JP2019142150A - 造形装置、造形方法および造形システム - Google Patents

Abstract

【課題】 造形材料層間の接着性を向上および造形品質を維持すること。【解決手段】 三次元造形装置１の加熱モジュール２０は、フィラメントで形成された造形材料層Ｌｎ−１を加熱する。三次元造形装置１の温度センサ１０４は、造形材料層Ｌｎ−１の温度を検出する。三次元造形装置１の吐出モジュール１０は、加熱された造形材料層Ｌｎ−１に対し、溶融したフィラメントを吐出することで次の造形材料層Ｌｎを積層させる。三次元造形装置１の制御部１００は、造形材料層Ｌｎの造形に際し、温度センサ１０４により検出された温度に基づいて、造形パラメータを変更する。【選択図】図１２

Description

本発明は、造形装置、造形方法および造形システムに関する。

金型などを用いずに造形物を多品種少量生産可能な装置として、３Ｄプリンタが普及しつつある。熱溶解積層法（以下、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。

このような３Ｄプリンタにおいて、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の技術が検討されている。例えば、特許文献１は、層間の溶着強度を十分に確保し得る、溶融樹脂の押し出し積層技術を提供することを目的とした技術を開示する。特許文献１には、溶融樹脂の押し出し積層装置が、溶融樹脂を押し出しながら多段に積層する装置であって、溶融樹脂を押し出す吐出ユニットと、すでに押し出されている樹脂材料を加熱する加熱ユニットと、吐出ユニットおよび加熱ユニットの作動を制御するコントローラと、を有している装置が開示される。コントローラは、ある段の層を形成するために吐出ユニットから溶融樹脂を押し出す際に、前の段の層を形成している樹脂材料を加熱するように加熱ユニットを制御する。

しかしながら、従来技術では、造形材料層間の接着性を高強度にするために再溶融を行うと、造形時間がかかってしまうという点で充分なものではなかった。

本開示にかかる造形装置は、造形材料で形成された第１の造形材料層を加熱する加熱手段と、第１の造形材料層の温度を検出する温度検出手段と、加熱された第１の造形材料層に対し、溶融した造形材料を吐出して、第２の造形材料層を積層する吐出手段とを有する。造形装置は、さらに、第２の造形材料層の造形に際し、上記温度検出手段により検出された温度に基づいて、造形パラメータを変更する変更手段を有する。

上記構成によれば、造形材料層間の接着性を向上させつつ、造形時間が短縮されるよう造形パラーメータを調整して造形を行うことができる。

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吐出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。 下層を加熱する動作の一例を示す模式図である。 一実施形態における加熱モジュールを造形テーブル側から見た平面図である。 上層形成時の造形物の状態を示す模式図である。 上層形成時の造形物の状態を示す模式図である。 上層形成時の造形物の状態を示す模式図である。 上層形成時の造形物の状態を示す模式図である。 本実施形態における再加熱範囲の一例を示す模式図である。 本実施形態における再加熱範囲の他の例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再溶融時の造形パラメータ変更に関連する機能ブロック図である。 再加熱の好ましい温度条件を説明する模式図である。 レーザ装置を加熱手段として用いる場合に、加熱量を調整するための方法を説明する模式図である。 一実施形態に係る造形処理を示すフロー図である。 一実施形態に係る下層再溶融および上層造形処理を示すフロー図である。 他の実施形態に係る下層再溶融および上層造形を示すフロー図である。 一実施形態における下層加熱の動作を示す模式図である。 一実施形態における下層加熱の動作を示す模式図である。 一実施形態における下層加熱の動作を示す模式図である。 一実施形態における下層加熱の動作を示す模式図である。 材料構成を偏在させたフィラメントの一例を示す断面図である。 図２２のフィラメントの吐出物の断面図である。 図２２のフィラメントを用いて造形される造形物の断面図である。 規制手段を有する三次元造形装置の一例を示す模式図である。 フィラメントの方向を規制する処理の一例を示すフロー図である。 一実施形態における造形および表面処理動作を示す模式図である。

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＞＞＞
本発明の一実施形態として、熱溶解積層法（ＦＦＦ）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、本実施形態における三次元造形装置は、熱溶解積層法（ＦＦＦ）を用いたものに限定されるものではなく、造形手段により載置台の載置面上に積層して三次元造形物を造形する任意の造形方法を用いたものであってもよい。

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吐出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。

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吐出モジュール１０（造形ヘッド）が設けられている。吐出モジュール１０は、エクストルーダ１１、冷却ブロック１２、フィラメントガイド１４、加熱ブロック１５、吐出ノズル１８、撮像モジュール１０１、ねじり回転機構１０２、およびその他の部品によってモジュール化されている。フィラメントＦは、エクストルーダ１１によって引き込まれることで、三次元造形装置１の吐出モジュール１０へ供給される。

撮像モジュール１０１は、吐出モジュール１０に引き込まれるフィラメントＦの３６０°像、すなわち、フィラメントＦにおけるある部分の全方位の画像を撮像する。図２の吐出モジュールには２つの撮像モジュールが設けられているが、例えば、反射板を用いるなどして、１つの撮像モジュール１０１により、フィラメントＦの３６０°像を撮像してもよい。なお、撮像モジュール１０１としては、レンズなどの結像光学系と、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）センサやＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサなどの撮像素子と、を備えたカメラが例示される。

ねじり回転機構１０２は、ローラにより構築されており、吐出モジュール１０に引き込まれるフィラメントＦを、幅方向に回転させることでフィラメントＦの方向を規制する。径測定部１０３は、撮像モジュール１０１により撮像されたフィラメントの画像から、Ｘ軸、Ｙ軸の２方向におけるフィラメントのエッジ間の幅を、それぞれ径として測定し、規格外の径を検出した際、エラー情報を出力する。エラー情報の出力先は、ディスプレイであってもよいし、スピーカであってもよいし、他の装置であってもよい。径測定部１０３は、回路であってもよいし、ＣＰＵの処理によって実現される機能であってもよい。

加熱ブロック１５は、ヒータなどの熱源１６と、ヒータの温度を制御するための熱電対１７と、を有し、移送路を介して、吐出モジュール１０に供給されたフィラメントＦを加熱溶融させて、吐出ノズル１８へ供給する。

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の吐出モジュール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、吐出モジュール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、吐出モジュール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。

また、三次元造形装置１には、吐出モジュール１０により形成中の層の下層を加熱する加熱モジュール２０が設けられている。加熱モジュールには、レーザを照射するレーザ光源２１が設けられている。レーザ光源２１は、下層におけるフィラメントＦＭが吐出される直前の位置にレーザを照射する。レーザ光源としては、特に限定されないが、半導体レーザが例示され、レーザの照射波長としては、４４５ｎｍが例示される。

吐出モジュール１０および加熱モジュール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。吐出モジュール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。

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がＸ軸駆動モータ３２ごと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、吐出モジュール１０および加熱モジュール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３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、制御部１００を有する。制御部１００は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)あるいは回路などによって構築されており、図３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、吐出モジュール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、吐出モジュール１０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、吐出モジュール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、吐出モジュール１０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。

このように、制御部１００は、吐出モジュール１０および造形テーブル３の移動を制御することにより、吐出モジュール１０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、冷却ブロック１２、吐出ノズル１８、レーザ光源２１、クリーニングブラシ３７、回転ステージＲＳ、撮像モジュール１０１、ねじり回転機構１０２、径測定部１０３、および温度センサ１０４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。なお、回転ステージＲＳ、側面冷却部３９、撮像モジュール１０１、ねじり回転機構１０２、径測定部１０３、および温度センサ１０４については後述で説明する。

＜＜加熱方法＞＞
図４は、下層を加熱する動作の一例を示す模式図である。以下、一実施形態として、レーザを用いて加熱する方法について説明する。

吐出モジュール１０による上層の造形中、レーザ光源２１は、下層における、フィラメントＦＭが吐出される直前の位置にレーザを照射して再加熱する。再加熱とは、溶融したフィラメントＦＭが冷却されて固化した後、再度加熱することを表す。再加熱の温度は、特に限定されないが、下層のフィラメントＦＭが溶融する温度以上であることが好ましい。

