JP5347582B2 - ３次元造形装置 - Google Patents

Description

本発明は、断面画像データの積層により３次元形状を形成する３次元造形装置、その制御装置、制御方法、及びその３次元造形装置により造られた造形物に関する。

従来から、この種の３次元造形装置は、ラピッドプロトタイピングと呼ばれる装置として知られており、業務用として広く使われている。３次元造形装置の主な方式として、光造形方式、シート積層造形方式、そして、粉体造形方式がある。

光造形方式は、光硬化型の樹脂に高出力レーザを照射して、断面形状を形成し、その積層によって３次元形状を造るものである。シート積層造形方式は、薄厚シートを層状に切り抜き、接着して積層して、３次元形状を造るものである。粉体造形方式は、粉体材料を層状に敷き詰めて、断面形状を作り、それを積層して３次元形状を造るものである。

粉体造形方式は、更に、粉体を溶融または焼結するものと、接着剤を使って粉体を固化させるものに大分される。後者は、石膏を主成分とする粉末に、印刷機等に用いられるインクジェットのヘッドを用いて、接着剤を吐出して固化させ、断面層を形成し、それを積層することによって３次元形状を造るものである。

インクジェットヘッドを利用した粉体造形方式では、インクジェットプリンタのヘッドが、石膏の粉体が敷き詰められたシート上であたかも印刷をするように移動しながら、粉体を結合させる結合剤溶液を吐出する。粉体造形方式では、光硬化方式のように高出力レーザが用いられないため、装置の取り扱いが簡単である。また、光硬化樹脂が用いられないので、環境に対する負荷は相対的に小さく、樹脂の管理などが面倒なことが少ない。

このような粉体造形方式を採用した装置が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１では、その図２に示されるように、粉体を吐出するヘッド（４１）（粉体分散ヘッド（１３））が、粉体が収容される領域（４２）上を移動しながら粉体を供給する。そして、粉体粒子同士を結合させるための結合剤材料を吐出するヘッド（４３）（インクジェット印刷ヘッド（１５））が、その領域（４２）上を移動しながら、結合剤材料を粉体に選択的に吐出することで、結合剤層が形成される（特許文献１の明細書のページ７に記載。）。また、この装置は、その図７に示されるように、供給された粉体の表面をレベリングするための水平ローラ（１０１）も走行する構造になっている。

特表平０７−５０７５０８号公報

このように、ヘッド（４１）、（４３）及び水平ローラ（１０１）の少なくとも３つの部材が領域（４２）上を移動するので、それらを移動させるための機構がそれぞれ必要になり、その構造が複雑になる。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、装置の小型化を実現しつつ、粉体及び液剤等の供給をシンプルな機構により実現することができる３次元造形装置、及びこれにより得られた造形物を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る３次元造形装置は、ステージと、供給機構と、ヘッドと、移動機構と、昇降機構とを具備する。
前記ステージには、粉体材料が堆積される。
前記供給機構は、前記ステージ上に所定の層厚ごとに前記粉体材料を供給する。
前記ヘッドは、造形物を形成するための、前記粉体材料を結合させることが可能な液剤を、前記ステージ上の前記粉体材料に吐出する。
前記移動機構は、前記ヘッドから前記層厚分の前記粉体材料に前記液剤が供給されるように、前記ステージを移動させる。
前記昇降機構は、前記所定の層厚ごとに前記ステージを下降させる。

本発明では、ステージが移動機構により移動するので、供給機構及びヘッドのうち少なくとも一方が、ステージの移動方向に平行な方向で移動しなくても、粉体材料の供給または液剤の吐出を行うことができる。つまり、粉体及び液剤の供給のうち少なくとも一方を移動機構によるステージの移動だけで行うことができ、移動系の構造がシンプルとなる。

移動系とは、粉体材料の所定の層厚分の造形物を形成するために必要な、各部材を移動させるための機構である。

前記供給機構は、供給ボックスと、堆積面と、落下機構とを有してもよい。
前記供給ボックスは、前記粉体材料を貯留することが可能であり、前記移動機構による前記ステージの移動経路上にある前記ステージの上方側に配置されている。
前記堆積面は、前記供給ボックス内で傾斜するように配置され、前記粉体材料が堆積される。
前記落下機構は、前記移動機構により前記ステージが移動しているときに、前記堆積面に堆積された前記粉体材料を、前記粉体材料の自重を利用して前記ステージ上に落下させる。

ステージが移動機構により移動しているときに、堆積面から粉体材料が少なくともその自重を利用してステージ上に供給されるので、粉体材料をステージ上に１層分積層させるための移動を、前記供給機構に行わせなくてもよい。つまり、供給機構は３次元造形装置に固定とすることができ、移動系の構造がシンプルとなる。

前記落下機構は、例えば、前記堆積面の下端部に配置された供給ローラであってもよい。

前記供給機構は、前記ステージ上に落下した前記粉体材料をならすならしローラを有してもよい。

これにより、粉体材料の層厚を均一にすることができる。

前記供給機構は、前記堆積面の下端部に配置された、前記落下機構としての供給ローラと、前記ステージ上に落下した前記粉体材料をならすならしローラと、前記供給ローラ及び前記ならしローラを駆動する１つの駆動源とを有してもよい。

１つの駆動源により供給ローラ及びならしローラが駆動されるので、３次元造形装置の小型化を実現することができる。

前記３次元造形装置は、前記移動機構により前記ステージが移動するときの前記ステージの動力を利用して、前記供給ローラを回転駆動する動力伝達機構をさらに具備してもよい。

