JPWO2017038984A1 - 立体造形物の製造装置及び製造方法、並びに立体造形物の製造装置に用いられる材料供給ユニット - Google Patents

立体造形物の製造装置及び製造方法、並びに立体造形物の製造装置に用いられる材料供給ユニット Download PDF

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Abstract

造形用材料が積層されて形成される所望の立体造形物を得ることができ、立体造形物の表面に余分な造形部分が形成されにくくすることができる立体造形物の製造装置及び製造方法、並びに立体造形物の製造装置に用いられる材料供給ユニットを提供する。造形用材料（８１）を吐出させるノズル部（４）には、ノズル部（４）の流路先端部（４１）を内側Ｅ１から開閉する開閉ピン（５）が設けられている。流路先端部（４１）を閉じるときの、流路先端部（４１）の先端（４１１）の位置に対する開閉ピン（５）の先端（５０１）の停止位置ｘ（ｍｍ）は、ノズル部（４）の流路先端部（４１）の相当直径をＤ（ｍｍ）として、−３Ｄ≦ｘ≦６Ｄの関係を有している。

Description

本発明は、立体造形物の製造装置及び製造方法、並びに製造装置に用いられる材料供給ユニットに関する。
立体造形物を造形する方法の一つとして、熱溶解積層法が知られている。熱溶解積層法による装置においては、駆動ローラ等の送り部によってフィラメントと呼ばれる長尺状の固形樹脂を、ヒータを備えたノズル部まで送り出し、ノズル部から吐出される溶融した固形樹脂をステージ上に積層して、立体造形物を造形している。この熱溶解積層法による装置によれば、簡易な装置構成によって立体造形物を造形することができる。しかし、固形樹脂が柔らかい材料から構成されている場合等には、この固形樹脂を駆動ローラ等によって送り出す際に、この固形樹脂に座屈が生じることがある。
一方、スクリューを備えた押出機を用いて溶融樹脂を吐出させ、この吐出された溶融樹脂をステージ上に積層する技術として、例えば、特許文献１に開示されたものがある。特許文献１においては、搬送スクリューによって樹脂材料に圧力を与え、放出ユニットから滴状態で順次放出される樹脂材料を堆積して３次元物体を製造する装置について記載されている。
特表２０１５−５０１７３８号公報
しかしながら、特許文献１等の装置においては、滴状態の樹脂を断続的に放出することを目的としている。滴状態の樹脂ではなく、適宜長さを有する造形用材料によって立体造形物を造形する場合には、ノズル部からの造形用材料の吐出を断続する（一旦停止する）際に、造形用材料の一部が、ノズル部から立体造形物に糸を引く状態で伸びることがある。このとき、吐出される造形用材料の太さよりも細い糸状の造形用材料が、吐出された造形用材料に付着し、立体造形物の表面に余分な造形部分として残るといった課題が生じる。
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、造形用材料が積層されて形成される所望の立体造形物を得ることができ、立体造形物の表面に余分な造形部分が形成されにくくすることができる立体造形物の製造装置及び製造方法、並びに立体造形物の製造装置に用いられる材料供給ユニットを提供しようとして得られたものである。
本発明の一態様は、立体造形物を造形するための造形用材料を吐出させるノズル部を有する材料供給ユニットと、
上記ノズル部の流路先端部から吐出される上記造形用材料が積層されるステージと、
該ステージと上記材料供給ユニットとを三次元的に相対移動させる相対移動機構と、
該相対移動機構の動作を制御する制御コンピュータと、を備え、
上記ノズル部には、該ノズル部の流路先端部を内側から開閉する開閉ピンが設けられており、
上記制御コンピュータは、上記造形用材料の吐出を一旦停止させる際には、上記開閉ピンによって上記ノズル部の流路先端部を閉じ、一方、上記造形用材料を吐出させる際には、上記開閉ピンによって上記ノズル部の流路先端部を開けるよう構成されており、
上記ノズル部の流路先端部の開口面積Ｓ（ｍｍ2）と、上記ノズル部の流路先端部における流路壁面の周囲長である濡れ辺長Ｂ（ｍｍ）とを用いて表される相当直径Ｄ（ｍｍ）を、Ｄ＝４Ｓ／Ｂとし、また、上記開閉ピンが上記流路先端部を閉じるときの該開閉ピンの先端の停止位置ｘ（ｍｍ）を、上記流路先端部の先端の位置と同じである場合を基準の０（ｍｍ）、該流路先端部の先端よりも内側にある場合を負の値、及び該流路先端部の先端よりも外側にある場合を正の値として、
−３Ｄ≦ｘ≦６Ｄの関係を有する、立体造形物の製造装置にある。
本発明の他の態様は、立体造形物を造形するための造形用材料を吐出させるノズル部を有する材料供給ユニットと、
上記ノズル部の流路先端部から吐出される上記造形用材料が積層されるステージと、
該ステージと上記材料供給ユニットとを三次元的に相対移動させる相対移動機構と、
該相対移動機構の動作を制御する制御コンピュータと、を備え、
上記ノズル部には、該ノズル部の流路先端部を内側から開閉する開閉ピンが設けられており、
上記ノズル部の流路先端部の開口面積Ｓ（ｍｍ2）と、上記ノズル部の流路先端部における流路壁面の周囲長である濡れ辺長Ｂ（ｍｍ）とを用いて表される相当直径Ｄ（ｍｍ）を、Ｄ＝４Ｓ／Ｂとし、また、上記開閉ピンが上記流路先端部を閉じるときの該開閉ピンの先端の停止位置ｘ（ｍｍ）を、上記流路先端部の先端の位置と同じである場合を基準の０（ｍｍ）、該流路先端部の先端よりも内側にある場合を負の値、及び該流路先端部の先端よりも外側にある場合を正の値としたとき、−３Ｄ≦ｘ≦６Ｄの関係を有する、立体造形物の製造装置を用い、
上記開閉ピンによって上記ノズル部の流路先端部を開けたときに、該流路先端部から上記造形用材料を吐出させ、上記開閉ピンによって上記ノズル部の流路先端部を閉じたときに、該流路先端部からの上記造形用材料の吐出を一旦停止させて、上記立体造形物を製造する、立体造形物の製造方法にある。
