JP2002292750A - 三次元造形装置及び方法、並びに三次元造形システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 三次元造形装置を提供する。 【解決手段】 三次元造形装置は、造形ステージ５２上
の造形領域に粉体材料の層８０を形成し、粉体層の所定
領域に対して紫外線硬化樹脂を塗布し、該樹脂に対し紫
外線を照射することで紫外線硬化樹脂を硬化させて、粉
体材料の結合体８２を形成する。これらの工程を順次に
形成する粉体層に対して繰り返すことにより、三次元造
形物８４を作成する。造形領域内で紫外線の強度を略均
一にするように、造形領域を内包する領域に紫外線を照
射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、三次元造形装置及
び方法に関し、特に、バインダを付与して粉体材料を結
合させることにより、三次元造形物を作成する三次元造
形装置及び方法に関する。本発明はまた三次元造形シス
テムに関する。

【０００２】

【発明の背景】従来の三次元造形装置においては、粉体
材料の薄層を形成し、これに対して、乾燥して硬化する
バインダを例えばインクジェットのヘッドを利用して塗
布し、これにより粉体材料の結合体を形成する工程を繰
り返すことで三次元造形物を造形するものがある。この
装置では、例えば、次のような動作が行われ、三次元造
形物が作成される。

【０００３】まず、ローラ機構などにより石膏や澱粉の
粉体材料を薄層に均一に拡げる。次に、この粉体材料の
薄層において造形すべき領域にインクジェットのヘッド
を走査し、乾燥で硬化するバインダを塗布する。このバ
インダが塗布された領域の粉体材料は下層、あるいは隣
接する硬化領域と結合する。造形が完了するまで、粉体
材料の薄層を順次形成し、バインダを塗布する工程を繰
り返す。造形が完了すれば、バインダが塗布されない領
域の粉体材料を除去することで、バインダで結合された
三次元造形物を取り出せることとなる。

【０００４】このような三次元造形装置では、バインダ
が塗布後に乾燥によって硬化するのに比較的時間がかか
るために、造形の高速化が困難である。この問題を解決
するために、本出願人による例えば特願２００１−３０
８８８における三次元造形装置は、バインダとして紫外
線硬化樹脂を用い、バインダ塗布後に紫外線を照射する
ことで従来に比べて短時間の造形を可能としている。

【０００５】そこで、本発明は、バインダの硬化方法に
特徴のある三次元造形装置及び方法を提供することを目
的とする。

【０００６】本発明はまた、バインダの硬化方法に特徴
のある三次元造形システムを提供することを目的とす
る。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の好適な実施の形態を説明する。

【０００８】本発明に係る三次元造形装置を備えた三次
元造形システムの全体的な構成を図１に示す。この三次
元造形システム１は、造形対象物の彩色造形を行う三次
元造形装置１００と、三次元造形装置１００に対して制
御信号及び造形対象物の断面画像に関する二次元画像デ
ータを供給するホストコンピュータ２とから構成されて
いる。

【０００９】三次元造形装置１００は、後述するように
所定の粉体材料にバインダとして紫外線硬化樹脂を塗布
し、紫外線を照射することにより粉体材料を結合させ、
さらにカラーインクによる彩色を行うことによりカラー
の粉体材料の結合体を順次形成していき、最終的な結合
体として彩色された造形物を作成するものである。

【００１０】ホストコンピュータ２は、制御部２ａ、デ
ィスプレイ２ｂ、キーボード２ｃ、及びマウス２ｄを含
んで構成されるいわゆる一般的なコンピュータシステム
である。制御部２ａには、予め入力されている三次元造
形対象物の三次元画像データを、所定のピッチで例えば
水平方向に関してスライスして得られる断面データ（二
次元画像データ）を作成する処理を行うプログラムが搭
載されている。このため、ホストコンピュータ２は、造
形対象物の三次元画像データから造形すべき対象物の断
面データを作成することができ、その作成された断面デ
ータを三次元造形装置１００に供給する。

【００１１】なお、ホストコンピュータ２が三次元造形
装置１００に対し三次元画像データを供給するのみで、
三次元造形装置１００側において、三次元画像データか
ら断面データを作成するようにしてもよい（後述の表１
（ｄ）参照）。

【００１２】ホストコンピュータ２と三次元造形装置１
００との間では、オンラインによるデータ等の受け渡し
が可能であるとともに、可搬型の記録メディア３を用い
たオフラインによるデータ等の受け渡しも可能である。
記録メディアとしては光磁気ディスク（ＭＯ）、コンパ
クトディスク（ＣＤ−ＲＷ）、ディジタルビデオディス
ク（ＤＶＤ−ＲＡＭ）、メモリカード等がある。

【００１３】次に三次元造形装置１００の一実施形態に
ついて説明する。図２は、三次元造形装置１００の外観
を示す斜視図である。三次元造形装置１００は、制御部
２０、粉体供給部３０、粉体伸展・バインダである紫外
線硬化樹脂の塗布・紫外線照射・カラーインク塗布を行
うヘッド部４０、及び造形部５０（これら制御部２０、
粉体供給部３０、ヘッド部４０、及び造形部５０は後述
する。）が内蔵されたハウジング１０と、ハウジング上
部側に設けられた造形部５０を覆うカバー１０ａとを備
えている。

