JP7155950B2 - 三次元造形装置、および、三次元造形装置の制御方法 - Google Patents

Description

本開示は、三次元造形装置、および、三次元造形装置の制御方法に関する。

特許文献１に記載された三次元造形装置では、樹脂材料をヘッドに供給する材料フィード装置と、炭素繊維をヘッドに供給する繊維導入装置とを制御することによって、ヘッドへの材料の供給を停止している。

国際公開第２０１５／１８２６７５号

特許文献１に記載された装置では、材料フィード装置および繊維導入装置と、ヘッドとの間が比較的離れているため、ヘッドからの造形材料の出力および停止を応答よく制御することは困難である。そのため、造形材料の出力と停止とを応答良く行うことのできる技術が求められている。

本開示の第１の形態によれば、三次元造形物を造形する三次元造形装置が提供される。この三次元造形装置は、材料を可塑化して造形材料を生成する可塑化部と、前記造形材料を吐出するノズルと、前記可塑化部に連通する第１流路と、前記ノズルに連通する第２流路と、前記可塑化部から前記ノズルに向かう方向と交わる第１方向に沿って、前記第１流路と前記第２流路との間に設けられた貫通孔と、前記第１流路と前記第２流路とに連通可能な第３流路を有し、前記貫通孔の内部をスライド移動可能に構成された吐出制御機構と、前記可塑化部および前記吐出制御機構を制御して前記三次元造形物を造形する制御部と、を備え、前記制御部は、前記吐出制御機構をスライド移動させることで、前記吐出制御機構の動作状態を、前記第１流路と前記第２流路と前記第３流路とを連通させて前記ノズルからの前記造形材料の吐出量を調整可能な第１状態と、前記第１流路と前記第２流路と前記第３流路とを非連通にさせた第２状態と、のいずれかの状態に切り替える。

三次元造形装置の概略構成を示す説明図である。 フラットスクリューの下面側の構成を示す概略斜視図である。 スクリュー対面部の上面側を示す概略平面図である。 三次元造形物が造形される様子を模式的に示す図である。 吐出制御機構の構成を示す第１の断面模式図である。 吐出制御機構の構成を示す第２の断面模式図である。 吐出制御機構の構成を示す第３の断面模式図である。 吐出制御機構の構成を示す第４の断面模式図である。 吐出制御機構の構成を示す第５の断面模式図である。 三次元造形装置の制御方法を示すフローチャートである。 三次元造形物の一部分を模式的に示す図である。 ノズルの移動速度と造形材料の吐出量の関係を示す図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態における三次元造形装置１００の概略構成を示す説明図である。図１には、互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚ方向に沿った矢印が表されている。Ｘ方向およびＹ方向は、水平方向に沿った方向であり、Ｚ方向は、鉛直上向きの方向である。他の図においても、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に沿った矢印が、適宜、表されている。図１におけるＸ，Ｙ，Ｚ方向と、他の図におけるＸ，Ｙ，Ｚ方向とは、同じ方向を表している。

三次元造形装置１００は、制御部１０１と、造形材料を生成して吐出する造形部１１０と、三次元造形物の基台となる造形用のテーブル２１０と、造形材料の吐出位置を制御する移動機構２３０と、を備える。

制御部１０１は、三次元造形装置１００全体の動作を制御して、三次元造形物を造形する造形処理を実行する。制御部１０１は、１つ、または、複数のプロセッサーと、主記憶装置と、を備えるコンピューターによって構成される。制御部１０１は、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。なお、制御部１０１の機能の一部を、ハードウェア回路により実現するようにしてもよい。制御部１０１が実行する造形処理では、三次元造形物の造形データに従って、造形部１１０と移動機構２３０とが制御される。

造形部１１０は、制御部１０１の制御下において、溶融されたペースト状の造形材料をテーブル２１０上の目標位置に吐出する。造形部１１０は、造形材料に転化される前の材料ＭＲの供給源である材料供給部２０と、材料ＭＲを造形材料へと転化させる可塑化部３０と、造形材料をテーブル２１０に向けて吐出する吐出口６２を有するノズル６１と、ノズル６１からの造形材料の吐出量を制御する吐出制御機構７０と、可塑化部３０に連通する第１流路６５と、ノズル６１に連通する第２流路６６とを備える。

材料供給部２０は、可塑化部３０に、造形材料を生成するための材料ＭＲを供給する。材料供給部２０は、例えば、材料ＭＲを収容するホッパーによって構成される。材料供給部２０は、連通路２２を介して、可塑化部３０に接続されている。材料ＭＲは、例えば、ペレットや粉末等の形態で材料供給部２０に投入される。材料ＭＲの詳細については後述する。

可塑化部３０は、材料供給部２０から供給された材料ＭＲの少なくとも一部を可塑化して流動性を発現させたペースト状の造形材料を生成し、ノズル６１へと導く。可塑化部３０は、スクリューケース３１と、駆動モーター３２と、フラットスクリュー４０と、スクリュー対面部５０と、を有する。フラットスクリュー４０は、「スクロール」とも呼ばれる。スクリュー対面部５０は、「バレル」とも呼ばれる。可塑化部３０は、材料ＭＲの全部を可塑化してもよいし、例えば、材料ＭＲが複数の成分を含む場合には、その一部の成分を可塑化してもよい。図１には、可塑化部３０の断面構成を概略的に示しており、断面部分を示すハッチングは適宜省略している。

フラットスクリュー４０は、その中心軸ＲＸに沿った高さが直径よりも小さい略円柱状を有する。本実施形態において、フラットスクリュー４０は、その中心軸ＲＸがＺ方向に平行になるように配置される。

