WO1995018010A1

WO1995018010A1 - Procede et appareil de moulage de stratifie

Info

Publication number: WO1995018010A1
Application number: PCT/JP1994/002205
Authority: WO
Inventors: Noboru Kawaguchi
Original assignee: K-Net Systems, Inc.
Priority date: 1993-12-24
Filing date: 1994-12-22
Publication date: 1995-07-06
Also published as: ATE187381T1; EP0686481B1; DE69422025D1; US5833914A; DE69422025T2; JPH07186277A; EP0686481A1; EP0686481A4; JP3152326B2

Description

明細書積層造形方法および積層造形装置技術分野

本発明は、凝固層を積層することにより、所望の形状を有する積層体を造形する方法、およびその方法に用いる装置に関し、特に、離型剤を印刷装置によって印刷する積層造形方法および積層造形装置に関する。背景技術

従来より、新製品の開発に当たって試作品を製作することが広く行われており、例えば、自動車業界においては、新型車を設計するに当たりスケールダウンした 3次元モデルを試作し、デザインを検討した後、再び 3次元モデルを試作して徐々に細部のデザィンを決定していくことが行われている。この場合、単純形状の 3次元モデルであれば、 N Cテープの作成、刃物管理等が必用であるものの、機械的切削手段等を用いて比較的容易に 3次元モデルを形成することが可能であるが、形状が複雑な 3次元モデルの場合、機械的切削手段等では造形に時間を要すと共に、細部を造形することが困難であるという問題があった _c そこで、単純な 3次元モデルの造形に際しても N Cテープの作成が不用で、刃物管理が容易であると共に、形状が複雑な 3次元モデルであっても短時間で造形することができる方法として、積層造形方法が実用化されている。このような積層造形方法としては、例えば、予めコンピュータにインプヅト済みのデータに基づいて、マスクパダーンをマスク板上に静電トナーにより形成し、光硬化性樹脂が塗布された樹脂層の上に重ねて紫外線光を照射し、十分露光した後、未硬化の樹脂層を吸引し、更に、光硬化性樹脂が除去され形成された隙間にヮックスを充填した後、ワックスを冷却し、硬化した樹脂層及びワックスを所定厚さに切削することを繰り返し行うことにより所望形状の 3次元モデルを得る方法や、光硬化性樹脂と凝固剤とで硬化層を形成して 3次元モデルを得る方法がある。

このような積層造形方法においては、光硬化性樹脂が成型材料として広く用いられているが、この他にも普通紙等からなる各層に切込みをいれつつ、複数層重ね上げることにより所望の形状を有する 3次元モデルを得る方法や、凝固剤の粉体をロールで押し固める等して薄い粉体層を形成し、これにレーザ照射光を当てることにより被照射部分を焼結することを繰り返して硬化層を積層して 3次元モデルを得る方法も実用化されている。

これらの積層造形方法によれば、従来、機械的切削手段等では困難とされてきた逆反りモデル等を容易に形成することも可能であり、また、より精密な構造を備えるモデルを形成することができるものである 0

しかしながら、マスクパターンを形成し、マスクパターンを透過した紫外線光により所望の光硬化性樹脂を硬化させ、ワックスを充填して 3次元モデルを得る方法では、余剰の光硬化性樹脂を吸引する工程が必用となり、吸引に伴い騒音が発生すると共に、余剰の光硬化性樹脂を吸引する際に、細かな造形部分の樹脂を吸い込んだり、余剰樹脂を細部に残存させてしまい、精度の高いモデル、特に輪郭部分の精度が高いモデルを得ることができないという問題が生じた。

また、この方法ではワックス充填後、光硬化性樹脂とワックスとから成る層を所定厚さに揃え、次層の塗布に備えるため切削が行われるが、このように、一度硬化した光硬化性樹脂の表面を切削すると光硬化性樹脂の表面活性が低下し、その上に未硬化の光硬化性樹脂を塗布しても上下層の接着性能が悪くなるという問題があり、また、装置全体として消費するエネルギーが大きいという問題があった。

更に、薄い粉体層を形成し、レーザ光を照射することにより粉体層を所望の形状に焼結する方法では、広い範囲にわたりレーザ光を照射して粉体を焼結する必用があるが、深さ方向の焼結特性が安定せず、強固に結合したモデルを得難いという問題があった。これは、一般にレーザ光の照射出力の適正制御が困難であることに起因するものであり、目的とする薄い粉体層のみを焼結するためには、非常に狭い範囲でのレーザ光の照射出力制御が要求されるからである。

また、凝固剤を塗布、凝固させた後、レーザ光を照射することによりその一部を削り取り、そこに、離型剤として機能する光硬化性樹脂を充填させる方法においては、必用な部分にのみ光硬化性樹脂を充填させることが実現されていないので、多くの部分を削り取り、多くの部分に光硬化性樹脂を充填する必要があり、作業効率が悪'く、コスト高になるという問題があった。

また、これらの積層造形装置は、温度管理、粉塵対策等を施す必用があると共に、振動、騒音を生じることから設置場所が限られるという問題があった。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、離型剤を凝固層の必要な部分にのみ塗布することができると共に、容易にレーザ光の照射出力を制御することができる積層造形方法及び装置を提供することを目的とし、また、作業効率を向上させると共に、より成型精度の高い積層モデルを得ることができる積層造形方法、装置を提供することを目的とする。発明の開示

この目的を達成するために本発明に係る積層造形方法は、凝固剤と離型剤とから構成される硬化層を積層することにより所望形状の積層体を得る積層造形方法であって、積層された前記硬化層表面を構成する凝固層に切込み溝を形成し、凝固層を所望形状の積層体を構成する必要領域と、所望形状の積層体を構成しない不要領域に分ける第 1ェ程と、前記硬化層表面を構成する凝固層の所定領域、または新たな凝固層を構成する凝固剤シートの所定領域に離型剤を印刷する第 2工程と、離型剤が印刷された前記凝固層の上、または前記硬化層の上に新たな未凝固状態の凝固剤層を形成する第 3工程と、前記凝固剤層を凝固させて前記離型剤を含む新たな硬化層を形成する第 4工程とを構成として備える。

このとき第 3工程は、離型剤が印刷された前記凝固層の表面に未凝固の凝固剤を所定の厚さに塗布して未凝固状態の凝固剤層を形成することが好ましく、その場合、第 2工程において用いられる離型剤は、光硬化性樹脂材料が好適であり、第 3工程において用いられる凝固剤は、尿素にポリビニルアルコールと共有化合物とを添加した凝固剤が好適である。また、第 3工程は、離型剤が印刷された前記凝固層の上に凝固剤シートを載置して、その凝固剤シートを溶融することにより未凝固状態の凝固剤層を形成するものでもよく、更に、離型剤が印刷された凝固剤シートを所定サイズに切り抜いて、その切り抜かれた凝固剤シートを溶融することにより未凝固状態の凝固剤層を形成するものでもよい。又、第 2工程において用いられる離型剤は、耐熱性の高いスラリー状のセラミックであり、第 3工程において用いられる凝固剤は、金属溶射装置から溶射される金属であることが好適である。そしてその場合に凝固剤シートとして、繊維質のシートである紙に凝固剤を塗布したコート紙を用いてもよい。コート紙の厚さとしては 0 . 1〜0 . 2 m m厚のものであって、凝固剤の塗布厚さとしては 2 0〜5 0 m程度のものでよい。そしてこの紙に凝固剤を塗布したものを用いる場合には、これを予めヒートローラ等にパスさせることによりコート紙上の凝固剤を溶融させ、その状態で離型剤が印刷された凝固層上に載置し、これを凝固させて新たな硬化層を形成するようにしてもよい。そうすれば、凝固剤シートを離型剤が印刷された凝固層上に載置してから加熱溶融し、しかる後凝固させるよりも生産効率が向上し、生産性が良くなる利益が生じる。

また第 3工程で凝固層上に印刷された離型剤が固まっていないと凝固剤シ一トをその上に載置したときに離型剤がその凝固剤シートと凝固層との間を横方向に広がることがあるが、このコート紙に凝固剤を塗布したものを用いた場合には、このコート紙そのものが繊維質のものであるから離型剤がこのコート紙にしみ込むことはあっても横方向に広がることはない。したがってその後に第 1工程に戻って 3次元モデルの送られてくる断面べクトルデータに基づいて凝固層に切込み溝を入れて輪郭を形成していく工程においてその輪郭部分の接着強度が高く、小さな形状のものが仕上げられる。しかもその場合に第 3工程で凝固層上に印刷される離型剤が固まっていなくともコート紙に凝固剤を塗布したものを予め加熱溶融して重ね合わせる（載置する）ことができるものであるから 3次元モデルの成形（造形）スピードを速めることができ、生産性の一層の向上が図れるものである。

