(57)【要約】【課題】熱エネルギー効率性が良好で、かつ小型化が可能な造形装置、及び造形方法を提供すること。【解決手段】造形装置１は、ステージ２と、可撓性を有する造形材料１０をステージ２上の造形位置に搬送するテープ搬送機構６と、造形位置に搬送された造形材料１０に対して放電する放電機構７と、造形位置をステージ２に対して相対的に移動させる移動機構４と、を備え、放電によって造形材料１０の先端を溶融して積層するように構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性を有する造形材料をステージ上の造形位置に搬送する送り機構と、
前記造形位置に搬送された前記造形材料に対して放電する放電機構と、
前記造形位置を前記ステージに対して相対的に移動させる移動機構と、
を備えたことを特徴とする造形装置。
【請求項２】
請求項１に記載の造形装置において、
前記造形材料は、断面矩形状を有するテープ状材料である
ことを特徴とする造形装置。
【請求項３】
請求項２に記載の造形装置において、
前記造形材料は、断面視におけるテープ厚み寸法とテープ幅寸法とのアスペクト比が１０以上である
ことを特徴とする造形装置。
【請求項４】
請求項２又は請求項３に記載の造形装置において、
前記放電機構は、前記造形材料のテープ幅方向に沿って前記造形材料に対する放電を同じ高さから行う走査機構部を備えている
ことを特徴とする造形装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の造形装置において、
前記放電機構は、前記放電を覆うシールドガスを前記造形材料に吹き付ける
ことを特徴とする造形装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の造形装置において、
前記造形材料は、金属により構成されている
ことを特徴とする造形装置。
【請求項７】
請求項６に記載の造形装置において、
前記造形材料は、難燃化又は不燃化処理されている
ことを特徴とする造形装置。
【請求項８】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の造形装置において、
前記造形材料は、導電性を有する樹脂により構成されている
ことを特徴とする造形装置。
【請求項９】
可撓性を有する造形材料をステージ上の造形位置に搬送し、
前記造形位置に搬送された前記造形材料に対して放電することにより当該先端部を溶融させて前記造形位置に前記造形材料を積層し、かつ、前記造形位置を移動させることで前記造形材料の積層位置を変化させて造形物を造形する
ことを特徴とする造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、造形装置、及び造形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、入力データに基づいて三次元造形物を生成する造形装置（いわゆる、３Ｄプリンター）が知られている（例えば特許文献１参照）。
特許文献１に記載の装置は、基板及び小出しヘッドを備え、これらの基板及び小出しヘッドが相対的に移動可能に設けられている。小出しヘッドには、造形材料である固体ロッドが供給され、当該固体ロッドが小出しヘッド内で溶融点まで加熱され、流動状態で小出しヘッドのノズルから小出しされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平３−１５８２２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に記載のような装置では、小出しヘッド内に供給された固体ロッド（造形材料）を溶融し、溶融状態の材料を所定位置に小出しすることで、三次元造形物を造形する。このような構成では、造形材料を確実に溶融させる必要があり、加熱部の構成が大型化するとの課題があり、さらに、溶融に必要な熱量も大きくなるので、エネルギー効率性も悪化する。また、造形材料を溶融状態で押し出す必要があるので、完全溶融させるための加熱時間も長くなるとの課題もあり、ノズルに溶融した加工材料が残留するとクリーニング等のメンテナンスも煩雑となる。
【０００５】
本発明は、熱エネルギー効率性が良好で、かつ小型化が可能な造形装置、及び造形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】
【０００６】
本発明の造形装置は、可撓性を有する造形材料をステージ上の造形位置に搬送する送り機構と、前記造形位置に搬送された前記造形材料に対して放電する放電機構と、前記造形位置を前記ステージに対して相対的に移動させる移動機構と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
本発明では、ステージ上の造形位置まで造形材料を搬送し、搬送された造形材料の例えば先端部に対して放電機構にて放電することにより溶融させる。これにより、造形材料の必要な部分のみを溶融させることができ、溶融された造形材料を造形位置に積層することができる。そして、移動機構によりステージに対する造形位置を移動させて、順次造形材料の積層位置を変化させ、上記の造形処理を繰り返すことで、所望の形状の造形物を造形することができる。
なお、本発明におけるステージ上の造形位置とは、ステージの所定位置が造形位置となるものに加え、ステージに造形された造形物における所定位置が造形位置となるものも含む。
