JP2018094775A - Method of shaping three-dimensional object - Google Patents

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康裕 堀口
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To make it possible to inhibit deformation of a shaped object from occurring caused by excessive load being applied to the shaped object at a time of lamination.SOLUTION: The shaping method for sequentially laminating on a stage a material layer on which a structural material constituting a three-dimensional model and a support material constituting a support body for supporting the shaping of the structure are arranged to produce a shaped object based on slice data generated from shape data of a three-dimensional model, includes laminating the material layer on the shaped object produced on the stage while applying a load smaller than the load causing deformation to the shaped object manufactured on the stage.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、立体物の造形方法に関するものである。   The present invention relates to a method for modeling a three-dimensional object.

近年、新しい造形法として、3次元モデルの形状データを複数の層にスライスして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順次積層することにより3次元モデルを実体化する積層造形法が注目されている。   In recent years, as a new modeling method, a three-dimensional model that materializes a three-dimensional model by slicing shape data of a three-dimensional model into a plurality of layers, generating slice data, and sequentially stacking modeling materials based on the slice data Is attracting attention.

特許文献1には、電子写真方式を用いて3次元モデルのスライスデータに応じて、造形材料からなる1断面分の層を形成し、層単位、すなわち、面単位で積層する造形装置が提案されている。この方法は誘電体表面に形成した静電潜像を帯電性粉体で現像し、ヒートロールで加熱定着する。その後、定着した帯電性粉体層を再加熱溶融しステージ上に加圧転写し、積層して立体物を造形している。   Patent Document 1 proposes a modeling apparatus that forms a layer of one cross section made of a modeling material in accordance with slice data of a three-dimensional model using an electrophotographic method, and stacks the units in units of layers, that is, in units of planes. ing. In this method, an electrostatic latent image formed on a dielectric surface is developed with a chargeable powder and heated and fixed with a heat roll. Thereafter, the fixed chargeable powder layer is reheated and melted, pressure-transferred onto the stage, and laminated to form a three-dimensional object.

特開平10−207194号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-207194

特許文献1の造形装置では、帯電性粉体層を加熱及び圧着により積層しているが、この際に加える圧力は、3次元モデルの形状や用いる造形材料の特性等により好適な範囲が異なる。従って、積層の際に適切な圧力を加えないと、造形物の変形が懸念される。   In the modeling apparatus of Patent Document 1, the chargeable powder layer is laminated by heating and pressure bonding. However, the pressure applied at this time varies depending on the shape of the three-dimensional model, the characteristics of the modeling material to be used, and the like. Therefore, if an appropriate pressure is not applied at the time of lamination, there is a concern about deformation of the modeled object.

上記課題を解決するため、本発明にかかる造形方法は、三次元モデルの形状データから生成されるスライスデータに基づいて、前記三次元モデルを構成する構造材料と、前記構造体の造形をサポートするためのサポート体を構成するサポート材料と、を配置した材料層を、ステージの上で順次積層して造形物を製造する造形方法であって、
前記ステージの上に製造された造形物に変形が生じる荷重より小さい荷重を加えながら前記材料層を前記ステージの上に製造された造形物の上に積層することを特徴とする。
In order to solve the above problems, the modeling method according to the present invention supports the modeling of the structural material and the structural body constituting the three-dimensional model based on slice data generated from the shape data of the three-dimensional model. A support material for forming a support body, and a modeling method for manufacturing a modeled object by sequentially laminating a material layer on a stage,
The material layer is laminated on a model manufactured on the stage while applying a load smaller than a load causing deformation of the model manufactured on the stage.

本発明によれば、積層時に、造形物に過剰な荷重が加わり造形物の変形が生じるのを抑制し、安定的に立体物を製造することが可能となる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to manufacture a solid thing stably, suppressing that an excessive load is added to a shaped article and the deformation | transformation of a shaped article arises at the time of lamination | stacking.

積層工程の説明に用いる造形システム概略図。The modeling system schematic used for description of a lamination process. 造形装置の機能ブロック図を示す図。The figure which shows the functional block diagram of a modeling apparatus. 第1の実施形態にかかる荷重F(h)を算出するためのフローチャート。The flowchart for calculating the load F (h) concerning 1st Embodiment. 第2の実施形態にかかる荷重F(h)を算出するためのフローチャート。The flowchart for calculating the load F (h) concerning 2nd Embodiment. 第3の実施形態にかかる荷重F(h)を算出するためのフローチャート。The flowchart for calculating the load F (h) concerning 3rd Embodiment. 第3の実施形態にかかる造形を説明する図。The figure explaining modeling concerning a 3rd embodiment. 第4の実施形態にかかる造形を説明する図。The figure explaining modeling concerning a 4th embodiment.

以下に図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。各図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状それらの相対配置などは、発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲はそれらのみに限定されるものではない。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The dimensions, materials, shapes, and relative arrangements of the components shown in each drawing should be appropriately changed according to the configuration of the apparatus to which the invention is applied and various conditions, and there is no specific description. As long as the scope of the present invention is not limited thereto.

本発明に係る造形システムの一実施形態を図1および2を用いて説明する。造形システムは、3次元モデルを積層方向に対して垂直な面となるよう、所定のピッチで切断して得られる断面データに基づいて、造形材料を配置し順次接合することで、3次元モデルに対応する立体物を製造する。   An embodiment of a modeling system according to the present invention will be described with reference to FIGS. The modeling system arranges the modeling material and sequentially joins the three-dimensional model based on the cross-sectional data obtained by cutting at a predetermined pitch so that the three-dimensional model becomes a plane perpendicular to the stacking direction. The corresponding three-dimensional object is manufactured.

(造形システムの全体構成)
本発明にかかる造形システムは、造形部100と、ユーザーインターフェース200と、パラメータ設定部300と、造形部の動作を制御する制御部400を備えている。
(Overall configuration of modeling system)
The modeling system according to the present invention includes a modeling unit 100, a user interface 200, a parameter setting unit 300, and a control unit 400 that controls the operation of the modeling unit.

造形部100は、感光体ローラ3を備える造形材料供給ユニット1A〜1D、第1担持体4、第2担持体(中間転写体)8、加熱ヒータ9、温度制御部材13、造形ステージ14、第3搬送体15、圧力(荷重)センサー19を備えている。圧力(荷重)センサー19は、積層時に温度制御部材13が受ける圧力(荷重)を検知する。   The modeling unit 100 includes modeling material supply units 1 </ b> A to 1 </ b> D including the photosensitive roller 3, a first carrier 4, a second carrier (intermediate transfer body) 8, a heater 9, a temperature control member 13, a modeling stage 14, 3 A transport body 15 and a pressure (load) sensor 19 are provided. The pressure (load) sensor 19 detects the pressure (load) received by the temperature control member 13 during lamination.

パラメータ設定部300は、ユーザーインターフェース200からの入力を受け、3次元モデルの形状データに基づく断面データの生成や、積層時に加える圧力等のパラメータの算出および設定を行う。制御部400はパラメータ設定部300で設定されたパラメータに基づいて造形部100の各部を制御して積層動作を行わせる。   The parameter setting unit 300 receives input from the user interface 200, generates cross-sectional data based on the shape data of the three-dimensional model, and calculates and sets parameters such as pressure applied during lamination. The control unit 400 controls each unit of the modeling unit 100 based on the parameters set by the parameter setting unit 300 to perform the stacking operation.

なお、本実施形態においては、図1の紙面に向かって、上下方向(積層方向)をZ軸方向、左右方向をY軸方向とし、Z軸とY軸とに垂直な方向をX方向として説明する。   In the present embodiment, the vertical direction (stacking direction) is the Z-axis direction, the left-right direction is the Y-axis direction, and the direction perpendicular to the Z-axis and the Y-axis is the X-direction. To do.

