JP6926820B2 - 三次元造形装置および三次元造形方法 - Google Patents

Description

本発明は、三次元造形装置および三次元造形方法に関する。

溶融させた熱可塑性の材料を、ノズルから造形台に吐出して積層し、硬化させることによって三次元造形物（以下、単に「造形物」とも呼ぶ。）を造形する三次元造形装置が知られている（例えば、下記の特許文献１）。

特開２００６−１９２７１０号公報

こうした三次元造形装置では、造形物の最下層を構成する材料が造形台上での急激な温度低下に伴って収縮することによって、造形台から剥離してしまい、その後の材料の安定的な積層が困難になってしまう場合があった。このように、三次元造形装置においては、造形台上での材料の収縮に起因する造形精度の低下を抑制することについて、依然として改良の余地があった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
本発明は、たとえば、以下のような態様で実現することもできる。
三次元造形物を造形する三次元造形装置であって、
熱可塑性を有する材料を可塑化させた溶融材料を吐出するノズルと、
前記ノズルから吐出された前記溶融材料を受ける造形台と、
を備え、
前記造形台には、前記溶融材料が硬化する際の収縮を抑制する収縮抑制部が設けられており、
前記収縮抑制部は、前記溶融材料が付着する前記造形台の表面の凹凸構造を構成する凹凸層を含み、
前記凹凸構造は、前記造形台に対して凹部を構成する加工を施すことによって構成されたものである、三次元造形装置。
三次元造形物を造形する三次元造形装置であって、
熱可塑性を有する材料を可塑化させた溶融材料を吐出するノズルと、
前記ノズルから吐出された前記溶融材料を受ける造形台と、
を備え、
前記造形台には、前記溶融材料が硬化する際の収縮を抑制する収縮抑制部が設けられており、
前記収縮抑制部は、繊維によって構成されている繊維層を含み、
前記繊維層の表面には、前記溶融材料の付着によって溶融する材料によって構成されているコート層が設けられている、三次元造形装置。
三次元造形物を造形する方法であって、
溶融材料が硬化する際の収縮を抑制する収縮抑制部として、表面に凹凸構造を有している繊維層を配置し、ノズルから吐出される前記溶融材料を受ける造形台を準備する工程と、
前記ノズルから前記造形台の前記繊維層に向かって前記溶融材料を吐出して、前記繊維層に付着させて硬化させる工程と、
を備え、
前記収縮抑制部は、繊維によって構成されている繊維層を含み、
前記繊維層の表面には、前記溶融材料の付着によって溶融する材料によって構成されているコート層が設けられている、方法。

［１］本発明の一の形態によれば、三次元造形物を造形する三次元造形装置が提供される。この三次元造形装置は、熱可塑性を有する材料を可塑化させた溶融材料を吐出するノズルと；前記ノズルから吐出された前記溶融材料を受ける造形台と；を備える。前記造形台には、前記溶融材料が硬化する際の収縮を抑制する収縮抑制部が設けられている。
この形態の三次元造形装置によれば、収縮抑制部によって、造形台上での材料の収縮が抑制されるため、材料の収縮に起因する造形精度の低下を抑制することができる。

［２］上記形態の三次元造形装置において、前記収縮抑制部は、前記溶融材料を加熱する加熱部を含んでよい。
この形態の三次元造形装置によれば、加熱部の加熱によって、造形台に付着した溶融材料の急激な温度低下を、溶融材料が加熱されていない場合よりも抑制することができる。よって、造形台上での材料の収縮が抑制され、材料の収縮に起因する造形精度の低下が抑制される。

［３］上記形態の三次元造形装置において、前記収縮抑制部は、前記溶融材料が付着する前記造形台の表面の凹凸構造を構成する凹凸層を含んでよい。
この形態の三次元造形装置によれば、造形台上の凹凸層によって、造形台上での溶融材料の移動が抑制されるため、材料の収縮が抑制される。

［４］上記形態の三次元造形装置において、前記収縮抑制部は、繊維によって構成されている繊維層を含んでよい。
この形態の三次元造形装置によれば、繊維層によって造形台に対する溶融材料の付着性が高まって、その移動が抑制される。また、繊維層が断熱層として機能することによって、溶融材料からの熱の移動が抑制され、溶融材料の急激な温度低下が抑制される。したがって、造形台上での材料の収縮が抑制される。

［５］上記形態の三次元造形装置において、前記繊維層は、木材、または、紙によって構成されてよい。
この形態の三次元造形装置によれば、木材や紙など、入手が容易で扱いやすい材料によって繊維層を簡易に構成することができる。

［６］上記形態の三次元造形装置において、前記繊維層の表面には、前記溶融材料の付着によって溶融する材料によって構成されているコート層が設けられてよい。
この形態の三次元造形装置によれば、コート層の材料が溶融することによって、造形台に対する材料の付着性が高められ、造形台上での材料の収縮がより一層、抑制される。また、造形物の底面にコート層を構成していた材料が付着するため、当該底面の表面性状を滑らかにすることができる。

［７］上記形態の三次元造形装置において、前記繊維層は、紙面に前記コート層が形成されているコート紙によって構成されてよい。
この形態の三次元造形装置によれば、入手が容易で扱いやすいコート紙によって、コート層を有する繊維層を簡易に構成することができる。また、コート紙は表面の平滑性が高いため、造形物の底面を、より滑らかにすることができる。

［８］上記形態の三次元造形装置において、前記コート層は、色インクを有してよい。
この形態の三次元造形装置によれば、コート層が有していた色インクによって、造形物に対する着色を簡易におこなうことができる。

［９］上記形態の三次元造形装置において、前記収縮抑制部は、前記造形台に対して着脱可能に構成されてよい。
この形態の三次元造形装置によれば、造形台や収縮抑制部のメンテナンスが容易化される。

［１０］上記形態の三次元造形装置は、さらに、前記ノズルと、前記造形台と、を収容する処理室と；前記処理室内の雰囲気温度を調整する温度調整部と；を備えてよい。
この形態の三次元造形装置によれば、処理室内の温度を調整することによって、ノズルから吐出された溶融材料の急激な温度低下を抑制することができ、造形台上での材料の収縮を抑制できる。

