JP2000127251A - 立体成形装置及びその成形方法 - Google Patents

立体成形装置及びその成形方法

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JP2000127251A
JP2000127251A JP10309937A JP30993798A JP2000127251A JP 2000127251 A JP2000127251 A JP 2000127251A JP 10309937 A JP10309937 A JP 10309937A JP 30993798 A JP30993798 A JP 30993798A JP 2000127251 A JP2000127251 A JP 2000127251A
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laser
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Shinichi Nakayama
信一 中山
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 造形精度の向上と共に付帯的な二次加工まで
を可能とする立体成形装置及びその成形方法を提供す
る。 【解決手段】 本発明の立体成形装置は、三次元図形情
報を記憶処理するコンピュータ６と、このコンピュータ
６の三次元図形情報に基づき加工する装置であって基準
面に対してＸ、Ｙ、Ｚ方向に相対移動しながら素材を積
層して造形物を成形する素材供給用の加工軸１を有する
加工機とからなり、上記加工軸１には、固着成形するた
めの素材供給用ノズル（吐出機構）１３と、積層した形
状をレーザ光により加工処理するレーザ加工ヘッド９と
を設けることにより構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、三次元図形情報に
基づいて吐出される溶融素材を積層固着することにより
立体造形物を成形する立体成形装置及びその成形方法並
びに立体成形用制御装置に関し、特に、造形精度の向上
と共に付帯的な二次加工までを可能とする立体成形装置
及びその成形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種の立体成形法には、三次元
図形情報に基づいてノズルから吐出される溶融素材を積
層固着することにより立体を成形する立体成形用の装置
が提案されている。この立体成形装置は、各種のものが
提案されているが、具体的には、本出願人が先に提案し
た特公平５−１１７５１号公報に示す通り、この装置
は、基準面に対してＸ、Ｙ、Ｚ方向に相対移動しながら
素材供給用ノズルを介して溶融素材を積層することによ
り造形物を成形する素材供給加工軸を有する加工機から
なるものであって、立体の三次元図形情報によって中空
物体、薄肉物体等の所望の立体をワークの持ち替えや工
具交換無しに単一の積層固着工程によって容易にかつ迅
速に精密形成する点に特徴を有するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記立
体成形装置は、溶融素材を圧縮空気で圧送し、ノズルを
移動しつつ開閉装置の制御によってノズルから吐出する
ことにより固着積層する装置であるから、溶融素材の粘
度によるノズル流量の変動やノズルの移動速度との関係
によって造形物の形状や表面状態が影響を受けるので、
成形寸法等の造形精度に限界が生じ、また、積層面が傾
斜する場合やオーバーハング形状の場合は溶融素材が固
着する際の流動による液垂れが発生することがあるの
で、これらを修正するための後加工を要するという問題
があり、更に、付加加工、除去加工、変形加工の二次加
工は、従来通りの方法によって別途処理せざるを得なか
った。
【０００４】本発明は、従来の課題を解決するため、鋭
意研究の結果、開発に至ったものであり、その目的とす
るところは、造形精度の向上と共に付帯的な二次加工ま
でを可能とする立体成形装置及びその成形方法を提供す
ることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、三次元図形情報を記憶処理するコンピュータと、こ
のコンピュータの三次元図形情報に基づき加工する装置
であって基準面に対してＸ、Ｙ、Ｚ方向に相対移動しな
がら素材を積層して造形物を成形する素材供給用の加工
軸を有する加工機とからなり、上記加工軸には、素材供
給用ノズルと積層した形状をレーザ光により加工処理す
るレーザ加工ヘッドを設けることにより立体成形装置を
構成する。
【０００６】この立体成形装置は、加工軸によって素材
を積層して造形し、この積層形状についてレーザ加工ヘ
ッドによる精密な加工が可能となるので、ノズルからの
吐出変動やノズルの移動速度等に起因する成形上の誤差
が生じても形状補正が可能となり、表面処理等の後工程
を要することなく、成形工程の一環的な処理によって高
精度の積層造形物を成形することができる。
【０００７】上記加工軸に熱溶解材料より成る素材を供
給する素材供給部を設けた場合や、上記加工軸に設けた
レーザ加工ヘッドによって１層或は複数層毎に積層した
形状を三次元図形情報に基づいてレーザ光によりカット
して積層精度を向上させる場合、上記レーザ加工ヘッド
の角度を任意に自動制御できると共に出力制御も適宜に
自動制御できるようにした場合、その他、加熱溶解部よ
り成る素材固着機構によって溶解した素材をノズルの先
端より連続的に供給して順次積層固着するように構成し
た場合は、成形の高精度化、加工の多様化対応が可能と
なる。
【０００８】また、熱溶融積層装置により一層或は複数
層を積層した造形物の輪郭をＣＡＤデータに基づいて、
レーザ光により精密に切断或は溶解除去し、積層とレー
ザ加工を繰り返しながら造形物を成形する方法からなる
立体成形方法とすることにより、ノズルからの吐出変動
やノズルの移動速度等に起因する成形上の誤差が生じて
もその補正が可能となり、表面処理等の後工程を要する
ことなく、成形工程の一環的な処理によって高精度の積
層造形物を成形することができる。
【０００９】具体的には、積層途中の形状をＣＣＤカメ
ラ、レーザ変位計等の形状認識装置により計測後、造形
物の輪郭或は水平方向をレーザ光により切断し、溶融除
去し、この積層とレーザ加工工程を繰り返して精密に造
形物を成形する場合や、造形途中或は造形後レーザ光に
より造形表面に穴明け、切断、加飾、マーキング等を行
うことにより、後加工を要しないようにする場合、加工
工程で発生した屑を吸引して周囲に飛散しない装置を配
設する場合は、成形の高精度化、加工の多様化対応が可
能となる。
【００１０】また、三次元造形情報を記憶処理するコン
ピュータと、このコンピュータの三次元図形情報に基づ
き加工する装置であって基準面に対してＸ、Ｙ、Ｚ方向
に相対移動しながら素材を積層して造形物を成形する素
材供給加工軸を有する加工機とからなり、上記素材供給
加工軸に設けた素材供給用ノズルに吐出・吸引制御機構
を設けることによって立体成形装置を構成することによ
り、この立体成形装置は、素材供給用ノズルに吐出・吸
引制御機構を設けたことから、吐出圧力の変動の影響を
抑えて必要なノズル等の吐出機構流量を確保することが
できるので、造形精度を向上することができる。
【００１１】上記吐出・吸引制御機構がオーバル又はオ
ーバルギア、２枚歯歯車の組み合せ等と回転制御用のモ
ータとを組み合せによる場合や、吐出、停止、吸引等の
加工中にリアルタイムで吐出量の検出をして、吐出状況
に応じた吐出量の制御を可能とした場合、上記ノズルに
ピエゾ素子等の吐出量制御検出機構を組み合せた場合、
上記ピエゾ素子等の吐出量制御機構と空気圧制御を組み
合せて吐出量を制御するようにした場合、熱溶解材料の
変換時に使用する開閉バルブと温度制御できるヒータと
温度センサを併設した場合は高精度の吐出制御が可能と
なり、上記素材供給用ノズルを有する吐出・吸引制御機
構カートリッジ式としてカートリッジ式吐出機構を構成
し、異種材料の混合を回避するようにした場合は、素材
交換が容易となる。この場合、素材供給加工軸自体をカ
ートリッジ式としても良い。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明における立体成形装置及び
