JP2011056697A - 積層造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】全ての造形材質及び形状に於いて、造形物表面への模様の形成、或は所望の表面形状の作製を簡易な作業で実施できる積層造形装置を提供する。
【解決手段】樹脂３を硬化させ、硬化した樹脂層を積層して積層造形物１３を造形する積層造形装置１であって、樹脂を硬化させる樹脂硬化手段９，１１と、該樹脂硬化手段を制御する制御装置１４を具備し、該制御装置は前記積層造形物の基となる断面データと、前記積層造形物の表面に追加される模様の基となる表面形状パターンとを有し、該表面形状パターンを選択することで前記積層造形物に表面形状を追加した状態で造形する為の断面データを作成し、その断面データを基に前記樹脂硬化手段を制御して前記積層造形物を造形する。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体又は粉末材料にレーザ光線を照射し硬化させ、或は溶融した材料を積層させ、或はプリンタ技術の要領で粉末材料に硬化液を配置しつつ硬化させて積層させることで立体造形物を造形する積層造形装置、特に造形物の目的に合わせて造形物の表面の性状、形状を変えることのできる積層造形装置に関するものである。

積層造形装置は、３次元ＣＡＤデータから立体造形物を造形する際に用いられる。又、前記積層造形装置は、３次元ＣＡＤデータに基づき、ソリッドモデルの表面を三角形のパッチで覆尽して立体を表現したデータであるＳＴＬ（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｅｄ Ｌａｎｇｕａｇｅ）データを作成し、ＳＴＬデータを水平方向に輪切りにすることで等高線データ（断面データ）を作成し、断面データに従って、硬化された材料を繰返し積層させることで短時間で立体造形物の造形が可能となっている。

又、前記積層造形装置には、光造形、粉末造形の様に、液体又は粉末材料に紫外線等のレーザ光線を照射し、硬化させて積層させるものや、ＦＤＭ（Ｆｕｓｅｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ：熱溶解積層法）の様に溶融した材料を積層させるもの、若しくは３Ｄプリンタの様にプリンタ技術の応用で粉末材料に硬化液を配置しつつ硬化させて積層させるもの等がある。

又、短時間で試作品を製作するＲＰ（Ｒａｐｉｄ Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ：迅速試作品造形）の為に開発された積層造形装置は、近年の材料性能改善に伴い、試作品ではなく直接製品を造形するＲＭ（Ｒａｐｉｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ：迅速製品造形）化が進められている。

一般的な製品の表面は、意匠性、機能性向上の為、所定の性状（表面の状態）、パターン化された凹凸等の表面形状（以下、性状、表面形状を表面形状と略称する）が施されており、例えば図６の様なシボ加工が施されている。現在の積層造形装置を用いてシボ加工の様な表面形状を得る為には、ＣＡＤ上で３次元モデルデータ表面に手動で表面形状を作成してから造形する。又は、造形物表面に化学的処理を行う、若しくは造形物にサンドブラストを行う等の物理的処理を行う必要があった。

然し乍ら、ＣＡＤ上で表面形状を付加していく方法は、３次元モデルデータの形状をディスプレイ等によって確認しながら手動で表面性状を変更する作業が必要な為、作業者への負担が大きく、化学処理の場合には、薬品を使用する為造形物の材質の制限が多く、又物理的処理の場合は、砂などの粒を造形物に吹付ける為、繊細な構造部分を破損する可能性が高いという問題があった。

特開２００８−２５４２４１号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、全ての造形材質及び形状に於いて、造形物表面への模様の形成、或は所望の表面形状の作製を簡易な作業で実施できる積層造形装置を提供するものである。

本発明は、樹脂を硬化させ、硬化した樹脂層を積層して積層造形物を造形する積層造形装置であって、樹脂を硬化させる樹脂硬化手段と、該樹脂硬化手段を制御する制御装置を具備し、該制御装置は前記積層造形物の基となる断面データと、前記積層造形物の表面に追加される模様の基となる表面形状パターンとを有し、該表面形状パターンを選択することで、前記積層造形物が選択された表面形状を持つ様に新たな断面データを作成し、その断面データを用いて前記積層造形物を造形する積層造形装置に係るものである。

