JP2017217791A - 三次元造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】載置台上の全体を加熱していた従来構成で生じ得る課題を解決する。【解決手段】載置台加熱手段によって加熱された載置台４上に三次元造形物を造形する三次元造形装置において、前記載置台加熱手段は、前記載置台上の異なる箇所４−１〜４−９を加熱する複数の載置台加熱部５２を備えることを特徴とする。これにより、載置台上の異なる箇所を複数の載置台加熱部で別個に加熱することが可能となるので、載置台上の全体を加熱していた従来構成で生じ得る課題を解決できる。【選択図】図５

Description

本発明は、三次元造形装置に関するものである。

従来、載置台上に三次元造形物を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から熱可塑性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。

一般に、プラットホーム等の載置台上に三次元造形物を造形する三次元造形装置においては、載置台上に形成される三次元造形物が造形途中に載置台上から剥がれないように、その三次元造形物の造形材料の材質等に応じた所望温度まで載置台上を昇温させることが望まれる。ところが、従来の三次元造形装置は、製作チャンバーを加熱することで載置台全体が加熱されるものであったため、例えば、造形される三次元造形物の寸法が小さいときに三次元造形物が載置されない載置台上の箇所まで不要に加熱し、余分な加熱エネルギーを消費するといった課題があった。

また、近年、載置台上の異なる箇所に、異なる造形材料で三次元造形物を造形する試みがなされている。この試みでは、載置台上の異なる箇所を、それぞれに対応する造形材料に適した温度まで昇温させることが要望されるところ、従来の三次元造形装置のように載置台上の全体を加熱する構成では、その要望に応えることができない。

上述した課題は、三次元造形物が載置される載置台を昇温させる三次元造形装置であれば、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限らず、生じ得る課題である。

上述した課題を解決するために、本発明は、載置台上に三次元造形物を造形する三次元造形装置において、前記載置台を加熱する載置台加熱手段は、前記載置台上の異なる箇所を加熱する複数の載置台加熱部を備えることを特徴とする。

本発明によれば、載置台上の全体を加熱していた従来構成で生じ得る課題を解決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。 同三次元造形装置の制御ブロック図である。 実施形態におけるステージを加熱するステージ加熱部を説明するためのステージの平面図である。 同ステージ加熱部を説明するためのステージの正面図である。 ステージ上の加熱箇所間の隙間をスリットによって形成する一例を示す断面図である。 （ａ）は、ステージの加熱箇所間の熱移動を阻害する熱移動阻害手段の一変形例を示す平面図であり、（ｂ）は、同図（ａ）中の符号Ａ−Ａ’の断面図である。 （ａ）は、ステージの加熱箇所間の熱移動を阻害する熱移動阻害手段の他の変形例を示す平面図であり、（ｂ）は、同図（ａ）中の符号Ａ−Ａ’の断面図である。 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。 ステージ上の使用領域の一例を示す説明図である。 ステージ上の使用領域の他の例を示す説明図である。 ステージ上の互いに異なる領域に、材料が異なるフィラメントで構成される三次元造形物が造形される場合の一例を示す説明図である。

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、加熱された載置台上に三次元造形物を造形するものであれば、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で加熱して溶融（あるいは軟化）させ、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、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。

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４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、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。

ここで、三次元造形物が造形されるステージ４は、その温度を目標温度まで昇温させることが望ましい。これは、例えば、造形処理中に、造形途中の三次元造形物（層状構造物）がステージ４上から剥がれて動いてしまうのを防止する等の目的にとって重要である。特に、本実施形態のように熱溶解積層法（ＦＤＭ）で三次元造形物を造形する場合には、造形ヘッド１０を移動させながら射出ノズル１１から射出されるフィラメントをステージ４上に既に形成された層状構造物の上に押し付けるようにして新たな層を形成していく。そのため、ステージ４上の層状構造物には、造形ヘッド１０の移動方向（Ｘ方向、Ｙ方向）に向かう外力が加わり、ステージ４の載置面から層状構造物の最下層が剥がれやすい。したがって、層状構造物の最下層を構成するフィラメントの材料に応じ、ステージ４の温度を、ステージ４の載置面とフィラメント（層状構造物の最下層）との間に十分な付着力を発揮させる温度範囲に維持することが必要である。

