JP2019084779A - 造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 造形材料層間の接着性を向上させるため、造形材料層の表面を粗面化した場合には、造形物の視認性が低下する。【解決手段】 三次元造形装置１のタップモジュール２０は、形成された造形材料層を、加熱および加圧する。三次元造形装置１のヘッドモジュール１０は、加熱および加圧された造形材料層にフィラメントを吐出して、造形材料層を積層させる。上記の加熱および加圧の処理により、造形材料層の層間の接着力が向上するので、造形物の積層方向の強度が向上する。また、この方法によると、加熱および加圧処理した造形材料層に、他の造形材料層が積層されるので、造形物の視認性に優れる。【選択図】図７

Description

本発明は、造形装置に関する。

金型などを用いずに造形物を多品種少量生産するための装置として、３Ｄプリンタが普及しつつある。熱溶解積層法（以下、FDM(Fused Deposition Modeling)またはFFF(Fused Filament Fabrication)と略す）を用いる３Ｄプリンタは、近年低価格化が進んでおり、コンシューマ向けにも浸透している。三次元造形物の積層方向における強度の低下を防止するために、層の表面を粗面化して積層する技術が知られている。

特許文献１には、造形ステージに向けて造形材料を吐出することによって、造形材料層を形成する吐出部と、吐出部により形成された造形材料層の表面を平滑化する平滑化部と、平滑化部により平滑化された造形材料層の少なくとも表面の硬化を進める硬化処理を行う硬化部と、硬化部の硬化処理により硬化の進んだ造形材料層の表面を粗面化する粗面化部とを備える三次元造形装置が開示されている。特許文献１によると、粗面化された造形材料層（Ｎ層目）の表面上に、次の造形材料層（Ｎ＋１層目）が形成されるため、造形材料層（Ｎ層目）と造形材料層（Ｎ＋１層目）との間における接触面積の増加や、造形材料層（Ｎ層目）の表面に造形材料層（Ｎ＋１層目）を構成する造形材料が入り込むアンカー効果により、造形材料層間の密着力が向上するとしている。

しかし、造形材料層間の接着性を向上させるため、造形材料層の表面を粗面化した場合には、造形物の視認性が低下するという課題がある。

請求項１に係る発明の造形装置は、造形材料を用いて造形材料層を形成し、該造形材料層を積層させて造形する造形装置であって、前記造形材料を用いて形成された第１の造形材料層を加熱および加圧する加圧手段と、前記加熱および加圧された前記第１の造形材料層に、前記造形材料を吐出して第２の造形材料層を形成することで、前記第１の造形材料層に前記第２の造形材料層を積層させる吐出手段と、を備える。

本発明によると、造形材料層間の接着性を向上させつつ、造形物の視認性の低下を防ぐことができるという効果を奏する。

一実施形態に係る三次元造形装置の構成を示す模式図である。 図１の三次元造形装置におけるヘッドモジュールの断面を示す模式図である。 図１の三次元造形装置におけるタップモジュールの断面を示す模式図である。 一実施形態に係る三次元造形装置のハードウェア構成図である。 一実施形態に係る造形処理を示すフロー図である。 一実施形態におけるタップノズルの動作を模式的に説明する図である。 一実施形態において最表層を形成する動作を模式的に説明する図である。 一実施形態においてタップノズルにより層を加圧する動作を示す模式図である。

一実施形態においてタップノズルにより層を加圧する動作を示す模式図である。 一実施形態において加熱プレートにより下層を加熱しながら吐出ノズルにより層を形成する動作を示す模式図である。 一実施形態において加熱プレートにより下層を加熱しながら吐出ノズルにより層を形成する動作を示す模式図である。 一実施形態に係る三次元造形装置の構成を示す模式図である。 実施例および比較例における造形物の形状を示す。

以下、図面を用いて、本発明の実施形態について説明する。

＜＜＜全体構成＞＞＞
以下、本発明の一実施形態として、熱溶解積層法（ＦＤＭ）により三次元造形物を造形する三次元造形装置について説明する。なお、本発明は、造形手段により造形するものであれば、熱溶解積層法（ＦＤＭ）の三次元造形装置に限定されるものではなく、他の造形方法の三次元造形装置にも適用可能である。