図2は、図1の造形装置の機能ブロック図の一例であり、パラメータ設定部300、制御部400との相関や、それぞれが有する機能を図示したものである。   FIG. 2 is an example of a functional block diagram of the modeling apparatus of FIG. 1, and illustrates the correlation with the parameter setting unit 300 and the control unit 400 and the functions of each.

パラメータ設定部300は、データ格納部301、断面データ生成部302、荷重計算部303、サポート形状計算部304を有する。そして、制御部400は、材料層形成制御部401、中間転写制御部402、加熱シート化制御部403、積層工程制御部404を有する。   The parameter setting unit 300 includes a data storage unit 301, a cross-section data generation unit 302, a load calculation unit 303, and a support shape calculation unit 304. The control unit 400 includes a material layer formation control unit 401, an intermediate transfer control unit 402, a heated sheeting control unit 403, and a lamination process control unit 404.

(造形フロー)
図1、2を参照して、造形フローについて説明する。
(Modeling flow)
A modeling flow will be described with reference to FIGS.

まずユーザーインターフェース200またはデータ格納部301から、断面データ生成部302に3次元モデルの形状データが読み込まれる。3次元モデルの形状データは断面データ生成部302で、積層方向に垂直な面に一定間隔でスライスされ、各スライス断面における断面データが生成される。また、3次元モデルを複数種類の造形材料で造形する場合は、形状データと材料種類および位置の情報とを断面データ生成部302に読み込めば、材料の配置情報を備える断面データを生成することができる。   First, shape data of a three-dimensional model is read from the user interface 200 or the data storage unit 301 into the cross-section data generation unit 302. The shape data of the three-dimensional model is sliced at a predetermined interval in a plane perpendicular to the stacking direction by the cross-section data generation unit 302, and cross-section data for each slice cross-section is generated. Further, when modeling a three-dimensional model with a plurality of types of modeling materials, it is possible to generate cross-sectional data including material arrangement information by reading shape data and material type and position information into the cross-section data generation unit 302. it can.

荷重計算部303は、断面データ生成部302で生成された断面形状データを取得して、積層時に印加すべき荷重を算出する。   The load calculation unit 303 acquires the cross-sectional shape data generated by the cross-section data generation unit 302 and calculates a load to be applied at the time of stacking.

積層時に材料層に印加される圧力が大きすぎると、得られる立体物が、目標とする形状に対して変形してしまい、小さすぎると圧力不足により材料層間の接合ができない部分が生じてしまう。そこで、本発明では、積層時の荷重を、材料層の安定的な積層を考慮した条件式にしたがって算出する。安定的な積層を実現するための荷重を算出するための条件式については後で詳細に説明する。   If the pressure applied to the material layer at the time of lamination is too large, the resulting three-dimensional object will be deformed with respect to the target shape, and if it is too small, there will be a portion where the material layers cannot be joined due to insufficient pressure. Therefore, in the present invention, the load at the time of stacking is calculated according to a conditional expression that considers stable stacking of material layers. A conditional expression for calculating a load for realizing stable lamination will be described in detail later.

積層時に加える荷重を算出した後、サポート形状計算部304においてサポート体の形状が算出される。サポート体は、造形時に構造体を支持するもので、一般的には、構造体の庇状に張り出す部分(オーバーハング部)の下に設けるものである。サポート体を設けることにより、オーバーハング部の積層を安定化させたり、造形途中の立体物の強度を確保したりすることができる。ただし、サポート体はオーバーハング部の下部に必ず配置しなければならないものではなく、構造材料の材質や、立体物の形状、造形方法によっては、サポート体を設けなくても造形が可能な場合もある。サポート体は、造形が完了すると不要となり除去される。   After calculating the load applied at the time of stacking, the support shape calculation unit 304 calculates the shape of the support body. The support body supports the structure body at the time of modeling, and is generally provided under a portion (overhang portion) projecting in a bowl shape of the structure body. By providing the support body, it is possible to stabilize the lamination of the overhang portion or to secure the strength of the three-dimensional object during the modeling. However, the support body does not necessarily have to be placed below the overhang, and depending on the material of the structural material, the shape of the three-dimensional object, and the modeling method, modeling may be possible without providing a support body. is there. The support body becomes unnecessary and is removed when the shaping is completed.

本発明では、オーバーハング部以外の、変形しやすい部分にもサポート体を設けられる。積層する材料層の面積や積層時に印加する荷重値との兼ね合いによって必要となるサポート体の構造や配置は異なるため、荷重計算部303とサポート形状計算部304との間でデータをやり取りして、造形に適した荷重とサポート体の形状とが算出される。   In the present invention, the support body can be provided in a portion that is easily deformed other than the overhang portion. Since the structure and arrangement of the support body required depending on the area of the material layer to be laminated and the load value applied at the time of lamination are different, data is exchanged between the load calculation unit 303 and the support shape calculation unit 304, A load suitable for modeling and the shape of the support body are calculated.

本発明では、サポート体を構成する材料をサポート材料、三次元モデルを構成する材料を構造材料と呼び、両者を区別する必要のない場合は、サポート材料と構造材料を合わせて造形材料と呼ぶ。サポート材料は、造形完了後の除去を容易にするため、構造材料が溶解しない溶媒に対する溶解度の高い材料を用いることが好ましい。   In the present invention, the material constituting the support body is referred to as a support material, the material constituting the three-dimensional model is referred to as a structural material, and when it is not necessary to distinguish the two, the support material and the structural material are collectively referred to as a modeling material. As the support material, it is preferable to use a material having a high solubility in a solvent in which the structural material does not dissolve in order to facilitate removal after the completion of modeling.

サポート体が必要となる造形の場合、断面データ生成部302で生成された3次元モデルの断面形状データにサポート体の断面形状データを付加して得られるスライスデータに従って積層が行われる。パラメータ設定部300で生成されたスライスデータおよび決定された荷重は、制御部400へ送られる。   In the case of modeling that requires a support body, lamination is performed according to slice data obtained by adding the cross-sectional shape data of the support body to the cross-sectional shape data of the three-dimensional model generated by the cross-section data generation unit 302. The slice data generated by the parameter setting unit 300 and the determined load are sent to the control unit 400.

制御部400の材料層形成制御部401が、取得したスライスデータに基づいて材料層形成部20を制御し、電子写真プロセスにて材料層を形成する。材料層形成部20に配置された造形材料供給ユニット1A〜1Dそれぞれの感光体ローラ3には、スライスデータの材料種ごとの潜像が描かれる。例えば、スライスデータが造形材料供給ユニット1A、1Bそれぞれに収容された造形材料のデータを含んでいる場合、造形材料供給ユニット1A、1Bの各感光体ローラ3にそれぞれの材料種のデータに従って潜像が描かれる。   The material layer formation control part 401 of the control part 400 controls the material layer formation part 20 based on the acquired slice data, and forms a material layer in an electrophotographic process. A latent image for each material type of slice data is drawn on the photosensitive roller 3 of each of the modeling material supply units 1A to 1D arranged in the material layer forming unit 20. For example, when the slice data includes the data of the modeling material accommodated in each of the modeling material supply units 1A and 1B, the latent image according to the data of each material type is provided on each photosensitive roller 3 of the modeling material supply units 1A and 1B. Is drawn.

感光体ローラ3には、造形材料供給ユニットに収容された造形材料が供給され、それぞれの造形材料からなる画像が形成される。各造形材料供給ユニットの感光体ローラ3上に形成された造形材料からなる画像は、第1担持体4に転写され、材料層5となる。材料層5は、立体物を形成するために積層される1層分の材料に相当する。   The photoconductor roller 3 is supplied with the modeling material accommodated in the modeling material supply unit, and an image made of each modeling material is formed. An image made of a modeling material formed on the photosensitive roller 3 of each modeling material supply unit is transferred to the first carrier 4 and becomes a material layer 5. The material layer 5 corresponds to a material for one layer stacked to form a three-dimensional object.

