特許 7402105 ３次元造形装置及び造形方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-12-12

(45)【発行日】2023-12-20

(54)【発明の名称】３次元造形装置及び造形方法

(51)【国際特許分類】

   B29C 64/165 20170101AFI20231213BHJP

   B29C 64/241 20170101ALI20231213BHJP

   B29C 64/232 20170101ALI20231213BHJP

   B29C 64/255 20170101ALI20231213BHJP

   B29C 64/214 20170101ALI20231213BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20231213BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20231213BHJP

【ＦＩ】

B29C64/165

B29C64/241

B29C64/232

B29C64/255

B29C64/214

B33Y10/00

B33Y30/00

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020064309

(22)【出願日】2020-03-31

(65)【公開番号】P2021160239

(43)【公開日】2021-10-11

【審査請求日】2022-11-28

(73)【特許権者】

【識別番号】000005326

【氏名又は名称】本田技研工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100077665

【弁理士】

【氏名又は名称】千葉 剛宏

(74)【代理人】

【識別番号】100116676

【弁理士】

【氏名又は名称】宮寺 利幸

(74)【代理人】

【識別番号】100191134

【弁理士】

【氏名又は名称】千馬 隆之

(74)【代理人】

【識別番号】100136548

【弁理士】

【氏名又は名称】仲宗根 康晴

(74)【代理人】

【識別番号】100136641

【弁理士】

【氏名又は名称】坂井 志郎

(74)【代理人】

【識別番号】100180448

【弁理士】

【氏名又は名称】関口 亨祐

(72)【発明者】

【氏名】吉田 浩太郎

(72)【発明者】

【氏名】鎌田 輝郎

【審査官】今井 拓也

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－０５９４７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００５－５３４５４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００７－５０３３４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０８１９３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】独国特許出願公開第１０２０１３２１０２４２（ＤＥ，Ａ１）

【文献】欧州特許出願公開第０３６２３１３９（ＥＰ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２９Ｃ ６４／００ － ６４／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

外周壁と、底部を構成する造形台と、を有する造形容器と、
前記造形台を回転させる回転機構と、
前記造形台を前記外周壁内で昇降させる昇降装置と、を備え、
前記回転機構は、前記造形台と前記外周壁とを同一の角速度で回転させ、
前記外周壁と前記造形台とは、互いの周方向の相対移動を規制しつつ、軸方向に相対移動可能とする同期回転機構を介して接続され、
前記同期回転機構は、
前記造形台及び前記外周壁のいずれか一方に設けられ、前記軸方向に延びた昇降溝と、
前記造形台及び前記外周壁のいずれか他方に設けられ、前記昇降溝に係合して前記造形台及び前記外周壁の相対回転を阻止すると共に、前記昇降溝に沿って前記軸方向に摺動可能な摺動突起と、を有する、３次元造形装置。

【請求項2】

請求項１記載の３次元造形装置であって、
前記造形台を支持する造形台回転軸と、
前記外周壁を支持すると共に、前記造形台回転軸が挿通する軸孔を有する外周壁回転軸と、を備え、
前記昇降溝が前記造形台回転軸に設けられ、前記摺動突起が前記外周壁回転軸に設けられている、３次元造形装置。

【請求項3】

請求項２記載の３次元造形装置であって、前記昇降装置は、前記造形台回転軸と軸受部を介して接続されている、３次元造形装置。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか１項に記載の３次元造形装置であって、前記外周壁の下端には、前記外周壁の回転を案内する案内部材が設けられている、３次元造形装置。

【請求項5】

外周壁と、底部を構成する造形台と、を有する造形容器と、
前記造形台と前記外周壁とを同一の角速度で回転させる回転機構と、
前記造形台を前記外周壁内で昇降させる昇降装置と、
前記造形台の上方に配置され、前記造形容器に造形材料の粉体を吐出するシュートと、
前記シュートの回転方向の下流側に設けられ、前記シュートから吐出された前記粉体を平坦に均す擦切板と、を備え、
前記擦切板の下端は、前記シュートの下端よりも、前記造形台に対して近接した位置に配置され、
前記シュートの外周端と前記擦切板の外周端との隙間を塞ぐ閉塞壁を備える、３次元造形装置。

【請求項6】

請求項５記載の３次元造形装置であって、前記シュート及び前記擦切板の径方向の長さは前記造形台の半径以下に形成されている、３次元造形装置。

【請求項7】

外周壁と、底部を構成する造形台と、を有する造形容器と、
前記造形台と前記外周壁とを同一の角速度で回転させる回転機構と、
前記造形台を前記外周壁内で昇降させる昇降装置と、
前記造形台の上方に配置され、前記造形容器に造形材料の粉体を吐出するシュートと、
前記シュートの回転方向の下流側に設けられ、前記シュートから吐出された前記粉体を平坦に均す擦切板と、を備え、
前記擦切板の下端は、前記シュートの下端よりも、前記造形台に対して近接した位置に配置され、
前記擦切板の下端部は、中心側から外周側に向かうにしたがって徐々に前記造形台からの距離が大きくなる、３次元造形装置。

【請求項8】

外周壁と、底部を構成する造形台と、を有する造形容器と、
前記造形台と前記外周壁とを同一の角速度で回転させる回転機構と、
前記造形台を前記外周壁内で昇降させる昇降装置と、を備え、
前記造形台の上面は、造形材料の粉体との摩擦抵抗を向上させる摩擦面よりなる、３次元造形装置。

