JP2018099845A - 造形物造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ペレットを用いた造形物を造形する際に、その表面を滑らかにできるようにするとともに、正確な寸法合わせを行えるようにすることを目的とする。【解決手段】ペレットを用いた３Ｄプリンター１のノズル１４を往復動させて二次元層を積層させて造形物を造形するステップ（ステップＳ１）と、この３Ｄプリンター１で造形された造形物の表面に塗布剤２を塗布する工程（ステップＳ２）と、塗布剤２を塗布した造形物を型枠に入れて真空成型や圧空成型、ブロー成型などで表面を平滑化する工程と（ステップＳ３）を備えるようにする。【選択図】図４

Description

本発明は、３Ｄプリンターで造形された造形物の表面を鏡面処理できるようにした造形物造形方法に関するものである。

一般に、３Ｄプリンターは、熱で溶融させた樹脂をノズルから吐き出させて造形物を造形する方法などが用いられている。このような方式の３Ｄプリンターを用いれば、三次元データを用いて簡単に試作品や簡易型の造形物などを造形することができるというメリットがある。

ところで、このような３Ｄプリンターでは、ノズルから細線状の樹脂を溶融させて、極細（内径０．０５〜０．２０ｍｍ）のノズルの先端から樹脂を吐き出させる工程を反復して造形物を造形するようにしているが、このような極細のノズルを用いて造形物を造形する方法では、どうしても製造時間が掛かりすぎてしまうという。また、細線状の樹脂を用いるため、コストも掛かってしまうという問題がある。

一方、これに対して、樹脂で成形されたペレットを利用して造形物を造形する方法も提案されている（特許文献１）。この方法は、ホッパーから供給されたペレットをシリンダー内部のスクリューに供給して押し出し、スクリューの先端側に設けたギアポンプを制御することで、溶融樹脂の量を調整して造形物を造形できるようにしたものである。このような方法によれば、格安のペレットを用いることで低コストに造形物を製造することができる。

特許第５９２０８５９号公報

しかしながら、このようなペレットを用いた造形方法では、ノズルの内径を小さくすることができないため、１ｍｍ程度の穴径となってしまう。このため、従来の極細のノズルを用いた場合に対して、造形時間を短縮化できる一方、造形された造形物の表面に積層模様ができてしまい、どうしても造形物の美感が悪くなったり、精密な寸法合わせをすることができないといった問題がある。

そこで、本発明は上記課題を解決するために、ペレットを用いた造形物を造形する際に、その表面を滑らかにできるようにするとともに、正確な寸法合わせを行えるようにすることを目的とする。

すなわち、本発明は上記課題を解決するために、ノズルを往復動させて二次元層を積層させて造形物を造形するステップと、当該造形された造形物の表面に塗布剤を塗布する工程と、当該塗布剤を塗布した造形物を型枠に入れて表面を平滑化する工程とを備えるようにしたものである。

このようにすれば、穴径の太いノズルを用いて造形物を格安・迅速に造形した場合であっても、その後、型枠に入れて塗布剤で表面を平滑化することができ、見栄えを良くすることができるとともに、正確な寸法合わせを行うことができる。また、その塗布剤に耐光性を有する材料などを含有させることで、ペレットなどを用いた造形物に対して耐光性を持たせることができるようになる。

また、このような発明において、造形物の表面を平滑化する場合、塗布剤に熱を加えて型枠で表面を平滑化させるようにする。

このようにすれば、加熱によって樹脂の内部歪みなどを除去することができるとともに、表面をより平滑化することができるようになる。

さらに、表面を平滑化する場合、型枠に入れて真空成形、圧空成形、ブロー成形で造形物の表面を平滑化する。

このようにすれば、造形物の外側表面のみならず、内側表面なども平滑化することができるようになる。

加えて、前記塗布剤として、ゲルコートを使用する。

このようにすれば、ゲルコートで表面を平滑化することができるとともに、その造形物に耐光性や強度、寸法精度などを持たせることができるようになる。

本発明によれば、ノズルを往復動させて二次元層を積層させて造形物を造形するステップと、当該造形された造形物の表面に塗布剤を塗布する工程と、当該塗布剤を塗布した造形物を型枠に入れて表面を平滑化する工程とを備えるようにしたので、穴径の太いノズルを用いて造形物を格安および迅速に造形した場合であっても、型枠に入れて塗布剤で表面を鏡面状にすることができ、見栄えを良くすることができる。また、型枠で、正確な寸法合わせを行うことができるとともに、その塗布剤に耐光性を有する材料を含有させることで、ペレットなどを用いた造形物に対して耐光性を持たせることができるようになる。

