(57)【要約】【課題】造形層の積層方向における立体造形物の強度を向上させることができる造形装置の提供。【解決手段】第１の線状部分を複数有する第１の造形層と、前記第１の線状部分に対して交差する第２の線状部分を複数有する第２の造形層とを造形する層造形手段と、前記第１の線状部分と前記第２の線状部分とが交差する接点を加熱する加熱手段と、を有する造形装置である。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の線状部分を複数有する第１の造形層と、前記第１の線状部分に対して交差する第２の線状部分を複数有する第２の造形層とを造形する層造形手段と、
前記第１の線状部分と前記第２の線状部分とが交差する接点を加熱する加熱手段と、
を有することを特徴とする造形装置。
【請求項２】
前記層造形手段が、前記第１の造形層と前記第２の造形層の造形を繰り返す請求項１に記載の造形装置。
【請求項３】
前記層造形手段が、前記第１の造形層に接する前記第２の造形層を造形する際に、前記第１の造形層における前記接点となる箇所が前記加熱手段により加熱された後に、前記接点となる箇所に対して、前記第２の造形層を形成する造形材料を吐出する請求項１から２のいずれかに記載の造形装置。
【請求項４】
前記加熱手段が、前記層造形手段と同期して走査するように制御される請求項１から３のいずれかに記載の造形装置。
【請求項５】
前記加熱手段が、前記接点となる箇所を選択的に加熱する請求項１から４のいずれかに記載の造形装置。
【請求項６】
前記加熱手段が、前記接点となる箇所の鉛直方向に対して交差する方向から加熱可能である請求項１から５のいずれかに記載の造形装置。
【請求項７】
前記加熱手段が、前記層造形手段における吐出口を中心に回動乃至回転可能である請求項６に記載の造形装置。
【請求項８】
前記加熱手段の回動乃至回転する速度が、前記層造形手段が走査する速さに応じて制御される請求項７に記載の造形装置。
【請求項９】
前記層造形手段が、形成する造形層の形状に応じて、前記接点となる箇所の間隔を変更するように制御される請求項１から８のいずれかに記載の造形装置。
【請求項１０】
前記加熱手段による加熱が、前記接点となる箇所の間隔に応じて制御される請求項１から９のいずれかに記載の造形装置。
【請求項１１】
前記加熱手段がレーザ光を照射するレーザ照射部を備え、前記加熱手段による加熱が、前記レーザ照射部により行われる請求項１から１０のいずれかに記載の造形装置。
【請求項１２】
前記加熱手段が熱風を供給する熱風供給部を備え、前記加熱手段による加熱が、前記熱風供給部により行われる請求項１から１０のいずれかに記載の造形装置。
【請求項１３】
第１の線状部分を複数有する第１の造形層と、前記第１の線状部分に対して交差する第２の線状部分を複数有する第２の造形層とを造形する層造形工程と、
前記第１の線状部分と前記第２の線状部分とが交差する接点を加熱する加熱工程と、
を含むことを特徴とする造形方法。
【請求項１４】
層造形手段により、第１の線状部分を複数有する第１の造形層と、前記第１の線状部分に対して交差する第２の線状部分を複数有する第２の造形層とを造形させ、
加熱手段により、前記第１の線状部分と前記第２の線状部分とが交差する接点を加熱させる、
処理をコンピュータに実行させることを特徴とする造形プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、造形装置、造形方法、及び造形プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、金型などを用いずに立体造形物を造形する装置として、３Ｄ（３−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ）プリンタが普及しつつある。例えば、熱溶解積層法（Ｆｕｓｅｄ  Ｆｉｌａｍｅｎｔ  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ；ＦＦＦ）により立体造形物を造形する３Ｄプリンタは、他の方法により立体造形物を造形する３Ｄプリンタに比べて低価格なものが多く、個人向けのものも販売されている。
【０００３】
また、３Ｄプリンタなどを用いて立体造形物を造形する際に、造形層の積層方向における立体造形物の強度の低下を防止するために、層の表面を粗面化して積層する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、造形層の積層方向における立体造形物の強度を向上させることができる造形装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するための手段としての本発明の造形装置は、
第１の線状部分を複数有する第１の造形層と、第１の線状部分に対して交差する第２の線状部分を複数有する第２の造形層とを造形する層造形手段と、
第１の線状部分と第２の線状部分とが交差する接点を加熱する加熱手段と、を有する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によると、造形層の積層方向における立体造形物の強度を向上させることができる造形装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本発明に係る造形装置の一実施形態を示す模式図である。
【図２】図２は、図１の造形装置における吐出モジュールを示す模式図である。
【図３】図３は、図１の造形装置におけるハードウェア構成図である。
【図４】図４は、一実施形態における冷却手段を有する造形装置の一例を示す模式図である。
【図５】図５は、一実施形態における造形層の接点を加熱する動作の一例を示す模式図である。
【図６】図６は、一実施形態における加熱モジュールを造形テーブル側から見た場合の一例を示す平面図である。
【図７】図７は、一実施形態における造形層の接点を加熱する際の動作の他の一例を示す模式図である。
【図８】図８は、造形プログラムの処理手順の一例を示すフローチャートである。
【図９Ａ】図９Ａは、井桁構造を有する造形層の構造の一例を示す上面図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、井桁構造を有する造形層の構造の他の一例を示す上面図である。
【図１０】図１０は、井桁構造を形成する際における、層造形手段及び加熱手段が走査する様子の一例を示す模式図である。
【図１１】図１１は、井桁構造を形成する際における、造形層の接点の間隔を変更する場合の造形層の形状の一例を示す模式図である。
【図１２】図１２は、立体造形物１〜６における、引張試験の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（造形装置、造形方法、造形プログラム）
本発明の造形装置は、第１の線状部分を複数有する第１の造形層と、第１の線状部分に対して交差する第２の線状部分を複数有する第２の造形層とを造形する層造形手段と、
第１の線状部分と第２の線状部分とが交差する接点を加熱する加熱手段とを有し、更に必要に応じてその他の手段を有する。
本発明の造形方法は、第１の線状部分を複数有する第１の造形層と、前記第１の線状部分に対して交差する第２の線状部分を複数有する第２の造形層とを造形する層造形工程と、
前記第１の線状部分と前記第２の線状部分とが交差する接点を加熱する加熱工程とを含み、更に必要に応じてその他の工程を含む。
【０００９】
造形方法は造形装置により好適に行うことができ、層造形工程は層造形手段により好適に行うことができ、加熱工程は加熱手段により好適に行うことができ、その他の工程はその他の手段により行うことができる。
【００１０】
また、本発明の造形プログラムは、熱層造形手段により、第１の線状部分を複数有する第１の造形層と、第１の線状部分に対して交差する第２の線状部分を複数有する第２の造形層とを造形させ、加熱手段により、第１の線状部分と第２の線状部分とが交差する接点を加熱させる、処理をコンピュータに実行させる。
本発明の造形プログラムは、本発明の造形方法を実施するために、本発明の造形装置により、好適に実行される。なお、本発明の造形プログラムは、本発明の造形装置によって実行されることに限定されるものではない。例えば、本発明の造形プログラムは、他のコンピュータ又はサーバによって実行されてもよく、本発明の造形装置、他のコンピュータ、及びサーバのいずれかが協働して実行されてもよい。
