JP2017077683A - ３次元造形システムおよび３次元造形物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】サポートを含む全体造形物を３次元造形装置により造形し、その全体造形物から加工装置によってサポートを高精度に除去することができる３次元造形システムの提供。【解決手段】３次元造形装置２０は、対象造形物６２とサポート６４とガイド部６６とを含む全体造形物６０を造形する。ガイド部６６は、対象造形物６２の姿勢を変更させた状態で対象造形物６２を支持する。加工装置３０は、全体造形物６０からサポート６４を除去する。姿勢が変更された全体造形物６０に接続される第１接続部７０ａを備え、全体造形物６０が載置される固定治具７０が予め用意されている。第１除去部は、加工装置３０を制御することにより、固定治具７０の第１接続部７０ａとガイド部６６の第２接続部６６ａとが接続された状態の全体造形物６０から、サポート６４を除去する。【選択図】図２

Description

本発明は、３次元造形システムおよび３次元造形物の製造方法に関する。

従来より、造形対象物の３次元データを複数にスライスした断面画像データを基に、造形用材料を所定の断面の層状に硬化させ、次の断面層を重ねるように連続して形成していくことで目的の３次元形状の造形物を造形する３次元造形装置が知られている。この３次元造形装置による造形方式には、結合材噴射、指向性エネルギー堆積、材料押出、材料噴射、粉末床溶融結合、シート積層、および、液槽光重合などがある。なかでも、熱可塑性樹脂を融解したのち硬化させることで断面層を形成する材料押出法（熱融解積層法；Fused Deposition Modeling：ＦＤＭともいう。）は、家庭用３Ｄプリンタなどの主流となっている（例えば特許文献１参照）。

ところで、３次元造形装置においては、既に造形された断面層に次の断面層が形成されるため、先に形成された断面層がその後に形成される断面層の荷重を支えることになる。そのため、例えば、断面積の小さな断面層があると、その断面層の上に連続的に形成される断面層の荷重を支えきれないことが考えられる。また、オーバーハング形状などの３次元的に突き出た部位を有する造形物の造形に際しては、このオーバーハング部の荷重を支えきれず、造形途中に対象造形物の一部が破損したり、意図しない形状に変形されたりすることがあり得る。そのため、このような造形物の破損や変形を防止する目的で、対象造形物の一部と造形テーブルとの間に、造形時の対象造形物の荷重の一部を支持するためのサポート造形物を形成し、対象造形物とサポート造形物とが一体となった全体造形物を造形することが行われている。このサポート造形物は、ＣＡＤ装置などの専用の装置によって演算することで適切に設計される。以下、サポート造形物を単に「サポート」と称する。

特開平０７−２２７８９５号公報

このサポートは、造形が終了すると不要になるため、全体造形物から除去する必要がある。サポートの除去は、一般には手作業にて行われるが、ＮＣ（numerical control machining：数値制御）加工装置にて実施することも提案されている。しかしながら、全体造形物を三次元造形装置からＮＣ加工装置のワーク載置面に載置するとき、所定の位置に全体造形物を正確に載置することが難しく、ＮＣ加工装置によるサポート除去を行う際の位置決めに時間と手間がかかるという問題があった。また位置ずれが起こると、ＮＣ加工装置によりサポートを除去することができても、対象造形物の表面が滑らかにならないという改善すべき点があった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、サポートを含む全体造形物を造形するとともに、全体造形物からサポートを高精度で除去することができる３次元造形システム、および、３次元造形物の製造方法を提供することである。

本発明は、３次元造形システムを提供する。この３次元造形システムは、３次元造形装置と、加工装置と、制御装置と、を備える。３次元造形装置は、造形対象である対象造形物と、上記対象造形物の造形を補助するサポートと、上記対象造形物の姿勢を変更させた状態で上記対象造形物を支持するガイド部と、を含む全体造形物を造形する。加工装置は、全体造形物からサポートを除去する。制御装置は、３次元造形装置および加工装置を制御する。ここで、姿勢が変更された全体造形物に接続される第１接続部を備え、全体造形物が載置される固定治具が予め用意されている。そして制御装置は、接続部作製部と、第１除去部と、を備える。接続部作製部は、３次元造形装置または加工装置を制御することにより、固定治具の第１接続部に接続可能な第２接続部をガイド部に形成する。第１除去部は、加工装置を制御することにより、固定治具の第１接続部とガイド部の第２接続部とが接続された状態で固定治具に載置されている全体造形物から、サポートを除去する。

本発明によれば、第２接続部を備えるガイド部を、対象造形物に一体的に形成するようにしている。そしてガイド部の第２接続部と、固定治具の第１接続部とを接続することにより、造形した全体造形物を固定治具の所定の位置に固定することができる。したがって、加工装置に対する全体造形物の配置を精確に定めることができる。また、サポート除去時の全体造形物の位置ずれを防止することができ、加工装置によるサポート除去をさらに精確に実施することができる。

一実施形態に係る３次元造形システムのブロック図である。 （ａ）〜（ｄ）は、一実施形態に係る３次元造形物の製造方法の概念を説明する模式図である。 一実施形態に係る３次元造形システムの概略斜視図である。 （ａ）および（ｂ）は、一実施形態に係る全体造形物の概略平面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、第１接続部と第２接続部との接続態様を例示した要部断面模式図である。 （ａ）および（ｂ）は、全体造形物におけるガイド部と第２接続部との位置関係を示した断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、サポートの形状とサポートが折れたときの様子を説明した断面模式図である。 （ａ）〜（ｃ）は、一実施形態に係る加工装置による加工の様子を説明した図である。

以下、適宜図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る３次元造形装置、および、３次元造形物の製造方法について説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、本明細書に記載された発明の実施についての教示と当該分野における出願時の技術常識とに基づいて当業者に理解され、実施することができる。また、ここで説明される実施形態は、当然ながら特に本発明を限定することを意図したものではない。また、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付し、重複する説明は適宜省略または簡略化する。

