(57)【要約】【課題】三次元造形装置において、基台を移動させる駆動部に熱的影響が及ぶことを抑制する。【解決手段】三次元造形装置は、造形空間を有するチャンバーと、造形空間を加熱する加熱部と、造形空間に露出する造形面を有する基台と、加熱部により加熱された造形空間において、第１方向に沿って移動しながら造形面に向かって造形材料を吐出して三次元造形物を造形する吐出部と、基台を、第１方向と交わる第２方向に沿って移動させる第１駆動部と、チャンバーの隔壁に形成された第１開口部の周縁部と、基台との間に配置され、基台の第２方向に沿った移動に応じて第２方向に沿って伸縮可能であり、造形空間から分離された分離空間を形成する筒状の第１耐熱部材と、を備え、第１駆動部の少なくとも一部が、分離空間に配置されている。【選択図】図２
2020175624.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
造形空間を有するチャンバーと、
前記造形空間を加熱する加熱部と、
前記造形空間に露出する造形面を有する基台と、
前記加熱部により加熱された前記造形空間において、第１方向に沿って移動しながら前記造形面に向かって造形材料を吐出して三次元造形物を造形する吐出部と、
前記基台を、前記第１方向と交わる第２方向に沿って移動させる第１駆動部と、
前記チャンバーの隔壁に形成された第１開口部の周縁部と、前記基台との間に配置され、前記基台の前記第２方向に沿った移動に応じて前記第２方向に沿って伸縮可能であり、前記造形空間から分離された分離空間を形成する筒状の第１耐熱部材と、
を備え、
前記第１駆動部の少なくとも一部が、前記分離空間に配置された、三次元造形装置。
【請求項２】
請求項１に記載の三次元造形装置であって、
前記分離空間の冷却を行う冷却機構を備える、三次元造形装置。
【請求項３】
請求項２に記載の三次元造形装置であって、
前記分離空間の温度を測定する温度センサーを備え、
前記温度センサーによって測定された前記分離空間の温度に従って前記冷却機構を制御する冷却制御部を備える、三次元造形装置。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の三次元造形装置であって、
前記冷却機構は冷却ファンである、三次元造形装置。
【請求項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、
前記第１耐熱部材は、前記第２方向に伸縮可能な蛇腹構造またはテレスコピック構造を有する、三次元造形装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の三次元造形装置であって、
前記造形空間から分離された位置に配置され、前記吐出部を前記第１方向に移動させる第２駆動部を備え、
前記チャンバーの前記第１開口部に対向する隔壁に形成された第２開口部の周縁部と、前記吐出部との間に配置され、前記吐出部の前記第１方向への移動に応じて前記第１方向に伸縮する第２耐熱部材を有する、三次元造形装置。
【請求項７】
請求項６に記載の三次元造形装置であって、
前記第２耐熱部材は、前記第１方向に伸縮可能な蛇腹構造またはテレスコピック構造を有する、三次元造形装置。
【請求項８】
三次元造形物の製造方法であって、
加熱部を用いてチャンバー内の造形空間を加熱する第１工程と、
吐出部を第１方向に沿って移動させながら、前記造形空間に露出する造形面を有する基台の前記造形面に向かって前記三次元造形物の材料である造形材料を吐出させる第２工程と、
第１駆動部によって、前記基台を、前記第１方向と交わる第２方向に沿って移動させる第３工程と、
を備え、
前記第３工程では、前記チャンバーの隔壁に形成された第１開口部の周縁部と前記基台との間に配置され、前記造形空間から分離された分離空間を形成し前記分離空間に前記第１駆動部の少なくとも一部が配置された筒状の第１耐熱部材が、前記基台の前記第２方向に沿った移動に応じて前記第２方向に沿って伸縮する、
三次元造形物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載された三次元造形装置では、加熱されたチャンバー内で三次元造形物が造形される。チャンバー内には、押出ヘッドから押し出された造形材料が付着する基台が配置されており、チャンバーの外部には、基台を鉛直方向に移動させる駆動部としてのリフトが配置されている。チャンバー内の基台と、チャンバー外の駆動部とは、チャンバーの側壁に鉛直方向に沿って開口するスリットを通じてビームによって接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００３−５０２１８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載された三次元造形装置では、上記のように、スリットを通じて基台と駆動部とが接続されている。