【請求項9】

外周壁と、底部を構成する造形台と、を有する造形容器と、
前記造形容器を回転させる回転機構と、
前記造形台を前記外周壁に対して昇降させる昇降装置と、
前記造形台の上方に配置され、前記造形容器に造形材料の粉体を吐出するシュートと、
前記シュートから供給された前記粉体を平坦な粉体層に均す擦切板と、
前記粉体層に結合剤を塗布する塗布装置と、
前記外周壁と前記造形台とを、互いの周方向の相対移動を規制しつつ、前記造形台を軸方向に相対移動可能に接続する同期回転機構と、を備え、
前記同期回転機構は、
前記造形台及び前記外周壁のいずれか一方に設けられ、前記軸方向に延びた昇降溝と、
前記造形台及び前記外周壁のいずれか他方に設けられ、前記昇降溝に係合して前記造形台及び前記外周壁の相対回転を阻止すると共に、前記昇降溝に沿って前記軸方向に摺動可能な摺動突起と、を有する、３次元造形装置を用いた造形方法であって、
前記回転機構は、前記外周壁と前記造形台とを同一の角速度で連続的に回転させつつ、前記シュート及び前記擦切板で前記粉体層を形成し、前記塗布装置で前記結合剤の塗布を行い、前記昇降装置は前記造形容器が１回転する毎に前記造形台を下降させて新たな前記粉体層を形成する、造形方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、粉体層に結合剤を噴射して立体的な造形物を形成する３次元造形装置及び造形方法に関する。

【背景技術】

【0002】

立体的な造形物の造形では、粉体を層状に重ねながら所要部分を固める動作を繰り返す３次元造形装置が種々提案されている。例えば、インクジェットヘッドから結合剤を吐出させる結合剤噴射方式（Binder Jetting）や、レーザ光や電子ビーム等を照射して粉体を凝固させる粉末床溶融結合方式（Powder bed fusion）等がある。粉末床溶融結合方式は、一層の造形に数分～数十分を要し、造形に時間を要する。

【0003】

一方、結合剤噴射方式は、粉体を溶融する必要がないため高速な処理が可能であり、１層の造形を数秒程度と短時間で行える。近年のインクジェット技術の高度化に伴って、さらなる造形速度の向上が期待される。

【0004】

ところで、結合剤噴射方式の３次元造形装置は、側壁と、底部を構成する造形台と、で構成される造形容器内に、造形材料の粉体層を形成しつつ造形を行う。しかしながら、従来の３次元造形装置は粉体層の形成工程と、結合剤を塗布する工程とを交互に行う必要があり、粉体層を形成する動作が断続的に行われ、無駄な待ち時間が発生する。このため、造形速度が遅くなるという問題がある。

【0005】

このような問題を解決するべく、特許文献１は、円筒状の造形容器に対して造形材料の粉体を供給する供給部及び結合剤の塗布を行う塗布部を回転させて、粉体層の形成と結合剤の塗布とを連続的な動作で行う３次元造形装置を開示する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特許第６２６６６７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１の３次元造形装置では、遠心力が作用する条件の下で安定した粉体層を形成することが困難なことから、造形容器側を回転させずに、供給部及び塗布装置を造形容器に対して一定速度で回転させている。

【0008】

しかしながら、供給部及び塗布装置を回転させる場合には、材料供給のための配管や電源配線等を回転部分に設ける必要があり、装置構成が複雑化して大がかりになる。また、回転部分の重量増加に伴って、造形部及び塗布装置の回転速度が上げられず、造形速度が遅くなり、量産品の造形が困難になるという問題がある。

【0009】

また、回転速度を向上させるべく、供給部や塗布部の構成部材を小型化すると、比較的大きな造形物を連続的に造形する際に、造形材料や結合剤の補給が必要となり、装置を途中で停止しなければならないことから、生産効率が悪くなる。

【0010】

そこで、一実施形態は、回転部分の構造を簡素化させつつも、安定な粉体層を形成可能とし、造形速度及び生産効率に優れた３次元造形装置及び造形方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

以下の開示の一観点は、外周壁と、底部を構成する造形台と、を有する造形容器と、前記造形台を回転させる回転機構と、前記造形台を前記外周壁内で昇降させる昇降装置と、を備え、前記回転機構は、前記造形台と前記外周壁とを同一の角速度で回転させる、３次元造形装置にある。

【0012】

別の一観点は、外周壁と、底部を構成する造形台と、を有する造形容器と、前記造形容器を回転させる回転機構と、前記造形台を前記外周壁に対して昇降させる昇降装置と、前記造形台の上方に配置され、前記造形容器に造形材料の粉体を吐出するシュートと、前記シュートから供給された前記粉体を平坦な粉体層に均す擦切板と、前記粉体層に結合剤を塗布する塗布装置と、を備えた３次元造形装置、を用いた造形方法であって、前記回転機構は、前記外周壁と前記造形台とを同一の角速度で連続的に回転させつつ、前記シュート及び前記擦切板で粉体層を形成し、前記塗布装置で前記結合剤の塗布を行い、前記昇降装置は前記造形容器が１回転する毎に前記造形台を下降させて新たな粉体層を形成する、造形方法にある。

【発明の効果】

【0013】

上記観点の３次元造形装置及び造形方法によれば、安定した粉体層を形成でき、回転部分の構造が簡素化され、造形速度及び生産効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】第１実施形態に係る３次元造形装置の正面図である。

