JP2006137173A - ３次元プリンティング造形システム - Google Patents

Abstract

【課題】 ３次元造形物の硬化時間を著しく短縮でき、堅固な３次元造形物を造形できる３次元プリンティング造形システムを提供する。
【解決手段】 所定の幅で昇降する素材供給テーブルを有し、粉末素材が収容される素材収容チャンバーと、粉末素材を、造形されるべき３次元造形物の分割された断面データに対応する断面厚さずつ造形テーブルに供給する素材供給ユニットとを有する３次元プリンティング造形システム。造形テーブルに供給された粉末素材のうち、断面データに該当する領域に光硬化性接着物質を噴射するプリンティングヘッドと、少なくとも接着物質が噴射された領域を光硬化する硬化装置と、３次元造形物の分割された断面データに対応する領域に接着物質が噴射されて硬化するように、プリンティングヘッドや硬化装置の駆動を制御する制御コンピュータとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、３次元プリンティング造形システムに関する。

３次元プリンティング造形システム(Three Dimensional Printing Prototyping System)は、インクジェットプリンタ(Ink-Jet Printer)に用いられるインク噴射技術を用いて立体形状物を造形するシステムである。
従来の３次元プリンティング造形システム１０１は、図５に示すように、素材収容チャンバー１３１に収容された粉末素材がローラ１３７などにより造形チャンバー１２１の造形テーブル１２３に所定の断面厚さずつ供給されると、プリンティングヘッド１４０が３次元造形物Ａ′に対応する断面層に接着物質を噴射し、該当の断面を積層して行くことにより、最終に３次元造形物Ａ′が造形される。
このとき、プリンティングヘッド１４０から噴出される接着物質としてはバインダーを使用しているが、このバインダー物質は、プリンティングヘッド１４０の細かいノズルを塞ぐことなく、まるでインクのように通過できるように、液状の低粘性バインダー物質を使用する。

しかし、このような従来の３次元プリンティング造形システムにおいては、プリンティングヘッドから噴出される接着物質である液状の低粘性バインダーが比較的接着力が弱く、硬化速度が遅いことから、立体形状物の造形が終了した後にも、かなりの硬化時間を必要とし、硬化が終了した後にも立体形状物の堅固性を保てないという問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、３次元造形物の硬化時間を著しく短縮できるし、堅固な３次元造形物を造形できる３次元プリンティング造形システムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明による３次元プリンティング造形システムは、所定の幅で昇降する造形テーブルが設けられた造形チャンバーと、所定の幅で昇降する素材供給テーブルを有し、粉末素材が収容される素材収容チャンバーと、前記素材収容チャンバーに収容された粉末素材を、造形されるべき３次元造形物の分割された断面データに対応する断面厚さずつ前記造形テーブルに供給する素材供給ユニットとを有する３次元プリンティング造形システムにおいて、前記造形テーブルに供給された粉末素材のうち、前記断面データに該当する領域に光硬化性接着物質を噴射するプリンティングヘッドと、少なくとも前記接着物質が噴射された領域を光硬化する硬化装置と、前記３次元造形物の分割された断面データに対応する領域に前記接着物質が噴射されて硬化するように、前記プリンティングヘッドや前記硬化装置の駆動を制御する制御コンピュータとを備えることを特徴とする。

また、ここで、前記光硬化性接着物質は、液状の低粘性を有するバインダーとＵＶレジンとの混合物であることが好ましい。
このとき、前記制御コンピュータは、前記断面データ順に前記粉末素材が各断面の厚さだけずつ前記造形テーブルに供給されるようにし、前記造形テーブルに該当の断面厚さに対応する粉末素材が供給されると、該当の断面データに対応する領域の粉末素材に前記接着物質が噴射されて硬化するように、前記プリンティングヘッドの接着物質の噴射動作や前記硬化装置の駆動を制御し、前記該当の断面の接着物質の噴射・硬化が終了すると、前記造形テーブルを前記断面の厚さだけ下降することが好ましい。
ここで、前記硬化装置は、前記造形チャンバー内部の全面積または部分面積に紫外線を照射するランプ照射方式の硬化装置であることが好ましい。

このような本発明による３次元プリンティング造形システムによれば、３次元造形物の硬化時間を著しく短縮できるし、堅固な３次元造形物を造形できるという効果を有する。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面に基づいて詳しく説明する。
図１は、本発明による３次元プリンティング造形システムの概略構成図である。図示のように、本発明による３次元プリンティング造形システム１は、３次元造形物を造る造形装置５と、造形装置５及び硬化装置８の駆動を制御する制御コンピュータ７とを備えている。

