JP2018075825A - 三次元造形装置、および三次元造形物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱溶融積層造形装置において、吐出する溶融樹脂の断面形状を容易に変更することが可能で、かつ小型な三次元造形装置が実現されていなかった。【解決手段】熱可塑性樹脂を加熱して溶融させる加熱手段と、溶融した熱可塑性樹脂を導くノズルとを有する熱溶融積層造形装置において、ノズル出口に吐出口切替手段を設ける。具体的には、複数の開口が形成された板状部材１４を、ノズル先端面と摺動可能に設置し、複数の開口のうち一つの開口をノズル先端に位置あわせするための位置あわせ手段を備えた。複数の開口には、面積や形状が互いに異なる開口を含ませることができる。開口を清掃するためのクリーニング機構１３を設けることも可能である。【選択図】図１

Description

本発明は、樹脂を溶融させて吐出し積層させることにより三次元造形物を形成する三次元造形装置に関する。より具体的には、吐出する溶融樹脂の断面形状を変更させる技術に関する。

近年、いわゆる３Ｄプリンタの開発が盛んに行われており、さまざまな方式が試みられている。例えば、熱溶融積層造形法（Ｆｕｓｅｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ）、光造形法（Ｓｔｅｒｅｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）、粉末焼結法（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｌａｓｅｒ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）等の方式が知られている。

熱溶融積層造形法は、加熱した熱可塑性樹脂をノズル等から吐出して積層し、立体物を形成する方法で、原理的にシンプルなため、比較的安価で小型の装置で実施できる長所がある。

特許文献１には立体物の色や物性を部位に応じて異ならせるために、異なる素材を吐出する複数のノズルが備えられた熱溶融積層装置が開示されている。

特開２０００−２８０３５４号公報

熱溶融積層造形法で三次元造形物を形成する際、溶融した樹脂の吐出条件を変更できると造形プロセスの自由度が増す。特に、造形物の形状の精度の向上と、造形時間の短縮が求められる中で、吐出する溶融樹脂の断面形状を容易に変更することが可能な装置が求められていた。

特許文献１に開示される熱溶融積層造形装置は、複数のノズルを備えているので、ノズルごとに吐出口の形状を異ならせることも検討できる。しかし、複数のノズルを備えると、装置が大型化し、高価になるという問題が生じる。

そこで、本発明は、吐出する溶融樹脂の断面形状を容易に変更することが可能で、かつ小型な三次元造形装置を実現することを目的とする。

本発明は、熱可塑性樹脂を加熱して溶融させる加熱手段と、溶融した熱可塑性樹脂を吐出口に導くノズルと、前記ノズルの先端面と摺動可能に配され、複数の開口が設けられた部材と、前記複数の開口のうちの一つの開口を前記ノズルの先端に位置あわせさせる吐出口切替手段と、を備えることを特徴とする三次元造形装置である。

また、本発明は、複数の開口が設けられた部材の前記複数の開口のうちの一つの開口から熱可塑性樹脂を吐出させる第一の工程と、前記複数の開口のうちの前記一つの開口とは別の開口から熱可塑性樹脂を吐出させる第二の工程と、を有する、ことを特徴とする三次元造形物の製造方法である。

本発明は、吐出する溶融樹脂の断面形状を容易に変更することが可能で、かつ小型な三次元造形装置を提供できる。

第一の実施形態の三次元造形装置の斜視図。 熱可塑性樹脂フィラメントの取り込み機構を示す図。 第一の実施形態の吐出口切替部の板状部材の平面図。 （ａ）吐出口切替部の断面図。（ｂ）吐出口がテーパを有する場合の吐出口切替部の断面図。 クリーニング機構の正面図。 クリーニング機構の拡大断面図。 三次元造形装置の制御ブロック図。 （ａ）クリーニングシーケンスの一例。（ｂ）クリーニングシーケンスの他の一例。 クリーニングシーケンスの他の一例。 第二の実施形態の三次元造形装置の斜視図。 第二の実施形態の吐出口切替部の板状部材の平面図。 （ａ）他の実施形態の板状部材の平面図。（ｂ）他の実施形態の板状部材の平面図。 ペレットタイプの材料を供給するための材料導入部、加熱供給部、およびノズルを示す図。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

［第一の実施形態］
図１は、本発明の第一の実施形態である熱溶融積層造形装置の斜視図である。

１は造形材、２は材料導入部、３は加熱供給部、４はノズル、５は吐出口切替部、６は切替駆動軸、７は切替駆動部、８はステージ、９はＸ移動機構、１０はＹ移動機構、１１はＺ移動機構、１２はリール、１３はクリーニング機構である。

造形材１は、三次元造形に用いる原材料である。本実施形態では、熱可塑性樹脂をフィラメントに成形したものを用いるが、ペレットや粉末等の他の形体の材料を用いることもできる。

造形材１として用いるフィラメントは、たとえば、断面形状が円形で、直径が１．５〜３．０ｍｍで、長さが１０〜１０００ｍのものが、好適である。造形材１は、リール１２に巻き取られて収納されている。リール１２を回転することにより、造形材１を材料導入部２に供給することができる。