さらにまた 1 0 0 %凝固剤シートのものを用いるよりも安価なコ一ト紙が積層造形物の構成要素として介在されることにより経済的に安価な造形物を市場に提供できるものであり、その経済的利益をも生じるものである。

以上の積層造形方法における第 2工程は、上下の各硬化層に形成され、または形成される必要領域、不要領域、切込み溝の排他理論和領域に該当する凝固層に離型剤を印刷する工程であることが望ましく、第 4工程は、未凝固状態の凝固層を離型性の高い膜を介して調温板に押し当てることにより硬化層を形成することが望ましく、また第 1ェ程は、レーザ光を照射することにより切込みを入れることが好適であり、このとき切込み形成方向に対する垂直面内において所定の傾斜角をもって切込みを入れることが望ましい。また第 1工程は、所望の領域に所望の色を発色することができるように複数色の離型剤を用いて行われてもよい。

そしてもし前述の離型剤としてスラリー状のセラミックを、凝固剤として金属溶射装置から溶射される金属を用いるとすれば、第 4工程として、調温板の平面成形を行なわなくても、送風ファンによって冷却するだけで、次の第 3工程の塗布時に凝固剤は凝固する。

またもし前述の、離型剤が印刷された凝固層上に凝固剤層を形成する第 3工程において、紙に凝固剤を塗布したものを用いるとすれば、コート紙そのものに保温性があるので、第 1工程、第 2工程、第 3ェ程の作業を順に何回か繰り返し、しかる後第 4工程として自然空冷によって作業終了後にヒー夕を切って送風ファンのみによって冷やすような作業を行なうことも可能である。そしてまた、その場合に積層体中に介在されるコート紙の保温性を考慮すれば、上述の調温板を用いて冷却時の平面成形を行なわなくても積層による反りが軽減、又は回避される。

また、本発明に係る積層造形装置は、凝固剤と離型剤とから構成される硬化層を積層することにより所望形状の積層体を造形する積層造形装置であって、前記硬化層表面を構成する凝固層に切込み溝を形成し、凝固層を所望形状の積層体を構成する必要領域と、所望形状の積層体を構成しない不要領域に分ける切込みを入れ、凝固層を複数領域に分ける切込み形成手段と、前記硬化層表面を構成する凝固層の所定領域、または新たな凝固層を構成する凝固剤シートの所定領域に離型剤を印刷する離型剤印刷手段と、離型剤が印刷された前記凝固層の上、または前記硬化層の上に新たな未凝固状態の凝固剤層を形成する凝固剤層形成手段と、前記凝固剤層を凝固させて前記離型剤を含む新たな硬化層を形成する凝固剤層凝固手段とを構成として備える。

このとき凝固剤層形成手段は、複数の硬化層が積層され形成された積層体の表面に未凝固の凝固剤を所定厚さに塗布することにより未凝固状態の凝固剤層を形成するものであり、更に、複数の硬化層が積層され形成された積層体の表面に未凝固の凝固剤を所定厚さに噴霧するスプレーアブリケ一夕や精度の高い薄膜の塗布を可能にするグラビアコ一夕であることが望ましく、また、前記凝固剤層形成手段は、離型剤が印刷された前記凝固層の上に凝固剤シートを載置する凝固剤シート載置手段と、その凝固剤シートを溶融することにより未凝固状態の凝固剤層を形成する凝固剤層溶融手段とから構成されていてもよく、更に、離型剤が印刷された前記凝固剤シートを前記硬化層の上に載置する凝固剤シート載置手段と、その凝固剤シートを所定サイズに切り抜く凝固剤シート切り抜き手段と、その凝固剤シートを溶融することにより未凝固状態の凝固剤層を形成する凝固剤層溶融手段とから構成されていてもよい。

上述の積層造形装置において、切込み形成手段は、レーザ光照射機、機械式カツ夕が好適であり、離型剤印刷手段は、インクジェット式プリン夕、または、静電転写式プリン夕が好適である。そして前述の離型剤印刷手段としては、ペンプロッタを用いることが切込み形成手段としてカッタープロタを用いた場合との関係で、ペンとカヅ夕一間のヅ一ルチェンジが容易にできることとなって X Y 方向の位置決め装置を共用できる便利さが生じる。また切込み形成手段としてレーザ照射装置を用いるとすれば、そのレーザ照射ヘッドとペンとの間でヅールチェンジできるようにするとよい。こうすることにより、やはり X Y方向の位置決め装置の制御装置をペンとレーザ間で共用できる便利さが生じる。

上記の構成を有する本発明に係る積層造形方法は、凝固剤と離型剤とから構成される硬化層を積層することにより所望形状の積層体を得る方法であり、第 1工程では、積層された硬化層表面を構成する凝固層に切込み溝を形成し、この切込み溝により凝固層を所望形状の積層体を構成する必要領域と、所望形状の積層体を構成しない不要領域に分け、後の工程において形成される次層の必要領域と既形成層の不要領域、切込み溝との離型性を確保するために行われるもので、このように必要領域と、不要領域及び切込み溝との離型性を確保することにより所望形状を有する積層体を容易に得ることができるものである。このとき切込み溝は、レーザ光を用いて形成すると容易に形成することができ、また、切込み形成方向に対する垂直面内において所定の傾斜角をもって切込み溝を形成するようにすれば、更に、最終的に得られる積層体の所望形状部分と余剰部分とを容易に分離することができる

続いて、第 2工程では、硬化層表面を構成する凝固層の所定領域、あるいは、新たな凝固層を構成する凝固剤シートの所定領域に離型剤を印刷することが行われる。この離型剤は、今回形成された硬化層に形成された必要領域、不要領域、切込み溝と、次回形成される硬化層に形成される必要領域、不要領域、切込み溝との排他理論和領域に該当する凝固層に印刷される。すなわち、先に形成された切込み溝から、次回形成される切込み溝に亘り印刷され、切込み溝が凝固剤によって閉塞されることを防止すると共に、最終的に得られる積層体の所望形状部分と余剰部分とを容易に分離するために行われるものである。このとき複数色の離型剤を用いれば、所望の領域に所望の色を発色させることができ、識別性を向上させることができる。

そして、第 3工程では、離型剤が印刷された凝固層の上、または硬化層の上に新たな未凝固状態の凝固剤層が形成される。この第 3工程は、離型剤が印刷された凝固層の表面に未凝固の凝固剤を所定厚さに塗布するように行われ、このとき用いられる凝固剤は、尿素にポリビニルアルコールと共有化合物とを添加したものであれば、先に印刷された光硬化性樹脂材料からなる離型剤との剥離性に優れる。

また、第 3工程は、離型剤が印刷された凝固層の上に凝固剤シートを載置して、凝固剤シートを溶融して未凝固状態の凝固剤層を形成することも可能であり、更に、離型剤が印刷された凝固剤シートを所定サイズに切り抜いて、切り抜かれた凝固剤シートを溶融して未凝固状態の凝固剤層を形成することもできる。このようにすれば、凝固剤の取扱が容易になるものである。

未凝固状態の凝固剤層が形成されると、これを凝固させて離型剤を含む新たな硬化層を形成する第 4工程が行われる。第 4工程は、未凝固状態の凝固層を離型性の高い膜を介して調温板に押し当てることにより行われるものであり、離型性の高い膜を凝固剤層と平板の間に介在させ、凝固剤層を平板に押し当てるので、均一な厚さを有する凝固層を容易に形成することができると共に、剥離性に優れるものである < そして、第 1工程から第 4工程を繰り返すことにより、硬化層をいくつも重ね合わせて積層し所望形状の積層体を得ることができるものでのる。

また、上記構成を備える本発明に係る積層造形装置は、凝固剤と離型剤とから構成される複数の硬化層を積層させることにより所望形状の積層体を造形する装置であり、切込み形成手段により、硬化層表面を構成する凝固層に切込み溝が形成され、この切込み溝により凝固層を所望形状の積層体を構成する必要領域と、所望形状の積層体を構成しない不要領域に分けられる。

この切込み形成手段は、所望の形状を有する積層体の積層断面デー夕に基づいて制御されるものであり、切込み溝により積層断面の輪郭を形成していくものである。この切込み形成手段としてレーザ光照射機を用いれば、容易に切込み溝を形成することができ、また、機械式カツ夕を用いれば、精度の高い切込み深さを形成することができ、切込み幅を狭くすることができる。

