JP2017159620A - 立体造形物を造形する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱処理空間内で立体造形を行うときに処理空間内の温度が低下するのを抑制しながら立体造形物を取り出す方法の提供。【解決手段】断熱壁３Ａ〜３Ｆによって囲まれた処理空間３０を形成するチャンバ３と、チャンバ３内に配置され、層状造形物３０１が積層されて立体造形物３００が造形される造形ステージ４と、造形ステージ４に向けて造形材料を付与する造形ヘッド１０とを備え、造形ステージ４は層状造形物３０１の積層方向（Ｚ方向）と直交する方向に移動可能に配置されたベルト部材４１を有してより、立体造形物３００を断熱扉３３を開け、取り出し室３５へ移動し、断熱扉３３を閉め、外装扉３６より立体造形物３００を取り出す手段を有する立体造形物３００を造形する装置１。【選択図】図６

Description

本発明は立体造形物を造形する装置に関する。

立体造形物（三次元造形物）を造形する装置として、例えば熱溶解積層法（ＦＤＭ）などのように予め加熱された処理空間内で造形するものがある。

例えば、立体造形物を造形するときに加熱するチャンバ、チャンバ中に配置されるステージ、チャンバの内側にヘッド、およびヘッドとステージとの間で三次元の相対運動を発生させるためにヘッド及びステージに結合するｘ−ｙ−ｚ駆動機構を備え、ｘ−ｙ−ｚ駆動機構がチャンバの外に配置され、そして変形可能な断熱材によりチャンバから分離されている装置がある（特許文献１）。

特許第３９９５９３３号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている装置にあっては、立体造形物を造形が完了しても、チャンバ内が高温になっているため、チャンバ内が立体造形物を取り出し可能な温度に降温するまでに長い時間がかかり、その間は立体造形物を取出すことができないという課題がある。

しかも、いったん降温するために、再度、立体造形物の造形を開始するためには、チャンバ内を再度加熱しなければならず、タクトタイムが長くなるという課題もある。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、チャンバ内の降温を抑制しながら立体造形物を取り出せるようにすることを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係る立体造形物を造形する装置は、
断熱壁によって囲まれた処理空間を形成するチャンバと、
前記チャンバ内に配置され、層状造形物が積層されて立体造形物が造形される造形ステージと、
前記造形ステージに向けて造形材料を付与する造形材付与手段と、を備え、
前記造形ステージは、前記層状造形物の積層方向と直交する方向に移動可能である
構成とした。

本発明によれば、チャンバ内の降温を抑制しながら立体造形物を取り出せるようにすることができる。

本発明の第１実施形態に係る装置の外観斜視説明図である。 同装置の正面説明図である。 同装置の側面説明図である。 同装置の制御部の概要のブロック説明図である。ｄ 同実施形態の作用説明に供する造形開始時の側面説明図である。 同じく造形中の側面説明図である。 同じく造形完了後の立体造形物の移送中の側面説明図である。 同じく造形完了後の立体造形物の排出中の側面説明図である。 同じく造形完了後の立体造形物の収容後の側面説明図である。 発明の第２実施形態に係る装置の側面説明図である。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。本発明の第１実施形態に係る装置について図１ないし図３を参照して説明する。図１は同装置の外観斜視説明図、図２は同装置の正面説明図、図３は同装置の側面説明図である。

この立体造形物を造形する装置（立体造形装置という。）１は、本体フレーム（外装）２内にチャンバ３と、チャンバ３内に配置され、層状造形物３０１が積層されて立体造形物３００が造形される（図６参照）造形ステージ４と、造形材付与手段である造形ヘッド１０を備えている。

チャンバ３の内部は、立体造形物を造形するための処理空間３０となっている。チャンバ３内の処理空間３０を囲っている壁部は、その大部分又はその全部が断熱機能を有する断熱壁で構成されている。

