JP2015000476A - Three-dimensional molding method and three-dimensional molding device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、三次元造形方法及び三次元造形装置に関する。 The present invention relates to a three-dimensional modeling method and a three-dimensional modeling apparatus.
三次元の立体物を造形する技術として、ラピッド・プロトタイピング(RP:Rapid Prototyping)と呼ばれる技術が知られている。この技術は、ひとつの三次元形状の表面を3角形の集まりとして記述したデータ(STL(Standard Triangulated Language)フォーマットのデータ)により、積層方向について薄く切った断面形状を計算し、その形状に従って各層を形成して立体物を造形する技術である。また、立体物を造形する手法としては、溶融物堆積方式(FDM:Fused Deposition Molding)、インクジェット方式、インクジェットバインダ方式、光造形方式(SL:Stereo Lithography)、粉末焼結方式(SLS:Selective Laser Sintering)などが知られている。 A technique called rapid prototyping (RP) is known as a technique for modeling a three-dimensional solid object. This technology calculates the cross-sectional shape sliced thinly in the stacking direction based on the data (STL (Standard Triangulated Language) format data) that describes the surface of one 3D shape as a collection of triangles. It is a technology to form and form a three-dimensional object. In addition, as a technique for modeling a three-dimensional object, a melt deposition method (FDM: Fused Deposition Molding), an ink jet method, an ink jet binder method, a stereolithography method (SL: Stereo Lithography), a powder sintering method (SLS: Selective Laser Sintering) ) Etc. are known.
インクジェット方式による三次元造形方法としては、例えば、インクジェットノズルから選択的に光硬化性樹脂を吐出し、その表面を平滑化した後、当該光硬化性樹脂に光を照射して硬化させることで硬化層を形成し、これを繰り返すことにより硬化層を複数積層して三次元造形物を形成する技術が提供されている(例えば、特許文献1参照。)。このような方式によれば、造形材料を微小な液滴として吐出して積層できるため、高精細な三次元造形物を提供することができる。 As a three-dimensional modeling method using an inkjet method, for example, after selectively discharging a photocurable resin from an inkjet nozzle and smoothing the surface, the photocurable resin is irradiated with light and cured. There has been provided a technique for forming a three-dimensional structure by forming a layer and repeating this to form a three-dimensional structure by laminating a plurality of cured layers (see, for example, Patent Document 1). According to such a method, since a modeling material can be discharged and laminated as fine droplets, a high-definition three-dimensional model can be provided.
しかしながら、上記した従来の技術によれば、複数の硬化層を積層することのみで三次元造形物を形成するため、三次元造形物を構成する各層間の接着性が十分でない場合があった。このため、形成された三次元造形物の積層方向における強度が十分でない場合があった。また、硬化層が完全に硬化する前に次の硬化層を積層することで、三次元造形物を構成する各層間の接着性を高めた場合であっても、三次元造形物の積層方向における強度が十分でない場合があった。 However, according to the above-described conventional technology, since the three-dimensional structure is formed only by laminating a plurality of hardened layers, there are cases where the adhesion between the layers constituting the three-dimensional structure is not sufficient. For this reason, the strength in the stacking direction of the formed three-dimensional structure may not be sufficient. Moreover, even if it is a case where the adhesiveness between each layer which comprises a three-dimensional structure is improved by laminating the next hardened layer before a hardened layer hardens | cures completely, in the lamination direction of a three-dimensional structure In some cases, the strength was not sufficient.
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その解決課題は、積層方向の強度が高い三次元造形物を精度良く出力できる三次元造形方法及び三次元造形装置を提供することである。 This invention is made | formed in view of the said problem, The solution subject is providing the three-dimensional modeling method and three-dimensional modeling apparatus which can output the three-dimensional modeling object with the high intensity | strength of a lamination direction accurately. .
以上の課題を解決するため、請求項1に記載の発明は、三次元造形方法であって、
造形材料を塗布して造形材料層を形成する層形成工程と、
前記造形材料層を半硬化させる半硬化工程と、
半硬化された前記造形材料層にバインダー粒子を添加する添加工程と、を有し、
前記層形成工程と前記半硬化工程とを繰り返して積層される複数の前記造形材料層のうち、少なくともいずれか一層に対して前記添加工程を行うことで、三次元造形物を形成することを特徴とする。
In order to solve the above problems, the invention according to claim 1 is a three-dimensional modeling method,
A layer forming step of forming a modeling material layer by applying a modeling material;
A semi-curing step for semi-curing the modeling material layer;
An addition step of adding binder particles to the semi-cured modeling material layer,
A three-dimensional structure is formed by performing the addition step on at least one of the plurality of modeling material layers laminated by repeating the layer formation step and the semi-curing step. And
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の三次元造形方法であって、
前記バインダー粒子と前記造形材料層との接着性が、前記造形材料層同士の接着性よりも大きいことを特徴とする。
Invention of Claim 2 is the three-dimensional modeling method of Claim 1, Comprising:
The adhesion between the binder particles and the modeling material layer is greater than the adhesion between the modeling material layers.
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の三次元造形方法であって、
前記層形成工程において、長手方向に複数の吐出ノズルを有するヘッドを、前記長手方向に直交する方向に走査しながら、前記吐出ノズルから前記造形材料の液滴を吐出することにより塗布して前記造形材料層を形成することを特徴とする。
Invention of Claim 3 is the three-dimensional modeling method of Claim 1 or 2, Comprising:
In the layer forming step, the head having a plurality of discharge nozzles in the longitudinal direction is applied by discharging droplets of the modeling material from the discharge nozzles while scanning in a direction orthogonal to the longitudinal direction. A material layer is formed.
請求項4に記載の発明は、請求項1から3のいずれか一項に記載の三次元造形方法であって、
前記造形材料は、光硬化性材料を含有することを特徴とする。
Invention of Claim 4 is the three-dimensional modeling method as described in any one of Claim 1 to 3,
The modeling material contains a photocurable material.
請求項5に記載の発明は、請求項1から4のいずれか一項に記載の三次元造形方法であって、
前記半硬化工程の前に、前記造形材料層の表面を平坦化する平坦化工程を更に有することを特徴とする。
Invention of Claim 5 is the three-dimensional modeling method as described in any one of Claim 1 to 4, Comprising:
Prior to the semi-curing step, the method further comprises a flattening step of flattening the surface of the modeling material layer.
請求項6に記載の発明は、請求項1から5のいずれか一項に記載の三次元造形方法であって、
前記添加工程において、ローラーに担持された前記バインダー粒子を前記造形材料層に接触させることで、前記造形材料層に前記バインダー粒子を添加することを特徴とする。
Invention of Claim 6 is the three-dimensional modeling method as described in any one of Claim 1 to 5,
In the addition step, the binder particles are added to the modeling material layer by bringing the binder particles supported on a roller into contact with the modeling material layer.
請求項7に記載の発明は、請求項6に記載の三次元造形方法であって、
前記添加工程において、前記ローラーを前記造形材料層に対する相対移動に従動回転させながら、前記造形材料層に前記バインダー粒子を添加することを特徴とする。
Invention of Claim 7 is the three-dimensional modeling method of Claim 6, Comprising:
In the adding step, the binder particles are added to the modeling material layer while the roller is driven and rotated relative to the modeling material layer.
請求項8に記載の発明は、請求項1から7のいずれか一項に記載の三次元造形方法であって、
前記添加工程において、前記造形材料の物性、前記バインダー粒子の物性、前記造形材料層の層厚及び前記三次元造形物の物性の少なくともに一つに応じた量の前記バインダー粒子を添加することを特徴とする。
Invention of Claim 8 is the three-dimensional modeling method as described in any one of Claim 1-7,
In the adding step, adding the binder particles in an amount corresponding to at least one of the physical properties of the modeling material, the physical properties of the binder particles, the layer thickness of the modeling material layer, and the physical properties of the three-dimensional modeled product. Features.
請求項9に記載の発明は、請求項1から8のいずれか一項に記載の三次元造形方法であって、
前記層形成工程と前記半硬化工程とを繰り返して積層される複数の前記造形材料層の全てに対して前記添加工程を行うことを特徴とする。
Invention of Claim 9 is the three-dimensional modeling method as described in any one of Claim 1-8,
The addition step is performed on all of the plurality of modeling material layers laminated by repeating the layer forming step and the semi-curing step.
請求項10に記載の発明は、請求項1から9のいずれか一項に記載の三次元造形方法であって、
前記バインダー粒子が、シランカップリング剤、チタネートカップリング剤又はリン酸系カップリング剤で表面処理されていることを特徴とする。
Invention of Claim 10 is the three-dimensional modeling method as described in any one of Claim 1-9,
The binder particles are surface-treated with a silane coupling agent, a titanate coupling agent or a phosphoric acid coupling agent.
請求項11に記載の発明は、三次元造形装置であって、
造形材料を吐出して造形材料層を形成する吐出部と、
前記造形材料層を半硬化させる硬化部と、
前記造形材料層にバインダー粒子を添加する添加部と、
前記吐出部、前記硬化部及び前記添加部を制御して、複数の造形材料層を積層させることにより三次元造形物を形成する制御部と、を備えることを特徴とする。
The invention according to claim 11 is a three-dimensional modeling apparatus,
A discharge part for discharging a modeling material to form a modeling material layer;
A curing part for semi-curing the modeling material layer;
An additive part for adding binder particles to the modeling material layer;
And a control unit that controls the discharge unit, the curing unit, and the addition unit to form a three-dimensional structure by laminating a plurality of modeling material layers.
請求項12に記載の発明は、請求項11に記載の三次元造形装置であって、
前記吐出部が、長手方向に複数の吐出ノズルを有するヘッドであり、
前記ヘッドは、前記長手方向に直交する方向に走査しながら、前記吐出ノズルから前記造形材料の液滴を吐出することにより前記造形材料層を形成することを特徴とする。
Invention of Claim 12 is the three-dimensional modeling apparatus of Claim 11, Comprising:
The ejection part is a head having a plurality of ejection nozzles in the longitudinal direction;
The head forms the modeling material layer by discharging droplets of the modeling material from the discharge nozzle while scanning in a direction orthogonal to the longitudinal direction.
請求項13に記載の発明は、請求項11又は12に記載の三次元造形装置であって、
前記造形材料層の表面を平坦化する平坦化部を更に備えることを特徴とする。
Invention of Claim 13 is the three-dimensional modeling apparatus of Claim 11 or 12,
It further has a flattening part for flattening the surface of the modeling material layer.
請求項14に記載の発明は、請求項11から13のいずれか一項に記載の三次元造形装置であって、
前記添加部が、周面に担持されたバインダー粒子を前記造形材料層に添加するローラーと、前記ローラーに前記バインダー粒子を供給するバインダー粒子供給源と、を有することを特徴とする。
Invention of Claim 14 is a three-dimensional modeling apparatus as described in any one of Claims 11-13,
The addition unit includes a roller that adds binder particles supported on a peripheral surface to the modeling material layer, and a binder particle supply source that supplies the binder particles to the roller.
請求項15に記載の発明は、請求項14に記載の三次元造形装置であって、
前記ローラーと前記造形材料層との距離が調整可能であることを特徴とする。
The invention according to claim 15 is the three-dimensional modeling apparatus according to claim 14,
The distance between the roller and the modeling material layer is adjustable.
