JP2017132073A - 三次元造形装置、三次元造形用チャンバー及び三次元造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】処理空間内の温度を急速に上昇させたり下降させたりすることを容易にする。【解決手段】断熱壁３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄによって囲まれた処理空間を内部に備えたチャンバー３と、前記チャンバー内の処理空間を加熱する処理空間加熱手段７と、前記処理空間加熱手段により目標温度まで加熱された前記処理空間内で、三次元造形物を造形する造形部材１０とを備えた三次元造形装置１において、前記処理空間の体積が増加又は減少するように前記断熱壁の少なくとも一部（底壁部３Ｄ）を変位させる断熱壁変位手段２３を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、三次元造形装置、三次元造形用チャンバー及び三次元造形方法に関するものである。

従来、所望の三次元形状をもった立体物（三次元造形物）を、予め加熱された処理空間内で造形する三次元造形装置が知られている。

例えば、特許文献１には、ヒータによって加熱された製作チャンバー内（処理空間）で、熱溶解積層法（ＦＤＭ）により三次元造形物を造形する三次元造形装置が開示されている。この三次元造形装置は、製作チャンバー内の押出しヘッド（造形部材）から熱可塑性材料（造形材料）を押し出しながら水平面に沿って二次元方向へ移動することで、プラットホーム（載置台）上に層状の造形構造物を順次積層して、最終的に三次元造形物を造形する。

加熱された処理空間内で三次元造形物を造形する従来の三次元造形装置においては、処理空間内の温度を急速に上昇させたり下降させたりすることが困難であった。そのため、例えば、造形処理を開始する前に処理空間内を所望の温度まで加熱しておく予熱処理にあたり、温度上昇が遅くて予熱処理に要する時間が長く、最初の造形処理を早期に開始できないという不具合が生じ得る。また、例えば、造形処理の終了後に処理空間内から三次元造形物を取り出す際に処理空間を十分に冷却させる冷却にあたり、温度低下が遅くて冷却に要する時間が長く、造形処理後の早期のうちに三次元造形物を取り出すことができないという不具合が生じ得る。

上述した課題を解決するために、本発明は、断熱壁によって囲まれた処理空間を内部に備えたチャンバーと、前記チャンバー内の処理空間を加熱する処理空間加熱手段と、前記処理空間加熱手段により目標温度まで加熱された前記処理空間内で、三次元造形物を造形する造形部材とを備えた三次元造形装置において、前記処理空間の体積が増加又は減少するように前記断熱壁の少なくとも一部を変位させる断熱壁変位手段を有することを特徴とする。

本発明によれば、処理空間内の温度を急速に上昇させたり下降させたりすることが容易となり、上述した不具合を改善できるという優れた効果が奏される。

実施形態における三次元造形装置の構成を示す説明図である。 同三次元造形装置の内部に設けられるチャンバーの外観を示す斜視図である。 同三次元造形装置の前方部分を切断して除外した状態の斜視図である。 同三次元造形装置におけるＺ軸駆動機構の一構成を示す模式図である。 同三次元造形装置におけるＺ軸駆動機構の他の構成を示す模式図である。 同三次元造形装置の制御ブロック図である。 同三次元造形装置において、チャンバーの底壁部を予熱用位置に位置決めした状態を示す説明図である。 実施形態における予熱処理及び造形処理の流れを示すフローチャートである。 造形処理中にチャンバーの底壁部が移動する様子を示す説明図である。 同三次元造形装置におけるチャンバー内の処理空間の体積の時間変化の概要を示すグラフである。 同三次元造形装置におけるチャンバー用ヒータ等によりチャンバー内の処理空間へ供給される単位時間当たりの熱供給量の時間変化の概要を示すグラフである。 同チャンバー内の処理空間の温度の時間変化の概要を示すグラフである。 変形例における三次元造形装置の構成を示す説明図である。 同三次元造形装置の後方部分を切断して除外した状態の斜視図である。 同三次元造形装置におけるＺ軸駆動機構の他の構成を示す模式図である。

以下、本発明を、熱溶解積層法（ＦＤＭ）により三次元造形物を造形する三次元造形装置に適用した一実施形態について説明する。
なお、本発明は、熱溶解積層法（ＦＤＭ）に限定されるものではなく、加熱されたチャンバー内で三次元造形物を造形するものであれば、粉末焼結造形法（ＳＬＳ）などの他の付加製造技術による造形方法で三次元造形物を造形する三次元造形装置にも適用可能であってもよいし、除去的な製造方法によって三次元造形物を造形する三次元造形装置にも適用可能である。

図１は、本実施形態における三次元造形装置１の構成を示す説明図である。
図２は、本実施形態における三次元造形装置１の内部に設けられるチャンバーの外観を示す斜視図である。
図３は、本実施形態における三次元造形装置１の前方部分を切断して除外した状態の斜視図である。

三次元造形装置１は、本体フレーム２の内部に三次元造形用チャンバー（以下「チャンバー」という。）３を備えている。チャンバー３の内部は、三次元造形物を造形するための処理空間となっており、その処理空間内すなわちチャンバー３の内部には、載置台としてのステージ４が設けられている。このステージ４上に三次元造形物が造形される。

チャンバー３内の処理空間を囲っている壁部は、その大部分又はその全部が断熱機能を有する断熱壁で構成されている。具体的には、チャンバー３の天井壁部は、後述するように、複数のスライド断熱部材３Ａ，３Ｂによって構成された断熱壁である。また、チャンバー３の側壁部３Ｃ、すなわち、装置左右方向（図２及び図３中の左右方向＝Ｘ軸方向）の両壁部は、ガラスウール等を内包した断熱材を内側板と外側板の間に挟み込んだ構造をもつ断熱壁である。また、チャンバー３の底壁部３Ｄも、ガラスウール等を内包した断熱材を内側板と外側板の間に挟み込んだ構造をもつ断熱壁である。また、チャンバー３の後壁部及び前壁部３Ｅも、ガラスウール等を内包した断熱材を内側板と外側板の間に挟み込んだ構造をもつ断熱壁である。

