JP2019137023A - 三次元造形物の製造装置および三次元造形物の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、特許文献1には、三次元造形物の境界材料(造形材料)を層状に分配するプリンティングヘッド(噴射部)を備える三次元的印刷装置(三次元造形物の製造装置)が開示されている。
図1〜図4は本発明の一の実施形態に係る三次元造形物の製造装置の構成を示す概略構成図である。
ここで、本実施形態の三次元造形物の製造装置は、複数(2つ)の材料供給部(ヘッドベース)を備えている。このうち、図1及び図2は、一の材料供給部のみを表した図である。また、図3及び図4は、別の一の材料供給部のみを表した図である。ここで、図1及び図2で表される材料供給部と、図3及び図4で表される材料供給部とは、同じ造形材料を供給可能な構成となっている。
なお、本明細書における「三次元造形」とは、いわゆる立体造形物を形成することを示すものであって、例えば、平板状、いわゆる二次元形状の形状であっても厚さを有する形状を形成することも含まれる。また、「支持する」とは、下側から支持する場合の他、横側から支持する場合や、場合によっては上側から支持する場合も含む意味である。
また、本実施例の三次元造形物の造形材料はペースト(流動性材料)である。ただし、このような造形材料に限定されず、造形材料物として、常温ではフィラメント状やペレット状などの固体であって、加熱することで流動状態になるコンパウンドなどを使用してもよい。
そして、図1及び図2で表されるように、一方の端部が基台110に固定され、他方の端部に造形材料を吐出する第1吐出部1230を備えるヘッドユニット1400を複数保持する噴射部としてのヘッドベース1100が保持固定される、ヘッドベース支持部130を備えている。
また、図3及び図4で表されるように、一方の端部が基台110に固定され、他方の端部に造形材料を吐出する第2吐出部1730を備えるヘッドユニット1900を複数保持する噴射部としてのヘッドベース1600が保持固定される、ヘッドベース支持部730と、を備えている。
ここで、ヘッドベース1100と、ヘッドベース1600とは、XY平面において並列に設けられている。そして、ステージ120に対して、ヘッドベース1100の移動に追従してヘッドベース1600が移動することが可能な構成になっている。ただし、ヘッドベース1100とヘッドベース1600とが、ステージ120に対して独立して移動することも可能な構成になっている。ここで、「ステージ120に対して、ヘッドベース1100の移動に追従してヘッドベース1600が移動する」とは、ヘッドベース1100とヘッドベース1600とが並んだ位置にあり、停止したヘッドベース1100及びヘッドベース1600に対してステージ120が移動する場合も含む意味である。
なお、第1吐出部1230と第2吐出部1730とは同様の構成のものである。
ここで、層501、502、503、・・・50nは、各々、第1吐出部1230から造形材料が吐出されることで形成される第1層310と、第2吐出部1730から造形材料が吐出されることで形成される第2層300と、で構成される。
なお、本実施形態の形成装置2000は、三次元造形物500の構成材料粉末を含む造形材料を用いて、層501、502、503、・・・50nと、複数の層を形成可能な三次元造形物の製造装置である。ただし、製造する三次元造形物500の形状などによっては、さらに、不図示の支持層形成部により、第1層310及び第2層300を支持する支持層形成用材料を用いて各層(層501、502、503、・・・50n)を形成することも可能な構成になっている。
また、本実施例の検出部S1及び検出部S2は、何れも、噴射部(ヘッドベース1100及びヘッドベース1600)に形成され噴射部と共に移動する構成であり、各層(層501、502、503、・・・50n)を立体的に捉える(撮像する)ことができる3Dセンサーである。しかしながら、検出部の構成や形成位置に特に限定はない。
なお、本実施例の形成装置2000で使用される造形材料の成分の具体例の詳細は後述する。
図5、並びに、図6〜図8は、ヘッドベース1100に複数保持されるヘッドユニット1400及び第1吐出部1230の保持形態の一例を示し、このうち図6〜図8は、図2に示す矢印D方向からのヘッドベース1100の外観図である。
なお、図示しないが、それぞれのヘッドユニット1401〜1404に備える第1吐出部1230は、吐出駆動部1230bを介して第1供給ユニット1210に供給チューブ1220で繋がれる構成となっている。
図6〜図8は、本実施形態のヘッドユニット1400の配置と、層構成部50の形成形態と、の関係を概念的に説明する平面図である。そして、図9及び図10は、層構成部50の形成形態を概念的に表す側面図である。
より具体的には、まず、図9で表されるように、ステージ120を+X方向に移動させながら、複数の吐出ノズル1230aから試料プレート121の所定の位置に一定の間隔で材料Mを配置させる。