離型剤印刷手段は、硬化層表面を構成する凝固層の所定領域、または、新たな凝固層を形成する凝固剤シートの所定領域に離型剤を印刷するものであり、ごの離型剤印刷手段により印刷される離型剤は、今回形成された硬化層に形成された必要領域、不要領域、切込み溝と、次回形成される硬化層に形成される必要領域、不要領域、切込み溝との排他理論和領域に該当する凝固層に印刷される。

すなわち、積層断面が重ね合わされる際に切込み溝が埋まり積層体の所望形状部分と余剰部分とに分離できない事態を回避して、容易に分離を行うためのものである。ここで、用いられる離型剤印刷手段としては、インクジェット式プリン夕、あるいは、静電転写式プリン夕が好適であり、これらを用いることにより正確に所定領域のみに離型剤を印刷することができるものである。凝固剤層形成手段は、離型剤が印刷された凝固層の上、または、硬化層の上に新たな未凝固状態の凝固剤層を形成するものであり、積層体表面に未凝固の凝固剤を所定厚さに塗布することにより、あるいは、スプレーアプリケ一夕を用いて未凝固の凝固剤を所定厚さに噴霧することにより凝固剤層を形成する。また、この他にも、離型剤が印刷された凝固層の上に、凝固剤載置手段により凝固剤シートを載置し、凝固剤層溶融手段により凝固剤シートを溶融して未凝固状態の凝固剤層を形成することも可能であり、更に、離型剤が印刷された凝固剤シートを硬化層の上に、凝固剤載置手段により凝固剤シートを載置し、凝固剤シート切り抜き手段により凝固剤シートを所定サイズに切り抜き、凝固剤層溶融手段により切り抜かれた凝固剤シートを溶融して未凝固状態の凝固剤層を形成することも可能である。

そして既述のように、離型剤としてスラリー状のセラミヅクを、凝固剤として金属溶射装置から溶射される金属を用いるとすれば、離型剤の印刷された凝固層の上にまたは凝固層の上に金属溶射装置により未凝固状態の金属を溶射し、新たな凝固状態の凝固剤層を形成する。

また既述のように凝固シートとして、繊維質のシートである紙に凝固剤を塗布したものを用いるとすれば、これを予めヒートローラ等にパスさせることによりコート紙上の凝固剤を溶融させたものを、その離型剤が印刷された凝固層上に載置し、これを凝固させて新たな硬化層を形成するようにすればよい。

凝固剤層凝固手段は、未凝固状態の凝固剤層を凝固させて離型剤を含む新たな硬化層を形成するものであり、これにより、 1つの硬化層が形成され、このような硬化層が重ね上げられることにより所望形状の積層体が得られるものである。図面の簡単な説明

図 1は第 1実施例に係る 3次元モデル造形システムの全体構成を示す説明図、図 2は切込み形成機の構成を模式的に示す説明図、図 3は第 1実施例に係る積層造形方法の各工程における進行程を模式的に示す工程断面図、図 4は第 2実施例に係る積層造形方法の各工程における進行過程を模式的に示す工程断面図、図 5は第 3実施例に係る積層造形方法の各工程における進行過程を模式的に示す工程断面図、図 6は第 4実施例に係る積層造形方法の各工程における進行過程を模式的に示す工程断面図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明を具体化した実施例について図面を参照して説明する _c 先ず、図 1を参照して本実施例に係る 3次元モデル造形システムの全体構成を説明する。ここに、図 1は 3次元モデル造形システム M S の全体構成を示す説明図である。

この 3次元モデル造形システム M Sは、グラフィヅクワークステーシヨン 2 0 0と造形装置 3 0 0とから構成されており、グラフィックワークステーション 2 0 0は、 3次元モデルの形状データに基づいて 3次元モデルの断面形状を表す断面べクトルデータを作成し、作成した断面べクトルデータを造形装置 3 0 0に供給するものである。ここで、 C A Dデータから 3次元モデルの断面形状を表す断面べクトルデ一夕を作成する方法は、 C A D (計算機援用設計）の分野において周知な方法であり、特開昭 6 3— 7 2 5 2 6号公報、及び、特開平 2— 7 8 5 3 1号公報に詳述されているので、ここではその説明を省略する 0

造形装置 3 0 0は、積層体 L Sを載置して所定位置に配置する積層体載置器 10、凝固層 SLに切込み溝 SGを形成し、凝固層 SLを 3 次元モデルを構成する必要領域 SL 1と、 3次元モデルを構成しない不要領域 SL2とに分ける切込み形成機 60、凝固層 SLの所定領域 SL3 (今回形成された硬化層に形成された必要領域 SL 1、不要領域 SL2、切込み溝 SGと、次回形成される硬化層に形成される必要領域 SL 1、不要領域 SL2、切込み溝 SGとの排他理論和領域）に離型剤 Rを印刷する離型剤印刷装置 20、印刷された離型剤 Rを硬化させる離型剤硬化装置 30、凝固剤 Sを積層体 L S表面に塗布する凝固剤塗布装置 40、塗布された凝固剤 Sを凝固させる凝固剤層凝固装置 50、前記各構成装置を制御する制御装置 70とから構成されている ο

そして、稹層体載置器 10は、造形中の積層体 L Sを載置するためのテーブル 1 1、積層体 LSを後述する凝固剤層凝固装置 50に押し当てるため、あるいは積層体 L Sに新たな硬化層が積層される度に積層された高さだけ積層体 LS表面の位置を下げるためにテーブル 1 1 を垂直方向に移動させるモー夕 12、及び、テーブル 1 1の垂直方向の絶対位置を検出するためのテーブル位置検出器（図示しない）を備えている。

凝固剤塗布装置 40は、積層体 L Sに稹層された新たな硬化層 HL の表面（最上表面）に凝固剤 Sを塗布する装置であり、固形の凝固剤 Sをヒー夕 46によって溶融し、液状となった凝固剤 Sを貯蔵する溶融タンク 42、積層体 L Sの最上表面に凝固剤 Sを塗布するために積層体 LSの X方向（紙面に垂直な方向）の幅に亙って伸びる細長の塗布口を有すると共に、 Y方向に伸びた Yレール 16に係合され、図示しないモー夕によって駆動されることにより Y方向に移動する塗布へッド 44から構成されている。凝固剤層凝固装置 5 0は、積層体 L S最上表面に塗布された凝固剤 Sを冷却して完全に硬化させると共に、凝固層 S Lを一定温度に保持するための装置であり、図示しない温度検出器と温度制御部により温度制御される調温板 5 2と、中央部分が垂れ下がるように調温板 5 2 の 2側辺に固着される離型膜 5 4とから構成される。

次に、切込み形成機 6 0について、図 2を参照して説明する。ここに、図 2は切込み形成機 6 0の構成を模式的に示す説明図である。切込み形成機 6 0は、図示しないパルス幅制御部によって制御され、凝固層 S L表面における光点の単位工程当りのエネルギが等しくなるようにパルス幅が調整される炭酸ガスレーザ 6 1、レーザ光のビーム径を拡大するためのビームェクスパンダ 6 2、レーザ光の進行進路を変えるための一対の反射ミラー 6 3、 6 4及び 6 5、 6 6、レーザ光の焦点を定めるフォーカシング部 6 7、レーザ光の照射角度を可変するための回転首振り部 6 8、及び、移動台 6 9から構成されている。また、 Yレール 1 6に系合され、図示しない第 1のモー夕により駆動され Y方向に移動する移動台 6 9には、前記した一対の反射ミラー 6 3、 6 4及び 6 5、 6 6、フォーカシング部 6 7、及び、回転首振り部 6 8が設置されている。更に、一対の反射ミラー 6 3、 6 4及び 6 5、 6 6、フォーカシング部 6 7、回転首振り部 6 8は、図示しない第 2のモー夕によって X方向に移動されるものである。

離型剤印刷装置 2 0は、離型剤 Rを貯蔵するタンク 2 2と、 X方向に伸びる Xレール 1 8に系合され図示しない第 1モータにより駆動され X方向に移動し離型剤 Rを凝固層 S Lの所定の領域及び、切込み溝 S Gに印刷する印刷ヘッド 2 4から構成されている。ここで、用いられる印刷ヘッド 2 4は、バブルジェット式の印刷へヅドであり、その構造、作用については公知であるからここでの説明は省略する。また、 Xレール 1 8は、 Y方向に伸びる Yレール 1 6に系合されており、図示しない第 2モー夕によって駆動され、 Y方向に移動するものである。離型剤硬化装置 3 0は、凝固層 S Lの所定領域 S L 3、及び、切込み溝 S Gに印刷された離型剤 Rを乾燥させて硬化させる装置であり、 Y方向に伸びる Yレール 1 6に系合され、図示しないモー夕に駆動され Y方向に移動する温風吹出口 3 2から構成されている。温風吹出口 3 2からは、乾燥温風が離型剤 Rに向けて吹き出され、これにより離型剤 Rは乾燥、硬化されるものである。