本実施形態において、チャンバー３の前壁部３Ｅには、図２に示すように、開閉扉３ａが設けられている。この開閉扉３ａは、前壁部３Ｅと同様に断熱壁を構成するものであり、十分な断熱機能を発揮する構成となっている。また、チャンバー３の前壁部３Ｅには、図２に示すように、窓３ｂが設けられている。この窓３ｂは、空気層を挟み込んだ２重ガラス構造であり、前壁部３Ｅと同様に断熱壁を構成するものである。

なお、チャンバー３の各壁部の断熱構成は、必要な断熱機能を発揮できる構成であれば、本実施形態のものに限られず、あらゆる断熱構成のものを利用することができる。本実施形態においては、チャンバー３内の処理空間が造形処理時には２００℃以上の高温になるところ、このような高温時でもチャンバー３の外部気温がおよそ４０℃以下に収まるような断熱機能を発揮できる断熱壁であることが好ましい。

チャンバー３の内部におけるステージ４の上方には、造形部材としての造形ヘッド１０が設けられている。造形ヘッド１０は、その下方に造形材料であるフィラメントを射出する射出ノズル１１を有する。本実施形態では、造形ヘッド１０上に４つの射出ノズル１１が設けられているが、射出ノズル１１の数は任意である。また、造形ヘッド１０には、各射出ノズル１１に供給されるフィラメントを加熱する造形材料加熱手段としてのヘッド加熱部１２が設けられている。

フィラメントは、細長いワイヤー形状であり、巻き回された状態で三次元造形装置１にセットされており、フィラメント供給部６により造形ヘッド１０上の各射出ノズル１１へそれぞれ供給される。なお、フィラメントは、射出ノズル１１ごとに異なるものであってもよいし、同じものであってもよい。本実施形態においては、フィラメント供給部６により供給されるフィラメントをヘッド加熱部１２で加熱溶融し、溶融状態のフィラメントを所定の射出ノズル１１から押し出すようにして射出することにより、ステージ４上に層状の造形構造物を順次積層して、三次元造形物を造形する。

なお、造形ヘッド１０上の射出ノズル１１には、造形材料のフィラメントではなく、三次元造形物を構成しないサポート材が供給される場合がある。このサポート材は、通常、造形材料のフィラメントとは異なる材料で形成され、最終的にはフィラメントで形成された三次元造形物から除去される。このサポート材も、ヘッド加熱部１２で加熱溶融され、溶融状態のサポート材が所定の射出ノズル１１から押し出されるように射出されて、層状に順次積層される。

造形ヘッド１０は、装置左右方向（図２及び図３中の左右方向＝Ｘ軸方向）に延びる造形部材移動手段としてのＸ軸駆動機構２１に対し、連結部材２１ａを介して、そのＸ軸駆動機構２１の長手方向（Ｘ軸方向）に沿って移動可能に保持されている。造形ヘッド１０は、Ｘ軸駆動機構２１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。造形ヘッド１０は、ヘッド加熱部１２によって加熱されて高温になるため、その熱がＸ軸駆動機構２１に伝わりにくいように、連結部材２１ａを低伝熱性のものとするのが好ましい。

Ｘ軸駆動機構２１の両端は、それぞれ、装置前後方向（図２及び図３中の前後方向＝Ｙ軸方向）に延びる造形部材移動手段としてのＹ軸駆動機構２２に対し、そのＹ軸駆動機構２２の長手方向（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軸駆動機構２１がＹ軸駆動機構２２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、造形ヘッド１０はＹ軸方向に沿って移動することができる。

本実施形態において、チャンバー３の底壁部３Ｄは、本体フレーム２に固定されている、装置上下方向（図２及び図３中の上下方向＝Ｚ軸方向）に延びる断熱壁変位手段としてのＺ軸駆動機構２３に対し、そのＺ軸駆動機構２３の長手方向（Ｚ軸方向）に沿って移動可能に保持されている。チャンバー３の底壁部３Ｄは、Ｚ軸駆動機構２３の駆動力により、装置上下方向（Ｚ軸方向）へ移動することができる。この底壁部３Ｄ上には、ステージ４が固定されているので、Ｚ軸駆動機構２３は相対移動手段あるいは載置台移動手段として機能し、Ｚ軸駆動機構２３の駆動力によりステージ４をＺ軸方向へ移動させることができる。

チャンバー３の底壁部３Ｄの周縁部は、チャンバー３の両側壁部３Ｃ並びに前壁部３Ｅ及び後壁部の各内壁面に密着している。チャンバー３の底壁部３ＤがＺ軸駆動機構２３によりＺ軸方向へ移動する際、底壁部３Ｄは、その周縁部を、チャンバー３の両側壁部３Ｃ並びに前壁部３Ｅ及び後壁部の各内壁面を摺動させながら移動する。これにより、チャンバー３内の遮蔽性が確保され、チャンバー３内の十分な断熱性が得られる。なお、チャンバー３内の十分な断熱性が得られるのであれば、チャンバー３の底壁部３Ｄの周縁部と、チャンバー３の両側壁部３Ｃ並びに前壁部３Ｅ及び後壁部の各内壁面との間に、多少の隙間があってもよい。このような隙間を形成することで、スムーズかつ高精度な底壁部３Ｄの移動を実現でき、ステージ４のスムーズかつ高精度な移動が実現される。

また、本実施形態においては、チャンバー３の内部（処理空間）に、チャンバー３内を加熱する処理空間加熱手段としてのチャンバー用ヒータ７が設けられている。本実施形態においては、熱溶解積層法（ＦＤＭ）で三次元造形物を造形するため、チャンバー３内の温度を目標温度に維持した状態で、造形処理を行うことが望ましい。そのため、本実施形態では、造形処理を開始する前に、予めチャンバー３内の温度を目標温度まで昇温させる予熱処理を行う。チャンバー用ヒータ７は、この予熱処理中には、チャンバー３内を目標温度まで昇温させるためにチャンバー３内を加熱するとともに、造形処理中には、チャンバー３内の温度を目標温度に維持するためにチャンバー３内を加熱する。チャンバー用ヒータ７の動作は、加熱制御手段としての制御部１００によって制御される。

本実施形態においては、Ｘ軸駆動機構２１、Ｙ軸駆動機構２２及びＺ軸駆動機構２３が、チャンバー３の外部に配置されている。よって、Ｘ軸駆動機構２１、Ｙ軸駆動機構２２及びＺ軸駆動機構２３は、チャンバー３内の高温に曝されず、安定した駆動制御が実現される。なお、Ｘ軸駆動機構２１及びＹ軸駆動機構２２の全体がチャンバー３の外部に配置される構成に限らず、その一部又はその全体がチャンバー３の内部に配置される構成であってもよい。