本発明のさらに他の態様は、立体造形物の製造装置に用いられる材料供給ユニットであって、
該材料供給ユニットは、上記立体造形物を造形するための造形用材料を吐出させるノズル部と、該ノズル部に設けられ、該ノズル部の流路先端部を内側から開閉する開閉ピンとを有し、
上記製造装置は、上記ノズル部の流路先端部から吐出される上記造形用材料が積層されるステージと、該ステージと上記材料供給ユニットとを三次元的に相対移動させる相対移動機構と、該相対移動機構の動作を制御するとともに、上記造形用材料の吐出を一旦停止させる際には、上記開閉ピンによって上記ノズル部の流路先端部を閉じる一方、上記造形用材料を吐出させる際には、上記開閉ピンによって上記ノズル部の流路先端部を開けるよう構成された制御コンピュータとを備え、
上記ノズル部の流路先端部の開口面積Ｓ（ｍｍ2）と、上記ノズル部の流路先端部における流路壁面の周囲長である濡れ辺長Ｂ（ｍｍ）とを用いて表される相当直径Ｄ（ｍｍ）を、Ｄ＝４Ｓ／Ｂとし、また、上記開閉ピンが上記流路先端部を閉じるときの該開閉ピンの先端の停止位置ｘ（ｍｍ）を、上記流路先端部の先端の位置と同じである場合を基準の０（ｍｍ）、該流路先端部の先端よりも内側にある場合を負の値、及び該流路先端部の先端よりも外側にある場合を正の値として、
−３Ｄ≦ｘ≦６Ｄの関係を有する、立体造形物の製造装置に用いられる材料供給ユニットにある。
上記立体造形物の製造装置においては、ノズル部の流路先端部から吐出される適宜長さの造形用材料の部分を積層した立体造形物を造形する際の工夫をしている。そして、ノズル部の流路先端部からの造形用材料の吐出を一旦停止させる動作と、ノズル部の流路先端部から造形用材料を吐出させる動作とを、開閉ピンのスライドによって制御する構成において、ノズル部の流路先端部と開閉ピンとの寸法関係を規定している。
具体的には、ノズル部の流路先端部の相当直径Ｄ（ｍｍ）を、ノズル部の流路先端部の開口面積Ｓ（ｍｍ2）と、ノズル部の流路先端部の濡れ辺長Ｂ（ｍｍ）とを用いて、Ｄ＝４Ｓ／Ｂとし、流路先端部を閉じるときの開閉ピンの先端の停止位置ｘ（ｍｍ）について規定している。流路先端部を閉じるときの開閉ピンの先端の停止位置ｘは、流路先端部の先端よりも内側にあっても外側にあってもよく、正負の符号を付けて、−３Ｄ≦ｘ≦６Ｄの関係で表される。
流路先端部を閉じるときの開閉ピンの先端の停止位置ｘが流路先端部の先端よりも内側にある場合には、この停止位置ｘは、−３Ｄ以上の値、すなわち、流路先端部の先端から内側に向かった開閉ピンの先端までの距離は、ノズル部の流路先端部の相当直径Ｄの３倍以下とする。流路先端部を閉じるときの開閉ピンの先端の停止位置ｘが−３Ｄより小さい値になると、ノズル部の流路先端部からの造形用材料の吐出を一旦停止させるときに、流路先端部内の造形用材料に対する、流路先端部から吐出された造形用材料の切れが悪くなり、造形用材料の一部が流路先端部から糸を引く状態で伸びるおそれがある。
流路先端部を閉じるときの開閉ピンの先端の停止位置ｘが流路先端部の先端よりも外側にある場合には、この停止位置ｘは、６Ｄ以下の値、すなわち、流路先端部の先端から外側に向かった開閉ピンの先端までの距離は、ノズル部の流路先端部の相当直径Ｄの６倍以下とする。流路先端部を閉じるときの開閉ピンの先端の停止位置ｘが６Ｄより大きい値になると、開閉ピンとステージとの接触を避けるために、流路先端部の先端とステージとの間の距離が必要以上に大きくなり、立体造形物の造形精度が低下するおそれがある。
上記立体造形物の製造装置においては、流路先端部の先端と、流路先端部を閉じるときの開閉ピンの先端との位置関係を適切に設定することにより、造形用材料の一部が、糸を引く状態で立体造形物に付着しにくくすることができる。
また、相対移動機構によってステージと材料供給ユニットとを三次元的に相対移動させるとともに、造形用材料の吐出と吐出の一旦停止とを繰り返すことにより、造形用材料が積層されて形成される所望の立体造形物を得ることができる。
それ故、上記立体造形物の製造装置によれば、造形用材料が積層されて形成される所望の立体造形物を得ることができ、立体造形物の表面に余分な造形部分が形成されにくくすることができる。
また、上記立体造形物の製造方法においても、上記製造装置の場合と同様に、造形用材料の一部が、糸を引く状態で立体造形物に付着しにくくすることができる。
それ故、上記立体造形物の製造方法によれば、上記製造装置の場合と同様に、造形用材料が積層されて形成される所望の立体造形物を得ることができ、立体造形物の表面に余分な造形部分が形成されにくくすることができる。
また、上記立体造形物の製造装置に用いられる材料供給ユニットにおいても、上記製造装置の場合と同様に、造形用材料の一部が、糸を引く状態で立体造形物に付着しにくくすることができる。
それ故、上記立体造形物の製造装置に用いられる材料供給ユニットによれば、上記製造装置の場合と同様に、造形用材料が積層されて形成される所望の立体造形物を得ることができ、立体造形物の表面に余分な造形部分が形成されにくくすることができる。
実施形態１にかかる、ノズル部の流路先端部から造形用材料を吐出する状態にある立体造形物の製造装置を示す説明図。 実施形態１にかかる、ノズル部の流路先端部からの造形用材料の吐出を一旦停止した状態にある立体造形物の製造装置を示す説明図。 実施形態１にかかる、造形用材料を吐出する状態にあるノズル部の流路先端部の周辺を示す説明図。 実施形態１にかかる、造形用材料の吐出を一旦停止した状態にあるノズル部の流路先端部の周辺を示す説明図。 実施形態１にかかる、ノズル部の流路先端部の形状を示す説明図。 実施形態１にかかる、他のノズル部の流路先端部の形状を示す説明図。 実施形態２にかかる、造形用材料を吐出する状態にあるノズル部の流路先端部の周辺を示す説明図。 実施形態２にかかる、ノズル部の流路先端部の周辺に配置された他の冷却手段を示す説明図。 実施形態３にかかる、造形用材料を吐出する状態にあるノズル部の流路先端部の周辺を示す説明図。 実施形態３にかかる、造形用材料の吐出を一旦停止した状態にあるノズル部の流路先端部の周辺を示す説明図。
