JP6802994B2 - 三次元造形装置及び造形物載置板 - Google Patents

Description

本発明は、三次元造形装置及び造形物載置板に関するものである。

従来、載置台の表面上又は載置台に保持される載置板上に、加熱された造形材料を冷却して固化させる層状構造物を積層して、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、加熱された製作チャンバー内で、熱溶解積層法（ＦＤＭ方式）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、製作チャンバー内に位置する押出しヘッドの出口ノズルにおいて熱可塑性材料を加熱しながら押し出す。そして、熱可塑性材料を押し出しながら押出しヘッドを水平面に沿って二次元方向へ移動することで、プラットホームのプレート（造形物載置板）上に層状構造物を順次積層し、最終的に三次元造形物を造形する。

ＦＤＭ方式により三次元造形物を造形する場合、加熱された造形材料によって載置台の表面上又は載置台に保持される載置板上に形成された各層状構造物は、造形処理の途中に、温度変化によって熱膨張や熱収縮を引き起こす。従来の載置台や載置板は、容易に変形しない高剛性部材で構成されていたため、その上に固着する最下層の層状構造物（最初に形成される層状構造物）が、熱膨張や熱収縮による層状構造物の内部応力の高まりによって、載置台や載置板から剥離するおそれがあった。造形処理の途中に最下層の層状構造物が載置台や載置板から剥離してしまうと、形成済みの層状構造物の位置が動いてしまい、その上に形成される層状構造物との相対位置がずれ、造形処理を適切に継続できなくなる。

この課題は、ＦＤＭ方式の三次元造形装置に限らず、載置台の表面上又は載置台に保持される載置板上に、加熱された造形材料を冷却して固化させる層状構造物を積層して、三次元造形物を造形する三次元造形装置であれば、同様に生じ得る。

上述した課題を解決するために、本発明は、載置台の表面上又は載置台に保持される載置板上に、加熱された造形材料を冷却して固化させる層状構造物を積層して、三次元造形物を造形する三次元造形装置において、前記載置台の表面部又は前記載置板は、前記層状構造物の変形に追従して変形可能なゴムの変形層を有し、前記載置台の表面層又は前記載置板は、前記層状構造物が積層される側とは反対側で前記変形層を保持し、該変形層よりも変形しにくい剛性層を有することを特徴とする。

本発明によれば、造形処理の途中に、形成済みの層状構造物が熱膨張や熱収縮を引き起こしても、層状構造物の位置が動くことが抑制され、造形処理を適切に実行できるという優れた効果がある。

実施形態における三次元造形装置の構成を模式的に示す説明図である。 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図２中の手前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。 従来の高剛性造形プレート上に形成された層状構造物が剥離した状態を示す模式図である。 実施形態における造形プレートを模式的に示す断面図である。 実施形態における造形処理の途中に、造形プレートの変形層が層状構造物の変形に追従して変形する状態を示す模式図である。 変形例におけるステージの構成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。
本発明を適用する三次元造形装置は、熱溶解積層法（ＦＤＭ）に限定されるものではなく、載置台の表面上又は載置台に保持される載置板上に、加熱された造形材料を冷却して固化させる層状構造物を積層して、三次元造形物を造形する三次元造形装置であれば、他の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。本実施形態では、このステージ４上に載置板としての造形プレート４０を保持させ、その造形プレート４０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、造形材料排出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上に保持された造形プレート４０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の駆動力によりステージ４及びこれに保持される造形プレート４０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（もしくは造形プレート４０）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、ステージ４上に保持される造形プレート４０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上の造形プレート４０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上の造形プレート４０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。

図５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の駆動力によりステージ４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、ステージ４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）。

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上に保持されている造形プレート４０の表面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上の造形プレート４０の表面には、最下層（第一層）のスライスデータに従った層状構造物が形成される。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、そのステージ４上の造形プレート４０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の造形プレート４０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形成される（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プレート４０上に造形される。

