(57)【要約】【課題】熱可塑性樹脂を溶融させて積層する熱溶融積層造形法では、三次元造形物の形状精度を高く保ちながら高い構造強度を達成するのが困難であった。【解決手段】三次元造形モデルに基づいて、骨格部モデルと内実部モデルを作成する。骨格部モデルは、三次元造形モデルの外殻部を含み、三次元造形モデルを複数の内実部に区分する隔壁構造を有する。三次元造形プロセスにおいては、まず骨格部モデルに対応する部分を複数層分積層して形成する。次に、骨格部８０の隔壁で囲まれた部分に、吐出ノズル４で蓋をする形で樹脂を充填し、内実部９０を形成する。三次元造形物は、骨格部８０と内実部９０が堅く結合した構造体となるため、高い強度を達成できる。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融した熱可塑性樹脂を吐出口から吐出し、基台の上で積層させて三次元造形物を形成する三次元造形物の製造方法において、
前記吐出口を前記基台に対して相対的に移動させながら溶融した熱可塑性樹脂を吐出して壁を形成し、前記壁により水平方向が囲まれるが上方向は開放された空間を設ける壁形成工程と、
前記空間の上方向から溶融した熱可塑性樹脂を吐出して前記空間に注入する注入工程を備える、
ことを特徴とする三次元造形物の製造方法。
【請求項２】
前記壁形成工程は、前記空間が複数配置されるように前記壁を形成する工程であり、
前記注入工程は、複数の前記空間の各々に順次に溶融した前記熱可塑性樹脂を注入する工程である、
ことを特徴とする請求項１に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項３】
前記注入工程において、前記吐出口を有する吐出ノズルの先端面が、前記壁の上面と接触する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項４】
前記注入工程において、前記吐出ノズルの先端面と前記壁の上面との間に、接触圧を付加する、
ことを特徴とする請求項３に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項５】
前記注入工程において、溶融した熱可塑性樹脂に注入圧を付加して吐出し、前記空間に注入する、
ことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項６】
前記注入工程において、先端面にエア抜き構造を備えた吐出ノズルを用いて溶融した熱可塑性樹脂を前記空間に注入する、
ことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項７】
前記壁形成工程と前記注入工程においては、互いに異なる吐出ノズルを用いて熱可塑性樹脂を吐出する、
ことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項８】
前記注入工程においては、前記壁形成工程で用いる吐出ノズルよりも先端面および吐出口の面積が大きい吐出ノズルを用いる、
ことを特徴とする請求項７に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項９】
前記注入工程において、平面視において前記空間と等しいか又は前記空間よりも小さいサイズの吐出口を備えた吐出ノズルから熱可塑性樹脂を吐出する、
ことを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれか１項に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項１０】
前記注入工程において、平面視において前記空間よりも大きなサイズの先端面を備えた吐出ノズルから熱可塑性樹脂を吐出する、
ことを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれか１項に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項１１】
造形すべき三次元モデルを記憶装置に記憶する工程と、
前記三次元モデルに基づいて、コンピュータが骨格部モデルと内実部モデルを作成する工程と、
前記骨格部モデルに基づいて、コンピュータが前記壁形成工程を実行するための命令セットを作成する工程と、
前記内実部モデルに基づいて、コンピュータが前記注入工程を実行するための命令セットを作成する工程を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項１２】
前記壁形成工程は、溶融した熱可塑性樹脂を、１１００Ｐａ・Ｓ以上で、かつ３０００Ｐａ・Ｓ以下の粘度で吐出口から吐出して前記壁を形成する工程であり、
前記注入工程は、溶融した熱可塑性樹脂を、５００Ｐａ・Ｓ以上で、かつ１０００Ｐａ・Ｓ以下の粘度で吐出口から吐出して前記空間に注入する工程である、
ことを特徴とする請求項１に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項１３】
前記壁形成工程は、前記三次元造形物の表面を構成する部分を形成する工程であり、
前記注入工程は、前記壁形成工程で形成された部分に内接する領域に前記三次元造形物の内実部を形成する工程である、
ことを特徴とする請求項１に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項１４】
前記壁形成工程において吐出する熱可塑性樹脂の温度は、前記注入工程において吐出する熱可塑性樹脂の温度よりも低い、
ことを特徴とする請求項１に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項１５】
前記注入工程は、前記壁形成工程で熱可塑性樹脂を複数層積層してから、前記複数層の壁に囲まれた領域に熱可塑性樹脂を注入する工程である、
ことを特徴とする請求項１に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項１６】
前記壁形成工程は、前記三次元造形物の側面を形成する工程である、
ことを特徴とする請求項１に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項１７】
前記注入工程で吐出する単位時間あたりの吐出量は、前記壁形成工程で吐出する熱可塑性樹脂の単位時間あたりの吐出量よりも大きい、
ことを特徴とする請求項１に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項１８】
前記壁形成工程における吐出口の開口形状は、前記注入工程における吐出口の開口形状とは異なる、
ことを特徴とする請求項１に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項１９】
前記注入工程において、前記基台を振動させる、
ことを特徴とする請求項１に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項２０】
溶融した熱可塑性樹脂を吐出する吐出部と、
基台と、
前記吐出部と前記基台の相対的位置を変更させる移動手段と、
制御部を備え、
前記制御部は、前記吐出部を前記基台に対して相対的に移動させながら溶融した熱可塑性樹脂を吐出させて壁を形成し、前記壁により水平方向が囲まれた空間に上方向から溶融した熱可塑性樹脂を注入して内実部を形成するように前記移動手段と前記吐出部を制御する、
ことを特徴とする三次元造形装置。
【請求項２１】
前記制御部は、前記壁により水平方向が囲まれた前記空間が複数配置されるように前記壁を形成し、複数の前記空間の各々に順次に上方向から溶融した熱可塑性樹脂を注入するように、前記移動手段と前記吐出部を制御する、
ことを特徴とする請求項２０に記載の三次元造形装置。
【請求項２２】
三次元造形モデル情報を記憶する記憶手段と、
前記三次元造形モデル情報に基づき、前記壁の形状を含んだ骨格部モデルおよび前記空間の形状を含んだ内実部モデルを作成するプログラムを実行可能なコンピュータを備える、
ことを特徴とする請求項２０に記載の三次元造形装置。
【請求項２３】
前記制御部は、前記壁の上面と前記吐出部の底面を接触させて、前記壁で囲まれた複数の空間に順次に上方向から溶融した熱可塑性樹脂を注入するように前記移動手段と前記吐出部を制御する、
ことを特徴とする請求項２１に記載の三次元造形装置。
【請求項２４】
前記移動手段は、前記壁の上面と前記吐出部の底面の接触圧を調整する機構を備える、
ことを特徴とする請求項２３に記載の三次元造形装置。
【請求項２５】
前記吐出部は、溶融した熱可塑性樹脂の注入圧を調整する機構を備える、
ことを特徴とする請求項２１乃至２４のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
【請求項２６】
前記吐出部は、先端面にエア抜き構造を備えた吐出ノズルを有する、
ことを特徴とする請求項２１乃至２５のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
【請求項２７】
前記吐出部は複数の吐出ノズルを有し、
前記制御部は、前記壁を形成する時に用いる吐出ノズルとは異なる吐出ノズルを用いて前記内実部を形成するように前記移動手段と前記吐出部を制御する、
ことを特徴とする請求項２０乃至２６のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
【請求項２８】
前記制御部は、溶融した熱可塑性樹脂を、１１００Ｐａ・Ｓ以上で、かつ３０００Ｐａ・Ｓ以下の粘度で吐出口から吐出させて前記壁を形成し、
溶融した熱可塑性樹脂を、５００Ｐａ・Ｓ以上で、かつ１０００Ｐａ・Ｓ以下の粘度で吐出口から吐出して前記内実部を形成する、
ことを特徴とする請求項２０に記載の三次元造装置。
【請求項２９】
前記溶融した熱可塑性樹脂の温度を測定するセンサを備え、
前記制御部は、前記センサの測定結果と、あらかじめ記憶している前記熱可塑性樹脂の粘度と温度の関係に基づいて、前記熱可塑性樹脂の温度を調整して粘度を制御する、
ことを特徴とする請求項２８に記載の三次元造形装置。
【請求項３０】
請求項２０に記載の三次元造装置が有する前記制御部に、
前記吐出部を前記基台に対して相対的に移動させながら溶融した熱可塑性樹脂を吐出させて壁を形成し、前記壁により水平方向が囲まれた空間に上方向から溶融した熱可塑性樹脂を注入して内実部を形成するように前記移動手段と前記吐出部を制御する処理を実行させるプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂を溶融させて吐出口から吐出させ、積層させることにより三次元造形物を形成する三次元造形物の製造方法ならびに、それに使用される三次元造形装置に関する。より具体的には、熱溶融積層造形法で形成する三次元造形物の形状精度を高く保ちながら、機械的強度を向上する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、いわゆる３Ｄプリンタの開発が盛んに行われており、さまざまな方式が試みられている。例えば、熱溶融積層造形法（Ｆｕｓｅｄ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｍｏｄｅｌｉｎｇ）、光硬化性樹脂を用いた光造形法（Ｓｔｅｒｅｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）、粉末焼結法（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）等の方式が知られている。
【０００３】
熱溶融積層造形法は、加熱した熱可塑性樹脂を吐出ノズル等から押し出して積層し、立体物を形成する方法で、原理的にシンプルなため、比較的安価で小型の装置で実施できる長所がある。
【０００４】
例えば、特許文献１には、改質ＡＢＳ材料を溶融させ、押出しヘッドで押出して一層毎に堆積させて三次元造形物を形成する方法が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、樹脂材料を使用する熱溶融積層造形法に関連して、１つまたは複数の単位層を形成し終えた後、次の単位層の形成を始める前に、層の表面を研磨し、放電処理をする方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２０１０−５２１３３９号公報
【特許文献２】特開２０１５−１８９０２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の熱溶融積層造形法では、溶融樹脂は、押出しヘッドの開口にならった断面形状をもつ柱状の高粘度流体として押出され、押出された溶融樹脂を、基台に対して相対的に走査することでパターンを形成する。押出された溶融樹脂が、すでに固化した下層の樹脂に接すると、温度が低下して粘度がさらに高まるため、パターンの上面には柱の断面形状を反映して凹凸が発生する場合がある。すると、次の層を積層する際に、凹凸を有する下地層の上に積層することになり、次の層との間に隙間が生じる可能性が高くなる。層と層の間に隙間が生じると、三次元造形物の機械的な強度が十分でなくなる恐れがあった。
【０００８】
