JP2021024147A - 可塑化装置および三次元造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シリンダーにおける材料の入口の近傍で材料が溶融して、スクリューの回転による材料の搬送が困難になることを抑制する。
【解決手段】三次元造形装置に用いられる可塑化装置は、材料が供給される供給口を有するシリンダーと、シリンダーの内部にて回転する螺旋状のスクリューと、シリンダーの外周部に設けられた第１加熱部と、シリンダーに設けられ、スクリューの回転と第１加熱部による加熱とによって可塑化された材料を吐出するノズルと、を備える。外周部は、供給口とノズルとの間に、供給口からノズルに向かって第１領域と第２領域とを有し、第１加熱部は、第１領域の温度よりも第２領域の温度の方が高くなるように設けられている。
【選択図】図３

Description

本開示は、可塑化装置および三次元造形装置に関する。

例えば、特許文献１に記載された三次元プリンターでは、ホッパーからシリンダーの内部に供給されたペレット状の樹脂材料が、スクリューの回転とヒーターからの加熱とによってシリンダーの内部をノズルに向かって搬送されつつ溶融されて、ノズルの先端から吐出される。

国際公開第２０１５／１２９７３３号

上述した装置では、シリンダーにおける材料の入口の近傍の温度が高くなりすぎると、入口の近傍で材料が溶融して、スクリューの回転によって材料を搬送することが困難になる。そのため、ノズルの先端から吐出される材料の量が不足する場合がある。

本開示の一形態によれば、三次元造形装置に用いられる可塑化装置が提供される。この可塑化装置は、材料が供給される供給口を有するシリンダーと、前記シリンダーの内部にて回転する螺旋状のスクリューと、前記シリンダーの外周部に設けられた第１加熱部と、前記シリンダーに設けられ、前記スクリューの回転と前記第１加熱部による加熱とによって可塑化された前記材料を吐出するノズルと、を備える。前記外周部は、前記供給口と前記ノズルとの間に、前記供給口から前記ノズルに向かって第１領域と第２領域とを有し、前記第１加熱部は、前記第１領域の温度よりも前記第２領域の温度の方が高くなるように設けられている。

第１実施形態の三次元造形装置の概略構成を示す説明図。 第１実施形態におけるスクリューの溝部の構成を示す斜視図。 第１実施形態における第１加熱部の構成を示す説明図。 第１実施形態における冷媒配管の構成を示す説明図。 第１実施形態における造形ユニットの各部の寸法を示す説明図。 第１実施形態における造形処理の内容を示すフローチャート。 三次元造形物が造形される様子を模式的に示す説明図。

Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態における三次元造形装置１００の概略構成を示す説明図である。図１には、互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚ方向に沿った矢印が表されている。Ｘ方向およびＹ方向は、水平方向に沿った方向であり、Ｚ方向は、鉛直方向に沿った方向である。他の図においても、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に沿った矢印が、適宜、表されている。図１におけるＸ，Ｙ，Ｚ方向と、他の図におけるＸ，Ｙ，Ｚ方向とは、同じ方向を表している。

本実施形態における三次元造形装置１００は、造形ユニット２００と、ステージ３００と、移動機構４００と、制御部５００とを備えている。三次元造形装置１００は、制御部５００の制御下で、造形ユニット２００に設けられたノズル孔６９からステージ３００の造形面３１０に向かって造形材料を吐出しつつ、移動機構４００を駆動させてノズル孔６９と造形面３１０との相対的な位置を変化させることによって、造形面３１０上に造形材料の層が積層された三次元造形物を造形する。尚、造形材料のことを溶融材料と呼ぶこともある。造形ユニット２００の詳細な構成については後述する。

移動機構４００は、上述したとおり、ノズル孔６９と造形面３１０との相対的な位置を変化させる。本実施形態では、移動機構４００は、ステージ３００を支持しており、造形ユニット２００に対してステージ３００を移動させることによって、ノズル孔６９と造形面３１０との相対的な位置を変化させる。本実施形態における移動機構４００は、３つのモーターの駆動力によって、ステージ３００をＸ，Ｙ，Ｚ方向の３軸方向に移動させる３軸ポジショナーによって構成される。各モーターは、制御部５００の制御下にて駆動される。尚、移動機構４００は、ステージ３００を移動させる構成ではなく、ステージ３００を移動させずに造形ユニット２００を移動させることによって、ノズル孔６９と造形面３１０との相対的な位置を変化させる構成であってもよい。また、移動機構４００は、ステージ３００と造形ユニット２００との両方を移動させることによって、ノズル孔６９と造形面３１０との相対的な位置を変化させる構成であってもよい。

制御部５００は、１以上のプロセッサーと、主記憶装置と、外部との信号の入出力を行う入出力インターフェースとを備えるコンピューターによって構成されている。本実施形態では、制御部５００は、主記憶装置上に読み込んだプログラムや命令をプロセッサーが実行することによって、造形ユニット２００と移動機構４００との動作を制御して、三次元造形物を造形するための造形処理を実行する。動作には、造形ユニット２００とステージ３００との三次元の相対的な位置を変化させることが含まれる。尚、制御部５００は、コンピューターではなく、複数の回路の組み合わせによって構成されてもよい。

造形ユニット２００は、材料の供給源である材料供給部２０と、材料供給部２０から供給された材料を可塑化して造形材料にしてノズル孔６９から吐出する可塑化部３０とを備えている。尚、「可塑化」とは、熱可塑性を有する材料に熱が加わり溶融することを意味する。また、「溶融」とは、熱可塑性を有する材料が融点以上の温度に加熱されて液状になることのみならず、熱可塑性を有する材料がガラス転移点以上の温度に加熱されることにより軟化し、流動性が発現することをも意味する。可塑化部３０のことを可塑化装置と呼ぶこともある。