上述した立体造形物の製造装置及び製造方法、並びに立体造形物の製造装置に用いられる材料供給ユニットにおける好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。
（実施形態１）
立体造形物８の製造装置１は、図１、図２に示すように、材料供給ユニット１１、ステージ１２、相対移動機構１３及び制御コンピュータ１４を備えている。材料供給ユニット（装置本体）１１は、立体造形物８を造形するための造形用材料８１を貯留するシリンダー部２と、シリンダー部２内の造形用材料８１を送り出す送出部３と、送出部３によって送り出される造形用材料８１を吐出させるノズル部４とを有している。ステージ１２は、ノズル部４の流路先端部４１から吐出される造形用材料８１が積層されるものである。相対移動機構１３は、ステージ１２と材料供給ユニット１１とを三次元的に相対移動させるものである。制御コンピュータ１４は、送出部３及び相対移動機構１３の動作を制御するものである。
ノズル部４には、図３、図４に示すように、ノズル部４の流路先端部４１の形成方向に沿ってスライドして、ノズル部４の流路先端部４１を内側Ｅ１から開閉する開閉ピン５が設けられている。制御コンピュータ１４は、図４に示すように、造形用材料８１の吐出を一旦停止させる際には、開閉ピン５によってノズル部４の流路先端部４１を閉じ、一方、図３に示すように、造形用材料８１を吐出させる際には、開閉ピン５によってノズル部４の流路先端部４１を開けるよう構成されている。流路先端部４１を閉じるときの、流路先端部４１の先端４１１の位置に対する開閉ピン５の先端５０１の停止位置ｘ（ｍｍ）は、ノズル部４の流路先端部４１の相当直径をＤ（ｍｍ）として、−３Ｄ≦ｘ≦６Ｄの関係を有している。具体的には、開閉ピン５の先端５０１の停止位置ｘ（ｍｍ）は、−２Ｄ≦ｘ≦３Ｄの関係を有していることが好ましく、より具体的には、開閉ピン５の先端５０１の停止位置ｘ（ｍｍ）は、−Ｄ≦ｘ≦１０（ｍｍ）の関係を有していることが好ましく、−Ｄ≦ｘ≦６（ｍｍ）の関係を有していることがより好ましく、−Ｄ≦ｘ≦３（ｍｍ）の関係を有していることがさらに好ましい。また、相当直径Ｄ（ｍｍ）は、０．１（ｍｍ）≦Ｄ≦１０（ｍｍ）の関係を有していることが好ましい。
ここで、ノズル部４の流路先端部４１の相当直径Ｄ（ｍｍ）は、ノズル部４の流路先端部４１の開口面積Ｓ（ｍｍ2）と、ノズル部４の流路先端部４１における流路壁面の周囲長である濡れ辺長Ｂ（ｍｍ）とを用いて、Ｄ＝４Ｓ／Ｂとして表される。また、流路先端部４１を閉じるときの開閉ピン５の先端５０１の停止位置ｘ（ｍｍ）は、図４に示すように、流路先端部４１の先端４１１の位置と同じである場合を基準の０（ｍｍ）、流路先端部４１の先端４１１よりも内側Ｅ１にある場合を負の値、及び流路先端部４１の先端４１１よりも外側Ｅ２にある場合を正の値として表される。
同図においては、開閉ピン５の先端５０１の停止位置ｘが、流路先端部４１の先端４１１よりも外側Ｅ２にある場合を実線で示し、開閉ピン５の先端５０１の停止位置ｘが、流路先端部４１の先端４１１よりも内側Ｅ１にある場合を二点鎖線で示す。
以下に、立体造形物８の製造装置１及び立体造形物８の製造方法、並びに立体造形物８の製造装置１に用いられる材料供給ユニット１１について詳説する。
立体造形物８の製造装置１は、熱溶解積層法による装置に比べて、特に、溶融状態の粘度が低い樹脂から立体造形物８を製造する際のメリットを有するものである。
立体造形物８を造形するために用いる造形用材料８１としては、立体造形物８を造形できるものであれば特に限定されるものではないが、熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂が好ましく用いられ、造形性に優れるため熱可塑性樹脂がさらに好ましく用いられる。ノズル部４の流路先端部４１からステージ１２上に載置された造形用材料８１は、ステージ１２上において冷却されて固化し、最終的な立体造形物８となる。
図１、図２に示すように、材料供給ユニット１１の送出部３は、外周面に螺旋状突起３１１が形成され、螺旋状突起３１１によって造形用材料８１を送り出すスクリュー３１によって構成されている。スクリュー３１は、造形用材料８１を加圧する加圧部として機能する。材料供給ユニット１１は、スクリュー３１をシリンダー部２内において正逆両方向に回転させるためのモータ３２と、スクリュー３１をシリンダー部２内において進退させるための移動機構３３とを有している。スクリュー３１は、図１に示すように、モータ３２によって駆動されて、ノズル部４から造形用材料８１を吐出させるための正方向Ｄ１に回転するときには、シリンダー部２内の造形用材料８１に圧力を与える。また、スクリュー３１は、図２に示すように、モータ３２によって駆動されて、逆方向Ｄ２に回転するときには、シリンダー部２内の造形用材料８１に与える圧力を減少させる。なお、移動機構３３は、モータ３２による回転力をスクリュー３１の軸方向への推力に変換するものとすることができる。
