JP7120417B2 - 三次元造形装置および三次元造形装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、三次元造形装置および三次元造形装置の制御方法に関する。

溶融させた樹脂材料をノズルから吐出して積層し、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（例えば、下記の特許文献１）。

特開２０１７－３５８１１号公報

そうした三次元造形装置での造形処理では、通常、溶融された材料のノズルからの吐出と停止とが繰り返される。しかしながら、ノズルからの材料の吐出を停止させる際には、ノズルからの材料の流出が即座に停止されず、材料の吐出の停止タイミングに遅れが生じる場合や、材料の吐出量が予定されていた量よりも過剰になってしまう場合があった。また、ノズルからの材料の吐出を再開させる際に、ノズルへの材料の供給遅れによって、材料の吐出タイミングに遅れが生じる場合や、材料の吐出量が不足し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、ノズルからの材料の吐出タイミングや吐出量の精度を高めることについて、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、
溶融材料を吐出するノズルと、
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、熱可塑性を有する材料を可塑化させた前記溶融材料を、前記溝部を通じて前記ノズルへと導く可塑化部と、
前記フラットスクリューと前記ノズルとの間の流路に設けられ、前記ノズルからの前記溶融材料の流出を制御する吐出制御機構と、
を備え、
前記吐出制御機構は、シャッターによって前記流路を開閉する開閉機構を含む、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の制御方法であって、
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を駆動モーターによって回転させ、熱可塑性を有する材料を可塑化させた溶融材料を、前記溝部を通じてノズルへと導き、前記ノズルから吐出させる吐出工程と、
前記フラットスクリューと前記ノズルとの間の前記溶融材料の流路に設けられた吐出制御機構を駆動させて、前記ノズルからの前記溶融材料の流出を制御する流出制御工程と、
を備え、
前記流出制御工程は、前記ノズルから前記溶融材料が吐出されている間に、前記吐出制御機構のうち上流側に設けられている方を駆動させた後に、下流側に設けられている方を駆動させて、前記ノズルからの前記溶融材料の流出を停止させる吐出停止工程を含む、制御方法。

［１］本発明の一形態によれば、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、溶融材料を吐出するノズルと；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、熱可塑性を有する材料を可塑化させた前記溶融材料を、前記溝部を通じて前記ノズルへと導く可塑化部と；前記フラットスクリューと前記ノズルとの間の流路に設けられ、前記ノズルからの前記溶融材料の流出を制御する吐出制御機構と；を備える。
この形態の三次元造形装置によれば、フラットスクリューとノズルとの間に設けられた吐出制御機構によって、溶融材料のノズルからの流出が制御される。よって、ノズルからの溶融材料の吐出の開始タイミングや停止タイミング、溶融材料の吐出量を、より高い精度で制御することができる。

［２］上記形態の三次元造形装置において、前記吐出制御機構は、シャッターによって前記流路を開閉する開閉機構を含んでよい。
この形態の三次元造形装置によれば、シャッターによって流路が開閉されるため、ノズルからの溶融材料の吐出の開始や停止を、より適切なタイミングでおこなうことができる。また、シャッターによる流路の閉塞によって、ノズルからの溶融材料の吐出を停止している間のノズルからの溶融材料の漏洩の発生が抑制される。

［３］上記形態の三次元造形装置において、前記吐出制御機構は、前記流路に接続された分岐流路へと前記溶融材料を吸引して、前記流路に負圧を発生させる圧力変更部を含んでよい。
この形態の三次元造形装置によれば、フラットスクリューとノズルとの間の流路内での負圧の発生により、ノズルからの溶融材料の吐出を迅速に停止させることができる。また、吐出制御機構として、シャッターと圧力変更部の両方を有する構成とすれば、ノズルからの溶融材料の吐出の制御性をより一層高めることができる。

［４］上記形態の三次元造形装置において、前記開閉機構の前記シャッターは、前記圧力変更部の前記分岐流路よりも上流側に設けられてよい。
この形態の三次元造形装置によれば、シャッターによって流路を閉じた後に、シャッターの下流に残っている溶融材料がノズルから流出してしまうことを、圧力変更部によって抑制することができる。

