WO2015198706A1 - 三次元造形方法、及び三次元造形装置 - Google Patents

Abstract

造形原料（１００）を変形（加熱溶融）させて所定の立体形状に堆積させる三次元造形方法であって、搬送手段（搬送部（１０））が、複数の造形原料（色の異なる複数の造形原料（１００））を夫々変形手段（加熱溶融部（３１））に向けて搬送する搬送工程と、変形手段が、各造形原料を変形させる変形工程と、造形材形成手段（造形材形成部（３０））が、変形した各造形原料を捻りながら螺旋状に配列して造形材を形成する造形材形成工程と、造形手段（造形部（７０））が、造形材を順次堆積させて三次元造形物（１０２）を形成する造形工程と、を含むことを特徴とする。

Description

三次元造形方法、及び三次元造形装置

　本発明は造形原料を変形させて堆積させることにより三次元造形物を得る三次元造形方法に関し、特に、複数の造形原料を用いて造形物を作成する三次元造形方法、及びこの方法に適した三次元造形装置に関する。

　３次元の立体物を造形する技術として、ラピッド・プロトタイピイング（ＲＰ：Ｒａｐｉｄ　Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ）と呼ばれる技術が知られている。この技術は、ひとつの３次元形状の表面を３角形の集まりとして記述したデータ（ＳＴＬ（Ｓｔａｎｄａｒｄ　Ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｅｄ　Ｌａｎｇｕａｇｅ）フォーマットのデータ）により、積層方向について薄く切った断面形状を計算し、その形状に従って各層を積層して立体物を造形する技術である。
　また、立体物を造形する手法としては、溶融物堆積法（ＦＤＭ：Ｆｕｓｅｄ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　Ｍｏｌｄｉｎｇ）、インクジェット法、インクジェットバインダ法、光造形法（ＳＬ：Ｓｔｅｒｅｏ　Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）、粉末焼結法（ＳＬＳ：Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　Ｌａｓｅｒ　Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）などが知られている。
　昨今では、造形物のカラー化が可能でパーソナル向けの低価格帯の三次元造形装置の提供が期待されている。カラー化に適した方法としては、インクジェット法やインクジェットバインダ法があげられるが、特殊なインクジェットヘッド及びインクが必要なため、装置も造形物も高価であるという問題がある。
　一方、ＦＤＭ方式においては、例えば熱可塑性の造形原料を加熱して流動状にし、各層を順次積層していくことで立体物を造形する。ＦＤＭ方式では機械部品や射出成形等で広く用いられている素材を造形原料として使用できるため、造形物を比較的安価に作成できるというメリットがある。しかし、インクジェット法やインクジェットバインダ法に比べると、一般的にはカラー化に不向きと言われている。

　ここで特許文献１には、造形部位によって単位体積あたりの重量が異なる造形材を用いるＦＤＭ方式の三次元造形装置が記載されている。
　具体的には、単位体積あたりの重量が異なる複数の造形材料を順次切り替えて吐出することにより、単位体積あたりの重量を造形部位によって変化させることが記載されている（段落００３３、図３（ｂ））。仮に、この発明において複数の造形材料として色の異なる複数の造形材料を用いればカラーの造形物を作成することは可能である。しかし、色数がヘッドの数に限定されるという問題がある。
　さらに特許文献１には、複数の造形材料の混合比をヘッド内で調整することにより、造形材料の単位体積あたりの重量を変化させることが記載されている（段落００３３、図３（ａ））。仮に、複数の造形材料として色の異なる複数の造形材料を用いればフルカラー化も不可能ではない。しかし、この文献においては造形物のカラー化については考慮されていない上、造形原料の具体的な混合方法については言及されていない。
　本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、複数の造形原料から形成された造形材を用いて立体物を造形する新規な三次元造形方法、及び三次元造形装置を提供することを目的とする。

　上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、造形原料を変形させて所定の立体形状に堆積させる三次元造形方法であって、搬送手段が、複数の前記造形原料を夫々変形手段に向けて搬送する搬送工程と、前記変形手段が、前記各造形原料を変形させる変形工程と、造形材形成手段が、変形した前記各造形原料を捻りながら螺旋状に配列して造形材を形成する造形材形成工程と、造形手段が、前記造形材を順次堆積させて三次元造形物を形成する造形工程と、を含むことを特徴とする。

　本発明においては、変形した複数の造形原料を捻りながら螺旋状に配列して造形材を形成し、形成した造形材を順次堆積させて三次元造形物を形成する。複数の造形原料から形成された造形材を用いて立体物を造形する新規な三次元造形方法、及び三次元造形装置を提供することができる。

図１Ａは、対象物からの距離と人間の視覚がもつ分解能との関係について説明するための模式図である。 図１Ｂは、対象物からの距離と視力１．０の人間がもつ分解能との関係を表で示す図ある。 図２Ａは、形成する造形材の模式図であり、造形原料が２種類の場合である。 図２Ｂは、形成する造形材の模式図であり、造形材料が３種類の場合である。 図３は、回転数のみを変化させた場合に形成される造形材の模式図である。 図４は、造形速度のみを変化させた場合に形成される造形材の模式図である。 図５は、造形原料Ａの搬送速度のみを変化させた場合に形成される造形材の模式図である。 図６は、図３～図５に示す造形条件を組み合わせて作成した造形材の模式図である。 図７は、本発明の第二の実施形態に係る三次元造形装置の概略を示した断面図である。 図８は、造形材形成部の要部の概略を示した拡大断面図である。 図９は、造形材形成部の要部の概略を示した斜視図である。 図１０は、回転数と造形速度と造形材の一ピッチとの関係を表で示す図ある。 図１１Ａは、本発明の第三の実施形態に係る三次元造形装置の造形材形成部の要部の概略を示す縦断面図である。 図１１Ｂは、図１１ＡのＣ－Ｃ断面図である。 図１２は、図１１Ａの変形例を示す造形材形成部の要部の概略を示す縦断面図である。 図１３Ａは、各階層を構成する造形材の厚さを一定とした場合に形成される三次元造形物の一例を示す斜視図である。 図１３Ｂは、図１３ＡのＡ矢視図及びＢ矢視図である。 図１４Ａは、各階層を構成する造形材の厚さを変化させた場合に形成される三次元造形物について説明する図であり、図１３ＡのＡ矢視図及びＢ矢視図に相当する図である。 図１４Ｂは、階層角度と造形材の厚さとの関係を表で示す図である。 図１５Ａは、造形処理について説明するための模式図である。 図１５Ｂは、造形処理について説明するための模式図である。 図１５Ｃは、造形処理について説明するための模式図である。 図１６は、第四の実施形態に係る処理を実行する制御部の構成を示した機能ブロック図である。 図１７は、第四の実施形態を示したメインフローチャートである。 図１８は、サブルーチンのフローチャートである。 図１９は、第四の実施形態に係る処理を実行する制御部の変形構成を示した機能ブロック図である。 図２０は、サブルーチンのフローチャートである。 図２１は、回転部材の側面図及び底面図である。 図２２は、図８に示す捻転部のＤ－Ｄ断面に相当する図である。 図２３は、回転機構のない通常の造形方法にて、イ）からロ）へ向かって実線上を造形している様子を示す図である。 図２４Ａは、第十の実施態様の造形の様子を示す側面図である。 図２４Ｂは、第十の実施態様の造形の様子を示す上面図である。 図２５は、第十一の実施態様の造形を示す図である。 図２６は、第十一の実施態様の造形を示す図である。

　以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。

　本発明の一実施形態に係る三次元造形方法は、変形させた色の異なる複数の造形原料を所定の速度で搬送し、それらを所定の速度で捻りながら所定の混合比率で螺旋状に配列してフルカラーの造形材を形成し、形成した造形材を順次堆積させて三次元の造形物を得る点に特徴がある。なお、本発明に係る三次元造形方法において、複数の造形原料として、触感の異なる複数の材料や、抵抗値の異なる複数の導体を造形原料として用いることにより、触感や抵抗値を自在に変化させた造形物を得ることも可能である。

〔造形原料の配色間隔〕
　まず、人間の視覚がもつ分解能について説明し、次いで造形材のフルカラー化について説明する。図１Ａは対象物からの距離と人間の視覚がもつ分解能との関係について説明するための模式図であり、図１Ｂは対象物からの距離と視力１．０の人間がもつ分解能との関係を示す表である。
　図１Ａに示すように、人間の視力は５ｍの距離から直径７．５ｍｍ、太さ１．５ｍｍ、切れ目１．４５ｍｍのランドルト環が視認できれば視角１分となり、視力１．０とされる。即ち、５ｍの距離から物体を観察する場合、視力１．０の人間が有する分解能は１．４５ｍｍである。図１Ｂに示すように、１ｍの距離から物体を観察する場合、視力１．０の人間が有する分解能は０．２９ｍｍである。１ｍの距離から造形物を観察すると仮定した場合、０．２９ｍｍ以下の範囲内に複数の色が配置されていれば、人間には複数の色が混ざって見えて一つの色と認識される。本発明の各実施形態では人間の視覚的な分解能を基準として、図２に示す造形材のピッチＰｘを決定する。
　造形材をフルカラー化するには、１ピッチＰｘの中に含まれる造形原料の割合を変化させればよい。例えば減色法を適用する場合には、シアン、マゼンタ、イエローの三原色の他に白色（又は黒色）を加えた４色の造形原料を用い、１ピッチＰｘ内に配置する各色造形原料の割合を変化させることにより、造形材をフルカラー化することができる。

