CN110406098A - 三维造型装置以及三维造型物的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种三维造型装置以及三维造型物的制造方法，可获得空隙率较小的三维造型物，能够抑制三维造型物的强度降低。三维造型装置具备：喷射部，从开口部朝向造型台喷射造型材料；移动部，改变所述造型台与所述喷射部的相对位置；以及控制部，控制所述喷射部和所述移动部而对三维造型物进行造型，所述喷射部具备具有所述开口部的末端面，所述开口部的外形为多边形，在对所述三维造型物进行造型时，所述控制部以所述末端面与被从所述喷射部喷射所述造型材料的预定部位之间的距离满足下式的方式控制所述移动部，(Sq1×Gp)/Vt＜1.0，Sq1是所述开口部的面积，Vt是所述喷射部按照单位移动量喷射的所述造型材料的体积，Gp是所述距离。

Description

三维造型装置以及三维造型物的制造方法

技术领域

本发明涉及三维造型装置以及三维造型物的制造方法。

背景技术

提出有将具有流动性的材料配置于所希望的位置来对三维造型物进行造型的三维造型装置。在这样的三维造型装置中，例如依次错开平面上位置地反复材料的喷射，从而将三维形状的物体形成为平面状。在所形成的平面的上表面侧进一步喷射材料，以层状堆积材料，从而形成三维造型物。在三维造型装置中，例如提出有在喷射材料的喷嘴孔呈放射状形成多个凸起部或采用具有多个角部的多边形形状，以避免从喷嘴断续喷射材料导致进行多余造型(例如，专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2016－215581号公报

然而，这种喷嘴孔的形状设计停留在能够避免多余的造型，并未考虑在形成平面之际在平面上相邻的材料中残留有空隙。不希望在三维造型物的内部残留过多的空隙。

发明内容

根据本公开的一方式，提供一种三维造型装置。该三维造型装置具备：喷射部，从开口部朝向造型台喷射造型材料；移动部，改变所述造型台与所述喷射部的相对位置；以及控制部，控制所述喷射部和所述移动部而对三维造型物进行造型，所述喷射部具备具有所述开口部的末端面，所述开口部的外形为多边形，在对所述三维造型物进行造型时，所述控制部以所述末端面与被从所述喷射部喷射所述造型材料的预定部位之间的距离满足下式(1)的方式控制所述移动部，

(Sq1×Gp)/Vt＜1.0…(1)

其中，Sq1是所述开口部的面积，Vt是所述喷射部按照单位移动量喷射的所述造型材料的体积，Gp是所述距离。

根据本公开的一方式，提供一种三维造型物的制造方法。该三维造型物的制造方法从在喷射部的末端面形成的开口部喷射造型材料而对三维造型物进行造型，以所述末端面与被从所述喷射部喷射所述造型材料的预定部位之间的距离满足下式(4)的方式对所述三维造型物进行造型，

(Sq1×Gp)/Vt＜1.0…(4)

其中，Sq1是所述开口部的面积，Vt是所述喷射部按照单位移动量喷射的所述造型材料的体积，Gp是所述距离。

附图说明

图1是表示第一实施方式的三维造型装置的简要结构的说明图。

图2是表示三维造型单元的结构的简要图。

图3是表示平面螺旋的下表面一侧的结构的简要立体图。

图4是表示螺旋对置面部的上表面一侧的简要俯视图。

图5是表示本实施方式的造型单元所具备的喷嘴的结构的主视图。

图6是示意性表示通过喷射处理对造型物进行造型的情形的简要图。

图7是表示图6的喷嘴的末端附近的放大图。

图8是表示控制部执行的造型处理的控制的流程图。

图9是示意性表示通过喷射处理堆积的造型层的侧视图。

图10是表示喷嘴的平面部结构的侧视图。

附图标记说明

10…三维造型装置，20…材料供给部，22…连通路，30…造型材料生成部，31…螺旋壳体，32…驱动马达，40…平面螺旋，42…槽部，43…凸条部，44…材料流入口，46…中央部，50…螺旋对置面部，54…引导槽，56…连通孔，58…加热器，60…喷射部，61…喷嘴，62…开口部，63…平面部，65…流路，80…移动机构，81…造型台，90…控制部，96…切削工具，99…切削单元，100…三维造型单元。

具体实施方式

A.第一实施方式

图1是表示第一实施方式的三维造型装置10的简要结构的说明图。本实施方式中的三维造型装置10具备控制部90、造型台81、移动机构80、三维造型单元100以及切削单元99。以下，也将“三维造型单元”简称为“造型单元”，将三维造型物简称为“造型物”。

三维造型装置10在通过移动机构80移动的造型台81上，通过造型单元100堆积造型材料来对造型物进行造型。图1中示意性示出在造型台81上形成造型物OB的状态。

控制部90是控制造型单元100、切削单元99以及移动机构80的动作来执行对造型物进行造型的造型处理的控制装置。动作中包括造型单元100以及切削单元99相对于造型台81的三维相对位置的移动。该移动方向在图1中示出为相互垂直的三个方向X、Y、Z。X方向与Y方向为水平方向，Z方向为与重力方向相反的方向。表示X、Y、Z方向的箭头在其他参照图中也以图示方向与图1对应的方式适当图示。

