JP7757785B2 - 三次元造形装置 - Google Patents

Description

本発明は、三次元造形装置に関する。

溶融材料をノズルから吐出して堆積させ、硬化させることによって三次元造形物を造形する三次元造形装置が知られている。三次元造形物は、複数の造形層が積層された積層体として造形される。

例えば特許文献１には、ノズルから溶融材料を吐出しつつ、その溶融材料を冷却部によって冷却することにより、ノズルから吐出された溶融材料の硬化を促進させる三次元造形装置が記載されている。

特開２０１９－３４４５７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の三次元造形装置では、冷却部はノズルの近傍に設けられているため、ノズル近傍の造形層だけが冷却される。そのため、現在造形している層をｎ層、ｎ層の直前に造形していた層をｎ－１層とすると、ｎ－1層の大きさによっては、ｎ－1層全体の温度を十分に下げることは難しい場合がある。ｎ－1層全体が硬化される前に、ｎ－1層上に溶融材料が吐出されると、ｎ－1層の形状が崩れる。

本発明に係る三次元造形装置の一態様は、
ステージと、
前記ステージの造形領域を覆い、前記ステージと対向するヒーターと、
前記造形領域に向けて造形材料を吐出するヘッドと、
前記ステージと前記ヘッドとを相対的に移動させる移動機構と、
前記ヘッドおよび前記移動機構を制御する制御部と、
を含み、
前記制御部は、
前記ヘッドおよび前記移動機構を制御して、前記ヘッドから造形材料を吐出させて第１造形層を形成させる第１造形層形成処理と、
前記ヘッドを制御して、前記ヘッドからの造形材料の吐出を停止させる吐出停止処理と、
前記吐出停止処理を行ってから所定時間が経過したか否か判定する判定処理と、
前記判定処理で前記所定時間が経過したと判定した場合に、前記ヘッドおよび前記移動機構を制御して、前記ヘッドから造形材料を吐出させて前記第１造形層上に第２造形層を形成させる第２造形層形成処理と、
を行い、
前記制御部は、前記第１造形層の造形時間に関する情報に基づいて、前記所定時間を設定する。

本実施形態に係る三次元造形装置を模式的に示す側面図。 本実施形態に係る三次元造形装置を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る三次元造形装置のフラットスクリューを模式的に示す斜視図。 本実施形態に係る三次元造形装置のバレルを模式的に示す平面図。 本実施形態に係る三次元造形装置の制御部の処理を説明するためのフローチャート。 本実施形態に係る三次元造形装置の三次元造形物形成処理を説明するための断面図。 本実施形態に係る三次元造形装置の制御部の処理を説明するためのフローチャート。 本実施形態の第１変形例に係る三次元造形装置の制御部の処理を説明するためのフローチャート。 本実施形態の第２変形例に係る三次元造形装置を模式的に示す断面図。 本実施形態の第２変形例に係る三次元造形装置の制御部の処理を説明するためのフローチャート。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１． 三次元造形装置
１．１． 全体の構成
まず、本実施形態に係る三次元造形装置について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る三次元造形装置１００を模式的に示す斜視図である。図２は、本実施形態に係る三次元造形装置１００を模式的に示す図１のＩＩ－ＩＩ線断面図である。なお、図１および図２では、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を示している。Ｘ軸方向およびＹ軸方向は、例えば、水平方向である。Ｚ軸方向は、例えば、鉛直方向である。

三次元造形装置１００は、図１および図２に示すように、例えば、ヘッド１０と、ステージ２０と、移動機構３０と、支持部材４０と、加熱機構５０と、制御部６０と、を含む。

三次元造形装置１００は、ヘッド１０からステージ２０に向けて可塑化された造形材料を吐出させつつ、移動機構３０を駆動して、ヘッド１０とステージ２０との相対的な位置を変化させる。これにより、三次元造形装置１００は、ステージ２０上に所望の形状の三次元造形物を造形する。

ヘッド１０は、例えば、図２に示すように、材料供給部１１０と、可塑化部１２０と、ノズル１６０と、を有している。ヘッド１０は、ステージ２０の造形領域２２に向けて、造形材料を吐出する。

材料供給部１１０には、ペレット状や粉末状の材料が投入される。材料供給部１１０は、可塑化部１２０に原料となる材料を供給する。材料供給部１１０は、例えば、ホッパーによって構成されている。材料供給部１１０によって供給される材料は、例えば、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）樹脂である。

材料供給部１１０と可塑化部１２０とは、材料供給部１１０の下方に設けられた供給路１１２によって接続されている。材料供給部１１０に投入された材料は、供給路１１２を介して、可塑化部１２０に供給される。

可塑化部１２０は、図２に示すように、例えば、スクリューケース１２２と、駆動モーター１２４と、フラットスクリュー１３０と、バレル１４０と、ヒーター１５０と、を有している。可塑化部１２０は、材料供給部１１０から供給された固体状態の材料を可塑化し、流動性を有するペースト状の造形材料を生成して、ノズル１６０に供給する。