加熱前の下層温度は、温度センサ１０４により、センシングされる。温度センサ１０４の位置は、加熱前の下層面をセンシング可能な任意の位置に配置される。本実施形態では、図４において、レーザ光源２１の奥側に温度センサ１０４が配置されている。加熱前の下層温度を温度センサ１０４によりセンシングして、センシングの結果に基づいてレーザの出力を調整することで、下層を所定の温度以上に再加熱することができる。別の方法として、再加熱中の下層温度を温度センサ１０４によりセンシングして、センシングの結果が任意温度以上になるまで、レーザから下層へのエネルギーの入力を行ってもよい。その際は、温度センサ１０４の位置は、加熱面をセンシング可能な任意の位置に配置する。温度センサ１０４としては、公知の任意の装置が用いられ、接触式であってもよいし、非接触式であってもよい。

下層の表面を再加熱することにより、下層と、下層の表面に吐出されたフィラメントＦＭとの温度差が小さくなり、下層と吐出されたフィラメントが混ざり合うことで、積層方向の接着性が向上する。

図５は、一実施形態における加熱モジュールを造形テーブル３側から見た平面図である。図５において、加熱モジュール２０は、回転ステージＲＳに取り付けられている。回転ステージＲＳは、吐出ノズル１８を中心に回転する。レーザ光源２１は、回転ステージＲＳの回転に伴い回転移動する。これにより、レーザ光源２１は、吐出ノズル１８の移動方向が変わっても、吐出ノズル１８による吐出位置に先回りしてレーザ光を照射することができる。

図６は、上層形成時の造形物の状態を示す模式図である。以下、吐出モジュール１０により造形中の層を上層Ｌｎ、造形中の層の一つ下の層を下層Ｌｎ−１、下層Ｌｎ−１の一つ下の層を下層Ｌｎ−２と表す。図６中の矢印は、吐出モジュールの移動経路（ツールパス）を示す。図６以降では、吐出モジュールのツールパスが分かるように、吐出されたフィラメントを楕円柱で表している。このため、フィラメントとフィラメントとの間に空隙が形成されているが、実際は、強度の点で空隙が形成されないように造形することが好ましい。

図６の（Ａ）は、下層を再加熱せずに上層を形成するときの造形物を示す模式図である。下層Ｌｎ−１を再加熱せずに上層Ｌｎを形成すると、下層Ｌｎ−１が固化した状態で上層Ｌｎを形成できるため、外形面ＯＳの変形は、生じない。ただし、この場合、上層Ｌｎと下層Ｌｎ−１との間で十分な接着強度が得られない。

図６の（Ｂ）は、下層を再加熱しながら上層を形成するときの造形物を示す模式図である。下層Ｌｎ−１を再加熱しながら上層Ｌｎを形成すると、下層Ｌｎ−１が溶融した状態で、上層Ｌｎを形成できるため外形面ＯＳが変形する。

図６の（Ｃ）は、下層を再加熱しながら上層を形成するときの造形物を示す模式図である。図６の（Ｃ）の例では、モデル部Ｍの下層Ｌｎ−１を再加熱しながら上層Ｌｎを形成しても、サポート部Ｓによりモデル部Ｍは支えらえるため、モデル部Ｍの外形面ＯＳは変形しない。

本実施形態では、下層Ｌｎ−１を部分的に再溶融させた状態で上層Ｌｎ層を形成する。これにより、上層Ｌｎと、下層Ｌｎ−１との間の高分子の絡み合いが促進され、造形物の強度が向上する。また、再溶融の条件を適切に設定することで、形状精度とモデル部の積層方向強度の両立を図ることができる。以下、本実施形態における、再溶融領域の設定例と、その効果について説明する。

なお、モデル材とサポート材とは、同じ材料であってもよいし、異なっていてもよい。例えば、モデル部Ｍとサポート部Ｓとを同じ材料で形成した場合でも、これらの界面の強度をコントロールすることで、造形後に分離することができる。

図７は、上層形成時の造形物の状態を示す模式図である。図７の（Ａ）の造形方法では、三次元造形装置１は、下層Ｌｎ−１におけるモデル部Ｍの表面および、サポート部Ｓにおける外周部を除く表面を再加熱し、再溶融部ＲＭを形成して、上層Ｌｎを形成する。この方法によると、モデル部Ｍにおける外形面ＯＳ側の領域を再溶融させて造形するので、層間の接着性が向上し、積層方向の強度が向上する。また、外形面ＯＳ側を溶融させることで、サポート部Ｓとモデル部Ｍとの造形中の剥がれが生じにくくなり、造形精度が向上する。ただし、サポート部Ｓとモデル部Ｍとの接着性が高くなりすぎると、造形後のサポート部Ｓの離形性が低下する。さらに、加熱温度によっては、モデル部Ｍの中にサポート部Ｓが混ざり合うことで、モデル部Ｍの強度が減少することもある。材料の混ざり合いは、積層面に対し非接触により加熱する方法を用いたり、接触して加熱する場合には、接触部材の動きを工夫したり、接触部材をクリーニングしたりすることで、防止することができる。また、サポート部Ｓの離形性については、サポート材として、モデル材と異なる材料であり、モデル材よりも融点が低い材料を用いることで、改良される。

図７（Ｂ）の造形方法では、三次元造形装置１は、モデル材およびサポート材を用いてサポート部Ｓを形成する。この場合、三次元造形装置１は、サポート部Ｓにおけるモデル部Ｍ側の領域Ｓｓにサポート材を配置し、外周側の領域Ｓｍにモデル材を配置する。この場合、三次元造形装置１は、モデル部Ｍおよびサポート部Ｓにおける領域Ｓｍをモデル材により形成し、続いて、モデル材の隙間にサポート材を流し込むことで造形してもよい。続いて、三次元造形装置１は、下層Ｌｎ−１におけるモデル部Ｍの表面、ならびにサポート部Ｓの外周部を除く表面を再加熱しながら上層Ｌｎを形成する。

図７（Ｂ）の造形方法は、サポート部Ｓの離形性に優れる場合に適している。また、図７（Ｂ）の造形方法は、領域Ｓｓの形状精度や構造体としての強度が低い場合でも、領域Ｓｍが、領域Ｓｓを支えることで、領域Ｓｓの形状精度や強度を補える点で好ましい。

図７の（Ｃ）の造形方法では、三次元造形装置１は、モデル部Ｍにおける外形面ＯＳ近傍を除く表面を再加熱しながら上層Ｌｎを形成する。この方法によると、再溶融時に、モデル部Ｍの熱はサポート部Ｓに伝わりにくいので、サポート部Ｓの形状が安定する。図７の（Ｃ）の造形方法は、モデル部Ｍの形状を維持しやすく、モデル部Ｍとサポート部Ｓとの離形性を確保しやすい点で有効であるが、モデル部Ｍの表面の全体を再溶融する造形方法と比較すると、積層方向の強度は弱くなる。従って、図７の（Ｃ）の造形方法は、内部構造が強固な造形物を造形する場合や、造形精度や離形性に重点を置く場合に有効である。

図８は、上層形成時の造形物の状態を示す模式図である。図８の（Ａ）の造形方法は、モデル部Ｍの表面における再溶融しない領域を外形面ＯＳからより離れた位置まで広げて、再溶融部ＲＭをより小さくした点で図７の（Ｃ）の造形方法と異なる。図８の（Ａ）の造形方法によると、図７の（Ｃ）の造形方法と比較して、サポート部Ｓの形状が安定するので、モデル部Ｍの形状を維持できる点でより有効である一方で、モデル部Ｍにおける積層方向の強度はより小さくなる。

図８の（Ｂ）の造形方法は、モデル部Ｍにおける外形面ＯＳ近傍まで下層Ｌｎ−１の表面を再加熱する点で、図７の（Ｃ）の造形方法と異なる。図８の（Ｂ）の造形方法は、モデル材よりもサポート材の融点が高い場合に有効である。図８の（Ｂ）の造形方法によると、図７の（Ｃ）の造形方法と比較して、モデル部Ｍにおける積層方向の強度が大きくなる。

