特許 7459500 三次元造形装置及び三次元造形方法

(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】2024-03-25

(45)【発行日】2024-04-02

(54)【発明の名称】三次元造形装置及び三次元造形方法

(51)【国際特許分類】

   B29C 64/393 20170101AFI20240326BHJP

   B29C 64/106 20170101ALI20240326BHJP

   B29C 64/209 20170101ALI20240326BHJP

   B29C 64/35 20170101ALI20240326BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20240326BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20240326BHJP

   B33Y 50/02 20150101ALI20240326BHJP

【ＦＩ】

B29C64/393

B29C64/106

B29C64/209

B29C64/35

B33Y10/00

B33Y30/00

B33Y50/02

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2019227278

(22)【出願日】2019-12-17

(65)【公開番号】P2021094775

(43)【公開日】2021-06-24

【審査請求日】2022-11-25

(73)【特許権者】

【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】100095452

【弁理士】

【氏名又は名称】石井 博樹

(72)【発明者】

【氏名】▲角▼谷 彰彦

【審査官】神田 和輝

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－１１３９７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１７１７７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１６２７６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－２１７７２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１１４６３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／０４２８１０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／００８６００１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０８１２７９２２（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２９Ｃ ６４／００－６４／４０

Ｂ３３Ｙ １０／００－９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

造形材料で形成した層を積層することにより造形物を造形する三次元造形装置であって、
前記造形物である三次元造形物と品質管理用造形物とが造形される造形台と、
加熱手段を有し、可塑化された前記造形材料を噴射する噴射部と、
前記造形台と前記噴射部とを相対的に移動させる移動機構と、
前記品質管理用造形物を構成する前記層の造形状態を監視する監視部と、
前記噴射部、前記移動機構及び前記監視部を制御して前記造形物を構成する前記層の形成を実行する制御部と、を備え、
前記監視部は、前記造形台に形成された前記品質管理用造形物を構成する前記層の温度を前記造形状態として監視し、
前記制御部は、前記温度が所定の温度以下の場合に、前記三次元造形物を構成する前記層の形成を実行することを特徴とする三次元造形装置。

【請求項2】

造形材料で形成した層を積層することにより造形物を造形する三次元造形装置であって、
前記造形物である三次元造形物と品質管理用造形物とが造形される造形台と、
加熱手段を有し、可塑化された前記造形材料を噴射する噴射部と、
前記造形台と前記噴射部とを相対的に移動させる移動機構と、
前記品質管理用造形物を構成する前記層の造形状態を監視する監視部と、
前記噴射部、前記移動機構及び前記監視部を制御して前記造形物を構成する前記層の形成を実行する制御部と、を備え、
前記監視部は、前記造形台に形成された前記品質管理用造形物を構成する前記層の表面の色調を前記造形状態として監視し、
前記制御部は、前記表面の色調が所定の値よりも小さい場合には、前記三次元造形物を構成する前記層の形成を実行することを特徴とする三次元造形装置。

【請求項3】

造形材料で形成した層を積層することにより造形物を造形する三次元造形装置であって、
前記造形物である三次元造形物と品質管理用造形物とが造形される造形台と、
加熱手段を有し、可塑化された前記造形材料を噴射する噴射部と、
前記噴射部を清掃する清掃部と、
前記造形台と前記噴射部とを相対的に移動させる移動機構と、
前記品質管理用造形物を構成する前記層の造形状態を監視する監視部と、
前記噴射部、前記移動機構及び前記監視部を制御して、前記造形物を構成する前記層の形成を実行する制御部と、を備え、
前記監視部は、前記造形台に形成された前記品質管理用造形物を構成する前記層の形状または表面の粗さを前記造形状態として監視し、
前記制御部は、前記形状が所定の範囲の形状となっていた場合または前記表面の粗さが所定の範囲となっていた場合には、前記三次元造形物を構成する前記層の形成を実行し、前記形状が所定の範囲の形状となっていない場合または前記表面の粗さが所定の範囲となっていない場合には、前記清掃部により前記噴射部を清掃させるように前記移動機構と前記噴射部とを制御することを特徴とする三次元造形装置。

【請求項4】

造形材料で形成した層を積層することにより造形物を造形する三次元造形装置であって、
前記造形物である三次元造形物と品質管理用造形物とが造形される造形台と、
加熱手段を有し、可塑化された前記造形材料を噴射する噴射部と、
前記造形台と前記噴射部とを相対的に移動させる移動機構と、
前記品質管理用造形物を構成する前記層の造形状態を監視する監視部と、
前記噴射部、前記移動機構及び前記監視部を制御して前記造形物を構成する前記層の形成を実行する制御部と、を備え、
前記造形材料はフラットスクリューによって可塑化され、
前記監視部は、前記造形台に形成された前記品質管理用造形物を構成する前記層の表面の粗さを前記造形状態として監視し、
前記制御部は、前記表面の粗さが所定の範囲となっていた場合には前記層の形成を実行することを特徴とする三次元造形装置。

