特許 7639401 三次元造形装置

(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】2025-02-25

(45)【発行日】2025-03-05

(54)【発明の名称】三次元造形装置

(51)【国際特許分類】

   B29C 64/209 20170101AFI20250226BHJP

   B29C 64/295 20170101ALI20250226BHJP

   B29C 64/321 20170101ALI20250226BHJP

   B29C 64/393 20170101ALI20250226BHJP

   B29C 64/314 20170101ALI20250226BHJP

   B29C 64/343 20170101ALI20250226BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20250226BHJP

   B33Y 40/00 20200101ALI20250226BHJP

   B33Y 70/00 20200101ALI20250226BHJP

   B33Y 50/02 20150101ALI20250226BHJP

   B29C 64/165 20170101ALN20250226BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALN20250226BHJP

【ＦＩ】

B29C64/209

B29C64/295

B29C64/321

B29C64/393

B29C64/314

B29C64/343

B33Y30/00

B33Y40/00

B33Y70/00

B33Y50/02

B29C64/165

B33Y10/00

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2021031033

(22)【出願日】2021-02-26

(65)【公開番号】P2022131850

(43)【公開日】2022-09-07

【審査請求日】2024-01-19

(73)【特許権者】

【識別番号】000002369

【氏名又は名称】セイコーエプソン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091292

【弁理士】

【氏名又は名称】増田 達哉

(74)【代理人】

【識別番号】100091627

【弁理士】

【氏名又は名称】朝比 一夫

(72)【発明者】

【氏名】岡本 英司

(72)【発明者】

【氏名】平井 利充

(72)【発明者】

【氏名】百瀬 薫

(72)【発明者】

【氏名】横山 孝幸

【審査官】家城 雅美

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－１０２５２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０８２７０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１７５３２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－００１０００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１４４２６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１８１７９０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２９Ｃ ６４／００－６４／４０

Ｂ３３Ｙ １０／００－９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水と、水溶性樹脂と、湿潤剤と、を含むバインダーを吐出するノズルと、前記ノズルに連通する個別液室と、前記バインダーを前記個別液室に流入させる流入流路と、前記バインダーを前記個別液室から流出させる流出流路と、を有する吐出ヘッドと、
前記流出流路から流出した前記バインダーを前記流入流路に循環させる循環流路と、を備え、
前記循環流路の途中に、減圧された減圧サブタンクと、前記バインダー中の気体を除去する脱気装置と、加圧された加圧サブタンクとが、前記循環流路の流れ方向に沿って、前記減圧サブタンク、前記脱気装置、前記加圧サブタンクの順序で配置されており、
前記バインダーを貯留し、前記減圧サブタンクに前記バインダーを供給するメインタンクを有し、
前記ノズルから吐出される前記バインダーの単位時間当たりの流量Ｒ１と、前記ノズルから吐出されずに、前記個別液室から前記流出流路に流出し、循環する前記バインダーの単位時間当たりの流量Ｒ２との比Ｒ１／Ｒ２は、０．１以上１以下であることを特徴とする三次元造形装置。

【請求項2】

前記バインダーにおける前記湿潤剤の含有率は、前記バインダーの重量に対し、５重量％以下である請求項１に記載の三次元造形装置。

【請求項3】

前記湿潤剤は、脂肪族ジオールを含む請求項１または２に記載の三次元造形装置。

【請求項4】

前記水溶性樹脂は、ポリビニルアルコール樹脂、ポリアクリル酸樹脂、セルロース樹脂、デンプン、ゼラチン、ビニル樹脂、アミド樹脂、イミド樹脂、アクリル樹脂、ポリエチレングリコールから成る群から選択される少なくとも１種である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の三次元造形装置。

【請求項5】

前記吐出ヘッドと、前記バインダーを乾燥させるヒーターと、を支持するキャリッジを備える請求項１ないし４のいずれか１項に記載の三次元造形装置。

【請求項6】

前記個別液室、前記流入流路、前記流出流路および前記循環流路のうちの少なくとも１つの圧力を検出する圧力センサーと、
前記圧力センサーの検出結果に基づいて、前記バインダーの循環速度を調整する制御部と、を備える請求項１ないし５のいずれか１項に記載の三次元造形装置。

【請求項7】

前記制御部は、前記圧力が閾値より小さい場合、前記バインダーの循環速度を速くする請求項６に記載の三次元造形装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、三次元造形装置に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、特許文献１に示すように、粉末床にバインダーを吐出するバインダー方式で、立体的な造形物を製造する三次元造形装置が知られている。特許文献１に記載されている三次元造形装置では、バインダーに含まれるポリビニルアルコールを、バインダーに対して３質量％～７質量％とすることにより、造形材料の結着性を維持しつつ、炭素含有量を低減した造形物を得ることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】米国２０２０／００１７６９９明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に記載されている三次元造形装置で用いられているバインダーは、バインダーに対して３質量％～７質量％の湿潤剤であるグリコールエーテルを含んでいる。このため、結合剤の割合を低くするだけでは、造形物の炭素含有量を十分に低減することができない。一方、バインダーにおける湿潤剤の含有量を低くすると、バインダーと吐出安定性が低下してしまうおそれがある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の三次元造形装置は、水と、水溶性樹脂と、湿潤剤と、を含むバインダーを吐出するノズルと、前記ノズルに連通する個別液室と、前記バインダーを前記個別液室に流入させる流入流路と、前記バインダーを前記個別液室から流出させる流出流路と、を有する吐出ヘッドと、
前記流出流路から流出した前記バインダーを前記流入流路に循環させる循環流路と、を備えることを特徴とする。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】図１は、本発明の三次元造形装置の概略構成図である。

【図2】図２は、図１に示す吐出ヘッドの平面図である。

【図3】図３は、図１に示す吐出ヘッドの断面図である。

【図4】図４は、図１に示す吐出ヘッドを支持するキャリッジの模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

＜実施形態＞
図１は、本発明の三次元造形装置の概略構成図である。図２は、図１に示す吐出ヘッドの平面図である。図３は、図１に示す吐出ヘッドの断面図である。図４は、図１に示す吐出ヘッドを支持するキャリッジの模式図である。

【0008】

以下、三次元造形装置を添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。なお、図２および図３では、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を図示しており、各軸の矢印の先端側を「＋」側とし、各軸の矢印の基端側を「－」側としている。

【0009】

三次元造形装置１は、図示しない粉末床にバインダーを吐出する複数の吐出ヘッド１００と、吐出ヘッド１００から吐出するバインダーを貯留するメインタンク２０１と、減圧サブタンク２１０と、加圧サブタンク２２０と、第１送液ポンプ２０２と、第２送液ポンプ２０３と、第１マニホールド２３０および第２マニホールド２４０と、ヘッドタンク２５１と、ヘッドタンク２５２と、脱気装置２６０と、を備えている。

【0010】

第１送液ポンプ２０２は、減圧サブタンク２１０から、バインダー経路２８４を介して加圧サブタンク２２０にバインダーを送液する。バインダー経路２８４には、脱気装置２６０と、フィルター２６１とが配置されている。脱気装置２６０は、バインダー中の溶存気体を除去するものである。フィルター２６１は、バインダー中の異物を捕捉し、除去するものである。

【0011】

また、第２送液ポンプ２０３は、メインタンク２０１からバインダー経路２８９を介して減圧サブタンク２１０にバインダーを送液する。バインダー経路２８９には、バインダー中の異物を捕捉し、除去するフィルターが配置されている。

