造形複合装置
【課題】 立体物の複製は大きなスペースが必要で、手間や配線の煩雑さが問題であった。
【解決手段】 造形時に台座となる台部は移動可能となっており、蓄積部にて粉末状形成材料を蓄積しているので、ならし部は上記蓄積部から上記台部上に供給された上記粉末状形成材料を上記台部上でならす。
一方、スキャナー部は、上記台部上のスキャン対象を立体スキャン可能であり、このスキャナー部の立体スキャンによって生成したスキャンデータに基づいて制御部が造形データを生成し、同造形データに基づき、上記噴出部によって上記ならされた粉末状形成材料に結合材を噴出させることで造形を行わせる。
【解決手段】 造形時に台座となる台部は移動可能となっており、蓄積部にて粉末状形成材料を蓄積しているので、ならし部は上記蓄積部から上記台部上に供給された上記粉末状形成材料を上記台部上でならす。
一方、スキャナー部は、上記台部上のスキャン対象を立体スキャン可能であり、このスキャナー部の立体スキャンによって生成したスキャンデータに基づいて制御部が造形データを生成し、同造形データに基づき、上記噴出部によって上記ならされた粉末状形成材料に結合材を噴出させることで造形を行わせる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元の造形複合装置に関し、特に、３次元の立体スキャナーと３次元の造形装置を兼ね備えた造形複合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
立体物の造形技術として幾つかの手法が知られている。具体的には、いわゆる光造形法（特許文献１参照）、選択的レーザー焼結法（特許文献２参照）、溶融堆積法（特許文献３参照）、粉末結合法（特許文献４参照）、シート積層法（特許文献５参照）、インクジェットによる材料の直接吐出による造形法（特許文献６参照）等の積層型の造形法が知られている。
【０００３】
また、測定対象となる立体物を３次元測定して３次元モデルデータを出力可能な３次元測定器（３次元デジタイザ）が知られている。
また、測定対象物を測定する装置や、コンピューターや、立体物の造形のための装置といった複数の装置からなるシステムによって、立体物のコピーを実現する技術が知られている（特許文献７，８参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８‐１９５０６９号公報
【特許文献２】特表２０１０‐５１０１０４号公報
【特許文献３】特表２００９‐５２５２０７号公報
【特許文献４】特表２００２‐５０７９４０号公報
【特許文献５】特開２００１‐３０１０６０号公報
【特許文献６】特表２００３‐５３５７１２号公報
【特許文献７】特開２００４‐６９４０３号公報
【特許文献８】特開２００６‐２５０９０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のように、測定対象物を測定する装置や立体物の造形のための装置が分離した構成においては、各装置が占有スペースを必要としたり、装置間におけるコンピューターを介したデータ転送などの手間や配線の煩雑さがあった。このような各装置による多くのスペースの占有や手間などは、立体物の複製（コピー）を家庭やオフィス等で手軽に実現したいユーザに対する障害となっていた。
【０００６】
また、粉末結合法の場合は粉末状形成材料を造形する各層ごとに吐出し、表面をなだらかにしなければならない。従来は、この過程をコンパクトな構成で実現することができなかった。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、立体物の複製を従来よりも小さなスペースで且つ容易に実行することが可能な３次元の造形複合装置を提供する。また、粉末結合法を採用するにあたり構成が簡易な造形複合装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、造形時に台座となる台部は移動可能となっており、蓄積部にて粉末状形成材料を蓄積しているので、ならし部は上記蓄積部から上記台部上に供給された上記粉末状形成材料を上記台部上でならす。
一方、スキャナー部は、上記台部上のスキャン対象を立体スキャン可能であり、このスキャナー部の立体スキャンによって生成したスキャンデータに基づいて制御部が造形データを生成し、同造形データに基づき、上記噴出部によって上記ならされた粉末状形成材料に結合材を噴出させることで造形を行わせる。
【０００８】
一例として、上記台部は略鉛直方向に配向された筒体の中と外で当該筒体の配向方向に沿って移動可能とし、上記台部が上記筒体の外で上方に位置する状態で、上記スキャナー部は上記台部上に載置されたスキャン対象を立体スキャンする。また、上記台部が上記筒体の中に入ると、上記筒体の開口面と当該筒体の内部に位置する上記台座と当該筒体の内周面とで囲まれた空間が形成される。この空間に上記粉末状形成材料を収容した上で、上記ならし部は当該筒体の開口面で粉末状形成材料をならす。この状態で、上記噴出部は、上記筒体の開口面に位置する粉末状形成材料に上記結合材を噴出することで造形を行える。
【０００９】
粉末状形成材料を台部に供給する手法として、上記蓄積部を、上面に開口を有するようにして上記筒体に隣接して設け、下方から上記粉末状形成材料を押し上げるようにして開口より上方に押し出せるようにする。そして、上記ならし部は、この蓄積部の開口で押し出される上記粉末状形成材料を、隣接する上記筒体の側に掻き出すように運ぶ。もともと台部の上の粉末状形成材料の表面をならすのであるから、隣接する蓄積部で下方から押し上げられる粉末状形成材料を隣の台部の側に掻き出す動作も行える。
【００１０】
粉末状形成材料を有効利用するべく、上記蓄積部は、上記筒体に隣接して同筒体の外でならした粉末状形成材料を回収する回収部を備えるようにしてもよい。このようにすれば、筒体の外に運ばれるならされた粉末状形成材料の余分は回収部にて回収され、回収した粉末状形成材料を再利用することができる。
なお、上記台部の縁部には、下方に向かって上記筒体の内面に略一致して摺動可能な内壁を形成してもよい。台部は筒体の外の上方に移動することがあり、このときに内壁があることで筒体内に粉末状形成材料が入り込むのを防止できる。
【００１１】
スキャナー部の設置位置として、上記台部が所定の高さから天井の側に向けて上下動可能であるときに、天井がある形態においては、上記スキャナー部は、台部の可動範囲における中央よりも低い位置に備えるとよい。
天井があるときは、台部にスキャン対象を載置したときに、上方へは少ししか移動できない。従って、高さ分だけは下方へ移動しながら立体スキャンすることになる。台部の上のスキャン空間における低い位置にスキャナー部があれば、台部が下がる移動に際し、低い位置のスキャナー部を越えるようにスキャン対象をおろしていく。そして、その可動範囲を最も有効に利用して同台部上のスキャン対象の高さ分をスキャンできるようになる。
【００１２】
逆に天井が開口している形態においては、上記台部が所定の高さから天井の側に向けて上下動可能であるときに、上記スキャナー部は、台部の上のスキャン空間における中央よりも高い位置に備える。
天井がないので、台部が上方へ移動して立体スキャンを行うことが可能であり、台部の上のスキャン空間における高い位置にスキャナー部があれば、その位置を越えるようにスキャン対象を上げていく際に立体スキャンを行える。
【００１３】
以上のスキャンと造形は台部を共用し、また、スキャン空間と造形空間を共用している。さらに、制御系も共通の動作を共通の機構でまかなうことができ、コンパクトな複合装置を提供できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、立体物の複製を従来よりも小さなスペースで且つ容易に実行することが可能な３次元の造形複合装置を提供できる。また、構成も簡易な造形複合装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】造形装置の外観例を示した斜視図である。
【図２】造形装置の構成を概略的に示した図である。
【図３】プラットフォームの構成例を示した図である。
【図４】天井がある場合のスキャナー部の設置位置を示す概略図である。
【図５】天井がない場合のスキャナー部の設置位置を示す概略図である。
【図６】支持部と移動部と造形ヘッドを概略的に示す斜視図である。
【図７】支持部と移動部と造形ヘッドを概略的に示す平面図である。
【図８】蓄積部とならし部による粉末状形成材料の掻き出しの過程を示す概略図である。
【図９】蓄積部とならし部による粉末状形成材料の掻き出しの過程を示す概略図である。
【図１０】蓄積部とならし部による粉末状形成材料の掻き出しの過程を示す概略図である。
【図１１】ならし部による余分な粉末状形成材料を回収部へ送る過程を示す概略図である。