［５］上記形態の三次元造形装置において、前記圧力変更部の前記分岐流路は、前記開閉機構の前記シャッターよりも上流側に設けられてよい。
この形態の三次元造形装置によれば、シャッターによって流路を閉じたときのフラットスクリューとシャッターとの間の圧力の上昇を、圧力変更部に負圧を発生させることによって抑制することができる。

［６］上記形態の三次元造形装置において、前記圧力変更部は、前記分岐流路内の前記溶融材料を前記流路へと流出させて、前記流路の圧力を高めてよい。
この形態の三次元造形装置によれば、圧力変更部が分岐流路から流路へと溶融材料を流入させることによって、流路内の圧力を迅速に高めることができる。よって、ノズルからの溶融材料の吐出を迅速に開始させることができる。

［７］本発明の他の形態によれば、三次元造形物を造形する三次元造形装置の制御方法が提供される。この制御方法は、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を駆動モーターによって回転させ、熱可塑性を有する材料を可塑化させた溶融材料を、前記溝部を通じてノズルへと導き、前記ノズルから吐出させる吐出工程と；前記フラットスクリューと前記ノズルとの間の流路に設けられた吐出制御機構を駆動させて、前記ノズルからの前記溶融材料の流出を制御する流出制御工程と；を備える。
この形態の制御方法によれば、フラットスクリューとノズルとの間において、溶融材料のノズルからの流出を制御できるため、ノズルからの溶融材料の吐出の開始タイミングや停止タイミング、溶融材料の吐出量を、より高い精度で制御することができる。

［８］上記形態の制御方法において、前記吐出制御機構は、シャッターによって前記流路を開閉する開閉機構と、前記流路に接続された分岐流路へと前記溶融材料を吸引して、前記流路に負圧を発生させる圧力変更部と、を含み；前記流出制御工程は、前記ノズルから前記溶融材料が吐出されている間に、前記吐出制御機構のうち上流側に設けられている方を駆動させた後に、下流側に設けられている方を駆動させて、前記ノズルからの前記溶融材料の流出を停止させる吐出停止工程を含んでよい。
この形態の制御方法によれば、開閉機構のシャッターが圧力変更部の分岐流路の上流側に設けられている場合には、シャッターによって流路を閉じた後に、圧力変更部によって、シャッターの下流側に負圧を発生させることができる。よって、シャッターを閉じた後にノズルから溶融材料が漏洩してしまうことが抑制される。圧力変更部の分岐流路が開閉機構のシャッターの上流側に設けられている場合には、分岐流路へと溶融材料を流入させた上で、シャッターを閉じることができるため、シャッターの駆動に起因するノズルからの溶融材料の漏洩が抑制される。

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その制御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、溶融材料を吐出する吐出ユニットや、溶融材料の吐出方法、溶融材料を用いた三次元造形物の造形方法などの形態で実現することができる。その他に、三次元造形装置の制御方法や、前述した種々の方法を実現するためのコンピュータープログラム、そのコンピュータープログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することもできる。

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。 三次元造形物とノズルの先端との位置関係を示す説明図。 開閉機構による流路の開閉動作を示す第１概略図。 開閉機構による流路の開閉動作を示す第２概略図。 第１実施形態における造形処理のフローの一例を示す説明図。 第２実施形態の三次元造形装置が備える圧力変更部の構成を示す第１概略図。 第２実施形態の三次元造形装置が備える圧力変更部の構成を示す第２概略図。 第３実施形態の三次元造形装置が備える吐出制御機構の構成を示す概略図。 第３実施形態における造形処理のフローの一例を示す説明図。 第４実施形態の三次元造形装置が備える吐出制御機構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（鉛直方向）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１１０Ａ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１１０Ａ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２２０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１１０Ａは、材料供給部２０と、可塑化部３０と、ヘッド部６０Ａ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６０Ａ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１１０Ａ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６０Ａに供給される。

