JP2020151928A - 造形装置、造形方法及び造形システム - Google Patents

Abstract

【課題】立体造形物の高精度化を図る。【解決手段】第一の方向に移動するキャリッジと、キャリッジに設けられた複数のノズルモジュールを有し、ノズルモジュールは、第一の方向に対して２次元平面上で交差する第二の方向に移動する。キャリッジと複数のノズルモジュールを制御する制御部は、キャリッジを第一の方向に移動させて、複数のノズルモジュールで複数の造形ラインを造形し、造形ラインをずらした位置にノズルモジュールが位置するように、キャリッジを第一の方向に移動させ、複数のノズルモジュールを第二の方向に、それぞれ独立して移動させて複数の造形ラインを造形する。【選択図】図５

Description

本発明は、造形装置、造形方法及び造形システムに関する。

今日において、入力されたデータに対応する立体造形物を造形する造形装置が知られている。

また、生産性の向上に寄与する造形装置としては、例えば特許文献１（特開２０１７−１０５１７７号公報）に、マルチノズル押出印刷ヘッドを含む３次元物体プリンタを動作させる方法が開示されている。

しかし、特許文献１に開示されている方法の場合、ノズル毎に高精度なオンオフ制御が求められる。特に、造形材料によっては造形精度が悪化する問題がある。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、立体造形物の高精度化を図ることができるような造形装置、造形方法及び造形システムの提供を目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、第一の方向に移動するキャリッジと、キャリッジに設けられた複数のノズルモジュールを有し、ノズルモジュールは、第一の方向に対して２次元平面上で交差する第二の方向に移動する。

本発明によれば、立体造形物の高精度化を図ることができるという効果を奏する。

図１は、所定のノズルの移動速度及び造形精度に対応するノズルの立ち上がり特性を示す図である。 図２は、第１の実施形態の立体造形システムのシステム構成図である。 図３は、第１の実施形態のノズルモジュールの移動機構をノズル側から見た状態の図である。 図４は、第１の実施形態のノズルモジュールの移動機構を側面側から見た状態の図である。 図５は、第１の実施形態のキャリッジを、ノズルモジュールが設けられている側から見た状態の図である。 図６は、第１の実施形態の立体造形システムに設けられている情報処理端末のブロック図である。 図７は、第１の実施形態の立体造形システムに設けられている情報処理端末の機能ブロック図である。 図８は、第１の実施形態の立体造形システムにおいて、造形ラインが形成される様子を示す図である。 図９は、第１の実施形態の立体造形システムにおけるフィラメントの吐出制御を説明するためのタイムチャートである。 図１０は、造形時におけるノズルモジュールの他の移動制御例を説明するための図である。 図１１は、第１の実施形態のノズルモジュールの断面図である。 図１２は、第１の実施形態の立体造形システムにおける造形ラインの加熱動作を説明するための図である。 図１３は、第２の実施形態の立体造形システムにおける造形ラインの加熱動作を説明するための図である。 図１４は、第３の実施形態の立体造形システムにおける造形ラインの加熱動作を説明するための図である。

以下、添付図面を参照して、実施形態の立体造形システムの説明をする。

（概要）
本発明の実施形態にかかる立体造形システムは、造形材料をノズルから吐出して所望の立体造形物を造形する造形システムであり、ノズルの数を増やし、各ノズルの動作を最小限の構成で独立に動作させる。これにより、立体造形物の高精度化の向上を図ることができる。以下の説明では、一例としてＦＦＦ（Fused Filament Fabrication）方式の立体造形装置を用いているが、立体造形装置の方式はＦＦＦ方式に限定されず種々の方式に適用可能である。また、造形材料としてフィラメントを用いた例を説明しているが、立体造形装置の方式によって所望の造形材料を適用することができる。

（従来のラインノズルの問題点）
ここで、従来のラインノズルの問題点を説明する。高精度化させるために、例えばインクジェットヘッドのようにノズルをライン上に並べた構成とした場合、駆動は共通となるため、ノズル毎にオンオフ制御を繰り返し行う。このとき、例えば一般的なＦＦＦ（Fused Filament Fabrication）のノズルの移動速度６０［ｍｍ／ｓｅｃ］程度で駆動したとする。この場合、例えば０．１［ｍｍ］程度の造形精度を維持するには、オンオフ制御の誤差を０．００１７［ｓｅｃ］（０．１／６０）以内とする必要がある。つまり、ノズルの吐出制御の安定領域に対する立ち上げ及び立ち下げを、０．００１７秒以内に行う必要がある。

図１は、ノズルの移動速度を６０［ｍｍ／ｓｅｃ］、造形精度を０．１［ｍｍ］程度とした場合におけるノズルの立ち上がり特性を示す図である。この図１は、実線のグラフが、ラインノズルの立ち上がり特性を示し、点線のグラフが従来のノズルの立ち上がり特性を示している。また、この図１においては、吐出命令の入力信号の誤差を含まない状態で示している。この図１からわかるように、両者に単純な立ち上がり誤差が発生するが、この誤差に加えて、吐出命令の入力信号の誤差及びノズルの移動誤差も含んだ状態で立ち上がり安定性を０．００１７［ｓｅｃ］内とする必要があり、非常に高いノズル性能が必要となる。