【図１２】造形処理を模式的に示す概略図である。
【図１３】造形データをネットワークを介して取得する状況を示す概略図である。
【図１４】造形処理の手順を示すフローチャートである。
【図１５】造形処理の要部の手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
１．複合機の構成
図１は、本実施形態にかかる３次元の造形複合装置を適用した３次元複合機１０の外観例を斜視図により示している。３次元複合機１０は、装置全体を覆う筺体１１の前面上部側に扉１２を有している。また、筺体１１の内部には、処理用空間としてのチャンバー１３が形成されている。ユーザは、扉１２を開けることで、チャンバー１３内にアクセス可能であり、チャンバー１３内に測定対象物Ｍとしての立体物を載置したり、載置した測定対象物Ｍを取り出したり、チャンバー１３内で造形された立体物（造形物Ｒ）を取り出したりすることができる。３次元複合機１０は、筺体１１表面の所定位置に、ユーザに対する表示部としての表示装置１１ａ（液晶パネル等）や、ユーザからの操作を受け付ける操作受付部１１ｂとしてのスイッチやボタンやタッチパネル等を適宜備える。
【００１７】
図２は、３次元複合機１０の構成を概略的に示している。３次元複合機１０は、チャンバー１３内に載置された測定対象物Ｍを３次元測定（立体スキャン）して３次元モデルデータを取得可能な測定部（スキャナー部）２０と、与えられた３次元モデルデータに基づいてチャンバー１３内に造形物Ｒを造形可能な造形部３０と、測定部２０と造形部３０とを制御する制御部４０とを含む。ここで言う与えられた３次元モデルデータとは、外部から３次元複合機１０に接続されたコンピューターや記憶媒体（メモリーカード等）から３次元複合機１０が読み込む３次元モデルデータと、測定部２０によって取得される３次元モデルデータとの両方を含む意味である。つまり、一台の３次元複合機１０は、立体物の３次元測定機能と、立体物の造形機能と、これら機能を合わせた立体物の複製機能とを兼ね備えている。また、３次元複合機１０は、造形方法に応じた造形のための構造を備え、例えばチャンバー１３の底面側に配設された略水平な台（プラットフォーム１４）と、プラットフォーム１４をチャンバー１３内において３次元複合機１０の上下方向（縦方向）に移動させることが可能なモーター等からなるプラットフォーム移動機構１５を含む。
【００１８】
測定部２０は、測定対象物Ｍを３次元測定して３次元モデルデータを取得可能な機構であれば、公知の非接触型の３次元デジタイザを含めて種々の構成を採ることができる。測定部２０は、例えば、照射光を発する光源２１、光源２１から照射された照射光の測定対象物Ｍからの反射光を読み取るイメージセンサー２２、イメージセンサー２２による読み取り結果（点群データ）に基づいて所定のフォーマットの３次元モデルデータを生成するファイル生成部２３などを備える。ファイル生成部２３は、例えば、ＳＴＬやＯＢＪやＩＧＥＳ等のフォーマットで３次元モデルデータを生成可能である。
【００１９】
一例として、ファイル生成部２３がＳＴＬフォーマットの３次元モデルデータを生成する場合、３次元モデルデータは、３つの頂点（座標値）を有する三角形の集合により立体を表現する。ここでいう座標値とは、例えば、チャンバー１３内に定義された空間（互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚの３軸により定義された空間）における座標値（Ｘ成分値、Ｙ成分値、Ｚ成分値）である。また、各三角形は面法線ベクトルを有し、各面法線ベクトルが向く方向は立体物の表面が向く方向を示している。本実施形態では、Ｚ軸は上記上下方向（縦方向）を向き、これに垂直なＸＹ平面は、水平面を形成するものする。
【００２０】
造形部３０は、３次元モデルデータに基づいて立体物を造形可能な機構であり、本実施例では積層型の粉末造形法により造形を行なう。造形部３０は、例えば、３次元モデルデータを各層の造形のためのスライスデータに変換するデータ変換部３１、造形のための可動部（造形ヘッド３２）、造形ヘッド３２をチャンバー１３内においてＸ，Ｙ軸方向それぞれに移動させることが可能なモーター等からなるヘッド移動機構３３などを備える。データ変換部３１は、３次元モデルデータの断面形状であって、例えば、Ｚ軸方向に垂直な断面形状（ＸＹ平面における形状）を演算により取得する。データ変換部３１は、このような断面形状をＺ軸方向においてスライス幅（造形部３０が積層する層の厚さ。なお、スライス幅は一定とは限らない。）間隔で取得する。このようなスライス幅毎の断面形状を表したデータを、スライスデータと呼ぶ。
【００２１】
造形ヘッド３２は、チャンバー１３内にてプラットフォーム１４上をヘッド移動機構３３によってＸ，Ｙ軸方向に移動させられながら、一層のスライスデータが示す形状に応じて一層の造形を行なう。本実施例における粉末結合法では、造形ヘッド３２はプラットフォーム１４上に粉末状形成材料を吐出（噴出）して粉末層を形成し、結合材をこのプラットフォーム１４上の粉末層に吐出する。このようなスライスデータに応じた一層分の造形と、Ｚ軸方向に沿ったプラットフォーム１４の当該一層分の移動（下降）とを繰り返すことで、プラットフォーム１４上に層単位での造形結果が積層され、造形物Ｒが完成する。これらの構成については後に詳述する。なお、プラットフォーム１４は吐出された粉末状形成材料を支持する台部に相当する。
【００２２】
制御部４０は、ＣＰＵ４１やメモリー４２などを備え、ＣＰＵ４１がメモリー４２に記憶された所定のプログラムに従って測定部２０や造形部３０を制御する。また制御部４０は、造形部３０による造形時に、プラットフォーム移動機構１５のモーターを数値制御することでプラットフォーム１４のＺ軸方向の移動距離や移動速度を制御し、ヘッド移動機構３３のモーターを数値制御することで造形ヘッド３２のＸ，Ｙ軸方向の移動距離や移動速度を制御する。すなわち、ヘッド移動機構３３による造形ヘッド３２のＸ，Ｙ軸方向の移動とともに、プラットフォーム１４のＺ軸方向の移動を組み合わせることにより、造形ヘッド３２と支持部とが相対的に移動することになる。すなわち、造形ヘッド３２とヘッド移動機構３３とプラットフォーム（台部）１４とにより、台部と噴出部とは相対的に移動可能となり、かる、台部の上の粉末状形成材料の所定位置に結合材を噴出することが可能となっている。
【００２３】
図３は、チャンバー１３内におけるプラットフォーム１４（テーブル１４ａ：台部）の構成例を示している。図３に示すテーブル１４ａは円形状であり、且つ中心が軸１６により下方から支持されている。軸１６は、上記プラットフォーム移動機構１５によりＺ軸方向に沿って移動可能であり且つ回転可能である。この軸１６の回転についても制御部４０により数値制御される。つまり図３の例では、プラットフォームはターンテーブルとなっている。測定部２０による測定対象物Ｍの測定時には、このターンテーブルとしてのテーブル１４ａに測定対象物Ｍが載置され、テーブル１４ａが回転する状況で測定が行なわれる。回転するターンテーブルに測定対象物Ｍが載ることで、イメージセンサー２２は、それ自体が固定されていても測定対象物Ｍを３６０度満遍無く読み取ることができる。つまり、造形用の空間としても使用されるチャンバー１３内において効率よく測定対象物Ｍについての正確な３次元モデルデータを取得できる。一方、造形部３０による造形物Ｒの造形時には、テーブル１４ａは基本的には回転せず、Ｚ軸方向に沿った移動を行なう。
【００２４】
イメージセンサー２２の固定位置はチャンバー１３やプラットフォーム移動機構１５の構成によって最適位置が異なる。
図４はチャンバー１３に天井がある場合のイメージセンサー（スキャナー部）２２の最適な設置位置を示し、図５は天井がない場合の同イメージセンサー（スキャナー部）２２の最適な設置位置を示している。
チャンバー１３に天井がある場合は測定対象物Ｍをテーブル１４ａ上に載せて立体スキャンするにはテーブル１４ａが下がらなければならない。従って、測定対象物Ｍの高さ分だけテーブル１４ａは下がる。この移動の間に立体スキャンするためにはイメージセンサー２２はチャンバー１３（スキャン空間）における低い位置に設けることが好ましいといえる。
【００２５】
一方、チャンバー１３に天井がない場合は測定対象物Ｍをテーブル１４ａ上に載せて立体スキャンするためにテーブル１４ａを上昇させることができる。測定対象物Ｍの高さ分だけテーブル１４ａを上げる移動の間に立体スキャンするため、イメージセンサー２２はチャンバー１３（スキャン空間）における高い位置に設けることが好ましいといえる。
【００２６】
すなわち、これらは天井の有無に応じてできるだけスキャンできる高さを稼ぐための措置である。
図６はチャンバ１３内の支持部と移動部と造形ヘッドを斜視図により概略的に示しており、図７は平面図により示している。
