生产三维形状物体的方法和三维成形装置

摘要

一种三维成形装置包括喷射部分、基台、移动部分和控制器。喷射部分配置成喷射熔融的热塑性树脂。移动部分配置成改变喷射部分和基台的相对位置。控制器配置成控制所述移动部分和喷射部分，使得通过在相对于基台相对移动所述喷射部分的同时从喷射部分喷射熔融的热塑性树脂而形成壁以提供在水平方向上由所述壁围绕并且在向上方向上敞开的空间，并且使得通过将熔融的热塑性树脂从上方注入所述空间中而形成填充部分。本发明还涉及一种通过从喷射部分喷射并且在基台上沉积熔融的热塑性树脂来生产三维形状物体的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过熔融树脂和通过喷射口喷射且沉积熔融的树脂来生产三维形状物体的方法以及一种用于所述方法的三维成形装置。更具体地，本发明涉及一种在保持经由熔融沉积造型法形成的三维形状物体的形状的高精度的同时改善机械强度的技术。

背景技术

近年来，已经在积极开发所谓的3D打印机，并且已经尝试了各种方法。例如，已知诸如熔融沉积造型法、使用光固化性树脂的光固化造型法以及选择性激光烧结法这样的方法。

熔融沉积造型法是一种例如通过喷嘴喷射经过加热的热塑性树脂并且沉积热塑性树脂来形成三维物体的方法。该方法的原理简单，并且因此具有的优点是该方法能够以相对较低的成本由小型装置执行。

例如，日本专利特开2010-521339号公报(PCT申请的译文)公开了一种通过熔融改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物材料(改性ABS材料)、由挤出头挤出改性ABS材料并且逐层沉积改性的ABS材料来形成三维形状物体的方法。

另外，日本专利特开2015-189024号公报关于使用树脂材料的熔融沉积造型法公开了一种在形成一个或多个单位层之后并且在开始形成下一个单位层之前研磨一个或多个单位层的表面并且执行放电处理的方法。

在日本专利特开2010-521339号公报(PCT申请的译文)的熔融沉积造型法中，熔融树脂作为具有与挤出头的开口相符的截面形状的柱状高粘度流体被挤出，并且通过相对于基台相对地扫描被挤出的熔融树脂而形成图案。当被挤出的熔融树脂与已经固化的下层的树脂相接触时，其温度下降并且其粘度进一步增加。所以，存在图案的上表面没有变平坦并且具有与柱状流体的截面形状相对应的形状的情况。在此情况下，当沉积下一层时，下一层被沉积在不平坦的基底层上，并且因此在基底层和下一层之间出现间隙的可能性较高。在存在层间间隙的情况下，存在三维形状物体的机械强度变得不足的风险。

在日本专利特开2015-189024号公报的熔融沉积造型法中，在沉积下层、研磨和平坦化表面并且执行放电处理之后再形成下一层。通过执行表面研磨和放电，可以减小下层的表面的不平整性。然而，每一层的厚度都要通过研磨减小，并且因此三维成形所需的时间和树脂材料的消耗量增加。另外，在不考虑通过研磨去除的树脂的厚度的情况下，三维形状物体的形状在高度方向上的精度减小。另外，在执行研磨和放电的同时该层的温度下降，并且因此存在该层和下一层之间的粘附性减小以及三维形状物体的强度减小的风险。此外，由于提供了用于研磨和放电的机构，因此存在例如成形装置变大的问题。

发明内容

根据本发明的第一方面，一种通过从喷射部分喷射熔融的热塑性树脂并且在基台上沉积熔融的热塑性树脂来生产三维形状物体的方法包括：通过在相对于所述基台相对移动所述喷射部分的同时喷射熔融的热塑性树脂而形成壁以提供在水平方向上由所述壁围绕并且在向上方向上敞开的空间的壁形成步骤，以及从所述空间上方喷射熔融的热塑性树脂以将熔融的热塑性树脂注入所述空间中的注入步骤。

根据本发明的第二方面，一种三维成形装置包括：配置成喷射熔融的热塑性树脂的喷射部分，基台，配置成改变所述喷射部分和所述基台的相对位置的移动部分，以及控制器，所述控制器配置成控制所述移动部分和喷射部分，使得通过在相对于所述基台相对移动所述喷射部分的同时从所述喷射部分喷射熔融的热塑性树脂而形成壁以提供在水平方向上由所述壁围绕并且在向上方向上敞开的空间，并且使得通过将熔融的热塑性树脂从上方注入所述空间中而形成填充部分。

参照附图，根据以下对示例性实施例的描述，本发明的更多特征将变得显而易见。并入说明书且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的示例性实施例、特征和各方面，并且与说明内容一起用于解释本发明的原理。

附图说明

图1是第一示例性实施例的三维成形装置的透视图。

图2示出了实施例的树脂进给机构。

图3示出了实施例的控制模块。

图4是示出三维成形过程的流程图。

图5A是三维模型的示出其形状的透视图。

图5B是实施例的框架部分模型的正视图。

图5C是实施例的框架部分模型的平面图。

图6A是实施例的填充部分模型的正视图。

图6B是实施例的填充部分模型的平面图。

图7A是实施例的喷嘴的正视图。

图7B是实施例的喷嘴的仰视图。

图8A是示出实施例的框架部分形成步骤的透视图。

图8B是示出实施例的框架部分形成步骤的局部截面图。

图9A是示出实施例的填充部分形成步骤的透视图。

图9B是示出实施例的填充部分形成步骤的局部截面图。

图10是示出实施例的框架部分和填充部分的接合状态的局部截面图。

图11是实施例的喷射头的远端部分的透视图。

图12是第二示例性实施例的三维成形装置的透视图。

图13A是示出实施例的填充部分形成步骤的透视图。

图13B是示出实施例的填充部分形成步骤的局部截面图。

图14是第三示例性实施例的三维成形装置的透视图。

图15是三维成形装置的控制模块图。

图16是三维成形方法的流程图。

图17A示出了一次分割模型的示例。

图17B示出了二次分割模型的示例。

图18A示出了构成表面的部分正由具有高粘度的热塑性树脂形成时的状态。

图18B示出了构成表面的部分已经形成的状态。

图19A示出了与构成表面的部分接触的部分正由具有低粘度的热塑性树脂形成时的状态。

图19B示出了与构成表面的部分接触的部分已经形成的状态。

图20是第四示例性实施例的三维成形装置的透视图。

图21A示出了第三和第四示例性实施例的形成过程。

图21B示出了第五示例性实施例的形成过程。

图22A示出了第六示例性实施例的一次分割方法。

图22B示出了第六示例性实施例的二次分割方法。

图23是三维模型的示出其形状的示例的透视图。

图24是示出示例中的热塑性树脂的温度-粘度特性的图。

图25是示出示例中的热塑性树脂的温度-粘度特性的图。

具体实施方式

下面将参照附图描述本发明的生产三维形状物体的方法和三维成形装置的示例性实施例。应当注意，在下面的描述中，术语“层”是指在多次施加熔融的热塑性树脂以在厚度方向上沉积热塑性树脂的情况下在一次施加中沉积的部分。在相对于台相对地扫描喷射头的同时施加并沉积热塑性树脂的情况下，术语“层”是指在一次扫描中施加的部分。存在这样一些情况：在三维形状物体的截面观测等情况下能够观测到层间的边界，并且存在这样一些情况：例如当热塑性树脂的均匀性高时无法检测到层间的明确边界。

第一示例性实施例

将对根据本发明的第一示例性实施例的三维成形装置的配置和三维成形方法按照该顺序进行描述。

装置的配置

图1是根据本发明的第一示例性实施例的三维成形装置的示意性透视图。

三维成形装置包括材料引入部分2、加热供给部分3、喷嘴4、喷射口5、台6、X移动机构7、Y移动机构8、Z移动机构9、以及卷盘10，并且成形材料1设置在材料引入部分2中。

成形材料1是用于三维成形的原料。尽管在本示例性实施例中将成形为丝的热塑性树脂用作成形材料1，但是也可以使用其他形状的材料例如丸粒或粉末。

用作成形材料1的丝优选具有例如圆形的截面形状、1.5mm至3.0mm的直径、以及10m至1000m的长度。成形材料1通过围绕卷盘10卷绕而被储存。可以通过旋转卷盘10将成形材料1供给到材料引入部分2。

可以用于本示例性实施例中的热塑性树脂的示例包括聚碳酸酯：PC树脂，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物：ABS树脂，PC/ABS聚合物合金，聚乳酸：PLA树脂，聚苯硫醚：PPS树脂，聚醚酰亚胺：PEI树脂，聚对苯二甲酸乙二醇酯：PET树脂，以及这些的改性树脂。

加热供给部分3接收用作成形材料1的热塑性树脂，将成形材料1加热到玻璃化转变温度Tg或更高以便熔融热塑性树脂，并且随后将热塑性树脂供给至喷嘴4。图2示出了包括在加热供给部分3中的进给机构。

如图2所示，进给机构包括用于接收丝状成形材料1并且将成形材料1送至加热部分的辊21和22。成形材料1由辊21和22夹持，并且可以通过在由图2中的箭头指示的方向上旋转辊21和22将成形材料1从卷盘10拉出并送到加热部分2中。

未示出的加热部分加热并且熔融从进给机构供给的热塑性树脂。加热部分包括加热器，并且可以通过控制由加热器生成的热量来调节熔融树脂的温度。

处于熔融状态的热塑性树脂通过由后续的材料推送而送入喷嘴4。推送至喷嘴4的远端部分的热塑性树脂通过喷射口5喷射。

通过旋转和停止辊21和22，熔融的树脂可以通过喷射口5喷射和不通过喷射口5喷射。另外，通过控制辊21和22的旋转速度，可以调节成形材料1供给至加热部分的供给量。因此，通过控制辊21、22的旋转速度，可以控制熔融树脂通过喷射口5的喷射速度、喷射量和喷射压力。

台6是用于支撑在其上表面上成形的三维形状物体的基台。台6的上表面平行于由图2中的坐标系的X轴和Y轴限定的X-Y平面。另外，与X-Y平面垂直的方向设置为Z方向。

本示例性实施例的三维成形装置可以通过在改变喷嘴4相对于台6的相对位置的同时喷射并沉积热塑性树脂来形成三维形状物体。在图1的装置中，台6可以通过Z移动机构9沿着Z轴移动。另外，喷嘴4可以通过X移动机构7和Y移动机构8沿着X-Y平面移动。装置的配置不必局限于图1的示例，只要喷嘴4可以相对于台6在X、Y和Z方向这三个方向上相对移动即可。例如，可以使用一种配置，其中台被固定并且喷嘴可以在X、Y和Z方向这三个方向上移动。

应当注意，在本示例性实施例中，存在这样的情况，其中在形成填充部分时，喷嘴4的底表面与已经形成的框架部分的上表面接触，正如随后将描述的那样。在简单地使喷嘴4与该上表面接触的情况下，台6在Z方向上的位置由Z移动机构9控制。例如，通过参照沉积的框架部分的厚度的设计值，即可控制台6在Z方向上的位置以使框架部分的上表面的位置与喷嘴4的底表面的位置一致。替代地，可以提供能够观测框架部分的上表面和喷嘴4的底表面的相对位置的数字照相机，并且可以在图像识别的基础上控制台6在Z方向上的位置。同时，在期望在将预定的接触压力施加至框架部分的上表面的同时使喷嘴4的底表面与框架部分的上表面接触的情况下，Z移动机构9通过组合了位置控制和力控制的方法进行操作。例如，Z移动机构9可以设有能够检测在Z方向上施加的外力的力传感器，并且可以控制Z移动机构9的驱动部分，从而在框架部分的上表面和喷嘴4的底表面之间施加预定的接触压力。

