JP2018122454A - 三次元造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】造形時間の短縮化を図ることができる三次元造形装置を提供する。【解決手段】三次元造形装置１は、載置台７、フィラメント３０を押し出しながら載置台７に対して相対的に水平面に沿って二次元方向へ移動することで、載置台上に造形材層を造形する造形ヘッド２０、造形材層の表面にプラズマを放射して造形材層の表面を改質する電極８１を備えている。そして、電極８１を、造形ヘッド２０とともに載置台７に対して相対的に移動させて、造形ヘッド２０により一層の造形材層を造形する単位層造形動作中に、電極８１からプラズマを照射し、造形材層表面の表面改質処理を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、三次元造形装置に関するものである。

従来、造形手段から樹脂等の造形材料を押し出しながら載置台に対して相対的に水平面に沿って二次元方向へ移動することで、載置台上に造形材層を順次積層して、最終的に三次元造形物を造形する三次元造形装置が知られている。また、この種の三次元造形装置において、積層界面における熱可塑性材料同士の結合性、反応性、密着性などを高めるために、造形手段により載置台に造形された造形材層の表面を放電処理したり、紫外線を照射したりして造形材層の表面を改質する表面改質手段を備えたものが知られている。

特許文献１には、上記三次元造形装置であって、造形手段により一層の造形材層を造形する単位層造形処理が終了した後に、表面改質手段を載置台に対して相対的に移動させて上記造形材層の表面を改質する表面改質処理を行うものが記載されている。

しかしながら、上記特許文献１に記載の三次元造形装置においては、三次元造形物が完成するまでの時間が長くなるおそれがあった。

上記課題を解決するために、本発明は、載置台と、造形材料を押し出しながら前記載置台に対して相対的に移動することで、載置台上に造形材層を造形する造形手段と、前記造形材層の表面を改質する表面改質手段と、前記表面改質手段を、前記造形手段とともに前記載置台に対して相対的に移動させる手段と、を備えることを特徴とする三次元造形装置である。

本発明によれば、造形時間の短縮化を図ることができる。

本実施形態における三次元造形装置１の内部構造を示す概略正面図。 図１のＡ−Ａ断面図。 造形ヘッドの概略断面図。 三次元造形装置における電気回路の一部を示す制御ブロック図。 単位層造形動作と表面処理動作と示す断面模式図。 単位層造形動作と表面処理動作と示す平面模式図。 造形する造形材層のＸ軸方向に対して傾斜した方向に長い部分を造形するときの様子を説明する模式図。 （ａ）は、回転テーブルを回転させずに、傾斜部分を造形したときの様子を示す模式図であり、（ｂ）は、回転テーブルを回転させて、傾斜部分を造形したときの様子を示す模式図。 表面改質装置として、ＵＶランプを用いた例を示す模式図。 検証試験１で造形する直線造形品の斜視図。 界面強度の測定について説明する図。 フィラメントをノズル２１から押し出してから、界面にプラズマを照射するまでの時間と、界面強度との関係を示すグラフ。

以下、本発明を、熱溶解積層法（ＦＤＭ：：Ｆｕｓｅｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ）により三次元造形物を造形する三次元造形装置に適用した一実施形態について説明する。熱溶解積層法を用いた三次元造形装置は、予め造形材料たる熱可塑性樹脂をマトリックスとする樹脂組成物からなる長尺のフィラメントを作製しておく。このフィラメントを造形ヘッドに供給し、造形ヘッド内でフィラメントを加熱してマトリックスの熱可塑性樹脂を溶融あるいは半溶融状態にする。そして、その後、造形ヘッドのノズル先端から溶融物あるいは半溶融物を線状に押し出し少しずつ積み上げながら冷却固化させる。熱溶解積層法では射出成形では金型が複雑になる、あるいは、成形できないような３次元造形物を造形できる。なお、本発明は、熱溶解積層法（ＦＤＭ）に限定されるものではなく、造形材層を順次積層することにより三次元造形物を造形する他の造形方法や、これとは全く別の造形方法により、三次元造形物を造形する三次元造形装置にも適用可能である。

図１は、本実施形態における三次元造形装置１の内部構造を示す概略正面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。以下、上下方向をＺ軸方向、装置の左右方向をＸ軸方向、装置の奥行き方向をＹ軸方向として説明する。

三次元造形装置１は、筐体１０の内部の処理空間内に載置台７が設けられ、この載置台７に三次元造形物Ｍが造形される。載置台７のＸ軸方向両端付近には、載置台ガイド軸４４が貫通しており、載置台７のＹ軸方向一端付近には、Ｚ軸送りネジ４２が貫通している。載置台７のＺ軸送りネジ４２が貫通する貫通穴の内周面には、雌ネジが形成されており、載置台７は、Ｚ軸送りネジ４２に螺合している。

Ｚ軸送りネジ４２の下端は、筐体１０の底面に設けられたＺ軸駆動モータ４１に接続されている。また、筐体１０の底面には、載置台７のＺ軸方向位置を検知するＺ軸座標検知機構４３が設けられている。

Ｚ軸駆動モータ４１によりＺ軸送りネジ４２が回転駆動することにより、Ｚ軸送りネジ４２に螺合された載置台７が、一対の載置台ガイド軸４４に案内されながら、Ｚ軸方向に移動する。Ｚ軸駆動モータ４１は、Ｚ軸座標検知機構４３の検知結果に基づいて制御される。

また、載置台７を加熱する台加熱部４００を設けて、載置台７を規定の温度に加熱するのが好ましい。載置台７を規定の温度に加熱することで、造形中に載置台７上の造形材層が冷えるのを抑制することができる。これにより、造形材層の冷えによる伸縮を抑制することができ、反りなどの発生を抑制することができる。

筐体１０の外側面には、細長いワイヤー形状のＡＢＳ樹脂やＰＬＡ樹脂等の熱可塑性樹脂からなる造形材料たるフィラメント３０が巻き取られたリール３１が回転自在に取り付けられている。リール３１は、フィラメント３０を送り出すエクストルーダ２５により引っ張られる形で回転することにより、巻き取られたフィラメント３０が繰り出される。

処理空間内における載置台７の上方には、造形モジュール１００が設けられている。造形モジュール１００は、造形手段としての造形ヘッド２０、保持手段としての回転テーブル８２、支持部材２８などで構成されている。

