特開 2024-158127 三次元造形物の製造方法

(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】P2024158127

(43)【公開日】2024-11-08

(54)【発明の名称】三次元造形物の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B22F 10/47 20210101AFI20241031BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20241031BHJP

   B33Y 40/20 20200101ALI20241031BHJP

   B33Y 70/00 20200101ALI20241031BHJP

   B22F 10/64 20210101ALI20241031BHJP

   B28B 1/30 20060101ALI20241031BHJP

   B22F 10/18 20210101ALI20241031BHJP

【ＦＩ】

B22F10/47

B33Y10/00

B33Y40/20

B33Y70/00

B22F10/64

B28B1/30

B22F10/18

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023073067

(22)【出願日】2023-04-27

(71)【出願人】

【識別番号】000002369

【氏名又は名称】セイコーエプソン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000028

【氏名又は名称】弁理士法人明成国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山▲崎▼ 茂

【テーマコード（参考）】

4G052

4K018

【Ｆターム（参考）】

4G052DA02

4G052DB12

4G052DC06

4K018CA44

4K018EA51

4K018EA60

(57)【要約】

【課題】三次元造形物からサポート層を除去する負担を軽減可能な技術を提供する。
【解決手段】ステージに材料を吐出して層を積層することで、造形物を造形すると共に、造形物を支持するためのサポート領域の少なくとも一部にサポート構造を造形する、三次元造形物の製造方法が提供される。サポート領域は、第１サポート領域、第１サポート領域に隣り合う第２サポート領域、及び、第３サポート領域を有し、この製造方法は、第１工程であって、第１サポート領域に、第１造形条件で第１サポート構造を造形し、第２サポート領域に、第２造形条件で第２サポート構造を造形する、又は、材料を吐出しないで空間を形成する、第１工程と、サポート構造を、造形物から分離する第２工程と、を有し、第３サポート領域は、第２サポート領域と造形物との間に位置し、第１造形条件及び第２造形条件は、互いに異なる造形条件である。
【選択図】図７

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ステージに材料を吐出して層を積層することで、造形物を造形すると共に、前記造形物を支持するためのサポート領域の少なくとも一部にサポート構造を造形する、三次元造形物の製造方法であって、
前記サポート領域は、第１サポート領域、前記第１サポート領域に隣り合う第２サポート領域、及び、第３サポート領域を有し、
第１工程であって、
前記第１サポート領域に、第１造形条件で第１サポート構造を造形し、
前記第２サポート領域に、第２造形条件で第２サポート構造を造形する、又は、前記材料を吐出しないで空間を形成する、前記第１工程と、
前記サポート構造を、前記造形物から分離する第２工程と、を有し、
前記第３サポート領域は、前記第２サポート領域と前記造形物との間に位置し、
前記第１造形条件及び前記第２造形条件は、互いに異なる造形条件である、
三次元造形物の製造方法。

【請求項2】

請求項１に記載の三次元造形物の製造方法であって、
前記造形条件は、前記材料の種類、前記材料の線幅、前記材料の積層ピッチ、前記材料の造形パターンの少なくともいずれかに関する条件である、三次元造形物の製造方法。

【請求項3】

請求項１に記載の三次元造形物の製造方法であって、
前記第３サポート領域に、第３サポート構造を造形する工程を有し、
前記第１工程では、前記第２サポート領域に、前記空間を形成する、三次元造形物の製造方法。

【請求項4】

請求項１に記載の三次元造形物の製造方法であって、
前記第３サポート領域に、第３サポート構造を造形する工程を有し、
前記造形物は、第１金属を含み、
前記第１サポート構造、及び、前記第３サポート構造は、第２金属を含み、
前記第２サポート構造はセラミックを含み、
前記第２工程に先立ち、前記第１金属及び前記第２金属の焼結温度以上、前記セラミックの焼結温度未満の温度で、前記造形物及び前記サポート構造を加熱する工程を有する、三次元造形物の製造方法。

【請求項5】

請求項１に記載の三次元造形物の製造方法であって、
前記第１工程に先立ち、前記造形物の凹凸構造に基づいて、前記第２サポート領域の位置を決定する工程を備える、三次元造形物の製造方法。

【請求項6】

請求項１に記載の三次元造形物の製造方法であって、
前記サポート領域は、前記ステージに接するベース領域と、前記造形物と上方又は下方で接する接触領域と、前記ベース領域及び前記接触領域とは異なるボディー領域とを有し、
前記第２サポート領域は、前記ボディー領域内の領域である、三次元造形物の製造方法。

【請求項7】

請求項１に記載の三次元造形物の製造方法であって、
前記第１工程では、前記第２サポート領域に、前記空間を形成し、
前記第１工程に先立ち、前記空間が鉛直方向に沿って延びるように、前記ステージに対する前記造形物の配置を決定する工程を備える、三次元造形物の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、三次元造形物の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、第１の層構造体と第１の支持構造体との上に第２の層構造体を形成するステップと、第２の層構造体から第１の支持構造体を除去するステップとを有する付加製造のための方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２１－５１１９９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１における第１支持構造体のように、造形物を支持するサポート層を形成することで、造形物の形状崩れを防いで精密に造形を行うことができる。一方で、サポート層を形成した場合、サポート層を除去する作業が必要となり、ユーザーの負担が大きかった。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示の第１の形態によれば、ステージに材料を吐出して層を積層することで、造形物を造形すると共に、前記造形物を支持するためのサポート領域の少なくとも一部にサポート構造を造形する、三次元造形物の製造方法が提供される。前記サポート領域は、第１サポート領域、前記第１サポート領域に隣り合う第２サポート領域、及び、第３サポート領域を有し、この製造方法は、第１工程であって、前記第１サポート領域に、第１造形条件で第１サポート構造を造形し、前記第２サポート領域に、第２造形条件で第２サポート構造を造形する、又は、前記材料を吐出しないで空間を形成する、前記第１工程と、前記サポート構造を、前記造形物から分離する第２工程と、を有し、前記第３サポート領域は、前記第２サポート領域と前記造形物との間に位置し、前記第１造形条件及び前記第２造形条件は、互いに異なる造形条件である。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】第１実施形態における三次元造形システムの概略構成を示す説明図である。

