JP2008149468A - 立体モデルの製造方法及び立体モデル製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】立体モデルの製造方法及び立体モデル製造装置を提供する。
【解決手段】熱収縮性を有する被加工部材を用いて立体モデルを作成する立体モデル製造装置１であって、位置情報を有するドットパターンを有する被加工部材にレーザーを照射するレーザー照射部１１と、ドットパターンを撮像するＣＣＤカメラ１２と、レーザー照射部１１及びＣＣＤカメラ１２を被加工部材の変形に追従して移動させるアーム部１６と、被加工部材のレーザー照射領域及び照射量を記憶するデータ記憶部１３と、データ記憶部１３に格納された情報に基づいて、レーザー照射部１１、ＣＣＤカメラ１２、アーム部１６を制御するコントローラー１４と、を有して構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、立体モデルの製造方法及び立体モデル製造装置に関するものである。

近年、三次元ＣＡＤの普及に伴い、立体形状を作成する三次元造型機が多種開発、発売されている。
しかしながら、それらの三次元造型機は大きなブロックから形状を削りだしたり、ＵＶ樹脂を硬化させながら積み上げていく為、曲面パネルの作成には様々な問題があった。例えば、削りだす場合では、母材の大部分が切削されて材料コストがかさむ上、加工時間も長時間を要した。一方、特許文献１には、ＵＶ樹脂を積み上げていく方式を用いた技術が開示されている。この技術は、三次元モデルの各断面の像に応じて液晶シャッターを開閉し、紫外線を容器内の紫外線硬化樹脂に照射し、硬化したモデルを引き上げて、その動作を繰り返すことによって三次元モデルを作成するというものである。
特開平６−４７８２１号公報

上述したＵＶ樹脂を積み上げていく方式は、単純な凸面や凹面の形成は可能である。しかしながら、複雑な凹凸が混在した場合には断面が他の部分と繋がっていないことから支柱を必要とする。そのため、支柱を切り離す後加工が不可欠であった。このように、曲面の形成には切断面を研磨したりする加工作業が必要となるため造形工程数が増加してしまうという問題がある。さらに、製造可能な立体モデルの大きさにも制限があった。

また、従来においては、立体モデルの形状を再現する際に金型が用いられてきた。このような金型作成に投じる費用などは、試作費用に掛かるコスト削減の重要な課題になっている。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単且つ短時間で高精度の立体モデルを作成することのできる立体モデルの製造方法及び立体モデル製造装置を提供することにある。

本発明の立体モデルの製造方法は、熱収縮性を有する被加工部材を用いて立体モデルを製造する立体モデルの製造方法であって、被加工部材の表面に位置情報を有するドットパターンを設ける工程と、ドットパターンからレーザー照射領域を識別し、当該レーザー照射領域にレーザー照射量を制御しながらレーザーを照射する工程と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、被加工部材の表面上の位置を現すドットパターンからレーザー照射領域を識別しながら被加工部材にレーザーを照射することによって、熱収縮性を有する被加工部材を所望の形状に容易に変形することができる。したがって、金型を用いることなく被加工部材を容易に加工することができるので、金型作成等に要する費用や時間を大幅に削減することができる。また、高いエネルギー密度で光照射を行うことができるレーザーを照射することで熱応力が生じ、被加工部材に局部的な変形を与えることができる。これにより、極小の角度の変形まで調整することができるようになって被加工部材を確実に所望とする形状に変形することができる。本発明によれば、熱収縮性を有する被加工部材にレーザーを照射することで所望形状に加工することができるため、従来のような研磨作業等が不要となる。そのため、作業時間が短縮されて歩留まりが向上する。

また、被加工部材に対するレーザー照射量及び収縮量を測定し、レーザー照射量及び収縮量の関係からその変形曲率を求める工程と、被加工部材のレーザー照射領域を決定する工程と、を備えることも好ましい。
このような方法によれば、被加工部材のレーザー照射領域に対してレーザーを所定の照射量で照射することができる。また、変形させたい被加工部材の所定箇所に確実にレーザーを照射させることができるので、所望とする立体モデル形状を忠実に再現することができる。また、熱収縮する被加工部材を用いるので、レーザーを照射することで滑らかな曲線を描くことができる。よって、外観が重視される分野に好適に使用可能である。