請求項16に記載の発明は、請求項14又は15に記載の三次元造形装置であって、
前記バインダー粒子供給源が、前記ローラーの周面のうち前記バインダー粒子が担持される領域の幅が、前記造形材料層の幅と同一となるように、前記ローラーに前記バインダー粒子を供給することを特徴とする。
Invention of Claim 16 is the three-dimensional modeling apparatus of Claim 14 or 15,
The binder particle supply source supplies the binder particles to the roller such that a width of a region in which the binder particles are supported on a peripheral surface of the roller is the same as a width of the modeling material layer. Features.
請求項17に記載の発明は、請求項14から16のいずれか一項に記載の三次元造形装置であって、
前記ローラーは、表面が絶縁処理された導電体で構成され、
前記バインダー粒子供給源が、帯電された前記バインダー粒子を供給することを特徴とする。
The invention according to claim 17 is the three-dimensional modeling apparatus according to any one of claims 14 to 16,
The roller is composed of a conductor whose surface is insulated,
The binder particle supply source supplies the charged binder particles.
請求項18に記載の発明は、請求項11から13のいずれか一項に記載の三次元造形装置であって、
前記添加部が、
感光体と、
前記感光体を一様に帯電させる帯電部と、
前記感光体に対して像露光を行い静電潜像を形成する露光部と、
帯電された前記バインダー粒子で前記静電潜像を現像する現像部と、を有することを特徴とする。
The invention according to claim 18 is the three-dimensional modeling apparatus according to any one of claims 11 to 13,
The addition part is
A photoreceptor,
A charging unit for uniformly charging the photoreceptor;
An exposure unit that performs image exposure on the photoconductor to form an electrostatic latent image; and
And a developing unit that develops the electrostatic latent image with the charged binder particles.
請求項19に記載の発明は、請求項14から18のいずれか一項に記載の三次元造形装置であって、
前記制御部が、前記吐出部による前記造形材料層の形成と前記硬化部による前記造形材料層の半硬化とを行う毎に、前記添加部により前記バインダー粒子を添加することを特徴とする。
An invention according to claim 19 is the three-dimensional modeling apparatus according to any one of claims 14 to 18,
Each time the control unit performs the formation of the modeling material layer by the discharge unit and the semi-curing of the modeling material layer by the curing unit, the addition unit adds the binder particles.
本発明によれば、積層方向の強度が高い三次元造形物を精度良く出力できる三次元造形方法及び三次元造形装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the three-dimensional modeling method and three-dimensional modeling apparatus which can output the three-dimensional structure with the high intensity | strength of a lamination direction accurately can be provided.
以下に、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。ただし、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Below, the form for implementing this invention is demonstrated using drawing. However, although various technically preferable limitations for implementing the present invention are given to the embodiments described below, the scope of the invention is not limited to the following embodiments and illustrated examples.
三次元造形物を形成する本発明の三次元造形装置100について、図1〜図4を参照して以下説明する。図1は、三次元造形装置100を示す概略構成図であり、図2は、三次元造形装置100が備える添加部4の一部を示す概略構成図であり、図3は、添加部4の変形例を示す概略構成図であり、図4は、三次元造形装置100の制御系を示すブロック図である。 A three-dimensional modeling apparatus 100 of the present invention that forms a three-dimensional modeled object will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating the three-dimensional modeling apparatus 100, FIG. 2 is a schematic configuration diagram illustrating a part of the addition unit 4 included in the three-dimensional modeling apparatus 100, and FIG. FIG. 4 is a schematic configuration diagram illustrating a modification, and FIG. 4 is a block diagram illustrating a control system of the three-dimensional modeling apparatus 100.
本発明の三次元造形装置100は、造形材料を吐出して塗布し造形材料層を形成するインクジェットヘッド(吐出部)1、造形材料層の表面を平坦化する平坦化部2、造形材料層を半硬化させる硬化部3、造形材料層にバインダー粒子41を添加する添加部4、これら各部を一体として移動させる移動機構5、形成される三次元造形物を支持する造形ステージ6、及び、これら各部を制御する制御部7等を備えて構成されている。 The three-dimensional modeling apparatus 100 of the present invention includes an inkjet head (discharge unit) 1 that discharges and applies a modeling material to form a modeling material layer, a flattening unit 2 that planarizes the surface of the modeling material layer, and a modeling material layer. Semi-curing curing section 3, addition section 4 for adding binder particles 41 to the modeling material layer, moving mechanism 5 for moving these sections as a unit, modeling stage 6 for supporting the formed three-dimensional model, and these sections The control part 7 etc. which control are comprised.
これらインクジェットヘッド1、平坦化部2、硬化部3及び添加部4は、図1に示すように、それぞれこの順に隣接して設けられ、これらが一体として移動機構5により造形ステージ6上で水平方向に移動する。移動機構5によりインクジェットヘッド1が図1中の方向Aに移動するときに、インクジェットヘッド1は造形材料を吐出する。 As shown in FIG. 1, the inkjet head 1, the flattening unit 2, the curing unit 3, and the adding unit 4 are provided adjacent to each other in this order, and these are integrated as a unit on the modeling stage 6 by the moving mechanism 5. Move to. When the inkjet head 1 is moved in the direction A in FIG. 1 by the moving mechanism 5, the inkjet head 1 discharges the modeling material.
インクジェットヘッド1は、長手方向に複数の吐出ノズルを有し、移動機構5により当該長手方向に直交する方向に走査しながら、複数の吐出ノズルから造形材料の液滴を選択的に吐出することにより造形ステージ6上の所望の領域に造形材料層を形成する。
このようなインクジェットヘッド1としては、従来公知の画像形成用のインクジェットヘッドが用いられる。
The inkjet head 1 has a plurality of discharge nozzles in the longitudinal direction, and selectively discharges droplets of the modeling material from the plurality of discharge nozzles while scanning in a direction orthogonal to the longitudinal direction by the moving mechanism 5. A modeling material layer is formed in a desired region on the modeling stage 6.
As such an inkjet head 1, a conventionally known inkjet head for image formation is used.
インクジェットヘッド1は、造形材料を貯留している。造形材料は、三次元造形物を形成するための材料であって、吐出可能な状態でインクジェットヘッド1に貯留されている。また、造形材料は、インクジェットヘッド1により造形ステージ6上に吐出されて造形材料層を形成する。更に、当該造形材料層は、光照射、冷却又は加熱等のいずれかの硬化処理が施されることにより半硬化する。ここで、半硬化とは、造形材料が塗布されてなる造形材料層が、層として形状維持することができ、かつ添加されるバインダー粒子41を保持できる程度の粘度を有するように硬化された状態をいい、具体的には、造形材料が光硬化性材料や熱硬化性材料である場合、反応率が20%以上90%未満である状態をいう。なお、造形材料が相転移材料を含み、常温で硬化する場合には、反応率が20%未満であっても半硬化に該当するものとする。
半硬化された造形材料層は、更に硬化処理が施されることで硬化する。
The inkjet head 1 stores a modeling material. The modeling material is a material for forming a three-dimensional structure, and is stored in the inkjet head 1 in a dischargeable state. The modeling material is discharged onto the modeling stage 6 by the inkjet head 1 to form a modeling material layer. Furthermore, the modeling material layer is semi-cured by being subjected to any curing treatment such as light irradiation, cooling, or heating. Here, the semi-curing is a state in which the modeling material layer formed by applying the modeling material is cured so as to have a viscosity that can maintain the shape as a layer and can retain the added binder particles 41. Specifically, when the modeling material is a photocurable material or a thermosetting material, the reaction rate is 20% or more and less than 90%. When the modeling material includes a phase change material and is cured at room temperature, it corresponds to semi-curing even if the reaction rate is less than 20%.
The semi-cured modeling material layer is further cured by being subjected to a curing process.
このような造形材料としては、例えば、光が照射されることにより硬化する光硬化性材料や、熱硬化性材料又は熱可塑性材料等が用いられる。
光硬化性材料としては、例えば、紫外線硬化性樹脂が挙げられ、アクリル酸エステル又はビニルエーテル等のラジカル重合系紫外線硬化性樹脂や、エポキシ又はオキセタン等のモノマーやオリゴマーと、樹脂に応じた反応開始剤としてアセトフェノンやベンゾフェノン等とを組み合わせて使用するカチオン重合系紫外線硬化性樹脂を用いることができる。
熱硬化性材料としては、例えば、熱硬化性樹脂が挙げられ、ラジカル重合系樹脂と熱ラジカル発生剤との組み合わせ等を用いることができる。
熱可塑性材料としては、従来公知の熱可塑性樹脂を用いることができる。造形材料として熱可塑性材料が用いられる場合には、熱可塑性材料は加熱されて軟化した状態でインクジェットヘッド1から吐出される。
As such a modeling material, for example, a photocurable material that cures when irradiated with light, a thermosetting material, a thermoplastic material, or the like is used.
Examples of the photocurable material include an ultraviolet curable resin, a radical polymerization type ultraviolet curable resin such as acrylic acid ester or vinyl ether, a monomer or an oligomer such as epoxy or oxetane, and a reaction initiator depending on the resin. A cationic polymerization ultraviolet curable resin that is used in combination with acetophenone, benzophenone, or the like can be used.
Examples of the thermosetting material include a thermosetting resin, and a combination of a radical polymerization resin and a thermal radical generator can be used.
As the thermoplastic material, a conventionally known thermoplastic resin can be used. When a thermoplastic material is used as the modeling material, the thermoplastic material is discharged from the inkjet head 1 while being heated and softened.
更に、造形材料としては、転移温度Tmを境界として硬度が可逆的に変化する相転移材料を用いることも可能である。造形材料が転移温度Tm以上で軟化する相転移材料である場合には、相転移材料は転移温度Tm以上に加熱されて軟化した状態でインクジェットヘッド1から吐出される。
また、相転移材料は、光硬化性材料に含有された状態で、造形材料として用いられることが好ましい。この場合には、温度を制御することによって造形材料を硬化させることができるとともに、光照射を行うことによって造形材料を硬化させることができるので、造形材料の半硬化状態又は硬化状態を調整しやすい。
Further, as the modeling material, it is also possible to use a phase transition material whose hardness reversibly changes with the transition temperature Tm as a boundary. When the modeling material is a phase transition material that is softened at a transition temperature Tm or higher, the phase transition material is heated from the transition temperature Tm or higher and discharged from the inkjet head 1 in a softened state.
Moreover, it is preferable that a phase change material is used as a modeling material in the state contained in the photocurable material. In this case, the modeling material can be cured by controlling the temperature, and the modeling material can be cured by irradiating light. Therefore, it is easy to adjust the semi-cured state or the cured state of the modeling material. .