〔第一の実施形態～三次元造形方法、及びその理論〕
　本発明の一実施形態に係る三次元造形方法について説明する。図２は、形成する造形材の模式図であり、図２Ａは造形原料が２種類の場合であり、図２Ｂは造形材料が３種類の場合である。なお、以下の数式において下付添字ａは造形原料Ａに関するパラメータを示し、下付添字ｂは造形原料Ｂに関するパラメータを示し、下付添字ｘは形成された造形材に関するパラメータを示す。

　まず、造形原料が２種類の場合について説明する。
　図２Ａの夫々の動作関係を一般式にて表現すると以下の式（１）および式（２）となる。

　但し、搬送流量および造形流量：Ｑ［ｍｍ３／ｓ］
　　搬送速度および造形速度：ｖ［ｍｍ／ｓ］
　　造形原料の幅および造形材の幅：ｄ［ｍｍ］
　　ピッチ：Ｐ［ｍｍ］
　　回転数（捻り速度）：ｆｘ［ｒｐｓ］

　式（１）は流量Ｑが「断面積×速度ｖ」で与えられることを示す。なお、数式を簡略化するため、造形原料および造形材の断面形状が円であるものとして説明する。

　各パラメータを変化させて造形したときに、造形材に生じる変化について説明する。基準値（変化前）のパラメータを下付添字「１」にて示し、基準値から変化させたパラメータを（変化値）を下付添字「２」にて示す。
　基準値においては、式（１）、（２）を以下のように満たす（式（１－１）、式（２－１））。

　変化値においては、式（１）、（２）を以下のように満たす（式（１－２）、式（２－２））。

＜回転数を変化させた場合のピッチの変化＞
　基準値から回転数ｆｘのみを変化させた場合のピッチＰの変化について説明する。図３は、回転数のみを変化させた場合に形成される造形材の模式図である。ここでは一例として、変化回転数ｆｘ２が基準回転数ｆｘ１の２倍（ｆｘ２＝２ｆｘ１）の場合を説明する。式（２）より、式（２’）が得られる。

　造形速度ｖｘは一定（ｖｘ＝ｖｘ１＝ｖｘ２）なので式（２′）に、基準値及び変化値の各パラメータｆｘ、Ｐ、及び［ｆｘ２＝２ｆｘ１］を適用すると、式（２’－１）が得られる。

　従って、式（３）が得られる。

　このように、変化ピッチＰｘ２は基準ピッチＰｘ１の１／２となり、高解像度の配色となる。即ち、回転数ｆｘを変化させることにより、造形材のピッチＰｘを変化させることができる。なお、造形幅ｄｘは変化しない。

＜造形速度を変化させた場合＞
　基準値から造形速度ｖｘのみを変化させた場合のパラメータの変化について説明する。図４は、造形速度のみを変化させた場合に形成される造形材の模式図である。一例として、変化造形速度ｖｘ２が基準造形速度ｖｘ１の２倍（ｖｘ２＝２ｖｘ１）の場合を説明する。

＜＜ピッチの変化＞＞
　ピッチＰの変化について説明する。回転数ｆｘは一定（ｆｘ＝ｆｘ１＝ｆｘ２）なので、式（２）より、式（３－１）が得られる。

　これを変形すると、式（４）が得られる。

　このように、変化ピッチＰｘ２は基準ピッチＰｘ１の２倍となり、低解像度の配色となる。即ち、造形速度ｖｘを変化させることにより、造形材のピッチＰｘを変化させることができる。

＜＜造形材幅の変化＞＞
　続いて造形材幅ｄｘの変化について説明する。造形流量Ｑｘは一定（Ｑｘ＝Ｑｘ１＝Ｑｘ２）であるので、［ｖｘ２＝２ｖｘ１］を式（１）に代入すると、式（４－１）が得られる。

　これを変形すると、式（４－２）が得られる。

　このため、式（５）が得られる。

　このように、変化後の造形材幅ｄｘ２は基準となる造形材幅ｄｘ１のルート１／２倍となり、高解像度となる。即ち、造形速度ｖｘを変化させることにより、造形材幅ｄｘを変化させることができる。
　造形速度ｖｘを変化させることにより、ピッチＰｘ２と造形材幅ｄｘ２が変化することがわかる。

＜一部の造形原料の搬送速度を変化させた場合＞
　基準値から造形原料Ａの搬送速度ｖａのみを変化させたときの造形材幅ｄｘ、造形速度ｖｘ、及びピッチＰｘの変化について説明する。図５は、造形原料Ａの搬送速度のみを変化させた場合に形成される造形材の模式図である。一例として、変化後の搬送速度ｖａ２が、基準となる搬送速度ｖａ１の１／２倍（ｖａ２＝ｖａ１／２）の場合を説明する。
　以下では計算を簡略化するために、造形原料Ｂの搬送速度ｖｂ１と造形原料幅ｄｂ１を造形原料Ａと同じ（ｖｂ１＝ｖａ１、ｄｂ１＝ｄａ１）とする。造形原料Ａの造形原料幅ｄａ、造形原料Ｂの造形原料幅ｄｂ、及び造形原料Ｂの造形速度ｖｂは一定（ｄａ１＝ｄａ２、ｄｂ１＝ｄｂ２、ｖｂ１＝ｖｂ２）なので、式（１－１）と式（１－２）より、式（５－１）および式（５－２）が得られる。

　このため、式（６）が得られる。

　造形原料Ａの搬送速度ｖａを変化させると造形流量Ｑｘが変化する。これは、造形速度ｖｘに応じて、造形材幅ｄｘやピッチＰｘを変化させ得る（又はその逆が成立する）ことを意味する。
　このとき、造形材内における造形原料Ａ、Ｂのピッチの比（Ｐａ２：Ｐｂ２）は、造形原料Ａ、Ｂ搬送速度の比（ｖａ２：ｖｂ２）に等しく、式（７）となる。

＜＜造形速度を変化させない場合の造形材幅とピッチの変化＞＞
　造形原料Ａの搬送速度ｖａのみを変化させた上で、造形速度ｖｘを一定（ｖｘ１＝ｖｘ２）としたときの、変化後の造形材幅ｄｘ２について説明する。式（１－１）より、式（７－１）が得られる。

　式（７－１）を変形すると、式（８）が得られる。

また、式（１－２）より、式（８－１）が得られる。

　式（８－１）を変形して、式（６）、及び式（８）を代入すると、式（８－２）が得られる。

　このため、式（９）が得られる。

　このように、変化後の造形材幅ｄｘ２は基準となる造形材幅ｄｘ１の２分のルート３倍となる。即ち、造形原料Ａの搬送速度ｖａを変化させ、造形速度ｖｘを一定にすることで、造形材幅ｄｘを変化させることができる。

　更にピッチＰｘ２について説明する。回転数ｆｘが一定（ｆｘ１＝ｆｘ２）であるので、式（２－１）、式（２－２）より、式（９－１）および式（１０）が得られる。

　この式からわかるように、ピッチＰｘは変化しない。

＜＜造形材幅を変化させない場合の造形速度とピッチの変化＞＞
　続いて、造形原料Ａの搬送速度ｖａのみを変化させた上で、造形材幅ｄｘを一定（ｄｘ１＝ｄｘ２）としたときの、変化後の造形速度ｖｘ２について説明する。式（１－１）より、式（１０－１）および式（１１）が得られる。

　このため、式（１－２）より、式（１１－１）が得られる。

　変形して、式（１１）を代入すると、式（１１－２）が得られる。

　式（１１－２）に式（６）を代入すると、式（１２）が得られる。

　このように、変化後の造形速度ｖｘ２は、基準となる造形速度ｖｘ１の３／４倍となる。即ち、造形原料Ａの搬送速度ｖａを変化させ、造形材幅ｄｘを一定にすることで、造形速度ｖｘを変化させることができる。

　更に変化後のピッチＰｘ２について説明する。回転数ｆｘが一定（ｆｘ１＝ｆｘ２）であるので、式（２－１）、式（２－２）より、式（１２－１）および式（１２－２）が得られる。

　式（１２－２）に式（１２）を代入すると、式（１３）が得られる。

　このように、変化後のピッチＰｘ２は、基準となるピッチＰｘ１の３／４倍となる。即ち、造形原料Ａの搬送速度ｖａを変化させ、造形材幅ｄｘを一定にすることで、造形材のピッチＰｘを変化させることができる。
　また、上述のように、造形材内における造形原料Ａ、Ｂのピッチの比（Ｐａ２：Ｐｂ２）は、造形原料Ａ、Ｂの搬送速度の比（ｖａ２：ｖｂ２）に等しい。
　以上のように、一部の造形原料の搬送速度を変化させると造形材内における造形原料のピッチの比を自在に変化させることができる。これは、造形原料の配列比を調整して、種々の色を作り出すために重要な方法である。

＜まとめ＞
　図６は、図３～図５に示す造形条件を組み合わせて作成した造形材の模式図である。この図からわかるように、造形原料の搬送速度と、造形原料の捻り速度（回転数）と、造形材の造形速度の少なくとも一つを変化させ、或いは組み合わせて造形することにより、種々のピッチや造形幅の造形材を用いた造形物を得ることができる。