また、二つの座標軸を有する直交座標系上に各座標軸に平行に配列される基準線と当該基準線上に配置される複数のドットとから、ドットパターンを構成することも好ましい。
このような構成によれば、基準線とドットの組み合わせからドットパターンを構成するので、被加工部材が変形してもドット同士を容易に識別することができる。これにより、レーザーの照射対象となるドットに確実にレーザーを照射することができる。また、被加工部材の収縮量が確実に管理されて、レーザーの照射量や照射位置の補正を正確に行うことができる。

また、ドットパターンを、印刷により形成することも好ましい。
このような構成によれば、印刷に用いられたインクを溶剤等によって除去することにより、ドットパターンが残存することを防止することができる。これにより、完成後の立体モデルの外観を良好に仕上げることができる。インクの除去に用いられる溶剤は、被加工部材に影響を与えることのないものが用いられる。

また、被加工部材に、ドットパターンが設けられたパターンシートを剥離可能に設けることも好ましい。
このような構成によれば、立体モデル形状が完成した後、パターンシートを被加工部材から剥離するだけで良いために、溶剤等を用いたドットパターンのインク除去作業が必要なくなる。これにより、作業工程を削減することができて造形時間を短縮することが可能となる。また、溶剤等を用いないことから、溶剤による被加工部材の影響等を考慮する必要もなくなる。

また、レーザー照射後の被加工部材に、補強用部材を設けることも好ましい。
このような構成によれば、立体モデル造形後の被加工部材を補強することができるので、薄い厚さの被加工部材であってもその強度を格段に向上させることができる。

本発明の立体モデル製造装置は、上記課題を解決するために、熱収縮性を有する被加工部材を用いて立体モデルを作成する立体モデル製造装置であって、位置情報を有するドットパターンを有する被加工部材にレーザーを照射するレーザー照射手段と、ドットパターンを撮像する撮像手段と、レーザー照射手段及び撮像手段を被加工部材の変形に追従して移動させる移動手段と、被加工部材のレーザー照射領域及び照射量を記憶する記憶手段と、当該記憶手段に格納された情報に基づいて、レーザー照射手段、撮像手段、移動手段を制御する制御手段と、を有して構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、被加工部材のレーザー照射領域及び照射量に基づいて、被加工部材に設けられたドットパターンからレーザー照射領域を識別してレーザーを照射することで被加工部材を変形させることができる。このように、被加工部材の表面上の位置を現すドットパターンを検出しながら被加工部材にレーザーを照射することによって、金型を用いることなく被加工部材を所望の形状に容易に変形することができる。これにより、金型等を用いる必要がなくなるため試作費用が大幅に削減される。また、高いエネルギー密度で光照射を行うことができるレーザーを照射することで熱応力が生じ、被加工部材に局部的な変形を与えることができる。これにより、極小の角度の変形まで調整することができるようになって被加工部材を確実に所望とする形状に変形することができる。また、本発明では、レーザー照射手段と撮像手段とが、被加工部材の変形に追従して可動する移動手段によって移動可能となっている。そのため、被加工部材に対するレーザーの入射角度を一定に保つことができるとともに、被加工部材の照射領域に対してレーザーを所定の照射量で照射することができる。よって、レーザーの良好な照射を可能にする。また、熱収縮する被加工部材であることから、レーザーを照射することで滑らかな曲線を描くことができる。よって、外観が重視される分野に好適に使用可能である。

また、レーザーが、ＹＡＧレーザー、炭酸ガスレーザーであることも好ましい。
このような構成によれば、炭酸ガスレーザーは連続、パルスとも発振でき、発振効率も高い。また、ＹＡＧレーザーはパルス発振において、高いピーク出力が得られる。そのため、被加工部材の加工を精度良く迅速に行うことができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の膜厚や寸法の比率などは適宜異ならせてある。図１は、本実施形態の立体モデル製造装置にて加工を施す被加工部材の概略構成図である。図２は、本実施形態の立体モデル製造装置の概略構成を示すブロック図である。図３は、被加工部材がセットされた立体モデル製造装置のレーザー照射状態を示す説明図である。以下においては、図３に基づいて本実施形態の立体モデル製造装置の説明を行い、図１及び図２を適宜参照するものとする。