【図2】フラットスクリューの概略構成を示す斜視図である。

【図3】バレルの概略平面図である。

【図4】三次元造形装置が造形物を造形する様子を模式的に示す説明図である。

【図5】情報処理装置の概略構成を示す説明図である。

【図6】データ生成部によって生成される造形データの説明図である。

【図7】造形処理のフローチャートである。

【図8】造形パターンの例を示す図である。

【図9】充填率の説明図である。

【図10】輪郭の説明図である。

【図11】第２サポート領域の位置を指定するための第１の画面例を示す図である。

【図12】第２サポート領域の位置を指定するための第２の画面例を示す図である。

【図13】第２実施形態における造形データの説明図である。

【図14】第３実施形態における造形処理のフローチャートである。

【図15】造形物を９０度回転させた配置を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態における三次元造形システム１０の概略構成を示す説明図である。図１には、互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚ方向を示す矢印が示されている。Ｘ方向及びＹ方向は、水平面に平行な方向であり、Ｚ方向は、鉛直上向きに沿った方向である。Ｘ，Ｙ，Ｚ方向を示す矢印は、他の図においても、図示の方向が図１と対応するように適宜、図示してある。以下の説明において、方向の向きを特定する場合には、各図において矢印が指し示す方向を「＋」、その反対の方向を「－」として、方向表記に正負の符合を併用する。以下では、＋Ｚ方向のことを「上」、－Ｚ方向のことを「下」ともいう。

【0008】

三次元造形システム１０は、三次元造形装置１００と情報処理装置４００とを備えている。本実施形態の三次元造形装置１００は、材料押出方式によって造形物を造形する装置である。三次元造形装置１００は、三次元造形装置１００の各部を制御するための制御部３００を備えている。制御部３００と情報処理装置４００とは、相互に通信可能に接続されている。

【0009】

三次元造形装置１００は、造形材料を生成して吐出する造形部１１０と、造形物の基台となる造形用のステージ２１０と、造形材料の吐出位置を制御する移動機構２３０とを備える。

【0010】

造形部１１０は、制御部３００の制御下において、固体状態の材料を可塑化させた造形材料をステージ２１０上に吐出する。造形部１１０は、造形材料に転化される前の原材料の供給源である材料供給部２０と、原材料を造形材料へと転化させる可塑化部３０と、造形材料を吐出する吐出部６０とを備える。

【0011】

材料供給部２０は、可塑化部３０に、原材料ＭＲを供給する。材料供給部２０は、例えば、原材料ＭＲを収容するホッパーによって構成される。材料供給部２０は、連通路２２を介して、可塑化部３０に接続されている。原材料ＭＲは、粉末やペレットの形態で材料供給部２０に投入される。

【0012】

可塑化部３０は、材料供給部２０から供給された原材料ＭＲを可塑化させて流動性を発現させたペースト状の造形材料を生成し、吐出部６０へと導く。本実施形態において「可塑化」とは 、溶融を含む概念であり、固体から流動性を有する状態に変化させることである。具体的には、ガラス転移が起こる材料の場合、可塑化とは、材料の温度をガラス転移点以上にすることである。ガラス転移が起こらない材料の場合、可塑化とは、材料の温度を融点以上にすることである。

【0013】

可塑化部３０は、スクリューケース３１と、駆動モーター３２と、フラットスクリュー４０と、バレル５０と、を有する。フラットスクリュー４０は、ローターあるいはスクロールとも呼ばれる。バレル５０は、スクリュー対面部とも呼ばれる。

【0014】

フラットスクリュー４０は、スクリューケース３１内に収納されている。フラットスクリュー４０の上面４７は駆動モーター３２に連結されており、フラットスクリュー４０は、駆動モーター３２が発生させる回転駆動力によって、スクリューケース３１内で回転する。駆動モーター３２は、制御部３００の制御下において駆動する。なお、フラットスクリュー４０は、減速機を介して駆動モーター３２によって駆動されてもよい。

【0015】

図２は、フラットスクリュー４０の下面４８側の概略構成を示す斜視図である。図２に示したフラットスクリュー４０は、技術の理解を容易にするため、図１に示した上面４７と下面４８との位置関係を、鉛直方向において逆向きとした状態で示されている。フラットスクリュー４０は、その中心軸に沿った方向である軸線方向における長さが、軸線方向に垂直な方向における長さよりも小さい略円柱状を有する。フラットスクリュー４０は、その回転中心となる回転軸ＲＸがＺ方向に平行になるように配置される。

【0016】

フラットスクリュー４０の、回転軸ＲＸと交差する面である下面４８には、渦状の溝部４２が形成されている。上述した材料供給部２０の連通路２２は、フラットスクリュー４０の側面から、当該溝部４２に連通する。本実施形態では、溝部４２は、凸条部４３によって隔てられて３本分形成されている。なお、溝部４２の数は、３本に限られず、１本でもよいし、２本以上であってもよい。溝部４２は、渦状に限らず、螺旋状あるいはインボリュート曲線状であってもよいし、中央部から外周に向かって弧を描くように延びる形状であってもよい。

【0017】

図１に示すように、フラットスクリュー４０の下面４８は、バレル５０の上面５２に対面しており、フラットスクリュー４０の下面４８の溝部４２と、バレル５０の上面５２との間には空間が形成される。フラットスクリュー４０とバレル５０との間のこの空間には、材料供給部２０から図２に示した材料流入口４４を通じて原材料ＭＲが供給される。

【0018】

バレル５０には、回転しているフラットスクリュー４０の溝部４２内に供給された原材料ＭＲを加熱するためのバレルヒーター５８が埋め込まれている。バレル５０の中心には連通孔５６が設けられている。

