JP2019038166A - 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、ノズル孔を有し、前記ノズル孔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を備え、前記ノズル孔の周縁の一部に、前記ノズル孔の中心軸に沿って突起し、前記ノズル孔から吐出された前記溶融材料が接触する側壁面を有する突起部が設けられている。
【選択図】図４

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。こうした三次元造形装置では、通常、材料の吐出方向に交差する方向にノズルを走査させつつ、材料を吐出することによって形成される材料層を積み重ねて三次元造形物を構成する（例えば、下記の特許文献１）。

特開２００６−１９２７１０号公報

上記のような三次元造形装置では、その造形精度を高めるために、同じ材料層内において、一走査ごとに形成され、互いに隣接する造形部位同士の密着性が高められることが望ましい。そうした造形部位同士の密着性が不十分だと、溶融材料の流動により、造形精度が低下してしまう可能性がある。特に、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不安定な形状（いわゆるアンダーカット形状）を造形する際には、溶融材料が先に造形されている隣接部位に十分に支持されずに落下してしまう可能性がある。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。この形態の三次元造形装置は、ノズル孔を有し、前記ノズル孔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を備え、前記ノズル孔の周縁の一部に、前記ノズル孔の中心軸に沿って突起し、前記ノズル孔から吐出された前記溶融材料が接触する側壁面を有する突起部が設けられている。
この形態の三次元造形装置によれば、突起部によって、溶融材料の吐出方向をノズル孔の中心軸から突起部に向かう方向に曲げることができる。従って、先に造形され、同じ材料層を構成する造形部位に向かって溶融材料を吐出させることが可能になり、同じ材料層を構成する造形部位同士の密着性を高めることができる。よって、造形物の造形精度を高めることができる。

［２］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、前記三次元造形物を造形する際に、前記ノズル孔を主走査方向に移動させつつ前記溶融材料を吐出する主走査と、前記主走査の後に、前記ノズル孔を前記主走査方向に交差する副走査方向に移動させる副走査と、を実行し；前記突起部は、前記主走査の際に、前記副走査方向の上流側に配置されてよい。
上記形態の三次元造形装置によれば、１パス前の主走査において形成された造形部位に向かって溶融材料が吐出されるため、主走査ごとに形成される造形部位同士の密着性を高めることができる。

［３］上記形態の三次元造形装置は、さらに、前記吐出ユニットによる前記溶融材料の吐出を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記ノズル孔から吐出される前記溶融材料の流量を変更して、前記ノズル孔からの前記溶融材料の吐出方向を制御してよい。
この形態の三次元造形装置によれば、溶融材料の吐出方向の制御を簡易におこなうことができる。

［４］上記形態の三次元造形装置において、前記吐出ユニットは、前記突起部を、前記ノズル孔の中心軸周りで回転移動可能に保持する保持部を有してよい。
この形態の三次元造形装置によれば、保持部によって突起部の位置を変更することによって、溶融材料の吐出方向を任意に変更することができる。

［５］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、吐出ユニットの小型化が可能である。

［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、ノズル孔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工程と、前記ノズル孔の周縁の一部に設けられ、前記ノズル孔の中心軸に沿って突起している突起部の側壁面に、前記ノズル孔から吐出された前記溶融材料を接触させて、前記溶融材料の吐出方向を変更する吐出方向変更工程と、を備える。
この形態の三次元造形方法によれば、突起部によって、溶融材料の吐出方向をノズル孔の中心軸から突起部に向かう方向に曲げることができる。従って、先に造形され、同じ材料層を構成する造形部位に向かって溶融材料を吐出させることが可能になり、同じ材料層を構成する造形部位同士の密着性を高めることができる。

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、吐出ユニットや、ノズル、ノズルの構造、溶融材料の吐出方法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。 ノズルの先端を示す概略斜視図。 ノズルの概略平面図。 ノズルの概略断面図。 造形処理において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。 第２実施形態の制御部が参照する吐出制御マップの一例を示す概念図。 第３実施形態におけるノズルの構成を示す概略斜視図。 突起部の他の構成例を示す概略図。 突起部の他の構成例を示す概略図。 ノズル孔の他の構成例を示す概略図。 ノズル孔の他の構成例を示す概略図。 ノズル孔および突起部の他の構成例を示す概略図。

