特開 2025-16847 工作機械装置

(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】P2025016847

(43)【公開日】2025-02-05

(54)【発明の名称】工作機械装置

(51)【国際特許分類】

   B29C 64/393 20170101AFI20250129BHJP

   B29C 64/295 20170101ALI20250129BHJP

   B29C 64/106 20170101ALI20250129BHJP

   B29C 64/241 20170101ALI20250129BHJP

   B33Y 50/02 20150101ALI20250129BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20250129BHJP

【ＦＩ】

B29C64/393

B29C64/295

B29C64/106

B29C64/241

B33Y50/02

B33Y30/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023119590

(22)【出願日】2023-07-24

(71)【出願人】

【識別番号】518205140

【氏名又は名称】株式会社ＥｘｔｒａＢｏｌｄ

(74)【代理人】

【識別番号】110002516

【氏名又は名称】弁理士法人白坂

(72)【発明者】

【氏名】原 雄司

(72)【発明者】

【氏名】澤田 安彦

(72)【発明者】

【氏名】譜久原 尚樹

【テーマコード（参考）】

4F213

【Ｆターム（参考）】

4F213AR07

4F213WA25

4F213WA84

4F213WB01

4F213WK03

4F213WL02

4F213WL15

4F213WL43

4F213WL67

4F213WL76

4F213WL85

4F213WL87

4F213WL96

(57)【要約】

【課題】造形物の変形を防止するとともに、造形物の強度を高めることができる、工作機械装置を提供する。
【解決手段】工作機械装置は、吐出口から材料を吐出する吐出ノズルと、吐出ノズルを３次元の空間において移動させる移動装置と、吐出ノズルの周囲に配置された局所冷却部と、局所冷却部による冷却位置を吐出ノズルの移動方向に応じて制御する冷却位置制御部と、吐出ノズルの周囲に配置された局所加熱部と、局所加熱部による加熱位置を吐出ノズルの移動方向に応じて制御する加熱位置制御部と、を備える、
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

吐出口から材料を吐出する吐出ノズルと、
前記吐出ノズルを３次元の空間において移動させる移動装置と、
前記吐出ノズルの周囲に配置された局所冷却部と、
前記局所冷却部による冷却位置を前記吐出ノズルの移動方向に応じて制御する冷却位置制御部と、
前記吐出ノズルの周囲に配置された局所加熱部と、
前記局所加熱部による加熱位置を前記吐出ノズルの移動方向に応じて制御する加熱位置制御部と
を備える、工作機械装置。

【請求項2】

前記冷却位置制御部は、前記冷却位置が前記移動方向において前記吐出ノズルから吐出される材料の吐出位置の後方となるように前記冷却位置を制御し、
前記加熱位置制御部は、前記加熱位置が前記移動方向において前記吐出ノズルから吐出される材料の吐出位置の前方となるように前記加熱位置を制御する、請求項１に記載の工作機械装置。

【請求項3】

前記局所冷却部は、前記吐出ノズルの周囲に配置された複数の冷却孔を有し、
前記冷却位置制御部は、前記吐出ノズルの移動方向に応じて、前記冷却孔のいずれかを動作させるかにより前記冷却位置を制御する、請求項１または２に記載の工作機械装置。

【請求項4】

前記局所冷却部は、前記吐出ノズルの周囲に配置された冷却孔を前記吐出ノズルを中心に回動させる冷却孔回動機構を有し、
前記冷却位置制御部は、前記吐出ノズルの移動方向に応じて、前記冷却孔回転機構の回動位置を位置決めすることにより前記冷却孔による前記冷却位置を制御する、請求項１または２に記載の工作機械装置。

【請求項5】

前記局所加熱部は、前記吐出ノズルの周囲に配置された複数の加熱孔を有し、
前記加熱位置制御部は、前記吐出ノズルの移動方向に応じて、前記加熱孔のいずれかを動作させるかにより前記加熱位置を制御する、請求項１または２に記載の工作機械装置。

【請求項6】

前記局所加熱部は、前記吐出ノズルの周囲に配置された加熱孔を前記吐出ノズルを中心に回動させる加熱孔回動機構を有し、
前記冷却位置制御部は、前記吐出ノズルの移動方向に応じて、前記加熱孔回動機構の回動位置を位置決めすることにより前記加熱孔による前記加熱位置を制御する、請求項１または２に記載の工作機械装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、工作機械装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、３Ｄ（Ｔｈｒｅｅ－Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ）－ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ－Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）、または３ＤＣＧ（ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｇｒａｐｈｉｃｓ）等において作成された３Ｄデータに基づき、材料を一層一層積層していき造形物（ワーク）を造形する３Ｄプリンタが知られている。３Ｄプリンタには様々な造形方式が用いられる。例えば、熱で融解した材料を積層していきワークを造形するＦＤＭ（Ｆｕｓｅｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ）方式の３Ｄプリンタがある。ＦＤＭ方式の３Ｄプリンタは、溶融した樹脂等の材料を吐出する吐出部を三次元（または二次元）で移動させる主軸を有し、主軸を制御する制御部が主軸を三次元に移動させることによりワークを造形する。

【0003】

また、造形材料の積層時に造形材料を局所的に加熱し、およびを局所的に冷却することにより、立体造形物の反り等の変形を抑制する３Ｄプリンタが知られている。例えば、特許文献１には、造形材料を積層して三次元造形物を造形する造形装置であって、造形材料の積層時に造形材料を局所的に加熱する局所加熱部と、積層時に造形材料を局所的に冷却する局所冷却部とを備えた造形装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２０－１５１９２５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、造形装置において造形される造形物の形状は様々である。このため、造形物の形状によっては、材料を吐出する吐出ノズルと局所冷却部または局所加熱部との位置関係が異なり、所望の冷却または加熱ができないことから造形物の変形を抑制できない場合があった。