本発明の一実施の形態における造形物造形装置を示す図 同形態における造形物の表面を示す図 同形態における型枠を示す図 同形態における製造工程を示すフローチャート

以下、本発明の一実施の形態について説明する。

この実施の形態における造形物の造形方法は、材料押出堆積法を用いた３Ｄプリンター１で造形された造形物の表面を平滑化できるようにしたものであって、図４に示すように、３Ｄプリンター１で造形物を造形する工程と（ステップＳ１）、その造形された造形物の塗布剤２を塗布する工程と（ステップＳ２）、その塗布された造形物の表面を平滑化する工程と（ステップＳ３）を備えてなる。以下、各工程について具体的に説明する。

１．造形物を造形する工程

まず、３Ｄプリンター１を用いて造形物を造形する工程について説明する。この３Ｄプリンター１は、樹脂性のペレットを用いて造形物を造形できるようにした装置であって、ノズル１４径の大きな装置を用いるようにする。このような装置としては、例えば、図１に示すように、シリンダー１１や、その内部に設けられたスクリュー１２、そのスクリュー１２の先端側に設けられたギアポンプ１３、ノズル１４などを備えたものを用いることができる。そして、このような装置を用いて造形物を造形する場合、ホッパー１５に樹脂製のペレットを入れるとともに、そこからシリンダー１１にペレットを供給し、そのシリンダー１１内で、ヒーターによってペレットを加熱溶融させる。そして、シリンダー１１内のスクリュー１２を回転させることによって、その溶融された樹脂を下方のギアポンプ１３に供給する。そして、そのスクリュー１２の回転やギアポンプ１３の回転を制御することによりノズル１４の先端から吐き出される溶融樹脂の量を調節し、ノズル１４に対向して位置するテーブル装置１６との位置をＸＹＺ方向に制御することで、溶融させたペレットで造形物を造形させる。ここで使用されるペレットは、廃材などのプラスチックを破砕機で破砕した後、２００℃で溶融させて粒状にカッティングし、その後、脱水機で水分を除去して冷却して成型されるものである。このようなペレットは、ポリエステル（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）などで成形され、市場で格安に購入することが可能となるため、材料費を抑えることができるようになる。また、このような材料を吐き出させるノズル１４は、穴径が約１．０ｍｍ程度のもので、これによって溶融樹脂による目詰まりを防止できるようにするとともに、製造時間を短縮化できるようにしている。そして、このようなノズル１４とテーブルの位置をＸＹ方向に制御することによって、二次元的な層を形成し、これをＺ軸方向に順次移動させて同様にＸＹ方向にノズル１４やテーブルを移動させて三次元的な造形物を造形できるようにする。なお、このように造形された造形物は、ノズル１４の穴径に対応して、図２に示すように、表面に凹凸状の積層模様が形成されることになる。このため、このままでは、寸法精度の要求される部品や美感の要求される商品には使用することができない。

２．塗布工程

次に、このように造形された造形物の表面に塗布剤２を塗布する。このような塗布剤２としては、ゲルコート樹脂が使用される。ここで、このゲルコート樹脂は、造形物に対して耐光性や強度、寸法精度などを持たせるようにしたものが用いられ、例えば、不飽和ポリエステルやビニルエステルなどを成分として含むものであって、造形物の表面に対して直接スプレーや刷毛などで塗布される。また、用途に応じて、紫外線吸着剤などを添加することで、造形物への紫外線の劣化なども防止できるようにする。

３．平滑化する工程

このように塗布剤２を塗布した造形物の表面を平滑化する場合、型枠に造形物を入れて塗布剤２による平滑化処理を行う。

ここで、型枠で平滑化処理する場合、種々の方法を用いることができるが、例えば、第１の方法として、図３に示すような型枠を用いることができる。

この型枠は、木材などで枠組みされたフレーム３１に、型を形成するための空間を形成し、その内側壁面に内壁層３２を形成し、その内壁層３２の内側を密閉状態にできるようにしている。ここで、この内壁層３２としては、外側から順にバッキング層３２ａ、パテ層３２ｂ、ガラスマット層３２ｃとしておき、その内側表面を平滑化させるようにしている。一方、フレーム３１と内壁層３２で囲まれた外側領域についても密閉状態にさせておく。そして、このようにガラスマット層３２ｃで形成された領域に立体造形物を入れるようにする。

