JP7156022B2 - 三次元造形物の製造方法および三次元造形装置 - Google Patents

Description

本開示は、三次元造形物の製造方法および三次元造形装置に関する。

例えば、特許文献１には、溶融した熱可塑性の材料を、予め設定された形状データにしたがって走査する押出ノズルから基台上に押し出し、その基台上で硬化した材料の上に更に溶融した材料を積層して三次元造形物を作成する方法が開示されている。

特開２００６－１９２７１０号公報

上述した方法では、下層を造形するためのノズルの走査経路に重なるように、上層を造形するためのノズルの走査経路を設定した場合であっても、実際に造形された下層が収縮することによって、設定された走査経路に従って上層を造形する際に、ノズルから造形材料を吐出した先に下層が存在せず、三次元造形物が所望の形状よりも小さくなり、三次元造形物の造形精度に影響を与える可能性がある。そこで、本願は、三次元造形物の造形精度を向上させることを課題とする。

本開示の一形態によれば、三次元造形物の製造方法が提供される。この三次元造形物の製造方法は、ステージに向かって造形材料を吐出することによって、前記三次元造形物の第１部分を造形する第１造形工程と、前記第１部分に重なる重複部、および、前記第１部分に重ならず、前記第１部分との間に空間を形成し、かつ、一端が前記重複部に接する非重複部を有する、前記三次元造形物の第２部分を造形する第２造形工程と、を有する。前記第２造形工程では、前記第１部分上に前記造形材料を吐出することによって、前記重複部を造形した後、前記重複部に接して前記造形材料を吐出することによって前記非重複部を造形する。

第１実施形態における三次元造形システムの概略構成を示す説明図。 第１実施形態における吐出ユニットの概略構成を示す説明図。 第１実施形態におけるフラットスクリューの溝形成面の構成を示す斜視図。 第１実施形態におけるバレルのスクリュー対向面の構成を示す上面図。 第１実施形態における造形処理の内容を示すフローチャート。 造形パスデータの一例を示す説明図。 第１実施形態における第２造形パスを示す上面図。 第１実施形態における第１造形工程を示す工程図。 第１実施形態における第１硬化工程を示す工程図。 第１実施形態における第１切削工程を示す工程図。 第１実施形態における第２造形工程を示す工程図。 第１実施形態における第２硬化工程を示す工程図。 第１実施形態における第２切削工程を示す工程図。 他の形態における第２造形パスを示す第１の上面図。 他の形態における第２造形パスを示す第２の上面図。

Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態における三次元造形システム５の概略構成を示す説明図である。図１には、互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚ方向に沿った矢印が表されている。Ｘ方向およびＹ方向は、水平方向に沿った方向であり、Ｚ方向は、鉛直方向に沿った方向である。他の図においても、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に沿った矢印が、適宜、表されている。図１におけるＸ，Ｙ，Ｚ方向と、他の図におけるＸ，Ｙ，Ｚ方向とは、同じ方向を表している。

本実施形態における三次元造形システム５は、三次元造形装置１０と、情報処理装置１５とを備えている。三次元造形装置１０は、吐出ユニット１００と、切削ユニット２００と、造形ステージ３００と、移動機構４００と、制御部５００とを備えている。三次元造形装置１０は、制御部５００の制御下で、吐出ユニット１００に設けられたノズル６１から、造形ステージ３００に向かって造形材料を吐出させつつ、移動機構４００を駆動して、ノズル６１と造形ステージ３００との相対的な位置を変化させることによって、造形ステージ３００上に造形材料を積層する。尚、吐出ユニット１００の詳細な構成は、図２を用いて後述する。造形ステージ３００のことを単にステージと呼ぶこともある。

また、本実施形態における三次元造形装置１０は、制御部５００の制御下で、切削ユニット２００に取り付けられた切削工具２１０を回転させつつ、移動機構４００を駆動して、切削工具２１０と造形ステージ３００との相対的な位置を変化させることによって、造形ステージ３００上に積層された造形材料を切削する。三次元造形装置１０は、このようにして、所望の形状の三次元造形物ＯＢを作成する。

切削ユニット２００は、ヘッド先端の軸に取り付けられた切削工具２１０を回転させて、造形ステージ３００上に積層された造形材料の切削を行う切削装置である。切削工具２１０として、例えば、フラットエンドミルや、ボールエンドミルを用いることができる。切削ユニット２００は、一般的な位置検出センサーによって切削工具２１０の先端の位置を検出し、検出結果を制御部５００に送信する。制御部５００は、この検出結果を用いて、後述する移動機構４００によって、切削工具２１０と積層された造形材料との相対的な位置関係を制御して切削を行う。尚、切削ユニット２００は、イオナイザー等の除電器を備えてもよい。

移動機構４００は、吐出ユニット１００および切削ユニット２００と、造形ステージ３００との相対的な位置を変化させる。本実施形態では、移動機構４００は、吐出ユニット１００および切削ユニット２００に対して、造形ステージ３００を移動させる。本実施形態における移動機構４００は、３つのモーターの駆動力によって、造形ステージ３００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。各モーターは、制御部５００の制御下にて駆動する。尚、移動機構４００は、造形ステージ３００を移動させる構成ではなく、造形ステージ３００を移動させずに、吐出ユニット１００および切削ユニット２００を移動させる構成であってもよい。移動機構４００は、吐出ユニット１００および切削ユニット２００と、造形ステージ３００との両方を移動させる構成であってもよい。