在本实施方式中，控制部90由具备1个以上处理器、主存储装置、以及与外部进行信号输入输出的输入输出接口的计算机构成。控制部90通过由处理器执行读入主存储装置中的程序、命令，发挥各种功能。另外，控制部90也可以通过由合成有用于实现各功能中至少一部分的多个电路而成的结构来实现，代替由上述的计算机构成。

造型台81是用于堆积造型材料的平面状部件。造型台81配置于与造型单元100的喷射部60对置的位置。移动机构80是在控制部90的控制下改变喷射部60与造型台81的相对位置关系的移动部。移动机构80由利用三个马达的驱动力使造型台81向X、Y、Z方向这三个轴向移动的三轴定位器构成。

切削单元99是使安装在头部末端的轴上的切削工具96旋转来进行造型物OB的切削的切削装置。切削工具96例如能够采用面铣刀、球头铣刀等。切削单元99利用普通位置检测传感器检测切削工具96的末端位置，并向控制部90发送检测结果。控制部90利用该检测结果，并通过后述的移动机构80控制切削工具96与造型物OB的相对位置关系来进行切削。

图2是局部剖视第一实施方式中进行三维造型物的造型的造型单元100的结构的的简要图。造型单元100在造型台81上配置使固态材料的至少一部分熔融而成为膏状的造型材料。造型单元100除喷射部60外还具备材料供给部20以及造型材料生成部30。

材料供给部20对造型材料生成部30供给材料。材料供给部20例如由容纳材料的料斗构成。材料供给部20在下方具有喷射口。该喷射口经由连通路22与造型材料生成部30连接。材料以颗粒、粉末等形式投入材料供给部20。在本实施方式中，使用颗粒状的ABS树脂材料。

造型材料生成部30生成使从材料供给部20供给的材料的至少一部分熔融后的具有流动性的膏状造型材料，并导向喷射部60。造型材料生成部30具有螺旋壳体31、驱动马达32、平面螺旋40以及螺旋对置面部50。平面螺旋40以及螺旋对置面部50的具体结构分别在后述的图3以及图4中示出。

平面螺旋40具有沿着其中心轴方向即轴线方向上的高度小于直径的大致圆柱状。平面螺旋40以其轴线方向与Z方向平行的方式配置，沿圆周方向旋转。平面螺旋40的中心轴与其旋转轴RX重合。在图2中以单点划线示出平面螺旋40的旋转轴RX。

平面螺旋40收纳于螺旋壳体31内。平面螺旋40的上表面Fa侧与驱动马达32连结，平面螺旋40利用驱动马达32产生的旋转驱动力，在螺旋壳体31内旋转。驱动马达32在控制部90的控制下驱动。

平面螺旋40在与旋转轴RX交叉的面即下表面Fb，形成有槽部42。上述的材料供给部20的连通路22从平面螺旋40的侧面与该槽部42连接。

平面螺旋40的下表面Fb面向螺旋对置面部50的上表面Ga，在平面螺旋40的下表面Fb的槽部42与螺旋对置面部50的上表面Ga之间形成空间。在造型单元100中，从材料供给部20向平面螺旋40与螺旋对置面部50之间的其空间供给材料。使用图3在后面叙述平面螺旋40及其槽部42的具体结构。

在螺旋对置面部50内置有用于加热材料的加热器58。向旋转的平面螺旋40的槽部42内供给的材料通过平面螺旋40的旋转，至少一部分在熔融的同时沿槽部42流动，导向平面螺旋40的中央部46。流入中央部46的膏状材料经由设置于螺旋对置面部50的中心的连通孔56，作为造型材料向喷射部60供给。

喷射部60具有喷嘴61以及流路65。喷嘴61穿过流路65与螺旋对置面部50的连通孔56连接。流路65是平面螺旋40与喷嘴61之间的造型材料流路。喷嘴61将在造型材料生成部30中生成的造型材料从末端的开口部62朝向造型台81喷射。后述本实施方式的喷嘴61的详细内容。

如上所述，移动机构80使造型台81与喷嘴61的相对位置变化。造型台81配置于与喷嘴61的开口部62对置的位置。造型台81具有与X、Y方向平行配置的上表面Ts。在本实施方式中，移动机构80利用三个马达M的驱动力使造型台81相对于喷嘴61移动。

在造型单元100中，也可以代替利用移动机构80使造型台81移动的结构，采用移动机构80在造型台81的位置固定的状态下使喷嘴61相对于造型台81移动的结构。即使这样构成，也能够改变喷嘴61与造型台81的相对位置关系。在以下的说明中，“喷嘴61的移动距离”意指喷嘴61相对于造型台81移动的距离。

图3是表示平面螺旋40的下表面Fb侧的结构的简要立体图。关于图3示出的平面螺旋40，为了容易理解技术，将图2示出的上表面Fa与下表面Fb的位置关系以在垂直方向上朝向相反的状态示出。在图3中，在造型材料生成部30中，旋转时的平面螺旋40的旋转轴RX的位置以单点划线示出。如参照图2说明的那样，在平面螺旋40的与螺旋对置面部50对置的下表面Fb设置有槽部42。以下，将下表面Fb也称作“槽形成面Fb”。

平面螺旋40的槽形成面Fb的中央部46构成为与槽部42的一端连接的凹部。中央部46与图2示出的螺旋对置面部50的连通孔56对置。在本实施方式中，中央部46与旋转轴RX交叉。

