JP2023148423A - 三次元造形方法及び三次元造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】立体造形物の機械的強度を向上させ、立体造形物の反り等の形状の変形を抑制する、三次元造形方法及び三次元造形装置を提供する。
【解決手段】三次元造形方法及び三次元造形装置において、複数の層の各々の造形経路６６は、空間１６を取り囲み、内外方向に沿って隣接する内側壁部４２及び外側壁部４４を造形するための内側造形経路及び外側造形経路を含む。内側造形経路及び外側造形経路の進行方向は、同一方向を向いている。そのため、複数の層の各々について、壁部造形経路に沿った任意の箇所での入熱の間隔を一定に保つことができ立体造形物の機械的強度を向上および立体造形物の反り等の形状の変形を抑制することができる。
【選択図】図７

Description

本発明は、三次元造形方法及び三次元造形装置に関する。

特許文献１には、付加造形法の一種である材料押出法によって立体造形物を造形する三次元造形装置が開示されている。

特開２０２１－２０４１７号公報

内部に空間を有する立体造形物を付加造形法によって造形する場合、下記の手順で立体造形物を造形する。

先ず、立体造形物の三次元データを複数の層（二次元データ）に分割する。次に、分割した複数の層の各々について、立体造形物を造形するための造形経路と、造形経路の進行方向とを決定する。次に、複数の層の各々の造形経路及び進行方向に従って、立体造形物を造形する。

付加造形法では、複数の層の各々について、空間を取り囲み、内外方向に沿って隣接する複数の環状の壁部を造形する。複数の環状の壁部が隣接する状態で、複数の層が積層方向に積層されることで、立体造形物が造形される。この場合、外側の壁部を造形するための造形経路（壁部造形経路）は、外側を向く方向成分（点成分）を繋ぎ合わせることで構成される。また、内側の壁部を造形するための造形経路（壁部造形経路）は、内側を向く点成分を繋ぎ合わせることで構成される。従って、２つの壁部造形経路では、進行方向が互いに逆となる。

ここで、２つの壁部造形経路を連結し、一筆書きで２つの壁部を造形する場合、往路である一方の壁部造形経路に沿って造形し、２つの壁部造形経路の連結部分で折り返した後、復路である他方の壁部造形経路に沿って造形する必要がある。これにより、複数の層の各々において、壁部造形経路に沿った任意の箇所の入熱の間隔が一定にならない。この結果、造形された立体造形物の機械的強度が低下する。また、立体造形物に反り等の形状不良が発生する。

本発明は、上述した課題を解決することを目的とする。

本発明の第１の態様は、内部に空間を有する立体造形物を付加造形法によって造形する三次元造形方法であって、前記三次元造形方法は、前記立体造形物の三次元データを複数の層に分割するスライス工程と、分割した複数の前記層の各々において、前記立体造形物を造形するための造形経路と前記造形経路の進行方向とを決定する経路決定工程と、複数の前記層の各々の前記造形経路及び前記進行方向に従って、前記立体造形物を造形する造形工程と、を有し、複数の前記層の各々の前記造形経路は、前記空間を取り囲み、内外方向に沿って隣接する複数の環状の壁部を造形するための複数の壁部造形経路を含み、複数の前記壁部造形経路の各々の進行方向は、同一方向を向いている。

本発明の第２の態様は、内部に空間を有する立体造形物を付加造形法によって造形する三次元造形装置であって、前記三次元造形装置は、前記立体造形物の三次元データを取得し、取得した前記三次元データを複数の層に分割するデータ分割部と、前記データ分割部で分割された複数の前記層の各々について、前記立体造形物を造形するための造形経路と前記造形経路の進行方向とを決定する経路決定部と、前記経路決定部で決定された複数の前記層の各々の前記造形経路及び前記進行方向に従って、前記立体造形物を造形する造形部と、を有し、複数の前記層の各々の前記造形経路は、前記空間を取り囲み、内外方向に沿って隣接する複数の環状の壁部を造形するための複数の壁部造形経路を含み、複数の前記壁部造形経路の各々の進行方向は、同一方向を向いている。

本発明では、複数の壁部造形経路が同一方向を向いているので、複数の層の各々について、壁部造形経路に沿った任意の箇所での入熱の間隔を一定に保つことができる。これにより、立体造形物の機械的強度を向上させることができる。また、立体造形物の反り等の形状の変形を抑制することができる。

図１は、本実施形態に係る三次元造形装置の構成図である。 図２は、立体造形物の斜視図である。 図３は、本実施形態に係る三次元造形方法のフローチャートである。 図４は、１つの層を示す説明図である。 図５は、１つの層における造形方向を示す説明図である。 図６は、１つの層におけるシームポイントを示す説明図である。 図７は、複数の層における造形経路及び造形方向を示す説明図である。 図８Ａは、折り返し点の部分と内側造形経路とがラップしている状態を示す説明図であり、図８Ｂは、折り返し点の部分と内側造形経路とがラップしていない状態を示す説明図である。 図９は、積層方向に隣接する２つの層における造形経路及び造形方向を示す説明図である。 図１０は、積層方向に隣接する２つの層における造形経路及び造形方向を示す説明図である。 図１１は、積層方向に隣接する２つの層における造形経路及び造形方向を示す説明図である。 図１２は、積層方向に隣接する２つの層における造形経路及び造形方向を示す説明図である。 図１３は、第１比較例について、複数の層における造形経路及び造形方向を示す説明図である。 図１４は、第１比較例での立体造形物の一部側面図である。 図１５は、第２比較例について、１つの層における造形経路及び造形方向を示す説明図である。 図１６は、第３比較例について、複数の層における造形経路及び造形方向を示す説明図である。 図１７は、第３比較例での立体造形物の一部側面図である。 図１８は、実施例の立体造形物の一部側面図である。

