JP2023097690A - 三次元造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】造形層の全体を目標温度まで下げることができる三次元造形装置を提供する。【解決手段】ステージと、前記ステージの造形領域を覆い、前記ステージと対向するヒーターと、前記ステージに向けて造形材料を吐出して造形層を形成するヘッドと、前記造形層の測定領域の温度を測定するセンサーと、前記ステージと前記センサーとを相対的に移動させ、かつ前記ステージと前記ヘッドとを相対的に移動させる移動機構と、前記ヘッドおよび前記移動機構を制御する制御部と、を含み、前記制御部は、前記造形層の形状に関する情報に基づいて、前記測定領域を設定する処理と、前記センサーに前記測定領域の温度を測定させる処理と、測定された前記測定領域の温度が所定値以下である場合に、前記ヘッドおよび前記移動機構を制御して、前記ヘッドから前記造形層に向けて造形材料を吐出させる処理と、を行う、三次元造形装置。【選択図】図７

Description

本発明は、三次元造形装置に関する。

溶融された材料をノズルから吐出して堆積させ、硬化させることによって三次元造形物を造形する三次元造形装置が知られている。

三次元造形物は、複数の造形層が積層されて構成される。第１造形層上に第２造形層を形成する場合、第１造形層の温度が十分に下がってから第２造形層を形成しないと、第２造形層を形成した際に、第１造形層の形状が崩れる場合がある。

例えば特許文献１には、第２造形層を形成する前に、形成された第１造形層の温度を測定部で測定する三次元造形装置が記載されている。

特開２０２１－４１６６１号公報

しかしながら、上記のような三次元造形装置では、第１造形層の形状によって、第１造形層の面内方向に温度のばらつきが生じる。そのため、測定部で測定された温度が目標温度に達した場合であっても、第１造形層には目標温度まで下がっていない領域が存在する場合がある。

本発明に係る三次元造形装置の一態様は、
ステージと、
前記ステージの造形領域を覆い、前記ステージと対向するヒーターと、
前記ステージに向けて造形材料を吐出して造形層を形成するヘッドと、
前記造形層の測定領域の温度を測定するセンサーと、
前記ステージと前記センサーとを相対的に移動させ、かつ前記ステージと前記ヘッドとを相対的に移動させる移動機構と、
前記ヘッドおよび前記移動機構を制御する制御部と、
を含み、
前記制御部は、
前記造形層の形状に関する情報に基づいて、前記測定領域を設定する処理と、
前記センサーに前記測定領域の温度を測定させる処理と、
測定された前記測定領域の温度が所定値以下である場合に、前記ヘッドおよび前記移動機構を制御して、前記ヘッドから前記造形層に向けて造形材料を吐出させる処理と、
を行う。

本実施形態に係る三次元造形装置を模式的に示す側面図。 本実施形態に係る三次元造形装置を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る三次元造形装置のフラットスクリューを模式的に示す斜視図。 本実施形態に係る三次元造形装置のバレルを模式的に示す平面図。 本実施形態に係る三次元造形装置の制御部の処理を説明するためのフローチャート。 本実施形態に係る三次元造形装置の三次元造形物形成処理を説明するための断面図。 本実施形態に係る三次元造形装置の制御部の処理を説明するためのフローチャート。 本実施形態に係る三次元造形装置で形成される造形層を模式的に示す平面図。 本実施形態の第１変形例に係る三次元造形装置で形成される造形層を模式的に示す平面図。 本実施形態の第２変形例に係る三次元造形装置で形成される造形層を模式的に示す平面図。 本実施形態の第３変形例に係る三次元造形装置で形成される造形層を模式的に示す平面図。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１． 三次元造形装置
１．１． 全体の構成
まず、本実施形態に係る三次元造形装置について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る三次元造形装置１００を模式的に示す斜視図である。図２は、本実施形態に係る三次元造形装置１００を模式的に示す図１のＩＩ－ＩＩ線断面図である。なお、図１および図２では、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を示している。Ｘ軸方向およびＹ軸方向は、例えば、水平方向である。Ｚ軸方向は、例えば、鉛直方向である。

三次元造形装置１００は、図１および図２に示すように、例えば、ヘッド１０と、ステージ２０と、移動機構３０と、支持部材４０と、加熱機構５０と、センサー６０と、制御部７０と、を含む。

三次元造形装置１００は、ヘッド１０からステージ２０に向けて可塑化された造形材料を吐出させつつ、移動機構３０を駆動して、ヘッド１０とステージ２０との相対的な位置を変化させる。これにより、三次元造形装置１００は、ステージ２０上に所望の形状の三次元造形物を造形する。

ヘッド１０は、例えば、図２に示すように、材料供給部１１０と、可塑化部１２０と、ノズル１６０と、を有している。ヘッド１０は、ステージ２０の造形領域２２に向けて、造形材料を吐出する。

材料供給部１１０には、ペレット状や粉末状の材料が投入される。材料供給部１１０は、可塑化部１２０に原料となる材料を供給する。材料供給部１１０は、例えば、ホッパーによって構成されている。材料供給部１１０によって供給される材料は、例えば、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）樹脂である。