【００１１】
つまり、本発明の造形装置は、本発明の造形方法を実施することと同義である。また、本発明の造形プログラムは、ハードウェア資源としてのコンピュータ等を用いることにより、本発明の造形装置として実施できる。そのため、本発明の造形装置に関する説明を通じて、本発明の造形方法及び造形プログラムの詳細についても明らかにする。
【００１２】
また、本発明は、従来技術の造形装置では、造形層の積層方向における立体造形物の強度が低くなってしまう場合があるという知見に基づくものである。
立体造形物を造形する際に、造形層を形成する造形材料の節約による造形コスト削減、立体造形物の軽量化、造形時間の短縮などのために、立体造形物の造形層どうしが接しない中空部（造形材料が存在せず、隙間の空いた空間になっている部分）を設けるという手法が知られている。特に、大型の立体造形物を造形する際には、中空部を設けるメリットが大きくなる。しかし、中空部を有する立体造形物は、造形材料が存在せず、隙間の空いた空間になっている部分を有することになるため、強度が低くなりやすいという問題がある。
【００１３】
特に、所定の間隔で位置する第１の線状部分を複数有する第１の造形層と、当該第１の線状部分に対して交差する第２の線状部分を複数有する第２の造形層とが、交互に形成された井桁構造を有する立体造形物においては、上記の問題が顕著となる。つまり、井桁構造においては、互いに接する造形層どうしが接触する箇所が、それぞれの造形層の線状部分の接点のみとなるため、造形層の積層方向における立体造形物の強度が特に低くなりやすい。
【００１４】
上述のように、特許文献１には、造形材料からなる造形材料層（造形層）の表面を粗面化することにより、三次元（立体）造形物の積層方向における強度の低下を防止する技術が開示されている。
しかしながら、特許文献１に記載の技術は、造形層の表面を粗面化する技術であるため、造形層の積層方向における立体造形物の強度の低下を防止するためには、造形層どうしが十分に接触している必要がある。そのため、特許文献１に記載の技術では、井桁構造などを有する立体造形物を造形する際には、造形層どうしが接する部分の面積が小さく、造形した立体造形物の強度が十分でないことがあった。
【００１５】
一方、本発明の造形装置は、第１の線状部分と第２の線状部分とが交差する接点を加熱する加熱手段を有しているため、造形層どうしが接する部分の面積が小さい場合であっても、造形層の積層方向における立体造形物の強度を向上させることができる。より具体的には、本発明の造形装置は、造形層を形成する造形材料における、第１の線状部分と第２の線状部分とが交差する接点に熱エネルギーを付与することにより、接点を高温にする（好ましくは溶融させる）ことで、造形層どうしの接着力を向上させる。このため、本発明の造形装置は、造形層どうしが接する部分の面積が小さい場合であっても、造形層どうしの接着力を確実に向上させることができる。よって、本発明の造形装置は、造形層の積層方向における立体造形物の強度を向上させることができる。
【００１６】
＜層造形手段、層造形工程＞
層造形手段は、造形材料を溶融吐出して、第１の線状部分を複数有する第１の造形層と、第１の線状部分に対して交差する第２の線状部分を複数有する第２の造形層とを造形する手段である。
層造形工程は、造形材料を溶融吐出して、第１の線状部分を複数有する第１の造形層と、第１の線状部分に対して交差する第２の線状部分を複数有する第２の造形層とを造形する工程である。
層造形手段は、移動（走査）しながら造形材料を溶融吐出することにより、造形層を形成する。なお、層造形手段は、上述の第１の造形層及び第２の造形層以外の造形層を造形してもよい。
【００１７】
また、層造形手段は、造形層において、立体造形物のスライスデータに基づく立体造形物の断面における周縁部の内側を囲うように造形材料を溶融吐出することが好ましい。これにより、立体造形物の機械的強度を向上させることができるとともに、立体造形物の表面を滑らかに造形できるため、立体造形物の品質を向上させることができる。
なお、立体造形物のスライスデータとは、立体造形物の３Ｄデータに基づいて加工されたものであり、造形層毎で造形材料を溶融吐出する箇所を示す座標データを意味する。
また、立体造形物の断面における周縁部の内側を囲うようにする造形材料の溶融吐出は、フィラメント状に溶融吐出した造形材料を１ラインとしてもよく、複数のラインとしてもよい。複数のラインとする場合には、層造形手段は、溶融吐出した造形材料の幅の分だけ内側を走査して溶融吐出するようにすることが好ましい。
【００１８】
層造形手段としては、造形材料を吐出する吐出口を有するものであれば特に制限はなく、目的に応じて選択することができ、例えば、フィラメント状の造形材料を溶融吐出する吐出モジュール（ヘッド）、インクノズルヘッドなどが挙げられる。なお、層造形手段は、造形装置に複数設けられていてもよく、１つの層造形手段に複数の吐出口が配されていてもよい。また、層造形手段は、例えば、造形材料を溶融するための加熱部や、造形材料を溶融吐出するためのノズル（吐出口）などを有する。
【００１９】
＜＜造形層＞＞
造形層としては、熱可塑性の造形材料により形成されるものであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
本発明の造形装置は、第１の線状部分を複数有する第１の造形層と、第１の線状部分に対して交差する第２の線状部分を複数有する第２の造形層とを造形することにより、井桁構造を有する立体造形物を造形する。
また、層造形手段は、第１の造形層と第２の造形層の造形を繰り返すことが好ましい。層造形手段が第１の造形層と第２の造形層の造形を繰り返すことで、立体造形物における井桁構造の割合が大きくなるため、造形材料の節約による造形コスト削減、立体造形物の軽量化、及び造形時間の短縮という観点から有利である。
【００２０】
＜＜＜井桁構造＞＞＞
井桁構造（井桁部）とは、立体造形物における、所定の間隔で位置する第１の線状部分を複数有する第１の造形層と、当該第１の線状部分に対して交差する第２の線状部分を複数有する第２の造形層とが、交互に形成された部分を意味する。なお、線状部分は、直線であってもよいし、直線でなくてもよい。複数の線状部分同士は、互いに平行であってもよい。もちろん完全に平行でなくても略平行であればよい。また、第１の線状部分に対して、第２の線状部分は、直角もしくは任意の角度をもって交差すればよく、略直交して交差してもよい。
ここで、第１の造形層及び第２の造形層における線状部分が位置する所定の間隔としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、使用する造形材料における溶融吐出時の粘度などの物性に応じて選択することが好ましい。なお、第１の造形層及び第２の造形層における線状部分が位置する所定の間隔は、１つの造形層の中で異なる間隔となっていてもよい。
また、第１の造形層及び第２の造形層における線状部分が互いに略平行であるとは、或る造形層における隣り合う線状部分が、当該造形層の中で交差しない程度に平行に位置していることを意味する。
第２の造形層における線状部分が、第１の造形層における線状部分と略直交するとは、第２の造形層における線状部分と第１の造形層における線状部分がなす角が、７０°以上１１０°以下であることを意味する。
【００２１】
立体造形物が井桁構造を有することにより、立体造形物全体における造形材料の充填率を効率的に小さくできるため、造形材料の使用量を抑制でき、立体造形物を軽量化することができる。特に、大型の立体造形物を造形する場合には、立体造形物が井桁構造を少なくとも一部に有することによる上記の効果はより大きくなる。
また、井桁構造は形状がシンプルであることから、層造形手段を走査させる経路であるツールパスがシンプルになるため、立体造形物の造形時間を短くすることができる。
さらに、井桁構造は規則的（周期的）な構造を有する場合には、層造形手段及び加熱手段の制御を簡易なものとすることができる。井桁構造を造形する際の層造形手段及び加熱手段の制御についての詳細は後述する。