特許文献２の熱溶融積層造形法では、下層を積層した後、表面を研磨して平坦化し、放電処理をしてから次の層を形成する。表面研磨と放電処理を行うことで、下層表面の凹凸を小さくすることができる。しかしながら、研磨を行うことで、一層あたりの厚みが低減してしまうため、三次元造形に要する時間が長くなり、樹脂材料の消費量が増大する。また、研磨することで除去される分の厚みを勘案しないと、三次元造形物の高さ方向の形状精度が低下してしまう。また、研磨や放電処理を行う間に、層の温度が低下してしまうため、次の層との接着性が低下し、三次元造形物の強度が低下してしまう可能性がある。さらに、研磨や放電処理の機構を設けるため、造形装置が大型化してしまう等の問題があった。
【０００９】
本発明は、熱溶融積層造形法において、積層材の層間に隙間ができるのを抑制でき、形状精度がよく、強度が高い三次元造形物を形成する方法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】
【００１０】
本発明は、溶融した熱可塑性樹脂を吐出口から吐出し、基台の上で積層させて三次元造形物を形成する三次元造形物の製造方法において、前記吐出口を前記基台に対して相対的に移動させながら溶融した熱可塑性樹脂を吐出して壁を形成し、前記壁により水平方向が囲まれるが上方向は開放された空間を設ける壁形成工程と、前記空間の上方向から溶融した熱可塑性樹脂を吐出して前記空間に注入する注入工程を備える、ことを特徴とする三次元造形物の製造方法である。
【００１１】
また、本発明は、溶融した熱可塑性樹脂を吐出する吐出部と、基台と、前記吐出部と前記基台の相対的位置を変更させる移動手段と、制御部を備え、前記制御部は、前記吐出部を前記基台に対して相対的に移動させながら溶融した熱可塑性樹脂を吐出させて壁を形成し、前記壁により水平方向が囲まれた空間に上方向から溶融した熱可塑性樹脂を注入して内実部を形成するように前記移動手段と前記吐出部を制御する、ことを特徴とする三次元造形装置である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、熱溶融積層造形法において、積層材の層間に隙間ができるのを抑制でき、形状精度がよく、強度が高い三次元造形物を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第一の実施形態の三次元造形装置の斜視図である。
【図２】実施形態の樹脂送り出し機構を示す図である。
【図３】実施形態の制御ブロックを示す図である。
【図４】三次元造形プロセスを示すフローチャートである。
【図５】（ａ）三次元モデルの形状を示す斜視図、（ｂ）実施形態の骨格部モデルの正面図、（ｃ）実施形態の骨格部モデルの平面図である。
【図６】（ａ）実施形態の内実部モデルの正面図、（ｂ）実施形態の内実部モデルの平面図である。
【図７】（ａ）実施形態の吐出ノズルの正面図、（ｂ）実施形態の吐出ノズルの下面図である。
【図８】（ａ）実施形態の骨格部形成工程を示す斜視図、（ｂ）実施形態の骨格部形成工程を示す部分断面図である。
【図９】（ａ）実施形態の内実部形成工程を示す斜視図、（ｂ）実施形態の内実部形成工程を示す部分断面図である。
【図１０】実施形態の骨格部と内実部の接合状態を示す部分断面図である。
【図１１】実施形態の吐出ヘッド先端部の斜視図である。
【図１２】第二の実施形態の三次元造形装置の斜視図である。
【図１３】（ａ）実施形態の内実部形成工程を示す斜視図、（ｂ）実施形態の内実部形成工程を示す部分断面図である。
【図１４】第三の実施形態に係る三次元造形装置の斜視図。
【図１５】三次元造形装置の制御ブロック図。
【図１６】三次元造形方法のフローチャート。
【図１７】（ａ）１次分割モデルの例を示す図。（ｂ）２次分割モデルの例を示す図。
【図１８】（ａ）表面を構成する部分を、粘度の高い熱可塑性樹脂で形成する途中の図。（ｂ）表面を構成する部分を形成した図。
【図１９】（ａ）表面を構成する部分と接触する領域を、粘度の低い熱可塑性樹脂で形成する途中の図。（ｂ）表面を構成する部分と接触する領域を形成した図。
【図２０】第四の実施形態に係る三次元造形装置の斜視図。
【図２１】（ａ）第三の実施形態、第四の実施形態の形成工程を示す図。（ｂ）第五の実施形態の形成工程を示す図。
【図２２】（ａ）第六の実施形態の１次分割方法を示す図。（ｂ）第六の実施形態の２次分割方法を示す図。
【図２３】実施例の三次元モデル形状を示す斜視図。
【図２４】実施例の熱可塑性樹脂の温度対粘度特性を示すグラフ。
【図２５】実施例の熱可塑性樹脂の温度対粘度特性を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の三次元造形物の製造方法と三次元造形装置の実施形態について説明する。尚、以下の説明中では、層という用語は、溶融した熱可塑性樹脂を複数回付与することで厚み方向に積み重ねて三次元造形物を形成する場合に、一回の付与で積まれる部分をいう。吐出ヘッドとステージを相対的に走査しながら熱可塑性樹脂を付与して積み重ねる場合には、一回の走査で付与する部分である。三次元造形物の断面観察等で層と層の境界が確認できる場合もあるが、熱可塑性樹脂の均一性が高い場合などには、層と層の境界が明確に検出されない場合もある。
【００１５】
［第一の実施形態］
本発明の第一の実施形態に係る三次元造形装置の構成と、三次元造形方法を順に説明する。
【００１６】
［装置構成］
図１は、本発明の第一の実施形態にかかる三次元造形装置を模式的に示す斜視図である。
【００１７】
１は造形材、２は材料導入部、３は加熱供給部、４は吐出ノズル、５は吐出口、６はステージ、７はＸ移動機構、８はＹ移動機構、９はＺ移動機構、１０はリールである。
【００１８】
造形材１は、三次元造形に用いる原材料である。本実施形態では、熱可塑性樹脂をフィラメントに成形したものを用いるが、ペレットや粉末等の他の形体の材料を用いることもできる。
【００１９】
造形材１として用いるフィラメントは、たとえば、断面形状が円形で、直径が１．５〜３．０ｍｍで、長さが１０〜１０００ｍのものが、好適である。造形材１は、リール１０に巻き取られて収納されている。リール１０を回転することにより、造形材１を材料導入部２に供給することができる。
【００２０】
本実施形態で用いられ得る熱可塑性樹脂は、例えば、ＰＣ（ポリカーボネート）樹脂、ＡＢＳ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体）樹脂、ＰＣ／ＡＢＳポリマーアロイがある。さらには、ＰＬＡ（ポリ乳酸）樹脂、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）樹脂、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）樹脂、およびこれらを改質した樹脂等が挙げられる。
【００２１】
加熱供給部３は、造形材１である熱可塑性樹脂を取り込んでから加熱部に送り出し、ガラス転移温度（Ｔｇ）以上に加熱して溶融し、吐出ノズル４に供給する。加熱供給部３に内蔵されている送り出し機構を図２に示す。
【００２２】
図２において、２１と２２はフィラメント状の造形材１を取り込んで加熱部に送り出すためのローラである。造形材１は、ローラ２１とローラ２２に挟持されており、各ローラが図中矢印の方向に回転することにより、リール１０からフィラメントを引込み、加熱部に送り込むことができる。
【００２３】
不図示の加熱部は、取り込み機構から供給される熱可塑性樹脂を加熱して溶融させる。加熱部は、ヒータを備えており、ヒータの発熱量を制御することで、溶融した樹脂の温度を調整することができる。
【００２４】
溶融状態となった熱可塑性樹脂は、後続の材料に押出されることにより、吐出部の吐出ノズル４に送り込まれる。吐出ノズル４の先端部まで押し出された熱可塑性樹脂は、吐出口５から吐出する。
【００２５】
ローラ２１とローラ２２を回転させたり停止したりすることにより、吐出口５から溶融樹脂を吐出させたり吐出させなかったりすることができる。また、ローラの回転速度を制御することで、加熱部への造形材の供給量を調整することができる。したがって、ローラの回転速度を制御することで、吐出口５からの溶融樹脂の吐出速度、吐出量、吐出圧力を制御することができる。
【００２６】
ステージ６は、造形される三次元造形物を上面で支持するための基台である。図中、座標軸に示すように、ステージ６の上面は、Ｘ軸とＹ軸で規定されるＸ−Ｙ平面と平行である。またＸ−Ｙ平面に垂直な方向をＺ方向とする。
【００２７】
本実施形態の三次元造形装置では、吐出部が備える吐出ノズル４のステージ６に対する相対的位置を変更させながら熱可塑性樹脂を吐出し、積層してゆくことによって三次元造形物を形成することができる。図１の装置では、ステージ６はＺ移動機構９によりＺ軸に沿って移動可能となっている。また、吐出ノズル４は、Ｘ移動機構７およびＹ移動機構８により、Ｘ−Ｙ面に沿って移動可能となっている。もっとも、吐出ノズル４がステージ６に対してＸＹＺの３方向で相対的に移動できれば良いので、装置構成は必ずしも図１の例に限られない。たとえば、ステージは固定して、吐出ノズルをＸＹＺの３方向に移動可能な構成としても良い。
【００２８】
尚、本実施形態では、後述するように、内実部を形成する際に、すでに形成した骨格部の上面に吐出ノズルの底面を接触させる場合がある。単に接触させる場合には、Ｚ移動機構９で、ステージ６のＺ方向の位置制御を行う。たとえば、骨格部の積層厚の設計値を参照して、骨格部の上面の位置が、吐出ノズルの底面の位置と一致するようにステージ６のＺ方向の位置を制御すればよい。あるいは、骨格部の上面と吐出ノズルの底面の相対位置を観察可能なデジタルカメラを設け、画像認識にもとづいてステージ６のＺ方向の位置制御を行ってもよい。一方、吐出ノズルの底面が骨格部の上面に対して所定の接触圧力を印加しながら接触するようにしたい場合には、Ｚ移動機構９は、位置制御と力制御の両方を組み合わせた方式で動作させる。たとえば、Ｚ移動機構９に、Ｚ方向にかかる外力を検出可能な力センサを設け、骨格部の上面と吐出ノズルの底面との間に所定の接触圧力が付加されるように、Ｚ移動機構９の駆動部を制御すればよい。
【００２９】
［制御ブロック］
図３に、本実施形態の三次元造形装置の制御ブロックを簡易的に示す。
【００３０】
制御部３０は、三次元造形装置の各部の動作を制御するための制御回路である。制御部３０は、ＣＰＵ、制御プログラムや制御用数値テーブルを記憶した不揮発性メモリであるＲＯＭ、演算等に使用する揮発性メモリであるＲＡＭ、装置外や装置内各部と通信するためのＩ／Ｏポート、等を備えている。なお、ＲＯＭには、三次元造形装置の基本動作を制御するためのプログラムが記憶されている。
【００３１】
コンピュータ３１は、ＣＰＵ、記憶装置および入出力装置を備えた電子計算機で、三次元形状編集ソフトウェアを実行可能である。コンピュータ３１は、造形しようとする三次元モデル情報に基づき、吐出ヘッドで形成するのに適した骨格部モデルと内実部モデルを構築し、順次パターンを形成するための指示を制御部３０に対して発することができる。コンピュータ３１は、三次元造形装置に内蔵されたコンピュータであってもよいし、ネットワーク等を介して三次元造形装置と接続可能な外部コンピュータであってもよい。また、制御部３０とコンピュータ３１の機能を、ひとつのコンピュータに実装し、単一の制御部と見なしてもよい。
【００３２】
３３は、三次元造形装置を使用するユーザのための操作パネルである。操作パネル３３は、三次元造形装置の操作者が装置に指示を与えるための入力部と、操作者に情報を表示するための表示部を有している。入力部は、キーボードや操作ボタンを備えている。表示部は、三次元造形装置の動作状況等を表示する表示パネルを備えている。
【００３３】
制御部３０は、操作パネル３３から入力されるユーザの指示に基づき、三次元装置の各部を制御し、三次元造形の各工程を遂行する。具体的には、制御部３０は三次元造形開始の指示を受けると、加熱供給部３に制御信号を送信して、ローラ２１とローラ２２やヒータの駆動を制御し、溶融した熱可塑性樹脂の吐出ノズル４への供給を調整する。制御部３０は、Ｘ移動機構７、Ｙ移動機構８、Ｚ移動機構９を制御して、吐出ノズル４およびステージ６の相対位置を制御し、三次元造形プロセスにおける骨格部と内実部の形成を遂行させる。
【００３４】
［三次元造形プロセス］
次に、本実施形態の三次元造形プロセスについて、順を追って説明する。図４は、本実施形態の三次元造形プロセスの工程順を示すフローチャートである。
【００３５】
まず、工程Ｓ１では、三次元造形モデル情報として三次元形状データを、コンピュータ３１のメモリに格納する。三次元形状データは、コンピュータ３１が作成したものであってもよいし、ＣＡＤや三次元形状計測装置が作成したデータを、ネットワークや記憶媒体を介して入力したものであってもよい。三次元形状データ形式は、ＳＴＥＰ形式、Ｐａｒａｓｏｌｉｄ形式、ＳＴＬ形式などが用いられるが、三次元形状をデジタルデータとして表現できるものであれば、その種類は限定されない。
【００３６】
続く工程Ｓ２乃至Ｓ３では、コンピュータ３１が、内蔵する演算装置と三次元形状編集ソフトウェアを用いて、骨格部モデルと内実部モデルを作成する。
【００３７】
ここで、骨格部モデルとは、造形する三次元モデルを複数の区画に分割する隔壁構造のモデルである。骨格部モデルは、造形する三次元モデルの外表面となる外殻部を含む。コンピュータ３１は、本実施形態の三次元造形装置で形成可能なパターン幅および一層の厚みを勘案して、骨格部モデルを作成する。
【００３８】
また、内実部モデルとは、骨格部モデルの隔壁構造で仕切られた区画の内部空間の形状モデルである。すなわち、骨格部モデルと内実部モデルを合わせれば、造形する三次元モデル全体になるわけである。