［１１］上記形態の三次元造形装置は、さらに、渦状に延びている溝部が設けられているフラットスクリューと、前記フラットスクリューを回転させる駆動モーターと、を有し、前記フラットスクリューを回転させて、前記溶融材料を、前記溝部を通じて前記ノズルへと導く可塑化部を備えてよい。
この形態の三次元造形装置によれば、三次元造形装置の小型化が可能である。また、ノズルから吐出される溶融材料の流量の制御を精度よくおこなうことができる。

［１２］本発明の他の形態は、三次元造形物を造形する方法として提供される。この形態の三次元造形方法は、溶融材料が硬化する際の収縮を抑制する収縮抑制部として、表面に凹凸構造を有している繊維層を配置し、ノズルから吐出される前記溶融材料を受ける造形台を準備する工程と；前記ノズルから前記造形台の前記繊維層に向かって前記溶融材料を吐出して、前記繊維層に付着させて硬化させる工程と；を備える。
この形態の三次元造形方法によれば、収縮抑制部である繊維層を用いて、造形台上での材料の収縮に起因する造形精度の低下を抑制することができる。

上述した本発明の各形態の有する複数の構成要素はすべてが必須のものではなく、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、適宜、前記複数の構成要素の一部について、その変更、削除、新たな他の構成要素との差し替え、限定内容の一部削除を行うことが可能である。また、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、上述した本発明の一形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部を上述した本発明の他の形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部と組み合わせて、本発明の独立した一形態とすることも可能である。

本発明は、三次元造形装置および三次元造形方法以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、造形台、溶融材料の積層方法、種々の材料の収縮抑制部としての使用などの形態で実現することができる。

第１実施形態における三次元造形装置の構成を示す概略図。 フラットスクリューの概略斜視図。 スクリュー対面部の概略平面図。 造形台上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。 材料としてＡＢＳ樹脂を用いた場合の造形状態の実験結果を示す説明図。 第２実施形態における三次元造形装置の構成を示す概略図。 第３実施形態における三次元造形装置の構成を示す概略図。 第４実施形態における三次元造形装置の構成を示す概略図。 第５実施形態における三次元造形装置および造形方法を説明するための概略図。 第６実施形態における三次元造形装置の構成を示す概略図。

１．第１実施形態：
図１は、第１実施形態における三次元造形装置１００Ａ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（鉛直下方）とは反対の方向である。Ｘ，Ｙ，Ｚ方向を示す矢印は、他の参照図においても、図１と対応するように、必要に応じて図示してある。

三次元造形装置１００Ａは、吐出ユニット１１０と、造形ステージ部２００と、制御部３００と、を備える。三次元造形装置１００Ａは、制御部３００の制御下において、吐出ユニット１１０のノズル６１から熱可塑性を有する材料を可塑化させた溶融材料を、造形ステージ部２００の造形台２２０Ａ上に吐出して硬化させることによって、三次元造形物を造形する。「可塑化」とは、材料に熱が加わり溶融することを意味する。

吐出ユニット１１０は、材料供給部２０と、可塑化部３０と、ヘッド部６０と、を備える。材料供給部２０は、ホッパーによって構成されており、下方の排出口が、連通路２２を介して、可塑化部３０に接続されている。材料供給部２０は、可塑化部３０に熱可塑性を有する材料を供給する。

材料供給部２０に投入される材料としては、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）等を使用可能である。これらの材料は、ペレットや粉末等の固体材料の状態で材料供給部２０に投入される。また、材料供給部２０に投入される熱可塑性を有する材料には、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３０は、上記の材料を可塑化させてヘッド部６０へと流入させる。可塑化部３０は、スクリューケース３１と、駆動モーター３２と、フラットスクリュー４０と、スクリュー対面部５０と、を有する。

フラットスクリュー４０は、軸線方向（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スクリューであり、その回転軸ＲＸと交差する面である下面４８に、溝部４２が形成されている。上述した材料供給部２０の連通路２２は、フラットスクリュー４０の側面から、当該溝部４２に接続されている。フラットスクリュー４０の具体的な形状については後述する。

フラットスクリュー４０は、その軸線方向がＺ方向に平行になるように配置され、円周方向に沿って回転する。図１には、フラットスクリュー４０の回転軸ＲＸを一点鎖線で図示してある。第１実施形態では、フラットスクリュー４０の中心軸とその回転軸ＲＸとは一致する。

フラットスクリュー４０は、スクリューケース３１内に収納されている。フラットスクリュー４０は上面４７側が駆動モーター３２に連結されており、駆動モーター３２が発生させる回転駆動力によって、スクリューケース３１内において回転する。駆動モーター３２は、制御部３００の制御下において駆動する。

フラットスクリュー４０の下面４８は、スクリュー対面部５０の上面５２に面しており、フラットスクリュー４０の下面４８の溝部４２と、スクリュー対面部５０の上面５２との間には空間が形成される。吐出ユニット１１０では、フラットスクリュー４０とスクリュー対面部５０との間のこの空間に、材料供給部２０から材料が供給される。

スクリュー対面部５０には、材料を加熱するためのヒーター５８が埋め込まれている。フラットスクリュー４０の溝部４２内に供給された材料は、フラットスクリュー４０の回転によって、可塑化されて溶融材料へと転化されつつ、溝部４２に沿って流動し、フラットスクリュー４０の中央部４６へと導かれる（詳細は後述）。中央部４６に流入した溶融材料は、スクリュー対面部５０の中心に設けられた連通孔５６を介して、ヘッド部６０に供給される。

ヘッド部６０は、ノズル６１と、流路６５と、を有する。ノズル６１は、先端の吐出口６２から溶融材料を吐出する。吐出口６２は、予め決められた孔径Ｄｎを有している。ノズル６１は、流路６５を通じて、スクリュー対面部５０の連通孔５６に接続されている。流路６５は、フラットスクリュー４０とノズル６１との間の溶融材料の流路である。可塑化部３０において可塑化された溶融材料は、連通孔５６から流路６５へと流れ、ノズル６１の吐出口６２から造形ステージ部２００の造形台２２０Ａに向かって吐出される。

