JP7447444B2 - 三次元造形装置 - Google Patents

Description

本開示は、三次元造形装置に関する。

特許文献１には、ノズルから吐出された溶融材料を造形台の上に積層して三次元造形物を造形する装置が記載されている。

特開２０１８－１８７７７７号公報

上述した装置では、ステージまたは材料の層の上にノズルから材料を吐出する際にステージまたは材料の層とノズルとの間隔を小さくすることによって、滑らかな表面を有する三次元造形物を造形できる。しかし、上述した間隔を小さくすると、造形中の三次元造形物にノズルが干渉して、三次元造形物の表面が粗くなる場合があることを本願の発明者らは見出した。

本開示の一形態によれば、材料の層を積層することで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、ステージと、ノズル孔が形成されたノズル面を有する吐出部と、前記ステージと前記ノズル面との相対的な位置を変化させる移動部と、前記移動部を制御する制御部と、を備える。前記制御部は、前記吐出部から前記材料を吐出する際の前記ステージまたは前記材料の層と前記ノズル面との間隔Ｇと、前記ノズル面の外径Ｄｐとの関係が下式（１）を満たすように前記移動部を駆動させる。
Ｄｐ≦２０×Ｇ＋０．２０［ｍｍ］ ・・・（１）

三次元造形装置の概略構成を示す説明図。 フラットスクリューの構成を示す斜視図。 バレルの構成を示す上面図。 ノズルの構成を示す斜視図。 造形処理の内容を示すフローチャート。 三次元造形物が造形される様子を模式的に示す説明図。 図６におけるVII－VII線断面図。 三次元造形物の寸法精度の良否を調べた試験結果を示す表。 サンプルＳ１の外観を示す画像。 サンプルＳ１０の外観を示す画像。 サンプルＳ１２の外観を示す画像。 三次元造形物の寸法精度の良否を調べた試験結果を示すグラフ。 造形中の三次元造形物にノズルが干渉する様子を模式的に示す説明図。

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装置１００は、造形ユニット２００と、ステージ３００と、移動部４００と、制御部５００とを備えている。造形ユニット２００は、ノズル孔６２が設けられたノズル面６３を有している。三次元造形装置１００は、制御部５００の制御下で、ノズル面６３とステージ３００との相対的な位置を変化させつつノズル孔６２から造形材料を吐出することによって、ステージ３００の上に造形材料の層を積層して所望の形状の三次元造形物を造形する。尚、造形材料のことを溶融材料と呼ぶこともある。造形ユニット２００の具体的な構成については後述する。

ステージ３００は、ノズル面６３に対向する造形面３１０を有している。造形面３１０の上に三次元造形物が造形される。本実施形態では、造形面３１０は、水平方向、つまり、Ｘ，Ｙ方向に平行に設けられている。ステージ３００は、移動部４００によって支持されている。

移動部４００は、ノズル面６３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、移動部４００は、ステージ３００を移動させることによって、ノズル面６３と造形面３１０との相対的な位置を変化させる。本実施形態における移動部４００は、３つのモーターが発生させる動力によって、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ている。各モーターは、制御部５００の制御下で駆動される。尚、移動部４００は、ステージ３００を移動させずに造形ユニット２００を移動させることによって、ノズル面６３と造形面３１０との相対的な位置を変化させるように構成されてもよい。また、移動部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、ノズル面６３と造形面３１０との相対的な位置を変化させるように構成されてもよい。

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、造形ユニット２００と移動部４００との動作を制御して、三次元造形物を造形するための造形処理を実行する。動作には、造形ユニット２００とステージ３００との三次元の相対的な位置を変化させることが含まれる。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。

造形ユニット２００は、材料ＭＲの供給源である材料供給部２０と、材料ＭＲを可塑化して造形材料にする可塑化部３０と、上述したノズル孔６２およびノズル面６３を有する吐出部６０とを備えている。「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。また、「溶融」とは、熱可塑性を有する材料が融点以上の温度に加熱されて液状になることのみならず、熱可塑性を有する材料がガラス転移点以上の温度に加熱されることにより軟化し、流動性が発現することをも意味する。

