JP2023080601A - 三次元造形システム、および、三次元造形物の製造方法 - Google Patents

三次元造形システム、および、三次元造形物の製造方法 Download PDF

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Abstract

Figure 2023080601000001
【課題】三次元造形物の造形中に、造形材料の層とステージとの密着状態を適切な状態に制御できる三次元造形システム、および、三次元造形物の製造方法を提供する。
【解決手段】三次元造形システムは、造形材料で形成される層を積層して三次元造形物を造形する。前記三次元造形システムは、前記層を支持するステージと、前記ステージに向けて前記造形材料を吐出して前記層を積層する吐出部と、前記ステージを加熱する加熱部と、前記層と前記ステージとの密着状態を示す値を検出する検出部と、前記密着状態を示す値に基づいて前記加熱部による加熱を制御する制御部とを備える。前記加熱部は、それぞれが前記ステージ上の異なる複数の領域を加熱する複数の個別加熱部を含み、前記制御部は、前記密着状態を示す値に基づいて前記複数の個別加熱部のそれぞれを個別に制御することが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、三次元造形システム、および、三次元造形物の製造方法に関する。
三次元造形物を造形する技術としては、例えば、下記の特許文献１に開示されているような技術が知られている。下記特許文献１の技術では、加熱により溶融した熱可塑性の材料を造形材料として、ステージに相当する基台に吐出して硬化させることによって造形材料の層を形成し、その層を積層していくことによって三次元造形物を造形している。
特開２００６－１９２７１０号公報
上記のような三次元造形物の造形技術においては、三次元造形物の造形中に、例えば、造形材料の層における部位ごとの温度変化の差に起因して造形材料の収縮量に差が生じ、層が変形してしまう場合があった。この場合には、層のステージに対する密着性が低下してしまい、造形中の三次元造形物がステージから乖離したり、層の一部に反りが生じるなど、三次元造形物の造形精度が低下したりする可能性があった。その一方で、造形中に造形材料の層がステージに対して密着しすぎていると、造形完了後に三次元造形物をステージから分離することが困難になってしまう場合もあった。このように、三次元造形物の造形技術においては、三次元造形物の造形中に、造形材料の層とステージとの密着状態を適切な状態に制御することについては、依然として改良の余地があった。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することができる。
本発明の適用例に係る三次元造形システムは、造形材料で形成される層を積層して三次元造形物を造形する三次元造形システムであって、前記層を支持するステージと、前記ステージに向けて前記造形材料を吐出して前記層を積層する吐出部と、前記ステージを加熱する加熱部と、前記層と前記ステージとの密着状態を示す値を検出する検出部と、前記密着状態を示す値に基づいて前記加熱部による加熱を制御する制御部と、を備える。
また、本発明の他の適用例に係る三次元造形システムでは、前記加熱部は、それぞれが前記ステージ上の異なる複数の領域を加熱する複数の個別加熱部を含み、前記制御部は、前記密着状態を示す値に基づいて前記複数の個別加熱部のそれぞれを個別に制御する。
また、本発明の他の適用例に係る三次元造形システムでは、前記検出部は、それぞれが前記複数の領域のうちの対応する領域における前記密着状態を示す値を検出する複数の個別検出部を含み、前記制御部は、前記複数の個別加熱部のそれぞれを、対応する前記個別検出部によって検出された前記密着状態を示す値に基づいて制御する。
また、本発明の他の適用例に係る三次元造形システムは、前記ステージが載置される載置部をさらに備え、前記個別加熱部と前記個別検出部とは前記ステージと前記載置部との間に配置されている。
また、本発明の他の適用例に係る三次元造形システムでは、前記制御部は、前記三次元造形物を表す造形データに基づいて、前記複数の領域ごとに対応する前記複数の個別加熱部のそれぞれを制御する。
また、本発明の他の適用例に係る三次元造形システムでは、前記制御部は、前記三次元造形物を造形する場合、前記造形材料が配置される造形領域に対応する前記個別加熱部と、前記造形材料が配置されない非造形領域に対応する前記個別加熱部とのいずれに対しても加熱を実行させ、前記造形領域の加熱温度が前記非造形領域の加熱温度よりも高くなるように前記複数の個別加熱部のそれぞれを制御する。
また、本発明の他の適用例に係る三次元造形システムでは、前記制御部は、前記三次元造形物を造形する場合、前記三次元造形物の外郭を構成する部位が配置される外郭領域が、前記外郭に覆われる前記三次元造形物の内部部位が配置される内部領域よりも温度が高くなるように、前記複数の個別加熱部のそれぞれを制御し、かつ、前記内部領域が、前記造形材料が配置されない非造形領域よりも温度が高くなるように、前記複数の個別加熱部のそれぞれを制御する。
また、本発明の他の適用例に係る三次元造形システムでは、前記制御部は、前記非造形領域のうち前記造形材料に囲まれた領域よりも、前記非造形領域のうち前記造形材料に囲まれていない領域の方が、温度が高くなるように、前記複数の個別加熱部のそれぞれを制御する。
また、本発明の他の適用例に係る三次元造形システムは、前記層ごとの温度分布を検出する温度検出部をさらに備え、前記制御部は、前記層ごとに、前記層の面内における温度分布が均一になるように、前記複数の個別加熱部のそれぞれを制御する。
また、本発明の他の適用例に係る三次元造形システムは、前記三次元造形物の造形時に使用されるデータを記憶するサーバーをさらに備え、前記制御部は、前記三次元造形物の形状と、前記三次元造形物の造形時の前記加熱部による加熱の条件と、前記三次元造形物の造形に使用される前記造形材料の種類とを紐づけた制御情報を生成して前記サーバーに送信する。
また、本発明の適用例に係る三次元造形物の製造方法は、造形材料で形成される層を積層することによって造形される三次元造形物の製造方法であって、ステージに向けて前記造形材料を吐出して、前記ステージ上に前記層を形成する工程と、前記層と前記ステージとの密着状態を示す値を検出する工程と、前記密着状態を示す値に基づいて前記ステージを加熱する工程と、を備える。
図１は、第１実施形態の三次元造形システムの構成を示す概略図である。 図２は、溝形成面側から見たときのフラットスクリューの構成を示す概略斜視図である。 図３は、対面部における対向面の構成を示す概略平面図である。 図４は、三次元造形システムの造形処理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。 図５は、載置部に配置されている加熱部および検出部を示す概略斜視図である。 図６は、ステージのステージ面を示す概略平面図である。 図７は、第１実施形態の造形処理のフローチャートである。 図８は、造形処理によって直方体状の造形物が造形されたステージを示す概略斜視図である。 図９は、直方体状の造形物が造形されたステージを示す概略平面図である。 図１０は、造形処理によって円柱状の造形物が造形されたステージを示す概略斜視図である。 図１１は、円柱状の造形物が造形されたステージを示す概略平面図である。 図１２は、造形処理の実行中における密着状態を示す値の時間変化を示すグラフの一例を示す説明図である。 図１３は、制御情報の内容を示す説明図である。 図１４は、第２実施形態の三次元造形システムのステージ上に形成された層の一例を示す第１の概略平面図である。 図１５は、第２実施形態の三次元造形システムのステージ上に形成された層の一例を示す第２の概略平面図である。 図１６は、第２実施形態の三次元造形システムのステージ上に形成された層の一例を示す第３の概略平面図である。 図１７は、第３実施形態の三次元造形システムの構成を示す概略図である。 図１８は、第１実施形態の三次元造形システムにおいて円筒状の造形物が造形されたステージを示す概略平面図である。
以下、本発明の三次元造形システムおよび三次元造形物の製造方法を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
