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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023124695
(43)【公開日】2023-09-06
(54)【発明の名称】ノズルヘッド、三次元造形装置及び三次元造形方法
(51)【国際特許分類】
B29C 64/209 20170101AFI20230830BHJP
B29C 64/118 20170101ALI20230830BHJP
【ＦＩ】
B29C64/209
B29C64/118
【審査請求】未請求
【請求項の数】13
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022028627
(22)【出願日】2022-02-25
(71)【出願人】
【識別番号】000006644
【氏名又は名称】日鉄ケミカル＆マテリアル株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】522076147
【氏名又は名称】学校法人西大和学園 大和大学
(74)【代理人】
【識別番号】110001519
【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】山脇 正雄
(72)【発明者】
【氏名】大堀 尚宏
(72)【発明者】
【氏名】江藤 和也
(72)【発明者】
【氏名】杉山 哲也
【テーマコード（参考）】
4F213
【Ｆターム（参考）】
4F213AC02
4F213AD16
4F213AJ08
4F213AR07
4F213AR08
4F213AR12
4F213WA25
4F213WA63
4F213WB01
4F213WL02
4F213WL16
4F213WL27
4F213WL32
4F213WL74
4F213WL96
(57)【要約】
【課題】造形物を造形する繊維強化樹脂フィラメントが通過するノズルヘッドにおいて、造形過程で繊維強化樹脂フィラメントが破断するのを抑制する。
【解決手段】ノズルヘッドは、繊維強化樹脂フィラメントが通過するノズル孔が形成されており、前記ノズル孔は、出口にかけて孔径が拡がる拡径部を有する三次元造形装置のノズルヘッドであって、前記拡径部は、断面視で円弧状に湾曲する内側湾曲面によって構成されており、前記内側湾曲面の曲率半径が２ｍｍ以上である。
【選択図】図５
【解決手段】ノズルヘッドは、繊維強化樹脂フィラメントが通過するノズル孔が形成されており、前記ノズル孔は、出口にかけて孔径が拡がる拡径部を有する三次元造形装置のノズルヘッドであって、前記拡径部は、断面視で円弧状に湾曲する内側湾曲面によって構成されており、前記内側湾曲面の曲率半径が２ｍｍ以上である。
【選択図】図５
【特許請求の範囲】
【請求項1】
繊維強化樹脂フィラメントが通過するノズル孔が形成されており、
前記ノズル孔は、出口にかけて孔径が拡がる拡径部を有する三次元造形装置のノズルヘッドであって、
前記拡径部は、断面視で円弧状に湾曲する内側湾曲面によって構成されており、
前記内側湾曲面の曲率半径が２ｍｍ以上である、ノズルヘッド。
前記ノズル孔は、出口にかけて孔径が拡がる拡径部を有する三次元造形装置のノズルヘッドであって、
前記拡径部は、断面視で円弧状に湾曲する内側湾曲面によって構成されており、
前記内側湾曲面の曲率半径が２ｍｍ以上である、ノズルヘッド。
【請求項2】
断面視で先端部外周が円弧状に湾曲している、請求項１に記載のノズルヘッド。
【請求項3】
前記拡径部の内側湾曲面からノズルヘッド先端にかけて、全面もしくは部分的に波線状の溝部がノズル孔を中心に放射状に形成されている、請求項１又は請求項２に記載のノズルヘッド。
【請求項4】
造形面を有する台と、
前記造形面に対して相対移動するとともに、前記造形面に向けて繊維強化樹脂フィラメントを吐出する請求項１～請求項３のいずれか１項に記載のノズルヘッドと、
前記ノズル孔への前記繊維強化樹脂フィラメントの案内と切断のための管状部材と、
を備える三次元造形装置。
前記造形面に対して相対移動するとともに、前記造形面に向けて繊維強化樹脂フィラメントを吐出する請求項１～請求項３のいずれか１項に記載のノズルヘッドと、
前記ノズル孔への前記繊維強化樹脂フィラメントの案内と切断のための管状部材と、
を備える三次元造形装置。
【請求項5】
前記管状部材は、前記ノズルヘッドのノズル孔内を孔軸方向に移動する、請求項４に記載の三次元造形装置。
【請求項6】
請求項４又は請求項５に記載の三次元造形装置を用いて造形物を造形する三次元造形方法であって、
ノズルヘッドのノズル孔から繊維強化樹脂フィラメントを吐出しながら前記ノズルヘッドを造形面に沿った方向に移動させて前記造形面上に前記繊維強化樹脂フィラメントを配置する、
三次元造形方法。
ノズルヘッドのノズル孔から繊維強化樹脂フィラメントを吐出しながら前記ノズルヘッドを造形面に沿った方向に移動させて前記造形面上に前記繊維強化樹脂フィラメントを配置する、
三次元造形方法。
【請求項7】
前記造形面上の前記繊維強化樹脂フィラメントが前記造形物の端に達すると、前記ノズルヘッドを次の積層造形開始位置に移動させて繊維強化樹脂フィラメントを配置、もしくは繊維強化樹脂フィラメント同士を積み重ねる、請求項６に記載の三次元造形方法。
【請求項8】
前記造形面上の前記繊維強化樹脂フィラメントが前記造形物の端に達すると、繊維強化樹脂フィラメントの曲率を大きくすることにより、その場にて繊維強化樹脂フィラメントを切断する、請求項６に記載の三次元造形方法。
【請求項9】
前記繊維強化樹脂フィラメントの切断後、前記ノズルヘッドを所定距離移動させ、その後、前記ノズルヘッドを次の積層造形開始位置に移動させて繊維強化樹脂フィラメントを配置、もしくは繊維強化樹脂フィラメント同士を積み重ねる、請求項８に記載の三次元造形方法。
【請求項10】
前記ノズルヘッドの移動速度よりも前記繊維強化樹脂フィラメントの供給速度を遅くすることによって前記繊維強化樹脂フィラメントにテンションを付与しながら、前記繊維強化樹脂フィラメントを前記造形面上に配置する、請求項６～請求項９のいずれか１項に記載の三次元造形方法。
【請求項11】
前記繊維強化樹脂フィラメントを、前記ノズルヘッドによって前記造形面側に押圧しながら前記造形面上に配置する、請求項６～請求項１０のいずれか１項に記載の三次元造形方法。
【請求項12】
前記繊維強化樹脂フィラメントは、連続したピッチ系炭素繊維を用いた繊維強化樹脂フィラメントである、請求項６～請求項１１のいずれか１項に記載の三次元造形方法。
【請求項13】
造形物を造形する三次元造形方法であって、
造形面上に繊維強化樹脂フィラメントを配置し、前記造形面上の前記繊維強化樹脂フィラメントが前記造形物の端に達すると、繊維強化樹脂フィラメントの曲率を大きくすることにより、その場にて繊維強化樹脂フィラメントを切断する、
三次元造形方法。
造形面上に繊維強化樹脂フィラメントを配置し、前記造形面上の前記繊維強化樹脂フィラメントが前記造形物の端に達すると、繊維強化樹脂フィラメントの曲率を大きくすることにより、その場にて繊維強化樹脂フィラメントを切断する、
三次元造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ノズルヘッド、三次元造形装置及び三次元造形方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から繊維強化樹脂フィラメントを積層して造形物を造形する三次元造形技術が知られている。この三次元造形技術を用いた装置として、繊維強化樹脂フィラメントを吐出するノズルヘッドが造形面に対して面方向に沿って相対移動することにより、造形面上に繊維強化樹脂フィラメントを配置する三次元造形装置がある（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特表２０１６－５２０４５９号公報
【特許文献2】特許第６５１１５７７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、上記三次元造形装置では、造形面上に繊維強化樹脂フィラメントを配置している過程、すなわち、造形過程で、繊維強化樹脂フィラメントに過剰な曲げが生じた場合、繊維強化樹脂フィラメントが破断する虞がある。
【0005】
