(57)【要約】      （修正有）【課題】熱溶融積層造形方法を用い、短時間で三次元構造物を作製するための立体造形装置、あるいは、そのための立体造形方法を提供する。【解決手段】立体造形物を造形する造形用材料を貯留するためのシリンダ２０６と、シリンダ２０６内に配置される造形用材料を溶融して送り出すための送出部と、送出部によって送出される造形用材料を吐出するための吐出部２１０を有する造形用材料供給ユニット２００と、吐出部から吐出される造形用材料が積層される造形面を備えた造形ステージ３０１と、造形ステージ３０１と造形用材料供給ユニット２００とを三次元的に相対移動させる相対移動機構を備え、相対移動機構は、造形ステージが造形面に垂直な軸を中心に回転するように構成される第１の移動機構を有する、立体造形装置１００を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
立体造形物を造形する造形用材料を貯留するためのシリンダと、
前記シリンダ内に配置される前記造形用材料を溶融して送り出すための送出部と、
前記送出部によって送出される前記造形用材料を吐出するための吐出部を有する造形用材料供給ユニットと、
前記吐出部から吐出される前記造形用材料が積層される造形面を備えた造形ステージと、
前記造形ステージと前記造形用材料供給ユニットとを三次元的に相対移動させる相対移動機構を備え、
前記相対移動機構は、前記造形ステージが前記造形面に垂直な軸を中心に回転するように構成される第１の移動機構を有する、立体造形装置。
【請求項２】
前記相対移動機構が、前記造形面に対して平行な方向に前記造形ステージを直線的に移動させる第２の駆動手段を備える、請求項１に記載の立体造形装置。
【請求項３】
前記相対移動機構が、前記造形面に対して垂直な方向に前記造形ステージを直線的に移動させる第３の駆動手段を備える、請求項１又は２に記載の立体造形装置。
【請求項４】
前記吐出部は、前記吐出部の吐出口を開閉する開閉機構を有し、
前記開閉機構は、前記造形用材料の吐出を停止させる際には、前記吐出口を閉じ、前記造形用材料を吐出させる際には、前記吐出口を開けるよう構成される、請求項１乃至３のいずれかに記載の立体造形装置。
【請求項５】
前記開閉機構は、前記吐出口を閉じるピンによって構成されており、
前記ピンは、前記吐出口から退避して前記吐出口を開け、前記吐出口に接近して前記吐出口を閉じるよう構成される、請求項４に記載の立体造形装置。
【請求項６】
前記造形ステージの回転速度を変える変速機を前記造形ステージの下にさらに有する、請求項１に記載の立体造形装置。
【請求項７】
さらに前記相対移動機構の動作を制御する相対移動機構制御部を備え、
前記相対移動機構制御部は、立体造形物の三次元データから生成された相対移動機構の制御データに基づいて、前記相対移動機構の動作を制御する、請求項１乃至５のいずれかに記載の立体造形装置。
【請求項８】
さらに前記送出部の動作を制御する材料供給制御部を備え、
前記材料供給制御部は、立体造形物の三次元データから生成された材料供給制御データに基づいて、前記送出部の動作を制御する、請求項１乃至７のいずれかに記載の立体造形装置。
【請求項９】
さらに前記吐出部は、前記吐出口の開閉を制御する開閉機構制御部が設けられており、
前記開閉機構制御部は、立体造形物の三次元データから生成された開閉機構制御データに基づいて、前記開閉機構の動作を制御する、請求項１乃至８のいずれかに記載の立体造形装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載の立体造形装置を用いて立体造形物を造形する方法であって、
前記吐出部から吐出される造形用材料を前記造形ステージの造形面に積層して、立体造形物を造形する、立体造形物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立体造形装置、例えば熱溶融積層造形方法などの積層造形方法によって三次元構造物を作製するための装置に関する。あるいは、この装置を用いて三次元構造物を形成するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
三次元構造物を作製する方法の一つとして、熱溶融積層法が知られている。熱溶融積層法による装置においては、駆動ローラー等の送出部によってフィラメントと呼ばれる長尺状の固形樹脂をヒーターを備えた吐出部まで送り出し、吐出部から吐出される溶融した樹脂をステージ上に積層して三次元構造物を造形している。この熱溶融積層法による装置によれば、簡易な装置構成によって立体造形物を造形することができる。
【０００３】
