JP2020146927A - 造形装置、方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で立体造形物の反りや変形を抑制し、品質の高い立体造形物が得られる、造形装置、方法及びプログラムの提供。【解決手段】造形装置１０は、造形材料で造形層を造形ステージ１２に造形する造形部１５と、造形ステージの表面温度分布に基づいて、造形ステージの表面温度分布を造形材料に対応する所定温度範囲内に制御する温度分布制御部と、を備える。温度分布制御部はサーモグラフィーカメラ１４を備える表面温度分布測定部と、面状ヒータを備えるステージ加熱部１６により構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、造形装置、方法及びプログラムに関する。

近年、金型などを用いずに立体造形物を造形する装置として、３Ｄ（３−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ、三次元）プリンタが普及している。立体造形物を造形する装置として様々な提案がされている。例えば、造形材料の作製時、熱可塑性樹脂を用いた三次元造形装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１の三次元造形装置は、反りや変形を抑えた立体造形物を造形することができなかった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で立体造形物の反りや変形を抑制し、品質の高い立体造形物を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、実施形態の造形装置は、造形材料で造形層を造形ステージに造形する造形部と、造形ステージの表面温度分布に基づいて、造形ステージの表面温度分布を造形材料に対応する所定温度範囲内に制御する温度分布制御部と、を備える。

本発明によれば、簡易な構成で立体造形物の反りや変形を抑制し、品質の高い立体造形物が得られるという効果を奏する。

図１は、実施形態の造形装置の概要構成図である。 図２は、造形装置のハードウェア構成を示すブロック図である。 図３は、反りの進行状態の説明図である。 図４は、造形ステージの表面温度と層の剥がれやすさとの関係を説明する図である。 図５は、造形材料毎の最適温度の説明図である。 図６は、実施形態の処理フローチャートである。 図７は、中央に設けた基準測定点の温度により造形ステージの表面の温度分布を制御する場合の説明図である。 図８は、ヒータユニットを構成している二つのヒータのそれぞれの中央に設けた二つの基準測定点の温度により造形ステージの表面の温度分布を制御する場合の説明図である。 図９は、第２実施例のヒータを用いて、造形ステージの中央部に設けた一つの基準測定点の温度により造形ステージの表面の温度分布を制御する場合の説明図である。 図１０は、第２実施例のヒータを用いて、ヒータの中央部にそれぞれ設けた複数の基準測定点の温度により造形ステージの表面の温度分布をフィードバック制御した結果の説明図である。 図１１は、第１実施例のヒータを用いて、造形ステージの中央部に設けた一つの基準測定点の温度により造形ステージの表面の温度分布を制御した場合の説明図である。

以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる造形装置を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。

造形装置の一例として、熱溶解積層法について説明する。熱溶解積層法は、熱可塑性樹脂を含有する造形材料を熱で溶融させ半液状化させた後、造形したい立体造形物の３Ｄデータに基づいて所定の位置に造形材料を吐出して造形層を形成する。そして、この造形層の積層を繰り返すことにより、他の方法に比べて簡便に立体造形物を造形することができる。

このような熱溶解積層法で用いられる造形材料について、例えば、造形材料の作製時、保管時、又は立体造形物の製造時に、取り扱いにくい樹脂を芯層部とし、ポリエーテルエーテルケトン等のスーパーエンジニアリングプラスチックなどを鞘層部として多層化した造形材料を用いることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。
＜全体構成＞
造形材料で造形層を造形ステージに造形する造形部を備えた造形装置の一実施形態として、熱可塑性樹脂を用いた熱溶解積層法により立体造形物を造形する造形装置について説明を行う。

なお、造形装置は、熱溶解積層法を用いたものに限定されるものではなく、種々の造形方法に適用可能であり、造形ステージの載置面上に造形物（立体造形物） を造形する任意の造形装置を用いることができる。

図１は、実施形態の造形装置の概要構成図である。
造形装置１０は、筐体１１と、造形ステージ１２と、リール１３と、表面温度分布測定部としてサーモグラフィーカメラ１４と、造形部として吐出モジュール１５と、加熱部としてヒータユニット１６と、を備えている。