その成形方法を適用した実施の形態について以下に説明
する。図１は、本発明の立体成形装置の機能構成を示す
ブロック図である。立体成形装置は、溶融素材Ａの吐出
を制御する素材供給加工軸１と、造形物Ｂを成形するべ
き基準面をなす造形テーブル２と、この造形テーブル２
を素材供給加工軸１に対してＸ、Ｙ、Ｚ方向に相対移動
および回転させるＸＹ軸、Ｚ軸、θ軸の各制御装置３、
４、５とからなる三次元加工用の加工機と、その上記制
御装置３、４、５および素材供給加工軸１の動作を指令
するＣＡＭシステム６を基本に構成される。このＣＡＭ
システム６は、必要に応じてＣＡＤシステム７と接続し
て設計情報を受ける。
【００１３】上記加工機は、素材供給加工軸１の他に、
造形形状を監視するＣＣＤカメラ８、レーザ変位計等の
形状認識装置と、造形物Ｂを加工するためのレーザ加工
ヘッド９、９とその制御装置１０を備える。
【００１４】これら形状認識装置８とレーザ制御装置１
０は、上記ＣＡＭシステム６に接続し、形状認識装置８
によって取り込んだ形状データを目的造形物の三次元図
形情報と比較し、両者の差に応じた修正をレーザ制御装
置１０により三次元加工する。また、レーザ加工ヘッド
９、９は、方向角度を任意に制御できると共に、出力制
御によって精密に切断或は溶解除去しうるものである。
【００１５】図２は、図１の立体成形装置の素材供給加
工軸の構成を示す縦断面図である。素材供給加工軸１
は、供給するべき熱溶解材料より成る素材Ａを保持する
素材供給部をなすタンク１１と、このタンク１１からの
流量を調節する吐出・吸引制御機構１２を介設したカー
トリッジ式吐出機構１３とからなる。このカートリッジ
式吐出機構１３は、素材供給加工軸１に螺着式又はその
他の着脱構造によってカートリッジ式に設けいてる。こ
の場合、素材供給軸１自体をカートリッジ式にしても良
い。
【００１６】タンク１１は、図示しない温度センサによ
って温度制御できるヒータ１４と、熱溶解材料の交換時
に使用する空気入力孔付きの開閉バルブ１５とを備え、
また、溶融素材を圧送するための圧縮空気等の圧送ガス
Ｃを受けるべく構成する。
【００１７】この吐出・吸引制御機構１２は、オーバル
又はオーバルギア、２枚歯歯車の組み合せ等と回転制御
用のモータとを組み合せて構成し、先端のノズル部１６
にピエゾ素子１７による圧力検出機構を設け、この圧力
検出機構の出力に応じ上記吐出・吸引制御機構１２を制
御する。
【００１８】上述の構成をなす立体成形装置は、ＣＡＤ
システム７から受けた造形物Ａの三次元設計情報をＣＡ
Ｍシステム６によって層別加工データに変換し、素材供
給加工軸１の溶融素材の吐出を制御しつつ、加工機のＸ
Ｙ軸、Ｚ軸、θ軸の各制御装置３、４、５によって造形
テーブル２を素材供給加工軸１に対して各軸方向に相対
移動および回転させ、加熱溶解部をなすタンク１１よっ
て溶解した素材Ａをノズルの先端より連続的に供給して
造形テーブル上に順次積層固着する素材固着機構をな
し、この素材固着機構によって立体造形を行う。
【００１９】上記加工機は、積層した形状をレーザ光に
より加工処理するレーザ加工ヘッドを角度および出力を
適宜に制御できるように備えることから、熱溶融積層装
置により一層或は複数層積層した造形物の輪郭をＣＡＤ
データに基づいて、レーザ光により精密に切断或は溶解
除去し、積層とレーザ加工を繰り返しながら造形物を成
形することにより、積層形状についての精密な加工が可
能となるので、ノズルからの吐出変動やノズルの移動速
度等に起因する成形上の誤差が生じてもその補正が可能
となり、表面処理等の後工程を要することなく、成形工
程の一環的な処理によって高精度の積層造形物を成形す
ることができる。
【００２０】また、上記加工機は、ＣＣＤカメラ、レー
ザ変位計等の形状認識装置を備えることから、造形と共
に、又は造形の後に積層形状を計測し、この成形データ
とＣＡＤデータとの差に基づいてレーザ加工ヘッドの出
力を制御し、造形物の輪郭或いは水平方向をレーザ光に
より切断し、溶融除去し、この積層とレーザ加工工程を
