JP2017213735A - Three-dimensional molding apparatus, and three-dimensional molding method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、立体造形装置、例えば熱溶融積層造形方法などの積層造形方法によって三次元構造物を作製するための装置に関する。あるいは、この装置を用いて三次元構造物を形成するための方法に関する。 The present invention relates to a three-dimensional modeling apparatus, for example, an apparatus for producing a three-dimensional structure by an additive manufacturing method such as a hot melt additive manufacturing method. Or it is related with the method for forming a three-dimensional structure using this apparatus.
三次元構造物を作製する方法の一つとして、熱溶融積層法が知られている。熱溶融積層法による装置においては、駆動ローラー等の送出部によってフィラメントと呼ばれる長尺状の固形樹脂をヒーターを備えた吐出部まで送り出し、吐出部から吐出される溶融した樹脂をステージ上に積層して三次元構造物を造形している。この熱溶融積層法による装置によれば、簡易な装置構成によって立体造形物を造形することができる。 As one of methods for producing a three-dimensional structure, a hot melt lamination method is known. In an apparatus based on the hot melt lamination method, a long solid resin called a filament is sent to a discharge part equipped with a heater by a delivery part such as a drive roller, and the molten resin discharged from the discharge part is laminated on the stage. To form a three-dimensional structure. According to the apparatus by this hot melt lamination method, a three-dimensional molded item can be modeled with a simple apparatus configuration.
一方、スクリューを備えた送出部を用いて溶融した樹脂を吐出部から吐出させ、溶融した樹脂をステージ上に積層する技術として、例えば特許文献1に開示されたものがある。特許文献1では、溶融した熱可塑性樹脂の液滴を吐出部から断続的に放出して三次元構造物を作製するための造形装置および、造形方法が開示されている。 On the other hand, as a technique for discharging molten resin from a discharge unit using a delivery unit equipped with a screw and laminating the molten resin on a stage, there is one disclosed in Patent Document 1, for example. Patent Document 1 discloses a modeling apparatus and a modeling method for producing a three-dimensional structure by intermittently discharging molten thermoplastic resin droplets from a discharge unit.
本発明の課題の一つは、熱溶融積層造形方法を用い、短時間で三次元構造物を作製するための立体造形装置、あるいは、そのための立体造形方法を提供することである。 One of the objects of the present invention is to provide a three-dimensional modeling apparatus for producing a three-dimensional structure in a short time using a hot melt layered modeling method or a three-dimensional modeling method therefor.
本発明の実施形態の一つである立体造形装置は、立体造形物を造形する造形用材料を貯留するためのシリンダと、前記シリンダ内に配置される造形用材料を溶融して送り出すための送出部と、送出部によって送出される造形用材料を吐出するための吐出部を有する造形用材料供給ユニットと、吐出部から吐出される造形用材料が積層される造形面を備えた造形ステージと、造形ステージと造形用材料供給ユニットとを三次元的に相対移動させる相対移動機構を備え、相対移動機構は、造形ステージを造形面に垂直な軸を中心に回転するように構成される第1の移動機構を有する。 A three-dimensional modeling apparatus according to an embodiment of the present invention includes a cylinder for storing a modeling material for modeling a three-dimensional modeled object, and a sending for melting and sending the modeling material arranged in the cylinder. A modeling stage provided with a modeling surface on which a modeling material to be discharged from the discharging unit is stacked, and a modeling material supply unit having a discharging unit for discharging the modeling material sent out by the sending unit, A relative movement mechanism that relatively moves the modeling stage and the modeling material supply unit in three dimensions is provided, and the relative movement mechanism is configured to rotate the modeling stage around an axis perpendicular to the modeling surface. It has a moving mechanism.
本発明の実施形態の一つである立体造形方法は、立体造形装置を用いて立体造形物を造形する方法である。立体造形装置は、立体造形物を造形する造形用材料を貯留するためのシリンダと、シリンダ内に配置される造形用材料を溶融して送り出すための送出部と、送出部によって送出される造形用材料を吐出するための吐出部を有する造形用材料供給ユニットと、吐出部から吐出される造形用材料が積層される造形面を備えた造形ステージと、造形ステージと造形用材料供給ユニットとを三次元的に相対移動させる相対移動機構を備える。相対移動機構は、造形ステージを造形面に垂直な軸を中心に回転するように構成される第1の移動機構を有する。吐出部から吐出される造形用材料を造形ステージの造形面に積層することにより、立体造形物を造形する。 The three-dimensional modeling method which is one of the embodiments of the present invention is a method of modeling a three-dimensional model using a three-dimensional modeling apparatus. The three-dimensional modeling apparatus includes a cylinder for storing a modeling material for modeling a three-dimensional modeled object, a sending unit for melting and sending the modeling material arranged in the cylinder, and a modeling unit sent by the sending unit. A modeling material supply unit having a discharge unit for discharging material, a modeling stage having a modeling surface on which modeling materials discharged from the discharge unit are stacked, and a modeling stage and a modeling material supply unit are tertiary A relative movement mechanism that relatively moves originally is provided. The relative movement mechanism includes a first movement mechanism configured to rotate the modeling stage about an axis perpendicular to the modeling surface. A three-dimensional object is modeled by laminating the modeling material discharged from the discharge unit on the modeling surface of the modeling stage.