造形装置１０における筐体１１の内部は、三次元造形物ＭＯを造形するための処理空間となっている。

筐体１１の処理空間内には、造形ステージ１２が設けられており、造形ステージ１２の上に立体造形物ＭＯが造形される。この造形ステージ１２の表面が三次元造形物ＭＯと造形ステージ１２との界面となり、それらの温度差によっては三次元造形物ＭＯが大きく反る原因ともなる。

造形ステージ１２は、極力平らな面を持ち、その上に材料を造形するために水平に設定できるようになっている。造形ステージ１２の材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、ステンレスなどの金属、樹脂、ガラスなど上記の目的を達するものであれば何でも良いが、表面に造形材料が反りなく、変形なく密着するものでなければならない。その機能を補完するために、コーティングなどがなされる。コーティングとしては、ポリアミドイミドや糊を乾燥させたもの、樹脂など用途に応じて選択される。この場合において、造形ステージ１２の材料やコーティング材料が変われば、実際に造形を行おうとする造形材料に対する最適表面温度が変わる場合があるため留意する必要がある。

リール１３には、造形材料として三次元造形物ＭＯの造形に用いる、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が引き出し可能に巻回された状態とされている。ここで、フィラメントＦは、細長いワイヤー形状の固体材料である。

サーモグラフィーカメラ１４は、造形ステージ１２の表面温度分布を測定する。筐体１１の内部の造形ステージ１２の上方にサーモグラフィーカメラ１４が設けられている。このサーモグラフィーカメラ１４は、造形ステージ１２の表面温度を検出するために、造形ステージ１２を撮像し、非接触にて物体から放射される赤外線を分析し、その放射輝度を温度換算することで熱分布を画像として表示する。

吐出モジュール１５は、エクストルーダ２１、冷却ブロック２２、フィラメントガイド２３、加熱ブロック２４及び吐出ノズル２５を備えている。
上記構成において、リール１３に巻回されているフィラメントＦは、吐出モジュール１５を構成しているエクストルーダ２１（フィラメントＦの駆動手段）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し、フィラメントＦを供給する。すなわち、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、造形装置１０の吐出モジュール１５へと供給される。

冷却ブロック２２は、フィラメントＦを冷却する。冷却ブロック２２は、加熱ブロック２４の上部に設けられる。この場合において、冷却ブロック２２は、冷却源を有し、フィラメントＦを冷却する。これにより、冷却ブロック２２は、溶融したフィラメントＦの吐出モジュール１５の上部への逆流、溶融したフィラメントＦを押し出す抵抗の増大、あるいは、溶融したフィラメントＦの固化による移送路内での詰まりを防ぐ。

フィラメントガイド２３は、フィラメントＦの供給を案内するためのものであり、冷却ブロック２２と加熱ブロック２４との間に設けられている。
加熱ブロック２４は、フィラメントＦを加熱する。加熱ブロック２４は、熱源としてのヒータと、このヒータを制御するために温度を検出するための熱電対と、を有し、移送路を介して、吐出モジュール１５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２５へ供給する。

吐出ノズル２５は、フィラメントＦを吐出する。吐出モジュール１５の下端部に設けられた吐出ノズル２５は、加熱ブロック２４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Ｆを造形ステージ１２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Ｆ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２５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Ｆ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。こうすることにより、造形装置１は、立体造形物ＭＯを造形する。

本実施形態においては、吐出モジュール１５に２つの吐出ノズル２５が設けられている。第一の吐出ノズル２５は、三次元造形物ＭＯを形成するモデル材のフィラメントＦを溶融して吐出し、第二の吐出ノズル２５は、モデル材を支持するサポート材のフィラメントＦ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２５の奥側に第二の吐出ノズル２５が配置されている。なお、吐出ノズルの数は、２個に限定されるものではなく、目的に応じて適宜選択することができる。

第二の吐出ノズルから吐出され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。また、サポート材は、本実施形態においては、立体造形物ＭＯを形成するモデル材とは異なる材料であるが、同一であっても構わない。

モデル材のフィラメントＦおよびサポート材のフィラメントＦは、それぞれ、加熱ブロック２４にて溶融され、それぞれの吐出ノズル２５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。