平面螺旋40的槽部42构成所谓的滚槽。槽部42从中央部46朝向平面螺旋40的外周以画弧方式呈渦状延伸。槽部42也可以构成为呈渐开曲线状、螺旋状延伸。在槽形成面Fb设置有构成槽部42的侧壁部并沿各槽部42延伸的凸条部43。

槽部42连续至形成于平面螺旋40的侧面的材料流入口44。材料流入口44是经由材料供给部20的连通路22接收所供给的材料的部分。

若平面螺旋40旋转，则从材料流入口44供给的材料的至少一部分在槽部42内被后述的加热器58加热且熔融，流动性逐渐提高。然后，该材料穿过槽部42向中央部46流动，在中央部46聚集，通过在此处产生的内压，向螺旋对置面部50的连通孔56挤出。

如图3所示，平面螺旋40具有三个槽部42、三个凸条部43以及三个材料流入口44。设置于平面螺旋40的槽部42、凸条部43以及材料流入口44的数量不限于三个。在平面螺旋40既可以仅设置一个槽部42，也可以设置两个以上的多个槽部42。此外，也可以设置与槽部42的数量匹配数量的凸条部43以及材料流入口44。

图4是表示螺旋对置面部50的上表面Ga侧的简要俯视图。如上所述，螺旋对置面部50的上表面Ga与平面螺旋40的槽形成面Fb对置。以下，将该上表面Ga也称作“螺旋对置面Ga”。

在螺旋对置面Ga形成有多个引导槽54。该引导槽54与形成在螺旋对置面Ga的中心处的连通孔56连接，从连通孔56朝向外周呈渦状延伸。多个引导槽54具有将造型材料导向连通孔56的功能。如参照图2说明那样，在螺旋对置面部50内置有用于加热材料的加热器58。造型材料生成部30中的材料熔融通过加热器58的加热以及平面螺旋40的旋转来实现。熔融的材料经由螺旋对置面部50的连通孔56，向喷射部60的流路65挤出并导向喷嘴61。导入喷嘴61的材料最终从开口部62喷射。

在造型单元100中，利用具有在Z方向上小型尺寸的平面螺旋40而将材料的至少一部分熔融并引导至喷嘴61所需的路径在Z方向上所占的范围较小(参照图2)。如此，在造型单元100中，通过利用平面螺旋40，使造型材料的生成机构小型化。此外，通过平面螺旋40的利用，来自喷嘴61的造型材料的喷射控制精度提高，能够容易且高效地进行基于喷射工序的造型物的造型。

在造型单元100中，通过利用平面螺旋40，简易结构实现了将具有流动性的状态的造型材料向喷嘴61压送的结构。通过该构成，来自喷嘴61的开口部62的造型材料的喷射量的控制能够通过平面螺旋40的转速控制实现，使来自开口部62的造型材料的喷射控制容易化。“来自开口部62的造型材料的喷射量”意指从喷嘴61的开口部62流出的造型材料的流量。

使用图5对喷嘴61的开口部62的形状进行说明。图5是表示本实施方式的造型单元100所具备的喷嘴61的结构的主视图。喷嘴61的末端以圆形面构成，在该面具备开口部62以及平面部63。在本实施方式中，喷嘴61的末端面为直径Dm的圆形。该“形成于喷嘴61的末端面”是沿着将造型材料层状喷射之际喷嘴61移动方向的面，在本实施方式中是与XY平面平行的面。

开口部62是喷嘴61末端的面所具备的开口。在本实施方式中，开口部62的形状为正方形。在本说明书中，“开口部62的形状”是指喷嘴61的末端的开口在与造型材料的喷射方向垂直的面上的剖面形状，表示开口的外形形状。另外，开口部62的形状不限于正方形，例如也能够采用五边形、六边形等具有多个角部的各种多边形。多边形的各角部无需一定以直线构成，也可以至少一部分为倒圆。在本实施方式中，平面部63的中心与开口部62的中心重叠。后述平面部63的详细内容。

在图5中示出沿着开口部62的X方向的边S1、边S1的长度D1、沿着开口部62的Y方向的边S2以及边S2的长度D2。本实施方式的开口部62为正方形，长度D1与长度D2相等。以下，参照图5、图6以及图7对本实施方式的造型单元100的喷射处理进行说明。

图6是示意性表示通过造型单元100执行的喷射处理对造型物进行造型的情形的简要图。图7是表示图6的喷嘴61的末端附近的放大图。在以下的说明中，“喷嘴61的扫描方向”表示喷嘴61喷射造型材料的同时喷嘴61的位置相对于造型台81的上表面Ts相对移动的方向。在本实施方式中，由于造型台81的上表面Ts水平配置，因此在喷嘴61的扫描方向为与X方向或者Y方向平行时，喷嘴61的扫描方向与水平方向平行。在图6中示出将X方向设为喷嘴61的扫描方向来喷射造型材料MM的状态。

在造型单元100执行的喷射处理中，在造型材料生成部30中，向旋转的平面螺旋40供给的固态材料的至少一部分熔融而生成造型材料MM。然后，通过移动机构80，在沿着造型台81的上表面Ts的扫描方向上，使喷嘴61的位置相对于造型台81变化的同时朝着预定部位MLt从喷嘴61喷射造型材料MM。在将造型材料MM向造型层ML之上堆积时，预定部位MLt是堆积造型材料MM的位于喷嘴61下方的造型层ML的上表面，在堆积于造型台81时，预定部位MLt是上表面Ts。在喷射处理中，从喷嘴61喷射的造型材料MM沿喷嘴61的扫描方向连续堆积。

