JP2019142089A - Three-dimensional molding object and three-dimensional molding device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、三次元造形物及び三次元造形装置に関するものである。 The present invention relates to a three-dimensional structure and a three-dimensional structure apparatus.
従来、造形材料からなる造形部を複数有する造形層を複数積層した三次元造形物が知られている。 Conventionally, a three-dimensional modeled object in which a plurality of modeling layers having a plurality of modeling parts made of modeling materials are stacked is known.
例えば、特許文献1には、三次元造形装置により、細長い形状に固化させた樹脂からなる造形部をその短手方向に複数並べて層状にした造形層を、上下層において造形部の短手方向を互いに直交させる形態で複数積層した三次元造形物が開示されている。
For example, in
この三次元造形物では、上下層において造形部の短手方向を互いに直交させていることで、平面方向(層の表面方向)の外力に対しては耐久性があると考えられるが、造形層の厚み方向に外力が加えられると、上下層の界面で剥離破壊し易いという課題があった。 In this three-dimensional structure, it is thought that the upper and lower layers have durability in the external force in the plane direction (the surface direction of the layer) because the short sides of the modeling parts are orthogonal to each other. When an external force is applied in the thickness direction, there is a problem that peeling and breaking are likely to occur at the interface between the upper and lower layers.
上述した課題を解決するために、本発明は、造形材料からなる造形部を複数有する造形層を複数積層した三次元造形物において、前記造形部たる第一造形部を、互いに間隙を介して複数並べた第一造形層と、二つの前記第一造形層の間に挟まれ、それら二つにおける一方の前記第一造形層の前記間隙と他方の前記第一造形層の前記間隙とを跨ぎ、且つそれら二つの前記第一造形層の前記間隙における少なくとも一方の中に突出する形状の前記造形部たる第二造形部を複数有する第二造形層と、を交互に積層したことを特徴とするものである。 In order to solve the above-described problem, the present invention provides a three-dimensional structure in which a plurality of modeling layers each having a plurality of modeling parts made of a modeling material are stacked, and a plurality of first modeling parts as the modeling parts are arranged with a gap therebetween. The first modeling layer arranged and sandwiched between the two first modeling layers, straddling the gap of one of the first modeling layer and the gap of the other first modeling layer in the two, And the 2nd modeling layer which has two or more 2nd modeling parts which are the above-mentioned modeling parts of the shape which protrudes in at least one in the above-mentioned gap in the two above-mentioned 1st modeling layers, It is characterized by the above-mentioned It is.
本発明によれば、従来に比べて、造形層の厚み方向の外力に対する三次元造形物の耐久性を向上させることができるという優れた効果がある。 According to the present invention, there is an excellent effect that it is possible to improve the durability of the three-dimensional structure with respect to the external force in the thickness direction of the modeling layer, as compared with the related art.
以下、本発明を、熱溶解積層法(FDM::Fused Deposition Modeling)によって造形される三次元造形物や、これを造形する三次元造形装置に適用した一実施形態について説明する。
まず、実施形態に係る三次元造形装置の基本的な構成について説明する。熱溶解積層法を用いた三次元造形装置は、予め造形材料たる熱可塑性樹脂をマトリックスとする樹脂組成物からなる長尺のフィラメントを作製しておく。このフィラメントを造形ヘッドに供給し、造形ヘッド内でフィラメントを加熱してマトリックスの熱可塑性樹脂を溶融あるいは半溶融状態にする。そして、その後、移動する造形ヘッドのノズル先端から溶融物あるいは半溶融物を線状に押し出しながら冷却固化させた細長い形成物を全体として扁平形状になるように配設して層を形成する。この層を積み上げていくことで立体的な三次元造形物を造形する。このような熱溶解積層法を用いると、射出成形では金型が複雑になる、あるいは、成形できないような3次元造形物を造形することができる。
Hereinafter, an embodiment in which the present invention is applied to a three-dimensional structure formed by a hot melt lamination method (FDM :: Fused Deposition Modeling) and a three-dimensional structure forming apparatus for forming the three-dimensional structure will be described.
First, a basic configuration of the three-dimensional modeling apparatus according to the embodiment will be described. A three-dimensional modeling apparatus using a hot melt lamination method prepares long filaments made of a resin composition having a thermoplastic resin as a matrix as a matrix in advance. The filament is supplied to the modeling head, and the filament is heated in the modeling head to melt or semi-melt the matrix thermoplastic resin. Then, a layer is formed by disposing an elongated formed product that is cooled and solidified while extruding a melt or semi-melt from the tip of the nozzle of the moving modeling head into a flat shape as a whole. A three-dimensional three-dimensional structure is formed by stacking these layers. When such a hot melt lamination method is used, it is possible to form a three-dimensional structure that is complicated or cannot be molded by injection molding.
図1は、実施形態に係る三次元造形装置1の内部構造を示す概略正面図である。また、図2は、図1のA−A断面図を示す断面図である。以下、上下方向をZ軸方向、装置の左右方向をX軸方向、装置の奥行き方向をY軸方向として説明する。
FIG. 1 is a schematic front view showing the internal structure of the three-
三次元造形装置1は、筐体10の内部の処理空間内に載置台7が設けられ、この載置台7の上で三次元造形物Mが造形される。載置台7のX軸方向両端付近には、載置台ガイド軸44が貫通しており、載置台7のY軸方向一端付近には、Z軸送りネジ42が貫通している。載置台7のZ軸送りネジ42が貫通する貫通穴の内周面には、雌ネジが形成されている。載置台7は、Z軸送りネジ42に螺合している。
In the three-
Z軸送りネジ42の下端は、筐体10の底面に設けられたZ軸駆動モータ41に接続されている。また、筐体10の底面には、載置台7のZ軸方向位置を検知するZ軸座標検知機構43が設けられている。
