JP2017202619A - Molding apparatus and molding method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、造形装置及び造形方法に関するものである。 The present invention relates to a modeling apparatus and a modeling method.
近年、アディティブマニファクチャリング(AM)、3次元プリンタ、ラピッドプロトタイピング(RP)等と呼ばれる立体造形技術が注目を集めている(本明細書ではこれらの技術を総称してAM技術と呼ぶ)。AM技術は、立体モデルの3次元形状データをスライスして複数のスライスデータを生成し、スライスデータに基づいて造形材料を層状にステージ上に順次積層して固着することで、三次元物体(立体物)を作製する技術である。
特許文献1では、電子写真方式によって熱可塑性の造形材料からなる像を形成し、この像を加熱し溶融することにより1層の材料層を形成した後、材料層を順次積層して固着することで、立体物を作製する技術が提案されている。
In recent years, three-dimensional modeling techniques called additive manufacturing (AM), three-dimensional printers, rapid prototyping (RP), and the like have attracted attention (in this specification, these techniques are collectively referred to as AM techniques). AM technology slices three-dimensional shape data of a three-dimensional model to generate a plurality of slice data, and builds a three-dimensional object (three-dimensional object) by laminating a modeling material on a stage in sequence based on the slice data. Technology).
In
特許文献1のAM技術においては、作製途中の立体物(以下、中間造形物)に材料層を積層する際、材料層と中間造形物の表面とを造形材料のガラス転移温度(Tg)以上に加熱している。熱可塑性材料は、ガラス転移温度以上の温度になると粘性を生じる。よって、材料層をガラス転移温度以上に加熱することで、材料層と材料層の搬送体との間の付着力を強くすることができる。
しかしながら、材料層と搬送体との間の付着力が強くなると、積層時に、材料層の一部が中間造形物上に積層せずに、搬送体上に残ってしまい、積層不良が発生してしまうことが懸念される。
In the AM technology of
However, if the adhesive force between the material layer and the transport body becomes strong, a part of the material layer remains on the transport body without being stacked on the intermediate shaped object during stacking, resulting in stacking failure. There is a concern that
本発明は上記したような事情に鑑みてなされたものであり、積層不良の発生を低減させ、より精度の高い立体物を作製することを目的とする。 The present invention has been made in view of the circumstances as described above, and an object thereof is to reduce the occurrence of stacking faults and to produce a three-dimensional object with higher accuracy.
本発明の第1態様は、
担持体に担持された熱可塑性の造形材料を、ステージ上で積層することによって3次元の立体物を作製する造形装置において、
前記ステージ上の立体物の積層面を加熱する加熱手段と、
前記ステージ上の立体物の積層面に、前記担持体に担持された前記造形材料を積層する積層手段と、
前記加熱手段および前記積層手段を制御する制御手段と、
を有しており、
前記制御手段が、前記加熱手段により前記積層面を前記造形材料の軟化温度以上に加熱し、前記積層面に前記軟化温度よりも低い温度の前記造形材料を積層するよう制御する
ことを特徴とする造形装置を提供する。
The first aspect of the present invention is:
In a modeling apparatus for producing a three-dimensional solid object by laminating a thermoplastic modeling material supported on a carrier on a stage,
Heating means for heating the laminated surface of the three-dimensional object on the stage;
Lamination means for laminating the modeling material carried on the carrier on the lamination surface of the three-dimensional object on the stage;
Control means for controlling the heating means and the laminating means;
Have
The control means controls the heating so that the laminated surface is heated to a temperature higher than or equal to the softening temperature of the modeling material, and the modeling material having a temperature lower than the softening temperature is laminated on the laminated surface. A modeling apparatus is provided.
本発明の第2態様は、
担持体に担持された熱可塑性の造形材料を、ステージ上に積層することによって3次元の立体物を作製する造形装置による造形方法であって、
前記ステージ上の立体物の積層面を加熱する加熱工程と、
前記加熱工程により前記造形材料の軟化温度以上に加熱された前記ステージ上の立体物の前記積層面に、前記担持体に担持された、温度が前記軟化温度よりも低い前記造形材料を積層する積層工程と、
を含むことを特徴とする造形方法を提供する。
The second aspect of the present invention is:
A modeling method by a modeling apparatus for producing a three-dimensional solid object by laminating a thermoplastic modeling material supported on a carrier on a stage,
A heating step of heating the laminated surface of the three-dimensional object on the stage;
Lamination for laminating the modeling material having a temperature lower than the softening temperature supported on the carrier on the laminating surface of the three-dimensional object on the stage heated to the softening temperature or higher of the modeling material by the heating step. Process,
The modeling method characterized by including this is provided.
本発明によれば、積層不良の発生を低減させ、より精度の高い立体物を作製することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to reduce the occurrence of stacking faults and produce a three-dimensional object with higher accuracy.
以下、この発明を実施するための形態を図面を参照して例示的に説明する。ただし、以下の実施形態に記載されている各部材の寸法、材質、形状、その相対配置など、各種制御の手順、制御パラメータ、目標値などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
本発明は、積層造形技術(AM技術)、すなわち、造形材料を2次元に配置して層状に積層することによって3次元物体(立体物)を作製する技術を採用した造形装置に関する。
造形材料としては、作製する立体物の用途・機能・目的などに応じてさまざまな材料を選択することができる。本明細書では、造形目的の3次元物体を構成する材料を「構造材料」と呼び、構造材料で形成される部分を構造体と呼ぶ。作製途中の構造体を支持するためのサポート体(例えばオーバーハング部を下から支える柱)を構成する材料を「サポート材料」と呼ぶ。また両者を特に区別する必要がない場合には、単に「造形材料」という用語を用いる。構造材料としては、例えば、PE(ポリエチレン)、PP(ポリプロピレン)、ABS、PS(ポリスチレン)など、熱可塑性の樹脂を用いることができる。また、サポート材料としては、構造体からの除去を簡単にするため、熱可塑性と水溶性を有する材料を好ましく用いることができる。サポート材料としては、例えば、糖質、ポリ乳酸(PLA)、PVA(ポリビニルアルコール)、PEG(ポリエチレングリコール)などを例示できる。
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be exemplarily described with reference to the drawings. However, unless otherwise specified, various control procedures, control parameters, target values, etc., such as dimensions, materials, shapes, and relative arrangements of the members described in the following embodiments are described in the present invention. It is not intended to limit the scope of the above to only those.
The present invention relates to an additive manufacturing technique (AM technique), that is, an apparatus for forming a three-dimensional object (three-dimensional object) by two-dimensionally arranging modeling materials and laminating them in layers.
As the modeling material, various materials can be selected according to the application, function, purpose, etc. of the three-dimensional object to be produced. In this specification, a material constituting a three-dimensional object for modeling is referred to as “structural material”, and a portion formed of the structural material is referred to as a structure. A material that constitutes a support body (for example, a column that supports the overhang portion from below) for supporting the structure being manufactured is referred to as a “support material”. When it is not necessary to distinguish between the two, the term “modeling material” is simply used. As the structural material, for example, a thermoplastic resin such as PE (polyethylene), PP (polypropylene), ABS, PS (polystyrene) can be used. As the support material, a material having thermoplasticity and water solubility can be preferably used in order to simplify the removal from the structure. Examples of the support material include carbohydrates, polylactic acid (PLA), PVA (polyvinyl alcohol), and PEG (polyethylene glycol).
また、本明細書では、造形目的とする立体モデルの3次元形状データを積層方向に沿って複数層にスライスして得られるデジタルデータを「スライスデータ」と呼ぶ。スライスデータは、必要に応じて、サポート材料のデータなどの情報を付加して生成される。スライスデータに基づき造形材料で形成される層を「材料層」と呼ぶ。この材料層は、1又は複数の画像形成部(像形成手段)で形成された像により構成されるものであり、各画像形成部で形成される像を「材料画像」と呼ぶ。「材料層」は換言すると、用いる造形材料の種類に応じて、1又は複数の材料画像を組み合わせて形成される粒子の層である。
また、造形装置を用いて作製しようとする立体モデル(つまり造形装置に与えられる3
次元形状データが表す3次元物体)を「造形対象物」と呼ぶ。また、造形装置で作製された(出力された)3次元物体(立体物)を「造形物」と呼ぶ。造形物がサポート体を含む場合において、サポート体を除いた部分が造形対象物を構成する「構造体」となる。また、造形装置を用いて作製途中の過程にあるステージ上の3次元物体(積層物)を「中間造形物」と呼ぶ。
Further, in this specification, digital data obtained by slicing three-dimensional shape data of a three-dimensional model intended for modeling into a plurality of layers along the stacking direction is referred to as “slice data”. The slice data is generated by adding information such as support material data as necessary. A layer formed of a modeling material based on slice data is referred to as a “material layer”. This material layer is composed of an image formed by one or a plurality of image forming units (image forming means), and an image formed by each image forming unit is referred to as a “material image”. In other words, the “material layer” is a layer of particles formed by combining one or a plurality of material images according to the type of modeling material to be used.