このような構成によれば、ステージを駆動する１つの駆動源により、供給ローラを回転させることができ、３次元造形装置の小型化を実現することができる。

前記３次元造形装置は、前記移動機構により前記ステージが移動するときの前記ステージの動力を利用して、前記ならしローラを回転駆動する動力伝達機構をさらに具備してもよい。

このような構成によれば、ステージを駆動する１つの駆動源により、ならしローラを回転させることができ、３次元造形装置の小型化を実現することができる。

前記３次元造形装置は、前記液剤が供給された前記ステージ上の粉体材料を加熱するヒータをさらに具備してもよい。

例えば、ヘッドから吐出される液剤による粉体粒子同士の結合力が不十分で、造形物の硬度が足りない場合、ヒータの加熱により所望の硬度を得ることができる。

前記ヒータは、例えば、加熱のためにレーザ光を照射してもよい。

前記ヘッドは、前記移動機構による前記ステージの移動経路上にある前記ステージの上方側に固定された、前記ステージの移動方向に直交する方向に長いライン型ヘッドであってもよい。

前記粉体材料は、塩化ナトリウムを主成分として含むものであってもよい。

本発明に係る造形物は、ステージと、供給機構と、ヘッドと、移動機構と、昇降機構とを具備する３次元造形装置により得られたものである。
前記ステージには、粉体材料が堆積される。
前記供給機構は、前記ステージ上に所定の層厚ごとに前記粉体材料を供給する。
前記ヘッドは、造形物を形成するための、前記粉体材料を結合させることが可能な液剤を、前記ステージ上の前記粉体材料に吐出する。
前記移動機構は、前記ヘッドから前記層厚分の前記粉体材料に前記液剤が供給されるように、前記ステージを移動させる。

以上、本発明によれば、粉体及び液剤等の供給をシンプルな機構により実現することができる。

本発明の第１の実施形態に係る３次元造形装置を示す図である。 ３次元造形装置の側面から見た斜視図である。 図１におけるＹ方向に平行な面で３次元造形装置のほぼ中央を切断したときの、３次元造形装置の内部構造を示す斜視図である。 図３を正面から見た図（断面図）である。 図１においてすべてのカバーが取り外された状態の３次元造形装置を示す斜視図である。 図５においてトッププレートが取り外された３次元造形装置を示す斜視図である。 図６に示す３次元造形装置の平面図である。 主に３次元造形装置の制御系を示すブロック図である。 ３次元造形装置の動作を示すフローチャートである。 その動作を模式的に示す３次元造形装置の図である。 本実施形態に係る３次元造形装置で造られた４つの造形物の色の実測値の例を示す表である。 本発明の第２の実施形態に係る３次元造形装置の一部を示す斜視図である。 ヒータコントローラによる、上記赤外線レーザを利用したヒータの運転の例を示すグラフである。 本発明の第３の実施形態に係る３次元造形装置の一部を示す斜視図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

[第１の実施形態]
（３次元造形装置の構成）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る３次元造形装置を示す図である。

３次元造形装置１００は、いくつかのカバーで構成されるほぼ直方体形状でなる筐体を備えている。筐体の上部はトップカバー１、トップカバー１を両側から挟むように右カバー及び左カバーにより構成される。また、正面カバー４、両側面カバー５及び図１では現れない背面カバーが設けられている。トップカバー１には取っ手１ａが取り付けられ、トップカバー１を右カバー２及び左カバー３に対して取り外しが可能となっている。

図２（Ａ）及び（Ｂ）は、３次元造形装置１００の側面から見た斜視図である。図２（Ｂ）に示すように、一方の側面カバー５には、形成された造形物を取り出すための取り出し口５ａが設けられ、取り出しカバー６がこの取り出し口５ａに開閉可能に設けられている。

図３は、例えば図１におけるＹ方向に平行な面で３次元造形装置１００のほぼ中央を切断したときの、３次元造形装置１００の内部構造を示す斜視図である。図４は、図３を正面から見た図（断面図）である。図５は、図１においてすべてのカバーが取り外された状態の３次元造形装置１００を示す斜視図である。

図５に示すように、３次元造形装置１００は、例えば４角にそれぞれ設けられた４つの支柱２８を備え、これらの支柱２８に、順に所定の間隔をおいて接続された、ベースプレート９、プリントベースプレート８及びトッププレート７を備えている。これら３つのプレートの間には、複数の柱部材２９が適宜設けられている。

図６は、図５においてトッププレート７が取り外された３次元造形装置１００を示す斜視図である。図７は、図６に示す３次元造形装置１００の平面図である。図４〜図７に示すように、プリントベースプレート８上には、供給ユニット１０、ヘッドユニット３０及びヒータ４０が、３次元造形装置１００の長手方向であるＹ方向に沿って順に配置されている。供給ユニット１０は、粉体材料（以下、単に粉体という。）を造形ユニット２０の造形ボックス２１に供給する。

粉体としては、水溶性の材料が用いられ、例えば、食塩、硫酸マグネシウム、塩化マグネシウム、塩化カリウム、塩化ナトリウムなどの無機物が用いられる。塩化ナトリウムとにがり成分（硫酸マグネシウム、塩化マグネシウム、塩化カリウムなど）が混合されたものが用いられてもよい。すなわち、これは塩化ナトリウムを主成分とするものである。あるいは、上記無機物を主成分とした、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリル酸アンモニウム、ポリアクリル酸ナトリウム、メタアクリル酸アンモニウム、メタアクリル酸ナトリウムや、その共重合体などの有機物を用いることもできる。ポリビニルピロリドン等は、水分が加えられ、加熱されることにより、良好な接着性を示す。粉体の平均粒子径は、典型的には１０μｍ以上１００μｍ以下である。食塩が用いられることにより、例えば金属またはプラスチック等の粉体材料を用いる場合に比べ、粉体材料の抽出や加工等に要するエネルギーが低いので環境に良い。また、食塩や上記ポリビニルピロリドン等の食用の材料が用いられることにより、この材料が廃棄されても環境に悪影響を及ぼさない。