造形ヘッド２０は、フィラメント３０を送り出す導入部としてのエクストルーダ２５、フィラメント３０を冷却する冷却部としての冷却ブロック２４、フィラメント３０を加熱して溶融させる加熱ブロック２２、溶融したフィラメント３０が押し出される押し出し部としてのノズル２１などを備えている。本実施形態においては、溶融状態のフィラメント３０をノズル２１から押し出すようにして吐出することにより、載置台７上に造形材層を順次積層して、三次元造形物を造形する。

本実施形態では、２個の造形ヘッド２０がＹ軸方向に並んで設けられており、造形ヘッドのノズル以外は、一体化されている。造形ヘッド２０は、回転テーブル８２に保持されており、回転テーブル８２は、回転自在に支持部材２８に取り付けられている。

２つの造形ヘッドのうち、一方の造形ヘッドのノズルからは、三次元造形物を構成するモデル材の溶融フィラメントが吐出され、他方の造形ヘッドのノズルからは、サポート材の溶融フィラメントが吐出される。サポート材は、通常、三次元造形物を構成するモデル材のフィラメントとは異なる材料で形成され、最終的には三次元造形物から除去される。他方のノズルから吐出されたサポート材のフィラメントも、モデル材のフィラメント同様、層状に順次積層される。

また、回転テーブル８２には、表面改質手段であり、プラズマ放射手段である大気圧プラズマ放射装置の２個の電極８１が、Ｘ軸方向（ノズル２１の並び方向と直交する方向）に並べて保持されている。回転テーブル８２は、支持部材２８に回転自在に設けられている。この支持部材２８には、回転テーブル８２を回転させるテーブル回転モータ８３が取り付けられている。回転テーブル８２の外周面には、例えば、外歯が形成されており、テーブル回転モータ８３のモータギヤ８３ａが、回転テーブル８２の外歯と噛み合っている。これにより、テーブル回転モータ８３から駆動力が伝達され、回転テーブル８２が回転する。

支持部材２８には、Ｘ軸方向に延びるＸ軸ガイド軸５４と、Ｘ軸送りネジ５２とが貫通している。支持部材２８のＸ軸送りネジ５２が貫通する貫通穴の内周面には、雌ネジが形成されており、支持部材２８は、Ｘ軸送りネジ５２に螺合している。

筐体上部のＸ軸方向一端（図中左側）には、Ｙ軸ガイド軸６４が設けられており、筐体上部のＸ軸方向他端（図中右側）には、Ｙ軸送りネジ６２が設けられている。Ｙ軸ガイド軸６４には、被ガイド部材６６がＹ軸方向に移動可能に取り付けられており、Ｙ軸送りネジ６２には、移動部材６５が螺合している。被ガイド部材６６は、Ｘ軸ガイド軸５４とＸ軸送りネジ５２の一端を保持している。Ｘ軸送りネジ５２は、被ガイド部材６６に回転可能に保持されている。移動部材６５は、Ｘ軸ガイド軸５４の他端と、Ｘ軸駆動モータ５１と、造形モジュール１００のＸ軸方向の位置を検知するＸ軸座標検知機構５３とを保持している。Ｘ軸送りネジ５２の他端は、Ｘ軸駆動モータ５１に接続されている。これにより、造形ヘッド２０等を支持する支持部材２８が、Ｘ軸ガイド軸５４とＸ軸送りネジ５２により架け渡される形で、Ｙ軸送りネジ６２とＹ軸ガイド軸６４とに保持される。

また、Ｙ軸送りネジ６２の一端は、送りネジ保持部６１ａに回転自在に支持されており、他端は、筐体１０の側面に取り付けられたＹ軸駆動モータ６１に接続されている。送りネジ保持部６１ａには、造形モジュール１００のＹ軸方向の位置を検知するＹ軸座標検知機構６３が取り付けられている。

Ｙ軸駆動モータ６１によりＹ軸送りネジ６２が回転駆動することにより、Ｙ軸送りネジ６２に螺合された移動部材６５がＹ軸方向に移動する。これにより、Ｘ軸ガイド軸５４とＸ軸送りネジ５２を介して移動部材６５に保持された造形モジュール１００がＹ軸ガイド軸６４にガイドされながら、Ｙ軸方向に移動する。Ｙ軸駆動モータ６１は、Ｙ軸座標検知機構６３の検知結果に基づいて制御される。

また、Ｘ軸駆動モータ５１によりＸ軸送りネジ５２が回転駆動することにより、Ｘ軸送りネジ５２に螺合された支持部材２８とともに造形モジュール１００がＸ軸ガイド軸５４にガイドされながらＸ軸方向に移動する。Ｘ軸駆動モータ５１は、Ｘ軸座標検知機構５３の検知結果に基づいて制御される。

また、筐体１０内には、造形ヘッド２０のノズル２１を清掃するためのノズル清掃部７０が設けられている。フィラメント３０の溶融吐出を経時で続けると、ノズル２１からのフィラメントの垂れやノズル２１に付着する残留フィラメントによりノズル周辺が汚れ、適切な吐出動作を妨げるおそれがある。そのため、定期的にノズルの清掃を行う必要がある。

ノズル清掃部７０は、載置台７のＸ軸方向一端に設けられており、主にノズル２１の残留フィラメントなどの異物を除去するためのブラシ７１と、ブラシ７１を回転させるブラシモータ７２と、ブラシ７１により除去された異物を回収する回収ボックス７３とを備えている。

ノズルの清掃は、載置台７および造形モジュール１００を移動させて、ノズル２１をブラシ７１に接触させる。そして、ブラシモータ７２によりブラシ７１を回転させて、ノズル２１に付着している残留フィラメントなどの異物を除去する。好ましくは、ノズルに付着した残留フィラメントの温度が下がりきらないうちにクリーニングした方が固着の観点からは良い。その際にはブラシ７１は耐熱性樹脂を用いることが好ましい。ノズル２１から除去された異物は、回収ボックス７３に落下し、回収ボックス７３に回収される。回収ボックス７３は、載置台７に対して着脱可能に設けられており、回収ボックス７３を載置台７から取り外して、回収ボックス７３に回収された異物は、定期的に捨てられる。本実施形態では、筐体内に回収ボックス７３を設けているが、筐体外に設け、ブラシ７１によりノズル２１から除去された異物を例えば、吸引機などにより、筐体外に設けた回収ボックス７３に搬送するようにしてもよい。

