JP2017100304A - ３次元積層造形装置及び３次元積層造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】積層界面の強度を向上することができ、かつ、造形物の表面の凹凸を低減させることができる、複雑な制御を必要としない簡便な構造の３次元積層造形装置を提供する。
【解決手段】熱で溶融した造形素材をノズル１２より押し出す押し出しヘッド１０を備え、押し出しヘッド１０を移動させながらノズル１２より押し出された造形素材を積層して立体物を造形する３次元積層造形装置であって、押し出しヘッド１０に固定された、ノズル１２の直下近傍を加熱する加熱ユニット３１を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱溶解積層法を用いた３次元積層造形装置及び方法に関する。

熱溶解積層法（ＦＤＭ法）を使用して立体物を造形する手法が知られている。ＦＤＭ法とは、主として熱可塑性の樹脂をヒータが内蔵された押し出しヘッド内部で加熱し、溶融した樹脂をヘッドから押し出しながら積層していく手法である（特許文献１参照）。
図１に、ＦＤＭ法を用いた３次元積層造形装置の概略構成を示す。
図１を参照すると、３次元積層造形装置は、押し出しヘッド１０と造形テーブル２０を有する。押し出しヘッド１０は、造形テーブル２０上の平面内（ｘ−ｙ平面）を移動可能である。造形テーブル２０は、ｘ−ｙ平面に垂直なｚ軸に沿って移動可能である。

押し出しヘッド１０は、造形素材が導入されるバレル１１と、バレル１１内に導入された造形素材を加熱して溶融させる加熱ブロック２１と、加熱ブロック２１の温度を制御する温度制御ユニット２２と、溶融した造形素材を吐出するノズル１２とを有する。
一般的に、造形素材には、熱可塑性樹脂が使用される。熱可塑性樹脂は、フィラメントと呼ばれるひも状の形態（直径は、例えば、１．７５ｍｍφ）でバレル１１内に導入される。加熱ブロック２１には、例えば、ヒータと温度センサが内蔵されおり、温度制御ユニット２２は、温度センサの出力信号に基づいて樹脂が所望の温度で加熱されるようにヒータを制御する。溶融した樹脂は、ノズル１２より押し出される。

以下に、上記の３次元積層造形装置において行われる造形手順を簡単に説明する。
まず、コンピュータを用いて、立体物の３次元データを薄い層（例えば、０．２ｍｍの厚さの層）に分割し、さらに各層の平面内で、ある一定の幅（例えば、０．４ｍｍ）で埋めていくような造形経路データを生成する。
造形経路データに基づいて、押し出しヘッド１０を移動させながら造形テーブル２０上に１層目の樹脂層を堆積させる。次に、造形テーブル１０をｚ軸に沿って１層分の高さだけ下降させた後、造形経路データに基づいて、押し出しヘッド１０を移動させながら１層目の樹脂層上に２層目の樹脂層を堆積させる。このような工程を繰り返すことによって、最終的に３次元の造形物が得られる。

しかし、上述した３次元積層造形装置において、ノズルから押し出された高温（例えば、２３０℃）の溶融樹脂を、既に堆積された下層の樹脂の上部に堆積する場合、下層の樹脂は既に冷えて固化が始まった状態である。このため、下層の樹脂とその上部に堆積される溶融樹脂とは融着するものの、それら樹脂の界面において、樹脂に特有の現象である、高分子の絡み合いが誘起されないため、本来の樹脂強度と比較して界面部分の強度が低下するという問題がある。この界面部分の強度低下は、同じ３次元モデルであっても、積層方向を変えて造形した場合に、積層方向によって造形体の強度が大きく低下するというさらなる問題を生じさせる。
また、造形物の表面、特に、側面（積層方向を上面方向とした場合の側面）には、積層に応じて１層ごとに凹凸（段差）が発生する。このような段差は、外観的に好ましくない上、触った時の感触に違和感を生じさせる。このように、造形物の表面が目標とする仕上がりにならないという問題がある。

上記の問題を解決するための手法として、吐出ユニット（押し出しヘッド）とは別に、加熱ユニットおよび冷却ユニットを設け、これらユニットをそれぞれ独立に制御する方法が提案されている（特許文献２参照）。加熱ユニットおよび冷却ユニットはいずれも、ｘ−ｙ平面に水平な方向及びｚ軸の方向に移動可能である。
加熱ユニットは、ヘッドより押し出された溶融樹脂を積層させる部分（既に堆積された下層の樹脂の上部）に熱風を供給する。下層の樹脂の上部が過熱されることで、積層界面を高温溶融状態にすることができるので、界面強度を高めることができ、表面の凹凸を低減することができる。
冷却ユニットは、ヘッドより押し出された溶融樹脂が外部に臨む表面のうち、次の段が積層される積層面に冷却風を供給する。これにより、積層面と外側面とが均等に冷却され、その結果、造形精度の悪化を抑制することができる。

特開平３−１５８２２８号公報 特開２００５−３３５３８０号公報

上述したように、ＦＤＭ法を用いた３次元積層造形装置においては、積層界面の強度が低いという問題や、目標とする表面の仕上がりにならないという問題があった。
特許文献２に記載の方法においては、上記問題を解決できるものの、加熱ユニット及び冷却ユニットの移動動作をそれぞれ、吐出ユニットとは別に独立して制御する必要があるため、以下のような問題がある。