ここで、本実施形態におけるＸ軸駆動機構２１及びＹ軸駆動機構２２の駆動対象は造形ヘッド１０であり、その造形ヘッド１０の一部（射出ノズル１１を含む造形ヘッド１０の先端部分）がチャンバー３内に配置されている。本実施形態では、造形ヘッド１０をＸ軸方向へ移動させてもチャンバー３の内部が外部から遮蔽される構成となっている。具体的には、チャンバー３の天井壁部においては、図２及び図３に示すように、Ｙ軸方向に長尺な複数のＸ軸スライド断熱部材３ＡがＸ軸方向へ並べて配設された構成となっており、隣接するＸ軸スライド断熱部材３Ａ間は互いにＸ軸方向へ相対的にスライド移動可能に構成されている。これにより、Ｘ軸駆動機構２１により造形ヘッド１０をＸ軸方向へ移動させても、これに応じて複数のＸ軸スライド断熱部材３ＡがそれぞれＸ軸方向へスライド移動し、チャンバー３内の処理空間上部は常にＸ軸スライド断熱部材３Ａによって覆われる。

同様に、チャンバーの天井壁部においては、図２及び図３に示すように、複数のＹ軸スライド断熱部材３ＢがＹ軸方向へ並べて配設された構成となっている。隣接するＹ軸スライド断熱部材３Ｂ間は互いにＹ軸方向へ相対的にスライド移動可能に構成されている。これにより、Ｙ軸駆動機構２２によりＸ軸駆動機構２１上の造形ヘッド１０をＹ軸方向へ移動させても、これに応じて複数のＹ軸スライド断熱部材３ＢがそれぞれＹ軸方向へスライド移動し、チャンバー３内の処理空間上部は常にＹ軸スライド断熱部材３Ｂによって覆われる。

また、本実施形態におけるＺ軸駆動機構２３の駆動対象は、チャンバー３の底壁部３Ｄあるいはステージ４である。本実施形態では、底壁部３Ｄあるいはステージ４をＺ軸方向へ移動させてもチャンバー３の内部が外部から遮蔽される構成となっている。具体的には、チャンバー３の両側壁部３Ｃには、図２及び図３に示すように、Ｚ軸駆動機構２３と底壁部３Ｄとの連結部を貫通させるスライド孔３ｃがＺ軸方向に延びるように形成されている。このスライド孔３ｃは、断熱材料からなる可撓性のシール部材３ｄによってシールされている。Ｚ軸駆動機構２３により底壁部３ＤをＺ軸方向へ移動させる際、Ｚ軸駆動機構２３と底壁部３Ｄとの連結部は、可撓性のシール部材３ｄを弾性変形させながらスライド孔３ｃに沿ってＺ軸方向へ移動する。よって、チャンバー３の両側壁部３Ｃに形成されたスライド孔３ｃは、常にシール部材３ｄによって覆われる。

図４は、Ｚ軸駆動機構２３の構成を示す模式図である。
本実施形態におけるＺ軸駆動機構２３は、本体フレーム２に支持されている駆動モータ２３ａによりＺ軸方向に延びるボールネジ２３ｂを軸回転させることによって、スライド部２３ｃをボールネジ２３ｂに沿ってＺ軸方向に移動させる。スライド部２３ｃは、連結部材２３ｄを介してチャンバー３の底壁部３Ｄあるいはステージ４と連結されている。駆動モータ２３ａが駆動してボールネジ２３ｂに沿ってスライド部２３ｃがＺ軸方向へ移動すると、連結部材２３ｄは、チャンバー３の両側壁部３Ｃに形成されているスライド孔３ｃのシール部材３ｄを弾性変形させながらスライド孔３ｃに沿ってＺ軸方向へ移動し、これに伴ってチャンバー３の底壁部３Ｄあるいはステージ４もＺ軸方向へ移動する。

なお、本実施形態のＺ軸駆動機構２３では、チャンバー３の両側壁部３Ｃにスライド孔３ｃが形成されるところ、チャンバー３内の処理空間の断熱性の観点からすると、このようなスライド孔３ｃを不要とする構成がより好ましい。したがって、例えば、図５に示すように、チャンバー３の底壁部３Ｄの下部に、Ｚ軸方向へ延びるシャフト２３ｂ’を取り付け、このシャフト２３ｂ’を本体フレーム２に支持された駆動モータ２３ａ’によりＺ軸方向へ移動させるようなＺ軸駆動機構２３’を採用してもよい。この場合、駆動モータ２３ａ’が駆動してシャフト２３ｂ’がＺ軸方向へ移動すると、これに伴ってチャンバー３の底壁部３Ｄあるいはステージ４もＺ軸方向へ移動する。このとき、チャンバー３の底壁部３Ｄの周縁部は、チャンバー３の両側壁部３Ｃ並びに前壁部３Ｅ及び後壁部の各内壁面に密着しながら摺動する。これにより、チャンバー３内の遮蔽性が確保され、チャンバー３内の十分な断熱性が得られる。しかも、チャンバー３の両側壁部３Ｃにはスライド孔３ｃを形成する必要がないので、両側壁部３Ｃにおける遮蔽性も確保され、より高い断熱性が得られる。

そのほか、本実施形態においては、チャンバー３の外部であって三次元造形装置１の内部の空間を冷却させるための装置内冷却装置８や、造形ヘッド１０の射出ノズル１１を清掃するためのノズル清掃部９などが設けられている。

図６は、本実施形態の三次元造形装置１の制御ブロック図である。
本実施形態においては、造形ヘッド１０のＸ軸方向位置を検知するＸ軸ポジション検知機構２４が設けられている。Ｘ軸ポジション検知機構２４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軸駆動機構２１を制御して、造形ヘッド１０を目標のＸ軸方向位置へ移動させる。

また、本実施形態においては、Ｘ軸駆動機構２１のＹ軸方向位置（造形ヘッド１０のＹ軸方向位置）を検知するＹ軸ポジション検知機構２５が設けられている。Ｙ軸ポジション検知機構２５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軸駆動機構２２を制御することにより、Ｘ軸駆動機構２１上の造形ヘッド１０を目標のＹ軸方向位置へ移動させる。