なお、可塑化とは、溶融を含む概念であり、固体から流動性を有する状態に変化させることである。具体的には、ガラス転移が起こる材料の場合、可塑化とは、材料の温度をガラス転移点以上にすることである。ガラス転移が起こらない材料の場合、可塑化とは、材料の温度を融点以上にすることである。

スクリューケース１２２は、フラットスクリュー１３０を収容する筐体である。スクリューケース１２２の下面には、バレル１４０が設けられている。スクリューケース１２２とバレル１４０とによって囲まれた空間に、フラットスクリュー１３０が収容されている。

駆動モーター１２４は、スクリューケース１２２の上面に設けられている。駆動モーター１２４は、例えば、サーボモーターである。駆動モーター１２４のシャフト１２６は、フラットスクリュー１３０の上面１３１に接続されている。駆動モーター１２４は、制御部６０によって制御される。なお、図示はしないが、減速機を介して、駆動モーター１２４のシャフト１２６と、フラットスクリュー１３０の上面１３１とが接続されていてもよい。

フラットスクリュー１３０は、回転軸Ｒ方向の大きさが、回転軸Ｒ方向と直交する方向の大きさよりも小さい略円柱形状を有している。図示の例では、回転軸Ｒは、Ｚ軸と平行である。駆動モーター１２４が発生させるトルクによって、フラットスクリュー１３０は、回転軸Ｒを中心に回転する。

フラットスクリュー１３０は、上面１３１と、上面１３１とは反対側の溝形成面１３２と、上面１３１と溝形成面１３２とを接続する側面１３３と、を有している。溝形成面１３２には、第１溝１３４が形成されている。側面１３３は、例えば、溝形成面１３２に対して垂直である。ここで、図３は、フラットスクリュー１３０を模式的に示す斜視図である。なお、便宜上、図３では、図２に示した状態とは上下の位置関係を逆向きとした状態を示している。

フラットスクリュー１３０の溝形成面１３２には、図３に示すように、第１溝１３４が形成されている。第１溝１３４は、例えば、中央部１３５と、接続部１３６と、材料導入部１３７と、を有している。中央部１３５は、バレル１４０に形成された連通孔１４６と対向している。中央部１３５は、連通孔１４６と連通している。接続部１３６は、中央部１３５と材料導入部１３７とを接続している。図示の例では、接続部１３６は、中央部１３５から溝形成面１３２の外周に向かって渦状に設けられている。材料導入部１３７は、溝形成面１３２の外周に設けられている。すなわち、材料導入部１３７は、フラットスクリュー１３０の側面１３３に設けられている。材料供給部１１０から供給された材料は、材料導入部１３７から第１溝１３４に導入され、接続部１３６および中央部１３５を通って、バレル１４０に形成された連通孔１４６に搬送される。第１溝１３４は、例えば、２つ設けられている。

なお、第１溝１３４の数は、特に限定されない。図示はしないが、第１溝１３４は、３つ以上設けられていてもよいし、１つだけ設けられていてもよい。また、図示はしないが、三次元造形装置１００は、フラットスクリュー１３０の代わりに、インラインスクリューを有していてもよい。

バレル１４０は、図２に示すように、フラットスクリュー１３０の下方に設けられている。バレル１４０は、フラットスクリュー１３０の溝形成面１３２に対向する対向面１４２を有している。対向面１４２の中心には、第１溝１３４と連通する連通孔１４６が形成されている。ここで、図４は、バレル１４０を模式的に示す平面図である。

バレル１４０の対向面１４２には、図４に示すように、第２溝１４４と、連通孔１４６と、が形成されている。第２溝１４４は、複数形成されている。図示の例では、６つの第２溝１４４が形成されているが、第２溝１４４の数は、特に限定されない。複数の第２溝１４４は、Ｚ軸方向からみて、連通孔１４６の周りに形成されている。第２溝１４４は、一端が連通孔１４６に接続され、連通孔１４６からバレル１４０の外周１４８に向かって渦状に延びている。第２溝１４４は、可塑化された材料を連通孔１４６に導く機能を有している。

なお、第２溝１４４の形状は、特に限定されず、例えば、直線状であってもよい。また、第２溝１４４は、一端が連通孔１４６に接続されていなくてもよい。さらに、第２溝１４４は、対向面１４２に形成されていなくてもよい。ただし、連通孔１４６に可塑化された材料を効率よく導くことを考慮すると、第２溝１４４は、対向面１４２に形成されていることが好ましい。

ヒーター１５０は、図２に示すように、バレル１４０に設けられている。ヒーター１５０は、フラットスクリュー１３０とバレル１４０との間に供給された材料を加熱する。ヒーター１５０の出力は、制御部６０によって制御される。可塑化部１２０は、フラットスクリュー１３０、バレル１４０、およびヒーター１５０によって、材料を連通孔１４６に向かって搬送しながら加熱して可塑化された造形材料を生成し、生成された造形材料を連通孔１４６から流出させる。なお、図示はしないが、Ｚ軸方向からみて、ヒーター１５０の形状は、リング状であってもよい。

