JP2015189085A - Lamination shaping method and lamination shaping apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は積層造形方法、及び積層造形装置に関し、特に金属材料と樹脂材料とを含む3次元構造体を造形することが可能な積層造形方法、及び積層造形装置に関する。 The present invention relates to an additive manufacturing method and an additive manufacturing apparatus, and more particularly, to an additive manufacturing method and an additive manufacturing apparatus capable of forming a three-dimensional structure including a metal material and a resin material.
近年、3次元構造体を構成する各層を積層方向に積層していくことで3次元構造体を形成する3Dプリンタ技術が注目されている。このような3次元構造体を造形する技術としては、光造形法(SL:Stereo Lithography)、熱溶解積層法(FDM:Fused Deposition Molding)、インクジェット法、粉末焼結法(SLS:Selective Laser Sintering)などが知られている。 In recent years, attention has been paid to 3D printer technology that forms a three-dimensional structure by laminating each layer constituting the three-dimensional structure in the stacking direction. Techniques for modeling such a three-dimensional structure include stereolithography (SL), hot melt lamination (FDM), inkjet method, and powder sintering (SLS). Etc. are known.
特許文献1には、粒状の金属材料を溶融して互いに結合させて金属層を形成し、この金属層を積層することで3次元構造体を造形する技術が開示されている。特許文献1には、2種以上の金属材料を用いて3次元構造体を造形する技術や、金属材料と樹脂材料とを用いて3次元構造体を造形する技術が開示されている。
背景技術で説明したように、特許文献1には、金属材料と樹脂材料とを用いて3次元構造体を造形する技術が開示されている。しかしながら、金属材料の融点は樹脂材料の融点よりも高いため、金属材料と樹脂材料とを用いて3次元構造体を形成する場合、溶融された金属材料の熱によって当該金属材料の周囲の樹脂材料が劣化してしまうという問題がある。
As described in the background art,
上記課題に鑑み本発明の目的は、金属材料と樹脂材料とを含む3次元構造体を造形する際に、樹脂材料が劣化することを抑制することが可能な積層造形方法、及び積層造形装置を提供することである。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide an additive manufacturing method and additive manufacturing apparatus capable of suppressing deterioration of a resin material when forming a three-dimensional structure including a metal material and a resin material. Is to provide.
本発明にかかる積層造形方法は、金属材料と樹脂材料とを含む3次元構造体を造形する積層造形方法であって、金属層を形成する工程と、前記形成された金属層を光硬化性樹脂液に浸漬させて、前記形成された金属層を冷却する工程と、前記形成された金属層を前記光硬化性樹脂液に浸漬させた状態で前記光硬化性樹脂液にレーザ光を照射し、当該光硬化性樹脂液を硬化させて樹脂層を形成する工程と、を備える。 The layered manufacturing method according to the present invention is a layered manufacturing method for forming a three-dimensional structure including a metal material and a resin material, the step of forming a metal layer, and the formed metal layer being a photocurable resin. Immersing the photocurable resin liquid in a state of immersing in the liquid and cooling the formed metal layer; and immersing the formed metal layer in the photocurable resin liquid; Curing the photocurable resin liquid to form a resin layer.
本発明にかかる積層造形装置は、金属材料と樹脂材料とを含む3次元構造体を造形する積層造形装置であって、光硬化性樹脂液が収容された収容槽と、鉛直方向に変位可能なステージと、金属層を形成するための金属層形成部と、前記光硬化性樹脂液にレーザ光を照射することで樹脂層を形成する樹脂層形成部と、前記ステージと前記金属層形成部と前記樹脂層形成部とを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記金属層形成部を用いて前記金属層を形成し、前記ステージを降下させて、前記形成された金属層を光硬化性樹脂液に浸漬させ、前記形成された金属層を前記光硬化性樹脂液に浸漬させた状態で、前記樹脂層形成部を用いて前記光硬化性樹脂液にレーザ光を照射し、当該光硬化性樹脂液を硬化させて樹脂層を形成する。 The additive manufacturing apparatus according to the present invention is an additive manufacturing apparatus for forming a three-dimensional structure including a metal material and a resin material, and is capable of being displaced in a vertical direction with a storage tank in which a photocurable resin liquid is stored. A stage, a metal layer forming part for forming a metal layer, a resin layer forming part for forming a resin layer by irradiating the photocurable resin liquid with a laser beam, the stage and the metal layer forming part, A control unit that controls the resin layer forming unit, the control unit forming the metal layer using the metal layer forming unit, lowering the stage, and In the state where the formed metal layer is immersed in the photocurable resin liquid, the laser light is irradiated to the photocurable resin liquid using the resin layer forming unit, The photocurable resin liquid is cured to form a resin layer.