図１は、一実施形態に係る三次元造形装置の構成を示す模式図である。図２は、図１の三次元造形装置におけるヘッドモジュールの断面を示す模式図である。図３は、図１の三次元造形装置におけるタップモジュールの断面を示す模式図である。三次元造形装置１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三次元造形物を造形することができる。

図１において、三次元造形装置１における筐体２の内部は、三次元造形物Ｍを造形するための処理空間となっている。筐体２の内部には載置台としての造形テーブル３が設けられており、造形テーブル３上に三次元造形物Ｍが造形される。

造形には、熱可塑性樹脂をマトリックスとした樹脂組成物からなる長尺のフィラメントＦが用いられる。フィラメントＦは、細長いワイヤー形状の固体材料であり、巻き回された状態で三次元造形装置１における筐体２の外部のリール４にセットされている。リール４は、フィラメントＦの駆動手段であるエクストルーダ１１の回転に引っ張られることで、大きく抵抗力を働かせることなく自転する。

筐体２の内部の造形テーブル３の上方には、造形材料吐出部材としてのヘッドモジュール１０（造形ヘッド）が設けられている。フィラメントＦは、エクストルーダ１１によって引っ張られることで、三次元造形装置１のヘッドモジュール１０へ供給される。

図２に示すように、ヘッドモジュール１０は、冷却ブロック１２、加熱ブロック１５、吐出ノズル１８、および他の部品によってモジュール化されている。加熱ブロック１５は、ヒータなどの熱源１６と、温度制御するための熱電対１７と、を有し、移送路を介して、ヘッドモジュール１０に供給されたフィラメントＦを加熱溶融させて、溶融状態あるいは半溶融状態のフィラメントＦＭを吐出ノズル１８に供給する。

冷却ブロック１２は、加熱ブロック１５の上部に設けられる。冷却ブロック１２は、冷却源１３を有し、フィラメントを冷却する。これにより、冷却ブロック１２は、溶融したフィラメントＦＭのヘッドモジュール１０内の上部への逆流、フィラメントを押し出す抵抗の増大、あるいは、フィラメントの固化による移送路内での詰まりを防ぐ。加熱ブロック１５と冷却ブロック１２との間には、フィラメントガイド１４が設けられている。

図１及び図２に示すように、ヘッドモジュール１０の下端部に、造形材料であるフィラメントＦを吐出する吐出ノズル１８が設けられている。吐出ノズル１８は、加熱ブロック１５から供給された溶融状態あるいは半溶融のフィラメントＦＭを造形テーブル３上に線状に押し出すようにして吐出する。吐出されたフィラメントＦＭは、冷却固化されて所定の形状の層が形成される。さらに、吐出ノズル１８は、形成した層に、溶融状態あるいは半溶融状態のフィラメントＦＭを、線状に押し出すようにして吐出する操作を繰り返すことで、新たな層を積み上げて積層させる。これにより、三次元造形物が得られる。

本実施形態では、ヘッドモジュール１０に２つの吐出ノズルが設けられている。第一の吐出ノズルは、三次元造形物を構成するモデル材のフィラメントを溶融して吐出し、第二の吐出ノズルは、サポート材のフィラメントを溶融して吐出する。なお、図１において、第一の吐出ノズルの奥側に第二の吐出ノズルが配置されている。なお、吐出ノズルの数は２個に限らず任意である。

第二の吐出ノズルから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ある。サポート材により形成されるサポート部は、最終的にはモデル材により形成されるモデル部から除去される。サポート材のフィラメントおよびモデル材のフィラメントは、それぞれ、加熱ブロック１５にて溶融され、それぞれの吐出ノズル１８から押し出されるように吐出されて、層状に順次積層される。

タップモジュール２０は、造形された三次元造形物Ｍを、加熱および加圧するタップノズル２８と、タップノズル２８を加熱する加熱ブロック２５と、加熱ブロック２５からの熱伝導を防ぐための冷却ブロック２２と、を備える。タップノズル２８は、モータ等の動力により、三次元造形物Ｍを垂直上方から繰り返しタップするタップ動作により、上記の加熱および加圧処理を実行する。加熱ブロック２５は、ヒータなどの熱源２６と、タップノズルの温度を制御するための熱電対２７と、を有する。冷却ブロック２２は、冷却源２３を有する。加熱ブロック２５と冷却ブロック２２との間には、ガイド２４が設けられている。

