JP2021016967A - 三次元造形物の製造方法および三次元造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】残存経路を生成する対象となる空隙領域が発生しない三次元造形物の製造技術を提供する。【解決手段】吐出部から造形材料を吐出させて三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法が提供される。この製造方法は、（Ａ）三次元造形物の外殻形状を形成する第１吐出経路の情報と、第１吐出経路の線幅を特定する情報とを含む第１造形データを生成する工程と、（Ｂ）外殻形状の内側部分であるインフィル領域を埋める第２吐出経路の情報と、第２吐出経路の線幅を特定するための情報とを含む第２造形データを生成する工程と、（Ｃ）第１造形データおよび第２造形データに従って、三次元造形物を造形する工程と、を備える。工程（Ｂ）では、第２吐出経路として、インフィル領域の最外周に沿った形状から、インフィル領域の中央領域の形状まで、大きさが段階的に変化する複数の多角形を表す経路を生成する。【選択図】図５

Description

本開示は、三次元造形物の製造方法および三次元造形装置に関する。

三次元造形物の製造方法に関し、例えば、特許文献１には、三次元造形物の各層を構築するためのビルド経路に従って、造形材料の押し出しを行うノズルを移動させることが記載されている。ビルド経路には、周囲経路と、周囲経路の内部に配置されるバルクラスター経路とが含まれる。

特表２００９−５２５２０７号公報

特許文献１では、バルクラスター経路では埋められない領域を空隙領域として特定し、その空隙領域に追加の残存経路を生成することで、隙間の発生を抑制している。しかし、そもそも残存経路を生成する対象となる空隙領域が発生しないように、全体の経路を生成することが望まれる。

本開示の一形態によれば、吐出部から造形材料を吐出させて三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法が提供される。この製造方法は、（Ａ）前記三次元造形物の外殻形状を形成する第１吐出経路の情報と、前記第１吐出経路の線幅を特定する情報とを含む第１造形データを生成する工程と、（Ｂ）前記外殻形状の内側部分であるインフィル領域を埋める第２吐出経路の情報と、前記第２吐出経路の線幅を特定するための情報とを含む第２造形データを生成する工程と、（Ｃ）前記第１造形データおよび前記第２造形データに従って、前記三次元造形物を造形する工程と、を備え、前記工程（Ｂ）では、前記第２吐出経路として、前記インフィル領域の最外周に沿った形状から、前記インフィル領域の中央領域の形状まで、大きさが段階的に変化する複数の多角形を表す経路を生成することを特徴とする。

第１実施形態における三次元造形装置の概略構成を示す説明図である。 フラットスクリューの下面側の概略構成を示す斜視図である。 スクリュー対面部の上面側を示す概略平面図である。 三次元造形物が造形されていく様子を模式的に示す概略図である。 三次元造形物の製造方法を示す工程図である。 第２造形データ生成処理のフローチャートである。 外接形状の例を示す図である。 外接形状を段階的に縮小する様子と中央領域とを示す図である。 中間形状の生成方法を示す説明図である。 第２吐出経路を示す図である。 三次元造形物の他の形状を示す図である。 三次元造形物の他の形状を示す図である。 第２実施形態において生成される第１吐出経路および第２吐出経路を示す図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態における三次元造形装置１００の概略構成を示す説明図である。図１には、互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚ方向を示す矢印が示されている。Ｘ方向およびＹ方向は、水平面に平行な方向であり、Ｚ方向は、重力方向とは反対の方向である。Ｘ，Ｙ，Ｚ方向を示す矢印は、他の図においても、図示の方向が図１と対応するように適宜、図示してある。以下の説明において、向きを特定する場合には、正の方向を「＋」、負の方向を「−」として、方向表記に正負の符合を併用する。

三次元造形装置１００は、三次元造形装置１００を制御する制御部１０１と、造形材料を生成して吐出する造形部１１０と、三次元造形物の基台となる造形用のステージ２１０と、造形材料の吐出位置を制御する移動機構２３０と、を備える。

造形部１１０は、制御部１０１の制御下において、固体状態の材料を溶融させてペースト状にした造形材料をステージ２１０上に吐出する。造形部１１０は、造形材料に転化される前の材料の供給源である材料供給部２０と、材料を造形材料へと転化させる造形材料生成部３０と、造形材料を吐出する吐出部６０と、を備える。

材料供給部２０は、造形材料生成部３０に、造形材料を生成するための原材料ＭＲを供給する。材料供給部２０は、例えば、原材料ＭＲを収容するホッパーによって構成される。材料供給部２０は、下方に排出口を有している。当該排出口は、連通路２２を介して、造形材料生成部３０に接続されている。原材料ＭＲは、ペレットや粉末等の形態で材料供給部２０に投入される。本実施形態では、ペレット状のＡＢＳ樹脂の材料が用いられる。

造形材料生成部３０は、材料供給部２０から供給された原材料ＭＲを溶融させて流動性を発現させたペースト状の造形材料を生成し、吐出部６０へと導く。造形材料生成部３０は、スクリューケース３１と、駆動モーター３２と、フラットスクリュー４０と、スクリュー対面部５０と、を有する。

図２は、フラットスクリュー４０の下面４８側の概略構成を示す斜視図である。図２に示したフラットスクリュー４０は、技術の理解を容易にするため、図１に示した上面４７と下面４８との位置関係を、鉛直方向において逆向きとした状態で示されている。図３は、スクリュー対面部５０の上面５２側を示す概略平面図である。フラットスクリュー４０は、その中心軸に沿った方向である軸線方向における高さが直径よりも小さい略円柱状を有する。フラットスクリュー４０は、その回転中心となる回転軸ＲＸがＺ方向に平行になるように配置される。