本発明では、金属層を形成した後、当該形成された金属層を光硬化性樹脂液に浸漬させて冷却している。そして、形成された金属層を光硬化性樹脂液に浸漬させた状態で、光硬化性樹脂液にレーザ光を照射し、当該光硬化性樹脂液を硬化させて樹脂層を形成している。このように本発明では、形成された金属層を光硬化性樹脂液を用いて冷却した後に樹脂層を形成しているので、金属層の熱が周囲の樹脂層に伝わることを抑制することができる。よって、金属材料と樹脂材料とを含む3次元構造体を造形する際に、樹脂材料が劣化することを抑制することができる。 In the present invention, after the metal layer is formed, the formed metal layer is immersed in a photocurable resin liquid and cooled. And in the state which the formed metal layer was immersed in the photocurable resin liquid, a laser beam is irradiated to a photocurable resin liquid, the said photocurable resin liquid is hardened, and the resin layer is formed. Thus, in this invention, since the resin layer is formed after cooling the formed metal layer using a photocurable resin liquid, it can suppress that the heat of a metal layer is transmitted to the surrounding resin layer. it can. Therefore, when modeling a three-dimensional structure including a metal material and a resin material, the resin material can be prevented from deteriorating.
本発明により、金属材料と樹脂材料とを含む3次元構造体を造形する際に、樹脂材料が劣化することを抑制することが可能な積層造形方法、及び積層造形装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an additive manufacturing method and an additive manufacturing apparatus capable of suppressing deterioration of a resin material when forming a three-dimensional structure including a metal material and a resin material.
<実施の形態1>
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図1は、実施の形態1にかかる積層造形装置1を示す断面図である。図1に示すように、本実施の形態にかかる積層造形装置1は、光硬化性樹脂液11が収容された収容槽10、ステージ12、金属層形成部14、硬化用レーザ光源(樹脂層形成部)17、制御部20、フィルタ21、及び冷却部22を備える。
<
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an
収容槽10は、上部が開放された箱形の槽である。収容槽10の内部には、例えば紫外線硬化性樹脂液などの光硬化性樹脂液11が収容されている。
The
ステージ12は、形成された3次元構造体30を支持するための台座である。ステージ12は、支持部13によって鉛直方向(上下方向)に変位可能に支持されている。ステージ12の位置は、制御部20によって制御される。例えば、3次元構造体30を形成する際は、ステージ12を下方向に徐々に移動させながら、3次元構造体30を構成する金属層31および樹脂層32を積層していく。また、形成された3次元構造体30を取り出す際は、ステージ12を上方向に移動させて、3次元構造体30を光硬化性樹脂液11の外に出すことで、3次元構造体30を取り出しやすくすることができる。
The
金属層形成部14は、3次元構造体30を構成する金属層31を形成する。金属層形成部14は、金属層31を形成する部分に金属粒子を供給する金属粒子供給部15と、供給された金属粒子を溶融して固化することで金属層31を形成する溶融用レーザ光源16とを備える。例えば、金属層形成部14はレーザクラッド装置を用いて構成することができる。金属層形成部14は、6軸ロボット等の移動装置を用いて移動可能に構成されている。また、金属層形成部14は、金属層31を形成する部分に酸化防止用ガス(Arガス、N2ガス等)を供給することができるように構成されていてもよい。
The metal
金属粒子供給部15から供給される金属粒子の種類は1種類であってもよく、また複数種類であってもよい。金属粒子供給部15から供給される金属粒子の種類が複数である場合、これらの金属粒子を選択的に供給するようにしてもよい。また本実施の形態では、金属層形成部14を複数設けてもよい。例えば、金属粒子には、鉄、アルミニウム、銅、及びこれらの合金等を用いることができる。また、金属層形成部14としてレーザクラッド装置以外の装置を用いてもよい。例えば、ワイヤ金属を溶融して金属層を形成する溶融金属積層造型法を用いてもよい。
The type of metal particles supplied from the metal
硬化用レーザ光源(樹脂層形成部)17は、光硬化性樹脂液11を硬化させるためのレーザ光を照射する。光硬化性樹脂が紫外線硬化性樹脂である場合、レーザ光として紫外線レーザを用いることができる。硬化用レーザ光源17は、ステージ12上の所定の位置にレーザ光を照射することができるように構成されている。換言すると、硬化用レーザ光源17は、形成される3次元構造体30の水平面内の所定の位置にレーザ光を照射することができるように構成されている。例えば、レーザ光の照射位置は、ガルバノスキャナ、MEMSミラー、液晶フィルタなどを用いて制御することができる。ガルバノスキャナ、MEMSミラー、液晶フィルタなどは、硬化用レーザ光源17に内蔵されていてもよく、また硬化用レーザ光源17とは別に設けられていてもよい。また本実施の形態では、硬化用レーザ光源17を複数設けてもよい。
The curing laser light source (resin layer forming unit) 17 irradiates a laser beam for curing the
制御部20は、ステージ12、金属層形成部14、及び硬化用レーザ光源17を制御する。例えば、制御部20は、ステージ12が上下方向に変位するように制御することができる。また、制御部20は、金属粒子供給部15から供給される金属粒子の量、金属粒子の供給の有無、金属粒子を供給する位置等を制御することができる。また、制御部20は、溶融用レーザ光源16から照射されるレーザ光のパワー、レーザ光の照射の有無、レーザ光の照射位置等を制御することができる。更に制御部20は、硬化用レーザ光源17から照射されるレーザ光のパワー、レーザ光の照射の有無、レーザ光の照射位置等を制御することができる。