フラットスクリュー４０は、スクリューケース３１内に収納されている。フラットスクリュー４０の上面４７側は駆動モーター３２に連結されており、フラットスクリュー４０は、駆動モーター３２が発生させる回転駆動力によって、スクリューケース３１内において中心軸ＲＸを中心に回転する。駆動モーター３２は、制御部１０１の制御下において駆動する。

フラットスクリュー４０の下面４８には、溝部４２が形成されている。上述した材料供給部２０の連通路２２は、フラットスクリュー４０の側面から溝部４２に連通する。

フラットスクリュー４０の下面４８は、スクリュー対面部５０の上面５２に面している。フラットスクリュー４０の下面４８の溝部４２と、スクリュー対面部５０の上面５２との間には空間が形成される。この空間には、材料供給部２０から材料ＭＲが供給される。フラットスクリュー４０および溝部４２の具体的な構成については後述する。

スクリュー対面部５０には、材料ＭＲを加熱するためのヒーター５８が埋め込まれている。フラットスクリュー４０の溝部４２に供給された材料ＭＲは、溝部４２において溶融されながら、フラットスクリュー４０の回転によって溝部４２に沿って流動し、造形材料としてフラットスクリュー４０の中央部４６へと導かれる。中央部４６に流入したペースト状の造形材料は、スクリュー対面部５０の中心に設けられた連通孔５６を介してノズル６１に供給される。なお、造形材料において、造形材料を構成する全ての種類の物質が溶融していなくてもよい。造形材料は、造形材料を構成する物質のうちの少なくとも一部の種類の物質が溶融することによって、全体として流動性を有する状態に転化されていればよい。

ノズル６１は、可塑化部３０において生成された造形材料を、先端の吐出口６２からテーブル２１０に向かって吐出する。

吐出制御機構７０は、可塑化部３０に連通する第１流路６５とノズル６１に連通する第２流路６６とに連通可能な第３流路７３を有している。三次元造形装置１００の筐体には、可塑化部３０からノズル６１に向かう方向と交わる第１方向に沿って、第１流路６５と第２流路６６との間に、貫通孔７２が形成されている。吐出制御機構７０は、貫通孔７２の内部を、スライド移動可能に構成されている。可塑化部３０からノズル６１に向かう方向は、本実施形態では、－Ｚ方向である。第１方向は、本実施形態では、－Ｘ方向であり、第１方向とは逆の方向である第２方向は、＋Ｘ方向である。第１方向は、Ｘ方向に対して傾斜していてもよい。吐出制御機構７０には、駆動部７１が接続されている。駆動部７１は、制御部１０１の制御下において、吐出制御機構７０をスライド移動させる。駆動部７１は、例えば、ステッピングモーターと、ステッピングモーターの回転力を吐出制御機構７０の並進運動に変換するラックアンドピニオン機構やボールねじ機構とによって構成される。

テーブル２１０は、ノズル６１の吐出口６２に対向する位置に配置されている。本実施形態では、ノズル６１の吐出口６２に対向するテーブル２１０の上面２１１は、水平に、つまり、Ｘ，Ｙ方向に平行に、配置される。

移動機構２３０は、テーブル２１０とノズル６１との相対的な位置を変更可能に構成されている。本実施形態では、ノズル６１の位置が固定されており、移動機構２３０は、テーブル２１０を移動させる。移動機構２３０は、３つのモーターの駆動力によって、テーブル２１０をＸ，Ｙ，Ｚ方向の３軸方向に移動させる３軸ポジショナーによって構成される。移動機構２３０は、制御部１０１の制御下において、ノズル６１とテーブル２１０との相対的な位置関係を変更する。

なお、他の実施形態では、移動機構２３０によってテーブル２１０を移動させる構成の代わりに、テーブル２１０の位置が固定された状態で、移動機構２３０がテーブル２１０に対してノズル６１を移動させる構成が採用されてもよい。また、移動機構２３０によってテーブル２１０をＺ方向に移動させ、ノズル６１をＸ，Ｙ方向に移動させる構成や、移動機構２３０によってテーブル２１０をＸ，Ｙ方向に移動させ、ノズル６１をＺ方向に移動させる構成が採用されてもよい。これらの構成であっても、ノズル６１とテーブル２１０との相対的な位置関係が変更可能である。

以下においては、特に断らない限り、「ノズル６１の移動」あるいは「ノズル６１の走査」は、テーブル２１０に対するノズル６１の相対的な位置の変化を意味する。また、「ノズル６１の移動速度」というときは、テーブル２１０に対するノズル６１の相対的な速度を意味する。

図２は、フラットスクリュー４０の下面４８側の構成を示す概略斜視図である。図２には、フラットスクリュー４０の中心軸ＲＸの位置が一点鎖線で示されている。図１を参照して説明したように、スクリュー対面部５０に対向するフラットスクリュー４０の下面４８には、溝部４２が設けられている。以下、下面４８を、「溝形成面４８」とも呼ぶ。

フラットスクリュー４０の溝形成面４８の中央部４６は、溝部４２の一端が接続されている凹部として構成されている。中央部４６は、図１に示されているスクリュー対面部５０の連通孔５６に対向する。第１実施形態では、中央部４６は、中心軸ＲＸと交差する。

フラットスクリュー４０の溝部４２は、いわゆるスクロール溝を構成する。溝部４２は、中央部４６から、フラットスクリュー４０の外周に向かって弧を描くように渦状に延びている。溝部４２は、螺旋状に延びるように構成されてもよい。溝形成面４８には、溝部４２の側壁部を構成し、各溝部４２に沿って延びている凸条部４３が設けられている。