フラットスクリュー４０は、スクリューケース３１内に収納されている。フラットスクリュー４０の上面４７側は駆動モーター３２に連結されており、フラットスクリュー４０は、駆動モーター３２が発生させる回転駆動力によって、スクリューケース３１内で回転する。駆動モーター３２は、制御部１０１の制御下において駆動する。

フラットスクリュー４０の、回転軸ＲＸと交差する面である下面４８には、溝部４２が形成されている。上述した材料供給部２０の連通路２２は、フラットスクリュー４０の側面から、当該溝部４２に連通する。図２に示すように、本実施形態では、溝部４２は、凸条部４３によって隔てられて３本分形成されている。なお、溝部４２の数は、３本に限られず、１本でもよいし、２本以上であってもよい。

フラットスクリュー４０の下面４８は、スクリュー対面部５０の上面５２に面しており、フラットスクリュー４０の下面４８の溝部４２と、スクリュー対面部５０の上面５２との間には空間が形成される。造形部１１０では、フラットスクリュー４０とスクリュー対面部５０との間のこの空間に、材料供給部２０から図３に示した材料流入口４４へと原材料ＭＲが供給される。

スクリュー対面部５０には、回転しているフラットスクリュー４０の溝部４２内に供給された原材料ＭＲを加熱するためのヒーター５８が埋め込まれている。スクリュー対向面５２には、連通孔５６に接続され、連通孔５６から外周に向かって渦状に延びている複数の案内溝５４が形成されている。フラットスクリュー４０の溝部４２内に供給された原材料ＭＲは、溝部４２内において溶融されながら、フラットスクリュー４０の回転によって溝部４２に沿って流動し、造形材料としてフラットスクリュー４０の中央部４６へと導かれる。中央部４６に流入した流動性を発現しているペースト状の造形材料は、図３に示したスクリュー対面部５０の中心に設けられた連通孔５６を介して吐出部６０に供給される。なお、造形材料では、造形材料を構成する全ての種類の物質が溶融していなくてもよい。造形材料は、造形材料を構成する物質のうちの少なくとも一部の種類の物質が溶融することによって、全体として流動性を有する状態に転化されていればよい。

吐出部６０は、造形材料を吐出するノズル６１と、フラットスクリュー４０とノズル６１との間に設けられた造形材料の流路６５と、流路６５を開閉する開閉機構７０と、を有する。ノズル６１は、流路６５を通じて、スクリュー対面部５０の連通孔５６に接続されている。ノズル６１は、造形材料生成部３０において生成された造形材料を、先端の吐出口６２からステージ２１０に向かって吐出する。

開閉機構７０は、流路６５を開閉して、ノズル６１からの造形材料の流出を制御する。第１実施形態では、開閉機構７０は、バタフライバルブによって構成されている。開閉機構７０は、一方向に延びる軸状部材である駆動軸７２と、駆動軸７２の回転により回動する弁体７３と、駆動軸７２の回転駆動力を発生するバルブ駆動部７４と、を備える。

駆動軸７２は、造形材料の流れ方向に交差するように流路６５の途中に取り付けられている。より具体的には、駆動軸７２は、流路６５内の造形材料の流通方向に対して垂直な向きであるＹ方向に平行になるように取り付けられている。駆動軸７２は、Ｙ方向に沿った中心軸を中心に回転可能である。

弁体７３は、流路６５内において回転する板状部材である。第１実施形態では、弁体７３は、駆動軸７２の流路６５内に配置されている部位を板状に加工することによって形成されている。弁体７３を、その板面に垂直な方向に見たときの形状は、弁体７３が配置されている部位における流路６５の開口形状とほぼ一致する。

バルブ駆動部７４は、制御部１０１の制御下において、駆動軸７２を回転させる。バルブ駆動部７４は、例えば、ステッピングモーターによって構成される。駆動軸７２の回転によって弁体７３が流路６５内において回転する。

弁体７３の板面を、流路６５における造形材料の流通方向に対して垂直にされた状態が、流路６５が閉じられた状態である。この状態では、流路６５からノズル６１への造形材料の流入が遮断され、吐出口６２からの造形材料の流出が停止される。弁体７３の板面が、駆動軸７２の回転によって、この垂直にされた状態から回転されると、流路６５からノズル６１への造形材料の流入が許容され、弁体７３の回転角度に応じた吐出量の造形材料が吐出口６２から流出する。図１に示されているように、流路６５における造形材料の流通方向に沿った状態が、流路６５が全開となる状態である。この状態は、吐出口６２からの単位時間あたりの造形材料の吐出量が最大となる。このように、開閉機構７０は、造形材料の流出のＯＮ／ＯＦＦとともに、造形材料の吐出量の調整を実現できる。

ステージ２１０は、ノズル６１の吐出口６２に対向する位置に配置されている。第１実施形態では、ノズル６１の吐出口６２に対向するステージ２１０の面２１１は、Ｘ，Ｙ方向、すなわち水平方向に平行となるように配置される。後述するように、三次元造形装置１００は、造形処理において、吐出部６０からステージ２１０の面２１１に向けて造形材料を吐出させて層を積層することによって三次元造形物を造形する。