【請求項5】

造形材料で形成した層を積層することにより造形物を造形する三次元造形装置であって、
前記造形物である三次元造形物と品質管理用造形物とが造形される造形台と、
加熱手段を有し、可塑化された前記造形材料を噴射する噴射部と、
前記造形台と前記噴射部とを相対的に移動させる移動機構と、
前記品質管理用造形物を構成する前記層の造形状態を監視する監視部と、
前記噴射部、前記移動機構及び前記監視部を制御して前記造形物を構成する前記層の形成を実行する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記品質管理用造形物を構成する前記層の造形の際に、前記層を構成する品質管理用造形部の形成を実行するように前記造形台と前記噴射部とを相対的に移動させて、少なくとも一つの前記品質管理用造形部を形成し、前記少なくとも一つの前記品質管理用造形部が前記監視の結果として所望の状態となっていない場合は、前記少なくとも一つの前記品質管理用造形部と隣接しない新たな前記品質管理用造形部を形成するように前記造形台と前記噴射部とを制御し、前記監視部による監視結果に基づいて、前記三次元造形物を構成する前記層の形成を実行することを特徴とする三次元造形装置。

【請求項6】

造形材料で形成した層を積層することにより造形物を造形する三次元造形装置であって、
前記造形物である三次元造形物と品質管理用造形物とが造形される造形台と、
加熱手段を有し、可塑化された前記造形材料を噴射する噴射部と、
前記造形台と前記噴射部とを相対的に移動させる移動機構と、
前記品質管理用造形物を構成する前記層の造形状態を監視する監視部と、
前記噴射部、前記移動機構及び前記監視部を制御して前記造形物を構成する前記層の形成を実行する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記品質管理用造形物を構成する前記層の造形の際に、前記層を構成する品質管理用造形部の形成を実行するように前記造形台と前記噴射部とを相対的に移動させて、少なくとも一つの前記品質管理用造形部を形成し、前記少なくとも一つの前記品質管理用造形部が前記監視の結果として所望の状態である場合は、前記少なくとも一つの前記品質管理用造形部と隣接する新たな前記品質管理用造形部を複数形成して、前記層を完成するように前記造形台と前記噴射部とを制御し、前記監視部による監視結果に基づいて、前記三次元造形物を構成する前記層の形成を実行することを特徴とする三次元造形装置。

【請求項7】

造形材料で形成した層を積層することにより造形物を造形する三次元造形方法であって、
前記造形材料を噴射部から噴射して、前記造形物である三次元造形物と品質管理用造形物とを造形台に造形する造形工程と、
前記品質管理用造形物を構成する前記層の温度を造形状態として監視する監視工程と、を有し、
前記造形工程において、前記温度が所定の温度以下の場合に、前記三次元造形物を構成する前記層の形成を実行することを特徴とする三次元造形方法。

【請求項8】

造形材料で形成した層を積層することにより造形物を造形する三次元造形方法であって、
前記造形材料を噴射部から噴射して、前記造形物である三次元造形物と品質管理用造形物とを造形台に造形する造形工程と、
前記噴射部を清掃する清掃工程と、
前記品質管理用造形物を構成する前記層の形状または表面の粗さを造形状態として監視する監視工程と、を有し、
前記造形工程において、前記監視工程で監視される前記形状が所定の範囲の形状となっていた場合、または前記監視工程で監視される前記表面の粗さが所定の範囲となっていた場合には、前記三次元造形物を構成する前記層の形成を実行し、前記監視工程で監視される前記形状が所定の範囲の形状となっていない場合または前記監視工程で監視される前記表面の粗さが所定の範囲となっていない場合には、前記清掃工程を実行することを特徴とする三次元造形方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、三次元造形装置及び三次元造形方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、層を積層することにより三次元造形物を造形する三次元造形装置が使用されている。このような三次元造形装置においては、高品質の三次元造形物を造形することが求められている。例えば、特許文献１には、造形する三次元造形物としての出力用造形物の造形に先立って評価用造形物を造形し、評価用造形物の測定結果に基づいて出力用造形物の３次元データを補正するデータ生成装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１８－２４１９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に開示されるデータ生成装置のように、三次元造形物のデータを補正すると、データの補正に時間がかかり、三次元造形物の生産性が低下する場合があった。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上記課題を解決するための本発明の三次元造形装置は、造形材料で形成した層を積層することにより造形物を造形する三次元造形装置であって、前記造形物である三次元造形物と品質管理用造形物とが造形される造形台と、加熱手段を有し、可塑化された前記造形材料を噴射する噴射部と、前記造形台と前記噴射部とを相対的に移動させる移動機構と、前記品質管理用造形物を構成する前記層の造形状態を監視する監視部と、前記噴射部、前記移動機構及び前記監視部を制御して前記層の形成を実行する制御部と、を備え、前記制御部は、前記監視部による監視結果に基づいて、前記三次元造形物を構成する前記層の形成を実行することを特徴とする。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】本発明の一実施例の三次元造形装置の構成を表す概略正面図。

【図2】図１の三次元造形装置のスクリューを表す概略斜視図。

【図3】図１の三次元造形装置のスクリューに造形材料が充填されている状態を表す概略平面図。

【図4】図１の三次元造形装置のバレルを表す概略平面図。

【図5】造形する三次元造形物の一例を表す概略斜視図。

【図6】図５の三次元造形物の形成途中の状態を表す概略斜視図。

【図7】好ましい状態の品質管理用造形物の一例を表す概略斜視図。

【図8】表面の粗さが好ましくない状態の品質管理用造形物の一例を表す概略斜視図。

【図9】形状が好ましくない状態の品質管理用造形物の一例を表す概略斜視図。

【図10】図１の三次元造形装置を用いた品質管理用造形物の造形方法の一例を説明するための図。

【図11】図１の三次元造形装置を用いた三次元造形方法の一例のフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0007】