チャンバ３の天井壁部３Ａは、例えばＸ方向に移動可能なスライド断熱部材によって構成された断熱壁である。チャンバ３の装置左右方向（図２の左右方向＝Ｘ方向）の側壁部３Ｂ、３Ｃ、底壁部３Ｄ、装置前後方向（図３のＹ方向）の後壁部３Ｅ及び前壁部３Ｆは、例えば、ガラスウール等を内包した断熱材を内側板と外側板の間に挟み込んだ構造をもつ断熱壁で構成されている。

チャンバ３内の処理空間３０に、処理空間３０を加熱する処理空間加熱手段としてのチャンバ用ヒータ７が設けられている。また、チャンバ３の外側であって装置１の本体フレーム２内には、本体フレーム２内を冷却する装置内冷却装置８が配置されている。

造形ステージ４は、チャンバ３の底壁部３Ｄ上に配置され、層状造形物３０１が積層される無端状のベルト部材４１を有している。

ベルト部材４１は、駆動ローラ４２と従動ローラ４３との間に、Ｙ方向に周回移動及び往復移動可能に掛け回されている。駆動ローラ４２及び従動ローラ４３は、チャンバ３の底壁部３Ｄ上に設けられたベルト支持部材４５に回転可能に保持されている。なお、駆動ローラ４２及び従動ローラ４３にはテンションスプリング４４が設けられている。

これにより、造形ステージ４のベルト部材４１は、駆動ローラ４２は駆動軸４２ａを介してＹ軸駆動機構２２によって、層状造形物の積層方向（Ｚ方向）と直交するＹ方向に、往復移動或いは周回移動可能である。このＹ方向は、造形ヘッド１０の移動方向であるＸ方向とも直交する方向である。

また、ベルト部材４１の内側にはベルト加熱部５が配置され、造形中において、ベルト部材４１を加熱する。なお、ベルト部材４１は、造形中の加熱に耐えられる材質であればよく、ここではスチールベルトを使用している。

また、ベルト部材４１は、後述するように、立体造形物３００の剥離を容易にするため、ポリイミドでコーティングされている構成とすることもできる。

さらに、ベルト部材４１の端部には立体造形物３００を剥離するための剥離部材４６が配置されている。

チャンバ３の底壁部３Ｄは、側壁部３Ｂ，３Ｃ、後壁部３Ｅ及び前壁部３Ｆに対して移動可能に設けられ、造形ステージ４を保持した状態で造形ステージ４を伴って層状造形物の積層方向（Ｚ方向）に移動（昇降）可能である。

この底壁部３Ｄは、Ｚ軸駆動機構２３によってＺ方向に昇降移動される。

一方、チャンバ３の天井壁部３Ａには、造形材付与手段としての造形ヘッド１０がＸ方向に移動可能に配置されている。

造形ヘッド１０は、下部に造形材料であるフィラメントを射出する射出ノズル１１を有する。造形ヘッド１０は、複数の射出ノズル１１と、各射出ノズル１１に供給されるフィラメントを加熱する造形材料加熱手段としてのヘッド加熱部１２を備えている。

造形材料であるフィラメントは、細長いワイヤ形状であり、巻き回された状態で装置１にセットされており、フィラメント供給部６により造形ヘッド１０上の各射出ノズル１１にそれぞれ供給される。

造形ヘッド１０は、フィラメント供給部６により供給されるフィラメントをヘッド加熱部１２で加熱溶融し、溶融状態のフィラメントを所定の射出ノズル１１から押し出すようにして射出する。

造形ヘッド１０は、ガイド部材２５にてＸ方向に移動可能に保持され、Ｘ軸駆動機構２１によってＸ方向に往復移動される。

また、チャンバ３内には造形ヘッド１０の射出ノズル１１を清掃するノズル清掃部９が配置されている。

チャンバ３の側部である前壁部３Ｆの一部には、造形された立体造形物を排出する排出口部３２が設けられ、排出口部３２を開閉する開閉可能な開閉扉である断熱扉３３を備えている。断熱扉３３は、上端部が軸３４で回転可能に保持されており、後述する扉開閉機構５３０によって開閉される。