【0006】

また、造形した部分の材料とその部分に積層する材料の温度差が大きい場合、積層間の密着強度が不十分となり、造形物の強度不足が生じる場合があった。

【0007】

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、造形物の変形を防止するとともに、造形物の強度を高めることができる、工作機械装置を提供することを一つの目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記の課題を解決するため、実施形態の工作機械装置は、吐出口から材料を吐出する吐出ノズルと、吐出ノズルを３次元の空間において移動させる移動装置と、吐出ノズルの周囲に配置された局所冷却部と、局所冷却部による冷却位置を吐出ノズルの移動方向に応じて制御する冷却位置制御部と、吐出ノズルの周囲に配置された局所加熱部と、局所加熱部による加熱位置を吐出ノズルの移動方向に応じて制御する加熱位置制御部と、を備える。

【発明の効果】

【0009】

本発明の一つの実施形態によれば、工作機械装置は、吐出口から材料を吐出する吐出ノズルを３次元の空間において移動させ、吐出ノズルの周囲に配置された局所冷却部による冷却位置を吐出ノズルの移動方向に応じて制御し、吐出ノズルの周囲に配置された局所加熱部による加熱位置を吐出ノズルの移動方向に応じて制御することにより、造形物の変形を防止するとともに、造形物の強度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態における工作機械装置の外観の一例を示す図である。

【図2】実施形態における、（Ａ）主軸に対する工具装着時の一例、（Ｂ）主軸に対する造形装置装着時の一例を示す図である。

【図3】実施形態における工作機械装置の構造の一例を示す図である。

【図4】実施形態における局所冷却加熱部の一例を示す図である。

【図5】実施形態における局所冷却および局所加熱の一例を示す図である。

【図6】実施形態における冷却位置および加熱位置の変更方法の一例を示す図である。

【図7】実施形態における冷却位置および加熱位置の変更方法の他の一例を示す図である。

【図8】実施形態における工作機械装置の動作の一例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照して本発明の一実施形態における工作機械装置について詳細に説明する。なお、各図において同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する場合がある。

【0012】

図１は、実施形態における工作機械装置の外観の一例を示す図である。図１において、工作機械装置１は、主軸１１、クランプ機構１１１、材料供給部１１２、工具格納エリア１２、造形装置格納エリア１３、製作エリア１４、工具シャッタ１５、造形装置シャッタ１６、移動装置４を有している。

【0013】

本実施例において工作機械装置１は、互いに直交するｘ軸ｙ軸およびｚ軸で構成される３次元の空間に材料を吐出して造形する装置であって、例えば、３Ｄプリンタである。図１において、ｘ軸は図面上の左右方向、ｙ軸は図面の平面と直交する方向（不図示）、およびｚ軸は図面上の上下方向である。すなわち、図１は、ｘ－ｚ平面における平面図である。造形方法の詳細は後述する。

【0014】

移動装置４は、駆動部４１、ｘ軸スライド部４２ｘ、ｙ軸スライド部４２ｙ、およびｚ軸スライド部４２ｚを有している。ｘ軸スライド部４２ｘ、ｙ軸スライド部４２ｙ、およびｚ軸スライド部４２ｚ（以下、ｘ軸スライド部４２等という場合がある。）は、互いに直交するｘ軸、ｙ軸およびｚ軸（以下、ｘ軸等という場合がある。）において駆動部４１における駆動によって主軸１１等の駆動対象を直線的にスライド（摺動）させる装置であって、例えば、スライドガイドまたはボールスプラインである。駆動部４１は、ｘ軸スライド部４２等によってスライドされる駆動対象を、駆動する装置である。駆動部４１は、例えば、ボールネジ、ボールナットおよびモータ等から構成されて、ボールナットのハウジングに固定された移動対象をボールねじの回転によって直線的に移動等させて移動対象の位置決めをする。

【0015】

工作機械装置１は、主軸１１を有している。主軸１１は、クランプ機構１１１および材料供給部１１２を有している。

【0016】

クランプ機構１１１は、工具を自動的に交換するためのクランプ機能を有している。クランプとは、掴むまたは挟み込むことをいう。クランプ機能とは、例えば、マシニングセンタ等の工作機械において用いられる自動工具交換（Ａｕｔｏ Ｔｏｏｌ Ｃｈａｎｇｅｒ：ＡＴＣ）に用いられる機能（装置の構造）である。クランプ機構１１１は、複数の工具の中から加工に用いる工具をクランプし、またはアンクランプすることにより、主軸１１への工具の交換（着脱）を自動的に行う。クランプ機構１１１の形状は、例えば、ＡＴＣ用テーパシャンクの工業規格として、ＭＡＳ規格（日本工作機械工業会規格）、ＤＩＮ規格（ドイツ工業規格）、またはＡＮＳ規格（米国国家規格協会規格）等によって定められている。クランプ機構１１１は、例えば工具２の２面を拘束するＨＳＫタイプ（ＩＳＯ１２１６４－１：２００１またはＩＳＯ１２１６４－３：２００８、ＩＳＯ：国際標準化機構）を用いてクランプを行うことができる。

【0017】

なお、図１においては、クランプ機構１１１に工具２がクランプされている様子を示しているが、クランプ機構１１１には、工具２の換わりに造形装置をクランプすることができる。材料供給部１１２は、クランプ機構１１１に造形装置がクランプされたときに造形装置で使用される造形材料を供給する。造形装置および材料供給部１１２の詳細は後述する。

【0018】

工具格納エリア１２は、クランプ機構１１１によりクランプされる工具２を格納するためのエリアである。工具２のクランプは、工具格納エリア１２において行われる。工具格納エリア１２は、クランプ機構１１１によりクランプされる工具を装着するためのエリア、すなわちＡＴＣが行われるエリアである。工具格納エリア１２には、工具を自動交換（ＡＴＣ）するためのＡＴＣ機構（不図示）が含まれている。工具格納エリア１２に格納されている工具２は、例えば、ＡＴＣ機構によって、クランプ機構１１１がクランプ可能な位置に移動されて主軸１１に装着される。

