JP2019025760A - 造形方法及び造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】溶剤を用いないで隙間やボイドの形成を抑えることができる造形方法を提供すること。【解決手段】本造形方法は、移動するノズル２２ａから樹脂を押し出しつつ堆積させて３次元形状を形成するものであって、ノズル２２ａのノズル吐出口２２ｃの輪郭が直線部ＳＳを有する形で構成され、ノズル２２から押し出された樹脂は、直線部ＳＳに対応する平坦性面ＦＳ同士が正対するよう吐出される。【選択図】図１

Description

本発明は、立体物を形成するための造形方法及び造形装置に関し、特に造形材料を順次積み重ねることによって立体物を形成する造形方法及び造形装置に関する。

造形材料を順次積み重ねるタイプの造形方法として、ワイヤー状の熱可塑性の材料を予熱器で加熱し吐出用ノズルから下方に位置する基台に押し出すものがある（特許文献１〜３等参照）。この際、吐出用ノズルを基台に平行な面に沿って相対的に走査することにより、基台上の規定領域内を熱可塑性の材料で一様に塗りつぶすように硬化させて単位層を形成することができ、その後基台を一定ピッチ分降下させて、同様に吐出用ノズルから熱可塑性の材料を基台に押し出しつつ吐出用ノズルを相対走査することで次の単位層を形成する。このような処理を繰り返すことで、所望断面形状を有する積層体としての３次元物体を作製することができる。

しかし、上記のような造形方法では、吐出用ノズルの軌跡の制御によって間接的に単位層の塗りつぶしを行うので、単位層又は積層体内部において隣接する材料同士が密着せず隙間ができる可能性がある。このような隙間の存在により、材料間の密着面積が下がり、加えて隙間に応力集中が起きやすい。この結果、積層体の機械強度が射出成形によって製造された樹脂成形品より劣ったものとなるという問題がある。

単位層に相当する積層樹脂間の隙間を埋めるため、積層樹脂の各層に溶剤を噴霧させて樹脂を溶かすことで隙間を埋めていくという方法がある（特許文献３参照）。溶剤の噴霧ノズルは、押出ノズルと連動して同時に走査され、或いは、押出ノズルの走査後にその押出ノズルの軌跡をトレースするように移動する。噴霧ノズルによって硬化した樹脂の最上段層の上面に溶剤を供給することで材料を溶解させ、溶解した材料の上面に対して更に溶融した材料を押出ノズルから押し出すことで隙間を埋めることができる。

溶剤を噴霧する方法は、溶かした樹脂の上に押出ノズルからの溶融樹脂を重ねていくことを繰り返すため、行き場を失った空気が内部に閉じこもり隙間を作ってしまう可能性がある。また、溶剤が積層された樹脂の下で気化することでボイドを作りやすいという問題もある。さらに、使用する樹脂によって溶剤も変える必要があり、溶剤によって使用できる樹脂も限定され汎用性に乏しい。それ以外にも、溶剤が一部残留し物質を変質させる可能性や、引火性の高い溶剤の場合は高温になる樹脂溶融発熱体の近くで使用することは危険であり回避したいという事情もある。

特表２０００―５００７０９号公報 特開２０１３−４３３３８号公報 特開２００６−１９２７１０号公報

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、溶剤を用いないで隙間やボイドの形成を抑えることができる造形方法及び造形装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る造形方法は、移動するノズルから樹脂を押し出しつつ堆積させて３次元形状を形成する造形方法であって、ノズルのノズル吐出口の輪郭が直線部を有する形で構成され、ノズルから押し出された樹脂は、直線部に対応する平坦性面同士が正対するよう吐出される。

上記造形方法によれば、ノズルのノズル吐出口の輪郭が直線部を有する形で構成され、ノズルから押し出された樹脂は、直線部に対応する平坦性面同士が正対するよう吐出されるので、隙間の発生を抑えつつ密度の高い樹脂層又は造形物を形成でき、密着面積の増加によって造形物の引張強度を改善することができる。

本発明の具体的な側面では、上記造形方法において、平坦性面は、略水平方向に延びる。この場合、樹脂層を安定して積み上げることができる。なお、平坦性面は、水平方向だけでなく、例えば鉛直方向、傾斜方向等に延びるものを含んでいてもよい。