【００１４】カバー１０ａは、ガラスやアクリル樹脂等
の透明な材質で形成されており、造形中の状況を視認す
ることができるように構成されている。また、このカバ
ー１０ａには、造形時に照射される紫外線を遮光する処
理が施されている。さらに、造形中にカバー１０ａを開
けると、即時に紫外線照射を停止し、ヘッド部４０が所
定の位置で待機するようにしてある。

【００１５】ハウジング１０の前面側には液晶ディスプ
レイ（ＬＣＤ）１１、操作スイッチ１２、記録メディア
３の着脱口１３が配置されており、また側面にはディジ
タル入出力端子１４が設けられている。液晶ディスプレ
イ１１は、操作入力を行う際の操作案内画面の表示手
段、及び三次元造形装置１００の動作状況を表示する手
段として用いられる。ディジタル入出力端子１４は、Ｒ
Ｓ２３２Ｃ端子やＳＣＳＩ端子あるいはＩＥＥＥ１３９
４端子等の汎用の端子である。

【００１６】図３は、三次元造形装置１００の造形処理
を行う主要部である、粉体供給部３０、ヘッド部４０、
及び造形部５０を示す。

【００１７】図４に示すように、粉体供給部３０は、粉
体３１を貯蔵する機能と、粉体３１をヘッド部４０の二
次ホッパ４７１（図５）に所定量供給する機能を備えて
いる。粉体供給部３０は、一次ホッパ３２、ロータ３
３、及びアジテータ３４を備えており、ロータ３２の回
転数を制御することにより、二次ホッパ４７１に供給す
る粉体の量を制御するようにしてある。アジテータ３４
は、回転することにより、粉体３１がブロッキングする
のを防止するようになっている。粉体３１については、
発色を良くするため、白色のものを使用するのが好まし
い。白い用紙の上に印刷する場合などにおいては、彩色
箇所のみ有色のインクを塗布することで下地の白色との
バランスで色の階調表現が可能となるが、三次元造形物
の彩色にも同様のことが言えるため、白色の粉体材料を
使用するのが望ましいこととなる。また、本実施形態で
は、粉体供給部３０としてロータリ式の供給機構を示し
ているが、振動式や回転羽根式あるいはベルト式などの
供給機構でもよい。

【００１８】図５に示すように、ヘッド部４０は、イン
クジェットヘッド部４１、紫外線照射部４６及び粉体伸
展部４７から構成されている。本実施形態では、ヘッド
部４０は、インクジェットヘッド部４１、紫外線照射部
４６及び粉体伸展部４７全体を、水平面内でＸ方向（図
面左右方向）に関して往復移動させるための１つのＸ方
向移動部４９（図６）により一体で移動するようにして
ある。Ｘ方向移動部４９は、Ｘ方向に伸びるガイドレー
ル（図示せず）に沿って、Ｘ方向に往復移動できるよう
にしてある。

【００１９】しかしながら、より細かい移動・速度制御
が必要な場合、インクジェットヘッド部４１、紫外線照
射部４６、粉体伸展部４７それぞれにＸ方向移動機構を
設け、別々に駆動させるようにしてもよい。

【００２０】インクジェットヘッド部４１は、粉体を結
合させるためのバインダとなる紫外線硬化樹脂、及び粉
体の結合体を着色する複数のインクを収容するタンク４
３と、タンク内の紫外線硬化樹脂またはインクを吐出さ
せるノズル４４と、タンク４３及びノズル４４を、Ｘ軸
と直交し且つＸ軸と同一水平面内のＹ軸方向（紙面表裏
方向）に関して往復移動させるためのインクジェットヘ
ッドＹ方向移動部４５とを備えている。Ｙ方向移動部４
５は、Ｘ方向移動部４９とともにＸ方向に移動できるＹ
方向に伸びるガイドレール（図示せず）に沿って、Ｙ方
向に往復移動できるようにしてある。

【００２１】さらに詳しくは、タンク４３は、それぞれ
異なる色のインクを収容する複数のタンク（この例では
４つのタンク）４３ａ〜４３ｄと、紫外線硬化樹脂用タ
ンク４３ｅとを備えている。具体的には、それぞれのタ
ンク４３ａ〜４３ｄには、Ｙ（イエロー）、Ｍ（マゼン
タ）、Ｃ（シアン）の３原色およびＷ（ホワイト）のイ
ンクが収容されている。着色剤である各インクは、粉体
材料と結合しても変色しないものであり、長時間経過し
ても変色・退色しないものを使用するのが望ましい。一
般に、彩色を行うためにはＹ、Ｍ、Ｃの三原色を混色す
ればよいが、色の濃淡（階調）を表現するためには、三
原色に加えて白色のインクを吐出し混色することが有効
となる。一般のプリンタ等では白色の紙にインク、トナ
ー等で字、画像をプリントしていくため、基材となる紙
の白色を利用すれば白色インクは必要でなく、Ｙ、Ｍ、
Ｃの三色を使用するだけで原理的に各色成分の濃淡を表
現することができる。しかしながら、三次元造形の材料
となる粉体の色が白色でないような場合には、白色のイ
ンクを使用することが特に有効となる。

【００２２】紫外線硬化樹脂用タンク４３ｅには、紫外
線硬化樹脂補充用タンク４８が接続され、図示しないポ
ンプにより紫外線硬化樹脂を補充することができる。こ
の紫外線硬化樹脂については、インクジェットヘッドを
用いて吐出が可能なように粘度の低いもの、例えば分子
量の低いアクリルモノマー系の樹脂を利用するのが好ま
しい。なお、紫外線硬化樹脂として、エポキシ系の樹脂
などを利用してもよい。

