JP2020006681A - 三次元造形装置及び三次元造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の方向へ強度を高めて物体の造形が行える三次元造形装置及び三次元造形方法を提供する。【解決手段】ヘッド２から造形材料を吐出し、ヘッド２の下方に設けられるテーブル３の上に造形材料を堆積させて三次元の物体Ｏを造形する三次元造形装置であって、少なくともヘッド２をテーブル３に対し直交三軸の各方向へ相対的に移動可能とする第一機構部４と、少なくともテーブル３の上面と平行な方向に向けた回転軸線Ａ１を中心にテーブル３を回転可能とする第二機構部５とを備えて構成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、三次元の物体を造形する三次元造形装置及び三次元造形方法に関する。

従来、三次元造形装置及び三次元造形方法として、例えば、特表２０１６−５１８２６７号公報に記載されるように、加熱した材料をヘッドから吐出し、材料をプレート上に堆積させて三次元の物体を造形する装置が知られている。この装置では、造形する物体の形状に応じてヘッドを移動させて材料を堆積していくことにより、物体の造形が行われる。

特表２０１６−５１８２６７号公報

しかしながら、このような装置にあっては、所望の強度を有する物体を造形することが困難な場合がある。例えば、この種の装置にあっては、一般的に、物体を造形するにあたり、ヘッドを水平方向に往復移動させて物体の断面を形成し、それを上方へ順次堆積させていくことによって物体を造形する。このとき、物体を強化したい方向が水平方向でない場合、物体を所望の強度で造形することが難しい。例えば、図１３に示すように、ヘッドを水平方向へ往復移動させて、物体１００の下方から順次材料を堆積させて造形する場合、水平方向へ材料が連なって造形が行われることとなる。この場合、物体１００において、水平方向への強度が高くなるが、鉛直方向の強度が低くなる。すなわち、物体１００は、中央位置で上方へ突き出す二つ突出部１０１、１０１を有しているが、鉛直方向Ｄ１への引張強度が低く、また斜め上下の方向Ｄ２への引張強度も低くなる。

そこで、所望の方向へ強度を高めて物体の造形が行える三次元造形装置及び三次元造形方法の開発が望まれている。

本開示の一態様に係る三次元造形装置は、ヘッドから造形材料を吐出し、ヘッドの下方に設けられるテーブルの上に造形材料を堆積させて、三次元の物体を造形する三次元造形装置において、ヘッドとテーブルを直交三軸の各方向へ相対的に移動可能とする第一機構部と、少なくともテーブルの上面と平行な方向に向けた回転軸線を中心にテーブルを回転可能とする第二機構部とを備えて構成されている。この三次元造形装置によれば、テーブルの上面と平行な方向に向けた回転軸線を中心にテーブルを回転可能とする第二機構部を備えることにより、テーブルの上面と平行な方向に向けた回転軸線を中心にテーブルを回転させてテーブルを傾けることができる。このため、造形中の物体の姿勢を変えることが可能となる。従って、物体の強化したい方向に沿ってヘッドを移動させて造形材料を強化したい方向に連ねて付着させることができる。従って、所望の方向へ強度を高めて物体を造形することができる。

また、本開示の一態様に係る三次元造形装置において、第一機構部は、ヘッドをテーブルに対し直交三軸の各方向へ移動可能としてもよい。この場合、テーブルに対してヘッドを移動させて所望の物体を造形することができる。

また、本開示の一態様に係る三次元造形装置において、第二機構部は、テーブルの上面と垂直な方向に向けた回転軸線を中心にテーブルを回転可能としてもよい。この場合、垂直な方向に向けた回転軸線を中心にテーブルを回転可能とすることにより、テーブル上の物体の向きを容易に変えることができ、所望の方向へ強度を高めた物体の造形が容易に行える。

また、本開示の一態様に係る三次元造形装置において、テーブルは、物体の形状に応じて形成され物体を支持する支持部材を有し、第一機構部及び第二機構部の作動を調整し、造形材料が支持部材の表面に対し垂直に吐出されるようにヘッド及びテーブルの一方又は双方の姿勢を制御し、ヘッドが支持部材の表面に沿うようにヘッドとテーブルを相対的に移動させ、支持部材の上に造形材料を堆積させる制御部を備えていてもよい。この場合、支持部材が物体の形状に応じて形成されているため、支持部材の上に造形材料を堆積することにより物体の造形が行える。このとき、支持部材の表面に沿って造形材料を堆積させていくことにより、物体の表面の所望の方向に向けて物体の強度を高めることができる。

また、本開示の一態様に係る三次元造形装置において、支持部材は、法線方向の異なる複数の表面を有し、制御部は、ヘッドが複数の表面に沿うようにヘッドとテーブルを相対的に移動させ、複数の表面の上に造形材料を堆積させてもよい。この場合、支持部材の法線方向の異なる複数の表面にヘッドが沿うようにヘッドとテーブルを相対的に移動させて複数の表面の上の所望の方向に向けて造形材料を堆積させることができる。このため、物体の表面の所望の方向に向けて物体の強度を高めることができる。

また、本開示の一態様に係る三次元造形装置において、制御部は、ヘッドと支持部材の間を所定の間隔に維持しつつ、ヘッドが支持部材の表面に沿うようにヘッドとテーブルを相対的に移動させてもよい。この場合、ヘッドとテーブルの間を所定の間隔に維持しつつ、ヘッドが支持部材の表面に沿うようにヘッドとテーブルを相対的に移動させることにより、造形材料を支持部材の上に適切に堆積させることができる。

また、本開示の一態様に係る三次元造形装置において、制御部は、ヘッドから吐出される造形材料の吐出方向が支持部材の表面の法線方向となるようにして、ヘッドとテーブルを相対的に移動させてもよい。この場合、ヘッドから吐出される造形材料の吐出方向が支持部材の表面の法線方向となるようにしてヘッドとテーブルを相対的に移動させることにより、支持部材の表面に造形材料を的確に堆積させることができる。