本発明の別の側面では、ノズル吐出口の輪郭は、直線部を有する多角形状である。この場合、溶融樹脂を多角形柱状の供給要素として供給でき、その供給要素の側面を正対させるような層形成及び積層が可能になる。

本発明のさらに別の側面では、ノズル吐出口の輪郭が矩形又は三角形であり、樹脂を押し出す際に、輪郭を構成する１つの直線部とノズルの軌跡とが直交するようにするノズル駆動部を有する。この場合、隣接する供給要素間の平坦性面同士を正対させることが容易になり、隙間の発生を確実に抑えることができる。

本発明のさらに別の側面では、ノズルを装置に取り付ける際、ノズル吐出口の輪郭が矩形の場合、当該輪郭を構成する１つの直線部が樹脂を供給する装置部分の正面に対して正対し、ノズル吐出口の輪郭が三角形の場合、当該輪郭を構成する１つの頂点部若しくは１つの直線部が装置部分の正面に対して正対する。この場合、隣接する供給要素間の平坦性面同士を正対させることが容易になり、隙間の発生を確実に抑えることができる。

本発明のさらに別の側面では、ノズルは、樹脂を供給する装置部分に対して脱着可能である。この場合、ノズルの形状やサイズの変更が可能になる。

上記目的を達成するため、本発明に係る造形装置は、樹脂を押し出すノズルを有する樹脂吐出部と、樹脂を堆積させ３次元形状を形成させるため、樹脂吐出部を移動させるノズル駆動部とを備え、ノズルのノズル吐出口の輪郭が直線部を有する形状で構成され、ノズル駆動部は、ノズルから押し出された樹脂に関して直線部に対応する平坦性面同士が正対するように樹脂吐出部を移動させる。

上記造形装置によれば、ノズルのノズル吐出口の輪郭が直線部を有する形で構成され、ノズル駆動部が、ノズルから押し出された樹脂に関して直線部に対応する平坦性面同士が正対するよう樹脂吐出部を移動させるので、隙間の発生を抑えつつ密度の高い樹脂層又は造形物を形成でき、密着面積の増加によって造形物の引張強度を改善することができる。

（Ａ）は、実施形態の造形装置の概略構成を示すブロック図であり、（Ｂ）は、造形装置の一部を模式的に示す断面図である。 （Ａ）は、樹脂吐出部の構造を説明する正面方向から見た断面の概念図であり、（Ｂ）は、樹脂吐出部の裏面の概念図であり、（Ｃ）は、樹脂吐出部の正面の概念図である。 （Ａ）は、ノズル吐出口を示し、（Ｂ）は、ノズル吐出口による樹脂の積層例を示す。 （Ａ）〜（Ｃ）は、ノズルの取付けに関する許容範囲を説明する図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、ノズルの固定に際しての回転姿勢の設定を説明する図である。 （Ａ）、（Ｃ）、及び（Ｅ）は、図２（Ａ）に示すノズル吐出口の変形例を示し、（Ｂ）、（Ｄ）、及び（Ｆ）は、変形例のノズルによる樹脂の積層例を示す。 （Ａ）は、樹脂吐出部の変形例を説明する正面方向から見た断面の概念図であり、（Ｂ）は、変形例の樹脂吐出部の裏面の概念図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、角型のノズル吐出口と移動方向との配置関係を説明する図である。 （Ａ）は、三角形のノズルを利用した場合であって、単位層の下側部分の形成段階を説明する図であり、（Ｂ）は、単位層の上側部分の形成段階を説明する図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、変形例の樹脂吐出部の構造を説明する側方断面及び裏面の概念図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、試作した造形品の形状を説明する平面図及び正面図であり、（Ｃ）は、実施例の断面構造を示し、（Ｄ）は、比較例の断面構造を示す。 （Ａ）は、試作したノズルの先端部を示す図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のノズルから吐出された樹脂の断面形状を説明する図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明に係る造形物の造形方法、造形装置等の実施形態について説明する。

図１（Ａ）に示すように、立体造形物の造形装置１００は、造形材料取扱部２０と、３次元駆動部３０と、制御部８０とを有する。

造形材料取扱部２０は、造形材料を層単位で順次積み重ねることによって立体物を造形する造形部である。この造形材料取扱部２０は、造形材料の供給源である造形材料供給部２１と、造形材料を所定状態の流体として吐出する樹脂吐出部２２と、造形材料を所定温度に加熱する加熱部２３とを有する。