また、本実施形態においては、チャンバーの底壁部３Ｄ上に設けられるステージ４のＺ軸方向位置を検知するＺ軸ポジション検知機構２６が設けられている。Ｚ軸ポジション検知機構２６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軸駆動機構２３を制御して、チャンバーの底壁部３Ｄを移動させることにより、その底壁部３Ｄ上のステージ４を目標のＺ軸方向位置へ移動させる。

制御部１００は、このようにして造形ヘッド１０及びステージ４の移動制御を行うことにより、チャンバー３内における造形ヘッド１０とステージ４との相対的な三次元位置を、目標の三次元位置に位置させることができる。

本実施形態においては、熱溶解積層法（ＦＤＭ）で三次元造形物を造形するため、上述したように、チャンバー３内の温度を目標温度に維持した状態で造形処理を行うことが望ましい。そのため、本実施形態では、造形処理を開始する前に、予めチャンバー３内の温度を目標温度まで昇温させる予熱処理を行う。この予熱処理において、制御部１００は、チャンバー用ヒータ７を稼働させてチャンバー３内を昇温させるが、チャンバー３内の処理空間の体積が大きいほど、予熱処理に要する時間が長くなり、最初の造形処理を早期に開始することが困難となる。

そこで、本実施形態の制御部１００は、予熱処理を開始するにあたり、まず、Ｚ軸駆動機構２３を制御して、チャンバーの底壁部３Ｄを上昇させ、図７に示すように、所定の予熱用位置に位置で停止させる。この予熱用位置は、チャンバーの底壁部３Ｄ上のステージ４が造形ヘッド１０に干渉しない範囲で、可能な限り高い位置に設定されるのが好ましい。予熱用位置が高い位置であるほど、チャンバー３の天井壁部３Ａ，３Ｂ、両側壁部３Ｃ、底壁部３Ｄ、前壁部３Ｅ及び後壁部によって囲まれた処理空間の体積が少なくなり、加熱すべき加熱対象空間が狭くなるので、チャンバー用ヒータ７による熱供給量が同じでも、より迅速に処理空間を昇温させることができる。

特に、本実施形態における予熱用位置は、図７に示すように、予熱処理後に開始される造形処理の開始時にステージ４が位置すべき目標位置にステージ４が位置するように、設定されている。これにより、予熱処理が終了した後、Ｚ軸駆動機構２３を駆動させることなく、そのまま造形処理を開始することができ、最初の造形処理を更に早期に開始することが可能である。

図８は、本実施形態における予熱処理及び造形処理の流れを示すフローチャートである。
本実施形態において、制御部１００は、ユーザーの指示操作等により造形をスタートすると、まず、チャンバー用ヒータ７、ヘッド加熱部１２及びステージ加熱部５への通電をＯＮにして、これらを稼働させる（Ｓ１）。また、制御部１００は、Ｚ軸駆動機構２３を制御して、Ｚ軸駆動機構２３の駆動力によりチャンバーの底壁部３Ｄを所定の待機位置（例えば最下点）から上昇させる（Ｓ２）。そして、チャンバーの底壁部３Ｄが上述した予熱用位置に到達したら（Ｓ３のＹｅｓ）、Ｚ軸駆動機構２３の駆動を停止する（Ｓ４）。これにより、チャンバーの底壁部３Ｄが上述した予熱用位置に位置決めされ、チャンバー内の処理空間の体積は少ない状態となる。

その結果、予熱処理中における処理空間の体積は、後述する造形処理中における処理空間の体積（少なくとも造形処理時にとり得る処理空間の最大体積）よりも少ないものとなる。すなわち、予熱処理中において、チャンバー用ヒータ７並びにヘッド加熱部１２及びステージ加熱部５から供給される熱量によって加熱すべき処理空間の体積が少ない。よって、後述する造形処理中の体積と同じ体積の処理空間を予熱処理する場合と比べて、処理空間の昇温速度を速めることができ、処理空間の温度をより迅速に目標温度まで昇温することができる。

処理空間の温度が目標温度に達したら（Ｓ５のＹｅｓ）、続いて、制御部１００は、造形処理に移行する。本実施形態の三次元造形装置１により造形する三次元造形物の三次元形状データは、本三次元造形装置１に対して有線あるいは無線でデータ通信可能に接続されたパーソナルコンピュータ等の外部装置から入力される。制御部１００は、入力された三次元形状データに基づき、上下方向に分解された多数の層状構造物のデータ（造形用のスライスデータ）を生成する。各層状構造物に対応するスライスデータは、本三次元造形装置１の造形ヘッド１０から射出されるフィラメントによって形成される各層状構造物に対応しており、その層状構造物の厚みは、三次元造形装置１の能力に応じて適宜設定される。

造形処理では、まず、制御部１００は、最下層（第一層）のスライスデータに従って、ステージ４の上に最下層の層状構造物を作成する（Ｓ６）。具体的には、制御部１００は、最下層（第一層）のスライスデータに基づき、Ｘ軸駆動機構２１及びＹ軸駆動機構２２を制御して、造形ヘッド１０の射出ノズル１１の先端を目標位置（Ｘ−Ｙ平面上の目標位置）に順次移動させながら、射出ノズル１１よりフィラメントの射出を行う。これにより、ステージ４上には、最下層（第一層）のスライスデータに従った層状構造物が造形される。なお、三次元造形物を構成しないサポート材も一緒に作成する場合があるが、ここでの説明は省略する。

次に、制御部１００は、Ｚ軸駆動機構２３を制御して、層状構造物の一層分に相当する距離だけチャンバーの底壁部３Ｄを下降させ、その底壁部３Ｄ上のステージ４を、次の層（第二層）の層状構造物を作成するための位置まで下降させ、位置決めする（Ｓ８）。その後、制御部１００は、第二層のスライスデータに基づき、Ｘ軸駆動機構２１及びＹ軸駆動機構２２を制御して、造形ヘッド１０の射出ノズル１１の先端を目標位置に順次移動させながら、射出ノズル１１よりフィラメントの射出を行う。これにより、ステージ４上に形成されている最下層の層状構造物上に、第二層のスライスデータに従った層状構造物が造形される（Ｓ６）。