ノズル１６０は、バレル１４０の下方に設けられている。ノズル１６０は、可塑化部１２０から供給された材料を、ステージ２０に向けて吐出する。ノズル１６０には、ノズル流路１６２が形成されている。ノズル流路１６２は、連通孔１４６に連通している。ノズル流路１６２は、ノズル開口１６４を有している。ノズル開口１６４は、ノズル１６０の先端に位置している。連通孔１４６から供給された材料は、ノズル流路１６２を通ってノズル開口１６４から吐出される。

ステージ２０は、図１および図２に示すように、ノズル１６０の下方に設けられている。図示の例では、ステージ２０の形状は、直方体である。ステージ２０は、造形領域２２を有している。造形領域２２には、ヘッド１０から造形材料が吐出される。造形領域２２は、ステージ２０の上面の領域である。造形領域２２は、ヘッド１０のノズル開口１６４の位置によって規定される。例えば移動機構３０によってステージ２０がＸ軸方向およびＹ軸方向に移動する場合、造形領域２２の－Ｘ軸方向における端は、ステージ２０が最も＋Ｘ軸方向に移動した際のノズル開口１６４の下方に位置する。造形領域２２の＋Ｘ軸方向における端は、ステージ２０が最も－Ｘ軸方向に移動した際のノズル開口１６４の下方に位置する。

移動機構３０は、ステージ２０を支持している。移動機構３０は、ステージ２０とヘッド１０とを相対的に移動させる。さらに、移動機構３０は、ステージ２０と加熱機構５０とを相対的に移動させる。加熱機構５０は、例えば、ヘッド１０の移動に伴って移動される。図示の例では、移動機構３０は、ステージ２０をＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させることによって、Ｘ軸方向およびＹ軸方向において、ステージ２０と、ヘッド１０および加熱機構５０と、の相対的な位置を変化させる。さらに、移動機構３０は、ヘッド１０および加熱機構５０をＺ軸方向に移動させることによって、Ｚ軸方向において、ステージ２０と、ヘッド１０および加熱機構５０と、の相対的な位置を変化させる。

移動機構３０は、例えば、第１電動アクチュエーター３２と、第２電動アクチュエーター３４と、第３電動アクチュエーター３６と、を有している。第１電動アクチュエーター３２は、ステージ２０をＸ軸方向に移動させる。第２電動アクチュエーター３４は、ステージ２０をＹ軸方向に移動させる。第３電動アクチュエーター３６は、ヘッド１０および加熱機構５０をＺ軸方向に移動させる。

支持部材４０は、第３電動アクチュエーター３６に接続されている。図示の例では、支持部材４０は、第３電動アクチュエーター３６から－Ｙ軸方向に延在している。支持部材４０は、ヘッド１０および加熱機構５０を支持している。移動機構３０は、第３電動アクチュエーター３６によって支持部材４０をＺ軸方向に移動させることにより、ヘッド１０および加熱機構５０をＺ軸方向に移動させる。

加熱機構５０の形状は、例えば、略板状である。加熱機構５０は、例えば、支持板５２と、ヒーター５４と、を有している。ヒーター５４は、支持板５２に支持されている。ヒーター５４は、ステージ２０の造形領域２２を覆っている。ヒーター５４は、ステージ２０と対向している。Ｚ軸方向からみて、ステージ２０は、例えば、ヒーター５４の外縁の内側に設けられている。ヒーター５４は、造形領域２２に堆積された造形材料からなる造形層を加熱する。ヒーター５４は、造形領域２２全体を加熱可能である。ヒーター５４の出力は、制御部６０によって制御される。

加熱機構５０には、図２に示すように、貫通孔５６が形成されている。図示の例では、貫通孔５６は、加熱機構５０をＺ軸方向に貫通している。貫通孔５６には、ノズル１６０が位置している。図示の例では、フラットスクリュー１３０およびバレル１４０は、加熱機構５０の＋Ｚ軸方向に位置し、ノズル開口１６４およびステージ２０は、加熱機構５０の－Ｚ軸方向に位置している。

なお、ヒーター５４が造形領域２２を加熱可能であれば、加熱機構５０の形状は、特に限定されない。例えば、三次元造形装置１００は、ヘッド１０、ステージ２０、および移動機構３０を収容する図示しないチャンバーを有し、加熱機構５０は、チャンバー全体を加熱することにより、造形領域２２を加熱してもよい。

制御部６０は、例えば、プロセッサーと、主記憶装置と、外部との信号の入出力を行う入出力インターフェースと、を有するコンピューターによって構成されている。制御部６０は、例えば、主記憶装置に読み込んだプログラムをプロセッサーが実行することによって、種々の機能を発揮する。具体的には、制御部６０は、ヘッド１０、移動機構３０、および加熱機構５０を制御する。なお、制御部６０は、コンピューターではなく、複数の回路の組み合わせによって構成されてもよい。

１．２． 制御部の処理
図５は、制御部６０の処理を説明するためのフローチャートである。ユーザーは、例えば、図示せぬ操作部を操作して、制御部６０に処理を開始するための処理開始信号を出力する。操作部は、例えば、マウス、キーボード、タッチパネルなどによって構成されている。制御部６０は、処理開始信号を受けると処理を開始する。以下、各処理について説明する。

