JP2001062928A - Three-dimensional fabrication device, method and material - Google Patents

Three-dimensional fabrication device, method and material

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JP2001062928A
JP2001062928A JP24269899A JP24269899A JP2001062928A JP 2001062928 A JP2001062928 A JP 2001062928A JP 24269899 A JP24269899 A JP 24269899A JP 24269899 A JP24269899 A JP 24269899A JP 2001062928 A JP2001062928 A JP 2001062928A
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JP
Japan
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dimensional
resin
liquid material
focal point
microcapsules
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JP24269899A
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Japanese (ja)
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Taro Takagi
高木  太郎
Naoyuki Kono
尚幸 河野
Fuminobu Takahashi
文信 高橋
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a three-dimensional body fabrication device, higher in speed, lower in cost, lower in power consumption and more silent than a conventional three-dimensional fabrication device, not requiring an additional support to a three-dimensional matter, capable of burying an already prepared member in the three-dimensional matter and not providing the surface of the three- dimensional matter with a step due to lamination. SOLUTION: A three-dimensional fabrication device is constituted of a vessel for receiving a liquid resin, in which micro-capsules M for releasing a curing agent are dispersed while being collapsed by ultrasonic waves concentrated in a focus, a plurality of oscillators T1-Tn for generating the ultrasonic waves and focussing in the resin, a route planning software C1 for obtaining the route of focuses of curing the resin R based on the configuration of the three- dimensional matter, and an ultrasonic wave oscillating circuit C2 for controlling the phases of ultrasonic waves, generated by the plurality of oscillators T1-Tn, to move the focus along the route of the focuses.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は立体形状データをも
とに立体物を作製する立体造形装置に関し、特に高速・
低コスト・低消費電力・静粛で、立体物にサポートを付
加する必要がなく、立体物の内部に既成の部材を埋め込
むことも可能な立体造形装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a three-dimensional molding apparatus for producing a three-dimensional object based on three-dimensional shape data.
The present invention relates to a three-dimensional molding apparatus which is low-cost, low-power consumption, quiet, does not need to add a support to a three-dimensional object, and can embed an existing member inside the three-dimensional object.

【0002】[0002]

【従来の技術】コンピュータの立体データを迅速・簡便
に実体化する技術を、一般にラピッドプロトタイピング
(RP)と呼ぶ。液状の合成樹脂に露光を行って光化学
反応を起こさせて部分的に固化させていく光造形法や、
粉末にレーザビームを照射して部分的に焼結していく選
択的レーザ焼結法(SLS法)などがよく知られてい
る。RPについての詳細は、たとえば「積層造形システ
ム」(中川威雄・丸谷洋二/工業調査会)などに記載さ
れている。
2. Description of the Related Art A technique for rapidly and easily realizing three-dimensional data of a computer is generally called rapid prototyping (RP). An optical molding method in which a liquid synthetic resin is exposed to light to cause a photochemical reaction to partially solidify,
A selective laser sintering method (SLS method) in which powder is irradiated with a laser beam to partially sinter the powder is well known. Details of the RP are described in, for example, "Laid Manufacturing System" (Takeo Nakagawa / Yoji Marutani / Industry Research Committee).

【0003】しかし従来のRP装置は多くの可動部を持
っていたので、動作速度がそれほど速くなかった。また
レーザを使用することから、購入価格もランニングコス
トも高価であった。消費電力も大きく、レーザを冷やす
ためのファンの音も耳障りであった。
However, since the conventional RP device has many movable parts, the operation speed is not so high. In addition, since a laser is used, both the purchase price and the running cost are high. The power consumption was large, and the sound of the fan to cool the laser was disturbing.

【0004】また従来のRP装置は、積層によって立体
形状を創成していたので、立体物の形状によってはサポ
ート(支持用の部材)を付加して造形を行い、後で取り
除く必要があった。他の方法で作った補強部材の周りに
材料を堆積し、立体物に補強部材を埋め込むように造形
を行うことも不可能であった。また積層による段差が立
体物の表面に現れたので、立体物の表面を平滑にしよう
とすると、造形の後で研磨などを行う必要があった。
Further, in the conventional RP apparatus, since a three-dimensional shape is created by lamination, depending on the shape of the three-dimensional object, it is necessary to add a support (supporting member) for shaping and remove it later. It has also been impossible to deposit a material around a reinforcing member made by another method and to perform modeling such that the reinforcing member is embedded in a three-dimensional object. In addition, since a step due to the lamination appeared on the surface of the three-dimensional object, it was necessary to perform polishing or the like after modeling in order to smooth the surface of the three-dimensional object.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の立体
造形装置よりも高速・低コスト・低消費電力・静粛で、
立体物にサポートを付加する必要がなく、立体物の内部
に既成の部材を埋め込むこともでき、積層による段差も
立体物の表面に付かない立体造形装置を提供することを
目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is faster, lower cost, lower power consumption and quieter than the conventional three-dimensional molding apparatus.
It is an object of the present invention to provide a three-dimensional object forming apparatus which does not need to add a support to a three-dimensional object, can embed an existing member inside the three-dimensional object, and does not have a step due to lamination on the surface of the three-dimensional object.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記課題は、立体造形装
置を、焦点に集中する超音波によって壊れて硬化剤を放
出するマイクロカプセルが分散している液状の樹脂を入
れる容器と、超音波を発生して樹脂の内部に焦点を結ば
せる複数の加振器と、立体物の形状に基づいて樹脂を硬
化させる焦点の経路を求める経路計画ソフトウェアと、
複数の加振器が発生する超音波の位相を調節して焦点を
経路に沿って動かす超音波発振回路とによって構成する
ことにより、解決することができる。
SUMMARY OF THE INVENTION The object of the present invention is to provide a three-dimensional molding apparatus comprising: a container for containing a liquid resin in which microcapsules, which are broken by ultrasonic waves focused on a focal point and release a hardener, are dispersed; A plurality of vibrators that generate and focus the inside of the resin, path planning software for finding a path of the focal point for curing the resin based on the shape of the three-dimensional object,
This problem can be solved by using an ultrasonic oscillation circuit that adjusts the phase of ultrasonic waves generated by a plurality of vibrators and moves the focal point along a path.