控制部90控制移动机构80使喷嘴61的位置相对于造型台81沿Z方向相对移动，在至此为止的喷射处理所形成的造型层ML之上进一步层叠造型材料MM，从而对造型物进行造型。以下，将利用通过喷嘴61的喷射处理对造型台81的上表面Ts堆积的造型材料MM而构成的层也称作“造型层ML”。造型层ML表示将喷嘴61的单位移动量分解成设为1Voxel的Voxel单位的喷射数据中相当于Z方向的1Voxel的造型材料的层。即，造型层ML并非根据从喷嘴61喷射的方法而决定。例如，当从喷嘴61在沿X方向移动的同时连续喷射造型材料，并在端部不停止而折回向与X方向相反的方向移动的同时连续喷射时，可获得沿X方向堆积而成的造型层以及在该造型层的上表面进一步向与X方向相反的方向堆积而成的造型层这两层量的造型层ML。在造型单元100中，造型物通过造型层ML的层叠来造型。

在形成造型层ML之际，在喷嘴61的末端的平面部63与在喷嘴61正下方位置附近堆积从开口部62喷射的造型材料MM的预定部位MLt之间，保持有后述的距离Gp的间隙。

使用图6、图7说明造型材料MM随着喷嘴61的移动从开口部62喷射的情形。从开口部62向与Z方向相反的方向即重力方向喷射的造型材料MM在与预定部位MLt接触后，随着喷嘴61的移动沿预定部位MLt的表面堆积。从喷嘴61喷射的造型材料MM为增塑树脂，具有预定的粘性。因此，喷射的造型材料MM具有仿随图5示出的开口部62的形状的剖面形状，能够作为将开口部62的形状保持一定程度的柱状体使用。从喷嘴61喷射的造型材料MM成为随着喷嘴61的移动而使其柱状体形状沿预定部位MLt折弯。因而，若在喷嘴61与预定部位MLt之间存在足够距离(空间)，则造型材料MM通过折弯堆积，堆积成刚从开口部62挤出后的柱状体在X方向的宽度作为与开口部62的边S1的长度D1相当的Z方向的高度的状态。

在实际的喷嘴61中，预定部位MLt与喷嘴61末端的平面部63的距离Gp小于开口部62的各边S1、S2的长度D1、D2。因此，堆积于预定部位MLt的造型材料MM的高度成为限制于距离Gp的高度，不会成为长度D1、D2。

使用图7对本实施方式的造型单元100执行的三维造型物的喷射方法进行说明。在图7中示出平面部63与堆积造型材料MM的预定部位MLt的间隙的距离Gp以及喷射的造型材料MM的剖面形状在虚拟上的高度Ht。如上所述，该高度Ht根据喷嘴61的开口部62的形状以及喷嘴61的扫描方向而变化。另外，在图7中，喷嘴61的扫描方向与X方向平行。高度Ht是在喷嘴61与预定部位MLt之间具有足够距离(空间)时造型材料MM的剖面形状的高度，是根据开口部62的长度D1预先决定的高度。

本实施方式的造型单元100在将喷射造型材料MM之际的末端即平面部63至堆积造型材料MM的面即预定部位MLt为止的距离Gp保持在成为高度Ht的0.7倍的位置的状态下，反复喷嘴61的移动和从开口部62的造型材料MM的喷射。即，通过喷嘴61的平面部63的一部分按压造型材料MM的同时执行喷射处理。如此，在本实施方式的造型单元100中，在喷嘴61的末端与堆积造型材料MM的预定部位MLt的距离小于喷射的造型材料的高度Ht的状态下，进行三维造型。

图8是表示本实施方式的造型单元100的控制部90执行的造型处理的控制的流程图。图8示出的造型处理通过按压造型单元100的未图示的造型开始按钮等指示开始造型而执行。欲造型的造型物的形状通过专用程序将喷嘴61的单位移动量分解为1Voxel的Voxel单位，转换为造型的各层的造型材料MM的喷射数据。

控制部90的计算机确认喷射数据，并完成在造型物的各层形成中喷射部60如何移动才能够高效进行造型材料MM的堆积这一扫描路径数据的运算(步骤S10)。在本实施方式中，喷嘴61的扫描方向仅设定为X方向。控制部90的计算机控制移动机构80来改变距离Gp(步骤S20)。距离Gp的值预先设定，存储在控制部90的存储装置中。控制部90的计算机读出该存储装置的设定值。由此，在沿扫描方向控制喷嘴61时，控制部90根据扫描方向将距离Gp设定为高度Ht的0.7倍。

控制部90的计算机朝向扫描方向的X方向执行喷射处理对造型物进行造型(步骤S30)。控制部90的计算机执行移动机构80对造型台81的控制以及切削单元99的控制，对喷射后固化的造型材料表面的凹部进行切削而使其平坦化(步骤S40)。由此，能够进一步降低三维造型物内部的空隙率。此外，能够获得高尺寸精度的三维造型物。

控制部90的计算机在结束所有的喷射处理时(S50：是)，到达“结束”而完成图8的处理。在喷射处理未全部结束时(S50：否)，控制部90的处理返回步骤S30，继续喷射处理的造型。如以上所述，本实施方式的造型单元100通过控制部90，在喷嘴61的末端与堆积造型材料的预定部位MLt的距离Gp小于喷射的造型材料的高度的状态下，进行三维造型。

