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WO2009145069A1 - 造形装置および造形方法 - Google Patents

造形装置および造形方法 Download PDF

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WO2009145069A1
WO2009145069A1 PCT/JP2009/059008 JP2009059008W WO2009145069A1 WO 2009145069 A1 WO2009145069 A1 WO 2009145069A1 JP 2009059008 W JP2009059008 W JP 2009059008W WO 2009145069 A1 WO2009145069 A1 WO 2009145069A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
powder
layer
modeling
liquid
powder layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2009/059008
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
淳一 葛迫
山本　眞伸
大久保　彰
利広 亀和
智英 幸泉
一馬 田村
健 松井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Tomita Pharmaceutical Co Ltd
Original Assignee
Sony Corp
Tomita Pharmaceutical Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp, Tomita Pharmaceutical Co Ltd filed Critical Sony Corp
Priority to EP09754577.6A priority Critical patent/EP2305454B1/en
Priority to US12/736,718 priority patent/US9636870B2/en
Priority to JP2010514437A priority patent/JP5400042B2/ja
Publication of WO2009145069A1 publication Critical patent/WO2009145069A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/165—Processes of additive manufacturing using a combination of solid and fluid materials, e.g. a powder selectively bound by a liquid binder, catalyst, inhibitor or energy absorber
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C7/00—Patterns; Manufacture thereof so far as not provided for in other classes
    • B22C7/02—Lost patterns
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes

Definitions

  • the present invention relates to a modeling apparatus and a modeling method, and more particularly to a modeling apparatus and a modeling method capable of modeling a highly accurate modeled object.
  • cross-sectional shape data obtained by slicing three-dimensional shape data is created from the three-dimensional shape data of a model created by CAD (Computer Aided Design). And based on the cross-sectional shape data, the thin plate of the cross-sectional shape which cut the modeling object into a ring is created, and a modeling thing is modeled by laminating
  • the three-dimensional additive manufacturing method is such a forming method and is one of additional processing methods.
  • an optical modeling method using a photocurable resin for modeling, an optical modeling method using a photocurable resin, a powder additive manufacturing method using powder, a molten resin deposition modeling method for depositing a molten resin
  • thin plate additive manufacturing methods in which thin plates such as paper, plastic sheets, or metals are laminated.
  • the three-dimensional additive manufacturing method there is an ink jet method in which a thin plate having a cross-sectional shape is created by ejecting a small amount of liquid as a method for creating a thin plate.
  • a powder additive manufacturing method, a molten resin deposition forming method, an optical forming method, and the like have been put into practical use.
  • a layer made of starch, gypsum, or ceramic powder is formed, and a binder is jetted onto the surface thereof, and a thin plate is created by fixing the powder with a binder drawn according to the cross-sectional shape.
  • a melted wax or the like is ejected by inkjet, and a thin plate is created by solidifying the wax or the like drawn according to the cross-sectional shape.
  • a liquid photocurable resin is ejected by an ink jet to form a layer, and the photocurable resin layer is cured by light irradiated according to a cross-sectional shape to create a thin plate.
  • Patent Document 1 discloses a powder additive manufacturing method using salt powder.
  • Patent Document 1 discloses that “spreading a liquid containing water as a main component causes the salt powder to dissolve in the spraying liquid, resulting in a decrease in volume and fluctuation in layer thickness. When dissolved to a state close to that, the salt powder will not be dissolved when sprayed and distributed on the salt powder. Therefore, the dimensional accuracy can be improved as a result of keeping the thickness of the powder layer constant. Yes.
  • Patent Document 1 discloses that the effects of the invention are “a water-soluble and easy-to-destruct harmless model can be realized” and “in addition, disappearance when combined with salt and a heat-resistant adhesive. In addition, heat resistance is imparted, and a disappearance model for precision casting can be realized ".
  • water-soluble powders usually have a hygroscopic property that easily absorbs moisture in the air. Therefore, for example, when a thin plate is formed by supplying moisture to a certain powder layer, and a powder layer for forming the next thin plate is formed on the powder layer, Excess moisture supplied to the lower powder layer may penetrate in the vapor or liquid state. Thereby, in the powder layer which is going to shape
  • the dimensional accuracy of the modeled object sometimes deteriorated due to permeation of excessive moisture.
  • the present invention has been made in view of such a situation, and makes it possible to model a highly accurate modeled object.
  • the modeling apparatus is a cross-section of a modeled product of a stacking unit that stacks a powder layer containing a water-soluble powder as a main component one by one and the uppermost powder layer stacked by the stacking unit.
  • Liquid supply means for supplying a liquid for dissolving the powder and heating means for heating the powder for each layer of the powder layer are provided in a region corresponding to the shape.
  • a powder layer containing water-soluble powder as a main component is laminated one layer at a time, and in the region corresponding to the cross-sectional shape of the modeled object, the powder layer of the uppermost layer laminated, Supplying a liquid for dissolving the powder, and heating the powder for each layer of the powder layer.
  • powder layers containing water-soluble powder as a main component are laminated one by one, and the powder is dissolved in an area corresponding to the cross-sectional shape of the modeled object in the uppermost layer of the laminated powder layers. Liquid to be supplied is supplied. And a powder is heated for every layer of a powder layer.
  • FIG. 7 is a chromaticity diagram obtained from the table of FIG. 6.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a configuration example of an embodiment of a modeling apparatus to which the present invention is applied.
  • the modeling apparatus 11 includes a work table 12, a powder supply unit 13, a modeling unit 14, a powder discharge unit 15, a powder transport mechanism 16, an inkjet line head 17, a heater 18, a dehumidifying unit 19, and a drive shaft 20. Composed.
  • the work table 12 is a table on which a work for modeling a model is performed.
  • a powder supply unit 13, a modeling unit 14, and a powder discharge unit 15 are disposed below the work table 12, and a powder transport mechanism 16 and an inkjet are disposed above the powder supply unit 13.
  • a line head 17, a heater 18, and a drive shaft 20 are disposed.
  • the work table 12 has an opening corresponding to a supply region to which the powder supply unit 13 supplies powder, an opening corresponding to a modeling region in which a model is formed in the modeling unit 14, and powder in the powder discharging unit 15. An opening corresponding to the discharge area to be discharged is provided.
  • the powder transport mechanism 16, the inkjet line head 17, and the heater 18 move along the drive shaft 20, and the direction in which they move is defined as the Y direction, and the direction orthogonal to the Y direction is defined as the moving direction.
  • region are provided along with the Y direction in this order.
  • the powder supply unit 13 stores the powder therein, and pushes the powder upward from the lower side of the work table 12, thereby opening the upper surface of the work table 12 from the opening corresponding to the supply region of the work table 12. Feed powder above. For example, when forming one powder layer, the powder supply unit 13 supplies an amount of powder slightly larger than one layer to the upper surface of the work table 12.
  • the modeling unit 14 includes a table (table 14A in FIG. 2) that moves a powder layer stacked in an opening corresponding to the modeling region downward, and one cured layer is formed. Each time the table descends by a thickness corresponding to that one layer. Thus, when the table of the modeling unit 14 is lowered, the distance between the upper surface of the hardened layer and the uncured powder layer formed on the upper surface of the table and the upper surface of the work table 12 depends on the thickness of the hardened layer. It will be.
  • the remaining powder supplied from the powder supply unit 13 and transferred to the modeling unit 14 by the powder transfer mechanism 16 is discharged to the powder discharge unit 15 from an opening corresponding to the discharge region of the work table 12.