【００２３】ノズル４４は、インクジェットヘッド部４
１の下部に配置され、インクジェットヘッドＹ方向移動
部４５とともに一体となってＹ方向に関して移動自在と
なっている。ノズル４４は、タンク部４３のタンク数と
同数の吐出ノズル４４ａ〜４４ｅを備え、各吐出ノズル
４４ａ〜４４ｅはタンク４３ａ〜４３ｅと個別に連結さ
れている。各吐出ノズル４４ａ〜４４ｅは、例えばイン
クジェット方式等で微小な液滴として紫外線硬化樹脂ま
たはインクを吐出するノズルである。各吐出ノズル４４
ａ〜４４ｅによる紫外線硬化樹脂又はインクの吐出は、
インクジェットヘッド駆動部２４１（図６）によって個
別に制御されており、紫外線硬化樹脂又はインクがノズ
ル４４に対向する位置に設けられている造形部５０の粉
体層（後述）に付着する。

【００２４】上述したように、インクジェットヘッド部
４１は、Ｘ方向移動部４９及びＹ方向移動部４５によ
り、Ｘ軸及びＹ軸によって規定される平面内で移動でき
るようになっている。Ｘ方向移動部４９及びＹ方向移動
部４５は、制御部２０からの駆動信号に基づいて、イン
クジェットヘッド部４１をＸＹ平面における駆動範囲内
で任意の位置に移動させることができる。そして、イン
クジェットヘッド駆動部２４１は、ＸＹ平面におけるノ
ズル４４の位置に応じて複数吐出ノズル４４ａ〜４４ｅ
のうちから選択的に紫外線硬化樹脂又はインクの吐出を
行うように制御し、造形部５０の粉体層の必要な部分に
紫外線硬化樹脂又はインクを付与するようになってい
る。

【００２５】なお、各ノズル４４ａ〜４４ｅは、一体と
してでなく独立してＸ方向及びＹ方向に移動できるよう
にしてもよい。また、各タンク４３ａ〜４３ｅに対し、
ノズルを図５の紙面表裏方向に沿って複数設けてもよ
い。

【００２６】紫外線照射部４６は、紫外線ランプ４６
１、及び該ランプ４６１の背面に配したリフレクタ４６
２を備えている。これらの部材４６１、４６２は、Ｙ方
向に沿って延設されている。紫外線照射部４６は、紫外
線を照射することにより紫外線硬化樹脂を硬化させ、粉
体を結合させる機能を有する。紫外線照射部４６は、イ
ンクジェットヘッド部４１ととともに、Ｘ方向移動部４
９によりＸ方向に関して移動することができる。あるい
は、上述したように、独立してＸ方向に移動できるよう
にしてもよい。紫外線照射部４６のさらに詳しい構成
は、図１５〜１８を用いて説明する。

【００２７】粉体伸展部４７は、二次ホッパ４７１、シ
ャッタ４７２、ブレード４７３及び伸展ローラ４７４か
ら構成される。これらの部材４７１、４７２、４７３、
４７４は、Ｙ方向に沿って延設されている。粉体伸展部
４７は、粉体供給部３０から供給された粉体層を一層作
成するのに必要な粉体を二次ホッパ４７１に収納すると
ともに、所定の位置でシャッタ４７２を開口し粉体を投
下するようにしてある。Ｘ方向移動部４９によりＸ方向
に粉体伸展部４７が移動すると、ブレード４７３、及び
回転している伸展ローラ４７４により、投下された粉体
を伸展し、均一な粉体の層が作成されるようにしてあ
る。

【００２８】図３に戻って、造形部５０は、凹状部を有
する造形部本体５１、造形部５１の凹状部の底面を形成
するように設けられている造形ステージ５２、及び造形
ステージ５２を（ＸＹ平面に直交する）Ｚ方向に移動さ
せるＺ方向移動部（造形ステージ昇降機構）５３を備え
ている。造形部５０は、粉体を用いて造形物を作成する
ためのワーク領域を提供する役目を果たしている。

【００２９】造形部本体５１は、その左上側端部におい
て、一次ホッパ３２から二次ホッパ４７１に粉体を供給
し、その右上側端部において、二次ホッパ４７１から粉
体を投下し該粉体を一次的に保持するようにしてある。

【００３０】造形ステージ５２は、ＸＹ断面において矩
形型の形状を有し、その側面が造形部本体５１における
凹状部の垂直内壁５１ａと接している。

【００３１】Ｚ方向移動部５３は、造形ステージ５２に
連結された支持棒５３ａと、支持棒５３ａを垂直方向に
移動するための駆動部５３ｂとを有しており、支持棒５
３ａが、駆動部５３ｂによって垂直方向に移動されるこ
とにより、支持棒５３ａと連結した造形ステージ５２が
Ｚ方向に沿って昇降できるようにしてある。

【００３２】造形ステージ５２と造形部本体５１の垂直
内壁５１ａとで形成される直方体状の三次元空間（凹状
部の空間）は、造形物を作成するためのワーク領域とし
て機能する。そして、造形ステージ５２上に粉体の薄層
が一層ごとに順次形成されるとともに、一層形成ごとに
紫外線硬化樹脂の吐出、紫外線の照射による該樹脂
の硬化、インクの吐出、のシーケンスを行うことによ
り粉体の必要な部分を接合及び彩色して造形物が作成さ
れるようになっている。

