特許 7264651 造形装置、システム、造形方法およびプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-04-17

(45)【発行日】2023-04-25

(54)【発明の名称】造形装置、システム、造形方法およびプログラム

(51)【国際特許分類】

   B29C 64/393 20170101AFI20230418BHJP

   B29C 64/118 20170101ALI20230418BHJP

   B33Y 50/02 20150101ALI20230418BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20230418BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20230418BHJP

   B29C 64/20 20170101ALI20230418BHJP

【ＦＩ】

B29C64/393

B29C64/118

B33Y50/02

B33Y30/00

B33Y10/00

B29C64/20

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2019009590

(22)【出願日】2019-01-23

(65)【公開番号】P2020116820

(43)【公開日】2020-08-06

【審査請求日】2021-12-06

(73)【特許権者】

【識別番号】516262549

【氏名又は名称】エス．ラボ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000420

【氏名又は名称】弁理士法人ＭＩＰ

(72)【発明者】

【氏名】荒生 剛志

(72)【発明者】

【氏名】伊東 陽一

(72)【発明者】

【氏名】竹山 佳伸

(72)【発明者】

【氏名】高井 篤

(72)【発明者】

【氏名】小橋川 翔太

【審査官】坂本 薫昭

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－２０６０１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１７－５２３０６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１５５６９１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２９Ｃ ６４／１０，６４／１０６，６４／１１８，６４／２０，

６４／３０，６４／３９３，６４／４０

Ｂ３３Ｙ １０／００，３０／００，４０／００，５０／００，

５０／０２，７０／００，８０／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

造形材料層の温度を測定する温度測定手段と、
前記造形材料層を再加熱する加熱手段と、
測定された前記温度と、造形される造形物の形状を示す造形形状データ及び造形中の造形物の位置を示す造形位置データの少なくとも１つと、に基づいて加熱量を算出する算出手段と、
算出された前記加熱量に基づいて、前記造形材料層が溶融する所定の温度となるように前記加熱手段を制御する加熱制御手段と、
を含む、造形装置。

【請求項2】

前記温度測定手段が、サーモグラフィー、放射温度計、熱電対からなる群から少なくとも１つが選択された温度測定手段であることを特徴とする、請求項１に記載の造形装置。

【請求項3】

前記温度測定手段を複数含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の造形装置。

【請求項4】

前記算出手段は、造形層を１層造形するごとに、前記加熱量を算出することを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の造形装置。

【請求項5】

前記算出手段は、更に、前記加熱手段の温度に基づいて、前記加熱量を算出することを特徴とする、請求項１～４のいずれか１項に記載の造形装置。

【請求項6】

前記温度測定手段は、吐出手段の進行方向に対して、前記吐出手段が造形材料を吐出する前の位置の温度を測定することを特徴とする、請求項１～５のいずれか１項に記載の造形装置。

【請求項7】

造形材料層の温度を測定する温度測定手段と、
前記造形材料層を再加熱する加熱手段と、
測定された前記温度と、造形される造形物の形状を示す造形形状データ及び造形中の造形物の位置を示す造位置データの少なくとも１つと、に基づいて加熱量を算出する算出手段と、
算出された前記加熱量に基づいて、前記造形材料層が溶融する所定の温度となるように前記加熱手段を制御する加熱制御手段と
を含む、システム。

【請求項8】

造形材料層の温度を測定するステップと、
加熱手段により前記造形材料層を再加熱する加熱ステップと、
前記測定するステップにおいて測定した温度と、造形される造形物の形状を示す造形形状データ及び造形中の造形物の位置を示す造形位置データの少なくとも１つと、に基づいて加熱量を算出するステップと、
算出された前記加熱量に基づいて、前記造形材料層が溶融する所定の温度となるように前記加熱手段を制御するステップと
を含む、造形方法。

【請求項9】

造形装置が実行するプログラムであって、前記造形装置を、
造形材料層の温度を測定する温度測定手段と、
前記造形材料層を再加熱する加熱手段と、
測定された前記温度と、造形される造形物の形状を示す造形形状データ及び造形中の造形物の位置を示す造形位置データの少なくとも１つと、に基づいて加熱量を算出する算出手段と、
算出された前記加熱量に基づいて、前記造形材料層が溶融する所定の温度となるように前記加熱手段を制御する加熱制御手段と、
として機能させる、プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、造形装置、システム、造形方法およびプログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

金型などを用いずに造形物を多品種少量生産可能な装置として、３Ｄプリンタが普及しつつある。

【0003】

特許文献１には、熱溶解積層法（以下、FFF(Fused Filament Fabrication)と略す）として、溶融樹脂を押し出しながら多段に積層する装置が開示されている。

【0004】

しかしながら、特許文献１では、効率的に加熱して造形することができなかった。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、効率的に加熱して造形する造形装置、システム、造形方法およびプログラム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】

【0006】

本発明によれば、
造形材料層の温度を測定する温度測定手段と、
前記温度に基づいて、前記造形材料層が溶融する温度となる加熱量で加熱手段を制御する加熱制御手段と
を含む、造形装置が提供される。

【発明の効果】

【0007】

すなわち本発明によると、効率的に加熱して造形する造形装置、システム、造形方法およびプログラムが提供される。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】一実施形態に係る三次元造形装置の構成を示す模式図である。

【図2】図１の三次元造形装置における吐出モジュールの断面を示す模式図である。

【図3】一実施形態に係る三次元造形装置のハードウェア構成図である。

【図4】下層を加熱する動作の一例を示す模式図である。

【図5】非接触式温度センサの一例として、サーモグラフィーを配置した模式図である。

【図6】接触式温度センサの一例として、熱電対を配置した模式図である。

【図7】伝熱計算部を説明するブロック図である。

【図8】フィードバック制御による下層再加熱処理のフロー図である。

【図9】フィードフォワード制御による下層再加熱処理のフロー図である。

【図10】フィードフォワード制御による任意距離前の下層再加熱処理のフロー図である。

【図11】フィードフォワード制御による吐出直前の下層再加熱処理のフロー図である。

【図12】伝熱計算に用いる、積層界面の接着性の強度発現に起因する、概念図である。

【図13】一実施形態における加熱モジュールを造形テーブル側から見た平面図である。

【図14】上層形成時の造形物の状態の一例を示す模式図である。

【図15】上層形成時の造形物の状態の一例を示す模式図である。

【図16】上層形成時の造形物の状態の一例を示す模式図である。

【図17】上層形成時の造形物の状態の一例を示す模式図である。

【図18】本実施形態における再加熱範囲の一例を示す模式図である。

【図19】一実施形態に係る造形処理を示すフロー図である。

【図20】一実施形態における下層加熱の動作を示す模式図である。

【図21】一実施形態における下層加熱の動作を示す模式図である。

【図22】一実施形態における下層加熱の動作を示す模式図である。

【図23】一実施形態における下層加熱の動作を示す模式図である。

【図24】材料構成を偏在させたフィラメントの一例を示す断面図である。

【図25】図２４のフィラメントの吐出物の断面図である。

【図26】図２４のフィラメントを用いて造形される造形物の断面図である。

【図27】規制手段を有する三次元造形装置の一例を示す模式図である。

【図28】フィラメントの方向を規制する処理の一例を示すフロー図である。

【図29】一実施形態における造形および表面処理動作を示す模式図である。

【図30】実施例および比較例における造形物の形状を示す。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を用いて、本発明の実施形態について説明する。

【0010】

＜＜＜全体構成＞＞＞
本発明の一実施形態として、熱溶解積層法（ＦＦＦ）により三次元造形物を造形する三次元造形装置について説明する。なお、本実施形態における三次元造形装置は、熱溶解積層法（ＦＦＦ）を用いたものに限定されるものではなく、三次元造形物を造形する任意の造形方法を用いたものであってもよい。

【0011】

図１は、一実施形態に係る三次元造形装置の構成を示す模式図である。図２は、図１の三次元造形装置における吐出モジュールの断面を示す模式図である。

【0012】

三次元造形装置１における筐体２の内部は、三次元造形物ＭＯを造形するための処理空間となっている。筐体２の内部には載置台としての造形テーブル３が設けられており、造形テーブル３上に三次元造形物ＭＯが造形される。

