JP2006192710A - 溶融樹脂押出積層造形方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 溶融樹脂押出積層造形法で作成されたモデル等の3次元物体内部に発生する隙
間を埋め、充填度の高い3次元物体を作成する。
【解決手段】 予熱器で加熱されて溶融した熱可塑性の材料を、予め設定された形状データにしたがって走査する押出ノズル３５から、基台５０上の特定領域に押し出し、その基台５０上で硬化した前記材料の上に更に溶融した前記材料を積層して3次元物体を作成す
る。その際に、硬化した材料に、溶剤を供給して前記材料を溶解させることにより、3次
元物体の所定部分の間隙を防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶融樹脂押出積層造形方法およびその装置に関する。

従来の溶融樹脂押出積層造形装置は、樹脂カートリッジから供給されるワイヤ状の熱可塑性の材料が、トラクタードライブによって、予熱器内に導かれる。この予熱器で加熱され溶融した熱可塑性の材料は、ノズルから下方に位置する基台に押出される。このとき、押出ノズルが押出方向を垂線とする平面上を与えられた形状データにしたがって走査することにより、基台上のある面の特定領域が熱可塑性の材料で塗りつぶされ、基台上に押し出された材料は硬化する。

次に、基台が一定ピッチ分降下し、更に、そのすでに硬化した材料の上に1つ上の形状
を作成すべく、押出ノズルを走査させる。この処理を繰り返すことにより、断面形状の積層体として3次元物体（モデル）を作成する（例えば、特許文献１参照）。
特表２０００―５００７０９号公報

前記従来の溶融樹脂押出積層造形装置を使用したモデル作成では、ノズルから押し出された樹脂材料１００はすぐに硬化するため、同一層での重ね書きができない。従って、図６（ａ）および（ｂ）に示すように、ほとんどの形状において走査しきれない箇所１０１ができることが多く、また、各層１０３の上面は平坦でないため、そのため出来上がったモデル１０５は隙間１０６のあるものになってしまう（図７参照）。このようなモデルでは、形状確認には使用できるが、容器等のモデルの場合、水漏れが発生するおそれがあるため、水理試験などの機能評価には使い難いという問題がある。

本発明は、モデル等の積層造形物からなる３次元物体に発生する間隙を埋めることにより、充填度の高い３次元物体を作成できるようにすることを課題とする。

本発明は上記問題点を解決するため、以下の様な構成とするものである。

即ち、本発明は、予熱器で加熱されて溶融した熱可塑性の材料を、予め設定された形状データにしたがって走査する押出ノズルから、基台上の特定領域に押し出し、その基台上で硬化した前記材料の上に更に溶融した前記材料を積層して3次元物体を作成する溶融樹
脂押出積層造形方法において、前記硬化した材料の上面に、溶剤を供給して前記材料を溶解させ、溶解した前記材料の上面に更に溶融した前記材料を積層することにある。かかる本発明の溶融樹脂押出積層造形方法は、各樹脂層間の間隙を埋めることで充填度の高い３次元物体を作成できる。

また、本発明の溶融樹脂押出積層造形方法は、前記硬化した上下段層の境界面に溶剤を供給することにより、前記材料からなる積層造形物の側面部を溶解させることにある。かかる本発明の溶融樹脂押出積層造形方法は、積層造形物の作成工程時または、その工程後に別工程で前記硬化した材料の側面部を溶解させることができる。

また、本発明は、予熱器で加熱されて溶融した熱可塑性の材料を基台上に押出すための押出ノズルを備え、該押出ノズルは、予め設定された形状データにしたがって走査可能に
構成され、前記基台上で硬化した前記材料の上に、更に溶融した前記材料を積層して3次
元物体を作成する溶融樹脂押出積層造形装置において、前記硬化した材料を溶融する溶剤を前記硬化した材料の所定の部分に供給する溶剤供給装置を備えたことにある。