制御部５００は、１以上のプロセッサーと、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備えるコンピューターによって構成されている。本実施形態では、制御部５００は、主記憶装置上に読み込んだプログラムや命令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。尚、制御部５００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。

情報処理装置１５は、三次元造形装置１０の制御部５００に接続されている。情報処理装置１５は、三次元造形物ＯＢの形状を表す三次元形状データを用いて、制御部５００が吐出ユニット１００や切削ユニット２００や移動機構４００を制御するための造形パスデータおよび切削パスデータを生成する。造形パスデータおよび切削パスデータの詳細については、図６および図７を用いて後述する。情報処理装置１５は、１以上のプロセッサーと、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備えるコンピューターによって構成されている。本実施形態では、情報処理装置１５は、主記憶装置上に読み込んだプログラムや命令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。尚、情報処理装置１５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。

図２は、本実施形態における吐出ユニット１００の概略構成を示す説明図である。吐出ユニット１００は、材料貯留部２０と、溶融部３０と、吐出部６０とを備えている。材料貯留部２０には、ペレットや粉末等の状態の材料が投入される。本実施形態における材料は、ペレット状のＡＢＳ樹脂である。本実施形態における材料貯留部２０は、ホッパーによって構成されている。材料貯留部２０と溶融部３０との間は、材料貯留部２０の下方に設けられた供給路２２によって接続されている。材料貯留部２０に投入された材料は、供給路２２を介して、溶融部３０に供給される。

溶融部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、バレル５０とを備えている。溶融部３０は、材料貯留部２０から供給された固体状態の材料の少なくとも一部を溶融させて流動性を有するペースト状の造形材料にして、ノズル６１に供給する。尚、フラットスクリュー４０のことを、単にスクリューと呼ぶこともある。

スクリューケース３１は、フラットスクリュー４０を収容している。スクリューケース３１の上面には、駆動モーター３２が固定されている。駆動モーター３２の回転軸は、フラットスクリュー４０の上面４１に接続されている。

フラットスクリュー４０は、中心軸ＲＸに沿った方向の高さが直径よりも小さい略円柱形状を有している。フラットスクリュー４０は、中心軸ＲＸがＺ方向に平行になるように、スクリューケース３１内に配置されている。駆動モーター３２が発生させるトルクによって、フラットスクリュー４０は、スクリューケース３１内にて、中心軸ＲＸを中心に回転する。

フラットスクリュー４０は、中心軸ＲＸに沿った方向における上面４１とは反対側に溝形成面４２を有している。溝形成面４２には、溝部４５が形成されている。フラットスクリュー４０の溝形成面４２の詳細な形状は、図３を用いて後述する。

バレル５０は、フラットスクリュー４０の下方に設けられている。バレル５０は、フラットスクリュー４０の溝形成面４２に対向するスクリュー対向面５２を有している。バレル５０には、フラットスクリュー４０の溝部４５に対向する位置にヒーター５８が内蔵されている。ヒーター５８の温度は、制御部５００によって制御される。尚、ヒーター５８のことを加熱部と呼ぶこともある。

スクリュー対向面５２の中心には、連通孔５６が設けられている。連通孔５６は、ノズル６１に連通している。尚、バレル５０のスクリュー対向面５２の詳細な形状については、図４を用いて後述する。

吐出部６０はノズル６１を備えている。ノズル６１には、ノズル流路６５と、ノズル孔６２とが設けられている。ノズル流路６５は、溶融部３０の連通孔５６に連通する。ノズル孔６２は、ノズル流路６５に連通する、ノズル６１の先端部分に設けられた開口部である。溶融部３０からノズル６１に供給された造形材料は、ノズル孔６２から吐出される。本実施形態では、ノズル６１には、円形のノズル孔６２が設けられている。ノズル孔６２の径のことをノズル径Ｄｎと呼ぶ。尚、ノズル孔６２の形状は、円形に限られず、四角形等であってもよい。

図３は、本実施形態におけるフラットスクリュー４０の溝形成面４２の構成を示す斜視図である。図３に示したフラットスクリュー４０は、技術の理解を容易にするために、図２に示した上下の位置関係を逆向きとした状態で示されている。フラットスクリュー４０の溝形成面４２には、上述したとおり、溝部４５が形成されている。溝部４５は、中央部４６と、渦状部４７と、材料導入部４８とを有している。

中央部４６は、フラットスクリュー４０の中心軸ＲＸの周りに形成された円形の窪みである。中央部４６は、バレル５０に設けられた連通孔５６に対向する。

渦状部４７は、中央部４６を中心として、溝形成面４２の外周に向かって弧を描くように渦状に延びる溝である。渦状部４７は、インボリュート曲線状や螺旋状に延びるように構成されてもよい。渦状部４７の一端は、中央部４６に接続されている。渦状部４７の他端は、材料導入部４８に接続されている。

材料導入部４８は、溝形成面４２の外周縁に設けられた渦状部４７よりも幅広な溝である。材料導入部４８は、フラットスクリュー４０の側面４３まで連続している。材料導入部４８は、供給路２２を介して材料貯留部２０から供給された材料を、渦状部４７に導入する。尚、図３には、フラットスクリュー４０の中央部４６から外周に向かって、１条の渦状部４７および材料導入部４８が設けられた形態を表したが、フラットスクリュー４０の中央部４６から外周に向かって、複数条の渦状部４７および材料導入部４８が設けられてもよい。