【0019】

図３は、バレル５０の上面５２側を示す概略平面図である。バレル５０の上面５２には、連通孔５６に接続され、連通孔５６から外周に向かって渦状に延びている複数の案内溝５４が形成されている。なお、案内溝５４の一端は、連通孔５６に接続されていなくてもよい。また、案内溝５４は省略することも可能である。

【0020】

フラットスクリュー４０の溝部４２内に供給された原材料ＭＲは、溝部４２内において可塑化されながら、フラットスクリュー４０の回転によって溝部４２に沿って流動し、造形材料としてフラットスクリュー４０の中央部４６へと導かれる。中央部４６に流入した流動性を発現しているペースト状の造形材料は、バレル５０の中心に設けられた連通孔５６を介して吐出部６０に供給される。なお、造形材料では、造形材料を構成する全ての種類の物質が可塑化していなくてもよい。造形材料は、造形材料を構成する物質のうちの少なくとも一部の種類の物質が可塑化することによって、全体として流動性を有する状態に転化されていればよい。

【0021】

図１の吐出部６０は、造形材料を吐出するノズル６１と、フラットスクリュー４０とノズル開口６２との間に設けられた造形材料の流路６５と、造形材料の吐出を制御する吐出制御部７７を備える。

【0022】

ノズル６１は、流路６５を通じて、バレル５０の連通孔５６に接続されている。ノズル６１は、可塑化部３０において生成された造形材料を、先端のノズル開口６２からステージ２１０に向かって吐出する。

【0023】

吐出制御部７７は、流路６５を開閉する吐出調整部７０と、造形材料を吸引して一時的に貯留する吸引部７５とを備える。

【0024】

吐出調整部７０は、流路６５内に設けられており、流路６５内で回転することにより流路６５の開度を変化させる。本実施形態において、吐出調整部７０は、バタフライバルブによって構成されている。吐出調整部７０は、制御部３００による制御下において、第１駆動部７４によって駆動される。第１駆動部７４は、例えば、ステッピングモーターによって構成される。制御部３００は、第１駆動部７４を用いて、バタフライバルブの回転角度を制御することによって、可塑化部３０からノズル６１に流れる造形材料の流量、つまり、ノズル６１から吐出される造形材料の吐出量を調整することができる。吐出調整部７０は、造形材料の吐出量を調整可能であると共に、造形材料の流出のオン／オフを制御可能である。

【0025】

吸引部７５は、流路６５において吐出調整部７０とノズル開口６２との間に接続されている。吸引部７５は、ノズル６１からの造形材料の吐出停止時に、流路６５中の造形材料を一時的に吸引することによって、造形材料がノズル開口６２から糸を引くように垂れる尾引き現象を抑制する。本実施形態において、吸引部７５は、プランジャーにより構成されている。吸引部７５は、制御部３００による制御下において、第２駆動部７６によって駆動される。第２駆動部７６は、例えば、ステッピングモーターや、ステッピングモーターの回転力をプランジャーの並進運動に変換するラックアンドピニオン機構等によって構成される。

【0026】

ステージ２１０は、ノズル６１のノズル開口６２に対向する位置に配置されている。第１実施形態では、ノズル６１のノズル開口６２に対向するステージ２１０の造形面２１１は、Ｘ，Ｙ方向、すなわち水平方向に平行となるように配置される。ステージ２１０には、ステージ２１０上に吐出された造形材料が急激に冷却することを抑制するためのステージヒーター２１２が備えられている。ステージヒーター２１２は制御部３００によって制御される。

【0027】

移動機構２３０は、制御部３００の制御下において、ステージ２１０とノズル６１との相対位置を変化させる。本実施形態では、ノズル６１の位置が固定されており、移動機構２３０は、ステージ２１０を移動させる。移動機構２３０は、３つのモーターの駆動力によって、ステージ２１０をＸ，Ｙ，Ｚ方向の３軸方向に移動させる３軸ポジショナーによって構成される。本明細書において、特に断らない限り、ノズル６１の移動とは、ノズル６１や吐出部６０をステージ２１０に対して相対的に移動させることを意味する。

【0028】

なお、他の実施形態では、移動機構２３０によってステージ２１０を移動させる構成の代わりに、ステージ２１０の位置が固定された状態で、移動機構２３０がステージ２１０に対してノズル６１を移動させる構成が採用されてもよい。また、移動機構２３０によってステージ２１０をＺ方向に移動させ、ノズル６１をＸ，Ｙ方向に移動させる構成や、移動機構２３０によってステージ２１０をＸ，Ｙ方向に移動させ、ノズル６１をＺ方向に移動させる構成が採用されてもよい。これらの構成であっても、ノズル６１とステージ２１０との相対的な位置関係が変更可能である。

【0029】

図１には、造形部１１０が１つのみ示されているが、本実施形態の三次元造形装置１００は、３つの造形部１１０を備えているものとする。３つの造形部１１０のうちの第１の造形部１１０からは、後述する第１金属と樹脂とを含む造形材料が吐出され、第２の造形部１１０からは、後述する第２金属と樹脂と含む造形材料が吐出され、第３の造形部１１０からは、後述するセラミックと樹脂とを含む造形材料が吐出される。

【0030】

制御部３００は、三次元造形装置１００全体の動作を制御する制御装置である。制御部３００は、１つ、又は、複数のプロセッサー３１０と、主記憶装置や補助記憶装置からなる記憶装置３２０と、外部との信号の入出力を行う入出力インターフェイスとを備えるコンピューターによって構成される。プロセッサー３１０は、記憶装置３２０に記憶されたプログラムを実行することによって、情報処理装置４００から取得された造形データに従い、造形部１１０及び移動機構２３０を制御して、ステージ２１０上に造形物の造形を行う。なお、制御部３００は、コンピューターによって構成される代わりに、回路を組み合わせた構成により実現されてもよい。