そのため、スリットを通じてチャンバー内の加熱された空気が駆動部に向かって漏れる可能性がある。加熱された空気に駆動部が曝されると、駆動部に熱的影響が及び、三次元造形物の造形精度に影響を与える可能性がある。例えば、基台を上下に移動させる駆動部に熱的影響が及ぶと、駆動部に備えられた軸部材が膨張することによって基台とヘッドとのギャップが変化し、造形精度に影響を与える可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の一形態によれば、三次元造形装置が提供される。この三次元造形装置は、造形空間を有するチャンバーと、前記造形空間を加熱する加熱部と、前記造形空間に露出する造形面を有する基台と、前記加熱部により加熱された前記造形空間において、第１方向に沿って移動しながら前記造形面に向かって造形材料を吐出して三次元造形物を造形する吐出部と、前記基台を、前記第１方向と交わる第２方向に沿って移動させる第１駆動部と、前記チャンバーの隔壁に形成された第１開口部の周縁部と、前記基台との間に配置され、前記基台の前記第２方向に沿った移動に応じて前記第２方向に沿って伸縮可能であり、前記造形空間から分離された分離空間を形成する筒状の第１耐熱部材と、を備え、前記第１駆動部の少なくとも一部が、前記分離空間に配置されている。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１実施形態における三次元造形装置の外観斜視図である。
【図２】三次元造形装置の内部構成を示す概略断面図である。
【図３】第１耐熱部材の外観構造を示す斜視図である。
【図４】第１耐熱部材の内部構造を示す斜視図である。
【図５】第２耐熱部材の構成を示す平面図である。
【図６】第２耐熱部材の断面構造を示す斜視図である。
【図７】吐出部の構成を示す概略断面図である。
【図８】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。
【図９】スクリュー対面部の上面側の構成を示す概略平面図である。
【図１０】三次元造形物の製造方法の工程図である。
【図１１】第２実施形態における第１耐熱部材の斜視図である。
【図１２】第３実施形態における第２耐熱部材の斜視図である。
【図１３】第３実施形態における第２耐熱部材の断面構造を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
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の外観斜視図である。図２は、三次元造形装置１００の内部構成を示す概略断面図である。これらの図には、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。
【０００８】
図１および図２に示すように、三次元造形装置１００は、チャンバー１０と、加熱部２０と、基台３０と、吐出部２００と、第１駆動部５０と、第２駆動部６０と、第１耐熱部材７０と、第２耐熱部材１６と、温度センサー８０と、冷却機構９０と、冷却制御部１１０と、造形制御部１２０と、を備える。なお、冷却制御部１１０と造形制御部１２０とは一体的に構成されてもよい。
【０００９】
チャンバー１０は、三次元造形物が造形される造形空間１１を内部に有する。チャンバー１０は、造形空間１１を囲う隔壁１２を備える。隔壁１２は、例えば、ステンレス鋼等の金属によって構成された内壁と外壁との間に、ロックウール等の断熱材を配することにより構成される。隔壁１２は、このような構造により、チャンバー１０内の造形空間１１を断熱する。
【００１０】
チャンバー１０の側面を構成する隔壁１２の一部には、開閉扉１５が設けられている。開閉扉１５は、例えば、二重ガラスを有しており、造形空間１１において造形中の三次元造形物を外部から視認可能に構成されている。造形空間１１において造形された三次元造形物は、開閉扉１５を開くことにより外部に取り出すことができる。チャンバー１０の下面を構成する隔壁１２には、第１開口部１３が形成されている。チャンバー１０の第１開口部１３に対向する隔壁１２には、第２開口部１４が形成されている。
【００１１】
加熱部２０は、吸気管２１および排気管２２を通じてチャンバー１０に接続される。加熱部２０は、吸気管２１および排気管２２を通じて造形空間１１内の空気を循環させつつ加熱することにより、造形空間１１の温度を所定の温度に調整する。本実施形態では、加熱部２０は、造形空間１１内の温度が、１２０〜１５０℃の温度になるように調整を行う。この温度は、造形材料のガラス転移点よりも高い温度であることが好ましい。
【００１２】
基台３０は、チャンバー１０内に配置されている。基台３０は、造形空間１１に露出する造形面３１を有する。造形面３１のことをステージともいう。基台３０は、造形面３１の傾きや高さを調整可能な機構を備えてもよい。また、基台３０は、造形面３１を加熱するためのヒーターを備えてもよい。