また、ステージ４の温度が低すぎると、造形途中でステージ４上の層状構造物で熱収縮が始まり、その上に形成される新たな層との歪みが大きくなって最終的な三次元造形物の精度が悪くなるなどの問題も発生する。この問題に対応するためにも、ステージ４の温度を熱収縮が抑制される温度範囲に維持することが重要である。

従来の三次元造形装置では、ステージ４を全体的に加熱するステージ加熱部が用いられていたため、例えば、造形される三次元造形物の寸法（最下層の面積）が小さいときには、その三次元造形物が載置されないステージ４上の箇所までも不要に加熱することになり、余分な加熱エネルギーを消費するといった問題が生じる。

また、本実施形態においては、造形ヘッド１０上に４つの射出ノズル１１が設けられており、各射出ノズル１１から異なる材料のフィラメントを射出できる。そのため、ステージ４上の異なる箇所に別材料のフィラメントで造形された層状構造物を形成して、単一又は別個の三次元造形物を造形することが可能である。ステージ４の最適な温度は、上述したように、フィラメントの材料によって異なるため、別材料のフィラメントで造形された層状構造物が載置される箇所ごとに、その材料に応じて個別の温度に加熱することが望まれる。ステージ４を全体的に加熱するステージ加熱部が用いられていた従来の三次元造形装置では、この要望に応えることができない。

図５は、本実施形態におけるステージ４を加熱するステージ加熱部５を説明するためのステージ４の平面図である。
図６は、本実施形態におけるステージ４を加熱するステージ加熱部５を説明するためのステージ４の正面図である。
本実施形態においては、ステージ４を加熱する載置台加熱手段としてのステージ加熱部５を、ステージ４上の異なる箇所を加熱する複数の個別ヒータ（載置台加熱部）５２で構成している。本実施形態では、９個の個別ヒータ５２を３×３で配置し、その上方に配置されるステージ４上の９箇所４−１〜４−９を各個別ヒータ５２で個別に加熱することができるようになっている。個別ヒータ５２の数や配置は、これに限らず、適宜選択される。

９個の個別ヒータ５２は、ステージ４の載置面の裏面（下面）に対し、個別のヒータプレート５１を介して設置されている。各個別ヒータ５２は、加熱制御手段としての制御部１００によって個別に加熱動作が制御され、加熱タイミング、加熱時間、加熱温度などが個別に制御される。本実施形態では、ステージ４上の各加熱箇所４−１〜４−９の温度を検出するための個別温度検知手段を設け、その検知結果に基づいて各個別ヒータ５２を制御する。個別温度検知手段は、ステージ４上の各加熱箇所４−１〜４−９に設けられる温度センサであってもよいし、ステージ４の上方に配置されてプレート全面をスキャンするような温度センサであってもよい。

ステージ４上の各加熱箇所４−１〜４−９は、互いの間の熱移動が阻害されるような構成となっているのが好ましい。例えば、図７に示すように、ステージ４上の各箇所４−１〜４−９の間に隙間が形成されるように、ステージ４の裏面にスリット４１を形成する。このような隙間を形成することで、その隙間が無い場合と比べて、各加熱箇所４−１〜４−９間の接触面積が小さくなり、各加熱箇所４−１〜４−９の熱が他の加熱箇所へ伝熱することが阻害される。

なお、ステージ４上の各加熱箇所４−１〜４−９の間に隙間が形成する方法は、前記のようなステージ４の裏面にスリット４１を形成する方法に限られない。ただし、この方法であれば、ステージ４の載置面の平坦性を維持しつつ、隙間を形成できるメリットがある。

図８（ａ）は、ステージ４の各加熱箇所４−１〜４−９間の熱移動を阻害する熱移動阻害手段の一変形例を示す平面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）中の符号Ａ−Ａ’の断面図である。
この変形例におけるステージ４は、平面形状が正方形である直方体の小型板状部材４３を３×３に配置し、これらの間に断熱材４２を挟み込んで接合したものである。この変形例では、各加熱箇所４−１〜４−９（各小型板状部材４３）間に隙間が形成されないが、断熱材４２による伝熱阻害効果により、小型板状部材４３を単に接合した場合よりも、各加熱箇所４−１〜４−９の熱が他の加熱箇所へ伝熱することが阻害される。
なお、この断熱材４２は、各小型板状部材４３を互いに接着する接着剤であってもよく、この場合でも、ステージ４が一体物である場合に比べて、接着剤の伝熱阻害効果により、各加熱箇所４−１〜４−９の熱が他の加熱箇所へ伝熱することが阻害される。