材料供給部１１０と可塑化部１２０とは、材料供給部１１０の下方に設けられた供給路１１２によって接続されている。材料供給部１１０に投入された材料は、供給路１１２を介して、可塑化部１２０に供給される。

可塑化部１２０は、図２に示すように、例えば、スクリューケース１２２と、駆動モーター１２４と、フラットスクリュー１３０と、バレル１４０と、ヒーター１５０と、を有している。可塑化部１２０は、材料供給部１１０から供給された固体状態の材料を可塑化し、流動性を有するペースト状の造形材料を生成して、ノズル１６０に供給する。

なお、可塑化とは、溶融を含む概念であり、固体から流動性を有する状態に変化させることである。具体的には、ガラス転移が起こる材料の場合、可塑化とは、材料の温度をガラス転移点以上にすることである。ガラス転移が起こらない材料の場合、可塑化とは、材料の温度を融点以上にすることである。

スクリューケース１２２は、フラットスクリュー１３０を収容する筐体である。スクリューケース１２２の下面には、バレル１４０が設けられている。スクリューケース１２２とバレル１４０とによって囲まれた空間に、フラットスクリュー１３０が収容されている。

駆動モーター１２４は、スクリューケース１２２の上面に設けられている。駆動モーター１２４は、例えば、サーボモーターである。駆動モーター１２４のシャフト１２６は、フラットスクリュー１３０の上面１３１に接続されている。駆動モーター１２４は、制御部７０によって制御される。なお、図示はしないが、減速機を介して、駆動モーター１２４のシャフト１２６と、フラットスクリュー１３０の上面１３１とが接続されていてもよい。

フラットスクリュー１３０は、回転軸Ｒ方向の大きさが、回転軸Ｒ方向と直交する方向の大きさよりも小さい略円柱形状を有している。図示の例では、回転軸Ｒは、Ｚ軸と平行である。駆動モーター１２４が発生させるトルクによって、フラットスクリュー１３０は、回転軸Ｒを中心に回転する。

フラットスクリュー１３０は、上面１３１と、上面１３１とは反対側の溝形成面１３２と、上面１３１と溝形成面１３２とを接続する側面１３３と、を有している。溝形成面１３２には、第１溝１３４が形成されている。側面１３３は、例えば、溝形成面１３２に対して垂直である。ここで、図３は、フラットスクリュー１３０を模式的に示す斜視図である。なお、便宜上、図３では、図２に示した状態とは上下の位置関係を逆向きとした状態を示している。

フラットスクリュー１３０の溝形成面１３２には、図３に示すように、第１溝１３４が形成されている。第１溝１３４は、例えば、中央部１３５と、接続部１３６と、材料導入部１３７と、を有している。中央部１３５は、バレル１４０に形成された連通孔１４６と対向している。中央部１３５は、連通孔１４６と連通している。接続部１３６は、中央部１３５と材料導入部１３７とを接続している。図示の例では、接続部１３６は、中央部１３５から溝形成面１３２の外周に向かって渦状に設けられている。材料導入部１３７は、溝形成面１３２の外周に設けられている。すなわち、材料導入部１３７は、フラットスクリュー１３０の側面１３３に設けられている。材料供給部１１０から供給された材料は、材料導入部１３７から第１溝１３４に導入され、接続部１３６および中央部１３５を通って、バレル１４０に形成された連通孔１４６に搬送される。第１溝１３４は、例えば、２つ設けられている。

なお、第１溝１３４の数は、特に限定されない。図示はしないが、第１溝１３４は、３つ以上設けられていてもよいし、１つだけ設けられていてもよい。また、図示はしないが、三次元造形装置１００は、フラットスクリュー１３０の代わりに、インラインスクリューを有していてもよい。

バレル１４０は、図２に示すように、フラットスクリュー１３０の下方に設けられている。バレル１４０は、フラットスクリュー１３０の溝形成面１３２に対向する対向面１４２を有している。対向面１４２の中心には、第１溝１３４と連通する連通孔１４６が形成されている。ここで、図４は、バレル１４０を模式的に示す平面図である。

バレル１４０の対向面１４２には、図４に示すように、第２溝１４４と、連通孔１４６と、が形成されている。第２溝１４４は、複数形成されている。図示の例では、６つの第２溝１４４が形成されているが、第２溝１４４の数は、特に限定されない。複数の第２溝１４４は、Ｚ軸方向からみて、連通孔１４６の周りに形成されている。第２溝１４４は、一端が連通孔１４６に接続され、連通孔１４６からバレル１４０の外周１４８に向かって渦状に延びている。第２溝１４４は、可塑化された材料を連通孔１４６に導く機能を有している。

なお、第２溝１４４の形状は、特に限定されず、例えば、直線状であってもよい。また、第２溝１４４は、一端が連通孔１４６に接続されていなくてもよい。さらに、第２溝１４４は、対向面１４２に形成されていなくてもよい。ただし、連通孔１４６に可塑化された材料を効率よく導くことを考慮すると、第２溝１４４は、対向面１４２に形成されていることが好ましい。