シリンダー部２には、造形用材料８１を投入するホッパー２１と、造形用材料８１を加熱して溶融させるヒータ２２とが設けられている。造形用材料８１として熱可塑性樹脂を用いる場合には、ペレット状等の固形状の熱可塑性樹脂がホッパー２１に投入される。ノズル部４は、シリンダー部２の先端部分に設けられており、ノズル部４の流路先端部４１は、ステージ１２上に上方から造形用材料８１を載置するために下方に開口している。ノズル部４の流路先端部４１には、この流路先端部４１を開閉するシャットオフピンである開閉ピン５が配置されている。開閉ピン５は、制御コンピュータ１４による動作の制御を受けたアクチュエータ５１によって、流路先端部４１の形成方向に沿ってスライドする。開閉ピン５は、ノズル部４の流路先端部４１から内側Ｅ１に退避して流路先端部４１を開ける一方、ノズル部４の流路先端部４１へ内側Ｅ１から接近して流路先端部４１を閉じるものである。
制御コンピュータ１４は、図１に示すように、ノズル部４から造形用材料８１を吐出させる際には、アクチュエータ５１を操作して開閉ピン５をノズル部４の流路先端部４１の先端４１１から退避させるとともに、モータ３２を操作してスクリュー３１を正方向Ｄ１に回転させる。このとき、制御コンピュータ１４は、スクリュー３１を正方向Ｄ１に回転させてシリンダー部２内の造形用材料８１の圧力を増加させた後に、開閉ピン５によってノズル部４の流路先端部４１を開けて、ノズル部４の流路先端部４１から造形用材料８１を吐出させる。
一方、制御コンピュータ１４は、図２に示すように、ノズル部４からの造形用材料８１の吐出を一旦停止させる際には、モータ３２を操作してスクリュー３１を逆方向Ｄ２に回転させてシリンダー部２内の造形用材料８１の圧力を減少させた後に、開閉ピン５によってノズル部４の流路先端部４１を閉じて、ノズル部４の流路先端部４１からの造形用材料８１の吐出を一旦停止させる。
なお、ノズル部４からの造形用材料８１の吐出を一旦停止させる際には、スクリュー３１は必ずしも逆方向Ｄ２に回転させなくてもよい。すなわち、この際には、スクリュー３１は正方向Ｄ１に回転させたままとしてもよく、正方向Ｄ１に回転するスクリュー３１の回転速度を減速させてもよい。スクリュー３１の回転動作は、溶融状態の造形用材料８１の粘度、開閉ピン５による流路先端部４１の開閉動作の速度等の種々の要因に応じて変更することができる。
また、制御コンピュータ１４は、ノズル部４からの造形用材料８１の吐出を一旦停止させる際には、モータ３２によってスクリュー３１を逆方向Ｄ２に回転させる代わりに、移動機構３３によってスクリュー３１を造形用材料８１の吐出方向Ｆとは逆方向に移動させることもできる。また、制御コンピュータ１４は、ノズル部４からの造形用材料８１の吐出を一旦停止させる際には、モータ３２によってスクリュー３１を逆方向Ｄ２に回転させるとともに、移動機構３３によってスクリュー３１を造形用材料８１の吐出方向Ｆとは逆方向に移動させることもできる。
制御コンピュータ１４は、造形用材料８１を連続的に吐出する場合には、所定時間の間、流路先端部４１を開けてノズル部４の流路先端部４１から造形用材料８１を吐出させ続ける。「連続的」とは、ノズル部４から造形用材料８１を吐出している時間が、ノズル部４からの造形用材料８１の吐出を一旦停止している時間よりも十分に長いことを意味する。
立体造形物８の造形時に、ノズル部４から造形用材料８１を連続的に吐出している時間（吐出時間という。）は、５秒以上となることが一般的であり、５分以上とすることもできる。吐出時間は、２０時間以下であることが一般的であり、５時間以下とすることができる。
また、吐出時間は、ノズル部４からの造形用材料８１の吐出を一旦停止している時間（停止時間という。）に比べて、５倍以上であることが一般的であり、１０倍以上であることが好ましい。吐出時間は、停止時間に比べて２０万倍以下であることが一般的であり、１万倍以下であることが好ましい。
さらに、制御コンピュータ１４は、スクリュー３１の回転数を目標とする回転数に制御するように構成することもできる。具体的には、制御コンピュータ１４は、ノズル部４からの造形用材料８１の吐出量を増加させる際には、モータ３２の回転数を増加させて、スクリュー３１の回転数を増加させることができる。一方、制御コンピュータ１４は、ノズル部４からの造形用材料８１の吐出量を減少させる際には、モータ３２の回転数を減少させて、スクリュー３１の回転数を減少させることができる。また、制御コンピュータ１４は、シリンダー部２内の温度を目標とする温度に制御するように構成することもできる。
図５、図６に示すように、ノズル部４の流路先端部４１は、複数の角部４１１を有する種々の形状に形成することができる。流路先端部４１は、造形用材料８１の吐出を一旦停止する際に、流路先端部４１から細い糸状の造形用材料８１が引き出されにくくするために、円形状ではなく、図５に示すように、複数の鋭角状の角部４１１が形成された星形状（複数の突起状部分が放射状に形成された形状）、図６に示すように、複数の角部４１１を有する多角形状等にすることができる。
図１、図２に示すように、ステージ１２は、造形用材料８１が載置される載置台を構成する。相対移動機構１３は、材料供給ユニット１１に対してステージ１２を水平方向と鉛直方向とに移動させるよう構成されている。相対移動機構１３は、ステージ１２を水平方向におけるＸ座標（Ｘ）に沿って移動させる機構部と、ステージ１２を水平方向におけるＸ座標（Ｘ）に直交するＹ座標（Ｙ）に沿って移動させる機構部と、ステージ１２を鉛直方向におけるＺ座標（Ｚ）に沿って移動させる機構部とを有している。
制御コンピュータ１４は、材料供給ユニット１１における造形用材料８１の吐出動作と相対移動機構１３によるステージ１２の移動動作とを連係させて、ステージ１２上に立体造形物８を造形する。制御コンピュータ１４は、相対移動機構１３によってステージ１２をＸ座標（Ｘ）及びＹ座標（Ｙ）に沿ってそれぞれ移動させることにより、立体造形物８の平面的な形状を形成する。また、制御コンピュータ１４は、相対移動機構１３によってステージ１２をＺ座標（Ｚ）に沿って移動させることにより、ステージ１２上に既に載置された造形用材料８１の部分の上にさらに造形用材料８１の部分を積層して、立体造形物８の高さ方向の形状を形成する。また、制御コンピュータ１４は、相対移動機構１３によってステージ１２を少しずつ下降させて、造形用材料８１をさらに積層していくことにより、立体造形物８の高さ方向の形状を形成する。