図８の（Ｃ）の造形方法では、三次元造形装置１は、先に上層Ｌｎのサポート材を吐出してサポート部Ｓを形成してから、下層Ｌｎ-１のモデル部Ｍを再溶融させて、上層Ｌｎのモデル部Ｍを形成する。サポート部Ｓは、造形後に最終的には除去されるため、造形中に剥がれない程度の強度を有していればよく、モデル材ほどの強度は要求されない。このため、サポート材としては、モデル材もより高精度に積層可能な材料を選択することが好ましい。下層Ｌｎ−１が固化している状態で上層Ｌｎのサポート部Ｓを形成することで、サポート部Ｓの造形精度は向上する。図８の（Ｃ）の造形方法によると、サポート部Ｓとモデル部Ｍとを独立して形成する。このため、三次元造形装置１は、サポート部Ｓの積層ピッチをモデル部Ｍの積層ピッチよりも細かくすることもできる。例えば、図８の（Ｃ）の構成では、サポート部の積層ピッチは、モデル部Ｍの積層ピッチの１／２となっている。溶融したモデル材はサポート部Ｓの形状にならうため、サポート部Ｓの積層ピッチを細かくすることで、モデル部Ｍの外形面ＯＳがより滑らかになる。モデル部Ｍに比べサポート部Ｓの方が精度よく造形できる場合には、図８の（Ｃ）の方法は好適である。

図９は、上層形成時の造形物の状態を示す模式図である。図９の（Ａ）の造形方法は、先に上層Ｌｎにおけるサポート部Ｓを形成してから、上層Ｌｎにおけるモデル部Ｍを形成する点で、図８の（Ｂ）と異なる。モデル材よりもサポート材の融点が高い場合、モデル部Ｍにおける外形面ＯＳの近傍まで加熱しても、サポート部Ｓは溶融しない。図９の（Ａ）の造形方法によると、離形性に優れ、積層方向の強度が高い造形物が得られ、造形精度が向上する。

図９の（Ｂ）の造形方法は、先に上層Ｌｎにおけるサポート部Ｓを形成してから、上層Ｌｎにおけるモデル部Ｍを形成する点で、図７の（Ｂ）の方法と異なる。図９の（Ｂ）の方法によると、領域Ｓｓの形状精度や構造体としての強度が低い場合でも、領域Ｓｍが、領域Ｓｓを支えることで、領域Ｓｓの形状精度や構造体としての強度を補える。ただし、図９の（Ｂ）の造形方法によると、再溶融時に領域Ｓｓが溶融すると、サポート部Ｓの離形性が低下することもある。

図９の（Ｃ）の造形方法は、先に上層Ｌｎにおけるモデル部Ｍの外周側を形成してから、上層におけるモデル部Ｍの残りの部分を造形する点で図８の（Ａ）と異なる。図９の（Ｃ）の造形方法によると、モデル部Ｍのみで造形するので、形状が安定し、造形精度が向上する。また、上層Ｌｎにおけるモデル部Ｍの側面の一部を再溶融させながら造形するためモデル部Ｍの強度も向上する。

図１０は、本実施形態における再加熱範囲の一例を示す模式図である。三次元造形装置１は、外形形状維持を目的として、三次元造形物Ｍにおける外周部を再加熱せず、再溶融部ＲＭを意図的に狭めることで、造形物の形状を維持しつつ、積層間の密着性を向上させる。なお、図１０では、フィラメントの形状を示しておらず、造形物形状のみを示している。また、図１０に示す造形物は、典型的には、モデル材のものである。図１０に示すように再溶融部ＲＭを意図的に狭めることにより、内側で積層間の密着性を向上させることができる一方で、三次元造形物Ｍの外形を乱すことがないので、造形品質の維持を図ることができる。

一方、図１０に示すように再溶融部ＲＭを意図的に狭めると、三次元造形物Ｍの形状を維持することができる一方で、外周部が再溶融されないため、外周部における積層間の密着性の向上が充分に図れない可能性がある。

図１１は、本実施形態における再加熱範囲の他の例を示す模式図である。なお、図１１でも、図１０と同様に、フィラメントの形状を示さず、造形物形状のみを示しており、また、図１１に示す造形物も、典型的には、モデル材のものである点に留意されたい。三次元造形装置１は、三次元造形物Ｍの形状の外周部の強度の向上を目的として、三次元造形物Ｍにおける外周部を含めて再加熱し、再溶融部ＲＭを可能な限り広げることができる。これにより、外周部を含めた積層間の密着性を向上させることができる。この場合には、外周部の再溶融により造形乱れが生じる可能性がある。しかしながら、外周部の強度が向上しているため、形状乱れが生じても二次加工で対応することが可能である。

上述したように、適切な再加熱範囲を設定して再溶融を行うことによって、造形物の積層強度の向上および造形品質の向上を図ることができる。しかしながら、このような構成では、下層を再溶融するために、レーザ装置などの加熱手段により下層を再溶融する温度まで上昇させる必要がある。このため、温度上昇まで造形を待機したり、速度を変更してレーザ照射しながら吐出を行うことになり、造形にかかる時間が長くなってしまう可能性がある。

＜＜機能ブロック＞＞
以下、図１２を参照しながら、造形物の積層強度の向上および造形時間の短縮の両立を図るための三次元造形装置１の構成についてより詳細に説明する。

図１２は、制御部１００の機能ブロックを周辺のコンポーネントとともに説明する図である。なお、図１２には、制御部１００の周辺コンポーネントとして、吐出ノズル１８を含む吐出モジュール１０と、回転ステージＲＳおよびレーザ光源２１を含む加熱モジュール２０と、Ｘ軸駆動モータ３２と、Ｙ軸駆動モータ３３と、温度センサ１０４とが示されている。

本実施形態による制御部１００は、加熱モジュール２０による再加熱を制御する加熱制御部１１０と、吐出モジュール１０による造形動作を制御する造形制御部１２０と、加熱制御部１１０および造形制御部１２０に対し、造形パラメータを適宜変更しながら設定する造形パラメータ変更部１３０とを含み構成される。

造形制御部１２０は、入力された立体モデルのデータに基づいて、立体モデルを各層毎に造形する。ここで、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毎の画像データを含み構成されるものであり、この層毎の画像データを造形データＤと参照する。造形制御部１２０は、吐出モジュール１０をＸＹ平面内で移動させつつ、造形データＤに基づいて、目標の位置で吐出ノズル１８から溶融状態のフィラメントＦＭを吐出させる。ツールパスに沿って、フィラメントＦＭを吐出することにより一層分の造形が行われる。造形制御部１２０は、より詳細には、ヘッド駆動制御部１２２と、吐出量制御部１２４とを含み構成される。

ヘッド駆動制御部１２２は、造形パラメータとして設定されるヘッドのＸＹ平面内での移動速度の設定値に基づいて、駆動モータ３２，３３を駆動することで、吐出モジュール１０を搭載するヘッドのＸＹ平面内での相対的位置を目標の位置に移動する。駆動モータ３２，３３の駆動の制御には、上述したように、Ｘ軸およびＹ軸座標検知機構からの検知結果が用いられる。吐出量制御部１２４は、造形パラメータとして設定される造形材料の吐出量の設定値に基づいて、吐出ノズル１８からの造形材料の吐出量を制御する。

加熱制御部１１０は、造形パラメータとして設定される加熱量の設定値に基づいて、各層毎に、造形中の上層Ｌｎの下にある下層Ｌｎ−１の加熱モジュール２０による再加熱を制御する。加熱モジュール２０のレーザ光源２１から所定出力値でレーザ光を照射させることによって、所定の温度範囲内で下層の再加熱が行われる。