材料供給部２０には、ペレットや粉末等の状態の材料が収容されている。本実施形態では、ペレット状に形成されたＡＢＳ樹脂が材料として用いられる。ペレット状に形成された材料は、直径が２．０ｍｍで、高さが３．０ｍｍの円柱形状を有している。本実施形態における材料供給部２０は、ホッパーによって構成されている。材料供給部２０の下方には、材料供給部２０と可塑化部３０との間を接続する供給管２２が設けられている。材料供給部２０は、供給管２２を介して、可塑化部３０に材料を供給する。本実施形態では、材料供給部２０と、供給管２２とは、円筒形状を有している。材料供給部２０と供給管２２とは、アルミニウム合金によって形成されている。尚、材料供給部２０と供給管２２とのうちの少なくともいずれか一方は、アルミニウム合金ではなく、例えば、ステンレス鋼等の他の金属材料によって形成されてもよいし、樹脂材料や、セラミック材料によって形成されてもよい。材料供給部２０と供給管２２とが異なる材料によって形成されてもよい。

可塑化部３０は、材料供給部２０から材料が供給される供給口５４を有するシリンダー５０と、シリンダー５０の内部にて回転するスクリュー４０と、スクリュー４０を回転させるスクリュー駆動部３５と、シリンダー５０の内部に供給された材料を加熱する第１加熱部７１と、造形材料を吐出するノズル孔６９を有するノズル６１とを備えている。本実施形態では、上側から下側に向かって、スクリュー駆動部３５と、シリンダー５０と、ノズル６１とがこの順で配置されている。可塑化部３０は、スクリュー４０の回転と第１加熱部７１による加熱とによって、材料供給部２０から供給された固体状態の材料の少なくとも一部を溶融させて流動性を有するペースト状の造形材料にして、ノズル孔６９から吐出する。

シリンダー５０は、本体部５１と、本体部５１の下端に設けられたノズル固定部５３とを備えている。本体部５１は、中心軸ＡＸ１を中心とする円筒形状を有している。本体部５１は、中心軸ＡＸ１がＺ方向に沿うように配置されている。本体部５１は、上端から順に、第１部分１５１と、第２部分１５２とを有している。第１部分１５１の外周側面のことを第１外周部１５３と呼び、第２部分１５２の外周側面のことを第２外周部１５４と呼ぶ。第１外周部１５３には、材料が供給される供給口５４が設けられている。供給口５４には、供給管２２が接続されている。第１部分１５１の上端は、フランジ状に形成されている。第１部分１５１の上端には、スクリュー駆動部３５が固定されている。第２外周部１５４には、後述する第１加熱部７１が設けられている。第２部分１５２の下端には、ノズル固定部５３が固定されている。ノズル固定部５３は、円盤形状を有している。ノズル固定部５３の中央には、Ｚ方向に沿ってノズル固定部５３を貫通する貫通孔５６が設けられている。貫通孔５６の下端には、ノズル６１が接続されている。

本実施形態では、第１部分１５１と、第２部分１５２と、ノズル固定部５３とは、それぞれステンレス鋼によって形成されている。本実施形態では、第１部分１５１と第２部分１５２とが一体に形成されている。例えば、拡散接合やＨＩＰ（Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓ）接合等の金属接合技術を用いて、第１部分１５１と第２部分１５２とを接合することによって、第１部分１５１と第２部分１５２とを一体に形成できる。三次元造形技術を用いて、第１部分１５１と第２部分１５２とが一体に形成されてもよい。尚、第１部分１５１と第２部分１５２とは、別体に形成されてもよい。例えば、第１部分１５１の下端と、第２部分１５２の上端とが、それぞれフランジ状に形成されて、第１部分１５１の下端と、第２部分１５２の上端とがボルト等によって締結されてもよい。第１部分１５１と第２部分１５２とのうちの少なくともいずれか一方は、ステンレス鋼ではなく、例えば、チタン合金等の他の金属材料によって形成されてもよいし、樹脂材料や、セラミック材料によって形成されてもよい。第１部分１５１と第２部分１５２とが異なる金属材料によって形成されてもよい。

スクリュー４０は、シリンダー５０の内部に収容されている。より具体的には、スクリュー４０は、シリンダー５０の本体部５１と、シリンダー５０のノズル固定部５３と、後述するスクリュー駆動部３５のギアケース３９とによって囲まれた空間に収容されている。スクリュー４０は、中心軸ＡＸ２を中心とする軸形状を有している。スクリュー４０は、その中心軸ＡＸ２が、シリンダー５０の本体部５１の中心軸ＡＸ１に沿うように配置されている。スクリュー４０の上端は、スクリュー駆動部３５に接続されている。スクリュー４０の先端部４３は、貫通孔５６の近傍に位置している。スクリュー４０の側面部分には、中心軸ＡＸ２を中心とした螺旋状の溝部４５が設けられている。溝部４５は、スクリュー４０における供給口５４よりも上方に位置する部分から、スクリュー４０の先端部４３まで連続して設けられている。本実施形態では、スクリュー４０は、焼入れ処理が施されたステンレス鋼によって形成されている。尚、スクリュー４０は、焼入れ処理が施されたステンレス鋼ではなく、例えば、チタン合金等の他の金属材料によって形成されてもよいし、樹脂材料や、セラミック材料によって形成されてもよい。スクリュー４０の溝部４５の具体的な構成については後述する。

