JP2018030329A - 積層造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】中間担持体上に形成した材料層を加熱して積層する積層造形装置において、中間担持体の温度分布によって発生する該中間担持体の変形を抑制し、該変形に起因する積層残りを低減して、立体造形物の寸法精度を向上する。
【解決手段】中間担持体４が、材料層１を形成する転写領域１５と、前後の転写領域１５を連結する連結領域１６と、を有し、中間担持体４の幅方向において、連結領域１５の剛性が、加熱手段１０によって加熱された転写領域１５の剛性よりも小さくなるように、連結領域１６には切り欠き部４ａを形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、アディティブマニファクチャリング（ＡＭ）、三次元プリンタ、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により、立体造形物を製造する積層造形装置に関する。

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、立体造形物を製造する技術である。積層造形法では、複雑な立体形状を金型を用いずに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、２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（造形材粒子）を配置して断面データに応じた材料層を形成し、該材料層を加熱溶融させ、ステージ上に先に転写された材料層の上に転写、積層して一体化する工程を繰り返して立体造形物を製造する。

特開平１０−２０７１９４号公報 特開２０１５−１５０８８６号公報

特許文献１，２のいずれの文献も、ベルト状の中間担持体上に形成した材料層を加熱してシート化するため、該中間担持体は材料層の加熱温度に耐える必要があり、通常は２００℃以上の高温に耐性のある材料が使用される。更に係る中間担持体は、その駆動時に加わる張力に耐える必要があるため、駆動方向に所定の引張り強度を持った材料が望ましく、一般には、鉄系の金属薄板や、ポリイミド等の耐熱性有機材料が使用される。
一方、材料層をシート化するための加熱工程は、中間担持体のうち、該材料層を形成した領域においてのみ行われるため、中間担持体はその進行方向に温度分布を持つ。そのため、中間担持体には加熱領域とその前後の非加熱領域とで大きな温度差が生じることになり、この温度差によって中間担持体が面外（厚さ）方向に変形する現象が確認されている。中間担持体が面外方向に変形すると、該中間担持体上に形成された材料層の表面も平坦ではなくなる。そのため、該材料層をステージ上に先に転写された材料層からなる積層体の最上面に積層しようとすると、変形した材料層の表面と、ステージ上の材料層の表面とが互いに密着せずに、積層残りが発生して、立体造形物の寸法精度が低下するという問題が生じる。
本発明の課題は、中間担持体上に形成した材料層を加熱して積層する積層造形装置において、中間担持体の温度分布によって発生する該中間担持体の変形を抑制し、該変形に起因する積層残りを低減して、立体造形物の寸法精度を向上することにある。

本発明は、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と、
前記中間担持体上の前記材料層を加熱溶融させる加熱手段と、
前記中間担持体上の加熱溶融した前記材料層を、前記中間担持体から転写・積層するステージと、
前記中間担持体を駆動させる駆動手段と、
を備えた積層造形装置であって、
前記中間担持体が、前記材料層を形成する転写領域と、前後の転写領域を連結する連結領域と、を有し、
前記中間担持体の幅方向において、前記連結領域の剛性が、前記加熱手段によって加熱された前記転写領域の剛性よりも小さいことを特徴とする。

本発明によれば、中間担持体を転写領域と連結領域で構成し、両領域の剛性を調整することによって、転写領域の加熱時の変形を抑制することができ、係る変形による材料層の積層残りを低減することができる。よって、本発明によれば、立体造形物を高い寸法精度で製造することができる。

本発明の積層造形装置の一実施形態の構成を模式的に示す側面図である。 図１の積層造形装置の中間担持体の一部を模式的に示す図である。 図１の積層造形装置の中間担持体の加熱による変形を示す図である。 図１の積層造形装置の中間担持体の転写領域が加熱により自由膨張した状態を示す図である。 本発明に用いられる中間担持体の他の構成例を示す図である。 本発明に用いられる中間担持体の他の構成例を示す図である。 本発明に用いられる中間担持体の他の構成例を示す図である。 本発明に用いられる中間担持体の他の構成例を示す図である。 図８の中間担持体を用いる本発明の積層造形装置の実施形態の構成を模式的に示す側面図である。 本発明に用いられる中間担持体の他の構成例と、その使用形態を示す図である。 従来の積層造形装置において中間担持体の加熱による変形を示す図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略し、文中のベクトル表記は各図に記載された座標系に従う。尚、係る座標系は、中間担持体の長さ方向（搬送方向）をＸ方向、幅方向をＹ方向、厚さ方向（材料層を形成する表面の法線方向）をＺ方向とする。また、説明を具体化するために例示する数値は、特に言及しない限りは、これに限定するものではない。