【００３３】図６は、三次元造形システム１の機能構成
を示すブロック図である。ホストコンピュータ２側で作
成されたデータ等は、ディジタル入出力端子１４を経由
してホストコンピュータ２からインターフェース２１に
入力したり、あるいは記録メディア３からインターフェ
ース２１に入力する。

【００３４】三次元造形装置１００を制御する制御部２
０は、汎用コンピュータと同様の機能を有する。システ
ムコントローラ２０１は、粉体供給部３０、ヘッド部４
０、Ｘ方向移動部４９、及び造形部５０に対する制御を
行う。

【００３５】システムコントローラ２０１は、粉体供給
部３０に対しては、ロータ３３を駆動する駆動モータ２
３１、アジテータ３４を駆動する駆動モータ２３２を制
御する。ヘッド部４０に対しては、インクジェットヘッ
ド部４１を駆動するインクジェットヘッド駆動部２４
１、インクジェットヘッドＹ方向移動部４５、粉体伸展
部４７、及び紫外線照射部４６の紫外線ランプ４６１を
点灯させる点灯制御部２４３を制御する。

【００３６】システムコントローラ２０１は、Ｘ方向移
動部４９に対しては、Ｘ方向駆動モータ２４８を制御
し、Ｘ方向に関する位置を検出するエンコーダ２４４、
Ｘ方向に関する基準位置を検出するＨＰ(Home Positio
n)センサ２４５からの信号を受信する。造形部５０に対
しては、造形ステージ昇降機構５３を駆動する駆動モー
タ２５１を制御する。

【００３７】また、システムコントローラ２０１は、キ
ャラクタジェネレータ２０３に対して液晶ディスプレイ
１１の画面上に適切な文字や記号等を表示させるための
指示を与えるとともに、操作スイッチ１２からの入力情
報を受信することができるように構成されている。

【００３８】（断面データの作成から造形に到るまでの
ホストコンピュータ及び三次元造形装置断面データの役
割と特徴）表１は、造形対象物の三次元画像データから
造形すべき対象物の断面データを作成し、このデータに
基づいて造形するまでにおける、ホストコンピュータ２
と三次元造形装置１００の役割と特徴を４つに分けて表
している。

【００３９】初めに表１（ａ）の場合について説明す
る。ホストコンピュータ２は、造形対象物の三次元画像
データから造形すべき対象物の断面データを順次作成し
ながら三次元造形装置１００へ順次送信を行う。

【００４０】より具体的には、ホストコンピュータ２
は、三次元画像データから造形対象物を水平方向にスラ
イスした各断面ごとの断面データを順次作成する。断面
データは、積層する粉体一層分の厚みに相当するピッチ
（層厚ｔ）で作成される。このピッチは、所定範囲内
（粉体を結合可能な厚みの範囲）で変更可能である。

【００４１】図７は、作成される断面データの一例を示
す図である。図７に示すように、三次元画像データから
断面データとして、例えば形状データと色彩データを作
成する。形状データは、紫外線硬化樹脂を塗布する粉体
層部分を表わすデータである。また、色彩データは、イ
ンクを塗布する彩色領域を示すデータであり、三次元造
形物の表面に現れる部分に対応したデータのみが、ＹＣ
ＭＷの色情報を有している。

【００４２】三次元造形装置１００は、断面データを順
次受け取った後、そのデータによる造形を行う。この場
合、三次元造形装置１００では断面データを作成する機
能を必要としないので負荷が軽くすむ。また、ホストコ
ンピュータ２のメモリ容量は最小でよい。しかし、全体
の断面画像データを予めチェックすることができないの
で、データの最後の方にエラーがあるとそれまでの造形
が無駄となってしまう。

【００４３】次に表１（ｂ）の場合について説明する。
ホストコンピュータ２は、造形対象物の三次元画像デー
タから造形すべき対象物の断面データを一括作成し、三
次元造形装置１００へは順次送信を行う。三次元造形装
置１００は、断面データを順次受け取り、そのデータに
よる造形を行う。この場合、三次元造形装置１００で
は、表１（ａ）の場合と同様に断面画像データを作成す
る機能を必要としないので負荷が軽くすむ。また、ホス
トコンピュータ２は、造形が終了するまでタスクから開
放されないが、造形中の状態を常に確認することができ
る。

【００４４】次に表１（ｃ）の場合について説明する。
ホストコンピュータ２は、造形対象物の三次元画像デー
タから造形すべき対象物の断面データを一括作成し、三
次元造形装置１００へ一括送信を行う。三次元造形装置
１００は、大量の断面データを受け取るので大容量のメ
モリに蓄え、その後造形を行う。この場合、ホストコン
ピュータ２はデータを送信後タスクから開放される。

【００４５】次に表１（ｄ）の場合について説明する。
ホストコンピュータ２は、造形対象物の三次元画像デー
タを三次元造形装置１００へ送信を行う。三次元造形装
置１００は、受け取った造形対象物の三次元画像データ
から造形すべき対象物の断面データを作成し造形を行
う。この場合、三次元造形装置１００では断面データを
作成する機能を必要とするので負荷が重くなる。また、
ホストコンピュータ２はジョブ管理的な機能ですむ。し
かし、三次元造形装置１００をネットワーク環境下での
プリンタライクな使い方をする場合には適している。