ここで、造形ステージ４のベルト部材４１は、断熱扉３３の内側まで延びて配置されている。これにより、ベルト部材４１は、造形中のＹ方向移動だけでなく、造形後の立体造形物３００を排出口部３２に向けて移送することができ、排出口部３２から立体造形物３００をチャンバ３の外側に排出することができるようになる。つまり、造形ステージ４は立体造形物３００を排出口部３２に向けて移送する手段を兼ねている。

また、排出口部３２の外側には、立体造形物を冷却するための取り出し室３５が配置されている。取り出し室３５の周壁も耐熱壁（断熱壁）で構成している。

この取り出し室３５に対応して、装置１の本体フレーム(外装)２の前面には開閉扉である外装扉３６が開閉可能に設けられている。

次に、この装置の制御部の概要について図４のブロック説明図を参照して説明する。

制御部５００は、外部から造形データ（スライスデータ）を入力し、装置１の各部を制御する主制御部５０１を備えている。

主制御部５０１は、ステージ加熱部５、フィラメント供給部６、チャンバ用ヒータ７、装置内冷却装置８、ヘッド加熱部１２、Ｘ軸駆動機構２１、Ｙ軸駆動機構２２、Ｚ軸駆動機構２３などの制御を司る。また、主制御部５０１は、扉開閉機構５３０を駆動制御して、排出口部３２の断熱扉３３の開閉、外装扉３６の開閉を行う制御もする。

また、主制御部５０１には、Ｘ軸ポジション検知機構５２４から検知結果、Ｙ軸ポジション検知機構５２５から検知結果、Ｚ軸ポジション検知機構５２６から検知結果が入力される。主制御部５０１はこれらの検知結果に基づいて、造形ヘッド１０のＸ方向への移動、造形ステージ４のベルト部材４１のＹ方向への移動、底壁部３Ｄすなわち造形ステージ４のＺ方向への移動を制御する。

次に、このように構成した実施形態の作用について図５ないし図９も参照して説明する。図５ないし図９は同作用説明に供する側面説明図である。

まず、図３に示す初期状態からＺ軸駆動機構２３によって底壁部３ＤをＺ方向に上昇させ、図５に示すように、造形ステージ４を第１層の層状造形物３０１を造形する位置まで上昇させる。

そして、図６に示すように、造形ステージ４のベルト部材４１をＹ方向に往復移動させ、造形ヘッド１０をＸ方向に往復移動させて、１層の所要形状の層状造形物３０１を造形する。その後、造形ステージ４を１層分Ｚ方向に下降させる。この動作を繰り返して、層状造形物３０１を所要総数分積層して、立体造形物３００を造形する。

このようにして立体造形物３００の造形が完了した後、図７に示すように、造形ステージ４を初期位置までＺ方向に下降させた後、造形ステージ４のベルト部材４１を矢印Ｙ１方向に移動させて立体造形物３００を排出口部３２側に移送する。この移送中に立体造形物３００は損傷しない程度に結晶化が進む。

このとき、図８に示すように、扉開閉機構５３０によって排出口部３２の断熱扉３３を開放しておくことで、ベルト部材４１で移送される立体造形物３００がベルト部材４１から分離されて排出口部３２から取り出し室３５内に排出されて収容される。このとき、取り出し室３５も閉じた空間であるので、処理空間３０内の温度低下が抑制される。