（実施形態の立体造形システムの概要）
本発明の実施形態の立体造形システムは、ラインノズルのようにノズル数を増やすと共に、ノズルの平面方向２軸のうち、第一の方向（仮にＹ軸とする）は全ノズル共通で移動可能とし（全てのノズルが一斉に移動する）、第二の方向（仮にＸ軸とする）は、各ノズルが独立に移動可能としている。このような構成とすることで、駆動系を一部共通にすることができ、ノズル数を増やすことによるサイズアップを最小限に抑えることができる。また、各ノズルを独立に移動させることができるため、吐出の開始と終了時で精度が求められるような場合には、速度を落とし、又は、「予備動作」を設ける等の、高精度を実現するための制御をノズル毎に実行できる。このため、ノズルを変更することなく、簡単な構成及び制御で、造形物の生産性の向上及び高精度化の両立を図ることができる。

[第１の実施形態]
（システム構成）
図２は、第１の実施形態の立体造形システム１のシステム構成図である。この図２に示すように、立体造形システム１は、３次元の立体造形物を造形する造形装置２と、情報処理端末３とを備えている。情報処理端末３は、造形する立体造形物の形状データを造形装置２に対して送信する。造形装置２は、情報処理端末３から受信した立体造形物の形状データに基づいて、ノズル機構５を制御して造形テーブル４に立体造形物を造形する。ノズル機構５には、ガイド機構１２、直動機構１３、ノズルモジュール１４、ノズル１８が含まれる。

なお、情報処理端末３は、造形装置２が実行する処理を制御する制御装置として動作させてもよいし、この情報処理端末３の機能を造形装置２に組み込んで動作させてもよい。すなわち、造形装置２及び情報処理端末３は、物理的に別の装置としてそれぞれ動作させてもよいし、造形装置２として一体的に動作させてもよい。造形テーブル４は、造形層を積層して立体造形物を載置する台である。

（ノズル機構の構成）
一例ではあるが、造形装置２は、固形のフィラメント（造形材料の一例）を搬送し、ヒータで溶解させてノズルから吐出するＦＦＦ（Fused Filament Fabrication）方式の造形装置となっている。なお、ＦＦＦ方式に限定するものではなく、ノズル部で液体状の造形材料を吐出する立体造形装置全般に適用できる（ノズル部で液体状の造形材料を吐出し、ノズルとＸＹの駆動機構が本発明の配置にあるものは本発明の概念に含まれる）。ガイド機構１２および直動機構１３は、キャリッジ１１を駆動する機構である。ノズルモジュール１４は、造形材料を吐出して造形層を造形する。ノズル１８は、造形材料を吐出する吐出口として機能する。

立体造形システム１は、造形装置２に複数のノズルモジュール１４にぞれぞれノズル１８が設けられている。ノズルモジュール１４は、第一の方向と、第一の方向に対して２次元平面上で交差する第二の方向に移動する。例えばＸ軸方向には、複数のノズルモジュール１４がそれぞれ独立して移動可能となっており、Ｘ軸方向に対して二次元平面上の交差するＹ軸方向に対しては、複数のノズルモジュール１４を一括して移動可能となっている。

ここで、図３と図４を用いてノズルモジュール１４の駆動機構について詳細を説明する。図３は、ノズルモジュールの移動機構をノズル側から見た状態の図で、図４は、ノズルモジュールの移動機構を側面側から見た状態の図である。図３は、複数のノズルモジュール１４が独立して駆動されるＸ軸方向の駆動機構の構成を示す。ノズルモジュール１４は、タイミングベルト１７を介してＸ軸モータ１５とタイミングプーリ１６が設置されている。また、図４は、Ｘ軸モータ１５、タイミングベルト１７、ノズル１８、フィラメント搬送機構１９、Ｘ軸ガイド部２０、冷却機構２１、及び、ヒータ部２２を備えている。図２と同じ符号を付している構成については適宜説明を省略する。

Ｘ軸モータ１５は、ノズルモジュール１４をＸ軸方向に移動せるためのモータである。タイミングプーリ１６は、タイミングベルト１７に張力（テンション）をかけるプーリである。Ｘ軸モータ１５の反対側にタイミングプーリ１６が設置されている。タイミングベルト１７は、ノズルモジュール１４をＸ軸方向に駆動させる。フィラメント搬送機構１９、造形材料としてフィラメントＦを搬送する。Ｘ軸ガイド部２０は、ノズルモジュール１４とタイミングベルト１７を接続する。冷却機構２１は、フィラメントＦとタイミングベルト１７を冷やす。ヒータ部２２は、フィラメントＦを温める。Ｘ軸モータ１５によってタイミングベルト１７を駆動させることで、ノズルモジュール１４をＸ軸方向に移動する。

このようなノズルモジュール１４の駆動機構は、タイミングベルト１７とノズルＸ軸モータ１５を用いることとしたが、この他、リードスクリュー等の他の駆動機構を用いてもよい。また、Ｘ軸ガイド部２０もキャリッジ１１の吐出窓９０の枠を使用してガイドしているが、機械の直線運動部を「ころがり」を用いてガイドするＬＭガイド（登録商標）等を用いてもよい（ＬＭ：Linear Motion Guide）。大きさ、精度及び寿命等に鑑みて適宜設計することが好ましい。