ヘッド部６０Ａは、ノズル６１と、流路６５と、吐出制御機構７０Ａ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。ノズル６１の吐出口６２は、孔径Ｄｎを有する。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２２０に向かって吐出される。

なお、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。

吐出制御機構７０Ａは、流路６５に設けられており、ノズル６１からの溶融材料の流出を制御する。第１実施形態では、吐出制御機構７０Ａは、流路６５を開閉する開閉機構７１を含む。開閉機構７１は、シャッター７２と、シャッター駆動部７３と、を含む。シャッター７２は、板状部材によって構成されており、その板面が流路６５と交差するように配置されている。シャッター７２は、その厚み方向に貫通し、流路６５に接続可能な貫通孔７２ｏを有する。

シャッター駆動部７３は、シャッター７２を流路６５と交差する方向に移動させる。シャッター駆動部７３は、制御部３００の制御下において、シャッター７２を変位させて、貫通孔７２ｏの配置位置を流路６５に対して変位させることによって流路６５を開閉する。シャッター駆動部７３は、例えば、伸縮変形してシャッター７２を変位させるピエゾ素子によって構成することができる。シャッター駆動部７３は、ピエゾ素子に限定されることはなく、ソレノイドやエアシリンダー、モーターなどのアクチュエーターによって構成されてもよい。シャッター７２による流路６５の開閉動作については後述する。

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２２０と、造形台２２０を変位させる移動機構２３０と、を備える。移動機構２３０は、３つのモーターの駆動力によって、造形台２２０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２２０との相対的な位置関係を変更する。

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１１０Ａと吐出制御機構７０Ａとを駆動して、造形データに応じた造形台２２０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、三次元造形物ＯＢとノズル６１の先端の吐出口６２との位置関係を示す説明図である。図４には、造形台２２０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。

三次元造形装置１００Ａでは、ノズル６１の先端の吐出口６２と、造形中の三次元造形物ＯＢの上面ＯＢｔとの間に、ギャップＧが保持されている。ここで、「三次元造形物ＯＢの上面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。

ギャップＧの大きさは、ノズル６１の吐出口６２における孔径Ｄｎ（図１）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、製造中の三次元造形物ＯＢの上面ＯＢｔに押しつけられない自由な状態で三次元造形物ＯＢ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、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、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、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。

図５Ａおよび図５Ｂを参照して、吐出制御機構７０Ａの開閉機構７１による流路６５の開閉動作を説明する。図５Ａは、開閉機構７１のシャッター７２によって流路６５が開かれた状態を示している。シャッター７２が流路６５を開いている状態では、シャッター７２は、その貫通孔７２ｏが流路６５の開口領域と重なる位置に位置する。これによって、貫通孔７２ｏを通じて、溶融材料をノズル６１へと流入させることができ、ノズル６１の吐出口６２から溶融材料を流出させることができる。

図５Ｂは、シャッター７２によって流路６５が閉じられた状態を示している。シャッター７２が流路６５を閉じている状態では、シャッター７２は、その貫通孔７２ｏが流路６５の開口領域から離れた位置に位置する。そのため、流路６５からノズル６１への溶融材料の流入がシャッター７２によって遮られ、ノズル６１の吐出口６２からの溶融材料の流出が止められる。

このように、三次元造形装置１００Ａでは、フラットスクリュー４０を用いることによって、吐出ユニット１１０ＡのＺ方向におけるサイズが小型化されている。また、ノズル６１の先端と三次元造形物ＯＢとの間のギャップＧを上記のような小さい範囲に設定されていることによって、三次元造形物ＯＢの面粗さが低減されている。また、材料の配置位置の精度が高められるとともに、三次元造形物ＯＢにおける材料同士の密着性の低下が抑制されている。

加えて、吐出制御機構７０Ａが、フラットスクリュー４０とノズル６１との間の流路６５に設けられており、ノズル６１の吐出口６２に近い位置において、溶融材料の流出が制御される。そのため、吐出制御機構７０Ａによる流路６５の開閉タイミングに対するノズル６１の吐出口６２からの溶融材料の流出の開始／停止の応答遅れの発生が制御される。よって、ノズル６１からの溶融材料の吐出の開始タイミングや停止タイミング、溶融材料の吐出量を、より高い精度で制御することができる。