【0019】

造形装置格納エリア１３は、クランプ機構１１１によりクランプされる造形装置（後述）を格納するためのエリアである。造形装置のクランプは、造形装置格納エリア１３において行われる。すなわち、造形装置格納エリア１３は、クランプ機構によりクランプされる造形装置を装着するためのエリアである。造形装置は造形装置格納エリア１３の所定の位置に載置される。クランプ機構１１１は、工作機械装置１の主軸１１を三次元等で移動させるための移動装置４に主軸１１を介して取り付けられている。移動装置４によって主軸１１に取り付けられたクランプ機構１１１を造形装置がクランプ可能な位置まで移動させることにより、造形装置をクランプすることができる。造形装置格納エリア１３には、造形装置を保持するための保持機構（不図示）が含まれている。造形装置格納エリア１３に格納されている造形装置は、例えば、保持機構によって、クランプ機構１１１がクランプ可能な位置に移動されて主軸１１に装着される。

【0020】

製作エリア１４は、工具を用いた加工によるワークの製作または造形装置を用いた造形によるワークの製作をするための空間である。主軸１１は製作エリア１４において工具を回転させて、あるいは造形装置から材料を吐出させるための回転機構（不図示）を内部に有している。回転機構の回転の開始および停止、あるいは回転機構の回転数は、後述する制御部によって制御される。本実施例における主軸１１は、内部に回転機構を有するケーシングを含むものである。なお、主軸１１内部の回転機構の回転を主軸１１の回転と略して説明する場合がある。

【0021】

製作エリア１４には、ワークを載置（セッティング）するテーブル（不図示）を置くことができる。テーブルはワークを回転または移動するためのワーク移動機能を有していてもよい。ワーク移動機能におけるワークの移動は、主軸１１と独立して制御されてもよい。

【0022】

工具シャッタ１５は、工具格納エリア１２と製作エリア１４とを遮断するシャッタである。また、造形装置シャッタ１６は、造形装置格納エリア１３と製作エリア１４とを遮断するシャッタである。工具シャッタ１５および造形装置シャッタ１６は開閉機構を有し、開閉機構は工具格納エリア１２における工具２の着脱および造形装置格納エリア１３における造形装置の着脱に応じて開閉制御される。

【0023】

例えば、工具２が装着されるときには、工具格納エリア１２の工具シャッタ１５が開き、主軸１１がクランプ機構１１１を工具２のクランプ位置まで移動させ、クランプ機構１１１が工具２をクランプする。クランプされた工具２は、製作エリア１４において図示しないワークを加工することができる。

【0024】

また、造形装置が装着されるときには、造形装置格納エリア１３の造形装置シャッタ１６が開き、主軸１１がクランプ機構１１１を造形装置のクランプ位置まで移動させ、クランプ機構１１１が造形装置をクランプする。クランプされた造形装置は、製作エリア１４において図示しないワークを造形することができる。

【0025】

なお、後述する造形装置がＦＤＭ方式の造形を行うプリンタヘッドである場合、材料を溶融するためには、固形の材料に温度または圧力を加えて材料を溶融するため、造形装置は発熱源となり得る。一方、工作機械装置１の主軸１１等の機械部分、またはワークは温度変化による熱膨張により加工精度が低下する可能性がある。造形装置シャッタ１６は、熱源となる造形装置と製作エリアを熱的に遮断することにより、製作エリアに対する熱の伝達を防止することが可能となる。また、工具シャッタ１５および造形装置シャッタ１６は、製作エリア１４で発生する切削粉などによる工具格納エリア１２および造形装置格納エリア１３のそれぞれのエリア内の汚染を防止することが可能となる。

【0026】

次に、図２を用いて、主軸に対する工具または造形装置の装着について説明する。図２は、実施形態における、（Ａ）主軸１１に対する工具装着時の一例、（Ｂ）主軸１１に対する造形装置装着時の一例を示す図である。図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、図１における工作機械装置１の、主に主軸１１の部分の詳細を示している。ここで、図２（Ａ）は、クランプ機構１１１に工具２がクランプされている様子を示している。また、図２（Ｂ）は、クランプ機構１１１に造形装置３がクランプされている様子を示している。

【0027】

図２（Ａ）において、主軸１１は、クランプ機構１１１、材料供給部１１２および給電部１１３Ａを有している。

【0028】

クランプ機構１１１は、主軸１１の下端に取り付けられているため、主軸１１と共に移動する。すなわち、クランプ機構１１１に取り付けられた工具２（または造形装置３）は移動装置４によって３次元に移動される。また、主軸１１は、クランプ機構１１１でクランプされた工具２を主軸１１に設けられた回転機構（不図示）によって回転させる。主軸１１の移動および回転（クランプされた工具２の回転）は、後述する制御部で実行される制御プログラムによって制御される。制御プログラムには、例えば、主軸１１を三次元に移動させるための制御コマンド、主軸１１の回転の開始または停止を指示するための制御コマンド、または主軸１１の回転速度を指定するための制御コマンド等が含まれる。すなわち、制御プログラムには主軸１１が移動する三次元における移動方向、移動速度、移動のタイミング等の情報が予め記述されている。なお、制御プログラムは、例えば、ＮＣ（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ）プログラム等を用いることができる。

【0029】

材料供給部１１２および給電部１１３Ａは、主軸１１に取り付けられているため、主軸１１と共に移動する。材料供給部１１２は、造形装置３がクランプ機構１１１にクランプされたときに造形用の材料を供給するための供給機構である。したがって、造形装置３がクランプされていない場合、材料供給部１１２から材料の供給はされない。給電部１１３Ａは、造形装置３がクランプ機構１１１にクランプされたときに造形装置３に電力を供給する。なお、材料供給部１１２および給電部１１３Ａの詳細は図２（Ｂ）において説明する。