The lower end of the Z-
Z軸駆動モータ41の駆動力によってZ軸送りネジ42が回転駆動することで、Z軸送りネジ42に螺合された載置台7が、一対の載置台ガイド軸44に案内されながら、Z軸方向に移動する。Z軸駆動モータ41は、Z軸座標検知機構43の検知結果に基づいて制御される。
When the Z-
三次元造形装置1には、載置台7を加熱する台加熱部400を設けて、載置台7を規定の温度に加熱するのが好ましい。載置台7を規定の温度に加熱することで、造形中に載置台7上の造形材層が冷えるのを抑制する。これにより、造形材層の冷えによる伸縮を抑制して、造形物の反りなどの発生を抑制することができる。
It is preferable that the three-
筐体10の外側面には、細長いワイヤー形状のABS樹脂やPLA樹脂等の熱可塑性樹脂からなる造形材料たるフィラメント30を巻き付けたリール31が回転自在に取り付けられている。リール31は、フィラメント30を送り出すエクストルーダ25によって引っ張られて回転することで、巻き取られたフィラメント30を繰り出す。
A
処理空間内における載置台7の上方には、造形モジュール100が設けられている。造形モジュール100は、吐出手段としての造形ヘッド20、保持手段としての回転テーブル82、支持部材28などを有している。
A
造形ヘッド20は、フィラメント30を送り出す導入部としてのエクストルーダ25、フィラメント30を冷却する冷却部としての冷却ブロック24、フィラメント30を加熱して溶融させる加熱ブロック22、溶融したフィラメント30が押し出される押し出し部としてのノズル21などを備えている。三次元造形装置1は、溶融状態のフィラメント30をノズル21から押し出すようにして吐出することにより、載置台7上に硬化した造形材料からなる層を順次積層して、三次元造形物を造形する。
The
造形モジュール100においては、二個の造形ヘッド20がY軸方向に並んで設けられており、造形ヘッドのノズル以外は、一体化されている。造形ヘッド20は、回転テーブル82に保持されており、回転テーブル82は、回転自在に支持部材28に取り付けられている。
In the
二個の造形ヘッド20のうち、一方の造形ヘッド20のノズル21からは、三次元造形物を構成するモデル材となる溶融フィラメントが吐出され、他方の造形ヘッド20のノズル21からは、サポート材となる溶融フィラメントが吐出される。サポート材は、通常、三次元造形物を構成するモデル材のフィラメントとは異なる材料で形成され、最終的には三次元造形物から除去される。他方のノズル21から吐出されたサポート材からなる溶融フィラメントも、モデル材の溶融フィラメントと同様に、層状に順次積層される。
Of the two
回転テーブル82は、支持部材28に回転自在に設けられている。この支持部材28には、回転テーブル82を回転させるテーブル回転モータ83が取り付けられている。回転テーブル82の外周面には、例えば、外歯が形成されており、テーブル回転モータ83のモータギヤ83aが、回転テーブル82の外歯と噛み合っている。これにより、テーブル回転モータ83から駆動力が伝達され、回転テーブル82が回転する。
The
支持部材28には、X軸方向に延びるX軸ガイド軸54と、X軸送りネジ52とが貫通している。支持部材28のX軸送りネジ52が貫通する貫通穴の内周面には、雌ネジが形成されており、支持部材28は、X軸送りネジ52に螺合している。
An
筐体上部のX軸方向一端(図中左側)には、Y軸ガイド軸64が設けられており、筐体上部のX軸方向他端(図中右側)には、Y軸送りネジ62が設けられている。Y軸ガイド軸64には、被ガイド部材66がY軸方向に移動可能に取り付けられており、Y軸送りネジ62には、移動部材65が螺合している。
A Y-
被ガイド部材66は、X軸ガイド軸54とX軸送りネジ52の一端を保持している。X軸送りネジ52は、被ガイド部材66に回転可能に保持されている。移動部材65は、X軸ガイド軸54の他端と、X軸駆動モータ51と、造形モジュール100のX軸方向の位置を検知するX軸座標検知機構53とを保持している。X軸送りネジ52の他端は、X軸駆動モータ51に接続されている。これにより、造形ヘッド20等を支持する支持部材28が、X軸ガイド軸54とX軸送りネジ52によって架け渡された状態で、Y軸送りネジ62とY軸ガイド軸64とに保持される。
The guided
Y軸送りネジ62の一端は、送りネジ保持部61aに回転自在に支持されており、他端は、筐体10の側面に取り付けられたY軸駆動モータ61に接続されている。送りネジ保持部61aには、造形モジュール100のY軸方向の位置を検知するY軸座標検知機構63が取り付けられている。
One end of the Y-
Y軸駆動モータ61によってY軸送りネジ62が回転駆動することで、Y軸送りネジ62に螺合された移動部材65がY軸方向に移動する。これにより、X軸ガイド軸54とX軸送りネジ52を介して移動部材65に保持された造形モジュール100がY軸ガイド軸64にガイドされながら、Y軸方向に移動する。Y軸駆動モータ61は、Y軸座標検知機構63の検知結果に基づいて制御される。
When the Y-
X軸送りネジ52がX軸駆動モータ51の駆動力を受けて回転駆動すると、造形モジュール100がX軸送りネジ52に螺合された支持部材28とともにX軸ガイド軸54にガイドされながらX軸方向に移動する。X軸駆動モータ51は、X軸座標検知機構53の検知結果に基づいて制御される。
When the
筐体10内には、造形ヘッド20のノズル21を清掃するためのノズル清掃部70が設けられている。溶融したフィラメント30の吐出を連続で続けると、ノズル21からの溶融フィラメントの垂れやノズル21に付着する残留フィラメントによってノズル周辺が汚れ、適切な吐出動作を妨げるおそれがある。そのため、定期的にノズルの清掃を行う必要がある。
A
ノズル清掃部70は、載置台7のX軸方向一端に設けられており、主にノズル21の残留フィラメントなどの異物を除去するためのブラシ71と、ブラシ71を回転させるブラシモータ72と、ブラシ71によって除去された異物を回収する回収ボックス73とを有している。
The
ノズル21の清掃は、次のようにして行われる。まず、載置台7および造形モジュール100を移動させて、ノズル21をブラシ71に接触させる。そして、ブラシモータ72によってブラシ71を回転させて、ノズル21に付着している残留フィラメントなどの異物を除去する。好ましくは、ノズル21に付着した残留フィラメントの温度が下がりきらないうちにクリーニングした方が固着の観点からは好ましい。ブラシ71としては、耐熱性樹脂を用いることが好ましい。
The
ノズル21から除去された異物は、回収ボックス73に落下し、回収ボックス73に回収される。回収ボックス73は、載置台7に対して着脱可能に設けられており、載置台7から取り外された回収ボックス73に収容される異物は、作業者によって定期的にボックス内から取り除かれる。この三次元造形装置1では、筐体10内に回収ボックス73を設けているが、筐体10外に設け、ブラシ71によってノズル21から除去された異物を例えば、吸引機などにより、筐体10外に設けた回収ボックス73に搬送するようにしてもよい。
The foreign matter removed from the
図3は、造形ヘッド20の概略を示す縦断面図である。造形ヘッド20は、フィラメント30をノズル21に向けて送り出すエクストルーダ25、フィラメント30を冷却する冷却ブロック24、フィラメント30を加熱して溶融させる加熱ブロック22、溶融したフィラメント30を吐出するノズル21等を有している。冷却ブロック24と加熱ブロック22との間には、冷却ブロック24を通過したフィラメント30を、加熱ブロック22に向けて案内するガイドブロック23が配設されている。加熱ブロック22、ガイドブロック23、冷却ブロック24のそれぞれには、エクストルーダ25から送り出されたフィラメント30をノズル21まで移送するための移送路26が形成されている。
FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing an outline of the
加熱ブロック22は、フィラメント30を加熱する加熱部たる熱源22aと、熱源22aにより加熱されたフィラメント30の温度を検知する温度検知部たる熱電対22bとを有している。熱電対22bは、フィラメント30が移送される移送路26を挟んで熱源22aが配置された側とは反対側に配置されている。加熱ブロック22は、移送路26内のフィラメント30を加熱して溶融させる。そして、溶融した溶融フィラメント30aがノズル21に移送される。
The
加熱ブロック22からの熱は、移送路26内のフィラメント30だけでなく、そのフィラメント30よりも移送方向上流側に存在するフィラメント30にも伝搬する。このフィラメント30が加熱されて溶融することは好ましくない。
The heat from the
具体的には、加熱ブロック22による加熱処理を停止又は中断すると、移送路26内の溶融したフィラメント30が移送路26内で固化する。その後、加熱ブロック22による加熱処理が再開されると、移送路26内で溶融、固化した履歴のあるフィラメント30は、迅速に再溶融する。一方、移送路26よりも移送方向上流側でフィラメント30が溶融、固化したとする。このフィラメント30が加熱再開後に再溶融するのにはある程度の時間を要することから、ノズル21まで移送されずに途中で詰まってしまう。このため、加熱ブロック22によるフィラメント30への熱伝搬範囲を移送路26よりも移送方向上流側にできる限り拡げないようにして、前述の詰まりを抑制することが重要である。
Specifically, when the heating process by the
そこで、加熱ブロック22の移送路26よりも移送方向上流側には、冷却ブロック24が設けられている。冷却ブロック24は、アルミニウムなどの伝熱性の高い材料からなり、冷媒が流れる流路24aが、冷却ブロック24の移送路26の周囲に設けられている。冷却ブロック24は、その内部にある移送路のフィラメント30の熱を流路24aに流れる冷媒へ移動させて冷却する。これにより、加熱ブロック22の移送路26よりも移送方向上流側の箇所のフィラメント30を加熱ブロック22からの熱伝搬によって溶融させるのを防止する。
Therefore, a