繰り返して精密に造形物を成形することができる。
【００２１】そして、造形物の三次元設計情報と合せて
取付け用の穴等の二次加工情報をＣＡＭシステムに付加
することにより、造形途中或は造形後にレーザ光により
造形表面に穴明け、切断、加飾、マーキング等を行うこ
とが可能となるので、造形と一体の工程によって後加工
を要することなく立体成形することができる。また、加
工工程で発生した屑を周囲に飛散することなく吸引する
装置を設けることにより、精密加工環境を確保すること
ができるので、二次加工を含む多様な加工についてを持
ち替えを要することなく高精度化を図ることができる。
【００２２】一方、上記造形工程においては、素材供給
加工軸は、温度センサによって温度制御できるヒータに
よって、その粘度を調整しつつ溶融素材をタンクに保持
し、このタンクの空気圧制御とオーバル又はオーバルギ
ア、２枚歯歯車の組み合せ等と回転制御用のモータとを
組み合せた容積式ポンプによって流量調節することか
ら、吐出圧力の変動の影響を抑えて必要なノズル流量を
確保することができる。また、ノズル部に設けたピエゾ
素子によって吐出圧力を検出し、吐出、停止、吸引等の
加工中にリアルタイムで吐出状況に応じて吐出量を制御
することができるので、造形精度を向上することができ
る。
【００２３】熱溶解材料を交換する場合は、タンクの下
部の開閉バルブを閉じて空気入力孔を開放した後、吐出
・吸引制御機構によって吐出・吸引制御機構内部の溶解
素材をノズル部から排出し、吐出・吸引制御機構を含む
カセット式のノズルを交換することによって異種材料の
混合を避けることができる。
【００２４】このように、本発明の立体成型装置及びそ
の成型方法は、造形精度の向上と共に付帯的な二次加工
までを一括工程によって可能とするものである。
【００２５】
【発明の効果】本発明の立体成形装置及びその成形方法
は以下の効果を奏する。即ち、上記立体成形装置は、加
工軸によって素材を積層して造形し、この積層形状につ
いてレーザ加工ヘッドによる精密な加工が可能となるの
で、ノズルからの吐出変動やノズルの移動速度等に起因
する成形上の誤差が生じても形状補正が可能となり、表
面処理等の後工程を要することなく、成形工程の一環的
な処理によって高精度の積層造形物を成形することがで
きる。
【００２６】また、熱溶融積層装置により一層或は複数
層を積層した造形物の輪郭をＣＡＤデータに基づいて、
レーザ光により精密に切断或は溶解除去し、積層とレー
ザ加工を繰り返しながら造形物を成形する方法からなる
立体成形方法とすることにより、ノズルからの吐出変動
やノズルの移動速度等に起因する成形上の誤差が生じて
もその補正が可能となり、表面処理等の後工程を要する
ことなく、成形工程の一環的な処理によって高精度の積
層造形物を成形することができる。
【００２７】更に、本発明の立体成形装置は、素材供給
用ノズルに吐出・吸引制御機構を設けることにより、吐
出圧力の変動の影響を抑えて必要なノズル流量を確保す
ることができるので、造形精度を向上することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の立体成形装置の機能構成を示すブロッ
ク図である。
【図２】図１の立体成形装置の素材供給加工軸の構成を
示す縦断面図である。
【符号の説明】 １ 素材供給加工軸 ２ 造形テーブル ３ ＸＹ軸制御装置 ４ Ｚ軸制御装置 ５ θ軸制御装置 ６ ＣＡＭシステム（コンピュータ） ８ ＣＣＤカメラ（形状認識装置） ９ レーザ加工ヘッド １０ 制御装置 １１ タンク（素材供給部） １２ 吐出・吸引制御機構 １３ カートリッジ式吐出機構 １４ ヒータ １５ 開閉バルブ １６ ノズル部 １７ ピエゾ素子（吐出量制御検出機構） Ａ 素材 Ｂ 造形物 Ｃ 圧送気

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 三次元図形情報を記憶処理するコンピュ
    ータと、このコンピュータの三次元図形情報に基づき加
    工する装置であって、基準面に対してＸ、Ｙ、Ｚ方向に
    相対移動しながら素材を積層して造形物を成形する素材