しかも、前記溶剤供給装置は、溶剤を貯留する溶剤タンクと、噴霧ノズルと、前記溶剤タンク内の溶剤を噴霧ノズルに圧送するポンプと、溶剤を霧状にするための振動子とを備え、前記噴霧ノズルは、前記押出ノズルと連動して同時に走査するか、または、前記押出ノズルの走査後にその押出ノズルの軌跡をトレースし、前記硬化した最上段層の上面に、溶剤を供給して材料を溶解させ、溶解した材料の上面に更に溶融した前記材料を前記押出ノズルから押し出すのが望ましい。

前記本発明の溶融樹脂押出積層造形装置は、押出ノズルが走査する際に、同時または走査後の軌跡をトレースしながら、モデル材を溶解する溶剤を微量溶剤タンクから供給し、噴霧ノズルから噴霧する機能を付加することにより、溶融樹脂押出積層造形法で作成されたモデル等の3次元物体内部に発生する隙間を埋め、充填度の高い3次元物体を作成することができる。

また、本発明の溶剤供給装置は、溶剤を貯留する溶剤タンクと、溶剤を噴霧または塗布するための供給手段と、前記溶剤タンク内の溶剤を前記供給手段に圧送するポンプとを備え、しかも、前記基台は、モータにより回転自在に設けられ、回転する積層造形物の側面部に供給手段から溶剤を噴霧または塗布することにある。

本発明は、押出ノズルが走査する際に、同時または走査後の軌跡をトレースしながら、モデル材を溶解する溶剤を微量溶剤タンクから供給し、噴霧ノズルから噴霧する機能を付加することにより、溶融樹脂押出積層造形法で作成されたモデル等の3次元物体内部に発
生する隙間を埋め、充填度の高い3次元物体を作成することができる。

本発明は、熱可塑性の材料により作成された3次元物体内部に発生する隙間を埋め、充
填度の高い3次元物体を作成することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１〜図３は本発明の一実施の形態を示し、図１は本実施の形態の溶融樹脂押出積層造形装置を示す概略断面図である。かかる溶融樹脂押出積層造形装置１は、例えば、ワイヤ状の熱可塑性の材料が収容された樹脂カートリッジ５と、熱可塑性の材料を樹脂カートリッジ５から取り出すトラクタードライブ１０と、予熱器２０と、押出部３０および溶剤供給装置４０と、基台５０とから主構成されている。

トラクタードライブ１０は、一対の歯付きベルト１１、１１と、各歯付きベルト１１が巻き掛けられたプーリー１２、１２と、ドライブモータ１５およびエンコーダ１６を備えている。

ドライブモータ１５および歯付きベルト１１は、予熱器２０により加熱された前記予熱器２０内へ、予熱器入口２１を通して、熱可塑性の材料を強制的に供給するように作動する。

予熱器２０は、連絡室２２を介して前記押出部３０側に接続されている。この連絡室２２に連通するように圧力センサ２３が設けられている。この圧力センサ２３は、連絡室２
２中の圧力を検出し、その圧力信号を、トラクタードライブ１０の供給速度を制御する制御装置（図示省略）に送信するようになっている。

前記押出部３０は、コレット３１と、このコレット３１内に挿入された回転推進機３２と、この回転推進機３２を回転させる可変速モータ３３と、コレット３１の下部に下向きに設けられた押出ノズル３５と、コレット３１と回転推進機３２との間をシールする回転シール３４とを備えている。

なお、トラクタードライブ１０、予熱器２０および押出部３０は、与えられたデータにしたがって平面上を（Ｘ、Ｙ方向に）走査するようになっている。

基台５０は、押出部３０および溶剤供給装置４０の下方に配置されており、上下方向（Ｚ方向）に所定位置（一定ピッチ分）だけ間欠的に移動できるようになっている。

溶剤供給装置４０は、例えば液体の溶剤が充填された溶剤タンク４１と、溶剤タンク４１内の溶剤を溶剤流通路４２に圧送するためのポンプ４３と、調圧弁４９と、溶剤を霧状にするための振動子４４と、前記予熱器２０からの熱が伝わらないように溶剤を設定温度に維持する冷却器４６と、溶剤流通路４２の先端に設けられた供給手段としての噴霧ノズル４７から構成されている。この噴霧ノズル４７は、前記押出ノズル３５と所定の間隔を有するように下向きに設けられている。なお、溶剤供給装置４０は、前記前記押出部３０と連動して同時に走査するようになっている。