以下、本発明の各実施形態について、図面等を参照しつつ説明する。但し、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲において様々な態様で実施することができ、以下に例示する実施形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention can be implemented in various modes without departing from the gist thereof, and is not construed as being limited to the description of the embodiments exemplified below.
図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。本明細書と各図において、既出の図に関して説明したものと同様の機能を備えた要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略することがある。 In order to make the explanation clearer, the drawings may be schematically represented with respect to the width, thickness, shape, and the like of each part as compared to the actual embodiment, but are merely examples and limit the interpretation of the present invention. Not what you want. In this specification and each drawing, elements having the same functions as those described with reference to the previous drawings may be denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted.
本明細書および特許請求の範囲において、ある構造体の上に他の構造体を配置する態様を表現するにあたり、単に「上に」と表記する場合、特に断りの無い限りは、ある構造体に接するように、直上に他の構造体を配置する場合と、ある構造体の上方に、さらに別の構造体を介して他の構造体を配置する場合との両方を含むものとする。 In the present specification and claims, in expressing a mode of disposing another structure on a certain structure, when simply describing “on top”, unless otherwise specified, It includes both the case where another structure is disposed immediately above and a case where another structure is disposed via another structure above a certain structure.
(第1実施形態)
本実施形態では、立体造形装置100の構造と操作に関し、図1乃至図8を用いて説明する。
(First embodiment)
In the present embodiment, the structure and operation of the three-
[1.全体構成]
立体造形装置100の斜視図を図1に示す。また、図2、3、4に立体造形装置100の模式的な上面図、側面図、および正面図をそれぞれ示す。立体造形装置100は主に、材料供給ユニット200、造形ステージ制御部300を含む。また、任意の構成として、材料供給ユニット200を支持する支持台400と造形ステージ制御部300を支持するフレーム500を有することができる。
[1. overall structure]
A perspective view of the three-
[2.材料供給ユニット]
図5に材料供給ユニット200の断面模式図を示す。図5は図2における鎖線A−Bに沿った断面の一部である材料供給ユニット200の断面模式図である。材料供給ユニット200は、主な構成要素として、立体造形物を造形する造形用材料を貯留するためのシリンダ206と、シリンダ206内に配置される造形用材料を溶融して送り出すための送出部223と、送出部223によって送出される造形用材料を吐出するための吐出部210を有している。
[2. Material supply unit]
FIG. 5 shows a schematic sectional view of the
シリンダ206は水平、あるいは実質的に水平に設けられる。シリンダ206の内部には、送出部223としてらせん状に形成された山226を有するスクリュー224と、スクリュー224を回転させるモーター部202が備えられる。スクリュー224は、水平方向の位置が固定されており、シリンダ206の中心軸を中心としてシリンダ206内部で回転するように構成される。スクリュー224の回転は、モーター部202内のモーター230によって行われる。モーター部202は、支持台400の上に設置してもよい。
The
シリンダ206には開口部222が設けられ、開口部222はシリンダ206とスクリュー224間の空間228とつながっている。開口部222には、任意の構成としてホッパー204を設けてもよい。ホッパー204は、開口部222に投入される造形用材料の投入を容易にする。
An
シリンダ206にはヒーター220が設けられており、ヒーター220はシリンダ206を加熱し、投入される造形用材料を加熱、溶融する。図5に示した立体造形装置100では、ヒーター220はシリンダ206の内壁に近い側に設けられているが、ヒーター220はシリンダ206の外壁に近い側、あるいはシリンダ206の外側に設けてもよい。溶融された造形用材料には、スクリュー224の回転に伴う山226のらせん運動によって、シリンダ206に接続されるコネクタ212側へ圧力が加えられる。その結果、溶融された造形用材料はコネクタ212を通して吐出部210へ輸送される。