スクリュー駆動部３５は、駆動モーター３６と、減速機３８と、ギアケース３９とを備えている。ギアケース３９には、減速機３８が収容されている。ギアケース３９は、シリンダー５０の第１部分１５１の上端に固定されている。ギアケース３９の上面には、駆動モーター３６が固定されている。本実施形態では、駆動モーター３６には、サーボモーターが用いられている。本実施形態では、減速機３８は、歯車等によって構成されている。駆動モーター３６は、制御部５００の制御下で駆動される。駆動モーター３６の回転軸３７は、減速機３８を介して、スクリュー４０の上端部分に接続されている。駆動モーター３６から減速機３８を介して加えられたトルクによって、スクリュー４０は、シリンダー５０の内部にて、中心軸ＡＸ２を中心にして回転する。尚、駆動モーター３６には、例えば、ステッピングモーターが用いられてもよい。減速機３８は、プーリーやベルト等によって構成されてもよい。スクリュー駆動部３５が減速機３８とギアケース３９とを備えずに、駆動モーター３６の回転軸３７がスクリュー４０の上端部分に接続されてもよい。

第１加熱部７１は、供給口５４とノズル６１との間に位置する第２外周部１５４に設けられている。第２外周部１５４に設けられているとは、第２外周部１５４の外周表面に沿って設けられていることと、第２外周部１５４に埋設されていることとの両方を含む意味である。本実施形態では、第１加熱部７１は、第２外周部１５４の外周表面に沿って設けられている。第１加熱部７１の温度は、制御部５００によって制御される。例えば、第１加熱部７１に温度センサーが設けられて、制御部５００は、温度センサーによって取得した温度を用いて第１加熱部７１の温度を制御してもよい。尚、第１加熱部７１の詳細な構成については後述する。

本実施形態では、第１加熱部７１のスクリュー４０とは反対側に断熱部８１が設けられている。断熱部８１は、第１加熱部７１の少なくとも一部を覆うように設けられている。断熱部８１の材料には、例えば、グラスウールや、セラミックファイバーを用いることができる。

本実施形態では、ノズル固定部５３に、ノズル６１を加熱する第２加熱部７６が埋設されている。第２加熱部７６の温度は、制御部５００によって制御される。例えば、第２加熱部７６に温度センサーが設けられて、制御部５００は、温度センサーによって取得した温度を用いて第２加熱部７６の温度を制御してもよい。

本実施形態では、シリンダー５０には、冷媒が流れる冷媒流路９１が設けられている。冷媒流路９１は、供給口５４の近傍を通る三次元的な経路で第１部分１５１の内部に設けられている。第１部分１５１に三次元的な経路を有する穴が設けられることによって、冷媒流路９１が構成されている。例えば、三次元造形技術を用いて、三次元的な経路を有する穴が設けられた第１部分１５１を作製できる。冷媒流路９１の両端は、パイプ等を介して、冷媒供給部９６に接続されている。冷媒供給部９６は、冷媒流路９１に冷媒を循環させつつ、冷媒流路９１を流れた冷媒の熱を除去するチラーによって構成されている。冷媒供給部９６は、制御部５００の制御下で駆動される。本実施形態では、冷媒として、水が用いられる。尚、冷媒流路９１の詳細な構成については後述する。冷媒として、水ではなく、例えば、油や空気が用いられてもよい。冷媒流路９１の両端ではなく、冷媒流路９１の一端のみが冷媒供給部９６に接続されてもよい。この場合、例えば、冷媒流路９１の他端から外部に冷媒が排出されてもよい。冷媒流路９１のことを冷却部と呼ぶこともある。

ノズル６１は、シリンダー５０におけるノズル固定部５３の下面に設けられている。ノズル６１には、先端部分にノズル孔６９が設けられている。ノズル孔６９は、ノズル固定部５３の貫通孔５６に連通している。貫通孔５６からノズル６１の内部流路に流入した造形材料は、ノズル孔６９から吐出される。本実施形態では、ノズル孔６９の開口形状は円形である。ノズル孔６９の開口部の直径のことをノズル径Ｄｎと呼ぶ。本実施形態では、ノズル径Ｄｎは、０．５ｍｍに設定されている。ノズル径Ｄｎは、０．２ｍｍよりも大きく設定されることが好ましい。尚、ノズル孔６９の開口形状は円形に限られず、例えば、正方形であってもよい。ノズル孔６９の開口形状が正方形である場合、正方形の一辺の長さのことをノズル径Ｄｎと呼ぶ。ノズル孔６９の開口形状は、正方形以外の多角形であってもよい。

図２は、本実施形態におけるスクリュー４０の溝部４５の構成を示す斜視図である。図２には、スクリュー４０の中心軸ＡＸ２が一点鎖線で示されている。スクリュー４０の側面部分には、中心軸ＡＸ２を中心とした螺旋状の溝部４５が設けられている。溝部４５は、スクリュー４０の先端部４３まで連続して設けられている。溝部４５同士の間には、溝部４５同士の間を隔てる螺旋状のフライト部４６が設けられている。尚、スクリュー４０の側面部分に、複数条の溝部４５が設けられてもよい。例えば、スクリュー４０の側面部分に、二重螺旋状に２つの溝部４５が設けられてもよい。