材料供給部２０は、造形材料を生成するための材料ＭＲを可塑化部３０に供給する。本実施形態では、ペレット状に形成されたＡＢＳ樹脂が材料ＭＲとして用いられる。本実施形態では、材料供給部２０は、材料ＭＲを収容するホッパーとして構成されている。材料供給部２０の下方には、材料供給部２０と可塑化部３０との間を接続する供給路２２が設けられている。材料供給部２０に収容された材料ＭＲは、供給路２２を介して、可塑化部３０に供給される。

可塑化部３０は、材料供給部２０から供給された材料ＭＲを可塑化して造形材料にして、吐出部６０に供給する。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、バレル５０と、加熱部５８とを備えている。スクリューケース３１は、フラットスクリュー４０を収容する筐体である。スクリューケース３１の下端部にはバレル５０が固定されており、スクリューケース３１とバレル５０とによって囲まれた空間にフラットスクリュー４０が収容されている。

フラットスクリュー４０は、その中心軸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。フラットスクリュー４０の上面４１側は駆動モーター３２に接続されており、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、上面４１とは反対側に、溝部４５が形成された溝形成面４２を有している。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。スクリュー対向面５２の中央には、吐出部６０に連通する貫通孔５６が設けられている。

図２は、フラットスクリュー４０の構成を示す斜視図である。図２には、技術の理解を容易にするために、図１とは上下逆向きにフラットスクリュー４０が表されている。図２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。フラットスクリュー４０の溝形成面４２の中央部４７は、溝部４５の一端が接続されている窪みとして構成されている。中央部４７は、図１に表されたバレル５０の貫通孔５６に対向する。中央部４７は、中心軸ＲＸと交差する。本実施形態では、溝部４５は、中央部４７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４５は、螺旋状に延びるように構成されてもよい。溝形成面４２には、溝部４５の側壁部を構成し、各溝部４５に沿って延びている凸条部４６が設けられている。溝部４５は、フラットスクリュー４０の側面４３に形成された材料導入口４４まで連続している。この材料導入口４４は、材料供給部２０の供給路２２を介して供給された材料ＭＲを受け入れる部分である。材料導入口４４から溝部４５内に導入された材料ＭＲは、フラットスクリュー４０の回転によって溝部４５内を中央部４７に向かって搬送される。

図２には、３つの溝部４５と、３つの凸条部４６とを有するフラットスクリュー４０が表されている。フラットスクリュー４０に設けられる溝部４５や凸条部４６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４５のみが設けられてもよいし、２以上の複数の溝部４５が設けられてもよい。また、溝部４５の数に合わせて任意の数の凸条部４６が設けられてもよい。図２には、材料導入口４４が３箇所に形成されたフラットスクリュー４０が表されている。フラットスクリュー４０に設けられる材料導入口４４の位置は、３箇所に限定されない。フラットスクリュー４０には、材料導入口４４が１箇所にのみ設けられてもよいし、２箇所以上の複数の位置に設けられてもよい。

図３は、バレル５０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、吐出部６０に連通する貫通孔５６が形成されている。スクリュー対向面５２における貫通孔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、一端が貫通孔５６に接続され、貫通孔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、造形材料を貫通孔５６に導く機能を有している。尚、スクリュー対向面５２には、案内溝５４が設けられていなくてもよい。

図１に示すように、バレル５０には、材料ＭＲを加熱するための加熱部５８が埋め込まれている。加熱部５８は、バレル５０に埋め込まれるのではなく、例えば、バレル５０の下方に配置されてもよい。本実施形態では、加熱部５８は、電力の供給を受けて発熱するヒーターによって構成されている。加熱部５８の温度は、制御部５００によって制御される。溝部４５内を搬送される材料ＭＲは、フラットスクリュー４０の回転によるせん断と加熱部５８からの熱によって可塑化されて、ペースト状の造形材料になる。造形材料は、貫通孔５６から吐出部６０に供給される。

