JP2022113757A - 造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】積層方向の強度低下の抑制された、目的とする形状の造形物を提供する。【解決手段】造形装置１は、加熱部２０Ａと、吐出部１０と、切削部７と、を備える。加熱部２０Ａは、形成された造形材料層を加熱する。吐出部１０は、加熱された造形材料層に溶融フィラメントを吐出して造形材料層を積層させる。切削部７は、造形材料層の積層体の表面の少なくとも一部を切削する。【選択図】図１

Description

本発明は、造形装置に関する。

金型などを用いずに造形物を作製する装置として、３Ｄプリンタが普及しつつある。熱溶解積層法（ＦＦＦ（Ｆｕｓｅｄ Ｆｉｌａｍｅｎｔ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ））を用いた３Ｄプリンタは、コンシューマ向けにも浸透している。また、複数の造形材料層を積層することで形成された造形物の、積層方向の強度向上を図る技術が知られている。

特許文献１には、粗面化された造形材料層上に次の造形材料層を形成することで、造形材料層間の密着力を向上させる技術が開示されている。

しかし従来技術では、造形材料を吐出した後にローラを用いて平滑化した後に硬化させ、硬化した造形材料層を粗面化した上で、次の造形材料層を形成していた。このため、従来では、平滑化により造形材料層の端部の形状が崩れ、結果的に、形成される造形物が目的とする形状とは異なるものとなる場合があった。すなわち、従来では、積層方向の強度低下の抑制された、目的とする形状の造形物を作製する事は困難であった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、積層方向の強度低下の抑制された目的とする形状の造形物を提供する事を目的とする。

上述した課題を解決するために、造形装置は、造形データに基づいて造形材料を積層することにより造形物を造形する造形装置であって、前記造形データを保持する制御部と、形成された造形材料層に溶融した造形材料を吐出して前記造形材料層を積層させる吐出部と、前記造形材料層の積層体の表面の少なくとも一部を切削する切削部と、を備え、前記制御部は、目的造形物の造形データに基づいて、前記目的造形物を覆う大きさ及び形状の積層体を積層する補正造形データを作成し、前記切削部は、前記補正造形データを用いて積層された補正積層体の表面を切削することにより、前記目的造形物を切り出す。

本発明によれば、積層方向の強度低下の抑制された目的とする形状の造形物を提供することができる。

図１は、造形装置の一例を示す模式図である。 図２は、吐出部の断面模式図の一例である。 図３は、加熱部および回転ステージを拡大して示した模式図である。 図４は、造形装置のハードウェア構成図の一例である。 図５は、造形材料層の積層の一例を示す説明図である。 図６は、造形材料層の積層の詳細例を示す模式図である。 図７は、側面冷却部による冷却の説明図である。 図８は、加熱部による再加熱の説明図である。 図９は、造形物の切削の一例を示す模式図である。 図１０は、目的造形物の一例を示す模式図である。 図１１は、造形処理の手順の一例を示す、フローチャートである。 図１２は、造形装置の一例を示す模式図である。 図１３は、造形装置の一例を示す模式図である。 図１４は、造形装置の一例を示す模式図である。 図１５は、造形装置の一例を示す模式図である。 図１６は、制御部のハードウェア構成の一例を示す模式図である。

以下、添付図面を参照しながら、本実施の形態の造形装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、本明細書において、同じ構成および機能を示す部分には、同じ符号を付与し、詳細な説明を省略する場合がある。

なお、本実施の形態では、熱溶解積層法（ＦＦＦ）により造形物を造形する造形装置を、一例として説明する。なお、造形装置は、三次元の造形物を造形する装置であればよく、造形方法は熱溶解積層法（ＦＦＦ）に限定されない。

（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態の造形装置１の一例を示す模式図である。

造形装置１の筐体２の内部には、造形テーブル３が設けられている。造形テーブル３は、造形物Ｍを保持する。すなわち、造形テーブル３上に、造形物Ｍが造形される。

造形物Ｍの造形には、造形材料が用いられる。本実施の形態では、造形材料として、フィラメントＦを用いる。フィラメントＦは、造形材料を細長いワイヤー形状にした固体材料である。造形材料は、熱可塑性樹脂である。

フィラメントＦは、巻き回された状態で造形装置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。

また、筐体２内には、吐出部１０が設けられている。吐出部１０は、溶融した造形材料を吐出して造形材料層を積層させ、造形材料層の積層体である造形物Ｍを形成する。

図２は、吐出部１０の断面模式図の一例である。吐出部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、吐出部１０へ供給される。

撮像モジュール１０１は、吐出部１０に引き込まれたフィラメント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影する。図２には、吐出部１０が２つの撮像モジュール１０１を備えた構成を、一例として示した。なお、吐出部１０に設けられる撮像モジュール１０１の数は、２つに限定されない。例えば、反射板を備えた構成とすることで、１つの撮像モジュール１０１により、フィラメントＦの３６０°像を撮影してもよい。

撮像モジュール１０１は、例えば、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、を備えたカメラである。

ねじり回転機構１０２は、フィラメントＦを延伸方向に対して直交する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によって撮影されたフィラメントＦ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する。Ｘ軸およびＹ軸は、互いに直交する２軸である。また、Ｘ軸およびＹ軸は、Ｚ軸に対して直交する。Ｚ軸は、鉛直方向および造形材料層ＭＬの積層方向（矢印Ｚ方向）に一致する。

径測定部１０３は、予め定めた規格外の径を検出した場合、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（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）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、を有する。加熱ブロック１５は、フィラメントＦを加熱溶融し、溶融したフィラメントＦである溶融フィラメントＦＭを、吐出ノズル１８へ供給する。以下では、なお、溶融とは、加熱ブロック１５による加熱前に比べて、固相に対する液相の比率が高くなった状態を意味する。すなわち、溶融には、フィラメントＦの溶け始めから溶けて液状となるまでの状態が含まれ、半溶融状態および溶融状態の双方が含まれる。