本発明によれば、樹脂を硬化させ、硬化した樹脂層を積層して積層造形物を造形する積層造形装置であって、樹脂を硬化させる樹脂硬化手段と、該樹脂硬化手段を制御する制御装置を具備し、該制御装置は前記積層造形物の基となる断面データと、前記積層造形物の表面に追加される模様の基となる表面形状パターンとを有し、該表面形状パターンを選択することで、前記積層造形物が選択された表面形状を持つ様に新たな断面データを作成し、その断面データを基に前記樹脂硬化手段を制御して前記積層造形物を造形するので、造形後の該積層造形物に対して化学的、物理的処理を用いて模様を形成する必要がなく、該積層造形物の材質や模様の形状を自在に選択することができ、又断面データの作成も容易に行うことができ、作業者に掛る負担を大幅に軽減できるという優れた効果を発揮する。

本発明に於ける積層造形装置を示す概略構成図である。 本発明に於ける断面データ作成の手順を示すフローチャートである。 本発明に於ける模様形成前の積層造形物の断面データ（Ａ）と、斜視図（Ｂ）を示している。 ３次元モデルデータの模様形成に於ける設定画面の一例である。 本発明に於ける模様形成後の前記積層造形物の断面データ（Ａ）〜（Ｃ）と、斜視図（Ｄ）を示している。 従来の構造モデル表面の模様を示す概略図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、図１に於いて、本発明の積層造形装置１の概略構成について説明する。

図中、２は液状光硬化性樹脂３を貯留するタンク、４は前記液状光硬化性樹脂３中に没下した昇降テーブルを示している。

該昇降テーブル４は、支持アーム５を介してテーブルエレベータ６により水平に支持されると共に昇降される様になっている。

前記タンク２の壁面には、水平に延びるガイド７が設けられ、該ガイド７は前記液状光硬化性樹脂３の液面よりも上方に配置されている。

前記ガイド７には、掃引板８が摺動自在に設けられ、該掃引板８は図示しないリコータ装置によって、前記ガイド７に沿って前記液状光硬化性樹脂３の液面上を水平方向に駆動される様になっている。

前記タンク２の上方にはレーザ光線射出装置９及び偏向光学部材であるスキャナミラー１１が設けられている。前記レーザ光線射出装置９は、前記液状光硬化性樹脂３を硬化させる充分な光強度を有する紫外線等のレーザ光線１２を発振射出可能であり、又前記スキャナミラー１１は回動可能となっており、前記レーザ光線射出装置９から射出されたレーザ光線１２の方向を、該スキャナミラー１１の回動により制御し、該レーザ光線１２が前記液状光硬化性樹脂３の液面を照射すると共に、等高線データ（断面データ）に基づいて所定のパターンで走査することが可能となる。尚、前記レーザ光線射出装置９、前記スキャナミラー１１等は、樹脂硬化手段を構成している。

又、図中、１３は前記積層造形装置１によって造形された造形物を示している。

前記テーブルエレベータ６、図示しないリコータ装置、前記レーザ光線射出装置９、前記スキャナミラー１１は制御装置１４と電気的に接続され、該制御装置１４によって制御される様になっている。

該制御装置１４は主制御部１５、記憶部１６、モデル形状認識部１７、断面データ作成部１８を具備し、モニタ等の表示部１９及びマウスやキーボード等の操作部２１と接続されている。

前記記憶部１６には積層造形の各工程を実行する為のシーケンスプログラム、後述する断面データ等に基づき前記造形物１３の形状、表面形状を認識する形状認識プログラム、断面データ作成工程を実行する為の断面データ作成プログラム、及び前記造形物１３を造形する際に必要な断面データが格納されると共に、該造形物１３に形成する各種表面形状パターンのデータ等の各種データが格納されている。

