特開 2024-64472 三次元造形装置、及び、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】P2024064472

(43)【公開日】2024-05-14

(54)【発明の名称】三次元造形装置、及び、三次元造形物の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B29C 64/321 20170101AFI20240507BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20240507BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20240507BHJP

   B33Y 50/02 20150101ALI20240507BHJP

   B29C 64/393 20170101ALI20240507BHJP

   B33Y 40/00 20200101ALI20240507BHJP

   B29C 64/209 20170101ALI20240507BHJP

   B29C 64/106 20170101ALI20240507BHJP

   B29C 48/475 20190101ALI20240507BHJP

   B29C 48/30 20190101ALI20240507BHJP

   B29C 48/505 20190101ALI20240507BHJP

   B29C 48/92 20190101ALI20240507BHJP

   B29C 48/25 20190101ALI20240507BHJP

【ＦＩ】

B29C64/321

B33Y30/00

B33Y10/00

B33Y50/02

B29C64/393

B33Y40/00

B29C64/209

B29C64/106

B29C48/475

B29C48/30

B29C48/505

B29C48/92

B29C48/25

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022173081

(22)【出願日】2022-10-28

(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】100179475

【弁理士】

【氏名又は名称】仲井 智至

(74)【代理人】

【識別番号】100216253

【弁理士】

【氏名又は名称】松岡 宏紀

(74)【代理人】

【識別番号】100225901

【弁理士】

【氏名又は名称】今村 真之

(72)【発明者】

【氏名】荻原 正章

【テーマコード（参考）】

4F207

4F213

【Ｆターム（参考）】

4F207AG03

4F207AJ08

4F207AP02

4F207AR02

4F207KA01

4F207KA17

4F207KK12

4F207KK36

4F207KL25

4F207KM04

4F207KM14

4F213AP02

4F213AR02

4F213AR07

4F213AR14

4F213WA25

4F213WB01

4F213WK03

4F213WL02

4F213WL32

4F213WL74

4F213WL85

(57)【要約】

【課題】模様を有する造形物を三次元造形装置によって造形する場合において、造形時間を短縮でき、かつ、装置にかかる負担を抑制できる技術を提供する。
【解決手段】三次元造形装置は、材料を可塑化して造形材料を生成する可塑化部と、ノズル開口を有し、造形材料をステージに向けて吐出するノズルと、ノズル開口に連通し造形材料が流れる流路に設けられ、流路内の造形材料に振動を付与する振動付与部と、可塑化部及び振動付与部を制御して三次元造形物を造形する制御部と、を備え、制御部は、振動付与部を制御して流路内の造形材料に振動を付与しながら三次元造形物の外郭領域の少なくとも一部を造形する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

材料を可塑化して造形材料を生成する可塑化部と、
ノズル開口を有し、前記造形材料をステージに向けて吐出するノズルと、
前記ノズル開口に連通し前記造形材料が流れる流路に設けられ、前記流路内の前記造形材料に振動を付与する振動付与部と、
前記可塑化部及び前記振動付与部を制御して三次元造形物を造形する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記振動付与部を制御して前記流路内の前記造形材料に前記振動を付与しながら前記三次元造形物の外郭領域の少なくとも一部を造形する、
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であって、
前記振動付与部は、前記流路に接続されたシリンダー及び前記シリンダー内を移動するプランジャーを備える吸引送出部を有し、
前記制御部は、前記プランジャーの位置を連続的又は段階的に変化させることで前記流路内の前記造形材料に前記振動を付与する、三次元造形装置。

【請求項3】

請求項２に記載の三次元造形装置であって、
前記制御部は、前記プランジャーの前進及び後退を含むパターンを繰り返すことで前記振動を付与する、三次元造形装置。

【請求項4】

請求項２に記載の三次元造形装置であって、
前記制御部は、前記振動を付与している期間中に前記ノズルからの前記造形材料の吐出を停止する場合、前記吸引送出部を制御して前記シリンダー内に前記造形材料を吸引する動作を行いながら、前記振動を付与する、三次元造形装置。

【請求項5】

請求項２に記載の三次元造形装置であって、
前記制御部は、前記造形材料の吐出が停止されている状態から前記外郭領域において前記造形材料の吐出を再開する場合、前記吸引送出部を制御して前記シリンダーから前記流路に前記造形材料を送出する動作を行いながら、前記振動を付与する、三次元造形装置。

【請求項6】

請求項５に記載の三次元造形装置であって、
前記流路に設けられ、前記流路の開口面積を調整することによって前記ノズル開口からの前記造形材料の吐出量を調整する吐出調整部を備え、
前記制御部は、前記吐出調整部を制御して前記造形材料の前記流路への流通を再開させた後に、前記吸引送出部を制御して前記シリンダーから前記流路への前記造形材料の送出を行うことで、前記造形材料の吐出を再開する、三次元造形装置。

【請求項7】

請求項１に記載の三次元造形装置であって、
前記流路内の圧力を検出する圧力センサーを備え、
前記可塑化部は、前記材料を可塑化するためのスクリューを有し、
前記制御部は、前記圧力センサーによる前記圧力の検出値が予め定められた範囲内に収まるように前記スクリューの回転を制御する圧力調節処理を実行し、
前記制御部は、前記圧力調節処理の実行中に、前記振動付与部を制御して前記流路内の前記造形材料に前記振動を付与しながら前記三次元造形物の外郭の少なくとも一部を造形する、三次元造形装置。

【請求項8】

請求項１に記載の三次元造形装置であって、
造形中の前記三次元造形物を加熱する加熱部を備え、
前記制御部は、前記造形材料に前記振動を付与する場合と付与しない場合とで、異なる温度で前記三次元造形物を加熱するように前記加熱部を制御する、三次元造形装置。

【請求項9】

請求項１に記載の三次元造形装置であって、
前記振動付与部は、前記流路の開口面積を調整することによって前記ノズル開口からの前記造形材料の吐出量を調整する吐出調整部を有し、
前記制御部は、前記開口面積を連続的又は段階的に変化させることで前記流路内の前記造形材料に前記振動を付与する、三次元造形装置。

【請求項10】

材料を可塑化して造形材料を生成する第１工程と、
ノズルに設けられたノズル開口から前記造形材料をステージに向けて吐出することにより、三次元造形物を造形する第２工程と、
を備え、
前記第２工程は、前記ノズル開口に連通し前記造形材料が流れる流路に設けられ、前記流路内の前記造形材料に振動を付与する振動付与部を制御して、前記流路内の前記造形材料に前記振動を付与しながら前記三次元造形物の外郭領域の少なくとも一部を造形する工程を含む、
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、三次元造形装置、及び、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、下地となるシート上に、３Ｄプリンターを用いて立体模様を造形する造形工程と、立体模様が造形されたシートを、接着剤を介して物品の所定の面に貼着する貼着工程とを備える立体模様製造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２０２２－３８９７５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

模様を有する造形物を三次元造形装置によって造形する場合、模様部分の造形に時間がかかり、全体の造形が完了するまでの造形時間が長期化する可能性があった。また、模様部分を造形するための細かなノズルの位置制御が必要となって、装置の負担が増大する可能性があった。

【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、三次元造形装置が提供される。この三次元造形装置は、材料を可塑化して造形材料を生成する可塑化部と、ノズル開口を有し、前記造形材料をステージに向けて吐出するノズルと、前記ノズル開口に連通し前記造形材料が流れる流路に設けられ、前記流路内の前記造形材料に振動を付与する振動付与部と、前記可塑化部及び前記振動付与部を制御して三次元造形物を造形する制御部と、を備え、前記制御部は、前記振動付与部を制御して前記流路内の前記造形材料に前記振動を付与しながら前記三次元造形物の外郭領域の少なくとも一部を造形する。

【0006】

本開示の第２の形態によれば、三次元造形物の製造方法が提供される。この製造方法は、材料を可塑化して造形材料を生成する第１工程と、ノズルに設けられたノズル開口から前記造形材料をステージに向けて吐出することにより、三次元造形物を造形する第２工程と、を備え、前記第２工程は、前記ノズル開口に連通し前記造形材料が流れる流路に設けられ、前記流路内の前記造形材料に振動を付与する振動付与部を制御して、前記流路内の前記造形材料に前記振動を付与しながら前記三次元造形物の外郭領域の少なくとも一部を造形する工程を含む。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】三次元造形装置の概略構成を示す説明図。