【図2】図１の造形容器及びその駆動機構の断面図である。

【図3】図１の３次元造形装置のシュートの下側部分、塗布装置及び造形容器を示す斜視図である。

【図4】図４Ａは、比較例に係る３次元造形装置の粉体層を示す断面図であり、図４Ｂは図１の３次元造形装置における粉体層を示す断面図である。

【図5】第２実施形態に係る３次元造形装置の造形容器及び駆動機構の断面図である。

【図6】第３実施形態に係る３次元造形装置の造形容器及び駆動機構の断面図である。

【図7】図１の３次元造形装置における粉体層の凹凸の発生例を示す斜視図である。

【図8】図１の３次元造形装置の動作時のシュート及び擦切板の様子を示す斜視図である。

【図9】図９Ａは、第４実施形態に係るシュート及び擦切板の側面図であり、図９Ｂは図９Ａのシュート及び擦切板の斜視図である。

【図10】図１０Ａは、実験例１に係る粉体層の平坦性評価用の試験装置の斜視図であり、図１０Ｂは図１０Ａの造形容器の回転中心から７０ｍｍ及び２３０ｍｍの位置における粉体層の高さの測定結果を示すグラフである。

【図11】図１１Ａは、シュートから造形面に供給され、擦切板で均される粉体の動きを示す説明図であり、図１１Ｂは擦切板の直下の粉体層の速度勾配を示す説明図である。

【図12】図１２Ａは、第５実施形態に係る擦切板の配置例と、擦切板の直下の粉体層の速度勾配を示す説明図であり、図１２Ｂは実験例２（第５実施形態）に係る粉体層の高さの測定結果を示すグラフである。

【図13】第６実施形態に係る造形台の斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、３次元造形装置及び造形方法について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

【0016】

（第１実施形態）
本実施形態に係る３次元造形装置１０は、図１に示すように、粉体の造形材料８８を造形容器１２に供給し、造形材料８８（図３）を結合する結合剤（バインダ）を塗布することで、立体的な造形物を製造するシステムである。具体的に、３次元造形装置１０は、造形容器１２の上部に所定の厚みの粉体層８０（図２）を形成し、この粉体層８０にバインダを塗布して粉体を結合させることで、一層の造形層を形成する。３次元造形装置１０は、上記の粉体層８０の形成と、バインダの塗布とを繰り返して造形層を積層することで、１つの造形物を形成する。

【0017】

以下では、３次元造形装置１０が、造形物として鋳造用の砂型（中子）を製造する例を主に説明する。なお、３次元造形装置１０の造形物は、鋳造用の金型に限定されない。

【0018】

鋳造用の砂型を製造する場合には、造形材料８８として、例えば、珪砂、アルミナ砂、ジルコン砂、クロマイト砂、オリビン砂、及びムライト砂等が挙げられる。また、この他にも、フェロクロム系スラグ、フェロニッケル系スラグ、転炉スラグ等のスラグ系粒子を用いることができる。また、他の造形物を造形する場合には、石膏粒子、デンプン粒子、各種樹脂の粒子等を使用できる。

【0019】

造形材料８８に塗布されるバインダは、造形材料８８に応じて適宜選択される。鋳造用の金型に用いる上記の造形材料８８に対しては、例えば、フェノール系樹脂、フラン樹脂等の有機材料、クレー類、セメント及び水ガラス等の水溶性無機化合物等が挙げられる。バインダには、造形材料８８自体の硬化反応を促進する触媒が含まれていてもよい。

【0020】

３次元造形装置１０は、基部１４と、基部１４に連結されて上方に延びる複数のフレーム１６と、造形容器１２を支持する棚板１８と、を有している。基部１４と棚板１８との間には、造形容器１２を駆動するための駆動機構２０が設けられている。棚板１８の上には、造形容器１２が配置されている。また、造形容器１２の上方には、造形材料８８を供給する供給装置２２と、バインダを塗布する塗布装置２４とが設けられている。

【0021】

供給装置２２は、ホッパー２６と、サークルフィーダ２８と、接続部３０と、シュート３２と、擦切板３４とを備える。ホッパー２６は、供給装置２２の上端部に設けられた漏斗状の部材であり、内部に粉体よりなる造形材料８８を収容する。ホッパー２６の底部には開口部が設けられており、開口部にはサークルフィーダ２８が接続されている。サークルフィーダ２８の円筒状の本体の内部には、放射状に延びる羽根が形成された内側ロータと、内側ロータの外周を周回する羽根を備えた外側ロータとが設けられている。サークルフィーダ２８は、内側ロータ及び外側ロータが回転することで、ホッパー２６の下部から流入する造形材料８８を所望の流量で接続部３０に送出する。

【0022】

接続部３０は、サークルフィーダ２８の出口と、シュート３２との間に接続された角筒状の部材であり、鉛直方向に延びている。接続部３０の下端には、シュート３２が接続されている。

【0023】

図３に示すように、シュート３２は、下端に排出口３２ａが形成された筒状の流路部材である。その内部には、平面視して所定方向に細長い矩形の流路３２ｃが形成されている。なお、図３には、説明の便宜のためにシュート３２の下側の一部分が切断した状態で示されているが、実際には図１に示すようにシュート３２の上側に接続部３０が接続される。シュート３２は、上端側から下端側に向けて、幅（短辺方向の長さ）が徐々に狭くなるテーパー状に形成されている。シュート３２の下側には、サークルフィーダ２８から落下してきた造形材料８８が所定の高さまで貯留される。シュート３２の側部には、粉体センサ３６が装着されており、貯留される造形材料８８の上端位置が、粉体センサ３６の位置を保つように、サークルフィーダ２８から造形材料８８が供給される。