図１（Ｂ）に示すように、造形材料取扱部２０において、造形材料供給部２１は、熱可塑性の樹脂フィラメントを収納したカートリッジ２１ａを有し、カートリッジ２１ａからの樹脂フィラメントを樹脂吐出部２２に所望の速さで送り出すことができる。樹脂吐出部２２は、後述するテーブル又はステージ３８に対して３次元的に相対移動可能になっており、ステージ３８上の任意の位置に所望の高さから溶融樹脂を供給することを可能にする。加熱部２３は、樹脂吐出部２２に供給された樹脂を適度な粘度に溶融させて後述するノズル２２ａから吐出させる。ノズル２２ａから溶融樹脂を押し出しつつノズル２２ａを２次元的に走査することで、目的とする造形物ＦＯを構成する単位層を形成することができ、このように形成した単位層を積層するように順次堆積させて３次元形状を有する造形物ＦＯを形成することができる。

３次元駆動部３０は、造形材料取扱部２０、すなわち材料吐出用のノズル２２ａを支持するヘッド部２０ａを水平面に沿って２次元的に移動させるヘッド駆動部３１と、ヘッド駆動部３１の下方に配置されて造形物を支持するステージ３８を上下方向に移動させて造形物の高さ位置を調整するステージ駆動部３２とを有する。３次元駆動部３０は、制御部８０から取得した移動制御情報に基づきヘッド部２０ａをステージ３８に対して相対的に任意の３次元位置に移動させる。

３次元駆動部３０によって所望の位置に移動させることができる造形材料取扱部２０又は樹脂吐出部２２は、流体状の造形材料である溶融樹脂ＭＲを吐出するノズル２２ａを有し、ノズル２２は、加熱部２３に設けたヒーター２３ａによって材料吐出時に加熱される。造形材料取扱部２０は、制御部８０の制御下で動作し、ノズル温度、溶融樹脂ＭＲの吐出量等を調整する。

図２（Ａ）〜２（Ｃ）に示すように、ノズル２２ａのノズル吐出口２２ｃの輪郭は、四角形であり、４つの直線部ＳＳからなる。

図２（Ｂ）又は図３（Ａ）に示す四角形タイプ又は矩形タイプのノズル２２ａを用いた場合、例えば図３（Ｂ）に示すように、ＹＺ断面で四角形の供給要素ＲＥを縦横に積み重ねるように充填することができる。ここで、溶融樹脂ＭＲは、直線部ＳＳに対応する供給要素ＲＥの平坦性面ＦＳ１，ＦＳ２同士が正対するよう吐出されている。特に単位層間の平坦性面ＦＳ１は、水平方向又はＸＹ方向に延びている。また、単位層内の平坦性面ＦＳ２は、鉛直方向（具体的にはＸＺ方向又はＹＺ方向）に延びている。なお、ノズル２２ａによって積層する供給要素ＲＥは、縦のＺ方向に整列して配置する必要はなく、横方向又はＹ方向に関する位置を上下層間で１ピッチ以下の適当な割合でずらすことができる。

ノズル２２ａは、樹脂吐出部２２に設けた支持部材２２ｓに対してねじ込みによって着脱可能に固定されている。ノズル２２ａは、ねじ込み又はねじ止めに限らず、磁気接着、エアー吸着、圧入、クランプによって固定することができる。ノズル２２ａは、例えば真鍮、ステンレス鋼、ハイス鋼、セラミックス等の材料で形成される。

図４（Ａ）に示すように、ノズル２２ａの軸心ＡＸ１の支持部材２２ｓの開口２２ｋの中心軸ＡＸ又は支持部材２２ｓの下面２２ｊに対する傾きφは、０．１°以上３°以下になっている。また、図４（Ｂ）に示すように、ノズル２２ａの軸心ＡＸ１の支持部材２２ｓの開口２２ｋの中心軸ＡＸに対する偏芯量ｄは、０．０１ｍｍ以上０．４ｍｍ以下になっている。図４（Ｃ）に示すように、ノズル２２ａのノズル吐出口２２ｃの一辺２２ｔに平行な直線部Ｌ１が支持部材２２ｓの前方進行方向に対応する基準面Ｓ１に対して成す角（回転誤差角θ）が±１０°以下となるようにすることが望ましい。回転誤差角θは、ノズル２２ａと基準面Ｓ１とに不図示のマーキング６１，６２を施すことで、簡易にチェックすることができる（図２（Ｃ）参照）。