【００２２】
＜＜造形材料＞＞
造形材料としては、熱可塑性を有するものであれば、特に制限はなく、目的に応じて選択することができ、例えば、熱可塑性樹脂などが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。これらの中でも、熱可塑性樹脂が好ましい。
造形材料は、最終的に立体造形物となるモデル材と、モデル材で形成されたモデル部を支持するサポート部となるサポート材とに分かれていてもよく、それぞれの造形材料が層造形手段の別の吐出口から溶融吐出されてもよい。なお、モデル材とサポート材とは、同一の造形材料を用いてもよく、異なる造形材料を用いてもよい。
また、造形材料は、必要に応じてその他の成分を含んでいてもよい。
【００２３】
−熱可塑性樹脂−
熱可塑性樹脂とは、熱を加えると可塑化し、溶融する樹脂を意味する。
熱可塑性樹脂としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、結晶性樹脂、非結晶性樹脂、液晶樹脂などが挙げられる。熱可塑性樹脂としては、結晶性樹脂が好ましい。また、熱可塑性樹脂としては、融解開始温度と、冷却時の再結晶温度の差が大きな樹脂が好ましい。
なお、結晶性樹脂とは、ＩＳＯ３１４６（プラスチック転移温度測定方法、ＪＩＳ  Ｋ７１２１）に準拠した測定において、融点ピークが検出される樹脂である。
【００２４】
熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリエステル、ポリエーテル、ポリフェニレンスルフィド、ポリアセタール（ＰＯＭ：Ｐｏｌｙｏｘｙｍｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ポリイミド、フッ素樹脂などが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。
【００２５】
ポリオレフィンとしては、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）などが挙げられる。
【００２６】
ポリアミドとしては、例えば、ポリアミド４１０（ＰＡ４１０）、ポリアミド６（ＰＡ６）、ポリアミド６６（ＰＡ６６）、ポリアミド６１０（ＰＡ６１０）、ポリアミド６１２（ＰＡ６１２）、ポリアミド１１（ＰＡ１１）、及びポリアミド１２（ＰＡ１２）；並びにポリアミド４Ｔ（ＰＡ４Ｔ）、ポリアミドＭＸＤ６（ＰＡＭＸＤ６）、ポリアミド６Ｔ（ＰＡ６Ｔ）、ポリアミド９Ｔ（ＰＡ９Ｔ）、及びポリアミド１０Ｔ（ＰＡ１０Ｔ）などの半芳香族性のポリアミドが挙げられる。
【００２７】
ポリエステルとしては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブタジエンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）などが挙げられる。これらの中でも、耐熱性を付与する点で、テレフタル酸やイソフタル酸を一部に含む芳香族を有するものが好ましい。
【００２８】
ポリエーテルとしては、例えば、ポリアリールケトン、ポリエーテルスルフォンなどが挙げられる。
ポリアリールケトンとしては、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトンケトン（ＰＥＥＫＫ）、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン（ＰＥＫＥＫＫ）などが挙げられる。
【００２９】
熱可塑性樹脂としては、例えば、ＰＡ９Ｔのように２つの融点ピークを有するものでもよい。２つの融点ピークを有する熱可塑性樹脂は、高温側の融点ピーク以上の温度になると完全に溶融する。
【００３０】
ＦＦＦ方式の造形装置を用いる場合には、熱可塑性樹脂としては、いわゆるＡＢＳ樹脂やポリ乳酸（ＰＬＡ）樹脂などを用いることもできる。
【００３１】
また、ポリフタルアミド、ポリフェニレンサルファイド、液晶ポリマー、ポリスルホン、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトン、及びポリテトラフルオロエチレンなどは、「スーパーエンジニアリングプラスチック」と称されている。
熱可塑性樹脂としては、スーパーエンジニアリングプラスチックから選択される少なくとも１種であることが好ましい。熱可塑性樹脂がスーパーエンジニアリングプラスチックであると、造形する立体造形物の引張強度、耐熱性、耐薬品性、及び難燃性を向上することができ、立体造形物を工業用途にも使用可能になる点で有利である。
【００３２】
＜＜＜その他の成分＞＞＞
その他の成分としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、フィラーなどが挙げられる。フィラーとしては、例えば、カーボンファイバー、ガラス繊維、セラミック繊維、チタン酸カルシウム繊維、ケイ酸カルシウム繊維等のうち１つもしくは複数を組み合わせて含有してもよい。
【００３３】
−カーボンファイバー−
カーボンファイバーとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
カーボンファイバーの形状及び大きさとしては、長さが２００μｍ以上かつアスペクト比が１：３０以上であることが好ましい。カーボンファイバーの長さが２００μｍ以上、かつカーボンファイバーのアスペクト比が１：３０以上であれば、層造形手段により井桁構造における架橋部分の長さが１．５ｍｍ以上となる造形層を少なくとも一部に形成することができる。これは、架橋部分の長さを長くできる点で有利である。
【００３４】
造形材料におけるカーボンファイバーの含有率としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、５質量％以上２０質量％以下が好ましい。造形材料におけるカーボンファイバーの含有率が５質量％以上２０質量％以下であると、造形材料を架橋できる距離を長くできるとともに、溶融吐出した造形材料が「だま」にならずに架橋が切れにくい点で有利である。
【００３５】
また、造形材料にカーボンファイバーが含有されていると、造形材料の熱容量が大きくなることから、溶融した状態の造形材料が溶融吐出された箇所に熱が伝わりやすくなる。これは、２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有するカーボンファイバーを造形材料に含有させているためである。これにより、造形材料が溶融吐出された箇所にある、既に固化している造形材料が内部まで溶融した状態になりやすくなるため、溶融吐出された造形材料と、この造形材料が溶融吐出された箇所にある造形材料との接着強度を高めることができる。すると、例えば、立体造形物を井桁構造とし、立体造形物の内部が空間で占められていても、立体造形物の圧縮強度を向上させることができる。
溶融した状態の造形材料が吐出された箇所の、既に固化している造形材料は、造形材料が溶融吐出されて形成されつつある造形層の下の造形層の造形材料と、造形材料が溶融吐出されて形成されつつある造形層内の隣接する造形材料との両方であることが好ましい。こうすることにより、立体造形物の圧縮強度が更に向上する。
【００３６】
フィラーの形状及び大きさとしては、長さが２００μｍ以上かつアスペクト比が１：３０以上であることが好ましい。フィラーの長さが２００μｍ以上で、かつフィラーのアスペクト比が１：３０以上であれば、層形成手段により井桁構造における架橋部分の長さが１．５ｍｍ以上となる造形層を少なくとも一部に形成することができる。これは、架橋部分の長さを長くできる点で有利である。
造形材料におけるフィラーの含有率としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、５質量％以上２０質量％以下が好ましい。造形材料におけるフィラーの含有率が５質量％以上２０質量％以下であると、造形材料を架橋できる距離を長くすることができるとともに、吐出した造形材料が「だま」にならずに架橋が切れにくい点で有利である。
【００３７】
＜加熱手段、加熱工程＞
加熱手段は、第１の線状部分と第２の線状部分とが交差する接点を加熱する手段である。