なお、吐出モジュール１０は、ヘッドに搭載されて、造形データＤに基づいてＸＹ平面内を移動するが、加熱モジュール２０も、典型的には、吐出モジュール１０を有するヘッドに搭載される。そして、図５を参照しながら説明したように、レーザ光源２１は、回転ステージＲＳにより、吐出モジュール１０の吐出ノズル１８による吐出位置に先回りして、下層におけるフィラメントＦＭが吐出される直前の所定位置にレーザ光を照射し、加熱するよう構成されている。また、再加熱に際しては、図１０または図１１に示すような適切な再加熱範囲が設定され、座標検知機構からの検知結果に基づいて、再加熱範囲として設定された領域でのみレーザ光源２１からのレーザ光の照射が行われよう構成される。再加熱範囲は、造形が完了した最も上の層（下層Ｌｎ−１）の造形データ、および、造形が完了していない層のうちの最も下の層（上層Ｌｎ）の造形データに基づいて、外周部を含めず、あるいは、外周部を含めて、下層Ｌｎ−１においてその上に上層Ｌｎが形成される領域が決定される。

温度センサ１０４は、下層Ｌｎ−１において再加熱される部位の造形材料の温度を計測する温度検知手段である。説明する実施形態では、温度センサ１０４は、再加熱中または再加熱直後（その上にフィラメントＦＭが吐出される前）の下層の表面温度を計測する。温度センサ１０４は、典型的には、加熱モジュール２０を有したヘッドに搭載され、ヘッドの移動に追従し、加熱モジュール２０により加熱された下層Ｌｎ−１の表面温度を検出する。他の実施形態では、装置本体に固定され、加熱モジュールを搭載するヘッドの動きに追従して温度センサ１０４が可動制御されるものとしてもよい。

造形パラメータ変更部１３０は、再溶融および造形動作中、温度センサ１０４の測定値に応じて、必要に応じて造形パラメータを変更する。より具体的には、造形パラメータ変更部１３０は、温度センサ１０４の測定値が所定温度範囲内である場合、造形パラメータを変更せずに造形を継続する。一方、造形パラメータ変更部１３０は、温度センサ１０４の測定値が所定温度範囲から外れた場合、造形パラメータを変更する。変更される造形パラメータとしては、ヘッドのＸＹ平面内での移動速度、造形材料の吐出量、加熱量を挙げることができる。上記に加えて、さらに、ビルドプレート温度などを造形パラメータとして変更してもよい。検出温度に応じて、一つもしくは複数の変更する造形パラメータが選択される。好ましくは、温度センサ１０４の測定値に応じて、少なくともヘッドの移動速度が最適化される。

ここで所定の温度範囲とは、造形材料が溶融する温度から、造形材料が炭化する温度までの範囲が設定される。

図１３は、再加熱の好ましい温度条件を説明する模式図である。図１３に示すように、フィラメントの造形材料は、その材料固有の特性として、溶融温度を有し、さらに、それよりも高いところに炭化温度を有することが一般的である。

レーザ装置を加熱手段とする場合に、移動速度が同一であれば、レーザの出力が強く加熱量が大きいほど材料の温度が上昇しやすい。加熱量が同一であっても、加熱が継続されると、時間の経過とともに材料の温度が上昇する。つまり、ヘッドの移動速度によって、加熱される部位にレーザ照射される正味の時間が異なるため、移動速度に応じて温度の上昇の仕方が変化することになる。レーザ照射が継続することにより温度が上昇し続けると、造形材料の炭化温度に達してしまい、高品質な造形の継続が困難になる。一方、溶融する温度を充分に上回るのであれば、移動速度を速める余地があるということができる。

なお、再加熱に際して好ましい温度条件は、図１３において赤矢印で示される通りである。通常、吐出ノズル１８から吐出される材料温度は、溶融温度と炭化温度との間に設定される。そして、再加熱により下層の造形材料を溶融することができれば、下層の材料と、吐出された材料が混合し、接着性を向上させることができる。一方、上述したように、材料には炭化温度があるため、加熱による造形材料の温度が、溶融温度以上、かつ、造形材料固有の炭化温度以下となるように、加熱が制御されることが好ましい。

なお、再加熱による温度は、図１３に赤矢印で溶融温度より下の領域を含めて示しているように、必ず溶融温度以上にする必要があるというわけではない。吐出される造形材料の温度は、通常溶融温度より高く設定されているため、再加熱された下層の温度が溶融材料温度よりも低い場合であっても、溶融したフィラメントＦＭに接することで、下層の温度が充分に再溶融できる程度に上昇する場合がある。すなわち、少なくとも溶融した造形材料に接した下層の領域の温度が、造形材料が溶融する温度以上となるように再加熱が制御されればよい。なお、吐出される溶融材料の温度は、炭化する温度よりも低く設定されているので、加熱された下層に吐出された場合でも、下層を炭化する温度以上に上昇する懸念はない。

なお、フィラメントの材料が、結晶性プラスチックのように、明瞭な融点が観測できる材料である場合は、上述した溶融温度は、融点と一致する。しかしながら、非晶性プラスチックのように、明瞭な融点が観測されない材料もあり、このような材料である場合は、吐出されたフィラメントと混ざり合うことができる所定の流動性が得られる温度であればよく、上述した「溶融温度」には、使用する造形材料によっては、このような温度が含まれる。また、樹脂は、熱分解により黒色に変化するが、分解開始温度前でも酸化により変色する場合もあるので、上述した「炭化温度」は、品質上許容できない変色や物性の変化を生じ得る温度して定義することができる。

図１４は、レーザ装置を加熱手段として用いる場合に、レーザ光源２１の出力（加熱量）を調整するための方法を説明する模式図である。レーザ装置を用いて光エネルギーによって造形材料層を加熱する特定の実施形態においては、加熱制御部１１０は、レーザ光源２１の単位時間当たりの駆動時間およびレーザ光源２１の駆動電流のいずれか一方または両方を変化させることにより、レーザ光源２１による加熱量を制御することができる。

単位時間当たりの駆動時間を制御する駆動時間制御では、チャート３００に模式的に示すように、レーザの発光タイミングＴ_ＯＮや消灯タイミングＴ_ＯＦＦを制御することで、単位時間あたりにレーザ光が下層を照射する正味の時間の比率（Ｔ_ＯＮ／Ｔ；Ｔ＝Ｔ_ＯＮ＋Ｔ_ＯＦＦ）が調整される。単位時間あたりの照射時間の比率（デューティ比）を増加させると加熱量が増加する。このような駆動時間制御は、一般的には、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）と呼ばれる。駆動時間制御では、レーザを駆動する駆動電流が同一であっても、単位時間あたりの照射時間を変更することで加熱量をコントロールすることができる。

レーザ光源２１の駆動電流を制御する駆動電流制御では、チャート３０２で模式的に示すように、レーザを駆動する電流値を調整することでレーザ光の光量が調整される。駆動電流を増大させると加熱量が増加する。なお、駆動電流制御では、デューティ比が同一であっても、駆動電流を制御することで加熱量をコントロールすることができるが、駆動電流制御と駆動時間制御とを組み合わせて使用してもよい。

説明する実施形態による三次元造形装置１は、下層表面を加熱により再溶融させる際に、下層表面の温度を測定し測定温度に応じて、上述したヘッド移動速度、加熱量および吐出量を含む造形パラメータを変更することにより、吐出され積層される造形材料層との接着強度を高めつつ、造形時間の短縮を図る。

＜＜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１５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を駆動して吐出モジュール１０をＸ軸またはＹ軸方向に移動させる。吐出モジュール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、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）。

吐出モジュール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層のうち最も下の層の画像データに基づいて、レーザ光源２１からレーザを照射させる。これにより、下層におけるレーザ照射位置が再溶融する（ステップＳ１２）。なお、制御部１００は、図７の（Ｃ）、図８の（Ａ）、（Ｃ）、図９の（Ｃ）の造形方法のように、画像データの示す範囲の内部にレーザを照射させてもよい。あるいは、制御部１００は、例えば、図７の（Ａ）、（Ｂ）、図９の（Ｂ）の造形方法のように、画像データの示す範囲を超えて、レーザを照射させてもよい。ステップＳ１２における下層の加熱温度は、フィラメントの溶融温度以上に制御される。

吐出モジュール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層のうち最も下の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上の下層へフィラメントＦＭを吐出させる。これにより、下層の上に、画像データに対応する形状を有する層が形成される（ステップＳ１３）。このとき、下層は再溶融しているので、造形する層と下層の層間の界面の接着性が向上する。

