JP7388072B2 - 三次元造形装置、および、三次元造形物の製造方法 - Google Patents

Description

本開示は三次元造形装置、および、三次元造形物の製造方法に関する。

三次元造形装置に関し、例えば、特許文献１に記載された装置では、ヘッドに支持アームを介して接続されたエネルギー源で、既設層を加熱し、加熱した既設層の上に後続層を積層することで、既設層と後続層との間の密着性を向上させている。

特表２０１７－５２３０６３号公報

特許文献１に記載した装置では、加熱した既設層の上に後続層を積層するため、ノズルよりも前方の位置を加熱する必要がある。そのため、ノズルの移動方向を変化させるたびに、ノズル前方を加熱できる位置にエネルギー源を移動させることが必要となる場合があり、複雑な制御が必要となる。

本開示の一形態によれば、三次元造形装置が提供される。三次元造形装置は、材料を可塑化して造形材料とする溶融部と、前記造形材料をステージに向けて吐出するノズルと、前記ノズルと前記ステージとの相対位置を変化させる移動機構と、前記移動機構を制御する制御部と、前記ノズルから吐出された前記造形材料に向けて温風を送風する複数の吹出口を、前記ノズルの周囲に有する送風部と、を備えることを特徴とする。

第１実施形態における三次元造形装置の概略構成を示す説明図である。 第１実施形態における送風部の構成概要を示す説明図である。 送風部の下面側の構成を示す概略斜視図である。 フラットスクリューの下面側の構成を示す概略斜視図である。 バレルの上面側の構成を示す概略平面図である。 第１実施形態における三次元造形物の造形処理の工程図である。 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断面図である。 第３実施形態における送風部の構成概要を示す説明図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、三次元造形装置１００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、鉛直上向きの方向である。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。

三次元造形装置１００は、造形ユニット２００と、ステージ３００と、移動機構４００と、制御部５００と、を備える。三次元造形装置１００は、制御部５００の制御下で、ノズル６１からステージ３００上の造形面３１０に向かって造形材料を吐出しつつ、移動機構４００を駆動させて、造形ユニット２００に設けられたノズル６１と造形面３１０との相対的な位置を変化させることによって、造形面３１０上に造形材料が積層された三次元造形物を造形する。造形ユニット２００の詳細な構成については後述する。なお、造形ユニット２００のことをヘッドと呼ぶこともある。

移動機構４００は、上述したとおり、ノズル６１と造形面３１０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、ステージ３００を支持しており、造形ユニット２００に対してステージ３００を移動させることによって、ノズル６１と造形面３１０との相対的な位置を変化させる。なお、造形面３１０に対するノズル６１の相対的な位置の変化を、ノズル６１の移動と呼ぶこともある。また、造形面３１０に対するノズル６１の相対位置の変化の方向を、ノズル６１の移動方向と呼ぶこともある。本実施形態では、例えば、ステージ３００を＋Ｘ方向に移動させたことを、ノズル６１を－Ｘ方向に移動させたと言い換えることもできる。また、このときのノズル６１の移動方向は、－Ｘ方向である。

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、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に制御されて駆動する。なお、移動機構４００は、ステージ３００を移動することなく造形ユニット２００を移動させることによって、ノズル６１と造形面３１０との相対的な位置を変化させる構成であってもよい。また、移動機構４００は、ステージ３００と造形ユニット２００との両方を移動させることによって、ノズル６１と造形面３１０との相対的な位置を変化させる構成であってもよい。

制御部５００は、コンピューターとして構成されており、１以上のプロセッサーと、メモリーと、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。プロセッサーは、メモリーに記憶された所定のプログラムを実行することによって、三次元造形物を造形するための造形処理を実現する。造形処理において、制御部５００は、造形ユニット２００と、移動機構４００とを、適宜制御する。なお、制御部５００の機能の一部または全部を、回路により実現するようにしてもよい。

造形ユニット２００は、造形材料に転化される前の材料の供給源である材料供給部２０と、材料を溶融させて造形材料とする溶融部３０と、溶融部３０から供給された造形材料を造形面３１０に向けて吐出するノズル６１と、温風を生成する温風生成部１１０と、温風生成部１１０によって生成された温風を吹き出す複数の吹出口１４０を有する送風部１３０とを、備える。

材料供給部２０は、溶融部３０に、造形材料を生成するための材料を供給する。材料供給部２０は、例えば、材料を収容するホッパーによって構成される。材料供給部２０は、連通路２２を介して、溶融部３０に接続されている。材料は、例えば、ペレットや粉末等の形態で材料供給部２０に投入される。材料の詳細については後述する。