移動機構２３０は、ステージ２１０とノズル６１との相対位置を変化させる。第１実施形態では、ノズル６１の位置が固定されており、移動機構２３０は、ステージ２１０を移動させる。移動機構２３０は、３つのモーターＭの駆動力によって、ステージ２１０をＸ，Ｙ，Ｚ方向の３軸方向に移動させる３軸ポジショナーによって構成される。移動機構２３０は、制御部１０１の制御下において、ノズル６１とステージ２１０との相対的な位置関係を変更する。本明細書において、特に断らない限り、ノズル６１の移動とは、ノズル６１をステージ２１０に対して相対移動させることを意味する。

なお、他の実施形態では、移動機構２３０によってステージ２１０を移動させる構成の代わりに、ステージ２１０の位置が固定された状態で、移動機構２３０がステージ２１０に対してノズル６１を移動させる構成が採用されてもよい。また、移動機構２３０によってステージ２１０をＺ方向に移動させ、ノズル６１をＸ，Ｙ方向に移動させる構成や、移動機構２３０によってステージ２１０をＸ，Ｙ方向に移動させ、ノズル６１をＺ方向に移動させる構成が採用されてもよい。これらの構成であっても、ノズル６１とステージ２１０との相対的な位置関係が変更可能である。

制御部１０１は、三次元造形装置１００全体の動作を制御する制御装置である。制御部１０１は、１つ、または、複数のプロセッサーと、主記憶装置と、外部との信号の入出力を行う入出力インターフェースとを備えるコンピューターによって構成される。制御部１０１は、主記憶装置上に読み込んだプログラムや命令をプロセッサーが実行することによって、データ生成部１０２としての機能のほか、種々の機能を発揮する。制御部１０１は、コンピューターによって構成される代わりに、各機能の少なくとも一部を実現するための複数の回路を組み合わせた構成により実現されてもよい。

データ生成部１０２は、移動機構２３０によって吐出部６０を移動させるため造形データを生成する。制御部１０１は、データ生成部１０２によって生成された造形データに従って、開閉機構７０および吐出部６０を含む造形部１１０と、移動機構２３０とを制御してステージ２１０上に三次元造形物を造形する。

データ生成部１０２は、三次元造形物の形状を表す３次元ＣＡＤデータなどの形状データを用いて、造形データの生成を行う。造形データには、第１造形データと第２造形データとが含まれる。第１造形データは、三次元造形物の外殻形状を形成する第１吐出経路の情報と、第１吐出経路の線幅を特定する情報とを含む。第２造形データは、三次元造形物の外殻形状の内側部分であるインフィル領域を埋める第２吐出経路の情報と、第２吐出経路の線幅を特定するための情報とを含む。線幅とは、ステージ２１０上に吐出された造形材料の太さである。

本実施形態において、各吐出経路の線幅を特定するための情報は、吐出部６０の移動速度および造形材料の吐出量の少なくとも一方を表す情報である。造形材料の吐出量を一定として、吐出部６０の移動速度を遅くすれば、線幅は太くなり、移動速度を早くすれば、線幅は細くなる。また、吐出部６０の移動速度を一定として、造形材料の単位面積当たりの吐出量を多くすれば、線幅は太くなり、吐出量を少なくすれば、線幅は細くなる。造形材料の吐出量は、単位面積当たりの吐出量として表されてもよいし、各吐出経路を構成する多角形の一辺に対応するパス毎に、吐出量が絶対量として表されてもよい。

図４は、三次元造形装置１００において三次元造形物が造形されていく様子を模式的に示す概略図である。三次元造形装置１００では、上述したように、造形材料生成部３０において、回転しているフラットスクリュー４０の溝部４２に供給された固体状態の原材料ＭＲが溶融されて造形材料ＭＭが生成される。制御部１０１は、ステージ２１０の面２１１とノズル６１との距離を保持したまま、ステージ２１０の面２１１に沿った方向に、ステージ２１０に対するノズル６１の位置を変えながら、ノズル６１から造形材料ＭＭを吐出させる。ノズル６１から吐出された造形材料ＭＭは、ノズル６１の移動方向に連続して堆積されていく。こうしたノズル６１による走査によって、ノズル６１の走査経路に沿って線状に延びる造形部位である線状部位ＬＰが造形される。

制御部１０１は、上記のノズル６１による走査を繰り返して層ＭＬを形成する。制御部１０１は、１つの層ＭＬを形成した後、ステージ２１０に対するノズル６１の位置を、Ｚ方向に移動させる。そして、これまでに形成された層ＭＬの上に、さらに層ＭＬを積み重ねることによって三次元造形物を造形していく。

制御部１０１は、例えば、一層分の層ＭＬの堆積を完了した場合にノズル６１をＺ方向に移動させる場合や、不連続のパスを造形する場合等において、ノズル６１からの造形材料の吐出を一時的に中断させることがある。この場合、開閉機構７０の弁体７３によって流路６５を閉塞させて、吐出口６２からの造形材料ＭＭの吐出を停止させる。制御部１０１は、ノズル６１の位置を変更した後、開閉機構７０の弁体７３によって流路６５を開くことによって、変更後のノズル６１の位置から造形材料ＭＭの堆積を再開させる。三次元造形装置１００によれば、開閉機構７０によって、ノズル６１による造形材料ＭＭの堆積位置を容易に制御することができる。

図５は、三次元造形物の製造方法を示す工程図である。まず、ステップＳ１０において、データ生成部１０２が、外部から入力された三次元造形物の造形データである３次元ＣＡＤデータを解析し、三次元造形物を、ＸＹ平面に沿って複数の層にスライスした層データを生成する。層データは、各ＸＹ平面における三次元造形物の外殻を表すデータである。

