(57)【要約】【課題】造形する三次元造形物の形状に制限されることなく、造形材料を無駄にパージするのを抑制できる三次元造形装置を提供する。【解決手段】三次元造形装置１は、流動化させた造形材料を造形ヘッド１１０のノズル１１１から吐出して造形物９０を造形する。また、造形ヘッド１１０から吐出された造形材料を回収するパージ装置５０を備えている。パージ装置５０は、造形材料が付着するパージ用ローラ５２ａの外周面上等に形成される被着面５１と、被着面５１を移動するステッピングモータ５３等からなる移動手段とを有している。そして、ノズル１１１から造形材料を吐出しながら、ノズル１１１から吐出された造形材料が被着面５１に付着した状態でステッピングモータ５３等からなる移動手段により被着面５１を移動する。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動化させた造形材料を造形ヘッドのノズルから吐出して三次元造形物を造形する三次元造形装置において、
前記造形ヘッドから吐出された前記造形材料を回収するパージ装置を備え、
前記パージ装置は、前記造形材料が付着する被着面と、該被着面を移動する被着面移動手段とを有し、
前記ノズルから前記造形材料を吐出しながら、前記ノズルから吐出された前記造形材料が前記被着面に付着した状態で前記被着面移動手段により前記被着面を移動することを特徴とする三次元造形装置。
【請求項２】
請求項１に記載の三次元造形装置において、
前記被着面を前記被着面移動手段により移動するとき、前記被着面に付着した前記造形材料と前記造形ヘッドの内部の前記造形材料とが繋がっていることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の三次元造形装置において、
前記パージ装置は、回転体を有し、
前記被着面は、前記回転体の表面であり、
前記被着面移動手段は、前記回転体を回転させることで前記被着面を移動することを特徴とする三次元造形装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の三次元造形装置において、
前記パージ装置は、回転体と、前記回転体によって移動されるベルト又はリボンとを備え、
前記被着面は、前記ベルト又は前記リボンの表面であり、
前記被着面移動手段は、前記回転体を回転させることで前記被着面を移動することを特徴とする三次元造形装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一に記載の三次元造形装置において、
前記造形ヘッドに供給される造形材料の供給速度に連動させて、前記被着面移動手段による前記被着面の移動速度を制御することを特徴とする三次元造形装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一に記載の三次元造形装置において、
前記造形ヘッドの前記ノズルの先端位置と、前記パージ装置の前記被着面との距離を前記造形材料の厚みに合わせて調節する調整手段を有することを特徴とする三次元造形装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一に記載の三次元造形装置において、
前記パージ装置の前記被着面の温度を所定温度に加熱する加熱手段を有することを特徴とする三次元造形装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一に記載の三次元造形装置において、
前記パージ装置の前記被着面の材質が、少なくともポリエーテルサルフォン、ポリサルフォン、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンサルファィド、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトンの１つから選ばれる有機高分子材料であることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一に記載の三次元造形装置において、
前記パージ装置の前記被着面に付着した造形材料を除去する除去手段を有することを特徴とする三次元造形装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか一に記載の三次元造形装置において、
前記被着面移動手段による前記被着面の移動方向と直交する方向に前記造形ヘッドを移動させる移動手段を有することを特徴とする三次元造形装置。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか一に記載の三次元造形装置において、
前記造形ヘッドに造形材料を送り込んで供給する送り機構と、
前記送り機構による前記造形ヘッドへの造形材料の供給速度と、前記パージ装置による前記被着面の移動速度とを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記造形材料を吐出する動作を終了するときに、前記送り機構により前記造形ヘッドに造形材料を送り込んで供給する送り方向とは逆方向に、前記造形ヘッドの内部の前記造形材料を移動させることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項１２】
流動化させた造形材料を造形ヘッドのノズルから吐出して三次元造形物を造形する三次元造形装置に用いられ、前記造形ヘッドの内部から吐出された造形材料を回収するパージ装置において、
前記造形材料が付着する被着面と、該被着面を移動する被着面移動手段とを有し、前記造形材料が付着した状態の前記被着面を前記被着面移動手段により移動することで、前記造形材料の回収が行われることを特徴とするパージ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元造形装置及びパージ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、溶融させる等して流動化させた造形材料を造形ヘッドのノズルから吐出して三次元造形物を造形するとともに、造形ヘッドの内部から、造形材料をパージして回収する三次元造形装置が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、三次元造形物とは別に、造形材料を造形ヘッドのノズルから三次元造形物を載置するステージ等の載置部上に所定の順路に従って吐出してパージタワーの層を形成することが記載されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、パージタワーを形成する従来の構成では、パージする吐出量がパージタワーの層を形成する順路（ノズルを移動させる順路）の初期の設定によって決定される。ノズルを移動させる順路は、造形する三次元造形物の形状によって制限されるため、造形する三次元造形物の形状によっては、パージする造形材料や造形ヘッドに応じた適切な吐出量を吐出できる順路に設定できない場合がある。この場合、無駄に多くの造形材料を吐出するような順路に設定せざるを得ない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、流動化させた造形材料を造形ヘッドのノズルから吐出して三次元造形物を造形する三次元造形装置において、前記造形ヘッドから吐出された前記造形材料を回収するパージ装置を備え、前記パージ装置は、前記造形材料が付着する被着面と、該被着面を移動する被着面移動手段とを有し、前記ノズルから前記造形材料を吐出しながら、前記ノズルから吐出された前記造形材料が前記被着面に付着した状態で前記被着面移動手段により前記被着面を移動することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、造形する三次元造形物の形状に制限されることなく、造形材料を無駄にパージするのを抑制できる三次元造形装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】一実施形態における三次元造形装置の概略構成を示すブロック図。
【図２】一実施形態における三次元造形装置の構成を模式的に示す説明図。
【図３】一実施形態における三次元造形装置の内部に設けられるチャンバーの外観を示す斜視図。
【図４】一実施形態における三次元造形装置の前方部分を切断して除外した状態の斜視図。
【図５】一実施形態の三次元造形装置の制御ブロック図。
【図６】一本実施形態における予熱処理及び造形処理の流れを示すフローチャート。
【図７】一実施形態における造形ヘッドの先端部分を模式的に示す斜視図。
【図８】１つのノズルに対応する造形ヘッドの部分断面説明図。
【図９】ノズル清掃部の概要説明図。
【図１０】ヘッド先端部クリーニング装置の具体例の説明図。
【図１１】パージ装置の動作の概略説明図。
【図１２】パージ装置の被着面をパージ用ローラの外周面に形成した場合の、被着面を加熱する加熱手段、及び被着面クリーニング機構の説明図。
【図１３】パージ装置を用いて行うパージ処理のフロー図。
【図１４】ノズルへの吐出された造形材料の付着の説明図。