【００１３】
吐出部２００は、加熱部２０によって加熱された造形空間１１において、第１方向に移動しながら基台３０の造形面３１に向かって造形材料を吐出することにより、三次元造形物を造形する。第１方向とは、本実施形態において水平方向である。第１方向は、例えば、水平方向に対して±１０度の範囲で傾斜していてもよい。吐出部２００のことをヘッドともいう。吐出部２００の具体的な構成については後述する。本実施形態では、加熱されたチャンバー１０内で吐出部２００が造形材料を吐出するため、基台３０に対する造形材料の密着性を高めることができ、また、造形材料が急激に冷却されることによって反りが生じることを抑制できる。
【００１４】
第１駆動部５０は、基台３０を、第１方向と交わる第２方向に沿って移動させる。本実施形態では、第２方向とは鉛直方向である。第１駆動部５０と基台３０とは、第１駆動部５０の一部を構成する支柱５１によって接続されている。本実施形態において、第１駆動部５０は、軸部材としてのボールねじと、ボールねじを駆動するモーターとを備えたリニアアクチュエーターを有する。なお、第２方向は第１方向に対して、例えば、±１０度の範囲で傾斜していてもよい。
【００１５】
第２駆動部６０は、吐出部２００を水平方向に移動させる。第２駆動部６０は、造形空間１１から分離された位置に配置されている。本実施形態では、第２駆動部６０は、チャンバー１０の上面に備えられている。本実施形態において、第２駆動部６０は、吐出部２００をＸ方向に沿って移動させる第１リニアアクチュエーター６１と、吐出部２００をＹ方向に沿って移動させる第２リニアアクチュエーター６２とを備えている。第１リニアアクチュエーター６１と第２リニアアクチュエーター６２とは、それぞれ、ボールねじと、ボールねじを駆動するモーターとを備える。第２リニアアクチュエーター６２は、チャンバー１０の上面に開口する第２開口部１４をＸ方向に挟むようにＹ方向に沿って配置された１組のレールに沿って駆動する。それらのレールには長尺状の第１リニアアクチュエーター６１がＸ方向に沿って掛け渡されており、第１リニアアクチュエーター６１に吐出部２００が取り付けられている。
【００１６】
チャンバー１０の下面には第１開口部１３が形成されている。第１開口部１３の周縁部と基台３０との間には、第１耐熱部材７０が配置されている。
【００１７】
図３は、第１耐熱部材７０の外観構造を示す斜視図である。図４は、第１耐熱部材７０の内部構造を示す斜視図である。これらの図に示すように、第１耐熱部材７０は、Ｚ方向に沿って伸縮可能な蛇腹構造を有している。第１耐熱部材７０は、基台３０のＺ方向に沿った移動に応じて伸縮する。第１耐熱部材７０は、筒状に構成されており、造形空間１１から分離された分離空間７１を形成する。分離空間７１には、基台３０を駆動する第１駆動部５０の少なくとも一部が配置されている。本実施形態では、分離空間７１には、第１駆動部５０の先端部の一部を構成する支柱５１が配置される。なお、分離空間７１には、第１駆動部５０の全てが配置されてもよい。第１耐熱部材７０は、造形空間１１内の温度に耐え得る耐熱性能を有している。本実施形態では、第１耐熱部材７０は、ガラス繊維の織布にシリコーンコーティングを施すことにより構成されている。なお、第１耐熱部材７０の構成はこれに限らず、例えば、シリコーンに代えてフッ素樹脂をガラス繊維の織布にコーティングすることによって構成されてもよい。
【００１８】
図２に示すように、チャンバー１０の上部には第２開口部１４が形成されている。第２開口部１４には、吐出部２００が配置されている。第２開口部１４の周縁部と吐出部２００との間には、第２耐熱部材１６が配置されている。
【００１９】
図５は、第２耐熱部材１６の構成を示す平面図である。図６は、第２耐熱部材１６の断面構造を示す斜視図である。これらの図では、第２駆動部６０の図示を省略している。第２耐熱部材１６は、吐出部２００の水平方向への移動に応じて水平方向に伸縮する構造を備える。第２耐熱部材１６が取り付けられる第２開口部１４には、Ｙ方向に沿ってスライド移動可能な２本のレール１９が、Ｘ方向に沿って２本、掛け渡されており、吐出部２００は、それらの２本のレール１９の間に、Ｘ方向に沿ってスライド移動可能に取り付けられている。第２耐熱部材１６は、Ｘ方向に伸縮する第１カバー１７とＹ方向に伸縮する第２カバー１８とから構成される。本実施形態において、第１カバー１７および第２カバー１８は、それぞれ、第１耐熱部材７０と同様に、造形空間１１内の温度に耐え得る耐熱性能を有しており、蛇腹状の伸縮構造を有している。第１カバー１７は、２本のレール１９の間において吐出部２００をＸ方向に挟むように、１組、配置されている。第２カバー１８は、２本のレール１９の外側において吐出部２００をＹ方向に挟むように１組、配置されている。
【００２０】