ステップＳ２０において、データ生成部１０２は、第１造形データを生成するための第１造形データ生成処理を実行する。前述のとおり、第１造形データとは、三次元造形物の外殻形状を形成する第１吐出経路の情報と、第１吐出経路の線幅を特定する情報とを含むデータである。第１吐出経路は、層データが表す三次元造形物の外殻の内側に接する多角形の経路である。本実施形態において、第１吐出経路の線幅は、第１吐出経路が表す多角形の全ての辺について、同じ線幅が設定される。本実施形態では、第１吐出経路の線幅として、基本線幅が設定される。基本線幅とは、予め定められた線幅であり、例えば、吐出口６２の直径に等しい。データ生成部１０２は、三次元造形物の外殻の内側１周分だけではなく、内側２周分以上の経路によって第１吐出経路を構成してもよい。第１吐出経路の周回数は、任意に設定可能である。

ステップＳ３０において、データ生成部１０２は、第２造形データを生成するための第２造形データ生成処理を実行する。前述のとおり、第２造形データとは、インフィル領域を埋める第２吐出経路の情報と、第２吐出経路の線幅を特定するための情報とを含むデータである。インフィル領域とは、上述した第１吐出経路によって表される外殻形状の内側部分の領域である。第２造形データの具体的な生成方法については後述する。

ステップＳ４０において、データ生成部１０２は、以上の処理をすべての層データについて完了したか否か判断する。全ての層データについて終了していなければ、データ生成部１０２は、次の層データについて、ステップＳ２０およびステップＳ３０の処理を繰り返す。

全ての層データについて第１造形データおよび第２造形データの生成を完了した場合、制御部１０１は、ステップＳ５０において、これまでの処理によって生成された各層の第１造形データおよび第２造形データに従って、造形部１１０および移動機構２３０を制御して、三次元造形物を造形する。具体的には、制御部１０１は、最も下層に位置する１層目について、その層の第１造形データを用いて外殻形状を造形した後に、その層の第２造形データを用いてインフィル領域の造形を行う。そして、ノズル６１をステージ２１０に対して相対的に＋Ｚ方向に一層分、移動させ、２層目について、その層の第１造形データを用いて外殻形状を造形した後に、その層の第２造形データを用いてインフィル領域の造形を行う。制御部１０１は、このようにして全ての層について、外殻形状およびインフィル領域を順次造形する。以上で説明した一連の処理により、三次元造形物は製造される。

図６は、第２造形データ生成処理のフローチャートである。まず、ステップＳ３２において、データ生成部１０２は、インフィル領域に外接する矩形形状を特定する。以下、インフィル領域に外接する矩形形状のことを、「外接形状」という。

図７は、外接形状ＲＳ０の例を示す図である。図７には、四辺中の一辺が外側に向けて扇状に突出した略矩形状の外殻形状ＯＳと、その内側部分のインフィル領域ＩＡとを示している。インフィル領域ＩＡの外周の形状は多角形である。図７には、インフィル領域ＩＡに外接する外接形状ＲＳ０を破線によって示している。

図６に示すステップＳ３４において、データ生成部１０２は、ステップＳ３２において特定された外接形状ＲＳ０に対して段階的に縮小を行うことによって、最も内周の矩形形状を求め、その最も内周の矩形形状である長方形の形状を、インフィル領域ＩＡの中央領域を形成する形状として特定する。

図８は、外接形状ＲＳ０を段階的に縮小する様子と中央領域ＣＡとを示す図である。図８に示した例では、外接形状ＲＳ０を３段階縮小することで、２つの中間的な矩形形状ＲＳ１，ＲＳ２と、中央領域ＣＡを形成する矩形形状ＲＳ３とが特定されている。段階的に縮小を行う間隔は、例えば、吐出部６０によって造形可能な線幅の範囲であり、かつ、外接形状ＲＳ０の短辺の長さを、短辺の長さの偶数分の一の大きさで除した値とすることができる。中央領域ＣＡは、インフィル領域ＩＡの一部であり、中央領域ＣＡを造形する際に、その中心に隙間が生じない大きさの領域である。

図６に示すステップＳ３６において、データ生成部１０２は、中間形状の生成を行う。中間形状とは、インフィル領域ＩＡの最外周から中央領域ＣＡに至るまでの吐出経路の形状である。

図９は、中間形状の生成方法を示す説明図である。まず、データ生成部１０２は、インフィル領域ＩＡの最外周を表す多角形の各頂点から、中央領域ＣＡを形成する矩形形状ＲＳ３に至る直線Ｌ１〜Ｌ９を求める。より詳しくは、データ生成部１０２は、中央領域ＣＡを形成する矩形形状ＲＳ３の各辺において、インフィル領域ＩＡの最外周を表す多角形の各頂点に対応する対応点を特定し、それらの対応点と、多角形の各頂点とを通る直線をそれぞれ求めることで、インフィル領域ＩＡの最外周を表す多角形の各頂点から、中央領域ＣＡを形成する矩形形状ＲＳ３に至る直線Ｌ１〜Ｌ９を求める。こうして、直線Ｌ１〜Ｌ９を求めた後、データ生成部１０２は、各直線Ｌ１〜Ｌ９上に、上記ステップＳ３４において外接形状ＲＳ０を縮小させた段階数に相当する数の座標を、等間隔に特定する。そして、各直線Ｌ１〜Ｌ９上の、縮小の各段階に対応する座標を結ぶことにより、中間形状ＭＦを生成する。この中間形状ＭＦは、インフィル領域ＩＡの最外周に沿った形状から、インフィル領域ＩＡの中央領域ＣＡの形状まで、大きさが段階的に変化する複数の多角形を含む。