【図2】フラットスクリューの構成を示す概略斜視図。

【図3】バレルの構成を示す上面図。

【図4】吐出調整部の構成を示す斜視図。

【図5】吐出調整部及び吸引送出部の構成を示す説明図。

【図6】バタフライバルブの動作を示す第１の説明図。

【図7】バタフライバルブの動作を示す第２の説明図。

【図8】プランジャーの動作を示す説明図。

【図9】三次元造形処理のフローチャート。

【図10】三次元造形物が造形される様子を模式的に示す説明図。

【図11】外郭領域を造形するためのノズルの移動経路の一部を示す図。

【図12】造形材料に振動を付与した実験の結果を示す図。

【図13】圧力調節処理のフローチャート。

【図14】ノズルの移動によって模様を形成するためのノズルの移動経路を示す図。

【図15】造形材料の圧力変化の例を示す図。

【図16】圧力変化を打ち消す逆位相の波形の例を示す図。

【図17】振動を付与するための波形の例を示す図。

【図18】制御波形の例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0008】

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装置１００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方向に沿った矢印が表されている。Ｘ方向及びＹ方向は、水平方向に沿った方向であり、Ｚ方向は、鉛直方向に沿った方向である。他の図においても、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に沿った矢印が、適宜、表されている。図１におけるＸ，Ｙ，Ｚ方向と、他の図におけるＸ，Ｙ，Ｚ方向とは、同じ方向を表している。

【0009】

本実施形態における三次元造形装置１００は、造形ユニット２００と、ステージ３００と、移動機構４００と、制御部５００とを備えている。三次元造形装置１００は、制御部５００の制御下で、造形ユニット２００に設けられたノズル開口６９からステージ３００の造形面３１０に向かって造形材料を吐出しつつ、移動機構４００を駆動させてノズル開口６９と造形面３１０との相対的な位置を変化させることによって、造形面３１０上に造形材料の層が積層された三次元造形物を造形する。尚、造形材料のことを可塑化材料と呼ぶこともある。造形ユニット２００の詳細な構成については後述する。

【0010】

移動機構４００は、上述したとおり、ノズル開口６９と造形面３１０との相対的な位置を変化させる。本実施形態では、移動機構４００は、ステージ３００を支持しており、造形ユニット２００に対してステージ３００を移動させることによって、ノズル開口６９と造形面３１０との相対的な位置を変化させる。本実施形態における移動機構４００は、３つのモーターの駆動力によって、ステージ３００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。各モーターは、制御部５００の制御下にて駆動する。尚、移動機構４００は、ステージ３００を移動させる構成ではなく、ステージ３００を移動させずに造形ユニット２００を移動させることによって、ノズル開口６９と造形面３１０との相対的な位置を変化させる構成であってもよい。また、移動機構４００は、ステージ３００と造形ユニット２００との両方を移動させることによって、ノズル開口６９と造形面３１０との相対的な位置を変化させる構成であってもよい。

【0011】

制御部５００は、１以上のプロセッサーと、記憶装置と、外部との信号の入出力を行う入出力インターフェースとを備えるコンピューターによって構成されている。本実施形態では、制御部５００は、記憶装置に読み込んだプログラムをプロセッサーが実行することによって、造形ユニット２００と移動機構４００との動作を制御して、三次元造形物を造形するための三次元造形処理を実行する。尚、制御部５００は、コンピューターではなく、複数の回路の組み合わせによって構成されてもよい。

【0012】

造形ユニット２００は、材料の供給源である材料供給部２０と、駆動部３５と、材料供給部２０から供給された材料を可塑化して造形材料にする可塑化部３０と、可塑化部３０から供給された造形材料を吐出するノズル開口６９を有するノズル６１と、ノズル６１に供給される造形材料の流量を調節する吐出調整部７０と、造形材料の圧力を測定する圧力センサー８０と、造形材料を吸引及び送出する吸引送出部９０とを備えている。ここで、「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】

材料供給部２０には、ペレットや粉末等の状態の材料が収容されている。材料としては、例えば、ＡＢＳ（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）やＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＰ（ポリプロピレン）などの樹脂材料が用いられる。本実施形態における材料供給部２０は、ホッパーによって構成されている。材料供給部２０の下方には、材料供給部２０と可塑化部３０との間を接続する供給路２２が設けられている。材料供給部２０は、供給路２２を介して、可塑化部３０に材料を供給する。

【0014】

本実施形態では、駆動部３５は、駆動モーター３６を備えている。駆動モーター３６は、後述するスクリューケース３１の上面に固定されている。駆動モーター３６の回転軸は、後述するフラットスクリュー４０の上面４１に接続されている。駆動モーター３６は、制御部５００の制御下で駆動されて、フラットスクリュー４０を回転させる。尚、駆動部３５は、駆動モーター３６の回転数を減速させる減速機を備えてもよく、駆動モーター３６は、減速機を介してフラットスクリュー４０に接続されてもよい。

【0015】

可塑化部３０は、スクリューケース３１と、フラットスクリュー４０と、バレル５０とを備えている。可塑化部３０は、材料供給部２０から供給された固体状態の材料の少なくとも一部を可塑化させて流動性を有するペースト状の造形材料にして、ノズル６１に供給する。

【0016】

スクリューケース３１は、フラットスクリュー４０を収容するための筐体である。スクリューケース３１の下面には、バレル５０が固定されており、スクリューケース３１とバレル５０とによって囲まれた空間に、フラットスクリュー４０が収容されている。

【0017】

フラットスクリュー４０は、中心軸ＲＸに沿った方向の長さが、中心軸ＲＸに垂直な方向における長さよりも小さい略円柱形状を有している。フラットスクリュー４０は、中心軸ＲＸがＺ方向に平行になるように、スクリューケース３１内に配置されている。駆動モーター３６が発生させるトルクによって、フラットスクリュー４０は、スクリューケース３１内にて、中心軸ＲＸを中心に回転する。フラットスクリュー４０は、中心軸ＲＸに沿った方向における上面４１とは反対側に、溝部４５が形成された溝形成面４２を有している。フラットスクリュー４０の具体的な構成については後述する。

【0018】

バレル５０は、フラットスクリュー４０の下方に配置されている。バレル５０は、フラットスクリュー４０の溝形成面４２に対向するスクリュー対向面５２を有している。バレル５０には、スクリュー対向面５２の中央に開口部を有し、Ｚ方向に沿ってバレル５０を貫通する流路５６と、流路５６に交差するようにＹ方向に沿って延びる交差穴５７とが設けられている。流路５６は、ノズル開口６９に連通し、その内部に造形材料が流れる。流路５６のことを、貫通孔ともいう。バレル５０の具体的な構成については後述する。

【0019】

バレル５０には、フラットスクリュー４０の溝部４５に供給された材料を加熱するヒーター５８が埋設されている。本実施形態では、４本の棒状のヒーター５８がＹ方向に沿って配置されている。各ヒーター５８は、スクリュー対向面５２の下方に配置されている。各ヒーター５８の温度は、制御部５００によって制御される。

【0020】

バレル５０には、ヒーター５８よりも流路５６から離れた位置に、冷媒が流れる冷媒配管５９が埋設されている。冷媒配管５９は、スクリュー対向面５２の外周縁の近傍を通るように配置されている。冷媒配管５９は、冷媒ポンプ１０３に接続されている。冷媒ポンプ１０３は、冷媒配管５９に冷媒を供給する。冷媒ポンプ１０３は、制御部５００の制御下で駆動される。冷媒として、例えば、水や油等の液体や、二酸化炭素等の気体を用いることができる。冷媒配管５９に冷媒が流れることによって、フラットスクリュー４０やバレル５０の温度が高くなりすぎることを抑制できる。尚、冷媒配管５９と冷媒ポンプ１０３のことを冷却部と呼ぶこともある。

【0021】

吐出調整部７０は、流路５６に設けられている。吐出調整部７０は、流路５６の開口面積を調整することによってノズル開口６９からの造形材料の吐出量を調整する。吐出調整部７０は、バタフライバルブ７５と、バタフライバルブ７５を回転させる弁駆動部１０１とを備えている。バタフライバルブ７５は、流路５６内で回転することによって、ノズル６１に供給される造形材料の流量を調節する。弁駆動部１０１は、ステッピングモーター等のアクチュエーターによって構成されており、制御部５００の制御下でバタフライバルブ７５を回転させる。バレル５０に形成された造形材料の流路５６のうち、バタフライバルブ７５よりもスクリュー対向面５２に近い部分のことを第１流路１５１と呼び、バタフライバルブ７５よりもスクリュー対向面５２から離れた部分のことを第２流路１５２と呼ぶ。以下において、第１流路１５１と第２流路１５２とを区別なく呼ぶときは、単に、流路５６と呼ぶ。吐出調整部７０の具体的な構成については後述する。