図１は、本実施形態に係る三次元造形装置１０の構成図である。三次元造形装置１０は、造形材料１２を所望の形状に積層することで、立体造形物１４を造形する。

立体造形物１４は、内部に空間１６を有する立体物である。立体造形物１４は、例えば、図２に示すようなダクト等の車両部品である。図２に示す立体造形物１４は、所定方向（積層方向）（図２の上下方向）に延びる環状の物体である。

立体造形物１４は、環状壁１８と複数のリブ２０とを有する。環状壁１８の内側には、空間１６が形成される。複数のリブ２０は、所定方向に延びている。複数のリブ２０は、空間１６を複数のサブ空間２２に分割する。複数のリブ２０の各々は、環状壁１８に連結されている。なお、立体造形物１４は、少なくとも１つのリブ２０を有していればよい。あるいは、立体造形物１４は、リブ２０がなくてもよい。

造形材料１２は、ＡＢＳ等の熱可塑性樹脂、又は、金属からなるフィラメント又はペレットである。以下の説明では、造形材料１２がＡＢＳのフィラメントである場合について説明する。なお、造形材料１２の形状（例えば、フィラメント又はペレットの直径）及び材質は、立体造形物１４の用途等に応じて、適宜設定すればよい。

図１に示すように、三次元造形装置１０は、コンピュータ２４（データ分割部、経路決定部）と付加造形装置２６（造形部）とを有する。

コンピュータ２４は、メモリ２８を有する。コンピュータ２４は、メモリ２８に格納されたプログラムを読み出して実行することにより、データ分割部及び経路決定部の機能を実現する。

付加造形装置２６は、いわゆる３Ｄプリンタである。具体的には、付加造形装置２６は、コントローラ３０と、筐体３２と、材料供給源３４と、ノズル３６と、ステージ３８とを備える。付加造形装置２６は、例えば、付加造形法の一種であるＦＦＦ（熱溶解積層方式）によって立体造形物１４を造形する。

コントローラ３０は、メモリ３９を有する。コントローラ３０は、メモリ３９に格納されたデータに基づき、材料供給源３４、ノズル３６、ノズル移動機構（不図示）及びステージ移動機構（不図示）を制御する。

筐体３２は、３Ｄプリンタの本体部分である。筐体３２内には、ステージ３８が略水平に配置されている。ステージ３８は、ステージ移動機構によって上下方向に移動可能である。ノズル３６は、筐体３２内において、ステージ３８の上方に配置されている。ノズル３６は、ステージ３８の上面と向かい合うように配置されている。ノズル３６は、ノズル移動機構によって水平方向に移動可能である。材料供給源３４は、図２に示すように、造形材料１２が巻回されたリールである。材料供給源３４は、造形材料１２をノズル３６に供給する。なお、材料供給源３４は、リール以外の構成であってもよい。

以上のように構成される三次元造形装置１０の動作（三次元造形方法）について、図３～図１８を参照しながら説明する。ここでは、必要に応じて、図１及び図２も参照しながら説明する。

図３のステップＳ１において、コンピュータ２４（図１参照）は、立体造形物１４（図２参照）となる三次元モデルのデータ（三次元データ）を取得する。三次元データは、三角形状のデータの集合体である。

次のステップＳ２（スライス工程）において、コンピュータ２４は、データ分割部として機能し、取得した三次元データを複数の層に分割する。具体的には、コンピュータ２４は、立体造形物１４の所定方向を、立体造形物１４を造形するときの積層方向と定義する。次に、コンピュータ２４は、積層方向に沿った所定間隔で三次元データをスライスすることにより、複数の層に分割する。従って、分割された複数の層の各々は、二次元データである。

図４は、三次元モデルのうち、１層分の形状を模式的に図示している。１層分の形状において、環状壁１８（図２参照）に対応する箇所は、環状壁部４０である。環状壁部４０は、空間１６を取り囲む内周面を形成する内側壁部４２（環状の壁部）と、環状壁１８の外周面を形成する外側壁部４４（環状の壁部）とから構成される。内側壁部４２と外側壁部４４とは、立体造形物１４の内外方向に沿って隣接している。内側壁部４２と外側壁部４４とが内外方向に隣接することで、環状壁部４０が構成される。従って、複数の層を積層方向に積層したときに、積層方向に積層された複数の環状壁部４０によって環状壁１８が構成される。

また、１層分の形状において、複数のリブ２０の各々に対応する箇所は、リブ壁部４６である。リブ壁部４６は、一方のサブ空間２２を形成する壁部４８と、他方のサブ空間２２を形成する壁部５０とを有する。２つの壁部４８、５０が隣接することで、１つのリブ壁部４６が構成される。従って、複数の層を積層方向に積層したときに、積層方向に積層された複数のリブ壁部４６によってリブ２０が構成される。

