JP2019034457A - 三次元造形装置および三次元造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】三次元造形物の造形精度を高めることができる技術を提供する。
【解決手段】三次元造形物を造形する三次元造形装置は、ノズルを有し、前記ノズルから熱可塑性を有する材料を可塑化させた溶融材料を吐出する吐出ユニットと、前記溶融材料によって造形される造形物を支持する造形台と、を備え、前記造形台は、前記ノズルの重力方向上方に配置され、前記吐出ユニットは、前記ノズルから、前記造形台に向かって、重力方向上方に前記溶融材料を吐出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、三次元造形装置および三次元造形方法に関する。

溶融させた樹脂材料をノズルから吐出して堆積させ、硬化させることによって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（例えば、下記の特許文献１）。

特開２００６−１９２７１０号公報

三次元造形装置では、例えば、中空構造の天面を構成する壁部など、下側が支持されていないような不安定な形状（いわゆるアンダーカット形状）を有する部位を造形する際に、当該部位を支えるサポート材が用いられる場合があった。しかしながら、三次元造形装置においては、より簡易な方法で、そうしたアンダーカット形状を有する部位を造形できることが望まれている。

また、三次元造形装置においては、ノズルから吐出されて堆積された溶融材料が、重力の作用によって流動することによって、溶融材料が下側に偏ってしまい、その造形精度が低下してしまう場合があった。その他に、三次元造形装置においては、ノズルからの溶融材料の吐出が適切に途切れずに、余分な溶融材料が三次元造形物に付着してしまい、その造形精度が低下してしまう場合があった。このように、三次元造形装置においては、三次元造形物の造形精度を高めることについて依然として改良の余地があった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

［１］本発明の一形態によれば、三次元造形物を造形する三次元造形装置が提供される。この三次元造形装置は、ノズルを有し、前記ノズルから熱可塑性を有する材料を可塑化させた溶融材料を吐出する吐出ユニットと；前記溶融材料によって造形される造形物を支持する造形台と；を備える。前記造形台は、前記ノズルの重力方向上方に配置され、前記吐出ユニットは、前記ノズルから、前記造形台に向かって、重力方向上方に前記溶融材料を吐出する。
この形態の三次元造形装置によれば、造形台の下方に配置されたノズルから、上方に溶融材料を吐出しながら造形するため、造形台側からの支持を省略したとしても、アンダーカット形状を造形することができる。よって、アンダーカット形状の造形が容易化される。また、重力の作用によって造形台側へと溶融材料が流動することがないため、溶融材料が造形台側に偏ってしまうことが抑制される。加えて、ノズルからの溶融材料の吐出を停止したときには、重力の作用によって、ノズルの溶融材料を、造形台側の造形物から分離させることができる。よって、ノズルの溶融材料が適切に途切れずに造形物に余分な材料が付着してしまうことが抑制されるため、造形物の造形精度の低下が抑制される。

［２］上記形態の三次元造形装置において、前記ノズルは、前記溶融材料を硬化させる予定部位の上端位置との間に前記ノズルの孔径よりも大きいギャップを形成するように配置されてよい。
この形態の三次元造形装置によれば、ノズル側からの押圧によって、三次元造形物の形状が崩れてしまうことが抑制される。

［３］上記形態の三次元造形装置において、前記吐出ユニットは、渦状に延びている溝部が設けられているフラットスクリューと、前記フラットスクリューを回転させる駆動モーターと、を有し、前記フラットスクリューを回転させて、前記材料を可塑化させつつ、前記溶融材料を前記溝部を通じて前記ノズルへと導く可塑化部を備えてよい。
この形態の三次元造形装置によれば、吐出ユニットを小型化することができる。

［４］上記形態の三次元造形装置において、前記造形台は、前記溶融材料が付着する面に、前記溶融材料の乖離を抑制する凹凸構造を有してよい。
この形態の三次元造形装置によれば、造形台に付着した材料が造形台から落下してしまうことが抑制される。

［５］上記形態の三次元造形装置は、さらに、前記ノズルから吐出された前記溶融材料を冷却する冷却部を備えてよい。
この形態の三次元造形装置によれば、ノズルから吐出された溶融材料の硬化を促進させることができ、ノズルから吐出された後の溶融材料の流動による造形精度の低下が抑制される。