ただし、ステージ120を+X方向に移動させながら、複数の吐出ノズル1230aから試料プレート121の所定の位置に材料Mが重なるように(間隔を空けないように)配置させる構成(ステージ120のX方向における往復移動で層構成部50を形成する構成ではなく、ステージ120のX方向における片側の移動のみで層構成部50を形成する構成)としても良い。
図9及び図10で表されるような、上記と同様な動作を行うことで、図7で表されるような、Y方向における2ライン目の層構成部50’(層構成部50a’、50b’、50c’及び50d’)が形成される。
(層構成部50a’’、50b’’、50c’’及び50d’’)を形成するため、−Y方向にヘッドベース1100を移動させる。移動量は、P/3ピッチ分だけ−Y方向に移動させる。
そして、図9及び図10で表されるような、上記と同様な動作を行うことで、図8で表されるような、Y方向における3ライン目の層構成部50’’
(層構成部50a’’、50b’’、50c’’及び50d’’)が形成され、第1層310を得ることができる。
造形材料に含まれる三次元造形物500の構成材料粉末としては、例えば、マグネシウム(Mg)、鉄(Fe)、コバルト(Co)やクロム(Cr)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)の単一の金属からなる粉末、もしくはこれらの金属を1つ以上含む合金(マルエージング鋼、ステンレス、コバルトクロムモリブデン、チタニウム合金、ニッケル合金、アルミニウム合金、コバルト合金、コバルトクロム合金)の粉末、または各種粉末を混合した混合粉末を、使用することができる。また、上記金属以外の金属や、二酸化ケイ素、二酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムなどの酸化物セラミックスや、窒化アルミニウムなどの非酸化物セラミックスなどの、粉末も使用可能である。
また、三次元造形物500の構成材料粉末として、例えば、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレートなどの汎用エンジニアリングプラスチックを用いることが可能である。その他、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリアリレート、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトンなどのエンジニアリングプラスチックなどの樹脂の粉末を用いることが可能である。
また、造形材料にバインダーを含有させることもできるが、バインダーとしては、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、セルロース系樹脂或いはその他の合成樹脂又はPLA(ポリ乳酸)、PA(ポリアミド)、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)或いはその他の熱可塑性樹脂を使用できる。
ここで、図13は、本実施例に係る三次元造形物の製造方法のフローチャートである。
また、図14及び図15は、上記形成装置2000(本三次元造形物の製造方法)により形成された三次元造形物500の一例を表す概略断面図である。このうち、図14は、三次元造形物の製造中に、噴射部としてのヘッドベース1100及びヘッドベース1600の何れにも噴射異常が生じなかった場合(メンテナンスを行う必要が無かった場合)を表している。また、図15は、三次元造形物の製造中に、ヘッドベース1100に噴射異常が生じた場合(ヘッドベース1100にメンテナンスを行った場合)を表している。
次に、STL形式と呼ばれる3Dデータ形式に変換を行う。3DCADソフトや3DCGソフトでSTL形式に出力している場合は、変換を行う必要はない。
ここで、図14における層501はヘッドベース1100及びヘッドベース1600の何れにも噴射異常が生じなかった場合を表しており、図15における層501はヘッドベース1100に噴射異常が生じた場合を表している。
また、ステップS130では、造形動作の開始に合わせて、検出部S1及び検出部S2により、ヘッドベース1100及びヘッドベース1600(第1吐出部1230及び第2吐出部1730)からの造形材料の噴射状態の検出を開始する。具体的には、検出部S1及び検出部S2は、本ステップで形成された層構成部50をその形成直後に撮像する。
噴射異常が発生していないと判断した場合は、ステップS200に進み、そのままヘッドベース1100及びヘッドベース1600の両方により造形動作を実行(続行)する。
一方、噴射異常が発生したと判断した場合は、ステップS150に進むとともにステップS160に進み、造形データを再生成する(ステップS150)とともに噴射異常が発生したと判断した異常噴射部のメンテナンス(ワイピング)を行う(ステップS150)。ここで、ステップS150とステップS160とは、同時に並行して行われる。
なお、ステップS180での異常噴射部が回復したか否かの判断は、制御ユニット400により行われるものであり、例えば、三次元造形物500の造形位置とは異なる位置に造形材料を異常があった噴射部から噴射させ、検出部S1又は検出部S2に該異常があった噴射部の噴射状態を検出させることにより行われる。ただし、このような判断方法に限定されない。