ヒーター１５０は、図２に示すように、バレル１４０に設けられている。ヒーター１５０は、フラットスクリュー１３０とバレル１４０との間に供給された材料を加熱する。ヒーター１５０の出力は、制御部７０によって制御される。可塑化部１２０は、フラットスクリュー１３０、バレル１４０、およびヒーター１５０によって、材料を連通孔１４６に向かって搬送しながら加熱して可塑化された造形材料を生成し、生成された造形材料を連通孔１４６から流出させる。なお、図示はしないが、Ｚ軸方向からみて、ヒーター１５０の形状は、リング状であってもよい。

ノズル１６０は、バレル１４０の下方に設けられている。ノズル１６０は、可塑化部１２０から供給された材料を、ステージ２０に向けて吐出する。ノズル１６０には、ノズル流路１６２が形成されている。ノズル流路１６２は、連通孔１４６に連通している。ノズル流路１６２は、ノズル開口１６４を有している。ノズル開口１６４は、ノズル１６０の先端に位置している。連通孔１４６から供給された材料は、ノズル流路１６２を通ってノズル開口１６４から吐出される。

ステージ２０は、図１および図２に示すように、ノズル１６０の下方に設けられている。図示の例では、ステージ２０の形状は、直方体である。ステージ２０は、造形領域２２を有している。造形領域２２には、ヘッド１０から造形材料が吐出される。造形領域２２は、ステージ２０の上面の領域である。造形領域２２は、ヘッド１０のノズル開口１６４の位置によって規定される。例えば移動機構３０によってステージ２０がＸ軸方向およびＹ軸方向に移動する場合、造形領域２２の－Ｘ軸方向における端は、ステージ２０が最も＋Ｘ軸方向に移動した際のノズル開口１６４の下方に位置する。造形領域２２の＋Ｘ軸方向における端は、ステージ２０が最も－Ｘ軸方向に移動した際のノズル開口１６４の下方に位置する。

移動機構３０は、ステージ２０を支持している。移動機構３０は、ステージ２０とヘッド１０とを相対的に移動させる。さらに、移動機構３０は、ステージ２０と加熱機構５０とを相対的に移動させる。加熱機構５０は、例えば、ヘッド１０の移動に伴って移動される。図示の例では、移動機構３０は、ステージ２０をＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させることによって、Ｘ軸方向およびＹ軸方向において、ステージ２０と、ヘッド１０および加熱機構５０と、の相対的な位置を変化させる。さらに、移動機構３０は、ヘッド１０および加熱機構５０をＺ軸方向に移動させることによって、Ｚ軸方向において、ステージ２０と、ヘッド１０および加熱機構５０と、の相対的な位置を変化させる。

移動機構３０は、例えば、第１電動アクチュエーター３２と、第２電動アクチュエーター３４と、第３電動アクチュエーター３６と、を有している。第１電動アクチュエーター３２は、ステージ２０をＸ軸方向に移動させる。第２電動アクチュエーター３４は、ステージ２０をＹ軸方向に移動させる。第３電動アクチュエーター３６は、ヘッド１０および加熱機構５０をＺ軸方向に移動させる。

支持部材４０は、第３電動アクチュエーター３６に接続されている。図示の例では、支持部材４０は、第３電動アクチュエーター３６から－Ｙ軸方向に延在している。支持部材４０は、ヘッド１０および加熱機構５０を支持している。移動機構３０は、第３電動アクチュエーター３６によって支持部材４０をＺ軸方向に移動させることにより、ヘッド１０および加熱機構５０をＺ軸方向に移動させる。

加熱機構５０の形状は、例えば、略板状である。加熱機構５０は、例えば、支持板５２と、ヒーター５４と、を有している。ヒーター５４は、支持板５２に支持されている。ヒーター５４は、ステージ２０の造形領域２２を覆っている。ヒーター５４は、ステージ２０と対向している。Ｚ軸方向からみて、ステージ２０は、例えば、ヒーター５４の外縁の内側に設けられている。ヒーター５４は、造形領域２２に堆積された造形材料からなる造形層を加熱する。ヒーター５４は、造形領域２２全体を加熱可能である。ヒーター５４の出力は、制御部７０によって制御される。

加熱機構５０には、図２に示すように、貫通孔５６が形成されている。図示の例では、貫通孔５６は、加熱機構５０をＺ軸方向に貫通している。貫通孔５６には、ノズル１６０が位置している。図示の例では、フラットスクリュー１３０およびバレル１４０は、加熱機構５０の＋Ｚ軸方向に位置し、ノズル開口１６４およびステージ２０は、加熱機構５０の－Ｚ軸方向に位置している。

なお、ヒーター５４が造形領域２２を加熱可能であれば、加熱機構５０の形状は、特に限定されない。例えば、三次元造形装置１００は、ヘッド１０、ステージ２０、および移動機構３０を収容する図示しないチャンバーを有し、加熱機構５０は、チャンバー全体を加熱することにより、造形領域２２を加熱してもよい。