本実施形態の立体モデル製造装置１は、レーザーを照射することによって被加工部材２を所望の形状に変形させるものである。ここで用いる被加工部材２は、例えば図１（ａ）に示すように、ＰＥＴや塩化ビニル等を用いて形成された強度と延伸性を有する平面視矩形状のシートを芯材３とし、その両面（片面だけでもよい）に同型の熱収縮シート４を貼着してなるものである。熱収縮シート４にはポリエチレン系や塩化ビニル系の熱収縮樹脂を用い、その表面に図１（ｂ）に示すような位置情報を有するドットパターン５が印刷される。このような位置情報を有するドットパターン５を熱収縮シート４上に設けることにより、当該熱収縮シート４が変形した後の座標や傾き等を後述する立体モデル製造装置１の画像処理によって認識できるようになっている。熱収縮シート４を芯材３の両側に設けた場合、ドットパターン５は両方の熱収縮シート４の表面に設けられる。これにより、被加工部材２の厚さ方向における変形が可能となる。

位置情報を有するドットパターン５というのは既に開示されている公知の技術であり、被加工部材２の表面上に印刷技術を用いて形成される。ドットパターン５は、例えば図１（ｂ）に示すように、被加工部材２の表面全体を網羅すべく２つの座標軸（ｘ座標軸，ｙ座標軸）を有する直交座標系上において、ｘ座標軸系に平行に配列される基準線６ｘ、ｙ座標軸系に平行に配列される基準線６ｙ、さらに所定の基準点上に配置されるドット７から構成される。そして、ｘ座標軸に平行な基準線６ｘとｙ座標軸に平行な基準線６ｙとの略交点上にドット７が配置されることによって、１ドット毎にｘ，ｙ座標が割り当てられる。そして、このように配置された各ドット７の座標が被加工部材２上における位置情報として識別される。

ドットパターン５の形成に用いられるインクには、所定の溶剤によって簡単に除去可能なものが用いられる。この溶剤は、被加工部材２に何ら影響を与えることはなくインクのみを分解除去する。

なお、被加工部材２に直接印刷せず、ドットパターン５を印刷した剥離可能なパターンシートを被加工部材２に貼り付けるようにしても良い。これにより、形成後に被加工部材２からパターンシートを剥がすことで、溶剤等によるドットパターン５の除去作業を省く事ができる。よって作業時間の短縮が図れる。

立体モデル製造装置１は、図２に示すように、レーザー照射部１１（レーザー照射手段）、ＣＣＤカメラ１２（撮像手段）、データ記憶部１３（記憶手段）、コントローラー１４（制御手段）、被加工部材保持部１５、及びアーム部１６（移動手段）を備えて構成されている。この立体モデル製造装置１は、ＣＡＤ等のコンピューター１７に接続されており、所望とする立体モデルの画像データが順次送り込まれるようになっている。

レーザー照射部１１は、ＹＡＧレーザーや炭酸ガスレーザーなどの高エネルギー赤外線（熱を発生する光）を射出する第１光源、エキシマレーザーなどの高エネルギー紫外線（熱を発生しない光）を射出する第２光源、さらにこれら第１光源及び第２光源からの光を集光するレンズを有する。レーザー光は指向性が高いので、レンズで集束させるとパワー密度が向上する。

光源の種類は被加工部材２の材質や厚さ等によって適宜選択され、後述するコントローラー１４からの指令により照射量が調整される。レーザー光源は、局所的に高いエネルギー密度で光照射を行うことができるため、微細加工が必要とされる立体モデルの形成には好適である。第１光源及び第２光源は、いずれか一方が駆動している間は他方は消灯している。駆動する光源は適宜選択される。

第１光源を駆動すれば、被加工部材２の局部領域に熱エネルギーを与えることができるので、被加工部材２の変形に用いることができる。一方、第２光源を駆動すれば、被加工部材２の局部領域における樹脂の分子結合を分解する分解エネルギーを与えることができるので、穴あけやトリミングなどの微細加工が可能となる。

ＣＣＤカメラ１２は、被加工部材２上の少なくとも一部のドットパターン５を撮像する撮像手段として用いられる。レンズの向きは、常にレーザー照射部１１によってレーザーが射出されるドット７に対して向けられており、そのドット上にＣＣＤカメラ１２の焦点が合わせられるようになっている。ここで、撮像用光源として、被加工部材２上を照明する光照明部を備えていることが好ましい。ＣＣＤカメラ１２によって撮像された撮像データは、適宜画像修正されてコンピューター１７へと送信され、コンピューター１７のモニタ画面において被加工部材２のレーザー照射位置（照射対象ドット位置）を確認することも可能である。