【0013】

造形には、熱可塑性樹脂をマトリックスとした樹脂組成物からなる長尺のフィラメントＦが用いられる。フィラメントＦは、細長いワイヤー形状の固体材料であり、巻き回された状態で三次元造形装置１における筐体２の外部のリール４にセットされている。リール４は、フィラメントＦの駆動手段であるエクストルーダ１１の回転に引っ張られることで、大きく抵抗力を働かせることなく自転する。

【0014】

筐体２の内部の造形テーブル３の上方には、造形材料吐出部材としての吐出モジュール１０（造形ヘッド）が設けられている。吐出モジュール１０は、エクストルーダ１１、冷却ブロック１２、フィラメントガイド１４、加熱ブロック１５、吐出ノズル１８、撮像モジュール１０１、ねじり回転機構１０２、およびその他の部品によってモジュール化されている。フィラメントＦは、エクストルーダ１１によって引き込まれることで、三次元造形装置１の吐出モジュール１０へ供給される。

【0015】

撮像モジュール１０１は、吐出モジュール１０に引き込まれるフィラメントＦの360°像、すなわち、フィラメントＦにおけるある部分の全方位の画像を撮像する。ここで、吐出モジュール１０の断面について図２を用いて説明する。図２の吐出モジュールには２つの撮像モジュールが設けられているが、例えば、反射板を用いるなどして、１つの撮像モジュール１０１により、フィラメントＦの360°像を撮像してもよい。なお、撮像モジュール１０１としては、レンズなどの結像光学系と、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）センサやＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサなどの撮像素子と、を備えたカメラが例示される。

【0016】

ねじり回転機構１０２は、ローラにより構築されており、吐出モジュール１０に引き込まれるフィラメントＦを、幅方向に回転させることでフィラメントＦの方向を規制する。径測定部１０３は、撮像モジュール１０１により撮像されたフィラメントの画像から、Ｘ軸、Ｙ軸の２方向におけるフィラメントのエッジ間の幅を、それぞれ径として測定し、規格外の径を検出した際、エラー情報を出力する。エラー情報の出力先は、ディスプレイであってもよいし、スピーカであってもよいし、他の装置であってもよい。径測定部１０３は、回路であってもよいし、ＣＰＵの処理によって実現される機能であってもよい。

【0017】

加熱ブロック１５は、ヒータなどの熱源１６と、ヒータの温度を制御するための熱電対１７と、を有し、移送路を介して、吐出モジュール１０に供給されたフィラメントＦを加熱溶融させて、吐出ノズル１８へ供給する。

【0018】

冷却ブロック１２は、加熱ブロック１５の上部に設けられる。冷却ブロック１２は、冷却源１３を有し、フィラメントを冷却する。これにより、冷却ブロック１２は、溶融したフィラメントＦＭの吐出モジュール１０内の上部への逆流、フィラメントを押し出す抵抗の増大、あるいは、フィラメントの固化による移送路内での詰まりを防ぐ。加熱ブロック１５と冷却ブロック１２との間には、フィラメントガイド１４が設けられている。

【0019】

図２に示すように、吐出モジュール１０の下端部に、造形材料であるフィラメントＦを吐出する吐出ノズル１８が設けられている。吐出ノズル１８は、加熱ブロック１５から供給された溶融状態あるいは半溶融のフィラメントＦＭを造形テーブル３上に線状に押し出すようにして吐出する。吐出されたフィラメントＦＭは、冷却固化されて所定の形状の層が形成される。さらに、吐出ノズル１８は、形成した層に、溶融状態あるいは半溶融状態のフィラメントＦＭを、線状に押し出すようにして吐出する操作を繰り返すことで、新たな層を積み上げて積層させる。これにより、三次元造形物が得られる。

【0020】

本実施形態では、吐出モジュール１０に２つの吐出ノズルが設けられている。第一の吐出ノズルは、三次元造形物を構成するモデル材のフィラメントを溶融して吐出し、第二の吐出ノズルは、モデル材を支持するサポート材のフィラメントを溶融して吐出する。なお、図１において、第一の吐出ノズルの奥側に第二の吐出ノズルが配置されている。なお、吐出ノズルの数は２個に限らず任意である。

【0021】

第二の吐出ノズルから吐出されるサポート材は、通常、三次元造形物を構成するモデル材とは異なる材料である。サポート材により形成されるサポート部は、最終的にはモデル材により形成されるモデル部から除去される。サポート材のフィラメントおよびモデル材のフィラメントは、それぞれ、加熱ブロック１５にて溶融され、それぞれの吐出ノズル１８から押し出されるように吐出されて、層状に順次積層される。

【0022】

また、三次元造形装置１には、吐出モジュール１０により形成中の層の下層を加熱する加熱モジュール２０が設けられている。加熱モジュール２０には、レーザを照射するレーザ光源２１が設けられている。レーザ光源２１は、下層におけるフィラメントＦＭが吐出される直前の位置にレーザを照射する。レーザ光源としては、特に限定されないが、半導体レーザが例示され、レーザの照射波長としては、４４５ｎｍが例示される。

【0023】

吐出モジュール１０および加熱モジュール２０は、装置左右方向（図１中の左右方向＝Ｘ軸方向）に延びるＸ軸駆動軸３１（Ｘ軸方向）に対し、連結部材を介して、スライド移動可能に保持されている。吐出モジュール１０は、Ｘ軸駆動モータ３２の駆動力により、装置左右方向（Ｘ軸方向）へ移動することができる。

【0024】

Ｘ軸駆動モータ３２は、装置前後方向（図１中の奥行方向＝Ｙ軸方向）に延びるＹ軸駆動軸（Ｙ軸方向）に沿ってスライド移動可能に保持されている。Ｘ軸駆動軸３１がＸ軸駆動モータ３２ごとＹ軸駆動モータ３３の駆動力によってＹ軸方向に沿って移動することにより、吐出モジュール１０および加熱モジュール２０はＹ軸方向に移動する。

【0025】

一方、造形テーブル３は、Ｚ軸駆動軸３４、及び、ガイド軸３５に通され、装置上下方向（図１中の上下方向＝Ｚ軸方向）に延びるＺ軸駆動軸３４に沿って移動可能に保持されている。造形テーブル３は、Ｚ軸駆動モータ３６の駆動力により、装置上下方向（Ｚ軸方向）へ移動する。造形テーブル３には、積載された造形物を加熱するための加熱部が設けられていてもよい。

【0026】

フィラメントの溶融と吐出を経時で続けると、吐出ノズル１８の周辺部が溶融した樹脂で汚れることがある。これに対して、三次元造形装置１に設けられたクリーニングブラシ３７により、吐出ノズル１８の周辺部に対し定期的にクリーニング動作を行うことで、吐出ノズル１８の先端に樹脂が固着することを防ぐことができる。好ましくは、クリーニング動作は、固着防止の観点から、樹脂の温度が下がりきらないうちに実行されることが好ましい。この場合、クリーニングブラシ３７は、耐熱性部材からなることが好ましい。クリーニング動作時に生じる研磨粉については、三次元造形装置１に設けられたダストボックス３８に集積させて、定期的に捨ててもよいし、あるいは吸引路を設けて、外部へ排出させてもよい。

【0027】

図３は、一実施形態に係る三次元造形装置のハードウェア構成図である。三次元造形装置１は、制御部１００を有する。制御部１００は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)あるいは回路などによって構築されており、図３に示すように各部と電気的に接続されている。

【0028】

三次元造形装置１には、吐出モジュール１０のＸ軸方向位置を検知するＸ軸座標検知機構が設けられている。Ｘ軸座標検知機構の検知結果は、制御部１００に送られる。制御部１００は、その検知結果に基づいてＸ軸駆動モータ３２の駆動を制御して、吐出モジュール１０を目標のＸ軸方向位置へ移動させる。

【0029】

三次元造形装置１には、吐出モジュール１０のＹ軸方向位置を検知するＹ軸座標検知機構が設けられている。Ｙ軸座標検知機構の検知結果は、制御部１００に送られる。制御部１００は、その検知結果に基づいてＹ軸駆動モータ３３の駆動を制御して、吐出モジュール１０を目標のＹ軸方向位置へ移動させる。

【0030】

三次元造形装置１には、造形テーブル３のＺ軸方向位置を検知するＺ軸座標検知機構が設けられている。Ｚ軸座標検知機構の検知結果は、制御部１００に送られる。制御部１００は、その検知結果に基づいてＺ軸駆動モータ３６の駆動を制御して、造形テーブル３を目標のＺ軸方向位置へ移動させる。