次に、前記溶融樹脂押出積層造形装置１を使用して、モデルを製造する場合について説明する。

先ず、樹脂カートリッジ５から供給されるワイヤ状の熱可塑性の材料が、トラクタードライブ１０によって、予熱器２０内に導かれる。予熱器２０で加熱され溶融した材料６は、連絡室２２を通過して、コレット３１内に充填され、回転推進機３２により、押出ノズル３５から押出される。このとき、押出ノズル３５が押出方向を垂線とする平面上を与えられた形状データにしたがって走査することにより、基台５０上のある面の特定領域が熱可塑性の材料６で塗りつぶされる。なお、基台５０の上面には、サポート材が供給されており、サポート材を基台の上面にコーティングされたサポート材の上面に、基台上に供給された材料６は硬化する。

また、図３に示すように、噴霧ノズル４７が押出ノズル３５と同時に連動して所定の軌跡Ｌを移動すると共に、硬化した材料６を溶解する溶剤を溶剤タンク４１から微量供給し、噴霧ノズル４７から噴霧する。このとき、材料が硬化していても溶剤は、材料を溶解させるため、その表面部が略均一とすることができ（図２（ａ）参照）、また、図６に（ａ）示した、前記押出ノズル３５が走査しきれない箇所１０１にも材料６を補充することができる。

次に、基台５０が一定ピッチ分降下する。既に硬化した材料６の1つ上の形状を作成す
べく、押出ノズル３５が走査しながら溶融した材料６を押し出し、この硬化した材料６の上面部に溶剤を噴霧ノズル４７から噴霧する。かかる処理工程を繰り返すことにより、断面形状が複数の層で積層された積層造形物として3次元物体５５を作成する（図２（ｂ）
参照）。かかる3次元物体５５は、間隙を無くすことにより、水等が通るのを防止できる
と共に、積層間の補強の効果もある。

なお、前記実施の形態の溶融樹脂押出積層造形装置１は、噴霧ノズル４７が押出ノズル３５と連動して一体的に移動する場合について説明したが、噴霧ノズル４７は、押出ノズ
ル３５が走行した後の軌跡Ｌをトレースしながら、溶剤を噴霧することも可能である。

図４および図５は、本発明の他の実施の形態を示す。なお、前記実施の形態と同一部材は、同一符号を付してそれぞれの説明は省略する。

本実施の形態の溶融樹脂押出積層造形装置１は、基台としてターンテーブル５０を採用し、このターンテーブル５０をモータ５１で回転させる。前記溶剤供給装置４０は、前記押出部３０と同じ軌跡Ｌを移動するものではなく、溶剤流通路４２が挿通されるアーム５２と、ボールねじで構成されるアーム駆動部５３と、このアーム駆動部５３を回転させるアーム駆動モータ５６とが設けられている。前記噴霧ノズル４７は、ターンテーブル５０の径内方向を向いており、アーム駆動部５３を回転させることにより、噴霧ノズル４７をターンテーブル５０に対して接近又は離間調整できるようになっている。

本実施の形態の溶融樹脂押出積層造形装置１は、押出ノズル３５が走査した後に、溶剤を供給して硬化した材料から構成される積層造形物の側面部を溶解させることができる。具体的には、図５に示すように、現在作成した樹脂層６Ａと、直前に作成した１つ下の樹脂層６Ｂとの境界面に、ターンテーブル５０を回転させながら、噴霧ノズル４７から溶剤を噴霧する。このとき、樹脂層６Ａの上面も噴霧可能である。従って、積層造形物の側面部の樹脂層間に発生する隙間を埋め、充填度の高いモデルを作成することができる。

なお、溶剤を噴霧する積層位置は、前記の位置に限らず、図５に仮想線で噴霧ノズル４７の位置を示すように、任意の樹脂層６Ｃ，６Ｄ間を噴霧することが可能であり、複数段を同時に噴霧することも可能である。しかも、供給手段は、噴霧ノズル４７に限定さるものではなく、スポンジ状のプローブを採用し、溶剤を塗布するようにしても良い。また、噴霧ノズル４７は、上下に移動調整できる構成にすることも可能である。