控制模块

图3简要地示出了本示例性实施例的三维成形装置的控制模块。

控制器30是用于控制三维成形装置的每个部件的操作的控制电路。控制器30包括：中央处理单元：CPU，只读存储器：ROM，随机存取存储器：RAM，输入/输出端口：I/O端口等。ROM是存储控制程序和用于控制的数值表的非易失性存储器。RAM是用于计算等的易失性存储器。I/O端口用于与外界和装置内部的部件通信。应当注意，ROM存储用于控制三维成形装置的基本操作的程序。

计算机31是设有CPU、存储装置和输入/输出装置的电子计算机，并且能够执行三维形状编辑软件。计算机31能够在待形成的三维形状物体的三维模型信息的基础上构建适合于使用喷射头形成的框架部分模型和填充部分模型，并且向控制器30发出用于顺序地形成图案的指令。计算机31可以是包括在三维成形装置中的计算机，并且可以是能够经由网络等连接到三维成形装置的外部计算机。另外，控制器30和计算机31的功能可以由一台计算机实现，并且这一台计算机可以被视为单一的控制器。

为使用三维成形装置的用户提供操作面板33。操作面板33包括用于供三维成形装置的操作者向装置发出指令的输入部分，以及用于向操作者显示信息的显示部分。输入部分包括键盘和操作按钮。显示部分包括显示三维成形装置的操作状态等的显示面板。

控制器30通过在经由操作面板33输入的来自用户的指令的基础上控制三维成形装置的每个部件来执行三维成形的每个步骤。具体地，当控制器30接收到开始三维成形的指令时，控制器30将控制信号传输到加热供给部分3以控制加热器以及辊21和22的驱动，并且由此调节熔融的热塑性树脂到喷嘴4的供给。控制器30控制X移动机构7、Y移动机构8和Z移动机构9以控制喷嘴4和台6的相对位置，并且由此在三维成形过程中执行框架部分和填充部分的形成。

三维成形过程

接下来，将逐步描述本示例性实施例的三维成形过程。图4是示出本示例性实施例的三维成形过程中的步骤顺序的流程图。

首先，在步骤S1中，将三维形状数据作为三维成形模型信息存储在计算机31的存储器中。三维形状数据可以是由计算机31生成的数据，并且可以是通过计算机辅助设计(CAD系统或三维形状测量装置)生成并且经由网络或记录介质输入的数据。尽管用于交换产品数据的标准：STEP格式，Parasolid格式，标准三角语言：STL格式等被用作三维形状数据的格式，但是格式的种类不受限制，只要能够将三维形状表达为数字数据即可。

在随后的步骤S2和S3中，计算机31通过使用内置计算装置和三维形状编辑软件来生成框架部分模型和填充部分模型。

在此，框架部分模型是将待成形的三维模型分割成多个部段的分隔壁结构的模型。框架模型包括用作待成形的三维模型的外表面的外壳部分。计算机31考虑到图案的宽度以及能够由本示例性实施例的三维成形装置形成的单个层的厚度而生成框架部分模型。

另外，填充部分模型是由框架部分模型的分隔壁结构分割的各部段的内部空间的形状模型。也就是说，通过框架部分模型和填充部分模型的组合来完成待成形的三维模型。

在此，将通过用一种情况作为示例来进行描述，其中，在步骤S1中存储在计算机31中的三维模型是其边长分别为LX、LY和LZ的长方体的三维模型100，如图5A所示。尽管为了便于描述而图示简单的长方体作为示例，但即便是三维模型100具有比这种情况更加复杂的形状也没有问题。

如上所述，计算机31在步骤S2中生成框架部分模型。图5B是用作框架部分模型示例的框架部分模型50的正视图，并且图5C是框架部分模型50的平面图。

如图5B所示，框架部分模型50具有多层结构，其中能够由本示例性实施例的三维成形装置形成的厚度均为t的单位层在三维成形过程中沿着高度方向(即沉积方向)进行堆积。也就是说，在图5B的示例中示出了基于高度LZ的成形模型而形成的、具有八层结构的框架部分模型。

框架部分模型50的每一层具有图5C所示的平面形状。为了便于描述，对应于框架部分模型50的部分由阴影指示。框架部分模型包括用作三维模型100的四个侧表面的外壳部分，并且具有将三维模型100分割成十四个部段的分隔壁结构。外壳部分和分隔壁的宽度w优选地等于能够由本示例性实施例的三维成形装置形成的线的宽度或者是该宽度的整数倍。

例如，假设本示例性实施例的三维成形装置的喷嘴4具有图7A的侧视图和图7B的仰视图所示的形状。如图所示，喷嘴4的远端部分是具有直径Bw的圆形平坦表面，并且具有圆形形状和内径D的喷射口5设在其中心处。可以用该喷嘴形成的线的宽度大致等于喷射口5的内径D。当然，考虑到熔融树脂的粘度、喷射压力、喷嘴4的扫描速度等，可以更严格地确定线的宽度。然而，无论如何均为优选的是：框架部分模型50的外壳部分和分隔壁的宽度w等于能够由三维成形装置形成的线的宽度或者是该宽度的整数倍。

接下来，在步骤S3中，计算机31生成填充部分模型。图6A是用作填充部分模型示例的填充部分模型60的正视图，并且图6B是填充部分模型60的平面图。为了便于描述，三维模型100的轮廓由虚线指示。

如图6A所示，填充部分模型60具有这样的结构，其中厚度均为能够由本示例性实施例的三维成形装置形成的厚度t的整数倍的单位层在三维成形过程中沿着高度方向(即沉积方向)进行堆积。也就是说，在图6A中示出的填充部分模型60基于高度LZ的成形模型具有由Iz＝4×t的单位层形成的双层结构。

填充部分模型60的每一层具有图6B所示的平面形状。平面图中的填充部分模型60等同于三维模型100中的不对应于框架部分模型50的部分。也就是说，填充部分模型60包括通过框架部分模型50的分隔壁结构以距离w彼此分开的十四个独立结构。平面图中的每个结构的尺寸优选地小于喷嘴4的底表面，并且等于或略大于喷射口5。例如，优选的是平面图中的X方向上的长度Ix、Y方向上的长度Iy和对角线的长度全都小于Bw。另外，Ix和Iy优选地等于或大于D。这些尺寸关系对于在形成框架部分之后顺序地形成填充部分的十四个结构时通过用喷嘴4覆盖由分隔壁限定的空间来可靠地注入熔融树脂而言是优选的。其细节将随后进行描述。

在步骤S4中，计算机31通过参照在步骤S2中生成的框架部分模型以及在步骤S3中生成的填充部分模型来生成三维成形装置用以成形三维模型所必需的指令集，并且将指令集传输到控制器30。应当注意，计算机31可以将框架部分模型和填充部分模型传输到控制器30，而不是生成指令集。在此情况下，控制器30可以通过使用内置CPU来配置控制程序以生成成形所必需的指令集。

指令集配置为用于执行三维成形对应于框架部分模型的多个层的部分并且随后三维成形对应于填充部分的部分的序列的指令集。

例如，在图5B和5C的框架部分模型以及图6A和6B的填充部分模型的基础上生成的指令集配置为用于执行以下序列的指令集。也就是说，首先，通过相对于台6相对地扫描喷嘴4而从底部到顶部顺序地形成框架部分模型的下四层。接下来，逐一顺序地形成在内侧与框架部分相邻的填充部分的结构。在形成填充部分的每个结构时，连续地注入熔融树脂，直至熔融树脂的高度达到框架部分模型的四层的厚度Iz。然后，在以类似的方式形成框架部分模型的另外的四层之后再形成填充部分，并且由此完成三维形状物体。用于执行这样的序列的指令集被存储在控制器30的RAM中。

接下来，在步骤S5中，控制器30根据在步骤S4中生成的指令集操作每个部件，从而用熔融的热塑性树脂形成三维形状物体的框架部分80，例如图8A和8B所示。图8A和8B示出了这样的一种状态，其中图5C所示的宽度w设置成等于在喷嘴4已扫描一次之后的线的宽度，并且已经形成了框架部分模型的第四层。

应当注意，在此，在多次施加熔融的热塑性树脂以在厚度方向上沉积热塑性树脂的情况下，一层对应于在一次施加中所沉积的部分。在相对于台相对地扫描喷射头的同时施加并沉积热塑性树脂的情况下，一层对应于在一次扫描中所施加的部分。存在这样一些情况：在三维形状物体的截面观测等情况下能够观测到各层间的边界，并且存在这样一些情况：例如当热塑性树脂的均匀性高时无法检测到各层间的明确边界。

控制器30驱动辊21和22以向加热部分供给适量的未熔融的热塑性树脂的丝。控制器30驱动在加热部分中所包括的加热器以加热并熔融热塑性树脂的丝。控制器30相对地移动喷嘴4和台6，并且由此用热塑性树脂形成框架部分80，如图8A所示。

如图8A所示，在用热塑性树脂形成框架部分80的四层图案之后，控制器30暂时停止辊21和22以停止通过喷嘴4喷射熔融树脂。在形成框架部分时，均在水平方向上被围绕且向上敞开的多个空间由构成框架部分的分隔壁限定。所以，步骤S5也可以视为分隔壁形成步骤。

接下来，在步骤S6中，控制器30根据指令集操作装置的每个部件以用热塑性树脂形成在内侧与三维形状物体的框架部分80相邻的填充部分90，如图9A的透视图和图9B的局部截面图所示。由于在步骤S5中已经形成三维形状物体的框架部分的四层，因此通过将热塑性树脂从上方施加到在水平方向上由框架部分的四层围绕的区域中而形成填充部分。

控制器30开始再次驱动辊21和22以向加热部分供给适量的未熔融的热塑性树脂的丝。控制器30驱动在加热部分中所包括的加热器以加热并熔融热塑性树脂的丝。

控制器30相对地移动喷嘴4和台6，并将热塑性树脂注入由框架部分80的分隔壁围绕的部分中以形成填充部分90，如图9B所示。由分隔壁围绕的每个部段的高度对应于框架部分的四层，并且在填充一个部段之后再填充下一个部段，直至填充到四层的高度。也就是说，喷嘴4被扫描，从而用熔融树脂逐一顺序地填充用作填充部分的多个部段。

构成填充部分的每个部段的尺寸设置成等于或略大于喷射口5，正如针对图6B的填充部分模型的平面图中的形状和图7B所示的喷射头的底表面的形状之间的关系所述的那样。此外，每个部段的尺寸设置成小于喷射头的底表面的尺寸。所以，通过将喷射头与一个部段对准即可将熔融树脂通过喷射口5选择性地注入这一个部段中，如图9B所示。此时，在喷射口5附近，喷射头的平坦底表面与框架部分的分隔壁的顶表面接触，并且由此覆盖部段。作为该覆盖的效果，在将熔融树脂注入部段中时，通过适当地控制辊21和22的驱动即可施加预定的注入压力。