ヘッドモジュール１０およびタップモジュール２０は、装置左右方向（図１中の左右方向＝Ｘ軸方向）に延びるＸ軸駆動軸３１（Ｘ軸方向）に対し、連結部材を介して、スライド移動可能に保持されている。ヘッドモジュール１０は、Ｘ軸駆動モータ３２の駆動力により、装置左右方向（Ｘ軸方向）へ移動することができる。ヘッドモジュール１０は、加熱ブロック２５によって加熱されて高温になる。同様に、タップモジュール２０は、加熱ブロック１５によって加熱されて高温になる。その熱がＸ軸駆動モータ３２に伝わるのを低減するため、フィラメントガイド１４等を含めた移送路またはガイド２４を低熱伝導性のものとするのが好ましい。

Ｘ軸駆動モータ３２は、装置前後方向（図１中の奥行方向＝Ｙ軸方向）に延びるＹ軸駆動軸（Ｙ軸方向）に沿ってスライド移動可能に保持されている。Ｘ軸駆動軸３１およびＸ軸駆動モータ３２がＹ軸駆動モータ３３の駆動力によってＹ軸方向に沿って移動することにより、ヘッドモジュール１０およびタップモジュール２０はＹ軸方向に移動する。

一方、造形テーブル３は、Ｚ軸駆動軸３４、及び、ガイド軸３５に通され、装置上下方向（図１中の上下方向＝Ｚ軸方向）に延びるＺ軸駆動軸３４に沿って移動可能に保持されている。造形テーブル３は、Ｚ軸駆動モータ３６の駆動力により、装置上下方向（Ｚ軸方向）へ移動する。造形テーブル３には、積載された造形物を加熱するための加熱部が設けられていてもよい。

フィラメントの溶融吐出を経時で続けると、吐出ノズル１８周辺部およびタップノズル２８の加圧面が溶融した樹脂で汚れることがある。これに対して、三次元造形装置１に設けられたクリーニングブラシ３７により、吐出ノズル１８周辺部およびタップノズル２８の加圧面に対し定期的にクリーニング動作を行うことで、吐出ノズル１８の先端およびタップノズル２８の加圧面に樹脂が固着することを防ぐことができる。好ましくは、クリーニング動作は、固着防止の観点から、樹脂の温度が下がりきらないうちに実行されることが好ましい。この場合、クリーニングブラシ３７は、耐熱性樹脂などの耐熱性部材からなることが好ましい。クリーニング動作時に生じる研磨粉については、三次元造形装置１に設けられたダストボックス３８に集積させて、定期的に捨ててもよいし、あるいは吸引路を設けて、外部へ排出させてもよい。

図４は、一実施形態に係る三次元造形装置のハードウェア構成図である。三次元造形装置１は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)あるいは回路などによって構築される制御部１００を有する。制御部１００は、図４に示すように各部と電気的に接続されている。

三次元造形装置１には、ヘッドモジュール１０のＸ軸方向位置を検知するＸ軸座標検知機構が設けられている。Ｘ軸座標検知機構の検知結果は、制御部１００に送られる。制御部１００は、その検知結果に基づいてＸ軸駆動モータ３２の駆動を制御して、ヘッドモジュール１０およびタップモジュール２０を目標のＸ軸方向位置へ移動させる。

三次元造形装置１には、ヘッドモジュール１０のＹ軸方向位置を検知するＹ軸座標検知機構が設けられている。Ｙ軸座標検知機構の検知結果は、制御部１００に送られる。制御部１００は、その検知結果に基づいてＹ軸駆動モータ３３の駆動を制御して、ヘッドモジュール１０およびタップモジュール２０を目標のＹ軸方向位置へ移動させる。

三次元造形装置１には、造形テーブル３のＺ軸方向位置を検知するＺ軸座標検知機構が設けられている。Ｚ軸座標検知機構の検知結果は、制御部１００に送られる。制御部１００は、その検知結果に基づいてＺ軸駆動モータ３６の駆動を制御して、造形テーブル３を目標のＺ軸方向位置へ移動させる。