図１は、本実施形態に係る３次元造形システム１の構成を示すブロック図である。図２（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態に係る３次元造形物の造形方法を説明する概念図である。図３は、一実施形態に係る３次元造形システム１の概略斜視図である。図面中の符号Ｕ、Ｄ、Ｆ、Ｒｒ、Ｌ、Ｒは、それぞれ垂直方向の上、下、水平方向における前、後、左、右を示している。ただし、これらは説明の便宜上の方向に過ぎず、３次元造形装置２０の構成および態様を何ら限定するものではない。

本実施形態に係る３次元造形システム１は、３次元造形装置２０と、加工装置３０と、制御装置１０とを備えている。本実施形態に係る３次元造形物の製造方法では、図２（ａ）に示したように、３次元造形装置２０により、全体造形物６０を造形する。一方で、本実施形態に係る３次元造形物の製造方法においては、予め、図２（ｂ）に示したように、後述の全体造形物６０を載置するための固定治具７０を用意しておく。ここで全体造形物６０は、造形対象である対象造形物６２と、対象造形物の造形を補助するサポート６４と、対象造形物を姿勢を変更した状態（以下、姿勢変更状態という）で支持するガイド部６６とを含んでいる。全体造形物６０の造形では、３次元造形装置２０は、ガイド部６６に、固定治具７０の第１接続部７０ａに接続可能な第２接続部６６ａを形成する。そして、図２（ｃ）に示したように、第１接続部７０ａと第２接続部６６ａとを接続して、全体造形物６０を固定治具７０上に配置した状態で、加工装置３０により、全体造形物６０からサポート６４を除去する。また、対象造形物６２からガイド部６６を除去する。これにより、図２（ｄ）に示したように、目的の３次元造形物である対象造形物６２を得ることができる。

固定治具７０は、全体造形物６０を造形されたときの姿勢から姿勢を変更させた姿勢変更状態で載置するための部材である。固定治具７０は、３次元造形物の造形にあたり、予め用意しておくことができる。固定治具７０は、本体７１と、本体７１に設けられた第１接続部７０ａとを備えている。本体７１は、例えば、平面視が正方形、長方形等の比較的簡単な幾何学的形態を有する厚みのある板部材により構成することができる。このように本体７１の形態を簡単にすることで、固定治具７０をベース３４に載置する際の位置を正確に定めることができる。第１接続部７０ａの形状、数および配置等については、後で詳しく説明するが、造形する全体造形物６０の形状に応じて適宜設定することができる。

３次元造形装置２０は、製造方式や大きさ、精度等に特に制限されない。上述のように、造形用の材料を付着することによって目的の造形物を３次元の数値表現（典型的に断面画像データは）から作製する付加製造（Additive manufacturing）を実施し得る各種の装置を対象とすることができる。ここでは、３次元造形装置２０の好適な一形態として、ＦＤＭ方式により造形を行う３次元造形装置２０を使用した場合を例にして本願発明について説明する。ＦＤＭ方式の３次元造形装置２０としては、公知のＦＤＭ方式の３次元造形装置を特に制限なく採用することができる。本実施形態において、３次元造形装置２０の造形方向は上下方向に一致している。３次元造形装置２０は、熱可塑性樹脂からなる造形用材料を融解したのち積層して硬化させることを繰り返すことで所望の造形物を造形するＦＤＭ方式の３次元造形装置である。造形用材料として、比較的安価で、ハンドリングが容易であり、多様な種類の材料が提供されている熱可塑性樹脂を使用できる点において、ＦＤＭ方式の３次元造形装置２０は好適である。

ここで「熱可塑性樹脂」とは、可逆的に、加熱により軟化して成形できる程度の可塑性が得られ、冷却すると固化する特性を有する樹脂をいう。熱可塑性樹脂の組成は特に制限されない。例えば、具体的には、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ）樹脂、ポリ乳酸（ＰＬＡ）樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリビニールアルコール（ＰＶＡ）、ポリアミド、ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン等が挙げられる。また、ここで用いる造形用材料は、加熱時に加工に適した可塑性を示し得る範囲で、熱可塑性樹脂以外の材料を含むことができる。そのような材料とは、木材、樹脂等の有機材料、金、銀、銅、アルミニウム等の金属材料、カーボンナノチューブ、シリカ、チタニア、アルミナ、アパタイト等に代表される無機材料等からなるフィラー材料であり得る。これらのフィラー材料の形態は特に制限されず、粉末状、中空粒子状、繊維状、ロッド状などであり得る。フィラー材料は、熱可塑性樹脂に対して所望の機能性を付与することができる。

３次元造形装置２０の構成は何ら限定されない。本実施形態に係る３次元造形装置２０は、造形される全体造形物６０を保持するテーブル２４と、造形用材料をテーブル２４に供給する造形ヘッド２２と、を備えている。造形ヘッド２２は、図示しないヒータを備えることができる。造形ヘッド２２は、ヒータで軟化または融解された造形用材料を押出すとともに、押出された造形用材料をテーブル２４上に押し付けるように供給する。造形用材料は、例えば、ワイヤの形態でヒータに供給される。ヒータは、ワイヤ状の造形用材料を造形に適した硬さとなるまで加熱する。造形ヘッド２２から押し出された造形用材料は、テーブル２４上で冷却されて固化する。テーブル２４は、供給された造形用材料を固化させるための冷却装置を備えていても良い。造形ヘッド２２から、テーブル２４上に全体造形物６０の断面形状に対応した形状に造形用材料を供給することで、断面層（固化層）が造形される。ここで、「断面形状」とは、全体造形物６０を複数の層に分割したときの各層の断面の形状のことである。このように、ＦＤＭ方式では、造形ヘッド２２から供給された造形用材料が固化して断面層を形成する。そのため、断面層の水平面における最小の造形寸法は、造形ヘッド２２の供給口の寸法以上となる。造形ヘッド２２の供給口の寸法は、例えば、０．１〜０．５ｍｍ程度である。

３次元造形装置２０には、左右方向に延びる一対のスライドレール２５が設けられている。スライドレール２５には、移動部材２６がスライド自在に係合されている。移動部材２６は、図示しない駆動装置によって、スライドレール２５上を左右方向にスライド可能に構成されている。また、移動部材２６には、上下方向に延びる一対のスライドレール２７が設けられている。保持部材２８は、スライドレール２７にスライド自在に係合されている。保持部材２８は、図示しない駆動装置によって、スライドレール２７に沿って上下方向にスライド可能に構成されている。造形ヘッド２２は、保持部材２８に保持されている。したがって、造形ヘッド２２は、保持部材２８を介して、スライドレール２７に沿って上下方向に移動される。また、造形ヘッド２２は、移動部材２６を介して、スライドレール２５に沿って左右方向に移動される。