アーム部１６は、不図示の装置本体から延出する多軸アームにより構成されている。アーム部１６は、図３に示すように、装置本体から延出する細棒状の第１アーム１６Ａと、当該第１アーム１６Ａに関節部１６Ｂを介して接続される同型の第２アーム１６Ｃとからなり、関節部１６Ｂを中心に第２アーム１６Ｃが第１アーム１６Ａに対して自在に可動することができる。関節部１６Ｂは、第１アーム１６Ａの軸周りに回転可能なものであるとともに、第２アーム１６Ｃを第１アーム１６Ａの半径方向に傾動可能とするものである。また、アーム部１６は、装置本体に対しても移動できるようになっている。このような第２アーム１６Ｃの先端にレーザー照射部１１とＣＣＤカメラ１２とが並設されている。レーザー照射部１１及びＣＣＤカメラ１２を並設することにより、レーザー照射部１１による照射対象ドット７（図１（ｂ）参照）の位置をリアルタイムに確認することができる。

或いは、第１アーム１６Ａに関節部１６Ｂを介してレーザー照射部１１及びＣＣＤカメラ１２を直接接続するようにしてもよい。これにより、部材点数が削減されるためコストダウンを図ることができる。

被加工部材保持部１５は、被加工部材２を確実に保持可能とするもので、例えば、図３に示すような被加工部材２の厚さ方向を挟持するクランプ等が使用される。或いは被加工部材２を吸着保持するような構成であってもよい。さらに、被加工部材保持部１５の数は一つであっても複数であってもよい。レーザーが照射されることによって被加工部材２は逐次変形していくため、その変形に応じて被加工部材２の向きを変えることが可能な構成となっていることが好ましい。

データ記憶部１３は、読み出し書き込み可能な記憶媒体である。そして、後述するコントローラー１４を介してＣＡＤ等のコンピューター１７によって作成された立体モデルの画像データの信号を格納する。さらに、ＣＣＤカメラ１２による照射対象ドット７の焦点距離情報を格納していく。照射対象ドット７の焦点距離情報とは、レーザーを照射する所定ドット７の座標とその座標におけるＣＣＤカメラ１２の焦点位置を測定したものである。そして、データ記憶部１３に格納される照射対象ドット７の焦点距離情報は随時更新される。これら立体モデルの画像データと照射対象ドット７の焦点距離情報とを統括して格納及び管理するものである。

さらに、データ記憶部１３には、予め行われた被加工部材２に対するレーザー照射量、レーザー照射量に応じた収縮量、レーザー照射量及び収縮量における被加工部材２の曲率のデータが格納されている。被加工部材２の種類ごとに、レーザー照射量、収縮量、曲率のデータを格納しておくことによって、被加工部材２の種類に応じた熱エネルギーを与えることができる。また、被加工部材２におけるレーザー照射範囲を決定することができる。

コントローラー１４は、レーザー照射部１１、ＣＣＤカメラ１２、アーム部１６、及びデータ記憶部１３を一括制御する制御手段である。例えば、ＣＣＤカメラ１２のフォーカス位置合わせ操作を行い、これにより得られた照射対象ドット７の焦点距離情報に基づいて、データ記憶部１３に格納されている過去のデータを書き換えを行う。また、コンピューター１７から随時送られてくる立体モデルの画像データの信号をデータ記憶部１３に格納する。レーザー照射部１１の駆動光源の選択を行うと同時にその照射強度等を決定する。また、被加工部材２に対するレーザーの走査方向に応じてアーム部１６の移動を行ったりする。

さらに、上記したようなデータ記憶部１３に格納されているあらゆる情報をもとにして、レーザー照射部１１による照射対象ドット７へのレーザー照射量を決定する。

［立体モデル形成工程］
次に、立体モデル形成工程について説明する。
本実施形態の立体モデル形成工程は加工準備工程と加工工程とに大別される。図４（ａ）に加工準備工程、図４（ｂ）に加工工程のフローチャートを示す。図４（ａ），（ｂ）に基づいて各工程の説明を行い、その説明に応じて図１〜図３を適宜参照する。

加工準備工程は、図４（ａ）に示すように、被加工部材２の種類に応じたレーザー照射量、収縮量、曲率の関係について求める測定調査工程Ｍ１と、実際に加工を施す被加工部材２にドットパターン５を形成するドットパターン形成工程Ｍ２と、を有する。

