JP6527539B2 - 三次元印刷方法及び三次元印刷装置 - Google Patents

Description

本発明は、三次元印刷方法及び三次元印刷装置に関する。

簡素な構成で安価に立体造形物を得ることが可能な三次元印刷方法として、可塑化（溶融）させた樹脂製のフィラメントを所望の形状となるように積層し、該形状を維持したまま固化させる、いわゆる、熱溶解積層方法が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

この方法において、立体造形物の製造効率を高めるためには、被積層部にフィラメントを供給するノズルの吐出部の径を大きくすることや、ノズルの移動速度を大きくすることが考えられる。

国際公開第２０１５／１８２６７５号パンフレット

しかしながら、立体造形物の製造効率を高めるべく、ノズルの吐出部の径を大きくすると、単位時間あたりの可塑化フィラメントの供給量が増える分、該フィラメントが被積層部に積層されてから固化するまでに要する時間も増大してしまう。

このため、ノズルの移動速度にフィラメントの固化を追従させることが困難となったり、フィラメントが固化するまでの間にたわみや垂れ等の変形が生じてしまったりする懸念がある。つまり、フィラメントを所望の形状に積層することや、積層したフィラメントの形状を維持したまま固化させて立体造形物を得ることが困難となり、立体造形物の成形精度が低下する懸念がある。

また、単位時間あたりの可塑化フィラメントの供給量が増えることで、該可塑化フィラメントが固化により収縮する量も増大するため、これによっても、立体造形物の成形精度が低下し易くなってしまう。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、製造効率及び成形精度の両方に優れた三次元印刷方法及び三次元印刷装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、熱可塑性を持ったフィラメントを積層して立体造形物を得る三次元印刷方法であって、被覆材加熱手段により、熱可塑性樹脂からなる被覆材を加熱して可塑化する被覆材加熱工程と、芯材加熱手段により、熱可塑性樹脂からなる芯材を前記被覆材の加熱温度よりも低温に加熱して可塑化する芯材加熱工程と、前記被覆材加熱手段での加熱により可塑化した前記被覆材を、可塑化した前記被覆材よりも低温で前記芯材加熱手段により加熱された前記芯材の外周面の少なくとも一部に付着させて前記フィラメントを形成するフィラメント形成工程と、被積層部に対して、可塑化した前記被覆材と、塑性変形は可能であるが可塑化した前記被覆材よりも低温の前記芯材とからなる前記フィラメントを押圧しつつ積層する積層工程と、を有することを特徴とする。

第１に、本発明に係る三次元印刷方法では、加熱により可塑化した被覆材と、塑性変形は可能であるが可塑化した被覆材よりも低温の芯材とからなるフィラメントを積層、固化させて、立体造形物を得る。これによって、例えば、全体が均一な温度に加熱された可塑化フィラメントを積層、固化させる場合に比して、芯材が低温な分、換言すると、被覆材のみが高温に加熱されている分、フィラメントを速やかに固化させることが可能である。その一方で、被覆材は、十分に加熱して可塑化することができるため、隣接するフィラメントと良好に一体化することが可能である。すなわち、フィラメント同士の接着性が低下することを回避しつつ、可塑化したフィラメントが固化する時間を短縮することができる。

その結果、ノズルの移動速度にフィラメントの固化を容易に追従させて、フィラメントを所望の形状に積層することができる。また、積層後のフィラメントが固化するまでの間にたわみや垂れ等の変形が生じることを抑制できるとともに、固化後のフィラメント同士を良好に接着することができる。さらに、上記の通り、高温に加熱されて可塑化している部分の量を少なくできる分、フィラメントが固化により収縮する量を小さくすることができる。

従って、立体造形物の製造効率向上を図るべく、被積層部に対する単位時間あたりのフィラメントの供給量や、フィラメントを供給するノズルの移動速度（積層速度）を大きくしても、成形精度が低下することを回避できる。

第２に、この三次元印刷方法では、上記の通り、被積層部に対して、フィラメントを積層する際、該フィラメントを構成する芯材が、可塑化した被覆材よりも低温でありながら、塑性変形することは可能な温度となっている。このため、芯材及び被覆材からなるフィラメントを容易に変形させつつ積層することができ、且つこのようにフィラメントを変形させても、その内部に歪みが残ることを回避できる。なお、可塑化した被覆材よりも低温の芯材は、被覆材を付着させる前から塑性変形可能な温度に達していてもよいし、可塑化した被覆材を付着させて、その熱を伝導させることによって塑性変形可能な温度に達することとしてもよい。

第３に、この三次元印刷方法では、被積層部に対して、フィラメントを押圧しつつ積層する。これにより、被積層部と被覆材との間、及び芯材と被覆材との間を良好に接触させて、互いの間の熱伝導を促すことができるため、フィラメントを一層速やかに固化させることが可能になる。

以上から、本発明によれば、製造効率及び成形精度の両方に優れた立体造形物を得ることができる。また、この立体造形物は、フィラメント同士が良好に接着され、しかも、造形に伴う歪みがフィラメントの内部に残留することが回避されているため品質にも優れる。

