JP2017202651A - 立体物の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】中間担持体を用いた立体物の製造において、中間担持体上に形成した材料層をステージ上に転写・積層する際に生じる積層欠陥による立体物の造形精度の低下を抑制する。
【解決手段】材料層形成部１０においてエンドレスベルト２０上に電子写真方式により材料層１２を形成し、該材料層１２を造形部３０に搬送して該材料層１２をステージ３１上に加熱手段により転写・積層して積層体３３を形成する立体物の製造方法において、造形部３０の後段に検出部４０を設け、該検出部４０において、センサ内蔵カメラ４１によってエンドレスベルト２０の材料層１２の担持領域１２’に該材料層１２の残留物が有るか否かを検出し、残留物が有った場合には、担持領域１２’を造形部４０に戻し、該残留物をステージ３１上に転写・積層し、積層体３３の最上層に生じた積層欠陥を補修する。
【選択図】図１

Description

本発明は、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）等で呼称される、積層造形法を利用した立体物の製造方法及び製造装置に関する。

積層造形法は、立体物の形状データをスライスして複数の断面データに分割し、各断面データに応じて造形材料からなる材料層を形成し、該材料層を順次積層して一体化することにより、立体物を製造する技術である。積層造形法では、金型が不要であり、また、複雑な立体形状を製造可能であることから、試作品の成形や、単品や小ロット品の製造に利用されている。
特許文献１には、電子写真方式を用いた積層造形法が開示されている。係る方法では中間担持体上に造形材料の粒子を配置して断面データに応じた材料層を形成し、該材料層をステージ上に先に転写された材料層の上に転写して積層すると同時に加熱し、上下の材料層を一体化する工程を繰り返して立体物を製造する。

特開２００３−５３８４９号公報

特許文献１に開示された立体物の積層造形法では、材料層の転写・積層工程を繰り返すうちに、材料層の一部がステージ上に転写されずに中間担持体上に残留し、ステージ上に転写された材料層に積層欠陥が生じる場合があった。積層欠陥を生じた状態で、その上にさらに材料層を積層した場合、上層の材料層表面に、上記積層欠陥による陥没が生じ、立体物の造形精度が低下してしまう。
本発明の課題は、中間担持体を用いた立体物の製造において、中間担持体上に形成した材料層をステージ上に転写・積層する際に生じる積層欠陥による立体物の造形精度の低下を抑制することにある。

本発明の第１は、中間担持体上に造形材料からなる材料層を形成する第１の工程と、
前記中間担持体上の前記材料層をステージ上に搬送して、前記ステージ上に前記材料層を転写・積層する第２の工程と、を繰り返す立体物の製造方法であって、
前記第２の工程の後、前記中間担持体上の未転写の前記材料層の残留物の有無を検出する第３の工程と、
前記第３の工程において、前記残留物が検出された場合には、前記残留物を前記ステージ上に搬送し、前記残留物をステージ上に転写・積層する第４の工程と、
を有することを特徴とする。
本発明の第２は、中間担持体と、
造形材料からなる材料層を前記中間担持体上に形成する材料層形成手段を備えた材料層形成部と、
前記中間担持体上の前記材料層を、前記中間担持体から転写・積層するステージと、前記ステージ上に前記材料層を転写・積層する転写・積層手段とを有する造形部と、
前記中間担持体上に担持した前記材料層を前記材料層形成部から前記造形部まで搬送する搬送手段と、
を備えた立体物の製造装置であって、
前記造形部の後段に、前記中間担持体上の未転写の前記材料層の残留物の有無を検出する残留物検出手段と、前記残留物検出手段による検出結果に基づいて、前記中間担持体上の前記材料層の担持領域を前記造形部に戻して再度、転写・積層を行うか否かを判断する判断手段とを有する検出部を有し、
前記搬送手段が、前記中間担持体の前記材料層の担持領域を前記検出部から前記造形部に逆搬送しうることを特徴とする。