【図１５】パージ装置の変形例の説明図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
【０００９】
［全体説明］
図１は、本実施形態における三次元造形装置１の概略構成を示すブロック図である。
本実施形態の三次元造形装置１は、主に、材料供給部１００、三次元造形部２００、駆動部３００、制御部４００、ノズル清掃部２４０を有する。三次元造形装置１においては、制御部４００の制御の下、駆動部３００により各部を駆動し、材料供給部１００から供給される造形材料を用いて三次元造形部２００で三次元造形物を造形する。
【００１０】
［材料供給部］
材料供給部１００は、少なくとも、造形ヘッド１１０に造形材料であるフィラメントを供給するフィラメント供給部１２０を備えている。フィラメントは、細長いワイヤー形状の固体であり、巻き回された状態で三次元造形装置１にセットされており、フィラメント供給部１２０により造形ヘッド１１０へ供給される。
【００１１】
［三次元造形部］
三次元造形部２００は、少なくとも、造形ヘッド１１０、載置部２１０、チャンバー２２０、及び加熱部２３０から構成される。三次元造形部２００におけるチャンバー２２０の内部は、三次元造形物を造形するための処理空間となっている。フィラメント供給部１２０により供給されたフィラメントは、造形ヘッド１１０で加熱溶融され、固体状態のフィラメントが後方より挿入されることにより溶融状態の造形材料が造形ヘッド１１０先端のノズル１１１から押し出されるようにして吐出（吐き出）される。
【００１２】
なお、造形ヘッド１１０上のノズル１１１から吐出される造形材料には、三次元造形物を構成する造形材料（モデル材）だけではなく、最終的に造形したい三次元造形物を構成しないサポート材も含まれる。このサポート材は、通常、造形したい三次元造形物を構成する造形材料とは異なる造形材料で形成され、最終的には造形材料（モデル材）で形成された、造形したい三次元造形物から除去される。このサポート材も、造形ヘッド１１０で加熱溶融され、固体状態のサポート材のフィラメントが後方より挿入されることにより溶融状態の造形材料がノズル１１１から押し出されるようにして吐出される。造形ヘッド１１０から吐出される溶融状態の造形材料は、加熱部２３０によって加熱されたチャンバー２２０の内部で、載置部２１０のステージ上に供給され、層状に順次積層される。
【００１３】
［駆動部］
駆動部３００は、少なくとも、Ｘ軸駆動機構３１０、Ｙ軸駆動機構３２０、Ｚ軸駆動機構３３０から構成される。駆動部３００は、これらの駆動機構３１０，３２０，３３０により、三次元造形部２００における造形ヘッド１１０と、載置部２１０のステージ２１１とを相対的に移動させる。これにより、造形ヘッド１１０から吐出される溶融状態の造形材料をステージ２１１上の目標位置へ供給する。
【００１４】
［ノズル清掃部］
ノズル清掃部２４０は、制御部４００の吐出制御手段５００及び回転制御手段５０２の命令に応じて造形ヘッド１１０のノズル１１１を清掃する。吐出制御手段５００は、造形ヘッド１１０からの造形材料の吐出動作を制御し、回転制御手段は、ノズル清掃部２４０の動作を制御する。
【００１５】
［その他の機能部］
本実施形態の三次元造形装置１は、材料供給部１００、三次元造形部２００、駆動部３００、制御部４００から構成されているが、他の機能部も適宜追加される。
【００１６】
［三次元造形装置の詳細］
次に、本実施形態における三次元造形装置１の詳細について説明する。
図２は、本実施形態における三次元造形装置１の詳細を模式的に示す説明図である。
図３は、本実施形態における三次元造形装置１の内部に設けられるチャンバーの外観を示す斜視図である。
図４は、本実施形態における三次元造形装置１の前方部分を切断して除外した状態の斜視図である。
【００１７】
三次元造形装置１は、本体フレーム２の内部に三次元造形用チャンバー（以下「チャンバー」という。）２２０を備えている。チャンバー２２０の内部には、載置部２１０のステージ２１１が設けられている。本実施形態では、このステージ２１１上に造形プレート２１２を保持させ、その造形プレート２１２上に三次元造形物を造形する。
【００１８】
チャンバー２２０内の処理空間を囲っている壁部は、その大部分又はその全部が断熱機能を有する断熱壁で構成されている。具体的には、チャンバー２２０の天井壁部は、後述するように、複数のスライド断熱部材２２１，２２２によって構成された断熱壁である。また、チャンバー２２０の側壁部２２３、すなわち、装置左右方向（図３及び図４中の左右方向＝Ｘ軸方向）の両壁部は、ガラスウール等を内包した断熱材を内側板と外側板の間に挟み込んだ構造をもつ断熱壁である。また、チャンバー２２０の底壁部２２４も、ガラスウール等を内包した断熱材を内側板と外側板の間に挟み込んだ構造をもつ断熱壁である。また、チャンバー２２０の後壁部及び前壁部２２５も、ガラスウール等を内包した断熱材を内側板と外側板の間に挟み込んだ構造をもつ断熱壁である。
【００１９】
本実施形態において、チャンバー２２０の前壁部２２５には、図３に示すように、開閉扉２２６が設けられている。この開閉扉２２６は、前壁部２２５と同様に断熱壁を構成するものであり、十分な断熱機能を発揮する構成となっている。また、チャンバー２２０の前壁部２２５には、図３に示すように、窓２２７が設けられている。この窓２２７は、空気層を挟み込んだ２重ガラス構造であり、前壁部２２５と同様に断熱壁を構成するものである。
【００２０】
チャンバー２２０の内部におけるステージ２１１の上方には、三次元造形部２００の造形ヘッド１１０が設けられている。造形ヘッド１１０は、その下方に造形材料を押し出すようにして吐出するノズル１１１を有する。本実施形態では、造形ヘッド１１０上に４つのノズル１１１が設けられているが、ノズル１１１の数は任意である。また、造形ヘッド１１０には、各ノズル１１１に供給されるフィラメントを加熱するヘッド加熱部１１２が設けられている。また、造形ヘッド１１０には、ヘッド加熱部１１２に対してノズル１１１の反対側、すなわち、ヘッド加熱部１１２に対して造形材料の移送方向上流側を冷却するヘッド冷却部１１３が設けられている。
【００２１】
フィラメントは、ノズル１１１ごとに異なるものであってもよいし、同じものであってもよい。本実施形態においては、フィラメント供給部１２０により供給されるフィラメントをヘッド加熱部１１２で加熱して溶融あるいは軟化させ、溶融状態の造形材料を所定のノズル１１１から押し出すことにより、ステージ２１１上に保持された造形プレート２１２上に層状の造形構造物を順次積層して、三次元造形物を造形する。
【００２２】
造形ヘッド１１０は、装置左右方向（図３及び図４中の左右方向＝Ｘ軸方向）に延びるＸ軸駆動機構３１０に対し、連結部材３１１を介して、そのＸ軸駆動機構３１０の長手方向（Ｘ軸方向）に沿って移動可能に保持されている。造形ヘッド１１０は、Ｘ軸駆動機構３１０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。造形ヘッド１１０は、ヘッド加熱部１１２によって加熱されて高温になるため、その熱がＸ軸駆動機構３１０に伝わりにくいように、連結部材３１１を低伝熱性のものとするのが好ましい。
【００２３】
Ｘ軸駆動機構３１０の両端は、それぞれ、装置前後方向（図３及び図４中の前後方向＝Ｙ軸方向）に延びるＹ軸駆動機構３２０に対し、そのＹ軸駆動機構３２０の長手方向（Ｙ軸方向）に沿ってスライド移動可能に保持されている。Ｘ軸駆動機構３１０がＹ軸駆動機構３２０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、造形ヘッド１１０はＹ軸方向に沿って移動することができる。
【００２４】
本実施形態において、チャンバー２２０の底壁部２２４は、本体フレーム２に固定された、装置上下方向（図３及び図４中の上下方向＝Ｚ軸方向）に延びるＺ軸駆動機構３３０に対し、そのＺ軸駆動機構３３０の長手方向（Ｚ軸方向）に沿って移動可能に保持されている。チャンバー２２０の底壁部２２４は、Ｚ軸駆動機構３３０の駆動力により、装置上下方向（Ｚ軸方向）へ移動することができる。この底壁部２２４上には、ステージ２１１が固定されているので、Ｚ軸駆動機構３３０の駆動力によりステージ２１１及びこれに保持される造形プレート２１２をＺ軸方向へ移動させることができる。
【００２５】
また、本実施形態においては、チャンバー２２０の内部（処理空間）に、チャンバー２２０内を加熱する加熱部２３０のチャンバー用ヒータ２３１が設けられている。本実施形態においては、材料押出堆積法で三次元造形物を造形するため、チャンバー２２０内の温度を目標温度に維持した状態で、造形処理を行うことが望ましい。そのため、本実施形態では、造形処理を開始する前に、予めチャンバー２２０内の温度を目標温度まで昇温させる予熱処理を行う。チャンバー用ヒータ２３１は、この予熱処理中には、チャンバー２２０内を目標温度まで昇温させるためにチャンバー２２０内を加熱するとともに、造形処理中には、チャンバー２２０内の温度を目標温度に維持するためにチャンバー２２０内を加熱する。