一方、スクリューを備えた送出部を用いて溶融した樹脂を吐出部から吐出させ、溶融した樹脂をステージ上に積層する技術として、例えば特許文献１に開示されたものがある。特許文献１では、溶融した熱可塑性樹脂の液滴を吐出部から断続的に放出して三次元構造物を作製するための造形装置および、造形方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１５−５０１７３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題の一つは、熱溶融積層造形方法を用い、短時間で三次元構造物を作製するための立体造形装置、あるいは、そのための立体造形方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態の一つである立体造形装置は、立体造形物を造形する造形用材料を貯留するためのシリンダと、前記シリンダ内に配置される造形用材料を溶融して送り出すための送出部と、送出部によって送出される造形用材料を吐出するための吐出部を有する造形用材料供給ユニットと、吐出部から吐出される造形用材料が積層される造形面を備えた造形ステージと、造形ステージと造形用材料供給ユニットとを三次元的に相対移動させる相対移動機構を備え、相対移動機構は、造形ステージを造形面に垂直な軸を中心に回転するように構成される第１の移動機構を有する。
【０００７】
本発明の実施形態の一つである立体造形方法は、立体造形装置を用いて立体造形物を造形する方法である。立体造形装置は、立体造形物を造形する造形用材料を貯留するためのシリンダと、シリンダ内に配置される造形用材料を溶融して送り出すための送出部と、送出部によって送出される造形用材料を吐出するための吐出部を有する造形用材料供給ユニットと、吐出部から吐出される造形用材料が積層される造形面を備えた造形ステージと、造形ステージと造形用材料供給ユニットとを三次元的に相対移動させる相対移動機構を備える。相対移動機構は、造形ステージを造形面に垂直な軸を中心に回転するように構成される第１の移動機構を有する。吐出部から吐出される造形用材料を造形ステージの造形面に積層することにより、立体造形物を造形する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態の立体造形装置の模式的な斜視図。
【図２】本発明の一実施形態の立体造形装置の上面模式図。
【図３】本発明の一実施形態の立体造形装置の側面模式図。
【図４】本発明の一実施形態の立体造形装置の正面模式図。
【図５】本発明の一実施形態の立体造形装置の吐出部の側面模式図。
【図６】本発明の一実施形態の立体造形装置の吐出部の側面模式図。
【図７】本発明の一実施形態の立体造形装置の吐出部の吐出部形状の模式図。
【図８】本発明の一実施形態の造形ステージ制御部の上面模式図、および側面模式図。
【図９】本発明の一実施形態の立体造形装置の制御方法のフローチャート。
【図１０】本発明の一実施形態の造形ステージ制御部の側面模式図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の各実施形態について、図面等を参照しつつ説明する。但し、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲において様々な態様で実施することができ、以下に例示する実施形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
【００１０】
図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。本明細書と各図において、既出の図に関して説明したものと同様の機能を備えた要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略することがある。
【００１１】
本明細書および特許請求の範囲において、ある構造体の上に他の構造体を配置する態様を表現するにあたり、単に「上に」と表記する場合、特に断りの無い限りは、ある構造体に接するように、直上に他の構造体を配置する場合と、ある構造体の上方に、さらに別の構造体を介して他の構造体を配置する場合との両方を含むものとする。
【００１２】
（第１実施形態）
本実施形態では、立体造形装置１００の構造と操作に関し、図１乃至図８を用いて説明する。
【００１３】
［１．全体構成］
立体造形装置１００の斜視図を図１に示す。また、図２、３、４に立体造形装置１００の模式的な上面図、側面図、および正面図をそれぞれ示す。立体造形装置１００は主に、材料供給ユニット２００、造形ステージ制御部３００を含む。また、任意の構成として、材料供給ユニット２００を支持する支持台４００と造形ステージ制御部３００を支持するフレーム５００を有することができる。
【００１４】
［２．材料供給ユニット］