図９（ａ）は、ステージ４の各加熱箇所４−１〜４−９間の熱移動を阻害する熱移動阻害手段の他の変形例を示す平面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）中の符号Ａ−Ａ’の断面図である。
この変形例におけるステージ４も、平面形状が正方形である直方体の小型板状部材４４を３×３に配置し、これらの間に断熱部材４５を挟み込んで接合したものである。ただし、小型板状部材４４の形状は、図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、小型板状部材４４の互いに対向する一対の側面の一方には上辺側が突出する上辺突出部４４ａが設けられ、他方には下辺側が突出する下辺突出部４４ｂが設けられたものとなっている。これにより、小型板状部材４４を３×３に配置したときに、互いに隣接する２つの小型板状部材４４のうちの一方の上辺突出部４４ａと他方の下辺突出部４４ｂとの間に空間（隙間）が形成される。よって、その空間による伝熱阻害効果により、各加熱箇所４−１〜４−９の熱が他の加熱箇所へ伝熱することが阻害される。

しかも、この変形例では、上辺突出部４４ａや下辺突出部４４ｂの先端が尖鋭な形状であるため、互いに隣接する２つの小型板状部材４４の接触箇所は線状となり、接触面積が少なくなっている。これによっても、各加熱箇所４−１〜４−９の熱が他の加熱箇所へ伝熱することが阻害されている。なお、この場合、接触面積が少ないために、その接触箇所で小型板状部材４４同士を接合しようとすると、十分な接合強度が得られないおそれがある。そのため、この変形例では、前記空間内に断熱部材４５を配置し、その断熱部材４５を介して小型板状部材４４同士を接合するようにしている。

本実施形態において、各個別ヒータ５２によってそれぞれ加熱されるステージ４上の各加熱箇所の平面形状（ステージ４の載置面の面方向形状）は、本実施形態では正方形であるが、これに限られない。ただし、個別ヒータ５２に対応しない箇所がステージ４上に存在しないように、各加熱箇所が配置されることが望ましい。そのため、各加熱箇所の平面形状は、そのような配置が可能な形状、具体的には、三角形、四角形、六角形等であるのが好ましい。

また、本実施形態におけるステージ４やヒータプレート５１は、アルミニウムなどの輻射熱を反射する材料で形成されている。これも、ステージ４上の各加熱箇所４−１〜４−９間の熱移動を阻害するのに寄与している。

図１０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。造形制御手段としての制御部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。

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、入力された三次元形状データから生成された最下層（第一層）のスライスデータに基づき、その最下層を形成するステージ４上の領域（使用領域）を決定する（Ｓ１）。そして、決定された使用領域に対応する加熱箇所の個別ヒータ５２を駆動させ、それ以外の加熱箇所の個別ヒータ５２は駆動させないように、ステージ加熱部５を制御する（Ｓ２）。これにより、これから造形される三次元造形物が載置されるステージ４上の箇所だけが加熱され、その他の箇所が不要に加熱されることを防止できる。

例えば、最下層を形成するステージ４上の使用領域の大きさが１つの加熱箇所で済む場合、その使用領域を決定する（すなわち駆動させる個別ヒータ５２を決定する）にあたっては、９つの加熱箇所４−１〜４−９のいずれを選択してもよい。したがって、図１１に示しように、ステージ４の中央に位置する加熱箇所４−５を選択してもよいし、図１２に示しように、ステージ４の図中右上に位置する加熱箇所４−３を選択してもよい。

ただし、本実施形態では、所定の待機位置Ｈからステージ４上に三次元造形物２００を造形する造形位置（ステージ４上の決定された領域に対向する位置）へ造形ヘッド１０を移動させた後、そのステージ４上の領域に三次元造形物２００を造形する。そのため、決定される使用領域は、所定の待機位置Ｈから造形位置までの移動距離が最短となる位置に設定されるのが好ましい。本実施形態の場合、図中右上に位置する加熱箇所４−３が、所定の待機位置Ｈに最も近く、移動距離が最短となるので、ステージ４上の使用領域の大きさが１つの加熱箇所で済む場合には、図１２に示すように、図中右上に位置する加熱箇所４−３を選択するのが好ましい。これにより、待機位置Ｈから造形位置までの移動時間を短くでき、造形開始時期を早めることができる。