［１］第１実施形態
図１は、第１実施形態の三次元造形システム１００の構成を示す概略図である。図１には、互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚ方向を示す矢印が図示されている。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、後に参照する他の図においても、図１と対応するように、必要に応じて図示されている。
三次元造形システム１００は、制御部１０と、吐出部１５と、造形ステージ部１６と、サーバー１８と、を備える。三次元造形システム１００は、制御部１０の制御下において、吐出部１５が、造形ステージ部１６のステージ５０に向けて造形材料を吐出して造形材料の層を形成し、その層を積層していくことにより、三次元造形物を造形する。以下では、「三次元造形物」を単に「造形物」とも呼ぶ。
制御部１０は、三次元造形システム１００の全体を制御して、造形物を造形する造形処理を実行する。制御部１０は、１つ、または、複数のプロセッサーである中央処理装置（ＣＰＵ）と、主記憶装置（ＲＡＭ）と、を備えるコンピューターによって構成される。制御部１０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種々の機能を発揮する。なお、制御部１０の機能の少なくとも一部は、ハードウェア回路によって実現されてもよい。
吐出部１５は、材料生成部２０と、ノズル部４０と、を備える。材料生成部２０は、造形物を造形する造形材料を生成する。材料生成部２０は、材料供給部２１と、可塑化部２５と、を備える。材料供給部２１は、造形材料の原料を可塑化部２５に供給する。本実施形態では、材料供給部２１は、いわゆるホッパーとして構成されており、投入された原料を収容する収容部２２と、収容部２２の下方の排出口に接続され、収容部２２の原料を可塑化部２５へと導く連通路２４と、を備える。
造形材料の原料は、熱可塑性樹脂を主成分として含み、ペレットや粉末等の固体材料の状態で収容部２２に投入される。当該原料に含まれる熱可塑性樹脂としては、例えば、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）等を採用することができる。材料供給部２１に投入される原料には、上記の熱可塑性樹脂に加え、顔料や、金属、セラミック等が混入されていてもよい。
可塑化部２５は、材料供給部２１から供給された原料に含まれる熱可塑性樹脂の少なくとも一部を可塑化し、造形材料としてノズル部４０へと送り出す。可塑化部２５は、スクリューケース２６と、駆動モーター２７と、フラットスクリュー３０と、対面部３５と、を有する。
フラットスクリュー３０は、回転軸ＲＸに沿った軸線方向の高さが直径よりも小さい略円柱状のスクリューである。回転軸ＲＸはフラットスクリュー３０の中心軸と一致する。図１には、フラットスクリュー３０の回転軸ＲＸを一点鎖線で図示してある。フラットスクリュー３０は、回転軸ＲＸがＺ方向と平行になるように、対面部３５の上に配置され、円周方向に回転する。対面部３５に面するフラットスクリュー３０の下面３１には、側面から回転軸ＲＸへと向かう螺旋状の溝部３２が形成されている。以下では、フラットスクリュー３０の下面３１を「溝形成面３１」とも呼ぶ。材料供給部２１の連通路２４は、フラットスクリュー３０の側面において溝部３２に接続される。フラットスクリュー３０の具体的な構成については後述する。
フラットスクリュー３０は、スクリューケース２６内に収納されている。駆動モーター２７は、フラットスクリュー３０の上方に配置されており、フラットスクリュー３０の上面３３に連結されている。フラットスクリュー３０は、駆動モーター２７が発生する回転駆動力によって、スクリューケース２６内において回転する。駆動モーター２７は、制御部１０の制御下において駆動する。なお、駆動モーター２７は、減速機を介して、フラットスクリュー３０の上面３３に連結されていても良い。
対面部３５は、バレルとも呼ばれ、その中心軸に沿った方向の高さが直径よりも小さい略円柱状の部材である。本実施形態では、対面部３５は、その中心軸がフラットスクリュー３０の回転軸ＲＸと一致するように配置される。
対面部３５は、フラットスクリュー３０の溝形成面３１に対向する対向面３６を有する。溝形成面３１の溝部３２と対向面３６との間には空間が形成される。材料供給部２１から供給される原料は、フラットスクリュー３０の側面からこの空間に流入する。溝部３２内の空間に供給された原料は、フラットスクリュー３０が回転するときの螺旋状の溝部３２の回転によってフラットスクリュー３０の中心へと誘導される。対面部３５の対向面３６の詳細な構成については後述する。
対面部３５の対向面３６には、原料を加熱するためのヒーター３７が埋め込まれている。また、対向面３６の中心には、対面部３５を、その中心軸に沿って貫通する連通孔３８が設けられている。後述するように、連通孔３８は、ノズル部４０の導入流路４２とノズル流路４３とを介して、ノズル開口４５に連通している。連通孔３８は、略円形断面の流路を構成している。フラットスクリュー３０の溝部３２に供給された原料は、ヒーター３７の加熱によって、含有している熱可塑性樹脂が可塑化されて可塑化材料へと転化されつつ、フラットスクリュー３０の回転によって溝部３２に沿って対向面３６の中心において開口する連通孔３８へと導かれる。連通孔３８の下流端は、ノズル部４０に接続されている。フラットスクリュー３０の回転によって生成された造形材料は、連通孔３８を介して、ノズル部４０に供給される。
ノズル部４０は、導入流路４２と、ノズル流路４３と、ノズル開口４５と、を備える。導入流路４２は、対面部３５の連通孔３８の下流端に接続されており、連通孔３８の下流端からＺ方向に沿って直線状に設けられている。導入流路４２は、略円形断面の流路を構成しており、その中心軸がフラットスクリュー３０の回転軸ＲＸと一致するように設けられている。
ノズル流路４３は、導入流路４２の下流端に接続されており、導入流路４２の下流端からＺ方向に沿って直線状に設けられている。ノズル流路４３は、略円形断面の流路を構成しており、その中心軸がフラットスクリュー３０の回転軸ＲＸと一致するように設けられている。ノズル流路４３は、その下流端部において縮径している。本実施形態では、ノズル流路４３の直径は、その下流端部以外は、導入流路４２の直径とほぼ等しい。ノズル開口４５は、ノズル流路４３の下流端部に設けられたＺ方向に開口する、孔径Ｄｎを有する開口部である。材料生成部２０からノズル部４０へと導入された造形材料は、導入流路４２およびノズル流路４３を介して、ノズル開口４５から吐出される。
なお、ノズル部４０は、ノズル開口４５からの造形材料の吐出を制御する制御機構を備えていてもよい。当該制御機構は、例えば、導入流路４２内で回転する弁体であるバタフライ弁によって構成されてもよい。あるいは、当該制御機構は、導入流路４２やノズル流路４３に交差するように往復移動して、造形材料の流れを制御するプランジャーによって構成されてもよい。
造形ステージ部１６は、吐出部１５のノズル開口４５と対向する位置に設置されている。造形ステージ部１６は、ステージ５０と、ステージ５０が載置される載置部５２と、載置部５２をＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動可能に構成されている移動機構５３と、を備える。造形ステージ部１６は、さらに、造形中の造形物の加熱に用いられる加熱部６０と、検出部６５とを備える。
ステージ５０は、板状部材によって構成され、水平方向に沿って配置されるステージ面５０ｓを有している。ステージ５０は、造形材料の層を支持する。ステージ５０は、ステージ面５０ｓに形成された造形材料の層のわずかな変形を後述する検出部６５によって検出可能な程度に、わずかに弾性変形する薄さで構成されている。
載置部５２は、板状部材によって構成されており、ステージ５０が載置される面側に、ステージ５０によって覆われる凹部５２ｒを有している。凹部５２ｒ内には、加熱部６０と検出部６５とが配置されている。本実施形態では、加熱部６０は、複数の個別加熱部６１を有し、検出部６５は、複数の個別検出部６６を有している。三次元造形システム１００では、造形物の造形中に、制御部１０は、検出部６５によって検出される、ステージ５０上に形成された造形材料の層とステージ５０との密着状態を示す値に基づいて加熱部６０にステージ５０を加熱させる。これにより、三次元造形システム１００は、造形処理において、当該層とステージ５０との密着状態を適切に制御しながら、造形物を造形することができる。加熱部６０や、検出部６５、検出部６５が検出する密着状態を示す値の詳細については後述する。