図５（Ａ）に示すように、ノズル２２ａの基部２２ｐに複数のピン孔２２ｎを設け、支持部材２２ｓ側に設けた複数のピン２２ｍと嵌合させることによっても、ノズル２２ａの回転姿勢に関する位置決めを行うことができる。この際、ノズル２２ａの基部２２ｐの上面と支持部材２２ｓの下面２２ｊとを当接させることで、ノズル２２ａの意図しない傾きを防止できる。

図５（Ｂ）に示すように、ノズル２２ａの基部２２ｐに位置決め用の角部２２ｒを設け、支持部材２２ｓ側に設けた当接部材２２ｑと嵌合させることによっても、ノズル２２ａの回転姿勢に関する位置決めを行うことができる。この際、ノズル２２ａの基部２２ｐの上面と支持部材２２ｓの下面２２ｊとを当接させることで、ノズル２２ａの意図しない傾きを防止できる。

ノズル２２ａのノズル吐出口２２ｃは、例えば一辺が０．０７ｍｍ〜６ｍｍとなっており、ノズル吐出口２２ｃの開口面積は、例えば０．００５ｍｍ^２以上３６ｍｍ^２以下となっている。ノズル吐出口２２ｃにおいて、４隅の部分には、曲率又はＲを設けることができ、この際の曲率半径は、例えばノズル吐出口２２ｃの一辺２２ｔの長さの５％以上３０％以下とすることができる。

図１（Ｂ）に戻って、造形材料取扱部２０又はヘッド部２０ａは、ヘッド駆動部３１に設けたガイド３１ａや駆動機構３１ｂによって略水平のＸＹ面内で移動する。一方、上部に造形物ＦＯを支持するステージ３８は、ステージ駆動部３２に駆動されて略鉛直のＺ方向に昇降する。つまり、ヘッド駆動部３１及びステージ駆動部３２によって、ノズル２２ａのノズル吐出口２２ｃのステージ３８に対する３次元的配置を精密に調整でき、ステージ３８上方の狙いの位置に造形材料である溶融樹脂ＭＲを供給することができるとともに、任意の方向に所望の速度で移動させることができる。

図６（Ａ）は、図２（Ａ）に示すノズル吐出口の変形例を示す。図６（Ａ）に示す三角形タイプのノズル１２２ａを用いた場合、三角形のノズル吐出口２２ｃからの溶融樹脂ＭＲの吐出により、例えば図６（Ｂ）に示すように、上に尖った状態の三角形断面の供給要素ＲＥ（ＲＥ１１）を横一列に並べ、次に下に尖った状態の三角形断面の供給要素ＲＥ（ＲＥ１２）を隙間を埋めるように横一列に並べる。このように、単位層内又は単位層間の平坦性面ＦＳ同士が正対するような状態で溶融樹脂ＭＲの吐出を行うとともに、断面形状の上下反転を伴う積層を繰り返すことで、隙間の無い積層が可能になる。ノズル吐出口２２ｃは、正三角形に限らず、二等辺三角形その他の三角形とすることができる。

図６（Ｃ）は、図２（Ａ）に示すノズル吐出口の別の変形例を示す。図６（Ｃ）に示す長方形タイプのノズル３２２ａを用いた場合、長方形のノズル吐出口２２ｃからの溶融樹脂ＭＲの吐出により、例えば図６（Ｄ）に示すように、横長の矩形断面の供給要素ＲＥを縦横に積み重ねるように充填することができる。この際、単位層内又は単位層間の平坦性面ＦＳ同士が正対するような状態で溶融樹脂ＭＲの吐出が行われる。図６（Ｅ）は、図６（Ｃ）に示すノズル吐出口の変形例を示す。図６（Ｅ）に示す縦長矩形タイプのノズル３２２ａを用いた場合、長方形のノズル吐出口２２ｃにからの溶融樹脂の吐出より、例えば図６（Ｆ）に示すように、縦長の矩形断面の供給要素ＲＥを縦横に積み重ねるように充填することができる。この際、単位層内又は単位層間の平坦性面ＦＳ同士が正対するような状態で溶融樹脂ＭＲの吐出が行われる。