溶融部３０は、材料供給部２０から供給された材料を可塑化して流動性を発現させたペースト状の造形材料を生成し、ノズル６１へと導く。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、を有する。フラットスクリュー４０は、「スクロール」とも呼ばれる。バレル５０は、スクリュー対面部とも呼ばれる。なお、溶融部３０は、造形材料を構成する全ての種類の物質を溶融しなくてもよい。溶融部３０は、造形材料を構成する物質のうちの少なくとも一部の種類の物質を溶融させることによって、全体として流動性を有する状態に造形材料を転化すればよい。

フラットスクリュー４０は、その中心軸ＲＸに沿った高さが直径よりも小さい略円柱状を有する。本実施形態において、フラットスクリュー４０は、その中心軸ＲＸがＺ方向に平行になるように配置される。

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の上面側は駆動モーター３２に連結されており、フラットスクリュー４０は、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内において中心軸ＲＸを中心に回転する。駆動モーター３２は、制御部５００によって制御され駆動する。

フラットスクリュー４０の下面には、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の側面から溝部４２に連通する。

フラットスクリュー４０の下面は、バレル５０の上面に面している。フラットスクリュー４０の下面の溝部４２と、バレル５０の上面との間には空間が形成される。この空間には、材料供給部２０から材料が供給される。フラットスクリュー４０および溝部４２の具体的な構成については後述する。

バレル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。本実施形態では、４本の棒状のヒーター５８がＹ方向に沿って配置されている。各ヒーター５８は、スクリュー対向面５２の下方に配置されている。各ヒーター５８の温度は、制御部５００によって制御される。なお、ヒーター５８のことを第１加熱部と呼ぶこともある。

バレル５０内には温風供給流路９５が設けられている。後述する温風生成部１１０によって生成された温風は、温風供給流路９５を介して、送風部１３０へと流れる。温風供給流路９５は、ヒーター５８によって、バレル５０とともに加熱される。

なお、温風とは、吹出口１４０における出口温度の、吹出口１４０ごとの平均値が２００℃以上となる気体の流れのことを指す。既設層への接着効果を高めるために、温風の温度は造形材料のガラス転移点以上の温度であることが好ましく、例えば３００℃から４００℃である。吹出口１４０ごとの温度のばらつきを抑制するために、温風の流量は大きいことが好ましく、２０Ｌ／ｍから３０Ｌ／ｍである。

フラットスクリュー４０の溝部４２に供給された材料は、溝部４２において溶融されながら、フラットスクリュー４０の回転によって溝部４２に沿って流動し、造形材料としてフラットスクリュー４０の中央部４５へと導かれる。中央部４５に流入したペースト状の造形材料は、バレル５０の中心に設けられた連通孔５６を介してノズル６１に供給される。

ノズル６１は、バレル５０の下部に設けられている。ノズル６１は、ノズル流路６８と、吐出口６９とを、有する。ノズル流路６８は、ノズル６１内に設けられた流路であり、その一端がバレル５０内の連通孔５６に接続されている。吐出口６９は、ノズル流路６８の連通孔５６に接続されていない端部に設けられており、バレル５０の下面よりも下方に位置している。本実施形態では、吐出口６９の開口形状は円形である。造形材料は、連通孔５６からノズル流路６８に流入し、吐出口６９から吐出される。なお、吐出口６９の開口形状は円形に限られず、例えば、正方形や、正方形以外の多角形であってもよい。

温風生成部１１０は、バレル５０に対して、＋Ｘ方向から接続されている。温風生成部１１０は、ガス管１１５と、発熱部１２０と、を備える。

ガス管１１５は円筒状の管である。ガス管１１５の一端には、ガス管１１５に気体を導入するための導入口１１６が設けられている。ガス管１１５の導入口１１６と逆側の端部は、バレル５０に設けられた温風供給流路９５に接続されている。なお、図示しないが、本実施形態では、流量調整された空気が導入口１１６からガス管１１５へと導入される。ガス管１１５への空気の導入には、例えば、エアーポンプを用いることができる。また、ガス管１１５へと導入される気体は空気でなく、他の不活性ガスであってもよい。例えば、窒素であってもよい。

発熱部１２０はコイル状の電熱線であり、ガス管１１５内部に設けられている。ガス管１１５へと導入された空気は、発熱部１２０によって加熱され、温風供給流路９５へと流れる。