吐出部６０は、可塑化部３０から供給された造形材料を吐出する。吐出部６０は、ノズル６１と、流路６５と、開閉機構７０とを備えている。ノズル６１は、吐出部６０の下端部に設けられている。ノズル６１は、上述したノズル面６３とノズル孔６２とを有している。流路６５は、バレル５０の貫通孔５６とノズル孔６２とに連通し、貫通孔５６からノズル孔６２に向かって造形材料が流れる。流路６５を流れた造形材料は、ノズル孔６２から吐出される。

図４は、ノズル６１の構成を示す斜視図である。本実施形態では、ノズル６１は、中心軸ＣＬを中心とした円形のノズル面６３と、中心軸ＣＬを中心とした円形のノズル孔６２とを有している。本実施形態では、ノズル孔６２の内径Ｄｈは０．２０ｍｍであり、ノズル面６３の外径Ｄｐは０．５０ｍｍである。

図１に示すように、開閉機構７０は、流路６５を開閉して、ノズル孔６２からの造形材料の吐出を制御する。本実施形態では、開閉機構７０は、バタフライバルブによって構成されている。開閉機構７０は、軸状部材である駆動シャフト７２と、駆動シャフト７２の回転に応じて流路６５を開閉する弁体７３と、駆動シャフト７２を回転させるバルブ駆動部７４とを備えている。

駆動シャフト７２は、造形材料の流れ方向に交差するように流路６５の途中に取り付けられている。本実施形態では、駆動シャフト７２は、流路６５内の造形材料の流れ方向に対して垂直な向きであるＹ方向に平行になるように取り付けられている。駆動シャフト７２は、Ｙ方向に沿った中心軸を中心にして回転可能である。

弁体７３は、流路６５内において回転する板状部材である。本実施形態では、弁体７３は、駆動シャフト７２の流路６５内に配置されている部位を板状に加工することによって形成されている。弁体７３を、その板面に垂直な方向から見たときの形状は、弁体７３が配置されている部位における流路６５の開口形状とほぼ一致する。

バルブ駆動部７４は、制御部５００の制御下で駆動シャフト７２を回転させる。バルブ駆動部７４は、例えば、ステッピングモーターによって構成される。駆動シャフト７２の回転によって弁体７３が流路６５内において回転する。

バルブ駆動部７４によって、流路６５における造形材料が流れる方向に対して弁体７３の板面が垂直に保持された場合、流路６５からノズル６１への造形材料の供給が遮断され、ノズル６１からの造形材料の吐出が停止される。バルブ駆動部７４によって駆動シャフト７２が回転されて、流路６５における造形材料が流れる方向に対して弁体７３の板面が鋭角に保持されると、流路６５からノズル６１への造形材料の供給が開始され、弁体７３の回転角度に応じた吐出量の造形材料がノズル６１から吐出される。図１に表されているように、バルブ駆動部７４によって、流路６５における造形材料が流れる方向に対して弁体７３の板面が平行に保持された場合、流路６５の流路抵抗が最も低い状態になる。この状態では、ノズル６１からの単位時間あたりの造形材料の吐出量が最大となる。このように、開閉機構７０は、造形材料の吐出のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるとともに、造形材料の吐出量の調整を実現できる。

図５は、本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である。この処理は、三次元造形装置１００に設けられた操作パネルや三次元造形装置１００に接続されたコンピューター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、制御部５００によって実行される。