又、前記モデル形状認識部１７は前記記憶部１６に格納された形状認識プログラムに従って、断面データから前記造形物１３の形状を確認し、前記造形物１３の表面がどの様な形状で、どの程度の面積を有するかを認識する機能を有している。

又、前記断面データ作成部１８は前記記憶部１６に格納された断面データ作成プログラムに従って、前記モデル形状認識部１７によって認識された積層造形物の形状に関する情報と、新たに指定した表面形状パターンから、表面形状が変更された積層造形物を作る為の断面データを作成する機能を有している。

次に、前記造形物１３を造形する場合について説明する。

該造形物１３を造形する際には、該造形物１３の断面データを前記記憶部１６に格納する。

上記に加えて前記造形物１３の表面に模様を形成したい場合には、断面データから前記造形物１３の形状を認識し、前記記憶部１６に予め格納されている表面形状パターンから前記造形物１３に形成する模様の断面形状を選択することで、前記断面データ作成部１８を用いて、新たな表面形状を持った造形物１３を作製する為の断面データを作成することができる。

次に、図２に示されるフローチャートを用い、断面データ作成の手順について説明する。尚、以下では、Ｘ×Ｙで表される断面データの面積を、Ｘ×Ｘで表される正方形としている。

ＳＴＥＰ：０１ 前記造形物１３を造形するにあたって、前記造形物１３の断面データを前記記憶部１６に格納する。

ＳＴＥＰ：０２ 次に、前記造形物１３の表面に模様を追加するかどうかを決める。前記造形物１３の表面に模様を追加しない場合には、ＳＴＥＰ：０１で格納した断面データを基に、前記造形物１３を造形する。

ＳＴＥＰ：０３ 前記造形物１３の表面に模様を追加する場合には、先ず前記モデル形状認識部１７が、前記記憶部１６に格納された形状認識プログラムを実行することで、断面データから前記造形物１３の形状を認識する。

ＳＴＥＰ：０４ 更に、所望する表面形状パターンが前記記憶部１６に格納されているか判断する。

ＳＴＥＰ：０５ 図４は本発明に於ける設定画面の一例を示している。所望する表面形状パターンを選択し、更に模様の寸法Ｘ、深さＺを入力する。尚、図示はされていないが、前記設定画面で、模様の大きさ、模様を追加する位置、模様を形成する数等の設定も可能となっている。

ＳＴＥＰ：０６ 所望する表面形状パターンが前記記憶部１６に格納されていない場合、所望の表面形状パターンを前記記憶部１６へ送る。該表面形状パターンは、ＪＰＥＧ等の画像データや、又はＣＡＤ等の３次元データでもよい。寸法Ｘや深さＺ等の設定はＳＴＥＰ：０５と同様に行われる。

ＳＴＥＰ：０７ ＳＴＥＰ：０５，ＳＴＥＰ：０６に基づき、新しい断面データを作成する。例えば、図３（Ａ）の断面データを０〜５０ｍｍ積層することで作製する。図３（Ｂ）の５０ｍｍ角立方体形状の積層造形物の表面に、１０ｍｍ×１０ｍｍ×５ｍｍのシボ２２を１面につき等間隔で４つ形成すると入力した場合、前記モデル形状認識部１７による演算結果、及び入力された設定に従って、前記断面データ作成部１８が前記記憶部１６に格納された断面データ作成プログラムを実行する。

その結果、図５（Ａ）に示される０〜５ｍｍ及び５５〜６０ｍｍ迄の断面データ、即ち積層造形物の上面及び下面に形成された４つの前記シボ２２の断面データと、図５（Ｂ）に示される５〜１５ｍｍ及び２５〜３５ｍｍ及び４５〜５５ｍｍ迄の断面データ、即ち積層造形物の前記シボ２２が形成されていない箇所の断面データと、図５（Ｃ）に示される１５〜２５ｍｍ及び３５〜４５ｍｍ迄の断面データ、即ち積層造形物の正面、背面及び両側面に前記シボ２２が形成された箇所の断面データという３種類の断面データが作成される。最後に、作成された断面データを前記記憶部１６に格納することで、前記造形物１３の基となる断面データの作成が終了する。