図２は、送風部１３０の構成概要を示す説明図である。また、図３は、送風部１３０の下面側の構成を示す概略斜視図である。送風部１３０はバレル５０の下部に設けられ、略円柱形状を有している。送風部１３０は、環状流路１３５と、温風供給口１３７と、複数の吹出口１４０とを、備える。

図２に示すように、環状流路１３５は、ノズル６１を中心とし、送風部１３０の外周部１３６に沿うように形成された環状の流路である。環状流路１３５は、バレル５０の下面に設けられている。環状流路１３５のうち、＋Ｘ方向側に位置する流路の上部には、温風供給口１３７が設けられている。温風供給口１３７は円形状の開口部であり、バレル５０内に設けられた温風供給流路９５に接続されている。温風供給口１３７は、温風供給流路９５から供給された温風を、環状流路１３５へと供給する。環状流路１３５は、温風供給口１３７から供給された温風を、環状流路１３５と連通する吹出口１４０へと供給する。

ノズル６１と環状流路１３５との間には、断熱部９８が設けられている。断熱部９８はノズル６１と環状流路１３５とを隔絶するとともに、断熱部９８に存在する空気によって、ノズル６１と環状流路１３５とを断熱する。なお、断熱部９８に、断熱材として、グラスウール等を固定してもよい。

吹出口１４０は、ノズル６１の周囲に配置されている。図３に示すように、本実施形態では、８個の吹出口１４０が、ノズル６１を中心とする円周上に一定の間隔で配置されている。吹出口１４０は、環状流路１３５から供給された温風を、ノズル６１から造形面３１０上に吐出された造形材料に向かって送風する。

なお、それぞれの吹出口１４０を区別することもある。第１吹出口１４１は、ノズル６１から見て＋Ｘ方向の位置に設けられる。それぞれの吹出口１４０は、第１吹出口１４１から、ノズル６１を中心として反時計回りに、第２吹出口１４２、第３吹出口１４３、第４吹出口１４４、第５吹出口１４５、第６吹出口１４６、第７吹出口１４７、第８吹出口１４８の順に設けられる。なお、第３吹出口１４３はノズル６１から見て＋Ｙ方向の位置に、第５吹出口１４５はノズル６１から見て－Ｘ方向の位置に、第７吹出口１４７はノズル６１から見て－Ｙ方向の位置に設けられる。

図２に示すように、それぞれの吹出口１４０には、調節弁１５０が設けられている。なお、図３では、調節弁１５０の図示を省略している。調節弁１５０は、円板状の弁部と回転軸とを有するバタフライバルブである。調節弁１５０の回転によって、吹出口１４０が開閉され、吹出口１４０から送風される温風の送風量が調節される。また、調節弁１５０は、制御部５００によってそれぞれ別個に制御される。すなわち、調節弁１５０は、吹出口１４０ごとに送風量を調節可能な送風量調節機構として機能する。なお、調節弁１５０がＸ方向に平行となった場合に、送風量は最小の０となる。また、調節弁１５０がＸ方向に垂直となった場合に、送風量は最大となる。他の実施形態では、送風量調節機構として、例えば、１枚または複数枚の板状の部材で吹出口１４０を開閉するシャッターであってもよい。

図４は、フラットスクリュー４０の下面側の構成を示す概略斜視図である。図４には、フラットスクリュー４０の中心軸ＲＸの位置が一点鎖線で示されている。バレル５０に対向するフラットスクリュー４０の下面には、溝部４２が設けられている。以下、フラットスクリュー４０の下面のことを、「溝形成面４８」と呼ぶ。

フラットスクリュー４０の溝形成面４８の中央部４５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４５は、バレル５０の連通孔５６に対向する。第１実施形態では、中央部４５は、中心軸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４５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もよい。溝形成面４８には、溝部４２の側壁部を構成し、各溝部４２に沿って延びている凸条部４３が設けられている。

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ＭＲを受け入れる部分である。

図４には、３つの溝部４２と、３つの凸条部４３と、を有するフラットスクリュー４０の例が示されている。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。

図４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。

図５は、バレル５０の上面側の構成を示す概略平面図である。バレル５０の上面は、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、バレル５０の上面を、「スクリュー対向面５２」と呼ぶ。スクリュー対向面は、直径ｄ１の略円形状を有する。スクリュー対向面５２の中心には、造形材料をノズル６１に供給するための連通孔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、フラットスクリュー４０の中央部４５に流入した造形材料を連通孔５６に導く機能を有する。

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に誘導されて、溝部４２内において加熱されながら中央部４５に向かって移動する。材料は、中央部４５に近づくほど、溶融し、流動性が高まっていき、造形材料へと転化する。中央部４５に集められた造形材料は、中央部４５で生じる内圧により連通孔５６からノズル６１に流出する。