このようにして、図９に示すように、制御部１００は、Ｚ軸駆動機構２３を制御して、チャンバーの底壁部３Ｄ上のステージ４を順次下降させながら、下層から順に各層状構造物を積層させて造形する処理を繰り返す。そして、最上層の層状構造物の作成が終了したら（Ｓ７のＹｅｓ）、入力された三次元形状データに従った三次元造形物が造形される。

このようにして造形処理が終了したら、制御部１００は、Ｚ軸駆動機構２３を制御して、チャンバーの底壁部３Ｄ上のステージ４を所定の取出用位置（本実施形態では最下点）まで下降させる（Ｓ９）。この取出用位置は、チャンバー３の前壁部３Ｅに設けられている開閉扉３ａを開けて、ステージ４上の三次元造形物をチャンバー３の外部へ取り出しやすい位置に設定される。

造形処理終了直後は、まだ、チャンバー３内の処理空間が高温であるため、開閉扉３ａを開けて処理空間内の三次元造形物をユーザーがすぐに取り出すことはできない。したがって、ユーザーは、処理空間内の温度が取り出し可能な温度まで低下してから、開閉扉３ａを開けて処理空間内の三次元造形物を取り出すことになる。制御部１００は、処理空間内の温度が取り出し可能な温度まで低下するまで開閉扉３ａをロック状態にする冷却期間を設け、処理空間内の温度が取り出し可能な温度まで低下した後に、開閉扉３ａのロック状態を解除することが好ましい。

ここで、本実施形態では、全層の層状構造物の作成が終了した後の冷却期間において、チャンバーの底壁部３Ｄ上のステージ４を所定の取出用位置まで下降させる制御を行う。そのため、全層の層状構造物の作成が終了した後、チャンバー３内の処理空間の体積は、チャンバーの底壁部３Ｄの下降によって増加する。このように造形処理終了後の冷却時期に処理空間の体積が増加するため、処理空間の体積が全層の層状構造物の作成が終了した時点と同じままである場合よりも、冷却に要する時間が短縮でき、造形処理後の早期のうちに三次元造形物を取り出すことが可能となる。

次に、本実施形態における予熱処理時のチャンバー用ヒータ７の制御方法について説明する。
図１０は、チャンバー３内の処理空間の体積の時間変化の概要を示すグラフである。
図１１は、チャンバー用ヒータ７等によりチャンバー３内の処理空間へ供給される単位時間当たりの熱供給量の時間変化の概要を示すグラフである。
図１２は、チャンバー３内の処理空間の温度の時間変化の概要を示すグラフである。

本実施形態では、上述したとおり、予熱処理中におけるチャンバー３内の処理空間の体積は、図１０に示すように、少ない状態で一定に維持される。そして、予熱処理が終了して造形処理が開始されると、層状構造物を作成するたびに一層分だけチャンバー３の底壁部３Ｄが下降するため、チャンバー３内の処理空間の体積は、図１０に示すように、徐々に増加していく。

本実施形態では、造形処理中の処理空間内の温度は目標温度（２００℃程度）に維持する必要がある。本実施形態のように造形処理中にチャンバー３内の処理空間の体積が徐々に増加する構成では、チャンバー用ヒータ７等による単位時間当たりの熱供給量が一定であると、処理空間の体積増加に伴って処理空間の温度が徐々に下がってしまう。

そのため、本実施形態において、制御部１００は、図１１に示すように、チャンバー用ヒータ７等による単位時間当たりの熱供給量が、チャンバー３内の処理空間の体積の増加に応じて増えるように、チャンバー用ヒータ７等を制御している。これにより、造形処理中にチャンバー３内の処理空間の体積が増加しても、図１２に示すように、造形処理中におけるチャンバー３内の処理空間の温度を目標温度（２００℃程度）に維持することが可能となる。

〔変形例〕
次に、本実施形態における三次元造形装置１の一変形例について説明する。
上述した実施形態では、造形ヘッド１０をＸ軸駆動機構２１及びＹ軸駆動機構２２によりＸ軸方向及びＹ軸方向の二方向へ移動させるとともに、ステージ４をＺ軸駆動機構２３によりＺ軸方向の一方向へ移動させている。本変形例では、造形ヘッド１０をＹ軸駆動機構２２によりＹ軸方向の一方向へ移動させるとともに、ステージ４をＸ軸駆動機構２１’及びＺ軸駆動機構２３によりＸ軸方向及びＺ軸方向の二方向へ移動させる。なお、本変形例における基本的な構成や動作は上述した実施形態と同様であるため、以下の説明では、上述した実施形態とは異なる点を中心に説明する。

図１３は、本変形例における三次元造形装置１の構成を示す説明図である。
図１４は、本変形例における三次元造形装置１の後方部分を切断して除外した状態の斜視図である。
造形ヘッド１０は、装置前後方向（図１３及び図１４中の前後方向＝Ｙ軸方向）に延びる造形部材移動手段としてのＹ軸駆動機構２２に対し、連結部材２２ａを介して、そのＹ軸駆動機構２２の長手方向（Ｙ軸方向）に沿って移動可能に保持されている。造形ヘッド１０は、Ｙ軸駆動機構２２の駆動力により、装置前後方向（Ｙ軸方向）へ移動することができる。

本変形例におけるＹ軸駆動機構２２の駆動対象である造形ヘッド１０は、その一部（射出ノズル１１を含む造形ヘッド１０の先端部分）が、上述した実施形態と同様にチャンバー３内に配置されている。本変形例でも、造形ヘッド１０をＹ軸方向へ移動させてもチャンバー３の内部が外部から遮蔽される構成となっているが、その具体的な構成が上述した実施形態とは異なっている。

詳しく説明すると、本変形例におけるチャンバー３の天井壁部は、装置左右方向（Ｘ軸方向）の両側壁部３Ｃと同様にガラスウール等を内包した断熱材を内側板と外側板の間に挟み込んだ構造をもつ固定壁部３Ｆと、造形ヘッド１０の可動範囲に対応して固定壁部３Ｆに形成されている開口部分を塞ぐように配置される可撓性の断熱シート３Ｇとから構成される断熱壁である。チャンバー３の天井壁部の上面におけるＹ軸方向両側には、図１４に示すように、断熱シート３Ｇをロール状に保持するロール軸２７ａ，２７ｂが配置されている。この断熱シート３Ｇは、造形ヘッド１０に固定されており、造形ヘッド１０と一体的に移動可能に構成されている。