また、インクジェットヘッド1からは造形材料が吐出されるものとしたが、造形材料とともに、インクジェットヘッド1の別の吐出ノズル、又はインクジェットヘッド1とは別のインクジェットヘッド(図示略)から、造形材料を支持する支持材料を吐出するものとしても良い。支持材料は、例えば造形対象物がオーバーハングする部位を有している場合等に、造形材料層の下層側に設けられ、三次元造形物の形成が完了するまでオーバーハングする部位を支持する。また、支持材料は、造形材料層に隣接して設けられて、形成される三次元造形物を保護するものとしても良い。このような支持材料は、三次元造形物の形成が完了した後に除去される。 In addition, the modeling material is discharged from the inkjet head 1, but the modeling material is supplied from another ejection nozzle of the inkjet head 1 or an inkjet head (not shown) different from the inkjet head 1 together with the modeling material. The supporting material to be supported may be discharged. The support material is provided on the lower layer side of the modeling material layer, for example, when the modeling target has an overhanging part, and supports the overhanging part until the formation of the three-dimensional modeling object is completed. The support material may be provided adjacent to the modeling material layer to protect the formed three-dimensional modeled object. Such a support material is removed after the formation of the three-dimensional structure is completed.
平坦化部2は、インクジェットヘッド1により形成された造形材料層表面に均しローラー21を接触して造形材料層表面の凹凸を平坦化し、硬化後の造形材料層が所望の層厚になるように平坦化する。平坦化部2により造形材料層表面が平坦化されることにより、三次元造形物を精度良く造形することができる。均しローラー2は、回転駆動可能に構成されている。造形材料層に接する位置における均しローラー21の回転方向は、造形材料層に対する平坦化部2の相対移動方向(図1に示す方向A)と略同じ方向(図1に示す方向B)であり、均しローラー21の回転速度は、均しローラー21と造形材料層の相対移動速度と同一である。これにより、造形ステージ6上の造形材料のうち不要な分を均しローラー21の表面で掻き取りながら、造形材料層表面を効率的に平坦化することができる。均しローラー21の表面に付着した造形材料は、均しローラー21の近傍に設けられたブレード22によって掻き取られ、バス23に回収される。なお、バス23に回収された造形材料は、インクジェットヘッド1に供給されて再利用されるものとしても良いし、廃タンクに輸送されるものとしても良い。 The flattening unit 2 contacts the leveling roller 21 with the surface of the modeling material layer formed by the inkjet head 1 to planarize the unevenness of the surface of the modeling material layer so that the cured modeling material layer has a desired layer thickness. To flatten. By flattening the modeling material layer surface by the flattening unit 2, it is possible to accurately model a three-dimensional modeled object. The leveling roller 2 is configured to be rotationally driven. The rotation direction of the leveling roller 21 at the position in contact with the modeling material layer is substantially the same direction (direction B shown in FIG. 1) as the relative movement direction (direction A shown in FIG. 1) of the flattening unit 2 with respect to the modeling material layer. The rotation speed of the leveling roller 21 is the same as the relative movement speed of the leveling roller 21 and the modeling material layer. Thus, the surface of the modeling material layer can be efficiently flattened while leveling unnecessary portions of the modeling material on the modeling stage 6 and scraping off the surface of the roller 21. The modeling material adhering to the surface of the leveling roller 21 is scraped off by the blade 22 provided in the vicinity of the leveling roller 21 and collected in the bath 23. The modeling material collected in the bus 23 may be supplied to the inkjet head 1 and reused, or may be transported to a waste tank.
硬化部3は、造形ステージ6上に形成された造形材料層に硬化処理を施して、半硬化させる。 The curing unit 3 performs a curing process on the modeling material layer formed on the modeling stage 6 so as to be semi-cured.
硬化部3の構成は、造形材料の性質によって異なる。
図1に示す例では、造形材料が紫外線硬化性材料であるため、硬化部3としては紫外線光源が用いられる。具体的には、硬化部3としては、低圧水銀灯、中圧水銀灯、高圧水銀灯、超高圧水銀灯、カーボンアーク灯、メタルハライドランプ、キセノンランプ又は紫外線LED等を用いることができる。
The configuration of the curing unit 3 varies depending on the properties of the modeling material.
In the example shown in FIG. 1, since the modeling material is an ultraviolet curable material, an ultraviolet light source is used as the curing unit 3. Specifically, as the curing unit 3, a low-pressure mercury lamp, a medium-pressure mercury lamp, a high-pressure mercury lamp, an ultrahigh-pressure mercury lamp, a carbon arc lamp, a metal halide lamp, a xenon lamp, an ultraviolet LED, or the like can be used.
なお、造形材料が熱硬化性材料である場合、硬化部3としては抵抗発熱体等により発熱する加熱手段が用いられる。
また、造形材料が熱可塑性材料である場合、硬化部3としては冷却手段が用いられるが、自然冷却であっても良い。
更に、造形材料が転移温度Tm以上で軟化する相転移材料である場合、硬化部3としては相転移材料を転移温度Tm未満に冷却する冷却手段が用いられるが、自然冷却であっても良い。
In addition, when the modeling material is a thermosetting material, a heating unit that generates heat from a resistance heating element or the like is used as the curing unit 3.
In addition, when the modeling material is a thermoplastic material, a cooling means is used as the curing unit 3, but natural cooling may be used.
Furthermore, when the modeling material is a phase transition material that softens at a transition temperature Tm or higher, a cooling unit that cools the phase transition material to a temperature lower than the transition temperature Tm is used as the curing unit 3, but natural cooling may be used.
添加部4は、硬化部3により半硬化された造形材料層に対してバインダー粒子41を添加する。半硬化状態の造形材料層に対してバインダー粒子41を添加するため、バインダー粒子41が造形材料層上に付着して保持され、バインダー粒子41を効率的に添加することができる。ここで、バインダー粒子とは、造形材料層と化学的に結合したり、表面が凹凸状に形成されて造形材料層に対してアンカー効果を発現したりする粒子であって、造形材料層間の接着性を高めるものである。 The addition unit 4 adds binder particles 41 to the modeling material layer semi-cured by the curing unit 3. Since the binder particles 41 are added to the semi-cured modeling material layer, the binder particles 41 are adhered and held on the modeling material layer, and the binder particles 41 can be efficiently added. Here, the binder particle is a particle that is chemically bonded to the modeling material layer or has an uneven surface and exhibits an anchor effect on the modeling material layer, and is bonded between the modeling material layers. It enhances sex.
添加部4により造形材料層に添加されるバインダー粒子41の添加量は、造形材料の物性、造形材料層の層厚、三次元造形物の物性、及びバインダー粒子41の物性等に応じて制御部7により設定されている。具体的には、造形材料層同士の接着性が低いような場合や、三次元造形物の積層方向の強度を向上させる場合には、バインダー粒子41の添加量を増大する。また、造形材料層の層厚が大きい場合、すなわち、積層ピッチが大きい場合には、形成される三次元造形物の層間に応力が集中しやすくなるため、バインダー粒子41の添加量を増大する。このように、造形材料層同士の接着性を向上させる場合には、バインダー粒子41の添加量を増大させる。また、バインダー粒子41の物性としては、バインダー粒子41の材料、粒径、形状、質量等が挙げられ、これらに応じて当該バインダー粒子41を添加した際の造形材料層間の接着性が変動する。
なお、添加部4によるバインダー粒子41の添加量は、上記各条件に応じて設定されるものでなくとも良く、あらかじめ設定された量であっても良い。
The addition amount of the binder particles 41 added to the modeling material layer by the adding unit 4 depends on the physical properties of the modeling material, the layer thickness of the modeling material layer, the physical properties of the three-dimensional modeling object, the physical properties of the binder particles 41, and the like. 7 is set. Specifically, when the adhesion between the modeling material layers is low, or when the strength in the stacking direction of the three-dimensional model is improved, the amount of the binder particles 41 added is increased. Further, when the layer thickness of the modeling material layer is large, that is, when the stacking pitch is large, the stress is easily concentrated between the layers of the formed three-dimensional modeled object, so that the amount of the binder particles 41 added is increased. Thus, when improving the adhesiveness between modeling material layers, the addition amount of the binder particle 41 is increased. The physical properties of the binder particles 41 include the material, particle size, shape, mass, and the like of the binder particles 41, and the adhesion between the modeling material layers when the binder particles 41 are added varies accordingly.
In addition, the addition amount of the binder particles 41 by the addition unit 4 may not be set according to each of the above conditions, but may be a preset amount.
添加部4は、周面に担持されたバインダー粒子41を造形材料層に添加する添加ローラー42、添加ローラー42にバインダー粒子41を供給するバインダー粒子供給源43等から構成されている。 The addition unit 4 includes an addition roller 42 that adds the binder particles 41 supported on the peripheral surface to the modeling material layer, a binder particle supply source 43 that supplies the binder particles 41 to the addition roller 42, and the like.
添加ローラー42は、例えば、ステンレス等の金属又はアクリル樹脂等の樹脂で構成されている。添加ローラー42の表層が樹脂からなる場合、当該表層にシリカ等の粒子状物が分散されて耐磨耗性が向上されていても良い。 The addition roller 42 is made of, for example, a metal such as stainless steel or a resin such as acrylic resin. When the surface layer of the addition roller 42 is made of a resin, particulate matter such as silica may be dispersed in the surface layer to improve wear resistance.
添加ローラー42の表面には、複数のバインダー粒子41が担持される。添加ローラー42は、担持するバインダー粒子41を造形材料層に接触した状態で造形材料層に対して相対移動し、造形材料層に対する相対移動に従動して回転する。これにより、平坦化部2により平坦化された造形材料層表面に傷等を付けることなく、バインダー粒子41を造形材料層表面に添加することができる。 A plurality of binder particles 41 are carried on the surface of the addition roller 42. The addition roller 42 moves relative to the modeling material layer in a state where the supported binder particles 41 are in contact with the modeling material layer, and rotates following the relative movement with respect to the modeling material layer. Thereby, the binder particles 41 can be added to the modeling material layer surface without scratching the modeling material layer surface flattened by the planarization unit 2.
また、鉛直方向における添加ローラー42と造形材料層との距離は調整可能に構成されており、添加ローラー42表面が造形材料層には直接接触せず、かつバインダー粒子41が造形材料層に接触するような範囲に調整されていることが好ましい。
例えば、図2に示すように、積層ピッチPが15〜30μm、バインダー粒子41の粒径1〜10μmである場合、添加ローラー42と造形材料層間の距離Dは0〜5μmであることが望ましい。造形材料層に対する添加ローラー42の位置決めは、例えばリニアモーター等によってnmオーダーで駆動することで実行可能である。
添加ローラー42がこのように位置制御されていることで、造形ステージ6上に積層された複数の造形材料層のうち最も上に位置する層にのみ添加ローラー42が近接しバインダー粒子41が接触させるので、当該最も上に位置する造形材料層にのみ選択的にバインダー粒子41を添加することができる。
Further, the distance between the addition roller 42 and the modeling material layer in the vertical direction is configured to be adjustable, the surface of the addition roller 42 does not directly contact the modeling material layer, and the binder particles 41 contact the modeling material layer. It is preferable to adjust to such a range.
For example, as shown in FIG. 2, when the stacking pitch P is 15 to 30 μm and the particle size of the binder particles 41 is 1 to 10 μm, the distance D between the addition roller 42 and the modeling material layer is preferably 0 to 5 μm. The positioning of the addition roller 42 with respect to the modeling material layer can be performed by driving the nanometer order with a linear motor or the like, for example.