［６］本発明の他の形態によれば、三次元造形物を造形する三次元造形方法が提供される。この形態の三次元造形方法は、熱可塑性を有する材料を可塑化させた溶融材料をノズルから吐出して、造形台に付着させる吐出工程を備え、前記吐出工程は、前記造形台を、前記ノズルの重力方向上方に配置し、前記ノズルから、前記造形台に向かって、重力方向上方に前記溶融材料を吐出する工程である。
この形態の三次元造形方法によれば、アンダーカット形状の造形が容易化される。また、重力の作用によって溶融材料の堆積量が、造形台側に偏ってしまうことが抑制される。加えて、ノズルからの溶融材料の吐出を停止したときには、重力の作用によって、ノズルの溶融材料を、造形台に堆積された溶融材料から分離させることができ、ノズルからの溶融材料の吐出が途切れないことによる造形精度の低下が抑制される。

上述した本発明の各形態の有する複数の構成要素はすべてが必須のものではなく、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、適宜、前記複数の構成要素の一部について、その変更、削除、新たな他の構成要素との差し替え、限定内容の一部削除を行うことが可能である。また、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、上述した本発明の一形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部を上述した本発明の他の形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部と組み合わせて、本発明の独立した一形態とすることも可能である。

本発明は、三次元造形装置や三次元造形方法以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、アンダーカット形状の造形方法や、溶融材料の吐出方法、吐出ユニットと造形台の配置構造などの形態で実現することができる。

第１実施形態における三次元造形装置の構成を示す概略図。 フラットスクリューの概略斜視図。 スクリュー対面部の概略平面図。 造形台上に三次元造形物が造形されていく様子を示す模式図。 ノズルの孔径を説明するための第１の説明図。 ノズルの孔径を説明するための第２の説明図。 ノズルの孔径を説明するための第３の説明図。 ノズルの孔径を説明するための第４の説明図。 第２実施形態における三次元造形装置の構成を示す概略図。 第３実施形態における三次元造形装置のヘッド部の構成を示す概略図。

１．第１実施形態：
図１は、第１実施形態における三次元造形装置１００Ａの構成を示す概略図である。図１には、三次元造形装置１００Ａが三次元造形物（以下、単に「造形物」とも呼ぶ。）を造形する際の通常の使用状態にあるときの重力方向（鉛直方向）Ｇを示す矢印が図示されている。以下では、特に断らない限り、三次元造形装置１００Ａが通常の使用状態にあるときを基準として説明する。

図１には、さらに、互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚ方向を示す矢印が示されている。Ｘ方向およびＹ方向は、水平面に平行な方向であり、Ｚ方向は、重力方向Ｇとは反対の方向である。重力方向ＧおよびＸ，Ｙ，Ｚ方向を示す矢印は、他の参照図においても、図１と対応するように、必要に応じて図示してある。

三次元造形装置１００Ａは、吐出ユニット１１０Ａと、造形ステージ部２００Ａと、制御部３００と、を備える。三次元造形装置１００Ａは、制御部３００の制御下において、吐出ユニット１１０Ａのノズル６１から熱可塑性を有する材料を可塑化させた溶融材料を、造形ステージ部２００Ａの造形台２２０上に吐出して硬化させることによって、造形物を造形する。「可塑化」とは、材料に熱が加わり溶融することを意味する。なお、三次元造形装置１００Ａでは、造形ステージ部２００Ａが、吐出ユニット１１０Ａの重力方向上側に配置されている。

吐出ユニット１１０Ａは、材料供給部２０と、可塑化部３０と、ヘッド部６０と、を備える。材料供給部２０は、ホッパーによって構成されており、下方の排出口が、連通路２２を介して、可塑化部３０に接続されている。材料供給部２０は、可塑化部３０に熱可塑性を有する材料を供給する。

材料供給部２０に投入される材料としては、例えば、ポリプロピレン樹脂（ＰＰ）、ポリエチレン樹脂（ＰＥ）、ポリアセタール樹脂（ＰＯＭ）、ポリ塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）、ポリアミド樹脂（ＰＡ）、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂（ＡＢＳ）、ポリ乳酸樹脂（ＰＬＡ）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリカーボネート（ＰＣ）等を使用可能である。これらの材料は、ペレットや粉末等の固体材料の状態で材料供給部２０に投入される。また、材料供給部２０に投入される熱可塑性を有する材料には、顔料や、金属、セラミック等が混入されていてもよい。

可塑化部３０は、上記の材料を可塑化させてヘッド部６０へと流入させる。可塑化部３０は、スクリューケース３１と、駆動モーター３２と、フラットスクリュー４０と、スクリュー対面部５０と、を有する。

フラットスクリュー４０は、軸線方向（中心軸に沿った方向）の高さが直径よりも小さい略円柱状のスクリューである。フラットスクリュー４０は、その軸線方向がＺ方向に平行になるように配置され、円周方向に沿って回転する。図１には、フラットスクリュー４０の回転軸ＲＸを一点鎖線で図示してある。第１実施形態では、フラットスクリュー４０の中心軸とその回転軸ＲＸとは一致する。