＜造形原料が３以上の場合＞
　図２Ｂの夫々の動作関係を一般式にて表現すると以下の式（１３－１）に示す式となる。

　なお、式（２）に対応する式は図２Ａの場合と同様である。以上の一般式からわかるように、造形原料が３色以上の場合も２色の場合と同様に、回転数ｆ_Ｘ、造形速度ｖｘ、造形原料の搬送速度ｖａ、ｖｂ、ｖｃを適宜変化させることで、造形材幅や造形材を構成する造形原料のピッチ等を自在に変化させることができる。

〔第二の実施形態～三次元造形装置〕
　三次元造形方法を実施する三次元造形装置について図７～図９に基づいて説明する。図７は、本発明の第二の実施形態に係る三次元造形装置の概略を示した断面図である。図８は、造形材形成部の要部の概略を示した拡大断面図である。図９は、造形材形成部の要部の概略を示した斜視図である。
　三次元造形装置１は、造形原料１００を溶融（変形）させて所定の立体形状に堆積させる溶融堆積方式（ＦＤＭ）により三次元造形物を形成する装置である。
　三次元造形装置１の動作概略は、以下の通りである。三次元造形装置１は、造形原料１００を加熱溶融部３１にて溶融し、所望の配色を実現する組み合わせ及び適切な量の造形原料１００を捻転部４０に導入する。次いで、捻転部４０の回転部材４５において造形原料１００を捻ることで所定の色の造形材を形成し、最後に造形材を吐出口６１から造形ステージ７１に吐出し、造形ステージ７１上で造形する。
　三次元造形装置１は、色の異なる複数の造形原料１００（１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ）を夫々下流の加熱溶融部３１に向けて搬送する複数の搬送機構１１を有した搬送部１０と、各搬送機構１１により搬送された各造形原料１００を夫々加熱し、溶融させる加熱溶融部３１、及び、変形した各造形原料１００を捻りながら螺旋状に配列して複合色の造形材１０１を形成する捻転部４０を備えた造形材形成部３０と、造形材１０１を順次堆積させて三次元造形物を形成する造形部７０と、を備えている。

＜造形原料＞
　造形原料は、ＡＢＳ樹脂等の熱可塑性樹脂から構成される。本実施形態においては、造形原料としてシアン（Ｃｙａｎ）、マゼンタ（Ｍａｇｅｎｔａ）、イエロー（Ｙｅｌｌｏｗ）の３原色と、白色（又は黒色）の４つの造形原料を用いることにより、減法混色を用いてフルカラーの造形材を得ることができる。

＜搬送部＞
　搬送部１０は、固体状態の造形原料１００を下流側の造形材形成部３０に搬送する部位であり、造形原料毎、即ち色毎に設けられた複数の搬送機構１１を備えている。本例では、図９に示すように４種類（４色）の造形原料１００を搬送するため４つの搬送機構１１を備えている。各搬送機構１１は、造形原料１００が搬送される原料搬送路１３と、原料搬送路１３内に露出して造形原料１００の表面に接触することにより、造形原料１００を順次下流側に送り出す搬送ギヤ１５と、搬送ギヤ１５を回転駆動する搬送モータ１７と、を備えている。
　原料搬送路１３は、造形原料１００を通過させうる内径を有した概略筒状である。例えば、内径φ３ｍｍの原料搬送路１３は、内径と略同一の外径を有するφ３ｍｍの造形原料を搬送する。
　搬送ギヤ１５は、図示するようにウォームギヤとしてもよいし、外周面を対向させて配置した回転自在な２つのプーリとしてもよい。後者の場合、造形原料は２つのプーリの外周面間に挟圧保持されつつ搬送される。
　搬送モータ１７は、各造形原料１００の配色比率に応じた量の造形原料を搬送するべく、搬送ギヤ１５を回転駆動する。搬送モータ１７は、制御部２００によって駆動制御される。

＜断熱部材＞
　搬送部１０と造形材形成部３０との間には断熱部材２０が配置されている。搬送部１０では造形原料１００の外面に対して搬送ギヤ１５を接触させて搬送力を与えるため、造形原料が固体状態を保っている必要がある。断熱部材２０は造形原料が固体状態を保持可能となるよう、ヒータ３３の熱を搬送部１０に伝達させないようにする。
　断熱部材２０内には、搬送部１０から夫々搬送された固体状態の造形原料１００が挿入、搬送される通路２１が複数個形成されている。各通路２１の内径は各原料搬送路１３の内径と略同一の大きさである。

＜造形材形成部＞
　造形材形成部３０は、搬送部１０から搬送された造形原料１００を溶融させ、捻りながら螺旋状に配列して下流の造形部７０に向けて吐出する部分である。
　造形材形成部３０は、各造形原料１００を加熱・溶融しながら下流へと搬送する加熱溶融部３１と、溶融した各造形原料１００を捻りながら螺旋状に配列して複合色の造形材１０１を形成する捻転部４０と、造形材１０１を吐出するヘッド部６０とを備える。
　加熱溶融部３１は、各造形原料１００を加熱して溶融させるヒータ３３と、ヒータ３３によって加熱・溶融された各造形原料を下流の捻転部４０に向けて搬送するランナー３５（溶融原料搬送路：変形原料搬送路）と、を備える。
　ヒータ３３は、造形原料１００を十分に溶融させることができる程度に造形原料１００を加熱できればよい。造形原料としてＡＢＳ樹脂を用いる場合は、ヒータ３３の温度はＡＢＳ樹脂が十部に溶融する２５０度に設定される。ランナー３５は、造形原料毎に設けられる。ランナー３５には、搬送部１０から搬送された造形原料１００が挿入される。

　捻転部４０は、ヒータ３３によって加熱・溶融された各造形原料が流入すると共に、各造形原料１００を下流側に位置する造形部７０に向けて搬送する過程で造形材に変形させる捻転搬送路４１と、捻転搬送路４１内に配置されて捻転搬送路４１の搬送方向と並行な軸を中心として回転する回転部材４５と、を備えている。
　捻転搬送路４１は概略中空円筒状であり、その内側面にはランナー３５と連通するゲート４３が形成されている。ランナー３５内を流動する溶融した造形原料はゲート４３を介して捻転搬送路４１内に流入する。
　捻転搬送路４１内に配置された回転部材４５は、捻転モータ４９によって回転駆動される駆動軸４６と、駆動軸４６の先端４６ａから捻転搬送路４１の下流側に向けて突出形成されると共に駆動軸４６の回転中心に対して偏心配置された捻転用突起４７を備えている。駆動軸４６は、造形材の回転数ｆｘ（造形原料の捻り速度）に応じた速度にて回転駆動される。捻転モータ４９は、制御部２００によって駆動制御される。
　捻転搬送路４１の最下流には、造形材１０１を吐出する吐出口６１を有するヘッド部６０が配置されている。吐出口６１は造形ステージ７１と対向するヘッド面６３に形成されている。

　駆動軸４６の先端４６ａは、ゲート４３よりも捻転搬送路４１の上流側に配置されている。
　また、図示する例において捻転用突起４７は、先端４７ａがヘッド面６３と同一の位置となるように配置されている。しかし、捻転用突起４７の先端４７ａを捻転搬送路４１内に配置してもよいし、吐出口６１から造形ステージ７１側に突出させてもよい。前者の場合、捻転用突起４７は、その先端４７ａが少なくとも捻転搬送路４１のゲート４３の下流側端部と同等位置か、それよりも下流側に位置するように配置される。後者の場合、捻転用突起４７の突出量は造形ステージ７１又は造形ステージ７１上に造形された造形物１０２の最上部と接触しない程度に設定される。
　駆動軸４６の先端４６ａをゲート４３よりも捻転搬送路４１の上流側に配置すると共に、捻転用突起４７の先端４７ａを、ゲート４３の下流側端部と同等位置から、造形ステージ７１又は造形ステージ７１上に造形された造形物１０２の最上部と接触しない程度の位置までの間に配置することで、吐出口６１から吐出される造形材１０１の流動性（流動分布）を均一にすることができる。これにより、コントラストが高い三次元造形物を得ることができる。

＜造形部＞
　造形部７０は、吐出口６１と対向配置された造形ステージ７１と、造形ステージ７１を吐出口６１に対して相対的にＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に夫々進退移動させるステージ駆動モータ７３を備えている。
　造形ステージ７１はＸＹ平面に沿って伸びる平板状であり、吐出口６１から吐出された造形材１０１を造形ステージ７１上に順次堆積させることにより三次元造形物を形成する。
　ステージ駆動モータ７３は、造形ステージ７１をＸ軸方向に進退移動させるＸ方向モータ、造形ステージ７１をＹ軸方向に進退移動させるＹ方向モータ、及び造形ステージ７１をＺ軸方向に進退移動させるＺ方向モータを含んで構成される。これらのモータは、例えばリニアモータから構成することができる。ステージ駆動モータ７３は、制御部２００によって駆動制御される。本実施形態では、造形ステージ７１の移動速度により造形速度を調整する。