図７（Ａ）及び７（Ｂ）は、図２（Ａ）及び２（Ｂ）に示す樹脂吐出部２２の変形例を示す。図示の樹脂吐出部２２では、ノズル２２ａ，１２２ａ，３２２ａに付帯して回転装置２５を設けている。回転装置２５は、３次元駆動部３０と協働してノズル駆動部の一部として機能し、ノズル２２ａ，１２２ａ，３２２ａの軌跡に沿った各点でノズル２２ａ，１２２ａ，３２２ａの回転位置、つまりノズル吐出口２２ｃの回転角を調整する。回転装置２５は、モーターや伝達機構を含んで構成され、ノズル２２ａ，１２２ａ，３２２ａを軸心ＡＸのまわりに例えば３６０°回転させる。これにより、三角形や矩形のノズル吐出口２２ｃであっても、ノズル吐出口２２ｃの進行方向前方又は進行方向後方の一辺２２ｔが、供給要素ＲＥの延びる移動方向に対して直交するように配置することができる。

図８（Ａ）は、ノズル２２ａを用いる場合であって、ノズル吐出口２２ｃが矩形の場合を示す。この場合において、ノズル吐出口２２ｃの軌跡Ｔ１がＸ方向に延びるように設定したとき、ノズル駆動部としての回転装置２５及び制御部８０によってノズル吐出口２２ｃの一辺２２ｔ（１つの直線部ＳＳ）が軌跡Ｔ１又はＸ方向に垂直なＹ方向に延びるように調整する。このとき、ノズル吐出口２２ｃの輪郭を構成する１つの直線部ＳＳは、樹脂を供給する装置部分としての樹脂吐出部２２又は支持部材２２ｓの正面に対して正対する。また、ノズル吐出口２２ｃの軌跡Ｔ２がＸ方向に対して所定の角度を成して延びるように設定したとき、回転装置２５によってノズル吐出口２２ｃの一辺２２ｔが軌跡Ｔ２に垂直な方向に延びるように調整する。軌跡Ｔ１に対する軌跡Ｔ２の角度をαとして、軌跡の変更に伴ってノズル吐出口２２ｃの一辺２２ｔも角度αだけ回転する。これにより、ノズル吐出口２２ｃの直線部ＳＳのうちの一辺２２ｔがいかなるときも常にノズル２２ａの進行方向を向くような走査が可能になり、溶融樹脂ＭＲや供給要素ＲＥを所期の断面形状又は姿勢で供給することができるので、造形物ＦＯを構成する単位層ＵＬ（図１０（Ａ）参照）の充填状態を良好なものとできる。なお、ヘッド部２０ａを鉛直軸のまわりに回転させることで同様の効果が得られるが、回転装置２５を用いることで回転後の位置決めが容易となる。

図８（Ｂ）は、ノズル１２２ａを用いる場合であって、ノズル吐出口２２ｃが三角形の場合を示す。この場合において、ノズル吐出口２２ｃの軌跡Ｔ１がＸ方向に延びるように設定したとき、ノズル駆動部としての回転装置２５及び制御部８０によってノズル吐出口２２ｃの一辺２２ｔがＸ方向に垂直なＹ方向に延びるように調整する。このとき、ノズル吐出口２２ｃの輪郭を構成する１つの直線部ＳＳ又は輪郭を構成する１つの頂点部ＶＰは、樹脂を供給する装置部分としての樹脂吐出部２２又は支持部材２２ｓの正面に対して正対する。また、ノズル吐出口２２ｃの軌跡Ｔ２がＸ方向に対して所定の角度を成して延びるように設定したとき、回転装置２５によってノズル吐出口２２ｃの一辺２２ｔが軌跡Ｔ２に垂直な方向に延びるように調整する。