冷却ブロック１２は、加熱ブロック１５とエクストルーダ１１との間に設けられている。冷却ブロック１２は、冷却源１３を有し、フィラメントＦを冷却する。冷却ブロック１２は、加熱ブロック１５からの溶融フィラメントＦＭの逆流、フィラメントＦの押出抵抗の増大、および溶融フィラメントＦＭの固化による詰まり、などを防ぐ。エクストルーダ１１によって冷却ブロック１２側へ押し出されたフィラメントＦは、フィラメントガイド１４を介して加熱ブロック１５へ供給される。

加熱ブロック１５における、造形材料層ＭＬの積層方向（矢印Ｚ方向）の下流側端面には、吐出ノズル１８が設けられている。加熱ブロック１５へ供給されたフィラメントＦは、加熱ブロック１５によって溶融される。そして、溶融されたフィラメントＦである溶融フィラメントＦＭは、吐出ノズル１８から吐出される。

本実施の形態では、吐出ノズル１８は、造形テーブル３上に、溶融フィラメントＦＭを線状に押し出すようにして吐出する。吐出された溶融フィラメントＦＭが冷却によって固化することで、造形テーブル３上には、造形材料層ＭＬが形成される。また、吐出ノズル１８は、形成した造形材料層ＭＬ上に、溶融フィラメント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。この繰返しの吐出により、造形材料層ＭＬ上に新たな造形材料層ＭＬが順次積層され、造形材料層ＭＬの積層体である造形物Ｍが形成される。

図１に戻り説明を続ける。本実施の形態では、吐出部１０は、２つの吐出ノズルを有していてもよい。２つの吐出ノズルを、第１の吐出ノズル、第２の吐出ノズル、と称して説明する。

第１の吐出ノズルは、上述した吐出ノズル１８であり、造形物Ｍを構成する造形材料であるフィラメントＦを溶融して吐出する。

第２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に示す例では、第１の吐出ノズルである吐出ノズル１８の奥側に、第２の吐出ノズルが配置されている。なお、吐出部１０に設けられる吐出ノズルの数は２個に限らず任意である。

サポート材は、熱可塑性を有する材料で構成されていればよく、構成材料は限定されない。例えば、サポート材は、造形材料と同じ熱可塑性樹脂で構成されていてもよいし、異なる熱可塑性樹脂で構成されていてもよい。

サポート材の吐出によって形成されるサポート部は、最終的には、形成された造形物Ｍから除去される。

サポート材のフィラメント（以下、サポートフィラメントＳＦと称する場合がある）、および造形材料のフィラメントＦは、加熱ブロック１５によって各々溶融され、各々に対応する第２の吐出ノズルおよび吐出ノズル１８（第１の吐出ノズル）から吐出される。

また、造形装置１には、加熱部２０Ａが設けられている。加熱部２０Ａは、加熱部２０の一例である。なお、造形装置１は、１つの加熱部２０Ａを備えていてもよいし、複数の加熱部２０Ａを備えていてもよい。

加熱部２０Ａは、加熱対象領域Ｒを加熱する。加熱対象領域Ｒは、加熱部２０Ａが加熱する対象の領域である。

本実施の形態では、加熱対象領域Ｒは、造形テーブル３上に形成された造形材料層ＭＬ上の少なくとも一部の領域である。例えば、加熱対象領域Ｒは、直前に形成された造形材料層ＭＬ上の全領域が、加熱対象領域Ｒである。全領域とは、直前に形成された１層の造形材料層ＭＬにおける、吐出ノズル１８によって次の溶融フィラメントＦＭの供給される側（すなわち、反鉛直方向側）の端面の全領域を示す。言い換えると、加熱対象領域Ｒは、直前に形成された１層の造形材料層ＭＬにおける、造形材料層ＭＬの積層体である造形材料層ＭＬの積層方向（矢印Ｚ方向）の両端面の内、吐出ノズル１８に対向する側の端面（対向面）を示す。なお、本実施の形態では、造形材料層ＭＬの積層方向（矢印Ｚ方向）は、鉛直方向に一致するものとする。

加熱部２０Ａは、回転ステージ１９によって支持されている。回転ステージ１９は、搬送部の一例である。

図３は、加熱部２０Ａおよび回転ステージ１９を拡大して示した模式図である。回転ステージ１９は、異なる複数の方向から加熱対象領域Ｒを加熱するように、加熱部２０Ａを搬送する。本実施の形態では、加熱部２０Ａは、吐出ノズル１８を中心に回転する。加熱部２０Ａ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、加熱部２０Ａは、異なる複数の方向から加熱対象領域Ｒを加熱することができる。

また、加熱部２０Ａは、吐出ノズル１８の移動方向に常に追従して、吐出ノズル１８によって溶融フィラメントＦＭの吐出される直前の加熱対象領域Ｒを加熱することができる。すなわち、加熱部２０Ａは、吐出ノズル１８の移動方向が変わっても、吐出ノズル１８による吐出に先回りして、吐出対象領域を加熱対象領域Ｒとして加熱することが可能である。

また、加熱部２０Ａを、加熱対象領域Ｒを中心に回転させることで、加熱対象領域Ｒを連続して加熱することが可能となる。具体的には加熱部２０Ａを吐出ノズル１８を中心に回転させることで、吐出ノズル１８による造形物Ｍの形成時には、溶融フィラメントＦＭを吐出される直前の造形材料層ＭＬを、常に加熱することが可能となる。

