JP2016221875A - 三次元造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】三次元造形物の作製作業を長時間にわたって中断せずに造形槽内及び積層ステージ上の残留粉末材料の除去できる三次元造形装置の提供。【解決手段】三次元造形物の断面形状に基づいて造形槽１６の積層ステージ上に形成された粉末材料よりなる粉末層に、バインダーを吐出することにより上記粉末材料を硬化して三次元造形物を作製する三次元造形装置において、造形槽１６に着脱可能に収容される着脱容器３２と、上記着脱容器内部に昇降自在に配置されて、着脱容器３２とともに造形槽１６より着脱可能な積層ステージ３２ａと、積層ステージ３２ａを着脱容器３２内で昇降させる昇降手段３８とを有するようにした三次元造形装置。【選択図】図３

Description

本発明は、三次元造形装置に関し、さらに詳細には、粉体を原料として三次元造形物を作製する三次元造形装置に関する。

従来より、三次元造形物を作製する手法として、石膏パウダー(石膏粉末）や樹脂パウダー(樹脂粉末）などの粉体を原料として三次元造形物を作製する粉末固着積層方式（バインダージェッティング方式）が知られている。

この粉末固着積層方式による三次元造形装置とは、インクジェットヘッドから液体結合剤であるバインダーを各種の粉末に噴射し、当該粉末を一層ずつ固めて三次元造形物を作製するというものである。

より詳細には、粉末固着積層方式による三次元造形装置では、まず、三次元造形物を造形する造形槽に粉末材料を敷き詰めて所定の厚さの粉末層を形成する。

次に、この粉末層に対して、三次元造形物の断面形状の画像データに基づいて、吐出ヘッド（インクジェットヘッド）から粉末材料を硬化するバインダーを吐出して、粉末層に当該画像データに基づく断面形状を形成する。

その後、断面形状が形成された粉末層上に所定の厚さの新たな粉末層を形成し、この粉末層に、形成した断面形状の次の断面形状を表す画像データに基づいて、吐出ヘッドからバインダーを吐出し、当該新たな粉末層に当該画像データに基づく断面形状を形成する。

そして、こうした処理を繰り返し行い、全ての断面形状を表す画像データに基づく断面形状を順次形成することで、三次元造形物を作製することとなる。

ここで、従来の三次元造形装置においては、造形槽に粉末材料供給手段より粉末材料を供給し、造形槽内に配設される昇降可能な積層ステージ上に粉末層を形成し、粉末層に対してバインダーを吐出して三次元造形物を形成する。

そのため、三次元造形物の造形後の造形槽内部および積層ステージ上には、造形時に余分となった粉末材料がたまっていたり、余分となった粉末材料が硬化して固着していることがある。なお、こうした造形時に余分となった粉末材料（余分となった粉末材料が硬化したものを含む。）について、本明細書においては、「残留粉末材料」と適宜に称することとする。

このため、こうした造形後の残留粉末材料を除去するために、造形槽内および積層ステージ上から残留粉末材料を除去し、造形槽および積層ステージを再び使用できる状態に復帰させるための清掃作業を行う必要があった。

しかしながら、通常、清掃作業には２０〜３０分程度の時間を要するものであり、清掃作業中は三次元造形装置を使用することができずに、三次元造形物の作製作業を長時間にわたって中断しなければならないという問題点があった。

また、造形槽内および積層ステージ上の残留粉末材料を除去するための除去手段を備えた三次元造形装置が知られている。除去手段を備えた三次元造形装置においては、造形終了後に造形槽内および積層ステージ上の残留粉末材料を除去手段により吸引することにより造形槽および積層ステージの清掃作業が可能である。

しかしながら、こうした除去手段を備えた三次元造形装置は、装置構成が複雑になることや装置自体の価格が上がるなどの新たな問題点を招来するものであった。

なお、本願出願人が特許出願時に知っている先行技術は、上記において説明したようなものであって文献公知発明に係る発明ではないため、記載すべき先行技術情報はない。

本発明は、上記したような従来の技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、三次元造形物の作製作業を長時間にわたって中断することなく造形槽内および積層ステージ上の残留粉末材料の除去することを可能とする三次元造形装置を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明による三次元造形装置は、三次元造形物を作製する積層ステージを造形槽から着脱可能な着脱容器内に配置するようにしたものである。

即ち、本発明は、三次元造形物の断面形状に基づいて造形槽の積層ステージ上に形成された粉末材料よりなる粉末層に、バインダーを吐出することにより上記粉末材料を硬化して三次元造形物を作製する三次元造形装置において、上記造形槽に着脱可能に収容される着脱容器と、上記着脱容器内部に昇降自在に配置されて、上記着脱容器とともに上記造形槽より着脱可能な積層ステージと、上記積層ステージを上記着脱容器内で昇降させる昇降手段とを有するようにした。

また、本発明は、上記した発明において、上記着脱容器は、上記造形槽を着脱する際に作業者が把持する持ち手を有するようにした。

本発明は、以上説明したように構成されているので、三次元造形物の作製作業を長時間にわたって中断することなく造形槽内および積層ステージ上の残留粉末材料の除去することができるという優れた効果を奏するものである。