本実施形態で用いられ得る熱可塑性樹脂は、例えば、ＰＣ（ポリカーボネート）樹脂、ＡＢＳ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体）樹脂、ＰＣ／ＡＢＳポリマーアロイがある。さらには、ＰＬＡ（ポリ乳酸）樹脂、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）樹脂、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）樹脂、およびこれらを改質した樹脂等が挙げられる。

加熱供給部３は、造形材１である熱可塑性樹脂を取り込んでから、ガラス転移温度（Ｔｇ）以上に加熱して溶融し、ノズル４に供給する。フィラメント状の造形材１を取り込むため、加熱供給部３に内蔵されている取り込み機構を図２に示す。

図２において、２１と２２はローラである。造形材１は、ローラ２１とローラ２２に挟持されており、各ローラが図中矢印の方向に回転することにより、リール１２からフィラメントを引込み、加熱部に送り込むことができる。ローラの回転速度を制御することで、加熱部への造形材の供給量を調整することができる。また、図中矢印とは反対方向に回転させることにより、後述するノズル４の先端部から押し出される熱可塑性樹脂の押し出しを停止させることが可能となる。

不図示の加熱部は、取り込み機構から供給される熱可塑性樹脂を加熱して溶融させる。加熱部は、ヒータを備えており、ヒータの発熱量を制御することで、溶融した樹脂の温度を調整することができる。

溶融状態となった熱可塑性樹脂は、後続の材料に押出されることにより、ノズル４に送り込まれる。ノズル４の先端部まで押し出された熱可塑性樹脂は、吐出口切替部５で選択された吐出口から吐出する。吐出口切替部５については、後に詳述する。

ステージ８は、造形される三次元造形物を上面で支持する。図中、座標軸に示すように、ステージ８の上面は、Ｘ軸とＹ軸で規定されるＸ−Ｙ平面と平行である。またＸ−Ｙ平面に垂直な方向をＺ方向とする。

本実施形態の三次元造形装置では、ノズル４をステージ８に対して相対的に移動するように走査しながら熱可塑性樹脂でパターンを描画し、パターンを積層してゆくことによって三次元造形物を形成する。図１の装置では、ステージ８はＺ移動機構１１によりＺ軸に沿って移動可能となっている。また、ノズル４はＸ移動機構９およびＹ移動機構１０により、Ｘ−Ｙ面に沿って移動可能となっている。もっとも、ノズル４とステージ８がＸＹＺの３方向で相対的に移動できれば良いので、装置構成は必ずしも図１の例に限られない。たとえば、ステージは固定して、ノズルをＸＹＺの３方向に移動可能な構成としても良い。

［吐出口切替部］
次に、吐出口切替部５について、詳しく説明する。本実施形態の装置では、吐出口切替部５は、円形の板状部材１４を有している。板状部材１４の中心は切替駆動軸６に固着されており、切替駆動軸６が回転すると板状部材１４も回転するようになっている。切替駆動軸６は、切替駆動装置７から印加される駆動力により、回転したり所定の角度で停止したりする。

図３に、板状部材１４の平面図を示す。本実施形態では、板状部材１４には、熱可塑性樹脂の吐出口となる円形の開口３１ａ〜３１ｈが８個形成されており、それぞれの直径が異なっている。

開口３１ａ〜３１ｈは、切替駆動軸６を中心として板状部材１４が回転した場合に、ノズル４の先端部と重なり得るように、切替駆動軸６を中心とする円周上に間隔をおいて配置されている。切替駆動装置７により、切替駆動軸６と接続された板状部材１４を回転駆動させることで、いずれかの開口をノズル４の先端部と重ねたり、開口が存在しない部分をノズル４の先端部と重ねたりすることができる。

切替駆動装置７は、切替駆動軸６と接続された板状部材１４を回転させ、開口３１ａ〜３１ｈの中からノズルと重なる開口を切り替えることができれば、どのようなものであってもよい。例えば、ステッピングモータ等の回転力を生み出す一般的な電動機で、切替駆動軸６を所望の角度だけ回転させて、開口３１ａ〜３１ｈを切り替える方法がある。また、切替駆動軸６あるいは板状部材１４の回転位置を検出するためのエンコーダや、回転を停止させて位置を固定するためのクラッチやブレーキを含む機構であってもよい。

柱状の粘性流体として吐出される熱可塑性樹脂の柱径は、８個の開口部の中からノズル４の先端部と重ねる開口を適宜選択することにより、制御することが可能である。また、
板状部材１４中で、開口が存在しない部分をノズル４の先端部と重ねれば、シャッターとして機能するため、熱可塑性樹脂の吐出を停止させることができる。あるいは、図２におけるローラの回転を矢印とは反対方向に回転させることにより、後述するノズル４の先端部から押し出される熱可塑性樹脂の押し出しを停止させることが可能となる。よって、熱可塑性樹脂の押し出しを停止させてから板状部材１４を回転させ、開口３１ａ〜３１ｈの中からノズルと重なる開口を切り替えることもできる。