加熱ブロック22と冷却ブロック24との間に配設されたガイドブロック23は、断熱性の材料からなり、加熱ブロック22の熱がフィラメント移送方向上流側に伝搬するのを抑制している。これにより、加熱ブロック22の移送路26よりも移送方向上流側の箇所のフィラメント30が加熱ブロック22からの熱伝搬によって溶融させるのをより一層抑制している。加えて、加熱ブロック22からの熱を移送路26の箇所とは異なる箇所のフィラメント30に伝搬することを抑制することで、移送路26内のフィラメント30を効率良く加熱することができる。
The
エクストルーダ25には、一対の送りローラ25aが設けられており、移送路26に向けてフィラメント30を送り込む。加熱ブロック22で加熱されて溶融した溶融フィラメント30aは、エクストルーダ25の送り力を受けてノズル21から吐出する。
The
一方の造形ヘッド20のエクストルーダ25と、他方の造形ヘッド20のエクストルーダ25とは、同じものであり、一つのエクストルーダ25でそれぞれの造形ヘッド20内のフィラメント30を送り出す。また、一方の造形ヘッド20の冷却ブロック24と、他方の造形ヘッド20の冷却ブロック24とは、同じものであり、一つの冷却ブロック24でそれぞれの造形ヘッド20内のフィラメント30を冷却する。また、一方の造形ヘッド20のガイドブロック23と、他方の造形ヘッド20のガイドブロック23とは、同じものであり、一つのガイドブロック23でそれぞれの造形ヘッド20内のフィラメント30をガイドする。また、一方の造形ヘッド20の加熱ブロック22と、他方の造形ヘッド20の加熱ブロック22は、同じものであり、一つの加熱ブロック22でそれぞれの造形ヘッド20内のフィラメント30を加熱する。
The
図4は、三次元造形装置1における電気回路の一部を制御パラメーターとともに示すブロック図である。また、図5は、同電気回路の一部を、制御パラメーター及び造形モジュール100とともに示すブロック図である。これらの図において、制御手段たる制御装置200は、演算手段たるCPU(Central Processing Unit)402、データ記憶手段であるRAM(Random Access Memory)404、ROM(Read Only Memory)406、不揮発メモリー408等から構成される。そして、各種の演算処理や、制御プログラムの実行を行う。
FIG. 4 is a block diagram showing a part of the electric circuit in the three-
図中の符号90は、駆動部であり、駆動部90は、X軸,Y軸,Z軸駆動モータ41,51,61、テーブル回転モータ83、X軸,Y軸,Z軸座標検知機構43,53,63などで構成されている。
制御装置200は、データ生成部201、加熱温度制御部202、押し出し量制御部203、駆動制御部204、表面処理制御部205などを有している。データ生成部201は、三次元造形装置1に対して有線あるいは無線でデータ通信可能に接続されたパーソナルコンピュータ等の外部装置から入力される造形物データに基づいて、上下方向に分解された多数の層のデータ(造形用のスライスデータ)を生成する。各層に対応するスライスデータは、三次元造形装置1の造形ヘッド20から吐出されるフィラメント30によって形成される各層に対応しており、それぞれの層の厚みは、三次元造形装置1の能力に応じて適宜設定される。なお、外部装置でスライスデータを生成し、三次元造形装置1にスライスデータが入力されるようにしてもよい。
The
スライスデータは、例えばG-codeという「.gcode」の拡張子を持つテキストデータであり、本体の準備動作、終了動作を除くと、「.gcode」は基本的には、1.造形物の頂点座標のデータ、2.その各々の頂点まで動く速度データ、3.フィラメントを送り出す速度データの3つから構成されている。前述した3.フィラメントを送り出す速度データには、送り出し開始タイミングや停止タイミングのデータが含まれている。また、データ生成部201は、上記に加えて、加熱温度データなどを生成する。
The slice data is, for example, text data having an extension of “.gcode” called G-code, and “.gcode” is basically 1. Data of vertex coordinates of the object; 2. velocity data to move to each vertex; It consists of three pieces of speed data for sending out the filament. 3. As described above. The speed data for sending out the filament includes data on the start timing and the stop timing. In addition to the above, the
加熱温度データは、加熱温度制御部202へ送信される。加熱温度制御部202は、データ生成部201から送られた設定加熱温度となるように、熱電対22bによる温度の検知結果に基づいて加熱ブロック22の熱源22aをフィードバック制御する。
The heating temperature data is transmitted to the heating
先端ノズルの温度の安定性を確保するために、加熱温度制御部202はフィラメント送り出し動作開始よりも先に動作を開始し、フィラメント送り出し動作開始時に、設定加熱温度に加熱しておくのが好ましい。具体的には、フィラメント30の送り出しを開始するデータや、造形物の頂点座標のデータ等に基づいて、フィラメント送り出し動作開始タイミングを予測して、熱源22aを制御するフィードフォワード制御を実行することが好ましい。なお、熱電対22bが設定加熱温度に達したことを検知したら、造形動作を開始するフィードバック制御でもよい。
In order to ensure the stability of the temperature of the tip nozzle, it is preferable that the heating
G-codeの3.フィラメントを送り出す速度データは、押し出し量制御部203へ送られる。押し出し量制御部203は、データ生成部201から送られてきたフィラメント送り速度となるように、エクストルーダ25を制御する。また、押し出し量制御部203は、ノズル21からのフィラメント30の吐出を停止する前(エクストルーダ25の駆動停止前)に、エクストルーダ25を逆回転させ、フィラメント30を引き込む吸い込み動作を行うことが好ましい。かかる動作を行うことで、ノズル21からのフィラメントの垂れを抑制することができ、造形物の形状精度を向上させることが出来る。
G-code 3. The speed data for sending the filament is sent to the extrusion
G-codeの上記1.造形物の頂点座標のデータ、上記2.その各々の頂点まで動く速度データは、駆動制御部204に送られる。駆動制御部204は、データ生成部201から送られてきた上記1.造形物の頂点座標のデータ、上記2.その各々の頂点まで動く速度データに基づいて、各モータ41,51,61,83を制御する。また、駆動制御部204は、動作不備が生じないように、各座標検知機構43,53,63の検知結果に基づいて、目標座標点へと移動するフィードバック制御を行う。
G-code above 1. Data on the vertex coordinates of the object, 2. The speed data that moves to each vertex is sent to the
押し出し量制御部203は、駆動制御部204と同期がとられており、造形ヘッド20の動きに応じて、フィラメント30の押し出し量(送り速度)および、フィラメント30の送り開始/停止が制御される。また、表面処理制御部205も、駆動制御部204と同期がとられており、造形ヘッド20の動きに応じて表面処理装置電源85のON/OFFが制御される。
The extrusion
ユーザーの指示操作等により造形をスタートすると、まず、加熱ブロック22の熱源22aへの通電をONにし、造形物データに基づいてデータ生成部201が生成した加熱温度に加熱する。また、駆動制御部204によりZ軸駆動モータ41を制御して、載置台7を所定の待機位置(例えば最下点)から上昇させて、造形位置に移動させる。
When modeling is started by a user's instruction operation or the like, first, energization to the
載置台7について造形位置に到達したことを検知したZ軸座標検知機構43は、Z軸駆動モータ41を停止し造形処理に移行する。造形処理では、まず、最下層(第一層)のスライスデータに基づいて、載置台7の表面に最下層の造形材層を作成する。具体的には、最下層(第一層)のスライスデータ、X軸座標検知機構53の検知結果、及びY軸座標検知機構63の検知結果に基づいて、駆動制御部204によりX軸駆動モータ51及びY軸駆動モータ61を制御する。これにより、造形ヘッド20のノズル21の先端を目標位置(X−Y平面上の目標位置)に順次移動させる。また、駆動制御部204の駆動制御に同期して、押し出し量制御部203によりスライスデータに基づいてエクストルーダ25を制御してノズル21よるフィラメント30の送り出しを実行する。これにより、造形ヘッド20のノズル21の先端を目標位置に順次移動させながら、ノズル21からフィラメントが吐出され、載置台7上に、最下層(第一層)のスライスデータに従った造形材層が形成される。なお、三次元造形物を構成しないサポート材も一緒に作成する場合もある。
The Z-axis coordinate
最下層(第一層)のスライスデータに従った最下層の造形処理(単位層造形動作)が終了したら、駆動制御部204は、Z軸座標検知機構43の検知結果に基づいて、Z軸駆動モータ41を制御して、造形材層の一層分に相当する距離だけ載置台7を下降させる。その後、第二層のスライスデータに基づいて、駆動制御部204によりX軸駆動モータ51及びY軸駆動モータ61を制御し、造形ヘッド20のノズル21の先端を目標位置に順次移動させる。これと同時に、押し出し量制御部203によりエクストルーダ25を制御してノズル21よりフィラメント30の送り出しを行う。これにより、載置台7に形成されている最下層の上に、スライスデータに従った第二層のが形成される。
When the lowest layer modeling process (unit layer modeling operation) according to the slice data of the lowest layer (first layer) is finished, the