吐出モジュール１５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）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、移動可能に保持されている。吐出モジュール１５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）に延びるＹ軸駆動軸（Ｙ軸方向）に沿って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１５および加熱モジュール２０はＹ軸方向に移動する。

造形ステージ１２は、Ｚ軸駆動軸３４及びガイド軸３５が貫通しており、装置上下方向（図１中の上下方向）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。造形ステージ１２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。造形ステージ１２には、積載された造形物を加熱する造形物加熱部が設けられていてもよい。なお、造形ステージ１２と吐出モジュール１５が相対的に移動できればよく、吐出モジュール１５を固定しておき、造形ステージ１２をＸＹ軸方向に駆動させてもよいし、造形ステージ１２を固定しておき、吐出モジュール１５をＺ軸方向に駆動させてもよい。

また、フィラメントＦの溶融と吐出を経時で続けると、吐出ノズル２５の周辺部が溶融したフィラメントＦなどで汚れることがある。そこで、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２５の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２５の先端にフィラメントＦが固着することを防ぐことができる。

なお、クリーニング動作は、固着防止の観点から、溶融したフィラメントＦ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。

また、クリーニング動作時に生じる研磨粉については、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、吸引路を設けて造形装置１の外部へ排出させてもよい。
ヒータユニット１６は、造形ステージ１２を加熱する。ヒータユニット１６は、造形ステージ１２に設けられており、複数の面状ヒータを備えている。

図２は、造形装置のハードウェア構成を示すブロック図である。図１と同一の符号を付している構成については適宜説明を省略している。
造形装置１０は、制御部４０を有する。制御部４０は、ＭＰＵ、メモリ、各種回路などを有したいわゆるマイクロコンピュータとして構成されており、図２に示すように各部と電気的に接続されている。

造形装置１０には、吐出モジュール１５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４０に送られる。制御部４０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１５、ひいては、吐出ノズル２５を目標のＸ軸方向位置へ移動させる。

また、造形装置１０には、吐出モジュール１５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４０に送られる。制御部４０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１５、ひいては、吐出ノズル２５を目標のＹ軸方向位置へ移動させる。

造形装置１０には、造形ステージ１２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４０に送られる。制御部４０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、造形ステージ１２を目標のＺ軸方向位置へ移動させる。

このように、制御部４０は、吐出モジュール１５及び造形ステージ１２の移動を制御することにより、吐出モジュール１５および造形ステージ１２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４０は、エクストルーダ１１、冷却ブロック２２、吐出ノズル２５、クリーニングブラシ３７の各駆動部に制御信号を出力することで、これらの駆動を制御する。
実施形態の造形装置１０は、造形材料である樹脂を吐出して造形層を造形する層造形手段を少なくとも含む造形装置である。

ここで、実施形態の原理について説明する。
従来の造形材料を用いると、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などを造形材料として用いると、立体造形物の造形途中で反り量が大きくなり造形ができない場合がある。

特に、スーパーエンジニアリングプラスチックと称されているＰＥＥＫなどのような溶融温度が高い樹脂を造形材料（フィラメントＦ）として用いると、溶融温度と造形環境温度との差が大きくなる。このため、造形途中における三次元造形物ＭＯの変形量が大きくなりやすい。

また、スーパーエンジニアリングプラスチックを用いて立体造形物を造形すると、造形中に造形ステージから立体造形物が反りによって剥離して造形できない。これらは、特に大型の立体造形物を造形する場合に顕在化する。

そこで、本実施形態の造形装置１０においては、ヒータユニット１６による加熱時の造形ステージ１２の温度分布をサーモグラフィーカメラ１４により測定する。

そして、制御部４０は、温度分布制御部としてサーモグラフィーカメラ１４で測定した表面温度分布に基づいて、造形ステージの表面温度分布を造形材料に対応する所定温度範囲内に制御する。具体的には、制御部４０は、ヒータユニット１６を構成している複数の面状ヒータのそれぞれを独立して温度制御するようになっている。制御部４０は、サーモグラフィーカメラ１４からの表面温度分布に基づいて、ヒータユニット１６を構成している複数のヒータのフィードバック制御を行って、造形ステージ１２の表面温度が出来る限り均一となるようにしている。