此时，可以通过由Z移动机构9控制台6相对于喷射头的位置来覆盖部段，使得喷射头的底表面与框架部分的顶表面紧密接触。在利用施加在喷嘴的底表面与框架部分的顶表面之间的预定接触压力使喷嘴的底表面与框架部分的顶表面接触以改善覆盖的密封性质的情况下，Z移动机构9通过位置控制和力控制的组合进行操作。

然后，通过在完成与框架部分的四层的高度相对应的体积的熔融树脂的注入时停止辊21和22的驱动，能够防止部段上的熔融树脂溢流。在完成向一个部段中的熔融树脂注入之后，通过由Z移动机构9使台6下降而暂时分离喷射头和框架部分，并且喷射头由X移动机构7和Y移动机构8移动到下一个部段上方的位置。然后，由Z移动机构9使台6上升以控制喷射头和台6的相对位置，以使得喷射头覆盖下一个部段。

以该方式，通过在用喷射头的底表面覆盖每个部段之后经由喷射口5以适当的压力顺序地喷射熔融树脂，框架部分和填充部分能够互连并且在其间没有任何间隙。

图10是图9B的截面图的局部放大图。由于通过沉积多个层而形成框架部分80，因此框架部分的侧表面不平坦并且包括凹部101，如图10所示。根据本示例性实施例，通过在用喷射头的底表面覆盖每个部段之后经由喷射口5以适当的压力注入熔融树脂，也就能将熔融树脂可靠地注入凹部101中。

在本示例性实施例中，使用的喷射头具有特别适合用于通过覆盖框架部分而以适当压力注入熔融树脂的形状。图11是喷射头的透视图，示出了喷射头在喷嘴4的远端附近的部分的形状。为了便于图解远端形状，图11示出了处于与正常使用状态不同的倒置状态的喷射头。尽管在喷嘴4的远端处的喷射口5的周边通常具有平坦表面，但是在本示例性实施例中设有用于排气的凹槽110。在该示例中，凹槽110具有0.5mm的宽度和0.01mm的深度。凹槽110的宽度和深度尺寸优选地设定为使得当覆盖框架部分中的部段并且将熔融树脂注入该部段时能够有效地排出该部段中的空气。同时，需要控制宽度和深度，使得树脂不会通过凹槽110泄漏。用于排气的凹槽110的形状不限于图11的示例，只要满足上述的要求即可，并且例如可以从喷射口5径向地设置多个凹槽。

在步骤S6中注入树脂以形成填充部分之后，检查是否已完成三维成形模型的所有层的形成。

在图5A的三维成形模型的示例中，框架部分模型被构造为如图5B所示，其中整个模型的高度LZ被分割成八层。由于在图9的情况下仅形成了框架部分的四层和填充部分，因此成形过程返回到步骤S5。在步骤S5中进一步形成框架部分的另外四层，并且随后在步骤S6中形成填充部分的上部。

然后，在确认在步骤S7中已经完成三维成形模型的所有层的形成的情况下，三维成形过程结束。

根据本示例性实施例，例如，在图9中，填充部分90的每个结构在一次注入中形成为一体而不是顺序地形成四层，由此不具有各层间的边界并且是刚性的。而且，因为用于形成填充部分90的熔融树脂也可靠地注入到框架部分80的凹部101中，所以填充部分90和框架部分80既起到锚固作用又彼此结合。所以，在本示例性实施例中形成的三维形状物体能够被视为具有比常规实施例通过逐层沉积平面图案而形成的三维形状物体大得多的刚度的结构。此外，可以这样说，由于外壳部分作为框架部分的一部分被预先形成，因此本示例性实施例的形状的精度与常规方法相当。

第二示例性实施例

将描述根据本发明的第二示例性实施例的三维成形装置的配置和三维成形方法。与通过使用相同的喷射头形成框架部分和填充部分的第一示例性实施例相比，在第二示例性实施例中，框架部分和填充部分相应地通过使用分别专用于这两者的喷射头而形成。

装置的配置

图12是根据本发明的第二示例性实施例的三维成形装置的示意性透视图。三维成形装置包括材料引入部分2、加热供给部分3、台6、X移动机构7、Y移动机构8、Z移动机构9、以及卷盘10，并且成形材料1设置在材料引入部分2中。这些部件总体上与第一示例性实施例的装置相同，区别仅在于设有两个材料引入部分2、两个加热供给部分3和两个卷盘10，并且因此这些部件的详细描述将被省略。

另外，三维成形装置包括用于形成框架部分的喷嘴121和喷射口122，以及用于形成填充部分的喷嘴123和喷射口124。

将参照图7A和7B描述用于形成框架部分和用于形成填充部分的喷嘴的远端部分的形状之间的差异。用于形成框架部分的喷嘴121的远端表面的直径Bw小于用于形成填充部分的喷嘴123的远端表面的直径Bw。另外，用于形成框架部分的喷射口122的内径D小于用于形成填充部分的喷射口124的内径D。通过采用这样的配置，可以使用适于形成精细结构的喷射头，并且由此外壳部分和分隔壁能够形成为具有高精度的形状。同时，在形成填充部分时可以使用具有大底表面和大喷射口的喷射头并且用更大的喷射头覆盖分隔壁，并且由此可以增大由用于形成填充部分的框架部分限定的部段的尺寸。也就是说，因为用于形成填充部分的喷嘴123的远端表面的直径Bw较大，所以图6B中的Ix和Iy可以增大。此外，尽管用于形成填充部分的每个部段的体积增加，但是因为用于形成填充部分的喷射口124的内径D设置得较大，所以能够在短时间内完全注入熔融树脂。应当注意，尽管优选的是如图11所示的用于排气的凹槽110被限定在用于形成填充部分的喷嘴123的远端部分上，但是凹槽110不必设在用于形成框架部分的喷嘴121上。

控制模块

第二示例性实施例的装置的控制模块总体上与图3所示的第一示例性实施例的控制模块相同。

然而，在本示例性实施例中，由于提供了专用于形成框架部分的喷嘴和专用于形成填充部分的喷嘴，因此要提供用于喷嘴的两个控制系统。另外，因为用于形成框架部分的喷嘴和用于形成填充部分的喷嘴的尺寸不同，所以采用与第一示例性实施例不同的程序供计算机31执行以构建框架部分模型和填充部分模型。

三维成形过程

第二示例性实施例的三维成形过程总体上与参照图4的流程图描述的第一示例性实施例的三维成形过程相同。

然而，在步骤S2中，用于生成框架部分模型的分隔壁的宽度w设置为能够由用于形成框架部分的喷嘴121在一次扫描中形成的线的宽度的整数倍。

另外，用于生成填充部分模型的部段的尺寸Ix和Iy设置为小于用于形成填充部分的喷嘴123的远端表面的直径Bw，并且等于或略微大于用于形成填充部分的喷射口124的内径D。这是为了由用于形成填充部分的喷嘴123的远端覆盖构成框架部分的分隔壁并且以适当的压力注入熔融树脂。

另外，在第一示例性实施例中，尽管例如当形成图5A的三维形状物体时该三维形状物体的四个侧表面被形成为在框架部分模型中所包括的外壳部分，但是底表面和顶表面被形成为框架部分和填充部分同时都存在于此的表面。与之相比，在第二示例性实施例中，在步骤S2中生成不仅包括侧表面而且包括底表面和顶表面以作为外壳部分的框架部分模型，并且底表面和顶表面也通过使用用于在步骤S5中形成框架部分的喷嘴121来形成。

另外，在第二示例性实施例中，在步骤S4中生成的成形指令集是两个系统的喷嘴根据情况而适当使用的指令集。也就是说，第二示例性实施例与第一示例性实施例的区别在于，指令集包括用于在形成框架部分时驱动用于形成框架部分的喷嘴121的指令以及在形成填充部分时驱动用于形成填充部分的喷嘴123的指令。

在步骤S5中，通过使用用于形成框架部分的喷嘴121来形成框架部分，在步骤S6中，通过使用用于形成填充部分的喷嘴123来形成填充部分。

图13A的透视图和图13B的局部截面图示出了在步骤S6中形成填充部分的状态。

在本示例性实施例中，底表面也形成为框架部分，并且因此包括与台6接触的底表面层在内的框架部分80的五层以及其上的四层通过使用具有小喷射口的用于形成框架部分的喷嘴121来形成，如图13B所示。此外，通过使用用于形成填充部分的喷嘴123而用熔融树脂顺序地填充由框架部分的四层的分隔壁限定的空间，并且由此形成填充部分90。从图13B可以看出，用于形成填充部分的喷嘴123的远端表面的直径Bw和喷射口124的直径大于用于形成框架部分的喷嘴121，并且因此熔融树脂能够注入比第一示例性实施例中更大的部段中。

类似于第一示例性实施例，重复步骤S5至S7，直至完成构成三维形状物体的所有层的形成。然而，在本示例性实施例中，通过使用用于形成框架部分的喷嘴121，与三维形状物体的顶表面相对应的最顶层被形成为在框架部分中所包括的外壳。

根据本示例性实施例，例如，在图13中，填充部分90的每个结构在一次注入中形成为一体而不是顺序地形成四层，因此不具有层的边界并且是刚性的。而且，由于填充部分90也可靠地注入到框架部分80的凹部101中，因此填充部分90和框架部分80既起到锚固作用又彼此结合。所以，在本示例性实施例中形成的三维形状物体能够被视为具有比常规实施例通过逐层沉积平面图案而形成的三维形状物体大得多的刚度的结构。此外，可以这样说，由于通过使用具有小喷射口的喷嘴将所有外表面形成为框架部分的一部分，因此本示例性实施例的形状的精度与常规方法相当。

此外，根据本示例性实施例，通过在所采用的装置配置中使用专用喷射头来分别形成框架部分和填充部分，框架部分和填充部分的模型的形状设计的灵活性增加。

通过将用于形成填充部分的喷射头的远端表面的面积设置得较大，即使将在其中形成填充部分的部段的尺寸增加，也能够可靠地覆盖这样的部段。另外，在部段的尺寸增加的情况下，可以增加用于形成填充部分的喷射口124的尺寸。所以，可以增加熔融树脂的流动量，并且因此可以缩短成形所需的时间。

另外，用于为了加压注入而排气的凹槽可以仅设在用于形成填充部分的喷射头上，并且不必设在用于形成框架部分的喷射头上。所以，通过用于形成框架部分的喷射头喷射的熔融树脂完全不受用于排气的凹槽的影响，并且因此可以保持较高的三维形状物体的外形精度。

尽管上面已经描述了第一和第二示例性实施例，但是本发明的实施例不限于此。

例如，尽管在以上的示例性实施例中框架部分的宽度w设置为等于通过喷嘴的一次扫描所能够形成的线的宽度，但是宽度w可以设置为线的宽度的整数倍。在宽度w增加的情况下，分隔壁的强度增加，并且用于形成填充部分的熔融树脂的注入压力可以增加，原因是当覆盖分隔壁以形成填充部分时喷射头和分隔壁之间的接触面积可以增加，因此密封性质可以增强。另外，可以改变在用作三维形状物体的外表面的外壳部分和分割填充部分的分隔壁部分之间的宽度w。