このようにして、Z軸駆動モータ41を制御して、載置台7を順次下降させながら、下層から順に造形材料からなる層を積層する動作を繰り返して、三次元の造形データに従った三次元造形物を載置台7上に造形する。三次元造形物の造形を終えたら、Z軸駆動モータ41を制御して、待機位置まで下降させる。
In this way, by controlling the Z-
図6は、造形ヘッド(20)の先端部と、造形材料たる溶融フィラメント(30a)によって形成される層と示す側面図である。同図においては、形成済みの最下層m1の上に、第二層m2を構成する造形部を形成するための溶融フィラメント(30a)がノズル21から吐出されている過程を示している。
FIG. 6 is a side view showing the tip portion of the modeling head (20) and the layer formed by the molten filament (30a) as the modeling material. In the same figure, the process in which the molten filament (30a) for forming the modeling part which comprises the 2nd layer m2 is discharged from the
ノズル21は図中白抜き矢印の方向に移動しながら溶融フィラメント(30a)を吐出する。これにより、図中白抜き矢印の方向に延在するフィラメント(30)からなる細長い造形部が形成される。この造形部が、同図の紙面に直交する方向に複数並ぶ形態で形成されることで、複数の造形部による層構造を具備する層(m1、m2)が形成される。
The
同図では、ノズル21を図中矢印X1方向に移動させながら溶融フィラメント(30a)をノズル21から吐出して造形部を形成している。この矢印X1方向は、図2におけるX軸に沿った一方側から他方側に向かう方向である。矢印X1方向とは正反対の方向は、図2に示されるように矢印X2方向である。また、後述するY1方向は、Y軸に沿った一方側から他方側に向かう方向である。
In this figure, the molten filament (30a) is ejected from the
三次元造形装置1は、複数の造形部を一筆書きの形態で形成する。この一筆書きにおける基本動作は、次の通りである。即ち、図6において、形成中の造形部を矢印X1方向の端部まで形成した三次元造形装置1は、次に、ノズル21を矢印Y1方向(図2参照)に移動させる。そして、今度はノズル21を矢印X2方向(図2参照)に移動させながら、ノズル21から溶融フィラメント(30a)を吐出して、先に形成した造形部の矢印Y1方向の隣で造形部の形成を開始する。この造形部を矢印X2方向の端部まで形成した三次元造形装置1は、ノズル21を矢印Y1方向に移動させた後、今度はノズル21を矢印X1に移動させながら、ノズル21から溶融フィラメント(30a)を吐出して、次の造形部の形成を開始する。基本的には、このような基本動作を繰り返すが、基本動作とは異なる動作を行うこともある。この動作については後述する。
The three-
図7は、従来の三次元造形物の各層の一部を拡大して示す拡大斜視図である。この三次元造形物の最下層においては、X軸方向に延在する複数の造形部501がY軸方向に隙間無く並んで層構造の一部である扁平部を形成している。一本目の造形部501a、その隣にある二本目の造形部501b、その隣にある三本目の造形部501c・・・という順で、各造形部501が形成されたものである。一本目の造形部501aの上面において、二本目の造形部501bの側の端部には、二本目の造形部501bから垂れ下がった庇のような部分が覆い被さっている。これは、二本目の造形部501bを構成する溶融フィラメント(30a)が固化する前に、重力によって一本目の造形部501aの上面に垂れ落ちたものである。
FIG. 7 is an enlarged perspective view illustrating a part of each layer of a conventional three-dimensional structure. In the lowest layer of this three-dimensional structure, a plurality of modeling parts 501 extending in the X-axis direction are arranged without gaps in the Y-axis direction to form a flat part that is a part of the layer structure. Each modeling unit 501 is formed in the order of a
二本目の造形部501bの上面において、三本目の造形部501cの側の端部には、三本目の造形部501cから垂れ下がった庇のような部分が覆い被さっている。これは、三本目の造形部501cを構成する溶融フィラメント(30a)が固化する前に、重力によって二本目の造形部501bの上面に垂れ落ちたものである。このように、最下層m1においては、先に形成された造形部501の上面の端部に、後に形成された造形部501から垂れ下がる庇のような部分が覆い被さっている。最下層m1について説明したが、他の層においても、同様に、先に形成された造形部501の上面の端部に、後に形成された造形部501から垂れ下がる庇のような部分(以下、「庇部」という)が覆い被さっている。
On the upper surface of the second modeled
最下層m1における一本目の造形部501aの上には、第二層m2における一本目の造形部501aが形成される。両者はある程度の固着力で固着しているが、互いに異なるタイミングで固化しているため、その固着力は比較的弱い。このため、X軸−Y軸の平面方向に対する外力に対してはある程度の耐久性を発揮するものの、Z軸方向(層厚み方向)の外力に対しては脆弱である。
On the
また、最下層m1における一本目の造形部501aと第二層m2における一本目の造形部501aとの間には、最下層m1における二本目の造形部501bの「庇部」が介在している。この「庇部」の周囲には、図示のような空隙502が形成され易くなる。Z方向の外力が付与されると、その空隙502が剥離基点となって、空隙502に近い位置から遠い位置に向けて順に、界面が剥離していく。具体的には、第二層m2における一本目の造形部501aと、最下層m1における一本目の造形部501aの上面との剥離や、第二層m2における一本目の造形部501aと、最下層m1における二本目の造形部501bの「庇部」上面との剥離が発生していく。一本目の造形部501aの剥離破壊について説明したが、二本目、三本目・・・についても同様に、Z軸方向の外力によって剥離破壊を引き起こし易い。
Further, between the
このような剥離破壊の発生を抑える対策の一つとして、フィラメント(30)の加熱温度をより高くしたり、ノズル21の周囲温度をより高くしたりすることが考えられる。しかしながら、高温化に伴って溶融フィラメント(30a)の粘性を低下させて、固化前の造形部501を所望の形状に維持することが困難になることから、造形精度を低下させてしまう。
As one of the measures for suppressing the occurrence of such peeling failure, it is conceivable to increase the heating temperature of the filament (30) or to increase the ambient temperature of the
また、高温化をせずに、造形速度をより高くして、下層の造形部501を形成してから、その造形部の上に上層の造形部501を重ねるまでにおける前者の造形部501の温度低下量を少なくする対策もある。しかしながら、上昇の造形部501を重ねるまでに要する時間は三次元造形物のサイズに左右されるので、大型の三次元造形物では、どうしても上下の造形部501の温度差が大きくなってしまう。また、造形速度に比例して溶融フィラメント(30a)の粘弾性は、低下する。一般的には造形速度を上げると、溶融フィラメント(30a)のせん断応力を高めて樹脂配向性の異方性が高めることから、樹脂の強度を弱めてしまう。 Further, the temperature of the former modeling unit 501 is increased from the formation of the lower modeling unit 501 to the upper modeling unit 501 over the modeling unit after increasing the modeling speed without increasing the temperature. There are also measures to reduce the amount of decrease. However, since the time required to overlap the ascending modeling part 501 depends on the size of the three-dimensional modeled object, the temperature difference between the upper and lower modeled parts 501 is inevitably increased in a large three-dimensional modeled object. Further, the viscoelasticity of the molten filament (30a) decreases in proportion to the modeling speed. In general, increasing the modeling speed increases the shear stress of the molten filament (30a) and increases the anisotropy of the resin orientation, which weakens the strength of the resin.