また、本開示の一態様に係る三次元造形装置において、造形材料は、繊維強化プラスチックを含む材料であってもよい。この場合、造形材料として繊維強化プラスチックを含む材料を用いることにより、造形材料を連ねて付着させる方向に繊維強化プラスチックを配向させることができる。このため、所望の方向の強度を高めて物体の造形が行える。

本開示の一態様に係る三次元造形方法は、ヘッドから造形材料を吐出し、ヘッドの下方に設けられるテーブルの上に造形材料を堆積させて、三次元の物体を造形する三次元造形方法において、テーブルの上面と平行な方向に向けた回転軸線を中心にテーブルを回転させる回転工程と、テーブルの上に造形材料を堆積させて物体を造形する造形工程とを含んで構成されている。この三次元造形方法によれば、テーブルの上面と平行な方向に向けた回転軸線を中心にテーブルを回転させることにより、テーブルを傾けることができ、造形中の物体の姿勢を変えることができる。従って、物体に対し強化したい方向に沿ってヘッドを移動させて造形材料を堆積させやすくなる。従って、所望の方向へ強度を高めて物体の造形が行える。

また、本開示の一態様に係る三次元造形方法において、テーブルは、物体の形状に応じて形成され物体を支持する支持部材を有し、回転工程は、造形材料が支持部材の表面に対し垂直に吐出されるようにテーブルを回転させ、造形工程は、ヘッドが支持部材の表面に沿うようにヘッドとテーブルを相対的に移動させて支持部材の上に造形材料を堆積させてもよい。この場合、支持部材が物体の形状に応じて形成されているため、支持部材の上に造形材料を堆積することにより物体の造形が行える。このとき、支持部材の表面に沿って造形材料を堆積させていくことにより、物体の表面の所望の方向に向けて物体の強度を高めることができる。

また、本開示の一態様に係る三次元造形方法において、造形工程は、ヘッドから鉛直方向の下側に向けて造形材料を吐出し、支持部材の第一表面の第一付着点に造形材料を付着させる付着工程と、ヘッドから造形材料を吐出させながら、ヘッドとテーブルを相対的に移動させて支持部材の上に連続的に造形材料を堆積させる堆積工程とを含み、堆積工程は、第一付着点から支持部材の第一表面と法線方向の異なる第二表面の第二付着点に至るまで、造形材料を堆積させてもよい。この場合、支持部材における法線方向の異なる表面に対し連続して造形材料を堆積させて、円滑に物体を造形することができる。

本開示によれば、所望の方向へ強度を高めて物体の造形を行うことができる。

本発明の第一実施形態に係る三次元造形装置の構成概要図である。 図１の三次元造形装置における第二機構部の説明図である。 図１の三次元造形装置の動作及び第一実施形態に係る三次元造形方法を示すフローチャートである。 図１の三次元造形装置における物体の造形の説明図である。 図１の三次元造形装置及び本実施形態に係る三次元造形方法により造形可能な物体の説明図である。 第二実施形態に係る三次元造形装置の構成概要図である。 図６の三次元造形装置においるロボットアームの説明図である。 図６の三次元造形装置における造形動作の説明図である。 図６の三次元造形装置の動作及び第二実施形態に係る三次元造形方法を示すフローチャートである。 図６の三次元造形装置における造形動作の説明図である。 図６の三次元造形装置及び第二実施形態に係る三次元造形方法を用いて造形された物体を示した図である。 比較例の物体を示した図である。 背景技術の説明図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

（第一実施形態）
図１は、本発明の第一実施形態に係る三次元造形装置の構成概要図である。三次元造形装置１は、ヘッド２から造形材料を吐出し、ヘッド２の下方に設けられるテーブル３（ステージ）の上に造形材料を堆積させて、三次元の物体を造形する装置である。本実施形態の三次元造形装置１は、いわゆる熱溶解積層（ＦＤＭ：Fused Deposition Modeling）方式のＡＭ（Additive Manufacturing）装置に適用したものである。つまり、三次元造形装置１では、ヘッド２から加熱した造形材料が押し出され、テーブル３上に造形材料を堆積（積層又は付着）させて、物体が造形される。造形材料としては、例えば繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Fiber-Reinforced Plastics）を含む材料が用いられる。具体的には、造形材料は、繊維強化プラスチックと樹脂を含む材料とされる。この場合、ヘッド２の移動方向に繊維の方向が向けられて造形材料が配置されることとなる。繊維強化プラスチックとしては、ガラス繊維やカーボン繊維などを用いたものが含まれる。また、繊維強化プラスチックとしては、不連続繊維や連続繊維を用いたものが含まれる。また、造形材料としては、繊維強化プラスチック以外の材料を用いてもよい。例えば、造形材料として、ＦＤＭ方式で造形可能な樹脂（例えば、ナイロン、ＡＢＳ、ＰＣ、ＰＥＥＫ、ＰＥＩ）などを用いてもよい。

ヘッド２は、加熱した造形材料を吐出してテーブル３上へ供給する部位である。ヘッド２の下面には、吐出口２１が形成されている。吐出口２１は、造形材料を吐出する開口である。この吐出口２１は、例えばヘッド２の下面に設けられるノズルの先端に形成される。ヘッド２内には、ヒータ（図示なし）が設けられており、外部から供給される造形材料をヒータにより加熱する。ヘッド２は、テーブル３に対し相対移動可能に設けられている。ヘッド２は、吐出口２１が真下を向くように設けられている。つまり、造形材料が重力方向（鉛直方向）に向けて吐出されるようにヘッド２が設けられている。このため、造形材料の吐出及び堆積を安定して行うことができ、造形品質を均一にできる。従って、高品質な造形が可能となる。なお、造形材料がほぼ鉛直方向に向けて吐出されるようにヘッド２が設けられていてもよい。また、ヘッド２は、造形状況などに応じて、ヘッド２の吐出方向が鉛直方向以外の方向（例えば水平方向）となるように構成されていてもよい。テーブル３は、造形を行うための台部材であり、例えば平板状の部材が用いられる。テーブル３は、ヘッド２から吐出される造形材料及び造形中の物体を支持する。なお、テーブル３は、造形材料及び造形中の物体を支持するステージであってもよく、またステージ上に設置されるプレートであってもよい。