＜制御部＞
　三次元造形装置１は、搬送部１０、造形材形成部３０、造形部７０の各部の動作を制御する制御部２００を備えている。
　制御部２００は、搬送部１０の搬送モータ１７、造形材形成部３０の捻転モータ４９、及び、造形ステージ７１のステージ駆動モータ７３を夫々駆動制御する。これらのモータは、造形材の幅、ピッチ、造形原料の配色割合（又は形成される造形材の色）、造形ステージ又は造形物の最上部と吐出口との間に必要な距離、造形ステージ又は造形物上における造形材の吐出位置等に応じて、制御部２００によって適宜駆動制御される。
　制御部２００は周知のコンピュータ装置であり、ＣＰＵやメモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ）等を有して構成されている。ＣＰＵがＲＯＭ内に記憶された制御プログラムを読み出し、ＲＡＭに展開して実行することにより、画像形成装置の各部の動作が制御される。

＜寸法の一例＞
　造形原料の寸法、及び三次元造形装置１を構成する各部の寸法は、例えば以下のように設定することができる。
　造形原料１００の外径：φ３ｍｍ
　原料搬送路１３の内径：φ３ｍｍ
　ゲート４３の内径：φ０．２ｍｍ
　捻転搬送路４１、及び吐出口６１の内径：φ０．５ｍｍ
　駆動軸４６の外径：φ０．５ｍｍ
　ゲート４３の中心と駆動軸４６の先端４６ａとの距離：０．２ｍｍ
　ゲート４３の中心とヘッド面６３との距離：０．３ｍｍ
　ヘッド面６３と造形ステージ７１又は造形物最上部との距離：０．２５ｍｍ
　捻転用突起４７の長さ：０．３ｍｍ～０．７ｍｍ（図８では０．５ｍｍ）
　駆動軸４６（捻転用突起４７）の回転数：１０～２００ｒｐｓ（６０ｒｐｓを基準として増速又は減速させる）
　なお、上記数値はあくまでも一例である。

＜三次元造形装置の動作＞
　三次元造形装置の動作について説明する。

［搬送工程］
　搬送工程では、造形原料１００が搬送部１０から造形材形成部３０へと搬送される。搬送部１０の下流側に位置する捻転搬送路４１と吐出口６１の内径がφ０．５ｍｍ、且つ、捻転搬送路４１内における造形材の搬送速度（造形速度）が１０ｍｍ／ｓｅｃの場合は、各原料搬送路１３内における各造形原料１００の搬送速度の和が約０．２８ｍｍ／ｓｅｃとなるように、各造形原料１００が各原料搬送路１３内を搬送される。ここで、各造形原料１００の搬送速度は、造形材１０１における各造形原料１００の配色比に応じた速度にて搬送される。なお、搬送工程において造形原料１００は固体状態である。

［造形材形成工程］
　造形材形成部３０において各造形原料１００は溶融状態で搬送される。即ち、各造形原料１００は加熱溶融部３１にて加熱されて溶融し、溶融した状態の各造形原料がランナー３５内を流動し、ゲート４３を介して捻転搬送路４１に流入する。
　捻転搬送路４１内では捻転用突起４７が回転しているので、捻転用突起４７の回転による流動抵抗によって各色の造形原料１００が周方向に捻られて、各色が螺旋状に配列された造形材が形成される。
　ここで、図１０は、回転数と造形速度と造形材の１ピッチとの関係を示す表である。なお、造形に関わる条件は、上記寸法の一例に示した通りである。上記条件の下で捻転用突起４７を６０ｒｐｓの回転速度で回転させた場合、造形材１０１のピッチＰｘは０．１７ｍｍとなる。捻転用突起４７の回転数を上げることによって造形材１０１のピッチＰｘを小さくすることができるので、更に解像度の高い造形材を得ることができる。
　所望の複合色に形成された造形材１０１は、吐出口６１から造形ステージ７１に向けて吐出される。

［造形工程］
　造形工程では、ステージ駆動モータ７３が造形物の三次元の図面データに基づいて制御部２００によって駆動制御される。造形ステージ７１はステージ駆動モータ７３の駆動により、吐出口６１に対して相対的にＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に夫々進退移動される。造形材１０１は造形ステージ７１又は造形物の最上部に積層され、造形物が形成される。
　以上のように、本実施形態に係る三次元造形装置によれば、造形原料の搬送速度と、造形原料の捻り速度（回転数）と、造形材の造形速度の少なくとも一つを変化させ、或いは組み合わせて造形することができ、種々のピッチや造形幅の造形材を用いた造形物を得ることができる。

〔第三の実施形態～三次元造形装置〕
　本発明の第三の実施形態に係る三次元造形装置について説明する。図１１Ａ～図１１Ｂは、本発明の第三の実施形態に係る三次元造形装置の造形材形成部の要部の概略を示す図であり、図１１Ａは縦断面図であり、図１１Ｂは図１１ＡのＣ－Ｃ断面図である。以下、第一の実施形態と同一の部材には同一の符号を付してその説明を省略する。
　本実施形態に係る三次元造形装置は捻転部４０に、変形した各色の造形原料１００を夫々搬送する複数の流路８５（搬送路）を内部に備えた円柱状の回転部材８３と、回転部材８３の軸方向一端部（図中下端部）に配置されて、各流路８５を搬送された各色の造形原料１００を夫々造形部７０に向けて吐出する複数の吐出口６５と、を備えている。捻転部４０は、回転する吐出口６５から造形原料を捻りながら吐出して造形ステージ７１上で造形材１０１を形成する。

＜捻転部＞
　捻転部４０は、各色の造形原料１００が流出するゲート４３が内側面に開口された円筒状の中空部８１と、中空部８１内に配置された概略円柱状の回転部材８３とを備える。
　ゲート４３は造形原料毎に設けられており、各ゲート４３は、中空部８１の軸方向位置（図中上下方向位置）を異ならせて配置されている。
　回転部材８３は中空部８１の軸と並行な軸を中心として回転するように中空部８１内に配置されている。また、中空部８１の内径と回転部材８３の外径とは略同一の大きさに設定される。夫々のゲート４３と対向する回転部材８３の側面には、周方向に連続する環状凹所８７が形成されている。環状凹所８７はゲート４３の数と同数形成されており、各色の造形原料１００に１対１で対応する。
　回転部材８３内には、一端が環状凹所８７内の適所に開口され溶融した造形原料１００を搬送する独立した複数の流路８５が形成されている。流路の他端は、回転部材８３の先端に設けた吐出口６５と連通する。
　吐出口６５は、図１１Ａに示すようにヘッド面６３よりも造形ステージ７１側に突出させてもよいし、ヘッド面６３と略同一の位置に配置してもよい。

＜三次元造形装置の動作＞
　三次元造形装置の動作について第一の実施形態と異なる点について説明する。

［造形材形成工程］
　回転部材８３は、中空部８１内にて所定の速度にて回転駆動している。
　ランナー３５を流れる溶融した各造形原料１００はゲート４３を介して、ゲート４３と対向する環状凹所８７内に流入する。さらに造形原料１００は環状凹所８７から流動時の圧力によって流路８５内に注入され、各色の造形原料が独立して吐出口６５へと搬送される。
　各色の造形原料１００は、吐出口６５から夫々造形ステージ７１に向けて吐出される。
  造形原料１００が造形ステージ７１、又は造形物の最上部に接触した時点から摩擦抵抗が働き、回転部材８３の回転により捻られながら螺旋状に配列されて造形材１０１となる。

［造形工程］
　また、造形工程では第一の実施形態と同様に、造形ステージ７１が吐出口６５に対して相対的にＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に夫々進退移動される。造形材１０１が造形ステージ７１又は造形物の最上部に順次積層され、造形物が形成される。

＜変形例＞
　図１２は、図１１Ａの変形例を示す造形材形成部の要部の概略を示す縦断面図である。本例においては吐出口６５が中空部８１内に配置されており、吐出口６５がヘッド面６３から退避している点が図１１Ａに示す造形材形成部の捻転部４０と異なっている。本例においては造形ステージ７１、又は造形物の最上部に吐出・形成された造形材１０１をヘッド面６３で押しながら造形物を作成する。造形材１０１の幅は造形材１０１をヘッド面６３にて押圧することにより調整される。即ち、造形材１０１の幅は造形ステージ７１とヘッド面６３との距離によって調整することができる。

＜効果＞
　図８に示した第二の実施形態においては、造形材１０１が捻転搬送路４１を搬送される過程で捻転搬送路４１の内壁と接触するため、部分的に各造形原料１００が混色される可能性がある。一方、本実施形態においては図１１Ａ～図１１Ｂ、及び図１２に示すように、各造形原料１００が吐出口６５から造形ステージ７１に向けて吐出されてから捻られる構成であるため、各色の造形原料１００が分離した状態にて螺旋状に配置され、混色されにくい。

〔第四の実施形態〕
　本発明の第四の実施形態について説明する。本実施形態は、造形物の傾斜面の角度に応じて吐出する造形材の幅（階層厚さ）を増加させる点に特徴がある。
　以下の説明において「階層厚さ」とは、各階層を構成する造形材の厚さ（図１３Ａ～図１３Ｂ、図１４Ａ～図１４ＢにおいてＺ軸方向に沿った方向における長さ）をいう。また「階層幅」とは、隣接する階層を構成する造形材の端縁間のＸ－Ｙ平面に沿った方向における距離をいう。さらに「階層角度」とは、隣接する階層を構成する造形材の端縁間のＸ－Ｙ平面に対する角度（図１３Ａ～図１３Ｂ、図１４Ａ～図１４Ｂの例では仰角に相当）をいう。