吐出ユニットは、造形経路データに従ってｘ−ｙ平面の面内方向に移動するため、この吐出ユニットの移動に伴って熱風で加熱すべき部位も変化する。ヘッドより押し出された溶融樹脂を積層させる位置に対して、常に、積層の直前に熱風を供給するためには、加熱ユニットに対して、吐出ユニットの移動に応じた非常に複雑な移動制御が要求される。その結果、加熱ユニットの制御回路が複雑になり、コストも増大する。
吐出ユニットの移動に伴って冷却風で冷却すべき部位も変化する。このため、常に、ヘッドより押し出された後の溶融樹脂の表面に冷却風を供給するためには、冷却ユニットに対して、吐出ユニットの移動に応じた非常に複雑な移動制御が要求される。その結果、冷却ユニットの制御回路が複雑になり、コストも増大する。

本発明の目的は、積層界面の強度を向上することができ、かつ、造形物の表面の凹凸を低減させることができる、複雑な制御を必要としない簡便な構造の３次元積層造形装置及び３次元積層造形方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一態様によれば、
熱で溶融した造形素材をノズルより押し出すヘッドを備え、該ヘッドを移動させながら前記ノズルより押し出された前記造形素材を積層して立体物を造形する３次元積層造形装置であって、
前記ヘッドに固定された、前記ノズルの直下近傍を加熱する加熱手段を有する、３次元積層造形装置が提供される。

また、本発明の別の態様によれば、熱で溶融した造形素材をノズルより押し出すヘッドを用いて前記造形素材を積層した立体物を造形する３次元積層造形方法であって、
前記ヘッドに固定された加熱ユニットを用いて前記ノズルの直下近傍を加熱する、３次元積層造形方法が提供される。

本発明によれば、複雑な制御を必要としない簡便な構造で、積層界面の強度を向上することができ、かつ、造形物の表面の凹凸を低減させることができる。

ＦＤＭ法を用いた３次元積層造形装置の概略構成を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態による３次元積層造形装置の構成を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態による３次元積層造形装置の構成を示す模式図である。 押し出しヘッドを底面から見た場合の隙間の構造の一例を示す模式図である。 押し出しヘッドを底面から見た場合の隙間の構造の別の例を示す模式図である。 本発明の第３の実施形態による３次元積層造形装置の構成を示す模式図である。 押し出しヘッドを底面から見た場合の開口の構造の一例を示す模式図である。 押し出しヘッドを底面から見た場合の開口の構造の別の例を示す模式図である。 押し出しヘッドを底面から見た場合の開口の構造のさらに別の例を示す模式図である。 本発明の第４の実施形態による３次元積層造形装置の構成を示す模式図である。 本発明の第５の実施形態による３次元積層造形装置の構成を示す模式図である。 本発明の第６の実施形態による３次元積層造形装置の構成を示す模式図である。 押し出しヘッドを底面から見た場合の隙間及び開口の構造の一例を示す模式図である。 押し出しヘッドを底面から見た場合の隙間及び開口の構造の別の例を示す模式図である。 押し出しヘッドを底面から見た場合の隙間及び開口の構造のさらに別の例を示す模式図である。 本発明の効果を説明するための図である。 樹脂の積層方向の一例を示す模式図である。 樹脂の積層方向の別の例を示す模式図である。 比較例の試験片の表面の凹凸を触針式の表面段差計で測定した結果を示す図である。 本発明の実施例の試験片の表面の凹凸を触針式の表面段差計で測定した結果を示す図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図２は、本発明の第１の実施形態による３次元積層造形装置の構成を示す模式図である。この３次元積層造形装置は、熱溶解積層法を使用して３次元の造形物（立体物）を積層造形するものであって、図１に示した押し出しヘッド１０及び造形テーブル２０に加えて、加熱ユニット３１及び加熱制御ユニット３２を有する。加熱ユニット３１、又は、加熱ユニット３１及び加熱制御ユニット３２は、加熱手段と呼ぶことができる。

図２において、図１に示した構成と同じ構成には同じ符号が付されており、造形テーブル２０は省略されている。また、図２には示されていないが、３次元積層造形装置は、装置全体の動作を制御するＣＰＵ（Central Processing unit）等よりなる主制御部を備えており、この主制御部が、予め保持した造形経路データに基づいて押し出しヘッド１０及び造形テーブル２０の動作を制御する。造形経路データに基づいて、押し出しヘッド１０を移動させながら造形テーブル２０上に熱で溶融した造形素材を積層することで、３次元の造形物（立体物）を得る。造形素材は、例えば、熱可塑性樹脂である。
加熱ユニット３１は、押し出しヘッド１０のノズル１２の近傍の部位（ここでは、加熱ブロック２１）に固定され、ノズル１２の直下の領域を加熱する。加熱ユニット３１を固定する部位は、加熱ブロック２１に限定されない。造形動作に影響することなくノズル１２の直下の領域を加熱できるのであれば、加熱ユニット３１は、押し出しヘッド１０のどのような部位に固定されてもよい。

加熱ユニット３１には、熱風、熱放射、レーザー光などを用いた種々の加熱手段を適用することができる。例えば、熱風の加熱手段を加熱ユニット３１に適用した場合は、加熱ユニット３１は、ノズル１２の直下の領域に向けて熱風を吹き出す構造を有する。熱放射の加熱手段を加熱ユニット３１に適用した場合は、加熱ユニット３１は、ノズル１２の直下の領域に向けて熱放射を行う構造を有する。レーザー光の加熱手段を加熱ユニット３１に適用した場合は、加熱ユニット３１は、ノズル１２の直下の領域に向けてレーザー光を照射する構造を有する。加熱ユニット３１は、熱風、熱放射及びレーザー光の２つ以上の組合せよりなる加熱手段で構成されてもよい。なお、加熱ユニット３１は、熱風、熱放射及びレーザー光の加熱手段に限定されない。加熱ユニット３１は、造形動作に影響することなくノズル１２の直下の領域を加熱できるのであれば、どのような加熱手段を適用してもよい。