まず、制御部５００は、ステップＳ１１０にて、三次元造形物を造形するための造形データを取得する。造形データとは、ステージ３００の造形面３１０に対するノズル面６３の移動経路や、ノズル孔６２から造形面３１０に造形材料を吐出する目標位置や、ノズル孔６２から吐出される造形材料の吐出量等に関する情報が表されたデータである。造形データは、例えば、三次元造形装置１００に接続されたコンピューターにインストールされたスライサーソフトによって作成される。スライサーソフトは、三次元ＣＡＤソフトや三次元ＣＧソフト等を用いて作成された三次元造形物の形状を表す形状データを読み込み、三次元造形物の形状を所定の厚みの層に分割して、層ごとの造形データを作成する。スライサーソフトに読み込まれる形状データには、ＳＴＬ形式やＡＭＦ形式等のデータが用いられる。スライサーソフトによって作成された造形データは、ＧコードやＭコード等によって表されている。制御部５００は、三次元造形装置１００に接続されたコンピューターや、ＵＳＢメモリー等の記録媒体から造形データを取得する。

次に、ステップＳ１２０にて、制御部５００は、造形材料の生成を開始する。制御部５００は、フラットスクリュー４０の回転、および、加熱部５８の温度を制御することによって、材料ＭＲを可塑化させて造形材料を生成する。尚、造形材料は、この処理が行われる間、生成され続ける。

図６は、三次元造形物ＯＢが造形される様子を模式的に示す説明図である。図７は、図６におけるVII－VII線断面図である。図５から図７までを参照して、ステップＳ１３０にて、制御部５００は、移動部４００を制御してノズル面６３と造形面３１０との相対的な位置を変化させつつ、ノズル孔６２から造形面３１０の目標位置に向かって造形材料を吐出することによって、造形面３１０の上に三次元造形物ＯＢの１層目ＬＹ１を造形する。その後、ステップＳ１４０にて、制御部５００は、三次元造形物ＯＢの全ての層の造形が完了したか否かを判定する。制御部５００は、造形データを用いて、三次元造形物ＯＢの全ての層の造形が完了したか否かを判断できる。ステップＳ１４０にて、三次元造形物ＯＢの全ての層の造形が完了したと判断されなかった場合、制御部５００は、ステップＳ１３０に処理を戻り、ノズル孔６２から１層目ＬＹ１に向かって造形材料を吐出することによって、１層目ＬＹ１の上に２層目ＬＹ２を造形する。一方、ステップＳ１４０にて、三次元造形物ＯＢの全ての層の造形が完了したと判断された場合、制御部５００は、この処理を終了する。制御部５００は、ステップＳ１４０にて三次元造形物ＯＢの全ての層の造形が完了したと判断されるまで、ステップＳ１３０の処理を繰り返して造形材料の層を積層することによって三次元造形物ＯＢを造形する。

本実施形態では、制御部５００は、造形処理において、間隔Ｇとノズル面６３の外径Ｄｐとの関係が下式（１）を満たし、かつ、間隔Ｇとノズル孔６２の内径Ｄｈとの関係が下式（２）を満たし、かつ、間隔Ｇが下式（３）を満たすように移動部４００を駆動させる。
Ｄｐ≦２０×Ｇ＋０．２０［ｍｍ］ ・・・（１）
０＜Ｇ≦Ｄｈ ・・・（２）
０．０５［ｍｍ］≦Ｇ≦０．２０［ｍｍ］ ・・・（３）
間隔Ｇは、ノズル孔６２から造形材料を吐出する際の造形面３１０または造形材料の層とノズル面６３との間隔を表している。１層目ＬＹ１を造形する場合には、間隔Ｇは、造形面３１０に垂直な方向における造形面３１０とノズル面６３との間隔を表す。ｎ層目ＬＹｎを造形する場合には、間隔Ｇは、造形面３１０に垂直な方向におけるｎ－１層目ＬＹｎ－１の上面とノズル面６３との間隔を表す。ここで、ｎは、２以上の自然数である。例えば、２層目ＬＹ２を造形する場合には、間隔Ｇは、１層目ＬＹ１の上面とノズル面６３との間隔を表す。本実施形態では、制御部５００は、間隔Ｇが０．０５ｍｍに保たれるように移動部４００を駆動させる。造形データに表された造形面３１０に対するノズル面６３の移動経路に関する情報に、間隔Ｇに関する情報が含まれており、制御部５００は、造形データに従って移動部４００を駆動させる。ノズル面６３の外径Ｄｐとノズル孔６２の内径Ｄｈに関する情報は、造形データを作成する際に、ユーザーによって入力される。制御部５００は、造形材料の線幅Ｗが０．３０ｍｍに保たれるように吐出量を制御する。本実施形態では、上述したとおり、ノズル孔６２の内径Ｄｈは、０．２０ｍｍであり、ノズル面６３の外径Ｄｐは、０．５０ｍｍである。そのため、ノズル面６３の外径Ｄｐは下式（４）を満たす。
０．５０［ｍｍ］≦Ｄｐ≦２．２０［ｍｍ］ ・・・（４）