【００３９】
ここでは、工程Ｓ１でコンピュータ３１に格納した三次元モデルが、図５（ａ）に示すように、各辺の長さがＬｘ，Ｌｙ，Ｌｚの直方体の三次元モデル１００であった場合を例に説明する。説明の便宜のために、単純な直方体を例示するが、もちろん三次元モデル１００は、これより複雑な形状であっても差し支えない。
【００４０】
工程Ｓ２で、コンピュータ３１は、骨格部モデルを作成するが、図５（ｂ）はその一例である骨格部モデル５０の正面図、図５（ｃ）は骨格部モデル５０の平面図である。
【００４１】
図５（ｂ）に示すように、骨格部モデル５０は高さ方向、すなわち三次元造形プロセスにおける積層方向に関して、本実施形態の三次元造形装置で形成可能な一層の厚みｔを単位とする層を積み重ねた多層構造を有している。すなわち、図５（ｂ）の例では、高さＬｚの造形モデルに基づいて作成された８層構造よりなる骨格部モデルが示されている。
【００４２】
骨格部モデル５０の各層は、図５（ｃ）に示す平面形状を有している。図示の便宜上、骨格部モデルの部分を斜線で示している。骨格部モデルは、三次元モデル１００の４つの側面となる外殻部を含み、三次元モデルを１４個の区画に分割する隔壁構造を成している。外殻部および隔壁の幅ｗは、本実施形態の三次元造形装置で形成可能なライン幅と等しいか、またはその整数倍とするのがよい。
【００４３】
たとえば、本実施形態の三次元造形装置の吐出部が備える吐出ノズル４が、図７（ａ）の側面図、および図７（ｂ）の下面図で示される形状を有していたとする。図示のように、吐出ノズル４の先端部は、直径Ｂｗの円形の平坦面をなし、その中心に内径Ｄの円形の吐出口５が設けられているとする。この吐出ノズルで形成しえるライン幅は、概ね吐出口の内径Ｄと等しいといえる。もちろん、溶融樹脂の粘度、吐出圧、ノズルの走査速度、等を考慮して、より厳密にライン幅を決定してもよいが、いずれにせよ、骨格部モデルの外殻部および隔壁の幅ｗは、三次元造形装置で形成可能なライン幅と等しいか、その整数倍とするのがよい。
【００４４】
次に、工程Ｓ３で、コンピュータ３１は、内実部モデルを作成するが、図６（ａ）はその一例である内実部モデル６０の正面図、図６（ｂ）は内実部モデル６０の平面図である。図示の便宜上、三次元モデル１００の外形を点線で示している。
【００４５】
図６（ａ）に示すように、内実部モデル６０は高さ方向、すなわち三次元造形プロセスにおける積層方向に関して、本実施形態の三次元造形装置で形成可能な一層の厚みｔの整数倍を単位とする厚さのユニットを積み重ねた構造を有している。図６（ａ）では、高さＬｚの造形モデルをもとに、Ｉｚ＝４×ｔを単位とする２層のユニット構造よりなる内実部モデル６０が示されている。
【００４６】
内実部モデル６０の各層は、図６（ｂ）に示す平面形状を有している。平面視における内実部モデル６０は、三次元モデル１００から骨格部モデル５０を除いた部分と等しい。すなわち、内実部モデル６０は、骨格部モデル５０の隔壁構造によりｗの距離隔てられた１４個の独立構造を成している。各構造の平面視におけるサイズは、吐出ノズル４の底面よりも小さく、吐出口５と等しいか、やや大きいのが望ましい。たとえば、平面視におけるＸ方向の長さＩｘおよびＹ方向の長さＩｙ、あるいは平面視における対角線の長さは、いずれもＢｗよりも小さいのが望ましい。また、ＩｘおよびＩｙは、Ｄと等しいか、またはＤよりも大きなほうがよい。これらの寸法関係が望ましい理由については、詳しくは後述するが、骨格部を形成した後に、順に１４個の内実部を形成する際に、吐出ノズルで隔壁に蓋をして、溶融樹脂を確実に充填するためである。
【００４７】
工程Ｓ４では、コンピュータ３１は、工程Ｓ２で作成した骨格部モデルおよび工程Ｓ３で作成した内実部モデルを参照しながら、三次元造形装置が三次元モデルを造形するために必要な命令セットを作成し、制御部３０に送信する。尚、コンピュータ３１が命令セットを作成しないで、骨格部モデルおよび内実部モデルを制御部３０に送信してもよい。その場合には、制御部３０が、内蔵するＣＰＵを用いて、造形するために必要な命令セットを作成するように、制御プログラムを構成しておけばよい。
【００４８】
命令セットは、複数層分の骨格部モデルに相当する部分を三次元造形し、その後に内実部モデルに相当する部分を三次元造形するシーケンスを実行するための命令として構成される。
【００４９】
たとえば、図５（ｂ），（ｃ）の骨格部モデル、および図６（ａ），（ｂ）の内実部モデルをもとに作成される命令セットは、以下のようなシーケンスを実行する命令セットとして構成される。すなわち、まず吐出ノズル４をステージ６に対して相対走査させて、下から４層分の骨格部モデルを順次形成する。次に、骨格に内接する内実部を１個ずつ順次形成するが、各内実部を形成する際は、４層分の骨格部モデルの厚みＩｚに達するまで，溶融樹脂を連続して充填する。その後、同様にさらに４層分の骨格部モデルを形成してから、内実部を形成し、三次元造形物を完成させる。かかるシーケンスを実行させるための命令セットは、制御部３０のＲＡＭに記憶される。
【００５０】
次に、工程Ｓ５では、制御部３０は、工程Ｓ４で作成した命令セットに従い装置各部を動作させ、たとえば、図８（ａ）、図８（ｂ）に示すように、三次元造形物の骨格部８０を熱可塑性樹脂で形成する。図８に示すのは、図５（ｃ）における幅ｗを、吐出ノズル４を一回走査したときの線幅と等しく設定し、骨格部モデルの４層目までを造形した状態である。
【００５１】
尚、ここでは、層とは、溶融した熱可塑性樹脂を複数回付与することで厚み方向に積み重ねて三次元造形物を形成する場合に、一回の付与で積まれる部分をいう。吐出ヘッドとステージを相対的に走査しながら熱可塑性樹脂を付与して積み重ねる場合には、一回の走査で付与する部分である。三次元造形物の断面観察等で層と層の境界が確認できる場合もあるが、熱可塑性樹脂の均一性が高い場合などには、層と層の境界が明確に検出されない場合もある。
【００５２】
制御部３０は、ローラ２１とローラ２２を駆動させて適量の未溶融の熱可塑性樹脂フィラメントを加熱部に供給する。制御部３０は、加熱部に内蔵されたヒータを駆動させ、熱可塑性樹脂フィラメントを加熱して溶融させる。制御部３０は、吐出ノズル４とステージ６を相対的に移動させ、図８（ａ）に示すように、熱可塑性樹脂で骨格部８０を形成する。
【００５３】
図８（ａ）に示すように、４層分の骨格部８０のパターンを熱可塑性樹脂で形成したら、制御部３０は、ローラ２１とローラ２２を一旦停止させ、吐出ノズル４からの溶融樹脂の吐出を停止させる。骨格部が形成された段階で、骨格部を構成する隔壁により、水平方向が囲まれるが上方向は開放された空間が複数配置されたことになる。したがって、工程Ｓ５は、隔壁形成工程であるとも言える。
【００５４】
次に、工程Ｓ６では、制御部３０は命令セットに従い装置各部を動作させ、たとえば、図９（ａ）の斜視図、図９（ｂ）の部分断面図に示すように、三次元造形物の骨格部８０に内接する内実部９０を、熱可塑性樹脂で形成する。三次元造形物の骨格部の４層分は、すでに工程Ｓ５で形成されているので、それによって水平方向が囲まれた領域に、上方向から熱可塑性樹脂を付与し、内実部を形成する。
【００５５】
制御部３０は、再びローラ２１とローラ２２を駆動させて適量の未溶融の熱可塑性樹脂フィラメントを加熱部に供給する。制御部３０は、加熱部に内蔵されたヒータを駆動し、熱可塑性樹脂フィラメントを加熱して溶融させる。
【００５６】
制御部３０は、吐出ノズル４とステージ６を相対的に移動させ、図９（ｂ）に示すように、骨格部８０により構成された隔壁で囲まれた部分に、上方向から熱可塑性樹脂を充填して内実部９０を形成する。隔壁で囲まれた各区画は、４層分の骨格部に相当する高さがあるが、ひとつの区画を４層分の高さまで充填した後、次の区画を充填する。すなわち、内実部となる複数の区画を、一区画ずつ順番に溶融樹脂で充填してゆくように、吐出ノズル４は走査される。
【００５７】
内実部を構成する各区画のサイズは、図６（ｂ）の内実部モデルの平面形状と図７の吐出ヘッド底面形状との関係で説明したように、吐出口５よりも各区画の方が若干大きいか、または等しくなるよう設定される。なおかつ、吐出ヘッドの底面の大きさよりも、各区画の大きさの方が狭くなるように設定されている。このため、図９（ｂ）に示すように、吐出ヘッドを区画と位置合わせすれば、吐出口はひとつの区画のみに、選択的に溶融樹脂を充填することができる。この際には、吐出ヘッドの吐出口周辺の平坦な底面が、骨格部の隔壁の上面と接し、蓋をするような状態となる。この蓋の効果により、溶融樹脂を区画に注入する際、ローラ２１とローラ２２の駆動を適宜制御すれば、所定の注入圧力をかけることが可能になる。
【００５８】
この際、Ｚ移動機構９で吐出ヘッドに対するステージ６の位置を制御することで、吐出ヘッドの底面が骨格部の上面と密着して接し、蓋をするようにすることができる。蓋としての密閉性を向上するために、骨格部の上面と吐出ノズルの底面との間に所定の接触圧力を印加しながら接触させる場合には、Ｚ移動機構９は、位置制御と力制御の両方を組み合わせた方式で動作する。
【００５９】
そして、骨格部の４層分の高さに相当する容積の溶融樹脂の注入を終了するタイミングにあわせて、ローラ２１とローラ２２の駆動を停止することにより、区画から溶融樹脂が溢れることを防止することができる。一つの区画への溶融樹脂の充填が完了したら、Ｚ移動機構９でステージ６を下げて吐出ヘッドをいったん離間させ、Ｘ移動機構７とＹ移動機構８で吐出ヘッドを次の区画の上方に移動させる。その後、Ｚ移動機構９でステージ６を上昇させて、吐出ヘッドが次の区画の蓋をするように、相対位置を制御する。
【００６０】
このように、順番に各区画を吐出ヘッドの底面で蓋をして、適宜の圧力で吐出口から注入してゆくことにより、骨格部と内実部を隙間なく接合させることが可能になる。
【００６１】
図１０は、図９（ｂ）の断面図の一部を拡大して示したものである。骨格部８０は、複数の層を積層して形成しているため、その側面は平坦ではなく、図中１０１で示すように凹部が存在する。本実施形態によれば、各区画に吐出ヘッドの底面で蓋をして、適宜の圧力で吐出口から注入することにより、かかる凹部１０１にも確実に溶融樹脂を充填することが可能である。
【００６２】
本実施形態では、骨格部に蓋をして適宜の圧力をかけて溶融樹脂で充填するために、特に好適な形状の吐出ヘッドを用いた。図１１は、吐出ヘッドのノズル先端付近の形状を示した斜視図である。図１１は、先端形状を図示する便宜上、通常の使用状態とは、上下を逆にして示している。ノズル先端の吐出口５の周辺は、通常は平坦面であるが、本実施形態においては、エア抜きのための溝１１０が設けられている。この例では、溝１１０は、幅が０．５ｍｍで、深さが０．０１ｍｍの形状を有している。溝の幅や深さは、骨格部の区画に蓋をして溶融樹脂を注入する際に、区画内のエアを効率的に排気できる大きさであることが望ましい。その一方で、溝を通じて樹脂が漏れ出したりしない程度に幅や深さを制限する必要がある。かかる要請が満たされるならば、エア抜きの溝１１０の形状は図１１の例に限られるわけではなく、たとえば吐出口５を中心に複数の溝を放射状に設けるものであってもよい。
【００６３】
工程Ｓ６で内実部に樹脂を充填した後、工程Ｓ７では、三次元造形モデルの全層の形成が完了したかを確認する。
【００６４】
図５（ａ）の三次元造形モデルの例では、図５（ｂ）のように全体の高さＬＺを、８層に分割する骨格部モデルを構築したが、図９の段階では、まだ４層分の骨格部と内実部しか形成していないので、再び工程Ｓ５に戻ることになる。そして、さらに４層分の骨格部を形成した後、工程Ｓ６で上段の内実部を形成する。
【００６５】
そして、工程Ｓ７で三次元造形モデルの全層の形成が完了したことを確認できたら、三次元造形プロセスを終了する。
【００６６】
本実施形態によれば、たとえば図９において、各内実部９０は、４層を順次形成するのではなく、一回の充填で一体として形成されるので、層間の境目がなく強固である。しかも、内実部９０は、骨格部８０の凹部１０１にも確実に充填されているため、内実部９０と骨格部８０はアンカー効果を発揮して互いに相手を拘束する。このため、本実施形態により形成した三次元造形物は、従来のように一層ずつ平面パターンを積層して形成した三次元造形物と比較して、はるかに大きな強度を有する構造体であると言える。しかも、あらかじめ骨格部の一部として外殻部を形成してあるため、形状精度は従来の方式と比較して何ら遜色がないと言える。
【００６７】
［第二の実施形態］
本発明の第二の実施形態に係る三次元造形装置の構成と、三次元造形方法を順に説明する。第一の実施形態が、同一の吐出ヘッドを用いて骨格部と内実部を形成していたのに対して、第二の実施形態では、骨格部と内実部をそれぞれ専用の吐出ヘッドを用いて形成する点が異なる。
【００６８】
［装置構成］
図１２は、本発明の第二の実施形態にかかる三次元造形装置を模式的に示す斜視図である。１は造形材、２は材料導入部、３は加熱供給部、６はステージ、７はＸ移動機構、８はＹ移動機構、９はＺ移動機構、１０はリールである。材料導入部２、加熱供給部３、リール１０が２個ずつ設けられている点を除けば、これらの部分については、第一の実施形態の装置と概ね同じであるため、詳しい説明は省略する。
【００６９】
また、１２１は骨格部形成用の吐出ノズル、１２２は骨格部形成用の吐出口、１２３は内実部形成用の吐出ノズル、１２４は内実部形成用の吐出口である。
【００７０】