加熱制御ユニット３２は、押し出しヘッド１０の造形動作に連動して加熱ユニット３１の加熱動作を制御することができる。ここでは、加熱制御ユニット３２は、造形経路データに基づく造形動作開始と同時に、又は、造形動作開始前に、加熱ユニット３１をオンする。また、加熱制御ユニット３２は、造形経路データに基づく造形動作終了と同時に、又は、造形動作終了後に、加熱ユニット３１をオフする。例えば、加熱制御ユニット３２は、主制御部から加熱ユニット３１の加熱動作の開始及び終了をそれぞれ示す制御信号を受信し、この制御信号に従って加熱ユニット３１の加熱動作を制御してもよい。
温度制御ユニット２２は、主制御部から加熱ブロック２１の加熱動作の開始及び終了をそれぞれ示す制御信号を受信し、この制御信号に従って加熱ブロック２１の加熱動作を制御してもよい。

次に、本実施形態の３次元積層造形装置の造形動作を、作用効果を含めて説明する。
まず、温度制御ユニット２２が、加熱ブロック２１をオンし、加熱制御ユニット３２が、加熱ユニット３１をオンする。そして、主制御部が、造形経路データに基づいて押し出しヘッド１０及び造形テーブル２０の動作を制御し、造形テーブル２０上に樹脂層を順次堆積させて３次元の造形物（立体物）を造形する。

樹脂の積層工程において、１層目の樹脂層の上部にノズル１２より押し出された溶融樹脂を堆積させて２層目の樹脂層を形成する際に、加熱ユニット３１が、１層目の樹脂層の上部のノズル１２の直下に位置する部位を加熱する。この場合、１層目の樹脂層の上部の熱で溶融した部位上に、ノズル１２より押し出された溶融樹脂が堆積されるため、積層界面を高温溶融状態にすることができる。高温溶融状態の積層界面では、樹脂に特有の現象である、高分子の絡み合いが誘起されるため、界面部分の強度を、本来の樹脂強度と同程度とすることができる。同様に、３層目以降の樹脂層を堆積させる場合も、積層界面を高温溶融状態にすることができ、界面部分の強度を、本来の樹脂強度と同程度とすることができる。
また、積層界面を高温溶融状態にすることで、下層部と上層部がより一体化され、その結果、造形体の表面の凹凸が低減する。

特許文献２に記載の手法では、吐出ユニット（押し出しヘッド）とは別体である加熱ユニットの位置制御を独立に行っているため、吐出ユニットの移動に応じた非常に複雑な移動制御が要求される。これに対して、本実施形態の３次元積層造形装置では、加熱ユニット３１は、ノズル１２の直下近傍を加熱するように押し出しヘッド１０に固定されているので、加熱ユニット３１に対する移動制御は不要である。よって、特許文献２に記載の手法と比較して、非常に簡便な構造で、積層界面の強度を向上することができ、造形体の表面の凹凸を低減することができる、３次元積層造形装置を提供することができる。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態による３次元積層造形装置の構成を示す模式図である。この３次元積層造形装置は、加熱ユニット３１及び加熱制御ユニット３２に代えて、熱風ガイドブロック３３及び熱風発生装置３６を設けた点で、図２に示した３次元積層造形装置と異なる。熱風ガイドブロック３３、又は、熱風ガイドブロック３３及び熱風発生装置３６は、加熱手段と呼ぶことができる。
熱風ガイドブロック３３は、ノズル１２の外周を囲むように構成されており、熱風ガイドブロック３３とノズル１２の間には隙間３７が設けられている。熱風ガイドブロック３３には、ノズル１２側の面（第１面）とその反対側の面（第２面）との間を貫通する熱風用貫通穴３４が形成されており、熱風用貫通穴３４の第２面側の開口は、熱風ガイド３５を介して熱風発生装置３６に連結されている。

熱風発生装置３６は、熱風ガイド３５を介して熱風を熱風ガイドブロック３３に導入する。熱風ガイドブロック３３に導入された熱風は、熱風用貫通穴３４を通って隙間３７に誘導される。隙間３７は、熱風ガイドブロック３３、加熱ブロック２１及びノズル１２によって囲まれた空間より形成されており、この空間は、ノズル１２の直下の領域（空間）に連通している。隙間３７に導入された熱風は、ノズル１２の直下近傍に向かって吹き出される。
本実施形態の３次元積層造形装置においても、第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。

なお、隙間３７の構造は適宜に変更可能である。図４Ａは、押し出しヘッド１０を底面（吐出側の面）から見た場合の隙間３７の構造の一例を示す模式図である。この例では、隙間３７は、円環状に設けられている。ただし、隙間３７は、円環状に限定されない。
図４Ｂは、押し出しヘッド１０を底面から見た場合の隙間３７の構造の別の例を示す模式図である。この例では、隙間３７は、４つの隙間に分割されていている。ただし、隙間の数（分割数）は、４つに限定されるものではなく、２以上であればよい。
図３に示した構成において、熱風用貫通穴３４と熱風ガイド３５はそれぞれ１つしか設けられていないが、ノズル直下近傍への吹き出しを均一かつ安定にさせることを目的として、２以上設けられてもよい。
また、熱風ガイドブロック３３は、底面の高さが面内全体で同じであり、横幅が加熱ブロック２１と同じ大きさとなっているが、上記機能を有していれば、必要最低限の部分を残して不要な部分は除去されていてもよい。
さらに、熱風ガイドブロック３３は、加熱ブロック２１またはノズル１２と一体で形成されてもよい。

