JP2006051821A - 大型造形物製作用の可変積層高速造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大きさを問わずに、板状部材１０を精巧に切断して造形する大型造形物製作用の可変積層高速造形装置を提供する。
【解決手段】本発明の大型造形物製作用の可変積層高速造形装置は、板状部材１０をその長手方向に往復移送させるコンベアー２００と、コンベアー２００の下部に設置され、板状部材１０の幅方向に往復運動する直線移送手段３００と、板状部材１０の幅方向に沿った軸をその中心軸として旋回運動するように直線移送手段３００に結合された旋回手段４００と、板状部材１０の幅方向にわたって位置し、その幅方向に並進運動するように旋回手段４００にリンク結合された並進手段５００と、並進手段５００の一側に結合され、板状部材１０を切断する熱線６００と、熱線６００によって切断された板状部材１０を造形物が形成されるように順次積層する積層手段と、造形物に対するデータを保存し、これらの手段の作動を制御するシステム制御手段７００とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、大型造形物の製作に必要な単位積層部材を加工して造形する高速造形装置に係り、さらに詳しくは、大型板状部材を迅速且つ容易に加工して造形することが可能な大型造形物製作用の可変積層高速造形装置に関するものである。

従来、高速造形方法は、光硬化性材料にレーザ光線を照射して３次元形状に硬化させて製造する方法と、粒状または層状の固体素材を所望の形に接合させて製造する方法に大別される。

一般に、高速造形とは、紙、ワックス、ＡＢＳ及びプラスチックなどの様々な非金属または金属の材料を用いて３次元ＣＡＤデータから３次元形状の試作品またはモールド（造形物）を直ちに造形する工程を称するものである。最近は、この造形に使用される材質が金属粉末及び金属ワイヤなどに発展するにつれて、様々な工程により造形物が造形される。

このような高速造形方法の中でも層状接合技術に関連した先行技術としては、米国ヘリシス（Helisys ）社で開発された薄板材料積層工程(Laminated Object Manufacturing:ＬＯＭ) 技術と、米国ユタ大学で開発されたＳｈａｐｅＭａｋｅｒII技術がある。

薄板材料積層工程技術では、薄板（０．１０６ｍｍ程度）型の紙を高温のローラーで圧着して接着させ、レーザで切断する過程を繰り返し行って造形物を製作する。ところが、この技術では、薄い層をレーザで切断するため、造形物の製作時間が非常に長くかかるうえ、その製作コストも非常に高い。さらに、造形物の製作後にはその形状実現のために使用された支持部材を除去しなければならないので、その除去に長時間を費やすという欠点がある。

ＳｈａｐｅＭａｋｅｒII技術では、２５．４ｍｍ以上の厚い材料を２つのプロッタ・ヘッド(Plotter Head)を有する熱線切断機で切断した後、手動で積層／接着して３次元の造形物を製作する。ところが、この技術は、熱線切断機が２つのプロッタ・ヘッドから構成されるため、熱線切断機の回転が短時間内に行われないという欠点がある。しかも、熱線の長さが回転角によって変わるので、熱線の発熱量を一定に維持することが難しく、熱線の発熱量のばらつきによる寸法精度が低下するという欠点もある。

かかる問題点に鑑みて、出願人は特許文献１に開示された形態の断続的材料供給式の可変積層高速造形工程（Transfer type variable lamination manufacturing ：ＶＬＭ−ＳＴ）技術を開発した。この特許文献１の技術では、Ａ４またはＡ３のサイズと１０ｍｍ以下の厚さを有する板状部材を断続的に供給した後、停止状態で４軸同時制御されるカンチレバー形態の線形熱切断システムをＸ軸、Ｙ軸、θｘ、θｙ方向に動かしながら、側面傾斜を有する単位積層部材に切断して手動で積層／接着する。したがって、この特許文献１の技術によれば、前述した技術とは異なり、板状部材をより迅速かつ正確に加工することができる。また、この特許文献１の技術では、板状部材の側面傾斜加工も可能なので、積層以後の加工工程を大幅減らすことができるという利点がある。