図７（ａ），（ｂ）を参照して、骨格部形成用と内実部形成用のノズル先端部の形状の違いについて説明する。骨格部形成用の吐出ノズル１２１の先端面の直径Ｂｗは、内実部形成用の吐出ノズル１２３の先端面の直径Ｂｗよりも小さい。また、骨格部形成用の吐出口１２２の内径Ｄは、内実部形成用の吐出口１２４の内径Ｄよりも小さい。このような構成とすることで、骨格部を形成する時には、微細な形状の形成に適したヘッドを用いることができ、高い形状精度で外殻部や隔壁を形成することができる。一方、内実部を形成する時には、底面および吐出口が大きなヘッドを用いることができ、隔壁を覆う蓋のサイズを大きくできるため、内実部を形成するための骨格部の区画サイズを大きくすることができる。すなわち、内実部形成用の吐出ノズル１２３の先端面の直径Ｂｗが大きいため、図６（ｂ）におけるＩｘ，Ｉｙを大きくすることができる。そして、内実部を形成するための一区画の容積が大きくなったとしても、内実部形成用の吐出口１２４の内径Ｄは大きく設定されているため、短時間で溶融樹脂を充填することができる。なお、内実部形成用の吐出ノズル１２３の先端部には、図１１で説明したエア抜きのための溝１１０を形成するのが望ましいが、骨格部形成用の吐出ノズル１２１には溝１１０は設けなくともよい。
【００７１】
［制御ブロック］
第二の実施形態の装置の制御ブロックは、図３に示した第一の実施形態の制御ブロックと概ね同様である。
【００７２】
ただし、施形態においては、骨格部形成用と内実部形成用の専用ノズルを有するため、吐出ノズルの制御系は２系統備えている。また、骨格部形成用と内実部形成用のノズルサイズが異なるため、コンピュータ３１が実行する骨格部モデルと内実部モデルを構築するためのプログラムは、第一の実施形態とは異なるものを採用している。
【００７３】
［三次元造形プロセス］
第二の実施形態の三次元造形プロセスは、図４のフローチャートで説明した第一の実施形態の三次元造形プロセスと概ね同様である。
【００７４】
ただし、工程Ｓ２で骨格部モデルを作成する際の隔壁の幅ｗは、骨格部形成用の吐出ノズル１２１によって一走査で形成可能な線幅の整数倍に設定される。
【００７５】
また、内実部モデルを作成する際の区画の大きさＩｘ，Ｉｙは、内実部形成用の吐出ノズル１２３の先端面の直径Ｂｗよりも小さく、内実部形成用の吐出口１２４の内径Ｄと等しいか、やや大きく設定される。内実部形成用ノズルの先端で骨格部を構成する隔壁に蓋をして、溶融樹脂を適宜の圧力で充填するためである。
【００７６】
また、第一の実施形態では、たとえば図５（ａ）の三次元造形物を形成する際に、造形物の４つの側面は、骨格部モデルに含まれた外殻部として形成したが、底面と上面は骨格部と内実部が混在する面として形成していた。これに対して、第二の実施形態は、工程Ｓ２において、側面だけでなく底面と上面も外殻部として含む骨格部モデルを作成し、工程Ｓ５において底面と上面も骨格部形成用の吐出ノズル１２１によって形成する点で異なる。
【００７７】
また、工程Ｓ４で作成される造形命令セットは、第二の実施形態においては、２系統の吐出ノズルを適宜使い分ける命令セットとなる。すなわち、骨格部の形成時は骨格部形成用の吐出ノズルを駆動し、内実部の形成時は内実部形成用の吐出ノズルを駆動する命令セットとなる点で、第一の実施形態とは異なる。
【００７８】
工程Ｓ５では、骨格部を骨格部形成用の吐出ノズル１２１によって形成し、工程Ｓ６では、内実部を内実部形成用の吐出ノズル１２３によって形成する。
【００７９】
工程Ｓ６において、内実部を形成している途中の状態を、図１３（ａ）の斜視図、（ｂ）の一部断面図に示す。
【００８０】
本実施形態では、底面も骨格部として形成するため、図１３（ｂ）に示すように、ステージ６と接する底面層と、その上の４層分を合わせた５層分の骨格部８０が、吐出口が小さな骨格部形成用の吐出ノズルを用いて形成されている。そして、内実部形成用の吐出ノズル１２３を用いて、４層分の骨格部の隔壁で区画された空間に、順次溶融樹脂を充填させ、内実部９０を形成している。内実部形成用の吐出ノズル１２３の先端面の直径Ｂｗと吐出口１２４の径は、骨格部形成用の吐出ノズル１２１よりも大きいので、実施形態１と比較して大きなサイズの区画に充填できることが、同図から明らかである。
【００８１】
以下、第一の実施形態と同様に、三次元造形物を構成する全層の積層が完了するまで、Ｓ５ないしＳ７を繰り返す。ただし、本実施形態では、三次元造形物の上面に相当する最上層は、骨格部に含まれる外殻として、骨格部形成用の吐出ノズル１２１で形成する。
【００８２】
本実施形態によれば、たとえば図１３において、内実部９０は、４層を順次形成するのではなく、一回の充填で一体として形成されるので、層間の境目がなく強固である。しかも、内実部９０は、骨格部８０の凹部１０１にも確実に充填されているため、内実部９０と骨格部８０はアンカー効果を発揮して互いに相手を拘束する。このため、本実施形態による三次元造形物は、従来の一層ずつ平面パターンを積層して形成した三次元造形物と比較して、はるかに大きな強度を有する構造体であると言える。しかも、吐出口が小さな吐出ノズルを使って、すべての外面を骨格部の一部として形成してあるため、形状精度も従来の方式と比較して何ら遜色がないと言える。
【００８３】
さらに、本実施形態によれば、骨格部と内実部をそれぞれ専用の吐出ヘッドを用いて形成する装置構成としたことにより、骨格部と内実部のモデル形状の設計自由度が拡大する。
【００８４】
内実部形成用の吐出ヘッドの先端面の面積を大きくすることにより、内実部を形成するための一区画のサイズを大きくしても確実に蓋をすることができる。また、区画サイズが大きくなれば、内実部形成用の吐出口のサイズを大きくできるため、溶融樹脂の流量を大きくすることができ、造形に要する時間を短縮することができる。
【００８５】
また、加圧充填のためのエア抜き溝は、内実部形成用の吐出ヘッドだけに設ければよく、骨格部形成用の吐出ヘッドには設ける必要がない。このため、骨格部形成用の吐出ヘッドにおいて吐出する溶融樹脂は、エア抜き溝の影響を一切受けないため、三次元造形物の外形の形状精度を高く保つことができる。
【００８６】
以上、第一の実施形態と第二の実施形態について説明したが、本発明の実施形態はこれらに限られるものではない。
【００８７】
たとえば、上記実施形態では、骨格部の幅ｗは、吐出ノズルによって一走査で形成可能な線幅と等しく設定したが、線幅の整数倍とすることが可能である。幅ｗを大きくすれば、隔壁としての強度が増加するうえ、内実部を形成する際に吐出ヘッドで蓋をする際の接触面積を大きくでき密封性が向上するため、内実部を充填する際の溶融樹脂の圧力を大きくすることができる。また、三次元造形物の外表面になる外殻部と、内実部を区切る隔壁の部分とで、互いに幅ｗを異ならせてもよい。
【００８８】
また、第一の実施形態と第二の実施形態を適宜組み合わせることも可能で、たとえば、第一の実施形態の装置を用いて、第二の実施形態のように三次元造形物の底面と上面も含めて骨格部として形成しても構わない。逆に、第二の実施形態の装置を用いて、第一の実施形態のように、三次元造形物の底面と上面は、骨格部と内実部を混在する形態で造形しても構わない。
【００８９】
また、隔壁によって規定される内実部となる空間の形態は、上記実施形態では、ＩｘとＩｙを辺とする矩形の底面を有し、高さがＩｚの直方体または立方体の空間としたが、必ずしもこれに限る必要はない。要は、内実部を形成する際に、吐出ヘッドの先端面形状との関係で、溶融樹脂が他の区画にはみ出さないように蓋をできる区画形状にできればよい。造形しようとする三次元造形物の形状によっては、直方体の内実部を規則的に配置するだけでは、幾何学的に構成することが困難な場合もあるので、たとえば三角柱や六角中のような多角柱の形状をした内実部を形成してもよい。
【００９０】
また、吐出ヘッドの吐出口形状は、上記実施例のように円形に限られるものではなく、たとえば、正方形などの多角形形状を採用することも可能である。
【００９１】
また、第二の実施形態のように、骨格部形成用の吐出ヘッドと、内実部形成用の吐出ヘッドを別体で設ける場合には、ヘッド構造を異なるものにするだけでなく、使用する熱可塑性樹脂を互いに異なるものとしてもよい。たとえば、骨格用と内実部形成用で、異なる色の樹脂を用いてもよく、また、骨格用と内実部形成用で固化した際の弾性係数が異なる樹脂を用いてもよい。
【００９２】
［実施例１］
以下に、具体的に三次元造形物を造形した例として、実施例１乃至実施例４と、参考のための比較例１、比較例２を説明する。
【００９３】
実施例１乃至実施例４と、比較例１、比較例２は、いずれも円形で開口径が０．５ｍｍの吐出口を備えた吐出ヘッドを用いて、図５（ａ）に示した直方体形状の樹脂部品を作成した。樹脂部品の具体的形状は、ＬＸ＝８０ｍｍ、ＬＹ＝１０ｍｍ、ＬＺ＝２ｍｍ、である。
【００９４】
実施例１乃至実施例４では、骨格部を構成する隔壁の幅ｗを０．５ｍｍ、骨格部の1層の厚さtを０．４ｍｍ、連続して積層する骨格部の総数を５層、内実部の形状はＩｘ、Ｉｙ、Ｉｚの順に０．５ｍｍ、０．５ｍｍ、２．０ｍｍとした。そして、第一の実施形態で説明した三次元造形方法を用いて、樹脂部品を形成した。
【００９５】
比較例１と比較例２は、骨格部と内実部を分けたりせずに、特許文献１に記載されたように、下から順に一層ずつ平面パターンを積層して三次元造形物を形成する方法で樹脂部品を作成した。
【００９６】
実施例１乃至実施例４と、比較例１、比較例２について、樹脂部品を造形した際の造形条件と、曲げ弾性率をまとめて、表１に示す。
【００９７】
【表１】
2018086829.tif 000003
【００９８】
表１に示すように、実施例１、実施例３、実施例４、比較例１は、熱可塑性樹脂としてＡＢＳすなわちアクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体を用いた。また、実施例２と比較例２は、ＰＣ／ＡＢＳすなわちポリカーボネートとＡＢＳのポリマーアロイを用いた。各材料は、直径が１．７５ｍｍのフィラメントタイプに加工したものを用い、図１の造形装置を使用した。ノズルのヒータ温度は摂氏２３０度に制御し、吐出口の大きさはΦ０．５ｍｍの大きさのものを使用した。
【００９９】
実施例１と実施例２は、内実部を形成する際に、ノズル先端が骨格部の隔壁に接触するように位置制御するが、隔壁に対する接触圧力は印加しなかった。また、内実部を形成する際に、溶融樹脂に注入圧力を加圧せずに造形を実施した。
【０１００】
これに対して、実施例３では、隔壁に対するノズル先端の接触圧力と、溶融樹脂の注入圧力とが、共に３ＭＰａになるように制御して造形した。
【０１０１】
実施例４では、隔壁に対するノズル先端の接触圧力を３ＭＰａ付加し、溶融樹脂の注入圧力を５ＭＰａ付加して造形した。
【０１０２】
造形した部材の強度を評価するため、曲げ弾性率の測定を行った。測定は株式会社島津製作所製の卓上形精密万能試験機を用い実施した。
【０１０３】
表１に示すように実施例１及至実施例４の樹脂部材は、比較例１と比較例２の樹脂部材と比べて、高い曲げ弾性率が確保されていた。
【０１０４】
また、同じＡＢＳ材料を用いながら、注入圧力を付加しなかった実施例１に比べて、注入圧力を付加した実施例３と実施例４の方が、曲げ弾性率の数値が向上しており、高い構造強度を達成した。これは、注入圧力と接触圧力を付加したことにより、骨格部の凹部の隅々にまで内実部の樹脂が入り込み、構造体としての強度が向上したと考えられる。
【０１０５】
尚、実施例４は、実施例３よりも高い注入圧力を印加したにもかかわらず、実施例３と曲げ弾性率にほとんど差がなかったが、ひとつには、骨格部の凹部に充填するのには、３ＭＰａで、すでに十分であったことが考えられる。ただし、実施例４では、接触圧力よりも注入圧力が上回っていたため、吐出ヘッドと隔壁の接触部から若干の樹脂の流出が発生した可能性もあり、高い注入圧力が実効的に付加されず実施例３の曲げ弾性率と差がなかったとも考えられる。したがって、骨格部の隔壁の幅ｗをより大きくして、隔壁の構造強度を強化した上で、接触圧力を５ＭＰａまで上げれば、蓋としての密閉性が向上し、注入圧力を５ＭＰａにすれば、さらに強度を向上させられる可能性がある。すなわち、蓋としての密閉性を確保するために、接触圧力は、隔壁を変形させない程度に抑制する必要はあるものの、溶融樹脂の漏れを防止するためには、接触圧力は注入圧力以上であることが望ましい。
【０１０６】
以上、表１に示したように、比較例に対し、本発明の熱溶融積層造形法を用いて製造された造形物は、高い構造強度を有することが確認された。尚、実施例と比較例の部品の形状は、開口径が同一の吐出ノズルを用いているため、ほぼ同一の形状精度であった。
【０１０７】
［実施例２］
第二の実施形態で説明した三次元造形方法にもとづいて、樹脂部品を造形した実施例５、実施例６を説明する。
【０１０８】
実施例５、実施例６は、図１２に示した三次元造形装置を用いて、図５（ａ）に示した直方体形状の樹脂部品を作成した。樹脂部品の具体的形状は、ＬＸ＝８０ｍｍ、ＬＹ＝１０ｍｍ、ＬＺ＝２ｍｍ、である。
【０１０９】
実施例５、実施例６では、骨格部を構成する隔壁の幅ｗを０．５ｍｍ、骨格部の1層の厚さtを０．４ｍｍ、連続して積層する骨格部の総数を５層、内実部の形状はＩｘ、Ｉｙ、Ｉｚの順に１．５ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍとした。
【０１１０】
実施例５、実施例６について、樹脂部品を造形した際の造形条件と、曲げ弾性率をまとめて、表２に示す。
