JP2005028880A

JP2005028880A - 非接触式熱工具を用いた立体形状加工装置及びその方法

Info

Publication number: JP2005028880A
Application number: JP2004204584A
Authority: JP
Inventors: Don Yoru Yan; ドンヨルヤン; Hyo Chan Kim; ヒョチャンキム; San Ho I; サンホイ; Don Gyu An; ドンギュアン
Original assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Current assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2004-07-12
Publication date: 2005-02-03
Also published as: KR20050007687A; KR100519051B1; US20050017411A1

Abstract

【課題】工作物の上下面加工が可能で切削チップが発生しない立体形状加工装置及びその方法を提供する。
【解決手段】軟質材料からなる工作物（６０）を３次元形状加工する立体形状加工装置は、工作物をＸ軸及びＹ軸の周りで回転可能に保持するインデックステーブル（１００）と、インデックステーブルをＸ軸に沿って移動させる移送装置（１０）と、移送装置（２０、３０）によってＹ軸とＺ軸に沿って移動可能な熱工具（７０）とを備える。熱工具は、工作物と接触しないで工作物を熱加工する。
【選択図】図１

Description

本発明は、軟質材料体を加工して精巧な形状の立体製品を製作する、或いは１次加工済みの加工物に細かい模様を付与する立体形状加工装置に関し、さらに詳しくは、非接触式熱工具を備えた立体形状加工装置及びその方法に関する。

従来の３次元切断法による造形物の製造方法では、ＣＡＤで製作された形状を各方向に投影された２次元形状で計算し、計算された２次元形状を手作業によって熱線で製作した後、フォームブロック(Form Block)を各方向に通過させて加工する。このような製造方法は、大体の形状を製作した後、手作業によって細かい形状を製作する方法であって、２次元熱線形状の製作が難しく、手作業の依存率が非常に大きいという欠点があった。

立体形状を製作するための他の方法としては、切削と充填工程を用いた３次元快速製造方法が例えば特許文献１に開示されている。
一方、熱線を用いたフォーム加工方法としては、線形熱切断システムを用いた断続材料供給式加変積層快速造形方法であって、３次元ＣＡＤモデルをスライスして傾斜付き単位形状層のデータを生成した後、板材材料を断続的に供給し、４自由度線形熱切断システムで切断して単位形状層を生成した後、各層を組み合わせることにより、３次元立体形状を形成する方法が例えば特許文献２に開示されている。

５軸自由曲面加工方法であって、自由曲面加工のために既存の５軸制御を使用せず、３軸加工機と２軸傾斜テーブルを用いる技術が例えば特許文献３に開示されている。
大韓民国特許出願公開第２００２−３２００８号明細書大韓民国特許出願公開第２００３−０４６３８号明細書大韓民国特許出願公開第１９９９−７４７４０号明細書

しかし、特許文献１の方法は工作物を固定するテーブルの１８０°回転或いは９０°回転或いは任意の角度で回転させてそれぞれの姿勢で工作物を加工するものであって、工作物の側面加工は容易であるが、上／下面加工は難しいという欠点がある。

特許文献２の方法は熱線を用いて最大精密度を実現することができるが、所定の厚さに切断された形状層を結合して１つの立体形状を得るものなので、細かい形状又は立体形状を製作するには限界があった。
特許文献３の方法は５軸加工面の製作コストを低めたが、任意の角度を有する２軸傾斜テーブルの姿勢に応じて３軸加工工具の経路を生成することが非常に難しかった。したがって、この方法では４種の工作物の姿勢についてのみ工具経路を生成し、傾斜テーブルを手動でセットアップするなど任意の角度を有する２軸傾斜テーブルは非常に非効率的で制限的なので、一般的な工程に適用することは困難であった。
本発明は、かかる問題点を解決するためのもので、その目的は、工作物の上下面加工が可能で切削チップが発生しない非接触式熱工具を備えた立体形状加工装置及びその方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明は、軟質材料に３次元形状を加工する立体形状加工装置であって、互いに直交する３つの軸の各々に沿って移動可能な移送装置と、垂設された支持腕を有する支持枠、前記支持枠に軸支される定着部材、及び前記定着部材に回転可能に取り付けられ、前記軟質材料を保持するチャックを備えるインデックステーブルであって、前記定着部材は前記３つの軸のうちの第１の軸の周りで回転可能であり、前記チャックは前記第１の軸と直交する第２の軸の周りで回転可能である、前記インデックステーブルと、前記移送装置に装着され、前記軟質材料と接触しないで前記軟質材料を加工する非接触式熱工具とを備える装置に関する。