【0031】

このように、制御部１００は、吐出モジュール１０および造形テーブル３の移動を制御することにより、吐出モジュール１０および造形テーブル３の相対的な三次元位置を、目標の三次元位置に移動させる。

【0032】

さらに、制御部１００は、エクストルーダ１１、冷却ブロック１２、吐出ノズル１８、レーザ光源２１、クリーニングブラシ３７、回転ステージＲＳ、撮像モジュール１０１、ねじり回転機構１０２、径測定部１０３、および温度センサ１０４の各駆動部に制御信号を送信することで、これらの駆動を制御する。なお、回転ステージＲＳ、側面冷却部３９、撮像モジュール１０１、ねじり回転機構１０２、径測定部１０３、および温度センサ１０４については後述で説明する。

【0033】

＜＜加熱方法＞＞ 図４は、下層を加熱する動作の一例を示す模式図である。以下、一実施形態として、レーザを用いて加熱する方法について説明する。

【0034】

吐出モジュール１０による上層の造形中、レーザ光源２１は、下層における、フィラメントＦＭが吐出される直前の位置にレーザを照射して再加熱する。再加熱とは、溶融したフィラメントＦＭが冷却されて固化した後、再度加熱することを表す。再加熱の温度は、特に限定されないが、下層のフィラメントＦＭが溶融する温度以上であることが好ましい。また、以下では、下層のフィラメントＦＭが溶融する温度以上での再加熱を、再溶融と称することがある。

【0035】

加熱前の下層温度は、測定手段として温度センサ１０４により、センシングされる。温度センサ１０４の位置は、加熱前の下層面をセンシング可能な任意の位置に配置される。本実施形態では、図４において、レーザ光源２１の垂直上方に温度センサ１０４が配置されている。加熱前の下層温度を温度センサ１０４によりセンシングして、センシングの結果に基づいてレーザの出力を調整することで、下層を所定の温度以上に再加熱することができる。別の方法として、再加熱中の下層温度を温度センサ１０４によりセンシングして、センシングの結果が任意温度以上になるまで、レーザから下層へのエネルギーの入力を行ってもよい。その際は、温度センサ１０４の位置は、加熱面をセンシング可能な任意の位置に配置する。温度センサ１０４としては、公知の任意の装置が用いられ、接触式であってもよいし、非接触式であってもよい。温度センサ１０４は、特に限定されず、例えば、サーモグラフィー、放射温度計、熱電対などを用いることができる。また、複数の温度センサを含んで構成されてもよい。

【0036】

図５は、非接触式温度センサの一例として、サーモグラフィー１０４ａを配置した模式図である。また、図６は、接触式温度センサの一例として、熱電対１０４ｂを配置した模式図である。なお、非接触式温度センサや接触式温度センサは、サーモグラフィー１０４ａや熱電対１０４ｂ以外の温度センサであってもよい。

【0037】

図７は、伝熱計算部を説明するブロック図である。伝熱計算部７０１には、計算手段として、種々の温度センサが出力する下層温度、材料吐出温度、造形雰囲気温度などの各測定値が入力される。下層温度、材料吐出温度、造形雰囲気温度の条件により、下層の再加熱に要する熱量が変動し得るためである。

【0038】

伝熱計算部７０１には、立体モデルの造形形状のデータや、造形中における造形位置を示すデータが入力される。立体造形物は、造形される形状や造形位置によって熱容量が異なるため、下層の再加熱に要する熱量が異なる。したがって、例えば、立体モデルの造形形状のデータに基づいて、細い形状の場合と太い形状の場合とで、異なる加熱量の制御を行う。また、例えば、造形位置を示すデータに基づいて、端面造形時と中央部造形時とで、異なる加熱量の制御を行う。

【0039】

伝熱計算部７０１は、入力された各種情報に基づいて、下層による熱の吸収量を算出することで、下層再加熱に必要な加熱量のデータを算出する。伝熱計算部７０１が算出した加熱データは、加熱制御部７０２に出力される。加熱制御部７０２は、伝熱計算部７０１から受領した加熱データを基に、加熱源７０３を制御し、下層を再加熱する。

【0040】

下層の表面を再加熱することにより、下層と、下層の表面に吐出されたフィラメントＦＭとの温度差が小さくなり、下層と吐出されたフィラメントＦＭが混ざり合うことで、積層方向の接着性が向上する。特に、伝熱計算部７０１が算出する適切な熱エネルギーによって加熱を制御することで、立体造形物を変質させることなく、積層界面の強度を向上する事ができる。

【0041】

図８は、フィードバック制御による下層再加熱処理のフロー図である。図８に示すフロー図の処理では、造形層を１層造形した後、上層を造形する際、吐出直前の温度を温度センサによって測定する。

【0042】

制御部１００は、立体モデルのデータに基づいて吐出モジュール１０を制御し、１層分の造形を行う（ステップＳ１１）。なお、ここで形成した層を「下層」と称することがある。下層の造形を行った後、ステップＳ１２以降で、当該下層の上部にさらに層を積層するための再加熱処理に移行する。

【0043】

温度センサ１０４は、下層のうち、吐出モジュール１０が溶融したフィラメントＦＭを吐出する直前の領域の温度を測定する（ステップＳ１２）。伝熱計算部７０１は、測定した温度データを取得し、下層を再加熱する際に必要な加熱量を算出する（ステップＳ１３）。なお、ステップＳ１３における加熱量は、材料吐出温度、造形雰囲気温度、形状データ、造形位置などを加味して算出してもよい。

【0044】

伝熱計算部７０１は、算出した加熱量を加熱制御部７０２に出力する（ステップＳ１４）。加熱制御部７０２は、取得した加熱量データに基づいて、加熱源７０３を制御し、下層を再加熱する（ステップＳ１５）。下層再加熱後、温度センサ１０４は、下層の温度を再度測定する（ステップＳ１６）。

【0045】

ステップＳ１６において目標の温度となっていた場合には、再加熱処理を終了する（ステップＳ１７のＹＥＳ）。ステップＳ１６において目標の温度となっていない場合には、ステップＳ１３に戻り、再度加熱量を算出して、加熱量の制御を行う（ステップＳ１７のＮＯ）。なお、目標の温度とは、特に限定されないが、下層の変形が生じない程度に、下層のフィラメントＦＭが溶融する温度である。

【0046】

図９は、フィードフォワード制御による下層再加熱処理のフロー図である。図９に示すフロー図の処理では、造形層を１層造形した後、上層を造形する際、再加熱までに低下する温度を算出し、加熱量を制御する。

【0047】

制御部１００は、立体モデルのデータに基づいて吐出モジュール１０を制御し、１層分の造形を行う（ステップＳ２１）。その後、温度センサ１０４は、下層の温度を測定する（ステップＳ２２）。

【0048】

伝熱計算部７０１は、測定した温度データを取得し、下層の温度測定時から再加熱されるまでの時間を算出する（ステップＳ２３）。その後、伝熱計算部７０１は、ステップＳ２３で算出した再加熱されるまでに要する時間に基づいて、下層が再加熱されるまでに低下する温度を算出する（ステップＳ２４）。

【0049】

さらに伝熱計算部７０１は、測定した温度データと、時間の経過による温度低下に基づいて、下層を再加熱する際に必要な加熱量を算出する（ステップＳ２５）。なお、ステップＳ２３～Ｓ２５における処理においては、材料吐出温度、造形雰囲気温度、形状データ、造形位置などを加味して算出してもよい。

【0050】

伝熱計算部７０１は、算出した加熱量を加熱制御部７０２に出力する（ステップＳ２６）。加熱制御部７０２は、取得した加熱量データに基づいて、加熱源７０３を制御し、下層を再加熱する（ステップＳ２７）。下層の再加熱を行ったあと、処理を終了する。

【0051】

図１０は、フィードフォワード制御による任意距離前の下層再加熱処理のフロー図である。図１０に示すフロー図の処理では、図９のフロー図のステップＳ２２の処理に替えて、任意距離前下層温度測定処理を行う。すなわち、図１０に示すフロー図の処理においては、造形層を１層造形した後（ステップＳ３１）、吐出モジュール１０の進行方向に対して手前側の任意の位置の下層温度を測定する（ステップＳ３２）。その後、ステップＳ２３～Ｓ２７と同様の処理を行う（ステップＳ３３～Ｓ３７）。