【0022】

圧力センサー８０は、第１流路１５１に設けられている。圧力センサー８０は、第１流路１５１内の造形材料の圧力を測定する。圧力センサー８０によって測定された造形材料の圧力の値は、制御部５００に送信される。

【0023】

吸引送出部９０は、第２流路１５２に接続されている。吸引送出部９０は、第２流路１５２から造形材料を吸引し、吸引した造形材料を第２流路１５２に対して送出する。吸引送出部９０の具体的な構成については後述する。

【0024】

ノズル６１は、バレル５０の下面に接続されている。ノズル６１には、ノズル流路６８と、ノズル開口６９とが設けられている。ノズル流路６８は、ノズル６１内に設けられた流路である。ノズル流路６８は、第２流路１５２に接続されている。ノズル開口６９は、ノズル流路６８の大気に連通する側の端部に設けられた流路断面が縮小された部分である。第２流路１５２からノズル流路６８に流入した造形材料は、ノズル開口６９から吐出される。ノズル開口６９から吐出される造形材料の流量は、吐出調整部７０によって調節される。ノズル６１から吐出される造形材料の流量のことを吐出量とも呼ぶ。

【0025】

ノズル６１には、板状の上部ヒーター６０が取り付けられている。上部ヒーター６０は、ノズル開口６９よりも上方に配置されている。上部ヒーター６０は、ステージ３００の造形面３１０に向けて吐出された造形材料を加熱する。より具体的には、上部ヒーター６０は、ノズル開口６９から造形材料が吐出されることによってステージ３００の造形面３１０上に積層された層のうちの上部の層を加熱する。上部の層を上部ヒーター６０によって加熱することで、層間の密着度を高めることができる。上部ヒーター６０による加熱温度は、制御部５００によって制御される。本実施形態では、ユーザーが指定した加熱温度となるように、制御部５００によって上部ヒーター６０が制御される。尚、上部ヒーター６０のことを、加熱部ともいう。図１以降の図面では、上部ヒーター６０の図示を省略している。

【0026】

図２は、フラットスクリュー４０の構成を示す概略斜視図である。図２には、フラットスクリュー４０の中心軸ＲＸの位置が一点鎖線で示されている。図１を参照して説明したように、溝形成面４２には、溝部４５が設けられている。

【0027】

フラットスクリュー４０の溝形成面４２の中央部４７は、溝部４５の一端が接続されている窪みとして構成されている。中央部４７は、図１に示されているバレル５０の流路５６に対向する。中央部４７は、中心軸ＲＸと交差する。

【0028】

フラットスクリュー４０の溝部４５は、いわゆるスクロール溝を構成する。溝部４５は、中央部４７から、フラットスクリュー４０の外周に向かって渦状に延びている。溝部４５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。溝形成面４２には、溝部４５の側壁部を構成し、各溝部４５に沿って延びている凸条部４６が設けられている。

【0029】

溝部４５は、フラットスクリュー４０の側面４３に形成された材料導入口４４まで連続している。この材料導入口４４は、材料供給部２０の供給路２２を介して供給された材料を受け入れる部分である。

【0030】

図２には、３つの溝部４５と、３つの凸条部４６と、を有するフラットスクリュー４０の例が示されている。フラットスクリュー４０に設けられる溝部４５や凸条部４６の数は、３つには限定されない。フラットスクリュー４０には、１つの溝部４５のみが設けられていてもよいし、２以上の複数の溝部４５が設けられていてもよい。また、溝部４５の数に合わせて任意の数の凸条部４６が設けられてもよい。

【0031】

図２には、材料導入口４４が３箇所に形成されているフラットスクリュー４０の例が図示されている。フラットスクリュー４０に設けられる材料導入口４４の数は、３箇所に限定されない。フラットスクリュー４０には、材料導入口４４が１箇所にのみ設けられていてもよいし、２箇所以上の複数の箇所に設けられていてもよい。

【0032】

図３は、バレル５０の構成を示す上面図である。上述したとおり、スクリュー対向面５２の中央には、ノズル６１に連通する流路５６が形成されている。スクリュー対向面５２における流路５６の周りには、複数の案内溝５４が形成されている。それぞれの案内溝５４は、一端が流路５６に接続され、流路５６からスクリュー対向面５２の外周に向かって渦状に延びている。それぞれの案内溝５４は、造形材料を流路５６に導く機能を有している。尚、案内溝５４の一端は、流路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。

【0033】

図４は、本実施形態における吐出調整部７０の構成を示す斜視図である。図５は、本実施形態における吐出調整部７０及び吸引送出部９０の構成を示す説明図である。吐出調整部７０は、交差穴５７内に配置される円柱状の駆動軸７３を有している。駆動軸７３は、中心軸ＡＸ１を中心として回転可能である。駆動軸７３の一部、具体的には、駆動軸７３のうちの流路５６内に位置する部分には、バタフライバルブ７５が形成されている。バタフライバルブ７５は、駆動軸７３の一部が凹状に加工されることにより形成されている。バタフライバルブ７５は、流路５６内において回転可能に配される。駆動軸７３は、バタフライバルブ７５の位置が、駆動軸７３と流路５６とが交わる位置になるように、備えられている。バタフライバルブ７５は、第１流路１５１と第２流路１５２との間に配置される。駆動軸７３の－Ｙ方向側の端部には、カップリング部７７が設けられている。カップリング部７７には、弁駆動部１０１が接続されている。弁駆動部１０１によるトルクがカップリング部７７に加えられることによって、駆動軸７３に形成されたバタフライバルブ７５が回転する。バタフライバルブ７５の形状は、流路５６内で回転することによって流路５６の開口面積を調整するものであればよく、例えば、板形状、又は、半球の形状であってもよい。バタフライバルブ７５は、単にバルブとも呼ばれる。

【0034】

図６は、吐出調整部７０のバタフライバルブ７５の動作を示す第１の説明図である。図７は、吐出調整部７０のバタフライバルブ７５の動作を示す第２の説明図である。図６に示すように、バタフライバルブ７５を形成する凹状部分の開放部が上方に位置するようにバタフライバルブ７５が回転すると、第２流路１５２の開口部がバタフライバルブ７５によって閉塞されて、第１流路１５１から第２流路１５２への造形材料の流入が遮断される。一方、図７に示すようにバタフライバルブ７５の凹状部分が－Ｘ方向あるいは＋Ｘ方向を向くようにバタフライバルブ７５が回転すると、第１流路１５１と第２流路１５２との間が連通し、第１流路１５１から第２流路１５２に最大の流量で造形材料が流入する。バタフライバルブ７５は、Ｙ方向に沿った中心軸ＡＸ１を中心として回転して凹状部分の位置を変更することによって、第１流路１５１と第２流路１５２との間の流路断面積を変更して第１流路１５１から第２流路１５２に流入する造形材料の流量を調節する。尚、吐出調整部７０は、バルブとして上述したバタフライバルブ７５を備えた形態ではなく、例えば、ゲートバルブ、グローブバルブ、ボールバルブを備える形態でもよい。

【0035】

図５に示すように、本実施形態における吸引送出部９０は、バレル５０に埋設された円筒状のシリンダー９２と、シリンダー９２内に収容された円柱状のプランジャー９３と、プランジャー９３をシリンダー９２内で移動させるプランジャー駆動部１０２とを備えている。シリンダー９２は、第２流路１５２に接続されている。プランジャー駆動部１０２は、制御部５００の制御下で駆動されるステッピングモーターと、ステッピングモーターの回転をシリンダー９２の中心軸ＡＸ２に沿った並進運動に変換するラックアンドピニオン機構によって構成されている。尚、プランジャー駆動部１０２は、制御部５００の制御下で駆動されるステッピングモーターと、ステッピングモーターの回転をシリンダー９２の中心軸ＡＸ２に沿った並進運動に変換するボール螺子機構によって構成されてもよいし、ソレノイド機構やピエゾ素子等のアクチュエーターによって構成されてもよい。