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。

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造形プレート４０に固着した状態のまま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、本実施形態の三次元造形装置１で三次元造形物を造形する際、ヘッド加熱部１２で加熱されて射出ノズル１１から射出された軟化状態のフィラメント５０は、チャンバー３内の造形プレート４０上へ射出される。チャンバー３内は、チャンバー用ヒータ７等によって加熱されているが、チャンバー３内の温度はヘッド加熱部１２におけるフィラメント５０の軟化温度よりも低いため、造形プレート４０上へ射出された軟化状態のフィラメントの温度は徐々に下がることになる。これにより、フィラメント５０は、造形プレート４０の表面に固着するとともに、層状構造物としての形状を維持できるように硬度が高まる。

造形プレート４０上に射出されたフィラメント５０は、徐々に温度が下がる過程で、熱収縮を引き起こす。従来は、図６に示すように、造形プレート４０’が容易に変形しない高剛性部材で構成されていたため、これに固着した最下層の層状構造物は、その熱収縮によって内部応力が高まっていく。また、この最下層の上に積層される第二層以降の層状構造物も同様に熱収縮を引き起こすため、第二層以降の層状構造物の内部応力も高まり、これによって最下層の層状構造物の内部応力は更に高まっていく。このように高まっていく最下層の層状構造物の内部応力は、最下層の層状構造物を反り返らせ、最下層の層状構造物の端部を高剛性の造形プレート４０’から引き離すような剥離力を発生させる。

最下層の層状構造物と高剛性の造形プレート４０’との固着力を超える剥離力が生じるほど最下層の層状構造物の内部応力が高まると、図６に示すように、最下層の層状構造物が造形プレート４０’から剥離してしまう。造形処理の途中で最下層の層状構造物が造形プレート４０’から剥離してしまうと、形成済みの層状構造物の位置が造形プレート４０’上で動いてしまい、その上に形成される新たな層状構造物との相対位置がずれて、造形処理を適切に継続できなくなる。

造形処理中の剥離を抑制する方法としては、最下層の層状構造物と高剛性の造形プレート４０’との固着力を高めることが考えられる。例えば、高剛性の造形プレート４０’に層状構造物との化学的結合や機械的結合を改善する表膜をコーティングし、造形プレート４０’と最下層の層状構造物との固着力を高める方法が挙げられる。しかしながら、固着力を高めるにも限界があるため、最下層の層状構造物の剥離力が大きい場合には、造形処理の途中で最下層の層状構造物が造形プレート４０’から剥離する問題を解決することが難しい。

なお、ここでは、熱収縮が発生する場合で説明したが、熱膨張が発生する場合でも同様である。例えば、チャンバー３内の温度バラつきによって、造形処理の途中で層状構造物が熱膨張することもあり、そのような熱膨張によっても剥離力が発生するおそれがある。

図７は、本実施形態における造形プレート４０を模式的に示す断面図である。
本実施形態の造形プレート４０は、図７に示すように、剛性層である剛性基板４１とその剛性基板４１上に形成された変形層４２とから構成されている。この変形層４２は、剛性基板４１上に強固に固着されており、変形層４２に固着する最下層の層状構造物の変形に追従して変形可能な特性を有する層である。本実施形態の変形層４２は、このような特性を有することで、造形プレート４０の変形層４２上に形成された層状構造物が熱収縮を引き起こして変形層４２に固着した最下層の層状構造物が反り返るように変形しても、図８に示すように、その変形に追従して変形層４２も変形する。その結果、変形層４２と最下層の層状構造物との間に生じる剥離力は小さく抑えられ、造形処理の途中で最下層の層状構造物が造形プレート４０から剥離するのを抑制できる。したがって、造形処理の途中で形成済みの層状構造物の位置が許容範囲を超えて造形プレート４０上で動いてしまうようなことはなく、造形処理を適切に実施できる。

このように造形プレート４０の変形層４２が最下層の層状構造物の変形に追従して変形してしまうと、造形処理中に最下層の層状構造物が変形してしまって、造形される三次元造形物の造形精度が低くなり得る。しかしながら、造形処理中に剥離が生じてしまうと、そもそも三次元造形物を造形すること事態ができないことと比較すると、造形精度が低くても三次元造形物を造形できることのメリットの方が大きい。