Since the position of the addition roller 42 is controlled in this way, the addition roller 42 comes close to only the uppermost layer among the plurality of modeling material layers stacked on the modeling stage 6 and the binder particles 41 are brought into contact with each other. Therefore, the binder particles 41 can be selectively added only to the top modeling material layer.
バインダー粒子供給源43は、内部に貯留されたバインダー粒子41を添加ローラー42の表面に供給し、これにより、当該バインダー粒子41が添加ローラー42表面に担持される。バインダー粒子供給源43は、添加ローラー42の周面のうちバインダー粒子41が担持される領域の幅が、造形材料層の幅と同一となるように、添加ローラー42にバインダー粒子41を供給することが好ましい。 The binder particle supply source 43 supplies the binder particles 41 stored therein to the surface of the addition roller 42, whereby the binder particles 41 are supported on the surface of the addition roller 42. The binder particle supply source 43 supplies the binder particles 41 to the addition roller 42 so that the width of the area where the binder particles 41 are carried on the peripheral surface of the addition roller 42 is the same as the width of the modeling material layer. Is preferred.
バインダー粒子供給源43に貯留されているバインダー粒子41としては、当該バインダー粒子41と造形材料層との接着性が、造形材料層同士の接着性よりも大きい粒子が用いられる。
バインダー粒子41としては、例えば、カップリング処理が施された無機粒子又は有機粒子が用いられる。無機粒子としては、例えば、シリカ、アルミナ、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化スズ、酸化アンチモン、酸化インジウム、酸化ビスマス等の各種金属酸化物等が挙げられる。これらを1種類又は2種類以上混合して用いることも可能である。また、有機粒子としては、例えば、カップリング処理剤と反応可能な表面構造を有するものが用いられ、具体的にはシリコーン樹脂粒子等が挙げられる。
As the binder particles 41 stored in the binder particle supply source 43, particles having greater adhesion between the binder particles 41 and the modeling material layer than the adhesion between the modeling material layers are used.
As the binder particles 41, for example, inorganic particles or organic particles subjected to a coupling treatment are used. Examples of the inorganic particles include various metal oxides such as silica, alumina, zinc oxide, titanium oxide, tin oxide, antimony oxide, indium oxide, and bismuth oxide. These can be used alone or in combination. Moreover, as an organic particle, what has the surface structure which can react with a coupling treating agent is used, for example, specifically, a silicone resin particle etc. are mentioned.
バインダー粒子41は、カップリング処理剤により表面処理されていることが好ましい。これにより、バインダー粒子41と造形材料層との接着性を向上させることができる。用いられるカップリング処理剤としては、例えば、シランカップリング剤、チタネートカップリング剤又はリン酸系カップリング剤等が挙げられ、造形材料に含有される化合物と結合可能な官能基を上記粒子に付与できるものが好ましい。例えば、造形材料にアクリル酸エステルが用いられている場合には、カップリング処理によりバインダー粒子41表面にはビニル基が付与されることが好ましい。 The binder particles 41 are preferably surface-treated with a coupling treatment agent. Thereby, the adhesiveness of the binder particle 41 and the modeling material layer can be improved. Examples of the coupling treatment used include a silane coupling agent, a titanate coupling agent, or a phosphoric acid coupling agent, and a functional group capable of binding to a compound contained in a modeling material is imparted to the particles. What can be done is preferred. For example, when an acrylic ester is used for the modeling material, it is preferable that a vinyl group is imparted to the surface of the binder particle 41 by a coupling process.
また、バインダー粒子41は、造形材料層上においてバインダー粒子41が添加される必要のない領域に触れてしまうことを防止するため、球形に近い形状であることが好ましい。例えば、積層ピッチ15〜30μmに対し、バインダー粒子41の粒径は1〜10μmであることが好ましい。このように、バインダー粒子41の粒径は、積層ピッチよりも小さいことが好ましい。造形材料層へのバインダー粒子41の添加量、及び、添加ローラー42に担持されるバインダー粒子41のうち造形材料層に接触するものの量を均一にするため、これらの粒子はシャープな粒径分布を有することが好ましい。
なお、バインダー粒子41は針状等の非球形状の粒子であっても良いが、その場合には、バインダー粒子41の長径が積層ピッチよりも小さいことが好ましい。
Moreover, in order to prevent that the binder particle 41 touches the area | region where the binder particle 41 does not need to be added on a modeling material layer, it is preferable that it is a shape close | similar to a spherical shape. For example, the particle size of the binder particles 41 is preferably 1 to 10 μm with respect to the stacking pitch of 15 to 30 μm. Thus, the particle size of the binder particles 41 is preferably smaller than the stacking pitch. In order to make the addition amount of the binder particles 41 to the modeling material layer and the amount of the binder particles 41 supported by the addition roller 42 in contact with the modeling material layer, these particles have a sharp particle size distribution. It is preferable to have.
The binder particles 41 may be non-spherical particles such as needles, but in that case, the major axis of the binder particles 41 is preferably smaller than the stacking pitch.
図1に示すように、バインダー粒子供給源43が添加ローラー42の表面にバインダー粒子41を接触させて付着させるように構成されている場合には、添加ローラー42表面においてバインダー粒子供給源43よりも回転方向下流側であって、造形材料層に近接する位置よりも回転方向上流側に、規制板(図示略)が設けられている。規制板は、その先端部が添加ローラー42に担持されたバインダー粒子41に当接して、添加ローラー42に担持されるバインダー粒子41の担持量を面方向で一定にする。 As shown in FIG. 1, when the binder particle supply source 43 is configured to contact and adhere the binder particles 41 to the surface of the addition roller 42, the surface of the addition roller 42 is more than the binder particle supply source 43. A regulating plate (not shown) is provided on the downstream side in the rotational direction and on the upstream side in the rotational direction from the position close to the modeling material layer. The restricting plate abuts the binder particles 41 carried on the addition roller 42 at the tip thereof, and makes the carrying amount of the binder particles 41 carried on the addition roller 42 constant in the surface direction.
なお、添加部4は、添加ローラー42が、表面に絶縁層が設けられた導電性回転体で構成され、バインダー粒子供給源43が、帯電されたバインダー粒子41を供給するように構成されていても良い。これにより、バインダー粒子供給源43と添加ローラー42との間に電圧を印加し、帯電されたバインダー粒子41を静電塗装の原理で飛翔させ、添加ローラー42の表面に担持させるように構成されていても良い。これにより、添加ローラー42の周面に、バインダー粒子41を均一に担持させることができる。 In addition, the addition part 4 is comprised so that the addition roller 42 may be comprised with the electroconductive rotary body in which the insulating layer was provided in the surface, and the binder particle supply source 43 supplies the charged binder particle 41. Also good. Thereby, a voltage is applied between the binder particle supply source 43 and the addition roller 42, and the charged binder particles 41 are caused to fly on the principle of electrostatic coating and are carried on the surface of the addition roller 42. May be. Thereby, the binder particles 41 can be uniformly supported on the peripheral surface of the addition roller 42.
また、添加部4は、図3に示すように、電子写真技術の原理を用いた構成であっても良い。すなわち、添加部4は、感光体44、感光体44を一様に帯電させる帯電部45、感光体44に対して像露光を行い静電潜像を形成する露光部46、帯電されたバインダー粒子41で静電潜像を現像する現像部47等を有して構成されている。添加部4は、帯電部45により感光体44を帯電させ、露光部46により感光体44に対して像露光を行い感光体44表面に静電潜像を形成し、感光体44−現像部47間に電圧を印加することによって、現像部47により摩擦帯電されたバインダー粒子41を感光体44表面へ飛翔、付着させる。これによって、感光体44へバインダー粒子41を選択的に担持させることが可能となり、この感光体44を造形材料層に近接してバインダー粒子41を造形材料層に対して接触させることで、造形材料層に対してバインダー粒子41を選択的に添加することができる。 Further, as shown in FIG. 3, the addition unit 4 may have a configuration using the principle of electrophotographic technology. That is, the addition unit 4 includes a photoconductor 44, a charging unit 45 that uniformly charges the photoconductor 44, an exposure unit 46 that performs image exposure on the photoconductor 44 to form an electrostatic latent image, and charged binder particles. 41 includes a developing unit 47 for developing the electrostatic latent image. The adding unit 4 charges the photoconductor 44 by the charging unit 45, and performs image exposure on the photoconductor 44 by the exposure unit 46 to form an electrostatic latent image on the surface of the photoconductor 44. By applying a voltage in between, the binder particles 41 frictionally charged by the developing unit 47 fly and adhere to the surface of the photoreceptor 44. As a result, the binder particles 41 can be selectively supported on the photoconductor 44, and the modeling material is brought into contact with the modeling material layer by bringing the photoconductor 44 close to the modeling material layer. Binder particles 41 can be selectively added to the layer.
添加部4は、添加ローラー42表面に残留したバインダー粒子41や、造形材料層との接触により添加ローラー42表面に付着した造形材料を除去する清掃部(図示略)を更に有していても良い。清掃部は、添加ローラー42の近傍において、造形材料層に近接する位置よりも回転方向下流側であって、バインダー粒子供給源43よりも回転方向上流側に設けられることが好ましい。清掃部としては、例えば、金属板やゴム板等のスクレーパーであっても良いし、ブラシ状に構成されて添加ローラー42表面の付着物を掻き取る部材であっても良い。清掃部により添加ローラー42表面上から除去された付着物は、廃タンクに輸送される。 The addition unit 4 may further include a cleaning unit (not shown) that removes the binder particles 41 remaining on the surface of the addition roller 42 and the modeling material attached to the surface of the addition roller 42 by contact with the modeling material layer. . The cleaning unit is preferably provided in the vicinity of the addition roller 42 on the downstream side in the rotational direction from the position close to the modeling material layer and on the upstream side in the rotational direction from the binder particle supply source 43. As a cleaning part, scrapers, such as a metal plate and a rubber plate, may be sufficient, for example, and it may be a member comprised by the brush shape and scraping off the deposit | attachment on the surface of the addition roller 42. Deposits removed from the surface of the addition roller 42 by the cleaning unit are transported to a waste tank.
このようにして、添加部4によりバインダー粒子41が添加されたN層目(Nは1以上の整数を表す。)の造形材料層上に、再び、インクジェットヘッド1によりN+1層目の造形材料層を形成することで、N層目の造形材料層とN+1層目の造形材料層との接着性を向上させることができる。
ここで、図5は、造形材料層の硬化度と、造形材料層の接着性との関係を概略的に示した図であり、一点鎖線aはバインダー粒子41が添加されていない場合を示しており、実線bはバインダー粒子41が添加された場合を示している。
図5に示すように、造形材料層の硬化度が上昇していくにつれて当該造形材料層の接着性は低下していくが、バインダー粒子41を添加することにより、硬化度に関わらず造形材料層の接着性は向上する。
In this manner, the N + 1-th modeling material layer is again formed by the inkjet head 1 on the N-th modeling material layer (N represents an integer of 1 or more) to which the binder particles 41 have been added by the addition unit 4. By forming, the adhesion between the Nth modeling material layer and the (N + 1) th modeling material layer can be improved.