また、図４では、フィラメント搬送機構１９をノズルモジュール１４外に設けてもよい。これにより小型化及び軽量化を図ることができる。

なお、図３及び図４において、ノズルモジュール１４に設けられるノズル１８は、一つのノズルを設けることとして図示しているが、造形材料の他、サポート材や異種材料等を考慮して、複数のノズル１８を含む構成としてもよい。

図５は、造形装置２に設けられているノズル機構５を、ノズルモジュール１４側から見た状態の図である。図５は、キャリッジ１１、ガイド機構１２、ノズルモジュール１４、Ｘ軸モータ１５、タイミングプーリ１６、タイミングベルト１７、ノズル１８、吐出窓９０、Ｙ軸モータ９１を備えている。図５で図２〜図４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する。

キャリッジ１１は、第一の方向に移動する。Ｙ軸モータ９１は、キャリッジ１１をＹ方向に駆動させるためのモータである。図５では、第一の方向としてキャリッジ１１は、Ｙ軸のＹ１方向とＹ２方向の間を移動可能である。キャリッジ１１は、Ｙ１方向からＹ２方向へ移動してもよいし、Ｙ２方向からＹ１方向へ移動してもよい。

Ｘ軸モータ１５は、ノズルモジュール１４を第二の方向としてＸ軸に移動させるためのモータである。図５では、第二の方向としてノズルモジュール１４は、Ｘ軸のＸ１方向とＸ２方向の間を移動可能である。第一の方向は第二の方向に対して２次元平面上で交差する。ノズルモジュール１４は、Ｘ１方向からＸ２方向へ移動してもよいし、Ｘ２方向からＸ１方向へ移動してもよい。吐出窓９０は、ノズルモジュール１４から造形材料を吐出するために空いている窓である。

図５では、図３及び図４に示したノズルモジュール１４がキャリッジ１１上に設けられている。また、キャリッジ１１上の吐出窓９０からノズル１８を造形エリア側に突き出すように配置されている。造形装置２は、平面状に形成した造形物を高さ方向に積層して３次元形状を形成するため、ノズル機構５の２次元の平面動作は基本となる。図５は、６個のノズルモジュール１４を配置した例である。このときノズルモジュール１４のＸ軸動作のガイドは、吐出窓９０に持たせている。なお、一例として６個のノズルモジュール１４を設けることとしたが、造形装置２に応じた数のノズルモジュール１４を設ければよい。

基本動作を一例として図５を用いて説明する。図５の上端に最も上のノズル１８が配置されるようにキャリッジ１１をＹ１方向又はＹ２方向に移動させる。図５ではＹ１方向の端部のキャリッジ１１が配置されている。その後、キャリッジ１１を動かさない状態で複数のノズルモジュール１４がそれぞれＸ１方向又はＸ２方向に移動しつつフィラメントＦの吐出を行う。

例えば、複数のノズルモジュール１４がそれぞれＸ２からＸ１方向に向かって移動する。これによって図５では６ライン分の造形を行う。次に、キャリッジ１１をＹ１方向又はＹ２方向にライン幅分移動させる。例えば、Ｙ１方向からＹ２方向へ１ライン分移動させる。その後、複数のノズルモジュール１４がそれぞれＸ１方向又はＸ２方向に移動しつつフィラメントＦの吐出を行う。この結果、６ライン分の造形を行う。

基本動作としては、ノズルモジュール１４間の距離を等間隔の線幅で埋めるようにすることが好ましい。そのための線幅は、フィラメントＦの吐出量を制御することで連続的に変更できるが、ラスター動作で造形する場合は、線幅のバリエーションとしては等間隔で埋まる線幅を選択するのがよい。ただし、特殊な用途や形状の時、例えば一部だけ高精細に作るので線幅を一部補足する場合等には、必ずしも等間隔である必要はない。

（情報処理端末のハードウェア構成）
図６は、情報処理端末１５０のハードウェア構成図である。この図６に示すように、情報処理端末１５０は、ＣＰＵ（Center Processing Unit）４１、ＲＯＭ（Read Only Memory）４２、ＲＡＭ（Random Access Memory）４３、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）４４、操作インタフェース（操作Ｉ／Ｆ）４５及び通信部４６を有している。ＨＤＤ４４には、造形装置２の造形制御を行うための造形制御プログラムが記憶されている。

（情報処理端末の機能）
図７は、情報処理端末の機能ブロック図である。図６のＣＰＵ４１が、ＨＤＤ４４に記憶されている造形制御プログラムを実行する。キャリッジ移動制御部３１、ノズル移動制御部３２、吐出制御部３３、伝熱計算部２６及び加熱制御部２７の各機能を実現する。キャリッジ移動制御部３１、ノズル移動制御部３２及び吐出制御部３３は、制御部の一例である。

キャリッジ移動制御部３１は、Ｙ軸モータ９１を回転駆動制御して、キャリッジ１１をＹ１方向又はＹ２方向に移動制御する。ノズル移動制御部３２は、複数のＸ軸モータ１５をそれぞれ独立して回転駆動制御して、キャリッジ１１に設置される複数のノズルモジュール１４を、それぞれ独立してＸ１方向又はＸ２方向に移動制御する。

吐出制御部３３は、各ノズル１８からフィラメントＦが吐出されるように、複数のノズルモジュール１４をそれぞれ独立して制御する。また、吐出制御部３３は、ノズルモジュール内の冷却部２１の冷却温度やヒータ部２２の加熱温度をそれぞれ制御する。