なお、相対移動機構１３は、ステージ１２に対して材料供給ユニット１１を三次元的に移動させることもできる。
制御コンピュータ１４には、造形する立体造形物８の形状が設定される造形設定部と、造形設定部からの指示を受けて、送出部３、相対移動機構１３、開閉ピン５等の動作を制御する制御部とが構築されている。制御コンピュータ１４は、造形用材料８１を吐出する位置、長さ、積層段数に応じて、必要とする三次元形状の立体造形物８を造形するよう構成されている。
図３、図４に示すように、ノズル部４の流路先端部４１は、造形用材料８１が通過する材料流路４０の先端部において、最も断面積が縮小した部分として形成されていることが好ましい。具体的には、材料流路４０における流路先端部４１の後端側には、テーパ状流路部４２が形成されている。開閉ピン５は、ノズル部４の流路先端部４１の内径よりも若干小さく形成されており、流路先端部４１の内壁面を摺動するよう構成されている。
流路先端部４１と開閉ピン５とは相似する断面形状で形成されている。本実施形態の流路先端部４１の断面形状と開閉ピン５の断面形状とは、円形状に形成されている。流路先端部４１と開閉ピン５との断面形状は、上述したように、複数の鋭角状の角部４１１が形成された星形状、複数の角部４１１を有する多角形状等とすることができる（図５、図６参照）。
ノズル部４の流路先端部４１の相当直径Ｄは、種々の断面形状の流路先端部４１に対しても定式化して求められる。すなわち、相当直径Ｄは、流路先端部４１の開口面積Ｓと、流路先端部４１の濡れ辺長Ｂとを用いることにより、Ｄ＝４Ｓ／Ｂの式に基づいて求められる。濡れ辺長Ｂは、流路先端部４１の流路壁面の周囲長を示し、例えば、図５に示すように、流路先端部４１の断面形状が４個の鋭角状の角部４１１が形成された星形状に形成されている場合には、４個の鋭角状の角部４１１を形成する８個の辺の長さの和として表される。
ノズル部４の流路先端部４１の相当直径Ｄは、０．１〜１０ｍｍの範囲内にあることが好ましい。相当直径が０．１ｍｍ未満である場合には、流路先端部４１が細くなり過ぎ、流路先端部４１を通過する造形用材料８１に作用する圧力損失が大きくて、流路先端部４１からの造形用材料８１の吐出が困難になるおそれがある。一方、相当直径が１０ｍｍ超過である場合には、流路先端部４１が太くなり過ぎ、流路先端部４１からの造形用材料８１の吐出量にばらつきが生じるおそれがある。
また、流路先端部４１を閉じるときの開閉ピン５の先端５０１の停止位置ｘは、流路先端部４１の先端４１１の位置と同じ位置、流路先端部４１の先端４１１の位置から内側Ｅ１に３Ｄ（ｍｍ）以内の距離だけ離れた位置、又は流路先端部４１の先端４１１の位置から外側Ｅ２に６Ｄ（ｍｍ）以内の距離だけ離れた位置にあることが好ましい。
流路先端部４１を閉じるときの開閉ピン５の先端５０１の停止位置ｘが、流路先端部４１の先端４１１の位置から内側Ｅ１に３Ｄ（ｍｍ）を超えて離れた位置になると、流路先端部４１内の造形用材料８１に対する、流路先端部４１から吐出された造形用材料８１の切れが悪くなり、造形用材料８１の一部が流路先端部４１から糸を引く状態で伸びるおそれがある。
また、開閉ピン５の先端５０１の停止位置ｘが、流路先端部４１の先端４１１の位置から内側Ｅ１に３Ｄ（ｍｍ）を超えて離れた位置になると、開閉ピン５が流路先端部４１を閉じるときに、開閉ピン５の先端５０１の停止位置ｘよりも先端側に位置する流路先端部４１の先端側部分の長さが必要以上に大きくなる。そのため、開閉ピン５によって流路先端部４１を閉じたときに、流路先端部４１の先端側部分に残された造形用材料８１が流路先端部４１の先端４１１から糸を引く状態で流出しやすくなると考える。
一方、流路先端部４１を閉じるときの開閉ピン５の先端５０１の停止位置ｘが、流路先端部４１の先端４１１の位置から外側Ｅ２に６Ｄ（ｍｍ）を超えて離れた位置になると、開閉ピン５とステージ１２との接触を避けるために、流路先端部４１の先端４１１とステージ１２との間の距離が必要以上に大きくなり、立体造形物８の造形精度が低下するおそれがある。
次に、製造装置１を用いて立体造形物８を製造する方法及び作用効果について説明する。
立体造形物８の製造装置１及び製造方法においては、ノズル部４の流路先端部４１から吐出される長さが異なる種々の造形用材料８１の部分によって、種々の三次元形状の立体造形物８を造形する。また、製造装置１の制御コンピュータ１４は、造形する立体造形物８の形状に応じて、ノズル部４の流路先端部４１から断続的に造形用材料８１を吐出させて、ノズル部４の流路先端部４１から造形用材料８１を吐出させる長さを制御する。
そして、制御コンピュータ１４は、造形用材料８１を断続的に吐出させるときには、造形用材料８１の吐出を一旦停止させる動作と、造形用材料８１の吐出を再開する動作とを行う。制御コンピュータ１４は、図２に示すように、ノズル部４からの造形用材料８１の吐出を一旦停止させる際には、アクチュエータ５１を操作して、流路先端部４１に対する開閉ピン５の位置を外側Ｅ２へスライドさせる。そして、流路先端部４１が開閉ピン５によって閉じられるとともに、流路先端部４１から吐出した造形用材料８１が、開閉ピン５によって流路先端部４１内の造形用材料８１から分断される。また、造形用材料８１が分断されるとき、開閉ピン５の先端５０１は、流路先端部４１の先端４１１の位置から内側Ｅ１に３Ｄ（ｍｍ）以内の位置であって、流路先端部４１の先端４１１の位置から外側Ｅ２に６Ｄ（ｍｍ）以内の位置に停止される。これにより、流路先端部４１が開閉ピン５によって閉じられたときに、流路先端部４１から造形用材料８１の一部が糸を引く状態で流出することを防止することができる。