制御装置 7 0は、グラフィヅクワークステーション 2 0 0から供給された 3次元モデルの断面べクトルデータに基づいて造形装置 3 0 0 を構成する切込み形成機 6 0、離型剤印刷装置 2 0等の各装置を制御して、所望形状の 3次元モデルを得る装置である。なお、制御装置 7 0には、積層体 L Sの現在積層位置に応じた所望の 3次元モデルの断面を表す断面べクトルデータが逐次供給される。

続いて、上記各装置を用いて積層体 L Sを造形する積層造形方法について各装置の作用を説明しつつ図 3を参照して説明する。ここに、図 3は積層造形方法の各工程における進行過程を模式的に示す工程断面図であり、以下の説明は、既に複数の硬化層 H Lが積層されていることを前提とするものである。

積層造形方法は、凝固層 S Lに切込み溝 S Gを形成し、凝固層 S L を 3次元モデルを構成する必要領域 S L 1 と、 3次元モデルを構成しない不要領域 S L 2とに分ける切込み形成工程、凝固層 S Lの所定領域 S L 3に離型剤 Rを塗布する離型剤塗布工程、凝固剤 Sを積層体 L Sの最上表面に塗布する凝固剤塗布工程、塗布された凝固剤 Sを凝固、硬化させて凝固層 S Lを形成する凝固剤凝固工程から構成されている < 先ず、所望形状の 3次元モデルの形状データをグラフィックワークステーション 200に入力し、断面ベクトルデータを作成する。作成された断面ベクトルデータは、造形装置 300に送信され、送信された断面べクトルデータに基づいて先ず、切込み形成工程が実行される < この切込み形成工程は、図 3 (a) に示すように行われ、炭酸ガスレ一ザを備えた切込み形成機 60が用いられる。

炭酸ガスレーザ式切込み形成機は、グラフィックワークステーション 200から送信される断面べクトルデータに基づいて、 Yレール 1 6に系合され、一対の反射ミラー 63、 64及び 65、 66、フォーカシング部 67、回転首振り部 68を備えている移動台 69が図示しない第 1モー夕によって駆動され Y方向に移動し、一対の反射ミラ一 63、 64及び 65、 66、フォーカシング部 67、回転首振り部 6 8の各部位が図示しない第 2モー夕によって Z方向に移動することにより、 3次元モデルの断面輪郭を凝固層 SL表面上に切込み溝 SGによって形成していく。

この切込み溝 S.Gは、炭酸ガスレーザ 6 1から出力されたレーザ光が照射された箇所にある凝固剤 Sを気化（昇華）させて、消失させることにより形成されるものであり、炭酸ガスレーザ 6 1から出力されたレーザ光は、ビームェクスパンダ 62によってビーム径が拡大され、 —対の反射ミラー 63、 64及び 65、 66によってその進路が変更され、フォーカシング部 67によって焦点が定められる。更に、ここで用いられる切込み形成機 60は、回転首振り部 68を備えており、 X— Z面内においてレーザ光の照射角を可変することができるので、抜き角を有する切込み溝 SGを形成することができる。

炭酸ガスレーザ 6 1は、形成される切込み溝 SGの深さが少なくとも凝固層 L Sの厚み以上となるように、その出力調整が行われる。このとき、従来であれば、凝固層 SLを大きく削り取り大きな凹部を形成するため、あるいは、凝固剤 Sの粉末を融解結合させるために精密なレーザ出力制御を行う必用があつたが、本実施例においては、凝固層 L Sに単に切込み溝 S Gを形成すれば良いことから、精密な出力制御を行う必用はなく、炭酸ガスレーザ 6 1の取扱が容易になる。

このとき、凝固層 L Sの所定領域 S L 3に印刷されている離型剤 R に、凝固剤 Sの有する気化（昇華）温度よりも高いものを用いていることが、離型剤 Rの消失を防止するために望ましく、そのような、凝固剤 Sの気化温度より高い気化温度を有する離型剤 Rを用いれば、炭酸ガスレーザ 6 1の出力制御が更に容易なものとなる。

このようにして、凝固層 S Lに切込み溝 S Gが形成されると、凝固層 S Lは、所望形状の 3次元モデルを構成する必要領域 S L 1 と、 3 次元モデルを構成しない不要領域 S L 2に分けられ、複数領域に分けられた凝固層 S L表面の所定領域 S L 3には、次回行われるの凝固剤塗布工程により、切込み溝 S Gが塞がれることを防止すると共に、積層体 L Sの分離特性を高めるため離型剤 Rを印刷する離型剤印刷工程が施される。この離型剤印刷工程は、離型剤印刷装置 2 0によって、図 3 ( b ) に示すように行われる。

本実施例では、離型剤印刷装置 2 0としてインクジヱット式プリン夕が用いられる。離型剤タンク 2 2に貯蔵されている離型剤 Rは、供給パイプ 2 1を介してインクジェット式印刷ヘッドに供給される。そして、印刷へヅド 2 4は、図示しない第 1モー夕により駆動され Xレール 1 8に案内され、 X方向に移動して今回形成された切込み溝 S G 1から、次回形成される切込み溝 S G 2に亘る範囲に印刷される。こうして、印刷ヘッド 2 4が X方向に移動すると、次に図示しない第 2モー夕によって駆動され、 Yレール 1 6に案内されて所定量だけ Y方向に移動し、再び X方向に移動することが繰り返され、凝固層 S Lの必用箇所への離型剤 Rの印刷が終了する。なお、切込み溝 S Gに次回の凝固剤 Sが入らないように塗布（印刷）すれば、凝固剤 Sは切込み溝 S Gに必ずしも充填される必用はない。

このように、離型剤 Rを印刷装置によって印刷することにより、所望の位置にのみ離型剤 Rを塗布（印刷）することができ、離型剤 Rを塗布する時間の短縮、乾燥させる時間の短縮を図ることができる。特に、インクジェット式プリン夕を用いているので、印刷時間を大幅に短縮することができる。また、離型剤 Rは印刷装置を用いて極めて薄く塗布（印刷）されることから積層を重ねても厚さ効果を生じることがない。

ここで用いられる離型剤 Rとしては、上述した溶融状態の尿素系混合物の粘度よりも粘度が高いものを用いることが望ましい。これは、離型剤 Rを印刷した上に、次の凝固剤 Sを塗布する際に離型剤 Rが除去されることを回避するためである。このような離型剤 Rとして、例えば、シリコーンオイルである信越化学工業株式会社製の K F 9 6が好適である。この離型剤 Rの粘度は、最大 1 0 0， O O O c sである c この他に離型剤 Rとしては、ワックス系の離型剤を用いても良く、また、鉱物微粉末と溶剤の混合物である各種インクを用いることもできる。各種インクを離型剤として用いれば、凝固層 S Lへの粘着力が高くなるので、高粘度の凝固剤 Sを用いることができる。更に、光硬化性樹脂を利用することも可能であり、例えば、光硬化性接着剤であるァーデル製のベネフィックス P Cを用いてもよい。光硬化製樹脂を用いれば、硬化時間が短く、溶剤の蒸発がないという利点がある。後述する第 2の実施例において離型剤 Rとして光硬化製樹脂を用いた場合を説明する。

こうして所定領域 S L 3に印刷された離型剤 Rは、図 3 ( c ) に示すように離型剤硬化装置 3 0により乾燥、硬化される。離型剤硬化装置 3 0は、図示されないモー夕によって駆動され Y方向に移動しながら温風吹出口 3 2から乾燥温風を吹き出して、凝固層 S Lの所定領域 S L 3に印刷された離型剤 Rを乾燥させて硬化させるものである。離型剤 Rが印刷され、乾燥されると凝固剤塗布工程が、図 3 ( d ) に示すように凝固剤塗布装置 4 0を用いて行われる。溶融タンク 4 2 に凝固剤 Sが投入されると、溶融タンク 4 2を囲むヒー夕 4 6によつて、凝固剤 Sは溶融状態となる。溶融状態となった凝固剤 Sは、供給パイブ 4 3を介して塗布へッド 4 4に供給され、積層体 L Sの X方向幅に亘り細長に伸びる塗布口を介して、積層体 L Sに積層された新たな硬化層 H Lの表面（最上表面）に塗布される。