【0031】

図４は、三次元造形装置１００が造形物を造形する様子を模式的に示す説明図である。三次元造形装置１００では、上述したように、固体状態の原材料ＭＲが可塑化されて造形材料ＭＭが生成される。制御部３００は、ステージ２１０の造形面２１１とノズル６１との距離を保持したまま、ステージ２１０の造形面２１１に沿った方向に、ステージ２１０に対するノズル６１の位置を変えながら、ノズル６１から造形材料ＭＭを吐出させる。ノズル６１から吐出された造形材料ＭＭは、ノズル６１の移動方向に連続して堆積されていく。

【0032】

制御部３００は、ノズル６１の移動を繰り返して層ＭＬを形成する。制御部３００は、１つの層ＭＬを形成した後、ステージ２１０に対するノズル６１の位置を、Ｚ方向に相対移動させる。そして、これまでに形成された層ＭＬの上に、更に層ＭＬを積み重ねることによって造形物を造形していく。

【0033】

制御部３００は、例えば、一層分の層ＭＬを完了した場合のノズル６１のＺ方向への移動や、各層で独立する複数の造形領域がある場合には、ノズル６１からの造形材料の吐出を一時的に中断させることがある。この場合、吐出調整部７０によって流路６５を閉塞させて、ノズル開口６２からの造形材料ＭＭの吐出を停止させ、吸引部７５によって、ノズル６１内の造形材料を一時的に吸引する。制御部３００は、ノズル６１の位置を変更した後、吸引部７５内の造形材料を排出しつつ吐出調整部７０によって流路６５を開くことによって、変更後のノズル６１の位置から造形材料ＭＭの堆積を再開させる。

【0034】

図５は、情報処理装置４００の概略構成を示す説明図である。情報処理装置４００は、ＣＰＵ４１０とメモリー４２０と記憶装置４３０と通信インターフェイス４４０と入出力インターフェイス４５０とがバス４６０によって相互に接続されたコンピューターとして構成されている。入出力インターフェイス４５０には、キーボードやマウスなどの入力装置４７０と、液晶ディスプレイなどの表示装置４８０とが接続されている。情報処理装置４００は、通信インターフェイス４４０を介して、三次元造形装置１００の制御部３００に接続される。

【0035】

ＣＰＵ４１０は、記憶装置４３０に記憶されたプログラムを実行することによって、データ生成部４１１として機能する。

【0036】

データ生成部４１１は、造形物とサポート構造とを造形するための造形データを生成する。サポート構造は、造形物を支持するためのサポート領域の少なくとも一部に造形される構造体である。

【0037】

図６は、データ生成部４１１によって生成される造形データの説明図である。造形データは、造形物ＭＤの本体を造形するための本体データと、サポート構造ＳＳを造形するためのサポートデータとを含む。図６において、ハッチングが付されていない部分が、造形物ＭＤの本体を示し、ハッチングが付されている部分がサポート構造ＳＳを示している。サポート構造ＳＳが造形されるサポート領域ＳＡは、第１サポート領域ＳＡ１と、第１サポート領域ＳＡ１に隣接する第２サポート領域ＳＡ２と、第３サポート領域ＳＡ３と、を含む。第２サポート領域ＳＡ２は、第１サポート領域ＳＡ１同士の間、又は、第１サポート領域ＳＡ１及び第３サポート領域ＳＡ３の間を分離しやすくするための領域である。

【0038】

第３サポート領域ＳＡ３は、第１サポート領域ＳＡ１と第２サポート領域ＳＡ２とが並ぶ方向において、第１サポート領域ＳＡ１及び第２サポート領域ＳＡ２のうち造形物ＭＤに近い方と造形物ＭＤとの間に位置する位置関係を有する。第６に示した例では、第１サポート領域ＳＡ１と第２サポート領域ＳＡ２とが並ぶ方向を、Ｘ方向とする。図６では、第１サポート領域ＳＡ１及び第２サポート領域ＳＡ２のうち造形物ＭＤに近い方は、第２サポート領域ＳＡ２である。図６には、第２サポート領域ＳＡ２が４つ示されている。サポート領域ＳＡに複数の第２サポート領域ＳＡ２が含まれる場合、そのうち、少なくとも１つの第２サポート領域ＳＡ２が、第１サポート領域ＳＡ１、第３サポート領域ＳＡ３、及び、造形物ＭＤとの間で、上述した位置関係を有する。

【0039】

データ生成部４１１は、第１サポート領域ＳＡ１に第１サポート構造を造形するためのデータ、及び、第２サポート領域ＳＡ２に第２サポート構造を造形するためのデータを、互いに異なる造形条件に基づいて生成する。本実施形態において、データ生成部４１１は、第３サポート領域ＳＡ３に第３サポート構造を造形するためのデータについては、第１サポート領域ＳＡ１に第１サポート構造を造形するためのデータと同じ造形条件に基づいて生成する。

【0040】

本実施形態において、造形物ＭＤは、第１金属を含む。つまり、造形物ＭＤは、第１金属と樹脂とを含むペレットを可塑化することによって生成される形材料によって造形される。また、第１サポート構造、及び、第３サポート構造は、第２金属を含む。つまり、第１サポート構造及び第３サポート構造は、第２金属と樹脂とを含むペレットを可塑化することによって生成される造形材料によって造形される。第１金属と第２金属とは同種の金属であってもよいし、異種金属であってもよい。第２サポート構造は、セラミックを含む。つまり、第２サポート構造は、セラミックと樹脂とを含むペレットを可塑化することによって生成される造形材料によって造形される。これらの材料によって造形された造形物ＭＤ及びサポート構造ＳＳは、第１金属及び第２金属の焼結温度以上、セラミックの焼結温度未満、の温度で加熱されて焼成される。