移動機構５３は、載置部５２をＸ，Ｙ，Ｚ方向の３軸方向に移動させる３軸ポジショナーとして構成されており、制御部１０の制御下において駆動力を発生する３つのモーターＭを備える。制御部１０は、造形処理において、移動機構５３を制御することにより、吐出部１５のノズル開口４５とステージ５０とを相対的に移動させる。
他の実施形態では、移動機構５３によってステージ５０を移動させる構成の代わりに、ステージ５０の位置が固定された状態で、移動機構５３がステージ５０に対してノズル開口４５を移動させる構成が採用されてもよい。こうした構成であっても、ステージ５０とノズル開口４５とを相対的に移動させることができる。また、他の実施形態では、移動機構５３が、ステージ５０をＸ及びＹ方向に移動させ、ノズル開口４５をＺ方向に移動させるなど、ステージ５０とノズル開口４５のそれぞれを移動させて両者の相対的な位置を変化させる構成が採用されてもよい。
サーバー１８は、１つ、または、複数のプロセッサーである中央処理装置（ＣＰＵ）と、主記憶装置（ＲＡＭ）と、を備えるコンピューターによって構成され、図示しない外部記憶装置を備える。サーバー１８は、制御部１０とネットワークを介して接続されている。サーバー１８は、前述した外部記憶装置に、造形物の造形時に用いられるデータを記憶しており、制御部１０との間で当該データを通信する。造形物の造形時に用いられるデータには、造形物を表す造形データや、造形時の制御に用いられる制御情報が含まれる。造形データや制御情報については後述する。
図２は、溝形成面３１側から見たときのフラットスクリュー３０の構成を示す概略斜視図である。図２には、フラットスクリュー３０の回転軸ＲＸを一点鎖線で図示してある。本実施形態では、フラットスクリュー３０は、３本の溝部３２が並列に回転軸ＲＸに向かって渦状に弧を描いて延び、フラットスクリュー３０の中央部３０ｃにおいて合流する構成が採用されている。各溝部３２は、中央部３０ｃに向かって渦状に延びている３本の凸条部３２ｃによって区画されており、中央部３０ｃは、３本の凸条部３２ｃの端部によって囲まれている。
溝部３２の一端は、フラットスクリュー３０の側面において開口しており、連通路２４から供給される原料を受け入れる材料入口３２ｅを構成する。溝部３２は、フラットスクリュー３０の中央部３０ｃまで連続している。フラットスクリュー３０の中央部３０ｃは、原料の熱可塑性樹脂が可塑化された可塑化材料が集まる凹部を構成する。
なお、フラットスクリュー３０の溝部３２は、３本でなくてもよい。フラットスクリュー３０は、１本の溝部３２のみを有していてもよいし、２本以上の溝部３２を有していてもよい。また、凸条部３２ｃは、溝部３２の数に合わせて任意の数が設けられていてもよい。また、溝部３２は渦状に弧を描いて延びていればよく、必ずしも螺旋状に延びていなくともよい。
図３は、対面部３５における対向面３６の構成を示す概略平面図である。対向面３６は、上述したように、フラットスクリュー３０の溝形成面３１に対向する。対向面３６の中心には、フラットスクリュー３０の中央部３０ｃに流入した造形材料をノズル部４０に供給するための上述した連通孔３８が開口している。対向面３６には、一端が連通孔３８に接続され、連通孔３８から外周に向かって渦状に延びている複数の案内溝３６ｇｒが形成されている。案内溝３６ｇｒは、可塑化材料を連通孔３８に導く機能を有する。他の実施形態では、案内溝３６ｇｒは、一端が連通孔３８に接続されていなくても良い。また、他の実施形態では、案内溝３６ｇｒは形成されていなくてもよい。
対面部３５の内部には、図１に示すヒーター３７が埋め込まれている。可塑化部２５における熱可塑性樹脂の可塑化は、対面部３５のヒーター３７による加熱と、フラットスクリュー３０の回転と、によって実現される。第１実施形態の吐出部１５によれば、フラットスクリュー３０を用いることによって、熱可塑性樹脂の可塑化のための装置構成の小型化が実現されている。また、第１実施形態の吐出部１５によれば、フラットスクリュー３０の回転制御により、ノズル部４０に供給される造形材料の圧力や流量の制御を容易化することができる。よって、ノズル部４０からの造形材料の吐出精度を高めることができ、造形物の造形精度を高めることができる。
図４は、三次元造形システム１００の造形処理においてステージ５０上に造形物ＯＢが造形されていく様子を模式的に示す概略図である。造形処理では、制御部１０は、ノズル開口４５から造形材料ＭＭを吐出させながらノズル開口４５とステージ５０とを水平方向に相対的に移動させる。これにより、ノズル開口４５の移動軌跡を描くように、造形材料ＭＭがステージ５０上に線状に堆積され、造形材料ＭＭの層ＭＬが形成される。制御部１０は、１つの層ＭＬの形成が完了した後に、その層ＭＬの上に、さらに造形材料ＭＭを吐出することにより、層ＭＬを積層する。本実施形態では、造形材料ＭＭは、ステージ５０上に吐出された後、温度が低下することによって硬化する。上述したように、制御部１０は、検出部６５によって検出される、層ＭＬとステージ５０との密着状態を示す値に基づいて、加熱部６０によって造形材料ＭＭの層ＭＬを加熱することにより、ステージ５０に対する層ＭＬの密着状態を調整する。
三次元造形システム１００では、層ＭＬを形成する際に、ノズル開口４５と、造形中の造形物ＯＢの上面ＯＢｔとの間に、ギャップＧが保持される。ここで、「造形物ＯＢの上面ＯＢｔ」とは、ノズル開口４５の直下の位置の近傍においてノズル開口４５から吐出された造形材料ＭＭが堆積される予定部位を意味する。ギャップＧは、移動機構５３がステージ５０とノズル開口４５とのＺ方向における相対位置を変化させることによって調整される。
ギャップＧの大きさは、図１に示すノズル開口４５の孔径Ｄｎ以上とすることが望ましく、孔径Ｄｎの０．７倍以上とすることがより好ましい。こうすれば、ノズル開口４５から吐出される造形材料ＭＭを、造形中の造形物ＯＢの上面ＯＢｔに押しつけられない自由な状態で造形物ＯＢの上面ＯＢｔに堆積させることができる。この結果、層ＭＬの断面形状が潰れてしまうことを抑制でき、造形物ＯＢの面粗さを低減することができる。また、ノズル開口４５の周囲にヒーターが設けられた構成においては、ギャップＧを形成することにより、当該ヒーターによる材料の過熱を防止でき、造形物ＯＢに堆積された造形材料ＭＭの過熱による変色や劣化を抑制できる。
一方、ギャップＧの大きさは、孔径Ｄｎの１．５倍以下とすることが好ましく、１．３倍以下とすることが特に好ましい。これによって、予定部位に造形材料ＭＭを精度よく堆積させることができる。また、造形材料ＭＭが造形物ＯＢの上面ＯＢｔに吐出されたときの上面ＯＢｔに対する造形材料ＭＭの密着性の低下を抑制でき、積層された層ＭＬ同士の間の密着性の低下を抑制できる。他の実施形態では、ギャップＧの大きさは、ノズル開口４５の孔径Ｄｎ以下としても良く、特に孔径Ｄｎの０．５倍以上１未満とすることが好ましい。これにより、適度に造形材料ＭＭを潰しながら積層することができるため、造形物ＯＢの空隙を抑制することができ、積層された層ＭＬ同士の間の密着性を向上させることができる。
図５は、載置部５２に配置されている加熱部６０および検出部６５を示す概略斜視図である。図５には、ステージ５０が載置部５２から取り外された状態が図示されている。図６は、ステージ５０のステージ面５０ｓを示す概略平面図である。図６には、ステージ５０が載置部５２に載置されたときの加熱部６０の個別加熱部６１と検出部６５の個別検出部６６の配置位置が破線で図示されている。また、図６には以下に説明する複数の領域Ｒを区画して示す一点鎖線が図示されている。
上述したように加熱部６０および検出部６５は載置部５２の凹部５２ｒに配置されている。加熱部６０は、造形物ＯＢの造形中に、制御部１０の制御下においてステージ５０を加熱することにより、ステージ５０上の造形材料ＭＭの層ＭＬを加熱することができる。本実施形態では、加熱部６０は、複数の個別加熱部６１によって構成されている。個別加熱部６１のそれぞれは、例えば板状の電熱ヒーター素子によって構成される。