三次元造形装置１００Ａでは、溶融材料の吐出のための機構としてフラットスクリュー４０を用いていることによって、吐出ユニット１１０のＺ方向におけるサイズが小型化されている。また、駆動モーター３２の回転数に応じたノズル６１からの溶融材料の吐出流量を高い精度で制御することが可能になっている。

なお、第１実施形態では、溶融材料は、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６１から射出される。例えば、ＡＢＳ樹脂は、ガラス転移点が約１２０℃であり、ノズル６１からの射出時には約２００℃となる。このように高温の状態で溶融材料を射出するために、ノズル６１の周囲にはヒーターが設けられてもよい。

造形ステージ部２００は、テーブル２１０と、テーブル２１０上に載置された造形台２２０Ａと、造形台２２０Ａを変位させる移動機構２３０と、を備える。造形台２２０Ａは、ノズル６１から吐出された溶融材料を受ける。移動機構２３０は、３つのモーターＭの駆動力によって、造形台２２０ＡをＸ，Ｙ，Ｚ方向の３軸方向に移動させる３軸ポジショナーによって構成される。造形ステージ部２００は、制御部３００の制御下において、ノズル６１と造形台２２０Ａとの相対的な位置関係を変更する。

造形台２２０Ａには、造形台２２０Ａ上において溶融材料が硬化する際の収縮を抑制する収縮抑制部２５０Ａが設けられている。第１実施形態の収縮抑制部２５０Ａは、溶融材料を加熱する加熱部２５１によって構成される。加熱部２５１は、例えば、電熱器によって構成される。第１実施形態では、加熱部２５１は、造形台２２０Ａの内部に埋設されて、溶融材料が着地する造形面２２１を加熱する。

なお、加熱部２５１は、造形台２２０Ａの内部に埋設されていなくてもよく、造形台２２０Ａの外部に設けられていてもよい。加熱部２５１は、造形台２２０Ａ上に着地した溶融材料を加熱できる場所に設置されていればよい。

制御部３００は、例えば、ＣＰＵなどのプロセッサーと、メインメモリーと、不揮発性メモリーとを含むコンピューターによって実現可能である。制御部３００内の不揮発性メモリーには、三次元造形装置１００Ａを制御するためのコンピュータープログラムが格納されている。制御部３００は、吐出ユニット１１０と造形台２２０Ａの移動機構２３０とを駆動して、造形データに応じた造形台２２０Ａ上の座標の位置に溶融材料を吐出して硬化させることによって、三次元造形物を造形する造形処理を実行する。

図２は、フラットスクリュー４０の下面４８側の構成を示す概略斜視図である。図２には、可塑化部３０において回転するときのフラットスクリュー４０の回転軸ＲＸの位置が一点鎖線で図示されている。上述したように、スクリュー対面部５０（図１）に対向するフラットスクリュー４０の下面４８には、溝部４２が設けられている。以下、下面４８を、「溝形成面４８」とも呼ぶ。

フラットスクリュー４０の溝形成面４８の中央部４６は、溝部４２の一端が接続されている凹部として構成されている。中央部４６は、スクリュー対面部５０の連通孔５６（図１）に対向する。第１実施形態では、中央部４６は、回転軸ＲＸと交差する。

フラットスクリュー４０の溝部４２は、いわゆるスクロール溝を構成する。溝部４２は、中央部４６から、フラットスクリュー４０の外周に向かって弧を描くように渦状に延びている。溝部４２は、螺旋状に延びるように構成されているとしてもよい。なお、図２には、３つの溝部４２の側壁部を構成し、各溝部４２に沿って延びている３つの凸条部４３を有するフラットスクリュー４０の例が図示されている。フラットスクリュー４０に設けられる溝部４２や凸条部４３の数は、３つには限定されない。フラットスクリュー４０には、１つの溝部４２のみが設けられていてもよいし、２以上の複数の溝部４２が設けられていてもよい。また、溝部４２の数に合わせて任意の数の凸条部４３が設けられてもよい。

溝部４２は、フラットスクリュー４０の側面に形成された材料流入口４４まで連続している。この材料流入口４４は、材料供給部２０の連通路２２（図１）を介して供給された材料を受け入れる部分である。なお、図２には、材料流入口４４が３箇所に形成されているフラットスクリュー４０の例が図示されている。フラットスクリュー４０に設けられる材料流入口４４の数は、３箇所に限定されない。フラットスクリュー４０には、材料流入口４４が１箇所にのみ設けられていてもよいし、２箇所以上の複数の箇所に設けられていてもよい。

フラットスクリュー４０が回転すると、材料流入口４４から供給された材料が、溝部４２内において加熱されながら可塑化されて溶融し、溶融材料に転化される。そして、その溶融材料は、溝部４２を通じて中央部４６へと流動する。

図３は、スクリュー対面部５０の上面５２側を示す概略平面図である。スクリュー対面部５０の上面５２は、上述したように、フラットスクリュー４０の溝形成面４８に対向する。以下、この上面５２を、「スクリュー対向面５２」とも呼ぶ。スクリュー対向面５２の中心には、溶融材料をノズル６１に供給するための上述した連通孔５６が形成されている。

スクリュー対向面５２には、連通孔５６に接続され、連通孔５６から外周に向かって渦状に延びている複数の案内溝５４が形成されている。複数の案内溝５４は、溶融材料を連通孔５６に導く機能を有する。上述したように、スクリュー対面部５０には、材料を加熱するためのヒーター５８が埋め込まれている（図１）。可塑化部３０における材料の可塑化は、ヒーター５８による加熱と、フラットスクリュー４０の回転と、によって実現される。

図４は、造形台２２０Ａ上において、三次元造形物ＯＢが造形されていく様子を模式的に示す概略図である。三次元造形装置１００Ａの造形処理では、ノズル６１から造形台２２０Ａ上に吐出された溶融材料が硬化した材料層を積み重ねることによって、三次元造形物ＯＢ（以下、単に「造形物ＯＢ」とも呼ぶ。）が造形される。