こうして、立体造形物８の製造装置１及び製造方法においては、流路先端部４１の先端４１１と、流路先端部４１を閉じるときの開閉ピン５の先端５０１との位置関係を適切に設定することにより、造形用材料８１の一部が、糸を引く状態で立体造形物８に付着しにくくすることができる。
また、相対移動機構１３によってステージ１２と材料供給ユニット１１とを三次元的に相対移動させるとともに、造形用材料８１の吐出と吐出の一旦停止とを繰り返すことにより、造形用材料８１が積層されて形成される所望の立体造形物８を得ることができる。
それ故、立体造形物８の製造装置１及び製造方法、並びに立体造形物８の製造装置１に用いられる材料供給ユニット１１によれば、造形用材料８１が積層されて形成される所望の立体造形物８を得ることができ、立体造形物８の表面に余分な造形部分が形成されにくくすることができる。
なお、材料供給ユニット１１の送出部３は、スクリュー３１によって構成する以外にも、シリンダー部２内を摺動するピストンによって構成することもできる。また、送出部３は、フィラメント状（長尺状）の造形用材料８１を送り出すローラ等によって構成することもできる。また、送出部３の構成は、造形用材料８１を吐出できる種々の構成とすることができる。
また、図３に示すように、ノズル部４の流路先端部４１、ノズル部４の外側先端部４３，４４、及び開閉ピン５の先端部５２のうちの少なくともいずれかには、造形用材料８１の付着を抑制するための離型処理を施すことができる。ノズル部４の外側先端部４３，４４は、ノズル部４における、流路先端部４１に対する外周側に位置する部分４３、ノズル部４の先端４４等とすることができる。開閉ピン５の先端部５２は、開閉ピン５における、流路先端部４１内に配置される部分、開閉ピン５における、流路先端部４１内に配置される部分よりも先端側に位置する部分、開閉ピン５の先端５０１等とすることができる。
離型処理は、造形用材料８１の付着を抑制することができる種々の処理とすることができる。離型処理は、離型剤のコーティング処理、メッキ処理、蒸着処理、表面加工処理等によって行うことができる。離型剤は、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、又はセラミック等を含むものとすることができる。メッキ処理は、金属メッキ、あるいはフッ素樹脂、シリコーン樹脂等を用いた複合金属メッキ等とすることができる。蒸着処理は、ＣＶＤ（化学蒸着法）によるＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）の成膜等とすることができる。表面加工処理は、粗面加工処理等とすることができる。
離型処理を施すことにより、造形用材料８１の吐出を一旦停止する際に、造形用材料８１が流路先端部４１から糸を引く状態でさらに流出しにくくすることができる。
なお、図示は省略するが、材料供給ユニット１１は、ノズル部４が接続可能な複数のシリンダー部２を有していてもよい。この場合には、複数のシリンダー部２に貯留させる造形用材料８１を互いに異ならせることにより、例えば、材質又は色彩の異なる造形用材料８１を含む立体造形物８を造形することが可能となる。
また、シリンダー部２には、複数のノズル部４を設けることもできる。この場合には、立体造形物８を造形する際の造形速度をさらに向上させることができる。
（実施形態２）
本実施形態は、図７に示すように、ノズル部４に、ノズル部４の流路先端部４１の温度を調整するための温度調整機構７を設けた製造装置１について示す。
温度調整機構７は、ノズル部４内の造形用材料８１を加熱する加熱手段７１と、ノズル部４内の造形用材料８１を冷却する冷却手段７２とを用いて構成することができる。この場合には、制御コンピュータ１４は、ノズル部４の流路先端部４１から造形用材料８１を吐出させるときには、加熱手段７１によってノズル部４内の造形用材料８１を加熱し、一方、ノズル部４の流路先端部４１からの造形用材料８１の吐出を一旦停止させるときには、冷却手段７２によってノズル部４内の造形用材料８１を冷却することができる。
加熱手段７１は、通電によって加熱する手段等によって構成することができる。冷却手段７２は、冷却用空気を吹き付けて造形用材料８１を冷却する空冷手段、冷却水をノズル部４の周辺に流して造形用材料８１を冷却する水冷手段、２種類の金属の接合部に電流を流すときに熱が移動するペルチェ効果を利用したペルチェ素子等によって構成することができる。
また、ノズル部４には、ノズル部４内を通過する造形用材料８１の温度を測定する温度センサを設けることができる。この場合には、制御コンピュータ１４は、温度調整機構７を操作して、温度センサによって測定するノズル部４の流路先端部４１の温度を適切に制御することができる。
また、温度調整機構７は、加熱手段７１を用いず、ノズル部４内の造形用材料８１を冷却する冷却手段７２のみによって構成することもできる。この場合には、ノズル部４の流路先端部４１からの造形用材料８１の吐出を一旦停止する際に、冷却手段７２によってノズル部４内の造形用材料８１を冷却することができる。
また、図８に示すように、冷却手段７２は、ノズル部４の流路先端部４１の温度を調整するために、流路先端部４１に、流路先端部４１の外部から冷却用空気等の気体Ａを吹き付けるブロアとすることもできる。ブロアは、その末端に、図示しないコンプレッサー等から送り込まれる気体Ａを噴出させるための開口部７２１を有する構造とすることができる。また、ブロアを用いることにより、ノズル部４の流路先端部４１から吐出され、ステージ１２上に積層された造形用材料８１を冷却することもできる。また、材料供給ユニット１１のノズル部４の周辺には、保護カバーを設けることもできる。
本実施形態においても、その他の構成及び図中の符号が示す構成要素は実施形態１と同様であり、実施形態１と同様の作用効果を得ることができる。