図１に戻り説明を続ける。本実施の形態では、加熱部２０Ａは、加熱源２１として、レーザ光源２１Ａを備える。レーザ光源２１Ａは、レーザ光を照射する。レーザ光は、例えば、半導体レーザである。レーザ光の照射波長は、例えば、４４５ｎｍである。

すなわち、本実施の形態では、加熱部２０Ａは、レーザ光の照射によって、加熱対象領域Ｒを加熱する。例えば、レーザ光源２１Ａは、造形テーブル３上に形成された造形材料層ＭＬ上における、次に溶融フィラメントＦＭの吐出される加熱対象領域Ｒに、レーザ光を照射する。このため、本実施の形態では、加熱部２０Ａは、非接触で且つ局所的に、遠方から加熱対象領域Ｒを加熱することができる。

また、本実施の形態では、造形装置１は、切削部７を備える。切削部７は、造形テーブル３上に形成された、造形材料層ＭＬの積層体である造形物Ｍの表面の、少なくとも一部を切削する。

本実施の形態では、切削部７は、伸縮アーム部７Ａと、ドリル７Ｂと、駆動部７Ｃと、を備える。ドリル７Ｂは、造形物Ｍの表面を切削するための切削工具である。伸縮アーム部７Ａは、ドリル７Ｂの位置を調整可能に支持する。駆動部７Ｃは、ドリル７Ｂの回転およびドリル７Ｂの位置を調整するための駆動機構である。

例えば、駆動部７Ｃの駆動によって、伸縮アーム部７Ａによって支持されたドリル７Ｂは、造形テーブル３上に形成された造形物Ｍの表面を切削する（詳細後述）。

なお、切削部７は、造形テーブル３上に形成された、造形材料層ＭＬの積層体である造形物Ｍを切削可能な機構および構成であればよく、その機構および構成は、上記形態に限定されない。

吐出部１０、加熱部２０Ａ、および切削部７は、Ｘ軸駆動軸３１によって、Ｘ軸方向（矢印Ｘ方向）にスライド移動可能に保持されている。Ｘ軸駆動軸３１は、造形材料層ＭＬの積層方向（矢印Ｚ方向）に対して直交する平面における一方向（矢印Ｘ軸方向）に長い駆動軸である。Ｘ軸駆動軸３１には、Ｘ軸駆動モータ３２が設けられている。吐出部１０、加熱部２０Ａ、および切削部７は、Ｘ軸駆動モータ３２の駆動力により、Ｘ軸方向へ移動する。

Ｘ軸駆動モータ３２は、Ｙ軸駆動軸３３Ａに沿ってスライド移動可能に保持されている。Ｙ軸駆動軸３３Ａは、造形材料層ＭＬの積層方向（矢印Ｚ方向）に対して直交する平面における、Ｘ軸方向に直交する方向（矢印Ｙ方向）に長い駆動軸である。Ｙ軸駆動軸３３Ａには、Ｙ軸駆動モータ３３が設けられている。吐出部１０、加熱部２０Ａ、切削部７、およびＸ軸駆動モータ３２は、Ｙ軸駆動モータ３３の駆動力により、Ｙ軸方向へ移動する。

造形テーブル３は、造形材料層ＭＬの積層方向（矢印Ｚ方向）に長いＺ軸駆動軸３４、および、ガイド軸３５に通され、造形材料層ＭＬの積層方向に沿って移動可能に保持されている。Ｚ軸駆動軸３４には、Ｚ軸駆動モータ３６が設けられている。造形テーブル３は、Ｚ軸駆動モータ３６の駆動力により、造形材料層ＭＬの積層方向（矢印Ｚ方向）へ移動する。造形テーブル３には、積載された造形物Ｍを加熱するための加熱機構が設けられていてもよい。

このため、造形装置１は、造形テーブル３上に形成された造形材料層ＭＬ上の任意の領域を、加熱部２０Ａによって加熱可能な構成となっている。また、造形装置１は、造形テーブル３上の任意の領域に、溶融フィラメントＦＭや溶融サポート材を吐出可能な構成となっている。また、造形装置１は、造形テーブル３上に形成された複数の造形材料層ＭＬの積層体である造形物Ｍの任意の箇所および領域を、切削部７によって切削可能な構成となっている。

また、造形装置１は、クリーニングブラシ３７およびダストボックス３８を備える。クリーニングブラシ３７は、吐出ノズル１８の先端周辺をクリーニングする。例えば、クリーニングブラシ３７は、吐出ノズル１８の周辺に飛散した造形材料などによる粉塵を、ダストボックス３８へ集積させる。

図４は、造形装置１のハードウェア構成図の一例である。造形装置１は、制御部１００を有する。制御部１００は、ＣＰＵあるいは回路などによって構築されている。制御部１００は、造形装置１に設けられた各部と電気的に接続されている。

造形装置１は、Ｘ軸座標検知機構１０５Ａと、Ｙ軸座標検知機構１０５Ｂと、Ｚ軸座標検知機構Ｋ１０５Ｃと、を備える。

Ｘ軸座標検知機構１０５Ａは、吐出部１０、加熱部２０Ａ、および切削部７のＸ軸方向位置を検知する。Ｘ軸座標検知機構１０５Ａは、Ｘ軸方向検知結果を制御部１００へ送信する。制御部１００は、Ｘ軸方向検知結果に基づいてＸ軸駆動モータ３２の駆動を制御することで、吐出部１０、加熱部２０Ａ、および切削部７を目標のＸ軸方向位置へ移動させる。