また、造形プレート４０の変形層４２が最下層の層状構造物の変形に追従して変形する場合でも、変形層４２の変形時にはその変形に抗する変形抵抗力が発生し、その変形抵抗力が最下層の層状構造物の変形を抑制する力となる。したがって、最下層の層状構造物の変形を十分に抑制できる変形抵抗力が発生するように変形層４２の特性（硬度、柔軟性等）を調整することで、許容範囲の造形精度で三次元造形物を造形することが可能である。

更に、本実施形態において、造形プレート４０に固着した状態の三次元造形物は、造形処理を終了した後、チャンバー３内で取出可能な温度（例えば室温付近）まで冷却されてから、チャンバー３から取り出される。この冷却過程において、造形プレート４０に固着する三次元造形物の最下層の層状構造物は、造形処理中よりも大きな熱収縮を引き起こす。そのため、より大きな剥離力が発生するため、従来の高剛性の造形プレート４０では、その造形プレート４０’に固着した三次元造形物が冷却される過程で、最下層の層状構造物が反り返って最下層の層状構造物が造形プレート４０’から剥離してしまう。このような冷却過程で剥離が生じると、その後は三次元造形物の熱収縮による変形に抗する外力が全く作用しなくなるため、三次元造形物の変形が進行して、造形精度が悪化する。

本実施形態によれば、このような冷却過程において最下層の層状構造物が変形しても、その変形に追従して造形プレート４０の変形層４２が変形する。このときも、変形層４２の変形時にはその変形に抗する変形抵抗力が発生し、その変形抵抗力が最下層の層状構造物の変形を抑制する力となる。したがって、造形処理後の冷却過程時に三次元造形物が熱収縮によって変形することも、変形層４２によって抑制でき、剥離による造形精度の悪化も抑制できる。

変形層４２は、最下層の層状構造物の変形に追従して変形可能であれば、変形の復元力が小さい又は無い塑性変形する層であってもよい。しかしながら、本実施形態では、変形層４２として、変形の復元力が大きな弾性層を用いている。このような弾性層であれば、変形の復元力が最下層の層状構造物の変形に抗する変形抵抗力として継続的に作用するため、最下層の層状構造物の変形を抑制する効果が高い。したがって、より高い造形精度で三次元造形物を造形することが可能となる。

造形プレート４０の剛性基板４１としては、変形層４２が最下層の層状構造物の変形に追従して変形しても、実質的に変形することなく変形層４２を支持できる硬度をもつものであればよい。ただし、本実施形態において、造形プレート４０はチャンバー３内で高温に曝されるため、その剛性基板４１としては、難燃性、耐熱性を有するものが好ましい。

剛性基板４１の材料としては、スチレン樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、ウレタン樹脂、メラミン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエーテル樹脂、ポリビニルエーテル樹脂、ポリオレフィン樹脂、エポキシ樹脂、ケトン樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂等の樹脂を用いることができる。難燃性の観点から、例えば、ＰＶＤＦ、ＥＴＦＥなどのフッ素系樹脂や、ポリイミド樹脂またはポリアミドイミド樹脂等が好ましく、機械的強度（高弾性）や耐熱性の点から、特にポリイミド樹脂又はポリアミドイミド樹脂が好適である。

また、剛性基板４１の材料としては、熱伝導率や機械的強度の観点から、樹脂材料よりも金属材料がより好ましい。金属材料を用いる場合でも、実質的に変形することなく変形層４２を支持できる硬度や耐熱性が有するものであれば、その種類は問わず、汎用性の高い、鉄やアルミニウム、ステンレス、真鋳、チタン、鋼、銅などが使用できるが、コストや機械的強度、熱伝導性、表面の加工性の観点より、ステンレスやアルミニウムが好ましい。

また、造形プレート４０の剛性基板４１の表面には、粗面化処理等により凹凸を形成して接触面積の増大やアンカー効果による剛性基板４１と変形層４２との固着性の向上を測ってもよい。このような凹凸を形成する方法としては、メッキ、表面コーティング、プラズマ処理、表面改質、プライマー層の形成など、公知の粗面化処理が挙げられる。サンドブラスト、ショットブラスト、メッキ加工、研磨などでもよい。