（実施形態３）
本実施形態は、図９、図１０に示すように、ノズル部４の流路先端部４１内を通過する造形用材料８１に気体Ａを吹き付けるための気体吹付口６を、ノズル部４に設けた製造装置１について示す。
気体吹付口６には、配管６２を介して気体供給源６１が接続されている。気体供給源６１は、正圧の空気を発生させる圧縮機等とすることができる。また、気体吹付口６には、その開閉を行うための気体用開閉機構６３を設けることができる。気体用開閉機構６３は、気体吹付口６の中心軸線方向にスライドして気体吹付口６を開閉するピン、又は気体吹付口６の中心軸線方向に直交する方向にスライドして気体吹付口６を開閉するバルブとすることができる。
制御コンピュータ１４は、図９に示すように、ノズル部４の流路先端部４１から造形用材料８１を吐出させるときには、開閉ピン５を流路先端部４１から内側Ｅ１に後退させるとともに、気体用開閉機構６３によって気体吹付口６を閉じておく。一方、制御コンピュータ１４は、図１０に示すように、ノズル部４の流路先端部４１からの造形用材料８１の吐出を一旦停止させるときには、気体用開閉機構６３によって気体吹付口６を開けると同時に、開閉ピン５を外側Ｅ２に前進させて、開閉ピン５によって流路先端部４１を閉じる。
このとき、流路先端部４１内を通過する造形用材料８１に気体吹付口６から気体Ａが吹き付けられ、造形用材料８１よりも温度が低い気体Ａによって、造形用材料８１が冷却されるとともに分断される。そのため、開閉ピン５のスライドと、気体吹付口６から吹き付けられる気体Ａの圧力とによって、造形用材料８１を一層容易に分断することができる。
本実施形態においても、その他の構成及び図中の符号が示す構成要素は実施形態１と同様であり、実施形態１と同様の作用効果を得ることができる。
以下、本発明の立体造形物８の製造装置１の実施例について具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
（製造装置）
本実施例においては、図１〜４に示した立体造形物８の製造装置１を用い、開閉ピン５の先端５０１の停止位置ｘを適宜変更して立体造形物８を製造し、糸引き及び造形精度に関する評価を行った。ここで、ノズル部４の流路先端部４１は円形状とし、ノズル部４の流路先端部４１の相当直径Ｄはφ１ｍｍとし、開閉ピン５の直径はφ１ｍｍとした。また、ノズル部４の流路先端部４１、ノズル部４の外側先端部４３，４４、及び開閉ピン５の先端部５２には、離型処理としてＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜を形成した。
開閉ピン５の先端５０１の停止位置ｘは、−５ｍｍ、−３ｍｍ、−１ｍｍ、０ｍｍ、１ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍ、７ｍｍとなるよう変更した。また、ノズル部４の流路先端部４１とステージ１２との間の距離は、開閉ピン５の先端５０１の停止位置ｘが負の値の場合には、０．６ｍｍとし、開閉ピン５の先端５０１の停止位置ｘが正の値の場合には、開閉ピン５の停止位置ｘの値＋０．５ｍｍとした。
製造装置１の制御コンピュータ１４は、開閉ピン５を外側Ｅ２へスライドさせて、造形用材料８１の吐出を０．１秒停止させた状態と、開閉ピン５を内側Ｅ１へスライドさせて、造形用材料８１を３０秒間吐出する状態とを、１００回繰り返した。なお、造形用材料８１の吐出速度は０．５ｋｇ／ｈとし、ノズル部４における造形用材料８１の温度は１３０℃とした。また、造形用材料８１としては、軟質の熱可塑性エラストマーを用いた。
（評価条件）
立体造形時の糸引き及び造形精度に関して以下の通り、評価した。
糸引きについては、糸引きが観察されなかった場合をＡ、糸引きが少し観察されたが、立体造形物８を造形することができた場合をＢ、糸引きが多く観察され、立体造形物８を造形することができなかった場合をＣとして評価した。
造形精度については、立体造形物８を設計図面通りに造形することができた場合をＡ、変形、欠損又は癒着が生じ、立体造形物８の一部を設計図面通りに造形することができなかった場合をＢ、立体造形物８を造形できなかった場合をＣとして評価した。
糸引き及び造形精度に関する評価を行った結果を表１に示す。
Figure 2017038984
同表において、開閉ピン５の先端５０１の停止位置ｘが、−３×Ｄ（１ｍｍ）よりも小さい−５ｍｍである場合には、糸引きが多く観察されて、必要とする立体造形物８を造形することができなかった。一方、開閉ピン５の先端５０１の停止位置ｘが、６×Ｄ（１ｍｍ）よりも大きい７ｍｍである場合には、造形精度が悪化して、必要とする立体造形物８を造形することができなかった。これらの結果より、ノズル部４の流路先端部４１の相当直径Ｄがφ１ｍｍの場合において、製造装置１における開閉ピン５の先端５０１の停止位置ｘ（ｍｍ）は、−３Ｄ≦ｘ≦６Ｄの関係を有することが好ましいことが分かった。
なお、ノズル部４の流路先端部４１の相当直径Ｄが、例えばφ１０ｍｍの場合等においては、開閉ピン５の先端５０１の停止位置ｘが、−Ｄ≦ｘ≦１０（ｍｍ）の関係を有することが好ましい場合がある。

Claims (10)

  1. 立体造形物を造形するための造形用材料を吐出させるノズル部を有する材料供給ユニットと、
    上記ノズル部の流路先端部から吐出される上記造形用材料が積層されるステージと、
    該ステージと上記材料供給ユニットとを三次元的に相対移動させる相対移動機構と、
    該相対移動機構の動作を制御する制御コンピュータと、を備え、
    上記ノズル部には、該ノズル部の流路先端部を内側から開閉する開閉ピンが設けられており、