溝部４２は、フラットスクリュー４０の側面に形成された材料流入口４４まで連続している。この材料流入口４４は、材料供給部２０の連通路２２を介して供給された材料ＭＲを受け入れる部分である。

図２には、３つの溝部４２と、３つの凸条部４３と、を有するフラットスクリュー４０の例が示されている。フラットスクリュー４０に設けられる溝部４２や凸条部４３の数は、３つには限定されない。フラットスクリュー４０には、１つの溝部４２のみが設けられていてもよいし、２以上の複数の溝部４２が設けられていてもよい。また、溝部４２の数に合わせて任意の数の凸条部４３が設けられてもよい。

図２には、材料流入口４４が３箇所に形成されているフラットスクリュー４０の例が図示されている。フラットスクリュー４０に設けられる材料流入口４４の数は、３箇所に限定されない。フラットスクリュー４０には、材料流入口４４が１箇所にのみ設けられていてもよいし、２箇所以上の複数の箇所に設けられていてもよい。

図３は、スクリュー対面部５０の上面５２側を示す概略平面図である。スクリュー対面部５０の上面５２は、上述したように、フラットスクリュー４０の溝形成面４８に対向する。以下、この上面５２を、「スクリュー対向面５２」とも呼ぶ。スクリュー対向面５２の中心には、造形材料をノズル６１に供給するための上述した連通孔５６が形成されている。

スクリュー対向面５２には、連通孔５６に接続され、連通孔５６から外周に向かって渦状に延びている複数の案内溝５４が形成されている。複数の案内溝５４は、フラットスクリュー４０の中央部４６に流入した造形材料を連通孔５６に導く機能を有する。図１を参照して説明したように、スクリュー対面部５０には、ヒーター５８が埋め込まれている。可塑化部３０における材料ＭＲの溶融は、ヒーター５８による加熱と、フラットスクリュー４０の回転と、によって実現される。

フラットスクリュー４０が回転すると、材料流入口４４から供給された材料ＭＲが、溝部４２に誘導されて、溝部４２内において加熱されながら中央部４６に向かって移動する。材料ＭＲは、中央部４６に近づくほど、溶融し、流動性が高まっていき、造形材料へと転化する。中央部４６に集められた造形材料は、中央部４６で生じる内圧により連通孔５６から第１流路６５に流出し、ノズル６１へと導かれ、吐出口６２から吐出される。

図４は、三次元造形装置１００によって三次元造形物が造形される様子を模式的に示す図である。三次元造形装置１００では、上述したように、可塑化部３０において造形材料ＭＭが生成される。そして、移動機構２３０によって、テーブル２１０の上面２１１に沿った方向にノズル６１を移動させながら、テーブル２１０の上面２１１に向かって、ノズル６１から造形材料ＭＭが吐出される。

ここで、テーブル２１０の上面２１１に対してノズル６１が同一の高さ位置にあるとき造形処理によって吐出された造形材料ＭＭによって構成される層を「造形層ＭＬ」と呼ぶ。制御部１０１は、ノズル６１の位置をＺ方向に移動させ、これまでの造形処理で形成された造形層ＭＬの上に、次の造形処理によって、さらに造形材料ＭＭを積み重ねることによって、三次元造形物を造形していく。つまり、三次元造形装置１００は、造形層ＭＬを何層にも積層することによって三次元造形物を製造する。

造形層ＭＬを形成する際には、ノズル６１の先端と、ノズル６１の直下の位置近傍においてノズル６１から吐出された造形材料ＭＭが堆積される予定部位ＭＬｔとの間に、下記のギャップＧが保持されていることが望ましい。造形材料ＭＭが造形層ＭＬの上に吐出される場合には、造形材料ＭＭが吐出される予定部位ＭＬｔは、ノズル６１の下に位置する造形層ＭＬの上面である。

ギャップＧの大きさは、ノズル６１の吐出口６２における孔径Ｄｎ以上とすることが望ましく、孔径Ｄｎの１．１倍以上とすることがより好ましい。こうすれば、ノズル６１の吐出口６２から吐出される造形材料ＭＭが、予定部位ＭＬｔに押しつけられない自由な状態で積層される。この結果、ノズル６１から吐出された造形材料ＭＭの横断面形状が潰れてしまうことを抑制でき、三次元造形物の面粗さを低減することが可能である。また、ノズル６１の周囲にヒーターが設けられた構成においては、ギャップＧを形成することにより、当該ヒーターによる造形材料ＭＭの過熱を防止でき、堆積後の造形材料ＭＭの過熱による変色や劣化が抑制される。一方、ギャップＧの大きさは、孔径Ｄｎの１．５倍以下とすることが好ましく、１．３倍以下とすることが特に好ましい。これによって、予定部位ＭＬｔに対する造形材料ＭＭの吐出位置の位置ずれや、造形層ＭＬ同士の密着性の低下が抑制される。

図５は、吐出制御機構７０の構成を示す第１の断面模式図である。図５では、吐出制御機構７０以外の部分のハッチングを適宜省略している。吐出制御機構７０は、三次元造形装置１００の第１流路６５および第２流路６６の間を、Ｘ方向に沿って貫くように配置された円柱体である。三次元造形装置１００の筐体には、吐出制御機構７０が挿通される貫通孔７２が、Ｘ方向に沿って設けられている。吐出制御機構７０には、第１流路６５と第２流路６６とに接続可能な位置に、第３流路７３がＺ方向に沿って設けられている。本実施形態では、第１流路６５と第２流路６６と第３流路７３との流路断面積は同一である。図５には、第１流路６５と第２流路６６と第３流路７３とが、Ｚ方向に沿って、完全に連通した状態を示している。図２に示した状態では、可塑化部３０から供給された造形材料が、ノズル６１から最大の流量で吐出される。