フラットスクリュー４０は、スクリューケース３１内に収納されている。フラットスクリュー４０は下面４７側が駆動モーター３２に連結されており、駆動モーター３２が発生させる回転駆動力によって、スクリューケース３１内において回転する。駆動モーター３２は、制御部３００の制御下において駆動する。

フラットスクリュー４０の回転軸ＲＸと交差する面である上面４８には、溝部４２が形成されている。上述した材料供給部２０の連通路２２は、フラットスクリュー４０の側面から、当該溝部４２に接続されている。フラットスクリュー４０の具体的な形状については後述する。

フラットスクリュー４０の上面４８は、スクリュー対面部５０の下面５２に面しており、フラットスクリュー４０の上面４８の溝部４２と、スクリュー対面部５０の下面５２との間には空間が形成される。吐出ユニット１１０Ａでは、フラットスクリュー４０とスクリュー対面部５０との間のこの空間に、材料供給部２０から材料が供給される。

スクリュー対面部５０には、材料を加熱するためのヒーター５８が埋め込まれている。フラットスクリュー４０の溝部４２に供給された材料は、フラットスクリュー４０の回転によって、溝部４２内において可塑化されて溶融材料へと転化される。そして、その溶融材料は、溝部４２に沿って流動し、フラットスクリュー４０の中央部４６へと導かれる（詳細は後述）。中央部４６に流入した溶融材料は、スクリュー対面部５０の中心に設けられた連通孔５６を介して、ヘッド部６０に供給される。

ヘッド部６０は、ノズル６１と、流路６５と、を有する。ノズル６１は先端の吐出口６２が重力方向上側に向いている状態で配置されている。ノズル６１は、流路６５を通じて、スクリュー対面部５０の連通孔５６に接続されている。流路６５は、フラットスクリュー４０とノズル６１との間の溶融材料の流路である。可塑化部３０において可塑化された溶融材料は、連通孔５６から流路６５へと流れ、ノズル６１の吐出口６２から、重力方向上側に配置されている造形ステージ部２００Ａの造形台２２０に向かって吐出される。

なお、溶融材料は、そのガラス転移点以上に加熱されて完全に溶融した状態でノズル６１から射出される。例えば、ＡＢＳ樹脂は、ガラス転移点が約１２０℃であり、ノズル６１からの射出時には約２００℃となる。このように高温の状態で溶融材料を射出するために、ノズル６１の周囲にはヒーターが設けられてもよい。

造形ステージ部２００Ａは、テーブル２１０と、造形台２２０と、移動機構２３０と、を備える。テーブル２１０の下側の面に積層されている。造形台２２０の下面２２１には、吐出ユニット１１０Ａのノズル６１から吐出された溶融材料が付着する。造形台２２０は、下面２２１において溶融材料によって造形される造形物を支持する。移動機構２３０は、テーブル２１０を移動させることによって、テーブル２１０に積層されている造形台２２０をＸ，Ｙ，Ｚ方向の３軸方向に移動させる。移動機構２３０は、例えば、３つのモーターの駆動力を利用する３軸ポジショナーによって構成される。造形ステージ部２００Ａは、制御部３００の制御下において、ノズル６１と造形台２２０との相対的な位置関係を変更する。

制御部３００は、例えば、ＣＰＵなどのプロセッサーと、メインメモリーと、不揮発性メモリーとを含むコンピューターによって実現可能である。制御部３００内の不揮発性メモリーには、三次元造形装置１００Ａを制御するためのコンピュータープログラムが格納されている。制御部３００は、三次元造形装置１００Ａを制御して、造形台２２０上に造形物を造形する造形処理を実行する。制御部３００は、造形処理において、吐出ユニット１１０Ａと造形ステージ部２００Ａとを制御し、造形データに応じて決定した造形台２２０上の座標の位置に溶融材料を吐出する。

図２は、フラットスクリュー４０の上面４８側の構成を示す概略斜視図である。図２には、可塑化部３０において回転するときのフラットスクリュー４０の回転軸ＲＸの位置が一点鎖線で図示されている。上述したように、スクリュー対面部５０（図１）に対向するフラットスクリュー４０の上面４８には、溝部４２が設けられている。以下、上面４８を、「溝形成面４８」とも呼ぶ。

フラットスクリュー４０の溝形成面４８の中央部４６は、溝部４２の一端が接続されている凹部として構成されている。中央部４６は、スクリュー対面部５０の連通孔５６（図１）に対向する。第１実施形態では、中央部４６は、回転軸ＲＸと交差する。