図２に示すように、温度センサー８０は、第１耐熱部材７０内の分離空間７１に配置されている。温度センサー８０は、分離空間７１の温度を測定するセンサーである。本実施形態において、温度センサー８０は、支柱５１に取り付けられている。
【００２１】
冷却機構９０は、分離空間７１の冷却を行う。本実施形態において、冷却機構９０は、冷却ファンによって構成されている。冷却機構９０は、分離空間７１の下部に配置されており、分離空間７１に向かって送風を行う。第１耐熱部材７０の下方は開放されており、冷却機構９０によって分離空間７１中に導入された空気は、分離空間７１の下方から外部に排出される。なお、冷却機構９０は、分離空間７１内の空気を吸引して外部に排出する機構であってもよい。また、冷却機構９０は、冷却ファンに限らず、例えば、冷媒が流れる配管を分離空間７１内に配置することによって構成してもよい。
【００２２】
冷却制御部１１０は、温度センサー８０によって測定された分離空間７１の温度に従って冷却機構９０を制御する。より具体的には、冷却制御部１１０は、温度センサー８０によって測定された分離空間７１の温度が、目標温度となるように、冷却機構９０をフィードバック制御して分離空間７１内の温度を調整する。本実施形態では、冷却制御部１１０は、目標温度として、５０〜６０℃の温度を設定する。目標温度は、第１駆動部５０の耐熱温度以下の温度であり、第１駆動部５０による基台３０の鉛直方向への熱ひずみによる移動誤差が、予め定めた範囲に収まる温度として設定されている。冷却制御部１１０は、回路によって構成されていてもよいし、コンピューターによって構成されていてもよい。
【００２３】
造形制御部１２０は、記録媒体や外部のコンピューター等から取得した三次元造形データに従って、吐出部２００と第１駆動部５０と第２駆動部６０とを制御することによって、基台３０の造形面３１上の指定位置に造形材料を吐出させ、三次元造形物を造形する。造形制御部１２０は、コンピューターとして構成されており、ＣＰＵとメモリーとを備えている。ＣＰＵ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。なお、造形制御部１２０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。
【００２４】
図７は、吐出部２００の構成を示す概略断面図である。吐出部２００は、造形材料に転化される前の材料ＭＲの供給源である材料供給部２２０と、材料ＭＲを溶融させて造形材料とする材料溶融部２３０と、造形材料を造形面３１に向けて吐出するノズル２６０と、を備える。
【００２５】
材料供給部２２０は、材料溶融部２３０に、造形材料を生成するための材料ＭＲを供給する。材料供給部２２０は、例えば、材料ＭＲを収容するホッパーによって構成される。材料供給部２２０は、連通路２２２を介して、材料溶融部２３０に接続されている。材料ＭＲは、例えば、ペレットや粉末等の形態で材料供給部２２０に投入される。材料ＭＲの詳細については後述する。
【００２６】
材料溶融部２３０は、材料供給部２２０から供給された材料ＭＲ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２６０へと導く。材料溶融部２３０は、スクリューケース２３１と、駆動モーター２３２と、フラットスクリュー２４０と、スクリュー対面部２５０と、を有する。フラットスクリュー２４０は、「スクロール」とも呼ばれる。スクリュー対面部２５０は、「バレル」とも呼ばれる。なお、材料溶融部２３０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。材料溶融部２３０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。
【００２７】
フラットスクリュー２４０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２４０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。
【００２８】
フラットスクリュー２４０は、スクリューケース２３１内に収納されている。フラットスクリュー２４０の上面側は駆動モーター２３２に連結されており、フラットスクリュー２４０は、駆動モーター２３２が発生させる回転駆動力によって、スクリューケース２３１内において中心軸ＲＸを中心に回転する。駆動モーター２３２は、造形制御部１２０の制御下において駆動される。
【００２９】
フラットスクリュー２４０の下面には、溝部２４２が形成されている。上述した材料供給部２２０の連通路２２２は、フラットスクリュー２４０の側面から溝部２４２に連通する。
【００３０】
フラットスクリュー２４０の下面は、スクリュー対面部２５０の上面に面している。フラットスクリュー２４０の下面の溝部２４２と、スクリュー対面部２５０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２２０から材料ＭＲが供給される。フラットスクリュー２４０および溝部２４２の具体的な構成については後述する。