另外，可以适当地组合第一示例性实施例和第二示例性实施例。例如，通过使用第一示例性实施例的装置，三维形状物体的底表面和顶表面可以类似于第二示例性实施例地形成为框架部分。相反地，通过使用第二示例性实施例的装置，可以像在第一示例性实施例中那样地执行成形以使得框架部分和填充部分同时存在于三维形状物体的底表面和顶表面中。

另外，尽管在上述示例性实施例中由用于形成填充部分的分隔壁限定的空间被设置为具有矩形底表面的长方体或立方体空间(其具有长度为Ix和Iy且高度为Iz的侧面)，但是其形状不必局限于此。也就是说，该空间可以具有任何形状，只要该空间所限定的形状使得喷射头的远端表面的形状和该空间的形状所具有的关系使得当喷射头覆盖该空间且形成填充部分时熔融树脂不会泄漏到另一部段即可。取决于待成形的三维形状物体的形状，存在仅通过规则地布置填充部分的长方体结构而无法实现几何配置的一些情况。所以，填充部分的结构可以具有棱柱(例如三角棱柱或六角棱柱)的形状。

另外，喷射头的喷射口的形状不限于如上述示例性实施例中的圆形形状，并且例如也可以采用多边形形状譬如方形形状。

另外，在如第二示例性实施例中那样提供用于形成框架部分的喷射头和用于形成填充部分的喷射头的情况下，除了不同地配置喷射头的结构以外，还可以使用不同的热塑性树脂。例如，可以使用不同颜色的树脂来形成框架部分和形成填充部分，并且可以使用在固化后具有不同弹性系数的树脂来形成框架部分和形成填充部分。

第一示例性实施例的示例

下面将描述用作成形三维形状物体的具体示例的示例1至4以及用于参照的比较例1和2。

在所有示例1至4以及比较例1和2中，具有图5A所示的长方体形状的树脂构件通过使用设有喷射口(其具有圆形形状和0.5mm的开口直径)的喷射头来生产。树脂构件的具体尺寸为LX＝80mm，LY＝10mm，LZ＝2mm。

在示例1至4中，构成框架部分的分隔壁的宽度w设置为0.5mm，框架部分的一层的厚度t设置为0.4mm，连续沉积的框架部分的总层数设置为5层，并且填充部分的尺寸Ix、Iy和Iz分别设置为0.5mm、0.5mm和2.0mm。通过使用在第一示例性实施例中描述的三维成形方法来形成树脂构件。

在比较例1和2中，通过使用日本专利特开2010-521339号公报(PCT申请的译文)中公开的、通过从底部到顶部逐层沉积平面图案而形成三维形状物体且不区分框架部分和填充部分的方法来生产树脂构件。

示例1至4以及比较例1和2的树脂构件的成形条件和弯曲模量在表1中示出。

表1

示例1示例2示例3示例4比较例1比较例2树脂材料ABSPC/ABSABSABSABSPC/ABS喷射口的形状圆形圆形圆形圆形圆形圆形喷射口的尺寸(mm)Ф0.5Ф0.5Ф0.5Ф0.5Ф0.5Ф0.5接触压力(MPa)0033注入压力(MPa)0035弯曲模量(GPa)2.022.242.152.141.771.9

如表1所示，在示例1、3和4以及比较例1中，使用ABS(即丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)作为热塑性树脂。另外，在示例2和比较例2中，使用PC/ABS(即聚碳酸酯和ABS的聚合物合金)作为热塑性树脂。将每种材料加工成直径为1.75mm的丝的形式，并且使用图1的成形装置。将喷嘴的加热器的温度控制在230℃，并且喷射口的尺寸为Ф＝0.5mm。

在示例1和2中，在形成填充部分时执行位置控制，使得喷嘴的远端与框架部分的分隔壁接触，但是没有向分隔壁施加接触压力。另外，在形成填充部分时执行成形而不向熔融树脂施加注入压力。

与之相比，在示例3中，通过将喷嘴的远端与分隔壁的接触压力以及熔融树脂的注入压力都控制在3Mpa来执行成形。

在示例4中，通过在分隔壁和喷嘴的远端之间施加3MPa的接触压力并且向熔融树脂施加5MPa的注入压力来执行成形。

为了评估成形构件的强度，执行弯曲模量的测量。通过使用由SHIMADZU公司制造的Tabletop Precision Universal Tester(桌面型精度万能测试仪)来执行测量。

如表1所示，与比较例1和2的树脂构件相比，示例1至4的树脂构件具有更高的弯曲模量。

另外，与类似地使用ABS材料但不施加注入压力的示例1相比，施加了注入压力的示例3和4表现出更高的弯曲模量并且实现了更高的结构强度。由此能够理解，通过施加注入压力和接触压力，填充部分的树脂充分地进入框架部分的凹部，并且结构的强度得到改善。

应当注意，尽管在示例4中施加了比示例3更高的注入压力，但是示例4的弯曲模量与示例3的弯曲模量几乎相同。其一个原因可以认为是因为3Mpa的注入压力已经足以将树脂注入到框架部分的凹部中。然而，由于在示例4中注入压力高于接触压力，因此存在少量树脂通过喷射头和分隔壁之间的接触部分泄漏的可能性。所以，也可以认为与示例3的弯曲模量的微小差异是缘于高注入压力未能有效地起作用。因此，通过将框架部分的分隔壁的宽度w设置得较大以改善分隔壁的结构强度，将接触压力增加到5MPa以改善覆盖的密封性质，并且将注入压力设置为5MPa，存在进一步改善强度的可能性。也就是说，为了确保覆盖时的密封性质，尽管接触压力需要被抑制到不会使分隔壁变形的程度，但是接触压力优选地等于或大于注入压力以防止熔融树脂泄漏。

如上面的表1所示，已经证实经由本发明的熔融沉积造型法生产的成形物体具有高于比较例的结构强度。应当注意，示例和比较例的构件的形状的精度几乎相同，原因是使用了相同开口直径的喷嘴。

第二示例性实施例的示例

将描述在第二示例性实施例中所描述的三维成形方法的基础上成形树脂构件的示例5和6。

在示例5和6中，图5A所示的具有长方体形状的树脂构件通过使用图12所示的三维成形装置来形成。树脂构件的具体尺寸为LX＝80mm，LY＝10mm，并且LZ＝2mm。

在示例5和6中，构成框架部分的分隔壁的宽度w设置为0.5mm，框架部分的一层的厚度t设置为0.4mm，连续沉积的框架部分的总层数设置为5层，并且填充部分的尺寸Ix、Iy和Iz分别设置为1.5mm、1.5mm和2.0mm。

示例5和6的树脂构件的成形条件和弯曲模量在表2中示出。

表2

在两个示例5和6中，都使用ABS(即丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)作为热塑性树脂。材料被加工成直径为1.75mm的丝的形式。

在示例5和6中，表2所示的第一喷嘴和第二喷嘴分别用作用于形成框架部分的喷嘴和用于形成填充部分的喷嘴。对于第一喷嘴和第二喷嘴两者，内置加热器的温度都控制在230℃。

在示例5中，使用具有Ф＝0.5mm的圆形喷射口的喷嘴作为第一喷嘴，并且使用具有Ф＝1.5mm的圆形喷射口的喷嘴作为第二喷嘴。

在示例6中，使用具有Ф＝0.5mm的圆形喷射口的喷嘴作为第一喷嘴，且使用具有1.5mm×1.5mm的方形喷射口的喷嘴作为第二喷嘴。

在示例5和6中，通过在形成填充部分时在喷射头和框架部分之间施加3MPa的接触压力并且通过向熔融树脂施加3MPa的注入压力来执行成形。

如表2所示，与由相同树脂材料成形的比较例1的树脂构件相比，示例5和6的树脂构件具有更高的弯曲模量且实现了更高的结构强度。

另外，在示例5和6中，由于填充部分的每个部段的尺寸增加并且通过使用设有大喷射口的喷射头填充每个部段来形成填充部分，因此三维成形所需的时间与示例1至4相比能够缩短。

第三示例性实施例

根据本发明的第三示例性实施例的三维成形装置的配置和三维成形方法将按照该顺序进行描述。

装置的配置

图14是根据本发明的第三示例性实施例的三维成形装置的示意性透视图。

图14示出了成形材料201、材料引入部分202、加热部分203、喷嘴204、喷射口205、喷射头206、温度传感器207、红外温度传感器208、熔融树脂209、卷盘210、台211、以及振动器212。另外，图14示出了台移动装置213、喷射头移动装置214、控制器215、计算机216、以及三维形状物体217。

成形材料201是用于三维成形的原料。尽管在本示例性实施例中使用成形为丝的热塑性树脂，但是也可以使用其他形式的材料例如丸粒和粉末。

用作成形材料201的丝优选地具有例如圆形的截面形状、1.5mm至3.0mm的直径、以及10m至1000m的长度。成形材料201通过围绕卷盘210缠绕而被储存。成形材料201可以通过在图14中的箭头方向上旋转卷盘210而供给到材料引入部分202。

另外，可以在本示例性实施例中使用的热塑性树脂的示例包括PC树脂、ABS树脂、PC/ABS聚合物合金、PLA树脂、PPS树脂、PEI树脂、PET树脂、以及这些的改性树脂。

喷射头206是这样的喷射头，其加热并熔融用作成形材料201的热塑性树脂，并且在控制其粘度的同时喷射热塑性树脂以作为柱状熔融树脂209。喷射头206包括材料引入部分202、加热部分203、喷嘴204、喷射口205、以及温度传感器207。

材料引入部分202是用于将成形材料201引入喷射头206中的部分，并且示例性地具有与图2所示的配置相似的配置。也就是说，成形材料201构成的丝由辊21和22夹持，并且能够由于辊21和22在由图2中的箭头指示的方向上旋转而从卷盘210拉出并送到加热部分203中。可以通过由控制器215控制辊21和22的旋转速度来调节向加热部分203供给成形材料201的供给量。

加热部分203加热并熔融从材料引入部分202供给的热塑性树脂。加热部分203包括未示出的加热器，并且可以通过控制由加热器生成的热量来调节熔融树脂的温度。正如随后将描述的那样，由于熔融树脂的粘度根据温度而变化，因此可以通过调节熔融树脂的温度来控制粘度。

处于熔融状态的热塑性树脂通过由后续材料推送而送入喷嘴204。喷嘴204包括具有预定形状的喷射口205和温度传感器207。处于熔融状态的热塑性树脂作为熔融树脂209通过喷射口205在与图14中的Z方向相反的方向上喷射。

应当注意，喷射口205的开口形状可以设置为例如圆形形状，并且优选的是提供用于根据待喷射的热塑性树脂的粘度来改变开口的尺寸和形状的开口形状改变机构。

通过喷射口205喷射的熔融树脂209作为柱状粘性流体在竖直方向上也就是朝着台211行进。在形成三维形状物体217的第一层的步骤中，熔融树脂209沉积在台211的表面上，并且在形成第二层或后续层的情况下，该层沉积在已经沉积的下层的表面上。在任一情况下，熔融树脂209的温度在熔融树脂209沉积之后下降到玻璃化转变温度Tg或更低的温度并且固化。