このような本発明では、造形材料の先端部の造形位置に局所的に放電し、溶融させればよく、造形材料の全部を溶融させる必要がない。したがって、例えば溶融状態の造形材料を押し出す構成に比べて、必要となる熱エネルギーが少なく、かつ、気体を加熱するための時間も短縮でき、エネルギー効率性が良い。また、造形材料を溶融するための大型の溶融機構を必要とせず、装置の小型化を図ることができる。さらに、溶融した造形材料が造形装置に残留することもないので、当該残留材料を取り除くクリーニング等が不要であり、メンテナンスも容易となる。
【０００８】
本発明の造形装置において、前記造形材料は、断面矩形状を有するテープ状材料であることが好ましい。
本発明では、テープ状の造形材料を用いる。断面円形や断面楕円形状の造形材料では、位置によって厚み寸法が異なり、造形位置に積層される造形材料の厚みが変動する。これに対して、断面矩形状のテープ状材料では、厚み寸法が均一であるため、造形位置に積層した際の厚み寸法も均一となり、精度の高い造形物を造形することができる。
また、順次送り出される造形材料は、通常、円筒状の巻芯（ボビン）に巻装して保管されるが、断面円形や断面楕円形状の造形材料をボビンに巻装する場合、上記のように、断面円形や断面楕円形状の造形材料は位置によって断面厚み寸法が異なるので、造形材料が互いに隣接するようにボビンに巻装した場合でも隙間が生じる。これに対して、テープ状の造形材料をボビンに巻装する場合では、テープ表面とテープ裏面とを密着させてボビンに巻装させることが可能となるので、断面円形や断面楕円形状の造形材料を用いる場合に比べて体積占有率を向上させることができる。すなわち、断面円形や断面楕円形状の造形材料を用いる場合と比較し、造形材料の巻装保管スペースを小さくでき、装置のさらなる小型化を図ることができる。
【０００９】
本発明の造形材料において、前記造形材料は、断面視におけるテープ厚み寸法とテープ幅寸法とのアスペクト比が１０以上であることが好ましい。
本発明では、アスペクト比（テープ幅寸法／テープ厚み寸法）が１０以上である。
ここで、アスペクト比が１０未満である場合は、テープ幅寸法に対してテープ厚み寸法が大きすぎる場合と、テープ厚み寸法に対してテープ幅寸法が小さすぎる場合とが考えられる。前者の場合、造形材料の可撓性が不十分であり、送り機構による造形材料の搬送ハンドリング性が悪化する。また、後者では、捩れ等が生じ、搬送ハンドリング性が悪化する。これに対して、上記のようにアスペクト比を１０以上にすることで、可撓性を有する造形材料の搬送効率を向上させることができ、所望の造形位置に造形材料を効率的に搬送することができる。
【００１０】
本発明の造形装置において、前記放電機構は、前記造形材料のテープ幅方向に沿って前記造形材料に対する放電を同じ高さから行う走査機構部を備えていることが好ましい。
本発明では、テープ状造形材料の幅方向における一部に放電を行うことで、その一部のみを溶融させる。この際、造形材料に対する放電を同じ高さから行える走査機構部を設けることで、テープ幅方向に対して容易に放電位置を移動させることができる。また、テープ状の造形材料を幅方向に亘って確実に溶融できるうえ、無駄なく使用することができる。さらに、造形材料の長さ方向（搬送方向）に沿って放電位置を移動させる場合には、造形材料の送り機構側（搬送方向の上流側）で放電が行われることにより、意図しない位置での造形材料の溶融が起こり得る。これに対して、幅方向に放電位置を移動させる場合では、搬送方向の上流側での造形材料の溶融を抑制でき、精度のよい造形物を造形できる。
【００１１】
本発明の造形装置において、前記放電機構は、前記放電を覆うシールドガスを前記造形材料に吹き付けることが好ましい。
ここで、シールドガスとしては、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス、あるいは不活性ガスと水素等の活性ガスとを混合した混合ガスなどであり、放電の形態に応じて適宜なガスが使用される。
本発明では、シールドガスを造形材料に吹き付けるため、溶融している造形材料及び放電を大気から遮断し、造形材料の溶融部分の酸化や窒化を防止できる。特に、溶融部分に窒素が溶け込み、この窒素が凝固時に一気に析出し、泡となって凝固部分内に固まってしまうブローホールの発生を防ぐことができる。また、放電によってアークやプラズマ状態を生じさせる場合など、シールドガス自身によりプラズマ状態を生成できたり、形成されたアークを良好に維持したりできる。
【００１２】
本発明の造形装置において、前記造形材料は、金属により構成されていることが好ましい。
本発明は、造形材料として金属素材を用いているので、高強度な造形物を造形することができる。
【００１３】
本発明の造形装置において、前記造形材料は、難燃化又は不燃化処理されていることが好ましい。
本発明では、金属造形材料が難燃化処理又は不燃化処理されている。したがって、加熱気体を吹き付けた際に、金属材料が燃焼による化学反応を起こしにくく、高品質な造形物を造形することができる。
【００１４】
本発明の造形装置において、前記造形材料は、導電性を有する樹脂により構成されていることが好ましい。
本発明では、造形材料として樹脂素材と導電物質の混合物を用いる。樹脂素材は、金属素材に比べて融点が低く、放電に必要な電気エネルギーを小さくできる。したがって、放電機構の構成をより簡素な構成にでき、装置の小型化をより促進できる。
【００１５】
本発明の造形方法は、可撓性を有する造形材料をステージ上の造形位置に搬送し、前記造形位置に搬送された前記造形材料に対して放電することにより当該先端部を溶融させて前記造形位置に前記造形材料を積層し、かつ、前記造形位置を移動させることで前記造形材料の積層位置を変化させて造形物を造形することを特徴とする。