Here, FIG. 5 is a diagram schematically showing the relationship between the degree of cure of the modeling material layer and the adhesion of the modeling material layer, and the alternate long and short dash line a indicates the case where the binder particles 41 are not added. The solid line b shows the case where the binder particles 41 are added.
As shown in FIG. 5, as the degree of cure of the modeling material layer increases, the adhesion of the modeling material layer decreases, but by adding the binder particles 41, the modeling material layer regardless of the degree of curing. The adhesion is improved.
移動機構5は、インクジェットヘッド1、平坦化部2、硬化部3及び添加部4の各部を一体として、造形ステージ6上で水平方向に移動させる。なお、移動機構5は、各部を鉛直方向に移動させることができるように構成されていても良い。 The moving mechanism 5 moves the inkjet head 1, the flattening unit 2, the curing unit 3, and the adding unit 4 together on the modeling stage 6 in the horizontal direction. The moving mechanism 5 may be configured to move each part in the vertical direction.
移動機構5によりインクジェットヘッド1等の各部を造形ステージ6上で走査する経路については特に限定されるものではない。例えば、まず、塗布膜の形成、平坦化、半硬化及びバインダー粒子41の添加をそれぞれ行いながら、インクジェットヘッド1等を主走査方向に造形ステージ6上の一方の縁部から他方の縁部まで走査する。次に、塗布膜の形成、平坦化、半硬化及びバインダー粒子41の添加を一旦停止し、インクジェットヘッド1等を副走査方向にノズルピッチ分だけ走査する。次に、再び所定の領域に対して塗布膜の形成、平坦化、半硬化及びバインダー粒子41の添加をそれぞれ行いながら、インクジェットヘッド1等を主走査方向に造形ステージ6上の他方の縁部から一方の縁部まで走査する。これらを繰り返すことにより、造形ステージ6上の全体を走査し、造形材料層を形成することができる。 There is no particular limitation on the path for scanning each part of the inkjet head 1 and the like on the modeling stage 6 by the moving mechanism 5. For example, first, the inkjet head 1 or the like is scanned from one edge on the modeling stage 6 to the other edge in the main scanning direction while forming a coating film, flattening, semi-curing, and adding the binder particles 41, respectively. To do. Next, the formation of the coating film, planarization, semi-curing, and addition of the binder particles 41 are temporarily stopped, and the inkjet head 1 and the like are scanned by the nozzle pitch in the sub-scanning direction. Next, the inkjet head 1 and the like are moved from the other edge on the modeling stage 6 in the main scanning direction while forming a coating film on the predetermined region, flattening, semi-curing, and adding the binder particles 41 again. Scan to one edge. By repeating these steps, the entire modeling stage 6 can be scanned to form a modeling material layer.
また、三次元造形物の副走査方向における緻密性を向上するために、インクジェットヘッド1等を副走査方向に走査する際に、ノズルピッチの1/2や1/4の距離分だけ走査するようにしても良い。例えば、75dpiのインクジェットヘッドを使用し、副走査方向にノズルピッチの1/4の距離分だけ走査する場合、2往復、4回の主走査方向への走査で300dpiの層を形成することができる。なお、インクジェットヘッド1等をこのように走査させる場合において、主走査方向における4回目の走査時のみ、硬化部3による造形材料層の半硬化と添加部4によるバインダー粒子41の添加を行うようにしても良い。これにより、1〜4回目の主走査方向における走査により形成された造形材料層のそれぞれに対して均等に紫外線照射を行うことができるとともに、均等にバインダー粒子41を添加することができ、副走査方向における三次元造形物の緻密性の偏りを低減することができる。 Further, in order to improve the denseness of the three-dimensional structure in the sub-scanning direction, when the inkjet head 1 or the like is scanned in the sub-scanning direction, it is scanned by a distance corresponding to 1/2 or 1/4 of the nozzle pitch. Anyway. For example, when an ink jet head of 75 dpi is used and scanning is performed by a distance corresponding to 1/4 of the nozzle pitch in the sub-scanning direction, a 300 dpi layer can be formed by two reciprocations and four scans in the main scanning direction. . When the inkjet head 1 or the like is scanned in this way, the modeling material layer is semi-cured by the curing unit 3 and the binder particles 41 are added by the adding unit 4 only during the fourth scanning in the main scanning direction. May be. Thereby, while being able to perform ultraviolet irradiation equally with respect to each of the modeling material layer formed by the scanning in the 1st-4th main scanning direction, the binder particle | grains 41 can be added equally and subscanning can be performed. The unevenness of the denseness of the three-dimensional structure in the direction can be reduced.
造形ステージ6は、その上面に、上記したインクジェットヘッド1、平坦化部2、硬化部3及び添加部4により三次元造形物が形成され、当該三次元造形物を支持する。造形ステージ6は、鉛直方向に移動可能に構成されており、造形ステージ6上にN層目の造形材料層が形成された後、積層ピッチ分に応じた距離だけ鉛直方向下方に降下する。
なお、造形ステージ6は、インクジェットヘッド1、平坦化部2、硬化部3及び添加部4に対して水平方向に移動可能に構成されていても良い。
A three-dimensional structure is formed on the upper surface of the modeling stage 6 by the inkjet head 1, the flattening unit 2, the curing unit 3, and the adding unit 4, and supports the three-dimensional modeled object. The modeling stage 6 is configured to be movable in the vertical direction. After the Nth modeling material layer is formed on the modeling stage 6, the modeling stage 6 is lowered downward in the vertical direction by a distance corresponding to the stacking pitch.
The modeling stage 6 may be configured to be movable in the horizontal direction with respect to the inkjet head 1, the flattening unit 2, the curing unit 3, and the addition unit 4.
制御部7は、図4に示すように、三次元造形装置100の各部を制御する。制御部7は、図示しないCPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)を備え、三次元造形装置100用の各種処理プログラムに従って各種動作を行う。
具体的には、制御部7は、インクジェットヘッド1、硬化部3及び添加部4を制御して、複数の造形材料層を積層させることにより、三次元造形物を形成する。
The control part 7 controls each part of the three-dimensional modeling apparatus 100 as shown in FIG. The control unit 7 includes a CPU (Central Processing Unit), a RAM (Random Access Memory), and a ROM (Read Only Memory) (not shown), and performs various operations according to various processing programs for the 3D modeling apparatus 100.
Specifically, the control unit 7 controls the inkjet head 1, the curing unit 3, and the addition unit 4 to form a three-dimensional structure by laminating a plurality of modeling material layers.
制御部7には、3Dデータ入力部(図示略)から造形対象物の3Dデータ(例えば、CADデータやデザインデータ等)が入力される。CADデータやデザインデータには、造形対象物の形状データのみならず、表面の一部又は全面及び内部におけるカラー画像情報(色情報)が含まれているものとしても良い。なお、この3Dデータは、造形対象物を設計するコンピュータから直接取得しても良いし、3Dデータを管理/保存するサーバー等から取得しても良い。 The control unit 7 receives 3D data (for example, CAD data and design data) of the modeling target from a 3D data input unit (not shown). The CAD data and the design data may include not only the shape data of the modeling target but also color image information (color information) on a part or the entire surface and inside. The 3D data may be acquired directly from a computer that designs the modeling target, or may be acquired from a server or the like that manages / stores 3D data.
制御部7は、入力された3Dデータに基づいて、CPU等の演算手段により造形材料を三次元で造形するための層毎のデータ(以下、スライスデータという。)を再構築する。また、制御部7は、造形動作中、三次元造形装置100全体の動作を制御する。例えば、移動機構5に、造形材料を造形ステージ6上の所望の領域に吐出するための制御情報を送信するとともに、インクジェットヘッド1にスライスデータを送信する。すなわち、制御部7は、インクジェットヘッド1と移動機構5とを同期させて制御する。 Based on the input 3D data, the control unit 7 reconstructs data for each layer (hereinafter referred to as slice data) for modeling a modeling material in three dimensions by a calculation unit such as a CPU. Moreover, the control part 7 controls the operation | movement of the three-dimensional modeling apparatus 100 whole during modeling operation. For example, control information for discharging the modeling material to a desired region on the modeling stage 6 is transmitted to the moving mechanism 5, and slice data is transmitted to the inkjet head 1. That is, the control unit 7 controls the inkjet head 1 and the moving mechanism 5 in synchronization.
また、例えば、制御部7は、硬化部3が造形材料層を半硬化させるための条件を示す制御情報を、硬化部3に送信する。図1に示す例では、硬化部3として紫外線光源が用いられているため、制御部7は、当該紫外線光源による造形材料を半硬化させるために必要な照度や照射時間等の情報を送信する。
更に、制御部7は、添加部4により造形材料層にバインダー粒子41を添加する添加量を、上記した各種条件により設定し、これを添加部4に送信する。更に、添加部4が図3に示すような電子写真技術を用いた構成である場合には、制御部7は、感光体44上に形成する静電潜像を示す制御情報を添加部4に送信する。
Further, for example, the control unit 7 transmits control information indicating conditions for the curing unit 3 to semi-cure the modeling material layer to the curing unit 3. In the example shown in FIG. 1, since an ultraviolet light source is used as the curing unit 3, the control unit 7 transmits information such as illuminance and irradiation time necessary for semi-curing the modeling material by the ultraviolet light source.
Further, the control unit 7 sets the addition amount for adding the binder particles 41 to the modeling material layer by the addition unit 4 according to the various conditions described above, and transmits this to the addition unit 4. Further, when the addition unit 4 has a configuration using an electrophotographic technique as shown in FIG. 3, the control unit 7 sends control information indicating an electrostatic latent image formed on the photoreceptor 44 to the addition unit 4. Send.
なお、上記制御部7や3Dデータ入力部は、ハードウェアとして構成されていても良いし、制御部7や3Dデータ入力部として機能させる制御プログラムとして構成され、当該制御プログラムを三次元造形装置100又は当該三次元造形装置100を制御する装置で動作させる構成としても良い。 The control unit 7 and the 3D data input unit may be configured as hardware, or may be configured as a control program that functions as the control unit 7 and the 3D data input unit. Or it is good also as a structure operated with the apparatus which controls the said 3D modeling apparatus 100 concerned.
以上のように構成される三次元造形装置100による三次元造形物の形成について、図6を参照して説明する。図6は、三次元造形物を形成する上で、N層目の層及びN+1層目の層の状態を説明する図である。
まず、制御部7はスライスデータに基づいて各部を制御し、移動機構5によりインクジェットヘッド1、平坦化部2、硬化部3及び添加部4を一体として造形ステージ6上で走査しながら、インクジェットヘッド1による造形材料層L11の形成(図6(a)参照)、平坦化部2による造形材料層L11の平坦化、硬化部3による造形材料層L11の半硬化(図6(b)参照)、添加部4による半硬化状態の造形材料層L12へのバインダー粒子41の添加を行う(図6(c)参照)。これにより、造形ステージ6上の所定領域に、バインダー粒子41が添加された半硬化状態の造形材料層L12が形成される。なお、図6に示す例では、バインダー粒子41としては表面処理されたものを用いている。
Formation of a three-dimensional structure by the three-dimensional structure forming apparatus 100 configured as described above will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a diagram illustrating the state of the Nth layer and the (N + 1) th layer in forming a three-dimensional structure.