图9是示意性表示通过本实施方式的造型单元100的喷射处理堆积的造型层ML的侧视图。在图9中，例示出将设X方向为喷嘴61的扫描方向而向造型台81的上表面Ts堆积的3列造型层ML，在上表面Ts的垂直方向上呈格子状堆积3层量的状态。为了易于技术理解，图9的造型层ML未执行切削工序。在图9中示出一个造型层ML的高度D11、宽度D12以及造型层ML间空隙Sp。

通过上述的控制部90的控制，在喷嘴61的末端与堆积造型材料MM的预定部位MLt的距离Gp小于喷射的造型材料MM的高度Ht的状态下，进行三维造型。在本实施方式的造型单元100的喷嘴61的开口部62采用正方形，在将开口部62的外形面积设为面积Sq1、将喷嘴61每单位移动量喷射的造型材料MM的体积设为体积Vt时，体积Vt能够通过下式(1)求出。面积Sq1是开口部62的形状面积，是被开口部62的外形包围部分的面积。

体积Vt＝面积Sq1×高度Ht…(1)

此时，距离Gp能够作为满足下式(2)的值求出。

(面积Sq1×距离Gp)/体积Vt＜1.0…(2)

由此，关于从喷嘴61的开口部62喷射的造型材料，例如在堆积材料的预定部位MLt为造型台81的上表面Ts的表面状时，造型材料MM在造型台81的上表面Ts被喷嘴61的平面部63加压的同时堆积。因此，造型层ML的剖面形状不会成为正方形，高度D11小于宽度D12。由此，能够追随已经配置于相邻位置的造型材料的壁面、已经配置于下层的造型材料的壁面的同时堆积材料。其结果，以填充被堆积的预定部位MLt附近空隙的方式堆积造型材料。

表1是对按按开口部62的形状改变距离Gp而形成的各造型物的空隙率进行测定的实验数据。

表1

开口部62的外形形状采用直径1.0mm的圆形和长度D1＝长度D2＝1.00mm的正方形这两种形状。距离Gp采用1.0mm、0.7mm、0.5mm这三个条件，按照每个开口部62的形状获取造型物的空隙率。在开口部62的形状为直径1.0mm的圆形时，造型材料MM的高度Ht大致为1.00mm，长度D1＝长度D2＝1.00mm的正方形时的高度Ht大致为1.00mm。如上述式(1)所示那样，体积Vt按照每个开口部62的形状而恒定。即，体积Vt恒定，与按照每个开口部62的形状的距离Gp变化无关。

在对开口部62的形状采用正方形时，与开口部62为圆形情况相比，可获得空隙率较小的三维造型物。如上所述，这是由于从喷嘴61喷射的造型材料MM的剖面形状为大致四边形状，与喷嘴61的开口部62的形状为圆形情况相比，空隙Sp变小。

在将开口部62的形状设定为宽度1.0mm的正方形，将距离Gp设定为0.7mm时，造型物的空隙率为0.03％，空隙率最小。另一方面，即使将开口部62的形状设定为正方形，当将距离Gp设定为0.5mm时，造型物的空隙率为0.41％，与将距离Gp设为1.0mm时相比空隙率较大。这是因为，喷射的造型材料MM通过平面部63的加压而从平面部63的端部溢出，造型材料MM的剖面形状从四边形状崩毁。如此，在开口部62的形状为正方形时，优选的是距离Gp大于0.5倍且小于1.0倍。即，距离Gp能够作为满足下式(3)的值而求出。

0.5＜(面积Sq1×距离Gp)/Vt＜1.0…(3)

因而，能够获得空隙率较小的三维造型物，能够抑制三维造型物的强度降低。

图10是表示喷嘴61的平面部63的结构的侧视图。在图10中示出通过上述的控制部90的控制而将喷嘴61的扫描方向作为X方向来喷射造型材料MM的状态。此时，从开口部62喷射的造型材料MM成为被平面部63加压的状态。

这里，在将与喷嘴61的末端的面、被堆积的预定部位MLt之间的距离Gp相对应的空间体积设为体积Vn时，体积Vn能够通过图5示出的设为直径Dm的平面部63的外形面积(以下，也称作“面积Sq2”)与距离Gp求出。造型材料MM朝向该体积Vn的空间喷射。在将按照喷嘴61的单位移动量向该空间喷射的造型材料MM的体积设为体积Vt时，在体积Vt大于体积Vn的情况下，有时产生造型材料MM从喷嘴的平面部63的端部溢出的不良情况。在本实施方式的造型单元100中，以使体积Vn大于体积Vt的方式设定平面部63的直径Dm。即，本实施方式的造型单元100通过控制部90控制移动机构80而满足下式(4)，控制距离Gp。

(面积Sq2×距离Gp)/体积Vt＞1.0…(4)

由此，抑制产生喷射的造型材料MM从喷嘴61的末端面的端部溢出的不良情况。另外，如上所述，高度Ht根据开口部62的形状及其朝向、喷嘴61的扫描方向而变化。因此，需要按照开口部62的形状及其朝向、以及喷嘴61的扫描方向这一条件，进行基于式(1)至式(4)的各项目计算。

在本实施方式中，虽然使用了颗粒状的ABS树脂材料，但作为在造型单元100中使用的材料，例如还能够采用将具有热塑性的材料、金属材料、陶瓷材料等各种材料作为主材料对造型物进行造型的材料。这里，“主材料”是指用于对造型物的形状进行成形的中心材料，是指在造型物中占50重量％以上含量的材料。上述的造型材料中包含以单体熔融这些主材料的材料、与主材料一同含有的一部分成分熔融而成膏状的材料。

