特開 2025-15343 造形装置、および造形方法

(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】P2025015343

(43)【公開日】2025-01-30

(54)【発明の名称】造形装置、および造形方法

(51)【国際特許分類】

   B29C 64/118 20170101AFI20250123BHJP

   B29C 64/245 20170101ALI20250123BHJP

   B29C 64/209 20170101ALI20250123BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20250123BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20250123BHJP

   B29C 64/241 20170101ALI20250123BHJP

【ＦＩ】

B29C64/118

B29C64/245

B29C64/209

B33Y10/00

B33Y30/00

B29C64/241

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023118698

(22)【出願日】2023-07-20

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り ・令和５年３月１日に公開された２０２３年度精密工学会春季大会学術講演会の論文集のウェブサイト ・令和５年３月３日に公開された日本機械学会 生産システム部門研究発表講演会２０２３「コロケーション講演会」の予稿集のウェブサイト ・令和５年７月１３日に公開された学術論文誌Ｐｏｌｙｍｅｒｓ のウェブサイト ・令和５年３月６日から７日に開催された日本機械学会 生産システム部門研究発表講演会２０２３「コロケーション講演会」 ・令和５年３月１４日から１６日に開催された２０２３年度精密工学会春季大会学術講演会

(71)【出願人】

【識別番号】598121341

【氏名又は名称】慶應義塾

(71)【出願人】

【識別番号】317006683

【氏名又は名称】地方独立行政法人神奈川県立産業技術総合研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】小池 綾

(72)【発明者】

【氏名】シン ジアン

【テーマコード（参考）】

4F213

【Ｆターム（参考）】

4F213AA13

4F213AA24

4F213AA28

4F213AA29

4F213WA25

4F213WB01

4F213WL02

4F213WL32

4F213WL35

4F213WL52

4F213WL67

4F213WL73

4F213WL74

4F213WL87

4F213WL92

(57)【要約】

【課題】造形精度を高くすることができる造形装置および造形方法を提供する。
【解決手段】造形装置は、造形材料を用いて造形を行う造形装置であって、前記造形材料を吐出するノズルと、前記ノズルから吐出される前記造形材料を載置する載置面を含む造形台と、前記ノズルから吐出される前記造形材料に、前記造形台に向かう方向への加速度を付与する付与機構と、を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

造形材料を用いて造形を行う造形装置であって、
前記造形材料を吐出するノズルと、
前記ノズルから吐出される前記造形材料を載置する載置面を含む造形台と、
前記ノズルから吐出される前記造形材料に、前記造形台に向かう方向への加速度を付与する付与機構と、を有する、造形装置。

【請求項2】

前記ノズルから吐出された前記造形材料により形成した造形材料層を、前記載置面上に積層することにより前記造形を行い、
前記付与機構は、前記造形材料層に前記加速度を付与する、請求項１に記載の造形装置。

【請求項3】

前記付与機構は、所定の回転軸回りに前記ノズルおよび前記造形台を回転させることで、前記ノズルから吐出される前記造形材料に、前記造形台に向かう方向への遠心加速度を付与する、請求項１または請求項２に記載の造形装置。

【請求項4】

前記回転軸を挟んで前記造形台とは反対側に配置される荷重部材を有する、請求項３に記載の造形装置。

【請求項5】

前記荷重部材は、前記回転軸を中心に、前記載置面上に載置される前記造形材料と対称な位置に配置される、請求項４に記載の造形装置。

【請求項6】

前記ノズルよりも前記回転軸に近い位置に配置されるアクチュエータ機構を含む、請求項３に記載の造形装置。

【請求項7】

前記回転軸は、重力方向に直交する、請求項３に記載の造形装置。

【請求項8】

前記付与機構により前記加速度が付与された状態において、前記ノズルから吐出される前記造形材料は、前記付与機構により前記加速度が付与されていない状態において、前記ノズルから吐出される前記造形材料よりも多い、請求項１または請求項２に記載の造形装置。

【請求項9】

重力場が１Ｇのときに吐出可能な前記ノズルの直径をＬとすると、
加速度場がｎ×Ｇのときの前記ノズルの直径はＬ／√ｎである、請求項１または請求項２に記載の造形装置。

【請求項10】

造形材料を用いて造形を行う造形装置による造形方法であって、
前記造形装置が、
ノズルにより、前記造形材料を吐出し、
造形台の載置面により、前記ノズルから吐出される前記造形材料を載置し、
付与機構により、前記ノズルから吐出される前記造形材料に、前記造形台に向かう方向への加速度を付与する、造形方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、造形装置、および造形方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、生産工学やものづくり産業において、三次元物体の造形装置および造形方法が知られている。

【0003】

造形装置および造形方法として、熱可塑性樹脂を造形材料として、ノズルから吐出した造形材料により形成される造形材料層を積層するものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１７－１６４９２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

造形材料を用いて造形を行う造形装置および造形方法では、造形材料を吐出するノズルの出口穴のサイズが小さいほど、ノズルから吐出される造形材料が少なくなるため、高分解能な造形が可能になり、造形精度が高くなる。しかしながら、ノズルの出口穴のサイズを小さくすると、ノズルから造形材料を吐出するための力よりも造形材料の表面張力が大きくなってノズルから造形材料を吐出できなくなる場合がある。このため、造形材料を吐出可能な程度にノズルの出口穴のサイズを大きくする必要があり、造形精度を高くする点で改善の余地があった。

【0006】

本開示に係る実施形態は、造形精度を高くすることができる造形装置および造形方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の実施形態に係る造形装置は、造形材料を用いて造形を行う造形装置であって、前記造形材料を吐出するノズルと、前記ノズルから吐出される前記造形材料を載置する載置面を含む造形台と、前記ノズルから吐出される前記造形材料に、前記造形台に向かう方向への加速度を付与する付与機構と、を有する。