この結果、反りの原因となる寄与率の高い造形ステージ/造形物界面であるステージ表面温度を最適化し、最も反りが発生する箇所である造形物底面の反りの発生を著しく抑制することができるようになる。

図６は、実施形態の処理フローチャートである。
造形ステージ１２の表面温度の制御方法として、以下の手順で行った。
まず、オペレータは、造形材料を指定する（ステップＳ１１）。
続いて、制御部４０は、指定された造形材料に対応する造形ステージ１２の温度を自己の記憶部４０Ａから読み出して設定する（ステップＳ１２）。

次に制御部４０は、ヒータユニット１６を制御して、造形ステージ１２の表面温度を制御する（ステップＳ１３）。
続いて、制御部４０は、サーモグラフィーカメラ１４を制御して、造形ステージ１２の表面を撮影し（ステップＳ１４）、基準測定点の温度を含む造形ステージ１２の表面温度を計測、解析する（ステップＳ１５）。

次に制御部４０は、造形ステージ１２の表面温度が均一、かつ、所定温度となったか否かを判断する（ステップＳ１６）。

ステップＳ１６の判断において、ステップＳ１２において設定された造形ステージ１２の表面温度とのずれを制御部４０が判断し、いまだ表面温度が均一、かつ、所定温度となっていない場合には（ステップＳ１６；Ｎｏ）、制御部４０は、処理をステップＳ１３に移行して、以下、上述と同様の処理を繰り返すことにより、造形ステージ１２の表面温度を制御することとなる。

また、造形装置１０の通常稼働時には、ステップＳ１６の判断において、ステップＳ１２において設定された造形ステージ１２の表面温度とのずれを制御部４０が判断し、表面温度が均一、かつ、所定温度となった場合には（ステップＳ１６；Ｙｅｓ）、制御部４０は、造形処理に移行することとなる（ステップＳ１７）。

本実施形態において用いられる造形材料としては、光硬化樹脂などを含む樹脂材料が用いられるが、特に熱可塑性樹脂は好適である。しかし特に制限はなく、造形ステージ表面の温度管理を必要とする造形材料であれば目的に応じて選択することができ、必要に応じてその他の成分を含有してもよい。なお、造形材料は、最終的に立体造形物となるモデル材と、モデル材で形成されたモデル部を造形時に支持するサポート部となるサポート材とに分かれていてもよく、上述したように、それぞれの造形材料が層形成手段の別の吐出口から吐出されてもよい。

造形材料としての熱可塑性樹脂としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、結晶性樹脂、非結晶性樹脂、液晶樹脂などが挙げられる。
なお、結晶性樹脂とは、ＩＳＯ３１４６（プラスチック転移温度測定方法、ＪＩＳ Ｋ７１２１）に準拠した測定において、融点ピークが検出される樹脂である。

造形装置で用いられる熱可塑性樹脂としては、例えば、ＡＢＳ、ＡＳＡ、ポリカーボネート（ＰＣ）、ナイロン１２、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリエステル、ポリエーテル、ポリフェニレンスルフィド、ポリアセタール（ＰＯＭ：Ｐｏｌｙｏｘｙｍｅｔｈｙｌｅｎｅ）などが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、ＰＣ−ＡＢＳなどのように２種以上を併用してもよい。

ポリオレフィンとしては、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）などが挙げられる。

ポリアミドとしては、例えば、ポリアミド４１０（ＰＡ４１０）、ポリアミド６（ＰＡ６）、ポリアミド６６（ＰＡ６６）、ポリアミド６１０（ＰＡ６１０）、ポリアミド６１２（ＰＡ６１２）、ポリアミド１１（ＰＡ１１）、及びポリアミド１２（ＰＡ１２）；並びにポリアミド４Ｔ（ＰＡ４Ｔ）、ポリアミドＭＸＤ６（ＰＡＭＸＤ６）、ポリアミド６Ｔ（ＰＡ６Ｔ）、ポリアミド９Ｔ（ＰＡ９Ｔ）、及びポリアミド１０Ｔ（ＰＡ１０Ｔ）などの半芳香族性のポリアミドが挙げられる。