三次元造形装置１００Ａによれば、開閉機構７１のシャッター７２によって流路６５が閉塞されるため、ノズル６１からの溶融材料の流出を停止している間に、ノズル６１からの溶融材料が漏洩してしまうことが抑制される。また、三次元造形装置１００Ａによれば、シャッター７２によって流路６５が遮断されているため、駆動モーター３２によるフラットスクリュー４０の回転を継続させたままでも、ノズル６１からの溶融材料の吐出を停止させることができる。

図６は、制御部３００が実行する造形処理のフローの一例を示す説明図である。ステップＳ１０は、ノズル６１から溶融材料を吐出させる吐出工程である。ステップＳ１０では、制御部３００は、可塑化部３０の駆動モーター３２を駆動して、フラットスクリュー４０を回転させ、ノズル６１から造形台２２０に向かって溶融材料を連続的に吐出させる吐出処理を実行する。吐出処理を実行している間、制御部３００は、造形ステージ部２００の移動機構２３０を制御して、造形データに応じて造形台２２０を変位させる。これによって、造形台２２０上の目標位置に、溶融材料が堆積されていく。

制御部３００は、ステップＳ１０の吐出処理の途中で、溶融材料の吐出を一時的に中断するタイミングが到来したか否か判定する（ステップＳ２０）。制御部３００は、造形データに基づいて、当該判定をおこなってもよい。制御部３００は、例えば、それまで溶融材料を吐出していた位置から、所定の距離だけ離れた位置に、溶融材料を分離して堆積させる場合などに、ノズル６１からの溶融材料の吐出を一時的に中断させるタイミングが到来したと判定する。あるいは、制御部３００は、ユーザーや上位の制御部からの一時停止の割込み指令を受け付けたときに、ノズル６１からの溶融材料の吐出を一時的に中断させるタイミングが到来したと判定してもよい。

溶融材料の吐出を中断させるタイミングではなく、造形処理がまだ完了していない場合には、制御部３００は、ステップＳ１０の溶融材料の吐出処理を継続する（ステップＳ５０）。一方、溶融材料の吐出を中断させるタイミングが到来した場合には、制御部３００は、ステップＳ３０～Ｓ４０の処理を実行する。

ステップＳ３０～Ｓ４０は、ノズル６１からの溶融材料の流出を制御する流出制御工程である。制御部３００は、吐出制御機構７０Ａを制御して、シャッター７２によって流路６５を閉塞させて、ノズル６１からの溶融材料の流出を停止させる（ステップＳ３０）。制御部３００は、ノズル６１からの溶融材料の流出を止めている間に、例えば、ノズル６１が次に溶融材料の吐出を再開すべき造形台２２０上の座標に位置するように、造形台２２０に対するノズル６１の位置を変更してもよい。

その後、制御部３００は、ノズル６１からの溶融材料の吐出を再開するタイミングが到来したときに、シャッター７２を移動させて流路６５を開いた状態にして、ノズル６１からの溶融材料の流出を開始させ（ステップＳ４０）、ステップＳ１０の吐出処理に戻る（ステップＳ５０）。なお、ステップＳ３０において、シャッター７２によって流路６５を閉じて、ノズル６１からの溶融材料の吐出を一時的に中断する場合には、制御部３００は、フラットスクリュー４０の回転を停止させることなく、継続させておくことが望ましい。これによって、ステップＳ４０において、ノズル６１からの溶融材料の吐出を、より迅速に再開させることができる。