また、電熱計算部２６と加熱計算部２７は連動して加熱モジュール２５を制御する。加熱モジュール２５には、温度センサ２８と加熱部２９が含まれる。伝熱計算部２６は、温度センサ２８により測定された立体造形物の温度に基づいて、加熱部２９の加熱温度を計算する。具体的には、立体造形物を再加熱する温度を算出する。加熱制御部２７は、伝熱計算部２６により計算された加熱温度で、造形された立体造形物を加熱するように加熱部２９を制御する。

伝熱計算部２６（計算部の一例）には、温度センサ２８により検出された立体造形物の下層温度、材料吐出温度、造形雰囲気温度が供給される。また、伝熱計算部２６には、材料種類、材料色、吐出幅の各種情報が予め入力されている。伝熱計算部２６は、造形形状が造形データで入力される。造形形状によって、例えば細い形状の場合と太い形状の場合でも、熱容量の違いから入力される熱量が異なる。また、例えば端部と造形中心部等の造形位置により、熱の拡散の状態が異なる為、入力される熱量が異なる。

伝熱計算部２６は、入力された情報より、下層再加熱に必要な、加熱データを算出する。伝熱計算部２６は、算出した加熱データに基づいて加熱範囲を決定し、加熱制御部２７に供給する。

加熱制御部２７は、伝熱計算部２６から供給された加熱データに基づいて、加熱部２９を用いて下層を再加熱することで、積層界面の強度を向上させる。具体的には、１層造形後、上層を造形する際、吐出直前の温度を温度センサ２８によって計測する。計測した温度データを、伝熱計算部２６に入力し、下層を再加熱する際、必要となる入力エネルギーを算出する。

算出された入力エネルギーを基に加熱範囲を決定し、加熱制御部２７へ送り、加熱部２９を用いて下層を再加熱する。再加熱後、温度センサ２８で、下層の温度を計測する。必要温度に達していない場合、伝熱計算部２６が、必要となる入力エネルギーを再度、算出する。そして、再度算出された入力エネルギーに基づいて、下層を再加熱する。これにより、立体造形物の積層強度を増強させることができる。

なお、伝熱計算部２６、加熱制御部２７、キャリッジ移動制御部３１、ノズル移動制御部３２及び吐出制御部３３の各機能の一部又は全部をハードウェアで実現してもよい。

また、造形制御プログラムは、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、フレキシブルディスク（ＦＤ）などのコンピュータ装置で読み取り可能な記録媒体に記録して提供してもよい。また、造形制御プログラムは、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）、ブルーレイディスク（登録商標）、半導体メモリ等のコンピュータ装置で読み取り可能な記録媒体に記録して提供してもよい。また、造形制御プログラムは、インターネット等のネットワーク経由でインストールするかたちで提供してもよいし、機器内のＲＯＭ等に予め組み込んで提供してもよい。

（造形動作）
次に、図８を用いて立体造形物の造形動作を説明する。図８（ａ）〜図８（ｄ）は、各ノズルモジュール１４をＸ軸方向に移動させて造形し、その後キャリッジ１１をノズル１８の幅分、移動させるまでの動作を一連の動作とし、この一連の動作を４回繰り返し行うことで面が形成される様子を示している。図８（ａ）〜図８（ｄ）は、造形領域に傾いた十字型の立体造形物を造形する例で、一点鎖線は立体造形物の外形の理想線を示している。図８（ａ）、図８（ｂ）、図８（ｃ）および、図８（ｄ）の順に造形動作が進む。また、図８（ａ）〜図８（ｄ）において、斜線の領域は造形するラインを示しており、白抜きの実線で囲まれた領域は造形が終了したラインを示している。

図８（ａ）は、造形動作の最初の動作を示す。まず、キャリッジ制御部３１及びノズル移動制御部３２は、ノズルモジュール１４を、造形領域のＹ方向の一番上方に移動させる。そして、吐出制御部３３が各ノズルモジュール１４を吐出制御して、Ｘ方向に移動しながら造形を行う。図８（ａ）の場合、ノズルモジュール１４が６個設けられているため、６ライン分の造形が同時に完了する。

図８（ｂ）は、図８（ａ）の後に実行される造形動作である。キャリッジ制御部３１、ノズル移動制御部３２及び吐出制御部３３は、キャリッジ１１をノズル１８の幅分Ｙ軸の下方に１ライン幅分移動させる。そして、吐出制御部３３が各ノズルモジュール１４を吐出制御して、Ｘ方向に移動しながら造形を行う。図８（ａ）と同様にノズルモジュール１４が６個設けられているため、６ライン分の造形が同時に完了する。図８（ａ）と図８（ｂ）に示されるように、ノズルモジュール１４のＸ軸の移動方向は、互いに異なっている。

図８の十字型の立体造形物を造形する例ではノズルモジュール１４間の距離と造形の線幅の関係から、このような動作を例えば３回繰り返すことで面が形成される。なお、この関係は、高精細や生産性を鑑み適宜変更することが出来る。例えば、線幅を細くして高精細にする場合は、線幅を現状のノズルモジュール１４間の１／４から、１／５サイズ又は１／６サイズ等に変更してもよい。