また、３次元造形装置２０には、前後方向に延びるガイドレール２９が備えられている。テーブル２４は、図示しない移動機構を介して、ガイドレール２９に沿って前後方向に移動される。このような構成により、造形ヘッド２２と、テーブル２４とは、垂直方向および平面方向で、３次元で相対的に移動可能に構成されている。造形ヘッド２２が、造形用材料を供給しながらテーブル２４に対し適宜に相対移動することにより、テーブル２４上または既に硬化した断面層上に、所定の断面形状の造形用材料が積層される。

上記の３次元造形装置２０は、ボトムアップ形式で立体的に複雑な形状の物を造形できるという利点がある。しかしながら、上述のように、造形物の造形精度が造形ヘッド２２の供給口の寸法に影響を受け、造形精度がやや劣るか、造形精度を上げると造形速度が遅くなるという欠点があった。これに対し、加工装置３０は、加工対象である加工対象物７５を加工することで、トップダウン方式で目的の形状の加工物を作製する。また、ここで使用する加工装置３０は、３次元造形装置２０よりもより短時間でより精密な加工を施すことができるという利点がある。ここに開示される技術においては、この加工装置３０を用いて、加工により全体造形物６０からサポート６４を除去する。

加工装置３０としては、特に限定されるものではないが、公知の各種の切削加工機を用いることができる。本実施形態において、加工装置３０は、ＮＣ切削加工機である。加工装置３０の構成は何ら限定されない。本実施形態に係る加工装置３０は、ベース部３２ａ、左壁部３２ｂ、右壁部３２ｃ、天面部３２ｄ、前面部３２ｅおよび背面部３２ｆを有するケース３２と、図示しないフロントカバーとを備えている。フロントカバーは、ベース部３２ａ、左壁部３２ｂ、右壁部３２ｃおよび天面部３２ｄにより囲まれたケース３２の開口部を塞ぐ。フロントカバーは、天面部３２ｄの前端から、左壁部３２ｂおよび右壁部３２ｃの上端ないし前端に沿って、前面部３２ｅにまで延設される屈曲された薄板からなり、後方端部を軸として、上方に回動可能に天面部３２ｄの前端に固定されている。フロントカバーが上方に向けて開かれることにより、ケース３２の内部空間と外部空間とが連通される。そしてフロントカバーを閉めることにより、ケース３２の内部空間と外部空間とが遮断される。

加工装置３０は、ケース３２の内部に、加工対象物７５を支持するベース３４と、加工対象物７５を加工する加工ツール３１とを備えている。加工ツール３１は棒状であって、図示しないモータによって駆動され、棒状の軸を中心に回転する。加工ツール３１は、スピンドル３８に保持されている。加工装置３０には、左右方向に延びる一対のスライドレール３５が設けられている。スライドレール３５には、移動部材３６がスライド自在に係合されている。移動部材３６は、図示しない駆動装置によって、スライドレール３５上を左右方向にスライド可能に構成されている。また、移動部材３６には、上下方向に延びる一対のスライドレール３７が設けられている。スピンドル３８は、スライドレール３７にスライド自在に係合されている。スピンドル３８は、図示しない駆動装置によって、スライドレール３７に沿って上下方向にスライド可能に構成されている。したがって、加工ツール３１は、スピンドル３８を介して、スライドレール３７に沿って上下方向に移動される。また、加工ツール３１は、移動部材３６を介して、スライドレール３５に沿って左右方向に移動される。

また、加工装置３０には、前後方向に延びるガイドレール３９が備えられている。ベース３４は、図示しない移動機構を介して、ガイドレール３９に沿って前後方向に移動される。このような構成により、加工ツール３１と、ベース３４とは、垂直方向および平面方向で、３次元で相対的に移動可能に構成されている。すなわち、加工ツール３１は、ベース３４に載置された加工対象物７５としての全体造形物６０に対して前方、後方、左方、右方、上方、および下方に移動可能に構成されている。そして加工ツール３１は、回転しながら全体造形物６０に対して接触することで、全体造形物６０を切削加工する。

本実施形態において、加工装置３０と３次元造形装置２０とは一体的に構成されている。したがって、例えば、テーブル２４とベース３４とは、３次元造形システム１における同一の構成部材である。また、左右方向に延びる一対のスライドレール２５，３５と、前後方向に延びるガイドレール２９、３９とは、３次元造形装置２０と加工装置３０とで共通の部材である。これにより、設置場所が少なくてすむ省スペースな３次元造形システム１が実現される。しかしながら、３次元造形装置２０と加工装置３０とは、必ずしも一体的に構成される必要はなく、別体として構成されていてもよい。

図１に示すように、制御装置１０は、３次元造形装置２０と、加工装置３０とに、通信可能に接続されている。制御装置１０は、造形ヘッド２２を制御することによって、造形ヘッド２２の造形用材料の供給動作を制御する。制御装置１０は、移動部材２６の駆動装置と、保持部材２８の駆動装置とを制御することにより、テーブル２４に対する造形ヘッド２２の高さおよび左右方向での位置等を制御する。制御装置１０は、テーブル２４の移動機構を制御することによって、造形ヘッド２２に対するテーブル２４の前後方向での位置などを制御する。制御装置１０は、加工ツール３１のモータを制御することによって、加工ツール３１の回転動作を制御する。制御装置１０は、加工ツール３１の移動装置と、スピンドル３８の駆動装置とを制御することにより、ベース３４に対する加工ツール３１の高さおよび左右方向での位置等を制御する。制御装置１０は、ベース３４の移動機構を制御することによって、加工ツール３１に対するベース３４の前後方向での位置などを制御する。これにより、制御装置は、３次元造形装置２０と、加工装置３０との動作を制御することができる。