なお、ステップＳ１２における下層を再溶融させる処理と、ステップＳ１３における層の形成処理と、をオーバーラップさせてもよい。この場合、三次元造形装置１は、下層にレーザを照射する処理を開始してから、照射範囲全体へのレーザの照射が完了する前に、フィラメントＦＭの吐出を開始する。

三次元造形装置１の制御部１００は、ステップＳ１３で形成された層が最表層であるか判断する（ステップＳ１４）。最表層とは、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である。ステップＳ１４でＮＯと判断された場合、三次元造形装置１の制御部１００は、最表層が形成されるまで、再溶融の処理（ステップＳ１２）と、層形成の処理（ステップＳ１３）と、を繰り返す。

最表層の形成が完了すると（ステップＳ１４のＹＥＳ）、三次元造形装置１は、造形処理を終了する。

＜＜温度センサの測定値に基づく造形パラメータ制御の詳細＞＞
図１６は、一実施形態に係る下層再溶融および上層造形処理を示すフロー図である。なお、図１６に示す処理は、図１５に示したステップＳ１２における下層を再溶融させる処理と、ステップＳ１３における再溶融される下層の上に上層を形成する処理とをオーバーラップさせ、下層の部位にレーザ光を照射しながら、その下層の部位にフィラメントＦＭを吐出して上層を造形する場合に対応する。

ステップＳ２１では、制御部１００は、ヘッド（吐出モジュール１０および加熱モジュール２０を有する）をツールパスの始点へ移動させて、パラメータ変更部１３０により、ヘッドのＸＹ平面内の移動速度、造形材料の吐出量およびレーザの出力値の各設定値の初期値を設定する。ヘッド移動速度、造形材料吐出量およびレーザの出力値の初期値は、それぞれ、デフォルト値が設定されたり、ユーザ指定の値が設定されたり、あるいは、温度センサ１０４や他の温度センサの測定値などに基づいて、適切な初期値が設定されるものとする。

ステップＳ２２では、制御部１００は、ヘッドのツールパスに沿った走査、加熱モジュール２０による再加熱および吐出モジュール１０によるフィラメントの吐出動作を開始する。ここでは、造形対象となる上層の全体を形成するためのツールパスが計算されているものとする。

走査、再加熱および吐出動作が開始されると、造形材料で形成された下層の再加熱および加熱された下層に対する溶融した造形材料の吐出が行われる。その再加熱および吐出動作中、ステップＳ２３〜ステップＳ３０のループでは、パラメータ変更部１３０により、温度センサ１０４による下層温度の測定値に基づいて、下層の造形材料が溶融し、かつ、炭化しないような条件で造形パラメータの最適化が行われる。

ステップＳ２３では、造形パラメータ変更部１３０は、温度センサ１０４から下層温度の測定値を取得する。ステップＳ２４では、造形パラメータ変更部１３０は、温度センサ１０４による下層温度の測定値が下限温度（溶融温度）よりも低いか否かを判定する。ステップＳ２４で、下層温度が下限温度を下回ると判定された場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ２９へ分岐される。

ステップＳ２９では、造形パラメータ変更部１３０は、変更する造形パラメータとして加熱量を選定し、加熱制御部１１０によるレーザ出力値（加熱量）を増大する方向へ変更する。加熱量を増大することで、造形時間を増大させずに積層強度の向上を図ることができる。この際に、少なくとも溶融した造形材料に接した下層の造形材料の温度が、溶融する温度以上となるような温度以上、かつ、造形材料が炭化する温度を未満となるように、レーザ出力値（加熱量）が決定されることが好ましい。

一方、ステップＳ２４で、温度センサ１０４による下層温度が下限温度を上回っていると判定された場合（ＮＯ）は、ステップＳ２５へ進められる。ステップＳ２５では、造形パラメータ変更部１３０は、さらに、温度センサ１０４による下層温度が下限温度（溶融温度）よりも充分に高いか否かを判定する。下限温度（溶融温度）よりも充分に高いか否かは、例えば、温度センサ１０４による下層温度が、下限温度に所定温度αだけ足した閾値を超えているか否かにより判断することができる。

ステップＳ２５で、下層温度が下限温度より充分に高い（下層温度＋αより高い）と判定された場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ２６へ処理が進められる。ステップＳ２６では、造形パラメータ変更部１３０は、変更する造形パラメータとして移動速度を選定し、ヘッド駆動制御部１２２によるヘッド移動速度を増大する方向へ変更する。キャリッジ移動速度を変更して速く駆動制御することにより、造形時間を短縮することができる。なお、ヘッド移動速度を変更する際には、下層温度が所定の温度範囲内となる（溶融温度以下とならないように）と予測される範囲で行われる。移動速度を速くすると、温度の上昇が小さくなり下層温度の測定値が低下することになるが、省エネの観点からは、加熱量を変更しなくとも測定温度が溶融温度以下とならないようヘッド移動速度を制御することが望ましい。

ステップＳ２７では、造形パラメータ変更部１３０は、移動速度が上限に達したか否かを判定する。ステップＳ２７で、移動速度が上限に達したと判定された場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ２８へ処理が進められる。ステップＳ２８では、造形パラメータ変更部１３０は、変更する造形パラメータとして移動速度を再度選定し、ヘッド駆動制御部１２２によるヘッド移動速度を所定の上限移動速度の未満となるように変更する。下層温度が所定温度範囲内であってもヘッド移動速度を速くしすぎると、ヘッド単位移動量（距離）に対する吐出量が減少し、所望の造形が得られない可能性があるためである。このように、移動速度を速めた場合でも、吐出造形材の細りなどの劣化が認められない移動速度を上限の移動速度として、ヘッド移動速度を上限移動速度未満に制限することが好ましい。

ステップＳ２７で、移動速度が上限に達していないと判定された場合（ＮＯ）は、ステップＳ３０へ直接処理が進められる。また、ステップＳ２５で、下層温度が下限温度より充分に高くはない（所定値α未満の差しかない）と判定された場合（ＮＯ）は、ステップＳ３０へ直接処理が進められる。造形パラメータを変更する必要性が小さいためである。

ステップＳ３０では、制御部１００は、ツールパスの終点に達したか否かを判定する。ステップＳ３０でツールパスの終点に達していないと判定された場合は、終点に達するまで、温度センサの測定値の取得（ステップＳ２３）と、ヘッド移動速度の変更（ステップＳ２４〜Ｓ２８）およびレーザ出力値の変更（ステップＳ２９）とを繰り返す。ツールパスの終点に達すると（ステップＳ３０でＹＥＳ）、ステップＳ３１で制御部１１０は、ヘッドのツールパスに沿った走査、加熱モジュール２０による再加熱および吐出モジュール１０によるフィラメントの吐出動作を終了し、三次元造形装置１は、本下層の再溶融処理および上層の造形処理を完了させる。

以上、図１６を参照しながら下層再溶融および上層造形処理の一実施形態について説明したが、図１６に示す処理は、ヘッド移動速度を速くしすぎた場合の不具合に対し移動速度を制限するものであった。図１７は、他の実施形態に係る下層再溶融および上層造形処理を示すフロー図である。以下、図１７を参照しながら、図１４のＳ１２およびＳ１３での下層再溶融および上層造形処理について他の場合について説明する。

ステップＳ４１では、制御部１００は、ヘッドをツールパスの始点へ移動させて、パラメータ変更部１３０により、ヘッド移動速度、造形材料吐出量およびレーザの出力値の各項目の初期値を設定する。ステップＳ４２では、制御部１００は、ヘッドの走査、再加熱および吐出動作を開始する。ヘッドの走査、再加熱および吐出動作が開始されると、造形材料で形成された下層の再加熱および加熱された下層に対する溶融した造形材料の吐出が行われる。その再加熱および吐出動作中、ステップＳ４３〜ステップＳ５１のループでは、パラメータ変更部１３０により、温度センサ１０４による下層温度の測定値に基づいて、下層の造形材料が溶融しかつ炭化しないような条件で造形パラメータの最適化が行われる。

ステップＳ４３では、造形パラメータ変更部１３０は、温度センサ１０４から下層温度の測定値を取得する。ステップＳ４４では、造形パラメータ変更部１３０は、温度センサ１０４による下層温度の測定値が下限温度（溶融温度）よりも低いか否かを判定する。ステップＳ４４で、下層温度が下限温度を下回ると判定された場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ５０へ分岐される。