＜課題＞
　図１３Ａ～図１３Ｂは、各階層を構成する造形材の厚さを一定とした場合に形成される三次元造形物の一例を示す図であり、図１３Ａは斜視図であり、１３Ｂは図１３ＡのＡ矢視図及びＢ矢視図である。
　本発明の各実施形態に係る三次元造形方法（三次元造形装置）においては、造形材を順次層状に重ね合わせることによって造形物を形成する。従って図１３Ｂに示すように、造形物１０２の傾斜面は造形材１０１によって段差状に形成された擬似的な斜面となり、連続的ではない。図１３Ａ～図１３Ｂには、造形材が階段状に重ねられることにより形成された斜面を有する造形物の一例として、上方に突出した半球状の物体を示している。
　造形材の厚さが一定のまま造形物を作成した場合、階層角度が小さくなればなるほど階層幅が大きくなる。言い換えれば、造形材の厚さを一定とした場合、階層角度が小さくなればなるほどＸ－Ｙ平面に沿った方向における解像度（Ｘ－Ｙ平面に沿った方向における階層間の密度）が低下する。階層幅が小さい場合には大きな問題とはならないが、階層幅が所定の分解能（ここでは０．２９ｍｍとする）を越えると、鮮やかさが失われて見える虞がある。
　そこで、本実施形態においては、各階層を構成する造形材の厚さを調整することにより、階層幅が所定の分解能を越えないように制御する。具体的には、第一の階層（ｎ層）を構成する第一造形材と、第一造形材に積層されて第二の階層（ｎ＋１層）を構成する第二造形材と、によって形成される傾斜面の角度に応じて第二造形材の厚さを制御する。

＜手段＞
　図１４Ａ～図１４Ｂは、各階層を構成する造形材の厚さを変化させた場合に形成される三次元造形物について説明する図であり、図１４Ａは図１３ＡのＡ矢視図及びＢ矢視図に相当する図であり、図１４Ｂは階層角度と造形材の厚さとの関係を示す表である。
　本実施形態においては、ｎ層（第一階層）に対してｎ＋１層（第二階層）を基準となる階層厚さにて積層した場合にｎ層とｎ＋１層とによって形成される階層角度θを維持したまま、ｎ＋１層部分を複数の階層に分割して造形材を積層する。これにより、階層幅が所定の分解能を越えないようにすることができる。

　階層厚さの算出方法等について説明する。
　まず、ｎ層（第一階層）の直上に積層されるｎ＋１層（第二階層）に関して、基準となる階層厚さｄｘ（ここでは０．２９ｍｍ）にて造形した場合の造形物の階層角度θを造形物のＣＡＤデータ等から求める。
　求めた階層角度θが、基準となる階層厚さにて造形した場合に所定の分解能（０．２９ｍｍ）を越える階層幅ΔＬを形成する場合は、階層角度θを維持したままで、所定の分解能を越えない階層幅を形成可能となる階層の厚さｄｘ′を決定する。
　即ち、「ｄｘ／ｔａｎθ＝階層幅ΔＬ＞０．２９ｍｍ」となる場合は、「階層厚さｄｘ′≦０．２９×ｔａｎθ」を満たすように、ｄｘ′を決定する。

　続いて、ｎ＋１層の分割数を求める。ここでは決定した階層厚さｄｘ′にて作成する階層数ｍと、階層厚さｄｘ′とは異なる階層厚さにて作成する階層の有無及びその階層厚さｄｘ″を以下の式（１４）により求める。

　但し、ｍは１以上の整数、０＜ｄｘ″＜ｄｘ′である。
　最後に、求められた条件を満たすように造形する。階層厚さｄｘ′にてｍ階層造形し、ｄｘ″が存在する場合はさらに階層厚さｄｘ″にて１階層造形する。即ち、ｄｘ″が存在しない場合はｎ＋１層をｍ層に分割して造形し、ｄｘ″が存在する場合はｎ＋１層をｍ＋１層に分割して造形する。

　具体例を挙げると、階層角度θが３０度で、基準となる階層厚さが０．２９ｍｍである場合は、図１４Ｂの表に示すように階層厚さｄｘ′を０．１７ｍｍ以下に設定する。式（１４）より、「０．２９ｍｍ＝１×０．１７ｍｍ＋０．１２ｍｍ」であるので、厚さｄｘ′＝０．１７ｍｍの階層を１層造形し、厚さｄｘ″＝０．１２ｍｍの階層を１層造形すればよい。
　また、階層角度θが２０度で、基準となる階層厚さが０．２９ｍｍである場合は、図１４Ｂの表に示すように階層厚さｄｘ′を０．１１ｍｍ以下に設定する。式（１４）より、「０．２９ｍｍ＝２×０．１１ｍｍ＋０．０５ｍｍ」であるので、厚さｄｘ′＝０．１１ｍｍの階層を２層造形し、厚さｄｘ″＝０．１２ｍｍの階層を１層造形すればよい。

　このように、階層角度θを維持したまま、基準となる階層厚さ部分を複数の階層に分割して造形材を積層することにより、階層幅が所定の分解能を越えないようにすることができる。
　ここで階層厚さは、図８、図１１Ａ～図１１Ｂ、図１２を見ればわかるように、吐出口から吐出される造形材の造形材幅、ヘッド面と造形ステージとの距離（又はヘッド面と造形物最上部との距離）の少なくとも何れかによって決定される。制御部はこれらの何れかを制御して所望の階層厚さとなるようにする。
　造形材幅を小さくする方法としては、大きく分けて造形速度を上げる方法と、造形原料の搬送速度を小さくする方法とがある。ただし、造形材内のピッチが大きくなると、解像度が低下する（分解能が大きくなる）ので、ピッチを変化させずに造形材幅を変化させる必要がある。なお、この制御を行う際には、造形材幅（階層厚さ）に合わせて吐出口と造形ステージとの距離が短くなるように調整する必要がある。

＜＜制御例、及び制御部の構成～１＞＞
　ピッチを変化させずに造形材幅を小さくする方法として、造形速度を上げて造形する処理について説明する。図１５Ａ～図１５Ｃは、造形処理について説明するための模式図である。図１５Ａに示す状態が基準状態である。
　造形流量Ｑｘは式（１）に示した通り「造形材の断面積×造形速度ｖｘ」で与えられる。造形材の断面を矩形状と考える場合、図１５Ｂに示すように造形速度ｖｘ（造形ステージのＸＹ平面上における移動速度）をα倍にすると造形材幅を１／αにすることができる。しかし、このままでは式（２）よりピッチＰｘがα倍となって解像度が低下するので、ピッチＰｘを維持したまま造形するには、図１５Ｃに示すように回転数ｆｘ（回転部材の回転数）をα倍に設定する必要がある。
　具体例を挙げて説明する。なお、以下では造形材の断面が矩形状であるものとして説明する。造形物の基準となる階層厚さが０．２５ｍｍで、ｎ層に対してｎ＋１層を基準となる階層厚さで造形した場合の階層角度θが２０度であるとする。この場合は、ｎ＋１層の階層厚さを０．１１ｍｍ以下に設定する必要がある。
　ｎ＋１層に関して、基準となる階層厚さと調整後の階層厚さとの比は「０．２５ｍｍ／０．１１ｍｍ＝２．３」であるので、造形速度も２．３倍にする必要がある。仮に、基準となる造形速度が１０ｍｍ／ｓｅｃの場合、造形速度は２３ｍｍ／ｓｅｃとなる。図１０に示すように、ピッチが分解能（０．２９ｍｍ）を満たす回転数は、回転数８０ｒｐｓ以上である。

　図１６は、第四の実施形態に係る処理を実行する制御部の構成を示した機能ブロック図である。図１６には、特に造形速度を上げることによりピッチを変化させずに造形材幅を小さくする制御を実行する制御部の構成を示している。
　制御部２００は、概略、三次元の図面データが入力される図面データ入力部２０１と、図面データ入力部２０１から入力された図面データに基づいて造形条件を算出する造形条件算出部２１０と、造形条件算出部２１０が算出した造形条件に基づいて三次元造形装置の各部を駆動制御する駆動制御部２２０と、を備える。

　造形条件算出部２１０は、データベース２１１、角度算出部２１２、階層厚さ算出部２１３、造形速度算出部２１４、及び回転数算出部２１５、を備える。
　データベース２１１には、階層幅が所定の分解能以下となる階層角度と階層厚さとの関係（図１４Ｂに示すデータ）がテーブルとして記憶されている。また、回転数と造形速度と造形材の１ピッチとの関係（図１０に示すデータ）がテーブルとして記憶されている。
　角度算出部２１２は、図面データ入力部２０１から入力された図面データに基づいて、基準となる階層厚さにて造形した場合の階層角度θを算出する。
　階層厚さ算出部２１３は、データベース２１１に記憶されたデータから、角度算出部２１２が算出した階層角度にて造形した場合に、階層幅が所定の分解能を満たす階層厚さを読み出す。
　造形速度算出部２１４は、基準となる階層厚さと調整後の階層厚さとの比から、造形速度を算出する。
　回転数算出部２１５は、造形速度算出部２１４が算出した造形速度、及びデータベース２１１に記憶されたデータから、１ピッチが所定の分解能を満たす回転数を読み出す。