（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態による３次元積層造形装置の構成を示す模式図である。この３次元積層造形装置は、熱風ガイドブロック３３に代えて熱風ガイドブロック３８を備える点で、上述した第２の実施形態と異なる。熱風ガイドブロック３８、又は、熱風ガイドブロック３８及び熱風発生装置３６は、加熱手段と呼ぶことができる。
熱風ガイドブロック３８は、ノズル１２の外周を囲むように構成されている。熱風ガイドブロック３８のノズル１２側の面を内側面、ノズル１２側とは反対側の面を外側面と呼ぶ。熱風ガイドブロック３８の加熱ブロック２１側の面を上面、加熱ブロック２１側とは反対側の面を底面と呼ぶ。

熱風ガイドブロック３８には、底面と外側面との間を貫通する熱風用貫通穴３９が形成されており、熱風用貫通穴３９の外側面側の開口（熱風の導入口）は、熱風ガイド３５を介して熱風発生装置３６に連結されている。
ノズル１２の先端は、熱風ガイドブロック３８の底面から僅かに突き出ている。熱風用貫通穴３９の底面側の開口４０は、熱風の吹き出し口である。開口４０は、ノズル１２の先端に隣接して形成されている。熱風用貫通穴３９は、開口４０から吹き出した熱風がノズル１２の直下の領域（空間）に供給されるように形成されている。

本実施形態の３次元積層造形装置では、熱風発生装置３６で生成された熱風は、熱風ガイド３５を介して熱風ガイドブロック３８に導入される。さらに、導入された熱風は、熱風用貫通穴３９を通って、最終的に、開口４０からノズル１２の直下近傍へと吹き出される。
本実施形態の３次元積層造形装置においても、第１又は第２の実施形態と同様の作用効果を奏する。

なお、開口４０の構造は適宜に変更可能である。図６Ａは、押し出しヘッド１０を底面（吐出側の面）から見た場合の開口４０の構造の一例を示す模式図である。この例では、円形の開口４０がノズル１２に隣接して形成されている。開口４０は、円形以外の形状であってもよい。
図６Ｂは、押し出しヘッド１０を底面から見た場合の開口４０の構造の別の例を示す模式図である。この例では、ノズル１２の先端の周囲に、４つの開口４０が等間隔で配置されている。開口４０の数は４つに限定されない。開口４０の数は、２個以上であればよい。
図６Ｃは、押し出しヘッド１０を底面から見た場合の開口４０の構造のさらに別の例を示す模式図である。この例では、ノズル１２の先端を囲む円環状の開口４０が設けられている。円環状の開口４０の数は１つに限定されない。２つ以上の円環状の開口４０が設けられてもよい。この場合は、各円環状の開口４０は同心円であることが望ましい。

図５に示した構成において、熱風用貫通穴３９と熱風ガイド３５の数はそれぞれ１つしか設けられていないが、ノズル直下近傍への吹き出しを均一かつ安定にさせることを目的として、２以上設けられてもよい。
また、熱風ガイドブロック３８は、底面の高さが面内全体で同じであり、横幅が加熱ブロック２１と同じ大きさとなっているが、上記機能を有していれば、必要最低限の部分を残して不要な部分は除去されていてもよい。
さらに、熱風ガイドブロック３８は、加熱ブロック２１またはノズル１２と一体で形成されてもよい。

（第４の実施形態）
図７は、本発明の第４の実施形態による３次元積層造形装置の構成を示す模式図である。この３次元積層造形装置は、冷却ユニット４１及び冷却制御ユニット４２が追加された点で、図２に示した３次元積層造形装置と異なる。冷却ユニット４１、又は、冷却ユニット４１及び冷却制御ユニット４２は、冷却手段と呼ぶことができる。冷却手段以外の構成は、第１の実施形態と同様のものである。

冷却ユニット４１は、ノズル１２の直下近傍から離れた領域を冷却するように、押し出しヘッド１０に固定されている。冷却ユニット４１は、加熱ユニット３１とともに加熱ブロック２１に固定されている。加熱ユニット３１がノズル１２側に配置され、冷却ユニット４１は、加熱ユニット３１に隣接して配置されている。ただし、冷却ユニット４１を固定する部位は、加熱ブロック２１に限定されない。造形動作及び加熱ユニット３１の加熱動作に影響することなく、ノズル１２の直下の加熱領域から離れた領域を冷却できるのであれば、冷却ユニット４１は、押し出しヘッド１０のどのような部位に固定されてもよい。
冷却ユニット４１は、例えば、冷却風がノズル１２の直下近傍から離れた領域（空間）に向けて吹き出す構造を有する。この場合、冷却ユニット４１からの冷却風が、加熱ユニット３１がノズル１２の直下近傍を加熱することを妨げないこと、より具体的には、ノズル１２の直下近傍における加熱温度が冷却風で低下しないことが望ましい。

冷却制御ユニット４２は、押し出しヘッド１０の造形動作に連動して冷却ユニット４１の冷却動作を制御することができる。ここでは、冷却制御ユニット４２は、造形経路データに基づく造形動作開始と同時に、又は、造形動作開始前に、冷却ユニット４１をオンする。また、冷却制御ユニット４２は、造形経路データに基づく造形動作終了と同時に、又は、造形動作終了後に、冷却ユニット４１をオフする。例えば、冷却制御ユニット４２は、主制御部から冷却ユニット４１の冷却動作の開始及び終了をそれぞれ示す制御信号を受信し、この制御信号に従って冷却ユニット４１の冷却動作を制御してもよい。