The
本実施の形態にかかる積層造形装置1は、例えば3次元CAD(Computer Aided Design)による設計データから3次元構造体を所定ピッチでスライスした複数の断面データを作成し、各断面データに基づいて金属層および樹脂層を形成する。つまり、制御部20は、各断面データに基づいて、ステージ12、金属層形成部14、及び硬化用レーザ光源17を制御して3次元構造体を形成する。このとき、制御部20は、3次元構造体の各部位の材質を認識し、金属層および樹脂層を形成する最適な順番を自動で算出してもよい。
The
フィルタ21は、収容槽10に収容されている光硬化性樹脂液11に含まれる不純物を取り除く。ここで、光硬化性樹脂液11に含まれる不純物とは、例えば、金属層形成部14から供給された金属粒子(金属層に定着しないで光硬化性樹脂液11に混入した金属粒子)、樹脂層に定着しなかった光硬化性樹脂、炭化・劣化した光硬化性樹脂などである。例えば、収容槽10に収容されている光硬化性樹脂液11はポンプ(不図示)を用いて循環するように構成されており、循環している光硬化性樹脂液11をフィルタ21に通すことで、光硬化性樹脂液11に含まれる不純物を取り除くことができる。なお、フィルタ21は、このような構成に限定されることはなく、例えば、光硬化性樹脂液11と不純物との比重差を利用して、不純物を沈殿させて取り除くように構成してもよい。
The
冷却部22は、収容槽10に収容されている光硬化性樹脂液11を冷却する。例えば、収容槽10に収容されている光硬化性樹脂液11はポンプ(不図示)を用いて循環するように構成されており、循環している光硬化性樹脂液11を冷却部22を用いて冷却することで、収容槽10に収容されている光硬化性樹脂液11を冷却することができる。なお、冷却部22は、このような構成に限定されることはなく、例えば、収容槽10を直接冷却して光硬化性樹脂液11を冷却するように構成してもよい。
The cooling
次に、本実施の形態にかかる積層造形方法(つまり、積層造形装置1の動作)について説明する。図2は、本実施の形態にかかる積層造形方法を用いて形成される3次元構造体の一例を示す上面図である。図2に示す3次元構造体40は、中心部分に金属材料41が配置され、金属材料41の両側に樹脂材料42_1、42_2が配置されている。また、3次元構造体50は、中心部分に樹脂材料51が配置され、樹脂材料51の両側に金属材料52_1、52_2が配置されている。つまり、3次元構造体40、50は、水平面内において金属材料と樹脂材料とが接する構造となっている。なお、3次元構造体40、50の各水平断面の形状は、各層において同一(つまり、図2に示す上面図と同一)であるものとする。
Next, the additive manufacturing method (that is, the operation of the additive manufacturing apparatus 1) according to the present embodiment will be described. FIG. 2 is a top view showing an example of a three-dimensional structure formed using the layered manufacturing method according to the present embodiment. In the three-
以下、図2に示す3次元構造体40、50の形成方法について、図3A〜図3Fを用いて説明する(なお、図3A〜図3Fでは制御部20の記載を省略している)。まず、図3Aに示すように、ステージ12上に、3次元構造体40を構成する金属層43、及び3次元構造体50を構成する金属層53を形成する。
金属層43、53を形成する際は、ステージ12の表面に金属粒子25を供給しながらレーザ光26で当該金属粒子25を溶融して固化する。このとき、ステージ12の表面に光硬化性樹脂液11が流れ込まないように、ステージ12の表面が光硬化性樹脂液11の液面よりも若干高くなるようにしてもよい。
Hereinafter, a method of forming the three-
When the metal layers 43 and 53 are formed, the
次に、図3Bに示すように、ステージ12を下方向に移動して、形成された金属層43、53を光硬化性樹脂液11に浸漬させる。このように、金属層43、53を光硬化性樹脂液11に浸漬させることで、金属層43、53の熱を光硬化性樹脂液11に移動させることができ、金属層43、53を冷却することができる。
Next, as shown in FIG. 3B, the
図3Bに示す場合は、3次元構造体40、50の一層分の厚さ分だけステージ12を下方向に移動させた場合を示した。しかし、本実施の形態では、例えば、ステージ12を更に深い位置に移動させた後、ステージ12を再び上方向に移動させて、図3Bの位置に戻すようにしてもよく、また、ステージ12を上下方向に複数回、往復移動させるようにしてもよい。このようにステージ12を移動させることで、金属層43、53の熱を効率的に光硬化性樹脂液11に移動させることができる。また、このようにステージ12を移動させることで、3次元構造体の光硬化性樹脂液11が浸入しにくい部分に、光硬化性樹脂液11を浸入させることができる。
In the case shown in FIG. 3B, the
次に、図3Cに示すように、金属層43、53を光硬化性樹脂液11に浸漬させた状態で、光硬化性樹脂液11にレーザ光28を照射し、光硬化性樹脂液11を硬化させて樹脂層44、54を形成する。
Next, as shown in FIG. 3C, in a state where the metal layers 43 and 53 are immersed in the
次に、図3Dに示すように、金属層43、53上に、金属層45、55をそれぞれ形成する。金属層45、55を形成する際は、金属層45、55を形成する形成面に金属粒子25を供給しながらレーザ光26で当該金属粒子25を溶融して固化する。このとき、金属層43、53の表面に光硬化性樹脂液11が流れ込まないように、金属層43、53の表面が光硬化性樹脂液11の液面よりも若干高くなるようにしてもよい。
Next, as shown in FIG. 3D, metal layers 45 and 55 are formed on the metal layers 43 and 53, respectively. When the metal layers 45 and 55 are formed, the
次に、図3Eに示すように、ステージ12を下方向に移動して、形成された金属層45、55を光硬化性樹脂液11に浸漬させる。このように、金属層45、55を光硬化性樹脂液11に浸漬させることで、金属層45、55の熱を光硬化性樹脂液11に移動させることができ、金属層45、55を冷却することができる。
Next, as shown in FIG. 3E, the
