JP2017189885A - Solid object molding device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、3Dプリンターと称される立体物造形装置に関するものであり、より詳しくは、複数のノズルを用いて同時並行的に造形物を造形できるようにした立体物造形装置に関するものである。 The present invention relates to a three-dimensional object forming apparatus called a 3D printer, and more particularly to a three-dimensional object forming apparatus that can form a three-dimensional object in parallel using a plurality of nozzles.
現在、3Dプリンターと称される立体物造形装置は、熱溶解積層法(FDM法)や光造形法(STL法)、粉末焼結法(SLS法)などを用いて造形物を造形するものが一般的に普及している。このうち、熱溶解積層法は、熱で溶かした樹脂をノズルから噴出させて1層ずつ積み上げていくものであり、光造形法は、紫外線の照射で硬化する光硬化性樹脂をノズルから噴出させて紫外線レーザーを照射させ、これによって成形された層を順次積み上げて行くようにしたものである。また、粉末焼結法は、粉末状の材料に高出力のレーザー光線を照射して焼結させ、その焼結させた層を順次積層していくようにしたものである。 Currently, a three-dimensional object modeling apparatus called a 3D printer forms a model using a hot melt lamination method (FDM method), an optical modeling method (STL method), a powder sintering method (SLS method), or the like. Generally popular. Among them, the hot melt laminating method is a method in which resin melted by heat is ejected from a nozzle and stacked one layer at a time. The stereolithography method ejects a photocurable resin that is cured by irradiation of ultraviolet rays from a nozzle. Then, an ultraviolet laser is irradiated, and the layers formed by this are sequentially stacked. In the powder sintering method, a powdery material is irradiated with a high-power laser beam to sinter, and the sintered layers are sequentially laminated.
ところで、このような立体物造形装置は、いずれも設計データを輪切りにした層(以下、二次元層と称する)の領域内でノズルを往復動させて造形された二次元層を順次積み上げることで三次元的な造形物を造形するようにしているが、現状では、各層を造形する際に非常に時間がかかるため、大きな造形物を造形する場合は数十時間もかかってしまう場合がある。 By the way, in such a three-dimensional object modeling apparatus, any two-dimensional layer formed by reciprocating the nozzle in the region of a layer (hereinafter referred to as a two-dimensional layer) obtained by cutting the design data is sequentially stacked. Although a three-dimensional model is modeled, under the present circumstances, it takes a very long time to model each layer, so it may take several tens of hours to model a large model.
このため、ノズルを複数設けてそれらを同時並行的に駆動させることで、一つの造形物を迅速に造形できるようにした方法も提案されている。 For this reason, a method has been proposed in which a plurality of nozzles are provided and driven simultaneously in parallel so that one model can be quickly modeled.
例えば、下記の特許文献1には、光造形法で造形物を造形する際に、ノズルを複数設け、それらを各駆動領域内で駆動させて二次元層を造形し、また、その際に各領域の境界部分のオーバーラップする部分に紫外線を照射させることで、境界部分を分かりにくくした立体物造形装置が提案されている。
For example, in
しかしながら、このような複数のノズルで造形物を造形していく際、各ノズルの駆動領域が予め特定されているため、造形物の形状によっては、輪切りにされた二次元層のうち特定の領域のノズルのみが多く稼働し、それ以外のノズルが待機しなければならないような場合を生じうる。このため、ノズルを複数設けたとしても、そのノズルの数に比例して造形時間を短縮することができないといった問題を生じうる。 However, when modeling a modeled object with such a plurality of nozzles, since the drive area of each nozzle is specified in advance, depending on the shape of the modeled object, a specific area of the two-dimensional layer that has been cut into circles There may be a case where only a large number of nozzles are operating and the other nozzles have to wait. For this reason, even if a plurality of nozzles are provided, there is a problem that the modeling time cannot be reduced in proportion to the number of nozzles.