１．２．１． 造形データ取得処理
まず、制御部６０は、図５に示すように、三次元造形物を造形するための造形データを取得する造形データ取得処理を行う（ステップＳ１０）。

造形データは、例えば、三次元造形装置１００に接続されたコンピューターにインストールされたスライサーソフトに、形状データを読み込ませることによって作成される。形状データは、三次元ＣＡＤ（Computer Aided Design）ソフトや三次元ＣＧ（Computer Graphics）ソフトなどを用いて作成された三次元造形物の目標形状を表すデータである。形状データとしては、例えば、ＳＴＬ（Standard Triangulated Language）形式やＡＭＦ（Additive Manufacturing File Format）などのデータを用いる。スライサーソフトは、三次元造形物の目標形状を所定の厚さの層に分割して、層ごとに造形データを作成する。造形データは、Ｇコードなどによって表される。

造形データは、例えば、ステージ２０に対するノズル１６０の移動経路、ノズル１６０から吐出される造形材料の量、三次元造形物を構成する複数の造形層の各々の面積、ノズル１６０のクリーニングなどに関する情報を含む。「造形層の面積」とは、造形材料の吐出方向であるＺ軸方向からみたときの造形層の面積のことである。制御部６０は、三次元造形装置１００に接続されたコンピューターや、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリーなどの記録媒体から造形データを取得する。

１．２．２． 三次元造形物形成処理
次に、制御部６０は、ステージ２０上に三次元造形物を形成する三次元造形物形成処理を行う（ステップＳ２０）。

具体的には、制御部６０は、フラットスクリュー１３０とバレル１４０との間に供給された材料を可塑化して造形材料を生成させ、ノズル１６０から造形材料を吐出させる。制御部６０は、例えば、三次元造形物形成処理が終了するまで造形材料を生成させ続ける。さらに、制御部６０は、ヒーター５４を駆動させる。制御部６０は、例えば、三次元造形物形成処理が終了するまでヒーター５４を駆動させ続ける。ここで、図６は、三次元造形物形成処理を説明するための断面図である。

制御部６０は、図６に示すように、取得した造形データに基づいて、移動機構３０を制御してノズル１６０とステージ２０との相対的な位置を変化させつつ、ヘッド１０を制御してノズル１６０からステージ２０に向けて造形材料を吐出させる。

具体的には、三次元造形物形成処理が開始される前、すなわち、第１層目の造形層である造形層Ｌ１の形成が開始される前では、ノズル１６０は、ステージ２０の－Ｘ軸方向の端部よりも－Ｘ軸方向の初期位置に配置されている。三次元造形物形成処理が開始されると、図６に示すように、制御部６０は、移動機構３０を制御することによって、例えば、ステージ２０に対してノズル１６０を＋Ｘ軸方向に相対移動させる。ノズル１６０がステージ２０上を通過する際、ノズル１６０から造形材料が吐出される。これにより、造形層Ｌ１が形成される。図６では、ｎを任意の自然数として、第ｎ層目の造形層Ｌｎまでを図示している。

ここで、図７は、制御部６０の三次元造形物形成処理を、より詳細に説明するためのフローチャートである。

制御部６０は、上述した造形データ取得処理が終了すると、図７に示すように、第ｎ－１層目の造形層Ｌｎ－１の造形時間に関する情報に基づいて、待機時間を設定する待機時間設定処理を行う（ステップＳ２１）。

ここで、「待機時間」とは、造形層Ｌｎ－１を形成した後に、後述するステップＳ２５で、ヘッド１０からの造形材料の吐出を停止させた状態でヘッド１０を待機させる時間のことである。造形層Ｌｎ－１の造形時間が短いほど、造形層Ｌｎ－１が形成された後すぐに第ｎ層目の造形層Ｌｎが形成されるため、造形層Ｌｎ－１が硬化される前に、第ｎ層目の造形層Ｌｎが形成される場合がある。したがって、造形層Ｌｎ－１の造形時間が短いほど、制御部６０は、長い待機時間を設定する。

造形層Ｌｎ－１の造形時間に関する情報は、造形データに含まれている。制御部６０は、造形データに含まれる造形層Ｌｎ－１の面積に関する情報から待機時間を算出して設定してもよいし、造形データが直接待機時間を含んでいる場合は造形データから待機時間を取得して設定してもよい。

次に、制御部６０は、造形データに基づいて、ヘッド１０および移動機構３０を制御して、ヘッド１０から造形材料を吐出させてステージ２０上に造形層Ｌｎ－１を形成させる造形層形成処理を行う（ステップＳ２２）。

次に、制御部６０は、ヘッド１０を制御して、ヘッド１０からの造形材料の吐出を停止させる吐出停止処理を行う（ステップＳ２３）。具体的には、制御部６０は、ヘッド１０に設けられた図示せぬバタフライバルブを制御することにより、ヘッド１０からの造形材料の吐出を停止させる。