【００３１】
スクリュー対面部２５０には、材料ＭＲを加熱するためのヒーター２５８が埋め込まれている。フラットスクリュー２４０の溝部２４２に供給された材料ＭＲは、溝部２４２において溶融されながら、フラットスクリュー２４０の回転によって溝部２４２に沿って流動し、造形材料としてフラットスクリュー２４０の中央部２４６へと導かれる。中央部２４６に流入したペースト状の造形材料は、スクリュー対面部２５０の中心に設けられた連通孔２５６を介してノズル２６０に供給される。
【００３２】
ノズル２６０は、スクリュー対面部２５０の連通孔２５６に接続されている。ノズル２６０は、材料溶融部２３０において生成された造形材料を、造形面３１に向けて吐出する。
【００３３】
図８は、フラットスクリュー２４０の下面側の構成を示す概略斜視図である。図８には、フラットスクリュー２４０の中心軸ＲＸの位置が一点鎖線で示されている。スクリュー対面部２５０に対向するフラットスクリュー２４０の下面には、溝部２４２が設けられている。以下、フラットスクリュー２４０の下面のことを、「溝形成面２４８」と呼ぶ。
【００３４】
フラットスクリュー２４０の溝形成面２４８の中央部２４６は、溝部２４２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２４６は、スクリュー対面部２５０の連通孔２５６に対向する。第１実施形態では、中央部２４６は、中心軸ＲＸと交差する。
【００３５】
フラットスクリュー２４０の溝部２４２は、いわゆるスクロール溝を構成する。溝部２４２は、中央部２４６から、フラットスクリュー２４０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２４２は、螺旋状に延びるように構成されてもよい。溝形成面２４８には、溝部２４２の側壁部を構成し、各溝部２４２に沿って延びている凸条部２４３が設けられている。
【００３６】
溝部２４２は、フラットスクリュー２４０の側面に形成された材料流入口２４４まで連続している。この材料流入口２４４は、材料供給部２２０の連通路２２２を介して供給された材料ＭＲを受け入れる部分である。
【００３７】
図８には、３つの溝部２４２と、３つの凸条部２４３と、を有するフラットスクリュー２４０の例が示されている。フラットスクリュー２４０に設けられる溝部２４２や凸条部２４３の数は、３つには限定されない。フラットスクリュー２４０には、１つの溝部２４２のみが設けられていてもよいし、２以上の複数の溝部２４２が設けられていてもよい。また、溝部２４２の数に合わせて任意の数の凸条部２４３が設けられてもよい。
【００３８】
図８には、材料流入口２４４が３箇所に形成されているフラットスクリュー２４０の例が図示されている。フラットスクリュー２４０に設けられる材料流入口２４４の数は、３箇所に限定されない。フラットスクリュー２４０には、材料流入口２４４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。
【００３９】
図９は、スクリュー対面部２５０の上面側の構成を示す概略平面図である。スクリュー対面部２５０の上面は、上述したように、フラットスクリュー２４０の溝形成面２４８に対向する。以下、スクリュー対面部２５０の上面を、「スクリュー対向面２５２」と呼ぶ。スクリュー対向面２５２の中心には、造形材料をノズル２６０に供給するための連通孔２５６が形成されている。
【００４０】
スクリュー対向面２５２には、連通孔２５６に接続され、連通孔２５６から外周に向かって渦状に延びている複数の案内溝２５４が形成されている。複数の案内溝２５４は、フラットスクリュー２４０の中央部２４６に流入した造形材料を連通孔２５６に導く機能を有する。
【００４１】
フラットスクリュー２４０が回転すると、材料流入口２４４から供給された材料ＭＲが、溝部２４２に誘導されて、溝部２４２内において加熱されながら中央部２４６に向かって移動する。材料ＭＲは、中央部２４６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２４６に集められた造形材料は、中央部２４６で生じる内圧により連通孔２５６からノズル２６０に流出する。
【００４２】
図１０は、三次元造形物の製造方法の工程図である。まず、第１工程において、加熱部２０が、チャンバー１０内の造形空間１１を加熱する。また、第１工程では、冷却制御部１１０が、第１耐熱部材７０内の分離空間７１の温度を、冷却機構９０を制御して目標温度になるように調整する。
【００４３】
造形制御部１２０は、第２工程において、三次元造形データに従い、第２駆動部６０を制御して、水平方向に沿って吐出部２００を移動させながら、吐出部２００から造形面３１に造形材料を吐出させて、三次元造形データによって表される三次元造形物の１層分の断面体の造形を行う。