トッププレート７には、作業者または作業用ロボットが供給ユニット１０に粉体を供給するための材料の開口７ａが設けられている。また、トッププレート７には、その開口７ａに隣接し、例えば作業者が、ヘッドユニット３０における後述するインクタンクユニット３３を出し入れするための出し入れ口７ｂが設けられている。

図６に示すように、プリントベースプレート８の、供給ユニット１０の下部に四角の穴８ａが形成されている。しかし、この穴８ａの形状や大きさは適宜設計することができる。例えば、後述するように粉体が造形ボックス２１内に落下することが可能であれば、穴８ａの形状は、Ｙ方向に直交するＸ方向に長いスリット状であってもよい。

図６及び図７に示すように、プリントベースプレート８の、ヒータ４０の下方側には、形成された造形物が取り出される取り出し口８ｃが設けられている。

プリントベースプレート８の下部であって、供給ユニット１０の下部には、粉体による造形物が形成される造形ユニット２０が配置されている。造形ユニット２０は、供給ユニット１０から供給された粉体を貯留する造形ボックス２１、この造形ボックス２１内に配置された、粉体が堆積される造形ステージ２２を有する。また、造形ユニット２０は、これら造形ボックス２１及び造形ステージ２２を支持し、造形ボックス２１内で造形ステージ２２を昇降させる昇降ユニット（昇降機構）２３を有する。

供給ユニット１０は、粉体を貯留することが可能な供給ボックス１１、供給ボックス１１内で傾斜して配置された堆積板１２、この堆積板１２の下端部に配置された供給ローラ１３を有する。供給ボックス１１の上部は、トッププレート７の開口７ａに面した開口部を有し、供給ボックス１１は、例えば立方体に近い形状を有している。堆積板１２は、例えば水平面（Ｘ−Ｙ平面）から４０〜５０度程度に傾斜し、かつ、粉体が堆積される面となる堆積面（上面）１２ａが、ヘッドユニット３０側に向くように、つまりＹ方向の正の方向に向くように配置されている。粉体は、堆積板１２に堆積されることで、供給ボックス１１内の三角柱状の領域に貯留される。

堆積板１２の傾きは、４０〜５０度に限られず、後述するように、粉体が堆積面１２ａに摩擦により貼りつかずに造形ユニット２０の造形ボックス２１に流れ落ちるような角度に設定されていればよい。すなわち、堆積板１２の傾きは、粉体の材料の種類、その形状、あるいは堆積面１２ａの材質等により適宜設定可能である。

供給ローラ１３は、Ｘ方向に沿った回転軸１３ａを有し、少なくとも造形ボックス２１内のＸ方向で造形物が形成される範囲で、そのＸ方向に長い形状となっている。ヘッドユニット３０側の供給ボックス１１の側壁１１ａは、その側壁１１ａの下端が供給ローラ１３の表面上に所定の隙間をあけて位置するように配置されている。供給ローラ１３が回転すると、供給ボックス１１内に貯留された粉体がこの所定の隙間を介して、上記造形ボックス２１に供給される。また、この隙間は、供給ローラ１３が回転しないで静止した状態では、堆積板１２上の粉体が造形ボックス２１内に落ちない程度のわずかな隙間とされる。

供給ユニット１０は、供給ボックス１１及びヘッドユニット３０の間であって、供給ローラ１３にＹ方向で並ぶように配置されたならしローラ１４を備えている。ならしローラ１４は、回転することで、造形ステージ２２に貯留された粉体の表面を平面状にならす。これら供給ボックス１１、堆積板１２、供給ローラ１３、ならしローラ１４等は供給機構として機能する。ならしローラ１４も供給ローラ１３と同様に、少なくとも造形ボックス２１内のＸ方向で造形物が形成される範囲で、そのＸ方向に長い形状となっている。

ベースプレート９上には、図３に示すように、この造形ユニット２０をＹ方向に移動させる移動機構２６が設けられている。造形ボックス２１の、ヘッドユニット３０側とは反対側には、余剰の粉体を回収する回収ボックス４５が配置され、回収ボックス４５はこの昇降ユニット２３上または造形ボックス２１の下部に取り付けられている。

昇降ユニット２３は、例えば図示しない、ラックアンドピニオン、ベルト駆動機構、電磁気的な作用により駆動するリニアモータ等により構成される。昇降ユニット２３の代わりに、例えば流体圧を利用する昇降シリンダが用いられてもよい。

図３及び図４に示すように、移動機構２６は、ベースプレート９上にＹ方向に延設されたガイドレール２５、このガイドレール２５に沿って昇降ユニット２３をＹ方向に移動させるための駆動機構を有する。駆動機構は、例えば図８に示すように、移動モータ３８、この移動モータ３８により駆動されるピニオンギア３９、このピニオンギア３９と噛み合うラックギア２４（図３、８参照）等を備える（図８参照）。移動モータ３８は、造形ユニット２０の例えば昇降ユニット２３に取り付けられている。駆動機構は、ラックアンドピニオンに限られず、ボールネジ、ベルト駆動、または、電磁的に作用により駆動されるリニアモータ等の各種の機構を用いることができる。このような移動機構２６により、造形ボックス２１、造形ステージ２２、昇降ユニット２３及び回収ボックス４５が一体的にＹ方向に移動する。