本発明は、造形物を造形する繊維強化樹脂フィラメントが通過するノズルヘッドにおいて、造形過程で繊維強化樹脂フィラメントが破断するのを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の第１態様のノズルヘッドは、繊維強化樹脂フィラメントが通過するノズル孔が形成されており、前記ノズル孔は、出口にかけて孔径が拡がる拡径部を有する三次元造形装置のノズルヘッドであって、前記拡径部は、断面視で円弧状に湾曲する内側湾曲面によって構成されており、前記内側湾曲面の曲率半径が２ｍｍ以上である。
【0007】
第１態様のノズルヘッドでは、造形物の造形時に繊維強化樹脂フィラメントが通過するノズル孔が拡径部を有しており、この拡径部が断面視で円弧状に湾曲する内側湾曲面によって構成されている。また、内側湾曲面の曲率半径が２ｍｍ以上となっている。このため、上記ノズルヘッドでは、ノズル孔が入口から出口まで一定径のものや直線的な拡径部を有するノズルヘッドと比べて、造形物の造形時において繊維強化樹脂フィラメントに曲率の大きい曲げが生じるのが抑制される。したがって、上記ノズルヘッドによれば、造形過程で繊維強化樹脂フィラメントに曲率の大きい曲げが生じることに起因して繊維強化樹脂フィラメントが破断するのを抑制することができる。特に、内側湾曲面の曲率半径が２ｍｍ未満の場合、座屈しやすい強化繊維を用いた繊維強化樹脂フィラメントで三次元造形をすると、この繊維強化樹脂フィラメントが破断する虞がある。
【0008】
本発明の第２態様のノズルヘッドは、第１態様のノズルヘッドにおいて、断面視で先端部外周が円弧状に湾曲している。
【0009】
第２態様のノズルヘッドでは、断面視で先端部外周が円弧状に湾曲しているため、造形面上に配置した繊維強化樹脂フィラメントをあたかもローラーを用いたかのように造形面に向けて押圧でき、押圧された繊維強化樹脂フィラメントを均一に広げて密着させられる。また、ノズルヘッドの押圧にともなって巻き込んだ空気が外周から抜けやすくなる。これにより、上記ノズルヘッドによれば、例えば、繊維強化樹脂フィラメントをローラで押圧するものと同程度の造形物の表面品質を確保できる。
【0010】
本発明の第３態様のノズルヘッドは、第１態様又は第２態様のノズルヘッドにおいて、前記拡径部の内側湾曲面からノズルヘッド先端にかけて、全面もしくは部分的に波線状の溝部がノズル孔を中心に放射状に形成されている。
【0011】
第３態様のノズルヘッドでは、拡径部の内側湾曲面からノズルヘッド先端にかけて波線状の溝部がノズル孔を中心に放射状に形成されているため、造形装置で直線状の積層造形を行う場合に、繊維強化樹脂フィラメントの圧着跡がより直線の状態を保たれることになる。
【0012】
本発明の第４態様の三次元造形装置は、造形面を有する台と、前記造形面に対して相対移動するとともに、前記造形面に向けて繊維強化樹脂フィラメントを吐出する第１態様～第３態様のいずれか一態様のノズルヘッドと、前記ノズル孔への前記繊維強化樹脂フィラメントの案内と切断のための管状部材と、を備える。
【0013】
第４態様の三次元造形装置では、管状部材によって繊維強化樹脂フィラメントがノズルヘッドのノズル孔へ案内される。そして、案内された繊維強化樹脂フィラメントがノズル孔から造形面に対して吐出されながら、ノズルヘッドが造形面に対して相対移動する。これにより、造形面上に該造形面に沿った方向（面方向）に繊維強化樹脂フィラメントが配置される。このように繊維強化樹脂フィラメントを配置又は積層していくことにより、造形物が造形される。
ここで、上記三次元造形装置では、第１態様～第３態様のいずれか一態様のノズルヘッドを用いるため、造形過程において繊維強化樹脂フィラメントが破断するのが抑制される。このため、上記三次元造形装置によれば、一定品質の造形物を安定して造形することができる。
ここで、上記三次元造形装置では、第１態様～第３態様のいずれか一態様のノズルヘッドを用いるため、造形過程において繊維強化樹脂フィラメントが破断するのが抑制される。このため、上記三次元造形装置によれば、一定品質の造形物を安定して造形することができる。
【0014】
本発明の第５態様の三次元造形装置は、第４態様の三次元造形装置において、前記管状部材は、前記ノズルヘッドのノズル孔内を孔軸方向に移動する。
【0015】
第５態様の三次元造形装置では、管状部材を造形面に向けて移動させ、繊維強化樹脂フィラメントに管状部材を接触させると、この接触部分において繊維強化樹脂フィラメントの曲率が大きくなり、繊維強化樹脂フィラメントが座屈現象により切断される。このように上記三次元造形装置によれば、管状部材を造形面に向けて移動させることで所望の位置のその場にて繊維樹脂フィラメントを切断することができる。
【0016】
本発明の第６態様の三次元造形方法は、第４態様又は第５態様の三次元造形装置を用いて造形物を造形する三次元造形方法であって、ノズルヘッドのノズル孔から繊維強化樹脂フィラメントを吐出しながら前記ノズルヘッドを造形面に沿った方向に移動させて前記造形面上に前記繊維強化樹脂フィラメントを配置する。
【0017】
第６態様の三次元造形方法では、第４態様又は第５態様の三次元造形装置を用い、ノズルヘッドのノズル孔から繊維強化樹脂フィラメントを吐出しながらノズルヘッドを造形面に沿った方向に移動させることで、造形面上に繊維強化樹脂フィラメントが配置される。このように繊維強化樹脂フィラメントを配置又は積層していくことにより、造形物が造形される。
ここで、上記三次元造形方法では、第１態様～第３態様のいずれか一態様のノズルヘッドを備える三次元造形装置を用いるため、造形過程において繊維強化樹脂フィラメントが破断するのが抑制される。このため、上記三次元造形方法によれば、一定品質の造形物を安定して造形することができる。
ここで、上記三次元造形方法では、第１態様～第３態様のいずれか一態様のノズルヘッドを備える三次元造形装置を用いるため、造形過程において繊維強化樹脂フィラメントが破断するのが抑制される。このため、上記三次元造形方法によれば、一定品質の造形物を安定して造形することができる。
【0018】
本発明の第７態様の三次元造形方法は、第６態様の三次元造形方法において、前記造形面上の前記繊維強化樹脂フィラメントが前記造形物の端に達すると、前記ノズルヘッドを次の積層造形開始位置に移動させて繊維強化樹脂フィラメントを配置、もしくは繊維強化樹脂フィラメント同士を積み重ねる。
【0019】
第７態様の三次元造形方法では、第１態様～第３態様のいずれか一態様のノズルヘッドを備える三次元造形装置を用いるため、造形過程で造形方向が変化しても繊維強化樹脂フィラメントが破断するのが抑制される。このため、上記三次元造形方法によれば、造形面上の繊維強化樹脂フィラメントが造形物の端に達し、ノズルヘッドを次の積層造形開始位置に移動させて繊維強化樹脂フィラメントを配置、もしくは繊維強化樹脂フィラメント同士を積み重ねる場合でも、一定品質の造形物を安定して造形することができる。
【0020】
本発明の第８態様の三次元造形方法は、第６態様の三次元造形方法において、前記造形面上の前記繊維強化樹脂フィラメントが前記造形物の端に達すると、繊維強化樹脂フィラメントの曲率を大きくすることにより、その場にて繊維強化樹脂フィラメントを切断する。
【0021】
第８態様の三次元造形方法では、造形面上の繊維強化樹脂フィラメントが造形物の端に達すると、繊維強化樹脂フィラメントの曲率を大きくすることにより、その場にて繊維強化樹脂フィラメントを座屈現象により切断することができる。すなわち、上記三次元造形方法によれば、所望の位置のその場にて繊維強化樹脂フィラメントを切断することができる。
【0022】
本発明の第９態様の三次元造形方法は、第８態様の三次元造形方法において、前記繊維強化樹脂フィラメントの切断後、前記ノズルヘッドを所定距離移動させ、その後、前記ノズルヘッドを次の積層造形開始位置に移動させて繊維強化樹脂フィラメントを配置、もしくは繊維強化樹脂フィラメント同士を積み重ねる。
【0023】
第９態様の三次元造形方法では、繊維強化樹脂フィラメントの切断後、ノズルヘッドを所定距離移動させるため、造形端部まで繊維強化樹脂フィラメントの造形品質が良好である。その後、ノズルヘッドを次の積層造形開始位置に移動させて繊維強化樹脂フィラメントを配置、もしくは繊維強化樹脂フィラメント同士を積み重ねることで、一定品質の造形物を安定して造形することができる。
【0024】
本発明の第１０態様の三次元造形方法は、第６態様～第９態様のいずれか一態様の三次元造形方法において、前記ノズルヘッドの移動速度よりも前記繊維強化樹脂フィラメントの供給速度を遅くすることによって前記繊維強化樹脂フィラメントにテンションを付与しながら、前記繊維強化樹脂フィラメントを前記造形面上に配置する。
