JP2015223753A - 三次元造形装置及び三次元造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】造形速度及び形状精度の向上を図ることができる三次元造形装置及び三次元造形方法を提供する。【解決手段】三次元物体を積層造形法により造形する三次元造形装置であって、造形材を出力して積層体２を形成する出力手段３と、積層体２の表面を塑性変形させる表面加工手段４と、出力手段３から出力された造形材を支持する台座５と、出力手段３、表面加工手段４、台座５等を制御する制御手段６と、を備えている。表面加工手段４は、先端が滑らかな形状を有する加工ツール４１と、加工ツール４１を操作する操作手段４２と、を有している。【選択図】図２

Description

本発明は、三次元造形装置及び三次元造形方法に関し、特に、造形速度及び形状精度の向上を図ることができる三次元造形装置及び三次元造形方法に関する。

近年、製品開発において用いられる試作方法であるラピッドプロトタイピングの一つとして、小型化・低価格化された３Ｄプリンタが普及しつつある。ラピッドプロトタイピングには、一般に、造形対象の三次元データを薄板状にスライスして材料を積層することによって三次元物体を造形する積層造形法が使用されており、例えば、熱溶解方式、レーザ焼結方式、光造形方式、粉末積層方式等の方式が一般に知られている。

例えば、特許文献１に記載された三次元造形装置は、レーザ焼結方式に該当するものであり、粉末層を形成する粉末層形成ステップと、粉末層に光ビームを照射して固化層を形成する固化層形成ステップと、造形物の表面を切削する切削ステップと、を有している。

特開２０１３−１６３８２９号公報

ところで、いわゆる３Ｄプリンタでは、造形層を積層して三次元物体を造形することから、三次元物体の表面粗さは、積層ピッチや造形材の出力解像度（液滴や粉末の大きさ、ノズル径等）の影響を受けやすく、滑らかな表面を有する三次元物体を造形することは困難であった。そこで、従来、三次元物体の表面を滑らかにするために、三次元物体を造形した後、溶剤や研磨剤で表面処理を行うことが一般的である。しかしながら、かかる従来の方法では、複雑な形状の三次元物体の場合には、表面処理に時間を要する又は表面処理を行うことができない個所が生じるという問題があった。

また、３Ｄプリンタを産業用途で用いる場合には、造形速度と形状精度の両立が課題とされているところ、造形速度を向上させるためには積層ピッチを大きくする必要があり、形状精度が犠牲になってしまうという問題もあった。

また、上述した特許文献１に記載されたように、固化層を積層しながら、表面切削仕上げを行うことも考えられるが、切削により表面処理を行った場合には、切削により生じた切粉を除去する処理を行わなければならず、造形速度の向上を図ることが難しいという問題があった。

本発明は、上述した問題点に鑑みて創案されたものであり、造形速度及び形状精度の向上を図ることができる三次元造形装置及び三次元造形方法を提供することを目的とする。

本発明によれば、三次元物体を積層造形法により造形する三次元造形装置において、造形材を出力して積層体を形成する出力手段と、前記積層体の表面を塑性変形させる表面加工手段と、を備えることを特徴とする三次元造形装置が提供される。

前記表面加工手段は、先端が滑らかな形状を有する加工ツールと、該加工ツールを操作する操作手段と、を有していてもよい。さらに、前記表面加工手段は、前記加工ツールを加熱する加熱手段を有していてもよい。

また、前記積層体の上に次の前記造形材を出力する前に、前記積層体の上面を平坦にするようにしてもよいし、前記積層体の凹凸に応じて出力する前記造形材の分量を調整するようにしてもよい。

また、本発明によれば、三次元物体を積層造形法により造形する三次元造形方法において、造形材を出力して積層体を形成する出力工程と、前記積層体の表面を塑性変形させる加工工程と、を有することを特徴とする三次元造形方法が提供される。