また、所定の待機位置Ｈに最も近い図中右上に位置する加熱箇所４−３を選択した場合、他の加熱箇所が選択された場合に比べて、個別ヒータ５２の熱により造形処理前の予熱処理時に待機位置Ｈで待機している造形ヘッド１０の昇温スピードを上げる効果が高い。

また、制御部１００は、チャンバー用ヒータ７及びヘッド加熱部１２も駆動させる（Ｓ２）。そして、処理空間の温度が目標温度に達したら（Ｓ４のＹｅｓ）、制御部１００は、造形処理に移行する。造形処理では、まず、制御部１００は、Ｘ軸駆動機構２１及びＹ軸駆動機構２２を制御して、待機位置Ｈに待機していた造形ヘッド１０を、ステップＳ１で決定した使用領域に対向する造形位置へ移動させる（Ｓ５）。その後、最下層（第一層）のスライスデータに従って、ステージ４上の使用領域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ステージ４を下降させ、次の層（第二層）の層状構造物を作成するための位置に位置決めする（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、制御部１００は、Ｚ軸駆動機構２３を制御してステージ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、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。

図１３は、ステージ４上の互いに異なる領域に、材料が異なるフィラメントで構成される三次元造形物が造形される場合の一例を示す説明図である。
図１３に示す例では、最下層を形成するステージ４上の使用領域に対応する加熱箇所は、図中右上の２×２の４つの加熱箇所４−２，４−３，４−５，４−６と、図中左下の加熱箇所４−７の合計５つである。この例では、図中右上の４つの加熱箇所４−２，４−３，４−５，４−６に形成される三次元造形物２００ａと、図中左下の加熱箇所４−７に形成される三次元造形物２００ｂとは、その造形に用いる射出ノズル１１が異なり、材料の異なるフィラメントによって造形される。

これらの三次元造形物２００ａ，２００ｂは、一方の最下層を形成した後に、他方の最下層を形成し、ステージ４を下降させた後、また一方の第二層を形成した後に他方の第二層を形成するという順番で造形していく。そのため、両三次元造形物２００ａ，２００ｂの間には、三次元造形物を構成しないフィラメントの垂れが生じるが、これは造形処理後に除去される。

上述したように、ステージ４の最適な温度は、フィラメントの材料によって異なるため、別材料のフィラメントで造形される三次元造形物をステージ４上の異なる箇所に形成する場合には、各箇所の温度をそれぞれの材料に適した温度となるように個別に加熱することが望まれる。そのため、本例では、三次元造形物２００ａが形成される図中右上の４つの加熱箇所４−２，４−３，４−５，４−６と、三次元造形物２００ｂが形成される図中左下の加熱箇所４−７とで加熱温度が異なるように、対応する個別ヒータ５２を制御する。これにより、それぞれの箇所をそれぞれの材料に適した温度とすることができる。その結果、いずれの三次元造形物２００ａ，２００ｂについても、ステージ４の載置面から最下層のフィラメントが剥がれたり、造形途中の層状構造物で熱収縮が始まって歪みが大きくなったりする不具合を抑制できる。

また、図１３に示す例では、三次元造形物２００ｂは、三次元造形物２００ａよりも高さが低いため、三次元造形物２００ｂの造形は三次元造形物２００ａよりも先に終了する。造形が終了した後は、その箇所の温度を下げても、ステージ４の載置面から最下層のフィラメントが剥がれることはなく、また熱収縮が始まって歪みの不具合は生じない。したがって、三次元造形物２００ｂの造形が終了した後は、三次元造形物２００ａの造形中であっても、三次元造形物２００ｂが形成された加熱箇所４−７に対応する個別ヒータ５２を停止させる。これにより、更に不要なエネルギー消費を抑制できる。

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）
ステージ４等の載置台上に三次元造形物２００，２００ａ，２００ｂを造形する三次元造形装置１において、前記載置台を加熱するステージ加熱部５等の載置台加熱手段は、前記載置台上の異なる箇所４−１〜４−９を加熱する複数の個別ヒータ５２等の載置台加熱部を備えることを特徴とする。
本態様によれば、載置台上の異なる箇所を複数の載置台加熱部で別個に加熱することが可能なので、昇温が必要な箇所だけを部分的に加熱したり、載置台上の異なる箇所を異なる温度で加熱したりすることが可能となる。