移動機構２６による造形ユニット２０のＹ方向の移動経路上であって、その移動経路上にある造形ユニット２０の上方側に、供給ユニット１０、ヘッドユニット３０及びヒータ４０が配置される。

造形ボックス２１は、供給ボックス１１と実質的に同じフットプリントの大きさを有している。図４に示した待機位置で待機している状態の造形ボックス２１の図４中右側の端部付近に、供給ローラ１３及びならしローラ１４が配置される。図６に示すように、プリントベースプレート８の、ならしローラ１４が配置される位置には、ならしローラ１４の表面の一部を、プリントベースプレート８から下方に露出させるための露出穴８ｂが設けられている。

図５及び図７に示すように、供給ローラ１３及びならしローラ１４を駆動する駆動源として、１つの回転モータ１８がプリントベースプレート８上に設けられている。図７に示すように、回転モータ１８の駆動出力軸には伝達ギア１９が接続され、この伝達ギア１９に、供給ローラ１３の回転軸１３ａ及びならしローラ１４の回転軸１４ａにそれぞれ接続されたギア１６及び１７が所定のギア比で噛み合っている。伝達ギア１９による、ギア１６及び１７に対するそれぞれのギア比は同じでもよいし異なっていてもよい。回転モータ１８の駆動により伝達ギア１９が回転し、その回転力がギア１６及び１７に伝達され、供給ローラ１３及びならしローラ１４が同じ方向に回転する。このように、１つの駆動源により供給ローラ１３及びならしローラ１４が駆動されるので、３次元造形装置１００の小型化を実現することができる。また、コストも削減することができる。

ヘッドユニット３０は、複数のインクタンク３１を搭載したインクタンクユニット３３、インクタンク３１に図示しないチューブを介して接続されたインクジェットヘッド３２を有する。インクジェットヘッド３２は、インクタンク３１に貯留されたインクを造形ステージ２２上の粉体に吐出する。図６等に示すように、インクジェットヘッド３２はプリントベースプレート８に設置された支持台３７に固定され、インクタンクユニット３３はその支持台３７上に設置される。

インクジェットヘッド３２は、例えば図６に示すようにＸ方向に長いライン型ヘッドが用いられる。そのＸ方向のインクの吐出幅は、少なくとも造形ステージ２２上のＸ方向で造形物が形成される範囲で設計される。インクジェットの発生機構としては、ピエゾ型やサーマル型が挙げられ、公知の吐出原理が用いられればよい。

インク（液剤）としては、例えばシアン、マゼンダ及びイエローの各色（以下ＣＭＹ）のカラーインクが用いられてもよいし、これらのカラーインクに加えて、黒、白、無色等のインクが用いられてもよい。特に、黒、白または無色のインクタンク３１は、粉体自体の色に応じて適宜設置されればよい。本実施形態では、例えばインク中の水分により粉体が硬化するような、インク及び粉体の各材料が選定される。粉体が白である場合であって、造形物に白色を着色したい（白色を残したい）場合には、その残したい箇所に、無色のインクか、または白色のインクが吐出される。

また、インクの材料としては、例えば水性インクが用いられ、市販のインクジェットプリンタ用のインクを用いることも可能である。インクは、粉体の材料に応じて油性であってもよい。無色インクには、例えば、純水とエチルアルコールを重量比で１対１で混合したもの、純水にグリセリンを重量比２０％混合したもの、これらの混合物にさらに微量の界面活性剤を混合したものが用いられる。

あるいは、インクの材料として、色付けを主目的とするものに限られず、例えば粉体粒子同士を結合するための結合剤を含む薬液であってもよい。

ヒータ４０は、例えば赤外線ランプ４１及びリフレクタ４２を備える。赤外線ランプ４１による加熱に限られず、電熱線、または後述する赤外線レーザであってもよい。

（制御系）
図８は、主に３次元造形装置１００の制御系を示すブロック図である。

この制御系は、ホストコンピュータ５１、メモリ５２、画像処理コンピュータ９０、移動モータコントローラ５４、造形ステージコントローラ５３、回転モータコントローラ５５、ヘッド駆動コントローラ５６、ヒータコントローラ５７を備える。

ホストコンピュータ５１は、上記メモリ５２及び各種コントローラの駆動を統括的に制御する。メモリ５２は、ホストコンピュータ５１に接続され、揮発性または不揮発性のどちらでもよい。

画像処理コンピュータ９０は、後述するように造形の対象物体の断層化画像として、例えばＣＴ（Computed Tomography）の画像データを取り込む。このＣＴ画像データについてＢＭＰ（Basic Multilingual Plane）形式に変換する等の画像処理を実行する。画像処理コンピュータ９０は、典型的には３次元造形装置１００とは別体のコンピュータであり、ホストコンピュータ５１に例えばＵＳＢ（Universal Serial Bus）により接続され、記憶された画像処理後の画像データをホストコンピュータ５１に送信する。

ＣＴとは、Ｘ線を用いたＣＴに限られず、ＳＰＥＣＴ（Single Photon Emission CT）、ＰＥＴ（Positron Emission Tomography）、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）等を含む広義のＣＴを意味する。