また、テーブル３には、サポート部材３１が設けられていてもよい（図４参照）。サポート部材３１は、造形する物体Ｏを支持する支持部材であって、物体Ｏの形状に応じて形成される。サポート部材３１の上に造形材料を堆積することにより物体Ｏの造形が行える。このとき、サポート部材３１の表面に沿って造形材料を堆積させていくことにより、物体Ｏの表面に沿って物体Ｏの強度を高める造形を行うことができる。つまり、物体Ｏの表面において、強度を高めたい方向に対し任意に強度を高めて造形を行うことができる。また、テーブル３の表面を物体Ｏの形状に応じた形状としてサポート部材３１として機能させてもよい。

図１において、三次元造形装置１は、第一機構部４を備えている。第一機構部４は、ヘッド２をテーブル３に対し直交三軸の各方向へ相対的に移動可能とする機構である。例えば、第一機構部４は、テーブル３に対しヘッド２を直交する三軸の各方向へ移動可能に構成される。第一機構部４は、ベース部材８１上に設けられる枠体８２に取り付けられている。ベース部材８１は、平板状の部材である。枠体８２は、例えば直方体を形成する枠体であって、ベース部材８１上に四つの柱部材８２ａを立設し、柱部材８２ａの上端の間にそれぞれ梁部材８２ｂを架設して構成されている。

第一機構部４は、スライダ４１を備えている。スライダ４１は、テーブル３の前後方向（Ｘ軸方向）に移動する部材である。例えば、スライダ４１として、横向きに配置された長尺状の部材が用いられる。このスライダ４１は、枠体８２において平行に設けられる二つの梁部材８２ｂの間に架設され、それらの梁部材８２ｂの長手方向に沿って移動可能に設けられている。梁部材８２ｂの長手方向に沿ってレールを形成し、そのレールに沿ってスライダ４１を移動可能とし、図示しないアクチュエータの駆動によりスライダ４１が移動する。

第一機構部４は、ポール４２を備えている。ポール４２は、テーブル３の左右方向（Ｙ軸方向）に移動する部材である。例えば、ポール４２は、スライダ４１に取り付けられ、スライダ４１の長手方向（Ｙ軸方向）へ移動可能に設けられている。スライダ４１の長手方向に沿ってレールを形成し、そのレールに沿ってポール４２を移動可能とし、図示しないアクチュエータの駆動によりポール４２が移動する。

ポール４２には、可動部材４３が取り付けられている。可動部材４３は、テーブル３の上下方向（Ｚ軸方向）に移動する部材である。例えば、可動部材４３は、ポール４２に取り付けられ、ポール４２の長手方向（Ｚ軸方向）へ移動可能に設けられている。ポール４２に対し可動部材４３が摺動可能に取り付けられ、図示しないアクチュエータの駆動により可動部材４３が移動する。

可動部材４３には、ヘッド２が取り付けられている。ヘッド２は可動部材４３と一体に移動する。このため、ヘッド２は、第一機構部４の作動により、テーブル３に対し直交三軸の各方向へ移動可能となっている。なお、第一機構部４としては、ヘッド２をテーブル３に対し直交三軸の各方向へ相対的に移動可能とする機構であれば、上述した機構以外の機構により構成されていてもよい。また、第一機構部４は、ヘッド２をテーブル３に対し直交三軸の各方向へ相対的に移動のほか、異なる向きの回転軸線を中心に回転させる機構であってもよい。

三次元造形装置１は、第二機構部５を備えている。図２は、第二機構部５の概要を示す斜視図である。第二機構部５は、テーブル３を回転させる機構である。例えば、図２に示すように、第二機構部５は、テーブル３の上面と平行な方向（例えば、水平方向）に向けた回転軸線Ａ１を中心にテーブル３を回転可能とし、かつ、テーブル３の上面と垂直な方向に向けた回転軸線Ａ２を中心にテーブル３を回転可能に構成されている。第二機構部５は、第一アクチュエータ５１及び第二アクチュエータ５２を備えている。第一アクチュエータ５１は、テーブル３の上面と平行な方向に向けた回転軸線Ａ１を中心にテーブル３を回転させる。例えば、第一アクチュエータ５１は、モータ及び歯車などにより構成され、回転軸線Ａ１を中心に第二アクチュエータ５２及びテーブル３を回転可能に設けられる。

第二アクチュエータ５２は、ベース部材８１（図１参照）に取り付けられる支持体５３に対し回転軸線Ａ１を中心に回転可能に設けられている。そして、第一アクチュエータ５１の作動により、第二アクチュエータ５２に回転力が加えられることにより、第二アクチュエータ５２及びテーブル３が回転軸線Ａ１を中心に回転する。なお、図２においては、回転軸線Ａ１は、水平方向に向けられている。

テーブル３は、第二アクチュエータ５２に対し回転軸線Ａ２を中心に回転可能に取り付けられている。例えば、第二アクチュエータ５２は、モータ及び歯車などにより構成され、回転軸線Ａ２を中心にテーブル３を回転可能に設けられる。

テーブル３は、第二機構部５の第一アクチュエータ５１及び第二アクチュエータ５２の作動により、回転軸線Ａ１及び回転軸線Ａ２を中心に回転可能とされる。回転軸線Ａ１を中心とするテーブル３の回転により、テーブル３を傾けることができ、造形中の物体の姿勢を変えることが可能となる。また、回転軸線Ａ２を中心とするテーブル３の回転により、テーブル３が自転し、造形中の物体の向きを変えることが可能となる。なお、第二機構部５としては、テーブル３を回転軸線Ａ１及び回転軸線Ａ２を中心に回転可能とする機構であれば、上述した機構以外の機構により構成されていてもよい。また、第二機構部５は、三つの回転軸線を中心にテーブル３を回転させる機構であってもよい。