【0025】
第１０態様の三次元造形方法では、ノズルヘッドの移動速度よりも繊維強化樹脂フィラメントの供給速度を遅くすることによって繊維強化樹脂フィラメントにテンションを付与しながら、繊維強化樹脂フィラメントを造形面上に配置することから、簡単な方法で繊維強化樹脂フィラメントをノズルヘッドの移動方向に沿って撚れや蛇行することなく高い追従性をもって正確に配置することができる。
【0026】
本発明の第１１態様の三次元造形方法は、第６態様～第１０態様のいずれか一態様の三次元造形方法において、前記繊維強化樹脂フィラメントを、前記ノズルヘッドによって前記造形面側に押圧しながら前記造形面上に配置する。
【0027】
第１１態様の三次元造形方法では、繊維強化樹脂フィラメントをノズルヘッドによって造形面側に押圧しながら造形面上に配置するため、繊維強化樹脂フィラメントの厚みが均一に近づく。これにより、上記三次元造形方法によれば、造形物の造形品質を向上させることができる。
【0028】
本発明の第１２態様の三次元造形方法は、第６態様～第１１態様のいずれか一態様の三次元造形方法において、前記繊維強化樹脂フィラメントは、連続したピッチ系炭素繊維を用いた連続繊維強化樹脂フィラメントである。
【0029】
第１２態様の三次元造形方法では、繊維強化樹脂フィラメントとしてピッチ系炭素繊維の連続繊維を用いた連続繊維強化樹脂フィラメントを用いている。ピッチ系炭素繊維は、ＰＡＮ系炭素繊維と比べて、破断しやすく取り扱いが難しい。しかし、上記三次元造形方法によれば、ピッチ系炭素繊維フィラメントを用いても造形過程で連続繊維強化樹脂フィラメントに破断が起きないため、安定的で連続的な三次元造形が可能となる。さらに、上記三次元造形方法によれば、連続繊維強化樹脂フィラメントメントの曲率を大きくすることで所望の位置その場にて連続繊維強化樹脂フィラメントの切断が可能であるため、造形物の造形品質を向上させることができる。
【0030】
本発明の第１３態様の三次元造形方法は、造形物を造形する三次元造形方法であって、造形面上に繊維強化樹脂フィラメントを配置し、前記造形面上の前記繊維強化樹脂フィラメントが前記造形物の端に達すると、繊維強化樹脂フィラメントの曲率を大きくすることにより、その場にて繊維強化樹脂フィラメントを切断する。
【0031】
第１３態様の三次元造形方法では、造形面上の繊維強化樹脂フィラメントが造形物の端に達すると、繊維強化樹脂フィラメントの曲率を大きくすることにより、その場にて繊維強化樹脂フィラメントを座屈現象により切断することができる。すなわち、上記三次元造形方法によれば、所望の位置のその場にて繊維強化樹脂フィラメントの切断が可能であるため、造形物の造形品質を向上させることができる。
【発明の効果】
【0032】
本発明によれば、造形物を造形する繊維強化樹脂フィラメントが通過するノズルヘッドにおいて、造形過程で繊維強化樹脂フィラメントが破断するのを抑制することができる。このため、特に破断しやすいピッチ系炭素繊維をもちいた連続繊維強化樹脂フィラメントを用いても安定して連続的な三次元造形を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【0033】
【図1】第１実施形態に係るノズルヘッドの断面図である。
【図4】第１実施形態に係る三次元造形装置の概略構成図である。
【図10】図９に示すノズルヘッド周りの拡大断面図であり、次の繊維強化樹脂フィラメントをノズルヘッドで次の繊維強化樹脂フィラメントに押し付けながらノズルヘッドが移動し、繊維強化樹脂フィラメント同士を重ねていく動作を示している。
【図11】第１の変形例のノズルヘッドの断面図である。
【図13A】第２の変形例のノズルヘッドの下面図である。
【図14A】第３の変形例のノズルヘッドの下面図である。
【図15】第２実施形態に係る三次元造形装置の概略構成図である。
【図19】図１８に示す管状部材周りの拡大断面図であり、次の繊維強化樹脂フィラメントを押圧ローラーで次の繊維強化樹脂フィラメントに押し付けながら管状部材及び押圧ローラーが移動し、繊維強化樹脂フィラメント同士を重ねていく動作を示している。
【図20】第２実施形態の管状部材の下端部周りの拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【0034】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づき説明する。各図面において同一の符号を用いて示される構成要素は、同一又は同様の構成要素であることを意味する。なお、以下に説明する実施形態において重複する説明及び符号については、省略する場合がある。また、以下の説明において用いられる図面は、いずれも模式的なものであり、図面に示される、各要素の寸法の関係、各要素の比率等は、現実のものとは必ずしも一致していない。また、複数の図面の相互間においても、各要素の寸法の関係、各要素の比率等は必ずしも一致していない。
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づき説明する。各図面において同一の符号を用いて示される構成要素は、同一又は同様の構成要素であることを意味する。なお、以下に説明する実施形態において重複する説明及び符号については、省略する場合がある。また、以下の説明において用いられる図面は、いずれも模式的なものであり、図面に示される、各要素の寸法の関係、各要素の比率等は、現実のものとは必ずしも一致していない。また、複数の図面の相互間においても、各要素の寸法の関係、各要素の比率等は必ずしも一致していない。
【0035】
まず、本実施形態に係るノズルヘッド２０について説明し、次に、本実施形態に係る三次元造形装置４０（以下、単に「造形装置４０」という）について説明し、その後に、本実施形態に係る三次元造形方法について説明する。
【0036】
＜ノズルヘッド＞
図４及び図５に示すように、ノズルヘッド２０は、造形装置４０において造形面４２に向けて繊維強化樹脂フィラメントを吐出する部分に設けられる部品である。具体的には、造形装置４０が備えるノズル部４４の繊維強化樹脂フィラメントの吐出口を構成する部品である。ノズルヘッド２０の材質については金属又はセラミックスであり、加工性や熱伝導性の面から金属であることが好ましい。
図４及び図５に示すように、ノズルヘッド２０は、造形装置４０において造形面４２に向けて繊維強化樹脂フィラメントを吐出する部分に設けられる部品である。具体的には、造形装置４０が備えるノズル部４４の繊維強化樹脂フィラメントの吐出口を構成する部品である。ノズルヘッド２０の材質については金属又はセラミックスであり、加工性や熱伝導性の面から金属であることが好ましい。
【0037】
図１に示すように、ノズルヘッド２０は、ヘッド本体２２と、ノズル孔２４と、を有している。
【0038】
ヘッド本体２２には、厚み方向Ｔに貫通する貫通孔（本実施形態では丸孔）が形成されている。この貫通孔がノズル孔２４である。ヘッド本体２２は、ノズル孔２４の出口２４Ａ側の部分を形成する幅広部２６と、ノズル孔２４の入口２４Ｂ側の部分を形成する幅狭部２８と、を有している。なお、ノズル孔２４の出口２４Ａ側は、ノズルヘッド２０（ノズル部４４（図４参照））における繊維強化樹脂フィラメントの吐出側を指す。ノズル孔２４の入口２４Ｂ側は、ノズルヘッド２０（ノズル部４４）における繊維強化樹脂フィラメントの導入側を指す。
【0039】
図１に示すように、幅狭部２８の外周には、雄ねじ２８Ａが形成されている。この雄ねじ２８Ａを、ノズル部４４の筒部４５の雌ねじ４５Ａ（図５参照）に捩じ込むことで、ヘッド本体２２（ノズルヘッド２０）がノズル部４４の筒部４５に締結固定される。なお、本発明は、ノズルヘッド２０がノズル部４４に固定されれば、上記構成に限定されない。例えば、ノズルヘッド２０に雌ねじが形成され、筒部４５に雄ねじが形成されてもよいし、その他の固定構造を採用してもよい。
【0040】
図２及び図３に示すように、幅広部２６の外形は、平面視で六角形状とされている。なお、本発明は、この構成に限定されない。例えば、幅広部２６の外形は、平面視で円形状、楕円形状、多角形状であってもよいし、その他の形状（対向する一対の平面を有する形状）であってもよい。ここで、幅広部２６の外形が平面視で六角形状の場合、一般の工具で簡単にノズルヘッド２０をノズル部４４の筒部４５に締結固定できる。