    上記制御コンピュータは、上記造形用材料の吐出を一旦停止させる際には、上記開閉ピンによって上記ノズル部の流路先端部を閉じ、一方、上記造形用材料を吐出させる際には、上記開閉ピンによって上記ノズル部の流路先端部を開けるよう構成されており、
    上記ノズル部の流路先端部の開口面積Ｓ（ｍｍ2）と、上記ノズル部の流路先端部における流路壁面の周囲長である濡れ辺長Ｂ（ｍｍ）とを用いて表される相当直径Ｄ（ｍｍ）を、Ｄ＝４Ｓ／Ｂとし、また、上記開閉ピンが上記流路先端部を閉じるときの該開閉ピンの先端の停止位置ｘ（ｍｍ）を、上記流路先端部の先端の位置と同じである場合を基準の０（ｍｍ）、該流路先端部の先端よりも内側にある場合を負の値、及び該流路先端部の先端よりも外側にある場合を正の値として、
    −３Ｄ≦ｘ≦６Ｄの関係を有する、立体造形物の製造装置。
  2. 上記開閉ピンの先端の停止位置ｘ（ｍｍ）は、−Ｄ≦ｘ≦１０（ｍｍ）の関係を有する、請求項１に記載の立体造形物の製造装置。
  3. 上記相当直径Ｄ（ｍｍ）は、０．１（ｍｍ）≦Ｄ≦１０（ｍｍ）の関係を有する、請求項１又は２に記載の立体造形物の製造装置。
  4. 上記ノズル部の流路先端部は、上記造形用材料が通過する材料流路の先端部において、最も断面積が縮小した部分として形成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の立体造形物の製造装置。
  5. 上記材料供給ユニットは、上記造形用材料を貯留するシリンダー部と、該シリンダー部内の造形用材料を送り出す送出部とを有し、
    上記ノズル部は、上記送出部によって送り出される上記造形用材料を吐出させるものである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の立体造形物の製造装置。
  6. 上記ノズル部は、該ノズル部の流路先端部の温度を調整するための温度調整機構を備えている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の立体造形物の製造装置。
  7. 上記ノズル部の流路先端部、該ノズル部の外側先端部、及び上記開閉ピンの先端部のうちの少なくともいずれかには、上記造形用材料の付着を抑制するための離型処理が施されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の立体造形物の製造装置。
  8. 上記ノズル部には、該ノズル部の流路先端部内を通過する上記造形用材料、又は該ノズル部の流路先端部から吐出された上記造形用材料に気体を吹き付ける気体吹付口が設けられており、
    上記制御コンピュータは、上記造形用材料の吐出を一旦停止させる際に、上記気体吹付口から上記造形用材料に吹き付ける気体によって、該造形用材料を冷却するとともに分断するよう構成されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の立体造形物の製造装置。
  9. 立体造形物を造形するための造形用材料を吐出させるノズル部を有する材料供給ユニットと、
    上記ノズル部の流路先端部から吐出される上記造形用材料が積層されるステージと、
    該ステージと上記材料供給ユニットとを三次元的に相対移動させる相対移動機構と、
    該相対移動機構の動作を制御する制御コンピュータと、を備え、
    上記ノズル部には、該ノズル部の流路先端部を内側から開閉する開閉ピンが設けられており、
    上記ノズル部の流路先端部の開口面積Ｓ（ｍｍ2）と、上記ノズル部の流路先端部における流路壁面の周囲長である濡れ辺長Ｂ（ｍｍ）とを用いて表される相当直径Ｄ（ｍｍ）を、Ｄ＝４Ｓ／Ｂとし、また、上記開閉ピンが上記流路先端部を閉じるときの該開閉ピンの先端の停止位置ｘ（ｍｍ）を、上記流路先端部の先端の位置と同じである場合を基準の０（ｍｍ）、該流路先端部の先端よりも内側にある場合を負の値、及び該流路先端部の先端よりも外側にある場合を正の値としたとき、−３Ｄ≦ｘ≦６Ｄの関係を有する、立体造形物の製造装置を用い、
    上記開閉ピンによって上記ノズル部の流路先端部を開けたときに、該流路先端部から上記造形用材料を吐出させ、上記開閉ピンによって上記ノズル部の流路先端部を閉じたときに、該流路先端部からの上記造形用材料の吐出を一旦停止させて、上記立体造形物を製造する、立体造形物の製造方法。
  10. 立体造形物の製造装置に用いられる材料供給ユニットであって、
    該材料供給ユニットは、上記立体造形物を造形するための造形用材料を吐出させるノズル部と、該ノズル部に設けられ、該ノズル部の流路先端部を内側から開閉する開閉ピンとを有し、
    上記製造装置は、上記ノズル部の流路先端部から吐出される上記造形用材料が積層されるステージと、該ステージと上記材料供給ユニットとを三次元的に相対移動させる相対移動機構と、該相対移動機構の動作を制御するとともに、上記造形用材料の吐出を一旦停止させる際には、上記開閉ピンによって上記ノズル部の流路先端部を閉じる一方、上記造形用材料を吐出させる際には、上記開閉ピンによって上記ノズル部の流路先端部を開けるよう構成された制御コンピュータとを備え、
    上記ノズル部の流路先端部の開口面積Ｓ（ｍｍ2）と、上記ノズル部の流路先端部における流路壁面の周囲長である濡れ辺長Ｂ（ｍｍ）とを用いて表される相当直径Ｄ（ｍｍ）を、Ｄ＝４Ｓ／Ｂとし、また、上記開閉ピンが上記流路先端部を閉じるときの該開閉ピンの先端の停止位置ｘ（ｍｍ）を、上記流路先端部の先端の位置と同じである場合を基準の０（ｍｍ）、該流路先端部の先端よりも内側にある場合を負の値、及び該流路先端部の先端よりも外側にある場合を正の値として、
    −３Ｄ≦ｘ≦６Ｄの関係を有する、立体造形物の製造装置に用いられる材料供給ユニット。
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