【0008】

本開示の実施形態に係る造形方法は、造形材料を用いて造形を行う造形装置による造形方法であって、前記造形装置が、ノズルにより、前記造形材料を吐出し、造形台の載置面により、前記ノズルから吐出される前記造形材料を載置し、付与機構により、前記ノズルから吐出される前記造形材料に、前記造形台に向かう方向への加速度を付与する。

【発明の効果】

【0009】

本開示の実施形態によれば、造形精度を高くすることができる造形装置および造形方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態に係る造形装置を模式的に示す正面図である。

【図2】実施形態に係る造形装置を模式的に示す側面図である。

【図3】実施形態に係る付与機構を説明する斜視図である。

【図4】実施形態に係るノズルを模式的に示す断面図である。

【図5】ノズル出口穴近傍での吐出圧力と遠心力と表面張力の関係を示す図である。

【図6】重力場における造形結果を模式的に示す図である。

【図7】無重力場における造形結果を模式的に示す図である。

【図8】遠心力場における造形結果を模式的に示す図である。

【図9】実施形態に係る造形装置による造形結果を示す図である。

【図10】ノズル温度と加速度と造形物の重量の関係を示す図である。

【図11】ノズルから吐出後のフィラメント状造形材料の直径を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本開示の実施形態に係る造形装置および造形方法について図面を参照しながら詳細に説明する。但し、以下に示す形態は、本実施形態の技術思想を具現化するための造形装置および造形方法を例示するものであって、以下に限定するものではない。また、実施形態に記載されている構成部の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り、本開示の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさ、位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。また、以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており詳細説明を適宜省略する。

【0012】

以下に示す図面において、方向表現として、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を有する直交座標を用いる場合がある。Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、互いに直交する。Ｘ軸の矢印が向く方向を＋Ｘ側、＋Ｘ側とは反対側を－Ｘ側と表記する。Ｙ軸の矢印が向く方向を＋Ｙ側、＋Ｙ側とは反対側を－Ｙ側と表記する。Ｚ軸の矢印が向く方向を＋Ｚ側、＋Ｚ側とは反対側を－Ｚ側と表記する。

【0013】

Ｙ軸は、実施形態に係る造形装置が備える付与機構の回転軸に沿う軸を示すものとする。Ｚ軸に沿うＺ方向は、重力方向に沿う方向を示すものとする。但し、これらの方向表現は、相対的な位置関係を説明するためのものに過ぎず、実施形態の方向を限定するものではない。

【0014】

本明細書においてＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸に沿うとは、ある対象がこれら軸に対して±１０°の範囲内の傾きを有することを含む。また、本明細書において「直交」は、厳密に９０度の角度をなすことを要求するものではなく、±１０度以下の９０度からのずれを含んでもよい。

【0015】

＜実施形態に係る造形装置の構成例＞
図１～図４を参照して、実施形態に係る造形装置の構成について説明する。図１および図２は、実施形態に係る造形装置１００の構成の一例を模式的に示す図である。図１は、造形装置１００を＋Ｙ側からみた正面図である。図２は、造形装置１００を＋Ｘ側からみた側面図である。図３は、造形装置１００が有する付与機構３の一例を説明する斜視図である。図４は、造形装置１００が有するノズル１を模式的に示す断面図である。図４は、ノズル１の出口穴１０２の中心軸１ｃを含むノズル１の断面を示している。

【0016】

図１および図２に示すように、本実施形態に係る造形装置１００は、造形材料を吐出するノズル１と、ノズル１から吐出される造形材料を載置する載置面２１を含む造形台２と、ノズル１から吐出される造形材料に、造形台２に向かう方向への加速度を付与する付与機構３と、を有する。造形装置１００は、造形材料を用いて造形を行う造形装置である。造形装置１００は、一例として、ノズル１から吐出された造形材料により造形を行う、材料押出方式の造形装置である。

【0017】

図１および図２に示す例では、造形装置１００は、ベース部材４と、支持部材５と、円筒部材６と、フレーム部材７と、供給機構８と、ヒータ９と、荷重部材１０と、アクチュエータ機構１１と、保持部材１２と、テーブル１３と、を有する。また造形装置１００は、制御部１４と、モータ１５と、配線１６と、スリップリング１７と、一対の軸受ブラケット１８と、一対のイケール１９と、を有する。

【0018】

造形装置１００は、付与機構３により付与される加速度を、ノズル１から吐出される造形材料に作用させることで、加速度が作用していない場合と比較して細い状態で、ノズル１から造形材料を吐出させることができる。

【0019】

付与機構３により加速度が付与される「ノズル１から吐出される造形材料」には、「ノズル１から吐出される前の、ノズル１の内部にある造形材料」、または「ノズル１から吐出された後の造形材料」が含まれる。「細い状態」とは、ノズル１から吐出されるフィラメント状の造形材料において、フィラメントの直径またはフィラメントの幅が小さくなった状態を意味する。フィラメントの直径は、フィラメント状の造形材料の断面形状が略円形である場合に対応する。フィラメントの幅は、フィラメント状の造形材料の断面形状が矩形、多角形または楕円形等である場合に対応する。

【0020】

ノズル１から吐出される造形材料が細くなることで、高分解能な造形が可能になる。これにより、本実施形態では、造形精度を高くすることができる造形装置および造形方法を提供できる。なお、ここでの造形精度には、造形装置による造形物の形状精度、および造形物の機械的強度が少なくとも含まれる。

【0021】

また、造形装置１００は、ノズル１から吐出された造形材料により形成した造形材料層を、載置面２１上に積層することにより造形を行い、付与機構３は、上記の造形材料層に加速度を付与する。造形装置１００では、付与機構３により付与される加速度を載置面２１上に形成される各造形材料層に作用させることにより、層間で互いに圧着される。これにより、各造形材料層間の接合強度を増大させ、造形装置１００により造形される造形物の機械的強度を高くすることができる。