図４は、本実施形態におけるバレル５０のスクリュー対向面５２の構成を示す上面図である。上述したとおり、スクリュー対向面５２の中央には、ノズル６１に連通する連通孔５６が形成されている。スクリュー対向面５２における連通孔５６の周りには、複数の案内溝５４が形成されている。それぞれの案内溝５４は、一端が連通孔５６に接続され、連通孔５６からスクリュー対向面５２の外周に向かって渦状に延びている。それぞれの案内溝５４は、造形材料を連通孔５６に導く機能を有している。

図５は、本実施形態における三次元造形物ＯＢの製造を実現するための造形処理の内容を示すフローチャートである。この処理は、三次元造形装置１０に設けられた操作パネルや、三次元造形装置１０に接続された情報処理装置１５に対して、所定の開始操作がユーザーによって行われた場合に実行される。

まず、ステップ１１０のデータ取得工程にて、制御部５００は、情報処理装置１５から、後述する材料生成工程から第２切削工程までを実現するための造形パスデータおよび切削パスデータを取得する。本実施形態では、制御部５００は、有線通信によって、情報処理装置１５から造形パスデータおよび切削パスデータを取得する。尚、制御部５００は、無線通信によって、情報処理装置１５から造形パスデータおよび切削パスデータを取得してもよいし、記録媒体を介して、情報処理装置１５から造形パスデータおよび切削パスデータを取得してもよい。

造形パスデータは、造形材料を吐出しながら移動するノズル６１の造形ステージ３００に対する走査経路である造形パスが表されたデータである。造形パスデータには、造形パスの他に、ノズル６１から吐出される造形材料の流量である吐出量の目標値や、フラットスクリュー４０を回転させる駆動モーター３２の回転数の目標値や、バレル５０のヒーター５８の温度の目標値等も表されている。切削パスデータは、積層された造形材料を切削しながら移動する切削工具２１０の造形ステージ３００に対する走査経路である切削パスが表されたデータである。切削パスデータには、切削パスの他に、切削工具２１０の回転数の目標値や、切削工具２１０の送り速度の目標値等も表されている。

本実施形態では、造形パスデータおよび切削パスデータは、情報処理装置１５によって生成される。情報処理装置１５は、まず、三次元ＣＡＤソフト等によって作成された、ＳＴＬ形式やＳＴＥＰ形式やＩＧＥＳ形式等の三次元形状データを読み込む。三次元形状データは、三次元造形物ＯＢの形状を表すデータである。次に、情報処理装置１５は、三次元形状データによって表された三次元造形物ＯＢの形状を、複数の平行な層に分割する。三次元造形物ＯＢの造形に用いられる造形材料は、ノズル６１から吐出され、造形ステージ上３００に積層されて硬化する際に収縮する。また、本実施形態では、造形ステージ上３００に積層された造形材料は、切削加工によって所望の寸法や表面粗さに仕上げられる。そのため、情報処理装置１５は、三次元造形物ＯＢの造形に用いられる造形材料の収縮率を考慮して、造形材料の収縮後に、切削加工のための所定の削り代が確保されるように、分割した各層の寸法を大きくする。情報処理装置１５は、寸法を大きくした状態の各層を造形するための造形パスデータ、および、造形パスデータに従って造形される各層の削り代を切削するための切削パスデータを生成する。

図６は、本実施形態における造形パスデータの一例を示す説明図である。造形パスデータは、図６における上方から下方に順に読み込まれて解釈される。図６に表された造形パスデータＰＤＭは、まず、ノズル６１を座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（６０，５０，１０）に移動させる命令が設定されている。この座標は、造形ステージ３００に対するノズル６１の相対的な位置を表している。次に、ノズル６１を座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（６０，５０，１０）から、座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（４０，５０，１０）に移動させるとともに、この区間をノズル６１が移動する間に、ノズル６１から２０単位量の造形材料を吐出させる命令が設定されている。さらに、ノズル６１を座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（４０，５０，１０）から、座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（４０，４８，１０）に移動させるとともに、この区間をノズル６１が移動する間に、ノズル６１から２単位量の造形材料を吐出させる命令が設定されている。途中の説明は省略して、その後、ノズル６１を座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（６６，５６，１０）から、座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（３６，５６，１０）に移動させるとともに、この区間をノズル６１が移動する間に、ノズル６１から３０単位量の造形材料を吐出させる命令が設定されている。

図７は、本実施形態における第２造形パスＰｍ２の一例を示す上面図である。図７には、三次元造形物ＯＢの一部であり、造形ステージ３００上に造形される第１部分９１０が破線で表されており、三次元造形物ＯＢの一部であり、第１部分９１０上に造形される第２部分９２０が実線で表されている。図７には、第２部分９２０を造形するための第２造形パスＰｍ２が太線によって表されている。図７に表された例では、造形ステージ３００上に造形されて収縮した第１部分９１０に対して切削加工が施された後に、第１部分９１０上に第２部分９２０が造形される。図７における第１部分９１０は、第２部分９２０を造形する際の大きさで表されている。つまり、図７における第１部分９１０は、造形ステージ３００上に造形されて収縮し、さらに切削加工が施された後の大きさで表されている。