次に、本実施形態の３次元積層造形装置の造形動作を説明する。
まず、温度制御ユニット２２が、加熱ブロック２１をオンし、加熱制御ユニット３２が、加熱ユニット３１をオンし、冷却制御ユニット４２が、冷却ユニット４１をオンする。そして、主制御部が、造形経路データに基づいて押し出しヘッド１０及び造形テーブル２０の動作を制御し、造形テーブル２０上に樹脂層を順次堆積させて３次元の造形物（立体物）を造形する。

樹脂の積層工程において、１層目の樹脂層の上部にノズル１２より押し出された溶融樹脂を堆積させて２層目の樹脂層を形成する際に、加熱ユニット３１が、１層目の樹脂層の上部のノズル１２の直下に位置する部位を加熱する。その結果、１層目の樹脂層の上部の熱で溶融した部位上に、ノズル１２より押し出された溶融樹脂が堆積される。
押し出しヘッド１０が所定の方向に移動すると、１層目の樹脂層の上部の熱で溶融した部位とその上に堆積された溶融樹脂とを含む溶融部分が、冷却ユニット４１の冷却領域に移動する。そして、冷却ユニット４１が、溶融部分を冷却する。
３層目以降の樹脂層を堆積させる場合も、上記のような加熱及び冷却が行われる。

本実施形態の３次元積層造形装置によれば、第１の実施形態と同様、加熱ユニット３１がノズル１２の直下近傍を加熱することで、積層界面の強度向上と表面凹凸の低減が可能である。
また、本実施形態の３次元積層造形装置によれば、以下のような作用効果も奏する。
造形素材の種類や、加熱温度等の造形条件によっては、造形中に造形体内部に熱がこもり、その結果、積層表面がダレて、造形精度が悪化する場合がある。冷却ユニット４１がノズル１２の直下近傍から離れた位置を冷却することで、加熱による積層界面の強度向上と表面凹凸の低減を維持しつつ、造形精度の悪化を抑制することが可能となる。

特許文献２に記載の手法では、吐出ユニット（押し出しヘッド）とは別体である冷却ユニットの位置制御を独立に行っているため、吐出ユニットの移動に応じた非常に複雑な移動制御が要求される。これに対して、本実施形態の３次元積層造形装置では、冷却ユニット４１は、ノズル１２の直下近傍から離れた領域を冷却するように押し出しヘッド１０に固定されているので、冷却ユニット４１に対する移動制御は不要である。よって、特許文献２に記載の手法と比較して、非常に簡便な構造で、造形精度の悪化を抑制することができる、３次元積層造形装置を提供することができる。

（第５の実施形態）
図８は、本発明の第５の実施形態による３次元積層造形装置の構成を示す模式図である。
この３次元積層造形装置は、加熱ユニット３１及び冷却ユニット４１に代えて加熱／冷却ユニット５１を備える点で、第４の実施形態と異なる。加熱／冷却ユニット５１は、加熱ユニット３１に相当する加熱部と冷却ユニット４１に相当する冷却部とを一体化したものである。
加熱制御ユニット３２は、加熱／冷却ユニット５１の加熱部の加熱動作を制御する。冷却制御ユニット４２は、加熱／冷却ユニット５１の冷却部の冷却動作を制御する。
本実施形態の３次元積層造形装置も、第４の実施形態と同様の作用効果を奏する。

（第６の実施形態）
図９は、本発明の第６の実施形態による３次元積層造形装置の構成を示す模式図である。この３次元積層造形装置は、加熱／冷却ユニット５１、加熱制御ユニット３２及び冷却制御ユニット４２に代えて、熱風／冷却風ガイドブロック５２、熱風発生装置３６及び冷却風発生装置４５を設けた点で、図８に示した３次元積層造形装置と異なる。
熱風／冷却風ガイドブロック５２は、ノズル１２の外周を囲むように構成されており、熱風／冷却風ガイドブロック５２とノズル１２の間には隙間５４が設けられている。熱風／冷却風ガイドブロック５２のノズル１２側の面を内側面、ノズル１２側とは反対側の面を外側面と呼ぶ。熱風／冷却風ガイドブロック５２の加熱ブロック２１側の面を上面、加熱ブロック２１側とは反対側の面を底面と呼ぶ。

熱風／冷却風ガイドブロック５２は、熱風用貫通穴５３及び冷却風用貫通穴４３を有する。熱風用貫通穴５３は、内側面と外側面を貫通するように構成されており、熱風用貫通穴５３の外側面側の開口は、熱風ガイド３５を介して熱風発生装置３６に連結されている。
熱風発生装置３６は、熱風ガイド３５を介して熱風を熱風／冷却風ガイドブロック５２に導入する。熱風ガイド３５から導入された熱風は、熱風用貫通穴５３を通って隙間５４に誘導される。隙間５４は、熱風／冷却風ガイドブロック５２、加熱ブロック２１及びノズル１２によって囲まれた空間より形成されており、この空間は、ノズル１２の直下の領域（空間）に連通している。隙間５４に導入された熱風は、ノズル１２の直下近傍に向かって吹き出される。
冷却風用貫通穴４３は、外側面と底面を貫通するように構成されており、冷却風用貫通穴４３の外側面側の開口は冷却風ガイド４４を介して冷却風発生装置４５に連結されている。ノズル１２の先端は、熱風／冷却風ガイドブロック５２の底面から僅かに突き出ている。