板状部材１４の材質は金属が好ましい、特に高靭性で、熱伝導率が良い鋼の仕様が好ましい。例えばＳＵＳ４２０Ｊ２やＳＫＤ６１、プリハードン鋼が挙げられる。

また、板状部材１４の耐久性や開口部の樹脂離れを向上させる目的で、各種コーティング処理を実施してもよい。例えば、工作機械の工具や射出成形用金型等で使用されるダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）が挙げられる。さらに、窒化処理や高周波焼入れなどの表面効果処理なども、耐久性向上に効果がある。ノズル４との接触部の摺動性や耐久性向上のため、板状部材１４とノズル４との接触部に処理する場合や、溶融樹脂の経路となる開口３１ａ〜３１ｈの内面に処理する場合等が考えられる。

本実施形態では開口３１ａ〜３１ｈは径の異なる円形状の形態であるが、開口３１ａ〜３１ｈの形状は前記形態に限定されるものではなく、様々な形状が考えられる。

例えば、吐出する樹脂の断面形状のＸもしくはＹ方向とＺ方向の縦横比を変化させたい場合などは、縦横比が同じでない楕円や矩形の形状が考えられる。

板状部材１４の厚さは、機械的な強度が確保される範囲で、薄い方が好ましい。厚さを大きくすると熱容量が大きくなり、ノズル４や熱可塑性樹脂からの熱伝導のみでは、十分に昇温することができず、開口３１ａ〜３１ｈ付近の温度が低下し、溶融樹脂のつまりを起こしてしまう可能性があるためである。

板状部材１４の厚さを厚くする場合は、板状部材１４に加熱機構を付設あるいは内蔵させることも可能である。一般には、溶融した熱可塑性樹脂は、２００度Ｃ前後の温度でノズル内を流動させるのが好ましいので、ノズルや板状部材も２００度Ｃ程度に保持するのが望ましい。加熱機構を内蔵することで、板状部材１４を常に２００度Ｃ程度に保持することが可能となり、開口３１ａ〜３１ｈでの溶融樹脂のつまりを抑制することが可能となる。また、造形中に開口を切替えた場合にも、切替えた開口部周辺が適温に保持されているため昇温を待つ必要がなくなり、切替時のタイムロスを少なくすることができる。

加熱機構を付設あるいは内蔵せずに板状部材１４の厚さを厚くする場合は、板状部材１４の体積を削減する肉貫きを入れて熱容量を削減する手法も効果的である。その場合には、板状部材１４の剛性が低下するのを防ぐため、ハニカム形状などのように、軽量化が可能で剛性を確保できる肉貫きを入れるのが好ましい。
以上のように、本実施形態における板状部材は、吐出口となる開口が設けられ、機械的な強度が確保され、熱溶融樹脂が固化しない温度に保温できる部材であればよい。したがって、この部材を板状部材ではなく吐出口部材と呼んでもよい。本実施形態の説明において、この部材を板状部材と呼んだからといって、必ずしも平板である必要はなく、種々の立体的形状の部材を用いることが可能である。

図４（ａ）、図４（ｂ）は第一の実施形態の吐出口切替部５の構造を示す断面図である。

板状部材１４は、ノズル４の先端面と摺動可能に配置されている。板状部材１４とノズル４の先端面との間が５０μｍ以上離れてしまうと、溶融した樹脂が漏れる可能性があるので、シール性を確保しつつ摺動可能になるよう板状部材１４は支持されている。

板状部材１４は、その側面に位置決めを目的とした凹部４１を有している。凹部４１は、保持部材４３に保持された進退動作が可能な凸部４２と係合可能な形状となっており、板状部材１４の回転角度を規定することが可能となっている。また、ノズル４から押圧される樹脂の圧力による、板状部材１４のＺ方向の変形や傾きを規制することも可能となっている。

尚、凹部４１と凸部４２は、係合可能であれば、形状は限定されない。例えば、Ｚ方向のみを規制する場合は、板状部材１４の側面に凹部４１を環状の溝のように設けることで、回転方向は規制しない構成とすることが可能である。一方、開口とノズルが重なる回転位置で規制力を発揮したい場合には、切替駆動軸６と各開口を結ぶ線の延長上の凹部は、溝を深くすることが好ましい。

また、凸部４２に関しては、可動機構を備える場合には、例えば、ボールプランジャーなどのバネを利用した構成や、空圧や油圧等を利用したピストン機構等の直線駆動の構成がある。また、固定的な構成の場合は、レールやキー溝等が挙げられる。

尚、本実施形態とは逆に、凸部４２を板状部材１４に設け、凹部４１を保持部材４３に設ける構成としてもよい。いずれにしても、板状部材１４とノズル４との相対位置関係を規制することができればよい。