本発明では、上記発明と同様に、ステージ上の造形位置まで造形材料を搬送し、搬送された造形材料に対して放電することで、当該造形材料を溶融させて造形位置に積層させる。これを、造形位置を移動させて繰り返すことにより、所望の形状の造形物を造形することができる。また、造形材料の例えば先端部の造形位置に放電すればよく、造形材料の全部を溶融させる必要がないため、例えば溶融状態の造形材料を押し出す構成に比べて、必要となる熱エネルギーが少なく、エネルギー効率性の向上を図れる。また、造形材料を溶融するための大型の溶融装置を必要とせず、装置の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態の造形装置の概略構成を示す図。
【図２】本実施形態で用いられる造形材料の概略構成を示す斜視図。
【図３】本実施形態のカセットの概略構成を示す断面図。
【図４】放電部をテープ幅方向に走査するための揺動部の構成例を示す図。
【図５】本実施形態の造形装置を用いた造形物の造形方法（造形処理）を示すフローチャート。
【図６】本実施形態において、造形処理により造形物が形成される過程を示す斜視図。
【図７】他の実施形態における、造形材料の保管構成を示す斜視図。
【図８】他の実施形態における糸状造形材料を用いた場合の送出ローラーの構成を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る一実施形態の造形装置について、図面に基づいて説明する。
［造形装置の概略構成］
図１は、本実施形態の造形装置の概略構成を示す図である。
図１に示すように、造形装置１（積層造形装置）は、ステージ２と、造形ヘッド３と、移動機構４と、コントローラー５とを備えている。
この造形装置１は、例えばパーソナルコンピューター等のデータ出力装置からコントローラー５に入力された造形用データの断面形状に応じて、ステージ２上に造形材料１０を積層して三次元造形物を造形する装置である。具体的には、コントローラー５は、造形用データに基づいて移動機構４を制御して、造形ヘッド３を所定の造形位置Ｐに移動させる。そして、コントローラー５は、造形ヘッド３を制御して、ステージ２上の造形位置Ｐ（ステージ２上の造形物の造形位置Ｐを含む）に造形材料１０を溶融積層させる。
以下、各構成について、詳細に説明する。
【００１８】
［ステージ２の構成］
ステージ２は、造形物を造形するための台座であり、例えば、造形物を載置する平面を備えている。
【００１９】
［造形ヘッド３の構成］
造形ヘッド３は、ステージ２に対して移動機構４により移動可能に設けられており、図１に示すように、テープ搬送機構６と、放電機構７とを備えている。
［テープ搬送機構６の構成］
テープ搬送機構６は、本発明の送り機構を構成し、造形材料１０を搬送方向Ｄ１に沿ってステージ２上の造形位置Ｐに搬送する。このテープ搬送機構６は、造形材料１０を格納するカセット６１と、カセット６１から供給される造形材料１０をステージ２上の所定の造形位置Ｐに搬送する送出部６２とを備えている。
【００２０】
（造形材料１０の構成）
ここで、カセット６１に格納される造形材料１０について、説明する。
図２は、本実施形態で用いられる造形材料１０の概略構成を示す斜視図である。
図２に示すように、造形材料１０は、短辺（テープ厚み寸法）ａ、長辺（テープ幅寸法）ｂの扁平断面を有し、アスペクト比（ｂ／ａ）が１０以上の薄肉状（テープ状）に構成されている。ここで、アスペクト比が１０未満である場合、造形材料１０の搬送ハンドリング性が低下する。つまり、テープ幅寸法ｂに対してテープ厚み寸法ａを大きくすると、造形材料１０の可撓性が低下により、後述する送出ローラー対６２１や駆動ローラー対６２２における搬送効率が低下し、搬送時にハンドリング性（搬送のしやすさ）が低下する。また、本実施形態では、造形材料１０の可撓性を利用して、造形材料１０のステージ２側の面（テープ裏面）と、造形位置Ｐにおける造形物の上面（又はステージ２の面）とを当接させる。したがって、十分な可撓性を有さない場合、造形位置Ｐにおいて、造形物の上面（又はステージ２の面）と、造形材料１０のテープ裏面との間に隙間が生じ、造形材料１０を溶融して積層させた際の密着性が低下してしまう。また、テープ厚み寸法ａが十分に小さい場合でも、テープ幅寸法ｂが小さいと、搬送時に造形材料１０に捩れが発生するおそれがあり、搬送ハンドリング性が低下する。
これに対して、上記のようにアスペクト比を１０以上にすることで、可撓性を有する造形材料１０の搬送効率を向上させることができ、所望の造形位置に造形材料を効率的に搬送することができる。
【００２１】
このような造形材料１０としては、金属や導電性を有する樹脂等が例示できる
造形材料１０として金属を用いる場合、樹脂よりも造形により得られる造形物の強度が高くなる。一方、造形材料１０では、ステージ２上の造形位置Ｐまで搬送する必要があり、可撓性が求められる。金属製の造形材料１０では、上記可撓性を確保するためにテープ厚み寸法がａ≦０．１ｍｍとすることが好ましい。テープ厚み寸法がａ＞０．１ｍｍである場合、造形材料１０が撓みにくく、搬送時において所望の造形位置Ｐに造形材料１０を搬送することが困難となる。