更に、加熱部２３０は、ステージ２１１（造形プレート２１２）を、所定の温度に加熱及び維持するステージ加熱部２３２を有する。ステージ加熱部２３２は、ステージ２１１上で造形される造形物を加熱して所定の温度に維持する。
【００２６】
本実施形態におけるＸ軸駆動機構３１０及びＹ軸駆動機構３２０の駆動対象は造形ヘッド１１０であり、その造形ヘッド１１０の一部（ノズル１１１を含む造形ヘッド１１０の先端部分）がチャンバー２２０内に配置されている。本実施形態では、造形ヘッド１１０をＸ軸方向及びＹ軸方向へ移動させてもチャンバー２２０の内部が外部から遮蔽される構成となっている。具体的には、チャンバー２２０の天井壁部においては、図３及び図４に示すように、Ｙ軸方向に長尺な複数のＸ軸スライド断熱部材２２１がＸ軸方向へ並べて配設された構成となっており、隣接するＸ軸スライド断熱部材２２１間は互いにＸ軸方向へ相対的にスライド移動可能に構成されている。これにより、Ｘ軸駆動機構３１０により造形ヘッド１１０をＸ軸方向へ移動させても、これに応じて複数のＸ軸スライド断熱部材２２１がそれぞれＸ軸方向へスライド移動し、チャンバー２２０内の処理空間上部は常にＸ軸スライド断熱部材２２１によって覆われる。
【００２７】
同様に、チャンバーの天井壁部においては、図３及び図４に示すように、複数のＹ軸スライド断熱部材２２２がＹ軸方向へ並べて配設された構成となっている。隣接するＹ軸スライド断熱部材２２２間は互いにＹ軸方向へ相対的にスライド移動可能に構成されている。これにより、Ｙ軸駆動機構３２０によりＸ軸駆動機構３１０上の造形ヘッド１１０をＹ軸方向へ移動させても、これに応じて複数のＹ軸スライド断熱部材２２２がそれぞれＹ軸方向へスライド移動し、チャンバー２２０内の処理空間上部は常にＹ軸スライド断熱部材２２２によって覆われる。
【００２８】
また、本実施形態におけるＺ軸駆動機構３３０の駆動対象は、チャンバー２２０の底壁部２２４あるいはステージ２１１（もしくは造形プレート２１２）である。本実施形態では、底壁部２２４あるいはステージ２１１をＺ軸方向へ移動させてもチャンバー２２０の内部が外部から遮蔽される構成となっている。
【００２９】
そのほか、本実施形態においては、チャンバー２２０の外部であって三次元造形装置１の本体フレーム２内の空間を冷却させるための装置内冷却装置３、造形ヘッド１１０のノズル１１１をクリーニングするためのノズル清掃部２４０、造形ヘッド１１０のヘッド冷却部１１３を冷却するためのヘッド冷却装置１３０なども設けられている。
【００３０】
図５は、本実施形態の三次元造形装置１の制御ブロック図である。
本実施形態においては、造形ヘッド１１０のＸ軸方向位置を検知するＸ軸ポジション検知機構３１５が設けられている。Ｘ軸ポジション検知機構３１５の検知結果は、制御部４００に送られる。制御部４００は、その検知結果に基づいてＸ軸駆動機構３１０を制御して、造形ヘッド１１０を目標のＸ軸方向位置へ移動させる。
【００３１】
また、本実施形態においては、Ｘ軸駆動機構３１０のＹ軸方向位置（造形ヘッド１１０のＹ軸方向位置）を検知するＹ軸ポジション検知機構３２５が設けられている。Ｙ軸ポジション検知機構３２５の検知結果は、制御部４００に送られる。制御部４００は、その検知結果に基づいてＹ軸駆動機構３２０を制御することにより、Ｘ軸駆動機構３１０上の造形ヘッド１１０を目標のＹ軸方向位置へ移動させる。
【００３２】
また、本実施形態においては、ステージ２１１上に保持される造形プレート２１２のＺ軸方向位置を検知するＺ軸ポジション検知機構３３５が設けられている。Ｚ軸ポジション検知機構３３５の検知結果は、制御部４００に送られる。制御部４００は、その検知結果に基づいてＺ軸駆動機構３３０を制御して、ステージ２１１上の造形プレート２１２を目標のＺ軸方向位置へ移動させる。
【００３３】
制御部４００は、このようにして造形ヘッド１１０及びステージ２１１の移動制御を行うことにより、チャンバー２２０内における造形ヘッド１１０とステージ２１１上の造形プレート２１２との相対的な三次元位置を、目標の三次元位置に位置させることができる。
【００３４】
図６は、本実施形態における予熱処理及び造形処理の流れを示すフローチャートである。
本実施形態において、制御部４００は、ユーザーの指示操作等により造形をスタートすると、まず、チャンバー用ヒータ２３１、ヘッド加熱部１１２及びステージ加熱部２３２への通電をＯＮにして、これらを稼働させる（Ｓ１）。また、制御部４００は、Ｚ軸駆動機構３３０を制御して、Ｚ軸駆動機構３３０の駆動力によりステージ２１１を所定の待機位置（例えば最下点）から上昇させる（Ｓ２）。そして、ステージ２１１が上述した予熱用位置に到達したら（Ｓ３のＹｅｓ）、Ｚ軸駆動機構３３０の駆動を停止する（Ｓ４）。
【００３５】
処理空間の温度が目標温度に達したら（Ｓ５のＹｅｓ）、続いて、制御部４００は、造形処理に移行する。本実施形態の三次元造形装置１により造形する三次元造形物の三次元形状データは、本三次元造形装置１に対して有線あるいは無線でデータ通信可能に接続されたパーソナルコンピュータ等の外部装置から入力される。制御部４００は、入力された三次元形状データに基づき、上下方向に分解された多数の層状構造物のデータ（造形用のスライスデータ）を生成する。各層状構造物に対応するスライスデータは、本三次元造形装置１の造形ヘッド１１０から押し出される造形材料によって形成される各層状構造物に対応しており、その層状構造物の厚みは、三次元造形装置１の能力に応じて適宜設定される。
【００３６】
造形処理では、まず、制御部４００は、最下層（第一層）のスライスデータに従って、ステージ２１１上に保持されている造形プレート２１２の表面に最下層の層状構造物を作成する（Ｓ６）。具体的には、制御部４００は、最下層（第一層）のスライスデータに基づき、Ｘ軸駆動機構３１０及びＹ軸駆動機構３２０を制御して、造形ヘッド１１０のノズル１１１の先端を目標位置（Ｘ−Ｙ平面上の目標位置）に順次移動させながら、ノズル１１１より造形材料の押し出し（吐き出し）を行う。これにより、ステージ２１１上の造形プレート２１２の表面には、最下層（第一層）のスライスデータに従った層状構造物が形成される。
【００３７】
次に、制御部４００は、Ｚ軸駆動機構３３０を制御して、層状構造物の一層分に相当する距離だけステージ２１１を下降させ、そのステージ２１１上の造形プレート２１２を、次の層（第二層）の層状構造物を作成するための位置まで下降させ、位置決めする（Ｓ８）。その後、制御部４００は、第二層のスライスデータに基づき、Ｘ軸駆動機構３１０及びＹ軸駆動機構３２０を制御して、造形ヘッド１１０のノズル１１１の先端を目標位置に順次移動させながら、ノズル１１１より造形材料の押し出しを行う。これにより、ステージ２１１の造形プレート２１２上に形成されている最下層の層状構造物上に、第二層のスライスデータに従った層状構造物が形成される（Ｓ６）。
【００３８】
このようにして、制御部４００は、Ｚ軸駆動機構３３０を制御して、ステージ２１１を順次下降させながら、下層から順に各層状構造物を積層させて造形する処理を繰り返す。そして、最上層の層状構造物の作成が終了したら（Ｓ７のＹｅｓ）、入力された三次元形状データに従った三次元造形物が造形プレート２１２上に造形される。
【００３９】
このようにして造形処理が終了したら、制御部４００は、Ｚ軸駆動機構３３０を制御して、ステージ２１１を所定の取出用位置（本実施形態では最下点）まで下降させる（Ｓ９）。この取出用位置は、チャンバー２２０の前壁部２２５に設けられている開閉扉２２６を開けて、ステージ２１１上の三次元造形物をチャンバー２２０の外部へ取り出しやすい位置に設定される。
【００４０】
造形処理終了直後は、まだ、チャンバー２２０内の処理空間が高温であるため、開閉扉２２６を開けて処理空間内の三次元造形物をユーザーがすぐに取り出すことはできない。したがって、ユーザーは、処理空間内の温度が取り出し可能な温度まで低下してから、開閉扉２２６を開けて処理空間内の三次元造形物を造形プレート２１２に固着した状態のまま取り出すことになる。制御部４００は、処理空間内の温度が取り出し可能な温度まで低下するまで開閉扉２２６をロック状態にする冷却期間を設け、処理空間内の温度が取り出し可能な温度まで低下した後に、開閉扉２２６のロック状態を解除することが好ましい。
【００４１】
ここで、三次元造形物を構成する造形材料の例としては、材料押出堆積法で使用されるほとんどの樹脂を対象とし、ＡＢＳ樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）、ＰＣ−ＡＢＳ、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）等が挙げられる。
また、ヘッド加熱部１１２による造形材料の加熱温度条件としては、樹脂が軟化し流動化する温度以上であればよく、高温にしすぎて、流動性が高くなりすぎても吐出量の制御が難しくなる。また樹脂が分解したり、炭化させたりするのは良くない。加熱方式にもよるが、ＡＢＳ樹脂では、温度２３０−２４０［℃］、ポリ乳酸（ＰＬＡ）では、温度１９０−２１０［℃］の範囲が吐出に適した温度として例示できる。
【００４２】