個別加熱部６１は、ステージ５０上の異なる複数の領域Ｒを加熱するように配列されている。本実施形態では、個別加熱部６１は、ステージ面５０ｓ全体にわたって、Ｘ方向およびＹ方向に格子状に配列されている。また、本実施形態では、複数の領域Ｒは、各個別加熱部６１を中心とする矩形状の領域として区画されている。制御部１０は、検出部６５が検出する密着状態を示す値に基づいて、各領域Ｒに対応する個別加熱部６１のそれぞれを個別に制御する。これにより、加熱部６０による加熱温度をステージ５０上の領域Ｒごとに制御することができる。よって、ステージに対する層ＭＬの密着状態を、層ＭＬの部位ごとにより適切に制御することができる。
検出部６５は、造形物ＯＢの造形中に、造形材料ＭＭの層ＭＬとステージ５０との密着状態を示す値を検出し、制御部１０に送信する。本実施形態では、検出部６５は、それぞれが複数の領域のうちの対応する領域Ｒにおける密着状態を示す値を検出する複数の個別検出部６６を有する。そして、制御部１０は、複数の個別加熱部６１のそれぞれを、対応する個別検出部６６によって検出された密着状態を示す値に基づいて制御する。本実施形態では、個別検出部６６は圧力センサーによって構成され、図４に示すように、ステージ５０の裏面に接するように配置されている。本実施形態では、検出部６５が出力する密着状態を示す値は、各個別検出部６６のそれぞれがステージ５０から受ける圧力に基づいて検出される。
ステージ５０に形成された造形材料ＭＭの層ＭＬにおいて局所的な温度低下が生じてその部位が局所的に収縮変形すると、層ＭＬの一部がステージ５０から乖離する方向に変形し始め、層ＭＬとステージ５０との密着性が低下する場合がある。層ＭＬの一部がステージ５０から乖離する方向に変形し始めると、その部位が配置されている領域Ｒにおいて個別検出部６６が検出する圧力が低下し始める。個別検出部６６は、その圧力の低下量を示す値を、対応する領域Ｒにおける層ＭＬとステージ５０との密着状態を示す値として制御部１０に出力する。つまり、密着状態を示す値は、層ＭＬをステージ５０から乖離させる方向に働く内部応力の大きさを表す値に相当し、その値が大きいほど、個別検出部６６が検出している圧力が低下して、ステージ５０に対する層ＭＬの密着性が低下していることを示す。
本実施形態では、各個別検出部６６は、個別加熱部６１のいずれか一つに対応するように、ステージ５０の領域Ｒごとに配置されている。本実施形態では、一つの個別加熱部６１に対して複数の個別検出部６６が対応するように設けられており、当該複数の個別検出部６６は、対応する個別加熱部６１の周りを囲むように配列されている。本実施形態では、４つの個別検出部６６が１つの個別加熱部６１の四方を囲むように配列されている。このように、一つの領域Ｒに対応する複数の個別検出部６６を設けることにより、一つの領域Ｒ内の複数個所で圧力を検出できるため、検出部６５による層ＭＬとステージ５０との密着状態の検出精度を高めることができる。
制御部１０は、複数の個別加熱部６１のそれぞれを、対応する個別検出部６６によって検出された密着状態を示す値に基づいて制御する。これにより、ステージ５０上の領域Ｒごとに検出した層ＭＬとステージ５０との密着状態に応じて、個別加熱部６１による領域Ｒごとの加熱温度をより適切に制御することができる。よって、ステージ５０に対する層ＭＬの密着状態をより適切に制御することができる。
本実施形態では、個別加熱部６１と個別検出部６６とは、ステージ５０と載置部５２との間に配置されており、ステージ５０に覆われている。これにより、造形材料ＭＭやゴミが、個別加熱部６１や個別検出部６６に付着することを抑制できるため、個別加熱部６１や個別検出部６６の劣化や損傷の発生を抑制できる。また、ステージ５０を取り外すことにより、個別加熱部６１や個別検出部６６の修理や交換が容易にできる。よって、三次元造形システム１００のメンテナンス性が高められる。
図７は、三次元造形システム１００において実行される造形処理のフローチャートである。三次元造形システム１００において実行される造形処理、すなわち、三次元造形物の製造方法は、造形材料で形成される層を積層することによって造形される三次元造形物の製造方法であって、ステージに向けて前記造形材料を吐出して、前記ステージ上に前記層を形成する工程と、前記層と前記ステージとの密着状態を示す値を検出する工程と、前記密着状態を示す値に基づいて前記ステージを加熱する工程と、を備える。
工程Ｓ１０では、制御部１０は、造形する造形物ＯＢを表す造形データをサーバー１８から受信する。制御部１０は、この造形データに基づいて造形処理を実行する。造形データは、三次元ＣＡＤデータなどの、造形物ＯＢの形状を表す三次元形状データに基づいて生成される。造形データには、例えば、造形物ＯＢの寸法など、その形状に関する形状情報や、造形物ＯＢを構成する層ＭＬを形成するためのノズル開口４５の移動経路、および、造形材料ＭＭの吐出に関する情報等が含まれている。なお、制御部１０は、造形データを、サーバー１８から取得しなくてもよい。制御部１０は、造形データを、例えば、外部のコンピューターからネットワークを通じて受信してもよいし、ＵＳＢ等を介して接続された外部記憶装置から読み込んでもよい。工程Ｓ１０では、制御部１０は、後述する制御情報ＣＩをサーバー１８から取得してもよい。
工程Ｓ２０では、造形データに基づいて、造形中にステージ５０のどの領域Ｒに造形材料ＭＭが吐出されるかを解析し、その解析結果に基づいて、ステージ５０の各領域Ｒを、加熱条件が異なる予め定められた区分に区分けする。各領域Ｒの区分およびその区分ごとの加熱条件については後述する。
工程Ｓ３０では、制御部１０は、図４に示すように、ステージ５０に向けて造形材料ＭＭを吐出させて、ステージ５０上に造形材料ＭＭの層ＭＬを形成する。工程Ｓ４０では、検出部６５が層ＭＬとステージ５０との密着状態を示す値を検出し、制御部１０はその値を取得する。上述したように、本実施形態では、制御部１０は、各個別検出部６６から領域Ｒごとに密着状態を示す値を取得する。
工程Ｓ５０では、制御部１０は、工程Ｓ４０で取得した密着状態を示す値に基づいて加熱部６０によるステージ５０の加熱を制御する。上述したように、本実施形態では、制御部１０は、ステージ５０の領域Ｒごとに加熱温度を制御する。また、本実施形態では、制御部１０は、造形データに基づいて、複数の領域Ｒごとに対応する複数の個別加熱部６１をそれぞれ制御する。より具体的には、制御部１０は、工程Ｓ２０で造形データに基づいて区分けされた領域Ｒごとに異なる加熱条件で加熱を実行する。これにより、加熱部６０によるステージ５０上の領域Ｒごとの加熱を、造形物ＯＢの形状に応じて、より適切に制御することができる。制御部１０による個別加熱部６１による加熱の制御の詳細については後述する。
工程Ｓ６０では、制御部１０は、工程Ｓ５０での加熱条件を記録する。制御部１０は、全ての層ＭＬを形成するまで工程Ｓ３０～Ｓ６０を繰り返す。
工程Ｓ７０では、制御部１０は、工程Ｓ６０で記録した加熱条件に基づいて、造形物ＯＢを造形するための制御情報を生成し、サーバー１８に送信し、サーバー１８に記憶させる。サーバー１８は、図示しない外部記憶装置に予め構築されているデータベースに当該制御データを格納する。制御部１０は、この制御情報を、同じ形状や類似する形状の造形物ＯＢの造形の際に利用できるように、造形物ＯＢの形状に紐づけて生成する。制御情報についての詳細は後述する。
図８～図１１を参照して、図７の工程Ｓ２０において区分けされるステージ５０の領域Ｒの区分について説明する。
図８は、造形処理によって直方体状の造形物ＯＢａが造形されたステージ５０を示す概略斜視図である。図８には、ステージ５０を複数の領域Ｒに区画する一点鎖線を図６と対応するように図示してある。図９は、直方体状の造形物ＯＢａが造形されたステージ５０を示す概略平面図である。図９には、複数の領域Ｒを区画する一点鎖線を図示してあり、各領域Ｒに対応する個別加熱部６１の配置領域を破線で図示してある。また、図９では、各個別加熱部６１の配置領域に、対応する領域Ｒに割り当てられた区分の種類ごとに濃度が異なるクロスハッチングを付してある。