図１において、三次元造形装置１には、制御部６及びＨＭＩ（Human Machine Interface）７を備えている。制御部６は、三次元造形装置１の作動制御を行う電子制御ユニットであり、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むコンピュータを含んで構成される。制御部６は、第一機構部４と電気的に接続され、第一機構部４の作動を制御する。例えば、制御部６は、第一機構部４に対し制御信号を出力して第一機構部４を作動させ、物体の造形に応じてヘッド２を移動させる。また、制御部６は、第二機構部５と電気的に接続され、第二機構部５の作動を制御する。例えば、制御部６は、第二機構部５に対し制御信号を出力して第二機構部５を作動させ、物体の造形に応じてテーブル３を回転させる。また、制御部６は、図示しない材料供給器に電気的に接続され、ヘッド２に対し造形材料の供給調整を行い、ヘッド２の造形材料の吐出制御を行う。

制御部６は、物体の造形データを記憶する。例えば、制御部６は、造形すべき物体の三次元ＣＡＤ（Computer-Aided Design）データを記憶している。そして、制御部６は、物体の形状に応じてヘッド２の位置、テーブル３の回転状態及び造形材料の吐出量などが設定される。造形時におけるヘッド２の位置データは、ヘッド２の移動軌跡データとして設定されてもよい。

ＨＭＩ７は、三次元造形装置１に対する入出力機器であり、例えば操作ボタン、キーボード、マウスなど操作入力やデータ入力を行う入力部、スピーカやモニタなど出力部などが該当する。このＨＭＩ７は、制御部６と一体に構成されていてもよい。

次に、本実施形態に係る三次元造形装置１の動作及び三次元造形方法について説明する。

図３は、三次元造形装置１の動作及び三次元造形方法を示すフローチャートである。図３における制御処理は、例えば制御部６により実行される。まず、図３のステップＳ１（以下、単にＳ１という。以降のステップも同様とする。）において、データの設定処理が行われる。この設定処理は、造形すべき物体の形状データを記憶し、物体の形状に応じて造形時におけるヘッド２の位置データ（造形材料の堆積軌跡データ）及びテーブル３の回転データの設定などを行う処理である。

そして、Ｓ２に処理が移行し、動作指示の処理が行われる。この処理は、造形に関する動作を指示する処理である。例えば、制御部６は、物体を造形するにあたり、必要な動作のデータを読み込み、ヘッド２、第一機構部４及び第二機構部５などに制御信号を出力する。

そして、Ｓ３及びＳ４に処理が移行し、テーブル３の回転処理及び物体の造形処理が行われる。Ｓ３におけるテーブル３の回転処理は、物体の造形におけるテーブル３の回転制御を行う処理であり、回転軸線Ａ１及び回転軸線Ａ２を中心とするテーブル３の回転を行う。例えば、制御部６から第二機構部５に制御信号が出力され、第二機構部５の作動によりテーブル３が回転する。

Ｓ４における物体の造形処理は、テーブル３に対するヘッド２の移動制御及びヘッド２からの造形材料の吐出制御を行う処理である。例えば、制御部６から第一機構部４に制御信号が出力され、第一機構部４の作動によりヘッド２が移動する。また、制御部６からの制御信号に従ってヘッド２から加熱された造形材料が吐出される。なお、図３では、テーブル３の回転処理及び物体の造形処理が別のステップとして示されているが、同一のステップの処理として実行されてもよい。

図４は、物体Ｏの造形状況を示した図である。つまり、図４は、Ｓ３の回転処理及びＳ４の造形処理の実行により、テーブル３上に物体Ｏが造形されていく様子を示したものである。図４において、テーブル３には台形状のサポート部材３１が設けられ、物体Ｏの中央部分はサポート部材３１の上に造形される。すなわち、制御部６は、第一機構部４及び第二機構部５の作動を調整し、造形材料がサポート部材３１の表面に対し垂直に吐出されるようにヘッド２及びテーブル３の一方又は双方の位置及び姿勢を制御し、サポート部材３１の表面に沿ってヘッド２とテーブル３を相対的に移動させてサポート部材３１の上に造形材料を堆積させて物体Ｏを造形させる。

図４の（ａ）に示すように、物体Ｏについてテーブル３の上面と平行な領域を造形する場合には、その平行な領域が水平に向くようにテーブル３を回転させる。これにより、吐出口２１を真下に向けた状態でヘッド２を水平に移動させて物体Ｏの造形が行える。すなわち、ヘッド２を物体Ｏの造形する領域に沿って移動させつつ、吐出口２１から加熱した造形材料を吐出することにより、造形する領域に対し造形材料を連ねて堆積させることができる。

また、図４の（ｂ）に示すように、物体Ｏについてテーブル３の上面に対し斜めに傾いた領域を造形する場合には、斜めに傾いた領域が水平になるようにテーブル３を回転させる。これにより、吐出口２１を真下に向けた状態でヘッド２を水平に移動させて物体Ｏの造形が行える。

また、図４の（ｃ）に示すように、物体Ｏについてテーブル３の上面に対し垂直となる領域を造形する場合には、その垂直となる領域が水平になるようにテーブル３を回転させる。これにより、吐出口２１を真下に向けた状態でヘッド２を水平に移動させて物体Ｏの造形が行える。

また、図４の（ｄ）に示すように、物体Ｏについてテーブル３の上面と平行な領域を造形する場合には、その平行な領域が水平になるようにテーブル３を回転させる。これにより、吐出口２１を真下に向けた状態でヘッド２を水平に移動させて物体Ｏの造形が行える。

このように、図３のＳ３の回転処理及びＳ４の造形処理において、テーブル３を回転させて物体Ｏの向き及び姿勢を調整して造形材料の付設を行うことにより、吐出口２１を真下に向けた状態でヘッド２を水平に移動させて、物体Ｏに対し所望の方向に造形材料を連ねて付着させて物体Ｏの造形が行える。このため、所望の方向へ強度を高めて物体の造形が行えるのである。