また、造形ヘッド１１０をＸＹ軸に沿って移動させるＸ軸駆動機構３１０とＹ軸駆動機構３２０、及びチャンバー２２０の底壁部２２４をＺ軸に沿って上下に移動させるＺ軸駆動機構３３０の可動範囲は、次のようにして設計される。
ＸＹ軸の可動範囲は、必要な水平方向の造形範囲から、Ｚ軸の可動範囲は、高さ方向の造形範囲を考慮して、適宜設計される。
また、加熱部２３０のチャンバー用ヒータ２３１の加熱によるチャンバー２２０内の具体的な目標温度としては、ＡＢＳ樹脂では、７０−９０℃程度である。これは樹脂のガラス転移点に近い温度で、軟化点よりは低い温度に相当する。チャンバーがあることで造形後、造形物の温度を室温までゆっくり降温させることができるので、形状を維持しながら、造形中に発生した残留応力を開放しつつ凝固させることができる。
【００４３】
また、本実施形態の三次元造形装置１では、上述したように、底壁部２２４あるいはステージ２１１をＺ軸方向へ移動させてもチャンバー２２０の内部が外部から遮蔽される構成となっている。
具体的には、チャンバー２２０の側壁部２２３の壁面には、図４に示すようにＺ軸駆動機構３３０と底壁部２２４あるいはステージ２１１との連結部を貫通させるスライド孔３３１がＺ軸方向に延びるように形成されている。このスライド孔３３１は、断熱材料からなる可撓性のシール部材３３２によってシールされている。Ｚ軸駆動機構３３０により底壁部２２４あるいはステージ２１１の駆動対象をＺ軸方向へ移動させるとき、Ｚ軸駆動機構３３０と駆動対象との連結部は、可撓性のシール部材３３２を弾性変形させながらスライド孔３３１に沿ってＺ軸方向へ移動する。よって、チャンバー２２０の側壁部２２３の壁面に形成されたスライド孔３３１は、常にシール部材３３２によって覆われる。
【００４４】
そして、チャンバー２２０は、上述したように断熱材料によって構成されており、あるいは、断熱材が設けられた部材によって構成されており、チャンバー２２０内の熱が外部へ逃げることが抑制された構成となっている。特に、本実施形態においては、Ｘ軸駆動機構３１０、Ｙ軸駆動機構３２０、及びＺ軸駆動機構３３０が、チャンバー２２０の外部に配置されている。よって、Ｘ軸駆動機構３１０、Ｙ軸駆動機構３２０、及びＺ軸駆動機構３３０は、チャンバー２２０内の高温に曝されず、安定した駆動制御が実現される。
【００４５】
［造形ヘッドの詳細］
次に、造形ヘッド１１０の構成及び動作について詳しく説明する。
図７は、本実施形態における造形ヘッド１１０の先端部分を模式的に示す斜視図である。
図８は、１つのノズル１１１に対応する造形ヘッド１１０の部分断面説明図である。
ここで、本実施形態の造形ヘッド１１０は、図７に示すように、４つのノズル１１１が２×２（Ｘ軸方向に２個×Ｙ軸方向に２個）で配置されている（上述した図２では、説明の便宜上、４つのノズル１１１を横並びで示している。）。４つのノズル１１１は、それぞれ個別のヘッド加熱部１１２に接続されており、制御部４００は各ヘッド加熱部１１２を個別に制御することができる。これにより、ノズル１１１ごとに造形材料あるいはサポート材のフィラメント４０をヘッド加熱部１１２で個別に加熱することができる。
また、以下の説明では、特に明記して区別する必要がない限り、造形材料のフィラメント４０を用いた場合について説明する。
【００４６】
各ノズル１１１が接続された４つのヘッド加熱部１１２は、図７に示すように、それぞれＸ軸方向及びＹ軸方向に間隔をあけてヘッド冷却部１１３に対してジョイント１４を介して接続される。４つのヘッド加熱部１１２は、ジョイント１４を介してヘッド冷却部１１３に接続されるので、ヘッド冷却部１１３と離された位置に固定されている。更に、各ヘッド加熱部１１２の間に断熱材料を挟むように設けてもよい。このように断熱材を挟むように設けることで、加熱処理中のヘッド加熱部１１２の熱が他のヘッド加熱部１１２に伝搬して、他のノズル１１１のフィラメント４０が加熱されるのを抑制できる。
ジョイント１４は、円筒形状の金属、セラミック等で構成され、内径はフィラメント４０の径より少し大きい。ジョイント１４の内径は、フィラメント４０が屈曲しない状態でヘッド加熱部１１２へガイドをするためには狭いほうがよいが、ジョイント１４の内径が狭すぎるとフラメントを送る際の抵抗が大きくになる。このため、例えばフィラメント径を１．７５［ｍｍ］とすると、ジョイント１４の内径は、フィラメント径より少し大きい、例えば２．０〜２．５［ｍｍ］程度の内径に設定することが好ましい。ジョイント１４の肉厚は、後述する温度勾配形成のためには、適度に薄い方がよいが、一方でジョイント１４の強度を保つため、所定以上の厚みを必要とする。
【００４７】
また、ヘッド加熱部１１２に対してノズル１１１の反対側、すなわち、ヘッド加熱部１１２に対してフィラメント４０の移送方向上流側には、ヘッド冷却部１１３が設けられている。ヘッド冷却部１１３は、アルミニウムなどの伝熱性の高い吸熱材料からなる、図７に示すようにヘッド冷却部１１３は単一のブロック形状であり、４つのヘッド加熱部１１２のフィラメント移送方向の上流側を共通に冷却する。但し、４つのヘッド加熱部１１２ごとに個別のヘッド冷却部１１３を設ける構成としてもよい。
また、図８に示すように、造形ヘッド１１０それぞれを独立して上下移動させるヘッド独立可動機構２０を備え、１つの造形ヘッド１１０が造形中に他の造形ヘッド１１０が造形物に干渉しないように上方へ退避可能にすることもできる。このように構成する場合、造形に利用していない造形ヘッド１１０が造形物の最上面に接触しなければよいので退避距離は、数［ｍｍ］で十分である。
【００４８】
ヘッド冷却部１１３の上方、すなわちヘッド冷却部１１３に対してフィラメント４０の移送方向上流側には、フィラメント４０を造形ヘッド１１０内に導入するための導入部１３６がノズル１１１ごとに設けられている。ここで、図８に示すように、ジョイント１４はヘッド冷却部１１３を貫通して配置され、ジョイント１４の上端部に、フィラメント４０を導入するための導入部１３６がノズル１１１ごとに設けられる。
ヘッド冷却部１１３、ジョイント１４、及びヘッド加熱部１１２には、導入部１３６から導入されたフィラメント４０をノズル１１１まで移送するための移送路となる貫通孔１２ａが形成されている。ヘッド加熱部１１２は、貫通孔１２ａ内の固体状態のフィラメント４０を加熱して溶融状態にし、溶融状態の造形材料がノズル１１１へ移送される。
【００４９】
フィラメント４０が導入されるジョイント１４にはヘッド冷却部１１３とヘッド加熱部１１２とによって上下方向（フィラメント移送方向）に温度勾配が形成される。この温度勾配により、ジョイント１４の内部に造形材料の半溶融部を形成することによって溶融樹脂が上流へ逆流することを防ぐとともに、ノズル１１１の先端からフィラメント４０が溶融した造形材料を吐出するのに必要な圧力を維持する。
溶融した樹脂は、更に上流から移送されてくる造形材料であるフィラメント４０に押し込まれてノズル１１１の内部を通過し、ノズル１１１から押し出されるようにして吐出される。ノズル１１１から溶融した造形材料がステージ２１１の造形プレート２１２上に吐出されることによって、ステージ２１１の造形プレート２１２上に三次元造形物である造形物９０が形成される。ここで、ヘッド冷却部１１３とヘッド加熱部１１２の距離や、ジョイント１４の内径などの構造パラメータは造形材料の樹脂特性等を考慮し、適正な温度勾配を形成できるように適宜設計される。
【００５０】
図８に示すように、ヘッド加熱部１１２の加熱ブロック１１２ａには加熱ヒータ１１２ｂが内蔵されている。加熱ブロック１１２ａは、アルミニウム、ＳＵＳ等の金属ブロックで形成され、加熱ヒータ１１２ｂには熱電対等の温度センサ１１２ｃが接続される。温度センサ１１２ｃは、加熱ブロック１１２ａに配置される。ジョイント１４の貫通孔１２ａに近いところに温度センサ１１２ｃを配置すると、溶融した造形材料の温度に近い温度を測定することができる。制御部４００では、温度センサ１１２ｃの測定値を入力値とし、加熱ヒータ１１２ｂに対して加熱温度のフィードバック制御が行われる。
【００５１】
本実施形態においては、図８に示すように、ヘッド冷却部１１３は、その内部に冷媒通路１５が形成された冷却ブロックであり、冷媒通路１５には、冷媒流し手段としてのヘッド冷却装置１３０から送り出される冷媒としての冷却水がヘッド冷却部１１３に供給される。
ここで、本実施形態では、ヘッド冷却部１１３として水冷ブロックを採用した例を記載しているが、本実施形態の冷却方式としては、造形材料の種類や加熱手段などのバランスによって、空冷ＦＡＮ方式や他の形態の水冷方式等を適宜、選択することができる。
【００５２】
上述したように、造形材料はワイヤー状の固体であるフィラメント４０という形態で造形ヘッド１１０に供給される。そして、導入部１３６の上流には、導入部１３６にフィラメント４０を送り込むフィラメント供給部１２０として機能するフィラメント送り機構２１が設けられ、その送り込むときの送り方向は図８図中、下方へ向かう方向である。