また、本発明は、熱可塑性を持ったフィラメントを積層して立体造形物を得る三次元印刷方法であって、加熱により可塑化した熱可塑性樹脂からなる被覆材を、可塑化した前記被覆材よりも低温の熱可塑性樹脂からなる芯材の外周面の少なくとも一部に付着させて前記フィラメントを形成するフィラメント形成工程と、被積層部に対して、可塑化した前記被覆材と、塑性変形は可能であるが可塑化した前記被覆材よりも低温の前記芯材とからなる前記フィラメントを押圧しつつ積層する積層工程と、を有し、前記積層工程では、前記フィラメントを排出するノズルを用いて、前記被積層部に対して前記フィラメントを積層し、前記ノズルの進行方向の前方側から前記フィラメントが押圧されるように、前記フィラメントの積層方向に対して前記フィラメントの排出方向を傾斜させた状態で前記ノズルを移動させることが好ましい。

この場合、被積層部に対して、フィラメントの積層姿勢を決定し易くすることができるため、上記の通り、フィラメントを速やかに固化できることと相俟って、積層したフィラメントを支持するための治具等を用いることなく、成形精度に優れた立体造形物を効率的に得ることが可能となる。

また、本発明は、熱可塑性を持ったフィラメントを積層して立体造形物を得る三次元印刷装置であって、熱可塑性樹脂からなる被覆材を加熱して可塑化する被覆材加熱手段と、熱可塑性樹脂からなる芯材を前記被覆材の加熱温度よりも低温に加熱して可塑化する芯材加熱手段と、前記被覆材加熱手段での加熱により可塑化された前記被覆材を排出する被覆材排出部と、可塑化した前記被覆材よりも低温で前記芯材加熱手段により加熱された前記芯材を排出する芯材排出部と、を有し、前記芯材排出部から排出された前記芯材の外周面の少なくとも一部に、前記被覆材排出部から排出された前記被覆材を付着させることで形成した前記フィラメントを被積層部に排出するノズルと、前記ノズルを三次元的に移動させることで、前記被積層部に対して、可塑化した前記被覆材と、塑性変形は可能であるが可塑化した前記被覆材よりも低温の前記芯材とからなる前記フィラメントを押圧しつつ積層する移動手段と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る三次元印刷装置は、加熱により可塑化した被覆材と、塑性変形は可能であるが可塑化した被覆材よりも低温の芯材とからなるフィラメントを排出するノズルと、該ノズルを三次元的に移動させることで、被積層部に対してフィラメントを押圧しつつ積層する移動手段とを備える。すなわち、この三次元印刷装置によれば、上記した三次元印刷方法を適用できるため、製造効率及び成形精度に優れ、しかも高品質である立体造形物を得ることができる。

また、本発明は、熱可塑性を持ったフィラメントを積層して立体造形物を得る三次元印刷装置であって、加熱により可塑化された熱可塑性樹脂からなる被覆材を排出する被覆材排出部と、可塑化した前記被覆材よりも低温の熱可塑性樹脂からなる芯材を排出する芯材排出部と、を有し、前記芯材排出部から排出された前記芯材の外周面の少なくとも一部に、前記被覆材排出部から排出された前記被覆材を付着させることで形成した前記フィラメントを被積層部に排出するノズルと、前記ノズルを三次元的に移動させることで、前記被積層部に対して、可塑化した前記被覆材と、塑性変形は可能であるが可塑化した前記被覆材よりも低温の前記芯材とからなる前記フィラメントを押圧しつつ積層する移動手段と、を備え、前記移動手段は、前記ノズルの進行方向の前方側から、前記被積層部に対して前記フィラメントを押圧するように、前記フィラメントの積層方向に対して、前記フィラメントの排出方向を傾斜させた状態で前記ノズルを移動させることが好ましい。

この場合、積層したフィラメントを支持するための治具等を用いることなく、成形精度に優れた立体造形物を効率的に得ることが可能となる。

また、本発明は、熱可塑性を持ったフィラメントを積層して立体造形物を得る三次元印刷装置であって、加熱により可塑化された熱可塑性樹脂からなる被覆材を排出する被覆材排出部と、可塑化した前記被覆材よりも低温の熱可塑性樹脂からなる芯材を排出する芯材排出部と、を有し、前記芯材排出部から排出された前記芯材の外周面の少なくとも一部に、前記被覆材排出部から排出された前記被覆材を付着させることで形成した前記フィラメントを被積層部に排出するノズルと、前記ノズルを三次元的に移動させることで、前記被積層部に対して、可塑化した前記被覆材と、塑性変形は可能であるが可塑化した前記被覆材よりも低温の前記芯材とからなる前記フィラメントを押圧しつつ積層する移動手段と、を備え、前記芯材排出部及び前記被覆材排出部は互いに径が異なる管状であり、大径である前記被覆材排出部が、小径である前記芯材排出部の外周面を覆うように配置され、前記被覆材排出部の内周面と前記芯材排出部の外周面との間には、前記被覆材を貯留する貯留部が形成され、前記芯材排出部の外周面と内周面との間には、前記貯留部に貯留された前記被覆材の熱が前記芯材に伝わることを抑制する遮熱部が設けられることが好ましい。