【0036】

図８は、吸引送出部９０のプランジャー９３の動作を示す説明図である。プランジャー９３が第２流路１５２から遠ざかる方向に移動した場合には、シリンダー９２内に負圧が生じるため、図８に矢印で表されたように、第２流路１５２内の造形材料がシリンダー９２内に引き込まれる。第２流路１５２内の造形材料がシリンダー９２内に引き込まれることによって、ノズル６１内の造形材料は、第２流路１５２内に引き込まれる。そのため、ノズル開口６９からの造形材料の吐出を停止する際に、第２流路１５２内の造形材料をシリンダー９２内に吸引することによって、ノズル開口６９から吐出された造形材料の尾切りを行うことができる。一方、プランジャー９３が第２流路１５２に近付く方向に移動した場合には、シリンダー９２内の造形材料は、プランジャー９３によって第２流路１５２内に押し出される。そのため、ノズル開口６９からの造形材料の吐出を再開する際に、シリンダー９２内の造形材料を第２流路１５２内へと押し出すことによって、ノズル開口６９からの造形材料の吐出の応答性を高めることができる。尚、シリンダー９２内から造形材料が押し出される方向にプランジャー９３を移動させることを、プランジャー９３を前進させる、或いは、押すと呼ぶこともある。シリンダー９２内に造形材料が引き込まれる方向にプランジャー９３を移動させることを、プランジャー９３を後退させる、或いは、引くと呼ぶこともある。

【0037】

本実施形態では、吸引送出部９０は振動付与部としても機能する。後述する三次元造形処理において、制御部５００は、三次元造形物の外郭領域の造形時に、吸引送出部９０を制御して、プランジャー９３の位置を連続的又は段階的に変化させることで、流路５６内の造形材料に振動を付与する。例えば、制御部５００は、プランジャーの前進及び後退を交互に繰り返すことで、造形材料に振動を付与することができる。これにより、ノズル開口６９から吐出される造形材料の線幅が連続的に変化し、例えば、三次元造形物の外郭領域にローレット状あるいはリブレット状の規則的な模様を形成できる。振動の態様は、前進と後退とを交互に繰り替えることに限らない。例えば、造形する模様に応じて、前進を複数回行った後に、後退を複数回行ってもよい。また、その他、２回前進、１回後退、２回前進、３回後退、のようなパターンを繰り返し実行してもよい。また、前進と停止、或いは、後退と停止、を繰り返すことにより、段階的にプランジャー９３の位置を変化させることで振動を付与してもよい。

【0038】

図９は、三次元造形処理のフローチャートである。この処理は、三次元造形装置１００に設けられた操作パネルや、三次元造形装置１００に接続されたコンピューターに対して、所定の開始操作がユーザーによって行われた場合に、制御部５００によって実行される。制御部５００によって三次元造形処理が実行されることにより、三次元造形物の製造方法が実現される。

【0039】

制御部５００は、ステップＳ１１０にて、三次元造形物を造形するための造形データを取得する。造形データとは、ステージ３００に対するノズル６１の移動経路や、ノズル６１から吐出される造形材料の量、フラットスクリュー４０を回転させる駆動モーター３６の目標回転数、バレル５０に内蔵されたヒーター５８の目標温度、等に関する情報が表されたデータである。造形データは、例えば、三次元造形装置１００に接続されたコンピューターにインストールされたスライサーソフトによって生成される。スライサーソフトは、三次元ＣＡＤソフトや三次元ＣＧソフトを用いて作成された三次元造形物の形状を表す形状データを読み込み、三次元造形物の形状を所定の厚みの層に分割して、造形データを生成する。スライサーソフトに読み込まれる形状データには、ＳＴＬ形式やＡＭＦ形式等のデータが用いられる。スライサーソフトによって作成された造形データは、ＧコードやＭコード等によって表されている。制御部５００は、三次元造形装置１００に接続されたコンピューターや、ＵＳＢメモリー等の記録媒体から造形データを取得する。

【0040】

ステップＳ１２０にて、制御部５００は、造形材料の生成を開始する。制御部５００は、フラットスクリュー４０の回転、及び、バレル５０に内蔵されたヒーター５８の温度を制御することによって、材料を可塑化させて造形材料を生成する。フラットスクリュー４０の回転によって、材料供給部２０から供給された材料が、フラットスクリュー４０の材料導入口４４から溝部４５内に導入される。溝部４５内に導入された材料は、溝部４５に沿って中央部４７へと搬送される。溝部４５内を搬送される材料は、フラットスクリュー４０とバレル５０との相対的な回転によるせん断、及び、ヒーター５８による加熱によって、その少なくとも一部が可塑化されて、流動性を有するペースト状の造形材料になる。中央部４７に集められた造形材料は、中央部４７で生じる内圧によって第１流路１５１に供給される。尚、造形材料は、三次元造形処理が行われる間、生成され続ける。材料を可塑化して造形材料を生成する工程のことを、第１工程ともいう。

【0041】

ステップＳ１２０にて造形材料の生成が開始された後、制御部５００は、ステップＳ１２５にて、第１流路１５１内の造形材料の圧力を安定化させる圧力調節処理の実行を開始する。圧力調節処理は、フラットスクリュー４０が回転して、造形材料が生成されている間、造形処理と並行して実行される。圧力調節処理の具体的な内容については後述する。

【0042】

ステップＳ１３０にて、制御部５００は、三次元造形物の造形を開始する。制御部５００は、造形データに従って、移動機構４００を制御して、ノズル開口６９とステージ３００との相対的な位置を変化させつつ、ノズル開口６９からステージ３００に向かって造形材料を吐出することによって、三次元造形物を造形する。三次元造形物の造形にあたり、制御部５００は、弁駆動部１０１を制御してバタフライバルブ７５を回転させることによって、第１流路１５１と第２流路１５２との間を連通させる。第１流路１５１と第２流路１５２との間が連通することによって、ノズル開口６９からの造形材料の吐出が開始される。ノズル６１に設けられたノズル開口６９から造形材料をステージ３００に向けて吐出することによって、三次元造形物を造形する工程のことを、第２工程ともいう。

【0043】

図１０は、三次元造形物ＯＢが造形される様子を模式的に示す説明図である。制御部５００は、ステージ３００の造形面３１０とノズル６１との距離を保持したまま、ステージ３００の造形面３１０に沿った方向に、ステージ３００に対するノズル６１の位置を変えながら、ノズル６１から可塑化材料を吐出させる。ノズル６１から吐出された可塑化材料は、ノズル６１の移動方向に連続して堆積されていく。

【0044】

制御部５００は、ノズル６１の移動を繰り返して層Ｌを形成する。制御部５００は、１つの層Ｌを形成した後、ステージ３００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Ｌの上に、更に層Ｌを積み重ねることによって造形物を造形していく。

【0045】

各層Ｌは、外郭領域ＡＲ１と内部領域ＡＲ２とによって構成される。外郭領域ＡＲ１は、三次元造形物の外観に影響を与える領域である。内部領域ＡＲ２は、外郭領域ＡＲ１に囲われた領域である。内部領域ＡＲ２のことを、インフィル領域ともいう。本実施形態において、制御部５００は、各層Ｌの造形にあたり、外郭領域ＡＲ１を造形した後に、その内側に位置する内部領域ＡＲ２を造形する。

【0046】

図９のステップＳ１４０において、制御部５００は、現在造形中の三次元造形物の造形箇所が、外郭領域ＡＲ１か内部領域ＡＲ２かを判断する。そして、制御部５００は、外郭領域ＡＲ１を形成していると判断した場合に、吸引送出部９０を制御して、流路５６中の造形材料に振動を付与する。

【0047】

図１１は、外郭領域を造形するためのノズル６１の移動経路の一部を示す図である。図１１には、円柱状の三次元造形物の外郭領域ＡＲ１を造形するためのノズル６１の移動経路の一部のＸ－Ｙ座標を示している。本実施形態では、制御部５００は、各層Ｌの外郭領域ＡＲ１を、最外周とその内側１周の２周分の経路によって造形する。外郭領域ＡＲ１を造形するための周数は、任意に設定可能である。各経路は、直線状の複数の部分的な経路が連続して接続されることで構成される。制御部５００は、外郭領域ＡＲ１を造形するための各周の造形時に、造形材料に振動を付与する。制御部５００は、造形材料に振動を付与しつつ、最外周の内側の周を先に造形し、その後に最外周を造形してもよい。こうすることにより、三次元造形物の外表面に形成される模様を際立たせることができる。尚、他の実施形態では、最外周の造形時のみに造形材料に振動を付与し、その内側の周の造形時には、造形材料に振動を付与しなくてもよい。