制御部１００は、このようにしてヘッドモジュール１０、タップモジュール２０、および造形テーブル３の移動制御を行うことにより、ヘッドモジュール１０、タップモジュール２０、および造形テーブル３の相対的な三次元位置を、目標の三次元位置に移動させる。

さらに、制御部１００は、エクストルーダ１１、吐出ノズル１８、タップノズル２８、およびクリーニングブラシ３７の各駆動部に制御信号を送信することで、これらの駆動を制御する。

＜＜処理および動作＞＞
続いて、一実施形態における三次元造形装置１の処理および動作について説明する。図５は、一実施形態に係る造形処理を示すフロー図である。

三次元造形装置１の制御部１００は、立体モデルのデータの入力を受け付ける。立体モデルのデータは、立体モデルを所定間隔でスライスしたときの層ごとの画像データによって構築される。

三次元造形装置１の制御部１００は、Ｘ軸駆動モータ３２またはＹ軸駆動モータ３３を駆動してヘッドモジュール１０をＸ軸またはＹ軸方向に移動させる。ヘッドモジュール１０が移動している間に、制御部１００は、入力された立体モデルのデータのうち、造形が完了していない最下層の画像データに基づいて、吐出ノズル１８から造形テーブル３へ溶融状態または半溶融状態のフィラメントＦＭを吐出させる。これにより、三次元造形装置１は、造形テーブル３上に画像データに基づいた形状の層を形成する（ステップＳ１１）。

三次元造形装置１の制御部１００は、ヘッドモジュール１０がＸ軸またはＹ軸方向に移動している間に、タップノズル２８を駆動して、形成した層の表面をタップさせる（ステップＳ１２）。タップさせる領域は特に限定されないが、上記の画像データが示す画像の領域における任意の画素の領域が例示される。なお、任意の画素の領域とは、画像データが示す画像のうち外周部が除かれた領域であってもよい。

ステップＳ１２において、タップノズル２８の温度は、吐出材料の溶融温度以上に制御される。この状態で、タップノズル２８を、層の表面の垂直上方から押し当てることで、押し当てた層だけでなく、この層より下の層に対しても、熱と圧力を加える。これにより、押し当てた層だけでなく、下の層が溶解して、層の境界部が混合するので、層間の界面の密着力が向上する。

三次元造形装置１の制御部１００は、ステップＳ１１で形成された層が、最表層の一つ下の層であるか判断する（ステップＳ１３）。最表層とは、造形処理において、さらに別の層が積層されない層、すなわち、立体モデルのデータのうち、積層方向（Ｚ軸）の座標が最も大きい画像データに基づいて形成される層を示す。ステップＳ１３でＮＯと判断された場合、三次元造形装置１の制御部１００は、最表層の一つ下の層が形成されるまで、層形成の処理（ステップＳ１１）とタップの処理（ステップＳ１２）と、を繰り返す。これにより、一層形成されるごとに、形成された層の表面がタップされる。

図６は、一実施形態におけるタップノズルの動作を模式的に説明する図である。一実施形態によると、図５に示すように、フィラメントを吐出後、造形物の所定の箇所に、タップ動作を行うことで、タップされた層とその下層、下層と更にその下層との層間の密着性が向上し、造形物の積層間強度が向上する。

ステップＳ１３でＹＥＳと判断された場合、三次元造形装置１の制御部１００は、ヘッドモジュール１０がＸ軸またはＹ軸方向に移動している間に、立体モデルのデータのうち最表層の画像データを用いて、吐出ノズル１８から造形テーブル３へ溶融状態または半溶融状態のフィラメントＦＭを吐出させる（ステップＳ１４）。これにより、造形物に対し最表層の画像データに基づいた形状の層が積層される。

最表層の形成が完了した後、三次元造形装置１は、最表層に対するタップ動作を実行せずに処理を終了する。図７は、一実施形態において最表層を形成する動作を模式的に説明する図である。一実施形態によると、図７に示すように、最表層から一つ下の層のタップ動作後、ヘッドモジュール１０は、図７の白抜き矢印方向に移動しながら、タップ動作によって凹んだ部分を、最表層により埋めるように、フィラメントＦＭを吐出する。この動作により、三次元造形物Ｍの表面の形状が平滑になり、視認性が向上する。