図３は、造形ヘッド２０の概略断面図である。
造形ヘッド２０は、フィラメント３０を供給するエクストルーダ２５、フィラメント３０を冷却する冷却ブロック２４、フィラメント３０を加熱して溶融させる加熱ブロック２２、溶融したフィラメント３０を吐出するノズル２１などを備えている。また、冷却ブロック２４と加熱ブロック２２との間には、冷却ブロック２４を通過したフィラメント３０を、加熱ブロック２２へ案内するガイドブロック２３を有している。加熱ブロック２２、ガイドブロック２３、冷却ブロック２４には、エクストルーダ２５から導入されたフィラメント３０をノズル２１まで移送するための移送路２６がそれぞれ形成されている。

加熱ブロック２２は、フィラメント３０を加熱する加熱部たる熱源２２ａと、熱源２２ａにより加熱されたフィラメント３０の温度を検知する温度検知部たる熱電対２２ｂとを備えている。熱電対２２ｂは、フィラメント３０が移送される移送路２６を挟んで熱源２２ａが配置された側と反対側に配置されている。加熱ブロック２２は、移送路２６内のフィラメント３０を加熱して溶融状態にし、溶融状態の溶融フィラメント３０ａがノズル２１へ移送される。

加熱ブロック２２からの熱は、移送路２６内のフィラメント３０だけでなく、そのフィラメント３０の移送方向上流側にも伝搬する。ただし、加熱ブロック２２内の移送路から移送方向上流側に離れた箇所のフィラメント３０が加熱されて溶融する。加熱ブロック２２による加熱処理を停止又は中断すると、溶融したフィラメント３０が移送路２６内で固化する。その後に加熱ブロック２２による加熱処理を再開したとき、加熱ブロック２２の移送路内の固化しフィラメントは、すぐに再溶融するが、加熱ブロック２２内の移送路から移送方向上流側に離れた箇所の固化したフィラメントは再溶融するまでに時間がかかる。その結果、エクストルーダ２５により送り込まれるフィラメント３０をノズル２１まで移送することができず詰まってしまう。したがって、加熱ブロック２２によるフィラメント３０の加熱範囲がフィラメント移送方向上流側へ可能な限り拡がらないようにして、加熱ブロック２２による加熱処理の再開後に固着したフィラメントを迅速に再溶融できるようにすることが重要である。

そのため、加熱ブロック２２のフィラメント移送方向上流側に、冷却ブロック２４が設けられている。冷却ブロック２４は、アルミニウムなどの伝熱性の高い材料からなり、冷媒が流れる流路２４ａが、冷却ブロック２４の移送路２６の周囲に設けられている。冷却ブロック２４は、その移送路２６内のフィラメント３０の熱を流路２４ａに流れる冷媒へ移動させて冷却する。これにより、加熱ブロック２２内の移送路から移送方向上流側に離れた箇所のフィラメント３０が加熱ブロック２２により加熱されて溶融するのを防止することができる。

加熱ブロック２２と冷却ブロック２４との間に配置されるガイドブロック２３は、断熱性の材料からなり、加熱ブロック２２の熱がフィラメント移送方向上流側に伝搬するのを抑制している。これにより、加熱ブロック２２内の移送路から移送方向上流側に離れた箇所のフィラメント３０が加熱ブロック２２により加熱されて溶融するのをより一層抑制できる。また、加熱ブロック２２の熱の移動が抑制され、良好の加熱ブロック２２移送内のフィラメントを加熱することができる。

エクストルーダ２５には、一対の送りローラ２５ａを備えており、送りローラ２５ａにより移送路２６へフィラメント３０を送り込む。加熱ブロック２２で加熱されて溶融した溶融フィラメント３０ａは、エクストルーダ２５の送り力によりノズル２１から吐出する。

本実施形態では、一方の造形ヘッド２０のエクストルーダ２５と他方の造形ヘッド２０のエクストルーダ２５、一方の造形ヘッド２０の冷却ブロック２４と他方の造形ヘッド２０の冷却ブロック２４、一方の造形ヘッド２０のガイドブロック２３と他方の造形ヘッド２０のガイドブロック２３、一方の造形ヘッド２０の加熱ブロック２２と他方の造形ヘッド２０の加熱ブロック２２は、図９に示されるように１つの造形ヘッド２０を構成するように一体化されている。

図４は、三次元造形装置１における電気回路の一部を示す制御ブロック図である。
制御手段たる制御装置２００は、演算手段たるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）４０２、データ記憶手段であるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）４０４、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）４０６、不揮発メモリー４０８等から構成される。そして、各種の演算処理や、制御プログラムの実行を行うことができる。

図中の符号９０は、駆動部であり、駆動部９０は、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸駆動モータ４１，５１，６１、テーブル回転モータ８３、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸座標検知機構４３，５３，６３などで構成されている。また、図中符号８０は、表面改質手段たる大気圧プラズマ放射装置であり、大気圧プラズマ放射装置８０は、表面処理装置電源８５、電極８１などで構成されている。

制御装置２００は、データ生成部２０１、加熱温度制御部２０２、押し出し量制御部２０３、駆動制御部２０４、表面処理制御部２０５などを備えている。データ生成部２０１は、三次元造形装置１に対して有線あるいは無線でデータ通信可能に接続されたパーソナルコンピュータ等の外部装置から入力される造形物データに基づいて、上下方向に分解された多数の造形材層のデータ（造形用のスライスデータ）を生成する。各造形材層に対応するスライスデータは、本三次元造形装置１の造形ヘッド２０から押し出されるフィラメント３０によって形成される各造形材層に対応しており、その造形材層の厚みは、三次元造形装置１の能力に応じて適宜設定される。また、外部装置でスライスデータを生成し、三次元造形装置１にスライスデータが入力されるようにしてもよい。

スライスデータとしては、G-codeという「.gcode」の拡張子を持つテキストデータであり、本体の準備動作、終了動作を除くと、「.gcode」は基本的には、１．造形物の頂点座標のデータ、２．その各々の頂点まで動く速度データ、３．フィラメントを送り出す速度データの３点で構成されている。上記３．フィラメントを送り出す速度データには、送り出し開始タイミングや停止タイミングのデータが含まれている。また、データ生成部２０１は、上記に加えて、加熱温度データや、表面処理装置電源のＯＮ／ＯＦＦタイミングデータなどを生成する。