【0052】

図１１は、フィードフォワード制御による吐出直前の下層再加熱処理のフロー図である。図１１に示すフロー図の処理では、図８のフロー図においてステップＳ１６、Ｓ１７の処理を行わず、フィードフォワード制御するものである。したがって、図１１のステップＳ４１～Ｓ４５の処理は、図８のステップＳ１１～Ｓ１５の処理と同様である。

【0053】

制御部１００は、立体モデルのデータに基づいて吐出モジュール１０を制御し、１層分の造形を行う（ステップＳ１１）。温度センサ１０４は、下層のうち、吐出モジュール１０が溶融したフィラメントＦＭを吐出する直前の領域の温度を測定する（ステップＳ４２）。伝熱計算部７０１は、測定した温度データを取得し、下層を再加熱する際に必要な加熱量を算出する（ステップＳ４３）。

【0054】

伝熱計算部７０１は、算出した加熱量を加熱制御部７０２に出力する（ステップＳ４４）。加熱制御部７０２は、取得した加熱量データに基づいて、加熱源７０３を制御し、下層を再加熱する（ステップＳ４５）。三次元造形装置１は、下層を再加熱した後、フィードフォワード制御による下層の再加熱処理を終了する。

【0055】

図１２は、伝熱計算に用いる、積層界面の接着性の強度発現に起因する、概念図である。高積層強度発現に起因するパラメータの例として積層界面温度と加熱時間がある。積層界面温度がガラス転移点以上の温度で、所定の時間以上加熱すると、積層界面の樹脂同士が混ざりあい、積層界面強度を向上することが出来る。すなわち、積層界面温度および加熱時間の関係が、高積層強度発現ラインを超える場合には、高強度の積層界面が発現する。

【0056】

伝熱計算部７０１は、図１２に示す概念図の高積層強度発現ラインを超えるように加熱量を算出する。

【0057】

図１３は、一実施形態における加熱モジュールを造形テーブル３側から見た平面図である。図１３において、加熱モジュール２０は、回転ステージＲＳに取り付けられている。回転ステージＲＳは、吐出ノズル１８を中心に回転する。レーザ光源２１は、回転ステージＲＳの回転に伴い回転移動する。これにより、レーザ光源２１は、吐出ノズル１８の移動方向が変わっても、吐出ノズル１８による吐出位置に先回りしてレーザ光を照射することができる。

【0058】

図１４は、上層形成時の造形物の状態を示す模式図である。以下、吐出モジュール１０により造形中の層を上層Ｌｎ、造形中の層の一つ下の層を下層Ｌｎ－１、下層Ｌｎ－１の一つ下の層を下層Ｌｎ－２と表す。図１４～図１７中の実線矢印は、吐出モジュールの移動経路（ツールパス）を示す。図１４以降では、吐出モジュールのツールパスが分かるように、吐出されたフィラメントを楕円柱で表している。このため、フィラメントとフィラメントとの間に空隙が形成されているが、実際は、強度の点で空隙が形成されないように造形することが好ましい。

【0059】

図１４の（Ａ）は、下層を再加熱せずに上層を形成するときの造形物を示す模式図である。図１４中の実線矢印が示す向きに、吐出ノズル１８が移動して造形物を形成していく。下層Ｌｎ－１を再加熱せずに上層Ｌｎを形成すると、下層Ｌｎ－１が固化した状態で上層Ｌｎを形成できるため、外形面ＯＳの変形は、生じない。ただし、この場合、上層Ｌｎと下層Ｌｎ－１との間（接着面ＡＳ）で十分な接着強度が得られない。

【0060】

図１４の（Ｂ）は、下層を再加熱しながら上層を形成するときの造形物を示す模式図である。下層Ｌｎ－１を再加熱しながら上層Ｌｎを形成すると、接着性はあるものの、下層Ｌｎ－１が溶融した状態で、上層Ｌｎを形成できるため外形面ＯＳが変形する。

【0061】

図１４の（Ｃ）は、下層を再加熱しながら上層を形成するときの造形物を示す模式図である。図１４の（Ｃ）の例では、モデル部Ｍの下層Ｌｎ－１を再加熱しながら上層Ｌｎを形成しても、接着性もあり、サポート部Ｓによりモデル部Ｍは支えらえるため、モデル部Ｍの外形面ＯＳは変形しない。

【0062】

本実施形態では、下層Ｌｎ－１を部分的に再溶融させた状態で上層Ｌｎ層を形成する。これにより、上層Ｌｎと、下層Ｌｎ－１との間の高分子の絡み合いが促進され、造形物の強度が向上する。また、再溶融の条件を適切に設定することで、形状精度とモデル部Ｍの積層方向強度の両立を図ることができる。以下、本実施形態における、再溶融領域の設定例と、その効果について説明する。

【0063】

なお、モデル材とサポート材とは、同じ材料であってもよいし、異なっていてもよい。例えば、モデル部Ｍとサポート部Ｓとを同じ材料で形成した場合でも、これらの界面の強度をコントロールすることで、造形後に分離することができる。

【0064】

図１５は、上層形成時の造形物の状態を示す模式図である。図１５の（Ａ）の造形方法では、三次元造形装置１は、下層Ｌｎ－１におけるモデル部Ｍの表面および、サポート部Ｓにおける外周部を除く表面を再加熱し、再溶融部ＲＭを形成して、上層Ｌｎを形成する。この方法によると、モデル部Ｍにおける外形面ＯＳ側の領域を再溶融させて造形するので、層間の接着性が向上し、積層方向の強度が向上する。また、外形面ＯＳ側を溶融させることで、サポート部Ｓとモデル部Ｍとの造形中の剥がれが生じにくくなり、造形精度が向上する。ただし、サポート部Ｓとモデル部Ｍとの接着性が高くなりすぎると、造形後のサポート部Ｓの離型性が低下する。さらに、加熱温度によっては、モデル部Ｍの中にサポート部Ｓが混ざり合うことで、モデル部Ｍの強度が減少することもある。材料の混ざり合いは、積層面に対し非接触により加熱する方法を用いたり、接触して加熱する場合には、接触部材の動きを工夫したり、接触部材をクリーニングしたりすることで、防止することができる。また、サポート部Ｓの離型性については、サポート材として、モデル材と異なる材料であり、モデル材よりも融点が低い材料を用いることで、改良される。

【0065】

図１５（Ｂ）の造形方法では、三次元造形装置１は、モデル材およびサポート材を用いてサポート部Ｓを形成する。この場合、三次元造形装置１は、サポート部Ｓにおけるモデル部Ｍ側の領域Ｓｓにサポート材を配置し、外周側の領域Ｓｍにモデル材を配置する。この場合、三次元造形装置１は、モデル部Ｍおよびサポート部Ｓにおける領域Ｓｍをモデル材により形成し、続いて、モデル材の隙間にサポート材を流し込むことで造形してもよい。続いて、三次元造形装置１は、下層Ｌｎ－１におけるモデル部Ｍの表面、ならびにサポート部Ｓの外周部を除く表面を再加熱しながら上層Ｌｎを形成する。

【0066】

図１５（Ｂ）の造形方法は、サポート部Ｓの離型性に優れる場合に適している。また、図１５（Ｂ）の造形方法は、領域Ｓｓの形状精度や構造体としての強度が低い場合でも、領域Ｓｍが、領域Ｓｓを支えることで、領域Ｓｓの形状精度や強度を補える点で好ましい。

【0067】

図１５の（Ｃ）の造形方法では、三次元造形装置１は、モデル部Ｍにおける外形面ＯＳ近傍を除く表面を再加熱しながら上層Ｌｎを形成する。この方法によると、再溶融時に、モデル部Ｍの熱はサポート部Ｓに伝わりにくいので、サポート部Ｓの形状が安定する。図１５の（Ｃ）の造形方法は、モデル部Ｍの形状を維持しやすく、モデル部Ｍとサポート部Ｓとの離型性を確保しやすい点で有効であるが、モデル部Ｍの表面の全体を再溶融する造形方法と比較すると、積層方向の強度は弱くなる。従って、図１５の（Ｃ）の造形方法は、内部構造が強固な造形物を造形する場合や、造形精度や離型性に重点を置く場合に有効である。