図９（Ａ）及び９（Ｂ）は、三角形のノズル吐出口２２ｃを用いた積層方法を説明する図である。図８（Ｂ）等に示す三角形のノズル吐出口２２ｃを用いた場合、単位層ＵＬの下側と上側とで、ノズル吐出口２２ｃの向きを１８０°変化させる必要がある。図９（Ａ）の場合、単位層ＵＬの下側部分ＲＥ１１（図４（Ｂ）参照）を形成する軌跡ＴＬを示している。ノズル吐出口２２ｃは、始点ＩＰ１から延びる軌跡ＴＬに沿って移動する。ここで、ノズル吐出口２２ｃにおいて軌跡ＴＬに垂直な一辺２２ｔは、常に進行方向前方側となるように配置されており、軌跡ＴＬのコーナーでは、ノズル吐出口２２ｃが９０°回転する。つまり、逆行する際には、ノズル吐出口２２ｃは、合計１８０°回転することになる。一方、図９（Ｂ）の場合、単位層ＵＬの上側部分ＲＥ１２（図４（Ｂ）参照）を形成する軌跡ＴＨを示している。ノズル吐出口２２ｃは、始点ＩＰ２から延びる軌跡ＴＨに沿って移動する。ここで、ノズル吐出口２２ｃにおいて軌跡ＴＨに垂直な一辺２２ｔは、常に進行方向後方側となるように配置されており、軌跡ＴＨのコーナーでは、ノズル吐出口２２ｃが９０°回転する。

図１（Ａ）に戻って、制御部８０は、オペレーターとのインターフェースである入出力部８１と、プログラムに基づいてデータ等に対する演算処理、外部装置の制御等を行う演算処理部８２と、外部からのデータ、演算処理結果等を保管する記憶部８３とを備える。制御部８０は、３次元駆動部３０と協働してノズル駆動部として機能し、樹脂を堆積させ３次元形状を形成させるべく樹脂吐出部２２を移動させる。

入出力部８１は、造形物ＦＯの３次元的な目標形状の形状データ（３Ｄデータ）を入力することができるようになっている。入出力部８１は、目標形状の３Ｄデータを外部のコンピュータ装置等から通信回線を介して取得する構成であってもよいし、制御部８０に接続された記録媒体から目標形状の３Ｄデータを読み取る構成であってもよい。入出力部８１は、キーボード等の操作部を利用して目標形状の３Ｄデータを直接入力できるものであってもよい。入出力部８１に入力された３Ｄデータは、演算処理部８２に転送される。

演算処理部８２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算部、インターフェース回路等の付属回路を有しており、造形制御プログラムを実行する。すなわち、演算処理部８２は、入出力部８１から転送された３Ｄデータに基づいて、造形材料を３次元で造形するための単位層ごとのデータを作成（構築）する。この際、単位層ごとのデータは、ノズル吐出口２２ｃをステージ３８に対して２次元的に移動させるとともに、ノズル吐出口２２ｃから押し出される所定断面の溶融樹脂ＭＲを、軌跡又は走査パスとして単位層の外縁内に密に配置するようなものとする。さらに、単層ごとのデータは、軌跡上でのノズル吐出口２２ｃの向き又は回転角に関する情報を含むものとできる。

単位層形成のため溶融樹脂ＭＲを供給する軌跡又は走査パスは、一筆書きのような単一のパスからなるものとできるが、これに限らず、複数の分離されたパス部分からなるものとすることができる。走査パスは、直線的な走査をシフトさせながら繰り返すものに限らず、曲線的な走査を繰り返すものであってもよい。

制御部８０又は演算処理部８２は、造形材料取扱部２０のノズル吐出口２２ｃの相対的走査に際しての形成条件の設定を行う。形成条件は、ノズル形状及び造形条件を含む。ここで、ノズル形状は、図２（Ｂ）等に示すノズル吐出口２２ｃの形状やサイズを意味し、演算処理部８２は、ノズル２２ａ，１２２ａ，３２２ａを交換した場合にその形状やサイズを識別可能にすることができ、或いは手動での形状やサイズの入力を受け付ける。

制御部８０は、切替部又は条件変更部として、走査パスの作成と走査に際しての形成条件の設定とを行う際に、造形物ＦＯを構成する単位層ＵＬ内の局所的な部分領域について、その周囲に対して形成条件（ノズル形状及び造形条件）を変更する。すなわち、制御部８０は、走査条件設定部として、造形物ＦＯの形状データからノズル吐出口２２ｃによる走査パスの作成と走査に際しての成形条件の設定とを行うとともに、切替部又は条件変更部として、所定の単位層内の部分領域について、その周囲に対してノズル形状及び造形条件を変更する。