第２部分９２０を造形する際の大きさの第１部分９１０と第２部分９２０とを、造形ステージ３００に平行な面に投影した場合に、第１部分９１０に重なる第２部分９２０の領域のことを重複部９２１と呼ぶ。第２部分９２０を造形する際の大きさの第１部分９１０と第２部分９２０とを、造形ステージ３００に平行な面に投影した場合に、第１部分９１０に重ならない第２部分９２０の領域であり、第１部分９１０との間に空間を形成し、かつ、重複部９２１に接する第２部分９２０の領域のことを非重複部９２２と呼ぶ。第１部分９１０と第２部分９２０の非重複部９２２との間に空間が形成されるとは、第１部分９１０と第２部分９２０の非重複部９２２との間にサポート材等が配置されず、非重複部９２２が、第１部分９１０上の重複部９２１から庇状に張り出した形態を有することを意味する。第１部分９１０と第２部分９２０の非重複部９２２との間に空間が形成されるとは、非重複部９２２が、重複部９２１のみによって支持された形態を有するということもできる。尚、サポート材とは、造形中の三次元造形物ＯＢの形状を保持するための部材であり、造形の終了後に除去される部材のことを意味する。

情報処理装置１５は、層状に分割された三次元造形物ＯＢの三次元形状データを用いて、第２部分９２０に非重複部９２２が生じるか否かを判定し、第２部分９２０に非重複部９２２が生じると判断された場合には、第２部分９２０を造形するための第２造形パスＰｍ２の始点Ａを重複部９２１内に設定する。第２部分９２０に非重複部９２２が生じると判断された場合には、情報処理装置１５は、第２部分９２０を造形するための第２造形パスＰｍ２を、第１部分９１０上に造形材料を吐出することによって重複部９２１を造形した後、重複部９２１に接して造形材料を吐出することによって非重複部９２２を造形するように設定する。本実施形態では、第２造形パスＰｍ２は、始点Ａの外周を周回しながら、重複部９２１の外周に向かって延びるように設定される。

本実施形態では、重複部９２１内に配置された隣接する第２造形パスＰｍ２の部分同士の間隔ｄ１は、ノズル径Ｄｎと同じに設定される。つまり、重複部９２１内では、ノズル６１から吐出された造形材料が、先に配置された造形材料に接するように第２造形パスＰｍ２が設定される。非重複部９２２内に配置された第２造形パスＰｍ２の部分と、重複部９２１内に配置された隣接する第２造形パスＰｍ２の部分との間隔ｄ２は、間隔ｄ１よりも狭く設定される。非重複部９２２内に配置された隣接する第２造形パスＰｍ２の部分同士の間隔ｄ３は、間隔ｄ２と同じに設定される。つまり、非重複部９２２内では、ノズル６１から吐出された造形材料の一部が、先に配置された造形材料の上に重なるように第２造形パスＰｍ２が設定される。

図５を参照して、次に、ステップＳ１２０の材料生成工程にて、制御部５００は、フラットスクリュー４０の回転、および、バレル５０に内蔵されたヒーター５８の加熱を制御することによって、材料を溶融させて造形材料を生成する。この制御のことを、材料生成制御とも呼ぶ。材料生成工程にて、材料貯留部２０内に貯留された材料が、供給路２２を介して、回転しているフラットスクリュー４０の側面４３から材料導入部４８に供給される。材料導入部４８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、渦状部４７内へと搬送される。フラットスクリュー４０の回転、および、ヒーター５８による加熱によって、渦状部４７内に搬送された材料の少なくとも一部が溶融されて、流動性を有するペースト状の造形材料が生成される。生成された造形材料は、渦状部４７内を中央部４６に向かって搬送されて、連通孔５６からノズル６１に供給される。尚、造形材料は、後述する第１造形工程や第２造形工程が行われる間、生成され続ける。

図８は、本実施形態における第１造形工程を示す工程図である。図５および図８を参照して、ステップＳ１３０の第１造形工程にて、制御部５００は、吐出ユニット１００および移動機構４００を制御することによって、ノズル６１から造形ステージ３００上に造形材料を積層して、三次元造形物ＯＢの第１部分９１０を造形する。この制御のことを、第１造形制御とも呼ぶ。第１部分９１０は、造形ステージ３００上に積層された、三次元造形物ＯＢの一部である。造形材料が一層のみ、または、複数層に亘って積層されることによって、第１部分９１０が形成される。本実施形態では、造形材料が５層に亘って積層されることによって、第１部分９１０が形成される。第１造形工程にて、制御部５００は、データ取得工程にて取得した造形パスデータに表された、第１部分９１０を造形するための第１造形パスＰｍ１に従って、吐出ユニット１００および移動機構４００を制御する。尚、第１造形工程に先立って、制御部５００が造形ステージ３００に内蔵された調温ヒーター３２０を制御することによって、造形材料のガラス転移点を超えない温度になるように造形ステージ３００が調温されてもよい。この場合、造形ステージ３００が調温されることによって、第１部分９１０と造形ステージ３００との密着性が向上する。