また、この例では、ノズルモジュール１４の往復動作で立体造形物を造形しているが、ノズル１８の軌跡を高精度にしたい場合など造形を一方向に限定してもよい。例えば、図８（ｃ）は、図８（ｂ）の後に実行される造形動作である。キャリッジ制御部３１、ノズル移動制御部３２及び吐出制御部３３は、キャリッジ１１をノズル１８の幅分Ｙ軸の下方に１ライン幅分移動させる。

そして、図８（a）と同じ造形動作をする。図８（ｄ）は、図８（ｃ）の後に実行される造形動作である。キャリッジ制御部３１、ノズル移動制御部３２及び吐出制御部３３は、キャリッジ１１をノズル１８の幅分Ｙ軸の下方に１ライン幅分移動させる。そして、図８（ｂ）と同じ造形動作をする。

図８（ｄ）に示す状態、つまり４回印字して隙間ない面を形成した後に、一番上のノズルモジュール１４が立体造形物の一番下の次のラインを書き始める位置まで、キャリッジ１１をＹ方向に移動させ、同じ動作を繰り返すことで面を広げて印字する。

図８（ａ）〜図８（ｄ）の例では、Ｘ軸を印字した後Ｙ軸を移動してラスター（シリアル）印字動作を実施しているが、ノズルモジュール１４にはＸＹ軸の駆動がついているので、それぞれ同時に移動させて曲線を造形することも可能である。つまり、外形だけ一つのノズルで造形した後に内部をラスター印字してもよいし、造形精度が必要な部分（例えば円形の穴形状等）だけ連続（曲線）で造形してもよい。

これにより、線幅はある程度の太さ（一般的に０．３ｍｍから０．５ｍｍ前後）となるが、その線の配置は駆動系の解像度に依存するので数μｍ程度にすることは容易であるため造形精度を大幅に向上させることができる（高精細にできる）。

また、小改行（線幅分Ｙ方向にキャリッジを移動）を３回繰り返した後に、約ノズル列幅分（ノズル間隔の５倍分）大改行する動作を１セットとして繰り返すが、等間隔にＹ方向に動かし続けるような造形動作を実施してもよい。この場合、各ノズル１８の吐出偏差を平均化でき、目立たなくすることができる。

（ノズルモジュールのＸ軸方向の動作）
図９に、各ノズルモジュール１４のＸ軸方向の動作タイミングを示す図である。図９（ａ）は、造形する造形線を示している。図９（ｂ）は、ノズルモジュール１４のＸ方向の動作順番を示している。また、図９（ｃ）は、ノズルモジュール１４の動作順番に対応したＸ軸の速度プロファイルを示している。図９（ｄ）は、吐出速度プロファイルを示している。

まず、希望する造形線を造形するために、図９（ｂ）に示す動作順番の動作「１」を実施して、造形線を書き始める位置までノズルモジュール１４を移動させる。このとき、「１」の動作の終端では、ノズルモジュール１４の速度は十分減速させるが、必ずしも停止させる必要はない。

次に、図９（ｂ）に示す「２」の動作で造形を行う。造形開始時の加速動作の目的は、吐出の開始と終了の吐出精度が悪いため、図９（ｃ）に示すように、低速から加速して吐出開始（または減速して吐出終了）する。これにより、造形される造形物の開始点又は終了点の精度を上げることができる。動作「３」から動作「５」は同様な動作を繰り返し実行する。

ただし、動作「５」は、次の吐出開始位置にノズルを移動させる動作であるため、現ラインの造形がすべて完了している場合は、キャリッジ１１を移動させた後の次のラインの吐出開始位置に移動する動作となる。この時の（キャリッジ１１の移動後の次のラインの吐出開始位置に移動する動作の時）はキャリッジ１１の移動が終了するタイミングで動作「５」が終了していればよい。

つまり、各ライン造形後の次のラインの吐出開始位置の移動動作は、キャリッジ１１のＹ方向への移動動作と共に行ってもよい。また、吐出中の速度はノズル吐出性能の限界で決まるが、吐出を伴わない動作「１」及び動作「３」等の移動時は速度を上げて生産性を向上させることも出来る。

全てのノズルモジュール１４がＸ軸方向の動作を終えた段階で、キャリッジ１１をＹ軸方向に移動させ同様にラインを造形していく。この時（Ｙ方向にキャリッジを移動させるとき）、各ノズルの一番遅いノズルのＸ軸方向の動作が終わった段階で、キャリッジ１１をＹ軸方向に移動させる。

これにより、動作が速く終わるノズルモジュール１４は待機させるのではなく、その分、ゆっくり動作させて終了時間を合わせることができる（各ノズルモジュール１４の造形動作を同時に終了させる）。また、待機中のノズルモジュール１４からの樹脂のタレを最小限に抑えることができる。また、低速で移動させることで、吐出性能（精度）を向上させることができる。このとき、各ラインの造形動作開始前に造形以外に吐出するパージ動作を実施しても良い。パージ動作を実施することで、ラインの造形の安定化を図ることができる。

（ノズルの吐出速度）
ノズル１８の吐出速度は、ステップ入力に対して１次遅れ（時定数）を含むため、高速に立ち上げようとすると、例えば最初に多く吐出する入力波形を用いる等の工夫が必要となる。一例として時定数に対応するために、図９（ｃ）及び図９（ｄ）に示すように、吐出開始及び停止を所定時間早めている。この吐出開始タイミングを実際のＸ軸動作に先行して実施するか否かは、ノズル１８の応答性能及び生産性に基づいて設計することが好ましい。