The
図5に示すように、材料供給ユニット200には、さらに送出部223の動作を制御する材料供給制御部234が設けられている。材料供給制御部334は、立体造形物の三次元データから生成された材料供給制御部234の制御データに基づいて、送出部223の動作を制御するように構成される。具体的には、造形用材料の吐出部210からの吐出量を増加させる際には、モーター230の回転数を増加させて、スクリュー224の回転数を増加させる。逆に吐出量を減少させる際には、モーター230の回転数を減少させて、スクリュー224の回転数を減少させる。材料供給制御部234は、シリンダ206内の温度を制御するように構成することもできる。
As shown in FIG. 5, the
上述したように、造形用材料はシリンダ206のヒーター220によって溶融され、流動性のある造形用材料に対してスクリュー224の山のらせん運動によって圧力が加えられ、その圧力によって吐出部210の吐出口218から材料が吐出される。造形用材料に加えられる圧力は、スクリュー224の回転速度によって調整することができ、これにより、造形用材料の吐出量を制御することができる。したがって、材料の吐出量は投入される材料の大きさや形状に依存しない。また、吐出量は上述した圧力以外に、シリンダ206のサイズ(例えば内径)によっても調整することが可能であり、例えばスクリュー径14mmのスクリュー224を用い、材料としてABS樹脂(アクリロニトリル、ブタジエン、スチレンの共重合体)を使用した場合、毎分20gの材料を吐出することも可能である。
As described above, the modeling material is melted by the
吐出部210は、送出部223によって送出される造形用材料を吐出するための吐出口218を下部先端に有しており、吐出部210へ輸送された材料が吐出口218を通して吐出される。吐出口218の形状は任意であり、図7(A)、(B)、(C)に示すように、円形、星形、あるいは多角形の形状などを有することができる。
The
吐出部210には、吐出口218を開閉する開閉機構215が設けられている。開閉機構215は、吐出口218を開閉するピン216と、図5に示す開閉機構制御部236による動作の制御を受けて、ピン216を移動させるアクチュエータ217とを有している。ピン216は、吐出部210の下部先端から退避して吐出口218を開ける一方、吐出部210の下部先端に接近して吐出口218を閉じるものである。ピン216は先端が細くなっており、この先端が吐出口218に挿入されるように調整されていてもよい。
The
開閉機構制御部236は、立体造形物の三次元データから生成された開閉機構制御データに基づいて、上記開閉機構の動作を制御するよう構成されている。具体的には、吐出部210から造形用材料を吐出させる際には、アクチュエータ217を操作してピン216を吐出先端から退避させることで吐出口218を開ける。一方、開閉機構制御部236は、吐出部210からの造形用材料の吐出を一時的に停止させる際には、ピン216を吐出部210の下部先端に接近させることで、吐出口218を閉じる。図6に示すように、吐出口218に先端部を挿入する、あるいは吐出口218から退避させることで材料の吐出の停止/再開(すなわち、オン―オフ)を容易に、かつ高速で切り替えることができる。また、吐出部210にはヒーター232が備えられていてもよく、これにより、材料が吐出部210内で固化することを防ぐことができる。
The opening / closing
材料供給ユニット200は、任意の構成として、一つあるいは複数のブロア214を有してもよい(図4参照)。ブロア214は末端に開口部を有し、図示しないコンプレッサーなどから送り込まれる空気などのガスを吹き付ける機能を有する。ブロア214を使用することにより、吐出口218から吐出され、造形ステージ301上に積層された材料を冷却することができる。また、材料供給ユニット200は、任意の構成として、保護カバー208を含んでもよい(図1参照)。説明の便宜上、図2乃至図4では保護カバー208とフレーム500は描かれていない。
The
なお、図示していないが、材料供給ユニット200は、吐出部210が接続されたシリンダ206を複数有してもよい。このような構成にすることで、例えば複数の造形用材料、あるいは色の異なる造形用材料を含む三次元構造物を作製することが可能となる。あるいは一つのシリンダ206に複数の吐出部210が備えられていてもよい。このような構成にすることで、三次元構造物を作製する際の造形速度をさらに向上させることができる。
Although not shown, the
[3.造形ステージ制御部]
図2乃至図4に示すように、造形ステージ制御部300は、造形ステージ301と、前記造形ステージ301を上記材料供給ユニット200に対して移動させる相対移動機構302を有している。立体造形装置100は、材料供給ユニット200内に、造形用材料を貯留するためのシリンダ206と、造形用材料を溶融して送り出すための送出部223を備えているため、造形ステージ301を移動させることで、造形用材料を吐出する位置を精度高く、高速に相対移動させることが可能となり、三次元構造物を高精度でかつ短時間で形成することが可能となる。
[3. Modeling stage control unit]
As illustrated in FIGS. 2 to 4, the modeling
造形ステージ301は、材料供給ユニット200から供給された造形用材料が積層される造形面301aを備える。造形面301aの形状は任意であり、円形でも楕円形でもよい。
The
相対移動機構302は、造形ステージ301を造形面301aの面内方向に回転駆動させる第1の移動機構304と、造形ステージ301の造形面301aに対して平行な方向(以下、「X軸方向」ともいう。)に造形ステージ301を直線的に移動させる第2の移動機構306と、造形ステージ301の造形面301aに対して垂直な方向(以下、「Z軸方向」ともいう。)に造形ステージ301を直線的に移動させる第3の移動機構308を備える。
The