また、このように予め特定された駆動領域でノズルを駆動させて二次元層を積層する場合、その領域の境界部分が上下に一致してしまうと、その境界部分が弱くなったり、あるいは、その造形物が水などを入れるような容器である場合は、その境界部分から水漏れしてしまうという問題も生ずる。 In addition, when the two-dimensional layer is stacked by driving the nozzle in the drive region specified in advance as described above, if the boundary portion of the region coincides with the upper and lower sides, the boundary portion becomes weak, or the If the modeled object is a container that contains water or the like, there also arises a problem that water leaks from the boundary portion.
そこで、本発明は、上記課題に着目してなされたもので、複数のノズルを用いて分割された領域を並行して造形していく際に、可能な限り迅速に造形物を造形できるようにした立体物造形装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made paying attention to the above-mentioned problem, so that when a region divided using a plurality of nozzles is formed in parallel, a modeled object can be modeled as quickly as possible. An object of the present invention is to provide a three-dimensional object shaping apparatus.
すなわち、本発明は上記課題を解決するために、複数のノズルを用いて分割された領域ごとに層を造形して立体的な造形物を造形するようにした立体物造形装置において、前記造形物を造形するための設計データを抽出して二次元層を造形するための領域を分割する分割手段と、当該分割手段によって分割された領域ごとに各ノズルを駆動させる駆動手段とを備え、前記駆動手段を、一対の平行なリニアガイドと、当該一対のリニアガイドに跨るように設けられた複数の縦軸ガイドとを有するように構成し、当該リニアガイドと縦軸ガイドに沿ってノズルを駆動させるようにしたものである。 That is, in order to solve the above-described problem, the present invention provides a three-dimensional object forming apparatus in which a layer is formed for each region divided using a plurality of nozzles to form a three-dimensional object. And a driving unit that drives each nozzle for each of the areas divided by the dividing unit. The means is configured to have a pair of parallel linear guides and a plurality of longitudinal guides provided so as to straddle the pair of linear guides, and drive the nozzle along the linear guides and the longitudinal guides. It is what I did.
このように構成すれば、ノズルを縦軸ガイドとリニアガイドに沿って移動させることができるため、それぞれのノズルの駆動領域をオーバーラップさせることができ、造形時間を短縮することができるようになる。 If comprised in this way, since a nozzle can be moved along a vertical-axis guide and a linear guide, the drive area | region of each nozzle can be overlapped and modeling time can be shortened now. .
また、このような発明において、下層の分割領域における境界部分と境界部分を一致させないように二次元層の領域を分割させるようにする。 In such an invention, the region of the two-dimensional layer is divided so that the boundary portion and the boundary portion in the lower divided region do not coincide with each other.
このように構成すれば、各層の分割領域の境界部分を補強することができるとともに、水漏れなども防止することができるようになる。 If comprised in this way, while being able to reinforce the boundary part of the division area of each layer, a water leak etc. can also be prevented now.
さらには、二次元層の水平面内で直交するX軸方向とY軸方向のそれぞれの境界部分をずらすように上層の分割領域を設定する。 Further, the upper divided region is set so as to shift the respective boundary portions in the X-axis direction and the Y-axis direction orthogonal to each other in the horizontal plane of the two-dimensional layer.
このように設定すれば、X軸方向に沿った境界部分だけでなく、Y軸方向に沿った境界部分についても補強することができ、立体的造形物の強度を保つことができるようになる。 With this setting, not only the boundary portion along the X-axis direction but also the boundary portion along the Y-axis direction can be reinforced, and the strength of the three-dimensional structure can be maintained.
本発明によれば、複数のノズルを用いて分割された領域ごとに層を造形して立体的な造形物を造形するようにした立体物造形装置において、前記造形物を造形するための設計データを抽出して二次元層を造形するための領域を分割する分割手段と、当該分割手段によって分割された領域ごとに各ノズルを駆動させる駆動手段とを備え、前記駆動手段を、一対の平行なリニアガイドと、当該一対のリニアガイドに跨るように設けられた複数の縦軸ガイドとを有するように構成し、当該リニアガイドと縦軸ガイドに沿ってノズルを駆動させるようにしたので、それぞれのノズルの駆動領域をオーバーラップさせることができ、造形時間を短縮することができるようになる。 According to the present invention, in the three-dimensional object formation apparatus that forms a layer for each region divided using a plurality of nozzles to form a three-dimensional object, design data for modeling the object And dividing means for dividing the area for modeling the two-dimensional layer, and driving means for driving each nozzle for each area divided by the dividing means, the driving means is a pair of parallel Since it is configured to have a linear guide and a plurality of vertical axis guides provided so as to straddle the pair of linear guides, the nozzle is driven along the linear guide and the vertical axis guide. The drive area of the nozzle can be overlapped, and the modeling time can be shortened.