本発明によれば、材料層の転写・積層工程の後に、中間担持体上の残留物の有無を検出し、残留物がある場合には、再度、転写・積層工程を行うことにより、積層欠陥を残留物で埋めて補修し、該積層欠陥による上層表面の陥没を抑制することができる。よって、積層欠陥による立体物の造形精度の低下を効率よく抑制することができる。

本発明の製造装置の一実施形態の構成を模式的に示す側面図である。

本発明の立体物の製造方法は、中間担持体上に造形材料からなる材料層を形成する第１の工程と、該中間担持体上の材料層をステージ上に搬送して、該ステージ上に前記材料層を転写・積層する第２の工程と、を繰り返す製造方法である。本発明の製造方法においては、前記第２の工程の後、中間担持体上の未転写の前記材料層の残留物の有無を検出する第３の工程を有している。そして、該第３の工程において、残留物が検出された場合には、該残留物をステージ上に搬送し、該残留物をステージ上に転写・積層する第４の工程を有している。

また、本発明の立体物の製造装置は、中間担持体と、材料層形成手段を備えた材料層形成部と、ステージと転写・積層手段とを有する造形部と、中間担持体上に担持した材料層を材料層形成部から造形部まで搬送する搬送手段とを有する製造装置である。本発明の製造装置は、中間担持体上の材料層の転写・積層後に、中間担持体上の残留物の有無を検出する残留物検出手段と、中間担持体上の材料層の担持領域を造形部に戻して再度、転写・積層を行うか否かを判断する判断手段とを有する検出部を有している。さらに、上記搬送手段が、中間担持体の材料層の担持領域を検出部から造形部に逆搬送しうるように構成されている。

以下に、本発明の製造方法及び製造装置を、実施形態を挙げて具体的に説明する。尚、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。また、本発明においては、その趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下に説明する実施形態に対して適宜、変更、改良等が加えられたものについても本発明の範囲に含むものとする。

図１は、本発明の立体物の製造方法を実施しうる、本発明の立体物の製造装置の一実施形態の構成を模式的に示す側面図である。本実施形態は、材料層形成手段が電子写真方式によるものであり、中間担持体としてエンドレスベルトを用い、転写・積層手段が材料層に熱エネルギーを付与する加熱手段を備えている例である。

図１の製造装置は、材料層形成部１０と、中間担持体であるエンドレスベルト２０と、造形部３０と、検出部４０とを備えている。材料層形成部１０は、電子写真方式による材料層形成手段１１を有しており、該材料層形成手段１１によってエンドレスベルト２０上に材料層１２が形成される。エンドレスベルト２０は搬送手段としての駆動ローラ２１と、エンドレスベルト２０の回転に従って回転する従動ローラ２２に掛け渡されている。造形部３０は、エンドレスベルト２０から材料層１２が転写・積層されるステージ３１と、材料層１２をエンドレスベルト２０からステージ３１上に転写・積層する転写・積層手段として、エンドレスベルト２０の内周側に温度制御プレート３２と積層位置を合わせるために用いるセンサ（不図示）と、を備えている。検出部４０は、残留物検出手段としてセンサ内蔵カメラ４１と、該センサ内蔵カメラ４１で検出した材料層１２の残留物の有無に応じて、次の工程を判断する判断手段４２と、を備えている。

以下に、本発明の製造方法の各工程を詳細に説明する。
〔第１の工程（材料層形成工程）〕
本実施形態において、材料層形成手段１１は静電力を利用した電子写真方式により材料層１２を形成する。よって、材料層形成手段１１は、現像装置１１ａと像担持体１１ｂと不図示の露光装置とを備えている。本発明の第１の工程においては、材料層形成部１０において、造形材料の粒子（造形材粒子）からなる粒子像を像担持体１１ｂ上に形成し、該粒子像をエンドレスベルト２０上に転写して、材料層１２を形成する。