そして、上記のように搬送ハンドリング性を考慮してテープ幅寸法ｂが設定されており、テープ厚み寸法ａが０．１ｍｍの場合では、テープ幅寸法として、１ｍｍ以上とすることが好ましい。なお、テープ厚み寸法ａの設定値にもよるが、テープ幅寸法ｂの設定値としては、５ｍｍ≦ｂ≦１５ｍｍとすることがより好ましい。以上のような寸法ａ，ｂに形成されたテープ状の造形材料１０では、十分な可撓性を維持でき、かつ捩れ等によるハンドリング性の低下を抑制できる。
【００２２】
金属製の造形材料１０を用いる場合、より好ましくはＭｇを用いることが好ましい。Ｍｇは例えばＡｌ等に比べて、比重が小さく（Ｍｇ比重が１．７に対してＡｌ比重が２．７）、造形材料１０の軽量化を図れる。
さらに、金属製の造形材料１０では、融点近傍まで熱せられた際に酸化が発生しないように、難燃化処理又は不燃化処理を施されていることが好ましい。難燃化処理や不燃化処理としては、公知の技術を用いることができる。
上述のような金属製の造形材料１０は、例えば、圧延や押し出し等により成型されたものをカットすることで、大量かつ安価に製造することが可能となる。
【００２３】
一方、造形材料１０として、導電性を有する樹脂を用いる場合、金属に比べて融点が低く、後述する放電機構７により供給される電流値小さく設定でき、放電機構７の更なる簡略化を図れる。このような樹脂製の造形材料１０を用いる場合では、テープ厚み寸法がａ≦１ｍｍ、テープ幅寸法が５ｍｍ≦ｂとすることが好ましい。樹脂製の造形材料１０は、金属に比べて可撓性を確保しやすく厚み寸法を大きくできるが、テープ厚み寸法がａ＞１ｍｍの場合では、可撓性が不足し、ハンドリング性が低下する。また、テープ幅寸法が５ｍｍ＞ｂである場合は、捩れが生じやすく、ハンドリング性が低下する。以上から、上記のような寸法ａ，ｂの範囲でアスペクト比が１０以上となるように、造形材料１０を構成することが好ましい。
導電性を有する樹脂としては、例えば材料自身が本質的に導電性を有するポリアセチレン、ポリビロール、ポリチオフェン、ポリアニリン、あるいは絶縁樹脂に導電性金属の粉末や繊維を加えた複合材料として導電性が付与された樹脂等を例示できる。
【００２４】
（カセット６１の構成）
次に、テープ搬送機構６のカセット６１について具体的に説明する。
図３は、本実施形態のカセット６１の概略構成を示す断面図である。
図３に示すように、カセット６１は、ケース６１１と、ボビン６１２と、ピンチローラー６１３と、を備えている。
ケース６１１は、例えば、内部空間を有する直方体形状であり、内部にボビン６１２、ボビン６１２に巻装された造形材料１０、及びピンチローラー６１３が格納されている。
また、ケース６１１の一部（本実施形態では、直方体の角部）に、送出口６１１Ａが設けられており、内部に収納された造形材料１０は、この送出口６１１Ａから外部に取り出される。
【００２５】
ボビン６１２は、軸状部材であり、ケース６１１における互いに対向する面に回転可能に支持されている。このボビン６１２には、上述した造形材料１０の一端部が固定され、当該造形材料１０がボビン６１２の周面に沿って巻装されている。より具体的には、テープ状の造形材料１０は、テープ裏面（ステージ２上に搬送された際に、ステージ２に対向する面）が、ボビン６１２に巻装された造形材料１０のテープ表面（テープ裏面とは反対側の面）に密着するように、同心円状に巻装され、ロール状で収納されている。
このような構成では、例えば糸状の造形材料をボビン６１２に巻装させた場合に比べて、体積占有率が高くなる。したがって、糸状の造形材料と、本実施形態のテープ状の造形材料１０とを、同量分だけボビンに巻装する場合、本実施形態の造形材料１０を用いる場合では、糸状の造形材料を用いる場合に比べて、体積を小さくでき、カセット６１の小型化を図ることができ、さらに、ボビン６１２への巻数も少なくなるので、製造効率性も良好となる。また、カセット６１のサイズが規定されている場合では、本実施形態のテープ状の造形材料１０を用いる場合では、体積占有率が大きいため、糸状の造形材料を用いる場合に比べて、カセット６１内により多くの造形材料１０を収納することが可能となる。
【００２６】
ピンチローラー６１３は、送出口６１１Ａの近傍に設けられ、造形材料１０が搬送方向をガイドする。ピンチローラー６１３は、一対設けられており、これらの一対のピンチローラー６１３により造形材料１０を挟み込んで送出口６１１Ａに案内する。また、ピンチローラー６１３により造形材料１０が挟み込まれることで、巻装された造形材料１０の弛みを抑制でき、送出口６１１Ａから送り出される造形材料１０の走行性（搬送性）が向上する。
【００２７】
また、カセット６１は、例えばケース６１１の外装部に図示略の係止ピンやガイド突起等による位置決め部が設けられており、これらの位置決め部を造形ヘッド３における所定位置に位置決めすることで、カセット６１を造形ヘッド３に装着することが可能となる。
【００２８】
（送出部６２の構成）
送出部６２は、図１に示すように、カセット６１から提供された造形材料１０をステージ２上の造形位置Ｐまで送り出す。
この送出部６２は、一対の送出ローラー６２１Ａ，６２１Ｂにより構成された送出ローラー対６２１と、駆動ローラー６２２Ａ及び従動ローラー６２２Ｂにより構成された駆動ローラー対６２２と、ガイド部６２３とを備えている。なお、本実施形態では、送出ローラー対６２１が１つ設けられる例を示すが、２つ以上設けられていてもよく、送出ローラー対６２１が設けられず、駆動ローラー対６２２のみが設けられる構成などとしてもよい。さらに、駆動ローラー対６２２が１つのみ設けられる例を示すが、２つ以上設けられる構成などとしてもよい。
【００２９】