【0030】

図２（Ｂ）において、主軸１１の下端に取り付けられたクランプ機構１１１は、造形装置３をクランプしている。工具２と造形装置３はクランプ機構１１１によって自動的に交換することができる。工具２と造形装置３を自動的に交換することにより、材料の加工と造形を同じ製作エリアにおいて連続して行うことが可能となる。このため、加工と造形をそれぞれ別の装置で行う場合に比べて、装置コストの低減、ワークのセッティングに伴う工数の低減、装置稼働率の向上、または工作に用いられるプログラムの共有化によるコストの低減等を図ることが可能となる。

【0031】

造形装置３は、受電部１１３Ｂ、吐出ノズル３１、貯蔵部３２、傾斜部３２１、加熱部３２２、保温部３３、溶融部３４、移送部３５および局所冷却加熱部３６を有する。

【0032】

造形装置３は、供給された材料を溶融して、溶融した材料を吐出ノズル３１から吐出する、例えば、ＦＤＭ方式のプリンタのヘッド部分である。以下、本実施例では、材料造形方式はＦＤＭ方式の造形を行う場合を説明するが、造形装置３は、吐出した液体材料を紫外線等で硬化させる光造形方式、粉体とバインダを吐出して固化させる粉末固着方式等、３Ｄプリンタに用いられる他の方式を用いるものであってもよい。

【0033】

吐出ノズル３１は、ワークを造形するための溶融した材料を吐出する。貯蔵部３２は、材料供給部１１２から供給された材料を貯蔵する。加熱部３２２は、貯蔵部３２に貯蔵された材料を加熱して溶融させる。傾斜部３２１は、加熱部３２２によって溶融された材料を重力により集めて保温部３３の内部に供給する。保温部３３は溶融された材料の保温を行う。溶融部３４は溶融された材料の再加熱または温度調整を行う。移送部３５は、保温部３３に貯蔵された溶融された材料を移送して、吐出ノズル３１から吐出させる。

【0034】

材料供給部１１２は、造形装置３がクランプ機構１１１によってクランプされたときに貯蔵部３２と対向して、貯蔵部３２に対して材料を供給する。造形装置３がクランプされたときに材料供給部１１２と貯蔵部３２とを対向させることにより、造形装置３に対して連続して材料を自動的に供給することが可能となる。これにより、例えば、材料が無くなった場合にその都度手動で材料を供給する場合に比べて、工作機械装置１の稼働率を向上させることが可能となる。

【0035】

材料供給部１１２は、中空構造を有し、中空構造（例えば、フレキシブルホース等）の中を、材料を移動させることにより貯蔵部３２に対して材料を供給する。材料供給部１１２は、貯蔵部３２に対して材料を供給する際に、例えば圧搾空気または移送ポンプを利用してもよい。圧搾空気により材料を供給するには、例えば、材料を圧搾空気の圧力によって材料供給部１１２の内部を移動させることにより行うことができる。また、移送ポンプにより材料を供給するには、例えば、回転容積式一軸偏心ネジポンプによって材料を材料供給部１１２の内部を移動させることにより行うことができる。

【0036】

材料の供給は、例えば貯蔵部３２に貯蔵される材料を一定の量に保つように制御するようにしてもよい。例えば、貯蔵部３２に取り付けられた図示しないセンサによって材料の貯蔵量が少なくなったことを検知して、材料を自動的に供給してもよい。貯蔵される材料を自動的に一定の量に保つことにより、材料の供給を自動化することができる。

【0037】

傾斜部３２１には、加熱部３２２が取り付けられており、貯蔵部３２に貯蔵された材料を加熱する。加熱部３２２は、貯蔵部３２の内部において斜め上方向のヒータ（図示破線部）を有している。これにより、ヒータが材料と接触する面積が増大して、材料の溶融が容易になる。加熱部３２２は、材料が溶融する溶融温度前後まで加熱（プレ加熱）するようにしてもよい。熱容量の大きい材料は、一度温度が上がると温度が下がりにくくなるため、降温による温度制御が困難となる。加熱部３２２において材料をプレ加熱することにより、溶融部３４における温度制御を容易にするとともに溶融部３４における加熱負荷を小さくすることができ、溶融部３４を小型化することが可能となる。また、加熱部３２２が材料を吐出に必要な温度まで加熱することにより、溶融部３４における材料の加熱を省略するようにしてもよい。

【0038】

受電部１１３Ｂは、造形装置３がクランプ機構１１１によってクランプされたときに給電部１１３Ａと対向して、給電部１１３Ａから供給される電力を受電する。給電部１１３Ａおよび受電部１１３Ｂの組合せは給電機構１１３を形成する。給電機構１１３によって供給された電力は、加熱部３２２または溶融部３４によって利用される。なお、受電部１１３Ｂと対向して電力を供給する給電部１１３Ａを給電機構という場合がある。例えば、造形装置３がクランプ機構１１１によってクランプされていない状態においても工作機械装置１は給電機構（給電部１１３Ａ）を備えるものとする。

【0039】

給電機構１１３は、給電部１１３Ａが有する接点と受電部１１３Ｂが有する接点とが、造形装置３がクランプ機構１１１によってクランプされたときに接触することによって電力を給電する。これにより、クランプ機構１１１によってクランプされた造形装置３に対して電力を供給可能になる。給電機構１１３には、有接点のコネクタ機構を用いることができる。有接点のコネクタ機構を用いることにより構造が単純となり低コストで電力を供給することが可能となる。なお、接点に例えば金メッキを施すことにより接点の接触による電気抵抗を安定させることが可能となる。

【0040】

また、給電機構１１３は、給電部１１３Ａが有する給電ユニットと受電部１１３Ｂが有する受電ユニットとが、造形装置３がクランプ機構１１１によってクランプされたときに近接することによって電力を給電する非接触（ワイヤレス）給電方式を用いるものであってもよい。例えば、給電部１１３Ａの給電ユニットには給電用コイルが設けられ、受電部１１３Ｂの受電ユニットには受電用コイルが設けられ、給電用コイルから発生する電磁波を受電用コイルで受けることにより給電を行うことができる。給電機構１１３において非接触給電方式を用いることにより、接点の接触不良による給電の不具合を防止することが可能となる。