【0068】

図１６は、上層形成時の造形物の状態を示す模式図である。図１６の（Ａ）の造形方法は、モデル部Ｍの表面における再溶融しない領域を外形面ＯＳからより離れた位置まで広げて、再溶融部ＲＭをより小さくした点で図１５の（Ｃ）の造形方法と異なる。図１６の（Ａ）の造形方法によると、図１５の（Ｃ）の造形方法と比較して、サポート部Ｓの形状が安定するので、モデル部Ｍの形状を維持できる点でより有効である一方で、モデル部Ｍにおける積層方向の強度はより小さくなる。

【0069】

図１６の（Ｂ）の造形方法は、モデル部Ｍにおける外形面ＯＳ近傍まで下層Ｌｎ－１の表面を再加熱する点で、図１５の（Ｃ）の造形方法と異なる。図１６の（Ｂ）の造形方法は、モデル材よりもサポート材の融点が高い場合に有効である。図１６の（Ｂ）の造形方法によると、図１５の（Ｃ）の造形方法と比較して、モデル部Ｍにおける積層方向の強度が大きくなる。

【0070】

図１６の（Ｃ）の造形方法では、三次元造形装置１は、先に上層Ｌｎのサポート材を吐出してサポート部Ｓを形成してから、下層Ｌｎ-1のモデル部Ｍを再溶融させて、上層Ｌｎのモデル部Ｍを形成する。サポート部Ｓは、造形後に最終的には除去されるため、造形中に剥がれない程度の強度を有していればよく、モデル材ほどの強度は要求されない。このため、サポート材としては、モデル材もより高精度に積層可能な材料を選択することが好ましい。下層Ｌｎ－１が固化している状態で上層Ｌｎのサポート部Ｓを形成することで、サポート部Ｓの造形精度は向上する。図１６の（Ｃ）の造形方法によると、サポート部Ｓとモデル部Ｍとを独立して形成する。このため、三次元造形装置１は、サポート部Ｓの積層ピッチをモデル部Ｍの積層ピッチよりも細かくすることもできる。例えば、図１６の（Ｃ）の構成では、サポート部Ｓの積層ピッチは、モデル部Ｍの積層ピッチの1/2となっている。溶融したモデル材はサポート部Ｓの形状にならうため、サポート部Ｓの積層ピッチを細かくすることで、モデル部Ｍの外形面ＯＳがより滑らかになる。モデル部Ｍに比べサポート部Ｓの方が精度よく造形できる場合には、図１６の（Ｃ）の方法は好適である。

【0071】

図１７は、上層形成時の造形物の状態を示す模式図である。図１７の（Ａ）の造形方法は、先に上層Ｌｎにおけるサポート部Ｓを形成してから、上層Ｌｎにおけるモデル部Ｍを形成する点で、図１６の（Ｂ）と異なる。モデル材よりもサポート材の融点が高い場合、モデル部Ｍにおける外形面ＯＳの近傍まで加熱しても、サポート部Ｓは溶融しない。図１７の（Ａ）の造形方法によると、離型性に優れ、積層方向の強度が高い造形物が得られ、造形精度が向上する。

【0072】

図１７の（Ｂ）の造形方法は、先に上層Ｌｎにおけるサポート部Ｓを形成してから、上層Ｌｎにおけるモデル部Ｍを形成する点で、図１５の（Ｂ）の方法と異なる。図１７の（Ｂ）の方法によると、領域Ｓｓの形状精度や構造体としての強度が低い場合でも、領域Ｓｍが、領域Ｓｓを支えることで、領域Ｓｓの形状精度や構造体としての強度を補える。ただし、図１７の（Ｂ）の造形方法によると、再溶融時に領域Ｓｓが溶融すると、サポート部Ｓの離型性が低下することもある。

【0073】

図１７の（Ｃ）の造形方法は、先に上層Ｌｎにおけるモデル部Ｍの外周側を形成してから、上層におけるモデル部Ｍの残りの部分を造形する点で図１６の（Ａ）と異なる。図１７の（Ｃ）の造形方法によると、モデル部Ｍのみで造形するので、形状が安定し、造形精度が向上する。また、上層Ｌｎにおけるモデル部Ｍの側面の一部を再溶融させながら造形するためモデル部Ｍの強度も向上する。

【0074】

図１８は、本実施形態における再加熱範囲の一例を示す模式図である。三次元造形装置１は、外形形状維持を目的として、三次元造形物ＭＯにおける外周部を再加熱せず、再溶融部ＲＭを意図的に狭めることで、造形物の形状を維持しつつ、積層間の密着性を向上させる。

【0075】

＜＜処理および動作＞＞
続いて、一実施形態における三次元造形装置１の処理および動作について説明する。図１９は、一実施形態に係る造形処理を示すフロー図である。

【0076】

三次元造形装置１の制御部１００は、立体モデルのデータの入力を受け付ける。立体モデルのデータは、立体モデルを所定間隔でスライスしたときの層ごとの画像データによって構築される。

【0077】

三次元造形装置１の制御部１００は、Ｘ軸駆動モータ３２またはＹ軸駆動モータ３３を駆動して吐出モジュール１０をＸ軸またはＹ軸方向に移動させる。吐出モジュール１０が移動している間に、制御部１００は、入力された立体モデルのデータのうち、最下層の画像データに基づいて、吐出ノズル１８から造形テーブル３へ溶融状態または半溶融状態のフィラメントＦＭを吐出させる。これにより、三次元造形装置１は、造形テーブル３上に画像データに基づいた形状の層を形成する（ステップＳ５１）。

【0078】

吐出モジュール１０が移動している間に、制御部１００は、入力された立体モデルのデータのうち、造形が完了していない層のうち最も下の層の画像データに基づいて、レーザ光源２１からレーザを照射させる。これにより、下層におけるレーザ照射位置が再溶融する（ステップＳ５２）。なお、制御部１００は、図１５の（Ｃ）、図１６の（Ａ）、（Ｃ）、図１７の（Ｃ）の造形方法のように、画像データの示す範囲の内部にレーザを照射させてもよい。あるいは、制御部１００は、例えば、図１５の（Ａ）、（Ｂ）、図１７の（Ｂ）の造形方法のように、画像データの示す範囲を超えて、レーザを照射させてもよい。ステップＳ５２における下層の加熱温度は、フィラメントの溶融温度以上に制御される。

【0079】

吐出モジュール１０が移動している間に、制御部１００は、入力された立体モデルのデータのうち、造形が完了していない層のうち最も下の層の画像データに基づいて、吐出ノズル１８から造形テーブル３上の下層へフィラメントＦＭを吐出させる。これにより、下層の上に、画像データに対応する形状を有する層が形成される（ステップＳ５３）。このとき、下層は再溶融しているので、造形する層と下層の層間の界面の接着性が向上する。

【0080】

なお、ステップＳ５２における下層を再溶融させる処理と、ステップＳ５３における層の形成処理と、をオーバーラップさせてもよい。この場合、三次元造形装置１は、下層にレーザを照射する処理を開始してから、照射範囲全体へのレーザの照射が完了する前に、フィラメントＦＭの吐出を開始する。

【0081】

三次元造形装置１の制御部１００は、ステップＳ５３で形成された層が最表層であるか判断する（ステップＳ５４）。最表層とは、立体モデルのデータのうち、積層方向（Ｚ軸）の座標が最も大きい画像データに基づいて形成される層である。ステップＳ５４でＮＯと判断された場合、三次元造形装置１の制御部１００は、最表層が形成されるまで、再溶融の処理（ステップＳ５２）と、層形成の処理（ステップＳ５３）と、を繰り返す。

【0082】

最表層の形成が完了すると（ステップＳ５４のＹＥＳ）、三次元造形装置１は、造形処理を終了する。

【0083】

＜＜＜実施形態の変形例Ａ＞＞＞
続いて、実施形態の変形例Ａについて上記の実施形態と異なる点を説明する。図２０は、一実施形態における下層加熱の動作を示す模式図である。

【0084】

実施形態の変形例Ａにおいて、加熱モジュール２０は、温風源２１´を有する。温風源２１´としては、ヒータおよびファンが例示される。実施形態の変形例Ａにおいて、温風源２１´は、高温の温風を吹き付けることにより下層を加熱して、再溶融させる。実施形態の変形例Ａにおいても、再溶融させた下層にフィラメントＦＭを吐出して上層を形成することで、下層と上層の材料が混ざり合い、上層と下層の接着性が向上する。