【0012】

減圧サブタンク２１０は、バインダーと気体が共存する気体室２１０ａを有する。減圧サブタンク２１０には、液面を検知する液面検知手段２１１と、気体室２１０ａを大気開放する電磁弁２１２が設けられている。

【0013】

また、減圧サブタンク２１０には、減圧サブタンク２１０内を減圧する第２調整装置２０７が接続されている。第２調整装置２０７は、レギュレーター２１３、減圧バッファタンク２１４、気体ポンプである真空ポンプ２１５を有している。また、レギュレーター２１３と減圧バッファタンク２１４との間には、電磁弁２１６が設けられている。また、減圧バッファタンク２１４には、電磁弁２１７が設けられている。

【0014】

加圧サブタンク２２０は、バインダーと気体が共存する気体室２２０ａを有する。加圧サブタンク２２０には、液面を検知する液面検知手段２２１と、内部を大気開放する大気開放機構となる電磁弁２２２が設けられている。

【0015】

加圧サブタンク２２０には、加圧サブタンク２２０内を加圧する第１調整装置２０６が接続されている。第１調整装置２０６は、レギュレーター２２３と、加圧バッファタンク２２４と、コンプレッサ２２５とを有する。また、レギュレーター２２３と加圧バッファタンク２２４との間には、電磁弁２２６が設けられている。また、加圧バッファタンク２２４には電磁弁２２７が設けられている。

【0016】

加圧サブタンク２２０は、バインダー経路２８１を介して第１マニホールド２３０に接続されている。

【0017】

第１マニホールド２３０は、供給流路２３１を介して吐出ヘッド１００の供給ポート側に接続されている。供給流路２３１は、ヘッドタンク２５１を介して吐出ヘッド１００の供給ポートに接続されている。供給流路２３１には、ヘッドタンク２５１より上流側に経路を開閉する電磁弁２３２が設けられている。また、第１マニホールド２３０には、圧力センサー２３３が設けられている。

【0018】

減圧サブタンク２１０は、バインダー経路２８２を介して第２マニホールド２４０に接続されている。

【0019】

第２マニホールド２４０は、排出流路２４１を介して吐出ヘッド１００の排出ポートに接続されている。排出流路２４１は、ヘッドタンク２５２を介して吐出ヘッド１００の排出ポートに接続されている。排出流路２４１には、ヘッドタンク２５２より下流側に経路を開閉する電磁弁２４２が設けられている。また、第２マニホールド２４０には圧力センサ２４３が設けられている。

【0020】

ここで、減圧サブタンク２１０、バインダー経路２８４、脱気装置２６０、加圧サブタンク２２０、バインダー経路２８１、第１マニホールド２３０、吐出ヘッド１００、第２マニホールド２４０、減圧サブタンク２１０を経て、加圧サブタンク２２０に戻る経路が、循環経路３０１を構成する。循環経路３０１内の循環液量が所定量より減少すると、メインタンク２０１から減圧サブタンク２１０にバインダーが補充される。

【0021】

そして、本実施形態において、第１マニホールド２３０は、第２マニホールド２４０よりも高い位置に配置している。

【0022】

また、加圧サブタンク２２０は、吐出ヘッド１００の供給口である供給ポートが配置される位置よりも高い位置に配置している。具体的には、加圧サブタンク２２０は、その内底面が、吐出ヘッド１００の供給ポートよりも高い位置になるように配置されている。

【0023】

一方、減圧サブタンク２１０は、吐出ヘッド１００の排出口である排出ポートが配置される位置よりも低い位置に配置している。具体的には、減圧サブタンク２１０は、減圧サブタンク２１０に収容されるバインダーの液面が吐出ヘッド１００の排出ポートよりも低い位置になるように配置されている。

【0024】

次に、三次元造形装置１おけるバインダーの循環方法について説明する。

【0025】

（１）メインタンク２０１～減圧サブタンク２１０へのバインダーフロー
液面検知手段２１１で減圧サブタンク２１０のバインダー不足を検知すると、第２送液ポンプ２０３を駆動して、メインタンク２０１からバインダー経路２８９を介して、液面検知手段２１１の検知結果で液面が満タンとなるまで減圧サブタンク２１０にバインダー供給を行う。

【0026】

（２）減圧サブタンク２１０～加圧サブタンク２２０へのバインダーフロー
第１送液ポンプ２０２を駆動して、減圧サブタンク２１０からバインダー経路２８４を介して加圧サブタンク２２０にバインダーを送液することができる。

【0027】

（３）加圧サブタンク２２０～吐出ヘッド１００～減圧サブタンク２１０のバインダーフロー
第１調整装置２０６によって加圧サブタンク２２０を目標圧力（例えば、加圧となる圧力）とする。一方、第２調整装置２０７によって減圧サブタンク２１０を目標圧力（例えば負圧となる圧力)とする。

【0028】

これにより、加圧サブタンク２２０と減圧サブタンク２１０との間に差圧が発生する。この差圧に応じて、加圧サブタンク２２０から、バインダー経路２８１を介して、第１マニホールド２３０、複数の供給流路２３１、複数のヘッドタンク２５１、複数の吐出ヘッド１００、複数のヘッドタンク２５２、複数の排出流路２４１、第２マニホールド２４０、バインダー経路２８２を介して、減圧サブタンク２１０までバインダーが循環可能となる。

【0029】

なお、液面検知手段２１１、２２１には、フロート式によるバインダーの検知、少なくとも２本以上の電極ピンを用いて検出した電圧の出力に応じてバインダーの有無を検知する方式、その他レーザーによる液面検知方式などを使用することができる。

【0030】

また、電磁弁２２２、２１２を駆動することで加圧サブタンク２２０、減圧サブタンク２１０の内部を大気と連通させることもできる。

【0031】

次に、吐出ヘッド１００の構成について詳細に説明する。なお、各吐出ヘッド１００の構成は、同じ構成であるため、１つの吐出ヘッド１００について代表的に説明する。

【0032】

図３に示すように、吐出ヘッド１００は、流路基板として流路形成基板１０、連通板１５、ノズルプレート２０、保護基板３０、ケース部材４０およびコンプライアンス基板４９等の複数の部材を備える。

【0033】

流路形成基板１０は、シリコン単結晶基板で構成され、その一方の面には振動板が形成されている。振動板は、二酸化シリコン層や酸化ジルコニウム層から選択される単一層または積層で構成される。

【0034】

流路形成基板１０には、個別液室である圧力室１２が、複数の隔壁によって区画されて複数設けられている。複数の圧力室１２は、バインダーを吐出する複数のノズル２１が並設されるＸ軸方向に沿って所定のピッチで並設されている。また、圧力室１２がＸ軸方向に並設された列が、本実施形態では１列設けられている。また、流路形成基板１０は面内方向がＸ軸方向およびＹ軸方向を含む方向となるように配置されている。なお、本実施形態では、流路形成基板１０のＸ軸方向に並設された圧力室１２の間の部分を隔壁と言う。この隔壁は、Ｙ軸方向に沿って形成されている。すなわち、隔壁は、流路形成基板１０のＹ軸方向における圧力室１２に重なる部分のことを言う。