図６は、第１実施形態における三次元造形物の造形処理の工程図である。本実施形態では、この三次元造形物の造形処理は、既設層の上に、更に造形材料を吐出して三次元造形物を造形する場合に実行される。なお、既設層とは、ノズル６１から吐出された造形材料が積層されることによって、この造形処理の実行前に既に形成された層のことを指す。本実施形態において、制御部５００は、三次元造形物を作成するための造形用プログラムを実行して、三次元造形物の造形を行う。

ステップＳ１１０にて、制御部５００は、三次元造形物の造形に用いる造形用データを取得する。この造形用データは、例えば、三次元造形物の形状を表すＳＴＬ形式やＡＭＦ形式のデータをスライサーで変換することによって作成された、ツールパスデータである。なお、ここで取得される造形用データは、１層分を造形するためのデータであってもよいし、複数の層を造形するためのデータであってもよい。

ステップＳ１２０にて、制御部５００は、造形用データに基づいて、ノズル６１の移動方向を決定する。

ステップＳ１３０にて、制御部５００は、ステップＳ１２０で決定したノズル６１の移動方向に応じて、送風方向を決定し、決定した送風方向に基づいて、吹出口１４０から温風を送風する。送風方向の決定とは、それぞれの吹出口１４０から送風する温風の送風量を決定することを指す。具体的には、制御部５００は、調節弁１５０を制御することによって、ノズル６１の移動方向においてノズル６１よりも前方に位置する吹出口１４０からの前方送風量を、ノズル６１の移動方向においてノズル６１よりも後方に位置する吹出口１４０からの後方送風量よりも大きくする。例えば、図３の矢印に示すように、ノズル６１が＋Ｘ方向に移動する場合、制御部５００は、調節弁１５０を制御することによって、第１吹出口１４１および第２吹出口１４２および第８吹出口１４８の送風量の和を、第４吹出口１４４および第５吹出口１４５および第６吹出口１４６の和よりも大きくする。この場合、第１吹出口１４１のみから送風し、他の吹出口１４０からの送風を停止することによっても、前方送風量を後方送風量より大きくすることができる。なお、移動方向に対してノズル６１と横並びの位置である一点鎖線上の、第３吹出口１４３や第７吹出口１４７の送風量を変化させた場合、前方送風量および後方送風量の両方が同様に変化する。そのため、第３吹出口１４３や第７吹出口１４７の送風量の変化は、前方送風量と後方送風量との大小関係に影響しない。

ステップＳ１４０にて、制御部５００は、ステップＳ１３０で決定した移動方向にノズル６１を移動させながら、溶融部３０によって生成された造形材料をノズル６１から吐出させる。すなわち、ノズル６１の移動に伴って、吹出口１４０から温風が送風され、ノズル６１から造形材料が吐出される。既設層のうち、ステップＳ１４０にて温風によって加熱された部分に造形材料が吐出されるため、吐出された造形材料と既設層との密着性が向上する。

ステップＳ１５０にて、制御部５００は、造形用データに基づいて、ノズル６１の移動方向を変更するか否かを判断する。ノズル６１の移動方向を変更する場合、再度ステップＳ１２０にて、ノズル６１の新たな移動方向を決定する。

ステップＳ１５０において方向転換をしなかった場合、ステップＳ１６０にて、制御部５００は、三次元造形物の造形を終了するか否かを判断する。造形を終了しない場合、再度ステップＳ１１０に戻る。

以上で説明した本実施形態の三次元造形装置１００は、温風を送風する複数の吹出口１４０をノズル６１の周囲に有する送風部１３０を備える。これによって、吹出口１４０を１個のみ有する場合と比較して、ノズル６１周囲の広範囲を加熱できる。そのため、吹出口１４０をノズル６１に対して移動させることなく、簡易な制御によって、ノズル６１の移動方向前方を効率的に加熱できる。

また、本実施形態では、吹出口１４０は、ノズル６１の周囲に一定の間隔で配置されている。これによって、ノズル６１の周囲から均等に温風を送風することができる。そのため、吹出口１４０をノズル６１に対して移動させることなく、簡易な制御によって、ノズル６１の移動方向前方を効率的に加熱できる。

また、本実施形態では、吹出口１４０ごとに調節弁１５０が設けられている。そのため、三次元造形物の造形中に、ノズル６１の移動方向に応じて、複数の吹出口１４０の送風量を個別に調節することができる。