  • water-soluble powder is used for modeling of the modeled object in the modeling unit 14, for example, inorganic substances such as sodium chloride, magnesium sulfate, magnesium chloride, potassium chloride, sodium chloride, polyvinylpyrrolidone, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose, Organic substances such as ammonium polyacrylate, sodium polyacrylate, ammonium methacrylate, sodium methacrylate and copolymers thereof can be used. Further, it is desirable to use a salt powder as the powder, and in particular, a mixture of a salt (NaCl) and a bittern component (magnesium sulfate, magnesium chloride, potassium chloride, etc.) is preferable.
  • the average particle size is preferably 10 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • the powder conveyance mechanism 16 is configured by a roller that moves along the drive shaft 20, and conveys the powder supplied to the supply region by the powder supply unit 13 to the modeling region by moving the roller while rotating. To do.
  • the distance between the upper surface of the hardened layer and the uncured powder layer and the upper surface of the work table 12 is provided according to the thickness of the hardened layer, While conveying the powder, the gap is filled with the powder.
  • a powder is uniformly leveled by the thickness according to 1 layer of the hardened layer in a modeling area
  • the powder transport mechanism 16 transports the powder exceeding the amount necessary for forming the powder layer to the opening corresponding to the discharge region beyond the modeling region and discharges the powder to the powder discharge unit 15.
  • the powder conveyance mechanism 16 may be configured by, for example, a squeegee for leveling powder in addition to using a rotating roller.
  • the ink-jet line head 17 has a plurality of ejection openings that atomize and eject water-based ink by a so-called ink-jet method, and ejects the water-based ink from the plurality of ejection openings to form powder formed on the modeling portion 14.
  • Aqueous ink is supplied to the area
  • the inkjet line head 17 has a plurality of ejection ports arranged in the X direction across the width in the X direction so that water-based ink can be ejected simultaneously in one line in the X direction. It is configured.
  • the inkjet line head 17 ejects water-based ink to one line in the X direction at a time, and ejects water-based ink over the entire surface of the modeling region while repeating the movement of one line in the Y direction. It is a method.
  • the inkjet line head 17 ejects five types of water-based inks, which are four colored inks of cyan, magenta, yellow, and black, and a transparent colorless ink.
  • the five ejection ports for ejecting each of the five types of water-based inks are set as one set, and the set of ejection ports is arranged at a predetermined pitch along the X direction along the X direction of the modeling unit 14. A plurality are provided over the width in the direction.
  • the colored ink one that is usually used in commercially available ink jet printers, that is, one in which a pigment or dye is dispersed or dissolved in a mixed solution composed of water and an alcohol component is used.
  • a mixed solution containing no pigment or dye is used for colorless ink.
  • the inkjet line head 17 is provided with a lid 17A that covers a water-based ink ejection port. That is, in order to avoid clogging of the ejection port due to drying of the water-based ink, the water-based ink is suppressed from being dried by covering the ejection port with the lid 17A except when the water-based ink is ejected. Further, while the powder is transported by the powder transport mechanism 16, the standby position where the inkjet line head 17 is waiting (the position where the inkjet line head 17 is shown in FIG. 1) is separated from the dehumidifying unit 19. Even when the position is set, drying of the water-based ink is suppressed.
  • the heater 18 is, for example, an electric heater that generates far-infrared rays, and the heater 18 heats the powder layer while moving as the inkjet line head 17 moves.
  • the far infrared ray is an electromagnetic wave having a wavelength in a region including a wavelength ranging from 4 ⁇ m to 1000 ⁇ m and a far infrared ray
  • the heater 18 has a heat amount of at least 50% or more in the far infrared region. It is preferable to use it.
  • the wavelength range of heat rays that generate heat is 0.76 to 1000 ⁇ m
  • 0.76 to 1.6 ⁇ m is near infrared
  • 1.6 to 4 ⁇ m is mid-infrared
  • 4 to 25 ⁇ m is far infrared.
  • 25 to 1000 ⁇ m is the super far infrared (in some cases, 4 ⁇ or more is sometimes referred to as far infrared)
  • 50% or more of the amount of heat applied is preferably in the wavelength region of 4 to 1000 ⁇ m.
  • the powder layer may be excessively heated, and the aqueous ink jetted onto the powder layer by the inkjet line head 17 There is a risk of drying before it fully penetrates. In this case, the powder layers cannot be fixed with sufficient strength, and as a result, the molded article may be easily broken.
  • normal infrared heating heats the powder itself and raises the overall temperature, which may cause clogging, whereas far infrared heating only heats the moisture contained in the salt powder. The occurrence of clogging can be suppressed.
  • the heater 18 having a far-infrared region heat quantity of at least 50% or more.
  • the dehumidification part 19 is arrange
  • the dehumidifying unit 19 performs dehumidification so that the humidity is 80% or less.
  • the drive shaft 20 is provided on both sides of the work table 12 so as to extend in the Y direction, and transmits power from a drive unit (not shown) to the powder transport mechanism 16, the inkjet line head 17, and the heater 18. Drive in the Y direction.
  • FIG. 2 is a diagram (partial cross-sectional view) of the modeling apparatus 11 of FIG. 1 viewed from the X direction.
  • 2A to 2E show a process of forming one hardened layer, in which the powder and uncured powder layers are indicated by dot hatching, and the hardened layer is indicated by black.
  • the table 14A of the modeling unit 14 is in a state where a hardened layer and an uncured powder layer are laminated, and from this state, a process of forming one hardened layer is started.
  • the positions where the powder transport mechanism 16, the inkjet line head 17, and the heater 18 are shown are the standby positions.
  • the powder stored in the powder supply unit 13 is pushed up, and an amount of powder slightly larger than one powder layer is formed on the upper surface of the work table 12. Supplied above. Further, in the modeling unit 14, the table 14 ⁇ / b> A descends, and a gap corresponding to the thickness of one layer of the powder layer (cured layer) is provided between the upper surface of the cured layer and the uncured powder layer and the upper surface of the work table 12. It is done.
  • the powder transport mechanism 16 rotates in the direction of the arrow shown in FIG.
  • the supplied powder is transported to the upper surface.
  • the rotation direction of the powder transport mechanism 16 is such that, when the powder transport mechanism 16 is rotatable and moved in the direction of the white arrow, the powder supply mechanism 16 and the modeling unit 14 are frictionally driven by the friction between the powder transport mechanism 16 and the modeling unit 14.
  • the inkjet line head 17 and the heater 18 move in conjunction with the powder conveying mechanism 16 passing through the modeling unit 14 and discharging an excessive amount of powder to the powder discharging unit 15 and returning to the standby position. That is, the inkjet line head 17 and the heater 18 move beyond the modeling portion 14 from the standby position to a position before the standby position of the powder transport mechanism 16 in the direction of the white arrow shown in FIG. 2D. To do.
  • the inkjet line head 17 ejects aqueous ink onto the uppermost powder layer formed in the modeling portion 14 while returning to the standby position.
  • the water-based ink penetrates into the powder layer to dissolve the powder, and then, when the water-based ink evaporates and solidifies, a cured layer is formed.
  • the heater 18 moves together with the inkjet line head 17 and heats the powder layer on which the water-based ink is ejected by the inkjet line head 17. Thereby, the water-based ink ejected by the inkjet line head 17 is prevented from penetrating into the uncured powder layer below the uppermost powder layer.
  • the lid 17A that covers the ejection port (not shown) of the inkjet line head 17 opens the ejection port in a process in which the inkjet line head 17 moves while ejecting ink as shown in FIG. 2E.