【0035】

なお、本実施形態では、流路形成基板１０に圧力室１２のみを設けるようにしたが、圧力室１２に供給されるバインダーに流路抵抗を付与するように圧力室１２よりも流路を横断する断面積を絞った流路抵抗付与部を設けるようにしてもよい。

【0036】

このような流路形成基板１０の－Ｚ軸方向の一方面側には、振動板が形成され、この振動板上には、第１電極６０と圧電体層７０と第２電極８０とが成膜およびリソグラフィー法によって積層されて圧電アクチュエーター３００を構成している。本実施形態では、圧電アクチュエーター３００が、圧力室１２内のバインダーに圧力変化を生じさせるエネルギー発生素子となっている。ここで、圧電アクチュエーター３００は、圧電素子とも言い、第１電極６０、圧電体層７０および第２電極８０を含む部分を言う。一般的には、圧電アクチュエーター３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極および圧電体層７０を圧力室１２毎にパターニングして構成する。本実施形態では、第１電極６０を圧電アクチュエーター３００の共通電極とし、第２電極８０を圧電アクチュエーター３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。なお、上述した例では、振動板、第１電極６０が、振動板として作用するが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、振動板を設けずに、第１電極６０のみが振動板として作用するようにしてもよい。また、圧電アクチュエーター３００自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。

【0037】

また、このような各圧電アクチュエーター３００の第２電極８０には、リード電極９０がそれぞれ接続され、このリード電極９０を介して各圧電アクチュエーター３００に選択的に電圧が印加されるようになっている。また、流路形成基板１０の－Ｚ軸方向の面には、保護基板３０が接合されている。

【0038】

保護基板３０の圧電アクチュエーター３００に対向する領域には、圧電アクチュエーター３００の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電アクチュエーター保持部３１が設けられている。圧電アクチュエーター保持部３１は、圧電アクチュエーター３００の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。また、圧電アクチュエーター保持部３１は、Ｘ軸方向に並設された複数の圧電アクチュエーター３００の列を一体的に覆う大きさで形成されている。もちろん、圧電アクチュエーター保持部３１は、特にこれに限定されず、圧電アクチュエーター３００を個別に覆うものであってもよく、Ｘ軸方向で並設された２以上の圧電アクチュエーター３００で構成される群毎に覆うものであってもよい。

【0039】

このような保護基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。

【0040】

また、保護基板３０には、保護基板３０をＺ軸方向に貫通する貫通孔３２が設けられている。そして、各圧電アクチュエーター３００から引き出されたリード電極９０の端部近傍は、貫通孔３２内に露出するよう延設されており、貫通孔３２内でフレキシブルケーブル１２０と電気的に接続されている。フレキシブルケーブル１２０は、可撓性を有する配線基板であって、本実施形態では、半導体素子である駆動回路１２１が実装されている。なお、フレキシブルケーブル１２０を介さずに、リード電極９０と駆動回路１２１とを電気的に接続してもよい。また、保護基板３０に流路を設けてもよい。

【0041】

また、保護基板３０上には、複数の圧力室１２に連通する供給流路を保護基板３０と共に画成するケース部材４０が固定されている。ケース部材４０は、保護基板３０の流路形成基板１０とは反対面側が接合されると共に、後述する連通板１５にも接合して設けられている。

【0042】

このようなケース部材４０には、第１共通液室１０１の一部を構成する第１液室部４１と、第２共通液室１０２の一部を構成する第２液室部４２とが設けられている。第１液室部４１と第２液室部４２とは、Ｙ軸方向において、１列の圧力室１２を挟んだ両側にそれぞ
れ設けられている。

【0043】

第１液室部４１および第２液室部４２のそれぞれは、ケース部材４０の－Ｚ側の面に開口する凹形状を有し、Ｘ軸方向に並設された複数の圧力室１２に亘って連続して設けられている。

【0044】

また、ケース部材４０には、第１液室部４１に連通して第１液室部４１にバインダーを供給する供給口４３と、第２液室部４２に連通して第２液室部４２からのバインダーを排出する排出口４４とが設けられている。

【0045】

さらに、ケース部材４０には、保護基板３０の貫通孔３２に連通して、フレキシブルケーブル１２０が挿通される接続口４５が設けられている。

【0046】

一方、流路形成基板１０の保護基板３０とは反対面側である＋Ｚ側には、連通板１５とノズルプレート２０とコンプライアンス基板４９とが設けられている。

【0047】

ノズルプレート２０には、＋Ｚ軸方向に向かってバインダーを噴射するノズル２１が複数形成されている。本実施形態では、図２に示すように、複数のノズル２１はＸ軸方向に沿った直線上に配置されることで、１列のノズル列２２が形成されている。

【0048】

ノズル２１は、ノズルプレート２０の板厚方向であるＺ軸方向に並んで配置された内径の異なる第１ノズル２１ａと第２ノズル２１ｂとを有する。第１ノズル２１ａは、第２ノズル２１ｂよりも内径が小さい。そして、第１ノズル２１ａは、ノズルプレート２０の外部側、すなわち、＋Ｚ側に配置され、第１ノズル２１ａから＋Ｚ軸方向に向かってバインダーがバインダー滴として外部に噴射される。すなわち、本実施形態のバインダーが吐出される第２軸方向は、本実施形態では、Ｚ軸方向となっている。

【0049】

また、第２ノズル２１ｂは、ノズルプレート２０の－Ｚ側に配置され、Ｙ軸方向に延伸する第１流路２０１Ａに連通する。すなわち、第１流路２０１Ａの延伸方向である第１軸方向は、本実施形態では、Ｙ軸方向となっている。これら第１軸方向であるＹ軸方向と第２軸方向であるＺ軸方向とは互いに直交する。

【0050】

このようにノズル２１に比較的内径が小さな第１ノズル２１ａを設けることでバインダーの流速を向上して、当該ノズル２１から噴射されるバインダー滴の飛翔速度を向上することができる。また、ノズル２１に比較的内径が大きな第２ノズル２１ｂを設けることで、詳しくは後述する第１共通液室１０１から第２共通液室１０２に向かって個別流路２００Ａ内のバインダーを流す循環を行った際に、ノズル２１内で循環の流れの影響を受けない部分を減少させることができる。すなわち、循環時に第２ノズル２１ｂ内でバインダーの流れを生じさせることができ、ノズル２１内の速度勾配を大きくして、ノズル２１内のバインダーを上流から供給された新しいバインダーで置換することができる。ただし、第２ノズル２１ｂの内径を第１ノズル２１ａに比べて大きくし過ぎると、第２ノズル２１ｂと第１ノズル２１ａとのイナータンスの比が大きくなり、バインダー滴を連続して吐出させた際のノズル２１内でのバインダーのメニスカスの位置が安定しない。すなわち、第２ノズル２１ｂと第１ノズル２１ａとのイナータンスの比が大きくなると、バインダーのメニスカスが第１ノズル２１ａ内に留まらずに第２ノズル２１ｂ内に移動し、安定したバインダー滴の吐出を連続して行うことができなくなってしまう。

【0051】

また、第２ノズル２１ｂの内径を小さくしすぎると、循環時に第２ノズル２１ｂ内にバインダーの流れが生じ難くなる。また、第２ノズル２１ｂの内径を小さくしすぎると、圧力室１２からノズル２１までの流路抵抗が大きくなり、圧力損失が大きくなるため、ノズル２１から吐出するバインダー滴の重量が小さくなる。このため、圧電アクチュエーター３００をより高い駆動電圧で駆動しなくてはならず、吐出効率が低下する。したがって、第１ノズル２１ａおよび第２ノズル２１ｂの大きさは、循環時のバインダーの置換性能、吐出安定性、吐出効率、および、バインダーの飛翔速度等を考慮して適宜決定される。