【0041】
図１及び図５に示すように、ノズル孔２４は、繊維強化樹脂フィラメントが通過する円形の貫通孔である。このノズル孔２４は、出口２４Ａにかけて中心点を同一にして孔径Ｄが相似形状で拡がる拡径部３０を有している。具体的には、ノズル孔２４は、孔軸方向（厚み方向Ｔと同じ方向）の一方側（ここでは入口２４Ｂ側）の部分が一定径部３２を構成し、孔軸方向の他方側（ここでは出口側）の部分が拡径部３０を構成している。なお、一定径部３２は、ノズル孔２４において孔径Ｄが一定の部分を指す。また、ここでいうノズル孔２４の孔軸方向は、ノズル孔２４の軸心に沿った方向を指し、図１ではノズル孔２４の軸心を一点鎖線ＣＬで示している。
【0042】
図１に示すように、拡径部３０は、孔軸方向に沿った断面視で円弧状に湾曲する内側湾曲面３４によって構成されている。この内側湾曲面３４は、ノズル孔２４の軸心ＣＬ側で且つノズル孔２４の出口２４Ａにかけて凸となる円弧状の湾曲面である。
【0043】
また、本実施形態のノズル孔２４の孔壁面２４Ｃは、一定径部３２から拡径部３０まで連続している。
【0044】
内側湾曲面３４の曲率半径Ｒ１は、造形時において内側湾曲面３４に接した繊維強化樹脂フィラメントに生じる曲げが、座屈現象による破断を生じない程度の曲率となるように設定しておくことが好ましい。曲率半径Ｒ１は、造形に用いられる繊維強化樹脂フィラメントの太さ（径）によるところはあるものの、具体的には、２ｍｍ以上であり、好ましくは３ｍｍ以上であり、より好ましくは４ｍｍ以上である。曲率半径Ｒ１が２ｍｍ未満であると座屈しやすい強化繊維を使用した繊維強化樹脂フィラメントを三次元造形しようとすると繊維強化樹脂フィラメントが破断する虞がある。繊維強化樹脂フィラメントが破断する場合、装置の汎用性が低下する。また、曲率半径Ｒ１の上限については特に制限はないものの、現状で使用されている連続繊維強化樹脂フィラメント（直径０．５ｍｍ～１．０ｍｍ）であると、曲率半径Ｒ１が１０ｍｍを超えるとノズル孔２４の出口２４Ａの孔径が大きくなりすぎるためにノズル部４４が大型化してしまうほか、ノズル部４４内での繊維強化樹脂フィラメントの位置の安定性が低下して三次元造形時の描画性が悪化する虞があるが、直径が１ｍｍを超えるような太い連続繊維強化樹脂フィラメントを用いる場合は、曲率半径Ｒ１が１０ｍｍを超える寸法とすることが適切になる可能性がある。なお、本実施形態の内側湾曲面３４は、ノズル孔２４の入口２４Ｂ側の端から出口２４Ａ側の端までの円弧の角度が９０度以下である。一例として本実施形態では、内側湾曲面３４の円弧の角度が９０度であるが、本発明はこれに限定されない。
【0045】
図１に示すように、ヘッド本体２２は、断面視で先端部外周３６が円弧状に湾曲している。具体的には、ヘッド本体２２の先端部外周３６は、ヘッド本体２２の先端２２Ａにかけて外径ｄが縮んでいる。なお、本実施形態では、先端２２Ａは、内側湾曲面３４におけるノズル孔２４の出口２４Ａ側の端である。この先端部外周３６は、孔軸方向に沿った断面視で円弧状に湾曲する外側湾曲面３８によって構成されている。この外側湾曲面３８は、ノズル孔２４の軸心ＣＬと反対側（言い換えると、ヘッド本体２２の径方向外側）で且つノズル孔２４の出口２４Ａにかけて凸となる円弧状の湾曲面である。なお、本実施形態では、先端部外周３６の全体が外側湾曲面３８によって構成されているが、本発明はこの構成に限定されない。内側湾曲面３４に連続する先端部外周３６が直線状に切り上がらなければよい。すなわち、先端２２Ａが尖った形状でなければよい。そのため、先端２２Ａを平面又は湾曲面とすることが好ましく、湾曲面とした場合が最も好ましい。なお、本実施形態の外側湾曲面３８は、ノズル孔２４の入口２４Ｂ側の端から出口２４Ａ側の端までの円弧の角度が９０度以下である。
【0046】
ヘッド本体２２の先端２２Ａは、幅広部２６のノズル孔２４の出口２４Ａ側の端であり、ノズル孔２４を中心として円環状に形成されている（図２参照）。ノズルヘッド２０は、ヘッド本体２２の先端２２Ａ及びその周辺部によって、造形面４２上に配置された繊維強化樹脂フィラメントを造形面４２側に向けて押圧し均す機能を有する。
【0047】
図１に示すように、本実施形態では、一例として、外側湾曲面３８の曲率半径Ｒ２が、内側湾曲面３４の曲率半径Ｒ１よりも小さい。ここで、上記のように、内側湾曲面３４の曲率半径Ｒ１は、造形時において内側湾曲面３４に接した繊維強化樹脂フィラメントに生じる曲げが、座屈現象による破断を生じない程度の曲率となるように設定しておくことが好ましい。そのため、外側湾曲面３８の曲率半径Ｒ２は、曲率半径Ｒ１を確保したうえで設定することが好ましい。
【0048】
ノズルヘッド２０の大きさについては、連続繊維強化樹脂フィラメントの安定した連続的な造形が可能であれば特に制限はなく、例えば、第１実施形態のノズルヘッド２０であれば、図４又は図５に示すようにノズル部４４の筒部４５よりもノズルヘッド２０の幅広部２６が小さくてもよいし、筒部４５と幅広部２６の大きさが同じでもよい。但し、造形装置４０の小型化を考えた場合は、ノズルヘッド２０は筒部４５よりも小さいことが好ましい。
【0049】
＜三次元造形装置＞
次に本実施形態に係る造形装置４０について説明する。
次に本実施形態に係る造形装置４０について説明する。
【0050】
図４に示すように、本実施形態の造形装置４０は、形状データに基づいて繊維強化樹脂フィラメントを積層することで立体的な造形物を造形する装置である。なお、図４～図１０では、造形装置４０における上方を矢印ＵＰで示している。また、図４～図１０では、繊維強化樹脂フィラメントを符号ＣＦＲＰＦ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ Ｆｉｌａｍｅｎｔ）で示している。
【0051】
造形装置４０は、台４１と、供給装置４３と、を備えている。
【0052】
台４１は、造形物を造形する造形面４２を有している。
【0053】
供給装置４３は、ノズル部４４と、供給部４６とを備えている。
【0054】
ノズル部４４は、供給装置４３において、台４１の造形面４２に向けて繊維強化樹脂フィラメントを吐出する部分（言い換えると、繊維強化樹脂フィラメントを送り出す部分）である。
【0055】
供給部４６は、供給装置４３において、繊維強化樹脂フィラメントをノズル部４４に供給する部分である。
【0056】
また、供給部４６は、一例として、繊維強化樹脂フィラメントを供給する供給部４８と、供給部４８から引き出された繊維強化樹脂フィラメントを挟んでノズル部４４に送り出す一対のローラー５０を備えている。ローラー５０は、回転駆動部５２によって回転するように構成されている。
【0057】
繊維強化樹脂フィラメントは強化繊維の短繊維を配合した樹脂組成物をフィラメント状に加工したものや、一方向に引き揃えた複数本（一般的には１Ｋ～６Ｋ）の連続した強化繊維に樹脂組成物を含浸させたものが用いられる。この強化繊維には、炭素繊維、ガラス繊維、バサルト繊維、セラミック繊維等が挙げられるが、これらに限定されないし、複数の種類強化繊維を併用してもよい。
【0058】
また、繊維強化樹脂フィラメントで使用される樹脂については、熱硬化系樹脂であっても熱可塑性樹脂のいずれであってもよいが、熱可塑性樹脂であることが好ましい。
熱可塑性樹脂は、ポリプロピレンやポリエチレンなどのポリオレフィン及びその変性物、ポリアミド６やポリアミド６６などのポリアミド樹脂、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレートやポリブチレンテレフタレートなどの芳香族ポリエステル樹脂、ポリエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリスチレン、フェノキシ樹脂など特に限定なく使用することができ、これらを２種類以上併用して使用してもよい。これら熱可塑性樹脂の中でもフェノキシ樹脂は、低温での加工が可能であり、かつ良接着性の熱可塑性樹脂であることから好ましく使用される。
熱可塑性樹脂は、ポリプロピレンやポリエチレンなどのポリオレフィン及びその変性物、ポリアミド６やポリアミド６６などのポリアミド樹脂、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレートやポリブチレンテレフタレートなどの芳香族ポリエステル樹脂、ポリエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリスチレン、フェノキシ樹脂など特に限定なく使用することができ、これらを２種類以上併用して使用してもよい。これら熱可塑性樹脂の中でもフェノキシ樹脂は、低温での加工が可能であり、かつ良接着性の熱可塑性樹脂であることから好ましく使用される。