  • the ejection port is isolated from the external dry environment so that the ink in the ejection port is not dried.
  • the heater 18 emits heat in the process of heating while moving above the powder layer, and in other processes, for example, the supply of electric power to the heating wire is stopped.
  • the modeled object is modeled.
  • the modeled object is covered with an uncured powder layer, and the modeled object is taken out from the uncured powder layer.
  • a modeled object is modeled under the conditions described below.
  • the powder used as the material of the molded article a mixture of 90% by weight of sodium chloride, 5% by weight of magnesium sulfate, and 5% by weight of polyvinylpyrrolidone is used.
  • the water-based ink those used in commercially available ink jet printers are used as the colored ink, and those obtained by mixing distilled water and ethyl alcohol in a 1: 1 ratio by weight are used as the colorless ink. .
  • the modeling area for example, a rectangular area of 20 cm in the X direction and 30 cm in the Y direction is prepared. Further, the thickness of one powder layer is set to 0.1 mm, that is, the table 14A (FIG. 2) of the modeling unit 14 is controlled to drop by 0.1 mm. And the powder of the component mentioned above is accommodated in the powder supply part 13, and at least 30% or more excess powder is extruded from the powder supply part 13 more than the amount required to form one powder layer in the modeling region. The amount of powder is transported to the modeling region by the powder transport mechanism 16. Thereby, a powder layer having a thickness of 0.1 mm is uniformly formed in the modeling area.
  • the inkjet line head 17 is of a line shot type in which the pitch of the ejection ports is 600 dpi.
  • the heater 18 is provided with a reflector, having a voltage of 100V and a power consumption of 300W.
  • the modeling apparatus 11 models a modeled object as described with reference to FIG. 2, thereby modeling a modeled object that is colored in full color up to the inside and that has higher strength than before. Can do. For example, it is possible to form a modeled object having a strength that does not break even when dropped from a height of 1 m onto a tiled floor.
  • FIG. 3 is a flowchart for explaining processing in which the modeling apparatus 11 of FIG. 1 models a modeled object.
  • step S ⁇ b> 11 the powder supply unit 13 pushes up the stored powder and supplies a slightly excessive amount of powder above the upper surface of the work table 12, and the process proceeds to step S ⁇ b> 12. move on.
  • step S ⁇ b> 12 the modeling unit 14 lowers the table 14 ⁇ / b> A according to the thickness of one layer of the powder layer, and between the upper surface of the cured layer and the uncured powder layer and the upper surface of the work table 12, An interval of thickness for one layer is provided.
  • step S12 the process proceeds to step S13, and the powder transport mechanism 16 rotates the powder in the direction of the arrow shown in FIG. Transport. And the powder conveyance mechanism 16 fills the space
  • step S14 the inkjet line head 17 and the heater 18 move to a position before the standby position in conjunction with the return of the powder transport mechanism 16 to the standby position. And the inkjet line head 17 injects water-based ink to the area
  • the powder layer is dissolved by the water-based ink ejected to the cross-sectional shape of the modeled object and then the water-based ink is evaporated, a cured layer corresponding to the cross-sectional shape is formed.
  • step S ⁇ b> 15 the heater 18 moves from behind the inkjet line head 17 together with the inkjet line head 17, thereby heating the powder layer on which the aqueous ink is ejected by the inkjet line head 17.
  • the process proceeds to step S16.
  • a control unit for example, a computer shown in FIG. 4 described later
  • a control unit that controls the entire modeling apparatus 11 determines whether or not all the hardened layers have been formed. That is, in the modeling apparatus 11, cross-sectional shape data obtained by slicing three-dimensional data of a modeled object is created, and in accordance with the cross-sectional shape data, aqueous ink is jetted onto the powder layer stacked in the modeling unit 14, and the cured layer Are sequentially formed. And, if the powder layers from the lowest layer to the uppermost layer are laminated and controlled to eject water-based ink according to all of the cross-sectional shape data created by slicing, the cured layer is all formed Determined.
  • step S16 If it is determined in step S16 that all of the cured layer is not formed, the process returns to step S11, and the same process is repeated thereafter. On the other hand, when it determines with all the hardened layers having been formed, the molded article is completed and a process is complete
  • a high-precision and high-strength shaped object can be formed by spraying water-based ink onto the powder layer with the modeling apparatus 11 and heating each layer one by one.
  • a molded article using salt (hereinafter, appropriately referred to as a salt molded article) is water-soluble and has a high heat resistance, for example, for injection molding created by a casting method or It can be used as a mold for blow molding. And since the mold that is a salt model can be melted with water after casting, a highly functional mold that can freely arrange cooling, heating and degassing conduits inside the mold It becomes. Also, as the casting metal, zinc alloy or aluminum alloy can be used, and by applying the salt molding to the mold for large molded products, the mold can be made at low cost and molded The cycle can be shortened.
  • the salt model has good whiteness and suppresses excessive diffusion of the water-based ink, so that the color developability is excellent. For this reason, the modeling thing modeled in full color can achieve the quality level which can be used in a consumer field. Also, in the consumer field, it is assumed that an unspecified number of people touch the shaped object, but the salt shaped object is excellent in safety to the human body, and even if an infant enters the mouth, there is little risk of swallowing. Furthermore, when it is disposed of, there is an advantage that no harmful components are discharged, and it can be used with peace of mind in the consumer field handled by an unspecified number of people.
  • the powder can be reused by crushing the shaped object, and it is also friendly to the global environment. For this reason, it is anticipated that a salt molded object will be used not only in the conventional industrial field and the medical field but also in the consumer field where future development is expected. In particular, the recyclability has a great effect of reducing the waste, and even if the salt molded article is discarded, it can be safely discarded because it contains no harmful substances.
  • the water-based ink can be ejected once (almost simultaneously) in the line direction, and the head is moved in the line direction.
  • the inkjet line head 17 can be moved at a higher speed than a method of ejecting water-based ink (a general inkjet printer method).
  • drying of the water-based ink can also be avoided by isolating the ejection port of the inkjet line head 17 by the lid 17A.
  • the water-based ink is jetted onto the powder layer by the inkjet line head 17 and then the powder layer is heated by the heater 18.
  • the powder layer may be heated before the water-based ink is ejected.
  • the uppermost powder layer has higher accuracy ( A hardened layer with high resolution and high dimensional accuracy) can be formed, and as a result, a high-precision molded article can be formed.
  • the coloring property of the shaped article is improved.
  • the powder solubility is improved by heating the powder layer before jetting the water-based ink, the powder is reliably dissolved by the water-based ink, and thereby the solidity of the modeled object can be improved.
  • the modeled object can be modeled with high accuracy and high strength.
  • a heater in which the powder supply unit 13 heats the vicinity of the upper part. May be configured.
  • the powder supplied by being pushed out from the powder supply unit 13 has heat enough to evaporate the water-based ink appropriately, and has high accuracy and high strength without heating by the heater 18.
  • a model can be modeled.
  • a heater 18 may be provided on both sides of the inkjet line head 17 to heat the powder before and after ejecting the water-based ink.
  • the water-based ink includes five types of water-based inks of cyan, magenta, yellow, and black, and a transparent colorless ink.
  • cyan, magenta, yellow, and black cyan, magenta, yellow, and black
  • a transparent colorless ink cyan, magenta, yellow, and black
  • only the color ink is used.
  • colorless ink may be used.
  • a series of processes performed in the above-described modeling apparatus 11 is performed, for example, by executing software by a computer that controls each unit of the modeling apparatus 11.