また、制御装置１０は、記憶部１１と、造形部１２と、接続部作製部１３と、第１除去部１４と、第２除去部１５と、表面加工部１６とを備えている。制御装置１０は、中央演算処理装置（以下、ＣＰＵという。）と、ＣＰＵが実行するコンピュータプログラムなどを格納したＲＯＭと、ＲＡＭなどを備えていてもよい。制御装置１０における記憶部１１と、造形部１２と、接続部作製部１３と、第１除去部１４と、第２除去部１５と、表面加工部１６とは、集積回路等に形成された論理回路によりハードウェアとして構成されていてもよく、ＣＰＵがコンピュータプログラムを実行することによりソフトウェアとして機能的に実現されるようになっていてもよい。また制御装置１０は、後述する造形物加工部１７を備えることもできる。なお、コンピュータプログラムは、当該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体（有線または無線による通信手段等）を介してＣＰＵと通信可能に構成されていてもよい。なお、本実施形態において、コンピュータプログラムは、電子的伝送によって実現された搬送波に含まれるデータ信号の形態であってもよい。

記憶部１１は、全体造形物６０の３次元形状を表す３次元データを記憶している。この３次元データには、対象造形物６２の３次元形状を表す３次元データと、対象造形物６２に配設されるサポート６４およびガイド部６６の３次元形状を表す３次元データが含まれる。３次元データは、３次元造形装置２０および加工装置３０の両方で利用される。記憶部は、ＲＯＭやＨＤＤ等の形態の回路により構成されていても良いし、不揮発性メモリカード等のような半導体媒体、ＣＤ、ＤＶＤ、ＢＤ（ブルーレイディスク）等の光記録媒体、磁気テープ、フレキシブルディスク等の磁気記録媒体により持ち運び可能に構成されていてもよい。

造形部１２は、記憶部１１に記憶された３次元データを用いて、３次元造形装置２０に全体造形物６０を造形させる。造形部１２は、上記３次元データから、全体造形物６０を複数の断面形状に分割したときの各断面形状を表す断面データを作成する。そして、造形部１２は、上記断面データを用いて、図２（ａ）に示したように、３次元造形装置２０に全体造形物６０を造形させる。すなわち、３次元造形装置２０は、上記断面データに基づいて、各断面形状の造形物（断面層）を造形し、それらを順次積層することにより、全体造形物６０を造形する。

全体造形物６０は、上述のようにサポート６４（６４ａ、６４ｂ、６４ｃ）を含んでいる。通常、テーブル上に形成される最初の第１層はサポート６４ｃである。サポート６４ｃは、全体造形物６０の土台ともなるべき部位であって、全体造形物６０の造形開始部位であり得る。このサポート６４ｃの存在により、造形用材料として収縮率が比較的大きい熱可塑性樹脂を用いたときであっても、対象造形物６２が固化時に収縮して意図しない形状に変形するのを抑制することができる。サポート６４ｃの平面方向は、テーブル２４の平面方向と同じである。

サポート６４ｃは、例えば造形ヘッド２２をテーブル２４に対して網目状に移動させながら造形用材料を押出すことで形成される。造形に際しては、１層目の断面層を造形したのち、造形ヘッド２２をテーブル２４に対して１層分の厚みだけ上方に移動させる。そして、１層目の断面層の上に、造形ヘッド２２から造形用材料を供給し、次の断面層を重ねて造形してゆく。このことを繰り返すことにより、サポート６４ｃを造形することができる。このサポート６４ｃの上には、対象造形物６２と、対象造形物の造形を補助するサポート６４ａと、ガイド部６６とが造形される。

次に、サポート６４ｃに連続して対象造形物６２を造形する。このとき、必要に応じて、サポート６４ｃと対象造形物６２との間に、両者を造形方向（上下方向）で接続する第１サポート６４ａを形成してもよい。第１サポート６４ａは、対象造形物６２の任意の部位を支持する部材であり、対象造形物６２が自重を支えきれずに破損または変形するのを防止する。また、対象造形物６２を取り囲む位置に、ガイド部６６を造形する。ガイド部６６の形状は特に制限されない。さらに、必要であれば、ガイド部６６と対象造形物６２とを造形方向とは異なる方向（例えば水平方向や、水平方向と交わる傾斜方向）で接続する第２サポート部６４ｂを形成してもよい。第１サポート６４ａは、第２サポート部６４ｂを支持するように構成されても良い。

図４（ａ）および（ｂ）は、全体造形物６０を上方から見た平面図である。ガイド部６６は、全体造形物６０の姿勢を造形されたときの姿勢から変更させた姿勢変更状態で固定治具７０に載置するときの、全体造形物６０の姿勢を固定治具７０上に支持するための部材である。ガイド部６６は、サポート６４ｃに連続して造形される。ガイド部６６は、第２サポート部６４ｂを介して対象造形物６２を支持するようにしてもよい。ガイド部６６は、全体造形物６０の任意の姿勢変更状態を支持し得るように、ＣＡＤ装置などの専用の装置によって演算することで適切に設計される。

ガイド部６６は、図４（ａ）に示すように、対象造形物６２を平面視で全周を取り囲むように構成されてもよい。これにより、全体造形物６０を姿勢変更状態で安定して支持することができる。また、対象造形物６２の重量が重い場合であっても、対象造形物６２を安定して支持することができる。さらに、ガイド部６６によっても、対象造形物６２が固化するときの収縮による反りや変形を均質に抑制することができる。図４（ａ）においてガイド部６６は平面視で方形であるが、これに限定されない。ガイド部６６は、例えば、平面視で円形、楕円形、あるいは不定形などであってよい。なお、ガイド部６６が対象造形物６２を全周で取り囲むことで、ガイド部６６の体積は大きくなる。しかしながら、造形材料である熱可塑性樹脂は、比較的安価なものが多い。したがって、ＦＤＭ法においては、ガイド部６６を対象造形物６２と同じ材料で作製しても経済的な負担が少ないという利点がある。

また、ガイド部６６は、対象造形物６２を平面視で全周を取り囲む形態のものに限定されない。例えば、図４（ｂ）に示すように、対象造形物６２に対して水平面に沿った周縁の一部において対象造形物６２を支持するように設けてもよい。図４（ｂ）では、ガイド部６６は、左右方向で対象造形物６２を挟むようにして支持している。具体的には図示しないが、例えば、ガイド部６６は、後方、右前方、左前方の三方向で対象造形物６２を支持するようにしてもよい。このように、ガイド部６６が対象造形物６２を周縁の一部でのみ支持することで、ガイド部６６を短時間で造形することができる。