フィラメント送り機構２１は、モデル材またはサポート材の溶融前の造形材料であるフィラメント４０を両側から挟み込む２つのローラを有しており、一方のローラを駆動ローラ２２とする構成で、フィラメント４０を造形ヘッド１１０に送り込む。ここで、他方のローラを従動ローラ２３として圧を掛ける構成にしてあり、駆動ローラ２２の表面の摩擦係数と従動ローラ２３とのニップ圧から搬送力を設定している。それ以外にも、駆動ローラ２２側を歯付ローラにして、フィラメント４０を噛みこむようにして送ってもよい。いずれにしても、時間あたりの造形量（体積）に合わせて、フィラメント４０の送り量を設定でき、正しく送ることが重要である。吐出量の制御は、制御部４００に設けられた吐出制御手段５００が、フィラメント送り機構２１の駆動ローラ２２の回転量を制御することで行っている。
【００５３】
［ノズル清掃部の詳細］
次に、本実施形態のチャンバー２２０内に設けられるノズル清掃部２４０について、図を用いて詳しく説明する。
図９は、ノズル清掃部２４０の概要説明図であり、図９図中、右側が造形ヘッド１１０の内部の残留物の清掃を行うパージ装置５０を示し、図９中、左側がパージ後の造形ヘッド１１０の先端部のクリーニングを行うヘッド先端部クリーニング装置６０を示している。ここで、図９では、パージ装置５０について、パージ装置５０の本体フレーム２への取り付け部や駆動手段（被着面５１の移動手段、被着面移動手段）を含めて示している。図１０は、ヘッド先端部クリーニング装置６０の具体例の説明図であり、図１０（ａ）が、ノズルクリーナ６１に板状クリーナ６１ａとブラシヘッド６１ｂを併用した例、図１０（ｂ）が、ノズルクリーナ６１に２つの回転ブラシ６１ｃを用いた例である。
【００５４】
図１１は、パージ装置５０の動作の概略説明図であり、図１１（ａ）が側面説明図、図１１（ｂ）が正面説明図である。図１２は、パージ装置５０の被着面５１をパージ用ローラ５２ａの外周面に形成した場合の、被着面５１を加熱する被着面加熱手段５８、及び被着面クリーニング機構７０の説明図である。
そして、図１１、図１２図中、被着面５１上に太線で記載したものがパージされてパージ装置５０の被着面５１に付着した（接着されられた）造形材料であり、図１１（ｂ）図中、破線で示した太線がパージ用ローラ５２ａの裏側に付着した造形材料を示している。また、図１２図中、パージ用ローラ５２ａとブラシ７１が対向する領域の下方に記載した太線が、ブラシ７１の回転によりパージ用ローラ５２ａ上から剥離された（除去）された造形材料を示している。
【００５５】
本実施形態の三次元造形装置１では、造形処理の開始前や、使用するノズル１１１を切り換えるとき（押し出させるフィラメントを切り換えるとき）などに、造形ヘッド１１０のノズル１１１のクリーニング（清掃）を実施する。特に、本実施形態のように材料押出堆積法で造形する場合、ノズル１１１からフィラメント４０が垂れたり、ノズル１１１に残留フィラメント等の異物が付着したりし易い。これらのため、造形時においてノズル１１１からフィラメント４０を押し出す動作（吐出動作）を妨げないように、造形前に当該異物をノズル１１１から除去しておく必要がある。
【００５６】
図１に示したノズル清掃部２４０は、図９に示すようにパージ装置５０とヘッド先端部クリーニング装置６０を有する。パージ装置５０は、造形ヘッド１１０の内部の残留物の清掃を行い、ヘッド先端部クリーニング装置６０は造形ヘッド１１０の先端に設けたノズル１１１表面やノズル１１１周囲の清掃を行う。
【００５７】
［パージの必要性］
ここで、三次元造形装置１において、造形ヘッド１１０の内部の残留物の清掃、つまり造形材料のパージの必要性について、更に詳しく説明しておく。
造形材料（フィラメント４０）は、予備乾燥等を行っても、多少の水分を含有している。また、造形中に吐出のＯＮ／ＯＦＦを繰り返すと、造形ヘッド１１０内の溶融された造形材料に空気を巻き込むことがある。通常はノズル１１１から空気が造形材料と一緒に少しずつ吐出されたりするが、造形条件によっては、空気が蓄積されて一気にノズル１１１から吐出される可能性がある。造形中に空気がノズル１１１から一気に吐出されると、例えば、表面が粗い性状の造形や、ところどころ空隙を有した造形となり、造形品質に影響する。
【００５８】
また、長時間、造形材料を加熱し続けることで、ノズル１１１内の造形材料の物性が変化することが起こりうる。例えば、複数の造形ヘッド１１０を有しており、複数の造形ヘッド１１０を使い分けて造形する場合には、長い時間、造形ヘッド１１０内で溶融された造形材料が吐出されずに加熱されたままの状態で保持される場合がある。熱により性質が変化した樹脂で造形することにより造形品質が劣化する可能性がある。
このようなときは、ノズル１１１内の造形材料をパージ装置５０を用いて一度捨て、新しい造形材料をノズル１１１内に入れることで、ノズル１１１内の造形材料の特性値の変化をリセットすることができると考えられる。
【００５９】
［パージ装置の構成］
本実施形態のパージ装置５０には、造形ヘッド１１０内から吐き出された造形材料が付着する被着面５１を備えている。被着面５１は、図９、図１１に示すようにローラ形状の回転体であり、被着体となるパージ用ローラ５２ａの外周面に形成されている。パージ用ローラ５２ａのローラ径は特に規定はないが、大きすぎるとスペース上邪魔になるので、例えば２０〜１００［ｍｍ］程度である。造形ヘッド１１０から溶融された造形材料を被着面５１に付着させて吐出しつつ、被着面５１を回転することで、新たな被着面５１にノズル１１１から吐出（パージ）された造形材料を付着させる。ここで、被着面５１を板状の面としてもよいが、ノズル１１１から吐出される造形材料の吐出量を確保するために、被着面５１の大きさが大きくなる問題が発生する。被着面５１をパージ用ローラ５２ａの外周面とすることで、板状であるよりも小さな空間で多くの量の造形材料を吐出することができる。更に、後述するように、被着面５１の移動手段の構成も簡素化できる。
【００６０】
また、パージ装置５０は、上述したように、造形材料が付着するパージ用ローラ５２ａの外周面上等に形成される被着面５１と、被着面５１の移動手段とを有している。そして、ノズル１１１から造形材料を吐出しながら、ノズル１１１から吐出された造形材料が被着面５１に付着した状態で被着面５１の移動手段により被着面５１を移動する。
このように構成することで、造形材料を回収する際に、例えばパージタワーのような造形物を（造形したい造形物とは別に）形成する必要はない。被着面を必要な量だけ移動させれば、造形材料を必要な量だけノズル１１１から吐出させることが可能となる。
よってパージのために造形するパージタワー等の造形物９０の形状に制限されることなく、造形材料を無駄にパージするのを抑制できるパージ装置５０及び三次元造形装置１を提供できる。
さらに、吐出した造形材料を被着面に確実に付着させることで、吐出する造形材料を連続的にノズル１１１から引き出せ、吐出される造形材料が、その自重（重力）により分断されてノズル１１１の周辺に再付着することを抑制でき、確実なパージ動作が行える。
【００６１】
被着面５１を構成する材質としては、耐熱性のある高分子材料が好ましい。例えば特許文献２の画像除去装置の剥離部材として例示される材料を用いることができる。例えば、有機高分子材料としてポリエーテルサルフォン、ポリサルフォン、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンサルファィド、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトンなどは、被着面５１を形成する材料として好ましい。これらの材料は造形材料との組合せで選択でき、高温時に造形材料と適度な接着性を有するとともに、低温時には界面から剥離しやすいという特性を持たせることができる。また、これらには耐久性を向上させる目的でカーボン、炭酸カルシウム、酸化チタン等の無機充填材を含有させることができる。
【００６２】
例えば、ポリイミド（ＰＩ）は、耐熱性、耐磨耗性に優れているとともに、ＡＢＳなどの汎用樹脂から、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などのスーパーエンプラまで、様々な造形材料に対して、広く対応できる。高温時に溶融樹脂を付着させたり、逆に冷却時に剥離させたりする材質として優れている。
【００６３】
被着面５１を形成する被着体として例示したパージ用ローラ５２ａの構造として、アルミ、ＳＵＳ等の金属製の基材（円筒構造）に、樹脂材質をコーティングして形成することが、強度と薄さ、伝熱特性の実現という点から好ましい。このとき、樹脂のコート層の厚みは特に規定はないが、後述する被着面５１を形成する被着体を、巻き取るリボン状の被着体や無端移動可能なベルト状の被着体にする場合はリボンやベルトの曲がり性を損なわなければよく、例えば０．０２〜０．１［ｍｍ］程度である。また、造形材料によっては、樹脂のコート層を持たず、円筒状の金属材料、アルミ、ＳＵＳ等を剥き出しにした状態で使用してもよい。
【００６４】
被着面５１を形成する被着体として例示したパージ用ローラ５２ａの駆動手段（被着面５１の移動手段）は、例えば、図９に示すようにステッピングモータ５３等の駆動源と伝達機構５４から構成される。