第1の移動機構304は、造形ステージ301を、造形面301aに垂直な回転軸310を中心に回転移動させるように構成される。第1の移動機構304内には、例えば、ステッピングモーターなどのモーター314を設置することができる。モーター314の回転軸と、造形ステージ301の下面に設けられるギア312の歯をかみ合わることで、図2の曲線矢印で示すように、造形ステージ301は回転軸310を中心に回転することができる。
The
第2の移動機構306は、造形面301aに対して平行な方向に、造形ステージ301を直線的に移動させるように構成されており、具体的には、造形面301aの中心と吐出口218とを結ぶ直線方向に沿って造形ステージ301を移動させるように構成される。第2の移動機構306は、例えば、二つのプーリ316とタイミングベルト318を含むことができ(図3参照)、プーリ316をステッピングモーターなどで回転させることで、造形ステージ301を移動させることができる。第2の移動機構306は、少なくとも造形ステージ301の材料供給ユニット200側の端点と造形ステージ301の中心の間に、吐出部210の吐出口218が位置するように調整される。
The
第3の移動機構308は、造形面301aに対して垂直な方向に造形ステージ301を直線的に移動させるように構成されている。第3の移動機構308は、例えば、回転軸310に平行な軸ネジ320を備えており(図2参照)、その回転運動によって移動部材309が回転軸310の軸方向(Z軸方向(上下))に沿って移動することができる。移動部材309は第3の移動機構308によって、回転軸310に平行な方向に移動するように構成される。
The
造形ステージ301は、作製される三次元構造物を支持する機能を有し、金属やガラス、あるいはプラスチックなどの材料で形成することができる。図示していないが、造形ステージ301を加熱できるヒーター、あるいは冷却できる冷却装置を造形ステージ301の下に設けてもよい。
The
立体造形装置100は、上記相対移動機構302の動作を制御する相対移動機構制御部330を備え、相対移動機構制御部330は、立体造形物の三次元データから生成された相対移動機構302の制御データに基づいて、相対移動機構302の動作を制御するように構成される。具体的には、相対移動機構302は、第1の移動機構304が造形ステージ301を造形面301aの面内方向に回転駆動させる際の回転量と回転速度を制御するように構成される。また、相対移動機構302は、第2の移動機構306が造形面301aに対して平行な方向に造形ステージ301を直線的に移動させる際の移動量と移動速度を制御するように構成される。さらに相対移動機構302は、第3の移動機構308が造形面301aに対して垂直な方向に造形ステージ301を直線的に移動させる際の移動量と移動速度を制御するように構成される。
The three-
[4.操作]
本実施形態の立体造形装置100を用いることにより、大型の三次元構造物を短時間で作製することができる。以下、操作方法を図5、8を用いて説明する。図8(B)は図8(A)の鎖線C−Dに沿った断面模式図である。
[4. operation]
By using the three-
まず、ホッパー204、開口部222を介し、シリンダ206内へ造形用材料を投入する。造形用材料としては、立体造形物を造形できるものであれば特に限定されるものではないが、加熱によって溶融し、冷却することで固化して成形材料として機能するものが通常、用いられる。具体的には造形性に優れるため熱可塑性樹脂を挙げることができ、例えばポリ乳酸やABS樹脂、熱可塑性エラストマーが挙げられる。熱可塑性エラストマーとしては、ウレタン系熱可塑性エラストマー、ポリブタジエン系熱可塑性エラストマー、スチレン・ブタジエン系熱可塑性エラストマー、スチレン・イソプレン系熱可塑性エラストマーなどが挙げられる。熱可塑性樹脂としては、例えば融点が40℃以上200℃以下であることが好ましい。本実施態様の立体造形装置は、熱可塑性エラストマーのような軟質性材料を用いた場合にも、造形速度を向上することが可能であり、好適に用いることができる。
First, a modeling material is put into the
造形用材料の形状についても特に限定されるものではないが、開口部222への投入や溶融の容易性からペレット形状であることが好ましい。造形用材料の大きさとしては、開口部222から投入できる大きさであれば特に限定されるものではないが、通常、長辺が5μm以上20mm以下である。本実施態様の立体造形装置では、造形用材料の形状や大きさを適宜選択することが可能であるため、一度吐出した造形用材料を適当な大きさに切断して再利用することも可能である。
The shape of the modeling material is not particularly limited, but is preferably a pellet shape from the viewpoint of ease of charging into the
投入された造形用材料をヒーター220で溶融して流動化させる。そしてモーター230を駆動してスクリュー224を回転させる。この時、スクリュー224は水平方向には移動しない。これにより、らせん状の山226によって溶融した造形用材料に対して圧力が掛けられ、造形用材料は吐出部210の方向へ輸送される。吐出部210に充填された造形用材料は、引き続きスクリュー224の回転によって生み出される圧力により、吐出口218から吐出される。同時に、造形ステージ301の下に設けられるモーター314を駆動し、造形ステージ301を回転させる。必要に応じ、第2の移動機構306を動作させ、図8(B)の矢印で示すように、造形ステージ301をX軸方向に移動させる。上述したように、相対移動機構制御部330は、立体造形物の三次元データから生成された相対移動機構302の制御データに基づいて、相対移動機構302の動作を制御するように構成されている。造形ステージ301の回転速度、回転方向、X軸方向内での移動速度と方向を調整し、吐出した造形用材料を積層させる(図8(A)、(B)参照)。造形用材料の積層が進むにつれて三次元構造物は高さが増大するので、吐出口218と造形ステージ301上に積層された立体造形物の距離を5μmから10mmの間で一定になるよう、第3の移動機構308を用いて造形ステージ301を回転軸310の方向に沿って動かす。これにより、三次元構造物を作製することができる。必要に応じ、ブロア214から空気などの気体を三次元構造物に吹きかけ、三次元構造物を冷却することで造形用材料の固化を促進してもよい。