【0059】
フェノキシ樹脂には予め重合された高分子量体として提供されるフェノキシ樹脂（例えば、日鉄ケミカル＆マテリアル製 ＹＰ－５０）や、現場重合型フェノキシ樹脂（例えば、日鉄ケミカル＆マテリアル製 ＮＳ－ＴＥＰｒｅｇ用マトリックス樹脂や、ナガセケムテックス製 熱可塑性エポキシ樹脂（主剤：ＤＥＮＡＴＩＴＥ ＸＮＲ６８５０Ｖと硬化剤：ＤＥＮＡＴＩＴＥ ＸＮＨ６８５０Ｖの重合物）がある。
【0060】
なお、本実施形態では、繊維強化樹脂フィラメントとして、連続繊維強化樹脂フィラメント（ＣＦＲＰＦ）を使用している。具体的には、強化繊維として３Ｋのピッチ系炭素繊維束（日本グラファイトファイバー製 ＹＳ－８０Ａ）を、また強化繊維に含侵させる樹脂として現場重合型フェノキシ樹脂を用いた日鉄ケミカル＆マテリアル製 ＮＳ－ＴＥＰｒｅｇ連続繊維強化樹脂フィラメントを使用している。
【0061】
【0062】
筒部４５は、金属部品であり、内側の中空部４５Ｂがノズル孔２４に連通している。また筒部４５の端部（図５では下端部）には、雌ねじ４５Ａが形成されている。この雌ねじ４５Ａに雄ねじ２８Ａが捩じ込まれることによってノズルヘッド２０が筒部４５に締結固定される。この筒部４５には、ヒーター６２（図４参照）が備えられている。このヒーターの熱で連続繊維強化樹脂フィラメントが加熱される。
【0063】
また、筒部４５は、軸方向が造形面４２に対して垂直方向となるように供給装置４３の本体（図示省略）に固定されている。具体的には、供給装置４３の本体に供給部４６及びノズル部４４が固定されている。そして、造形装置４０は、供給装置４３を水平方向及び上下方向に移動させる移動装置６４（図４参照）を備えている。このように移動装置６４によって供給装置４３が移動することにともなってノズルヘッド２０も移動する。ここでノズルヘッド２０から繊維強化樹脂フィラメントを造形面４２に対して吐出しながらノズルヘッド２０を移動させることによって造形面４２上に造形物が造形される。
【0064】
図４及び図５に示すように、パイプ５４は、金属部品であり、ノズル孔２４へ連続繊維強化樹脂フィラメントを案内する断面形状が円形であり、内径が繊維強化樹脂フィラメントよりも大きい部材である。具体的には、パイプ５４は、筒部４５の中空部４５Ｂを貫通し、一端部５４Ａ（図５では下端部）がノズルヘッド２０のノズル孔２４に挿入されるように構成されている。なお、パイプ部材はアルミ製などでもよいが、連続繊維強化樹脂フィラメントに過剰な熱履歴が加わらないように、ステンレスやチタンなどの熱伝導性が低い金属部品が好ましい。
【0065】
図５及び図６に示すように、パイプ５４は、ノズルヘッド２０のノズル孔２４内を孔軸方向に移動するように構成されている。具体的には、パイプ５４は、昇降装置６６（図４参照）によってノズル孔２４の孔軸方向（ここでは上下方向）に移動する。なお、図５で示すパイプ５４の位置をパイプ５４の待機位置としているが、筒部４５の直上でも構わない。また、図６で示すパイプ５４の位置がパイプ５４の切断位置である。ここでパイプ５４が切断位置にある場合、パイプ５４の一端部５４Ａによって連続繊維強化樹脂フィラメントに曲率が大きい曲げが付与される。
【0066】
また、造形装置４０は、制御装置６０を備えている。図４に示すように、制御装置６０は、造形装置４０の各部位の動作を制御している。本実施形態の制御装置６０は、一例として、回転駆動部５２、ヒーター６２、移動装置６４及び昇降装置６６を制御している。具体的には、制御装置６０は、ローラー５０の連続繊維強化樹脂フィラメントの送り出し速度、ヒーター６２の温度、供給装置４３の移動方向及び移動速度、及び、パイプ５４の移動方向（昇降方向）及び移動速度（昇降速度）を制御している。なお、制御装置６０による制御対象は、上記に限定されない。
【0067】
＜三次元形成方法＞
次に本実施形態に係る三次元造形方法（以下、単に「造形方法」という）について説明する。なお、本実施形態の三次元造形方法は、造形装置４０を用いて造形面４２に立体的な造形物を造形する方法である。
次に本実施形態に係る三次元造形方法（以下、単に「造形方法」という）について説明する。なお、本実施形態の三次元造形方法は、造形装置４０を用いて造形面４２に立体的な造形物を造形する方法である。
【0068】
図４に示すように、造形装置４０では、制御装置６０が造形物の形状データに基づいて供給装置４３を制御する。具体的には、図５に示すように、造形装置４０は、ノズルヘッド２０のノズル孔２４から連続繊維強化樹脂フィラメントを造形面４２に向けて吐出しながら（言い換えると、送り出しながら）ノズルヘッド２０を造形面４２に対して該造形面４２に沿った造形方向Ｍ１に移動させて造形面４２上に連続繊維強化樹脂フィラメントを配置する。
【0069】
ここで、本実施形態の造形方法では、連続繊維強化樹脂フィラメントにテンションを付与しながら、連続繊維強化樹脂フィラメントを造形面４２上に配置する。具体的には、ノズルヘッド２０（供給装置４３）の造形面４２に対する移動速度よりも連続繊維強化樹脂フィラメントの供給速度を遅くすること、すなわち、制御装置６０によってローラー５０による連続繊維強化樹脂フィラメントの送り出し速度を、移動装置６４による供給装置４３の移動速度よりも遅くすることによって連続繊維強化樹脂フィラメントにテンションが付与される。
【0070】
また、本実施形態の造形方法では、連続繊維強化樹脂フィラメントをノズルヘッド２０によって造形面４２側に押圧しながら造形面４２上に配置している。これにより、造形面４２上に配置された連続繊維強化樹脂フィラメントの表面がノズルヘッド２０によって均される。
【0071】
次に、造形面４２上の連続繊維強化樹脂フィラメントが造形物の端に達すると、連続繊維強化樹脂フィラメントの曲率を大きくすることにより、その場にて連続繊維強化樹脂フィラメントを切断する。具体的には、パイプ５４を下方に移動させて一端部５４Ａで連続繊維強化樹脂フィラメントを造形面４２側へ向けて押圧すると、パイプ５４の一端部５４Ａで押圧された連続繊維強化樹脂フィラメントがノズルヘッド２０の内側湾曲面３４から離れる。このとき、連続繊維強化樹脂フィラメントのパイプ５４に接した部分に曲率が大きい曲げが生じる。すなわち、連続繊維強化樹脂フィラメントのパイプ５４に接した部分が折り曲げられ、連続繊維強化樹脂フィラメントの座屈現象により、繊維強化樹脂フィラメントがパイプ５４に接した部分で切断される（図６参照）。
【0072】
繊維強化樹脂フィラメントを切断した後は、図７に示すように、ノズルヘッド２０をＭ１方向にさらに所定距離移動させて連続繊維強化樹脂フィラメントを切断部（すなわち、終端）まで均していく。
【0073】
次に、図８に示すように、ノズルヘッド２０を造形面４２から離れる方向、すなわち、上方に向けて移動させる。具体的には、連続繊維強化樹脂フィラメントの１層分の厚みよりも若干多い量移動させる。また、連続繊維強化樹脂フィラメントを下方に向けて吐出する（送り出す）。具体的には、ノズルヘッド２０の造形方向Ｍ２の移動時に、先に配置した連続繊維強化樹脂フィラメントの終端にノズルヘッド２０から吐出した次の連続繊維強化樹脂フィラメントの始端が当たるように連続繊維強化樹脂フィラメントを下方に向けて送り出す。
【0074】
次に、パイプ５４を待機位置に移動させ、連続繊維強化樹脂フィラメントを吐出しながらノズルヘッド２０を造形方向Ｍ２に移動させる。なお、ノズルヘッド２０の造形方向Ｍ２は、造形方向Ｍ１と反対方向である。ノズルヘッド２０を造形方向Ｍ２に移動させると、図９に示す連続繊維強化樹脂フィラメントがノズルヘッド２０の内側湾曲面３４に接するような状態となる。この状態でノズルヘッド２０を下方へ移動させてノズルヘッド２０で先の連続繊維強化樹脂フィラメントの終端と次の連続繊維強化樹脂フィラメントの始端とを押圧する。そして、ノズルヘッド２０を造形方向Ｍ２に移動させることによって、先の連続繊維強化樹脂フィラメントの上に次の連続繊維強化樹脂フィラメントが積層される（図１０）。このように連続繊維強化樹脂フィラメントを積層していくことで、造形面４２上に立体的な造形物が造形される。
【0075】