ホストコンピュータ５１と画像処理コンピュータ９０の接続形態は、ＵＳＢに限られず、ＳＣＳＩ（Small Computer System Interface）、その他の形態でもよい。また、有線及び無線のどちらでもよい。なお、画像処理コンピュータ９０は、３次元造形装置１００内に搭載された画像処理用のデバイスであってもよい。また、画像処理コンピュータ９０が３次元造形装置１００と別体の装置である場合、画像処理コンピュータ９０は、ＣＴ装置であってもよい。

造形ステージコントローラ５３は、インクジェットヘッド３２による粉体Ｇへのプリント時に、後述するように造形ステージ２２を所定の高さ単位で下降させていくために、昇降シリンダの昇降駆動量を制御する。

移動モータコントローラ５４は、移動機構２６の移動モータ３８の駆動を制御することにより、造形ユニット２０の移動の開始、停止及び移動速度等を制御する。

回転モータコントローラ５５は、回転モータ１８の駆動を制御することにより、供給ローラ１３及びならしローラ１４の回転の開始、停止及び回転速度等を制御する。

ヘッド駆動コントローラ５６は、インクの吐出量を制御するために、インクジェットヘッド３２内のインクジェットの発生機構に駆動信号を出力する。

ヒータコントローラ５７は、ヒータ４０による加熱の開始、停止、加熱温度及び加熱時間等を制御する。

上記ホストコンピュータ５１、画像処理コンピュータ９０、造形ステージコントローラ５３回転モータコントローラ５５、移動モータコントローラ５４、ヘッド駆動コントローラ５６、ヒータコントローラ５７は、例えば次のようなハードウェア、または、そのハードウェアとソフトウェアとの組み合わせにより実現されればよい。そのハードウェアは、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、あるいはこれらに類するものが用いられる。

メモリ５２は、固体（半導体、誘電体または磁気抵抗）メモリのほか、磁気ディスク、光ディスク等の記憶デバイスでもよい。

（３次元造形装置１００の動作）
以上のように構成された３次元造形装置１００（及び画像処理コンピュータ９０）の動作について説明する。図９は、その動作を示すフローチャートである。

画像処理コンピュータ９０により、ＣＴ画像データが読み込まれる。造形の対象となる物体は、医療分野では生物体、特に人体である。医療分野に限られず、建築分野、機械工学分野等、医療分野以外のＣＴ画像データを扱うことも可能である。

ステップ１０１において、作業者が、画像処理コンピュータ９０またはホストコンピュータ５１を操作して、造形対象のファイル、つまり、例えば１つの対象物体に対応するＣＴ画像データ群を選択する。

画像処理コンピュータ９０は、選択されたＣＴ画像の輝度情報に基づいて、その輝度に関して２値化処理、あるいは３値化以上の処理を実行してもよい。その場合、画像処理コンピュータ９０は、その２値化以上の多値化処理が実行された画像に対して、その多値化に対応した段階的な各輝度に対応した着色処理を実行してもよい。このような多値化処理やそれら各輝度に応じた着色処理により、３次元造形装置１００は内部まで色分けされた、あるいは内部までカラー化された造形物を造ることができる。

ホストコンピュータ５１は、画像処理コンピュータ９０からＣＴ画像データ群、または、上記のように画像処理（多値化処理、着色処理等）が実行された画像データ群を取り込む。以下、説明の便宜上、ＣＴ画像データ及び画像処理された画像データを、包括的に「断層化画像データ」という。

ステップ１０２では、作業者は、例えば画像処理コンピュータ９０を操作することにより、その断層化画像データの断層ごとの厚みを指定する。この断層化画像データの断層の厚みは、後述するように、造形ステージ２２上で粉体Ｇに印刷処理が実行されるときの、粉体Ｇの１層分の厚みとなる。

この粉体Ｇの１層分の厚みは、元の断層化画像データの断層ごとの厚みより小さくてもよいし、大きくてもよい。例えば元の断層化画像データの断層ごとの厚みが１ｍｍである場合に、粉体Ｇの１層分の厚みが０．１ｍｍに設定されてもよい。この場合、３次元造形装置１００は、同じ１つの断層化画像データに応じて、粉体Ｇの１０層分（０．１ｍｍ×１０）にそれぞれ同じ画像を印刷すればよい。あるいは、粉体Ｇの１層分の厚みは、元の断層化画像データの断層ごとの厚みと同じに設定されてもよい。

次に、例えば作業者が図示しないスタートボタンを押すと、３次元造形装置１００は動作を開始する。図１０は、その動作を模式的に示す３次元造形装置１００の図である。図１０（Ａ）〜（Ｅ）では、後述するように、インクが吐出されることで粉体Ｇが硬化される層が１層分（所定の層厚分）形成される工程が示されている。粉体Ｇ及び未硬化の粉体Ｇがドットのハッチングで示され、硬化層が黒塗りで示されている。

図１０（Ａ）に示すように、造形ステージ２２には、硬化層及び未硬化の粉体層が積層された状態となっており、この状態から、硬化層を１層形成する工程が開始される。図１０（Ａ）において、造形ユニット２０が示されている位置が、造形ユニット２０の待機位置となる。

まず、昇降ユニット２３が駆動されることにより、図１０（Ｂ）に示すように造形ステージ２２が所定の層厚分下降する（ステップ１０３）。そして、回転モータ１８が駆動されることにより、供給ローラ１３及びならしローラ１４が回転する（ステップ１０４）。これらの回転方向は、図４において時計回りである。これらのローラ１３（及び１４）が回転することにより、そのローラ１３の回転力及び粉体Ｇの自重により、供給ボックス１１の堆積板１２上に堆積された粉体Ｇが、側壁１１ａの下端とローラ１３の表面との隙間を介して流れ落ちる。