在作为主材料而使用具有热塑性的材料的情况下，在造型材料生成部30中，通过将该材料增塑而生成造型材料MM。“增塑”是指对具有热塑性的材料加热而熔融。

作为具有热塑性的材料，例如能够使用下述中任一或者组合两个以上的热塑性树脂材料。

＜热塑性树脂材料的例子＞

聚丙烯树脂(PP)、聚乙烯树脂(PE)、聚甲醛树脂(POM)、聚氯乙烯树脂(PVC)、聚酰胺树脂(PA)、丙烯腈·丁二烯·苯乙烯树脂(ABS)、聚乳酸树脂(PLA)、聚苯硫醚树脂(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚碳酸酯(PC)、改性聚苯醚、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯等通用工程塑料、聚砜、聚醚砜、聚苯硫醚、聚芳酯、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮等工程塑料。

也可以在具有热塑性的材料中混入颜料、金属、陶瓷、其他蜡、阻燃剂、防氧化剂、热稳定剂等添加剂等。在造型材料生成部30中，具有热塑性的材料通过平面螺旋40的旋转与加热器58的加热而增塑而转化为熔融状态。此外，如此生成的造型材料MM从喷嘴61喷射后，温度降低而固化。

具有热塑性的材料优选的是，在加热至其玻璃化转变温度以上而完全熔融的状态下从喷嘴61喷射。例如，ABS树脂的玻璃化转变温度为约120℃，优选的是在从喷嘴61喷射时为约200℃。为了如此在高温状态下喷射造型材料MM，也可以在喷嘴61周围设置加热器。

在造型单元100中，也可以代替上述的具有热塑性的材料，例如将以下金属材料用作主材料。此时，优选的是，在将下述金属材料设为粉末状的粉末材料中混合生成造型材料MM之际熔融的成分，并投入到造型材料生成部30。

＜金属材料的例子＞

镁(Mg)、铁(Fe)、钴(Co)、铬(Cr)、铝(Al)、钛(Ti)、铜(Cu)、镍(Ni)等单一金属，或包含这些金属一个以上的合金。

＜合金的例子＞

马氏体钢、不锈钢、钴铬钼、钛合金、镍合金、铝合金、钴合金、钴铬合金。

在造型单元100中，也能够将陶瓷材料用作主材料来代替上述的金属材料。作为陶瓷材料，例如能够使用二氧化硅、二氧化钛、氧化铝、氧化锆等氧化物陶瓷、氮化铝等非氧化物陶瓷等。作为主材料，在使用上述那样的金属材料、陶瓷材料的情况下，配置于造型台81的造型材料MM例如也可以通过基于激光照射、暖风等的烧结而固化。

投入到材料供给部20的金属材料、陶瓷材料的粉末材料可以是将单一金属粉末、合金粉末、陶瓷材料粉末多种混合而成的混合材料。此外，金属材料、陶瓷材料的粉末材料例如也可以通过以上例示那样的热塑性树脂或者其以外的热塑性树脂来涂敷。此时，也可以是在造型材料生成部30中其热塑性树脂熔融而出现流动性的材料。

在向材料供给部20投入的金属材料、陶瓷材料的粉末材料中，例如也能够添加以下那样的溶剂。溶剂能够组合从下述中选择的1种或者2种以上来使用。

＜溶剂的例子＞

水；乙二醇单甲醚，乙二醇单乙醚，丙二醇单甲醚，丙二醇单乙醚等(聚)亚烷基二醇单烷基醚类；乙酸乙酯，乙酸正丙酯，乙酸异丙酯，乙酸正丁酯，乙酸异丁酯等乙酸酯类；苯，甲苯，二甲苯等芳香烃类；甲基乙基酮，丙酮，甲基异丁基酮，乙基正丁基甲酮，二异丙基酮，乙酰丙酮等酮类；乙醇，丙醇，丁醇等醇类；四烷基乙酸铵类；二甲基亚砜，二乙基亚砜等亚砜溶剂；吡啶，γ-甲基吡啶，2,6-二甲基吡啶等吡啶类溶剂，四烷基乙酸铵(例如，四丁基乙酸铵等)；丁基卡必醇乙酸酯等离子液体等。

其他，在向材料供给部20投入的金属材料、陶瓷材料的粉末材料中，例如还能够添加以下那样的粘合剂。

＜粘合剂的例子＞

丙烯酸树脂、环氧树脂、硅树脂、纤维素树脂或其他合成树脂，或者PLA(聚乳酸)、PA(聚酰胺)、PPS(聚苯硫醚)、PEEK(聚醚醚酮)或其他热塑性树脂。

B.其他实施方式

(B1)在上述实施方式中，喷嘴61末端的面形状是设为直径Dm的圆形。与此相对，喷嘴61末端的面形状不限于圆形。喷嘴末端的面形状能够适用多边形等各种形状，只要是在喷嘴的末端具备面的方式即可。

(B2)在上述实施方式中，平面部63的中心与开口部62的中心重叠。与此相对，平面部的中心与开口部的中心也可以不重叠。在这样的方式中，优选的是配置于从开口部喷射的材料不从平面部的端部溢出的位置。