【0041】

本実施形態では、サポート領域ＳＡは、更に、ステージ２１０に接するベース領域ＢＡと、造形物ＭＤと上方又は下方で接する接触領域ＣＡと、ベース領域ＢＡ及び接触領域ＣＡとは異なるボディー領域ＢＤを有する。第２サポート領域ＳＡ２は、これらの領域のうちのボディー領域ＢＤ内の領域である。本実施形態では、ベース領域ＢＡ及び接触領域ＣＡには、第１サポート領域ＳＡ１と同じ造形条件によってサポート構造ＳＳが造形される。なお、ベース領域ＢＡ及び接触領域ＣＡには、第１サポート領域ＳＡ１と異なる造形条件によってサポート構造ＳＳが造形されてもよい。

【0042】

情報処理装置４００は、データ生成部４１１によって生成された造形データを、三次元造形装置１００の制御部３００に送信する。制御部３００は、受信した造形データに従って、吐出部６０及び移動機構２３０を制御して、材料を吐出して層ＭＬを積層方向に積層することで、造形物ＭＤ、及び、サポート構造ＳＳをステージ２１０上に造形する。

【0043】

図７は、三次元造形システム１０において実行される造形処理のフローチャートである。この造形処理は、三次元造形物の製造方法を実現するための処理である。図７に示すステップＳ１０～Ｓ５０の処理は、情報処理装置４００において実行され、ステップＳ６０～ステップＳ７０の処理は、三次元造形装置１００において実行される。

【0044】

ステップＳ１０において、情報処理装置４００のデータ生成部４１１は、他のコンピューター、記録媒体、あるいは、記憶装置４３０から、造形物ＭＤの三次元形状を表す形状データを取得する。形状データは、三次元ＣＡＤソフトや三次元ＣＧソフト等を用いて作成された三次元造形物の形状を表すデータである。形状データとしては、例えば、ＳＴＬ形式やＡＭＦ形式等のデータを用いることができる。

【0045】

ステップＳ２０において、データ生成部４１１は、サポート構造ＳＳを造形するための造形条件の設定を受け付ける。造形条件には、第１サポート構造を造形するための第１造形条件と、第２サポート構造を造形するための第２造形条件とが含まれる。ユーザーは、入力装置４７０を用いて、表示装置４８０に表示された設定画面を操作し、造形条件の設定を行う。造形条件には、材料の種類、材料の線幅、材料の積層ピッチ、材料の造形パターン、輪郭の有無、の少なくともいずれかに関する条件が含まれる。

【0046】

材料の種類は、ノズル６１から吐出する造形材料の種類を指定する条件である。上述したように、本実施形態では、材料の種類として、第１サポート構造については第２金属を含む材料が設定され、第２サポート構造については、セラミックを含む材料が設定される。

【0047】

線幅は、ノズル６１から吐出する造形材料の幅を指定する条件である。線幅は、ノズル６１から吐出する造形材料の単位時間当たりの吐出量を変化させることで調整される。

【0048】

積層ピッチは、積層する層の１層ごとの高さを指定する条件である。

【0049】

造形パターンは、それぞれの層の内部領域を埋めるためのノズル６１の移動経路を示すパターンを指定する条件である。

【0050】

充填率は、指定した造形パターンによって内部領域を埋める面積割合を指定する条件である。造形パターンは、パスパターンとも呼ばれる。

【0051】

輪郭の有無は、造形パターンの外周を囲う輪郭を形成するか否かの条件である。

【0052】

図８は、造形パターンの例を示す図である。本実施形態では、造形パターンとして、図８に示すパターンＡからパターンＥまでの異なる造形パターンが指定可能になっている。図９に示した造形パターンは、いずれも、１周分の輪郭の内側に造形パターンが配置された例を示している。

【0053】

図９は、充填率の説明図である。図９には、図８に示した造形パターンＡの充填率を、９０％と５０％とに変化させた例を示している。図９に示すように、充填率が高くなるほど、造形パターンを形成する造形材料同士の間隔が狭くなる。

【0054】

図１０は、輪郭の説明図である。図１０には、図８に示した造形パターンＡを、輪郭ありと、輪郭なしのそれぞれのパターンについて示している。なお、輪郭ありの場合、輪郭の周数を設定可能であってもよい。

【0055】

本実施形態では、第１造形条件によって造形される第１サポート構造よりも、第２造形条件によって造形される第２サポート構造の方が、強度が低くなるように、第１サポート領域ＳＡ１と第２サポート領域ＳＡ２とに対してそれぞれ造形条件が設定される。例えば、金属を含まない材料の方が金属を含む材料よりも強度が低い。材料の線幅は、大きいほどサポート構造内に空隙が発生しやすいため強度が低い。積層ピッチは、大きいほどサポート構造内に空隙が発生しやすいため強度が低い。充填率は、小さいほどサポート構造内に空隙が発生しやすいため強度が低い。輪郭は、造形しない方が強度が低い。

【0056】

図７のステップＳ３０において、データ生成部４１１は、サポート領域ＳＡ内における第２サポート領域ＳＡ２の位置を決定する。本実施形態では、入力装置４７０を通じてユーザーから第２サポート領域ＳＡ２の位置の指定を受け付けることで、第２サポート領域ＳＡ２の位置を決定する。

【0057】

図１１は、第２サポート領域ＳＡ２の位置を指定するための第１の画面例を示す図である。ユーザーは、表示装置４８０に表示される画面を通じて、第２サポート領域ＳＡ２の位置を指定する。図１１には、Ｘ方向の位置が、「２０１．００ｍｍ」で、Ｘ方向に沿った厚みが「１．００ｍｍ」の第２サポート領域ＳＡ２と、Ｙ方向の位置が、「２００．００ｍｍ」で、Ｙ方向に沿った厚みが「１．００ｍｍ」の第２サポート領域ＳＡ２と、Ｚ方向の位置が「１０．００ｍｍ」で、Ｚ方向に沿った厚みが「２．００ｍｍ」の第２サポート領域ＳＡ２との、３つの第２サポート領域ＳＡ２の位置が指定された例を示している。表示装置４８０には、図１１に示す項目が繰り返し表示されており、ユーザーは、必要な数だけ入力を行うことで、サポート領域ＳＡに対して、任意の数の第２サポート領域ＳＡ２を任意の位置に配置することができる。