【0024】

シュート３２の下部の排出口３２ａは、造形容器１２の上端に現れる造形面１２ａに対向して配置されている。排出口３２ａの長手方向の長さは、造形容器１２の半径よりも小さく形成されている。排出口３２ａは、長手方向を造形容器１２の半径方向に一致させる向きで配置される。すなわち、シュート３２は、半径方向に沿った矩形の領域に造形材料８８を供給する。

【0025】

擦切板３４は、シュート３２の傾斜面３２ｂに対向するように配置された板状部材であり、例えばボルト止め等の方法で傾斜面３２ｂに固定されている。擦切板３４は、シュート３２よりも造形容器１２の回転方向の下流側に所定の間隔を開けて配置されている。擦切板３４は、排出口３２ａの長手方向の長さと同じ長さに形成されており、擦切板３４の下端辺３４ａは、造形容器１２のシュート３２の排出口３２ａから排出された造形材料８８の粉体を平坦に均して粉体層８０を形成する。

【0026】

一方、塗布装置２４は、造形容器１２の半径方向に延びる長尺な塗布ヘッド３８と、塗布ヘッド３８にバインダや駆動電流を供給する配管類３８ａを備える。塗布ヘッド３８は、造形容器１２の上端の造形面１２ａに対向する面に多数のノズルを備えており、ノズルからバインダの液滴を粉体層８０に向けて吐出する。塗布ヘッド３８には、配管類３８ａを介して電力及びバインダが供給される。塗布装置２４はステー３８ｂを介してフレーム１６に固定されており、回転しない部分に設けられている。

【0027】

次に、造形容器１２及びその駆動機構２０について説明する。

【0028】

図３に示すように、造形容器１２は、棚板１８の上に配置されている。造形容器１２は、円筒状の容器であり、軸回りに回転可能に構成されている。図２に示すように、造形容器１２は、側部を構成する外周壁４０と、底部を構成する造形台４２とを有している。外周壁４０は、上端に外周側に延び出たフランジ部４０ａを有すると共に、下端側に、造形容器１２の中心に向けて延在する底面部４０ｂとを備え、底面部４０ｂの内周側には貫通孔４０ｃが形成されている。

【0029】

外周壁４０は、底面部４０ｂが案内部材４４に当接している。案内部材４４は、棚板１８と底面部４０ｂとの間に配置されており、回転自在なローラー４４ａを備える。案内部材４４は、ローラー４４ａが底面部４０ｂと当接することで、外周壁４０の周方向の回転を案内し、造形容器１２のガタツキ（傾斜）を防止するように構成されている。

【0030】

外周壁４０の底面部４０ｂの中央付近には、外周壁回転軸４６が接合されている。外周壁４０は、外周壁回転軸４６によって軸回りに回転可能に支持される。また、外周壁４０の貫通孔４０ｃには、造形台４２の造形台回転軸４８が貫通して配置されている。

【0031】

造形台４２は、外周壁４０の内側に嵌め込まれた板状の部材であり、外周壁４０の内周面４０ｄと略同一形状に形成されている。造形台４２は、造形容器１２の底部を構成する。造形台４２の上に、造形材料８８が供給され、粉体層８０及び造形層が積層されてゆく。造形台４２の下端中央には、造形台回転軸４８が接合されている。造形台４２は、造形台回転軸４８によって回転可能に支持される。

【0032】

駆動機構２０は、外周壁回転軸４６と、造形台回転軸４８と、回転機構５０と、外周壁回転軸４６及び造形台回転軸４８の回転を同期させる同期回転機構５２と、造形台４２を昇降させる昇降装置５４とを備える。

【0033】

外周壁回転軸４６は、外周壁４０の底面部４０ｂに接合されており、外周壁４０を支持すると共に、軸回りに回転させる。外周壁回転軸４６は、軸方向に円筒状に延びた円筒状に形成されており、中心部に軸方向に貫通する軸孔４６ａが形成されている。軸孔４６ａには、造形台回転軸４８が挿入されている。外周壁回転軸４６の下端部４６ｂは、第１軸受部４７を介して支持部材５６に当接している。支持部材５６は、棚板１８及びフレーム１６に固定されている。外周壁回転軸４６の側方には、回転機構５０が設けられている。

【0034】

回転機構５０は、モータよりなり、その駆動軸５０ａはベルト６０を介して外周壁回転軸４６に接続されている。ベルト６０は駆動軸５０ａと外周壁回転軸４６の外周部とに架け渡されており、回転機構５０の駆動力を外周壁回転軸４６に伝達して、外周壁回転軸４６を回転させる。

【0035】

造形台回転軸４８は、軸方向に延びた円柱状部材であり、上端は造形台４２に接続され、下端は昇降装置５４に接続されている。造形台回転軸４８は、第２軸受部５８を介して昇降装置５４に接続されており、造形台回転軸４８の回転運動は昇降装置５４に伝わらないように構成されている。