（態様Ｂ）
前記態様Ａにおいて、前記複数の載置台加熱部を個別に制御する制御部１００等の加熱制御手段を有することを特徴とする。
載置台上の異なる箇所を複数の載置台加熱部で別個に加熱することができる。

（態様Ｃ）
前記態様Ｂにおいて、前記加熱制御手段は、前記複数の載置台加熱部のうち、三次元造形物が造形される前記載置台上の箇所に対応する載置台加熱部を動作させて該箇所を加熱するとともに、該箇所とは異なる箇所に対応する載置台加熱部を動作させないように制御することを特徴とする。
本態様によれば、昇温が必要な箇所だけを部分的に加熱して、不要なエネルギー消費を抑制できる。

（態様Ｄ）
前記態様Ｃにおいて、三次元造形物を造形する造形ヘッド１０等の造形部と、所定の待機位置Ｈから前記載置台上に三次元造形物を造形する造形位置へ前記造形部を移動させ、該造形部により前記載置台上の目標箇所に三次元造形物が造形されるように制御する制御部１００等の造形制御手段とを有し、前記載置台上の目標箇所は、前記所定の待機位置Ｈから前記造形位置までの移動時間が最短となる箇所に設定されることを特徴とする。
これによれば、所定の待機位置Ｈの造形部を造形位置まで短時間で移動させて造形開始時期を早めることができる。また、その箇所の載置台加熱部による熱を効率よく利用して、待機位置Ｈの造形部を昇温させることも可能である。

（態様Ｅ）
前記態様Ｂ〜Ｄのいずれかの態様において、互いに異なる造形材料で三次元造形物を造形可能な造形ヘッド１０等の造形部と、前記造形部により前記載置台上の互いに異なる箇所に互いに異なる造形材料で構成される三次元造形物が造形されるように制御する制御部１００等の造形制御手段とを有し、前記加熱制御手段は、造形される三次元造形物の造形材料に応じて、当該三次元造形物が造形される箇所に対応する載置台加熱部の加熱動作を制御することを特徴とする。
これによれば、別の造形材料で造形される各箇所の温度をそれぞれの造形材料に適した温度となるように個別に加熱することができる。

（態様Ｆ）
前記態様Ｂ〜Ｅのいずれかの態様において、前記加熱制御手段は、前記載置台上の異なる箇所に複数の三次元造形物を造形するとき、三次元造形物の造形中に、造形が終了した箇所に対応する載置台加熱部の動作を停止させた状態にすることを特徴とする。
これによれば、造形が終了した箇所に対応する載置台加熱部の動作を停止させない場合に比べて、不要なエネルギー消費を抑制できる。

（態様Ｇ）
前記態様Ｆにおいて、前記加熱制御手段は、前記複数の三次元造形物は互いに高さの異なるものであり、すべての三次元造形物の造形が終了していない場合でも、造形が終了した三次元造形物の箇所に対応する載置台加熱部の動作を停止させた状態にすることを特徴とする。
例えば、高さの異なる複数の三次元造形物を同時に下部から上部へ造形していく場合には、高さの低い三次元造形物の造形が高さの高い三次元造形物の造形よりも先に造形が終了する。本態様によれば、このような場合に、高さの高い三次元造形物の造形が終了していない場合でも、先に造形が終了した三次元造形物の箇所に対応する載置台加熱部の動作を停止させるので、すべての三次元造形物の造形が終了するまで、それらの載置台加熱部の動作を停止させない場合に比べて、不要なエネルギー消費を抑制できる。

（態様Ｈ）
前記態様Ａ〜Ｇのいずれかの態様において、前記載置台は、前記複数の載置台加熱部によりそれぞれ加熱される各載置台部分間の熱移動を阻害するスリット４１、断熱材４２等の熱移動阻害手段を有することを特徴とする。
これによれば、載置台加熱部による熱が他の箇所に伝搬しにくく、対応する箇所だけを効率よく加熱することができる。

（態様Ｉ）
前記態様Ｈにおいて、前記熱移動阻害手段は、前記各載置台部分間にスリット４１等の隙間を設けることにより熱移動を阻害するものであることを特徴とする。
これによれば、簡易な構成で熱移動阻害手段を実現できる。

（態様Ｊ）
前記態様Ｉにおいて、前記隙間は、三次元造形物が載置される載置面の裏面に形成されるスリット４１によって形成されていることを特徴とする。
これによれば、載置台の載置面側の平坦性を維持しつつ、隙間を形成できる。