図６に示すステップＳ３８において、データ生成部１０２は、上記ステップＳ３６で生成した中間形状ＭＦに基づき、第２造形データを生成する。具体的には、データ生成部１０２は、インフィル領域ＩＡの最外周に沿った形状から、インフィル領域ＩＡの中央領域ＣＡの形状まで、大きさが段階的に変化する複数の多角形に沿った経路を、第２吐出経路として第２造形データに記録する。

図１０は、第２吐出経路を示す図である。図１０に示した各矢印が、第２吐出経路を構成するパスを概略的に表す。本実施形態では、データ生成部１０２は、中間形状に含まれる複数の多角形のうちの隣り合う多角形間において対向する辺同士の間隔に応じて、多角形の各辺を形成するための線幅を設定することにより、第２吐出経路の線幅を特定する情報を第２造形データに記録する。具体的には、データ生成部１０２は、隣り合う多角形間において対向する辺までの距離が基準線幅よりも大きければ、線幅を基準線幅よりも大きくし、基準線幅よりも狭ければ、線幅を基準線幅よりも小さくする。線幅の大きさの段階数は、基準線幅を含めて２段階以上であることが好ましく、３段階以上であることがより好ましい。データ生成部１０２は、隣り合う多角形間において対向する辺同士の間隔に応じて、基準線幅を無段階で変更してもよい。

以上で説明した本実施形態の三次元造形物の製造方法によれば、三次元造形物の外殻形状の内側部分であるインフィル領域ＩＡを埋めるための経路として、インフィル領域の最外周に沿った形状から、インフィル領域ＩＡの中央領域ＣＡの形状まで、大きさが段階的に変化する複数の多角形を表す経路を生成する。そのため、空隙を生じないように全体の経路を生成することができる。この結果、三次元造形物の強度を向上させることができる。

また、本実施形態では、インフィル領域ＩＡに含まれる中央領域ＣＡの形状を長方形としている。そのため、隙間がより生じにくい経路を生成できる。

また、本実施形態では、第２吐出経路を構成する複数の多角形のうちの隣り合う多角形間において対向する辺同士の間隔に応じて、各多角形の各辺を形成するための線幅を設定する。そのため、隙間がより生じにくい経路を生成できる。

また、本実施形態では、インフィル領域ＩＡに外接する矩形形状に対して段階的に縮小を行うことによって中央領域ＣＡを設定し、インフィル領域ＩＡの最外周を表す多角形から中央領域ＣＡに至るまでの第２造形データを生成する。そのため、単純な処理によって第２造形データを効率的に生成することができる。

なお、本実施形態では、図７に示したように、四辺中の一辺が外側に向けて扇状に突出した略矩形状のインフィル領域を埋める経路データを生成している。しかし、経路データの生成対象となる形状は、このような形状に限られない。形状が複雑であっても、その形状に外接する矩形形状から、中央領域の形状まで、大きさが段階的に変化する複数の多角形を表す経路を生成可能であり、各多角形間に隙間が生じないように線幅を設定可能であれば、図１１や図１２に示すように、様々な形状について、インフィル領域を埋めるための経路データを生成可能である。

Ｂ．第２実施形態：
図１３は、第２実施形態において生成される第１吐出経路ＲＴ１および第２吐出経路ＲＴ２を示す図である。第２実施形態における三次元造形装置１００の装置構成は、第１実施形態と同じである。そのため、三次元造形装置１００についての説明は省略する。

上述した第１実施形態では、三次元造形物の外殻形状を形成する第１吐出経路と、インフィル領域を埋める第２吐出経路とは、それぞれ独立した経路である。そのため、これらの経路は、それぞれ別々に造形される。これに対して、第２実施形態では、図１３に示すように、第１吐出経路ＲＴ１と第２吐出経路ＲＴ２とを連続した経路とすることにより、これらを連続して造形する。具体的には、データ生成部１０２は、図６に示した第２造形データ生成処理のステップＳ３６において、第２吐出経路ＲＴ２の始点を、第１吐出経路ＲＴ１の終点の近傍の位置に設定し、図１３に示すように、これらを接続する第１接続経路ＡＲ１を追加する。こうすることによって、ノズル６１からの造形材料の吐出を停止させることなく第１吐出経路ＲＴ１と第２吐出経路ＲＴ２とを連続して形成することができる。この結果、三次元造形物を効率的に製造することができる。

また、第１実施形態では、インフィル領域を形成するための第２吐出経路は、複数の独立した多角形によって表されており、これらはそれぞれ独立して造形される。しかし、第２実施形態では、第２吐出経路に含まれる複数の多角形を、連続した経路によって表す。具体的には、データ生成部１０２は、図６のステップＳ３６において、インフィル領域を埋めるための中間形状を生成した後に、図１３に示すように、中間形状に含まれる複数の多角形について、それぞれ、始点と終点を近傍に設定し、これらを接続する第２接続経路ＡＲ２を追加する。こうすることによって、複数の多角形を連続した経路によって表すことが可能である。複数の多角形を連続した経路によって表せば、ノズル６１からの造形材料の吐出を停止させることなくインフィル領域を一筆書きの要領で造形することができるので、三次元造形物を効率的に製造することが可能である。