三次元造形装置１００Ａでは、造形処理の際に、ノズル６１の先端の吐出口６２と、これから形成しようとしている材料層が積層される上面ＯＢｔとの間に、予め決められた間隔のギャップＧＰが設けられる。ここで、「材料層が積層される上面ＯＢｔ」とは、ノズル６１の直下の位置の近傍においてノズル６１から吐出された溶融材料が堆積される予定部位を意味する。なお、上面ＯＢｔの位置は、造形台２２０Ａの上面である造形面２２１上に造形物ＯＢの最下層ＢＬを形成する場合には、その造形面２２１の表面の位置である。ノズル６１の直下に既に材料層が形成されており、その上段に材料層を形成する場合には、図４に示されているように、当該材料層の上端面の位置である。

ギャップＧＰの大きさは、ノズル６１の吐出口６２における孔径Ｄｎ以上とすることが望ましく、孔径Ｄｎの１．１倍以上とすることがより好ましい。こうすれば、ノズル６１の吐出口６２から吐出される溶融材料が、材料層を形成しようとしている上面ＯＢｔに押しつけられない自由な状態で、その上面ＯＢｔに堆積される。この結果、ノズル６１から吐出された溶融材料の横断面形状が潰れてしまうことを抑制でき、三次元造形物ＯＢの面粗さを低減することが可能である。また、上述したような、ノズル６１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ＧＰ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、三次元造形物ＯＢに堆積された材料の過熱による変色や劣化が抑制される。

一方、ギャップＧＰ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、溶融材料が配置される予定部位に対する精度の低下や、製造中の三次元造形物ＯＢの上面ＯＢｔに対する溶融材料の密着性の低下が抑制される。

上述したように、第１実施形態の造形台２２０Ａには、収縮抑制部２５０Ａとして機能する加熱部２５１が設けられている。造形処理では、加熱部２５１によって、造形台２２０Ａの造形面２２１が、材料供給部２０に投入されている材料のガラス転移温度Ｔｇ以上の温度まで加熱されている。より具体的には、加熱部２５１は、造形台２２０Ａの造形面２２１を、当該ガラス転移温度Ｔｇより１０℃程度高い温度まで加熱することが望ましい。なお、制御部３００は、造形処理を開始する際に、ユーザーが設定した材料の種類に応じて、加熱部２５１による加熱温度を設定するものとしてもよい。

加熱部２５１によって造形台２２０Ａの造形面２２１が加熱されていることによって、造形物ＯＢの最下層ＢＬを構成する溶融材料が当該造形面２２１に着地したときの当該溶融材料の急激な温度低下が抑制される。また、最下層ＢＬを構成する溶融材料が硬化する際に、その温度が保温され、急激な収縮が抑制される。よって、例えば、最下層ＢＬが造形台２２０Ａから剥離してしまうなど、最下層ＢＬの造形状態が不安定になってしまうことが抑制される。そのため、その後、最下層ＢＬの上に材料層を安定的に積層していくことができ、材料の収縮に起因する造形精度の低下が抑制される。

特に、造形台２２０Ａの造形面２２１が、材料のガラス転移温度Ｔｇより高い温度で加熱されていれば、溶融材料が硬化してしまわない程度の温度に溶融材料の温度を保持しやすい。また、造形台２２０Ａの造形面２２１を、材料のガラス転移温度Ｔｇ＋１０℃より低い温度で加熱すれば、最下層ＢＬを構成する溶融材料の熱劣化を抑制することができるため、造形物ＯＢの底面状態が劣化してしまうことが抑制される。加えて、造形台２２０Ａの造形面２２１の加熱温度が材料のガラス転移温度Ｔｇ＋１０℃より低い温度であれば、溶融材料を、ある程度硬化できる程度の温度に保持することができる。よって、加熱温度が高すぎて、溶融材料の硬化が遅れ、最下層ＢＬの形状が潰れてしまうことが抑制される。

図５には、材料としてＡＢＳ樹脂を用いた場合の最下層ＢＬの造形状態の実験結果をまとめた表が示されている。表中の「温度」は、造形面２２１の表面の温度の実測値である。この表において、「Ａ」は良好な状態であったことを示し、「Ｂ」は、それよりもやや劣った状態であったことを示し、「Ｃ」は、許容できない範囲まで劣化した状態であったことを示している。この実験で使用したＡＢＳ樹脂のガラス転移温度Ｔｇは、概ね１１０℃であった。

造形面２２１を加熱せず、常温のままにしたときには、最下層ＢＬには凹状に反る変形が生じてしまった。造形面２２１を８０℃に加熱したときには、最下層ＢＬは著しく変形してしまい、その底面の表面性状は粗くなってしまった。造形面２２１を１００℃、１０５℃に加熱したときには、最下層ＢＬはわずかに凸状に反ってしまい、最下層ＢＬの底面の表面性状は粗くなってしまった。造形面２２１を１１０〜１１７℃まで加熱したときには、最下層ＢＬの変形が抑制され、その底面の表面性状も滑らかになった。造形面２２１を１２０℃まで加熱したときには、最下層ＢＬの変形が抑制されたものの、底面の表面性状はやや劣化していた。この結果から、造形面２２１の加熱温度は、材料のガラス転移温度Ｔｇより高いことが望ましく、ガラス転移温度Ｔｇ＋１０℃より低い温度であることがより望ましいと言える。

以上のように、第１実施形態の三次元造形装置１００Ａによれば、収縮抑制部２５０Ａである加熱部２５１によって造形台２２０Ａに吐出に吐出された溶融材料が加熱される。この加熱により、造形台２２０Ａ上で溶融材料が保温されて、その急激な温度低下が抑制され、緩やかに硬化することにより、材料の収縮が抑制される。よって、材料の収縮に起因する造形精度の低下が抑制される。その他に、第１実施形態の三次元造形装置１００Ａおよび三次元造形装置１００Ａにおいて実現されている造形方法によれば、第１実施形態中で説明した種々の作用効果を奏することができる。