そして、コンピュータ２４（図１参照）は、１層分の二次元データについて、環状壁部４０に対応する枠状の領域をフレーム領域部５２と定義する。コンピュータ２４は、フレーム領域部５２のうち、内側壁部４２に対応する領域を内側領域部５４と定義する。コンピュータ２４は、フレーム領域部５２のうち、外側壁部４４に対応する領域を外側領域部５６と定義する。従って、内側領域部５４と外側領域部５６とは、互いに隣り合っている。

コンピュータ２４は、１層分の二次元データについて、リブ壁部４６に対応する領域をリブ領域部５８と定義する。コンピュータ２４は、リブ壁部４６の２つの壁部４８、５０に対応する領域を２つの壁領域部６０、６２と定義する。従って、２つの壁領域部６０、６２は、互いに隣り合っている。

次のステップＳ３（経路決定工程）において、コンピュータ２４は、経路決定部として機能し、分割した複数の層の各々について、立体造形物１４を造形するための造形経路と、造形経路の進行方向（造形方向）とを決定する。

ステップＳ３では、コンピュータ２４は、先ず、内側領域部５４、外側領域部５６及び壁領域部６０、６２に沿って、造形方向を定義する。図５は、図４の１層分に対して、造形方向を矢印で図示した説明図である。

図５に示すように、コンピュータ２４（図１参照）は、１つの層について、内側領域部５４及び外側領域部５６の造形方向を同一方向に設定する。また、コンピュータ２４は、１つの層について、１つのリブ領域部５８を構成する２つの壁領域部６０、６２の造形方向を互いに逆方向に設定する。

次に、コンピュータ２４は、図６に示すように、１つの層について、造形の開始点及び終点であるシームポイント６４を設定する。なお、実際に造形を行った場合、立体造形物１４（図２参照）において、シームポイント６４に対応する箇所は、外観上、僅かに歪んだ形状となる。そのため、立体造形物１４において、歪みが目立たない箇所をシームポイント６４に設定することが望ましい。

次に、コンピュータ２４は、１つの層について、一筆書きで造形できるように、造形経路を決定する。この場合、コンピュータ２４は、１つの層の内側領域部５４、外側領域部５６及び壁領域部６０、６２を１つのグループと見なし、１つのグループが一筆書きで描けるような造形経路を決定する。

図７は、３つの層の各々について、造形経路６６及び造形方向を図示した説明図である。

３つの層の各々において、造形経路６６は、内側造形経路６８（壁部造形経路）と、外側造形経路７０（壁部造形経路）と、リブ造形経路７２とを含む。

内側造形経路６８は、内側壁部４２を造形するための造形経路である。コンピュータ２４（図１参照）は、図５及び図６に示す内側領域部５４に設定された矢印を繋ぎ合わせることにより、内側造形経路６８を形成する。この場合、内側造形経路６８の始点７４及び終点７６は、シームポイント６４に近接する箇所に設定される。内側造形経路６８は、始点７４から出発し、内側領域部５４に沿って延び、終点７６に至るループ状の経路である。

外側造形経路７０は、外側壁部４４を造形するための造形経路である。コンピュータ２４は、図５及び図６に示す外側領域部５６に設定された矢印を繋ぎ合わせることにより、外側造形経路７０を形成する。従って、外側造形経路７０は、内側造形経路６８と隣り合うように、内側造形経路６８の外側に設定される。この場合、外側造形経路７０の始点７８及び終点８０は、シームポイント６４に近接する箇所に設定される。外側造形経路７０の始点７８及び終点８０は、内側造形経路６８の始点７４及び終点７６よりも外側に設定される。外側造形経路７０は、始点７８から出発し、外側領域部５６に沿って延び、終点８０に至るループ状の経路である。

このように、内側造形経路６８の造形方向と、外側造形経路７０の造形方向とは、同一方向に設定される。

また、コンピュータ２４は、内側造形経路６８及び外側造形経路７０のうち、最初に壁部を造形するための造形経路を、第１壁部造形経路８２に決定する。図７では、内側造形経路６８を第１壁部造形経路８２に決定した場合を図示している。この場合、コンピュータ２４（図１参照）は、第１壁部造形経路８２から外側に向かって、互いに隣り合う内側造形経路６８と外側造形経路７０とを接続することで、一筆書きの造形経路６６を決定する。

具体的には、コンピュータ２４は、互いに隣り合う内側造形経路６８と外側造形経路７０とについて、先に壁部を形成する内側造形経路６８の終点７６（第１終点）と、後に壁部を形成する外側造形経路７０の始点７８（第１始点）とを、接続経路８４を介して接続する。これにより、内側造形経路６８と、接続経路８４と、外側造形経路７０とを含む造形経路６６を一筆書きで描くことができる。

なお、外側造形経路７０を第１壁部造形経路８２として決定する場合、コンピュータ２４は、先に壁部を形成する外側造形経路７０の終点８０（第１終点）と、後に壁部を形成する内側造形経路６８の始点７４（第１始点）とを、接続経路８４を介して接続すればよい。

また、ノズル３６を造形経路６６に沿って移動させることで、立体造形物１４（図２参照）が造形される。そのため、内側造形経路６８及び外側造形経路７０の各々は、図８Ａに示すように、実際には、フレーム領域部５２を埋めるような幅（ライン幅Ｌ）を有する。内側造形経路６８及び外側造形経路７０の各々のライン幅Ｌは、造形材料１２（図２参照）の幅に対応している。