【0085】

＜＜＜実施形態の変形例Ｂ＞＞＞
続いて、実施形態の変形例Ｂについて、上記の実施形態と異なる点を説明する。図２１は、一実施形態における下層加熱の動作を示す模式図である。

【0086】

実施形態の変形例Ｂにおいて、三次元造形装置１の加熱モジュール２０は、加熱モジュール２０´に置き換えられる。加熱モジュール２０´は、三次元造形物ＭＯにおける下層を加熱および加圧する加熱プレート２８と、加熱プレート２８を加熱する加熱ブロック２５と、加熱ブロック２５からの熱伝導を防ぐための冷却ブロック２２と、を備える。加熱ブロック２５は、ヒータなどの熱源２６と、加熱プレート２８の温度を制御するための熱電対２７と、を備える。冷却ブロック２２は、冷却源２３を備える。加熱ブロック２５と冷却ブロック２２との間には、ガイド２４が設けられている。

【0087】

加熱モジュール２０´は、装置左右方向（図１中の左右方向＝Ｘ軸方向）に延びるＸ軸駆動軸３１（Ｘ軸方向）に対し、連結部材を介して、スライド移動可能に保持されている。加熱モジュール２０´は、加熱ブロック２５によって加熱されて高温になる。その熱がＸ軸駆動モータ３２に伝わるのを低減するため、フィラメントガイド１４等を含めた移送路またはガイド２４は、低熱伝導性であることが好ましい。

【0088】

加熱モジュール２０´において、加熱プレート２８の下端は、吐出ノズル１８の下端よりも、１層分低くなるように配置されている。吐出モジュール１０および加熱モジュール２０を、図２１に示す白抜き矢印方向に走査しながら、フィラメントを吐出すると同時に、加熱プレート２８は、造形中の層の一つ下の層を再加熱する。これにより、造形中の層と、一つ下の層との温度差が小さくなり、層間で材料が混ざり合うので、造形物の層間強度が向上する。なお、加熱した層を冷却する方法としては、雰囲気温度を設定する方法、所定の時間放置する方法、もしくは、ファンなどを利用する方法などが例示される。

【0089】

実施形態の変形例Ｂによると、層間の材料を物理的に混ぜる事で、層間の界面の密着力を向上させることができる。また、実施形態の変形例Ｂによると、造形物の外形を崩さずに、選択的に下層を加熱し、下層が再溶融している間に次の吐出を行うことで、界面の密着力が向上する。

【0090】

＜＜＜実施形態の変形例Ｃ＞＞＞
続いて、実施形態の変形例Ｃについて、上記の実施形態の変形例Ｂと異なる点を説明する。図２２は、一実施形態における下層加熱の動作を示す模式図である。

【0091】

実施形態の変形例Ｃにおいて、加熱モジュール２０´における加熱プレート２８は、タップノズル２８´に置き換えられる。タップノズル２８´は、加熱ブロック２５によって加熱される。タップノズル２８´は、モータ等の動力により、三次元造形物ＭＯを垂直上方から繰り返しタップするタップ動作により、三次元造形物ＭＯにおける下層を加熱し加圧する。これにより、造形中の層と、一つ下の層との温度差が小さくなり、層間で材料が混ざり合うので、造形物の層間の強度が向上する。タップ動作後、吐出ノズル１８からは、タップ動作によって凹んだ下層の表面を埋めるようにフィラメントＦＭを吐出する。下層の凹んだ部分がフィラメントＦＭによって埋められることで、最表面の形状が平滑に仕上がる。

【0092】

＜＜＜実施形態の変形例Ｄ＞＞＞
続いて、実施形態の変形例Ｄについて、上記の実施形態と異なる点を説明する。図２３は、一実施形態における下層加熱の動作を示す模式図である。

【0093】

実施形態の変形例Ｄにおいて、加熱モジュール２０には、三次元造形物ＭＯの側面、すなわちＺ軸に対し平行な面を冷却する側面冷却部３９が設けられている。側面冷却部３９としては、三次元造形物ＭＯの側面を冷却可能な冷却源であれば特に限定されないが、ファンが例示される。

【0094】

外形を維持する処理を行うことなく、三次元造形物ＭＯにおける外周部を再加熱すると、外形が崩れ、造形精度が劣化する。そこで、実施形態の変形例Ｄでは、三次元造形物ＭＯの側面に冷却風を当てつつ、三次元造形物ＭＯの外周部を再加熱することで、造形部の形状を維持しつつ、材料を積層することができる。

【0095】

＜＜＜実施形態の変形例Ｅ＞＞＞
続いて、実施形態の変形例Ｅについて、上記の実施形態と異なる点を説明する。

【0096】

下層、あるいは造形空間を加熱しながら造形すると、三次元造形物ＭＯにおける加熱箇所の粘性が下がることで、外形が崩れて、造形精度が失われることがある。一方、下層、あるいは造形空間を加熱せずに造形すると、三次元造形物ＭＯの粘性は高くなるが、積層方向の強度の維持が困難となる。そこで、実施形態の変形例Ｅでは、材料構成を偏在させたフィラメントを用いて造形する。

【0097】

図２４は、材料構成を偏在させたフィラメントの一例を示す断面図である。図２４の（Ａ）の例では、フィラメントＦの両側に高粘性の樹脂Ｒｈが配置され、中心部には低粘性の樹脂Ｒｌが配置されている。

【0098】

フィラメントＦの両側に配置される高粘性の樹脂Ｒｈとしては、特に限定されないが、アルミナ、カーボンブラック、カーボンファイバー、ガラスファイバー等といったフィラーを配合することで高粘性とした樹脂が例示される。フィラーが所望の機能を阻害する場合は、高粘性の樹脂Ｒｈとして、分子量をコントロールした樹脂を用いてもよい。

【0099】

フィラメントＦの中心部に配置される低粘性の樹脂Ｒｌとしては、特に限定されないが低分子量グレードである樹脂が例示される。

【0100】

図２５は、図２４のフィラメントの吐出物の断面図である。図２６は、図２４のフィラメントを用いて造形される造形物の断面図である。図２４の（Ａ）のフィラメントを吐出することで、図２５の（Ａ）の形状の吐出物が得られ、図２６の造形物が得られる。図２６の造形物において、外周部には高粘性の樹脂が配置されるため、必然的に造形物が崩れにくくなる。

【0101】

図２４の（Ｂ）は、材料構成を偏在させたフィラメントの他の一例を示す。図２４の（Ｂ）のフィラメントを吐出することで、図２５の（Ｂ）の形状の吐出物が得られる。このように、図２４の（Ｂ）のフィラメントを用いても、外周部に粘性の高い樹脂が配置された造形物が得られる。加えて、製造方法の観点でも低粘性樹脂を包み込む本構成の方が、図２５の（Ａ）の構成よりもフィラメントを作りやすいといったメリットもある。

【0102】

ただし、図２５の（Ｂ）のフィラメントを用いる際は、層の下部も粘性の高い状態となる。粘性の高い樹脂は、粘性の低い樹脂と比較して融点が高い場合が多い。高温で下層を再溶融させたときに、溶融した樹脂が水平方向に移動することを防ぐため、造形物の外周部の加熱を避けることが好ましい。このため、加熱手段としては、小スポットで加熱できるレーザ等が好ましい。

【0103】

外周部の積層方向密着力を向上させるため、外周部を加熱する場合には、造形物の横から板などを直接当てる形で加熱すると良い。これにより、粘度低下による樹脂の水平方向の移動は規制される。図２７は、規制手段を有する三次元造形装置の一例を示す模式図である。

【0104】

図２７の例では、三次元造形装置１には、規制手段の一例としてアシスト機構４１が設けられている。ＦＦＦ方式においては、１層の厚みは0.10～0.30mm程度である。そのため、アシスト機構４１における板はシックネスゲージのような薄い板となる。アシスト機構４１は、吐出モジュール１０、あるいは、吐出モジュール１０に対し間接的に固定されたブラケットに固定される。