次に、実施形態に係る三次元造形装置1や三次元造形物の特徴的な構成について説明する。図8は、実施形態に係る三次元造形物600の各層の一部を拡大して示す拡大斜視図である。この三次元造形物600の各層も、短手方向(Y軸方向)に並ぶ複数の造形部を有している。但し、造形部の並び方や、造形部の形状が上層と下層とで異なっている。
Next, a characteristic configuration of the
最下層m1は、横断面が矩形状の細長い第一造形部601(601a,b、c・・・)を複数具備しているが、それらの第一造形部601は短手方向(Y軸方向)に並んでいる。但し、互いに隣り合う第一造形部601は互いに接触しておらず、間隙605を介して隣り合っている。このように、最下層m1は、造形部たる第一造形部601を、互いに間隙605を介して短手方向に複数並べて形成した第一造形層になっている。第三層m3、第五層m5も同様の第一造形層になっている。
The lowermost layer m1 includes a plurality of elongated first modeling parts 601 (601a, b, c...) Having a rectangular cross section, but the first modeling parts 601 are short-side directions (Y-axis direction). ). However, the first modeling parts 601 adjacent to each other are not in contact with each other and are adjacent to each other through the
最下層m1に直接重なっている第二層m2は、第一造形層たる最下層m1と、第一造形層たる第三層m3との間に挟まれている。この第三層m3を構成する造形部たる細長い第二造形部602(602a、602b・・・)は、最下層m1の間隙605と、第三層m3の間隙605とを跨いでいる。そして、自らが跨いでいる、最下層m1の間隙605と、第三層m3の間隙605とのそれぞれの中に自らの一部を突出(進入)させる形状になっている。
The second layer m2 that directly overlaps the lowermost layer m1 is sandwiched between the lowermost layer m1 that is the first modeling layer and the third layer m3 that is the first modeling layer. The elongated second modeling portion 602 (602a, 602b...) That is the modeling portion constituting the third layer m3 straddles the
一本目の第二造形部602aと、二本目の第二造形部602bとは、その上下にある二本目の第一造形部601bの短手方向の中央付近で互いに接触している。なお、同図では示されていないが、二本目の第二造形部602bは、その上下にある三本目の第一造形部601cの短手方向の中央付近で、三本目の第二造形部にも接触している。つまり、第二造形部602は、短手方向において、両隣の第二造形部602のそれぞれに接触している。このように、第二層m2は、複数の第二造形部602を、互いに短手方向に並べて繋げた第二造形層になっている。第四層m4も、第二層m2と同様の第二造形層になっている。
The first
三次元造形物600では、奇数番目の層(m1、m3、m5・・・)が第一造形層である一方で、偶数番目の層(m2、m4・・・)が第二造形層である。つまり、第一造形層と第二造形層とが交互に積層された形態になっている。互いに第一造形層(例えばm3)を介して重なり合う二つの第二造形層(例えばm2、m4)におけるそれぞれの第二造形部602は、両者間の第一造形層(例えばm3)の間隙605を通じて互いに繋がっている(接触している)。なお、互いの間に存在する第一造形層の間隙605におけるそれぞれの中で上下の第二造形部602を互いに繋げることに代えて、第二造形部602の上下の突出部のうち、一方だけを間隙605内で繋げ、他方については、間隙605の外で繋げてもよい。
In the three-
第二造形部602は、第一造形部601とは異なって間隙605を形成しない分だけ、第一造形部601に比べてY軸方向の長さが大きくなっている。
Unlike the first modeling unit 601, the second modeling unit 602 has a length in the Y-axis direction that is longer than the first modeling unit 601 because the
本発明者らは、実施形態に係る三次元造形物600(図8)と、図7に示される従来の三次元造形物とを実際に作成し、それぞれについて、Z軸方向の外力に対する耐久性を調べる実験を行った。以下、実施形態に係る三次元造形物600として作成したものを実施実験例という。また、従来の三次元造形物として作成したものを比較実験例という。
The inventors actually created the three-dimensional structure 600 (FIG. 8) according to the embodiment and the conventional three-dimensional structure shown in FIG. 7, and each of them has durability against external forces in the Z-axis direction. An experiment was conducted to investigate. Hereinafter, what was created as the three-
実施実験例と、比較実験例とは、互いに大きさ、形状が同じものである。形状としては、図9に示されるようなダンベル形状を採用した。造形の過程でダンベル形状に仕上げると、ダンベル形状のくびれの部分で、積層痕が残って、その部分に応力が集中してしまうことから、まずは、図10に示されるような角箱状の三次元造形物を造形した。そして、その三次元造形物を切削加工によってその六面の全てを表面フライスし、且つ、ダンベル形状のくびれの部分を切削した。 The working experimental example and the comparative experimental example have the same size and shape. As the shape, a dumbbell shape as shown in FIG. 9 was adopted. If the dumbbell shape is finished in the process of modeling, the stacking trace remains in the constricted portion of the dumbbell shape, and stress concentrates on that portion, so first of all, the rectangular box-shaped tertiary as shown in FIG. The original model was modeled. Then, all of the six surfaces were milled by cutting the three-dimensional structure, and the constricted portion of the dumbbell shape was cut.
実施実験例としては、造形材料としてABS樹脂を用いた第一実施実験例、及び第二実施実験例と、造形材料としてPLA樹脂を用いた第三実施実験例、及び第四実施実験例とを作成した。また、比較実験例としては、造形材料としてABS樹脂を用いた第一比較実験例と、造形材料としてPLA樹脂を用いた第二比較実験例とを作成した。そして、それらの実施実験例、比較実験例のそれぞれについて、層厚み方向(Z軸方向)の破断強度[MPa]を測定した。測定には、オートグラフ AGS―5kNX(島津製作所製)を用いた。 As an implementation experiment example, a first implementation experiment example using an ABS resin as a modeling material, a second implementation experiment example, a third implementation experiment example using a PLA resin as a modeling material, and a fourth implementation experiment example. Created. Moreover, as a comparative experimental example, a first comparative experimental example using an ABS resin as a modeling material and a second comparative experimental example using a PLA resin as a modeling material were created. And about each of those implementation experiment examples and comparative experiment examples, the breaking strength [MPa] of the layer thickness direction (Z-axis direction) was measured. For the measurement, Autograph AGS-5kNX (manufactured by Shimadzu Corporation) was used.
・第一比較実験例
造形材料としてABS樹脂からなるフィラメント(30)を用いた第一比較実験例については、次のようにして作成した。フィラメント(30)として、ABS樹脂からなる直径=1.75[mm]の棒状のものを用いた。また、エクストルーダ25として、直径=12[mm]のSUS304製のローラを二本並べて用いた。また、ノズル21として、真鍮製で、先端の開口径が0.4[mm]であるものを用いた。造形ヘッド20内のフィラメント通路については、直径2.5[mm]のものを採用した。加熱ブロック22内の移送路26の直径も2.5[mm]である。
-1st comparative experiment example About the 1st comparative experiment example using the filament (30) which consists of ABS resin as a modeling material, it created as follows. As the filament (30), a rod-shaped one made of ABS resin and having a diameter = 1.75 [mm] was used. As the
冷却ブロック24として、SUS304製で、内部に導水管を這わせたものを用い、導水管を冷水循環装置に接続した。冷水循環装置の温度設定を10[℃]とした。また、加熱ブロック22として、冷却ブロック24と同様の構成のものを用い、その導水管を流体循環装置に接続した。加熱ブロック22の導水管の中にカードリッジヒータを配設し、このカートリッジヒータに対する電源供給を熱電対22bの検知結果に基づいてオンオフ制御した。カードリッジヒータの設定温度は240[℃]とした。
As the
造形の形状は、高さ40[mm]、幅17[mm]、奥行き5[mm]の直方体とし、造形時のノズル21の走査速度を10[mm/sec]とした。また、載置台7の設定温度を130[℃]とした。また、三次元造形物の積層方向の解像度に直接的な影響を与えるZ軸方向の層厚みを0.20[mm]とした。なお、層構造としては、図7に示される従来の層構造を採用した。
The shape of modeling was a rectangular parallelepiped having a height of 40 [mm], a width of 17 [mm], and a depth of 5 [mm], and the scanning speed of the
造形した角箱状の三次元造形物を切削加工によってその六面の全てを表面フライスし、且つ、ダンベル形状のくびれの部分を切削して、第一比較実験例を得た。 A square box-shaped three-dimensional modeled object was milled on all six surfaces by cutting, and the dumbbell-shaped constricted part was cut to obtain a first comparative experimental example.
・第一実施実験例
層構造として、図8に示される実施形態の層構造を採用した点の他は、第一比較実験例と同様の手順で、第一実施実験例を作成した。第一造形層の間隙605については、0.10[mm]とした。なお、第二造形層の第二造形部602を形成するときには、第一造形層の第一造形部601を形成するときに比べて、溶融フィラメント(30a)の単位時間当たりの吐出量を1.5倍にした。これにより、同じ走査速度(10mm/sec)でノズル21を移動させながら、第一造形部601よりも単位長さの体積が大きい第二造形部602を造形できるようにした。
First Experiment Example A first example experiment was created in the same procedure as the first comparative example except that the layer structure of the embodiment shown in FIG. 8 was adopted as the layer structure. The
・第二実施実験例
次に掲げる点の他は、第一実施実験例と同様の手順で、第二実施実験例を作成した。即ち、第一造形層の間隙605については、0.12[mm]とした。また、第二造形層の第二造形部602を形成するときには、第一造形層の第一造形部601を形成するときに比べて、溶融フィラメント(30a)の単位時間当たりの吐出量を1.7倍にした。
-2nd Example of Experiment The second example of experiment was created in the same procedure as the first example of experiment except the following points. That is, the
第一比較実験例、第一実施実験例、及び第二実施実験例における実験結果を次の表1に示す。
表1に示されるように、実施形態に係る三次元造形物である第一実施実験例や第二実施実験例では、従来の層構造の三次元造形物である第一比較実験例に比べて、Z軸方向(積層方向)の破断強度を二倍以上高めることができている。 As shown in Table 1, in the first implementation experiment example and the second implementation experiment example that are three-dimensional structures according to the embodiment, compared to the first comparative experiment example that is a three-dimensional structure with a conventional layer structure. The breaking strength in the Z-axis direction (stacking direction) can be increased by a factor of two or more.