しかしながら、この特許文献１の技術では、板状部材を加工する熱切断部がカンチレバーの形で設置されているので、加工可能な板状部材の大きさに制約が伴う。すなわち、板状部材が大きくなると、それにより熱線を支持する並進棒が長くなるので、加工精度が低下するという問題点がある。ところが、現在まで、前述した技術の他には開発されたものがないため、大型板状部材の加工の技術水準は殆ど手作業に依存するような低い水準に留まっている。
大韓民国特許出願公開第２００３−４６３８号明細書

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、長さ調節が容易な平行四辺形のリンク構造に切断機能を与えることにより、その大きさを問わずに、板状部材を精巧に切断して造形する大型造形物製作用の可変積層高速造形装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、板状部材をその長手方向に往復移送させる第１移送手段と、第１移送手段の下部に設置され、板状部材の幅方向に往復運動する第２移送手段と、板状部材の幅方向に沿った軸をその中心軸として旋回運動するように第２移送手段に結合された旋回手段と、板状部材の幅方向にわたって位置し、その幅方向に並進運動するように旋回手段にリンク結合された並進手段と、並進手段の一側に結合され、板状部材を切断する切断手段と、切断手段によって切断された板状部材を造形物が形成されるように順次積層する積層手段と、造形物に対するデータを保存し、これらの手段の作動を制御する制御手段とを含む、大型造形物製作用の可変積層高速造形装置が提供される。

旋回手段は、中心軸が板状部材の幅方向に沿うように、移送手段の両側に回転可能にそれぞれ結合された一対のヨークと、一対のヨークの少なくとも一方に結合されてその少なくとも一方のヨークを旋回運動させるモータとを含んでもよい。

並進手段は、一対のヨークに旋回可能にそれぞれ結合された一対の旋回棒と、板状部材の上下部に平行に位置するように、一対の旋回棒の両端にそれぞれリンク結合された一対の水平棒と、一対の旋回棒の少なくとも一方に結合されて前記一対の水平棒を並進運動させるモータとを含んでもよい。

切断手段は、一対の水平棒を上下に互いに連結する熱線を含んでもよい。
第１移送手段は、コンベアーにより構成されることが好ましい。
積層手段は、切断された板状部材の積層が可能な積層テーブルと、切断された板状部材を吸着して積層テーブルの指定位置に運搬して積層する積層補助手段と、積層テーブルに積層された板状部材の上面に接着剤を塗布する塗布手段とを含んでもよい。

本発明は、第１移送手段の一側から前記板状部材を供給する板状部材供給手段をさらに含んでもよい。

本発明は、熱線が平行四辺形のリンク構造に結合するため、非常に安定的であるうえ、加工精度が非常に優れる。また、本発明は、平行四辺形のリンク構造の長さ調節が可能なので、小型板状部材から大型板状部材まで様々に加工することができる。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る大型造形物製作用の可変積層高速造形装置の構成を示す斜視図であり、図２は図１に示した旋回および並進手段の構成を示す部分分解斜視図であり、図３は図１に示した高速造形装置を用いた板状部材の加工過程を示す工程図である。

図１〜図３に示すように、この実施形態に係る装置は、積載された多量の板状部材１０を供給する板状部材供給手段１００と、供給された板状部材１０をその長さ方向に往復移送するコンベアー２００と、板状部材１０の幅方向に往復運動する直線移送手段３００と、板状部材１０の幅方向に沿った軸をその中心軸として旋回運動するように直線移送手段３００に結合された旋回手段４００と、板状部材１０の幅方向に並進運動するように旋回手段４００にリンク結合された並進手段５００と、並進手段５００の一側に結合され、板状部材１０を切断する切断手段と、造形物のデータに基づいてそれぞれの手段の作動を制御し、造形物を構成するそれぞれの単位積層部材を製作するようにするシステム制御手段７００と、単位積層部材が順次積層されて造形物を形成するようにする積層手段８００とから構成される。

