤＲ方向へ移動しつつ、前方位置のリコーターユニット３が粉末のコーティングを行うと共に、後方位置のラインヘッドユニット２が結合剤の塗布を行うことになる。

ここで、図８(a)と図８(e)の比較から明らかなように、リコーターユニット３は、ラインヘッドユニット用レール２１の上方に位置するコーターユニット用レール３１の退避領域３１ａに沿って移動せずに、下方に設けた退避領域３１ｃに沿って移動するようにしてもよい。すなわち、図８(a)〜図８(d)に示す造形ユニットは、例えば、図５を参照して説明した第２実施例に対しても、そのまま適用することができる。

なお、図７(a)〜図７(d)および図８(a)〜図８(e)を参照して説明した造形ユニットは、単なる例であり、様々な構成とすることができるのはいうまでもない。

また、本発明は、粉末インクジェットによる三次元積層造形装置を始めとして、ライン全体で同時に粉末をコーティングするリコーターユニット、および、コーティングされた粉末面に対してライン全体で同時に結合剤を塗布するラインヘッドユニットを使用する三次元積層造形装置に対して幅広く適用することができる。

以上、実施形態を説明したが、ここに記載したすべての例や条件は、発明および技術に適用する発明の概念の理解を助ける目的で記載されたものであり、特に記載された例や条件は発明の範囲を制限することを意図するものではない。また、明細書のそのような記載は、発明の利点および欠点を示すものでもない。発明の実施形態を詳細に記載したが、各種の変更、置き換え、変形が発明の精神および範囲を逸脱することなく行えることが理解されるべきである。

２，１０２ ラインヘッドユニット(ラインヘッドユニット)
３，１０３ リコーターユニット
２０，２０ａ，２０ｂ 結合剤(バインダー)
２１ ラインヘッドユニット用レール(移動機構：第２レール)
２２，３２ ベルト取付け部
２３，３３ ベルト
２４，３４ 駆動部
２５ 連結部材
３０ 粉末
３１ リコーターユニット用レール(移動機構：第１レール)
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ 退避領域(ヘッド入れ替え機構)
１００ 三次元積層造形装置
１０１ 制御用コンピュータ
１０４ 造形タンク
１０５ 昇降装置
１０６ 粉末供給ホッパーユニット
１０７ クリーニングユニット
１０８ 薬品ユニット
１２１ ラインヘッドユニット用レール
１３１ リコーターユニット用レール
１４１ 造形テーブル
１６０ 粉末供給ホース

Claims (14)

1. 一層分の粉末をライン全体で同時にコーティングするリコーターユニットと、
   前記コーティングされた粉末層に対してライン全体で同時に結合剤を塗布するラインヘッドユニットと、
   前記粉末層に対して、前記リコーターユニットおよび前記ラインヘッドユニットを、一体的に往復移動させる移動機構と、
   前記リコーターユニットおよび前記ラインヘッドユニットが往復移動するとき、前記リコーターユニットおよび前記ラインヘッドユニットが往路および復路の両方で同じ順序となるように、前記リコーターユニットおよび前記ラインヘッドユニットを入れ替えるヘッド入れ替え機構と、を有する、
   ことを特徴とする造形ユニット。
2. 前記ヘッド入れ替え機構は、
   前記リコーターユニットおよび前記ラインヘッドユニットが往復移動する経路の両端に設けられている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の造形ユニット。
3. 前記移動機構は、
   前記リコーターユニットを移動させる第１レールと、
   前記ラインヘッドユニットを移動させる第２レールと、を含み、
   前記第１レールの両端には、それぞれ前記第２レールに対して上方に位置する退避領域が設けられている、
   ことを特徴とする請求項２に記載の造形ユニット。
4. 前記リコーターユニットには、
   粉末供給ホッパーから、コーティングする前記粉末を常時供給するための粉末供給機構が取り付けられている、
   ことを特徴とする請求項３に記載の造形ユニット。
5. 前記移動機構は、
   前記リコーターユニットを移動させる第１レールと、
   前記ラインヘッドユニットを移動させる第２レールと、を含み、
   前記第１レールの両端には、それぞれ前記第２レールに対して下方に位置する退避領域が設けられている、
   ことを特徴とする請求項２に記載の造形ユニット。
6. 前記ヘッド入れ替え機構は、
   前記リコーターユニットおよび前記ラインヘッドユニットが往復移動するとき、移動方向に対して、常に前記リコーターユニットが前記ラインヘッドユニットの前方に位置するように、前記リコーターユニットおよび前記ラインヘッドユニットの入れ替えを行う、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の造形ユニット。
7. 前記ラインヘッドユニットは、
   前記リコーターユニットおよび前記ラインヘッドユニットが同じ方向へ移動している間に、前方に位置する前記リコーターユニットによりコーティングされた粉末層に対して結合剤の塗布を行う、
   ことを特徴とする請求項６に記載の造形ユニット。
8. 前記ヘッド入れ替え機構は、
   前記リコーターユニットおよび前記ラインヘッドユニットが往復移動するとき、移動方向に対して、常に前記リコーターユニットが前記ラインヘッドユニットの後方に位置するように、前記リコーターユニットおよび前記ラインヘッドユニットの入れ替えを行う、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の造形ユニット。
9. 前記ラインヘッドユニットは、
   前記リコーターユニットおよび前記ラインヘッドユニットが第１方向へ移動しているとき、その直前の、前記リコーターユニットおよび前記ラインヘッドユニットが前記第１方向とは逆の第２方向へ移動しているときに前記リコーターユニットによりコーティングされた粉末層に対して結合剤の塗布を行う、
   ことを特徴とする請求項８に記載の造形ユニット。
10. 請求項６または請求項７に記載の第１処理と、
    請求項８または請求項９に記載の第２処理と、を切り替えて行う、
    ことを特徴とする造形ユニット。
11. 前記第１レールには、
    前記リコーターユニットおよび前記ラインヘッドユニットを一体的に移動させる駆動機構が設けられている、
    ことを特徴とする請求項３乃至請求項１０のいずれか１項に記載の造形ユニット。
12. 前記第２レールには、
    前記リコーターユニットおよび前記ラインヘッドユニットを一体的に移動させる駆動機構が設けられている、
    ことを特徴とする請求項３乃至請求項１０のいずれか１項に記載の造形ユニット。
13. 造形ユニットと、前記造形ユニットにより造形処理された前記粉末の各層を積層する造形テーブルと、を含む三次元積層造形装置であって、
    前記造形ユニットは、
    一層分の粉末をライン全体で同時にコーティングするリコーターユニットと、
    前記コーティングされた粉末層に対してライン全体で同時に結合剤を塗布するラインヘッドユニットと、
    前記粉末層に対して、前記リコーターユニットおよび前記ラインヘッドユニットを、一体的に往復移動させる移動機構と、
    前記リコーターユニットおよび前記ラインヘッドユニットが往復移動するとき、前記リコーターユニットおよび前記ラインヘッドユニットが往路および復路の両方で同じ順序となるように、前記リコーターユニットおよび前記ラインヘッドユニットを入れ替えるヘッド入れ替え機構と、を有する、
    ことを特徴とする三次元積層造形装置。
14. 前記三次元積層造形装置は、粉末焼結，粉末溶融および粉末インクジェットを含む粉末造形法を適用した三次元積層造形装置である、
    ことを特徴とする請求項１３に記載の三次元積層造形装置。

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