熱風／冷却風ガイドブロック５２の底面には、冷却風用貫通穴４３の底面側の開口４６がノズル１２の先端に隣接して設けられている。開口４６は、冷却風の吹き出し口である。冷却風用貫通穴４３は、開口４６から吹き出した冷却風がノズル１２の直下近傍から離れた領域を向かうように形成されている。
冷却風発生装置４５は、冷却風ガイド４４を介して冷却風を熱風／冷却風ガイドブロック５２に導入する。冷却風ガイド４４から導入された冷却風は、冷却風用貫通穴４３を通って開口４６から吹き出す。開口４６から吹き出した冷却風は、ノズル１２の直下近傍から離れた領域を冷却する。
本実施形態の３次元積層造形装置においても、第５の実施形態と同様の作用効果を奏する。

なお、隙間５４及び開口４６の構造は適宜に変更可能である。図１０Ａは、押し出しヘッド１０を底面（吐出側の面）から見た場合の隙間５４及び開口４６の構造の一例を示す模式図である。この例では、円環状の隙間５４がノズル１２を囲むように配置され、円形の開口４６が、隙間５４に隣接して配置されている。開口４６は、円形以外の形状であってもよい。
図１０Ｂは、押し出しヘッド１０を底面から見た場合の隙間５４及び開口４６の構造の別の例を示す模式図である。この例では、円環状の隙間５４がノズル１２を囲むように配置され、４つの円形の開口４６が、隙間５４の周囲に等間隔で配置されている。開口４６の数は４つに限定されない。開口４６の数は、２個以上であればよい。
図１０Ｃは、押し出しヘッド１０を底面から見た場合の隙間５４及び開口４６の構造のさらに別の例を示す模式図である。この例では、円環状の隙間５４がノズル１２を囲むように配置され、さらに円環状の開口４６が隙間５４を囲むように配置されている。円環状の隙間５４と円環状の開口４６は同心円であることが望ましい。なお、円環状の隙間５４の数は１つに限定されない。２つ以上の円環状の隙間５４が設けられてもよい。同様に、円環状の開口４６の数は１つに限定されない。２つ以上の円環状の開口４６が設けられてもよい。

図９に示した構成において、熱風用貫通穴５３と熱風ガイド３５はそれぞれ１つしか設けられていないが、ノズル直下近傍への吹き出しを均一かつ安定にさせることを目的として、２以上設けられてもよい。同様に、冷却風用貫通穴４３と冷却風ガイド４４もそれぞれ１つしか設けられていないが、ノズル直下近傍から離れた領域への吹き出しを均一かつ安定にさせることを目的として、２以上設けられてもよい。
また、熱風／冷却風ガイドブロック５２は、底面の高さが面内全体で同じであり、横幅が加熱ブロック２１と同じ大きさとなっているが、上記機能を有していれば、必要最低限の部分を残して不要な部分は除去されていてもよい。
熱風／冷却風ガイドブロック５２は、加熱ブロック２１またはノズル１２と一体とされてもよい。

次に、本発明の実施例を説明する。
（実施例１）
本実施例の３次元積層造形装置は、図３に示した構成を有する。熱風ガイドブロック３３はアルミで作製されている。熱風ガイドブロック３３とノズル１２との間に形成された隙間３７の大きさは、約１ｍｍ以下である。熱風用貫通穴３４の直径は、２．４ｍｍである。熱風ガイド３５は、ステンレス製のパイプ（外径２．４ｍｍ、内径２．０ｍｍ）で作製されている。熱風発生装置３６は、外部から導入した空気を流量制御し、セラミックヒータで加熱することで高温の熱風が生成可能となっている。

本実施例の効果を示すために、比較例として、図３に示した構成から、熱風ガイドブロック３３、熱風ガイド３５及び熱風発生装置３６を取り除いたものを挙げる。
本実施例の３次元積層造形装置と比較例の３次元積層造形装置のそれぞれで、衝撃強度試験用の試験片を造形し、衝撃強度の結果を比較した。
造形に用いた樹脂材料は、ポリ乳酸（材料Ａ）とポリ乳酸に添加剤を加えたもの（材料Ｂ）の２種類である。衝撃強度試験用の試験片の幅は１２．７ｍｍ、厚さは３．２ｍｍ、長さは６４ｍｍである。造形後に、試験片にノッチ加工を施した。この試験片について、アイゾット衝撃試験を行った。造形の積層ピッチは０．２ｍｍとし、加熱ブロック２１を２３０℃に設定した。これらの条件は、本実施例及び比較例ともに同じである。
本実施例の３次元積層造形装置では、熱風の流量を１Ｌ／ｍｉｎとし、ノズル直下近傍の吹き出し温度を２３０℃に設定した。

図１１に、本実施例及び比較例の衝撃強度試験の結果を示す。材料毎に、３つの棒グラフが示されている。左側の棒グラフは、図１２Ａに示すように、積層方向をＣ方向（短辺方向）として作製した比較例の試験片である。真ん中の棒グラフは、図１２Ｂに示すように、積層方向をＬ方向（長辺方向）として作製した比較例の試験片である。右側の棒グラフは、図１２Ｂに示すように、積層方向をＬ方向（長辺方向）として作製した本実施例の試験片である。
Ｃ方向に積層した比較例とＬ方向に積層した比較例とを参照すると、積層方向によって衝撃強度が１５〜４０％程度低下することがわかる。これは、Ｌ方向に積層した試験片では、アイゾット衝撃試験における破断面が積層界面に相当するためであり、積層界面の強度が樹脂本来の強度より大きく低下することを示している。これに対し、本実施例では、Ｌ方向に積層した試験片は、Ｃ方向に積層した比較例と同程度の衝撃強度を有する。これは、積層界面の強度向上に非常に有効であることを示している。