また、コンピュータ２４（図１参照）は、下記のように、１つの層について、リブ造形経路７２（図７参照）を設定する。具体的には、コンピュータ２４は、リブ造形経路７２を構成するリブ往路８６と、リブ復路８８とを設定する。

リブ往路８６は、２つの壁領域部６０、６２のうち、一方の壁領域部６０に対応する造形経路である。リブ往路８６は、内側造形経路６８のうち、リブ壁部４６の一端部（一方の端部）に対応する始点９０（第２始点）から空間１６の内側に向かって延びる造形経路である。リブ往路８６は、リブ壁部４６の他端部（他方の端部）に対応する折り返し点９２まで延びる。

リブ復路８８は、２つの壁領域部６０、６２のうち、他方の壁領域部６２に対応する造形経路である。リブ復路８８は、折り返し点９２から、内側造形経路６８のうち、リブ壁部４６の一端部に対応する終点９４（第２終点）まで延びる造形経路である。

従って、リブ往路８６とリブ復路８８とは、互いに隣り合う造形経路である。また、リブ往路８６とリブ復路８８とは、互いに逆方向に延びる造形経路である。そのため、リブ往路８６の始点９０と、リブ復路８８の終点９４とは、互いに近接するように設定されることが望ましい。

また、リブ造形経路７２は、図８Ａに示すように、実際には、リブ領域部５８を埋めるような幅（ライン幅Ｌ）を有する。すなわち、リブ造形経路７２を構成するリブ往路８６及びリブ復路８８の各々は、ライン幅Ｌを有する。リブ往路８６及びリブ復路８８の各々のライン幅Ｌは、造形材料１２（図２参照）の幅に対応している。

折り返し点９２の部分は、内側造形経路６８とラップしている。具体的には、折り返し点９２の部分は、例えば、Ｌ／２程度、内側造形経路６８とラップしていることが望ましい。これにより、立体造形物１４の造形後、造形材料１２であるＡＢＳ樹脂が冷却して収縮しても、環状壁１８（環状壁部４０）とリブ２０（リブ壁部４６）とを良好且つ確実に接続することができる。従って、図８Ｂに示すように、折り返し点９２の部分と内側造形経路６８とがラップしない場合には、立体造形物１４の造形後、環状壁１８（環状壁部４０）とリブ２０（リブ壁部４６）とが接続しない可能性がある。

さらに、コンピュータ２４（図１参照）は、１つの層について、複数のリブ壁部４６（図７参照）に対応して、複数のリブ造形経路７２を設定する場合には、下記のように、複数のリブ造形経路７２を設定することが望ましい。すなわち、コンピュータ２４は、隣り合うリブ壁部４６の間で、リブ壁部４６の一端部の位置と他端部の位置とが入れ替わるように、複数のリブ造形経路７２を設定する。

図７に示すように、１つの層について、３つのリブ壁部４６を造形する場合には、３つのリブ造形経路７２が設定される。この場合、隣り合うリブ造形経路７２では、リブ往路８６の始点９０及び終点９４の位置と、折り返し点９２の位置とが、互い違いになる。

このようにして、１つの層について、内側造形経路６８、外側造形経路７０、リブ造形経路７２及び接続経路８４を含む一筆書きの造形経路６６が定義される。

なお、リブ壁部４６の幅が大きいほど、造形時にリブ壁部４６の温度が上がりやすくなる。また、リブ壁部４６の幅が小さいほど、造形時にリブ壁部４６の温度が下がりやすい。そこで、ステップＳ３では、コンピュータ２４（図１参照）は、環状壁部４０の幅と、リブ壁部４６の幅とを同じ大きさとなるように、造形経路６６を設定することが望ましい。これにより、造形時にリブ壁部４６を所望の温度に制御することができるので、立体造形物１４（図２参照）の機械的強度と、立体造形物１４の形状とを担保することができる。

また、外側造形経路７０を、内側造形経路６８及びリブ造形経路７２の後に描いた場合、立体造形物１４の外観品質を向上させることが可能となる。また、外側造形経路７０を、内側造形経路６８及びリブ造形経路７２の先に描いた場合、立体造形物１４の寸法精度を向上させることができる。

コンピュータ２４は、複数の層の各々について、上記のようにして一筆書きの造形経路６６を定義する。この場合、コンピュータ２４は、積層方向に隣接する２つの層の間で、リブ壁部４６の一端部の位置と他端部の位置とが入れ替わるように、リブ造形経路７２を設定する。すなわち、図７に示すように、積層方向に隣接する２つの層を見たときに、積層方向に隣接するリブ造形経路７２では、リブ往路８６の始点９０及び終点９４の位置と、折り返し点９２の位置とが、互い違いになる。

なお、積層方向に隣接する２つの層の間では、内側造形経路６８の造形方向と、外側造形経路７０の造形方向と、接続経路８４の造形方向とは、それぞれ、同一方向に設定されている。

以上のようにして、複数の層の各々について、一筆書きの造形経路６６が定義される。

図９～図１２は、図７に示した造形経路６６以外の造形経路のバリエーションを示す説明図である。

図９では、フレーム領域部５２に対して４つの造形経路が設定されている。４つの造形経路は、２つの内側造形経路６８と、２つの外側造形経路７０とである。２つの内側造形経路６８は、内側領域部５４に配置されている。２つの外側造形経路７０は、外側領域部５６に配置されている。従って、２つの内側造形経路６８と２つの外側造形経路７０とは、内外方向に沿って隣り合っている。２つの内側造形経路６８と２つの外側造形経路７０とは、造形方向が同一方向である。また、上記の４つの造形経路は、フレーム領域部５２を埋めるように、該フレーム領域部５２内に配置される。