Ｙ軸座標検知機構１０５Ｂは、吐出部１０、加熱部２０Ａ、および切削部７のＹ軸方向位置を検知する。Ｙ軸座標検知機構１０５Ｂは、Ｙ軸方向検知結果を、制御部１００へ送信する。制御部１００は、Ｙ軸方向検知結果に基づいてＹ軸駆動モータ３３の駆動を制御することで、吐出部１０、加熱部２０Ａ、および切削部７を目標のＹ軸方向位置へ移動させる。

Ｚ軸座標検知機構１０５Ｃ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１０５Ｃは、Ｚ軸方向検知結果を、制御部１００へ送信する。制御部１００は、Ｚ軸方向検知結果に基づいてＺ軸駆動モータ３６の駆動を制御することで、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、吐出部１０、加熱部２０Ａ、切削部７、および造形テーブル３の移動を制御することにより、吐出部１０、加熱部２０Ａ、切削部７、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、加熱ブロック１５、吐出ノズル１８、レーザ光源２１Ａ、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、温度センサ１０４、および切削部７の駆動部７Ｃに制御信号を送信することで、これらの駆動を制御する。

温度センサ１０４は、加熱対象領域Ｒの温度を測定する（詳細後述）。側面冷却部３９は、造形物Ｍの側面を冷却する（詳細後述）。

次に、造形装置１による造形材料層ＭＬの積層の一例を説明する。図５は、造形材料層ＭＬの積層の一例を示す説明図である。

本実施の形態では、加熱部２０Ａは、レーザ光源２１Ａから照射されるレーザ光Ｌを用いて、造形材料層ＭＬにおける加熱対象領域Ｒを加熱する。吐出部１０は、加熱された造形材料層ＭＬ上に溶融フィラメントＦＭを吐出する。

詳細には、加熱部２０Ａのレーザ光源２１Ａは、形成された造形３材料層ＭＬ上における、溶融フィラメントＦＭが次に吐出される加熱対象領域Ｒにレーザ光Ｌを照射する。この照射により、加熱部２０Ａは、造形材料層ＭＬ上における加熱対象領域Ｒを、再加熱する。再加熱とは、溶融フィラメントＦＭが冷却されて固化した後に、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、形成済の造形材料層ＭＬの融点以上の温度であることが好ましい。

加熱対象領域Ｒの温度は、温度センサ１０４によって測定される（図４参照）。温度センサ１０４は、測定部の一例である。本実施形態では、温度センサ１０４は、レーザ光源２１Ａの近傍に配置されている。温度センサ１０４は、温度測定結果を、制御部１００へ出力する。制御部１００は、温度測定結果に基づいてレーザ光源２１Ａのレーザ出力を制御することで、加熱対象領域Ｒに加える熱の温度を調整する。

すなわち、加熱部２０Ａは、温度センサ１０４によって測定された温度に基づいて、加熱対象領域Ｒを加熱する。このため、加熱部２０Ａは、目標温度となるように、加熱対象領域Ｒを安定して加熱することができる。

形成済の造形材料層ＭＬの表面を再加熱することで、造形材料層ＭＬにおける、再加熱された加熱対象領域Ｒと、該加熱対象領域Ｒに次に吐出された溶融フィラメントＦＭと、の温度差が小さくなり、これらの構成材料が混ざり合うことで、これらの層間の接着性が向上する。すなわち、複数の造形材料層ＭＬの、積層方向（矢印Ｚ方向）の強度が向上する。

図６は、造形材料層ＭＬの積層の詳細例を示す模式図である。以下では、吐出部１０による造形中の造形材料層ＭＬを、上層Ｌｎと表す。また、上層Ｌｎ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。また、図６中の矢印Ｗは、吐出部１０の移動経路（ツールパス）を示す。なお、図６には、吐出部１０のツールパスが分かるように、吐出された溶融フィラメントＦＭを、楕円柱で模式的に示した。このため、吐出された溶融フィラメントＦＭの間に空隙が形成されているが、実際には、空隙が形成されないように造形することが好ましい。

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の造形材料層ＭＬが溶融した状態で、上層Ｌｎの造形材料層ＭＬを形成できる。このように、積層された複数の造形材料層ＭＬの間で、溶融したこれらの造形材料が混ざり合うことで、積層方向に隣接する造形材料層ＭＬと造形材料層ＭＬの間の接着性が向上する。このため、複数の造形材料層ＭＬの積層体である造形物Ｍの、積層方向（矢印Ｚ方向）の強度が向上する。

次に、側面冷却部３９について説明する。図７は、側面冷却部３９による冷却の説明図である。側面冷却部３９は、造形物Ｍの側面、すなわち延長方向（図１中、矢印Ｚ方向）に対して平行な面を冷却する。側面冷却部３９は、造形物Ｍの側面を冷却可能な冷却源であればよい。側面冷却部３９は、例えば、ファンである。

側面冷却部３９は、吐出部１０による造形材料層ＭＬの形成時に、造形物Ｍの側面に冷却風を送る。造形材料層ＭＬの形成時に、造形物Ｍの側面に冷却風を送ることで、造形材料層ＭＬの形成時に、造形材料層ＭＬの側面の外形が崩れて造形精度が劣化することを抑制することができる。

図１に戻り説明を続ける。次に、切削部７による、造形物Ｍの切削について説明する。

上述したように、本実施の形態では、造形装置１は、形成済の造形材料層ＭＬの表面を再加熱し、加熱された該造形材料層ＭＬ上に、溶融した造形材料である溶融フィラメントＦＭを吐出することで、造形材料層ＭＬを積層させる。そして、この造形材料層ＭＬの加熱と溶融フィラメントＦＭの吐出を繰返すことで、複数の造形材料層ＭＬの積層体である造形物Ｍを作製する。