加熱工程は、第１の線状部分と第２の線状部分とが交差する接点を加熱する工程である。
第１の線状部分と第２の線状部分とが交差する接点とは、積層方向に隣接している造形層どうしの接点となっている箇所、又は層造形手段により造形材料が溶融吐出されることで、新たな造形層が形成された後には造形層どうしの接点となる箇所を意味する。なお、本明細書においては、第１の線状部分と第２の線状部分とが交差する接点を、単に「造形層の接点」と称することがある。
【００３８】
加熱手段は、造形層の接点を選択的に加熱することが好ましい。加熱手段が、造形層の接点を選択的に加熱することにより、造形層を必要以上に加熱することを抑制し、造形層の焼損や造形精度の低下を防止することができる。
また、加熱手段が加熱する造形層の接点の数としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、立体造形物における造形層の接点全てのうち、少なくとも一部を加熱できればよい。造形層の積層方向における立体造形物の強度をより向上させるという観点からは、加熱手段が、できるだけ多くの造形層の接点を加熱することが好ましい。
【００３９】
加熱手段としては、造形層の接点の少なくとも一部を加熱することができれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、熱風を供給する熱風供給部、レーザ光を照射するレーザ照射部などが挙げられる。なお、加熱手段は、造形装置に複数設けられていてもよい。
【００４０】
＜＜熱風供給部＞＞
熱風供給部としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、公知のヒータやファンなどの熱風供給装置を用いることができる。また、熱風供給部としては、耐熱チューブなどの先端に取り付けられたノズルから、熱風を供給するようにしてもよい。加熱手段として熱風供給部を用いることにより、造形層の接点を選択的に加熱することができる。
【００４１】
＜＜レーザ照射部＞＞
レーザ照射部としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、公知のレーザ照射装置を用いることができる。加熱手段としてレーザ照射部を用いることにより、造形層の接点をより選択的に加熱することができる。
また、レーザ照射部が照射するレーザ光としては、造形材料の光吸収特性に応じた波長を有することが好ましい。レーザ照射部が照射するレーザ光が、造形材料の光吸収特性に応じた波長を有することにより、効率的に熱エネルギーを造形層に付与することができる。例えば、造形材料としてＰＥＥＫを用いる場合には、短波長にピークを有するレーザ光を照射することが好ましい。
【００４２】
加熱手段が造形層の接点を加熱する温度としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、熱可塑性の造形材料が溶融する温度以上であることが好ましい。加熱手段が造形層の接点を加熱する温度が、熱可塑性の造形材料が溶融する温度以上であることにより、造形層の接点における接着力がより向上するため、より造形層の積層方向における立体造形物の強度を向上させることができる。なお、造形材料が溶融する温度以上となるように造形層の接点を加熱するための加熱手段の出力等については、実験や計算機によるシミュレーションなどから求めることができる。
また、加熱手段が造形層の接点を加熱する温度が、造形材料が溶融する温度未満の場合であっても、層造形手段が溶融吐出する造形材料と造形層の接点との温度差が小さくなるため、層造形手段が溶融吐出する造形材料と造形層の接点との親和性が向上する。そのため、加熱手段が造形層の接点を加熱する温度が、熱可塑性の造形材料が溶融する温度未満の場合であっても、造形層の積層方向における立体造形物の強度を向上させることができる。
【００４３】
加熱手段が造形層の接点を加熱するタイミングとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。加熱手段が造形層の接点を加熱するタイミングとしては、例えば、互いに接する造形層がそれぞれ造形された後、既に造形された造形層に接する新たな造形層を形成する際において、層造形手段が造形層の接点に造形材料を溶融吐出する前などが挙げられる。これらの中でも、既に造形された造形層に接する新たな造形層を形成する際において、層造形手段が造形層の接点に造形材料を溶融吐出する前とすることが好ましい。
つまり、層造形手段が、既に造形された造形層に接する新たな造形層を形成する際に、当該既に造形された造形層における接点となる箇所が加熱手段により加熱された後に、当該接点となる箇所に対して造形材料を溶融吐出することが好ましい。こうすることにより、既に造形された造形層における加熱された状態の接点に対して、新たな造形層となる造形材料が溶融吐出される。このため、既に造形させた造形層と新たな造形層となる造形材料との親和性が向上するため、既に造形された造形層と新たな造形層との接点となる箇所における接着力を確実に高めることができる。そのため、造形層の積層方向における立体造形物の強度をより向上させることができる。
【００４４】
また、加熱手段は、層造形手段と同期して走査されることが好ましい。こうすることにより、加層造形手段とともに加熱手段が移動していくことになるため、一定のエネルギーで造形層を加熱する場合であっても、必要以上に造形層を加熱することを抑制し、造形層の焼損や造形精度の低下を防止することができる。
【００４５】
加熱手段が造形層の接点を加熱する方向としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、造形層の接点の鉛直方向に対して交差する方向から加熱可能であることが好ましい。
造形層の接点の鉛直方向に対して交差する方向から造形層の接点を加熱可能であるとは、造形層の接点の鉛直方向以外の方向に位置する加熱手段により、造形層の接点を斜めの方向から加熱可能であることを意味する。
加熱手段が、造形層の接点の鉛直方向に対して交差する方向から造形層の接点を加熱可能であることにより、層造形手段が造形材料を溶融吐出する位置の前方を加熱することができる。このため、加熱された状態の接点に対して造形材料が溶融吐出されるので、造形層の接点における接着力を確実に高めることができる。よって、加熱手段が、造形層の接点の鉛直方向に対して交差する方向から造形層の接点を加熱可能であることにより、造形層の積層方向における立体造形物の強度をより向上させることができる。
【００４６】
また、加熱手段が造形層の接点の鉛直方向に対して交差する方向から加熱する場合に、加熱手段としてレーザ照射部を用いるときは、レーザ光の入射形を整形することにより、造形層の接点に均一にレーザ光を照射することが好ましい。造形層の接点に均一にレーザ光を照射することにより、造形層の接点を安定して加熱することができ、造形層の積層方向における立体造形物の強度をより向上させることができる。
【００４７】
加熱手段が造形層の接点の鉛直方向に対して交差する方向から造形層の接点を加熱する場合、加熱手段は、層造形手段における造形材料を溶融吐出する吐出口を中心に回動乃至回転可能であることが好ましい。
加熱手段が、層造形手段における造形材料を溶融吐出する吐出口を中心に回動乃至回転可能であることにより、造形層の接点の鉛直方向に対して交差する様々な方向から造形層の接点を加熱可能となる。そのため、層造形手段の走査方向にかかわらず、層造形手段が造形材料を溶融吐出する位置の前方となる箇所を加熱することができる。加熱手段が、層造形手段が造形材料を溶融吐出する位置の前方となる箇所を加熱することにより、加熱された状態の接点に対して造形材料が溶融吐出されるため、造形層の接点における接着力をより確実に高めることができる。したがって、加熱手段が、層造形手段における造形材料を溶融吐出する吐出口を中心に回動乃至回転可能であることにより、造形層の積層方向における立体造形物の強度をより向上させることができる。
【００４８】
加熱手段が回動乃至回転する速度としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、層造形手段が走査する速さに応じて制御されることが好ましい。