図３は、本実施形態における第１加熱部７１の構成を示す説明図である。図３では、第１加熱部７１にハッチングが施されている。図３には、断熱部８１が二点鎖線で表されている。シリンダー５０は、第２外周部１５４に第１領域ＲＧ１と第２領域ＲＧ２とを有している。供給口５４からノズル６１に向かう方向において、第１領域ＲＧ１と、第２領域ＲＧ２とがこの順に配置されている。第１加熱部７１は、第１領域ＲＧ１の温度よりも第２領域ＲＧ２の温度の方が高くなるように設けられている。本実施形態では、第１加熱部７１は、第１領域ＲＧ１と第２領域ＲＧ２とに亘って螺旋状に設けられた１本のヒーターによって構成されている。第１領域ＲＧ１におけるヒーターの螺旋の間隔ｄ１は、第２領域ＲＧ２におけるヒーターの螺旋の間隔ｄ２よりも広く設定されている。つまり、第２領域ＲＧ２では第１領域ＲＧ１に比べて第１加熱部７１を構成するヒーターが密に配置されている。断熱部８１は、第１加熱部７１における第２領域ＲＧ２に設けられた部分の外周を覆うように設けられている。尚、第１加熱部７１は、複数の螺旋状のヒーターによって構成されてもよい。例えば、螺旋の間隔が異なる２本のヒーターによって第１加熱部７１が構成され、２本のヒーターのうちの螺旋の間隔が広い方のヒーターが第１領域ＲＧ１に配置され、２本のヒーターのうちの螺旋の間隔が狭い方のヒーターが第２領域ＲＧ２に配置されてもよい。第１加熱部７１は、螺旋状のヒーターによって構成されていなくてもよい。例えば、第１加熱部７１が複数の矩形状のヒーターによって構成されて、第２領域ＲＧ２におけるヒーター同士の間隔が、第１領域ＲＧ１におけるヒーター同士の間隔よりも狭くなるように配置されてもよい。断熱部８１は、第１加熱部７１の全体を覆うように設けられてもよい。

図４は、本実施形態における冷媒流路９１の構成を示す説明図である。図４には、冷媒流路９１とともに、スクリュー４０が表されている。図４では、シリンダー５０の外形の図示が省略されて、冷媒流路９１を形成するシリンダー５０の内壁面が表されている。本実施形態では、シリンダー５０の第１部分１５１に、１本の冷媒流路９１が三次元的に配置されている。冷媒流路９１は、Ｚ方向に沿って延びた部分と、中心軸ＡＸ１を中心とする円の円周方向に沿って延びた部分とが連接されることによって、三次元的に配置されている。冷媒流路９１は、第１部分１５１の全周に亘って均等に配置されている。尚、冷媒流路９１は、第１部分１５１における供給口５４の近傍では密に配置されてもよい。冷媒流路９１は、第１部分１５１における第２部分１５２の近傍では密に配置されてもよい。冷媒流路９１は、第１部分１５１の内部において分岐してもよい。複数本の冷媒流路９１が第１部分１５１の内部に設けられてもよい。冷媒流路９１は、第２部分１５２まで延びてもよい。

図５は、本実施形態における造形ユニット２００の各部の寸法を示す説明図である。本実施形態では、シリンダー５０の第１部分１５１の外径Ｄｏ１は、４３．０ｍｍに設定されている。第１部分１５１の内径Ｄｉ１は、２０．０ｍｍに設定されている。中心軸ＡＸ１に沿った第１部分１５１の長さＬ１は、５０．０ｍｍに設定されている。第２部分１５２における第１加熱部７１が設けられていない部分の外径Ｄｏ２ａは、３９．０ｍｍに設定されている。第２部分１５２における第１加熱部７１が設けられている部分の外径Ｄｏ２ｂは、３０．０ｍｍに設定されている。第２部分１５２の内径Ｄｉ２は、２０．０ｍｍに設定されている。中心軸ＡＸ１に沿った第２部分１５２の長さＬ２は、５０．０ｍｍに設定されている。

本実施形態では、スクリュー４０の直径Ｄｏ３は、２０．０ｍｍに設定されている。スクリュー４０の直径Ｄｏ３とは、フライト部４６の直径のことを意味する。本実施形態では、スクリュー４０の直径Ｄｏ３と、シリンダー５０の第２部分１５２の内径Ｄｉ２とが、それぞれ一定に設定されているため、第１領域ＲＧ１における第２部分１５２の内壁面とスクリュー４０との間隔は、第２領域ＲＧ２における第２部分１５２の内壁面とスクリュー４０との間隔と同じに設定されている。第１領域ＲＧ１における第２部分１５２の内壁面とスクリュー４０との間隔と、第２領域ＲＧ２における第２部分１５２の内壁面とスクリュー４０との間隔とは、それぞれ、０．１ｍｍ以下に設定されている。本実施形態では、溝部４５の深さＨ３は、２．５ｍｍに設定されている。溝部４５の幅Ｗ３は、１１．０ｍｍに設定されている。

供給管２２の外径Ｄｏ４は、１８．０ｍｍに設定されている。供給管２２の内径Ｄｉ４は、１６．０ｍｍに設定されている。供給管２２の中心軸ＡＸ３とシリンダー５０の本体部５１の中心軸ＡＸ１との間の角度θ１は、３５．０度に設定されている。ノズル固定部５３の上面は、貫通孔５６を中心とする、すり鉢状に窪んでおり、中心軸ＡＸ１を通る断面において、すり鉢状に窪んだ部分における対向する斜面同士の間の角度θ２は、１４０．０度に設定されている。スクリュー駆動部３５のギアケース３９の高さＨ５は、４２．０ｍｍに設定されている。

図６は、本実施形態における造形処理の内容を示すフローチャートである。この処理は、三次元造形装置１００に設けられた操作パネルや、三次元造形装置１００に接続されたコンピューターに対して、所定の開始操作がユーザーによって行われた場合に、制御部５００によって実行される。