  • a program constituting the software can execute various functions by installing a computer incorporated in dedicated hardware or various programs, for example, a general-purpose It is installed from a program recording medium in a personal computer or the like.
  • FIG. 4 is a block diagram showing an example of the hardware configuration of a computer that executes the above-described series of processing by a program.
  • a CPU Central Processing Unit
  • ROM Read Only Memory
  • RAM Random Access Memory
  • An input / output interface 105 is further connected to the bus 104.
  • the input / output interface 105 includes an input unit 106 including a keyboard, a mouse, and a microphone, an output unit 107 including a display and a speaker, a storage unit 108 including a hard disk and a non-volatile memory, and a communication unit 109 including a network interface.
  • a drive 110 for driving a removable medium 111 such as a magnetic disk, an optical disk, a magneto-optical disk, or a semiconductor memory is connected.
  • the CPU 101 loads, for example, the program stored in the storage unit 108 to the RAM 103 via the input / output interface 105 and the bus 104 and executes the program. Is performed.
  • the program executed by the computer (CPU 101) is, for example, a magnetic disk (including a flexible disk), an optical disk (CD-ROM (Compact Disc-Read Only Memory), DVD (Digital Versatile Disc), etc.), a magneto-optical disc, or a semiconductor.
  • the program is recorded on a removable medium 111 that is a package medium including a memory or the like, or is provided via a wired or wireless transmission medium such as a local area network, the Internet, or digital satellite broadcasting.
  • the program can be installed in the storage unit 108 via the input / output interface 105 by attaching the removable medium 111 to the drive 110. Further, the program can be received by the communication unit 109 via a wired or wireless transmission medium and installed in the storage unit 108. In addition, the program can be installed in the ROM 102 or the storage unit 108 in advance.
  • the program executed by the computer may be a program that is processed in time series in the order described in this specification, or in parallel or at a necessary timing such as when a call is made. It may be a program for processing. Further, the program may be processed by a single CPU, or may be processed in a distributed manner by a plurality of CPUs.
  • FIG. 5 is a table showing the results of an experiment in which the time until the modeled object is dried by natural drying after the modeled object is modeled is divided into the presence or absence of heat treatment by the heater 18. The experimental conditions are shown below.
  • the size of the test piece was 15 mm ⁇ 15 mm ⁇ 42 mm.
  • About the test piece which colored the surface of 15 mm x 42 mm with the color, the optical density, the lightness, and the chromaticity were measured using a chromaticity meter (model number X-Rite530; X-Rite Co., Ltd.).

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Abstract

　粉末搬送機構１６は、水溶性の粉末を主成分とする粉末層を、造形部１４に、１層ずつ積層する。インクジェットラインヘッド１７は、粉末搬送機構１６により積層された最上層の粉末層の、造形物の断面形状に応じた領域に、粉末を溶解させる水性インクを噴射する。そして、加熱器１８は、粉末層の１層ごとに、粉末を加熱する。また、加熱器１８は、インクジェットラインヘッド１７により水性インクが噴射された後、および、インクジェットラインヘッド１７により水性インクが噴射される前のいずれかにおいて、粉末を加熱する。本発明は、例えば、造形装置に適用できる。

Description

造形装置および造形方法
　本発明は、造形装置および造形方法に関し、特に、高精度の造形物を造形することができるようにした造形装置および造形方法に関する。
　一般的に、３次元積層造形法では、ＣＡＤ（Computer Aided Design）で作成された造形物の３次元形状データから、３次元形状データをスライスした断面形状データが作成される。そして、その断面形状データに基づいて、造形物を輪切りにした断面形状の薄板が作成され、あたかも立体等高線地図を作成するように薄板を積層することで造形物が造形される。３次元積層造形法は、このような造形方法であり、付加加工法の一つである。
　例えば、３次元積層造形法には、造形に用いる素材に応じて、光硬化性樹脂を用いる光造形法や、粉末を用いる粉末積層造形法、溶融させた樹脂を堆積させる溶融樹脂堆積造形法、紙やプラスチックシートまたは金属などの薄板を積層する薄板積層造形法などがある。