造形装置５は、造形物が造形される造形部２０と、造形部２０に造形材料である粉末素材を供給する素材供給部３０と、造形部２０に供給された粉末素材の３次元造形物断面領域に接着物質を噴射するプリンティングヘッド４０と、接着物質の噴射領域を硬化する硬化装置８とを備える。この造形装置５は、制御コンピュータ７と信号及びデータの送受信ができるように接続されている。
造形部２０は、造形空間を形成する造形チャンバー２１と、造形チャンバー２１の内部で上下に昇降する造形テーブル２３と、造形テーブル２３を昇降する造形テーブル昇降機２５とからなっている。ここで、造形テーブル２３の下降幅は、後述する制御コンピュータ７から受け渡される３次元形状を成す断面データの断面厚さに対応する。

素材供給部３０は、粉末素材を収容する素材収容チャンバー３１と、素材収容チャンバー３１の内部で昇降する素材供給テーブル３３と、素材供給テーブル３３を昇降する供給テーブル昇降機３５と、素材収容チャンバー３１に収容された粉末素材を造形チャンバー２１に供給する素材供給ユニット３７とからなっている。
素材収容チャンバー３１に収容される粉末素材は、造形される複製物によってセラミックス、金属、プラスチック、または複合材であっても良く、繊維を含んでも良い。
そして、素材供給テーブル３３の上昇幅は、後述する制御コンピュータ７から受け渡される３次元形状を成す断面データの断面厚さに対応する。
素材供給ユニット３７は、素材収容チャンバー３１の上面から造形チャンバー２１の上面に移動する素材供給部材３７ａと、素材供給部材３７ａを移動させる供給部材駆動機３７ｂとからなる。
素材供給部材３７ａは、板状またはローラなどの形態から構成されても良く、供給部材駆動機３７ｂは、素材供給部材３７ａを水平に移動させることができるガイドレール及び/またはモータなどから構成されても良い。

一方、プリンティングヘッド４０は、造形テーブル２３の上部からＸ-Ｙ駆動部４４により造形される３次元造形物の平断面Ｘ−Ｙ座標に移動できるように設けられている。
このプリンティングヘッド４０は、図１乃至図４に示すように、接着物質を収容するカートリッジ４１と、カートリッジ４１内に収容された接着物質を外部に噴射する複数のノズル穴を有するプリンティングノズル部４５とからなっている。
カートリッジ４１内に収容される接着物質は光硬化樹脂であり、バインダーとＵＶレジンとの混合物質からなるが、このとき、バインダーとＵＶレジンとの混合比は、各材料の性質及び使用目的によって調整できる。この比率は、接着物質が長時間の間、カートリッジ内で硬化せず、かつ、プリンティングノズル部４５のノズル穴（図示せず）を塞ぐことなく通過できるような低粘性液状を保つ程度の比率であり、この他にも粉末素材やその他の造形条件によってバインダーとＵＶレジンとの混合比を変更できる。

硬化装置８は、プリンティングヘッド４０と同様に、３次元造形物の平断面の上部からＸ−Ｙ座標に移動できるように設けられている。このとき、硬化装置８の平面移動は、別のＸ−Ｙ駆動装置によって具現されたり、プリンティングヘッド４０のＸ-Ｙ駆動部４４によって平面移動できるように設けられても良い。この硬化装置８は、造形チャンバー内の３次元造形物の積層断面に向けて紫外線を照射することにより、接着物質が噴射された領域の粉末素材を硬化する。
このとき、硬化装置８は、紫外線ランプの照射方向、距離などが制御コンピュータ７により制御される位置制御方式の硬化装置８であっても良い。

制御コンピュータ７は、予め組み込まれた造形装置５の駆動プログラムを用い、３次元形状データに基づいて造形装置５の造形動作を制御することにより、３次元造形物を造る。
すなわち、制御コンピュータ７は、３次元形状データを格納し、造形装置５の造形テーブル昇降機２５と、供給テーブル昇降機３５と、素材供給部材３７ａを移動させる供給部材駆動機３７ｂとの駆動を制御し、プリンティングヘッド４０の接着物質の噴射動作及びプリンティングヘッド４０の移動や、硬化装置８の駆動を制御する。

このような構成の本発明による３次元プリンティング造形システム１による３次元造形物の造形方法について説明する。
先ず、制御コンピュータ７に格納される３次元形状データは、断面データに分割して格納されたり、格納された状態でＣＡＤなどのプログラム操作により断面データに分割されたりする。
制御コンピュータ７と接続された造形装置５は、図２（ａ）乃至図４に示すように、制御コンピュータ７の制御により３次元形状データに基づく３次元造形物を造る。
この造形過程では、先ず、図２（ａ）に示すように、素材収容チャンバー３１に収容されている粉末素材のうち、上方の粉末材料が、制御コンピュータ７により移動制御される素材供給部材３７ａにより造形チャンバー２１の造形テーブル２３の上面に所定の厚さで供給される。