また、図９では、３つのリブ壁部４６の各々について、２つのリブ造形経路７２が設定されている。２つのリブ造形経路７２のうち、一方のリブ造形経路７２は、空間１６（サブ空間２２）に面する造形経路である。一方のリブ造形経路７２は、最も内側の内側造形経路６８に接続されている。２つのリブ造形経路７２のうち、他方のリブ造形経路７２は、一方のリブ造形経路７２の内側に配置されている。他方のリブ造形経路７２は、最も内側の内側造形経路６８に対して外側に隣り合う内側造形経路６８に接続されている。３つのリブ壁部４６の各々について、２つのリブ造形経路７２は、リブ領域部５８を埋めるように、該リブ領域部５８の内部に配置される。また、３つのリブ壁部４６の各々について、一方のリブ造形経路７２の折り返し点９２の部分は、最も内側の内側造形経路６８とラップしている。

さらに、図９では、コンピュータ２４（図１参照）は、最も内側の内側造形経路６８を第１壁部造形経路８２に決定する。この場合、コンピュータ２４は、最も内側の内側造形経路６８から外側に向かって、互いに隣り合う造形経路を接続することで、一筆書きの造形経路６６を決定する。従って、互いに隣り合う２つの造形経路のうち、先に壁部を形成する壁部造形経路の終点と、後に壁部を形成する造形経路の始点とを、接続経路８４を介して接続することで、一筆書きの造形経路６６が形成される。

なお、図９では、コンピュータ２４（図１参照）は、最も外側の外側造形経路７０を第１壁部造形経路８２に決定してもよい。この場合、コンピュータ２４は、最も外側の外側造形経路７０から内側に向かって、互いに隣り合う造形経路を接続することで、一筆書きの造形経路６６を決定すればよい。

図９でも、コンピュータ２４（図１参照）は、１つの層について、隣り合うリブ造形経路７２でのリブ往路８６の始点９０及び終点９４の位置と、折り返し点９２の位置とを、互い違いに設定する。また、コンピュータ２４は、積層方向に隣接する２つの層の間で、リブ壁部４６の一端部の位置と他端部の位置とが入れ替わるように、リブ造形経路７２を設定する。これにより、積層方向に隣接する２つの層を見たときに、積層方向に隣接するリブ造形経路７２では、リブ往路８６の始点９０及び終点９４の位置と、折り返し点９２の位置とが、互い違いになる。

図１０は、２つの内側造形経路６８のうち、外側の内側造形経路６８を第１壁部造形経路８２に決定している点で、図９とは異なる。図１０では、外側の内側造形経路６８の始点７４が第１壁部造形経路８２の始点となる。図１０では、外側の内側造形経路６８（第１壁部造形経路８２）、第１壁部造形経路８２と隣り合う外側造形経路７０、最も内側の内側造形経路６８、及び、最も外側の外側造形経路７０の順に接続されている。この場合でも、一筆書きの造形経路６６を形成することができる。

図１１には、３つのリブ壁部４６を造形する場合に、隣り合う一方のリブ壁部４６の一端部と他方のリブ壁部４６の他端部とが内側壁部４２の同一箇所に連結されているときの造形経路６６を図示している。図１１でも、図７と同様に、一筆書きの造形経路６６を形成することができる。図１１では、１つの層について、隣り合う一方のリブ造形経路７２の折り返し点９２と他方のリブ造形経路７２の始点９０及び終点９４とが重なり合わないように、造形経路６６を形成すればよい。

図１２は、シームポイント６４（図６参照）と、リブ壁部４６と内側壁部４２との連結箇所とが重なる場合の造形経路６６を図示している。図１２でも、図７と同様に、一筆書きの造形経路６６を形成することができる。図１２では、１つの層について、リブ造形経路７２の始点９０、折り返し点９２及び終点９４と、シームポイント６４とが重なり合わないように、造形経路６６を形成すればよい。

以上のように、ステップＳ３において、コンピュータ２４（図１参照）は、分割した複数の層の各々について、立体造形物１４を造形するための造形経路６６及び造形方向を設定することができる。

次のステップＳ４において、コンピュータ２４は、分割した複数の層の各々について、造形経路６６及び進行方向を示す制御コードを生成する。コンピュータ２４は、生成した制御コードを付加造形装置２６に出力する。付加造形装置２６のコントローラ３０は、入力された制御コードをメモリ３９に格納する。

次のステップＳ５において、付加造形装置２６は、メモリ３９に格納された制御コードに基づき、付加造形法によって立体造形物１４を造形する。

コントローラ３０は、メモリ３９に格納された制御コードに従って、ステージ移動機構を駆動させることで、ステージ３８を所定位置に移動させる。

次に、コントローラ３０は、制御コードに従って、材料供給源３４を駆動させることで、材料供給源３４からノズル３６への造形材料１２の供給を開始させる。

次に、コントローラ３０は、制御コードに従って、ノズル移動機構を駆動させると共に、ノズル３６を制御する。ノズル移動機構は、ノズル３６を水平方向に移動させる。ノズル３６は、材料供給源３４から供給された造形材料１２を溶融し、溶融した造形材料１２をステージ３８の上面に向けて押し出す。これにより、ノズル３６は、水平方向に移動しつつ、造形材料１２を押し出す。押し出された造形材料１２は、ステージ３８の上面に積層され、１層分の環状壁部４０及びリブ壁部４６が形成される。