ここで、加熱部２０Ａによる加熱時に造形材料層ＭＬの端部の形状が崩れる場合がある（図６参照）。図６に示すように、造形物Ｍの外形面ＯＳが変形する場合がある。

吐出部１０による造形材料層ＭＬの形成時に、側面冷却部３９が造形物Ｍの側面に冷却風を送った場合であっても、造形物Ｍの外形面ＯＳの変形を十分に抑制出来ない場合もある。

図８を用いて説明する。図８は、加熱部２０Ａによる再加熱の説明図である。

図８（Ａ）は、造形材料層ＭＬの加熱と溶融フィラメントＦＭの吐出を繰返すことで形成された造形物Ｍの一例を示す立体模式図である。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示す造形物Ｍを、造形材料層ＭＬの積層方向（矢印Ｚ方向）に対して直交する方向（例えば、Ｙ方向）から視認したときの形状の一例を示す模式図である。

図８に示すように、加熱された造形材料層ＭＬ上への溶融フィラメントＦＭの形成を繰返すことで造形物Ｍを作製すると、造形物Ｍの形状が、目的とする形状とは異なるものとなる場合がある。具体的には、例えば、造形物Ｍの端部（領域Ｂ参照）が再加熱により崩れ、目的とする形状に対して、外形が変形する場合がある。

そこで、本実施の形態の造形装置１は、切削部７を備える。切削部７は、造形テーブル３上に形成された、造形材料層ＭＬの積層体である造形物Ｍの表面の、少なくとも一部を切削する。

図９は、切削部７による造形物Ｍの切削の一例を示す模式図である。図９（Ａ）は、造形材料層ＭＬの加熱と溶融フィラメントＦＭの吐出を繰返すことで形成された造形物Ｍの一例を示す立体模式図である。図９（Ｂ）は、図８（Ａ）に示す造形物Ｍを、造形材料層ＭＬの積層方向（矢印Ｚ方向）に対して直交する方向（例えば、Ｙ方向）から視認したときの形状の一例を示す模式図である。

本実施の形態では、造形装置１の制御部１００は、造形物Ｍの造形データを受付ける。造形データは、造形物Ｍを構成する造形材料層ＭＬごとの画像データによって構成されている。以下では、造形データによって示される造形物Ｍを、目的造形物ＭＢと称して説明する。

制御部１００は、目的造形物ＭＢに対してひとまわり大きい形状の積層体ＭＡを造形するように、造形データを補正する。目的造形物ＭＢに対してひとまわり大きい形状の積層体ＭＡとは、目的造形物ＭＢを覆う大きさおよび形状の積層体ＭＡであればよい。

そして、制御部１００は、補正後の造形データ（以下、補正造形データと称する）を用いて、加熱された造形材料層ＭＬ上に溶融フィラメントＦＭを吐出する処理を繰返すことで、積層体ＭＡを造形する。

そして、制御部１００は、積層体ＭＡを切削して目的造形物ＭＢを作製するように、切削部７を制御する。この切削により、切削部７は、積層体ＭＡにおける、変形した領域（領域Ｂ）を取り除き、目的造形物ＭＢを作製する。

図１０は、切削部７による切削後の目的造形物ＭＢの一例を示す模式図である。図１０（Ａ）は、切削部７によって切削されることで形成された、目的造形物ＭＢの一例を示す立体模式図である。図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）に示す目的造形物ＭＢを、造形材料層ＭＬの積層方向（矢印Ｚ方向）に対して直交する方向（例えば、Ｙ方向）から視認したときの形状の一例を示す模式図である。

図１０に示すように、切削部７によって積層体ＭＡを切削することで、変形した領域（領域Ｂ）が取り除かれ、造形データによって示される造形物Ｍである目的造形物ＭＢが得られる。

また、切削部７が切削する積層体ＭＡは、複数の造形材料層ＭＬの、積層方向（矢印Ｚ方向）の強度が向上した状態の積層体ＭＡである。このため、切削部７が積層体ＭＡを切削することで得られる目的造形物ＭＢは、積層方向（矢印Ｚ方向）の強度が高く、且つ、造形データによって示される形状（すなわち目的とする形状）を示すものとなる。

このため、造形装置１は、積層方向の強度低下の抑制された、目的とする形状の目的造形物ＭＢを提供することができる。

また、本実施の形態では、造形装置１は、切削部７を備える。このため、加熱部２０Ａによる加熱対象領域Ｒの範囲は、造形材料層ＭＬの表面の全領域とすることができる。全領域とは、上述したように、形成された造形材料層ＭＬにおける、吐出ノズル１８に対向する対向面の全領域である。すなわち、切削部７によって積層体ＭＡを切削して目的造形物ＭＢを切出すため、加熱対象領域Ｒの範囲を、造形材料層ＭＬの表面の全領域とすることができる。このため、加熱部２０Ａによる加熱時範囲の精密な制御の必要性が低くなり、積層方向の強度低下の抑制された、目的とする形状の目的造形物ＭＢを、容易に作製することができる。

なお、造形装置１は、側面冷却部３９を備えた形態に限定されない。しかし、より精度良く目的の形状の目的造形物ＭＢを得る観点から、造形装置１は、側面冷却部３９を備えた構成であることが好ましい。この場合、切削部７および側面冷却部３９によって、より精度良く、目的の形状の目的造形物ＭＢを得ることができる。

次に、本実施の形態の造形装置１が実行する造形処理の手順を説明する。図１１は、本実施の形態の造形装置１が実行する、造形処理の手順の一例を示す、フローチャートである。