    供給用の加工軸を有する加工機とからなり、上記加工軸
    には、固着成形するための素材供給用ノズルと、積層し
    た形状をレーザ光により加工処理するレーザ加工ヘッド
    とを設けたことを特徴とする立体成形装置。
  2. 【請求項２】 上記加工軸には、熱溶解材料より成る素
    材を供給する素材供給部を設けた請求項１に記載の立体
    成形装置。
  3. 【請求項３】 上記加工軸に設けたレーザ加工ヘッド
    は、１層或は複数層毎に積層した形状を三次元図形情報
    に基づき、レーザ光によりカットし、積層精度を向上さ
    せた請求項１又は２に記載の立体成形装置。
  4. 【請求項４】 上記レーザ加工ヘッドは、角度を任意に
    自動制御できると共に、出力制御も適宜に自動制御でき
    るようにした請求項１乃至３の何れか１項に記載の立体
    成形装置。
  5. 【請求項５】 加熱溶解部より成る素材固着機構によっ
    て溶解した素材をノズルの先端より連続的に供給して順
    次積層固着するように構成した請求項１又は２に記載の
    立体成形装置。
  6. 【請求項６】熱溶融積層装置により一層或は複数層を積
    層した造形物の輪郭をＣＡＤデータに基づいて、レーザ
    光により精密に切断或は溶解除去し、積層とレーザ加工
    を繰り返しながら造形物を成形することを特徴とする立
    体成形方法。
  7. 【請求項７】請求項６において、積層途中の形状をＣＣ
    Ｄカメラ、レーザ変位計等の形状認識装置により計測
    後、造形物の輪郭或は水平方向をレーザ光により切断
    し、溶融除去し、この積層とレーザ加工工程を繰り返し
    て精密に造形物を成形するようにした立体成形方法。
  8. 【請求項８】 請求項６又は７において、造形途中或は
    造形後レーザ光により造形表面に穴明け、切断、加飾、
    マーキング等を行うことにより、後加工を要しないよう
    にした立体成形方法。
  9. 【請求項９】 請求項６乃至８の何れか１項に記載の立
    体成形方法において、加工工程で発生した屑を吸引して
    周囲に飛散しない装置を配設した立体成形方法。
  10. 【請求項１０】 三次元造形情報を記憶処理するコンピ
    ュータと、このコンピュータの三次元図形情報に基づき
    加工する装置であって、基準面に対してＸ、Ｙ、Ｚ方向
    に相対移動しながら素材を積層して造形物を成形する素
    材供給加工軸を有する加工機とからなり、上記素材供給
    加工軸に設けた素材供給用ノズルに吐出・吸引制御機構
    を設けたことを特徴とする立体成形装置。
  11. 【請求項１１】 上記吐出・吸引制御機構は、オーバル
    又はオーバルギア、２枚歯歯車の組み合せ等と回転制御
    用のモータとを組み合せた請求項１０に記載の立体成形
    装置。
  12. 【請求項１２】 請求項１０又は１１において、吐出、
    停止、吸引等の加工中にリアルタイムで吐出量の検出を
    して、吐出状況に応じた吐出量の制御を可能とした立体
    成形装置。
  13. 【請求項１３】 請求項１０に記載のノズルにピエゾ素
    子等の吐出量制御検出機構を組み合せた立体成形装置。
  14. 【請求項１４】 請求項１０に記載のピエゾ素子等の吐
    出量制御検出機構と空気圧制御を組み合せて吐出量を制
    御するようにした立体成形装置。
  15. 【請求項１５】 請求項１０乃至１４の何れか１項に記
    載の立体成形装置において、熱溶解材料の変換時に使用
    する開閉バルブと温度制御できるヒータと温度センサを
    併設した立体成形装置。
  16. 【請求項１６】 請求項１０乃至１５の何れか１項にお
    いて、下部に素材供給用ノズルを有する吐出・吸引制御
    機構をカートリッジ式としてカートリッジ式吐出機構を
    構成し、異種材料の混合を回避するようにした立体成形
    装置。
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