また、本実施形態では、前方送風量を後方送風量よりも大きくする。そのため、例えば、既設層の上に更に造形材料を吐出させて三次元造形物を造形する場合、既設層のうち、ノズル６１の移動方向後方の部分よりも大きな送風量の温風によって加熱された、移動方向前方の部分に造形材料が吐出されるため、吐出された造形材料と既設層との密着性が向上する。

また、本実施形態では、吹出口１４０と連通し、吹出口１４０に温風を供給する環状流路１３５を備える。そのため、簡易な構成によって、ノズル６１の周囲に設けられ複数の吹出口１４０へと温風を供給することができる。

また、本実施形態では、ノズル６１と環状流路１３５との間に断熱部９８を有する。そのため、ノズル６１内の造形材料に、環状流路１３５内の温風による熱的影響が加わることを抑制できる。

また、本実施形態では、溶融部３０としてフラットスクリュー４０と、バレル５０とを備える。そのため、送風部１３０を備え、かつ、三次元造形装置１００全体を小型化することができる。

また、本実施形態では、ヒーター５８は、バレル５０および温風供給流路９５を加熱する。そのため、簡易な構成で、バレル５０および温風供給流路９５を加熱することができる。

ここで、上述した三次元造形装置１００において用いられる三次元造形物の材料について説明する。三次元造形装置１００では、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ことができる。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。熱可塑性を有する材料の溶融によって生成された造形材料は、ノズル６１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６１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６１からの吐出時には約２００℃であることが望ましい。

三次元造形装置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、材料ＭＲとして溶融部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。
＜前記合金の例＞
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。

三次元造形装置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、造形面３１０に吐出された造形材料は焼結によって硬化されてもよい。

材料供給部２０に材料ＭＲとして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。

材料供給部２０に材料ＭＲとして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、材料供給部２０に材料ＭＲとして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、セルロース系樹脂ある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）あるいはその他の熱可塑性樹脂。

Ｂ．第２実施形態：
図７は、第２実施形態における三次元造形装置１００ｂの構成を示す概略断面図である。なお、第２実施形態における三次元造形装置１００ｂの、特に説明しない部分については、第１実施形態の三次元造形装置１００と同様の構成である。

本実施形態の造形ユニット２００ｂは、温風供給流路９５を加熱する第２加熱部１６０を備える。第２加熱部１６０は棒状のヒーターである。第２加熱部１６０は、バレル５０の下面に、Ｘ方向に沿って配置されている。

制御部５００は、第１加熱部であるヒーター５８と、第２加熱部１６０とを、別々に制御できる。例えば、ヒーター５８を制御することによって、バレル５０の温度を造形材料の可塑性を発現させるのに適した温度としつつ、第２加熱部１６０を制御することによって、温風供給流路９５を加熱し、送風部１３０へと供給される温風の温度を高めることができる。

このような三次元造形装置１００ｂの構成によっても、簡易な制御によって、ノズル６１の移動方向に応じた位置を加熱しながら、三次元造形物を造形することができる。特に、本実施形態では、第２加熱部を制御することによって、送風部１３０へと供給される温風の温度を調節することができる。

Ｃ．第３実施形態
図８は、第３実施形態における送風部１３０ｃの構成概要を示す説明図である。第３実施形態における三次元造形装置１００ｃの、送風部１３０ｃ以外の構成については、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。また、送風部１３０ｃの特に説明しない部分についても、第１実施形態の送風部１３０と同様の構成である。

本実施形態では、温風供給流路９５ｃは、直線流路９６および螺旋流路９７を有する。直線流路９６は、温風生成部１１０のガス管１１５に接続され、バレル５０の側面からバレル５０の内部へと－Ｘ方向に延びる流路である。螺旋流路９７は、ノズル６１を中心とし、バレル５０の内部を鉛直下方に延びる螺旋状の流路である。螺旋流路９７の始端は、直線流路９６の一端と接続されている。また、螺旋流路９７の終端は、温風供給口１３７と接続されている。

本実施形態では、バレル５０内の温風供給流路９５ｃの全長は、バレル５０の外周の長さよりも長い。なお、バレル５０の外周とは、図５に示すスクリュー対向面５２の外周のことを指す。また、本実施形態では、温風供給流路９５ｃの全長とは、直線流路９６の長さと螺旋流路９７の長さとの和となる。