先ず、図１１を参照して、従来の積層造形装置における中間担持体の加熱による変形について説明する。図中、（ａ）及び（ｂ）は加熱前の中間担持体１０１を、（ｃ）及び（ｄ）は加熱後の中間担持体１０１を示し、（ａ）及び（ｃ）はそれぞれ中間担持体１０１をＺ方向から見た図である。また、（ｂ）は（ａ）中のＥ−Ｅ’断面図、（ｄ）は（ｃ）中のＦ−Ｆ’断面図である。

図１１（ａ）に示すように、全長に亘って均一な中間担持体１０１の一部の領域１０４を加熱した場合、加熱領域１０４と、該加熱領域１０４に接する非加熱領域との間には大きな温度差が生じる。この時、加熱領域１０４は図中のＸ方向及びＹ方向に熱膨張しようとするが、非加熱領域は膨張しない。そのため、加熱領域１０４と非加熱領域との境界部１０５には、図１１（ｃ）に示すように、熱応力１０６と、該熱応力１０６とは逆向きの拘束力１０７が生じる。加熱領域１０４は、この拘束力１０７によって、Ｙ方向に自由に膨張することができず、図１１（ｄ）に示すように、中間担持体１０１はＺ方向に変形することになる。中間担持体１０１がＺ方向に変形すると、中間担持体１０１上に形成された材料層１の表面も係る変形に伴って変形してしまい、後述するステージ上に転写する際に、先に転写された材料層の表面に均一に密着せず、積層残りが生じてしまう。

本発明は、上記した加熱領域と非加熱領域との温度差に起因する中間担持体のＺ方向の変形を抑制し、材料層をステージ上に転写する際の積層残りを低減した積層造形装置である。本発明の特徴は、材料層を形成する中間担持体を、材料層を形成する転写領域と、前後（Ｘ方向）の転写領域を連結する連結領域とで構成し、中間担持体の幅方向（Ｙ方向）において、連結領域の剛性が、加熱された転写領域の剛性よりも小さいことを特徴とする。

本発明においては、連結領域の剛性が、加熱された転写領域の剛性よりも小さいことにより、転写領域が加熱された際に生じる熱膨張に対する、連結領域による拘束力が低減し、転写領域のＺ方向の変形が低減される。よって、中間担持体の変形による材料層の積層残りが低減し、立体造形物の製造精度が向上する。

図１は本発明の積層造形装置の一実施形態の構成を模式的に示す側面図である。図１において、５は不図示の制御処理に従って作成された立体造形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熱可塑性の造形材料からなる材料層１を形成する材料層形成手段である。４は、材料層形成手段５にて順次形成された材料層１を転写位置１１にて順次受け取る無端ベルト状の中間担持体である。ローラ６は中間担持体４を回転駆動させ、中間担持体４上の材料層１を所定の位置まで搬送させるための駆動手段である。材料層形成手段５で形成された材料層１は中間担持体４に転写され、図中の矢印方向１４に進行し、加熱位置１２にて加熱手段１０により加熱されて溶融し、シート状へと熱可塑性変化する。次いで、シート化された材料層１は、積層位置１３へ搬送され、中間担持体４は停止状態となる。

７は、先に転写された材料層１からなる積層体３を保持するプレート８を着脱可能に保持したステージである。ステージ７は、垂直方向（図１ではＺ方向）に移動可能であって、材料層１が中間担持体４と積層体３との接触加圧位置及び離間分離位置を往復移動する。また、積層体３の積層量に応じて、ステージ７の接触加圧位置は変化する。積層位置１３にて中間担持体４の下面側に担持された材料層１は、中間担持体４の上面側に配置され温度制御可能な加圧手段９と、垂直移動したステージ７とにより挟持され、積層体３の最上層として加熱溶融固着された後、中間担持体４より剥離される。