以下、本発明の一実施の形態を示す立体物造形装置1について図面を参照して説明する。
Hereinafter, a three-dimensional
この実施の形態における立体物造形装置1は、図3の機能ブロック図に示すように、立体物を造形するための設計データを受け付けて記憶させる記憶手段2と、この記憶手段2に記憶された設計データを読み出して二次元層を造形するための二次元層データを生成する駆動データ生成手段3と、この二次元層データを各ノズル51A〜Dの駆動領域に対応する分割領域S1〜S5(図4参照)に分割する分割手段4と、この分割手段4で分割された二次元層データに従って複数のノズル51A〜Dを駆動させる駆動手段5とを備えるようにしたものである。そして、特徴的に、図1などに示すように、ノズル51A〜Dを駆動させる際に、X軸方向に沿った一対のリニアガイド52を設けるとともに、そのリニアガイド52に跨るように複数の縦軸ガイド53をY軸方向に設け、これらのリニアガイド52と縦軸ガイド53に沿ってノズル51A〜DをX軸方向およびY軸方向に移動させるようにしたものである。そして、このようにノズル51A〜Dを移動させるようにすることで、ノズル51A〜Dの駆動領域をオーバーラップさせて、造形時間を短縮できるようにしたものである。以下、本実施の形態における立体物造形装置1の構成について詳細に説明する。
As shown in the functional block diagram of FIG. 3, the three-dimensional
まず、記憶手段2は、立体物を造形する際に必要となる設計データを記憶する。この設計データは、パソコンなどにインストールされた3DCADソフトウェアや3DCGソフトウェアなどを用いて作成される。この作成されたデータは細かい三角形の集合体に変換したSTL形式のデータとして保存される。 First, the memory | storage means 2 memorize | stores the design data required when modeling a solid thing. This design data is created using 3D CAD software or 3DCG software installed in a personal computer or the like. The created data is stored as STL data converted into a collection of fine triangles.
駆動データ生成手段3は、この記憶手段2に保存されている設計データを読み出して、造形を指示する際に必要となるSTLデータを水平面に輪切りにした二次元層データを作成して、駆動手段5に出力する。 The drive data generation means 3 reads the design data stored in the storage means 2 and creates two-dimensional layer data obtained by cutting the STL data necessary for instructing the shaping into a horizontal plane, and the drive means 5 is output.