（態様Ｋ）
前記態様Ｉ又はＪにおいて、前記各載置台部分は、三次元造形物が載置される載置面の面方向形状が三角形、四角形、六角形のいずれかであることを特徴とする。
これによれば、個別ヒータ５２に対応しない箇所が載置台上に存在しないように各載置台部分を配置できる。

（態様Ｌ）
前記態様Ｈにおいて、前記熱移動阻害手段は、前記各載置台部分間に介在する接着剤、断熱材４２、断熱部材４５等の断熱材によって熱移動を阻害するものであることを特徴とする。
これによれば、簡易な構成で熱移動阻害手段を実現できる。

１ 三次元造形装置
３ チャンバー
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 Ｘ軸駆動機構
２２ Ｙ軸駆動機構
２３ Ｚ軸駆動機構
４１ スリット
４２ 断熱材
４３，４４ 小型板状部材
４５ 断熱部材
５１ ヒータプレート
５２ 個別ヒータ
１００ 制御部

特許第３９９５９３３号公報

Claims (12)

1. 載置台上に三次元造形物を造形する三次元造形装置において、
   前記載置台を加熱する載置台加熱手段は、前記載置台上の異なる箇所を加熱する複数の載置台加熱部を備え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、
   前記複数の載置台加熱部を個別に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。
3. 請求項２に記載の三次元造形装置において、
   前記加熱制御手段は、前記複数の載置台加熱部のうち、三次元造形物が造形される前記載置台上の箇所に対応する載置台加熱部を動作させて該箇所を加熱するとともに、該箇所とは異なる箇所に対応する載置台加熱部を動作させないように制御することを特徴とする三次元造形装置。
4. 請求項３に記載の三次元造形装置において、
   三次元造形物を造形する造形部と、
   所定の待機位置から前記載置台上に三次元造形物を造形する造形位置へ前記造形部を移動させ、該造形部により前記載置台上の目標箇所に三次元造形物が造形されるように制御する造形制御手段とを有し、
   前記載置台上の目標箇所は、前記所定の待機位置から前記造形位置までの移動距離が最短となる箇所に設定されることを特徴とする三次元造形装置。
5. 請求項２乃至４のいずれか１項に記載の三次元造形装置において、
   互いに異なる造形材料で三次元造形物を造形可能な造形部と、
   前記造形部により前記載置台上の互いに異なる箇所に互いに異なる造形材料で構成される三次元造形物が造形されるように制御する造形制御手段とを有し、
   前記加熱制御手段は、造形される三次元造形物の造形材料に応じて、当該三次元造形物が造形される箇所に対応する載置台加熱部の加熱動作を制御することを特徴とする三次元造形装置。
6. 請求項２乃至５のいずれか１項に記載の三次元造形装置において、
   前記加熱制御手段は、前記載置台上の異なる箇所に複数の三次元造形物を造形するとき、三次元造形物の造形中に、造形が終了した箇所に対応する載置台加熱部の動作を停止させた状態にすることを特徴とする三次元造形装置。
7. 請求項６に記載の三次元造形装置において、
   前記加熱制御手段は、前記複数の三次元造形物は互いに高さの異なるものであり、すべての三次元造形物の造形が終了していない場合でも、造形が終了した三次元造形物の箇所に対応する載置台加熱部の動作を停止させた状態にす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、
   前記載置台は、前記複数の載置台加熱部によりそれぞれ加熱される各載置台部分間の熱移動を阻害する熱移動阻害手段を有することを特徴とする三次元造形装置。
9. 請求項８に記載の三次元造形装置において、
   前記熱移動阻害手段は、前記各載置台部分間に隙間を設けることにより熱移動を阻害するものであることを特徴とする三次元造形装置。
10. 請求項９に記載の三次元造形装置において、
    前記隙間は、三次元造形物が載置される載置面の裏面に形成されるスリットによって形成されていることを特徴とする三次元造形装置。
11. 請求項９又は１０に記載の三次元造形装置において、
    前記各載置台部分は、三次元造形物が載置される載置面の面方向形状が三角形、四角形、六角形のいずれかであることを特徴とする三次元造形装置。
12. 請求項８に記載の三次元造形装置において、
    前記熱移動阻害手段は、前記各載置台部分間に介在する断熱材によって熱移動を阻害するものであることを特徴とする三次元造形装置。

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