例えば、仮に、ヘッド２の吐出口２１が真下を向いた状態であっても、物体Ｏの造形する領域が平行でない状態であると、ヘッド２の吐出口２１を造形する領域に近づけることが難しい。すなわち、ヘッド２を造形する領域に近づけようとすると、ヘッド２の下面２２の端部が造形する領域に接触してしまう。このため、ヘッド２を造形する領域から離して造形材料を吐出しなければならず、造形材料を所望の位置へ堆積させることが難しい。従って、造形精度が低くなる。

また、この場合に、ヘッド２の吐出口２１の開口が物体Ｏの造形する領域に対し平行となるように、造形する領域の傾きに応じてヘッド２を傾けて造形することも考えられる。例えば、ヘッド２の移動機構としてロボットアームなどを用いる場合である。しかしながら、この場合、吐出口２１が真下を向いていないため、吐出口２１から吐出される造形材料を所望の位置へ正確に堆積させることが難しい。従って、物体の造形精度が低くなってしまう。

これに対し、本実施形態に係る三次元造形装置１及び三次元造形方法では、第二機構部５の作動によりテーブル３を傾かせ、物体Ｏの姿勢を変えることができる。このため、吐出口２１を下方に向けた状態でヘッド２を水平に移動させて、物体Ｏに対し所望の方向に連ねて造形材料を付着させて物体Ｏの造形が行える。従って、図５に示すように、所望の方向へ強度を高めて物体Ｏの造形が行えるのである。図５において、物体Ｏに示される実線は、造形材料を連ねて付着させる方向を示している。特に、造形材料として、繊維強化プラスチックを含む材料を用いる場合に有効である。この場合、造形材料を連ねて付着させる方向に繊維強化プラスチックを配向させることができるため、所望の方向の強度を高めて物体Ｏの造形が行える。

そして、図３のＳ５に処理が移行し、物体Ｏの造形が終了したか否かが判定される。例えば、予め設定された造形材料の堆積軌跡データに従って物体Ｏの造形動作が完了したか否かによって物体Ｏの造形が終了したか否かが判定される。Ｓ５において、物体Ｏの造形が終了していないと判定された場合、Ｓ３及びＳ４に戻り、テーブルの回転処理及び造形処理が行われる。一方、Ｓ５において、物体Ｏの造形が終了したと判定された場合、図３に示される一連の制御処理を終了する。

以上説明したように、本実施形態に係る三次元造形装置１及び三次元造形方法によれば、テーブル３の上面と平行な方向に向けた回転軸線Ａ１を中心にテーブル３を回転可能とすることにより、回転軸線Ａ１を中心にテーブル３を回転させてテーブル３を傾けることができる。このため、造形中の物体Ｏの姿勢を変えることが可能となる。従って、物体Ｏに対し強化したい方向に沿ってヘッド２を移動させやすくなり、所望の方向へ強度を高めて物体Ｏを造形することができる。

また、本実施形態に係る三次元造形装置１及び三次元造形方法によれば、テーブル３の上面と平行な方向に向けた回転軸線Ａ１を中心にテーブル３を回転可能とすることにより、回転軸線Ａ１を中心にテーブル３を回転させて物体Ｏの姿勢を調整することができる。このため、吐出口２１を真下に向けた状態でヘッド２を水平に移動させて、物体Ｏに対し所望の方向に連ねて造形材料を付着させて物体Ｏの造形が行える。従って、所望の方向へ強度を高めて物体Ｏの造形が行える。

また、本実施形態に係る三次元造形装置１及び三次元造形方法によれば、テーブル３の上面と垂直な方向に向けた回転軸線Ａ２を中心にテーブル３を回転可能とすることにより、回転軸線Ａ２を中心にテーブル３を回転させて物体Ｏの向きを容易に変えることができる。このため、所望の方向へ強度を高めた物体Ｏの造形が容易に行える。

また、本実施形態に係る三次元造形装置１及び三次元造形方法において、テーブル３が互いに直交する回転軸線Ａ１及び回転軸線Ａ２を中心に回転可能とすることにより、複雑な形状の物体の造形が行える。例えば、仮に、回転軸線Ａ２を中心にテーブル３を回転可能とし、回転軸線Ａ１を中心にテーブル３上の物体を自転させて造形を行おうとすると、複雑な形状の物体を造形することが困難である。具体的には、図６に示すような物体１００において、突出部１０１の傾斜面を水平方向に向けるように物体１００の姿勢を調整し、かつ、左右に延びて傾斜する部分の上面を水平方向に向けるように物体１００の姿勢を調整することは困難である。このため、物体１００のような複雑な形状の物に対し所望の方向へ強度を高めて造形することが困難である。これに対し、本実施形態に係る三次元造形装置１及び三次元造形方法では、テーブル３が互いに直交する回転軸線Ａ１及び回転軸線Ａ２を中心に回転可能とすることにより、物体Ｏの向き及び姿勢を容易に調整することができ、複雑な形状の物体の造形が行えるのである。

また、本実施形態に係る三次元造形装置１及び三次元造形方法において、造形材料として繊維強化プラスチックを含む材料を用いることにより、造形材料を連ねて付着させる方向に繊維強化プラスチックを配向させることができる。このため、所望の方向の強度を高めて物体Ｏの造形が行いやすくなる。

（第二実施形態）
次に、第二実施形態に係る三次元造形装置１ａ及び三次元造形方法について説明する。

図６は、第二実施形態に係る三次元造形装置の構成概要図である。本実施形態に係る三次元造形装置１ａは、上述した第一実施形態に係る三次元造形装置１と同様に熱溶解積層方式の造形装置である。この三次元造形装置１ａは、ヘッド２の位置が固定されており、テーブル３が移動し姿勢を変えてテーブル３上に物体を造形する点で、第一実施形態に係る三次元造形装置１と異なっている。

ヘッド２は、枠体８３に取り付けられている。枠体８３は、ベース部材８１上に設けられ、ヘッド２をベース部材８１の上方に配置させている。例えば、枠体８３は、二つの柱部材８３ａの上部に梁部材８３ｂを架設して構成されている。ヘッド２は、梁部材８３ｂに固定されている。