ポリエステルとしては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブタジエンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）などが挙げられる。これらの中でも、耐熱性を付与する点で、テレフタル酸やイソフタル酸を一部に含む芳香族を有するものが好ましい。

ポリエーテルとしては、例えば、ポリアリールケトン、ポリエーテルスルフォンなどが挙げられる。

ポリアリールケトンとしては、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトンケトン（ＰＥＥＫＫ）、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン（ＰＥＫＥＫＫ）などが挙げられる。

熱可塑性樹脂としては、例えば、ＰＡ９Ｔ（ポリアミド樹脂）のように２つの融点ピークを有するものでもよい。２つの融点ピークを有する熱可塑性樹脂は、高温側の融点ピーク以上の温度になると完全に溶融する。

また、ポリフェニレンサルファイド（線膨張係数： ４．９ｘ１０^−５／℃）、ポリスルホン（線膨張係数：５．６×１０^−５／℃）、ポリエーテルサルフォン（線膨張係数：５．６×１０^−５／℃）、ポリエーテルイミド（線膨張係数：４．７×１０^−５／℃）、ポリアミドイミド（線膨張係数：３．１×１０^−５／℃）、ポリエーテルエーテルケトン（線膨張係数：４．７×１０^−５／℃）、及びポリフェニルスルホン（線膨張係数：５．６×１０^−５／℃）などは、「スーパーエンジニアリングプラスチック（スーパーエンプラ）」と称されている。

ここで、挙げている線膨張係数とは、温度上昇によって物体の長さが膨張する割合を温度あたりで示したものであり、一般的熱可塑性樹脂を比較として挙げると、以下のようになっている。

ポリ塩化ビニル（７〜２５×１０^−５／℃）、ポリエチレン（５．９〜１１×１０^−５／℃）、ポリプロピレン（８．１〜１０×１０^−５／℃）、ＡＢＳ（６．５〜９．５×１０^−５／℃）、ナイロン１２（１０×１０^−５／℃）

このように比較すると、上述したようにこれらスーパーエンプラは一般的な熱可塑性樹脂よりも線膨張係数が低い傾向にある。本来スーパーエンプラは溶融温度が非常に高くて、線膨張係数が小さいため、溶融温度と造形環境温度との差異によって反りやひずみが大きいにもかかわらず、そりや歪みを抑制して三次元造形を行うことができる。

また、一般的な熱可塑性樹脂においても本発明は有効であるが、熱可塑性樹脂としてはポリフェニレンサルファイド、ポリスルホン、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトン、及びポリフェニルスルホンなどのスーパーエンプラから選択される少なくとも１種であることが好ましい。熱可塑性樹脂がスーパーエンプラであると、造形する立体造形物の引張強度、耐熱性、耐薬品性、及び難燃性を向上することができ、立体造形物を工業用途にも使用可能になる点でも大いに有利である。
その他の成分としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。

以下、実施例及び比較例を示して本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。

（予備実験）
まず、実施例及び比較例の説明に先立ち、本発明に至った予備実験の結果について説明する。

造形装置１０を用いて、吐出モジュール１５の吐出ノズル２５の温度を４００℃、吐出するフィラメントＦのライン幅を０．５ｍｍ、吐出モジュール１５を走査させる速度を１００ｍｍ／ｓ、造形ステージ１２のビルドプレート温度を１３５−２００℃の範囲で設定し、吐出モジュール１５から 熱可塑性樹脂としてポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）（４５０Ｇグレード、ＶＩＣＴＲＥＸ社製、４００℃での粘度：４５０Ｐａ・ｓ、線膨張係数：４．７×１０^−５／℃）の材料のフィラメントＦを吐出させて反り評価用のサンプルを造形した。この場合において、造形ステージ１２の材質はアルミニウム（Ａｌ）であり、表面にはポリイミドコーティングを施している。

