CN110154380A - 三维成型物的制造方法及三维成型装置 - Google Patents

三维成型物的制造方法及三维成型装置 Download PDF

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Abstract

一种三维成型物的制造方法及三维成型装置，即使层叠的熔融材料在冷却固化时收缩，也不易从底面部剥离，能够抑制三维成型物中发生翘曲。三维成型物的制造方法具有：第一工序，切削材料块来制作具有朝上方凸出的被层叠部的底面部；以及第二工序，在所述被层叠部的上方层叠一层或多层熔融材料来制作与所述被层叠部接触的第一层叠部。

Description

三维成型物的制造方法及三维成型装置
技术领域
本发明涉及三维成型物的制造方法及三维成型装置。
背景技术
专利文献1公开了一种热溶解层叠法(FDM)的三维成型装置，其具备：成型头，喷出热塑性树脂；成型台，保持从成型头喷出的热塑性树脂；以及加工头，加工由固化的热塑性树脂形成的三维成型物的表面。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017-100283号公报
在专利文献1的三维成型物的制造方法中，当从成型头喷出的熔融热塑性树脂冷却固化时，有时因收缩而发生翘曲。一旦发生翘曲，就有时无法获得希望尺寸精度的三维成型物。当为了抑制翘曲而调节成型台的温度时，三维成型装置会大型化。
发明内容
本发明是为解决上述技术问题的至少一部分而提出的，能够以如下方式实现。
(1)本发明的一方式提供一种三维成型物的制造方法。该三维成型物的制造方法具有：第一工序，切削材料块来制作具有朝上方凸出的被层叠部的底面部；以及第二工序，在所述被层叠部的上方层叠一层或多层熔融材料来制作与所述被层叠部接触的第一层叠部。
根据该方式的三维成型物的制造方法，层叠在被层叠部的上方的熔融材料不易被底面部吸取热量，因此层叠的熔融材料和底面部之间的熔接强度大。因此，即使层叠的熔融材料在冷却固化时收缩，也不易从底面部剥离，能够抑制三维成型物中发生翘曲。
(2)在上述方式的三维成型物的制造方法中，也可以是，在所述第二工序中，在所述被层叠部的上方层叠一层或多层熔融材料之后，切削固化的所述熔融材料来制作所述第一层叠部。
根据该方式的三维成型物的制造方法，在层叠熔融材料之后切削修整固化的熔融材料，因此能够以高尺寸精度制作三维成型物。
(3)也可以是，上述方式的三维成型物的制造方法还具有第三工序，在所述第三工序中，在所述第二工序之后，重复进行在所述第一层叠部的上方层叠一层或多层熔融材料的工序和切削固化的所述熔融材料的工序，制作与所述第一层叠部接触的第二层叠部。
根据该方式的三维成型物的制造方法，通过重复熔融材料的层叠和固化的熔融材料的切削，能够制作大的三维成型物。
(4)也可以是，上述方式的三维成型物的制造方法还具有在所述第一工序之前通过抽吸将所述材料块固定于成型台的工序。
根据该方式的三维成型物的制造方法，将底面部固定于成型台来抑制底面部的变形，因此能够抑制三维成型物中发生翘曲。
(5)也可以是，上述方式的三维成型物的制造方法还具有层叠熔融材料来制作所述材料块的工序。
根据该方式的三维成型物的制造方法，能够使用相同材料制作底面部、第一层叠部以及第二层叠部，因此能够抑制材料成分不同。因此，能够统一材料成分，从而能够进一步抑制三维成型物中发生翘曲。
(6)也可以是，在上述方式的三维成型物的制造方法中，所述第二工序包括通过平面螺旋件将材料转化为所述熔融材料的工序。
根据该方式的三维成型物的制造方法，能够通过使用小的平面螺旋件将材料转化为熔融材料。因此，能够通过使用小型的三维成型装置来进行三维成型物的制造。