【0036】

同期回転機構５２は、外周壁回転軸４６と造形台回転軸４８との当接部分となる軸孔４６ａに設けられている。同期回転機構５２は、造形台回転軸４８の外周部に設けられた昇降溝６２と、外周壁回転軸４６から内方に突出して、昇降溝６２に挿入される摺動突起６４とを備える。昇降溝６２は、造形台回転軸４８の軸方向に延びた溝として形成されており、造形台回転軸４８の外周部に１本又は複数本設けられている。図２の例では、２本の昇降溝６２が周方向に１８０°離間して設けられている。

【0037】

摺動突起６４は、昇降溝６２に挿入可能な大きさに形成されており、昇降溝６２に沿って昇降溝６２内を軸方向に摺動可能となっている。摺動突起６４は、外周壁回転軸４６と一体的に形成されており、昇降溝６２と係合することで、造形台回転軸４８と外周壁回転軸４６との相対回転を阻止する。

【0038】

昇降装置５４は、モータ５４ａと、そのモータ５４ａにより駆動されるボールねじ機構５４ｂとを備えており、シャフト５４ｃを昇降させる。昇降装置５４は、シャフト５４ｃを通じて、造形台回転軸４８を昇降させる。

【0039】

本実施形態の３次元造形装置１０は以上のように構成され、以下その作用について造形方法と共に説明する。

【0040】

図１に示す３次元造形装置１０は、駆動機構２０により、造形容器１２を一定速度で回転させつつ、造形動作を行う。図２に示すように、駆動機構２０は、回転機構５０を通じて、外周壁回転軸４６に回転力を与える。これにより、外周壁回転軸４６と一体的に外周壁４０が回転する。また、外周壁回転軸４６の回転運動は、同期回転機構５２を構成する摺動突起６４及び昇降溝６２を介して造形台回転軸４８に伝えられる。これにより、造形台回転軸４８が外周壁回転軸４６と共に回転し、造形台回転軸４８で支持された造形台４２が回転する。その結果、外周壁４０と造形台４２とが同一の角速度で回転する。

【0041】

造形容器１２の回転速度が一定に落ち着いた後、供給装置２２から造形材料８８の粉末の供給を開始する。図１の供給装置２２のホッパー２６の造形材料８８は、サークルフィーダ２８を通じて、接続部３０に送り出される。接続部３０に送り出された造形材料８８は、シュート３２に向けて落下する。そして、落下した造形材料８８は、シュート３２に粉体センサ３６の位置まで貯留されつつ、その一部がシュート３２の下端の排出口３２ａから排出される。

【0042】

図３に示すように、シュート３２から排出された造形材料８８は、造形台４２の上に堆積し、造形台４２の回転運動にしたがって、回転方向の下流側に移動する。そして、造形材料８８は、擦切板３４により平坦に均されて、平坦な粉体層８０を形成する。粉体層８０は、造形台４２の回転運動によって、塗布装置２４の下方を通過する。塗布装置２４は、粉体層８０の所定の位置に結合剤を吐出することで、所望の造形パターン（スライス又は造形層）を形成する。

【0043】

その後、駆動機構２０は、造形台４２が１回転する毎に、造形台４２を一定の高さだけ下方に変位させる下降動作を行う。造形台４２の下降動作において、図２の昇降装置５４がシャフト５４ｃを下方に引き込む。シャフト５４ｃの引き込みにより、第２軸受部５８を介して造形台回転軸４８が下方に変位する。その際に、摺動突起６４が昇降溝６２に沿って摺動するため、同期回転機構５２は、造形台回転軸４８の下方への変位を妨げない。造形台４２は、造形台回転軸４８と共に昇降する。

【0044】

造形台４２の下降動作の間も、造形台４２及び外周壁４０は一定速度で回転を継続する。また、シュート３２から一定流量で造形材料８８の供給が行われ、造形が完了した粉体層８０の上に新たな粉体層８０が形成される。また、塗布装置２４による結合剤の塗布が同時に行われる。

【0045】

３次元造形装置１０は、造形容器１２を例えば２０～６０ｒｐｍで回転させながら粉体層８０の形成及び造形層の造形を繰り返す。造形動作の合間に、造形容器１２が停止しないため、無駄な待機時間を省くことができ、量産性に優れる。

【0046】

図４Ａの比較例に示すように、造形台４２と外周壁４０の回転速度（角速度）が異なると、造形台４２の上に形成される粉体層８０は、外周壁４０との摩擦による抵抗力を受けて安定せず、表面に凹凸８１が形成される。

【0047】

これに対し、本実施形態の３次元造形装置１０では、造形台４２と外周壁４０とが同一の角速度で回転するため、図４Ｂに示すように造形台４２の上の粉体層８０を平坦に形成できる。

【0048】

本実施形態の３次元造形装置１０は、以下の効果を奏する。

【0049】

上記観点の３次元造形装置１０は、外周壁４０と、底部を構成する造形台４２と、を有する造形容器１２と、造形台４２を回転させる回転機構５０と、造形台４２を外周壁４０内で昇降させる昇降装置５４と、を備え、外周壁４０と造形台４２とは、互いの周方向の相対移動を規制しつつ、軸方向に相対移動可能とする同期回転機構５２を介して接続されている。

【0050】

上記の構成によれば、造形容器１２において、外周壁４０と造形台４２とを同一の速度（角速度）で回転させるため、造形容器１２の回転速度を数１０ｒｐｍに早めた場合であっても、安定した粉体層８０を形成できる。