また、変形層４２の材料としては、汎用の樹脂、エラストマー、ゴムなどの材料を使用することが可能だが、エラストマー材料やゴム材料を用いるのが良い。
エラストマー材料としては、熱可塑性エラストマーとして、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリエーテル系、ポリウレタン系、ポリオレフィン系、ポリスチレン系、ポリアクリル系、ポリジエン系、シリコーン変性ポリカーボネート系、フッ素系共重合体系等が挙げられる。また、熱硬化性として、ポリウレタン系、シリコーン変性エポキシ系、シリコーン変性アクリル系等が挙げられる。
また、ゴム材料としては、イソプレンゴム、スチレンゴム、ブタジエンゴム、ニトリルゴム、エチレンプロピレンゴム、ブチルゴム、シリコーンゴム、クロロプレンゴム、アクリルゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、フッ素ゴム、ウレタンゴム、ヒドリンゴム等が挙げられる。
これらの各種エラストマー、ゴムの中から、上述した変形層４２としての所望の特性が得られる材料を適宜選択するが、本実施形態においては、変形層４２の柔軟性（層状構造物の変形追従性）や金属材料で形成される剛性基板４１との固着性の観点から、変形層４２の材料としてはアクリルゴムが好ましい。

本実施形態においては、造形プレート４０がチャンバー３内で高温に曝されるため、その変形層４２としては、そのような高温環境下で、上述した変形層４２としての所望の特性が得られる材料を選択することが望ましい。この観点からすると、変形層４２の材料としては、シリコーンゴムやフッ素ゴムなどが好適であり、特に難燃性の面からシリコーンゴムがより好適である。

積層させる変形層４２の硬度は、造形品質に影響をおよぼす。詳しくは、硬度が高すぎると、変形しにくくなって追従性に劣ることになる一方、硬度が低すぎると、三次元造形物の変形を許容しすぎてしまい、造形品質が悪化することになる。変形層４２の硬度を測定する方法としては、マルテンス硬度、ビッカース硬度などの微小硬度計測を行う方法が挙げられる。この方法では、測定部位のバルク方向の浅い領域、つまり表面近傍の硬度しか測定していないので、変形層４２全体としての変形性能を評価することは難しい。そのため、変形層４２全体の変形性能が評価できるマイクロゴム硬度を測定する方法を用いるのが好ましい。マイクロゴム硬度は、市販のマイクロゴム硬度計を使用して測定することができる。具体的には、例えば高分子計器社製の「マイクロゴム硬度計ＭＤ−１」を使用して測定することができる。変形層４２のマイクロゴム硬度は、２３℃５０％ＲＨの環境下で１０以上５０以下が好ましく、１５以上４０以下が更に好ましい。

本実施形態の造形プレート４０は、剛性基板４１と変形層４２の二層構造となっているが、最下層の層状構造物の変形に追従した変形層４２の変形を不可能にするような層でなければ、その他の必要な層を付加してもよい。

また、本実施形態では、造形処理後に三次元造形物と一緒にチャンバー３から取り出される造形プレート４０をステージ４上に保持し、その造形プレート４０上に三次元造形物を造形する構成について説明したが、造形プレート４０を用いずに三次元造形物をステージ４上に直接造形するものであってもよい。この場合、造形プレート４０の変形層４２と同様の変形層をステージ４の表面部に設けることで、同様に、ステージ４の変形層上に形成された層状構造物が熱収縮を引き起こして変形しても、その変形に追従してステージ４の変形層も変形する。これにより、造形処理の途中で形成済みの層状構造物の位置が許容範囲を超えて造形プレート４０上で動いてしまうようなことはなく、造形処理を適切に実施できる。また、この場合も、ステージ４上の変形層の変形時に発生する変形に抗する変形抵抗力が最下層の層状構造物の変形を抑制する力となり、造形精度の低下を抑制できる。