(7)本发明的第二方式提供一种三维成型装置。该三维成型装置具备：成型头，层叠熔融材料；切削头，切削固化的所述熔融材料；以及控制部，控制所述成型头和所述切削头来制作三维成型物，所述控制部执行第一控制和第二控制来制作所述三维成型物，在所述第一控制下切削材料块来制作具有朝上方凸出的被层叠部的底面部，在所述第二控制下在所述被层叠部的上方层叠一层或多层熔融材料来制作与所述被层叠部接触的第一层叠部。
根据该方式的三维成型装置，即使对成型台不进行使用加热器等的温度调节，也能够抑制三维成型物的翘曲。因此，能够实现三维成型装置的小型化。
(8)在上述方式的三维成型装置中，也可以是所述成型头具备：喷嘴，具有用于喷出所述熔融材料的开口；螺旋相对部，具有加热器和与所述开口连通的连通孔；以及平面螺旋件，在与所述螺旋相对部相对的位置具有槽部，在被所述加热器加热的同时旋转，从而将材料转化为所述熔融材料，并经由所述连通孔向所述喷嘴供给所述熔融材料。
根据该方式的三维成型装置，通过使用平面螺旋件能够使成型头小。因此，能够实现三维成型装置的小型化。
本发明还能够以上述三维成型物的制造方法、三维成型装置以外的各种方式实现。例如，能够以三维成型方法等方式实现。
附图说明
图1是示出三维成型装置的简要结构的说明图。
图2是成型头的示意图。
图3是平面螺旋件的立体图。
图4是螺旋相对部的俯视图。
图5是示出三维成型物的制造方法的工序图。
图6是示出层叠的熔融材料的收缩的说明图。
附图标记说明
5：三维成型装置；10：螺旋壳；20：料斗；22：连通路径；30：驱动电动机；40：平面螺旋件；42：涡旋槽；43：侧面；44：材料流入口；46：中央部；48：涡旋槽形成面；50：螺旋相对部；52：螺旋相对面；54：引导槽；56：连通孔；58：加热器；60：喷嘴；90：塑化部；100：成型台；200：移动机构；300：成型头；400：切削头；410：切削工具；421：内侧壁；422：外侧壁；423：底壁；450：工具库；500：控制部；900：材料块；901：底面部；905：粘接层；910：基部；920：被层叠部；930：第一层叠部；940：第二层叠部；Dn：喷嘴孔径；OB：三维成型物。
具体实施方式
A.第一实施方式
图1是示出第一实施方式中的三维成型装置5的简要结构的说明图。本实施方式中的三维成型装置5具备成型台100、移动机构200、成型头300、切削头400以及控制部500。图1中示出互相垂直的三个方向X、Y、Z。X方向和Y方向是水平方向，Z方向是垂直方向。在其他图中也根据需要示出这些方向。
在通过熔融材料的层叠、切削来制作三维成型物OB的成型台100的周围设置有移动机构200。在移动机构200上设置有成型头300和切削头400。移动机构200是能够使成型头300及切削头400沿X方向、Y方向以及Z方向三个轴方向移动的三轴定位器。移动机构200具有变更成型头300及切削头400与成型台100之间的相对位置关系的功能。通过使用移动机构200变更成型头300及切削头400与成型台100之间的相对位置关系，能够制造出任意形状的三维成型物OB。在本实施方式中，移动机构200三维移动成型头300及切削头400，也可以用三维移动成型台100的机构来用作移动机构200。或者，也可以应用使成型头300及切削头400和成型台100中的一方沿一个轴或两个轴方向移动，另一方沿其余轴方向移动的移动机构。
成型头300从喷嘴60喷出熔融材料来进行三维成型物OB的层叠。关于成型头300的详细结构将在后面说明(参照图2)。
切削头400通过旋转安装在旋转轴上的切削工具410来进行三维成型物OB的切削。切削头400构成为能够测量切削工具410的末端位置，控制部500控制切削头400和移动机构200的控制，从而控制切削工具410和三维成型物OB之间的相对位置关系。在本实施方式中，三维成型装置5具备收纳各种切削工具410的工具库450。切削工具410例如是平端铣刀、球头立铣刀等。三维成型装置5具有自动替换工具功能，安装在切削头400的旋转轴上的切削工具410通过控制部500根据收纳在工具库450中的工具和用途来替换。另外，三维成型装置5还可以具备多个切削头。在这种情况下，通过设置为能够独立驱动各个切削头来减小因三维成型物OB的形状而导致切削工具难以到达的范围。切削头400还可以具备离子发生器等除电器。