Also, a three-dimensional model to be produced using the modeling apparatus (that is, 3 given to the modeling apparatus)
A three-dimensional object represented by the three-dimensional shape data) is referred to as a “modeling object”. A three-dimensional object (three-dimensional object) produced (output) by the modeling apparatus is referred to as a “modeled object”. In the case where the modeled object includes the support body, a portion excluding the support body becomes a “structure” constituting the modeled object. In addition, a three-dimensional object (laminated product) on a stage that is in the process of being manufactured using a modeling apparatus is referred to as an “intermediate modeled object”.
[本実施形態の特徴的な構成及び造形方法]
以下に、本発明の実施形態に係る造形装置の特徴的な構成及び造形方法について、造形装置の全体構成とともに説明する。図1は、本実施形態に係る造形装置の全体構成を模式的に示す図である。図2A〜図2Dは、本実施形態に係る造形装置の造形工程を説明するための図である。図2Aは、材料層Mの転写工程、及び、中間造形物Sの加熱工程を示し、図2Bは、材料層Mの搬送工程を示し、図2Cは、材料層Mの積層工程を示し、図2Dは、材料層Mの固着工程を示している。
[Characteristic configuration and modeling method of this embodiment]
Below, the characteristic structure and modeling method of the modeling apparatus which concern on embodiment of this invention are demonstrated with the whole structure of a modeling apparatus. FIG. 1 is a diagram schematically illustrating the overall configuration of the modeling apparatus according to the present embodiment. Drawing 2A-Drawing 2D are figures for explaining a modeling process of a modeling device concerning this embodiment. 2A shows the transfer process of the material layer M and the heating process of the intermediate shaped object S, FIG. 2B shows the transport process of the material layer M, FIG. 2C shows the stacking process of the material layer M, 2D shows a fixing process of the material layer M.
図1に示すように、造形装置1は、概略、制御ユニットU1、材料層形成ユニットU2、積層ユニットU3を有して構成される。
制御ユニットU1は、造形対象物の3次元形状データから複数層のスライスデータを生成する処理、材料層形成ユニットU2や積層ユニットU3などの造形装置1の各部の制御などを担うユニットである。材料層形成ユニットU2は、電子写真プロセスを利用して造形材料Ma,Mbからなる材料層Mを形成するユニットである。材料層形成ユニットU2が、セットされる造形材料Ma、Mbの種類を自動的に検知して制御ユニットU1に造形材料の情報を送ったり、作業者が直接入力したりして、制御ユニットU1に造形材料の種類を認識させる。積層ユニットU3は、材料層形成ユニットU2で形成された複数層の材料層を順に積層し固着することによって、造形物を作製するユニットである。造形装置1は、材料層形成ユニットU2と積層ユニットU3との最近接距離を変更可能な構成を有しており、本実施形態では、材料層形成ユニットU2は図1において水平方向に移動可能に構成されている。
As shown in FIG. 1, the
The control unit U1 is a unit that performs processing for generating slice data of a plurality of layers from the three-dimensional shape data of the modeling target, control of each part of the
以下に、材料層形成ユニットU2について具体的に説明する。まず、制御ユニットU1で生成されたスライスデータに基づいて、画像形成部10a,10bにて材料画像が形成される。画像形成部10a,10bにて形成された材料画像は、それぞれ転写装置104a,104bにて中間担持体111に転写され、材料層Mとなる。中間担持体111に材料層Mが形成されると、材料層形成ユニットU2は積層ユニットU3側へと移動し、中間担持体111と第2中間担持体20とが接触する。中間担持体111と第2中間担持体20との間に、不図示の高圧電源により電界が形成されることで、中間担持体111上の材料層Mが第2中間担持体20へと静電的に転写される(図2A)。
The material layer forming unit U2 will be specifically described below. First, based on the slice data generated by the control unit U1, material images are formed by the
材料層形成ユニットU2から積層ユニットU3の第2中間担持体20へ転写された材料層Mが、そのまま積層位置Nへと搬送される間、ステージ23上の中間造形物Sは、その積層面Saが目標温度となるまでヒータ22により加熱される(図2A,2B)。本実施形態の特徴として、この目標温度は、各造形材料の軟化温度以上に設定される。造形材料の軟化温度は、制御ユニットU1が認識した造形材料の種類に基づいて設定される。具体的には、制御ユニットU1が、材料種類と軟化温度の関係を示すテーブルを参照して設定するとよい。テーブルは、制御ユニット自身が保有していても良いし、制御ユニット外に保有されていても良い。積層面Saが目標温度に達したかどうかは、あらかじめ測定した積層面Saを目標温度になるまで加熱するまでに必要なヒータ温度と加熱時間の関係に基づいて判断してもよいし、放射温度計で積層面Saをモニタして判断しても良い。また、材料層形成ユニットU2から第2中間担持体20へ材料層Mが転写されると、材料層形成ユニットU2は、積層ユニットU3において発生する熱の影響を受けないように、積層ユニットU3から離れる側へと移動する(図2B)。
While the material layer M transferred from the material layer forming unit U2 to the second
ここで、軟化温度は、材料(造形材料)の粒子の集合体を直径10mm、厚さ1mmの円柱状に加圧成形した成形体のせん断方向の貯蔵弾性率および損失弾性率の温度依存性を、次のようにして測定したときに、貯蔵弾性率が10MPaとなる温度である。それは、角周波数を1Hzとした回転式レオメーターによって2℃/分の割合で昇温させて測定したときである。また、積層位置Nは、材料層Mの積層(中間造形物Sに材料層を積み上げる工程)が行われる位置であり、図1の構成では、第2中間担持体20とステージ23とが材料層M及び中間造形物Sを介して当接する部分が積層位置Nとなる。
第2中間担持体20により担持された材料層Mが、積層位置Nに到達すると、第2中間担持体20上の材料層Mは、中間造形物Sの積層面Saに接触し、中間造形物Sに転写され積層される(図2C)。
Here, the softening temperature indicates the temperature dependence of the storage elastic modulus and loss elastic modulus in the shear direction of a compact formed by pressing an aggregate of particles of material (modeling material) into a cylindrical shape having a diameter of 10 mm and a thickness of 1 mm. The temperature at which the storage elastic modulus is 10 MPa when measured as follows. That is when the temperature is measured at a rate of 2 ° C./min with a rotary rheometer with an angular frequency of 1 Hz. Further, the stacking position N is a position where the material layer M is stacked (step of stacking the material layer on the intermediate shaped object S), and in the configuration of FIG. 1, the second
When the material layer M carried by the second
このとき、軟化温度以上に加熱された中間造形物Sの積層面Saは粘性を有しているため、材料層Mとの間に強い付着力Mf’が生じる。これに対して、第2中間担持体20及び材料層Mの各温度は軟化温度未満(常温以上)に設定されており、これにより材料層自体には粘性が生じない為、第2中間担持体20と材料層Mとの付着力Mfは比較的低い値となっている。このように、中間造形物Sの積層面Saを軟化温度以上に加熱しておき、第2中間担持体20及び材料層Mの各温度を軟化温度未満とすることで、第2中間担持体20上の材料層Mを、より確実に中間造形物S上に転写させることができる。
なお、材料層Mを軟化温度以上に加熱すると、材料層Mに粘性が生じる為、第2中間担持体20と材料層Mとの付着力Mfが大きくなり、第2中間担持体20上の材料層Mの一部が中間造形物S上に転写されず、第2中間担持体20上に残る積層不良が生じ易くなる。
ステージ23上の中間造形物Sに材料層Mが積層されると、ステージ23がヒータ22の加熱領域となる位置まで移動し、中間造形物Sに積層された材料層Mの部分がヒータ22により溶融され中間造形物Sに固着される(図2D)。
At this time, since the lamination surface Sa of the intermediate shaped article S heated to the softening temperature or higher has viscosity, a strong adhesive force Mf ′ is generated between the material layer M and the laminated surface Sa. On the other hand, each temperature of the second
When the material layer M is heated to the softening temperature or higher, the material layer M becomes viscous, so that the adhesion force Mf between the second
When the material layer M is laminated on the intermediate shaped article S on the
以上のように、本実施形態では、積層面Saの温度が軟化温度以上の中間造形物Sに、温度が軟化温度未満の材料層Mを転写し積層することを特徴とするものである。これにより、第2中間担持体20上に造形材料が残ってしまう積層不良の発生を抑制することができ、より高い精度で造形物を作製することが可能となる。
以下に、本発明を好適に適用できる造形装置の具体例について、第1〜第8実施形態を用いて説明する。第1〜第8実施形態のいずれの形態においても、上述した効果と同様の効果を得ることができる。なお、上述の実施形態、及び第1〜第8実施形態において、同様の構成部分については同一の符号を付している。
As described above, the present embodiment is characterized in that the material layer M having a temperature lower than the softening temperature is transferred and stacked on the intermediate shaped object S having the temperature of the stacked surface Sa equal to or higher than the softening temperature. Thereby, generation | occurrence | production of the lamination | stacking defect which modeling material remains on the 2nd intermediate |
Below, the specific example of the modeling apparatus which can apply this invention suitably is demonstrated using 1st-8th embodiment. In any of the first to eighth embodiments, the same effect as described above can be obtained. In addition, in the above-mentioned embodiment and 1st-8th embodiment, the same code | symbol is attached | subjected about the same component.