まず、造形装置１の制御部１００は、目的造形物ＭＢの造形データを受付けると、目的造形物ＭＢに対してひとまわり大きい形状の積層体ＭＡを造形するように、造形データを補正する。そして、制御部１００は、補正造形データを用いて、図１１に示す処理ルーチンを実行する。補正造形データは、積層体ＭＡを構成する造形材料層ＭＬごとの画像データによって構成されている。

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、吐出部１０をＸ軸またはＹ軸方向に移動させる。吐出部１０が移動している間に、制御部１００は、補正造形データのうち、最下層の画像データに基づいて、吐出ノズル１８から溶融フィラメントＦＭを吐出する。これによって、造形装置１は、造形テーブル３上に、画像データに応じた造形材料層ＭＬを形成する（ステップＳ１１）。

次に、加熱部２０Ａが、造形テーブル３上に直前に形成された造形材料層ＭＬ上の加熱対象領域Ｒへレーザ光Ｌを照射し、該加熱対象領域Ｒを加熱する（ステップＳ１２）。ステップＳ１２の処理によって、直前に形成された造形材料層ＭＬにおける加熱対象領域Ｒが再溶融する。

次に、制御部１００は、補正造形データにおける、直前に形成した造形材料層ＭＬの上に積層する造形材料層ＭＬの画像データを読取る。そして、制御部１００は、該画像データに基づいて、吐出ノズル１８から溶融フィラメントＦＭを吐出する。これによって、造形装置１は、直前に形成され、加熱部２０Ａによって加熱された造形材料層ＭＬに、画像データに応じた造形材料層ＭＬを形成する（ステップＳ１３）。

なお、制御部１００は、ステップＳ１２の処理と、ステップＳ１３の処理と、の一部が並列で実行されるように制御してもよい。この場合、吐出部１０は、例えば、直前に形成した造形材料層ＭＬにレーザ光Ｌを照射する処理を開始してから、加熱対象領域Ｒの範囲全体へのレーザの照射が完了する前に、次の造形材料層ＭＬ用の溶融フィラメントＦＭの吐出を開始する。

次に、側面冷却部３９が、ステップＳ１３の処理によって形成された造形材料層ＭＬの側面を冷却する（ステップＳ１４）。

次に、制御部１００は、補正造形データにおける、最表層の造形材料層ＭＬを形成したか否かを判断する（ステップＳ１５）。ステップＳ１５で否定判断すると（ステップＳ１５：Ｎｏ）、上記ステップＳ１２へ戻る。ステップＳ１５で肯定判断すると（ステップＳ１５：Ｙｅｓ）、ステップＳ１６へ進む。

次に、制御部１００は、造形テーブル３上に形成された積層体ＭＡが目的造形物ＭＢとなるまで、積層体ＭＡを切削するように、切削部７を制御する（ステップＳ１６）。例えば、制御部１００は、補正造形データと、補正前の造形データと、を用いて、切削範囲を特定し、該切削範囲を切削するように切削部７を制御することで、ステップＳ１６の処理を行う。そして、本ルーチンを終了する。

以上説明したように、本実施の形態の造形装置１は、加熱部２０Ａと、吐出部１０と、切削部７と、を備える。加熱部２０Ａは、形成された造形材料層ＭＬを加熱する。吐出部１０は、加熱された造形材料層ＭＬに溶融フィラメントＦＭ（溶融した造形材料）を吐出して造形材料層ＭＬを積層させる。切削部７は、造形材料層ＭＬの積層体ＭＡ（造形物Ｍ）の表面の少なくとも一部を切削する。

このように、本実施の形態の造形装置１は、吐出された溶融フィラメントＦＭによって形成された造形材料層ＭＬを加熱部２０Ａによって加熱し、加熱された造形材料層ＭＬ上に、溶融フィラメントＦＭを吐出して造形材料層ＭＬを形成する。

このように、形成済の造形材料層ＭＬを再加熱することで、造形材料層ＭＬにおける、再加熱された加熱対象領域Ｒと、該加熱対象領域Ｒに次に吐出された溶融フィラメントＦＭによる造形材料層ＭＬと、の温度差が小さくなり、これらの構成材料が混ざり合うことで、これらの積層方向（矢印Ｚ方向）に隣接する造形材料層ＭＬの各層間の接着性が向上する。すなわち、複数の造形材料層ＭＬの、積層方向（矢印Ｚ方向）の強度が向上する。

このため、積層方向（矢印Ｚ方向）の強度低下の抑制された積層体ＭＡ（造形物Ｍ）が得られる。

また、本実施の形態の造形装置１では、切削部７が、積層体ＭＡ（造形物Ｍ）の表面の少なくとも一部を切削する。すなわち、切削部７は、積層方向の強度が向上された状態の積層体ＭＡの表面の少なくとも一部を切削する。

このため、切削部７が、目的とする目的造形物ＭＢの形状となるように積層体ＭＡを切削することで、積層方向の強度低下の抑制された、目的とする形状の目的造形物ＭＢ（造形物Ｍ）を作製することができる。

従って、本実施の形態の造形装置１は、積層方向（矢印Ｚ方向）の強度低下の抑制された、目的とする形状の目的造形物ＭＢ（造形物Ｍ）を提供することができる。

また、搬送部（回転ステージＲＳ）は、異なる複数の方向から加熱対象領域Ｒを加熱するように、加熱部２０Ａを搬送する。

温度センサ１０４（測定部）は、加熱部２０Ａの加熱対象領域Ｒの温度を測定する。加熱部２０Ａは、温度センサ１０４によって測定された温度に基づいて、加熱対象領域Ｒを加熱する。加熱部２０Ａは、レーザ光Ｌを照射する。

また、本実施の形態の造形装置１は、複数の加熱部２０Ａを備えていてもよい。複数の加熱部２０Ａを備えることで、加熱部２０Ａによる加熱時間が短縮され、造形物Ｍの造形時間の短縮を図ることができる。