【0052】

このような第１ノズル２１ａおよび第２ノズル２１ｂは、それぞれ開口形状がＺ軸方向に亘って略同じ形状となるように設けられている。これにより、第１ノズル２１ａと第２ノズル２１ｂとの間には段差が形成されている。もちろん、第１ノズル２１ａと第２ノズル２１ｂの形状はこれに限定されず、例えば、第２ノズル２１ｂの内面がＺ軸方向に対して傾斜した傾斜面となるようにしてもよい。つまり、第２ノズル２１ｂの内径は、第１ノズル２１ａに向かって徐々に漸小するように設けられていてもよい。これにより、例えば、第１ノズル２１ａと第２ノズル２１ｂとの間に段差が形成されておらず、連続した内面となっていてもよい。このように第１ノズル２１ａと第２ノズル２１ｂとの内面が連続している場合には、第１ノズル２１ａとは、開口形状がＺ軸方向に亘って略同じ形状である部分を言う。

【0053】

また、ノズル２１をＺ軸方向から平面視した際の形状は、特に限定されず、円形、楕円形、矩形、多角形状、だるま型等であってもよい。

【0054】

このようなノズルプレート２０は、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等の金属、ポリイミド樹脂のような有機物、または、シリコン等の平板状の部材で形成することができる。また、ノズルプレート２０の板厚は、６０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。このような板厚のノズルプレート２０を用いることで、ノズルプレート２０のハンドリング性を向上して、吐出ヘッド１００の組み立て性を向上することができる。ちなみに、ノズル２１のＺ軸方向の長さを短くすることで、バインダーを循環させた際に、ノズル２１内で循環の流れの影響を受けない部分を小さくすることができるが、ノズル２１のＺ軸方向の長さを短くするには、ノズルプレート２０のＺ軸方向の厚みを薄くする必要がある。このようにノズルプレート２０の厚みを薄くすると、ノズルプレート２０の剛性が低下し、ノズルプレート２０の変形によってバインダー滴の吐出方向にばらつきが生じることや、ノズルプレート２０のハンドリング性の低下による組み立て性の低下が生じ易い。つまり、上記のようにある程度の厚みのあるノズルプレート２０を用いることで、ノズルプレート２０の剛性の低下を抑制して、ノズルプレート２０の変形による吐出方向にばらつきが生じることや、ハンドリング性の低下による組み立て性の低下を抑制することができる。

【0055】

連通板１５は、本実施形態では、第１連通板１５１と第２連通板１５２とを有する。第１連通板１５１と第２連通板１５２とは、－Ｚ側が第１連通板１５１、＋Ｚ側が第２連通板１５２となるようにＺ軸方向に積層されている。

【0056】

このような連通板１５を構成する第１連通板１５１および第２連通板１５２は、ステンレス鋼等の金属、ガラス、セラミック材料等によって製造することができる。なお、連通板１５は、流路形成基板１０と熱膨張率が略同一の材料を用いるのが好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。

【0057】

連通板１５には、ケース部材４０の第１液室部４１と連通して第１共通液室１０１の一部を構成する第１連通部１６と、ケース部材４０の第２液室部４２と連通して第２共通液室１０２の一部を構成する第２連通部１７および第３連通部１８とが設けられている。また、連通板１５には、詳しくは後述するが、第１共通液室１０１と圧力室１２とを連通する流路と、圧力室１２とノズル２１とを連通する流路と、ノズル２１と第２共通液室１０２とを連通する流路と、が設けられている。連通板１５に設けられたこれらの流路は、個別流路２００Ａの一部を構成する。

【0058】

第１連通部１６は、Ｚ軸方向において、ケース部材４０の第１液室部４１に重なる位置に設けられており、連通板１５の＋Ｚ側の面およびＺ側の面の両方に開口するように、連通板１５をＺ軸方向に貫通して設けられている。第１連通部１６は、－Ｚ側において第１液室部４１と連通することで第１共通液室１０１を構成する。すなわち、第１共通液室１０１は、ケース部材４０の第１液室部４１と連通板１５の第１連通部１６とによって構成されている。また、第１連通部１６は、＋Ｚ側において圧力室１２にＺ軸方向で重なる位置まで－Ｙ軸方向に延設されている。なお、連通板１５に第１連通部１６を設けずに、第１共通液室１０１をケース部材４０の第１液室部４１によって構成してもよい。

【0059】

第２連通部１７は、Ｚ軸方向において、ケース部材４０の第２液室部４２に重なる位置に設けられており、第１連通板１５１の－Ｚ側の面に開口して設けられている。また、第２連通部１７は、＋Ｚ側において＋Ｙ軸方向のノズル２１に向かって拡幅されて設けられている。

【0060】

第３連通部１８は、一端が、第２連通部１７の＋Ｙ軸方向に向かって拡幅された部分に連通するように、第２連通板１５２をＺ軸方向に貫通して設けられている。第３連通部１８の＋Ｚ側の開口は、ノズルプレート２０によって蓋をされている。すなわち、第２連通部１７を第１連通板１５１に設けることで、第３連通部１８の＋Ｚ側の開口のみをノズルプレート２０で蓋をすることができるため、ノズルプレート２０を比較的狭い面積で設けることができ、コストを低減することができる。

【0061】

このような連通板１５に設けられた第２連通部１７および第３連通部１８とケース部材４０に設けられた第２液室部４２とによって第２共通液室１０２が構成されている。なお、連通板１５に第２連通部１７および第３連通部１８を設けずに、第２共通液室１０２をケース部材４０の第２液室部４２によって構成してもよい。

【0062】

連通板１５の第１連通部１６が開口する＋Ｚ側の面には、コンプライアンス部４９４を有するコンプライアンス基板４９が設けられている。このコンプライアンス基板４９が、第１共通液室１０１のノズル面２０ａ側の開口を封止している。

【0063】

このようなコンプライアンス基板４９は、本実施形態では、可撓性を有する薄膜からなる封止膜４９１と、金属等の硬質の材料からなる固定基板４９２と、を具備する。固定基板４９２の第１共通液室１０１に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４９３となっているため、第１共通液室１０１の壁面の一部は可撓性を有する封止膜４９１のみで封止された可撓部であるコンプライアンス部４９４となっている。このように第１共通液室１０１の壁面の一部にコンプライアンス部４９４を設けることで、第１共通液室１０１内のバインダーの圧力変動をコンプライアンス部４９４が変形することによって吸収することができる。

【0064】

また、コンプライアンス部４９４の－Ｚ軸側には、第１共通液室１０１内の圧力を検出する圧力センサー４００が設けられている。この圧力センサー４００は、制御部７００と電気的に接続されており、圧力センサー４００が検出した第１共通液室１０１内の圧力に関する情報は、制御部７００に送信される。