Ｙ軸駆動機構２２により造形ヘッド１０がＹ軸方向へ移動するとき、これに応じて、その移動方向上流側に位置するロール軸から断熱シート３Ｇが繰り出されつつ、その移動方向下流側に位置するロール軸へ断熱シート３Ｇが巻き取られる。これにより、断熱シート３Ｇは、チャンバー３の天井壁部の固定壁部３Ｆに形成されている開口部分を塞いだ状態のまま、Ｙ軸方向へ移動する、そのため、造形ヘッド１０がＹ軸方向へ移動しても、チャンバー３内の処理空間上部は常に固定壁部３Ｆ及び断熱シート３Ｇによって覆われる。

また、本変形例においては、チャンバー３の底壁部３Ｄの下方に、ステージ４を装置左右方向（Ｘ軸方向）へ移動させる載置台移動手段あるいは第一移動部材としてのＸ軸駆動機構２１’が設けられている。本変形例におけるＸ軸駆動機構２１’の駆動対象であるステージ４は、チャンバー３の底壁部３Ｄの上方、すなわち、チャンバー３内の処理空間に配置されている。そのため、ステージ４をＸ軸方向へ移動させてもチャンバー３の内部が外部から遮蔽される構成とするのが好ましい。

このような構成としては、上述した実施形態のチャンバー３の天井壁部で採用しているように、複数のスライド断熱部材３ＡをＸ軸方向へ並べて配設した構成を採用してもよい。すなわち、チャンバー３の底壁部３Ｄにおいて、Ｙ軸方向に長尺な複数のＸ軸スライド断熱部材３ＡをＸ軸方向へ並べて配設し、隣接するＸ軸スライド断熱部材３Ａ間を互いにＸ軸方向へ相対的にスライド移動可能に構成する。これにより、Ｘ軸駆動機構２１’によりステージ４をＸ軸方向へ移動させても、これに応じて複数のＸ軸スライド断熱部材３ＡがそれぞれＸ軸方向へスライド移動し、チャンバー３内の処理空間下部は常にＸ軸スライド断熱部材３Ａによって覆われる。もちろん、本変形例におけるチャンバー３の天井壁部で採用しているように、可撓性の断熱シートをロール軸で繰り出し、巻き取りする構成を採用してもよいし、その他の構成であってもよい。

また、本変形例において、チャンバー３の底壁部３Ｄは、装置上下方向（Ｚ軸方向）に延びる断熱壁変位手段としてのＺ軸駆動機構２３により、Ｚ軸方向に沿って移動可能に構成されている。なお、本変形例のＺ軸駆動機構２３も、図１４に示すように、チャンバー３の両側壁部３Ｃにスライド孔３ｃが形成される構成のものであるが、図１５に示すように、チャンバー３の両側壁部３Ｃにスライド孔３ｃを形成する必要がない構成としてもよい。

本変形例のＺ軸駆動機構２３は、チャンバー３の底壁部３Ｄの下方に位置する支持プレート２３ｅをＺ軸方向に沿って移動させ、これにより支持プレート２３ｅに固定された底壁部３ＤをＺ軸方向に沿って移動させる。また、この支持プレート２３ｅ上には、底壁部３Ｄとの間にＸ軸駆動機構２１’が固定されている。このＸ軸駆動機構２１’には、上述したとおり、ステージ４がＸ軸方向へ移動可能に取り付けられている。したがって、Ｚ軸駆動機構２３の駆動力により支持プレート２３ｅをＺ軸方向に沿って移動させることで、チャンバー３の底壁部３Ｄとともに、Ｘ軸駆動機構２１’に取り付けられているステージ４もＺ軸方向へ移動させることができる。

なお、以上の説明では、断熱壁変位手段がチャンバー３の底壁部３ＤをＺ軸方向へ変位させることにより、処理空間の体積を増加又は減少させる構成であったが、これに限られない。例えば、断熱壁変位手段がチャンバー３の天井壁部をＺ軸方向へ変位させることにより処理空間の体積を増加又は減少させる構成であってもよい。この場合の断熱壁変位手段は、例えば、造形ヘッド１０の移動とともに天井壁部をＺ軸方向へ変位させるように構成することができる。また、例えば、チャンバー３の少なくとも一方の側壁部をＸ軸方向へ変位させることにより処理空間の体積を増加又は減少させる構成であってもよい。また、例えば、チャンバー３の前壁部や後壁部をＹ軸方向へ変位させることにより処理空間の体積を増加又は減少させる構成であってもよい。

以上に説明したものは一例であり、次の態様毎に特有の効果を奏する。
（態様Ａ）
断熱壁３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ，３Ｅ，３Ｆ，３Ｇ等によって囲まれた処理空間を内部に備えたチャンバー３と、前記チャンバー内の処理空間を加熱するチャンバー用ヒータ７等の処理空間加熱手段と、前記処理空間加熱手段により目標温度まで加熱された前記処理空間内で、三次元造形物を造形する造形ヘッド１０等の造形部材とを備えた三次元造形装置１において、前記処理空間の体積が増加又は減少するように底壁部３Ｄ等の前記断熱壁の少なくとも一部（底壁部３Ｄ）を変位させるＺ軸駆動機構２３，２３’等の断熱壁変位手段を有することを特徴とする。
本態様においては、処理空間を囲っている断熱壁の少なくとも一部を断熱壁変位手段によって変位させて、処理空間の体積を増加又は減少させることができる。処理空間の体積が減少すれば、処理空間加熱手段による処理空間内の温度上昇速度を速めることができる。よって、本態様によれば、例えば、造形処理を開始する前の予熱処理時に処理空間の体積を減少させておくことで、予熱処理に要する時間を短縮でき、最初の造形処理を早期に開始することが可能となる。また、処理空間の体積が増加すれば、処理空間内の温度が下がりやすくなる。よって、本態様によれば、例えば、造形処理終了後の冷却時期に処理空間の体積を増加させることで、冷却に要する時間を短縮でき、造形処理後の早期のうちに三次元造形物を取り出すことが可能となる。