図４（ａ）は、開口３１ａ〜３１ｈの中では最大径の開口３１ａが、ノズル４の出口と位置合わせされた状態を示している。開口３１ａは、ノズル４の出口の直径と等しい直径を有し、板状部材１４の表面から裏面にかけて同じ径で貫通している。

図４（ｂ）は、開口３１ａ〜３１ｈの中では最小径の開口３１ｈが、ノズル４の出口と位置合わせされた状態を示している。開口３１ｈは、ノズル４側ではノズル４の出口と等しい直径を有し、熱可塑性樹脂の出口となる下面に向けて直径が次第に小さくなるようなテーパを有している。

このように、ノズル４と接触する側の開口の面積を大きくし、なだらかに開口面積を変えて出口側の面積を小さくすることで、板状部材１４の樹脂経路における圧力損失を抑えつつ、吐出する溶融樹脂の断面積を小さくすることが可能となる。

［吐出口の切り替え］
本実施形態の装置では、開口３１ａ〜３１ｈの切り替えは、任意のタイミングで変更可能である。三次元造形の制御プログラムに従い、複数の造形物を形成する間や、一つの造形物を形成する工程中での切り替えも可能である。これにより、形状の細かさを部分的に変更した三次元造形物を、容易に製造することが可能となる。

例えば、造形物の外側を開口径が小さい吐出口を使用して造形し、造形物の内側を開口径が大きい吐出口を使用して造形することで、造形物の外形形状の精度と造形時間の削減を両立した造形が可能となる。
即ち、面積または形状が異なる複数の開口が設けられた部材の複数の開口のうちの一つの開口から熱可塑性樹脂を吐出させる第一の工程と、複数の開口のうちの一つの開口とは別の開口から熱可塑性樹脂を吐出させる第二の工程とにより三次元造形物を製造する。これにより、形状の細かさを部分的に変更した三次元造形物を、容易に製造することが可能となる。また、造形物の外形形状の精度と造形時間の削減を両立した造形も可能となる。また、前記複数の開口が設けられた部材の開口のない部分はシャッターとして機能させることができる。つまり、前記第一の工程と、前記第二の工程の間に、前記複数の開口が設けられた部材の開口のない部分により、前記熱可塑性樹脂の吐出を停止させることができる（停止する工程）。これにより、簡単に確実で正確な吐出口の切り替えを行うことが可能となる。

［クリーニング機構］
本実施形態の三次元造形装置は、既に述べたように複数の吐出口を切り替えて使用可能であるが、吐出口を清浄にするためのクリーニング機構１３を備えている。吐出口によって使用頻度や休止期間が異なるが、目詰まりを防止し、各吐出口を清浄な状態で使用し、保全するのに有用である。

図５は、図１に示した三次元造形装置において、ステージ８の端部に設けられたクリーニング機構１３の位置に、クリーニングのために吐出口切替部５を移動した状態を示す正面図である。

たとえば、造形を開始する直前や、造形中に吐出口の清掃が必要になったとき、あるいは造形終了後に、吐出口切替部５をクリーニング機構１３の位置に移動させ、クリーニングを行う。

図６は、クリーニング機構周辺を拡大した断面図である。本実施形態の装置では、板状部材１４の吐出口にエアを吹き付けることにより、吐出口内や吐出口周辺に付着した樹脂を剥離させて、清掃する。

クリーニング機構１３には、エア吹き出し口６１Ａと６１Ｂが設けられており、Ｚ方向下向きもしくは上向きに、エアを吹き出すことが可能となっている。クリーニング動作においては、前記開口３１ａ〜３１ｈに取り残された樹脂が抜けやすい方向にエアが流れるように、エアを吹き付ける。ここで、取り残された樹脂が抜けやすい方向とは、開口部の断面がテーパ形状だった場合のように、開口部の上下で面積が異なる場合に、面積が大きい側に向かう方向の事である。たとえば、図６の場合には、吹き出し口６１Ｂから、Ｚ方向にエアを吹き出すことになる。

また、エア吹き出し口６１Ａと６１Ｂから交互にエアを吹付け、付着した樹脂を剥離するのも有効なクリーニング方法である。

クリーニング機構１３は、切替駆動装置７と連係して動作させることで、任意の吐出口をクリーニングすることが可能である。クリーニングしたい開口を、切替駆動軸６でエア吹き出し口の位置に移動させ、停止させてエアを吹き付けることにより、選択した吐出口クリーニングすることが可能である。また、板状部材１４を回転させながらエアを吹き付けることにより、全ての吐出口をクリーニングすることが可能である。

たとえば、図３の開口３１ａを用いて溶融樹脂を吐出させた後、開口３１ｃに切り替えて吐出させる場合に、板状部材１４を時計回りの方向に回転させれば切り替えられるが、回転途中で短時間ではあるがノズルが開口３１ｂと重なる。この時、微量ではあるが、開口３１ｂに樹脂が付着する可能性がある。したがって、このような場合には、三次元造形の終了後に、吐出に使用した開口３１ａと開口３１ｃに加えて、切り替え経路に位置した開口３１ｂもクリーニングするのが望ましい。言い換えれば、切り替え経路に位置した開口も含めて、溶融樹脂が充填されたノズルと対面した開口は、次の三次元造形プロセス前にクリーニングするのが望ましい。