図１は、本発明による三次元造形装置の概略構成斜視説明図である。 図２は、図１に示すＩＩ−ＩＩ線による造形槽および着脱容器の断面形状を示す概略構成断面説明図である。 図３は、本発明による三次元造形装置の造形槽より着脱容器を取り外す場合を示す概略構成斜視説明図である。 図４（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明による三次元造形装置の造形槽と着脱容器との関係を示す説明図である。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明による三次元造形装置の実施の形態の一例を詳細に説明することとする。

図１には、本発明の実施の形態の一例による三次元造形装置１０が示されている。

この図１に示す三次元造形装置１０は、造形ステージ前後移動式の三次元造形装置であって、固定系部材である基台部１２と、基台部１２内に形成されるＸＹＺ直交座標系におけるＸ軸方向に延長する溝部１４と、溝部１４内に配置される造形槽１６と、造形槽１６と一体的に連接され、Ｘ軸方向に移動自在に配置される収容槽１８と、基台部１２上に立ち上がり形成された一対の支持部２０と、支持部２０により支持されて、ＸＹＺ直交座標系におけるＹ軸方向に沿って延長して配設された貯留槽支持レール２２と、貯留槽支持レール２２上のＹ軸方向の中央部位に配置される下方に開閉自在の開口部２４ａを備えた貯留槽２４と、基台部１２上に立ち上がり形成されて溝部１４の後方側を覆うように平面部２６ａを有する一対のローラー支持部２６と、ローラー支持部２６の前方側に支持されて造形槽１６上を相対的にＸ軸方向の後方側から前方側へ移動することが可能なローラー２８と、ローラー支持部２６の平面部２６ａの前方側の面である前面部２６ｂが有するガイドレール２６ｃに支持されてＹ軸方向に往復移動可能で造形槽１６に対してバインダーを吐出する吐出ヘッド３０とを有するように構成されている。

ここで、造形槽１６と収容槽１８との位置関係は、造形槽１６に対してＸ軸方向前方側に収容槽１８が配置されている。

また、造形槽１６内部には、その全体を造形槽１６内に入れ子となる状態で収容可能であり、かつ、造形槽１６より着脱可能な着脱容器３２が配置されている。

着脱容器３２は、後述するように、水平を保ちながらＺ軸方向に昇降可能な積層ステージ３２ａを備えている。積層ステージ３２ａ上面は平板形状であり、積層ステージ３２ａ上に貯留槽２４より粉末材料が供給されて粉末層が形成される。

また、吐出ヘッド３０は、Ｘ軸方向においてローラー２８の後方側に位置するように配置されて、吐出ヘッド３０の下方側の領域へ移動した造形層１６内の積層ステージ３２ａ上の粉末層にバインダーを吐出可能であるように構成されている。

次に、図２および図３を参照しながら造形槽１６および着脱容器３２の構成について詳細に説明する。

図２は、図１に示すＩＩ−ＩＩ線による造形槽１６および着脱容器３２の断面形状を示す概略構成断面説明図を示している。

また、図３は、造形槽１６より着脱容器３２を取り外す場合を示す概略構成斜視説明図を示している。

着脱容器３２は、上面が開口した箱形状を備えており、積層ステージ３２ａと積層ステージ３２ａを保持する４枚の側面部３２ｂおよび底面部３２ｃとにより構成される。

底面部３２ｃは中央の領域が一部切り欠かれており、底面部３２ｃの中央に切り欠き部３２ｄが形成されている。

底面部３２ｃ上には、積層ステージ３２ａが高さ方向に沿って移動可能に載置されている。積層ステージ３２ａは、着脱容器３２内部の上端部と下端部との間を摺動自在に昇降自在であって、下端部に位置したときには底面部３２ｃと当接し、着脱容器３２の底板を兼ねる。

次に、造形槽１６の下方側には、円柱形状をした２本の昇降軸３６および昇降軸３８が配設されている。これら昇降軸３６および昇降軸３８は、積層ステージ３２ａを昇降させるものであり、図示しない駆動部により動作を制御される。

詳細には、昇降軸３６および昇降軸３８は、造形槽１６の下面に穿設される孔（図示せず。）を貫通し、着脱容器３２の切り欠き部３２ｄを介して積層ステージ３２ａの下面に当接するよう配設される。

即ち、切り欠き部３２ｄの下方側より昇降軸３６および昇降軸３８が突出するように配置されており、突出した昇降軸３６および昇降軸３８が積層ステージ３２ａを下方側から押し上げることとなる。

なお、着脱容器３２は、取り出しが容易となるように対向する一対の側面部３２ｂの上方側端部に持ち手３２ｅおよび持ち手３２ｆが配設されている。こうした持ち手３２ｅおよび持ち手３２ｆは、取り出し時以外の場合は側面部３２ｂ内に収納可能に構成されている。