<第1実施形態>
以下に、第1実施形態について説明する。
まず、本実施形態の制御ユニットU1の構成について説明する。
[制御ユニット]
図1に示すように、制御ユニットU1は、その機能として、3次元形状データ入力部U10、スライスデータ計算部U11、材料層形成ユニット制御部U12、積層ユニット制御部U13等を有する。
<First Embodiment>
The first embodiment will be described below.
First, the configuration of the control unit U1 of the present embodiment will be described.
[Controller unit]
As shown in FIG. 1, the control unit U1 has, as its functions, a three-dimensional shape data input unit U10, a slice data calculation unit U11, a material layer formation unit control unit U12, a lamination unit control unit U13, and the like.
3次元形状データ入力部U10は、外部装置(例えばパソコンなど)から造形対象物の3次元形状データを受け付ける機能を有する。3次元形状データとしては、3次元CAD、3次元モデラー、3次元スキャナ等で作成・出力されたデータを用いることができる。そのファイル形式は問わないが、例えば、STL(StereoLithography)ファイル形式を好ましく用いることができる。 The three-dimensional shape data input unit U10 has a function of receiving three-dimensional shape data of a modeling object from an external device (for example, a personal computer). As the three-dimensional shape data, data created and output by a three-dimensional CAD, a three-dimensional modeler, a three-dimensional scanner, or the like can be used. Although the file format is not ask | required, for example, an STL (Stereolithography) file format can be used preferably.
スライスデータ計算部U11は、3次元形状データで表現された造形対象物を所定のピッチでスライスして各層の断面形状を計算し、その断面形状を基に材料層形成ユニットU2で画像形成に用いるデータ(スライスデータ)を生成する機能を有する。さらに、スライスデータ計算部U11は、3次元形状データ又は上下層の断面形状を解析して、オーバーハング部(宙に浮く部分)の有無を判断し、必要に応じてサポート体の形成に用いられるデータを含むスライスデータを生成する。
本実施例の材料層形成ユニットU2は、複数種類の造形材料を用いた材料層の形成が可能である。そのため、各造形材料からなる材料画像を形成するためのデータを含むスライスデータに対応した材料層を形成することができる。スライスデータのファイル形式としては、例えば、多値の画像データ(各値が造形材料の種類を表す)やマルチプレーンの画像データ(各プレーンが造形材料の種類に対応する)を用いることができる。
The slice data calculation unit U11 slices the modeling object expressed by the three-dimensional shape data at a predetermined pitch, calculates the cross-sectional shape of each layer, and uses it for image formation in the material layer forming unit U2 based on the cross-sectional shape. It has a function of generating data (slice data). Furthermore, the slice data calculation unit U11 analyzes the cross-sectional shape of the three-dimensional shape data or the upper and lower layers, determines the presence or absence of an overhang portion (portion floating in the air), and is used for forming the support body as necessary. Generate slice data including data.
The material layer forming unit U2 of the present embodiment can form a material layer using a plurality of types of modeling materials. Therefore, a material layer corresponding to slice data including data for forming a material image made of each modeling material can be formed. As the file format of the slice data, for example, multi-value image data (each value represents the type of modeling material) or multi-plane image data (each plane corresponds to the type of modeling material) can be used.
材料層形成ユニット制御部U12は、スライスデータ計算部U11で生成されたスライスデータを基に、材料層形成ユニットU2における材料層形成プロセスを制御する機能を有する。後述するが、材料画像を構成する造形材料の粒子が所定の条件を満たす配置になるように現像装置を制御するのも、制御ユニットU1である。また、積層ユニット制御部U13は、積層ユニットU3における積層プロセスを制御する機能を有する。 The material layer forming unit control unit U12 has a function of controlling the material layer forming process in the material layer forming unit U2 based on the slice data generated by the slice data calculating unit U11. As will be described later, it is also the control unit U1 that controls the developing device so that the particles of the modeling material constituting the material image are arranged to satisfy a predetermined condition. Further, the stacking unit control unit U13 has a function of controlling the stacking process in the stacking unit U3.
また、図示しないが、制御ユニットU1は、操作部、表示部、記憶部も備える。操作部は、ユーザからの指示を受け付ける機能を有する。例えば、電源のオン/オフ、装置の各種設定、動作指示などの入力が可能である。表示部は、ユーザへの情報提示を行う機能を有する。例えば、各種設定画面、エラーメッセージ、動作状況などの提示が可能である。記憶部は、3次元形状データ、スライスデータ、各種設定値などを記憶する機能を有する。
制御ユニットU1は、ハードウエア的には、CPU(中央演算処理装置)、メモリ、補助記憶装置(ハードディスク、フラッシュメモリなど)、入力デバイス、表示デバイス、各種I/Fを具備したコンピュータにより構成することができる。上述した各機能部U10〜U13は、補助記憶装置などに格納されたプログラムをCPUが読み込んで実行し、必要なデバイスを制御することで実現されるものである。ただし、上述した機能部のうちの一部又は全部をASICやFPGAなどの回路で構成したり、あるいは、クラウドコンピューティングやグリッドコンピューティングなどの技術を利用して他のコンピュータに実行させてもよい。
Although not shown, the control unit U1 also includes an operation unit, a display unit, and a storage unit. The operation unit has a function of receiving an instruction from the user. For example, power on / off, various device settings, operation instructions, and the like can be input. The display unit has a function of presenting information to the user. For example, various setting screens, error messages, operation statuses, and the like can be presented. The storage unit has a function of storing three-dimensional shape data, slice data, various setting values, and the like.
The control unit U1 is configured in hardware by a computer having a CPU (Central Processing Unit), a memory, an auxiliary storage device (hard disk, flash memory, etc.), an input device, a display device, and various I / Fs. Can do. Each of the functional units U10 to U13 described above is realized by a CPU reading and executing a program stored in an auxiliary storage device and controlling necessary devices. However, some or all of the functional units described above may be configured by a circuit such as an ASIC or FPGA, or may be executed by another computer using a technique such as cloud computing or grid computing. .
[材料層形成ユニット]
次に、材料層形成ユニットU2の構成を説明する。
材料層形成ユニットU2は、電子写真プロセスを利用して造形材料からなる材料層を形成するユニットである。電子写真プロセスは、次のようにして所望の材料画像を像担持体(感光体)上に形成する手法である。まず、像担持体を一様に帯電し、帯電した像担持体に画像情報に応じた露光を行うことで、画像情報に応じた潜像(静電潜像)を像担持体に形成する。そして、像担持体上の潜像部分に現像剤粒子(造形材粒子)を付着させて、像担持体に現像剤像を形成する。このような一連のプロセスによって、所望の材料画像を像担持体上に形成する。
[Material layer forming unit]
Next, the configuration of the material layer forming unit U2 will be described.
The material layer forming unit U2 is a unit that forms a material layer made of a modeling material using an electrophotographic process. The electrophotographic process is a method for forming a desired material image on an image carrier (photosensitive member) as follows. First, the image carrier is uniformly charged, and the charged image carrier is exposed according to image information, thereby forming a latent image (electrostatic latent image) according to the image information on the image carrier. Then, developer particles (modeling material particles) are attached to the latent image portion on the image carrier to form a developer image on the image carrier. A desired material image is formed on the image carrier by such a series of processes.