吐出制御機構７０は、第２流路６６側に凹部７４を有する。凹部７４は、第３流路７３から－Ｘ方向に所定の間隔を空けて配置されている。この間隔は、第３流路７３の直径よりも小さい。凹部７４の－Ｘ方向側の端部は、外部に開放されている。貫通孔７２の内部には、凹部７４に嵌まる凸部７５が形成されている。凸部７５は、第３流路７３が第１流路６５と第２流路６６とに最も大きな開度で連通した状態で凹部７４に丁度嵌まり込む。この凸部７５は、貫通孔７２内に固定されており不動である。凸部７５と第３流路７３との間、換言すれば、凹部７４と第３流路７３との間には、壁部７６が吐出制御機構７０に形成されている。壁部７６は、第３流路７３の内壁の一部である。この壁部７６は、凸部７５に＋Ｘ方向側から接触する。そのため、凸部７５は、吐出制御機構７０の－Ｘ方向への移動を規制する規制部として働く。

図６は、吐出制御機構７０の構成を示す第２の断面模式図である。図６には、吐出制御機構７０が＋Ｘ方向にスライド移動した様子を示している。図６に示したように、吐出制御機構７０がスライド移動すると、第３流路７３のＸ方向における位置が、第１流路６５および第２流路６６からずれるため、流路抵抗が大きくなる。そのため、制御部１０１は、駆動部７１を駆動して吐出制御機構７０のスライド移動量を調整することにより、そのスライド移動量に応じて、ノズル６１から吐出される造形材料の流量を調整できる。吐出制御機構７０が＋Ｘ方向にスライド移動されると、凹部７４が、第２流路６６に連通する。そのため、凹部７４には、第２流路６６内の一部の造形材料が流れ込む。吐出制御機構７０が＋Ｘ方向にスライド移動されると、吐出制御機構７０のスライド移動量に応じて、凹部７４に凸部７５が嵌まるＸ方向の位置が相対的に変化し、壁部７６と凸部７５との間の距離が長くなる。そのため、制御部１０１は、吐出制御機構７０を＋Ｘ方向に移動させることにより、凹部７４に凸部７５が嵌まる位置を相対的に変化させ、かつ、凹部７４の第２流路６６に連通する容積を変化させることができる。

図７は、吐出制御機構７０の構成を示す第３の断面模式図である。図７には、吐出制御機構７０を＋Ｘ方向にスライド移動させた結果、第１流路６５と第２流路６６と第３流路７３とが非連通状態になった様子を示している。図７に示すように、第３流路７３が貫通孔７２内に引き込まれて、第１流路６５と第２流路６６と第３流路７３とが非連通状態になると、可塑化部３０からノズル６１に造形材料が流れなくなるため、ノズル６１からの造形材料の吐出が停止される。さらに、本実施形態では、凹部７４が貫通孔７２内に入り込むように吐出制御機構７０を＋Ｘ方向に更にスライド移動させることで、凹部７４内に負圧が発生する。そのため、第２流路６６内の造形材料の少なくとも一部が凹部７４に引き込まれ、ノズル６１から吐出された造形材料の尾切りを行うことができる。

図８は、吐出制御機構７０の構成を示す第４の断面模式図である。凹部７４内に造形材料を引き込んだ後、吐出制御機構７０を－Ｘ方向にスライド移動させると、第１流路６５からノズル６１への造形材料の供給が停止された状態で、凹部７４からノズル６１に向けて造形材料が供給される。

図９は、吐出制御機構７０の構成を示す第５の断面模式図である。図８に示した状態から、吐出制御機構７０を－Ｘ方向に更にスライド移動させると、図９に示すように、第１流路６５と第２流路６６と第３流路７３とが連通する状態となる。すると、凹部７４からの材料供給が徐々に行われなくなり、第１流路６５から第３流路７３を通ってノズル６１に造形材料が供給される。

以上で説明したように、本実施形態の吐出制御機構７０は、（１）ノズル６１からの造形材料の出力をオン／オフする機能と、（２）造形材料の吐出量を調整する機能と、（３）ノズル６１からの造形材料の吸引およびノズル６１への造形材料の供給を行うプランジャーとしての機能と、の３つの機能を兼ね備えている。

制御部１０１は、上述した吐出制御機構７０をスライド移動させることで、吐出制御機構７０の動作状態を第１状態と第２状態とに切り替える。第１状態とは、第１流路６５と第２流路６６と第３流路７３とを連通させてノズル６１からの造形材料の吐出量を調整可能な状態である。第２状態とは、第１流路６５と第２流路６６と第３流路７３とを非連通にさせた状態である。本実施形態では、制御部１０１は、吐出制御機構７０を＋Ｘ方向にスライド移動させて、吐出制御機構７０の動作状態を、第１状態から第２状態に切り替え、吐出制御機構７０を更に＋Ｘ方向にスライド移動させることで、凹部７４内に第２流路６６内の造形材料の少なくとも一部を流入させる。そして、本実施形態では、制御部１０１は、吐出制御機構７０を－Ｘ方向にスライド移動させて、凹部７４内に流入した造形材料の少なくとも一部を第２流路６６に流出させ、吐出制御機構７０を更に－Ｘ方向にスライド移動させることで、吐出制御機構７０の動作状態を第２状態から第１状態に切り替える。このような制御部１０１の制御内容について、以下、フローチャートを参照して詳細に説明する。