（態様Ｂ）
前記態様Ａにおいて、前記造形部材を移動させるＸ軸駆動機構２１やＹ軸駆動機構２２等の造形部材移動手段を有し、前記断熱壁変位手段は、前記造形部材の移動とともに前記断熱壁の少なくとも一部を変位させることを特徴とする。
これによれば、造形部材移動手段により造形部材を移動させながら造形処理を実施しつつ、その造形処理の進行に応じて、断熱壁変位手段により断熱壁の少なくとも一部を変位させて処理空間の体積を増加させることが可能となる。これにより、造形処理を開始する前の予熱処理時には処理空間の体積を減少させておいて予熱処理に要する時間を短縮できる一方、造形処理の開始後は、造形処理の進行に応じて処理空間の体積を増加させることが可能となる。したがって、造形処理の進行に応じて、作成される三次元造形物が徐々に大きくなり、必要な処理空間の広さが増える場合でも、必要な処理空間を確保することができる。なお、本態様は、三次元造形物が載置されるステージ４等の載置台を移動させる載置台移動手段を必要とせずに、三次元造形物を造形することが可能である。

（態様Ｃ）
前記態様Ａ又はＢにおいて、前記処理空間内に配置され、前記三次元造形物が載置されるステージ４等の載置台と、前記載置台を移動させるＺ軸駆動機構２３，２３’やＸ軸駆動機構２１’等の載置台移動手段を有し、前記断熱壁変位手段は、前記載置台の移動とともに前記断熱壁の少なくとも一部を変位させることを特徴とする。
これによれば、載置台移動手段により載置台を移動させながら造形処理を実施しつつ、その造形処理の進行に応じて、断熱壁変位手段により断熱壁の少なくとも一部を変位させて処理空間の体積を増加させることが可能となる。これにより、造形処理を開始する前の予熱処理時には処理空間の体積を減少させておいて予熱処理に要する時間を短縮できる一方、造形処理の開始後は、造形処理の進行に応じて処理空間の体積を増加させることが可能となる。したがって、造形処理の進行に応じて、作成される三次元造形物が徐々に大きくなり、必要な処理空間の広さが増える場合でも、必要な処理空間を確保することができる。なお、本態様は、造形部材を移動させる造形部材移動手段を必要とせずに、三次元造形物を造形することが可能である。

（態様Ｄ）
前記態様Ａにおいて、前記処理空間内に配置され、前記三次元造形物が載置されるステージ４等の載置台と、前記造形部材と前記載置台との相対距離が変化するＺ軸方向等の相対距離変化方向に前記造形部材及び前記載置台の少なくとも一方を移動させるＺ軸駆動機構２３，２３’等の相対移動手段とを有し、前記造形部材は、前記相対移動手段により該造形部材との相対距離が順次拡大される前記載置台上にフィラメント等の造形材料を供給して層状の造形構造物を順次積層することにより前記三次元造形物を造形し、前記断熱壁変位手段は、前記相対距離の拡大とともに前記処理空間の体積が増加するように前記断熱壁の少なくとも一部を変位させることを特徴とする。
これによれば、相対移動手段により造形部材及び載置台の少なくとも一方を移動させながら造形処理を実施しつつ、その造形処理の進行に応じて、断熱壁変位手段により断熱壁の少なくとも一部を変位させて処理空間の体積を増加させる。これにより、造形処理を開始する前の予熱処理時には処理空間の体積を減少させておいて予熱処理に要する時間を短縮できる一方、造形処理の開始後は、造形処理の進行に応じて必要な処理空間の広さが増えることにも対応することができる。

（態様Ｅ）
前記態様Ｄにおいて、前記造形部材を前記相対距離変化方向に対して直交するＹ軸方向等の一方向へ移動させるＹ軸駆動機構２２等の造形部材移動手段を有し、前記相対移動手段は、前記載置台を前記相対距離変化方向へ移動させるとともに、前記載置台を前記造形部材移動手段による造形部材の移動方向と前記相対距離変化方向とに直交するＸ軸方向等の方向へ移動させることを特徴とする。
これによれば、上述した変形例のように、造形部材と載置台とを前記相対距離変化方向に対して直交する二方向（Ｘ軸方向とＹ軸方向）へ相対移動させる手段として、造形部材を造形部材移動手段により一方向（Ｙ軸方向）へ移動させ、かつ、相対移動手段により載置台を他の方向（Ｘ軸方向）へ移動させる構成を採用することができる。

（態様Ｆ）
前記態様Ｅにおいて、前記相対移動手段は、前記載置台を前記造形部材移動手段による造形部材の移動方向と前記相対距離変化方向とに直交するＸ軸方向等の方向へ移動させるＸ軸駆動機構２１’等の第一移動部材を、前記載置台を前記相対距離変化方向へ移動させるＺ軸駆動機構２３，２３’等の第二移動部材によって移動させる構成を有することを特徴とする。
これによれば、装置レイアウトが有利になる等の利点を得やすい場合がある。

（態様Ｇ）
前記態様Ｄにおいて、前記載置台を前記相対距離変化方向に対して直交する一方向へ移動させる載置台移動手段を有し、前記相対移動手段は、前記造形部材を前記相対距離変化方向へ移動させるとともに、前記造形部材を前記載置台移動手段による載置台の移動方向と前記相対距離変化方向とに直交する方向へ移動させることを特徴とする。
これによれば、装置レイアウトが有利になる等の利点を得やすい場合がある。

（態様Ｈ）
前記態様Ａ〜Ｇのいずれかの態様において、前記断熱壁変位手段による前記処理空間の体積の増加又は減少に応じて、前記処理空間加熱手段により前記処理空間へ供給する単位時間当たりの熱供給量を制御する制御部１００等の加熱制御手段を有することを特徴とする。
これによれば、断熱壁変位手段により処理空間の体積が増加したり減少したりしても、処理空間の温度を適切にコントロールすることが可能となる。