図1に示すように、材料層形成ユニットU2は、第1画像形成部10a、第2画像形成部10b、転写部11を備えており、材料層形成ユニットU2ごと水平方向に移動可能になっている。
第1画像形成部10aは、造形材料Maを用いて材料画像を形成するための画像形成手段である。第1画像形成部10aは、像担持体100a、像担持体100aを帯電する帯電装置101a、像担持体100aを露光して潜像を形成する露光装置102a、潜像を造形材料Maによって現像し像担持体100a表面に材料画像を形成する現像装置103
aを有する。また第1画像形成部10aは、像担持体100aをクリーニングするクリーニング装置105aを有する。
As shown in FIG. 1, the material layer forming unit U2 includes a first
The first
a. The first
第2画像形成部10bは、造形材料Mbを用いて材料画像を形成するための画像形成手段である。第2画像形成部10bは第1画像形成部10a同様に、像担持体100b、帯電装置101b、露光装置102b、現像装置103b、クリーニング装置105bを有する。
転写部11は、転写装置104a,104b、中間担持体111、第2クリーニング装置112、画像検知センサ113を備えている。画像形成部10a,10bで形成された材料画像が転写装置104a,104bにより中間担持体111に転写され、材料層が形成される。
The second
The
本実施例では、造形材料Maとして、熱可塑性の樹脂等からなる構造材料を用い、造形材料Mbとして、熱可塑性及び水溶性を有するサポート材料を用いる。なお、オーバーハング部が無くサポート体が必要無い断面の場合には、画像形成部10bでの画像形成は行わない。その場合、構造材料の材料画像のみで材料層が形成されることとなる。各造形材料の粒子の直径は5μm以上50μm以下が好ましい。
In this embodiment, a structural material made of a thermoplastic resin or the like is used as the modeling material Ma, and a support material having thermoplasticity and water solubility is used as the modeling material Mb. Note that when the cross section has no overhang portion and does not require a support body, image formation in the
これらの画像形成部10a,10bは、中間担持体111の表面に沿って、中間担持体111の搬送方向に並んで配置されている。
なお、図1では、中間担持体111の回転方向(ベルト表面の移動方向)において、構造材料を用いる画像形成部10aを、サポート材料を用いる画像形成部10bよりも上流側に配置したが、画像形成部の配置順はこれに限らず、適宜設定することができる。また、画像形成部の数は2つに限定されるものではなく、1つ又は複数設けられるものであってもよい。すなわち、画像形成部は、造形装置の仕様、用いる造形材料の種類や数に応じて、適切な数に設定することができる。
These
In FIG. 1, the
以下、材料層形成ユニットU2の各部の構成について詳しく説明する。ただし、画像形成部10a,10bに共通する説明の中では、説明の便宜上、各構成部材の符号に添えた添え字a,bを省略し、画像形成部10、像担持体100などと記載する場合もある。
図10は、電子写真プロセスを利用して材料層を配置する画像形成部10の構成を模式的に示す図である。
(像担持体)
像担持体100は、潜像を担持するための部材である。本実施形態では、アルミニウムなどの金属製シリンダの外周面に光導電性を有する感光体層が形成された感光体ドラムが用いられる。感光体としては、有機感光体(OPC)、アモルファスシリコン感光体、セレン感光体などを用いることができ、造形装置の用途や要求性能に応じて感光体の種類を適宜選択すればよい。像担持体100は、不図示の枠体に回転自在に支持されており、材料画像の形成時には不図示の駆動源によって図10において反時計周りに一定速度で回転する。
Hereinafter, the configuration of each part of the material layer forming unit U2 will be described in detail. However, in the description common to the
FIG. 10 is a diagram schematically illustrating a configuration of the image forming unit 10 in which a material layer is arranged using an electrophotographic process.
(Image carrier)
The
(帯電装置)
帯電装置101は、像担持体100の表面を一様に帯電させるための帯電手段である。本実施例では、コロナ放電による非接触帯電方式を用いるが、帯電ローラを像担持体100の表面に接触させるローラ帯電方式など他の帯電方式を用いても構わない。
(露光装置)
露光装置102は、画像情報(スライスデータ)に従って像担持体100を露光し、像担持体100の表面上に潜像を形成する露光手段である。露光装置102は、例えば、半導体レーザや発光ダイオードなどの光源と、高速回転するポリゴンミラー等を有する走査手段と、結像レンズ等の光学部材とを有して構成される。
(Charging device)
The charging
(Exposure equipment)
The
(現像装置)
現像装置103は、公知の接触1成分現像方式を用い、現像剤として造形材料(ここでは、構造材料又はサポート材料の粒子)を像担持体100に供給することで、潜像を可視化する現像手段である。なお、本明細書では、像担持体100上で現像剤によって可視化された像を材料画像と称している。
現像装置103は、いわゆる現像カートリッジの構造をとり、材料層形成ユニットU2に対し着脱自在に設けられているとよい。これにより、カートリッジの交換により現像剤(構造材料、サポート材料)の補充・変更が容易にできる。また、像担持体100、現像装置103、クリーニング装置105などを一体のカートリッジとし(いわゆるプロセスカートリッジ)、像担持体自体の交換を可能にしてもよい。構造材料やサポート材料の種類、固さ、粒径により像担持体100の摩耗や寿命が特に問題となる場合には、プロセスカートリッジ構成の方が実用性・利便性に優れる。
(Developer)
The developing
The developing
(クリーニング装置)
クリーニング装置105は、転写されずに像担持体100上に残った造形材料の粒子等を回収し、像担持体100の表面を清浄する手段である。本実施例では、像担持体100に対しカウンタ方向に当接させたクリーニングブレードによって粒子を掻き落とすブレード方式のクリーニング装置115を採用するが、ブラシ方式や静電吸着方式のクリーニング装置を用いてもよい。
(転写装置)
転写部11に設けられた転写装置104は、像担持体100の周面に形成された材料画像を中間担持体111の表面へ転写させる転写手段である。転写装置104は、中間担持体111を挟んで像担持体100の反対側に配置されており、像担持体100上の材料画像の帯電極性と逆極性の電圧が印加されることで、静電的に材料画像を中間担持体111へと転写させる。像担持体100から中間担持体111への転写を1次転写とも称す。なお、本実施例では、コロナ放電を利用した転写方式を用いるが、ローラ転写方式や、静電転写方式以外の転写方式を用いても構わない。
(Cleaning device)
The
(Transfer device)
The
(中間担持体)
中間担持体111は、各画像形成部10で形成された材料画像が転写される担持体(搬送体)である。第1画像形成部10aから中間担持体111に構造材料で形成される材料画像が転写された後、それと中間担持体111上の位置を合わせて、第1画像形成部10aよりも下流側の第2画像形成部10bからサポート材料で形成される材料画像が転写される。このことで、中間担持体111の表面上に1枚分(1層分)の材料層が形成される。
中間担持体111は、樹脂、ポリイミド等の材料で形成された無端状のベルト部材であり、図1に示すように、複数のローラ114,115に張架されている。なお、ローラ114,115の他にテンションローラを設け、中間担持体111のテンションを調整できるようにしてもよい。ローラ114,115のうち少なくとも1つは駆動ローラであり、材料層の形成時には不図示の駆動源の駆動力によって中間担持体111を図1,10において時計周りに回転させる。また、ローラ114は、積層ユニットU3の第2中間担持体20との間で2次転写部を形成するローラである。
(Intermediate carrier)
The
The
(第2クリーニング装置)
第2クリーニング装置112は、中間担持体111の表面に付着した造形材料等をクリーニングする手段である。本実施例では、中間担持体111に対しカウンタ方向に当接させたクリーニングブレードによって材料を掻き落とすブレード方式のクリーニング装置を採用するが、ブラシ方式や静電吸着方式のクリーニング装置を用いてもよい。
(画像検知センサ)
画像検知センサ113は、中間担持体111の表面に担持された材料層の位置や造形材粒子の濃度を読み取る検知手段である。画像検知センサ113の検知結果は、材料層の位置合わせ、積層ユニットU3とのタイミング制御、材料層の異常検知等に利用される。なお、材料層の異常とは、材料層が所望の像でない、像が無い、厚みのばらつきや像の位置ずれが許容値を超える等をいう。
材料層の造形材粒子の濃度は、画像検知センサ113が材料層の単位体積当りの投影面積率を検知する機能を備えることによって読み取ることができる。具体的には、画像検知センサ113が、材料層に照明を当てて得られた濃淡画像を画像処理する機能を備えていればよい。
(Second cleaning device)
The
(Image detection sensor)
The
The density of the modeling material particles in the material layer can be read by the
[積層ユニット]
次に、積層ユニットU3の構成について説明する。
積層ユニットU3は、材料層形成ユニットU2で形成された材料層を中間担持体111から受け取り、これを順に積層し固着することによって、造形物を形成するユニットである。
図1に示すように、積層ユニットU3は、第2中間担持体20、画像検知センサ21、ヒータ22、ステージ23、冷却装置24、第3クリーニング装置25を備えている。以下、積層ユニットU3の各部の構成について詳しく説明する。
[Laminated unit]
Next, the configuration of the multilayer unit U3 will be described.