前記加工工程は、前記積層体の表面を加熱しながら塑性変形させてもよい。また、前記三次元造形方法は、前記加工工程後、次の前記出力工程に移行する前に、前記積層体の上面を平坦にする平坦化工程を有していてもよい。また、前記三次元造形方法は、前記加工工程後、次の前記出力工程に移行する前に、前記積層体の上面の凹凸を計測する計測工程と、該計測工程の計測結果に基づいて前記出力工程で出力する前記造形材の分量を調整する調整工程と、を有していてもよい。

本発明に係る三次元造形装置及び三次元造形方法によれば、積層体の表面を塑性変形するようにしたことから、積層ピッチを大きくした場合であっても積層体の段差をなくして滑らかな表面を形成することができるとともに、切粉等の異物の発生を抑制することができ、造形速度及び形状精度の向上を図ることができる。

本発明の第一実施形態に係る三次元造形装置の概略構成を示す側面図であり、（ａ）は出力工程、（ｂ）は表面加工工程、を示している。 表面加工手段の作用を示す説明図であり、（ａ）は表面加工前の状態、（ｂ）は表面加工後の状態、（ｃ）は表面加工手段の変形例、を示している。 本発明の第一実施形態に係る三次元造形方法を示すフロー図である。 本発明の他の実施形態に係る三次元造形装置を示す図であり、（ａ）は第二実施形態、（ｂ）は第三実施形態、を示している。 本発明の他の実施形態に係る三次元造形方法を示す図であり、（ａ）は第二実施形態、（ｂ）は第三実施形態、を示している。

以下、本発明の実施形態について図１〜図５を用いて説明する。ここで、図１は、本発明の第一実施形態に係る三次元造形装置の概略構成を示す側面図であり、（ａ）は出力工程、（ｂ）は表面加工工程、を示している。図２は、表面加工手段の作用を示す説明図であり、（ａ）は表面加工前の状態、（ｂ）は表面加工後の状態、（ｃ）は表面加工手段の変形例、を示している。図３は、本発明の第一実施形態に係る三次元造形方法を示すフロー図である。

本発明の第一実施形態に係る三次元造形装置１は、図１（ａ）及び（ｂ）に示したように、三次元物体を積層造形法により造形する三次元造形装置であって、造形材を出力して積層体２を形成する出力手段３と、積層体２の表面を塑性変形させる表面加工手段４と、出力手段３から出力された造形材を支持する台座５と、出力手段３、表面加工手段４、台座５等を制御する制御手段６と、を備えている。なお、各図において、紙面の左右方向をＸ方向、紙面の表裏方向をＹ方向、紙面の上下方向をＺ方向、とする。

三次元造形装置１は、例えば、熱溶解方式の三次元造形装置である。ただし、本実施形態に係る三次元造形装置１は、熱溶解方式に限定されるものではなく、塑性変形可能な樹脂や粘土を造形材とするものであれば、他の方式のものであってもよい。

出力手段３は、例えば、造形材を溶融した状態で送り出す本体部３１と、造形材を台座５上に出力するノズル３２と、ノズル３２を支持する支持バー３３と、支持バー３３を昇降可能に支持する支持フレーム３４と、を有している。支持フレーム３４は、例えば、支持バー３３の両端を支持する一対の柱状部材であり、支持バー３３を支持フレーム３４に沿って昇降させる駆動装置３４ａを有している。駆動装置３４ａは、例えば、ボールネジ駆動であるが、チェーン駆動、ベルト駆動、油圧シリンダ等、他の駆動装置であってもよい。なお、本体部３１の支持手段は図を省略してある。

支持バー３３は、支持フレーム３４に略水平に支持されており、駆動装置３４ａによって支持フレーム３４に沿って上下方向（Ｚ方向）に昇降される。支持バー３３の略中央部には、ノズル３２が固定されている。したがって、支持バー３３を昇降させることにより、造形材を出力するノズル３２の高さ位置を任意に調整することができる。