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、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、重力方向とは反対の方向である。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、適宜、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２００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６１Ａ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２００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。

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。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は上面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と交差し、スクリュー対面部５０に対向する面である下面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の下面４８は、スクリュー対面部５０の上面５２に面しており、フラットスクリュー４０の下面４８の溝部４２と、スクリュー対面部５０の上面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の上面５２の構成については後述する。

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６１Ａと、突起部６３と、流路６５と、を有する。ノズル６１Ａは、先端に、溶融材料を吐出するノズル孔６２を有する。ノズル孔６２は、ノズル６１Ａの中心においてＺ方向に直線状に延びている貫通孔の開口として設けられている。ノズル孔６２の周縁の一部には、突起部６３が設けられている。突起部６３は、ノズル孔６２から吐出される溶融材料の吐出方向を変更する吐出方向変更部として機能する。ノズル６１Ａにおける突起部６３の構成および機能の詳細については後述する。

ノズル孔６２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６１Ａ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６１Ａのノズル孔６２から、重力方向上側に配置されている造形ステージ部２００の造形台２２０に向かって吐出される。

なお、第１実施形態では、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６１Ａ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６１Ａ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６１Ａ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２００は、吐出ユニット１１０の下方に配置されている。造形ステージ部２００は、テーブル２１０と、造形台２２０と、移動機構２３０と、を備える。造形台２２０は、テーブル２１０の上側の面に積層されている。造形台２２０の上面２２１には、吐出ユニット１１０Ａのノズル孔６２から吐出された溶融材料が付着する。造形台２２０は、上面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２００は、制御部３００の制御下において、ノズル６１Ａ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による溶融材料の吐出を制御する。造形処理では、造形台２２０に対してノズル６１Ａを走査させつつ、溶融材料を造形台２２０の上面２２１に吐出させることによって形成される材料層を積み重ねることによって、造形物が造形される（詳細は後述）。

図２は、フラットスクリュー４０の下面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の下面４８には、溝部４２が設けられている。以下、下面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の上面５２側を示す概略平面図である。スクリュー対面部５０の上面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、この上面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６１Ａ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、図５Ａおよび図５Ｂを参照して、ヘッド部６０が有するノズル６１Ａの構成を説明する。図４は、ノズル６１Ａの先端を示す概略斜視図である。図５Ａは、ノズル６１ＡをＺ方向に見たときの概略平面図である。図５Ｂは、図５Ａに示されている５Ｂ−５Ｂ切断におけるノズル６１Ａの概略断面図である。図４、図５Ａおよび図５Ｂにはそれぞれ、ノズル孔６２の中心軸ＮＸが図示されている。図５Ｂでは、ノズル孔６２から溶融材料ＭＭが吐出されている様子が模式的に図示されている。

ノズル孔６２は、ノズル６１Ａの先端面６１ｔの中心において開口している。突起部６３は、ノズル孔６２の周縁において、ノズル６１Ａの先端面６１ｔからノズル孔６２の中心軸ＮＸに沿って、重力方向に突起している。突起部６３は、ノズル孔６２の方に向く側壁面６４を有している。第１実施形態では、側壁面６４は、ノズル孔６２の中心軸ＮＸを通る平面に沿った平面として構成されている。

ノズル６１ＡをＺ方向に沿って見たときに、突起部６３は、側壁面６４がノズル孔６２の外周端にほぼ接するほどにノズル孔６２に近接した位置に設けられている（図５Ａ）。突起部６３の側壁面６４は、ノズル孔６２から吐出された溶融材料ＭＭが接触する位置に配置されている（図５Ｂ）。ノズル孔６２から吐出された溶融材料ＭＭは、突起部６３の側壁面６４にガイドされ、側壁面６４に沿って流れる。