（変形例１）
上記実施の形態では、加熱部２０として、レーザ光を照射する加熱部２０Ａを用いた形態を説明した。しかし、加熱部２０は、レーザ光を照射することで加熱対象領域Ｒを加熱する形態に限定されない。

例えば、加熱部２０は、加熱した空気を送風する機構であってもよい。図１２は、造形装置１Ｂの一例を示す模式図である。造形装置１Ｂは、加熱部２０Ａに代えて加熱部２０Ｂを備えた点以外は、上記実施の形態の造形装置１と同様である（図１も参照）。

加熱部２０Ｂは、温風源２１Ｂを備える。温風源２１Ｂは、温風を加熱対象領域Ｒに向かって送風する。温風源２１Ｂは、加熱対象領域Ｒの構成材料の融点以上の温度の風を送風可能な機構であればよい。温風源２１Ｂは、例えば、ヒータやファンである。

このため、本実施の形態では、加熱部２０Ｂは、非接触で遠方から加熱対象領域Ｒを加熱することができる。

このように、加熱部２０は、加熱した空気を送風する加熱部２０Ｂであってもよい。

（変形例２）
上記実施の形態および上記変形例１では、加熱部２０が、加熱対象領域Ｒに対して非接触で該加熱対象領域Ｒを加熱する形態を説明した。しかし、加熱部２０は、加熱対象領域Ｒを接触加熱する形態であってもよい。

図１３は、本変形例２の造形装置１Ｃの一例を示す模式図である。造形装置１Ｃは、加熱部２０Ａに代えて加熱部２０Ｃを備えた点以外は、上記実施の形態の造形装置１と同様である（図１も参照）。

加熱部２０Ｃは、冷却ブロック２２と、ガイド２４と、接触加熱源２１Ｃと、を備える。接触加熱源２１Ｃは、加熱対象領域Ｒを接触加熱する。

接触加熱源２１Ｃは、加熱ブロック２５と、加熱プレート２８と、を備える。加熱プレート２８は、造形材料層ＭＬに接触することで、造形材料層ＭＬの加熱対象領域Ｒを加熱および加圧する。

加熱ブロック２５は、加熱プレート２８を加熱する。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、加熱ブロック２５からの熱伝導を防ぐための機構である。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。

加熱部２０Ｃは、Ｘ軸駆動軸３１（図１参照）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。加熱部２０Ｃ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等を含めた移送路およびガイド２４は、低熱伝導性であることが好ましい。

加熱プレート２８における、造形材料層ＭＬの積層方向（矢印Ｚ方向）下流側端部は、吐出ノズル１８の下端より、造形材料層ＭＬの１層分、低い位置（積層方向のより下流側）に配置されている。吐出部１０および加熱部２０Ｃを、図１３に示すＸＡ方向に走査しながら、溶融フィラメントＦＭを吐出すると同時に、加熱プレート２８は、造形中の造形材料層ＭＬの一つ下の造形材料層ＭＬを接触加熱により再加熱する。これにより、造形中の造形材料層ＭＬと、一つ下の造形材料層ＭＬとの温度差が小さくなり、層間で材料が混ざり合う。このため、造形物Ｍの層間強度が向上する。

このように、加熱部２０は、加熱対象領域Ｒを接触加熱する加熱部２０Ｃであってもよい。

（変形例３）
加熱対象領域Ｒを接触加熱する形態は、変形例２に示す形態に限定されない。

図１４は、本変形例３の造形装置１Ｄの一例を示す模式図である。造形装置１Ｄは、加熱部２０Ａに代えて加熱部２０Ｄを備えた点以外は、上記実施の形態の造形装置１と同様である。

加熱部２０Ｄは、冷却ブロック２２と、ガイド２４と、接触加熱源２１Ｄと、を備える。接触加熱源２１Ｄは、加熱対象領域Ｒを接触加熱する。冷却ブロック２２およびガイド２４は、変形例２と同様である。

接触加熱源２１Ｄは、タップノズル２８Ｄと、加熱ブロック２５と、を備える。加熱ブロック２５は、上記変形例２と同様である。すなわち、接触加熱源２１Ｄは、加熱プレート２８に替えてタップノズル２８Ｄを備える点以外は、変形例２の接触加熱源２１Ｃと同様である。

タップノズル２８Ｄは、加熱ブロック２５によって加熱される。タップノズル２８Ｄは、モータ等の動力により、造形物Ｍを、該造形材料層ＭＬの積層方向に繰り返しタップする。このタップ動作により、タップノズル２８Ｄは、造形材料層ＭＬの加熱対象領域Ｒを加熱および加圧する。これにより、造形中の造形材料層ＭＬと、一つ下の造形材料層ＭＬとの温度差が小さくなり、層間で材料が混ざり合う。このため、造形物Ｍの層間強度が向上する。

また、吐出部１０は、造形材料層ＭＬにおける、タップ動作によって凹んだ加熱対象領域Ｒを埋めるように、溶融フィラメントＦＭを吐出する。このため、造形材料層ＭＬの最表面の形状を平滑にすることができる。

このように、加熱部２０は、加熱対象領域Ｒを接触加熱する加熱部２０Ｄであってもよい。

（変形例４）
加熱対象領域Ｒを接触加熱する形態は、変形例２および変形例３に示す形態に限定されない。

図１５は、本変形例４の造形装置１Ｅの一例を示す模式図である。造形装置１Ｅは、加熱部２０Ａに代えて加熱部２０Ｅを備えた点以外は、上記実施の形態の造形装置１と同様である。