図１０は、三次元造形装置１００の制御方法を示すフローチャートである。図１１は、三次元造形物ＯＢの一部分を模式的に示す図である。図１２は、ノズル６１の移動速度と造形材料の吐出量の関係を示す図である。

図１０に示す制御方法は、三次元造形装置１００の制御部１０１が、主記憶装置に読み込んだ造形プログラムを実行することによって実現される。図１０に示すフローチャートは、ノズル６１からの造形材料の吐出が開始されてからその吐出が停止されるまでに相当するフローチャートであり、実際には、図１０に示すフローチャートが繰り返し実行されることによって、三次元造形物の全体が造形される。なお、この制御方法が開始されるにあたり、吐出制御機構７０の動作状態は第２状態、すなわち、第１流路６５と第２流路６６と第３流路７３とを非連通にさせた状態であり、凹部７４には、第２流路６６から造形材料が吸引されて貯留されている状態であるものとする。このような状態は、ノズル６１を所定の場所に移動させて造形材料を廃棄させながら吐出制御機構７０の動作状態を、前述した第１状態から第２状態にすることで生じさせることができる。また、以下で説明する一連の処理が終了する際にも上記のような状態となる。

制御部１０１は、造形材料の吐出を開始あるいは再開するにあたり、まず、ステップＳ１０において、吐出制御機構７０を－Ｘ方向にスライド移動させることで、凹部７４に貯留されている一部の造形材料を押し出し、ステップＳ２０において、予め定められた期間、待機する。図１１では、「ＳＴＡＲＴ」と示された位置において造形材料の押し出しが行われる。ステップＳ２０における待機期間は、凹部７４から押し出された造形材料がテーブル２１０、あるいは、造形済みの造形層ＭＬに着弾するのに要する期間であり、予め定められた期間である。テーブル２１０および造形済みの造形層のことを、以下では、「テーブル２１０等」という。ステップＳ１０において凹部７４から押し出す造形材料の量は、例えば、凹部７４に貯留されている造形材料の５０質量％である。この量は、テーブル２１０等に積層される際の造形材料の太さと上述したギャップＧに応じて予め定められている。なお、吐出された造形材料の太さのことを、「線幅」ともいう。制御部１０１は、駆動部７１を制御して、吐出制御機構７０のスライド移動量を制御することにより、造形材料の押出量を調整することができる。

ステップＳ２０における待機が完了した後、ステップＳ３０において、制御部１０１は、造形データに従って、ノズル６１の移動を開始する。造形データには、例えば、ノズル６１の移動経路とノズル６１の移動速度を表す情報が含まれている。ノズル６１の移動開始と同時、または、ノズル６１の移動開始直後に、制御部１０１は、ステップＳ４０において、吐出制御機構７０を－Ｘ方向に更にスライド移動させることにより、凹部７４から、凹部７４に貯留された残りの造形材料を押し出すとともに、第３流路７３を第１流路６５および第２流路６６に連通させて、可塑化部３０からノズル６１への造形材料の供給を開始させる。ステップＳ３０においてノズル６１の移動が開始された直後には、ノズル６１の移動速度は比較的遅い速度であり、ステップＳ４０以降、ノズル６１の移動速度は、三次元造形物ＯＢの直線部分において比較的速い速度となる。ノズル６１の移動速度は、三次元造形物ＯＢの角部において遅くなる。

上記ステップＳ４０において、制御部１０１は、吐出制御機構７０のスライド移動量を調整することにより、造形材料の吐出量を制御する。本実施形態では、制御部１０１は、図１２に示すように、ノズル６１の移動速度が速いほど、ノズル６１からの造形材料の吐出量が多くなるように、吐出制御機構７０のスライド移動量を制御する。吐出制御機構７０の壁部７６が凸部７５に接触する位置から＋Ｘ方向へのスライド移動量が大きいほど、造形材料の吐出量は少なくなる。造形材料の吐出量とは、ノズル６１から吐出される造形材料の流量であり、単位時間あたりにノズル６１から吐出される造形材料の量である。ノズル６１の移動速度は、造形データによって指定された値を造形データから取得することで特定できる。なお、他の実施形態では、移動機構２３０にロータリーエンコーダーや速度センサー、加速度センサーを設けることによってノズル６１の移動速度を測定してもよい。

ステップＳ５０において、制御部１０１は、現在のノズル６１の位置が、造形データによって表されるノズル６１の移動経路の末端付近であるか否かを判断する。「移動経路の末端付近」については後述する。ノズル６１の位置が、ノズル６１の移動経路の末端付近ではないと判断された場合、制御部１０１は、ステップＳ６０において、ノズル６１の移動速度を特定し、ステップＳ７０において、特定された移動速度に応じて、吐出制御機構７０のスライド移動量を調整して、造形材料の吐出量を制御する。

上記ステップＳ４０およびステップＳ７０において、制御部１０１は、ノズル６１の移動速度が変化する前後での、三次元造形物における単位体積当たりの造形材料の吐出量が一定となるように吐出量を制御する。つまり、本実施形態では、例えば、図１１において、ノズル６１の移動速度が異なる「Ｓｌｏｗ」と示した部分と「Ｆａｓｔ」と示した部分の一定距離において、テーブル２１０等に吐出された造形材料の線幅が変動しないように、制御部１０１は、吐出制御機構７０を制御して吐出量の制御を行う。