図５に材料供給ユニット２００の断面模式図を示す。図５は図２における鎖線Ａ−Ｂに沿った断面の一部である材料供給ユニット２００の断面模式図である。材料供給ユニット２００は、主な構成要素として、立体造形物を造形する造形用材料を貯留するためのシリンダ２０６と、シリンダ２０６内に配置される造形用材料を溶融して送り出すための送出部２２３と、送出部２２３によって送出される造形用材料を吐出するための吐出部２１０を有している。
【００１５】
シリンダ２０６は水平、あるいは実質的に水平に設けられる。シリンダ２０６の内部には、送出部２２３としてらせん状に形成された山２２６を有するスクリュー２２４と、スクリュー２２４を回転させるモーター部２０２が備えられる。スクリュー２２４は、水平方向の位置が固定されており、シリンダ２０６の中心軸を中心としてシリンダ２０６内部で回転するように構成される。スクリュー２２４の回転は、モーター部２０２内のモーター２３０によって行われる。モーター部２０２は、支持台４００の上に設置してもよい。
【００１６】
シリンダ２０６には開口部２２２が設けられ、開口部２２２はシリンダ２０６とスクリュー２２４間の空間２２８とつながっている。開口部２２２には、任意の構成としてホッパー２０４を設けてもよい。ホッパー２０４は、開口部２２２に投入される造形用材料の投入を容易にする。
【００１７】
シリンダ２０６にはヒーター２２０が設けられており、ヒーター２２０はシリンダ２０６を加熱し、投入される造形用材料を加熱、溶融する。図５に示した立体造形装置１００では、ヒーター２２０はシリンダ２０６の内壁に近い側に設けられているが、ヒーター２２０はシリンダ２０６の外壁に近い側、あるいはシリンダ２０６の外側に設けてもよい。溶融された造形用材料には、スクリュー２２４の回転に伴う山２２６のらせん運動によって、シリンダ２０６に接続されるコネクタ２１２側へ圧力が加えられる。その結果、溶融された造形用材料はコネクタ２１２を通して吐出部２１０へ輸送される。
【００１８】
図５に示すように、材料供給ユニット２００には、さらに送出部２２３の動作を制御する材料供給制御部２３４が設けられている。材料供給制御部３３４は、立体造形物の三次元データから生成された材料供給制御部２３４の制御データに基づいて、送出部２２３の動作を制御するように構成される。具体的には、造形用材料の吐出部２１０からの吐出量を増加させる際には、モーター２３０の回転数を増加させて、スクリュー２２４の回転数を増加させる。逆に吐出量を減少させる際には、モーター２３０の回転数を減少させて、スクリュー２２４の回転数を減少させる。材料供給制御部２３４は、シリンダ２０６内の温度を制御するように構成することもできる。
【００１９】
上述したように、造形用材料はシリンダ２０６のヒーター２２０によって溶融され、流動性のある造形用材料に対してスクリュー２２４の山のらせん運動によって圧力が加えられ、その圧力によって吐出部２１０の吐出口２１８から材料が吐出される。造形用材料に加えられる圧力は、スクリュー２２４の回転速度によって調整することができ、これにより、造形用材料の吐出量を制御することができる。したがって、材料の吐出量は投入される材料の大きさや形状に依存しない。また、吐出量は上述した圧力以外に、シリンダ２０６のサイズ（例えば内径）によっても調整することが可能であり、例えばスクリュー径１４ｍｍのスクリュー２２４を用い、材料としてＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル、ブタジエン、スチレンの共重合体）を使用した場合、毎分２０ｇの材料を吐出することも可能である。
【００２０】
吐出部２１０は、送出部２２３によって送出される造形用材料を吐出するための吐出口２１８を下部先端に有しており、吐出部２１０へ輸送された材料が吐出口２１８を通して吐出される。吐出口２１８の形状は任意であり、図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、円形、星形、あるいは多角形の形状などを有することができる。
【００２１】
吐出部２１０には、吐出口２１８を開閉する開閉機構２１５が設けられている。開閉機構２１５は、吐出口２１８を開閉するピン２１６と、図５に示す開閉機構制御部２３６による動作の制御を受けて、ピン２１６を移動させるアクチュエータ２１７とを有している。ピン２１６は、吐出部２１０の下部先端から退避して吐出口２１８を開ける一方、吐出部２１０の下部先端に接近して吐出口２１８を閉じるものである。ピン２１６は先端が細くなっており、この先端が吐出口２１８に挿入されるように調整されていてもよい。
【００２２】