伝達機構５４は、複数のギア、耐熱性ベルトなど適宜選択される。駆動源（モータ）及びモータドライバは、チャンバー２２０が利用される場合は、チャンバー２２０のいずれかの側壁部（以下、適宜、チャンバー側壁２２ｃという。）の外部に配置されるのが好ましい。
また、パージ用ローラ５２ａを回転させるステッピングモータ５３等の駆動源の制御は、制御部４００に設けられた回転制御手段５０２により行われる。
【００６５】
取り付け部の構成について、チャンバー２２０がある場合は、チャンバー側壁２２ｃの内壁に固定される。パージ用ローラ５２ａは板状部材５５で軸受５５ａを介して挟むように支持される。板状部材５５の片方に、パージ用ローラ５２ａの軸５２ｂが延在し、従動ギア５２ｃが固定され、上述した伝達機構５４に接続される。
また、ノズル清掃部２４０とチャンバー側壁２２ｃの内壁との間に取り付け部材５６が設けられており、取り付け部材５６に設けられた、高さ調整手段５７のネジ５７ａを回転することで、手動で取り付け部材５６の高さ方向の調整をすることができる。取り付け部材５６を高さ調整手段５７で上下移動することによって、取り付け部材５６に装着された、パージ装置５０とヘッド先端部クリーニング装置６０を上下移動して、これらの高さ方向の位置を調整することができる。
【００６６】
ここで、三次元造形装置１では、上述したように、造形ヘッド１１０のノズル１１１の先端位置と、パージ装置５０の被着面５１との距離を造形材料の厚みに合わせて調節する高さ調整手段５７を有する。
このように構成することで、例えば、造形ピッチと同等な範囲に被着面５１に対するノズル１１１先端の高さを調整する。このように調整することで、吐出する造形材料を常に適正な量で連続的にノズル１１１から引き出せ、吐出される造形材料が、その自重（重力）により分断されてノズル１１１の周辺に再付着することを抑制でき、確実なパージ動作が行える。
【００６７】
また、被着面５１に対するヘッド先端であるノズル１１１の高さの条件は、造形ピッチと同等な範囲でよい。造形ピッチとは、造形すべき三次元造形物の一層の高さである、例えば、造形ピッチは０．１〜１．０［ｍｍ］程度に調整することができる。造形ピッチと同等な範囲に被着面５１に対するノズル１１１の高さを調整することで、被着面５１に適切な力で付着させることができる。その結果として、吐出する造形材料を連続的にノズル１１１から引き出すことができる。このため、ノズル１１１から吐出される造形材料が、ノズル１１１周辺に再付着することを抑制できる。
ここで、例示したパージ用ローラ５２ａ、すなわち被着面５１を形成する被着体は交換可能にすることができる。
【００６８】
また、図１２に示すように被着面５１を所定の温度に加熱する被着面加熱手段５８を、被着体であるパージ用ローラ５２ａの内部に設けることが望ましい。被着面加熱手段５８により、ノズル１１１内の造形材料と、ノズル１１１から吐出され被着面５１に付着した造形材料（以下、適宜、吐出材料という。）との接着力が高まり、確実に造形ヘッド１１０から溶融された造形材料が被着面５１に引き出されてノズル１１１から吐出される。更に、ノズル１１１から吐出された造形材料が被着面５１に強く接着するため、パージ中に被着面５１から被着面５１に付着した吐出物が剥がれることや、被着面５１から吐出物が浮いてノズル１１１に再付着する等の問題が起こりにくくなる。
【００６９】
図１２の実施例では被着面加熱手段５８として被着体であるパージ用ローラ５２ａの内部にハロゲンランプ５８ａ等の熱源及び断熱部材５８ｂ等を備える。あるいは、チャンバー２２０内のチャンバー用ヒータ２３１により加熱された空気から伝導された熱を利用して被着面５１を加熱してもよい。加熱温度は、被着面５１の材質がステージ２１１表面と同じ材質の場合は、同じ温度でよく、被着面５１の表面材質がＰＩの場合や、造形材料がＡＢＳの場合は８０〜１２０［℃］、ポリ乳酸（ＰＬＡ）では６０〜７０［℃］が好適である。
上述したように、被着面５１のノズル１１１に対する高さ位置が適正に調整でき、かつ被着面５１の表面温度が適正に加熱できることで、被着面５１にノズル１１１から吐出（パージ）した造形材料を確実に付着（接着）させ、ノズル１１１から造形材料を被着面５１に引き出して確実なパージ動作をすることができる。
【００７０】
図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように、ヘッド先端部クリーニング装置６０は、造形ヘッド１１０先端部であるノズル１１１表面やノズル１１１周囲の清掃を行うノズルクリーナ６１と、これにより造形ヘッド１１０先端部から除去され、下方に落下した造形材料を回収する回収箱６２を有している。
ノズルクリーナ６１は、例えば、図９のヘッド先端部クリーニング装置６０の右方に、ゴム板、又は板金で形成された板状クリーナ６１ａを有し、造形ヘッド１１０先端であるノズル１１１に付着した造形材料を板状クリーナ６１ａに接触させることで除去する。
また、図９に示すノズルクリーナ６１は、ヘッド先端部クリーニング装置６０の左方に示すように回転体にブラシを付けたブラシヘッド６１ｂを有している。このブラシヘッド６１ｂを回転させながら造形ヘッド１１０先端部であるノズル１１１に接触させることで、ノズル１１１（ヘッド先端）に付着した造形材料を効率よく除去することができる。
図９や図１０（ａ）に示す例では、造形ヘッド１１０を図９図中、左方へ移動させることで、ノズル１１１（ヘッド先端）に付着した造形材料に板状クリーナ６１ａ、ブラシヘッド６１ｂの順で接触させてノズル１１１に付着した造形材料を効率よく除去できる。
【００７１】
ノズルクリーナ６１の他の構成として、例えば、図１０（ｂ）に示すように、１対の回転ブラシ６１ｃを有する構成を用いても良い。各回転ブラシ６１ｃを回転させながら、１対の回転ブラシ６１ｃでノズル１１１を挟み込むように、ヘッド先端部であるノズル１１１を回転ブラシ６１ｃに接触させることによって、ノズル１１１に付着した造形材料を効率よく除去することができる。
また、このように１対の回転ブラシ６１ｃを有する構成では、１対の回転ブラシ６１ｃの間にノズル１１１が移動するように造形ヘッド１１０を移動させ、クリーニングが完了したら１対の回転ブラシ６１ｃの間から所定の造形位置に造形ヘッド１１０を移動させる。
【００７２】
［パージ処理のフロー］
次に、パージ処理を行う時のフローについて、図を用いて説明図する。
図１３は、パージ装置５０を用いて行うパージ処理のフロー図である。
パージ処理を開始後、まず、被着面５１が表面に形成された被着体（パージ用ローラ５２ａ）内の加熱ヒータ（ハロゲンランプ５８ａ）を駆動して被着体であるパージ用ローラ５２ａの被着面５１を加熱し（Ｓ１１）、パージ用ローラ５２ａの温度が目標温度（所定温度）に昇温できていることを確認する（Ｓ１２）。
この確認で、パージ用ローラ５２ａの被着面５１が目標温度に昇温できていることが確認できたら（Ｓ１２のＹｅｓ）、Ｘ軸駆動機構３１０とＹ軸駆動機構３２０を駆動制御して、パージしたい造形ヘッド１１０をパージ用ローラ５２ａのパージ位置に位置決めする（Ｓ１３）。
【００７３】
そして、パージしたい造形ヘッド１１０をパージ用ローラ５２ａのパージ位置に位置決め（Ｓ１３）した後、被着体であるパージ用ローラ５２ａの回転を開始し（Ｓ１４）、パージ用ローラ５２ａの所定の箇所が、造形ヘッド１１０に対して目標の位置にきたかを確認する（Ｓ１５）。
この確認で、パージ用ローラ５２ａが造形ヘッド１１０に対する目標位置にきたと確認できたら（Ｓ１５のＹｅｓ）、フィラメント送り機構２１を起動してフィラメント４０をノズル１１１へ送り出し、ノズル１１１から造形材料である溶融されたフィラメント４０を吐出開始する（Ｓ１６）。
【００７４】
フィラメント４０をノズル１１１へ送り出し、ノズル１１１からのフィラメント４０の吐出を開始した後、所定時間が経過したとき、もしくは所定量のフィラメント４０を送り出したとき（Ｓ１７）、回転体（パージ用ローラ５２ａ）の回転を停止し、ノズル１１１へのフィラメントの送り出しを停止して、パージ処理を終了する（Ｓ１８）。その後、造形ヘッド１１０を造形エリアへ移動させる前に、フィラメント送り機構２１をフィラメント４０の吐出方向（送り方向）とは逆方向に駆動して、フィラメント４０を上方へ引き戻す引き戻し動作を行う（Ｓ１９）。
【００７５】
ここで、フィラメント４０の送り速度をｕ１、フィラメント４０の断面積をＳ１、回転体であるパージ用ローラ５２ａを回転させたときの被着面５１の線速をｕ２、被着面５１上に付着（接着）される吐出材料（造形材料）の断面積をＳ２とする。
すると、おおよその吐出材料の断面積：Ｓ２は、次の式１で表すことができる。
Ｓ２＝Ｓ１＊ｕ１／ｕ２  ・・・（式１）
また、被着面５１上の吐出材料幅をＷ２とすると、被着面５１に対する造形ヘッド１１０先端（ノズル１１１先端）の高さがＨ２のときに、断面形状が四角形であれば、Ｗ２≒Ｓ２／Ｈ２で推定できる。
また、造形ヘッド１１０内部の容積がＶ１である時、造形ヘッド１１０内の造形材料の入替えの効率が非常によい場合は、造形ヘッド１１０内における造形材料を新しい造形材料に入れ替えるために最低限必要な入替え処理時間：ｔ１は、次の式２で計算される。
ｔ１＝Ｖ１／（Ｓ１＊ｕ１）  ・・・（式２）