２．第２実施形態：
図６は、第２実施形態における三次元造形装置１００Ｂの構成を示す概略図である。図６には、吐出ユニット１１０のノズル６１の先端と、造形ステージ部２００と、を抜き出して図示してあり、造形台２２０Ｂ上において、三次元造形物ＯＢが造形されていく様子が模式的に示されている。

第２実施形態の三次元造形装置１００Ｂは、第１実施形態の造形台２２０Ａの代わりに、第２実施形態の造形台２２０Ｂを備えている点以外は、第１実施形態の三次元造形装置１００Ａとほぼ同じ構成を有している。第２実施形態の造形台２２０Ｂには、第１実施形態の収縮抑制部２５０Ａである加熱部２５１とは異なる第２実施形態の収縮抑制部２５０Ｂが設けられている。

第２実施形態の収縮抑制部２５０Ｂは、造形台２２０Ｂの表面の凹凸構造を構成する凹凸層２５２によって構成される。第２実施形態では、凹凸層２５２の表面が造形面２２１を構成している。凹凸層２５２の表面には、造形面２２１上での溶融材料の流動が抑制されるように、造形台２２０Ｂ表面における溶融材料が付着することが予定されている領域内の全体にわたって、多数の微細な凹凸が分布している。

凹凸層２５２の凹凸構造は、例えば、切削加工や、ショットブラスト加工、エッチング加工、シボ加工など、造形台２２０Ｂの造形面２２１に対する表面加工によって形成されることが望ましい。なお、凹凸層２５２の凹凸構造は、最下層ＢＬの底面の表面性状が滑らかになるように、きめ細かく緻密に、ミクロン規模で構成されていることが望ましい。

第２実施形態の三次元造形装置１００Ｂであれば、造形面２２１に着地した溶融材料の移動が凹凸層２５２の凹凸構造によって抑制される。そのため、溶融材料が硬化するときの収縮が抑制され、造形台２２０Ｂ上での材料の収縮に起因する造形精度の低下が抑制される。その他に、第２実施形態の三次元造形装置１００Ｂおよび三次元造形装置１００Ｂにおいて実現されている造形方法によれば、第１実施形態および第２実施形態の中で説明した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７は、第３実施形態における三次元造形装置１００Ｃの構成を示す概略図である。図７には、吐出ユニット１１０のノズル６１の先端と、造形ステージ部２００と、を抜き出して図示してあり、造形台２２０Ｃ上において、三次元造形物ＯＢが造形されていく様子が模式的に示されている。

第３実施形態の三次元造形装置１００Ｃは、第２実施形態の造形台２２０Ｂの代わりに、第３実施形態の造形台２２０Ｃを有している点以外は、第２実施形態の三次元造形装置１００Ｂとほぼ同じ構成を有している。第３実施形態の造形台２２０Ｃには、第２実施形態の収縮抑制部２５０Ｂを構成する凹凸層２５２の代わりに、第３実施形態の収縮抑制部２５０Ｃを構成する繊維層２５３が設けられている。

繊維層２５３は、繊維材料によって構成されている。繊維層２５３は、繊維材料を構成する繊維の絡み合いによって形成された凹凸構造を表面に有している。繊維層２５３を構成する繊維材料は、動物や植物由来の繊維によって構成されるものに限らず、炭素繊維など、工業的に製造される繊維によって構成されるものも含まれる。繊維層２５３は、例えば、木材や、木材を加工した材料を材料として形成された基材、紙、布状の繊維部材などによって構成される。なお、木材や紙であれば、入手が容易で、取扱いが容易であるため、より簡易に繊維層２５３を構成することができる。

第３実施形態では、繊維層２５３の表面が、溶融材料が付着する造形面２２１を構成する。繊維層２５３は、造形台２２０Ｃ上に着脱可能に配置される。なお、繊維層２５３は、溶融材料が付着したときに表面にシワがよらないように、平坦に延ばされた状態で固定されていることが望ましい。三次元造形装置１００Ｃでは、造形台２２０Ｃに、繊維層２５３を造形台２２０Ｃに固定するための固定部２６１が設けられている。固定部２６１は、例えば、繊維層２５３の外周縁部に掛かって繊維層２５３を留める係止部によって構成される。固定部２６１は、係止部に限定されることはなく、例えば、繊維層２５３の外周縁に貼付されるテープや、繊維層２５３の下面に配置される接着層、あるいは、面ファスナーによって構成されてもよい。

三次元造形装置１００Ｃでは、以下の工程を備える造形方法によって、造形物ＯＢが造形されていると解釈される。この造形方法は、少なくとも、収縮抑制部２５０Ｃとしての繊維層２５３を配置して造形台２２０Ｃを準備する工程と、ノズル６１から造形台２２０Ｃの収縮抑制部２５０Ｃである繊維層２５３に向かって溶融材料を吐出して、収縮抑制部２５０Ｃに付着させて硬化させる工程と、を備える。

第３実施形態の三次元造形装置１００Ｃおよび造形方法によれば、繊維層２５３の繊維によって、溶融材料の移動が抑制されるため、造形台２２０Ｃ上での材料の収縮が抑制される。よって、材料の収縮に起因する造形精度の低下が抑制される。また、繊維層２５３内部の繊維間の微細な空隙が断熱層として機能し、溶融材料の急激な温度低下が抑制されるため、造形台２２０Ｃ上での材料の収縮が、より一層、抑制される。加えて、繊維層２５３の凹凸構造は、微細な繊維の絡み合いによって形成されたものであるため、造形物ＯＢの最下層ＢＬの底面の表面性状が粗くなってしまうことが抑制される。その他に、繊維層２５３によって造形面２２１が構成されていれば、造形が完了した後の造形物ＯＢを造形面２２１から容易に剥がすことができる。第３実施形態の三次元造形装置１００Ｃによれば、繊維層２５３が造形台２２０Ｃに対して着脱可能に構成されているため、造形台２２０Ｃや繊維層２５３の交換・修繕・クリーニングなどのメンテナンスを容易におこなうことができる。その他に、第３実施形態の三次元造形装置１００Ｃおよび造形方法によれば、上記の各実施形態中で説明した種々の作用効果を奏することができる。