第1担持体4によって2次転写部に送られた材料層6は、第2担持体8と第1担持体4との間に印加される電界により、第1担持体4から第2担持体8上へ転写される。   The material layer 6 sent to the secondary transfer portion by the first carrier 4 is transferred from the first carrier 4 to the second carrier by an electric field applied between the second carrier 8 and the first carrier 4. 8 is transferred onto.

第2搬送体8の回転によって3次転写部に搬送された材料層7は2次転写部と同様に印加電界によって第3担持体15に転写される。図1では、第1担持体4や第3担持体15にベルト状の部材を用いているが、これに限るものではなく、円筒ドラムなど他の形態を用いてもよい。また、第2担持体および第3担持体を省略して、第1担持体から直接積層する構成を用いてもよい。   The material layer 7 transported to the tertiary transfer portion by the rotation of the second transport body 8 is transferred to the third carrier 15 by the applied electric field in the same manner as the secondary transfer portion. In FIG. 1, belt-like members are used for the first carrier 4 and the third carrier 15, but the invention is not limited to this, and other forms such as a cylindrical drum may be used. In addition, a configuration in which the second carrier and the third carrier are omitted and the first carrier is directly laminated may be used.

材料層は、第3担持体によって積層位置へと搬送される途中に設けられた加熱ヒータ9により加熱され、融解してシート状となる。ただし、途中加熱や材料層のシート化は必要に応じて行えばよく、必須の工程ではない。シート状の材料層は、積層位置へと搬送され、ステージ14の上、または、ステージ14上の立体物の上に積層される。ステージ14と温度制御部材13とは、第3担持体15を挟んで互いに平行に対向して設けられており、それぞれ上下方向に移動可能となっている。このような構造により、互いの相対距離を変化させ、両者に挟まれる立体物および材料層に任意の荷重を加えることが可能となっている。ここでいう積層位置とは、ステージ14と温度制御部材13とに挟まれた領域である。   The material layer is heated by the heater 9 provided in the middle of being conveyed to the stacking position by the third carrier and melts into a sheet shape. However, heating in the middle or forming the material layer into a sheet may be performed as necessary, and is not an essential process. The sheet-like material layer is conveyed to the stacking position and stacked on the stage 14 or a three-dimensional object on the stage 14. The stage 14 and the temperature control member 13 are provided to face each other in parallel with the third carrier 15 interposed therebetween, and can move in the vertical direction. With such a structure, it is possible to change the relative distance between each other and apply an arbitrary load to the three-dimensional object and the material layer sandwiched between the two. The stacking position here is a region sandwiched between the stage 14 and the temperature control member 13.

温度制御部材13には荷重センサーまたは圧力センサーが取り付けられており、立体物11および材料層12への荷重を計測することができるようになっている。加圧の際に荷重(圧力)センサー19がパラメータ設定部300で算出した荷重値を超えた場合、加圧を停止する様に制御され、立体物の変形を抑制することができる。   A load sensor or a pressure sensor is attached to the temperature control member 13 so that the load on the three-dimensional object 11 and the material layer 12 can be measured. When the load (pressure) sensor 19 exceeds the load value calculated by the parameter setting unit 300 during pressurization, the pressurization is controlled to be suppressed, and the deformation of the three-dimensional object can be suppressed.

加圧されたシート状の材料層12は、造形中の立体物11の上面に密着した状態で、第3搬送体15を介して温度制御部材13によって加熱溶融された後に冷却固化され、第3搬送体15から造形中の立体物11へと接合される。このように、材料層が造形中の立体物11に積層される工程が繰り返され、立体物が造形される。   The pressed sheet-like material layer 12 is in close contact with the upper surface of the three-dimensional object 11 being modeled, heated and melted by the temperature control member 13 via the third transport body 15, and then cooled and solidified. It joins from the conveyance body 15 to the three-dimensional object 11 under modeling. Thus, the process of laminating the material layer on the three-dimensional object 11 being modeled is repeated, and the three-dimensional object is modeled.

以下、実施形態として、安定的な積層を実現する荷重を算出するための具体的なフローを説明する。   Hereinafter, as an embodiment, a specific flow for calculating a load that realizes stable lamination will be described.

(第1の実施形態)
本実施例は積層する際に加える荷重を、荷重計算部303で算出して得られる最大荷重よりも小さくすることによって、立体物に過大な荷重がかかるのを防ぎ、良好な積層を実現するものである。
(First embodiment)
In this embodiment, the load applied when stacking is made smaller than the maximum load calculated by the load calculation unit 303, thereby preventing an excessive load from being applied to the three-dimensional object and realizing good stacking. It is.

図3に、高さhを積層する際に加える荷重F(h)を算出するための、パラメータ設定部300での具体的なフローチャートを示す。S501で計算を開始してから、まずS502で三次元モデルの形状データおよび造形材料の配置情報(造形物形状)、および、造形材料それぞれの物性値を取得する。ここで物性値とは構造材料で構成される構造体とサポート材料で構成されるサポート体の圧縮降伏強度およびヤング率をさしている。以下、構造体の圧縮降伏強度とヤング率をそれぞれσstr、Estr、サポート体の圧縮降伏強度とヤング率をそれぞれσsup、Esupと表す。ここで、hは造形途中での立体物の高さを表しており、造形が完了したときの立体物の高さをHとして0<h<Hである。また、高さhまで積層が完了し、次の1層を積層する際に印加する荷重をF(h)と定義する。 FIG. 3 shows a specific flowchart in the parameter setting unit 300 for calculating the load F (h) applied when the height h is stacked. After starting the calculation in S501, first, in S502, the shape data of the three-dimensional model, the arrangement information (modeling object shape) of the modeling material, and the physical property values of each modeling material are acquired. Here, the physical property values refer to the compressive yield strength and Young's modulus of the structure composed of the structural material and the support body composed of the support material. Hereinafter, the compressive yield strength and Young's modulus of the structure are represented as σ str and E str , respectively, and the compressive yield strength and Young's modulus of the support body are represented as σ sup and E sup , respectively. Here, h represents the height of the three-dimensional object in the middle of modeling, and 0 <h <H where H is the height of the three-dimensional object when modeling is completed. Further, the load applied when the stacking is completed up to the height h and the next layer is stacked is defined as F (h).

続いて、S503で初期サポート体形状を決定する。ここでいう初期サポート体形状は、オーバーハング部等、三次元モデルの形状データから算出されるサポート体の形状に対応している。そしてS504においてユーザーが任意の荷重値F(h)を設定する。 Subsequently, an initial support body shape is determined in S503. The initial support body shape here corresponds to the shape of the support body calculated from the shape data of the three-dimensional model, such as an overhang portion. In S504, the user sets an arbitrary load value F 0 (h).

S505では、S503で決定したサポート体形状の情報と造形物の情報に基づいて、積層を続けたときに塑性変形を起こさない最大荷重Fmax(h)を計算する。最大荷重Fmax(h)の導出の詳細は後述するが、高さhにおける構造体とサポート体の断面積をそれぞれSstr(h)、Ssup(h)として、最大荷重Fmaxは(1)式によって算出される。 In S505, based on the support body shape information determined in S503 and the modeled object information, the maximum load F max (h) that does not cause plastic deformation when the lamination is continued is calculated. Details of the derivation of the maximum load F max (h) will be described later. The cross sections of the structure and the support body at the height h are S str (h) and S sup (h), respectively, and the maximum load F max is (1 ).

max(h)=min{Sstr(z)・Estr+Ssup(z)・Esup|0<z<h}
・min(σstr/Estr,σsup/Esup)・・・(1)
S506では0<h<Hの範囲内の各hに対して、F(h)<Fmax(h)が満たされているかどうかのチェックを行う。条件が満たされていない場合、S507でF(h)をF(h)<Fmax(h)を満たす値に変更してからS508へ進む。F(h)<Fmax(h)が満たされている場合は、F(h)を変更せずにS508へと処理がうつる。S508でF(h)を最終的な荷重F(h)として設定する。S509ではS508で決定した荷重値F(h)にて積層を開始する。
F max (h) = min {S str (z) · E str + S sup (z) · E sup | 0 <z <h}
Min ([sigma] str / Estr , [sigma] sup / Esup ) (1)
In S506, it is checked whether F 0 (h) <F max (h) is satisfied for each h in the range of 0 <h <H. If the condition is not satisfied, F 0 (h) is changed to a value satisfying F 0 (h) <F max (h) in S507, and then the process proceeds to S508. If F 0 (h) <F max (h) is satisfied, the process proceeds to S508 without changing F 0 (h). In S508, F 0 (h) is set as the final load F (h). In S509, lamination is started at the load value F (h) determined in S508.