図５に示すように、スクリュー対向面５２は直径ｄ１の略円形状を有する。一方、螺旋流路９７は、＋Ｚ方向から見て、ノズル６１を中心とする直径ｄ２の円形状となる螺旋状の流路である。なお、直径ｄ２は、直径ｄ１の３分の１の長さである。また、螺旋流路９７は、始端から終端までに、ノズル６１の周囲を３周する。そのため、温風供給流路９５ｃの全長は、バレル５０の外周の長さよりも長い。

なお、温風供給流路９５ｃは、螺旋状の流路ではなく、例えば、バレル５０内で複数回方向を変えることによって、バレル５０の外周の長さよりも長い全長を有する流路であってもよい。また、温風供給流路９５ｃの一部がバレル５０の外部に設けられていてもよい。すなわち、温風供給流路９５ｃの少なくとも一部がバレル５０内に設けられていればよい。

このような三次元造形装置１００ｃの構成によっても、簡易な制御によって、ノズル６１の移動方向に応じた位置を加熱しながら、三次元造形物を造形することができる。特に、本実施形態では、バレル５０内に設けられた温風供給流路９５ｃの全長がバレル５０の外周の長さ以下である場合に比べ、長時間、温風供給流路９５ｃ内の空気がヒーター５８によって加熱される。そのため、効果的にヒーター５８によって温風供給流路９５内の空気が加熱される。

Ｄ．他の実施形態
（Ｄ－１）上記実施形態では、送風部１３０は、８個の吹出口を有している。これに対して、吹出口の数は２個以上７個以下であってもよいし、９個以上であってもよい。

（Ｄ－２）上記実施形態では、複数の吹出口１４０が、ノズル６１を中心とする円周上に配置されている。これに対して、吹出口１４０は、例えば、ノズル６１を中心とする楕円の周上に配置されていてもよい。また、ノズル６１を中心とする多角形の辺上に配置されていてもよい。

（Ｄ－３）上記実施形態では、複数の吹出口１４０が、ノズル６１の周囲に一定の間隔で配置されている。これに対して、吹出口１４０が一定の間隔で配置されていなくてもよい。例えば、ノズル６１と各吹出口１４０とを結ぶ直線同士の角度を一定とする配置であってもよい。他にも、例えば、上記実施形態の吹出口１４０のうち、第３吹出口１４３と第７吹出口１４７とを有していない構成であってもよい。

（Ｄ－４）上記実施形態では、制御部５００は、前方送風量を後方送風量よりも大きくする。これに対して、ノズル６１の移動方向に応じて送風量を調節せず、全ての吹出口１４０から同じ送風量の温風を送風させてもよい。また、後方送風量を前方送風量より大きくしてもよい。

（Ｄ－５）上記実施形態では、ノズル６１を環状流路１３５との間に断熱部９８が設けられている。これに対して、ノズル６１と環状流路１３５との間に断熱部９８が設けられていなくてもよい。

（Ｄ－６）上記実施形態では、環状流路１３５と温風供給口１３７とが設けられている。これに対して、環状流路１３５と温風供給口１３７が設けられず、温風供給流路９５から各吹出口１４０へと分岐する流路が設けられていてもよい。

（Ｄ－７）上記実施形態では、それぞれの吹出口１４０に、温風の流量を測定する流量センサーを設けてもよい。また、それぞれの吹出口１４０に、温風の温度を測定する熱電対等の温度センサーを設けてもよい。この場合、制御部５００は、流量センサーや温度センサーによって測定された値に応じて、それぞれの吹出口１４０から送風される温風の流量や温度を調整してもよい。

（Ｄ－８）上記実施形態では、送風量調節機構として、それぞれの吹出口１４０に、調節弁１５０が設けられている。これに対して、例えば、それぞれの吹出口１４０に温風を供給する流路に、調節弁１５０が設けられていてもよい。また、吹出口１４０ごとではなく、送風部１３０全体の送風量を調節する機構を備えていてもよい。また、送風量を調節する機構を備えていなくてもよい。

（Ｄ－９）上記実施形態では、溶融部３０はフラットスクリュー４０と、バレル５０と、ヒーター５８とを、備える。これに対して、溶融部３０は、フラットスクリュー４０と、バレル５０と、ヒーター５８と、を備えず、例えば、インラインスクリューを備えていてもよい。

（Ｄ－１０）上記実施形態では、ヒーター５８はバレル５０および温風供給流路９５を加熱する。これに対して、ヒーター５８は温風供給流路９５を加熱しなくてもよい。例えば、ヒーター５８をバレル５０内に設け、温風供給流路９５をバレル５０の外部に設けることによって、ヒーター５８がバレル５０を加熱し、温風供給流路９５を加熱しない構成としてもよい。