【0022】

さらに、付与機構３は、所定の回転軸３０回りにノズル１および造形台２を回転させることで、ノズル１から吐出される造形材料に、造形台２に向かう方向への遠心加速度を付与する。図１に矢印で示した回転方向Ｒは、付与機構３によるノズル１の回転方向を表している。造形台２は、ノズル１よりも回転軸３０から遠い位置に配置され、付与機構３によりノズル１とともに回転する。造形装置１００は、付与機構３に回転機構を用いて遠心加速度を付与することで、簡単な構成により、ノズル１から吐出される造形材料に、造形台２に向かう方向への加速度を付与することができる。

【0023】

以下、造形装置１００が有する各構成とその機能について詳細に説明する。

【0024】

図１において、ベース部材４は、造形装置１００の各構成部を支持する基礎となる板状の部材である。ベース部材４は、造形装置１００を移動できるようにキャスターや取っ手が適宜設けられてよい。支持部材５は、ベース部材４の＋Ｚ側の面に固定され、円筒部材６を支持する。

【0025】

円筒部材６は、ノズル１、造形台２、フレーム部材７、供給機構８、ヒータ９、荷重部材１０、アクチュエータ機構１１、保持部材１２、テーブル１３および制御部１４等を内側に配置する。また円筒部材６は、付与機構３に含まれる構成の一部を内側に配置できる。円筒部材６は、これら各構成を円筒部材６の内側に配置することで、各構成が付与機構３によって回転軸３０回りに回転されたときに誤って造形装置１００から外れて飛ばされた場合にも、円筒部材６の内側面で受け止めることができる。これにより、各構成が造形装置１００の周辺に飛ばされることを防止し、造形装置１００の安全性を高くすることができる。

【0026】

図１に示すように、フレーム部材７は、複数の柱状部材を含み、造形台２、第１載置台７１、第２載置台７２および第３載置台７３等を柱状部材によって支持する。フレーム部材７は付与機構３に接続している。

【0027】

図２および図３に示すように、付与機構３は、軸心部材３１と、連結部材３２と、第１プーリ３３と、ベルト３４と、第２プーリ３５と、軸受部材３６と、を有する。軸心部材３１は、連結部材３２を介してフレーム部材７に接続される。また軸心部材３１は、Ｙ方向における連結部材３２の両側に配置された一対の軸受ブラケット１８に、軸受部材３６を介して接続される。軸心部材３１は、一対の軸受ブラケット１８に接続された状態で、その中心軸に略一致する回転軸３０回りに回転することができる。一対の軸受ブラケット１８は、対応するイケール１９を介してベース部材４に固定される。

【0028】

図２に示すように第１プーリ３３は、ベース部材４上に載置されたモータ１５の軸心１５１に接続される。モータ１５には、ステッピングモータやＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）モータ等の様々なモータを使用できる。第２プーリ３５は、軸心部材３１に接続される。ベルト３４は、第１プーリ３３と第２プーリ３５に架け回される。

【0029】

造形装置１００は、モータ１５の回転トルクを、第１プーリ３３、ベルト３４および第２プーリ３５を介して軸心部材３１に伝達することにより、軸心部材３１を回転させる。図３に示すように、造形装置１００は、軸心部材３１を回転させることで、連結部材３２を介して軸心部材３１に接続されるフレーム部材７を、回転軸３０回りに回転させることができる。

【0030】

図１に示すように、第１載置台７１には、アクチュエータ機構１１が固定される。アクチュエータ機構１１は、２軸ステージ１１１と昇降ステージ１１２とを含む。２軸ステージ１１１および昇降ステージ１１２は、テーブル１３に接続される。テーブル１３は保持部材１２を介してノズル１に接続される。アクチュエータ機構１１は、２軸ステージ１１１により、造形台２の載置面２１に平行な平面内で直交する２軸方向に、テーブル１３を移動させることができる。また、アクチュエータ機構１１は、昇降ステージ１１２により、載置面２１の法線方向に、テーブル１３を移動させることができる。

【0031】

第２載置台７２には、制御部１４が固定される。制御部１４は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等のプロセッサ、電気回路、電子回路およびメモリ等を含む。制御部１４は、プロセッサ、電気回路、電子回路およびメモリ等を用いて、アクチュエータ機構１１の駆動を制御できる。また、制御部１４は、ノズル１による造形材料の吐出を制御することもできる。

【0032】

造形装置１００は、制御部１４の制御下で、アクチュエータ機構１１によりテーブル１３を移動させることで、造形台２の載置面２１に平行な平面内で略直交する２軸方向、および載置面２１の法線方向のそれぞれに、ノズル１を移動させることができる。

【0033】

図２に示すように、制御部１４は、外部装置から配線１６およびスリップリング１７を介して供給される電力および信号に応じて駆動される。造形装置１００は、スリップリング１７を介することで、フレーム部材７の回転に応じて回転する制御部１４に電力および信号を供給することができる。造形装置１００では、スリップリング１７を介して外部装置から制御部１４に電力や信号を供給可能にすることで、付与機構３により回転される部材を減らすことができる。付与機構３により回転される部材を減らすことで、造形装置１００の構成を簡略化でき、また付与機構３による回転に必要な駆動電力を低減することができる。

【0034】

但し、造形装置１００において制御部１４等に電力および信号を供給するための構成は、スリップリング１７を用いるものに限定されない。例えば、制御部１４等に電力を供給する電源や信号を供給する制御装置は、造形装置１００がフレーム部材７に配置されてもよい。この場合、電源や制御装置は、制御部１４等とともに付与機構３により回転される。一方、造形装置１００では、制御部１４が円筒部材６の外側に配置され、制御部１４からスリップリング１７を介してアクチュエータ機構１１およびノズル１に制御信号が供給されてもよい。