First, the control unit 7 controls each unit based on the slice data, and scans the inkjet head 1, the flattening unit 2, the curing unit 3, and the addition unit 4 as a unit on the modeling stage 6 by the moving mechanism 5. Formation of the modeling material layer L11 by 1 (see FIG. 6A), planarization of the modeling material layer L11 by the flattening unit 2, semi-curing of the modeling material layer L11 by the curing unit 3 (see FIG. 6B), The binder particles 41 are added to the modeling material layer L12 in a semi-cured state by the addition unit 4 (see FIG. 6C). Thus, a semi-cured modeling material layer L12 to which the binder particles 41 are added is formed in a predetermined region on the modeling stage 6. In the example shown in FIG. 6, surface-treated particles are used as the binder particles 41.
続いて、制御部7は、移動機構5により各部を鉛直方向上方へ積層ピッチ分だけ移動させてから、再びスライスデータに基づいて各部を造形ステージ6上で走査しながら、半硬化状態の造形材料層L12の上に2層目の造形材料層L21を形成し(図6(d)参照)、当該造形材料層L21を平坦化し、造形材料層L21を半硬化し(図6(e)参照)、半硬化状態の造形材料層L21にバインダー粒子41を添加する。造形材料層L21を半硬化することで、下層側に設けられた半硬化状態の造形材料層L12が硬化し、硬化状態の造形材料層L13が形成される。これにより、1層目の造形材料層L13に添加されたバインダー粒子41が、当該造形材料層L13と強く接着するとともに、半硬化状態の造形材料層L22と強く接着する。更に、2層目の造形材料層L21の形成時において、下層側の造形材料層L12は半硬化状態であるため、1層目の造形材料層L12と2層目の造形材料層L21が強く接着する。このようにして、制御部7は、インクジェットヘッド1による造形材料層の形成、平坦化部による造形材料層の平坦化、硬化部3による造形材料層の半硬化、添加部4によるバインダー粒子41の添加を繰り返すことにより、2層目以降の各造形材料層を形成し、積層方向において強度が高い所望形状の三次元造形を形成する。 Subsequently, the control unit 7 moves the respective parts upward by the stacking pitch by the moving mechanism 5, and then scans the respective parts on the modeling stage 6 again based on the slice data, while the semi-cured modeling material A second modeling material layer L21 is formed on the layer L12 (see FIG. 6D), the modeling material layer L21 is flattened, and the modeling material layer L21 is semi-cured (see FIG. 6E). The binder particles 41 are added to the modeling material layer L21 in a semi-cured state. By semi-curing the modeling material layer L21, the semi-cured modeling material layer L12 provided on the lower layer side is cured to form a cured modeling material layer L13. Thereby, the binder particles 41 added to the first modeling material layer L13 strongly adhere to the modeling material layer L13 and strongly adhere to the semi-cured modeling material layer L22. Further, when the second modeling material layer L21 is formed, since the lower modeling material layer L12 is in a semi-cured state, the first modeling material layer L12 and the second modeling material layer L21 are strongly bonded. To do. Thus, the control unit 7 forms the modeling material layer by the inkjet head 1, planarizes the modeling material layer by the flattening unit, semi-cures the modeling material layer by the curing unit 3, and forms the binder particles 41 by the addition unit 4. By repeating the addition, each modeling material layer after the second layer is formed, and a three-dimensional modeling of a desired shape having high strength in the stacking direction is formed.
なお、制御部7が、インクジェットヘッド1による造形材料層の形成と硬化部3による造形材料層の半硬化とを複数回行う毎に、添加部4により造形材料層にバインダー粒子41を添加するものとしても良い。言い換えると、制御部7は、三次元造形物を構成する複数の造形材料層において、いずれかの層間にのみバインダー粒子41を添加するものとしても良いし、いずれかの層間にのみバインダー粒子41を添加しないものとしても良い。
三次元造形物を構成する複数の造形材料層のうちいずれかの層間にのみバインダー粒子41を添加することで、三次元造形物における必要箇所、例えば強度の低い箇所にのみバインダー粒子41を添加して必要最小限のバインダー粒子41を使用して三次元造形物を局所的に補強することができる。
また、三次元造形物を構成する複数の造形材料層のうちいずれかの層間にのみバインダー粒子41を添加しないことで、三次元造形物の積層方向において積極的に強度の低い箇所を設けることができ、積層方向において分離可能な三次元造形物を形成することもできる。
更に、制御部7が、三次元造形物を構成する造形材料層の全ての層間にバインダー粒子41を添加する態様と、三次元造形物を構成する造形材料層のうちいずれかの層間にのみバインダー粒子41を添加する態様とを選択するように構成されていても良い。
In addition, whenever the control part 7 performs the formation of the modeling material layer by the inkjet head 1 and the semi-curing of the modeling material layer by the curing part 3 a plurality of times, the addition part 4 adds the binder particles 41 to the modeling material layer. It is also good. In other words, the control unit 7 may add the binder particles 41 only between any layers in the plurality of modeling material layers constituting the three-dimensional structure, or the binder particles 41 only between any layers. It is good also as what does not add.
By adding the binder particles 41 only between any one of the plurality of modeling material layers constituting the three-dimensional structure, the binder particles 41 are added only to necessary portions in the three-dimensional structure, for example, low-strength portions. Thus, the three-dimensional structure can be locally reinforced using the minimum necessary binder particles 41.
In addition, by not adding the binder particles 41 only between any one of the plurality of modeling material layers constituting the three-dimensional structure, it is possible to actively provide a portion having a low strength in the stacking direction of the three-dimensional structure. It is also possible to form a three-dimensional structure separable in the stacking direction.
Further, the controller 7 adds the binder particles 41 between all the layers of the modeling material layer constituting the three-dimensional structure, and the binder only between any one of the modeling material layers constituting the three-dimensional structure. You may be comprised so that the aspect which adds the particle | grains 41 may be selected.
なお、上記した三次元造形装置100では、吐出部としてインクジェットヘッド1が設けられているものとしたが、インクジェットヘッド1の代わりに別の吐出部が設けられていても良い。
また、上記した三次元造形装置100では、平坦化部2が設けられているものとしたが、平坦化部2は設けられていなくても良い。
また、上記した三次元造形装置100では、添加部4は、添加ローラー42とバインダー粒子供給源43とを有して構成されていなくても良く、例えば、造形材料層上にバインダー粒子41をスプレー塗布して添加できるように構成されていても良い。
In the three-dimensional modeling apparatus 100 described above, the inkjet head 1 is provided as a discharge unit, but another discharge unit may be provided instead of the inkjet head 1.
Further, in the above-described three-dimensional modeling apparatus 100, the flattening unit 2 is provided, but the flattening unit 2 may not be provided.
In addition, in the above-described three-dimensional modeling apparatus 100, the addition unit 4 may not be configured to include the addition roller 42 and the binder particle supply source 43. For example, the binder particles 41 are sprayed on the modeling material layer. You may comprise so that it can apply | coat and add.
また、上記した三次元造形装置100では、移動機構5により、インクジェットヘッド1、平坦化部2、硬化部3及び添加部4が一体として移動するものとしたが、これら各部は別個に設けられていても良い。すなわち、移動機構5はインクジェットヘッド1のみを移動させるものとして構成され、平坦化部2、硬化部3及び添加部4はそれぞれ別の異動機構により移動するものとしても良い。 In the 3D modeling apparatus 100 described above, the inkjet head 1, the flattening unit 2, the curing unit 3, and the addition unit 4 are moved together by the moving mechanism 5, but these units are provided separately. May be. That is, the moving mechanism 5 may be configured to move only the inkjet head 1, and the flattening unit 2, the curing unit 3, and the adding unit 4 may be moved by different moving mechanisms.
続いて、本発明の三次元造形方法について説明する。 Subsequently, the three-dimensional modeling method of the present invention will be described.
以下に説明する三次元造形方法の例では、図6を参照しながら、上記した三次元造形装置100を用いて三次元造形物を形成する方法について説明する。なお、本発明の三次元造形方法は、三次元造形装置100を用いることなく行われるものであっても良い。 In the example of the three-dimensional modeling method described below, a method of forming a three-dimensional modeled object using the above-described three-dimensional modeling apparatus 100 will be described with reference to FIG. The 3D modeling method of the present invention may be performed without using the 3D modeling apparatus 100.
まず、造形ステージ6上において、長手方向に複数の吐出ノズルを有するインクジェットヘッド1を移動機構5により当該長手方向に直交する方向に走査しながら、複数の吐出ノズルから造形材料の液滴を吐出し、造形ステージ6上の所定領域に造形材料層を形成する(層形成工程)。なお、造形材料には、紫外線硬化性樹脂が含有されているものとする。 First, on the modeling stage 6, while the inkjet head 1 having a plurality of discharge nozzles in the longitudinal direction is scanned in a direction perpendicular to the longitudinal direction by the moving mechanism 5, droplets of the modeling material are discharged from the plurality of discharge nozzles. Then, a modeling material layer is formed in a predetermined region on the modeling stage 6 (layer forming step). It is assumed that the modeling material contains an ultraviolet curable resin.
次に、形成された造形材料層に対して、平坦化部2の均しローラー21を接触させ、造形材料層上で均しローラー21を回転させることにより、当該造形材料層の表面を平坦化する(平坦化工程)。 Next, the surface of the modeling material layer is flattened by bringing the leveling roller 21 of the flattening unit 2 into contact with the formed modeling material layer and rotating the leveling roller 21 on the modeling material layer. (Flattening step).
次に、平坦化された造形材料層に対して、硬化部3により紫外線を照射し、当該造形材料層を半硬化させる(半硬化工程)。硬化部3による紫外線照射の照度及び照射時間としては、造形材料層を半硬化させることができるように造形材料に応じて設定する。 Next, the flattened modeling material layer is irradiated with ultraviolet rays by the curing unit 3, and the modeling material layer is semi-cured (semi-curing step). The illuminance and irradiation time of ultraviolet irradiation by the curing unit 3 are set according to the modeling material so that the modeling material layer can be semi-cured.
次に、半硬化された造形材料層に対して、添加ローラー42に担持されたバインダー粒子41を造形材料層に接触させた状態で、添加ローラー42を造形材料層に対して相対移動させ、添加ローラー42を造形材料層に対する相対移動に従動回転させながら、造形材料層にバインダー粒子41を添加する(添加工程)。また、バインダー粒子41としては、当該バインダー粒子41と造形材料層との接着性が、造形材料層同士の接着性よりも大きいものが用いられる。そのようなバインダー粒子41としては、シランカップリング剤、チタネートカップリング剤又はリン酸系カップリング剤等で表面処理されていることが好ましい。
また、添加工程におけるバインダー粒子41の添加量は、造形材料の物性、造形材料層の層厚、三次元造形物の物性、及びバインダー粒子41の物性等に応じて設定することが好ましい。
Next, the addition roller 42 is moved relative to the modeling material layer in a state where the binder particles 41 supported by the addition roller 42 are in contact with the modeling material layer with respect to the semi-cured modeling material layer, and then added. The binder particles 41 are added to the modeling material layer while the roller 42 is driven to rotate relative to the modeling material layer (addition process). In addition, as the binder particles 41, those having greater adhesion between the binder particles 41 and the modeling material layer than the adhesion between the modeling material layers are used. Such binder particles 41 are preferably surface-treated with a silane coupling agent, a titanate coupling agent, or a phosphoric acid coupling agent.