この場合、第１に、上記の通り、被覆材排出部の内側に芯材排出部が配置されるため、三次元印刷装置の小型化を図ることができる。

第２に、芯材排出部の外周面と被覆材排出部の内周面との間に貯留部が形成され、該貯留部に溶融した被覆材を貯留することができる。これによって、被覆材排出部から被覆材を連続的に且つ安定して排出することや、効率的にフィラメントを形成することが可能になる。また、被覆材の排出を停止又は再開する制御をし易くすることができ、ひいては、ノズルからのフィラメントの排出を停止又は再開する制御をし易くすることができる。このため、立体造形物の成形精度を向上させることが可能になる。

第３に、芯材排出部の外周面と内周面との間に遮熱部が設けられ、これによって、貯留部に貯留された被覆材の熱が、芯材排出部内の芯材に伝わることを抑制できる。すなわち、上記のように貯留部を形成しても、該貯留部内で溶融被覆材の温度が低下することや、芯材排出部内で芯材の温度が上昇することを回避できるため、フィラメントを良好に作成することができる。

本発明では、加熱により可塑化した被覆材と、塑性変形は可能であるが可塑化した被覆材よりも低温の芯材とからなるフィラメントを被積層部に対して押圧しつつ積層する。これによって、製造効率及び成形精度の両方に優れ、高品質である立体造形物を得ることが可能になる。

図１は、本発明の実施形態に係る立体構造物の概略斜視図である。 図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 図３は、本発明の実施形態に係る三次元印刷装置の要部概略図である。 図４は、図３の三次元印刷装置のノズルの断面図である。 図５は、三次元印刷装置の移動手段を構成するロボットの図記号である。 図６Ａ〜図６Ｃは、フィラメントの積層工程を説明する説明図である。

本発明に係る三次元印刷方法及び三次元印刷装置について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

図１及び図２に示すように、本実施形態に係る立体造形物１０は、所望の形状となるように積層されたフィラメント１２（図２参照）同士が一体化することで形成されている。なお、図１に示すように、本実施形態では、立体造形物１０を直方体としたが、これに限定されるものではなく、立体造形物１０は、その用途等に応じて種々の形状とすることができる。

フィラメント１２は、例えば、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ）や、ポリ乳酸（ＰＬＡ）等の熱可塑性樹脂からなり、図２に示すように、芯材１４と、該芯材１４の外周面に付着した被覆材１６とからなる。また、隣接するフィラメント１２の芯材１４同士は、被覆材１６を介して一体化している。なお、芯材１４と被覆材１６とは互いに異なる種類の樹脂から構成されても、同じ種類の樹脂から構成されてもよい。

立体造形物１０は、例えば、図３に示す三次元印刷装置２０を用いた三次元印刷方法により得ることができる。本実施形態に係る三次元印刷装置２０は、長尺状の固形樹脂の状態でそれぞれ供給される１本の芯材１４及び３本の被覆材１６を用いてフィラメント１２を形成するとともに、該フィラメント１２をステージ２２上に積層して立体造形物１０（図１参照）を作製する。なお、フィラメント１２の形成に用いる被覆材１６の本数は、３本に限定されるものではなく、長尺状の固形樹脂の状態の被覆材１６の直径や、フィラメント１２の直径等に応じて、適宜設定されればよい。

具体的には、三次元印刷装置２０は、芯材加熱手段２４と、芯材搬送手段２６と、被覆材搬送手段２８と、被覆材加熱手段３０と、ノズル３２と、移動手段３４（図５参照）とを主に備える。

芯材加熱手段２４は、長尺状の固形樹脂の状態で供給された芯材１４を、後述するように、被覆材加熱手段３０で被覆材１６を加熱して可塑化する温度よりも低い温度に加熱するヒータ等からなる。なお、例えば、芯材１４がＡＢＳからなる場合、略１６０℃に加熱する。

また、図３に示すように、芯材加熱手段２４は、芯材１４の他に、長尺状の固形樹脂の状態の被覆材１６が供給されてもよい。これによって、芯材加熱手段２４における熱を利用して予熱した被覆材１６を、被覆材加熱手段３０に供給することができるため、被覆材１６を効率的に加熱することが可能になる。

芯材搬送手段２６は、例えば、芯材加熱手段２４とノズル３２との間であって、該ノズル３２の近傍に配設される一組の駆動ローラ３６と、該駆動ローラ３６を回転させるモータ（不図示）とを有する。一組の駆動ローラ３６の間に芯材１４を挟んだ状態で、該駆動ローラ３６を回転させることにより、芯材１４が芯材加熱手段２４を通ってノズル３２に供給されるように、芯材１４を搬送することができる。また、駆動ローラ３６は正逆回転可能であり、この回転方向に応じて、芯材１４をノズル３２に向かって進行する方向と後退する方向との間で切り換えて搬送することができる。

芯材加熱手段２４と芯材搬送手段２６との間には、断熱材料から形成された配管３８が設けられる。芯材加熱手段２４から排出された芯材１４は、外部と断熱された配管３８の内部を通ることで、温度が維持されたままノズル３２へと搬送される。