接続部作製部１３は、３次元造形装置２０または加工装置３０を制御することにより、ガイド部６６に第２接続部６６ａを形成する。第２接続部６６ａは、３次元造形装置２０と加工装置３０との何れを用いて形成しても良く、両方を用いて形成してもよい。図４（ａ）および（ｂ）の例では、ガイド部６６の上面に４個の第２接続部６６ａが形成されている。第２接続部６６ａは、ガイド部６６の上面で均等に分散されて配置されている。このことにより、固定治具７０に対して全体造形物６０のずれを少なくして安定して固定することができる。

第２接続部６６ａは、固定治具７０に備えられた第１接続部７０ａに接続可能であれば、その接続形態は特に制限されない。図５（ａ）〜（ｃ）は、固定治具７０の第１接続部７０ａと、ガイド部６６の第２接続部６６ａとの、接続態様を例示した要部断面模式図である。図５（ａ）において、固定治具７０は、本体７１の表面から凹むように形成された第１接続部７０ａとしての凹部を備えている。また、ガイド部６６は、ガイド部６６の表面から突出した第２接続部６６ａとしての凸部を備えている。第１接続部７０ａとしての凹部に、第２接続部６６ａとしての凸部が嵌り合うことで、固定治具７０の所定位置にガイド部６６が固定される。第２接続部６６ａとしての凸部は、３次元造形装置２０により、ガイド部６６の表面に突出する凸部を造形することで形成することができる。第１接続部７０ａとしての凹部との嵌まり合いをより精密にするために、３次元造形装置２０により凸部を大きめに造形したのち、加工装置３０によってより精密に切削整形して所定寸法の凸部を形成してもよい。

また、図５（ｂ）において、固定治具７０は、本体７１の表面から突出するように形成された第１接続部７０ａとしての凸部を備えている。また、ガイド部６６は、ガイド部６６の表面から凹むように形成された、第２接続部６６ａとしての凹部を備えている。第１接続部７０ａとしての凸部に、第２接続部６６ａとしての凹部が嵌り合うことで、固定治具７０の所定位置にガイド部６６が固定される。第２接続部６６ａとしての凹部は、加工装置３０により、ガイド部６６の表面を切削加工することで形成することができる。あるいは、凹部は、３次元造形装置２０により、凹部を備えるようにガイド部６６を造形することで形成することができる。この場合、第１接続部７０ａとしての凸部との嵌まり合いをより精密にするために、３次元造形装置２０により小さめに凹部を造形したのち、加工装置３０によってより精密に整形して所定寸法の凹部を形成してもよい。

また、図５（ｃ）において、固定治具７０は、本体７１の表面から凹むように形成された第１接続部７０ａとしての凹部を備えている。また、ガイド部６６は、ガイド部６６の表面から凹むように形成された、第２接続部６６ａとしての凹部を備えている。そして第１接続部７０ａとしての凹部と、第２接続部６６ａとしての凹部とは、接続ピン７０ｂを介して、互いに接続される。接続ピン７０ｂは、一端が第１接続部７０ａとしての凹部に、他端が第２接続部６６ａとしての凹部にそれぞれ挿入される。これにより、固定治具７０の所定位置にガイド部６６が固定される。第２接続部６６ａとしての凹部は、上述のように形成することができる。

以上のように、本実施形態においては、比較的簡単な構成により、ガイド部６６を固定治具７０の所定の位置に正確に固定することができる。また、固定治具７０の第１接続部７０ａの位置および形状を固定しておき、この第１接続部７０ａの位置および形状に合わせてガイド部６６の第２接続部６６ａを形成することで、一つの固定治具７０に対して様々な対象造形物６２を固定し、サポート除去を実施することができる。なお、固定治具７０の第１接続部７０ａは、様々な形態の全体造形物６０を固定できるように、全体造形物６０に形成される第２接続部６６ａの数よりも多くの第１接続部７０ａを備えておくことができる。例えば、本体７１の上面には、格子の交点に相当する位置に第１接続部７０ａを設けておくことができる。これにより、効率良く３次元造形物の作製を行うことができる。

また、上記態様によると、例えば、全体造形物６０に複数の姿勢変更状態に対応した第２接続部６６ａを設けておくことで、複数の姿勢変更状態で全体造形物６０を固定治具７０に固定することができる。これにより、全体造形物６０の姿勢変更状態を様々に変化させながら、サポート除去を実施することができる。

本実施形態によると、固定治具とガイド部とで接合構造の形態を変更することができる。上述のように、ガイド部６６には第２接続部６６ａとして、例えば加工装置３０により凹部を形成することが簡便であり得る。また、３次元造形物の製造に繰り返しの使用が可能な固定治具７０には、第１接続部７０ａとして、消耗の影響の少ない凹部を設けておくことがより好ましい。したがって、このような凹部からなる固定治具７０とガイド部６６とを、別部材の接続ピン７０ｂを用いて接合することで、効率良く３次元造形物の作製を行うことができる。また、ガイド部６６の第２接続部６６ａとしての凹部は、加工機３０により比較的短時間で高精度に形成することが簡便であり得る。したがって、このような構成によっても、効率良く３次元造形物を作製することができる。

ガイド部６６に設けられる第２接続部６６ａの数は特に制限されない。第２接続部６６ａはガイド部６６に少なくとも１つ設けられれば良い。固定治具７０に安定してガイド部６６を固定するためには、第２接続部６６ａの数は２個以上であることが好ましく、例えば、３個以上であることが好ましく、より好ましくは４個であり得る。また、ガイド部６６に設けられる第２接続部６６ａの断面形状は特に制限されず、固定治具７０の第１接続部７０ａに嵌まり合う形状とすることができる。第２接続部６６ａの断面形状は円形であってもよいし、円形以外の方形、星形、不定形等であっても良い。また、ガイド部６６に複数の第２接続部６６ａが設けられる場合、第２接続部６６ａの断面形状は全て同一であってもよいし、一部または全部が異なる形状であってもよい。これにより、固定治具７０上でのガイド部６６の載置位置を誤ることなく、固定治具７０にガイド部６６を固定することができる。