台座５は、例えば、出力手段３のノズル３２から出力される造形材を支持するテーブル５１と、ＸＹ平面内でテーブル５１を移動させる駆動装置５２と、これらを支持する脚部５３と、を有している。駆動装置５２は、例えば、テーブル５１を支持するとともにＸ方向に配置されたボールネジと、テーブル５１及びＸ方向のボールネジを含むユニットを支持するとともにＹ方向に配置されたボールネジと、により構成される。

すなわち、テーブル５１及び駆動装置５２は、いわゆるＸＹテーブル又はＸＹステージを構成している。なお、駆動装置５２は、テーブル５１をＸＹ平面内で移動させることができれば、図示した構成に限定されるものではない。また、駆動装置５２は、ＸＹ平面内でテーブル５１を回動させる構成を有していてもよい。

三次元物体を形成するためには、ＸＹ平面内で所定の形状を有する造形層を形成するように、出力手段３のノズル３２から造形材を出力する必要がある。本実施形態では、台座５のテーブル５１をＸＹ平面内で移動させるようにしたことから、ノズル３２を水平方向に移動させる必要がない。

また、三次元物体を形成するためには、造形材を積層していく必要があることから、造形材の出力位置を少しずつ上方にずらしていく必要がある。この上下方向（Ｚ方向）の移動については、上述したように、ノズル３２を昇降させるようにすればよい。このように、ＸＹ方向の移動を台座５に負担させ、Ｚ方向の移動をノズル３２に負担させることにより、装置の簡素化及び小型化を図ることができる。なお、かかる構成は単なる一例であり、台座５をＺ方向に移動させるようにしてもよいし、ノズル３２をＸＹ方向に移動させるようにしてもよいし、台座５又はノズル３２のいずれか一方をＸＹＺ方向に移動させるようにしてもよい。

表面加工手段４は、例えば、先端が滑らかな形状を有する加工ツール４１と、加工ツール４１を操作する操作手段４２と、を有している。加工ツール４１は、例えば、先端が球形状に形成された造形ビットである。なお、加工ツール４１の先端は球形状に限定されるものではなく、所定の曲率を有する滑らかな形状であればよい。また、加工ツール４１の先端の径や曲率は、三次元物体の表面の形状に応じて適宜変更するようにしてもよい。

操作手段４２は、例えば、多関節を有するロボットアームにより構成される。ロボットアームの先端は、加工ツール４１を着脱可能に把持する。操作手段４２は、造形材の出力中は、図１（ａ）に示したように、テーブル５１と干渉しない位置に退避している。所定の積層体２が形成されると、ノズル３２が操作手段４２と干渉しないように上方に退避し、操作手段４２は加工ツール４１を積層体２に接近させ、加工ツール４１の先端を積層体２の表面に押し付けながら所定の表面加工を行う。

また、加工ツール４１により積層体２の表面加工を行う際には、台座５の中心位置に積層体２の加工部位が位置決めされるように、テーブル５１をＸＹ平面内で移動させるようにしてもよいし、テーブル５１を初期位置に戻した後で、積層体２の加工部位に加工ツール４１が臨むように操作手段４２を操作するようにしてもよい。

なお、表面加工手段４の構成は、図示した構成に限定されるものではなく、操作手段４２は、テーブル５１の上方を走行可能に構成されたものであってもよいし、表面加工手段４は、テーブル５１や支持フレーム３４に配置されていてもよい。

また、表面加工手段４は複数配置されていてもよい。また、加工ツール４１により塑性変形される積層体２の表面は、積層体２の外表面に限定されるものではなく、積層体２の内部に形成された空洞部の表面（積層体２の内表面）であってもよい。また、表面加工手段４は、加工部位に応じて加工ツール４１を交換するようにしてもよい。

ここで、表面加工手段４の作用について、図２（ａ）及び（ｂ）を参照しつつ説明する。図２（ａ）に示したように、最初に、加工ツール４１の先端を積層体２の表面加工したい位置に配置する。そして、加工ツール４１の先端を所定の圧力で積層体２の表面に押し付けながら、積層体２の表面の段差をなくすように加工ツール４１を移動させる。その結果、図２（ｂ）に示したように、積層体２の表面が塑性変形され、段差が消失し、滑らかな表面が得られる。なお、表面加工手段４は、押し付け力を一定にするために、力センサを有していてもよい。