最初に、本発明について概略的に説明する。
上記課題を解決するための本発明の第１の態様の三次元造形装置は、造形材料で形成した層を積層することにより造形物を造形する三次元造形装置であって、前記造形物である三次元造形物と品質管理用造形物とが造形される造形台と、加熱手段を有し、可塑化された前記造形材料を噴射する噴射部と、前記造形台と前記噴射部とを相対的に移動させる移動機構と、前記品質管理用造形物を構成する前記層の造形状態を監視する監視部と、前記噴射部、前記移動機構及び前記監視部を制御して前記層の形成を実行する制御部と、を備え、前記制御部は、前記監視部による監視結果に基づいて、前記三次元造形物を構成する前記層の形成を実行することを特徴とする。

【0008】

本態様によれば、監視部による品質管理用造形物の監視結果に基づいて層の形成を実行する。このため、高品質の三次元造形物を造形することができる。また、三次元造形物のデータを補正することもない。このため、三次元造形物の生産性を低下させることなく高品質の三次元造形物を造形することができる。

【0009】

本発明の第２の態様の三次元造形装置は、前記第１の態様において、前記監視部は、前記造形台に形成された前記品質管理用造形物を構成する前記層の温度を前記造形状態として監視し、前記制御部は、前記温度が所定の温度以下の場合に、前記層の形成を実行することを特徴とする。

【0010】

可塑化された造形材料が固まる前に次の層が形成されると造形される三次元造形物が変形する場合があるが、本態様によれば、監視部による品質管理用造形物の温度が所定の温度になってから次の層の形成を実行する。このため、可塑化された造形材料が固まる前に次の層が形成されることで三次元造形物が変形することを抑制できる。

【0011】

本発明の第３の態様の三次元造形装置は、前記第１または第２の態様において、前記監視部は、前記造形台に形成された前記品質管理用造形物を構成する前記層の形状を前記造形状態として監視し、前記制御部は、前記形状が所定の範囲の形状となっていた場合には前記層の形成を実行することを特徴とする。

【0012】

品質管理用造形物の形状が所定の形状となっていないということは、造形される三次元造形物の形状も所望の形状となっていない可能性が高い。しかしながら、本態様によれば、監視部による品質管理用造形物の形状が所定の形状となっていない場合には次の層の形成を停止する。このため、所望の形状とならない可能性が高い三次元造形物の形成を続けるということを抑制できる。

【0013】

本発明の第４の態様の三次元造形装置は、前記第１から第３のいずれか１つの態様において、前記監視部は、前記造形台に形成された前記品質管理用造形物を構成する前記層の表面の粗さを前記造形状態として監視し、前記制御部は、前記表面の粗さが所定の範囲となっていた場合には前記層の形成を実行することを特徴とする。

【0014】

本態様によれば、品質管理用造形物表面の粗さから簡単かつ正確に品質管理用造形物の形状が所定の形状となっているか否かを判断できる。

【0015】

本発明の第５の態様の三次元造形装置は、前記第１から第３のいずれか１つの態様において、前記監視部は、前記造形台に形成された前記品質管理用造形物を構成する前記層の表面の色調を前記造形状態として監視し、前記制御部は、前記表面の色調が所定の値よりも小さい場合には前記層の形成を実行することを特徴とする。

【0016】

本態様によれば、層の表面の色調を監視し、層の表面の色調が所定の値よりも小さい場合には層の形成を実行する。このため、層の表面の色調から簡単かつ正確に品質管理用造形物の形状が所定の形状となっているか否かを判断できる。

【0017】

本発明の第６の態様の三次元造形装置は、前記第３から第５の態様において、前記噴射部を清掃する清掃部を備え、前記制御部は、前記監視部による前記品質管理用造形物を構成する前記層の形状又は表面の粗さが所定の範囲となっていない場合には、前記清掃部により前記噴射部を清掃させるように前記移動機構と前記噴射部とを制御することを特徴とする。

【0018】

本態様によれば、品質管理用造形物の形状が所定の形状となっていない場合には清掃部により噴射部を清掃させる。噴射部を清掃することで噴射部からの造形材料の正常な噴射を回復することができる。

【0019】

本発明の第７の態様の三次元造形装置は、前記第１から第６のいずれか１つの態様において、前記制御部は、前記品質管理用造形物を構成する前記層の造形の際に、前記層を構成する品質管理用造形部の形成を実行するように前記造形台と前記噴射部とを相対的に移動させて、少なくとも一つの前記品質管理用造形部を形成し、前記少なくとも一つの前記品質管理用造形部が前記監視の結果として所望の状態となっていない場合は、前記少なくとも一つの前記品質管理用造形部）と隣接しない新たな前記品質管理用造形部を形成するように前記造形台と前記噴射部とを制御すること特徴とする。

【0020】

本態様によれば、所望の状態となっていない品質管理用造形部と隣接しないように新たな品質管理用造形部を監視部により監視させる。各品質管理用造形部が隣接して形成された部分を監視部により監視させると形状などの読み取り精度が低下するなど監視部による監視精度が低下する虞があるが、このような虞を抑制できる。