また、加熱手段が回動乃至回転する速度とは、加熱手段が層造形手段の吐出口を中心に回動乃至回転する際における加熱手段の角速度を意味する。
【００４９】
加熱手段が回動乃至回転する速度を層造形手段が走査する速さに応じて制御する方法としては、例えば、加熱手段が回動乃至回転する速度と層造形手段が走査する速さを対応させる方法などが挙げられる。
例えば、上述した井桁構造などの規則的な構造を有する立体造形物を造形する際においては、層造形手段を一定の速度で直線的に走査させることにより造形可能な直線部分を有する場合がある。この場合、造形層の接点は一定の間隔で形成されることになるので、層造形手段は一定の時間間隔ごとに造形層の接点部分を形成することになる。このため、例えば、層造形手段が造形層の或る接点を形成してから時間Ｔ０後に次の接点を造形する場合、造形層の接点を加熱できる位置に時間Ｔ０ごとに加熱手段が位置するように、回動乃至回転する速度（又は周期）を制御することが好ましい。
このように、加熱手段が回動乃至回転する速度と層造形手段が走査する速さを対応させる（比例させる）ことにより、層造形手段が造形層の接点を形成する時間間隔と、加熱手段が回動乃至回転する周期を合わせることができる。層造形手段が造形層の接点を形成する時間間隔と、加熱手段が回動乃至回転する周期を合わせることにより、簡易な制御で造形層の接点を選択的に加熱することができる。すなわち、加熱手段の回動乃至回転する速度が、層造形手段が走査する速さに応じて制御されることにより、簡易な制御で造形層の接点を選択的に加熱することができ、造形層の焼損や造形精度の低下を防止することができる。
【００５０】
造形層の接点の間隔としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、形成する造形層の形状に応じて変更することが好ましい。すなわち、層造形手段が、形成する造形層の形状に応じて、造形層の接点の間隔を変更するように制御されることが好ましい。
層造形手段が、形成する造形層の形状に応じて、造形層の接点の間隔を変更するように制御されることにより、形成する造形層の形状にかかわらず、造形層の接点が形成されるため、造形層の積層方向における立体造形物の強度を向上することができる。より具体的には、例えば、形成する造形層が鋭角的な尖った部分を有する形状である場合などでは、他の部分に比べて造形層の接点が間隔を狭くなるようにすることにより、面積が狭い部分であっても造形層の接点を形成することができる。面積が狭い部分であっても造形層の接点が形成されることにより、加熱手段が加熱可能な箇所が増加するため、立体造形物の積層方向の強度をより向上させることができる。
【００５１】
造形層の接点の間隔を変更する場合、変更した後の造形層の接点の間隔としては、特に制限はなく、目的に応じて適否選択することができる。変更した後の造形層の接点の間隔としては、変更する前の間隔の整数倍となる値又は変更する前の間隔を整数で除した値となるようにすることが好ましい。
【００５２】
また、加熱手段による加熱が、造形層の接点となる箇所の間隔に応じて制御されることが好ましい。こうすることにより、造形層の接点の間隔が異なる場合であっても、造形層の接点を選択的に加熱することができる。この場合における加熱手段の制御についての詳細は後述する。
なお、造形層の接点となる箇所の間隔に応じて制御される加熱手段としては、吐出口を中心に回動乃至回転可能な加熱手段であってもよいし、層造形手段の走査している位置に対応して、レーザ光などの熱エネルギーをパルス照射するような加熱手段であってもよい。
【００５３】
＜その他の手段、その他の工程＞
その他の手段としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、温度測定手段、制御手段などが挙げられる。
その他の工程としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、温度測定工程、制御工程などが挙げられる。
温度測定工程は温度測定手段により好適に行うことができ、制御工程は制御手段により好適に行うことができる。
【００５４】
＜＜温度測定手段、温度測定工程＞＞
温度測定手段は、造形層の温度を測定する手段である。
温度測定工程は、造形層の温度を測定する工程である。
温度測定手段としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、公知の温度センサを用いることができる。
【００５５】
造形装置が温度測定手段を有することにより、加熱手段が造形層の接点を加熱する際に、接点となる箇所の温度を測定することで、加熱手段が接点となる箇所に供給する熱量を制御することができる。
【００５６】
＜＜制御手段、制御工程＞＞
制御手段は、各種プログラムを実行し、造形装置全体の動作を制御する手段である。
制御工程は、各種プログラムを実行し、造形装置全体の動作を制御する工程である。
制御手段としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）などが挙げられる。
【００５７】
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。
【００５８】
＜全体構成＞
本発明の一実施形態として、熱溶解積層法（ＦＦＦ）により立体造形物を造形する立体造形装置について説明する。なお、本発明における造形装置は、熱溶解積層法を用いたものに限定されるものではなく、載置台（造形テーブル）の載置面上に立体造形物を造形する任意の造形装置を用いることができる。
【００５９】
図１は、本発明に係る造形装置の一実施形態を示す模式図である。図２は、図１の造形装置における吐出モジュールを示す模式図である。造形装置１は、射出成形では金型が複雑になる、又は、成形することができないような複雑な立体構造を有する立体造形物を造形することができる。
【００６０】
三次元造形装置１における筐体２の内部は、立体造形物ＭＯを造形するための処理空間となっている。筐体２の内部には載置台としての造形テーブル３が設けられており、造形テーブル３の上に立体造形物ＭＯが造形される。
【００６１】
立体造形物の造形には、熱可塑性樹脂をマトリックスとした樹脂組成物からなる長尺のフィラメントＦが用いられる。フィラメントＦは、細長いワイヤー形状の固体材料であり、巻き回された状態で造形装置１における筐体２の外部のリール４にセットされている。リール４は、フィラメントＦの駆動手段であるエクストルーダ１１の回転に引っ張られることで、大きく抵抗力を働かせることなく自転する。
【００６２】
筐体２の内部の造形テーブル３の上方には、層造形手段としての吐出モジュール１０（造形ヘッド）が設けられている。吐出モジュール１０は、エクストルーダ１１、冷却ブロック１２、フィラメントガイド１４、加熱ブロック１５、吐出ノズル１８、撮像モジュール１０１、ねじり回転機構１０２を有する。フィラメントＦは、エクストルーダ１１によって引き込まれることで、造形装置１の吐出モジュール１０へ供給される。
【００６３】
ここで、吐出モジュール１０の構造について図２を用いて説明する。撮像モジュール１０１は、吐出モジュール１０に引き込まれるフィラメントＦの３６０°像、すなわち、フィラメントＦにおける或る部分の全方位の画像を撮像する。図２の吐出モジュールには２つの撮像モジュールが設けられているが、例えば、反射板を用いるなどして、１つの撮像モジュール１０１により、フィラメントＦの３６０°像を撮像してもよい。なお、撮像モジュール１０１としては、例えば、レンズなどの結像光学系と、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）センサやＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサなどの撮像素子と、を備えたカメラなどが挙げられる。
【００６４】
ねじり回転機構１０２は、ローラにより吐出モジュール１０に引き込まれるフィラメントＦを、幅方向に回転させることでフィラメントＦの方向を規制する。