また、積層体２の表面加工の開始直後は、造形材は十分な柔らかさを有しているものの、時間が経過するにつれて造形材は徐々に固化する。そこで、図２（ｃ）に示した変形例のように、表面加工手段４は、加工ツール４１を加熱する加熱手段４３を有していてもよい。加熱手段４３は、加工ツール４１内に配置され、短時間かつ局所的に加熱及び温度調節することができる手段（例えば、電気ヒータ等）であることが好ましい。

このように、加工ツール４１を加熱することにより、固化した粘土や樹脂等の造形材であっても表面を柔らかくすることができ、塑性変形させることができる。なお、加熱手段４３は、かかる構成に限定されるものではなく、操作手段４２に配置されていてもよいし、加工ツール４１及び操作手段４２から独立して配置されていてもよい。

制御手段６は、出力手段３の本体部３１、ノズル３２の駆動装置３４ａ、表面加工手段４、台座５の駆動装置５２等を制御する。具体的には、制御手段６は、例えば、ノズル３２の高さ位置、テーブル５１のＸＹ座標位置、ノズル３２から出力する造形材の分量や粘度、加工ツール４１の位置決めや表面加工操作等を制御する。

また、制御手段６は、図３に示したフロー図に基づいて、積層体２の表面加工を行う。すなわち、本実施形態に係る三次元造形方法は、造形材を出力して積層体２を形成する出力工程（Ｓｔｅｐ１）と、積層体２の積層数を確認する積層数確認工程（Ｓｔｅｐ２）と、積層体２の表面を塑性変形させる加工工程（Ｓｔｅｐ３）と、積層体２の合計層数を確認する合計層数確認工程（Ｓｔｅｐ４）と、を有している。

出力工程（Ｓｔｅｐ１）は、テーブル５１をＸＹ平面内で移動させながら、造形材をノズル３２からテーブル５１上に出力する工程である。三次元物体の三次元データは、制御手段６が記憶しており、積層ピッチを設定することにより、三次元物体を垂直方向に複数に分割し、造形層の三次元データを形成する。この三次元データに基づいて、ノズル３２及びテーブル５１を制御して各造形層を形成する。

積層数確認工程（Ｓｔｅｐ２）は、一層分の造形層を出力した後、積層体２の積層数（造形層の数）をカウントする工程である。そして、予め設定しておいた積層回数に達した場合（Ｙｅｓ）には、次工程の加工工程（Ｓｔｅｐ３）に移行し、予め設定しておいた積層回数に達していない場合（Ｎｏ）には、出力工程（Ｓｔｅｐ１）に戻る。なお、初期設定される積層回数は、１以上の整数であればよい。

加工工程（Ｓｔｅｐ３）は、表面加工手段４を操作して積層体２の表面を塑性変形する工程である。具体的には、図２に示したように、加工ツール４１を操作手段４２により操作して、積層体２の表面を塑性変形させる。また、図２（ｃ）に示したように、積層体２の表面を加熱しながら塑性変形させるようにしてもよい。

合計層数確認工程（Ｓｔｅｐ４）は、積層体２の表面加工が終了した後、積層体２の合計層数（造形層の総数）をカウントする工程である。そして、積層体２の合計層数が、予め設定しておいた数値（終了値）に達した場合（Ｙｅｓ）には作業を終了し、予め設定しておいた数値（終了値）に達していない場合（Ｎｏ）には出力工程（Ｓｔｅｐ１）〜合計層数確認工程（Ｓｔｅｐ４）を繰り返す。なお、初期設定される合計層数は、１以上の整数であればよい。