【0021】

本発明の第８の態様の三次元造形装置は、前記第１から第７のいずれか１つの態様において、前記制御部は、前記品質管理用造形物を構成する前記層の造形の際に、前記層を構成する品質管理用造形部の形成を実行するように前記造形台と前記噴射部とを相対的に移動させて、少なくとも一つの前記品質管理用造形部を形成し、前記少なくとも一つの前記品質管理用造形部が前記監視の結果として所望の状態である場合は、前記少なくとも一つの前記品質管理用造形部と隣接する新たな前記品質管理用造形部を複数形成して、前記層を完成するように前記造形台と前記噴射部とを制御すること特徴とする。

【0022】

本態様によれば、層を構成する品質管理用造形部の形成を層が完成するまで複数形成することで、新たな層における品質管理用造形部の形成領域を確保できる。積層によって品質管理用造形部の形成領域が小さくなってしまい監視ができなくなってしまう虞があるが、このような虞を抑制できる。

【0023】

本発明の第９の態様の三次元造形方法は、造形材料で形成した層を積層することにより造形物を造形する三次元造形方法であって、前記造形物である前記三次元造形物と品質管理用造形物とが造形される造形台と、加熱手段を有し、前記造形材料を噴射する噴射部と、前記造形台と前記噴射部とを相対的に移動させる移動機構と、前記品質管理用造形物の造形状態を監視する監視部と、を備える三次元造形装置によって、前記監視部による監視結果に基づいて、前記三次元造形物を構成する前記層の形成を実行することを特徴とする。

【0024】

本態様によれば、監視部による品質管理用造形物の監視結果に基づいて層の形成を実行する。このため、高品質の三次元造形物を造形することができる。また、三次元造形物のデータを補正することもない。このため、三次元造形物の生産性を低下させることなく高品質の三次元造形物を造形することができる。

【0025】

以下、添付図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。なお、以下の図はいずれも概略図であり、一部構成部材を省略または簡略化して表している。また、各図中のＸ軸方向は水平方向であり、Ｙ軸方向は水平方向であるとともにＸ軸方向と直交する方向であり、Ｚ軸方向は鉛直方向である。

【0026】

最初に、本発明の一実施例の三次元造形装置１の全体構成について図１から図４を参照して説明する。なお、本明細書における「三次元造形」とは、いわゆる立体造形物を形成することを示すものであって、例えば、平板状、例えば１層分の層で構成される形状のように、いわゆる二次元形状の形状であっても厚さを有する形状を形成することも含まれる。また、「支持する」とは、下側から支持する場合の他、横側から支持する場合や、場合によっては上側から支持する場合も含む意味である。

【0027】

図１で表されるように、本実施例の三次元造形装置１は、後述の図５で表されるような三次元造形物Ｏを造形する造形材料としてのペレット１９を収容するホッパー２を備えている。ホッパー２に収容されたペレット１９は、供給管３を介して、略円柱状のフラットスクリューであるスクリュー４の円周面４ａに供給される。本実施例の三次元造形装置１は、三次元造形物Ｏを造形する造形材料としてペレット１９を使用し、フラットスクリューにより造形材料を可塑化しながら造形材料を噴射する構成であるが、本発明はこのような構成の三次元造形装置１に限定されない。例えば、樹脂製の線状の造形材料であるフィラメントや、金属粉末に樹脂材料を混ぜた金属フィラメントを溶融しながら連続的に噴射して三次元造形物Ｏを造形する構成などであってもよい。

【0028】

図２で表されるように、スクリュー４の底面である溝形成面１８には、円周面４ａから中央部Ｃｐまで至る螺旋状の溝４ｂが形成されている。別の表現をすると、溝４ｂが形成されることに伴って形成されるリブ４ｄが溝形成面１８を形成している。本実施例の三次元造形装置１は、このような構成となっているため、スクリュー４を図１で表される駆動モーター６でＺ軸方向に沿う方向を回転軸として回転させることにより、図３で表されるように、ペレット１９が円周面４ａから中央部Ｃｐまで送られる。なお、図１では省略されているが、駆動モーター６の昇温を抑制するため、駆動モーター６の近傍において冷却水が循環している。

【0029】

図１で表されるように、スクリュー４の溝形成面１８と対向する位置には、バレル５が所定の間隔を有して設けられている。間隔は、円周面から中央部に向かって小さくなるようにバレル５の中央部Ｃｐの厚みが厚くなっていてもよい。そして、バレル５の上面である溝形成面１８に対する対向面８の近傍には、加熱部７が設けられている。スクリュー４とバレル５とがこのような構成をしていることにより、スクリュー４を回転させることで、溝４ｂの位置に対応するとともにスクリュー４の溝形成面１８とバレル５の対向面８との間に形成される空間部分２０にペレット１９は供給され、ペレット１９は円周面４ａから中央部Ｃｐに移動する。なお、ペレット１９が溝４ｂによる空間部分２０を移動する際、ペレット１９は、加熱部７の熱により溶融すなわち可塑化され、また、狭い空間部分２０を移動することに伴う圧力で加圧される。こうして、ペレット１９は、可塑化されることで連通孔５ａを介してノズル１０ａに供給されてノズル１０ａから射出される。

【0030】

図４などで表されるように、平面視でバレル５の中央部Ｃｐには、溶融したペレット１９の移動経路である連通孔５ａが形成されている。図１で表されるように、連通孔５ａは、造形材料を射出する噴射部１０のノズル１０ａと繋がっている。連通孔５ａには、不図示のフィルターが設けられている。なお、本実施例のバレル５には形成されていないが、バレル５の対向面８に連通孔５ａに繋がる溝が形成されていてもよい。対向面８に連通孔５ａに繋がる溝が形成されることで、造形材料が連通孔５ａに向かって集まり易くなる場合がある。