・第二比較実験例
造形材料としてPLA樹脂からなるフィラメント(30)を用いた第二比較実験例を、次のようにして作成した。フィラメント(30)として、直径=1.75[mm]の棒状のものを用いた。また、エクストルーダ25として、直径=12[mm]のSUS304製のローラを二本並べて用いた。また、ノズル21として、真鍮製で、先端の開口径が0.4[mm]であるものを用いた。造形ヘッド20内のフィラメント通路については、直径2.5[mm]のものを採用した。加熱ブロック22内の移送路26の直径も2.5[mm]である。
Second Comparative Experimental Example A second comparative experimental example using a filament (30) made of PLA resin as a modeling material was created as follows. As the filament (30), a rod-shaped one having a diameter = 1.75 [mm] was used. As the
冷却ブロック24として、SUS304製で、内部に導水管を這わせたものを用い、導水管を冷水循環装置に接続した。冷水循環装置の温度設定を10[℃]とした。また、加熱ブロック22として、冷却ブロック24と同様の構成のものを用い、その導水管を流体循環装置に接続した。加熱ブロック22の導水管の中にカードリッジヒータを配設し、このカートリッジヒータに対する電源供給を熱電対22bの検知結果に基づいてオンオフ制御した。カードリッジヒータの設定温度は210[℃]とした。
As the
造形の形状は、高さ40[mm]、幅17[mm]、奥行き5[mm]の直方体とし、造形時のノズル21の走査速度を10[mm/sec]とした。また、載置台7の設定温度を100[℃]とした。また、三次元造形物の積層方向の解像度に直接的な影響を与えるZ軸方向の層厚みを0.20[mm]とした。なお、層構造としては、図7に示される従来の層構造を採用した。
The shape of modeling was a rectangular parallelepiped having a height of 40 [mm], a width of 17 [mm], and a depth of 5 [mm], and the scanning speed of the
造形した角箱状の三次元造形物を切削加工によってその六面の全てを表面フライスし、且つ、ダンベル形状のくびれの部分を切削して、第二比較実験例を得た。 The square box-shaped three-dimensional modeled object was milled on all six surfaces by cutting, and the dumbbell-shaped constricted part was cut to obtain a second comparative experimental example.
・第三実施実験例
層構造として、図8に示される実施形態の層構造を採用した点の他は、第二比較実験例と同様の手順で、第三実施実験例を作成した。第一造形層の間隙605については、0.10[mm]とした。なお、第二造形層の第二造形部602を形成するときには、第一造形層の第一造形部601を形成するときに比べて、溶融フィラメント(30a)の単位時間当たりの吐出量を1.5倍にした。
Third Experimental Example A third experimental example was created in the same procedure as the second comparative experimental example, except that the layer structure of the embodiment shown in FIG. 8 was adopted as the layer structure. The
・第四実施実験例
次に掲げる点の他は、第三実施実験例と同様の手順で、第四実施実験例を作成した。即ち、第一造形層の間隙605については、0.12[mm]とした。また、第二造形層の第二造形部602を形成するときには、第一造形層の第一造形部601を形成するときに比べて、溶融フィラメント(30a)の単位時間当たりの吐出量を1.7倍にした。
-4th Example of Experiment The fourth example of experiment was created in the same procedure as the third example of experiment except the following points. That is, the
第二比較実験例、第三実施実験例、及び第四実施実験例における実験結果を次の表2に示す。
表2に示されるように、実施形態に係る三次元造形物である第三実施実験例や第四実施実験例では、従来の層構造の三次元造形物である第二比較実験例に比べて、Z軸方向(積層方向)の破断強度を1.4倍以上高めることができている。 As shown in Table 2, in the third embodiment experimental example and the fourth embodiment experimental example which are three-dimensional structures according to the embodiment, compared to the second comparative experiment example which is a three-dimensional structure with a conventional layer structure. The breaking strength in the Z-axis direction (stacking direction) can be increased by 1.4 times or more.
表1に示される第一比較実験例と、表2に示される第二比較実験例とで、物理的に異なる点は、造形材料の違いだけである。また、表1に示される第一実施実験例と、表2に示される第三実施実験例とで、物理的に異なる点も、造形材料の違いだけである。また、表1に示される第二実施実験例と、表2に示される第四実施実験例とで、物理的に異なる点も、造形材料の違いだけである。これらのことから、同じ造形材料で構成され、同じサイズ且つ同じ寸法の三次元造形物であれば、従来の層構造のものに比べて、実施形態に係る三次元造形物600の方が、Z軸方向の外力に対する耐久性を大幅に向上させ得ることがわかる。
The only physical difference between the first comparative experimental example shown in Table 1 and the second comparative experimental example shown in Table 2 is the difference in modeling material. In addition, the first embodiment experimental example shown in Table 1 and the third embodiment experimental example shown in Table 2 are also physically different only in the difference in modeling material. In addition, the second embodiment experimental example shown in Table 1 and the fourth embodiment experimental example shown in Table 2 are also physically different only in the difference in modeling material. From these facts, if the three-dimensional structure is composed of the same modeling material and has the same size and the same dimensions, the three-
このように実施形態に係る三次元造形物のZ軸方向の外力に対する耐久性を従来の三次元造形物に比べて高めることができた理由は、次のように考えられる。即ち、従来の三次元造形物においては、互いに積層方向に直接重なっている上層と下層との界面が、X−Y平面だけになる。このX−Y平面からなる界面は、Z軸方向の外力が加えられると、図7に示される空隙502を基点にして、剥離を引き起こし易い。これに対し、実施形態に係る三次元造形物600では、上層と下層との界面として、X−Y平面に沿った界面の他に、Z軸方向に沿った界面が形成される。後者の界面は、間隙605を形成している第一造形層の第一造形部601の側面と、第二造形層の第二造形部602における突出部の側面との界面であり、これは間隙605内で形成される。第二造形部602が形成されるときには、第一造形部601が形成されるときに比べて溶融フィラメント(30a)の吐出速度が速くなっており、その溶融フィラメントは吐出後に速やかに固化する。このため、第二造形部602の間隙605内における突出部の圧力が、第一造形部601よりも高くなって、リベットのような役割を果たす。つまり、突出部が間隙内に強固に嵌合した状態になる。この嵌合により、Z軸方向の耐久性(破断強度)が高まっていると考えられる。
The reason why the durability against the external force in the Z-axis direction of the three-dimensional structure according to the embodiment can be increased as compared with the conventional three-dimensional structure is as follows. That is, in the conventional three-dimensional structure, the interface between the upper layer and the lower layer that directly overlap each other in the stacking direction is only the XY plane. When an external force in the Z-axis direction is applied, the interface composed of the XY plane is likely to cause peeling with the
図11は、実施形態に係る三次元造形装置1によって造形された三次元造形物600(切削加工前)と、これを造形するときの三次元造形装置1のノズル21におけるX−Y平面上での移動軌跡(造形軌跡ともいう、以下:その軌跡をツールパスという)とを示す模式図である。図示の直方体の三次元造形物600のように、Y軸方向の横断面がY軸方向の位置にかかわらず同じになるものを造形する場合には、第一造形層を形成するためのツールパスとして、第一造形層のZ軸方向の位置にかかわらず同一のものを使用することが可能である。また、第二造形層を形成するためのツールパスも、第二造形層のZ軸方向の位置にかかわらず同一のものを使用することが可能である。前者のツールパスと、後者のツールパスとを交互に採用することで、第一造形層と第二造形層とを交互に積層することができる。
FIG. 11 shows a three-dimensional structure 600 (before cutting) formed by the three-dimensional
第一造形層、第二造形層の何れを形成する場合でも、造形開始直後は、図示のように、層平面の外縁に沿わせる形態でノズル21を一周させながら、第一造形部(601)又は第二造形部(602)を形成する。このときのノズル21の動作(以下、層造形初期動作という)が上述した基本動作と異なっている。層造形初期動作を終えると、層平面の外縁よりも内側で、ノズル21を上述した基本動作で移動させながら、複数の第一造形部(601)又は第二造形部(602)を造形していく。
In the case of forming either the first modeling layer or the second modeling layer, immediately after the modeling is started, the first modeling portion (601) is made while making the
同図において、第一造形層を形成するときのツールパスを示す図には、第二造形層を形成するときのルールパスを点線で示している。図示のように、第二造形層の第二造形部(602)を形成するときのノズル21の軌跡(図中点線のうち、X軸方向に延在する箇所)は、Y軸方向において、第一造形層の第一造形部(601)を形成するときのノズル21の軌跡とは重ならない。具体的には、前者の軌跡は、後者の軌跡におけるY軸方向の間隔の中央に位置している。これは、第二造形部(602)を形成するときには、その下の第一造形層における間隙605のY軸方向中心位置で、ノズル21をY軸方向に移動させることを意味している。
In the same figure, in the figure which shows the tool path when forming a 1st modeling layer, the rule path when forming a 2nd modeling layer is shown with the dotted line. As shown in the drawing, the trajectory of the nozzle 21 (the portion extending in the X-axis direction among the dotted lines in the figure) when forming the second modeling portion (602) of the second modeling layer is the first in the Y-axis direction. It does not overlap with the trajectory of the