＜＜＜実施形態の変形例Ａ＞＞＞
続いて、実施形態の変形例Ａについて上記の実施形態と異なる点を説明する。図８は、一実施形態においてタップノズル２８により層を加圧する動作を示す模式図である。

実施形態の変形例Ａにおいて、タップノズル２８における加圧面の反対方向側、すなわちタップノズル２８の垂直上方には、タップノズル２８を図８の白抜き矢印方向に付勢する（勢いを付けること）バネ２９が設けられている。バネ２９は、タップノズル２８を付勢することができる弾性材料、装置、または機構等の任意の付勢手段に置き換え可能である。実施形態の変形例Ａによると、タップ動作において、図８に示すように、タップノズル２８をバネ２９で垂直上方より付勢する事で、造形物を確実に加圧することができるので、造形物において、表層と下層、下層と更にその下層との層間の密着性が向上し、造形物の積層間強度が向上する。

＜＜＜実施形態の変形例Ｂ＞＞＞
続いて、実施形態の変形例Ｂについて、実施形態の変形例Ａと異なる点を説明する。図９は、一実施形態においてタップノズル２８により層を加圧する動作を示す模式図である。実施形態の変形例Ｂでは、上記の付勢手段として、バネ２９に代えて電磁マグネット２９´を用いる。

実施形態の変形例Ｂでは、タップノズル２８は磁性体であり、制御部１００は、電磁マグネット２９´のオンオフを切り替えることにより、タップノズル２８を、図９に示す白抜き矢印方向に往復移動させる。タップ時には、タップノズル２８の垂直上方に配置された電磁マグネット２９´をオフにする。磁力から解放されたタップノズル２８は、自重で下方に落ちる事で、造形物を確実に加圧する。これにより、造形物において、表層と下層、下層と更にその下層の密着性が向上し、造形物の積層間強度が向上する。

＜＜＜実施形態の変形例Ｃ＞＞＞
続いて、実施形態の変形例Ｃについて、上記の実施形態と異なる点を説明する。図１０は、一実施形態において加熱プレートにより下層を加熱しながら吐出ノズルにより層を形成する動作を示す模式図である。

実施形態の変形例Ｃでは、上記の実施形態におけるタップノズル２８は、加熱プレート２８´に置き換えられる。図１０において、加熱プレート２８´の下端は、吐出ノズル１８の下端よりも、１層分低くなるように配置されている。これにより、ヘッドモジュール１０およびタップモジュール２０を、図１０に示す白抜き矢印方向に走査しながら、フィラメントを吐出するときに、加熱プレート２８´は、造形中の層の一つ下の層を再加熱する。これにより、造形中の層と、一つ下の層との温度差が小さくなり、造形中の層と、一つ下の層とが混ざり合うので、造形物の積層間強度が向上する。なお、加熱した層を冷却する方法としては、雰囲気温度を設定する方法、所定の時間放置する方法、もしくは、ＦＡＮなどを利用する方法などが例示される。

実施形態の変形例Ｃによると、層の表面に加熱プレート２８´を物理的に押し当てて凸凹にしてから、次の層を積層させることで、吐出した材料と下の層の材料とが良く混ざることで、界面の密着力が向上する。また、実施形態の変形例Ｃによると、造形物の外形を崩さずに、選択的に層間を再溶融させ、硬化前に次の吐出を行うことで、界面の密着力を向上させることができる。

＜＜＜実施形態の変形例Ｄ＞＞＞
続いて、実施形態の変形例Ｄについて、実施形態の変形例Ｃと異なる点を説明する。図１１は、一実施形態において加熱プレートにより下層を加熱しながら吐出ノズルにより層を形成する動作を示す模式図である。

図１１において、加熱プレート２８´の下端は、吐出ノズル１８による層の形成位置よりも低くなるように配置されている。吐出ノズル１８による造形位置とは、吐出したフィラメントの着地位置であり、造形する一つ下の層の上端である。これにより、ヘッドモジュール１０およびタップモジュール２０を、図１１に示す白抜き矢印方向に走査しながら、走査しながら、フィラメントを吐出することで、加熱プレート２８´は、造形中の層の一つ下の層を加圧し、再加熱する。加熱プレート２８´は、意図的に、下の層に干渉する位置Ｉに配置されているので、下層を確実に加圧しながら加熱させることができる。これにより、造形している層と、一つ下の層との温度差が小さくなり、造形している層と、一つ下の層とが混ざり合うので、造形物の積層間強度が向上する。