また、吐出開始とＸ軸駆動開始のタイミングを一致させることも可能である。例えば、応答性のよいノズル１８を使用している状態で動作「２」の開始時には、ノズルモジュール１４のＸ軸を完全に停止させ、ゆっくり移動させるような場合は吐出開始とＸ軸駆動開始のタイミングを一致させることが望ましい。

また、応答性が良いノズルとは、ノズルに吐出命令を出してから安定的に吐出されるまでの時間が短いノズルである。同じノズルでも、材料特性（特に粘度など）や吐出速度、吐出温度によって変わる。また、ノズル径が変わるなど、ノズルの構成部品が変われば応答性も変わる。そのため実際にはこのような様々な要素を考慮して設計するのが良い。

また、停止時には吐出速度を０にして入力を止めると、ノズル１８内に残った材料の溶解が停止時に進み、材料が膨張しノズル１８から液だれを起こす。このため、材料の入力を止めるだけではなく、さらにノズル１８内の材料を引き抜く動作も実施する。（この引き抜き動作をリトラクト、引き抜いた分を戻す動作をリスタートと呼ぶ）。図９（ｄ）は、このリトラクトとリスタートが入った状態を示しているが、リトラクト動作を入れるか否かは、ノズル１８の停止時の性能に基づいて設計すればよく、必ずしも入れる必要はない。

ノズル１８の停止時の性能とは、ノズルに吐出停止命令を出して（ノズルの命令を停止して）から安定的に吐出が停止されるまでの時間の長さという意味であり、同じノズルであっても材料特性（特に粘度など）や吐出速度、吐出温度によって変わる。もちろんノズル径が変わるなどノズルの構成部品が変われば応答性も変わる。そのため実際にはこのような様々な要素を考慮して設計するのが良い。

（１軸の印字法の変形例）
図１０は、１軸の印字法の変形例を示す図である。図１０（ａ）は、一番上に狙いの造形線を示し、図１０（ｂ）〜図１０（ｊ）に、ノズルモジュール１４のＸ軸方向の動作順番を示している。まず、狙いの造形線を描くためには、動作「１」を実施して（図１０（ｂ））、造形線を書き始める位置の少し奥（右側）まで移動させる。

次に動作「２」を実施するが（図１０（ｃ））、この時に吐出開始動作を実施する。次に、吐出動作は継続した造形線の端部で動作「３」に移行する（図１０（ｄ））。つまり、吐出しながらノズルを１８０度ターンする。図１の説明の「予備動作」の具体例の一つが、この動作「２」に相当する。

動作「３」は造形線の端部に来た時点で終了となるが、吐出動作は造形線の端部に来る前に減速させる。次に吐出の減速動作を継続した状態で造形線の端部で動作「４」に切り替えノズルを１８０度ターンさせる吐出を終了させる（図１０（ｅ））。ここでの吐出の減速動作とは、吐出量を減らす動作であり、これにより、折り返しによるノズルの軌跡の重なりによって吐出量を適量にすることができる。

つまり、折り返し中も吐出し続けることで、造形線が太くなり又は細くなる不都合を防止できる。これは吐出開始時の折り返し動作でも同様である。また、ノズルの停止時と開始時にはリトラクトリスタート動作を実施してもよい。

この動作を動作「５」から動作「８」でも繰り返し造形線を形成する（図１０（ｆ）〜図１０（ｉ））。また、動作「９」は、次の吐出開始位置にノズルを移動させる動作なので（図１０（ｊ））、現ラインの造形が全て完了している場合は、キャリッジ１１の移動後における、次のラインの吐出開始位置に移動する動作となる。

この時の（キャリッジ移動後の次のラインの吐出開始位置に移動する動作の時）はキャリッジ移動が終了するタイミングで動作「５」が終了していればよい。つまり、各ライン造形後の次のラインの吐出開始位置の移動動作はキャリッジのＹ方向への移動動作と平行して実施することができる。また、吐出開始から十分時間が経過し、吐出が安定したタイミングでノズルを造形端部に移動させることで、端部の造形乱れをなくすことができる。

（造形直後の立体造形物の加熱動作）
次に、立体造形システム１における、ノズルモジュール１４の詳細を説明する。図１１は、ノズルモジュール１４を、フィラメントＦの搬送吐出方向に沿って切断した状態の断面図である。

造形材料として、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造形装置２における筐体の外部のリールにセットされている。リールは、エクストルーダ５３（フィラメント搬送機構１９に相当）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。

ノズルモジュール１４は、エクストルーダ５３、冷却部２１、フィラメントガイド５５、ヒータ部２２、ノズル１８、撮像モジュール５１、ねじり回転機構５２、及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５３によって引き込まれることで、ノズルモジュール１４へ供給される。

撮像モジュール５１は、ノズルモジュール１４に引き込まれるフィラメントＦの３６０度画像、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。ノズルモジュール１４には２つの撮像モジュール５１が設けられているが、例えば反射板を用いて１つの撮像モジュール５１により、フィラメントＦの３６０度画像を撮像してもよい。なお、撮像モジュール５１としては、レンズ等の結像光学系と、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）センサやＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサ等の撮像素子と、を備えたカメラ装置を用いることができる。