The stacking unit U3 is a unit that forms a shaped article by receiving the material layer formed by the material layer forming unit U2 from the
As shown in FIG. 1, the stacked unit U <b> 3 includes a second
(第2中間担持体)
第2中間担持体20は、材料層形成ユニットU2で形成された材料層を中間担持体111から受け取り、その材料層を積層位置Nまで担持搬送する搬送体である。
第2中間担持体20は、樹脂、ポリイミドや、ステンレス等の金属などの材料からなる円筒状のドラム部材(筒状部材)である。第2中間担持体20は、不図示の駆動源の駆動力によって図1において反時計周りに回転する。第2中間担持体20の表面には、材料層との付着力Mfを下げる為に、PTFE、PFAといったフッ素系樹脂を塗布することが望ましい。ここで、PTFEはポリテトラフルオロエチレンであり、PFAはテトラフルオロエチレン パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体である。
(第2画像検知センサ)
第2画像検知センサ21は、第2中間担持体20の表面に担持された材料層の位置や造形材粒子の濃度を検知する検知手段である。第2画像検知センサ21は、第2中間担持体20の回転方向において、中間担持体111と第2中間担持体20との当接位置より下流側、かつ積層位置Nより上流側に設置されている。
第2画像検知センサ21の検知結果は、材料層の位置合わせ、積層位置Nへの搬送タイミング制御等に利用される。
(Second intermediate carrier)
The second
The second
(Second image detection sensor)
The second
The detection result of the second
(ヒータ)
ヒータ22は、中間造形物S、及び、中間造形物Sの積層面Saに転写された材料層Mの温度を制御する温度制御手段である。ヒータ22としては、例えば、セラミックヒータ、ハロゲンヒータ等を用いることができる。また、ヒータ22の温度は、材料層Mが溶融する温度以上に設定されていることが望ましい。また、ヒータ22と中間造形物Sとの間の距離を調整することで、中間造形物Sの積層面Saの温度を制御することができる。これにより、材料層Mが中間造形物Sに転写した後、ヒータ22を中間造形物Sに近づけることにより、材料層Mを溶融させ中間造形物Sに固着させることができる(図2D)。ここで、ヒータ22とステージ23上の中間造形物Sとの間の距離は、ヒータ22とステージ23のうち、少なくともいずれかを上下方向に移動させることにより調整するとよい。また、本実施形態では、後述のように、ステージ23をヒータ22の加熱領域まで移動させて、中間造形物S、及び、中間造形物Sの積層面Saに転写された材料層Mを加熱するものであるが、これに限るものではない。ステージ23及び/又はヒータ22が、積層が行われる際の位置と、ヒータ22による加熱が行われる際の位置との間を移動可能に配設
されるものであればよい。
(heater)
The
(ステージ)
ステージ23は、材料層Mが積層される平面台である。ステージ23は、不図示のアクチュエータ等の駆動手段によって、図1において上下方向と水平方向(円筒状の第2中間担持体20の外周面のうち図1に示す積層位置Nにおける法線方向と接線方向)に移動可能に構成されている。積層位置Nまで担持搬送された材料層Mをステージ23と第2中間担持体20との間で挟み込むことで、中間造形物Sの積層面Saの粘性により、第2中間担持体20側からステージ23側へと材料層Mを転写させることができる。
(stage)
The
ステージ23の表面には、溶媒に可溶な材料、又は、温度変化に対応して粘着と非粘着が変化する感温性粘着剤が予め設置されていることが望ましい。本実施形態では、溶媒に可溶な材料として熱可塑性樹脂(熱可塑性材料)Msを配置した例を示している。ステージ23の表面に熱可塑性樹脂Msを設けた場合、この熱可塑性樹脂Msを造形が完了した際に除去することで、ステージ23から造形物をより簡単に取り外すことができる。ここで、熱可塑性樹脂Msは、熱可塑性及び水溶解性を有するサポート材料と同じ材料であることが望ましく、材料層形成ユニットU2によりサポート材料のみの材料層Mを形成し、ステージ23に積層することで作製してもよい。また、1層目の材料層Mは、熱可塑性樹脂Msの上に直接転写することになるため、1層目の材料層Mを積層する際は、熱可塑性樹脂Msの表面を、熱可塑性樹脂Msの軟化温度以上にすることが望ましい。
また、ステージ23の表面に感温性粘着剤を設けた場合には、造形が完了した際に予め設定されたスイッチング温度以下として感温性粘着剤の粘着力を消失させることで、ステージ23から造形物をより簡単に取り外すことができる。感温性粘着剤としては、ニッタ株式会社製の感温性粘着シート インテリマー(登録商標)テープを用いることができる。ここで、本実施形態では、第2中間担持体20、ヒータ22及びステージ23によって、材料層Mを積層する積層手段が構成される。
It is desirable that a solvent-soluble material or a temperature-sensitive adhesive that changes in adhesion and non-adhesion in response to a temperature change is installed in advance on the surface of the
Further, in the case where the temperature-sensitive adhesive is provided on the surface of the
(冷却装置)
冷却装置24は、第2中間担持体20を冷却するための装置である。第2中間担持体20は、ヒータ22によって加熱された中間造形物Sに対して、材料層Mを介して接触するため、その熱によって表面が昇温しやすい。また、ヒータ22が隣接するように配置されているため、ヒータ22の熱によって昇温しやすい。第2中間担持体20の温度が材料層Mの軟化温度以上になると、積層不良が生じることが懸念される。このため、第2中間担持体20は冷却装置24によって冷却することが望ましい。また、冷却装置24により第2中間担持体20を冷却することで、積層ユニットU3における熱の影響が材料層形成ユニットU2に及ぶことを抑制することができる。
本実施形態では、冷却装置24は、第2中間担持体20の回転方向において積層位置Nよりも下流に設置しているが、これに限るものではない。すなわち、冷却装置24は、第2中間担持体20の温度が材料層Mの軟化温度以上にならないように、第2中間担持体20を冷却できるものであれば、その設置位置は特に限定されるものではない。また、冷却装置24は、コンプレッサやファン等によって空冷する方式が望ましいが、その冷却方式は特に限定されるものでなく、例えば第2中間担持体20内部から冷却水によって水冷する方式でもよい。
なお、ヒータ22の熱が第2中間担持体20に直接加わるのを抑制するため、第2中間担持体20とヒータ22との間に断熱部材を設けるのも好ましい。
(Cooling system)
The
In the present embodiment, the
In order to prevent the heat of the
(第3クリーニング装置)
第3クリーニング装置25は、第2中間担持体20に付着したコンタミや、濃度不足等により中間造形物Sに積層されなかった造形材料等を第2中間担持体20上から除去するための装置である。本実施形態の第3クリーニング装置25では、第2中間担持体20に
おける材料層Mを担持搬送する面(担持面)に対してカウンタ方向に当接させたクリーニングブレードによってコンタミや造形材料を掻き落とすブレード方式を採用する。しかしながら、これに限らず、ブラシ方式や静電吸着方式のクリーニング装置を用いてもよい。また、図1では、第3クリーニング装置25は、第2中間担持体20の回転方向において冷却装置24よりも下流に設置されているが、これに限らず、積層位置Nよりも下流であれば、冷却装置24よりも上流に設置されるものであってもよい。
(Third cleaning device)
The
これらのユニットU1〜U3は、互いに異なる筐体に収められていてもよいし、1つの筐体の中に収められていてもよい。ユニットU1〜U3を別筐体にする構成は、造形装置の用途、要求性能、使用したい造形材料、設置スペース等に応じて、また故障時の対応として、ユニットの組み合わせや交換等を容易に行うことができ、装置構成の自由度及び利便性を向上できる利点がある。一方、全てのユニットを1つの筐体内に収める構成は、装置全体の小型化、コストダウンなどの利点がある。 These units U1 to U3 may be housed in different housings, or may be housed in one housing. The configuration in which the units U1 to U3 are separated from each other can be easily combined and replaced according to the use of the modeling apparatus, required performance, modeling material to be used, installation space, etc. Therefore, there is an advantage that the degree of freedom and convenience of the device configuration can be improved. On the other hand, the configuration in which all the units are housed in one housing has advantages such as downsizing of the entire apparatus and cost reduction.
<第2実施形態>
以下に、第2実施形態について説明する。
図3は、本実施形態に係る造形装置を模式的に示す図である。
本実施形態は、加熱手段としてのヒータ26が、表面に弾性ゴムを有したローラ形状で構成されている。ローラ内部には、不図示のハロゲンヒータ等の加熱部が内蔵されており、図3において反時計回りに回転している点を除いて第1実施形態と同様である。本実施形態では、ヒータ26の回転軸は、回転可能に造形装置本体に支持され、実施形態1同様、ステージ23が図3の水平方向に移動することで、ステージ23上の中間造形物Sがヒータ26により加熱される構成としている。
Second Embodiment
The second embodiment will be described below.
FIG. 3 is a diagram schematically illustrating the modeling apparatus according to the present embodiment.
In this embodiment, the
ヒータ26は、その表面の弾性ゴム層が、中間造形物Sの積層面Saと接触することで、中間造形物Sの積層面Saを軟化温度以上に加熱する。このとき、ヒータ26の弾性ゴム層と、中間造形物Sの積層面Saとが接触した状態を保ちながら、ヒータ26の回転動作と、ステージ23の水平方向への移動動作が行われることで、中間造形物Sの積層面Saが全域にわたって加熱される。
ヒータ26の弾性ゴム層の表面にはフッ素系樹脂が塗布されていることが望ましく、これにより、中間造形物Sの積層面Saとヒータ26の間に生じる付着力を抑えることができる。また、ヒータ26の弾性ゴム層を中間造形物Sの積層面Saに十分接触させ中間造形物Sの積層面Saを加圧することで、中間造形物Sの内部と中間造形物Sの積層面Saとの間に存在する気泡を除去することができる。
The
The surface of the elastic rubber layer of the
<第3実施形態>
以下に、第3実施形態について説明する。
図4は、本実施形態に係る造形装置を模式的に示す図である。
本実施形態では、図4に示すように、加熱手段として、ステージ23を囲うように高温槽27が設置されており、さらに、熱風を発生させて高温槽27内に送る熱風発生機28が設置されている点を除いて第1実施形態と同様である。
<Third Embodiment>
The third embodiment will be described below.
FIG. 4 is a diagram schematically illustrating the modeling apparatus according to the present embodiment.