尚、クリーニング機構１３は、図６に示した例に限らず、開口３１ａ〜３１ｈを清掃できるものであれば他の方式であっても差し支えない。空気などの気体によるクリーニング以外にも、液体を吹き付けたり、固体を開口３１ａ〜３１ｈに挿入して、樹脂を除去する構成としても良い。例えば、開口より断面積が小さく、金属等でできたピンを開口部に挿入、上下動させて清掃する方法がある。あるいは、ブラシなどを使用してもよい。ピンやブラシ等を用いて樹脂を除去する場合は、板状部材１４を損傷させないように、板状部材よりも柔らかい材質の清掃具を用いるのが好ましい。例えば、板状部材１４の材質がＳＵＳ４３０Ｊ２の場合は、ピンやブラシ等には真鍮やアルミニウムを使用するのが好適である。

クリーニング機構１３は、造形の妨げにならず、板状部材１４及び開口をクリーニングすることができれば、ステージ８のどのような位置に配置しても良い。あるいは、ステージの一部に設置するのではなく、クリーニング機構を吐出ヘッドと一体化させてもよい。

［制御ブロック］
図７に、本実施形態の制御ブロックを簡易的に示す。

制御部７１は、三次元造形装置の各部の動作を制御するための制御回路である。制御部７１は、ＣＰＵ、制御プログラムや制御用数値テーブルを記憶した不揮発性メモリであるＲＯＭ、演算等に使用する揮発性メモリであるＲＡＭ、装置外や装置内各部と通信するためのＩ／Ｏポート、等を備えている。なお、ＲＯＭには、三次元造形装置の基本動作を制御するためのプログラム、および、吐出口の切り替えや、吐出口のクリーニングのシーケンスに関するプログラムが記憶されている。

７２は、三次元造形装置を使用するユーザのための操作パネルである。操作パネル７２は、三次元造形装置の操作者が装置に指示を与えるための入力部と、操作者に情報を表示するための表示部を有している。入力部は、キーボードや操作ボタンを備えている。表示部は、三次元造形装置の動作状況等を表示する表示パネルを備えている。

制御部７１は、操作パネル７２から入力されるユーザの指示に基づき、三次元造形装置の各部を制御し、三次元造形の各工程を遂行する。

具体的には、制御部７１は、加熱供給部３を制御して、溶融した熱可塑性樹脂のノズルへの供給を調整する。また、制御部７１は、切替駆動装置７を制御して、造形に適した吐出口を選択してノズルの先端にセットする。また、制御部７１は、クリーニング機構１３を制御して、エアの吹き付けを行い、開口のクリーニングを行わせる。また、制御部７１は、Ｘ移動機構９、Ｙ移動機構１０、Ｚ移動機構１１を制御して、ノズル４およびステージ８の位置を制御し、三次元造形プロセスにおけるパターン造形や、クリーニング機構へのノズルの移動等を制御する。

［シーケンス］
本実施形態においては、三次元造形装置の動作中にクリーニング動作が適時に行われるが、そのシーケンスの例を説明する。

図８（ａ）、図８（ｂ）および図９に、クリーニング動作を行うタイミングを示すフローチャートを例示する。

図８（ａ）に示すのは、造形完了後に吐出口のクリーニング動作を行い、次の造形に備えて吐出口を清浄に保持するためのフローである。三次元造形動作を開始すると（Ｓ８１）、造形に適した吐出口が選択され、ノズル出口にセットされる（Ｓ８２）。三次元造形を行い（Ｓ８３）、造形が完了すると、吐出口をクリーニングし（Ｓ８４）、一連の動作を終了する（Ｓ８５）。三次元造形の後にクリーニングを行うため、吐出口周辺に固化した樹脂がこびりついたままになることはなく、次の造形動作の開始が迅速になる。

図８（ｂ）に示すのは、造形開始前に吐出口のクリーニング動作を行い、清浄が保証された吐出口で造形を行うためのフローである。三次元造形動作を開始すると（Ｓ８６）、吐出口をクリーニングする（Ｓ８７）。その後、造形に適した吐出口が選択され、ノズル出口にセットされる（Ｓ８８）。三次元造形を行い（Ｓ８９）、造形が完了すると一連の動作を終了する（Ｓ９０）。三次元造形の前にクリーニングを行うため、清浄が保証された吐出口を用いて造形することができる。