より具体的には、像担持体１１ｂの表面を不図示の帯電装置で一様に帯電させる。帯電の方法については特に限定はされない。露光装置（不図示）を用いて、製造する立体物の断面データとアライメントマークのデータを含むスライスデータに従って、帯電した像担持体１１ｂを露光し、像担持体１１ｂの表面上に静電潜像を形成する。アライメントマークは、材料層を積層する際の位置合わせに用いるもので、立体物と干渉しない位置に配置する。続いて、現像装置１１ａから造形材粒子を像担持体１１ｂに供給すると、像担持体１１ｂの表面上の静電潜像が形成された領域、又は静電潜像が形成されなかった領域のいずれかに配置される。これにより、静電潜像を可視化し、像担持体１１ｂの表面上には造形材粒子による粒子像が形成される。
その後、像担持体１１ｂ上に配置された粒子像を、エンドレスベルト２０上へと転写し、材料層１２とアライメントマークを形成（不図示）する。

尚、オーバーハング構造や可動部のある構造など、複雑な形状の立体物を製造する場合、何もない領域の上に材料層を配置する必要が生じる。そのため、立体物を構成する構造材料と、該構造材料の積層を支持するサポート材料の二種類の造形材料を用い、立体物がない領域をサポート材料で埋めた材料層１２を形成し、材料層１２の転写・積層後にサポート材料のみを除去する。このように、サポート材料が必要な場合には、材料層形成部１０において、材料層形成手段１１をエンドレスベルト２０の回転方向に２箇所設け、造形材粒子として構造材料からなる構造材粒子と、サポート材料からなる粒子（サポート材粒子）とを用意する。そして、一方の材料層形成手段１１で構造材粒子からなる粒子像を、他方の材料層形成手段１１でサポート材粒子からなる粒子像をそれぞれ形成し、所定のタイミングでエンドレスベルト２０に転写する。これにより、構造材粒子による粒子像と、サポート材粒子による粒子像と、からなる材料層１２を形成することができる。即ち、構造材粒子及びサポート材粒子のいずれか一方からなる第１の層が転写されたエンドレスベルト２０に、他方からなる第２の層を転写して、材料層１２を形成する。エンドレスベルト２０に転写する際には、静電エネルギーを利用した静電転写など、公知の転写方式が使用可能である。尚、粒子像をエンドレスベルト２０に転写する順序は特に限定されず、構造材粒子からなる粒子像を転写した後にサポート材粒子からなる粒子像を転写しても良いし、その逆でも良い。尚、アライメントマークは、構造材料、サポート材料のどちらで形成してもよい。

〔第２の工程（材料層の転写・積層工程）〕
本工程は、造形部３０において、不図示のセンサとアライメントマークを用いて、材料層１２とステージ３１との位置を合わせ、前記した第１の工程でエンドレスベルト２０上に形成した材料層１２をステージ３１上に転写・積層する工程である。前記第１の工程と本第２の工程を繰り返すことで、ステージ３１上に複数層の材料層１２からなる積層体３３が形成され、最終的に立体物が得られる。本例では、エンドレスベルト２０の外周側にステージ３１が配置され、内周側に温度制御プレート３２が配置されている。ステージ３１は不図示の昇降手段で上下方向に移動が可能であり、温度制御プレート３２とステージ３１とで、エンドレスベルト２０に担持された材料層１２と、ステージ３１上に先に転写された材料層１２からなる積層体３３とが挟持される構成となっている。この時に、アライメントマークが温度制御プレート３２とステージ３１とに挟まれてステージ上に転写されないよう、アライメントマークを形成する位置については考慮しておく必要がある。

先ず、駆動ローラ２１によってエンドレスベルト２０を回転させることで、エンドレスベルト２０上に形成された１層目（最下層）の材料層１２を造形部３０まで搬送し、ステージ３１上に対向配置させる。この時、ステージ３１上には何も積層されていない。次いで、ステージ３１をエンドレスベルト２０に向かって上昇させ、材料層１２とステージ３１とを密着させる。次いで、温度制御プレート３２によってエンドレスベルト２０を介して材料層１２を加熱して軟化させ、材料層１２を構成する造形材粒子同士を融着させる。尚、材料層１２を先に加熱してからステージ３１と密着させても、材料層１２の加熱とステージ３１との密着とを同時に行っても、いずれでもかまわない。