【0048】

図９のステップＳ１５０にて、制御部５００は、ノズル開口６９からの造形材料の吐出を停止するか否かを判定する。制御部５００は、造形データを用いて、ノズル開口６９からの造形材料の吐出を停止するか否かを判断する。例えば、現在造形を行っている領域から、同一の層Ｌの離れた領域にノズル６１の目標位置が設定されている場合、或いは、新たな層Ｌの造形のためにノズル６１をステージ３００に対してＺ方向に移動させる場合に、制御部５００は、ノズル６１からの造形材料の吐出を停止すると判断する。ステップＳ１５０において、ノズル６１から造形材料の吐出を停止すると判断されなかった場合、制御部５００は、ステップＳ１４０に処理を戻して、三次元造形物の造形を継続する。

【0049】

ステップＳ１５０にてノズル６１からの造形材料の吐出を停止すると判断された場合、制御部５００は、ステップＳ１６０にて、弁駆動部１０１を制御してバタフライバルブ７５を回転させ、流路５６の開口面積をゼロにすることによって、第１流路１５１から第２流路１５２への造形材料の流入を遮断する。第１流路１５１から第２流路１５２への造形材料の流入が遮断されることによって、ノズル６１からの造形材料の吐出が停止される。ノズル６１からの造形材料の吐出を停止する際に、制御部５００は、ステップＳ１６５にて、プランジャー駆動部１０２を制御してプランジャー９３を後退させることによって、第２流路１５２内の造形材料をシリンダー９２内に吸引する。そのため、ノズル開口６９からの造形材料の吐出が速やかに停止される。ノズル開口６９からの造形材料の吐出が停止されている間、三次元造形物の造形は停止される。

【0050】

上記ステップＳ１５０において、外郭領域ＡＲ１の造形中に造形材料の吐出を停止すると判断された場合、すなわち、造形材料に振動を付与している期間中にノズル６１からの造形材料の吐出を停止する場合、制御部５００は、ステップＳ１６５において、吸引送出部９０を制御して、シリンダー９２内に造形材料を吸引する動作を行いながら、造形材料に振動を付与する。制御部５００は、プランジャー９３を前後方向に振動させつつ、プランジャー９３を後退させることで、造形材料の吸引と造形材料に対する振動の付与とを同時に行う。

【0051】

ステップＳ１７０にて、制御部５００は、ノズル６１からの造形材料の吐出を再開するか否かを判定する。ステップＳ１７０にてノズル６１からの造形材料の吐出を再開すると判断された場合、制御部５００は、ステップＳ１８０にて、弁駆動部１０１を制御してバタフライバルブ７５を回転させ、流路５６の開口面積を大きくすることによって、第１流路１５１と第２流路１５２との間を連通させて、流路５６に造形材料を流通させる。そして、その後、制御部５００は、ステップＳ１８５にて、プランジャー駆動部１０２を制御してプランジャー９３を前進させることによって、シリンダー９２内の造形材料を第２流路１５２内へ送出する。こうすることで、ノズル開口６９からの造形材料の吐出が速やかに再開される。その後、制御部５００は、ステップＳ１４０に処理を戻して、三次元造形物の造形を再開する。

【0052】

上記ステップＳ１７０において、造形材料の吐出が停止されている状態から外郭領域ＡＲ１において造形材料の吐出を再開すると判断された場合、制御部５００は、ステップＳ１８５において、吸引送出部９０を制御して、シリンダー９２から流路５６に造形材料を送出する動作を行いながら、造形材料に振動を付与する。制御部５００は、プランジャー９３を前後方向に振動させつつ、プランジャー９３を前進させることで、シリンダー９２内の造形材料の送出と、流路５６の造形材料に対する振動の付与とを同時に行う。

【0053】

図１２は、シリンダー９２から流路５６に造形材料を送出する動作を行いながら、造形材料に振動を付与した実験の結果を示す図である。図１２には、シリンダー９２内でプランジャー９３を段階的に前進させて、造形材料を振動させた場合おける、シリンダー９２内の圧力変化を示している。図１２に示した例では、圧力が連続的に上下に変化しつつ徐々に上昇している。そのため、プランジャー９３を振動させつつ前進させることで、シリンダー９２内の造形材料を送出しつつ、造形材料に対して振動を付与することができる。

【0054】

図９のステップＳ１７０にてノズル６１からの造形材料の吐出を再開すると判断されなかった場合、制御部５００は、ステップＳ１９０にて、三次元造形物の造形を終了するか否かを判定する。制御部５００は、三次元造形物を構成する全ての層Ｌの造形が完了した場合に、三次元造形物の造形を終了すると判断する。ステップＳ１９０にて三次元造形物の造形を終了すると判断されなかった場合、制御部５００は、ステップＳ１７０に処理を戻して、ノズル６１からの造形材料の吐出を再開するか否かを再度判定する。一方、ステップＳ１９０にて三次元造形物の造形を終了すると判断された場合、制御部５００は、三次元造形処理を終了する。

【0055】

図１３は、図９に示した三次元造形処理のステップＳ１２５で開始される圧力調節処理のフローチャートである。

【0056】

ステップＳ２０５にて、制御部５００は、三次元造形物ＯＢの造形に用いられる材料の種類と、収集時間Ｔと、目標圧力値Ｐｂと、圧力許容差ΔＰとを、圧力調節条件として設定する。収集時間Ｔとは、圧力センサー８０によって第１流路１５１内の造形材料の圧力の値を収集するための時間のことを意味する。目標圧力値Ｐｂとは、第１流路１５１内の造形材料の圧力の目標値のことを意味する。圧力許容差ΔＰとは、第１流路１５１内の造形材料の圧力の、目標圧力値Ｐｂからのずれの許容範囲のことを意味する。本実施形態では、ユーザーが三次元造形装置１００に接続されたコンピューターを用いて、材料の種類と、収集時間Ｔと、目標圧力値Ｐｂと、圧力許容差ΔＰとを予め指定することによって、材料の種類と、収集時間Ｔと、目標圧力値Ｐｂと、圧力許容差ΔＰとが造形データに表されている。制御部５００は、三次元造形装置１００に接続されたコンピューターから造形データを取得することによって、材料の種類と、収集時間Ｔと、目標圧力値Ｐｂと、圧力許容差ΔＰとを取得する。

【0057】

ステップＳ２１０にて、制御部５００は、バタフライバルブ７５が開いているか否かを判定する。制御部５００は、例えば、造形データに規定された吐出量を表す情報を用いて、バタフライバルブ７５が開いているか否かを判断できる。ステップＳ２１０にてバタフライバルブ７５が開いていると判断されなかった場合、制御部５００は、ステップＳ２５５に処理を進めて、圧力調節処理を終了するか否かを判定する。本実施形態では、制御部５００は、フラットスクリュー４０の回転を停止させる指令があった場合に、圧力調節処理を終了すると判断する。圧力調節処理を終了すると判断された場合、制御部５００は、圧力調節処理を終了する。一方、圧力調節処理を終了すると判断されなかった場合には、制御部５００は、ステップＳ２１０に処理を戻して、再度、バタフライバルブ７５が開いているか否かを判定する。

【0058】

ステップＳ２１０にてバタフライバルブ７５が開いていると判断された場合、制御部５００は、ステップＳ２１５にて、圧力センサー８０を用いて、第１流路１５１内の造形材料の圧力の値である圧力値Ｐを取得する。取得された圧力値Ｐは、制御部５００の記憶装置に記憶される。その後、ステップＳ２２０にて、制御部５００は、圧力値Ｐの取得を開始してからの時間ｔが収集時間Ｔ以上になったか否かを判定する。ステップＳ２２０にて時間ｔが収集時間Ｔ以上になったと判断されなかった場合、制御部５００は、ステップＳ２２０にて時間ｔが収集時間Ｔ以上になったと判断されるまでステップＳ２１０からステップＳ２２０までの処理を繰り返して、予め設定された時間間隔で複数の圧力値Ｐのサンプルを取得する。この時間間隔は、例えば、１秒間に設定される。収集時間Ｔは、例えば、１０秒間に設定される。この場合、制御部５００は、１秒間に１回の頻度で１０秒間、圧力値Ｐのサンプルを取得する。つまり、制御部５００は、収集時間Ｔ内に、１０個の圧力値Ｐのサンプルを取得する。尚、制御部５００は、ステップＳ２１０にて、時間ｔが収集時間Ｔ以上になったか否かではなく、所定個数の圧力値Ｐのサンプルが取得されたか否かを判定してもよい。