図１３Ａ及び図１３Ｂは、衝撃強度試験用に造形した試験片の表面（積層方向に対する側面）の凹凸を、触針式の表面段差計で測定した結果を示したものである。図１３Ａは、Ｌ方向に積層した比較例の試験片の測定結果を示し、図１３Ｂは、Ｌ方向に積層した本実施例の試験片の測定結果を示す。
図１３Ａに示すように、比較例では、積層ピッチ０．２ｍｍごとに半円状の凸部が表面に形成されており、積層界面では０．０５〜０．１ｍｍ程度の深い溝が形成されている。一方、図１３Ｂに示すように、本実施例では、明確な半円状の凸部は見られず、非常に滑らかな表面となっている。これは、本実施例が、積層界面の強度向上と同時に、表面凹凸の低減にも非常に有効であることを示している。

（実施例２）
本実施例の３次元積層造形装置は、図９に示した構成を有する。熱風／冷却風ガイドブロック５２はアルミで作製されている。熱風／冷却風ガイドブロック５２とノズル１２との間に形成された隙間５４の大きさは、約１ｍｍ以下である。
冷却風用貫通穴４３の直径は２．４ｍｍである。冷却風ガイド４４は、セラミックチューブにシリコンチューブを接続した構造である。冷却風発生装置４５は、外部から導入した空気を冷却風として冷却風ガイド４４に供給する構造であって、流量制御が可能である。開口４６は、熱風によるノズル直下近傍の加熱を妨げないように、隙間５４から約８ｍｍ離れた位置に２箇所、配置されている。

本実施例の効果を示すために、比較例として、図９に示した構成において冷却なしとしたものを挙げる。
本実施例と比較例のそれぞれで、衝撃強度試験用の試験片を造形し、冷却の効果を比較した。造形に用いた樹脂材料は、ポリ乳酸に別の添加剤を加えたもの（材料Ｃ）である。加熱ブロック２１は２５０℃に加熱し、熱風は、ノズル直下近傍の吹き出し温度が２５０℃となるように制御した。
最初に、比較例（冷却風なし）で造形を行ったところ、造形体内部に熱がこもって積層表面がダレてしまい、造形精度の悪化が生じた。

次に、本実施例による造形を行ったところ、造形精度の悪化は生じず、良好な形状の造形体が得られた。この造形体の衝撃強度を測定したところ、Ｌ方向に積層した場合でも、前述のＣ方向に積層した比較例と同程度の衝撃強度を有していた。この結果から、加熱による積層界面の強度向上が実現できていることがわかった。
さらに、造形体の表面（積層方向に対する側面）も非常に滑らかになっており、本実施例が、加熱による積層界面の強度向上と表面凹凸の低減を維持しつつ、冷却の効果によって、造形精度の悪化の抑制が可能であることが分かった。

以上説明したように、本発明によれば、ヘッドに固定された、ノズルの直下近傍を加熱する加熱手段を有することで、積層と同時に積層界面を高温溶融状態にすることができ、積層界面の強度の向上が可能となる。また、積層界面が高温溶融状態となることで、下層部と上層部がより一体化され、表面凹凸の低減も可能になる。
また、加熱手段はヘッドに固定されているので、加熱手段の移動制御を行う回路は不要である。よって、非常に簡便な構造の３次元積層造形装置を提供することができる。

加熱手段に加えて、ノズルの直下近傍から離れた領域を冷却する冷却手段を使用することで、加熱による積層界面の強度向上と表面凹凸の低減を維持しつつ、冷却の効果によって、造形精度の悪化を抑制することが可能である。加熱手段と同様に、冷却手段もヘッドに固定されているので、冷却手段の移動制御を行う回路は不要である。よって、非常に簡便な構造の３次元積層造形装置を提供することができる。
以上説明した実施形態及び実施例はいずれも、本発明の一例であり、その構成は、発明の趣旨に基づいて当業者が理解し得る範囲内で変更することができる。