ステップS180で異常噴射部が回復したと制御ユニット400が判断した場合は、ステップS190に進む。
別の表現をすると、図14で表される三次元造形物500は、ステップS110からステップS140まで進み、その後、ステップS140とステップS200とを、層501、層502、層503、層504と、4層分繰り返して形成されたものである。
別の表現をすると、図15で表される三次元造形物500は、ステップS110からステップS140まで進み、その後、ステップS150からステップS180までを、層501、層502、層503と3層分繰り返し、その後、ステップS140とステップS200とにより形成された層504を形成することで、形成されたものである。
なお、層501における噴射異常に対応する領域Rの補完は、ヘッドベース1600をヘッドベース1100に追従して移動させることにより行わせてもよい(層501の形成速度を速くできる)し、ヘッドベース1600をヘッドベース1100の移動とは独立して移動させることにより行わせてもよい(造形データを再生成する時間を容易に確保できる)。
そして、検出部がいずれかの噴射部において造形材料の噴射異常を検出した場合(ステップS140)、噴射異常が検出された異常噴射部のメンテナンスをメンテナンス部に行わせる(ステップS160)とともに、異常噴射部がメンテナンス部によりメンテナンスされている間に、異常噴射部から造形材料を噴射する予定であった位置に、噴射異常が検出されていない正常噴射部により造形材料を噴射させる(ステップS170)。
すなわち、本実施例の三次元造形物の製造方法は、複数の噴射部を備える三次元造形物の製造装置によって、噴射異常を検出した場合、噴射異常が検出された異常噴射部のメンテナンスを行わせるとともに、異常噴射部がメンテナンスされている間に、異常噴射部から造形材料を噴射する予定であった位置に、正常噴射部により造形材料を噴射させる。このため、層の形成が中断されることを抑制でき、三次元造形物500の製造効率の低下を抑制できる。
そして、制御部は、検出部が噴射部のいずれかにおいて造形材料の噴射異常を検出した場合、噴射異常が検出された異常噴射部のメンテナンスをメンテナンス部に行わせるとともに、異常噴射部がメンテナンス部によりメンテナンスされている間に、異常噴射部から造形材料を噴射する予定であった位置に、噴射異常が検出されていない正常噴射部により造形材料を噴射させる。
すなわち、本実施形態の形成装置2000は、複数の噴射部を備え、噴射異常を検出した場合、噴射異常が検出された異常噴射部のメンテナンスを行わせるとともに、異常噴射部がメンテナンスされている間に、異常噴射部から造形材料を噴射する予定であった位置に、正常噴射部により造形材料を噴射させる。このため、層の形成が中断されることを抑制でき、三次元造形物の製造効率の低下を抑制できる。
このため、異常噴射部から造形材料を噴射する造形データを、正常噴射部から造形材料を噴射する造形データに生成し直すことで、異常噴射部から造形材料を噴射する予定であった位置に、適切に、正常噴射部により造形材料を噴射させることが可能になる。
このため、本実施形態の形成装置2000は、1層分の層毎に造形データを再生成するので、異常噴射部がメンテナンスされることにより正常となったらすぐに該正常となった噴射部から造形材料を噴射させることが可能になっている。
ただし、このような構成に限定されず、造形材料の噴射異常を検出した場合、一律に、複数層分の層毎に、造形データを再生成する構成としてもよい。
このようにワイピング動作や吸引動作など、複数種類のメンテナンス内容を実行可能であり、制御部は、検出部が噴射部のいずれかにおいて造形材料の噴射異常を検出した場合、検出部により検出された噴射異常の状態に基づいて、メンテナンス部が実行するメンテナンス内容を変更することが可能な構成であることが特に好ましい。噴射異常の状態に基づいてメンテナンス内容を変更できるので、効率的に異常噴射部のメンテナンスを行うことができるためである。
別の表現をすると、本実施形態の形成装置2000においては、制御ユニット400は、三次元造形物500の造形位置とは異なる位置に造形材料を噴射部から噴射させ、検出部に噴射部の噴射状態を検出させることができる。
本実施形態の形成装置2000は、このような構成となっていることで、三次元造形物500の積層に伴う下層の状態の影響などを受けることなく、正確に噴射部の噴射状態を検出できる。
別の表現をすると、本実施形態の形成装置2000においては、制御ユニット400は、造形中の三次元造形物500の造形形状に基づいて、検出部に噴射部の噴射状態を検出させることができる。
本実施形態の形成装置2000は、このような構成となっていることで、三次元造形物500の造形形状に基づいて噴射部の噴射状態を検出させるので、三次元造形物500の造形動作に伴わない動作を排除でき、効率的に噴射部の噴射状態を検出できる。
111…駆動装置、120…ステージ、121…試料プレート、