　また、３次元積層造形法には、薄板を作成する方式として、微量の液体を噴射して断面形状の薄板を作成するインクジェット方式がある。インクジェット方式による３次元積層造形法では、粉末積層造形法や、溶融樹脂堆積造形法、光造形法などが実用化されている。
　例えば、粉末積層造形法では、デンプンや石膏あるいはセラミックスの粉末による層が形成され、その表面にインクジェットでバインダーが噴射されて、断面形状に従って描画されたバインダーにより粉末を固着させることにより薄板が作成される。また、溶融樹脂堆積造形法では、溶融させたワックスなどがインクジェットで噴射されて、断面形状に従って描画されたワックスなどが固化することにより薄板が作成される。また、光造形法では、液状の光硬化性樹脂がインクジェットで噴射されて層が形成され、その光硬化性樹脂の層が、断面形状に従って照射される光により硬化されて薄板が作成される。
　また、特許文献１では、食塩粉末を用いた粉末積層造形法が開示されている。例えば、特許文献１には、「水を主成分とする液を撒布すると、食塩粉末が撒布液に溶け出して体積が減少し、層厚みの変動が生じる。そこで、噴射液に食塩を飽和またはそれに近い状態まで溶解すると、食塩粉末に噴射・撒布したときに食塩粉末が溶解することがない。したがって粉末層の厚みが一定に保たれる結果、寸法精度の向上が図れる」ことが開示されている。
　また、特許文献１には、その発明の効果として、「水溶性があり、脱型容易な無害な模型が実現できる」こと、および「また食塩と耐熱性のある固着剤とを組み合わせると消失性のみならず耐熱性が付与され、精密鋳造用消失模型型が実現できる」ことが開示されている。
特開２００４－８２２０６号公報
　しかしながら、通常、水溶性の粉末は空気中の水分を吸収しやすい吸湿性を備えている。このため、例えば、ある粉末層に水分を供給して薄板を形成し、その粉末層の上に次の薄板を造形するための粉末層を形成すると、薄板を造形しようとする粉末層に、その下の粉末層に供給された過剰な水分が、蒸気または液体状態で浸透することがある。これにより、薄板を造形しようとする粉末層において、造形物の断面形状に応じた領域以外の領域が固化することがある。
　このように、過剰な水分が浸透することにより、造形物の寸法精度が低下することがあった。また、過剰な水分の浸透することによる悪影響を回避するために、乾燥雰囲気下で造形物を造形することを試みたとしても、水分の浸透を確実に防止することは困難であり、その悪影響を完全に回避することができなかった。
　本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、高精度の造形物を造形することができるようにするものである。
　本発明の一側面の造形装置は、水溶性の粉末を主成分とする粉末層を１層ずつ積層する積層手段と、前記積層手段により積層された最上層の前記粉末層の、造形物の断面形状に応じた領域に、前記粉末を溶解させる液体を供給する液体供給手段と、前記粉末層の１層ごとに、前記粉末を加熱する加熱手段とを備える。
　本発明の一側面の造形方法は、水溶性の粉末を主成分とする粉末層を１層ずつ積層し、積層された最上層の前記粉末層の、造形物の断面形状に応じた領域に、前記粉末を溶解させる液体を供給し、前記粉末層の１層ごとに、前記粉末を加熱するステップを含む。
　本発明の一側面においては、水溶性の粉末を主成分とする粉末層が１層ずつ積層され、積層された最上層の粉末層の、造形物の断面形状に応じた領域に、粉末を溶解させる液体が供給される。そして、粉末層の１層ごとに、粉末が加熱される。
　本発明の一側面によれば、高精度の造形物を造形することができる。
本発明を適用した造形装置の一実施の形態の構成例を示す斜視図である。 造形装置１１により造形物を造形する工程について説明する図である。 造形装置１１が造形物を造形する処理を説明するフローチャートである。 コンピュータのハードウエアの構成例を示すブロック図である。 加熱器による加熱処理の有無に分けて、造形物が造形された後に造形物が自然乾燥により乾燥されるまでの時間を測定した実験の結果を示す表である。 食塩材料による造形物及び石膏材料による造形物のそれぞれの発色性を比較した実験の結果を示す表である。 図６の表により得られる色度図である。
　以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
　図１は、本発明を適用した造形装置の一実施の形態の構成例を示す斜視図である。
　図１において、造形装置１１は、作業台１２、粉末供給部１３、造形部１４、粉末排出部１５、粉末搬送機構１６、インクジェットラインヘッド１７、加熱器１８、除湿部１９、および駆動軸２０から構成される。
　作業台１２は、造形物を造形する作業が行われる台であり、その下方に、粉末供給部１３、造形部１４、粉末排出部１５が配設され、その上方に、粉末搬送機構１６、インクジェットラインヘッド１７、加熱器１８、駆動軸２０が配設されている。また、作業台１２には、粉末供給部１３が粉末を供給する供給領域に応じた開口部、造形部１４において造形物が造形される造形領域に応じた開口部、粉末排出部１５において粉末が排出される排出領域に応じた開口部が設けられている。
　また、作業台１２上で、粉末搬送機構１６、インクジェットラインヘッド１７、および加熱器１８は、駆動軸２０に沿って移動し、これらが移動する方向をＹ方向とし、Ｙ方向に直交する方向をＸ方向とする。また、供給領域に応じた開口部、造形領域に応じた開口部、および排出領域に応じた開口部は、この順番で、Ｙ方向に並んで設けられている。
　粉末供給部１３は、その内部に粉末を収納しており、作業台１２の下方から上方に向かって粉末を押し出すことにより、作業台１２の供給領域に応じた開口部から、作業台１２の上面より上に粉末を供給する。例えば、粉末供給部１３は、１層の粉末層を形成するにあたり、１層分より少し過剰な量の粉末を、作業台１２の上面に供給する。
　造形部１４は、造形領域に応じた開口部に積層される粉末の層を、下方に移動させるテーブル（図２のテーブル１４Ａ）を有して構成されており、硬化層が１層形成されるたびに、その１層に応じた厚みだけテーブルが降下する。このように、造形部１４のテーブルが降下することにより、テーブルの上面に形成された硬化層および未硬化の粉末層の上面と、作業台１２の上面との間隔が、硬化層の厚みに応じたものとなる。
　粉末排出部１５には、粉末供給部１３から供給され、粉末搬送機構１６により造形部１４に搬送された残りの粉末が、作業台１２の排出領域に応じた開口部から排出される。
　ここで、造形部１４における造形物の造形には、水溶性の粉末が用いられ、例えば、食塩や硫酸マグネシウム、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や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ができる。また、その粉末には、食塩粉末を用いることが望ましく、特に、塩（NaCl）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好ましい。また、平均粒子径は１０μｍ以上１００μｍ以下のものが好ましい。
　粉末搬送機構１６は、駆動軸２０に沿って移動するローラにより構成されており、ローラを回転させつつ移動させることにより、粉末供給部１３により供給領域に供給されている粉末を、造形領域に搬送する。
　上述したように、造形部１４では、硬化層および未硬化の粉末層の上面と、作業台１２の上面との間隔が、硬化層の厚みに応じて設けられており、粉末搬送機構１６は、粉末を搬送しながら、その間隔に粉末を充填する。これにより、造形領域には、硬化層の１層に応じた厚みで、粉末が、均一に均される。また、粉末搬送機構１６は、粉末層の形成に必要な量を超過した粉末を、造形領域を超えて、排出領域に応じた開口部まで搬送し、粉末排出部１５に排出する。なお、粉末搬送機構１６は、回転するローラを用いる他、例えば、粉末を均すスキージーで構成してもよい。
　インクジェットラインヘッド１７は、いわゆるインクジェット方式により水性インクを微滴化して噴射する複数の噴射口を有しており、複数の噴射口から水性インクを噴射して、造形部１４に形成されている粉末層の、造形物の断面形状に応じた領域に水性インクを供給する。これにより、粉末層に水性インクが浸透することで粉末が溶解し、その後、硬化することで、造形物の断面形状に応じた硬化層（薄板）が造形される。