次に、制御部６０は、造形データに基づいて、全ての造形層の形成が完了したか否か判定する判定処理を行う（ステップＳ２４）。

全ての造形層の形成が完了していないと判定した場合（ステップＳ２４で「ＮＯ」）、制御部６０は、吐出停止処理を行ってから所定時間が経過したか否か判定する判定処理を行う（ステップＳ２５）。「所定時間」とは、上述したステップＳ２１で設定した待機時間のことである。

吐出停止処理を行ってから待機時間が経過していないと判定した場合（ステップＳ２５で「ＮＯ」）、制御部６０は、吐出停止処理を行ってから待機時間が経過したと判定するまで、ステップＳ２５を繰り返し行う。一方、吐出停止処理を行ってから待機時間が経過したと判定した場合（ステップＳ２５で「ＹＥＳ」）、制御部６０は、処理をステップＳ２１に戻す。

全ての造形層の形成が完了したと判定した場合（ステップＳ２４で「ＹＥＳ」）、制御部６０は、処理を終了する。

１．３． 作用効果
三次元造形装置１００では、制御部６０は、ヘッド１０および移動機構３０を制御して、ヘッド１０から造形材料を吐出させて第１造形層としての造形層Ｌｎ－１を形成させる第１造形層形成処理と、ヘッド１０を制御して、ヘッド１０からの造形材料の吐出を停止させる吐出停止処理と、吐出停止処理を行ってから待機時間が経過したか否か判定する判定処理と、判定処理で待機時間が経過したと判定した場合に、ヘッド１０および移動機構３０を制御して、ヘッド１０から造形材料を吐出させて造形層Ｌｎ－１上に第２造形層としての造形層Ｌｎを形成させる第２造形層形成処理と、を行う。制御部６０は、造形層Ｌｎ－１の造形時間に関する情報に基づいて、待機時間を設定する。

そのため、三次元造形装置１００では、造形層Ｌｎを形成する前に、造形層Ｌｎ－１全体の温度を下げることができる。これにより、造形層Ｌｎ－１全体を硬化させることができる。したがって、造形層Ｌｎが形成された場合に造形層Ｌｎ－１の形状が崩れる可能性を小さくすることができる。

さらに、三次元造形装置１００では、例えば送風手段などの冷却手段により局所的に造形層Ｌｎ－１を冷却させる場合に比べて、均一性よく造形層Ｌｎ－１を冷却させることができる。冷却部により局所的に造形層Ｌｎ－１を冷却させる場合は、造形層Ｌｎ－１の熱収縮による応力が不均一となる。三次元造形装置１００では、送風手段などの冷却手段を用いずに造形層Ｌｎ－１を冷却させるため、造形層Ｌｎ－１を徐々に冷却させることができ、造形層Ｌｎ－１に発生する応力の均一性を高めることができる。

２． 変形例
２．１． 第１変形例
次に、本実施形態の第１変形例に係る三次元造形装置について、図面を参照しながら説明する。図８は、本実施形態の第１変形例に係る三次元造形装置の制御部６０の三次元造形物形成処理を説明するためのフローチャートである。

以下、本実施形態の第１変形例に係る三次元造形装置において、上述した本実施形態に係る三次元造形装置１００の例と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。このことは、後述する本実施形態の第２，第３変形例に係る三次元造形装置において、同様である。

本実施形態の第１変形例に係る三次元造形装置は、図８に示すように、第１移動処理（ステップＳ３５）と、第２移動処理（ステップＳ３７）と、を行う点において、上述した三次元造形装置１００と異なる。

制御部６０は、図８に示すように、待機時間設定処理（ステップＳ３１）、造形層形成処理（ステップＳ３２）、吐出停止処理（ステップＳ３３）、および判定処理（ステップＳ３４）を行った後、移動機構３０を制御して、ステージ２０とヒーター５４とを相対的に移動させ、ステージ２０とヒーター５４と間の距離を大きくする第１移動処理を行う（ステップＳ３５）。具体的には、制御部６０は、移動機構３０を制御して、ヘッド１０および加熱機構５０を＋Ｚ軸方向に移動させ、ヘッド１０および加熱機構５０をステージ２０から遠ざける。第１移動処理によって、ステージ２０上に形成された造形層の上面と、ヒーター５４と、の間の距離は、例えば、１５ｃｍ程度となる。なお、ステップＳ３１～Ｓ３４の処理の内容は、それぞれ、上述したステップＳ２１～Ｓ２４の処理の内容と同じである。

次に、制御部６０は、吐出停止処理を行ってから待機時間が経過したか否か判定する判定処理（ステップＳ３６）を行う。ステップＳ３６の処理の内容は、上述したステップＳ２５の処理の内容と同じである。

吐出停止処理を行ってから待機時間が経過したと判定した場合（ステップＳ３６で「ＹＥＳ」）、制御部６０は、移動機構３０を制御して、ステージ２０とヒーター５４とを相対的に移動させ、ステージ２０とヒーター５４と間の距離を小さくする第２移動処理を行う（ステップＳ３７）。具体的には、制御部６０は、移動機構３０を制御して、ヘッド１０および加熱機構５０を－Ｚ軸方向に移動させ、ヘッド１０および加熱機構５０をステージ２０に近づける。第２移動処理によって、ステージ２０上に形成された造形層の上面と、ヒーター５４と、の間の距離は、例えば、１ｍｍ程度となる。