〔変形例〕
次に、上述した実施形態における一変形例について説明する。
上述した実施形態において、造形プレート４０の変形層４２と三次元造形物との固着力がより高められれば、変形層４２の柔軟性を減らし（硬度を高くして）、変形層４２が変形時に発生させる変形抵抗力を大きくして、より高い造形精度を実現できる。しかしながら、造形プレート４０に固着された状態の三次元造形物が冷却された後には、造形プレート４０を三次元造形物から分離させる必要が生じる場合がある。造形プレート４０の変形層４２と三次元造形物との固着力を単に高めると、造形プレート４０を三次元造形物から分離させる際の分離性が悪化してしまう。したがって、造形プレート４０の変形層４２と三次元造形物との高い固着力が必要となる造形処理中あるいは造形処理後の冷却過程では、造形プレート４０（変形層４２）と三次元造形物との固着性を確保できる一方、冷却過程後では造形プレート４０（変形層４２）と三次元造形物との分離性を確保できる構成が望まれる。

図９は、本変形例におけるステージ４の構成を示す説明図である。
図９に示すように、ステージ４は、上部プレート４６と下部プレート４７とを備える。図９（ａ）は、上部プレート４６と下部プレート４７とを重ねた状態の説明図であり、図９（ｂ）は、上部プレート４６と下部プレート４７とを分離させた状態の説明図である。
なお、本変形例では、上述した実施形態の造形プレート４０は用いずに、その造形プレート４０に設けられていた変形層４２と同様の変形層をステージ４の表面部に設け、そのステージ４の表面上に三次元造形物を造形するものである。なお、本変形例においても、造形プレート４０上に三次元造形物を造形するようにしてもよい。

上部プレート４６は、複数の貫通穴４６ａが設けられた板状の部材であり、その上面部分は、上部プレート４６上に形成される最下層の層状構造物の変形に追従して変形可能な変形層４６ｂで構成される。下部プレート４７は、貫通穴４６ａを貫通するように突き出し、上部プレート４６に対する突き出し量が変更可能な複数の凸部４７ａを有する凸部形成部材４７ｂが突起支持体４７ｃの上面に固定された板状の部材である。

本変形例のＺ軸駆動機構２３は、上部プレート４６を上下方向へ移動させる上部プレート駆動機構２３ａと、下部プレート４７を上下方向に移動させる下部プレート駆動機構２３ｂとを備える。図９（ａ）に示すように、上部プレート４６と下部プレート４７とを重ねた状態で、上部プレート駆動機構２３ａと下部プレート駆動機構２３ｂとに同じ駆動を入力することで上部プレート４６と下部プレート４７とを一体的に上下方向に移動させることができる。図９（ａ）に示す状態では、凸部形成部材４７ｂの凸部４７ａが貫通穴４６ａを貫通し、凸部４７ａの先端が上部プレート４６の上面よりも上方に突き出している。

図９（ａ）に示す状態から下部プレート駆動機構２３ｂのみを駆動し、下部プレート４７を下方に移動させると、図９（ｂ）に示すように下部プレート４７が上部プレート４６から分離する。このように下部プレート駆動機構２３ｂと上部プレート駆動機構２３ａとに異なる駆動を入力することで、上部プレート４６と下部プレート４７との相対的な位置が変化する。これにより、下部プレート４７が備える凸部形成部材４７ｂの凸部４７ａの上部プレート４６に対する突き出し量を変更することができる。

本変形例の三次元造形装置では、造形処理時には上部プレート４６と下部プレート４７とを重ねて、凸部４７ａの先端が上部プレート４６の上面よりも上方に突き出している上体で上部プレート４６と下部プレート４７とを一体的に上下方向に移動させる。また、造形処理後、三次元造形物をチャンバー３から取り出すまでに、図９（ｂ）に示すように、上部プレート４６と下部プレート４７とを分離させる。これにより、ステージ４と三次元造形物との造形処理時や冷却過程時の固着性と、冷却過程後の分離性とを両立する。