図3Eに示す場合は、3次元構造体の一層分の厚さ分だけステージ12を下方向に移動させた場合を示した。しかし、本実施の形態では、例えば、ステージ12を更に深い位置に移動させた後、ステージ12を再び上方向に移動させて、図3Eの位置に戻すようにしてもよく、また、ステージ12を上下方向に複数回、往復移動させるようにしてもよい。このように、ステージ12を移動させることで、金属層45、55の熱を効率的に光硬化性樹脂液11に移動させることができる。
In the case shown in FIG. 3E, the
次に、図3Fに示すように、金属層45、55を光硬化性樹脂液11に浸漬させた状態で、光硬化性樹脂液11にレーザ光28を照射し、光硬化性樹脂液11を硬化させて樹脂層46、56を形成する。
Next, as shown in FIG. 3F, in a state where the metal layers 45 and 55 are immersed in the
このような動作を繰り返すことで、図2に示すような金属材料と樹脂材料とを含む3次元構造体40、50を形成することができる。なお、上記の図3A〜図3Fに示す工程において、収容槽10に収容されている光硬化性樹脂液11は冷却部22を用いて冷却されている。このように、光硬化性樹脂液11を冷却することで、図3A、図3Dで形成された金属層43、45、53、55を迅速に冷却することができる。
By repeating such an operation, the three-
また、図3A〜図3Fに示す工程において、収容槽10に収容されている光硬化性樹脂液11に含まれる不純物はフィルタ21を用いて取り除かれる。例えば、図3A、図3Dにおいて金属層43、45、53、55を形成した際、金属層43、45、53、55に定着しなかった金属粒子は、光硬化性樹脂液11に混入する。このようにして混入した金属粒子(不純物)はフィルタ21によって除去される。また、図3B、図3Eにおいて、金属層43、45、53、55の熱によって光硬化性樹脂液11の一部が固化する場合がある。このようにして固化した光硬化性樹脂はフィルタ21によって除去される。
3A to 3F, impurities contained in the
背景技術で説明したように、特許文献1には、金属材料と樹脂材料とを用いて3次元構造体を造形する技術が開示されている。しかしながら、金属材料の融点は樹脂材料の融点よりも高いため、金属材料と樹脂材料を用いて3次元構造体を形成する場合、溶融された金属材料の熱によって当該金属材料の周囲の樹脂材料が劣化してしまうという問題があった。ここで、金属材料に低融点金属を用いることで、金属材料の融点を樹脂材料の融点に近づけることができ、樹脂材料の劣化をある程度、抑制することができるが、低融点金属は高価であり、また材料の選択肢も限られてしまう。
As described in the background art,
そこで本実施の形態にかかる発明では、金属層を形成した後、当該形成された金属層を光硬化性樹脂液に浸漬させて冷却している(図3B、図3E参照)。そして、形成された金属層を光硬化性樹脂液に浸漬させた状態で、光硬化性樹脂液にレーザ光を照射し、当該光硬化性樹脂液を硬化させて樹脂層を形成している(図3C、図3F参照)。このように本実施の形態にかかる発明では、形成された金属層を光硬化性樹脂液を用いて冷却した後に樹脂層を形成しているので、金属層の熱が周囲の樹脂層に伝わることを抑制することができる。よって、金属材料と樹脂材料とを含む3次元構造体を造形する際に、樹脂材料が劣化することを抑制することができる。 Therefore, in the invention according to the present embodiment, after the metal layer is formed, the formed metal layer is immersed in a photocurable resin liquid and cooled (see FIGS. 3B and 3E). And in the state which the formed metal layer was immersed in the photocurable resin liquid, a laser beam is irradiated to the photocurable resin liquid, the said photocurable resin liquid is hardened, and the resin layer is formed ( 3C and FIG. 3F). As described above, in the invention according to the present embodiment, since the resin layer is formed after the formed metal layer is cooled using the photocurable resin liquid, the heat of the metal layer is transmitted to the surrounding resin layers. Can be suppressed. Therefore, when modeling a three-dimensional structure including a metal material and a resin material, the resin material can be prevented from deteriorating.
なお、図3A〜図3Fで説明した例では、金属層43、53の上に金属層45、55を形成した場合について説明したが、本実施の形態にかかる積層造形方法では、樹脂層の上に金属層を形成するようにしてもよい。この場合は、光硬化性樹脂液を用いて樹脂層を十分に冷却してから、樹脂層の上に金属層を形成するようにすることで、金属層の下部の樹脂層が金属層の熱によって劣化することを抑制することができる。 In the example described with reference to FIGS. 3A to 3F, the case where the metal layers 45 and 55 are formed on the metal layers 43 and 53 has been described. However, in the additive manufacturing method according to the present embodiment, the resin layer Alternatively, a metal layer may be formed. In this case, the resin layer is sufficiently cooled with a photo-curable resin liquid, and then the metal layer is formed on the resin layer so that the resin layer below the metal layer becomes the heat of the metal layer. It can suppress that it deteriorates by.