【００４６】表１

【００４７】（ホストコンピュータによる処理）図８、
９は、ホストコンピュータ２における処理手順に関する
フローチャートである。まず、造形対象物の三次元画像
データを入力する（ステップＳ１）。次に造形に関する
パラメータを入力する（ステップＳ２）。ここでは、造
形サイズやスライスピッチ等の情報を入力する。ステッ
プＳ３では、データチェックを行う。三次元画像データ
がＳＴＬ形式やＶＲＭＬ形式の場合は、物体の表面の情
報が記述されているだけである。その表面情報が中身の
詰まった物体として整合性がとれているかどうかを確認
する。ここでは、頂点が複数で構成しているか単独で構
成しているか（即ち、閉じているか否か）、面の位相補
償（即ち、面の表裏が反転していなか）等のチェックを
行う。

【００４８】ステップＳ４では、データのエラー確認を
行う。ステップＳ３のデータチェックで、エラーがなけ
ればステップＳ６へ、エラーがあればステップＳ５へ進
む。ステップＳ５ではデータの補正を行う。エラーが発
生している部分は警告表示されているので、対話式に順
次データの補正を行う。以上の処理で、閉じた空間を示
す表面データが得られる。その後、ステップＳ６でデー
タのソリッド化を行う。つまり、閉じた空間のどちら側
が詰まっているのかを示す情報を付与する。

【００４９】ステップＳ７では、表１の各場合に応じて
断面データ作成およびデータ送信を行う。

【００５０】図９（ａ）は表１（ａ）の場合のフローを
示している。まず、ステップＳ７１１で造形パラメータ
を送信する。ステップＳ７１２でデータ補正済みの三次
元画像データから断面データ一層分を作成し、造形装置
の準備がＯＫであれば（ステップＳ７１３）、ステップ
Ｓ７１４で断面データ一層分を送信する。次のステップ
Ｓ７１５では、予め断面データ量がわかっているので、
全データを送信したのであれば終了し、データが残って
いるのであれば、ステップＳ７１２、Ｓ７１３、Ｓ７１
４を繰り返し行う。

【００５１】図９（ｂ）は表１（ｂ）の場合のフローを
示している。まずステップＳ７２１で造形パラメータを
送信する。ステップＳ７２２ではデータ補正済みの三次
元画像データから断面データを一括作成する。造形装置
の準備がＯＫであれば（ステップＳ７２３）、Ｓ７２４
では断面データ一層分を送信する。次のステップＳ７２
５では、予め断面データ量がわかっているので、全デー
タを送信したのであれば終了し、データが残っているの
であれば、ステップＳ７２３、Ｓ７２４を繰り返し行
う。

【００５２】図９（ｃ）は表１（ｃ）の場合のフローを
示している。まずステップＳ７３１で造形パラメータを
送信する。ステップＳ７３２ではデータ補正済みの三次
元画像データから断面データを一括作成する。次のステ
ップＳ７３３で断面データを一括送信し終了する。

【００５３】図９（ｄ）は表１（ｄ）の場合のフローを
示している。まずステップＳ７４１で造形パラメータを
送信する。ステップＳ７４２ではデータ補正済みの三次
元画像データを送信し終了する。

【００５４】図８に戻って、データ送信が終了し、ステ
ップＳ８で三次元造形装置１００からの終了コマンドを
確認すると、ステップＳ９でデータの履歴情報の更新を
行う。これは、三次元画像データのファイルに造形パラ
メータやデータ補正等の情報を付加することで、次回の
造形時（リピートする場合）において、この履歴情報を
元にして簡単に造形物を再現することを可能とするため
のである。

【００５５】（三次元造形装置１００における処理）図
１０は、三次元造形装置１００における処理手順に関す
るフローチャートである。

【００５６】図１０（ａ）は表１（ａ）の場合のフロー
を示している。まずステップＳ１０１１において、三次
元造形装置１００の制御部２０のシステムコントローラ
２０１が、断面データ一層分を受信すると、このデータ
を基に粉体供給部３０、ヘッド部４０、Ｘ方向移動部４
９、及び造形部５０に送信するための駆動信号を作成す
る。ステップＳ１０１２で駆動信号を送信して一層分の
造形処理を行うと、ステップＳ１０１３で一層分の造形
処理終了を表わす信号をホストコンピュータ２に送信し
終了する。造形処理工程は後で詳細に説明する。

【００５７】図１０（ｂ）は表１（ｂ）の場合のフロー
を示している。この場合、図１０（ａ）と同様に、制御
部２０のシステムコントローラ２０１は、断面データを
一層分受信すると、粉体供給部３０、ヘッド部４０、造
形部５０、及びＸ方向移動部４９に送信するための駆動
信号を作成し（ステップＳ１０２１）、一層分の造形処
理を行い（ステップＳ１０２２）、造形処理終了信号を
ホストコンピュータ２に送信し（ステップＳ１０２
３）、終了する。

【００５８】図１０（ｃ）は表１（ｃ）の場合のフロー
を示している。まずステップＳ１０３１において、制御
部２０のシステムコントローラ２０１が、断面データを
一括して受信すると、一層分のデータを基に粉体供給部
３０、ヘッド部４０、Ｘ方向移動部４９、及び造形部５
０に送信するための駆動信号を作成する。ステップＳ１
０３２で駆動信号を送信して一層分の造形処理を行う。
次のステップＳ１０３３では、予め断面データ量が分か
っているので、全層に対し造形処理が終了したのであれ
ば、造形処理終了信号をホストコンピュータ２に送信し
て終了し（ステップＳ１０３４）、断面データが残って
いるのであれば、ステップＳ１０３１、Ｓ１０３２を繰
り返し行う。