反り評価用の試験片は、５０×５０×１０ｍｍのサイズの中実構造であり、奇数層をＹ方向のみの吐出、偶数層をＸ方向のみの吐出と交互に繰り返し、０．２ｍｍの厚みの層を５０層積層させることで試験片を得た。
上述したように、ＰＥＥＫのようなスーパーエンプラは溶融温度が高く、造形環境温度との差異が非常に大きいため、造形ステージの加熱温度が不適切であれば大きく反ることが分かっている。

図３は、反りの進行状態の説明図である。
例えば、造形ステージの条件が合わない場合、試験片ＭＯＳは、図３（ａ）に示すように初期状態においては、造形ステージ１２に密着した状態である。
積層工程が進むと、まず図３（ｂ）に示すように、端部が造形ステージ１２から剥がれ始め、試験片ＭＯＳの周端部に隙間ｄ１が形成される。

さらに積層工程が進むと、図３（ｃ）に示すように、試験片ＭＯＳは、上の方向に反っていき、試験片ＭＯＳの周端部により大きな隙間ｄ２が形成される。
そして、徐々に反りが大きくなり、ついには、図３（ｄ）に示すように、試験片ＭＯＳは、造形ステージ１２から剥がれてしまうこととなっていた。

次に造形ステージ１２の表面温度と剥がれやすさとの関係について説明する。
図４は、造形ステージの表面温度と層の剥がれやすさとの関係を説明する図である。
図４においては、造形ステージの表面温度を細かく振り、それぞれの表面温度上での造形にてその試験片ＭＯＳが剥がれ始めた層数と、剥がれてしまった層数と、を示している。

本評価では、表面温度を接触式温度計（ＡＮＲＩＴＳＵ ＨＤ−１１００Ｋデジタルサーモメータ）により測定した。この評価において、反り始めから剥がれてしまうまでの層数の違いから、どれほど造形ステージへ密着力を持っているかが分かる。
また、図４には造形物底面（造形ステージ１２との接触面）の反り量も示している。反り量は、試験片を裏返して、中心部と４隅との高低差を垂直触針計（Ｍｉｔｕｔｏｙｏ デジタルハイトゲージ）にて計測し、その平均値を示している。

図４に示したように、５０層まで中実構造で造形できる造形ステージ１２の最適な表面温度は非常に狭い範囲となっており、その範囲は数℃であった。最適温度からの５℃ずれただけでも反りが非常に大きくなり、５０層の試験片積層途中で剥がれた。すなわち、非常に正確に（最適温度±数度）、造形ステージ１２の温度を設定する必要があることが分かった。

図５は、造形材料毎の最適温度の説明図である。
例えば、ＰＥＥＫの最適温度は、ガラス転移温度１４０℃に対して、±２℃であることが分かった。
また、ポリフェニレンサルファイド、ポリスルホン、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド及びポリフェニルスルホンは、ガラス転移温度に対してそれぞれ±５℃であることが分かった。
例えば、ポリエーテルサルフォンの最適温度は、ガラス転移温度２２５℃に対して、±５℃であることが分かった。
この最適温度のデータについては、制御部４０の記憶部４０Ａに記憶されることとなる。

（第１実施例）
次に第１実施例について説明する。
上述した予備実験において、造形ステージの非常に厳密な表面温度の管理が必要であると分かったが、通常はステージ内部に埋め込まれた熱電対などでステージの温度管理を行う。しかしそれでは造形ステージ全面において、表面温度を数℃範囲での温度管理することはできない。また、実験で用いたような接触式温度計では、造形のたびに大きな手間がかかり、特に大面積造形ステージでは多点での温度評価が必要となる。

このため、本第１実施例では、大面積造形ステージの表面温度をサーモグラフィーカメラ１４で測定した。
サーモグラフィーカメラ１４としては、Ｏｐｔｒｉｓ製 ＰＩ４５０サーモグラフィーカメラを用い、造形ステージ１２の上部に設置した。

アルミニウム製の造形ステージ１２の大きさは５００×５００×１０ｍｍである。
また、ヒータユニット１６として、造形ステージ１２の裏面に１５０×３８０ｍｍの大きさの面状ヒータ（坂口電熱（株） サミコンスーパー３４０ＩＩ）を２枚貼り付けた。