【0065】

また、流路基板を構成する流路形成基板１０、連通板１５、ノズルプレート２０、コンプライアンス基板４９等には、第１共通液室１０１と第２共通液室１０２とに連通して、第１共通液室１０１のバインダーを第２共通液室１０２に送る複数の個別流路２００Ａが設けられている。ここで、本実施形態の各個別流路２００Ａは、第１共通液室１０１と第２共通液室１０２とに連通して、ノズル２１毎に設けられたものであり、ノズル２１を含むものである。このような複数の個別流路２００Ａは、ノズル２１の並設方向であるＸ軸方向に沿って複数並設されている。そして、ノズル２１の並設方向であるＸ軸方向において隣接する２つの個別流路２００Ａは、それぞれ第１共通液室１０１および第２共通液室１０２に連通して設けられている。すなわち、ノズル２１毎に設けられた複数の個別流路２００Ａは、それぞれ第１共通液室１０１および第２共通液室１０２のみで連通して設けられており、複数の個別流路２００Ａは、第１共通液室１０１および第２共通液室１０２以外で互いに連通することがない。つまり、本実施形態では、１つのノズル２１および１つの圧力室１２が設けられた流路を個別流路２００Ａと称し、各個別流路２００Ａ同士は、第１共通液室１０１および第２共通液室１０２のみで連通するように設けられている。

【0066】

図３に示すように、個別流路２００Ａは、ノズル２１と圧力室１２と第１流路２０１Ａと第２流路２０２Ａと供給路２０３Ａとにより構成される。

【0067】

圧力室１２は、上述のように流路形成基板１０に設けられた凹部と連通板１５との間に設けられたものであり、Ｙ軸方向に延伸している。すなわち、圧力室１２は、Ｙ軸方向の一端部に供給路２０３Ａが接続され、Ｙ軸方向の他端部に第２流路２０２Ａが接続されており、圧力室１２内をバインダーがＹ軸方向に流れるように設けられている。つまり、圧力室１２の延伸する方向とは、圧力室１２内をバインダーが流れる方向のことである。

【0068】

なお、本実施形態では、流路形成基板１０に圧力室１２のみを形成するようにしたが、これに限定されず、圧力室１２の上流側の端部、すなわち、＋Ｙ軸方向の端部に流路抵抗を付与するように圧力室１２よりも断面積を絞った流路抵抗付与部を設けるようにしてもよい。

【0069】

供給路２０３Ａは、圧力室１２と第１共通液室１０１とを接続するものであり、第１連通板１５１をＺ軸方向に貫通して設けられている。供給路２０３Ａは、＋Ｚ側の端部で第１共通液室１０１と連通し、－Ｚ側の端部で圧力室１２と連通する。つまり、供給路２０３Ａは、Ｚ軸方向に延伸している。ここで、供給路２０３Ａが延伸する方向とは、供給路２０３Ａ内をバインダーが流れる方向のことである。

【0070】

第１流路２０１Ａは、供給口４３と排出口４４との間でＹ軸方向に延伸して設けられている。なお、第１流路２０１Ａが延伸する方向とは、第１流路２０１Ａ内をバインダーが流れる方向のことである。すなわち、第１流路２０１Ａが延伸する第１軸方向は、本実施形態では、Ｙ軸方向となっている。このような第１流路２０１Ａは、＋Ｙ軸方向の端で第２流路２０２Ａと連通し、－Ｙ軸方向の端部で第２共通液室１０２の第３連通部１８と連通している。

【0071】

本実施形態の第１流路２０１Ａは、第２連通板１５２とノズルプレート２０との間に、Ｙ軸方向に沿って延伸して設けられている。具体的には、第１流路２０１Ａは、第２連通板１５２に凹部を設け、この凹部の開口をノズルプレート２０で蓋をすることで形成されている。なお、第１流路２０１Ａは特にこれに限定されず、ノズルプレート２０に凹部を設け、ノズルプレート２０の凹部を第２連通板１５２によって蓋をするようにしてもよく、第２連通板１５２とノズルプレート２０との両方に凹部を設けて形成してもよい。

【0072】

第１流路２０１Ａは、本実施形態では、流路を流れるバインダーを横断する断面積、すなわち、Ｘ軸方向およびＺ軸方向を含む面方向の断面積がＹ軸方向に亘って同じ面積となるように設けられている。なお、第１流路２０１Ａは、横断する断面積がＹ軸方向で異なる面積となるように設けられていてもよい。第１流路２０１Ａを横断する面積が異なるとは、Ｚ軸方向の高さが異なる場合も、Ｘ軸方向の幅が異なる場合も、その両方が異なる場合も含むものである。

【0073】

また、第１流路２０１Ａの流路を横断する断面形状、すなわち、Ｘ軸方向およびＺ軸方向を含む面方向の断面形状は、矩形となっている。なお、第１流路２０１Ａの流路を横断する断面形状は、特に限定されず、台形、半円形、半楕円等であってもよい。

【0074】

第２流路２０２Ａは、圧力室１２と第１流路２０１Ａとの間にＺ軸方向に延伸して設けられている。なお、第２流路２０２Ａが延伸する方向とは、第２流路２０２Ａ内をバインダーが流れる方向のことである。すなわち、第２流路２０２Ａが延伸する方向は、本実施形態では、第２軸方向と同じＺ軸方向となっている。このような第２流路２０２Ａは、本実施形態では、連通板１５をＺ軸方向に貫通して設けられており、－Ｚ軸方向の端部で圧力室１２と連通し、＋Ｚ軸方向の端部で第１流路２０１Ａと連通している。

【0075】

また、第２流路２０２Ａは、連通板１５に形成された部分を言う。すなわち、第２流路２０２Ａは、圧力室１２の＋Ｚ軸方向の底面からノズルプレート２０で蓋をされている部分までである。

【0076】

ノズル２１は、第１流路２０１Ａの途中に連通する位置に配置されている。すなわち、ノズル２１は、Ｙ軸方向に延伸する第１流路２０１Ａから＋Ｚ軸方向に分岐して設けられている。これにより、ノズル２１から＋Ｚ軸方向に向かってバインダー滴を噴射する。つまり、ノズル２１は、－Ｚ軸方向の端部が第１流路２０１Ａの途中に連通し、＋Ｚ軸方向の端部がノズルプレート２０のノズル面２０ａに開口するようにノズルプレート２０をＺ軸方向に貫通して設けられている。このため、ノズル２１がバインダー滴を噴射する第２軸方向とは、Ｚ軸方向である。

【0077】

ここで、ノズル２１が第１流路２０１Ａから分岐して設けられているとは、ノズル２１が第１流路２０１Ａの途中に連通していることを言う。そして、ノズル２１が第１流路２０１Ａの途中に連通しているとは、Ｚ軸方向から平面視した際に、ノズル２１が第１流路２０１Ａと重なる位置に配置されていることを言う。ちなみに、Ｚ軸方向から平面視した際に、ノズル２１が第２流路２０２Ａと重なる位置に配置されているものは、第１流路２０１Ａの途中に連通するように設けられているとは言わない。つまり、本実施形態の第１流路２０１Ａは、Ｚ軸方向から平面視した際に第２流路２０２Ａに重ならない部分である。