本実施形態の製造方法では、ノズル部４４が図８に示す位置にあるときはパイプ５４を下げたままの状態で、連続繊維強化樹脂フィラメントをノズルヘッド２０から送り出しているが、本発明はこれに限定されない。例えば、図８に示す位置でパイプ５４を待機位置に移動させつつ、連続繊維強化樹脂フィラメントをノズルヘッド２０から送り出し、次いで、ノズル部４４を造形方向Ｍ２に移動させて、先に配置した連続繊維強化樹脂フィラメントの終端に押し当ててもよい。
【0076】
なお、本実施形態の造形方法では、連続繊維強化樹脂フィラメントが造形面４２上の端に達すると、連続繊維強化樹脂フィラメントを切断し、次の連続繊維強化樹脂フィラメントの始端を先の連続繊維強化樹脂フィラメントの終端に重ねているが本発明はこの構成に限定されない。例えば、図８においてノズルヘッド２０を造形面４２から離れる方向には動かさずに、造形した連続繊維強化樹脂フィラメントの幅分だけ動かして次の造形を開始することもできる。このように連続繊維強化樹脂フィラメントを造形していくことで平面的な造形物が造形される。さらに、連続繊維強化樹脂フィラメントの切断を行わずにそのまま一筆書き状の連続造形を行うことも可能である。
【0077】
次に本実施形態の作用について説明する。
本実施形態のノズルヘッド２０は、拡径部３０が断面視で円弧状に湾曲する内側湾曲面３４によって構成されている。そして、内側湾曲面３４の曲率半径Ｒ１が２ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内にあるように加工されている。したがって、ノズルヘッド２０によれば、造形過程で連続繊維強化樹脂フィラメントに座屈を引き起こしかねない曲率の大きい曲げが生じることを防止し、座屈しやすいピッチ系の炭素繊維を使用した連続繊維強化樹脂フィラメントであっても造形過程で破断することを抑制することができる。
本実施形態のノズルヘッド２０は、拡径部３０が断面視で円弧状に湾曲する内側湾曲面３４によって構成されている。そして、内側湾曲面３４の曲率半径Ｒ１が２ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内にあるように加工されている。したがって、ノズルヘッド２０によれば、造形過程で連続繊維強化樹脂フィラメントに座屈を引き起こしかねない曲率の大きい曲げが生じることを防止し、座屈しやすいピッチ系の炭素繊維を使用した連続繊維強化樹脂フィラメントであっても造形過程で破断することを抑制することができる。
【0078】
また、本実施形態のノズルヘッド２０では、先端部外周３６が断面視で円弧状に湾曲する外側湾曲面３８によって構成されている。このため、ノズルヘッド２０では、造形面４２に配置された連続繊維樹脂フィラメントをいわばロール加圧されるような状態で押し付け、かつ均すことによって均一な造形と確実な密着がなされる。
【0079】
本実施形態の造形装置４０では、パイプ５４によって連続繊維強化樹脂フィラメントがノズルヘッド２０のノズル孔２４へ案内される。そして、案内された連続繊維強化樹脂フィラメントがノズル孔２４から造形面４２に対して吐出されながら、ノズルヘッド２０が造形面４２に対して相対移動する。これにより、造形面４２上に連続繊維強化樹脂フィラメントが配置される。このようにして連続繊維強化樹脂フィラメントを配置又は積層していくことにより、造形物が造形される。
ここで、造形装置４０では、内側湾曲面３４によって構成される拡径部３０を有するノズルヘッド２０を用いるため、造形過程で造形方向を変化させても連続繊維強化樹脂フィラメントが破断するのを抑制することができる。このため、造形装置４０によれば、一定品質の造形物を安定して造形することができる。
ここで、造形装置４０では、内側湾曲面３４によって構成される拡径部３０を有するノズルヘッド２０を用いるため、造形過程で造形方向を変化させても連続繊維強化樹脂フィラメントが破断するのを抑制することができる。このため、造形装置４０によれば、一定品質の造形物を安定して造形することができる。
【0080】
また、本実施形態の造形装置４０では、パイプ５４を造形面４２に向けて移動させ、連続繊維強化樹脂フィラメントにパイプ５４を接触させると、この接触部分において連続繊維強化樹脂フィラメントの曲率が大きくなり、連続繊維強化樹脂フィラメントが座屈現象により切断される。このように造形装置４０によれば、パイプ５４を造形面４２に向けて移動させることで所望の位置のその場にて連続繊維強化樹脂フィラメントを切断することができる。
【0081】
本実施形態の造形方法では、上記のノズルヘッド２０を備える造形装置４０を用いるため、造形過程で連続繊維強化樹脂フィラメントが破断するのを抑制することができる。このため、造形装置４０によれば、ピッチ系炭素繊維を用いた連続繊維強化樹脂フィラメントを用いても安定して連続的な三次元造形加工を行うことができる。
【0082】
また、本実施形態の造形方法では、造形面４２上の連続繊維強化樹脂フィラメントが造形物の端に達すると、連続繊維強化樹脂フィラメントの曲率を大きくすることにより、その場にて連続繊維強化樹脂フィラメントを座屈現象により切断することができる。すなわち、造形方法によれば、所望の位置のその場にて連続繊維強化樹脂フィラメントを切断することができる。
【0083】
また、本実施形態の造形方法では、連続繊維強化樹脂フィラメントを所定の位置のその場にて切断した後、ノズルヘッド２０を所定距離移動させるため、造形端部まで連続繊維強化樹脂フィラメントの造形品位が良好である。
【0084】
また、本実施形態の造形方法では、ノズルヘッド２０の移動速度よりもローラー５０による連続繊維強化樹脂フィラメントの供給速度を遅くすることによって、繊維強化樹脂フィラメントをローラー５０のところで敢えて滑らせ、その摩擦力でテンションを付与しながら、連続繊維強化樹脂フィラメントを造形面４２上に配置することから、簡単な方法で連続繊維強化樹脂フィラメントをノズルヘッド２０の移動方向（造形方向）に沿って正確に配置することができる。特にノズルヘッド２０に拡径部３０を設けることで発生しやすくなる連続繊維強化樹脂フィラメントの撚れや蛇行を抑制できる。
【0085】
また、本実施形態の造形方法では、連続繊維強化樹脂フィラメントとしてピッチ系炭素繊維フィラメントを用いている。ピッチ系炭素繊維は、ＰＡＮ系炭素繊維よりも折れやすいために取り扱いが難しく、特に曲率を大きくすると容易に破断してしまう。言い換えると、ピッチ系炭素繊維フィラメントは、曲率を変化させるだけで容易に切断することができる。このため、本実施形態の造形方法によれば、ピッチ系炭素繊維フィラメントを用いても安定して連続的な三次元造形加工が可能であるほか、簡便な機構で連続繊維強化樹脂フィラメントを所望の位置のその場にて確実に切断できるため、造形終端部まで良好な造形品質が得られる。
【0086】
第１実施形態のノズルヘッド２０では、ヘッド本体２２の先端２２Ａがノズル孔２４の出口２４Ａ側の端であり、湾曲面であるが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、図１１及び図１２に示すノズルヘッド１２０のように、ヘッド本体２２の先端２２Ａが平面に形成されてもよい。ここでノズルヘッド１２０のヘッド本体２２の先端２２Ａは、内側湾曲面３４と外側湾曲面３８との間に位置しており、ノズル孔２４を中心として円環状に形成されている。この先端２２Ａを構成する平面は、ノズル孔２４の孔軸方向と直交する方向に沿う平面である。ノズルヘッド１２０は、ヘッド本体２２の先端２２Ａによって、造形面４２上に配置された連続繊維強化樹脂フィラメントを造形面４２側に向けて押圧する。このため先端２２Ａが平面であることで連続繊維強化樹脂フィラメントを均しやすくなる。なお、ノズルヘッド１２０では、外側湾曲面３８の曲率半径Ｒ２が、内側湾曲面３４の曲率半径Ｒ１よりも小さい。
【0087】
第１実施形態のノズルヘッド２０では、ヘッド本体２２が幅広部２６と幅狭部２８を有しているが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、ヘッド本体２２のノズル孔２４の出口２４Ａ側が幅狭部とされ、ヘッド本体２２のノズル孔２４の入口２４Ｂ側が幅広部とされてもよいし、ヘッド本体２２の外径がノズル孔２４の入口から出口まで同じ大きさであってもよい。
【0088】