そこで、図９に示すように、扉開閉機構５３０によって排出口部３２の断熱扉３３を閉じる。

一方、取り出し室３５内に収容された立体造形物３００は自然放熱などによって冷やされ、所要のタイミングで外装扉３６を開放することで、装置１外に取出すことができる。

このようにして、チャンバ内の温度低下（降温）を抑えながら立体造形物を取出すことができる。

次に、本発明の第２実施形態について図１０を参照して説明する。図１０は同実施形態に係る立体造形装置の側面説明図である。

本実施形態では、造形ステージ４とは別に、造形ステージ４から立体造形物３００が移送され、移送された立体造形物３００を排出口部３２に向けて移送する移送手段５０を備えている。

移送手段５０は、ベルト部材５１を駆動ローラ５２と従動ローラ５３間に掛け回して配置している。

このように構成すれば、造形ステージ４で立体造形物３００を造形しながら、移送手段５０で立体造形物３００を排出口部３２に向けて移送することができ、造形動作と移送動作を併行して行うことができる。

これにより、例えば結晶化に時間がかかる造形材料を使用したような場合でも、移送手段５０側での移送速度を結晶化に十分な速度として立体造形物３００を損傷なく取り出し室３５に排出できる。そして、そのための造形動作の待ち時間がなくなり、造形動作のタクトタイムを短縮でき、効率的な造形を行うことができる。

１ 装置
２ 本体フレーム
３ チャンバ
３Ｄ 底壁部
４ 造形ステージ
５ ステージ加熱部
６ フィラメント供給部
７ チャンバー用ヒータ
１０ 造形ヘッド
１１ 射出ノズル
１２ ヘッド加熱部
３０ 処理空間
３２ 排出口部
３３ 断熱扉
３５ 取り出し室
３６ 外装扉
４１ ベルト部材

Claims (12)

1. 断熱壁によって囲まれた処理空間を形成するチャンバと、
   前記チャンバ内に配置され、層状造形物が積層されて立体造形物が造形される造形ステージと、
   前記造形ステージに向けて造形材料を付与する造形材付与手段と、を備え、
   前記造形ステージは、前記層状造形物の積層方向と直交する方向に移動可能である
   ことを特徴とする立体造形物を造形する装置。
2. 前記チャンバの底壁部は、前記層状造形物の積層方向に移動可能である
   ことを特徴とする請求項１に記載の立体造形物を造形する装置。
3. 前記チャンバの底壁部は、前記造形ステージを伴って前記層状造形物の積層方向に移動可能である
   ことを特徴とする請求項２に記載の立体造形物を造形する装置。
4. 前記チャンバの側部には造形された前記立体造形物を排出する開閉可能な排出口部が設けられている
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の立体造形物を造形する装置。
5. 前記造形ステージは、造形された前記立体造形物を前記排出口部に移送する手段を兼ねている
   ことを特徴とする請求項４に記載の立体造形物を造形する装置。
6. 前記造形ステージで造形された前記立体造形物が移送され、前記移送された前記立体造形物を前記排出口部に移送する移送手段が設けられている
   ことを特徴とする請求項４に記載の立体造形物を造形する装置。
7. 前記排出口部の外側には、排出された前記立体造形物を収容する取り出し室が配置されている
   ことを特徴とする請求項４ないし６のいずれかに記載の立体造形物を造形する装置。
8. 装置の外装には、前記取り出し室に通じる開閉扉が設けられている
   ことを特徴とする請求項７に記載の立体造形物を造形する装置。
9. 前記造形ステージは、前記層状造形物が積層されるベルト部材を含み、
   前記ベルト部材は周回及び往復移動可能に配置されている
   ことを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の立体造形物を造形する装置。
10. 前記ベルト部材は、スチールベルトである
    ことを特徴とする請求項９の記載の立体造形物を造形する装置。
11. 前記ベルト部材は、ポリイミドでコーティングされている
    ことを特徴とする請求項９又は１０に記載の立体造形物を造形する装置。
12. 前記ベルト部材から前記立体造形物を剥離する剥離部材を備えている
    ことを特徴とする請求項９ないし１１のいずれかに記載の立体造形物を造形する装置。

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