しかも、本発明は、従来のように作成されたモデルを、ターンテーブル５０から取り外した後に、別工程において、モデルの外周面に溶剤を噴霧又は塗布する等することも可能である。

モデル材としてＡＢＳ樹脂を使用し、溶剤としてメチルエチルケトンを使用した。具体的には、作成したＡＢＳ溶融樹脂押出積層造形モデルの表面に、メチルエチルケトンを塗布した。かかる場合、水を通さないモデルができることを確認した。

本発明に係る一実施の形態の溶融樹脂押出積層造形装置の概略を示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明に係る溶融樹脂押出積層造形装置により製作されるモデル材の状態をそれぞれ示す断面図である。 本発明に係る溶融樹脂押出積層造形装置の押出ノズルおよび噴霧ノズルの走行状態を示す平面図である。 本発明に係る他の実施の形態の溶融樹脂押出積層造形装置の概略を示す断面図である。 本発明に係る他の実施の形態の溶融樹脂押出積層造形装置により、溶剤をモデルの外面に噴霧する要部側断面図である。 従来の積層造形物を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ―Ａ線断面図である。 従来のモデル材の積層状態を示す断面図である。

符号の説明

６ 熱可塑性の材料
３５ 押出ノズル
４０ 溶剤供給装置
４１ 溶剤タンク
４３ ポンプ
４４ 振動子
４７ 噴霧ノズル
５０ 基台（ターンテーブル）
５１ モータ

Claims (5)

1. 予熱器で加熱されて溶融した熱可塑性の材料を、予め設定された形状データにしたがって走査する押出ノズルから、基台上の特定領域に押し出し、その基台上で硬化した前記材料の上に更に溶融した前記材料を積層して3次元物体を作成する溶融樹脂押出積層造形方
   法において、
   前記硬化した材料の上面に、溶剤を供給して前記材料を溶解させ、溶解した前記材料の上面に更に溶融した前記材料を積層することを特徴とする溶融樹脂押出積層造形方法。
2. 予熱器で加熱されて溶融した熱可塑性の材料を、予め設定された形状データにしたがって走査する押出ノズルから、基台上の特定領域に押し出し、その基台上で硬化した前記材料の上に更に溶融した前記材料を積層して3次元物体を作成する溶融樹脂押出積層造形方
   法において、
   前記硬化した上下段層の境界面に溶剤を供給することにより、前記材料からなる積層造形物の側面部を溶解させることを特徴とする溶融樹脂押出積層造形方法。
3. 予熱器で加熱されて溶融した熱可塑性の材料を基台上に押出すための押出ノズルを備え、該押出ノズルは、予め設定された形状データにしたがって走査可能に構成され、前記基台上で硬化した前記材料の上に、更に溶融した前記材料を積層して3次元物体を作成する
   溶融樹脂押出積層造形装置において、
   前記硬化した材料を溶融する溶剤を前記硬化した材料の所定の部分に供給する溶剤供給装置を備えたことを特徴とする溶融樹脂押出積層造形装置。
4. 前記溶剤供給装置は、溶剤を貯留する溶剤タンクと、噴霧ノズルと、前記溶剤タンク内の溶剤を噴霧ノズルに圧送するポンプと、溶剤を霧状にするための振動子とを備え、前記噴霧ノズルは、前記押出ノズルと連動して同時に走査するか、または、前記押出ノズルの走査後にその押出ノズルの軌跡をトレースし、前記硬化した最上段層の上面に、溶剤を供給して材料を溶解させ、溶解した材料の上面に更に溶融した前記材料を前記押出ノズルから押し出すことを特徴とする請求項３に記載の溶融樹脂押出積層造形装置。
5. 前記溶剤供給装置は、溶剤を貯留する溶剤タンクと、溶剤を噴霧または塗布するための供給手段と、前記溶剤タンク内の溶剤を前記供給手段に圧送するポンプとを備え、しかも、前記基台は、モータにより回転自在に設けられ、回転する積層造形物の側面部に供給手段から溶剤を噴霧または塗布することを特徴とする請求項３に記載の溶融樹脂押出積層造形装置。

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