【００５９】図１０（ｄ）は表１（ｄ）の場合のフロー
を示している。まずステップＳ１０４１において、制御
部２０のシステムコントローラ２０１が、データ補正済
みの三次元画像データを受信すると、データ補正済みの
三次元画像データから断面データを作成する。そして、
一層分の断面データを基に粉体供給部３０、ヘッド部４
０、Ｘ方向移動部４９、及び造形部５０に送信するため
の駆動信号を作成する（ステップＳ１０４２）。ステッ
プＳ１０４３において駆動信号を送信して一層分の造形
処理を行う。次のステップＳ１０４４では、予め断面デ
ータ量が分かっているので、全層に対し造形処理が終了
したのであれば、造形処理終了信号をホストコンピュー
タ２に送信して終了し（ステップＳ１０４５）、断面デ
ータが残っているのであれば、ステップＳ１０４２、Ｓ
１０４３を繰り返し行う。

【００６０】まず、ヘッド部４０は、造形部本体５１左
上側端部に配置され、粉体供給部３０により二次ホッパ
４７１に粉体３１が供給される［図１１（ａ）］。

【００６１】次に、ヘッド部４０は、Ｘ方向移動部４９
（図６）とともに、図示しないガイドレールに沿って＋
Ｘ方向に向かい、初期位置である造形部本体５１右上側
端部まで移動する［図１１（ｂ）］。このとき、造形ス
テージ５２は、造形部５０の上端位置と同一の高さに配
置されている。

【００６２】続いて、造形部本体５１右上側端部におい
て二次ホッパ４７１から粉体３１が投下されるととも
に、造形ステージ５２がＺ方向移動部５３により、ホス
トコンピュータ２から入力された上記層厚ｔに基づき、
その厚さに相当する距離だけ下降されて保持される［図
１２（ｃ）］。

【００６３】そして、ヘッド部４０は、−Ｘ方向に移動
を行うことにより、三次元造形物の造形において材料と
なる粉体３１の供給を行いつつ、ブレード４７３及び伸
展ローラ４７４により粉体３１の１層分の薄層形成（粉
体層８０）を行うとともに、インクジェットヘッド部４
１から所定領域に、紫外線硬化樹脂の吐出を行うことで
粉体３１の必要な部分８２の結合を行う［図１２
（ｄ）］。

【００６４】なお、粉体供給部３０から１層分形成時
（−Ｘ方向に沿った１回の移動を行う間）に供給される
粉体材料の量は、１層分形成に必要な量よりも若干多め
に設定され、造形時に粉体が不足することを回避してい
る。このため、１層分形成後は粉体材料が余ることとな
るが、余った粉体材料は、−Ｘ方向に沿って移動するブ
レード４７３と伸展ローラ４７４により払い出され、−
Ｘ方向に関して造形ステージ５２と造形部本体５１左上
側端部の間に配置された粉体回収口（図示せず）から落
下するようにしてある。

【００６５】ヘッド部４０が−Ｘ方向に移動する際には
また、紫外線照射部４６によって粉体層８０に対して紫
外線を照射する。これにより、粉体層８０に塗布された
紫外線硬化樹脂のバインダが硬化され、粉体材料の結合
体８２が形成される。バインダが塗布されない領域の粉
体は、後に除去することが可能である。

【００６６】そして、ヘッド部４０が造形部本体５１左
上側端部に到達すれば、１回の粉体材料の結合動作が終
了し、１層分の造形が完了することとなる［図１３
（ｅ）］。

【００６７】そこで、再び二次ホッパ４７１に粉体３１
が供給された後、ヘッド部４０は、＋Ｘ方向に向かって
移動を行い、紫外線照射によりバインダが硬化し形成さ
れた粉体材料の結合体８２に、インクジェットヘッド部
４１から各色のインクを吐出する［図１３（ｆ）］。具
体的には、三次元造形物の表面近傍となる彩色領域に対
してインクが塗布され、これにより、三次元造形物に対
して彩色が施されることとなる。なお、この際には、粉
体層８０に塗布された紫外線硬化樹脂の硬化を確実にす
るため、紫外線照射部４６から紫外線を照射するのが好
ましい。また、ヘッド部４０が＋Ｘ方向に向かって移動
する場合、粉体層８０を僅かに下降させ、伸展ローラ４
７４と粉体層８０が接触するのを防止するのが好まし
い。

【００６８】ヘッド部４０が造形部本体５１右上側端部
に到達すると［図１４（ｇ）］、造形ステージ５２は、
層厚ｔに応じた距離だけ下降する。これにより、バイン
ダによる必要な結合が完了した粉体層８０の上方に、新
たな粉体の層を１層分形成するためのスペースを形成す
ることができる。