【0105】

アシスト機構４１における板は、常温よりも高い温度に加熱されていることが好ましい。用いる樹脂にもよるが、結晶性樹脂の場合は、常温の板が当たると急冷されることにより、アモルファス化が進行し、所望の強度が得られなくなることがある。

【0106】

一般的に粘度は、温度およびせん断速度の関数で表される。熱溶解積層法（ＦＦＦ）で用いられるエンプラ(Engineering plastic)、あるいは、スーパーエンプラ等は、温度あるいはせん断速度などの変数に対して非線形挙動を示すので、樹脂の融点Ｔｍ以上でなくても、ＦＦＦ方式で必要なせん断抵抗、すなわち、樹脂の粘度が得られることがある。一方で、Ｔｍ以上の領域において所望のせん断速度(S.Rate)における粘度が低すぎる場合はノズルからの液垂れ、フィラメント引き込み（リトラクト動作）時における引き込み不足、それに付随する吐出初期のショートショット、造形物の崩れ等といった課題が生じる。

【0107】

Ｔｍ以上の所定の温度の樹脂において、一般的には、S.Rate = 0、すなわち、非吐出動作時に、当該温度における最も粘度が高い状態となる。この状態でも液垂れするような場合は、フィラーによる樹脂のコンポジット化が、液垂れを防止するための、有効な手段となり得る。樹脂にフィラー添加して、配合比、あるいは、配合するものの粒度/繊維長分布等をコントロールすることで、溶融時のチキソトロピー性が付与され、非吐出動作時には垂れにくく、吐出動作時には粘性の低い状態となる。

【0108】

下層温度の上昇に付随して生じやすい造形物の崩れにおいても、フィラメントにフィラーを添加する方法は好適である。フィラーの添加によっても、造形精度を保てない場合は、造形物の側面を規制することが好ましい。

【0109】

＜＜＜実施形態の変形例Ｆ＞＞＞
続いて、実施形態の変形例Ｆについて、上記の実施形態の変形例Ｅと異なる点を説明する。

【0110】

材料構成を偏在させたフィラメントを用いる場合、造形物の外周部に高粘性の樹脂Ｒｈが配置されるように、吐出モジュール１０へ導入されるフィラメントの方向を規制することが好ましい。

【0111】

図２８は、フィラメントの方向を規制する処理の一例を示すフロー図である。三次元造形装置１の撮像モジュール１０１は、吐出モジュール１０へ導入されるフィラメントを撮像し、得られた画像データを制御部１００へ送信する。

【0112】

制御部１００は、撮像モジュール１０１によって送信されたフィラメントの画像データを受信する（ステップＳ６１）。制御部１００は、受信したフィラメントの画像データを解析して回転量を演算する（ステップＳ６２）。回転量の演算方法としては、特に限定されないが、フィラメントＦにおける高粘度の樹脂Ｒｈと低粘度の樹脂Ｒｌとの境界が所定の位置となるように、回転量を決定する方法が例示される。例えば、吐出モジュール１０をＸ軸方向に移動させながらフィラメントを吐出する場合、フィラメントにおける高粘度の樹脂ＲｈをＹ軸の正負方向に偏在させておくことで、造形物における最外殻に高粘性の樹脂が配置される。このため、制御部１００は、樹脂ＲｈがＹ軸の正負方向に偏在した配置となるように、フィラメントの回転量を決定する。

【0113】

制御部１００は、決定された回転量に基づいて、フィラメントを回転させるための信号をねじり回転機構１０２へ送信する。ねじり回転機構１０２は、信号に基づいてフィラメントを回転させる（ステップＳ６３）。これにより、フィラメントが、所望の方向に規制される。

【0114】

なお、フィラメントの外側に高粘性の樹脂が配置されると、移送路において、フィラメントの壁部側の流速が極端に遅くなり、高粘性の樹脂が滞留することで、所望の配置でフィラメントを吐出できなくことがある。このため、加熱ブロック２５よりも搬送経路下流側の領域、すなわち融点以上の温度が付与される領域においては、移送路の内壁は耐熱性の高いフッ素等により加工されていることが好ましい。移送路に離形層が形成されることで、溶融樹脂と移送路の内壁との摩擦抵抗が下がり、高粘性の樹脂の滞留は起こりにくくなる。

【0115】

また、制御部１００は、ねじり回転機構１０２から吐出ノズル１８までの区間の搬送のタイムラグを考慮して、制御の遅れを防ぐためフィードフォワード制御を行うことが好ましい。例えば、制御部１００は、吐出モジュール１０の進行方向が曲がるタイミングで、フィラメントの方向が切り替わるように、ねじり回転機構１０２の駆動を制御する。また、吐出モジュール１０を曲線に進行させる場合も、制御部１００は、タイムラグを考慮して段階的にねじり回転機構１０２の駆動を制御する。

【0116】

なお、フィラメントが極端にねじられている状態だと、リール４から吐出モジュール１０の導入部までの経路で絡まる恐れがある。この絡まりをほどくのはユーザーにとっては非常に煩雑である。このため、リール４から導入部まではガイドチューブが導入されていることが好ましい。ただし、極端にフィラメントがねじられている場合は、ガイドチューブとフィラメントの摩擦抵抗が高まり、正常にフィラメントが導入されないこともある。また、ガイドチューブの継ぎ手等の内径の狭いオリフィス部において、フィラメントが削られる恐れがある。また、フィラーが配合された強化フィラメント等においては、樹脂特有の柔軟性が失われていることも多い。このようなフィラメントに、ねじり負荷がかけられるとフィラメントが折れて、正常な造形が出来ないことがある。

【0117】

このため、制御部１００は、フィラメントの累積ねじり量を、例えば、基準角度から±180°に規制することが好ましい。

【0118】

また、例えば図２５のように、吐出物において樹脂が所望の状態に配置されるように、フィラメントを回転させる機構に代えて、吐出モジュール１０の全体を回転可能な機構を用いてもよい。この場合は、熱源１６を制御する熱電対１７や、熱源１６自体の配線、冷却源１３の配線、及び、オーバーヒートプロテクター等の複数の配線系も同時に回転することになるため、フィラメントの回転方向よりも配線の観点では煩雑になる。

【0119】

＜＜＜実施形態の変形例Ｇ＞＞＞
続いて、実施形態の変形例Ｇについて、上記の実施形態と異なる点を説明する。図２９は、一実施形態における造形および表面処理動作を示す模式図である。

【0120】

実施形態の変形例Ｇにおいて、三次元造形装置１は、加熱モジュール２０´´を備える。加熱モジュール２０´´は、三次元造形物ＭＯを加熱および加圧するホーン３０を有する。三次元造形装置１には、超音波振動装置が設けられている。ホーン３０は、Ｚ軸駆動モータによって三次元造形物ＭＯにおける積層面の上方から下方へ移動し、積層面に圧力を印加する。これにより、超音波振動装置によって発生させた超音波の振動を、三次元造形物ＭＯに伝達する。三次元造形物ＭＯに超音波の振動が伝達されると、三次元造形物ＭＯにおける上層Ｌｎおよび下層Ｌｎ－１が溶着して接合する。三次元造形装置１において、ホーン３０の数は、一つに限定されず、適宜選択される。ホーン３０が複数設けられる場合、ホーンの形状は、統一されていなくてもよく、異なる形状のホーンが搭載されていてもよい。

【実施例】

【0121】

以下の実施例および比較例において、三次元造形装置１により造形された造形物の最大引張強度を測定する。なお、造形物の最大引張強度の測定に際してはオートグラフＡＧＳ―５ｋＮＸ（島津製作所製）を用いた。

【0122】

図３０は、実施例および比較例における造形物の形状を示す。造形物は、ASTM D638-02a Type-Vに準拠している。三次元造形装置１により、造形テーブル３に対して造形材料を垂直上方ＳＴに積層し、図３０に示すような、長辺方向に層が積層されてなる引張試験片を造形した。オートグラフに、引張試験片における積層下面と積層上面をチャックして200mm/minで方向Ｔ１，Ｔ２に引っ張ることで、造形物の最大引張強度プロファイルを得た。