【００７６】
ここで、三次元造形装置１では、上述したように、造形ヘッド１１０に供給されるフィラメント４０の送り速度：ｕ１に連動させて、ステッピングモータ５３等からなる被着面５１の移動手段による被着面５１の移動速度である線速：ｕ２を制御する。
このように構成することで、造形ヘッド１１０に供給されるフィラメント４０の供給速度に合わせて、ステッピングモータ５３等による被着面５１の移動速度を制御することができるので、被着面５１上に連続、又は不連続な１本の長い造形物を造形できる。また、供給されるフィラメント４０の径に合わせて、パージ後の所定の断面積も設定できる。
したがって、造形材料をパージするときに、吐出した造形材料を造形ヘッド１１０のノズル１１１表面等に再度付着させることなく、確実に回収できる。
【００７７】
次に、パージ処理後のフィラメント４０の引き戻し動作について補足しておく。
引き戻し動作とはフィラメント４０を上方（フィラメント４０の移送方向上流側）に１〜５［ｍｍ］程度引き戻す動作のことである。引き戻し動作は、造形ヘッド１１０内部の内圧を急降下させる方法の一つである。このため、引き込み動作時の送り速度（マイナス方向への送り速度なので引き込み方向になる。）は、通常の送り速度に比べて、おおよそ３〜１０倍速くて良く、造形ヘッド１１０内部の圧を抜く方向なので動作にともなう負荷は、ノズル１１１にフィラメント４０を送り込む負荷よりも比較的小さい。
このように造形ヘッド１１０内部の内圧を下げることにより、造形ヘッド１１０（ノズル１１１）の内部に残った、流動化した造形材料を上方に（造形ヘッド１１０におけるフィラメント４０移送方向の上流側に）引き戻すことができる。
この引き戻し動作を行うことで、造形ヘッド１１０をパージ装置５０から造形エリアに移動するときに、造形ヘッド１１０内に残留した造形材料が、ノズル１１１先端から垂れることを最小限にできる。
【００７８】
すなわち、制御部４００は、パージ動作（処理）終了時に造形ヘッド１１０内の内圧を下げる工程を実行する。そして、この内圧を下げる工程は、フィラメント送り機構２１によりフィラメント４０を引き込む方向へフィラメント４０を移送することによって、造形ヘッド１１０内部の内圧を下げる。
【００７９】
本実施形態の、上述したような構成であれば、造形ヘッド１１０の容量に応じて、造形ヘッド１１０内の造形材料を必要な量だけ入替えすることができる。
特に、ノズル１１１から吐出された造形材料を被着面５１に対して確実に付着（接着）させることができるので、被着面５１に付着した造形材料が造形ヘッド１１０（ノズル１１１）表面などに再度付着することがなく、確実に回収できる。
【００８０】
［被着面クリーニング機構］
次に、パージ装置５０によるパージ処理後に、被着体としてのパージ用ローラ５２ａの被着面５１上に付着した付着物（吐出材料）を除去する除去手段としての被着面クリーニング機構７０について、図を用いて説明する。
図９、及び図１２に例示するように、本実施形態のパージ装置５０では、被着体であるパージ用ローラ５２ａの被着面（被着体面）５１からパージした付着物を除去するための被着面クリーニング機構７０を有している。
図９及び図１２には、回転するブラシ７１をクリーニング部材として用いた例を示しているが、他の構成であってもよい。
【００８１】
クリーニング部材として用いるブラシ７１は、耐熱性があり、弾性（コシ）のある樹脂又は金属等の材質で形成され、被着面５１に接触するとその部分が撓むように設計されている。また、ブラシ７１の表面は造形材料に対して離型性を示すものでもよい。ブラシ７１の回転方向は、被着面５１を有する回転体（パージ用ローラ５２ａ）の回転方向に対して、対向する方向（同一の回転方向）となる。例えば、図１２ではパージ用ローラ５２ａが反時計回りで回転するのに対して、ブラシ７１も反時計回りで回転する。ブラシ７１の回転速度は被着面５１の回転速度よりも高い（１〜３倍程度）方が、良好に被着面５１から造形材料を剥離する効果が得られる。ブラシ７１を回転することによって連続的に被着面５１から造形材料を掻き落とすように剥離する。
【００８２】
ブラシ７１等のクリーニング部材と接触する部分の被着面５１の温度は、パージ処理で付着させる部分の被着面５１の温度よりも大きく下げた温度であって、被着面５１に付着した造形材料が、被着面５１から剥離しやすい温度とする。
造形ヘッド１１０が位置決めされる高温部との温度勾配を設ける方法としては、加熱手段がチャンバー２２０である場合は、クリーニング部材との接触箇所の近傍に冷却手段を設けてもよい。例えば、パージ用ローラ５２ａの片側に水冷パイプを内蔵してもよい。
被着面加熱手段５８が、パージ用ローラ５２ａに内蔵されたハロゲンランプ５８ａ等の加熱ヒータである場合は、図１２に示すように断熱部材５８ｂ等の断熱材で加熱ヒータを覆うことによって、加熱ヒータの熱を被着面５１に集中させることができる。
【００８３】
更に、図９に示すように、ブラシ７１に付着した造形材料を除去するために、櫛歯部材を設けて回収容器７９に落とす。ブラシ７１をパージ装置５０から着脱可能に取り付ける構造を備えて、ブラシ７１を清掃したり、交換したりすることが可能である。
ここで、クリーニング部材の構成としては、回転するブラシ７１に限定されるものではなく、例えば、被着面５１から造形材料を剥離できる方法であれば、スクレーパ部材や、スクレーパ部材がスパイラル上に配置された回転ローラに設けられた回転刃でもよい。このような構成の場合は、クリーニング部材自体に弾力を持たせることができないので、パージ用ローラ５２ａとクリーニング部材の間には付勢手段７７を設けた方がよい。
このように被着面５１をクリーニングするクリーニング手段として被着面クリーニング機構７０を備えることで、被着面５１を連続して使用できる時間を格段に延ばすことができる。
【００８４】
ここで、図９を用いて、被着面クリーニング機構７０の取り付け構成の概略、及びクリーニング部材として例示した回転するブラシ７１の駆動手段について説明しておく。
回転するブラシ７１の駆動手段は、例えば、図９に示すようにモータ７３等の駆動源とクリーニング伝達機構７４から構成される。
クリーニング伝達機構７４は、複数のギア、耐熱性ベルトなど適宜選択される。駆動源（モータ）及びモータドライバは、チャンバー２２０が利用される場合は、チャンバー２２０のいずれかの側壁部であるチャンバー側壁２２ｃの外部に配置される。
回転するブラシ７１は、パージ用ローラ５２ａ用の取り付け部材５６がある場合には、取り付け部材５６に設けられた支点を中心に揺動する揺動部材７５を介して、その軸受７５ａを挟むように支持される。また、揺動部材７５の片方に、回転するブラシ７１の軸７５ｂが延在し、従動ギアが固定され、上述したクリーニング伝達機構７４に接続される。
【００８５】
また、揺動部材７５の長手方向略中央には、パージ用ローラ５２ａを支持する板状部材５５との間に、パージ用ローラ５２ａと、クリーニング部材である回転するブラシ７１との間に付勢力を付与する付勢手段７７が設けられている。
そして、パージ用ローラ５２ａとブラシ７１の下方には、回転するブラシ７１により除去した造形材料を回収する回収容器７９が設けられており、図９図中、回転するブラシ７１から離れた側には飛散する造形材料を回収容器７９内に導くガイド板８０が設けられている。
【００８６】
［造形ヘッドの横移動］
また、本実施形態のパージ用ローラ５２ａを用いるパージ装置５０では、図１１（ｂ）に示すように、造形ヘッド１１０を、少しずつパージ用ローラ５２ａの軸方向であるＸ軸方向又はＹ軸方向に移動させる。具体的には、パージ用ローラ５２ａ上の被着面５１の移動方向と直交する方向に造形ヘッド１１０を移動させる。
造形ヘッド１１０のＸ軸方向又はＹ軸方向への移動ピッチ（移動量）は、上述した吐出材料幅：Ｗ２以上とすれば良い。図１等を用いて説明したＸ軸駆動機構３１０又はＹ軸駆動機構３２０を利用して造形ヘッド１１０を移動する。
図１１（ｂ）に示すように、造形ヘッド１１０は、Ｘ軸又はＹ軸の方向へ移動しつつ、ノズル１１１から造形材料をパージ用ローラ５２ａに吐出し、パージ用ローラ５２ａは、ノズル１１１から造形材料が吐出されている間、回転する。したがって、造形ヘッド１１０からパージ用ローラ５２ａの被着面５１に吐出され、被着面５１に付着した（接着された）造形材料は、被着面５１に対してらせん状に連続的に付着する。
【００８７】
上述したように構成することで、パージ用ローラ５２ａの径が小さくても、大量の造形材料を造形ヘッド１１０から被着面５１に吐出することができるので、造形ヘッド１１０を造形材料が良好に吐出可能な状態に回復することができる。
更に、造形ヘッド１１０内の造形材料と、造形ヘッド１１０から外側へ吐出された造形材料と、パージ用ローラ５２ａの被着面５１に付着している（接着されている）造形材料とが連続している（繋がっている）状態で、パージ用ローラ５２ａを回転する。このため、造形ヘッド１１０のノズル１１１から連続的に造形材料を引き出すことができ、ノズル１１１の内部に詰まった造形材料をノズル１１１から除去することができる。