次に、最大荷重Fmax(h)導出の考え方について説明する。
(造形物が単一材料で構成される場合)
[A.三次元モデルのZ方向のスライス断面の面積と形状が一様な立体物]
まず、三次元モデルのZ方向のスライス断面の面積と形状が一様な、単一の構造材料から成る立体物を加圧する場合を考える。これはサポート材料を用いない積層造形に対応するものである。
Next, the concept of deriving the maximum load F max (h) will be described.
(When the model is composed of a single material)
[A. Solid object with uniform cross-sectional area and shape in the Z direction of the 3D model]
First, let us consider a case where a three-dimensional object made of a single structural material having a uniform area and shape of a slice cross section in the Z direction of a three-dimensional model is pressed. This corresponds to additive manufacturing without using a support material.

立体物を構成する材料のヤング率をE、Z方向の長さ(高さ)をl、高さlにおける立体物の断面積をSとする。一般に材料は加圧されると圧縮を生じるため、積層時に荷重FをZ軸に沿って加圧すると、立体物は長さがlから(l−Δl)とΔlだけ短くなる。このとき生じるひずみεは、ε=(Δl/l)と表される。材料力学によると、このとき立体物の断面には圧力σ=ε・Eがかかる。よって力F=σ・S=ε・E・Sと表せる。   The Young's modulus of the material constituting the three-dimensional object is E, the length (height) in the Z direction is l, and the cross-sectional area of the three-dimensional object at the height l is S. In general, since a material is compressed when pressed, when a load F is pressed along the Z-axis during lamination, the three-dimensional object is shortened from l to (l−Δl) by Δl. The strain ε generated at this time is expressed as ε = (Δl / l). According to material mechanics, pressure σ = ε · E is applied to the cross section of the three-dimensional object. Therefore, it can be expressed as force F = σ · S = ε · E · S.

圧力σと変形量Δlはほぼ比例関係にあり、負荷を除くと立体物はもとの大きさにもどる。これを弾性変形と呼ぶ。しかし、σが大きすぎると負荷を取り除いても変形が残存し塑性変形を生じる。この弾性変形から塑性変形する際のσは材料固有の値をとることが知られている。このσをここでは圧縮降伏強度と呼び、構造材料のそれをσstrと表記する。ここで構造材料にσstr以上の圧力がかかることになると立体物に塑性変形が生じ、積層面が傾いたり、積層断面の形状が変化したりすることになる。以上より立体物に印加できる力(荷重)の最大値は
F=σstr・S=ε・E・S=(σstr/E)・E・S
となる。
The pressure σ and the deformation amount Δl are in a proportional relationship, and when the load is removed, the three-dimensional object returns to its original size. This is called elastic deformation. However, if σ is too large, even if the load is removed, deformation remains and plastic deformation occurs. It is known that σ at the time of plastic deformation from this elastic deformation takes a value specific to the material. This σ is referred to herein as compressive yield strength, and that of the structural material is expressed as σ str . Here, when a pressure equal to or higher than σ str is applied to the structural material, the three-dimensional object is plastically deformed, and the laminated surface is inclined or the shape of the laminated cross section is changed. From the above, the maximum value of the force (load) that can be applied to the three-dimensional object is F = σ str · S = ε · E · S = (σ str / E) · E · S
It becomes.

[B.三次元モデルのスライス断面の面積と形状がZ方向で一定でない立体物]
次に、三次元モデルをZ方向にスライスして得られる断面の面積が一定でない場合を考える。積層ステージからの高さhの関数として、スライス断面の面積がS(h)で表されるとする。Z方向に荷重Fを印加するとすべての積層断面には同じ荷重F(h)=σ(h)S(h)の力がかかる。ここでσ(h)は高さhの断面での圧力とする。高さ0<z<hの範囲で断面積S(z)が最も小さい層には、最も大きい圧力σ(z)がかかることになる。しかし、積層断面1層1層については、スライス断面の面積と形状がZ方向で一様な立体物と同様に考えることができる。よってA.と同じ議論を適用することができ、積層物に塑性変形を起こさないためには積層圧力σがσ<σstrを満たせばよい。従って、ステージからの高さhの積層断面のみを考えた場合、その断面に印加可能な荷重F(h)の上限値は
max(h)=σstr・S(h)=(σstr/E)・E・S(h)
となる。
[B. Solid object whose area and shape of the slice cross section of the 3D model are not constant in the Z direction]
Next, consider a case where the cross-sectional area obtained by slicing the three-dimensional model in the Z direction is not constant. Assume that the area of the slice cross section is expressed as S (h) as a function of the height h from the stacking stage. When a load F is applied in the Z direction, the same load F (h) = σ (h) S (h) is applied to all laminated sections. Here, σ (h) is a pressure in a section having a height h. The highest pressure σ (z) is applied to the layer having the smallest cross-sectional area S (z) in the range of height 0 <z <h. However, regarding the laminated cross section, one layer and one layer, the area and shape of the slice cross section can be considered in the same manner as a three-dimensional object that is uniform in the Z direction. Therefore A. The same argument can be applied, and the lamination pressure σ should satisfy σ <σ str so as not to cause plastic deformation in the laminate. Therefore, when considering only a laminated section having a height h from the stage, the upper limit value of the load F (h) that can be applied to the section is F max (h) = σ str · S (h) = (σ str / E) ・ E ・ S (h)
It becomes.

以上より立体物全体を考えたとき、印加可能な荷重Fの上限値はFmax(z)(0<z<h)の最小値であるから
min{F(z)|0<z<h}=(σstr/E)・min{E・S(z)|0<z<h}
となる。
From the above, when considering the entire three-dimensional object, the upper limit value of the load F that can be applied is the minimum value of F max (z) (0 <z <h). Min {F (z) | 0 <z <h} = (Σ str / E) · min {E · S (z) | 0 <z <h}
It becomes.

(造形物が複数の材料で構成される場合)
次に構造材料とサポート材料の2種類の造形材料からなる立体物を造形する場合を考える。A.と同様に、立体物は、Z方向のスライス断面の面積と形状が一様であるとする。
(When the model is composed of multiple materials)
Next, consider the case of modeling a three-dimensional object composed of two types of modeling materials, a structural material and a support material. A. Similarly, it is assumed that the solid object has a uniform area and shape of the slice cross section in the Z direction.

荷重Fを加えると、構造体とサポート体は共に圧縮される。このとき、Z方向の積層高さをlとし、圧縮距離はどちらの材料もΔlで等しいと仮定する。また、構造体のヤング率をEstr、圧縮降伏強度をσstr、断面積をSstrとする。同様にサポート体のヤング率をEsup、圧縮降伏強度をσsup、断面積をSsupとする。構造体でのひずみεstrとサポート体でのひずみεsupは、変形量Δlが等しいためそれぞれεで等しくなる。 When the load F is applied, both the structure and the support body are compressed. At this time, it is assumed that the stacking height in the Z direction is l and the compression distance is equal to Δl for both materials. The Young's modulus of the structure is E str , the compression yield strength is σ str , and the cross-sectional area is S str . Similarly, the Young's modulus of the support body is E sup , the compression yield strength is σ sup , and the cross-sectional area is S sup . The strain ε str in the structure and the strain ε sup in the support body are equal to ε because the deformation amount Δl is equal.