Moreover, it is preferable to set the addition amount of the binder particle 41 in an addition process according to the physical property of modeling material, the layer thickness of a modeling material layer, the physical property of a three-dimensional molded item, the physical property of the binder particle 41, etc.
そして、バインダー粒子41を添加した半硬化状態の造形材料層上に、再び、上記した層形成工程、平坦化工程、半硬化工程及び添加工程を行い、次の造形材料層を形成する。ここで行う半硬化工程によって、層形成工程により形成した造形材料層が半硬化するとともに、下層側の造形材料層が硬化する。
このように、層形成工程、平坦化工程、半硬化工程及び添加工程を繰り返し行うことにより、造形材料層が複数積層されて、三次元造形物を形成することができる。
And the above-mentioned layer formation process, a planarization process, a semi-hardening process, and an addition process are again performed on the modeling material layer of the semi-hardened state which added the binder particle | grains 41, and the next modeling material layer is formed. By the semi-curing process performed here, the modeling material layer formed by the layer forming process is semi-cured and the modeling material layer on the lower layer side is cured.
As described above, by repeatedly performing the layer forming step, the planarization step, the semi-curing step, and the addition step, a plurality of modeling material layers can be stacked to form a three-dimensional structure.
なお、上記した三次元造形方法では、造形材料に紫外線硬化性樹脂が含有されているものとしたが、紫外線硬化性樹脂が含有されていなくても良い。この場合には、半硬化工程において造形材料層を半硬化させる方法は紫外線照射ではなく、造形材料に用いられる材料に応じて適宜設定される。
また、上記した三次元造形方法では、層形成工程の後に平坦化工程を行うものとしたが、平坦化工程は行わなくても良い。
また、上記した三次元造形方法では、層形成工程、平坦化工程及び半硬化工程を行う毎に添加工程を行うものとしたが、層形成工程、平坦化工程及び半硬化工程を複数回行う毎に必要に応じて添加工程を行うものとしても良い。
In the above three-dimensional modeling method, the modeling material contains the ultraviolet curable resin, but the ultraviolet curable resin may not be contained. In this case, the method of semi-curing the modeling material layer in the semi-curing process is appropriately set according to the material used for the modeling material, not ultraviolet irradiation.
In the three-dimensional modeling method described above, the planarization step is performed after the layer formation step, but the planarization step may not be performed.
Moreover, in the above-described three-dimensional modeling method, the addition step is performed every time the layer formation step, the planarization step, and the semi-curing step are performed. It is good also as what performs an addition process as needed.
以上、本実施形態の三次元形成装置及び三次元形成方法によれば、造形材料を吐出して造形材料層を形成し、造形材料層を半硬化させ、半硬化された造形材料層にバインダー粒子41を添加するため、造形材料層間にバインダー粒子41を介在させ、積層方向における強度が高い三次元造形物を精度良く形成することができる。また、半硬化された状態の造形材料層の上に次の造形材料層を積層するため、造形材料層同士の接着性を高めることができる。 As described above, according to the three-dimensional forming apparatus and the three-dimensional forming method of the present embodiment, the modeling material is discharged to form the modeling material layer, the modeling material layer is semi-cured, and the binder particles are formed on the semi-cured modeling material layer. Since 41 is added, the binder particles 41 are interposed between the modeling material layers, and a three-dimensional structure having high strength in the stacking direction can be formed with high accuracy. Moreover, since the next modeling material layer is laminated | stacked on the modeling material layer of the semi-hardened state, the adhesiveness of modeling material layers can be improved.
また、インクジェットヘッド1が、長手方向に複数の吐出ノズルを有するヘッドであり、長手方向に直交する方向に走査しながら、吐出ノズルから造形材料の液滴を吐出することにより造形材料層を形成するため、従来公知の画像形成用のインクジェットヘッドの機構を転用することができる。これにより、低コストで三次元造形物を形成することができる。 The inkjet head 1 is a head having a plurality of discharge nozzles in the longitudinal direction, and forms a modeling material layer by discharging droplets of the modeling material from the discharge nozzles while scanning in a direction orthogonal to the longitudinal direction. Therefore, it is possible to divert the conventionally known mechanism of an inkjet head for image formation. Thereby, a three-dimensional structure can be formed at low cost.
また、造形材料層の表面を平坦化するため、インクジェットヘッド1により形成される造形材料層の表面を平坦にすることができ、各造形材料層を精度良く積層させることができる。これにより、三次元造形物を更に精度良く形成することができる。 Moreover, since the surface of the modeling material layer is flattened, the surface of the modeling material layer formed by the inkjet head 1 can be flattened, and each modeling material layer can be laminated with high accuracy. Thereby, a three-dimensional structure can be formed with higher accuracy.
また、添加部4が、バインダー粒子供給源43により添加ローラー42にバインダー粒子41を供給し、添加ローラー42の周面に担持されたバインダー粒子41を造形材料層に接触させて造形材料層にバインダー粒子41を添加するため、既に複数積層された造形材料層のうち最も上の層にのみバインダー粒子41を添加することができる。このため、バインダー粒子41の使用量を低減することができ、低コストで三次元造形物を形成することができる。 Further, the addition unit 4 supplies the binder particles 41 to the addition roller 42 from the binder particle supply source 43, and the binder particles 41 supported on the peripheral surface of the addition roller 42 are brought into contact with the modeling material layer to be bonded to the modeling material layer. Since the particles 41 are added, the binder particles 41 can be added only to the uppermost layer of the modeling material layers that have already been laminated. For this reason, the usage-amount of the binder particle | grains 41 can be reduced and a three-dimensional structure can be formed at low cost.
また、添加ローラー42を造形材料層に対する相対移動に従動回転させながら、造形材料層にバインダー粒子41を添加するため、造形材料層に傷等を付けることなく、より確実にバインダー粒子41を添加することができる。 Further, since the binder particles 41 are added to the modeling material layer while the addition roller 42 is driven to rotate relative to the modeling material layer, the binder particles 41 are more reliably added without damaging the modeling material layer. be able to.
また、造形材料の物性、バインダー粒子41の物性、造形材料層の層厚、三次元造形物の物性等に応じて、バインダー粒子41の添加量が設定されるため、バインダー粒子41の使用量を必要最小限にすることができ、低コストで三次元造形物を形成することができる。 Moreover, since the addition amount of the binder particle 41 is set according to the physical property of the modeling material, the physical property of the binder particle 41, the layer thickness of the modeling material layer, the physical property of the three-dimensional modeled object, etc., the usage amount of the binder particle 41 is reduced. The three-dimensional structure can be formed at a low cost because it can be minimized.
また、添加ローラー42と造形材料層との距離が調整可能であるため、積層ピッチやバインダー粒子41の粒径に応じて、層間におけるバインダー粒子41の配置を調整することができ、造形材料層の層間の接着性をより確実に向上させることができる。 Moreover, since the distance between the addition roller 42 and the modeling material layer can be adjusted, the arrangement of the binder particles 41 between the layers can be adjusted according to the stacking pitch and the particle size of the binder particles 41, Interlayer adhesion can be improved more reliably.
また、バインダー粒子供給源43が、添加ローラー42の周面のうちバインダー粒子41が担持される領域の幅が、形成される造形材料層の幅と同一となるように、添加ローラー42にバインダー粒子41を供給するため、添加ローラー42の必要箇所にのみバインダー粒子41を添加することができる。これにより、バインダー粒子41の使用量を低減することができ、低コストで三次元造形物を形成することができる。 In addition, the binder particle supply source 43 has the binder particles on the addition roller 42 so that the width of the region where the binder particles 41 are carried on the peripheral surface of the addition roller 42 is the same as the width of the modeling material layer to be formed. Since 41 is supplied, the binder particles 41 can be added only to the necessary portions of the addition roller 42. Thereby, the usage-amount of the binder particle | grains 41 can be reduced and a three-dimensional molded item can be formed at low cost.
また、添加ローラー42が、表面が絶縁処理された導電体で構成され、バインダー粒子供給源43が、帯電されたバインダー粒子41を供給する場合には、添加ローラー42の周面上に均一にバインダー粒子41を担持させることができる。 Further, when the addition roller 42 is composed of a conductor whose surface is insulated, and the binder particle supply source 43 supplies the charged binder particles 41, the binder is uniformly distributed on the peripheral surface of the addition roller 42. The particles 41 can be supported.
また、添加部4が、感光体44と、感光体44を一様に帯電させる帯電部45と、感光体44に対して像露光を行う静電潜像を形成する露光部46と、帯電されたバインダー粒子41で静電潜像を現像する現像部47とを有して構成されている場合には、造形材料層に対して選択的にバインダー粒子41を添加することができる。これにより、例えば、支持材料を使用して三次元造形物を形成するような場合に、支持材料にはバインダー粒子41を添加させずに、造形材料上にのみ選択的にバインダー粒子41を添加することができ、バインダー粒子41の使用量を低減することができる。これにより、低コストで三次元造形物を形成することができる。 The addition unit 4 is charged with a photosensitive member 44, a charging unit 45 that uniformly charges the photosensitive member 44, and an exposure unit 46 that forms an electrostatic latent image that performs image exposure on the photosensitive member 44. In addition, the binder particles 41 can be selectively added to the modeling material layer in the case where the binder particles 41 include the developing unit 47 that develops the electrostatic latent image. Thereby, for example, when forming a three-dimensional structure using a support material, the binder particles 41 are selectively added only on the modeling material without adding the binder particles 41 to the support material. The amount of binder particles 41 used can be reduced. Thereby, a three-dimensional structure can be formed at low cost.
また、形成される各造形材料層の全てに対してバインダー粒子41を添加する場合には、三次元造形物を構成する各造形材料層の層間にバインダー粒子41を介在させることができ、積層方向全体に亘って強度の高い三次元造形物を形成することができる。 Moreover, when adding the binder particle | grains 41 with respect to all the modeling material layers formed, the binder particle | grains 41 can be interposed between the layers of each modeling material layer which comprises a three-dimensional molded item, and a lamination direction A three-dimensional structure with high strength can be formed throughout.
また、バインダー粒子41が、シランカップリング剤、チタネートカップリング剤又はリン酸系カップリング剤で表面処理されているため、バインダー粒子41を確実に造形材料層に接着させることができ、積層方向においてより強度の高い三次元造形物を形成することができる。 In addition, since the binder particles 41 are surface-treated with a silane coupling agent, a titanate coupling agent, or a phosphoric acid coupling agent, the binder particles 41 can be reliably adhered to the modeling material layer in the stacking direction. A three-dimensional structure with higher strength can be formed.
以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example, this invention is not limited to a following example.