すなわち、パージ処理（吐出動作）を行っている間、造形ヘッド１１０のノズル１１１内の造形材料とパージ用ローラ５２ａの被着面５１に付着した造形材料とが繋がる（連続している）状態となる。
【００８８】
造形ヘッド１１０は、パージ用ローラ５２ａ（被着面５１）に造形材料を吐出しながら移動する。そのため、例えばクリーニング部材（ブラシ７１）で被着面５１から全ての造形材料を剥がすことができず、パージ用ローラ５２ａの被着面５１に一部の造形材料が残された状態であっても、その剥がし残した造形材料が存在する被着面５１の位置からノズル１１１が移動している。このため、被着面５１に剥がし残した造形材料が造形ヘッド１１０のノズル１１１に再度付着することがない。
加えて、被着面５１の高さ方向の位置を一定に保つことができるので、造形ヘッド１１０（ノズル１１１）と被着面５１とのギャップ（間隔）を一定に制御することができる。
また、クリーニング部材（ブラシ７１）によってパージ用ローラ５２ａから造形材料を掻き落とすことで、付着物の端部から造形材料が剥離できるので、パージ時にノズル１１１から連続的に造形材料を吐出する必要はない。例えば、ある程度の長さの単位で断続的にパージ用ローラ５２ａの被着面５１にノズル１１１から造形材料を吐出してもよい。
【００８９】
ここで、上述した本実施形態のパージ装置５０を用いずに、造形ヘッド１１０のノズル１１１から重力のみに頼って溶融された造形材料を下方にパージした場合に発生し得る不具合の例について、図を用いて説明する。
図１４は、造形ヘッド１１０のノズル１１１から重力のみに頼って下方に溶融された造形材料を吐出した場合の説明図である。図１４（ａ）は、ノズル１１１に吐出された造形材料がノズル１１１にＵ字状に再度付着した状態を示し、図１４（ｂ）は、吐出された造形材料が暴れてノズル１１１に付着した状態を示している。
図１１等に示したパージ用ローラ５２ａを用いずに、ノズル１１１から重力のみに頼って溶融された造形材料を下方に吐出した場合、図１４（ａ）及び（ｂ）に示すようにノズル１１１から吐出された造形材料が暴れてノズル１１１に再度付着する場合がある。この場合、造形ヘッド１１０から造形材料を所定量吐出することができない。
【００９０】
そこで、本実施形態のパージ装置５０では、図１１等に示すように、ノズル１１１の内部から造形材料を吐出して回収するときに、造形ヘッド１１０のノズル１１１内部の造形材料と、パージ用ローラ５２ａの被着面５１に付着した造形材料とが繋っている（連続している）状態で、パージ用ローラ５２ａを回転させる。このように回転させることで、造形ヘッド１１０のノズル１１１から吐出された造形材料が暴れることなく、造形ヘッド１１０のノズル１１１の内部から造形材料を引き出してノズル１１１の外部へ吐出することができる。
【００９１】
［パージ装置の別形態］
次に、被着面５１を移動させる回転体を有したパージ装置５０（ノズル清掃部２４０）の変形例について説明する。
図１５は、パージ装置５０の変形例の説明図であり、図１５（ａ）が、搬送ローラ５３ａと架張ローラ５３ｂに架張されるパージ用ベルト５１ａ表面上に被着面５１を形成したベルト方式の変形例１を示している。また、図１５（ｂ）が、送り出しローラ５３ｃに巻かれたパージ用リボン５１ｂを、搬送ローラ５３ａに架張し、巻き取りローラ５３ｄで巻き取る巻き取り方式（リボン方式）の変形例２を示している。
【００９２】
（変形例１）
本変形例１のパージ装置５０は、図１５（ａ）に示すように、搬送ローラ５３ａと架張ローラ５３ｂに架張されるパージ用ベルト５１ａの表面上に被着面５１を形成する。ここで、搬送ローラ５３ａは、パージ用ベルト５１ａの裏面から、造形ヘッド１１０（ノズル１１１）の位置を規定するためのバックアップローラとして機能する。
本変形例１のパージ装置５０の基本的な構成は、パージ用ベルト５１ａの表面上に被着面５１を形成したベルト方式である以外は、図１１等のローラ式の構成と同様である。そして、本変形例１のベルト方式の形態でも、上述したローラ式の形態と同様な効果が得られる。
【００９３】
また、図１５（ａ）に示すベルト方式でも、被着面５１上に付着した（接着された）造形材料のクリーニング（掻き落とし）手段として、上述したローラ式のパージ装置と同様の被着面クリーニング機構７０を用いる。ベルト方式で図１５（ａ）に示すように架張ローラ５３ｂの径を小さくしてエッジ部５３ｅを設けることで、パージ用ベルト５１ａを屈曲させて被着面５１上に付着した造形材料を剥離することができる。
また、パージ用ベルト５１ａの一部を、造形ヘッド１１０近傍の高温領域の外側に配置することができるので、パージ（接着）箇所と剥離箇所との間に温度差を設けることができる。
【００９４】
（変形例２）
本変形例２のパージ装置５０は、図１５（ｂ）に示すように、送り出しローラ５３ｃに巻かれたパージ用リボン５１ｂを搬送ローラ５３ａに架張し、巻き取りローラ５３ｄで巻き取る。搬送ローラ５３ａは、パージ用リボン５１ｂの裏面から、造形ヘッド１１０（ノズル１１１）の位置を規定するためのバックアップローラとして機能する。
本変形例２のパージ装置５０は、上述したローラ式のパージ装置とは異なり、巻き取りローラ５３ｄで巻き取るパージ用リボン５１ｂに造形材料を付着させる（接着させる）ので、被着面５１上に付着した造形材料をクリーニングする（掻き落とす）手段を設けていない。
【００９５】
また、通常、パージ用リボン５１ｂは細く薄いので、造形材料をパージ用リボン５１ｂに付着させたまま巻取ることが可能である。一方、リボンは巻き取る必要があるので、パージ用リボン５１ｂの材質として硬度の低い樹脂を用いることが好ましい。
本変形例２のパージ装置５０は、被着面５１上に付着した造形材料のクリーニング手段が不要であるので、上述したローラ式のパージ装置よりも構成が簡素である。また、パージ用リボン５１ｂに付着させた（接着させた）造形材料が被着面５１から剥離しないので、パージ処理の経時的な変化を被着面５１に記録として残すことができる。
【００９６】
また、本変形例２のパージ装置５０は、細いパージ用リボン５１ｂを送り出しローラ５３ｃから送り出して巻き取りローラ５３ｄで巻き取る、パージ用リボン５１ｂを一方向に移動する構成であるが、次のように構成してもよい。
巻き取りローラ５３ｄでの巻き取りが完了した後、巻き取りローラ５３ｄ、搬送ローラ５３ａ、及び送り出しローラ５３ｃを逆方向に回転させる。そして、搬送ローラ５３ａの軸方向の異なった被着面５１の位置、又はクリーニング手段で造形材料を掻き落とした被着面５１の位置に、造形ヘッド１１０のノズル１１１から吐出される造形材料を付着させる（接着させる）。これにより、パージ用リボン５１ｂ、１本当たりの使用期間を長くでき、メンテナンスの頻度を低減することが可能となる。
但し、搬送ローラ５３ａの軸方向の異なった被着面５１の位置に、吐出される造形材料を付着させる場合には、図１１に示す構成と同様に造形ヘッド１１０を搬送ローラ５３ａ（図１１におけるパージ用ローラ５２ａ）の軸方向に移動させるとともに、所定幅以上のパージ用リボン５１ｂを用いる。
【符号の説明】
【００９７】
１    三次元造形装置
２１    フィラメント送り機構
４０    フィラメント
５０    パージ装置
５１    被着面
５１ａ  パージ用ベルト
５１ｂ  パージ用リボン
５２ａ  パージ用ローラ
５３    ステッピングモータ
５３ａ  搬送ローラ５３
５３ｂ  架張ローラ
５３ｃ  送り出しローラ
５３ｄ  巻き取りローラ
５３ｅ  エッジ部
５６    取り付け部材
５７    高さ調整手段
５７ａ  ネジ
５８    被着面加熱手段
５８ａ  ハロゲンランプ
５８ｂ  断熱部材
６０    ヘッド先端部クリーニング装置
７０    被着面クリーニング機構
１００    材料供給部
１１０    造形ヘッド
１１１    ノズル
２１０    載置部
２１１    ステージ
２１２    造形プレート
２２０    チャンバー
３１０    Ｘ軸駆動機構
３２０    Ｙ軸駆動機構
３３０    Ｚ軸駆動機構
４００    制御部
【先行技術文献】
【特許文献】
【００９８】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１４／０２５２６８４号明細書
【特許文献２】特許第４６８５９００号公報
【図１】
2018130836.tif 000003
【図２】
2018130836.tif 000004
【図３】
2018130836.tif 000005
【図４】
2018130836.tif 000006
【図５】
2018130836.tif 000007
【図６】
2018130836.tif 000008
【図７】
2018130836.tif 000009
【図８】
2018130836.tif 000010
【図９】
2018130836.tif 000011
【図１０】
2018130836.tif 000012
【図１１】
2018130836.tif 000013
【図１２】
2018130836.tif 000014
【図１３】
2018130836.tif 000015
【図１４】
2018130836.tif 000016
【図１５】
2018130836.tif 000017