すると、前述と同様の議論により構造体の断面には圧力σstr=εstr・Estrが、サポート体の断面には圧力σsup=εsup・Esupがかかる。よって荷重Fは
F=σstr・Sstr+σsup・Ssup=ε・(Estr・Sstr+Esup・Ssup
と表すことができる。
Then, the pressure σ str = ε str · E str is applied to the cross section of the structure and the pressure σ sup = ε sup · E sup is applied to the cross section of the support body by the same discussion as described above. Therefore, the load F is F = σ str · S str + σ sup · S sup = ε · (E str · S str + E sup · S sup )
It can be expressed as.

Fの上限値は、その力を受けた時に、構造体とサポート体が共に塑性変形が起こらないことが必要である。ひずみはε=σ/Eで表せるから、εはσstr/Estr及びσsup/Esupのどちらか小さい方を上限とすればよいことになる。以上より、荷重Fの最大値Fmax
max=min(σstr/Estr,σsup/Esup)・(Estr・Sstr+Esup・Ssup
と表すことができる。
The upper limit value of F requires that the structural body and the support body do not undergo plastic deformation when receiving the force. Since the strain can be expressed by ε = σ / E, ε may be set to the upper limit of σ str / E str and σ sup / E sup whichever is smaller. From the above, the maximum value F max of the load F is F max = min (σ str / E str , σ sup / E sup ) · (E str · S str + E sup · S sup )
It can be expressed as.

次に、構造材料とサポート材料の2種類の材料からなり、且つ、Z方向でおのおの積層断面面積と断面形状が変化する場合を考える。この場合も加圧時の構造体とサポート体のひずみ量εに違いはないものと考えると構造材料のみを用いた場合でZ方向に断面形状が変化するときの議論が応用できるから、積層板からの高さhの積層面にかかる荷重F(h)は以下のように表せる。
F(h)=ε・{Estr・Sstr(h)+Esup・Ssup(h)}
Next, let us consider a case in which two types of materials, a structural material and a support material, are used, and the cross-sectional area and cross-sectional shape of each layer change in the Z direction. In this case as well, if it is considered that there is no difference in the strain ε between the structure and the support body during pressurization, the discussion when the cross-sectional shape changes in the Z direction can be applied when only the structural material is used. The load F (h) applied to the stacking surface with the height h from can be expressed as follows.
F (h) = ε · {E str · S str (h) + E sup · S sup (h)}

εの上限値は構造材料、サポート材料での圧縮強さの上限のどちらか小さい方を取るべきであるから、次式で表される。
max(ε)=min(εstr,εsup)=min(σstr/Estr,σsup/Esup
Since the upper limit of ε should be the smaller of the upper limits of the compressive strength of the structural material and the support material, it is expressed by the following equation.
max (ε) = min (ε str , ε sup ) = min (σ str / E str , σ sup / E sup )

塑性変形を起こさずに印加可能な積層荷重Fの上限値はF(z)(0<z<h)の最小値である。従って、F(h)のとりうる上限値Fmax(h)は、
max(h)=min{F(z)|0<z<h}
=min{ε・(Estr・Sstr(h)+Esup・Ssup(h))|0<z<h}
=min{Sstr(z)・Estr+Ssup(z)・Esup|0<z<h}
・min(σstr/Estr,σsup/Esup
となり、(1)式が導き出される。
The upper limit value of the stacking load F that can be applied without causing plastic deformation is the minimum value of F (z) (0 <z <h). Therefore, the upper limit F max (h) that F (h) can take is
F max (h) = min {F (z) | 0 <z <h}
= Min {ε · (E str · S str (h) + E sup · S sup (h)) | 0 <z <h}
= Min {S str (z) · E str + S sup (z) · E sup | 0 <z <h}
・ Min (σ str / E str , σ sup / E sup )
Thus, equation (1) is derived.

以上説明したとおり、(1)式に従って、F(h)<Fmax(h)となるようにF(h)を定めれば、積層時に過荷重により立体物に変形が生ずることなく、積層を行うことができる。 As described above, if F (h) is determined so as to satisfy F (h) <F max (h) according to the equation (1), the three-dimensional object is not deformed due to overload at the time of lamination. It can be carried out.

(第2の実施形態)
第1の実施形態では、変形が生ずることなく積層を行うための荷重の上限について説明した。本実施形態では、構造材料とサポート材料それぞれの最適積層圧力(層間を十分に接合するのに必要な圧力)が既知である場合の、荷重の下限について説明する。本実施例によれば、構造材料とサポート材料の複合積層物に対しても最適な荷重を印加することができ、強度の高い造形物を実現するものである。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the upper limit of the load for performing stacking without causing deformation has been described. In the present embodiment, the lower limit of the load when the optimum stacking pressure (the pressure necessary to sufficiently bond the layers) between the structural material and the support material is known will be described. According to the present embodiment, an optimum load can be applied to the composite laminate of the structural material and the support material, and a high-strength shaped article is realized.

図4に、高さhを積層する際に加える荷重F(h)を算出するための、積層パラメータ設定部300、特に荷重計算部303内での具体的なフローチャートを示す。S601で開始した後、S602でデータ格納部301から造形物形状および物性値を取得する。ここで物性値とは構造材料またはサポート材料のヤング率Estr、Esup及び、それぞれの単材料からなる層の接合に必要な最小圧力Pstr、Psupを表す。次にS603で初期サポート材形状を決定する。これはすでに第1の実施形態と同様に、オーバーハング部等、三次元モデルの形状データから算出されるサポート体の形状に対応している。続くS604において、ユーザーが任意の初期荷重のF(h)(0<h<H)を決定する。 FIG. 4 shows a specific flowchart in the stacking parameter setting unit 300, particularly the load calculation unit 303, for calculating the load F (h) applied when stacking the height h. After starting in S601, a shaped object shape and physical property values are acquired from the data storage unit 301 in S602. Here, the physical property values represent Young's moduli E str and E sup of a structural material or a support material, and minimum pressures P str and P sup required for joining layers made of single materials. In step S603, the initial support material shape is determined. As in the first embodiment, this corresponds to the shape of the support body calculated from the shape data of the three-dimensional model, such as an overhang portion. In subsequent S604, the user determines F 0 (h) (0 <h <H) of an arbitrary initial load.

S605では、S603で取得したサポート材形状の情報と造形物の情報を基に、構造材料とサポート材料の複合積層物に対する最小積層荷重Fmin(h)を計算する。具体的には、積層時に加える荷重を(2)式で表されるFmin(h)以上の値に定めるとよい。(2)式の導出についての詳細は後述する。
min(h)={Sstr(h)・Estr+Ssup(h)・Esup
・max(Pstr/Estr,Psup/Esup)・・・(2)
In S605, the minimum stacking load F min (h) for the composite laminate of the structural material and the support material is calculated based on the support material shape information and the modeled object information acquired in S603. Specifically, the load applied at the time of lamination is preferably set to a value equal to or greater than F min (h) expressed by the equation (2). Details of the derivation of equation (2) will be described later.
F min (h) = {S str (h) · E str + S sup (h) · E sup }
Max (P str / E str , P sup / E sup ) (2)

ここで、構造体の断面積、ヤング率、最小積層圧をそれぞれSstr(h)、Estr、Pstr、サポート体の断面積、ヤング率、最小積層圧をそれぞれSsup(h)、Esup、Psupである。 Here, the cross-sectional area, Young's modulus, and minimum lamination pressure of the structure are S str (h), E str , P str , respectively, and the cross-sectional area, Young's modulus, and minimum lamination pressure of the support body are S sup (h), E sup and P sup .