控制部500执行移动机构200、成型头300以及切削头400的控制。控制部500例如可以使用包括CPU等处理器、主存储器以及非易失性存储器的计算机来实现。在控制部500内的非易失性存储器中存储有用于控制三维成型装置5的计算机程序。控制部500通过执行该计算机程序来实现包括后述的第一工序、第二工序以及第三工序的三维成型物的制造方法(参照图5)。
图2是成型头300的示意图。成型头300具有驱动电动机30、塑化部90以及喷嘴60。塑化部90具有平面螺旋件40和螺旋相对部50。平面螺旋件40收纳在螺旋壳10内，通过驱动电动机30旋转。螺旋相对部50与涡旋槽形成面48(参照图3)相对，在中心处形成有连通孔56。螺旋相对部50在内部具有加热器58。塑化部90将供给到平面螺旋件40和螺旋相对部50之间的材料通过平面螺旋件40的旋转和加热器58的加热而塑化并转化成熔融材料。熔融材料从连通孔56供给至喷嘴60。喷嘴60射出从连通孔56供给的熔融材料。喷嘴60的末端部的开口具有喷嘴孔径Dn。“塑化”意指对材料加热并进行熔融。
通过连通路径22将材料从料斗20供给至塑化部90。将热塑性的材料投放到料斗20。例如可以将聚丙烯树脂(PP)、聚乙烯树脂(PE)、聚缩醛树脂(POM)、聚氯乙烯(PVC)、聚酰胺树脂(PA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯树脂(ABS)、聚乳酸树脂(PLA)、聚苯硫醚树脂(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚碳酸酯(PC)等作为材料来使用。另外，关于材料的形状，可以使用颗粒、粉末等固体材料。另外，所谓热塑性的材料也可以是包括热塑性和其他成分的组合物。
图3是平面螺旋件40的立体图。平面螺旋件40是轴线方向的高度小于直径的大致圆柱状的螺旋件。平面螺旋件40在与螺旋相对部50(参照图2)相对的面上具有多个涡旋槽42。将形成有涡旋槽42的面称为“涡旋槽形成面48”(槽部)。涡旋槽42形成为从平面螺旋件40的外周开始朝向涡旋槽形成面48的中央部46c呈涡旋状或螺旋状。涡旋槽42的深度越靠近平面螺旋件40的外周侧越深。但是，涡旋槽42的一部分(例如，中央部46附近的部分)的深度也可以恒定。平面螺旋件40的侧面43上形成有多个用于在平面螺旋件40和螺旋相对部50之间接收材料的材料流入口44。材料流入口44连续至涡旋槽42。材料从料斗20经由连通路径22供给至材料流入口44。
涡旋槽42被位于径向内侧的壁421、位于径向外侧的外侧壁422以及底壁423划定。内侧壁421以及外侧壁422例如是基于以平面螺旋件40的旋转中心和同心圆为基准的渐开线曲线设置的各个形状。通过平面螺旋件40的旋转，将供给到涡旋槽42内的材料从外侧壁422侧向内侧壁421侧引导。另外，当平面螺旋件40旋转时，材料在涡旋槽42和螺旋相对部50之间被混合搅拌，同时被加热器58加热，由此塑化，转化为熔融材料。
图4是螺旋相对部50的俯视图。螺旋相对部50具有与平面螺旋件40的涡旋槽形成面48相对的螺旋相对面52。在螺旋相对面52上形成有多个形成为涡旋状或螺旋状的引导槽54。在螺旋相对面52的中心处形成有用于向喷嘴60供给熔融材料的连通孔56。多个引导槽54具有将熔融材料引导至连通孔56的功能。如图2所示，在螺旋相对部50中埋设有用于加热材料的加热器58。