その後、コントローラ３０は、ステージ移動機構を制御し、ステージ３８を１層分の高さだけ下方向に下降させる。次に、コントローラ３０は、ノズル３６及びノズル移動機構を制御し、ノズル３６を水平方向に移動させながら該ノズル３６から造形材料１２を押し出す。これにより、１層目の環状壁部４０及びリブ壁部４６の上に造形材料１２が積層され、２層目の環状壁部４０及びリブ壁部４６が形成される。

このようなステージ３８の下降と、ノズル３６の水平方向への移動と、ノズル３６からの造形材料１２の押し出しとを繰り返し行うことで、ステージ３８の上面において、環状壁部４０及びリブ壁部４６が上方向に順次積層され、立体造形物１４が造形される。

図１３は、第１比較例での造形経路６６及び造形方向の説明図である。第１比較例では、内側造形経路６８の造形方向と、外側造形経路７０の造形方向とが互いに逆方向である。第１比較例では、一筆書きの造形経路６６を形成するため、内側造形経路６８の終点７６と外側造形経路７０の始点７８との間に折り返し部１００が形成されている。

図１４は、第１比較例の造形経路６６に従って造形された立体造形物１４の一部側面図である。上記のように、第１比較例では、内側造形経路６８（図１３参照）の造形方向と外側造形経路７０の造形方向とが逆方向である。そのため、フレーム領域部５２の任意の箇所での入熱間隔（入熱周期）が均一ではなくなる。これにより、造形時の温度制御を精度良く行うことが困難になる。この結果、立体造形物１４の機械的強度と、立体造形物１４の形状とを担保することが難しくなる。また、折り返し部１００を設けることにより、立体造形物１４において、折り返し部１００に対応する箇所では、反り上がりが発生する。この結果、立体造形物１４の外観品質が低下する。

これに対して、本実施形態では、内側造形経路６８（図７及び図９～図１２参照）の造形方向と外側造形経路７０の造形方向とが同一方向である。これにより、フレーム領域部５２の任意の箇所での入熱周期が均一になり、造形時の温度制御を高精度に行うことができる。この結果、立体造形物１４（図２参照）の機械的強度と、立体造形物１４の形状とを担保することが可能となる。また、折り返し部１００（図１３参照）が不要であるので、反り上がりの発生が回避される。この結果、立体造形物１４の外観品質を向上させることができる。

図１５は、第２比較例での１つの層における造形経路６６及び造形方向を示す説明図である。第２比較例では、１つのリブ造形経路７２に沿って１つのリブ壁部４６を造形した後、破線で示すように、ノズル３６（図１参照）を水平方向に移動させ、次のリブ造形経路７２に沿った造形を行う。ノズル３６の移動中は、造形が行われない。これにより、立体造形物１４の造形にかかる時間が長くなる。

これに対して、本実施形態では、造形経路６６（図７及び図９～図１２参照）が一筆書きであるため、立体造形物１４（図２参照）の造形にかかる時間を短縮することができる。

図１６は、第３比較例での複数の層における造形経路６６及び造形方向を示す説明図である。第３比較例では、積層方向に隣接する層において、リブ壁部４６の一端部及び他端部が同じ位置となるように、リブ造形経路７２の始点９０及び終点９４の位置と、折り返し点９２の位置とが設定されている。すなわち、積層方向に見たときに、隣接する層のリブ造形経路７２の始点９０及び終点９４の位置が同一であると共に、折り返し点９２の位置も同一である。これにより、図１７に示すように、立体造形物１４において、リブ壁部４６（図１６参照）と内側壁部４２との連結部分が反り上がった形状となる。この結果、意図した形状の立体造形物１４を得ることができない。

これに対して、本実施形態では、積層方向に隣接するリブ造形経路７２（図７及び図９～図１２参照）について、リブ造形経路７２の始点９０及び終点９４の位置と、折り返し点９２の位置とが、互い違いになっている。これにより、図１８に示すように、立体造形物１４において、リブ壁部４６と内側壁部４２との連結部分における反り上がりを防止することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を取り得る。

本実施形態では、上記のように、予め作成された造形経路６６に従って、付加造形法によって立体造形物１４の造形を行う。そのため、本実施形態は、造形時に造形材料１２の溶解を伴う各種の造形法によって立体造形物１４を造形することが可能である。具体的には、本実施形態は、材料押出法（マテリアル・エクストルーション）、指向性エネルギー堆積法（ダイレクト・エネルギー・デポジション）、ステレオリソグラフィー法、粉末床溶融結合法（パウダー・ベッド・フュージョン）等によって立体造形物１４を造形してもよい。ステレオリソグラフィー法及び粉末床溶融結合法では、予め作成されたレーザー又は電子ビームの走査データによって立体造形物１４を造形する。

上記の実施形態から把握し得る発明について、以下に記載する。

本発明の第１の態様は、内部に空間（１６）を有する立体造形物（１４）を付加造形法によって造形する三次元造形方法であって、前記三次元造形方法は、前記立体造形物の三次元データを複数の層に分割するスライス工程と、分割した複数の前記層の各々において、前記立体造形物を造形するための造形経路（６６）と前記造形経路の進行方向とを決定する経路決定工程と、複数の前記層の各々の前記造形経路及び前記進行方向に従って、前記立体造形物を造形する造形工程と、を有し、複数の前記層の各々の前記造形経路は、前記空間を取り囲み、内外方向に沿って隣接する複数の環状の壁部（４２、４４）を造形するための複数の壁部造形経路（６８、７０）を含み、複数の前記壁部造形経路の各々の進行方向は、同一方向を向いている。