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、フラットスクリュー４０を用いていることによって、装置の小型化や造形精度の向上が実現されている。また、フラットスクリュー４０とノズル６１との間の流路６５に吐出制御機構７０Ａとして設けられている開閉機構７１によって、ノズル６１からの溶融材料の吐出タイミングや吐出量の精度が高められている。その他に、第１実施形態の三次元造形装置１００Ａ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７Ａおよび図７Ｂを参照して、第２実施形態の三次元造形装置１００Ｂが吐出制御機構７０Ｂとして備える圧力変更部７５の構成を説明する。第２実施形態の三次元造形装置１００Ｂの構成は、第１実施形態の吐出制御機構７０Ａの代わりに、第２実施形態の吐出制御機構７０Ｂが設けられている点以外は、第１実施形態の三次元造形装置１００Ａの構成とほぼ同じである。第２実施形態の三次元造形装置１００Ｂでは、制御部３００は、第１実施形態で説明したのと同様な造形処理を実行する（図６）。

第２実施形態における吐出ユニット１１０Ｂのヘッド部６０Ｂは、第２実施形態の吐出制御機構７０Ｂを有する。第２実施形態の吐出制御機構７０Ｂは、流路６５の圧力を変更する圧力変更部７５を含む。圧力変更部７５は、分岐流路７６と、ロッド７７と、ロッド駆動部７８と、を有する。分岐流路７６は、流路６５の溶融材料の一部が流入する流路である。分岐流路７６は、直線状に延びて流路６５に交差する貫通孔によって構成されている。ロッド７７は、分岐流路７６内に配置される軸状部材である。ロッド駆動部７８は、制御部３００の制御下において、ロッド７７を分岐流路７６内において瞬発的に往復移動させる駆動力を発生する。ロッド駆動部７８は、例えば、ソレノイド機構やピエゾ素子、モーターなどのアクチュエーターによって構成される。

吐出制御機構７０Ｂの圧力変更部７５は、ステップＳ１０の吐出工程（図６）において、ノズル６１から溶融材料が吐出されている間は、ロッド７７を、その先端部７７ｅが流路６５と分岐流路７６との接続部に位置する初期位置に位置させる（図７Ａ）。そして、ステップＳ３０（図６）において、ノズル６１からの溶融材料の吐出を一時的に中断させる際には、ロッド７７の先端部７７ｅが分岐流路７６内の奥まった位置に位置するように、ロッド駆動部７８によって、ロッド７７を、前記の初期位置から分岐流路７６内に瞬発的に引き込む（図７Ｂ）。これによって、圧力変更部７５は、流路６５の溶融材料の一部を分岐流路７６へと吸引し、流路６５内に負圧を発生させ、ノズル６１からの溶融材料の流出を一時的に停止させることができる。

ノズル６１からの溶融材料の吐出を再開するときには（図６のステップＳ４０）、制御部３００は、ロッド駆動部７８によってロッド７７を初期位置へと戻し、分岐流路７６の溶融材料を流路６５へと流出させ、流路６５の圧力を高める。これによって、ノズル６１からの溶融材料の流出が迅速に再開される。

以上のように、第２実施形態の三次元造形装置１００Ｂによれば、圧力変更部７５が流路６５内に負圧を発生させることより、ノズル６１からの溶融材料の吐出を迅速に停止させることができる。また、ノズル６１からの溶融材料の流出を再開させるときには、圧力変更部７５が流路６５内の圧力を高めるため、溶融材料の吐出の開始タイミングの精度や、溶融材料の吐出の開始時の吐出量の精度が高められる。その他に、第２実施形態の三次元造形装置１００Ｂ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８は、第３実施形態における三次元造形装置１００Ｃの吐出ユニット１１０Ｃが備えるヘッド部６０Ｃの構成を示す概略図である。第３実施形態の三次元造形装置１００Ｃの構成は、第１実施形態の吐出制御機構７０Ａの代わりに、第３実施形態の吐出制御機構７０Ｃが設けられている点以外は、第１実施形態の三次元造形装置１００Ａの構成とほぼ同じである。