フラットスクリュー４０の溝部４２は、いわゆるスクロール溝を構成する。溝部４２は、中央部４６から、フラットスクリュー４０の外周に向かって弧を描くように渦状に延びている。溝部４２は、螺旋状に延びるように構成されているとしてもよい。なお、図２には、３つの溝部４２の側壁部を構成し、各溝部４２に沿って延びている３つの凸条部４３を有するフラットスクリュー４０の例が図示されている。フラットスクリュー４０に設けられる溝部４２や凸条部４３の数は、３つには限定されない。フラットスクリュー４０には、１つの溝部４２のみが設けられていてもよいし、２以上の複数の溝部４２が設けられていてもよい。また、溝部４２の数に合わせて任意の数の凸条部４３が設けられてもよい。

溝部４２は、フラットスクリュー４０の側面に形成された材料流入口４４まで連続している。この材料流入口４４は、材料供給部２０の連通路２２を介して供給された材料を受け入れる部分である。なお、図２には、材料流入口４４が３箇所に形成されているフラットスクリュー４０の例が図示されている。フラットスクリュー４０に設けられる材料流入口４４の数は、３箇所に限定されない。フラットスクリュー４０には、材料流入口４４が１箇所にのみ設けられていてもよいし、２箇所以上の複数の箇所に設けられていてもよい。

フラットスクリュー４０が回転すると、材料流入口４４から供給された材料が、溝部４２内において加熱されながら可塑化されて溶融し、溶融材料に転化される。そして、その溶融材料は、溝部４２を通じて、中央部４６へと流動する。

図３は、スクリュー対面部５０の下面５２側を示す概略平面図である。スクリュー対面部５０の下面５２は、上述したように、フラットスクリュー４０の溝形成面４８に対向する。以下、この下面５２を、「スクリュー対向面５２」とも呼ぶ。スクリュー対向面５２の中心には、溶融材料をノズル６１に供給するための上述した連通孔５６が形成されている。

スクリュー対向面５２には、連通孔５６に接続され、連通孔５６から外周に向かって渦状に延びている複数の案内溝５４が形成されている。複数の案内溝５４は、溶融材料を連通孔５６に導く機能を有する。上述したように、スクリュー対面部５０には、材料を加熱するためのヒーター５８が埋め込まれている（図１）。可塑化部３０における材料の可塑化は、ヒーター５８による加熱と、フラットスクリュー４０の回転と、によって実現される。三次元造形装置１００Ａでは、可塑化部３０においてＺ方向の高さが小さいフラットスクリュー４０が用いられていることによって、吐出ユニット１１０Ａが小型化されており、三次元造形装置１００Ａの装置構成全体が小型化されている。

図４は、三次元造形装置１００Ａの造形処理において、造形台２２０上に三次元造形物ＯＢが造形されていく様子を示す模式図である。三次元造形装置１００Ａの造形処理では、溶融材料をノズル６１から吐出して、造形台２２０に付着させる吐出工程が実行される。当該吐出工程では、ノズル６１の重力方向上方に配置されている造形台２２０の下面２２１に向かって、ノズル６１から溶融材料が重力方向上方に吐出される。また、三次元造形装置１００Ａの造形処理では、溶融材料が硬化した材料層ＭＬを、造形台２２０の下面２２１に直接的に付着している最上の材料層ＭＬｂを基盤となる層として、重力方向に材料層ＭＬを積み重ねていくことによって、造形台２２０から垂下する状態で造形物ＯＢが造形される。

三次元造形装置１００Ａの造形処理では、各材料層ＭＬは、ノズル６１から溶融材料を上方に吐出しつつ、造形台２２０に対するノズル６１の位置を水平方向に変位させることによって形成される。この材料層ＭＬの形成工程では、ノズル６１から吐出された溶融材料が造形台２２０からの落下が抑制される程度に硬化すると、その硬化した部位から水平方向に移動した位置において、ノズル６１から溶融材料が吐出される。この溶融材料は、先に硬化していた前記の部位に付着して硬化する。

この材料層ＭＬの形成工程によれば、ノズル６１から吐出された溶融材料は水平方向に隣接する位置において、先に硬化している部位の材料に支持される。そのため、ノズル６１の直上に溶融材料を付着させる支持部位がなくとも、ノズル６１から吐出された溶融材料を硬化させることができる。よって、図４において例示されているようなアンダーカット形状を有する部位ＵＣの造形が容易化される。ここで、「アンダーカット形状」とは、当該部位ＵＣのように、造形台２２０側に空間があることによって、造形台２２０側からの支持が得られていない形状を意味する。