この塗布へッド 4 4を備える凝固剤塗布装置 4 0は、図示しないモ一夕により駆動されることにより Yレール 1 6に沿って Y方向に移動されるので、凝固剤 Sが連続して供給されることにより、積層体 L S の Y方向に亘り一様に凝固剤 Sが塗布され、凝固剤層 S L Lが形成されるものである。また、このとき塗布形成される凝固剤層 S L Lの厚みは、約 2 5 m〜約 2 5 0 であることが望ましい。

ここで用いられる凝固剤 Sには、特開平 2— 5 5 6 3 8号公報に記載されている尿素系混合物が用いられ、この尿素系混合物は、尿素にポリビニルアルコールと共有化合物とを添加してなるものである。共有化合物は、尿素と低温で共有結合して共有物の融点ないし凝固点を大きく下げる化合物であり、安息香酸、ベンゼンスルフィン酸、ベンゼンスルフォン酸、塩化べンゾィル、グリシン、ナフタリン、グル夕ル酸等が用いられる。また、この尿素系混合物は、融点が約 1 2 0 ^eC であり、室温より高いことから溶融タンク 4 2の周囲に設けられたヒ一夕 4 6で加熱することにより溶融状態に保持されるものである。なお、この尿素系混合物の製造方法、物性等については特開平 2— 5 5 6 3 8号公報に詳述されているので、ここではその説明を省略する。この他に凝固剤 Sとしては、加熱溶融した熱可塑性エンジニアリングブラスチヅク（ポリ力一ボネイト、 A B S樹脂、ポリエチレン等）や、加熱溶融したワックス（パラフィンやポリエチレングリコール等）を用いてもよい。エンジニアリングプラスチックを用いれば、離型剤 Rを取り除くことによって、エンジニアリングプラスチヅクで形成された 3次元モデルを得ることができそのまま、利用に供することができると共に、最終的なモデルの用途に応じたプラスチックを選んで造形することができる。更に、尿素にポリビニルアルコールと共有化合物とを添加した混合物や、ヮックスを用いれば精密铸造用の模型とすることができる。

このようにして、新たな凝固剤層 S L Lが形成されると、先に述べた凝固剤層凝固装置 5 0を用いて凝固剤層 S L Lを凝固する凝固剤凝固工程が、図 3 ( e ) に示すように行われる。

この凝固剤層凝固装置 5 0は固定されているので、積層体載置器 1 0のテーブル 1 1に載置される積層体 L S表面に塗布された凝固剤層 S L Lを凝固剤層凝固装置 5 0の調温板 5 2に押し当てるために、積層体載置器 1 0のテーブル 1 1がモー夕 1 2によって駆動され、上方に移動する。このとき、凝固剤層 S L Lが所定厚さを有する凝固層 S ： Lとなるように、テーブル 1 1の移動量は、図示しないテーブル 1 1 の垂直方向の絶対位置を検出するためのテーブル位置検出器によって検出されると共に、その検出データは、次回送信すべき断面ベクトルデータの選択に用いられる。

凝固剤層 S L Lは、調温板 5 2の 2側辺に固着される離型膜 5 4を介して調温板 5 2に押し当てられる。調温板 5 2は、図示しない温度検出器と調温部により一定温度に調温されていると共に、平滑平板であるから、押し当てられた凝固剤層 S L Lは、速やかに凝固され、平滑な表面を備える所定厚さの凝固層 S Lが形成される。なお、凝固剤層 S L Lは、この調温板 5 2に押し当てる前に自然に冷却され、ある程度は凝固、硬化された状態にあるが、調温板 5 2に押し当てられることにより冷却が促進されると共に、表面が平滑化され、次の工程を円滑に進行することができるものである。

そして、温度検出器により調温板 5 2の温度上昇が検出されなくなつたところで、積層体載置器 1 0のテーブル 1 1がモー夕 1 2によつて駆動され下方に移動することにより、凝固層 S Lは調温板 5 2から離隔される。このとき離型膜 5 4は、中央部分が若干垂れ下がるように固着されているので、凝固層 S Lの側端部から徐々に剥離されることにより凝固層 S Lを痛めることなく容易に分離することができる。以上により 1の硬化層 H Lが形成され、凝固層 S Lを離型膜 5 4から離隔した後、積層体載置器 1 0のテーブル 1 1は、形成された凝固層 S Lの厚さ分だけ下方に下がった位置で停止して、次に行われる切込み形成工程を待機する。

以上の各装置は、制御装置 7 0によって各々制御され所望の 3次元モデルが得られるものである。この制御装置 7 0には、グラフィヅクワークステーション 2 0 0から逐次断面べクトルデータが送信され、そのデータに基づいて造形装置 3 0 0を構成する各装置に対して制御指令を発信するものである。

以上、図 3 ( a ) 〜図 3 ( e ) に示した切込み工程、離型剤塗布ェ程、凝固剤塗布工程、凝固剤凝固工程を繰り返すことにより硬化層 H Lが順次積層され、所望形状を内包する積層体 L Sが完成される。完成された積層体 L Sは、適所に印刷された離型剤 Rに沿って物理的に分割していくことにより、離型剤 Rで覆われた所望形状の凝固剤 Sが得られる。そして、凝固剤 Sを覆う離型剤 Rは結合力が弱く、容易に凝固剤 Sから取り除くことができ、また、離型剤 Rを希釈剤で洗浄すれぱ、更に離型剤 Rの結合力を弱くすることができ、更に容易に所望形状の積層体 L Sを得ることができる。

続いて、第 2の実施例に係る 3次元モデル造形システム MSを用いた積層造形方法について図 4を参照して説明する。ここに、図 4は第 2の実施例に係る 3次元モデル造形システム MSを用いた積層造形方法の各工程を示す断面図である。先ず、送信された断面ベクトルデ一夕に基づいて、図 4 (a) に示す切込み形成工程が実行される。本実施例では、切込み形成機 60' として回転切削機を用いており、モ一夕 61' によって回転駆動される切削歯 62' と切削歯 62' により削り取られた切削粉塵を吸引する粉塵クリーナ 63' を備えている < この回転切削機は、制御装置 70からの指令に基づいて、図示しないモー夕により駆動され X方向、 Y方向に移動して、 3次元モデルの断面輪郭を切込み溝 SGにより形成するものである。

先ず、今回形成する切込み溝 SG 1の形成位置まで Xレール 18に案内され移動し、切削歯 62' によって垂直方向に切込み溝 SGを切削形成し、その後、次回形成する切込み溝 SG2の形成位置まで切削歯 62' を回転させて切削しつつ、上方に移動しながら X方向に移動する。このようにすることにより、抜け角が形成され積層体分離時の分離特性を向上させることができる。このとき発生する切削粉塵は、粉塵クリーナ 63' によって吸引除去される。また、機械的カッターであることから、凝固剤 Sや離型剤 Rに可燃性の材料を用いる場合であっても、発火防止装置が不用であり、材料選択の幅が広くなるという利点がある。続いて、形成された切込み溝 S Gに離型剤 Rを印刷する離型剤印刷工程が図 4 ( b ) に示すように行われる。この工程は、第 1実施例において用いられインクジヱット式プリン夕を用いて行われ、離型剤 R には、光硬化性樹脂を用いており、光硬化製樹脂を用いれば、硬化時間が短く、溶剤の蒸発がないという利点がある。但し、離型剤 Rである光硬化性樹脂が抜け角に沿って印刷される他は、第 1実施例と同様であるのでその説明を省略する。