上記のように、次層以降の材料層１を順次、加熱溶融固着することで、積層体３が形成され、全ての断面データに対応する材料層１を積層することで、目標とする立体造形物が得られる。これらの動作制御及び加熱制御の全てを、不図示の動作制御手段により制御する。

図２は、本実施形態における中間担持体４の一部を、転写位置１１にてＺ方向から見た図である。本実施形態において、中間担持体４は可撓性を有する無端ベルト（エンドレスベルト）であって、材料層１を転写、担持する転写領域１５と、隣り合う転写領域１５を連結する連結領域１６とが交互に設けられている。また、加熱位置１２にて中間担持体４が加熱される領域は、一つの転写領域１５を包括している。本実施形態において、連結領域１６には中間担持体４の一部を切り欠いた切り欠き部４ａが形成されており、ブリッジ１７によって前後の転写領域１５が連結されている。図中の２１は中間担持体４のＹ方向の中心線である。

ブリッジ１７は、Ｙ方向に柔軟な形状であり、転写領域１５が加熱によって熱膨張する際の拘束力が、切り欠き部４ａがない場合に比べて小さくなり、転写領域１５が熱膨張しやすくなっている。さらに、本実施形態においては、転写領域１５及び連結領域１６の形状寸法を以下のように設計することによって、転写領域１５が実質的に自由膨張と同程度に膨張できるように、連結領域１６の拘束力を低減させることができる。

図３は、図２の中間担持体４の加熱前後での形状変化を示す図であり、（ａ）は加熱前、（ｂ）は加熱後の中間担持体４の一部をＺ方向から見た図である。図２に示した中間担持体４が、加熱により図３（ａ）から図３（ｂ）のように熱膨張する場合、熱膨張により転写領域１５と連結領域１６の境界部１９に加わるＹ方向の力をＰとすると、境界部１９のＹ方向の変形量δｙは以下の式〔１〕で示される。

δ_y＝Ｐ×Ｌ₁ ³／（２４×Ｅ×Ｉ）＝Ｐ×Ｌ₁ ³／（２×Ｅ×ｂ×ｈ₁ ³） 〔１〕
上記式〔１〕中、Ｅは中間担持体４のヤング率、Ｉは断面二次モーメントである。

一方、図４は、転写領域１５が周囲に拘束されておらず、加熱により自由膨張する場合の形状変化を示す図であり、（ａ）は加熱前、（ｂ）は加熱後の中間担持体４の一部をＺ方向から見た図である。加熱により図４（ａ）から図４（ｂ）のように、転写領域１５が自由熱膨張する場合、Ｙ方向の変形量をΔＷとすると、転写領域１５の頂点（加熱領域１５の前後端の幅方向端部）に発生するＹ方向の力Ｐ₀は、以下の式〔２〕で示される。

Ｐ₀＝２×Ｅ×ｂ×Ｌ×ΔＷ／Ｗ 〔２〕
Ｐ＝Ｐ₀の時、δｙ≧ΔＷであれば、転写領域１５は連結領域１６に拘束されることなく、熱膨張できることになる。上記式〔２〕より、
ΔＷ＝Ｐ₀×Ｗ／（２×Ｅ×ｂ×Ｌ）
となり、上記式〔１〕のδ_y、式〔３〕のΔＷを、δ_y≧ΔＷに代入すると、
Ｐ×Ｌ₁ ³／（２×Ｅ×ｂ×ｈ₁ ³）≧Ｐ₀×Ｗ／（２×Ｅ×ｂ×Ｌ）
Ｐ×Ｌ₁ ³／ｈ₁ ³≧Ｐ₀×Ｗ／Ｌ 〔４〕
となる。係る式〔４〕に、Ｐ＝Ｐ₀を代入すると、
Ｌ₁ ³／ｈ₁ ³≧Ｗ／Ｌ 〔５〕
となる。即ち、Ｌ₁ ³／ｈ₁ ³≧Ｗ／Ｌを満たすことにより、転写領域１５は加熱された際に連結領域１６により中間担持体４の他の領域に拘束されることなく、自由熱膨張と同程度膨張することができる。