S606では、各hについてFmin(h)≦F(h)が満たされているかチェックを行う。式(2)が満たされていない場合、S607において式(2)を満たす値にF(h)を変更してS608へ進み、満たされている場合はF(h)を変更せずにS608へと進む。S608では修正されたF(h)が最終的な荷重F(h)の値として決定され、S609ではS608で決定された荷重に従って積層を開始する。 In S606, it is checked whether F min (h) ≦ F 0 (h) is satisfied for each h. If Expression (2) is not satisfied, F 0 (h) is changed to a value satisfying Expression (2) in S607 and the process proceeds to S608. If satisfied, F 0 (h) is not changed. The process proceeds to S608. In S608, the corrected F 0 (h) is determined as the value of the final load F (h). In S609, lamination is started according to the load determined in S608.

次に、式(2)の導出について詳細に説明する。   Next, the derivation of Expression (2) will be described in detail.

予め構造材料及びサポート材料をそれぞれについて、層間を十分に接着するのに必要な圧力を取得する。ある一定の温度のもとで荷重を加えて積層する場合、荷重が小さすぎると加熱された積層される側の面の最表層と積層する層側の表面の高分子同士が相溶せず、十分な積層強度を維持することができない。そのため、一般に構造材料、サポート材料ともに接合に必要な最低限度な積層圧力(最小荷重)が存在し、それぞれをPstr,Psupと表記する。 For each of the structural material and the support material, a pressure necessary to sufficiently bond the layers is acquired. When laminating by applying a load under a certain temperature, if the load is too small, the outermost surface layer of the surface to be laminated and the surface polymer on the layer side to be laminated are not compatible with each other, Sufficient lamination strength cannot be maintained. For this reason, there is generally a minimum lamination pressure (minimum load) necessary for joining both the structural material and the support material, which are denoted as P str and P sup , respectively.

第1の実施形態と同様の議論により、構造体とサポート体が同じひずみ量εをもつと考えると、印加する積層荷重F(h)は以下のように表すことができる。
F(h)=ε{Estr・Sstr(h)+Esup・Ssup(h)}
Assuming that the structure body and the support body have the same strain amount ε by the same discussion as in the first embodiment, the applied stacking load F (h) can be expressed as follows.
F (h) = ε {E str · S str (h) + E sup · S sup (h)}

積層圧力σがPstr,Psupのどちらかよりも低いと、積層材料とサポート材料のどちらかの接合に必要な圧力に満たないことになり、構造体強度またはサポート体の強度が低くなり、安定した積層動作を実施することができない。よって、積層圧力σは、構造材料とサポート材料の両方を接合可能とするため、PstrおよびPsup以上であることが必要である。 When the lamination pressure σ is lower than either P str or P sup , the pressure required for joining either the laminated material or the support material is not reached, and the structure strength or the strength of the support body is reduced. A stable stacking operation cannot be performed. Therefore, the stacking pressure σ needs to be equal to or higher than P str and P sup so that both the structural material and the support material can be bonded.

ここでPstr/Estr=εstr、Psup/Esup=εsupと表記する。加圧によってεstrとεsupのうち大きい方の値以上のひずみを生じると、構造体、サポート体いずれにおいても積層圧力σの値はPstr、Psup以上となり、両部分でともに良好な接合を行うことができる。よって良好な積層を実現できる範囲でひずみεが取りうる最小値はε=max(Pstr/Estr,Psup/Esup)となり、荷重F(h)の好ましい範囲は、式(2)Fmin(h)以上の範囲にある。 Here, P str / E str = ε str , P sup / E sup = ε sup . If a strain greater than the larger value of ε str and ε sup occurs due to pressurization, the stacking pressure σ will be greater than or equal to P str and P sup in both the structure and the support body. It can be performed. Therefore, the minimum value that can be taken by the strain ε within a range where a good stacking can be realized is ε = max (P str / E str , P sup / E sup ), and a preferable range of the load F (h) is expressed by the equation (2) F It is in the range of min (h) or more.

以上のように本実施例によれば最小荷重として定めた値以上の力を印加することで構造材料、サポート材料から成る複合積層物を十分な強度を持って積層することができる。ただし、第1の実施形態の上限を超えると造形物の変形が生じてしまうため、F(h)は(1)式で表されるFmax(h)よりも小さい値である必要がある。すなわち、
min(h)≦F(h)<Fmax(h)・・・(3)
を満たす範囲の荷重F(h)を負荷して積層を行うことにより、強度が高く変形の抑制された造形物を得ることが可能となる。
As described above, according to this embodiment, a composite laminate composed of a structural material and a support material can be laminated with sufficient strength by applying a force equal to or greater than the value determined as the minimum load. However, if the upper limit of the first embodiment is exceeded, deformation of the shaped object occurs, and therefore F (h) needs to be a value smaller than F max (h) expressed by the expression (1). That is,
F min (h) ≦ F (h) <F max (h) (3)
By applying the load F (h) in a range that satisfies the above conditions, it is possible to obtain a shaped article with high strength and suppressed deformation.

(第3の実施形態)
三次元モデルの形状次第では、初期サポート体形状を付加した造形では、(3)式を同時に満たすF(h)を設定できない場合がある。そこで、本実施形態では、初期サポート体の形状(積層断面積)を変化させることによって(3)関係式を満たすF(h)を設定し、良好な積層を実現するものである。
(Third embodiment)
Depending on the shape of the three-dimensional model, it may not be possible to set F (h) that simultaneously satisfies the expression (3) in modeling with the initial support body shape added. Therefore, in the present embodiment, by changing the shape (lamination cross-sectional area) of the initial support body, F (h) that satisfies the relational expression (3) is set, and good lamination is realized.

図5に、F(h)を算出するための荷重計算部303内での具体的なフローチャートを示す。S701で開始した後、S702でデータ格納部301から造形物形状および物性値を取得する。ここで物性値とは構造体とサポート体の圧縮降伏強度、最適積層圧およびヤング率をさす。構造体の圧縮降伏強度、最適積層圧およびヤング率を、それぞれσstr、Pstr、Estr、サポート体の圧縮降伏強度、最適積層圧およびヤング率を、それぞれσsup、Psup、Esupと表す。次にS703で初期サポート体形状を決定する。これはすでに第1の実施形態と同様に、オーバーハング部等、三次元モデルの形状データから算出されるサポート体の形状に対応している。そしてS704においてユーザーが任意の初期荷重F(h)を設定する。S705では、S703で取得した初期サポート体形状の情報と三次元モデルの情報とを基に、F(h)の初期設定値に対して、その値が、式(2)で算出される最小荷重以上であるという条件を満たすかどうかをチェックする。条件を満たしていない場合、S706で条件を満たすようにF(h)の値を変更し、条件を満たしている場合はF(h)を変更せずにS707にすすむ。S707では、S704またはS706で決定した荷重値が、式(1)で算出される最大荷重よりも小さい条件を満たすかどうかがチェックされる。最大荷重よりも小さい条件を満たしている場合、S710では、S705でチェックされた荷重F(h)がそのまま積層時に加える荷重として設定される。もし、最大荷重よりも小さい条件を満たす値が存在しない場合は、S708でサポート体の形状が変更され、S709へとすすむ。S709では、変更後のサポート体形状を用いて最大荷重Fmax(h)及び最小荷重Fmin(h)が計算され、再びS705の処理へとすすむ。式(1)で算出される最大荷重よりも小さい条件を満たす荷重が設定できるまでサポート体形状が変更され、最終的な荷重F(h)とサポート体形状(即ち、Ssup(h))が決定され、S711にて積層が開始される。S712で積層動作が完了すれば、S713で処理を終了する。 FIG. 5 shows a specific flowchart in the load calculation unit 303 for calculating F (h). After starting in S701, a shaped object shape and physical property values are acquired from the data storage unit 301 in S702. Here, the physical property values refer to the compressive yield strength, optimum laminating pressure, and Young's modulus of the structure and the support body. The compressive yield strength, optimum laminating pressure and Young's modulus of the structure are respectively represented by σ str , P str , E str , and the compressive yield strength, optimum laminating pressure and Young's modulus of the support body are respectively represented by σ sup , P sup , E sup and Represent. Next, an initial support body shape is determined in S703. As in the first embodiment, this corresponds to the shape of the support body calculated from the shape data of the three-dimensional model, such as an overhang portion. In S704, the user sets an arbitrary initial load F 0 (h). In S705, based on the initial support body shape information and the three-dimensional model information acquired in S703, the initial load value of F (h) is calculated as the minimum load calculated by Expression (2). Check whether the above condition is satisfied. If you do not meet the conditions, change the value of F 0 (h) so as to satisfy the condition in S706, if the condition is satisfied the process proceeds to S707 without changing the F 0 (h). In S707, it is checked whether or not the load value determined in S704 or S706 satisfies a condition that is smaller than the maximum load calculated by Expression (1). When the condition smaller than the maximum load is satisfied, in S710, the load F (h) checked in S705 is set as a load to be applied at the time of stacking. If there is no value that satisfies the condition smaller than the maximum load, the shape of the support body is changed in S708, and the process proceeds to S709. In S709, the maximum load F max (h) and the minimum load F min (h) are calculated using the changed support body shape, and the process proceeds to S705 again. The support body shape is changed until a load satisfying a condition smaller than the maximum load calculated by Expression (1) can be set, and the final load F (h) and the support body shape (that is, S sup (h)) are obtained. In step S711, stacking is started. If the stacking operation is completed in S712, the process ends in S713.