開閉機構制御部２３６は、立体造形物の三次元データから生成された開閉機構制御データに基づいて、上記開閉機構の動作を制御するよう構成されている。具体的には、吐出部２１０から造形用材料を吐出させる際には、アクチュエータ２１７を操作してピン２１６を吐出先端から退避させることで吐出口２１８を開ける。一方、開閉機構制御部２３６は、吐出部２１０からの造形用材料の吐出を一時的に停止させる際には、ピン２１６を吐出部２１０の下部先端に接近させることで、吐出口２１８を閉じる。図６に示すように、吐出口２１８に先端部を挿入する、あるいは吐出口２１８から退避させることで材料の吐出の停止／再開（すなわち、オン―オフ）を容易に、かつ高速で切り替えることができる。また、吐出部２１０にはヒーター２３２が備えられていてもよく、これにより、材料が吐出部２１０内で固化することを防ぐことができる。
【００２３】
材料供給ユニット２００は、任意の構成として、一つあるいは複数のブロア２１４を有してもよい（図４参照）。ブロア２１４は末端に開口部を有し、図示しないコンプレッサーなどから送り込まれる空気などのガスを吹き付ける機能を有する。ブロア２１４を使用することにより、吐出口２１８から吐出され、造形ステージ３０１上に積層された材料を冷却することができる。また、材料供給ユニット２００は、任意の構成として、保護カバー２０８を含んでもよい（図１参照）。説明の便宜上、図２乃至図４では保護カバー２０８とフレーム５００は描かれていない。
【００２４】
なお、図示していないが、材料供給ユニット２００は、吐出部２１０が接続されたシリンダ２０６を複数有してもよい。このような構成にすることで、例えば複数の造形用材料、あるいは色の異なる造形用材料を含む三次元構造物を作製することが可能となる。あるいは一つのシリンダ２０６に複数の吐出部２１０が備えられていてもよい。このような構成にすることで、三次元構造物を作製する際の造形速度をさらに向上させることができる。
【００２５】
［３．造形ステージ制御部］
図２乃至図４に示すように、造形ステージ制御部３００は、造形ステージ３０１と、前記造形ステージ３０１を上記材料供給ユニット２００に対して移動させる相対移動機構３０２を有している。立体造形装置１００は、材料供給ユニット２００内に、造形用材料を貯留するためのシリンダ２０６と、造形用材料を溶融して送り出すための送出部２２３を備えているため、造形ステージ３０１を移動させることで、造形用材料を吐出する位置を精度高く、高速に相対移動させることが可能となり、三次元構造物を高精度でかつ短時間で形成することが可能となる。
【００２６】
造形ステージ３０１は、材料供給ユニット２００から供給された造形用材料が積層される造形面３０１ａを備える。造形面３０１ａの形状は任意であり、円形でも楕円形でもよい。
【００２７】
相対移動機構３０２は、造形ステージ３０１を造形面３０１ａの面内方向に回転駆動させる第１の移動機構３０４と、造形ステージ３０１の造形面３０１ａに対して平行な方向（以下、「Ｘ軸方向」ともいう。）に造形ステージ３０１を直線的に移動させる第２の移動機構３０６と、造形ステージ３０１の造形面３０１ａに対して垂直な方向（以下、「Ｚ軸方向」ともいう。）に造形ステージ３０１を直線的に移動させる第３の移動機構３０８を備える。
【００２８】
第１の移動機構３０４は、造形ステージ３０１を、造形面３０１ａに垂直な回転軸３１０を中心に回転移動させるように構成される。第１の移動機構３０４内には、例えば、ステッピングモーターなどのモーター３１４を設置することができる。モーター３１４の回転軸と、造形ステージ３０１の下面に設けられるギア３１２の歯をかみ合わることで、図２の曲線矢印で示すように、造形ステージ３０１は回転軸３１０を中心に回転することができる。
【００２９】
第２の移動機構３０６は、造形面３０１ａに対して平行な方向に、造形ステージ３０１を直線的に移動させるように構成されており、具体的には、造形面３０１ａの中心と吐出口２１８とを結ぶ直線方向に沿って造形ステージ３０１を移動させるように構成される。第２の移動機構３０６は、例えば、二つのプーリ３１６とタイミングベルト３１８を含むことができ（図３参照）、プーリ３１６をステッピングモーターなどで回転させることで、造形ステージ３０１を移動させることができる。第２の移動機構３０６は、少なくとも造形ステージ３０１の材料供給ユニット２００側の端点と造形ステージ３０１の中心の間に、吐出部２１０の吐出口２１８が位置するように調整される。
【００３０】
第３の移動機構３０８は、造形面３０１ａに対して垂直な方向に造形ステージ３０１を直線的に移動させるように構成されている。第３の移動機構３０８は、例えば、回転軸３１０に平行な軸ネジ３２０を備えており（図２参照）、その回転運動によって移動部材３０９が回転軸３１０の軸方向（Ｚ軸方向（上下））に沿って移動することができる。移動部材３０９は第３の移動機構３０８によって、回転軸３１０に平行な方向に移動するように構成される。