上記ステップＳ５０において、ノズル６１の位置が、ノズル６１の移動経路の末端付近であると判断された場合、制御部１０１は、ステップＳ８０において、吐出制御機構７０を制御し、第１流路６５と第２流路６６と第３流路７３とを非連通状態として、可塑化部３０からノズル６１への造形材料の流通を停止させる。そして、制御部１０１は、ステップＳ９０において、ノズル６１の移動を停止させるとともに、吐出制御機構７０を制御して第２流路６６内の造形材料の一部を凹部７４に吸引する。「移動経路の末端付近」とは、移動経路の末端から、その経路に沿って、予め定められた距離だけ遡った位置である。遡る距離は、上記ステップＳ８０において第１流路６５と第２流路６６と第３流路７３とが非連通状態となってから上記ステップＳ９０において凹部７４によって造形材料が吸引されるまでにノズル６１から吐出される造形材料の量を予め実験あるいは計算によって求めておき、その量によって造形することのできる距離である。

制御部１０１は、上述した三次元造形装置の制御方法を、造形データに記録された全ての移動経路について実行することによって、三次元造形物全体を製造する。

以上で説明した本実施形態の三次元造形装置１００によれば、フラットスクリュー４０の回転数を制御するのではなく、ノズル６１の近傍に設けられた吐出制御機構７０をスライド移動させるだけで、ノズル６１からの造形材料の吐出制御を行うことができる。そのため、簡易な構成により、造形材料の出力と停止とを応答良く行うことができる。

また、本実施形態では、吐出制御機構７０のスライド移動量に応じて容積が変化する凹部７４が吐出制御機構７０に備えられている。そのため、吐出制御機構７０のスライド移動量を調整することにより、凹部７４から造形材料を流出させたり、凹部７４に対して造形材料を流入させたりすることができ、造形材料の出力と停止とをより応答良く行うことができる。

また、本実施形態では、吐出制御機構７０をスライド移動させて、第１流路６５と第２流路６６と第３流路７３とを非連通状態に切り替え、その後、更に吐出制御機構７０をスライド移動させることで、凹部７４内に第２流路６６内の造形材料を流入させる。これにより、ノズル６１から吐出された造形材料がノズル６１内に引き込まれることになり、造形材料が尾切りされる。従って、造形材料が過剰に吐出されることを抑制できる。

また、本実施形態では、第１流路６５と第２流路６６と第３流路７３とを非連通状態から連通状態に切り替えるのに先立ち、吐出制御機構７０をスライド移動させることで、凹部７４内の造形材料を第２流路６６に流出させる。そのため、可塑化部３０からノズル６１に造形材料が供給されるよりも早く、凹部７４からノズル６１に造形材料が供給される。従って、造形材料の出力をより応答良く行うことができる。

また、本実施形態の三次元造形装置１００では、ノズル６１の移動速度に応じて吐出制御機構７０のスライド移動量を制御して、ノズル６１の移動速度が変化する前後での、三次元造形物における単位体積当たりの造形材料の吐出量が一定となるように造形材料の吐出量を制御する。そのため、例えば、三次元造形物の端部や角部など、ノズル６１の移動速度が変化する部分において、テーブル２１０等に積層される造形材料の線幅が変動することを抑制できる。そのため、三次元造形物の造形精度を向上させることができる。

また、本実施形態では、可塑化部３０にフラットスクリュー４０を採用しているので、三次元造形装置１００を小型化することが可能になる。

ここで、上述した三次元造形装置１００において用いられる三次元造形物の材料について説明する。三次元造形装置１００では、例えば、熱可塑性を有する材料や、金属材料、セラミック材料等の種々の材料を主材料として三次元造形物を造形することができる。ここで、「主材料」とは、三次元造形物の形状を形作っている中心となる材料を意味し、三次元造形物において５０重量％以上の含有率を占める材料を意味する。上述した造形材料には、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。

主材料として熱可塑性を有する材料を用いる場合には、可塑化部３０において、当該材料が可塑化することによって造形材料が生成される。「可塑化」とは、熱可塑性を有する材料に熱が加わり溶融することを意味する。

熱可塑性を有する材料としては、例えば、下記の熱可塑性樹脂材料を用いることができる。
＜熱可塑性樹脂材料の例＞
ポリプロピレン樹脂（ＰＰ）、ポリエチレン樹脂（ＰＥ）、ポリアセタール樹脂（ＰＯＭ）、ポリ塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）、ポリアミド樹脂（ＰＡ）、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂（ＡＢＳ）、ポリ乳酸樹脂（ＰＬＡ）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、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などの汎用エンジニアリングプラスチック、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリアリレート、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトンなどのエンジニアリングプラスチック

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３０において、フラットスクリュー４０の回転とヒーター５８の加熱によって可塑化されて溶融した状態に転化される。熱可塑性を有する材料の溶融によって生成された造形材料は、ノズル６１から吐出された後、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６１から射出されることが望ましい。例えば、ＡＢＳ樹脂は、ガラス転移点が約１２０℃であり、ノズル６１からの吐出時には約２００℃であることが望ましい。このように高温の状態で造形材料を吐出するために、ノズル６１の周囲にはヒーターが設けられてもよい。

三次元造形装置１００では、上述した熱可塑性を有する材料の代わりに、例えば、以下の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、下記の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、材料ＭＲとして可塑化部３０に投入されることが望ましい。
＜金属材料の例＞
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
＜前記合金の例＞
マルエージング鋼、ステンレス、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

三次元造形装置１００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スや、窒化アルミニウムなどの非酸化物セラミックスなどが使用可能である。主材料として、上述したような金属材料やセラミック材料を用いる場合には、テーブル２１０に配置された造形材料は焼結によって硬化されてもよい。

材料供給部２０に材料ＭＲとして投入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、上で例示したような熱可塑性樹脂、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３０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２０に材料ＭＲとして投入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、以下のような溶剤を添加することもできる。溶剤は、下記の中から選択される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。
＜溶剤の例＞
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