センサー６０は、図１に示すように、加熱機構５０に固定されている。そのため、センサー６０は、加熱機構５０の移動に伴って移動させる。すなわち、移動機構３０は、ステージ２０とセンサー６０とを相対的に移動させる。センサー６０は、例えば、加熱機構５０の支持板５２の外周端部に固定されている。センサー６０は、支持板５２から－Ｚ軸方向に突出している。センサー６０は、ステージ２０上に形成された造形層の測定領域の温度を測定する。センサー６０によって計測された温度は、制御部７０に送信される。センサー６０は、例えば、赤外線などを放射する非接触式の放射温度計である。

制御部７０は、例えば、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、を有するコンピューターによって構成されている。制御部７０は、例えば、主記憶装置に読み込んだプログラム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。具体的には、制御部７０は、ヘッド１０、移動機構３０、および加熱機構５０を制御する。なお、制御部７０は、コンピューターではなく、複数の回路の組み合わせによって構成されてもよい。

１．２． 制御部の処理
図５は、制御部７０の処理を説明するためのフローチャートである。ユーザーは、例えば、図示せぬ操作部を操作して、制御部７０に処理を開始するための処理開始信号を出力する。操作部は、例えば、マウス、キーボード、タッチパネルなどによって構成されている。制御部７０は、処理開始信号を受けると処理を開始する。以下、各処理について説明する。

１．２．１． 造形データ取得処理
まず、制御部７０は、図５に示すように、三次元造形物を造形するための造形データを取得する造形データ取得処理を行う（ステップＳ１０）。

造形データは、例えば、三次元造形装置１００に接続されたコンピューターにインストールされたスライサーソフトに、形状データを読み込ませることによって作成される。形状データは、三次元ＣＡＤ（Computer Aided Design）ソフトや三次元ＣＧ（Computer Graphics）ソフトなどを用いて作成された三次元造形物の目標形状を表すデータである。形状データとしては、例えば、ＳＴＬ（Standard Triangulated Language）形式やＡＭＦ（Additive Manufacturing File Format）などのデータを用いる。スライサーソフトは、三次元造形物の目標形状を所定の厚さの層に分割して、層ごとに造形データを作成する。造形データは、Ｇコードなどによって表される。

造形データは、例えば、ステージ２０に対するノズル１６０の移動経路、ノズル１６０から吐出される造形材料の量、三次元造形物を構成する複数の造形層の各々の形状および面積などに関する情報を含む。「造形層の形状および面積」とは、造形領域２２の垂線Ｐ方向からみたときの造形層の形状および面積である。図１および図２に示す例では、垂線Ｐは、Ｚ軸と平行である。制御部７０は、三次元造形装置１００に接続されたコンピューターや、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリーなどの記録媒体から造形データを取得する。

１．２．２． 三次元造形物形成処理
次に、制御部７０は、図５に示すように、ステージ２０上に三次元造形物を形成する三次元造形物形成処理を行う（ステップＳ２０）。

具体的には、制御部７０は、フラットスクリュー１３０とバレル１４０との間に供給された材料を可塑化して造形材料を生成させ、ノズル１６０から造形材料を吐出させる。制御部７０は、例えば、三次元造形物形成処理が終了するまで造形材料を生成させ続ける。さらに、制御部７０は、ヒーター５４を駆動させる。制御部７０は、例えば、三次元造形物形成処理が終了するまでヒーター５４を駆動させ続ける。ここで、図６は、三次元造形物形成処理を説明するための断面図である。

制御部７０は、図６に示すように、取得した造形データに基づいて、移動機構３０を制御してノズル１６０とステージ２０との相対的な位置を変化させつつ、ヘッド１０を制御してノズル１６０からステージ２０に向けて造形材料を吐出させる。

具体的には、三次元造形物形成処理が開始される前、すなわち、第１層目の造形層である造形層Ｌ１の形成が開始される前では、ノズル１６０は、ステージ２０の－Ｘ軸方向の端部よりも－Ｘ軸方向の初期位置に配置されている。三次元造形物形成処理が開始されると、図６に示すように、制御部７０は、移動機構３０を制御することによって、例えば、ステージ２０に対してノズル１６０を＋Ｘ軸方向に相対移動させる。ノズル１６０がステージ２０上を通過する際、ノズル１６０から造形材料が吐出される。これにより、造形層Ｌ１が形成される。図６では、ｎを任意の自然数として、第ｎ層目の造形層Ｌｎまでを図示している。

ここで、図７は、制御部７０の三次元造形物形成処理を、より詳細に説明するためのフローチャートである。

三次元造形物形成処理では、制御部７０は、図７に示すように、造形データに含まれる第ｎ－１層目の造形層Ｌｎ－１の形状および面積に関する情報に基づいて、造形層Ｌｎ－１の測定領域Ｍを設定する測定領域設定処理を行う（ステップＳ２１）。具体的には、制御部７０は、造形データに含まれる造形層Ｌｎ－１の形状および面積に関する情報に基づいて、造形層Ｌｎ－１の測定領域Ｍの位置を設定する。測定領域Ｍは、センサー６０によって測定される領域である。