130…ヘッドベース支持部、300…第2層、310…第1層、
400…制御ユニット(制御部)、410…ステージコントローラー、
500…三次元造形物(三次元造形物の積層体)、
501、502、503、・・・50n…層、730…ヘッドベース支持部、
1100…ヘッドベース(噴射部)、1200…第1供給装置、
1210…第1供給ユニット、1210a…第1収容部、1220…供給チューブ、
1230…第1吐出部、1230a…吐出ノズル、1230b…吐出駆動部、
1400…ヘッドユニット、1400a…保持治具、
1401、1402、1403及び1404…ヘッドユニット、
1500…材料供給コントローラー、1600…ヘッドベース(噴射部)、
1700…第2供給装置、1710…第2供給ユニット、1710a…第2収容部、
1720…供給チューブ、1730…第2吐出部、1730a…吐出ノズル、
1730b…吐出駆動部、1900…ヘッドユニット、1900a…保持治具、
2000…形成装置(三次元造形物の製造装置)、M…材料、
R…噴射異常に対応する領域、S1…検出部、S2…検出部、
W1…ワイパー(メンテナンス部)、W2…ワイパー(メンテナンス部)
Claims (8)
- 層を積層することにより三次元造形物を製造する三次元造形物の製造装置であって、
前記三次元造形物の造形データに基づいて造形材料を噴射する複数の噴射部と、
前記噴射部からの前記造形材料の噴射状態を検出可能な検出部と、
前記噴射部のメンテナンスを行うメンテナンス部と、
前記噴射部と前記検出部と前記メンテナンス部とを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記検出部が前記噴射部のいずれかにおいて前記造形材料の噴射異常を検出した場合、噴射異常が検出された異常噴射部のメンテナンスを前記メンテナンス部に行わせるとともに、前記異常噴射部が前記メンテナンス部によりメンテナンスされている間に、前記異常噴射部から前記造形材料を噴射する予定であった位置に、噴射異常が検出されていない正常噴射部により前記造形材料を噴射させることを特徴とする三次元造形物の製造装置。 - 請求項1に記載された三次元造形物の製造装置において、
前記制御部は、前記検出部が前記噴射部のいずれかにおいて前記造形材料の噴射異常を検出した場合、前記造形データを再生成することで、前記異常噴射部から前記造形材料を噴射する予定であった位置に、前記正常噴射部により前記造形材料を噴射させることを特徴とする三次元造形物の製造装置。 - 請求項2に記載された三次元造形物の製造装置において、
前記制御部は、前記検出部が前記噴射部のいずれかにおいて前記造形材料の噴射異常を検出した場合、1層分の前記層毎に、前記造形データを再生成することを特徴とする三次元造形物の製造装置。 - 請求項2に記載された三次元造形物の製造装置において、
前記制御部は、前記検出部が前記噴射部のいずれかにおいて前記造形材料の噴射異常を検出した場合、前記検出部により検出された噴射異常の状態に基づいて、再生成する前記造形データを何層分にするか変更することを特徴とする三次元造形物の製造装置。 - 請求項1から4のいずれか1項に記載された三次元造形物の製造装置において、
前記メンテナンス部は、複数種類のメンテナンス内容を実行可能であり、
前記制御部は、前記検出部が前記噴射部のいずれかにおいて前記造形材料の噴射異常を検出した場合、前記検出部により検出された噴射異常の状態に基づいて、前記メンテナンス部が実行するメンテナンス内容を変更することを特徴とする三次元造形物の製造装置。 - 請求項1から5のいずれか1項に記載された三次元造形物の製造装置において、
前記制御部は、前記三次元造形物の造形位置とは異なる位置に前記造形材料を前記噴射部から噴射させ、前記検出部に前記噴射部の噴射状態を検出させることを特徴とする三次元造形物の製造装置。 - 請求項1から5のいずれか1項に記載された三次元造形物の製造装置において、
前記制御部は、前記三次元造形物の造形形状に基づいて、前記検出部に前記噴射部の噴射状態を検出させることを特徴とする三次元造形物の製造装置。 - 層を積層することにより三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法であって、
前記三次元造形物の造形データに基づいて造形材料を噴射する複数の噴射部と、
前記噴射部からの前記造形材料の噴射状態を検出可能な検出部と、
前記噴射部のメンテナンスを行うメンテナンス部と、
を備える三次元造形物の製造装置によって、
前記検出部が前記噴射部のいずれかにおいて前記造形材料の噴射異常を検出した場合、噴射異常が検出された異常噴射部のメンテナンスを前記メンテナンス部に行わせるとともに、前記異常噴射部が前記メンテナンス部によりメンテナンスされている間に、前記異常噴射部から前記造形材料を噴射する予定であった位置に、噴射異常が検出されていない正常噴射部により前記造形材料を噴射させることを特徴とする三次元造形物の製造方法。
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