【0058】

図１２は、第２サポート領域ＳＡ２の位置を指定するための第２の画面例を示す図である。図１２に示した画面では、ユーザーは、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向について、それぞれ、第２サポート領域ＳＡ２を配置する間隔と、第２サポート領域ＳＡ２の厚みを指定可能となっている。Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向のそれぞれの入力項目には、それらの項目に対応するように、第２サポート領域ＳＡ２の配置の有無を指定するためのチェックボックスが設けられている。図１２に示す画面を用いることで、ユーザーは、サポート領域ＳＡに対して、任意の方向に、指定した間隔で、第２サポート領域ＳＡ２を繰り返し配置することができる。

【0059】

図７のステップＳ３０において、データ生成部４１１は、ユーザーからの指定を受け付けることなく、第２サポート領域ＳＡ２の位置を自動的に設定してもよい。例えば、データ生成部４１１は、造形物ＭＤの外表面の凹凸構造を検出し、凸部が突き出す方向に沿って、凸部の角部から第２サポート領域ＳＡ２が延びるように、第２サポート領域ＳＡ２を配置してもよい。また、凸部の先端面に沿った平面方向に延びるように、第２サポート領域ＳＡ２を配置してもよい。造形物ＭＤの凹凸構造を検出することで、データ生成部４１１は、第２サポート領域ＳＡ２の位置を自動的に設定しやすい。

【0060】

ユーザーによって配置された第２サポート領域ＳＡ２の位置や、データ生成部４１１によって自動的に配置された第２サポート領域ＳＡ２の位置は、ユーザーが任意に、その位置を変更可能であってもよい。ユーザーは、例えば、マウスを用いて表示装置４８０に表示されている第２サポート領域ＳＡ２を、ドラッグアンドドロップすることにより、第２サポート領域ＳＡ２を、サポート領域ＳＡの中で、自由に移動させることができる。

【0061】

図７のステップＳ４０において、データ生成部４１１は、サポート領域ＳＡを特定する。このステップＳ４０において、データ生成部４１１は、まず、ステップＳ１０で取得した形状データを解析して、サポート構造ＳＳを配置可能なサポート領域ＳＡの範囲を決定する。具体的には、データ生成部４１１は、造形物ＭＤのオーバーハング部の下方に、サポート領域ＳＡを設定する。オーバーハング部とは、造形物ＭＤのうちの下方に支えのない出っ張りの部分を指す。本実施形態において、オーバーハング部の意味には、ブリッジ部も含む。ブリッジ部とは、造形物ＭＤにおいて両端が支持された橋状の部分を指す。

【0062】

データ生成部４１１は、決定されたサポート領域ＳＡの範囲内で、ベース領域ＢＡと接触領域ＣＡとボディー領域ＢＤとを特定する。そして、データ生成部４１１は、ボディー領域ＢＤの中に、ステップＳ３０で指定された第２サポート領域ＳＡ２を配置する。データ生成部４１１は、ボディーＢＤ領域のうち、第２サポート領域ＳＡ２が配置されない領域を、第１サポート領域ＳＡ１として特定する。更に、データ生成部４１１は、特定された第１サポート領域ＳＡ１のうち、造形物ＭＤと、第２サポート領域ＳＡ２とに挟まれた領域を、第３サポート領域ＳＡ３として特定する。

【0063】

ステップＳ５０において、データ生成部４１１は、造形物ＭＤを造形するための本体データと、サポート構造ＳＳを造形するためのサポートデータとを含む造形データを生成する。

【0064】

本体データの生成にあたり、データ生成部４１１は、ステップＳ１０で取得した形状データを解析して、造形物ＭＤの形状をＸＹ平面に沿って複数の層にスライスする。そして、データ生成部４１１は、各層の輪郭を形成すると共にその内部領域を予め定められた充填率や造形パターンで埋めるためのノズル６１の移動経路を表す移動経路情報を生成する。移動経路情報は、直線状の複数の移動経路を表すデータを含んでいる。移動経路情報に含まれる各移動経路には、その移動経路において吐出される造形材料の吐出量を表す吐出量情報が含まれる。データ生成部４１１は、造形物ＭＤの全ての層について移動経路情報及び吐出量情報を生成することによって本体データを生成する。本体データは、例えば、Ｇコードによって表される。

【0065】

サポートデータの生成にあたり、データ生成部４１１は、ステップＳ２０で設定された造形条件に従い、ステップＳ４０において特定されたベース領域ＢＡ、接触領域ＣＡ、第１サポート領域ＳＡ１、第２サポート領域ＳＡ２、及び、第３サポート領域ＳＡ３に対して、サポート構造ＳＳを造形するためのサポートデータを生成する。例えば、データ生成部４１１は、造形条件に含まれる積層ピッチに従って、各サポート領域をそれぞれＸＹ平面に沿って複数の層にスライスする。データ生成部４１１は、造形条件に含まれる線幅、造形パターン、充填率、輪郭の有無に従って、各サポート領域を造形するための移動経路情報を生成する。移動経路情報に含まれる各移動経路には、その移動経路において吐出される造形材料の吐出量を表す吐出量情報が含まれる。データ生成部４１１は、サポート領域ＳＡの全ての層について移動経路情報及び吐出量情報を生成することによってサポートデータを生成する。サポートデータは、本体データと同様に、例えば、Ｇコードによって表される。

【0066】

ステップＳ６０において、三次元造形装置１００の制御部３００は、ステップＳ５０において情報処理装置４００が生成した造形データを、情報処理装置４００から取得する。

【0067】

ステップＳ７０において、制御部３００は、情報処理装置４００から取得した造形データに従って、吐出部６０及び移動機構２３０を制御することによって、ステージ２１０の造形面２１１上に、造形物ＭＤ及びサポート構造ＳＳを造形する。例えば、サポート構造ＳＳのうち、第１サポート領域ＳＡ１に造形される第１サポート構造と、第２サポート領域ＳＡ２に造形される第２サポート構造とは、ステップＳ２０で設定された異なる造形条件に従って造形される。ステップＳ７０のことを、第１工程ともいう。