測定調査工程Ｍ１では、例えば図３（ａ）に示す被加工部材２の面方向にレーザーの照射位置をずらしながらレーザーを照射することによって、レーザー照射量及び被加工部材２の収縮量の測定を行う。このようにして、被加工部材２に対するレーザー照射量、レーザー照射量に対する被加工部材２の収縮量から被加工部材２の曲率を求めて相関データテーブルを得る。このデータはコンピューター１７から立体モデル製造装置１に送出されてデータ記憶部１３に格納される。

ドットパターン形成工程Ｍ２では、実際に立体モデルの加工を施す被加工部材２の表面上に上述したドットパターン５（図１（ｂ）参照）を形成する。詳細には、被加工部材２の表面全体を網羅すべく２つの座標軸を有する直交座標系上に各座標軸系に平行に配列される基準線６ｘ，６ｙと、基準点上に配置されるドット７とを印刷技術を用いて形成する。

なお、被加工部材２にドットパターン５を直接形成しない場合には、別途用意したパターンシートの表面上にドットパターン５を印刷する。パターンシートの裏面側は被加工部材２に対して接着可能な接着面となっている。このようなパターンシートを被加工部材２のレーザー照射側の片面上に剥離可能な接着力で接着させる。

加工工程は、図４（ｂ）に示すように、モデリング工程Ｓ１０、レーザー照射領域決定工程Ｓ１１、レーザー照射領域情報記憶工程Ｓ１２、レーザー照射工程Ｓ１３、ドットパターン除去工程Ｓ１４、細部加工工程Ｓ１５、被加工部材補強工程Ｓ１６を有する。
モデリング工程Ｓ１０において、図２に示す三次元ＣＡＤ等のコンピューター１７により、例えば図５に示すような所望とする立体モデルの画像データ２’をモデリングする。

レーザー照射領域決定工程Ｓ１１では、例えば図６に示すように、モデリング工程Ｓ１０にて作成した立体モデルの画像データ２’上に、隣接する微小パターンの距離が一定の値以上に広がらないようにマッピングすることで、図６に示すようなレーザーの照射領域１９を決定することができる。つまり、画像データ２’上における曲率を有する箇所が少なくともレーザーを照射する領域（範囲）として特定されるのであるが、このとき、隣接する微小パターン同士を所定の値以上離間させないようにすることで所望とする被加工部材の曲率を得ることができる。

なお、一次曲面の場合は、加工準備工程の測定調査工程Ｍ１において作成した相関データテーブルを参考にしてレーザー照射領域１９を決定する。

レーザー照射領域情報記憶工程Ｓ１２では、レーザー照射領域１９の範囲及び位置等の情報を図２に示すコンピューター１７の記憶媒体に記憶する。コンピューター１７の記憶媒体に格納されたレーザー照射領域情報は、立体モデル製造装置１のデータ記憶部１３へと送出される。

レーザー照射工程Ｓ１３では、図３に示すように、レーザー照射部１１の第１光源を駆動させて被加工部材２に炭酸ガスレーザーやＹＡＧレーザー等のレーザーを照射する。このとき、例えば図７に示すように、被加工部材２に印刷されたドットパターン５とコンピューター１７による画像データ２’上のレーザー照射領域１９とを照らし合わせ、このＣＡＤデータのレーザー照射領域１９に対応する被加工部材２の所定箇所にレーザーを照射する。またこの際、測定調査工程Ｍ１で得られた被加工部材２の相関データテーブルに基づいてレーザーの照射強度を照射場所に応じて調整する。このようにして、モデリング工程Ｓ１０にて作成した立体モデルの画像データ２’と同様の形に被加工部材２をレーザー加工する。炭酸ガスレーザーやＹＡＧレーザー等のレーザーを使用することによって、被加工部材を精度良く迅速に加工することができる。

以下にレーザー照射工程Ｓ１３について詳しく説明する。
図３（ａ）に示すように、ドットパターン５が印刷された平板状の被加工部材２は、立体モデル製造装置１の被加工部材保持部１５にその厚さ方向が挟持されている。被加工部材保持部１５に保持されている被加工部材２は、ドットパターン５が印刷された表面がレーザー照射部１１の光出射面に対して平行となるよう起立状態となっている。

このときレーザー照射部１１は、上述したように、被加工部材２の表面に対してレーザー照射部１１のレーザー照射面１１ａが平行となるように、アーム部１６の第１アーム１６Ａ及び第２アーム１６Ｃが一直線に伸びている。