材料層１２が一体化したら温度制御プレート３２によってエンドレスベルト２０を冷却し、ステージ３１を下降させると、エンドレスベルト２０から材料層１２が離間し、ステージ１上に積層体３３の第１層目が転写・積層される。
２層目以降の材料層１２は、ステージ３１上に先に転写された材料層１２上に転写されると同時に、加熱融着によって積層（一体化）され、積層体３３が形成される。
上記第１の工程、第２の工程を、立体像の最上層が積層体３３に積層されるまで繰り返す。

〔第３の工程（残留物検出工程）〕
上記第２の工程の後段として、検出部４０において、材料層１２の一部が残留物としてステージ３１上に転写されずにエンドレスベルト２０上に残留していないか否かを検出する。具体的には、エンドレスベルト２０の材料層１２が担持されていた担持領域１２’を検出部４０に搬送し、画像センサを内蔵したセンサ内蔵カメラ４１によって、担持領域１２’の画像を取得し、材料層１２の残留物の有無を検出する。残留物有無の判断基準は、立体物に求められる強度や造形装置の性能などを考慮して、残留物１つ当たりの検出面積や単位面積当たりに検出される残留物が占める面積の割合などを設定することができる。係る検出には、例えば、材料層１２とエンドレスベルト２０の色の違いを利用したカラーパターンマッチング処理が用いられる。係る処理では、材料層１２の残留物が有る場合には、閾値外の値が残留物として検出される。

センサ内蔵カメラ４１による検出結果によって、判断手段４２は、第４の工程の要否を判断し、結果を出力する。即ち、残留物が検出されなかった場合には、第４の工程が不要であり、判断手段４２は造形部３０において次の材料層１２の転写・積層工程を行う指示を出力し、不図示のクリーニング手段でアライメントマークを除去する。また、残留物が検出された場合には、判断手段４２は後述する第４の工程を行う指示を出力する。尚、検出操作が行われ、判断部４２の結果が出力されるまでの間、造形部３０において、次の材料層１２の転写・積層動作は停止されている。
本発明では、担持領域１２’における残留物の有無を検出することで、積層体３３における積層欠陥の有無が検出されるため、該積層欠陥を直接検出する手段に比べて、簡単な検出系を用いることができる。

〔第４の工程（残留物の転写・積層工程）〕
第３の工程で残留物が検出された場合、エンドレスベルト２０を逆方向に回転させ、担持領域１２’を造形部３０に戻し、再び第２の工程を行って、残留物をステージ３１上に転写・積層する。残留物が検出された場合、該残留物が含まれていた材料層１２は、積層体３３の最上層に位置しており、該最上層には残留物が抜けた部分が積層欠陥として存在する。よって、担持領域１２’を造形部３０に戻し、アライメントマークを用いてステージ３１との位置合わせ行い、再びステージ３１を上昇させてエンドレスベルト２０を積層体３３の最上層に密着させると、最上層の積層欠陥に残留物が埋め込まれる。よって、係る状態で温度制御プレート３２によって残留物を加熱することで、該残留物は周囲に加熱融着し、積層欠陥が残留物によって補修される。該積層欠陥は、材料層１２の転写・積層工程で、該材料層１２から残留物が抜けた部分であるため、積層欠陥を残留物とは形状も大きさも一致しているため、本工程において、残留物を転写・積層することで、積層欠陥は過不足無く補修される。

残留物の転写・積層工程が完了したら、再び第３の工程によって担持領域１２’の残留物の有無を検出し、残留物がない、即ち、残留物が積層体３３に転写・積層されたことを確認して、次の材料層１２の転写・積層工程を行う。残留物の転写・積層工程に利用したアライメントマークは、担持領域１２’が材料層形成部１０に移動するまでに除去しておく。