送出ローラー対６２１は、送出ローラー６２１Ａ，６２１Ｂにより造形材料１０を挟み込み、造形材料１０の搬送をガイドする。ここで、送出ローラー対６２１は、カセット６１から送出された造形材料１０の巻癖（ボビン６１２への巻装方向）とは反対側に造形材料１０を湾曲させつつ、当該造形材料１０を搬送する。これにより、造形材料１０の巻癖を矯正することが可能となる。
【００３０】
駆動ローラー対６２２は、造形材料１０を引き込み、造形位置Ｐに向かって送出する。具体的には、駆動ローラー対６２２は、モーター等の駆動量により回転駆動される駆動ローラー６２２Ａと、駆動ローラー６２２Ａの駆動に追従する（モーター駆動力が伝達されない）従動ローラー６２２Ｂとを備えている。駆動ローラー６２２Ａ及び従動ローラー６２２Ｂにより、造形材料１０の定速度での搬送が可能となる。
【００３１】
ここで、駆動ローラー６２２Ａは、造形材料１０のテープ裏面に接することが好ましい。これにより、造形材料１０の巻癖により当該造形材料１０が駆動ローラー６２２Ａに付勢され、搬送時の滑り等を抑制でき、搬送効率性を向上できる。
なお、駆動ローラー６２２Ａがテープ表面に接する構成としてもよい。また、駆動ローラー対６２２を構成する一対のローラーの双方を駆動ローラーとして駆動させる構成としてもよい。この場合、さらに、テープ裏面に接する駆動ローラーを、テープ表面に接する駆動ローラーに対して回転速度を僅かに上げることで、造形材料１０の巻癖をより確実に矯正することができる。
【００３２】
ガイド部６２３は、例えば、表面が耐摩耗処理された、耐久性の高い金属材により板バネ状に構成され、搬送方向に沿う両端にガイド壁（図示略）を備えている。
このガイド部６２３は、造形材料１０の弛みを取るとともに造形材料１０の搬送方向を矯正してステージ２上の造形位置Ｐへの搬送を案内する。
ガイド部６２３により案内された造形材料１０は、撓みにより先端部が造形位置Ｐに付勢当接され、後述の放電機構７により溶融して造形位置Ｐに積層される。
【００３３】
［放電機構７の構成］
放電機構７は、図１に示すように、プラズマ発生部７１と、アーク電源７２と、走査機構部７３と、を備えている。この放電機構７によって行われるアーク放電より、造形材料１０の融点前後の温度とされたプラズマアークをトーチ状に形成し、このプラズマアークをステージ２又は積層途上の造形物に付勢当接された造形材料１０の先端部に当て、その熱により局所的に造形材料１０を溶融してステージ２又は積層途上の造形物に積層し、これを順次繰り返すことで立体造形物を形成する。
【００３４】
［プラズマ発生部７１の構成］
プラズマ発生部７１は、中央に配置されたタングステン等の高融点金属からなる電極７１１と、電極７１１が収容されるとともに、外周側の冷却水路７１２Ａによって冷却される内筒状のアースシールドケース７１２と、アースシールドケース７１２が収容される外筒状のハウジングケース７１３とを有する。
【００３５】
電極７１１は、アーク電源７２の高電位側に接続されている。
アースシールドケース７１２は、アーク電源７２の接地側に放電用のトリガースイッチ７１２Ｂを介して接続されている。アースシールドケース７１２の内部には、プラズマ生成ガス供給路７１２Ｃを通してプラズマ生成ガスが供給される。アースシールドケース７１２の先端は、１〜２mm程度の開口径を有したノズル形状とされている。プラズマ生成ガスにより、電極７１１及び造形材料１０間で安定した放電が行われ、アークを伴うプラズマ状態が良好に維持される。また、アースシールドケース７１２の先端のノズル形状部分では、プラズマ生成ガスが絞られて噴射されることにより、プラズマアークがトーチ状に集中して形成される。
ハウジングケース７１３の内部には、シールドガス供給路７１３Ａを通してシールドガスが供給される。供給されたシールドガスは、プラズマアークつまり放電を覆いながらハウジングケース７１３の先端から流出し、造形材料１０に吹き付けられる。このシールドガスの供給によりプラズマアークが冷却され、この際の熱ピンチ効果により、プラズマアークはさらに集中した細長いトーチ状に形成され、造形材料１０を局所的なスポット状に溶融することが可能である。
【００３６】
ここで、本実施形態で用いられるプラズマ生成ガス及びシールドガスとしては、造形材料１０の融点付近での酸化還元などの化学的変化を防止するために、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、あるいはこれらを混合した混合ガス（Ａｒ＋Ｈｅ）など、不活性ガスが用いられる。また、プラズマ生成ガス及びシールドガスは、造形材料１０の酸化を防止するために、それらの不活性ガスに水素（Ｈ２）を添加した還元性ガス（Ａｒ＋Ｈ２，Ａｒ＋Ｈ２＋Ｈｅ）であってもよい。
【００３７】
［アーク電源７２の説明］
アーク電源７２としては、薄板用のＴＩＧ溶接あるいはプラズマ溶接に必要な出力と同程度の出力を有した電源を採用できる。アーク電源７２の高電位側には前述したように、電極７１１が接続されている。アーク電源７２の接地側には、前述のトリガースイッチ７１２Ｂの他、造形材料１０の所定箇所と導通をとる電源ラインが接続されている。
【００３８】
［走査機構部７３の説明］
図４に、プラズマ発生部７１をテープ幅方向に走査するための走査機構部７３の構成例を示す。
図４の例では、プラズマ発生部７１の基端部に走査機構部７３が設けられる。この走査機構部７３は、ステージ２の法線方向Ｄ２に平行に移動可能な直動モーター７３１を有する。直動モーター７３１は、造形ヘッド３の本体部（図示略）に固定されたガイドレール７３１Ａと、ガイドレール７３１Ａに沿って移動可能なスライダー７３１Ｂを備え、スライダー７３１Ｂにプラズマ発生部７１の基端側が支持されている。このような走査機構部７３では、コントローラー５により直動モーター７３１の動作を制御することで、テープ幅方向における所定位置にプラズマ発生部７１を移動させることができ、造形材料１０に対してプラズマアークを常に同じ高さから当てることができる。