図９は、本実施形態における第１硬化工程を示す工程図である。図５および図９を参照して、ステップＳ１４０の第１硬化工程にて、制御部５００は、造形ステージ３００上に積層された第１部分９１０を硬化させる。本実施形態では、制御部５００は、第１部分９１０における可塑化した造形材料が造形ステージ３００や大気に熱を奪われて硬化するまで処理を待機することによって、第１部分９１０の造形材料を硬化させる。ノズル６１から吐出された造形材料が速やかに冷えて硬化する場合には、制御部５００は、処理を待機しなくてもよい。造形材料が硬化する際の収縮によって、第１部分９１０は収縮する。図９には、収縮前の第１部分９１０が破線で表されており、収縮後の第１部分９１０が実線で表されている。造形材料の収縮によって、第１部分９１０の端部は、第１部分９１０の中心に向かって、長さＷａ１の距離を移動する。尚、三次元造形装置１０に送風機が設けられ、制御部５００は、送風機を用いて、第１部分９１０における造形材料に送風することによって、第１部分９１０の造形材料を硬化させてもよい。

図１０は、本実施形態における第１切削工程を示す工程図である。図５および図１０を参照して、ステップＳ１５０の第１切削工程にて、制御部５００は、切削ユニット２００および移動機構４００を制御することによって、切削工具２１０で第１部分９１０の表面を切削する。この制御のことを、第１切削制御とも呼ぶ。制御部５００はデータ取得工程にて取得した切削パスデータに表された、第１部分９１０を切削するための第１切削パスＰｃ１に従って、切削ユニット２００および移動機構４００を制御することによって、第１部分９１０が所望の寸法や表面粗さになるように、第１部分９１０を切削する。図１０には、第１部分９１０が端部から長さＷｂ１に亘って切削された様子が一例として表されている。

図１１は、本実施形態における第２造形工程を示す工程図である。図５および図１１を参照して、ステップＳ１６０の第２造形工程にて、制御部５００は、吐出ユニット１００および移動機構４００を制御することによって、切削された第１部分９１０上に造形材料を積層して、重複部９２１と非重複部９２２とを有する第２部分９２０を造形する。この制御のことを、第２造形制御とも呼ぶ。第２部分９２０は、第１部分９１０上に積層された、三次元造形物ＯＢの一部である。造形材料が一層のみ、または、複数層に亘って積層されることによって、第２部分９２０が形成される。本実施形態では、造形材料が５層に亘って積層されることによって、第２部分９２０が形成される。第２造形工程にて、制御部５００は、データ取得工程にて取得した造形パスデータに表された、第２部分９２０を造形するための第２造形パスＰｍ２に従って、吐出ユニット１００および移動機構４００を制御する。第１部分９１０の端部から張り出す非重複部９２２の長さＷｄは、ノズル径Ｄｎよりも大きい。長さＷｄは、非重複部９２２が自重によって垂れ下がらない範囲内に設定されることが好ましい。

図１２は、本実施形態における第２硬化工程を示す工程図である。図５および図１２を参照して、ステップＳ１７０の第２硬化工程にて、制御部５００は、第２部分９２０の造形材料を硬化させる。本実施形態では、制御部５００は、第２部分９２０における可塑化した造形材料が、第１部分９１０や大気に熱を奪われて硬化するまで待機することによって、第２部分９２０の造形材料を硬化させる。ノズル６１から吐出された造形材料が速やかに冷えて硬化する場合には、制御部５００は、処理を待機しなくてもよい。造形材料が硬化する際の収縮によって、第２部分９２０は収縮する。図１２には、収縮前の第２部分９２０が破線で表されており、収縮後の第２部分９２０が実線で表されている。造形材料の収縮によって、第２部分９２０の端部は、第２部分９２０の中心に向かって、長さＷａ２の距離を移動する。尚、三次元造形装置１０に送風機が設けられ、制御部５００は、送風機を用いて、第２部分９２０における造形材料に送風することによって、第２部分９２０の造形材料を硬化させてもよい。

図１３は、本実施形態における第２切削工程を示す工程図である。図５および図１３を参照して、ステップＳ１８０の第２切削工程にて、制御部５００は、切削ユニット２００および移動機構４００を制御することによって、第２部分９２０の表面を切削する。この制御のことを、第２切削制御とも呼ぶ。制御部５００はデータ取得工程にて取得した切削パスデータに表された、第２部分９２０を切削するための第２切削パスＰｃ２に従って、切削ユニット２００および移動機構４００を制御することによって、第２部分９２０が所望の大きさや表面粗さになるように、第２部分９２０を切削する。図１３には、第２部分９２０が端部から長さＷｂ２に亘って切削された様子が一例として表されている。この例では、第２部分９２０の面と、第１切削工程にて切削された第１部分９１０の面とが、連続的な面になるように、第２部分９２０が切削されている。

図５を参照して、ステップＳ１９０にて、制御部５００は、三次元造形物ＯＢが完成したか否かを判定する。ステップＳ１９０のことを完成判定工程と呼ぶこともできる。本実施形態では、制御部５００は、取得した造形パスデータに表された全ての造形パス、および、取得した切削パスデータに表された全ての切削パスの走査を完了した場合に、三次元造形物ＯＢが完成したと判断する。ステップＳ１９０で三次元造形物ＯＢが完成したと判断された場合、制御部５００は、この処理を終了する。一方、ステップＳ１９０で三次元造形物ＯＢが完成したと判断されなかった場合、制御部５００は、第２部分９２０よりも上層を形成するために、第２造形工程から第２切削工程までを繰り返し行う。制御部５００は、三次元造形物ＯＢが完成したと判断されるまで、第２造形工程から第２切削工程までを繰り返し行う。