【００３１】
造形ステージ３０１は、作製される三次元構造物を支持する機能を有し、金属やガラス、あるいはプラスチックなどの材料で形成することができる。図示していないが、造形ステージ３０１を加熱できるヒーター、あるいは冷却できる冷却装置を造形ステージ３０１の下に設けてもよい。
【００３２】
立体造形装置１００は、上記相対移動機構３０２の動作を制御する相対移動機構制御部３３０を備え、相対移動機構制御部３３０は、立体造形物の三次元データから生成された相対移動機構３０２の制御データに基づいて、相対移動機構３０２の動作を制御するように構成される。具体的には、相対移動機構３０２は、第１の移動機構３０４が造形ステージ３０１を造形面３０１ａの面内方向に回転駆動させる際の回転量と回転速度を制御するように構成される。また、相対移動機構３０２は、第２の移動機構３０６が造形面３０１ａに対して平行な方向に造形ステージ３０１を直線的に移動させる際の移動量と移動速度を制御するように構成される。さらに相対移動機構３０２は、第３の移動機構３０８が造形面３０１ａに対して垂直な方向に造形ステージ３０１を直線的に移動させる際の移動量と移動速度を制御するように構成される。
【００３３】
［４．操作］
本実施形態の立体造形装置１００を用いることにより、大型の三次元構造物を短時間で作製することができる。以下、操作方法を図５、８を用いて説明する。図８（Ｂ）は図８（Ａ）の鎖線Ｃ−Ｄに沿った断面模式図である。
【００３４】
まず、ホッパー２０４、開口部２２２を介し、シリンダ２０６内へ造形用材料を投入する。造形用材料としては、立体造形物を造形できるものであれば特に限定されるものではないが、加熱によって溶融し、冷却することで固化して成形材料として機能するものが通常、用いられる。具体的には造形性に優れるため熱可塑性樹脂を挙げることができ、例えばポリ乳酸やＡＢＳ樹脂、熱可塑性エラストマーが挙げられる。熱可塑性エラストマーとしては、ウレタン系熱可塑性エラストマー、ポリブタジエン系熱可塑性エラストマー、スチレン・ブタジエン系熱可塑性エラストマー、スチレン・イソプレン系熱可塑性エラストマーなどが挙げられる。熱可塑性樹脂としては、例えば融点が４０℃以上２００℃以下であることが好ましい。本実施態様の立体造形装置は、熱可塑性エラストマーのような軟質性材料を用いた場合にも、造形速度を向上することが可能であり、好適に用いることができる。
【００３５】
造形用材料の形状についても特に限定されるものではないが、開口部２２２への投入や溶融の容易性からペレット形状であることが好ましい。造形用材料の大きさとしては、開口部２２２から投入できる大きさであれば特に限定されるものではないが、通常、長辺が５μｍ以上２０ｍｍ以下である。本実施態様の立体造形装置では、造形用材料の形状や大きさを適宜選択することが可能であるため、一度吐出した造形用材料を適当な大きさに切断して再利用することも可能である。
【００３６】
投入された造形用材料をヒーター２２０で溶融して流動化させる。そしてモーター２３０を駆動してスクリュー２２４を回転させる。この時、スクリュー２２４は水平方向には移動しない。これにより、らせん状の山２２６によって溶融した造形用材料に対して圧力が掛けられ、造形用材料は吐出部２１０の方向へ輸送される。吐出部２１０に充填された造形用材料は、引き続きスクリュー２２４の回転によって生み出される圧力により、吐出口２１８から吐出される。同時に、造形ステージ３０１の下に設けられるモーター３１４を駆動し、造形ステージ３０１を回転させる。必要に応じ、第２の移動機構３０６を動作させ、図８（Ｂ）の矢印で示すように、造形ステージ３０１をＸ軸方向に移動させる。上述したように、相対移動機構制御部３３０は、立体造形物の三次元データから生成された相対移動機構３０２の制御データに基づいて、相対移動機構３０２の動作を制御するように構成されている。造形ステージ３０１の回転速度、回転方向、Ｘ軸方向内での移動速度と方向を調整し、吐出した造形用材料を積層させる（図８（Ａ）、（Ｂ）参照）。造形用材料の積層が進むにつれて三次元構造物は高さが増大するので、吐出口２１８と造形ステージ３０１上に積層された立体造形物の距離を５μｍから１０ｍｍの間で一定になるよう、第３の移動機構３０８を用いて造形ステージ３０１を回転軸３１０の方向に沿って動かす。これにより、三次元構造物を作製することができる。必要に応じ、ブロア２１４から空気などの気体を三次元構造物に吹きかけ、三次元構造物を冷却することで造形用材料の固化を促進してもよい。
【００３７】