（Ｄ－１１）上記実施形態では、ヒーター５８がバレル５０内に設けられている。これに対して、ヒーター５８は、バレル５０の外部に設けられていてもよい。

（Ｄ－１２）上記実施形態では、温風生成部１１０を設けられている。これに対して、温風生成部１１０が設けられていなくてもよい。例えば、温風供給流路９５に導入された不活性ガスを、ヒーター５８で加熱し、加熱された不活性ガスを送風部１３０へと供給する構成であってもよい。

Ｅ．他の形態：
本開示は、上述の各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によって実現することができる。例えば、本開示は以下の形態として実現可能である。以下に記載する各形態中の技術的特徴に対応する上記の各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おいて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。

（１）本開示の第１の形態によれば、三次元造形装置が提供される。材料を可塑化して造形材料とする溶融部と、前記造形材料をステージに向けて吐出するノズルと、前記ノズルと前記ステージとの相対位置を変化させる移動機構と、前記移動機構を制御する制御部と、前記ノズルから吐出された前記造形材料に向けて温風を送風する複数の吹出口を、前記ノズルの周囲に有する送風部と、を備える。
このような形態によれば、吹出口を１個のみ有する場合と比較して、ノズル周囲の広範囲を加熱できる。そのため、吹出口をノズルに対して移動させることなく、簡易な制御によって、ノズルの移動方向前方を効率的に加熱できる。

（２）上記形態の三次元造形装置において、前記吹出口は、前記ノズルの周囲に一定の間隔で配置されていてもよい。このような形態によれば、ノズルの周囲から均等に温風を送風することができる。そのため、吹出口をノズルに対して移動させることなく、簡易な制御によって、ノズルの移動方向前方を効率的に加熱できる。

（３）上記形態の三次元造形装置において、前記吹出口ごとに、前記温風の送風量を調節可能な送風量調節機構を備えていてもよい。このような形態によれば、三次元造形物の造形中に、ノズルの移動方向に応じて、複数の吹出口の送風量を個別に調節することができる。

（４）上記形態の三次元造形装置において、前記制御部は、前記送風量調節機構を制御することによって、前記ノズルの移動方向において前記ノズルよりも前方に位置する前記吹出口からの前記送風量を、前記ノズルの移動方向において前記ノズルよりも後方に位置する前記吹出口からの前記送風量よりも大きくしてもよい。このような形態によれば、既設層の上に更に造形材料を吐出させて三次元造形物を造形する場合、既設層のうち、ノズルの移動方向後方の部分よりも大きな送風量の温風によって加熱された、移動方向前方の部分に造形材料が吐出されるため、吐出された造形材料と既設層との密着性が向上する。

（５）上記形態の三次元造形装置において、前記送風部は、前記ノズルを中心とする環状の流路であって、前記吹出口と連通し前記吹出口に前記温風を供給する環状流路と、前記環状流路に前記温風を供給する温風供給口と、を備えていてもよい。このような形態によれば、簡易な構成によって、ノズルの周囲に設けられた複数の吹出口へと温風を供給することができる。

（６）上記形態の三次元造形装置において、前記ノズルと前記環状流路との間に断熱部を有していてもよい。このような形態によれば、ノズル内の造形材料に、環状流路内の温風による熱的影響が加わることを抑制できる。

（７）上記形態の三次元造形装置において、前記溶融部は、前記材料が供給される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する対向面を有し、前記対向面と前記ノズルとを連通する連通孔が設けられたバレルと、を有し、前記バレルを加熱する第１加熱部を備えていてもよい。このような形態によれば、送風部を備え、かつ、三次元造形装置全体を小型化することができる。

（８）上記形態の三次元造形装置において、前記送風部に前記温風を供給する温風供給流路を備え、前記第１加熱部は、前記バレルおよび前記温風供給流路を加熱してもよい。このような形態によれば、簡易な構成で、バレルおよび温風供給流路を加熱することができる。

（９）上記形態の三次元造形装置において、前記温風供給流路を加熱する第２加熱部を有していてもよい。このような形態によれば、第２加熱部を制御することによって、送風部へと供給される温風の温度を調節することができる。

（１０）上記形態の三次元造形装置において、前記温風供給流路の少なくとも一部は前記バレル内に設けられ、前記バレル内に設けられた前記温風供給流路の全長は、前記バレルの外周の長さよりも長くてもよい。このような形態によれば、バレル内に設けられた温風供給流路の全長がバレルの外周の長さ以下である場合に比べ、長時間、温風供給流路内の不活性ガスが第１加熱部によって加熱されるため、効果的に第１加熱部によって温風供給流路内の不活性ガスを加熱できる。