The inputted modeling material is melted and fluidized by the
本実施形態の立体造形装置100では、三次元構造物は造形ステージ301上に形成することができる。造形ステージ301は回転軸310を中心に回転運動ができる。そのため、滑らかな曲線形状を有する三次元構造物を形成することができる。これに対し、造形ステージ301を回転させずに造形面301aの面内でX軸−Y軸方向にそれぞれ直線的に移動させて造形する場合、あるいは造形ステージ301を固定して吐出部210をX軸−Y軸方向に移動させて造形する場合、曲線形状を作製するためにはX軸方向の移動とY軸方向の直線的な移動を組み合わせて造形ステージ301あるいは吐出部210を動かす必要がある。この場合、造形ステージ301、吐出部210を動かすためのステッピングモーターなどのモーターは、回転軸のステップ角が大きいため、1ステップの軸回転に伴うX軸方向、Y軸方向の移動距離が比較的大きい。そのため、曲線形状は複数の直線の集合によって形成されることになり、細かい凹凸で曲線形状が表現されることになる。しかしながら、本実施形態の立体造形装置100では、モーターのステップ角に依存せず、連続的な回転運動を造形ステージ301に与えることができるため、滑らかな曲線形状を有する三次元構造物を形成することができる。したがって、この方法は、例えば生体器官や植物の模型など、曲線形状が多い三次元構造物の形成には好適である。
In the three-
回転運動可能な造形ステージ301は、中心からの距離によって移動する速度が異なる。例えば造形ステージ301の回転速度が一定の場合、外周領域では、中心付近と比較して移動速度が大きく、その差は中心からの距離(半径)に比例する。高速で移動する領域と低速で移動する領域の両者に対して材料を均一な高さで積層させるためには、造形ステージ301の回転速度と材料の吐出速度のいずれか、あるいは両者を調整することで行われる。造形ステージ301の回転速度と材料の吐出速度を調整することで、造形ステージ301の全領域にわたって材料の各層を均一な高さで形成することができる。
The
造形ステージ301の回転速度を調整する場合、例えば造形ステージ301の端部付近に材料を吐出する際には、単位面積あたりに吐出される材料の量を維持するため、造形ステージ301の回転速度を低下させることができる。この場合、造形ステージ301の回転速度を低下させることで造形精度を向上することが可能となる。一方、単位面積あたりに吐出される材料の量を維持するため、材料の吐出速度を増加させることもできる。この場合、材料の吐出速度を増加させることで造形速度を向上することが可能となる。特に大型の三次元構造物を作製する場合には、造形速度を向上させる観点から材料の吐出量を調整することが好ましい。
When adjusting the rotation speed of the
しかしながら、1.75mm乃至3.0mm程度の直径を有するフィラメント(ファイバー)状の材料をエクストルーダーを用いてホットエンドへ供給し、フィラメントを溶融し、送り出す従来の立体造形装置では、材料の供給量に限界がある。例えばエクストルーダーのローラーの回転数を上げてフィラメントの供給量を増大させると、フィラメントの供給量とホットエンド内でのフィラメントの溶融速度のバランスをとることが困難であり、フィラメントを安定して送り出すことができない。さらに、供給量を増大させるとフィラメントの消費量も必然的に増大し、このため、フィラメントの交換頻度が増大し、三次元構造物を連続形成することが難しくなる。また、フィラメント交換の間に吐出した造形用材料の固化が進行するため、吐出を再開して新たに造形用材料を積層しても、下層の造形用材料との接着性が低下する。したがって、従来の立体造形装置では造形用材料の供給量に限界がある。 However, in a conventional three-dimensional modeling apparatus that supplies a filament-like material having a diameter of about 1.75 mm to 3.0 mm to a hot end using an extruder, melts the filament, and sends it out, the supply amount of the material There is a limit. For example, if the rotation rate of the extruder roller is increased to increase the filament supply rate, it is difficult to balance the filament supply rate and the filament melting rate in the hot end, and the filament is sent out stably. I can't. Further, when the supply amount is increased, the filament consumption is inevitably increased, and therefore, the filament replacement frequency is increased and it is difficult to continuously form the three-dimensional structure. Moreover, since solidification of the modeling material discharged during filament replacement proceeds, even if the discharge is resumed and a new modeling material is laminated, the adhesion with the lower modeling material is reduced. Therefore, the conventional three-dimensional modeling apparatus has a limit in the supply amount of the modeling material.