温度传感器207是用于测量待喷射的热塑性树脂的温度的传感器，并且在喷嘴204内部布置在喷射口205附近。

另外，红外温度传感器208是用于在喷射之后在不接触的情况下立即测量熔融树脂209的温度的传感器，并且在喷嘴204外部布置在喷射口205附近。

温度传感器207和红外温度传感器208测量温度并且将所测量的温度传输至控制器215，并且参照测量结果以用于控制熔融树脂209的粘度，正如随后将描述的那样。

尽管在本示例性实施例中使用温度传感器207和红外温度传感器208以便改善熔融树脂209的粘度控制的可靠性，但并非总是需要这两个传感器，在某些情况下只有这两个传感器中的一个就足够了。

台211是用于支撑三维形状物体217的基台，并且振动器212安装在该台上。振动器212是用于在通过喷射低粘度的熔融树脂执行成形时使台211振动的振动器，正如随后将描述的那样。作为振动器212，例如，可以使用能够生成超声波的超声振动器，并且也可以使用其他的装置。

台移动装置213是用于在X、Y和Z这三个方向上移动台211的机构，并且在控制器215的控制下进行操作。

喷射头移动装置214是用于在X、Y和Z这三个方向上移动喷射头206的机构，并且在控制器215的控制下进行操作。

应当注意，为了形成三维形状物体的一层，在X-Y平面中相对地扫描喷射头206和台211，同时两者之间在Z方向上的相对距离保持恒定。另外，为了形成下一层，在两者之间在Z方向上的相对距离增加对应于一层的量之后，再在X-Y平面中相对地扫描喷射头206和台211。例如，在成形具有圆柱形状的三维形状物体217的情况下，喷射头206和台211中的任一个在X-Y平面中圆形地移动，同时喷射熔融树脂209。此外，两者之间在Z方向上的距离随着沉积层数的增加而逐渐增加。

尽管在本示例性实施例中台移动装置213和喷射头移动装置214这两者都配置为能够导致在X、Y、Z这三个方向上促成移动的机构，但是这两者不必都能在三个方向上促成移动以用于促成上述移动。因此，例如，台移动装置213可以配置为用于促成在X和Y这两个方向上移动的机构，并且喷射头移动装置214可以配置为用于促成在Z这一个方向上移动的机构。替代地，可以采用这样的配置，其中提供台移动装置213和喷射头移动装置214中的一个以作为能够促成在X、Y、Z这三个方向上移动的机构，并且不再提供另一个。

控制器215是用于控制三维成形装置的每个部件的操作的控制电路。控制器215包括CPU、ROM、RAM、I/O端口等。ROM是存储控制程序和用于控制的数值表的非易失性存储器。RAM是用于计算等的易失性存储器。I/O端口用于与外界和装置内部的部件通信。应当注意，ROM存储用于控制三维成形装置的基本操作的程序以及与温度相关联的各种热塑性树脂的粘度的信息。

计算机216是设有存储装置、计算装置和输入/输出装置的电子计算机，并且能够执行三维形状编辑软件。计算机216能够基于待形成的三维形状物体的三维模型信息构建适合于使用喷射头形成的多层模型并且向控制器215提供用于顺序地形成各层的指令。

计算机216可以是包括在三维成形装置中的计算机，并且可以是能够经由网络等连接到三维成形装置的外部计算机。

控制模块

图15是示出装置的部件之间的控制线路的连接关系的简要模块图。图15示出了温度传感器207、红外温度传感器208、台移动装置213、喷射头移动装置214、控制器215、计算机216、辊驱动部分231、加热器驱动部分232、以及振动器驱动部分233。

已经描述了温度传感器207、红外温度传感器208、台移动装置213、喷射头移动装置214、控制器215、以及计算机216。

辊驱动部分231是用于驱动在喷射头206的材料引入部分202中所包括的辊21和22的电路，并且包括用于接收来自控制器215的驱动指令的电路、用于驱动辊驱动马达的驱动电路等。

加热器驱动部分232是用于驱动在喷射头206的加热部分203中所包括的加热器的电路，并且包括用于加热器的电源、供电控制电路、用于接收来自控制器215的加热指令的电路等。

振动器驱动部分233是用于驱动安装在台211上的振动器212的电路，并且包括用于将脉冲电压供给到压电元件的振荡电路、用于接收来自控制器215的振动指令的电路等。

三维成形过程

接下来，将逐步描述本示例性实施例的三维成形过程。图16是示出本示例性实施例的三维成形过程中的步骤的顺序的流程图。

首先，在步骤S10中，将待成形的三维模型的三维形状数据存储在计算机216中。三维形状数据可以是由计算机216生成的数据，并且可以是通过CAD系统或三维形状测量装置生成并且经由网络或记录介质输入的数据。尽管STEP格式、Parasolid格式、STL格式等被用作三维形状数据的格式，但是格式的种类不受限制，只要能够将三维形状表达为数字数据即可。

接下来，在步骤S12和S13中，计算机216在三维形状数据的基础上生成每一层的形状数据以用于通过堆叠多层而形成三维模型。

在步骤S12中，计算机216通过使用在其中包括的计算装置和三维形状编辑软件生成一次分割模型。在一次分割模型中，三维模型形状以能够由本示例性实施例的三维成形装置沉积的一层的厚度分割。

例如，在待成形的三维模型为长方体250(如图17A所示)的情况下，三维模型以能够由三维成形装置沉积的一层的厚度t分割。为了便于描述，三维模型已被分割出的N层将按照从底部到顶部的这种顺序被称为层250-1、层250-2...以及层250-N。

在步骤S13中，计算机216生成二次分割模型，其中层250-1至250-N中的每一个被分割成包括三维形状物体的表面的部分以及在内侧与包括表面的部分相邻的部分。应当注意，为了便于描述，包括三维形状物体的表面的部分有时将被称为外壳部分，并且在内侧与包括表面的部分相邻的部分有时将被称为填充部分。

以作为一次分割模型的第二层的层250-2为例，尽管该层的外周边部分构成三维模型的外表面，但是其另外的部分不构成三维模型的表面。所以，如图17B所示，计算机216将层250-2分割成层250-2A和层250-2B。

在此，层250-2A对应于层250-2的构成三维模型的侧表面(即外壳部分)的外周边部分。层250-2A的宽度w等于能够由具有高粘度的热塑性树脂绘制的线的宽度或者是该宽度的整数倍，并且对应于外壳部分的厚度。另外，层250-2B是通过从层250-2中排除层250-2A(即包括三维模型的外表面的部分)而获得的部分。换句话说，层250-2B是填充部分(即与层250-2A接触的部分)。

在步骤S14中，计算机216参照在步骤S13中生成的二次分割模型生成供三维成形装置成形三维模型所需的指令集，并且将指令集传输到控制器215。应当注意，也可以采用这样的配置，其中计算机216将二次分割模型传输到控制器215并且由控制器215生成成形所需的指令集。

指令集包括从第一层的沉积到第N层的沉积的程序，并且所配置的指令用于首先由具有高粘度的热塑性树脂形成构成三维形状物体的表面的部分并且随后由具有低粘度的热塑性树脂形成在内侧与构成表面的部分相邻的部分。例如，用于形成作为一次分割模型的第二层的层250-2的指令集配置为用于首先形成层250-2A(即构成三维形状物体的外表面的部分)并且随后形成层250-2B(即与层250-2A相邻的部分)的指令集。

接下来，在步骤S15中，控制器215根据指令集操作装置的每个部件，并且例如由具有高粘度的热塑性树脂形成构成三维形状物体的表面的部分，如图18A所示。

控制器215驱动辊驱动部分231以将适量的未熔融热塑性树脂的丝供给到加热部分203。控制器215驱动加热器驱动部分232以加热并熔融热塑性树脂的丝。此时，控制器215参照温度传感器207的测量值，并且执行加热器驱动部分232的反馈控制，使得热塑性树脂的粘度处于1100Pa·S至3000Pa·S的范围内。控制器215预先存储与温度相关联的热塑性树脂的粘度的信息，并且能够通过在温度传感器207的测量值的基础上执行加热器驱动部分232的驱动反馈控制来控制热塑性树脂的温度从而将粘度调节到期望值。

控制器215通过相对地移动喷射头206和台211而由粘度为1100Pa·S至3000Pa·S的热塑性树脂形成外壳部分，如图18A所示。由于热塑性树脂的粘度设置得较高，所以当通过相对地扫描喷射头206绘制图案时，图案不易松散，并且因此可以确保形状的高精度。通过在喷射之后立即使用红外温度传感器208测量热塑性树脂的温度并且在通过喷射口205喷射热塑性树脂的时候向加热器驱动装置提供反馈，控制器215能够以高精度控制粘度。

如图18B所示，在由具有高粘度的热塑性树脂形成构成三维模型的外表面的部分的图案之后，控制器215暂时停止通过喷射头206喷射热塑性树脂。

接下来，在步骤S16中，控制器215根据指令集操作装置的每个部件，并且由具有低粘度的热塑性树脂形成与构成三维形状物体的表面的部分相邻的部分，例如图19A所示。由于在步骤S15中已经形成了构成三维形状物体的表面的部分，因此在由构成表面的部分围绕的区域中施加粘度为500Pa·S至1000Pa·S的热塑性树脂，并且由此形成填充部分。

控制器215驱动辊驱动部分231以将适量的未熔融热塑性树脂的丝供给到加热部分203。由于每单位时间内具有低粘度的热塑性树脂的喷射量可以设置为大于每单位时间内具有高粘度的热塑性树脂的喷射量，因此在步骤S16中丝的供给速度可以设置为比在步骤S15中更高。控制器215驱动加热器驱动部分232以加热并熔融热塑性树脂的丝。此时，控制器215参照温度传感器207的测量值，并且执行加热器驱动部分232的反馈控制，使得热塑性树脂的粘度处于500Pa·S至1000Pa·S的范围内。

控制器215相对移动喷射头206和台211，并且由粘度为500Pa·S至1000Pa·S的热塑性树脂形成图案，如图19A所示。由于热塑性树脂的粘度设定得较低，因此即使在基底的表面具有不规则部的情况下，热塑性树脂也很可能进入凹部，并且因此在相对地扫描喷射头206以绘制图案时几乎不会出现任何间隙。另外，由于在粘度设置得较低时形成具有高平坦度的顶表面的层，因此当在该层上进一步形成上层时，该层可以用作具有高平坦度的基底。所以，能够形成这样的三维形状物体，其中各层之间的粘合非常牢固并且结构坚韧。

通过在喷射之后立即使用红外温度传感器208测量热塑性树脂的温度并且在通过喷射口205喷射热塑性树脂的时候向加热器驱动装置提供反馈，控制器215能够以高精度控制粘度。应当注意，尽管可以通过仅控制加热器的电力来改变树脂的粘度而不使用温度传感器207和红外温度传感器208中的任何一个，但是在此情况下，供给的电力和树脂的粘度之间的关系需要预先存储在控制器215中。由于通常在温度较高时热塑性树脂的粘度较低，因此在形成用作三维形状物体的表面的部分的步骤中的热塑性树脂的温度低于在形成三维形状物体的填充部分的步骤中的热塑性树脂的温度。