【０１１１】
【表２】
2018086829.tif 000004
【０１１２】
実施例５、実施例６は、ともに熱可塑性樹脂として、ＡＢＳすなわちアクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体を用いた。材料は、直径が１．７５ｍｍのフィラメントタイプに加工したものを用いた。
【０１１３】
実施例５、実施例６では、表２における第一のノズルと第二のノズルを、それぞれ骨格部形成用ノズルと内実部形成用ノズルとして用いた。第一のノズルも、第二のノズルも、内蔵するヒータの温度は摂氏２３０度に制御した。
【０１１４】
実施例５では、第一のノズルとして、吐出口がΦ０．５ｍｍの円形のものを使用し、第二のノズルとして、吐出口がΦ１．５ｍｍの円形のものを使用した。
【０１１５】
実施例６では、第一のノズルとして、吐出口がΦ０．５ｍｍの円形のものを使用し、第二のノズルとして、吐出口が１．５ｍｍ×１．５ｍｍの正方形形状のものを使用した。
【０１１６】
実施例５と実施例６では、内実部を形成する際の吐出ヘッドの骨格部に対する接触圧力と、溶融樹脂の注入圧力として、共に３ＭＰａを付加して造形した。
【０１１７】
表２に示すように、実施例５と実施例６の樹脂部品は、同じ樹脂材料を用いて造形した比較例１の樹脂部品と比べて、大きな曲げ弾性率を有しており、高い構造強度を達成していた。
【０１１８】
また、実施例５と実施例６では、内実部の一区画のサイズを大きくし、大きな吐出口を備えた吐出ヘッドで区画を充填して内実部を形成したため、実施例１乃至実施例４と比較して、三次元造形に要する時間を短縮することが可能であった。
【０１１９】
［第三の実施形態］
本発明の第三の実施形態に係る三次元造形装置の構成と、三次元造形方法を順に説明する。
【０１２０】
［装置構成］
図１４は、本発明の第三の実施形態にかかる三次元造形装置を、模式的に示す斜視図である。
【０１２１】
２０１は造形材、２０２は材料導入部、２０３は加熱部、２０４は吐出ノズル、２０５は吐出口、２０６は吐出ヘッド、２０７は温度センサ、２０８は赤外温度センサ、２０９は溶融樹脂、２１０はリール、２１１はステージ、２１２は振動子である。また、２１３はステージ移動装置、２１４は吐出ヘッド移動装置、２１５は制御部、２１６はコンピュータ、２１７は三次元造形物である。
【０１２２】
造形材２０１は、三次元造形に用いる原材料である。本実施形態では、熱可塑性樹脂をフィラメントに成形したものを用いるが、ペレットや粉末等の他の形体の材料を用いることもできる。
【０１２３】
造形材２０１として用いるフィラメントは、たとえば、断面形状が円形で、直径が１．５〜３．０ｍｍで、長さが１０〜１０００ｍのものが、好適である。造形材２０１は、リール２１０に巻き取られて収納されている。リール２１０を図中矢印の方向に回転することにより、造形材２０１を材料導入部２０２に供給することができる。
【０１２４】
また、本実施形態で用いられ得る熱可塑性樹脂は、例えば、ＰＣ（ポリカーボネート）樹脂、ＡＢＳ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体）樹脂、ＰＣ／ＡＢＳポリマーアロイがある。さらには、ＰＬＡ（ポリ乳酸）樹脂、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）樹脂、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）樹脂、およびこれらを改質した樹脂等が挙げられる。
【０１２５】
吐出ヘッド２０６は、造形材２０１である熱可塑性樹脂を加熱して溶融し、その粘度を制御しつつ柱状の溶融樹脂２０９として吐出させるヘッドである。吐出ヘッド２０６は、材料導入部２０２、加熱部２０３、吐出ノズル２０４、吐出口２０５、温度センサ２０７を含んでいる。
【０１２６】
材料導入部は、造形材を吐出ヘッドに導入する部分であるが、その構成の一例を図２に示す。図２において、２１と２２はローラである。造形材１は、ローラ２１とローラ２２に挟持されており、各ローラが図中矢印の方向に回転することにより、リール２１０からフィラメントを引込み、加熱部２０３に送り込むことができる。制御部２１５がローラの回転速度を制御することで、加熱部２０３への造形材の供給量を調整することができる。
【０１２７】
加熱部２０３は、材料導入部２０２から供給される熱可塑性樹脂を加熱して溶融させる。加熱部２０３は、不図示のヒータを備えており、ヒータの発熱量を制御することで、溶融した樹脂の温度を調整することができる。後述するように、溶融した樹脂の粘度は温度に依存して変化するため、溶融した樹脂の温度を調整することにより、その粘度を制御することができる。
【０１２８】
溶融状態となった熱可塑性樹脂は、後続の材料に押出されることにより、吐出ノズル２０４に送り込まれる。吐出ノズル２０４は、所定形状の吐出口２０５と、温度センサ２０７を備えている。溶融状態となった熱可塑性樹脂は、吐出口２０５から溶融樹脂２０９として、図中のＺ方向に対して逆方向に吐出される。
【０１２９】
なお、吐出口２０５の開口は、たとえば円形にすればよいが、吐出する熱可塑性樹脂の粘度によって開口の大きさや形状を変更できるように、開口形状可変機構を設けるのが望ましい。
【０１３０】
吐出口２０５から吐出された溶融樹脂２０９は、柱状の粘性流体として、鉛直方向すなわちステージ２１１の方向に進行する。三次元造形物２１７の第一層目を形成するステップでは、溶融樹脂２０９はステージ２１１の表面に着接するが、第二層目以降を形成する場合には、すでに積層された下層の表面に着接する。どちらの場合であっても、溶融樹脂２０９は、着接した後に温度がガラス転移点（Ｔｇ）以下に降下し、固化する。
【０１３１】
温度センサ２０７は、吐出する熱可塑性樹脂の温度を計測するためのセンサで、吐出ノズル２０４の内部で、吐出口２０５の近傍に設置されている。
【０１３２】
また、赤外温度センサ２０８は、吐出された直後の溶融樹脂２０９の温度を非接触で計測するためのセンサで、吐出ノズル２０４の外部で、吐出口２０５の近傍に設置されている。
【０１３３】
温度センサ２０７および赤外温度センサ２０８は、温度を計測して制御部２１５に伝達するが、後述するように、計測結果は、溶融樹脂２０９の粘度を制御するために参照される。
【０１３４】
本実施形態では、溶融樹脂２０９の粘度の制御の信頼性を高くするため、温度センサ２０７と赤外温度センサ２０８を用いたが、必ずしも両者が必要であるとは限らず、いずれか一方だけで足りる場合もある。
【０１３５】
ステージ２１１は、三次元造形物を支持するための基台で、振動子２１２が付設されている。振動子２１２は、後述するように、低粘度の溶融樹脂を吐出させて造形する時に、ステージ２１１を振動させるための振動子で、たとえば超音波を発振可能な超音波振動子を用いるが、それ以外のデバイスであってもよい。
【０１３６】
ステージ移動装置２１３は、ステージ２１１をＸＹＺの３方向に移動させるための機構であり、制御部２１５の制御の下で動作する。
【０１３７】
吐出ヘッド移動装置２１４は、吐出ヘッド２０６をＸＹＺの３方向に移動させるための機構であり、制御部２１５の制御の下で動作する。
【０１３８】
尚、三次元造形物を形成する際に、一層を造形するには、吐出ヘッド２０６とステージ２１１は、相対的にＺ方向の距離を一定にして、ＸＹ面内で相対的に走査する動作を行う。また、次の層を形成するには、吐出ヘッド２０６とステージ２１１は、相対的にＺ方向の距離を一層分増加させてから、ＸＹ面内で相対的に走査する動作を行う。例えば、円筒形状の三次元造形物２１７を造形する場合、溶融樹脂２０９を吐出させながら、吐出ヘッド２０６かステージ２１１のいずれか一方にＸＹ平面内での円運動をさせる。そして、積層数が増加するにしたがって、両者のＺ方向の距離が、しだいに大きくなるような運動をさせることになる。
【０１３９】
本実施形態では、ステージ移動装置２１３と吐出ヘッド移動装置２１４の両方ともＸＹＺの３方向に移動動作可能な機構としたが、上記の動作を行うには必ずしも両方共が３方向に移動動作可能である必要はない。したがって、たとえばステージ移動装置２１３をＸＹの２方向に移動させる機構とし、吐出ヘッド移動装置２１４をＺ方向に移動させる機構としてもよい。あるいは、ＸＹＺの３方向に移動動作可能な機構として、ステージ移動装置２１３か吐出ヘッド移動装置２１４のいずれか一方を設け、他方を設けないようにすることも可能である。
【０１４０】
制御部２１５は、三次元造形装置の各部の動作を制御するための制御回路である。制御部２１５は、ＣＰＵ、制御プログラムや制御用数値テーブルを記憶した不揮発性メモリであるＲＯＭ、演算等に使用する揮発性メモリであるＲＡＭ、装置外や装置内各部と通信するためのＩ／Ｏポート、等を備えている。なお、ＲＯＭには、三次元造形装置の基本動作を制御するためのプログラム、および、各種熱可塑性樹脂についての温度に対する粘度の情報が記憶されている。
【０１４１】
コンピュータ２１６は、記憶装置、演算装置および入出力装置を備えた電子計算機で、三次元形状編集ソフトウェアを実行可能である。コンピュータ２１６は、造形しようとする三次元モデル情報に基づき、吐出ヘッドで形成するのに適した多層モデルを構築し、各層を順次形成するための指示を制御部２１５に対して発することができる。
【０１４２】
コンピュータ２１６は、三次元造形装置に内蔵されたコンピュータであってもよいし、ネットワーク等を介して三次元造形装置と接続可能な外部コンピュータであってもよい。
【０１４３】
［制御ブロック］
図１５に示すのは、装置各部の制御線の接続関係を示す簡易ブロック図である。２０７は温度センサ、２０８は赤外温度センサ、２１３はステージ移動装置、２１４は吐出ヘッド移動装置、２１５は制御部、２１６はコンピュータ、２３１はローラ駆動部、２３２はヒータ駆動部、２３３は振動子駆動部である。
【０１４４】
温度センサ２０７、赤外温度センサ２０８、ステージ移動装置２１３、吐出ヘッド移動装置２１４、制御部２１５、コンピュータ２１６については、すでに説明した通りである。
【０１４５】
ローラ駆動部２３１は、吐出ヘッド２０６の材料導入部２に内蔵されたローラ２２１およびローラ２２２を駆動する回路で、制御部２１５からの駆動指令を受信する回路や、ローラ駆動用モータを動かすドライバ回路等を備えている。
【０１４６】
ヒータ駆動部２３２は、吐出ヘッド２０６の加熱部２０３に内蔵されたヒータを駆動する回路で、ヒータ用電源や、通電制御回路、制御部２１５からの加熱指令を受信する回路等を備えている。
【０１４７】
振動子駆動部２３３は、ステージ２１１に付設された振動子２１２を駆動する回路で、圧電素子にパルス電圧を供給する発振回路や、制御部２１５からの振動指令を受信する回路等を備えている。
【０１４８】
［三次元造形プロセス］
次に、本実施形態の三次元造形プロセスについて、順を追って説明する。図１６は、本実施形態の三次元造形プロセスの工程順を示すフローチャートである。
【０１４９】
まず、工程Ｓ１１では、造形する三次元モデルの三次元形状データを、コンピュータ２１６に格納する。三次元形状データは、コンピュータ２１６が作成したものであってもよいし、ＣＡＤや三次元形状計測装置が作成したデータを、ネットワークや記憶媒体を介して入力したものであってもよい。三次元形状データ形式は、ＳＴＥＰ形式、Ｐａｒａｓｏｌｉｄ形式、ＳＴＬ形式などが用いられるが、三次元形状をデジタルデータとして表現できるものであれば、その種類は限定されない。
【０１５０】
次に、工程Ｓ１２乃至Ｓ１３では、複数の層を積層して三次元モデルを形成するときに用いる各層の形状データを、三次元形状データに基づいて、コンピュータ２１６が作成する。
【０１５１】
工程Ｓ１２では、コンピュータ２１６は、内蔵する演算装置と三次元形状編集ソフトウェアを用いて、本実施形態の三次元造形装置で積層可能な一層の厚みで三次元モデル形状を分割した１次分割モデルを作成する。
【０１５２】
たとえば、図１７（ａ）に示すように、造形しようとする三次元モデルが直方体２５０であった場合、三次元造形装置で積層可能な一層の厚みｔで分割する。説明の便宜のため、ここではＮ個の層に分割したものとし、下から順に２５０−１層、２５０−２層、・・、２５０−Ｎ層と呼ぶことにする。
【０１５３】
工程Ｓ１３では、コンピュータ２１６は、１次分割モデルの２５０−１層〜２５０−Ｎ層の各層について、三次元造形物の表面を含む部分と、表面を含む部分に内接する領域とに分割した２次分割モデルを作成する。尚、説明の便宜上、三次元造形物の表面を含む部分を外殻部と呼び、表面を構成する部分に内接する領域を内実部と呼ぶ場合もある。
【０１５４】
たとえば、１次分割モデルの２層目である２５０−２層についてみれば、層の中で外周部は三次元モデルの外側表面を構成するが、それ以外の部分は三次元モデルの表面を構成するわけではない。そこで、図１７（ｂ）に示すように、コンピュータ２１６は２５０−２層を２５０−２Ａ層と２５０−２Ｂ層に分割する。
【０１５５】
ここで、２５０−２Ａ層は、三次元モデルの側面つまり外殻部を構成する部分であり、２５０−２層の外周部分である。２５０−２Ａ層の幅ｗは、高粘度の熱可塑性樹脂で描画し得る線幅もしくはその整数倍であり、外殻部の厚さに相当する。また、２５０−２Ｂ層は、三次元モデルの外側表面を含む部分である２５０−２Ａ層を２５０−２層から除外した領域であり、言葉を変えれば、２５０−２Ａ層と接触する領域である内実部である。
【０１５６】