ねじり回転機構５２は、ローラを備え、ノズルモジュール１４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。撮像モジュール５１で撮像されたフィラメントの画像は、Ｘ軸及びＹ軸の２方向におけるフィラメントＦのエッジ間の幅を、それぞれ径として測定するのに用いられる。フィラメントの画像に基づいて、規格外の径が検出された場合、表示部又はスピーカ部等を介してエラー情報が出力される。

ヒータ部２２は、ヒータなどの熱源５６と、熱源５６の温度を制御するための熱電対５７とを有し、移送路を介して、フィラメントＦを加熱溶融させて、ノズル１８へ供給する。

冷却部２１は、ヒータ部２２の上部に設けられる。冷却部２１は、冷却源５４を有し、フィラメントＦを冷却する。これにより、冷却部２１は、溶融したフィラメントＦＭがノズルモジュール１４の上部へ逆流する不都合、フィラメントＦを押し出す抵抗の増大、又は、フィラメントＦの固化による移送路内での詰まりを防止する。ヒータ部２２と冷却部２１との間には、フィラメントガイド５５が設けられている。

ノズルモジュール１４の下端部に、造形材料であるフィラメントＦを吐出するノズル１８が設けられている。ノズル１８は、ヒータ部２２から供給された溶融状態又は半溶融のフィラメントＦＭを、造形テーブル４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、ノズル１８は、形成した層に、溶融状態又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、立体造形物が造形される。

次に、図１２を用いて造形ラインの加熱動作について説明する。図１２に示すように、造形装置２には、ノズルモジュール１４により形成中の層の下層を加熱する加熱モジュール２５が設けられている。加熱モジュール２５には、レーザを照射するレーザ光源６１が設けられている。レーザ光源６１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、半導体レーザを用いることができる。

ノズルモジュール１４及び加熱モジュール２５は、モータによりＸ軸方向及びＹ軸方向へ移動可能となっている。

フィラメントの溶融と吐出を経時で続けると、ノズル１８の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、造形装置２に設けられたクリーニングブラシにより、ノズル１８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、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。

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、造形装置２に設けられたダストボックスに集積させて、定期的に捨ててもよいし、又は吸引路を設けて、外部へ排出させてもよい。

このようなノズルモジュール１４において、上層の造形中、レーザ光源６１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意味する。再加熱の温度は、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。また、以下では、下層のフィラメントＦＭが溶融する温度以上での再加熱を、再溶融と称することがある。

以上の説明から明らかなように、立体造形システム１は、キャリッジ１１に複数のノズルモジュール１４を設け、各ノズルモジュール１４を、第一の方向に沿ってそれぞれ独立して移動可能とする（独立駆動）。また、第一の方向に対して二次元平面上で交差する第二の方向には、全ノズルモジュール１４が、一体となって移動可能とする（一体駆動）。

これにより、簡単な構成で複数のノズルを移動して造形物を造形できるため、生産性の向上を図ることができる。また、ノズル毎に高精度なオンオフ制御を行わずとも、高精度な造形物を造形できる。このため、生産性の向上及び高精度化の両立を図ることができる。

また、独立駆動及び一体駆動を用いたラスター動作で平面を造形している。すなわち、独立駆動で１軸方向に複数ノズルで複数ラインを造形した後に、一体駆動で造形ラインをずらした位置にノズルを一体で移動し、さらに独立駆動で１軸方向に複数ノズルで複数ラインを造形する動作を繰り返すことで平面を造形する。また、独立駆動で１軸方向に複数ノズルで複数ラインを造形する複数の動作を同時に終了させる。また、造形物の造形ライン端部の一部または全部を折り返し動作しながら吐出する。さらに、造形物の一部はラスター動作ではなく、２次元の軌跡を造形する。これにより、造形物の生産性の向上を図ることができる。

また、温度センサ２８で測定した造形物の温度に基づいて、加熱部２９で造形物を加熱する。これにより、積層強度を向上させることができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態の立体造形システムの説明をする。第１の実施形態は、レーザ光源等の加熱部で造形物を加熱する例であった。これに対して、第２の実施形態は、加熱プレートで造形物を加熱する例である。なお、第１の実施形態と、以下に説明する第２の実施形態とでは、この点のみが異なる。以下、両者の差異の説明のみ行い、重複説明は省略する。

図１３に示すように造形装置２に加熱モジュール７０が設けられている。この加熱モジュール７０は、立体造形物ＭＯにおける下層を加熱および加圧する加熱プレート７８と、加熱プレート７８を加熱する加熱部７２と、加熱部７２からの熱伝導を防ぐための冷却部７１とを備える。加熱部７２は、ヒータなどの熱源７６と、加熱プレート７８の温度を制御するための熱電対７７とを備える。冷却部７１は、冷却源７４を備える。加熱部７２と冷却部７１との間には、フィラメントガイド７５が設けられている。

加熱モジュール７０は、装置左右方向（Ｘ軸方向）に延びるＸ軸駆動軸に対し、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７０は、加熱部７２によって加熱されて高温になる。その熱がＸ軸駆動モータに伝わるのを低減するため、フィラメントガイド７５等を含めた移送路又はフィラメントガイド７５は、低熱伝導性であることが好ましい。

加熱モジュール７０において、加熱プレート７８の下端は、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。ノズルモジュール１４及び加熱部７２を、図３０に示す白抜き矢印方向に走査しながら、フィラメントＦ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。