【0007】[0007]

【発明の実施の形態】(第1の実施例)本発明による立
体造形装置Aの全体的な構成を図1に示す。立体造形装
置Aは、立体形状データDが記述している立体形状を持
つ立体物Sを造形するものであり、水槽VWと、樹脂槽
VRと、複数の加振器T1〜Tnと、経路計画ソフトウ
ェアC1と、超音波発振回路C2を含んでいる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS (First Embodiment) FIG. 1 shows the overall configuration of a three-dimensional printing apparatus A according to the present invention. The three-dimensional modeling device A is for modeling a three-dimensional object S having a three-dimensional shape described by the three-dimensional shape data D, and includes a water tank VW, a resin tank VR, a plurality of vibrators T1 to Tn, a path plan. It includes software C1 and an ultrasonic oscillation circuit C2.

【0008】立体造形装置Aは、立体物Sの材料として
液状の樹脂Rを用いる。樹脂Rには、多数のマイクロカ
プセルMが分散している。水と油のように、互いに溶解
しない2種類の液体をよく混ぜ、液滴を非常に細かくし
て分離しないようにしたものをエマルジョン(乳濁液)
と呼ぶ。マイクロカプセルとは、界面で化学反応(界面
重合反応)を起こして固形物を生成するような、2種類
の液体をエマルジョン化することによって得られる、小
さいカプセルである。マイクロカプセルの多くは、0.
1mm以下の直径と、球形の形状を持つ。
[0008] The three-dimensional printing apparatus A uses a liquid resin R as a material of the three-dimensional object S. Many microcapsules M are dispersed in the resin R. Emulsions are made by mixing two liquids that do not dissolve each other, such as water and oil, and making the droplets very fine so that they do not separate.
Call. Microcapsules are small capsules obtained by emulsifying two types of liquids, which generate a solid by causing a chemical reaction (interfacial polymerization reaction) at the interface. Many of the microcapsules contain 0.
It has a diameter of 1 mm or less and a spherical shape.

【0009】互いに溶解しない2種類の液体をエマルジ
ョン化すると、一方の液体が細かい液滴となり、他方の
液体の中に分散する。液滴となっている方の液体を分散
質、液滴になっていない方の液体を分散媒という。マイ
クロカプセルが生成する場合、内部には分散質が封入さ
れることになる。分散質と分散媒はそのままでは互いに
溶解しないが、生成したマイクロカプセルを濾過して分
散媒から取り出し、他の分散媒に混ぜることで、互いに
溶解する分散質と分散媒を、マイクロカプセルのシェル
(外殻)によって分離しておくことができる。
When two types of liquids that do not dissolve in each other are emulsified, one of the liquids becomes fine droplets and is dispersed in the other liquid. The liquid in the form of droplets is referred to as a dispersoid, and the liquid in the form of no droplets is referred to as a dispersion medium. When microcapsules are formed, a dispersoid will be encapsulated inside. The dispersoid and the dispersing medium do not dissolve each other as they are, but the resulting microcapsules are filtered out of the dispersing medium, and mixed with another dispersing medium, so that the dispersoid and the dispersing medium that dissolve in each other are formed into a shell ( Outer shell).

【0010】分散質に揮発性の物質を含ませ、高圧のも
とで生成させたマイクロカプセルを減圧すると、封入さ
れた揮発性の成分が蒸発するので、常圧では気体を含む
含気マイクロカプセルが得られる。含気マイクロカプセ
ルは、圧力のわずかな変化に対して直径が変化し、特定
の周波数の振動を与えると共振を起こす。特に共振が顕
著な場合、含気マイクロカプセルが壊れる。このような
現象は「共振超音波を用いた含気マイクロカプセルDD
Sの計測と制御」(石原謙/BME6巻1号/日本エム
・イー学会)などに詳しく記述されている。
When a volatile substance is included in the dispersoid and the pressure of the microcapsules generated under high pressure is reduced, the encapsulated volatile components evaporate. Is obtained. The air-containing microcapsules change in diameter in response to a slight change in pressure, and resonate when given a specific frequency of vibration. In particular, when resonance is remarkable, the aerated microcapsules are broken. Such a phenomenon is described as “Aerated microcapsules DD using resonant ultrasonic waves.
Measurement and control of S "(Ken Ishihara / BME Vol. 6 No. 1 / MME Society of Japan) and the like.

【0011】立体造形装置Aは、マイクロカプセルMに
強い振動を与えて壊し、封入されている硬化剤M2を放
出させて、液状の樹脂Rを硬化させることで立体物Sを
造形するものである。
The three-dimensional molding apparatus A forms a three-dimensional object S by applying a strong vibration to the microcapsule M to break the microcapsule M, to release the enclosed curing agent M2, and to cure the liquid resin R. .