これに対し、上述したように、本実施形態の立体造形装置100では、上記材料供給制御部234を備えることにより、造形用材料の吐出量を容易に制御することができる。前記材料供給制御部234は、立体造形物の三次元データから生成された送出部制御データに基づいて、上記送出部223のスクリュー224の回転速度を制御することで、材料の吐出量を変化させることができる。あらかじめ造形用材料をシリンダ206内で溶融させ、これをスクリュー224の回転によって吐出するため、上記送出部223のスクリュー224の回転速度を制御することで造形用材料の吐出量を容易に制御することができる。
On the other hand, as described above, in the three-
また、本実施形態の立体造形装置100では、上記開閉機構制御部236を備えることにより、造形用材料の吐出の開始と停止を容易に制御することができる。開閉機構制御部236は、立体造形物の三次元データから生成された材料供給の制御データに基づいて、吐出口218における開閉機構を構成するピン216の開閉動作を制御することで、造形用材料の吐出の開始と停止を行うことができる。
Moreover, in the three-
さらに、吐出量は造形用材料の形状に依存せず、事実上シリンダ206及びスクリュー224の大きさ、並びにスクリュー224の回転数等によって決まるため、シリンダ206及びスクリュー224の大きさ、並びにスクリュー224の回転数を大きくすることで、大きな吐出速度を得ることができる。さらに、造形用材料の供給は、造形用材料の吐出を停止することなく随時行うことができる。したがって、本実施形態の立体造形装置100を用いることで、高速で移動する領域にも十分な量の材料を積層することができ、大型の三次元構造物を短時間で形成することができる。
Furthermore, since the discharge amount does not depend on the shape of the modeling material, and is substantially determined by the size of the
逆に、造形ステージ301の回転軸310付近に造形用材料を積層する場合には、単位面積あたりに吐出される材料の量を維持するため、造形ステージ301の回転速度を増加させることができる。この場合、造形ステージ301の回転速度を増加させることで造形速度を向上することが可能となる。一方、単位面積あたりに吐出される材料の量を維持するため、材料の吐出速度を低下させることもできる。この場合、材料の吐出速度を低下させることで造形精度を向上することが可能となる。材料の吐出速度を低下させるためには、例えばスクリュー224の回転速度を低下させることで材料の吐出量を低減すればよい。特に大型の三次元構造物を作製する場合には、造形速度を向上させる観点から材料の吐出量を調整することが好ましい。
Conversely, when the modeling material is stacked near the
(第2実施形態)
本実施形態では、第1実施形態で述べた立体造形装置100の制御方法について記述する。第1実施形態で述べた内容については、説明を割愛することがある。
(Second Embodiment)
In this embodiment, the control method of the three-
まず、三次元構造物の三次元データ(3Dデータ)を作成する(ステップ120)。3Dデータは、例えば、輪郭を表現する頂点と線分で構成され、体積を持たない立体であるワイヤーフレーム、厚みを持たない面で構成され、体積を持たない立体であるサーフェース、あるいは頂点と線分、および面で構成され、体積を持つ立体であるソリッドなどで構成すればよい。3Dデータはソフトウエアを使用して作製してもよく、あるいは目的とする対象物を立体的にスキャンし、3Dデータを取得してもよい。これらのデータはSTL(Standard Triangulated Language)形式やAMF(Active Manufacturing File)形式で保存される。 First, three-dimensional data (3D data) of a three-dimensional structure is created (step 120). The 3D data is composed of, for example, vertices and line segments that express an outline, a wire frame that is a solid body that does not have a volume, a surface that is a solid body that does not have a thickness and does not have a volume, or a vertex. What is necessary is just to comprise with the solid etc. which are comprised with a line segment and a surface, and are solid with a volume. The 3D data may be created using software, or the target object may be scanned three-dimensionally to obtain 3D data. These data are stored in an STL (Standard Triangulated Language) format or an AMF (Active Manufacturing File) format.
次に3Dデータの設定を行う(ステップ122)。例えば3Dデータを造形テーブル上で移動、回転させ、材料の積層を開始する位置を決める。同時に、作成される三次元構造物内部の充填率を設定し、必要に応じ、積層する材料の支持材となるサポートや、材料を安定に積層させるために造形ステージ301に最初に形成されるラフトなどの設定を行ってもよい。
Next, 3D data is set (step 122). For example, 3D data is moved and rotated on a modeling table, and the position where material lamination is started is determined. At the same time, the filling rate inside the created three-dimensional structure is set, and if necessary, the support that becomes the support material of the material to be laminated, or the raft that is first formed on the
次に3Dデータをスライスし、立体造形装置100を制御するための制御コードに変換する(ステップ124)。制御コードは一般的にはGコードと呼ばれる。制御コードは、材料を最初に吐出する位置、三次元構造物の充填率や大きさなどに基づいて生成される。得られた制御コードがXY座標に基づいて生成される場合、これを極座標(r,θ)へ変換する(ステップ126) Next, the 3D data is sliced and converted into a control code for controlling the three-dimensional modeling apparatus 100 (step 124). The control code is generally called a G code. The control code is generated based on the position at which the material is first discharged, the filling rate and size of the three-dimensional structure, and the like. When the obtained control code is generated based on the XY coordinates, it is converted into polar coordinates (r, θ) (step 126).