加熱温度データは、加熱温度制御部２０２へ送信される。加熱温度制御部２０２は、データ生成部２０１から送られた加熱温度となるように、熱電対２２ｂが検知した検知結果に基づいて加熱ブロック２２の熱源２２ａをフィードバック制御する。

また、先端ノズルの温度の安定性を確保するために、加熱温度制御部２０２はフィラメント送り出し動作開始よりも先に動作を開始し、フィラメント送り出し動作開始時に、上記加熱温度に加熱しておくのが好ましい。具体的には、フィラメント３０の送り出しを開始するデータや、造形物の頂点座標のデータ等に基づいて、フィラメント送り出し動作開始タイミングを予測して、熱源２２ａを制御するフィードフォワード制御を行う。また、熱電対２２ｂが上記加熱温度に達したことを検知したら、造形動作を開始するフィードバック制御でもよい。

G-codeの３．フィラメントを送り出す速度データは、押し出し量制御部２０３へ送られる。押し出し量制御部２０３は、データ生成部２０１から送られてきたフィラメント送り速度となるように、エクストルーダ２５を制御する。また、押し出し量制御部２０３は、ノズル２１からのフィラメント３０の吐出を停止する前（エクストルーダ２５の駆動停止前）に、エクストルーダ２５を逆回転させ、フィラメント３０を引き込む吸い込み動作を行うのが好ましい。かかる動作を行うことで、ノズル２１からのフィラメントの垂れを抑制することができ、造形物の形状精度を向上させることが出来る。

G-codeの上記１．造形物の頂点座標のデータ、上記２．その各々の頂点まで動く速度データは、駆動制御部２０４に送られる。駆動制御部２０４は、データ生成部２０１から送られてきた上記１．造形物の頂点座標のデータ、上記２．その各々の頂点まで動く速度データに基づいて、各駆動モータ４１，５１，６１，８３を制御する。また、駆動制御部２０４は、動作不備が生じないように、各座標検知機構４３，５３，６３の検知結果に基づいて、目標座標点へと移動するフィードバック制御を行う。

上記表面処理装置電源のＯＮ／ＯＦＦタイミングデータは、表面処理制御部２０５に送られる。表面処理制御部２０５は、データ生成部２０１から送られてきたＯＮ／ＯＦＦタイミングデータに基づいて、表面処理装置電源８５のＯＮ／ＯＦＦを制御する。

押し出し量制御部２０３は、駆動制御部２０４と同期がとられており、造形ヘッド２０の動きに応じて、フィラメント３０の押し出し量（送り速度）および、フィラメント３０の送り開始／停止が制御される。また、表面処理制御部２０５も、駆動制御部２０４と同期がとられており、造形ヘッド２０の動きに応じて表面処理装置電源８５のＯＮ／ＯＦＦが制御される。

ユーザーの指示操作等により造形をスタートすると、まず、加熱ブロック２２の熱源２２ａへの通電をＯＮにし、造形物データに基づいてデータ生成部２０１が生成した加熱温度に加熱する。また、駆動制御部２０４によりＺ軸駆動モータ４１を制御して、載置台７を所定の待機位置（例えば最下点）から上昇させて、造形位置に移動させる。

Ｚ軸座標検知機構４３が、載置台７が造形位置に到達したことを検知したら、Ｚ軸駆動モータ４１を停止し造形処理に移行する。造形処理では、まず、最下層（第一層）のスライスデータに基づいて、載置台７の表面に最下層の造形材層を作成する。具体的には、最下層（第一層）のスライスデータ、Ｘ軸座標検知機構５３の検知結果、および、Ｙ軸座標検知機構６３の検知結果に基づき、駆動制御部２０４によりＸ軸駆動モータ５１及びＹ軸駆動モータ６１を制御して造形ヘッド２０のノズル２１の先端を目標位置（Ｘ−Ｙ平面上の目標位置）に順次移動させる。また、駆動制御部２０４の駆動制御に同期して、押し出し量制御部２０３によりスライスデータに基づいてエクストルーダ２５を制御してノズル２１よりフィラメント３０の押し出しを行う。これにより、造形ヘッド２０のノズル２１の先端を目標位置に順次移動させながら、ノズル２１からフィラメントが吐出され、載置台７上に、最下層（第一層）のスライスデータに従った造形材層が形成される。なお、三次元造形物を構成しないサポート材も一緒に作成する場合があるが、ここでの説明は省略する。

最下層（第一層）のスライスデータに従った造形材層の造形処理（単位層造形動作）が終了したら、駆動制御部２０４は、Ｚ軸座標検知機構４３の検知結果に基づき、Ｚ軸駆動モータ４１を制御して、造形材層の一層分に相当する距離だけ載置台７を下降させる。その後、第二層のスライスデータに基づき、駆動制御部２０４によりＸ軸駆動モータ５１及びＹ軸駆動モータ６１を制御し、造形ヘッド２０のノズル２１の先端を目標位置に順次移動させる。これと同時に、押し出し量制御部２０３によりエクストルーダ２５を制御してノズル２１よりフィラメント３０の吐出を行う。これにより、載置台７に形成されている最下層の造形材層上に、第二層のスライスデータに従った造形材層が形成される。

このようにして、Ｚ軸駆動モータ４１を制御して、載置台７を順次下降させながら、下層から順に造形材層を積層させて造形する単位層造形動作を繰り返し、三次元の造形データに従った三次元造形物が載置台７上に造形される。三次元造形物が造形されたら、Ｚ軸駆動モータ４１を制御して、待機位置まで下降させる。

本実施形態においては、大気圧プラズマ放射装置８０を備えており、載置台７の造形材層の表面にプラズマを照射して、造形材層の表面改質を行うことで、層間の界面における密着力を高め、三次元造形物の積層方向の強度を高めている。