板状部材供給手段１００は、多量の板状部材１０を積載し、システム制御手段７００の信号に応じて板状部材１０を断続的にコンベアー２００に供給する。このため、板状部材供給手段１００は、システム制御手段７００の信号に応じて板状部材１０をコンベアー２００に移送させる別途の移送装置を備える。この実施形態の移送手段は、産業界で一般に具現され使用されている形の移送手段により構成されていればよい。

コンベアー２００は、板状部材供給手段１００から供給された板状部材１０を支持しており、システム制御手段７００に入力されたＣＡＤデータに応じてｙ軸方向（板状部材の長さ方向）に往復直線移送させる移送手段の役割をする。

コンベアー２００の両側にはガイド２２０が設置される。ガイド２２０は、コンベアー２００によって往復移送された板状部材１０の位置を正確に決める役割をする。この際、ガイド２２０を、板状部材１０の幅方向における両側のガイド間の間隔を調節しうるように構成することができる。コンベアー２００には、板状部材１０を運搬するコンベアーベルト２１０が巻かれる。

コンベアーベルト２１０には、板状部材１０の全長より長く、かつ板状部材１０の幅よりは短い長方形の開口部２１１が設けられる。この開口部２１１は、板状部材１０を切断して加工する切断手段の熱線６００がコンベアーベルト２１０により遮られることを防止するために設けられたものである。したがって、開口部２１１は、板状部材１０がのせられる部分に位置しなければならない。一方、コンベアー２００の長さは板状部材１０の長さより２倍程度長いことが好ましい。これは板状部材１０の全長にわたって熱線６００の加工領域を確保するためである。

直線移送手段３００は、ｘ軸方向（板状部材の幅方向）を移送方向として持つように設置され、切断装置を板状部材１０の移送方向と直交する方向に往復移送させる。このため、直線移送手段３００は、図１に示すように、コンベアー２００の下方にコンベアー２００と直交するように設置される。直線移送手段３００は、地面に設置される支持板３１０と、板状部材の幅方向に移送できるように支持板３１０の上面に結合する移送板３２０とを備える。この際、移送板３２０は、スクリュー方式などの一般な移送方式で支持板３１０に結合する。したがって、移送板３２０は、システム制御手段７００の信号に基づいて板状部材１０の幅方向（ｘ方向）に往復直線運動を行う。

移送板３２０の両側には２つの支持柱３３０がコンベアー２００を基準として互い対称となるように設置される。それぞれの支持柱３３０には、板状部材の幅方向に沿った軸をその中心軸とするｙ−ｚ平面上で旋回するヨーク４１０がそれぞれ設置され、少なくとも一つの支持柱３３０には、ヨーク４１０を旋回させるモータ４２０が設置される。したがって、この実施形態では、ヨーク４１０とモータ４２０が旋回手段４００の役割をする。

ヨーク４１０には、ヨーク４１０の回転平面と直交する平面上で旋回する旋回棒５１０が結合する。２つのヨーク４１０の少なくとも１つには、図２に示すように、旋回棒５１０を旋回させるためのモータ５２０が結合する。旋回棒５１０の軸５２１は、図２に示すように、ピン５２２によって旋回棒５１０に結合する。一方、ヨーク４１０と旋回棒５１０の旋回角度は、モータ４２０、５２０を制御するシステム制御手段７００によって調節される。

旋回棒５１０の両端部には一対の水平棒５３０が結合する。一対の水平棒５３０はコンベアー２００を介して離間した２本の旋回棒５１０を互いに平行に連結する。この際、それぞれの水平棒５３０は、板状部材１０の上下部にそれぞれ位置する。このように結合された複数本の旋回棒５１０と水平棒５３０は、板状部材１０をその幅方向に取り囲む平行四辺形を形成し、基本的にｘ−ｚ平面上で並進運動を行う。したがって、この実施形態では、一対の旋回棒５１０、モータ５２０および一対の水平棒５３０が並進手段５００の役割をする。