図１０は、造形処理によって円柱状の造形物ＯＢｂが造形されたステージ５０を示す概略斜視図であり、造形物ＯＢｂが異なっている点以外は、図８とほぼ同じである。図１１は、円柱状の造形物ＯＢｂが造形されたステージ５０を示す概略平面図である。図１１は、造形物ＯＢｂが異なっている点と、造形物ＯＢｂの形状に応じて領域Ｒに割り当てられた区分が異なっている点以外は、図９とほぼ同じである。以下の説明では、造形物ＯＢａ，ＯＢｂを区別しない場合には、「造形物ＯＢ」と総称する。
制御部１０は、まず、ステージ５０の複数の領域Ｒを、造形材料ＭＭが配置される造形領域Ｒｍと、造形材料ＭＭが配置されない非造形領域Ｒｎとに区分けする。制御部１０は、造形材料ＭＭが配置される領域の占める面積割合に基づいて、各領域Ｒを造形領域Ｒｍと非造形領域Ｒｎとに区分ける。例えば、制御部１０は、造形材料ＭＭが配置される領域の面積が４割以上である領域Ｒを造形領域Ｒｍに区分け、造形材料ＭＭが配置される領域の面積が４割未満である領域Ｒを非造形領域Ｒｎに区分けしてもよい。
次に、制御部１０は、造形領域Ｒｍを、造形物ＯＢの外郭Ｐｏを構成する部位が配置される外郭領域Ｒｏと、外郭Ｐｏに覆われる内部部位Ｐｉが配置される内部領域Ｒｉとに区分けする。外郭Ｐｏと内部部位Ｐｉの境界に位置する領域Ｒについては、当該領域Ｒにおいてそれぞれの部位が占める面積割合に基づいて外郭領域Ｒｏと内部領域Ｒｉとに区分けしてもよい。例えば、ある領域Ｒにおいて、外郭Ｐｏを構成する部位が占める面積割合が大きい場合には当該領域Ｒを外郭領域Ｒｏに区分け、内部部位Ｐｉが占める面積割合が大きい場合には当該領域Ｒを内部領域Ｒｉに区分けるとしてもよい。
図７の工程Ｓ４０では、制御部１０は、造形領域Ｒｍに対応する個別加熱部６１と非造形領域Ｒｎに対応する個別加熱部６１とを個別に制御する。これにより、造形材料が配置される造形領域Ｒｍと配置されない非造形領域Ｒｎのそれぞれの加熱温度を適切に制御することができる。よって、ステージ５０に対する層ＭＬの密着状態をより適切に制御することができる。例えば、造形材料ＭＭが配置されている造形領域Ｒｍの加熱温度が不足することを抑制でき、造形材料ＭＭが配置されていない非造形領域Ｒｎを著しく高い温度で加熱して、電力が浪費されることを抑制できる。
また、制御部１０は、造形領域Ｒｍに対応する個別加熱部６１と、非造形領域Ｒｎに対応する個別加熱部６１とのいずれに対しても加熱を実行させ、造形領域Ｒｍの加熱温度が非造形領域Ｒｎの加熱温度よりも高くなるように複数の個別加熱部６１のそれぞれを制御する。これにより、非造形領域Ｒｎの温度を非造形領域Ｒｎに対応する個別加熱部６１を駆動していないときよりも高めることができるため、造形領域Ｒｍから非造形領域Ｒｎへと熱が逃げることを抑制できる。よって、造形領域Ｒｍから非造形領域Ｒｎへの放熱によって造形領域Ｒｍに配置されている層ＭＬの部位の温度が低下し、層ＭＬの局所的な収縮変形により、層ＭＬのステージ５０に対する密着性が低下してしまうことを抑制することができる。
さらに、制御部１０は、外郭領域Ｒｏが内部領域Ｒｉよりも温度が高くなるように複数の個別加熱部６１のそれぞれを制御し、かつ、内部領域Ｒｉが非造形領域Ｒｎよりも温度が高くなるように複数の個別加熱部６１のそれぞれを制御する。これにより、外郭Ｐｏを構成する層ＭＬの端部から非造形領域Ｒｎに熱が逃げることを抑制できる。また、当該端部をより高い温度で加熱することができるため、層ＭＬの端部の温度が低下して層ＭＬの端部がステージ５０から乖離してしまうことを抑制できる。また、内部部位Ｐｉの温度が高くなりすぎて、内部部位Ｐｉがステージ５０に密着しすぎてしまうことを抑制できる。よって、造形が完了した造形物ＯＢをステージ５０から分離させる際に、内部部位Ｐｉの一部がステージ５０から乖離せずに、造形物ＯＢが損傷してしまうことを抑制できる。
図１８は、円筒状の造形物ＯＢｃが造形されたステージ５０を示す概略平面図である。円筒状の造形物ＯＢｃは、内部部位Ｐｉに相当する部位を有していない。図１８は、そのような内部部位Ｐｉを有していない造形物ＯＢｃの形状に応じて領域Ｒに割り当てられた区分が異なっている点以外は、図１１とほぼ同じである。
このように空洞を有するような造形物ＯＢｃを造形する場合、制御部１０は、非造形領域Ｒｎを、造形材料ＭＭに囲まれていない外側の領域Ｒｎｏと、造形材料ＭＭに囲まれた内側の領域Ｒｎｉと、に区分けする。そして、制御部１０は、造形材料ＭＭに囲まれた領域Ｒｎｉよりも、造形材料ＭＭに囲まれていない領域Ｒｎｏの方が、温度が高くなるように、複数の個別加熱部６１のそれぞれを制御する。これにより、造形材料ＭＭに囲まれている領域Ｒｎｉの温度が高くなりすぎ、当該領域Ｒｎｉを囲んでいる造形材料ＭＭの温度が高くなりすぎてステージ５０に密着しすぎてしまうことを抑制できる。よって、造形が完了した造形物ＯＢをステージ５０から分離させる際に、造形物ＯＢｃの空洞を囲んでいる部位がステージ５０から円滑に乖離せずに、造形物ＯＢｃが損傷してしまうことを抑制できる。
次に、図１２を参照して、制御部１０による加熱の制御をより詳細に説明する。図１２には、造形処理の実行中における密着状態を示す値の時間変化を示すグラフの一例が図示されている。
破線グラフＧｃが示すように、層ＭＬの一部がステージ５０から乖離すると、その乖離した部位が配置されていた領域Ｒの個別検出部６６が検出する圧力は０となり、その領域Ｒでは密着状態を示す値が検出不能となる。このときの密着状態を示す値の最大値を「限界値Ｃｌｉｍ」とする。制御部１０は、実験等により予め求められた限界値Ｃｌｉｍを基準値として記憶している。制御部１０は、造形処理の実行開始時に、サーバー１８から限界値Ｃｌｉｍを取得するものとしてもよい。
造形処理では、制御部１０は、その限界値Ｃｌｉｍより小さい値を、密着状態を示す値の目標値に設定する。制御部１０は、例えば、限界値Ｃｌｉｍに対して予め定めた割合の値を、密着状態を示す値の目標値Ｃｔに設定する。造形処理の工程Ｓ５０では、実線グラフＧｓに示すように、制御部１０は、密着状態を示す値が目標値Ｃｔに維持されるように、個別加熱部６１の加熱温度を制御する。
制御部１０は、ある領域Ｒにおいて密着状態を示す値が目標値Ｃｔよりも上昇する傾向が検出された場合、その対応する領域Ｒの個別加熱部６１の出力を増大させて加熱温度を上昇させる。これにより、当該領域Ｒに配置されている造形材料ＭＭを軟化させることができ、当該領域Ｒにおける層ＭＬのステージ５０に対する密着性を高め、密着状態を示す値の上昇を抑制できる。
また、制御部１０は、ある領域Ｒにおいて密着状態を示す値が目標値Ｃｔよりも下降する傾向が検出された場合、その対応する領域Ｒの個別加熱部６１の出力を低下させて加熱温度を低下させる。これにより、当該領域Ｒに配置されている造形材料ＭＭの硬化を促進させることができ、当該領域Ｒにおける層ＭＬのステージ５０に対する密着性が高くなることを抑制でき、密着状態を示す値の下降を抑制できる。
本実施形態では、制御部１０は、内部領域Ｒｉの目標値Ｃｔを外郭領域Ｒｏの目標値Ｃｔより小さく設定する。これにより、上述したように、外郭領域Ｒｏの加熱温度が内部領域Ｒｉの加熱温度より高くなるように制御することができる。なお、制御部１０は、非造形領域Ｒｎの個別加熱部６１の加熱温度については、外郭領域Ｒｏおよび内部領域Ｒｉの加熱温度より常に低くなるように、非造形領域Ｒｎに対応する個別加熱部６１の出力を制御する。
このように、密着状態を示す値が予め定められた目標値に維持されるように制御することにより、造形材料ＭＭの層ＭＬの一部がステージ５０から乖離してしまうことや、層ＭＬの一部がステージ５０に対して密着しすぎてしまうことを抑制することができる。また、層ＭＬの部位ごとの熱収縮量の差が生じることを抑制できるため、熱収縮量の差に起因して造形物ＯＢに内部応力が生じることを抑制でき、造形完了後の造形物ＯＢに残留応力が生じることを抑制できる。よって、造形物ＯＢの耐久性を高めることができる。
図１３は、造形処理の工程Ｓ７０において制御部１０が生成する制御情報ＣＩの内容を示す説明図である。
制御情報ＣＩには、造形物ＯＢの形状に関する情報である形状情報ＦＩと、造形物ＯＢの造形に使用される造形材料ＭＭに関する情報である材料情報ＭＩと、造形物ＯＢの造形時に設定される加熱部６０の加熱温度の条件を表す温度条件情報ＴＩと、が含まれる。制御情報ＣＩでは、それらの情報が互いに紐づけられている。
形状情報ＦＩは、制御部１０が造形物ＯＢの形状を特定するための情報である。形状情報ＦＩには、例えば、造形物ＯＢ全体の寸法として、図８に示す幅ｘや、奥行きｙ、高さｚが含まれている。形状情報ＦＩは、その他に、部位ごとの寸法を含んでいてもよいし、造形物ＯＢの形状を分類する分類情報が含まれていてもよい。