同図においては、レーザーによる造形過程を分かり易くするために、被加工部材２のレーザー照射箇所を一点鎖線で示し、レーザーの走査方向を矢印で示す。被加工部材２に所定強度のレーザーを照射すると、ドットパターン５が形成されている一方の熱収縮シート４ａ上のレーザー照射始点Ｏに、高い熱エネルギーが加えられて急激に加熱される。レーザーの照射時間は非常に短時間であるために、他方の熱収縮シート４ｂ側は熱収縮シート４ａ側よりも温度上昇が遅い。そのため、被加工部材２の厚さ方向で温度勾配が生じることになる。

すると、熱収縮シート４ａ側は加熱による熱膨張によって体積が増加するが、熱収縮シート４ｂ側は体積変化が殆ど起こらないために、熱収縮シート４ａ側の熱膨張による熱収縮シート４ｂ側の圧縮作用が生じる。被加工部材２は一時的に照射側（レーザー照射始点Ｏ側）が突出するように変形する。このとき、熱収縮シート４ａ側の方が熱収縮シート４ｂ側よりも高温になっていることから降伏応力が小さくなっている。そのために、条件によっては熱収縮シート４ｂ側のみが降伏し、圧縮塑性ひずみが生じる。

その後、レーザーを照射する位置を移動してレーザー照射始点Ｏにレーザーが照射されなくなるとその温度変化から冷却同様の作用が生じ、熱収縮シート４ａ側が急激に収縮する。すると、今度は熱収縮シート４ｂ側が突出するように変形する。レーザー照射始点Ｏは、延伸することなく収縮により変形していることから厚みの減少は生じない。

レーザーが照射された箇所は同様の過程を経て熱収縮シート４ａ側が収縮変形する。そのために、図３（ａ）の矢印で示す走査方向に沿ってレーザーを照射させていくと、被加工部材２が逐次変形しながら図３（ｂ）に示すような湾曲形状となる。レーザー照射部１１は、レーザー照射面１１ａが被加工部材２の表面に対して常に対向するよう、照射位置が変化するに従い関節部１６Ｂを中心に第２アーム１６Ｃが第１アーム１６Ａに対して傾動する。このようにして、被加工部材２に対するレーザーの入射角度を一定に保っている。複雑な加工を施す場合には、レーザー照射面１１ａが被加工部材２の表面に対向するように被加工部材保持部１５を可動させてもよい。また、アーム部１６全体或いは第１アーム１６Ａ、第２アーム１６Ｃが伸縮可能な構成となっていればなお良い。なお、被加工部材２には、図１（ａ）に示したように、芯材３の両側に熱収縮シート４ａ，４ｂが設けられているために、熱収縮シート４ａ側だけでなく熱収縮シート４ｂ側にもレーザーを照射して被加工部材２を変形させることができる。この場合、被加工部材２を自在に回転保持可能とする被加工部材保持部１５であればなお良い。

ドットパターン除去工程Ｓ１４では、加工された被加工部材２に残ったドットパターン５をインクに応じた溶剤を用いて残らず除去する。また、パターンシートを用いた場合には、被加工部材２上からパターンシートを全て剥離する。ドットパターン５を全て被加工部材２上から除去することによって、造形された立体モデルの外観を良好に仕上げることができる。

細部加工工程Ｓ１５では、レーザー照射部１１の第２光源を駆動させてエキシマレーザー等を照射し、被加工部材２のトリミングや穴開け加工などを行う。微細加工においては、発振波長が紫外領域にあるエキシマレーザーを用いたアブレーション加工が望ましいものとなる。レーザーの波長、パルス幅、パワー密度の組合わせにより、溶融を殆ど生じさせることなく短時間での加工が可能である。波長が紫外領域にあるレーザーは、光子エネルギーが大きいので原子間結合を切断して分子の分解・消滅を低温状態で起こすことができる。これによりミクロンオーダーの加工が可能となる。

被加工部材補強工程Ｓ１６では、被加工部材２上からドットパターン５を除去した後は、グラスファイバーシート等の補強用部材をエポキシ樹脂等により裏打ちする。補強材を設けることによって、薄い厚さの被加工部材２の強度を格段に向上させることができる。補強材は、熱収縮シート４ａ，４ｂのいずれか一方側のみに設けてもよいし、両方に設けるようにしてもよい。