【0031】

ここで、噴射部１０は、可塑化され流体状態の造形材料をノズル１０ａから連続的に射出することが可能な構成になっている。なお、図１で表されるように、噴射部１０には、造形材料を所望の粘度にするためのヒーター９が設けられている。噴射部１０から射出される造形材料は、線形の形状で射出される。そして、噴射部１０から線状に造形材料を射出することで層を形成する。

【0032】

本実施例の三次元造形装置１は、ホッパー２、供給管３、スクリュー４、バレル５、駆動モーター６及び噴射部１０などを有する射出ユニット２７を備えている。なお、本実施例の三次元造形装置１は、造形材料を射出する射出ユニット２７を１つ備える構成であるが、造形材料を射出する射出ユニット２７を複数備える構成としてもよいし、支持材料を射出する射出ユニット２７を備えていてもよい。ここで、支持材料とは、造形材料の層を支持するための支持材料の層を形成するための材料である。

【0033】

また、図１で表されるように、本実施例の三次元造形装置１は、射出ユニット２７から射出されることで形成される造形材料の層を載置するためのステージユニット２２を備えている。ステージユニット２２は、実際に造形材料の層が載置されるプレート１１を備えている。また、ステージユニット２２は、プレート１１が載置され、第１駆動部１５を駆動することによりＹ軸方向に沿って位置を変更可能な第１ステージ１２を備えている。また、ステージユニット２２は、第１ステージ１２が載置され、第２駆動部１６を駆動することによりＸ軸方向に沿って位置を変更可能な第２ステージ１３を備えている。そして、ステージユニット２２は、第３駆動部１７を駆動することによりＺ軸方向に沿って第２ステージ１３の位置を変更可能な基体部１４を備えている。

【0034】

また、図１で表されるように、本実施例の三次元造形装置１は、射出ユニット２７の各種駆動及びステージユニット２２の各種駆動を制御する制御部２３と、電気的に接続されている。制御部２３の制御により、射出ユニット２７及びステージユニット２２の各構成部材は、駆動される。また、制御部２３には、後述の図６などで表されるような品質管理用造形物Ｑの温度を測定する温度センサー２１と、該品質管理用造形物Ｑを撮像する撮像部２４と、噴射部１０の清掃部２８が、電気的に接続されている。なお、品質管理用造形物Ｑは後述するように層を積層することにより造形され、層は品質管理用造形部から構成されている。

【0035】

次に、図１の三次元造形装置１を用いて実行する三次元造形方法の一例について、図５から図１０を参照しながら図１１のフローチャートを用いて説明する。図１１のフローチャートは、層を積層することにより三次元造形物Ｏを造形する三次元造形方法の一実施例であるが、ステップＳ１１０からステップＳ１９０は１層分の層を積層するステップを表しており、ステップＳ２００によりステップＳ１１０からステップＳ１９０を繰り返すことで、層を積層することにより例えば図５及び図６で表されるような三次元造形物Ｏを造形する三次元造形方法である。

【0036】

図１１で表されるように、本実施例の三次元造形方法では、最初に、三次元造形物Ｏの造形を開始してから清掃部２８による噴射部１０の清掃が規定回数を超えたか否かを判断する。清掃部２８による噴射部１０の清掃が規定回数を超えている場合、清掃部２８による噴射部１０の清掃だけでは噴射部１０の回復が十分ではないと考えられる。このため、清掃部２８による噴射部１０での清掃以外のメンテナンス処理も含めた処理を行うため、本実施例の三次元造形方法を終了する。一方、清掃部２８による噴射部１０の清掃が規定回数を超えていない場合は、ステップＳ１２０に進む。

【0037】

ステップＳ１２０では、品質管理用造形物Ｑをプレート１１に形成する。本実施例では、品質管理用造形物Ｑをプレート１１に形成する際、図６で表されるように、造形する三次元造形物Ｏの造形位置の近傍に品質管理用造形物Ｑを形成する。ただし、このような方法に限定されない。例えば、三次元造形物Ｏを造形するプレート１１とは異なる場所に品質管理用造形物Ｑの造形場所を設けてもよい。品質管理用造形物Ｑとしては、造形する三次元造形物Ｏの形状などにより様々な形状のものを形成できる。図７は、品質管理用造形物Ｑの形成例としての品質管理用造形部Ｑａであり、後述する品質管理用造形部Ｑｒ１及び品質管理用造形部Ｑｒ２に対応する。本実施例の三次元造形方法では、品質管理用造形部Ｑｒ１及び品質管理用造形部Ｑｒ２を、Ｙ軸方向を長手方向とする直方体形状としている。なお、品質管理用造形物Ｑと三次元造形物Ｏとの形成位置が近い場合と遠い場合とで、ステップＳ１２０から後述のステップＳ１９０までの時間、すなわち、品質管理用造形物Ｑの層を形成してから三次元造形物Ｏの層を形成するまでの時間、を変更してもよい。