まず、制御部５００は、ステップＳ１１０にて、三次元造形物ＯＢを造形するための造形データを取得する。造形データとは、ステージ３００に対するノズル孔６９の移動経路や、ノズル孔６９から吐出される造形材料の量や、スクリュー４０を回転させる駆動モーター３６の目標回転数や、第１加熱部７１のヒーターの目標温度等に関する情報が表されたデータである。造形データは、例えば、三次元造形装置１００に接続されたコンピューターにインストールされたスライサーソフトによって生成される。スライサーソフトは、三次元ＣＡＤソフトや三次元ＣＧソフトを用いて作成された三次元造形物ＯＢの形状を表す形状データを読み込み、三次元造形物ＯＢの形状を所定の厚みの層に分割して、造形データを生成する。スライサーソフトに読み込まれる形状データには、ＳＴＬ形式やＡＭＦ形式等のデータが用いられる。スライサーソフトによって作成された造形データは、ＧコードやＭコード等によって表されている。制御部５００は、三次元造形装置１００に接続されたコンピューターや、ＵＳＢメモリー等の記録媒体から造形データを取得する。

次に、ステップＳ１２０にて、制御部５００は、造形材料の生成を開始する。制御部５００は、スクリュー４０の回転、および、第１加熱部７１のヒーターの温度を制御することによって、材料を溶融させて造形材料を生成する。スクリュー４０の回転によって、供給口５４からシリンダー５０の内部に供給された材料は、スクリュー４０の溝部４５に導入される。溝部４５に導入された材料は、供給口５４から貫通孔５６に向かうように、溝部４５に沿って搬送される。材料は、溝部４５に沿って搬送されている間に、スクリュー４０とシリンダー５０との相対的な回転によるせん断、および、第１加熱部７１による加熱によって、その少なくとも一部が溶融されて、流動性を有するペースト状の造形材料になる。第１加熱部７１の温度が高いほど、材料は溶融しやすい。スクリュー４０の回転数が大きいほど、材料は溶融しやすい。スクリュー４０の回転数が大きいほど、材料はノズル６１に向かって搬送されやすい。スクリュー４０の先端部４３の近傍に集められた造形材料は、内圧によって貫通孔５６を介してノズル６１に供給される。尚、造形材料は、この処理が行われる間、生成され続ける。

図７は、三次元造形物ＯＢが造形される様子を模式的に示す説明図である。図６と図７とを参照して、ステップＳ１３０にて、制御部５００は、造形データに従って、三次元造形物ＯＢの１層目ＬＹ１を造形する。尚、ノズル固定部５３に、貫通孔５６の内部における造形材料の圧力を測定する圧力センサーが設けられもよい。制御部５００は、ステップＳ１３０にて、圧力センサーによって測定された圧力の値に応じて駆動モーター３６を制御することによって、スクリュー４０の回転数を調節してもよい。また、ノズル固定部５３に、貫通孔５６の内部における造形材料の流量を測定する流量センサーが設けられてもよい。制御部５００は、ステップＳ１３０にて、流量センサーによって測定された流量の値に応じて駆動モーター３６を制御することによって、スクリュー４０の回転数を調節してもよい。

１層目ＬＹ１の造形が完了した後、ステップＳ１４０にて、制御部５００は、三次元造形物ＯＢの全ての層の造形が完了したか否かを判定する。制御部５００は、造形データを用いて、三次元造形物ＯＢの全ての層の造形が完了したか否かを判断できる。ステップＳ１４０にて三次元造形物ＯＢの全ての層の造形が完了したと判断された場合、制御部５００は、この処理を終了する。一方、ステップＳ１４０にて三次元造形物ＯＢの全ての層の造形が完了したと判断されなかった場合、制御部５００は、ステップＳ１３０に処理を戻して、三次元造形物ＯＢの２層目ＬＹ２を造形する。制御部５００は、ステップＳ１４０にて三次元造形物ＯＢの全ての層の造形が完了したと判断されるまで、ステップＳ１３０からステップＳ１４０までの処理を繰り返して、複数の層が積層された三次元造形物ＯＢを造形する。尚、造形処理の後に、三次元造形物ＯＢに、切削加工が施されてもよい。

以上で説明した本実施形態の三次元造形装置１００によれば、シリンダー５０の第１領域ＲＧ１の温度よりも第２領域ＲＧ２の温度の方が高くなるように第１加熱部７１が設けられているので、供給口５４からノズル６１に向かうにつれてシリンダー５０の温度が高くなるように設定できる。そのため、供給口５４の近傍で材料が溶融して、スクリュー４０の回転による材料の搬送が困難になることを抑制しつつ、ノズル６１の近傍では材料を十分に溶融させることができる。スクリュー４０の回転による材料の搬送が困難になることを抑制できるので、ノズル孔６９から吐出される材料の量が不足することを抑制できる。

また、本実施形態では、第１加熱部７１は、第１領域ＲＧ１と第２領域ＲＧ２とに亘って螺旋状に設けられたヒーターによって構成されており、第１領域ＲＧ１におけるヒーターの螺旋の間隔ｄ１は、第２領域ＲＧ２におけるヒーターの螺旋の間隔ｄ２よりも広く設定されている。そのため、第１領域ＲＧ１の温度よりも第２領域ＲＧ２の温度を高くできる。

また、本実施形態では、第１加熱部７１の外周を覆うように断熱部８１が設けられているので、第１加熱部７１の発生させた熱が外部に拡散することを抑制できる。そのため、第１加熱部７１の熱をシリンダー５０に伝わりやすくできる。特に、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の融点の高い材料を溶融させやすくできる。