第３実施形態の吐出制御機構７０Ｃは、第１実施形態で説明したのと同様な開閉機構７１と、第２実施形態で説明したのと同様な圧力変更部７５と、を含む。吐出制御機構７０Ｃでは、開閉機構７１は、圧力変更部７５よりも上流側に設けられている。つまり、吐出制御機構７０Ｃでは、開閉機構７１のシャッター７２が、圧力変更部７５の分岐流路７６よりもフラットスクリュー４０に近い位置に設けられている。開閉機構７１による流路６５の開閉動作は、第１実施形態で説明したのと同じである（図５Ａ，図５Ｂ）。また、圧力変更部７５による流路６５の圧力を変更する動作は、第２実施形態で説明したのと同じである（図７Ａ，図７Ｂ）。

図９は、第３実施形態の三次元造形装置１００Ｃにおいて制御部３００が実行する造形処理のフローの一例を示す説明図である。第３実施形態の造形処理のフローは、ステップＳ３０の流量制御工程の代わりに、ステップＳ３１，Ｓ３２，Ｓ４０の流出制御工程が設けられている点以外は、第１実施形態で説明した造形処理のフロー（図６）とほぼ同じである。

三次元造形装置１００Ｃでは、ステップＳ１０の吐出処理の実行途中に、溶融材料の吐出を一時的に中断するタイミングが到来した場合に、ステップＳ３１～Ｓ４０の流出制御工程が実行される。流出制御工程は、ノズル６１からの溶融材料の吐出を停止させるためのステップＳ３１，Ｓ３２の処理を実行する吐出停止工程を含む。制御部３００は、ステップＳ３１では、吐出制御機構７０Ｃの開閉機構７１と圧力変更部７５のうち、流路６５の上流側に設けられている方を駆動させ、ステップＳ３２では、下流側に設けられている方を駆動させる。

第３実施形態の吐出停止工程では、制御部３００は、ステップＳ３１において、上流側のシャッター７２によって流路６５を閉じた後に、ステップＳ３２において、下流側の圧力変更部７５によって流路６５に負圧を発生させる。この吐出停止工程によれば、シャッター７２が流路６５を閉塞するときに流路６５からノズル６１へと押し出される溶融材料を圧力変更部７５の分岐流路７６へと吸引させることができる。よって、シャッター７２の下流側の残圧を低下させることができ、ノズル６１からの溶融得材料の吐出が停止されている間に、シャッター７２の下流に残っている溶融材料が、ノズル６１から流出してしまうことが抑制される。

ステップＳ４０では、ノズル６１からの溶融材料の吐出を再開させる。ステップＳ４０では、開閉機構７１と圧力変更部７５のいずれを先に駆動させてもよいし、両方が同時に駆動されてもよい。なお、ステップＳ４０では、シャッター７２によって流路６５が開かれる際に、圧力変更部７５が分岐流路７６の溶融材料をロッド７７によって流路６５へと押し出すことによって、流路６５の圧力が高められることが望ましい。これによって、ノズル６１からの溶融材料の吐出が迅速に再開される。

以上のように、第３実施形態の三次元造形装置１００Ｃによれば、流路６５に、開閉機構７１のシャッター７２と圧力変更部７５とが設けられていることによって、ノズル６１からの溶融材料の吐出制御の精度が高められている。特に、第３実施形態では、圧力変更部７５が開閉機構７１よりも下流側に設けられているため、圧力変更部７５によってノズル６１の吐出口６２近傍の圧力をより迅速に変更することができる。よって、圧力変更部７５が開閉機構７１の上流側に設けられている構成よりも、ノズル６１からの溶融材料の吐出をより高い精度で制御することができる。その他に、第３実施形態の三次元造形装置１００Ｃによれば、上記の各実施形態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１０は、第４実施形態における三次元造形装置１００Ｄの吐出ユニット１１０Ｄが備えるヘッド部６０Ｄの構成を示す概略図である。第４実施形態の三次元造形装置１００Ｄの構成は、第３実施形態の吐出制御機構７０Ｃの代わりに、第４実施形態の吐出制御機構７０Ｄが設けられている点以外は、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。第４実施形態の吐出制御機構７０Ｄの構成は、圧力変更部７５の分岐流路７６が、開閉機構７１のシャッター７２よりも上流側に設けられている点以外は、第３実施形態の吐出制御機構７０Ｃの構成とほぼ同じである。