次に、制御部６０は、処理をステップＳ３１に戻す。

本実施形態の第１変形例に係る三次元造形装置では、制御部６０は、吐出停止処理と判定処理との間に、移動機構３０を制御して、ステージ２０とヒーター５４と間の距離を大きくする第１移動処理と、判定処理と第２造形層形成処理との間に、移動機構３０を制御して、ステージ２０とヒーター５４と間の距離を小さくする第２移動処理と、を行う。

本実施形態の第１変形例に係る三次元造形装置では、第１移動処理によってステージ２０とヒーター５４との間の距離が大きくなるため、待機時間における造形層Ｌｎ－１の放熱性を高めることができる。ステージとヒーターとの間の距離が小さいと、待機時間において造形層Ｌｎ－１の放熱がヒーターによって妨げられる場合がある。

特に、ステージ２０上に造形層が積層され、積層された造形層の全体の厚さが２ｍｍ以上となると、積層された造形層の上面の温度は、バレル１４０に設けられたヒーター１５０の出力よりも、加熱機構５０のヒーター５４の出力の方が支配的となる。したがって、特に、ステージ２０上に積層された造形層の全体の厚さが２ｍｍ以上７ｍｍ以下になる場合は、第１移動処理を行うことが好ましい。

なお、ヒーター５４の出力を停止させることもできるが、ヒーター５４は、蓄熱量が大きく、ヒーター５４の出力を停止さてもヒーター５４の温度がすぐに下がらない場合がある。そのため、上記のような第１移動処理が有効となる。

さらに、本実施形態の第１変形例に係る三次元造形装置では、第２移動処理によってステージ２０とヒーター５４と間の距離を小さくするため、造形層Ｌｎを形成する際には、ヒーター５４によって造形層Ｌｎ－１の上面を加熱することができる。これにより、造形層Ｌｎ－１と造形層Ｌｎとの密着強度を高めることができる。

２．２． 第２変形例
次に、本実施形態の第２変形例に係る三次元造形装置について、図面を参照しながら説明する。図９は、本実施形態の第２変形例に係る三次元造形装置２００を模式的に示す断面図である。図１０は、本実施形態の第２変形例に係る三次元造形装置２００の制御部６０の三次元造形物形成処理を説明するためのフローチャートである。

三次元造形装置２００では、図９に示すように、クリーニング機構７０を含む点において、上述した三次元造形装置１００と異なる。

クリーニング機構７０は、ヘッド１０のクリーニングを行う。具体的には、クリーニング機構７０は、ノズル１６０のクリーニングを行う。これにより、ノズル開口１６４が詰まっている場合に、ノズル開口１６４の詰まりを解消することができる。クリーニング機構７０は、ノズル１６０をクリーニングすることができれば、その形態は、特に限定されない。

制御部６０は、図１０に示すように、待機時間設定処理（ステップＳ４１）、造形層形成処理（ステップＳ４２）、吐出停止処理（ステップＳ４３）、および判定処理（ステップＳ４４）を行った後、造形データに基づいて、ヘッド１０をクリーニングするか否か判定する判定処理を行う（ステップＳ４５）。なお、ステップＳ４１～Ｓ４４の処理の内容は、それぞれ、上述したステップＳ２１～Ｓ２４の処理の内容と同じである。

ヘッド１０をクリーニングすると判定した場合（ステップＳ４５で「ＹＥＳ」）、制御部６０は、ステップＳ４１で設定された待機時間が、クリーニング機構７０によるヘッド１０のクリーニング時間よりも長いか否か判定する判定処理を行う（ステップＳ４６）。

待機時間がクリーニング時間よりも長いと判定した場合、制御部６０は、クリーニング機構７０を制御して、ヘッド１０のクリーニングを開始させる処理を行う（ステップＳ４７）。当該処理により、吐出停止処理を行ってから待機時間が経過するまでの間、制御部６０は、クリーニング機構７０にヘッド１０をクリーニングさせることができる。

次に、制御部６０は、吐出停止処理を行ってから所定時間が経過したか否か判定する判定処理（ステップＳ４８）を行う。ステップＳ４８の処理の内容は、上述したステップＳ２５の処理の内容と同じである。

ヘッド１０をクリーニングしないと判定した場合（ステップＳ４５で「ＮＯ」）、制御部６０は、ステップＳ４６，Ｓ４７の処理を行わずに、ステップＳ４８の処理を行う。

待機時間がクリーニング時間よりも長くないと判定した場合（ステップＳ４６で「ＮＯ」）、制御部６０は、ステップＳ４７の処理を行わずに、ステップＳ４８の処理を行う。

三次元造形装置２００では、待機時間がクリーニング機構７０によるヘッド１０のクリーニング時間よりも長い場合に、制御部６０は、吐出停止処理を行ってから待機時間が経過するまでの間、クリーニング機構７０を制御して、ヘッド１０をクリーニングさせる。そのため、三次元造形装置２００では、待機時間の間でクリーニングを行わずに別途クリーニング時間を設ける場合に比べて、三次元造形物の造形時間を短縮することができる。