なお、制御部７０は、測定領域Ｍの位置を、造形データに含まれる造形層Ｌｎ－１の形状および面積に関する情報に基づいて算出して設定してもよいし、造形データに造形層Ｌｎ－１の形状および面積に関する情報に基づいて算出された測定領域Ｍの位置に関する情報が含まれる場合は、制御部７０は、造形データから直接、測定領域Ｍの位置に関する情報を取得して、測定領域Ｍの位置を設定してもよい。

次に、制御部７０は、造形層Ｌｎ－１の形状および面積に関する情報に基づいて、測定領域Ｍの目標温度を設定する目標温度設定処理を行う（ステップＳ２２）。目標温度は、造形層Ｌｎ－１が硬化される温度である。

なお、制御部７０は、目標温度を、造形データに含まれる造形層Ｌｎ－１の形状および面積に関する情報に基づいて算出して設定してもよいし、造形データに造形層Ｌｎ－１の形状および面積に関する情報に基づいて算出された目標温度に関する情報が含まれる場合は、制御部７０は、造形データから直接、目標温度に関する情報を取得して、目標温度を設定してもよい。

次に、制御部７０は、移動機構３０を制御して、ステージ２０とセンサー６０とを相対的に移動させ、センサー６０の位置と測定領域Ｍの位置とを合わせる位置合わせ処理を行う（ステップＳ２３）。具体的には、制御部７０は、移動機構３０を制御して、Ｚ軸方向からみて、センサー６０と測定領域Ｍとを重ねる。制御部７０は、ステージ２０を移動させて、センサー６０の位置と測定領域Ｍの位置を合わせてもよいし、センサー６０を移動させて、センサー６０の位置と測定領域Ｍの位置を合わせてもよい。

次に、制御部７０は、センサー６０に測定領域Ｍの温度を測定させる温度測定処理を行う（ステップＳ２４）。具体的には、制御部７０は、センサー６０を駆動させて、センサー６０に測定領域Ｍの温度を測定させる。

次に、制御部７０は、測定された測定領域Ｍの温度が所定値以下であるか否か判定する判定処理を行う（ステップＳ２５）。「所定値」とは、ステップＳ２２で設定された目標温度である。

測定された測定領域Ｍの温度が目標温度以下ではないと判定した場合（ステップＳ２５で「ＮＯ」）、制御部７０は、ステップＳ２４の処理で測定された測定領域Ｍの温度が目標温度以下であると判定するまで、ステップＳ２５の処理を繰り返す。

一方、測定された測定領域Ｍの温度が目標温度以下であると判定した場合（ステップＳ２５で「ＹＥＳ」）、制御部７０は、造形データに基づいて、ヘッド１０および移動機構３０を制御して、ヘッド１０から造形材料を吐出させて造形層Ｌｎ－１上に造形層Ｌｎを形成させる造形層形成処理を行う（ステップＳ２６）。なお、第１層目の造形層Ｌ１を形成する場合は、制御部７０は、ステップＳ２１～Ｓ２５までの処理を省略して、ステップＳ２６，Ｓ２７の処理を行う。

次に、制御部７０は、造形データに基づいて、全ての造形層の形成が完了したか否か判定する判定処理を行う（ステップＳ２７）。

全ての造形層の形成が完了していないと判定した場合（ステップＳ２７で「ＮＯ」）、制御部７０は、処理をステップＳ２１に戻す。一方、全ての造形層の形成が完了したと判定した場合（ステップＳ２７で「ＹＥＳ」）、制御部７０は、処理を終了する。

１．３． 測定領域
図８は、三次元造形装置１００で形成される造形層Ｌを模式的に示す平面図である。

造形層Ｌは、図８に示すように、Ｚ軸方向からみて、例えば、２つの長方形を接続させた形状を有している。測定領域Ｍの形状は、例えば、円形である。測定領域Ｍの直径は、例えば、０．６ｍｍ程度である。センサー６０が赤外線を放射する放射温度計である場合、測定領域Ｍは、放射温度計からの赤外線が照射される領域である。

測定領域Ｍは、Ｚ軸方向からみて、造形層Ｌの外縁Ｅを含まない。測定領域Ｍは、外縁Ｅと離間している。測定領域Ｍは、点Ｑを含む。点Ｑは、Ｚ軸方向からみて、造形層Ｌのうち最も温度が下がり難い点である。点Ｑは、Ｚ軸方向からみて、造形層Ｌのうち最も放熱性が低い点である。図示の例では、点Ｑは、Ｚ軸方向からみて、造形層Ｌのうち外縁Ｅとの最短距離が最も大きい点である。

１．４． 作用効果
三次元造形装置１００では、制御部７０は、造形層Ｌの形状に関する情報に基づいて、測定領域Ｍを設定する処理と、センサー６０に測定領域Ｍの温度を測定させる処理と、測定された測定領域Ｍの温度が所定値以下である場合に、ヘッド１０および移動機構３０を制御して、ヘッド１０から造形材料を吐出させる処理と、を行う。