三次元造形装置1は、第一造形層を形成するためのツールパスのデータについては、同図中の第一造形層を形成するためのツールパスを実現するように、複数のX軸方向の軌跡におけるY軸方向のピッチを設定する。また、第二造形層を形成するためのツールパスのデータについては、前述のようなY軸方向中心位置でノズル21をY軸方向に移動させるツールパスを実現するように、複数のX軸方向の軌跡におけるY軸方向のピッチを設定する。前者のツールパスと後者のツールパスとを交互に実施することで、第一造形層と第二造形層とを交互に積層することができる。
As for the tool path data for forming the first modeling layer, the three-
また、三次元造形装置1は、第二造形層を形成する場合に、ノズル21をX軸方向に沿って移動させて第二造形部(602)を形成するときには、第一造形層の第一造形部(601)を形成する場合に比べて、ノズル21からの単位面積あたりの吐出量を多くする。三次元造形装置1とは異なり、吐出量を同じにする装置では、上下の第一造形層の間隙605の中に対する溶融フィラメント(30a)の充填量を不足させて、間隙605内のフィラメントの圧力を不足させたり、間隙605内に大きな空隙を形成したりする。この結果、Z軸方向の耐久性を向上させることが困難になったり、造形精度を低下させたりしてしまう。
Moreover, when the
例えば、第一造形層における間隙605のY軸方向の長さが0.10[mm]であり、且つ第一造形部の横断面が0.40mm(幅)×0.20mm(高さ)であったとする。この場合、三次元造形装置1は、第二造形部(602)を形成するときの溶融フィラメント(30a)の単位時間あたりにおける吐出量を、第一造形部(601)を形成するときの吐出量の1.5倍程度にする。
For example, the length of the
三次元造形装置1のタッチパネル等からなる入力操作部には、操作者により、第一造形層を構成する第一造形部(601)のY軸方向の太さ、間隙605のY軸方向の長さ、層の厚さなどを入力することが可能である。三次元造形装置1は、それらの入力情報に基づいて、第二造形層を形成するときの各種制御パラメーターを設定する。第二造形層の厚さについては、入力された第一造形層の厚さと同じにする。第二造形部(602)を形成するときのX軸方向の軌跡におけるY軸方向のピッチについては、第一造形層の間隙605のY軸方向における中心ピッチと同じにする。また、第一造形層の厚さと、間隙605の長さとから、第一造形層の断面全体の面積における間隙605の面積の占める割合である間隙率a[%]を求める。そして、第二造形層の第二造形部(602)を形成するときの単位時間あたりの吐出量(第二造形吐出量)について、第一造形層の第一造形部(601)を形成するときの単位時間あたりの吐出量(第一造形吐出量)に対する倍数を、次のようにして求める。「倍数=1+(a/100)」。その後、第二造形部(602)を形成するときの第二造形吐出量を、その倍数に応じた値に設定する。
The input operation unit including the touch panel or the like of the three-
なお、第二造形吐出量を第一造形吐出量よりも多くすることは、間隙605内のフィラメントの圧力を高めてZ軸方向の破断強度を高めることには有利であるが、多くし過ぎると、造形精度を悪化させてしまう。このため、マシン特性や各層の各寸法に応じた適切な値に設定することが望ましい。
Note that increasing the second modeling discharge amount more than the first modeling discharge amount is advantageous for increasing the pressure of the filament in the
また、熱溶解積層法(FDM)によって形成された三次元造形物600について説明したが、固化前の造形材料を第一造形層の間隙に対してある程度の圧力をかけて吐出しながら固化させる方法であれば、熱溶解積層法に限られるものではない。
Moreover, although the three-
以上に説明したものは一例であり、次の態様毎に特有の効果を奏する。
[第1態様]
第1態様は、造形材料からなる造形部を複数有する造形層を複数積層した三次元造形物(例えば三次元造形物600)において、前記造形部たる第一造形部(例えば第一造形部601)を、互いに間隙(例えば間隙605)を介して複数並べた第一造形層と、二つの前記第一造形層の間に挟まれ、それら二つにおける一方の前記第一造形層の前記間隙と他方の前記第一造形層の前記間隙とを跨ぎ、且つそれら二つの前記第一造形層の前記間隙における少なくとも一方の中に突出する形状の前記造形部たる第二造形部(例えば第二造形部602)を複数有する第二造形層と、を交互に積層したことを特徴とするものである。
What was demonstrated above is an example, and there exists an effect peculiar for every following aspect.
[First aspect]
The first aspect is a three-dimensional structure (for example, three-dimensional structure 600) obtained by laminating a plurality of modeling layers having a plurality of modeling parts made of modeling material, and the first modeling part (for example, the first modeling part 601) as the modeling part. Are sandwiched between two first modeling layers, and the gap between one of the first modeling layers and the other of the two first modeling layers. The second modeling portion (for example, the second modeling portion 602) that is the modeling portion having a shape that straddles the gap of the first modeling layer and protrudes into at least one of the gaps of the two first modeling layers. And a second modeling layer having a plurality of layers) alternately stacked.
第1態様においては、本発明者らが行った上述した実験の結果からわかるように、従来の三次元造形物に比べて、造形層の厚み方向の外力に対する耐久性を向上させることができる。 In the first aspect, as can be seen from the results of the above-described experiment conducted by the present inventors, the durability against external force in the thickness direction of the modeling layer can be improved as compared with the conventional three-dimensional structure.
[第2態様]
第2態様は、第1態様において、互いに前記第一造形層を介して重なり合う二つの前記第二造形層におけるそれぞれの前記第二造形部を、前記間隙内を通じて繋げたことを特徴とするものである。かかる構成では、間隙を介した二つの第二造形部の接続により、層厚み方向の外力に対する耐久性を更に向上させることができる。
[Second embodiment]
The second aspect is characterized in that, in the first aspect, the second modeling parts in the two second modeling layers that overlap each other via the first modeling layer are connected through the gap. is there. In such a configuration, durability against an external force in the layer thickness direction can be further improved by connecting the two second modeling portions via the gap.
[第3態様]
第3態様は、第2態様において、互いに前記第二造形層を介して重なり合う二つの前記第一造形層のそれぞれにおける前記間隙の中に対し、前記二つの前記第一造形層に挟まれる前記第二造形部を突出させたことを特徴とするものである。かかる構成では、互いに第二造形層を介して重なり合う二つの第一造形層のそれぞれにおける間隙のうち、一方の間隙だけに第二造形部を突出させる場合に比べて、第二造形部の間隙への突出部による層厚み方向の外力に対する抗力を向上させることができる。
[Third aspect]
A third aspect is the second aspect, in which the first sandwiched between the two first modeling layers with respect to the gap in each of the two first modeling layers overlapping each other via the second modeling layer. It is characterized by projecting the two modeling parts. In such a configuration, compared to the case where the second modeling portion is protruded only in one of the gaps of the two first modeling layers that overlap each other via the second modeling layer, the gap between the second modeling portions is reduced. It is possible to improve the resistance against external force in the layer thickness direction due to the protrusions.
[第4態様]
第4態様は、第2態様又は第3態様において、互いに前記第二造形層を介して重なり合う二つの前記第一造形層の前記第一造形部を互いに層厚み方向に重ねつつ、前記二つの前記第一造形層の前記間隙を互いに層厚み方向に重ねたことを特徴とするものである。かかる構成では、複数の第一造形層の第一造形部のそれぞれを層平面の同じ座標に位置させ、且つ複数の第二造形層の第二造形部のそれぞれを層平面の同じ座標に位置させる。これにより、第一造形層を形成するときの吐出手段の平面移動軌跡を全ての第一造形層で統一し、且つ第二造形層を形成するときの吐出手段の平面移動軌跡を全ての第二造形層で統一して、造形のときの制御プロセスを簡略化することができる。
[Fourth aspect]
The fourth aspect is the second aspect or the third aspect, in which the first modeling parts of the two first modeling layers that overlap each other via the second modeling layer are stacked in the layer thickness direction, while the two The gaps of the first modeling layer are overlapped with each other in the layer thickness direction. In such a configuration, each of the first modeling portions of the plurality of first modeling layers is positioned at the same coordinate of the layer plane, and each of the second modeling portions of the plurality of second modeling layers is positioned at the same coordinate of the layer plane. . Thereby, the plane movement trajectory of the discharge means when forming the first modeling layer is unified in all the first modeling layers, and the plane movement trajectory of the discharge means when forming the second modeling layer is all the second The control process during modeling can be simplified by unifying the modeling layers.