本実施形態の立体造形装置１００では、三次元構造物は造形ステージ３０１上に形成することができる。造形ステージ３０１は回転軸３１０を中心に回転運動ができる。そのため、滑らかな曲線形状を有する三次元構造物を形成することができる。これに対し、造形ステージ３０１を回転させずに造形面３０１ａの面内でＸ軸−Ｙ軸方向にそれぞれ直線的に移動させて造形する場合、あるいは造形ステージ３０１を固定して吐出部２１０をＸ軸−Ｙ軸方向に移動させて造形する場合、曲線形状を作製するためにはＸ軸方向の移動とＹ軸方向の直線的な移動を組み合わせて造形ステージ３０１あるいは吐出部２１０を動かす必要がある。この場合、造形ステージ３０１、吐出部２１０を動かすためのステッピングモーターなどのモーターは、回転軸のステップ角が大きいため、１ステップの軸回転に伴うＸ軸方向、Ｙ軸方向の移動距離が比較的大きい。そのため、曲線形状は複数の直線の集合によって形成されることになり、細かい凹凸で曲線形状が表現されることになる。しかしながら、本実施形態の立体造形装置１００では、モーターのステップ角に依存せず、連続的な回転運動を造形ステージ３０１に与えることができるため、滑らかな曲線形状を有する三次元構造物を形成することができる。したがって、この方法は、例えば生体器官や植物の模型など、曲線形状が多い三次元構造物の形成には好適である。
【００３８】
回転運動可能な造形ステージ３０１は、中心からの距離によって移動する速度が異なる。例えば造形ステージ３０１の回転速度が一定の場合、外周領域では、中心付近と比較して移動速度が大きく、その差は中心からの距離（半径）に比例する。高速で移動する領域と低速で移動する領域の両者に対して材料を均一な高さで積層させるためには、造形ステージ３０１の回転速度と材料の吐出速度のいずれか、あるいは両者を調整することで行われる。造形ステージ３０１の回転速度と材料の吐出速度を調整することで、造形ステージ３０１の全領域にわたって材料の各層を均一な高さで形成することができる。
【００３９】
造形ステージ３０１の回転速度を調整する場合、例えば造形ステージ３０１の端部付近に材料を吐出する際には、単位面積あたりに吐出される材料の量を維持するため、造形ステージ３０１の回転速度を低下させることができる。この場合、造形ステージ３０１の回転速度を低下させることで造形精度を向上することが可能となる。一方、単位面積あたりに吐出される材料の量を維持するため、材料の吐出速度を増加させることもできる。この場合、材料の吐出速度を増加させることで造形速度を向上することが可能となる。特に大型の三次元構造物を作製する場合には、造形速度を向上させる観点から材料の吐出量を調整することが好ましい。
【００４０】
しかしながら、１．７５ｍｍ乃至３．０ｍｍ程度の直径を有するフィラメント（ファイバー）状の材料をエクストルーダーを用いてホットエンドへ供給し、フィラメントを溶融し、送り出す従来の立体造形装置では、材料の供給量に限界がある。例えばエクストルーダーのローラーの回転数を上げてフィラメントの供給量を増大させると、フィラメントの供給量とホットエンド内でのフィラメントの溶融速度のバランスをとることが困難であり、フィラメントを安定して送り出すことができない。さらに、供給量を増大させるとフィラメントの消費量も必然的に増大し、このため、フィラメントの交換頻度が増大し、三次元構造物を連続形成することが難しくなる。また、フィラメント交換の間に吐出した造形用材料の固化が進行するため、吐出を再開して新たに造形用材料を積層しても、下層の造形用材料との接着性が低下する。したがって、従来の立体造形装置では造形用材料の供給量に限界がある。
【００４１】
これに対し、上述したように、本実施形態の立体造形装置１００では、上記材料供給制御部２３４を備えることにより、造形用材料の吐出量を容易に制御することができる。前記材料供給制御部２３４は、立体造形物の三次元データから生成された送出部制御データに基づいて、上記送出部２２３のスクリュー２２４の回転速度を制御することで、材料の吐出量を変化させることができる。あらかじめ造形用材料をシリンダ２０６内で溶融させ、これをスクリュー２２４の回転によって吐出するため、上記送出部２２３のスクリュー２２４の回転速度を制御することで造形用材料の吐出量を容易に制御することができる。
【００４２】
また、本実施形態の立体造形装置１００では、上記開閉機構制御部２３６を備えることにより、造形用材料の吐出の開始と停止を容易に制御することができる。開閉機構制御部２３６は、立体造形物の三次元データから生成された材料供給の制御データに基づいて、吐出口２１８における開閉機構を構成するピン２１６の開閉動作を制御することで、造形用材料の吐出の開始と停止を行うことができる。
【００４３】