【0078】

なお、ノズル２１が連通する第１流路２０１Ａを流れるバインダーを横断する断面積は、第２流路２０２Ａを流れるバインダーを横断する断面積よりも小さいことが好ましい。なお、第１流路２０１Ａを横断する断面積とは、Ｘ軸方向およびＺ軸方向を含む面方向の断面の面積である。また、第２流路２０２Ａを横断する断面積とは、Ｙ軸方向およびＺ軸方向を含む面方向の断面の面積である。このように第１流路２０１Ａの断面積を比較的小さくすることで、個別流路２００ＡをＸ軸方向に高密度に配置して、ノズル２１をＸ軸方向に高密度に配置することができると共に、吐出ヘッド１００がＺ軸方向に大型化するのを抑制することができる。また、第２流路２０２Ａの断面積を比較的大きくすることで、圧力室１２からノズル２１までの流路抵抗が小さくなるのを抑制して、バインダーの吐出特性、特に吐出される液滴の重量が低下するのを抑制することができる。特に第２流路２０２ＡをＹ軸方向に広げて、第２流路２０２Ａの断面積を大きくすることで、第２流路２０２Ａの流路抵抗を低減することができると共に個別流路２００Ａが低密度に配置されるのを抑制して、個別流路２００Ａを高密度に配置することができる。

【0079】

このような個別流路２００Ａでは、第１共通液室１０１から個別流路２００Ａを通り第２共通液室１０２にバインダーが流れる。また、圧電アクチュエーター３００を駆動することによって圧力室１２内のバインダーに圧力変化を生じさせて、ノズル２１内のバインダーの圧力を上昇させることでノズル２１から外部に＋Ｚ軸方向に向かってバインダー滴が吐出される。第１共通液室１０１から個別流路２００Ａを通り第２共通液室１０２にバインダーが流れる時に、圧電アクチュエーター３００を駆動してもよいし、第１共通液室１０１から個別流路２００Ａを通り第２共通液室１０２にバインダーが流れない時に、圧電アクチュエーター３００を駆動してもよい。また、圧電アクチュエーター３００の駆動による圧力変化により、第２共通液室１０２から第１共通液室１０１へのバインダーの流れが一時的に生じてもよい。

【0080】

このような三次元造形装置１の各部は、後述する制御部７００と電気的に接続されており、その作動が制御される。

【0081】

前述したように、第１共通液室１０１および供給路２０３Ａにより、流入流路３００Ａが構成され、第１流路２０１Ａ、第２流路２０２Ａおよび第２共通液室１０２により流出流路３００Ｂが構成される。そして、三次元造形装置１は、流出流路３００Ｂから流出したバインダーを３００Ａに循環させる循環流路３００Ｃを備える。図１に示す構成では、循環流路３００Ｃは、排出流路２４１、バインダー経路２８２、バインダー経路２８４、バインダー経路２８１、供給流路２３１を含んでいる。このような循環流路３００Ｃを備えることにより、ノズル２１から吐出されなかったバインダーは、圧力室１２から、流出流路３００Ｂ、循環流路３００Ｃおよび流入流路３００Ａを順に介して循環し、再度、圧力室１２に戻るよう構成されている。この構成により、次のような利点を得ることができる。

【0082】

バインダージェット方式では、造形物の密度が、その他の方式に比べ、比較的低くなってしまう傾向を示す。このため、バインダーに含まれる水溶性樹脂および湿潤剤の量を減らすことが好ましい。しかしながら、湿潤剤の量を単純に減らすだけでは、吐出安定性が低下してしまう。そこで、前述したように、バインダーを循環させることにより、湿潤剤の含有量を低減しても吐出安定性を高めることができ、造形物の密度を高めることができる。

【0083】

なお、上記では、循環流路３００Ｃは、排出流路２４１、バインダー経路２８２、バインダー経路２８４、バインダー経路２８１、供給流路２３１を含む構成について説明したが、本発明ではこの構成に限定されず、例えば、第１マニホールド２３０と第２マニホールド２４０とが接続されている場合には、排出流路２４１と、供給流路２３１と、第１マニホールド２３０と第２マニホールド２４０を接続している流路とが循環流路３００Ｃを構成する。

【0084】

また、ノズル２１から吐出されるバインダーの単位時間当たりの流量Ｒ１と、ノズル２１から吐出されずに循環する、すなわち、流出流路３００Ｂに流出するバインダーの単位時間当たりの流量Ｒ２との比Ｒ１／Ｒ２は、０．０５以上２０以下であるのが好ましく、０．１以上１以下であるのがより好ましい。これにより、バインダーの吐出安定性をさらに高めることができる。

【0085】

このような吐出ヘッド１００は、図４に示すように、複数設けられており、各吐出ヘッド１００は、一括してキャリッジ５００に支持されている。キャリッジ５００は、Ｘ軸方向またはＹ軸方向に移動可能に構成されていてもよい。また。キャリッジ５００には、吐出ヘッド１００毎にヒーター６００が設置されている。このヒーター６００は、バインダーを乾燥させる機能を有する。ヒーター６００は、制御部７００と電気的に接続され、制御部７００によって通電条件を制御されることにより、作動が制御される。例えば、図示しないテーブルにバインダーを吐出し、乾燥させるという動作を繰り返すことにより、複数の層を積層し、三次元造形物を得ることができる。

【0086】

このように、三次元造形装置１は、吐出ヘッド１００と、バインダーを乾燥させるヒーター６００と、を支持するキャリッジ５００を備える。これにより、吐出ヘッド１００が吐出したバインダーを良好に乾燥させることができる。よって、造形物の成形性を高めることができるとともに、装置構成を簡素にすることができる。また、吐出したバインダーのうち、必要な部分のみを乾燥させることができるため、乾燥させていないバインダーのリサイクルが可能となる。

【0087】

なお、上記構成に限定されず、ヒーター６００は、テーブル側に設けられていてもよい。

【0088】

制御部７００は、三次元造形装置１の各部を制御する機能を有する。制御部７００は、例えば、コンピューターから構成され、情報を処理する少なくとも１つのプロセッサー（例えば、ＣＰＵ）と、プロセッサーに通信可能に接続されたメモリー（例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭ）と、外部装置との接続を行う外部インターフェースと、を有する。メモリーにはプロセッサーにより実行可能な各種プログラムが保存され、プロセッサーは、メモリーに記憶された各種プログラム等を読み込んで実行することができる。なお、制御部７００の構成要素の一部または全部は、三次元造形装置１の筐体の外側に配置されてもよい。

【0089】

また、制御部７００のメモリーには、圧力の閾値が記憶されている。造形中、プロセッサーは、圧力センサー４００が検出した検出結果に基づいて第１共通液室１０１内の圧力の情報を取得し、その圧力が閾値を上回っているか否かの判断を行う。プロセッサーは、第１共通液室１０１内の圧力が閾値を上回っていると判断した場合、図１に示す真空ポンプ２１５の作動を調整して、第１共通液室１０１内の圧力を調整する。

【0090】

具体的には、プロセッサーは、通常時は、予め定められた条件で真空ポンプ２１５を作動させ、第１共通液室１０１内の圧力が閾値をより小さい場合、通常時よりも送液速度、すなわち、循環速度を下げるように真空ポンプ２１５への通電条件を変更する。なお、第１共通液室１０１内の圧力が閾値を超えた場合の通電条件も、予めメモリーに記憶されている。

【0091】

なお、圧力センサー４００は、本実施形態では、流入流路３００Ａに配置されている構成について説明したが、本発明ではこれに限定されず、圧力室１２、流出流路３００Ｂおよび循環流路３００Ｃのうちのいずれに配置されていてもよい。