第４実施形態の三次元造形装置１００Ｄでは、制御部３００は、第３実施形態で説明したのと同様なフローで造形処理を実行する（図９）。制御部３００は、ステップＳ１０の溶融材料の吐出処理を一時的に停止する際には、まず、流路６５の上流側に設けられている圧力変更部７５を駆動させて、流路６５内に負圧を発生させる（ステップＳ３１）。そして、開閉機構７１を駆動して、流路６５をシャッター７２によって閉塞する（ステップＳ３２）。

このように、第４実施形態の三次元造形装置１００Ｄでは、吐出停止工程において、ノズル６１からの溶融材料の吐出を一時的に停止させる際には、流路６５内の圧力を低減させた上で、シャッター７２によって流路６５が閉じられる。そのため、流路６５を閉塞するためのシャッター７２の移動が円滑化される。また、シャッター７２の移動によって、ノズル６１から溶融材料が押し出されて、ノズル６１から漏洩することが抑制される。さらに、シャッター７２によって流路６５を閉じたときのフラットスクリュー４０とシャッター７２との間の圧力の上昇が抑制される。その他に、第４実施形態の三次元造形装置１００Ｄによれば、上記の各実施形態で説明した種々の作用効果を奏することができる。

５．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。

５－１．他の実施形態１：
上記の各実施形態において、ノズル６１の先端と三次元造形物ＯＢとの間のギャップＧは、ノズル６１の吐出口６２における孔径Ｄｎより小さくてもよい。あるいは、ギャップＧは、ノズル６１の吐出口６２における孔径Ｄｎの１．５倍よりも大きくてもよい。

５－２．他の実施形態２：
上記の各実施形態の開閉機構７１において、シャッター７２の貫通孔７２ｏは省略されてもよい。シャッター７２は、その端部が流路６５を横断するように移動することによって流路６５を開閉してもよい。開閉機構７１のシャッターは、重ねて配置された複数の板状部材によって構成されてもよい。当該シャッターは、例えば、流路６５の開口面積を変更するように互いに異なる方向に移動することによって、流路６５を開閉する構成を有していてもよい。開閉機構７１は、バタフライ弁によって構成されてもよい。この場合には、開閉機構７１のシャッターは、流路６５内において中心軸の方向が回転するように配置されるディスク板によって構成される。

５－３．他の実施形態３：
上記の各実施形態では、圧力変更部７５は、ロッド７７を分岐流路７６内で移動させることによって流路６５内に負圧を発生されている。これに対して、圧力変更部７５は、他の構成によって、流路６５に負圧を発生させてもよい。圧力変更部７５は、例えば、ポンプによる吸引力によって、分岐流路７６内に溶融材料を吸引して、流路６５内に負圧を発生させてもよい。なお、この構成の場合には、分岐流路７６に吸引された溶融材料は、フラットスクリュー４０へと循環されて再利用されてもよいし、そのまま装置外部に排出されてもよい。

５－４．他の実施形態４：
上記の各実施形態において、圧力変更部７５は、ノズル６１の吐出口６２からの溶融材料の流出を開始するときに、流路６５内の圧力を高めるように駆動するように構成されていなくてもよい。圧力変更部７５は、ノズル６１から溶融材料が流出し始めた後、流路６５内の圧力が実質的に変更されない程度に、ゆっくりとロッド７７を初期位置に移動させてもよい。

５－５．他の実施形態５：
上記の各実施形態で説明した造形処理のフローはあくまで一例にすぎない。各実施形態の三次元造形装置１００Ａ～１００Ｄにおいては、他の造形処理のフローによる制御方法が採用されてもよい。例えば、上記の第１実施形態において、ステップＳ１０の前に、シャッター７２によって流路６５を閉じた状態で、フラットスクリュー４０の回転を開始させておき、ステップＳ１０の吐出処理が開始されるときに、シャッター７２を開くものとしてもよい。また、第２実施形態において、フラットスクリュー４０の回転を停止させて造形処理を終了するときに、圧力変更部７５によって流路６５に負圧を発生させて、ノズル６１からの余分な溶融材料の流出を抑制するものとしてもよい。上記の第３実施形態および第４実施形態における吐出停止工程では、開閉機構７１と圧力変更部７５とが同時に駆動されてもよい。あるいは、開閉機構７１と圧力変更部７５とのうち、下流側に設けられた方が、上流側に設けられた方よりも先に駆動されてもよい。