こうして、離型剤 Rが所定領域 S L 3すべてに印刷されると、図 4 ( c ) に示すように離型剤硬化装置 3 0によりを離型剤 Rが硬化される。ここで、用いられる離型剤 Rは、光硬化性樹脂であることから離型剤硬化装置 3 0には、特定波長の光を照射するランプ 3 1が用いられる。光硬化性樹脂として紫外線硬化性樹脂を用いる場合には、いわゆる石英製低圧水銀ランプ、重水素ランプ、殺菌ランプ、光重合用ランプ、ブラックライトランプ等種々の紫外線発生用光源を用いることができる。これらの光源は、紫外線レーザよりも安価であり、また、光硬化性樹脂を硬化させるための所望の波長光を発生する光源を選択することができる。また、可視光硬化性樹脂を用いる場合には、可視光線を数十秒照射することによって硬化するので、光源として青色蛍光ランプやメタルハラィト'ランプ等を用いることができる。これらの光源は、レーザと比較してより大きなエネルギーを得ることができるので、より短時間で光硬化性樹脂を完全に硬化させることができ離型剤 Rが硬化すると、図 4 ( d ) に示す凝固剤塗布工程が行われ、本実施例では、凝固剤塗布装置 4 0にスプレーアプリケ一夕を用いている。凝固剤塗布装置 4 0としての動作は、第 1実施例において用いた塗布装置と同様であるからその説明は省略する。第 1実施例において用いられた塗布装置では、塗布へッド 4 4が凝固剤 Sを介して、先に形成された積層体 L Sの硬化層 H Lと接触しているので、塗布へッド 4 4が移動する際に硬化層 H Lが引きずられる場合があった。しかし、このスプレーアプリケ一夕は、凝固剤 Sを噴霧ノズル 4 5から霧状にして、最上表面に散布するものであるから、先に形成された積層体の硬化層 H Lを引きずることなく凝固剤 Sを塗布（散布）できるという利点がある。また、最上表面の全域に亘つて均一な凝固剤層 S L Lを形成することができる。

従って、図 4 ( e ) に示すように凝固剤凝固工程において凝固剤層凝固装置 5 0として、単に凝固剤 Sを冷却する冷却ファン 5 5を用いることができる。この冷却ファン 5 5は、凝固剤層 S L Lの温度に応じて回転数が制御されるファン 5 7を回転させつつ、図示しないモー夕によって Yレール 1 6に案内され、凝固剤層 S L Lを冷却して凝固させるものであり、きわめて簡単な構造であることから設置コストを抑えることができる。

尚、この実施例の場合に、離型剤としてスラリー状のセラミックを用い、凝固剤として金属溶射装置から溶射される金属を用いてもよい金属層の厚さとしては 3 ！〜 0 . 2 mmのものでよい。スラリー状のセラミヅクの離型剤層の厚さとしては 2 0 / m〜0 . 1 mm程度でよい。そうすれば、スプレー時に金属を低温で機械的に凝固させることができ、凝固時の収縮による内部応力の発生が少なく、歪の発生を軽減できる。そして金属溶射装置により金属粒をスプレーし、凝固層を形成した後に、図示しない 3次元測定器によって表面の立体形状を測定し、グラフィックワークステーション 2 0 0に送られ、次回以降に送信すべき断面べクトルデータを生成する断面を決定するための適応制御に用いられるようにしてもよい。そうすれば、スプレーで生成される凝固層の厚みの精度が悪くても、所望のモデル形状の精度はよいという利益が生じる。

続いて、第 3の実施例に係る 3次元モデル造形システム M Sを用いた積層造形方法について図 5を参照して説明する。ここに、図 5は第 3の実施例に係る 3次元モデル造形システム M Sを用いた積層造形方法の各工程を示す断面図である。本実施例に係る 3次元モデル造形システム M Sは、予め所定サイズにカツトされたシート状の固形凝固剤 Sを用いているので、上述した実施例に係る 3次元造形システム M Sが備える凝固剤塗布装置 4 0、凝固剤層凝固装置 5 0、離型剤硬化装置 3 0を備えない代わりに、シート搬送装置 8 0、離型シート保持装置 9 0、シート圧縮溶融装置 1 0 0、凝固剤層冷却装置 1 1 0を備えており、また、離型剤印刷装置 2 0には静電転写式プリン夕が用いられている。

離型剤印刷装置 2 0は、 3次元モデル造形システム M Sの入口に設置されており、静電転写式プリン夕が用いられている。静電転写式ブリン夕は、静電ドラム 2 3と転写シート 2 5を備え、静電ドラム 2 3 を出力データパターンに合わせて帯電させ、これにトナーを付着させた後、転写シート 2 5に転写して、印刷対象物に印刷するものである c 本実施例では、トナーに代えて離型剤 Rを静電ドラム 2 3に付着させる構造を備えている。なお、静電転写式プリン夕の詳細な構造、作用については公知であるから、ここではその説明を省略する。

シート搬送装置 8 0は、積層されている凝固剤シート S Sの最上層に位置する凝固剤シート S Sを離型剤 Rが印刷された硬化層 H Lの最上表面に搬送する装置であり、凝固剤シート S Sを把持して所定位置に搬送する搬送機構 8 1を備えている。

シート圧縮溶融装置 1 0 0は、シート搬送装置 8 0により硬化層 H Lの最上表面に載置された凝固剤シート S Sを溶融して、離型剤 Rを覆い込んだ凝固剤層 S L Lを形成し、最上表面と一体化する装置であり、ヒータを内蔵した加熱板 1 0 1から構成され、固定設置されている

離型シート保持装置 9 0は、後述するシート圧縮溶融装置 1 0 0と凝固剤層冷却装置 1 1 0が設置されている間を離型シート 9 1を保持して移動する装置であり、凝固剤シート S Sの上面に、位置させることにより凝固剤シート S Sが溶融した場合であってもシート圧縮溶融装置 1 0 0の加熱板 1 0 1に付着することを防止する離型シート 9 1 を保持して備えている。

凝固剤層冷却装置 1 1 0は、凝固剤層 S L Lを冷却して硬化層 H L を形成する装置であり、図示しない温度センサと、温度制御部と、冷媒管を内蔵した冷却板 1 1 1から構成され、固定設置されている。

これらの各装置の作用の説明をしつつ積層造形方法の各工程を説明する。

先ず、前回形成された硬化層 H Lに対し、断面ベクトルデータに基づいて、切込み溝 S Gを形成する切込み形成工程が図 5 ( a ) に示すように開始される。なお、この工程は、第 1実施例における切込み形成工程と同じであるので説明を省略する。

続いて、切込み形成工程において形成された凝固層の所定領域 S L 3に離型剤 Rを印刷する離型剤印刷工程が図 5 ( b ) に示すように行われる。制御装置 7 0からの指令に基づき、先に形成された切込み溝 S G 1から、次回形成される切込み溝 S G 2に亘り印刷パターンを形成するように静電ドラム 2 3が帯電され、離型剤 Rが付着される。印刷パターンに形成された離型剤 Rは、転写シート 2 5に転写され、転写シート 2 5が移動することにより印刷面に離型剤 Rが表れる。ここで、積層体載置器のテーブル 1 1が、この転写シート 2 5と連動して Y方向に移動することにより、最上表面に離型剤 Rが印刷される。

ここで用いられる離型剤としては、融点が約 1 4 0 °Cで、ポリエステルを主成分とする樹脂粉体からなる静電転写式プリン夕用のトナーを用いることができ、このトナーに様々な色彩のものを用いれば容易に色付の離型剤印刷を行うことができる。この他にも、フッ化グラフアイト、セラミック、シリコーン等耐熱性の高い粒子表面に、ポリエステル等の帯電性を調整するためのコーティングを施した粉体を用いることができる。

離型剤 Rが印刷された後も積層体載置器のテーブル 1 1は、そのまま移動し、シート圧縮溶融装置 1 0 0が固設されている位置で停止し、図 5 ( c ) に示すように、凝固剤層形成工程が実行される。積層体載置器のテーブル 1 1が停止すると、シート搬送装置 8 0によって凝固剤シート S Sが離型剤 Rが印刷された硬化層 H Lに搬送されると共に、離型シート保持装置 9 0によって、離型シート 9 1が凝固剤シート S S上に位置される。シート搬送装置 8 0によって凝固剤シート S Sが搬送され、離型シート保持装置 9 0によって離型シート 9 1が所定位置に位置されると、積層体載置器のテーブル 1 1が上方に移動して、内蔵ヒータにより加熱状態にある加熱板 1 0 1に凝固剤シート S Sを押し当てる。すると、凝固剤シート S Sが溶融し始め、印刷された離型剤 Rを包み込むようにして溶融状態の凝固剤層 S L Lが形成される _£ ここで用いられる凝固剤シート S Sとしては、融点が約 1 1 O ^eCのポリエチレンシート等、離型剤 Rの融点より低い融点を有し、離型剤 Rに対してぬれ角度が大きい材質からなる凝固剤シ一ト S Sを用いることが望ましい。

所定時間経過後、積層体載置器のテーブル 1 1は下方に移動し、 Y 方向に移動して、凝固剤層冷却装置 1 10が固設されている位置で停止し、図 5 (d) に示すように、硬化層形成工程が実行される。このとき、離型シート保持装置 90も積層体載置器のテーブル 1 1に連動して Y方向に移動する。積層体載置器のテーブル 1 1は、 Y方向への移動を停止すると、上方への移動を開始し、凝固剤層 SLLを冷却板 1 1 1に押し当てる。冷却板 1 1 1は、温度センサと温度制御部と内蔵する冷媒管によって温度制御されており、凝固剤層 SLLの温度が高い間は、冷却板 1 1 1の温度を低く制御し、凝固剤層 SLLが冷却されるにつれ冷却板 1 1 1の温度を所定温度に制御することにより、所定温度の硬化層 HLを形成する。