ヘッド移動機構３３は、造形ヘッド３２を枠内でＸ，Ｙ方向に移動可能なように支持している。なお、造形ヘッド３２の下面には噴出部３２ａが備えられており、上方の結合材タンク３２ｂと、着色剤タンク３２ｃとにチューブで接続されており、噴出する着色剤と結合材が供給されるようになっている。この造形ヘッド３２はヘッド移動機構３３にて上部部分を支持され、噴出部３２ａが吊り下げられるように支持されている。
【００２７】
円形のテーブル１４ａは略鉛直方向に配向された筒体１４ｂの中と外へ移動可能である。図４と図５に示すようにテーブル１４ａ上に測定対象物Ｍを載置させた状態で、同テーブル１４ａが筒体１４ｂの配向方向に沿って中や外に移動することで、立体スキャンを行える。すなわち、図４に示す例であればテーブル１４ａが筒体１４ｂ内に入っていく際に、図５に示す例であればテーブル１４ａが筒体１４ｂから外に出て行く際に、立体スキャンが行われる。
【００２８】
図６と図７に示すように、筒体１４ｂの右方には回収部３６ａが配置され、左方には蓄積部３６ｂが配置されている。蓄積部３６ｂは、上面にてテーブル１４ａの直径とほぼ一致する長さの幅の開口を有しており、内部に粉末状形成材料を蓄積している。また、内部にはピストン３６ｂ１が備えられ、同ピストン３６ｂ１を上下動可能としている。従って、ピストン３６ｂ１を下げた状態で蓄積部３６ｂ内に粉末状形成材料を蓄積させた後、ピストン３６ｂ１を上昇させると、蓄積された内部の粉末状形成材料は徐々に上部の開口から押し出されることになる。
【００２９】
また、回収部３６ａは筒体１４ｂの直径よりも長い幅の開口を有しており、後述するようにしてあふれた余分の粉末状形成材料を同開口内に落とし込むと、搬送機構３６ａ１によって蓄積部３６ｂの上面に吐出する構造となっている。すなわち、後述するようにして蓄積部３６ｂからテーブル１４ａ上に掻き出され、さらに余分となった粉末状形成材料は回収部３６ａを介して蓄積部３６ｂに搬送され、再利用できるようになっている。
【００３０】
テーブル１４ａは筒体１４ｂの内側で上下方向に摺動しつつ移動可能である。テーブル１４ａの縁部が筒体１４ｂの内周面にほぼ摺接する大きさとしてあるので、テーブル１４ａ上で筒体１４ｂ内となる空間は、上方に開口した空間となり、筒体の開口面よりも下方の空間に粉末状形成材料を供給して結合材を噴出することで粉末造形法による造形が可能となる。なお、筒体１４ｂと回収部３６ａと蓄積部３６ｂはそれぞれ上面に開口を有しているが、チャンバー１３内では開口を除く部分は平坦な面の底面１３ａとしてある。
【００３１】
ヘッド移動機構３３の枠体と干渉しないように、その下方とチャンバー１３の底面１３ａとの間にならし部３５ａが配置されている。ならし部３５ａは、図７に示すように底面１３ａの奥行き方向の幅にほぼ一致するへら状の板材であり、両端を図示しない駆動機構にて支持されることにより、図７に示すように蓄積部３６ｂの側から回収部３６ａの側に向けて直線移動できるようになっている。また、ならし部３５ａは上端が厚く、下端が薄くなるように形成されてやや弾性を有している。下端は底面１３ａに当接する高さ位置に配置され、上端は下端よりも回収部３６ａの側に位置しているので、全体としては斜めに傾けて配置されている。このように傾いた状態で蓄積部３６ｂの側から回収部３６ａの側に移動する際に、粉末状形成材料を蓄積部３６ｂから掻き出し、テーブル１４ａ上に供給し、ならし、さらに余った粉末状形成材料を回収部３６ａに送る。
【００３２】
図８〜図１１はならし部３５ａの動作を概略的に示している。
図８はならし部３５ａの初期位置であり、下端は蓄積部３６ｂの上で最も左端に位置している。この状態で蓄積部３６ｂのピストン３６ｂ１を一定長さだけ押し上げると、蓄積部３６ｂの開口から所定量の粉末状形成材料があふれ出る。このとき、ならし部３５ａが斜めに配置されているので、図９に示すように、あふれ出た粉末状形成材料の一部はまっすぐ上に押し上げられつつならし部３５ａに当接する部分で右方に押し上げられる。そして、図１０に示すように、ならし部３５ａがテーブル１４ａの側に向かって移動し始めると、蓄積部３６ｂから押し上げられた粉末状形成材料はならし部３５ａによってテーブル１４ａの側に掻き出されることになる。後述するように、この動作の前にテーブル１４ａは一層分の高さだけ下げられているので、筒体１４ｂの開口部分にはこの一層分だけの空間ができており、掻き出された粉末状形成材料はこの空間に供給される。一回で掻き出された粉末状形成材料がこの空間全部を埋め尽くせなければ、数回、繰り返す。基本的には確実に余分な量を掻き出し、余ったものは図１１に示すように回収部３６ａに送り込むという設計とする。このようにして、ならし部３５ａが粉末状形成材料を掻き出しつつ、テーブル１４ａの上部では表面を平たくならすことになる。また、ならす動作では余った粉末状形成材料は徐々に幅方向に広がるので、回収部３６ａの幅は筒体１４ｂやテーブル１４ａの長さよりも広くなっている。
【００３３】
造形ヘッド３２は枠体から吊り下げられているので、その下方にならし部を配設できる。また、噴出部３２ａ自体は上のようにしてならされた粉末状形成材料に近い位置に支持され、粉末状形成材料に対して任意の位置で結合材を至近距離から噴出できる。なお、テーブル１４ａは筒体１４ｂよりも上方に移動できるので、筒体１４ｂの内側に粉末状形成材料が入り込まないように、テーブル１４ａの縁部には、下方に向かって上記筒体１４ｂの内面に略一致して摺動可能な内壁１４ａ１が形成されているが、内壁１４ａ１を形成せずに、筒体１４ｂの内側に入り込んだ粉末状形成材料を回収する機構を設けても良い。
【００３４】
図１２は、本実施例における造形処理を模式的に示している。
造形ヘッド３２は、結合材タンク３２ｂと、着色剤タンク３２ｃに対してチューブで接続されており、噴出及び吐出する着色剤と結合材と粉末状形成材料が供給されるようになっている。また、ならし部３５で上面をならし、余分な粉末状形成材料は筒体１４ｂの外に掻き出される。掻き出された粉末状形成材料は回収部３６ａにて回収されて蓄積部３６ｂの上方に供給されるので、回収した粉末状形成材料を再利用できる。なお、ならすときには造形ヘッド３２を回収部３６ａの側の待避位置に移動させ、ならし部３５ａと干渉しないのはむろんのこと、ならし部３５で粉末状形成材料の表面をならすときに撒き上がった粉末状形成材料が噴出部３２ａに付着しないようにしている。なお、待避位置では噴出部３２ａの表面をカバーするキャップを設けることで、粉末状形成材料が付着したり詰まらせてしまわないようにしてもよい。
【００３５】
図１３は、造形データをネットワークを介して取得する状況を示す概略図である。
上述したように本実施例では制御部４０が３次元モデルデータを生成したりスライスデータを生成している。しかし、かかる演算処理の負担は大きいのでネットワーク５０を介して外部の演算装置５１ａ〜５１ｃに接続し、これらを利用して３次元モデルデータやスライスデータを求めるようにしても良い。このように構成すれば、制御部４０のＣＰＵ４１やメモリー４２として処理能力の低いものでも利用できるようになる。
【００３６】
２．複製処理の説明
図１４は、３次元複合機１０によって実行される立体物の複製処理の概略をフローチャートにより示している。なお、フローチャート中の各ステップのうち、ユーザによる行為は鎖線で囲んで示している。
ステップＳ１００では、ユーザにより、チャンバー１３内のターンテーブル上に測定対象物Ｍが載置される。ステップＳ１１０では、制御部４０は複製処理の開始指示を受け付ける。この場合、ユーザが操作受付部１１ｂを操作して、例えば“コピー”ボタンを押下げ等することで、制御部４０は複製処理の開始指示を受け付ける。ステップＳ１２０では、制御部４０は、測定部２０に対して測定実行を指示し、当該指示に応じて測定部２０は測定対象物Ｍを３次元測定して３次元モデルデータを生成する。むろんこのとき、制御部４０は、ターンテーブルを回転させる制御も行なう。
【００３７】
測定部２０による測定の終了後、ステップ１３０では、制御部４０は、測定対象物Ｍの取り出し催促を外部に対して行なう。測定対象物Ｍの取り出し催促は、３次元複合機１０が備えるスピーカーから所定の音声を出力させたり、表示装置１１ａに所定のメッセージを表示させたりして行なう。ステップＳ１４０では、ターンテーブル上に載置された測定対象物Ｍがユーザにより３次元複合機１０外へ取り出される。ステップＳ１５０では、制御部４０は、測定対象物Ｍが取り出されたか否かを所定のセンサー等を介して判定し、取り出しを確認したらステップＳ１６０で造形準備を実行する。造形準備とは、造形部３０のデータ変換部３１に、上記ステップＳ１２０で取得された３次元モデルデータをスライスデータへ変換させたり、プラットフォーム１４の位置を造形開始のための所定位置に移動させたりする処理等である。
【００３８】