なお、第２実施形態では、第１吐出経路ＲＴ１と第２吐出経路ＲＴ２とを連続させ、更に、第２吐出経路に含まれる複数の多角形についても連続させている。これに対して、第１吐出経路ＲＴ１と第２吐出経路ＲＴ２とを連続させ、第２吐出経路に含まれる複数の多角形については連続させないものとしてもよい。また、第１吐出経路ＲＴ１と第２吐出経路ＲＴ２とについては連続させず、第２吐出経路に含まれる複数の多角形については連続させるものとしてもよい。

Ｃ．他の実施形態：
（Ｃ−１）上記実施形態において、造形部１１０は、フラットスクリュー４０によって材料を可塑化している。これに対して造形部１１０は、例えば、螺旋状のインラインスクリューを回転させることによって材料を可塑化するものであってもよい。また、造形部１１０として、ＦＤＭ（熱溶解積層法）に用いられるヘッドを採用してもよい。

（Ｃ−２）上記実施形態において、開閉機構７０は、ピストンが流路６５内に突出して流路６５を閉塞するプランジャーを用いた機構や、流路６５に交差する方向に移動して流路６５を閉塞するシャッターを用いた機構によって構成されてもよい。開閉機構７０は、上記実施形態のバタフライバルブや、上述のシャッター機構、プランジャー機構のうちの２つ以上を組み合わせて構成されてもよい。また、開閉機構７０ではなく、フラットスクリュー４０の回転数を制御することによって、造形材料の吐出量を制御してもよい。

（Ｃ−３）上記実施形態では、インフィル領域ＩＡに含まれる中央領域ＣＡの形状は、長方形である。これに対して、中央領域ＣＡの形状は、長方形に限らず他の形状としてもよい。例えば、中央領域ＣＡの形状は、平行四辺形や正方形、台形などの形状であってもよい。中央領域ＣＡの形状は、少なくとも一組の対辺が互いに平行な形状であることが好ましい。

（Ｃ−４）上記実施形態では、第２吐出経路を構成する複数の多角形のそれぞれの線幅を、対向する辺同士の間隔に応じて設定している。これに対して、第２吐出経路を構成する複数の多角形の線幅は、全て一定であってもよい。このような形態では、対向する辺の間に小さな隙間が生じ得るが、大きな隙間が１箇所に集中して生じることはない。また、小さな隙間がインフィル領域全体に亘って分散するため、各隙間は、その周囲の造形材料によって埋められる可能性が高い。そのため、各辺について、それぞれ線幅を設定しなくても、実質的に三次元造形物に隙間が生じることを抑制することができ、三次元造形物の強度を確保することが可能である。

（Ｃ−５）上記実施形態における中間形状の生成方法は、上述の説明に限らず、任意の手法を適用可能である。例えば、インフィル領域の外形形状に外接する外接形状を特定することは必須ではなく、周知のモーフィング技術を適用することにより、インフィル領域の外形形状から中央領域の形状まで、段階的に形状および大きさが変化する複数の多角形を生成することによって中間形状を生成してもよい。

（Ｃ−６）上記実施形態では、材料供給部２０に供給される原材料として、ペレット状のＡＢＳ樹脂の材料が用いられる。これに対して、三次元造形装置１００は、例えば、熱可塑性を有する材料や、金属材料、セラミック材料等の種々の材料を主材料として三次元造形物を造形することができる。ここで、「主材料」とは、三次元造形物の形状を形作っている中心となる材料を意味し、三次元造形物において５０重量％以上の含有率を占める材料を意味する。上述した造形材料には、それらの主材料を単体で溶融したものや、主材料とともに含有される一部の成分が溶融してペースト状にされたものが含まれる。

主材料として熱可塑性を有する材料を用いる場合には、造形材料生成部３０において、当該材料が可塑化することによって造形材料が生成される。「可塑化」とは、熱可塑性を有する材料に熱が加わり溶融することを意味する。

熱可塑性を有する材料としては、例えば、下記の熱可塑性樹脂材料を用いることができる。
＜熱可塑性樹脂材料の例＞
ポリプロピレン樹脂（ＰＰ）、ポリエチレン樹脂（ＰＥ）、ポリアセタール樹脂（ＰＯＭ）、ポリ塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）、ポリアミド樹脂（ＰＡ）、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂（ＡＢＳ）、ポリ乳酸樹脂（ＰＬＡ）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレートなどの汎用エンジニアリングプラスチック、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリアリレート、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトンなどのエンジニアリングプラスチック

熱可塑性を有する材料には、顔料や、金属、セラミック、その他に、ワックス、難燃剤、酸化防止剤、熱安定剤などの添加剤等が混入されていてもよい。熱可塑性を有する材料は、造形材料生成部３０において、フラットスクリュー４０の回転とヒーター５８の加熱によって可塑化されて溶融した状態に転化される。熱可塑性を有する材料の溶融によって生成された造形材料は、ノズル６１から吐出された後、温度の低下によって硬化する。

熱可塑性を有する材料は、そのガラス転移点以上に加熱されて完全に溶融した状態でノズル６１から射出されることが望ましい。例えば、ＡＢＳ樹脂は、ガラス転移点が約１２０℃であり、ノズル６１からの射出時には約２００℃であることが望ましい。このように高温の状態で造形材料を射出するために、ノズル６１の周囲にはヒーターが設けられてもよい。