三次元造形装置１ａは、ロボットアーム９を備えている。ロボットアーム９は、ヘッド２とテーブル３を直交三軸の各方向へ相対的に移動可能とする第一機構部として機能する。また、ロボットアーム９は、テーブル３の上面と平行な方向に向けた回転軸線を中心にテーブル３を回転可能とする共に、テーブル３の上面と垂直な方向に向けた回転軸線を中心にテーブルを回転可能とする第二機構部として機能する。ロボットアーム９は、ベース部材８１に取り付けられ、先端にテーブル３を設けて構成されている。このロボットアーム９は、制御部６の制御信号に従って作動する。

図７は、ロボットアーム９の構成概要図である。ロボットアーム９は、例えば六自由度で動作するものが用いられ、ヘッド２に対しテーブル３の位置及び姿勢（向き）を変更可能に設けられている。具体的には、ロボットアーム９は、複数のリンク部９１〜９４及び複数の関節部９５〜９７を有し、テーブル３の位置及び姿勢を変更可能に構成されている。リンク部９１〜９４は、軸方向に延びる棒状の部材である。リンク部９１は鉛直方向に向けられ、その基端側がベース部材８１の上面に取り付けられている。リンク部９１は、このリンク部９１の軸線を中心に回転可能に構成されている。リンク部９１の先端側には、関節部９５を介してリンク部９２が取り付けられている。関節部９５は、水平方向の軸線を中心に回転可能に構成されている。関節部９５の回転動作により、リンク部９２が関節部９５の回転軸を中心に回転する。

リンク部９２の先端側には、関節部９６を介してリンク部９３が取り付けられている。関節部９６は、水平方向の軸線を中心に回転可能に構成されている。関節部９６の回転動作により、リンク部９３が関節部９６の回転軸を中心に回転する。リンク部９３は、このリンク部９３の軸線を中心に回転可能に構成されている。リンク部９３の先端側には、関節部９７を介してリンク部９４が取り付けられている。関節部９７は、水平方向の軸線を中心に回転可能に構成されている。関節部９７の回転動作により、リンク部９４が関節部９７の回転軸を中心に回転する。リンク部９４は、このリンク部９４の軸線を中心に回転可能に構成されている。

リンク部９４の先端側には、テーブル３が取り付けられている。テーブル３は、造形材料を堆積させて物体Ｏを造形させる部位である。テーブル３の上面は、物体Ｏの形状に応じた形状とされ、サポート部材として機能する。つまり、テーブル３は、平板の上面にサポート部材を一体化させて構成され、物体Ｏの形状に応じた表面形状を有している。例えば、テーブル３の上面は、四角錐台に形成されている。なお、平板状のテーブル３を用い、このテーブル３の上面に物体Ｏの形状に応じたサポート部材を取り付けてもよい。また、サポート部材として機能するテーブル３は、法線方向の異なる複数の表面を有している。ここでいう法線方向は、テーブル３の表面における平面部分と垂直な方向及び曲面部分と垂直な方向を意味する。

ロボットアーム９は、制御部６からの制御信号に応じて作動し、テーブル３をヘッド２に対し移動させつつ、ヘッド２の造形材料の吐出方向に対しテーブル３の上面が垂直になるようにテーブル３の姿勢を調整する。すなわち、ロボットアーム９は、ヘッド２から吐出される造形材料の吐出方向がテーブル３の表面の法線方向となるようにテーブル３の姿勢を調整する。なお、テーブル３上に既に物体Ｏの造形部分（造形途中の部分）がある場合、その造形部分の表面の法線方向となるように、テーブル３の姿勢が調整される。この場合、物体Ｏの造形部分の表面をテーブル３の表面又はサポート部材の表面とみなして、テーブル３の姿勢が調整される。そして、ロボットアーム９は、ヘッド２に対しテーブル３の複数の表面を順次沿わせてテーブル３を移動させる。ヘッド２の吐出方向は鉛直方向である。本実施形態では、ヘッド２は固定されており、位置及び姿勢が変更されないため、ヘッド２の吐出方向は常に下方を向いている。なお、ここでいう鉛直方向は、造形材料の吐出に支障を生じさせない程度のほぼ鉛直方向を含む。ロボットアーム９は、ヘッド２に対しテーブル３を移動させるとき、ヘッド２とテーブル３の間を所定の間隔に維持しつつ、テーブル３を移動させる。ここで、所定の間隔とは、予め設定される間隔であって、例えば一定の間隔とされる。なお、テーブル３上に既に物体Ｏの造形部分がある場合、その造形部分とヘッド２の間を所定の間隔に維持しつつ、テーブル３が移動させられる。この場合、物体Ｏの造形部分をテーブル３又はサポート部材とみなして、テーブル３の移動が行われる。また、物体Ｏの造形部分の上に対し造形を行っていく場合、図８に示すように、前回堆積させた造形部分以外の部分の上に造形を行ってもよい。例えば、物体Ｏの造形部分の端部において、複数の積層からなる表面に沿ってテーブル３を移動させてもよい。

次に、本実施形態に係る三次元造形装置１ａの動作及び三次元造形方法について説明する。

図９は、三次元造形装置１ａの動作及び三次元造形方法を示すフローチャートである。図９における制御処理は、例えば制御部６により実行される。まず、図９のＳ１１において、データの設定処理が行われる。この設定処理は、造形すべき物体の形状データを記憶し、物体の形状に応じて造形時におけるテーブル３の位置データ及びテーブル３の回転データ（姿勢データ又は向きデータ）の設定などを行う処理である。

そして、Ｓ１２に処理が移行し、動作指示の処理が行われる。この処理は、造形に関する動作を指示する処理である。例えば、制御部６は、物体を造形するにあたり、必要な動作のデータを読み込み、ヘッド２及びロボットアーム９に制御信号を出力する。