最後に、制御コードを材料供給制御部234を制御する材料供給制御データ、開閉機構制御部236を制御する開閉機構制御データ、及び相対移動機構302を制御する相対移動機構制御データ等に変換し、当該制御データに基づいて、材料供給制御部234、開閉機構制御部236、及び相対移動機構302等を制御する。(ステップ128)
Finally, the control code is converted into material supply control data for controlling the material
材料供給制御部234を制御する材料供給制御データとしては、具体的には、スクリュー224を回転させるモーター230の回転数、シリンダ206内の温度を制御する温度等が挙げられる。
Specific examples of the material supply control data for controlling the material
開閉機構制御部236を制御する開閉機構制御データとしては、具体的には、吐出部210の吐出口218を開閉するピン216を移動させるアクチュエータ217の動作データ等が挙げられる。
Specific examples of the opening / closing mechanism control data for controlling the opening / closing
相対移動機構302を制御する相対移動機構制御データとしては、具体的には、第1の移動機構304が、造形ステージ301を造形面301aの面内方向に回転駆動させる際のモーター314の回転量と回転速度、第2の移動機構306が造形面301aと対して平行な方向に造形ステージ301を直線的に移動させる際のプーリの回転量と回転速度、第3の移動機構308が、造形面301aに対して垂直な方向に造形ステージ301を直線的に移動させる際の軸ネジ320を回転させるモーターの回転量と回転速度等が挙げられる。
Specifically, as the relative movement mechanism control data for controlling the
以上のステップを経ることで、造形ステージ301上に目的とする三次元構造物の作製が制御される。
Through the above steps, the production of the target three-dimensional structure on the
(第3実施形態)
本実施形態では、大型の三次元構造物をより短時間で作製するための造形ステージ301の回転機構について、図10を用いて説明する。
(Third embodiment)
In the present embodiment, a rotation mechanism of the
図10(A)に示すように、造形ステージ301は、その下に二つのギア(第1のギア322と第2のギア324)を有している。モーター314は、造形ステージ301の回転軸310とはずれた位置に配置され、モーター314の回転軸には二つのギア(第3のギア326と第4のギア328)が設けられる。第1のギア322の歯数と第2のギア324の歯数は互いに異なり、第3のギア326と第4のギア328の歯数も互いに異なる。第1のギア322の大きさと第2のギア324の大きさは互いに同じでもよく、異なっていてもよく、第3のギア326と第4のギア328の大きさも互いに同じでもよく、異なってもよい。図10(A)に示すように、第1のギア322と第2のギア324の間隔と、第3のギア326と第4のギア328の間隔は異なってもよい。
As shown in FIG. 10A, the
図10(A)、(B)に示すように、造形ステージ301の回転時、第1のギア322、第2のギア324、第3のギア326、第4のギア328の組み合わせを交替することができる。例えば図10(A)では、第1のギア322と第3のギア326が組み合わされ、第3のギア326の回転が第1のギア322に伝わり、これによって造形ステージ301が回転する。より速い回転速度が必要な場合、ギアの組み合わせを交替する。すなわち、図10(B)に示すように、第1のギア322と第3のギア326の組み合わせを解き、第2のギア324と第4のギア328を組み合わせ、第4のギア328の回転が第2のギア324に伝わるように、組み合わせを交替させる。モーター314は、組み合わせを交替させる機構を含むことができる。
As shown in FIGS. 10A and 10B, when the
歯数が第3のギア326が最も少なく、第2のギア324と第4のギア328が同じであり、第1のギア322が最も多い場合、図10(A)に図示した組み合わせでは、モーター314の回転軸が一回転し、第3のギア326が一回転しても、造形ステージ301は一回転できない。これに対し、図10(B)に図示した組み合わせでは、モーター314の軸が一回転すると同時に、第2のギア324と第4のギア328も一回転する。すなわち、ギア比を変えることで、より大きな造形ステージ301の回転速度を得ることができる。
When the number of teeth is the smallest in the
また、ギア比を変えることで、特に低速で造形ステージ301を回転する際、より滑らかな回転を得ることが可能である。
Further, by changing the gear ratio, it is possible to obtain a smoother rotation particularly when the
ギアの組み合わせは、造形用材料の積層時において適宜行うことができる。本実施形態では、造形ステージ301、モーター314のいずれも二つずつのギアが設けられた例を示したが、ギアの数に制限はなく、三つ以上のギアがそれぞれ造形ステージ301、モーター314に設けられていてもよい。ギアの数は互いに異なってもよい。
The combination of gears can be appropriately performed when the modeling materials are stacked. In the present embodiment, an example in which two gears are provided for each of the
本発明の実施形態として上述した各実施形態は、相互に矛盾しない限りにおいて、適宜組み合わせて実施することができる。各実施形態を基にして、当業者が適宜構成要素の追加、削除もしくは設計変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。 The embodiments described above as the embodiments of the present invention can be implemented in appropriate combination as long as they do not contradict each other. Based on each embodiment, those in which those skilled in the art appropriately added, deleted, or changed the design of components are also included in the scope of the present invention as long as they have the gist of the present invention.