此外，在本示例性实施例中，在由粘度为500Pa·S至1000Pa·S的热塑性树脂形成图案时，驱动安装在台211上的振动器212。这样使台211振动以改善热塑性树脂的流动性，并且由此促进热塑性树脂进入基底的凹部。当振动器212以过大的振幅被驱动时，所形成的三维形状物体能够从台211分离，并且因此优选地适当调节振动器212的驱动条件和安置。

如图19B所示，在步骤S12中生成的一次分割模型的一层的三维成形在如图19B所示的上述步骤S15和S16中完成。

在步骤S17中，控制器215确定一次分割模型的所有N层的三维成形是否都已完成。在三维成形尚未完成的情况下，再次执行步骤S15和S16。在三维成形已完成的情况下，三维成形过程结束。

根据本示例性实施例，通过由具有1100Pa·S至3000Pa·S的高粘度的热塑性树脂形成用作三维形状物体的表面的部分，三维形状物体的外表面能够成形为具有高精度的形状。

此外，根据本示例性实施例，通过由具有500Pa·S至1000Pa·S的低粘度的热塑性树脂形成在内侧与用作表面的部分相邻的部分，能够抑制各层之间出现间隙。由于热塑性树脂的粘度设置得较低，因此即使在基底的表面具有不规则部的情况下，热塑性树脂也很可能进入凹部，并且因此在相对地扫描喷射头206以绘制图案时，几乎不会在各层之间出现任何间隙。另外，由于在粘度设置得较低时形成具有高平坦度的顶表面的层，因此当在该层上进一步形成上层时，该层可以用作具有高平坦度的基底。所以，能够形成这样的三维形状物体，其中各层之间的粘合非常牢固并且结构坚韧。

根据本示例性实施例，因为预先由具有高粘度的热塑性树脂形成用作外表面的部分并且随后由具有低粘度的热塑性树脂形成由外表面围绕的部分，因此具有低粘度的热塑性树脂不会溢出，并且因此可以实现高精度的形状。另外，由于可以在每单位时间内喷射大量的具有低粘度的热塑性树脂，因此能够缩短三维成形所需的总时间。

另外，根据本示例性实施例，通过在施加具有低粘度的热塑性树脂时使台振动，热塑性树脂的流动性增强，并且因此可以有效地抑制在三维形状物体的填充部分中出现间隙。

第四示例性实施例

将描述根据本发明的第四示例性实施例的三维成形装置的配置和三维成形方法。

在第三示例性实施例的三维成形装置中，使用相同的喷射头，通过改变喷射头的加热部分的温度改变热塑性树脂的粘度，并且由此通过使用高粘度的热塑性树脂和低粘度的热塑性树脂来顺序地形成图案。与之相比，在第四示例性实施例中，采用这样的配置，其中提供多个喷射头，并且通过相应的喷射头喷射不同粘度的热塑性树脂。

装置的配置

图20是根据本发明第四示例性实施例的三维成形装置的示意性透视图。

图20示出了台211、振动器212、台移动装置213、控制器215、计算机216、以及三维形状物体217。由于这些部件与第三示例性实施例中相同，因此将省略其描述。

在本示例性实施例中，提供两个喷射头206A和206B。丝状成形材料201A和201B分别供给到喷射头206A和206B，并且省略卷盘的图示。喷射头206A包括材料引入部分202A、加热部分203A、喷嘴204A、喷射口205A、喷射头206A、以及温度传感器207A。类似地，喷射头206B包括材料引入部分202B、加热部分203B、喷嘴204B、喷射口205B、喷射头206B、以及温度传感器207B。

喷射头206A是用于形成包括三维形状物体的表面的外壳部分的喷射头，其喷射具有高粘度(即1100Pa·S至3000Pa·S的粘度)的热塑性树脂。

喷射头206B是用于形成三维形状物体的填充部分的喷射头，其喷射具有低粘度(即500Pa·S至1000Pa·S的粘度)的热塑性树脂。

喷射头206A和206B由控制器215彼此独立地控制，并且能够相应地由喷射头移动装置214A和214B彼此独立地移动。

控制模块

在第三示例性实施例中，如图15所示，温度传感器207、辊驱动部分231、加热器驱动部分232和喷射头移动装置214连接到用于控制一个喷射头的控制器215。在本示例性实施例中，尽管在此省略了图示，但是控制器215连接到分别设置用于喷射头206A和206B的温度传感器、辊驱动部分、加热器驱动部分和喷射头移动装置，并且控制彼此独立的喷射头206A和206B。

三维成形过程

同样地，在本示例性实施例中，根据图16的流程图执行三维成形过程。然而，在第三示例性实施例的三维成形装置中，在执行步骤S15和S16时通过改变单个喷射头的加热部分203的温度来控制热塑性树脂的粘度。所以，在某些情况下，通过切换高粘度和低粘度交替地形成外壳部分和填充部分时需要时间来改变粘度并稳定粘度。

与之相比，在本示例性实施例的装置中，喷射头206A的加热部分控制热塑性树脂的温度，使得粘度始终较高，也就是粘度始终为1100Pa·S至3000Pa·S。类似地，喷射头206B控制热塑性树脂的温度，使得粘度始终较低，也就是粘度始终为500Pa·S至1000Pa·S。

因此，包括喷射头206A和206B的本示例性实施例的装置不需要耗时以等待粘度变化并且能够快速地形成层，原因是在交替地形成外壳部分和填充部分时本示例性实施例的装置切换要使用的喷射头。

另外，在本示例性实施例中，外壳部分和填充部分可以通过使用不同种类的热塑性树脂形成，并且例如，外壳部分和填充部分可以由具有不同颜色或不同光泽度的材料形成。

同样地，在本示例性实施例中，类似于第三示例性实施例，可以通过由具有1100Pa·S至3000Pa·S的高粘度的热塑性树脂形成用作三维形状物体的表面的部分，三维形状物体的外表面能够成形为具有高精度的形状。

此外，同样地，在本示例性实施例中，通过由具有500Pa·S至1000Pa·S的低粘度的热塑性树脂形成在内侧与用作表面的部分相邻的部分，能够抑制在各层之间出现间隙。由于热塑性树脂的粘度设置得较低，因此即使在基底的表面具有不规则部的情况下，热塑性树脂也很可能进入凹部，并且因此在相对地扫描喷射头206以形成填充部分时几乎不会在各层之间出现任何间隙。另外，由于在粘度设置得较低时形成具有高平坦度的顶表面的层，因此当在该层上进一步形成上层时，该层可以用作具有高平坦度的基底。所以，能够形成这样的三维形状物体，其中各层之间的粘合非常牢固并且结构坚韧。

同样地，在本示例性实施例中，因为预先由具有高粘度的热塑性树脂形成用作外表面的部分并且随后由具有低粘度的热塑性树脂形成由外表面围绕的部分，所以具有低粘度的热塑性树脂不会溢出，并且因此可以实现高精度的形状。另外，由于可以在每单位时间内喷射大量的具有低粘度的热塑性树脂，因此可以缩短三维成形所需的总时间。

另外，同样地，在本示例性实施例中，通过在施加具有低粘度的热塑性树脂时使台振动，热塑性树脂的流动性增强，并且因此可以有效地抑制在三维形状物体的填充部分中出现间隙。

应当注意，尽管在图20中示出了包括两个喷射头的装置，但是在装置中所包括的喷射头的数量不限于此，并且可以采用包括更多个喷射头的三维成形装置。

第五示例性实施例

在第三示例性实施例和第四示例性实施例中，如图18和图19所示，从一次分割模型的底层到顶层，通过首先形成外壳部分并且随后形成填充部分而形成每一层。

与之相比，在第五示例性实施例中，首先沉积包括三维形状物体的表面的部分即外壳部分的多个层，并且随后形成在内侧与包括表面的部分相邻的部分即填充部分。

应当注意，同样地，在本示例性实施例中，三维形状物体的外壳部分由粘度为1100Pa·S至3000Pa·S的热塑性树脂形成。另外，填充部分由粘度为500Pa·S至1000Pa·S的热塑性树脂形成。下面将通过比较这些实施例来描述第五示例性实施例与第三示例性实施例和第四示例性实施例的区别。

图21A是示出在第三示例性实施例和第四示例性实施例中描述的形成程序的示例的截面图，并且图21B是示出第五示例性实施例的形成程序的示例的截面图。

图21A示出了这样一种状态，其中外壳部分的第一层250-1A、填充部分的第一层250-1B和外壳部分的第二层250-2A已经按照该顺序在台211上形成，并且填充部分的第二层250-2B正由喷射头206形成。如上所述，填充部分由具有比外壳部分低的粘度的热塑性树脂形成，并且因此可以抑制在各层之间的边界部分G处出现间隙。另外，因为填充部分由具有低粘度的热塑性树脂形成，所以改善了上表面U的平坦度。通过使用振动器212以适当的振幅使台211振动，这些效果得到增强。

相比之下，图21B示出了这样一种状态，其中在按照下列顺序在台211上完成外壳部分的第一层250-1A和外壳部分的第二层250-2A的形成之后，正由喷射头206形成对应于这两层的填充部分。在本示例性实施例中，填充部分的层250-1B和250-2B不是单独形成，而是同时形成，并且因此在这两层之间不会出现间隙。因为在本示例性实施例中填充部分也是由具有比外壳部分低的粘度的热塑性树脂形成，所以改善了上表面的平坦度。而且，因为填充部分的第三层和后续层也是由具有低粘度的热塑性树脂形成，所以能够抑制在各层之间的边界处出现间隙。

应当注意，上述第五示例性实施例的形成程序也可以由图14所示的包括单个喷射头的装置和图20所示的包括多个喷射头的装置执行。然而，为了在短时间内形成对应于两层的填充部分，优选的是用于喷射低粘度的热塑性树脂的喷射头的喷射口的面积大于用于喷射高粘度的热塑性树脂以形成外壳部分的喷射头的喷射口的面积。

应当注意，尽管在图21B的示例中在形成外壳部分的两层之后再一并形成对应于两层的填充部分，但是层的数量不受限于该示例，例如，可以在形成外壳部分的三层之后再形成填充部分。

另外，在本示例性实施例中，在由具有低粘度的热塑性树脂形成填充部分时，通过使用振动器使台以适当的振幅振动也是有效的。

第六示例性实施例

尽管由具有高粘度的热塑性树脂形成的三维形状物体的外表面的部分可以仅是侧面，但是为了确保形状的精度，优选的是底表面和顶表面也由具有高粘度的热塑性树脂形成。

在第六示例性实施例中，三维形状物体的整个外表面都由具有高粘度的热塑性树脂形成。

图22A示出了三维成形模型的示例，并且用于在图16的流程图的步骤S12中将三维成形模型分割成五层300-1、300-2、300-3、300-4和300-5的分割平面由虚线指示。

另外，图22B示出了在步骤S13中生成的二次分割模型的八个部分。在图22B中，通过在附图标记的末尾加上A来指示包括三维形状物体的表面的部分，也就是构成外壳部分并且由粘度为1100Pa·S至3000Pa·S的热塑性树脂形成的部分。另外，通过在附图标记的末尾加上B来指示在内侧与包括三维形状物体的表面的部分相邻的部分，也就是构成填充部分并且由粘度为500Pa·S至1000Pa·S的热塑性树脂形成的部分。