そのため、三次元造形装置１００では、造形層Ｌの形状に関する情報に基づいて、造形層Ｌの最も温度が下がり難い点Ｑを含む領域を、測定領域Ｍとして設定することができる。したがって、三次元造形装置１００では、造形層Ｌの全体を目標温度まで下げることができる。その結果、造形層Ｌ上に造形材料が吐出されても、造形層Ｌの形状が崩れる可能性を小さくすることができる。

三次元造形装置１００では、測定領域Ｍは、Ｚ軸方向からみて、造形層Ｌの外縁Ｅを含まない。外縁Ｅは、造形層Ｌの外縁Ｅの内側の部分に比べて、放熱性が高い。そのため、温度が下がり難い測定領域Ｍの温度を測定することができる。

三次元造形装置１００では、測定領域Ｍは、Ｚ軸方向からみて、造形層Ｌの外縁Ｅとの最短距離が最も大きい点Ｑを含む。造形層Ｌの外縁Ｅとの最短距離が最も大きい点Ｑは、造形層Ｌのうち最も温度が下がり難い点である。そのため、温度が下がり難い測定領域Ｍの温度を測定することができる。

２． 変形例
２．１． 第１変形例
次に、本実施形態の第１変形例に係る三次元造形装置について、図面を参照しながら説明する。図９は、本実施形態の第１変形例に係る三次元造形装置で形成される造形層Ｌを模式的に示す平面図である。

以下、本実施形態の第１変形例に係る三次元造形装置において、上述した本実施形態に係る三次元造形装置１００の例と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。このことは、後述する本実施形態の第２～第４変形例に係る三次元造形装置において、同様である。

本実施形態の第１変形例に係る三次元造形装置で形成される造形層Ｌは、図９に示すように、支持層Ｔに支持されている点において、上述した三次元造形装置１００で形成される造形層Ｌと異なる。第1変形例における支持層Ｔを形成する材料の熱伝導率は、第1変形例における造形層Ｌを形成する材料の熱伝導率以下である。

ヘッド１０は、ステージ２０に向けて支持材料を吐出して支持層Ｔを形成する。支持層Ｔを構成する支持材料は、例えば、造形層Ｌを構成する造形材料と異なる種類の材料である。造形層Ｌから支持層Ｔを分離させて、所望の形状の三次元造形物が得られる。図示の例では、１つの造形層Ｌに対して、２つの支持層Ｔが形成されている。

Ｚ軸方向からみて、造形層Ｌの外縁Ｅは、支持層Ｔと接する第１縁Ｂ１と、支持層Ｔと接しない第２縁Ｂ２と、を有している。図示の例では、外縁Ｅは、２つの第１縁Ｂ１と、２つの第２縁Ｂ２と、を有している。測定領域Ｍと第１縁Ｂ１と最短距離Ｄ１は、測定領域Ｍと第２縁Ｂ２と最短距離Ｄ２よりも小さい。

本実施形態の第１変形例に係る三次元造形装置では、Ｚ軸方向からみて、造形層Ｌの外縁Ｅは、支持層Ｔと接する第１縁Ｂ１と、支持層Ｔと接しない第２縁Ｂ２と、を有し、測定領域Ｍと第１縁Ｂ１と最短距離Ｄ１は、測定領域Ｍと第２縁Ｂ２と最短距離Ｄ２よりも小さい。第１縁Ｂ１は、支持層Ｔと接しているため、第１縁Ｂ１における放熱性は、第２縁Ｂ２における放熱性よりも低い。そのため、温度が下がり難い測定領域Ｍの温度を測定することができる。

なお、支持層Ｔを形成する材料の熱伝導率が第1変形例における造形層Ｌを形成する材料の熱伝導率に比べて大きい場合には、第１縁Ｂ１における放熱性は、第２縁Ｂ２における放熱性よりも高い。そのため、測定領域Ｍと第１縁Ｂ１と最短距離Ｄ１は第1変形例に比べて長くなり、測定領域Ｍと第２縁Ｂ２と最短距離Ｄ２は第1変形例に比べて短くなる。

２．２． 第２変形例
次に、本実施形態の第２変形例に係る三次元造形装置について、図面を参照しながら説明する。図１０は、本実施形態の第２変形例に係る三次元造形装置で形成される造形層Ｌを模式的に示す平面図である。

本実施形態の第２変形例に係る三次元造形装置で形成される造形層Ｌは、図１０に示すように、内部が空洞である点において、上述した三次元造形装置１００で形成される造形層Ｌと異なる。

造形層Ｌは、Ｚ軸方向からみて、直線状の直線部Ｆと、２つの直線部Ｆの接続部である角部Ｃと、を有している。測定領域Ｍは、造形層Ｌの角部Ｃに設けられている。Ｚ軸方向からみて、測定領域Ｍにおけるステージ２０とヘッド１０との相対的な移動速度は、造形層Ｌを形成する間のステージ２０とヘッド１０との相対的な移動速度の平均よりも小さい。例えば、ヘッド１０を固定した状態でステージ２０を移動させて造形層Ｌを形成する場合、角部Ｃを形成する際のステージ２０の移動速度は、直線部Ｆを形成する際のステージ２０の移動速度よりも小さい。これにより、精度よく角部Ｃを形成することができる。