そして、３Ｄプリンター１で造形された造形物を圧空成形する場合は、加熱処理などによって樹脂を溶融させるとともに、樹脂内部の水分を飛ばし、その状態で、通風口からエアーを吹き込んで、造形物を内側から加圧する。すると、その加圧によって造形物が膨張し、その表面に塗布された塗布剤２が平滑化された内壁層３２の内側に密着して、表面が平滑化されるとともに、その寸法が型枠の寸法に収まるようになる。そして、所定時間経過後、冷却させるとともに、エアーを抜いて型枠から取り出し、平滑化処理された造形物を取り出すようにする。これにより、３Ｄプリンター１で造形された積層模様が平滑化されるとともに、寸法を正確に合わせることができるようになる。

また、型枠と内壁層３２の間を真空にすることによって、造形物を平滑化処理することもできる。このような方法としては、型枠と内壁層３２の密閉空間を真空にすることによって、造形物を外側に膨張させ、これによって造形物の塗布剤２と内壁層３２の内側を密着させて平滑化処理させるようにする。なお、この場合、造形物を膨張させるために、内壁層３２からエアーを抜くための隙間などを設けておき、これによってその隙間からエアーを抜いて、造形物を膨張させるようにする。

さらには、造形物の内側についても平滑化処理する場合は、造形物の内側にウレタンなどの内側型枠を入れておくようにすることもできる。この際、造形物の内側にも塗布剤２を塗布しておくとともに、内側型枠の表面も平滑化処理しておく。そして、その状態で型枠の中に入れ、通風口からエアーを抜くことによって造形物を収縮させ、内側型枠と密着させて表面を平滑化処理させる。この際も同様に、加熱処理などによって樹脂の溶融を行うとともに、樹脂内部の水分を飛ばすようにして真空成形を行う。このようにすれば、造形物の内側についても平滑化処理をすることができるとともに、内側型枠によって精密な寸法精度を出すことができるようになる。

このように上記実施の形態によれば、ノズル１４を往復動させて二次元層を積層させて造形物を造形するステップと、当該造形された造形物の表面に塗布剤２を塗布する工程と、当該塗布剤２を塗布した造形物を型枠に入れて表面を平滑化する工程とを備えるようにしたので、穴径の太いノズル１４を用いて造形物を格安および迅速に造形した場合であっても、型枠に入れて塗布剤２で表面を鏡面状にすることができ、見栄えを良くすることができる。また、型枠で、正確な寸法合わせを行うことができるとともに、その塗布剤２に耐光性を有する材料を含有させることで、ペレットなどを用いた造形物に対して耐光性を持たせることができるようになる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。

例えば、上記実施の形態では、ペレットを用いた３Ｄプリンター１を用いて造形物を造形するようにしたが、これ以外の材料を用いた３Ｄプリンター１で二次元層を形成し、これを積層して三次元的な造形物に造形するようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、フレーム３１の内側に内壁層３２を有する型枠を用いて二次加工造形するようにしたが、これ以外に、低圧で製品を形成する場合は、石膏やＦＲＰ、ＣＦＲＰなどで型枠を形成してもよく、あるいは、高圧で製品を形成する場合は、アルミ、鉄、ＦＲＰ、ワーカブルＣＮＦなどを用いて型枠を形成してもよい。

さらに、上記実施の形態では、真空成形や圧空成形などで平滑化処理を行うようにしているが、ブロー成形などを用いるようにしてもよく、あるいは、オートクレープを使用するようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、ノズル１４径として１．０ｍｍのノズル１４から溶融樹脂を吐き出させるようにして造形物を造形するようにしたが、このような径に限らず、極細径のノズルを用いてもよく、あるいは、さらに太い径のノズルを用いるようにしてもよい。

１・・・３Ｄプリンター
１１・・・シリンダー
１２・・・スクリュー
１３・・・ギアポンプ
１４・・・ノズル
１５・・・ホッパー
１６・・・テーブル装置
２・・・塗布剤
３・・・型枠
３１・・・フレーム
３２・・・内壁層（３２ａバッキング層、３２ｂパテ層、３２ｃガラスマット層）

Claims (4)

1. ノズルを往復動させて二次元層を積層させて造形物を造形するステップと、
   当該造形された造形物の表面に塗布剤を塗布する工程と、
   当該塗布剤を塗布した造形物を型枠に入れて表面を平滑化する工程と、
   を備えたことを特徴とする造形物造形方法。
2. 前記表面を平滑化する工程が、塗布剤に熱を加えて型枠で表面を平滑化するものである請求項１に記載の造形物造形方法。
3. 前記表面を平滑化する工程が、型枠に入れて真空成形、圧空成形、ブロー成形で造形物の表面を平滑化するものである請求項１に記載の造形物造形方法。
4. 前記塗布剤が、ゲルコートである請求項１に記載の造形物造形方法。

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