ここで、本発明の発明者は、実験により、次の知見を得た。ノズル孔６２から吐出された溶融材料ＭＭは、突起部６３の側壁面６４に接触すると、図５Ｂに示されているように、側壁面６４の下端部において、その吐出方向が、ノズル孔６２の中心軸ＮＸから突起部６３に向かう方向へと曲がる。この原因は、ノズル孔６２から吐出された溶融材料ＭＭが突起部６３の側壁面６４から摩擦力などによる抵抗を受けるためであると推察される。この現象により、本実施形態の吐出ユニット１１０Ａでは、溶融材料ＭＭは、ノズル孔６２から、ノズル孔６２の中心軸ＮＸから突起部６３側にずれた位置に向かって吐出されることになる。

図６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（以下、単に「造形物ＯＢ」とも呼ぶ。）が造形されていく様子を示す模式図である。図６では、ノズル６１ＡのＹ方向に沿った一回の走査によって形成される造形部位ＯＰを、便宜上、矩形状のブロックによって図示してある。

造形処理では、ノズル孔６２から溶融材料ＭＭを吐出させつつ、造形台２２０に対するノズル６１Ａの位置をＹ方向に沿って移動させる主走査と、ノズル孔６２の位置をＸ方向に沿って移動させる副走査と、が交互に繰り返されて１つの材料層ＭＬが形成される。第１実施形態では、主走査でのノズル６１Ａの走査方向である主走査方向は、Ｙ方向に沿った方向であり、副走査でのノズル６１Ａの走査方向である副走査方向は、Ｘ方向に沿った方向である。なお、「ノズル６１Ａの走査方向」とは、造形中に造形台２２０に対してノズル６１Ａの位置が相対的に移動する方向である。主走査で吐出される溶融材料ＭＭが造形台２２０上で硬化することによって、造形部位ＯＰが形成される。各材料層ＭＬは、複数の造形部位ＯＰが副走査方向に配列された構成となる。造形処理では、複数の材料層ＭＬがＺ方向に積層されることによって、造形物ＯＢが造形される。

造形処理での主走査では、突起部６３の側壁面６４が、主走査方向に平行になり、突起部６３が、ノズル孔６２よりも、１パス前の主走査で造形された造形部位ＯＰ側に位置するようにノズル６１Ａが配置される。つまり、造形処理での主走査では、突起部６３が、ノズル孔６２に対して、次の副走査方向における上流側に配置される。

上述したように、ノズル孔６２から吐出された溶融材料ＭＭの吐出方向は、突起部６３によって、ノズル孔６２の中心軸ＮＸから突起部６３に向かう方向に曲げられる。そのため、主走査では、１パス前の主走査において造形された造形部位ＯＰに向かって溶融材料ＭＭが吐出されることになり、その先に造形されている造形部位ＯＰに対する溶融材料ＭＭの密着性が高められる。なお、この造形処理では、ノズル孔６２から溶融材料ＭＭを吐出する吐出工程と、突起部６３の側壁面６４に、溶融材料ＭＭを接触させて、溶融材料ＭＭの吐出方向を変更する吐出方向変更工程と、が実行されていると解釈できる。

この造形処理によれば、例えば、図６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の造形を、より安定的におこなうことができる。ここで、「アンダーカット形状」とは、当該部位ＵＣのように、重力方向下方に空間があることによって、重力方向下方側からの支持が得られていない形状を意味する。第１実施形態の三次元造形装置１００Ａであれば、上記のように、既に造形されている造形部位ＯＰに対する溶融材料ＭＭの密着性が高められているため、その造形部位ＯＰからの溶融材料ＭＭの落下が抑制される。従って、アンダーカット形状を有する部位ＵＣの造形の際に、例えば、別途設けたサポート部材などによる支持を省略することができる。

突起部６３の側壁面６４の幅Ｗｔ（図５Ａ）は、上述したノズル孔６２の孔径Ｄｎよりも大きいことが望ましい。これによって、ノズル孔６２から吐出された溶融材料ＭＭを突起部６３の側壁面６４に接触させやすくなる。そのため、突起部６３による溶融材料ＭＭの吐出方向の変更精度を高めることができ、溶融材料ＭＭの吐出位置が目標とする位置から外れてしまうことを抑制できる。よって、三次元造形装置１００Ａにおける造形精度を高めることができる。