【００６９】そして、図１２（ｃ）〜図１４（ｇ）に示
す工程を繰り返して、造形物８４を完成させる［図１４
（ｈ）］。

【００７０】（紫外線照射部）図１５は、造形部５０の
造形ステージ５２と、紫外線照射部４６との関係の一例
を示す概略斜視図である。上述したように、造形ステー
ジ５２は、ＸＹ断面が矩形状であり、造形ステージ５２
は、その上面全体（以下、粉体伸展領域という。）５０
０が粉体伸展部４７により均一な粉体層が形成されるよ
うにしてある。紫外線照射部４６は、上述したようにＸ
方向に往復移動できるようになっており、紫外線ランプ
４６１及びリフレクタ４６２がＹ方向に関して所定の長
さだけ延設されている。造形物の作成は、粉体伸展領域
５００のＹ方向に関する両端から粉体伸展領域５００内
側に向かって、予め決められた幅分だけ内側に境界を有
する第１の領域（以下、造形領域という。）５０２にお
いて行われるようにしてある。また、粉体伸展領域５０
０のうち造形領域５０２を除いた領域５０４を無効領域
という。

【００７１】図１６は、紫外線ランプ４６１の長さ方向
（Ｙ方向）に関する造形ステージ５２上の紫外線強度Ｉ
の分布を示す図である。紫外線ランプはその構造上、両
端近傍以外では照射強度が略均一であるが、両端近傍で
の照射強度が弱くなるために、図１６（ａ）に示すよう
に、造形ステージ５２上の紫外線照射領域はその両端近
傍の紫外線強度が弱くなる。したがって、造形領域内に
紫外線強度が不十分な領域が存在すると、そこではバイ
ンダが十分硬化せず、十分な強度の造形物が作成されな
いことが起きる。そこで、図１５、１６（ｂ）に示すよ
うに、造形ステージ５２上の紫外線照射領域５０６を、
Ｙ方向に関して造形領域５０２よりも大きく（言い換え
れば、Ｘ方向に紫外線照射部４６を走査した場合に紫外
線が照射される領域（第２の領域）内に、造形領域（第
１の領域）５０２が含まれるように）設定し、これによ
り、Ｘ方向に紫外線照射部４６を走査した場合に造形領
域５０２において紫外線強度が略均一となるようにして
ある。

【００７２】図１１〜図１４を用いて上述したように、
紫外線照射部４６を含むヘッド部４０は、造形ステージ
５２上を左から右（＋Ｘ方向）、右から左（−Ｘ方向）
に向かって通過するように構成されているので、粉体伸
展領域５００のＸ方向に関する両端には造形を行わない
無効領域を特に設けていない。しかしながら、紫外線照
射部４６が造形ステージ５２上のみをＸ方向に往復移動
する構成であれば、Ｘ方向に関しても紫外線ランプ４６
の両端近傍では照射強度が他の部分に比べて弱いので、
Ｘ方向に関して粉体伸展領域５００の両端近傍にも無効
領域を設けるのが好ましい。

【００７３】上述したように、ホストコンピュータ２
（表１（ａ）〜（ｃ）の場合）又は三次元造形装置１０
０（表１（ｄ）の場合）は、断面データ作成手段として
断面データを作成するが、この断面データは、造形領域
５０２においてのみ造形が行われるように設定される。

【００７４】図１７は、造形部の造形ステージと、紫外
線照射部４６との関係の別の例を示す概略斜視図であ
る。この例では、粉体伸展領域である造形ステージ上面
全体と造形領域５０２とを一致させている。そして、図
１５に示す例と同様に、紫外線照射領域５０６の紫外線
強度が造形領域（第１の領域）５０２内で略均一となる
ようにしてある。

【００７５】紫外線の光源として、紫外線ランプの代わ
りに、図１８（ａ）に示すように、複数の紫外線出射部
５１０（例えば、ＬＥＤ（発光ダイオード）、ＬＤ（半
導体レーザ））をＹ方向に関して略隙間なく配置したも
のを用いた場合でも、光源の長手方向に関する両端近傍
の照射強度は弱くなる。したがって、図１８（ｂ）に示
すように、紫外線照射領域５０６を、Ｙ方向に関して造
形領域５０２よりも大きく（言い換えれば、Ｘ方向に紫
外線照射部を走査した場合に紫外線が照射される領域
（第２の領域）内に、造形領域（第１の領域）５０２が
含まれるように）設定し、設定し、これにより、Ｘ方向
に紫外線照射部を走査した場合に造形領域５０２におい
て紫外線強度が略均一となるようにする。

【００７６】造形領域（第１の領域）と紫外線照射部を
走査した場合に紫外線が照射される領域（第２の領域）
との関係は、図１５〜１８を用いて説明した例に限ら
ず、第１の領域が第２の領域に内包される構成であれば
本発明の範囲に含まれる。

【００７７】（その他の実施形態）上記実施形態におけ
る彩色に関して、インクにより彩色を行うのは必須では
なく、トナーなどで彩色を行ってもよい。

【００７８】上記実施形態のバインダに関して、紫外線
硬化樹脂のように紫外領域の波長の光に反応して硬化す
るものを使用するのは必須でなく、例えば、可視光硬化
樹脂のように可視領域の波長の光に反応して硬化する液
状のものを使用してもよく、また熱硬化樹脂のように特
定の熱エネルギに反応して硬化する液状のものを使用し
てもよい。

【００７９】可視光硬化樹脂を使用する場合には、上述
した紫外線照射部の代わりに、可視領域の波長の光を照
射する手段が設けられる。また、熱硬化樹脂を使用する
場合には、上述した紫外線照射部の代わりに、熱エネル
ギを放出する所定方向に伸びたヒータを設け、ヒータを
走査することで熱エネルギが供給される領域内に、造形
領域が位置するようにし、これにより造形領域において
エネルギ供給量が略均一になるようにする。