　駆動制御部２２０は、Ｚ軸方向に造形ステージ７１を移動させるＺ方向モータを駆動するステージ駆動モータ制御部２２１ｚ、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に夫々造形ステージ７１を移動させるＸ方向モータとＹ方向モータを駆動するステージ駆動モータ制御部２２１ｘｙ、捻転モータ４９を駆動制御する捻転モータ制御部２２２、及び搬送モータ１７を駆動制御する搬送モータ制御部２２３を備える。
　ステージ駆動モータ制御部２２１ｚは、造形ステージ７１と吐出口との距離が、階層厚さ算出部２１３が算出した階層厚さとなるようにＺ方向モータを駆動制御する。ステージ駆動モータ制御部２２１ｘｙは、造形速度算出部２１４が算出した造形速度にて造形ステージ７１が移動するようにＸ方向モータとＹ方向モータを駆動制御する。捻転モータ制御部２２２は、回転数算出部２１５が算出した回転数にて回転部材が回転するように捻転モータ４９を駆動制御する。搬送モータ制御部２２３は、搬送速度算出部２１６が算出した搬送速度にて造形原料を搬送するように、搬送モータ１７を駆動制御する。

　図１７は、本制御のメインのフローチャートである。図１８は、本制御に関わるサブルーチンのフローチャートである。
　ステップＳ１においては、図面データ入力部２０１から造形条件算出部２１０の角度算出部２１２に図面データが入力される。
　ステップＳ３において角度算出部２１２は、入力された図面データに基づいて、ｎ＋１層を基準となる階層厚さｄｘにて造形した場合にｎ層との間に形成される階層角度θを算出する。
　ステップＳ５において階層厚さ算出部２１３は、算出された階層角度θが所定の角度以上であるか否かを判定する。即ち、算出された階層角度θが、基準となる階層厚さにて造形した場合に所定の分解能以下となる階層幅を形成するものであるか否かを判定する。例えば図１４Ｂの表でいえば、算出された階層角度θが４５度以上であるか否かを判定する。
　算出された階層角度θが、所定の角度以上である場合（ステップＳ５にてＹｅｓ）は、ステップＳ７の処理を行う。

　ステップＳ７において、駆動制御部２２０は、ｎ＋１層を階層厚さｄｘにて造形するように三次元造形装置の各部を制御する。即ち、ステージ駆動モータ制御部２２１ｚはＺ方向モータを、ステージ駆動モータ制御部２２１ｘｙはＸ方向モータとＹ方向モータを、捻転モータ制御部２２２は捻転モータ４９を、搬送モータ制御部２２３は搬送モータ１７を駆動制御する。ｎ＋１層を造形した後は処理を終了する。
　算出された階層角度θが、所定の角度未満である場合（ステップＳ５にてＮｏ）は、ステップＳ９の処理を行う。

　ステップＳ９において階層厚さ算出部２１３は、階層角度θにて造形した場合に、所定の分解能を満たす階層幅を形成可能な階層厚さｄｘ′を算出する。例えば所定の分解能が０．２９ｍｍである場合、「階層厚さｄｘ′≦０．２９×ｔａｎθ」を満たすようにｄｘ′を決定する。なお、データベース２１１に、階層幅が所定の分解能以下となる階層角度と階層厚さとの関係（図１４Ｂに示すデータ）をテーブルとして記憶しておき、角度算出部２１２はこのテーブルを参照して、階層厚さを決定してもよい。
　ステップＳ１１において階層厚さ算出部２１３は、ｎ＋１層の分割数を求める。即ち、階層厚さ算出部２１３は式（１４）から、階層厚さｄｘ′にて造形する階層数ｍと「０＜ｄｘ″＜ｄｘ′」を満たす階層厚さｄｘ″にて造形する階層数の有無を算出する。
　ステップＳ２０においては、サブルーチン「造形条件算出・造形処理」が実行される。

　ステップＳ２０の「造形条件算出・造形処理」について、図１８に基づいて説明する。
　ステップＳ２１において造形速度算出部２１４は、階層厚さｄｘ′、ｄｘ″にて造形可能な造形速度ｖｘ′、ｖｘ″を夫々求める。即ち、基準となる階層厚さｄｘ、造形速度ｖｘ、とした場合に造形速度は「ｖｘ′＝ｖｘ・（ｄｘ／ｄｘ′）」にて求められる。なお、ｖｘ″も同様である。
　ステップＳ２３において回転数算出部２１５は、造形速度ｖｘ′、ｖｘ″にて造形した場合に、ピッチＰｘを維持しうる回転数ｆｘ′、ｆｘ″を求める。回転数は「ｆｘ′＝ｆｘ・（ｄｘ／ｄｘ′）」にて求められる。なお、ｆｘ″も同様である。
　ステップＳ２５において駆動制御部２２０は、求めた造形条件に従ってｎ＋１層を複数層に分割して造形するように、三次元造形装置の各部を制御する。即ち、ステージ駆動モータ制御部２２１ｚはＺ方向モータを、ステージ駆動モータ制御部２２１ｘｙはＸ方向モータとＹ方向モータを、捻転モータ制御部２２２は捻転モータ４９を、搬送モータ制御部２２３は搬送モータ１７を駆動制御する。ｎ＋１層に相当する厚さを造形した後は処理を終了する。

＜＜制御例、及び制御部の構成～２＞＞
　ピッチを変化させずに造形材幅を小さくする方法として、造形原料の搬送速度を小さくする方法について説明する。造形流量Ｑｘは各造形原料の搬送流量Ｑａ、Ｑｂ…の総和であり、各搬送流量は式（１）に示した通り「造形原料の断面積×搬送速度ｖ」で与えられる（なお、造形原料に関するパラメータを示す下付添字の記載は省略している）。全ての造形原料の搬送速度を１／αにすると総搬送流量が１／αとなるので、造形流量Ｑｘも１／αとなる。造形速度ｖｘを維持した場合、造形材の断面が矩形とすれば、造形材幅は１／αとなる。なお、この制御例では造形速度ｖｘも回転数ｆｘも変化させないため、ピッチＰｘは変化しない。
　具体例を挙げて説明する。なお、以下では造形材の断面が矩形状であるものとして説明する。造形物の基準となる階層厚さが０．２５ｍｍで、ｎ層に対してｎ＋１層を基準となる階層厚さで造形した場合の階層角度θが２０度であるとする。この場合は、ｎ＋１層の階層厚さを０．１１ｍｍ以下に設定する必要がある。
　ｎ＋１層に関して、基準となる階層厚さと調整後の階層厚さとの比は「０．２５ｍｍ／０．１１ｍｍ＝２．３」であるので、この制御例では、全ての造形原料の搬送速度を「１／２．３」倍にすればよい。

　図１９は、第四の実施形態に係る処理を実行する制御部の変形構成を示した機能ブロック図である。図１９には、特に搬送速度を上げることによりピッチを変化させずに造形材幅を小さくする制御を実行する制御部の構成を示している。なお、図１６と同一の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。
　造形条件算出部２１０は、基準となる階層厚さと調整後の階層厚さとの比から、造形材の搬送速度を算出する搬送速度算出部２１６を備えている。

　本制御を図１７と図２０のフローチャートに基づいて説明する。図２０は、本制御に関わるサブルーチンのフローチャートである。図１７に示したステップＳ１～ステップＳ１１は、造形速度を上げて造形する場合と同様であるため、説明を省略する。
　ステップＳ２０のサブルーチン「造形条件算出・造形処理」を図２０に基づいて説明する。
　ステップＳ２７において搬送速度算出部２１６は、階層厚さｄｘ′、ｄｘ″にて造形可能となる造形原料の搬送速度ｖ′、ｖ″を夫々求める（なお、造形原料に関するパラメータを示す下付添字の記載は省略している）。搬送速度は造形原料毎に求められる。基準となる階層厚さｄｘ、搬送速度ｖ、とした場合に搬送速度は「ｖ′＝ｖ・（ｄｘ′／ｄｘ）」にて求められる。なお、ｖｘ″も同様である。
　ステップＳ２９において駆動制御部２２０は、求めた造形条件に従ってｎ＋１層を複数層に分割して造形するように、三次元造形装置の各部を制御する。即ち、ステージ駆動モータ制御部２２１ｚはＺ方向モータを、ステージ駆動モータ制御部２２１ｘｙはＸ方向モータとＹ方向モータを、捻転モータ制御部２２２は捻転モータ４９を、搬送モータ制御部２２３は搬送モータ１７を駆動制御する。ｎ＋１層に相当する厚さを造形した後は処理を終了する。