材料情報ＭＩには、例えば、ＡＢＳ樹脂など、造形材料ＭＭの種類を特定する情報が含まれる。その他に、材料情報ＭＩには、ステージ５０に吐出される時の造形材料ＭＭの密度や、粘度、温度などの情報が含まれていてもよい。
温度条件情報ＴＩには、造形処理において使用された個別加熱部６１の識別番号や、制御部１０により実際に設定された個別加熱部６１の出力の情報等が含まれる。温度条件情報ＴＩには、上述した密着状態を示す値の目標値Ｃｔや、密着状態を示す値の限界値Ｃｌｉｍなどが含まれてもよい。
制御情報ＣＩは、造形物ＯＢの形状と、造形物ＯＢの造形時の加熱部６０による加熱の条件と、造形物ＯＢの造形に使用される造形材料ＭＭの種類とを紐づけた情報に相当する。制御部１０は、造形処理の終了時に、この制御情報ＣＩを生成してサーバー１８に送信し、サーバー１８に記憶させる。制御部１０は、造形物ＯＢの造形を開始するときに、形状情報ＦＩをキーとして、同一の、または、類似した形状の造形物ＯＢの制御情報ＣＩをサーバー１８から読み込み、造形処理において利用する。あるいは、制御部１０は、材料情報ＭＩをキーとして制御情報ＣＩを読み込み、同じ種類の造形材料ＭＭでの造形処理に制御情報ＣＩを利用してもよい。これにより、過去の造形処理における加熱部６０による加熱条件を管理でき、再利用できるため、造形物ＯＢの造形をより効率的に実行することができる。
以上のように、本実施形態の三次元造形システム１００および造形物ＯＢの製造方法によれば、加熱部６０による造形物ＯＢを構成する層ＭＬに対する加熱を、層ＭＬとステージ５０との密着状態に応じて実行することができる。そのため、層ＭＬとステージ５０との密着状態を適切に制御しながら、造形物ＯＢを造形することができる。よって、例えば、層ＭＬがステージ５０に対して十分に密着できずに、造形中に層ＭＬの一部がステージ５０から乖離してしまうことを抑制できる。また、層ＭＬがステージ５０に対して密着しすぎて、造形完了後に造形物ＯＢをステージ５０から分離することが困難になってしまうことを抑制できる。また、本実施形態では、検出部６５が有する個別検出部６６によって、ステージ５０の複数の領域Ｒごとに密着状態を示す値が検出され、その値に基づいて、加熱部６０が有する個別加熱部６１によって複数の領域Ｒのそれぞれを個別に加熱することができる。よって、造形物ＯＢの部位ごとに適切な加熱温度で加熱することができ、ステージ５０に対する造形物ＯＢを構成する造形材料ＭＭの密着性を領域Ｒごとに適切に制御することができる。
［２］第２実施形態
図１４～図１６を参照して、第２実施形態の三次元造形システム１００Ａにおける造形処理を説明する。図１４～図１６は、それぞれ、三次元造形システム１００Ａのステージ５０上に形成された層ＭＬの例を示す概略平面図である。図１４～図１６には、ステージ５０における複数の領域Ｒを区画して示す一点鎖線と、各領域Ｒの対応する個別加熱部６１の配置領域を示す破線とを図示してある。また、図１４～図１６には、各個別加熱部６１の配置領域に、対応する領域Ｒに割り当てられた区分の種類ごとに濃度が異なるクロスハッチングを付してある。
図１４には、層ＭＬの一例として、Ｚ方向に沿って見たときの外周輪郭形状が円形状である層ＭＬａが示されている。図１５には、層ＭＬの一例として、Ｚ方向に沿って見たときに、円形の一部を直線で切り欠いた形状を有する本体部ＭＬｍの円弧部分から矩形状の突出部ＭＬｔが径方向に突出している層ＭＬｂが示されている。図１６には、層ＭＬの一例として、Ｚ方向に沿って見たときに、長方形がＸ方向およびＹ方向に斜めに十字状に交差している外周輪郭形状を有する層ＭＬｃが図示されている。
第２実施形態の三次元造形システム１００Ａの構成は、第１実施形態の三次元造形システム１００の構成とほぼ同じである。第２実施形態の造形処理は、工程Ｓ２０で実行されるステージ５０の複数の領域Ｒの区分け方が異なる点以外は、図７に示す第１実施形態の造形処理とほぼ同じである。
第２実施形態では、制御部１０は、ステージ５０の複数の領域Ｒのうちの造形材料ＭＭが配置される領域Ｒを、造形材料ＭＭに囲まれる部位を構成する囲まれ領域Ｒｓと、造形材料ＭＭに囲まれていない部位を構成する非囲まれ領域Ｒｕと、に区分ける。制御部１０は、造形材料ＭＭが配置される領域Ｒを、第１実施形態で説明した造形領域Ｒｍと同様な基準で特定する。
制御部１０は、造形材料ＭＭが配置される領域Ｒに囲まれている領域Ｒを囲まれ領域Ｒｓに区分ける。制御部１０は、例えば、図１４に示すように、円環状に配列された造形材料ＭＭが配置される領域Ｒの内側に位置する領域Ｒを囲まれ領域Ｒｓとする。囲まれ領域Ｒｓは、隣接する領域Ｒの全てが、造形材料ＭＭが配置される領域Ｒでなくてもよい。制御部１０は、例えば、隣接する領域Ｒの半数以上が、造形材料ＭＭが配置される領域Ｒである場合に、その領域Ｒを囲まれ領域Ｒｓに区分けるものとしてもよい。囲まれ領域Ｒｓは、図１５や図１６に示すように、隣接する領域Ｒの一部が、造形材料ＭＭが配置されない領域Ｒになっていてもよい。囲まれ領域Ｒｓは、図１６に示すように、離散的に円環状に配列された造形材料ＭＭが配置される領域Ｒに囲まれた領域であってもよい。
その一方で、制御部１０は、造形材料ＭＭが配置される領域Ｒのうち、囲まれ領域Ｒｓに該当しないものを非囲まれ領域Ｒｕに区分ける。制御部１０は、例えば、隣接する領域Ｒの半数未満が、造形材料ＭＭが配置される領域Ｒである場合に、その領域Ｒを非囲まれ領域Ｒｕに区分けるものとしてもよい。非囲まれ領域Ｒｕは、図１４に示すように、造形物ＯＢの外郭を構成する部位が配置される領域Ｒであってもよい。また、非囲まれ領域Ｒｕは、図１５に示すように、造形物ＯＢにおいて局所的に突出した部位が配置される領域Ｒであってもよい。また、非囲まれ領域Ｒｕは、図１６に示すように、造形物ＯＢの細長い部位が配置される領域Ｒであってもよい。非囲まれ領域Ｒｕは、層ＭＬのうちで他の部位から離れた位置に形成された部位が配置される領域Ｒであってもよい。
制御部１０は、工程Ｓ５０において、非囲まれ領域Ｒｕの方が、囲まれ領域Ｒｓよりも温度が高くなるように個別加熱部６１を制御する。周囲に熱が逃げて温度が低下しやすい非囲まれ領域Ｒｕの加熱温度を高く制御することにより、非囲まれ領域Ｒｕに配置された造形材料ＭＭのステージ５０に対する密着性が低下してしまうことを抑制できる。また、周囲に熱が逃げにくく温度が高くなりやすい囲まれ領域Ｒｓの加熱温度を低く制御することにより、囲まれ領域Ｒｓに配置された造形材料ＭＭが加熱されすぎてステージ５０に密着しすぎてしまうことを抑制することができる。
以上のように、第２実施形態の三次元造形システムおよび三次元造形物の製造方法によれば、囲まれ領域Ｒｓと非囲まれ領域Ｒｕとで加熱温度を変えることにより、ステージ５０と造形材料ＭＭの層ＭＬとの密着状態を、より適切に制御することができる。その他に、第２実施形態の三次元造形システムおよび三次元造形物の製造方法によれば、第１実施形態で説明したのと同様な種々の作用効果を奏することができる。
［３］第３実施形態
図１７は、第３実施形態の三次元造形システム１００Ｂの構成を示す概略図である。第３実施形態の三次元造形システム１００Ｂは、温度検出部７０が追加されている点以外は、第１実施形態の三次元造形システム１００の構成とほぼ同じである。第３実施形態の三次元造形システム１００Ｂが実行する造形処理は、加熱部６０の制御に、検出部６５の検出結果とともに温度検出部７０の検出結果を利用する点以外は、第１実施形態で説明した、図７に示す造形処理とほぼ同じである。
温度検出部７０は、造形処理において造形される造形材料ＭＭの層ＭＬごとの温度分布を検出する。温度検出部７０は、例えば放射温度計によって構成される。温度検出部７０は、造形中の層ＭＬ全体の温度分布を検出し、制御部１０に出力する。制御部１０は、層ＭＬごとに、層ＭＬの面内における温度分布が均一になるように、複数の個別加熱部６１のそれぞれを制御する。制御部１０は、造形中の層ＭＬにおいて温度が局所的に低くなっている部位がある場合には、その部位が配置されている領域Ｒに対応する個別加熱部６１による加熱温度を上昇させる。制御部１０は、その加熱温度の上昇により、その領域Ｒの個別検出部６６によって検出される密着状態が示す値が予め定められた許容範囲を超えて変化する場合には、その密着状態が示す値が許容範囲内に収まるように、個別加熱部６１の出力を補正する。