【0038】

次に、ステップＳ１３０では、ステップＳ１２０で形成された品質管理用造形物Ｑを監視する。具体的には、温度センサー２１で品質管理用造形物Ｑの温度を監視するとともに、撮像部２４で品質管理用造形物Ｑを撮像する。ここで、品質管理用造形物Ｑの監視時間、監視タイミングや撮像期間、撮像タイミングをユーザーが設定可能な構成としてもよい。例えば、三次元造形物Ｏの層を形成している時間は撮像を中止し、品質管理用造形部の造形を開始と同時に撮像を開始することで、画像処理の負荷が重くなるのを抑制できる。そして、ステップＳ１４０に進み、ステップＳ１４０で品質管理用造形物Ｑが所望の状態となっているか否かを制御部２３で判断する。具体的には、品質管理用造形物Ｑの温度が十分に下がっているかどうかと、品質管理用造形物Ｑの形状に問題がないかを判断する。

【0039】

品質管理用造形物Ｑの温度が十分に下がっているかどうかを確認する理由としては、以下のとおりである。本実施例の三次元造形方法においては、品質管理用造形物Ｑと三次元造形物Ｏとを順に１層毎に形成する。すなわち、２層以上の層が積層されて構成される三次元造形物Ｏを形成する場合、ある層において品質管理用造形物Ｑの温度が十分に下がっていれば、それ以前に形成された三次元造形物Ｏの層である下層の層の温度も十分に下がっていることとなる。三次元造形物Ｏの下層の層の温度が十分に下がっていなければ上層の層を形成した場合に下層の層が変形する虞があるが、三次元造形物Ｏの下層の層の温度が十分に下がっていれば上層の層を形成した場合に下層の層が変形する虞を低減できる。本実施例では温度センサー２１で品質管理用造形物Ｑの温度を監視するが、例えば、撮像部２４で撮像された品質管理用造形物Ｑの色から品質管理用造形物Ｑの温度を監視することも可能である。

【0040】

品質管理用造形物Ｑの形状に問題がないかを確認する理由としては、図５及び図６で表されるように、三次元造形物Ｏの内部に設けられたピン２５など、完成した後に外側から確認できない特徴的な内部形状を三次元造形物Ｏが有していた場合などにおいて、該内部形状が高精度に造形できていることの蓋然性を高めるためである。例えば、品質管理用造形物Ｑの造形データから形成される好ましい形状の品質管理用造形物Ｑが、図７で表されるような品質管理用造形部Ｑａであったとする。そして、実際に造形された品質管理用造形物Ｑが図８で表される品質管理用造形部Ｑｂのように表面に凸凹２６がある場合や、実際に造形された品質管理用造形物Ｑが図９で表される品質管理用造形部Ｑｃのように所望の大きさよりも大きく形成される場合などにおいては、完成した三次元造形物Ｏの内部形状に不備が生じる虞がある。表面に凸凹２６がある場合は射出量不足である場合が多く、所望の大きさよりも大きく形成される場合は射出量過多である場合が多いためである。このため、品質管理用造形物Ｑを監視して可否判断をすることで、完成した三次元造形物Ｏを外側から見た場合だけでは内部形状に不備があるかわからないような形状の三次元造形物Ｏを形成する場合であっても、内部形状に不備がある三次元造形物Ｏを形成してしまうことを抑制できる。なお、本実施例の撮像部２４は、定点で観測する構成であるがこのような構成に限定されない。

【0041】

なお、本実施例の三次元造形方法では、品質管理用造形物Ｑの監視を品質管理用造形物Ｑの温度と品質管理用造形物Ｑの形状との２つの観点から行っているが、いずれか１つであってもよく、また、別の観点から品質管理用造形物Ｑの監視を行ってもよい。そして、本実施例の三次元造形方法では、各層において先にステップＳ１２０で品質管理用造形物Ｑを形成してから後述のステップＳ１９０で三次元造形物Ｏを形成するが、監視の内容などに応じて、品質管理用造形物Ｑを形成する前に三次元造形物Ｏを形成してもよいし、品質管理用造形物Ｑと三次元造形物Ｏとを同時に形成してもよい。

【0042】

ステップＳ１４０で品質管理用造形物Ｑが所望の状態となっていると判断した場合はステップＳ１７０に進み、ステップＳ１４０で品質管理用造形物Ｑが所望の状態となっていないと判断した場合はステップＳ１５０に進む。ここで、ステップＳ１５０では清掃部２８によって噴射部１０を清掃し、その後、ステップＳ１６０に進んで品質管理用造形物Ｑの造形データを再生成し、ステップＳ１１０に戻る。

【0043】

ステップＳ１７０では、品質管理用造形物Ｑの次の層を形成することに備えて、品質管理用造形物Ｑを形成するための空き領域Ｓを形成するためのデータを生成する。そして、ステップＳ１８０で、ステップＳ１７０で生成したデータに基づいて空き領域Ｓを形成する。

【0044】

ここで、図１０を用いて空き領域Ｓの形成について説明する。図１０において、品質管理用造形物Ｑ１からＱ６は、図６で表されるように、品質管理用造形物Ｑの全体像を表している。一方、品質管理用造形部Ｑｒ１及びＱｒ２は、図７から図９で表されるように、品質管理用造形物ＱにおいてステップＳ１３０で監視がなされる部分を表している。

【0045】

品質管理用造形物Ｑ１は、１層目の層Ｒ１から３層目の層Ｒ３まで積層された状態を表している。別の表現をすると、ステップＳ１１０から後述のステップＳ１９０までのステップがステップＳ２００により３回繰り返され、４回目のステップＳ１２０が実行されようとしている状態を表している。品質管理用造形物Ｑ１では、層Ｒ３上のすべての領域が空き領域Ｓとなっている。また、１層目の層Ｒ１から３層目の層Ｒ３までの積層は所望の状態で積層されている。