４．第４実施形態：
図８は、第４実施形態における三次元造形装置１００Ｄの構成を示す概略図である。図８には、吐出ユニット１１０のノズル６１の先端と、造形ステージ部２００と、を抜き出して図示してあり、造形台２２０Ｄ上において、三次元造形物ＯＢが造形されていく様子が模式的に示されている。

第４実施形態の三次元造形装置１００Ｄは、第３実施形態の造形台２２０Ｃの代わりに、第４実施形態の造形台２２０Ｄを有している点以外は、第３実施形態の三次元造形装置１００Ｃとほぼ同じ構成を有している。第４実施形態の造形台２２０Ｄには、第３実施形態の収縮抑制部２５０Ｃを構成する繊維層２５３の代わりに、第４実施形態の収縮抑制部２５０Ｄを構成する繊維層２５４が設けられている。

第４実施形態の繊維層２５４は、表面にコート層２５４ｃが設けられている点以外は、第３実施形態の繊維層２５４とほぼ同じである。繊維層２５４は、繊維が絡み合って形成され、コート層２５４ｃによって被覆された凹凸構造を表面に有する凹凸層を構成する。

繊維層２５４の表面のコート層２５４ｃは、ノズル６１から吐出された溶融材料の付着によって溶融する材料によって構成されている。当該材料としては、例えば、樹脂や、顔料を含む塗料などが含まれる。コート層２５４ｃを構成する材料は、溶融したときに、ノズル６１から吐出される溶融材料と混ざり合うことができる材料であることが望ましい。コート層２５４ｃは、少なくとも、繊維層２５４の表面のうち、溶融材料が付着することが予定されている領域を被覆するように形成される。

なお、繊維層２５４は、印刷に用いられるコート紙によって構成されてもよい。コート紙のコート層２５４ｃは、紙面に、顔料などの塗料や接着材を混ぜた材料を塗工することによって形成される。コート紙であれば、入手が容易で、取扱いが容易であるため、より簡易に繊維層２５４を構成することができる。また、造形物ＯＢの底面の表面性状をより滑らかにすることができる。

三次元造形装置１００Ｄの造形処理では、繊維層２５４がコート層２５４ｃを有していることによって、最下層ＢＬを構成する材料の収縮が、さらに抑制される。これは、繊維層２５４に溶融材料が付着したときに、コート層２５４ｃを構成する材料が、コート層２５４ｃの表層において溶融して、当該溶融材料と混ざり合って硬化することによって、繊維層２５３に対する材料の付着性が高められるためであると推察される。また、三次元造形装置１００Ｄによれば、繊維層２５４のコート層２５４ｃを構成する材料が溶融して造形物ＯＢの最下層ＢＬの底面に付着することによって、最下層ＢＬの底面をより滑らかにすることができる。その他に、第４実施形態の三次元造形装置１００Ｄおよび三次元造形装置１００Ｄにおいて実現される造形方法によれば、上記の各実施形態中で説明した種々の作用効果を奏することができる。

５．第５実施形態：
図９を参照して、第５実施形態における三次元造形装置１００Ｅおよび造形方法を説明する。図９には、三次元造形装置１００Ｅが備える構成のうち、第５実施形態の繊維層２５５が設けられた造形台２２０Ｅのみが抜き出されて図示されている。また、繊維層２５５の造形面２２１上において造形されて取り外された状態の造形物ＯＢが模式的に図示されている。図９では、便宜上、固定部２６１の図示は省略されている。また、造形面２２１上に造形物ＯＢが配置されていた領域ＬＡを一点鎖線で図示してある。

第５実施形態の三次元造形装置１００Ｅは、第４実施形態の造形台２２０Ｄの代わりに、第５実施形態の造形台２２０Ｅを有している点以外は、第４実施形態の三次元造形装置１００Ｄとほぼ同じ構成を有している。第５実施形態の造形台２２０Ｅには、第４実施形態の収縮抑制部２５０Ｄを構成する繊維層２５４の代わりに、第５実施形態の収縮抑制部２５０Ｅを構成する繊維層２５５が設けられている。第５実施形態の繊維層２５５は、第４実施形態で説明したコート層２５４ｃの代わりに、コート層２５５ｃが設けられている点以外は、第４実施形態の繊維層２５４とほぼ同じである。

第５実施形態のコート層２５５ｃは、色インクＩＮを有している点以外は、第４実施形態のコート層２５４ｃとほぼ同じである。色インクＩＮは、コート層２５５ｃの表面に塗布あるいは付着されているものとしてもよいし、コート層２５５ｃ中に浸透されているものとしてもよい。あるいは、予め、コート層２５５ｃを構成する材料として、コート層２５５ｃ中に含有されていてもよい。コート層２５５ｃには、色インクＩＮによって画像が形成されているものとしてもよい。繊維層２５４がコート紙によって構成されている場合、印刷によって、色インクＩＮをコート層２５５ｃに付着させることができる。

コート層２５５ｃが有する色インクＩＮは、造形処理において、コート層２５５ｃを構成する材料とともに、造形物ＯＢの最下層ＢＬの底面に転写される。よって、第５実施形態の三次元造形装置１００Ｅによれば、造形物ＯＢに対する着色や、画像の印刷を簡易におこなうことができる。なお、第５実施形態の三次元造形装置１００Ｅでは、色インクＩＮを有するコート層２５５ｃが設けられた繊維層２５５を配置して造形台２２０Ｅを準備する工程と、当該繊維層２５５に向かって溶融材料を吐出して造形物を造形することによって、造形物ＯＢに色インクＩＮを転写する工程と、を備える造形方法が実現されていると解釈できる。