本発明では、空間を取り囲む複数の環状の壁部を造形するための複数の壁部造形経路が同一方向を向いている。これにより、複数の層の各々について、入熱の間隔を一定に保つことが可能となる。この結果、立体造形物の機械的強度の向上が抑制される。また、立体造形物の反り等の形状の変形を抑制することができる。

本発明の第１の態様において、前記経路決定工程では、複数の前記層の各々において、互いに隣り合う２つの前記壁部造形経路を接続することで、一筆書きで描ける前記造形経路を決定する。

これにより、造形経路がクロスしないので、立体造形物の形状の変形を一層抑制することができる。

本発明の第１の態様において、前記経路決定工程では、最も内側又は最も外側の前記壁部造形経路を、最初に前記壁部を造形するための第１壁部造形経路（８２）として決定し、前記第１壁部造形経路から外側又は内側に向かって、互いに隣り合う複数の前記壁部造形経路を接続することで、前記一筆書きで描ける前記造形経路を決定する。

これにより、造形経路がクロスすることを確実に防止することができる。この結果、立体造形物の形状の変形をより一層抑制することができる。

本発明の第１の態様において、複数の前記層の各々の前記造形経路は、互いに隣り合う２つの前記壁部造形経路のうち、先に壁部を形成する壁部造形経路の第１終点（７６、８０）と、後に壁部を形成する壁部造形経路の第１始点（７４、７８）とを接続する接続経路（８４）を含む。

これにより、造形経路がクロスすることを簡単且つ確実に防止することができる。

本発明の第１の態様において、前記立体造形物は、複数の前記層の積層方向に延び、前記空間を複数のサブ空間（２２）に分割する少なくとも１つのリブ（２０）を有し、前記経路決定工程で決定される複数の前記層の各々の前記造形経路は、リブ壁部（４６）を造形するためのリブ造形経路（７２）を含み、複数の前記層の各々の前記リブ造形経路は、最も内側の前記壁部造形経路のうち、予め決められた第２始点（９０）から前記空間の内側に向かって折り返し点（９２）まで延びるリブ往路（８６）と、前記折り返し点から最も内側の前記壁部造形経路のうち予め決められた第２終点（９４）まで延びるリブ復路（８８）とを有し、前記リブ往路で形成される壁部（６０）と前記リブ復路で形成される壁部（６２）とが互いに隣接することで前記リブ壁部が形成され、前記第２始点及び前記第２終点によって、前記リブ壁部の一方の端部が形成され、前記折り返し点によって前記リブ壁部の他方の端部が形成され、前記積層方向に隣接する２つの層の間では、前記リブ壁部の一方の端部の位置と他方の端部の位置とが入れ替わる。

これにより、積層方向に隣接する２つの層の間では、第２始点及び第２終点と折り返し点とが入れ替わる。この結果、立体造形物において、折り返し点に対応する箇所で発生する反りを抑制することができる。

本発明の第１の態様において、前記立体造形物は、前記積層方向に延び、前記空間を複数の前記サブ空間に分割する少なくとも２つの前記リブを有し、複数の前記層の各々において、隣り合う前記リブ壁部の間では、一方の端部の位置と他方の端部の位置とが入れ替わる。

複数の層の各々において、複数のリブ造形経路の各々の第２始点及び第２終点が壁部造形経路の一方に集中して配置されていると、壁部造形経路の他方での入熱間隔が長くなる。そこで、複数の層の各々において、隣接するリブ造形経路の間で、第２始点及び第２終点と折り返し点とを入れ替えることで、入熱間隔を均一に分散することができる。

本発明の第１の態様において、前記リブ造形経路のうち、前記折り返し点の部分が最も内側の前記壁部造形経路とラップしている。

これにより、立体造形物の造形後、造形材料が冷却して収縮しても、環状の壁部とリブとを良好且つ確実に接続することができる。

本発明の第１の態様において、前記付加造形法では、ノズル（３６）から吐出された造形材料（１２）を積層することにより前記立体造形物を造形し、前記造形工程では、複数の前記層の各々において、前記ノズルを前記造形経路に沿って前記進行方向に移動させる。

これにより、造形材料の温度低下による立体造形物の機械的強度の低下を抑制することができる。また、造形材料の温度上昇による立体造形物の外観品質の低下を抑制することができる。

本発明の第２の態様は、内部に空間を有する立体造形物を付加造形法によって造形する三次元造形装置（１０）であって、前記三次元造形装置は、前記立体造形物の三次元データを取得し、取得した前記三次元データを複数の層に分割するデータ分割部（２４）と、前記データ分割部で分割された複数の前記層の各々について、前記立体造形物を造形するための造形経路と前記造形経路の進行方向とを決定する経路決定部（２４）と、前記経路決定部で決定された複数の前記層の各々の前記造形経路及び前記進行方向に従って、前記立体造形物を造形する造形部（２６）と、を有し、複数の前記層の各々の前記造形経路は、前記空間を取り囲み、内外方向に沿って隣接する複数の環状の壁部を造形するための複数の壁部造形経路を含み、複数の前記壁部造形経路の各々の進行方向は、同一方向を向いている。