[第5態様]
第5態様は、第1態様、第2態様、第3態様、又は第4態様において、前記第二造形部の横断面積を、前記第一造形部の横断面積よりも大きくしたことを特徴とするものである。かかる構成では、間隙を形成しない第二造形部の数を、間隙を形成する第一造形部の数と同じにすることができる。
[Fifth Aspect]
A fifth aspect is characterized in that, in the first aspect, the second aspect, the third aspect, or the fourth aspect, the cross-sectional area of the second modeling portion is larger than the cross-sectional area of the first modeling portion. Is. In such a configuration, the number of second modeling parts that do not form a gap can be made the same as the number of first modeling parts that form a gap.
[第6態様]
第6態様は、吐出手段(例えば造形ヘッド20)から吐出した熱可塑性の造形材料(例えば溶融フィラメント30a)によって造形部をその短手方向に複数並べて形成さした層を複数積層して三次元造形物を造形する三次元造形装置(例えば三次元造形装置1)において、三次元造形物(例えば三次元造形物600)として、第1態様、第2態様、第3態様、第4態様、又は第5態様を造形することを特徴とするものである。
[Sixth aspect]
In the sixth aspect, three-dimensional modeling is performed by laminating a plurality of layers formed by arranging a plurality of modeling portions in the short direction by a thermoplastic modeling material (for example,
[第7態様]
第7態様は、第6態様であって、前記第二造形層の前記第二造形部を形成するときに、前記第一造形層の前記第一造形部を形成するときに比べて、造形材料の単位時間あたりにおける前記吐出手段からの吐出量を多くすることを特徴とするものである。かかる構成では、第二造形部の間隙への突出部における圧不足による層厚み方向の外力に対する耐久性の低下を抑えることができる。
[Seventh aspect]
A 7th aspect is a 6th aspect, Comprising: When forming the said 2nd modeling part of the said 2nd modeling layer, compared with the time of forming the said 1st modeling part of the said 1st modeling layer, modeling material The discharge amount from the discharge means per unit time is increased. In such a configuration, it is possible to suppress a decrease in durability with respect to an external force in the layer thickness direction due to insufficient pressure at the protruding portion into the gap of the second modeling portion.
1:三次元造形装置
20:造形ヘッド(吐出手段)
30:フィラメント(造形材料)
30a:溶融フィラメント(造形材料)
600:三次元造形物
601:第一造形部
602:第二造形部
605:間隙
1: Three-dimensional modeling apparatus 20: Modeling head (discharge means)
30: Filament (modeling material)
30a: Melted filament (modeling material)
600: Three-dimensional structure 601: First modeling part 602: Second modeling part 605: Gap
Claims (7)
前記造形部たる第一造形部を、互いに間隙を介して複数並べた第一造形層と、
二つの前記第一造形層の間に挟まれ、それら二つにおける一方の前記第一造形層の前記間隙と他方の前記第一造形層の前記間隙とを跨ぎ、且つそれら二つの前記第一造形層の前記間隙における少なくとも一方の中に突出する形状の前記造形部たる第二造形部を複数有する第二造形層と、を交互に積層したことを特徴とする三次元造形物。 In the three-dimensional modeled object in which a plurality of modeling layers having a plurality of modeling parts made of modeling material are stacked
A first modeling layer in which a plurality of first modeling parts as the modeling part are arranged with a gap therebetween, and
Sandwiched between two of the first modeling layers, straddling the gap of one of the first modeling layers and the gap of the other first modeling layer of the two, and the two first modeling layers A three-dimensional structure formed by alternately laminating a second modeling layer having a plurality of second modeling parts as the modeling part protruding into at least one of the layers in the gap.
互いに前記第一造形層を介して重なり合う二つの前記第二造形層におけるそれぞれの前記第二造形部を、前記間隙内を通じて繋げたことを特徴とする三次元造形物。 In the three-dimensional structure according to claim 1,
A three-dimensional structure formed by connecting the second modeling portions of the two second modeling layers that overlap each other via the first modeling layer through the gap.
互いに前記第二造形層を介して重なり合う二つの前記第一造形層のそれぞれにおける前記間隙の中に対し、前記二つの前記第一造形層に挟まれる前記第二造形部を突出させたことを特徴とする三次元造形物。 In the three-dimensional structure according to claim 2,
The second modeling portion that is sandwiched between the two first modeling layers protrudes into the gap in each of the two first modeling layers that overlap each other via the second modeling layer. A three-dimensional model.
互いに前記第二造形層を介して重なり合う二つの前記第一造形層の前記第一造形部を互いに層厚み方向に重ねつつ、前記二つの前記第一造形層の前記間隙を互いに層厚み方向に重ねたことを特徴とする三次元造形物。 In the three-dimensional structure according to claim 2 or 3,
While the first modeling portions of the two first modeling layers that overlap each other via the second modeling layer are stacked in the layer thickness direction, the gaps of the two first modeling layers are stacked in the layer thickness direction. A three-dimensional structure characterized by that.
前記第二造形部の横断面積を、前記第一造形部の横断面積よりも大きくしたことを特徴とする三次元造形物。 In the three-dimensional structure according to claim 1, 2, 3, or 4,
A three-dimensional structure characterized in that the cross-sectional area of the second modeling part is larger than the cross-sectional area of the first modeling part.
三次元造形物として、請求項1、2、3、4又は5の三次元造形物を造形することを特徴とする三次元造形装置。 In the three-dimensional modeling apparatus that models a three-dimensional model by laminating a plurality of layers formed by arranging a plurality of modeling parts in the short direction by the thermoplastic modeling material discharged from the discharge means,
A three-dimensional modeling apparatus that models the three-dimensional model according to claim 1, 2, 3, 4, or 5 as a three-dimensional model.
前記第二造形層の前記第二造形部を形成するときに、前記第一造形層の前記第一造形部を形成するときに比べて、造形材料の単位時間あたりにおける前記吐出手段からの吐出量を多くすることを特徴とする三次元造形装置。 The three-dimensional modeling apparatus according to claim 6,
When forming the second modeling part of the second modeling layer, compared to when forming the first modeling part of the first modeling layer, the discharge amount from the discharge means per unit time of the modeling material 3D modeling device characterized by increasing
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2021194914A (en) * | 2020-06-10 | 2021-12-27 | ゼロックス コーポレイションXerox Corporation | System and method for operating multi-nozzle extruder during additive manufacturing |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002086575A (en) * | 1989-10-30 | 2002-03-26 | Three D Syst Inc | Method and apparatus for forming three-dimensional object |
JP2017065154A (en) * | 2015-09-30 | 2017-04-06 | ニチアス株式会社 | Three-dimensional shaped object and shaping method thereof |
JP2017109320A (en) * | 2015-12-14 | 2017-06-22 | 株式会社リコー | Information processing device, 3d printer system, information processing method, and computer program |
JP2017196756A (en) * | 2016-04-26 | 2017-11-02 | 武藤工業株式会社 | Manufacturing method of molded article and molded article |
-
2018
- 2018-02-20 JP JP2018027986A patent/JP2019142089A/en not_active Withdrawn
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002086575A (en) * | 1989-10-30 | 2002-03-26 | Three D Syst Inc | Method and apparatus for forming three-dimensional object |
JP2017065154A (en) * | 2015-09-30 | 2017-04-06 | ニチアス株式会社 | Three-dimensional shaped object and shaping method thereof |
JP2017109320A (en) * | 2015-12-14 | 2017-06-22 | 株式会社リコー | Information processing device, 3d printer system, information processing method, and computer program |
JP2017196756A (en) * | 2016-04-26 | 2017-11-02 | 武藤工業株式会社 | Manufacturing method of molded article and molded article |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2021194914A (en) * | 2020-06-10 | 2021-12-27 | ゼロックス コーポレイションXerox Corporation | System and method for operating multi-nozzle extruder during additive manufacturing |
JP7174106B2 (en) | 2020-06-10 | 2022-11-17 | ゼロックス コーポレイション | Systems and methods for operating a multi-nozzle extruder during additive manufacturing |
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