ガイド部６６に設けられる第２接続部６６ａの位置は特に制限されない。図６（ａ）に示した全体造形物６０には、ガイド部６６の上端であって、造形方向（上下方向）の造形終了位置に、第１の第２接続部６６ａ１が設けられている。第１の第２接続部６６ａ１を固定治具７０の第１接続部７０ａに接続することで、全体造形物６０を造形方向に対して１８０°回転させた姿勢変更状態で固定治具７０上に載置することができる（図２（ｃ）参照）。一方で、全体造形物６０には、ガイド部６６の右側面の上方と下方とに、第２の第２接続部６６ａ２が設けられている。第２の第２接続部６６ａ２を固定治具７０の第１接続部７０ａに接続することで、図６（ｂ）に示したように、全体造形物６０を造形方向に対して９０°回転させた姿勢変更状態で固定治具７０上に載置することができる。ガイド部６６には、例えば、第１の第２接続部６６ａと、第２の第２接続部６６ａ２との、いずれか一方が備えられていればよいが、両方が備えられていてもよい。第２接続部６６ａが、ガイド部６６の異なる方位に複数設けられていることで、全体造形物６０を異なる複数の姿勢で固定治具７０上に載置することが可能となる。

以上のようにして全体造形物６０を造形したのち、この全体造形物６０を固定治具７０上に載置する。全体造形物６０の載置に際しては、固定治具７０の第１接続部７０ａと全体造形物６０の第２接続部６６ａとを接合する。これにより、所定の姿勢変更状態で全体造形物６０を固定治具７０に安定して位置ずれを生じることなく載置することができる。全体造形物６０を載置した固定治具７０は、例えば、加工装置３０のベース３４に移動される。これにより、次工程のサポート除去を実施することができる。なお、３次元造形装置２０と加工装置３０とが一体的に構成されているときは、全体造形物６０を載置した固定治具７０は、例えば、テーブル２４の所定位置に戻される。

第１除去部１４は、加工装置３０を制御することにより、固定治具７０に載置された全体造形物６０から、サポート６４を除去する。このとき、第１除去部１４は、記憶部１１に記憶された３次元データに基づいて加工装置３０を制御し、サポート６４を除去する。加工装置３０は、対象造形物６２の形状を忠実に再現するように、全体造形物６０を切削加工する。

また、上記のとおり、全体造形物６０は、複数の姿勢（姿勢変更状態)で固定治具７０に載置することができる。そのため、第１除去部１４は、固定治具７０上の全体造形物６０の姿勢を変えるごとに、全体造形物６０のサポート６４を除去するよう、加工装置３０を制御するようにしてもよい。例えば、図６（ｂ）に示した例では、全体造形物６０は、造形方向の右側側面を下方に向け、左側側面を上方に向けて、固定治具７０上に載置されている。したがって、加工装置３０は、全体造形物６０の左側側面からサポート６４を容易に切削除去することができる。その後、全体造形物６０は、例えば、図６（ａ）に示したように、造形方向の開始位置側（すなわち下面側）を上方に向けて、固定治具７０上に載置することができる。すると、加工装置３０は、全体造形物６０の下面側からサポート６４を除去することができる。したがって、例えば、加工装置３０は、全体造形物６０の左側側面からサポート６４を除去したのち、全体造形物６０の姿勢を変えて、全体造形物６０の下面側からサポート６４を除去することができる。これにより、全体造形物６０のサポート６４に対して様々な角度から切削加工を施すことができ、加工装置３０により精密にサポート６４を切削除去することができる。延いては、高精度な対象造形物６２を得ることができる。

なお、図７（ａ）に示すように、サポート６４ａは、対象造形物６２に接続する側の端部Ｅを、中央部Ｃよりも、造形方向に垂直な断面における断面積が大きくなるよう造形することが好ましい。図７（ｃ）に示すように、一般的なサポート６４ｎは、全体が概ね均一な太さで形成されている。しかしながらこのようなサポート６４ｎに対し、加工装置３０が側方からサポート除去を行った場合、サポート６４ｎと対象造形物６２との境界に応力が集中し、当該境界においてサポート６４ｎが根元から折れてしまう可能性がある。このとき、図７（ｄ）に示すように、サポート６４ｎの根元と接続する対象造形物６２の一部がサポート６４ｎとともに剥離し、対象造形物６２が抉り取られる可能性がある。これは対象造形物６２の表面精度を著しく損なうために好ましくない。そこで、サポート６４ａが対象造形物６２に接続する側の端部Ｅを中央部Ｃよりも太くしておくことで、側方から力が作用した場合であっても、サポート６４ａと対象造形物６２との境界においてサポート６４ａが破損することを防止することができる（図７（ｂ）参照）。これにより、サポート６４ａの破損により対象造形物６２が抉り取られることも防止することができる。このことは、一般に、サポートは、３次元造形物との接合面積が小さい方が好ましいとされている点で、従来の知見と大きく異なる。

表面加工部１６は、加工装置３０を制御することにより、対象造形物６２の表面を加工する。加工装置３０は、サポートの除去を実施するだけでなく、対象造形物６２の表面加工をも行うことができる。例えばこの表面加工は、記憶部１１に記憶された３次元データに基づいて実施することができる。これにより、例えば、造形ヘッド２２の供給口の寸法により制限されていた対象造形物６２の表面精度が向上される。

また、表面加工部１６は、記憶部１１に記憶された３次元データとは異なる他のデータに基づき、対象造形物６２の表面を加工するよう加工装置３０を制御することができる。３次元データとは異なる他のデータとは、例えば、対象造形物６２の表面への刻印、名入れ、レリーフなどの装飾などである。これにより、例えば、対象造形物６２に対して付加価値を付与することができる。