【００４４】
造形制御部１２０は、第３工程において、第１駆動部５０を制御して、基台３０を１層分、鉛直方向に沿って下降させる。なお、この第３工程では、基台３０の鉛直方向への移動に応じて、チャンバー１０に設けられた第１耐熱部材７０が鉛直方向に収縮する。
【００４５】
造形制御部１２０は、第４工程において、三次元造形データに含まれる全ての断面体が生成されたか否かを判定する。全ての断面体が生成されていれば、当該製造方法は終了する。全ての断面体が生成されていなければ、造形制御部１２０は、第２工程〜第４工程を繰り返す。
【００４６】
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、基台３０を鉛直方向に沿って移動させる第１駆動部５０の少なくとも一部が、チャンバー１０内の造形空間１１から分離された第１耐熱部材７０内の分離空間７１に配置されている。そのため、第１駆動部５０に対してチャンバー１０内の加熱空気による熱的影響が及ぶことを抑制できる。第１駆動部５０は、基台３０を上下に移動させる駆動部であるため、第１駆動部５０に熱的影響が及ぶと、第１駆動部５０に備えられた軸部材が膨張することによって基台３０と吐出部２００とのギャップが変化し、三次元造形物の造形精度に影響を与える可能性がある。しかし、本実施形態では、第１駆動部５０の少なくとも一部が第１耐熱部材７０の分離空間７１に配置されているので、チャンバー１０内の加熱された空気によって第１駆動部５０に熱ひずみが生じることが抑制され、三次元造形物の造形精度を高めることができる。
【００４７】
また、本実施形態では、分離空間７１に冷却機構９０が備えられているので、第１駆動部５０に対してチャンバー１０内の加熱空気による熱的影響が及ぶことをより効果的に抑制できる。しかも、本実施形態では、分離空間７１に温度センサー８０が配置されており、温度センサー８０によって測定された温度に基づいて、冷却機構９０による冷却が制御されるので、分離空間７１内の温度が変動することを抑制できる。この結果、第１駆動部５０における熱ひずみの変動も抑制され、三次元造形物の造形精度を高めることができる。
【００４８】
また、本実施形態では、第１耐熱部材７０が蛇腹構造を有しているため、簡易な構成で基台３０の移動に第１耐熱部材７０の伸縮を追従させることができる。
【００４９】
また、本実施形態では、吐出部２００を水平方向に駆動する第２駆動部６０が、チャンバー１０の外部に配置されており、また、チャンバー１０の第２開口部１４と吐出部２００との間に第２耐熱部材１６が配置されているので、第２駆動部６０に対してチャンバー１０内の加熱空気による熱的影響が及ぶことを抑制できる。そのため、三次元造形物の造形精度を高めることができる。
【００５０】
また、本実施形態では、材料溶融部２３０がフラットスクリュー２４０によって構成されているので、吐出部２００の高さを抑制できる。そのため、三次元造形装置１００の小型化を図ることができる。
【００５１】
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。
【００５２】
主材料として熱可塑性を有する材料を用いる場合には、材料溶融部２３０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。
【００５３】
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
【００５４】
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、材料溶融部２３０において、フラットスクリュー２４０の回転とヒーター２５８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２６０から吐出された後、温度の低下によって硬化する。
【００５５】
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２６０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２６０からの吐出時には約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吐出するために、ノズル２６０の周囲にはヒーターが設けられてもよい。
【００５６】
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として材料溶融部２３０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
【００５７】
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３１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。