【0012】立体造形装置Aの樹脂槽VRには、マイク
ロカプセルMを含む液状の樹脂Rが入っている。マイク
ロカプセルMには、あらかじめ硬化剤M2が封入されて
いる。複数の加振器T1〜Tnから発生した超音波は、
樹脂Rの内部に焦点Fを結ぶ。超音波の強さを調節すれ
ば、超音波の集中する焦点F以外ではマイクロカプセル
Mが壊れず、焦点FだけでマイクロカプセルMが壊れる
ようにすることができる。これによって樹脂Rの内部の
一点だけを硬化させることが可能となる。
The resin tank VR of the three-dimensional molding apparatus A contains a liquid resin R containing microcapsules M. The hardening agent M2 is sealed in the microcapsule M in advance. The ultrasonic waves generated from the plurality of vibrators T1 to Tn are:
A focal point F is formed inside the resin R. If the intensity of the ultrasonic wave is adjusted, the microcapsule M can be broken only at the focal point F without breaking the microcapsule M except at the focal point F where the ultrasonic wave is concentrated. This makes it possible to cure only one point inside the resin R.

【0013】樹脂槽VRの外側には、水槽VWが置かれ
ている。この中に満たされた水Wは、加振器T1〜Tn
から発生した超音波を樹脂槽VRの中の樹脂Rに伝える
ものである。樹脂槽VRは超音波を反射・散乱・屈折さ
せない材料で作られ、また立体造形装置Aから容易に取
り外すことができる。このような構成により、使用する
樹脂Rの分量を減らすことができ、また加振器T1〜T
nの洗浄が簡単になる。もちろん使用する樹脂Rの分量
や、樹脂槽VRを洗浄する手間が問題にならない場合に
は、樹脂槽VRの外側に必ずしも水槽VWを置かなくて
もよい。
A water tank VW is placed outside the resin tank VR. The water W filled therein contains the vibrators T1 to Tn.
Is transmitted to the resin R in the resin tank VR. The resin tank VR is made of a material that does not reflect, scatter, or refract ultrasonic waves, and can be easily removed from the three-dimensional printing apparatus A. With such a configuration, the amount of the resin R used can be reduced, and the vibrators T1 to T
n is easier to clean. Of course, when the amount of the resin R to be used and the trouble of cleaning the resin tank VR do not matter, the water tank VW does not always have to be placed outside the resin tank VR.

【0014】立体造形装置Aに立体形状データDを与え
ると、経路計画ソフトウェアC1が動作し、走査経路デ
ータD1を生成する。走査経路データD1は、樹脂Rを
硬化させる焦点Fの経路を記述しているデータである。
従来のRP装置と同じように、立体形状を多数の断面に
分割し、積層していくアルゴリズムを使うことによっ
て、立体形状データDから走査経路データD1を生成す
ることができる。
When the three-dimensional shape data D is given to the three-dimensional modeling apparatus A, the path planning software C1 operates to generate the scanning path data D1. The scanning path data D1 is data describing the path of the focal point F for curing the resin R.
As in the case of the conventional RP apparatus, the scanning path data D1 can be generated from the three-dimensional shape data D by using an algorithm in which the three-dimensional shape is divided into a number of cross sections and stacked.

【0015】超音波発振回路C2は、信号線Xを経由し
て複数の加振器T1〜Tnに信号を送り、超音波を発生
させる。また走査経路データD1に基づき、超音波の発
生を開閉する。さらにそれぞれの加振器T1〜Tnが発
生する超音波の位相を個別に調節し、走査経路データD
1が記述している経路に沿って焦点Fを動かしていく。
The ultrasonic oscillation circuit C2 sends signals to a plurality of vibrators T1 to Tn via a signal line X to generate ultrasonic waves. Further, based on the scanning path data D1, the generation and opening of the ultrasonic wave are opened and closed. Further, the phases of the ultrasonic waves generated by the respective vibrators T1 to Tn are individually adjusted, and the scanning path data D
The focal point F is moved along the path described by 1.

【0016】加振器T1〜Tnが発生する超音波の位相
を調節して焦点Fを動かす原理を、図2・図3を用いて
説明する。ここでは仮想的な加振器が焦点Fに置かれて
おり、また加振器T1〜Tnがピックアップ(受音器)
として機能することを想定する。このような想定のもと
で、焦点Fから発信される圧力波が、複数の加振器T1
〜Tnに到達する様子を図2に示す。
The principle of moving the focal point F by adjusting the phase of the ultrasonic waves generated by the vibrators T1 to Tn will be described with reference to FIGS. Here, a virtual vibrator is placed at the focal point F, and the vibrators T1 to Tn are pickups (sound receivers).
It is assumed that it functions as. Under such an assumption, the pressure wave transmitted from the focal point F is generated by a plurality of vibrators T1.
2 to Tn are shown in FIG.

【0017】図2の(A)は、加振器T1〜Tnと焦点
Fの幾何学的な配置を示す。図2の(B)は、焦点Fか
ら発信される圧力波の波形と、加振器T1〜Tnに到達
する圧力波の波形を示す。焦点Fから時刻0に発信され
た圧力波は、その伝播速度が有限であることに起因する
時間遅れのため、加振器Tiに時刻tiに到達する。
FIG. 2A shows the geometric arrangement of the vibrators T1 to Tn and the focal point F. FIG. 2B shows the waveform of the pressure wave transmitted from the focal point F and the waveform of the pressure wave reaching the vibrators T1 to Tn. The pressure wave transmitted from the focal point F at time 0 reaches the exciter Ti at time ti due to a time delay caused by the finite propagation velocity.