また、本実施の形態にかかる積層造形方法、及び積層造形装置は、上記構成に限定されることはなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、ステージ12は、光硬化性樹脂液11の液面(つまり、水平面)に対して傾くように構成されていてもよい。つまり、3次元構造体を形成している際にステージ12を水平面に対して傾けることで、様々な形状を備えた3次元構造体を形成することができるようになる。
Further, the additive manufacturing method and additive manufacturing apparatus according to the present embodiment are not limited to the above configuration, and can be appropriately changed without departing from the spirit of the additive manufacturing method. For example, the
また、他の構造体を位置決めしてステージ12上に固定し、上記で説明した積層造形方法を用いて3次元構造体を形成することで、他の構造体の一部に3次元構造体を形成することができる。また、ステージ12上の3次元構造体と光硬化性樹脂液11の液面との距離を一定に保つような機構を設けてもよい。
Further, the other structure is positioned and fixed on the
また本実施の形態では、ステージ12を鉛直方向に加えて水平方向に移動可能に構成してもよい。この場合は、金属層形成部14および硬化用レーザ光源(樹脂層形成部)17を固定してもよい。
In the present embodiment, the
また本実施の形態では、フィルタ21で取り除かれた不純物(金属粒子、炭化・劣化した光硬化性樹脂など)を回収して再利用するように構成してもよい。 In the present embodiment, impurities removed by the filter 21 (metal particles, carbonized / deteriorated photocurable resin, etc.) may be collected and reused.
また本実施の形態では、サーモグラフィー等の温度検出手段を用いて、3次元構造体の温度を監視し、3次元構造体の温度が所定の閾値を超えた場合に、3次元構造体の製造を停止して、光硬化性樹脂液11に3次元構造体を浸して冷却するようにしてもよい。
In the present embodiment, the temperature of the three-dimensional structure is monitored using temperature detection means such as thermography, and the three-dimensional structure is manufactured when the temperature of the three-dimensional structure exceeds a predetermined threshold. You may make it stop and immerse a three-dimensional structure in the
また本実施の形態では、レーザスキャナ等の3次元形状認識手段を用いて3次元構造体の形状を監視し、3次元構造体の形状の精度が所定の指定値を超えた場合には、3次元構造体の製造を停止して、加工用レーザを用いて3次元構造体の形状を補正(つまり、レーザアブレーション加工で補正)してもよい。 In the present embodiment, the shape of the three-dimensional structure is monitored using a three-dimensional shape recognition unit such as a laser scanner. If the accuracy of the shape of the three-dimensional structure exceeds a predetermined specified value, 3 The production of the three-dimensional structure may be stopped, and the shape of the three-dimensional structure may be corrected (that is, corrected by laser ablation processing) using a processing laser.
以上で説明した本実施の形態にかかる発明により、金属材料と樹脂材料とを含む3次元構造体を造形する際に、樹脂材料が劣化することを抑制することが可能な積層造形方法、及び積層造形装置を提供することができる。 By the invention according to the present embodiment described above, a layered manufacturing method capable of suppressing deterioration of the resin material when forming a three-dimensional structure including a metal material and a resin material, and a layered method A modeling apparatus can be provided.
<実施の形態2>
次に、本発明の実施の形態2について説明する。
図4の断面図に示すように、金属粒子25をレーザ光26で溶融させて樹脂層60の上に金属層61を形成した場合は、樹脂層60の位置62(金属層61の下側の位置)が金属層61の熱で局所的に加熱され、樹脂層60が炭化、消失したり、劣化したりするという問題があった。このような問題は、予め樹脂層60を光硬化性樹脂液11を用いて冷却した場合であっても起こり得る問題である。すなわち、樹脂層60の上に金属層61が形成された際に金属層61から樹脂層60に伝わった熱は、樹脂層60の熱伝導率が低いために樹脂層60内で伝わりにくい。このため、金属層61の熱で、金属層61の下側の位置62が局所的に加熱される。つまり、樹脂層60の位置62から周囲に熱が拡散しにくいため、樹脂層60の位置62が局所的に加熱されて炭化、消失してしまう場合がある。
<
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
As shown in the cross-sectional view of FIG. 4, when the
このような問題を解決するために、本実施の形態では、図5の断面図に示すように、樹脂層60の上に、当該樹脂層60よりも熱伝導率の高い熱伝導性樹脂層62を形成し、当該熱伝導性樹脂層62の上に金属層61を形成している。このように、樹脂層60と金属層61との間に熱伝導性樹脂層62を設けることで、金属層61から熱伝導性樹脂層62に伝わった熱を、熱伝導性樹脂層62内において分散させることができる。よって、金属層61の熱で樹脂層60や熱伝導性樹脂層62が局所的に加熱されることを抑制することができるので、樹脂層60や熱伝導性樹脂層62が炭化、消失したり、劣化したりすることを抑制することができる。
In order to solve such a problem, in this embodiment, as shown in the cross-sectional view of FIG. 5, a heat