図８は、三次元造形物ＯＢの寸法精度の良否を調べた試験結果を示す表である。図８には、左から順に、ノズル孔６２の内径Ｄｈ、ノズル面６３の外径Ｄｐ、間隔Ｇ、線幅Ｗ、表面粗さＲｚ、寸法精度の良否が表されている。この試験では、三次元造形装置１００を用いて、ノズル面６３の外径Ｄｐと間隔Ｇとの組み合わせを異ならせて１５種類の三次元造形物ＯＢのサンプルＳ１～Ｓ１５を造形し、各サンプルＳ１～Ｓ１５の寸法精度の良否を調べた。各サンプルＳ１～Ｓ１５は、１辺の長さが１０ｍｍの立方体形状を目標形状として造形された。各サンプルＳ１～Ｓ１５の材料にはペレット状のＡＢＳ樹脂が用いられた。造形材料の層の上面の温度が摂氏１０５度に保たれた状態で、造形材料の層の上面に造形材料を吐出して、各サンプルＳ１～Ｓ１５が造形された。表面粗さＲｚは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２０１３で規定された最大高さで表されている。表面粗さＲｚには、立方体形状の各サンプルＳ１～Ｓ１５の側面部分を光干渉方式の三次元測定機によって測定した値が用いられている。三次元測定器には、キーエンス社製のＶＲ－３０００が用いられた。寸法精度の良否については、各サンプルＳ１～Ｓ１５に肉眼で視認できる明らかな形状の崩れが発見されなかった場合には、寸法精度が良好であるとして「ＯＫ」の文字を付し、各サンプルＳ１～Ｓ１５に肉眼で視認できる明らかな形状の崩れが発見された場合には、寸法精度が良好ではないとして「ＮＧ」の文字を付した。

図９は、サンプルＳ１の外観を示す画像である。図１０は、サンプルＳ１０の外観を示す画像である。図１１は、サンプルＳ１２の外観を示す画像である。図９および図１０に表されたように、サンプルＳ１およびサンプルＳ１０は滑らかな表面を有しており、サンプルＳ１およびサンプルＳ１０には肉眼で視認できる明らかな形状の崩れがない。図１１に表されたように、サンプルＳ１２は毛羽立ったような粗い表面を有しており、サンプルＳ１２には肉眼で視認できる明らかな形状の崩れがある。この試験の結果、サンプルＳ１～Ｓ１１には肉眼で視認できる明らかな形状の崩れが発見されなかった。一方、サンプルＳ１２～Ｓ１５には肉眼で視認できる明らかな形状の崩れが発見された。つまり、サンプルＳ１～Ｓ１１の寸法精度は良好であったが、サンプルＳ１２～Ｓ１５の寸法精度は良好ではなかった。尚、サンプルＳ１～Ｓ３については、表面粗さＲｚの測定を省略した。サンプルＳ１２～Ｓ１５については、形状の崩れが顕著であるため、表面粗さＲｚを測定できなかった。