【0068】

ステップＳ８０において、造形物ＭＤ及びサポート構造ＳＳは、冷却又は焼結される。造形物ＭＤ、及び、サポート構造ＳＳが樹脂のみによって造形される場合は冷却が行われる。これに対して、本実施形態では、造形物ＭＤが第１金属を含み、第１サポート構造及び第３サポート構造が第２金属を含み、第２サポート構造がセラミックを含むため、ステップＳ８０では焼結が行われる。この焼結工程は、上記のとおり、第１金属及び第２金属の焼結温度以上、セラミックの焼結温度未満、の温度で行われる。

【0069】

ステップＳ９０において、サポート構造ＳＳが造形物ＭＤから分離される。本実施形態では、第２サポート構造が、第１サポート構造と異なる造形条件によって造形されている。より詳しくは、第１サポート構造及び第３サポート構造が第２金属を含み、第２サポート構造がセラミックを含んでおり、これらの焼結が、第１金属及び第２金属の焼結温度以上、セラミックの焼結温度未満、の温度で行われる。そのため、第１サポート構造同士の間、或いは、第１サポート構造と第３サポート構造の間に配置された第２サポ－ト構造は焼結せずに、第１サポート構造と第３サポート構造とが焼結することになるので、第１サポート構造同士、或いは、第１サポート構造と第３サポート構造とを分離することが容易になる。ステップＳ９０のことを、第２工程ともいう。

【0070】

以上で説明した第１実施形態によれば、第１サポート領域ＳＡ１と、第１サポート領域ＳＡ１に隣り合う第２サポート領域ＳＡ２とに対して、互いに異なる造形条件でサポート構造ＳＳが造形される。そのため、第１サポート構造同士、或いは、第１サポート構造と第３サポート構造とを分離しやすくなる。この結果、ユーザーの負担を軽減できる。

【0071】

また、本実施形態では、造形条件は、材料の種類、材料の線幅、材料の積層ピッチ、材料の造形パターンの少なくともいずれかに関する条件である。そのため、これらの条件を異なる条件とすることで、第１サポート構造と第２サポート構造とを異なる強度とすることができる。

【0072】

また、本実施形態では、サポート領域ＳＡのうち、ステージ２１０に接するベース領域ＢＡと、造形物ＭＤと上方又は下方で接する接触領域ＣＡとには、第２サポート構造を造形しない。そのため、造形物ＭＤをサポート構造ＳＳやステージ２１０に良好に接触させることができ、造形物ＭＤの造形精度を高めることができる。

【0073】

なお、第１実施形態では、第１サポート構造が金属を含む材料によって造形され、第２サポート構造がセラミックを含む材料によって造形されるものとした。これに対して、例えば、第１サポート構造は、非水溶性の樹脂によって造形され、第２サポート構造は、水溶性の樹脂によって造形されてもよい。

【0074】

Ｂ．第２実施形態：
第１実施形態では、第１サポート構造と第２サポート構造とを異なる造形条件によって造形している。これに対して、第２実施形態では、第２サポート構造の造形を行わない。第２実施形態における三次元造形装置１００の構成は、第１実施形態と同じである。

【0075】

図１３は、第２実施形態における造形データの説明図である。図１３には、図６に示した造形データのオーバーハング部を省略した状態を示している。第２実施形態では、図７に示した造形処理の、ステップＳ２０において、第２サポート領域ＳＡ２に対してサポート構造ＳＳを造形しないという造形条件の設定がなされる。そのため、ステップＳ５０では、第２サポート構造を造形するためのサポートデータは生成されない。ステップＳ７０では、第２サポート構造は造形されず、第１サポート領域ＳＡ１及び第３サポート領域ＳＡ３に、それぞれ、造形条件に従ったサポート構造ＳＳが造形される。

【0076】

以上で説明した第２実施形態によれば、図１３に示すように、第２サポート領域ＳＡ２に材料が吐出されず、空間が形成されることになる。そのため、第１サポート構造同士、或いは、第１サポート構造と第３サポート構造とを分離しやすくなる。

【0077】

Ｃ．第３実施形態：
第３実施形態は、造形処理の内容が、第１実施形態及び第２実施形態と異なる。第３実施形態における三次元造形装置１００の構成は、第１実施形態と同じである。第３実施形態では、第２実施形態と同様に、図１３に示されたように第２サポート領域ＳＡ２に空間が形成される。

【0078】

図１４は、第３実施形態における造形処理のフローチャートである。図７に示した造形処理のフローチャートに対して、第３実施形態では、ステップＳ３５の処理が加わっている。図１４では、図７と同じ処理内容のステップ番号には同じステップ番号を付している。

【0079】

第３実施形態では、ステップＳ３５において、データ生成部４１１は、ステップＳ３０で決定された第２サポート領域ＳＡ２の位置に基づき、造形物ＭＤの配置を決定する。例えば、設定された第２サポート領域ＳＡ２の数が予め定められた数よりも多い場合、データ生成部４１１は、第２サポート領域ＳＡ２に形成される空間が、鉛直方向に沿って延びるように、ステージ２１０に対する造形物ＭＤの配置を決定する。図１５には、ステップＳ３５の処理の結果、造形物ＭＤの配置が、図６に示した配置から９０度回転した結果を示している。このように、第２サポート領域ＳＡ２の位置に応じて造形物ＭＤの配置が変更されることにより、第２サポート領域ＳＡ２に形成される空間に、第１サポート構造や第３サポート構造を造形するための材料が重力によって垂れることが抑制され、サポート構造ＳＳを精度よく造形できる。この結果、造形物ＭＤの造形精度を高めることができる。