２．３． 第３変形例
次に、本実施形態の第３変形例に係る三次元造形装置について、説明する。

上述した三次元造形装置１００では、材料供給部１１０から供給される材料は、ＡＢＳ樹脂であった。

これに対し、本実施形態の第３変形例に係る三次元造形装置では、材料供給部１１０から供給される材料は、ＡＢＳ樹脂以外の材料、または、ＡＢＳ樹脂に他の成分が加えられた材料である。

材料供給部１１０から供給される材料としては、熱可塑性を有する材料、金属材料、セラミック材料等の種々の材料を主材料とした材料を挙げることができる。ここで、「主材料」とは、造形物の形状を形作っている中心となる材料を意味し、造形物において５０質量％以上の含有率を占める材料を意味する。上述した材料には、それらの主材料を単体で溶融したものや、主材料とともに含有される一部の成分が溶融してペースト状にされたものが含まれる。

熱可塑性を有する材料としては、例えば、熱可塑性樹脂を用いることができる。熱可塑性樹脂としては、例えば、汎用エンジニアリングプラスチック、スーパーエンジニアリングプラスチックが挙げられる。

汎用エンジニアリングプラスチックとしては、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリアセタール（ＰＯＭ ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレートが挙げられる。

スーパーエンジニアリングプラスチックとしては、例えば、ポリサルフォン（ＰＳＵ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）が挙げられる。

熱可塑性を有する材料には、顔料や、金属、セラミック、その他に、ワックス、難燃剤、酸化防止剤、熱安定剤などの添加剤等が混入されていてもよい。熱可塑性を有する材料は、可塑化部１２０において、フラットスクリュー１３０の回転と、ヒーター１５０の加熱と、によって可塑化されて溶融した状態に転化される。また、そのように生成された造形材料は、ノズル１６０から射出された後、温度の低下によって硬化する。熱可塑性を有する材料は、そのガラス転移点以上に加熱されて完全に溶融した状態でノズル１６０から射出されることが望ましい。

可塑化部１２０では、上述した熱可塑性を有する材料の代わりに、例えば、金属材料が主材料として用いられてもよい。この場合には、金属材料を粉末状にした粉末材料に、造形材料の生成の際に溶融する成分が混合されて、可塑化部１２０に投入されることが望ましい。

金属材料としては、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）やクロム（Ｃｒ）、アルミニウム （Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）の単一の金属、もしくはこれらの金属を１つ以上含む合金、また、マルエージング鋼、ステンレス鋼、コバルトクロムモリブデン、チタニウム合金、ニッケル合金、アルミニウム合金、コバルト合金、コバルトクロム合金が挙げられる。

可塑化部１２０においては、上記の金属材料の代わりに、セラミック材料を主材料として用いることが可能である。セラミック材料としては、例えば、二酸化ケイ素、二酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムなどの酸化物セラミックや、窒化アルミニウムなどの非酸化物セラミックなどが挙げられる。

材料供給部１１０から供給される金属材料やセラミック材料の粉末材料は、単一の金属の粉末や合金の粉末、セラミック材料の粉末を、複数種類、混合した混合材料であってもよい。また、金属材料やセラミック材料の粉末材料は、例えば、上述の熱可塑性樹脂、あるいは、それ以外の熱可塑性樹脂によってコーティングされていてもよい。この場合には、可塑化部１２０において、その熱可塑性樹脂が溶融して流動性が発現されるものとしてもよい。

材料供給部１１０から供給される金属材料やセラミック材料の粉末材料には、例えば、溶剤を添加することもできる。溶剤としては、例えば、水；エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等の（ポリ）アルキレングリコールモノアルキルエーテル類；酢酸エチル、酢酸ｎ－プロピル、酢酸ｉｓｏ－プロピル、酢酸ｎ－ブチル、酢酸ｉｓｏ－ブチル等の酢酸エステル類；ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類；メチルエチルケトン、アセトン、メチルイソブチルケトン、エチル－ｎ－ブチルケトン、ジイソプロピルケトン、アセチルアセトン等のケトン類；エタノール、プロパノール、ブタノール等のアルコール類；テトラアルキルアンモニウムアセテート類；ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド等のスルホキシド系溶剤；ピリジン、γ－ピコリン、２，６－ルチジン等のピリジン系溶剤；テトラアルキルアンモニウムアセテート（例えば、テトラブチルアンモニウムアセテート等）；ブチルカルビトールアセテート等のイオン液体等が挙げられる。

その他に、材料供給部１１０から供給される金属材料やセラミック材料の粉末材料には、例えば、バインダーが添加されていてもよい。バインダーとしては、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、セルロース系樹脂或いはその他の合成樹脂またはＰＬＡ、ＰＡ、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ、あるいはその他の熱可塑性樹脂が挙げられる。

上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成、例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