まず、第１実施例に先立ち、造形ステージ１２の表面温度がどれほどの時間で安定するかを確認した。
具体的には、１４３℃に設定したステージ中央部の表面温度の経時変化を測定したところ、実際の造形ステージ１２の温度は１４０℃となった。しかしながら、当該温度で安定するまでおよそ２０分を要することが分かったため、表面温度の評価は、加熱開始から３０分後に行うものとした。

サーモグラフィーカメラ１４により、測定された造形ステージ１２の表面温度は、裏面の２枚のヒータ面積３００×３８０ｍｍを１ｃｍ角単位での横縦３０×３８点ずつの区画に分けて１℃ごとの温度分布を模式的に示した。まず、サーモグラフィーカメラ１４で測定される造形ステージ１２の中心部に設けた基準測定点が１４０℃になるように制御部４０によりフィードバック制御を行った。

造形ステージ１２の表面温度の実測状態について説明する。
図７は、中央に設けた基準測定点の温度により造形ステージの表面の温度分布を制御する場合の説明図である。
図７においては、造形材料に対応する設定温度が１４０℃の場合に、基準測定点の温度＝１４０℃となった場合における各測定区画の温度を示している。
これほど大面積の面状ヒータ２枚を有するヒータユニット１６を設けた造形ステージ１２を、中央に設けた基準測定点の温度に基づいて制御しようとすると全面での緻密な温度管理ができていないことが分かる。特に造形ステージの端部において、基準測定点からの大きな温度ずれが確認された。また、ヒータユニット１６を構成している二つの面状ヒータ（左右の面状ヒータ）の個体差が表面温度にも影響を与えていることもわかる。

図８は、ヒータユニットを構成している二つのヒータのそれぞれの中央に設けた二つの基準測定点の温度により造形ステージの表面の温度分布を制御する場合の説明図である。
次に、サーモグラフィーカメラ１４で測定された各ヒータの中心位置の温度が同じになるように制御部４０によりフィードバック制御を行った場合について説明する。

この場合においては、制御部４０は、サーモグラフィーカメラ１４でそれぞれの面状ヒータに対応した基準測定点を計測し、設定温度とのずれを求めて各面状ヒータを制御している。

この結果、図８に示すように左右の面状ヒータにおける造形ステージ１２の表面温度のばらつきはほとんどなくなった。しかし、それぞれの面上ヒータにそれぞれ対応する面内でのばらつきはまだ残ったままとなっていた。

（第２実施例）
次に第２実施例について説明する。
本第２実施例においては、第１実施例と同じ大きさの造形ステージ１２の裏面に貼り付ける面状ヒータの大きさをそれぞれ５０×１３０ｍｍとし、６×３列の１８枚配置とした。それにより、ヒータ全体の配置面積を３００×３９０ｍｍとした。

図９は、第２実施例のヒータを用いて、造形ステージの中央部に設けた一つの基準測定点の温度により造形ステージの表面の温度分布を制御する場合の説明図である。
図９においては、ヒータ配置面積を１ｍｍ角単位での横縦３０×３９点ずつの区画に分けた場合の温度分布を示している。

まず、１５０℃に設定して中心部に設けた基準測定点の測定値からそれぞれの区画がどれほどの温度となっているかを検討した。

造形ステージの裏面中央部に設置されている熱電対を参照した温度制御では表面温度は１４３℃となり、多くのヒータ配列とすることによりそれぞれのヒータのばらつきによる表面温度へ与える影響がやや小さくなっていることが分かる。小面積のヒータがお互いに影響を及ぼしあい、ばらつきを抑制しているものと思われた。

図１０は、第２実施例のヒータを用いて、ヒータの中央部にそれぞれ設けた複数の基準測定点の温度により造形ステージの表面の温度分布をフィードバック制御した結果の説明図である。

そこで、サーモグラフィーカメラで測定された各ヒータの中心位置の温度が同じになるように制御部４０によりフィードバック制御を行った結果、図１０に示すように、各ヒータのばらつきはほとんどなくなった。また、最外周にあるヒータの外縁の温度低下はほぼ確認できなくなった。