５－６．他の実施形態６：
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１１０Ａ～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。

５－７．他の実施形態７：
上記の各実施形態において、三次元造形装置１００Ａ～１００Ｄは、造形台２２０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１１０Ａ～１１０Ｄ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２２０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。

５－８．他の実施形態８：
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…下面（溝形成面）、５０…スクリュー対面部、５２…上面（スクリュー対向面）、５４…案内溝、５６…連通孔、５８…ヒーター、６０Ａ…ヘッド部、６０Ｂ…ヘッド部、６０Ｃ…ヘッド部、６０Ｄ…ヘッド部、６１…ノズル、６２…吐出口、６５…流路、７０Ａ…吐出制御機構、７０Ｂ…吐出制御機構、７０Ｃ…吐出制御機構、７０Ｄ…吐出制御機構、７１…開閉機構、７２…シャッター、７２ｏ…貫通孔、７３…シャッター駆動部、７５…圧力変更部、７６…分岐流路、７７…ロッド、７７ｅ…先端部、７８…ロッド駆動部、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、１１０Ａ…吐出ユニット、１１０Ｂ…吐出ユニット、１１０Ｃ…吐出ユニット、１１０Ｄ…吐出ユニット、２００…造形ステージ部、２１０…テーブル、２２０…造形台、２３０…移動機構、３００…制御部、Ｇ…ギャップ、ＯＢ…三次元造形物、ＯＢｔ…上面、ＲＸ…回転軸

Claims (7)

1. 熱可塑性を有する材料を可塑化して造形材料を生成する可塑化部と、
   ノズル開口を有し、前記造形材料を吐出するノズルと、
   前記造形材料が流れる流路に設けられ、前記ノズル開口からの前記造形材料の流出を制御する第１吐出制御部と、
   前記流路のうち前記第１吐出制御部よりも下流に設けられ、前記ノズル開口からの前記造形材料の流出を制御する第２吐出制御部と、
   制御部と、を備える三次元造形装置であって、
   前記可塑化部は、
   駆動モーターと、
   渦状に延びている溝部が設けられ、前記駆動モーターによって回転するフラットスクリューと、
   前記フラットスクリューに対向し、前記造形材料が流れる連通孔が形成されたスクリュー対面部と、を備え、
   前記制御部は、前記ノズル開口からの前記造形材料の流出を停止させる場合、前記第１吐出制御部を駆動させた後に、前記第２吐出制御部を駆動させる、
   三次元造形装置。
2. 請求項１記載の三次元造形装置であって、
   前記第１吐出制御部は、バタフライ弁によって前記流路を開閉する開閉機構を含む、三次元造形装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の三次元造形装置であって、
   前記第２吐出制御部は、前記流路に接続された分岐流路へと前記造形材料を吸引して、前記流路に負圧を発生させる圧力変更部を含む、三次元造形装置。
4. 請求項３に記載の三次元造形装置であって、
   前記圧力変更部は、前記分岐流路内の前記造形材料を前記流路へと流出させて、前記流路の圧力を高める、三次元造形装置。
5. 請求項４に記載の三次元造形装置であって、
   前記制御部は、前記ノズル開口からの前記造形材料の流出を開始させる場合、前記第１吐出制御部を駆動させた後に、前記圧力変更部を駆動して、前記分岐流路内の前記造形材料を前記流路へと流出させる、三次元造形装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の三次元造形装置であって、
   前記フラットスクリューの前記溝部の深さは、前記フラットスクリューの外周から中心に向かって浅くなる、三次元造形装置。
7. 請求項１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、
   前記フラットスクリューは、前記溝部を複数有する、三次元造形装置。

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