上記式〔５〕を満たす中間担持体４の設計条件としては、例えば、以下の条件が挙げられる。
材質：鉄
線膨張率（α）：１０ｐｐｍ
ヤング率（Ｅ）：２０６ＧＰａ
引張強度（σ_B）：７４９Ｎ／ｍｍ²
幅（Ｗ）：２００ｍｍ
厚さ（ｂ）：０．４ｍｍ
転写領域１５の長さ（Ｌ）：２００ｍｍ
連結領域１６の長さ（Ｌ₁）：３０ｍｍ
連結領域１６の幅（ｈ₁）：３０ｍｍ
温度差（ΔＴ）：１００℃（加熱領域温度−非加熱領域温度）

上記設計条件では、
Ｌ₁ ³／ｈ₁ ³＝Ｗ／Ｌ＝１
であり、上記式〔５〕を満たしており、上記設計条件では、境界部１９の変形量δ_yと、転写領域１５の自由熱膨張量ΔＷは等しくなる。尚、ΔＷは、上記設計条件より、
ΔＷ＝δ_y＝α×ΔＴ×Ｗ／２＝０．１ｍｍ
である。

即ち、転写領域１５は連結領域１６により拘束を受けることなく、自由熱膨張と同程度に膨張することができ、転写領域１５のＺ方向の変形量は最小限に低減される。その結果、加熱によりシート化された材料層１を平坦に保つことができ、中間担持体４上の材料層１をプレート８上の積層体３の最上層に均一に接触させることで、効率的に積層を行い、立体造形物の寸法精度を向上することが可能になる。

またこの時、中間担持体４のＸ方向にかかる許容引張荷重は、安全率Ｓを１０とした場合、
２×Ｌ₁×ｂ×σ_B／Ｓ＝１７９７．６Ｎ
となり、本実施形態において中間担持体４にかかる最大張力約１０００Ｎに対して、十分な強度となる。

また、ブリッジ１７の長さＬ₁、幅ｈ₁を変えることにより、よりＹ方向に柔軟で、転写領域１５の熱膨張を妨げないブリッジ形状にすることも可能であるが、その場合は、最大張力が許容引張荷重を超えないよう、注意する必要がある。

本実施形態においては、連結領域１６に切り欠き部４ａを設けることで、中間担持体４のＹ方向において、加熱された転写領域１５の剛性が、加熱されていない連結領域１６の剛性よりも小さくなるように構成したが、本発明では、係る構成に限定されない。例えば図５に示すように、転写領域１５と連結領域１６とを異なる材料で構成し、幅や厚さは均一な中間担持体４としても良い。具体的には、転写領域１５を鉄で構成し、連結領域１６に耐熱性ゴムや耐熱性樹脂などの柔軟な材料を用いることにより、加熱時の転写領域１５のＹ方向の剛性が、加熱されていない連結領域１６の剛性よりも大きくなるように構成する。また、図６に示すように、中間担持体４を均一な材料で構成し、連結領域１６の厚さを転写領域１５よりも薄くして剛性を調整しても良い。図６の場合、鋼鈑の一部を板厚方向に切欠いて連結領域１６を形成してもよいし、薄鋼鈑上に電鋳などの方法で厚肉部を造形して転写領域１５を形成してもよい。さらに、中間担持体４により大きな張力をかける必要がある場合は、図７のように切り欠き部４ａを二分割し、Ｙ方向中央部にブリッジ１７を設けることで、連結領域１６のＹ方向の柔軟性を大きく損なうことなく、許容引張り荷重を大きくすることも可能である。
尚、図５（ａ）、図６（ａ）、図７はいずれも中間担持体４をＺ方向から見た図であり、図５（ｂ）、図６（ｂ）は中間担持体４をＹ方向から見た図である。

更に、本発明においては、図８に示すように、矩形の鋼鈑である転写プレート２３を転写領域とし、該転写プレート２３をフレクシャ部材２２で連結して連結領域としても良い。その際、転写プレート２３の曲げ剛性が高く、円柱状のローラの曲面に沿わない場合は、図９のように多角形断面形状のローラ２４を用いるとよい。