なお、プラズマ発生部７１を走査させる走査機構部としては、その他、いかなる構成を用いてもよく、上記に限定されない。
【００３９】
［移動機構４の構成］
移動機構４は、造形ヘッド３をステージ２に対してＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の各軸方向に移動させて、造形ヘッド３におけるテープ搬送機構６の造形材料１０の搬送先（造形位置Ｐ）、及び放電機構７によるプラズマアークの照射位置を所望の位置に移動させる。すなわち、移動機構４は、造形位置Ｐをステージ２に対して移動させる。
具体的な構成としては、例えばＹ軸方向に沿って敷設されたＹガイド上で移動可能なコラム、コラム上に設けられてＸ軸方向に延びるＸガイドを備えたスライダー、Ｘガイドに沿って移動可能でＺ方向に沿ったＺガイドを備えたラムを備え、ラムのＺガイドに沿って移動可能に造形ヘッド３が設けられる構成等が例示できる。また、複数のアーム部材を連結し、アームの連結角度を制御することで、造形ヘッド３を３次元空間で移動可能な構成などとしてもよい。
また、本実施形態では、移動機構４により造形ヘッド３をステージ２に対して移動させる構成を例示するがこれに限定されず、例えば、ステージ２を造形ヘッド３に対して移動させる構成などとしてもよい。さらには、ステージ２をＺ方向に沿って移動させ、造形ヘッド３をＸＹ軸に沿って移動させる構成などとしてもよい。
【００４０】
［コントローラー５の構成］
コントローラー５は、例えばメモリー等の記憶部、ＣＰＵとの演算回路等により構成され、造形装置１の全体動作を制御する。記憶回路には、造形装置１を制御するための各種プログラムや各種データが記録される。また、コントローラー５の演算回路は、記憶部に記憶されたプログラムを読み込み実行することで、図１に示すように、データ取得手段５１、移動制御手段５２、及び造形制御手段５３として機能する。なお、本実施形態では、各機能構成は、ハードウェアである演算回路と、プログラム（ソフトウェア）との協働により実現される例を示すが、例えば各機能を有する集積回路（ハードウェア）を組み合わせることで実現される構成などとしてもよい。
データ取得手段５１は、例えば、コントローラー５に通信可能に接続されるパーソナルコンピューター等の外部機器から造形用データを取得する。なお、コントローラー５が記録媒体を読み込むドライブ装置を備え、当該ドライブ装置に装着された記録媒体から直接造形用データを取得する構成などとしてもよい。
移動制御手段５２は、造形用データに基づいて、移動機構４を制御し、造形ヘッド３を移動させる。
造形制御手段５３は、造形ヘッド３を構成する送出部６２の駆動ローラー対６２２の動作、プラズマ発生部７１への冷却水の供給動作、プラズマ発生ガスの供給動作、シールドガスの供給動作、アーク電源７２からプラズマ発生部７１への電源供給動作、走査機構部７３の動作を制御し、造形位置Ｐに造形材料１０を溶融積層させて造形物を造形する。
【００４１】
［造形装置１による造形物の製造方法］
次に、上述のような造形装置１を用いた造形物の造形方法について図面に基づいて説明する。
図５は、本実施形態の造形装置１を用いた造形物の造形方法（造形処理）を示すフローチャートである。図６は、造形処理により造形物が形成される過程を示す斜視図である。
造形装置１により、造形物を造形するには、まず、コントローラー５のデータ取得手段５１は、造形用データを取得する（ステップＳ１）。具体的には、データ取得手段５１は、操作者の操作に基づいて、例えばコントローラー５に接続されたパーソナルコンピューター等の外部機器から入力される造形用データ、ＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に記録された造形用データ、インターネット等の通信回線を介して取得された造形用データ等を取得する。
【００４２】
そして、造形制御手段５３は、初期位置にあるプラズマ発生部７１にプラズマ生成ガスを導入し、トリガースイッチ７１２Ｂを接続状態にして電極７１１及びアースシールドケース７１２間にパイロット放電を生じさせ、プラズマ生成ガスにてプラズマ状態を形成するとともに、安定したアークを得る。
【００４３】
次に、移動制御手段５２は、造形用データから造形物の断面形状を解析し、図６に示すように、造形ヘッド３を造形物断面に相当する造形位置Ｐに移動させる（ステップＳ２）。
具体的には、テープ搬送機構６により搬送される造形材料１０の先端部が造形用データに基づいて示される造形位置Ｐに位置するように、移動機構４を制御する。こうすることで、造形材料１０がプラズマ発生部７１の直下に位置することとなり、プラズマ発生部７１の電極７１１及びアースシールドケース７１２間で生じたプラズマアークは、電極７１１及び造形材料１０間に移行する。
【００４４】
この後、造形制御手段５３は、シールドガスをプラズマ発生部７１に導入する。この結果、ノズル形状とされたアースシールドケース７１２の先端からプラズマ生成ガスが噴出するのに加え、ハウジングケース７１３の先端から吹き出すシールドガスが放電を覆うこととにより、放電によって得られたアークが細長い集中したトーチ状のプラズマアークとなり、プラズマアークが造形材料１０に当たって造形材料１０を溶融し、造形位置Ｐに対して造形材料１０を溶融して積層し、図６に示すように、造形物を形成する（ステップＳ３）。