　また、インクジェットラインヘッド１７は、Ｘ方向の１ラインに水性インクを同時に噴射することができるように、複数の噴射口が、Ｘ方向に、造形部１４のＸ方向の幅に渡って並べられて構成されている。そして、インクジェットラインヘッド１７は、Ｘ方向の１ラインに水性インクを一度に噴射して、Ｙ方向に１ライン移動することを繰り返しながら、造形領域の全面に水性インクを噴射する、いわゆる、ラインショット方式とされている。
　例えば、インクジェットラインヘッド１７は、シアン、マゼンダ、イエロー、およびブラックの４色の着色インクと、透明の無色インクとの５種類の水性インクを噴射する。なお、インクジェットラインヘッド１７では、このような５種類の水性インクをそれぞれ噴射する５つの噴射口を１つのセットとして、噴射口のセットが所定のピッチでＸ方向に沿って、造形部１４のＸ方向の幅に渡って、複数設けられている。また、着色インクとしては、通常市販されているインクジェットプリンタに用いられているもの、即ち、顔料あるいは染料が水とアルコール成分からなる混合溶液に分散または溶解したものが用いられる。また、無色インクには、顔料あるいは染料を含まない混合溶液が用いられる。
　また、インクジェットラインヘッド１７には、後述する図２に示すように、水性インクの噴射口を覆う蓋１７Ａが設けられている。即ち、水性インクが乾燥することにより噴射口が詰まることを回避するため、水性インクを噴射するとき以外は、蓋１７Ａにより噴射口を覆うことで、水性インクが乾燥することが抑制される。また、粉末搬送機構１６により粉末が搬送されている間に、インクジェットラインヘッド１７が待機している待機位置（図１でインクジェットラインヘッド１７が示されている位置）を、除湿部１９から離れた位置とすることでも、水性インクが乾燥することが抑制される。
　加熱器１８には、例えば、遠赤外線を発生する電熱器などが用いられ、加熱器１８は、インクジェットラインヘッド１７の移動に伴って移動しながら、粉末層を加熱する。
　ここで、遠赤外線とは、波長が４μｍから1000μｍまでの超遠赤外線までを含む領域の波長を有する電磁波であり、加熱器１８としては、遠赤外領域の熱量が少なくとも５０％以上あるものを用いることが好ましい。つまり、熱量を発生させる熱線の波長領域は、0.76～1000μｍまでの範囲とされており、0.76～1.6μｍが近赤外線であり、1.6～４μｍが中間赤外線であり、４～25μｍが遠赤外線であり、25～1000μｍが超遠赤外であって（広義には４μ以上を遠赤外線という場合もある）、照射する熱量の５０％以上が波長領域４～1000μｍとするのが好ましい。
　例えば、遠赤外線の熱量が５０％未満である加熱器が、造形装置１１に用いられると、粉末層が過剰に加熱されることがあり、インクジェットラインヘッド１７により粉末層に噴射された水性インクが、十分に浸透する前に乾燥する恐れがある。この場合、粉末層どうしを十分な強度で固着させることができず、その結果、造形物が壊れやすくなることがある。また、通常の赤外線加熱では粉末そのものが加熱され、全体の温度が上がるので、目詰まりの原因になる恐れがあるのに対し、遠赤外加熱は、食塩粉末に含まれる水分のみを加熱するので、目詰まりの発生を抑制することができる。このように、加熱器１８には、遠赤外領域の熱量が少なくとも５０％以上あるものを用いることが好ましい。
　除湿部１９は、例えば、造形部１４の付近に配置され、造形領域に積層された粉末層を含む空間の水蒸気を除去することで、その空間の雰囲気を乾燥させる。例えば、除湿部１９は、湿度が８０％以下となるように、除湿を行う。
　駆動軸２０は、Ｙ方向に延びるように、作業台１２の両側に設けられ、図示しない駆動部からの動力を、粉末搬送機構１６、インクジェットラインヘッド１７、および加熱器１８に伝達し、これらをＹ方向に駆動させる。
　次に、図２を参照して、造形装置１１により造形物を造形する工程について説明する。
　図２は、図１の造形装置１１をＸ方向からみた図（部分的な断面図）である。また、図２Ａ乃至２Ｅには、硬化層を１層形成する工程が示されており、粉末および未硬化の粉末層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２Ａに示すように、造形部１４のテーブル１４Ａには、硬化層および未硬化の粉末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２Ａにおいて、粉末搬送機構１６、インクジェットラインヘッド１７、および加熱器１８が示されている位置が、ぞれぞれの待機位置とされる。
　まず、図２Ｂに示すように、粉末供給部１３において、粉末供給部１３に収納されている粉末が押し上げられ、１層分の粉末層よりも少し過剰な量の粉末が、作業台１２の上面より上に供給される。また、造形部１４において、テーブル１４Ａが降下し、硬化層および未硬化の粉末層の上面と作業台１２の上面との間に、粉末層（硬化層）の１層分の厚みの間隔が設けられる。
　その後、図２Ｃに示すように、粉末搬送機構１６が、図２Ｃに示されている矢印の方向に回転しつつ、白抜きの矢印の方向に移動することにより、粉末供給部１３において作業台１２の上面に供給された粉末が搬送される。ここで、粉末搬送機構１６の回転方向は、粉末搬送機構１６を回転自在にして白抜きの矢印の方向に移動させたとしたときに、粉末搬送機構１６と造形部１４との摩擦により粉末供給部１３が回転するであろう方向に対して逆の方向である。このように、粉末搬送機構１６により粉末が搬送されることで、造形部１４の硬化層および未硬化の粉末層の上面に設けられた間隔に粉末が充填されて、均一に均された粉末層が形成される。
　粉末搬送機構１６が、造形部１４を通過して、過剰な量の粉末を粉末排出部１５に排出し待機位置まで戻るのと連動して、インクジェットラインヘッド１７および加熱器１８が移動する。即ち、図２Ｄに示されている白抜きの矢印の方向に、インクジェットラインヘッド１７および加熱器１８は、その待機位置から、粉末搬送機構１６の待機位置の手前まで、造形部１４を越えて移動する。
　そして、図２Ｅに示すように、インクジェットラインヘッド１７は、待機位置まで戻りながら、造形部１４に形成されている最上層の粉末層に水性インクを噴射する。これにより、粉末層に水性インクが浸透して粉末が溶解され、その後、水性インクが蒸発して固化すると、硬化層が形成される。
　また、加熱器１８は、インクジェットラインヘッド１７とともに移動し、インクジェットラインヘッド１７により水性インクが噴射された粉末層を加熱する。これにより、インクジェットラインヘッド１７により噴射された水性インクが、最上層の粉末層よりも下にある未硬化の粉末層に浸透することが抑制される。
　ここで、インクジェットラインヘッド１７の噴射口（図示せず）を覆う蓋１７Ａは、図２Ｅに示すようにインクジェットラインヘッド１７がインクを噴射しながら移動する工程において噴射口を開放し、この工程以外の工程においては、噴射口内のインクが乾燥しないように、外部の乾燥した環境から噴射口を隔絶する。また、加熱器１８は、粉末層の上方を移動しながら加熱する工程において熱を発し、それ以外の工程では、例えば、電熱線への電力の供給が停止される。
　そして、インクジェットラインヘッド１７および加熱器１８が、それぞれの待機位置まで戻ると、図２Ａの状態になり、造形装置１１では、このような工程が造形物を構成する硬化層の数だけ繰り返されることにより、造形物が造形される。造形が終了した時点で、造形物は未硬化の粉末層に覆われており、未硬化の粉末層の中から造形物が取り出される。例えば、造形装置１１では、以下に説明するような条件で造形物が造形される。
　造形物の材料となる粉末には、食塩９０重量％、硫酸マグネシウム５重量％、ポリビニルピロリドン５重量％を混合した成分のものが用いられる。また、水性インクとしては、着色インクには、市販のインクジェットプリンタに用いられているものが用いられ、無色インクには、蒸留水とエチルアルコールを重量比で１対１に混合したものが用いられる。
　また、造形領域としては、例えば、Ｘ方向に２０ｃｍで、Ｙ方向に３０ｃｍの矩形の領域が用意される。また、１層の粉末層の厚みは0.1ｍｍとされ、即ち、造形部１４のテーブル１４Ａ（図２）が、0.1ｍｍずつ降下するように制御される。そして、上述した成分の粉末を粉末供給部１３に収納させ、造形領域に１層の粉末層を形成させるのに必要な量よりも少なくとも３０％以上過剰な粉末を、粉末供給部１３から押し出させ、その量の粉末を、粉末搬送機構１６により造形領域に搬送させる。これにより、造形領域に0.1ｍｍの厚みの粉末層が均一に形成される。