(B3)在上述实施方式中，造型单元100具备平面螺旋40。与此相对，造型头部也可以不具备平面螺旋而是采用螺旋式、柱塞式、预塑化式这样的各种方式的造型头部。

(B4)在上述实施方式中，移动机构80由通过三个马达M的驱动力使造型台81向X、Y、Z方向这三个轴向移动的三轴定位器构成。与此相对，例如也可以采取造型单元具备进行Z方向的移动的机构等，通过造型台以外的结构具备向三个轴向移动的机构而改变喷嘴与造型台的相对位置的方式。既可以是造型台与造型台以外的结构分别具备向三个轴向移动的机构，也可以是通过造型台的移动机构与造型台以外的结构的组合改变喷嘴与造型台在三个轴向上的相对位置的方式。只要是与具备比造型台的机械精度高的结构组合而成的方式的造型单元，则能够制造更高精度的三维造型物。只要是造型台与造型台以外的结构能够分别同时向三个轴向移动的方式，则能够提高使喷嘴向造型台的预先设定位置相对移动的速度。

(B5)在上述实施方式中，喷嘴也可以具备将送出造型材料的方向作为中心轴旋转的机构。也可以是通过造型单元的旋转而使喷嘴旋转的方式。若为这样的方式，则能够与造型材料的堆积朝向的改变配合来改变喷嘴的开口部的朝向。因而，即使在开口部的形状例如是长方形那样边的长度不同的形状(即，成为长度D1≠长度D2的四边形状)的情况下，通过根据扫描方向改变喷嘴的开口部的朝向，能够按照扫描方向获得与上述实施方式相同的效果。

(B6)在上述实施方式中，示出在控制部90的控制下将喷嘴61的扫描方向固定设定在X方向的例子。与此相对，喷嘴的扫描方向不限于X方向，既可以是Y方向也可以是将三个方向X、Y、Z方向组合而成的方向。在这样的方式中，优选的是以能够根据预先求出的扫描路径数据确认扫描方向、并根据各层的喷射数据高效堆积造型材料的方式改变扫描方向。此时，也可以是配合喷嘴61的扫描方向来按照扫描方向改变距离Gp的方式。在这样的方式中，即使在开口部的形状例如为长方形那样边的长度不同的形状的情况下，也能够通过将距离Gp改变为与开口部的对应于喷嘴扫描方向的边的长度相应的值，与扫描方向无关地获得与上述实施方式相同的效果。

(B7)上述实施方式的三维造型装置10具备切削单元99。与此相对，既也可以是不具备切削单元99的方式，也可以是利用其它工序切削造型材料。此外，也可以代替切削单元99而具备研磨固化的造型材料表面的研磨装置。

(B8)上述实施方式的控制部90是在步骤S20中控制移动机构80改变距离Gp之后开始步骤S30的造型处理。与此相对，例如，关于改变距离Gp，也可以是执行完成三维造型物的造型的全部造型处理中一部分造型等局部性改变距离Gp的方式。在这样的方式中，例如即使在由于造型物的外观设计而需要空隙的情况下，也能够通过控制部90的控制有目的地形成已经形成的造型层之间的空隙。

C.其他方式

本发明不限于上述的实施方式，在不脱离其主旨的范围内能够以各种方式实现。例如，本发明也能够通过以下方式(aspect)实现。关于与以下记载的各方式中技术特征对应的上述实施方式中的技术特征，为了解决本发明目的的一部分或全部，或者为了实现本发明效果的一部分或全部，能够适当地进行替换、组合。此外，其技术特征只要未在本说明书中作为必要特征来说明，则能够适当删除。

(1)根据本公开的一方式，提供一种三维造型装置。该三维造型装置具备：喷射部，从开口部朝向造型台喷射造型材料；移动部，改变所述造型台与所述喷射部的相对位置；以及控制部，控制所述喷射部和所述移动部而对三维造型物进行造型，所述喷射部具备具有所述开口部的末端面，所述开口部的外形为多边形，在对所述三维造型物进行造型时，所述控制部以所述末端面与被从所述喷射部喷射所述造型材料的预定部位之间的距离满足下式(1)的方式控制所述移动部，

(Sq1×Gp)/Vt＜1.0…(1)

其中，Sq1是所述开口部的面积，Vt是所述喷射部按照单位移动量喷射的所述造型材料的体积，Gp是所述距离。

根据本方式的三维造型装置，通过控制部的控制，在喷嘴末端与堆积造型材料的预定部位的距离小于喷射的造型材料的高度的状态下，进行三维造型。因此，从喷嘴喷射的造型材料例如在堆积材料的预定部位即造型台的表面上，被喷嘴的末端面加压的同时堆积。由此，能够追随已经配置于相邻位置的造型材料、已经配置于下层的造型材料的壁面的同时堆积材料。即，以填埋被堆积的预定部位附近的空隙的方式堆积造型材料。因而，能够获得空隙率较小的三维造型物，能够抑制三维造型物的强度降低。

(2)也可以是，在上述方式的三维造型装置中，所述开口部的外形为四边形状。根据本方式的三维造型装置，从喷嘴喷射的造型材料的剖面积成为大致四边形状，与喷嘴形状为圆形的情况相比，能够获得空隙率较小的三维造型物。