ステップＳ５０では、造形パラメータ変更部１３０は、変更する造形パラメータとして加熱量を選定し、加熱制御部１１０によるレーザ出力値（加熱量）を増大する方向へ変更する。一方、ステップＳ４４で、温度センサ１０４による下層温度が下限温度を上回っていると判定された場合（ＮＯ）は、ステップＳ４５へ進められる。ステップＳ４５では、造形パラメータ変更部１３０は、温度センサ１０４による下層温度が下限温度（材料溶融温度）よりも充分に高いか否かを判定する。

ステップＳ４５で、下層温度が下限温度より充分に高くはないと判定された場合（ＮＯ）は、ステップＳ５１へ直接処理が進められる。ステップＳ４５で、下層温度が下限温度より充分に高いと判定された場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ４６へ処理が進められる。ステップＳ４６では、造形パラメータ変更部１３０は、変更する造形パラメータとして移動速度を選定し、ヘッド駆動制御部１２２によるヘッド移動速度を、下層温度が所定の温度範囲内となるように増大する方向へ変更する。

ステップＳ４７では、造形パラメータ変更部１３０は、移動速度が基準を超えるか否かを判定する。ステップＳ４７で、移動速度が基準を超えたと判定された場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ４８へ処理が進められる。ステップＳ４８では、造形パラメータ変更部１３０は、変更する造形パラメータとして吐出量を選定し、吐出造形材の劣化を補うよう、吐出モジュール１０の吐出量を通常より多くするよう変更する。一方、ステップＳ４７で、移動速度が基準を超えていないと判定された場合（ＮＯ）は、ステップＳ４９へ処理が進められる。ステップＳ４８では、造形パラメータ変更部１３０は、変更する造形パラメータとして吐出量を選定し、吐出モジュール１０の吐出量を通常の値のままとする。

ステップＳ５１では、制御部１００は、ツールパスの終点に達したか否かを判定する。ステップＳ５１でツールパスの終点に達していないと判定された場合は、終点に達するまで、温度センサの測定値の取得（ステップＳ４３）と、ヘッド移動速度の変更（ステップＳ４４〜Ｓ４９）およびレーザ出力値の変更（ステップＳ５０）とを繰り返す。ツールパスの終点に達すると（ステップＳ５１でＹＥＳ）、ステップＳ５２で、制御部１１０は、走査、再加熱および造形の動作を終了し、三次元造形装置１は、本下層の再溶融処理および上層の造形処理を完了させる。

以上、加熱手段がレーザ装置である場合について説明したが、加熱手段は特に限定されるものではなく、以下に説明するように、非接触式のレーザ光以外にも、超音波、高温温風、接触式の加熱プレート、加熱タップのいずれでも構わない。

＜＜＜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１８は、一実施形態における下層加熱の動作を示す模式図である。

実施形態の変形例Ａにおいて、加熱モジュール２０は、温風源２１´を有する。温風源２１´としては、ヒータおよびファンが例示される。実施形態の変形例Ａにおいて、温風源２１´は、高温の温風を吹き付けることにより下層を加熱して、再溶融させる。実施形態の変形例Ａにおいても、再溶融させた下層にフィラメントＦＭを吐出して上層を形成することで、下層と上層の材料が混ざり合い、上層と下層の接着性が向上する。

＜＜＜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、上記の実施形態と異なる点を説明する。図１９は、一実施形態における下層加熱の動作を示す模式図である。

実施形態の変形例Ｂにおいて、三次元造形装置１の加熱モジュール２０は、加熱モジュール２０´に置き換えられる。加熱モジュール２０´は、三次元造形物Ｍにおける下層を加熱および加圧する加熱プレート２８と、加熱プレート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。加熱ブロック２５は、ヒータなどの熱源２６と、加熱プレート２８の温度を制御するための熱電対２７と、を備える。冷却ブロック２２は、冷却源２３を備える。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。

加熱モジュール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。加熱モジュール２０´は、加熱ブロック２５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は、低熱伝導性であることが好ましい。

加熱モジュール２０´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。吐出モジュール１０および加熱モジュール２０を、図１９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同時に、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、層間で材料が混ざり合うので、造形物の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、ファン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Ｂによると、層間の材料を物理的に混ぜる事で、層間の界面の密着力を向上させることができる。また、実施形態の変形例Ｂによると、造形物の外形を崩さずに、選択的に下層を加熱し、下層が再溶融している間に次の吐出を行うことで、界面の密着力が向上する。

＜＜＜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、上記の実施形態の変形例Ｂと異なる点を説明する。図２０は、一実施形態における下層加熱の動作を示す模式図である。

実施形態の変形例Ｃにおいて、加熱モジュール２０´における加熱プレート２８は、タップノズル２８´に置き換えられる。タップノズル２８´は、加熱ブロック２５によって加熱される。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、三次元造形物Ｍにおける下層を加熱し加圧する。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、層間で材料が混ざり合うので、造形物の層間の強度が向上する。タップ動作後、吐出ノズル１８からは、タップ動作によって凹んだ下層の表面を埋めるようにフィラメントＦＭを吐出する。下層の凹んだ部分がフィラメントＦＭによって埋められることで、最表面の形状が平滑に仕上がる。

＜＜＜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、上記の実施形態と異なる点を説明する。図２１は、一実施形態における下層加熱の動作を示す模式図である。

実施形態の変形例Ｄにおいて、加熱モジュール２０には、三次元造形物Ｍの側面、すなわちＺ軸に対し平行な面を冷却する側面冷却部３９が設けられている。側面冷却部３９としては、三次元造形物Ｍの側面を冷却可能な冷却源であれば特に限定されないが、ファンが例示される。

外形を維持する処理を行うことなく、三次元造形物Ｍにおける外周部を再加熱すると、外形が崩れ、造形精度が劣化する。そこで、実施形態の変形例Ｄでは、三次元造形物Ｍの側面に冷却風を当てつつ、三次元造形物Ｍの外周部を再加熱することで、造形部の形状を維持しつつ、材料を積層することができる。

＜＜＜実施形態の変形例Ｅ＞＞＞
続いて、実施形態の変形例Ｅについて、上記の実施形態と異なる点を説明する。

下層、あるいは造形空間を加熱しながら造形すると、三次元造形物Ｍにおける加熱部の粘性が下がることで、外形が崩れて、造形精度が失われることがある。一方、下層、あるいは造形空間を加熱せずに造形すると、三次元造形物Ｍの粘性は高くなるが、積層方向の強度の維持が困難となる。そこで、実施形態の変形例Ｅでは、材料構成を偏在させたフィラメントを用いて造形する。

図２２は、材料構成を偏在させたフィラメントの一例を示す断面図である。図２２の（Ａ）の例では、フィラメントＦの両側に高粘性の樹脂Ｒｈが配置され、中心部には低粘性の樹脂Ｒｌが配置されている。

フィラメントＦの両側に配置される高粘性の樹脂Ｒｈとしては、特に限定されないが、アルミナ、カーボンブラック、カーボンファイバー、ガラスファイバー等といったフィラーを配合することで高粘性とした樹脂が例示される。フィラーが所望の機能を阻害する場合は、高粘性の樹脂Ｒｈとして、分子量をコントロールした樹脂を用いてもよい。

フィラメントＦの中心部に配置される低粘性の樹脂Ｒｌとしては、特に限定されないが低分子量グレードである樹脂が例示される。

図２３は、図２２のフィラメントの吐出物の断面図である。図２４は、図２２のフィラメントを用いて造形される造形物の断面図である。図２２の（Ａ）のフィラメントを吐出することで、図２３の（Ａ）の形状の吐出物が得られ、図２４の造形物が得られる。図２４の造形物において、外周部には高粘性の樹脂が配置されるため、必然的に造形物が崩れにくくなる。