【0035】

本明細書では、造形台２は移動せず、ノズル１が造形台２に対して移動する構成を示すが、ノズル１は移動せず、造形台２がノズル１に対して移動する構成であってもよい。つまり、造形台２とノズル１は、互いに直交する３軸方向に相対移動できればよい。また、アクチュエータ機構１１は、２軸ステージ１１１および昇降ステージ１１２を有するものに限定されず、リニアガイド機構やパラレルリンク機構を有するものであってもよい。

【0036】

図１に示すように、第２載置台７２には、供給機構８がさらに固定される。供給機構８が有する回転可能なリールの外周面には、造形材料８０がフィラメントの状態で巻き付けられている。供給機構８は、リールの外周面に巻き付けられた造形材料８０を、リールを回転させることによって巻き出し、テーブル１３や第１載置台７１に形成された貫通孔等を通して、保持部材１２に保持されるノズル１に、造形材料８０を供給することができる。

【0037】

供給機構８は、リールの外周面に巻き付けられた造形材料８０を、リールと一体にカートリッジに格納し、カートリッジからノズル１に造形材料８０を供給することもできる。また、造形材料８０は、フィラメントの状態でリールに巻き付けられて供給されるものに限らず、ペレットと呼ばれる細かい粒子で供給されてもよい。

【0038】

第３載置台７３には、荷重部材１０が固定される。荷重部材１０は、回転軸３０を挟んで造形台２とは反対側に配置される。回転軸３０を挟んで造形台２とは反対側に荷重部材１０を配置することで、ノズル１および造形台２と荷重部材１０との均衡性を高くすることができる。これにより、荷重部材１０がない場合と比較して、付与機構３によるノズル１および造形台２の回転を安定化させることができる。また、ノズル１および造形台２の回転が安定化することで外乱を低減できるため、造形装置１００による造形精度を高くすることができる。ノズル１および造形台２の回転を安定化させる観点では、荷重部材１０は、回転軸３０を中心に載置面２１上に載置される造形材料と対称な位置に配置されることが好ましい。また荷重部材１０の重量は、ノズル１および造形台２等の重量と釣り合いがとれた重量であることが好ましい。

【0039】

図４に示すように、ノズル１は、収容部材１０１と、出口穴１０２と、を有する。ノズル１は、収容部材１０１の内側に収容された造形材料８０を、出口穴１０２を通してノズル１の外部に吐出することができる。

【0040】

造形材料８０には、高温になると溶ける熱可塑性樹脂等が挙げられる。造形に用いられる熱可塑性樹脂には、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ：Ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ Ｓｔｙｒｅｎｅ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ：Ｐｏｌｙ－Ｌａｃｔｉｃ Ａｃｉｄ）、アクリレートスチレンアクリロニトリル（ＡＳＡ：Ａｃｒｙｌａｔｅ Ｓｔｈｒｅｎｅ Ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ）、ポリアミド（ＰＡ：Ｐｏｌｙ Ａｍｉｄｅ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ：Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ポリカーブネト（ＰＣ：Ｐｏｌｙ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ）、ポリフェニルスルホン（ＰＰＳＵ：ＰｏｌｙＰｈｅｎｙｌＳｕｌｆｏｎｅ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ：Ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｉｍｉｄｅ）等が挙げられる。造形装置１００は、上記の樹脂に銅や、木質、炭素繊維等を混ぜ込んだ複合化材料を、造形材料として用いることもできる。

【0041】

ノズル１の外側には、ヒータ９が配置される。ヒータ９は、供給機構８から供給され、ノズル１の収容部材１０１の内側に収容される造形材料８０を加熱することで溶融させる。図４に示した溶融領域８１は、造形材料８０がヒータ９の加熱により吐出可能な状態に溶融された領域を表している。ノズル１は、制御部１４の制御下で、溶融された造形材料８０に圧力を加えることで、出口穴１０２から造形材料８０を吐出することができる。なお、ノズル１に対するヒータ９の配置位置は、適宜決定可能である。

【0042】

造形装置１００は、制御部１４により、２軸ステージ１１１によるノズル１の移動と、ノズル１からの造形材料８０の吐出と、を制御することで、造形台２の載置面２１上に、ノズル１から吐出された造形材料８０によって、載置面２１に平行な平面内で略直交する２軸方向に延在する造形材料層を形成できる。また、造形装置１００は、昇降ステージ１１２によりノズル１を移動させることで、造形台２の載置面２１の法線方向に上記の造形材料層を複数積層できる。

【0043】

また、造形台２は、載置面２１とは反対側の面に、ヒートシンク２２を有することができる。ヒートシンク２２は、ヒータ９により加熱された状態で載置面２１上に積層される各造形材料層の熱を放熱し、冷却させる。

【0044】

造形装置１００は、造形対象である造形物Ｍの三次元データを複数の層にスライスしたデータに基づき、ノズル１から吐出された造形材料８０により形成される複数の造形材料層を積層する。造形物Ｍの三次元データにおける全ての層が、造形材料層として載置面２１上に積層された後、冷却して固まることで、造形装置１００による造形物Ｍの造形が完了する。

【0045】

アクチュエータ機構１１は、ノズル１よりも回転軸３０に近い位置に配置されることが好ましい。例えば、付与機構３によりアクチュエータ機構１１が回転されると、アクチュエータ機構１１に遠心加速度が作用し、アクチュエータ機構１１に含まれる機構部品が干渉すること等によって、アクチュエータ機構１１によるノズル１の移動が不安定になる場合がある。アクチュエータ機構１１をノズル１よりも回転軸３０に近い位置に配置することで、アクチュエータ機構１１に作用する遠心加速度を低減させることができる。これにより、アクチュエータ機構１１によるノズル１の移動を安定化させ、造形装置１００による造形精度を高くすることができる。