そして、Ｓ１３に処理が移行し、物体の造形処理が行われる。この造形処理は、ロボットアーム９の作動制御を行い、ヘッド２からの造形材料の吐出制御を行う処理である。図６において、制御部６は、ヘッド２及びロボットアーム９に制御信号を出力する。これにより、図１０に示すように、ロボットアーム９が作動して、ヘッド２の吐出位置の近傍にテーブル３が移動する。そして、テーブル３の上に造形材料が堆積され、物体Ｏが造形されていく。このとき、サポート部材として機能するテーブル３は、法線方向の異なる複数の表面を有している。造形材料の堆積は、法線方向の異なる複数の表面に亘って連続して行われる。例えば、制御部６は、ヘッド２から鉛直方向の下側に向けて造形材料を吐出させ、テーブル３の第一表面３１１の第一付着点３１１ａに造形材料を付着させる。そして、制御部６は、ヘッド２から造形材料を吐出させながら、ヘッド２に対しテーブル３を相対的に移動させてテーブル３の第二表面３１２の第二付着点３１２ａに至るまで、造形材料を堆積させる。第一表面３１１と第二表面３１２は、法線方向の異なる表面である。第一表面３１１の法線方向と第二表面３１２の法線方向の角度差は、鋭角であってもよいし、直角であってもよいし、鈍角であってもよい。このように、サポート部材として機能するテーブル３に法線方向の異なる表面が形成されていても、法線方向の異なる表面に対し連続して造形材料を堆積させて、円滑に物体Ｏを造形することができる。

そして、図９のＳ１４に処理が移行し、物体Ｏの造形が終了したか否かが判定される。例えば、予め設定された造形材料の造形データ等に従って物体Ｏの造形動作が完了したか否かによって物体Ｏの造形が終了したか否かが判定される。Ｓ１４において、物体Ｏの造形が終了していないと判定された場合、Ｓ１２及びＳ１３に戻り、造形処理などが行われる。一方、Ｓ１４において、物体Ｏの造形が終了したと判定された場合、図９に示される一連の制御処理を終了する。

以上説明したように、本実施形態に係る三次元造形装置１ａ及び三次元造形方法によれば、テーブル３が支持部材として機能し物体の形状に応じて形成されているため、テーブル３の上に造形材料を堆積することにより物体Ｏの造形が行える。このとき、テーブル３の表面に沿って造形材料を堆積させていくことにより、物体の表面の所望の方向に向けて物体の強度を高めることができる。

例えば、図１１に示すようにテーブル３の形状を四角錐台とした場合、物体Ｏとして四角錐台の枠体の形状のものを造形することができる。この造形において、物体Ｏを構成する部材の長手方向に沿って造形材料を堆積させて造形していくことができる。このため、物体Ｏを構成する部材の長手方向に向けて物体Ｏの強度を高めることができる。つまり、物体Ｏを構成する部材において、その長手方向に向けて造形材料が連なって設けられているため、物体Ｏを構成する部材の強度を高めることができる。

一方、図１２に示すように、支持部材（サポート部材）を有しない平板状のテーブルの上に物体２００を造形する場合、テーブルの上面と平行な方向にしか造形材料を堆積させることができない。このため、テーブルの上面と交差する方向に延びる部材２０１に対し、その長手方向に沿って造形材料を堆積させることが難しい。従って、物体Ｏを構成する部材２０１において、その長手方向に向けて造形材料を連ねることができず、物体Ｏを構成する部材２０１の強度は低いものとなる。これに対し、本実施形態に係る三次元造形装置１ａ及び三次元造形方法では、テーブル３に物体Ｏを支持する支持部材を設けることにより、物体Ｏを構成する部材の長手方向に造形材料を連ねて堆積することができ、物体Ｏを構成する部材の強度を高めることができるのである。

また、本実施形態に係る三次元造形装置１ａ及び三次元造形方法によれば、テーブル３の法線方向の異なる複数の表面にヘッド２が沿うようにヘッド２とテーブル３を相対的に移動させて複数の表面の上の所望の方向に向けて造形材料を堆積させることができる。このため、物体Ｏの表面の所望の方向に向けて物体の強度を高めることができる。

また、本実施形態に係る三次元造形装置１ａ及び三次元造形方法によれば、ヘッド２とテーブル３の間を所定の間隔に維持しつつ、ヘッド２がテーブル３の表面に沿うようにヘッド２とテーブル３を相対的に移動させる。このため、造形材料をテーブル３の上に適切に堆積させて物体Ｏを造形することができる。

また、本実施形態に係る三次元造形装置１ａ及び三次元造形方法によれば、ヘッド２から吐出される造形材料の吐出方向がテーブル３の表面の法線方向となるようにして、ヘッド２とテーブル３が相対的に移動する。このため、支持部材として機能するテーブル３の表面に造形材料を的確に堆積させることができる。

なお、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲の記載の要旨を逸脱しない範囲で様々な変形態様を取ることができる。

例えば、上述した第一実施形態においては、第二機構部５が回転軸線Ａ１及び回転軸線Ａ２を中心にテーブル３を回転可能とする場合について説明したが、第二機構部５が回転軸線Ａ１を中心にテーブル３を回転可能とするものであってもよい。具体的には、図２において、第一アクチュエータ５１により回転軸線Ａ１を中心にテーブル３を回転可能とし、第二アクチュエータ５２の設置を省略してもよい。この場合であっても、上述の本実施形態に係る三次元造形装置１及び三次元造形方法と同様な作用効果が得られる。つまり、テーブル３の上面と平行な方向に向けた回転軸線Ａ１を中心にテーブル３を回転可能とすることにより、回転軸線Ａ１を中心にテーブル３を回転させてテーブル３を傾けることができる。このため、造形中の物体Ｏの姿勢を変えることが可能となる。従って、物体Ｏに対し強化したい方向に沿ってヘッド２を移動させやすくなり、所望の方向へ強度を高めて物体Ｏを造形することができる。

また、例えば、上述した各実施形態においては、テーブル３及びヘッド２がベース部材８１上に設定されている場合について説明したが、テーブル３及びヘッド２を密封されたチャンバ内に設置して造形を行うものであってもよい。チャンバ内にテーブル３及びヘッド２を収容することにより、造形時における温度調整が可能となる。また、上述した三次元造形装置１では、装置の小型化が可能であり、チャンバ内に収めやすい。造形時における温度調整することにより、熱反り（既に造形した部分と新たに造形した部分の温度差により、造形後に物体が反る現象）や結晶化の不具合（結晶性樹脂を用いる場合、冷却速度が速すぎると非結晶の部分の比率が高くなる）の抑制が可能となる。