また、本発明は、工作物に３次元形状を加工する立体形状加工方法であって、前記工作物をチャックに固定し、前記工作物の側面が非接触式熱工具の加工方向を向くように前記チャックを回転させ、前記非接触式熱工具を下方に移動させて前記工作物の一側面を加工し、前記非接触式熱工具を上方に移動させ、前記工作物の加工されていない側面が前記非接触式熱工具を向くように前記チャックを回転させ、前記非接触式熱工具を下方に移動させて前記工作物の側面を加工する一連の作業を反復して前記工作物の全ての側面を加工する側面加工段階と、前記非接触式熱工具を上方に移動させた後、前記工作物の上面が前記非接触式熱工具の加工方向を向くように前記インデックステーブルを移動させ、前記非接触式熱工具を下方に移動させて前記工作物の上面を加工する平面加工段階とを備える方法に関する。

本発明によれば、工作物の上面／下面加工が可能であって加工形状の制約性が無くなり、これによる作業時間の短縮効果がある。また、熱工具を用いて工作物を加工するので、従来とは異なり、切削チップが発生しないから快適な作業環境を提供することができるという効果がある。

以下、本発明の好適な実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例に係る立体形状加工装置の使用状態を示す。移送手段は互いに直交する３つの軸にそってそれぞれ移動する第１移送装置１０、第２移送装置２０及び第３移送装置を備える。

第１移送装置１０には、工作物６０を固着するためのインデックステーブル１００が定着されており、前記第１移送装置１０はこのインデックステーブル１００を水平方向（Ｘ軸方向）に移動させる。第２移送装置２０は前記第１移送装置１０の上方に設置され、第３移送装置３０を第１移送装置の移送方向と直交する方向（Ｙ軸方向）に水平移動させる。第３移送装置３０は前記第２移送装２０置に設置され、前記第２移送装置２０の移送方向に直交する垂直方向（Ｚ軸方向）に移送される。前記第３移送装置３０にはバイス４０が取り付けられている。このバイス４０は後述の熱工具７０に含まれる。

バイス４０は、第２移送装置２０と第３移送装置３０の動作に応じて、第１移送装置１０の移送方向と直交する水平移動、第１移送装置１０に向かう下降移動、及び第１移送装置１０から離れる上昇移動される。熱工具７０のバイス４０は、インデックステーブル１００を移動させる第１移送装置１０によってＸ軸方向の移動領域が確保され、第２移送装置２０と第３移送装置３０によってＹ軸とＺ軸方向の移動領域が確保される。これにより、バイス４０は、インデックステーブル１００に保持された工作物６０を中心として３次元の加工領域を有する。

前記各移送装置１０、２０、３０とインデックステーブル１００は、有線或いは無線で制御装置５０と連結され、制御装置５０によってそれぞれ定められた経路に沿って動く。
本実施例では、熱工具７０のバイス４０が第２移送装置２０と第３移送装置によってＹ軸とＺ軸の両方向に移動し、インデックステーブル１００が第１移送装置１０によってＸ軸方向に移動して３軸加工が行われるが、インデックステーブル１００が別途の箇所に固着され、バイス４０がＸ−Ｙ−Ｚの３軸方向の移動領域を持つように設置されることも可能である。

図２は図１の立体形状加工装置のインデックステーブルを示す詳細図である。インデックステーブル１００は支持枠１１０、定着部材１２０及び真空チャック１３０を備える。
支持枠１１０は、前記第１移送装置１０に設置され、支持枠１１０の両側には支持腕１１１が立設されている。支持腕１１１には定着部材１２０が結合軸を中心として回転可能に軸支される。定着部材１２０は、前記支持腕１１１が容易に軸支できるようにその両端が直角に折り曲げられており、中心部には真空チャック１３０が装着されている。

前記支持腕１１１と定着部材１２０には、軸支された定着部材１２０と真空チャック１３０をそれぞれ回転させ得るように第１モータ１４０と第２モータ１５０が結合されている。工作物６０は、真空チャック１３０を介して定着部材１２０に固定され、第２モータ１５０によってＹ軸の周りに３６０°回転し、第１モータ１４０によってＸ軸の周りに旋回する。