本発明でも、空間を取り囲む複数の環状の壁部を造形するための複数の壁部造形経路が同一方向を向いている。これにより、複数の層の各々について、入熱の間隔を一定に保つことが可能となる。この結果、立体造形物の機械的強度の向上が抑制される。また、立体造形物の反り等の形状の変形を抑制することができる。

１０…三次元造形装置 １４…立体造形物
１６…空間
２４…コンピュータ（データ分割部、経路決定部）
２６…付加造形装置（造形部） ４２…内側壁部（環状の壁部）
４４…外側壁部（環状の壁部） ６６…造形経路
６８…内側造形経路（壁部造形経路） ７０…外側造形経路（壁部造形経路）

Claims (9)

1. 内部に空間を有する立体造形物を付加造形法によって造形する三次元造形方法であって、
   前記立体造形物の三次元データを複数の層に分割するスライス工程と、
   分割した複数の前記層の各々において、前記立体造形物を造形するための造形経路と前記造形経路の進行方向とを決定する経路決定工程と、
   複数の前記層の各々の前記造形経路及び前記進行方向に従って、前記立体造形物を造形する造形工程と、
   を有し、
   複数の前記層の各々の前記造形経路は、前記空間を取り囲み、内外方向に沿って隣接する複数の環状の壁部を造形するための複数の壁部造形経路を含み、
   複数の前記壁部造形経路の各々の進行方向は、同一方向を向いている、三次元造形方法。
2. 請求項１記載の三次元造形方法において、
   前記経路決定工程では、複数の前記層の各々において、互いに隣り合う２つの前記壁部造形経路を接続することで、一筆書きで描ける前記造形経路を決定する、三次元造形方法。
3. 請求項２記載の三次元造形方法において、
   前記経路決定工程では、最も内側又は最も外側の前記壁部造形経路を、最初に前記壁部を造形するための第１壁部造形経路として決定し、前記第１壁部造形経路から外側又は内側に向かって、互いに隣り合う複数の前記壁部造形経路を接続することで、前記一筆書きで描ける前記造形経路を決定する、三次元造形方法。
4. 請求項２又は３記載の三次元造形方法において、
   複数の前記層の各々の前記造形経路は、互いに隣り合う２つの前記壁部造形経路のうち、先に壁部を形成する壁部造形経路の第１終点と、後に壁部を形成する壁部造形経路の第１始点とを接続する接続経路を含む、三次元造形方法。
5. 請求項２～４のいずれか１項に記載の三次元造形方法において、
   前記立体造形物は、複数の前記層の積層方向に延び、前記空間を複数のサブ空間に分割する少なくとも１つのリブを有し、
   前記経路決定工程で決定される複数の前記層の各々の前記造形経路は、リブ壁部を造形するためのリブ造形経路を含み、
   複数の前記層の各々の前記リブ造形経路は、最も内側の前記壁部造形経路のうち、予め決められた第２始点から前記空間の内側に向かって折り返し点まで延びるリブ往路と、前記折り返し点から最も内側の前記壁部造形経路のうち予め決められた第２終点まで延びるリブ復路とを有し、
   前記リブ往路で形成される壁部と前記リブ復路で形成される壁部とが互いに隣接することで前記リブ壁部が形成され、
   前記第２始点及び前記第２終点によって、前記リブ壁部の一方の端部が形成され、
   前記折り返し点によって前記リブ壁部の他方の端部が形成され、
   前記積層方向に隣接する２つの層の間では、前記リブ壁部の一方の端部の位置と他方の端部の位置とが入れ替わる、三次元造形方法。
6. 請求項５記載の三次元造形方法において、
   前記立体造形物は、前記積層方向に延び、前記空間を複数の前記サブ空間に分割する少なくとも２つの前記リブを有し、
   複数の前記層の各々において、隣り合う前記リブ壁部の間では、一方の端部の位置と他方の端部の位置とが入れ替わる、三次元造形方法。
7. 請求項５又は６記載の三次元造形方法において、
   前記リブ造形経路のうち、前記折り返し点の部分が最も内側の前記壁部造形経路とラップしている、三次元造形方法。
8. 請求項１～７のいずれか１項に記載の三次元造形方法において、
   前記付加造形法では、ノズルから吐出された造形材料を積層することにより前記立体造形物を造形し、
   前記造形工程では、複数の前記層の各々において、前記ノズルを前記造形経路に沿って前記進行方向に移動させる、三次元造形方法。
9. 内部に空間を有する立体造形物を付加造形法によって造形する三次元造形装置であって、
   前記立体造形物の三次元データを取得し、取得した前記三次元データを複数の層に分割するデータ分割部と、
   前記データ分割部で分割された複数の前記層の各々について、前記立体造形物を造形するための造形経路と前記造形経路の進行方向とを決定する経路決定部と、
   前記経路決定部で決定された複数の前記層の各々の前記造形経路及び前記進行方向に従って、前記立体造形物を造形する造形部と、
   を有し、
   複数の前記層の各々の前記造形経路は、前記空間を取り囲み、内外方向に沿って隣接する複数の環状の壁部を造形するための複数の壁部造形経路を含み、
   複数の前記壁部造形経路の各々の進行方向は、同一方向を向いている、三次元造形装置。

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