熱溶解積層法により三次元造形物を造形する三次元造形装置１では、積層方向の強度が極端に低いという課題があった。具体的に説明すると、各種３次元造形物を造形する際、大きいものを造形する場合は１層目を造形してから、２層目を造形するまでの時間がかかり、特にその時間が空いた場所では造形（剥離）強度が格段に低いという結果が得られていた。積層方向の強度は樹脂の相溶状態が影響している。例えば、１層目を造形してから時間経過すると、溶融樹脂の温度低下が生じてしまい、１層目の上に２層目を造形しても、当該の界面において１層目と２層目とが相溶しない温度になってしまう。

積層方向の強度が低いという課題の対策として、ノズル２１から押し出される溶融フィラメント３０ａの温度を上げることが考えられるが、溶融フィラメント３０ａの温度を上げると、造形精度が低下してしまう。これは、温度を上げることで、ノズル２１から吐出される溶融フィラメント３０ａの粘性低下が生じる。その結果、ノズル２１から吐出する際にノズル２１から与えられるせん断力に耐え切れない形で、造形材層が所望の形状を保てなくなるからである。

また、造形速度を上げて、下層温度の低下をある程度抑えることで、積層方向の強度低下を抑えることも考えられる。しかし、造形速度は、造形物のサイズに左右され、加えて、造形速度に比例する形でノズル２１から吐出される溶融フィラメント３０ａの粘弾性が低下するという問題がある。また、造形速度を上げると、ノズル２１から押し出される溶融フィラメント内のせん断応力が高まり、樹脂配向が表面のスキン層に強く現れることで、材料の異方性が更に高まるという懸念もある。このように、熱溶解積層法においては、積層方向の強度と、造形精度、速度（造形時間）との間にトレードオフが生じてしまう。

層間の界面における密着力の根源となっている力は、一般的には、１．相溶による分子拡散が行われることで拡散した分子鎖が互いに絡み合う力、２．界面における表面粗さから得られるアンカー効果等から得られる機械的な結合力、３．界面における分子間力、４．各面における官能基同士が化学結合することによって得られる力等が挙げられる。上記１．相溶による分子拡散が行われることで拡散した分子鎖が互いに絡み合う力を増加させることは、上述したように、ノズルの軌跡（以下、ツールパスと略）の制限により、温度を初めとした各種プロセス条件を面内（層内）一定に保つことは極めて困難である。

本実施形態では、大気圧プラズマ放射装置８０により層の界面にプラズマを照射することにより界面の分子鎖を切断し、下層の造形材層の界面に官能基を出現させる。これにより、下層の造形材層の界面の官能基と、この界面に積層される上層の造形材層の官能基とを化学結合させ、層間の界面における密着力を増加させ、積層方向の強度を高めることができる。また、下層の造形材層の界面の分子鎖を切断することで、界面にヒドロキシル基、カルボキシル基等の親水性官能基が現れる。これにより、下層の造形材層の界面の濡れ性を高めることができ、この下層の造形材層の界面に積層される上層の造形材層との密着力をより一層高めることができる。

図５は、造形動作と表面処理動作と示す断面模式図であり、図６は、単位層造形動作と表面処理動作と示す平面模式図である。
図５、図６に示すように、２つの電極８１のうち、ノズル２１よりも造形ヘッド移動方向（図中矢印Ａ方向）上流側の電極８１からプラズマが照射される。これにより、ノズルから押し出された直後のフィラメントの表面にプラズマが照射され、造形材層（図５、図６では、上層の造形材層ｍ２やｓ２）の界面の改質がなされる。本実施形態においては、電極８１を、ノズルの並び方向において、２つのノズルの間の中央に配置している。これにより、図６に示すように、モデル材のフィラメントにより造形されるモデル材造形材層（ｍ１やｍ２）の界面と、サポート材のフィラメントにより造形されるサポート材造形材層（ｓ１やｓ２）の界面とにプラズマを照射することができる。よって、ひとつの電極で、モデル材造形材層の界面と、サポート材造形材層の界面とを改質することができる。サポート材造形材層は、モデル材造形材層を支えるためのものである。よって、このサポート材造形材層の層間の界面における密着力が弱いと、モデル材造形材層を良好に支えることができないおそれがある。本実施形態のように、サポート材造形材層の界面も表面改質して、層間の界面における密着力を高めることで、モデル材造形材層を良好に支えることができ、造形精度を高めることができる。

電極８１からのプラズマ照射は、エクストルーダ２５の駆動開始から、規定時間経過した後に開始される。上記規定時間は、図６に示すように、（造形ヘッド２０移動方向において、先端ノズルからプラズマ照射領域Ｓの最大照射領域までの距離Ｌ）／（造形ヘッド２０の移動速度）から求めることができる。また、エクストルーダ２５の駆動を停止してから、上記規定時間経過した後に、プラズマ照射が停止される。データ生成部２０１は、生成したG-codeの上記２．造形物の各々の頂点まで動く速度データ、３．フィラメントを送り出す速度データ等に基づいて、上記表面処理装置電源のＯＮ／ＯＦＦタイミングデータを作成する。

また、造形する層（レイヤー）が切り替わる際や、離れ小島のように造形材層が離れている場合には、電極からの大気圧プラズマが発生しないように、表面処理装置を停止し、部分的に表面照射が集中したりすることを避けておく。

本実形態においては、大気圧プラズマ放射装置８０の電極８１を、造形ヘッド２０が保持される部材（本実施形態においては、回転テーブル８２）に保持して、造形ヘッド２０とともに移動するように構成されている。これにより、造形ヘッドにより造形材層を造形しながら、大気圧プラズマ放射装置８０による表面改質処理を行うことができる。これにより、造形ヘッド２０により造形材層を造形した後に、大気圧プラズマ放射装置８０を移動させて造形材層の表面を改質するものに比べて、三次元構造物が完成するまでの完成時間を短縮することができる。

更に、造形ヘッド２０のノズル２１の近傍に電極８１が配置されているので、ノズルから押し出されて所定時間内にフィラメントの表面にプラズマを照射し、造形材層の界面を改質することができる。