また、第１実施形態のノズルヘッド２０では、拡径部３０の内側湾曲面３４及びノズル先端２２Ａは平滑面となっているが、例えば、図１３Ａに示すノズルヘッド１３０のように、拡径部３０の内側湾曲面３４から先端２２Ａにかけて、ノズル孔２４を中心にして放射状に延びる溝部１３２が内側湾曲面３４全面に設けられ（言い換えると、一周に亘って設けられ）てもよい。上述の三次元造形装置４０では、ノズル孔２４から供給された連続繊維強化樹脂フィラメントがノズルヘッド２０の先端２２Ａで加熱されながら圧着されて周辺部に向かって積層造形が行われるが、直線状の積層造形を行う場合、図１３Ａで示されるような溝部１３２を設けておくことにより、連続繊維強化樹脂フィラメントの圧着跡がより直線の状態を保たれることになる。
【0089】
溝部１３２の形状は図１３Ａ中のＡ－Ａ線における断面図にて示す形状のピッチｗと高さｈをもった波線状であり、ピッチｗ及び高さｈのいずれも０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲である。一方、溝部１３２の長さはノズルヘッド２０の先端２２Ａから内側湾曲面３４の長さの１／２未満とする。
【0090】
さらに、図１４Ａに示すノズルヘッド１４０のように、拡径部３０の内側湾曲面３４から先端２２Ａにかけて、ノズル孔２４を中心にして放射状に延びる溝部１４２が内側湾曲面３４に部分的に設けられてもよい。本変形例の場合では、溝部１４２のサイズは図１３Ａの変形例（ノズルヘッド１３０）より若干浅め（図１４Ｂ参照）に形成されており、積層造形の方向が直線から異なる方向に変わるときにも十分に圧着されながらスムーズに造形方向を変えることができる。なおこの図では４方向の例を示しているが、造形方向のバリエーションに応じた方向の溝の方向数を採用しておくことにより、より細かい制御が可能となる。
【0091】
〔第２実施形態〕
次に本発明の第２実施形態について図面に基づいて説明する。まず、本実施に係る三次元造形装置８０について説明し、次に本実施形態に係る三次元造形方法について説明する。
次に本発明の第２実施形態について図面に基づいて説明する。まず、本実施に係る三次元造形装置８０について説明し、次に本実施形態に係る三次元造形方法について説明する。
【0092】
＜三次元造形装置＞
図１５～図２１に示すように、本実施形態の造形装置８０は、図４に示した造形装置４０と同様に、形状データに基づいて連続繊維強化樹脂フィラメントを積層することで立体的な造形物を造形する装置である。なお、図１５～図２０では、造形装置８０における上方を矢印ＵＰで示している。
図１５～図２１に示すように、本実施形態の造形装置８０は、図４に示した造形装置４０と同様に、形状データに基づいて連続繊維強化樹脂フィラメントを積層することで立体的な造形物を造形する装置である。なお、図１５～図２０では、造形装置８０における上方を矢印ＵＰで示している。
【0093】
図１５に示すように、造形装置８０は、台４１と、供給装置８３と、を備えている。
【0094】
供給装置８３は、供給部４６と、押圧ローラー８４と、パイプ８６とを備えている。
【0095】
押圧ローラー８４は、供給装置８３において、台４１の造形面４２に向けて送り出された連続繊維強化樹脂フィラメントを造形面４２上に押圧しながら配置する部品である。なお、押圧ローラー８４の半径は２ｍｍ以上であり、好ましくは３ｍｍ以上であり、より好ましくは５ｍｍ以上であればよく、上限については装置設計上支障のないレベルであればよい。また、本実施形態の押圧ローラー８４は、回転駆動部９３によって回転するように構成されている。
【0096】
パイプ８６は、金属部品であり、造形面４２側へ連続繊維強化樹脂フィラメントを案内する部材である。このパイプ８６は、断面形状が円形とされている（図２１参照）。また、パイプ８６の下端側（造形面４２側）には、切断板８７が取り付けられている。この切断板８７は、パイプ８６の下端よりも下方に張り出している。ここで、パイプ８６の下端と切断板８７の先端（図２０では、下端）との間の距離Ｌは、連続繊維強化樹脂フィラメントの直径以上である。なお、切断板８７の先端は、連続繊維強化樹脂フィラメントに曲げを付与できれば、平面でも、尖っていても、丸くなっていてもよい。
【0097】
図１５及び図１６に示すように、パイプ８６は、軸方向（本実施形態では、上下方向）に移動するように構成されている。具体的には、パイプ８６は、昇降装置９６によって上下方向に移動する。なお、図１５で示すパイプ８６の位置がパイプ８６の待機位置である。また、図１６で示すパイプ８６の位置がパイプ８６の切断位置である。ここでパイプ８６が切断位置にある場合、パイプ８６に取り付けられた切断板８７によって連続繊維強化樹脂フィラメントに曲率が大きい曲げが付与される。
【0098】
また、押圧ローラー８４の内部には、ヒーター９２（図１５参照）が備えられている。このヒーター９２の熱で連続繊維強化樹脂フィラメントが押圧ローラー８４によって押圧されながら加熱される。
【0099】
また、パイプ８６は、軸方向が造形面４２に対して垂直方向となるように供給装置８３の本体（図示省略）に固定されている。具体的には、供給装置８３の本体に供給部４６、パイプ８６の昇降装置９６が固定されている。そして、造形装置８０は、供給装置８３を水平方向及び上下方向に移動させ、かつ、上下方向を回転軸方向として回転させる移動装置９４（図１５参照）を備えている。このように移動装置９４によって供給装置８３が移動及び／又は回転することにともないパイプ８６及び押圧ローラー８４も移動及び／又は回転する。このようにノズルヘッド２０が造形面４２に対して移動及び／又は回転することにより造形面４２上に造形物が造形される。
【0100】
また、造形装置８０は、制御装置９０を備えている。図１５に示すように、制御装置９０は、造形装置８０の各部位の動作を制御している。本実施形態の制御装置９０は、一例として、回転駆動部５２、ヒーター９２、回転駆動部９３、移動装置９４及び昇降装置９６を制御している。具体的には、制御装置９０は、ローラー５０の連続繊維強化樹脂フィラメントの送り出し速度、ヒーター９２の温度、押圧ローラー８４の回転速度、供給装置８３の移動方向及び移動速度、及び、パイプ５４の移動方向（昇降方向）及び移動速度（昇降速度）を制御している。なお、制御装置９０による制御対象は、上記に限定されない。
【0101】
＜三次元造形方法＞
次に本実施形態に係る三次元造形方法（以下、単に「造形方法」という）について説明する。なお、本実施形態の三次元造形方法は、造形装置８０を用いて造形面４２に立体的な造形物を造形する方法である。
次に本実施形態に係る三次元造形方法（以下、単に「造形方法」という）について説明する。なお、本実施形態の三次元造形方法は、造形装置８０を用いて造形面４２に立体的な造形物を造形する方法である。
【0102】
図１５に示すように、造形装置８０では、制御装置９０が造形物の形状データに基づいて供給装置８３を制御する。具体的には、造形装置８０は、パイプ８６から連続繊維強化樹脂フィラメントを造形面４２に向けて送り出し、押圧ローラー８４で造形面４２上に連続繊維強化樹脂フィラメントを押し付けながら供給装置８３を造形方向Ｍ１に移動させて造形面４２上に連続繊維強化樹脂フィラメントを配置する。
【0103】
ここで、本実施形態の造形方法では、連続繊維強化樹脂フィラメントにテンションを付与しながら、連続繊維強化樹脂フィラメントを造形面４２上に配置する。具体的には、移動装置９４による供給装置８３の造形面４２に対する移動速度よりも連続繊維強化樹脂フィラメントの供給速度を遅くすることによって連続繊維強化樹脂フィラメントにテンションを付与している。すなわち、制御装置９０によってローラー５０による連続繊維強化樹脂フィラメントの送り出し速度を、移動装置９４による供給装置８３の移動速度よりも遅くすることによって連続繊維強化樹脂フィラメントにテンションが付与される。
【0104】
また、本実施形態の造形方法では、連続繊維強化樹脂フィラメントを押圧ローラー８４で造形面４２側に押圧しながら造形面４２上に配置している。これにより、造形面４２上に配置された連続繊維強化樹脂フィラメントの表面が押圧ローラー８４によって均される。
【0105】
次に、造形面４２上の連続繊維強化樹脂フィラメントが造形物の端に達すると、連続繊維強化樹脂フィラメントの曲率を大きくすることにより、その場にて連続繊維強化樹脂フィラメントを切断する。具体的には、図１６に示すように、パイプ８６を下方に移動させて切断板８７で連続繊維強化樹脂フィラメントを造形面４２側へ向けて押圧する。切断板８７で押圧された連続繊維強化樹脂フィラメントは押圧ローラー８４の外周面から離れる。このとき、連続繊維強化樹脂フィラメントの切断板８７に接した部分に曲率が大きい曲げが生じる。すなわち、連続繊維強化樹脂フィラメントの切断板８７に接した部分が折り曲げられ、連続繊維強化樹脂フィラメントの座屈現象により、繊維強化樹脂フィラメントが切断板８７に接した部分で切断される。