本開示は、上述した三次元造形装置に限らず、種々の態様で実現可能である。例えば、三次元造形物の製造方法や、三次元造形装置の制御方法、三次元造形物を造形するためのコンピュータープログラム、コンピュータープログラムを記録した一時的でない有形な記録媒体等の形態で実現することができる。

２０…材料供給部、２２…連通路、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、４２…溝部、４３…凸条部、４４…材料流入口、４５…中央部、４８…溝形成面、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、６１…ノズル、６８…ノズル流路、６９…吐出口、９５，９５ｃ…温風供給流路、９６…直線流路、９７…螺旋流路、９８…断熱部、１００，１００ｂ，１００ｃ…三次元造形装置、１１０…温風生成部、１１５…ガス管、１１６…導入口、１２０…発熱部、１３０，１３０ｃ…送風部、１３５…環状流路、１３６…外周部、１３７…温風供給口、１４０…吹出口、１４１…第１吹出口、１４２…第２吹出口、１４３…第３吹出口、１４４…第４吹出口、１４５…第５吹出口、１４６…第６吹出口、１４７…第７吹出口、１４８…第８吹出口、１５０…調節弁、１６０…第２加熱部、２００…造形ユニット、３００…ステージ、３１０…造形面、４００…移動機構、５００…制御部

Claims (7)

1. 材料を可塑化して造形材料とする溶融部と、
   前記造形材料をステージに向けて吐出するノズルと、
   前記ノズルと前記ステージとの相対位置を変化させる移動機構と、
   前記移動機構を制御する制御部と、
   前記ノズルから吐出された前記造形材料を加熱するために、前記造形材料に向けて温風を送風する複数の吹出口を、前記ノズルの周囲に有する送風部と、
   前記吹出口ごとに、前記温風の送風量を調節可能な送風量調節機構と、を備え、
   前記溶融部は、
   前記材料が供給される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する対向面を有し、前記対向面と前記ノズルとを連通する連通孔が設けられたバレルと、を有し、
   前記バレルを加熱する第１加熱部と、
   前記送風部に前記温風を供給する温風供給流路と、を更に備え、
   前記温風供給流路の少なくとも一部は前記バレル内に設けられ、
   前記第１加熱部は、前記バレルおよび前記温風供給流路を加熱し、
   前記制御部は、前記送風量調節機構を制御することによって、前記ノズルの移動方向において前記ノズルよりも前方に位置する前記吹出口からの前記送風量を、前記ノズルの移動方向において前記ノズルよりも後方に位置する前記吹出口からの前記送風量よりも大きくする、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、
   前記温風供給流路を加熱する第２加熱部を有する、三次元造形装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の三次元造形装置であって、
   前記温風供給流路の少なくとも一部は前記バレル内に設けられ、
   前記バレル内に設けられた前記温風供給流路の全長は、前記バレルの外周の長さよりも長い、三次元造形装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の三次元造形装置であって、
   前記吹出口は、前記ノズルの周囲に一定の間隔で配置されている、三次元造形装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の三次元造形装置であって、
   前記送風部は、
   前記ノズルを中心とする環状の流路であって、前記吹出口と連通し前記吹出口に前記温風を供給する環状流路と、
   前記環状流路に前記温風を供給する温風供給口と、を備える、
   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、
   前記ノズルと前記環状流路との間に断熱部を有する、三次元造形装置。
7. 三次元造形物の製造方法であって、
   溶融部によって材料を可塑化することによって生成した造形材料を、ノズルからステージに向かって吐出させるとともに、
   前記ノズルと前記ステージとの相対位置を変化させながら、前記ノズルの周囲に設けられた複数の吹出口から、前記ステージ上に吐出された前記造形材料を加熱するために、前記造形材料に向かって温風を送風し、
   前記溶融部は、
   前記材料が供給される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する対向面を有し、前記対向面と前記ノズルとを連通する連通孔が設けられたバレルと、を有し、
   各前記吹出口に前記温風を供給する温風供給流路の少なくとも一部は、前記バレル内に設けられ、
   前記バレルと前記温風供給流路とは、第１加熱部によって加熱され、
   前記吹出口ごとに前記温風の送風量を調節可能な送風量調節機構を制御することによって、前記ノズルの移動方向において前記ノズルよりも前方に位置する前記吹出口からの前記送風量を、前記ノズルの移動方向において前記ノズルよりも後方に位置する前記吹出口からの前記送風量よりも大きくする、三次元造形物の製造方法。

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