【0123】

（比較例１） 比較例では、三次元造形装置１を用いて、再溶融の動作（ステップＳ５２）を実行せずに、引張試験片を造形する。比較例１では、造形材料であるフィラメントとして、熱で溶解する樹脂を用いる。吐出モジュール１０の導入部にはφ１２のＳＵＳ３０４製の対となるローラを用いた。吐出モジュール１０の移送路の寸法形状は断面が円の棒状とする。先端の吐出ノズル１８は真鍮で作製し、先端の開口径を0.5mmとした。移送路となる部分はφ2.5mmの空洞となるようにした。冷却ブロック２２はＳＵＳ３０４製とし、水冷管を通しておき、チラーに接続した。チラーの設定温度は10℃とした。加熱ブロック２５も冷却ブロック２２と同様にＳＵＳ３０４製とした。加熱ブロック２５には、熱源２６となるカートリッジヒータを通しておき、フィラメントと対称となる側に熱電対２７を配置し、温度制御を行った。カートリッジヒータの設定温度は樹脂の溶融温度以上とした。造形時の吐出ノズル１８の走査速度を10mm/secとして、図３０に示すような引張試験片を造形した。加えて、造形テーブル３は、テーブルに吐出材料が固着できる温度範囲に設定した。造形物の積層方向の解像度としてのＺ軸方向の１層厚みは0.25mmとした。

【0124】

（比較例２） 比較例２では、造形材料であるフィラメントとして、熱で溶解する樹脂を用いる。吐出モジュール１０の導入部にはφ１２のＳＵＳ３０４製の対となるローラを用いた。吐出モジュール１０の移送路の寸法形状は断面が円の棒状とする。先端の吐出ノズル１８は真鍮で作製し、先端の開口径を0.5mmとした。移送路となる部分はφ2.5mmの空洞となるようにした。冷却ブロック２２はＳＵＳ３０４製とし、水冷管を通しておき、チラーに接続した。チラーの設定温度は10℃とした。加熱ブロック２５も冷却ブロック２２と同様にＳＵＳ３０４製とした。加熱ブロック２５には、熱源２６となるカートリッジヒータを通しておき、フィラメントと対称となる側に熱電対２７を配置し、温度制御を行った。カートリッジヒータの設定温度は樹脂の溶融温度以上とした。造形時の吐出ノズル１８の走査速度を50mm/secとして、図３０に示すような引張試験片を造形した。加えて、造形テーブル３は、テーブルに吐出材料が固着できる温度範囲に設定した。造形物の積層方向の解像度としてのＺ軸方向の１層厚みは0.25mmとした。

【0125】

（実施例１） 実施例１においては、加熱モジュール２０が配置された三次元造形装置１を用いて、比較例１と同様の設定（利用する画像データ、温度、走査速度）で造形し引張試験片を造形した。このとき、下層を冷却した後、伝熱計算部７０１は、入力された各種情報に基づいて、下層再加熱に必要な加熱データを算出する。伝熱計算部７０１は、算出した加熱データを、加熱制御部７０２に出力する。加熱制御部７０２は、受け取ったデータを基に、加熱源７０３を制御し、下層を再加熱する事で、積層界面の強度を向上する事が出来る。フィラメントをガラス転移点よりも高い温度に再加熱して、上層を形成する処理を繰り返した。

【0126】

（実施例２） 実施例２においては、加熱モジュール２０が配置された三次元造形装置１を用いて、比較例２と同様の設定（利用する画像データ、温度、走査速度）で造形し引張試験片を造形した。このとき、下層が冷却した後、伝熱計算部７０１は、入力された各種情報に基づいて、下層再加熱に必要な加熱データを算出する。伝熱計算部７０１は、算出した加熱データを、加熱制御部７０２に出力する。加熱制御部７０２は、受け取ったデータを基に、加熱源７０３を制御し、下層を再加熱する事で、積層界面の強度を向上する事が出来る。フィラメントをガラス転移点よりも高い温度に再加熱して、上層を形成する処理を繰り返した。

【0127】

実施例１，２の何れにおいても比較例１，２を上回る最大引張強度を得ることができた。また、材料の変質（焦げ）の発生も抑制する事が出来た。以上のことから、上記実施形態の構成の三次元造形装置１により、三次元造形物の積層方向の強度を高めることが可能であり、材料の変質（焦げ）の発生も抑制できたことがわかる。

【0128】

＜＜実施形態の主な効果＞＞
上記実施形態の三次元造形装置１（造形装置の一例）の吐出モジュール１０（吐出手段の一例）は、溶融したフィラメント（造形材料の一例）を吐出して、造形材料層を形成する。三次元造形装置１の加熱モジュール２０（加熱手段の一例）は、形成された造形材料層を加熱する。吐出モジュール１０は、加熱された造形材料層に対し、溶融したフィラメントを吐出することで、造形材料層を積層させて造形する。上記実施形態によると、再溶融し造形材料層（下層）にフィラメントを吐出して造形材料層（上層）を積層させることで、層間の材料が混ざり合うので、造形物における積層方向の強度を向上させることができる。また、伝熱計算部７０１が、入力された情報に基づいて、下層再加熱に必要な加熱データを算出し、加熱データを加熱制御部７０２に伝送する。これによって、加熱制御部７０２は、受け取ったデータを基に、加熱源７０３を制御し、下層を再加熱する事で、材料の変質（焦げ）の発生を抑制し、かつ、積層界面の強度を向上する事が出来る。また、上層を積層させる処理により、外形の造形精度に影響を与えることなく、造形することができる。

【0129】

三次元造形装置１の加熱モジュール２０は、造形材料層の所定の領域を選択的に加熱する。これにより、造形物の形状を維持しながら造形することが可能となる。

【0130】

三次元造形装置１の回転ステージＲＳ（搬送手段の一例）は、所定位置に対し異なる方向から加熱可能になるよう加熱モジュール２０を搬送する。これにより、加熱モジュール２０は、吐出モジュール１０の移動に追随して、造形材料層を加熱することが可能となる。

【0131】

三次元造形装置１は、加熱モジュール２０によって加熱される造形材料層の温度を測定する温度センサ１０４（測定手段の一例）を備える。加熱モジュール２０は、温度センサ１０４によって測定された温度に基づいて、造形材料層を加熱する。これにより、三次元造形装置１は、層間の接着強度あるいは造形精度などの所望の特性に応じて、適切に造形材料層を再加熱することができる。

【0132】

加熱モジュール２０は、レーザ光を照射するレーザ光源２１（照射装置の一例）であってもよい。これにより、加熱モジュール２０は、造形物に接触することなく、選択的に造形物を加熱することができる。

【0133】

加熱モジュール２０は、加熱した空気を送風する温風源（送風手段の一例）であってもよい。これにより、加熱モジュール２０は、造形物に接触することなく、造形物を選択的に加熱することができる。

【0134】

加熱モジュール２０´は、造形材料層に接触して加熱する加熱プレート２８またはタップノズル２８´（部材の一例）であってもよい。これにより、加熱モジュール２０´は、造形物を選択的に加熱することができる。

【0135】

三次元造形装置１は、複数の加熱モジュール２０を備えていてもよい。これにより、吐出モジュール１０の走査方向が変わっても、いずれかの加熱モジュール２０により造形物を加熱できるようになるので、造形時間が短縮される。

【0136】

三次元造形装置１の側面冷却部３９（冷却手段の一例）は、造形材料により形成される造形物の外周部を冷却する。これにより、三次元造形装置１は、造形物の形状を維持したまま造形することができる。

【0137】

フィラメントには、粘度の異なる複数の材料が配置されている。これにより、吐出モジュール１０は、制御部１００による制御に基づいて、外周部により粘度の低い材料が配置されるように、フィラメントを吐出することが可能となる。

【0138】

三次元造形装置１のアシスト機構４１（支持部材の一例）は、形成された造形材料層を支持する。これにより、形成された造形材料層の形状を維持しながら造形することが可能となる。

【符号の説明】

【0139】

１ 三次元造形装置
３ 造形テーブル
１０ 吐出モジュール
１８ 吐出ノズル
２０、２０´、２０´´ 加熱モジュール
２１ レーザ光源
２８ 加熱プレート
２８´ タップノズル
３７ クリーニングブラシ
３８ ダストボックス
３９ 側面冷却部
４１ アシスト機構
１００ 制御部
１０４ 温度センサ
７０１ 伝熱計算部
７０２ 加熱制御部
７０３ 加熱源
ＲＳ 回転ステージ

【先行技術文献】

【特許文献】

【0140】

【文献】特開２００５－３３５３８０号公報

【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】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】