【0059】

ステップＳ２２０にて時間ｔが収集時間Ｔ以上になったと判断された場合、制御部５００は、ステップＳ２２５にて、収集時間Ｔ内に取得した複数の圧力値Ｐの平均値を算出する。本実施形態では、制御部５００は、１番目に取得した圧力値Ｐ_１からｎ番目に取得した圧力値Ｐ_ｎまでの合計値である合計圧力値ΣＰ_ｎと、収集時間Ｔ内に取得した圧力値Ｐのサンプル個数Ｎとを用いて、下式（１）で表される平均圧力値Ｐａｖｅを算出する。

【0060】

Ｐａｖｅ＝ΣＰ_ｎ／Ｎ ・・・（１）

【0061】

本実施形態では、ステップＳ２２５にて、制御部５００は、取得した複数の圧力値Ｐの移動平均を算出することによって、平均圧力値Ｐａｖｅを算出する。例えば、制御部５００は、１番目の圧力値Ｐ_１からｎ番目の圧力値Ｐ_ｎまでを取得した場合には、Ｐ_１からＰ_ｎまでの合計値（Ｐ_１＋Ｐ_２＋Ｐ_３＋・・・＋Ｐ_ｎ）をＰ_１からＰ_ｎまでのサンプル個数Ｎで割ることによって平均圧力値Ｐａｖｅを算出する。その後、制御部５００は、ｎ＋１番目の圧力値Ｐ_ｎ＋１を取得した場合には、２番目の圧力値Ｐ_２からｎ＋１番目の圧力値Ｐ_ｎ＋１までの合計値（Ｐ_２＋Ｐ_３＋Ｐ_４＋・・・＋Ｐ_ｎ＋Ｐ_ｎ＋１）をサンプル個数Ｎで割ることによって平均圧力値Ｐａｖｅを算出する。

【0062】

ステップＳ２３０にて、制御部５００は、平均圧力値Ｐａｖｅが所定の許容範囲内であるか否かを判定する。制御部５００は、平均圧力値Ｐａｖｅが目標圧力値Ｐｂに圧力許容差ΔＰを足し合わせた第１閾値以下であり、かつ、平均圧力値Ｐａｖｅが目標圧力値Ｐｂから圧力許容差ΔＰを差し引いた第２閾値以上である場合には、平均圧力値Ｐａｖｅが許容範囲内であると判断する。ステップＳ２３０にて平均圧力値Ｐａｖｅが許容範囲内であると判断された場合、制御部５００は、ステップＳ２５５に処理を進めて、圧力調節処理を終了するか否かを判定する。一方、ステップＳ２３０にて平均圧力値Ｐａｖｅが許容範囲内であると判断されなかった場合、制御部５００は、ステップＳ２３５にて、平均圧力値Ｐａｖｅと目標圧力値Ｐｂとを用いて、下式（２）で表される圧力差Ｐｄを算出する。

【0063】

Ｐｄ＝Ｐａｖｅ－Ｐｂ ・・・（２）

【0064】

ステップＳ２４０にて、制御部５００は、圧力差Ｐｄが正の値であるか否かを判定する。ステップＳ２４０にて圧力差Ｐｄが正の値であると判断された場合、換言すれば、平均圧力値Ｐａｖｅが目標圧力値Ｐｂよりも大きな値であると判断された場合、制御部５００は、ステップＳ２４５にて、圧力差Ｐｄが０に近付くように、フラットスクリュー４０の回転数を遅くする。フラットスクリュー４０の回転数のことをスクリュー回転数と呼ぶ。回転数とは、単位時間当たりに物体が回転する回数のことを意味する。本実施形態では、制御部５００は、ステップＳ２４０にて、スクリュー回転数と圧力との関係が表されたテーブルを参照することによって、スクリュー回転数の補正値を算出し、現状のスクリュー回転数から補正値を差し引いた新たなスクリュー回転数を算出する。スクリュー回転数と圧力との関係が表されたテーブルは、予め行われる実験やシミュレーションによって設定できる。制御部５００は、新たなスクリュー回転数となるように駆動モーター３６を制御することによって、スクリュー回転数を遅くする。尚、制御部５００は、テーブルを参照するのではなく、予め設定された関数を用いて新たなスクリュー回転数を算出してもよい。

【0065】

ステップＳ２４０にて圧力差Ｐｄが正の値であると判断されなかった場合、換言すれば、平均圧力値Ｐａｖｅが目標圧力値Ｐｂよりも小さな値であると判断された場合、制御部５００は、ステップＳ２５０にて、圧力差Ｐｄが０に近付くように、フラットスクリュー４０の回転数を速くする。本実施形態では、制御部５００は、ステップＳ２４５にて、スクリュー回転数と圧力との関係が表されたテーブルを参照することによって、スクリュー回転数の補正値を算出し、現状のスクリュー回転数に補正値を足し合わせた新たなスクリュー回転数を算出する。制御部５００は、新たなスクリュー回転数となるように駆動モーター３６を制御することによって、スクリュー回転数を速くする。

【0066】

吐出調整部７０によってノズル６１からの造形材料の吐出が停止されていない期間に制御部５００によって行われる制御のことを第１制御と呼ぶこともあり、吐出調整部７０によってノズル６１からの造形材料の吐出が停止されている期間に制御部５００によって行われる制御のことを第２制御と呼ぶこともある。本実施形態では、第１制御におけるフラットスクリュー４０の回転の調節度合いよりも、第２制御におけるフラットスクリュー４０の回転の調節度合いの方が小さい。フラットスクリュー４０の回転の調節度合いとは、調節によるフラットスクリュー４０の回転数の変化の大きさのことを意味する。フラットスクリュー４０の回転の調節度合いが小さいとは、調節によるフラットスクリュー４０の回転数の変化が小さいことのみならず、フラットスクリュー４０の回転が調節されないことをも意味する。

【0067】

ステップＳ２５５にて、制御部５００は、圧力調節処理を終了するか否かを判定する。上記のように、本実施形態では、制御部５００は、フラットスクリュー４０の回転を停止させる指令があった場合に、圧力調節処理を終了すると判断する。ステップＳ２５５にて圧力調節処理を終了すると判断された場合、制御部５００は、当該圧力調節処理を終了する。一方、ステップＳ２５５にて圧力調節処理を終了すると判断されなかった場合、制御部５００は、ステップＳ２１０に処理を戻して、再度、ステップＳ２１０からの処理を繰り返す。その際に、上述したとおり、制御部５００は、取得した複数の圧力値Ｐの移動平均を算出することによって、平均圧力値Ｐａｖｅを算出する。そのため、例えば、ステップＳ２１５にて、ｎ＋１番目の圧力値Ｐ_ｎ＋１を取得した場合には、ステップＳ２２５にて、２番目の圧力値Ｐ_２からｎ＋１番目の圧力値Ｐ_ｎ＋１までの合計値（Ｐ_２＋Ｐ_３＋Ｐ_４＋・・・＋Ｐ_ｎ＋Ｐ_ｎ＋１）をサンプル個数Ｎで割ることによって平均圧力値Ｐａｖｅを算出する。

【0068】

図１４は、振動によって外郭領域ＡＲ１に模様を形成するのではなく、ノズル６１の移動によって模様を形成する場合におけるノズル６１の移動経路を示す図である。ノズル６１の移動によって模様を形成する場合には、図１４に示すように、模様の形状に合わせてノズル６１の位置調整を細かく行う必要がある。そのため、模様部分の造形に時間がかかり、三次元造形物全体の造形が完了するまでの造形時間が長期化する可能性がある。また、模様部分を造形するための細かなノズル６１の位置制御が必要となって、移動機構４００に備えられたモーター等に負担がかかる。これに対して、上述した本実施形態の三次元造形装置１００によれば、造形材料に振動を付与しながら三次元造形物の外郭領域を造形するので、ノズル６１を細かく移動することなく模様を形成できる。そのため、外表面に模様を有する三次元造形物を、短時間に造形することができる。また、本実施形態によれば、模様部分を造形するためにノズル６１の位置を細かく制御する必要がないので、移動機構４００に備えられたモーター等に負担がかかることを抑制できる。