前記記憶部１６に格納された断面データを基に、前記制御装置１４によって造形処理が開始される。

先ず、該制御装置１４の命令により、前記テーブルエレベータ６が前記昇降テーブル４を、前記液状光硬化性樹脂３の液面から積層ピッチｄだけ降下させる。次に、図示しないリコータ装置が前記掃引板８を前記タンク２の端から端迄摺動させ、前記液状光硬化性樹脂３の液面を掃引することで、該液面が静定され、又該液面に浮遊する気泡が除去される。

その後、前記制御装置１４により、前記レーザ光線射出装置９が駆動され、該レーザ光線射出装置９がレーザ光線１２を射出し、又断面データに基づき前記スキャナミラー１１を駆動制御し、前記液状光硬化性樹脂３の液面のレーザ光線照射領域に前記レーザ光線１２を照射し、前記液状光硬化性樹脂３を硬化させる。

次に、更に高さｄだけ前記昇降テーブル４を降下させ、前記掃引板８を前記タンク２の端から端へ、先程とは逆方向に摺動させ、前記液状光硬化性樹脂３の液面の静定と気泡の除去を行う。

又、前記レーザ光線射出装置９が駆動され、前記スキャナミラー１１によってレーザ光線１２が断面データに従って偏向され、前記液状光硬化性樹脂３の液面のレーザ照射領域に照射されることで、該液状光硬化性樹脂３を硬化させる。

以下、上記工程が繰返されることで、図５（Ｄ）に示される様に、表面に模様が形成された前記造形物１３が造形される。

上述の様に、所望の表面形状パターンを有した積層造形物が得られる様、新しい断面データを作成し、その断面データに従って前記造形物１３を造形するので、模様が形成された状態で該造形物１３が完成し、造形後の該造形物１３に対して薬品、或はサンドブラスト等の処理によって該造形物１３の表面に模様を形成する必要がない。従って、該造形物１３の材質が制限されることがなく、又微細な模様であっても破損することがない。

又、設定画面を基に、簡単な設定をするだけで、自動的に模様が形成された積層造形物の断面データが作成されるので、表面の模様全てを手動で変更する必要がなく、作業者に掛る負担を大幅に軽減できる。

尚、本実施例では、前記レーザ光線１２で液状光硬化性樹脂３を硬化させ、堆積させて前記造形物１３を造形する光造形の場合について説明したが、粉末材料に前記レーザ光線１２で融解させ、積層させる粉末造形、或はプリンタ技術の要領で、粉末材料に硬化液を配置しつつ硬化させて積層させることで前記造形物１３を造形する場合であっても適用可能であることは言う迄もない。

又、前記造形物１３の造形に使用される材料は、樹脂に限らず、光硬化型の金属系材料や金属粉、或は砂等であっても適用可能であり、又造形材料に照射される前記レーザ光線１２は、紫外線レーザ光線、例えば高エネルギの赤色レーザ光線であってもよい。

１ 積層造形装置
１３ 造形物
１４ 制御装置
１６ 記憶部
１７ モデル形状認識部
１８ 断面データ作成部

Claims (1)

1. 樹脂を硬化させ、硬化した樹脂層を積層して積層造形物を造形する積層造形装置であって、樹脂を硬化させる樹脂硬化手段と、該樹脂硬化手段を制御する制御装置を具備し、該制御装置は前記積層造形物の基となる断面データと、前記積層造形物の表面に追加される模様の基となる表面形状パターンとを有し、該表面形状パターンを選択することで前記積層造形物に表面形状を追加した状態で造形する為の断面データを作成し、その断面データを基に前記樹脂硬化手段を制御して前記積層造形物を造形することを特徴とする積層造形装置。