【0018】次に焦点Fに集中するような圧力波を、加
振器T1〜Tnから発信する方法について考える。複数
の加振器T1〜Tnから発信される圧力波が、焦点Fに
到達する様子を図3に示す。
Next, a method of transmitting a pressure wave that concentrates on the focal point F from the vibrators T1 to Tn will be considered. FIG. 3 shows how the pressure waves transmitted from the plurality of vibrators T1 to Tn reach the focal point F.

【0019】図3の(A)は、加振器T1〜Tnと焦点
Fの幾何学的な配置を示す。すでに加振器Tiから発信
される圧力波が焦点Fに到達するまでに、時間tiを要
することがわかっている。そこで加振器Tiから、時刻
−tiに圧力波が発信されるようにすれば、時刻0に個
々の加振器T1〜Tnから発信される圧力波が同時に焦
点Fに到達することになる。図3の(B)は、このよう
な条件で加振器T1〜Tnから発信される圧力波の波形
と、焦点Fに到達する圧力波の波形を示す。
FIG. 3A shows the geometric arrangement of the vibrators T1 to Tn and the focal point F. It has been already known that it takes time ti for the pressure wave transmitted from the exciter Ti to reach the focal point F. Therefore, if the pressure wave is transmitted from the exciter Ti at time -ti, the pressure waves transmitted from the individual exciters T1 to Tn at time 0 reach the focal point F at the same time. FIG. 3B shows a waveform of the pressure wave transmitted from the vibrators T1 to Tn under such a condition, and a waveform of the pressure wave reaching the focal point F.

【0020】実際の超音波は単一の圧力波ではなく連続
波なので、圧力波を発信する時刻の代わりに位相の制御
を行う。連続波では、圧力波の集中する点が必ずしも一
つであるとは限らないが、加振器T1〜Tnの数を増や
していけば、最終的に一つの点だけに圧力波を集中させ
ることができる。このことはホログラフィの基本的な原
理として知られ、たとえば「三次元画像工学」(大越孝
敬/朝倉書店)などに説明されている。
Since the actual ultrasonic wave is not a single pressure wave but a continuous wave, the phase is controlled instead of the time at which the pressure wave is transmitted. In a continuous wave, the pressure wave is not always concentrated at one point. However, if the number of the vibrators T1 to Tn is increased, the pressure wave is finally concentrated to only one point. Can be. This is known as the basic principle of holography, and is described, for example, in "Three-dimensional image engineering" (Takataka Ohkoshi / Asakura Shoten).

【0021】このように樹脂Rの中を超音波が伝播する
速度がわかっていれば、その内部の任意の点に超音波を
集め、そこにあるマイクロカプセルMを選択的に壊すこ
とが可能である。
If the speed at which the ultrasonic wave propagates through the resin R is known, it is possible to collect the ultrasonic wave at an arbitrary point inside the resin R and selectively break the microcapsules M there. is there.

【0022】マイクロカプセルMの構造を図4に示す。
マイクロカプセルMは高分子材料のシェルM1でできて
おり、その内部に硬化剤M2と気泡M3が封入された構
造を持っている。従来技術によっても、10μm以下の
直径のものが容易に得られる。硬化剤M2は一種の重合
開始剤であり、液状の樹脂Rに含まれているオリゴマ・
モノマの重合反応を開始させ、硬化させる性質を持つ。
気泡M3としては、イソペンタン・ヘキサンなどの炭化
水素の蒸気を封入したものが、従来技術によって得られ
ている。
FIG. 4 shows the structure of the microcapsule M.
The microcapsule M is made of a shell M1 of a polymer material, and has a structure in which a curing agent M2 and bubbles M3 are sealed inside. According to the prior art, a diameter of 10 μm or less can be easily obtained. The curing agent M2 is a kind of a polymerization initiator, and the oligomer contained in the liquid resin R
It has the property of initiating and curing the polymerization reaction of monomers.
As the bubbles M3, those in which a vapor of a hydrocarbon such as isopentane / hexane is sealed are obtained by a conventional technique.

【0023】立体造形装置Aが造形を行う手順を図5に
示す。立体造形装置Aは、潜像生成工程P1と硬化反応
工程P2の、二つの工程で立体物Sの造形を行う。
FIG. 5 shows a procedure in which the three-dimensional modeling apparatus A performs modeling. The three-dimensional modeling device A performs the modeling of the three-dimensional object S in two steps of a latent image generation step P1 and a curing reaction step P2.

【0024】潜像生成工程P1では、マイクロカプセル
Mを含む樹脂Rに超音波を発信し、個々の加振器T1〜
Tnから発生する超音波の位相を調節して、樹脂Rの内
部に焦点Fを作る。そして焦点Fを立体物Sの形状に沿
って動かし、立体的な描画を行う。これによって立体物
Sの内部に当たる部分でマイクロカプセルMが壊れ、封
入されていた硬化剤M2が放出されて樹脂Rの中に拡散
する。ただし樹脂Rに含まれるオリゴマ・モノマの重合
反応の速度を遅くしておくので、この時点ではまだ樹脂
Rの硬化が起こらない。
In the latent image generation step P1, ultrasonic waves are transmitted to the resin R including the microcapsules M, and the individual vibrators T1 to T1 are transmitted.
The focal point F is created inside the resin R by adjusting the phase of the ultrasonic wave generated from Tn. Then, the focus F is moved along the shape of the three-dimensional object S to perform three-dimensional drawing. As a result, the microcapsules M are broken at the portion corresponding to the inside of the three-dimensional object S, and the enclosed hardener M2 is released and diffuses into the resin R. However, since the rate of the polymerization reaction of the oligomer / monomer contained in the resin R is reduced, the curing of the resin R does not yet occur at this point.