熱線６００は、一対の水平棒５３０の一部分を上下に互いに連結する。熱線６００は、移送板３２０の移送に応じて板状部材１０の幅方向に移動し、ヨーク４１０と旋回棒５１０の旋回に応じてそれぞれｘ軸（θｘ）とｙ軸（θｙ）を中心として旋回する。したがって、一対の水平棒５３０の間に挟まる板状部材１０の断面は、２軸方向に旋回する熱線６００によって、傾斜面を有する様々な形状に加工される。このような熱線６００は、電圧を印加する電圧印加装置によって加熱される。この実施形態では、熱線６００および電圧印加装置が切断手段の役割をする。このような熱線６００を用いて板状部材１０の全幅にわたっての熱線６００の加工領域を確保するためには、支持柱３３０の間隔を板状部材１０の幅の２倍以上に広くすることが好ましい。すなわち、この発明は、２つの支持柱３３０の間隔調節によって大型の板状部材も容易に加工することができる。

積層手段８００は、高低調節ができるように構成され、切断手段によって加工された単位積層部材の積層孔１１に挿入されて安定的に定着されるように構成された積層テーブル８１０と、加工された単位積層部材を真空吸着して積層テーブル８１０の指定位置に運搬して積層する積層補助手段と、積層テーブル８１０に積層された単位積層部材の上面に接着剤を塗布する塗布手段８２０とから構成される。この実施形態の積層手段８００は、単位積層部材が積層補助手段によって積層テーブル８１０の指定位置に積層されると、塗布手段８２０が作動し、積層された単位積層部材の上面に接着剤を塗布する反復的な一連の過程が作動するように、システム制御手段７００によって制御される。

次に、このように構成された本実施形態に係る作業過程を説明する。
図３に示すように、板状部材の加工は４段階から構成される。
第１段階は、ＣＡＤデータを入力して分析する段階である。

まず、所望の立体形状のＣＡＤデータ、板状部材１０の厚さ及び大きさ、並びに実際に製作しようとする立体形状の大きさ／体積をシステム制御手段７００に入力する。その後、システム制御手段７００は、入力されたＣＡＤデータを板状部材１０の厚さ及び大きさを考慮して多数の層に分割し、それぞれの分割層による加工経路を設定する。これと同時に、システム制御手段７００は、切断手段の熱量を考慮して単位時間当たりの加工量を計算し、これによる切断手段の移送速度を算出する。

第２段階は板状部材を供給する段階である。
システム制御手段７００からの入力データに基づいて、加工に必要な基本的な演算作業が終了すると、作業開始信号と共に板状部材供給手段１００が板状部材１０をコンベアー２００に供給する。その後、板状部材供給手段１００は、別途の信号があるときまでコンベアー２００に板状部材１０を供給しない。

第３段階は板状部材を切断して加工する段階である。
コンベアー２００に板状部材１０が安全に供給されると、これを感知したセンサがシステム制御手段７００に信号を送り出す。その後、システム制御手段７００は、第１段階で設定された加工経路に沿ってコンベアー２００、直線移送手段３００、旋回手段４００、並進手段５００および切断手段などを制御して板状部材１０を所望の形状に加工する。この実施形態では、熱線６００が単に平面上のみで移動せず、ｘ軸（θｘ）及びｙ軸（θｙ）を中心として旋回するので、板状部材１０の切断面に傾斜面を形成することができる。一方、板状部材１０は、図１に示すように、少なくとも一つの積層孔１１を有し、この積層孔１１を基準として加工される。