【0069】

また、本実施形態の三次元造形装置１００は、振動付与部として、流路５６に接続された吸引送出部９０を利用し、吸引送出部９０に備えられたプランジャー９３の位置を連続的或いは段階的に変化させることで流路５６内の造形材料に振動を付与する。そのため、振動を付与するための新たな装置を追加することなく、造形材料に振動を付与して、三次元造形物に模様を形成することができる。

【0070】

また、本実施形態では、制御部５００は、造形材料に振動を付与している期間中にノズル６１からの造形材料の吐出を停止する場合、吸引送出部９０を制御してシリンダー９２内に造形材料を吸引する動作を行いながら、振動を付与する。そのため、ノズル６１からの吐出停止時に、模様の形成が途切れることを抑制できる。

【0071】

また、本実施形態では、制御部５００は、造形材料の吐出が停止されている状態から再開する場合に、吸引送出部９０を制御してシリンダー９２から流路５６に造形材料を送出する動作を行いながら、造形材料に振動を付与する。そのため、ノズル６１からの造形材料の吐出を再開する際に、模様が形成されない可能性を低減できる。特に、本実施形態では、造形材料の吐出が停止されている状態から再開する場合、制御部５００は、吐出調整部７０を制御して、造形材料の流路５６への流通を再開させた後に、吸引送出部９０を制御して、シリンダー９２から流路５６への造形材料の送出を行って、造形材料の吐出を再開させる。そのため、ノズル６１から造形材料の吐出を再開する際に、流路５６内の造形材料に振動を付与しやすくなる。

【0072】

また、本実施形態では、制御部５００は、圧力センサー８０による造形材料の圧力の検出値が予め定められた範囲内に収まるようにフラットスクリュー４０の回転を制御する圧力調節処理を実行し、その圧力調整津処理が実行されている間に、流路５６内の造形材料に振動を付与しながら三次元造形物の外郭を造形する。そのため、流路５６に供給される造形材料の圧力を安定させつつ振動を付与することができ、これにより、外郭領域に模様を精度よく形成できる。

【0073】

Ｂ．他の実施形態：
（Ｂ１）上記実施形態において、上部ヒーター６０による加熱温度は、ユーザーが指定した温度となるように、制御部５００によって制御される。これに対して、制御部５００は、造形材料に振動を付与する場合と付与しない場合とで、異なる温度で、加熱するように上部ヒーター６０を制御してもよい。

【0074】

振動を付与する場合に、振動を付与しない場合よりも温度を高めるか低めるかは、材料の種類に応じて決定することができる。例えば、ＰＥＥＫなどの結晶性樹脂の場合、結晶化度を高めるためにゆっくりと温度を低下させることが好ましい場合がある。そのため、例えば、材料が結晶性樹脂の場合には、振動を付与する場合の加熱温度を、振動を付与しない場合の加熱温度よりも高くする。これに対して、非晶性樹脂の場合、速やかに温度を低下させることにより、模様の形状を早期に固定できる。そのため、例えば、材料が非晶性樹脂の場合には、振動を付与する場合の加熱温度を、振動を付与しない場合の加熱温度よりも低くする。このように上部ヒーター６０を制御することで、振動の付与によって形成された模様が三次元造形物から剥がれたり、形状が崩れたりすることを抑制できる。

【0075】

尚、造形中の三次元造形物を加熱する加熱部は、上部ヒーター６０に限らず、例えば、ステージ３００内に備えられてもよい。

【0076】

（Ｂ２）上記実施形態において、三次元造形装置１００は、流路５６内の造形材料に振動を付与する振動付与部として吸引送出部９０を用いている。これに対して、三次元造形装置１００は、振動付与部として、吐出調整部７０を用いてもよい。例えば、制御部５００は、吐出調整部７０に備えられたバタフライバルブ７５の回転を制御して、流路５６の開口面積を連続的或いは段階的に変化させることで、流路５６内の造形材料に振動を付与することができる。

【0077】

（Ｂ３）上記実施形態において、三次元造形装置１００は、流路５６内の造形材料に振動を付与する振動付与部として吸引送出部９０を用いている。これに対して、三次元造形装置１００は、振動付与部として、流路５６の一部に、圧電素子やダイヤフラムを備えてもよい。制御部５００は、圧電素子やダイヤフラムが振動するようにこれらに加える電圧や圧縮空気を制御することで、造形材料に振動を付与することができる。

【0078】

（Ｂ４）上記実施形態において、三次元造形装置１００は、流路５６内の造形材料に振動を付与する振動付与部として吸引送出部９０を用いている。これに対して、三次元造形装置１００は、振動付与部として、フラットスクリュー４０を用いてもよい。例えば、制御部５００は、フラットスクリュー４０の回転速度を連続的又は段階的に変化させることで、流路５６内の造形材料に振動を付与することが可能である。

【0079】

フラットスクリュー４０の回転速度を変化させることにより造形材料に振動を付与する制御において、制御部５００は、第１実施形態で説明した圧力調節処理を実行せず、以下に説明する波形生成処理を実行することで、造形材料の圧力の安定化と造形材料に対する振動の付与との両方を実現してもよい。

【0080】

以下、図１５～図１８を用いて、波形生成処理について説明する。まず、制御部５００は、三次元造形処理の実行に先立ち、バタフライバルブ７５を開いた状態で、フラットスクリュー４０を回転させて造形材料を生成し、圧力センサー８０を用いて、生成された造形材料の圧力変化を測定する。図１５は、測定された造形材料の圧力変化の例を示す図である。尚、制御部５００は、造形材料の圧力変化とフラットスクリュー４０の回転角度との関係を予め測定しておくことにより、フラットスクリュー４０の回転角度を測定することによって造形材料の圧力変化を推定してもよい。

【0081】

続いて、制御部５００は、測定された圧力変化を周波数解析し、その圧力変化を打ち消す逆位相の波形を生成する。図１６は、圧力変化を打ち消す逆位相の波形の例を示す図である。制御部５００は、こうして生成された逆位相の波形を制御部５００内の記憶装置に記憶させる。更に、制御部５００は、造形材料に振動を付与するための波形を生成し、記憶装置に記憶させる。図１７は、振動を付与するための波形の例を示す図である。

【0082】

制御部５００は、図１６に示した逆位相波形と、図１７に示した振動波形とを合成し、フラットスクリュー４０の回転を制御するための制御波形を生成する。図１８は、こうして生成された制御波形の例を示す図である。尚、図１６～図１８に示した波形は、制御部５００ではなく、三次元造形装置１００と通信可能な他のコンピューターによって生成されてもよい。

【0083】

制御部５００は、図９に示した三次元造形処理のステップＳ１２０以降において、フラットスクリュー４０の回転の加減速を、図１６に示した逆位相波形に基づいて制御する。こうすることで、フラットスクリュー４０の回転に伴って生じる造形材料の圧力変化を打ち消すことができる。また、制御部５００は、ステップＳ１２５の処理をスキップする。制御部５００は、ステップＳ１４０において、外郭領域ＡＲ１の造形時において、フラットスクリュー４０の回転の加減速を、図１８に示した制御波形に基づいて制御することで、外郭領域ＡＲ１に模様を付与する。

【0084】

以上で説明したように、図１６に示した逆位相波形、及び、図１８に示した制御波形を用いることにより、三次元造形装置１００は、フラットスクリュー４０の回転を制御することで、造形材料の圧力変化を抑制しつつ振動を付与することができる。この結果、三次元造形物に形成される模様を精度よく形成することが可能になる。

【0085】

尚、造形材料に対する振動の付与は、吸引送出部９０による振動の付与、吐出調整部７０による振動の付与、フラットスクリュー４０の回転による振動の付与、うちの２以上を組み合わせて行ってもよい。