【0041】

また、造形装置３に対する給電は、造形装置３に設けられた図示しない発電装置を用いるものであってもよい。発電装置は、例えば、主軸１１を回転させることにより回転子が回転する発電機であってもよい。例えば、発電機は、材料を吐出させる搬送機構の回転とともに回転子が回転するものであってもよい。また、発電機は、材料を吐出させる搬送機構の回転と回転力の伝達を切り替えて回転子が回転するものであってもよい。造形装置３に対する給電に造形装置３に設けられた発電装置を用いることにより、主軸１１における給電機構を省略することが可能となる。給電機構１１３は、給電部１１３Ａが有する回転機構と受電部１１３Ｂが有する回転機構とを、造形装置３がクランプ機構１１１によってクランプされたときに回転力が伝達可能に接合することによって、受電部１１３Ｂの内部に有する発電機の回転子を回転させて電力を発生させるものであってもよい。例えば、給電部１１３Ａの回転機構を制御コマンドで回転させることにより、受電部１１３Ｂが有する回転機構を回転させて発電機の回転子を回転するようにしてもよい。受電部１１３Ｂの内部に有する発電機により発電を行うことにより、給電部１１３Ａと受電部１１３Ｂにおける電気的な接続を省略することが可能となる。

【0042】

保温部３３は、傾斜部３２１から供給された材料を保温する。保温部３３は、例えば、魔法瓶のように断熱層を有して材料の温度が造形装置３の外部に伝達するのを防止する。保温部３３が材料を保温することにより、例えば、加熱部３２２において材料が溶融された場合、材料の温度を維持することが可能となり、材料の温度変化による粘度変化を小さくすることができる。

【0043】

移送部３５は、保温部３３に貯蔵された溶融された材料を移送して加圧し、吐出ノズル３１から吐出させる。移送部３５は、例えば、内部にスクリューを有して、スクリューを回転させることによって材料を移送することができる。スクリューの回転は、主軸１１の回転を用いることができる。すなわち、クランプ機構１１１で造形装置３がクランプされたときに、工具２の換わりに移送部３５のスクリューが回転するようにすることにより、主軸１１の回転制御によってスクリューの回転を制御することが可能となる。例えば、工作機械装置１は、工具２の回転の開始または停止を指示するための制御コマンドに基づきスクリューの回転を制御することができる。これにより、材料吐出の開始または停止を工具の回転と同じ制御コマンドで制御することができる。制御コマンドには、例えば、ＮＣプログラムのＭコードを用いることができる。Ｍコードとは、ＮＣプログラムにおいて加工を行うための補助機能を定義する制御コマンドである。Ｍコードは、例えばＪＩＳ（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ）規格において規定されている。例えば、「Ｍ０３」は工具（主軸）を正転させるためのコマンドであり、「Ｍ０５」は工具の回転を停止させるためのコマンドである。「Ｍ０３」のコマンドによって材料の吐出が開始され、「Ｍ０５」のコマンドによって材料の吐出が停止される制御が可能となる。主軸１１の回転によって移送部３５のスクリューを回転させることにより、造形装置３を制御するコマンドを新たに追加することなく、材料吐出の開始または停止を制御することが可能となり、製作工数を低減させることが可能となる。

【0044】

また、工作機械装置１は、造形装置３の搬送機構の回転速度を工具の回転速度を指定するための制御コマンドに基づき制御させることにより、材料吐出の量を制御する。工具の回転速度を指定するための制御コマンドは、例えばＮＣプログラムのＳコードにおいて実施することができる。Ｓコードとは、工具の回転数を設定する制御コマンドである。例えば、「Ｓ２０００」は、工具を２千ｒｐｍで回転させるためのコマンドである。Ｓコードは上述したＭコードとともに使用される。Ｓコードにおいて搬送機構の回転数を制御することにより、造形装置３を制御するコマンドを新たに追加することなく、材料吐出量を制御することが可能となり、製作工数を低減させることが可能となる。

【0045】

吐出ノズル３１の周囲には局所冷却加熱部３６が配置される。局所冷却加熱部３６は、吐出ノズル３１から吐出された材料を冷却する局所冷却部（不図示）と、吐出ノズル３１から吐出される材料が積層される位置を予め加熱しておく局所加熱部（不図示）を有する。局所冷却加熱部３６の詳細は後述する。

【0046】

次に図３を用いて、工作機械装置１の構造を説明する。図３は、実施形態における工作機械装置１の構造の一例である。

【0047】

図３において、工作機械装置１は、制御部１０、主軸１１、クランプ機構１１１、工具格納エリア１２、造形装置格納エリア１３、製作エリア１４、工具シャッタ１５および造形装置シャッタ１６を有する。

【0048】

制御部１０は、造形制御部１０１、冷却位置制御部１０２および加熱位置制御部１０３を有する。制御部１０は、例えば、工作機械装置１を制御するコンピュータであって、例えば、上述したＮＣプログラムを制御する。造形制御部１０１、冷却位置制御部１０２および加熱位置制御部１０３は、制御部１０において動作するプログラムにおいて実装することができる。すなわち、造形制御部１０１、冷却位置制御部１０２および加熱位置制御部１０３は、ソフトウェアによって機能とする機能部として実施することができる。ただし、造形制御部１０１、冷却位置制御部１０２および加熱位置制御部１０３の少なくともいずれか１つは、制御部１０とは独立したコンピュータで実装されてもよく、またはハードウェアによって実装されてもよい。

【0049】

造形制御部１０１は、クランプ機構１１１によるクランプ動作の制御、主軸１１の回転制御（回転／停止、および回転数の制御）、材料供給部１１２による材料の供給の制御、工具シャッタ１５および造形装置シャッタ１６の開閉制御、加熱部３２２および溶融部３４の加熱制御、および移動装置４の移動制御等によって、造形装置３を用いた造形の制御を行う。