この駆動手段5は、この駆動データ生成手段3から出力された二次元層データに従ってノズル51A〜Dを移動させ、先端から材料を噴出させて二次元層を造形していくように構成される。この造形方法としては、前述のような熱溶解積層法(FDM法)や光造形法(STL法)、粉末焼結法(SLS法)などを用いることができるが、ここでは熱溶解積層法を用いるものとする。この駆動手段5で二次元層を造形する場合、図1に示すように、複数のノズル51A〜DにABS樹脂やPLA樹脂などの熱可塑性樹脂を溶解して供給し、その溶解された樹脂をノズル51A〜Dの先端から噴出させるようにする。これらのノズル51A〜DはX軸方向、Y軸方向に移動させる駆動機構50に取り付けられており、二次元層データに基づいてX軸方向やY軸方向にノズル51A〜Dを駆動させて熱可塑性樹脂を噴出させる。そして、この二次元層の造形が終了した後に、ノズル51A〜DをZ軸方向に移動させ、上層の二次元層データに基づいて同様に二次元層を造形していくようにする。
The
この駆動機構50は、ステージの対向する側辺に設けられた一対のリニアガイド52そのリニアガイド52に直交するように跨って設けられる複数の縦軸ガイド53とを有し、そのリニアガイド52に沿って縦軸ガイド53をモーター(図示せず)でX軸方向に移動させるとともに、縦軸ガイド53に沿ってノズルをY軸方向にモーター(図示せず)で移動させられるように構成されている。このノズルは、図1示すように、縦軸ガイド53に一つ設けるようにしてもよいし、あるいは、図2示すように縦軸ガイド53に複数設けてそれぞれを独立に移動させるようにしてもよい。そして、この縦軸ガイド53をX軸方向に移動させることで、図1や図2に示すように、隣接する縦軸ガイド53に設けられたノズル51A〜Dの駆動領域をオーバーラップさせるようにし、それぞれの領域内でX軸方向に分割して二次元層を造形できるようにする。なお、縦軸ガイド53に複数のノズルを設ける場合は、さらに、Y軸方向にも分割して二次元層を造形することができる。
The
このような立体物造形装置1において、本実施の形態では、各ノズル51A〜Dに対応して二次元層の領域を分割させる分割手段4を設けるようにしている。
In such a three-dimensional
この分割手段4は、各ノズル51A〜Dの移動範囲内で同時並行的に二次元層を造形できるように二次元層の領域を分割するとともに、下側に隣接する層の境界部分Bと一致させないように分割領域S1〜S5を設定するようにしている。 This dividing means 4 divides the region of the two-dimensional layer so that the two-dimensional layer can be formed in parallel within the movement range of each nozzle 51A to 51D, and coincides with the boundary portion B of the layer adjacent to the lower side The divided areas S1 to S5 are set so as not to cause them.
この分割領域S1〜S5を設定する場合、二次元層データを読み出し、例えば、その造形される二次元層の分割して所定値の範囲内で同じになるようにする。そして、このように分割された二次元層領域のデータをそれぞれのノズル51A〜Dの駆動手段5に出力し、ノズル51A〜Dを最適な位置に移動させて二次元層を造形する。このように図形面積をほぼ同じとなるように二次元層の領域を分割すれば、各ノズル51A〜Dの駆動領域を平均化にして作業時間を短縮化できるようにする。 When setting the divided regions S1 to S5, the two-dimensional layer data is read out, and for example, the formed two-dimensional layer is divided so as to be the same within a predetermined value range. Then, the data of the two-dimensional layer area divided in this way is output to the driving means 5 of the respective nozzles 51A to 51D, and the nozzles 51A to D are moved to the optimum positions to form the two-dimensional layer. If the area of the two-dimensional layer is divided so that the figure areas are substantially the same, the driving areas of the nozzles 51A to 51D can be averaged to shorten the work time.
次に、この層の上側の層を造形する場合、同様にして、その造形される二次元層をX軸方向に5分割して二次元層を造形していくが、この際、下層の分割領域S1〜S5の境界部分Bと一致させないように上層の分割領域S1〜S5を設定する。この上層の分割領域S1〜S5を設定する場合、下層の分割領域と同様に、図形面積が同じになるように分割領域を設定すると、境界部分Bが一致してしまう場合がある。このような場合は、その設定された境界をX軸方向に+δxだけずらし、また、縦軸ガイド53に複数のノズルを設けている場合は、Y軸方向にも境界を+δyだけずらすようにする。以下、同様にして上層の境界部分Bをずらすように設定していく。
Next, when modeling the upper layer of this layer, similarly, the two-dimensional layer to be modeled is divided into five in the X-axis direction, and the two-dimensional layer is modeled. Upper divided areas S1 to S5 are set so as not to coincide with the boundary portions B of the areas S1 to S5. When the upper divided areas S1 to S5 are set, if the divided areas are set so that the graphic areas are the same as in the lower divided areas, the boundary portion B may coincide. In such a case, the set boundary is shifted by + δx in the X-axis direction, and when a plurality of nozzles are provided in the
次に、このように構成された立体物造形装置1の動作フローについて図6を用いて説明する。
Next, an operation flow of the three-dimensional
まず、立体物を造形する際、パソコンを用いて設計された設計データを記憶手段2に記憶させておき、その記憶手段2に記憶された設計データを読み出す(ステップS1)。そして、駆動データ生成手段3を用いて最下層の二次元層データを生成し(ステップS2)、その生成された二次元層データから二次元層の図形面積が所定範囲内で同じになるように二次元層を分割する(ステップS3)。 First, when modeling a three-dimensional object, design data designed using a personal computer is stored in the storage means 2 and the design data stored in the storage means 2 is read (step S1). Then, the lowermost two-dimensional layer data is generated using the drive data generating means 3 (step S2), and the figure area of the two-dimensional layer is made the same within a predetermined range from the generated two-dimensional layer data. The two-dimensional layer is divided (step S3).