【0046】

また、造形装置１００では、回転軸３０は、重力方向（Ｚ方向）に直交することが好ましい。回転軸３０を重力方向に直交させることで、回転軸３０が重力方向と直交しない場合と比較して、造形装置１００の床等への設置面積を狭くできる。これにより、造形装置１００が配置されるスペースを削減できる。

【0047】

また、回転軸３０を重力方向に直交させることで、回転軸３０が重力方向と直交しない場合と比較して、付与機構３によって回転される各構成が誤って放り出される範囲を制限できるため、安全性を高くすることができる。より具体的には、造形装置１００では、水平方向に飛び出すおそれがある水平面の角度３６０度を回転軸３０回りの３６０度方向に制限できる。回転軸３０回りの上下左右方向等に部材が飛び出す可能性はあるが、造形装置１００の操作者等は造形装置１００の前後方向に位置することが多く、少なくも下方向（床方向）と上方向（天井方向）には基本的に人は存在しない。そのため、造形装置１００から飛び出した部材等が人に当たることを好適に防止できる。

【0048】

造形装置１００が有する構成のうち、ベース部材４、支持部材５、円筒部材６、ノズル１、造形台２、フレーム部材７、供給機構８、荷重部材１０、保持部材１２、テーブル１３、一対の軸受ブラケット１８、および一対のイケール１９等の部材は、金属材料または樹脂材料等を含んで構成できる。剛性を高くする観点や耐熱性を高くする観点では、金属材料を含んで構成されることが好ましい。一方、軽量化の観点では、樹脂材料を含んで構成されることが好ましい。

【0049】

＜造形装置１００の主な作用＞
まず、図５を参照して、ノズル１から吐出される造形材料８０に付与する加速度の作用について、詳細に説明する。図５は、本実施形態に係るノズル１の出口穴１０２近傍での吐出圧力と遠心力と表面張力との関係の一例を示す図である。図５は、ノズル１の出口穴１０２の中心軸１ｃを含むノズル１の断面を示している。

【0050】

図５において、造形材料８０は、収容部材１０１の内側に収容され、溶融状態にある。造形材料８０には、吐出圧力Ｐと遠心力Ｈの和が作用している。造形材料８０'は、収容部材１０１の内側から出口穴１０２の内部に移動途中の造形材料を表している。造形材料８０'には、表面張力σ（Ｎ／ｍ）が作用している。直径Ｌは、円形の出口穴１０２の直径である。なお、出口穴１０２の断面形状が矩形等の円形以外である場合には、Ｌは出口穴１０２の幅であってもよい。

【0051】

ノズルから造形材料を吐出させる造形装置では、ノズルの出口穴の直径Ｌが小さいほど、ノズルから吐出されるフィラメント状の造形材料の直径を小さくできる。これにより、造形の分解能が高くなり造形精度が高くなる。

【0052】

例えば、造形材料に遠心力を作用させない状態で、重力方向の下向きに造形材料を吐出する場合、収容部材の内側にある造形材料には、吐出圧力Ｐと重力の和が作用する。吐出圧力Ｐと重力の和が造形材料の表面張力σよりも大きいと、収容部材の内側にある造形材料は、出口穴に移動し、出口穴を通ってノズルの外側に吐出される。一方、ノズルの出口穴の直径Ｌが小さいほど、造形材料の表面張力σが重力と比べて相対的に大きくなる。収容部材の内側にある造形材料に作用する吐出圧力Ｐと重力の和が表面張力σよりも小さくなると、収容部材の内側にある造形材料は、出口穴に移動できなくなる結果、ノズルから吐出できなくなる場合がある。ノズルから造形材料が吐出できる程度に出口穴の直径Ｌを大きくすると、ノズルから吐出されるフィラメント状の造形材料の直径が、出口穴の直径Ｌに応じて大きくなる。これにより、高い造形精度が得られず、造形精度の点で改善の余地があった。

【0053】

本実施形態に係る造形装置１００では、付与機構３により、ノズル１から吐出される造形材料８０に、遠心加速度を付与して遠心力Ｈを作用させる。モータ１５の回転数を上げる等して付与機構３により付与する遠心加速度を大きくし、吐出圧力Ｐと遠心力Ｈの和を表面直力σよりも大きくすることで、ノズル１から造形材料８０を吐出可能にしつつ、ノズル１の出口穴１０２の直径Ｌを小さくすることができる。これにより、ノズル１から吐出される造形材料８０に、付与機構３で加速度を付与しない場合と比較して、ノズル１の出口穴１０２の直径Ｌを小さくし、ノズル１から吐出されるフィラメント状の造形材料８０の直径を小さくすることができる。この結果、造形装置１００による造形精度を高くすることができる。

【0054】

次に、図６～図８を参照して、ノズル１から吐出される造形材料８０、並びに造形台２の載置面２１上に形成された造形材料層に、それぞれ加速度を付与することの作用について、詳細に説明する。

【0055】

図６は、重力場における造形結果を模式的に示す図である。図７は、無重力場における造形結果を模式的に示す図である。図８は、本実施形態に係る遠心力場における造形結果の一例を模式的に示す図である。

【0056】

重力場は、少なくともノズル１から吐出される造形材料に重力がかかっている状態、別の観点では１Ｇが付与されている状態、を意味する。この「１Ｇ」における「Ｇ」は、重力加速度を示している。無重力場は、重力がほぼかかっていない状態を意味する。但し、宇宙空間においても、星からの重力がわずかであってもかかっているという観点では、無重力場は、微小重力場と称することもできる。遠心力場は、少なくともノズル１から吐出される造形材料に遠心力がかかっている状態を意味する。以降では、遠心力加速度を、重力加速度の「Ｇ」を用いてｎ×Ｇと表現する場合がある。なお、ｎは自然数である。