以上のように、第５実施形態の三次元造形装置１００Ｅおよび造形方法によれば、繊維層２５５によって、造形台２２０Ｅ上での材料の収縮に起因する造形精度の低下を抑制できるとともに、造形物ＯＢに対する着色を容易、かつ、効率的におこなうことができる。その他に、第５実施形態の三次元造形装置１００Ｅおよび造形方法によれば、上記の各実施形態中で説明した種々の作用効果を奏することができる。

６．第６実施形態：
図１０は、第６実施形態における三次元造形装置１００Ｆの構成を示す概略図である。図１０には、吐出ユニット１１０のノズル６１の先端と、造形ステージ部２００と、を抜き出して図示してあり、造形台２２０Ｃ上において、三次元造形物ＯＢが造形されていく様子が模式的に示されている。第６実施形態の三次元造形装置１００Ｆは、処理室２７０と、温度調整部２７１と、を備えている点以外は、第３実施形態の三次元造形装置１００Ｃの構成とほぼ同じである。

処理室２７０は、気密に密封された閉鎖空間として構成され、少なくとも、ノズル６１と、造形台２２０Ｃと、を収容している。温度調整部２７１は、例えば、ヒーターによって構成され、制御部３００の制御下において、造形処理の実行中における処理室２７０内の雰囲気温度を調整する。温度調整部２７１は、処理室２７０の雰囲気温度を、材料のガラス転移温度Ｔｇに近い温度に調整する。温度調整部２７１は、例えば、処理室２７０の雰囲気温度を、１００℃程度に調整する。

第６実施形態の三次元造形装置１００Ｆによれば、造形処理の際に、処理室２７０の雰囲気温度が高められているため、造形台２２０Ｃ上に吐出された溶融材料の急激な温度低下が抑制される。従って、造形台２２０Ｃ上での材料の収縮が抑制され、そうした材料の収縮に起因する造形精度の低下が抑制される。また、処理室２７０内において造形処理が実行されるため、塵や埃などの異物が造形中の造形物ＯＢに付着してしまうことが抑制される。その他に、第６実施形態の三次元造形装置１００Ｆおよび三次元造形装置１００Ｆにおいて実現されている造形方法によれば、上記の各実施形態中で説明した種々の作用効果を奏することができる。なお、処理室２７０および温度調整部２７１は、第１実施形態や、第２実施形態、第４実施形態、第５実施形態の三次元造形装置１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｄ，１００Ｅに適用されてもよい。

７．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、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。

７−１．他の実施形態１：
上記の第１実施形態の三次元造形装置１００Ａの収縮抑制部２５０Ａである加熱部２５１は、他の実施形態の三次元造形装置１００Ｂ〜１００Ｆに適用されてもよい。つまり、第２実施形態や第３実施形態、第４実施形態、第５実施形態の造形台２２０Ｂ，２２０Ｃ，２２０Ｄ，２２０Ｅに、収縮抑制部２５０Ｂ，２５０Ｃ，２５０Ｄ，２５０Ｅの構成に加えて、第１実施形態の加熱部２５１が設けられてもよい。

７−２．他の実施形態２：
上記の第２実施形態の三次元造形装置１００Ｂにおいて、造形台２２０Ｃに設けられた凹凸層２５２の表面に、造形物ＯＢの剥離を容易にするための離型材が配置されていてもよい。

７−３．他の実施形態３：
上記の第３実施形態、第４実施形態、第５実施形態、第６実施形態の三次元造形装置１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ，１００Ｆにおいて、収縮抑制部２５０Ｃ，２５０Ｄ，２５０Ｅである繊維層２５３，２５４，２５５は、造形台２２０Ｃ，２２０Ｄ，２２０Ｅに対して着脱可能に構成されていなくてもよい。繊維層２５３，２５４，２５５は、造形台２２０Ｃ，２２０Ｄ，２２０Ｅと一体化されていてもよい。上記の第１実施形態の三次元造形装置１００Ａにおいて、加熱部２５１は、造形台２２０Ａに対して着脱可能に構成されていてもよい。加熱部２５１は、造形台２２０Ａの内部に取り出し可能に挿入される構成を有していてもよいし、造形台２２０Ａの外部において、着脱可能に構成されていてもよい。上記の第２実施形態の三次元造形装置１００Ｂにおいて、凹凸層２５２は、造形台２２０Ｂに対して着脱可能に構成されていてもよい。

７−４．他の実施形態４：
上記の各実施形態において、材料供給部２０は、ホッパーによって構成されていなくてもよい。吐出ユニット１１０〜１１０Ｄにおいて材料供給部２０は省略されてもよい。また、材料供給部２０は、フラットスクリュー４０に対して、固体状態の材料を供給するように構成されていなくてもよい。材料供給部２０は、既に可塑化された状態の溶融材料や、一部の材料が可塑化された半溶融状態の材料を、フラットスクリュー４０に供給するように構成されていてもよい。

７−５．他の実施形態５：
上記の各実施形態において、三次元造形装置１００Ａ〜１００Ｆは、造形台２２０Ａ〜２２０Ｅを三次元的に移動させる移動機構２３０の代わりに、吐出ユニット１１０のノズル６１を三次元的に移動させる移動機構を採用してもよい。或いは、ノズル６１と造形台２２０Ａ〜２２０Ｅの一方を１軸又は２軸方向に移動させ、他方を残りの軸方向に移動させる移動機構を採用してもよい。

７−６．他の実施形態６：
上記実施形態において、可塑化部３０における材料の可塑化は、ヒーター５８による加熱とフラットスクリュー４０の回転とによって実現されている。これに対して、材料の可塑化は、他の構成によって実現されてもよい。例えば、周囲にヒーターを配置したシリンダー内に、Ｙ方向における長さがＸ方向における長さよりも長い長尺状のスクリューが挿入された単軸スクリュー押出機によって、材料の可塑化が実現されてもよい。あるいは、熱可塑性の材料で構成されたフィラメントを、モーターギヤによって金属の筒状のエクストルーダーを通じてノズルに向かって送りつつ、当該エクストルーダー内において加熱溶融し、ノズルから押し出す構成を採用してもよい。