　また、インクジェットラインヘッド１７には、噴射口のピッチが600dpiとされたラインショット方式のものが用いられる。また、加熱器１８には、反射板が付けられて、電圧が100Vであり、消費電力が300Wであるのものが用いられる。
　以上のような条件で、造形装置１１により、図２を参照して説明したように造形物を造形することで、内部までフルカラーで着色された、従来よりも高強度の造形物を造形することができる。例えば、高さ１ｍからタイル張りの床に落としても壊れないほどの強度の造形物を造形することができる。
　次に、図３は、図１の造形装置１１が造形物を造形する処理を説明するフローチャートである。
　ステップＳ１１において、粉末供給部１３は、収納している粉末を押し上げ、１層分の粉末層よりも少し過剰な量の粉末を、作業台１２の上面より上に供給し、処理はステップＳ１２に進む。
　ステップＳ１２において、造形部１４は、粉末層の１層分の厚みに応じてテーブル１４Ａを降下させ、硬化層および未硬化の粉末層の上面と作業台１２の上面との間に、粉末層の１層分の厚みの間隔を設ける。
　ステップＳ１２の処理後、処理はステップＳ１３に進み、粉末搬送機構１６は、図２Ｃに示されている矢印の方向に回転しつつ、粉末供給部１３の作業台１２の上面より上にある粉末を搬送する。そして、粉末搬送機構１６は、造形部１４の硬化層および未硬化の粉末層の上面に設けられた間隔に粉末を充填して粉末層を形成し、処理はステップＳ１４に進む。
　ステップＳ１４において、インクジェットラインヘッド１７および加熱器１８は、粉末搬送機構１６が待機位置まで戻るのと連動して、その待機位置の手前まで移動する。そして、インクジェットラインヘッド１７は、自身の待機位置まで戻りながら、造形部１４に形成されている粉末層の、造形物の断面形状に応じた領域に水性インクを噴射する。このように造形物の断面形状に噴射された水性インクにより粉末層が溶解され、その後、水性インクが蒸発すると、断面形状に応じた硬化層が形成される。
　ステップＳ１５において、加熱器１８は、インクジェットラインヘッド１７とともに、インクジェットラインヘッド１７の後から移動することで、インクジェットラインヘッド１７により水性インクが噴射された粉末層を加熱する。そして、インクジェットラインヘッド１７および加熱器１８が、待機位置まで戻ると処理はステップＳ１６に進む。
　ステップＳ１６において、造形装置１１の全体を制御する制御部（例えば、後述する図４のコンピュータ）が、硬化層が全て形成されたか否かを判定する。即ち、造形装置１１では、造形物の３次元データがスライスされた断面形状データが作成され、その断面形状データに応じて、造形部１４で積層される粉末層に水性インクが噴射されて硬化層が順次形成される。そして、最下層から最上層までの粉末層が積層され、スライスして作成された断面形状データの全てに応じた水性インクの噴射を行う制御が行われていれば、硬化層が全て形成されたと判定される。
　ステップＳ１６において、硬化層が全て形成されていないと判定された場合、処理はステップＳ１１に戻り、以下、同様の処理が繰り返される。一方、硬化層が全て形成されたと判定された場合、造形物は完成しており、処理は終了する。
　以上のように、造形装置１１により粉末層に、インクジェットにより水性インクを噴射して、１層ごとに加熱することにより、高精度かつ高強度の造形物を造形することができる。
　即ち、１層ごとに加熱することで、粉末層に供給された過剰な水分が確実に蒸発し、その層の下に形成されている未硬化の粉末層や、その上に形成される次の粉末層に、過剰な水分が浸透する（滲む）ことが防止される。これにより、造形物の断面形状に応じた領域以外に過剰な水分が浸透することにより固化することが回避され、寸法精度の低下を抑制することができる。
　また、食塩を用いた造形物（以下、適宜、食塩造形物と称する）は、水溶性であり、耐熱性が高いという特性を有しているので、例えば、鋳造法で作成する射出成形用やブロー成形用の金型として用いることができる。そして、食塩造形物である金型は、鋳造後に水で溶かすことができるので、金型内部に冷却用や加熱用やガス抜き用の導管を自在に配置することができるという高機能な金型となる。また、鋳造用金属としては、亜鉛合金やアルミ合金を使用することができ、食塩造形物を大型成形品用の金型に適用することで、金型を安価に作成することができるとともに、成形サイクルを短縮することができる。
　また、食塩造形物は白色度も良く、水性インクの過剰な拡散が抑えられため、発色性が優れる。このため、フルカラーで造形した造形物は民生分野で使用可能な品質レベルを達成することができる。また、民生分野では、不特定多数の人が造形物に触れることが想定されるが、食塩造形物は人体に対する安全性に優れ、乳幼児が口に入れてもしょっぱいので飲み込む危険は少ない。さらに、廃棄する場合も有害な成分を排出しないという利点があり、不特定多数の人が扱う民生分野で安心して使用出来る。
　さらに、近年は、インターネットの普及により、Ｗｅｂ上には、３次元デジタルコンテンツ（３次元の立体形状を数値モデルで表したデータ）が多く存在しており、造形装置１１には、それらの３次元デジタルコンテンツの出力、即ち、３次元デジタルコンテンツに基づく造形物の造形に用いるという民生分野での用途が想定される。
　また、造形物を砕くことにより粉末を再利用することができるというリサイクル性にも優れ、地球環境にも優しいものとなる。このため、食塩造形物は、従来の工業分野や医療分野だけでなく、今後の発展が期待される民生分野でも使用されることが期待される。特に、リサイクル性は、廃棄物を低減させるという効果が大きく、また、食塩造形物を廃棄するとしても、有害物質が含まれていないので、安全に廃棄することができる。
　また、造形装置１１では、上述したように、ラインヘッド方式のインクジェットラインヘッド１７を用いることで、ライン方向に一度（ほぼ同時）に水性インクを噴射することができ、ライン方向へヘッドを移動させながら水性インクを噴射するような方式（一般的なインクジェットプリンタの方式）よりも、インクジェットラインヘッド１７を高速に移動させることができる。これにより、造形物の造形に必要な時間を短縮することができるだけでなく、インクジェットラインヘッド１７が乾燥雰囲気下にいる時間を短くすることができ、水性インクが乾燥することを回避することができる。また、インクジェットラインヘッド１７に蓋１７Ａを設け、水性インクを噴射する工程以外では、蓋１７Ａによりインクジェットラインヘッド１７の噴射口を隔絶することによっても、水性インクの乾燥が回避される。
　なお、本実施の形態においては、インクジェットラインヘッド１７により粉末層に水性インクが噴射された後に、加熱器１８により粉末層が加熱されているが、例えば、粉末層が形成された後であって、水性インクが噴射される前に、粉末層を加熱してもよい。
　このように、水性インクが噴射される前に粉末層を加熱することで、例えば、最上面に形成されている粉末層の下にある硬化層に含まれている過剰な水分が蒸発されるとともに、最上面の粉末層に吸着されてしまった水分が除去された状態となる。または、最上面の粉末層に一定量の水分（吸着水）が保たれた状態となる。
　このような状態において、水性インクを噴射することにより、最上面の粉末層の下にある硬化層の過剰な水分（水性インク）の拡散が抑制されるため、最上面の粉末層により高精度（高い解像度かつ高い寸法精度）の硬化層を形成することができ、ひいては、高精度の造形物を造形することができる。また、水性インクの拡散が抑制されたことにより、造形物の発色性もよくなる。さらに、水性インクを噴射する前に粉末層を加熱することにより、粉末の溶解度が向上するため、水性インクにより粉末が確実に溶解され、これにより、造形物の強固を向上させることができる。
　なお、このように、粉末層を適切に加熱することができれば、造形物を高精度かつ高強度に造形することができ、例えば、粉末供給部１３が、その上部付近を加熱するような加熱器を有して構成されていてもよい。この場合、粉末供給部１３から押し出されて供給される粉末が、水性インクを適度に蒸発させる程度の熱を有しており、加熱器１８による加熱を行わなくても、高精度かつ高強度な造形物を造形することができる。
　また、インクジェットラインヘッド１７の両側に加熱器１８を設け、水性インクを噴射する前後で粉末を加熱してもよい。
　また、本実施の形態においては、水性インクには、シアン、マゼンダ、イエロー、およびブラックの４色の着色インクと、透明の無色インクとの５種類の水性インクを用いるとしたが、着色インクだけを用いたり、無色インクだけを用いてもよい。