以下、本実施の形態にかかる積層造形方法について詳細に説明する。なお、本実施の形態で用いられる積層造形装置2は、実施の形態1で説明した積層造形装置1と基本的に同様であるので、同一の構成要素には同一の符号を付し重複した説明は省略する。
Hereinafter, the additive manufacturing method according to the present embodiment will be described in detail. Note that the
図6は、本実施の形態にかかる積層造形方法を用いて形成される3次元構造体の一例を示す断面図である。図6に示す3次元構造体70は、断面形状がU字状の樹脂材料71に金属材料72が埋め込まれている構造となっている。樹脂材料71と金属材料72との間には熱伝導性樹脂層73が設けられている。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing an example of a three-dimensional structure formed using the layered manufacturing method according to the present embodiment. A three-dimensional structure 70 shown in FIG. 6 has a structure in which a
以下、図6に示す3次元構造体70の形成方法について、図7A〜図7Fを用いて説明する(なお、図7A〜図7Fでは制御部20の記載を省略している)。まず、図7Aに示すように、ステージ12上に、3次元構造体70を構成する樹脂層75を形成する。つまり、光硬化性樹脂液11にレーザ光28を照射し、光硬化性樹脂液11を硬化させて樹脂層75を形成する。
Hereinafter, a method of forming the three-dimensional structure 70 shown in FIG. 6 will be described with reference to FIGS. 7A to 7F (note that the description of the
次に、図7Bに示すように、ステージ12を下方向に移動した後、光硬化性樹脂液11にレーザ光28を照射し、光硬化性樹脂液11を硬化させて樹脂層75の上に樹脂層76を形成する。
Next, as shown in FIG. 7B, after moving the
次に、図7Cに示すように、樹脂層75の上に熱伝導性樹脂層77を形成する。熱伝導性樹脂層77は、光硬化性樹脂液11に金属粒子(フィラー)25を供給した後、光硬化性樹脂液11にレーザ光28を照射することで形成することができる。このとき、金属層形成部14の溶融用レーザ光源16からレーザ光は照射されない。換言すると、金属層形成部14は金属粒子25のみを光硬化性樹脂液11に供給する。
Next, as shown in FIG. 7C, a heat
このように、光硬化性樹脂液11に金属粒子25を混入させることで、熱伝導性樹脂層77の熱伝導率を向上させることができる。このとき、熱伝導性樹脂層77に混入する金属粒子25の量を調整することで、熱伝導性樹脂層77の熱伝導率を調整することができる。つまり、熱伝導性樹脂層77に混入する金属粒子25の量を多くするほど、熱伝導性樹脂層77の熱伝導率を高くすることができる。
Thus, the heat conductivity of the heat
なお、図7Cでは、金属層形成部14を用いて金属粒子25を供給する場合を例として示したが、本実施の形態では、金属層形成部14とは別に設けた金属粒子供給手段(不図示)を用いて金属粒子(フィラー)を光硬化性樹脂液11に供給するようにしてもよい。また、熱伝導性樹脂層77は、光硬化性樹脂液11に金属粒子25を供給しながら、光硬化性樹脂液11にレーザ光28を照射することで形成してもよい。つまり、金属粒子25の供給とレーザ光28の照射を同時に実施してもよい。光硬化性樹脂液11に混入する金属粒子(フィラー)の材料には、例えば、鉄、アルミニウム、銅、及びこれらの合金等を用いることができる。
In FIG. 7C, the case where the
次に、図7Dに示すように、熱伝導性樹脂層77の上に、金属層78を形成する。金属層78を形成する際は、熱伝導性樹脂層77の表面に金属粒子25を供給しながらレーザ光26で当該金属粒子25を溶融して固化する。このとき、金属層78の表面に光硬化性樹脂液11が流れ込まないように、熱伝導性樹脂層77の表面が光硬化性樹脂液11の液面よりも若干高くなるようにしてもよい。形成された金属層78の熱は、熱伝導性樹脂層77を介して光硬化性樹脂液11へと伝わり、金属層78が間接的に冷却される。
Next, as shown in FIG. 7D, a
次に、図7Eに示すように、ステージ12を下方向に移動して、形成された金属層78を光硬化性樹脂液11に浸漬させる。このように、金属層78を光硬化性樹脂液11に浸漬させることで、金属層78の熱を光硬化性樹脂液11に移動させることができ、金属層78を直接冷却することができる。
Next, as shown in FIG. 7E, the
図7Eに示す場合は、3次元構造体の一層分の厚さ分だけステージ12を下方向に移動させた場合を示した。しかし、本実施の形態では、例えば、ステージ12を更に深い位置に移動させた後、ステージ12を再び上方向に移動させて、図7Eの位置に戻すようにしてもよく、また、ステージ12を上下方向に複数回、往復移動させるようにしてもよい。このように、ステージ12を移動させることで、金属層78の熱を効率的に光硬化性樹脂液11に移動させることができる。
In the case shown in FIG. 7E, the
次に、図7Fに示すように、金属層78を光硬化性樹脂液11に浸漬させた状態で、光硬化性樹脂液11にレーザ光28を照射し、光硬化性樹脂液11を硬化させて樹脂層79を形成する。
Next, as shown in FIG. 7F, in a state where the
このような動作を繰り返すことで、図6に示すような金属材料と樹脂材料とを含む3次元構造体70を形成することができる。なお、上記の図7A〜図7Fに示す工程において、収容槽10に収容されている光硬化性樹脂液11は冷却部22を用いて冷却されている。このように、光硬化性樹脂液11を冷却することで、図7Dで形成された金属層78を迅速に冷却することができる。
By repeating such an operation, a three-dimensional structure 70 including a metal material and a resin material as shown in FIG. 6 can be formed. In the steps shown in FIGS. 7A to 7F, the
また、図7A〜図7Fに示す工程において、収容槽10に収容されている光硬化性樹脂液11に含まれる不純物はフィルタ21を用いて取り除かれる。例えば、図7Cにおいて、熱伝導性樹脂層77を形成する際に供給された金属粒子25のうち、熱伝導性樹脂層77中に取り込まれなかった金属粒子は、光硬化性樹脂液11に混入する。また、図7Dにおいて金属層78を形成した際、金属層78に定着しなかった金属粒子は、光硬化性樹脂液11に混入する。このようにして混入した金属粒子(不純物)はフィルタ21によって除去される。また、図7Fにおいて、金属層78の熱によって光硬化性樹脂液11の一部が固化する場合がある。このようにして固化した光硬化性樹脂はフィルタ21によって除去される。
7A to 7F, impurities contained in the