【0057】

図６および図７は、ノイズから吐出される造形材料に加速度が付与されない場合、すなわち本実施形態が適用されない場合を示す図である。しかしながら、図６および図７では、説明をわかりやすくするために、本実施形態に係る構成と実質的に同じ機能を有する構成には、本実施形態における符号と同じ符号を付している。また、図６～図８は、ノズル１から吐出された造形材料８０により形成され、載置面２１上に積層された複数の造形材料層Ｍ０を側方から見た様子を示している。

【0058】

図６において、フィラメント直径ｐ１は、重力場において、ノズル１から吐出されたフィラメント状の造形材料８０の直径を表している。フィラメント直径ｐ１は、ノズル１から造形材料８０が吐出できる程度に大きくした出口穴の直径Ｌに応じたものとなる。

【0059】

隙間ｅ１は、造形台２の載置面２１上に形成され、積層される複数の造形材料層Ｍ０同士の間に生じた隙間を表している。造形材料層Ｍ０同士の間に隙間があると、造形材料層Ｍ０の接合強度が低下し、層Ｍ０が剥離しやすくなる結果、造形される造形物Ｍの機械的強度が低下する。造形材料層Ｍ０同士の間の隙間ｅ１の数が多くなったり、１つの隙間ｅ１当たりの体積が大きくなったりするほど、造形物Ｍの機械的強度は低下する。また隙間ｅ１は、造形において意図しないものであるため、隙間ｅ１が生じた分、造形物Ｍの形状誤差が大きくなる。

【0060】

図７において、フィラメント直径ｐ２は、無重力場において、ノズル１から吐出されたフィラメント状の造形材料８０の直径を表している。フィラメント直径ｐ２は、ノズル１から造形材料８０が吐出できる程度に大きくした出口穴の直径Ｌに応じたものとなる。無重力場では、ノズル１から吐出される造形材料８０に重力が作用しないため、重力場と比較して出口穴の直径Ｌを大きくする分、フィラメント直径ｐ２はフィラメント直径ｐ１よりも大きくなっている。従って、無重力場での造形は、重力場での造形と比較して、造形精度が低くなる。

【0061】

隙間ｅ２は、造形台２の載置面２１上に形成され、積層される複数の造形材料層Ｍ０同士の間に生じた隙間を表している。無重力場では、載置面２１上に積層される複数の造形材料層Ｍ０に重力が作用しない。このため、重力場における隙間ｅ１と比較して造形材料層Ｍ０同士の密着性が低くなる結果、隙間ｅ２の数がさらに多くなるとともに、１つの隙間ｅ２当たりの体積が大きくなっている。従って、無重力場での造形は、重力場での造形と比較して、造形物Ｍの機械的強度が低くなる。また隙間ｅ２が生じた分、造形物Ｍの形状誤差が大きくなる。

【0062】

図８において、フィラメント直径ｐ３は、本実施形態に係る遠心力場において、ノズル１から吐出されたフィラメント状の造形材料８０の直径を表している。遠心力場では、ノズル１から吐出される造形材料８０に重力よりも大きい遠心力を作用させることができるため、重力場と比較して出口穴１０２の直径Ｌを小さくできる分、フィラメント直径ｐ３はフィラメント直径ｐ１よりも小さくすることができる。これにより、遠心力場での造形は、無重力場および重力場での造形と比較して造形精度が高くなる。

【0063】

図８に示すように、遠心力場では、造形台２の載置面２１上に形成され、積層される複数の造形材料層Ｍ０のそれぞれを構成する造形材料８０に重力よりも大きい遠心力を付与できるため、重力場と比較して、造形材料層Ｍ０同士の密着性を上げることができる。これにより、重力場と比較して、造形材料層Ｍ０同士の間に生じる隙間を低減することができる。

【0064】

造形材料層Ｍ０同士の間の隙間を低減することで、造形材料層Ｍ０同士の接合強度を高くし、造形材料層Ｍ０同士が剥離することを低減できる。これにより、遠心力場での造形は、無重力場および重力場での造形と比較して、造形物Ｍの機械的強度を高くすることができる。また造形材料層Ｍ０同士の間での隙間を低減できる結果、造形物Ｍの形状誤差を低減することができる。

【0065】

付与機構３による遠心力場は、宇宙空間等の無重力場においても生成できる。このため、造形装置１００は、宇宙空間等の無重力場において造形を行う場合にも、高い造形精度を実現することができる。

【0066】

＜実施例＞
（仕様例）
表１は、実施例に係る造形装置１００の仕様の一例を示している。但し、本開示に係る造形装置１００の仕様項目および仕様値は、表１に示す例に何ら限定されない。

【表1】

【0067】

表１における「回転半径」は、造形装置１００の回転軸３０から造形台２の載置面２１までの最短距離に対応する。実施例では、例えば５９８ｒｐｍにおいて、１００Ｇにほぼ等しい遠心加速度が得られた。

【0068】

（造形結果例）
図９は、実施例に係る造形装置１００による造形結果の一例を示す図である。図９において、縦軸は加速度ａを示し、横軸はノズル１の温度Ｔを示している。

【0069】

加速度ａ１は１Ｇである。つまり、加速度ａ１での造形結果は、造形装置１００の付与機構３により加速度が付与されておらず、ノズル１から吐出される造形材料に重力のみが作用する状態で行われたものである。一方、加速度ａ２は、３２Ｇにほぼ等しい。つまり、加速度ａ２での造形結果は、造形装置１００の付与機構３により、３２Ｇにほぼ等しい遠心加速度が付与された状態で行われたものである。

【0070】

ノズル１の温度Ｔ１は、２００℃である。ノズル１の温度Ｔ２は２２０℃であ。図９に示した４つの画像のそれぞれは、対応する遠心加速度ａおよびノズル１の温度Ｔごとで、ノズル１から造形材料８０を約１０秒間吐出したときに得られた造形物Ｍを示している。