こうして、硬化層 HLが形成されると、積層体載置器のテーブル 1 1は再び下方に移動を開始するが、このとき凝固剤層 SLL上には離型シート 91が載置保持されているため、硬化層 HLを痛めることなく平滑な硬化層 HLを得ることができる。

尚、この実施例の場合に、凝固剤シート SSとして、繊維質のシートである紙に凝固剤を塗布したものを用いてもよい。紙の厚さとしては 50 ζπ！〜 0. 2mm厚のものであって、凝固剤の塗布厚さとしては 20〜50 >um程度のものでよい。そしてこの紙に凝固剤を塗布したものを図示しないが、予めヒートローラ等にパスさせることによりコート紙上の凝固剤を溶融させ、その状態で離型剤 Rが印刷された硬化層 HL上に搬送載置し、しかる後冷却板 1 1 1を押し当て凝固剤を凝固させて新たな硬化層 HLを形成するようにしてもよい。そうすれば、凝固剤シート S Sを離型剤 Rが印刷された硬化層 HL上に載置してから、加熱板 101を用いて加熱溶融するという面倒が省ける。したがってそれだけ三次元モデルの生産効率が向上し、生産性が良くなる利益が生じる。また硬化層 H L上に印刷された離型剤 Rが固まっていないと凝固剤シート S Sをその上に載置したときに離型剤 Rがその凝固剤シート S Sと硬化層 H Lとの間を横方向に広がることがあるが、この紙に凝固剤を塗布したものを用いた場合には、この紙そのものが繊維質のものであるから離型剤 Rがこのコート紙にしみ込むことはあっても横方向に広がることはない。したがってその後に三次元モデルの送られてくる断面べクトルデータに基づいて硬化層 H Lに切込み溝 S Gを入れて輪郭を形成していく工程においてその輪郭形成の最小寸法のよいものが仕上げられる。しかもその場合に硬化層 H L上に印刷される離型剤 Rが固まっていなくともコート紙に凝固剤を塗布したものを予め加熱溶融して重ね合わせる（載置する）ことができるものであるから三次元モデルの成形（造形）スピードを速めることができ、生産性の一層の向上が図れるものである。

さらにまた 1 0 0 %凝固剤シ一ト S Sを用いるよりも安価なコート紙が積層造形物の構成要素ちして介在されることにより造形物を安価に市場に提供できる経済的な利益も大きいものである。

続いて、第 4の実施例に係る 3次元モデル造形システム M Sを用いた積層造形方法について図 6を参照して説明する。ここに、図 6は第 4の実施例に係る 3次元モデル造形システム M Sを用いた積層造形方法の各工程を示す断面図である。本実施例に係る 3次元モデル造形システム M Sを用いた積層造形方法は、第 3実施例に係る 3次元モデル造形システム M Sを用いた積層造形方法がカツトされた凝固剤シート S Sを用いたのに対し、ロールシート状の凝固剤シート S Sを用いて、工程の連続性を高めているので、シート搬送装置 8 0に代えてシート供給装置 8 0 ' 、ロールシート状の凝固剤シート S Sの必用部分を切り抜くシート切り抜き装置 1 2 0を備えている。また、ロールシ一ト状の凝固剤シート S Sに離型剤 Rを直接印刷するため静電転写式ブリン夕には、転写シートを備えないものを用いている。

シート供給装置 80' は、ロールシート状の凝固剤シート S Sを供給する供給ロール 81 ' と、必用部分が切り抜かれたロールシート状の凝固剤シート SSを巻取る卷取りロール 82' から構成され、静電転写式プリン夕の静電ドラム 23の回転に合わせてロールシート状の凝固剤シート S Sが移動するように制御されている。

シート切り抜き装置 120は、積層体 L S上に載置されたロールシ一ト状の凝固剤シート S Sを所定サイズに切り抜くカツ夕 121と、そのカツ夕 121を上下方向に移動させるモ一夕（図示せず）及びガィドレール 122から構成されている。

先ず、先に形成された硬化層 HLに対し、断面ベクトルデータに基づいて、切込み溝 SGを形成する切込み形成工程が図 6 (a) に示すように開始される。なお、この工程は、第 1実施例における切込み形成工程と同じであるので説明を省略する。

続いて、形成された所定領域 SL 3に離型剤 Rを印刷する離型剤印刷工程が図 6 (b) に示すように行われる。制御装置 70からの指令に基づき、先に形成された切込み溝 SG 1から、次回形成される切込み溝 SG 2に亘り印刷パターンを形成するように静電ドラム 23が帯電され、離型剤 Rが付着される。印刷パターンに形成された離型剤 R は、直接ロールシート状の凝固剤シート S Sに転写印刷され、印刷されたロールシート状の凝固剤シート S Sが移動することにより次の被印刷面が表れる。

離型剤 Rが印刷されたロールシート状の凝固剤シート S Sは、所定位置に到達すると移動が停止し、積層体載置器のテーブル 1 1が上方に移動して積層体 L S上に載置されたところで、シート切り抜き装置 1 2 0のカツ夕 1 2 1が図示しないモー夕によって駆動され、ガイド 1 2 2に案内されつつ下方に移動して所定サイズに凝固剤シート S S を切り抜き、その後、カヅ夕 1 2 1は上方に移動する。このようにして所定サイズに凝固剤シート S Sが切り抜かれると積層体載置器のテ一ブル 1 1が Y方向に移動を始め、シート圧縮溶融装置 1 0 0が固設されている位置で停止し、図 6 ( c ) に示すように、凝固剤層形成ェ程が実行される。

積層体載置器のテーブル 1 1が停止すると、離型シート保持装置 9 0によって、離型シート 9 1が所定形状に切り抜かれた凝固剤シート S S上に位置され、離型シート 9 1が所定位置に位置されると、積層体載置器のテーブル 1 1が上方に移動して、内蔵ヒータにより加熱状態にある加熱板 1 0 1に凝固剤シート S Sを押し当てる。すると、凝固剤シート S Sが溶融し始め、印刷された離型剤 Rを包み込むようにして凝固剤層 S L Lが形成される。

所定時間経過後、積層体載置器のテーブル 1 1は下方に移動し、 Y 方向に移動して、凝固剤層冷却装置が固設されている位置で停止し、図 6 ( d ) に示すように、硬化層形成工程が実行される。このとき、離型シート保持装置 9 0も積層体載置器のテーブル 1 1に連動して Y 方向に移動する。積層体載置器のテーブル 1 1は、 Y方向への移動を停止すると、上方への移動を開始し、凝固剤層 S L Lを冷却板 1 1 1 に押し当てる。この冷却板 1 1 1は、温度センサと温度制御部と内蔵する冷媒管によって温度制御されており、凝固剤層 S L Lの温度が高い間は、冷却板 1 1 1の温度を低く制御し、凝固剤層 S L Lが冷却されるにつれ冷却板 1 1 1の温度を所定温度に制御することにより、所定温度の硬化層 H Lを形成する。

こうして、硬化層 H Lが形成されると、積層体載置器のテーブル 1 1は再び下方に移動を開始するが、このとき凝固剤層 S L L上には離型シート 9 1が載置保持されているため、硬化層 H Lを痛めることなく平滑な硬化層 H Lを得ることができる。

そして、離型剤としてスラリー状のセラミヅクを用い、凝固剤として金属溶射装置から溶射される金属を用いる場合には、所望の形状が得られた後に、図示しないホットブレスにより 1 0 0 0 °C程度で 1 0 0 トン程度の圧力を 4 0時間程度加えることにより拡散接合を行い、徐冷後に、セラミックを割ることにより分割面で分割して所望形状を取り出してもよい。そうすれば剪断応力が大きく、寸法精度が高い金属製のモデルを製作できる。このモデルは金型として使用できるという利益が生じる。