本実施形態の第２変形例に係る三次元造形装置では、Ｚ軸方向からみて、測定領域Ｍにおけるステージ２０とヘッド１０との相対的な移動速度は、造形層Ｌを形成する間のステージ２０とヘッド１０との相対的な移動速度の平均よりも小さい。そのため、ヘッド１０からの伝熱量が大きく、温度が下がり難い測定領域Ｍの温度を測定することができる。

２．３． 第３変形例
次に、本実施形態の第３変形例に係る三次元造形装置について、図面を参照しながら説明する。図１１は、本実施形態の第３変形例に係る三次元造形装置で形成される造形層Ｌを模式的に示す平面図である。

本実施形態の第３変形例に係る三次元造形装置で形成される造形層Ｌは、図１１に示すように、互いに離間した第１部分Ａ１および第２部分Ａ２を有している点において、上述した三次元造形装置１００で形成される造形層Ｌと異なる。

第１部分Ａ１は、測定領域Ｍを有している。図示の例では、Ｚ軸方向からみて、第１部分Ａ１の形状は、長方形である。第１部分Ａ１の幅Ｗ１は、センサー６０のスポット径よりも大きい。図示の例では、幅Ｗ１は、短辺の長さである。

第２部分Ａ２は、測定領域Ｍを有していない。図示の例では、Ｚ軸方向からみて、第２部分Ａ２の形状は、リング状である。第２部分Ａ２の幅Ｗ２は、センサー６０のスポット径よりも小さい。そのため、例えば、第２部分Ａ２に測定領域Ｍを設けると、ステージ２０の温度も測定してしまい、造形層Ｌの正確な温度を測定することができない。第２部分Ａ２の幅Ｗ２は、測定領域Ｍの直径より小さい。第２部分Ａ２の幅Ｗ２は、第１部分Ａ１の幅Ｗ１よりも小さい。

本実施形態の第３変形例に係る三次元造形装置で形成される造形層Ｌでは、Ｚ軸方向からみて、第１部分Ａ１の幅Ｗ１は、第２部分Ａ２の幅Ｗ２よりも大きく、第１部分Ａ１は、測定領域Ｍを有している。そのため、第１部分Ａ１の放熱性は、第２部分Ａ２の放熱性よりも低い。これにより、放熱性が低く、温度が下がり難い測定領域Ｍの温度を測定することができる。

２．３． 第４変形例
次に、本実施形態の第４変形例に係る三次元造形装置について、説明する。

上述した三次元造形装置１００では、材料供給部１１０から供給される材料は、ＡＢＳ樹脂であった。

これに対し、本実施形態の第４変形例に係る三次元造形装置では、材料供給部１１０から供給される材料は、ＡＢＳ樹脂以外の材料、または、ＡＢＳ樹脂に他の成分が加えられた材料である。

材料供給部１１０から供給される材料としては、熱可塑性を有する材料、金属材料、セラミック材料等の種々の材料を主材料とした材料を挙げることができる。ここで、「主材料」とは、造形物の形状を形作っている中心となる材料を意味し、造形物において５０質量％以上の含有率を占める材料を意味する。上述した材料には、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。

熱可塑性を有する材料としては、例えば、熱可塑性樹脂を用いることができる。熱可塑性樹脂としては、例えば、汎用エンジニアリングプラスチック、スーパーエンジニアリングプラスチックが挙げられる。

汎用エンジニアリングプラスチックとしては、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリアセタール（ＰＯＭ ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、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が挙げられる。

スーパーエンジニアリングプラスチックとしては、例えば、ポリサルフォン（ＰＳＵ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）が挙げられる。

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、可塑化部１２０において、フラットスクリュー１３０の回転と、ヒーター１５０の加熱と、によって可塑化されて溶融した状態に転化される。また、そのように生成された造形材料は、ノズル１６０から射出された後、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１６０から射出されることが望ましい。

可塑化部１２０では、上述した熱可塑性を有する材料の代わりに、例えば、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、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、可塑化部１２０に投入されることが望ましい。

金属材料としては、例えば、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、また、マルエージング鋼、ステンレス鋼、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が挙げられる。

可塑化部１２０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や、窒化アルミニウムなどの非酸化物セラミックなどが挙げられる。

材料供給部１１０から供給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、上述の熱可塑性樹脂、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、可塑化部１２０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１１０から供給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、溶剤を添加することもできる。溶剤としては、例えば、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が挙げられる。

その他に、材料供給部１１０から供給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、バインダーが添加されていてもよい。バインダーとしては、例えば、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またはＰＬＡ、ＰＡ、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ、あるいはその他の熱可塑性樹脂が挙げられる。

上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成、例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