径測定部１０３は、撮像モジュール１０１により撮像されたフィラメントの画像から、Ｘ軸、Ｙ軸の２方向におけるフィラメントのエッジ間の幅を、それぞれフィラメントの径として測定し、規格外となる径を検出した際には、エラー情報を出力する。エラー情報の出力先は、ディスプレイであってもよいし、スピーカであってもよいし、他の装置であってもよい。なお、径測定部１０３は、回路であってもよいし、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）の処理によって実現される機能であってもよい。
【００６５】
加熱ブロック１５は、ヒータなどの熱源１６と、ヒータの温度を制御するための熱電対１７と、を有し、移送路を介して、吐出モジュール１０に供給されたフィラメントＦを加熱溶融させて、吐出ノズル１８へ供給する。
【００６６】
冷却ブロック１２は、加熱ブロック１５の上部に設けられる。冷却ブロック１２は、冷却源１３を有し、フィラメントを冷却する。これにより、冷却ブロック１２は、溶融したフィラメントＦＭの吐出モジュール１０の上部への逆流、溶融したフィラメントＦＭを押し出す抵抗の増大、あるいは、溶融したフィラメントＦＭの固化による移送路内での詰まりを防ぐ。加熱ブロック１５と冷却ブロック１２との間には、フィラメントガイド１４が設けられている。
【００６７】
図２に示すように、吐出モジュール１０の下端部に、造形材料であるフィラメントＦを溶融吐出する吐出ノズル１８が設けられている。吐出ノズル１８は、加熱ブロック１５から供給された溶融状態あるいは半溶融のフィラメントＦＭを造形テーブル３上に線状に押し出すようにして溶融吐出する。吐出されたフィラメントＦＭは、冷却固化されて所定の形状の層が形成される。さらに、吐出ノズル１８は、形成した層に、溶融状態あるいは半溶融状態のフィラメントＦＭを、線状に押し出すようにして吐出する操作を繰り返すことで、新たな層を積み上げて積層させる。こうすることにより、造形装置１は、立体造形物ＭＯを造形する。
【００６８】
本実施形態においては、吐出モジュール１０に２つの吐出ノズルが設けられている。第一の吐出ノズルは、立体造形物ＭＯを形成するモデル材のフィラメントを溶融して吐出し、第二の吐出ノズルは、モデル材を支持するサポート材のフィラメントを溶融して吐出する。なお、図１において、第一の吐出ノズルの奥側に第二の吐出ノズルが配置されている。なお、吐出ノズルの数は、２個に限定されるものではなく、目的に応じて適宜選択することができる。
【００６９】
第二の吐出ノズルから溶融吐出されるサポート材により形成されるサポート部は、最終的にはモデル材により形成されるモデル部から除去される。なた、サポート材は、本実施形態においては、立体造形物ＭＯを形成するモデル材とは異なる材料である。サポート材のフィラメントおよびモデル材のフィラメントは、それぞれ、加熱ブロック１５にて溶融され、それぞれの吐出ノズル１８から押し出されるように溶融吐出されて、層状に順次積層される。
【００７０】
また、造形装置１には、造形層の接点を加熱する加熱手段としての加熱モジュール２０が設けられている。加熱モジュール２０には、レーザ光を照射するレーザ照射部としてのレーザ光源２１が設けられている。
【００７１】
吐出モジュール１０および加熱モジュール２０は、装置左右方向（図１中の左右方向）に延びるＸ軸駆動軸３１（Ｘ軸方向）に対し、連結部材を介して、移動可能に保持されている。吐出モジュール１０は、Ｘ軸駆動モータ３２の駆動力により、装置左右方向（Ｘ軸方向）へ移動することができる。
【００７２】
Ｘ軸駆動モータ３２は、装置前後方向（図１中の奥行方向）に延びるＹ軸駆動軸（Ｙ軸方向）に沿って移動可能に保持されている。Ｘ軸駆動軸３１がＸ軸駆動モータ３２ごとＹ軸駆動モータ３３の駆動力によってＹ軸方向に沿って移動することにより、吐出モジュール１０および加熱モジュール２０はＹ軸方向に移動する。
【００７３】
造形テーブル３は、Ｚ軸駆動軸３４及びガイド軸３５が貫通しており、装置上下方向（図１中の上下方向）に延びるＺ軸駆動軸３４に沿って移動可能に保持されている。造形テーブル３は、Ｚ軸駆動モータ３６の駆動力により、装置上下方向（Ｚ軸方向）へ移動する。造形テーブル３には、積載された造形物を加熱する造形物加熱部が設けられていてもよい。
【００７４】
また、フィラメントＦの溶融と吐出を経時で続けると、吐出ノズル１８の周辺部が溶融したフィラメントＦＭなどで汚れることがある。そこで、造形装置１に設けられたクリーニングブラシ３７により、吐出ノズル１８の周辺部に対し定期的にクリーニング動作を行うことで、吐出ノズル１８の先端にフィラメントＦが固着することを防ぐことができる。なお、クリーニング動作は、固着防止の観点から、溶融したフィラメントＦＭの温度が下がりきらないうちに実行されることが好ましい。この場合、クリーニングブラシ３７は、耐熱性部材からなることが好ましい。また、クリーニング動作時に生じる研磨粉については、造形装置１に設けられたダストボックス３８に集積させて定期的に捨ててもよいし、吸引路を設けて造形装置１の外部へ排出させてもよい。
【００７５】
図３は、図１の造形装置におけるハードウェア構成図である。造形装置１は、制御部１００を有する。制御部１００は、ＣＰＵや回路などを有しており、図３に示すようにそれぞれの部と電気的に接続されている。
【００７６】
造形装置１には、吐出モジュール１０のＸ軸方向位置を検知するＸ軸座標検知機構が設けられている。Ｘ軸座標検知機構の検知結果は、制御部１００に送られる。制御部１００は、その検知結果に基づいてＸ軸駆動モータ３２の駆動を制御して、吐出モジュール１０を目標のＸ軸方向位置へ移動させる。
【００７７】
三次元造形装置１には、吐出モジュール１０のＹ軸方向位置を検知するＹ軸座標検知機構が設けられている。Ｙ軸座標検知機構の検知結果は、制御部１００に送られる。制御部１００は、その検知結果に基づいてＹ軸駆動モータ３３の駆動を制御して、吐出モジュール１０を目標のＹ軸方向位置へ移動させる。
【００７８】
三次元造形装置１には、造形テーブル３のＺ軸方向位置を検知するＺ軸座標検知機構が設けられている。Ｚ軸座標検知機構の検知結果は、制御部１００に送られる。制御部１００は、その検知結果に基づいてＺ軸駆動モータ３６の駆動を制御して、造形テーブル３を目標のＺ軸方向位置へ移動させる。
【００７９】
このように、制御部１００は、吐出モジュール１０及び造形テーブル３の移動を制御することにより、吐出モジュール１０および造形テーブル３の相対的な三次元位置を、目標の三次元位置に移動させる。
【００８０】
さらに、制御部１００は、エクストルーダ１１、冷却ブロック１２、吐出ノズル１８、レーザ光源２１、クリーニングブラシ３７、回転ステージＲＳ、撮像モジュール１０１、ねじり回転機構１０２、径測定部１０３、及び温度センサ１０４の各駆動部に制御信号を送信することで、これらの駆動を制御する。なお、回転ステージＲＳ、側面冷却部３９、撮像モジュール１０１、ねじり回転機構１０２、径測定部１０３、および温度センサ１０４については後述で説明する。
【００８１】
図４は、一実施形態における冷却手段を有する造形装置の一例を示す模式図である。加熱モジュール２０には、立体造形物ＭＯの側面、すなわちＺ軸に対し平行な面を冷却する側面冷却部３９が設けられている。側面冷却部３９としては、立体造形物ＭＯの側面を冷却可能な冷却源であれば特に限定されないが、ファンが例示される。
【００８２】
側面冷却部３９により、立体造形物ＭＯの側面に冷却風を当てつつ、立体造形物ＭＯの外周部を再加熱することで、造形部の形状を維持しつつ、材料を積層することができる。
【００８３】
＜＜加熱方法＞＞
図５は、一実施形態における造形層の接点を加熱する動作の一例を示す模式図である。以下、一実施形態として、レーザを用いて加熱する方法について説明する。
【００８４】
吐出モジュール１０による上層の造形中、レーザ光源２１は、下層における、フィラメントＦＭが吐出される直前の位置にレーザを照射して再加熱する。再加熱とは、溶融したフィラメントＦＭが冷却されて固化した後、再度加熱することを表す。再加熱の温度は、特に限定されないが、下層のフィラメントＦＭが溶融する温度以上であることが好ましい。また、以下では、下層のフィラメントＦＭが溶融する温度以上での再加熱を、再溶融と称することがある。
【００８５】