また、上述した第一実施形態においては、ヘッド２を直交三軸で移動可能とし、テーブル３を直交二軸で回転可能とする場合について説明したが、ヘッド２の直交三軸のうち一軸又は複数軸をテーブル３側に設けてもよい。例えば、ヘッド２をＸＹ軸で移動可能とし、テーブル３をＺ軸で移動可能とし直交二軸で回転可能としてもよい。

さらに、上述した第一実施形態においては、ヘッド２を直交三軸で移動可能とし、テーブル３を直交二軸で回転可能とする五軸動作の場合について説明したが、六軸又は六軸以上の多軸の動作を行える場合であってもよい。例えば、ヘッド２を直交三軸で移動可能とし直交二軸で回転可能とし、テーブル３を直交二軸で回転可能とし、七軸動作としてもよい。

このように、ヘッド２を直交三軸で移動可能とし直交二軸で回転可能とすることにより、造形する物体の形状の自由度を高くすることができる。なお、ヘッド２を回転させることで、ヘッド２の吐出方向が重力方向（鉛直方向）と異なる場合もあり得る。この場合、ヘッド２の吐出方向がほぼ重力方向となるようにヘッド２の回転角度を制御することにより、造形材料の吐出及び堆積を安定させればよい。

１ 三次元造形装置
２ ヘッド
３ テーブル
４ 第一機構部
５ 第二機構部
６ 制御部
７ ＨＭＩ
９ ロボットアーム（第一機構部、第二機構部）
２１ 吐出口
３１ サポート部材（支持部材）
４１ スライダ
４２ ポール
４３ 可動部材
５１ 第一アクチュエータ
５２ 第二アクチュエータ
８１ ベース部材
８２ 枠体
８３ 枠体
３１１ 第一表面
３１１ａ 第一付着点
３１２ 第二表面
３１２ａ 第二付着点
Ａ１ 回転軸線
Ａ２ 回転軸線
Ｏ 物体

Claims (11)

1. ヘッドから造形材料を吐出し、前記ヘッドの下方に設けられるテーブルの上に前記造形材料を堆積させて、三次元の物体を造形する三次元造形装置において、
   前記ヘッドと前記テーブルを直交三軸の各方向へ相対的に移動可能とする第一機構部と、
   少なくとも前記テーブルの上面と平行な方向に向けた回転軸線を中心に前記テーブルを回転可能とする第二機構部と、
   を備える三次元造形装置。
2. 前記第一機構部は、前記ヘッドを前記テーブルに対し直交三軸の各方向へ移動可能とする、
   請求項１に記載の三次元造形装置。
3. 前記第二機構部は、前記テーブルの上面と垂直な方向に向けた回転軸線を中心に前記テーブルを回転可能とする、
   請求項１又は２に記載の三次元造形装置。
4. 前記テーブルは、前記物体の形状に応じて形成され前記物体を支持する支持部材を有し、
   前記第一機構部及び前記第二機構部の作動を調整し、前記造形材料が前記支持部材の表面に対し垂直に吐出されるように前記ヘッド及び前記テーブルの一方又は双方の姿勢を制御し、前記ヘッドが前記支持部材の表面に沿うように前記ヘッドと前記テーブルを相対的に移動させ、前記支持部材の上に前記造形材料を堆積させる制御部を備える、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の三次元造形装置。
5. 前記支持部材は、法線方向の異なる複数の表面を有し、
   前記制御部は、前記ヘッドが前記複数の表面に沿うように前記ヘッドと前記テーブルを相対的に移動させ、前記複数の表面の上に前記造形材料を堆積させる、
   請求項４に記載の三次元造形装置。
6. 前記制御部は、前記ヘッドと前記支持部材の間を所定の間隔に維持しつつ、前記ヘッドが前記支持部材の表面に沿うように前記ヘッドと前記テーブルを相対的に移動させる、
   請求項４又は５に記載の三次元造形装置。
7. 前記制御部は、前記ヘッドから吐出される前記造形材料の吐出方向が前記支持部材の表面の法線方向となるようにして、前記ヘッドと前記テーブルを相対的に移動させる、
   請求項４〜６のいずれか一項に記載の三次元造形装置。
8. 前記造形材料は、繊維強化プラスチックを含む材料である、
   請求項１〜７のいずれか一項に記載の三次元造形装置。
9. ヘッドから造形材料を吐出し、前記ヘッドの下方に設けられるテーブルの上に前記造形材料を堆積させて、三次元の物体を造形する三次元造形方法において、
   前記テーブルの上面と平行な方向に向けた回転軸線を中心に前記テーブルを回転させる回転工程と、
   前記テーブルの上に前記造形材料を堆積させて前記物体を造形する造形工程と、
   を含む三次元造形方法。
10. 前記テーブルは、前記物体の形状に応じて形成され前記物体を支持する支持部材を有し、
    前記回転工程は、前記造形材料が前記支持部材の表面に対し垂直に吐出されるように前記テーブルを回転させ、
    前記造形工程は、前記ヘッドが前記支持部材の表面に沿うように前記ヘッドと前記テーブルを相対的に移動させて前記支持部材の上に前記造形材料を堆積させる、
    請求項９に記載の三次元造形方法。
11. 前記造形工程は、
    前記ヘッドから鉛直方向の下側に向けて前記造形材料を吐出し、前記支持部材の第一表面の第一付着点に前記造形材料を付着させる付着工程と、
    前記ヘッドから前記造形材料を吐出させながら、前記ヘッドと前記テーブルを相対的に移動させて前記支持部材の上に連続的に前記造形材料を堆積させる堆積工程と、を含み、
    前記堆積工程は、前記第一付着点から前記支持部材の前記第一表面と法線方向の異なる第二表面の第二付着点に至るまで、前記造形材料を堆積させる、
    請求項１０に記載の三次元造形方法。
    

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