本実施の形態にかかる積層造形装置2は、例えば3次元CADによる設計データから3次元構造体を所定ピッチでスライスした複数の断面データを作成し、各断面データに基づいて金属層および樹脂層を形成する。このとき、各断面データに基づいて、図8のフローチャートに示す処理を実施することで、熱伝導性樹脂層を形成するか否かを判断することができる。
The
つまり、図8に示すように、まず、N層(Nは1以上の整数)が樹脂層であるか否かを判断する(ステップS1)。N層が樹脂層である場合(ステップS1:Yes)、N+2層が金属層であるか否かを判断する(ステップS2)。そして、N+2層が金属層である場合(ステップS2:Yes)、N+1層に熱伝導性樹脂層を形成する(ステップS3)。なお、ステップS1においてN層が樹脂層でないと判断された場合(ステップS1:No)、また、ステップS2においてN+2層が金属層でないと判断された場合(ステップS2:No)は、Nの値をインクリメントして、ステップS1において次のN+1層が樹脂層であるか否かを判断する。このような処理を繰り返すことで、熱伝導性樹脂層を形成するか否かを判断することができる。 That is, as shown in FIG. 8, first, it is determined whether or not the N layer (N is an integer of 1 or more) is a resin layer (step S1). When the N layer is a resin layer (step S1: Yes), it is determined whether or not the N + 2 layer is a metal layer (step S2). If the N + 2 layer is a metal layer (step S2: Yes), a thermally conductive resin layer is formed on the N + 1 layer (step S3). If it is determined in step S1 that the N layer is not a resin layer (step S1: No), and if it is determined in step S2 that the N + 2 layer is not a metal layer (step S2: No), the value of N In step S1, it is determined whether or not the next N + 1 layer is a resin layer. By repeating such processing, it is possible to determine whether or not to form a thermally conductive resin layer.
本実施の形態では、このように樹脂層と金属層との間に熱伝導性樹脂層を設けているので、金属層から熱伝導性樹脂層に伝わった熱を、熱伝導性樹脂層内において分散させることができる。よって、金属層の熱で樹脂層や熱伝導性樹脂層が局所的に加熱されることを抑制することができるので、樹脂層や熱伝導性樹脂層が炭化、消失したり、劣化したりすることを抑制することができる。 In the present embodiment, since the heat conductive resin layer is provided between the resin layer and the metal layer as described above, the heat transferred from the metal layer to the heat conductive resin layer is transferred in the heat conductive resin layer. Can be dispersed. Therefore, since it can suppress that a resin layer and a heat conductive resin layer are locally heated with the heat | fever of a metal layer, a resin layer and a heat conductive resin layer are carbonized, lose | disappeared, or deteriorated. This can be suppressed.
また、本実施の形態では、樹脂層と金属層との間に、複数の層からなる熱伝導性樹脂層を形成してもよい。このとき、図9の断面図に示すように、複数の熱伝導性樹脂層81_1〜81_4の熱伝導率が樹脂層80側から金属層82側に向かって徐々に高くなるようにしてもよい。例えば、各々の熱伝導性樹脂層81_1〜81_4に混入する金属粒子(フィラー)の量を調整することで、各々の熱伝導性樹脂層81_1〜81_4の熱伝導率を調整することができる。この場合は、各々の熱伝導性樹脂層81_1〜81_4に含まれる金属粒子の量が、樹脂層80側から金属層82側に向かって徐々に多くなるようにする。
Moreover, in this Embodiment, you may form the heat conductive resin layer which consists of a several layer between a resin layer and a metal layer. At this time, as shown in the cross-sectional view of FIG. 9, the thermal conductivity of the plurality of thermally conductive resin layers 81_1 to 81_4 may be gradually increased from the
このように、複数の熱伝導性樹脂層81_1〜81_4の熱伝導率が樹脂層80側から金属層82側に向かって徐々に高くなるようにすることで、金属層82から伝わった熱を、熱伝導性樹脂層81_1〜81_4内においてより確実に分散させることができる。
In this way, by making the thermal conductivity of the plurality of thermally conductive resin layers 81_1 to 81_4 gradually increase from the
金属粒子の添加量(重量%)としては、例えば、熱伝導性樹脂層81_1に含まれる金属粒子の量を30%、熱伝導性樹脂層81_2に含まれる金属粒子の量を50%、熱伝導性樹脂層81_3に含まれる金属粒子の量を75%、熱伝導性樹脂層81_4に含まれる金属粒子の量を90%とすることができる。 As the addition amount (% by weight) of the metal particles, for example, the amount of the metal particles contained in the heat conductive resin layer 81_1 is 30%, the amount of the metal particles contained in the heat conductive resin layer 81_2 is 50%, and the heat conduction. The amount of metal particles contained in the conductive resin layer 81_3 can be 75%, and the amount of metal particles contained in the thermally conductive resin layer 81_4 can be 90%.