【0025】硬化反応工程P2では、超音波の発信を停
止して一定の時間静置し、樹脂Rの硬化を進行させる。
この時点で樹脂Rの中に立体物Sが現れる。これを取り
出し、洗浄する。手順を潜像生成工程P1と硬化反応工
程P2に分けているのは、樹脂Rの硬化に伴う超音波の
伝播速度の変化の影響を避けるためである。これによ
り、走査を行っている間に樹脂Rを均質なものとして扱
うことができるので、簡単な構成の超音波発振回路C2
を使っても、高い精度で造形を行うことができる。
In the curing reaction step P2, the transmission of the ultrasonic waves is stopped and the resin R is allowed to stand for a certain period of time to advance the curing of the resin R.
At this point, the three-dimensional object S appears in the resin R. Take it out and wash it. The procedure is divided into the latent image generation step P1 and the curing reaction step P2 in order to avoid the influence of the change in the propagation speed of the ultrasonic wave accompanying the curing of the resin R. This allows the resin R to be treated as homogeneous while scanning is being performed, so that the ultrasonic oscillation circuit C2 having a simple configuration can be used.
Even when using, modeling can be performed with high accuracy.

【0026】潜像生成工程P1で焦点Fの走査を行って
いる間、または硬化反応工程P2で樹脂Rの硬化を待っ
ている間に、樹脂Rの中で流れが起こると、立体物Sが
変形する原因となる。一般に樹脂Rの粘度は高いので、
変形はそれほど大きくない。しかし特に高い精度で立体
物Sを作りたい場合には、ゲルやペーストのように、一
定の応力が加わるまでは流れが生じない流体、すなわち
ビンガム流体としての性質を持つ樹脂Rを使う方法も有
効である。
When a flow occurs in the resin R while scanning the focal point F in the latent image generation step P1 or while the resin R is being cured in the curing reaction step P2, the three-dimensional object S is formed. It causes deformation. Generally, the viscosity of resin R is high,
The deformation is not so great. However, when it is desired to produce the three-dimensional object S with a particularly high precision, it is also effective to use a fluid such as a gel or a paste that does not flow until a certain stress is applied, that is, a resin R having a property of a Bingham fluid. It is.

【0027】このように立体造形装置Aでは、走査を行
うための可動部がなく、また液面の静定を待つ必要もな
いので、高速・静粛に造形を行うことができる。また高
価で消費電力が大きく、定期的なメンテナンスが必要な
レーザを使っていないので、低コストで造形を行うこと
ができる。また樹脂Rの流動がほとんどなく、立体物S
に力がかからない。そのため立体物Sにサポートを付加
する必要がなく、特に複雑な形状を持つ立体物Sも造形
することができる。またゴムのように柔らかく変形しや
すい材料を造形材料として使うこともできる。
As described above, in the three-dimensional modeling apparatus A, there is no movable part for performing scanning, and there is no need to wait for the liquid surface to settle, so that modeling can be performed at high speed and quietly. In addition, since a laser that is expensive, consumes a large amount of power, and does not require regular maintenance is used, modeling can be performed at low cost. In addition, there is almost no flow of the resin R,
Power is not applied. Therefore, it is not necessary to add a support to the three-dimensional object S, and the three-dimensional object S having a particularly complicated shape can be formed. Also, a soft and easily deformable material such as rubber can be used as the molding material.

【0028】(第2の実施例)含気マイクロカプセルの
共振周波数は、直径やシェルM1の厚さによって変化す
る。そこで共振周波数の異なる2種類のマイクロカプセ
ル、すなわちマイクロカプセルMと着色マイクロカプセ
ルMAを用意し、一方の着色マイクロカプセルMAに
は、マイクロカプセルMに封入する硬化剤M2に代えて
発色剤M4を封入しておく。これらのマイクロカプセル
を含む樹脂Rを造形材料とすれば、複数の周波数の超音
波を使い分けることにより、立体物Sの任意の部分に着
色しながら造形を行うことができる。
(Second Embodiment) The resonance frequency of the air-containing microcapsule changes depending on the diameter and the thickness of the shell M1. Therefore, two types of microcapsules having different resonance frequencies, that is, a microcapsule M and a colored microcapsule MA are prepared, and one coloring microcapsule MA is filled with a coloring agent M4 instead of the curing agent M2 sealed in the microcapsule M. Keep it. If the resin R containing these microcapsules is used as a modeling material, modeling can be performed while coloring an arbitrary portion of the three-dimensional object S by selectively using ultrasonic waves of a plurality of frequencies.

【0029】(第3の実施例)立体造形装置Aでは、従
来のRP装置と異なり、必ずしも積層によって造形を行
う必要がない。そのため樹脂Rを硬化させる焦点Fの経
路は、きわめて自由に計画することができる。
(Third Embodiment) In the three-dimensional printing apparatus A, unlike the conventional RP apparatus, it is not always necessary to perform the printing by lamination. Therefore, the path of the focal point F for curing the resin R can be extremely freely planned.