被覆材搬送手段２８は、例えば、芯材加熱手段２４と被覆材加熱手段３０との間であって、該被覆材加熱手段３０の近傍に配設される一組の駆動ローラ４０と、該駆動ローラ４０を回転させるモータ（不図示）とを有する。この被覆材搬送手段２８は、芯材加熱手段２４に供給された被覆材１６の本数に応じた個数（本実施形態では３個）設けられ、被覆材１６が芯材加熱手段２４を通って被覆材加熱手段３０に供給されるように、該被覆材１６のそれぞれを搬送する。これらの駆動ローラ４０も、前記駆動ローラ３６と同様に正逆回転可能であり、この回転方向に応じて、被覆材１６を被覆材加熱手段３０に向かって進行する方向と後退する方向との間で切り換えて搬送することができる。

芯材加熱手段２４と被覆材搬送手段２８との間には、前記配管３８と同様に、断熱材料から形成された配管４２が、芯材加熱手段２４に供給された被覆材１６の本数に応じた本数（本実施形態では３本）設けられる。芯材加熱手段２４から排出された被覆材１６は、外部と断熱された配管４２の内部を通ることで、温度が維持されたまま被覆材加熱手段３０へと搬送される。

被覆材加熱手段３０は、被覆材１６を加熱して可塑化するヒータ等からなり、上記の通り、芯材加熱手段２４で予熱された３本の被覆材１６を液状樹脂にして、該被覆材加熱手段３０とノズル３２とを連通する連通管４４に排出する。

ノズル３２は、ステージ２２に向かってフィラメント１２を排出する。具体的には、図３及び図４に示すように、ノズル３２は、芯材加熱手段２４で加熱した芯材１４を排出する芯材排出部５０と、被覆材加熱手段３０で可塑化した被覆材１６を排出する被覆材排出部５２とを有する。

芯材排出部５０は、本体管５４と保温管５６とを有する。本体管５４は、芯材１４が供給される基端側（図４の矢印Ｘ方向側）に設けられる大径部５８と、芯材１４を排出する先端側（図４の矢印Ｙ方向側）に設けられ、且つ大径部５８よりも小径の小径部６０とを有する。大径部５８の先端側は、小径部６０に向かってテーパ状に縮径している。また、この大径部５８の先端部と小径部６０の基端部との間には互いの径差に基づく段差が形成されている。

保温管５６は、断熱材料から形成され、内径が本体管５４の小径部６０の内径と略等しく、外径が大径部５８の内径よりも小さい。この保温管５６は、先端側の端面が、上記の通り、大径部５８と小径部６０との間に形成される段差面に当接するように、該大径部５８の内側に配設される。

本体管５４と保温管５６との間には、遮熱部６２が設けられる。遮熱部６２は、大径部５８と保温管５６との間に形成される空間６４や、該空間６４に設けられる断熱材６６等からなり、芯材排出部５０の内部と外部を遮熱する。また、遮熱部６２は、例えば、空気等の冷媒を空間６４に流通させることが可能な冷媒流通機構（不図示）をさらに備えてもよい。この場合、芯材排出部５０の内部と外部を一層良好に遮熱することが可能になる。

被覆材排出部５２は、貯留管部６８と、貯留管部６８の基端側の開口を閉塞する蓋部７０と、貯留管部６８の先端側に設けられたテーパ状部７２とを有する。

貯留管部６８は、断熱材料から形成され、その内径が、本体管５４の大径部５８の外径よりも大きく、該大径部５８の基端側の一部を除く外周面を覆うように配設される。つまり、貯留管部６８の内周面と大径部５８の外周面との間に、可塑化した被覆材１６を貯留することが可能な貯留部７４が形成される。

図４に示すように、貯留部７４内には、円盤部材７６が配設されていてもよい。円盤部材７６は、径方向の略中心に本体管５４が挿通される挿通孔７７が形成されるとともに、該挿通孔７７よりも外周側を厚さ方向に沿って貫通する複数の貫通孔７８が形成されている。この貫通孔７８を介して、貯留部７４の基端側から先端側に向かって可塑化した被覆材１６が流れることによって、該被覆材１６の圧力や温度を均等化することが可能になる。

蓋部７０には、径方向の略中心に本体管５４の基端側が挿通される挿通孔８０が形成されるとともに、該挿通孔８０の外周側に連通管４４が接続される供給口８２が形成される。この供給口８２を介して貯留部７４に、可塑化した被覆材１６が供給される。

テーパ状部７２は、貯留管部６８から先端側に向かって縮径するように延在し、その先端には、貯留部７４内の被覆材１６を排出することが可能な排出口８４が設けられる。排出口８４の内径は、小径部６０の先端側の外径よりも大きく、排出口８４の内側に小径部６０の先端側が配設される。

つまり、上記のように構成されるノズル３２は、小径部６０の先端側から可塑化した被覆材１６より低い温度の芯材１４を排出するとともに、テーパ状部７２の排出口８４から可塑化した被覆材１６を排出する。これによって、塑性変形は可能であるが可塑化した被覆材１６よりも低温の芯材１４の外周面に、可塑化した被覆材１６を付着させたフィラメント１２を形成し、排出することができる。