その次、制御コンピュータ７は、図２（ｂ）に示すように、格納されている３次元形状データの断面データのうち、第１の断面ａデータに対応する領域のＸ-Ｙ方向にプリンティングヘッド４０を移動させながらＵＶレジンとバインダーとの混合物である接着物質を噴射させる。
そして、制御コンピュータ７は、硬化装置８を駆動して接着物質である噴射された断面領域の各粉末素材に向けて紫外線を照射し、第１の断面ａを迅速かつ堅固に硬化することにより、第１の断面ａを形成する。
第１の断面ａが形成されると、制御コンピュータ７は、図３（ａ）に示すように、造形テーブル昇降機２５を駆動して造形テーブル２３を造形される断面の厚さだけＺ軸方向に下降させる一方で、粉末テーブル昇降装置を駆動して粉末供給テーブルを造形される断面の厚さだけＺ軸方向に上昇させる。
また、制御コンピュータ７は、素材供給部材３７ａを素材収容チャンバー３１から造形チャンバー２１に移動させて、粉末素材を造形テーブル２３の第１の断面ａの上部面に所定の厚さで供給する。

その次、制御コンピュータ７は、図３（ｂ）に示すように、３次元形状データの断面データのうち、第２の断面ｂデータに対応する領域のＸ-Ｙ方向にプリンティングヘッド４０及び硬化装置８を移動させながら接着物質を前述のように噴射し、接着物質が噴射された断面領域を硬化させて第２の断面ｂを形成する。
このような過程が繰り返されながら連続して各断面が積層され、最終の断面が積層されると、図４に示すように、３次元形状データに対応する３次元造形物を迅速に造形することが可能となり、立体形状物の堅固性が向上する。

以上のように、上記実施の形態を参照して詳細に説明され図示されたが、本発明は、これに限定されるものでなく、このような本発明の基本的な技術的思想を逸脱しない範囲内で、当業界の通常の知識を有する者にとっては、他の多くの変更が可能であろう。また、本発明は、添付の特許請求の範囲により解釈されるべきであることは言うまでもない。

本発明による３次元プリンティング造形システムの概略構成図である。 （ａ）及び（ｂ）は、図１の３次元造形物の造形過程を示す図である。 図１の３次元造形物の造形過程を示す図である。 図１の３次元造形物の造形過程を示す図である。 従来の３次元プリンティング造形システムの概略構成図である。

符号の説明

３ スキャン装置
５ 造形装置
７ 制御コンピュータ
８ 硬化装置
１１ ３次元スキャナー
２１ 造形チャンバー
２３ 造形テーブル
３１ 素材収容チャンバー
３３ 素材供給テーブル
３７ 素材供給ユニット
４０ プリンティングヘッド
４１ カートリッジ

Claims (4)

1. 所定の幅で昇降する造形テーブルが設けられた造形チャンバーと、所定の幅で昇降する素材供給テーブルを有し、粉末素材が収容される素材収容チャンバーと、前記素材収容チャンバーに収容された粉末素材を、造形されるべき３次元造形物の分割された断面データに対応する断面厚さずつ前記造形テーブルに供給する素材供給ユニットとを有する３次元
   プリンティング造形システムにおいて、
   前記造形テーブルに供給された粉末素材のうち、前記断面データに該当する領域に光硬化性接着物質を噴射するプリンティングヘッドと、
   少なくとも前記接着物質が噴射された領域を光硬化する硬化装置と、
   前記３次元造形物の分割された断面データに対応する領域に前記接着物質が噴射されて硬化するように、前記プリンティングヘッドや前記硬化装置の駆動を制御する制御コンピュータとを備えることを特徴とする３次元プリンティング造形システム。
2. 前記光硬化性接着物質は、液状の低粘性を有するバインダーとＵＶレジンとの混合物であることを特徴とする請求項１に記載の３次元プリンティング造形システム。
3. 前記制御コンピュータは、前記断面データ順に前記粉末素材が各断面の厚さだけずつ前記造形テーブルに供給されるようにし、
   前記造形テーブルに該当の断面厚さに対応する粉末素材が供給されると、該当の断面データに対応する領域の粉末素材に前記接着物質が噴射されて硬化するように、前記プリンティングヘッドの接着物質の噴射動作や前記硬化装置の駆動を制御し、
   前記該当の断面の接着物質の噴射・硬化が終了すると、前記造形テーブルを前記断面の厚さだけ下降することを特徴とする請求項１に記載の３次元プリンティング造形システム。
4. 前記硬化装置は、前記造形チャンバー内部の全面積または部分面積に紫外線を照射するランプ照射方式の硬化装置であることを特徴とする請求項１または３に記載の３次元プリンティング造形システム。
   

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