三次元造形装置１００では、上述した熱可塑性を有する材料の代わりに、例えば、以下の金属材料が主材料として用いられてもよい。この場合には、下記の金属材料を粉末状にした粉末材料に、造形材料の生成の際に溶融する成分が混合されて、原材料として造形材料生成部３０に投入されることが望ましい。
＜金属材料の例＞
マグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）やクロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）の単一の金属、もしくはこれらの金属を１つ以上含む合金
＜前記合金の例＞
マルエージング鋼、ステンレス、コバルトクロムモリブデン、チタニウム合金、ニッケル合金、アルミニウム合金、コバルト合金、コバルトクロム合金

三次元造形装置１００においては、上記の金属材料の代わりに、セラミック材料を主材料として用いることが可能である。セラミック材料としては、例えば、二酸化ケイ素、二酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムなどの酸化物セラミックスや、窒化アルミニウムなどの非酸化物セラミックスなどが使用可能である。主材料として、上述したような金属材料やセラミック材料を用いる場合には、ステージ２１０に配置された造形材料はレーザーの照射や温風などによる焼結によって硬化されてもよい。

材料供給部２０に原材料として投入される金属材料やセラミック材料の粉末材料は、単一の金属の粉末や合金の粉末、セラミック材料の粉末を、複数種類、混合した混合材料であってもよい。また、金属材料やセラミック材料の粉末材料は、例えば、上で例示したような熱可塑性樹脂、あるいは、それ以外の熱可塑性樹脂によってコーティングされていてもよい。この場合には、造形材料生成部３０において、その熱可塑性樹脂が溶融して流動性が発現されるものとしてもよい。

材料供給部２０に原材料として投入される金属材料やセラミック材料の粉末材料には、例えば、以下のような溶剤を添加することもできる。溶剤は、下記の中から選択される１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
＜溶剤の例＞
水；エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等の（ポリ）アルキレングリコールモノアルキルエーテル類；酢酸エチル、酢酸ｎ−プロピル、酢酸ｉｓｏ−プロピル、酢酸ｎ−ブチル、酢酸ｉｓｏ−ブチル等の酢酸エステル類；ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類；メチルエチルケトン、アセトン、メチルイソブチルケトン、エチル−ｎ−ブチルケトン、ジイソプロピルケトン、アセチルアセトン等のケトン類；エタノール、プロパノール、ブタノール等のアルコール類；テトラアルキルアンモニウムアセテート類；ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド等のスルホキシド系溶剤；ピリジン、γ−ピコリン、２，６−ルチジン等のピリジン系溶剤；テトラアルキルアンモニウムアセテート（例えば、テトラブチルアンモニウムアセテート等）；ブチルカルビトールアセテート等のイオン液体等

その他に、材料供給部２０に原材料として投入される金属材料やセラミック材料の粉末材料には、例えば、以下のようなバインダーを添加することもできる。
＜バインダーの例＞
アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、セルロース系樹脂或いはその他の合成樹脂又はＰＬＡ（ポリ乳酸）、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）或いはその他の熱可塑性樹脂。

Ｄ．他の形態：
本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、以下に記載する各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

（１）本開示の第１の形態によれば、吐出部から造形材料を吐出させて三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法が提供される。この製造方法は、（Ａ）前記三次元造形物の外殻形状を形成する第１吐出経路の情報と、前記第１吐出経路の線幅を特定する情報とを含む第１造形データを生成する工程と、（Ｂ）前記外殻形状の内側部分であるインフィル領域を埋める第２吐出経路の情報と、前記第２吐出経路の線幅を特定するための情報とを含む第２造形データを生成する工程と、（Ｃ）前記第１造形データおよび前記第２造形データに従って、前記三次元造形物を造形する工程と、を備え、前記工程（Ｂ）では、前記第２吐出経路として、前記インフィル領域の最外周に沿った形状から、前記インフィル領域の中央領域の形状まで、大きさが段階的に変化する複数の多角形を表す経路を生成することを特徴とする。
このような形態によれば、三次元造形物の外殻形状の内側部分であるインフィル領域を埋めるための第２吐出経路として、インフィル領域の最外周に沿った形状から、インフィル領域の中央領域の形状まで、大きさが段階的に変化する複数の多角形を表す経路を生成するので、空隙を生じないように全体の経路を生成することができる。

（２）上記形態の三次元造形物の製造方法において、前記中央領域の形状は、長方形であってもよい。このような形態であれば、隙間がより生じにくい経路を生成できる。

（３）上記形態の三次元造形物の製造方法において、前記工程（Ｂ）では、前記複数の多角形のうちの隣り合う多角形間において対向する辺同士の間隔に応じて、前記各多角形の各辺を形成するための線幅を設定してもよい。このような形態であれば、隙間がより生じにくい経路を生成できる。

（４）上記形態の三次元造形物の製造方法において、前記線幅を特定する情報は、前記吐出部の移動速度および前記造形材料の吐出量の少なくとも一方を表す情報であってもよい。このような形態であれば、吐出部の移動速度や造形材料の吐出量を調整することによって線幅を変化させることができる。

（５）上記形態の三次元造形物の製造方法において、前記工程（Ｂ）では、前記複数の多角形を連続した経路によって表し、前記第２吐出経路を生成してもよい。このような形態であれば、三次元造形物を効率的に製造できる。

（６）上記形態の三次元造形物の製造方法において、前記工程（Ｂ）では、前記第２吐出経路を前記第１吐出経路に連続させてもよい。このような形態であれば、三次元造形物を効率的に製造できる。