図１２は、三次元造形物の寸法精度の良否を調べた試験結果を示すグラフである。横軸は、ノズル面６３の外径Ｄｐを表している。縦軸は、間隔Ｇを表している。図１２には、各サンプルＳ１～Ｓ１５が造形された際のノズル面６３の外径Ｄｐと間隔Ｇとの関係が表されている。図１２では、寸法精度が良好であるサンプルＳ１～Ｓ１１が「○」印で表されており、寸法精度が良好ではないサンプルＳ１２～Ｓ１５が「×」印で表されている。図１２における直線ＬＮの線上を含んだ直線ＬＮよりも上側の領域は、間隔Ｇとノズル面６３の外径Ｄｐとの関係が上式（１）を満たす領域である。間隔Ｇとノズル面６３の外径Ｄｐとの関係が上式（１）を満たす場合には、寸法精度良く三次元造形物ＯＢを造形することができる。

図１３は、造形中の三次元造形物ＯＢにノズル６１が干渉する様子を模式的に示す説明図である。ノズル６１は、ノズル面６３がステージ３００の造形面３１０に平行になるように設けられる。しかし、ノズル面６３を加工する際の加工精度や、ノズル６１を組み付ける際の組付精度等に起因して、ノズル面６３と造形面３１０との間には不可避的に傾斜θが生じる。そのため、間隔Ｇとノズル面６３の外径Ｄｐとの関係が上式（１）を満たさなくなると、三次元造形物ＯＢのｎ層目ＬＹｎを造形する際にｎ－１層目ＬＹｎ－１にノズル面６３が干渉する可能性や、既に造形されたｎ層目ＬＹｎの一部にノズル面６３が干渉する可能性が高くなる。例えば、ｎ－１層目ＬＹｎ－１にノズル面６３が干渉した場合、ｎ－１層目ＬＹｎ－１を構成する造形材料が図１３に矢印で表されたように外側に押し出されて、三次元造形物ＯＢの表面が粗くなる可能性がある。

以上で説明した本実施形態の三次元造形装置１００によれば、制御部５００は、間隔Ｇとノズル面６３の外径Ｄｐとの関係が上式（１）を満たすように移動部４００を駆動させるので、造形中の三次元造形物ＯＢにノズル面６３が干渉することを抑制できる。そのため、三次元造形物ＯＢの表面が粗くなることを抑制できる。

また、本実施形態では、制御部５００は、ノズル孔６２の内径Ｄｈと間隔Ｇとの関係が上式（２）を満たすように移動部４００を駆動させるので、造形面３１０とノズル面６３との間または造形材料の層とノズル面６３との間に吐出された造形材料をノズル面６３によって押し潰しながら造形できる。そのため、造形材料の層の厚みを小さくできるので、滑らかな表面を有する三次元造形物ＯＢを造形できる。

また、本実施形態では、制御部５００は、間隔Ｇが上式（３）を満たすように移動部４００を駆動させるので、滑らかな表面を有する三次元造形物ＯＢを造形できる。

また、本実施形態では、ノズル面６３の外径Ｄｐが上式（４）を満たすようにノズル６１が構成されているので、ノズル面６３が造形面３１０に対して傾いた場合であっても、間隔Ｇが小さくなることを抑制できる。そのため、造形中の三次元造形物ＯＢにノズル６１が干渉する可能性を低減できる。

尚、本実施形態では、ペレット状のＡＢＳ樹脂が材料ＭＲとして用いられたが、造形ユニット２００において用いられる材料ＭＲ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、可塑化部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。また、「溶融」とは、熱可塑性を有する材料がガラス転移点以上の温度に加熱されることにより軟化し、流動性が発現することをも意味する。