工程Ｓ１４では、コンピュータ２１６は、工程Ｓ１３で作成した２次分割モデルを参照しながら、三次元造形装置が三次元モデルを造形するために必要な命令セットを作成し、制御部２１５に送信する。尚、コンピュータ２１６が２次分割モデルを制御部２１５に送信し、制御部２１５が造形するために必要な命令セットを作成する構成としてもよい。
【０１５７】
命令セットは、１層目からＮ層目までを積層する手順を含むが、先に、三次元造形物の表面を構成する部分を粘度の高い熱可塑性樹脂で形成し、その後、表面を構成する部分に内接する領域を粘度の低い熱可塑性樹脂で形成する命令として構成される。たとえば、１次分割モデルの２層目である２５０−２層を形成する命令セットは、まず三次元モデルの外側表面を構成する部分である２５０−２Ａ層を形成し、その後、２５０−２Ａ層と接触する領域である２５０−２Ｂ層を形成するように構成される。
【０１５８】
次に、工程Ｓ１５では、制御部２１５は命令セットに従い装置各部を動作させ、たとえば、図１８（ａ）に示すように、三次元造形物の表面を構成する部分を、粘度の高い熱可塑性樹脂で形成する。
【０１５９】
制御部２１５は、ローラ駆動部２３１を駆動させて適量の未溶融の熱可塑性樹脂フィラメントを加熱部２０３に供給する。制御部２１５は、ヒータ駆動部２３２を駆動させ、熱可塑性樹脂フィラメントを加熱して溶融させる。その際に、温度センサ２０７の計測値を参照し、熱可塑性樹脂の粘度が１１００Ｐａ・Ｓ以上で３０００Ｐａ・Ｓ以下の範囲内に入るように、ヒータ駆動部２３２をフィードバック制御する。制御部２１５は、熱可塑性樹脂の温度に対する粘度の情報をあらかじめ記憶しており、温度センサ２０７の計測値に基づいてヒータ駆動部２３２の駆動をフィードバック制御することにより、熱可塑性樹脂の温度を制御して所望の粘度に調整することが可能である。
【０１６０】
制御部２１５は、吐出ヘッド２０６とステージ２１１を相対的に移動させ、図１８（ａ）に示すように、１１００Ｐａ・Ｓ以上で３０００Ｐａ・Ｓ以下の粘度を有する熱可塑性樹脂で、外殻部を形成する。熱可塑性樹脂の粘度が高めに設定されているため、吐出ヘッド２０６を相対的に走査してパターンを描画する際に、パターンがだれることは少なく、高い形状精度が確保される。熱可塑性樹脂を吐出口２０５から吐出する間、赤外温度センサ２０８で吐出した直後の熱可塑性樹脂の温度を計測してヒータ駆動にフィードバックすることにより、制御部２１５は、高い精度で粘度の制御を行うことが可能である。
【０１６１】
図１８（ａ）に示すように、三次元モデルの外側表面を構成する部分について高粘度の熱可塑性樹脂でパターンを形成したら、制御部２１５は、吐出ヘッド２０６からの吐出を一旦停止させる。
【０１６２】
次に、工程Ｓ１６では、制御部２１５は命令セットに従い装置各部を動作させ、たとえば、図１９（ａ）に示すように、三次元造形物の表面を構成する部分と接触する領域を、粘度の低い熱可塑性樹脂で形成する。三次元造形物の表面を構成する部分は、すでに工程Ｓ１５で形成されているので、それに囲まれた領域に、５００Ｐａ・Ｓ以上で１０００Ｐａ・Ｓ以下の粘度を有する熱可塑性樹脂を付与し、内実部を形成する。
【０１６３】
制御部２１５は、ローラ駆動部２３１を駆動させて適量の未溶融の熱可塑性樹脂フィラメントを加熱部２０３に供給する。低粘度の熱可塑性樹脂は、高粘度の熱可塑性樹脂に比べて単位時間当たりの吐出量を多くすることが可能なので、工程Ｓ１６の方が工程Ｓ１５よりもフィラメントの供給速度を高くすることが可能である。制御部２１５は、ヒータ駆動部２３２を駆動させ、熱可塑性樹脂フィラメントを加熱して溶融させる。その際に、温度センサ２０７の計測値を参照し、熱可塑性樹脂の粘度が５００Ｐａ・Ｓ以上で１０００Ｐａ・Ｓ以下の範囲内に入るように、ヒータ駆動部２３２をフィードバック制御する。
【０１６４】
制御部２１５は、吐出ヘッド２０６とステージ２１１を相対的に移動させ、図１９（ａ）に示すように、５００Ｐａ・Ｓ以上で１０００Ｐａ・Ｓ以下の粘度を有する熱可塑性樹脂でパターンを形成する。熱可塑性樹脂の粘度が低めに設定されているため、吐出ヘッド２０６を相対的に走査してパターンを描画する際に、下地に凹凸があったとしても熱可塑性樹脂が入り込みやすく、隙間を生じさせることが極めて少ない。また、粘度が低めに設定されていると、上面の平坦性が高い層が形成されるため、この層の上に更に上層を形成するときに平坦性の高い下地となることができる。このため、層の間の密着性が極めて高く、構造的に強靭な三次元造形物を形成することができる。
【０１６５】
熱可塑性樹脂を吐出口２０５から吐出する間、赤外温度センサ２０８で吐出した直後の熱可塑性樹脂の温度を計測してヒータ駆動にフィードバックすることにより、制御部２１５は、高い精度で粘度の制御を行うことが可能である。尚、温度センサ２０７および赤外温度センサ２０８のいずれも用いないで、ヒータの電力制御のみで樹脂の粘度を変更することも可能ではあるが、その場合には、投入電力と樹脂粘度の関係をあらかじめ制御部に記憶させておく必要がある。尚、熱可塑性樹脂は、一般には温度が高いほど粘度が低下するので、三次元造形物の表面となる部分を形成する工程における熱可塑性樹脂の温度は、三次元造形物の内実部を形成する工程における熱可塑性樹脂の温度よりも低い。
【０１６６】
さらに、本実施形態では、５００Ｐａ・Ｓ以上で１０００Ｐａ・Ｓ以下の粘度を有する熱可塑性樹脂でパターンを形成する際に、ステージ２１１に付設された振動子２１２を駆動する。これにより、ステージを振動させ、熱可塑性樹脂の流動性を向上させ、下地の凹凸への入り込みを促進させている。振動子２１２を過度な振幅で駆動すると、形成中の三次元造形物がステージ２１１から剥離する可能性もあるので、振動子の駆動条件や配置は、適宜調整するのが望ましい。
【０１６７】
図１９（ｂ）に示すように、かかる工程Ｓ１５と工程Ｓ１６により、工程Ｓ１２で作成した１次分割モデルの１層分の三次元造形が完了する。
【０１６８】
工程Ｓ１７では、制御部２１５は、Ｎ層の１次分割モデルの全層の三次元造形が完了したかを判断し、未完了の場合は工程Ｓ１５と工程Ｓ１６を再度行い、完了したら三次元造形を終了する。
【０１６９】
本実施形態によれば、三次元造形物の表面となる部分を、１１００Ｐａ・Ｓ以上で、かつ３０００Ｐａ・Ｓ以下の、高い粘度の熱可塑性樹脂で形成することにより、三次元造形物の外形表面を高い形状精度で造形することが可能である。
【０１７０】
そして、本実施形態によれば、５００Ｐａ・Ｓ以上で、かつ１０００Ｐａ・Ｓ以下の、低い粘度の熱可塑性樹脂で、表面となる部分に内接する領域を形成することにより、下層との間に隙間ができるのを抑制することができる。熱可塑性樹脂の粘度が低めに設定されているため、吐出ヘッド２０６を相対的に走査してパターンを描画する際に、下地に凹凸があったとしても熱可塑性樹脂が入り込みやすく、下層との間に隙間を生じさせることが極めて少ない。また、粘度が低めに設定されていると、上面の平坦性が高い層が形成されるため、この層の上に上層を形成するときに平坦性の高い下地となることができる。このため、層間の密着性が極めて高く、構造的に強靭な三次元造形物を形成することができる。
【０１７１】
本実施形態によれば、あらかじめ高い粘度の熱可塑性樹脂で外形表面となる部分を形成した後、それに囲まれた部分を低い粘度の熱可塑性樹脂で形成するため、低い粘度の熱可塑性樹脂がはみ出すことはなく、高い形状精度を達成できる。また、低い粘度の熱可塑性樹脂は、単位時間あたりの吐出量を大きくすることができるので、三次元造形に要する総時間を短縮することができる。
【０１７２】
また、本実施形態によれば、低い粘度の熱可塑性樹脂を付与する際に、ステージを振動させることにより、熱可塑性樹脂の流動性が高まり、三次元造形物の内実部に隙間ができるのを効果的に抑制することができる。
【０１７３】
［第四の実施形態］
本発明の第四の実施形態に係る三次元造形装置の構成と三次元造形方法を順に説明する。
【０１７４】
第三の実施形態の三次元造形装置では、同一の吐出ヘッドを用いて吐出ヘッドの加熱部の温度を変更することで熱可塑性樹脂の粘度を変更し、高い粘度と低い粘度で順次パターンを形成していた。これに対して、第四の実施形態においては、吐出ヘッドを複数設け、ヘッド毎に異なる粘度の熱可塑性樹脂を吐出するように構成している。
【０１７５】
［装置構成］
図２０は、本発明の第四の実施形態にかかる三次元造形装置を、模式的に示す斜視図である。
【０１７６】
２１１はステージ、２１２は振動子、２１３はステージ移動装置、２１５は制御部、２１６はコンピュータ、２１７は三次元造形物であり、これらについては第三の実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１７７】
本実施形態では、吐出ヘッド２０６Ａと吐出ヘッド２０６Ｂの、２基の吐出ヘッドが設けられている。２０１Ａと２０１Ｂは、各吐出ヘッドに供給されるフィラメント状の造形材であり、リールは図示が省略されている。吐出ヘッド２０６Ａが備える２０２Ａは材料導入部、２０３Ａは加熱部、２０４Ａは吐出ノズル、２０５Ａは吐出口、２０６Ａは吐出ヘッド、２０７Ａは温度センサである。同様に、吐出ヘッド２０６Ｂが備える２０２Ｂは材料導入部、２０３Ｂは加熱部、２０４Ｂは吐出ノズル、２０５Ｂは吐出口、２０６Ｂは吐出ヘッド、２０７Ｂは温度センサである。
【０１７８】
吐出ヘッド２０６Ａは、高い粘度すなわち１１００Ｐａ・Ｓ以上で、かつ３０００Ｐａ・Ｓ以下の粘度で熱可塑性樹脂を吐出口から吐出し、三次元造形物の表面を含む外殻部を形成するための吐出ヘッドである。
【０１７９】
吐出ヘッド２０６Ｂは、低い粘度すなわち５００Ｐａ・Ｓ以上で、かつ１０００Ｐａ・Ｓ以下の粘度で吐出口から吐出し、三次元造形物の内実部を形成するための吐出ヘッドである。
【０１８０】
吐出ヘッド２０６Ａと吐出ヘッド２０６Ｂは、制御部２１５により互いに独立に制御され、吐出ヘッド移動装置２１４Ａと吐出ヘッド移動装置２１４Ｂにより、互いに独立に移動可能である。
【０１８１】
［制御ブロック］
第三の実施形態では、図１５に示したように、１基の吐出ヘッドを制御するために、温度センサ２０７、ローラ駆動部２３１、ヒータ駆動部２３２、吐出ヘッド移動装置２１４が制御部２１５と接続されていた。本実施形態においては、図示を省略するが、制御部２１５は、吐出ヘッド２０６Ａと吐出ヘッド２０６Ｂそれぞれが備える温度センサ、ローラ駆動部、ヒータ駆動部、吐出ヘッド移動装置と接続され、吐出ヘッド２０６Ａと吐出ヘッド２０６Ｂを独立に制御する。
【０１８２】
［三次元造形プロセス］
本実施形態においても、図１６のフローチャートにしたがって、三次元造形プロセスを実行する。ただし、第三の実施形態の三次元形成装置においては、工程Ｓ１５と工程Ｓ１６を実行する際に、単一の吐出ヘッドで加熱部２０３の温度を変更することで熱可塑性樹脂の粘度を制御していた。このため、高い粘度と低い粘度を交互に切り替えて外殻部と内実部を交互に形成する際に、粘度の変更と安定化に時間がかかる場合があった。
【０１８３】
これに対して、本実施形態の装置では、吐出ヘッド２０６Ａの加熱部は、高い粘度すなわち１１００Ｐａ・Ｓ以上で、かつ３０００Ｐａ・Ｓ以下になるよう、常に熱可塑性樹脂の温度を制御している。同様に、吐出ヘッド２０６Ｂは、低い粘度すなわち５００Ｐａ・Ｓ以上で、かつ１０００Ｐａ・Ｓ以下になるよう、常に熱可塑性樹脂の温度を制御している。
【０１８４】
したがって、吐出ヘッド２０６Ａと吐出ヘッド２０６Ｂを備える本実施形態の装置では、外殻部と内実部を交互に形成する際に、吐出ヘッドを切替えて使用することにより、粘度を変更するための待ち時間が不要となり、次々と層を形成することが可能である。
【０１８５】
また、本実施形態では、外殻部と内実部を別種の熱可塑性樹脂で形成することも可能であり、たとえば外殻部と内実部を異なる色や光沢を有する材料で形成することも可能である。
【０１８６】
本実施形態においても第三の実施形態と同様に、三次元造形物の表面となる部分を、１１００Ｐａ・Ｓ以上で、かつ３０００Ｐａ・Ｓ以下の高い粘度の熱可塑性樹脂で形成することにより、三次元造形物の外形表面を高い形状精度で造形することが可能である。
【０１８７】
そして、本実施形態においても、５００Ｐａ・Ｓ以上で、かつ１０００Ｐａ・Ｓ以下の低い粘度の熱可塑性樹脂で、表面となる部分に内接する領域を形成することにより、下層との間に隙間ができるのを抑制することができる。熱可塑性樹脂の粘度が低めに設定されているため、吐出ヘッド２０６を相対的に走査して内実部を形成する際に、下地に凹凸があったとしても熱可塑性樹脂が入り込みやすく、下層との間に隙間を生じさせることが極めて少ない。また、粘度が低めに設定されていると、上面の平坦性が高い層が形成されるため、この層の上に更に上層を形成するときに平坦性の高い下地となることができる。このため、層間の密着性が極めて高く、構造的に強靭な三次元造形物を形成することができる。
【０１８８】
本実施形態においても、あらかじめ高い粘度の熱可塑性樹脂で外形表面となる部分を形成した後、それに囲まれた部分を低い粘度の熱可塑性樹脂で形成するため、低い粘度の熱可塑性樹脂がはみ出すことはなく、高い形状精度を達成できる。また、低い粘度の熱可塑性樹脂は、単位時間あたりの吐出量を大きくすることができるので、三次元造形に要する総時間を短縮することができる。
【０１８９】
また、本実施形態においても、低い粘度の熱可塑性樹脂を付与する際に、ステージを振動させることにより、熱可塑性樹脂の流動性が高まり、三次元造形物の内実部に隙間ができるのを効果的に抑制することができる。