造形準備が整った後、ステップＳ１７０では、制御部４０は、造形部３０に対して上記ステップＳ１６０で変換させた各スライスデータに基づく造形実行を指示し、当該指示に応じて造形部３０は造形ヘッド３２を駆動させて造形を実行する。むろんこのとき、制御部４０は、造形ヘッド３２およびプラットフォーム１４を移動させる制御も行なう。ステップＳ１７０の結果、プラットフォーム１４上にはスライスデータに応じて粉末状形成材料が結合された各層が積み重なり、上記ステップＳ１００で載置された測定対象物Ｍの複製物である造形物Ｒが完成する。ステップＳ１８０では、制御部４０は、造形部３０による造形が終了したタイミングで造形物Ｒの取り出しの催促を外部に対して行なう。造形物Ｒの取り出し催促も音声やメッセージ表示等により行なう。ステップＳ１９０では、プラットフォーム１４上に造形された造形物Ｒがユーザにより３次元複合機１０外へ取り出され、ステップＳ１９５では、制御部４０は、造形物Ｒが取り出されたか否かをイメージセンサー２２を介して判定し、取り出しを確認したら処理を終了する。なお、造形物Ｒが取り出されたか否かの判定は、プラットフォームに設けた重量センサーや扉１２の開閉センサーやその他のセンサーを用いても良いし、ユーザの終了操作で判定しても良い。
【００３９】
図１５は、造形処理の要部（ステップＳ１７０）の手順を示すフローチャートである。
造形処理は、各層ごとに粉末層を形成した後、結合材を噴出して壁部を形成し、さらに着色することになる。この各層の処理の詳細を以下に説明する。
まず、ステップＳ２００では、テーブル（台部）１４ａを筒体１４ｂの上端から一層分だけ下がった位置に移動させる。これにより、筒体１４ｂの上面に一層分だけの凹んだ空間が形成される。なお、このときに造形ヘッド３２は回収部３６ａの側の待避位置にて待機している。次のステップＳ２１０では、ならし部３５ａを初期位置に移動させる。初期位置とは、図８に示すように、ならし部３５ａの下端が蓄積部３６ｂの上部の最も左方の端部に位置する状態である。この状態で、ステップＳ２２０では蓄積部３６ｂで粉末状形成材料を押し上げる。すなわち、ピストン３６ｂ１を一定長さだけ上げる。
【００４０】
すると、図９に示すように所定量の粉末状形成材料が押し上げられることになるから、ステップＳ２３０ではならし部３５ａをテーブル１４ａの側に移動させ始めることにより、あふれ出ている粉末状形成材料を同テーブル１４ａの側に掻き出す。ならし部３５ａは蓄積部３６ｂの側から回収部３６ａの側まで移動するので、ある段階では粉末状形成材料をテーブル１４ａ上の空間に供給し、ならす動作を行い、これとともに余った粉末状形成材料は回収部３６ａに送り込む。そして、回収部３６ａ自体は送り込まれた粉末状形成材料を回収して蓄積部３６ｂに供給する。このとき同粉末状形成材料は蓄積部３６ｂの上方から吐出されることになるが、ならし部３５ａは下からあふれ出る粉末状形成材料と上から供給される粉末状形成材料を共にテーブル１４ａの側に供給することになる。
【００４１】
この動作は数回で行うのが現実的である。一度に多量の粉末状形成材料をあふれ出させてならし部３５ａで掻き出したとしても、ならし部３５ａの下端がへらのように粉末状形成材料を移動させるときには必ずしも一回では平坦にならない。従って、少量を数回に分けて掻き出すことにより、掻き出しとならしとが数回繰り返されて平坦度合いが向上する。
【００４２】
ステップＳ２４０ではテーブル１４ａ上に粉末状形成材料がまんべんなく行き渡ったかを判断する。これはセンサーで平坦度合いを調べるようにしても良いし、実験結果から得られた回数だけの繰り返し動作を行ったか否かの判断でも良い。
まんべんなく行き渡ったらステップＳ２５０では造形ヘッド３２を走査開始位置へ移動させる。走査開始位置は、造形ヘッド３２をＸ，Ｙ平面で移動させる際の起点となる位置であり、この位置から主走査動作と副走査動作を繰り返してプラットフォーム１４のテーブル１４ａ上面を満遍なく移動できる。続いて、ステップＳ２６０では、結合材の噴出走査を開始する。これは上述したスライスデータに基づいて造形物Ｒの壁部を形成するように、結合させたい粉末状形成材料の部位に対して結合材を噴出させる。このようにして造形のための処理は完成する。
【００４３】
その後、ステップＳ２７０では、同様にして、着色剤の噴出走査を開始する。着色剤は壁部における表側にあたる部分に対して行う。最後に、ステップＳ２８０では、上述したように造形ヘッド３２を待避位置へ移動させる。このように一層分の造形と着色が終わった時点で造形ヘッド３２が待避位置へ移動しているので、ステップＳ２００では必ず待避位置にあることを保証できる。このようにして、次の粉末層の形成に備えて、一層の造形処理を終了する。
【００４４】
なお、本発明は上記実施例に限られるものでないことは言うまでもない。当業者であれば言うまでもないことであるが、
・上記実施例の中で開示した相互に置換可能な部材および構成等を適宜その組み合わせを変更して適用すること
・上記実施例の中で開示されていないが、公知技術であって上記実施例の中で開示した部材および構成等と相互に置換可能な部材および構成等を適宜置換し、またその組み合わせを変更して適用すること
【００４５】
・上記実施例の中で開示されていないが、公知技術等に基づいて当業者が上記実施例の中で開示した部材および構成等の代用として想定し得る部材および構成等と適宜置換し、またその組み合わせを変更して適用すること
は本発明の一実施例として開示されるものである。
例えば、ならし部３５ａの形状は、へら状に限られず、左官ごて状などの他の形状であっても良い。
【符号の説明】
【００４６】
１０…３次元複合機、１１…筺体、１１ａ…表示装置、１１ｂ…操作受付部、１２…扉、１３…チャンバー、１４…プラットフォーム、１４ａ…テーブル、１４ａ１…内壁、１４ｂ…筒体、１５…プラットフォーム移動機構、２０…測定部（スキャナー部）、２１…光源、２２…イメージセンサー、２３…ファイル生成部、３０…造形部、３１…データ変換部、３２…造形ヘッド、３２ａ…噴出部、３２ｂ…結合材タンク、３２ｃ…着色剤タンク、３３…ヘッド移動機構（移動部）、３５ａ…ならし部、３６ａ…回収部、３６ａ１…搬送機構、３６ｂ…蓄積部、３６ｂ１…ピストン、４０…制御部、４１…ＣＰＵ、４２…メモリー、５０…ネットワーク、５１ａ〜５１ｃ…外部の演算装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元の造形複合装置に関し、特に、３次元の立体スキャナーと３次元の造形装置を兼ね備えた造形複合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
立体物の造形技術として幾つかの手法が知られている。具体的には、いわゆる光造形法（特許文献１参照）、選択的レーザー焼結法（特許文献２参照）、溶融堆積法（特許文献３参照）、粉末結合法（特許文献４参照）、シート積層法（特許文献５参照）、インクジェットによる材料の直接吐出による造形法（特許文献６参照）等の積層型の造形法が知られている。
【０００３】
また、測定対象となる立体物を３次元測定して３次元モデルデータを出力可能な３次元測定器（３次元デジタイザ）が知られている。
また、測定対象物を測定する装置や、コンピューターや、立体物の造形のための装置といった複数の装置からなるシステムによって、立体物のコピーを実現する技術が知られている（特許文献７，８参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８‐１９５０６９号公報
【特許文献２】特表２０１０‐５１０１０４号公報
【特許文献３】特表２００９‐５２５２０７号公報
【特許文献４】特表２００２‐５０７９４０号公報
【特許文献５】特開２００１‐３０１０６０号公報
【特許文献６】特表２００３‐５３５７１２号公報
【特許文献７】特開２００４‐６９４０３号公報
【特許文献８】特開２００６‐２５０９０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のように、測定対象物を測定する装置や立体物の造形のための装置が分離した構成においては、各装置が占有スペースを必要としたり、装置間におけるコンピューターを介したデータ転送などの手間や配線の煩雑さがあった。このような各装置による多くのスペースの占有や手間などは、立体物の複製（コピー）を家庭やオフィス等で手軽に実現したいユーザに対する障害となっていた。
【０００６】
また、粉末結合法の場合は粉末状形成材料を造形する各層ごとに吐出し、表面をなだらかにしなければならない。従来は、この過程をコンパクトな構成で実現することができなかった。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、立体物の複製を従来よりも小さなスペースで且つ容易に実行することが可能な３次元の造形複合装置を提供する。また、粉末結合法を採用するにあたり構成が簡易な造形複合装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、造形時に台座となる台部は移動可能となっており、蓄積部にて粉末状形成材料を蓄積しているので、ならし部は上記蓄積部から上記台部上に供給された上記粉末状形成材料を上記台部上でならす。