なお、突起部６３の側壁面６４に正対する方向（Ｘ方向）に見たときに、Ｙ方向における側壁面６４の形成範囲内に、ノズル孔６２の全体が位置していることが望ましい（図５Ａ）。これによって、ノズル孔６２から吐出された溶融材料ＭＭを、側壁面６４に対して、より接触させやすくすることができる。

三次元造形装置１００Ａの造形処理では、ノズル６１Ａは、突起部６３の先端と、溶融材料ＭＭを硬化させる予定部位の下端位置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ＭＭを吐出する（図６）。下端位置ＯＢｔは、造形台２２０の上面２２１上に最下層の材料層ＭＬｂを形成する場合には上面２２１の位置である。ノズル６１Ａの直下に既に形成されている材料層ＭＬの上に重ねて材料層ＭＬを形成する場合には、形成する材料層ＭＬの下端面の位置である。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の下端位置である。

ギャップＧＰの大きさは、ノズル６１Ａの孔径Ｄｎよりも大きいことが望ましい。ノズル６１Ａの孔径Ｄｎは、ノズル６１Ａの主走査方向におけるノズル孔６２の開口幅の最大値である（図５Ａ）。第１実施形態では、ノズル孔６２の開口形状は、略正円形状を有しているため、孔径Ｄｎは、ノズル孔６２の直径に一致する。

ギャップＧＰの大きさが、ノズル孔６２の孔径Ｄｎよりも大きければ、溶融材料ＭＭを、突起部６３の下方において、下に押しつけられない自由な状態で予定部位に堆積させることができる。この結果、ノズル６１Ａから吐出された溶融材料ＭＭの横断面形状が、ノズル６１Ａ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６１Ａ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。

ノズル孔６２に対して突起部６３が突起している高さＨｔ（図５Ｂ）は、上述したノズルの孔径Ｄｎよりも小さいことが望ましい。第１実施形態において、突起部６３の高さＨｔは、ノズル６１Ａの先端面６１ｔからの突起部６３のＺ方向における高さに相当する。突起部６３の高さＨｔがノズルの孔径Ｄｎよりも小さいことによって、ノズル孔６２から吐出された後の溶融材料ＭＭの形状の崩れを抑制することができ、造形物ＯＢの造形精度の低下が抑制される。

以上のように、第１実施形態の三次元造形装置１００Ａおよび造形処理において実現されている三次元造形方法によれば、吐出ユニット１１０Ａによる溶融材料ＭＭの吐出方向が、突起部６３によって、ノズル孔６２よりも突起部６３側に曲げられている。従って、先に造形されている造形部位ＯＰに対する溶融材料ＭＭの密着性を高めることができ、同じ材料層ＭＬを構成する造形部位ＯＰ同士の密着性が高められ、造形物ＯＢの造形精度が高められる。その他に、第１実施形態における三次元造形装置１００Ａおよびその三次元造形方法によれば、上記の第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７を参照図として加えて、第２実施形態における三次元造形装置および三次元造形方法を説明する。第２実施形態の三次元造形装置の構成は、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り、造形処理における制御部３００による制御が異なっている。第２実施形態において、制御部３００が実行する造形処理の内容は、以下に説明する処理が追加されている点以外は、第１実施形態で説明した造形処理と同様である。

本発明の発明者は、実験により、ノズル孔６２から吐出される溶融材料ＭＭの流量である吐出流量を増加させるほど、ノズル孔６２の中心軸ＮＸに対する溶融材料ＭＭの吐出位置のずれ量ｘ（図５Ｂ）が大きくなる、との知見を得た。この知見を利用して、第２実施形態における三次元造形装置の制御部３００は、ノズル孔６２から吐出される溶融材料ＭＭの流量を変更して、溶融材料ＭＭの吐出方向を制御する。

図７は、溶融材料ＭＭの吐出方向を制御する際に、制御部３００が参照する吐出制御マップＭＰの一例を示す概念図である。制御部３００は、造形処理の実行の際には、自身の記憶部（図示は省略）に、吐出制御マップＭＰを予め格納している。吐出制御マップＭＰには、ノズル孔６２の中心軸ＮＸからの溶融材料ＭＭの吐出位置の目標のずれ量である吐出位置調整量Ｔｘが大きくなるほど、吐出流量ＤＦが大きくなる関係が設定されている。