熔融材料以被加热至其玻璃化点以上并完全熔融的状态从喷嘴60喷出。例如，ABS树脂的玻璃化点为约110℃，从喷嘴60喷出时为约200℃。为了如此以高温状态喷出熔融材料，也可以在喷嘴60的周围设置加热器。
图5是示出本实施方式中的三维成型物的制造方法的工序图。本实施方式中的三维成型物的制造方法包括准备工序、第一工序、第二工序、第三工序以及修整工序，并按照此顺序进行三维成型物的制作。
首先，在第一工序之前的准备工序中，将材料块900固定至成型台100。在本实施方式中，在成型台100上设置粘接带、蜡等粘接层905，将材料块900固定到粘接层905上。也可以在成型台100上设置抽吸孔和真空泵，从成型台100侧抽吸材料块900，由此将材料块900固定在成型台100上。也可以在准备工序之前使用成型头300来层叠熔融材料，制作材料块900。也可以在使用成型头300层叠熔融材料之后，切削修整固化的熔融材料，制作材料块900。另外，既可以在使用其他三维成型装置制作材料块900之后将材料块900固定至成型台100，也可以通过使用成型头300在成型台100上直接层叠来制作材料块900。另外，在本说明书中，“修整”意指加工已层叠固化的熔融材料以得到希望的三维成型物OB，例如意指除去不小心从喷嘴60滴落而附着于制作过程中的三维成型物OB并固化的熔融材料，将制作过程中的三维成型物OB加工为希望的尺寸，将制作过程中的三维成型物OB的表面粗糙度加工成希望的表面粗糙度。
接下来，在第一工序中，控制部500进行第一控制，使用切削头400切削固定于成型台100的材料块900来制作底面部901。底面部901具有基部910和朝基部910的上方凸出的被层叠部920。
在第一工序之后进行的第二工序中，控制部500进行第二控制，在被层叠部920的上方，使用成型头300按照三维成型物OB的形状而层叠一层或多层熔融材料，制作与被层叠部920接触的第一层叠部930。另外，在第二工序中，控制部500也可以在被层叠部920的上方按照三维成型物OB的形状而层叠一层或多层熔融材料之后，切削修整固化的熔融材料来制作第一层叠部930。
在第二工序之后进行的第三工序中，控制部500进行第三控制，重复进行在第一层叠部930的上方使用成型头300按照三维成型物OB的形状而层叠一层或多层熔融材料的工序和切削修整固化的熔融材料的工序，制作与第一层叠部930接触的第二层叠部940。
之后，在修整工序中，控制部500通过切削头400进行包含层叠的三维成型物OB的成品形的形状的表面修整，切除基部910的余料。在修整工序之后，将包含三维成型物OB的成品形状的形状从成型台100剥离，在当层叠熔融材料时使用支承材料的情况下，通过进行支承材料的切除等来得到三维成型物OB的成品形。
在本实施方式中，成型头300具有平面螺旋件40，因此在第二工序、第三工序中，在按照三维成型物OB的形状层叠熔融材料时，包括通过平面螺旋件40将材料转化为熔融材料的工序。另外，也可以根据三维成型物OB的形状，省略第三工序。例如，在制作高度低的三维成型物OB时，即使不进行第三工序也能够获得希望的三维成型物OB。
图6是示出熔融材料在层叠后冷却收缩的样子的说明图。当不设置被层叠部920而在基部910上直接层叠熔融材料时，层叠的熔融材料容易被基部910吸取热量，因此层叠的熔融材料和底面部901之间的熔接部的熔接强度小。熔融材料在冷却固化时收缩，因此在熔接部中产生收缩导致的应力。该熔接部中产生的应力每接续层叠时继续增加，超过熔接强度，则熔接部剥离而发生翘曲。对此，如本实施方式那样，在将被层叠部920设置在基部910上并在被层叠部920上层叠熔融材料时，层叠的熔融材料不易被基部910吸取热量，层叠的熔融材料和底面部901之间的熔接部的熔接强度变大。因此，即使继续层叠，熔接部也不易剥离，抑制翘曲。