第２除去部１５は、加工装置３０を制御することにより、対象造形物６２をガイド部６６から切り離すことができる。このとき、ガイド部６６から対象造形物６２が落下する可能性があるときは、対象造形物６２の下方に落下の衝撃を和らげる緩衝部材を配置するようにしても良い。これにより、人手による切り離しを要せず、加工装置３０による対象造形物６２の切り離しを実現することができる。第２除去部１５によるガイド部６６の除去は、第１除去部１４によるサポート６４の除去、表面加工部１６による対象造形物６２の表面を加工がおこなわれた後に実施することができる。しかしながら、第１除去部１４によるサポート６４の除去と、第２除去部１５によるガイド部６６の除去とは、順不同に行うことができる。例えば、ガイド部６６とサポート６４ｂとがより大きな面積で接続されている場合は、第１除去部１４によるサポート６４の除去と第２除去部１５によるガイド部６６の除去とを連続的に行うことができる。例えば、対象造形物６２の右方（左方）のガイド部６６を対象造形物６２の側に向かって除去した後、連続的に対象造形物６２の右方（左方）のサポート６４ｂを除去してもよい。またガイド部６６の除去とサポート６４の除去とを繰り返し行っても良い。

以上のように、本実施形態によると、第２接続部６６ａを備えるガイド部６６を、対象造形物６２に一体的に形成するようにしている。そしてガイド部６６の第２接続部６６ａと、固定治具７０の第１接続部７０ａとを接続することにより、造形した全体造形物６０を固定治具７０の所定の位置に固定することができる。したがって、加工装置３０に対する全体造形物６０の配置を精確に定めることができる。また、サポート除去時の全体造形物６０の位置ずれを防止することができ、加工装置３０によるサポート除去をさらに精確に実施することができる。

本実施形態によると、３次元造形装置２０と加工装置３０とで一つの３次元データを共有することができる。したがって、加工装置３０は、３次元データに基づいて対象造形物６２の形状を忠実に形成するように、サポート３４を除去することができる。これにより、サポート３４を除去した痕跡の目立たない対象造形物６２を造形することができる。

本実施形態によると、加工装置３０により、３次元造形装置２０で造形した対象造形物６２の表面を加工することができる。加工装置３０は、３次元造形装置２０よりも表面精度の高い加工を実施することができる。これにより、表面精度の高い３次元造形物を作製することができる。また、対象造形物６２の表面に、付加的に、任意の加工を施すことができる。これにより、付加価値の高い３次元造形物を作製することができる。

本実施形態によると、ガイド部６６からの対象造形物６２の切り離しを加工装置３０により実施することができる。これにより、人の手を要することなく対象造形物６２を作製することができる。

なお、切削加工装置３０は、一般に、３次元造形装置２０よりも表面精度の高い加工を短時間で実施することができる。したがって、本実施形態によると、立体的に複雑な加工を実施できる３次元造形装置２０と、切削加工装置３０とを効果的に組み合わせることでき、簡便かつ高精度に３次元造形物の製造を実施することができる。

さらに、本実施形態によると、３次元造形装置２０による全体造形物６０の造形が終了したときに、加工装置２０により、対象造形物６２の造形方向の上方を加工することができる。その後、例えば、全体造形物６０を１８０°回転させた状態で、サポート６４の除去と、対象造形物６２の加工とを、実施することができる。すなわち、加工装置２０による対象造形物６２の加工を、造形方向の上面と下面との両面に対して実施することができる。これにより、表面精度の高い３次元造形物を造形することができる。

本実施形態によると、サポート６４の中央部は、サポート６４と対象造形物６２との接合部よりも断面積が小さく細い。したがって、サポート除去時に、サポート６４の中央部Ｃは容易に破断されるが、サポート６４と対象造形物６２との接合部で対象造形物６２を抉るようにサポート６４が破断することを防止することができる。また、一般に、サポート６４と対象造形物６２との接合部の面積は小さくすることが求められる。しかしながら、本実施形態では、加工精度が比較的高い加工装置３０によりサポート６４の除去を行うようにしている。そのため、サポート６４と対象造形物６２との接合部の面積が大きくても表面精度が損なわれる虞がないために好ましい。

本実施形態によると、サポート６４は、造形テーブル２４を利用して第１サポート６４ａにより対象造形物６２を支えるのみならず、ガイド部６６を利用して第２サポート６４ｂにより対象造形物６２を支えることができる。これにより、重量の大きい対象造形物６２であっても、安定して造形することができる。また、サポート６４により安定して支持した状態で、例えば、対象造形物６２の上面と下面との加工を実施することができる。また、第１サポート６４ａを除去するときにも、第２サポート６４ｂにより安定して対象造形物６２を支持することができるために好ましい。

なお、上記実施態様では、加工装置３０は、サポート６４の除去と、対象造形物６２の切り離しおよび表面加工を行うようにしていた。これらの加工は、全体造形物６０を固定治具７０に載置した状態で実施されていた。しかしながら、加工装置３０による対象造形物６２の加工は、固定治具７０に載置された全体造形物６０に対する表面加工に限定されない。例えば、対象造形物６２によっては、３次元造形の際の対象造形物６２の形状が上下方向に対して下方に大きく窪んだ凹部Ｘを有する場合があり得る（図８（ｂ）参照）。このようなとき、３次元造形装置２０は、図８（ａ）に示すように、凹部Ｘを設けることなく、全体造形物６０を造形することができる。そして、図８（ｂ）に示すように、全体造形物６０を造形したのち、引き続き加工装置３０による切削加工で、凹部Ｘを形成するようことができる。このとき、制御部１０は、造形物加工部１７を備えることができる。造形物加工部１７は、加工装置３０を制御することにより、３次元造形装置２０により造形され、固定治具７０に載置される前の全体造形物６０に対して加工を行う。これにより、３次元造形装置２０により全体造形物６０を短時間で造形することができ、また、加工装置３０により凹部Ｘを高精度で加工することができる。なお、この場合、凹部Ｘに相当する造形部分をサポート６４と看做すこともできる。全体造形物６０は、加工装置３０による凹部Ｘの切削加工を終えた後、図８（ｃ）に示すように、所定の姿勢変更状態で固定治具７０に載置される。そして引き続き、加工装置３０によるサポート６４の除去に供することができる。