【0106】
繊維強化樹脂フィラメントを切断した後は、図１７に示すように、押圧ローラー８４を所定距離移動させて連続繊維強化樹脂フィラメントを切断部（すなわち、終端）に至るまで均す。
【0107】
次に、押圧ローラー８４を造形面４２から離れる方向、すなわち、上方に向けて移動させる。具体的には、連続繊維強化樹脂フィラメントの１層分の厚みよりも若干多い量移動させる。また、連続繊維強化樹脂フィラメントを下方に向けて吐出する（送り出す）。具体的には、供給装置８３の造形方向Ｍ２の移動時に、先に配置した連続繊維強化樹脂フィラメントの終端にパイプ８６から吐出した次の連続繊維強化樹脂フィラメントの始端が当たるように連続繊維強化樹脂フィラメントを下方に向けて送り出す。また、このとき、供給装置８３を１８０度回転させる。
【0108】
次に、図１８に示すように、供給装置８３を造形方向Ｍ２に移動させる。なお、供給装置８３の造形方向Ｍ２は、造形方向Ｍ１と反対方向である。供給装置８３を造形方向Ｍ２に移動させると、次の連続繊維強化樹脂フィラメントの始端が先の連続繊維強化樹脂フィラメントの終端に当たる。そして、さらに供給装置８３を造形方向Ｍ２に移動させると、次の連続繊維強化樹脂フィラメントが押圧ローラー８４に接する。この状態で押圧ローラー８４を下方へ移動させて押圧ローラー８４で先の連続繊維強化樹脂フィラメントの終端と次の連続繊維強化樹脂フィラメントの始端とを押圧する（図１９参照）。そして、供給装置８３を造形方向Ｍ２に移動させることによって、先の連続繊維強化樹脂フィラメントの上に次の連続繊維強化樹脂フィラメントが積層される。このように連続繊維強化樹脂フィラメントを積層していくことで、造形面４２上に立体的な造形物が造形される。
【0109】
第２実施形態の造形装置８０では、ノズルヘッド２０の代わりに、押圧ローラー８４を用いているが、第１実施形態と同様の作用を得ることができる。すなわち、造形装置８０は、造形装置４０と同様の効果を奏することができる。
【0110】
第２実施形態では、パイプ８６を断面形状が円形のパイプとしているが、本発明はこの構成に限定されない。パイプ８６の断面形状は、連続繊維強化樹脂フィラメントを案内できれば、楕円でも多角形状でもその他の形状でもよい。図２２～図２５には、変形例のパイプ１００、１０２、１０４、１０６が示されている。図２２に示すパイプ１００は、断面形状が楕円形のパイプであり、所定の位置に切断板１０１が取り付けらえている。また、図２３に示すパイプ１０２は、断面形状が円形の一部を直線状としたパイプであり、この直線状部分で連続繊維強化樹脂フィラメントに接して、連続繊維強化樹脂フィラメントに曲率が大きな曲げを付与してもよい。また、図２３に二点鎖線で示すように、パイプ１０２の直線状部分の所定位置に切断板１０３を取り付けてもよい。この場合、パイプ１０２の直線部分により平板状の切断板１０３をパイプ１０２に取り付けやすい。図２４に示すパイプ１０４は、断面形状が矩形状のパイプであり、直線状の一辺で連続繊維強化樹脂フィラメントに接して、連続繊維強化樹脂フィラメントに曲率が大きな曲げを付与してもよい。また、図２４に二点鎖線で示すように、パイプ１０４の直線状部分の所定位置に平板状の切断板１０５を取り付けてもよい。この場合、パイプ１０４の断面形状が矩形状のため、いずれの面にも切断板１０５を取り付けられるため、パイプ１０４への切断板１０５の取り付けが容易になる。また、図２５に示すパイプ１０６は、断面形状が長方形のパイプであり、直線状の一辺で連続繊維強化樹脂フィラメントに接して、連続繊維強化樹脂フィラメントに曲率が大きな曲げを付与してもよい。また、図２５に二点鎖線で示すように、パイプ１０６の直線状部分の所定位置に平板状の切断板１０７を取り付けてもよい。ここで、パイプ１０６のように断面形状を長方形とすることで、テープ又はリボン状の連続繊維強化樹脂フィラメントを用いて造形物を造形することができる。
【0111】
〔その他の実施形態〕
第１実施形態では、供給装置４３が移動装置６４によって移動する構成であるが、本発明はこの構成に限定されない。供給装置４３が移動装置６４によって移動及び／又は回転する構成としてもよい。また、供給装置４３が造形装置４０に固定され、台４１が移動装置（図示省略）によって移動及び／又は回転する構成としてもよい。この場合も制御装置６０によって台４１の移動装置を制御することができる。なお、ノズルヘッド２０が造形面４２に対して相対移動できれば、その移動機構については特に限定されない。なお、第２実施形態も同様に、供給装置８３の代わりに台４１を移動及び／又は回転させる構成としてもよい。
第１実施形態では、供給装置４３が移動装置６４によって移動する構成であるが、本発明はこの構成に限定されない。供給装置４３が移動装置６４によって移動及び／又は回転する構成としてもよい。また、供給装置４３が造形装置４０に固定され、台４１が移動装置（図示省略）によって移動及び／又は回転する構成としてもよい。この場合も制御装置６０によって台４１の移動装置を制御することができる。なお、ノズルヘッド２０が造形面４２に対して相対移動できれば、その移動機構については特に限定されない。なお、第２実施形態も同様に、供給装置８３の代わりに台４１を移動及び／又は回転させる構成としてもよい。
【0112】
本発明は、上記の実施形態に限るものではなく、その主旨を逸脱しない範囲内において種々の変形、変更、改良が可能である。例えば、上記に示した変形例は、適宜、複数を組み合わせて構成してもよい。
【符号の説明】
【0113】
２０ ノズルヘッド
２２ ヘッド本体
２２Ａ 先端
２４ ノズル孔
２４Ａ 出口
２４Ｂ 入口
２４Ｃ 孔壁面
２６ 幅広部
２８ 幅狭部
２８Ａ 雄ねじ部
３０ 拡径部
３２ 一定径部
３４ 内側湾曲面
３６ 先端部外周
３８ 外側湾曲面
４０ 三次元造形装置
４１ 台
４２ 造形面
４３ 供給装置
４４ ノズル部
４５ 筒部
４５Ａ 雌ねじ部
４５Ｂ 中空部
４６ 供給部
４８ 供給部
５０ ローラー
５２ 回転駆動部
５４ パイプ（管状部材）
５４Ａ 一端部
６０ 制御装置
６２ ヒーター
６４ 移動装置
６６ 昇降装置
８０ 三次元造形装置
８３ 供給装置
８４ 押圧ローラー
８６ パイプ（管状部材）
８７ 切断板
９０ 制御装置
９２ ヒーター
９３ 回転駆動部
９４ 移動装置
９６ 昇降装置
１００ パイプ
１０１ 切断板
１０２ パイプ
１０３ 切断板
１０４ パイプ
１０５ 切断板
１０６ パイプ
１０７ 切断板
１２０ ノズルヘッド
１３０ ノズルヘッド
１３２ 溝部
１４０ ノズルヘッド
１４２ 溝部
ＣＦＲＰＦ 連続繊維強化樹脂フィラメント（繊維強化樹脂フィラメント）
ＣＬ 軸心
Ｄ 孔径
Ｌ 距離
Ｍ１ 造形方向
Ｍ２ 造形方向
Ｒ１ 曲率半径
Ｒ２ 曲率半径
Ｔ 厚み方向
ＵＰ 上方
ｄ 外径
２２ ヘッド本体
２２Ａ 先端
２４ ノズル孔
２４Ａ 出口
２４Ｂ 入口
２４Ｃ 孔壁面
２６ 幅広部
２８ 幅狭部
２８Ａ 雄ねじ部
３０ 拡径部
３２ 一定径部
３４ 内側湾曲面
３６ 先端部外周
３８ 外側湾曲面
４０ 三次元造形装置
４１ 台
４２ 造形面
４３ 供給装置
４４ ノズル部
４５ 筒部
４５Ａ 雌ねじ部
４５Ｂ 中空部
４６ 供給部
４８ 供給部
５０ ローラー
５２ 回転駆動部
５４ パイプ（管状部材）
５４Ａ 一端部
６０ 制御装置
６２ ヒーター
６４ 移動装置
６６ 昇降装置
８０ 三次元造形装置
８３ 供給装置
８４ 押圧ローラー
８６ パイプ（管状部材）
８７ 切断板
９０ 制御装置
９２ ヒーター
９３ 回転駆動部
９４ 移動装置
９６ 昇降装置
１００ パイプ
１０１ 切断板
１０２ パイプ
１０３ 切断板
１０４ パイプ
１０５ 切断板
１０６ パイプ
１０７ 切断板
１２０ ノズルヘッド
１３０ ノズルヘッド
１３２ 溝部
１４０ ノズルヘッド
１４２ 溝部
ＣＦＲＰＦ 連続繊維強化樹脂フィラメント（繊維強化樹脂フィラメント）
ＣＬ 軸心
Ｄ 孔径
Ｌ 距離
Ｍ１ 造形方向
Ｍ２ 造形方向
Ｒ１ 曲率半径
Ｒ２ 曲率半径
Ｔ 厚み方向
ＵＰ 上方
ｄ 外径
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13A】
【図13B】
【図14A】
【図14B】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
