JP2019142119A - 三次元造形物の製造方法および造形装置 - Google Patents
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Abstract
Description
1−1.三次元造形装置の構成:
図1は、本実施形態における三次元造形物の製造方法の実行に適した三次元造形装置100の構成を示す概略図である。図1には、互いに直交するX,Y,Z方向を示す矢印が示されている。本実施形態では、X方向およびY方向は、横方向を示しており、水平面に平行な方向である。Z方向は、高さ方向を示しており、重力方向や鉛直方向とは反対の方向である。X,Y,Z方向を示す矢印は、他の参照図においても、図示の方向が図1と対応するように適宜、図示してある。
造形装置100において用いられる材料について説明する。造形装置100では、例えば、熱可塑性を有する材料や、金属材料、セラミック材料等の種々の材料を主材料として造形物を造形することができる。ここで、「主材料」とは、造形物の形状を形作っている中心となる材料を意味し、造形物において50重量%以上の含有率を占める材料を意味する。上述した造形材料には、それらの主材料を単体で溶融したものや、主材料とともに含有される一部の成分が溶融してペースト状にされたものが含まれる。
<熱可塑性樹脂材料の例>
ポリプロピレン樹脂(PP)、ポリエチレン樹脂(PE)、ポリアセタール樹脂(POM)、ポリ塩化ビニル樹脂(PVC)、ポリアミド樹脂(PA)、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂(ABS)、ポリ乳酸樹脂(PLA)、ポリフェニレンサルファイド樹脂(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリカーボネート(PC)、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、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
<金属材料の例>
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、もしくはこれらの金属を1つ以上含む合金
<前記合金の例>
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
<溶剤の例>
水;エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等の(ポリ)アルキレングリコールモノアルキルエーテル類;酢酸エチル、酢酸n−プロピル、酢酸iso−プロピル、酢酸n−ブチル、酢酸iso−ブチル等の酢酸エステル類;ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類;メチルエチルケトン、アセトン、メチルイソブチルケトン、エチル−n−ブチルケトン、ジイソプロピルケトン、アセチルアセトン等のケトン類;エタノール、プロパノール、ブタノール等のアルコール類;テトラアルキルアンモニウムアセテート類;ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド等のスルホキシド系溶剤;ピリジン、γ−ピコリン、2,6−ルチジン等のピリジン系溶剤;テトラアルキルアンモニウムアセテート(例えば、テトラブチルアンモニウムアセテート等);ブチルカルビトールアセテート等のイオン液体等
<バインダーの例>
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。
図4A〜図8を順に参照して、造形装置100において制御部101が実行する造形処理を説明する。制御部101は、造形処理において、第1吐出制御と第2吐出制御とを繰り返し実行して、造形物を造形する。以下では、図4A〜図4Dを参照して、第1吐出制御による造形を説明し、図5を参照して、第2吐出制御による造形を説明する。図4A〜図4D,図5にはそれぞれ、造形テーブル210の上面211において、ノズル61から吐出された造形材料が堆積されていく様子が模式的に図示されている。