図９に示すのは、造形動作中に吐出口のクリーニング動作が必要になる可能性がある場合のフローである。三次元造形動作を開始すると（Ｓ９１）、造形に適した吐出口が選択され、ノズル出口にセットされる（Ｓ９２）。三次元造形動作を行うが（Ｓ９３）、造形動作中にクリーニングが必要かをモニターする（Ｓ９４）。具体的には、溶融樹脂の温度や、造形動作開始後の経過時間等に基づき、クリーニングが必要かをモニターする。クリーニングが必要なければ、造形が完了しているかを判断し（Ｓ９７）、完了していなければ、造形ステップ（Ｓ９３）に戻り、造形を継続する。クリーニングが必要ならば、吐出口をクリーニングし（Ｓ９５）、再び吐出口をノズル出口にセットし（Ｓ９６）、造形が完了するまで（Ｓ９７）、造形を継続する（Ｓ９３）。造形が完了したと判断されたら（Ｓ９７）、一連の動作を終了する（Ｓ９８）。三次元造形の間に必要に応じてクリーニングを行うため、清浄が確保された吐出口を用いて三次元造形を遂行し続けることができる。

以上、クリーニング動作を行う典型的なタイミングを、図８（ａ）、図８（ｂ）および図９のフローチャートを用いて説明したが、これらは、単独で行ってもよいし、組み合わせて行ってもよい。クリーニングの実施は、これらの例に限らず必要に応じて適宜行われればよく、たとえば吐出口を切り替える度に行ってもよい。

［第二の実施形態］
第二の実施形態の三次元造形装置は、第一の実施形態とは吐出口切替部の構造が異なる。

異なる形状の複数の開口を備えた吐出口切替部を備える点では共通するが、第一の実施形態が円盤状の板状部材１４を備えていたのに対し、第二の実施形態では矩形状の板状部材を備える点で異なる。また、任意の吐出口を選択してノズル出口と位置合わせをするのに、第一の実施形態では板状部材１４を回転させていたのに対し、第二の実施形態では板状部材を直線的に移動させる点が異なる。

図１０は、第二の実施形態の熱溶融積層造形装置の斜視図である。

１は造形材、２は材料導入部、３は加熱供給部、４はノズル、８はステージ、９はＸ移動機構、１０はＹ移動機構、１１はＺ移動機構、１２はリール、１３はクリーニング機構であるが、これらは第一の実施形態と同様なので、説明を省略する。

［吐出口切替部］
第二の実施形態の吐出口切替部について説明する。図１０において、１０１は板状部材、１０２はレール、１０３は駆動ギヤ、１０４は切替駆動軸、１０５は切替駆動装置である。

板状部材１０１は、Ｙ軸と平行に前後動が可能なように、レール１０２により支持されている。すなわち、板状部材１０１は、ノズル４の先端面と摺動可能に配置され、直線的に移動可能に支持されている。また、板状部材１０１の駆動ギヤ１０３側の縁部には、駆動ギヤ１０３と噛み合う歯が形成されており、駆動ギヤ１０３が回転することにより、板状部材１０１はＹ軸と平行に前後動する。駆動ギヤ１０３は、切替駆動軸１０４に固着されており、切替駆動装置１０５により駆動力を印加される。

図１１に示すのは、本実施形態の板状部材１０１の平面図である。

本実施形態では、板状部材１０１は矩形形状で、熱可塑性樹脂の吐出口となる円形の開口１１３ａ〜１１３ｅが５個形成されており、各開口の直径が異なっている。板状部材１０１の一方の長辺には、レール１０２と係合するレール係合部１１１が設けられている。また、他方の長辺には、駆動ギヤ１０３と噛み合う歯１１２が設けられている。

開口１１３ａ〜１１３ｅは、切替駆動軸１０４を中心として駆動ギヤ１０３が回転した場合に、ノズル４の先端部と合致可能なように、Ｙ方向に沿って間隔をあけて配置されている。切替駆動装置１０５により、切替駆動軸１０４と接続された駆動ギヤ１０３を回転駆動させることで、いずれかの開口をノズル４の先端部と重ねたり、開口部が存在しない部分をノズル４の先端部と重ねたりすることができる。

切替駆動装置１０５は、開口１１３ａ〜１１３ｅを切り替えることができれば、どのようなものであってもよい。例えば、ステッピングモータ等の回転力を生み出す一般的な電動機で、切替駆動軸１０４を所望の角度だけ回転させて、開口１１３ａ〜１１３ｅを切り替える方法がある。また、切替駆動軸１０４あるいは駆動ギヤ１０３の回転位置を検出するためのエンコーダや、回転を停止させて位置を固定するためのクラッチやブレーキを含む機構であってもよい。また、板状部材１０１を直線移動させる機構は、図９の例に限られたものではなく、たとえば、空圧や油圧などで制御するピストン機構や、ラックとピニオンを用いてモータ等の回転運動を直線運動に変換する機構等を採用してもよい。

柱状の粘性流体として吐出される熱可塑性樹脂の柱径は、５個の開口の中からノズル４の先端部と重ねる開口を適宜選択することにより、制御することが可能である。また、板状部材１０１中で、開口が存在しない部分をノズル４の先端部と重ねれば、シャッターとして機能するため、熱可塑性樹脂の吐出を停止させることができる。