図２２の（Ｂ）は、材料構成を偏在させたフィラメントの他の一例を示す。図２２の（Ｂ）のフィラメントを吐出することで、図２３の（Ｂ）の形状の吐出物が得られる。このように、図２２の（Ｂ）のフィラメントを用いても、外周部に粘性の高い樹脂が配置された造形物が得られる。加えて、製造方法の観点でも低粘性樹脂を包み込む本構成の方が、図２３の（Ａ）の構成よりもフィラメントを作りやすいといったメリットもある。

ただし、図２３の（Ｂ）のフィラメントを用いる際は、層の下部も粘性の高い状態となる。粘性の高い樹脂は、粘性の低い樹脂と比較して融点が高い場合が多い。高温で下層を再溶融させたときに、溶融した樹脂が水平方向に移動することを防ぐため、造形物の外周部の加熱を避けることが好ましい。このため、加熱手段としては、小スポットで加熱できるレーザ等が好ましい。

外周部の積層方向密着力を向上させるため、外周部を加熱する場合には、造形物の横から板などを直接当てる形で加熱すると良い。これにより、粘度低下による樹脂の水平方向の移動は規制される。図２５は、規制手段を有する三次元造形装置の一例を示す模式図である。

図２５の例では、三次元造形装置１には、規制手段の一例としてアシスト機構４１が設けられている。ＦＦＦ方式においては、１層の厚みは０.１０〜０.３０ｍｍ程度である。そのため、アシスト機構４１における板はシックネスゲージのような薄い板となる。アシスト機構４１は、吐出モジュール１０、あるいは、吐出モジュール１０に対し間接的に固定されたブラケットに固定される。

アシスト機構４１における板は、常温よりも高い温度に加熱されていることが好ましい。用いる樹脂にもよるが、結晶性樹脂の場合は、常温の板が当たると急冷されることにより、アモルファス化が進行し、所望の強度が得られなくなることがある。

一般的に粘度は、温度およびせん断速度の関数で表される。熱溶解積層法（ＦＦＦ）で用いられるエンプラ(Engineering plastic)、あるいは、スーパーエンプラ等は、温度あるいはせん断速度などの変数に対して非線形挙動を示すので、樹脂の融点Ｔｍ以上でなくても、ＦＦＦ方式で必要なせん断抵抗、すなわち、樹脂の粘度が得られることがある。一方で、Ｔｍ以上の領域において所望のせん断速度(Ｓ.Ｒａｔｅ)における粘度が低すぎる場合はノズルからの液垂れ、フィラメント引き込み（リトラクト動作）時における引き込み不足、それに付随する吐出初期のショートショット、造形物の崩れ等といった課題が生じる。

Ｔｍ以上の所定の温度の樹脂において、一般的には、Ｓ.Ｒａｔｅ＝０、すなわち、非吐出動作時に、当該温度における最も粘度が高い状態となる。この状態でも液垂れするような場合は、フィラーによる樹脂のコンポジット化が、液垂れを防止するための、有効な手段となり得る。樹脂にフィラー添加して、配合比、あるいは、配合するものの粒度/繊維長分布等をコントロールすることで、溶融時のチキソトロピー性が付与され、非吐出動作時には垂れにくく、吐出動作時には粘性の低い状態となる。

下層温度の上昇に付随して生じやすい造形物の崩れにおいても、フィラメントにフィラーを添加する方法は好適である。フィラーの添加によっても、造形精度を保てない場合は、造形物の側面を規制することが好ましい。

＜＜＜実施形態の変形例Ｆ＞＞＞
続いて、実施形態の変形例Ｆについて、上記の実施形態の変形例Ｅと異なる点を説明する。

材料構成を偏在させたフィラメントを用いる場合、造形物の外周部に高粘性の樹脂Ｒｈが配置されるように、吐出モジュール１０へ導入されるフィラメントの方向を規制することが好ましい。

図２６は、フィラメントの方向を規制する処理の一例を示すフロー図である。三次元造形装置１の撮像モジュール１０１は、吐出モジュール１０へ導入されるフィラメントを撮像し、得られた画像データを制御部１００へ送信する。

制御部１００は、撮像モジュール１０１によって送信されたフィラメントの画像データを受信する（ステップＳ２１）。制御部１００は、受信したフィラメントの画像データを解析して回転量を演算する（ステップＳ２２）。回転量の演算方法としては、特に限定されないが、フィラメントＦにおける高粘度の樹脂Ｒｈと低粘度の樹脂Ｒｌとの境界が所定の位置となるように、回転量を決定する方法が例示される。例えば、吐出モジュール１０をＸ軸方向に移動させながらフィラメントを吐出する場合、フィラメントにおける高粘度の樹脂ＲｈをＹ軸の正負方向に偏在させておくことで、造形物における最外殻に高粘性の樹脂が配置される。このため、制御部１００は、樹脂ＲｈがＹ軸の正負方向に偏在した配置となるように、フィラメントの回転量を決定する。

制御部１００は、決定された回転量に基づいて、フィラメントを回転させるための信号をねじり回転機構１０２へ送信する。ねじり回転機構１０２は、信号に基づいてフィラメントを回転させる（ステップＳ２３）。これにより、フィラメントが、所望の方向に規制される。

なお、フィラメントの外側に高粘性の樹脂が配置されると、移送路において、フィラメントの壁部側の流速が極端に遅くなり、高粘性の樹脂が滞留することで、所望の配置でフィラメントを吐出できなくことがある。このため、加熱ブロック２５よりも搬送経路下流側の領域、すなわち融点以上の温度が付与される領域においては、移送路の内壁は耐熱性の高いフッ素等により加工されていることが好ましい。移送路に離形層が形成されることで、溶融樹脂と移送路の内壁との摩擦抵抗が下がり、高粘性の樹脂の滞留は起こりにくくなる。

また、制御部１００は、ねじり回転機構１０２から吐出ノズル１８までの区間の搬送のタイムラグを考慮して、制御の遅れを防ぐためフィードフォワード制御を行うことが好ましい。例えば、制御部１００は、吐出モジュール１０の進行方向が曲がるタイミングで、フィラメントの方向が切り替わるように、ねじり回転機構１０２の駆動を制御する。また、吐出モジュール１０を曲線に進行させる場合も、制御部１００は、タイムラグ考慮して段階的にねじり回転機構１０２の駆動を制御する。

なお、フィラメントが極端にねじられている状態だと、リール４から吐出モジュール１０の導入部までの経路で絡まる恐れがある。この絡まりをほどくのはユーザーにとっては非常に煩雑である。このため、リール４から導入部まではガイドチューブが導入されていることが好ましい。ただし、極端にフィラメントがねじられている場合は、ガイドチューブとフィラメントの摩擦抵抗が高まり、正常にフィラメントが導入されないこともある。また、ガイドチューブの継ぎ手等の内径の狭いオリフィス部において、フィラメントが削られる恐れがある。また、フィラーが配合された強化フィラメント等においては、樹脂特有の柔軟性が失われていることも多い。このようなフィラメントに、ねじり負荷がかけられるとフィラメントが折れて、正常な造形が出来ないことがある。

このため、制御部１００は、フィラメントの累積ねじり量を、例えば、基準角度から±１８０°に規制することが好ましい。

また、例えば図２３のように、吐出物において樹脂が所望の状態に配置されるように、フィラメントを回転させる機構に代えて、吐出モジュール１０の全体を回転可能な機構を用いてもよい。この場合は、熱源１６を制御する熱電対１７や、熱源１６自体の配線、冷却源１３の配線、及び、オーバーヒートプロテクター等の複数の配線系も同時に回転することになるため、フィラメントの回転方向よりも配線の観点では煩雑になる。

＜＜＜実施形態の変形例Ｇ＞＞＞
続いて、実施形態の変形例Ｇについて、上記の実施形態と異なる点を説明する。図２７は、一実施形態における造形および表面処理動作を示す模式図である。

実施形態の変形例Ｇにおいて、三次元造形装置１は、加熱モジュール２０´´を備える。加熱モジュール２０´´は、三次元造形物Ｍを加熱および加圧するホーン３０を有する。三次元造形装置１には、超音波振動装置が設けられている。ホーン３０は、Ｚ軸駆動モータによって三次元造形物Ｍにおける積層面の上方から下方へ移動し、積層面に圧力を印加する。これにより、超音波振動装置によって発生させた超音波の振動を、三次元造形物Ｍに伝達する。三次元造形物Ｍに超音波の振動が伝達されると、三次元造形物Ｍにおける上層Ｌｎおよび下層Ｌｎ−１が溶着して接合する。三次元造形装置１において、ホーン３０の数は、一つに限定されず、適宜選択される。ホーン３０が複数設けられる場合、ホーンの形状は、統一されていなくてもよく、異なる形状のホーンが搭載されていてもよい。