【００８０】

【発明の効果】本発明によれば、バインダを硬化するた
めのエネルギを造形領域に対し略均一に供給すること
で、造形領域内の任意の位置でバインダを十分硬化させ
ることができ、したがって十分な強度を有する造形物を
作成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 三次元造形システムの全体構成を示す図。

【図２】 三次元造形装置の外観を示す斜視図。

【図３】 三次元造形装置の造形処理を行う主要部を示
す概略断面図。

【図４】 粉体供給部の概略断面図。

【図５】 ヘッド部の概略断面図。

【図６】 三次元造形システムのブロック図。

【図７】 断面データの一例を示す図。

【図８】 ホストコンピュータの処理を示すフローチャ
ート。

【図９】 図８の断面データ作成・送信ステップを示す
フローチャート。

【図１０】 三次元造形装置の処理を示すフローチャー
ト。

【図１１】 三次元造形装置の造形工程を示す概略断面
図。

【図１２】 三次元造形装置の造形工程を示す概略断面
図。

【図１３】 三次元造形装置の造形工程を示す概略断面
図。

【図１４】 三次元造形装置の造形工程を示す概略断面
図。

【図１５】 造形部の造形ステージと、紫外線照射部と
の関係の一例を示す概略斜視図。

【図１６】 （ａ）紫外線ランプと、造形ステージ上の
紫外線強度との関係を示す図。（ｂ）図１６（ａ）の紫
外線ランプによる造形ステージ上の紫外線照射領域と、
造形領域との関係を示す図。

【図１７】 造形部の造形ステージと、紫外線照射部と
の関係の別の例を示す概略斜視図。

【図１８】 （ａ）所定方向に沿って並んだ複数の紫外
線出射部からなる紫外線光源と、造形ステージ上の紫外
線強度との関係を示す図。（ｂ）図１８（ｓａ）の紫外
線光源による造形ステージ上の紫外線照射領域と、造形
領域との関係を示す図。

【符号の説明】

１：三次元造形システム、２：ホストコンピュータ、３
０：粉体供給部、４０：ヘッド部、４１：インクジェッ
トヘッド部、４３ａ〜４３ｄ：インク用タンク、４３
ｅ：紫外線硬化樹脂用タンク、４６：紫外線照射部、４
７：粉体伸展部、５０：造形部、５２：造形ステージ、
１００：三次元造形装置、４６１：紫外線ランプ、４６
２：リフレクタ、５００：粉体伸展領域、５０２：造形
領域、５０４：無効領域、５０６：紫外線照射領域、５
１０：紫外線出射部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4F213 AB01 AC04 AR07 AR12 WA25 WB01 WL03 WL16 WL25 WL26 WL42 WL95 4G052 DA01 DB12 DC06

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 粉体材料を結合させることにより、三次
   元造形物を作成する三次元造形装置において、 第１の領域に粉体材料の層を順次形成する層形成手段
   と、 前記粉体材料の層の所定領域に対して、特定のエネルギ
   に反応して硬化するバインダを付与する付与手段と、 前記第１の領域を内包する第２の領域に対し前記特定の
   エネルギを供給する供給手段とを備え、 前記供給手段によって前記第２の領域内の前記バインダ
   が硬化することにより、前記粉体材料の層ごとに前記粉
   体材料の結合体が形成されることを特徴とする三次元造
   形装置。
2. 【請求項２】 前記バインダは、所定の波長に係る光エ
   ネルギに反応して硬化することを特徴とする請求項１の
   三次元造形装置。
3. 【請求項３】 前記バインダは、熱エネルギに反応して
   硬化することを特徴とする請求項１の三次元造形装置。
4. 【請求項４】 粉体材料を結合させることにより、三次
   元造形物を作成する三次元造形方法であって、 第１の領域に粉体材料の層を順次形成する層形成工程
   と、 前記粉体材料の層の所定領域に対して、特定のエネルギ
   に反応して硬化するバインダを付与する付与工程と、 前記第１の領域を内包する第２の領域に前記特定のエネ
   ルギを供給する供給工程とを含み、 前記供給工程において前記第２の領域内の前記バインダ
   が硬化することにより、前記粉体材料の層ごとに前記粉
   体材料の結合体が形成されることを特徴とする三次元造
   形方法。
5. 【請求項５】 前記バインダは、所定の波長に係る光エ
   ネルギに反応して硬化することを特徴とする請求項４の
   三次元造形方法。
6. 【請求項６】 前記バインダは、熱エネルギに反応して
   硬化することを特徴とする請求項４の三次元造形方法。
7. 【請求項７】 粉体材料を結合させることにより、三次
   元造形物を作成する三次元造形システムにおいて、 三次元造形物を表出する複数の断面データを作成する断
   面データ作成手段と、前記断面データに基づいて、第１
   の領域に粉体材料の層を順次形成する層形成手段と、 前記粉体材料の層の所定領域に対して、特定のエネルギ
   に反応して硬化するバインダを付与する付与手段と、 前記第１の領域を内包する第２の領域に前記特定のエネ
   ルギを供給する供給手段とを備え、 前記供給手段によって前記第２の領域内の前記バインダ
   が硬化することにより、前記粉体材料の層ごとに前記粉
   体材料の結合体が形成されることを特徴とする三次元造
   形システム。