以上で説明した本実施形態の三次元造形物ＯＢの製造方法によれば、第２造形工程にて第２部分９２０を造形する際に、第１部分９１０から張り出した非重複部９２２が造形されるので、造形材料の収縮に伴って第２部分９２０が設計上狙った寸法よりも小さくなることを抑制できる。そのため、三次元造形物ＯＢの造形精度を向上させることができる。

また、本実施形態では、第２造形工程にて第２部分９２０を造形した後、第２切削工程にて第２部分９２０が切削される。そのため、三次元造形物ＯＢの造形精度を、より向上させることができる。

また、本実施形態では、第２部分９２０の張り出し量Ｗｄが、第２部分９２０の硬化する際の収縮量と、第２部分９２０の削り代とを加味した大きさになるように、第２造形パスＰｍ２が設定される。そのため、第２部分９２０が硬化して収縮した後に、確実に第２部分９２０の削り代を確保できる。

また、本実施形態では、重複部９２１の外周を周回する第２造形パスＰｍ２に従って、非重複部９２２が造形されるので、必要最低限の長さの造形パスで第２部分９２０を造形できる。そのため、三次元造形物ＯＢの造形に要する時間を短縮できる。

また、本実施形態では、非重複部９２２内に配置された隣接する第２造形パスＰｍ２の部分同士の間隔ｄ３が、重複部９２１内に配置された隣接する第２造形パスＰｍ２の部分同士の間隔ｄ１よりも狭く設定されている。そのため、ノズル６１から吐出された造形材料の一部が、先に配置された造形材料の上に重なるように非重複部９２２が造形されるので、非重複部９２２の垂れ下がりを抑制できる。

また、本実施形態では、中心軸ＲＸに沿った高さが小さいフラットスクリュー４０を用いて材料を溶融させて造形材料にするため、溶融部３０を小型化できる。そのため、小型な三次元造形装置１０を用いて三次元造形物ＯＢを造形できる。

尚、本実施形態では、ペレット状のＡＢＳ樹脂の材料が用いられたが、吐出ユニット１００において用いられる材料としては、例えば、熱可塑性を有する材料や、金属材料、セラミック材料等の種々の材料を主材料として三次元造形物を造形する材料を採用することもできる。ここで、「主材料」とは、三次元造形物の形状を形作っている中心となる材料を意味し、三次元造形物において５０重量％以上の含有率を占める材料を意味する。上述した造形材料には、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。

主材料として熱可塑性を有する材料を用いる場合には、溶融部３０において、当該材料が可塑化することによって造形材料が生成される。「可塑化」とは、熱可塑性を有する材料に熱が加わり溶融することを意味する。

熱可塑性を有する材料としては、例えば、下記のいずれか一つまたは２以上を組み合わせた熱可塑性樹脂材料を用いることができる。
＜熱可塑性樹脂材料の例＞
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）、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などの汎用エンジニアリングプラスチック、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリアリレート、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトンなどのエンジニアリングプラスチック。

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、溶融部３０において、フラットスクリュー４０の回転とヒーター５８の加熱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、ノズル孔６２から吐出された後、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孔６２から射出されることが望ましい。例えば、ＡＢＳ樹脂は、ガラス転移点が約１２０℃であり、ノズル孔６２からの射出時には約２００℃であることが望ましい。このように高温の状態で造形材料を射出するために、ノズル孔６２の周囲にはヒーターが設けられてもよい。

吐出ユニット１００では、上述した熱可塑性を有する材料の代わりに、例えば、以下の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、下記の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、溶融部３０に投入されることが望ましい。
＜金属材料の例＞
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。
＜合金の例＞
マルエージング鋼、ステンレス、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。

吐出ユニット１００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スや、窒化アルミニウムなどの非酸化物セラミックスなどが使用可能である。主材料として、上述したような金属材料やセラミック材料を用いる場合には、造形ステージ３００に配置された造形材料は、例えばレーザーの照射や温風などによる焼結によって硬化されてもよい。

材料貯留部２０に投入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、上で例示したような熱可塑性樹脂、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、溶融部３０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。

材料貯留部２０に投入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、以下のような溶剤を添加することもできる。溶剤は、下記の中から選択される１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
＜溶剤の例＞
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。

その他に、材料貯留部２０に投入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、以下のようなバインダーを添加することもできる。
＜バインダーの例＞
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又はＰＬＡ（ポリ乳酸）、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）或いはその他の熱可塑性樹脂。

Ｂ．他の実施形態：
図１４は、他の形態における第２造形パスＰｍ２の第１の例を示す上面図である。図１５は、他の形態における第２造形パスＰｍ２の第２の例を示す上面図である。図１４に表されたように、第２造形パスＰｍ２は、第１部分９１０の周縁の一辺に平行な方向に往復しながら、重複部９２１と非重複部９２２とを造形するように設定されてもよい。また、図１５に表されたように、第２造形パスＰｍ２は、第１部分９１０の周縁の一辺に交差する方向に往復しながら、重複部９２１と非重複部９２２とを造形するように設定されてもよい。これらの場合、非重複部９２２の第１部分９１０からの張り出し量Ｗｄを、三次元造形物ＯＢにおける部位に応じて異なる量に設定できる。