本実施例が特に有効な三次元モデルの形状の例として、図6(a)に示すように、積層方向において上部より下部に断面積の小さい部分を有する形状があげられる。図6(a)は、三次元モデル800をX方向からみた形状を示している。   As an example of the shape of the three-dimensional model in which the present embodiment is particularly effective, as shown in FIG. 6A, there is a shape having a portion with a small cross-sectional area from the upper part to the lower part in the stacking direction. FIG. 6A shows the shape of the three-dimensional model 800 viewed from the X direction.

図6(a)の三次元モデル800の造形において、断面cの層を積層する際に式(2)から算出される最小荷重以上の荷重で積層を行うと、その圧力はそのまま断面cの下部にある断面dに集中負荷されるので、式(1)を満たすことがでいない。つまり、図6(a)の三次元モデルの場合、式(3)を満たす荷重を設定することができない。そのため、造形物のどこかの部位で変形が発生してしまう。   In the modeling of the three-dimensional model 800 in FIG. 6A, when the layer of the cross section c is stacked, if the stack is performed with a load equal to or greater than the minimum load calculated from the equation (2), the pressure is directly below the section c. Since the concentrated load is applied to the cross section d, the equation (1) cannot be satisfied. That is, in the case of the three-dimensional model shown in FIG. 6A, a load that satisfies Equation (3) cannot be set. Therefore, a deformation | transformation will generate | occur | produce in some site | parts of a molded article.

そこで、本実施形態では、図6(a)に示す三次元モデル800の断面積の小さい部分dの近傍に、S703に基づくサポート体811に加えて、S708に基づくサポート体812を付加する。このような処理により、サポート体部811の断面積Ssupに付加したサポート体部812分の断面積ΔSsupが、三次元モデルの造形時のサポート体となり、その面積を(Ssup+ΔSsup)に増加させることができる。 Therefore, in the present embodiment, in addition to the support body 811 based on S703, a support body 812 based on S708 is added in the vicinity of the portion d having a small cross-sectional area of the three-dimensional model 800 shown in FIG. By such processing, the cross-sectional area ΔS sup of the support body portion 812 added to the cross-sectional area S sup of the support body portion 811 becomes the support body at the time of modeling the three-dimensional model, and the area thereof is (S sup + ΔS sup ). Can be increased.

断面dでの断面部をZ方向から見た図を図6(b)に示す。高さz(0<z<h)の部分でのサポート材の断面積をSsup(z)からSsup(z)+ΔSsup(z)に変更すると、Fmax(h)が増大する。そして、サポート体形状が変更されるため、Fmin(h)の値も変化するから、S709にてFmin(h)の値を再計算する。このようにして、式(3)を満たす荷重F(h)を設定することが可能となる。 FIG. 6B shows a cross section of the cross section d viewed from the Z direction. When the cross-sectional area of the support material in the region of the height z (0 <z <h) is changed from S sup (z) in S sup (z) + ΔS sup (z), F max (h) increases. Since the shape of the support body is changed, the value of F min (h) also changes. Therefore, the value of F min (h) is recalculated in S709. In this way, it is possible to set a load F (h) that satisfies Equation (3).

本実施形態にかかる造形方法を用いると荷重の不足や、過荷重による造形物の変形を抑制して、安定した造形を行うことができる。   When the modeling method according to the present embodiment is used, it is possible to perform stable modeling while suppressing a lack of load and deformation of a modeled object due to overload.

(第4の実施形態)
第3の実施形態では、初期サポート体形状を付加した造形では(3)式を同時に満たすF(h)を設定できない場合に、変形が生じる部分にのみ、補強用のサポート体を付加する方法を説明した。本実施形態では、全体に補強用のサポート体を付加する場合について説明する。
(Fourth embodiment)
In the third embodiment, a method of adding a reinforcing support body only to a portion where deformation occurs when F (h) that simultaneously satisfies the expression (3) cannot be set in modeling with an initial support body shape added. explained. This embodiment demonstrates the case where the support body for reinforcement is added to the whole.

本実施形態を、図7を用いて説明する。図7(a)は、三次元形状データで表される三次元モデル901の形状(球体)を、XYZ軸と共に表す図である。本実施形態では、三次元モデルのXY面に平行な断面データに基づいて生成したスライスデータに応じて形成する複数の層をZ軸方向に積層するものとする。   This embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 7A is a diagram illustrating the shape (sphere) of the three-dimensional model 901 represented by the three-dimensional shape data together with the XYZ axes. In the present embodiment, a plurality of layers formed according to slice data generated based on cross-sectional data parallel to the XY plane of the three-dimensional model are stacked in the Z-axis direction.

図7(b)には、スライスデータに従って造形される構造体902と、ユーザーによる設定に従って決定される初期サポート体903を示している。初期サポート体903は、第3の実施形態と同様に図5のフローに従って行われ、S703にて算出される。続いて、S704においてユーザーが任意の初期荷重F(h)を設定する。S705では、S703で取得した初期サポート体形状の情報と三次元モデルの情報とを基に、F(h)の初期設定値に対して、その値が、式(2)で算出される最小荷重よりも大きい条件を満たすかどうかをチェックする。条件を満たしていない場合、S706で条件を満たすようにF(h)の値を変更し、条件を満たしている場合はF(h)=F(h)としてS707にすすむ。S707では、S704またはS706で決定した荷重値が式(1)で算出される最大荷重よりも小さい条件を満たすかどうかがチェックされる。最大荷重よりも小さい条件を満たしている場合、S710にすすみ、S705に送られたF(h)がそのまま積層時の印加荷重として設定される。もし、最大荷重よりも小さい条件を満たす値が存在しない場合はS708へとすすみ、条件を満たす様にサポート体の形状が変更され、S709へとすすむ。このとき、本実施例では、図7(c)に示すように、構造体902とサポート体904とから構成される造形物の断面積が一定値になるようにサポート体904の形状を変更する。 FIG. 7B shows a structure 902 that is shaped according to the slice data and an initial support 903 that is determined according to the setting by the user. The initial support body 903 is performed according to the flow of FIG. 5 as in the third embodiment, and is calculated in S703. Subsequently, in S704, the user sets an arbitrary initial load F 0 (h). In S705, based on the initial support body shape information and the three-dimensional model information acquired in S703, the initial load value of F (h) is calculated as the minimum load calculated by Expression (2). Check if the condition is greater than If the condition is not satisfied, the value of F 0 (h) is changed so as to satisfy the condition in S706, and if the condition is satisfied, the process proceeds to S707 as F (h) = F 0 (h). In S707, it is checked whether or not the load value determined in S704 or S706 satisfies a condition that is smaller than the maximum load calculated by Expression (1). When the condition smaller than the maximum load is satisfied, the process proceeds to S710, and F (h) sent to S705 is set as the applied load at the time of lamination. If there is no value that satisfies the condition smaller than the maximum load, the process proceeds to S708, and the shape of the support body is changed to satisfy the condition, and the process proceeds to S709. At this time, in the present embodiment, as shown in FIG. 7C, the shape of the support body 904 is changed so that the cross-sectional area of the shaped object composed of the structure body 902 and the support body 904 becomes a constant value. .