上述した実施形態および変形例から以下の内容が導き出される。

三次元造形装置の一態様は、
ステージと、
前記ステージの造形領域を覆い、前記ステージと対向するヒーターと、
前記ステージに向けて造形材料を吐出して造形層を形成するヘッドと、
前記造形層の測定領域の温度を測定するセンサーと、
前記ステージと前記センサーとを相対的に移動させ、かつ前記ステージと前記ヘッドとを相対的に移動させる移動機構と、
前記ヘッドおよび前記移動機構を制御する制御部と、
を含み、
前記制御部は、
前記造形層の形状に関する情報に基づいて、前記測定領域を設定する処理と、
前記センサーに前記測定領域の温度を測定させる処理と、
測定された前記測定領域の温度が所定値以下である場合に、前記ヘッドおよび前記移動機構を制御して、前記ヘッドから前記造形層に向けて造形材料を吐出させる処理と、
を行う。

この三次元造形装置によれば、造形層の全体を目標温度まで下げることができる。

三次元造形装置の一態様において、
前記測定領域は、前記造形領域の垂線方向からみて、前記造形層の外縁を含まなくてもよい。

この三次元造形装置によれば、温度が下がり難い測定領域の温度を測定することができる。

三次元造形装置の一態様において、
前記測定領域は、前記造形領域の垂線方向からみて、前記造形層の外縁との最短距離が最も大きい点を含んでもよい。

この三次元造形装置によれば、温度が下がり難い測定領域の温度を測定することができる。

三次元造形装置の一態様において、
前記ヘッドは、前記ステージに向けて支持材料を吐出して前記造形層を支持する支持層を形成し、
前記造形領域の垂線方向からみて、前記造形層の外縁は、
前記支持層と接する第１縁と、
前記支持層と接しない第２縁と、
を有し、
前記測定領域と前記第１縁との間の最短距離は、前記測定領域と前記第２縁との間の最短距離よりも小さくてもよい。

この三次元造形装置によれば、温度が下がり難い測定領域の温度を測定することができる。

三次元造形装置の一態様において、
前記造形領域の垂線方向からみて、前記測定領域における前記ステージと前記ヘッドとの相対的な移動速度は、前記造形層を形成する間の前記ステージと前記ヘッドとの相対的な移動速度の平均よりも小さくてもよい。

この三次元造形装置によれば、温度が下がり難い測定領域の温度を測定することができる。

１０…ヘッド、２０…ステージ、２２…造形領域、３０…移動機構、３２…第１電動アクチュエーター、３４…第２電動アクチュエーター、３６…第３電動アクチュエーター、４０…支持部材、５０…加熱機構、５２…支持板、５４…ヒーター、５６…貫通孔、６０…センサー、７０…制御部、１００…三次元造形装置、１１０…材料供給部、１１２…供給路、１２０…可塑化部、１２２…スクリューケース、１２４…駆動モーター、１２６…シャフト、１３０…フラットスクリュー、１３１…上面、１３２…溝形成面、１３３…側面、１３４…第１溝、１３５…中央部、１３６…接続部、１３７…材料導入部、１４０…バレル、１４２…対向面、１４４…第２溝、１４６…連通孔、１４８…外周、１５０…ヒーター、１６０…ノズル、１６２…ノズル流路、１６４…ノズル開口

Claims (5)

1. ステージと、
   前記ステージの造形領域を覆い、前記ステージと対向するヒーターと、
   前記ステージに向けて造形材料を吐出して造形層を形成するヘッドと、
   前記造形層の測定領域の温度を測定するセンサーと、
   前記ステージと前記センサーとを相対的に移動させ、かつ前記ステージと前記ヘッドとを相対的に移動させる移動機構と、
   前記ヘッドおよび前記移動機構を制御する制御部と、
   を含み、
   前記制御部は、
   前記造形層の形状に関する情報に基づいて、前記測定領域を設定する処理と、
   前記センサーに前記測定領域の温度を測定させる処理と、
   測定された前記測定領域の温度が所定値以下である場合に、前記ヘッドおよび前記移動機構を制御して、前記ヘッドから前記造形層に向けて造形材料を吐出させる処理と、
   を行う、三次元造形装置。
2. 請求項１において、
   前記測定領域は、前記造形領域の垂線方向からみて、前記造形層の外縁を含まない、三次元造形装置。
3. 請求項１または２において、
   前記測定領域は、前記造形領域の垂線方向からみて、前記造形層の外縁との最短距離が最も大きい点を含む、三次元造形装置。
4. 請求項１または２において、
   前記ヘッドは、前記ステージに向けて支持材料を吐出して前記造形層を支持する支持層を形成し、
   前記造形領域の垂線方向からみて、前記造形層の外縁は、
   前記支持層と接する第１縁と、
   前記支持層と接しない第２縁と、
   を有し、
   前記測定領域と前記第１縁との間の最短距離は、前記測定領域と前記第２縁との間の最短距離よりも小さい、三次元造形装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項において、
   前記造形領域の垂線方向からみて、前記測定領域における前記ステージと前記ヘッドとの相対的な移動速度は、前記造形層を形成する間の前記ステージと前記ヘッドとの相対的な移動速度の平均よりも小さい、三次元造形装置。

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