＜＜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）の吐出モジュール１０（吐出手段の一例）は、溶融したフィラメント（造形材料の一例）を吐出して、造形材料層を形成する。三次元造形装置１の加熱モジュール２０（加熱手段の一例）は、形成された造形材料層を加熱する。吐出モジュール１０は、加熱された造形材料層に対し、溶融したフィラメントを吐出することで、造形材料層を積層させて造形する。上記実施形態によると、再溶融し造形材料層（下層）にフィラメントを吐出して造形材料層（上層）を積層させることで、層間の材料が混ざり合うので、造形物における積層方向の強度を向上させることができる。また、上層を積層させる処理により、外形の視認性に影響を与えることなく、造形することができる。

三次元造形装置１の加熱モジュール２０は、造形材料層の所定の領域を選択的に加熱する。これにより、造形物の形状を維持しながら造形することが可能となる。

特に、再加熱する範囲から形状の周縁部を除くことにより、外形乱れの発生が防止される。

さらに、上述した実施形態によれば、下層の再加熱および上層の造形動作中、温度センサ１０４で検出された下層温度の測定値に基づいて、下層の造形材料が溶融しかつ炭化しないような条件で造形パラメータの最適化が行われる。このため、加熱手段による材料層を再溶融させることで、積層方向の強度を増大を図りつつ、造形パラメータの最適化により造形時間を短縮を図ることが可能となる。

さらに、特定の実施形態では、ヘッド移動速度の可変域を設定し、必要に応じて、変更したヘッド移動速度に応じて吐出モジュールの吐出量を変更することで、ヘッド移動速度変更による造形物の品質劣化を防止することができる。

三次元造形装置１の回転ステージＲＳ（搬送手段の一例）は、所定位置に対し異なる方向から加熱可能になるよう加熱モジュール２０を搬送する。これにより、加熱モジュール２０は、吐出モジュール１０の移動に追随して、造形材料層を加熱することが可能となる。

三次元造形装置１は、加熱モジュール２０によって加熱される造形材料層の温度を測定する温度センサ１０４（測定手段の一例）を備える。加熱モジュール２０は、温度センサ１０４によって測定された温度に基づいて、造形材料層を加熱する。これにより、三次元造形装置１は、層間の接着強度あるいは造形精度などの所望の特性に応じて、適切に造形材料層を再加熱することができる。

加熱モジュール２０は、レーザ光を照射するレーザ光源２１（源照射装置の一例）であってもよい。これにより、加熱モジュール２０は、造形物に接触することなく、選択的に造形物を加熱することができる。

加熱モジュール２０は、加熱した空気を送風する温風源（送風手段の一例）であってもよい。これにより、加熱モジュール２０は、造形物に接触することなく、造形物を選択的に加熱することができる。

加熱モジュール２０´は、造形材料層に接触して加熱する加熱プレート２８またはタップノズル２８´（部材の一例）であってもよい。これにより、加熱モジュール２０´は、造形物を選択的に加熱することができる。

三次元造形装置１は、複数の加熱モジュール２０を備えていてもよい。これにより、吐出モジュール１０の走査方向が変わっても、いずれかの加熱モジュール２０により造形物を加熱できるようになるので、造形時間が短縮される。

三次元造形装置１の側面冷却部３９（冷却手段の一例）は、造形材料により形成される造形物の外周部を冷却する。これにより、三次元造形装置１は、造形物の形状を維持したまま造形することができる。

フィラメントには、粘度の異なる複数の材料が配置されている。これにより、吐出モジュール１０は、制御部１００による制御に基づいて、外周部により粘度の低い材料が配置されるように、フィラメントを吐出することが可能となる。

三次元造形装置１のアシスト機構４１（支持部材の一例）は、形成された造形材料層を支持する。これにより、形成された造形材料層の形状を維持しながら造形することが可能となる。

１ 三次元造形装置
３ 造形テーブル
１０ 吐出モジュール
１８ 吐出ノズル
２０、２０´、２０´´ 加熱モジュール
２１ レーザ光源
２８ 加熱プレート
２８´ タップノズル
３７ クリーニングブラシ
３８ ダストボックス
３９ 側面冷却部
４１ アシスト機構
１００ 制御部
１１０ 加熱制御部
１２０ 造形制御部
１２２ ヘッド駆動制御部
１２４ 吐出量制御部
１３０ 造形パラメータ変更部
ＲＳ 回転ステージ

特開２００５−３３５３８０号公報

Claims (13)

1. 造形材料で形成された第１の造形材料層を加熱する加熱手段と、
   前記第１の造形材料層の温度を検出する温度検出手段と、
   加熱された前記第１の造形材料層に対し、溶融した造形材料を吐出して、第２の造形材料層を積層する吐出手段と、
   前記第２の造形材料層の造形に際し、前記温度検出手段により検出された温度に基づいて、造形パラメータを変更する変更手段と
   を有する、造形装置。
2. 前記造形パラメータは、前記吐出手段の面内の移動速度を含む、請求項１に記載の造形装置。
3. 前記変更手段は、前記温度検出手段により検出される温度が所定の温度範囲となるように、前記吐出手段の前記面内の移動速度を変更する、請求項２に記載の造形装置。
4. 前記所定の温度範囲は、少なくとも溶融した造形材料に接した前記第１の造形材料層の造形材料の温度が前記造形材料が溶融する温度以上となるような温度を下限とし、かつ、前記造形材料が炭化する温度を上限とした温度範囲である、請求項３に記載の造形装置。
5. 前記変更手段は、前記吐出手段の前記面内の移動速度を、所定の上限移動速度の未満に制限することを特徴とする、請求項２〜４のいずれか１項に記載の造形装置。
6. 前記造形パラメータは、さらに、前記吐出手段の吐出量を含み、前記吐出手段の前記吐出量は、前記移動速度に応じて変更される、請求項２〜５のいずれか１項に記載の造形装置。
7. 前記変更手段は、前記吐出手段の面内の移動速度が所定の閾値移動速度を超えた場合に、前記吐出量を変更する、請求項６に記載の造形装置。
8. 前記変更手段は、前記温度検出手段により検出される温度が所定の下限を下回る場合に、前記加熱手段による加熱量を変更する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の造形装置。
9. 前記温度検出手段は、前記第１の造形材料層の表面の温度を検出することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の造形装置。
10. 前記温度検出手段は、前記吐出手段の移動に伴った前記加熱手段が加熱している部分の移動に追従し、前記第１の造形材料層の表面上の前記加熱手段により加熱される部分を含む領域の温度を検出するよう構成されている、請求項１〜９のいずれか１項に記載の造形装置。
11. 前記加熱手段は、レーザ光を照射する照射装置である、請求項１０に記載の造形装置。
12. 造形装置が実行する造形方法であって、
    前記造形装置が、造形材料で形成された第１の造形材料層を準備するステップと、
    前記造形装置が、前記第１の造形材料層を加熱するステップと、
    前記第１の造形材料層の温度を検出するステップと、
    前記造形装置が、前記加熱するステップで加熱された前記第１の造形材料層に対し、溶融した造形材料を吐出して、第２の造形材料層を積層するステップと
    を含み、前記積層するステップは、前記造形装置が、前記検出するステップで検出された温度に基づいて、造形パラメータを変更するステップを含む、造形方法。
13. 造形材料で形成された第１の造形材料層を加熱する加熱手段と、
    前記第１の造形材料層の温度を検出する温度検出手段と、
    加熱された第１の造形材料層に対し、溶融した造形材料を吐出して、第２の造形材料層を積層する吐出手段と、
    前記第２の造形材料層の造形に際し、前記温度検出手段により検出された温度に基づいて、造形パラメータを変更する変更手段と
    を有する、造形システム。