In the present embodiment, as shown in FIG. 4, as a heating means, a
熱風発生機28から発生した熱風により高温槽27内を目標温度に保持するように構成することで、中間造形物Sの積層面Saの温度を常に中間造形物Sの軟化温度以上にすることができる。また、高温槽27内を一定温度に保つことで、中間造形物Sの周辺の雰囲気温度を一定に保つことができるので、中間造形物S内の温度ムラを低減することができる。これにより、中間造形物S内の温度ムラに起因して中間造形物Sに歪み(変形)が生じたり、歪みにより中間造形物Sにヒビが生じたりするのを抑制することができる。
また、図4に示すように、高温槽27の上部には開口部27aが設けられており、開口部27aを介して、第2中間担持体20からステージ23へ材料層を転写することができ
る。
また、図4に示す上述の高温槽27を含む加熱部に第1実施形態のヒータ22を加えた構成、すなわち、高温槽27内を移動可能なステージ23上の中間造形物Sの積層面Saをヒータ22で加熱する構成としてもよい。
By configuring so that the inside of the high-
As shown in FIG. 4, an
Moreover, the structure which added the
<第4実施形態>
以下に、第4実施形態について説明する。
図5は、本実施形態に係る造形装置を模式的に示す図である。
本実施形態では、ヒータ22とは別に、中間造形物Sの積層面Saに転写された材料層Mの温度を制御する温度制御手段として第2ヒータ29が配設されている点を除いて第1実施形態と同様である。第2ヒータ29においては、例えば、セラミックヒータ、ハロゲンヒータ等が内蔵されており、また、ステージ23側の表面29aが研磨されている。第2ヒータ29の表面29aは、後述するように、第2ヒータ29がステージ23上の中間造形物Sに接触する際の接触面である。第2ヒータ29の積層面29aは、平均粗さが1μm以下となるように研磨されていることが望ましい。本実施形態では、ヒータ22の温度は、材料層Mの軟化温度以上、かつ、材料層Mが溶融する温度未満であり、第2ヒータ29の温度は、材料層Mが溶融する温度以上に設定されていることが望ましい。
<Fourth embodiment>
The fourth embodiment will be described below.
FIG. 5 is a diagram schematically illustrating the modeling apparatus according to the present embodiment.
In the present embodiment, apart from the
以下に、本実施形態特有の第2ヒータ29で、ステージ23上の中間造形物Sを加熱する工程について説明する。
まず、ステージ23上の中間造形物Sの積層面Saに材料層Mが積層されると、ステージ23は、第2ヒータ29の下方に位置するまで、図5において水平方向右側に移動する。ステージ23が第2ヒータ29の下方に位置した後、第2ヒータ29が降下しステージ23上の材料層Mに接触することで、材料層Mが加熱及び/又は加圧され中間造形物Sに固着される。
材料層Mが中間造形物Sに固着されると、第2ヒータ29の加熱動作が停止され、中間造形物Sの積層面Saの温度が、材料層Mが溶融する温度以下にまで下がった後、第2ヒータ29は上方に移動して、材料層Mが固着された中間造形物Sから離間する。なお、第2ヒータ29の温度を下げるために、第2ヒータ29を冷却する手段が設置されていてもよい。このときの冷却方式としては、空冷方式であっても水冷方式であってもよく、特に限定されるものではない。
Below, the process of heating the intermediate shaped article S on the
First, when the material layer M is laminated on the lamination surface Sa of the intermediate shaped article S on the
After the material layer M is fixed to the intermediate shaped article S, the heating operation of the
また、第2ヒータ29の表面29aには、フッ素樹脂等の離型剤が塗布されていることが望ましい。
また、第2ヒータ29のうち、表面29aの裏側の面に、加圧センサが複数箇所に設置されているとよい。これにより、第2ヒータ29がステージ23上の中間造形物Sに積層された材料層Mを加圧する際に、各加圧センサの測定値を積層ユニット制御部U13にフィードバックすることで、材料層M及び中間造形物Sを均一に加圧することができる。これにより、より精度の高い造形物を作製することができる。
Further, it is desirable that a release agent such as a fluororesin is applied to the
Moreover, it is good for the pressure sensor to be installed in several places in the surface of the back side of the
<第5実施形態>
以下に、第5実施形態について説明する。
図6は、本実施形態に係る造形装置を模式的に示す図である。
本実施形態では、図6に示すように、積層ユニットU3が、第3中間担持体30、予備加熱ヒータ31、冷却装置34、第4クリーニング装置36、画像検知センサ21、ヒータ22、ステージ23を備えている点を除いて第1実施形態と同様である。以下、本実施形態特有の積層ユニットU3の各部の構成について詳しく説明する。
<Fifth Embodiment>
The fifth embodiment will be described below.
FIG. 6 is a diagram schematically illustrating the modeling apparatus according to the present embodiment.
In the present embodiment, as shown in FIG. 6, the stacked unit U <b> 3 includes the third
(第3中間担持体)
第3中間担持体30は、例えばSUS(ステンレス鋼)等の金属や、樹脂、ポリイミド
等の材料で形成された無端状のベルト部材であり、図6に示すように、弾性ローラ32,33と金属ローラ35に張架されている。ここで、弾性ローラ32,33は、ウレタン又はシリコーン製の弾性ゴム層を有する。また、金属ローラ35は、SUS又はアルミ等の金属製のローラである。また、弾性ローラ32,33、及び金属ローラ35のうち少なくとも1つは駆動ローラである。
(Third intermediate carrier)
The third
弾性ローラ32は、材料層形成ユニットU2のローラ114に対向する位置に配置され、ローラ114との間で2次転写部を形成するローラである。また、図6に示すように、材料層形成ユニットU2で形成された材料層Mが第3中間担持体30へ静電的(電気的)に転写される際、弾性ローラ32には高圧電源37によって電圧が印加される。
また、本実施形態では、弾性ローラ32は回転可能に造形装置本体に支持されており、材料層形成ユニットU2が図8において水平方向に移動可能に構成されている。そして、材料層形成ユニットU2の中間担持体111から積層ユニットU3の第3中間担持体30に材料層Mが転写される際には、材料層形成ユニットU2が積層ユニットU3側へ移動する。このことで、中間担持体111と第3中間担持体30が接触して2次転写部が形成される。
The
In this embodiment, the
(予備加熱ヒータ)
予備加熱ヒータ31は、第3中間担持体30により電気的に担持され搬送される材料層Mを、材料層Mの軟化温度に近づくように予備加熱するために設置されている。図6に示すように、第3中間担持体30上の材料層Mを、材料層Mの軟化温度未満の温度に加熱することで、第3中間担持体30上の材料層Mを中間造形物Sへ転写した後、当該材料層Mをヒータ22で加熱する加熱時間を短縮することができる。
弾性ローラ33は、積層位置Nに位置するステージ23に第3中間担持体30を介して対向するように配置されている。図6に示すように、第3中間担持体30により担持され積層位置Nまで搬送された材料層Mを第3中間担持体30とともに、弾性ローラ33と中間造形物Sとで挟み込むことで、第3中間担持体30上の材料層Mが中間造形物Sへ転写される。
(Pre-heater)
The
The
弾性ローラ33には、電圧印加手段として高圧電源38が接続されており、弾性ローラ33に電圧を印加できるように構成されている。これにより、材料層Mの転写時に、中間造形物Sの積層面Saの粘性に加えて、静電力を用いることができ、第3中間担持体30上の材料層Mをより容易に、より確実に中間造形物Sへ転写させることができる。
また、中間造形物Sの積層面Saの電位を測定する表面電位計39によって、中間造形物Sの積層面Saの電位を材料層Mの転写前に測定し、測定結果を高圧電源38にフィードバックすることが望ましい。
A high
Further, the surface
(第2冷却装置)
第2冷却装置34は、第1実施形態の冷却装置24と同じ機能を有する冷却装置である。本実施形態では、第2冷却装置34は、第3中間担持体30における、材料層Mを担持搬送する面の裏面に冷風を当てるように配置されている。そのため、第3中間担持体30を空冷する際、第3中間担持体30表面に付着したコンタミや、中間造形物Sへ転写されずに第3中間担持体30上に残った造形材料を吹き飛ばしてしまうことがなく、より強い風力で第3中間担持体30を冷却することができる。
(Second cooling device)
The
(第4クリーニング装置)
第4クリーニング装置36は、第3中間担持体30に残った造形材料やコンタミを回収し、第3中間担持体30の表面をクリーニングする手段である。本実施形態の第4クリーニング装置36は、金属ローラ35との間で第3中間担持体30を挟み込むように設置されている。本実施形態では、第4クリーニング装置36に、第3中間担持体30に対しカ
ウンタ方向に当接させたクリーニングブレードによって造形材料の粒子やコンタミ等を掻き落とすブレード方式を採用するが、クリーニング方式はこれに限るものではない。例えばクリーニング方式として、ブラシ方式や静電吸着方式を用いてもよい。
(4th cleaning device)
The
<第6実施形態>
以下に、第6実施形態について説明する。
図7は、本実施形態に係る造形装置を模式的に示す図である。
本実施形態では、図7に示すように、弾性ローラ32,33が移動可能に構成され、材料層形成ユニットU2は、造形装置本体に固定されている。また、予備加熱ヒータ31も移動可能に構成され、弾性ローラ32,33が移動する際には、予備加熱ヒータ31は第3中間担持体30から離れた位置に移動する。
<Sixth Embodiment>
The sixth embodiment will be described below.
FIG. 7 is a diagram schematically illustrating the modeling apparatus according to the present embodiment.