【0071】

図９に示すように、ノズル１から吐出された造形材料の量は、ノズル１の温度Ｔ１および温度Ｔ２のそれぞれにおいて、加速度ａ１の場合よりも加速度ａ２の場合のほうが多くなった。また、図９に示すように、ノズル１から吐出されたフィラメント状の造形材料の直径は、ノズル１の温度Ｔ１および温度Ｔ２のそれぞれにおいて、加速度ａ１の場合よりも加速度ａ２の場合のほうが小さくなった。具体的には、加速度ａ１での造形物Ｍでは、フィラメント状の造形材料が視認されるのに対し、加速度ａ２での造形物Ｍでは、フィラメント状の造形材料が視認できないほど、フィラメント状の造形材料の直径が小さくなった。

【0072】

図１０は、図９の造形結果における、ノズル１の温度と加速度と造形物Ｍの重量との関係の一例を示す図である。図１０において、縦軸はノズル１から吐出された造形材料の重量を示し、横軸はノズル１の温度Ｔを示している。ノズル１の温度Ｔ１，Ｔ２および加速度ａ１，ａ２の条件は、図９で示したものと同じである。斜線ハッチングで示したグラフは、加速度ａ１において、ノズル１から吐出された造形材料の重量を示している。ドットハッチングで示したグラフは、加速度ａ２において、ノズル１から吐出された造形材料の重量を示している。

【0073】

図１０に示すように、ノズル１の温度Ｔ１では、加速度ａ１においてノズル１から１０秒間に吐出された造形材料の重量は、６７．６７ｍｇであった。加速度ａ２においてノズル１から１０秒間に吐出された造形材料の重量は、５６７．３９ｍｇであった。一方、ノズル１の温度Ｔ２では、加速度ａ１においてノズル１から１０秒間に吐出された造形材料の重量は、６７．８８ｍｇであった。加速度ａ２においてノズル１から１０秒間に吐出された造形材料の重量は、４３０．８０ｍｇであった。

【0074】

別の観点では、ノズル１の温度がＴ１において、加速度ａ２でノズル１から１０秒間に吐出された造形材料の重量は、加速度ａ１でノズル１から１０秒間に吐出された造形材料の重量の８．３８倍であった。また、ノズル１の温度がＴ２において、加速度ａ２でノズル１から１０秒間に吐出された造形材料の重量は、加速度ａ１でノズル１から１０秒間に吐出された造形材料の重量の６．３５倍であった。

【0075】

以上のように、造形装置１００では、付与機構３により加速度が付与された状態においてノズル１から吐出される造形材料は、付与機構３により加速度が付与されていない状態においてノズル１から吐出される造形材料と比較して多くなった。また、ノズル１から吐出される造形材料が多くなることに伴い、ノズル１から吐出される造形材料の重量が重くなった。これらにより、造形装置１００では、ノズル１から吐出される造形材料に加速度を付与することで、短い時間で多くの造形材料を吐出できることが分かった。造形装置１００では、短い時間で多くの造形材料を吐出することで、造形の生産性を高くすることができる。

【0076】

次に、図１１は、図９の造形結果における、ノズル１から吐出された後の、フィラメント状の造形材料の直径を測定した結果の一例を示す図である。図１１においても、図９と同様に、縦軸は加速度ａを示し、横軸はノズル１の温度Ｔを示している。ノズル１の温度Ｔ１，Ｔ２および加速度ａ１，ａ２の条件も図９で示したものと同じである。

【0077】

図１１において、加速度ａ１およびノズル１の温度Ｔ１では、ノズル１から吐出された造形材料のフィラメント直径ｐ２１は、５５５μｍであった。加速度ａ１およびノズル１の温度Ｔ２では、ノズル１から吐出された造形材料のフィラメント直径ｐ２２は、４６１μｍであった。一方、加速度ａ２およびノズル１の温度Ｔ１では、ノズル１から吐出された造形材料のフィラメント直径ｐ２３は、１１４μｍであった。加速度ａ２およびノズル１の温度Ｔ２では、ノズル１から吐出された造形材料のフィラメント直径ｐ２４は、８２μｍであった。

【0078】

ここで、理論式に基づき、図１１の結果を考察する。重力と表面張力σとの比を示す無次元数であるエトベス数Ｅ_０は、次の式（１）により表される。式（１）において、Δρ（ｋｇ／ｍ^３）は造形材料の密度差、ｇ（ｍ／ｓ^２）は重力加速度をそれぞれ表している。

【数1】

【0079】

ノズル１の出口穴１０２の直径Ｌは４００μｍである。１Ｇである加速度ａ１で得られたフィラメント直径ｐ２１の５５５μｍと、フィラメント直径ｐ２１の４６１μｍは、直径Ｌよりもわずかに大きい直径である。このため、これらの結果は、式（１）に基づくと、妥当な結果であると考えられる。

【0080】

一方、加速度ａ２は３２Ｇであるため、式（１）の重力加速度ｇを加速度ａ２に置き換えると、式（１）に基づくノズル１から吐出された造形材料のフィラメント直径は、ノズル１の出口穴１０２の直径Ｌの１／√（３２）倍（＝７０．８（μｍ））になることが想定される。加速度ａ２で得られたフィラメント直径ｐ２３の１１４μｍと、フィラメント直径ｐ２４の８２μｍは、それぞれ４００μｍよりも７０．８μｍに近い値である。このため、これらの結果は、妥当な結果であると考えられる。

【0081】

以上のように、式（１）に基づくと、重力場が１Ｇのときに吐出可能なノズル１の直径をＬとすると、加速度ａ２が３２Ｇの場合には、ノズル１の出口穴１０２の直径をＬ／√（３２）とすることができることが分かった。一般化すると、造形装置１００では、重力場が１Ｇのときに吐出可能なノズル１の直径をＬとすると、加速度場がｎ×Ｇのときのノズル１の直径はＬ／√ｎであってよいことが分かった。造形装置１００では、付与機構３による加速度が作用していない場合と比較して、出口穴１０２の直径が小さいノズル１を利用して造形材料を吐出させることができるため、造形精度を高められることが分かった。