また、本発明は、以下の付記１〜２０のような形態をとり得るが、これら形態に限定されない。
［付記１］
熱で溶融した造形素材をノズルより押し出すヘッドを備え、該ヘッドを移動させながら前記ノズルより押し出された前記造形素材を積層して立体物を造形する３次元積層造形装置であって、
前記ヘッドに固定された、前記ノズルの直下近傍を加熱する加熱手段を有する、３次元積層造形装置。
［付記２］
前記加熱手段は、熱風、熱放射及びレーザー光照射のいずれか一つの手段、または、２つ以上を組合せた手段である、付記１に記載の３次元積層造形装置。
［付記３］
前記加熱手段は、前記ノズルの直下近傍に向けて熱風を吹き出す熱風ガイドブロックを備える、付記１に記載の３次元積層造形装置。
［付記４］
前記熱風ガイドブロックは、前記ノズルの外側面を囲むように構成され、前記熱風ガイドブロックの前記ノズル側の面と前記ノズルの外側面との間に隙間を有し、前記熱風が前記隙間を通って、前記ノズルの直下近傍に吹き出す、付記３に記載の３次元積層造形装置。
［付記５］
前記熱風ガイドブロックは、少なくとも一つの熱風用貫通穴を備え、熱風が前記熱風用貫通穴を介して前記隙間に供給される、付記４に記載の３次元積層造形装置。
［付記６］
前記ノズルの先端側から見た場合の前記隙間の吹き出し部分の形状が環状である、付記４または５に記載の３次元積層造形装置。
［付記７］
前記ノズルの先端側から見た場合の前記隙間の吹き出し部分が複数に分割されている、付記４または５に記載の３次元積層造形装置。
［付記８］
前記熱風ガイドブロックは、少なくとも１つの熱風用貫通穴を備え、熱風が前記熱風用貫通穴を通って前記ノズルの直下近傍に吹き出される、付記３に記載の３次元積層造形装置。
［付記９］
前記熱風ガイドブロックの底面に、前記熱風用貫通穴に連通する少なくとも一つの第１の開口を備える、付記８に記載の３次元積層造形装置。
［付記１０］
前記ノズルの先端側から見た場合の前記第１の開口の形状が環状である、付記９に記載の３次元積層造形装置。
［付記１１］
前記熱風ガイドブロックは、前記ノズルと一体的に形成されている、付記３から１０のいずれか一つに記載の３次元積層造形装置。
［付記１２］
前記ヘッドは、
前記造形素材が導入されるバレルと、
前記バレルに導入された前記造形素材を加熱して溶融した樹脂を前記ノズルに供給する加熱ブロックと、をさらに有し、
前記熱風ガイドブロックは、前記加熱ブロックと一体的に形成されている、付記３から１０のいずれか一つに記載の３次元積層造形装置。
［付記１３］
前記ヘッドに固定された、前記ノズルの直下近傍から離れた領域を冷却する冷却手段を、さらに有する、付記１から１２のいずれか一つに記載の３次元積層造形装置。
［付記１４］
前記冷却手段は、前記ノズルの直下近傍から離れた領域に向けて冷却風を吹き出す冷却風ガイドブロックを備える、付記１３に記載の３次元積層造形装置。
［付記１５］
前記冷却風ガイドブロックは、少なくとも一つの冷却風用貫通穴を備え、冷却風が前記冷却風用貫通穴を通って前記ノズルの直下近傍から離れた領域に吹き出される、付記１４に記載の３次元積層造形装置。
［付記１６］
前記冷却風ガイドブロックの底面に、前記冷却風用貫通穴に連通する少なくとも一つの第２の開口を備える、付記１５に記載の３次元積層造形装置。
［付記１７］
前記ノズルの先端側から見た場合の前記第２の開口の形状が環状である、付記１６に記載の３次元積層造形装置。
［付記１８］
前記冷却手段は、前記加熱手段と一体的に形成されている、付記１３から１７のいずれか一つに記載の３次元積層造形装置。
［付記１９］
熱で溶融した造形素材をノズルより押し出すヘッドを用いて前記造形素材を積層した立体物を造形する３次元積層造形方法であって、
前記ヘッドに固定された加熱ユニットを用いて前記ノズルの直下近傍を加熱する、３次元積層造形方法。
［付記２０］
前記ヘッドに固定された冷却ユニットを用いて前記ノズルの直下近傍から離れた領域を冷却する、付記１９に記載の３次元積層造形方法。

１１ バレル
１２ ノズル
２１ 加熱ブロック
２２ 温度制御ユニット
３１ 加熱ユニット
３２ 加熱制御ユニット

Claims (10)

1. 熱で溶融した造形素材をノズルより押し出すヘッドを備え、該ヘッドを移動させながら前記ノズルより押し出された前記造形素材を積層して立体物を造形する３次元積層造形装置であって、
   前記ヘッドに固定された、前記ノズルの直下近傍を加熱する加熱手段を有する、３次元積層造形装置。
2. 前記加熱手段は、熱風、熱放射及びレーザー光照射のいずれか一つの手段、または、２つ以上を組合せた手段である、請求項１に記載の３次元積層造形装置。
3. 前記加熱手段は、前記ノズルの直下近傍に向けて熱風を吹き出す熱風ガイドブロックを備える、請求項１に記載の３次元積層造形装置。
4. 前記熱風ガイドブロックは、前記ノズルの外側面を囲むように構成され、前記熱風ガイドブロックの前記ノズル側の面と前記ノズルの外側面との間に隙間を有し、前記熱風が前記隙間を通って、前記ノズルの直下近傍に吹き出す、請求項３に記載の３次元積層造形装置。
5. 前記熱風ガイドブロックは、少なくとも一つの熱風用貫通穴を備え、熱風が前記熱風用貫通穴を介して前記隙間に供給される、請求項４に記載の３次元積層造形装置。
6. 前記熱風ガイドブロックは、少なくとも１つの熱風用貫通穴を備え、熱風が前記熱風用貫通穴を通って前記ノズルの直下近傍に吹き出される、請求項３に記載の３次元積層造形装置。
7. 前記ヘッドに固定された、前記ノズルの直下近傍から離れた領域を冷却する冷却手段を、さらに有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の３次元積層造形装置。
8. 前記冷却手段は、前記ノズルの直下近傍から離れた領域に向けて冷却風を吹き出す冷却風ガイドブロックを備える、請求項７に記載の３次元積層造形装置。
9. 前記冷却手段は、前記加熱手段と一体的に形成されている、請求項７または８に記載の３次元積層造形装置。
10. 熱で溶融した造形素材をノズルより押し出すヘッドを用いて前記造形素材を積層した立体物を造形する３次元積層造形方法であって、
    前記ヘッドに固定された加熱ユニットを用いて前記ノズルの直下近傍を加熱する、３次元積層造形方法。

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