その他に、材料供給部２０に材料ＭＲとして投入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、以下のようなバインダーを添加することもできる。
＜バインダーの例＞
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又はＰＬＡ（ポリ乳酸）、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）或いはその他の熱可塑性樹脂。

Ｂ．他の実施形態：
（Ｂ－１）三次元造形装置１００は、フラットスクリュー４０によって材料を可塑化するものに限られない。例えば、三次元造形装置１００は、フラットスクリュー４０ではなく、インラインスクリューを回転させることによって材料を可塑化するものであってもよい。

（Ｂ－２）上記実施形態の吐出制御機構７０は円柱状である。しかし、吐出制御機構７０の形状は、これに限られない。第３流路７３が形成可能な形状であれば、吐出制御機構７０は、板状であってもよいし、角棒状であってもよい。

（Ｂ－３）上記実施形態において、ノズル６１の先端と、造形材料ＭＭが堆積される予定部位ＭＬｔとの間のギャップＧは、ノズル６１の吐出口６２における孔径Ｄｎ未満でもよい。この場合、ノズル６１の吐出口６２から吐出される造形材料ＭＭが、予定部位ＭＬｔに押しつけられ、隣接する位置にすでに配置されている造形材料の壁面や、下層にすでに配置されている造形材料の壁面に追従させながら材料を積層できる。この結果、積層される予定部位ＭＬｔの近傍の空隙を埋めるようにして造形材料を積層されるので、空隙率の小さい三次元造形物が得られ、三次元造形物の強度を向上できる。

（Ｂ－４）上記実施形態において、吐出制御機構７０は凹部７４を備えていなくてもよい。吐出制御機構７０が凹部７４を備えていない場合であっても、制御部１０１は、吐出制御機構７０をスライド移動させるだけで、造形材料の吐出制御を行うことができる。そのため、造形材料の出力と停止とを応答良く行うことが可能である。

Ｃ．他の形態：
本開示は、上述の各実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態によって実現することができる。例えば、本開示は以下の形態として実現可能である。以下に記載する各形態中の技術的特徴に対応する上記の各実施形態中の技術的特徴は、本開示の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、本開示の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中において必須であると説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

（１）本開示の第１の形態によれば、三次元造形物を造形する三次元造形装置が提供される。この三次元造形装置は、材料を可塑化して造形材料を生成する可塑化部と、前記造形材料を吐出するノズルと、前記可塑化部に連通する第１流路と、前記ノズルに連通する第２流路と、前記可塑化部から前記ノズルに向かう方向と交わる第１方向に沿って、前記第１流路と前記第２流路との間に設けられた貫通孔と、前記第１流路と前記第２流路とに連通可能な第３流路を有し、前記貫通孔の内部をスライド移動可能に構成された吐出制御機構と、前記可塑化部および前記吐出制御機構を制御して前記三次元造形物を造形する制御部と、を備え、前記制御部は、前記吐出制御機構をスライド移動させることで、前記吐出制御機構の動作状態を、前記第１流路と前記第２流路と前記第３流路とを連通させて前記ノズルからの前記造形材料の吐出量を調整可能な第１状態と、前記第１流路と前記第２流路と前記第３流路とを非連通にさせた第２状態と、のいずれかの状態に切り替える。
このような形態の三次元造形装置によれば、吐出制御機構をスライド移動させるだけで、ノズルからの造形材料の吐出制御を行うことができる。そのため、造形材料の出力と停止とを応答良く行うことができる。

（２）上記形態の三次元造形装置において、前記吐出制御機構は、前記第２流路側に、前記第３流路から前記第１方向に間隔を空けて配置された凹部を有し、前記凹部に嵌まる凸部を前記貫通孔の内部に備え、前記制御部は、前記吐出制御機構を前記第１方向とは逆方向の第２方向に移動させて、前記凹部に前記凸部が嵌まる位置を相対的に変化させ、かつ、前記凹部の前記第２流路に連通する容積を変化させてもよい。このような形態の三次元造形装置によれば、吐出制御機構のスライド移動量を調整することにより、凹部から第２流路に造形材料を流出させたり、凹部に対して第２流路から造形材料を流入させたりすることができる。そのため、造形材料の出力と停止とをより応答良く行うことができる。

（３）上記形態の三次元造形装置において、前記制御部は、前記吐出制御機構を前記第２方向にスライド移動させて、前記動作状態を、前記第１状態から前記第２状態に切り替え、前記吐出制御機構を更に前記第２方向にスライド移動させることで、前記凹部内に前記第２流路内の前記造形材料の少なくとも一部を流入させてもよい。このような形態の三次元造形物によれば、造形材料が過剰に出力されることを抑制できる。

（４）上記形態の三次元造形装置において、前記制御部は、前記吐出制御機構を前記第１方向にスライド移動させて、前記凹部内に流入した前記造形材料の少なくとも一部を前記第２流路に流出させ、前記吐出制御機構を更に前記第１方向にスライド移動させることで、前記動作状態を、前記第２状態から前記第１状態に切り替えてもよい。このような形態の三次元造形物によれば、造形材料の出力をより応答良く行うことができる。

（５）上記形態の三次元造形装置において、前記可塑化部は、溝部が形成された溝形成面を有するフラットスクリューと、前記フラットスクリューの前記溝形成面に対向する対向面を有し、前記対向面に連通孔が形成され、ヒーターを有するバレルと、を備え、前記可塑化部は、前記フラットスクリューの回転と前記ヒーターによる加熱とにより前記材料の少なくとも一部を溶融させて前記造形材料を生成し、前記連通孔から前記第１流路に前記造形材料を流出させてもよい。このような形態であれば、三次元造形装置を小型化することができる。