造形処理時においては、凸部４７ａにおける上部プレート４６の上面よりも上方に突き出している部分と三次元造形物の底面部分とを局所的に嵌合させることができ、ステージ４からの造形物の剥離を防止するアンカー効果を得ることができる。これにより、造形処理時の固着性を向上させることができる。また、凸部４７ａが三次元造形物の底面部分に刺さるように三次元造形物が造形されることで、凸部４７ａの表面と三次元造形物とが固着し、三次元造形物とステージ４側との固着面積が増加する。さらに、上部プレート４６の貫通穴４６ａや貫通穴４６ａと凸部４７ａとの隙間に造形材料が入り込んで硬化することで、三次元造形物とステージ４との固着面積が増加する。このように固着面積が増加することとアンカー効果とによって、造形処理時の固着性が向上される。

造形処理が終了し、チャンバー３から取出可能な温度まで冷却された後には、上部プレート４６と下部プレート４７とを相対的に上下方向に移動させ、三次元造形物に対して上下方向（Ｚ軸方向）の力を与えることによって、ステージ４を構成する上部プレート４６と下部プレート４７とから三次元造形物を分離させる。具体的には、上部プレート４６に対して下部プレート４７を下方に移動させることで、三次元造形物は凸部４７ａとの固着面によって下方に引っ張られるが、三次元造形物の底面部は上部プレート４６の上面に接触している。このため、三次元造形物は凸部４７ａに追従することができず、三次元造形物と凸部４７ａとの固着面が剥がれる。これにより、三次元造形物と下部プレート４７とを容易に分離させることができる。

この状態では、上部プレート４６と三次元造形物とは固着状態になっているが、凸部４７ａの対応箇所での接触がなくなっていることから、冷却過程前の状態に比べてその固着力が大きく低下しており、分離性が確保される。しかも、この状態においては、三次元造形物の底面全体とステージ４の表面とが全面で接触している状態と比べても、その固着力は低いものとなっているため、より高い分離性が確保される。

また、上部プレート４６に対して下部プレート４７を下方に移動させる前後のいずれかのタイミングで、上部プレート４６に対して下部プレート４７を造形処理時よりも上方に移動させてもよい。この移動により、三次元造形物は凸部４７ａによって上方に押し上げられ、三次元造形物と上部プレート４６との固着面が剥がれる。冷却過程後に、このように三次元造形物と上部プレート４６との固着面を剥がしてから、三次元造形物と下部プレート４７とを分離させると、三次元造形物とステージ４との間の固着面がなくなり、高い分離性が得られる。

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等の載置台の表面上又は載置台に保持される造形プレート４０等の載置板上に、加熱されたフィラメント５０等の造形材料を冷却して固化させる層状構造物を積層して、三次元造形物を造形する三次元造形装置１において、前記載置台の表面部又は前記載置板は、前記層状構造物の変形に追従して変形可能な変形層４２，４６ｂを有することを特徴とする。
本態様によれば、造形処理の途中に、形成済みの層状構造物が熱膨張や熱収縮を引き起こしても、その層状構造物が固着する載置台の表面部又は載置板に設けられた変形層が、熱膨張や熱収縮による層状構造物の変形に追従して変形する。したがって、層状構造物が熱膨張や熱収縮を引き起こして変形しても、層状構造物と載置台の表面や載置板の板面との間に発生する剥離力を小さく抑えることができ、層状構造物が載置台や載置板から剥離するのを抑制できる。

（態様Ｂ）
前記態様Ａにおいて、前記変形層は、前記変形に対する復元力を発揮する弾性層であることを特徴とする。
これによれば、変形の復元力が層状構造物の変形に抗する変形抵抗力として継続的に作用するため、層状構造物の変形を抑制する高い効果が得られる。これにより、より高い造形精度の三次元造形物を造形することが可能となる。

（態様Ｃ）
前記態様Ｂにおいて、前記弾性層は、アクリルゴムで形成されていることを特徴とする。
これによれば、層状構造物の変形を抑制する高い効果が得られる。また、当該変形層を金属材料の上に接着して形成する場合には当該金属材料との高い接着力が得やすい。

（態様Ｄ）
前記態様Ｂにおいて、前記弾性層は、シリコーンゴムで形成されていることを特徴とする。
これによれば、層状構造物の変形を抑制する高い効果が得られる。また、耐熱性の高い弾性層が得られる。