三次元造形装置１００Ａによれば、造形処理において、材料層ＭＬをＺ方向に積み重ねた壁部を形成する場合に、以下に説明するように、Ｚ方向における材料の偏在が抑制される。ノズル６１から吐出され、造形台２２０、または、造形台２２０上において既に硬化している材料に付着した溶融材料は、硬化するまでの間に、その一部が重力の作用によって下方へと流動する。そのため、材料層ＭＬは、下端に向かってわずかに細く造形されることになる。ただし、その細く造形された部位には、次に積層される材料層ＭＬを形成するためにノズル６１から吐出される溶融材料が付着するため、当該部位の材料が著しく不足してしまうことが抑制される。よって、重力方向とは反対の方向に材料層を積層していく従来の造形方法に比較して、Ｚ方向における材料の偏在を抑制することができる。従って、造形される壁部の壁面をより平滑にすることができる。

三次元造形装置１００Ａでは、吐出ユニット１１０Ａがノズル６１からの溶融材料の吐出を停止させたときに、ノズル６１の溶融材料に重力が作用するため、ノズル６１の溶融材料は、それまでに造形された造形台２２０の造形物ＯＢから分離される。よって、ノズル６１からの溶融材料の吐出が停止された後に、ノズル６１の溶融材料が適切に途切れずに、造形物ＯＢに付着してしまうことが抑制される。従って、そうした余分な材料の付着による造形物ＯＢの造形精度低下が抑制される。

三次元造形装置１００Ａでは、ノズル６１は、ノズル６１の先端の吐出口６２と、溶融材料を硬化させる予定部位の上端位置ＯＢｔとの間に、予め決められたギャップＧＰが形成されるように配置され、その位置において溶融材料を吐出する。上端位置ＯＢｔは、最上の材料層ＭＬｂを形成する場合には、造形台２２０の下面２２１の位置である。上端位置ＯＢｔは、ノズル６１の直上に材料層ＭＬが形成されている場合には、当該材料層ＭＬの下端面の位置である。また、アンダーカット形状を有する部位ＵＣの造形中においては、当該部位ＵＣの上端位置である。

ギャップＧＰの大きさは、ノズル６１の吐出口６２における孔径Ｄｎよりも大きい。ノズル６１の孔径Ｄｎは、ノズル６１の走査方向における吐出口６２の開口幅の最大値である（詳細は後述）。なお、「ノズル６１の走査方向」とは、造形中に造形台２２０に対してノズル６１の位置が相対的に変位する方向である。

ギャップＧＰの大きさは、孔径Ｄｎの１．１倍以上とすることが望ましい。こうすれば、ノズル６１の吐出口６２から吐出される溶融材料が、材料層ＭＬの下端に押しつけられない自由な状態で予定部位に堆積される。この結果、ノズル６１から吐出された溶融材料の横断面形状が、ノズル６１側からの押圧によって潰れてしまうことを抑制でき、三次元造形物ＯＢの面粗さを低減することが可能である。また、ノズル６１の周囲にヒーターが設けられた構成においては、ギャップＧＰを形成することにより、当該ヒーターによる材料の過熱を防止でき、三次元造形物ＯＢに堆積された材料の過熱による変色や劣化が抑制される。

一方、ギャップＧＰの大きさは、孔径Ｄｎの１．５倍以下とすることが好ましく、１．３倍以下とすることが特に好ましい。これによって、溶融材料が配置される予定部位に対する実際の溶融材料の着地位置の精度の低下や、ノズル６１から吐出された溶融材料が付着する材料層ＭＬの下端に対する溶融材料の密着性の低下が抑制される。

図５Ａ〜図５Ｄを参照して、種々の開口形状を有するノズル６１，６１ａ，６１ｂ，６１ｃの孔径Ｄｎを説明する。図５Ａ〜図５Ｄにはそれぞれ、構成の異なるノズル６１，６１ａ，６１ｂ，６１ｃを先端側からＺ方向に沿って見たときの概略図が図示されている。

図５Ａには、吐出口６２が略正円形状の開口形状を有するノズル６１の構成例を図示してある。第１実施形態の三次元造形装置１００Ａでは、ノズル６１の吐出口６２は、図５Ａに示されている開口形状を有している。上述したように、ノズル６１の孔径Ｄｎは、ノズル６１の走査方向ＳＤにおける吐出口６２の開口幅の最大値である。従って、この構成においては、ノズル６１の孔径Ｄｎは、吐出口６２の直径とほぼ同じである。

図５Ｂには、ノズル６１の他の構成例として、略長方形形状の開口形状を有する吐出口６２ａを有するノズル６１ａの構成が例示されている。ノズル６１ａは、ノズル６１に代えて、第１実施形態の三次元造形装置１００Ａに適用されてもよい。ノズル６１ａの走査方向ＳＤは、吐出口６２ａの短辺に沿った方向である。この構成例において、ノズル６１ａの孔径Ｄｎは、吐出口６２ａの短辺の長さとほぼ同じである。