また、本実施形態では、ノズル固定部５３にノズル６１を加熱する第２加熱部７６が埋設されているので、ノズル６１の近傍の材料の温度を高めることができる。そのため、ノズル孔６９から吐出される材料の流動性を高めることができる。

また、本実施形態では、供給口５４を有する第１部分１５１に冷媒が流れる冷媒流路９１が設けられており、第２部分１５２に第１加熱部７１が設けられている。そのため、供給口５４の近傍の温度が高くなりすぎることをより抑制できる。

尚、本実施形態では、ペレット状のＡＢＳ樹脂が材料として用いられたが、造形ユニット２００において用いられる材料としては、例えば、熱可塑性を有する材料や、金属材料、セラミック材料等の種々の材料を主材料として三次元造形物を造形する材料を採用することもできる。ここで、「主材料」とは、三次元造形物の形状を形作っている中心となる材料を意味し、三次元造形物において５０重量％以上の含有率を占める材料を意味する。上述した造形材料には、それらの主材料を単体で溶融したものや、主材料とともに含有される一部の成分が溶融してペースト状にされたものが含まれる。

主材料として熱可塑性を有する材料を用いる場合には、可塑化部３０において、当該材料が可塑化することによって造形材料が生成される。「可塑化」とは、熱可塑性を有する材料に熱が加わり溶融することを意味する。また、「溶融」とは、熱可塑性を有する材料が融点以上の温度に加熱されて液状になることのみならず、熱可塑性を有する材料がガラス転移点以上の温度に加熱されることにより軟化し、流動性が発現することをも意味する。

熱可塑性を有する材料としては、例えば、下記のいずれか一つまたは２以上を組み合わせた熱可塑性樹脂材料を用いることができる。
＜熱可塑性樹脂材料の例＞
ポリプロピレン樹脂（ＰＰ）、ポリエチレン樹脂（ＰＥ）、ポリアセタール樹脂（ＰＯＭ）、ポリ塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）、ポリアミド樹脂（ＰＡ）、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂（ＡＢＳ）、ポリ乳酸樹脂（ＰＬＡ）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレートなどの汎用エンジニアリングプラスチック、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリアリレート、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などのエンジニアリングプラスチック。

熱可塑性を有する材料には、顔料や、金属、セラミック、その他に、ワックス、難燃剤、酸化防止剤、熱安定剤などの添加剤等が混入されていてもよい。熱可塑性を有する材料は、可塑化部３０において、スクリュー４０の回転と第１加熱部７１の加熱によって可塑化されて溶融した状態に転化される。また、そのように生成された造形材料は、ノズル孔６９から吐出された後、温度の低下によって硬化する。

熱可塑性を有する材料は、そのガラス転移点以上に加熱されて完全に溶融した状態でノズル孔６９から吐出されることが望ましい。尚、「完全に溶融した状態」とは、未溶融の熱可塑性を有する材料が存在しない状態を意味し、例えばペレット状の熱可塑性樹脂を材料に用いた場合、ペレット状の固形物が残存しない状態のことを意味する。

造形ユニット２００では、上述した熱可塑性を有する材料の代わりに、例えば、以下の金属材料が主材料として用いられてもよい。この場合には、下記の金属材料を粉末状にした粉末材料に、造形材料の生成の際に溶融する成分が混合されて、可塑化部３０に投入されることが望ましい。
＜金属材料の例＞
マグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）やクロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）の単一の金属、もしくはこれらの金属を１つ以上含む合金。
＜合金の例＞
マルエージング鋼、ステンレス、コバルトクロムモリブデン、チタニウム合金、ニッケル合金、アルミニウム合金、コバルト合金、コバルトクロム合金。

造形ユニット２００においては、上記の金属材料の代わりに、セラミック材料を主材料として用いることが可能である。セラミック材料としては、例えば、二酸化ケイ素、二酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムなどの酸化物セラミックスや、窒化アルミニウムなどの非酸化物セラミックスなどが使用可能である。主材料として、上述したような金属材料やセラミック材料を用いる場合には、ステージ３００に配置された造形材料は、例えばレーザーの照射や温風などによる焼結によって硬化されてもよい。

材料供給部２０に投入される金属材料やセラミック材料の粉末材料は、単一の金属の粉末や合金の粉末、セラミック材料の粉末を、複数種類、混合した混合材料であってもよい。また、金属材料やセラミック材料の粉末材料は、例えば、上で例示したような熱可塑性樹脂、あるいは、それ以外の熱可塑性樹脂によってコーティングされていてもよい。この場合には、可塑化部３０において、その熱可塑性樹脂が溶融して流動性が発現されるものとしてもよい。

材料供給部２０に投入される金属材料やセラミック材料の粉末材料には、例えば、以下のような溶剤を添加することもできる。溶剤は、下記の中から選択される１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
＜溶剤の例＞
水；エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等の（ポリ）アルキレングリコールモノアルキルエーテル類；酢酸エチル、酢酸ｎ−プロピル、酢酸ｉｓｏ−プロピル、酢酸ｎ−ブチル、酢酸ｉｓｏ−ブチル等の酢酸エステル類；ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類；メチルエチルケトン、アセトン、メチルイソブチルケトン、エチル−ｎ−ブチルケトン、ジイソプロピルケトン、アセチルアセトン等のケトン類；エタノール、プロパノール、ブタノール等のアルコール類；テトラアルキルアンモニウムアセテート類；ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド等のスルホキシド系溶剤；ピリジン、γ−ピコリン、２，６−ルチジン等のピリジン系溶剤；テトラアルキルアンモニウムアセテート（例えば、テトラブチルアンモニウムアセテート等）；ブチルカルビトールアセテート等のイオン液体等。