図4Aを参照する。第1吐出制御では、制御部101は、造形装置100に、第1方向に、造形テーブル210に対するノズル61の位置を変えながら、ノズル61から造形テーブル210に造形材料を連続して吐出させて、第1方向に造形材料を堆積させていく。「造形材料を連続して吐出する」とは、造形材料を途切れることなくつながった状態で吐出することを意味している。この動作によって、第1方向に沿って延びる柱状部位CPが形成される。柱状部位CPは、少なくとも一部が溶融した状態の造形材料を連続して第1方向に堆積させて形成されている。そのため、柱状部位CPと同様な形状を、例えば、造形材料が硬化した層の上に、新たに造形材料を配置して層を形成する工程を繰り返して、複数の層を第1方向に積層する方法で造形した場合よりも、第1方向に引っ張る外力に対する強度が高くなる。
図5を参照する。第2吐出制御では、制御部101は、造形装置100に、造形テーブル210に対するノズル61の位置を第2方向に変えながら、ノズル61から造形材料を連続して吐出して、第2方向に沿って造形材料を配置していく動作をおこなわせる。この第2吐出制御の動作によって、第2方向に沿った線状部位LPが形成される。線状部位LPは、造形材料が連続して第2方向に堆積されて形成されているため、第2方向への引っ張り外力に対する強度が高い。
図6A〜図6C,図7,図8を順に参照して、第1吐出制御と第2吐出制御とを繰り返して造形をおこなう種々の造形例を説明する。以下において参照する各図では、便宜上、第1吐出制御で造形された部位と第2吐出制御で造形された部位とにそれぞれ、異なる濃度のハッチングを付してある。また、以下では、第1吐出制御が実行される工程を「第1吐出工程」とも呼び、第2吐出制御が実行される工程を「第2吐出工程」とも呼ぶ。造形装置100は、造形処理において、第1吐出工程と、第2吐出工程と、を繰り返す繰り返し工程を実行する。
図6A〜図6Cは、第1造形例を説明するための概略図である。図6Aを参照する。第1工程は第2吐出工程によって第1材料層11を形成する工程である。第1工程では、制御部101は、第2吐出制御を繰り返して、図5で説明した線状部位LPを第2方向に配列させるとともに第1方向にも積層して、第1材料層11を形成する。第1材料層11は、線状部位LPが第1方向に積層された積層体である。この工程では、第1材料層11の上面に下に窪む凹部12が形成される。図6Aの例では、凹部12は、Y方向に延びる溝部として構成されている。凹部12は、X方向に延びる溝部として構成されてもよいし、格子状に配列された溝部によって構成されてもよい。また、凹部12は、有底の孔部として構成されてもよい。
図7は、第2造形例を説明するための概略図である。第2造形例では、第1吐出工程によって形成され、線状部位LPが高さ方向に積層された材料層16aと、第2吐出工程によって形成され、柱状部位CPが平面方向に配列された材料層16bと、が交互に第1方向に積層された造形物が造形される。第2造形例では、造形物が、材料層16a,16bの積層方向である第1方向に強度が高い柱状部位CPによって構成される材料層16aを含んでいる。そのため、線状部位LPによって構成された材料層16bのみで造形物全体が形成された場合よりも、第1方向における造形物の強度が高められている。
図8は、第3造形例を説明するための概略図である。第3造形例では、複数の複合層17が、第1方向に積層されることによって造形物が造形される。各複合層17は、第1吐出工程によって形成され、線状部位LPが第1方向に積層された第1部位17aと、第2吐出工程によって形成され、柱状部位CPが第2方向に配列された第2部位17bと、を含んでいる。各複合層17は、第1吐出工程によって形成された部位と、第2吐出工程によって形成された部位と、を第2方向に並ぶように造形する工程によって形成されている。第3造形例によれば、各複合層17に、柱状部位CPによって構成されている第1部位17aが含まれている。そのため、第1方向の引っ張り外力に対する各複合層17の強度が高められている。
以上のように、本実施形態の造形装置100によって実行される製造方法は、第1吐出制御が実行される第1吐出工程と、第2吐出制御が実行される第2吐出工程と、第1吐出工程および第2吐出工程を繰り返す繰り返し工程と、を備えている。その製造方法によって造形される造形物中には、第1吐出工程によって第1方向における強度が高い部位が形成されため、第2吐出工程のみで造形物全体が形成された場合よりも、第1方向における造形物の強度が高められる。その他に、本実施形態の造形装置100および製造方法によれば、上記実施形態中で説明した種々の作用効果を奏することができる。
上記の各実施形態で説明した種々の構成は、例えば、以下のように改変することが可能である。以下に説明する他の実施形態はいずれも、上記の各実施形態と同様に、発明を実施するための形態の一例として位置づけられる。