第４段階は加工された単位積層部材を積層し、新しい板状部材を供給する段階である。
一つの分割層に対応する板状部材１０の加工が終わると、加工された単位積層部材は、積層手段８００の積層補助手段によって積層テーブル８１０の指定位置に積層され、塗布手段８２０の作動によってその上面が接着剤で塗布される。そして、加工された板状部材１０の残渣はコンベアー２００の作動によって排出され、コンベアー２００には新しい板状部材が板状部材供給手段１００によって供給される。その後、システム制御手段７００は、新しい分割層に対応する単位積層部材を加工し積層するように制御する。このような一連の手続きを造形物が完成するまで繰り返し行う。こうして造形物が完成すると、積層孔が設けられている部分を除去し、除去された部分を仕上げる。

以上、大型造形物製作用の可変積層高速造形装置に対する技術思想を添付図面と共に述べたが、これは本発明の最も好適な実施形態を例示的に説明したものに過ぎず、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、本発明の技術的思想の範疇から逸脱することなく、様々な変形及び模倣が可能であるのは明らかなことである。

本発明の一実施形態に係る大型造形物製作用の可変積層高速造形装置の構成を示す斜視図。 図１に示した旋回および並進手段の構成を示す部分分解斜視図。 図１に示した高速造形装置を用いた板状部材の加工過程を示す工程図。

符号の説明

１０…板状部材、１００…板状部材供給手段、２００…コンベアー、３００…直線移送手段、４００…旋回手段、４１０…ヨーク、４２０…モータ、５００…並進手段、５１０…旋回棒、５２０…モータ、５３０…水平棒、６００…熱線、７００…システム制御手段、８００…積層手段、８１０…積層テーブル、８２０…塗布手段

Claims (7)

1. 板状部材をその長手方向に往復移送させる第１移送手段と、
   前記第１移送手段の下部に設置され、前記板状部材の幅方向に往復運動する第２移送手段と、
   前記板状部材の幅方向に沿った軸をその中心軸として旋回運動するように前記第２移送手段に結合された旋回手段と、
   前記板状部材の幅方向にわたって位置し、その幅方向に並進運動するように前記旋回手段にリンク結合された並進手段と、
   前記並進手段の一側に結合され、前記板状部材を切断する切断手段と、
   前記切断手段によって切断された板状部材を造形物が形成されるように順次積層する積層手段と、
   前記造形物に対するデータを保存し、前記第１移送手段、前記第２移送手段、前記旋回手段、前記並進手段、前記切断手段、及び前記積層手段の作動を制御する制御手段とを含むことを特徴とする、大型造形物製作用の可変積層高速造形装置。
2. 前記旋回手段は、中心軸が前記板状部材の幅方向に沿うように、前記移送手段の両側に回転可能にそれぞれ結合された一対のヨークと、該一対のヨークの少なくとも一方に結合されて該少なくとも一方のヨークを旋回運動させるモータとを含むことを特徴とする、請求項１に記載の大型造形物製作用の可変積層高速造形装置。
3. 前記並進手段は、前記一対のヨークに旋回可能にそれぞれ結合された一対の旋回棒と、前記板状部材の上下部に平行に位置するように、前記一対の旋回棒の両端にそれぞれリンク結合された一対の水平棒と、前記一対の旋回棒の少なくとも一方に結合されて前記一対の水平棒を並進運動させるモータとを含むことを特徴とする、請求項２に記載の大型造形物製作用の可変積層高速造形装置。
4. 前記切断手段は、前記一対の水平棒を上下に互いに連結する熱線を含むことを特徴とする、請求項３に記載の大型造形物製作用の可変積層高速造形装置。
5. 前記第１移送手段は、コンベアーであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の大型造形物製作用の可変積層高速造形装置。
6. 前記積層手段は、切断された板状部材の積層が可能な積層テーブルと、切断された板状部材を吸着して前記積層テーブルの指定位置に運搬して積層する積層補助手段と、前記積層テーブルに積層された前記板状部材の上面に接着剤を塗布する塗布手段とを含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の大型造形物製作用の可変積層高速造形装置。
7. 前記第１移送手段の一側から前記板状部材を供給する板状部材供給手段をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の大型造形物製作用の可変積層高速造形装置。

Images