＜＜＜実施形態の変形例Ｅ＞＞＞
続いて、実施形態の変形例Ｄについて、上記の実施形態と異なる点を説明する。図１２は、一実施形態に係る三次元造形装置の構成を示す模式図である。

図１２の三次元造形装置１には、タップモジュール２０が設けられておらず、吐出ノズル１８が吐出の機能に加え、タップモジュール２０の機能を備える。吐出ノズル１８により造形物を加圧する場合は、吐出ノズル１８自体をＺ軸方向に移動させず、造形するレイヤの設定を変更して、造形テーブル３を、Ｚ軸方向に移動させる。

具体的には、制御部１００は、Ｚ軸駆動モータ３６の駆動を制御することで、吐出ノズル１８をＸ軸またはＹ軸方向に移動させながら、造形テーブル３をＺ軸駆動軸３４方向に移動することで、三次元造形物Ｍと吐出ノズル１８との高さ方向（Ｚ軸方向）の相対的な距離を変更してタップ動作を行う。

このとき、タップ動作によって発生した吐出ノズル１８の汚れは、クリーニングブラシ３７によるクリーニング動作により除去される。実施形態の変形例Ｅによると、三次元造形装置１の構成部品を低減することが可能であり、コストダウンまたは装置のサイズダウンの点で有効である。また、タップモジュール２０が設けられていない、既存の装置においても、ハード構成を変更することなく、本実施形態の処理を実行可能である。

以下、実施例および比較例では、三次元造形装置１により、タップノズル２８の表面からの押し込み量（タップ深さ）を変えて、造形物を作製し、造形物の最大引張強度を測定する。なお、造形物の最大引張強度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１３は、実施例および比較例における造形物の形状を示す。造形物は、ASTM D638-02a Type-Vに準拠している。三次元造形装置１により、造形テーブル３に対して造形材料を垂直上方Ｓに積層し、図１３に示すような、長辺方向に層が積層されてなる引張試験片を造形した。オートグラフに、引張試験片における積層下面と積層上面をチャックして200mm/minで方向Ｔ１，Ｔ２に引っ張ることで、造形物の最大引張強度プロファイルを得た。

（比較例１）
比較例では、三次元造形装置１を用いて、タップの動作（ステップＳ１２）を実行せずに、引張試験片を造形する。比較例１では、造形材料であるフィラメントとして、熱で溶解する樹脂を用いる。ヘッドモジュール１０の導入部にはφ１２のＳＵＳ３０４製の対となるローラを用いた。ヘッドモジュール１０の移送路の寸法形状は断面が円の棒状とする。先端の吐出ノズル１８は真鍮で作製し、先端の開口径を0.5mmとした。移送路となる部分はφ2.5mmの空洞となるようにした。冷却ブロック２２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２５も冷却ブロック２２と同様にＳＵＳ３０４製とした。加熱ブロック２５には、熱源２６となるカート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２７を配置し、温度制御を行った。カートリッジヒータの設定温度は樹脂の溶融温度以上とした。造形時の吐出ノズル１８の走査速度を10mm/secとして、図１３に示すような引張試験片を造形した。加えて、造形テーブル３は、テーブルに吐出材料が固着できる温度範囲に設定した。造形物の積層方向の解像度としてのＺ軸方向の１層厚みは0.25mmとした。

（比較例２）
比較例２では、造形材料であるフィラメントとして、熱で溶解する樹脂を用いる。ヘッドモジュール１０の導入部にはφ１２のＳＵＳ３０４製の対となるローラを用いた。ヘッドモジュール１０の移送路の寸法形状は断面が円の棒状とする。先端の吐出ノズル１８は真鍮で作製し、先端の開口径を0.5mmとした。移送路となる部分はφ2.5mmの空洞となるようにした。冷却ブロック２２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２５も冷却ブロック２２と同様にＳＵＳ３０４製とした。加熱ブロック２５には、熱源２６となるカート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２７を配置し、温度制御を行った。カートリッジヒータの設定温度は樹脂の溶融温度以上とした。造形時の吐出ノズル１８の走査速度を50mm/secとして、図１３に示すような引張試験片を造形した。加えて、造形テーブル３は、テーブルに吐出材料が固着できる温度範囲に設定した。造形物の積層方向の解像度としてのＺ軸方向の１層厚みは0.25mmとした。