【0080】

Ｄ．他の実施形態：
（Ｄ１）上記第１実施形態では、第２サポート領域ＳＡ２は、サポート領域ＳＡを構成するベース領域ＢＡと接触領域ＣＡとボディー領域ＢＤとのうち、ボディー領域ＢＤ内の領域である。これに対して、第２サポート領域ＳＡ２は、その少なくとも一部が、ベース領域ＢＡや接触領域ＣＡに含まれてもよい。また、データ生成部４１１は、サポート領域ＳＡから、ベース領域ＢＡ、接触領域ＣＡ、及び、ボディー領域ＢＤを特定しなくてもよい。

【0081】

（Ｄ２）上記実施形態では、三次元造形装置１００は、３つの造形部１１０を備えている。これに対して、三次元造形装置１００は、２つ又は４つ以上の造形部１１０を備えてもよい。また、造形物ＭＤとサポート構造ＳＳとを同じ種類の材料によって造形する場合、三次元造形装置１００は、１つの造形部１１０のみを備えてもよい。

【0082】

（Ｄ３）上記実施形態において、造形部１１０は、フラットスクリュー４０によって材料を可塑化している。これに対して造形部１１０は、例えば、インラインスクリューを回転させることによって材料を可塑化するものであってもよい。また、造形部１１０は、フィラメント状の材料をヒーターで可塑化するものであってもよい。

【0083】

（Ｄ４）上記実施形態では、可塑化した材料を積層する材料押出方式を例として説明したが、本開示は、インクジェット方式や、ＤＭＤ方式（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔａｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、バインダージェット方式等、種々の方式に適用できる。

【0084】

Ｅ．他の形態：
本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、以下に記載する各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

【0085】

（１）本開示の第１の形態によれば、ステージに材料を吐出して層を積層することで、造形物を造形すると共に、前記造形物を支持するためのサポート領域の少なくとも一部にサポート構造を造形する、三次元造形物の製造方法が提供される。前記サポート領域は、第１サポート領域、前記第１サポート領域に隣り合う第２サポート領域、及び、第３サポート領域を有し、この製造方法は、第１工程であって、前記第１サポート領域に、第１造形条件で第１サポート構造を造形し、前記第２サポート領域に、第２造形条件で第２サポート構造を造形する、又は、前記材料を吐出しないで空間を形成する、前記第１工程と、前記サポート構造を、前記造形物から分離する第２工程と、を有し、前記第３サポート領域は、前記第２サポート領域と前記造形物との間に位置し、前記第１造形条件及び前記第２造形条件は、互いに異なる造形条件である。このような形態によれば、サポート構造を造形物から容易に分離できるので、ユーザーの負担を軽減できる。

【0086】

（２）上記形態において前記造形条件は、前記材料の種類、前記材料の線幅、前記材料の積層ピッチ、前記材料の造形パターンの少なくともいずれかに関する条件であってもよい。

【0087】

（３）上記形態において、前記第３サポート領域に、第３サポート構造を造形する工程を有し、前記第１工程では、前記第２サポート領域に、前記空間を形成してもよい。このような形態によれば、サポート構造を造形物から容易に分離できる。

【0088】

（４）上記形態において、前記第３サポート領域に、第３サポート構造を造形する工程を有し、前記造形物は、第１金属を含み、前記第１サポート構造、及び、前記第３サポート構造は、第２金属を含み、前記第２サポート構造はセラミックを含み、前記第２工程に先立ち、前記第１金属及び前記第２金属の焼結温度以上、前記セラミックの焼結温度未満の温度で、前記造形物及び前記サポート構造を加熱する工程を有してもよい。このような形態によれば、金属によって造形されたサポート構造を容易に分離できる。

【0089】

（５）上記形態において、前記第１工程に先立ち、前記造形物の凹凸構造に基づいて、前記第２サポート領域の位置を決定する工程を備えてもよい。このような形態であれば、第２サポート領域の位置を自動的に決定できる。

【0090】

（６）上記形態において、前記サポート領域は、前記ステージに接するベース領域と、前記造形物と上方又は下方で接する接触領域と、前記ベース領域及び前記接触領域とは異なるボディー領域とを有し、前記第２サポート領域は、前記ボディー領域内の領域であってもよい。このような形態によれば、造形物の造形精度を高めることができる。

【0091】

（７）上記形態において、前記第１工程では、前記第２サポート領域に、前記空間を形成し、前記第１工程に先立ち、前記空間が鉛直方向に沿って延びるように、前記ステージに対する前記造形物の配置を決定する工程を備えてもよい。このような形態によれば、造形物の造形精度を高めることができる。

【0092】

本開示は、上述した三次元造形物の製造方法に限らず、三次元造形システム、情報処理装置、コンピュータープログラム、コンピュータープログラムをコンピューターが読み取り可能に記録した一時的でない有形な記録媒体など、種々の態様によって実現することが可能である。

【符号の説明】

【0093】

１０…三次元造形システム、２０…材料供給部、２２…連通路、３０…可塑化部、３１…スクリューケース、３２…駆動モーター、４０…フラットスクリュー、４２…溝部、４３…凸条部、４４…材料流入口、４６…中央部、４７…上面、４８…下面、５０…バレル、５２…上面、５４…案内溝、５６…連通孔、５８…バレルヒーター、６０…吐出部、６１…ノズル、６２…ノズル開口、６５…流路、７０…吐出調整部、７４…第１駆動部、７５…吸引部、７６…第２駆動部、７７…吐出制御部、１００…三次元造形装置、１１０…造形部、２１０…ステージ、２１１…造形面、２１２…ステージヒーター、２３０…移動機構、３００…制御部、３１０…プロセッサー、３２０…記憶装置、４００…情報処理装置、４１０…ＣＰＵ、４１１…データ生成部、４２０…メモリー、４３０…記憶装置、４４０…通信インターフェイス、４５０…入出力インターフェイス、４６０…バス、４７０…入力装置、４８０…表示装置

【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13】

【図14】

【図15】