なお、本実施形態では、排出口８４と小径部６０を互いの軸心が一致するように配置することで、芯材１４の外周面全体に周方向にわたって均一の厚さとなるように被覆材１６を付着させたフィラメント１２を形成する例について説明しているが、特にこれに限定されるものではない。例えば、排出口８４と小径部６０の軸心をずらすこと等によって、芯材１４と被覆材１６とが偏心するように、互いの相対位置を調整することも可能である。

ノズル３２では、上記の通り、被覆材排出部５２の内側に芯材排出部５０が配置されているため、例えば、芯材排出部５０及び被覆材排出部５２を並設するような場合に比して、ノズル３２の小型化を図ることができる。ひいては、三次元印刷装置２０全体の小型化を図ることが可能になる。

ノズル３２からフィラメント１２を連続的に排出する場合、芯材搬送手段２６及び被覆材搬送手段２８の駆動ローラ３６、４０のそれぞれを一方の方向に連続的に回転させればよい。一方、ノズル３２からのフィラメント１２の排出を停止する場合、前記駆動ローラ３６、４０のそれぞれの回転を停止すればよい。この場合、被覆材搬送手段２８の駆動ローラ４０については、一時的に他方の方向に回転させてから停止することによって、被覆材排出部５２から可塑化した被覆材１６が余分に排出される懸念を払拭することができる。また、ノズル３２は、小径部６０の先端側及び排出口８４の両方又は排出口８４のみを開閉自在に閉塞する蓋（不図示）が設けられていてもよい。

図５に図記号を用いて模式的に示すように、移動手段３４は、ロボット９０と、制御部（不図示）とを有する。ロボット９０は、三次元直交座標系に基づいて動作する本体部９２と、該本体部９２に取り付けられた多関節型のアーム９４とを有する。アーム９４は、基端から先端の手首９６に向かって順に第１関節９８及び第２関節１００を有する。手首９６には、例えば、芯材搬送手段２６と、被覆材搬送手段２８と、被覆材加熱手段３０と、ノズル３２（図３において二点鎖線で囲んだ構成要素、以下、これらを総称してノズル３２等ともいう）とが固定されている。

移動手段３４は、制御部の制御下に、ロボット９０を駆動させることで、ステージ２２に対して、ノズル３２等を三次元的に移動させることができる。この際、上記の通り、ノズル３２では、小型化が図られているため、移動手段３４によるノズル３２等の移動を容易且つ高精度にすることが可能である。

本実施形態に係る三次元印刷装置２０は、基本的には以上のように構成されるものであり、以下では、本実施形態に係る三次元印刷方法につき、三次元印刷装置２０の動作との関係で説明する。

芯材搬送手段２６及び被覆材搬送手段２８を駆動することにより、長尺状の固形樹脂の状態の芯材１４及び被覆材１６が芯材加熱手段２４に連続的に供給される。これによって、芯材１４及び被覆材１６を、被覆材加熱手段３０で被覆材１６を加熱して可塑化する温度よりも低い温度に加熱することができる。

芯材加熱手段２４で加熱された芯材１４及び被覆材１６のうち、被覆材１６については、配管４２を介して被覆材加熱手段３０に供給される。そして、被覆材加熱手段３０において、可塑化され液状樹脂となった被覆材１６は、連通管４４を介して、ノズル３２の被覆材排出部５２に供給され、貯留部７４に貯留される。

一方、芯材１４については、配管３８を介してノズル３２の芯材排出部５０に供給される。芯材排出部５０において、芯材１４は、遮熱部６２等により外部と遮熱された芯材排出部５０の保温管５６の内部を通る。このため、上記のように、芯材排出部５０の本体管５４の外周面と、被覆材排出部５２の貯留管部６８の内周面との間に形成された貯留部７４に、溶融した高温の被覆材１６が貯留されても、該被覆材１６の熱が芯材１４に伝わることを抑制できる。

また、芯材排出部５０は、可塑化した被覆材１６よりも低い温度に加熱された芯材１４を、小径部６０から排出する。一方、被覆材排出部５２は、排出口８４から十分に可塑化した被覆材１６を排出して、小径部６０から排出された芯材１４の外周面に付着させる。これによって、ノズル３２から、フィラメント１２を排出することができる。つまり、本実施形態に係る三次元印刷方法のフィラメント形成工程を行う。

本実施形態では、上記の通り、被覆材加熱手段３０と排出口８４との間に、所定量の被覆材１６を貯留することが可能な貯留部７４が介在する。これにより、排出口８４から被覆材１６を連続的に且つ安定して排出して、フィラメント１２を効率的に得ることができる。また、被覆材排出部５２から被覆材１６を排出することを停止又は再開する制御をし易くすることができ、ひいては、ノズル３２からフィラメント１２を排出することを停止又は再開する制御をし易くすることができる。