以下、図１（Ａ）に示す造形装置１００を用いた立体造形物の製造方法、つまり造形方法について説明する。

まず、制御部８０の演算処理部８２は、入出力部８１を介して造形物ＦＯの３次元的な目標形状の形状データ（３Ｄデータ）の入力を受け付ける。次に、演算処理部８２は、入出力部８１を介して受け取った形状データから、立体的な造形物ＦＯを造形するための、造形物ＦＯを構成する造形材料の単位層ＵＬごとの初期データを作成し、結果をユーザー又はオペレーターに提示する。演算処理部８２は、この初期データを記憶部８３に保管する。初期データには、２次元の走査パス、走査に付帯する基本条件等の情報が含まれる。基本条件には、ノズル形状も含まれ、例えばノズル形状によっては走査パスに沿ったノズル吐出口２２ｃの向き又は回転角が規定される。強度向上・時短モードで動作させる場合は、詳細を省略するが、充填率を高めるためノズル形状として矩形や三角形が選択される。強度向上・時短モードで動作させない場合は、ノズル形状として円形等が選択される。以上の基本条件は、ユーザーが入出力部８１を操作することで修正又は調整することができる。

図１０（Ａ）及び１０（Ｂ）に示すように、変形例の樹脂吐出部２２は、溶融樹脂ＭＲを吐出する複数のノズル２２ａ，２２ｂを有し、これらのノズル２２ａ，２２ｂは、複数のカートリッジ（不図示）から樹脂フィラメントの供給をそれぞれ受け、ヒーター（不図示）によって材料吐出時に選択的に加熱される。造形材料取扱部２０は、制御部８０の制御下で動作し、複数のノズル２２ａ，２２ｂの１つのみを択一的に動作させて吐出を行わせるノズルの切り換えが可能になっている。造形材料取扱部２０は、制御部８０に制御されてノズル２２ａ，２２ｂの一方から吐出される溶融樹脂ＭＲの吐出量、ノズル温度等を調整する。

一方のノズル２２ａのノズル吐出口２２ｃの形状と、他方のノズル２２ｂのノズル吐出口２２ｃとは、形成条件を途中で切り替えることができるように、互いに異なるものとなっている。具体的には、一方のノズル２２ａのノズル吐出口２２ｃの輪郭は、四角形であり、他方のノズル２２ｂのノズル吐出口２２ｃの輪郭は、円形である。なお、複数のノズル２２ａ，２２ｂの組合せは、四角形と円形とに限るものではなく、矩形と三角形とを組み合わせたもの、３種以上のノズルを組み合わせたもの等が可能である。

以上で説明した実施形態の造形方法によれば、ノズル２２ａのノズル吐出口２２ｃの輪郭が直線部ＳＳを有する形で構成され、ノズル２２ａから押し出された樹脂は、直線部に対応する平坦性面ＦＳ同士が正対するよう吐出されるので、隙間の発生を抑えつつ密度の高い樹脂層又は造形物を形成でき、密着面積の増加によって造形物の引張強度を改善することができる。

以下、具体的な実施例について説明する。

図１１（Ａ）及び１１（Ｂ）は、試作した造形物の具体的形状を説明する平面図及び正面図である。試作した造形物ＦＯは、中心軸ＡＸ５方向の長さが２２０ｍｍで、厚みが４ｍｍである。使用した樹脂はＡＢＳであり、基本的な成形条件は、吐出量０．９ｇ／ｍｉｎ、積層ピッチ０．２ｍｍ、ノズル温度２４５℃、ステージ温度１１０℃、造形スピード３２ｍｍ／ｓ、フィラメント径φ１．７５、オーバーラップ量１００である。

得られた造形物ＦＯの中心軸ＡＸ５を通る縦断面でカットされ、中央部Ｐ１を断面方向Ｄ１１から幅５ｍｍ高さ２ｍｍの範囲を顕微鏡にて観察し、堆積樹脂間の隙間を評価した。

図１１（Ｃ）は、造形物ＦＯの実施例の断面構造を説明する概念図であり、堆積樹脂ＤＲ間又は供給要素ＲＥ間に殆ど隙間が生じなかった。実施例は、ノズル吐出口２２ｃの輪郭を０．４ｍｍ×０．４ｍｍの四角形とした。図１１（Ｄ）は、造形物ＦＯの比較例の断面構造を説明する概念図であり、堆積樹脂ＤＲ間又は供給要素ＲＥ間に隙間が生じている。比較例は、ノズル吐出口２２ｃの輪郭を直径０．４ｍｍの円形とした。

以下の表１は、隙間の評価結果をまとめたものである。ここで、隙間が明らかに存在する場合を「×」とし、隙間はあるが「×」の場合に比べ隙間の数が減少若しくは個々のサイズが小さくなっている場合を「△」とし、隙間が実質的に無くなった場合を「○」とした。