(3)也可以是，在上述方式的三维造型装置中，在对所述三维造型物进行造型时，所述控制部以所述距离满足下式(2)的方式控制所述移动部，

0.5＜(Sq1×Gp)/Vt＜1.0…(2)。

根据本方式的三维造型装置，能够使三维造型物的空隙率更小。

(4)也可以是，在上述方式的三维造型装置中，在对所述三维造型物进行造型时，所述控制部以所述距离满足下式(3)的方式控制所述移动部，

(Sq2×Gp)/Vt＞1.0…(3)。

根据本方式的三维造型装置，喷嘴末端面与堆积造型材料的面之间的空间体积设计成大于从喷嘴喷射的造型材料的喷射量。因而，抑制造型材料从喷嘴末端面的端部溢出的不良情况产生。

(5)也可以是，在上述方式的三维造型装置中，所述三维造型装置还具备材料生成部，该材料生成部具有平面螺旋，并使向旋转的所述平面螺旋供给的材料的至少一部分熔融来生成所述造型材料。根据本方式的三维造型装置，还具备平面螺旋。由此，能够使生成造型材料的机构小型化，装置整体小型化。此外，通过利用平面螺旋，可提高从喷嘴喷射的造型材料的喷射控制精度，能够容易且高效地进行基于喷射工序的造型物的造型。

(6)也可以是，在上述方式的三维造型装置中，所述三维造型装置还具备切削部，该切削部用于在将所述造型材料喷射并固化后对所述造型材料的表面进行切削。根据本方式的造型装置，能够切削喷射后固化的造型材料。因而，例如通过将堆积的材料的各层表面的凹部切削而使其平坦化，能够进一步降低三维造型物内部的空隙率。此外，能够获得尺寸精度更高的三维造型物。

(7)根据本公开的其他方式，提供一种三维造型物的制造方法，其特征在于，从喷射部的开口部喷射造型材料而对三维造型物进行造型，以末端面与被从所述喷射部喷射所述造型材料的预定部位之间的距离满足下式(4)的方式对三维造型物进行造型，

(Sq1×Gp)/Vt＜1.0…(4)

其中，Sq1是所述开口部的面积，Vt是所述喷射部按照单位移动量喷射的所述造型材料的体积，Gp是所述距离，所述末端面设置于所述喷射部的末端，在所述末端面具备开口部，所述开口部具有多边形的外形并喷射所述造型材料。

根据本方式的三维造型物的制造方法，在喷嘴末端与堆积造型材料的预定部位的距离小于喷射的造型材料的高度的状态下，进行三维造型。因此，从喷嘴喷射的造型材料例如在堆积材料的预定部位即造型台的表面上，被喷嘴的末端面加压的同时堆积。因而，可获得空隙率较小的三维造型物，能够抑制三维造型物的强度降低。

本公开也能够通过三维造型装置、三维造型物的制造方法以外的各种方式实现。例如，能够通过由上述的制造方法、三维造型装置造型而得的三维造型物、造型装置的控制方法、造型装置的控制装置、构成三维造型物的造型材料的堆积方法、采用上述的造型单元的注塑成型机等的方式实现。此外，能够通过用于实现上述的方法、控制方法的计算机程序、存储其计算机程序的非暂时性存储介质(non-transitory storage medium)等方式实现。

Claims (7)

1.一种三维造型装置，具备：

喷射部，从开口部朝向造型台喷射造型材料；

移动部，改变所述造型台与所述喷射部的相对位置；以及

控制部，控制所述喷射部和所述移动部而对三维造型物进行造型，

所述喷射部具备具有所述开口部的末端面，

所述开口部的外形为多边形，

在对所述三维造型物进行造型时，所述控制部以所述末端面与被从所述喷射部喷射所述造型材料的预定部位之间的距离满足下式(1)的方式控制所述移动部，

(Sq1×Gp)/Vt＜1.0…(1)

其中，Sq1是所述开口部的面积，Vt是所述喷射部按照单位移动量喷射的所述造型材料的体积，Gp是所述距离。

2.根据权利要求1所述的三维造型装置，其特征在于，

所述开口部的外形为四边形状。

3.根据权利要求1或2所述的三维造型装置，其特征在于，

在对所述三维造型物进行造型时，所述控制部以所述距离满足下式(2)的方式控制所述移动部，

0.5＜(Sq1×Gp)/Vt＜1.0…(2)。

4.根据权利要求1所述的三维造型装置，其特征在于，

在对所述三维造型物进行造型时，所述控制部以所述距离满足下式(3)的方式控制所述移动部，

(Sq2×Gp)/Vt＞1.0…(3)

其中，Sq2是所述末端面的面积。

5.根据权利要求1所述的三维造型装置，其特征在于，

所述三维造型装置还具备材料生成部，该材料生成部具有平面螺旋，并使向旋转的所述平面螺旋供给的材料的至少一部分熔融来生成所述造型材料。

6.根据权利要求1所述的三维造型装置，其特征在于，

所述三维造型装置还具备切削部，该切削部用于在将所述造型材料喷射并固化后对所述造型材料的表面进行切削。

7.一种三维造型物的制造方法，其特征在于，从在喷射部的末端面形成的开口部喷射造型材料而对三维造型物进行造型，

以所述末端面与被从所述喷射部喷射所述造型材料的预定部位之间的距离满足下式(4)的方式对所述三维造型物进行造型，

(Sq1×Gp)/Vt＜1.0…(4)

其中，Sq1是所述开口部的面积，Vt是所述喷射部按照单位移动量喷射的所述造型材料的体积，Gp是所述距离。