そして、このように分割された二次元層のデータを駆動手段5に出力し(ステップS7)、ノズル51A〜Dを駆動して二次元層を造形していく(ステップS8)。この際、ノズル51A〜DをX軸方向に移動させる場合、リニアガイド52の範囲内で縦軸ガイド53を移動させ、また、Y軸方向に移動させる場合は、縦軸ガイド53の範囲内で移動させる。
Then, the data of the two-dimensional layer divided in this way is output to the driving means 5 (step S7), and the nozzles 51A to D are driven to form the two-dimensional layer (step S8). At this time, when the nozzles 51A to 51D are moved in the X-axis direction, the
次に、この二次元層の造形が完了した場合は、ステージを下降させるかノズル51A〜Dを上昇させ、同様に、設計データから二次元層データを生成して(ステップS1、S2)、二次元層データを分割する(ステップS3)。このとき、造形する層が2層目以降の場合は(ステップS4:Yes)、下層の分割領域S1〜S5の境界部分Bと一致しているか否かを確認し(ステップS5)、一致している場合は、境界部分をX軸方向に+δx、Y軸方向に+δyだけずらし(ステップS6)、一致していない場合は、その設定された分割領域S1〜S5を設定する。そして、このように設定された分割領域S1〜S5の二次元層データを駆動手段5に出力し(ステップS7)、二次元層を造形していく(ステップS8)。 Next, when the modeling of the two-dimensional layer is completed, the stage is lowered or the nozzles 51A to 51D are raised, and similarly, two-dimensional layer data is generated from the design data (steps S1 and S2). The dimension layer data is divided (step S3). At this time, if the layer to be modeled is the second or later layer (step S4: Yes), it is confirmed whether or not it matches the boundary portion B of the lower divided areas S1 to S5 (step S5). If there is, the boundary portion is shifted by + δx in the X-axis direction and + δy in the Y-axis direction (step S6). If they do not match, the set divided areas S1 to S5 are set. Then, the two-dimensional layer data of the divided areas S1 to S5 set in this way is output to the driving means 5 (step S7), and a two-dimensional layer is formed (step S8).
以下、同様にして境界部分Bを交互にずらしながら最終層まで積み上げていき(ステップS9)、最終的な立体的造形物を造形する。 In the same manner, the boundary portions B are alternately shifted to the final layer while being alternately shifted (step S9), and a final three-dimensional model is formed.
このように上記実施の形態によれば、複数のノズル51A〜Dを用いて分割領域S1〜S5ごとに二次元層を造形して立体的造形物を造形するようにした立体物造形装置1において、立体的造形物を造形するための設計データを抽出して、二次元層を造形する領域を分割する分割手段4と、この分割手段4によって分割された分割領域S1〜S5ごとに各ノズル51A〜Dを駆動させる駆動手段5とを備え、この駆動手段5を、一対の平行なリニアガイド52と、当該一対のリニアガイド52に跨るように設けられた複数の縦軸ガイド53とを有するように構成し、当該リニアガイド52と縦軸ガイド53に沿ってノズル51A〜Dを駆動させるようにしたので、それぞれのノズル51A〜Dの駆動領域をオーバーラップさせることができ、造形時間を短縮することができるようになる。
Thus, according to the above-described embodiment, in the three-dimensional
また、分割手段4を用いて、隣接する下層の分割領域S1〜S5の境界部分Bと一致させないように上層の二次元層の分割領域S1〜S5を設定するようにしたので、各層の分割領域S1〜S5の境界部分Bを補強することができるとともに、水漏れなども防止することができるようになる。 Further, since the dividing means 4 is used to set the upper two-dimensional divided areas S1 to S5 so as not to coincide with the boundary portions B of the adjacent lower divided areas S1 to S5, the divided areas of each layer While the boundary part B of S1-S5 can be reinforced, a water leak etc. can also be prevented now.