図５Ｃには、ノズル６１の他の構成例として、長方形の各辺が中央に向かって窪むように湾曲している開口形状を有する吐出口６２ｂを有するノズル６１ｂの構成が例示されている。ノズル６１ｂは、ノズル６１に代えて、第１実施形態の三次元造形装置１００Ａに適用されてもよい。ノズル６１ｂの走査方向ＳＤは、吐出口６２ｂの短手方向に沿った方向である。この構成例において、ノズル６１ｂの孔径Ｄｎは、吐出口６２ｂの短辺の両端の角部の間の距離とほぼ同じである。

図５Ｄには、ノズル６１の他の構成例として、複数の開口６３が行列状に配列されて構成されている吐出口６２ｃを有するノズル６１ｃの構成が例示されている。ノズル６１ｃは、ノズル６１に代えて、第１実施形態の三次元造形装置１００Ａに適用されてもよい。ノズル６１ｃの走査方向ＳＤは、開口６３の配列方向のひとつと同じである。この構成例において、ノズル６１ｃの孔径Ｄｎは、走査方向ＳＤに配列されている開口６３の走査方向ＳＤの両端の間隔とほぼ同じである。

以上のように、第１実施形態の三次元造形装置１００Ａおよび三次元造形装置１００Ａにおいて実行される三次元造形方法によれば、吐出ユニット１１０Ａのノズル６１から上方の造形台２２０に向かって溶融材料を吐出することによって造形物ＯＢが造形される。これよって、アンダーカット形状の造形が容易化されるとともに、造形物ＯＢの造形精度が高められている。また、第１実施形態の三次元造形装置１００Ａによれば、フラットスクリュー４０を用いていることによって、装置の小型化や造形精度の向上が実現されている。その他に、第１実施形態の三次元造形装置１００Ａおよびその三次元造形方法によれば、第１実施形態中で説明した種々の作用効果を奏することができる。

２．第２実施形態：
図６は、第２実施形態における三次元造形装置１００Ｂの構成を示す概略図である。第２実施形態の三次元造形装置１００Ｂは、第１実施形態の造形ステージ部２００Ａの代わりに、第２実施形態の造形ステージ部２００Ｂを備えている点以外は、第１実施形態の三次元造形装置１００Ａとほぼ同じ構成を有している。第２実施形態の造形ステージ部２００Ｂは、造形台２２０の下面２２１に乖離抑制部２２３を有している点以外は、第１実施形態の造形ステージ部２００Ａとほぼ同じ構成を有している。

第２実施形態の造形ステージ部２００Ｂが有する乖離抑制部２２３は、表面に、ノズル６１から吐出され、付着した溶融材料の乖離を抑制する凹凸構造を有するシート状の部材によって構成されている。乖離抑制部２２３を構成するシート状の部材は、例えば、紙や布など、繊維によって表面に凹凸構造が形成されている部材によって構成される。造形台２２０の下面２２１には、乖離抑制部２２３を構成するシート状の部材の外周端部を把持する把持部２２４が設けられている。把持部２２４によって、乖離抑制部２２３は造形台２２０に着脱可能に保持される。

このように、第２実施形態の三次元造形装置１００Ｂによれば、造形台２２０が、溶融材料が配置される下面２２１に、乖離抑制部２２３として、造形台２２０に付着した溶融材料の乖離を抑制する凹凸構造を有している。乖離抑制部２２３の凹凸構造によって、造形台２２０に対する溶融材料の付着性が高められるため、造形台２２０から造形中の造形物ＯＢが脱落してしまうことが抑制される。また、第２実施形態の三次元造形装置１００Ｂでは、乖離抑制部２２３が造形台２２０から着脱可能に構成されているため、造形が完了した造形物ＯＢの造形台２２０からの離脱が容易化される。その他に、第２実施形態の三次元造形装置１００Ｂおよび三次元造形装置１００Ｂにおいて実行される三次元造形方法によれば、上記の第１実施形態で説明した種々の作用効果を奏することができる。

３．第３実施形態：
図７は、第３実施形態における三次元造形装置１００Ｃの構成を示す概略図である。第３実施形態の三次元造形装置１００Ｃの構成は、第３実施形態の吐出ユニット１１０Ｃが冷却部７０を有している点以外は、第１実施形態の三次元造形装置１００Ａの構成とほぼ同じである。