このような第２の実施形態の場合、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、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他、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施の形態の立体造形システムの説明をする。第１の実施形態は、レーザ光源等の加熱部で造形物を加熱する例であった。これに対して、第３の実施形態は、ホーンで造形物を加熱及び加圧する例である。なお、第１の実施形態と、以下に説明する第３の実施形態とでは、この点のみが異なる。以下、両者の差異の説明のみ行い、重複説明は省略する。

この第３の実施形態の場合、図１４に示すように、加熱モジュール８０を備える。加熱モジュール８０は、立体造形物ＭＯを加熱及び加圧するホーン８１を有する。造形装置２には、超音波振動装置が設けられている。ホーン８１は、Ｚ軸駆動モータによって立体造形物ＭＯ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、立体造形物ＭＯに伝達する。立体造形物ＭＯに超音波の振動が伝達されると、立体造形物ＭＯにおける上層Ｌｎおよび下層Ｌｎ−１が溶着して接合する。これにより、造形物の上層及び下層を溶着により強固に結合でき、界面の密着力が向上する他、各実施形態と同様の効果を得ることができる。

最後に、各実施形態は、一例として提示したものであり、本発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な各実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことも可能である。

立体造形方式としては、例えばマテリアルジェッティング方式、バインダージェッティング方式、粉末焼結積層造形方式（ＳＬＳ：Selective Laser Sintering、又は、ＳＬＭ：Selective Laser Melting）、光造形方式（レーザ方式又はＤＬＰ（Digital Light Projector）方式）等の種々の立体造形方式が知られているが、いずれの立体造形方式に対しても本発明は適用可能であり、いずれの場合も上述と同じ効果を得ることができる。

また、実施形態及び実施形態の変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ 立体造形システム
２ 造形装置
３ 情報処理端末
１１ キャリッジ
１２ ガイド機構
１３ 直動機構
１４ ノズルモジュール
１５ ノズルＸ軸モータ
１６ タイミングプーリ
１７ タイミングベルト
１８ ノズル
１９ フィラメント搬送機構
２０ Ｘ軸ガイド部
２１ 冷却部
２２ ヒータ部
２５ 加熱モジュール
２６ 伝熱計算部
２７ 加熱制御部
２８ 温度センサ
２９ 加熱部
３１ キャリッジ移動制御部
３２ ノズル移動制御部
３３ 吐出制御部
６１ 加熱部
６２ 温度センサ
７０ 加熱モジュール
７２ 加熱部
７８ 加熱プレート
８０ 加熱モジュール
８１ ホーン
９０ 吐出窓
９１ アクチュエータモータ

特開２０１７−１０５１７７号公報

Claims (8)

1. 第一の方向に移動するキャリッジと、
   前記キャリッジに設けられた複数のノズルモジュールを有し、
   前記ノズルモジュールは、
   前記第一の方向に対して２次元平面上で交差する第二の方向に移動する造形装置。
2. 前記造形装置は、前記キャリッジと、前記複数のノズルモジュールを制御する制御部を含み、
   前記制御部は、
   前記キャリッジを前記第一の方向に移動させて、前記複数のノズルモジュールで複数の造形ラインを造形し、
   造形ラインをずらした位置に前記ノズルモジュールが位置するように、前記キャリッジを前記第一の方向に移動させ、
   前記複数のノズルモジュールを前記第二の方向に、それぞれ独立して移動させて複数の造形ラインを造形すること
   を特徴とする請求項１に記載の造形装置。
3. 前記制御部は、前記複数のノズルモジュールで複数の造形ラインを造形する動作を同時に終了させること
   を特徴とする請求項２に記載の造形装置。
4. 前記制御部は、造形物の造形ラインの端部の一部または全部を折り返し動作しながら造形材料を吐出するように、前記複数のノズルモジュールを制御すること
   を特徴とする請求項２又は請求項３に記載の造形装置。
5. 前記制御部は、
   造形物の一部を、２次元の軌跡を造形するように、前記複数のノズルモジュールを制御することを特徴とする請求項２から請求項４のうち、いずれか一項に記載の造形装置。
6. 造形した造形物の温度を測定する温度センサと、
   前記温度センサで検出された造形物の温度に基づいて、前記造形物を再加熱する温度を算出する算出部と、
   前記算出部で算出された温度で、前記造形物を再加熱する加熱部と、をさらに備えること
   を特徴とする請求項１から請求項５のうち、いずれか一項に記載の造形装置。
7. 第一の方向に移動するキャリッジと、
   前記キャリッジに設けられた複数のノズルモジュールを有し、
   前記ノズルモジュールは、
   前記第一の方向に対して２次元平面上で交差する第２の方向に移動する造形方法であって、
   前記キャリッジを前記第一の方向に移動させて、前記複数のノズルモジュールで複数の造形ラインを造形するステップと、
   造形ラインをずらした位置に前記ノズルモジュールが位置するように、前記キャリッジを前記第一の方向に移動させるステップと、
   前記複数のノズルモジュールを前記第二の方向に、それぞれ独立して移動させて複数の造形ラインを造形するステップと、
   を有することを特徴とする造形方法。
8. 請求項１から請求項６のうち、いずれか一項に記載の造形装置と、
   前記造形装置に対して造形物の造形データ及び各種制御信号を供給する制御装置と
   を有する造形システム。

Images