【0086】

（Ｂ５）上述した実施形態では、図９のステップＳ１４０において、制御部５００は、現在造形中の三次元造形物の造形箇所が、外郭領域ＡＲ１か内部領域ＡＲ２かを判断し、外郭領域ＡＲ１を形成していると判断した場合に、吸引送出部９０を制御して、流路中の造形材料に振動を付与している。これに対して、制御部５００は、造形データを解析し、スライサーソフトによって記録された振動付与コマンドが対応付けられている移動経路の造形時に振動を付与してもよい。例えば、振動付与コマンドは、外郭領域ＡＲ１の全てではなく、一部の移動経路に対応付けられてもよい。こうすることで、外郭領域ＡＲ１のうちの一部の領域に対して、模様を形成できる。

【0087】

（Ｂ６）上述した実施形態の三次元造形装置１００において、可塑化部３０は、端面に溝形成面４２を有するフラットスクリュー４０と、端面にスクリュー対向面５２を有するバレル５０とを備えている。これに対して、可塑化部３０は、長尺な軸状の外形を有し、軸の側面に螺旋状の溝が形成されたインラインスクリューと、円筒状のスクリュー対向面を有するバレルとを備えてもよい。

【0088】

（Ｂ７）上述した実施形態の三次元造形装置１００において、圧力センサー８０は、第２流路１５２に設けられてもよい。この場合、制御部５００は、圧力センサー８０によって測定した第２流路１５２内の造形材料の圧力を用いてフラットスクリュー４０の回転数を調節してもよい。

【0089】

（Ｂ８）上述した実施形態では、図９に示した三次元造形処理のステップＳ１６５及びステップＳ１８５において、制御部５００は、外郭領域ＡＲ１の造形時における吐出停止時、あるいは、外郭領域ＡＲ１における吐出再開時において、造形材料に振動を付与している。これに対して、外郭領域ＡＲ１の造形時における吐出停止時、及び、外郭領域ＡＲ１における吐出再開時の両方又は一方において、制御部５００は、造形材料に振動を付与しなくてもよい。

【0090】

（Ｂ９）上述した実施形態では、図９に示した三次元造形処理のステップＳ１２５において、圧力調節処理を開始している。これに対して、圧力調節処理の実行は必須ではなく、ステップＳ１２５の処理は省略してもよい。

【0091】

Ｃ．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。

【0092】

（１）本開示の第１の形態によれば、三次元造形装置が提供される。この三次元造形装置は、材料を可塑化して造形材料を生成する可塑化部と、ノズル開口を有し、前記造形材料をステージに向けて吐出するノズルと、前記ノズル開口に連通し前記造形材料が流れる流路に設けられ、前記流路内の前記造形材料に振動を付与する振動付与部と、前記可塑化部及び前記振動付与部を制御して三次元造形物を造形する制御部と、を備え、前記制御部は、前記振動付与部を制御して前記流路内の前記造形材料に前記振動を付与しながら前記三次元造形物の外郭領域の少なくとも一部を造形する。
このような形態によれば、造形材料に振動を付与しながら三次元造形物の外郭領域の少なくとも一部を造形するので、外表面に模様を有する三次元造形物を、短時間に造形することができる。また、模様部分を描画するためにノズルの位置を細かく制御する必要がないので、模様の形成のために装置の負担が増大することを抑制できる。

【0093】

（２）上記形態の三次元造形装置において、前記振動付与部は、前記流路に接続されたシリンダー及び前記シリンダー内を移動するプランジャーを備える吸引送出部を有し、前記制御部は、前記プランジャーの位置を連続的又は段階的に変化させることで前記流路内の前記造形材料に前記振動を付与してもよい。このような形態によれば、造形材料を吸引或いは送出するためのプランジャーを利用して造形材料に振動を付与できる。

【0094】

（３）上記形態の三次元造形装置において、前記制御部は、前記プランジャーの前進及び後退を含むパターンを繰り返すことで前記振動を付与してもよい。このような形態によれば、三次元造形物の外郭領域に規則的な模様を形成できる。

【0095】

（４）上記形態の三次元造形装置において、前記制御部は、前記振動を付与している期間中に前記ノズルからの前記造形材料の吐出を停止する場合、前記吸引送出部を制御して前記シリンダー内に前記造形材料を吸引する動作を行いながら、前記振動を付与してもよい。このような形態によれば、ノズルからの吐出停止時において、模様の形成が途切れることを抑制できる。

【0096】

（５）上記形態の三次元造形装置において、前記制御部は、前記造形材料の吐出が停止されている状態から前記外郭領域において前記造形材料の吐出を再開する場合、前記吸引送出部を制御して前記シリンダーから前記流路に前記造形材料を送出する動作を行いながら、前記振動を付与してもよい。このような形態によれば、ノズルからの造形材料の吐出を再開する際に、模様が形成されない可能性を低減できる。

【0097】

（６）上記形態の三次元造形装置において、前記流路に設けられ、前記流路の開口面積を調整することによって前記ノズル開口からの前記造形材料の吐出量を調整する吐出調整部を備え、前記制御部は、前記吐出調整部を制御して前記造形材料の前記流路への流通を再開させた後に、前記吸引送出部を制御して前記シリンダーから前記流路への前記造形材料の送出を行うことで、前記造形材料の吐出を再開してもよい。このような形態によれば、ノズルからの造形材料の吐出を再開する際に、流路内の造形材料に振動を付与しやすい。

【0098】

（７）上記形態の三次元造形装置において、前記流路内の圧力を検出する圧力センサーを備え、前記可塑化部は、前記材料を可塑化するためのスクリューを有し、前記制御部は、前記圧力センサーによる前記圧力の検出値が予め定められた範囲内に収まるように前記スクリューの回転を制御する圧力調節処理を実行し、前記制御部は、前記圧力調節処理の実行中に、前記振動付与部を制御して前記流路内の前記造形材料に前記振動を付与しながら前記三次元造形物の外郭の少なくとも一部を造形してもよい。このような形態によれば、造形材料の圧力を安定させることができるので、外郭領域に模様を精度よく形成できる。

【0099】

（８）上記形態の三次元造形装置において、造形中の前記三次元造形物を加熱する加熱部を備え、前記制御部は、前記造形材料に前記振動を付与する場合と付与しない場合とで、異なる温度で前記三次元造形物を加熱するように前記加熱部を制御してもよい。このような形態によれば、造形材料に振動を付与して形成する模様の強度を高めることが可能になる。

【0100】

（９）上記形態の三次元造形装置において、前記振動付与部は、前記流路の開口面積を調整することによって前記ノズル開口からの前記造形材料の吐出量を調整する吐出調整部を有し、前記制御部は、前記開口面積を連続的又は段階的に変化させることで前記流路内の前記造形材料に前記振動を付与してもよい。このような形態によれば、造形材料の吐出量を調整する吐出調整部を利用して造形材料に振動を付与できる。

【0101】

（１０）本開示の第２の形態によれば、三次元造形物の製造方法が提供される。この製造方法は、材料を可塑化して造形材料を生成する第１工程と、ノズルに設けられたノズル開口から前記造形材料をステージに向けて吐出することにより、三次元造形物を造形する第２工程と、を備え、前記第２工程は、前記ノズル開口に連通し前記造形材料が流れる流路に設けられ、前記流路内の前記造形材料に振動を付与する振動付与部を制御して、前記流路内の前記造形材料に前記振動を付与しながら前記三次元造形物の外郭領域の少なくとも一部を造形する工程を含む。

【0102】

本開示は、上述した三次元造形装置や三次元造形物の製造方法に限らず、三次元造形システムや、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】

【0103】

２０…材料供給部、２２…供給路、３０…可塑化部、３１…スクリューケース、３５…駆動部、３６…駆動モーター、４０…フラットスクリュー、４１…上面、４２…溝形成面、４３…側面、４４…材料導入口、４５…溝部、４６…凸条部、４７…中央部、５０…バレル、５２…スクリュー対向面、５４…案内溝、５６…流路、５７…交差穴、５８…ヒーター、５９…冷媒配管、６０…上部ヒーター、６１…ノズル、６８…ノズル流路、６９…ノズル開口、７０…吐出調整部、７３…駆動軸、７５…バタフライバルブ、７７…カップリング部、８０…圧力センサー、９０…吸引送出部、９２…シリンダー、９３…プランジャー、１００…三次元造形装置、１０１…弁駆動部、１０２…プランジャー駆動部、１０３…冷媒ポンプ、１５１…第１流路、１５２…第２流路、２００…造形ユニット、３００…ステージ、３１０…造形面、４００…移動機構、５００…制御部

【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】

【図16】

【図17】

【図18】