通过将各层300-1A、300-2A、300-2B、300-3A、300-3B、300-4A、300-4B和300-5A按照该顺序沉积来形成三维形状物体。

成形可以由第三示例性实施例中所述的图14的三维成形装置、第四示例性实施例中所述的图20的三维成形装置、以及其他装置执行。

根据本示例性实施例，不仅三维形状物体的侧表面、而且三维形状物体的底表面和顶表面中的一个或两个都是由具有1100Pa·S至3000Pa·S的高粘度的热塑性树脂形成。所以，能够改善外形的精度，并且能够实现具有较小的表面状态变化的均匀外观。

示例7

将描述使用图14的三维成形装置进行成形的示例。

使用由UMG ABS有限责任公司制造的ABS树脂3001M作为成形材料201的材料。

通过使用未示出的由Research Laboratory of Plastics Technology有限责任公司制造的单螺杆挤出机UT-25-TL，以50rpm的螺杆转数、193℃的气缸温度和7.9MPa的树脂压力将材料成形为具有约100m的长度和Ф＝1.75mm的圆形截面的丝。

作为图14所示的计算机216，使用由NEC公司制造的PC-MY30XEZE3。另外，在计算机上，使用KISSlicer 1.1.0版作为三维形状编辑软件，并且使用ARDUINO 1.0.6版作为控制软件。

使用能够在高温下使用的、由RKC Instrument公司制造的卡口式护套热电偶T-212SH作为图14所示的温度传感器207。

图23示出了三维模型310的形状。应当注意，三维模型310的形状与JIS K 7171的“6.1.2推荐样本”中所述的形状相同。也就是说，长度为80.0±2.0mm，宽度为10.0±0.2mm，并且厚度为4.0±0.2mm。

首先，在示例7中，获得待使用的ABS树脂的温度(℃)和粘度(Pa·S)之间的关系。根据JIS K 7199的“由塑料毛细管流变仪和狭缝模流变仪实施的塑料流动性测试方法(Test method of fluidity property of plastic by plastic-capillary rheometerand slit die rheometer)”执行测量。在测量中将剪切速度设置为100(1/s)。测量的结果在图24中示出。

接下来，通过使用图14的三维成形装置执行图23所示的三维模型310的成形。通过使用不同粘度组合的热塑性树脂形成外壳部分和填充部分，并且检查三维形状物体的强度。

根据图24所示的ABS树脂的温度(℃)和粘度(Pa·S)之间的关系设定用于形成外壳部分和填充部分的热塑性树脂的粘度，由温度传感器207和红外温度传感器208测量熔融树脂209的温度，并且执行加热部分203的反馈控制。

设定值在表3中示出。

表3

粘度(Pa·S)40050060090010001100温度(℃)300278269247242236

粘度(Pa·S)15002000250030003500温度(℃)220205194183176

将高度为4.0mm的三维模型310分割成16层，并且因此单位层的高度为0.25mm。调节喷射口205的直径，使得在成形外壳部分时挤出树脂被沉积到0.25mm的高度和0.5mm的宽度。

首先，调节加热部分203的温度，使得熔融树脂209的粘度为1100Pa·S，并且成形80mm×10mm的外壳部分。接下来，升高和调节加热部分203的温度，使得熔融树脂209的粘度为500Pa·S，并且在外壳部分的内部形成填充部分。在填充部分的形成中，以Z字形的方式相对地扫描喷射头，使得挤出的熔融树脂209无间隙地填充在外壳部分的框架的内部，并且由此形成单位层。随后，降低和调节加热部分203的温度，使得熔融树脂209的粘度再次变为1100Pa·S，并且外壳部分的第二层在外壳部分的第一层上成形。接下来，升高和调节加热部分203的温度，使得熔融树脂209的粘度再次变为500Pa·S，通过以Z字形的方式相对地扫描喷射头而在外壳部分的内部形成填充部分以填充框架的内部并形成第二单位层。

单位层以类似的方式一直沉积到十六层，并且由此获得三维形状物体。所获得的三维形状物体满足图23所示的尺寸公差。

另外，根据JIS K 7171的“如何获得塑性弯曲性质(How to obtain plasticflexural property)”测量弯曲模量，并且使用由SHIMADZU公司制造的台式精密通用测试仪(Tabletop Precision Universal Tester)AUTOGRAPH AGS-X作为测试装置。

通过改变用于形成外壳部分的粘度和用于形成填充部分的粘度来形成三维形状物体，并且获得能够确保形状精度和强度的条件。所获得的结果在表4中示出。

表4

在表4中，粘度的单位为Pa·S，并且粘度单元格以外的其他单元格中的值指示弯曲模量(GPa)。另外，“F”指示形状缺陷例如外形不精确并且不满足尺寸公差、以及角部分的曲率半径过大并且不满足尺寸公差。

在外壳部分的粘度为1000Pa·S的情况下，流动性强，并且因此外壳部分的形状松散且偏离尺寸公差。另外，在外壳部分的粘度为3500Pa·S的情况下，流动性弱，并且因此角部分不能精确地成形且形状偏离尺寸公差。

在填充部分的粘度处于500Pa·S至1000Pa·S的范围内的情况下，弯曲模量稳定地处于1.69GPa至1.87GPa的范围内。然而，在填充部分的粘度为400Pa·S的情况下，树脂的热降解因为树脂的温度过高而变得显著，并且因此弯曲模量下降到等于或小于1.35GPa的值。另外，在填充部分的粘度为1100Pa·S的情况下，流动性下降并且出现间隙，并且因此弯曲模量下降到等于或小于1.23GPa的值。

如上所述，在用于形成三维形状物体的外壳部分的挤出树脂材料的粘度处于1100Pa·S至3000Pa·S的范围内并且用于形成填充部分的挤出树脂材料的粘度处于500Pa·S至1000Pa·S的范围内的情况下，获得优选的结果。

示例8

将描述参照图21B介绍的第五示例性实施例的示例。

使用与示例7相同的三维成形装置和相同的材料。使用表3所示的温度(℃)和粘度(Pa·S)之间的关系。

将高度为4.0mm的三维模型310分割成十六层，并且因此单位层的高度为0.25mm。调节喷射口205的直径，使得在成形外壳部分时挤出树脂被沉积到0.25mm的高度和0.5mm的宽度。

首先，调节加热部分203的温度，使得熔融树脂209的粘度为1100Pa·S，并且成形80mm×10mm的外壳部分。随后，将外壳部分的第二层形成在外壳部分的第一层上。接下来，升高和调节加热部分203的温度，使得熔融树脂209的粘度为500Pa·S，并且对应于两层的填充部分连续地形成在外壳部分的这两层的内部。在填充部分的形成中，以Z字形的方式相对地扫描喷射头，使得挤出的熔融树脂209无间隙地填充在外壳部分的框架的内部。

随后，降低和调节加热部分203的温度，使得熔融树脂209的粘度再次变为1100Pa·S，并且将外壳部分的第三层和第四层成形在外壳部分的第二层上。接下来，升高和调节加热部分203的温度，使得熔融树脂209的粘度再次变为500Pa·S，通过以Z字形的方式相对地扫描喷射头以填充框架的内部，对应于两层的填充部分连续地形成在外壳部分的内部。以类似的方式沉积各层直至最上层，并且由此获得三维形状物体。所获得的三维形状物体满足图23所示的尺寸公差。

通过改变热塑性树脂的粘度形成外壳部分和填充部分，并且检查三维形状物体的形状精度和强度。以与示例7类似的方式执行弯曲模量的测量。所获得的结果在表5中示出。

表5

在表5中，粘度的单位为Pa·S，并且粘度单元格以外的其他单元格中的值指示弯曲模量(GPa)。另外，“F”指示形状缺陷例如外形不精确并且不满足尺寸公差，以及角部分的曲率半径过大并且不满足尺寸公差。

类似于示例7，在示例8中，在用于形成三维形状物体的外壳部分的挤出树脂材料的粘度处于1100Pa·S至3000Pa·S的范围内并且用于形成填充部分的挤出树脂材料的粘度处于500Pa·S至1000Pa·S的范围内的情况下，获得优选的结果。

示例9

将描述参照图22A和22B介绍的第六示例性实施例的示例。

使用与示例7相同的三维成形装置和相同的材料。使用表3所示的温度(℃)和粘度(Pa·S)之间的关系。

尽管形成与示例7相同的三维模型，但是与示例7相比，通过调节加热部分203的温度使得粘度为1100Pa·S而形成第一层和第十六层。在与示例7相同的条件下形成第二层至第十五层。

所获得的三维形状物体满足图23所示的尺寸公差。另外，所获得的三维形状物体的外表面在每一侧具有相同的表面状态，并且因此所获得的三维形状物体具有均匀外观。

示例10

示例10与示例7的区别在于，当通过以Z字形的方式相对地扫描喷射头而在外壳部分的内部形成填充部分时由振动器212使台211振动。振动器212的振动条件是2mm的振幅以及20Hz和240Hz的频率。其他条件与示例7相同。

频率为20Hz的情况的结果在表6中示出，并且频率为240Hz的情况的结果在表7中示出。在这些表中，粘度的单位为Pa·S，并且粘度单元格以外的其他单元格中的值指示弯曲模量(GPa)。另外，“F”指示形状缺陷例如外形不精确并且不满足尺寸公差，以及角部分的曲率半径过大并且不满足尺寸公差。

表6频率：20Hz

表7频率：240Hz

当用于形成填充部分的热塑性树脂的粘度处于500Pa·S至1000Pa·S的范围内时，在频率为20Hz和频率为240Hz这两种情况下的弯曲模量大于在示例7中的弯曲模量。估计这是因为通过振动改善了树脂的填充性质。然而，当填充部分的粘度为400Pa·S时，树脂的热降解变得显著，并且因此未观察到振动的效果。另外，当填充部分的粘度为1100Pa·S时，流动性弱，并且因此未观察到振动的效果。

在频率为20Hz和频率为240Hz的情况下，当用于形成填充部分的热塑性树脂的粘度处于500Pa·S至1000Pa·S的范围内时，弯曲模量相应地稳定在1.83GPa至1.90Gpa以及1.84GPa至1.95GPa的范围内。当用于形成填充部分的热塑性树脂的粘度处于500Pa·S至1000Pa·S的范围内时，弯曲模量的改善尤为显著。相比之下，当用于形成填充部分的热塑性树脂的粘度为400Pa·S或者1100Pa·S时，未观察到振动的效果。

示例11

通过在0.5mm至6mm的范围内改变振动器212的振动条件中的振幅来执行成形。在该示例中，频率为20Hz，用于形成外壳部分的树脂的粘度为2000Pa·S，并且用于形成填充部分的树脂的粘度为400Pa·S至1100Pa·S。

所获得的结果在表8中示出。在表8中，粘度的单位为Pa·S，并且粘度单元格以外的其他单元格中的值指示弯曲模量(GPa)。另外，“F”指示形状缺陷例如外形不精确并且不满足尺寸公差，以及角部分的曲率半径过大并且不满足尺寸公差。此外，“S”指示成形物体意外地从台分离。