そしてこの場合にも凝固剤シート S Sとして、前述のような繊維質のシートである紙に凝固剤を塗布したものを用いてもよい。そしてこの紙に凝固剤を塗布したものを供給ロール 8 1，から繰り出すときに図面中明かではないが、予めヒートローラ等にパスさせることによりコート紙上の凝固剤を溶融させ、その状態で離型剤 Rが印刷された硬化層 H L上に搬送する。そしてシート切り抜き装置 1 2 0により三次元モデルの断面ベクトルデータに基づく所定形状に切り抜き、この切り抜いたものを前述の積層体 L Sの硬化層 H L上に載置する。しかる後冷却板 1 1 1を押し当て凝固剤を凝固させて新たな硬化層 H Lを形成するようにしてもよい。

以上詳細に説明した通り、本実施例に係る 3次元モデル造形システム M S及び 3次元モデル造形システム M Sを用いた積層体造形方法は、離型剤 Rを印刷によって塗布（印刷）する離型剤印刷装置 2 0を備えるので、離型剤 Rを印刷（塗布）すべき領域にのみ印刷することがでさ

また、離型剤 Rを所望の領域にのみ印刷（塗布）することにより、従来のように硬化層 H Lに大きな凹部を形成する必用がなく、線状の切込み溝 S Gを形成すればよいので、炭酸ガスレーザの出力調整が容易になり、作業効率を向上することができる。

更に、第 3実施例及び第 4実施例においては、凝固剤 Sとして固形シート状のものを用いているので、凝固剤 Sを溶融状態に保持するための装置が不用であると共に、凝固剤 Sの取扱が容易であるという利点がある。

以上、いくつかの実施例に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施例になんら限定されるものでなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形改良が可能であることは容易に推察されるものであ

Ό o

例えば、本実施例においては、凝固剤層凝固装置として、調温板を用いているが、凝固剤層を凝固させると共に、所定厚さに成形できれば良く、例えば、調温ローラを用いれば、積層体載置器を上下方向に作動させる必用がなくなり、造形装置の構造を簡素にすることができ ο

また、本実施例においては、切込み形成機として、炭酸ガスレーザ式切込み形成機、回転切削機を用いているが、機械式カツ夕を用いても良く、機械式カツ夕を用いれば、形成される切込み溝の深さ精度を向上することができると共に、切込み溝の幅を狭くすることができる産業上の利用分野

以上説明したことから明かなように、本発明に係る積層造形方法及び装置は、離型剤を塗布する手段として印刷手段及び印刷装置を用いたので、離型剤を必要な部分にのみ塗布することができる。また、離型剤を必用な部分にのみ印刷できるので狭い切込み溝を形成すればよく、レーザ照射光の出力制御を容易にすることができると共に、作業効率を向上させることができる。更に、離型剤の塗布面積が小さいので、離型剤の残存等がなく成型精度の高い積層モデルを得ることがでる。

Claims

請求の範囲

1 . 凝固剤と離型剤とから構成される硬化層を積層することにより所望形状の積層体を得る積層造形方法であって、

積層された前記硬化層表面を構成する凝固層に切込み溝を形成し、凝固層を所望形状の積層体を構成する必要領域と、所望形状の積層体を構成しない不要領域に分ける第 1工程と、

前記硬化層表面を構成する凝固層の所定領域、または新たな凝固層を構成する凝固剤シートの所定領域に離型剤を印刷する第 2工程と、離型剤が印刷された前記凝固層の上、または前記硬化層の上に新たな未凝固状態の凝固剤層を形成する第 3工程と、

前記凝固剤層を凝固させて前記離型剤を含む新たな硬化層を形成する第 4工程とからなることを特徴とする積層造形方法。

2 . 前記請求項 1記載の積層造形方法であって、

前記第 3工程は、離型剤が印刷された前記凝固層の表面に未凝固の凝固剤を所定の厚さに塗布して未凝固状態の凝固剤層を形成することを特徴とする積層造形方法。

3 . 前記請求項 1又は 2記載の積層造形方法であって、

前記第 3工程において用いられる凝固剤は、尿素にポリビニルアルコールと共有化合物とを添加した凝固剤であることを特徴とする積層造形方法。

4 . 前記請求項 1乃至 3記載の積層造形方法であって、

前記第 2工程において用いられる離型剤は、光硬化性樹脂材料であることを特徴とする積層造形方法。

5 . 前記請求項 1記載の積層造形方法であって、

前記第' 3工程は、離型剤が印刷された前記凝固層の上に凝固剤シートを載置して、その凝固剤シートを溶融することにより未凝固状態の凝固剤層を形成することを特徴とする積層造形方法。

6 . 前記請求項 1記載の積層造形方法であって、

前記第 3工程は、離型剤が印刷された凝固剤シートを所定サイズに切り抜いて、その切り抜かれた凝固剤シートを溶融することにより未凝固状態の凝固剤層を形成することを特徴とする積層造形方法。

7 . 前記請求項 1乃至 6記載の積層造形方法であって、

前記第 2工程は、上下の各硬化層に形成され、または形成される必要領域、不要領域、切込み溝の排他理論和領域に該当する凝固層に離型剤を印刷することを特徴とする積層造形方法。

8 . 前記請求項 1乃至 7記載の積層造形方法であって、

前記第 4工程は、未凝固状態の凝固層を離型性の高い膜を介して調温板に押し当てることにより硬化層を形成することを特徴とする積層造形方法。

9 . 前記請求項 1乃至 8記載の積層造形方法であって、

前記第 1工程は、レーザ光を照射することにより切込みを入れることを特徴とする積層造形方法。

1 0 . 前記請求項 1乃至 9記載の積層造形方法であって、

前記第 1工程は、切込み形成方向に対する垂直面内において所定の傾斜角をもって切込みを入れることを特徴とする積層造形方法。

1 1 . 前記請求項 1乃至 1 0記載の積層造形方法であって、

前記第 1工程は、所望の領域に所望の色を発色することができるように複数色の離型剤を用いて行われることを特徴とする積層造形方法 <

1 2 . 凝固剤と離型剤とから構成される硬化層を積層することにより所望形状の積層体を造形する積層造形装置であって、

前記硬化層表面を構成する凝固層に切込み溝を形成し、凝固層を所望形状の積層体を構成する必要領域と、所望形状の積層体を構成しない不要領域に分ける切込み形成手段と、

前記硬化層表面を構成する凝固層の所定領域、または新たな凝固層を構成する凝固剤シートの所定領域に離型剤を印刷する離型剤印刷手段と、

離型剤が印刷された前記凝固層の上、または前記硬化層の上に新たな未凝固状態の凝固剤層を形成する凝固剤層形成手段と、

前記凝固剤層を凝固させて前記離型剤を含む新たな硬化層を形成する凝固剤層凝固手段とを備えたことを特徴とする積層造形装置。

1 3 . 前記請求項 1 2記載の積層造形装置であって、

前記凝固剤層形成手段は、複数の硬化層が積層され形成された積層体の表面に未凝固の凝固剤を所定厚さに塗布することにより未凝固状態の凝固剤層を形成することを特徴とする積層造形装置。

1 4 . 前記請求項 1 2記載の積層造形装置であって、

前記凝固剤層形成手段は、複数の硬化層が積層され形成された積層体の表面に未凝固の凝固剤を所定厚さに噴霧するスプレーアプリケ一夕であることを特徴とする積層造形装置。

1 5 . 前記請求項 1 2記載の積層造形装置であって、

前記凝固剤層形成手段は、離型剤が印刷された前記凝固層の上に凝固剤シートを載置する凝固剤シート載置手段と、その凝固剤シートを溶融することにより未凝固状態の凝固剤層を形成する凝固剤層溶融手段とから構成されていることを特徴とする積層造形装置。

1 6 . 前記請求項 1 2記載の積層造形装置であって、

前記凝固剤層形成手段は、離型剤が印刷された前記凝固剤シートを前記硬化層の上に載置する凝固剤シート載置手段と、その凝固剤シートを所定サイズに切り抜く凝固剤シート切り抜き手段と、その凝固剤シートを溶融することにより未凝固状態の凝固剤層を形成する凝固剤層溶融手段とから構成されていることを特徴とする積層造形装置。

1 7 . 前記請求項 1 2乃至 1 6記載の積層造形装置であって、

前記切込み形成手段は、レーザ光照射機であることを特徴とする積層造形装置。

1 8 . 前記請求項 1 2乃至 1 6記載の積層造形装置であって、

前記切込み形成手段は、機械式カツ夕であることを特徴とする積層造形装置。

1 9 . 前記請求項 1 2乃至 1 8記載の積層造形装置であって、

前記離型剤印刷手段は、インクジェット式ブリン夕であることを特徴とする積層造形装置。

2 0 . 前記請求項 1 2乃至 1 8記載の積層造形装置であって、

前記離型剤印刷装置は、静電転写式プリンタであることを特徴とする積層造形装置。