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（ＰＥＥＫ）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、可塑化部３０において、フラットスクリュー４０の回転と加熱部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から吐出されることが望ましい。尚、「完全に溶融した状態」とは、未溶融の熱可塑性を有する材料が存在しない状態を意味し、例えばペレット状の熱可塑性樹脂を材料に用いた場合、ペレット状の固形物が残存しない状態のことを意味する。

造形ユニット２００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、可塑化部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。

造形ユニット２００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、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。

材料供給部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、可塑化部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：
（Ｂ１）上述した第１実施形態の三次元造形装置１００では、制御部５００は、間隔Ｇとノズル孔６２の内径Ｄｈとの関係が上述した式（２）を満たすように移動部４００を駆動させる。これに対して、制御部５００は、式（２）を満たすように移動部４００を駆動させなくてもよい。

（Ｂ２）上述した第１実施形態の三次元造形装置１００では、制御部５００は、間隔Ｇが上述した式（３）を満たすように移動部４００を駆動させる。これに対して、制御部５００は、式（３）を満たすように移動部４００を駆動させなくてもよい。

（Ｂ３）上述した第１実施形態の三次元造形装置１００では、ノズル面６３の外径Ｄｐが上述した式（４）を満たすようにノズル６１が構成されている。これに対して、ノズル面６３の外径Ｄｐが式（４）を満たすようにノズル６１が構成されていなくてもよい。

（Ｂ４）上述した第１実施形態の三次元造形装置１００は、複数の造形ユニット２００を備えてもよい。例えば、三次元造形装置１００は、２つの造形ユニット２００を備え、一方の造形ユニット２００のノズル孔６２から造形材料を吐出し、他方の造形ユニット２００のノズル孔６２から造形中の三次元造形物ＯＢの形状を保持するためのサポート材を吐出してもよい。この場合、制御部５００は、移動部４００によって、各造形ユニット２００のノズル面６３と造形面３１０との相対的な位置を変化させる。制御部５００は、各造形ユニット２００のノズル孔６２から造形材料またはサポート材を吐出する際の、造形面３１０または造形材料の層またはサポート材の層とノズル面６３との間隔Ｇと、ノズル面６３の外径Ｄｐとの関係が上述した式（１）を満たすように移動部４００を駆動させる。ノズル孔６２の内径Ｄｈ、ノズル面６３の外径Ｄｐ、および、間隔Ｇは、造形ユニット２００ごとに異なってもよい。

（Ｂ５）上述した第１実施形態の三次元造形装置１００では、可塑化部３０は、偏平な円柱状のフラットスクリュー４０と、平坦なスクリュー５２対向面を有するバレル５０とを備えている。これに対して、可塑化部３０は、長尺な軸部材の側面に螺旋状の溝部が形成されたスクリューと、溝部に対向する円筒状のスクリュー対向面を有するバレルとを備えてもよい。また、三次元造形装置１００は、フラットスクリュー４０の回転を用いて材料を可塑化させる方式ではなく、ＦＤＭ方式（熱融解積層方式）であってもよい。

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）本開示の一形態によれば、材料の層を積層することで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、ステージと、ノズル孔が形成されたノズル面を有する吐出部と、前記ステージと前記ノズル面との相対的な位置を変化させる移動部と、前記移動部を制御する制御部と、を備える。前記制御部は、前記吐出部から前記材料を吐出する際の前記ステージまたは前記材料の層と前記ノズル面との間隔Ｇと、前記ノズル面の外径Ｄｐとの関係が下式（１）を満たすように前記移動部を駆動させる。
Ｄｐ≦２０×Ｇ＋０．２０［ｍｍ］ ・・・（１）
この形態の三次元造形装置によれば、造形中の三次元造形物にノズルが干渉して三次元造形物の表面が粗くなることを抑制できる。