図１２は、フィラメントをノズル２１から押し出してから、界面にプラズマを照射するまでの時間と、界面強度との関係を示すグラフである。
図１２に示すように、造形ヘッド２０のノズル２１からフィラメントが押し出されてからプラズマ照射されるまでの時間が短いほど、造形層間の界面における強度を向上することができる。造形ヘッド２０のノズル２１からフィラメントが押し出されてからプラズマ照射されるまでの時間を、５０秒以内にすることで、界面強度を０．３Ｎ／ｍｍ以上にすることができ好ましい。本実施形態のように、電極８１を造形ヘッド２０が保持された部材（回転テーブル８２）に保持し、造形ヘッド２０のノズル２１の近傍に電極８１を配置し、電極８１を造形ヘッド２０とともに移動させることで、ノズル２１と電極８１との位置関係が変化することなく、ノズル２１から押し出されて所定時間（５０秒）以内にフィラメントの表面にプラズマを照射すことができる。これにより、所定時間（５０秒）以内に造形材層の界面を改質することができ好ましい。更に、所定時間が２０秒以内にすることによって界面強度を０．４Ｎ／ｍｍより大きくすることができ、さらに好ましい。なお、上記界面強度は、後述する検証試験１と同様な方法で測定した。

図７は、Ｘ軸方向に対して傾斜した方向に長い造形材層を造形するときの様子を説明する模式図である。
例えば、図７の点線に示すように、Ｘ軸方向に対して４５°傾斜した方向に長い造形材層ｍｋを造形するときは、Ｘ軸駆動モータ５１と、Ｙ軸駆動モータ６１とを駆動させて、造形モジュール１００を図中矢印Ｃに示すように、Ｘ軸方向に対して４５°傾斜した方向に移動させる。このように、造形モジュール１００を移動させることで、Ｘ軸方向に往復移動させて、造形材層ｍｋを造形する場合に比べて、造形精度を高めることができ、かつ、造形時間の短縮化を図ることができる。また、三次元造形装置１の筐体１０のＸ軸またはＹ軸方向よりも長い部分を、Ｘ軸方向に対して４５°傾斜した方向に沿って造形することにより、筐体１０のＸ軸またはＹ軸方向よりも長い部分を有する３次元造形構造物を、筐体１０の内部で造形することができる。

また、本実施形態では、造形モジュール１００を図中矢印Ｃ方向に移動させる前に、テーブル回転モータ８３を駆動して造形ヘッド２０と電極８１とを保持する回転テーブル８２を４５°回転させる。これにより、ノズル２１が、造形モジュール１００の移動方向（図中矢印Ｃ方向）と直交する方向に並び、電極８１が、造形モジュール１００の移動方向に並ぶ。

図８（ａ）は、回転テーブル８２を回転させずに、Ｘ軸方向に対して傾斜した造形材層ｍｋを造形したときの様子を示す模式図であり、図８（ｂ）は、回転テーブル８２を回転させて、Ｘ軸方向に対して傾斜した造形材層ｍｋを造形したときの様子を示す模式図である。
図８（ａ）に示すように、回転テーブル８２を回転させずに、Ｘ軸方向に対して傾斜した造形材層ｍｋを造形すると、一方のノズルから吐出したサポート材の一部と、他方のノズルから吐出したモデル材の一部とが重なってしまう。その結果、三次元造形物を造形後、サポート材をうまく除去できなかったり、三次元造形物に凹部ができたりするおそれがある。そのため、サポート材とモデル材とを同時に吐出することができず、造形時間が長くなる。また、Ｘ軸方向に対して傾斜した造形材層ｍｋを造形しながら、プラズマ照射を行う場合、モデル材の造形材層ｍｋの界面全体に、プラズマを照射することができず、モデル材の造形材層ｍｋの界面全体を改質することができない。

一方、図８（ｂ）に示すように、ノズル２１が、造形モジュール１００の移動方向（図中矢印Ｃ方向）と直交する方向に並び、電極８１が、造形モジュール１００の移動方向に並ぶように回転テーブル８２を回転させることで、サポート材とモデル材とを同時に吐出しても、サポート材とモデル材とが重なることがない。これにより、サポート材とモデル材とを同時に吐出しても、サポート材をうまく除去できなかったり、三次元造形物に凹部ができたりするおそれがない。これにより、Ｘ軸方向に対して傾斜した造形材層ｍｋの造形において、サポート材造形材層ｓｋとモデル材造形材層ｍｋとを同時に造形することができる。これにより、造形時間の短縮化を図ることができる。また、また、Ｘ軸方向に対して傾斜した造形材層ｍｋを造形しながら、プラズマ照射を行っても、サポート材造形材層ｓｋとモデル材造形材層ｍｋの両方の界面全体に、プラズマを照射することができる。これにより、Ｘ軸方向に対して傾斜した造形材層ｍｋを造形しながら、表面改質を行うことができる。

また、Ｙ軸方向に長い造形材層を造形するときは、図２に示した状態から回転テーブル８２を９０°回転させた後、Ｙ軸駆動モータ６１を駆動させて、造形モジュール１００をＹ軸方向に移動させて、Ｙ軸方向に長い造形材層を造形する。

また、本実施形態は、回転テーブル８２の回転方向に１８０°の間隔を開けて２つの電極を設けている。これにより、電極を一つ設ける場合に比べて、回転テーブル８２の回転角度を少なくすることができる。例えば、造形モジュール１００を＋Ｘ軸方向に移動させて、造形材層のＸ軸方向に延びる部分を形成した後、Ｙ軸方向に所定の距離移動させ、造形モジュール１００を−Ｘ軸方向に移動させて、Ｙ軸方向で異なる位置に造形材層のＸ軸方向に延びる部分を形成するとき、電極がひとつの場合は、回転テーブルを１８０°回動させて、電極を、ノズルよりも造形モジュール移動方向上流側に位置させる必要がある。

一方、本実施形態のように、回転テーブル８２の回転方向に１８０°の間隔を開けて、２つの電極を設けている場合は、回転テーブル８２を回転させずとも、２つの電極のうちのいずれか一方が、ノズル２１よりも造形モジュール移動方向上流側に位置する。よって、造形モジュール１００を＋Ｘ軸方向に移動させて造形した後、造形モジュール１００を−Ｘ軸方向に移動させて造形を行うとき、回転テーブル８２を回転させる必要がなくなる。これにより、電極がひとつの場合に比べて、造形時間の短縮化を図ることができる。

また、造形モジュール移動方向下流側の電極からプラズマを放射して、ノズル２１から押し出された溶融フィラメント３０ａが積層される直前の下層の造形材層の界面を表面改質してもよい。かかる構成では、冷えた状態の界面にプラズマが照射されるため、表面改質効果は低いが、表面を改質しない場合に比べれば、界面の密着力を高めることができる。