冷却部７０は、ノズル６１から吐出された溶融材料を冷却する。第３実施形態では、冷却部７０は、空気の噴き付けによって溶融材料を冷却する。冷却部７０は、噴付ノズル７１と、送風ユニット７２と、配管７３と、を有する。噴付ノズル７１は、ノズル６１の吐出口６２を囲み、ノズル６１の先端に向かって開口するように設けられている。噴付ノズル７１は、配管７３を通じて、送風ユニット７２に接続されている。送風ユニット７２は、例えば、送風ファンによって構成され、噴付ノズル７１に空気を送り込む。送風ユニット７２から送り込まれた空気は、噴付ノズル７１からノズル６１の先端部に向かって噴射される。第３実施形態では、噴付ノズル７１から噴射される空気は室温でよく、例えば、１〜３０℃程度の温度としてよい。

冷却部７０は、制御部３００の制御下において駆動する。制御部３００は、ノズル６１から溶融材料を吐出する際には、噴付ノズル７１から空気を噴射させて、ノズル６１から吐出された溶融材料を冷却する。制御部３００は、ノズル６１からの溶融材料の吐出を停止する際には、冷却部７０による空気の噴射も停止するものとしてよい。

第３実施形態の三次元造形装置１００Ｃによれば、吐出ユニット１１０Ｃは、ノズル６１から溶融材料を吐出しつつ、その溶融材料を冷却部７０によって冷却する。よって、ノズル６１から吐出された溶融材料の硬化が促進され、吐出後の溶融材料の落下や流動による造形精度の低下が抑制される。その他に、第３実施形態の三次元造形装置１００Ｃによれば、上記の各実施形態で説明した種々の作用効果を奏することができる。

４．他の実施形態：
上記の各実施形態で説明した種々の構成は、例えば、以下のように改変することが可能である。以下に説明する他の実施形態はいずれも、上記の各実施形態と同様に、発明を実施するための形態の一例として位置づけられる。

４−１．他の実施形態１：
上記の各実施形態の三次元造形装置１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃでは、吐出ユニット１１０Ａ，１１０Ｃの全体が造形台２２０の下方に配置されている。これに対して、吐出ユニット１１０Ａ，１１０Ｃのうちノズル６１のみが造形台２２０の下方に配置されていてもよい。具体的には、可塑化部３０が造形台２２０の下方の領域から離れた位置に配置され、造形台２２０の下方に配置されているノズル６１まで、配管やチューブによって構成された流路６５が配設されている構成を有していてもよい。また、三次元造形装置１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃでは、フラットスクリュー４０とスクリュー対面部５０の上下位置が反転するように可塑化部３０が配置されていてもよいし、フラットスクリュー４０の回転軸ＲＸが重力方向に交差するように可塑化部３０が配置されていてもよい。

４−２．他の実施形態２：
上記の各実施形態において、吐出ユニット１１０Ａ，１１０Ｃは、フラットスクリュー４０を有していなくてもよい。吐出ユニット１１０Ａ，１１０Ｃは、例えば、Ｚ方向の長さが直径よりも長いスクリューを回転させてノズル６１から溶融材料を押し出す構成を有していてもよい。あるいは、吐出ユニット１１０Ａ，１１０Ｃは、フィラメント状の熱可塑性を有する樹脂材料を熱で溶かしながらノズル６１から押し出す構成を有していてもよい。

４−３．他の実施形態３：
上記の各実施形態において、ノズル６１の先端の吐出口６２と、溶融材料を硬化させる予定部位の上端位置ＯＢｔとの間のギャップＧＰは、ノズル６１の吐出口６２における孔径Ｄｎより小さくてもよい。あるいは、ギャップＧＰは、ノズル６１の吐出口６２における孔径Ｄｎの１．５倍よりも大きくてもよい。

４−４．他の実施形態４：
上記の各実施形態において、材料供給部２０は、ホッパーによって構成されていなくてもよい。吐出ユニット１１０Ａ，１１０Ｃにおいて材料供給部２０は省略されてもよい。

４−５．他の実施形態５：
上記の各実施形態において、三次元造形装置１００Ａ〜１００Ｃは、造形台２２０を三次元的に移動させる移動機構２３０の代わりに、吐出ユニット１１０Ａ，１１０Ｃのノズル６１を三次元的に移動させる移動機構を採用してもよい。或いは、ノズル６１と造形台２２０の一方を１軸又は２軸方向に移動させ、他方を残りの軸方向に移動させる移動機構を採用してもよい。