板状部材１０１の材質は金属の使用が好ましい、特に高靭性で、熱伝導率が良い鋼の仕様が好ましい。例えばＳＵＳ４２０Ｊ２やＳＫＤ６１、プリハードン鋼が挙げられる。

また、板状部材１０１の耐久性や開口部の樹脂離れを向上させる目的で、各種コーティング処理を実施してもよい。例えば、工作機械の工具や射出成形用金型等で使用されるダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）が挙げられる。さらに、窒化処理や高周波焼入れなどの表面効果処理なども、耐久性向上に効果がある。ノズル４との接触部の摺動性や耐久性向上のため、板状部材１０１とノズル４との接触部に実施する場合や、溶融樹脂の経路となる開口１１３ａ〜１１３ｅの内面に処理する場合等が考えられる。

本実施形態では開口１１３ａ〜１１３ｅは径の異なる円形状の形態であるが、開口の形状は前記形態に限定されるものではなく、様々な形状が考えられる。

例えば、吐出する樹脂の断面形状のＸ方向とＹ方向の縦横比を変化させたい場合などは、縦横比が同じでない楕円や矩形の形状が考えられる。

板状部材１０１の厚さは、機械的な強度が確保される範囲で、薄い方が好ましい。厚さを大きくすると熱容量が大きくなり、ノズル４や熱可塑性樹脂からの熱伝導のみでは、十分に昇温することができず、開口周辺の温度が低下し溶融樹脂のつまりを起こしてしまう可能性があるためである。

板状部材１０１の厚さを厚くする場合は、板状部材１０１に加熱機構を内蔵することも可能である。一般には、溶融した熱可塑性樹脂は、２００度Ｃ前後の温度でノズル内を流動させるのが好ましいので、ノズルや板状部材も２００度Ｃ程度に保持するのが望ましい。加熱機構を内蔵することで、板状部材１０１を常に２００度Ｃ程度に保持することが可能となり、開口での溶融樹脂のつまりを抑制することが可能となる。また、造形中に開口を切替えた場合にも、切替えた開口部周辺が適温に保持されているため昇温を待つ必要がなくなり、切替時のタイムロスを少なくすることができる。

加熱機構を内蔵せずに板状部材１０１の厚さを厚くする場合は、板状部材１０１の体積を削減する肉貫きを入れて熱容量を削減する手法も効果的である。その場合には、板状部材１０１の剛性が低下するのを防ぐため、ハニカム形状などのように軽量化が可能で、剛性を確保できる肉貫きを入れるのが好ましい。
以上のように、本実施形態における板状部材は、吐出口となる開口が設けられ、機械的な強度が確保され、熱溶融樹脂が固化しない温度に保温できる部材であればよい。したがって、この部材を板状部材ではなく吐出口部材と呼んでもよい。本実施形態の説明において、この部材を板状部材と呼んだからといって、必ずしも平板である必要はなく、種々の立体的形状の部材を用いることが可能である。

本実施形態は第一の実施形態と比較し、板状部材の動作が直線運動となっており、ノズル周辺で使用する空間の形状が異なる。そのため、装置配線やノズル周辺の部品構成などにより、回転動作より直線動作の方が空間使用効率が優れる場合は、本実施形態の構成が好適である。

［その他の実施形態］
第一の実施形態と第二の実施形態では、板状部材は、直径が異なる円形開口を各１個ずつ備えていたが、本発明の実施はこれに限られるものではない。

たとえば、複数のサイズの開口を各２個ずつ備えていてもよい。図１２（ａ）に平面図を示す板状部材はその例で、直径が異なる開口１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄが、各々２個ずつ設けられている。同じサイズの開口を２個設けることにより、１つを予備として用いることが可能になり、装置の信頼性と耐久性が向上する。もちろん、同じサイズの開口の個数は２個に限られたものではなく、より多数設けてもよい。使用頻度の高い開口サイズについて、個数を増やすことも好適である。

図１２（ａ）の例では、サイズの等しい開口は、切替駆動軸６を挟んで互いに反対側に位置するように配置されている。同じサイズの開口が反対側にあれば、クリーニング機構をノズル近傍に一体化して設けた場合に、一方の開口をノズルと連結して使用している間に、反対側の開口をクリーニングできる。どのサイズの開口も、少なくとも１つは清浄な状態に維持できるので、吐出口の切り替えを頻繁に行うような場合に有利である。

また、第一の実施形態と第二の実施形態では、吐出口形状として、直径が異なる複数の円形開口を採用したが本発明の実施はこれに限られるものではない。円形、楕円形や、正方形、長方形、三角形、その他の多角形等から適宜選択した形状の開口を、複数設けてもよい。

図１２（ｂ）は、その一例の平面図で、サイズの異なる円形の開口１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ，１２２ｄと、サイズの異なる正方形の開口１２２ｅ，１２２ｆ，１２２ｇ，１２２ｈが、板状部材に設けられている。駆動軸を挟んで反対側に位置する円形の開口と正方形の開口とは、面積が等しくなるように構成されている。開口面積が等しいので、単位時間あたりに吐出する流量はほぼ等しいが、断面形状の異なる柱状の溶融樹脂を吐出することができる。