【0051】

また、供給装置２２及び塗布装置２４を回転しない部位に設けることが可能となるため、材料供給のための配管や電源配線等を回転部分に設ける必要がなく、装置構成を簡素化できる。供給装置２２への造形材料８８の補給及び塗布装置２４への結合剤の補給が容易であることから、大型の造形品にも容易に対応できる。

【0052】

さらに、回転部分は、造形容器１２のみであることから、回転部分が軽量化されるため、回転速度の向上が容易であり、量産品にも好適に用いることができる。

【0053】

上記の３次元造形装置１０において、同期回転機構５２は、造形台４２側及び外周壁４０側のいずれか一方の側に設けられ、軸方向に延びた昇降溝６２と、造形台４２側及び外周壁４０側のいずれか他方の側に設けられ、昇降溝６２に係合して造形台４２及び外周壁４０の相対回転を阻止すると共に、昇降溝６２に沿って軸方向に摺動可能な摺動突起６４と、を有してもよい。

【0054】

上記の構成によれば、簡素な装置構成で、外周壁４０と造形台４２とを同一速度で回転させることができる。また、外周壁４０と造形台４２とを共通の回転機構５０で回転させることができる。

【0055】

上記の３次元造形装置１０において、造形台４２を支持する造形台回転軸４８と、外周壁４０を支持すると共に、造形台回転軸４８が挿通する軸孔４６ａを有する外周壁回転軸４６と、を備え、昇降溝６２が造形台回転軸４８に設けられ、摺動突起６４が外周壁回転軸４６に設けられていてもよい。この構成によれば、同期回転機構５２を造形材料８８の粉末が回り込まない部分に設けることができるため、信頼性に優れる。

【0056】

上記の３次元造形装置１０において、昇降装置５４は、造形台回転軸４８と第２軸受部５８を介して接続されていてもよい。これにより、昇降装置５４を回転しない部分に設けることができるため、装置構成を簡素化できる。

【0057】

上記の３次元造形装置１０において、外周壁４０の下端には、外周壁４０の回転を案内する案内部材４４が設けられていてもよい。この構成によれば、外周壁４０の傾斜やガタツキを防いで、造形容器１２に安定した粉体層８０を形成できる。

【0058】

本実施形態の造形方法は、外周壁４０と、底部を構成する造形台４２と、を有する造形容器１２と、造形容器１２を回転させる回転機構５０と、造形台４２を外周壁４０に対して昇降させる昇降装置５４と、造形台４２の上方に配置され、造形容器１２に造形材料８８の粉体を供給するシュート３２と、シュート３２から供給された粉体を平坦な粉体層８０に均す擦切板３４と、粉体層８０に結合剤を塗布する塗布装置２４と、を備えた３次元造形装置１０を用いた造形方法であって、回転機構５０は、外周壁４０と造形台４２とを同一の角速度で連続的に回転させつつ、シュート３２及び擦切板３４で粉体層８０を形成し、塗布装置２４で結合剤の塗布を行い、昇降装置５４は造形容器１２が１回転する毎に造形台４２を下降させて新たな粉体層８０を形成する。この造形方法によれば、素早く造形物の造形を行うことができる。

【0059】

（第２実施形態）
図５に示すように、本実施形態の３次元造形装置１０Ａは、駆動機構２０Ａにおいて、図１～３を参照しつつ説明した３次元造形装置１０と異なる。以下では、駆動機構２０Ａを中心に説明し、供給装置２２及び塗布装置２４の説明は省略する。また、図５の３次元造形装置１０Ａにおいて、図２の３次元造形装置１０と同一の構成については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

【0060】

図５に示す駆動機構２０Ａは、造形台４２を支持する造形台回転軸４８に対して、回転機構５０の回転力が伝達される構造となっている。造形台回転軸４８にはベルト６０を介して回転機構５０の駆動軸５０ａの回転力が伝達される。造形台回転軸４８は、第２軸受部５８を介して昇降装置５４に接続されている。

【0061】

造形容器１２Ａは、外周壁４０Ａの底面部４０ｂが内周側に延びて、造形台回転軸４８の外周面に当接する外周壁回転軸４６Ａを構成している。そして、外周壁回転軸４６Ａと造形台回転軸４８との当接部分に、本実施形態の同期回転機構５２Ａが設けられている。同期回転機構５２Ａは、造形台回転軸４８の外周に設けられた軸方向に延びる昇降溝６２Ａと、外周壁回転軸４６Ａから突出した摺動突起６４Ａとを備える。摺動突起６４Ａは、昇降溝６２Ａに挿入されて、外周壁４０Ａと造形台回転軸４８との相互回転を阻止する。造形台回転軸４８が昇降動作すると、摺動突起６４Ａは昇降溝６２Ａに沿って摺動して、昇降溝６２Ａに係合した状態に保たれる。

【0062】

以上のように、本実施形態の３次元造形装置１０Ａの駆動機構２０Ａは、造形台回転軸４８を介して造形容器１２Ａに回転力を伝達する構成となっている。本実施形態の３次元造形装置１０Ａによっても、第１実施形態の３次元造形装置１０と同様の効果が得られる。

【0063】

（第３実施形態）
図６に示すように、本実施形態の３次元造形装置１０Ｂは、駆動機構２０Ｂにおいて、図１～３を参照しつつ説明した３次元造形装置１０と異なる。以下では、駆動機構２０Ｂを中心に説明し、供給装置２２及び塗布装置２４の説明は省略する。また、図６の３次元造形装置１０Ｂにおいて、図２の３次元造形装置１０と同一の構成については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