[実施例1]
《三次元造形物1−1の作製》
造形ステージ上に、インクジェットヘッドから造形材料としてラジカル重合系の紫外線硬化性樹脂であるウレタンアクリレートを吐出し、造形材料層を形成した。形成した造形材料層に対して、高圧水銀灯を用いて照度100mW/cm2程度で紫外線を所定時間照射し、半硬化した。バインダー粒子として粒径1〜10μmのシリカ粒子を担持した添加ローラーを、半硬化状態の造形材料層に対する相対移動に従動回転させ、当該シリカ粒子を造形材料層に添加した。また、シリカ粒子としては、あらかじめビニル基を有するシランカップリング剤で表面処理が施されたものを用いた。また、シリカ粒子の添加量としては、造形ステージ上に吐出された造形材料に対して10質量%となるように設定した。造形材料層にシリカ粒子を添加した後、造形ステージを積層ピッチ分だけ鉛直方向下方に降下させた。以上のような操作を繰り返して、2層目以降の各造形材料層を形成し、三次元造形物1−1を作製した。
[Example 1]
<< Production of three-dimensional structure 1-1 >>
On the modeling stage, urethane acrylate, which is a radical polymerization type ultraviolet curable resin, was discharged as a modeling material from the inkjet head to form a modeling material layer. The formed modeling material layer was semi-cured by irradiating ultraviolet rays for a predetermined time at an illuminance of about 100 mW / cm 2 using a high-pressure mercury lamp. An addition roller carrying silica particles having a particle diameter of 1 to 10 μm as binder particles was driven to rotate relative to the semi-cured modeling material layer, and the silica particles were added to the modeling material layer. Further, silica particles that had been surface-treated with a silane coupling agent having a vinyl group in advance were used. Further, the addition amount of silica particles was set to 10 mass% with respect to the modeling material discharged on the modeling stage. After adding silica particles to the modeling material layer, the modeling stage was lowered downward in the vertical direction by the stacking pitch. The operation as described above was repeated to form the second and subsequent modeling material layers, and a three-dimensional modeled object 1-1 was produced.
《三次元造形物1−2の作製》
上記した三次元造形物1−1の作製において、半硬化状態の造形材料層にシリカ粒子を添加しなかった以外は同様にして、三次元造形物1−2を作製した。
<< Production of three-dimensional structure 1-2 >>
In the production of the above-described three-dimensional structure 1-1, a three-dimensional structure 1-2 was produced in the same manner except that the silica particles were not added to the semi-cured modeling material layer.
《三次元造形物1−3の作製》
上記した三次元造形物1−1の作製において、造形材料としてのウレタンアクリレートに、バインダー粒子としてのシリカ粒子をあらかじめ含有させたものをインクジェットヘッドから吐出したが、吐出ノズルにインク詰まりが発生し、造形材料層を形成することができなかった。
<< Production of three-dimensional structure 1-3 >>
In the production of the above-described three-dimensional structure 1-1, the urethane acrylate as the modeling material was previously discharged from the inkjet head containing silica particles as the binder particles, but ink clogging occurred in the discharge nozzle, The modeling material layer could not be formed.
《三次元造形物1−1,1−2の評価》
上記のようにして作製した三次元造形物1−1,1−2について下記の評価を行った。評価結果を表1に示す。
<< Evaluation of three-dimensional structure 1-1, 1-2 >>
The following evaluation was performed about the three-dimensional structure 1-1 and 1-2 produced as mentioned above. The evaluation results are shown in Table 1.
(1)造形材料吐出可否
インクジェットヘッドの吐出ノズルからの造形材料の射出状態を目視観察により確認し、下記の基準で評価した。
○:30分連続出射してもノズル欠は発生しない。
×:30分連続出射で、数箇所以上の吐出ノズルでノズル欠が発生する。
(1) Modeling material discharge possibility The injection state of the modeling material from the discharge nozzle of the inkjet head was confirmed by visual observation and evaluated according to the following criteria.
○: No nozzle shortage occurs even after 30 minutes of continuous emission.
X: Nozzle is generated in several or more discharge nozzles by continuous emission for 30 minutes.
(2)引張強度測定
作製した三次元造形物の積層方向における引張強度を、JIS K−7162に準拠して測定し、下記の基準で評価した。
◎:50MPa以上
○:10〜50MPa
×:0〜10MPa
(2) Tensile strength measurement The tensile strength in the lamination direction of the produced three-dimensional structure was measured according to JIS K-7162 and evaluated according to the following criteria.
A: 50 MPa or more O: 10-50 MPa
X: 0 to 10 MPa
(3)破断伸び測定
作製した三次元造形物の積層方向における破断伸びを、JIS K−7162に準拠して測定し、下記の基準で評価した。
◎:10%以上
○:1〜10%
×:0〜1%
(3) Measurement of elongation at break The elongation at break in the stacking direction of the produced three-dimensional structure was measured according to JIS K-7162 and evaluated according to the following criteria.
◎: 10% or more ○: 1-10%
X: 0 to 1%
造形材料にバインダー粒子を含有させた場合には、吐出不良により、造形材料層を形成することができず、精度良く三次元造形物を形成することができなかった。
これに対し、本発明のように、造形材料からなる造形材料層を半硬化させた後、バインダー粒子を添加して層形成を行った場合には、三次元造形物を形成することができた。また、バインダー粒子を添加した造形材料層を積層して三次元造形物を形成することで、バインダー粒子を添加していない造形材料層を積層して形成された三次元造形物と比較して、積層方向における引張強度を向上させることができた。
したがって、本発明の三次元造形方法によれば、層間の接着性が高い三次元造形物を精度良く出力することができるものといえる。
When binder particles were included in the modeling material, the modeling material layer could not be formed due to defective ejection, and a three-dimensional modeled object could not be formed with high accuracy.
On the other hand, as in the present invention, after semi-curing a modeling material layer made of a modeling material, when a layer was formed by adding binder particles, a three-dimensional modeled object could be formed. . In addition, by forming a three-dimensional structure by laminating a modeling material layer to which binder particles are added, compared to a three-dimensional structure formed by laminating a modeling material layer to which no binder particles are added, The tensile strength in the laminating direction could be improved.
Therefore, according to the three-dimensional modeling method of the present invention, it can be said that a three-dimensional modeled object having high adhesion between layers can be output with high accuracy.
[実施例2]
実施例1の三次元造形物1−1の作製において、添加ローラーとして感光体を使用して電子写真技術によりバインダー粒子を造形材料層に添加した以外は同様にして、三次元造形物を作製した。すなわち、帯電部により感光体を一様に帯電し、露光部により感光体に静電潜像を形成し、現像部により帯電されたシリカ粒子を感光体に付着させた。この感光体を造形材料層に近接させて、シリカ粒子を造形材料層に接触させることにより、造形材料層上の静電潜像に応じた領域にシリカ粒子を添加することができた。
したがって、電子写真技術を利用してバインダー粒子を添加することで、造形材料層に対してバインダー粒子を選択的に添加でき、積層方向において強度の高い三次元造形物を形成できることが確認された。
[Example 2]
In the production of the three-dimensional structure 1-1 of Example 1, a three-dimensional structure was prepared in the same manner except that the binder particles were added to the modeling material layer by electrophotography using a photoreceptor as an addition roller. . That is, the photosensitive member was uniformly charged by the charging unit, an electrostatic latent image was formed on the photosensitive member by the exposure unit, and the silica particles charged by the developing unit were attached to the photosensitive member. By bringing the photoconductor close to the modeling material layer and bringing the silica particles into contact with the modeling material layer, the silica particles could be added to the region corresponding to the electrostatic latent image on the modeling material layer.
Therefore, it was confirmed that by adding binder particles using electrophotographic technology, binder particles can be selectively added to the modeling material layer, and a three-dimensional structure having high strength in the stacking direction can be formed.
1 インクジェットヘッド(吐出部)
2 平坦化部
3 硬化部
4 添加部
5 移動機構
6 造形ステージ
7 制御部
21 均しローラー
22 ブレード
23 バス
41 バインダー粒子
42 添加ローラー
43 バインダー粒子供給源
44 感光体
45 帯電部
46 露光部
47 現像部
100 三次元造形装置
L11〜L13、L21、L22 造形材料層
1 Inkjet head (ejection unit)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 Flattening part 3 Curing part 4 Addition part 5 Movement mechanism 6 Modeling stage 7 Control part 21 Leveling roller 22 Blade 23 Bath 41 Binder particle 42 Addition roller 43 Binder particle supply source 44 Photoconductor 45 Charging part 46 Exposure part 47 Development part 100 Three-dimensional modeling apparatus L11-L13, L21, L22 Modeling material layer
Claims (19)
前記造形材料層を半硬化させる半硬化工程と、
半硬化された前記造形材料層にバインダー粒子を添加する添加工程と、を有し、
前記層形成工程と前記半硬化工程とを繰り返して積層される複数の前記造形材料層のうち、少なくともいずれか一層に対して前記添加工程を行うことで、三次元造形物を形成することを特徴とする三次元造形方法。 A layer forming step of forming a modeling material layer by applying a modeling material;
A semi-curing step for semi-curing the modeling material layer;
An addition step of adding binder particles to the semi-cured modeling material layer,
A three-dimensional structure is formed by performing the addition step on at least one of the plurality of modeling material layers laminated by repeating the layer formation step and the semi-curing step. 3D modeling method.
前記造形材料層を半硬化させる硬化部と、
前記造形材料層にバインダー粒子を添加する添加部と、
前記吐出部、前記硬化部及び前記添加部を制御して、複数の造形材料層を積層させることにより三次元造形物を形成する制御部と、を備えることを特徴とする三次元造形装置。 A discharge part for discharging a modeling material to form a modeling material layer;
A curing part for semi-curing the modeling material layer;
An additive part for adding binder particles to the modeling material layer;
A three-dimensional modeling apparatus comprising: a control unit that controls the discharge unit, the curing unit, and the addition unit to form a three-dimensional structure by laminating a plurality of modeling material layers.
前記ヘッドは、前記長手方向に直交する方向に走査しながら、前記吐出ノズルから前記造形材料の液滴を吐出することにより前記造形材料層を形成することを特徴とする請求項11に記載の三次元造形装置。 The ejection part is a head having a plurality of ejection nozzles in the longitudinal direction;
The tertiary according to claim 11, wherein the head forms the modeling material layer by discharging droplets of the modeling material from the discharge nozzle while scanning in a direction orthogonal to the longitudinal direction. Original modeling device.
前記バインダー粒子供給源が、帯電された前記バインダー粒子を供給することを特徴とする請求項14から16のいずれか一項に記載の三次元造形装置。 The roller is composed of a conductor whose surface is insulated,
The three-dimensional modeling apparatus according to any one of claims 14 to 16, wherein the binder particle supply source supplies the charged binder particles.
感光体と、
前記感光体を一様に帯電させる帯電部と、
前記感光体に対して像露光を行い静電潜像を形成する露光部と、
帯電された前記バインダー粒子で前記静電潜像を現像する現像部と、を有することを特徴とする請求項11から13のいずれか一項に記載の三次元造形装置。 The addition part is
A photoreceptor,
A charging unit for uniformly charging the photoreceptor;
An exposure unit that performs image exposure on the photoconductor to form an electrostatic latent image; and
The three-dimensional modeling apparatus according to claim 11, further comprising a developing unit that develops the electrostatic latent image with the charged binder particles.
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