上述した本実施形態に係る三次元造形装置１及び三次元造形方法では、積層体２の表面を塑性変形するようにしたことから、積層ピッチを大きくした場合であっても積層体２の段差をなくして滑らかな表面を形成することができるとともに、切粉の発生を抑制することができ、造形速度及び形状精度の向上を図ることができる。

次に、本発明の他の実施形態に係る三次元造形装置及び三次元造形方法について、図４（a）〜図５（ｂ）を参照しつつ説明する。ここで、図４は、本発明の他の実施形態に係る三次元造形装置を示す図であり、（ａ）は第二実施形態、（ｂ）は第三実施形態、を示している。図５は、本発明の他の実施形態に係る三次元造形方法を示す図であり、（ａ）は第二実施形態、（ｂ）は第三実施形態、を示している。なお、上述した第一実施形態に係る三次元造形装置及び三次元造形方法と同一の構成要素については、同じ符号を付して重複した説明を省略する。

図４（ａ）に示した第二実施形態に係る三次元造形装置１は、積層体２の表面の塑性変形加工が終了した後、積層体２の上に次の造形材を出力する前に、積層体２の上面を平坦にするようにしたものである。具体的には、三次元造形装置１は、テーブル５１のＸ方向に走行可能に配置されたローラ装置７を有している。

ローラ装置７は、例えば、テーブル５１のＹ方向の略両端に亘る長さを有するローラ７１と、テーブル５１のＹ方向の両端部表面に走行可能に配置されローラ７１を支持する一対の支持部材７２と、を有する。支持部材７２は、Ｚ方向に伸縮可能に構成されており、積層体２の高さに合わせて調整される。ローラ装置７は、制御手段６により、図５（ａ）に示したフロー図に基づいて制御される。

制御手段６が処理するフローは、図５（ａ）に示したように、加工工程（Ｓｔｅｐ３）後に合計層数確認工程（Ｓｔｅｐ４）を経た後、次の出力工程（Ｓｔｅｐ１）に移行する前に、積層体２の上面を平坦にする平坦化工程（Ｓｔｅｐ５）を有している。具体的には、合計層数確認工程（Ｓｔｅｐ４）において、積層体２の合計層数が、予め設定しておいた数値（終了値）に達していない場合（Ｎｏ）に、平坦化工程（Ｓｔｅｐ５）に移行し、その後、出力工程（Ｓｔｅｐ１）に移行する。

平坦化工程（Ｓｔｅｐ５）では、ローラ７１の高さを積層体２の高さに合わせた後、支持部材７２をテーブル５１上でＸ方向に走行させることにより、積層体２の上面をローラ７１によって押圧し、塑性変形させて平坦化する。なお、積層体２の造形材が固化している場合に備えて、ローラ７１の内部にヒータを配置し、ローラ７１を加熱するようにしてもよい。

上述したローラ装置７を配置して平坦化工程（Ｓｔｅｐ５）を実行することにより、積層体２の表面を表面加工手段４により塑性変形させた際に、積層体２の上面に凹凸が生じた場合であっても、積層体２の上面を平坦にすることができ、積層体２の形状精度を維持することができる。なお、積層体２の上面を平坦化する手段は、図示したローラ装置７に限定されるものではなく、積層体２の上面を平坦に均すことができる装置であれば他の構成であってもよい。

図４（ｂ）に示した第三実施形態に係る三次元造形装置１は、積層体２の表面の塑性変形加工が終了した後、積層体２の上に次の造形材を出力する前に、積層体２の上面の凹凸に応じて出力する造形材の分量を調整するようにしたものである。具体的には、三次元造形装置１は、積層体２の上面の凹凸を計測する計測手段８を有している。

計測手段８は、例えば、レーザ光や超音波を用いた三次元距離計測器である。計測手段８は、例えば、図４（ｂ）に示したように、出力手段３の支持バー３３に固定されており、積層体２の上方からレーザ光や超音波を積層体２の上面に照射する。計測手段８は、制御手段６により、図５（ｂ）に示したフロー図に基づいて制御される。なお、計測手段８の固定場所は、支持バー３３に限定されるものではない。