【０１９０】
尚、図２０では２基の吐出ヘッドを備えた装置を示したが、装置が備える吐出ヘッドの数はこれに限られたものではなく、より多数の吐出ヘッドを備えた三次元造形装置であってもよい。
【０１９１】
［第五の実施形態］
第三の実施形態および第四の実施形態では、図１８と図１９で説明したように、１次分割モデルの下層から上層に向かって、各層毎に外殻部を形成し、続いて内実部を形成した。
【０１９２】
これに対して、第五の実施形態は、三次元造形物の表面を含む部分、つまり外殻部を複数層積層してから、表面を含む部分に内接する領域、つまり内実部を形成する点が異なる。
【０１９３】
尚、本実施形態においても、三次元造形物の外殻部は１１００Ｐａ・Ｓ以上かつ３０００Ｐａ・Ｓ以下の粘度の熱可塑性樹脂で形成する。また、内実部は５００Ｐａ・Ｓ以上かつ１０００Ｐａ・Ｓ以下の粘度の熱可塑性樹脂で形成する。以下、第三の実施形態および第四の実施形態と比較しながら、違いを説明する。
【０１９４】
図２１（ａ）は第三の実施形態および第四の実施形態で説明した形成手順を例示する断面図で、図２１（ｂ）は第五の実施形態の形成手順を例示する断面図である。
【０１９５】
図２１（ａ）では、ステージ２１１上に、１層目の外殻部２５０−１Ａ、１層目の内実部２５０−１Ｂ、２層目の外殻部２５０−２Ａの順に形成が完了しており、２層目の内実部である２５０−２Ｂを吐出ヘッド２０６が形成している状況を示している。すでに説明したように、内実部は外殻部と比較して低粘度の熱可塑性樹脂で形成するため、下地との境界部Ｇに隙間ができるのを抑制できる。また、低粘度の熱可塑性樹脂で形成するため、上面Ｕの平坦性が向上する。振動子１２を用いてステージ２１１を適度な強度で振動させることにより、これらの効果は、強調される。
【０１９６】
一方、図２１（ｂ）では、ステージ２１１上に、１層目の外殻部２５０−１Ａ、２層目の外殻部２５０−２Ａの順に形成が完了した後、２層分の内実部を吐出ヘッド２０６が形成している状況を示している。本実施形態においては、内実部の２５０−１Ｂと２５０−２Ｂを別途形成するのではなく、同時に形成するので、２層の間に隙間が生じるようなことはない。本実施形態においても、内実部は外殻部と比較して低粘度の熱可塑性樹脂で形成するため、上面の平坦性が向上する。そして、内実部は、３層目以上も低粘度の熱可塑性樹脂で形成するため、層の境界に隙間ができるのを抑制できる。
【０１９７】
尚、以上に説明した第五の実施形態の形成手順は、図１４に示した単一の吐出ヘッドを備えた装置でも、図２０に示した複数の吐出ヘッドを備えた装置でも、実施することが可能である。ただし、２層分の内実部を短時間に形成するため、低粘度の熱可塑性樹脂を吐出する際の吐出ヘッドの吐出口形状は、高粘度の熱可塑性樹脂を吐出して外殻部を形成する際の吐出口形状と比較して、面積を大きくすることが望ましい。
【０１９８】
尚、図２１（ｂ）の例では、外殻部を２層形成してから、２層分の内実部を一度に形成したが、層数はこの例に限られたものではなく、たとえば外殻部を３層形成してから、内実部を形成してもよい。
【０１９９】
また、本実施形態においても、低粘度の熱可塑性樹脂で内実部を形成する際に、振動子を用いてステージを適度な強度で振動させることは、有効である。
【０２００】
［第六の実施形態］
三次元造形物の外側表面のうち、高粘度の熱可塑性樹脂で形成するのは、側面だけでもよいが、形状精度を確保する上では、上下の表面も高粘度の熱可塑性樹脂で形成するのが好ましい。
【０２０１】
第六の実施形態では、三次元造形物の全ての外側表面を、高粘度の熱可塑性樹脂で形成する。
【０２０２】
図２２（ａ）に示すのは、三次元造形モデルの一例で、図１６のフローチャートの工程Ｓ１２で、三次元造形モデルを３００−１，３００−２，３００−３，３００−４，３００−５の５つの１次分割モデルに分割する時の分割面を、点線で示している。
【０２０３】
そして、図２２（ｂ）は、工程Ｓ１３で形成した８個の２次分割モデルを示している。図中、番号の末尾にＡが付いているのは、三次元造形物の表面を含む部分、すなわち外殻部を構成する層で、１１００Ｐａ・Ｓ以上で３０００Ｐａ・Ｓ以下の粘度の熱可塑性樹脂で形成する部分である。また、番号の末尾にＢが付いているのは、三次元造形物の表面を含む部分に内接する領域、すなわち内実部を構成する層で、５００Ｐａ・Ｓ以上で１０００Ｐａ・Ｓ以下の粘度を有する熱可塑性樹脂で形成する部分である。
【０２０４】
３００−１Ａ，３００−２Ａ，３００−２Ｂ，３００−３Ａ，３００−３Ｂ，３００−４Ａ，３００−４Ｂ，３００−５Ａの順番で、層を積層し、三次元造形物を形成する。
【０２０５】
造形は、第三の実施形態で説明した図１４の三次元造形装置でも、第四の実施形態で説明した図２０の三次元造形装置でも、あるいはそれ以外の装置で行っても差し支えない。
【０２０６】
本実施形態によれば、三次元造形物の側面だけでなく、底面および上面の一方または両方を１１００Ｐａ・Ｓ以上で３０００Ｐａ・Ｓ以下の、高い粘度の熱可塑性樹脂で形成する。このため、外形形状の精度を高くすることができ、各表面の状態にばらつきが少なく均一な外観とすることができる。
【０２０７】
［実施例７］
図１４の三次元造形装置を使用して、造形した実施例を説明する。
【０２０８】
造形材２０１の材料として、ＡＢＳ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体）樹脂である、ユーエムジー・エービーエス株式会社製の３００１Ｍを用いた。
【０２０９】
前記材料を、不図示の株式会社プラスチック工学研究所製の単軸押出機ＵＴ−２５−ＴＬを用い、スクリュー回転数が５０ｒｐｍ、シリンダ温度が１９３℃、樹脂圧力が７．９ＭＰａにて、円形断面（φ１．７５ｍｍ）、長さ約１００ｍのフィラメントに成形した。
【０２１０】
図１４に示すコンピュータ２１６は、日本電気株式会社製のＰＣ−ＭＹ３０ＸＥＺＥ３を用いた。そして、前記コンピュータ上で用いる三次元形状編集ソフトウェアは、ＫＩＳＳｌｉｃｅｒ  Ｖｅｒ．１．１．０を、制御ソフトウェアは、ＡＲＤＵＩＮＯ  Ｖｅｒ．１．０．６を用いた。
【０２１１】
図１４に示す温度センサ２０７には、理化工業株式会社製の高温対応バイヨネット型シース熱電対であるＴ−２１２ＳＨを用いた。
【０２１２】
図２３に本実施例で作成する三次元モデル３１０の形状を示す。なお、三次元モデル３１０の形状は、ＪＩＳ  Ｋ  ７１７１「プラスチック−曲げ特性の求め方」における、「６．１．２  推奨試験片」に記載の形状（長さ：８０．０±２．０ｍｍ、幅：１０．０±０．２ｍｍ、厚さ：４．０±０．２ｍｍ）と同一である。
【０２１３】
まず、実施例７においては、使用するＡＢＳ樹脂の温度（℃）と粘度（Ｐａ・Ｓ）の関係を求めた。測定方法は、ＪＩＳ  Ｋ  ７１９９「プラスチック−キャピラリーレオメータ及びスリットダイレオメータによるプラスチックの流れ特性試験方法」に準拠して行った。なお、測定時のせん断速度は、１００［１／ｓ］とした。測定結果を図２４に示す。
【０２１４】
次に図１４の三次元造形装置を使用して、図２３に示す三次元モデル３１０の造形を行った。外殻部及び内実部を、熱可塑性樹脂の粘度の組み合わせを変えて形成し、三次元造形物の強度を確認した。
【０２１５】
外殻部及び内実部を造形する樹脂の粘度は、図２４に示したＡＢＳ樹脂の材料温度（℃）と粘度（Ｐａ・Ｓ）の関係から設定し、温度センサ２０７および赤外温度センサ２０８で溶融樹脂２０９の温度を測定し、加熱部２０３をフィードバック制御した。
【０２１６】
設定値を表３に示す。
【０２１７】
【表３】
2018086829.tif 000005
【０２１８】
三次元モデル３１０は高さ４．０ｍｍを１６層に分割し、単位層の高さを０．２５ｍｍとした。吐出口２０５の径を調節し、外殻部を造形する際は、押出して積層した樹脂が、高さ０．２５ｍｍ、幅０．５ｍｍとなるように設定した。
【０２１９】
まず溶融樹脂２０９の粘度が１１００Ｐａ・Ｓになるように加熱部２０３の温度を調節し、８０ｍｍ×１０ｍｍの外殻部を造形した。次に加熱部２０３の温度を上げて、溶融樹脂２０９の粘度が５００Ｐａ・Ｓとなるように調節し、外殻部の内側に内実部を形成した。内実部の形成は、押出した溶融樹脂２０９がつづら折り状に隙間なく造形され、外殻部の枠内を充填させて単位層を形成するよう吐出ヘッドを相対走査した。引き続き、再び溶融樹脂２０９の粘度が１１００Ｐａ・Ｓになるように加熱部２０３の温度を下げて調節し、前記外殻部に重ねて２層目の外殻部を造形した。次に再び加熱部２０３の温度を上げて、溶融樹脂２０９の粘度が５００Ｐａ・Ｓとなるように調節し、外殻部の内側に内実部をつづら折り状に造形し、枠内を充填させ２層目の単位層を形成した。
【０２２０】
以下同様にして単位層を１６層目まで積層し、三次元造形物を得た。得られた三次元造形物は、図２３に示す寸法公差を満たしていた。
【０２２１】
また、曲げ弾性率の測定は、ＪＩＳ  Ｋ  ７１７１「プラスチック−曲げ特性の求め方」に準拠し、試験機には、株式会社島津製作所製卓上形精密万能試験機、オートグラフＡＧＳ−Ｘを用いた。
【０２２２】
以下同様にして、外殻部を造形する粘度と内実部を造形する粘度を変更しながら三次元造形物を形成し、形状精度と強度が確保される条件を求めた。得られた結果を表４に示す。
【０２２３】
【表４】
2018086829.tif 000006
【０２２４】
表４において、粘度の単位はＰａ・Ｓで、表中の数値は曲げ弾性率（ＧＰａ）を示している。また「Ｆ」は、外形形状が乱れて寸法公差を満たしていない、または角部の曲率半径が大きくて寸法公差を満たしていない等の形状不良を示している。
【０２２５】
外殻部粘度が１０００Ｐａ・Ｓの場合、流動性が大きいため外殻部形状が崩れて、寸法公差から外れた。また外殻部粘度が３５００Ｐａ・Ｓの場合、流動性が小さいため角部形状を正確に造形できず、寸法公差から外れた。
【０２２６】
内実部粘度が、５００〜１０００Ｐａ・Ｓの範囲では、曲げ弾性率は１．６９〜１．８７ＧＰａと安定しているが、４００Ｐａ・Ｓでは樹脂温度が高すぎるために樹脂の熱劣化が顕著になり、曲げ弾性率は１．３５ＧＰａ以下に低下した。また内実部粘度が１１００Ｐａ・Ｓでは流動性が低下して隙間が発生し、曲げ弾性率は１．２３ＧＰａ以下に低下した。
【０２２７】
以上のように、三次元造形物の外殻部を造形する樹脂材料の押出し時粘度が１１００Ｐａ・Ｓ以上３０００Ｐａ・Ｓ以下で、内実部を造形する樹脂材料の押し出し時粘度が５００Ｐａ・Ｓ以上１０００Ｐａ・Ｓ以下の場合に、好適な結果が得られた。
【０２２８】
［実施例８］
図２１（ｂ）を用いて説明した第五の実施形態の実施例を説明する。
実施例７と同じ三次元造形装置を使用し、同じ素材を用いた。使用する樹脂の材料温度（℃）と粘度（Ｐａ・Ｓ）の関係は、表３を使用した。
【０２２９】
三次元モデル３１０は高さ４．０ｍｍを１６層に分割し、単位層の高さを０．２５ｍｍとした。吐出口５の径を調節し、外殻部を造形する際は、押し出して積層した樹脂が、高さ０．２５ｍｍ、幅０．５ｍｍとなるように設定した。
【０２３０】
まず溶融樹脂２０９の粘度が１１００Ｐａ・Ｓになるように加熱部２０３の温度を調節し、８０ｍｍ×１０ｍｍの外殻部を造形した。続けて前記外殻部の上に重ねて２層目の外殻部を造形した。次に加熱部２０３の温度を上げて、溶融樹脂２０９の粘度が５００Ｐａ・Ｓとなるように調節し、２層積んだ外殻部の内側に２層分の内実部を連続して造形した。該内実部の造形は、押出した溶融樹脂２０９がつづら折り状に隙間なく造形され、外殻部の枠内を充填するよう吐出ヘッドを相対走査させた。
【０２３１】
引き続き、再び溶融樹脂２０９の粘度が１１００Ｐａ・Ｓになるように加熱部２０３の温度を下げて調節し、前記外殻部に重ねて３層目と４層目の外殻部を造形した。次に再び加熱部２０３の温度を上げて、溶融樹脂２０９の粘度が５００Ｐａ・Ｓとなるように調節し、外殻部の内側に２層分の内実部を連続してつづら折り状に造形し、枠内を充填させた。以下同様にして最上層まで積層し、三次元造形物を得た。得られた三次元造形物は、図２３に示す寸法公差を満たしていた。
【０２３２】
外殻部及び内実部を、熱可塑性樹脂の粘度の組み合わせを変えて形成し、三次元造形物の形状精度と強度を確認した。尚、曲げ弾性率の測定は、実施例７と同様の方法で行った。得られた結果を表５に示す。
【０２３３】
【表５】
2018086829.tif 000007
【０２３４】
表５において、粘度の単位はＰａ・Ｓで、表中の数値は曲げ弾性率（ＧＰａ）を示している。また「Ｆ」は、外形形状が乱れて寸法公差を満たしていないか、または角部の曲率半径が大きくて寸法公差を満たしていない等の形状不良を示している。
【０２３５】
実施例８も実施例７と同様に、外殻部を造形する樹脂材料の押し出し時粘度が１１００Ｐａ・Ｓ以上３０００Ｐａ・Ｓ以下であり、内実部を造形する樹脂材料の押し出し時粘度が５００Ｐａ・Ｓ以上１０００Ｐａ・Ｓ以下の場合に、好適な結果が得られた。
【０２３６】
［実施例９］
図２２（ａ）、図２２（ｂ）を用いて説明した第六の実施形態の実施例を説明する。
【０２３７】
実施例７と同じ三次元造形装置を使用し、同じ素材を用いた。使用する樹脂の材料温度（℃）と粘度（Ｐａ・Ｓ）の関係は、表３を使用した。
【０２３８】
実施例７と同じ三次元モデルを形成したが、実施例７と異なり、第１層目と第１６層目は、粘度が１１００Ｐａ・Ｓになるように加熱部２０３の温度を調節して形成した。２層目から１５層目までは、実施例７と同じ条件で形成した。
【０２３９】