上記のようにして形成されるフィラメント１２をノズル３２から排出するとともに、移動手段３４によってノズル３２等を三次元的に移動させる。この際、フィラメント１２を構成する被覆材１６は、可塑化した状態であり、且つ芯材１４は、塑性変形は可能であるが可塑化した被覆材１６よりも低い温度となっている。これによって、フィラメント１２を、ステージ２２上の被積層部に対して押圧しつつ積層する。つまり、本実施形態に係る三次元印刷方法の積層工程を行う。

なお、可塑化した被覆材１６よりも低温の芯材１４は、被覆材１６を付着させる前の段階で、換言すると、芯材加熱手段２４における加熱によって、塑性変形可能な温度に達していてもよいし、可塑化した被覆材１６を付着させて、その熱を伝導させることによって塑性変形可能な温度に達することとしてもよい。すなわち、芯材１４に被覆材１６を付着させる前及び付着させた直後においては、該芯材１４の温度は、塑性変形可能な温度に達していても、達していなくてもよい。被積層部にフィラメント１２を積層する際に、該フィラメント１２を構成する芯材１４が可塑化した被覆材１６よりも低温でありながら塑性変形可能な温度になっていればよい。

図３に示すように、移動手段３４は、ノズル３２等の進行方向（矢印Ａ方向）の前方側からフィラメント１２が押圧されるように、該フィラメント１２の積層方向（矢印Ｂ方向）に対して、フィラメント１２の排出方向（矢印Ｃ方向）を傾斜させた状態にすることが好ましい。この理由については後述する。

ここで、被積層部とは、ノズル３２から排出されるフィラメント１２が、ステージ２２に積層する第１層目である場合は、該ステージ２２の所定の位置である。また、ノズル３２から排出されるフィラメント１２が、先に積層されたフィラメント１２に積層される第２層目以降である場合は、先に積層されたフィラメント１２の所定の位置である。

図６Ａ〜図６Ｃは、フィラメント１２の積層工程を説明する説明図であり、具体的には、先に積層されたフィラメント１２ａと、該フィラメント１２ａを被積層部とするフィラメント１２ｂの断面図である。

ノズル３２から排出された直後のフィラメント１２ｂは、図６Ａに示すように、可塑化した被覆材１６ｂが、該被覆材１６ｂより低温の芯材１４ｂの外周面に付着した状態である。図６Ｂに示すように、先に積層されたフィラメント１２ａに対して、フィラメント１２ｂを押圧しつつ積層すると、フィラメント１２ｂとフィラメント１２ａとの間を埋めるように、被覆材１６ｂが流動する。この状態で、被覆材１６ｂが固化することにより、図６Ｃに示すように、被覆材１６ａ、１６ｂを介してフィラメント１２ａとフィラメント１２ｂとを一体化することができる。

なお、図６Ａ〜図６Ｃでは、芯材１４ａ、１４ｂと被覆材１６ａ、１６ｂとがそれぞれ同心となるように配置された状態、換言すると、芯材１４ａ、１４ｂの外周面全体に周方向にわたって均一の厚さとなるように被覆材１６ａ、１６ｂが付着した状態のフィラメント１２ａ、１２ｂ同士を積層して一体化する様子を示している。しかしながら、芯材１４ａ、１４ｂに対する被覆材１６ａ、１６ｂの相対位置や、被覆材１６ａ、１６ｂの形状は、フィラメント１２ａ、１２ｂに加わる重力や、可塑化した被覆材１６ａ、１６ｂの粘度等に応じて種々の形態を取り得ることは勿論である。少なくとも、芯材１４ａと芯材１４ｂの間に被覆材１６ｂが介在する状態で、該被覆材１６ｂを固化させることにより、フィラメント１２ａとフィラメント１２ｂとを一体化することができる。

上記のフィラメント形成工程と、積層工程を繰り返し行って、フィラメント１２ａ、１２ｂを含む必要な量のフィラメント１２の全てを所望の形状となるように積層し、固化させることで、立体造形物１０を得ることができる。

すなわち、この三次元印刷方法では、加熱により可塑化した被覆材１６と、塑性変形は可能であるが可塑化した被覆材１６よりも低温である芯材１４とからなるフィラメント１２を積層、固化させて、立体造形物１０を得る。これによって、例えば、全体が均一な温度に加熱された可塑化フィラメントを積層、固化させる場合に比して、芯材１４ｂが低温である分、換言すると、被覆材１６ｂのみが高温に加熱されている分、フィラメント１２ｂを速やかに固化させることが可能である。

その一方で、被覆材１６ｂは、十分に加熱して可塑化することができるため、隣接するフィラメント１２ａと良好に一体化することが可能である。すなわち、フィラメント１２ａ、１２ｂ同士の接着性が低下することを回避しつつ、可塑化したフィラメント１２ｂが固化する時間を短縮することができる。

その結果、ノズル３２の移動速度にフィラメント１２ｂの固化を容易に追従させて、フィラメント１２ａ、１２ｂを含む全てのフィラメント１２を所望の形状に積層することができる。また、積層後のフィラメント１２が固化するまでの間に、たわみや垂れ等の変形が生じることを抑制できるとともに、固化後のフィラメント１２同士を良好に接着することができる。さらに、上記の通り、高温に加熱されて可塑化している部分の量を少なくできる分、フィラメント１２が固化により収縮する量を小さくすることができる。