【0092】

このように、三次元造形装置１は、個別液室である圧力室１２、流入流路３００Ａ、流出流路３００Ｂおよび循環流路３００Ｃのうちの少なくとも１つの圧力を検出する圧力センサー４００と、圧力センサー４００の検出結果に基づいてバインダーの循環速度を調整する制御部７００と、を備える。これにより、例えば、バインダーの循環速度を可及的に一定に保つことができ、バインダーの吐出安定性をさらに高めることができる。

【0093】

また、制御部７００は、圧力が閾値より小さい場合、バインダーの循環速度を速くするよう、真空ポンプ２１５の作動を制御する。これにより、圧力が低下した場合であっても、循環速度を早くすることにより、圧力を可及的に一定に保つことができる。その結果、バインダーの吐出安定性をさらに高めることができる。

【0094】

次に、ノズル２１から吐出されるバインダーについて説明する。
前述したように、バインダーは、水と、水溶性樹脂と、湿潤剤と、を含む。

【0095】

バインダーが水溶性樹脂を含むことにより、バインダーを吐出して得られた造形物を焼結させた際に、造形物の型崩れを防止または抑制することができる。

【0096】

前記水溶性樹脂としては、例えば、ポリビニルアルコール樹脂、ポリアクリル酸樹脂、セルロース樹脂、デンプン、ゼラチン、ビニル樹脂、アミド樹脂、イミド樹脂、アクリル樹脂、ポリエチレングリコール等が挙げられる。これらは、前記水溶性を示す限りにおいて、ホモポリマーであってもよいし、ヘテロポリマーであってもよく、また、変性されていてもよいし、公知の官能基が導入されていてもよく、また塩の形態であってもよい。このような水溶性樹脂を用いることにより、得られる造形物の型崩れを効果的に防止または抑制することができる。

【0097】

ポリビニルアルコール樹脂としては、例えば、ポリビニルアルコール、アセトアセチル基、アセチル基、シリコーン等による変性ポリビニルアルコール、ブタンジオールビニルアルコール共重合体等が挙げられる。

【0098】

ポリアクリル酸樹脂としては、例えば、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸ナトリウム等の塩であってもよい。

【0099】

セルロース樹脂としては、例えば、セルロースであってもよいし、カルボキシメチルセルロース等であってもよい。

【0100】

アクリル樹脂としては、例えば、ポリアクリル酸、アクリル酸・無水マレイン酸共重合体等が挙げられる。

【0101】

次に、湿潤剤について説明する。
湿潤剤は、ノズル２１内の乾燥を抑制する機能を有する。湿潤剤としては、ｂｐ２００度以上の有機溶媒であることが好ましい。

【0102】

湿潤剤としては、上記機能を有していれば特に限定されないが、例えば、エタノール、プロパノール、ブタノール等のアルコール、エーテル、ケトンなどが挙げられる。具体的には、２－ブトキシエタノール、１，２，６－ヘキサントリオール、１，２－ブタンジオール、１，２－ヘキサンジオール、２－ペンタンジオール、１，３－ジメチル－２－イミダゾリジノン、１，３－ブタンジオール、１，３－プロパンジオール、１，４－ブタンジオール、１，５－ペンタンジオール、１，６－ヘキサンジオール、２，２－ジメチル－１，３－プロパンジオール、２，３－ブタンジオール、２，４－ペンタンジオール、２，５－ヘキサンジオール、２－エチル－１，３－ヘキサンジオール、２－ピロリドン、２－メチル－１，３－プロパンジオール、２－メチル－２，４－ペンタンジオール、３－メチル－１，３－ブタンジオール、３－メチル－１，３－ヘキサンジオール、Ｎ－メチル－２－ピロリドン、Ｎ－メチルピロリジノン、β－ブトキシ－Ｎ，Ｎ－ジメチルプロピオンアミド、β－メトキシ－Ｎ，Ｎ－ジメチルプロピオンアミド、γ－ブチロラクトン、ε－カプロラクタム、エチレングリコール、エチレングリコール－ｎ－ブチルエーテル、エチレングリコール－ｎ－プロピルエーテル、エチレングリコールフェニルエーテル、エチレングリコールモノ－２－エチルヘキシルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、グリセリン、ジエチレングリコール、ジエチレングリコール－ｎ－ヘキシルエーテル、ジエチレングリコールメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジグリセリン、ジプロピレングリコール、ジプロピレングリコールｎ－プロピルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジメチルスルホキシド、スルホラン、チオジグリコール、テトラエチレングリコール、トリエチレングリコール、トリエチレングリコールエチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテル、トリエチレングリコールメチルエーテル、トリプロピレングリコール、トリプロピレングリコール－ｎ－プロピルエーテル、トリプロピレングリコールメチルエーテル、トリメチロールエタン、トリメチロールプロパン、プロピルプロピレンジグリコール、プロピレングリコール、プロピレングリコール-ｎ-ブチルエーテル、プロピレングリコール-t-ブチルエーテル、プロピレングリコールフェニルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、ヘキシレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。

【0103】

これらの中でも、湿潤剤は、エチレングリコール、１，４－ブタンジオール、１，３－プロパンジオール、２－ブトキシエタノール、プロピレングリコール、トリエチレングリコール、２－ピロリドン等の脂肪族ジオールであることが好ましい。これにより、より確実にノズル２１内の乾燥を抑制することができるとともに、比較的少ない量で上記効果を発揮することができる。

【0104】

また、バインダーにおける湿潤剤の含有率は、バインダーの重量に対し、５重量％以下であるのが好ましく、４重量％以下であるのがより好ましい。これにより、バインダーの吐出安定性をより確実に高めつつ、造形物の密度を十分に高めることができる。

【0105】

以上説明したように、三次元造形装置１は、水と、水溶性樹脂と、湿潤剤と、を含むバインダーを吐出するノズル２１と、ノズル２１に連通する個別液室である圧力室１２と、バインダーを圧力室１２に流入させる流入流路３００Ａと、バインダーを圧力室１２から流出させる流出流路３００Ｂと、を有する吐出ヘッド１００と、流出流路３００Ｂから流出したバインダーを流入流路３００Ａに循環させる循環流路３００Ｃと、を備える。ノズル２１から吐出されなかったバインダーは、圧力室１２から、流出流路３００Ｂ、循環流路３００Ｃおよび流入流路３００Ａを順に介して循環し、再度、圧力室１２に戻すことができる。バインダージェット方式では、造形物の密度が、その他の方式に比べ、比較的低くなってしまう傾向を示す。このため、バインダーに含まれる水溶性樹脂および湿潤剤の量を減らすことが好ましい。しかしながら、湿潤剤の量を単純に減らすだけでは、吐出安定性が低下してしまう。そこで、前述したように、バインダーを循環させることにより、バインダー中の湿潤剤の含有量を低減しても吐出安定性を高めることができ、造形物の密度を高めることができる。

【実施例】

【0106】

次に、本発明の具体的実施例について説明する。

【0107】

（実施例２）
図１～図４に示す三次元造形装置にバインダー装填し、バインダーの吐出を行い、造形物を得た。なお、用いたバインダーは、水と、水溶性樹脂と、湿潤剤と、を含んでおり、水溶性樹脂は、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を用い、湿潤剤は、２－ブトキシエタノールを用いた。バインダー中の水の含有量は、９８．７質量％であり、バインダー中の水溶性樹脂の含有量は、０．８質量％であり、バインダー中の湿潤剤の含有量は、０．５質量％であった。