したがって、第２モータ１５０が工作物６０を所定の角度で回転させると、工作物６０の一面が熱工具７０の加工領域に置かれることになり、工作物６０の側面加工が行われる。また、第１モータ１４０が定着部材１２０を時計方向に回転させると、工作物６０の上面或いは下面が熱工具７０の加工領域内に進入して工作物６０の上面或いは下面の加工が行われる。

工作物６０は、真空チャック１３０によって吸着方式で固定される。真空チャック１３０と定着部材１２０の構造を図３ａ及び図３ｂそれぞれに示す。
真空チャック１３０は、円板状の固定板１３１と、この固定板１３１に嵌合される回転板１３５とを備える。固定板１３１は定着部材１２０に固定され、真空ポンプ（図示せず）と連結される。固定板１３１の前面には軸孔１３２と吸入孔１３３が設けられており、この軸孔１３２と吸入孔１３３の外側には環状の嵌合溝１３４が設けられている。

回転板１３５は、工作物６０に直接接触して支持する。回転板１３５の前面には複数の吸着孔１３８が設けられており、回転板１３５の背面には前記固定板１３１の軸孔１３２に挿着されるボス１３６と、前記固定板１３１の嵌合溝１３４に受承される突条１３９が設けられている。固定板１３１の嵌合溝１３４と回転板１３５の突条１３９は、相互接触面間の摩擦抵抗が最小となるように仕上げ処理されていることが好ましい。前記ボス１３６には、定着部材１２０に設置される第２モータ１５０の駆動軸と結合される締結孔１３７が設けられている。

固定板１３１が取り付けられる定着部材１２０には、図３ｂに示すように、固定板１３１、吸入孔１３３及び回転板１３５のボス１３６と一致するように連結孔１２２が設けられている。

図３ｃは前記固定板１３１、回転板１３５及び定着部材１２０の結合を示す断面図である。図３に示すように、固定板１３１の嵌合溝１３４に回転板１３５の突条１３９が嵌合されており、締結孔１３７を有するボス１３６が固定板１３１の軸孔１３２を通して定着部材１２０の外側に突出している。

図３ｃに示すように、真空ポンプに連結される吸入孔１３３と工作物６０を固定させる吸着孔１３８との間には所定の間隔の空間（環状空間）が存在する。この空間により、２つの吸入孔１３３の吸入力（減圧）が多数の吸着孔１３８に伝達される。尚、吸入孔１３３と回転板１３５の回転軸からの距離は、吸着孔１３８と回転板１３５の回転軸からの距離とほぼ等しいことが好ましい。

このように構成された真空チャック１３０は、真空ポンプに連結された固定板１３１を媒介として工作物６０を回転板１３５に固定させることができ、第２モータ１５０に結合された回転板１３５を媒介として工作物６０を回転させることができる。この際、固定板１３１は前述したように定着部材１２０に固定されて回転せず、吸入孔１３３と吸着孔１３８を介して流れる空気は嵌合溝１３４と突条１３９との嵌合によって外部に流出しない。

一方、このように構成された真空チャック１３０は、幾つかのジョー（クランプの爪など）で工作物６０を固定させる従来の装置とは異なり、真空ポンプを用いて工作物６０の上面或いは下面を吸着固定することにより、工作物６０の表面に実質的に何の傷も残さない。工作物６０の材質は、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂またはフォーム樹脂などの熱加工可能な軟質材料である。

図４は熱工具７０の断面図である。図４に示すように、第３移送装置３０に取り付けられたバイス４０には絶縁部材４１を介して支持具４２が結合されており、この支持具４２には熱線４３が付いている。

絶縁部材４１に結合される支持具４２は、銅のような電気導体であって、電源供給装置（図示せず）に連結されているが、電源供給装置の正端子及び負端子とそれぞれ独立的に通電できるように２つの分離されたボディからなっている。この分離された支持具４２は、電気抵抗体の熱線４３によって電気的に連結される。本実施例では前記熱線４３の材質としてＮｉ−Ｃｒを使用している。

前記支持具４２に電源供給装置から電流が供給されると、２つの支持具４２を連結する熱線４３に電流が流れる。前記熱線４３は、導電性の金属材質であるが、断面積が小さく、細長い形状であり、相当大きい電気抵抗値を有する。したがって、熱線４３への通電につれて、熱線４３は段々高温に発熱する。熱線４３の温度は７００℃まで上昇し、熱線４３から離間したすなわち非接触状態にある物体（工作物６０）に十分な熱エネルギーを伝達することができる。よって、前記熱線４３を例えばフォーム材質からなる工作物６０に近接させると、熱線４３から放出される熱エネルギーによって工作物６０が熱分解されながら加工される。