制御部３００は、造形処理において、造形データに応じて、溶融材料ＭＭの目標吐出位置を設定する際に、吐出位置調整量Ｔｘを設定する。例えば、制御部３００は、副走査方向への１パス分のノズル６１Ａの移動距離よりも狭い間隔で、副走査方向に造形部位ＯＰを配列する場合に、その間隔に応じて吐出位置調整量Ｔｘを調整するものとしてよい。あるいは、制御部３００は、溶融材料の種類に応じて吐出位置調整量Ｔｘを設定するものとしてもよい。より具体的には、溶融材料が、材料の種類が、前回使用されていた材料よりも付着しにくい性質を有している材料に変更された場合に、吐出位置調整量Ｔｘをより大きい値に設定するものとしてもよい。

制御部３００は、吐出制御マップＭＰを参照して、当該吐出位置調整量Ｔｘに対する吐出流量ＤＦの目標値を決定する。制御部３００は、決定された吐出流量ＤＦの目標値に応じてフラットスクリュー４０の回転数を制御して、ノズル６１Ａからの溶融材料ＭＭの吐出流量を変更する。これによって、造形処理では、溶融材料ＭＭの吐出位置が制御される。

以上のように、第２実施形態の三次元造形装置および造形処理において実現されている三次元造形方法によれば、吐出ユニット１１０Ａによる溶融材料ＭＭの吐出位置を簡易に制御することができ、造形物ＯＢの造形精度を高めることができる。その他に、第２実施形態の三次元造形装置およびその三次元造形方法によれば、上記第１実施形態および第２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。

３．第３実施形態：
図８は、第３実施形態における三次元造形装置１００Ｃの吐出ユニット１１０Ｃが備えるノズル６１Ｃの構成を示す概略斜視図である。第３実施形態の三次元造形装置１００Ｃおよびその吐出ユニット１１０Ｃの構成は、ノズル６１Ａの代わりに、第３実施形態のノズル６１Ｃ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およびその吐出ユニット１１０Ａの構成とほぼ同じである。

第３実施形態のノズル６１Ｃは、先端に、突起部６３を保持する保持部６６を有している。保持部６６は、ノズル孔６２の周囲を囲むように配置された環状部材によって構成されており、突起部６３が一体的に連結されている。保持部６６は、ノズル６１Ｃに対して、ノズル孔６２の中心軸ＮＸを回転軸として回転可能に取り付けられている。このように、第３実施形態の吐出ユニット１１０Ｃでは、突起部６３は、ノズル孔６２の中心軸ＮＸの周りを回転移動可能なように保持部６６に保持されている。

なお、突起部６３の位置は、保持部６６を回転させるアクチュエーターによって、制御部３００が制御するものとしてもよい。このアクチュエーターは、例えば、ノズル６１Ｃの外部に設けられ、プーリーを介して保持部６６に連結されているモーターによって構成されてもよい。あるいは、ノズル６１Ｃの内部に設けられたソレノイドなどの小型な素子によって構成されてもよい。制御部３００は、アクチュエーターを制御して、突起部６３を副走査方向の上流側に配置されるようにアクチュエーターを制御する。なお、吐出ユニット１１０Ｃでは、そうしたアクチュエーターが省略され、突起部６３の位置を、ユーザーが手動で変更することができるように構成されていてもよい。

第３実施形態の三次元造形装置１００Ｃによれば、ノズル孔６２の中心軸ＮＸ周りでの突起部６３の位置を変更することによって、溶融材料の吐出方向を曲げる方向を任意に変更することができる。従って、造形処理における溶融材料の吐出方向の制御性を高めることができる。その他に、第３実施形態の三次元造形装置１００Ｃおよびその三次元造形方法によれば、上記の各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。