４−６．他の実施形態６：
上記の第２実施形態において、乖離抑制部２２３を構成するシート状部材は、紙や布などの繊維によって表面に凹凸構造が形成されている部材以外の部材によって構成されてもよい。当該シート状部材は、表面に微細な凹凸パターンが形成された金属板によって構成されてもよい。また、乖離抑制部２２３は、シート状部材によって構成されていなくてもよく、乖離抑制部２２３は、造形台２２０の下面２２１に対する表面加工によって形成された微細な凹凸構造によって構成されてもよい。

４−７．他の実施形態７：
上記の第３実施形態において、冷却部７０は、空気の噴射以外の手段によって、溶融材料を冷却する構成を有していてもよい。冷却部７０は、ノズル６１から吐出された溶融材料と熱交換が可能な程度に接近して配置された冷媒が流通する冷却管によって、溶融材料を冷却する構成を有していてもよい。冷却部７０は、制御部３００の制御下で駆動しなくてもよく、ユーザーの手動操作によって駆動されてもよい。

４−８．他の実施形態８：
上記実施形態において、ソフトウェアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、回路を含むハードウェアによって実現されてもよい。また、ハードウェアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ソフトウェアによって実現されてもよい。ハードウェアとしては、例えば、集積回路、ディスクリート回路、または、それらの回路を組み合わせた回路モジュールなど、各種回路を用いることができる。

本発明は、上述の実施形態（他の実施形態を含む）や実施例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須ではないと説明されているものに限らず、その技術的特徴が本明細書中に必須であると説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

２０…材料供給部、２２…連通路、３０…可塑化部、３１…スクリューケース、３２…駆動モーター、４０…フラットスクリュー、４２…溝部、４３…凸条部、４４…材料流入口、４６…中央部、４８…溝形成面、５０…スクリュー対面部、５２…下面（スクリュー対向面）、５４…案内溝、５６…連通孔、５８…ヒーター、６０…ヘッド部、６１…ノズル、６１ａ…ノズル、６１ｂ…ノズル、６１ｃ…ノズル、６２…吐出口、６２ａ…吐出口、６２ｂ…吐出口、６２ｃ…吐出口、６３…開口、６５…流路、７０…冷却部、７１…噴付ノズル、７２…送風ユニット、７３…配管、１００Ａ…三次元造形装置、１００Ｂ…三次元造形装置、１００Ｃ…三次元造形装置、１１０Ａ…吐出ユニット、１１０Ｃ…吐出ユニット、２００Ａ…造形ステージ部、２００Ｂ…造形ステージ部、２１０…テーブル、２２０…造形台、２２１…下面、２２３…乖離抑制部、２２４…把持部、２３０…移動機構、３００…制御部、Ｄｎ…孔径、Ｇ…重力方向、ＧＰ…ギャップ、ＭＬ…材料層、ＭＬｂ…材料層、ＯＢ…三次元造形物、ＯＢｔ…上端位置、ＲＸ…回転軸、ＳＤ…走査方向、ＵＣ…アンダーカット形状を有する部位

Claims (6)

1. 三次元造形物を造形する三次元造形装置であって、
   ノズルを有し、前記ノズルから熱可塑性を有する材料を可塑化させた溶融材料を吐出する吐出ユニットと、
   前記溶融材料によって造形される造形物を支持する造形台と、
   を備え、
   前記造形台は、前記ノズルの重力方向上方に配置され、
   前記吐出ユニットは、前記ノズルから、前記造形台に向かって、重力方向上方に前記溶融材料を吐出する、三次元造形装置。
2. 請求項１記載の三次元造形装置であって、
   前記ノズルは、前記溶融材料を硬化させる予定部位の上端位置との間に前記ノズルの孔径よりも大きいギャップを形成するように配置される、三次元造形装置。
3. 請求項１または請求項２記載の三次元造形装置であって、
   前記吐出ユニットは、渦状に延びている溝部が設けられているフラットスクリューと、前記フラットスクリューを回転させる駆動モーターと、を有し、前記フラットスクリューを回転させて、前記材料を可塑化させつつ、前記溶融材料を前記溝部を通じて前記ノズルへと導く可塑化部を備える、三次元造形装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の三次元造形装置であって、
   前記造形台は、前記溶融材料が付着する面に、前記溶融材料の乖離を抑制する凹凸構造を有する、三次元造形装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の三次元造形装置であって、さらに、
   前記ノズルから吐出された前記溶融材料を冷却する冷却部を備える、三次元造形装置。
6. 三次元造形物を造形する三次元造形方法であって、
   熱可塑性を有する材料を可塑化させた溶融材料をノズルから吐出して、造形台に付着させる吐出工程を備え、
   前記吐出工程は、前記造形台を、前記ノズルの重力方向上方に配置し、前記ノズルから、前記造形台に向かって、重力方向上方に前記溶融材料を吐出する工程である、三次元造形方法。

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