得られた三次元造形物は、図２３に示す寸法公差を満たしていた。また得られた三次元造形物は、どの外表面も同じ表面状態を有し、均一な外観を有していた。
【０２４０】
［実施例１０］
実施例１０は、外殻部内側に内実部をつづら折り状に造形する際に、振動子２１２によりステージ２１１を振動させた点が、実施例７と相違する。振動子２１２の振動条件は、振幅２ｍｍ、周波数２０Ｈｚ及び２４０Ｈｚとした。その他の条件は実施例７と共通である。
【０２４１】
周波数２０Ｈｚの場合の結果を表６、周波数２４０Ｈｚの場合の結果を表７に示す。表において、粘度の単位はＰａ・Ｓで、表中の数値は曲げ弾性率（ＧＰａ）を示している。また「Ｆ」は、外形形状が乱れて寸法公差を満たしていないか、または角部の曲率半径が大きくて寸法公差を満たしていない等の形状不良を示している。
【０２４２】
【表６】
2018086829.tif 000008
【０２４３】
【表７】
2018086829.tif 000009
【０２４４】
内実部を形成する熱可塑性樹脂の粘度が５００〜１０００Ｐａ・Ｓの範囲では、周波数２０Ｈｚの場合及び２４０Ｈｚの場合、ともに実施例７に比べて曲げ弾性率が上昇した。振動によって、樹脂の充填性が向上したと考えられる。しかし内実部粘度が４００Ｐａ・Ｓの場合、樹脂の熱劣化が顕著になるため、効果が見られなかった。また内実部を形成する熱可塑性樹脂の粘度が１１００Ｐａ・Ｓの場合、流動性が低く、振動の効果が見られなかった。
【０２４５】
周波数が２０Ｈｚ、２４０Ｈｚのとき内実部を形成する熱可塑性樹脂の粘度が、５００〜１０００Ｐａ・Ｓの範囲で曲げ弾性率は夫々、１．８３〜１．９０ＧＰａ、１．８４〜１．９５ＧＰａとなり安定していた。特に内実部を形成する熱可塑性樹脂の粘度が、９００〜１０００Ｐａ・Ｓの範囲で、曲げ弾性率の顕著な向上が見られた。一方、内実部を形成する熱可塑性樹脂の粘度が、４００Ｐａ・Ｓと１１００Ｐａ・Ｓの時は、振動による効果が見られなかった。
【０２４６】
［実施例１１］
実施例１０における振動子２１２の振動条件を、振幅を０．５〜６ｍｍの範囲で変更して造形を行った。周波数２０Ｈｚ、外殻部を形成する樹脂の粘度は２０００Ｐａ・Ｓとし、内実部を形成する樹脂の粘度は４００〜１１００Ｐａ・Ｓとした。
【０２４７】
得られた結果を表８に示す。表において、粘度の単位はＰａ・Ｓで、表中の数値は曲げ弾性率（ＧＰａ）を示している。また「Ｆ」は、外形形状が乱れて寸法公差を満たしていないか、または角部の曲率半径が大きくて寸法公差を満たしていない等の形状不良を示している。また、「Ｓ」は、造形物がステージから剥離したことを示している。
【０２４８】
振幅が０．５ｍｍ〜５ｍｍの範囲において、実施例７に比べて曲げ弾性率が同等または増加しているが、振幅が６ｍｍの時は、造形物がステージ２１１から剥離した。
【０２４９】
【表８】
2018086829.tif 000010
【０２５０】
［実施例１２］
実施例１２では、実施例７とは異なる熱可塑性樹脂を用い、図２０の三次元造形装置を使用して三次元造形物を形成した。実施例１２では、熱可塑性樹脂として、ＰＣ／ＡＢＳポリマーアロイであるバイエル社製Ｔ６５を用いた。
【０２５１】
前記素材を、不図示の株式会社プラスチック工学研究所製の単軸押出機ＵＴ−２５−ＴＬを用い、スクリュー回転数が５０ｒｐｍ、シリンダ温度が２１２℃、樹脂圧力が５．１ＭＰａにて、円形断面（φ１．７５ｍｍ）、長さ約１００ｍのフィラメントに成形した。
【０２５２】
実施例１２においても、使用するＡＢＳ樹脂の材料温度（℃）と粘度（Ｐａ・Ｓ）の関係を求めた。測定方法は、ＪＩＳ  Ｋ  ７１９９「プラスチック−キャピラリーレオメータ及びスリットダイレオメータによるプラスチックの流れ特性試験方法」に準拠して取得した。なお、測定時のせん断速度は、１００［１／ｓ］とした。測定結果を図２５に示す。
【０２５３】
次に図２０の三次元造形装置を使用して、図２３に示す三次元モデル３１０の造形を行った。吐出ヘッド２０６Ａを使用して外殻部を造形し、吐出ヘッド２０６Ｂを使用して内実部を造形した。三次元造形モデルの形状は、実施例７と同様である。
【０２５４】
外殻部及び内実部を、熱可塑性樹脂の粘度の組み合わせを変えて形成し、三次元造形物の形状精度と強度を確認した。
【０２５５】
外殻部及び内実部を造形する樹脂の粘度は、図２５に示した樹脂ＰＣ／ＡＢＳの材料温度（℃）と粘度（Ｐａ・Ｓ）の関係から設定した。温度センサ２０７Ａ、温度センサ２０７Ｂで各々の吐出ヘッドの溶融樹脂の温度を測定し、加熱部２０３Ａと加熱部２０３Ｂをフィードバック制御した。設定値を表９に示す。
【０２５６】
【表９】
2018086829.tif 000011
【０２５７】
三次元モデル３１０は高さ４．０ｍｍを１６層に分割し、単位層の高さを０．２５ｍｍとした。吐出口２０５Ａの径を調節し、外殻部を造形する際は、押し出して積層した樹脂が、高さ０．２５ｍｍ、幅０．５ｍｍとなるように設定した。
【０２５８】
まず溶融樹脂の粘度が１１００Ｐａ・Ｓになるように加熱部２０３Ａの温度を調節した吐出ヘッド２０６Ａで、８０ｍｍ×１０ｍｍの外殻部を造形した。次に、溶融樹脂の粘度が５００Ｐａ・Ｓとなるように加熱部２０３Ｂの温度を調節した吐出ヘッド２０６Ｂで、外殻部の内側に内実部をつづら折り状に造形し、枠内を充填させ単位層を形成した。
【０２５９】
以下同様にして単位層を１６層まで積層し、三次元造形物を得た。得られた三次元造形物は、図２３に示す寸法公差を満たしていた。曲げ弾性率の測定は、実施例７と同様の方法で行った。
【０２６０】
そして、外殻部を造形する粘度と内実部を造形する粘度を変更しながら三次元造形物を形成して、形状精度と強度が確保される条件を求めた。得られた結果を表１０に示す。
【０２６１】
【表１０】
2018086829.tif 000012
【０２６２】
表１０において、粘度の単位はＰａ・Ｓで、表中の数値は曲げ弾性率（ＧＰａ）を示している。また「Ｆ」は、外形形状が乱れて寸法公差を満たしていない、または角部の曲率半径が大きくて寸法公差を満たしていない等の形状不良を示している。
【０２６３】
表１０の結果から、外殻部を形成する熱可塑性樹脂の粘度が１０００Ｐａ・Ｓの場合、流動性が大きいため外殻部形状が崩れて、寸法公差から外れた。また外殻部を形成する熱可塑性樹脂の粘度が３５００Ｐａ・Ｓの場合、流動性が小さいため角部形状を正確に造形できず、寸法公差から外れた。
【０２６４】
内実部を形成する熱可塑性樹脂の粘度が、５００〜１０００Ｐａ・Ｓの範囲では、曲げ弾性率は２．０６〜２．２５ＧＰａであった。４００Ｐａ・Ｓでは樹脂温度が高すぎるために樹脂の熱劣化が顕著になり、曲げ弾性率は１．６ＧＰａ前後に低下した。また内実部を形成する熱可塑性樹脂の粘度が１１００Ｐａ・Ｓでは、流動性が低下して隙間が発生し、曲げ弾性率は１．５ＧＰａ前後に低下した。
【０２６５】
［実施例１３］
前記実施例１２の改良事例を、実施例１３として説明する。実施例１３では、外殻部の内側に内実部をつづら折り状に造形する際に、振動子２１２によりステージ２１１を振動させた。振動子２１２の振動条件は、振幅２ｍｍ、周波数２０Ｈｚ及び２４０Ｈｚとした。その他の条件は実施例１２と共通とした。
【０２６６】
周波数２０Ｈｚの場合の結果を表１１、周波数２４０Ｈｚの場合の結果を表１２に示す。
【０２６７】
【表１１】
2018086829.tif 000013
【０２６８】
【表１２】
2018086829.tif 000014
【０２６９】
表１１および表１２において、数値は曲げ弾性率（ＧＰａ）を示している。また「Ｆ」は、外形形状が乱れて寸法公差を満たしていない、または角部の曲率半径が大きくて寸法公差を満たしていない等の形状不良を示している。
【０２７０】
表１１および表１２の結果から、いずれの場合でも外殻部を形成する熱可塑性樹脂の粘度が１０００Ｐａ・Ｓの場合、流動性が大きいため外殻部形状が崩れて、寸法公差から外れた。また外殻部を形成する熱可塑性樹脂の粘度が３５００Ｐａ・Ｓの場合、流動性が小さいため角部形状を正確に造形できず、寸法公差から外れた。
【０２７１】
内実部を形成する熱可塑性樹脂の粘度が、５００〜１０００Ｐａ・Ｓの範囲では、振動子２１２の振動が２０Ｈｚの場合は、２．２０〜２．２６ＧＰａであった。振動子２１２の振動が２４０Ｈｚの場合は、２．２０〜２．２７ＧＰａであった。４００Ｐａ・Ｓでは樹脂温度が高すぎるために樹脂の熱劣化が顕著になり、曲げ弾性率は１．６ＧＰａ前後に低下した。また内実部を形成する熱可塑性樹脂の粘度が１１００Ｐａ・Ｓでは流動性が低下して隙間が発生し、曲げ弾性率は１．５ＧＰａ前後に低下した。
【０２７２】
振動子２１２の振動の周波数が２０Ｈｚ、２４０Ｈｚともに特に内実部を形成する熱可塑性樹脂の粘度が、９００〜１０００Ｐａ・Ｓの範囲で曲げ弾性率の顕著な向上が見られた。
【０２７３】
一方、内実部を形成する熱可塑性樹脂の粘度が、４００Ｐａ・Ｓと１１００Ｐａ・Ｓの時は、振動による効果が見られなかった。
【０２７４】
［実施例１４］
実施例１４として、図２０の三次元造形装置を用い、吐出ヘッド２０６Ａと吐出ヘッド２０６Ｂに別種の熱可塑性樹脂を供給し、三次元造形を行った例を示す。
【０２７５】
造形材２０１Ａには、ＰＣ／ＡＢＳポリマーアロイであるバイエル社製Ｔ６５を、造形材１Ｂには、ＡＢＳ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体）樹脂であるユーエムジー・エービーエス株式会社製３００１Ｍを使用して三次元造形を行った。
【０２７６】
まず、造形材２０１Ａの粘度が１１００Ｐａ・Ｓになるように、加熱部２０３Ａの温度を調節した吐出ヘッド２０６Ａで、８０ｍｍ×１０ｍｍの外殻部を造形した。次に、造形材２０１Ｂの粘度が５００Ｐａ・Ｓとなるように加熱部２０３Ｂの温度を調節した吐出ヘッド２０６Ｂで、外殻部の内側に内実部をつづら折り状に造形し、枠内を充填させ単位層を形成した。
【０２７７】
引き続き、同様にして単位層を最上層まで積層し、三次元造形物を得た。得られた三次元造形物は、図１６に示す寸法公差を満たしていた。
【０２７８】
そして、外殻部を造形する粘度と内実部を造形する粘度を変更しながら三次元造形物を形成して、形状精度と強度が確保される条件を求めた。得られた結果を表１３に示す。
【０２７９】
【表１３】
2018086829.tif 000015
【０２８０】
表１３において、数値は曲げ弾性率（ＧＰａ）を示している。また「Ｆ」は、外形形状が乱れて寸法公差を満たしていない、または角部の曲率半径が大きくて寸法公差を満たしていない等の形状不良を示している。
【０２８１】
表１３の結果から、いずれの場合でも外殻部粘度が１０００Ｐａ・Ｓの場合、流動性が大きいため外殻部形状が崩れて、寸法公差から外れた。また外殻部粘度が３５００Ｐａ・Ｓの場合、流動性が小さいため角部形状を正確に造形できず、寸法公差から外れた。
【０２８２】
内実部粘度が、５００〜１０００Ｐａ・Ｓの範囲では、曲げ弾性率は１．８０〜１．９５ＧＰａであった。４００Ｐａ・Ｓでは樹脂温度が高すぎるために樹脂の熱劣化が顕著になり、曲げ弾性率は１．４ＧＰａ前後に低下した。また内実部粘度が１１００Ｐａ・Ｓでは流動性が低下して隙間が発生し、曲げ弾性率は１．３ＧＰａ前後に低下した。
【０２８３】
以上の実施例が示すように、三次元造形物の外殻部を形成する樹脂材料の吐出時の粘度が１１００Ｐａ・Ｓ以上３０００Ｐａ・Ｓ以下であり、内実部を形成する樹脂材料の吐出時の粘度が５００Ｐａ・Ｓ以上１０００Ｐａ・Ｓ以下であることが好適である。
【０２８４】
また、内実部を造形する際に造形ステージを振動させることが望ましい。振動の振幅は、形成する造形物に応じて適切な大きさを設定するのが望ましい。
【０２８５】
また、外殻部を複数層形成してから内実部を形成する工程を繰り返しても、同様の結果が得られた。
【０２８６】
吐出時の粘度が１１００Ｐａ・Ｓ以上３０００Ｐａ・Ｓ以下の熱可塑性樹脂で、三次元造形物の全表面を形成すれば、均一な外観の造形物が得られるという利点がある。
【０２８７】
また、吐出ヘッドを複数設けて異なる粘度の樹脂を吐出できるようにすれば、粘度を変更するために樹脂の温度を変更する必要が無くなり、単一の吐出ヘッドを用いる場合と比較して、造形に要する時間が短縮された。また、２系統から別々の材料を吐出することにより、外殻部と内実部を異なる材料で形成することが可能である。
【符号の説明】
【０２８８】
１・・・造形材／２・・・材料導入部／３・・・加熱供給部／４・・・吐出ノズル／５・・・吐出口／６・・・ステージ／７・・・Ｘ移動機構／８・・・Ｙ移動機構／９・・・Ｚ移動機構／３０・・・制御部／３１・・・コンピュータ／５０・・・骨格部モデル／６０・・・内実部モデル／８０・・・骨格部／９０・・・内実部／１１０・・・エア抜き溝／１２１・・・骨格部形成用の吐出ノズル／１２３・・・内実部形成用の吐出ノズル／２０１・・・造形材／２０２・・・材料導入部／２０３・・・加熱部／２０５・・・吐出口／２０６・・・吐出ヘッド／２０７・・・温度センサ／２０９・・・溶融樹脂／２１１・・・ステージ／２１２・・・振動子／２１３・・・ステージ移動装置／２１４・・・吐出ヘッド移動装置／２１５・・・制御部／２１６・・・コンピュータ／２１７・・・三次元造形物
【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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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