第1吐出工程と第2吐出工程とを繰り返す造形処理の例は、上記実施形態で説明した第1造形例、第2造形例、第3造形例に限定されることはない。例えば、第1吐出工程と、第2吐出工程とが1回ずつ交互に繰り返されて、造形物が造形されてもよい。こうした工程であっても、第2吐出工程のみで形成された部位のみで構成される造形物よりも、高い強度を有する造形物を得ることができる。
造形部110は、フラットスクリュー40を利用している構成の代わりに、例えば、Z方向の長さが直径よりも長いスクリューを回転させてノズル61から造形材料を押し出す構成を有していてもよい。あるいは、造形部110は、造形材料を造形テーブル210に向かって吐出する構成の代わりに、フィラメント状の熱可塑性を有する樹脂材料を熱で溶かしながらノズル61から押し出して、造形テーブル210に付着させる構成を有していてもよい。
造形装置100の吐出制御機構70は、流路65内において造形材料が流れる方向に交差するように移動するシャッターによって構成されてもよい。また、吐出制御機構70は、ピストンが流路65内に突出して流路65を閉塞するプランジャーによって構成されてもよい。吐出制御機構70は、上記実施形態で説明したバタフライバルブや、シャッターを用いたシャッター機構、プランジャーのうちの2つ以上の機構を組み合わせて構成されてもよい。
造形装置100において、冷却部75は、送風ファン77の送風による冷却以外の方法で、ノズル61から吐出された造形材料を冷却する構成によって実現されてもよい。例えば、冷却部75は、造形テーブル210に埋設された冷媒流路によって実現されてもよい。造形装置100において、冷却部75は省略されてもよい。この場合には、造形処理では、造形材料を冷却する工程が省略される。
上記実施形態において、材料供給部20は、複数のホッパーを備える構成を有していてもよい。この場合には、各ホッパーからフラットスクリュー40へと異なる材料が供給され、フラットスクリュー40の溝部42内において混合されて、造形材料が生成されてもよい。例えば、上記実施形態で説明した主材料となる粉末材料と、それに添加される溶媒やバインダーなどが別々のホッパーから並行してフラットスクリュー40に供給されてもよい。
上記実施形態において、ソフトウェアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ハードウェアによって実現されてもよい。また、ハードウェアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ソフトウェアによって実現されてもよい。ハードウェアとしては、例えば、集積回路、ディスクリート回路、または、それらの回路を組み合わせた回路モジュールなど、各種回路を用いることができる。
本発明は、上述の各実施形態や実施例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態(aspect)によって実現することができる。例えば、本発明は以下の形態として実現可能である。以下に記載する各形態中の技術的特徴に対応する上記の各実施形態中の技術的特徴は、本発明の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、本発明の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中において必須であると説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
この形態の製造方法によれば、第1吐出工程によって形成され、第1方向への強度が高い部位を含む三次元造形物を形成することができる。こうした三次元造形物であれば、第2吐出工程のみで形成された三次元造形物よりも、第1方向における強度が高められる。
この形態の製造方法によれば、第2吐出工程によって形成される部位に対して、第2方向に並ぶように、第1吐出工程によって形成される部位が配置されるため、第1方向における三次元造形物の強度を高めることができる。
この形態の製造方法によれば、材料層が積層される積層方向の強度が高い三次元造形物を形成することができる。
この形態の製造方法によれば、冷却により、吐出された造形材料の流動性を低下させながら、造形材料を第1方向に堆積させていくことができるため、第1吐出工程における造形精度の低下を抑制することができる。
この形態の製造方法によれば、造形材料の冷却を簡易におこなうことができる。
この形態の製造方法によれば、造形材料の吐出による様々な形状の造形を効率よくおこなうことができる。