【0050】

冷却位置制御部１０２は、局所冷却部（不図示）による冷却位置を吐出ノズル３１の移動方向に応じて制御する。吐出ノズル３１の移動方向は、上述の通り、移動装置４による移動制御によって定まる。冷却位置制御部１０２は、造形制御部１０１によって制御される吐出ノズル３１の移動方向を造形制御部１０１から取得することにより、吐出ノズル３１から吐出された材料を冷却する位置を算出して局所冷却部を動作させることにより冷却位置を制御する。なお、造形制御部１０１および冷却位置制御部１０２は、プログラムによって実装することができるので、冷却位置制御部１０２は、造形制御部１０１における移動装置４を移動させるプログラムから冷却位置を算出して制御することができる。

【0051】

加熱位置制御部１０３は、局所加熱部（不図示）による加熱位置を吐出ノズル３１の移動方向に応じて制御する。加熱位置制御部１０３は、冷却位置制御部１０２と同様に、造形制御部１０１によって制御される吐出ノズル３１の移動方向を造形制御部１０１から取得することにより、吐出ノズル３１から吐出される材料が積層される位置を予め加熱しておく位置を算出して局所加熱部を動作させることにより加熱位置を制御する。なお、加熱位置制御部１０３は、造形制御部１０１における移動装置４を移動させるプログラムから加熱位置を算出して制御することができる。

【0052】

次に、図４を用いて、局所冷却加熱部３６の詳細を説明する。図４は、実施形態における局所冷却加熱部の一例を示す図である。

【0053】

図４において、局所冷却加熱部３６は、冷却孔３６１および加熱孔３６２を有する。本実施形態において、冷却孔３６１は局所冷却部の一例であり、加熱孔３６２は局所加熱部の一例である。局所冷却部の一例としての冷却孔は吐出ノズル３１の周囲に配置される。また、局所加熱部の一例としての加熱孔は吐出ノズル３１の周囲に配置される。図４は、冷却孔３６１および加熱孔３６２が吐出ノズル３１の周囲に複数配置される場合を示している。複数の冷却孔３６１および加熱孔３６２は、吐出ノズル３１を中心に同心円状に配置される。加熱孔３６２は、吐出ノズル３１を中心に同心円状に、異なる半径において２列配置されている。なお、図４は冷却孔３６１および加熱孔３６２の配置の一例を示すものであり、配置される冷却孔３６１および加熱孔３６２の数、大きさ、相互の間隔または列数等を限定するものではない。また、冷却孔３６１および加熱孔３６２の形状も、例えば吐出ノズル３１の様にノズル形状をしたものであってもよい。また、図４においては冷却孔３６１と加熱孔３６２とが局所冷却加熱部３６において一体的に形成されている場合を示したが、冷却孔３６１と加熱孔３６２は、個別の部品として形成されてもよい。

【0054】

材料ＷＫの造形において、吐出ノズル３１は、移動装置４により移動方向ＤＲに移動しながら、吐出位置ＩＰにおいて材料ＷＫを吐出して積層していく。すなわち、吐出位置ＩＰは吐出ノズル３１から吐出された材料ＷＫが積層される位置となる。

【0055】

次に、図５を用いて、材料の局所冷却および局所加熱を説明する。図５は、実施形態における局所冷却および局所加熱の一例を示す図である。

【0056】

図５において、吐出ノズル３１は、移動方向ＤＲに移動しながら、吐出位置ＩＰにおいて材料ＷＫを吐出している。冷却孔３６１ａおよび冷却孔３６１ｂは、移動方向ＤＲにおいて吐出位置ＩＰの後方となる冷却位置ＣＰを冷却するように冷却風ＣＡを吐出する。すなわち、冷却位置ＣＰは、吐出ノズル３１から吐出された直後の材料ＷＫを冷却する位置となる。上述の通り、吐出ノズル３１は、移動装置４によって３次元に移動されるため、吐出直後の材料ＷＫを冷却するためには、冷却位置ＣＰを吐出ノズル３１の移動方向ＤＲに応じて変更する必要がある。上述の冷却位置制御部１０２は、冷却位置ＣＰが吐出直後の材料ＷＫを冷却する位置になるように、冷却風ＣＡを吐出する冷却孔３６１を移動方向ＤＲに応じて変更する。冷却位置ＣＰが吐出位置ＩＰの後方となるようにすることにより、吐出された材料ＷＫの温度低下を造形物のそれぞれの位置において安定させることができ、造形物の変形を防止することが可能となる。

【0057】

なお、図５は、冷却孔３６１ａおよび冷却孔３６１ｂの２つを動作させて冷却位置ＣＰを冷却する場合を説明したが、動作させる冷却孔３６１は、１つまたは３つ以上であってもよい。また、冷却孔３６１ａおよび冷却孔３６１ｂから吐出される冷却風の量を他の冷却孔３６１より多くすることにより冷却位置ＣＰにおける冷却能力を高めるようにしてもよい。また、本実施例では冷却孔３６１から冷却風ＣＡを吐出する場合を例示したが、冷却風ＣＡには、例えば、空気、窒素ガス、水素ガス、アルゴンガス等の媒体を用いることができる。また、冷却風ＣＡの温度は、材料ＷＫの種類（例えば、融点または粘度等の種類）に応じて変更するようにしてもよい。