このように、造形ステージ２２が移動しているときに、堆積面１２ａから粉体Ｇが少なくともその自重を利用して造形ステージ２２上に供給される。したがって、粉体Ｇを造形ステージ２２上に１層分積層させるための、供給ローラ１３及びならしローラ１４の移動を必要としない。つまり、供給ユニット１０を３次元造形装置１００に固定とすることができ、移動系の構造がシンプルとなる。

また、図１０（Ｂ）において、移動機構２６の駆動により、供給ローラ１３及びならしローラ１４の回転が開始されるタイミングとほぼ同時、またはそのタイミングから所定時間経過後に、造形ユニット２０がインクジェットヘッド３２側へ向かって移動を開始する（ステップ１０５）。造形ユニット２０が移動している途中においても供給ローラ１３（及びならしローラ１４）は回転し続け、粉体Ｇが造形ボックス２１内に供給され続ける。

図１０（Ｃ）に示すように、造形ユニット２０の移動により造形ボックス２１上にならしローラ１４が来ると、粉体Ｇの表面が均一にならされる（ステップ１０６）。これにより、図１０（Ａ）に示す状態から、１層分の粉体Ｇが、造形ステージ２２上に堆積される。この１層分の厚みｕが、上記したように例えば０．１ｍｍとされる。

ならしローラ１４の回転方向が、図４において時計回りである。これは、ならしローラ１４の回転軸１４ａがフリーな状態を想定した場合に、ならしローラ１４と造形ステージ２２上の粉体層との摩擦によりならしローラ１４が回転するであろう方向に対して逆の方向である。このようなならしローラ１４の回転により、粉体Ｇを均一にならす効果を向上させることができる。

図１０（Ｄ）に示すように、造形ユニット２０の移動により、造形ボックス２１が所定の位置まで移動すると、インクジェットヘッド３２が、ヘッド駆動コントローラ５６の制御に応じてインクの吐出を開始する（ステップ１０７）。これにより、造形ステージ２２上に堆積された１層分の粉体層の所定の選択領域に、硬化層が形成されていく。粉体粒子同士を結合させることが可能にするための、粉体Ｇの材料及びインクの種類が適宜選択されることにより、硬化層を形成することができる。市販されている水性インクは、例えば塩化ナトリウムを主成分として含む粉体Ｇ、粉体Ｇを硬化させるための液剤となり得る。また、粉体Ｇの材料によっては、例えば粉体Ｇが上記した有機物との共重合体の場合は、水がその粉体Ｇの材料を硬化させるための液剤となる。

図１０（Ｄ）において、移動している造形ボックス２１の後端部（左端部）が、ならしローラ１４の下部付近を過ぎると、供給ローラ１３（及びならしローラ１４）が停止する（ステップ１０８）。これにより、造形ボックス２１への粉体Ｇの供給が停止する。

また、図１０（Ｄ）に示すように、造形ユニット２０が移動を続けることにより、造形ボックス２１からこぼれ落ちる余剰の粉体Ｇが回収ボックス４５に回収される。これにより、回収された粉体Ｇを再利用することができる。

そして、インクジェットヘッド３２は、粉体層の所定の選択領域のすべてにインクを供給すると、その吐出を停止する（ステップ１０９）。なお、ステップ１０８と１０９とは実質的に同時になる場合もある。

さらに造形ユニット２０がＹ方向に移動し続けると、図１０（Ｅ）に示すように、造形ボックス２１がヒータ４０の直下位置まで移動する。ここで、造形ステージ２２上の粉体Ｇの１層分がヒータ４０により加熱される（ステップ１１０）。加熱温度は、例えば１００〜２００℃であるが、この範囲に限られない。この加熱処理により、硬化層の粉体Ｇの硬度が増し、硬化層が焼き固められる。ヘッドから吐出されるインクによる粉体粒子同士の結合力が不十分で、造形物の硬度が足りない場合、このようなヒータ４０の加熱により所望の硬度を得ることができる。

加熱処理が終了すると、ホストコンピュータ５１は、対象物体に対応するすべての断層化画像の印刷が終了したか否かを判定する（ステップ１１１）。終了の場合、造形物の周囲は未硬化の粉体層に覆われており、造形ボックス２１内の余分な粉体Ｇが除去され（ステップ１１２）、造形物が完成する（ステップ１１３）。そして、人手または図示しないロボットにより、３次元造形装置１００から造形物が取り出される。

ステップ１１１において、対象物体に対応するすべての断層化画像の印刷が終了していない場合、造形ユニット２０は、供給ボックス１１の直下位置、つまり元の待機位置まで戻り（ステップ１１４）、ステップ１０３以降の処理が繰り返される。なお、ステップ１１４の後、ステップ１０３において造形ステージ２２が下降する形態に限られず、造形ユニットが待機位置まで移動している途中で、造形ステージ２２が下降してもよい。

以上のように、本実施形態では、造形ユニット２０が移動機構２６により移動するので、供給ユニット１０及びインクジェットヘッド３２が、Ｙ方向に移動しなくても粉体Ｇの供給及びインクの吐出を行うことができる。つまり、粉体Ｇ及びインクの供給のうち少なくとも一方を、移動機構２６による造形ユニット２０の移動だけで行うことができ、移動系の構造がシンプルとなる。移動系とは、粉体Ｇの所定の層厚分の造形物を形成するために必要な、各部材を移動させるための機構である。