また、電極８１を造形ヘッド２０が保持される部材と同じ部材（本実施形態においては、回転テーブル８２）に保持することにより、次の利点を得ることができる。すなわち、ＦＤＭによる造形においては、造形ヘッド２０のノズル２１の先端と、載置台７上の造形材層との間の距離は、常に一定に保たれる。従って、電極８１を造形ヘッド２０が保持される部材と同じ部材に保持することにより、電極８１の先端と造形材層との間の距離は、常に一定に保たれる。これにより、電極８１のプラズマ照射範囲を常に一定に保つことができ、良好に造形材層の界面全体にプラズマを照射することができ、造形材層の界面を均一に改質することができる。

また、電極８１を造形ヘッド２０が保持される部材と同じ部材に保持することで、造形ヘッド２０を移動させる手段により電極８１を移動させることができる。これにより、造形ヘッド２０を移動させる手段と、電極８１を移動させる手段とをそれぞれ別々に設ける場合に比べて、装置のコストダウンを図ることができる。

図９は、造形材層の界面を改質する表面改質手段として、紫外線照射手段たるＵＶランプ１８１を用いた例を示す模式図である。図９（ａ）Ｙ軸方向からみた模式図であり、図９（ｂ）は、Ｘ軸方向から見た模式図であり、図９（ｃ）は、Ｚ軸方向から見た模式図である。
ＵＶランプ１８１は、長尺の直管タイプであり、回転テーブル８２に設けられたブラケット１８２に保持されている。ＵＶランプ１８１としては、主として２５４ｎｍの波長が出るオゾンフリータイプ、低圧水銀ランプ、エキシマランプをはじめとするオゾン発生タイプのいずれも用いることができる。回転テーブル８２は、造形ヘッド２０に取り付けられており、造形ヘッド２０は、支持部材２８に回転自在に取り付けられている。

図９に示す構成においては、ペン型の大気圧プラズマ放射装置と異なり、ノズル２１から押し出されて造形された直後の造形材層の界面にのみスポット的にＵＶ光を当てることができない。従って、この図９においては、造形材層の形状によっては、複数回、ＵＶ光が照射される界面が存在する。

図９に示す構成においても、造形動作開始前に、ＵＶランプ１８１がノズル２１よりも造形モジュール１００の移動方向上流側に位置するように回転テーブル８２を回転させる。そして、載置台７もしくは載置台７の造形材層の界面上にノズル２１から押し出された溶融フィラメント３０ａに対してＵＶランプ１８１により紫外線を照射して、造形材層界面の分子鎖を切断する。これにより、この造形材層の界面に積層される上層の造形材層の官能基とが化学結合し、層間の界面における密着力を増加させることができ、積層方向の強度を高めることができる。また、造形材層の界面の分子鎖を切断することで、界面にヒドロキシル基、カルボキシル基等の親水性官能基が現れる。これにより、下層の造形材層の界面の濡れ性を高めることができ、この下層の造形材層の界面に積層される上層の造形材層との密着力をより一層高めることができる。

次に、本出願人が行った検証試験について説明する。

［検証試験１］
検証試験１は、表面改質処理した場合と、しない場合との層間の界面強度について検証した。

［比較例１］
比較例１は、造形材料であるフィラメント３０にＡＢＳ樹脂を用いた。フィラメント３０の寸法形状としては、φ２．０ｍｍの棒状とした。造形ヘッド２０のエクストルーダ２５としては、φ１２ｍｍのＳＵＳ３０４製の対となる送りローラを有するエクストルーダを用いた。ノズル２１は真鍮で作製し、先端の開口径を０．５ｍｍとした。移送路２６となる部分はφ２．５ｍｍの空洞となるようにした。冷却ブロック２４はＳＵＳ３０４製とし、水冷管を通しておき、チラーに接続した。チラーの設定温度は１０℃とした。加熱ブロック２２も冷却ブロック２４と同様にＳＵＳ３０４製とし、熱源となるカードリッジヒータを通しておき、フィラメントと対称となる側に熱電対を配置し、温度制御を行った。カードリッジヒータの設定温度は２３０℃とした。造形する３次元造形物は図１０に示すような２層の造形材層からなる直線造形品Ｍｓとし、造形時のノズルの走査速度は１０ｍｍ／ｓｅｃとした。加えて、載置台７の設定温度１３０℃とした。造形物の積層方向の解像度に直接影響する造形材層の厚み（Ｚ軸方向の長さ）は０．３ｍｍとした。

［比較例２］
比較例２は、造形時のノズルの走査速度を５０ｍｍ／ｓｅｃとした以外は、比較例１と同じ構成・設定とした。

［実施例１］
実施例１においては、表面処理装置として大気圧プラズマ放射装置のペン型の電極を回転テーブルに保持し、ノズルから押し出された直後の造形材層の界面にプラズマ照射した以外は、比較例１と同様の構成・設定にした。照射対象となる造形材層の界面までのギャップが２．５ｍｍとなるようにペン先となる電極の位置出しを行った。電極に電圧を印加する表面処理装置電源としての高周波電源については、２０ＫＨｚの周波数設定とした。ツールパス（予め設定されたノズルが移動する道筋）をノズルが走査する際に電極が、ノズルよりもノズル移動方向上流側に位置するように回転テーブルを回転させようにプログラムし、ノズルから押し出された直後の造形材層の界面にプラズマ照射できるようにした。

［実施例２］
実施例２においては、造形時のノズルの走査速度を５０ｍｍ／ｓｅｃとした以外は、実施例１と同じ構成・設定とした。

［実施例３］
実施例３は、先の図９に示す構成とし、表面処理装置として主として２５４ｎｍの波長が出るオゾンフリータイプの円筒形状のＵＶランプを回転テーブルに取り付け、ノズルから押し出された直後の造形材層の界面に紫外線を照射した以外は、比較例１と同じ構成・設定とした。照射対象となる下層までのＧａｐは８ｍｍとなるように設定した。