【００５８】
材料供給部２２０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、材料溶融部２３０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。
【００５９】
材料供給部２２０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
【００６０】
その他に、材料供給部２２０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）或いはその他の熱可塑性樹脂。
【００６１】
Ｂ．第２実施形態：
図１１は、第２実施形態における第１耐熱部材７０Ｂの斜視図である。上記した第１実施形態では、第１耐熱部材７０Ｂは、蛇腹構造を有している。これに対して第３実施形態では、第１耐熱部材７０Ｂは、複数の枠状部材が連続的に重なることによって構成されたテレスコピック構造を有している。このような第１耐熱部材７０Ｂの構造によっても、チャンバー１０内の造形空間１１から第１耐熱部材７０Ｂ内の分離空間７１を分離させることが可能である。
【００６２】
Ｃ．第３実施形態：
図１２は、第３実施形態における第２耐熱部材１６Ｂの斜視図である。図１３は、第２耐熱部材１６Ｂの断面構造を示す斜視図である。上述した第１実施形態では、吐出部２００の周囲に配置される第２耐熱部材１６は、蛇腹構造を有している。これに対して、第３実施形態では、第２耐熱部材１６Ｂは、複数の板状部材が連続的に重なることによって構成されたテレスコピック構造を有している。
【００６３】
第２耐熱部材１６Ｂは、Ｘ方向に伸縮する第１カバー１７ＢとＹ方向に伸縮する第２カバー１８Ｂとから構成される。本実施形態において、第１カバー１７Ｂおよび第２カバー１８Ｂは、それぞれ、テレスコピック構造を有している。第１カバー１７Ｂは、吐出部２００をＸ方向に挟むように１組、配置される。第２カバー１８Ｂは、吐出部２００をＹ方向に挟むように１組、配置される。
【００６４】
このような第２耐熱部材１６Ｂの構造によっても、第２駆動部６０に対してチャンバー１０内の加熱空気による熱的影響が及ぶことを抑制できる。なお、テレスコピック構造のことを、シャッター構造と呼ぶことも可能である。
【００６５】
Ｄ．他の実施形態：
（Ｄ−１）上記実施形態において、吐出部２００は、フラットスクリュー２４０によって材料を可塑化している。これに対して吐出部２００は、例えば、インラインスクリューを回転させることによって材料を可塑化するものであってもよい。また、吐出部２００として、ＦＤＭ（熱溶解積層法）に用いられるヘッドを採用してもよい。
【００６６】
（Ｄ−２）上記実施形態では、三次元造形装置１００は、冷却機構９０、温度センサー８０および冷却制御部１１０を備えている。これに対して、第１耐熱部材７０によって十分な断熱効果が得られる場合、三次元造形装置１００は、冷却機構９０、温度センサー８０および冷却制御部１１０を備えていなくてもよい。また、三次元造形装置１００は、温度センサー８０および冷却制御部１１０を用いることなく、冷却機構９０のみによって分離空間７１を冷却してもよい。
【００６７】
（Ｄ−３）上記実施形態では、加熱部２０は、吸気管２１および排気管２２を通じて空気を循環させつつ加熱を行うものとしている。これに対して、加熱部２０は、チャンバー１０の隔壁１２に取り付けられたヒーターとして構成されてもよい。
【００６８】
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。
【００６９】
（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。この三次元造形装置は、造形空間を有するチャンバーと、前記造形空間を加熱する加熱部と、前記造形空間に露出する造形面を有する基台と、前記加熱部により加熱された前記造形空間において、第１方向に沿って移動しながら前記造形面に向かって造形材料を吐出して三次元造形物を造形する吐出部と、前記基台を、前記第１方向と交わる第２方向に沿って移動させる第１駆動部と、前記チャンバーの隔壁に形成された第１開口部の周縁部と、前記基台との間に配置され、前記基台の前記第２方向に沿った移動に応じて前記第２方向に沿って伸縮可能であり、前記造形空間から分離された分離空間を形成する筒状の第１耐熱部材と、を備え、前記第１駆動部の少なくとも一部が、前記分離空間に配置されている。
このような形態によれば、基台を移動させる第１駆動部が、チャンバー内の造形空間から分離された第１耐熱部材内の分離空間に配置されているため、第１駆動部に対してチャンバー内の加熱空気による熱的影響が及ぶことを抑制できる。
【００７０】
（２）上記形態の三次元造形装置は、更に、前記分離空間の冷却を行う冷却機構を備えてもよい。このような形態によれば、第１駆動部に対してチャンバー内の加熱空気による熱的影響が及ぶことをより効果的に抑制できる。