本開示は、上述した三次元造形装置としての形態に限らず、種々の形態で実現可能である。例えば、三次元造形装置の制御方法や、三次元造形方法、三次元造形物を造形するためのコンピュータープログラム、コンピュータープログラムを記録した一時的でない有形な記録媒体等の形態で実現することができる。

２０…材料供給部、２２…連通路、３０…可塑化部、３１…スクリューケース、３２…駆動モーター、４０…フラットスクリュー、４２…溝部、４３…凸条部、４４…材料流入口、４６…中央部、４７…上面、４８…下面、５０…スクリュー対面部、５２…上面、５４…案内溝、５６…連通孔、５８…ヒーター、６１…ノズル、６２…吐出口、６５…第１流路、６６…第２流路、７０…吐出制御機構、７１…駆動部、７２…貫通孔、７３…第３流路、７４…凹部、７５…凸部、７６…壁部、１００…三次元造形装置、１０１…制御部、１１０…造形部、２１０…テーブル、２１１…上面、２３０…移動機構、Ｇ…ギャップ、ＭＬ…造形層、ＭＬｔ…予定部位、ＭＭ…造形材料、ＭＲ…材料、ＯＢ…三次元造形物、ＲＸ…中心軸

Claims (5)

1. 三次元造形物を造形する三次元造形装置であって、
   材料を可塑化して造形材料を生成する可塑化部と、
   前記造形材料を吐出するノズルと、
   前記可塑化部に連通する第１流路と、
   前記ノズルに連通する第２流路と、
   前記可塑化部から前記ノズルに向かう方向と交わる第１方向に沿って、前記第１流路と前記第２流路との間に設けられた貫通孔と、
   前記第１流路と前記第２流路とに連通可能な第３流路を有し、前記貫通孔の内部をスライド移動可能に構成された吐出制御機構と、
   前記可塑化部および前記吐出制御機構を制御して前記三次元造形物を造形する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記吐出制御機構をスライド移動させることで、前記吐出制御機構の動作状態を、
   前記第１流路と前記第２流路と前記第３流路とを連通させて前記ノズルからの前記造形材料の吐出量を調整可能な第１状態と、
   前記第１流路と前記第２流路と前記第３流路とを非連通にさせた第２状態と、
   のいずれかの状態に切り替え、
   前記吐出制御機構は、前記第２流路側に、前記第３流路から前記第１方向に間隔を空けて配置された凹部を有し、
   前記凹部に嵌まる凸部を前記貫通孔の内部に備え、
   前記凸部は、前記貫通孔の内部に固定されており、
   前記制御部は、前記吐出制御機構を前記第１方向とは逆方向の第２方向に移動させて、前記凹部の前記第２流路に連通する容積を変化させる、
   三次元造形装置。
2. 請求項１に記載の三次元造形装置であって、
   前記制御部は、前記吐出制御機構を前記第２方向にスライド移動させて、前記動作状態を、前記第１状態から前記第２状態に切り替え、前記吐出制御機構を更に前記第２方向にスライド移動させることで、前記凹部内に前記第２流路内の前記造形材料の少なくとも一部を流入させる、三次元造形装置。
3. 請求項２に記載の三次元造形装置であって、
   前記制御部は、前記吐出制御機構を前記第１方向にスライド移動させて、前記凹部内に流入した前記造形材料の少なくとも一部を前記第２流路に流出させ、前記吐出制御機構を更に前記第１方向にスライド移動させることで、前記動作状態を、前記第２状態から前記第１状態に切り替える、三次元造形装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の三次元造形装置であって、
   前記可塑化部は、
   溝部が形成された溝形成面を有するフラットスクリューと、
   前記フラットスクリューの前記溝形成面に対向する対向面を有し、前記対向面に連通孔が形成され、ヒーターを有するバレルと、を備え、
   前記可塑化部は、前記フラットスクリューの回転と前記ヒーターによる加熱とにより前記材料の少なくとも一部を溶融させて前記造形材料を生成し、前記連通孔から前記第１流路に前記造形材料を流出させる、三次元造形装置。
5. 三次元造形装置の制御方法であって、
   前記三次元造形装置は、
   材料を可塑化して造形材料を生成する可塑化部と、
   前記造形材料を吐出するノズルと、
   前記可塑化部に連通する第１流路と、
   前記ノズルに連通する第２流路と、
   前記可塑化部から前記ノズルに向かう方向と交わる第１方向に沿って、前記第１流路と前記第２流路との間に設けられた貫通孔と、
   前記第１流路と前記第２流路とに連通可能な第３流路を有し、前記貫通孔の内部をスライド移動可能に構成された吐出制御機構と、
   を備え、
   前記吐出制御機構をスライド移動させることで、前記吐出制御機構の動作状態を、
   前記第１流路と前記第２流路と前記第３流路とを連通させて前記ノズルからの前記造形材料の吐出量を調整可能な第１状態と、
   前記第１流路と前記第２流路と前記第３流路とを非連通にさせた第２状態と、
   のいずれかの状態に切り替え、
   前記吐出制御機構は、前記第２流路側に、前記第３流路から前記第１方向に間隔を空けて配置された凹部を有し、
   前記凹部に嵌まる凸部を前記貫通孔の内部に備え、
   前記凸部は、前記貫通孔の内部に固定されており、
   前記吐出制御機構を前記第１方向とは逆方向の第２方向に移動させて、前記凹部の前記第２流路に連通する容積を変化させる、
   三次元造形装置の制御方法。

Images