【0030】たとえば立体物Sの内部を先に造形し、表
面を後から造形するようにすれば、立体物Sの表面を造
形するための時間が短縮され、その間の樹脂Rの流動に
起因する立体物Sの変形が抑えられるので、高精度な造
形が可能になる。立体物Sの内部を先に、表面を後から
造形するような、焦点Fの走査経路の例を図6に示す。
For example, if the inside of the three-dimensional object S is formed first and the surface is formed later, the time required for forming the surface of the three-dimensional object S is reduced, and the flow of the resin R during the period is reduced. Since deformation of the three-dimensional object S is suppressed, high-precision modeling is enabled. FIG. 6 shows an example of a scanning path of the focal point F in which the inside of the three-dimensional object S is formed first and the surface is formed later.

【0031】また立体物Sの内部に、あらかじめ他の方
法で作られた、補強材などの部材を埋め込むことも可能
である。この場合、樹脂槽VRの中に埋め込み部材Iを
保持する手段を設け、埋め込み部材Iの周囲の樹脂Rを
硬化させていくように走査を行って造形する。
It is also possible to embed a member, such as a reinforcing material, made in advance by another method inside the three-dimensional object S. In this case, a means for holding the embedding member I is provided in the resin tank VR, and scanning is performed so as to cure the resin R around the embedding member I, and modeling is performed.

【0032】(第4の実施例)気泡M3を含まないマイ
クロカプセルMであっても、強い振動を与えることによ
って壊すことができ、含気マイクロカプセルと同じよう
に使うことができる。気泡M3を含まないマイクロカプ
セルMは、含気マイクロカプセルよりも廉価に得ること
ができ、これによって樹脂Rの価格を下げることができ
る。ただし含気マイクロカプセルのような鋭い共振周波
数がないので、多くの周波数の超音波を使い分ける方式
への適用は、含気マイクロカプセルを使う場合よりも難
しくなる。
(Fourth Embodiment) Even microcapsules M that do not contain bubbles M3 can be broken by applying strong vibration, and can be used in the same manner as air-containing microcapsules. The microcapsules M that do not include the bubbles M3 can be obtained at a lower cost than the air-containing microcapsules, whereby the price of the resin R can be reduced. However, since there is no sharp resonance frequency as in the case of the air-containing microcapsules, it is more difficult to apply the method to selectively use ultrasonic waves of many frequencies than to use the air-containing microcapsules.

【0033】(第5の実施例)焦点Fを移動させるに
は、複数の加振器T1〜Tnが発生する超音波の位相を
変える方法の代わりに、水槽VWの中に置かれている加
振器T1〜Tnを、送りネジなどの機構によって移動さ
せる方法も利用することができる。加振器T1〜Tnそ
のものを移動させる方式による立体造形装置Aaの構成
を図7に示す。
(Fifth Embodiment) In order to move the focal point F, instead of changing the phase of the ultrasonic waves generated by the plurality of vibrators T1 to Tn, a pump placed in the water tank VW is used. A method of moving the shakers T1 to Tn by a mechanism such as a feed screw can also be used. FIG. 7 shows a configuration of a three-dimensional printing apparatus Aa based on a method of moving the vibrators T1 to Tn themselves.

【0034】立体造形装置Aaは、加振器T1〜Tnが
水槽VWに固定されている立体造形装置Aと異なり、走
査機構駆動回路C3と、X方向移動装置B1と、Y方向
移動装置B2と、Z方向移動装置B3を備えている。こ
れらは走査経路データD1が記述している、樹脂Rを硬
化させる点の経路に沿って焦点Fを移動させるように、
加振器T1〜Tnを駆動する。また立体造形装置Aaの
超音波発振回路C2aは加振器T1〜Tnが発生させる
超音波の位相を調節する機能を備えていないので、すべ
ての加振器T1〜Tnから同じ位相の超音波が発生す
る。
The three-dimensional printing apparatus Aa is different from the three-dimensional printing apparatus A in which the vibrators T1 to Tn are fixed to the water tank VW, and includes a scanning mechanism driving circuit C3, an X-direction moving device B1, and a Y-direction moving device B2. , Z-direction moving device B3. These move the focal point F along the path of the point where the resin R is cured, which is described by the scanning path data D1.
The exciters T1 to Tn are driven. Further, since the ultrasonic oscillation circuit C2a of the three-dimensional printing apparatus Aa does not have a function of adjusting the phase of the ultrasonic waves generated by the vibrators T1 to Tn, ultrasonic waves having the same phase are output from all the vibrators T1 to Tn. appear.

【0035】この方法では、個々の加振器T1〜Tnと
焦点Fの位置関係が固定されるので、加振器T1〜Tn
の形状を最適化することが可能である。そのため加振器
T1〜Tnの数を減らしても焦点Fに超音波を集中させ
ることができ、高い分解能での造形が可能となる。
In this method, since the positional relationship between the individual exciters T1 to Tn and the focal point F is fixed, the exciters T1 to Tn are fixed.
Can be optimized. Therefore, even if the number of the vibrators T <b> 1 to Tn is reduced, the ultrasonic waves can be focused on the focal point F, and modeling with high resolution can be performed.