尽管在振幅处于0.5mm至5mm的范围内的情况下的弯曲模量大于在示例7中的弯曲模量，但是在振幅为6mm的情况下，成形物体会意外地从台211分离。

表8频率：20Hz，外壳部分的粘度：2000Pa·S

示例12

在示例12中，通过使用与示例7不同的热塑性树脂并且使用图20的三维成形装置来形成三维形状物体。在示例12中，使用由Bayer制造的PC/ABS聚合物合金T65作为热塑性树脂。

通过使用未示出的由Research Laboratory of Plastics Technology有限责任公司制造的单螺杆挤出机UT-25-TL，以50rpm的螺杆转数、212℃的气缸温度和5.1MPa的树脂压力将材料成形为具有约100m的长度和Ф＝1.75mm的圆形截面的丝。

同样地，在示例12中，获得待使用的ABS树脂的温度(℃)和粘度(Pa·S)之间的关系。根据JIS K 7199的“由塑料毛细管流变仪和狭缝模流变仪实施的塑料流动性测试方法(Test method of fluidity property of plastic by plastic-capillary rheometerand slit die rheometer)”执行测量。在测量中将剪切速度设置为100(1/s)。测量的结果在图25中示出。

接下来，通过使用图20的三维成形装置执行图23所示的三维模型310的成形。通过使用喷射头206A形成外壳部分，并且通过使用喷射头206B形成填充部分。三维成形模型的形状与示例7相同。

通过改变热塑性树脂的粘度形成外壳部分和填充部分，并且检查三维形状物体的形状精度和强度。

根据图25所示的PC/ABS树脂的温度(℃)和粘度(Pa·S)之间的关系设定用于形成外壳部分和填充部分的热塑性树脂的粘度。温度传感器207A和207B均测量通过相应的喷射头喷射的熔融树脂的温度，并执行加热部分203A和203B的反馈控制。设定值在表9中示出。

表9

粘度(Pa·S)40050060090010001100温度(℃)295280272260256252

粘度(Pa·S)15002000250030003500温度(℃)242232224219212

将高度为4.0mm的三维模型310分割成十六层，并且因此单位层的高度为0.25mm。调节喷射口205A的直径，使得在成形外壳部分时挤出树脂被沉积到0.25mm的高度和0.5mm的宽度。

首先，调节加热部分203A的温度，使得熔融树脂的粘度为1100Pa·S，并且通过使用喷射头206A来成形80mm×10mm的外壳部分。接下来，调节加热部分203B的温度，使得熔融树脂的粘度为500Pa·S，并且通过以Z字形的方式相对地扫描喷射头206B以使填充在外壳部分的框架的内部的熔融树脂无间隙地形成单位层而在外壳部分的内部连续地形成填充部分。

单位层以类似的方式一直沉积到十六层，并且因此获得三维形状物体。所获得的三维形状物体满足图23所示的尺寸公差。以与示例7相似的方式执行弯曲模量的测量。

通过改变用于形成外壳部分的粘度和用于形成填充部分的粘度来形成三维形状物体，并且获得能够确保形状精度和强度的条件。所获得的结果在表10中示出。

表10

在表10中，粘度的单位为Pa·S，并且粘度单元格以外的其他单元格中的值指示弯曲模量(GPa)。另外，“F”指示形状缺陷例如外形不精确并且不满足尺寸公差，以及角部分的曲率半径过大并且不满足尺寸公差。

表10的结果表明，在用于形成外壳部分的热塑性树脂的粘度为1000Pa·S的情况下，流动性强，并且因此外壳部分的形状松散且偏离尺寸公差。另外，在粘度为3500Pa·S的情况下，流动性弱，并且因此角部分不能精确成形且形状偏离尺寸公差。

在用于形成填充部分的热塑性树脂的粘度处于500Pa·S至1000Pa·S的范围内的情况下，弯曲模量处于2.06GPa至2.25GPa的范围内。在用于形成填充部分的热塑性树脂的粘度为400Pa·S的情况下，树脂的热降解因为树脂的温度过高而变得显著，并且因此弯曲模量下降到约为1.6GPa的值。另外，在用于形成填充部分的热塑性树脂的粘度为1100Pa·S的情况下，流动性下降并且出现间隙，并且因此弯曲模量下降到约为1.5GPa的值。

示例13

示例12的改进情形将被描述为示例13。在示例13中，当通过以Z字形的方式扫描喷射头以在外壳部分的内部形成填充部分时，由振动器212使台211振动。振动器212的振动条件是2mm的振幅以及20Hz和240Hz的频率。其他条件与示例12相同。

频率为20Hz的情况的结果在表11中示出，并且频率为240Hz的情况的结果在表12中示出。

表11频率：20Hz

表12频率：240Hz

在表11和12中，粘度单元格以外的其他单元格中的值指示弯曲模量(GPa)。另外，“F”指示形状缺陷例如外形不精确并且不满足尺寸公差，以及角部分的曲率半径过大并且不满足尺寸公差。

表11和表12的结果表明，在任一情况下，当用于形成外壳部分的热塑性树脂的粘度为1000Pa·S时，流动性强，并且因此外壳部分的形状松散且偏离尺寸公差。另外，在用于形成外壳部分的热塑性树脂的粘度为3500Pa·S的情况下，流动性弱，并且因此角部分不能精确地成形且形状偏离尺寸公差。

在振动器212的振动频率为20Hz的情况下，当用于形成填充部分的热塑性树脂的粘度处于500Pa·S至1000Pa·S的范围内时，弯曲模量处于2.20GPa至2.26GPa的范围内。在振动器212的振动频率为240Hz的情况下，当用于形成填充部分的热塑性树脂的粘度处于500Pa·S至1000Pa·S的范围内时，弯曲模量处于2.20GPa至2.27GPa的范围内。在用于形成填充部分的热塑性树脂的粘度为400Pa·S的情况下，树脂的热降解因为树脂的温度过高而变得显著，并且因此弯曲模量下降到约为1.6GPa的值。另外，在用于形成填充部分的热塑性树脂的粘度为1100Pa·S的情况下，流动性下降并且出现间隙，并且因此弯曲模量下降到约为1.5GPa的值。

在振动器212的振动频率为20Hz和振动器212的振动频率为240Hz这两种情况下，当用于形成填充部分的热塑性树脂的粘度处于500Pa·S至1000Pa·S的范围内时，弯曲模量的改善尤为显著。

与之相比，当用于形成填充部分的热塑性树脂的粘度为400Pa·S或1100Pa·S时，未观察到振动的效果。

示例14

作为示例14，将描述一个这样的示例，其中通过使用图20的三维成形装置执行三维成形并且向喷射头206A和206B供给不同种类的热塑性树脂。

通过使用由Bayer制造的PC/ABS聚合物合金T65作为成形材料201A以及由UMG ABS有限责任公司制造的ABS树脂3001M作为成形材料201B来执行三维成形。

首先，调节加热部分203A的温度，使得成形材料201A的粘度为1100Pa·S，并且通过使用喷射头206A来成形80mm×10mm的外壳部分。接下来，调节加热部分203B的温度，使得成形材料201B的粘度为500Pa·S，并且通过以Z字形的方式相对地扫描喷射头206B以使成形材料201B填充外壳部分的框架的内部从而无间隙地形成单位层而在外壳部分的内部连续地形成填充部分。

以类似的方式沉积各层，直至沉积到最顶层，并且由此获得三维形状物体。所获得的三维形状物体满足图23所示的尺寸公差。

通过改变用于形成外壳部分的粘度和用于形成填充部分的粘度来形成三维形状物体，并且获得能够确保形状精度和强度的条件。所获得的结果在表13中示出。

表13

在表13中，粘度单元格以外的其他单元格中的值指示弯曲模量(GPa)。另外，“F”指示形状缺陷例如外形不精确并且不满足尺寸公差，以及角部分的曲率半径过大并且不满足尺寸公差。

表13的结果表明，在用于形成外壳部分的热塑性树脂的粘度为1000Pa·S时，流动性强，因此外壳部分的形状松散且偏离尺寸公差。另外，在用于形成外壳部分的热塑性树脂的粘度为3500Pa·S的情况下，流动性弱，因此角部分不能精确地成形且形状偏离尺寸公差。

在填充部分的粘度处于500Pa·S至1000Pa·S的范围内的情况下，弯曲模量处于1.80GPa至1.95GPa的范围内。在填充部分的粘度为400Pa·S的情况下，树脂的热降解因为树脂的温度过高而变得显著，因此弯曲模量下降到约为1.4GPa的值。另外，在用于形成填充部分的热塑性树脂的粘度为1100Pa·S的情况下，流动性下降并且出现间隙，因此弯曲模量下降到约为1.3GPa的值。

正如上述示例所示，优选的是在挤出时用于形成三维形状物体的外壳部分的树脂材料的粘度处于1100Pa·S至3000Pa·S的范围内，并且在挤出时用于形成填充部分的树脂材料的粘度处于500Pa·S至1000Pa·S的范围内。

另外，优选的是在形成填充部分时使成形台振动。优选的是根据待形成的成形物体而将振动的振幅设定为适当的值。

另外，在重复形成外壳部分的多个层之后再形成填充部分的步骤的情况下也能获得类似的结果。

在挤出时由粘度为1100Pa·S至3000Pa·S的热塑性树脂形成三维形状物体的整个表面具有能够获得外观均匀的成形物体的优点。

另外，在提供多个喷射头以喷射不同粘度的树脂的情况下，消除了改变树脂的温度以改变粘度的必要性，并且因此与使用单个喷射头的情况相比缩短了成形所需的时间。另外，通过经由两个系统喷射不同的材料，外壳部分和填充部分可以由不同的材料形成。

根据本发明的上述示例性实施例，能够在熔融沉积造型法中抑制沉积材料层之间出现间隙，并且能够以高精度的形状形成具有高强度的三维形状物体。

其他实施例

本发明的实施例也可以由读出并执行记录在存储介质(也可以更完整地称为“非暂时性计算机可读存储介质”)上的计算机可执行指令(例如，一个或多个程序)以执行一个或多个上述实施例中的功能和/或包括用于执行一个或多个上述实施例中的功能的一个或多个电路(例如，专用集成电路(ASIC))的系统或装置的计算机实现，并且可以由系统或装置的计算机通过例如从存储介质读出并执行计算机可执行指令以执行一个或多个上述实施例中的功能和/或控制一个或多个电路以执行一个或多个上述实施例中的功能而执行的方法实现。计算机可以包括一个或多个处理器(例如，中央处理单元(CPU)，微处理单元(MPU))，并且可以包括独立计算机或独立处理器的网络，用以读出并执行计算机可执行指令。计算机可执行指令可以例如从网络或存储介质提供给计算机。存储介质可以包括例如以下的一种或多种：硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、分布式计算系统的存储器、光盘(例如压缩光盘(CD)，数字多功能光盘(DVD)或蓝光光盘(BD)^TM)、闪存装置、存储卡等。

其它实施例

本发明的实施例还可以通过如下的方法来实现，即，通过网络或者各种存储介质将执行上述实施例的功能的软件(程序)提供给系统或装置，该系统或装置的计算机或是中央处理单元(CPU)、微处理单元(MPU)读出并执行程序的方法。

尽管已经参照示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。以下权利要求的范围应被赋予最广义的解读以便涵盖所有的这些变型以及等同的结构和功能。