上記の例に限らず、形成する三次元造形物のモデル形状や表面テクスチャに応じて、形状、面積、断面のテーパ形状等が最適な吐出口を選択して用いることにより、三次元造形物の形状精度を高め、造形に要する時間を短縮することが可能である。
また、第一の実施形態では、三次元造形に用いる原材料として、熱可塑性樹脂をフィラメントに成形したものを用いる例を示したが、ペレットや粉末等の他の形体の材料を用いることもできる。熱可塑性樹脂としてペレットタイプの材料を用いる場合においては、図１に示す熱溶融積層造形装置の、材料導入部２、加熱供給部３、およびノズル４以外の部分は、第一の実施形態と同じ装置、同じ方法を用いることができる。図１３は、ペレットタイプの材料を用いる場合において用いる熱溶融積層造形装置の、図１における材料導入部２、加熱供給部３およびノズル４に対応する部分を示す図である。
図１３において、１３２は材料導入部、１３３は加熱供給部、１３４はノズルを示す。１３２からペレットタイプの樹脂材料を供給し、加熱供給部１３３のスクリュー１３５で樹脂材料を溶融させる。溶融状態となった熱可塑性樹脂は、スクリュー１３５の回転により、ノズル１３４に送り込まれる。ノズル１３４の先端部まで押し出された熱可塑性樹脂は、吐出口切替部５（図１参照）で選択された吐出口から吐出する。そして、第一の実施形態同様、板状部材を回転させ、開口の中からノズルと重なる開口を切り替える。また、第一の実施形態同様、板状部材中で、開口が存在しない部分をノズル１３４の先端部と重ねれば、シャッターとして機能するため、熱可塑性樹脂の吐出を停止させることができる。あるいは、スクリュー１３５をノズル１３４へ押し出す方向とは逆方向に回転させることにより樹脂の吐出口からの吐出を停止させることができる。吐出口からの吐出を停止させてから板状部材を回転させ、開口の中からノズルと重なる開口を切り替えることもできる。
以上説明した本発明の実施形態においては、吐出する溶融樹脂の断面形状を容易に変更することが可能で、かつ小型な三次元造形装置を提供できる。

１・・・造形材／２・・・材料導入部／３・・・加熱供給部／４・・・ノズル／５・・・吐出口切替部／６・・・切替駆動軸／７・・・切替駆動装置／８・・・ステージ／９・・・Ｘ移動機構／１０・・・Ｙ移動機構／１１・・・Ｚ移動機構／１３・・・クリーニング機構／１４・・・板状部材

Claims (13)

1. 熱可塑性樹脂を加熱して溶融させる加熱手段と、
   溶融した熱可塑性樹脂を吐出口に導くノズルと、
   前記ノズルの先端面と摺動可能に配され、複数の開口が設けられた部材と、
   前記複数の開口のうちの一つの開口を前記ノズルの先端に位置あわせさせる吐出口切替手段と、を備える、
   ことを特徴とする三次元造形装置。
2. 前記複数の開口が設けられた部材の開口のない部分が、前記ノズルの先端に位置あわせされてシャッターとして機能する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の三次元造形装置。
3. 前記吐出口切替手段は、前記複数の開口が設けられた部材を回転させ、前記複数の開口のうちの一つの開口を前記ノズルの先端に位置合わせする、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の三次元造形装置。
4. 前記吐出口切替手段は、前記複数の開口が設けられた部材を直線的に移動させ、前記複数の開口のうちの一つの開口を前記ノズルの先端に位置合わせする、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のうちの何れか１項に記載の三次元造形装置。
5. 前記複数の開口は、互いに面積の異なる開口を含む、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のうちの何れか１項に記載の三次元造形装置。
6. 前記複数の開口は、互いに形状の異なる開口を含む、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のうちの何れか１項に記載の三次元造形装置。
7. 前記複数の開口が設けられた部材を加熱する加熱機構を備える、
   ことを特徴とする請求項１乃至６のうちの何れか１項に記載の三次元造形装置。
8. 前記複数の開口を清掃するクリーニング機構を有する、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のうちの何れか１項に記載の三次元造形装置。
9. 前記クリーニング機構は、気体の吹き付け手段を含む、
   ことを特徴とする請求項８に記載の三次元造形装置。
10. 複数の開口が設けられた部材の前記複数の開口のうちの一つの開口から熱可塑性樹脂を吐出させる第一の工程と、
    前記複数の開口のうちの前記一つの開口とは別の開口から熱可塑性樹脂を吐出させる第二の工程と、を有する、
    ことを特徴とする三次元造形物の製造方法。
11. 前記第一の工程と、前記第二の工程の間に、前記複数の開口が設けられた部材の開口のない部分により、前記熱可塑性樹脂の吐出を停止する工程を有する、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の三次元造形物の製造方法。
12. 前記複数の開口は、互いに面積の異なる開口を含む、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の三次元造形物の製造方法。
13. 前記複数の開口は、互いに形状の異なる開口を含む、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の三次元造形物の製造方法。

Images