このように工作物６０に接触しないで加工する熱工具７０を使用すると、切削抵抗がなくて加工の精密度を高めることができるという長所があり、これにより工作物６０の加工速度を向上させることができるという効果がある。また、熱線４３から放出される熱で工作物６０を熱分解させるものなので、従来とは異なり、切削チップが発生せず作業環境が快適になるという付加的な効果も得られる。一方、より快適な作業環境を実現するためには、熱工具７０の設置されたバイアス４０又はインデックステーブル１００の一側に空気吸入装置を設置した方が良い。これは熱工具７０によって工作物６０が加工される際に発生する臭いやガスを吸入するためである。

熱工具７０の熱線４３の発熱温度は、電源供給装置から供給される電流の強さによって異なる。熱線４３に供給する電流を制御することで、加工幅と深さを調節することができる。

数式１において、ηは加工幅、ＡとＢは定数、Ｑ_eff ^hは単位高さ当たり有効熱量をそれぞれ示す。数式２において、本特許の工程変数であるＱ_effは有効熱量、Ｈは熱工具７０から工作物６０までの距離、Ｖｃは加工速度である。これらの三つの変数は統合変数Ｑ_eff ^hで表現できる。数式１は実験によって求められた関係であり、このような線形的な関係を用いると、所望の加工幅ηを加工するために必要なＱ_eff ^h値を求めることができる。求められたＱ_eff ^h値を用いて数式２から適切な工程変数を計算して工程に適用することにより、所望の加工幅を容易に得ることができる。

熱工具７０から工作物６０に到達する熱エネルギーの量に重要な作用をする熱線４３の先端に一定形状のキャップ４４を結合させてもよい。キャップ４４は、熱線４３を保護すると共に、熱がキャップ４４の周囲に均一に放出されるようにする。尚、キャップ４４の形状を異にすれば、加工模様に変化を与えることができる。

図５は本発明の一実施例に係る加工工程の概略的な流れ図である。
第１段階Ｓ１では、３次元ＣＡＤデータを制御装置５０のデータ部に入力し、モデリングによって３次元的に具現された模型のデータを制御装置５０に格納する。この際、立体模型の設計はＣＡＤ又はその他３次元モデリングプログラムによって行われ、設計した立体模型のデータをＤＷＦ(design web format)のような一般的に通用するファイル形式に変換して制御装置５０に入力する。

第２段階Ｓ２では、入力された３次元ＣＡＤデータを２次元スライスデータに変換する。通常の立体加工は平面加工を繰り返し行うもので、第１段階Ｓ１で入力された３次元データのみでは、熱工具７０の加工経路を設定し難い。したがって、入力された３次元データを、熱工具７０の経路の生成が容易な２次元データの組み合わせに変換する必要がある。

２次元スライスは、３次元の立体形状を多数の断面組み合わせに変換するものであって、熱工具７０が実質的に移動して工作物６０を加工する経路である。本発明は、工作物６０を回転させて各面毎に加工作業を独立的に行うことにより、前記２次元スライス作業が加工面の数だけ行われる。

第３段階Ｓ３では、第２段階Ｓ２で形成された２次元スライスデータによる熱工具７０の移動経路（Ｘ、Ｙ、Ｚ方向）と熱工具７０の発熱量及び移動速度を決定する。第３段階Ｓ３では、２次元スライスデータで表現された形状が具現されるように各スライス別に熱工具７０の移動経路（Ｘ、Ｙ方向）を設定する。移動経路が設定されると、移動経路による加工幅を考慮し、前記２つの数式を用いて、熱線に印加される電流強度、熱工具７０の移動速度及び熱工具７０から工作物６０までの距離などを算出する。

一方、工作物６０の加工は一面のみで行われるのではなく、５つの面で行われるので、熱工具７０の加工経路が重複する。したがって、本発明では、各加工面別のスライスデータを比較し、加工経路が重畳する部分を削除して、熱工具７０の加工経路が最小となれる新しい２次元スライスデータを生成する。