また、同様の手順で他のスーパーエンプラと呼ばれるポリフェニレンサルファイド、ポリスルホン、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、及びポリフェニルスルホンに関しても行い、最適な造形ステージ表面温度を求めた。そして、本装置の記憶部にそれら最適温度を入力し、材料が変更するたびに自動的にステージ表面温度を最適に調整する機構とし、図１０に示した造形ステージ表面温度を制御したステージ上で造形した。それにより、図５に示した様に、最適温度を制御することにより、上記井いずれの材料を用いても、大型大面積造形で非常に小さな反りに抑制することが可能となった。

（比較例）
図１１は、第１実施例のヒータを用いて、造形ステージの中央部に設けた一つの基準測定点の温度により造形ステージの表面の温度分布を制御した場合の説明図である。
造形ステージ１２の裏面中央部に設置されている熱電対を参照し、造形ステージ１２の中心部の表面温度を制御したが、厳密に制御することができず、評価毎に２−３℃程度のばらつきが生じた。

図１１の例は、造形ステージ１２の中心部の表面温度が１３８℃となった場合の比較例のものである。
比較例においては、周辺部では比較的温度分布が大きくなっており、三次元造形物ＭＯにも反りが発生して、造形はうまくいかなかった。

１０ 造形装置
１１ 筐体
１２ 造形ステージ
１３ リール
１４ サーモグラフィーカメラ（表面温度分布測定部、温度分布制御部）
１５ 吐出モジュール（造形部）
１６ ヒータユニット（加熱部）
４０ 制御部（温度分布制御部）
４０Ａ 記憶部

特開２０１８−１６７４０５号公報

Claims (9)

1. 造形材料で造形層を造形ステージに造形する造形部と、
   前記造形ステージの表面温度分布に基づいて、前記造形ステージの表面温度分布を前記造形材料に対応する所定温度範囲内に制御する温度分布制御部と、
   を備えた造形装置。
2. 前記温度分布制御部は、前記造形ステージの表面温度分布を測定する表面温度分布測定部と、
   前記造形ステージの加熱を行う加熱部と、
   前記表面温度分布に基づいて、前記加熱部を制御し、前記造形ステージの表面温度分布を前記所定温度範囲内に制御する制御部と、
   を備えた請求項１記載の造形装置。
3. 前記表面温度分布測定部は、サーモグラフィーカメラを備えている、
   請求項２記載の造形装置。
4. 前記加熱部は、複数の面状ヒータを備えている、
   請求項２又は請求項３記載の造形装置。
5. 前記制御部は、前記造形ステージの表面温度分布に基づいて、前記複数の面状ヒータのそれぞれに対し、フィードバック制御を行う、
   請求項４記載の造形装置。
6. 前記制御部は、前記造形材料に適した前記造形ステージの表面温度を、前記造形材料に対応づけて記憶する記憶部を備え、
   前記記憶部を参照して、設定された前記造形材料に対応する所定温度範囲内に制御する、
   請求項２乃至請求項５のいずれか一項記載の造形装置。
7. 前記造形材料は、熱可塑性樹脂であり、ポリフェニレンサルファイド、ポリスルホン、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトン及びポリフェニルスルホンから選択される少なくとも１種である請求項１乃至請求項６のいずれか一項記載の造形装置。
8. 造形材料で造形層を造形ステージに造形する造形部と、前記造形ステージの加熱を行う加熱部と、を備えた造形装置において実行される方法であって、
   前記造形ステージの表面温度分布を測定する過程と、
   前記表面温度分布に基づいて、前記加熱部を制御し、前記造形ステージの表面温度分布を前記造形材料に対応する所定温度範囲内に制御する過程と、
   を備えた方法。
9. 造形材料で造形層を造形ステージに造形する造形部と、前記造形ステージの加熱を行う加熱部と、を備えた造形装置をコンピュータにより制御するためのプログラムであって、
   前記コンピュータを、
   前記造形ステージの表面温度分布を測定する手段と、
   前記表面温度分布に基づいて、前記加熱部を制御し、前記造形ステージの表面温度分布を前記造形材料に対応する所定温度範囲内に制御する手段と、
   して機能させるプログラム。