７−７．他の実施形態７：
上記実施形態において、ソフトウェアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、回路を含むハードウェアによって実現されてもよい。また、ハードウェアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ソフトウェアによって実現されてもよい。ハードウェアとしては、例えば、集積回路、ディスクリート回路、または、それらの回路を組み合わせた回路モジュールなど、各種回路を用いることができる。

本発明は、上述の実施形態（他の実施形態を含む）や実施例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須ではないと説明されているものに限らず、その技術的特徴が本明細書中に必須であると説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

２０…材料供給部、２２…連通路、３０…可塑化部、３１…スクリューケース、３２…駆動モーター、４０…フラットスクリュー、４２…溝部、４３…凸条部、４４…材料流入口、４６…中央部、４８…溝形成面、５０…スクリュー対面部、５２…スクリュー対向面、５４…案内溝、５６…連通孔、５８…ヒーター、６０…ヘッド部、６１…ノズル、６２…吐出口、６５…流路、１００Ａ…三次元造形装置、１００Ｂ…三次元造形装置、１００Ｃ…三次元造形装置、１００Ｄ…三次元造形装置、１００Ｅ…三次元造形装置、１００Ｆ…三次元造形装置、１１０…吐出ユニット、２００…造形ステージ部、２１０…テーブル、２２０Ａ…造形台、２２０Ｂ…造形台、２２０Ｃ…造形台、２２０Ｄ…造形台、２２０Ｅ…造形台、２２１…造形面、２３０…移動機構、２５０Ａ…収縮抑制部、２５０Ｂ…収縮抑制部、２５０Ｃ…収縮抑制部、２５０Ｄ…収縮抑制部、２５０Ｅ…収縮抑制部、２５１…加熱部、２５２…凹凸層、２５３…繊維層、２５４…繊維層、２５４ｃ…コート層、２５５…繊維層、２５５ｃ…コート層、２６１…固定部、２７０…処理室、２７１…温度調整部、３００…制御部、ＢＬ…最下層、ＧＰ…ギャップ、ＩＮ…色インク、Ｍ…モーター、ＯＢ…三次元造形物（造形物）、ＯＢｔ…上面、ＲＸ…回転軸

Claims (12)

1. 三次元造形物を造形する三次元造形装置であって、
   熱可塑性を有する材料を可塑化させた溶融材料を吐出するノズルと、
   前記ノズルから吐出された前記溶融材料を受ける造形台と、
   を備え、
   前記造形台には、前記溶融材料が硬化する際の収縮を抑制する収縮抑制部が設けられており、
   前記収縮抑制部は、前記溶融材料が付着する前記造形台の表面の凹凸構造を構成する凹凸層を含み、
   前記凹凸構造は、前記造形台に対して凹部を構成する加工を施すことによって構成されたものである、三次元造形装置。
2. 請求項１に記載の三次元造形装置であって、
   前記収縮抑制部は、繊維によって構成されている繊維層を含む、三次元造形装置。
3. 請求項２記載の三次元造形装置であって、
   前記繊維層は、木材、または、紙によって構成されている、三次元造形装置。
4. 三次元造形物を造形する三次元造形装置であって、
   熱可塑性を有する材料を可塑化させた溶融材料を吐出するノズルと、
   前記ノズルから吐出された前記溶融材料を受ける造形台と、
   を備え、
   前記造形台には、前記溶融材料が硬化する際の収縮を抑制する収縮抑制部が設けられており、
   前記収縮抑制部は、繊維によって構成されている繊維層を含み、
   前記繊維層の表面には、前記溶融材料の付着によって溶融する材料によって構成されているコート層が設けられている、三次元造形装置。
5. 請求項４記載の三次元造形装置であって、
   前記繊維層は、紙面に前記コート層が形成されたコート紙によって構成されている、三次元造形装置。
6. 請求項４または請求項５記載の三次元造形装置であって、
   前記コート層は、色インクを有する、三次元造形装置。
7. 請求項４から請求項６のいずれか一項に記載の三次元造形装置であって、
   前記収縮抑制部は、前記造形台に対して着脱可能に構成されている、三次元造形装置。
8. 請求項４から請求項７のいずれか一項に記載の三次元造形装置であって、さらに、
   前記ノズルと、前記造形台と、を収容する処理室と、
   前記処理室内の雰囲気温度を調整する温度調整部と、
   を備える、三次元造形装置。
9. 請求項４から請求項８のいずれか一項に記載の三次元造形装置であって、さらに、
   固体材料を可塑化して前記溶融材料を生成する可塑化部を有し、
   前記可塑化部は、
   渦状に延びている溝部が形成された溝形成面を有するフラットスクリューと、
   前記溝形成面に対向する対向面を有し、連通孔が形成されたスクリュー対面部と、
   前記フラットスクリューを回転させる駆動モーターと、を有し、
   前記フラットスクリューの側面には、前記溝部と連通し、かつ、前記固体材料を受け入れる材料導入口が形成されており、
   前記フラットスクリューを回転させることによって、前記材料導入口で受け入れた前記固体材料を前記溶融材料に転化させ、前記溶融材料を前記連通孔を通じて前記ノズルへと導く、三次元造形装置。
10. 請求項９記載の三次元造形装置であって、
    前記対向面には、前記連通孔に接続されている案内溝を有する、三次元造形装置。
11. 請求項９または１０に記載の三次元造形装置であって、
    前記溝形成面には、複数の前記溝部が形成されている、三次元造形装置。
12. 三次元造形物を造形する方法であって、
    溶融材料が硬化する際の収縮を抑制する収縮抑制部として、表面に凹凸構造を有している繊維層を配置し、ノズルから吐出される前記溶融材料を受ける造形台を準備する工程と、
    前記ノズルから前記造形台の前記繊維層に向かって前記溶融材料を吐出して、前記繊維層に付着させて硬化させる工程と、
    を備え、
    前記収縮抑制部は、繊維によって構成されている繊維層を含み、
    前記繊維層の表面には、前記溶融材料の付着によって溶融する材料によって構成されているコート層が設けられている、方法。

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