４．種々の構成例：
図９〜図１３を参照し、上記各実施形態のノズル６１Ａ，６１Ｃに適用可能な突起部６３やノズル孔６２の種々の構成例を説明する。図９〜図１３にはそれぞれ、先端面６１ｔに正対したときのノズル６１Ａの概略平面図が図示されている。

図９には、突起部６３の他の構成例としての突起部６３ａが図示されている。この構成例の突起部６３ａは、水平断面が略長方形形状を有している略矩形状の壁部によって構成されており、主走査方向に平行な平坦面として構成されている側壁面６４を有している。この突起部６３ａによれば、無駄な部位が低減されるため、ノズル６１Ａの小型化や軽量化が可能である。

図１０には、突起部６３の他の構成例としての突起部６３ｂが図示されている。この構成例の突起部６３ｂは、ノズル孔６２の外周に沿って湾曲している側壁面６４ｂを有している。このような構成の突起部６３ｂであっても、上記の各実施形態で説明したのと同様な溶融材料の吐出方向の変更が可能である。なお、ノズル孔６２の開口形状は図示されている略正円形状に代えて、略楕円形状を有していてもよい。

図１１には、ノズル孔６２の他の構成例としてのノズル孔６２ａが図示されている。ノズル孔６２ａは、走査方向を長手方向とする略長方形形状の開口形状を有している。ノズル孔６２ａの孔径Ｄｎは、長辺の長さに一致する。なお、図１１の構成例では、ノズル孔６２ａに、図９で説明した略矩形状の突起部６３ａが組み合わされている。

図１２には、ノズル孔６２の他の構成例としてのノズル孔６２ｂが図示されている。ノズル孔６２ｂは、行列状に配列された複数の開口６７によって構成されている。この構成例では、ノズル孔６２ｂに、図９で説明した略矩形状の突起部６３ａが組み合わされている。ノズル孔６２ｂの各開口６７は、各開口６７から吐出された溶融材料が吐出後に一体化する程度に近接して配列されている。各開口６７から吐出された溶融材料は一体化して突起部６３ａの側壁面６４に接触する。ノズル孔６２ｂの孔径Ｄｎは、主走査方向に配列された開口６７の主走査方向における両端の間隔に一致する。なお、図１２では、各開口６７は、略四角形状の開口形状を有しているが、各開口６７の開口形状はこれに限定されない。各開口６７は、円形状の開口形状を有していてもよい。

図１３には、ノズル孔６２の他の構成例としてのノズル孔６２ｃと、突起部６３の他の構成例としての突起部６３ｃと、を組み合わせた構成例が図示されている。ノズル孔６２ｃは、主走査方向を長手方向とする長方形の各辺を中央に向かって窪むように湾曲させた開口形状を有している。また、突起部６３ｃは、ノズル孔６２ｃの湾曲している外周辺に沿って湾曲している側壁面６４ｃを有している。なお、ノズル孔６２ｃの中心軸ＮＸは、開口６７が配列されている領域の中心を通る軸である。また、ノズル孔６２ｃの孔径Ｄｎは、主走査方向における両角部の間隔に一致する。

上記の種々の構成例のノズル孔６２ａ〜６２ｃや突起部６３ａ〜６３ｃを有するノズル６１Ａであっても、上記の各実施形態で説明したような溶融材料の吐出方向の変更が可能であり、上記の各実施形態で説明したのと同様な作用効果を奏することができる。なお、ノズル孔６２ａ〜６２ｃや、突起部６３，６３ａ〜６３ｃの構成は、それぞれが任意に組み合わされてもよい。例えば、ノズル孔６２ａ〜６２ｃに上記の各実施形態の突起部６３が組み合わされてもよい。

５．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。また、上述したノズル孔６２ａ〜６２ｃや突起部６３ａ〜６３ｃの構成は、以下の他の実施形態に適用されてもよい。

５−１．他の実施形態１：
上記の各実施形態において、突起部６３は、ノズル孔６２に対してＺ方向に伸縮するように構成されていてもよい。ノズル６１Ａ，６１Ｃには、そうした突起部６３の伸縮を実現するためのピエゾ素子などのアクチュエーターを内蔵しているものとしてもよい。突起部６３は、ユーザーが手動でその高さＨｔ（図５Ｂ）を調整できるように構成されていてもよい。