上記実施態様では、３次元造形装置２０として、ＦＤＭ方式の装置を用いた例を示した。しかしながら、３次元造形装置２０はＦＤＭ方式のものに制限されない。上述のように、３次元造形装置２０として、結合材噴射、指向性エネルギー堆積、材料噴射、粉末床溶融結合、シート積層、および、液槽光重合等の各種の方式の３次元造形装置を採用することができる。このような３次元造形装置によると、造形用材料が熱可塑性樹脂に限定されることなく、熱硬化性樹脂等の他の樹脂材料、金属材料、セラミック材料を主体とする造形用材料を用いることができる。また、材料噴射方式の３次元造形装置は、上記ＦＤＭ方式の装置と構成が類似している。したがって、ここに開示される技術によると、上記のように加工装置３０と一体的に構成しやすいという点において好ましい。結合材噴射、粉末床溶融結合およびシート積層方式の３次元造形装置は、造形精度が比較的低いことがある。したがって、ここに開示される技術によると、加工装置３０による表面精度の向上等の効果が得られやすいという点において好ましい。指向性エネルギー堆積および液槽光重合方式の３次元造形装置は、造形精度が比較的高く、サポートの形状および配置も複雑となり得る。したがって、ここに開示される技術によると、全体造形物６０の姿勢を多様に変化させて高精度にサポート除去を行えるという点において好ましい。

また、上記実施態様では、加工装置３０として、回転する加工ツールを加工対象物７５に接触させて切削を行う切削加工機を用いた。しかしながら、加工装置３０は、切削加工機に限定されない。例えば、加工装置３０は、非接触で加工を行う加工機を用いることもできる。非接触の加工機としては、例えば、電子ビームやレーザの照射により加工対象物７５の加工を行う電子線加工機やレーザ加工機が挙げられる。これらはいずれか一つの加工機が単独で備えられていてもよいし、２種以上の加工機が併設されていてもよい。

１ ３次元造形システム
１０ 制御装置
２０ ３次元造形装置
３０ 加工装置
６０ 全体造形物
６２ 対象造形物
６４ サポート
６６ ガイド部
７０ 固定治具

Claims (14)

1. 造形対象である対象造形物と、前記対象造形物の造形を補助するサポートと、前記対象造形物の姿勢を変更させた状態で前記対象造形物を支持するガイド部と、を含む全体造形物を造形する３次元造形装置と、
   前記全体造形物から前記サポートを除去する加工装置と、
   前記３次元造形装置および前記加工装置を制御する制御装置と、を備え、
   姿勢が変更された前記全体造形物に接続される第１接続部を備え、前記全体造形物が載置される固定治具が予め用意されており、
   前記制御装置は、
   前記３次元造形装置または前記加工装置を制御することにより、前記固定治具の前記第１接続部に接続可能な第２接続部を前記ガイド部に形成する接続部作製部と、
   前記加工装置を制御することにより、前記固定治具の前記第１接続部と前記ガイド部の前記第２接続部とが接続された状態で前記固定治具に載置されている前記全体造形物から、前記サポートを除去する第１除去部と、
   を備える、３次元造形システム。
2. 前記制御装置は、
   前記全体造形物の３次元形状を表す３次元データを記憶する記憶部と、
   前記３次元データに基づき、前記３次元造形装置に前記全体造形物を造形させる造形部と、を備え、
   前記第１除去部は、前記３次元データに基づき、前記加工装置に前記サポートを除去させるよう構成されている、請求項１に記載の３次元造形システム。
3. 前記制御装置は、
   前記加工装置を制御することにより、前記対象造形物の表面を加工する表面加工部を備える、請求項１または２に記載の３次元造形システム。
4. 前記制御装置は、
   前記加工装置を制御することにより、前記３次元造形装置により造形され、前記固定治具に載置される前の前記全体造形物に対して加工を行う造形物加工部を備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の３次元造形システム。
5. 前記制御装置は、
   前記加工装置を制御することにより、前記対象造形物を前記ガイド部から切り離す第２除去部を備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の３次元造形システム。
6. 前記固定治具は、本体と、前記本体に設けられた前記第１接続部としての凹部とを備えており、
   前記第２接続部は、前記ガイド部の表面から突出し、前記凹部に嵌り合う凸部を備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の３次元造形システム。
7. 前記固定治具は、本体と、前記本体の表面から突出した第１接続部としての凸部とを備えており、
   前記第２接続部は、前記凸部に嵌り合う凹部を備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の３次元造形システム。
8. 前記固定治具は、本体と、前記本体に設けられ前記第１接続部と前記第２接続部とを接続する接続ピンの一端が挿入される第１凹部と備えており、
   前記第２接続部は、前記接続ピンの他端が挿入される第２凹部を備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載の３次元造形システム。
9. 前記３次元造形装置は、熱溶解積層方式に基づき造形を実施する造形装置である、請求項１〜８のいずれか１項に記載された３次元造形システム。
10. 前記加工装置は、切削加工機により構成されている、請求項１〜９のいずれか１項に記載された３次元造形システム。
11. 前記ガイド部は、前記対象造形物を造形方向に対して１８０°回転させた状態で支持可能なように構成されている、請求項１〜１０のいずれか１項に記載された３次元造形システム。
12. 前記サポートは、前記全体造形物の造形開始部位と前記対象造形物とに接続する棒状に形成され、前記対象造形物に接続する側の端部は、前記端部を除く中央部よりも、造形方向に垂直な面の断面積が大きくなるよう造形する、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の３次元造形システム。
13. 前記サポートは、前記全体造形物の造形開始部位と前記対象造形物とを造形方向で接続する第１サポートと、前記ガイド部と前記対象造形物とを接続する第２サポート部とを含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の３次元造形システム。
14. ３次元造形装置により、造形対象である対象造形物と、前記対象造形物の造形を補助するサポートと、前記対象造形物の姿勢を変更させた状態で前記対象造形物を支持するガイド部と、を含む全体造形物を造形する３次元造形工程と、
    姿勢が変更された前記全体造形物に接続される第１接続部を備え、前記全体造形物が載置される固定治具を用意する固定治具用意工程と、
    前記３次元造形装置または加工装置により、前記ガイド部に、前記固定治具の前記第１接続部に接続可能な第２接続部を形成する接続部形成工程と、
    前記第１接続部と前記第２接続部とを接続して前記全体造形物を前記固定治具上に配置する配置工程と、
    前記加工装置により、前記全体造形物から前記サポートを除去するサポート除去工程と、
    を包含する３次元造形物の製造方法。

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