加熱部２０Ｅは、加熱対象領域Ｒを溶融および加圧する接触加熱源２１Ｅを備える。接触加熱源２１Ｅは、加熱源２１の一例である。接触加熱源２１Ｅには、超音波振動機構が搭載されている。接触加熱源２１Ｅは、超音波振動機構によって発生された超音波の振動を造形材料層ＭＬへ伝達することで、加熱対象領域Ｒを溶融する。造形物Ｍに超音波の振動が伝達されると、造形物Ｍにおける各造形材料層ＭＬが溶着して接合する。

なお、接触加熱源２１Ｅの数は、１つであってもよいし、複数であってもよい。複数の接触加熱源２１Ｅを備えた構成の場合には、各々のホーンの形状は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。

―ハードウェア構成―
図１６は、造形装置１、造形装置１Ｂ、造形装置１Ｃ、造形装置１Ｄ、および造形装置１Ｅの各々に設けられた制御部１００の、ハードウェア構成の一例を示す模式図である。

造形装置１、造形装置１Ｂ、造形装置１Ｃ、造形装置１Ｄ、および造形装置１Ｅの各々は、ＣＰＵ２５０と、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）２６０と、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）２７０と、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）２８０と、通信Ｉ／Ｆ（インターフェース）２４０と、を備え、バス２１０を介して相互に接続されている。

ＣＰＵ２５０は、造形装置１、造形装置１Ｂ、造形装置１Ｃ、造形装置１Ｄ、および造形装置１Ｅの動作を統括的に制御する。ＣＰＵ２５０は、ＲＡＭ２７０をワークエリアとし、ＲＯＭ２６０またはＨＤＤ２８０などに格納されたプログラムを実行することで、造形装置１、造形装置１Ｂ、造形装置１Ｃ、造形装置１Ｄ、および造形装置１Ｅの動作を制御する。

ＨＤＤ２８０は、プログラムやデータなどを格納する。通信Ｉ／Ｆ２４０は、ネットワーク２００を介して他の装置や機器と通信するためのインターフェースである。

なお、上述した実施の形態および変形例における、造形装置１、造形装置１Ｂ、造形装置１Ｃ、造形装置１Ｄ、および造形装置１Ｅの各々で実行する上記処理を実行するためのプログラムは、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）、ＣＤ－Ｒ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ）、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）メモリ等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録して提供するように構成してもよいし、インターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成してもよい。また、各種プログラムを、ＲＯＭ等に予め組み込んで提供するように構成してもよい。

また、上述した実施の形態および変形例における、造形装置１、造形装置１Ｂ、造形装置１Ｃ、造形装置１Ｄ、および造形装置１Ｅの各々で実行されるプログラムは、上記各機能部を含むモジュール構成となっており、実際のハードウェアとしては、例えば、ＣＰＵ２５０（プロセッサ回路）がＲＯＭ２６０またはＨＤＤ２８０からプログラムを読み出して実行することにより、上述した各機能部がＲＡＭ２７０（主記憶）上にロードされ、上述した各機能部がＲＡＭ２７０（主記憶）上に生成されるようになっている。なお、造形装置１、造形装置１Ｂ、造形装置１Ｃ、造形装置１Ｄ、および造形装置１Ｅの一部または全部の機能を、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ＳｐｅｃＩ／Ｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）やＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）などの専用のハードウェアを用いて実現することも可能である。

なお、上記には、実施の形態および変形例を説明したが、上記実施の形態および変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。上記新規な実施の形態および変形例は、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、変更を行うことができる。上記実施の形態および変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。

１、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ 造形装置
７ 切削部
１０ 吐出部
１９ 回転ステージ
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ 加熱部
１０４ 温度センサ

特開２０１５－７４１６４号公報

Claims (10)

1. 造形データに基づいて造形材料を積層することにより造形物を造形する造形装置であって、
   前記造形データを保持する制御部と、
   形成された造形材料層に溶融した造形材料を吐出して前記造形材料層を積層させる吐出部と、
   前記造形材料層の積層体の表面の少なくとも一部を切削する切削部と、
   を備え、
   前記制御部は、目的造形物の造形データに基づいて、前記目的造形物を覆う大きさ及び形状の積層体を積層する補正造形データを作成し、
   前記切削部は、前記補正造形データを用いて積層された補正積層体の表面を切削することにより、前記目的造形物を切り出す、
   造形装置。
2. 前記制御部は、前記補正造形データと、前記目的造形物の造形データとに基づいて、切削範囲を特定することにより、前記切削部を制御する、
   請求項１に記載の造形装置。
3. 前記切削範囲は、前記補正積層体の造形中に変形した領域を含む、
   請求項２に記載の造形装置。
4. 形成された造形材料層を加熱する加熱部を更に備え、
   前記吐出部は、加熱された造形材料層上に前記溶融した造形材料を吐出する、
   請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の造形装置。
5. 異なる複数の方向から、形成された前記造形材料層の加熱対象領域を加熱するように、前記加熱部を搬送する搬送部を備える、
   請求項４に記載の造形装置。
6. 前記加熱部の加熱対象領域の温度を測定する測定部を備え、
   前記加熱部は、前記測定部によって測定された温度に基づいて、加熱対象領域を加熱する、
   請求項５に記載の造形装置。
7. 前記加熱部は、レーザ光を照射する、
   請求項４～請求項６のいずれか１項に記載の造形装置。
8. 前記加熱部は、
   加熱した空気を送風する、
   請求項４～請求項６の何れか１項に記載の造形装置。
9. 前記加熱部は、
   加熱対象領域を接触加熱する、
   請求項４～請求項６の何れか１項に記載の造形装置。
10. 複数の前記加熱部を備える、
    請求項４～請求項９のいずれか１項に記載の造形装置。

Images