最後に、第４段階Ｓ４では、第３段階Ｓ３で決定されたデータに基づいて工作物６０の表面を加工する。まず、工作物６０をチャック１３０に固定させる。次に、熱工具７０を所定の移動経路に沿って移動させて工作物６０を加工する。一面の加工が終わると、チャック１３０を回転させて他の面を加工する。このような動作は、工作物６０の４つの面の加工が完全に終わるまで行われる。４つの面の加工が終わると、今度はインデックステーブルを回転させて工作物６０の上面を加工して立体形状を完成させる。

工作物６０の６つの面を全て加工しようとする場合には、工作物６０の中間を切断してそれぞれ５つの面を加工した後、加工されていない２つの面、すなわち切断面を接着させて一つの立体形状を完成させる。ところが、このような方法は吸着面を必要とする真空チャック１３０を使用する時に限定されたものである。真空チャックではなく固定チャックを使用する場合には、工作物６０の５つの面を加工した後、加工されていない部分が外側を向かうようにさらに固定チャックで保持して加工すればよい。

以上、非接触式熱工具を備えた立体形状加工装置及びその方法に対する技術思想を添付図面に基づいて述べたが、これは本発明の好適な実施例を例示したものに過ぎず、本発明を限定するものではない。また、当該技術分野で通常の知識を有する者であれば誰でも、本発明の技術思想の範疇から逸脱しないで様々な変形及び模倣が可能なのは、明白なことである。

本発明の一実施例に係る立体形状加工装置の使用状態を示す斜視図である。図１の立体形状加工装置のインデックステーブルの構造を示す斜視図である。図１の真空チャックの平面図である。図１の定着部材の斜視図である。図３ａ及び図３ｂに示した真空チャックと定着部材の結合状態を示す断面図である。図１の立体形状加工装置の熱工具を示す断面図である。本発明の一実施例による加工工程を示すブロック図である。

符号の説明

１０第１移送装置
２０第２移送装置
３０第３移送装置
４０バイス
４１絶縁部材
４２支持具
４３熱線
５０制御装置
６０工作物
７０熱工具
１００インデックステーブル
１１０支持枠
１１１支持腕
１２０定着部材
１３０真空チャック
１４０、１５０モータ

Claims

軟質材料に３次元形状を加工する立体形状加工装置であって、
互いに直交する３つの軸の各々に沿って移動可能な移送装置と、
垂設された支持腕を有する支持枠、前記支持枠に軸支される定着部材、及び前記定着部材に回転可能に取り付けられ、前記軟質材料を保持するチャックを備えるインデックステーブルであって、前記定着部材は前記３つの軸のうちの第１の軸の周りで回転可能であり、前記チャックは前記第１の軸と直交する第２の軸の周りで回転可能である、前記インデックステーブルと、
前記移送装置に装着され、前記軟質材料と接触しないで前記軟質材料を加工する非接触式熱工具とを備える立体形状加工装置。
前記チャックが、空気吸着方式を用いた真空チャックであることを特徴とする請求項１記載の立体形状加工装置。
前記非接触式熱工具の一側に、加工時に発生する臭い及びガスを除去することが可能な空気吸入装置がさらに設置されていることを特徴とする請求項１記載の立体形状加工装置。
前記非接触式熱工具は、前記移動装置に取り付けられるバイスと、前記バイスに結合され、電源供給装置の正端子と負端子に結合され、互いに分離された２つのボディからなる支持具と、前記支持具を連結する熱線と、前記支持具に結合されて前記熱線を覆うキャップとを含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の立体形状加工装置。
請求項１記載の立体形状加工装置を使用し、工作物に３次元形状を加工する立体形状加工方法であって、
前記工作物をチャックに固定し、前記工作物の側面が非接触式熱工具の加工方向を向くように前記チャックを回転させ、前記非接触式熱工具を下方に移動させて前記工作物の一側面を加工し、前記非接触式熱工具を上方に移動させ、前記工作物の加工されていない側面が前記非接触式熱工具を向くように前記チャックを回転させ、前記非接触式熱工具を下方に移動させて前記工作物の側面を加工する一連の作業を反復して前記工作物の全ての側面を加工する側面加工段階と、
前記非接触式熱工具を上方に移動させた後、前記工作物の上面が前記非接触式熱工具の加工方向を向くように前記インデックステーブルを移動させ、前記非接触式熱工具を下方に移動させて前記工作物の上面を加工する平面加工段階とを備える立体形状加工方法。