根据以上说明的本实施方式的三维成型物的制造方法，在第一工序中，通过切削在基部910上制作具有被层叠部920的底面部901，在之后的第二工序中，通过在被层叠部920的上方层叠熔融材料，使层叠的熔融材料不易被基部910吸取热量。因此，层叠的熔融材料和被层叠部920之间的熔接强度大，层叠的熔融材料不易从被层叠部920剥离，能够抑制三维成型物OB中发生翘曲。
另外，在本实施方式中，在第一工序之前，基部910固定紧贴于成型台100。因此，基部910的变形得到抑制，能够抑制三维成型物OB中发生翘曲。
另外，在本实施方式中，通过三维成型装置5来制作材料块900，从而能够使用相同材料来制作基部910、被层叠部920、第一层叠部930以及第二层叠部940，因此能够抑制材料成分不同。因此，能够统一材料成分，从而能够进一步抑制三维成型物OB中发生翘曲。
另外，在本实施方式中，通过具有小的平面螺旋件40的成型头300进行熔融材料的层叠。因此，能够通过使用小型的三维成型装置5来进行三维成型物OB的制造。
另外，在本实施方式中，即使对成型台100不进行使用加热器等的温度调节，也能够抑制三维成型物OB的翘曲。因此，能够实现三维成型装置5的小型化。
B.其他实施方式
在第一实施方式的三维成型装置5中，成型头300具有平面螺旋件40。相对于此，成型头300也可以不具有平面螺旋件40而是普通的FDM方式(热溶解层叠方式)的成型头300。
本发明不限于上述实施方式，能够在不脱离其宗旨的范围内以各种结构实现。例如，为了解决上述技术问题的一部分或者全部，或者为实现上述效果的一部分或者全部，可以对与发明内容部分中所记载的各个方式中的技术特征对应的实施方式中的技术特征进行适当的替换、组合。另外，只要是在本说明书中未说明其技术特征是必须的，则可以进行适当的删除。

Claims (8)

1.一种三维成型物的制造方法，具有：
第一工序，切削材料块来制作具有朝上方凸出的被层叠部的底面部；以及
第二工序，在所述被层叠部的上方层叠一层或多层熔融材料来制作与所述被层叠部接触的第一层叠部。
2.根据权利要求1所述的三维成型物的制造方法，其中，
在所述第二工序中，在所述被层叠部的上方层叠一层或多层熔融材料之后，切削固化的所述熔融材料来制作所述第一层叠部。
3.根据权利要求1或2所述的三维成型物的制造方法，其中，
所述三维成型物的制造方法还具有第三工序，在所述第三工序中，在所述第二工序之后，重复进行在所述第一层叠部的上方层叠一层或多层熔融材料的工序和切削固化的所述熔融材料的工序，制作与所述第一层叠部接触的第二层叠部。
4.根据权利要求1所述的三维成型物的制造方法，其中，
所述三维成型物的制造方法还具有在所述第一工序之前通过抽吸将所述材料块固定于成型台的工序。
5.根据权利要求1所述的三维成型物的制造方法，其中，
所述三维成型物的制造方法还具有层叠熔融材料来制作所述材料块的工序。
6.根据权利要求1所述的三维成型物的制造方法，其中，
所述第二工序包括通过平面螺旋件将材料转化为所述熔融材料的工序。
7.一种三维成型装置，具备：
成型头，层叠熔融材料；
切削头，切削固化的所述熔融材料；以及
控制部，控制所述成型头和所述切削头来制作三维成型物，
所述控制部执行第一控制和第二控制来制作所述三维成型物，在所述第一控制下切削材料块来制作具有朝上方凸出的被层叠部的底面部，在所述第二控制下在所述被层叠部的上方层叠一层或多层熔融材料来制作与所述被层叠部接触的第一层叠部。
8.根据权利要求7所述的三维成型装置，其中，
所述成型头具备：
喷嘴，具有用于喷出所述熔融材料的开口；
螺旋相对部，具有加热器和与所述开口连通的连通孔；以及
平面螺旋件，在与所述螺旋相对部相对的位置具有槽部，在被所述加热器加热的同时旋转，从而将材料转化为所述熔融材料，并经由所述连通孔向所述喷嘴供给所述熔融材料。
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