上述した各実施形態によりもたらされる作用効果とは異なる他の作用効果であっても、本明細書の記載から明らかなもの、又は、当業者において容易に予測し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと理解される。 Of course, other operational effects that are different from the operational effects provided by the above-described embodiments, which are apparent from the description of the present specification or can be easily predicted by those skilled in the art, are naturally included in the present invention. It is understood that
100:立体造形装置、120:ステップ、122:ステップ、124:ステップ、126:ステップ、128:ステップ、200:材料供給ユニット、202:モーター部、204:ホッパー、206:シリンダ、208:保護カバー、210:吐出部、212:コネクタ、214:ブロア、215:開閉機構、216:ピン、217:アクチュエータ、218:吐出口、220:ヒーター、222:開口部、223:送出部、224:スクリュー、226:山、230:モーター、232:ヒーター、234:材料供給制御部、236:開閉機構制御部、300:造形ステージ制御部、301:造形ステージ、301a:造形面、302:ステージ相対移動機構、304:第1の移動機構、306:第2の移動機構、308:第3の移動機構、309:移動部材、310:回転軸、312:ギア、314:モーター、316:プーリ、318:タイミングベルト、320:軸ネジ、322:第1のギア、324:第2のギア、326:第3のギア、328:第4のギア、330:相対移動機構制御部、400:支持台、500:フレーム 100: 3D modeling apparatus, 120: step, 122: step, 124: step, 126: step, 128: step, 200: material supply unit, 202: motor unit, 204: hopper, 206: cylinder, 208: protective cover, 210: Discharge part, 212: Connector, 214: Blower, 215: Opening / closing mechanism, 216: Pin, 217: Actuator, 218: Discharge port, 220: Heater, 222: Opening part, 223: Delivery part, 224: Screw, 226 : Mountain, 230: Motor, 232: Heater, 234: Material supply control unit, 236: Opening / closing mechanism control unit, 300: Modeling stage control unit, 301: Modeling stage, 301a: Modeling surface, 302: Stage relative movement mechanism, 304 : First moving mechanism, 306: second moving mechanism, 308: third moving 309: moving member, 310: rotating shaft, 312: gear, 314: motor, 316: pulley, 318: timing belt, 320: shaft screw, 322: first gear, 324: second gear, 326: Third gear, 328: Fourth gear, 330: Relative movement mechanism control unit, 400: Support base, 500: Frame
Claims (10)
前記シリンダ内に配置される前記造形用材料を溶融して送り出すための送出部と、
前記送出部によって送出される前記造形用材料を吐出するための吐出部を有する造形用材料供給ユニットと、
前記吐出部から吐出される前記造形用材料が積層される造形面を備えた造形ステージと、
前記造形ステージと前記造形用材料供給ユニットとを三次元的に相対移動させる相対移動機構を備え、
前記相対移動機構は、前記造形ステージが前記造形面に垂直な軸を中心に回転するように構成される第1の移動機構を有する、立体造形装置。 A cylinder for storing a modeling material for modeling a three-dimensional model;
A delivery section for melting and delivering the modeling material disposed in the cylinder;
A modeling material supply unit having a discharge unit for discharging the modeling material delivered by the delivery unit;
A modeling stage having a modeling surface on which the modeling material discharged from the discharge unit is laminated,
A relative movement mechanism for relatively moving the modeling stage and the modeling material supply unit in three dimensions;
The relative movement mechanism is a three-dimensional modeling apparatus having a first movement mechanism configured such that the modeling stage rotates around an axis perpendicular to the modeling surface.
前記開閉機構は、前記造形用材料の吐出を停止させる際には、前記吐出口を閉じ、前記造形用材料を吐出させる際には、前記吐出口を開けるよう構成される、請求項1乃至3のいずれかに記載の立体造形装置。 The discharge part has an opening and closing mechanism for opening and closing the discharge port of the discharge part,
The open / close mechanism is configured to close the discharge port when stopping the discharge of the modeling material and open the discharge port when discharging the modeling material. The three-dimensional modeling apparatus in any one of.
前記ピンは、前記吐出口から退避して前記吐出口を開け、前記吐出口に接近して前記吐出口を閉じるよう構成される、請求項4に記載の立体造形装置。 The opening / closing mechanism is constituted by a pin for closing the discharge port,
5. The three-dimensional modeling apparatus according to claim 4, wherein the pin is configured to retract from the discharge port to open the discharge port and to approach the discharge port and close the discharge port.
前記相対移動機構制御部は、立体造形物の三次元データから生成された相対移動機構の制御データに基づいて、前記相対移動機構の動作を制御する、請求項1乃至5のいずれかに記載の立体造形装置。 Furthermore, a relative movement mechanism control unit for controlling the operation of the relative movement mechanism is provided,
The said relative movement mechanism control part controls the operation | movement of the said relative movement mechanism based on the control data of the relative movement mechanism produced | generated from the three-dimensional data of a three-dimensional molded item. Solid modeling device.
前記材料供給制御部は、立体造形物の三次元データから生成された材料供給制御データに基づいて、前記送出部の動作を制御する、請求項1乃至7のいずれかに記載の立体造形装置。 In addition, a material supply control unit for controlling the operation of the delivery unit,
The three-dimensional modeling apparatus according to claim 1, wherein the material supply control unit controls the operation of the sending unit based on material supply control data generated from three-dimensional data of the three-dimensional modeled object.
前記開閉機構制御部は、立体造形物の三次元データから生成された開閉機構制御データに基づいて、前記開閉機構の動作を制御する、請求項1乃至8のいずれかに記載の立体造形装置。 Further, the discharge unit is provided with an opening / closing mechanism control unit for controlling opening / closing of the discharge port,
The three-dimensional model | molding apparatus in any one of Claims 1 thru | or 8 which controls the operation | movement of the said opening / closing mechanism based on the opening-and-closing mechanism control data produced | generated from the three-dimensional data of the three-dimensional molded item.
前記吐出部から吐出される造形用材料を前記造形ステージの造形面に積層して、立体造形物を造形する、立体造形物の製造方法。 A method for modeling a three-dimensional object using the three-dimensional object modeling apparatus according to any one of claims 1 to 9,
The manufacturing method of a three-dimensional molded item which laminates | stacks the modeling material discharged from the said discharge part on the modeling surface of the said modeling stage, and models a three-dimensional molded item.
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