【0036】[0036]

【発明の効果】請求項1によれば、高速・静粛・低コス
トに立体物を作ることができる。また立体物に力がかか
らないので、サポートを付加する必要もなくなり、特に
複雑な形状を持つ立体物を作ることができる。さらに柔
らかく変形しやすい材料を使うこともできる。表面に段
差を付けずに立体物を作ることもできる。
According to the first aspect, a three-dimensional object can be produced at high speed, quietly, and at low cost. Further, since no force is applied to the three-dimensional object, there is no need to add a support, and a three-dimensional object having a particularly complicated shape can be produced. Further, a soft and easily deformable material can be used. A three-dimensional object can be made without any steps on the surface.

【0037】請求項2によれば、高速・静粛に立体物を
作ることができる。
According to the second aspect, a three-dimensional object can be produced at high speed and quietly.

【0038】請求項3によれば、請求項1の効果を具体
的に実現することができる。
According to the third aspect, the effect of the first aspect can be specifically realized.

【0039】請求項4によれば、樹脂の硬化に伴う超音
波の散乱を考える必要がなくなり、装置の構成を簡単に
することができる。
According to the fourth aspect, it is not necessary to consider the scattering of ultrasonic waves accompanying the curing of the resin, and the configuration of the apparatus can be simplified.

【0040】請求項5によれば、より高速に、低消費電
力で立体物を作ることができる。
According to the fifth aspect, a three-dimensional object can be produced at higher speed and with lower power consumption.

【0041】請求項6によれば、任意の部分が着色され
た立体物を作ることができる。
According to the sixth aspect, a three-dimensional object in which an arbitrary portion is colored can be produced.

【0042】請求項7によれば、高精度に立体物を作る
ことができる。
According to the seventh aspect, a three-dimensional object can be produced with high accuracy.

【0043】請求項8によれば、高精度に立体物を作る
ことができる。
According to the eighth aspect, a three-dimensional object can be produced with high accuracy.

【0044】請求項9によれば、既成の部材が埋め込ま
れた立体物を作ることができる。
According to the ninth aspect, a three-dimensional object in which a ready-made member is embedded can be produced.

【0045】請求項10によれば、請求項1の効果を具
体的に利用することができる。
According to the tenth aspect, the effect of the first aspect can be specifically used.

【0046】請求項11によれば、請求項1の効果を具
体的に実現することができる。
According to the eleventh aspect, the effect of the first aspect can be specifically realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明による立体造形装置Aの構成を示す図。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a three-dimensional printing apparatus A according to the present invention.

【図2】焦点Fから発信される圧力波が、複数の加振器
T1〜Tnに到達する様子を示す図。
FIG. 2 is a diagram showing a state in which a pressure wave transmitted from a focal point F reaches a plurality of vibrators T1 to Tn.

【図3】複数の加振器T1〜Tnから発信される圧力波
が、焦点Fに到達する様子を示す図。
FIG. 3 is a diagram illustrating a state in which pressure waves transmitted from a plurality of vibrators T1 to Tn reach a focal point F.

【図4】マイクロカプセルMの構造を示す図。FIG. 4 is a diagram showing a structure of a microcapsule M.

【図5】立体造形装置Aが造形を行う手順を示す図。FIG. 5 is a diagram showing a procedure in which the three-dimensional printing apparatus A performs printing.

【図6】立体物Sの内部を先に、表面を後から造形する
ような、焦点Fの走査経路の例を示す図。
FIG. 6 is a diagram showing an example of a scanning path of a focal point F in which the inside of the three-dimensional object S is formed first and the surface is formed later.

【図7】加振器T1〜Tnそのものを移動させる方式に
よる立体造形装置Aaの構成を示す図。
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a three-dimensional printing apparatus Aa by a method of moving the vibrators T1 to Tn themselves.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

A … 立体造形装置、Aa … 立体造形装置、B1 …
X方向移動装置、B2…Y方向移動装置、B3 … Z方
向移動装置、C1 … 経路計画ソフトウェア、C2 …
超音波発振回路、C2a … 超音波発振回路、C3 …
走査機構駆動回路、D … 立体形状データ、D1 … 走
査経路データ、F … 焦点、M … マイクロカプセル、
M1 … シェル、M2 … 硬化剤、M3 … 気泡、MA
… 着色マイクロカプセル、P1 … 潜像生成工程、P
2 … 硬化反応工程、R … 樹脂、S … 立体物、T1
〜Tn … 加振器、U … 超音波、VW … 水槽、VR
…樹脂槽、W … 水、X … 信号線。
A: Solid modeling device, Aa: Solid modeling device, B1 ...
X direction moving device, B2 ... Y direction moving device, B3 ... Z direction moving device, C1 ... Path planning software, C2 ...
Ultrasonic oscillation circuit, C2a ... Ultrasonic oscillation circuit, C3 ...
Scanning mechanism driving circuit, D: three-dimensional shape data, D1: scanning path data, F: focal point, M: microcapsule,
M1 ... shell, M2 ... hardener, M3 ... air bubbles, MA
... Colored microcapsules, P1 ... Latent image generation step, P
2 ... curing reaction step, R ... resin, S ... three-dimensional object, T1
~ Tn ... shaker, U ... ultrasonic wave, VW ... water tank, VR
... resin tank, W ... water, X ... signal line.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 文信 茨城県日立市大みか町七丁目2番1号 株 式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 Fターム(参考) 4F203 AB03 AB26 AP06 AP12 AR07 AR13 DA12 DB01 DC10 DF02 DJ06 DK10 DK14 DK16 DL19 4F213 AB03 AB26 AP06 AP12 AR07 AR13 WA25 WA40 WA53 WA87 WA92 WB01 WF02 WL08 WL15 WL25 WL67 WL75 WL95  ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Fuminobu Takahashi 7-2-1, Omika-cho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture F-term in the Electric Power and Electric Power Development Laboratory, Hitachi, Ltd. 4F203 AB03 AB26 AP06 AP12 AR07 AR13 DA12 DB01 DC10 DF02 DJ06 DK10 DK14 DK16 DL19 4F213 AB03 AB26 AP06 AP12 AR07 AR13 WA25 WA40 WA53 WA87 WA92 WB01 WF02 WL08 WL15 WL25 WL67 WL75 WL95