＜効果＞
　以上のように、本実施形態によれば、造形物の傾斜面の角度に応じて吐出する造形材の幅（階層厚さ）を増加させるので、階層幅が所定の分解能を越えない。

〔第五の実施形態〕
　本発明の第五の実施形態について説明する。本実施形態は、図８に示した第二の実施形態に係る三次元造形装置に適用される回転部材の変形例に係る実施形態である。図２１は、回転部材の側面図及び底面図である。また、図には回転部材の寸法の一例を示している。
　図２１の（ａ）に示す回転部材４５Ａは、円柱状の駆動軸４６の先端４６ａから造形ステージ側に向けて突出した円柱状の捻転用突起４７Ａを有する。捻転用突起４７Ａの直径は駆動軸の回転中心に沿った方向に一定である。また、捻転用突起４７Ａは回転中心から偏心した位置に形成されている。
　図２１の（ｂ）に示す回転部材４５Ｂは、図２１の（ａ）に示した円柱状の捻転用突起４７Ｂを２つ有する。何れの捻転用突起４７Ｂも、回転中心から偏心した位置に形成されている。複数の捻転用突起４７Ｂを備えることで、造形原料がより混練される。

　図２１の（ｃ）に示す回転部材４５Ｃは、円柱状の駆動軸４６の先端４６ａから造形ステージ側に向けて先細りとなる２つの円柱状の捻転用突起４７Ｃ、４７Ｃを有する。捻転用突起４７Ｃは、駆動軸４６側の直径が大きく、造形ステージ側の直径が小さいテーパー形状である。何れの捻転用突起４７Ｃ、４７Ｃも、回転中心から偏心した位置に形成されている。捻転用突起４７Ｃを先細りのテーパー形状とすることで捻転用突起４７Ｃの強度を高めることができ、捻転時に加わる造形原料の流動抵抗による破損を防止できる。
　図２１の（ｄ）に示す回転部材４５Ｄは、Ｚ軸と直交する方向における断面形状が扇形の捻転用突起４７Ｄを有する。捻転用突起４７Ｄは、円周方向（回転方向）に沿って伸びる２つの側面として外周側側面４７ｂと内周側側面４７ｃとを有する。捻転用突起４７Ｄが駆動軸４６の回転方向に沿って所定の厚み（周方向長）を有することで、捻転用突起４７Ｄの強度を高めることができ、捻転時に加わる造形原料の流動抵抗による破損を防止できる。
　以上、回転部材の変形例を説明したが、造形原料の配色効率を高めるには、捻転用突起は駆動軸の外周側に配置した方がよい。造形物においては、造形材の外側が目視されることから、造形材の内部よりも外周側の配色効率を高めるほうがよいからである。

〔第六の実施形態〕
　本発明の第六の実施形態について説明する。本実施形態は、図８、及び図９に示した第二の実施形態に係る三次元造形装置に適用される回転部材の変形例に係る実施形態である。図２２は、図８に示す捻転部のＤ－Ｄ断面に相当する図である。
　各ランナー３５及び各ゲート４３は、捻転搬送路４１内における造形材１０１の捻転方向に沿う方向に各造形原料１００を捻転搬送路４１内に流入させるように配置されている。各ランナー３５は、捻転搬送路４１の中心からずれた位置に向けて造形原料１００を搬送するため、ランナー３５の中心線は捻転搬送路４１の中心軸からずらした位置に配置されている。
　図示の例において造形原料１００は、その慣性力にて反時計方向に回りながら捻転搬送路４１内に充填される。従って、回転部材４５の捻転用突起４７の回転がなくても、造形原料１００は自立的に渦巻きながら配色されていく。本実施形態においては捻転用突起４７も反時計回りに回転しているので、更に配色され易くなる。

〔実施態様例とその効果〕
　本発明の各実施形態は、以下の態様にて実施することができる。

＜第一の実施態様＞
　本実施態様に係る三次元造形方法は、造形原料１００を変形（加熱溶融）させて所定の立体形状に堆積させる三次元造形方法であって、搬送手段（搬送部１０）が、複数の造形原料（色の異なる複数の造形原料１００）を夫々変形手段（加熱溶融部３１）に向けて搬送する搬送工程と、変形手段が、各造形原料を変形させる変形工程と、造形材形成手段（造形材形成部３０）が、変形した各造形原料を捻りながら螺旋状に配列して造形材１０１を形成する造形材形成工程と、造形手段（造形部７０）が、造形材を順次堆積させて三次元造形物１０２を形成する造形工程と、を含むことを特徴とする。
　本実施態様によれば、複数の造形原料を捻りながら螺旋状に配列して造形材を形成し、この造形材を用いて造形物を形成する。複数の造形原料として色の異なる造形原料を用いれば、任意の色の造形材により造形物を形成できる。

＜第二の実施態様＞
　本実施態様に係る三次元造形方法は、搬送工程における造形原料の搬送速度と、造形材形成工程における造形原料の捻り速度と、造形工程における造形速度と、の少なくとも一つを制御しながら三次元造形物を形成することを特徴とする。
　本実施態様においては、搬送速度と捻り速度と造形速度を適宜調整することにより、造形材内における造形原料の配置間隔や配置割合、造形材の厚さを任意に調整する。このような制御を実行することにより、所望の色及び解像度の造形材を作成することができるので、色表現力が高く解像度の高い三次元造形物を得ることが出来る。

＜第三の実施態様＞
　本実施態様に係る三次元造形方法は、第一の階層を構成する第一造形材と、第一造形材に積層されて第二の階層を構成する第二造形材と、によって形成される造形材の傾斜面の角度に応じて第二造形材の厚さを制御することを特徴とする。
　本実施態様においては、形成される造形物の傾斜面の角度に応じて、第二造形材の厚さを制御することで、造形幅を調整することができる。ここで、造形幅とは第一の階層を構成する第一造形材の端部と、第二の階層を構成する第二造形材の端部との水平方向における間隔である。造形幅が小さくなるように制御すれば、各造形材の積層方向においても三次元造形物の解像度を高めることができる。

＜第四の実施態様＞
　本実施態様は、第一の実施態様に係る三次元造形方法を実施する三次元造形装置に関するものである。即ち、本実施態様は、造形原料１００を変形（加熱溶融）させて所定の立体形状に堆積させることにより三次元造形物を形成する三次元造形装置１であって、複数の造形原料（色の異なる複数の造形原料１００）を夫々変形手段（加熱溶融部３１）に向けて搬送する複数の搬送手段（搬送部１０）と、各搬送手段により搬送された各造形原料を夫々変形させる変形手段（加熱溶融部３１）と、変形した各造形原料を捻りながら螺旋状に配列して造形材１０１を形成する造形材形成手段（造形材形成部３０）と、造形材を順次堆積させて三次元造形物１０２を形成する造形手段（造形部７０）と、を備えたことを特徴とする。
　本実施態様によれば、第一の実施態様と同様に、複数の造形原料を捻りながら螺旋状に配列して造形材を形成し、この造形材を用いて造形物を形成する。複数の造形原料として色の異なる造形原料を用いれば、任意の色の造形材により造形物を形成できる。

＜第五の実施態様＞
　本実施態様に係る三次元造形装置において造形材形成手段（造形材形成部３０）は、変形した各造形原料１００を捻りながら螺旋状に配列しつつ搬送する捻転搬送路４１と、捻転搬送路の上流側に配置されて捻転搬送路の搬送方向と並行な軸を回転軸として回転する回転部材４５と、を備えていることを特徴とする。
　三次元造形装置は回転部材の回転により、造形原料を捻りながら螺旋状に配列する。本実施態様によれば簡易な構成で造形原料を捻り、色鮮やかな三次元造形物を得ることができる。

＜第六の実施態様＞
　本実施態様に係る三次元造形装置において回転部材４５は、回転駆動される駆動軸４６と、駆動軸の先端から捻転搬送路４１の下流側に向けて突出形成されると共に駆動軸の回転中心に対して偏心配置された捻転用突起４７を備えていることを特徴とする。
　回転部材に捻転用突起を設けたので、より効率的に造形原料を捻ることができる。

＜第七の実施態様＞
　本実施態様に係る三次元造形装置において造形材形成手段（造形材形成部３０）は、変形した各の造形原料を夫々搬送する複数の変形原料搬送路（ランナー３５）と、各造形原料を各変形原料搬送路から捻転搬送路４１内に夫々流入させる複数のゲート４３と、を備え、駆動軸４６の先端４６ａは、各ゲートよりも捻転搬送路の上流側に配置されており、且つ、捻転用突起４７の先端４７ａは、捻転搬送路内における各ゲートの下流端と略同等の位置から造形手段（造形部７０）に接触する程度の位置までの間に配置されていることを特徴とする。
　造形手段に吐出される造形材の流動性（流動分布）を均一にすることができ、コントラストが高い三次元造形物を得ることができる。

＜第八の実施態様＞
　本実施態様に係る三次元造形装置において各ゲート４３は、捻転搬送路４１内における造形材１０１の捻転方向に沿う方向に各造形原料１００を捻転搬送路４１内に流入させるように配置されていることを特徴とする。
　造形原料の慣性力にて自然に捻れた配列の造形材を得ることができる。

＜第九の実施態様＞
　本実施態様に係る三次元造形装置において造形材形成手段（造形材形成部３０）は、変形した各造形原料１００を夫々搬送する複数の搬送路（流路８５）を内部に備えた円柱状の回転部材８３と、回転部材の軸方向一端に配置されて、各搬送路を搬送された各造形原料を夫々造形手段（造形部７０）に向けて吐出する複数の吐出口６５と、を備えたことを特徴とする。
　本実施態様によれば、各造形原料が吐出口から造形手段に向けて吐出されてから捻られる構成であるため、各造形原料が分離した状態にて螺旋状に配置され、混色されにくい。