この形態の製造方法によれば、フラットスクリューの利用によって、造形材料を生成する機構を小型化できる。また、フラットスクリューの利用によって、ノズルからの造形材料の吐出制御の精度が高められ、第1吐出工程および第2吐出工程による造形物の造形を、容易かつ効率的におこなえる。
この形態の造形装置によれば、第1吐出制御によって形成され、第1方向に強度が高い部位を含む三次元造形物を形成することができる。こうした三次元造形物であれば、第2吐出制御によって形成された部位のみを含む三次元造形物よりも、第1方向における強度が高められる。
この形態の造形装置によれば、フラットスクリューの利用によって、吐出部を小型化できる。また、フラットスクリューの利用によって、ノズルからの造形材料の吐出制御の精度が高めることができ、造形処理を、容易かつ効率的に実行することができる。
Claims (9)
- 三次元造形物の製造方法であって、
造形テーブルの上面に垂直な第1方向に、前記造形テーブルに対するノズルの位置を変えながら、前記ノズルから造形材料を連続して吐出して前記第1方向に前記造形材料を堆積させていく第1吐出工程と、
前記造形テーブルの上面に沿った第2方向に、前記造形テーブルに対する前記ノズルの位置を変えながら、前記ノズルから前記造形材料を連続して吐出して、前記第2方向に沿って前記造形材料を配置していく第2吐出工程と、
前記第1吐出工程、および、前記第2吐出工程を繰り返す繰り返し工程と、
を備える、製造方法。 - 請求項1記載の製造方法であって、
前記繰り返し工程は、前記第1吐出工程によって形成される部位と、前記第2吐出工程によって形成される部位と、を前記第2方向に並ぶように形成する工程を含む、製造方法。 - 請求項1または請求項2記載の製造方法であって、
前記繰り返し工程は、前記第2吐出工程によって形成された複数の材料層に跨がる連結部を、前記第1吐出工程によって形成する工程を含む、製造方法。 - 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の製造方法であって、
前記第1吐出工程は、前記造形材料を吐出しながら、吐出された前記造形材料を冷却する工程を含む、製造方法。 - 請求項4記載の製造方法であって、
前記冷却する工程は、吐出された前記造形材料に対する送風によっておこなわれる、製造方法。 - 請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の製造方法であって、
前記繰り返し工程は、前記第1吐出工程と次回の前記第1吐出工程との間と、前記第2吐出工程と次回の前記第2吐出工程との間の少なくとも一方において、前記ノズルからの前記造形材料の連続した吐出を一時的に停止させ、前記造形テーブルに対して前記ノズルを移動させた後に、前記ノズルからの前記造形材料の連続した吐出を再開する工程を含む、製造方法。 - 請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の製造方法であって、
前記造形材料は、回転しているフラットスクリューに供給された材料の少なくとも一部を溶融させることによって生成される、製造方法。 - 三次元造形物を造形する造形装置であって、
造形材料を造形テーブルに向かって吐出するノズルを有する吐出部と、
前記造形テーブルに対する前記ノズルの位置を変更する移動機構と、
前記吐出部と前記移動機構とを制御して、前記造形材料を前記造形テーブルに配置して前記三次元造形物を造形する造形処理を実行する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記造形処理において、
前記造形テーブルの上面に対して垂直な第1方向に、前記造形テーブルに対する前記ノズルの位置を変えながら、前記ノズルから前記造形材料を連続して吐出して前記第1方向に前記造形材料を堆積させていく第1吐出制御と、
前記造形テーブルの上面に沿った第2方向に、前記造形テーブルに対する前記ノズルの位置を変えながら、前記ノズルから前記造形材料を連続して吐出して、前記第2方向に沿って前記造形材料を配置していく第2吐出制御と、
を繰り返し実行する、造形装置。 - 請求項8記載の造形装置であって、
前記吐出部は、フラットスクリューを有し、回転している前記フラットスクリューに供給される材料の少なくとも一部を溶融させて前記造形材料を生成する造形材料生成部を備える、造形装置。
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