さらには、縦軸ガイド53に複数のノズル51A〜D、51a〜dを設けた場合、二次元層の水平面内で直交するX軸方向とY軸方向のそれぞれの境界部分Bをずらすように上層の分割領域S1〜S5を設定したので、X軸方向に沿った境界部分Bだけでなく、Y軸方向に沿った境界部分Bについても補強することができ、立体的造形物の強度を保つことができるようになる。
Further, when a plurality of nozzles 51A to 51D and 51a to 51d are provided on the
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく種々の態様で実施することができる。 In addition, this invention can be implemented in various aspects, without being limited to the said embodiment.
例えば、上記実施の形態では、熱溶解積層法で立体的造形物を造形するようにしたが、これ以外の法を用いて立体的造形物を造形する場合にも同様の構成を適用することができる。 For example, in the above-described embodiment, a three-dimensional structure is modeled by the hot melt lamination method, but the same configuration can be applied to modeling a three-dimensional model using a method other than this. it can.
また、上記実施の形態では、二次元層を分割する場合、5分割するようにしたが、分割領域の数については2つであってもよいし、あるいは6つ以上であってもよい。また、分割領域の形状についてはどのような形状であってもよい。 In the above embodiment, when the two-dimensional layer is divided, it is divided into five. However, the number of divided regions may be two, or may be six or more. Further, the shape of the divided region may be any shape.
さらには、上記実施の形態では、各二次元層の図形面積がほぼ同じになるように領域を分割するようにしたが、各ノズル51A〜Dの駆動領域から外れた位置で二次元層を造形しなければならない場合は、そのノズル51A〜Dの駆動領域の範囲内で分割領域を設定するようにしてもよい。 Furthermore, in the said embodiment, although the area | region was divided | segmented so that the figure area of each two-dimensional layer became substantially the same, a two-dimensional layer was modeled in the position remove | deviated from the drive area | region of each nozzle 51A-D. If this is necessary, the divided area may be set within the drive area of the nozzles 51A to 51D.
1・・・立体物造形装置
2・・・記憶手段
3・・・駆動データ生成手段
4・・・分割手段
5・・・駆動手段
50・・・駆動機構
51A〜D、a〜d・・・ノズル
52・・・リニアガイド
53・・・縦軸ガイド
S1〜S5・・分割領域
B・・・境界部分
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記造形物を造形するための設計データを抽出して、二次元層を造形するための領域を分割する分割手段と、
当該分割手段によって分割された領域ごとに各ノズルを駆動させる駆動手段とを備え、
前記駆動手段を、一対の平行なリニアガイドと、当該一対のリニアガイドに跨るように設けられた複数の縦軸ガイドとを有するように構成し、当該リニアガイドと縦軸ガイドに沿ってノズルを駆動させるようにしたことを特徴とする立体物造形装置。 In the three-dimensional object formation apparatus that forms a layer for each region divided using a plurality of nozzles to form a three-dimensional object,
A dividing unit that extracts design data for modeling the modeled object and divides a region for modeling a two-dimensional layer;
Driving means for driving each nozzle for each area divided by the dividing means,
The drive means is configured to have a pair of parallel linear guides and a plurality of longitudinal guides provided so as to straddle the pair of linear guides, and the nozzles are arranged along the linear guides and the longitudinal guides. A three-dimensional object shaping apparatus characterized by being driven.
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