本実施形態では、供給ボックス１１が造形ボックス２１の上方側に配置されていることにより、３次元造形装置１００のフットプリントを小さくすることができる。

本実施形態では、造形ユニット２０が移動する方向で、ならしローラ１４、インクジェットヘッド３２及びヒータ４０が順に並んでおり、造形ユニット２０は、粉体Ｇの１層分の印刷時には、Ｙ軸の正方向である一方向にのみ動く。すなわち、粉体Ｇの１層分の印刷時に、造形ユニット２０がＹ方向で往復移動する、といった動作が必要ないので、タクトを短縮することができる。

本実施形態において、移動機構２６による造形ユニット２０の移動速度は一定でよいが、途中で加速または減速されてもよい。

本実施形態では、例えば食塩等を含む粉体材料により造形物が造られ、従来のように接着剤が含まれないインクにより印刷される。したがって、インクのコストを削減することができる。接着剤が用いられないので、接着剤がインクジェットヘッドの吐出口で固まる、という問題も解消することができ、吐出口の目詰まりを防止することができる。

図１１は、本実施形態に係る３次元造形装置１００で造られた４つの造形物サンプルの色の実測値の例を示す表である。本発明者らは、エックスライト社のX-Rite530を用いて光学濃度、明度、色度及び彩度を測定した。造形物サンプルの粉体Ｇの材料は、食塩９０重量％以上であり、その他、ポリビニルピロリドン等の材料でなる。石膏をベースとした従来の造形物は、白またはグレーのものしかなかったが、本実施形態では、彩度の値が大きく、発色が良いことが示されている。

光学濃度（ＯＤ）は、下記の式で表される。

ＯＤ＝−log₁₀(I'/I)
I：造形物への入射光強度、I'：造形物からの反射光強度

つまり、反射率が１０％の場合、ＯＤ＝−log₁₀(0.1)＝１となる。

[第２の実施形態]
図１２は、本発明の第２の実施形態に係る３次元造形装置の一部を示す斜視図である。これ以降の説明では、図１等に示した実施形態に係る３次元造形装置１００が含む部材や機能と同様のものは説明を簡略化または省略し、異なる点を中心に説明する。

本実施形態に係る３次元造形装置２００は、加熱処理のためにレーザ光を利用したヒータ１４０を備える。このヒータ１４０は、例えばレーザ光源１４１、平行光束を形成するためのレンズ１４２、２つの反射ミラー１４３及び光学スキャン機構１４４を備えている。

レーザ光源１４１は、例えばトッププレート７及びプリントベースプレート８の間の領域、例えばトッププレート７の下面に取り付けられている。レーザ光源１４１は、例えば８０８ｎｍの波長を有する赤外線レーザ光を照射するが、遠赤外領域の波長を有するレーザ光が用いられてもよい。

光学スキャン機構１４４は、例えばサーボモータ１４５及びガルバノミラー１４６を有し、Ｙ方向でヘッドユニット３０と並ぶように配置され、また、レーザ光源１４１とはＹ方向で反対側に配置されている。２つの反射ミラー１４３は、レーザ光源１４１からのレーザビームを、光学スキャン機構１４４まで導くための適切な位置に配置されている。レンズ１４２は、レーザ光源１４１と１つ目のミラー１４３との間の光路上に配置されている。

光学スキャン機構１４４のガルバノミラー１４６は、サーボモータ１４５の駆動により、Ｙ方向の軸を中心に所定の角度範囲内で往復するように回転する。その角度範囲は、ガルバノミラー１４６で反射されて造形ステージ２２上の粉体層でレーザビームが照射される範囲が、造形物が形成される所定の範囲をカバーするような範囲に適宜設定される。また、サーボモータ１４５の駆動によるガルバノミラー１４６の往復回転のスピードも適宜設定される。

このような光学スキャン機構１４４により、レーザビームがＸ方向の線状に形成され、その線状の光が粉体Ｇに照射される。したがって、移動機構２６により造形ユニット２０が移動しながらその線状の光が粉体Ｇに照射されることにより、１層分の粉体層が（面状の粉体層の全面が）加熱される。

このようにレーザが用いられることにより、短時間で１層分の粉体Ｇの造形が可能となり、したがって、造形物全体の形成に必要な時間も短縮される。

図１３（Ａ）及び（Ｂ）は、ヒータコントローラ５７による、上記赤外線レーザを利用したヒータ１４０の運転の例を示すグラフである。各グラフにおいて、横軸は時間（ｓ）であり、縦軸は加熱温度（℃）である。図１３（Ａ）では約４秒、図１３（Ｂ）では約１４秒の温度上昇速度が得られ、両方とも造形に成功した。

なお、図１２に示した実施形態では、レーザビームがガルバノミラー１４６により線状にスキャンされたが、ガルバノミラー１４６及びサーボモータ１４５がＹ方向に移動することで、Ｘ及びＹ方向で面状にレーザビームがスキャンされてもよい。

[第３の実施形態]
図１４は、本発明の第３の実施形態に係る３次元造形装置の一部を示す斜視図である。

本実施形態に係る３次元造形装置３００は、造形ボックス２１に取り付けられたラックギア４７、ラックギア４７に噛み合うピニオンギア４６、ピニオンギア４６に接続された伝達ギア１９を備える。図１４では、供給ローラ１３及びそのギア１６（図５参照）の図示を省略している。伝達ギア１９は、その供給ローラ１３のギア１６と、ならしローラ１４のギア１７とに所定のギア比で接続されている。このような構成により、造形ユニット２０がＹ方向に移動するときの動力を利用して、供給ローラ１３及びならしローラ１４を回転させることができる。この場合、ラックギア４７、ピニオンギア４６及び伝達ギア１９は、動力伝達機構として機能する。