（態様Ｅ）
前記態様Ａ〜Ｄのいずれかの態様において、前記載置台の表面層又は前記載置板は、前記層状構造物が積層される側とは反対側で前記変形層を保持し、該変形層よりも変形しにくい剛性層を有することを特徴とする。
これによれば、層状構造物の変形を抑制する高い効果が得られ、より高い造形精度の三次元造形物を造形することができる。

（態様Ｆ）
前記態様Ｅにおいて、前記剛性層は、金属で形成されていることを特徴とする。
これによれば、剛性層に必要な高い剛性が得やすく、また耐久性の高い剛性層が得られる。

（態様Ｇ）
前記態様Ａ〜Ｆのいずれかの態様において、加熱されたフィラメント等の造形材料を排出する造形ヘッド１０等の造形材料排出部と、前記載置台及び前記造形材料排出部が配置される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、前記載置台と前記造形材料排出部とを相対移動させながら前記層状構造物を形成して積層する動作を制御する制御部１００等の造形制御手段とを有することを特徴とする。
これによれば、形成済みの層状構造物が熱膨張や熱収縮を引き起こしやすい熱溶解積層法（ＦＤＭ）でも、層状構造物が載置台や載置板から剥離するのを抑制できる。

（態様Ｈ）
ステージ４等の載置台に保持される造形プレート４０等の造形物載置板上に、加熱されたフィラメント等の造形材料を冷却して固化させる層状構造物を積層して、三次元造形物を造形する三次元造形装置１の造形物載置板であって、前記層状構造物の変形に追従して変形可能な変形層４２を有することを特徴とする。
本態様によれば、造形処理の途中に、形成済みの層状構造物が熱膨張や熱収縮を引き起こしても、その層状構造物が固着する造形物載置板に設けられた変形層が、熱膨張や熱収縮による層状構造物の変形に追従して変形する。したがって、層状構造物が熱膨張や熱収縮を引き起こして変形しても、層状構造物と造形物載置板の板面との間に発生する剥離力を小さく抑えることができ、層状構造物が造形物載置板から剥離するのを抑制できる。

１ 三次元造形装置
３ チャンバー
４ ステージ
１０ 造形ヘッド
１１ 射出ノズル
１２ ヘッド加熱部
４０ 造形プレート
４１ 剛性基板
４２，４６ｂ 変形層
４６ 上部プレート
４６ａ 貫通穴
４７ 下部プレート
４７ａ 凸部
５０ フィラメント
１００ 制御部

特許第３９９５９３３号公報

Claims (6)

1. 載置台の表面上又は載置台に保持される載置板上に、加熱された造形材料を冷却して固化させる層状構造物を積層して、三次元造形物を造形する三次元造形装置において、
   前記載置台の表面部又は前記載置板は、前記層状構造物の変形に追従して変形可能なゴムの変形層を有し、
   前記載置台の表面層又は前記載置板は、前記層状構造物が積層される側とは反対側で前記変形層を保持し、該変形層よりも変形しにくい剛性層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、
   前記変形層は、アクリルゴムで形成されていることを特徴とする三次元造形装置。
3. 請求項１に記載の三次元造形装置において、
   前記変形層は、シリコーンゴムで形成されていることを特徴とする三次元造形装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の三次元造形装置において、
   前記剛性層は、金属で形成されていることを特徴とする三次元造形装置。
5. 請求項１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、
   加熱された造形材料を排出する造形材料排出部と、
   前記載置台及び前記造形材料排出部が配置される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、
   前記載置台と前記造形材料排出部とを相対移動させながら前記層状構造物を形成して積層する動作を制御する造形制御手段とを有することを特徴とする三次元造形装置。
6. 載置台に保持される造形物載置板上に、加熱された造形材料を冷却して固化させる層状構造物を積層して、三次元造形物を造形する三次元造形装置の造形物載置板であって、
   前記層状構造物の変形に追従して変形可能なゴムの変形層と、
   前記層状構造物が積層される側とは反対側で前記変形層を保持し、該変形層よりも変形しにくい剛性層とを有することを特徴とする造形物載置板。

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