（態様Ｉ）
三次元造形物を造形するための処理空間を内部に備えた三次元造形用チャンバー３において、前記処理空間の体積が増加又は減少するように該処理空間を囲っている断熱壁の少なくとも一部（底壁部３Ｄ）を変位させるＺ軸駆動機構２３，２３’等の断熱壁変位手段を有することを特徴とする。
本態様においては、処理空間を囲っている断熱壁の少なくとも一部を断熱壁変位手段によって変位させて、処理空間の体積を増加又は減少させることができる。処理空間の体積が減少すれば、処理空間内の温度上昇速度を速めることが可能となる。よって、本態様によれば、例えば、造形処理を開始する前の予熱処理時に処理空間の体積を減少させておくことで、予熱処理に要する時間を短縮でき、最初の造形処理を早期に開始することが可能となる。また、処理空間の体積が増加すれば、処理空間内の温度が下がりやすくなる。よって、本態様によれば、例えば、造形処理終了後の冷却時期に処理空間の体積を増加させることで、冷却に要する時間を短縮でき、造形処理後の早期のうちに三次元造形物を取り出すことが可能となる。

（態様Ｊ）
断熱壁によって囲まれた処理空間を目標温度まで加熱した後、該処理空間内で三次元造形物を造形する三次元造形方法において、前記断熱壁の少なくとも一部を変位させることにより前記処理空間の体積を増加させながら三次元造形物を造形することを特徴とする。
本態様によれば、造形処理の進行に応じて、断熱壁の少なくとも一部を変位させて処理空間の体積を増加させることが可能となる。これにより、造形処理を開始する前の予熱処理時には処理空間の体積を減少させておいて予熱処理に要する時間を短縮できる一方、造形処理の開始後は、造形処理の進行に応じて処理空間の体積を増加させることが可能となる。したがって、造形処理の進行に応じて、作成される三次元造形物が徐々に大きくなり、必要な処理空間の広さが増える場合でも、必要な処理空間を確保することができる。

１ 三次元造形装置
２ 本体フレーム
３ チャンバー
３ａ 開閉扉
３ｂ 窓
３ｃ スライド孔
３ｄ シール部材
３Ａ，３Ｂ スライド断熱部材
３Ｃ 側壁部
３Ｄ 底壁部
３Ｅ 前壁部
３Ｆ 固定壁部
３Ｇ 断熱シート
４ ステージ
５ ステージ加熱部
６ フィラメント供給部
７ チャンバー用ヒータ
１０ 造形ヘッド
１１ 射出ノズル
１２ ヘッド加熱部
２１，２１’ Ｘ軸駆動機構
２２ Ｙ軸駆動機構
２３，２３’ Ｚ軸駆動機構
１００ 制御部

特許第３９９５９３３号公報

Claims (10)

1. 断熱壁によって囲まれた処理空間を内部に備えたチャンバーと、
   前記チャンバー内の処理空間を加熱する処理空間加熱手段と、
   前記処理空間加熱手段により目標温度まで加熱された前記処理空間内で、三次元造形物を造形する造形部材とを備えた三次元造形装置において、
   前記処理空間の体積が増加又は減少するように前記断熱壁の少なくとも一部を変位させる断熱壁変位手段を有することを特徴とする三次元造形装置。
2. 請求項１に記載の三次元造形装置において、
   前記造形部材を移動させる造形部材移動手段を有し、
   前記断熱壁変位手段は、前記造形部材の移動とともに前記断熱壁の少なくとも一部を変位させることを特徴とする三次元造形装置。
3. 請求項１又は２に記載の三次元造形装置において、
   前記処理空間内に配置され、前記三次元造形物が載置される載置台と、
   前記載置台を移動させる載置台移動手段を有し、
   前記断熱壁変位手段は、前記載置台の移動とともに前記断熱壁の少なくとも一部を変位させることを特徴とする三次元造形装置。
4. 請求項１に記載の三次元造形装置において、
   前記処理空間内に配置され、前記三次元造形物が載置される載置台と、
   前記造形部材と前記載置台との相対距離が変化する相対距離変化方向に前記造形部材及び前記載置台の少なくとも一方を移動させる相対移動手段とを有し、
   前記造形部材は、前記相対移動手段により該造形部材との相対距離が順次拡大される前記載置台上に造形材料を供給して層状の造形構造物を順次積層することにより前記三次元造形物を造形し、
   前記断熱壁変位手段は、前記相対距離の拡大とともに前記処理空間の体積が増加するように前記断熱壁の少なくとも一部を変位させることを特徴とする三次元造形装置。
5. 請求項４に記載の三次元造形装置において、
   前記造形部材を前記相対距離変化方向に対して直交する一方向へ移動させる造形部材移動手段を有し、
   前記相対移動手段は、前記載置台を前記相対距離変化方向へ移動させるとともに、前記載置台を前記造形部材移動手段による造形部材の移動方向と前記相対距離変化方向とに直交する方向へ移動させることを特徴とする三次元造形装置。
6. 請求項５に記載の三次元造形装置において、
   前記相対移動手段は、前記載置台を前記造形部材移動手段による造形部材の移動方向と前記相対距離変化方向とに直交する方向へ移動させる第一移動部材を、前記載置台を前記相対距離変化方向へ移動させる第二移動部材によって移動させる構成を有することを特徴とする三次元造形装置。
7. 請求項４に記載の三次元造形装置において、
   前記載置台を前記相対距離変化方向に対して直交する一方向へ移動させる載置台移動手段を有し、
   前記相対移動手段は、前記造形部材を前記相対距離変化方向へ移動させるとともに、前記造形部材を前記載置台移動手段による載置台の移動方向と前記相対距離変化方向とに直交する方向へ移動させることを特徴とする三次元造形装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の三次元造形装置において、
   前記断熱壁変位手段による前記処理空間の体積の増加又は減少に応じて、前記処理空間加熱手段により前記処理空間へ供給する単位時間当たりの熱供給量を制御する加熱制御手段を有することを特徴とする三次元造形装置。
9. 三次元造形物を造形するための処理空間を内部に備えた三次元造形用チャンバーにおいて、
   前記処理空間の体積が増加又は減少するように該処理空間を囲っている断熱壁の少なくとも一部を変位させる断熱壁変位手段を有することを特徴とする三次元造形用チャンバー。
10. 断熱壁によって囲まれた処理空間を目標温度まで加熱した後、該処理空間内で三次元造形物を造形する三次元造形方法において、
    前記断熱壁の少なくとも一部を変位させることにより前記処理空間の体積を増加させながら三次元造形物を造形することを特徴とする三次元造形方法。

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