５−２．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、造形処理において、Ｙ方向に沿った方向を主走査方向とする主走査と、Ｘ方向を副走査方向とする副走査と、を交互に実行して造形物ＯＢを造形している。これに対して、吐出ユニット１１０Ａ，１１０Ｃは、造形処理において、必ずしも主走査と副走査とを交互に実行しなくともよい。吐出ユニット１１０Ａ，１１０Ｃは、同じ材料層を構成する既に造形されている造形部位に向かって、ノズル孔６２よりも当該造形部位側に突起部６３が位置する状態で、当該造形部位に向かって溶融材料を吐出する処理を実行すればよい。

５−３．他の実施形態３：
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６１Ａ，６１Ｃ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６１Ａ，６１Ｃから押し出す構成を有していてもよい。

５−４．他の実施形態４：
上記の各実施形態において、ノズル６１Ａ，６１Ｃにおける突起部６３の先端と、溶融材料を硬化させる予定部位の下端位置ＯＢｔとの間のギャップＧＰは、ノズル６１Ａのノズル孔６２における孔径Ｄｎより小さくてもよい。また、突起部６３の高さＨｔは、ノズル孔６２の孔径Ｄｎより大きくてもよいし、突起部６３の幅Ｗｔは、ノズル孔６２の孔径Ｄｎより小さくてもよい。

５−５．他の実施形態５：
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。

５−６．他の実施形態６：
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６１Ａ，６１Ｃ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６１Ａ，６１Ｃ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。

５−７．他の実施形態７：
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…下面（溝形成面）、５０…スクリュー対面部、５２…上面（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、６１Ａ…ノズル、６１Ｃ…ノズル、６１ｔ…先端面、６２…ノズル孔、６２ａ…ノズル孔、６２ｂ…ノズル孔、６２ｃ…ノズル孔、６３…突起部、６３ａ…突起部、６３ｂ…突起部、６３ｃ…突起部、６４…側壁面、６４ｂ…側壁面、６４ｃ…側壁面、６５…流路、６６…保持部、６７…開口、１００Ａ…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、２００…造形ステージ部、２１０…テーブル、２２０…造形台、２２１…上面、２３０…移動機構、３００…制御部、Ｄｎ…孔径、ＧＰ…ギャップ、ＭＬ…材料層、ＭＬｂ…材料層、ＭＭ…溶融材料、ＭＰ…吐出制御マップ、ＮＸ…中心軸、ＯＢ…三次元造形物、ＯＢｔ…下端位置、ＯＰ…造形部位、ＲＸ…回転軸、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、
   ノズル孔を有し、前記ノズル孔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を備え、
   前記ノズル孔の周縁の一部に、前記ノズル孔の中心軸に沿って突起し、前記ノズル孔から吐出された前記溶融材料が接触する側壁面を有する突起部が設けられている、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、
   前記吐出ユニットは、前記三次元造形物を造形する際に、前記ノズル孔を主走査方向に移動させつつ前記溶融材料を吐出する主走査と、前記主走査の後に、前記ノズル孔を前記主走査方向に交差する副走査方向に移動させる副走査と、を実行し、
   前記突起部は、前記主走査の際に、前記副走査方向の上流側に配置される、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、さらに、
   前記吐出ユニットによる前記溶融材料の吐出を制御する制御部を備え、
   前記制御部は、前記ノズル孔から吐出される前記溶融材料の流量を変更して、前記ノズル孔からの前記溶融材料の吐出方向を制御する、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、
   前記吐出ユニットは、前記突起部を、前記ノズル孔の中心軸周りで回転移動可能に保持する保持部を有する、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、
   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孔へと導く可塑化部を備える、三次元造形装置。
6. 三次元造形物の三次元造形方法であって、
   ノズル孔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工程と、
   前記ノズル孔の周縁の一部に設けられ、前記ノズル孔の中心軸に沿って突起している突起部の側壁面に、前記ノズル孔から吐出された前記溶融材料を接触させて、前記溶融材料の吐出方向を変更する吐出方向変更工程と、
   を備える、三次元造形方法。

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