上述した実施形態では、制御部５００は、第１切削処理を実行することによって第１切削工程を行い、第２切削処理を実行することによって第２切削工程を行っている。これに対して、制御部５００は、第１切削処理と第２切削処理とのうち少なくともいずれか一方を実行しなくてもよい。つまり、第１切削工程と第２切削工程との少なくともいずれか一方が行われなくてもよい。

上述した実施形態では、非重複部９２２内に配置された第２造形パスＰｍ２の部分と、重複部９２１内に配置された隣接する第２造形パスＰｍ２の部分との間隔ｄ２は、重複部９２１内に配置された隣接する第２造形パスＰｍ２の部分同士の間隔ｄ１よりも狭く設定されている。非重複部９２２内に配置された隣接する第２造形パスＰｍ２の部分同士の間隔ｄ３は、間隔ｄ２と同じに設定されている。これに対して、間隔ｄ２は、間隔ｄ１と同じに設定されてもよいし、間隔ｄ３は、間隔ｄ２よりも狭く設定されてもよい。

Ｃ．他の形態：
本開示は、上述した実施形態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形態で実現することができる。例えば、本開示は、以下の形態によっても実現可能である。以下に記載した各形態中の技術的特徴に対応する上記実施形態中の技術的特徴は、本開示の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、本開示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なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

（１）本開示の第１の形態によれば、三次元造形物の製造方法が提供される。この三次元造形物の製造方法は、ステージに向かって造形材料を吐出することによって、前記三次元造形物の第１部分を造形する第１造形工程と、前記第１部分に重なる重複部、および、前記第１部分に重ならず、前記第１部分との間に空間を形成し、かつ、一端が前記重複部に接する非重複部を有する、前記三次元造形物の第２部分を造形する第２造形工程と、を有する。前記第２造形工程では、前記第１部分上に前記造形材料を吐出することによって、前記重複部を造形した後、前記重複部に接して前記造形材料を吐出することによって前記非重複部を造形する。
この形態の三次元造形物の製造方法によれば、第２部分を造形する際に、第１部分から張り出した非重複部を造形できるので、造形材料の収縮に伴って第２部分が設計上狙った寸法よりも小さくなることを抑制できる。そのため、三次元造形物の造形精度を向上させることができる。

（２）上記形態の三次元造形物の製造方法は、前記第２造形工程よりも後に、少なくとも前記非重複部を切削する切削工程を有してもよい。
この形態の三次元造形物の製造方法によれば、第２部分を切削によって仕上げることができるため、三次元造形物の造形精度を、より向上させることができる。

（３）上記形態の三次元造形物の製造方法において、前記切削工程は、前記第２部分が硬化して収縮した後に行われ、前記第２造形工程において、前記非重複部は、前記切削工程において前記非重複部を切削するための削り代を確保可能な大きさに造形されてもよい。
この形態の三次元造形物の製造方法によれば、第２部分が硬化して収縮した後であっても、確実に削り代を確保できる。

（４）上記形態の三次元造形物の製造方法では、前記第２造形工程における、前記非重複部を造形するために前記造形材料が吐出される経路は、前記重複部を周回する経路であってもよい。
この形態の三次元造形物の製造方法によれば、重複部を周回する経路で非重複部を造形するので、必要最低限の長さの経路で造形できる。そのため、三次元造形物の造形に要する時間を短縮できる。

（５）上記形態の三次元造形物の製造方法では、前記第２造形工程における、前記非重複部を造形するために前記造形材料が吐出される経路は、前記重複部の周縁に平行に往復する経路であってもよい。
この形態の三次元造形物の製造方法によれば、非重複部の第１部分からの張り出し量を、三次元造形物における部位に応じて異なる量に設定できる。

（６）上記形態の三次元造形物の製造方法では、前記第２造形工程における、前記非重複部を造形するために前記造形材料が吐出される経路同士の間隔は、前記重複部を造形するために前記造形材料が吐出される経路同士の間隔よりも狭くてもよい。
この形態の三次元造形物の製造方法によれば、吐出された造形材料の一部が、先に配置された造形材料の上に重なるように非重複部が造形されるので、非重複部の垂れ下がりを抑制できる。

（７）本開示の第２の形態によれば、三次元造形装置が提供される。この三次元造形装置は、材料を溶融させて造形材料にする溶融部と、前記造形材料を吐出する吐出部と、前記吐出部から吐出された前記造形材料が積層されるステージと、前記吐出部と前記ステージとの相対位置を変化させる移動機構と、前記溶融部および前記移動機構を制御することによって、第１部分と、前記第１部分に重なる重複部、および、前記第１部分に重ならず、前記第１部分との間に空間を形成し、かつ、一端が前記重複部に接する非重複部を有する第２部分とを有する三次元造形物を造形する制御部と、を備える。前記制御部は、前記第１部分上に前記造形材料を吐出することによって、前記重複部を造形した後、前記重複部に接して前記造形材料を吐出することによって前記非重複部を造形する造形パスに従って、前記溶融部および前記移動機構を制御する。
この形態の三次元造形装置によれば、第２部分を造形する際に、第１部分から張り出した非重複部を造形できるので、造形材料の収縮に伴って第２部分が設計上狙った寸法よりも小さくなることを抑制できる。そのため、三次元造形物の造形精度を向上させることができる。