＜第十の実施態様＞
　本実施態様はフルカラーの造形の他に形状精度や寸法精度の向上にも効果をもたらす。回転部材の回転方向制御による樹脂の配向方向を制御することによる収縮率の平均化（異方性をなくす）を促す方法である。

　例（図２３）にて課題の説明をする。図２３の（ａ）は、回転機構がない通常の造形方法にて、イ）（左から右へ造形）からロ）（直角に上へ造形）へ向かって実線上を造形している様子を（ａ）は斜めから、（ｂ）は上から見た図である。ここで、造形物が室温に冷却されると共に点線方向へと造形物は変形して行き、寸法精度が悪化する。これは、配向方向にて収縮率が異なる（配向平行方向は収縮率が大きく直交方向は小さい）ためである。なお、説明の便利上、配向平行方向の収縮率と直交方向の収縮率の差を収縮率差と定義する。コーナー部分において、その外周部ほど収縮率差の量が大きいため、コーナー部分の角度は鈍角となり形状精度が低下する。

　一方、図２４Ａ～図２４Ｂに本実施態様での造形の様子を示す。図２４Ａは側面から、図２４Ｂは上面からの図である。図２４Ａは配向方向を分り易くするために２種の造形材を螺旋状に配列しながら造形する様子を表す。ここで、造形中の造形材の配向は螺旋の配列方向と同じ方向となる。また、収縮率差も螺旋配列方向と同じになる。なお、螺旋構造であるために、側面からみた手前側と奥側ではその配向は逆方向となる。上面から見た上側と下側も同様に配向は逆方向となる。収縮率差も同様の傾向を示す。非螺旋と比較すると螺旋の場合は、前述より収縮率差は３６０度回転しているので、総合すると１回転分の収縮率差は小さくなる。特に、螺旋角度が４５度のときに１回転分の収縮率差は最小となる。よって、形状変形も最小となる。

　また、造形物は長い経時変化にて螺旋を解く方向に形状変化しようとする。そこで、造形物の下層部（ｎ－１層）と上層部（ｎ層）を逆螺旋方向（＝回転部材の捻転方向を逆）にすることでお互いの形状変化方向を抹殺する効果をもたらし形状が安定化する。
　なお、この実施例は本発明の請求項２の捻り速度に該当する。捻転方向が逆方向になる例である。

＜第十一の実施態様＞
　回転機構がない通常の造形方法の場合、造形物下層部（ｎ－１層）は溶融温度以下の低温であるために、造形中の造形物上層（ｎ層）が造形物下層部（ｎ－１層）に接触した時点で温度が急激に低下し溶融密着しづらい課題があった。この層間の密着力の小ささが造形物の機械強度を低下させる原因である。

　本実施態様ではフルカラーの造形の他に機械強度の向上にも効果をもたらすことが出来る。

　構成と動作を以下に示す。

　１）回転部材の捻転用突起を造形物下層近傍への配置による摺りせん断力にて、局所的な温度上昇と圧力発生および混練にて、界面の密着力を強化させることで機械的強度を向上させる方法および装置である。

　２）回転部材の捻転用突起を造形物下層に接触させて削りとることで表面を粗らし界面の密着力を強化させることで機械的強度を向上させる方法および装置である。

　１）について図２５を用いて説明する。
　本実施態様は回転機構があるので、回転部材の回転にて造形材のせん断発熱が発生する。よって、造形材の温度が局所的に上昇し造形物下層部と密着力が増す。

　回転部材の捻転用突起が造形物下層部（ｎ－１層）まで出ているので、圧力や摺りせん断力が造形物下層部（ｎ－１層）へ伝わり易いために、造形物下層部（ｎ－１層）の一部が溶融し造形物上層部（ｎ層）との混練が行なわれ更に密着力が増す。以上から、密着力が向上し機械強度が向上する。

　２）について図２６を用いて説明する。
　本実施態様は回転部材の捻転用突起が造形物下層部（ｎ－１層）以上に出ている構造である。そのために、捻転用突起の熱が造形物下層部に直接伝わり易く溶融し易くなる。
　更に回転部材の回転にて造形物下層部にせん断発熱が発生し、溶融し易くなる。
　上記溶融状態で造形材が連続して供給されているので圧力が伝わり易く、また、瞬時に接することが出来て密着力が向上する。また、界面に空気が存在しても回転機構のため空気を分散化させることが出来密着力が更に向上する。以上から、密着力が向上し機械強度が向上する。

　１…三次元造形装置、１０…搬送部、１１…搬送機構、１３…原料搬送路、１５…搬送ギヤ、１７…搬送モータ、２０…断熱部材、２１…通路、３０…造形材形成部、３１…加熱溶融部、３３…ヒータ、３５…ランナー、４０…捻転部、４１…捻転搬送路、４３…ゲート、４５…回転部材、４６…駆動軸、４６ａ…先端、４７…捻転用突起、４７ａ…先端、４９…捻転モータ、６０…ヘッド部、６１…吐出口、６３…ヘッド面、６５…吐出口、７０…造形部、７１…造形ステージ、７３…ステージ駆動モータ、８１…中空部、８３…回転部材、８５…流路、８７…環状凹所、１００…造形原料、１０１…造形材、１０２…造形物、２００…制御部、２１０…造形条件算出部、２１１…データベース、２１２…角度算出部、２１３…階層厚さ算出部、２１４…造形速度算出部、２１５…回転数算出部、２１６…搬送速度算出部、２２０…駆動制御部、２２１ｘｙ…ステージ駆動モータ制御部、２２１ｚ…ステージ駆動モータ制御部、２２２…捻転モータ制御部、２２３…搬送モータ制御部

特開２０１３－８６２８９号公報

Claims (9)

1. 　造形原料を変形させて所定の立体形状に堆積させる三次元造形方法であって、
   　搬送手段が、複数の前記造形原料を夫々変形手段に向けて搬送する搬送工程と、
   　前記変形手段が、前記各造形原料を変形させる変形工程と、
   　造形材形成手段が、変形した前記各造形原料を捻りながら螺旋状に配列して造形材を形成する造形材形成工程と、
   　造形手段が、前記造形材を順次堆積させて三次元造形物を形成する造形工程と、を含むことを特徴とする三次元造形方法。
2. 　前記搬送工程における造形原料の搬送速度と、前記造形材形成工程における造形原料の捻り速度と、前記造形工程における造形速度と、の少なくとも一つを制御しながら前記三次元造形物を形成することを特徴とする請求項１に記載の三次元造形方法。
3. 　第一の階層を構成する第一造形材と、第一造形材に積層されて第二の階層を構成する第二造形材と、によって形成される前記造形材の傾斜面の角度に応じて前記第二造形材の厚さを制御することを特徴とする請求項１に記載の三次元造形方法。
4. 　造形原料を変形させて所定の立体形状に堆積させることにより三次元造形物を形成する三次元造形装置であって、
   　複数の前記造形原料を夫々変形手段に向けて搬送する複数の搬送手段と、
   　前記各搬送手段により搬送された前記各造形原料を夫々変形させる前記変形手段と、
   　変形した前記各造形原料を捻りながら螺旋状に配列して造形材を形成する造形材形成手段と、
   　前記造形材を順次堆積させて三次元造形物を形成する造形手段と、を備えたことを特徴とする三次元造形装置。
5. 　前記造形材形成手段は、変形した前記各造形原料を捻りながら螺旋状に配列しつつ搬送する捻転搬送路と、前記捻転搬送路の上流側に配置されて前記捻転搬送路の搬送方向と並行な軸を回転軸として回転する回転部材と、を備えていることを特徴とする請求項４に記載の三次元造形装置。
6. 　前記回転部材は、回転駆動される駆動軸と、前記駆動軸の先端から前記捻転搬送路の下流側に向けて突出形成されると共に前記駆動軸の回転中心に対して偏心配置された捻転用突起と、を備えていることを特徴とする請求項５に記載の三次元造形装置。
7. 　前記造形材形成手段は、変形した各造形原料を夫々搬送する複数の変形原料搬送路と、前記各造形原料を前記各変形原料搬送路から前記捻転搬送路内に夫々流入させる複数のゲートと、を備え、前記駆動軸の先端は、前記各ゲートよりも前記捻転搬送路の上流側に配置されており、且つ、前記捻転用突起の先端は、前記捻転搬送路内における前記各ゲートの下流端と略同等の位置から前記造形手段に接触する程度の位置までの間に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の三次元造形装置。
8. 　前記各ゲートは、前記捻転搬送路内における造形材の捻転方向に沿う方向に前記各造形原料を前記捻転搬送路内に流入させるように配置されていることを特徴とする請求項５に記載の三次元造形装置。
9. 　前記造形材形成手段は、変形した前記各造形原料を夫々搬送する複数の搬送路を内部に備えた円柱状の回転部材と、前記回転部材の軸方向一端に配置されて、前記各搬送路を搬送された前記各造形原料を夫々前記造形手段に向けて吐出する複数の吐出口と、を備えたことを特徴とする請求項４に記載の三次元造形装置。

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