【0046】

品質管理用造形物Ｑ２は、層Ｒ３上の空き領域Ｓに、４層目の層Ｒ４における品質管理用造形部Ｑｒ１を形成した状態を表している。しかしながら、ステップＳ１４０で品質管理用造形部Ｑｒ１が所望の状態となっていないと判断されたとする。すると、ステップＳ１５０及びステップＳ１６０を介して次のステップＳ１２０で、品質管理用造形物Ｑ３で表されるように、層Ｒ３上の空き領域Ｓにおける品質管理用造形部Ｑｒ１に間隔をあけて隣に品質管理用造形部Ｑｒ２を形成する。

【0047】

ここで、ステップＳ１４０で品質管理用造形部Ｑｒ２が所望の状態となっていると判断されたとする。すると、ステップＳ１７０及びステップＳ１８０と進み、品質管理用造形物Ｑ４で表されるように、品質管理用造形部Ｑｒ２に隣接させて造形材料を噴射させて層Ｒ４上に空き領域Ｓを造形する。

【0048】

その後、品質管理用造形物Ｑ５で表されるように、５層目の層Ｒ５に関してのステップＳ１２０により、層Ｒ４上の空き領域Ｓに品質管理用造形部Ｑｒ１を形成する。ここで、ステップＳ１４０で品質管理用造形部Ｑｒ１が所望の状態となっていると判断されたとする。すると、ステップＳ１７０及びステップＳ１８０と進み、品質管理用造形物Ｑ６で表されるように、品質管理用造形部Ｑｒ１に隣接させて造形材料を噴射させて層Ｒ５上に空き領域Ｓを造形する。そして、このような処理を繰り返していく。

【0049】

ステップＳ１８０で空き領域Ｓを形成した後、ステップＳ１９０で、三次元造形物Ｏを形成する。本実施例では、品質管理用造形物Ｑにおける空き領域Ｓを形成した層と同じ積層数の層の三次元造形物Ｏを形成する。すなわち、品質管理用造形物Ｑと三次元造形物Ｏとを１層ずつ交互に形成する。しかしながら、このような例に限定されない。例えば、品質管理用造形物Ｑのうちの１層分の層を形成し該層を監視して問題がないことを確認した後に、三次元造形物Ｏの複数層分の層を形成し、これらの動作を繰り返してもよい。さらには、品質管理用造形物Ｑをプレート１１の空き領域に順次個別に形成するなどしてもよく、品質管理用造形物Ｑは図１０で表されるような積層構造となっていなくてもよい。

【0050】

そして、ステップＳ２００に進み、次の層の三次元造形物Ｏ及び品質管理用造形物Ｑの造形データがあるか否かを制御部２３で判断する。ステップＳ２００で、次の層があると判断した場合はステップＳ１１０に戻り、次の層がないと判断した場合は本実施例の三次元造形方法を終了する。

【0051】

ここで、一旦まとめると、本実施例の三次元造形装置１は、層を積層することにより三次元造形物Ｏを造形する三次元造形装置であって、三次元造形物Ｏ及び品質管理用造形物Ｑが造形される造形台としてのプレート１１と、三次元造形物Ｏ及び品質管理用造形物Ｑの造形材料である固形のペレット１９を加熱して可塑化させた状態で噴射する噴射部１０と、プレート１１と噴射部１０とを相対的に移動させる移動機構としてのステージユニット２２と、品質管理用造形物Ｑの造形状態を監視する監視部としての温度センサー２１及び撮像部２４と、を備えている。そして、制御部２３の制御に基づいて、温度センサー２１及び撮像部２４による監視結果に基づいて層の形成を実行する三次元造形方法を実行することができる。

【0052】

このように、本実施例の三次元造形装置１は、温度センサー２１及び撮像部２４による品質管理用造形物Ｑの監視結果に基づいて層の形成を実行する。このため、高品質の三次元造形物Ｏを造形することができる。また、三次元造形物Ｏの造形データを補正することもない。このため、三次元造形物Ｏの生産性を低下させることなく高品質の三次元造形物Ｏを造形することができる。

【0053】

ここで、監視部としての温度センサー２１は、プレート１１に形成された品質管理用造形物Ｑの温度を品質管理用造形物Ｑの造形状態として監視する。そして、制御部２３は、ステップＳ１４０を実行することで、温度センサー２１による品質管理用造形物Ｑの温度が所定の温度になってから、三次元造形物Ｏの層の形成を実行する。可塑化された造形材料が固まる前に次の層が形成されると造形される三次元造形物Ｏが変形する場合があるが、本実施例の三次元造形装置１は、温度センサー２１による品質管理用造形物Ｑの温度が所定の温度になってから次の層の形成を実行することができる。このため、可塑化された造形材料が固まる前に次の層が形成されることで三次元造形物Ｏが変形することを抑制できる。また、監視部として接触式温度計、赤外線サーモグラフィ、放射温度計などを用いることができる。