また、本発明において、転写領域１５が、より低拘束で自由熱膨張に近い熱膨張しやすい形態を図１０に示す。図１０（ａ）は、中間担持体４の一部をＺ方向から見た図であり、図１０（ｂ）は、係る中間担持体４を搬送する一方のローラ近傍をＺ方向から見た図であり、図１０（ｃ）は、図１０（ｂ）中のＤ−Ｄ’断面図である。

本実施形態では、図１０（ａ）に示すように、連結領域１６を、中間担持体４のＹ方向の中央部にのみブリッジ１７で構成することにより、転写領域１５が、より低拘束で自由熱膨張に近い熱膨張をすることができる。本実施形態では、図１０（ｂ）、（ｃ）に示すように、中間担持体４がローラ６に密着して移動できるように、ガイドレール２８，２８が、中間担持体２６の厚み分だけ離れて、ローラ６のＹ方向端部に２ヶ所、配置されている。さらに、本実施形態では、図１０（ｂ）、（ｃ）に示すように、連結領域１６のωＺ方向の低剛性化に伴い生じやすくなる中間担持体４の蛇行を、ローラ６の両端にフランジ２９，２９を設けて防止している。尚、中間担持体４の蛇行防止のためには、中間担持体４の端部にパーフォレーション（不図示）を設けてガイドとしても、同様の効果が得られる。

図１０の実施形態によれば、隣り合う転写領域１５をＹ方向の中央部でのみ連結したことにより、転写領域１５を加熱した際に、転写領域１５はＹ方向にほぼ拘束されることなく熱膨張することができる。よって、転写領域１５上の材料層１は、より良好な平坦度を保った状態で積層位置１２に搬送され、プレート８上の積層体３の最上層に均一に接触することができ、より効率的で寸法精度の高い積層造形が可能になる。

本発明において、材料層形成手段５としては、電子写真方式が好ましく用いられるが、本発明ではこれに限定されるものではない。また、材料層１は、熱可塑性の造形材料で形成されるが、複雑な形状の立体造形物を製造する場合、空間の上に材料層１を配置する必要が生じる。そのため、立体造形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、空間となる領域をサポート材料で埋めた材料層１を形成し、材料層の転写・積層後にサポート材料のみを除去する。尚、電子写真方式では構造材料及びサポート材料のいずれもが粒子状で用いられるが、本発明はこれに限定されない。

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、目的とする立体造形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。

また、上記したサポート材料としては、構造材料よりも融点が低い材料で構成することで、完成した積層体を、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で、完成した積層体を水に浸漬して、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。

１：材料層、４：中間担持体、４ａ：切り欠き部、５：材料層形成手段、６：ローラ、７：ステージ、１０：加熱手段、１５：転写領域、１６：連結領域

Claims (6)

1. 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と、
   前記中間担持体上の前記材料層を加熱溶融させる加熱手段と、
   前記中間担持体上の加熱溶融した前記材料層を、前記中間担持体から転写・積層するステージと、
   前記中間担持体を駆動させる駆動手段と、
   を備えた積層造形装置であって、
   前記中間担持体が、前記材料層を形成する転写領域と、前後の転写領域を連結する連結領域と、を有し、
   前記中間担持体の幅方向において、前記連結領域の剛性が、前記加熱手段によって加熱された前記転写領域の剛性よりも小さいことを特徴とする積層造形装置。
2. 前記中間担持体が可撓性を有するベルトであり、前記連結領域は、前記ベルトの一部に切り欠き部を有することを特徴とする請求項１に記載の積層造形装置。
3. 前記転写領域が加熱により膨張した際に、前記転写領域と前記連結領域との境界部において前記幅方向に発生する力をＰ、膨張量をδ_y、前記転写領域が加熱により自由膨張した際に、前記転写領域の前後端の幅方向端部において前記幅方向に発生する力をＰ₀、膨張量をΔＷとした時、Ｐ＝Ｐ₀の時に、δ_y≧ΔＷであることを特徴とする請求項２に記載の積層造形装置。
4. 前記転写領域と前記連結領域とが異なる材料で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の積層造形装置。
5. 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１乃至４のいずれか一項に記載の積層造形装置。
6. 前記中間担持体が無端ベルトであり、前記駆動手段がローラであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の積層造形装置。

Images