　また、上述した造形装置１１において行われる一連の処理は、例えば、造形装置１１の各部を制御するコンピュータが、ソフトウエアを実行することにより行われる。この場合には、そのソフトウエアを構成するプログラムが、専用のハードウエアに組み込まれているコンピュータ、または、各種のプログラムをインストールすることで、各種の機能を実行することが可能な、例えば汎用のパーソナルコンピュータなどに、プログラム記録媒体からインストールされる。
　図４は、上述した一連の処理をプログラムにより実行するコンピュータのハードウエアの構成例を示すブロック図である。
　コンピュータにおいて、CPU（Central Processing Unit）１０１，ROM（Read Only Memory）１０２，RAM（Random Access Memory）１０３は、バス１０４により相互に接続されている。
　バス１０４には、さらに、入出力インタフェース１０５が接続されている。入出力インタフェース１０５には、キーボード、マウス、マイクロホンなどよりなる入力部１０６、ディスプレイ、スピーカなどよりなる出力部１０７、ハードディスクや不揮発性のメモリなどよりなる記憶部１０８、ネットワークインタフェースなどよりなる通信部１０９、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、或いは半導体メモリなどのリムーバブルメディア１１１を駆動するドライブ１１０が接続されている。
　以上のように構成されるコンピュータでは、CPU１０１が、例えば、記憶部１０８に記憶されているプログラムを、入出力インタフェース１０５及びバス１０４を介して、RAM１０３にロードして実行することにより、上述した一連の処理が行われる。
　コンピュータ（CPU１０１）が実行するプログラムは、例えば、磁気ディスク（フレキシブルディスクを含む）、光ディスク（CD-ROM(Compact Disc-Read Only Memory),DVD(Digital Versatile Disc)等）、光磁気ディスク、もしくは半導体メモリなどよりなるパッケージメディアであるリムーバブルメディア１１１に記録して、あるいは、ローカルエリアネットワーク、インターネット、デジタル衛星放送といった、有線または無線の伝送媒体を介して提供される。
　そして、プログラムは、リムーバブルメディア１１１をドライブ１１０に装着することにより、入出力インタフェース１０５を介して、記憶部１０８にインストールすることができる。また、プログラムは、有線または無線の伝送媒体を介して、通信部１０９で受信し、記憶部１０８にインストールすることができる。その他、プログラムは、ROM１０２や記憶部１０８に、あらかじめインストールしておくことができる。
　なお、コンピュータが実行するプログラムは、本明細書で説明する順序に沿って時系列に処理が行われるプログラムであっても良いし、並列に、あるいは呼び出しが行われたとき等の必要なタイミングで処理が行われるプログラムであっても良い。また、プログラムは、１つのCPUにより処理されるものであっても良いし、複数のCPUによって分散処理されるものであっても良い。
　図５は、上記加熱器１８による加熱処理の有無に分けて、造形物が造形された後に造形物が自然乾燥により乾燥されるまでの時間を測定した実験の結果を示す表である。実験の条件を以下に示す。
　粉末として食塩材料を用いた。　
　造形物としてのテストピースのサイズは、15ｍｍ×15ｍｍ×42ｍｍとした。　
　加熱なしで造形されたテストピース（Ｎ１及びＮ２の２つ）、及び、温度１２０℃で粉末層の１層ごとに加熱しながら造形されたテストピース（Ｈ１及びＨ２の２つ）について、それぞれ乾燥時間を測定し、それら各平均値を算出した。具体的には、市販の加熱乾燥式水分計（型番MX-50；A&D株式会社）を用い、設定値180℃、水分変化量0.05 %／minになるまでの時間を測定した。
　この表に示されるとおり、加熱ありの場合、過剰な水分が蒸発するので、加熱なしの場合に比べ、約１２％の乾燥時間の短縮効果が得られた。これは、造形物を高速に造形することにつながる結果である。
　図６は、食塩材料による造形物及び石膏材料による造形物のそれぞれの発色性を比較した実験の結果を示す表である。図７は、その表により得られる色度図である。この実験の条件を以下に示す。
　テストピースのサイズは、15ｍｍ×15ｍｍ×42ｍｍとした。　
　15ｍｍ×42ｍｍの面をカラーで着色したテストピースについて、色彩色度計（型番X-Rite530；エックスライト株式会社）を用いて、光学濃度および明度及び色度を測定した。
　この実験の結果、食塩材料によるテストピースは、石膏材料によるテストピースに比較して、シアン、マゼンタ、イエローの全ての色で、彩度が上回っていた。また、食塩材料によるテストピースの方が、白色に関して、光学濃度は低く、明度は高くなっていた。食塩材料によるテストピースについて、白色の色度もほぼゼロを示し、石膏材料のテストピースの白色と比較して、良好な結果となっている。
　以上から、食塩材料による造形物の方が、石膏材料による造形物より発色性が良いという結果が得られた。
　本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
　１１　造形装置，　１２　作業台，　１３　粉末供給部，　１４　造形部，　１４Ａ　テーブル，　１５　粉末排出部，　１６　粉末搬送機構，　１７　インクジェットラインヘッド，　１７Ａ　蓋，　１８　加熱器，　１９　除湿部，　２０　駆動軸

Claims (13)

  1. 　水溶性の粉末を主成分とする粉末層を１層ずつ積層する積層手段と、
    　前記積層手段により積層された最上層の前記粉末層の、造形物の断面形状に応じた領域に、前記粉末を溶解させる液体を供給する液体供給手段と、
    　前記粉末層の１層ごとに、前記粉末を加熱する加熱手段と
    　を備える造形装置。
  2. 　前記加熱手段は、前記液体供給手段が前記粉末層に液体を供給した後に、前記粉末を加熱する
    　請求項１に記載の造形装置。
  3. 　前記加熱手段は、前記積層手段が最上層の粉末層を積層した後であって、その粉末層に前記液体供給手段が液体を供給する前に、前記粉末を加熱する
    　請求項１に記載の造形装置。
  4. 　前記粉末は、主成分となる食塩と、硫酸マグネシウムおよびポリビニルピロリドンのうちの少なくとも１種類以上とが組み合わされたものである
    　請求項１に記載の造形装置。
  5. 　前記液体供給手段が供給する液体は、水とアルコールとが混合された混合溶液である無色インクと、前記混合溶液に顔料が分散されている着色インクまたは前記混合溶液に染料が溶解されている着色インクとのうちの、少なくともいずれか１つからなる
    　請求項１に記載の造形装置。
  6. 　前記液体供給手段は、前記粉末層の所定のラインに沿って前記液体を微滴化して噴射し、前記ラインに対して直交する方向に１ラインごとに移動することを繰り返しながら、前記粉末層に液体を供給する
    　請求項１に記載の造形装置。
  7. 　前記液体供給手段は、前記ラインの方向に、前記造形物を造形する領域の幅に渡って並べられた複数の噴射口を有し、前記粉末層の前記ラインの方向への前記液体の噴射を、前記複数の噴射口により略同時に行う
    　請求項６に記載の造形装置。
  8. 　前記液体供給手段は、前記噴射口を、外部の雰囲気から隔絶するための蓋を有する
    　請求項７に記載の造形装置。
  9. 　前記加熱手段が前記粉末を加熱するに用いる熱量のうちの５０％以上が、遠赤外線領域の熱線によるものである
    　請求項１に記載の造形装置。
  10. 　前記積層手段により積層された粉末層を含む空間の雰囲気を乾燥させる乾燥手段
    　をさらに備える請求項１に記載の造形装置。
  11. 　水溶性の粉末を主成分とする粉末層を１層ずつ積層し、
    　積層された最上層の前記粉末層の、造形物の断面形状に応じた領域に、前記粉末を溶解させる液体を供給し、
    　前記粉末層の１層ごとに、前記粉末を加熱する
    　ステップを含む造形方法。
  12. 　前記粉末層に液体が供給された後に、前記粉末が加熱される
    　請求項１１に記載の造形方法。
  13. 　最上層の前記粉末層が積層された後であって、その粉末層に前記液体が供給される前に、前記粉末が加熱される
    　請求項１１に記載の造形方法。
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