サポート体904は、造形物を積層方向の任意の位置でスライスした断面をステージに投影した形状が、常に一致し、かつ、構造体902の積層方向の任意の位置でスライスした断面をステージに投影した形状を含むよう設けるとよい。具体的には、図6(c)に示すような、造形物の断面が構造体902の最大断面と一致する円柱でもよい。あるいは、構造体902全体を覆う立方体や多角柱などの多面体としてもよい。   The shape of the support body 904 obtained by slicing the cross-section obtained by slicing the modeled object at an arbitrary position in the stacking direction always matches, and the cross-section sliced at an arbitrary position in the stacking direction of the structure 902 is projected onto the stage. It may be provided so as to include the shape. Specifically, as shown in FIG. 6C, a cylinder in which the cross section of the modeled object coincides with the maximum cross section of the structure 902 may be used. Alternatively, a polyhedron such as a cube or a polygonal cylinder covering the entire structure 902 may be used.

S708でサポート体904の形状が変更されるとS709へとすすみ、変更後のサポート体形状を用いて最大荷重Fmax(h)及び最小荷重Fmin(h)が計算され、再びS705の処理へとすすむ。S708で変更されたサポート体を用いると、式(1)で算出される最大荷重よりも小さい条件を満たす荷重を確実に設定することができるため、S705のあとはS710まで進むことができる。S710では、変更されたサポート体形状とS710で設定された最終的な荷重F(h)とを用いて積層が開始される。S711で積層動作が完了すれば、S712で処理を終了する。 When the shape of the support body 904 is changed in S708, the process proceeds to S709, and the maximum load F max (h) and the minimum load F min (h) are calculated using the changed support body shape, and the process returns to S705. Proceed. If the support body changed in S708 is used, a load that satisfies a condition smaller than the maximum load calculated in Expression (1) can be set reliably, and therefore, the process can proceed to S710 after S705. In S710, lamination is started using the changed support body shape and the final load F (h) set in S710. If the stacking operation is completed in S711, the process ends in S712.

本実施形態によれば、スライスの面積が一定の値になるようにサポート材を配置することで、積層時に印加される荷重を高さによらず一定にすることができるため、簡単に造形品質を維持することができる。   According to this embodiment, by arranging the support material so that the area of the slice becomes a constant value, the load applied at the time of stacking can be made constant regardless of the height. Can be maintained.

13 温度制御部材
14 ステージ
19 圧力センサー
20 材料層形成部
100 造形部
200 ユーザーインターフェース
300 パラメータ設定部
301 データ格納部
302 断面データ生成部
303 荷重計算部、
304 サポート形状計算部
400 制御部
13 Temperature Control Member 14 Stage 19 Pressure Sensor 20 Material Layer Forming Unit 100 Modeling Unit 200 User Interface 300 Parameter Setting Unit 301 Data Storage Unit 302 Cross Section Data Generation Unit 303 Load Calculation Unit,
304 Support shape calculation unit 400 Control unit

Claims (7)

三次元モデルの形状データから生成されるスライスデータに基づいて、前記三次元モデルを構成する構造材料と、前記構造体の造形をサポートするためのサポート体を構成するサポート材料と、を配置した材料層を、ステージの上で順次積層して造形物を製造する造形方法であって、
前記ステージの上に製造された造形物に変形が生じる荷重より小さい荷重を加えながら前記材料層を前記ステージの上に製造された造形物の上に積層することを特徴とする造形方法。
A material in which a structural material constituting the three-dimensional model and a support material constituting a support body for supporting modeling of the structure are arranged based on slice data generated from shape data of the three-dimensional model A modeling method for manufacturing a model by sequentially stacking layers on a stage,
A modeling method, comprising: laminating the material layer on a model manufactured on the stage while applying a load smaller than a load causing deformation of the model manufactured on the stage.
造形が完了したときの造形物の高さをH、前記構造材料のヤング率と圧縮降伏強度をそれぞれEstr、σstr、前記サポート材料のヤング率と圧縮降伏強度をそれぞれEsup、σsupとし、
前記ステージからの高さzで積層する材料層の前記構造材料と前記サポート材料のそれぞれが占める面積をSstr(z)、Ssup(z)とすると、
前記ステージからの高さh(0<z<h<H)の位置において造形物に変形が生じる荷重を、
max(h)=min{Sstr(z)・Estr+Ssup(z)・Esup|0<z<h}・・・(1)
・min(σstr/Estr,σsup/Esup
に設定することを特徴とする請求項1に記載の造形方法。
When modeling is completed, the height of the model is H, the Young's modulus and compressive yield strength of the structural material are E str and σ str , respectively, and the Young's modulus and compressive yield strength of the support material are E sup and σ sup , respectively. ,
When the area occupied by each of the structural material and the support material of the material layer laminated at a height z from the stage is S str (z) and S sup (z),
A load that causes deformation of the molded article at a position of height h (0 <z <h <H) from the stage,
F max (h) = min {S str (z) · E str + S sup (z) · E sup | 0 <z <h} (1)
・ Min (σ str / E str , σ sup / E sup )
The modeling method according to claim 1, wherein
前記材料層の積層時に加える荷重の値を、前記構造材料および前記サポート材料がいずれも接合可能な荷重以上に設定することを特徴とする請求項1または2に記載の造形方法。   The modeling method according to claim 1 or 2, wherein a value of a load applied at the time of stacking the material layers is set to be equal to or greater than a load capable of joining the structural material and the support material. 前記構造材料またはサポート材料それぞれの単材料からなる層の接合に必要な最小圧力をPstr、Psupとして、前記構造材料および前記サポート材料がいずれも接合可能な荷重を、
min(h)={Sstr(h)・Estr+Ssup(h)・Esup
・max(Pstr/Estr,Psup/Esup)・・・(2)
に設定することを特徴とする請求項3に造形方法。
P str and P sup are the minimum pressure required for joining the layers made of a single material of each of the structural material and the support material, and the load that allows the structural material and the support material to be joined together.
F min (h) = {S str (h) · E str + S sup (h) · E sup }
Max (P str / E str , P sup / E sup ) (2)
The modeling method according to claim 3, wherein:
前記ステージからの高さh(0<h<H)における荷重をF(h)として、
min(h)≦F(h)<Fmax(h)
を満たすF(h)を設定できるまで、前記サポート体の形状を変更することを特徴とする請求項4に記載の造形方法。
F (h) is a load at a height h (0 <h <H) from the stage,
F min (h) ≦ F (h) <F max (h)
The shaping method according to claim 4, wherein the shape of the support body is changed until F (h) that satisfies the condition can be set.
変更された前記サポート体の形状は、前記造形物の断面形状および断面積を一定とする形状であることを特徴とする請求項5に記載の造形方法。   The modeling method according to claim 5, wherein the changed shape of the support body is a shape in which a cross-sectional shape and a cross-sectional area of the modeled object are constant. 前記材料層を積層する際、荷重を加えると同時に熱を加えることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の造形方法。   The modeling method according to claim 1, wherein when the material layers are stacked, heat is applied simultaneously with applying a load.
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