加熱前の下層温度は、温度センサ１０４により、センシングされる。温度センサ１０４の位置は、加熱前の下層面をセンシング可能な任意の位置に配置される。本実施形態では、図４において、レーザ光源２１の垂直上方に温度センサ１０４が配置されている。加熱前の下層温度を温度センサ１０４によりセンシングして、センシングの結果に基づいてレーザの出力を調整することで、下層を所定の温度以上に再加熱することができる。別の方法として、再加熱中の下層温度を温度センサ１０４によりセンシングして、センシングの結果が任意温度以上になるまで、レーザから下層へのエネルギーの入力を行ってもよい。その際は、温度センサ１０４の位置は、加熱面をセンシング可能な任意の位置に配置する。温度センサ１０４としては、公知の任意の装置が用いられ、接触式であってもよいし、非接触式であってもよい。
【００８６】
下層の表面を再加熱することにより、下層と、下層の表面に吐出されたフィラメントＦＭとの温度差が小さくなり、下層と吐出されたフィラメントが混ざり合うことで、積層方向の接着性が向上する。
【００８７】
図６は、一実施形態における加熱モジュールを造形テーブル側から見た場合の一例を示す平面図である。図５において、加熱モジュール２０は、回転ステージＲＳに取り付けられている。回転ステージＲＳは、吐出ノズル１８を中心に回転する。レーザ光源２１は、回転ステージＲＳの回転に伴い回転移動する。これにより、レーザ光源２１は、吐出ノズル１８の移動方向が変わっても、吐出ノズル１８による吐出位置に先回りしてレーザ光を照射することができる。
【００８８】
＜実施形態の変形例Ａ＞
続いて、実施形態の変形例Ａについて上記の実施形態と異なる点を説明する。図７は、一実施形態における造形層の接点を加熱する際の動作の一例を示す模式図である。
【００８９】
実施形態の変形例Ａにおいて、加熱モジュール２０は、温風源２１´を有する。温風源２１´としては、ヒータおよびファンが例示される。実施形態の変形例Ａにおいて、温風源２１´は、高温の温風を吹き付けることにより下層を加熱して、再溶融させる。実施形態の変形例Ａにおいても、再溶融させた下層にフィラメントＦＭを溶融吐出して上層を形成することで、下層と上層の材料が混ざり合い、上層と下層の接着性が向上する。
【００９０】
＜処理および動作＞
続いて、一実施形態における三次元造形装置１の処理および動作について説明する。図８は、造形プログラムの処理手順の一例を示すフローチャートである。
【００９１】
三次元造形装置１の制御部１００は、立体モデルのデータの入力を受け付ける。立体モデルのデータは、立体モデルを所定間隔でスライスしたときの層ごとの画像データによって構築される。
【００９２】
三次元造形装置１の制御部１００は、Ｘ軸駆動モータ３２またはＹ軸駆動モータ３３を駆動して吐出モジュール１０をＸ軸またはＹ軸方向に移動させる。吐出モジュール１０が移動している間に、制御部１００は、入力された立体モデルのデータのうち、最下層の画像データに基づいて、吐出ノズル１８から造形テーブル３へ溶融状態または半溶融状態のフィラメントＦＭを吐出させる。これにより、三次元造形装置１は、造形テーブル３上に画像データに基づいた形状の層を形成する（ステップＳ１１）。
【００９３】
吐出モジュール１０が移動している間に、制御部１００は、入力された立体モデルのデータのうち、造形が完了していない層のうち最も下の層の画像データに基づいて、造形層の接点にレーザ光源２１からレーザを照射させる。これにより、下層におけるレーザ照射位置が再溶融する（ステップＳ１２）。ステップＳ１２における下層の加熱温度は、フィラメントの溶融温度以上に制御される。
【００９４】
吐出モジュール１０が移動している間に、制御部１００は、入力された立体モデルのデータのうち、造形が完了していない層のうち最も下の層の画像データに基づいて、吐出ノズル１８から造形テーブル３上の下層へフィラメントＦＭを溶融吐出させる。これにより、下層の上に、画像データに対応する形状を有する層が形成される（ステップＳ１３）。このとき、下層は再溶融しているので、造形する層と下層の層間の界面の接着性が向上する。
【００９５】
なお、ステップＳ１２における下層を再溶融させる処理と、ステップＳ１３における層の形成処理と、をオーバーラップさせてもよい。この場合、三次元造形装置１は、下層にレーザを照射する処理を開始してから、照射範囲全体へのレーザの照射が完了する前に、フィラメントＦＭの溶融吐出を開始する。
【００９６】
三次元造形装置１の制御部１００は、ステップＳ１３で形成された層が最表層であるか判断する（ステップＳ１４）。最表層とは、立体モデルのデータのうち、積層方向（Ｚ軸）の座標が最も大きい画像データに基づいて形成される層である。ステップＳ１４でＮＯと判断された場合、三次元造形装置１の制御部１００は、最表層が形成されるまで、再溶融の処理（ステップＳ１２）と、層造形の処理（ステップＳ１３）と、を繰り返す。
【００９７】
最表層の形成が完了すると（ステップＳ１４のＹＥＳ）、三次元造形装置１は、造形処理を終了する。
【００９８】
図９Ａは、井桁構造を有する造形層の構造の一例を示す上面図である。図９Ｂは、井桁構造を有する造形層の構造の他の一例を示す上面図である。
図９Ａに示すような造形層（第１の造形層）に第１の線状部分が複数含まれている。また、図９Ｂに示すような造形層（第２の造形層）に第２の線状部分が複数含まれている。図９Ａでは第１の線状部分がｙ軸に対して平行になっており、図９Ｂでは第２の線状部分がｘ軸に対して平行である。したがって、第１の造形層と第２の造形層とを交互に積層することにより、井桁構造を少なくとも一部に有する立体造形物を造形することができる。
また、図９Ａ及び図９Ｂに示すように、造形層の最も外側に位置する部分（外殻部）に対して、井桁構造となる内側の部分の両端側が、外殻部に内側から接するように造形することが好ましい。こうすることにより、外殻部と井桁構造となる内側の部分の両端側が一体となるため、造形層の強度を向上させることができる。造形層の強度が向上することにより、立体造形物の強度も向上する。
【００９９】
図１０は、井桁構造を形成する際における、層造形手段及び加熱手段が走査する様子の一例を示す模式図である。
図１０に示す井桁構造は線状部分として直線部分が含まれているため、吐出モジュール１０を一定の速度で直線的に走査させることにより形成できる。図１０における造形層Ａの直線部分と造形層Ｂの直線部分との接点として点ａ及び点ｂである。その他の隣接する接点の間の距離は、点ａと点ｂとの間の距離と等しいとする。この場合、吐出モジュール１０が、造形層Ａを形成する際において、点ａの上を走査してから時間Ｔ０後に点ｂを走査するとき、レーザ光源２１が点ａを加熱してから時間Ｔ０後に点ｂを加熱するように、回転ステージＲＳの回転速度を制御する。こうすることにより、レーザ光源２１の出力（照射する熱エネルギーの量）を可変に制御することなく（レーザ光源２１の出力を一定としつつ）、簡易な制御で造形層Ａと造形層Ｂの接点となる箇所を選択的に加熱することができる。
【０１００】
また、回転ステージＲＳが有するレーザ光源２１が１つの場合は、時間Ｔ０の間に回転ステージＲＳを１回転させ、レーザ光源２１が２つの場合（回転ステージＲＳの対面に１つずつ配される場合）は、時間Ｔ０の間に回転ステージＲＳを半回転させる。
なお、造形層Ａと造形層Ｂの接点となる箇所に供給される単位時間当たりのエネルギー量が所望の値となるように、吐出モジュール１０の移動速度に応じて、レーザ光源２１の出力を設定しておくことが好ましい。
【０１０１】
図１１は、井桁構造を形成する際における、造形層の接点の間隔を変更する場合の造形層の形状の一例を示す模式図である。
図１１において、造形層Ａは隣り合う線状部分の間隔がＤＡであり、造形層Ｂは隣り合う線状部分の間隔がＤＢである。ＤＡ及びＤＢを一定とすると、井桁構造における接点の座標位置(Ｘ−Ｙ)は、各造形層で同じ位置で繰り返される。このように、隣り合う線状部分の間隔を同一にすることで、加熱手段が熱エネルギーを供給する箇所(接点)を、異なる造形層においても同じ座標位置とすることができるため、加熱手段の制御を簡易なものとすることができる。
また、造形層αは隣り合う線状部分の間隔がＤＡ／２であり、造形層βは隣り合う線状部分の間隔がＤＢ／２である。このように、隣り合う線状部分の間隔を、造形物の他の箇所の間隔に対して規則性を持たせたものにすることにより、加熱手段の制御を簡易なものとすることができる。なお、図１１においては、模式的に、造形層Ａ及び造形層Ｂと、造形層α及び造形層βとをずらして示している。