【0058】

加熱孔３６２ａ、加熱孔３６２ｂおよび加熱孔３６２ｃは、移動方向ＤＲにおいて吐出位置ＩＰの前方となる加熱位置ＨＰを加熱するようにレーザ光ＬＢを照射する。すなわち、加熱位置ＨＰは、吐出ノズル３１から吐出される材料ＷＫが積層される、既に吐出された材料ＷＫの位置となる。上述の通り、吐出ノズル３１は、移動装置４によって３次元に移動されるため、材料ＷＫが積層される積層位置を加熱するためには、加熱位置ＨＰを吐出ノズル３１の移動方向ＤＲに応じて変更する必要がある。上述の加熱位置制御部１０３は、加熱位置ＨＰが積層位置になるように、レーザ光ＬＢを照射する加熱孔３６２を移動方向ＤＲに応じて変更する。加熱位置ＣＰが吐出位置ＩＰの前方となるようにすることにより、積層位置における積層される材料ＷＫの温度が上昇して、積層される材料ＷＫと積層する材料ＷＫ（吐出される材料ＷＫ）との温度差が小さくなる。これにより、積層位置における材料ＷＫ同士の接合力が向上して、造形物の強度を高めることができる。

【0059】

なお、図５は、加熱孔３６２ａ～加熱孔３６２ｃの３つを動作させて加熱位置ＨＰを加熱する場合を説明したが、動作させる加熱孔３６２は、１～２または４つ以上であってもよい。また、加熱孔３６２ａ～加熱孔３６２ｃから照射されるレーザ光ＬＢのパワーを他の加熱孔３６２より多くすることにより加熱位置ＨＰにおける加熱能力を高めるようにしてもよい。また、本実施例では加熱孔３６２からレーザ光ＬＢを照射する場合を例示したが、レーザ光ＬＢには、様々な波長の光を用いることができる。例えば、レーザ光ＬＢには、炭酸ガスレーザ（１０．６μｍ）、ヘリウムネオンレーザ（６３０ｎｍ）、またはエキシマレーザ（１９３ｎｍ）等を用いることができる。また、レーザ光ＬＢのパワーは、材料ＷＫの種類（例えば、融点または粘度等の種類）に応じて変更するようにしてもよい。また、加熱孔３６２は、レーザ光ＬＢの照射以外の加熱方法を用いるものであってもよい。例えば、加熱孔３６２は、加熱風を吐出するものであってもよい。

【0060】

上述した冷却孔３６１または加熱孔３６２の選択動作においては、吐出ノズル３１の移動方向ＤＲに合わせて動作させる冷却孔３６１または加熱孔３６２を切り換える場合を説明した。例えば、冷却孔３６１が吐出ノズル３１を中心とした円上に９０°ずつ（中心から０°、９０°、１８０°および２７０°）、計４個配置されているとする。進行方向ＤＲが冷却孔３６１のいずれかの配置角度（０°、９０°、１８０°または２７０°）である場合、進行方向ＤＲと反対側にある冷却孔３６１を動作させることにより冷却位置は吐出ノズル３６の移動方向の後側となる。例えば、進行方向ＤＲが０°の配置角度の冷却孔３６１の方向であった場合、１８０°の配置角度にある冷却孔３６１を動作させることにより冷却位置ＣＰは移動方向ＤＲの後側となる。一方、吐出ノズル３１の移動方向ＤＲによっては移動方向と反対側に冷却孔３６１が存在しない場合が生じる。そこで、進行方向ＤＲの反対側に冷却孔３６１のいずれかが配置されていない場合、反対側の近傍の冷却孔３６１を動作させる。例えば、進行方向ＤＲが上述の配置角度の４５°の方向であった場合、進行方向の反対側（２２５°）の近傍となる１８０°および２７０°の配置角度にある２つの冷却孔３６１を動作させることにより吐出された直後の材料の冷却を行うことが可能となる。また、進行方向ＤＲが配置角度の３０°の方向であった場合、進行方向ＤＲの反対側（２１０°）の近傍となる１８０°および２７０°の配置角度にある２つの冷却孔３６１を動作させる。このときに、より近傍となる１８０°の配置角度にある冷却孔３６１から吐出される冷却風ＣＡの強さ（風量）を２７０°の配置角度にある冷却孔３６１から吐出される冷却風ＣＡの強さより大きくするようにしてもよい。また、１８０°の配置角度にある冷却孔３６１から吐出される冷却風ＣＡの温度を２７０°の配置角度にある冷却孔３６１から吐出される冷却風ＣＡの温度より低くするようにしてもよい。なお、加熱孔３６２の動作においても冷却孔３６１の選択と同様に選択して動作させることができる。

【0061】

なお、冷却位置の制御と加熱位置の制御は、予め記憶された造形材料の種類を選択することにより、自動的に設定されるようにしてもよい。造形材料は材料毎に融点や冷却時の材料の変形量が異なり、材料に適切な冷却条件（例えば、冷却風の風量または温度等）または加熱条件（例えば、レーザパワー等）の設定工数がかかってしまう場合がある。造形材料とその冷却条件および加熱条件をデータベースとして予め記憶しておき、造形材料を選択することにより設定工数を削減することが可能となる。

【0062】

次に、図６を用いて、冷却位置および加熱位置の変更方法を説明する。図６は、実施形態における冷却位置および加熱位置の変更方法の一例を示す図である。

【0063】

図６において、工作機械装置１は、バルブアレイ５１、冷却パイプ５２、レーザ光源６１、レーザ光分岐器６２およびレーザファイバ６３を有する。

【0064】

バルブアレイ５１は、複数のエアバルブを有する装置であって、それぞれのバルブの開閉または開度調整を行うことにより、バルブを通過する冷却風の流量制御を可能にする。冷却パイプ５２は、バルブアレイ５１において流量が調整された冷却風を上述した局所冷却加熱部３６に導く。冷却パイプ５２は、それぞれの冷却孔３６１に接続されており、バルブアレイ５１においてバルブを操作することにより、いずれかの冷却孔３６１を動作させる（冷却風を吐出させる）かを制御することができる。これにより、移動方向ＤＲにおいて吐出位置ＩＰの後方となる冷却位置ＣＰを冷却することが可能となる。