上記のように、第２の工程の後に第３の工程を行って、材料層１２の一層毎に残留物の有無を検出し、残留物が有った場合には、第４の工程を行って該残留物を用いて積層欠陥を補修することで、積層欠陥による立体物の精度低下を抑制することができる。また、第３の工程において残留物が検出された場合のみ第４の工程を行うため、積層欠陥の修復に係る工程が最短で済み、効率よく積層欠陥を修復して、立体物の精度を向上させることができる。

上記の実施形態においては、材料層１２の加熱手段として、エンドレスベルト２０を挟んでステージ３１に対応する位置に温度制御プレート３２を配置したが、本発明はこれに限定されない。造形部３０を広範囲に広げ、ステージ３１に対応する位置よりも前段に加熱手段を設け、材料層１２を加熱しながらステージ３１に対応する位置まで搬送しても良い。この場合、材料層１２がステージ３１に対応する位置にまで搬送された時点で材料層１２が軟化しているため、すぐに転写・積層することができ、加熱にかかる時間を短縮することができる。

また、本発明は材料層１２の転写・積層手段を加熱手段に限定するものではないが、材料層１２を熱可塑性の造形材料で形成し、加熱融着によって積層することで、残留物が有った場合も、該残留物を再加熱して転写・積層することができるため、好ましい。熱可塑性の造形材料としては、熱可塑性樹脂や熱可塑性を有する金属材料、無機材料などの熱可塑性材料を好適に用いることができる。尚、「熱可塑性」とは、常温では変形しにくいが、材料に応じた温度で加熱すると塑性を示して自由な変形が可能となり、また冷却すると再び固くなる特性を指す。

熱可塑性樹脂としては、ＡＢＳ（アクリロニトリルブタジエンスチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＭＭＡ（アクリル）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）、ＰＡ（ナイロン／ポリアミド）、ＰＣ（ポリカーボネイト）、ＰＯＭ（ポリアセタール）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、フッ素樹脂、ウレタン樹脂、エラストマーなどが挙げられるが、これらに限定はされない。
また、造形材料は、目的とする立体物の機能にあわせて顔料や分散剤などの機能性物質をさらに含んでいてもよい。

前記したように、造形材料として、立体物を構成する構造材料と、該構造材料を支持するサポート材料とを併用する場合、積層体３３が最上層まで積層された後に該サポート材料を除去する必要がある。よって、サポート材料は積層体３３から除去しうる材料でなければならない。具体的には、構造材料をサポート材料よりも融点が高い材料で構成することで、完成した積層体３３を、サポート材料の融点よりも高く、構造材料の融点よりも低い温度に加熱して、サポート材料のみを溶融除去する方法が挙げられる。また、構造材料を非水溶性材料とし、サポート材料を水溶性とするか、或いは、サポート材料に水溶性材料を含有させておくことにより、完成した積層体３３を水に浸漬して、サポート材料のみを溶解、或いは分散させて除去することができる。

このような水溶性材料としては、水溶性を有する有機材料である水溶性有機材料、好ましくは熱可塑性の水溶性有機材料を使用することができる。水溶性有機材料としては、具体的には、水溶性の単糖やオリゴ糖、多糖、食物繊維などの水溶性糖類、ポリアルキレンオキシド、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）が好ましく用いられる。

また、上記の実施形態においては、材料層形成手段として電子写真方式を用いた例を示したが、本発明においては、係る方式に限定されない。本発明においては、中間担持体上に断面データに応じて材料層を形成し、ステージ上に該材料層を転写・積層しうること、及び、材料層の転写・積層後に、残留物を再度、積層体に転写・積層して一体化しうる形態であれば、他の方式も用いることができる。

また、上記の実施形態においては、中間担持体としてエンドレスベルトを用いた例を示したが、本発明においては、係る形態に限定されない。本発明においては、中間担持体として１層の材料層を担持しうる大きさの担持板を用い、該担持板を直線駆動レールで、材料層形成部、造形部、検出部にそれぞれ搬送する形態であっても良い。この場合、材料層１層毎に、第３の工程で残留物が検出されなかった場合、もしくは第４の工程で欠損修復して再度第３の工程を行って残留物が検出されなくなった場合に、該担持板を材料層形成部に戻して次の材料層の形成を行う。