[実施例１]
図８（ａ）に示すような立体モデル形状（円筒形状）を形成する場合、レーザー照射領域決定工程Ｓ１１にて画像データ２’上のレーザー照射領域１９に対応した被加工部材２の所定領域に第１光源からのレーザーを照射するのであるが、その際、図８（ｂ）の矢印で示すような走査方向にレーザーを往復照射させる。アーム部１６は、矢印で示す方向に沿って全体を往復移動しながらレーザーを照射することで１走査処理が終了する。次の走査処理に移行する際には、間接部を中心に第１アーム１６Ａに対して第２アーム１６Ｃを図８（ｃ）の矢印で示すような回転方向に移動させていく。レーザー照射部１１は、被加工部材２に対するレーザー光の入射角が常に一定となるよう、そのレーザー入射面を被加工部材２の表面に対向させた状態で平行移動する。レーザーの照射強度によっては、往復移動させることなくレーザーの照射処理を終了してもよい。これにより図８（ａ）に示すような立体モデル形状が逐次形成される。

[実施例２]
図９（ａ）に示すような立体モデル形状を形成する場合、モデリング工程Ｓ１０にてコンピューター１７により立体モデルの画像データ２’を設計した後、上記同様の造形過程を経て画像データ２’上に曲面の比率に応じた微小パターンをマッピングする。すると、同図に示すように微小パターンが密集してレーザー照射領域１９が特定される。画像データ２’上でのレーザー照射領域１９を被加工部材２のドットパターン５と照らし合わせ、図９（ｂ）に示す画像データ２’上のレーザー照射領域１９に対応した被加工部材２の所定領域に第１光源からのレーザーを照射する。これにより、図９（ａ）に示すような立体モデル形状が逐次形成される。

[実施例３]
図１０（ａ）に示すような立体モデル形状（空洞を有した半円球形状）を形成する場合には、円形状の被加工部材２を用いて、図１０（ｂ）の矢印で示す走査方向に沿って中心から外側に向かってレーザーを照射する。これにより図１０（ａ）に示すような立体モデル形状が逐次形成される。

以上説明したように、本実施形態の立体モデル製造装置１及び立体モデルの製造方法によれば、熱収縮性を有する被加工部材２の表面にドットパターン５を設けてモデル形状を造形するため、従来の方法で用いられていた削り出し方式に比べ、材料を無駄にすることなく短時間で加工を施すことができる。また、本実施形態の立体モデル製造装置１はＵＶ樹脂等の液体材料を用いる従来の造形装置に比べて構造が単純であり、複雑なモデル形状も簡単に作成することができる。さらに、金型を用いることなく立体モデルを造形できるので、試作費用を大幅に削減することができ歩留まりが向上する。また、大型のパネルに対しても曲面加工を施すことが容易となる。

また、本実施形態の立体モデル製造装置１によれば、ドットパターン５を利用してレーザーを照射させるために、逐次形成における造形過程において、レーザー照射部１１にて被加工部材２に逐次変形を与えるべき局部領域を選択的に昇温することができる。照射の際には、所望とする曲面形状の曲率を発生させるために必要な照射量を、予め得られた相関データテーブルに基づいて決定するので極小の角度変形であっても容易に加工を施すことができる。

レーザー照射部１１及びＣＣＤカメラ１２はアーム部１６によって被加工部材２の変形に追従して移動可能とされた構成であるため、被加工部材２に対するレーザーの入射角度は常に一定となる。そのため、レーザーを照射する局部領域に設定された照射量を確実に照射することができて、良好なレーザー照射を可能にしている。

また、本実施形態のドットパターン５は基準線６ｘ，６ｙ及びドット７の組み合わせからなるため、変形中の被加工部材２上の任意のドット位置をＣＣＤカメラ１２で容易に検出することができる。つまり、ＣＣＤカメラ１２で照射対象ドット７を撮像する際、撮像を終えた照射対象ドット７から次の照射対象ドット７の撮像へ移るときにドット７のみのパターンだと、変形した被加工部材２上から探し難い。しかしながら、ｘ座標軸及びｙ座標軸上にドット７を配置することによって次のドット７を検出し易くなる。

本実施形態においては、被加工部材２をレーザーの熱エネルギーにより収縮変形させるため、シート厚さを変化させることなく滑らかな曲面を有した外観を得ることができる。そのため、オブジェやディスプレイ等の外観が重視される分野にも好適に使用可能である。

以上、本発明の一実施形態としての立体モデル製造装置１及び立体モデルの製造方法を説明したが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲を逸脱しない限り、各請求項の記載文言に限定されず、当業者がそれらから容易に置き換えられる範囲にも及び、且つ当業者が通常有する知識に基づく改良を適宜付加することができる。