従って、立体造形物１０の製造効率向上を図るべく、被積層部に対する単位時間あたりのフィラメント１２の供給量や、フィラメント１２を供給するノズル３２の移動速度（積層速度）を大きくしても、成形精度が低下することを回避できる。

また、この三次元印刷方法では、被積層部に対して、フィラメント１２を積層する際、該フィラメント１２を構成する芯材１４が塑性変形可能な温度となっている。このため、芯材１４を可塑化した被覆材１６よりも低温としても、フィラメント１２を容易に変形させつつ積層することができ、且つこのようにフィラメント１２を変形させても、その内部に歪みが残ることを回避できる。

さらに、この三次元印刷方法では、被積層部に対して、フィラメント１２を押圧しつつ積層する。これにより、被積層部と被覆材１６を良好に接触させ、且つ芯材１４と被覆材１６とを良好に接触させて、互いの間の熱伝導を促すことができるため、フィラメント１２を一層速やかに固化させることが可能になる。

このように、フィラメント１２を積層する際、上記の通り、ノズル３２の進行方向の前方側からフィラメント１２が押圧されるように傾斜させた状態で、ノズル３２を移動させることによって、フィラメント１２の積層姿勢を決定し易くすることができる。このため、フィラメント１２を速やかに固化できることと相俟って、積層したフィラメント１２を支持するための治具等を用いることなく、成形精度に優れた立体造形物１０を効率的に得ることが可能となる。

以上から、本実施形態に係る三次元印刷装置２０を用いた三次元印刷方法によれば、製造効率及び成形精度の両方に優れた立体造形物１０を得ることができる。また、この立体造形物１０は、フィラメント１２同士が良好に接着され、しかも、造形に伴う歪みがフィラメント１２の内部に残留することが回避されているため品質にも優れる。

本発明は、上記した実施形態に特に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

上記の実施形態に係る三次元印刷方法では、芯材１４の外周面全体に周方向にわたって均一の厚さとなるように被覆材１６を付着させることで、円柱状の芯材１４と環状の被覆材１６とを同心となるように配置したフィラメント１２を形成することとしたが、特にこれに限定されるものではない。

例えば、芯材１４の外周面の一部にのみ被覆材１６を付着させることでフィラメント１２を形成し、該フィラメント１２の被覆材１６が付着した部分を被積層部に対して押圧しつつ積層してもよい。この場合、芯材１４の外周面全体に被覆材１６を付着させる場合に比して、フィラメント１２を形成するために必要な被覆材１６の量を減らすことができ、フィラメント１２を一層速やかに固化させることが可能になる。

また、上記の実施形態に係る三次元印刷装置２０では、芯材排出部５０及び被覆材排出部５２は互いに径が異なる管状であり、大径である被覆材排出部５２が、小径である芯材排出部５０の外周面を覆うように配置されることとしたが特にこれに限定されるものではない。特に、芯材１４の外周面の一部にのみ被覆材１６を付着させてフィラメント１２を形成するような場合、芯材排出部５０と被覆材排出部５２とを並設してもよい。

さらに、芯材１４の外周面の一部にのみ被覆材１６を付着させたフィラメント１２を積層、固化させて得られるような立体造形物１０では、隣接するフィラメントの芯材同士の間にのみ被覆材１６が介在してもよい。つまり、芯材１４の外周面の全てが被覆材１６に覆われた上記の実施形態に係る立体造形物１０とは異なり、芯材１４の外周面が被覆材１６から露出する部分があってもよい。

上記の実施形態に係る三次元印刷装置２０では、長尺状の固形樹脂の状態で供給される被覆材１６を用いてフィラメント１２を形成することとしたが、被覆材１６はどの様な状態で供給されてもよい。例えば、被覆材１６は、ペレット状の固形樹脂の状態で供給されてもよい。この場合、被覆材１６を可塑化する被覆材加熱手段としては、例えば、一般的な射出成形機を構成するシリンダーと同様の構成を採用することができる。

移動手段３４は、図５に示すロボット９０を備えることとしたが、ステージ２２に対して、ノズル３２等を三次元的に移動させることができるものであれば、特に限定されるものではなく、種々の構成を採用することができる。

１０…立体造形物 １２…フィラメント
１４…芯材 １６…被覆材
２０…三次元印刷装置 ２４…芯材加熱手段
２６…芯材搬送手段 ２８…被覆材搬送手段
３０…被覆材加熱手段 ３２…ノズル
３４…移動手段 ３６、４０…駆動ローラ
５０…芯材排出部 ５２…被覆材排出部
５４…本体管 ５６…保温管
５８…大径部 ６０…小径部
６２…遮熱部 ６４…空間
６６…断熱材 ６８…貯留管部
７０…蓋部 ７２…テーパ状部
７４…貯留部 ８２…供給口
８４…排出口 ９０…ロボット

Claims (5)