その他に、材料供給部２０に投入される金属材料やセラミック材料の粉末材料には、例えば、以下のようなバインダーを添加することもできる。
＜バインダーの例＞
アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、セルロース系樹脂或いはその他の合成樹脂又はＰＬＡ（ポリ乳酸）、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）或いはその他の熱可塑性樹脂。

Ｂ．他の実施形態：
（Ｂ１）上述した実施形態における三次元造形装置１００において、第２領域ＲＧ２では第１領域ＲＧ１に比べて第１加熱部７１を構成するヒーターが密に配置されている。これに対して、第１領域ＲＧ１と第２領域ＲＧ２とで、第１加熱部７１を構成するヒーターが均等に配置されてもよい。この場合、例えば、第１加熱部７１が、第１領域ＲＧ１と第２領域ＲＧ２とに等間隔で配置された複数のヒーターによって構成されて、第１領域ＲＧ１の温度よりも第２領域ＲＧ２の温度の方が高くなるように、制御部５００が各ヒーターの温度を制御してもよい。

（Ｂ２）上述した実施形態における三次元造形装置１００において、第１加熱部７１のスクリュー４０とは反対側に断熱部８１が設けられている。これに対して、第１加熱部７１のスクリュー４０とは反対側には、断熱部８１が設けられていなくてもよい。この場合であっても、第１加熱部７１によって、第１領域ＲＧ１の温度よりも第２領域ＲＧ２の温度を高くできる。

（Ｂ３）上述した実施形態における三次元造形装置１００において、ノズル固定部５３に、第２加熱部７６が設けられている。これに対して、ノズル固定部５３には、第２加熱部７６が設けられていなくてもよい。

（Ｂ４）上述した実施形態における三次元造形装置１００において、シリンダー５０の第１部分１５１の内部に冷媒流路９１が設けられている。これに対して、第１部分１５１の内部に冷媒流路９１が設けられていなくてもよい。

（Ｂ５）上述した実施形態における三次元造形装置１００において、第１領域ＲＧ１におけるシリンダー５０の内壁面とスクリュー４０との間隔は、第２領域ＲＧ２におけるシリンダー５０の内壁面とスクリュー４０との間隔と同じに設定されている。これに対して、第２領域ＲＧ２におけるシリンダー５０の内壁面とスクリュー４０との間隔は、第１領域ＲＧ１におけるシリンダー５０の内壁面とスクリュー４０との間隔よりも広く設定されてもよい。この場合、シリンダー５０の第２領域ＲＧ２からスクリュー４０に熱が伝わりにくくなるため、スクリュー４０を介して、供給口５４の近傍の材料に熱が伝わることを抑制できる。例えば、第２領域ＲＧ２におけるシリンダー５０の内径が、第１領域ＲＧ１におけるシリンダー５０の内径よりも大きく設定されることによって、第２領域ＲＧ２におけるシリンダー５０の内壁面とスクリュー４０との間隔を、第１領域ＲＧ１におけるシリンダー５０の内壁面とスクリュー４０との間隔よりも広く設定できる。第２領域ＲＧ２のスクリュー４０の直径が、第１領域ＲＧ１のスクリュー４０の直径よりも小さく設定されることによって、第２領域ＲＧ２におけるシリンダー５０の内壁面とスクリュー４０との間隔が、第１領域ＲＧ１におけるシリンダー５０の内壁面とスクリュー４０との間隔よりも広く設定されてもよい。第２領域ＲＧ２におけるシリンダー５０の内壁面とスクリュー４０との間隔が、第１領域ＲＧ１におけるシリンダー５０の内壁面とスクリュー４０との間隔よりも広くなるように、スクリュー４０の直径とシリンダー５０の内径との両方を、第１領域ＲＧ１と第２領域ＲＧ２とで異ならせてもよい。

（Ｂ６）上述した実施形態における三次元造形装置１００において、シリンダー５０の第１部分１５１と第２部分１５２とは、それぞれ円筒形状を有しており、中心軸ＡＸ１に垂直な断面において、第１部分１５１の外側の輪郭線の形状と、第１部分１５１の内側の輪郭線の形状とは、それぞれ円形であり、第２部分１５２の外側の輪郭線の形状と、第２部分１５２の内側の輪郭線の形状とは、それぞれ円形である。これに対して、中心軸ＡＸ１に垂直な断面において、第１部分１５１の外側の輪郭線の形状と、第２部分１５２の外側の輪郭線の形状とのうちの少なくともいずれか一方は、円形でなくてもよい。例えば、中心軸ＡＸ１に垂直な断面において、第１部分１５１の外側の輪郭線の形状と、第２部分１５２の外側の輪郭線の形状とのうちの少なくともいずれか一方が四角形や六角形等の多角形でもよい。

Ｃ．他の形態：
本開示は、上述した実施形態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形態で実現することができる。例えば、本開示は、以下の形態によっても実現可能である。以下に記載した各形態中の技術的特徴に対応する上記実施形態中の技術的特徴は、本開示の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、本開示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。