以上の構成において、図４（ａ）（ｂ）（ｃ）を参照しながら三次元造形装置１０を用いて三次元造形物を作製する際および着脱容器３２を造形槽１６より取り出す際の造形槽１６および着脱容器３２の動作について説明する。はじめに、三次元造形物の第一層目を造形する際には、一層分の造形に用いる粉末材料を積層ステージ３２ａ上に供給することが可能となる高さである所定の位置に積層ステージ３２ａを位置させる。

即ち、図４（ａ）に示すように、積層ステージ３２ａは、昇降軸３６および昇降軸３８により押し上げられ、造形槽１６の上方側の所定の位置に上昇させるようにする。

ここで、積層ステージ３２ａが一層分の造形を行うために適した高さに位置するように配置されると、粉末材料を貯留した貯留槽２４の開口部２４ａと造形槽１６とが対向した図１に示す初期状態から、貯留槽２４の開口部２４ａを開いて、造形槽１６の積層ステージ３２ａ上へ粉末材料を供給する。

そして、粉末材料が供給されて粉末層が形成された積層ステージ３２ａ上に吐出ヘッド３０から粉末材料を硬化するバインダーを吐出して造形が行われる。

こうして積層ステージ４３ａ上に三次元造形物の一層目についての造形が終了した後、続いて昇降軸３６および昇降軸３８により積層ステージ３２ａを所定の高さまで下降させて二層目以降の造形を繰り返すことにより三次元造形物を作製する（図４（ｂ）を参照する。）。

三次元造形物の作製終了後は、次に、図４（ｃ）に示すように、作業者は、着脱容器３２の側面部３２ｂより持ち手３２ｅおよび持ち手３２ｆを出して、その持ち手３２ｅおよび持ち手３２ｆを把持して着脱容器３２を積層ステージ３２ａとともに造形槽１６より取り出して、着脱容器３２および積層ステージ３２ａの清掃作業を行う。

そして、清掃作業を行う着脱容器３２および積層ステージ３２ａと同様の構成を有する他の着脱容器および積層ステージを造形槽１６に取り付けることにより、三次元造形の作業を再開することが可能である。

即ち、本発明による三次元造形装置においては、三次元造形物を作製する積層ステージ３２ａを造形槽１６から着脱可能な着脱容器３２内に配置するようにした。

これにより、三次元造形装置から取り外して造形槽１６内および積層ステージ３２ａ上の清掃作業を行うことが可能となり、残留粉末材料の除去のために三次元造形装置における三次元造形物の作製作業を長時間にわたって中断する必要がなくなる。

上記において説明したように、本発明による三次元造形装置によれば、三次元造形物の作製作業を長時間にわたって中断することなく造形槽内および積層ステージ上の残留粉末材料の除去することが可能となる。

なお、上記した実施の形態においては、以下の（１）乃至（４）に示すように変形するようにしてもよい。

（１）上記した実施の形態においては、円柱形状を有する２本の昇降軸３６および昇降軸３８により積層ステージ３２ａを昇降させるようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、積層ステージを昇降可能であれば、昇降軸の形状および昇降軸の本数は限定されないものである。

（２）上記した実施の形態においては、着脱容器３２の底面部３２ｃに切り欠き部３２ｄを有するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、積層ステージ３２ａの昇降が可能であれば他のタイプの昇降手段を使用するようにしてもよいものであって、使用する昇降手段の構成に合わせて着脱容器の形状を任意に設計するようにしてよい。

（３）上記した実施の形態においては、着脱容器３２は対向する一対の側面部３２ｂの上方側端部に持ち手３２ｅおよび持ち手３２ｆが配設されるものであるが、これに限られるものではないことは勿論であり、持ち手を配設することなく着脱容器を構成するようにしてもよい。

（４）上記した実施の形態ならびに上記した（１）乃至（３）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。

本発明は、粉末固着積層方式の三次元造形装置により三次元造形を行う際に用いて好適である。

１０ 三次元造形装置、１２ 基台部、１４ 溝部、１６ 造形槽、１８ 収容槽、２０ 支持部、２２ 貯留槽支持レール、２４ 貯留槽、２４ａ 開口部、２６ ローラー支持部、２８ ローラー、３０ 吐出ヘッド、３２ 着脱容器、３２ａ 積層ステージ、３４ 駆動部、３６、３８ 昇降軸

Claims (2)

1. 三次元造形物の断面形状に基づいて造形槽の積層ステージ上に形成された粉末材料よりなる粉末層に、バインダーを吐出することにより前記粉末材料を硬化して三次元造形物を作製する三次元造形装置において、
   前記造形槽に着脱可能に収容される着脱容器と、
   前記着脱容器内部に昇降自在に配置されて、前記着脱容器とともに前記造形槽より着脱可能な積層ステージと、
   前記積層ステージを前記着脱容器内で昇降させる昇降手段と
   を有することを特徴とする三次元造形装置。
2. 請求項１に記載の三次元造形装置において、
   前記着脱容器は、前記造形槽を着脱する際に作業者が把持する持ち手を有する
   ことを特徴とする三次元造形装置。

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