【００４５】
この後、造形制御手段５３は、造形用データに基づいた造形物の造形処理が完了したか否かを判定する（ステップＳ４）。
ステップＳ４で「Ｎｏ」と判定された場合は、ステップＳ２及びステップＳ３に戻り、造形ヘッド３の移動及び造形材料の溶融積層を繰り返す。
この際、移動制御手段５２は、走査機構部７３の直動モーター７３１を制御してプラズマ発生部７１からのプラズマアークの照射位置をテープ幅方向に沿って移動させ、かつ移動機構４を移動させて、プラズマアークの照射位置が造形用データに基づいた造形位置Ｐとなるように、造形ヘッド３の位置を制御する。
また、造形制御手段５３は、テープ幅方向に沿った造形材料１０が溶融及び積層された場合は、送出部６２の駆動ローラー６２２Ａを駆動させることで、造形材料１０を所定量送り出し、先端部を造形位置Ｐに移動させる。送出部６２により送り出された造形材料１０は、可撓性を有するため自重により撓み、造形位置Ｐに付勢当接される。この後、ステップＳ３と同様に、造形位置Ｐに対して造形材料１０を溶融させて積層させる。
そして、ステップＳ４において、「Ｙｅｓ」と判定されると、造形処理を終了させる。
【００４６】
［本実施形態の作用効果］
本実施形態の造形装置１は、造形物が造形されるステージ２と、可撓性を有する造形材料１０をステージ２上の所定の造形位置Ｐに搬送するテープ搬送機構６と、造形位置Ｐに搬送された造形材料１０に対してアーク放電を行う放電機構７と、放電機構７が組み込まれる造形ヘッド３を、造形位置Ｐが造形用データに基づく所望位置に位置するように移動させる移動機構４と、を備えている。
このような構成では、造形材料１０の搬送供給と放電によるプラズマアークの照射とを別機構により実施し、造形材料１０の必要な個所のみを局所的に溶融する。したがって、例えば溶融された造形材料１０を押し出して造形位置Ｐに積層する場合に比べて、造形材料１０の溶融量及び溶融面積（体積）が小さく、熱エネルギーも少なくてよい。よって、放電機構７のプラズマ発生部７１等の構成を小型化でき、造形装置１の小型化、製造コストの低コスト化を図ることができる。
また、テープ搬送機構６により搬送された造形材料１０は、造形位置Ｐに付勢当接されて、その位置で溶融されるので、テープ搬送機構６や放電機構７には、溶融した造形材料１０が付着したり残留したりすることがない。したがって、造形装置１のメンテナンスも容易となる。
【００４７】
本実施形態では、造形材料１０は、断面矩形状を有するテープ状に形成されている。このようなテープ状の造形材料１０は、厚み寸法が均一であるため、造形位置Ｐに積層された造形材料１０の厚みが変動することなく、高精度な造形物を造形することができる。
また、造形材料１０をボビン６１２が同心円状に巻装する場合に、テープ裏面とテープ表面とを密着させることで、隙間をなくすことができ、例えば、糸状の造形材料を用いる場合に比べて、体積占有率が高くなる。つまり、同量の造形材料をカセット６１内に収納する場合に、糸状の造形材料に比べて、カセット６１の小型化を図ることができる。カセット６１のサイズが固定である場合は、糸状の造形材料を用いる場合に比べて、より多くの造形材料１０をボビンに巻装させることができる。
また、造形材料として粉体を用いる構成もあるが、このような粉体は球状となるため、糸状造形材料と同様、カセット６１に格納した際に体積占有率が小さくなり、また、カセットの送出口６１１Ａを閉塞する蓋部等を設ける必要も生じる。これに対して、本実施形態の造形材料１０では、粉体の造形材料よりも体積占有率を大きくでき、かつ送出口６１１Ａに蓋部を設ける必要もなく、取扱いが容易となる。
【００４８】
本実施形態では、テープ状の造形材料１０のテープ厚み寸法ａとテープ幅寸法ｂとの比であるアスペクト比（ａ／ｂ）が１０以上である。このため、十分に造形材料１０の可撓性を確保することができ、かつ捩れや撓み等により造形材料１０の搬送ハンドリング性の悪化も抑制できる。
【００４９】
ここで、本実施形態の造形材料１０としては、金属製及び導電性を有する樹脂製のいずれかを選択することができる。
金属製の造形材料１０を用いる場合は、樹脂製の造形材料１０に比べて耐久性が高い品質の造形物を造形でき、樹脂製の造形材料１０を用いる場合では、金属製の造形材料１０に比べて、加熱温度が低く、アーク電源７２から供給される電流をより小さくでき、絶縁構造等の簡略化を図れ、更なる小型化が可能となる。
また、金属製の造形材料１０を用いる場合では、比重の小さいＭｇを用いることで造形材料１０の軽量化を図れ、造形される造形物も軽量のものとなる。また、このような金属を用いる場合では、加熱による酸化反応を抑制するために、難燃化処理又は不燃化処理が施される。これにより、加熱気体を吹き付けた際の金属酸化を効果的に抑制でき、変質による造形物の品質低下を防止できる。
【００５０】
本実施形態では、放電機構７は、走査機構部７３を備え、プラズマ発生部７１を造形材料１０のテープ幅方向に沿って移動させることができる。このような構成では、テープ幅方向の一部に局所的にプラズマアークを当てて高精度の造形物を製造する際に、テープ幅方向に対してプラズマアークの照射位置を照射高さを一定に維持したまま走査させることができる。したがって、テープ状の造形材料１０を確実に溶融できるうえ、幅方向に亘って無駄なく使用することができる。
【００５１】