一方、スキャナー部は、上記台部上のスキャン対象を立体スキャン可能であり、このスキャナー部の立体スキャンによって生成したスキャンデータに基づいて制御部が造形データを生成し、同造形データに基づき、上記噴出部によって上記ならされた粉末状形成材料に結合材を噴出させることで造形を行わせる。
【０００８】
一例として、上記台部は略鉛直方向に配向された筒体の中と外で当該筒体の配向方向に沿って移動可能とし、上記台部が上記筒体の外で上方に位置する状態で、上記スキャナー部は上記台部上に載置されたスキャン対象を立体スキャンする。また、上記台部が上記筒体の中に入ると、上記筒体の開口面と当該筒体の内部に位置する上記台座と当該筒体の内周面とで囲まれた空間が形成される。この空間に上記粉末状形成材料を収容した上で、上記ならし部は当該筒体の開口面で粉末状形成材料をならす。この状態で、上記噴出部は、上記筒体の開口面に位置する粉末状形成材料に上記結合材を噴出することで造形を行える。
【０００９】
粉末状形成材料を台部に供給する手法として、上記蓄積部を、上面に開口を有するようにして上記筒体に隣接して設け、下方から上記粉末状形成材料を押し上げるようにして開口より上方に押し出せるようにする。そして、上記ならし部は、この蓄積部の開口で押し出される上記粉末状形成材料を、隣接する上記筒体の側に掻き出すように運ぶ。もともと台部の上の粉末状形成材料の表面をならすのであるから、隣接する蓄積部で下方から押し上げられる粉末状形成材料を隣の台部の側に掻き出す動作も行える。
【００１０】
粉末状形成材料を有効利用するべく、上記蓄積部は、上記筒体に隣接して同筒体の外でならした粉末状形成材料を回収する回収部を備えるようにしてもよい。このようにすれば、筒体の外に運ばれるならされた粉末状形成材料の余分は回収部にて回収され、回収した粉末状形成材料を再利用することができる。
なお、上記台部の縁部には、下方に向かって上記筒体の内面に略一致して摺動可能な内壁を形成してもよい。台部は筒体の外の上方に移動することがあり、このときに内壁があることで筒体内に粉末状形成材料が入り込むのを防止できる。
【００１１】
スキャナー部の設置位置として、上記台部が所定の高さから天井の側に向けて上下動可能であるときに、天井がある形態においては、上記スキャナー部は、台部の可動範囲における中央よりも低い位置に備えるとよい。
天井があるときは、台部にスキャン対象を載置したときに、上方へは少ししか移動できない。従って、高さ分だけは下方へ移動しながら立体スキャンすることになる。台部の上のスキャン空間における低い位置にスキャナー部があれば、台部が下がる移動に際し、低い位置のスキャナー部を越えるようにスキャン対象をおろしていく。そして、その可動範囲を最も有効に利用して同台部上のスキャン対象の高さ分をスキャンできるようになる。
【００１２】
逆に天井が開口している形態においては、上記台部が所定の高さから天井の側に向けて上下動可能であるときに、上記スキャナー部は、台部の上のスキャン空間における中央よりも高い位置に備える。
天井がないので、台部が上方へ移動して立体スキャンを行うことが可能であり、台部の上のスキャン空間における高い位置にスキャナー部があれば、その位置を越えるようにスキャン対象を上げていく際に立体スキャンを行える。
【００１３】
以上のスキャンと造形は台部を共用し、また、スキャン空間と造形空間を共用している。さらに、制御系も共通の動作を共通の機構でまかなうことができ、コンパクトな複合装置を提供できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、立体物の複製を従来よりも小さなスペースで且つ容易に実行することが可能な３次元の造形複合装置を提供できる。また、構成も簡易な造形複合装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】造形装置の外観例を示した斜視図である。
【図２】造形装置の構成を概略的に示した図である。
【図３】プラットフォームの構成例を示した図である。
【図４】天井がある場合のスキャナー部の設置位置を示す概略図である。
【図５】天井がない場合のスキャナー部の設置位置を示す概略図である。
【図６】支持部と移動部と造形ヘッドを概略的に示す斜視図である。
【図７】支持部と移動部と造形ヘッドを概略的に示す平面図である。
【図８】蓄積部とならし部による粉末状形成材料の掻き出しの過程を示す概略図である。
【図９】蓄積部とならし部による粉末状形成材料の掻き出しの過程を示す概略図である。
【図１０】蓄積部とならし部による粉末状形成材料の掻き出しの過程を示す概略図である。
【図１１】ならし部による余分な粉末状形成材料を回収部へ送る過程を示す概略図である。
【図１２】造形処理を模式的に示す概略図である。
【図１３】造形データをネットワークを介して取得する状況を示す概略図である。
【図１４】造形処理の手順を示すフローチャートである。
【図１５】造形処理の要部の手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
１．複合機の構成
図１は、本実施形態にかかる３次元の造形複合装置を適用した３次元複合機１０の外観例を斜視図により示している。３次元複合機１０は、装置全体を覆う筺体１１の前面上部側に扉１２を有している。また、筺体１１の内部には、処理用空間としてのチャンバー１３が形成されている。ユーザは、扉１２を開けることで、チャンバー１３内にアクセス可能であり、チャンバー１３内に測定対象物Ｍとしての立体物を載置したり、載置した測定対象物Ｍを取り出したり、チャンバー１３内で造形された立体物（造形物Ｒ）を取り出したりすることができる。３次元複合機１０は、筺体１１表面の所定位置に、ユーザに対する表示部としての表示装置１１ａ（液晶パネル等）や、ユーザからの操作を受け付ける操作受付部１１ｂとしてのスイッチやボタンやタッチパネル等を適宜備える。
【００１７】
図２は、３次元複合機１０の構成を概略的に示している。３次元複合機１０は、チャンバー１３内に載置された測定対象物Ｍを３次元測定（立体スキャン）して３次元モデルデータを取得可能な測定部（スキャナー部）２０と、与えられた３次元モデルデータに基づいてチャンバー１３内に造形物Ｒを造形可能な造形部３０と、測定部２０と造形部３０とを制御する制御部４０とを含む。ここで言う与えられた３次元モデルデータとは、外部から３次元複合機１０に接続されたコンピューターや記憶媒体（メモリーカード等）から３次元複合機１０が読み込む３次元モデルデータと、測定部２０によって取得される３次元モデルデータとの両方を含む意味である。つまり、一台の３次元複合機１０は、立体物の３次元測定機能と、立体物の造形機能と、これら機能を合わせた立体物の複製機能とを兼ね備えている。また、３次元複合機１０は、造形方法に応じた造形のための構造を備え、例えばチャンバー１３の底面側に配設された略水平な台（プラットフォーム１４）と、プラットフォーム１４をチャンバー１３内において３次元複合機１０の上下方向（縦方向）に移動させることが可能なモーター等からなるプラットフォーム移動機構１５を含む。
【００１８】
測定部２０は、測定対象物Ｍを３次元測定して３次元モデルデータを取得可能な機構であれば、公知の非接触型の３次元デジタイザを含めて種々の構成を採ることができる。測定部２０は、例えば、照射光を発する光源２１、光源２１から照射された照射光の測定対象物Ｍからの反射光を読み取るイメージセンサー２２、イメージセンサー２２による読み取り結果（点群データ）に基づいて所定のフォーマットの３次元モデルデータを生成するファイル生成部２３などを備える。ファイル生成部２３は、例えば、ＳＴＬやＯＢＪやＩＧＥＳ等のフォーマットで３次元モデルデータを生成可能である。
【００１９】
一例として、ファイル生成部２３がＳＴＬフォーマットの３次元モデルデータを生成する場合、３次元モデルデータは、３つの頂点（座標値）を有する三角形の集合により立体を表現する。ここでいう座標値とは、例えば、チャンバー１３内に定義された空間（互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚの３軸により定義された空間）における座標値（Ｘ成分値、Ｙ成分値、Ｚ成分値）である。また、各三角形は面法線ベクトルを有し、各面法線ベクトルが向く方向は立体物の表面が向く方向を示している。本実施形態では、Ｚ軸は上記上下方向（縦方向）を向き、これに垂直なＸＹ平面は、水平面を形成するものする。
【００２０】