さらに、吐出量は造形用材料の形状に依存せず、事実上シリンダ２０６及びスクリュー２２４の大きさ、並びにスクリュー２２４の回転数等によって決まるため、シリンダ２０６及びスクリュー２２４の大きさ、並びにスクリュー２２４の回転数を大きくすることで、大きな吐出速度を得ることができる。さらに、造形用材料の供給は、造形用材料の吐出を停止することなく随時行うことができる。したがって、本実施形態の立体造形装置１００を用いることで、高速で移動する領域にも十分な量の材料を積層することができ、大型の三次元構造物を短時間で形成することができる。
【００４４】
逆に、造形ステージ３０１の回転軸３１０付近に造形用材料を積層する場合には、単位面積あたりに吐出される材料の量を維持するため、造形ステージ３０１の回転速度を増加させることができる。この場合、造形ステージ３０１の回転速度を増加させることで造形速度を向上することが可能となる。一方、単位面積あたりに吐出される材料の量を維持するため、材料の吐出速度を低下させることもできる。この場合、材料の吐出速度を低下させることで造形精度を向上することが可能となる。材料の吐出速度を低下させるためには、例えばスクリュー２２４の回転速度を低下させることで材料の吐出量を低減すればよい。特に大型の三次元構造物を作製する場合には、造形速度を向上させる観点から材料の吐出量を調整することが好ましい。
【００４５】
（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態で述べた立体造形装置１００の制御方法について記述する。第１実施形態で述べた内容については、説明を割愛することがある。
【００４６】
まず、三次元構造物の三次元データ（３Ｄデータ）を作成する（ステップ１２０）。３Ｄデータは、例えば、輪郭を表現する頂点と線分で構成され、体積を持たない立体であるワイヤーフレーム、厚みを持たない面で構成され、体積を持たない立体であるサーフェース、あるいは頂点と線分、および面で構成され、体積を持つ立体であるソリッドなどで構成すればよい。３Ｄデータはソフトウエアを使用して作製してもよく、あるいは目的とする対象物を立体的にスキャンし、３Ｄデータを取得してもよい。これらのデータはＳＴＬ（Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｅｄ  Ｌａｎｇｕａｇｅ）形式やＡＭＦ（Ａｃｔｉｖｅ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｆｉｌｅ）形式で保存される。
【００４７】
次に３Ｄデータの設定を行う（ステップ１２２）。例えば３Ｄデータを造形テーブル上で移動、回転させ、材料の積層を開始する位置を決める。同時に、作成される三次元構造物内部の充填率を設定し、必要に応じ、積層する材料の支持材となるサポートや、材料を安定に積層させるために造形ステージ３０１に最初に形成されるラフトなどの設定を行ってもよい。
【００４８】
次に３Ｄデータをスライスし、立体造形装置１００を制御するための制御コードに変換する（ステップ１２４）。制御コードは一般的にはＧコードと呼ばれる。制御コードは、材料を最初に吐出する位置、三次元構造物の充填率や大きさなどに基づいて生成される。得られた制御コードがＸＹ座標に基づいて生成される場合、これを極座標（ｒ，θ）へ変換する（ステップ１２６）
【００４９】
最後に、制御コードを材料供給制御部２３４を制御する材料供給制御データ、開閉機構制御部２３６を制御する開閉機構制御データ、及び相対移動機構３０２を制御する相対移動機構制御データ等に変換し、当該制御データに基づいて、材料供給制御部２３４、開閉機構制御部２３６、及び相対移動機構３０２等を制御する。（ステップ１２８）
【００５０】
材料供給制御部２３４を制御する材料供給制御データとしては、具体的には、スクリュー２２４を回転させるモーター２３０の回転数、シリンダ２０６内の温度を制御する温度等が挙げられる。
【００５１】
開閉機構制御部２３６を制御する開閉機構制御データとしては、具体的には、吐出部２１０の吐出口２１８を開閉するピン２１６を移動させるアクチュエータ２１７の動作データ等が挙げられる。
【００５２】
相対移動機構３０２を制御する相対移動機構制御データとしては、具体的には、第１の移動機構３０４が、造形ステージ３０１を造形面３０１ａの面内方向に回転駆動させる際のモーター３１４の回転量と回転速度、第２の移動機構３０６が造形面３０１ａと対して平行な方向に造形ステージ３０１を直線的に移動させる際のプーリの回転量と回転速度、第３の移動機構３０８が、造形面３０１ａに対して垂直な方向に造形ステージ３０１を直線的に移動させる際の軸ネジ３２０を回転させるモーターの回転量と回転速度等が挙げられる。
【００５３】
以上のステップを経ることで、造形ステージ３０１上に目的とする三次元構造物の作製が制御される。
【００５４】
（第３実施形態）
本実施形態では、大型の三次元構造物をより短時間で作製するための造形ステージ３０１の回転機構について、図１０を用いて説明する。