【0054】

また、監視部としての撮像部２４は、プレート１１又は、先に形成された品質管理用造形物Ｑを構成する層上に形成された品質管理用造形物Ｑの形状を造形状態として監視する。そして、制御部２３は、ステップＳ１４０を実行することで、撮像部２４による品質管理用造形物Ｑの形状が好ましい所定の形状となっていた場合には三次元造形物Ｏの層の形成を実行し、撮像部２４による品質管理用造形物Ｑの形状が好ましい所定の形状となっていない場合には三次元造形物Ｏの層の形成を停止することができる。品質管理用造形物Ｑの形状が所定の形状となっていないということは、造形される三次元造形物Ｏの形状も所望の形状となっていない可能性が高い。しかしながら、本実施例の三次元造形装置１は、撮像部２４による品質管理用造形物Ｑの形状が所定の形状となっていない場合には次の層の形成を停止することができる。例えば、プレート１１又は、先に形成された品質管理用造形物Ｑを構成する層上に、ノズル１０ａから１回の走査で吐出されて形成された線状の品質管理用造形部が、造形物で指定されている線幅の範囲から外れた場合停止する。このため、所望の形状とならない可能性が高い三次元造形物Ｏの形成を続けるということを抑制できる。また、監視部として非接触のレーザー顕微鏡、レーザー測長システムや、触針式プロファイラーなどを用いることができる。

【0055】

また、監視部は、品質管理用造形物Ｑの造形状態として、品質管理用造形物Ｑの表面の粗さを撮像することができる。このため、本実施例の三次元造形装置１は、品質管理用造形物Ｑの表面の粗さから簡単かつ正確に品質管理用造形物Ｑの形状が所定の形状となっているか否かを判断できる。例えば、プレート１１や先に形成された品質管理用造形物Ｑを構成する層上に、ノズル１０ａから１回の走査で吐出されて形成された線状の品質管理用造形部が、面粗度Ｒａ５μからＲａ５０μｍの範囲から外れた場合停止する。また、監視部としては、触針式プロファイラー、原子間力顕微鏡などを用いることができる。

【0056】

また、監視部は、品質管理用造形物Ｑの造形状態として、品質管理用造形物Ｑの色調を測定することができる。このため、本実施例の三次元造形装置１は、品質管理用造形物Ｑの色調から簡単かつ正確に品質管理用造形物Ｑの造形状態が所定の色調となっているか否かを判断できる。例えば、プレート１１や先に形成された品質管理用造形物Ｑを構成する層上に、ノズル１０ａから１回の走査で吐出されて形成された線状の品質管理用造形部が、正常な射出状態で射出した線状の品質管理用造形部の表面の色彩値を基準にした場合、色差ΔＥの値が１．０より大きい場合停止する。監視部としては、分光測色計、色彩色差計、色彩輝度計などを用いることができる。

【0057】

また、本実施例の三次元造形装置１は、噴射部１０を清掃する清掃部２８を備えている。そして、制御部２３は、撮像部２４による品質管理用造形物Ｑの形状が、例えば図８の品質管理用造形部Ｑｂや図９の品質管理用造形部Ｑｃのように、好ましい所定の形状となっていない場合には、清掃部２８により噴射部１０を清掃させるように清掃部２８を制御することができる。本実施例の三次元造形装置は、品質管理用造形物Ｑの形状が好ましい所定の形状となっていない場合には清掃部２８により噴射部１０を清掃させるので、噴射部１０を清掃することで噴射部１０からの造形材料の正常な噴射を回復することができる。

【0058】

ここで、本実施例の制御部２３は、プレート１１と噴射部１０とを相対的に複数回往復移動させることで積層される層の各々の形成を実行することができる。別の表現をすると、本実施例の三次元造形装置１は、制御部２３の制御により、複数パスで各々の層を形成する。本実施例の三次元造形装置１は、このような構成となっていることで、高コストとなりがちな噴射部１０の数を減らしつつ高精度に三次元造形物Ｏを造形することができる。

【0059】

また、図１０で表されるように、本実施例の三次元造形装置１は、制御部２３の制御により、品質管理用造形物Ｑの造形の際にＺ軸方向に沿う積層方向から見て往復移動の方向であるＹ軸方向と交差するＸ軸方向に隣接しないように形成された部分（例えば、品質管理用造形部Ｑｒ１に隣接しないように形成された品質管理用造形部Ｑｒ２）を温度センサー２１及び撮像部２４により監視させる。各パスが隣接して形成された部分を温度センサー２１及び撮像部２４により監視させると形状などの読み取り精度が低下するなど温度センサー２１及び撮像部２４による監視精度が低下する虞があるが、本実施例の三次元造形装置１は、このような虞を抑制できる。

【0060】

本発明は、上述の実施例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。発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施例中の技術的特徴は、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。

【符号の説明】

【0061】

１…三次元造形装置、２…ホッパー、３…供給管、４…スクリュー、４ａ…円周面、
４ｂ…溝、４ｄ…リブ、５…バレル、５ａ…連通孔、６…駆動モーター、７…加熱部、
８…対向面、９…ヒーター、１０…噴射部、１０ａ…ノズル、
１１…プレート（造形台）、１２…第１ステージ、１３…第２ステージ、１４…基体部、
１５…第１駆動部、１６…第２駆動部、１７…第３駆動部、１８…溝形成面、
１９…ペレット（造形材料）、２０…空間部分、２１…温度センサー（監視部）、
２２…ステージユニット（移動機構）、２３…制御部、２４…撮像部（監視部）、
２５…ピン、２６…凸凹、２７…射出ユニット、２８…清掃部、Ｏ…三次元造形物、
Ｑ…品質管理用造形物

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】