（１）本発明の一形態によれば、三次元造形装置に用いられる可塑化装置が提供される。この可塑化装置は、材料が供給される供給口を有するシリンダーと、前記シリンダーの内部にて回転する螺旋状のスクリューと、前記シリンダーの外周部に設けられた第１加熱部と、前記シリンダーに設けられ、前記スクリューの回転と前記第１加熱部による加熱とによって可塑化された前記材料を吐出するノズルと、を備える。前記外周部は、前記供給口と前記ノズルとの間に、前記供給口から前記ノズルに向かって第１領域と第２領域とを有し、前記第１加熱部は、前記第１領域の温度よりも前記第２領域の温度の方が高くなるように設けられている。
この形態の可塑化装置によれば、供給口からノズルに向かうにつれてシリンダーの温度が高くなるように設定できるので、供給口の近傍で材料が溶融することによって、スクリューの回転による材料の搬送が困難になることを抑制できる。そのため、ノズルの先端から吐出される材料の量が不足することを抑制できる。

（２）上記形態の可塑化装置において、前記第１加熱部は、前記第１領域と前記第２領域とに亘って螺旋状に設けられており、前記第１領域における前記第１加熱部の螺旋の間隔は、前記第２領域における前記第１加熱部の螺旋の間隔よりも広くてもよい。
この形態の可塑化装置によれば、第１領域の温度よりも第２領域の温度を高くすることができる。

（３）上記形態の可塑化装置において、前記第１加熱部の前記スクリューとは反対側に断熱部が設けられてもよい。
この形態の可塑化装置によれば、第１加熱部の熱がシリンダーに伝わりやすくできる。

（４）上記形態の可塑化装置において、前記ノズルを加熱する第２加熱部が設けられてもよい。
この形態の可塑化装置によれば、ノズルの近傍の材料の温度を高めることができる。そのため、ノズルから吐出される材料の流動性を高めることができる。

（５）上記形態の可塑化装置において、前記外周部には、前記ノズルから前記供給口に向かって、前記第１加熱部と冷却部とが設けられてもよい。
この形態の可塑化装置によれば、供給口の近傍の温度が高くなりすぎることを抑制できる。

（６）上記形態の可塑化装置において、前記第２領域における前記シリンダーの内壁面と前記スクリューとの間隔は、前記第１領域における前記シリンダーの内壁面と前記スクリューとの間隔よりも広くてもよい。
この形態の可塑化装置によれば、シリンダーの第１領域からスクリューに熱が伝わりにくくなるため、スクリューを介して、供給口の近傍の材料に熱が伝わることを抑制できる。

本開示は、可塑化装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、三次元造形装置等の形態で実現することができる。

２０…材料供給部、２２…供給管、３０…可塑化部、３５…スクリュー駆動部、３６…駆動モーター、３７…回転軸、３８…減速機、３９…ギアケース、４０…スクリュー、４３…先端部、４５…溝部、４６…フライト部、５０…シリンダー、５１…本体部、５３…ノズル固定部、５４…供給口、５６…貫通孔、６１…ノズル、６９…ノズル孔、７１…第１加熱部、７６…第２加熱部、８１…断熱部、９１…冷媒流路、９６…冷媒供給部、１００…三次元造形装置、１５１…第１部分、１５２…第２部分、１５３…第１外周部、１５４…第２外周部、２００…造形ユニット、３００…ステージ、３１０…造形面、４００…移動機構、５００…制御部

Claims (7)

1. 三次元造形装置に用いられる可塑化装置であって、
   材料が供給される供給口を有するシリンダーと、
   前記シリンダーの内部にて回転する螺旋状のスクリューと、
   前記シリンダーの外周部に設けられた第１加熱部と、
   前記シリンダーに設けられ、前記スクリューの回転と前記第１加熱部による加熱とによって可塑化された前記材料を吐出するノズルと、
   を備え、
   前記外周部は、前記供給口と前記ノズルとの間に、前記供給口から前記ノズルに向かって第１領域と第２領域とを有し、
   前記第１加熱部は、前記第１領域の温度よりも前記第２領域の温度の方が高くなるように設けられている、
   可塑化装置。
2. 請求項１に記載の可塑化装置であって、
   前記第１加熱部は、前記第１領域と前記第２領域とに亘って螺旋状に設けられており、
   前記第１領域における前記第１加熱部の螺旋の間隔は、前記第２領域における前記第１加熱部の螺旋の間隔よりも広い、可塑化装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の可塑化装置であって、
   前記第１加熱部の前記スクリューとは反対側に断熱部が設けられている、可塑化装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の可塑化装置であって、
   前記ノズルを加熱する第２加熱部が設けられている、可塑化装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の可塑化装置であって、
   前記外周部には、前記ノズルから前記供給口に向かって、前記第１加熱部と冷却部とが設けられている、可塑化装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の可塑化装置であって、
   前記第２領域における前記シリンダーの内壁面と前記スクリューとの間隔は、前記第１領域における前記シリンダーの内壁面と前記スクリューとの間隔よりも広い、可塑化装置。
7. 三次元造形装置であって、
   材料が供給される供給口を有するシリンダーと、
   前記シリンダーの内部にて回転する螺旋状のスクリューと、
   前記スクリューを回転させるスクリュー駆動部と、
   前記シリンダーの外周部に設けられた加熱部と、
   前記シリンダーに設けられ、前記スクリューの回転と前記加熱部による加熱とによって可塑化された前記材料をステージに向かって吐出するノズルと、
   前記スクリュー駆動部と前記加熱部とを制御する制御部と、
   を備え、
   前記外周部は、前記供給口と前記ノズルとの間に、前記供給口から前記ノズルに向かって第１領域と第２領域とを有し、
   前記加熱部は、前記第１領域の温度よりも前記第２領域の温度の方が高くなるように設けられている、
   三次元造形装置。

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