実施例の場合、明らかに隙間がなくなり、比較例の場合、隙間が明らかに存在した。実施例の場合、先行技術のように溶剤を使わないことで、環境負荷が無く、隙間を埋めることができる。加えて溶剤で溶解して堆積させていないため設計形状からの崩れも抑制できる。また溶剤が積層界面に存在しないため、機械強度も向上する。装置構成も従来通りでコストアップにならず、使用可能な樹脂材料も限定されない効果がある。

図１２（Ａ）は、実施例の製造に用いたノズル先端の写真であり、図１２（Ｂ）は、実施例の製造に用いたノズルを用いて形成した線状の樹脂の断面写真である。

本発明は、上記実施形態や実施例に限定されるものではない。例えば、造形物ＦＯの形状は任意に設定することができ、内部に空洞を有するような形状であっても、支持材を利用することで形成することができる。

ノズル２２ａの開口形状又はノズル吐出口２２ｃの輪郭は、矩形や三角形といった多角形に限らず、例えば台形等であってもよく、直線部ＳＳを有する各種多角形とすることができる。

２ａ…外縁部、 ２ｂ…内側部分、 ３ａ，３ｂ…走査パス、 ３ｄ，３ｅ，３ｆ…追加部分、 ４ａ，４ｂ，４ｇ…隙間、 ５ａ…変曲点、 ５ｂ…隅部分、 ２０…造形材料取扱部、 ２０ａ…ヘッド部、 ２１…造形材料供給部、 ２２…樹脂吐出部、 ２２ａ，２２ｂ…ノズル、 ２２ｃ…ノズル吐出口、 ２２ｓ…支持部材、 ２２ｔ…一辺、 ２３…加熱部、 ２５…回転装置、 ３０…３次元駆動部、 ３１…ヘッド駆動部、 ３２…ステージ駆動部、 ３８…ステージ、 ８０…制御部、 ８１…入出力部、 ８２…演算処理部、 ８３…記憶部、 １００…造形装置、 １２２ａ，３２２ａ…ノズル、 ＡＸ…軸心、 ＦＯ…造形物、 ＦＳ…平坦性面、 ＭＲ…溶融樹脂、 ＲＥ…供給要素、 ＳＳ…直線部、 Ｔ１，Ｔ２，ＴＨ，ＴＬ…軌跡、 ＵＬ…単位層、 ＶＰ…頂点部、 ＤＲ…堆積樹脂

Claims (7)

1. 移動するノズルから樹脂を押し出しつつ堆積させて３次元形状を形成する造形方法であって、
   前記ノズルのノズル吐出口の輪郭が直線部を有する形状で構成され、
   前記ノズルから押し出された樹脂は、前記直線部に対応する平坦性面同士が正対するよう吐出されることを特徴とする造形方法。
2. 前記平坦性面は、略水平方向に延びることを特徴とする請求項１に記載の造形方法。
3. 前記ノズル吐出口の輪郭は、前記直線部を有する多角形状であることを特徴とする請求項１及び２のいずれか一項に記載の造形方法。
4. 前記ノズル吐出口の輪郭が矩形又は三角形であり、
   樹脂を押し出す際に、前記輪郭を構成する１つの直線部と前記ノズルの軌跡とが直交するようにするノズル駆動部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の造形方法。
5. ノズルを装置に取り付ける際、前記ノズル吐出口の輪郭が矩形の場合、当該輪郭を構成する１つの直線部が樹脂を供給する装置部分の正面に対して正対し、前記ノズル吐出口の輪郭が三角形の場合、当該輪郭を構成する１つの頂点部若しくは１つの直線部が前記装置部分の正面に対して正対することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の造形方法。
6. 前記ノズルは、樹脂を供給する装置部分に対して脱着可能であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の造形方法。
7. 樹脂を押し出すノズルを有する樹脂吐出部と、
   樹脂を堆積させ３次元形状を形成させるため、前記樹脂吐出部を移動させるノズル駆動部とを備え、
   前記ノズルのノズル吐出口の輪郭が直線部を有する形状で構成され、
   前記ノズル駆動部は、前記ノズルから押し出された樹脂に関して前記直線部に対応する平坦性面同士が正対するように前記樹脂吐出部を移動させることを特徴とする造形装置。

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