（実施例１）
実施例１においては、タップモジュール２０が、図１に示すように、ヘッドモジュール１０に対し正面から見て左側に配置された比較例１と同様の構成の三次元造形装置１を用いて、比較例１と同様の設定（利用する画像データ、温度、走査速度）で造形し引張試験片を造形した。最表層の造形後を除き１層造形ごとに、形成した層の中心の所定の箇所を、タップノズル２８によりタップした。また、造形ＣＡＭ(Computer Aided Manufacturing)ソフトを用いた制御により、タップノズル２８によるタップ深さを0.1ｍｍとした。

（実施例２）
実施例２においては、タップモジュール２０が、図１に示すように、ヘッドモジュール１０に対し正面から見て左側に配置された比較例２と同様の構成の三次元造形装置１を用いて、比較例２と同様の設定（利用する画像データ、温度、走査速度）で造形し引張試験片を造形した。最表層の造形後を除き１層造形ごとに、形成した層の中心の所定の箇所を、タップノズル２８によりタップした。また、造形ＣＡＭソフトを用いた制御により、タップノズル２８によるタップ深さを0.1ｍｍとした。

（実施例３）
実施例３においては、タップモジュール２０が、図１に示すように、ヘッドモジュール１０に対し正面から見て左側に配置された比較例１と同様の構成の三次元造形装置１を用いて、比較例１と同様の設定（利用する画像データ、温度、走査速度）で造形し引張試験片を造形した。最表層の造形後を除き１層造形ごとに、形成した層の中心の所定の箇所を、タップノズル２８によりタップした。また、造形ＣＡＭソフトを用いた制御により、タップノズル２８によるタップ深さを0.25ｍｍとした。

（実施例４）
実施例４においては、タップモジュール２０が、図１に示すように、ヘッドモジュール１０に対し正面から見て左側に配置された比較例１と同様の構成の三次元造形装置１を用いて、比較例１と同様の設定（利用する画像データ、温度、走査速度）で造形し引張試験片を造形した。最表層の造形後を除き１層造形ごとに、形成した層の中心の所定の箇所を、タップノズル２８によりタップした。また、造形ＣＡＭソフトを用いた制御により、タップノズル２８によるタップ深さを0.4ｍｍとした。

実施例１〜４の何れにおいても比較例１，２を上回る最大引張強度を得ることができた。以上のことから、上記実施形態の構成の三次元造形装置１により、３次元造形物の積層方向の強度を高めることが可能となる。

＜＜実施形態の主な効果＞＞
上記実施形態の三次元造形装置１（造形装置の一例）は、造形材料としてのフィラメントを用いて造形材料層を形成し、これを積層させて造形物を造形する。三次元造形装置１のタップモジュール２０（加圧手段の一例）は、形成された造形材料層（第１の造形材料層の一例）を、加熱および加圧する。三次元造形装置１のヘッドモジュール１０（吐出手段の一例）は、加熱および加圧された造形材料層にフィラメントを吐出して、造形材料層（第２の造形材料層の一例）を形成することで、造形材料層を積層させる。上記の加熱および加圧の処理により、造形材料層の層間の接着力が向上するので、造形物の積層方向の強度が向上する。また、この方法によると、加熱および加圧処理した造形材料層に、他の造形材料層が積層されるので、造形物の視認性に優れる。

三次元造形装置１のタップモジュール２０は、下層（第１の造形材料層の一例）に積層する上層（第２の造形材料層の一例）を加熱および加圧することで、下層および上層を溶融させる。これにより、下層と上層の接着性が向上する。

実施形態の変形例Ｃによると、三次元造形装置１のタップモジュール２０の加熱プレート２８´は、下層を加熱および加圧することで下層を溶融させる。三次元造形装置１のヘッドモジュール１０は、溶融した下層にフィラメントを吐出して、下層に上層を積層させる。これにより、下層と上層の接着性が向上する。

実施形態の変形例Ｃによると、加熱プレート２８´を下層に物理的に押し当てて加圧することで、下層の表面を粗面化する。これにより、上層を形成するときに、下層と上層の接触面積が大きくなるので、下層と上層の接着性が向上する。