【0082】

なお、図９～図１１に示した例では、ノズル１の温度が２００℃および２２０℃であり、加速度ａ２が３２Ｇの場合を例示したが、これらに限定されない。例えば、上述した表１に示した仕様の範囲において、ノズル１の温度や遠心加速度、ノズル１の出口穴１０２の直径等を適宜変更できる。

【0083】

以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形および置換を加えることができる。

【0084】

加速度の付与機構３は、回転により遠心加速度を付与するものに限らず、例えば往復運動により加速度を付与するものであってもよい。

【0085】

フレーム部材７に支持される載置台は、第１載置台７１、第２載置台７２および第３載置台７３の３つに限らず、適宜増減されてよい。１以上の載置台に固定される部材も、適宜決定可能である。

【0086】

実施形態の説明で用いた序数、数量等の数字は、全て本開示の技術を具体的に説明するために例示するものであり、本開示は例示された数字に制限されない。また、構成要素間の接続関係は、本開示の技術を具体的に説明するために例示するものであり、本開示の機能を実現する接続関係をこれに限定するものではない。

【0087】

本開示の造形装置および造形方法は、造形精度を高くすることができるので、生産工学やものづくり産業等の様々な用途に利用できる。例えば、ものづくり産業では、本開示の造形装置を、様々な形状や大きさの三次元物体を造形可能な三次元プリンタとして利用できる。また、本開示の造形方法を、様々な三次元物体を造形し、提供可能な造形サービスとして利用できる。さらに、本開示の造形装置および造形方法によれば、無重力場や微小重力場においても高い造形精度を得ることができるので、宇宙空間等においても三次元物体を造形できる。従って、宇宙工学分野における応用展開も期待できる。但し、本開示の造形装置および造形方法は、これらの用途に限定されるものではない。

【0088】

本開示の態様は、例えば、以下のとおりである。
＜１＞ 造形材料を用いて造形を行う造形装置であって、前記造形材料を吐出するノズルと、前記ノズルから吐出される前記造形材料を載置する載置面を含む造形台と、前記ノズルから吐出される前記造形材料に、前記造形台に向かう方向への加速度を付与する付与機構と、を有する、造形装置である。
＜２＞ 前記ノズルから吐出された前記造形材料により形成した造形材料層を、前記載置面上に積層することにより前記造形を行い、前記付与機構は、前記造形材料層に前記加速度を付与する、前記＜１＞に記載の造形装置である。
＜３＞ 前記付与機構は、所定の回転軸回りに前記ノズルおよび前記造形台を回転させることで、前記造形材料に、前記造形台に向かう方向への遠心加速度を付与する、前記＜１＞または前記＜２＞に記載の造形装置である。
＜４＞ 前記回転軸を挟んで前記造形台とは反対側に配置される荷重部材を有する、前記＜３＞に記載の造形装置である。
＜５＞ 前記荷重部材は、前記回転軸を中心に、前記載置面上に載置される前記造形材料と対称な位置に配置される、前記＜４＞に記載の造形装置である。
＜６＞ 前記ノズルよりも前記回転軸に近い位置に配置されるアクチュエータ機構を含む、前記＜３＞から前記＜５＞のいずれか１つに記載の造形装置である。
＜７＞ 前記回転軸は、重力方向に直交する、前記＜３＞から前記＜６＞のいずれか１つに記載の造形装置である。
＜８＞ 前記付与機構により前記加速度が付与された状態において、前記ノズルから吐出される前記造形材料は、前記付与機構により前記加速度が付与されていない状態において、前記ノズルから吐出される前記造形材料よりも多い、前記＜１＞から前記＜７＞のいずれか１つに記載の造形装置である。
＜９＞ 重力場が１Ｇのときに吐出可能な前記ノズルの直径をＬとすると、加速度場がｎ×Ｇのときの前記ノズルの直径はＬ／√ｎである、前記＜１＞から前記＜８＞のいずれか１つに記載の造形装置である。
＜１０＞ 造形材料を用いて造形を行う造形装置による造形方法であって、前記造形装置が、ノズルにより、前記造形材料を吐出し、造形台の載置面により、前記ノズルから吐出される前記造形材料を載置し、付与機構により、前記ノズルから吐出される前記造形材料に、前記造形台に向かう方向への加速度を付与する、造形方法である。

【符号の説明】

【0089】

１ ノズル
１ｃ 中心軸
１０１ 収容部材
１０２ 出口穴
２ 造形台
２１ 載置面
２２ ヒートシンク
３ 付与機構
３０ 回転軸
３１ 軸心部材
３２ 連結部材
３３ 第１プーリ
３４ ベルト
３５ 第２プーリ
３６ 軸受部材
４ ベース部材
５ 支持部材
６ 円筒部材
７ フレーム部材
７１ 第１載置台
７２ 第２載置台
７３ 第３載置台
８ 供給機構
８０ 造形材料
８１ 溶融領域
９ ヒータ
１０ 荷重部材
１１ アクチュエータ機構
１１１ ２軸ステージ
１１２ 昇降ステージ
１２ 保持部材
１３ テーブル
１４ 制御部
１５ モータ
１５１ 軸心
１６ 配線
１７ スリップリング
１８ 一対の軸受ブラケット
１９ 一対のイケール
１００ 造形装置
ａ、ａ１、ａ２ 加速度
Ｔ、Ｔ１、Ｔ２ 温度
ｅ１、ｅ２ 隙間
Ｐ 吐出圧力
Ｈ 遠心力
Ｌ ノズルの直径
Ｍ 造形物
Ｍ０ 造形材料層
Ｒ 回転方向
σ 表面張力
ｐ１１、ｐ１２、ｐ１３、ｐ２１、ｐ２２、ｐ２３、ｐ２４ フィラメント直径

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】