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 一定の強さを超える振動によって硬化を
開始する性質を持つ液状物を保持する手段と、 前記液状物の内部に焦点を結ぶ振動の場を発生させる加
振器と、 立体物の形状を記述する立体形状データから、前記液状
物を硬化させるべき点の経路を求める経路計画手段と、 前記経路に沿って、前記焦点を移動させる走査手段とを
備えることを特徴とする立体造形装置。
1. A means for holding a liquid material having a property of initiating hardening by vibration exceeding a certain intensity, a vibrator for generating a vibration field focusing inside the liquid material, and a three-dimensional object A three-dimensional object, comprising: path planning means for obtaining a path of a point at which the liquid material is to be cured from three-dimensional shape data describing the shape of the object; and scanning means for moving the focal point along the path. apparatus.
【請求項2】 請求項1の立体造形装置において、 前記振動が超音波振動であり、 前記走査手段が、複数の前記加振器の発生する超音波振
動の位相を変える方法によって、前記焦点を移動させる
ことを特徴とする立体造形装置。
2. The three-dimensional molding apparatus according to claim 1, wherein the vibration is an ultrasonic vibration, and the scanning unit shifts the focal point by a method of changing a phase of the ultrasonic vibration generated by the plurality of vibrators. A three-dimensional molding device characterized by being moved.
【請求項3】 請求項1の立体造形装置において、 前記液状物の主な成分が、重合の不完全な液状の樹脂で
あり、 前記液状物が、一定のレベルを超える振動によって壊れ
て、内部に包含している物質を放出する性質を持つマイ
クロカプセルを含有し、 前記マイクロカプセルが、内部に前記樹脂の重合を開始
させる性質を持つ物質を包含していることを特徴とする
立体造形装置。
3. The three-dimensional modeling apparatus according to claim 1, wherein a main component of the liquid material is a liquid resin incompletely polymerized, and the liquid material is broken by vibration exceeding a certain level, and 3. A three-dimensional modeling apparatus, comprising: a microcapsule having a property of releasing a substance contained in the microcapsule, wherein the microcapsule contains a substance having a property of initiating polymerization of the resin.
【請求項4】 請求項3の立体造形装置において、 前記樹脂と前記反応開始剤を接触させてから、前記樹脂
の重縮合が起こるまでの時間が、前記焦点の走査にかか
る時間よりも長いことを特徴とする立体造形装置。
4. The three-dimensional molding apparatus according to claim 3, wherein a time from contacting the resin with the reaction initiator until polycondensation of the resin occurs is longer than a time required for scanning the focal point. A three-dimensional molding device characterized by the following.
【請求項5】 請求項3の立体造形装置において、 前記マイクロカプセルが含気マイクロカプセルであり、 前記加振器が、前記含気マイクロカプセルの共振周波数
の振動を発生することを特徴とする立体造形装置。
5. The three-dimensional molding apparatus according to claim 3, wherein the microcapsules are air-containing microcapsules, and the vibrator generates vibration at a resonance frequency of the air-containing microcapsules. Modeling equipment.
【請求項6】 請求項3の立体造形装置において、 前記液状物が、未発色の色素と、共振周波数の異なる複
数の種類の前記マイクロカプセルとを含有し、 一つの種類の前記マイクロカプセルが、内部に前記色素
を発色させる性質を持つ発色剤を包含し、 前記加振器が、複数の周波数の振動を発生することを特
徴とする立体造形装置。
6. The three-dimensional printing apparatus according to claim 3, wherein the liquid material contains an uncolored dye and a plurality of types of the microcapsules having different resonance frequencies. A three-dimensional modeling apparatus including a coloring agent having a property of coloring the dye therein, wherein the vibrator generates vibrations of a plurality of frequencies.
【請求項7】 請求項1の立体造形装置において、 前記液状物が、ビンガム流体であることを特徴とする立
体造形装置。
7. The three-dimensional molding apparatus according to claim 1, wherein the liquid material is a Bingham fluid.
【請求項8】 請求項1の立体造形装置において、 前記経路計画手段が、前記立体物の内部を先に、表面を
後で走査する前記経路を生成することを特徴とする立体
造形装置。
8. The three-dimensional modeling apparatus according to claim 1, wherein the path planning unit generates the path for scanning the inside of the three-dimensional object first and the surface later.
【請求項9】 請求項1の立体造形装置において、 前記液状物の内部に部材を保持する手段を備えることを
特徴とする立体造形装置。
9. The three-dimensional molding apparatus according to claim 1, further comprising: means for holding a member inside the liquid material.
【請求項10】 請求項1に記載の立体造形装置を使用
する立体造形方法。
10. A three-dimensional modeling method using the three-dimensional modeling device according to claim 1.
【請求項11】 請求項3に記載の液状物であることを
特徴とする立体造形材料。
11. A three-dimensional structure material, which is the liquid material according to claim 3.
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