上述した実施形態および変形例から以下の内容が導き出される。

三次元造形装置の一態様は、
ステージと、
前記ステージの造形領域を覆い、前記ステージと対向するヒーターと、
前記造形領域に向けて造形材料を吐出するヘッドと、
前記ステージと前記ヘッドとを相対的に移動させる移動機構と、
前記ヘッドおよび前記移動機構を制御する制御部と、
を含み、
前記制御部は、
前記ヘッドおよび前記移動機構を制御して、前記ヘッドから造形材料を吐出させて第１造形層を形成させる第１造形層形成処理と、
前記ヘッドを制御して、前記ヘッドからの造形材料の吐出を停止させる吐出停止処理と、
前記吐出停止処理を行ってから所定時間が経過したか否か判定する判定処理と、
前記判定処理で前記所定時間が経過したと判定した場合に、前記ヘッドおよび前記移動機構を制御して、前記ヘッドから造形材料を吐出させて前記第１造形層上に第２造形層を形成させる第２造形層形成処理と、
を行い、
前記制御部は、前記第１造形層の造形時間に関する情報に基づいて、前記所定時間を設定する。

この三次元造形装置によれば、第２造形層が形成された場合に第１造形層の形状が崩れる可能性を小さくすることができる。

三次元造形装置の一態様において、
前記移動機構は、前記ステージと前記ヒーターとを相対的に移動させ、
前記制御部は、
前記吐出停止処理と前記判定処理との間に、前記移動機構を制御して、前記ステージと前記ヒーターと間の距離を大きくする第１移動処理と、
前記判定処理と前記第２造形層形成処理との間に、前記移動機構を制御して、前記ステージと前記ヒーターと間の距離を小さくする第２移動処理と、
を行ってもよい。

この三次元造形装置によれば、待機時間における第１造形層の放熱性を高めつつ、第１造形層と第２造形層との密着強度を高めることができる。

三次元造形装置の一態様において、
前記ヘッドのクリーニングを行うクリーニング機構を含み、
前記所定時間が前記クリーニング機構による前記ヘッドのクリーニング時間よりも長い場合に、前記制御部は、前記吐出停止処理を行ってから前記所定時間が経過するまでの間、前記クリーニング機構を制御して、前記ヘッドをクリーニングさせてもよい。

この三次元造形装置によれば、三次元造形物の造形時間を短縮することができる。

１０…ヘッド、２０…ステージ、２２…造形領域、３０…移動機構、３２…第１電動アクチュエーター、３４…第２電動アクチュエーター、３６…第３電動アクチュエーター、４０…支持部材、５０…加熱機構、５２…支持板、５４…ヒーター、５６…貫通孔、６０…制御部、７０…クリーニング機構、１００…三次元造形装置、１１０…材料供給部、１１２…供給路、１２０…可塑化部、１２２…スクリューケース、１２４…駆動モーター、１２６…シャフト、１３０…フラットスクリュー、１３１…上面、１３２…溝形成面、１３３…側面、１３４…第１溝、１３５…中央部、１３６…接続部、１３７…材料導入部、１４０…バレル、１４２…対向面、１４４…第２溝、１４６…連通孔、１４８…外周、１５０…ヒーター、１６０…ノズル、１６２…ノズル流路、１６４…ノズル開口、２００…三次元造形装置

Claims (2)

1. ステージと、
   前記ステージの造形領域を覆い、前記ステージと対向するヒーターと、
   前記造形領域に向けて造形材料を吐出するヘッドと、
   前記ステージと前記ヘッド、及び前記ステージと前記ヒーターと、を相対的に移動させ
   る移動機構と、
   前記ヘッドおよび前記移動機構を制御する制御部と、を含み、
   前記制御部は、
   前記ヘッドおよび前記移動機構を制御して、前記ヘッドから造形材料を吐出させて第１
   造形層を形成させる第１造形層形成処理と、
   前記ヘッドを制御して、前記ヘッドからの造形材料の吐出を停止させる吐出停止処理と
   、
   前記吐出停止処理を行ってから所定時間が経過したか否か判定する判定処理と、
   前記判定処理で前記所定時間が経過したと判定した場合に、前記ヘッドおよび前記移動
   機構を制御して、前記ヘッドから造形材料を吐出させて前記第１造形層上に第２造形層を
   形成させる第２造形層形成処理と、を行い、
   前記制御部は、前記第１造形層の造形時間に関する情報に基づいて、前記所定時間を設
   定し、前記吐出停止処理と前記判定処理との間に、前記移動機構を制御して、前記ステー
   ジと前記ヒーターと間の距離を大きくする第１移動処理と、前記判定処理と前記第２造形
   層形成処理との間に、前記移動機構を制御して、前記ステージと前記ヒーターと間の距離
   を小さくする第２移動処理と、を行う、三次元造形装置。
2. 請求項１において、
   前記ヘッドのクリーニングを行うクリーニング機構を含み、
   前記所定時間が前記クリーニング機構による前記ヘッドのクリーニング時間よりも長い
   場合に、前記制御部は、前記吐出停止処理を行ってから前記所定時間が経過するまでの間
   、前記クリーニング機構を制御して、前記ヘッドをクリーニングさせる、三次元造形装置
   。