制御手段６が処理するフローは、図５（ｂ）に示したように、加工工程（Ｓｔｅｐ３）後に合計層数確認工程（Ｓｔｅｐ４）を経た後、次の出力工程（Ｓｔｅｐ１）に移行する前に、積層体２の上面の凹凸を計測する計測工程（Ｓｔｅｐ６）と、計測工程の計測結果に基づいて出力工程（Ｓｔｅｐ１）で出力する造形材の分量を調整する調整工程（Ｓｔｅｐ７）と、を有している。具体的には、合計層数確認工程（Ｓｔｅｐ４）において、積層体２の合計層数が、予め設定しておいた数値（終了値）に達していない場合（Ｎｏ）に、計測工程（Ｓｔｅｐ６）に移行し、調整工程（Ｓｔｅｐ７）を経た後、出力工程（Ｓｔｅｐ１）に移行する。

計測工程（Ｓｔｅｐ６）では、積層体２の上面に計測手段８からレーザ光や超音波を照射して、その受信波の時間のずれを利用して積層体２の上面の凹凸を計測する。調整工程（Ｓｔｅｐ７）では、積層体２の上面の凹凸の位置をＸＹ座標面上で特定し、造形材を出力した後の上面が略平坦となるように、出力する造形材の分量を調整する。例えば、造形材の分量は、凹部の出力を増やしたり、凸部の出力を減らしたりするように調整される。

上述した計測手段８を配置して計測工程（Ｓｔｅｐ６）及び調整工程（Ｓｔｅｐ７）を実行することにより、積層体２の表面を表面加工手段４により塑性変形させた際に、積層体２の上面に凹凸が生じた場合であっても、次の造形材を出力した後の積層体２の上面を略平坦にすることができ、積層体２の形状精度を維持することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。

１ 三次元造形装置
２ 積層体
３ 出力手段
４ 表面加工手段
５ 台座
６ 制御手段
７ ローラ装置
８ 計測手段
３１ 本体部
３２ ノズル
３３ 支持バー
３４ 支持フレーム
３４ａ 駆動装置
４１ 加工ツール
４２ 操作手段
４３ 加熱手段
５１ テーブル
５２ 駆動装置
５３ 脚部
７１ ローラ
７２ 支持部材

Claims (8)

1. 三次元物体を積層造形法により造形する三次元造形装置において、
   造形材を出力して積層体を形成する出力手段と、
   前記積層体の表面を塑性変形させる表面加工手段と、
   を備えることを特徴とする三次元造形装置。
2. 前記表面加工手段は、先端が滑らかな形状を有する加工ツールと、該加工ツールを操作する操作手段と、を有することを特徴とする請求項１に記載の三次元造形装置。
3. 前記表面加工手段は、前記加工ツールを加熱する加熱手段を有する、ことを特徴とする請求項２に記載の三次元造形装置。
4. 前記積層体の上に次の前記造形材を出力する前に、前記積層体の上面を平坦にする、又は、前記積層体の凹凸に応じて出力する前記造形材の分量を調整するようにした、ことを特徴とする請求項１に記載の三次元造形装置。
5. 三次元物体を積層造形法により造形する三次元造形方法において、
   造形材を出力して積層体を形成する出力工程と、
   前記積層体の表面を塑性変形させる加工工程と、
   を有することを特徴とする三次元造形方法。
6. 前記加工工程は、前記積層体の表面を加熱しながら塑性変形させる、ことを特徴とする請求項５に記載の三次元造形方法。
7. 前記加工工程後、次の前記出力工程に移行する前に、前記積層体の上面を平坦にする平坦化工程を有する、ことを特徴とする請求項５に記載の三次元造形方法。
8. 前記加工工程後、次の前記出力工程に移行する前に、前記積層体の上面の凹凸を計測する計測工程と、該計測工程の計測結果に基づいて前記出力工程で出力する前記造形材の分量を調整する調整工程と、を有することを特徴とする請求項５に記載の三次元造形方法。