造形部３０は、３次元モデルデータに基づいて立体物を造形可能な機構であり、本実施例では積層型の粉末造形法により造形を行なう。造形部３０は、例えば、３次元モデルデータを各層の造形のためのスライスデータに変換するデータ変換部３１、造形のための可動部（造形ヘッド３２）、造形ヘッド３２をチャンバー１３内においてＸ，Ｙ軸方向それぞれに移動させることが可能なモーター等からなるヘッド移動機構３３などを備える。データ変換部３１は、３次元モデルデータの断面形状であって、例えば、Ｚ軸方向に垂直な断面形状（ＸＹ平面における形状）を演算により取得する。データ変換部３１は、このような断面形状をＺ軸方向においてスライス幅（造形部３０が積層する層の厚さ。なお、スライス幅は一定とは限らない。）間隔で取得する。このようなスライス幅毎の断面形状を表したデータを、スライスデータと呼ぶ。
【００２１】
造形ヘッド３２は、チャンバー１３内にてプラットフォーム１４上をヘッド移動機構３３によってＸ，Ｙ軸方向に移動させられながら、一層のスライスデータが示す形状に応じて一層の造形を行なう。本実施例における粉末結合法では、造形ヘッド３２はプラットフォーム１４上に粉末状形成材料を吐出（噴出）して粉末層を形成し、結合材をこのプラットフォーム１４上の粉末層に吐出する。このようなスライスデータに応じた一層分の造形と、Ｚ軸方向に沿ったプラットフォーム１４の当該一層分の移動（下降）とを繰り返すことで、プラットフォーム１４上に層単位での造形結果が積層され、造形物Ｒが完成する。これらの構成については後に詳述する。なお、プラットフォーム１４は吐出された粉末状形成材料を支持する台部に相当する。
【００２２】
制御部４０は、ＣＰＵ４１やメモリー４２などを備え、ＣＰＵ４１がメモリー４２に記憶された所定のプログラムに従って測定部２０や造形部３０を制御する。また制御部４０は、造形部３０による造形時に、プラットフォーム移動機構１５のモーターを数値制御することでプラットフォーム１４のＺ軸方向の移動距離や移動速度を制御し、ヘッド移動機構３３のモーターを数値制御することで造形ヘッド３２のＸ，Ｙ軸方向の移動距離や移動速度を制御する。すなわち、ヘッド移動機構３３による造形ヘッド３２のＸ，Ｙ軸方向の移動とともに、プラットフォーム１４のＺ軸方向の移動を組み合わせることにより、造形ヘッド３２と支持部とが相対的に移動することになる。すなわち、造形ヘッド３２とヘッド移動機構３３とプラットフォーム（台部）１４とにより、台部と噴出部とは相対的に移動可能となり、かる、台部の上の粉末状形成材料の所定位置に結合材を噴出することが可能となっている。
【００２３】
図３は、チャンバー１３内におけるプラットフォーム１４（テーブル１４ａ：台部）の構成例を示している。図３に示すテーブル１４ａは円形状であり、且つ中心が軸１６により下方から支持されている。軸１６は、上記プラットフォーム移動機構１５によりＺ軸方向に沿って移動可能であり且つ回転可能である。この軸１６の回転についても制御部４０により数値制御される。つまり図３の例では、プラットフォームはターンテーブルとなっている。測定部２０による測定対象物Ｍの測定時には、このターンテーブルとしてのテーブル１４ａに測定対象物Ｍが載置され、テーブル１４ａが回転する状況で測定が行なわれる。回転するターンテーブルに測定対象物Ｍが載ることで、イメージセンサー２２は、それ自体が固定されていても測定対象物Ｍを３６０度満遍無く読み取ることができる。つまり、造形用の空間としても使用されるチャンバー１３内において効率よく測定対象物Ｍについての正確な３次元モデルデータを取得できる。一方、造形部３０による造形物Ｒの造形時には、テーブル１４ａは基本的には回転せず、Ｚ軸方向に沿った移動を行なう。
【００２４】
イメージセンサー２２の固定位置はチャンバー１３やプラットフォーム移動機構１５の構成によって最適位置が異なる。
図４はチャンバー１３に天井がある場合のイメージセンサー（スキャナー部）２２の最適な設置位置を示し、図５は天井がない場合の同イメージセンサー（スキャナー部）２２の最適な設置位置を示している。
チャンバー１３に天井がある場合は測定対象物Ｍをテーブル１４ａ上に載せて立体スキャンするにはテーブル１４ａが下がらなければならない。従って、測定対象物Ｍの高さ分だけテーブル１４ａは下がる。この移動の間に立体スキャンするためにはイメージセンサー２２はチャンバー１３（スキャン空間）における低い位置に設けることが好ましいといえる。
【００２５】
一方、チャンバー１３に天井がない場合は測定対象物Ｍをテーブル１４ａ上に載せて立体スキャンするためにテーブル１４ａを上昇させることができる。測定対象物Ｍの高さ分だけテーブル１４ａを上げる移動の間に立体スキャンするため、イメージセンサー２２はチャンバー１３（スキャン空間）における高い位置に設けることが好ましいといえる。
【００２６】
すなわち、これらは天井の有無に応じてできるだけスキャンできる高さを稼ぐための措置である。
図６はチャンバ１３内の支持部と移動部と造形ヘッドを斜視図により概略的に示しており、図７は平面図により示している。
ヘッド移動機構３３は、造形ヘッド３２を枠内でＸ，Ｙ方向に移動可能なように支持している。なお、造形ヘッド３２の下面には噴出部３２ａが備えられており、上方の結合材タンク３２ｂと、着色剤タンク３２ｃとにチューブで接続されており、噴出する着色剤と結合材が供給されるようになっている。この造形ヘッド３２はヘッド移動機構３３にて上部部分を支持され、噴出部３２ａが吊り下げられるように支持されている。
【００２７】
円形のテーブル１４ａは略鉛直方向に配向された筒体１４ｂの中と外へ移動可能である。図４と図５に示すようにテーブル１４ａ上に測定対象物Ｍを載置させた状態で、同テーブル１４ａが筒体１４ｂの配向方向に沿って中や外に移動することで、立体スキャンを行える。すなわち、図４に示す例であればテーブル１４ａが筒体１４ｂ内に入っていく際に、図５に示す例であればテーブル１４ａが筒体１４ｂから外に出て行く際に、立体スキャンが行われる。
【００２８】
図６と図７に示すように、筒体１４ｂの右方には回収部３６ａが配置され、左方には蓄積部３６ｂが配置されている。蓄積部３６ｂは、上面にてテーブル１４ａの直径とほぼ一致する長さの幅の開口を有しており、内部に粉末状形成材料を蓄積している。また、内部にはピストン３６ｂ１が備えられ、同ピストン３６ｂ１を上下動可能としている。従って、ピストン３６ｂ１を下げた状態で蓄積部３６ｂ内に粉末状形成材料を蓄積させた後、ピストン３６ｂ１を上昇させると、蓄積された内部の粉末状形成材料は徐々に上部の開口から押し出されることになる。
【００２９】
また、回収部３６ａは筒体１４ｂの直径よりも長い幅の開口を有しており、後述するようにしてあふれた余分の粉末状形成材料を同開口内に落とし込むと、搬送機構３６ａ１によって蓄積部３６ｂの上面に吐出する構造となっている。すなわち、後述するようにして蓄積部３６ｂからテーブル１４ａ上に掻き出され、さらに余分となった粉末状形成材料は回収部３６ａを介して蓄積部３６ｂに搬送され、再利用できるようになっている。
【００３０】
テーブル１４ａは筒体１４ｂの内側で上下方向に摺動しつつ移動可能である。テーブル１４ａの縁部が筒体１４ｂの内周面にほぼ摺接する大きさとしてあるので、テーブル１４ａ上で筒体１４ｂ内となる空間は、上方に開口した空間となり、筒体の開口面よりも下方の空間に粉末状形成材料を供給して結合材を噴出することで粉末造形法による造形が可能となる。なお、筒体１４ｂと回収部３６ａと蓄積部３６ｂはそれぞれ上面に開口を有しているが、チャンバー１３内では開口を除く部分は平坦な面の底面１３ａとしてある。
【００３１】
ヘッド移動機構３３の枠体と干渉しないように、その下方とチャンバー１３の底面１３ａとの間にならし部３５ａが配置されている。ならし部３５ａは、図７に示すように底面１３ａの奥行き方向の幅にほぼ一致するへら状の板材であり、両端を図示しない駆動機構にて支持されることにより、図７に示すように蓄積部３６ｂの側から回収部３６ａの側に向けて直線移動できるようになっている。また、ならし部３５ａは上端が厚く、下端が薄くなるように形成されてやや弾性を有している。下端は底面１３ａに当接する高さ位置に配置され、上端は下端よりも回収部３６ａの側に位置しているので、全体としては斜めに傾けて配置されている。このように傾いた状態で蓄積部３６ｂの側から回収部３６ａの側に移動する際に、粉末状形成材料を蓄積部３６ｂから掻き出し、テーブル１４ａ上に供給し、ならし、さらに余った粉末状形成材料を回収部３６ａに送る。
【００３２】
図８〜図１１はならし部３５ａの動作を概略的に示している。