In the present embodiment, as shown in FIG. 7, the
中間担持体111から第3中間担持体30へ材料層Mが転写する際は、弾性ローラ32が材料層形成ユニットU2のローラ114側へ移動し、同時に弾性ローラ33が同じ距離だけ移動する。これにより、第3中間担持体30は、中間担持体111から材料層Mが転写される転写位置(図6で点線30aで示す位置)をとり、中間担持体111と接触して2次転写部を形成する。このとき、弾性ローラ33は、弾性ローラ32と金属ローラ35に近づく方向に移動する。
材料層Mが第3中間担持体30に転写されると、弾性ローラ33は、中間造形物Sの積層面Saと第3中間担持体30とが接触可能な位置まで移動する。弾性ローラ33の移動と同時に、弾性ローラ32は弾性ローラ33と金属ローラ35に近づく方向へ、弾性ローラ33が移動した距離だけ移動する。これにより、第3中間担持体30は、中間担持体111から離れた位置をとる。弾性ローラ32,33が移動する間、材料層Mは第3中間担持体30により積層位置Nに向けて搬送されるが、弾性ローラ32,33の移動が完了するまでは、画像検知センサ21による検知領域に到達しないように構成されている。
When the material layer M is transferred from the
When the material layer M is transferred to the third
弾性ローラ32,33の移動が完了すると、第3中間担持体30上の材料層Mは、画像検知センサ21による検知領域を通過し、中間造形物Sに転写される。
本実施形態では、第3中間担持体30を張架する3つのローラのうち2つのローラが移動可能に構成されるものであったが、これに限るものではない。すなわち、中間担持体を張架する複数のローラのうち少なくとも1つのローラが移動可能に構成され、ローラの移動により、中間担持体が材料層Mの転写時以外は、材料層形成ユニットU2から離れた位置をとることができる。これにより、材料層形成ユニットU2が、積層ユニットU3において発生する熱の影響を受けないように構成することができる。
When the movement of the
In the present embodiment, two of the three rollers that stretch the third
<第7実施形態>
以下に、第7実施形態について説明する。
図8は、本実施形態に係る造形装置を模式的に示す図である。
本実施形態では、図8に示すように、造形装置が、ヒータ22、画像形成部10a,10b、第2ヒータ29、ステージ23を備えている。本実施形態の造形装置は、上述した実施形態のような中間担持体を介さずに、像担持体100a,100bから、ステージ23上の中間造形物Sの積層面Saに材料画像が順に転写され、中間造形物S上で材料層Mが作製されるように構成されている。
<Seventh embodiment>
The seventh embodiment will be described below.
FIG. 8 is a diagram schematically illustrating the modeling apparatus according to the present embodiment.
In the present embodiment, as illustrated in FIG. 8, the modeling apparatus includes a
以下に、本実施形態の造形装置の造形動作について説明する。
まず、ステージ23が、ヒータ22に対向する位置に移動する(図8)。この位置で、ステージ23上の中間造形物Sの積層面Saの温度が、中間造形物Sの軟化温度以上となるように、ヒータ22による加熱が行われる。
中間造形物Sの積層面Saが、中間造形物Sの軟化温度以上に加熱されると、ステージ23が像担持体100aの対向部まで移動され、造形材料Maからなる材料画像が中間造
形物S上に転写される。
Below, the modeling operation | movement of the modeling apparatus of this embodiment is demonstrated.
First, the
When the laminated surface Sa of the intermediate shaped object S is heated to a temperature equal to or higher than the softening temperature of the intermediate shaped object S, the
造形材料Maからなる材料画像が転写されると、ステージ23が像担持体100bの対向部まで移動され、造形材料Mbからなる材料画像が中間造形物S上に転写される。
このように造形材料Ma,Mbからなる材料画像が転写されることにより、中間造形物S上に材料層Mが形成される。その後、ステージ23が第2ヒータ29の対向部まで移動し、第2ヒータ29と中間造形物Sとの間で材料層Mが挟み込まれることで、材料層Mは加熱及び/又は加圧され中間造形物S上に固着される。
ここで、像担持体100a,100bは、加熱された中間造形物Sに材料画像を介して接触するため、中間造形物Sの熱が伝わり、昇温してしまうことが懸念される。このため、像担持体100a,100bを冷却するための冷却装置106a,106bが設置されていることが望ましい。冷却装置106は、像担持体100が材料画像を介して中間造形物Sと接触する積層位置よりも像担持体100の回転方向下流で、クリーニング装置105よりも上流に配置されるものであるとよい。また、像担持体100を1つのみの構成としてもよく、1つの像担持体100上で材料画像を形成後、材料画像を転写して中間造形物S上に材料層を形成するように構成してもよい。
When the material image made of the modeling material Ma is transferred, the
Thus, the material layer M is formed on the intermediate shaped article S by transferring the material image made up of the modeling materials Ma and Mb. Thereafter, the
Here, since the
<第8実施形態>
以下に、第8実施形態について説明する。
図9A〜9Dは、本実施形態に係る造形装置を模式的に示す図である。
図9Aは、造形装置の全体構成を示している。図9Aに示すように、本実施形態の造形装置は、画像形成部10、第4中間担持体40、転写補助部材41、第3ヒータ46、ステージ23を備えている。図9B〜9Dは、第4中間担持体40、転写補助部材41、第3ヒータ46、ステージ23の位置関係について説明するための図である。以下に、本実施形態特有の構成について詳しく説明する。
<Eighth Embodiment>
The eighth embodiment will be described below.
9A to 9D are diagrams schematically illustrating the modeling apparatus according to the present embodiment.
FIG. 9A shows the overall configuration of the modeling apparatus. As illustrated in FIG. 9A, the modeling apparatus of the present embodiment includes an image forming unit 10, a fourth
(第4中間担持体)
第4中間担持体40には、各画像形成部10で形成された材料画像がそれぞれ転写され材料層Mが形成される。すなわち、上流側の画像形成部10aから造形材料Maの材料画像が転写された後、下流側の画像形成部10bから造形材料Mbの材料画像が転写されることで、第4中間担持体40上に1層の材料層Mが形成される。
第4中間担持体40は、例えば樹脂、ポリイミドなどの材料からなる無端状のベルト部材であり、図9Aに示すように、複数のローラ42,43,44に張架されている。なお、ローラ42,43,44の他にテンションローラを設け、第4中間担持体40のテンションを調整できるように構成してもよい。ローラ42,43,44のうち少なくとも一つは駆動ローラであり、材料層の形成時には不図示のモータの駆動力によって第4中間担持体40を図中反時計周りに回転させる。
(Fourth intermediate carrier)
On the fourth
The fourth
(転写補助部材)
転写補助部材41は、SUSやアルミなどの金属からなる平板で構成され、図9A,9Bに示すように、第4中間担持体40を挟んでステージ23に対向するように設置されている。
第4中間担持体40によって中間造形物Sに対向する積層位置Nまで搬送された材料層Mは、転写補助部材41と中間造形物Sとの間で挟み込まれることで、中間造形物S上に転写され積層される。材料層Mが転写される際、第4中間担持体40、及びローラ42,43,44は停止している。なお、転写補助部材41にヒータが内蔵されていてもよく、ヒータの温度は材料層Mの軟化温度以下に設定されている。転写補助部材41における第4中間担持体40側の表面には、ウレタン、シリコーンなどの弾性部材が貼り付けられていることが望ましく、これにより、材料層Mと第4中間担持体40とが接触しやすくなる。
(Transfer auxiliary member)
The transfer
The material layer M conveyed to the stacking position N facing the intermediate shaped object S by the fourth
(ヒータ)
第3ヒータ46は、中間造形物S及び中間造形物Sの上に転写され積層された材料層Mの温度を制御する温度制御手段である。第3ヒータ46は、図9Dに示す、第4中間担持体40とステージ23に挟まれた位置である第1位置と、図9B,9Cに示す、第1位置から離間した第2位置との間を移動可能に設置されている。図9Dでは、第1位置に位置する第3ヒータ46を46aで示し、図9B,9Cでは、第2位置に位置する第3ヒータ46を46bで示している。また、本実施形態では、第3ヒータ46は、積層位置Nにおける第4中間担持体40のベルト面において第4中間担持体40の搬送方向に直交する方向に移動可能に構成されている。
(heater)
The
材料層Mの積層が行われる際には、図9Dに示す第1位置に位置させた第3ヒータ46で中間造形物Sを加熱し、その後、材料層Mが積層位置Nに到達するまでに、第3ヒータ46を図9B,9Cに示す第2位置に移動させておく。そして、材料層Mが中間造形物Sに転写されると、第3ヒータ46を図9Dに示す第1位置に再び位置させる。そして、材料層Mを中間造形物Sに転写した後に、材料層Mが転写された中間造形物Sと第3ヒータ46を近づけることで、中間造形物Sのうち転写された材料層Mの部分を溶融し、中間造形物Sに固着させる。第3ヒータ46としては、例えば、セラミックヒータ、ハロゲンヒータを用いることができる。第3ヒータ46の温度は、材料層Mが溶融する温度以上に設定されていることが望ましく、第3ヒータ46と中間造形物Sの距離を調整することで、中間造形物Sの積層面Saの温度を制御することができる。
When the material layer M is stacked, the intermediate shaped article S is heated by the
(ステージ)
本実施形態では、ステージ23は、不図示のアクチュエータ等の駆動手段によって、材料層Mの積層方向(積層位置Nにおける第4中間担持体40のベルト面に垂直な方向)にのみ移動可能に構成されている。
ステージ23は、材料層Mが積層される前の状態では、下方(積層位置Nから離れる方向)に下げられており、材料層Mが積層される際に、上方に移動される。このときのステージ23の位置は、ステージ23と第3ヒータ46の間の距離が、中間造形物Sの積層面Saの温度に基づいて調整されることで設定される。そして、ステージ23上の中間造形物Sの積層面Saの温度が、中間造形物Sの軟化温度以上になるまで第3ヒータ46による加熱が行われる。材料層Mが積層位置Nに搬送されると、ステージ23が上昇し、材料層Mがステージ23と転写補助部材41とで挟み込まれることで、材料層Mが中間造形物Sに転写される。材料層Mが中間造形物Sに転写されると、ステージ23が下方に移動し、その後、第3ヒータ46が図9Dに示す第1位置に移動することで、第3ヒータ46によって材料層Mが溶融され中間造形物Sに固着される。
(stage)
In the present embodiment, the
The
以上説明した各実施形態は、本発明の実施形態の例示を旨とするものであり、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、可能な限り組み合わせたり、種々の変更を加えたりすることが可能である。 Each embodiment described above is intended to exemplify the embodiment of the present invention, and can be combined or variously modified as much as possible without departing from the gist of the present invention. It is.