【0108】

（実施例３～実施例６、実施例８～実施例１８）
水、水溶性樹脂および湿潤剤の含有量を表１に示すようにしたこと以外は、実施例２と同様にしてバインダーの吐出を行った。

【0109】

（比較例１）
循環流路が省略された従来の三次元造形装置にバインダー装填し、バインダーの吐出を行い、造形物を得た。なお、用いたバインダーは、水と、水溶性樹脂と、を含んでおり、水溶性樹脂は、ポリビニルアルコールを用いた。バインダー中の水の含有量は、９９．２質量％であり、バインダー中の水溶性樹脂の含有量は、０．８質量％であった。

【0110】

（比較例２）
循環流路が省略された従来の三次元造形装置にバインダー装填し、バインダーの吐出を行い、造形物を得た。なお、用いたバインダーは、水と、水溶性樹脂と、湿潤剤と、を含んでおり、水溶性樹脂は、ポリビニルアルコールを用い、湿潤剤は、２－ブトキシエタノールを用いた。バインダー中の水の含有量は、９８．７質量％であり、バインダー中の水溶性樹脂の含有量は、０．８質量％であり、バインダー中の湿潤剤の含有量は、０．５質量％であった。

【0111】

（比較例３～比較例１８）
水、水溶性樹脂および湿潤剤の含有量を表２に示すようにしたこと以外は、比較例２と同様にしてバインダーの吐出を行った。

【0112】

（実施例１９）
表３に示すように、図１～図４に示す三次元造形装置にバインダー装填し、バインダーの吐出を行い、造形物を得た。なお、用いたバインダーは、水と、水溶性樹脂と、湿潤剤と、を含んでおり、水溶性樹脂は、ポリビニルピロリドンを用い、湿潤剤は、２－ブトキシエタノールを用いた。バインダー中の水の含有量は、９７．８質量％であり、バインダー中の水溶性樹脂の含有量は、０．２質量％であり、バインダー中の湿潤剤の含有量は、２．０質量％であった。

【0113】

（実施例２０～実施例２４）
水、水溶性樹脂および湿潤剤の含有量を表３に示すようにしたこと以外は、実施例２と同様にしてバインダーの吐出を行った。

【0114】

（比較例１９）
循環流路が省略された従来の三次元造形装置にバインダー装填し、バインダーの吐出を行い、造形物を得た。なお、用いたバインダーは、水と、水溶性樹脂と、湿潤剤と、を含んでおり、水溶性樹脂は、ポリビニルピロリドンを用い、湿潤剤は、２－ブトキシエタノールを用いた。バインダー中の水の含有量は、９７．８質量％であり、バインダー中の水溶性樹脂の含有量は、０．２質量％であり、バインダー中の湿潤剤の含有量は、２．０質量％であった。

【0115】

（比較例２０～比較例２４）
水、水溶性樹脂および湿潤剤の含有量を表４に示すようにしたこと以外は、比較例１９と同様にしてバインダーの吐出を行った。

【0116】

＜評価＞
１．吐出安定性
吐出ノズルから吐出されるバインダーの単位時間当たりの吐出量を測定し、以下のように評価を行った。
Ａ：吐出重量が目標値の９８％以上である
Ｂ：吐出重量が目標値の９５％以上９８％未満である
Ｃ：吐出重量が目標値の９０％以上９５％未満である
Ｄ：吐出重量が目標値の９０％未満である
Ｅ：目視で確認して吐出ノズルからバインダーが吐出されていない

【0117】

２．造形物の密度
Ａ：焼結後の造形物の重量が焼結前の造形物の重量の６０％以上である
Ｂ：焼結後の造形物の重量が焼結前の造形物の重量の５５％以上６０％未満である
Ｃ：焼結後の造形物の重量が焼結前の造形物の重量の５０％以上５５％未満である
Ｄ：焼結後の造形物の重量が焼結前の造形物の重量の４５％以上５０％未満である
Ｅ：焼結後の造形物の重量が焼結前の造形物の重量の４５％未満である

【0118】

以下、各実施例および各比較例で得られた造形物の構成および評価結果を表１～表４に示す。なお、表中の「－」は、造形物が崩れてしまい、生成することができなかったことを示している。

【0119】

【表1】

【0120】

【表2】

【0121】

【表3】

【0122】

【表4】

【0123】

表１～表４より明らかなように、循環流路３００Ｃを備えていない三次元造形装置（各比較例）では、バインダーの吐出安定性が乏しい。また、循環流路３００Ｃを備えていない三次元造形装置（各比較例）により製造された造形物は、密度が低いか、または、造形物が崩れてしまい、密度を測定することができなかった。これに対し、循環流路３００Ｃを備える三次元造形装置（各実施例）では、バインダーの吐出安定性に優れていた。また、造形物の密度も高く、満足のいく結果となった。

【0124】

以上、本発明の三次元造形装置を図示の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。また、三次元造形装置を構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。また、任意の構成物が付加されていてもよい。

【符号の説明】

【0125】

１…三次元造形装置、１０…流路形成基板、１２…圧力室、１５…連通板、１６…第１連通部、１７…第２連通部、１８…第３連通部、２０…ノズルプレート、２０ａ…ノズル面、２１…ノズル、２１ａ…第１ノズル、２１ｂ…第２ノズル、２２…ノズル列、３０…保護基板、３１…圧電アクチュエーター保持部、３２…貫通孔、４０…ケース部材、４１…第１液室部、４２…第２液室部、４３…供給口、４４…排出口、４５…接続口、６０…第１電極、７０…圧電体層、８０…第２電極、９０…リード電極、１００…吐出ヘッド、１０１…第１共通液室、１０２…第２共通液室、１２０…フレキシブルケーブル、１２１…駆動回路、１５１…第１連通板、１５２…第２連通板、２００Ａ…個別流路、２０１…メインタンク、２０１Ａ…第１流路、２０２…第１送液ポンプ、２０２Ａ…第２流路、２０３…第２送液ポンプ、２０３Ａ…供給路、２０６…第１調整装置、２０７…第２調整装置、２１０…減圧サブタンク、２１０ａ…気体室、２１１…液面検知手段、２１２…電磁弁、２１３…レギュレーター、２１４…減圧バッファタンク、２１５…真空ポンプ、２１６…電磁弁、２１７…電磁弁、２２０…加圧サブタンク、２２０ａ…気体室、２２１…液面検知手段、２２２…電磁弁、２２３…レギュレーター、２２４…加圧バッファタンク、２２５…コンプレッサ、２２６…電磁弁、２２７…電磁弁、２３０…第１マニホールド、２３１…供給流路、２３２…電磁弁、２３３…圧力センサー、２４０…第２マニホールド、２４１…排出流路、２４２…電磁弁、２４３…圧力センサー、２５１…ヘッドタンク、２５２…ヘッドタンク、２６０…脱気装置、２６１…フィルター、２８１…バインダー経路、２８２…バインダー経路、２８４…バインダー経路、２８９…バインダー経路、３００…圧電アクチュエーター、３００Ａ…流入流路、３００Ｂ…流出流路、３００Ｃ…循環流路、３０１…循環経路、４００…圧力センサー、４９１…封止膜、４９２…固定基板、４９３…開口部、４９４（４９）…コンプライアンス部、５００…キャリッジ、６００…ヒーター、７００…制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】