（８）上記形態の三次元造形装置において、前記溶融部は、溝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し、中央に前記吐出部に連通する連通孔が形成されたスクリュー対向面、および、加熱部を有するバレルと、を備え、前記フラットスクリューの回転、および、前記加熱部による加熱によって前記材料を溶融させて前記造形材料にして、前記連通孔から前記吐出部に前記造形材料を供給してもよい。
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を用いて材料を溶融させて造形材料にするため、溶融部を小型化できる。そのため、三次元造形装置を小型化できる。

本開示は、三次元造形物の製造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、三次元造形装置、三次元造形システム、三次元造形装置の制御方法、情報処理装置、データ生成方法等の形態で実現することができる。

５…三次元造形システム、１０…三次元造形装置、１５…情報処理装置、２０…材料貯留部、２２…供給路、３０…溶融部、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、４１…上面、４２…溝形成面、４３…側面、４５…溝部、４６…中央部、４７…渦状部、４８…材料導入部、５０…バレル、５２…スクリュー対向面、５４…案内溝、５６…連通孔、５８…ヒーター、６０…吐出部、６１…ノズル、６２…ノズル孔、６５…ノズル流路、１００…吐出ユニット、２００…切削ユニット、２１０…切削工具、３００…造形ステージ、３２０…調温ヒーター、４００…移動機構、５００…制御部、９１０…第１部分、９２０…第２部分、９２１…重複部、９２２…非重複部。

Claims (6)

1. 三次元造形物の製造方法であって、
   ステージに向かって造形材料を吐出することによって、前記三次元造形物の第１部分を造形する第１造形工程と、
   前記第１部分に重なる重複部と、前記第１部分に重ならず、前記ステージとの間に空間を形成し、かつ、一端が前記重複部に接する非重複部とを有する、前記三次元造形物の第２部分を造形する第２造形工程と、
   前記第２造形工程よりも後、かつ、前記第２部分が硬化した後に、少なくとも前記非重複部を切削する切削工程と、
   を有し、
   前記第２造形工程では、前記第１部分上に前記造形材料を吐出することによって前記重複部を造形した後、前記重複部に接して前記造形材料を吐出することによって前記非重複部を造形し、
   前記第２造形工程では、前記非重複部は、前記切削工程において前記非重複部を切削するための削り代を確保可能な大きさに造形される、
   三次元造形物の製造方法。
2. 請求項１に記載の三次元造形物の製造方法であって、
   前記第２造形工程における、前記非重複部を造形するために前記造形材料が吐出される経路は、前記重複部を周回する経路である、三次元造形物の製造方法。
3. 請求項１に記載の三次元造形物の製造方法であって、
   前記第２造形工程における、前記非重複部を造形するために前記造形材料が吐出される経路は、前記重複部の周縁に平行に往復する経路である、三次元造形物の製造方法。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法であって、
   前記第２造形工程における、前記非重複部を造形するために前記造形材料が吐出される経路同士の間隔は、前記重複部を造形するために前記造形材料が吐出される経路同士の間隔よりも狭い、三次元造形物の製造方法。
5. 三次元造形装置であって、
   材料を溶融させて造形材料にする溶融部と、
   前記造形材料を吐出する吐出部と、
   前記吐出部から吐出された前記造形材料が積層されるステージと、
   前記ステージ上に積層された前記造形材料を切削する切削部と、
   前記吐出部と前記切削部と前記ステージとの相対位置を変化させる移動機構と、
   前記溶融部と前記切削部と前記移動機構とを制御することによって三次元造形物を造形する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記溶融部と前記移動機構とを制御することによって、前記吐出部から前記ステージに向かって前記造形材料を吐出させて、前記三次元造形物の第１部分を造形する第１造形制御と、
   前記溶融部と前記移動機構とを制御することによって、前記第１部分に重なる重複部と、前記第１部分に重ならず、前記ステージとの間に空間を形成し、かつ、一端が前記重複部に接する非重複部とを有する、前記三次元造形物の第２部分を造形する第２造形制御と、
   前記切削部と前記移動機構とを制御することによって、前記第２造形制御よりも後、かつ、前記第２部分が硬化した後に、少なくとも前記非重複部を切削する切削制御と、
   を実行し、
   前記第２造形制御では、前記制御部は、前記吐出部から前記第１部分上に前記造形材料を吐出させることによって前記重複部を造形した後、前記吐出部から前記重複部に接して前記造形材料を吐出させることによって前記非重複部を造形し、
   前記第２造形制御では、前記非重複部は、前記切削制御において前記非重複部を切削するための削り代を確保可能な大きさに造形される、三次元造形装置。
6. 請求項５に記載の三次元造形装置であって、
   前記溶融部は、
   溝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し、中央に前記吐出部に連通する連通孔が形成されたスクリュー対向面、および、加熱部を有するバレルと、を備え、
   前記フラットスクリューの回転、および、前記加熱部による加熱によって前記材料を溶融させて前記造形材料にして、前記連通孔から前記吐出部に前記造形材料を供給する、三次元造形装置。

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