本実施形態では、プラズマアークをシールドガスで覆うため、溶融している造形材料１０及び放電によるプラズマアークを大気から遮断し、造形材料１０の溶融部分の酸化や窒化を防止できる。特に、溶融部分に窒素が溶け込み、この窒素が凝固時に一気に析出し、泡となって凝固部分内に固まってしまうブローホールの発生を防ぐことができる。また、放電によってアークやプラズマ状態を生じさせる本実施形態では、シールドガス自身によりプラズマ状態を生成できたり、形成されたアークを良好に維持したりできる。
【００５２】
本実施形態では、アースシールドケース７１２の先端がノズル形状を有しているので、アースシールドケース７１２の先端でプラズマアークを絞り込むことができ、プラズマアークを細長い集中したトーチ状に形成できる。
【００５３】
［その他の実施形態］
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
上記実施形態では、本発明に係る放電として、プラズマアークを造形材料にあてるアーク放電を例に挙げて説明した。すなわち上記実施形態では、プラズマアークをあてることと放電することとが同義であるとして説明した。しかし、本発明に係る放電はプラズマアークをあてることに限定されず、コロナ放電、火花放電、グロー放電など、アークが形成されない放電や、プラズマ雰囲気を必要としない放電であってもよい。
また、以上が絶縁破壊を伴う直流による放電であったが、誘電体バリア放電、ＲＦ(Radio Frequency)放電、マイクロ波放電等の交流による放電であってもよい。要するに本発明では、造形材料に放電することで当該造形材料を溶融させればよく、放電形態は特に問わない。
また、造形材料の加熱溶融は、アーク熱によるものではなく、放電時に生じるジュール熱によってもたらされるものであっても構わないのであり、造形材料を流れる電流によって溶融されればよい。
そして、シールドガスについては、アークが形成されない放電や、プラズマ雰囲気を必要としない場合の放電の場合でも、必要に応じて適用して構わず、また、直流による放電、交流による放電に関係なく、適用してよい。
【００５４】
上記実施形態では、放電機構７が走査機構部７３を有し、造形材料１０のテープ幅方向に対してプラズマ発生部７１を走査させることが可能な構成としたが、これに限定されない。例えば、糸状の造形材料を用いる場合では、走査機構部７３を設けなくてもよい。
また、テープ状の造形材料を採用した場合でも、ステージ２をＸＹ軸に沿って移動させる構成を設けるとともに、この構成と移動機構４とを協働させることで、走査機構部７３を代用してもよい。
【００５５】
造形材料１０として、アスペクト比が１０以上となる断面矩形状のテープ状材料を例示したが、これに限定されない。例えば、造形材料１０の材質等によって、十分な可撓性を有し、かつテープ搬送機構６における造形材料１０の搬送ハンドリング性が良好であれば、アスペクト比が１０未満となるテープ状材料を用いてもよい。
【００５６】
上記実施形態では、造形材料１０は、カセット６１に収納される構成としたが、これに限定されない。例えば、図７に示すように、軸芯６１４に造形材料１０を巻装することで、造形材料１０をロール状に保持してもよい。この場合、軸芯６１４の中心軸に沿って装着孔６１５を設け、例えば造形ヘッド３に設けられた係止ピンを装着孔６１５に挿通することで、造形材料１０が巻装された軸芯６１４を造形ヘッド３に装着できる。また、軸芯６１４の軸方向の両端部に、造形材料１０のテープ幅方向の両端縁を保持するフランジ部６１６を設ける構成とすることで、造形材料１０の弛み等を防止できる。
【００５７】
上記実施形態では、造形材料１０がテープ状材料である例を示したが、例えば糸状に構成されていてもよい。この場合でも、図３に示すようなカセット６１のボビン６１２や図７に示す軸芯６１４に糸状造形材料を巻装させることで、造形材料を保持することができる。一方、このような糸状造形材料を用いる場合、搬送時の捩れ等が発生しやすく、搬送ハンドリング性が悪化する場合がある。
この場合、送出部６２の送出ローラー対６２１及び駆動ローラー対６２２として、図８に示すような断面形状のローラー６２４Ａ，６２４Ｂを用いることが好ましい。駆動ローラー６２４Ａの表面を例えばゴムやエラストマー等の高摩擦係数を有する弾性部材により構成されたローラーである。また、従動ローラー６２４Ｂは、糸状造形材料１０Ａに対して２点で接し、糸状造形材料１０Ａの半分以上が入り込む断面三角形状の溝６２４Ｂ１が周方向に沿って形成されたローラーである。このような構成では、溝６２４Ｂ１に対して糸状造形材料１０Ａを弾性力で付勢しつつ、搬送方向に送り出すことで、安定した定量搬送が可能となる。
【００５８】
その他、本発明の実施の際の具体的な構造は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等に適宜変更できる。
【符号の説明】
【００５９】
１…造形装置、２…ステージ、３…造形ヘッド、４…移動機構、５…コントローラー、６…テープ搬送機構（送り機構）、７…放電機構、１０…造形材料、１０Ａ…糸状造形材料、７１…プラズマ発生部、７２…アーク電源、７３…走査機構部。
【図１】
2015202597.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2015202597.tif 000007
【図６】
2015202597.tif 000008
【図７】
2015202597.tif 000009
【図８】
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