（７）上記形態の三次元造形物の製造方法において、前記工程（Ｂ）では、前記インフィル領域に外接する矩形形状に対して段階的に縮小を行うことによって最も内周の矩形形状を求め、前記最も内周の矩形形状を、前記中央領域を形成する形状として特定し、前記インフィル領域の最外周を表す多角形の各頂点から、前記中央領域を形成する形状に至る直線を求め、各前記直線上に、前記縮小の段階数に相当する数の座標を特定し、各前記直線上の、前記縮小の各段階に対応する座標を結ぶことにより、前記複数の多角形を表す経路を生成してもよい。このような形態であれば、第２造形データを効率的に生成できる。

本開示は、上述した三次元造形物の製造方法としての形態に限らず、三次元造形装置や三次元造形システム、三次元造形装置の制御方法などの種々の形態として実現できる。

２０…材料供給部、２２…連通路、３０…造形材料生成部、３１…スクリューケース、３２…駆動モーター、４０…フラットスクリュー、４２…溝部、４３…凸条部、４４…材料流入口、４６…中央部、４７…上面、４８…下面、５０…スクリュー対面部、５２…スクリュー対向面、５４…案内溝、５６…連通孔、５８…ヒーター、６０…吐出部、６１…ノズル、６２…吐出口、６５…流路、７０…開閉機構、７２…駆動軸、７３…弁体、７４…バルブ駆動部、１００…三次元造形装置、１０１…制御部、１０２…データ生成部、１１０…造形部、２１０…ステージ、２１１…面、２３０…移動機構、ＣＡ…中央領域、ＩＡ…インフィル領域、ＬＰ…線状部位、Ｍ…モーター、ＭＬ…層、ＭＭ…造形材料、ＭＲ…原材料、ＲＳ０…外接形状、ＲＳ１〜ＲＳ３…矩形形状、ＲＴ１…第１吐出経路、ＲＴ２…第２吐出経路、ＡＲ１…第１接続経路、ＡＲ２…第２接続経路、ＯＳ…外殻形状

Claims (8)

1. 吐出部から造形材料を吐出させて三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法であって、
   （Ａ）前記三次元造形物の外殻形状を形成する第１吐出経路の情報と、前記第１吐出経路の線幅を特定する情報とを含む第１造形データを生成する工程と、
   （Ｂ）前記外殻形状の内側部分であるインフィル領域を埋める第２吐出経路の情報と、前記第２吐出経路の線幅を特定するための情報とを含む第２造形データを生成する工程と、
   （Ｃ）前記第１造形データおよび前記第２造形データに従って、前記三次元造形物を造形する工程と、
   を備え、
   前記工程（Ｂ）では、前記第２吐出経路として、前記インフィル領域の最外周に沿った形状から、前記インフィル領域の中央領域の形状まで、大きさが段階的に変化する複数の多角形を表す経路を生成する、
   三次元造形物の製造方法。
2. 請求項１に記載の三次元造形物の製造方法であって、
   前記中央領域の形状は、長方形である、三次元造形物の製造方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の三次元造形物の製造方法であって、
   前記工程（Ｂ）では、前記複数の多角形のうちの隣り合う多角形間において対向する辺同士の間隔に応じて、前記各多角形の各辺を形成するための線幅を設定する、三次元造形物の製造方法。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法であって、
   前記線幅を特定する情報は、前記吐出部の移動速度および前記造形材料の吐出量の少なくとも一方を表す情報である、三次元造形物の製造方法。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法であって、
   前記工程（Ｂ）では、前記複数の多角形を連続した経路によって表し、前記第２吐出経路を生成する、三次元造形物の製造方法。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法であって、
   前記工程（Ｂ）では、前記第２吐出経路を前記第１吐出経路に連続させる、三次元造形物の製造方法。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法であって、
   前記工程（Ｂ）では、
   前記インフィル領域に外接する矩形形状に対して段階的に縮小を行うことによって最も内周の矩形形状を求め、前記最も内周の矩形形状を、前記中央領域を形成する形状として特定し、
   前記インフィル領域の最外周を表す多角形の各頂点から、前記中央領域を形成する形状に至る直線を求め、各前記直線上に、前記縮小の段階数に相当する数の座標を特定し、
   各前記直線上の、前記縮小の各段階に対応する座標を結ぶことにより、前記複数の多角形を表す経路を生成する、
   三次元造形物の製造方法。
8. ステージと、
   前記ステージに向けて造形材料を吐出する吐出部と、
   前記ステージに対して前記吐出部を相対移動させる移動機構と、
   第１造形データおよび第２造形データを生成するデータ生成部と、
   前記第１造形データおよび前記第２造形データに従って、前記吐出部と前記移動機構とを制御して前記ステージ上に三次元造形物を造形する制御部と、
   を備え、
   前記データ生成部は、
   前記三次元造形物の外殻形状を表す第１吐出経路の情報と、前記第１吐出経路の線幅を特定する情報とを含む前記第１造形データを生成し、
   前記外殻形状の内側部分であるインフィル領域を埋める第２吐出経路の情報と、前記第２吐出経路の線幅を特定するための情報とを含む前記第２造形データを生成し、
   前記第２吐出経路として、前記インフィル領域の最外周に沿った形状から、前記インフィル領域の中央領域を形成する形状まで、大きさが段階的に変化する複数の多角形を表す経路を生成する、
   三次元造形装置。

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