【0065】

レーザ光源６１は、レーザ光を発生させる装置である。レーザ光源６１で発生されたレーザ光線はレーザ光分岐器６２に入力される。レーザ光分岐器６２は、入力されたレーザ光をレーザファイバ６３に分岐させる。レーザ光分岐器６２は、複数のレーザファイバ６３の中から１または複数のレーザファイバ６３を選択してレーザ光を入射する。レーザ光分岐器６２は、例えば、光学シャッタを有する光学スイッチが複数配置された光学素子であって、レーザファイバ６３に入射されるレーザ光のパワーを制御可能にする。レーザファイバ６３は、入射されたレーザ光を局所冷却加熱部３６に導く。レーザファイバ６３は、それぞれの加熱孔３６２に接続されており、選択されたレーザファイバ６３に接続された加熱孔３６２を動作（レーザ光を照射）させることができる。これにより、移動方向ＤＲにおいて吐出位置ＩＰの前方となる加熱位置ＨＰを加熱することが可能となる。

【0066】

次に、図７を用いて、冷却位置および加熱位置の他の変更方法を説明する。図７は、実施形態における冷却位置および加熱位置の変更方法の他の一例を示す図である。

【0067】

図７において、局所冷却加熱部３６ａは、冷却孔回動機構３６３および加熱孔回動機構３６４を有する。

【0068】

冷却孔回動機構３６３は、図４において説明した冷却孔３６１を有し、冷却風ＣＡを吐出する冷却孔３６１を吐出ノズル３１を中心に回動させる。冷却孔回動機構３６３は、例えば、吐出ノズル３１を中心に回動する機械部と、その機械部を駆動するステッピングモータ等の駆動部を有する。冷却位置制御部１０２は、駆動部の停止位置を制御することにより、冷却孔３６１の回動位置を制御することができる。これにより、冷却位置が吐出ノズル３１の移動方向において吐出位置の後方となるように冷却位置を制御することができる。

【0069】

加熱孔回動機構３６４は、図４において説明した加熱孔３６２を有し、レーザ光ＬＢを照射する加熱孔３６２を吐出ノズル３１を中心に回動させる。本実施例においては、加熱孔回動機構３６４は冷却孔回動機構３６３の外周を回動するように配置されている。加熱孔回動機構３６４は、例えば、吐出ノズル３１を中心に回動する機械部と、その機械部を駆動するステッピングモータ等の駆動部を有する。加熱位置制御部１０３は、駆動部の停止位置を制御することにより、加熱孔３６２の回動位置を制御することができる。これにより、加熱位置が吐出ノズル３１の移動方向において吐出位置の前方となるように冷却位置を制御することができる。

【0070】

図７における冷却位置および加熱位置の変更方法においては冷却孔３６１および加熱孔３６２を回動させて冷却位置および加熱位置を制御する。このため、冷却孔３６１および加熱孔３６２はそれぞれ１つとすることができるため、複数の冷却孔３６１の動作の切換および複数の加熱孔３６２の動作の切換が不要となり、バルブアレイ５１、冷却パイプ５２、レーザ光分岐器６２およびレーザファイバ６３等を簡略化することができる。

【0071】

次に、図８を用いて、工作機械装置１の動作を説明する。図８は、実施形態における工作機械装置の動作の一例を示すフローチャートである。なお、図８において、動作の主体は制御部１０であるものとして説明するが、例えば、制御部１０以外の構成（例えば、別の制御部）において動作されるものであってもよい。

【0072】

図８において、制御部１０は、材料を用いてワークの造形を行うか否かを判断する（ステップＳ１１）。材料の造形とは、造形装置３を用いた材料の造形であって、工作機械装置１を所謂３Ｄプリンタとして動作させることをいう。材料の造形を行わないと判断した場合（ステップＳ１１：ＮＯ）、制御部１０は、フローチャートで示した動作を終了して材料の造形を待機する。

【0073】

一方、材料の造形を行うと判断した場合（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、制御部１０は、冷却位置の制御を開始する（ステップＳ１２）。冷却位置の制御を行うことにより、造形物の変形を防止することができる。

【0074】

ステップＳ１２の処理を実行した後、制御部１０は、加熱位置の制御を開始する（ステップＳ１３）。加熱位置の制御を行うことにより、造形物の強度を高めることができる。

【0075】

ステップＳ１３の処理を実行した後、制御部１０は、造形を終了するか否かを判断する（ステップＳ１４）。造形を終了しないと判断した場合（ステップＳ１４：ＮＯ）、ステップＳ１２に戻り、造形の終了を待機する。

【0076】

一方、造形を終了すると判断した場合（ステップＳ１４：ＹＥＳ）、制御部１０は、フローチャートで示した動作を終了する。

【0077】

以上、本発明の実施形態について、図面を参照して説明してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲においての種々の変更も含まれる。

【符号の説明】

【0078】

１ 工作機械装置
１０ 制御部
１０１ 造形制御部
１０２ 冷却位置制御部
１０３ 加熱位置制御部
１１ 主軸
１１１ クランプ機構
１１２ 材料供給部
１１３ 給電機構
１１３Ａ 給電部
１１３Ｂ 受電部
１２ 工具格納エリア
１３ 造形装置格納エリア
１４ 製作エリア
１５ 工具シャッタ
１６ 造形装置シャッタ
２ 工具
３ 造形装置
３１ 吐出ノズル
３２ 貯蔵部
３２１ 傾斜部
３２２ 加熱部
３３ 保温部
３４ 溶融部
３５ 移送部
３６ 局所冷却加熱部
３６ａ 局所冷却加熱部
３６１ 冷却孔
３６２ 加熱孔
３６３ 冷却孔回動機構
３６４ 加熱孔回動機構
４ 移動装置
４１ 駆動部
４２ｘ ｘ軸スライド部
４２ｙ ｙ軸スライド部
４２ｚ ｚ軸スライド部
５１ バルブアレイ
５２ 冷却パイプ
６１ レーザ光源
６２ レーザ光分岐器
６３ レーザファイバ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】