（２）上記形態の三次元造形装置において、前記制御部は、前記ノズル孔の内径Ｄｈと、前記間隔Ｇとの関係が下式（２）を満たすように前記移動部を駆動させてもよい。
０＜Ｇ≦Ｄｈ ・・・（２）
この形態の三次元造形装置によれば、ステージとノズル面との間または材料の層とノズル面との間に吐出された材料をノズル面で押し潰しながら造形できるので、滑らかな表面を有する三次元造形物を造形できる。

（３）上記形態の三次元造形装置において、前記制御部は、前記間隔Ｇが下式（３）を満たすように前記移動部を駆動させてもよい。
０．０５［ｍｍ］≦Ｇ≦０．２０［ｍｍ］ ・・・（３）
この形態の三次元造形装置によれば、滑らかな表面を有する三次元造形物を造形できる。

（４）上記形態の三次元造形装置において、前記吐出部は、前記ノズル面の外径Ｄｐが下式（４）を満たすように構成されてもよい。
０．５０［ｍｍ］≦Ｄｐ≦２．２０［ｍｍ］ ・・・（４）
この形態の三次元造形装置によれば、ノズル面がステージに対して傾いた場合であっても、造形中の三次元造形物にノズルが干渉することを抑制できる。

本開示は、三次元造形装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、三次元造形装置の制御方法、三次元造形物の造形方法等の形態で実現することができる。

２０…材料供給部、２２…供給路、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、４１…上面、４２…溝形成面、４３…側面、４４…材料導入口、４５…溝部、４６…凸条部、４７…中央部、５０…バレル、５２…スクリュー対向面、５４…案内溝、５６…貫通孔、５８…加熱部、６０…吐出部、６１…ノズル、６２…ノズル孔、６３…ノズル面、６５…流路、７０…開閉機構、７２…駆動シャフト、７３…弁体、７４…バルブ駆動部、１００…三次元造形装置、２００…造形ユニット、３００…ステージ、３１０…造形面、４００…移動部、５００…制御部

Claims (3)

1. 材料の層を積層することで三次元造形物を造形する三次元造形装置であって、
   ステージと、
   ノズル孔が形成されたノズル面を有する吐出部と、
   前記ステージと前記ノズル面との相対的な位置を変化させる移動部と、
   前記移動部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記吐出部から前記材料を吐出する際の前記ステージまたは前記材料の層と前記ノズル面との間隔Ｇと、前記ノズル面の外径Ｄｐとの関係が下式（１）を満たし、さらに前記ノズル孔の内径Ｄｈと、前記間隔Ｇとの関係が下式（２）を満たすように前記移動部を駆動させ、
   前記材料の各層をｎ（ｎは２以上の自然数）としたとき、前記間隔Ｇは、
   前記材料を前記ステージの面に直接吐出する場合（ｎ＝２の場合）は前記ステージの面と前記ノズル面との距離であり、
   前記材料（ｎ）を前記材料（ｎ－1）の面に吐出する場合（ｎ＝３以上の場合）は前記材料（ｎ－1）の鉛直方向上面と前記ノズル面との距離であり、
   さらに、前記間隔Ｇは下式（５）及び（６）を満たす、
   三次元造形装置。
   Ｄｐ≦２０×Ｇ＋０．２０［ｍｍ］ ・・・（１）
   ０＜Ｇ≦Ｄｈ ・・・（２）
   Ｇ＞０ ・・・（５）
   Ｇ＞前記材料における前記材料が吐出される鉛直方向の厚さ ・・・（６）
2. 請求項１に記載の三次元造形装置であって、
   前記制御部は、前記間隔Ｇが下式（３）を満たすように前記移動部を駆動させる、三次元造形装置。
   ０．０５［ｍｍ］≦Ｇ≦０．２０［ｍｍ］ ・・・（３）
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、
   前記吐出部は、前記ノズル面の外径Ｄｐが下式（４）を満たすように構成されている、
   三次元造形装置。
   ０． ５０［ｍｍ］≦Ｄｐ≦２．２０［ｍｍ］ ・・・（４）

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