【００５５】
図１０（Ａ）に示すように、造形ステージ３０１は、その下に二つのギア（第１のギア３２２と第２のギア３２４）を有している。モーター３１４は、造形ステージ３０１の回転軸３１０とはずれた位置に配置され、モーター３１４の回転軸には二つのギア（第３のギア３２６と第４のギア３２８）が設けられる。第１のギア３２２の歯数と第２のギア３２４の歯数は互いに異なり、第３のギア３２６と第４のギア３２８の歯数も互いに異なる。第１のギア３２２の大きさと第２のギア３２４の大きさは互いに同じでもよく、異なっていてもよく、第３のギア３２６と第４のギア３２８の大きさも互いに同じでもよく、異なってもよい。図１０（Ａ）に示すように、第１のギア３２２と第２のギア３２４の間隔と、第３のギア３２６と第４のギア３２８の間隔は異なってもよい。
【００５６】
図１０（Ａ）、（Ｂ）に示すように、造形ステージ３０１の回転時、第１のギア３２２、第２のギア３２４、第３のギア３２６、第４のギア３２８の組み合わせを交替することができる。例えば図１０（Ａ）では、第１のギア３２２と第３のギア３２６が組み合わされ、第３のギア３２６の回転が第１のギア３２２に伝わり、これによって造形ステージ３０１が回転する。より速い回転速度が必要な場合、ギアの組み合わせを交替する。すなわち、図１０（Ｂ）に示すように、第１のギア３２２と第３のギア３２６の組み合わせを解き、第２のギア３２４と第４のギア３２８を組み合わせ、第４のギア３２８の回転が第２のギア３２４に伝わるように、組み合わせを交替させる。モーター３１４は、組み合わせを交替させる機構を含むことができる。
【００５７】
歯数が第３のギア３２６が最も少なく、第２のギア３２４と第４のギア３２８が同じであり、第１のギア３２２が最も多い場合、図１０（Ａ）に図示した組み合わせでは、モーター３１４の回転軸が一回転し、第３のギア３２６が一回転しても、造形ステージ３０１は一回転できない。これに対し、図１０（Ｂ）に図示した組み合わせでは、モーター３１４の軸が一回転すると同時に、第２のギア３２４と第４のギア３２８も一回転する。すなわち、ギア比を変えることで、より大きな造形ステージ３０１の回転速度を得ることができる。
【００５８】
また、ギア比を変えることで、特に低速で造形ステージ３０１を回転する際、より滑らかな回転を得ることが可能である。
【００５９】
ギアの組み合わせは、造形用材料の積層時において適宜行うことができる。本実施形態では、造形ステージ３０１、モーター３１４のいずれも二つずつのギアが設けられた例を示したが、ギアの数に制限はなく、三つ以上のギアがそれぞれ造形ステージ３０１、モーター３１４に設けられていてもよい。ギアの数は互いに異なってもよい。
【００６０】
本発明の実施形態として上述した各実施形態は、相互に矛盾しない限りにおいて、適宜組み合わせて実施することができる。各実施形態を基にして、当業者が適宜構成要素の追加、削除もしくは設計変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。
【００６１】
上述した各実施形態によりもたらされる作用効果とは異なる他の作用効果であっても、本明細書の記載から明らかなもの、又は、当業者において容易に予測し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと理解される。
【符号の説明】
【００６２】
１００：立体造形装置、１２０：ステップ、１２２：ステップ、１２４：ステップ、１２６：ステップ、１２８：ステップ、２００：材料供給ユニット、２０２：モーター部、２０４：ホッパー、２０６：シリンダ、２０８：保護カバー、２１０：吐出部、２１２：コネクタ、２１４：ブロア、２１５：開閉機構、２１６：ピン、２１７：アクチュエータ、２１８：吐出口、２２０：ヒーター、２２２：開口部、２２３：送出部、２２４：スクリュー、２２６：山、２３０：モーター、２３２：ヒーター、２３４：材料供給制御部、２３６：開閉機構制御部、３００：造形ステージ制御部、３０１：造形ステージ、３０１ａ：造形面、３０２：ステージ相対移動機構、３０４：第１の移動機構、３０６：第２の移動機構、３０８：第３の移動機構、３０９：移動部材、３１０：回転軸、３１２：ギア、３１４：モーター、３１６：プーリ、３１８：タイミングベルト、３２０：軸ネジ、３２２：第１のギア、３２４：第２のギア、３２６：第３のギア、３２８：第４のギア、３３０：相対移動機構制御部、４００：支持台、５００：フレーム
【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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