第３実施形態の三次元造形システム１００Ｂによれば、層ＭＬ内における温度分布が不均一になってステージ５０に対する層ＭＬの密着状態が悪化してしまうことを抑制することができる。また、層ＭＬ内における温度分布が不均一になっていることに起因して層ＭＬ内の熱収縮量にばらつきが生じ、層ＭＬ内に内部応力が生じることを抑制できる。その他に、第３実施形態の三次元造形システムおよび三次元造形物の製造方法によれば、上記実施形態で説明したのと同様な種々の作用効果を奏することができる。
［４］他の実施形態
上記の各実施形態で説明した種々の構成は、例えば、以下のように改変することが可能である。以下に説明する他の実施形態はいずれも、上記の各実施形態と同様に、本発明を実施するための形態の一例として位置づけられる。
［４－１］他の実施形態１
上記の各実施形態において、三次元造形システム１００，１００Ａ，１００Ｂは、制御部１０や、吐出部１５、造形ステージ部１６、サーバー１８等の機能有する種々の構成部を一体的に構成した三次元造形装置として構成されてもよい。
［４－２］他の実施形態２
上記の各実施形態において、吐出部１５は、フラットスクリュー３０を用いて原料中の熱可塑性樹脂を可塑化することにより造形材料ＭＭを生成する代わりに、他の方法によって、造形材料ＭＭを生成してもよい。吐出部１５では、例えば、インラインスクリューを用いて造形材料ＭＭが生成されてもよい。
［４－３］他の実施形態３
上記の各実施形態において、加熱部６０は複数の個別加熱部６１を有していなくてもよいし、検出部６５は、複数の個別検出部６６を有していなくてもよい。この場合には、ステージ５０において層ＭＬの端部が配置されることが予め定められた領域にのみ単一の加熱部６０と単一の検出部６５とが配置され、制御部１０は、検出部６５によって検出された密着状態を示す値に基づいて加熱部６０による加熱を実行してもよい。
［４－４］他の実施形態４
上記の各実施形態において、検出部６５を構成する個別検出部６６は圧力センサーの代わりに、例えば、層ＭＬの形成状態をカメラによって撮影し、層ＭＬの変形状態を解析して、層ＭＬとステージ５０との密着状態を示す値を出力する構成によって実現されてもよい。
［４－５］他の実施形態５
上記の各実施形態において、ステージ５０の複数の領域Ｒは、矩形状に区画されていなくてもよい。ステージ５０の複数の領域Ｒは、例えば、同心円環状に配列されていてもよい。ステージ５０の複数の領域Ｒは、全てが同じ寸法や面積を有していなくてもよい。ステージ５０の複数の領域Ｒは、例えば、ステージ５０のステージ面５０ｓの中心から離れるほど細分化されるように区画されていてもよい。
［４－６］他の実施形態６
上記の各実施形態において、個別加熱部６１は、複数の領域Ｒのそれぞれに複数個が設けられていてもよい。また、個別検出部６６は、複数の領域Ｒのそれぞれに一つずつ設けられていてもよい。個別加熱部６１や個別検出部６６は、領域Ｒごとに設置される数が異なっていてもよい。
［４－７］他の実施形態７
上記の第１実施形態において、制御部１０は、ステージ５０の複数の造形領域Ｒｍを、外郭領域Ｒｏと内部領域Ｒｉとに区分けしなくてもよく、造形領域Ｒｍと非造形領域Ｒｎとに区分けるのみであってもよい。また、上記の第１実施形態において、制御部１０は、非造形領域Ｒｎに対応する加熱部６０については駆動させないままにしてもよい。
［４－８］他の実施形態８
上記の各実施形態の三次元造形システム１００，１００Ａ，１００Ｂにおいて、サーバー１８は省略されてもよい。この場合には、制御部１０が生成した制御情報ＣＩを外部記憶装置に不揮発的に記憶しているものとしてもよい。また、上記の各実施形態の三次元造形システム１００，１００Ａ，１００Ｂにおいて、制御部１０は、造形処理の完了後に制御情報ＣＩを生成しなくてもよい。
［５］まとめ
（１）本発明の一形態としての三次元造形システムは、造形材料で形成される層を積層して三次元造形物を造形する三次元造形システムであって、前記層を支持するステージと、前記ステージに向けて前記造形材料を吐出して前記層を積層する吐出部と、前記ステージを加熱する加熱部と、前記層と前記ステージとの密着状態を示す値を検出する検出部と、前記密着状態を示す値に基づいて前記加熱部による加熱を制御する制御部と、を備える。この形態の三次元造形システムによれば、加熱部による三次元造形物を構成する層に対する加熱を、層とステージとの密着状態に応じて実行することができるため、層とステージとの密着状態を適切に制御しながら、三次元造形物を造形することができる。よって、例えば、層がステージに対して十分に密着できずに、造形中に層の一部がステージから乖離してしまうことを抑制できる。また、層がステージに対して密着しすぎて、造形完了後に三次元造形物をステージから分離することが困難になってしまうことを抑制できる。
（２）上記形態の三次元造形システムにおいて、前記加熱部は、それぞれが前記ステージ上の異なる複数の領域を加熱する複数の個別加熱部を含み、前記制御部は、前記密着状態を示す値に基づいて前記複数の個別加熱部のそれぞれを個別に制御してよい。この形態の三次元造形システムによれば、加熱部による加熱温度をステージ上の領域ごとに制御することができる。よって、ステージに対する層の密着状態をより適切に制御することができる。
（３）上記形態の三次元造形システムにおいて、前記検出部は、それぞれが前記複数の領域のうちの対応する領域における前記密着状態を示す値を検出する複数の個別検出部を含み、前記制御部は、前記複数の個別加熱部のそれぞれを、対応する前記個別検出部によって検出された前記密着状態を示す値に基づいて制御してよい。この形態の三次元造形システムによれば、層とステージとの密着状態をステージ上の領域ごとに検出した検出結果に基づいて、加熱部による加熱温度をステージ上の領域ごとに制御することができる。よって、ステージに対する層の密着状態をより適切に制御することができる。
（４）上記形態の三次元造形システムは、前記ステージが載置される載置部をさらに備え、前記個別加熱部と前記個別検出部とは前記ステージと前記載置部との間に配置されてよい。この形態の三次元造形システムによれば、個別検出部と個別加熱部とはステージの下に配置されるため、造形材料や塵芥が個別検出部や個別加熱部に付着することが抑制されるため、個別検出部や個別加熱部の劣化や損傷の発生を抑制できる。
（５）上記形態の三次元造形システムにおいて、前記制御部は、前記三次元造形物を表す造形データに基づいて、前記複数の領域ごとに対応する前記複数の個別加熱部のそれぞれを制御してよい。この形態の三次元造形システムによれば、加熱部によるステージ上の領域ごとの加熱を、三次元造形物の形状に応じて、より適切に制御することができる。
（６）上記形態の三次元造形システムにおいて、前記制御部は、前記三次元造形物を造形する場合、前記造形材料が配置される造形領域に対応する前記個別加熱部と、前記造形材料が配置されない非造形領域に対応する前記個別加熱部とのいずれに対しても加熱を実行させ、前記造形領域の加熱温度が前記非造形領域の加熱温度よりも高くなるように前記複数の個別加熱部のそれぞれを制御してよい。この形態の三次元造形システムによれば、造形材料が配置される領域と配置されない領域のそれぞれの加熱温度を適切に制御することができる。よって、ステージに対する層の密着状態をより適切に制御することができる。また、非造形領域の温度が著しく低くなり、造形領域から非造形領域へと熱が逃げることを抑制できる。よって、造形領域から非造形領域への放熱によって造形領域に配置されている層の端部の温度が低下し、層のステージに対する密着性が低下してしまうことを抑制することができる。
（７）上記形態の三次元造形システムにおいて、前記制御部は、前記三次元造形物を造形する場合、前記三次元造形物の外郭を構成する部位が配置される外郭領域が、前記外郭に覆われる前記三次元造形物の内部部位が配置される内部領域よりも温度が高くなるように前記複数の個別加熱部のそれぞれを制御し、かつ、前記内部領域が、前記造形材料が配置されていない非造形領域よりも温度が高くなるように前記複数の個別加熱部のそれぞれを制御してよい。この形態の三次元造形システムによれば、外郭を構成する層の端部から非造形領域に熱が逃げることを抑制できるとともに、当該端部をより高い温度で加熱することができるため、層の端部の温度が低下して層の端部がステージから乖離してしまうことを抑制できる。また、内部部位の温度が高くなりすぎて、内部部位がステージに密着しすぎてしまうことを抑制できる。よって、造形が完了した三次元造形物をステージから分離させる際に、内部部位の一部がステージから乖離せずに、三次元造形物が損傷してしまうことを抑制できる。