図８はならし部３５ａの初期位置であり、下端は蓄積部３６ｂの上で最も左端に位置している。この状態で蓄積部３６ｂのピストン３６ｂ１を一定長さだけ押し上げると、蓄積部３６ｂの開口から所定量の粉末状形成材料があふれ出る。このとき、ならし部３５ａが斜めに配置されているので、図９に示すように、あふれ出た粉末状形成材料の一部はまっすぐ上に押し上げられつつならし部３５ａに当接する部分で右方に押し上げられる。そして、図１０に示すように、ならし部３５ａがテーブル１４ａの側に向かって移動し始めると、蓄積部３６ｂから押し上げられた粉末状形成材料はならし部３５ａによってテーブル１４ａの側に掻き出されることになる。後述するように、この動作の前にテーブル１４ａは一層分の高さだけ下げられているので、筒体１４ｂの開口部分にはこの一層分だけの空間ができており、掻き出された粉末状形成材料はこの空間に供給される。一回で掻き出された粉末状形成材料がこの空間全部を埋め尽くせなければ、数回、繰り返す。基本的には確実に余分な量を掻き出し、余ったものは図１１に示すように回収部３６ａに送り込むという設計とする。このようにして、ならし部３５ａが粉末状形成材料を掻き出しつつ、テーブル１４ａの上部では表面を平たくならすことになる。また、ならす動作では余った粉末状形成材料は徐々に幅方向に広がるので、回収部３６ａの幅は筒体１４ｂやテーブル１４ａの長さよりも広くなっている。
【００３３】
造形ヘッド３２は枠体から吊り下げられているので、その下方にならし部を配設できる。また、噴出部３２ａ自体は上のようにしてならされた粉末状形成材料に近い位置に支持され、粉末状形成材料に対して任意の位置で結合材を至近距離から噴出できる。なお、テーブル１４ａは筒体１４ｂよりも上方に移動できるので、筒体１４ｂの内側に粉末状形成材料が入り込まないように、テーブル１４ａの縁部には、下方に向かって上記筒体１４ｂの内面に略一致して摺動可能な内壁１４ａ１が形成されているが、内壁１４ａ１を形成せずに、筒体１４ｂの内側に入り込んだ粉末状形成材料を回収する機構を設けても良い。
【００３４】
図１２は、本実施例における造形処理を模式的に示している。
造形ヘッド３２は、結合材タンク３２ｂと、着色剤タンク３２ｃに対してチューブで接続されており、噴出及び吐出する着色剤と結合材と粉末状形成材料が供給されるようになっている。また、ならし部３５で上面をならし、余分な粉末状形成材料は筒体１４ｂの外に掻き出される。掻き出された粉末状形成材料は回収部３６ａにて回収されて蓄積部３６ｂの上方に供給されるので、回収した粉末状形成材料を再利用できる。なお、ならすときには造形ヘッド３２を回収部３６ａの側の待避位置に移動させ、ならし部３５ａと干渉しないのはむろんのこと、ならし部３５で粉末状形成材料の表面をならすときに撒き上がった粉末状形成材料が噴出部３２ａに付着しないようにしている。なお、待避位置では噴出部３２ａの表面をカバーするキャップを設けることで、粉末状形成材料が付着したり詰まらせてしまわないようにしてもよい。
【００３５】
図１３は、造形データをネットワークを介して取得する状況を示す概略図である。
上述したように本実施例では制御部４０が３次元モデルデータを生成したりスライスデータを生成している。しかし、かかる演算処理の負担は大きいのでネットワーク５０を介して外部の演算装置５１ａ〜５１ｃに接続し、これらを利用して３次元モデルデータやスライスデータを求めるようにしても良い。このように構成すれば、制御部４０のＣＰＵ４１やメモリー４２として処理能力の低いものでも利用できるようになる。
【００３６】
２．複製処理の説明
図１４は、３次元複合機１０によって実行される立体物の複製処理の概略をフローチャートにより示している。なお、フローチャート中の各ステップのうち、ユーザによる行為は鎖線で囲んで示している。
ステップＳ１００では、ユーザにより、チャンバー１３内のターンテーブル上に測定対象物Ｍが載置される。ステップＳ１１０では、制御部４０は複製処理の開始指示を受け付ける。この場合、ユーザが操作受付部１１ｂを操作して、例えば“コピー”ボタンを押下げ等することで、制御部４０は複製処理の開始指示を受け付ける。ステップＳ１２０では、制御部４０は、測定部２０に対して測定実行を指示し、当該指示に応じて測定部２０は測定対象物Ｍを３次元測定して３次元モデルデータを生成する。むろんこのとき、制御部４０は、ターンテーブルを回転させる制御も行なう。
【００３７】
測定部２０による測定の終了後、ステップ１３０では、制御部４０は、測定対象物Ｍの取り出し催促を外部に対して行なう。測定対象物Ｍの取り出し催促は、３次元複合機１０が備えるスピーカーから所定の音声を出力させたり、表示装置１１ａに所定のメッセージを表示させたりして行なう。ステップＳ１４０では、ターンテーブル上に載置された測定対象物Ｍがユーザにより３次元複合機１０外へ取り出される。ステップＳ１５０では、制御部４０は、測定対象物Ｍが取り出されたか否かを所定のセンサー等を介して判定し、取り出しを確認したらステップＳ１６０で造形準備を実行する。造形準備とは、造形部３０のデータ変換部３１に、上記ステップＳ１２０で取得された３次元モデルデータをスライスデータへ変換させたり、プラットフォーム１４の位置を造形開始のための所定位置に移動させたりする処理等である。
【００３８】
造形準備が整った後、ステップＳ１７０では、制御部４０は、造形部３０に対して上記ステップＳ１６０で変換させた各スライスデータに基づく造形実行を指示し、当該指示に応じて造形部３０は造形ヘッド３２を駆動させて造形を実行する。むろんこのとき、制御部４０は、造形ヘッド３２およびプラットフォーム１４を移動させる制御も行なう。ステップＳ１７０の結果、プラットフォーム１４上にはスライスデータに応じて粉末状形成材料が結合された各層が積み重なり、上記ステップＳ１００で載置された測定対象物Ｍの複製物である造形物Ｒが完成する。ステップＳ１８０では、制御部４０は、造形部３０による造形が終了したタイミングで造形物Ｒの取り出しの催促を外部に対して行なう。造形物Ｒの取り出し催促も音声やメッセージ表示等により行なう。ステップＳ１９０では、プラットフォーム１４上に造形された造形物Ｒがユーザにより３次元複合機１０外へ取り出され、ステップＳ１９５では、制御部４０は、造形物Ｒが取り出されたか否かをイメージセンサー２２を介して判定し、取り出しを確認したら処理を終了する。なお、造形物Ｒが取り出されたか否かの判定は、プラットフォームに設けた重量センサーや扉１２の開閉センサーやその他のセンサーを用いても良いし、ユーザの終了操作で判定しても良い。
【００３９】
図１５は、造形処理の要部（ステップＳ１７０）の手順を示すフローチャートである。
造形処理は、各層ごとに粉末層を形成した後、結合材を噴出して壁部を形成し、さらに着色することになる。この各層の処理の詳細を以下に説明する。
まず、ステップＳ２００では、テーブル（台部）１４ａを筒体１４ｂの上端から一層分だけ下がった位置に移動させる。これにより、筒体１４ｂの上面に一層分だけの凹んだ空間が形成される。なお、このときに造形ヘッド３２は回収部３６ａの側の待避位置にて待機している。次のステップＳ２１０では、ならし部３５ａを初期位置に移動させる。初期位置とは、図８に示すように、ならし部３５ａの下端が蓄積部３６ｂの上部の最も左方の端部に位置する状態である。この状態で、ステップＳ２２０では蓄積部３６ｂで粉末状形成材料を押し上げる。すなわち、ピストン３６ｂ１を一定長さだけ上げる。
【００４０】
すると、図９に示すように所定量の粉末状形成材料が押し上げられることになるから、ステップＳ２３０ではならし部３５ａをテーブル１４ａの側に移動させ始めることにより、あふれ出ている粉末状形成材料を同テーブル１４ａの側に掻き出す。ならし部３５ａは蓄積部３６ｂの側から回収部３６ａの側まで移動するので、ある段階では粉末状形成材料をテーブル１４ａ上の空間に供給し、ならす動作を行い、これとともに余った粉末状形成材料は回収部３６ａに送り込む。そして、回収部３６ａ自体は送り込まれた粉末状形成材料を回収して蓄積部３６ｂに供給する。このとき同粉末状形成材料は蓄積部３６ｂの上方から吐出されることになるが、ならし部３５ａは下からあふれ出る粉末状形成材料と上から供給される粉末状形成材料を共にテーブル１４ａの側に供給することになる。
【００４１】
この動作は数回で行うのが現実的である。一度に多量の粉末状形成材料をあふれ出させてならし部３５ａで掻き出したとしても、ならし部３５ａの下端がへらのように粉末状形成材料を移動させるときには必ずしも一回では平坦にならない。従って、少量を数回に分けて掻き出すことにより、掻き出しとならしとが数回繰り返されて平坦度合いが向上する。
【００４２】
ステップＳ２４０ではテーブル１４ａ上に粉末状形成材料がまんべんなく行き渡ったかを判断する。これはセンサーで平坦度合いを調べるようにしても良いし、実験結果から得られた回数だけの繰り返し動作を行ったか否かの判断でも良い。
まんべんなく行き渡ったらステップＳ２５０では造形ヘッド３２を走査開始位置へ移動させる。走査開始位置は、造形ヘッド３２をＸ，Ｙ平面で移動させる際の起点となる位置であり、この位置から主走査動作と副走査動作を繰り返してプラットフォーム１４のテーブル１４ａ上面を満遍なく移動できる。続いて、ステップＳ２６０では、結合材の噴出走査を開始する。これは上述したスライスデータに基づいて造形物Ｒの壁部を形成するように、結合させたい粉末状形成材料の部位に対して結合材を噴出させる。このようにして造形のための処理は完成する。