1. 熱可塑性を持ったフィラメントを積層して立体造形物を得る三次元印刷方法であって、
   被覆材加熱手段により、熱可塑性樹脂からなる被覆材を加熱して可塑化する被覆材加熱工程と、
   芯材加熱手段により、熱可塑性樹脂からなる芯材を前記被覆材の加熱温度よりも低温に加熱して可塑化する芯材加熱工程と、
   前記被覆材加熱手段での加熱により可塑化した前記被覆材を、可塑化した前記被覆材よりも低温で前記芯材加熱手段により加熱された前記芯材の外周面の少なくとも一部に付着させて前記フィラメントを形成するフィラメント形成工程と、
   被積層部に対して、可塑化した前記被覆材と、塑性変形は可能であるが可塑化した前記被覆材よりも低温の前記芯材とからなる前記フィラメントを押圧しつつ積層する積層工程と、
   を有することを特徴とする三次元印刷方法。
2. 熱可塑性を持ったフィラメントを積層して立体造形物を得る三次元印刷方法であって、
   加熱により可塑化した熱可塑性樹脂からなる被覆材を、可塑化した前記被覆材よりも低温の熱可塑性樹脂からなる芯材の外周面の少なくとも一部に付着させて前記フィラメントを形成するフィラメント形成工程と、
   被積層部に対して、可塑化した前記被覆材と、塑性変形は可能であるが可塑化した前記被覆材よりも低温の前記芯材とからなる前記フィラメントを押圧しつつ積層する積層工程と、
   を有し、
   前記積層工程では、前記フィラメントを排出するノズルを用いて、前記被積層部に対して前記フィラメントを積層し、
   前記ノズルの進行方向の前方側から前記フィラメントが押圧されるように、前記フィラメントの積層方向に対して、前記フィラメントの排出方向を傾斜させた状態で前記ノズルを移動させることを特徴とする三次元印刷方法。
3. 熱可塑性を持ったフィラメントを積層して立体造形物を得る三次元印刷装置であって、
   熱可塑性樹脂からなる被覆材を加熱して可塑化する被覆材加熱手段と、
   熱可塑性樹脂からなる芯材を前記被覆材の加熱温度よりも低温に加熱して可塑化する芯材加熱手段と、
   前記被覆材加熱手段での加熱により可塑化された前記被覆材を排出する被覆材排出部と、可塑化した前記被覆材よりも低温で前記芯材加熱手段により加熱された前記芯材を排出する芯材排出部と、を有し、前記芯材排出部から排出された前記芯材の外周面の少なくとも一部に、前記被覆材排出部から排出された前記被覆材を付着させることで形成した前記フィラメントを被積層部に排出するノズルと、
   前記ノズルを三次元的に移動させることで、前記被積層部に対して、可塑化した前記被覆材と、塑性変形は可能であるが可塑化した前記被覆材よりも低温の前記芯材とからなる前記フィラメントを押圧しつつ積層する移動手段と、
   を備えることを特徴とする三次元印刷装置。
4. 熱可塑性を持ったフィラメントを積層して立体造形物を得る三次元印刷装置であって、
   加熱により可塑化された熱可塑性樹脂からなる被覆材を排出する被覆材排出部と、可塑化した前記被覆材よりも低温の熱可塑性樹脂からなる芯材を排出する芯材排出部と、を有し、前記芯材排出部から排出された前記芯材の外周面の少なくとも一部に、前記被覆材排出部から排出された前記被覆材を付着させることで形成した前記フィラメントを被積層部に排出するノズルと、
   前記ノズルを三次元的に移動させることで、前記被積層部に対して、可塑化した前記被覆材と、塑性変形は可能であるが可塑化した前記被覆材よりも低温の前記芯材とからなる前記フィラメントを押圧しつつ積層する移動手段と、
   を備え、
   前記移動手段は、前記ノズルの進行方向の前方側から、前記被積層部に対して前記フィラメントを押圧するように、前記フィラメントの積層方向に対して、前記フィラメントの排出方向を傾斜させた状態で前記ノズルを移動させることを特徴とする三次元印刷装置。
5. 熱可塑性を持ったフィラメントを積層して立体造形物を得る三次元印刷装置であって、
   加熱により可塑化された熱可塑性樹脂からなる被覆材を排出する被覆材排出部と、可塑化した前記被覆材よりも低温の熱可塑性樹脂からなる芯材を排出する芯材排出部と、を有し、前記芯材排出部から排出された前記芯材の外周面の少なくとも一部に、前記被覆材排出部から排出された前記被覆材を付着させることで形成した前記フィラメントを被積層部に排出するノズルと、
   前記ノズルを三次元的に移動させることで、前記被積層部に対して、可塑化した前記被覆材と、塑性変形は可能であるが可塑化した前記被覆材よりも低温の前記芯材とからなる前記フィラメントを押圧しつつ積層する移動手段と、
   を備え、
   前記芯材排出部及び前記被覆材排出部は互いに径が異なる管状であり、大径である前記被覆材排出部が、小径である前記芯材排出部の外周面を覆うように配置され、
   前記被覆材排出部の内周面と前記芯材排出部の外周面との間には、前記被覆材を貯留する貯留部が形成され、
   前記芯材排出部の外周面と内周面との間には、前記貯留部に貯留された前記被覆材の熱が前記芯材に伝わることを抑制する遮熱部が設けられることを特徴とする三次元印刷装置。

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