【実施例】
【０１０２】
以下、実施例及び比較例を示して本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
【０１０３】
（実施例１）
上記の造形装置１に例示される造形装置を用いて、井桁構造を有する立体造形物１の造形を行い、３つのサンプルを作製した。井桁構造は、図９Ａ及び図９Ｂに示すような形状の造形層を交互に積層することにより形成した。井桁構造における隣り合う線状部分の間隔を２ｍｍとし、当該線状部分の幅を０．５ｍｍ、高さを０．２ｍｍとした。立体造形物１の形状は、縦１０ｍｍ、横１０ｍｍ、高さ６０ｍｍの直方体状の形状とした。
また、井桁構造となる造形層を積層する際には、既に造形された造形層における新たな造形層との接点となる箇所を加熱手段としてのレーザ照射器により加熱した。なお、レーザ照射器から３Ｗのエネルギーを有するレーザ光を照射することにより、造形層の接点となる箇所を加熱した。
【０１０４】
（実施例２）
実施例１において、レーザ照射器から照射するレーザ光のエネルギーを４Ｗとした以外は、実施例１と同様にして立体造形物２を造形した。
【０１０５】
（実施例３）
実施例１において、レーザ照射器から照射するレーザ光のエネルギーを５Ｗとした以外は、実施例１と同様にして立体造形物３を造形した。
【０１０６】
（実施例４）
実施例１において、レーザ照射器から照射するレーザ光のエネルギーを６Ｗとした以外は、実施例１と同様にして立体造形物４を造形した。
【０１０７】
（実施例５）
実施例１において、レーザ照射器から照射するレーザ光のエネルギーを７Ｗとした以外は、実施例１と同様にして立体造形物５を造形した。
【０１０８】
（比較例１）
実施例１において、レーザ照射器からレーザ光を照射しなかった以外は、実施例１と同様にして立体造形物６を造形した。
【０１０９】
（評価）
立体造形物１〜６の高さ方向（積層方向）の両端をクランプで挟み、引張試験を行った。結果を図１２に示す。
なお、引張強度を算出する際の断面積は、造形層どうしが交差している箇所における、０．５ｍｍ四方の大きさとなっている部分の個数を、単位面積化して換算した。
【０１１０】
図１２から、造形層の接点となる箇所を加熱することにより、造形層の積層方向における立体造形物の強度を向上させることができることがわかる。また、図１２から、本実施例の条件においては、照射するレーザ光のエネルギーが大きい方が、造形層の積層方向における立体造形物の強度をより向上させることができることがわかる。
なお、図１２におけるレーザ光のエネルギーごとの３つのプロットは、それぞれのサンプルにおける引張強度を意味する。そのため、３つのプロットの振れ幅は、それぞれの条件における引張強度の振れ幅を意味する。
【０１１１】
上述したように、本発明の造形装置は、第１の線状部分を複数有する第１の造形層と、第１の線状部分に対して交差する第２の線状部分を複数有する第２の造形層とを造形する層造形手段と、第１の線状部分と第２の線状部分とが交差する接点を加熱する加熱手段と、を有する。このため、本発明の造形装置は、造形層の積層方向における立体造形物の強度を向上させることができる。
【０１１２】
本発明の態様は、例えば、以下のとおりである。
＜１＞  第１の線状部分を複数有する第１の造形層と、前記第１の線状部分に対して交差する第２の線状部分を複数有する第２の造形層とを造形する層造形手段と、
前記第１の線状部分と前記第２の線状部分とが交差する接点を加熱する加熱手段と、
を有することを特徴とする造形装置である。
＜２＞  前記層造形手段が、前記第１の造形層と前記第２の造形層の造形を繰り返す前記＜１＞に記載の造形装置である。
＜３＞  前記層造形手段が、前記第１の造形層に接する前記第２の造形層を造形する際に、前記第１の造形層における前記接点となる箇所が前記加熱手段により加熱された後に、前記接点となる箇所に対して、前記造形層を形成する造形材料を吐出する前記＜１＞から＜２＞のいずれかに記載の造形装置である。
＜４＞  前記加熱手段が、前記層造形手段と同期して走査するように制御される前記＜１＞から＜３＞のいずれかに記載の造形装置である。
＜５＞  前記加熱手段が、前記接点となる箇所を選択的に加熱する前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の造形装置である。
＜６＞  前記加熱手段が、前記接点となる箇所の鉛直方向に対して交差する方向から加熱可能である前記＜１＞から＜５＞のいずれかに記載の造形装置である。
＜７＞  前記加熱手段が、前記層造形手段における前記造形材料を吐出する吐出口を中心に回動乃至回転可能である前記＜６＞に記載の造形装置である。
＜８＞  前記加熱手段の回動乃至回転する速度が、前記層造形手段が走査する速さに応じて制御される前記＜７＞に記載の造形装置である。
＜９＞  前記層造形手段が、形成する前記造形層の形状に応じて、前記接点となる箇所の間隔を変更するように制御される前記＜１＞から＜８＞のいずれかに記載の造形装置である。
＜１０＞  前記加熱手段による加熱が、前記接点となる箇所の間隔に応じて制御される前記＜１＞から＜９＞のいずれかに記載の造形装置である。
＜１１＞  前記加熱手段がレーザ光を照射するレーザ照射部を備え、前記加熱手段による加熱が、前記レーザ照射部により行われる前記＜１＞から＜１０＞のいずれかに記載の造形装置である。
＜１２＞  前記加熱手段が熱風を供給する熱風供給部を備え、前記加熱手段による加熱が、前記熱風供給部により行われる前記＜１＞から＜１０＞のいずれかに記載の造形装置である。
＜１３＞  第１の線状部分を複数有する第１の造形層と、前記第１の線状部分に対して交差する第２の線状部分を複数有する第２の造形層とを造形する層造形工程と、
前記第１の線状部分と前記第２の線状部分とが交差する接点を加熱する加熱工程と、
を含むことを特徴とする造形方法である。
＜１４＞  前記層造形工程が、前記第１の造形層と前記第２の造形層の造形を繰り返す前記＜１３＞に記載の造形方法である。
＜１５＞  前記層造形工程が、前記第１の造形層に接する前記第２の造形層を造形する際に、前記第１の造形層における前記接点となる箇所が前記加熱工程により加熱された後に、前記接点となる箇所に対して、前記造形層を形成する造形材料を吐出する前記＜１３＞から＜１４＞のいずれかに記載の造形方法である。
＜１６＞  層造形手段により、第１の線状部分を複数有する第１の造形層と、前記第１の線状部分に対して交差する第２の線状部分を複数有する第２の造形層とを造形させ、
加熱手段により、前記第１の線状部分と前記第２の線状部分とが交差する接点を加熱させる、
処理をコンピュータに実行させることを特徴とする造形プログラムである。
＜１７＞  前記層造形手段により、前記第１の造形層と前記第２の造形層の造形を繰り返させる前記＜１６＞に記載の造形プログラムである。
＜１８＞  前記層造形手段により、前記第１の造形層に接する前記第２の造形層を造形する際に、前記第１の造形層における前記接点となる箇所が前記加熱手段により加熱された後に、前記接点となる箇所に対して、前記造形層を形成する造形材料を吐出する前記＜１６＞から＜１７＞のいずれかに記載の造形プログラムである。
【０１１３】
前記＜１＞から＜１２＞のいずれかに記載の造形装置、前記＜１３＞から＜１５＞のいずれかに記載の造形方法、及びに前記＜１６＞から＜１８＞のいずれかに記載の造形プログラムによると、従来における諸問題を解決し、本発明の目的を達成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１１４】
【特許文献１】特開２０１５−７４１６４号公報
【符号の説明】
【０１１５】
１  造形装置
３  造形テーブル
１０  吐出モジュール
１８  吐出ノズル
２０、２０´  加熱モジュール
２１  レーザ光源
２８  加熱プレート
１００  制御部
１０４  温度センサ
ＲＳ  回転ステージ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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