【００４３】
その後、ステップＳ２７０では、同様にして、着色剤の噴出走査を開始する。着色剤は壁部における表側にあたる部分に対して行う。最後に、ステップＳ２８０では、上述したように造形ヘッド３２を待避位置へ移動させる。このように一層分の造形と着色が終わった時点で造形ヘッド３２が待避位置へ移動しているので、ステップＳ２００では必ず待避位置にあることを保証できる。このようにして、次の粉末層の形成に備えて、一層の造形処理を終了する。
【００４４】
なお、本発明は上記実施例に限られるものでないことは言うまでもない。当業者であれば言うまでもないことであるが、
・上記実施例の中で開示した相互に置換可能な部材および構成等を適宜その組み合わせを変更して適用すること
・上記実施例の中で開示されていないが、公知技術であって上記実施例の中で開示した部材および構成等と相互に置換可能な部材および構成等を適宜置換し、またその組み合わせを変更して適用すること
【００４５】
・上記実施例の中で開示されていないが、公知技術等に基づいて当業者が上記実施例の中で開示した部材および構成等の代用として想定し得る部材および構成等と適宜置換し、またその組み合わせを変更して適用すること
は本発明の一実施例として開示されるものである。
例えば、ならし部３５ａの形状は、へら状に限られず、左官ごて状などの他の形状であっても良い。
【符号の説明】
【００４６】
１０…３次元複合機、１１…筺体、１１ａ…表示装置、１１ｂ…操作受付部、１２…扉、１３…チャンバー、１４…プラットフォーム、１４ａ…テーブル、１４ａ１…内壁、１４ｂ…筒体、１５…プラットフォーム移動機構、２０…測定部（スキャナー部）、２１…光源、２２…イメージセンサー、２３…ファイル生成部、３０…造形部、３１…データ変換部、３２…造形ヘッド、３２ａ…噴出部、３２ｂ…結合材タンク、３２ｃ…着色剤タンク、３３…ヘッド移動機構（移動部）、３５ａ…ならし部、３６ａ…回収部、３６ａ１…搬送機構、３６ｂ…蓄積部、３６ｂ１…ピストン、４０…制御部、４１…ＣＰＵ、４２…メモリー、５０…ネットワーク、５１ａ〜５１ｃ…外部の演算装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末状形成材料を蓄積する蓄積部と、
移動可能であって造形時に台座となる台部と、
上記蓄積部から上記台部上に供給された上記粉末状形成材料を上記台部上でならすならし部と、
ならされた粉末状形成材料に結合材を噴出する噴出部と、
上記台部上のスキャン対象を立体スキャン可能なスキャナー部と、
このスキャナー部の立体スキャンによって生成したスキャンデータに基づいて造形データを生成し、同造形データに基づき、上記噴出部によって上記ならされた粉末状形成材料に結合材を噴出させることで造形を行わせる制御部と
を備えたことを特徴とする造形複合装置。
【請求項２】
上記台部は略鉛直方向に配向された筒体の中と外で当該筒体の配向方向に沿って移動可能であり、
上記スキャナー部は、上記台部が上記筒体の外で上方に位置する状態で上記台部上に載置されたスキャン対象を立体スキャンし、
上記ならし部は、上記筒体の開口面と当該筒体の内部に位置する上記台座と当該筒体の内周面とで囲まれた空間に収容される上記粉末状形成材料を当該筒体の開口面でならし、
上記噴出部は、上記筒体の開口面に位置する粉末状形成材料に上記結合材を噴出することを特徴とする請求項１に記載の造形複合装置。
【請求項３】
上記蓄積部は、上面に開口を有するようにして上記筒体に隣接して設けられ、下方から上記粉末状形成材料を押し上げるようにして開口より上方に押し出し、
上記ならし部は、同蓄積部の開口で押し出される上記粉末状形成材料を、隣接する上記筒体の側に掻き出すように運ぶことを特徴とする請求項２に記載の造形複合装置。
【請求項４】
上記蓄積部は、上記筒体に隣接して設けられ、同筒体の外でならした粉末状形成材料を回収する回収部を備え、回収した粉末状形成材料を再利用することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の造形複合装置。
【請求項５】
上記台部の縁部には、下方に向かって上記筒体の内面に略一致して摺動可能な内壁が形成されている請求項２〜請求項４のいずれかに記載の造形複合装置。
【請求項６】
天井がある形態において、上記台部が所定の高さから天井の側に向けて上下動可能であるときに、上記スキャナー部は、台部の上のスキャン空間における中央よりも低い位置に備えられることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の造形複合装置。
【請求項７】
天井が開口している形態において、上記台部が所定の高さから天井の側に向けて上下動可能であるときに、上記スキャナー部は、台部の上のスキャン空間における中央よりも高い位置に備えられることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の造形複合装置。
【請求項１】
粉末状形成材料を蓄積する蓄積部と、
移動可能であって造形時に台座となる台部と、
上記蓄積部から上記台部上に供給された上記粉末状形成材料を上記台部上でならすならし部と、
ならされた粉末状形成材料に結合材を噴出する噴出部と、
上記台部上のスキャン対象を立体スキャン可能なスキャナー部と、
このスキャナー部の立体スキャンによって生成したスキャンデータに基づいて造形データを生成し、同造形データに基づき、上記噴出部によって上記ならされた粉末状形成材料に結合材を噴出させることで造形を行わせる制御部と
を備えたことを特徴とする造形複合装置。
【請求項２】
上記台部は略鉛直方向に配向された筒体の中と外で当該筒体の配向方向に沿って移動可能であり、
上記スキャナー部は、上記台部が上記筒体の外で上方に位置する状態で上記台部上に載置されたスキャン対象を立体スキャンし、
上記ならし部は、上記筒体の開口面と当該筒体の内部に位置する上記台座と当該筒体の内周面とで囲まれた空間に収容される上記粉末状形成材料を当該筒体の開口面でならし、
上記噴出部は、上記筒体の開口面に位置する粉末状形成材料に上記結合材を噴出することを特徴とする請求項１に記載の造形複合装置。
【請求項３】
上記蓄積部は、上面に開口を有するようにして上記筒体に隣接して設けられ、下方から上記粉末状形成材料を押し上げるようにして開口より上方に押し出し、
上記ならし部は、同蓄積部の開口で押し出される上記粉末状形成材料を、隣接する上記筒体の側に掻き出すように運ぶことを特徴とする請求項２に記載の造形複合装置。
【請求項４】
上記蓄積部は、上記筒体に隣接して設けられ、同筒体の外でならした粉末状形成材料を回収する回収部を備え、回収した粉末状形成材料を再利用することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の造形複合装置。
【請求項５】
上記台部の縁部には、下方に向かって上記筒体の内面に略一致して摺動可能な内壁が形成されている請求項２〜請求項４のいずれかに記載の造形複合装置。
【請求項６】
天井がある形態において、上記台部が所定の高さから天井の側に向けて上下動可能であるときに、上記スキャナー部は、台部の上のスキャン空間における中央よりも低い位置に備えられることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の造形複合装置。
【請求項７】
天井が開口している形態において、上記台部が所定の高さから天井の側に向けて上下動可能であるときに、上記スキャナー部は、台部の上のスキャン空間における中央よりも高い位置に備えられることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の造形複合装置。
【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】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−２１３９７２（Ｐ２０１２−２１３９７２Ａ）
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８１７００（Ｐ２０１１−８１７００）
【出願日】平成２３年４月１日（２０１１．４．１）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１日（２０１１．４．１）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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