以上、本発明を上記実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。 Although the present invention has been described with reference to the above embodiment, the present invention is not limited only to the configuration of the above embodiment, and within the scope of the invention of the claims of the present application. It goes without saying that various modifications, corrections, and combinations that can be made by those skilled in the art are included.
1、2、3 積層造形装置
10 収容槽
11 光硬化性樹脂液
12 ステージ
13 支持部
14 金属層形成部
15 金属粒子供給部
16 溶融用レーザ光源
17 硬化用レーザ光源(樹脂層形成部)
20 制御部
21 フィルタ
22 冷却部
25 金属粒子
26 レーザ光
28 レーザ光
60 樹脂層
61 金属層
62 熱伝導性樹脂層
80 樹脂層
81_1〜81_4 熱伝導性樹脂層
82 金属層
1, 2, 3
DESCRIPTION OF
Claims (9)
金属層を形成する工程と、
前記形成された金属層を光硬化性樹脂液に浸漬させて、前記形成された金属層を冷却する工程と、
前記形成された金属層を前記光硬化性樹脂液に浸漬させた状態で前記光硬化性樹脂液にレーザ光を照射し、当該光硬化性樹脂液を硬化させて樹脂層を形成する工程と、を備える、
積層造形方法。 An additive manufacturing method for forming a three-dimensional structure including a metal material and a resin material,
Forming a metal layer;
Immersing the formed metal layer in a photocurable resin liquid, and cooling the formed metal layer;
Irradiating the photocurable resin liquid with laser light in a state where the formed metal layer is immersed in the photocurable resin liquid, and curing the photocurable resin liquid to form a resin layer; Comprising
Additive manufacturing method.
前記樹脂層の上に当該樹脂層よりも熱伝導率の高い熱伝導性樹脂層を形成し、
前記熱伝導性樹脂層の上に前記金属層を形成する、
請求項1に記載の積層造形方法。 When forming the metal layer on the resin layer,
On the resin layer, a heat conductive resin layer having a higher thermal conductivity than the resin layer is formed,
Forming the metal layer on the thermally conductive resin layer;
The additive manufacturing method according to claim 1.
光硬化性樹脂液が収容された収容槽と、
鉛直方向に変位可能なステージと、
金属層を形成するための金属層形成部と、
前記光硬化性樹脂液にレーザ光を照射することで樹脂層を形成する樹脂層形成部と、
前記ステージと前記金属層形成部と前記樹脂層形成部とを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記金属層形成部を用いて前記金属層を形成し、
前記ステージを降下させて、前記形成された金属層を前記光硬化性樹脂液に浸漬させ、
前記形成された金属層を前記光硬化性樹脂液に浸漬させた状態で、前記樹脂層形成部を用いて前記光硬化性樹脂液にレーザ光を照射し、当該光硬化性樹脂液を硬化させて樹脂層を形成する、
積層造形装置。 An additive manufacturing apparatus for modeling a three-dimensional structure including a metal material and a resin material,
A storage tank containing a photocurable resin liquid;
A vertically displaceable stage;
A metal layer forming portion for forming the metal layer;
A resin layer forming part for forming a resin layer by irradiating the photocurable resin liquid with a laser beam;
A control unit for controlling the stage, the metal layer forming unit, and the resin layer forming unit,
The controller is
Forming the metal layer using the metal layer forming portion;
Lowering the stage, immersing the formed metal layer in the photocurable resin liquid,
In the state where the formed metal layer is immersed in the photocurable resin liquid, the resin layer forming unit is used to irradiate the photocurable resin liquid with laser light to cure the photocurable resin liquid. To form a resin layer,
Additive manufacturing equipment.
前記樹脂層の上に前記金属層を形成する場合、
前記樹脂層の上に、当該樹脂層よりも熱伝導率の高い熱伝導性樹脂層を形成し、
前記熱伝導性樹脂層の上に前記金属層を形成する、
請求項6に記載の積層造形装置。 The controller is
When forming the metal layer on the resin layer,
On the resin layer, a thermally conductive resin layer having a higher thermal conductivity than the resin layer is formed,
Forming the metal layer on the thermally conductive resin layer;
The additive manufacturing apparatus according to claim 6.
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