このような動力伝達機構が設けられることにより、造形ユニット２０を駆動する１つの駆動源（移動モータ３８）により、供給ローラ１３及びならしローラ１４を回転させることができ、３次元造形装置３００の小型化を実現することができる。また、動力源が１つであることにより、コストも削減することができる。

本発明に係る実施形態は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態が考えられる。

上記実施形態では、供給ローラ１３及びならしローラ１４は、１つの回転モータ１８により駆動されたが、個別の回転モータによりそれぞれ駆動されてもよい。

供給ローラ１３、ならしローラ１４、インクジェットヘッド３２及びヒータ４０の、Ｙ方向の各間隔は、図４等に示したものに限られず、適宜設計の変更可能である。

上記実施形態では、供給ローラ１３の数は１つとされた。しかし、粉体が通る隙間をあけて配置された例えば２つの供給ローラが互いに反対方向に回転し、その隙間から粉体が落ちるように供給されてもよい。ならしローラ１４も複数あってもよい。

上記実施形態に係るインクジェットヘッド３２はライン型ヘッドであった。しかし、Ｘ方向の吐出幅が、上記インクジェットヘッド３２より短い吐出幅を持ち、Ｘ方向に移動可能なスキャン型のインクジェットヘッド３２であってもよい。

供給ボックス１１内に配置された堆積板１２の堆積面１２ａは、曲面状であってもよいし、その曲面は上に凸または下に凸の形状であってもよい。

粉体Ｇを供給ボックス１１から落下させる機構として、供給ローラ１３に代えて（または供給ローラ１３に加えて）、堆積面１２ａを振動させる振動ユニットが用いられてもよい。振動ユニットとして、圧電アクチュエータまたは偏心モータ等が用いられればよい。その振動は超音波振動でもよい。

供給ボックス１１の下部に開口が設けられ、その開口を開閉するシャッタが設けられていてもよい。

上記実施形態では、ヒータ４０が設けられる構成を示したが、ヒータ４０は必ずしも設けられていなくてもよい。ヒータ４０を備えていない３次元造形装置２００により得られた造形物を加熱する加熱装置が、３次元造形装置２００とは別個設けられていてもよい。

Ｇ…粉体
１０…供給ユニット
１１…供給ボックス
１２…堆積板
１２ａ…堆積面
１３…供給ローラ
１４…ならしローラ
１８…回転モータ
２０…造形ユニット
２１…造形ボックス
２２…造形ステージ
２３…昇降ユニット
２４…ラックギア
２５…ガイドレール
２６…移動機構
３０…ヘッドユニット
３２…インクジェットヘッド
３８…移動モータ
４０、１４０…ヒータ
４６…ピニオンギア
４７…ラックギア
５１…ホストコンピュータ
１００、２００、３００…次元造形装置
１４１…レーザ光源

Claims (5)

1. 粉体材料が堆積されるステージと、
   前記ステージ上に所定の層厚ごとに前記粉体材料を供給する供給機構と、
   造形物を形成するための、前記粉体材料を結合させることが可能な液剤を、前記ステージ上の前記粉体材料に吐出するヘッドと、
   前記ヘッドから前記層厚分の前記粉体材料に前記液剤が供給されるように、前記ステージを移動させる移動機構と、
   前記所定の層厚ごとに前記ステージを下降させるための昇降機構と
   を具備する３次元造形装置であって、
   前記供給機構は、
   前記粉体材料を貯留することが可能であり、前記移動機構による前記ステージの移動経路上にある前記ステージの上方側に配置された、前記移動機構による前記ステージの移動方向に垂直な側壁を前記ヘッド側に有する供給ボックスと、
   前記供給ボックス内で傾斜するように配置され、前記粉体材料が堆積される堆積面と、
   前記移動機構による前記ステージの移動方向に直交する方向に沿った回転軸を有する供給ローラであって、前記移動機構により前記ステージが移動しているときに、前記堆積面に堆積された前記粉体材料を、前記粉体材料の自重を利用して前記ステージ上に落下させ、前記側壁の下端との間に所定の隙間をあけて前記堆積面の下端部に配置された供給ローラと、
   前記移動機構による前記ステージの移動方向に直交する方向に沿った回転軸を有し、前記ステージ上に落下した前記粉体材料をならし、前記ステージの移動方向において前記側壁を挟んで前記供給ローラと対向するように配置されたならしローラと、
   前記供給ローラの前記回転軸に接続された第１のギアと、
   前記ならしローラの前記回転軸に接続された第２のギアと、
   前記第１のギアと前記第２のギアとに噛み合う伝達ギアと、
   前記伝達ギアに接続された駆動出力軸を有し、前記駆動出力軸を介して前記伝達ギアを回転させ、その回転力を前記第１のギア及び前記第２のギアに伝達させることで前記供給ローラ及び前記ならしローラを駆動する回転モータと、
   を有する３次元造形装置。
2. 請求項１に記載の３次元造形装置であって、
   前記液剤が供給された前記ステージ上の粉体材料を加熱するヒータをさらに具備する３次元造形装置。
3. 請求項２に記載の３次元造形装置であって、
   前記ヒータは、加熱のためにレーザ光を照射する３次元造形装置。
4. 請求項１に記載の３次元造形装置であって、
   前記ヘッドは、前記移動機構による前記ステージの移動経路上にある前記ステージの上方側に固定された、前記ステージの移動方向に直交する方向に長いライン型ヘッドである３次元造形装置。
5. 請求項１に記載の３次元造形装置であって、
   前記粉体材料は、塩化ナトリウムを主成分として含むものである３次元造形装置。