さらに、上記実施形態では、残留物の有無の検出手段として、色の違いを検出する画像センサを用いた例を示したが、静電容量センサや、投光ビームを物体に照射し、反射光の変化によって該物体の高さ変化を検出する変位センサなども好ましく用いられる。また、光の明暗を電気信号に変換する光電変換素子を用いたセンサも好ましく用いられる。上記画像センサは、検出素子が二次元に配置されたエリアセンサであるが、本発明では、検出素子を線状に配置したラインセンサとして、該ラインセンサが中間担持体の移動方向に直交するように配置しても良い。

１０：材料層形成部、１１：材料層形成手段、１２：材料層、１２’：担持領域、２０：エンドレスベルト、３０：造形部、３１：ステージ、４０：検出部、４２：判断手段

Claims (10)

1. 中間担持体上に造形材料からなる材料層を形成する第１の工程と、
   前記中間担持体上の前記材料層をステージ上に搬送して、前記ステージ上に前記材料層を転写・積層する第２の工程と、を繰り返す立体物の製造方法であって、
   前記第２の工程の後、前記中間担持体上の未転写の前記材料層の残留物の有無を検出する第３の工程と、
   前記第３の工程において、前記残留物が検出された場合には、前記残留物を前記ステージ上に搬送し、前記残留物をステージ上に転写・積層する第４の工程と、
   を有することを特徴とする立体物の製造方法。
2. 前記第１の工程が、電子写真方式により、前記造形材料からなる造形材粒子を前記中間担持体上に配置して前記材料層を形成する工程であることを特徴とする請求項１に記載の立体物の製造方法。
3. 前記第２の工程が、前記材料層を加熱融着によりステージ上に転写・積層する工程であることを特徴とする請求項１又は２に記載の立体物の製造方法。
4. 中間担持体と、
   造形材料からなる材料層を前記中間担持体上に形成する材料層形成手段を備えた材料層形成部と、
   前記中間担持体上の前記材料層を、前記中間担持体から転写・積層するステージと、前記ステージ上に前記材料層を転写・積層する転写・積層手段とを有する造形部と、
   前記中間担持体上に担持した前記材料層を前記材料層形成部から前記造形部まで搬送する搬送手段と、
   を備えた立体物の製造装置であって、
   前記造形部の後段に、前記中間担持体上の未転写の前記材料層の残留物の有無を検出する残留物検出手段と、前記残留物検出手段による検出結果に基づいて、前記中間担持体上の前記材料層の担持領域を前記造形部に戻して再度、転写・積層を行うか否かを判断する判断手段とを有する検出部を有し、
   前記搬送手段が、前記中間担持体の前記材料層の担持領域を前記検出部から前記造形部に逆搬送しうることを特徴とする立体物の製造装置。
5. 前記残留物検出手段は、画像センサ、静電容量センサ、変位センサのいずれかである請求項４に記載の立体物の製造装置。
6. 前記中間担持体がエンドレスベルトであり、前記搬送手段が前記エンドレスベルトの回転装置であることを特徴とする請求項４又は５に記載の立体物の製造装置。
7. 前記中間担持体が担持板であり、前記搬送手段が前記担持板を直線駆動レールで移動させる手段であることを特徴とする請求項４又は５に記載の立体物の製造装置。
8. 前記判断手段の結果が出力されるまで、前記転写・積層手段による次の前記材料層の転写・積層動作を停止することを特徴とする請求項４乃至７のいずれか一項に記載の立体物の製造装置。
9. 前記材料層形成手段が、電子写真方式により、前記造形材料からなる造形材粒子を前記中間担持体上に配置して前記材料層を形成する手段であることを特徴とする請求項４乃至８のいずれか一項に記載の立体物の製造装置。
10. 前記転写・積層手段が、前記材料層に熱エネルギーを付与する加熱手段を有することを特徴とする請求項４乃至９のいずれか一項に記載の立体物の製造装置。

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