［実施例４］
実施例４は、ＵＶランプを、主として１８５ｎｍの波長が出るオゾン発生タイプのランプに変更した以外は、実施例３と同じ構成・設定とした。

上記比較例１、２、実施例１〜４で造形した３次元造形物について、界面強度を調べて。造形物界面の接着力の測定に際してはオートグラフ ＡＧＳ―５ｋＮＸ（島津製作所製）を用いた。
図１１は、界面強度の測定について説明する図である。
図１１に示すように２層の造形材層からなる直線造形品Ｍｓの一端を予め物理的に引き剥がして、下層の造形材層ｍ１と上層の造形材層ｍ２とに分離する。そして、上層の造形材層ｍ２の一端を上部チャック１１０ａにチャッキングし、下層の造形材層ｍ１の一端を下部チャックにチャッキングする。次に、図中矢印に示すように、図中上部チャックを２００ｍｍ/ｍｉｎで上方へ移動させ、上層の造形材層ｍ２と下層の造形材層ｍ１との界面Ｋの強度プロファイルを取得する。取得した強度プロファイルにおいて、中央部に相当する１０ｍｍ区間においての極大値と極小値から平均値を求め、その平均値を、界面強度とした。その結果を、表１に示す。

表１からわかるように、下層の造形材層ｍ１の界面Ｋに大気圧プラズマ照射や、ＵＶ照射を行って、界面Ｋの表面改質を行った実施例１〜４は、下層の造形材層ｍ１の界面Ｋに表面改質を行っていない比較例１や２に比べて、界面強度が大幅に強くなった。また、ノズル走査速度を上げることで、界面強度を高められるが、大気圧プラズマ照射や、ＵＶ照射を行って、下層の造形材層ｍ１の界面Ｋに表面改質を行った場合に比べて、その強度増加はわずかである。このことから、下層の造形材層ｍ１の界面Ｋに大気圧プラズマ照射や、ＵＶ照射を行って、界面Ｋの表面改質を行うことで、効果的に界面強度を高めることができることがわかった。

１：三次元造形装置
７：載置台
１０：筐体
２０：造形ヘッド
２１：ノズル
２２：加熱ブロック
２２ａ：熱源
２２ｂ：熱電対
２３：ガイドブロック
２４：冷却ブロック
２４ａ：流路
２５：エクストルーダ
２５ａ：送りローラ
２６：移送路
２８：支持部材
３０：フィラメント
３０ａ：溶融フィラメント
３１：リール
４１：Ｚ軸駆動モータ
４２：Ｚ軸送りネジ
４３：Ｚ軸座標検知機構
４４：載置台ガイド軸
５１：Ｘ軸駆動モータ
５２：Ｘ軸送りネジ
５３：Ｘ軸軸座標検知機構
５４：Ｘ軸ガイド軸
６１：Ｙ軸駆動モータ
６１ａ：送りネジ保持部
６２：Ｙ軸送りネジ
６３：Ｙ軸座標検知機構
６４：Ｙ軸ガイド軸
６５：移動部材
６６：被ガイド部材
７０：ノズル清掃部
７１：ブラシ
７２：ブラシモータ
７３：回収ボックス
８０：大気圧プラズマ放射装置
８１：電極
８２：回転テーブル
８３：テーブル回転モータ
８３ａ：モータギヤ
８５：表面処理装置電源
９０：駆動部
１００：造形モジュール
１１０ａ：上部チャック
１８１：ＵＶランプ
１８２：ブラケット
２００：制御装置
２０１：データ生成部
２０２：加熱温度制御部
２０３：押し出し量制御部
２０４：駆動制御部
２０５：表面処理制御部
Ｋ：界面
Ｍ：三次元造形物
Ｍｂ：造形モデル
Ｍｓ：直線造形品
Ｓ：プラズマ照射領域

特開２０１５−１８９０２４号公報

Claims (12)

1. 載置台と、
   造形材料を押し出しながら前記載置台に対して相対的に移動することで、載置台上に造形材層を造形する造形手段と、
   前記造形材層の表面を改質する表面改質手段と、
   前記表面改質手段を、前記造形手段とともに前記載置台に対して相対的に移動させる手段と、を備えることを特徴とする三次元造形装置。
2. 前記造形手段により一層の前記造形材層を造形する単位層造形動作中に、前記表面改質手段による表面改質処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の三次元造形装置。
3. 前記造形手段の近傍に前記表面改質手段が配置され、
   前記表面改質手段は、前記造形手段から押し出された前記造形材料の表面を前記造形材料が前記造形手段から押し出されてから所定時間以内に改質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. 前記所定時間が５０秒以内であることを特徴とする請求項３に記載の三次元造形装置。
5. 前記表面改質手段は、前記造形手段を保持する保持手段に設けたことを特徴とする請求項１乃至４いずれか一項に記載の三次元造形装置。
6. 前記表面改質手段は、前記造形手段に対して、前記造形手段の前記載置台に対する相対的移動方向上流側に位置するように、前記保持手段に保持されることを特徴とする請求項５に記載の三次元造形装置。
7. 前記保持手段を、水平面内で回転可能に設けたことを特徴とする請求項６に記載の三次元造形装置。
8. 前記表面改質手段を、前記保持手段の回転方向に複数設けたことを特徴とする請求項７に記載の三次元造形装置。
9. 前記表面改質手段は、前記造形材料の分子鎖を切断して前記造形材層の表面を改質することを特徴とする請求項１乃至８いずれか一項に記載の三次元造形装置。
10. 前記表面改質手段は、前記造形材層の表面にプラズマを放射するプラズマ放射手段であることを特徴とする請求項９に記載の三次元造形装置。
11. 前記表面改質手段は、前記造形材層の表面に紫外線を照射する紫外線照射手段であることを特徴とする請求項９に記載の三次元造形装置。
12. 前記造形手段は、前記造形材料を導入する導入部と、前記造形材料を押し出す押し出し部と、前記導入部から導入された前記造形材料を前記押し出し部まで移送するための移送路と、前記移送路内の前記造形材料を加熱する加熱部と、前記導入部と前記加熱部との間に設けられ、前記移送路内の前記造形材料を冷却する冷却部と、前記加熱部により加熱された前記造形材料の温度を検知する温度検知部と、前記温度検知部に基づいて、前記造形材料の温度を一定に保つように、前記造形手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする請求項１乃至１１いずれか一項に記載の三次元造形装置において、三次元造形装置。

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