【００７１】
（３）上記形態の三次元造形装置は、更に、前記分離空間の温度を測定する温度センサーを備え、前記温度センサーによって測定された前記分離空間の温度に従って前記冷却機構を制御する冷却制御部を備えてもよい。このような形態によれば、第１駆動部に対してチャンバー内の加熱空気による熱的影響が及ぶことをより効果的に抑制できる。
【００７２】
（４）上記形態の三次元造形装置において、前記冷却機構は冷却ファンであってもよい。このような形態によれば、冷却機構を簡易に構成できる。
【００７３】
（５）上記形態の三次元造形装置において、前記第１耐熱部材は、前記第２方向に伸縮可能な蛇腹構造またはテレスコピック構造を有してもよい。このような形態によれば、簡易な構成で、基台の移動に第１耐熱部材の伸縮を追従させることができる。
【００７４】
（６）上記形態の三次元造形装置は、更に、前記造形空間から分離された位置に配置され、前記吐出部を前記第１方向に移動させる第２駆動部を備え、前記チャンバーの前記第１開口部に対向する隔壁に形成された第２開口部の周縁部と、前記吐出部との間に配置され、前記吐出部の前記第１方向への移動に応じて前記第１方向に伸縮する第２耐熱部材を有してもよい。このような形態によれば、吐出部を移動させる第２駆動部に対してチャンバー内の加熱空気による熱的影響が及ぶことを抑制できる。
【００７５】
（７）上記形態の三次元造形装置において、前記第２耐熱部材は、前記第１方向に伸縮可能な蛇腹構造またはテレスコピック構造を有してもよい。このような形態によれば、簡易な構成で、吐出部の移動に第２耐熱部材の伸縮を追従させることができる。
【００７６】
（８）本開示の第２の形態によれば、三次元造形物の製造方法が提供される。この製造方法は、加熱部を用いてチャンバー内の造形空間を加熱する第１工程と、吐出部を第１方向に沿って移動させながら、前記造形空間に露出する造形面を有する基台の前記造形面に向かって前記三次元造形物の材料である造形材料を吐出させる第２工程と、第１駆動部によって、前記基台を、前記第１方向と交わる第２方向に沿って移動させる第３工程と、を備え、前記第３工程では、前記チャンバーの隔壁に形成された第１開口部の周縁部と前記基台との間に配置され、前記造形空間から分離された分離空間を形成し前記分離空間に前記第１駆動部の少なくとも一部が配置された筒状の第１耐熱部材が、前記基台の前記第２方向に沿った移動に応じて前記第２方向に沿って伸縮する。
このような形態によれば、基台を移動させる第１駆動部が、チャンバー内の造形空間から分離された第１耐熱部材内の分離空間に配置されているため、第１駆動部に対してチャンバー内の加熱空気による熱的影響が及ぶことを抑制しつつ、三次元造形物を製造することができる。
【００７７】
本開示は、上述した三次元造形装置や三次元造形物の製造方法に限らず、種々の態様で実現可能である。例えば、三次元造形物の造形方法や、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。
【符号の説明】
【００７８】
１０…チャンバー、１１…造形空間、１２…隔壁、１３…第１開口部、１４…第２開口部、１５…開閉扉、１６，１６Ｂ…第２耐熱部材、１７，１７Ｂ…第１カバー、１８，１８Ｂ…第２カバー、１９…レール、２０…加熱部、２１…吸気管、２２…排気管、３０…基台、３１…造形面、５０…第１駆動部、５１…支柱、６０…第２駆動部、６１…第１リニアアクチュエーター、６２…第２リニアアクチュエーター、７０，７０Ｂ…第１耐熱部材、７１…分離空間、８０…温度センサー、９０…冷却機構、１００…三次元造形装置、１１０…冷却制御部、１２０…造形制御部、２００…吐出部、２２０…材料供給部、２２２…連通路、２３０…材料溶融部、２３１…スクリューケース、２３２…駆動モーター、２４０…フラットスクリュー、２４２…溝部、２４３…凸条部、２４４…材料流入口、２４６…中央部、２４８…溝形成面、２５０…スクリュー対面部、２５２…スクリュー対向面、２５４…案内溝、２５６…連通孔、２５８…ヒーター、２６０…ノズル
【図１】
2020175624.tif 000003
【図２】
2020175624.tif 000004
【図３】
2020175624.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2020175624.tif 000009
【図８】
2020175624.tif 000010
【図９】
2020175624.tif 000011
【図１０】
2020175624.tif 000012
【図１１】
2020175624.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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