例えば、上記実施形態においては、立体モデル製造装置１のアーム部１６を多軸アームにより構成されるとしたが、ＣＣＤカメラ１２、レーザー照射部１１を、被加工部材に対して所定の条件を保ちながら被加工部材２の変形に追従して移動できるのであればこれに限ったものではない。例えば、屈曲自在なワイヤー等から構成してもよい。

また、上記実施形態においては単なる形状モデルについて説明したが、被加工部材を変形した後に補強用部材を設けることにより、車、バイク等のフェアリング、ウイング等の実用部品として使用することができる。これにより、試作車両、レーシングマシン等の開発期間を大幅に短縮することが可能となる。

また、上述した測定調査工程Ｍ１は毎回行う必要はなく、同様の材質、厚さ等からなる被加工部材を同様のデザインモデルに加工する場合には、同じデータを使用することで作業の効率化を図ることができる。また、測定調査工程Ｍ１において得られる相関データを被加工部材の種類ごとに、予め立体モデルの製造装置１のデータ記憶部１２、或いはコンピューター１７の記憶媒体に格納しておいてもよい。

本発明の実施形態に係る被加工部材の概略構成図である。 本発明の実施形態に係る立体モデル製造装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る立体モデル製造装置を用いた被加工部材の照射方法を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る立体モデル製造方法の造形工程を示すフローチャートである。 立体モデルの画像データである。 画像データ上におけるレーザー照射領域を示す図である。 画像データ上におけるレーザー照射領域と被加工部材上のドットパターン を照らし合わせた図である。 実施例１における立体モデルの画像データである。 実施例２における立体モデルの画像データ及びレーザー照射領域を示す図である。 実施例２における立体モデルの画像データ及びレーザー走査方向を示す図である。

符号の説明

１…立体モデル製造装置、２…被加工部材、２’…画像データ、３…芯材、４…熱収縮シート、５…ドットパターン、６ｘ，６ｙ…基準線、７…ドット、１１…レーザー照射部（レーザー照射手段）、１１ａ…レーザー照射面、１２…ＣＣＤカメラ（撮像手段）、１３…データ記憶部（記憶手段）、１４…コントローラー（制御手段）、１５…被加工部材保持部、１６…アーム部（移動手段）、１６Ａ…第１アーム、１６Ｂ…関節部、
１６Ｃ…第２アーム、１７…コンピューター

Claims (8)

1. 熱収縮性を有する被加工部材を用いて立体モデルを製造する立体モデルの製造方法であって、
   前記被加工部材の表面に位置情報を有するドットパターンを設ける工程と、
   前記ドットパターンからレーザー照射領域を識別し、当該レーザー照射領域にレーザー照射量を制御しながらレーザーを照射する工程と、を備えたことを特徴とする立体モデルの製造方法。
2. 前記被加工部材に対するレーザー照射量及び収縮量を測定し、前記レーザー照射量及び前記収縮量の関係からその変形曲率を求める工程と、
   前記被加工部材の前記レーザー照射領域を決定する工程と、を備えたことを特徴とする請求項１記載の立体モデルの製造方法。
3. 二つの座標軸を有する直交座標系上に各座標軸に平行に配列される基準線と当該基準線上に配置される複数のドットとから、前記ドットパターンを構成することを特徴とする請求項１または２に記載の立体モデルの製造方法。
4. 前記ドットパターンを印刷により形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の立体モデルの製造方法。
5. 前記被加工部材に、前記ドットパターンが設けられたパターンシートを剥離可能に設けることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の立体モデルの製造方法。
6. レーザー照射後の前記被加工部材に、補強用部材を設けることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の立体モデルの製造方法。
7. 熱収縮性を有する被加工部材を用いて立体モデルを作成する立体モデル製造装置であって、
   位置情報を有するドットパターンを有する被加工部材にレーザーを照射するレーザー照射手段と、
   前記ドットパターンを撮像する撮像手段と、
   前記レーザー照射手段及び前記撮像手段を前記被加工部材の変形に追従して移動させる移動手段と、
   前記被加工部材のレーザー照射領域及び照射量を記憶する記憶手段と、
   当該記憶手段に格納された情報に基づいて、前記レーザー照射手段、前記撮像手段、前記移動手段を制御する制御手段と、を有して構成されていることを特徴とする立体モデル製造装置。
8. 前記レーザーが、ＹＡＧレーザー、炭酸ガスレーザーであることを特徴とする請求項７に記載の立体モデル製造装置。

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