1…造形装置、20…第2中間担持体、22…ヒータ、23…ステージ、Ma,Mb…造形材料、S…中間造形物
DESCRIPTION OF
Claims (19)
前記ステージ上の立体物の積層面を加熱する加熱手段と、
前記ステージ上の立体物の積層面に、前記担持体に担持された前記造形材料を積層する積層手段と、
前記加熱手段および前記積層手段を制御する制御手段と、
を有しており、
前記制御手段が、前記加熱手段により前記積層面を前記造形材料の軟化温度以上に加熱し、前記積層面に前記軟化温度よりも低い温度の前記造形材料を積層するよう制御する
ことを特徴とする造形装置。 In a modeling apparatus for producing a three-dimensional solid object by laminating a thermoplastic modeling material supported on a carrier on a stage,
Heating means for heating the laminated surface of the three-dimensional object on the stage;
Lamination means for laminating the modeling material carried on the carrier on the lamination surface of the three-dimensional object on the stage;
Control means for controlling the heating means and the laminating means;
Have
The control means controls the heating so that the laminated surface is heated to a temperature higher than or equal to the softening temperature of the modeling material, and the modeling material having a temperature lower than the softening temperature is laminated on the laminated surface. Modeling equipment.
ことを特徴とする請求項1に記載の造形装置。 The softening temperature refers to the temperature dependence of the storage elastic modulus and loss elastic modulus in the shear direction of a molded body obtained by press-molding the aggregate of modeling materials into a cylindrical shape having a diameter of 10 mm and a thickness of 1 mm, and an angular frequency of 1 Hz. The modeling apparatus according to claim 1, wherein the storage elastic modulus is a temperature at which the storage elastic modulus becomes 10 MPa when the temperature is measured at a rate of 2 ° C./min with a rotary rheometer.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の造形装置。 The modeling apparatus according to claim 1, wherein the heating unit maintains an ambient temperature around the three-dimensional object on the stage at a target temperature in order to heat the three-dimensional object on the stage.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の造形装置。 The stage and / or the heating means are movably arranged between a position when the lamination by the lamination means is performed and a position when the three-dimensional object on the stage is heated by the heating means. The modeling apparatus according to claim 1, wherein the modeling apparatus is provided.
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の造形装置。 After the modeling material is stacked on the stacked surface of the three-dimensional object on the stage, the function of pressing the three-dimensional object on the stage on which the modeling material is stacked and / or heating the stacked modeling material. The modeling apparatus according to claim 1, further comprising a member having a function.
前記熱可塑性材料の層に直に前記造形材料が積層される際には、前記制御手段が、前記加熱手段により前記熱可塑性材料の層を前記熱可塑性材料の軟化温度以上に加熱する
ことを特徴とする請求項6に記載の造形装置。 The solvent-soluble material is a thermoplastic material,
When the modeling material is laminated directly on the thermoplastic material layer, the control means heats the thermoplastic material layer to a temperature equal to or higher than the softening temperature of the thermoplastic material by the heating means. The modeling apparatus according to claim 6.
前記担持体は、前記材料層形成手段により形成された前記材料層を、前記積層手段による積層が行われる位置である積層位置まで搬送する搬送体である
ことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の造形装置。 Having a material layer forming means for forming a material layer made of the modeling material based on the slice data of the three-dimensional model;
8. The carrier according to claim 1, wherein the carrier is a transport body that transports the material layer formed by the material layer forming unit to a stacking position where the stacking unit performs stacking. The modeling apparatus of any one of Claims.
ことを特徴とする請求項8に記載の造形装置。 9. The apparatus according to claim 8, further comprising preheating means for heating the material layer so that the temperature of the material layer carried on the carrier and transported toward the stacking position approaches the softening temperature. Modeling equipment.
ことを特徴とする請求項8又は9に記載の造形装置。 9. The cleaning apparatus according to claim 8, further comprising: a cleaning unit that is disposed downstream of the stacking position in the conveying direction of the material layer by the carrier and that cleans a carrying surface that carries the material layer in the carrier. Or the modeling apparatus of 9.
ことを特徴とする請求項8乃至10のいずれか1項に記載の造形装置。 11. The cooling device according to claim 8, further comprising a cooling unit that is disposed downstream of the stacking position in the conveying direction of the material layer by the carrier and cools the carrier. Modeling equipment.
前記担持体に電圧を印加する電圧印加手段を有し、
前記積層手段は、前記担持体上の前記材料層を前記ステージ上の立体物の前記積層面に積層する際に、前記電圧印加手段により前記担持体に電圧を印加させる
ことを特徴とする請求項8乃至11のいずれか1項に記載の造形装置。 The carrier electrically carries the material layer,
Voltage application means for applying a voltage to the carrier,
The laminating means applies a voltage to the carrier by the voltage application means when laminating the material layer on the carrier on the lamination surface of a three-dimensional object on the stage. The modeling apparatus according to any one of 8 to 11.
ことを特徴とする請求項8乃至12のいずれか1項に記載の造形装置。 The modeling apparatus according to claim 8, wherein the carrier is a belt member made of resin or metal.
前記担持体が、前記材料層形成手段から前記材料層が前記担持体に転写される転写位置、又は、前記転写位置に対して前記材料層形成手段から離れた位置に位置するように、前記複数のローラのうち少なくとも1つが移動可能に配設されている
ことを特徴とする請求項13に記載の造形装置。 A plurality of rollers for stretching the carrier;
The plurality of support members are positioned at a transfer position where the material layer is transferred from the material layer forming unit to the support member, or at a position away from the material layer forming unit with respect to the transfer position. The molding apparatus according to claim 13, wherein at least one of the rollers is movably disposed.
ことを特徴とする請求項8乃至12のいずれか1項に記載の造形装置。 The modeling apparatus according to claim 8, wherein the carrier is a cylindrical member made of resin or metal.
前記担持体は、前記像形成部において、前記造形材料の像が形成される部材である
ことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の造形装置。 An image forming unit that forms an image made of the modeling material based on slice data of the three-dimensional model,
The modeling apparatus according to claim 1, wherein the carrier is a member on which an image of the modeling material is formed in the image forming unit.
1層分のスライスデータに基づいて各像形成部でそれぞれ形成された前記造形材料の像が順に前記ステージ上の立体物の前記積層面に積層される
ことを特徴とする請求項16に記載の造形装置。 A plurality of the image forming units are provided,
The image of the modeling material respectively formed by each image forming unit based on slice data for one layer is sequentially stacked on the stack surface of the three-dimensional object on the stage. Modeling equipment.
ことを特徴とする請求項16又は17に記載の造形装置。 After the image of the modeling material carried on the carrier is laminated on the lamination surface of the three-dimensional object on the stage, cooling for cooling a region of the carrier on which the image of the modeling material is carried The modeling apparatus according to claim 16 or 17, further comprising: means.
前記ステージ上の立体物の積層面を加熱する加熱工程と、
前記加熱工程により前記造形材料の軟化温度以上に加熱された前記ステージ上の立体物の前記積層面に、前記担持体に担持された、温度が前記軟化温度よりも低い前記造形材料を積層する積層工程と、
を含むことを特徴とする造形方法。 A modeling method by a modeling apparatus for producing a three-dimensional solid object by laminating a thermoplastic modeling material supported on a carrier on a stage,
A heating step of heating the laminated surface of the three-dimensional object on the stage;
Lamination for laminating the modeling material having a temperature lower than the softening temperature supported on the carrier on the laminating surface of the three-dimensional object on the stage heated to the softening temperature or higher of the modeling material by the heating step. Process,
A modeling method comprising:
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