【0064】

図６に示す駆動機構２０Ｂは、造形台４２Ｂを支持する造形台回転軸４８には回転機構５０が接続されておらず、造形台回転軸４８の下端は第２軸受部５８を介して昇降装置５４に接続されている。

【0065】

一方、造形容器１２Ｂの外周壁４０Ｂは、案内部材４４、４４Ｂにより支持されている。案内部材４４Ｂには、回転機構５０Ｂが接続されており、回転機構５０Ｂは案内部材４４Ｂを通じて外周壁４０Ｂを回転させる。

【0066】

本実施形態の同期回転機構５２Ｂは、外周壁４０Ｂの内周面４０ｄと、造形台４２Ｂの外周部とに設けられている。すなわち、同期回転機構５２Ｂは、内周面４０ｄに設けられた軸方向に延びる昇降溝６２Ｂと、造形台４２Ｂの外周部に設けられた摺動突起６４Ｂとを備える。摺動突起６４Ｂは、昇降溝６２Ｂに係合して造形台４２Ｂを外周壁４０Ｂと同一の速度で回転させる。また、摺動突起６４Ｂは昇降溝６２Ｂに沿って軸方向に摺動することで、造形台４２Ｂの昇降動作を可能とする。

【0067】

以上のように構成された本実施形態の３次元造形装置１０Ｂでは、外周壁４０Ｂの内周面４０ｄと、造形台４２Ｂの外周部とに同期回転機構５２Ｂが設けられている。本実施形態の３次元造形装置１０Ｂによっても、第１実施形態の３次元造形装置１０と同様の効果が得られる。

【0068】

（第４実施形態）
図７に示すように、第１実施形態の３次元造形装置１０において、造形容器１２を一定の回転速度で回転させつつ粉体層８０を形成した場合において、条件によっては、粉体層８０の表面が波打つような凹凸８２が生じることが判明した。

【0069】

図８に示すように、第１実施形態の３次元造形装置１０では、シュート３２の外周端３２ｅと、擦切板３４の外周端３４ｅとの間は開口しており、粉体層８０の形成の際には、擦切板３４によって擦り切られた造形材料８８の一部が外周側に流出しながら粉体層８０が形成される。

【0070】

本願発明者らが検討を行った結果、シュート３２の排出口３２ａと造形面１２ａとの距離ｈ２（図９Ａ）と擦切板３４の下端辺３４ａと造形面１２ａとの距離ｈ１（図９Ａ）とが同じ高さであると、造形材料８８の供給不足が発生して、擦り切られない部分が生じる場合があることが判明した。また、シュート３２の外周端３２ｅと、擦切板３４の外周端３４ｅとの隙間で回転する外周壁４０のフランジ部４０ａとの間に摩擦が生じて、積層された粉体層８０が波打つことが判明した。

【0071】

そこで、本実施形態の３次元造形装置１０Ｃでは、図９Ａに示すように、シュート３２の排出口３２ａの造形面１２ａからの距離ｈ２を、擦切板３４の下端辺３４ａと造形面１２ａとの距離ｈ１よりも大きくする。特に限定されるものではないが、距離ｈ２は例えば３ｍｍ程度とすることができ、距離ｈ１は例えば１ｍｍ程度とすることができる。これにより、シュート３２から排出される造形材料８８の量が増加するため、造形材料８８の供給不足による凹凸８２の発生を防ぐことができる。

【0072】

また、シュート３２の外周端３２ｅと擦切板３４の外周端３４ｅとの隙間を封止する閉塞壁３５を設けている。図９Ｂに示すように、閉塞壁３５の位置は、外周壁４０のフランジ部４０ａの内周側端部の上方に位置する。このような閉塞壁３５を設けることにより、シュート３２と擦切板３４との間の造形材料８８が外周側へ排出されるのを防ぐことができ、造形材料８８とフランジ部４０ａとの摩擦抵抗を抑制できる。

【0073】

以上のように、本実施形態の３次元造形装置１０Ｃは、外周壁４０と、底部を構成する造形台４２と、を有する造形容器１２と、造形台４２を回転させる回転機構５０（図２参照）と、造形台４２を昇降させる昇降装置５４と、造形台４２の上方に配置され、造形容器１２に造形材料８８の粉体を吐出するシュート３２と、シュート３２の回転方向の下流側に設けられ、シュート３２から吐出された粉体を平坦に均す擦切板３４と、を備え、擦切板３４の下端辺３４ａは、シュート３２の下端よりも、造形台４２に対して近接した位置に配置されている。

【0074】

上記の構成によれば、シュート３２から排出される造形材料８８の量が増加するため、造形材料８８の供給不足により、擦切板３４で擦り切られない部分が発生することによる凹凸８２の形成を防止できる。

【0075】

上記の３次元造形装置１０Ｃにおいて、シュート３２の外周端３２ｅと擦切板３４の外周端３４ｅとの隙間を塞ぐ閉塞壁３５を備えてもよい。これにより、シュート３２と擦切板３４との間の造形材料８８が外周側へ排出されるのを防ぐことができ、造形材料８８とフランジ部４０ａとの摩擦抵抗を抑制できる。その結果、粉体層８０の表面の凹凸８２の発生を防止できる。