実施形態の変形例Ｃによると、加熱プレート２８´は、下層の上端よりも低い位置に配置される。このように、加熱プレート２８´を、意図的に下の層に干渉する位置に配置することで、下層を確実に加圧しながら加熱させることができる。

三次元造形装置１は、上記の加熱および加圧により上層と下層とを溶融させ、これらの境界部において混合させる。これにより、下層と上層の接着性が向上する。

三次元造形装置１は、タップノズル２８の加圧面をクリーニングするクリーニングブラシ３７（クリーニング部材の一例）を有する。この三次元造形装置１によると、タップ動作によりタップノズル２８の加圧面に付着したフィラメントの一部が、クリーニングブラシ３７により除去される。これにより、造形時の信頼性が向上する。

実施形態の変形例Ａにおいて、タップノズル２８における加圧面の反対方向側には、タップノズル２８を付勢するバネ２９が設けられている。実施形態の変形例Ａによると、タップ時に、タップノズル２８をバネ２９で垂直上方より付勢する事で、造形物を確実に加圧することができる。これにより、造形物において、表層と下層、下層と更にその下層との層間の密着性が向上し、造形物の積層間強度が向上する。

実施形態の変形例Ｅにおいて、三次元造形装置１のヘッドモジュール１０は、造形材料を用いて形成された第１の造形材料層を加熱および加圧し、加熱および加圧された前記第１の造形材料層に、造形材料を吐出して第２の造形材料層を形成することで、第１の造形材料層に前記第２の造形材料層を積層させる。実施形態の変形例Ｅによると、三次元造形装置１の構成部品を低減することが可能であり、コストダウンまたは装置のサイズダウンの点で有効である。

１ 三次元造形装置
３ 造形テーブル
１０ ヘッドモジュール
１８ 吐出ノズル
２０ タップモジュール
２８ タップノズル
２８´ 加熱プレート
２９ バネ
２９´ 電磁マグネット
３７ クリーニングブラシ
３８ ダストボックス
１００ 制御部

特開２０１５−７４１６４号公報

Claims (9)

1. 造形材料を用いて造形材料層を形成し、該造形材料層を積層させて造形する造形装置であって、
   前記造形材料を用いて形成された第１の造形材料層を加熱および加圧する加圧手段と、
   前記加熱および加圧された前記第１の造形材料層に、前記造形材料を吐出して第２の造形材料層を形成することで、前記第１の造形材料層に前記第２の造形材料層を積層させる吐出手段と、
   を備える造形装置。
2. 前記加圧手段は、第１の造形材料層に積層する第２の造形材料層を加熱および加圧することで、前記第１の造形材料層および前記第２の造形材料層を溶融させる請求項１に記載の造形装置。
3. 前記加圧手段は、第１の造形材料層を加熱および加圧することで前記第１の造形材料層を溶融させ、
   前記吐出手段は、前記溶融した前記第１の造形材料層に、造形材料を吐出して、前記第１の造形材料層に第２の造形材料層を積層させる請求項１に記載の造形装置。
4. 前記加圧手段は、前記第１の造形材料層の表面を粗面化する請求項３に記載の造形装置。
5. 前記加圧手段は、前記第２の造形材料層の上端よりも低い位置に配置される請求項３または４に記載の造形装置。
6. 前記加熱および加圧により、前記第１の造形材料層と前記第２の造形材料層とを、境界部において混合させる請求項２乃至５のいずれか一項に記載の造形装置。
7. 前記加圧手段の加圧面をクリーニングするクリーニング部材を有する請求項１乃至６のいずれか一項に記載の造形装置。
8. 前記加圧手段を付勢する付勢手段を有する請求項１乃至７のいずれか一項に記載の造形装置。
9. 造形材料を用いて造形材料層を形成し、該造形材料層を積層させて造形する造形装置であって、
   前記造形材料を用いて形成された第１の造形材料層を加熱および加圧し、
   前記加熱および加圧された前記第１の造形材料層に、前記造形材料を吐出して第２の造形材料層を形成することで、前記第１の造形材料層に前記第２の造形材料層を積層させる吐出手段を備える
   造形装置。