（８）上記形態の三次元造形システムにおいて、前記制御部は、前記非造形領域のうち前記造形材料に囲まれた領域よりも、前記非造形領域のうち前記造形材料に囲まれていない領域の方が、温度が高くなるように、前記複数の個別加熱部のそれぞれを制御してよい。この形態の三次元造形システムによれば、非造形領域のうちで、造形材料に囲まれ、熱が逃げにくい領域の温度が高くなりすぎてしまい、その領域の周囲の造形材料の温度が高くなりすぎて、ステージに密着しすぎてしまうことを抑制できる。よって、造形材料がステージに密着しすぎていたことにより、造形が完了した後の三次元造形物がステージから乖離させにくくなってしまうことを抑制できる。
（９）上記形態の三次元造形システムは、前記層ごとの温度分布を検出する温度検出部をさらに備え、前記制御部は、前記層ごとに、前記層の面内における温度分布が均一になるように、前記複数の個別加熱部のそれぞれを制御してよい。この形態の三次元造形システムによれば、層内における温度分布が不均一になってステージに対する層の密着状態が悪化してしまうことを抑制することができる。
（１０）上記形態の三次元造形システムは、前記三次元造形物の造形時に使用されるデータを記憶するサーバーをさらに備え、前記制御部は、前記三次元造形物の形状と、前記三次元造形物の造形時の前記加熱部による加熱の条件と、前記三次元造形物の造形に使用される前記造形材料の種類とを紐づけた制御情報を生成して前記サーバーに送信してよい。この形態の三次元造形システムによれば、三次元造形物ごとに造形の際の加熱条件を管理できるため、三次元造形物の造形をより効率的に実行することができる。
（１１）本発明の一形態としての三次元造形物の製造方法は、造形材料で形成される層を積層することによって造形される三次元造形物の製造方法であり、ステージに向けて前記造形材料を吐出して、前記ステージ上に前記層を形成する工程と、前記層と前記ステージとの密着状態を示す値を検出する工程と、前記密着状態を示す値に基づいて前記ステージを加熱する工程と、を備える。この形態の三次元造形物の製造方法によれば、三次元造形物を構成する層に対する加熱を、層とステージとの密着状態に応じて実行することができるため、層とステージとの密着状態を良好に制御しながら、三次元造形物を造形することができる。よって、例えば、層がステージに対して十分に密着できずに、造形中に層の一部がステージから乖離してしまうことを抑制できる。また、層がステージに対して密着しすぎて、造形完了後に三次元造形物をステージから分離することが困難になってしまうことを抑制できる。
１０…制御部、１５…吐出部、１６…造形ステージ部、１８…サーバー、２０…材料生成部、２１…材料供給部、２２…収容部、２４…連通路、２５…可塑化部、２６…スクリューケース、２７…駆動モーター、３０…フラットスクリュー、３０ｃ…中央部、３１…溝形成面、３２…溝部、３２ｃ…凸条部、３２ｅ…材料入口、３３…上面、３５…対面部、３６…対向面、３６ｇｒ…案内溝、３７…ヒーター、３８…連通孔、４０…ノズル部、４２…導入流路、４３…ノズル流路、４５…ノズル開口、５０…ステージ、５０ｓ…ステージ面、５２…載置部、５２ｒ…凹部、５３…移動機構、６０…加熱部、６１…個別加熱部、６５…検出部、６６…個別検出部、７０…温度検出部、１００，１００Ａ，１００Ｂ…三次元造形システム、ＣＩ…制御情報、Ｃｌｉｍ…限界値、Ｃｔ…目標値、Ｄｎ…孔径、ＦＩ…形状情報、Ｇ…ギャップ、Ｇｃ…破線グラフ、Ｇｓ…実線グラフ、Ｍ…モーター、ＭＩ…材料情報、ＭＬ，ＭＬａ，ＭＬｂ，ＭＬｃ…層、ＭＬｍ…本体部、ＭＬｔ…突出部、ＭＭ…造形材料、ＯＢ，ＯＢａ、ＯＢｂ…造形物、ＯＢｔ…上面、Ｐｉ…内部部位、Ｐｏ…外郭、Ｒ…領域、ＲＸ…回転軸、Ｒｉ…内部領域、Ｒｍ…造形領域、Ｒｎ…非造形領域、Ｒｎｉ…非造形領域のうち造形材料に囲まれた領域、Ｒｎｏ…非造形領域のうち造形材料に囲まれていない領域、Ｒｏ…外郭領域、Ｒｓ…囲まれ領域、Ｒｕ…非囲まれ領域、Ｓ１０～Ｓ７０…工程、ＴＩ…温度条件情報

Claims (11)

  1. 造形材料で形成される層を積層して三次元造形物を造形する三次元造形システムであって、
    前記層を支持するステージと、
    前記ステージに向けて前記造形材料を吐出して前記層を積層する吐出部と、
    前記ステージを加熱する加熱部と、
    前記層と前記ステージとの密着状態を示す値を検出する検出部と、
    前記密着状態を示す値に基づいて前記加熱部による加熱を制御する制御部と、
    を備える、三次元造形システム。
  2. 前記加熱部は、それぞれが前記ステージ上の異なる複数の領域を加熱する複数の個別加熱部を含み、
    前記制御部は、前記密着状態を示す値に基づいて前記複数の個別加熱部のそれぞれを個別に制御する、請求項１に記載の三次元造形システム。
  3. 前記検出部は、それぞれが前記複数の領域のうちの対応する領域における前記密着状態を示す値を検出する複数の個別検出部を含み、
    前記制御部は、前記複数の個別加熱部のそれぞれを、対応する前記個別検出部によって検出された前記密着状態を示す値に基づいて制御する、請求項２に記載の三次元造形システム。
  4. 前記ステージが載置される載置部をさらに備え、
    前記個別加熱部と前記個別検出部とは前記ステージと前記載置部との間に配置されている、請求項３に記載の三次元造形システム。
  5. 前記制御部は、前記三次元造形物を表す造形データに基づいて、前記複数の領域ごとに対応する前記複数の個別加熱部のそれぞれを制御する、請求項２ないし４のいずれか１項に記載の三次元造形システム。
  6. 前記制御部は、前記三次元造形物を造形する場合、
    前記造形材料が配置される造形領域に対応する前記個別加熱部と、前記造形材料が配置されない非造形領域に対応する前記個別加熱部とのいずれに対しても加熱を実行させ、前記造形領域の加熱温度が前記非造形領域の加熱温度よりも高くなるように前記複数の個別加熱部のそれぞれを制御する、請求項５に記載の三次元造形システム。
  7. 前記制御部は、前記三次元造形物を造形する場合、
    前記三次元造形物の外郭を構成する部位が配置される外郭領域が、前記外郭に覆われる前記三次元造形物の内部部位が配置される内部領域よりも温度が高くなるように前記複数の個別加熱部のそれぞれを制御し、かつ、
    前記内部領域が、前記造形材料が配置されない非造形領域よりも温度が高くなるように、前記複数の個別加熱部のそれぞれを制御する、請求項５に記載の三次元造形システム。
  8. 前記制御部は、前記非造形領域のうち前記造形材料に囲まれた領域よりも、前記非造形領域のうち前記造形材料に囲まれていない領域の方が、温度が高くなるように、前記複数の個別加熱部のそれぞれを制御する、請求項６に記載の三次元造形システム。
  9. 前記層ごとの温度分布を検出する温度検出部をさらに備え、
    前記制御部は、前記層ごとに、前記層の面内における温度分布が均一になるように、前記複数の個別加熱部のそれぞれを制御する、請求項２ないし８のいずれか１項に記載の三次元造形システム。
  10. 前記三次元造形物の造形時に使用されるデータを記憶するサーバーをさらに備え、
    前記制御部は、前記三次元造形物の形状と、前記三次元造形物の造形時の前記加熱部による加熱の条件と、前記三次元造形物の造形に使用される前記造形材料の種類とを紐づけた制御情報を生成して前記サーバーに送信する、請求項１ないし９のいずれか一項に記載の三次元造形システム。
  11. 造形材料で形成される層を積層することによって造形される三次元造形物の製造方法であって、
    ステージに向けて前記造形材料を吐出して、前記ステージ上に前記層を形成する工程と、
    前記層と前記ステージとの密着状態を示す値を検出する工程と、
    前記密着状態を示す値に基づいて前記ステージを加熱する工程と、
    を備える、三次元造形物の製造方法。
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