【0076】

（第５実施形態）
図１０Ａに示すように、実験例１では、供給装置２２で形成される粉体層８０の平坦性の評価を行った。実験例１では、造形容器１２を一定速度で回転させつつ、シュート３２から造形材料８８を供給し、擦切板３４で平坦に均して粉体層８０を形成した。擦切板３４及びシュート３２の配置は、図９Ａと同様としている。平坦性の評価は、高さ測定装置８４を用いて、回転中心から７０ｍｍの位置及び回転中心から２３０ｍｍの位置における粉体層８０の高さを測定することで行った。

【0077】

図１０Ｂに測定結果を示す。図１０Ｂにおいて、時間０分は、造形容器１２の造形台４２の下降を停止させた時刻を示す。Ｒ７０は回転中心から７０ｍｍの位置での粉体層８０の表面の高さの推移を示し、Ｒ２３０は回転中心から２３０ｍｍの位置での粉体層８０の表面の高さの推移を示す。所定時間の経過にともなって、粉体層８０が一定の高さに落ち着くが、内周側の粉体層８０の高さ（Ｒ７０）と、外周側の粉体層８０の高さ（Ｒ２３０）とで、高さに差が生じている。

【0078】

図１１Ａに示すように、シュート３２には、粉体センサ３６の位置まで造形材料８８が貯留されており、排出口３２ａからは一定の流量で造形材料８８が排出される。造形面１２ａに排出された造形材料８８は、擦切板３４によって擦り切られる際に、一部が擦切板３４とシュート３２との隙間に堆積する。擦切板３４の下端辺３４ａと造形面１２ａとの隙間の造形材料８８には、擦切板３４とシュート３２との隙間に堆積した造形材料８８の高さに応じた圧力が作用し、この圧力は擦切板３４と造形面１２ａとの隙間を通過する造形材料８８の量を増加させる方向に働く。

【0079】

一方で、擦切板３４の下端辺３４ａと造形面１２ａとの隙間には、図１１Ｂに示すように、造形材料８８の速度勾配が生じており、この速度勾配に比例した圧力損失が上記の擦切板３４とシュート３２との隙間に堆積した造形材料８８の高さによる圧力を打ち消すように作用する。

【0080】

図示のように、内周側よりも外周側の方が、造形面１２ａの線速度が大きくなっているため、速度勾配ｄｖ／ｄｈは、内周側（ｄｖ／ｄｈ（７０））よりも外周側（ｄｖ／ｄｈ（２３０））の方が大きくなる。その結果、外周側に向かうほど、擦切板３４の下端辺３４ａと造形面１２ａとの隙間を造形材料８８が通過しにくくなる。その結果、粉体層８０は外周側に向かうほど、高さが低くなってしまう。

【0081】

そこで、本実施形態では、図１２Ａに示すように、擦切板３４の下端辺３４ａを、内周側から外周側に向かうほど、造形面１２ａからの離間距離が増大するように傾斜させることとした。このように構成することにより、外周側に向かうほど、擦切板３４の下端辺３４ａと造形面１２ａとの隙間が増加する。これにより、擦切板３４の下端辺３４ａと造形面１２ａとの隙間における造形材料８８の速度勾配ｄｖ／ｄｈの増大を抑制することができ、圧力損失の影響を減ずることができる。また、擦切板３４の下端辺３４ａと造形面１２ａとの隙間が広がることによる流路の拡大により、造形材料８８の通過流量の増加効果も得られる。

【0082】

図１２Ｂに、下端辺３４ａを傾斜させた擦切板３４を用いた実験例２（本実施形態）の測定結果を示す。図示のように、内周側（Ｒ７０）及び外周側（Ｒ２３０）において、粉体層８０の高さが略同じとなり、粉体層８０の平坦性が向上することが確認できる。

【0083】

（第６実施形態）
本実施形態では、図１３に示すように、造形台４２Ｃの表面を粉体に対する摩擦が高い摩擦面４２ａで構成している。摩擦面４２ａは、例えば、細かい溝を格子状に形成したローレット加工面等で構成できる。

【0084】

造形容器１２を回転させる構成において、造形台４２が平滑面で構成されている場合には、粉体の供給を開始し始めた際に、粉体が造形台４２の表面で滑ってしまい、粉体が安定して粉体層８０が形成されるまでに時間を要してしまう。

【0085】

これに対し、本実施形態では、造形台４２Ｃの表面を摩擦面４２ａで構成することにより、造形材料８８が素早く造形台４２Ｃに定着して、素早く粉体層８０を形成することができ、３次元造形装置１０の始動時の待ち時間を減少させることができる。

【0086】

上記において、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能なことは言うまでもない。

【符号の説明】

【0087】

１０、１０Ａ～１０Ｃ…３次元造形装置 １２、１２Ａ、１２Ｂ…造形容器
２４…塗布装置 ３２…シュート
３４…擦切板 ３５…閉塞壁
４０、４０Ａ、４０Ｂ…外周壁 ４２、４２Ｂ、４２Ｃ…造形台
４４、４４Ｂ…案内部材 ４６、４６Ａ…外周壁回転軸
４８…造形台回転軸 ５０、５０Ｂ…回転機構
５２、５２Ａ、５２Ｂ…同期回転機構 ５４…昇降装置
６２、６２Ａ、６２Ｂ…昇降溝 ６４、６４Ａ、６４Ｂ…摺動突起

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】