JP2020069700A - 三次元造形装置、および三次元造形物 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、三次元造形物の内部に文字や画像を形成（表示）する加工工程において、工程数を低減して三次元造形物を製造する三次元造形装置を提供することができることを目的とする。【解決手段】 本発明の三次元造形装置は、モデル材とサポート材を積層して三次元造形物を製造する三次元造形装置であって、前記モデル材と、前記モデル材よりも可視光に対する透過率が低いサポート材を供給する供給部と、前記三次元造形物に対して文字情報又は画像情報の少なくとも一方を形成する場合、前記サポート材によって前記少なくとも一方の情報を形成し、該少なくとも一方の情報を形成している前記サポート材を前記モデル材で覆うように、前記供給部を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。【選択図】 図３

Description

本発明は、三次元造形装置、および三次元造形物に関する。

近年、所謂３Ｄプリンタを用いて、材料を繰り返し積層することで三次元造形物を製造する三次元造形装置の開発が行われている。三次元造形装置として、二種類以上の材質を積層して、文字等を三次元造形物の内部に形成（表示）するものが知られている。

また、従来、透明な三次元造形物の内部に、レーザーを照射して透明部材内部に微小な変質部分を生じさせて、三次元造形物の内部に文字や画像を形成（表示）する方法が知られている。

例えば、特許文献１では、レーザーをガラス上部より直接照射することにより、透明部材内部への文字や画像等の可視形状の微細加工を行う方法が開示されている。

特開２００２−８７８３４号公報

しかしながら、特許文献１に開示された従来技術では、三次元造形物の内部に文字や画像を形成（表示）する場合、透明部材からなる三次元造形物の外形を樹脂成型や切削加工等をした後に、レーザーによる加工を別工程で実施する。その為、特許文献１に開示されている加工方法では、加工の工程数が増加することによりコストアップとなる恐れがある。また、工程数の増加による加工時間の増加は、生産性が下がる恐れがある。

本発明の目的は、三次元造形物の内部に文字や画像を形成（表示）する加工工程において、工程数を増やさずに三次元造形物を製造する三次元造形装置を提供することである。

本発明の三次元造形装置は、モデル材とサポート材を積層して三次元造形物を製造する三次元造形装置であって、前記モデル材と、前記モデル材よりも可視光に対する透過率が低いサポート材を供給する供給部と、前記三次元造形物に対して文字情報又は画像情報の少なくとも一方を形成する場合、前記サポート材によって前記少なくとも一方の情報を形成し、該少なくとも一方の情報を形成している前記サポート材を前記モデル材で覆うように、前記供給部を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、三次元造形物の内部に文字や画像を形成（表示）する加工工程において、工程数を増やさずに三次元造形物を製造する三次元造形装置を提供することができる。

本発明の実施形態における３Ｄプリンタのシステム構成図である。 本発明の実施形態の三次元造形物の中空部を示した図である。 （ａ）は本発明の実施形態の三次元造形物における文字の造形途中を示した正面図である。（ｂ）は本発明の実施形態の三次元造形物における文字の造形途中を示した右側面図である。 本発明の実施形態の三次元造形物における文字を示した図である。 （ａ）本発明の実施形態の三次元造形物における画像として、バーコード情報とシリアルナンバーを示した正面図である。（ｂ）は本発明の実施形態の三次元造形物における画像として、バーコード情報とシリアルナンバーを示した右側面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

（実施形態）
以下、図１から図５参照して、本発明の実施形態の三次元造形装置と、三次元造形物の製造方法と、三次元造形装置によって製造された三次元造形物１について説明する。

まず本実施形態の三次元造形物の製造方法に関わる造形過程について図１を参照して説明する。図１は、本実施形態の三次元造形装置におけるブロック図を示している。

造型過程の流れは、３Ｄ−ＣＡＤ２により設計したＣＡＤデータをコントローラ３（制御部）に入力する。ＣＡＤデータは三次元造形装置によって製造される三次元造形物１の形状を示す情報を含む。次に、コントローラ３は入力されたＣＡＤデータをＳＴＬデータに変換して３Ｄプリンタ４（三次元造形装置）に送信する。制御部であるコントローラ３は３Ｄプリンタ４と一体でもよいし、３Ｄプリンタ４とは異なる装置であって遠隔で制御してもよい。コントローラ３は、３Ｄプリンタ４の各部の動作を制御して三次元造形物を製造する。

（三次元造形装置について）
３Ｄプリンタ４は、入力されたデータと予め定められたプログラムに基づき、モデル材５をモデル材供給部７より射出し、モデル材５を光照射部８などの光源を用いて硬化させる。３Ｄプリンタ４は、モデル材５を射出し、光照射部８でモデル材５を硬化させることで三次元造形物１を製造することができる装置である。モデル材５として紫外線硬化樹脂を用いる場合は、光照射部８はＵＶ光源が用いられる。光照射部８はモデル材５に用いられる材料に応じて適宜選択しうる。

３Ｄプリンタ４には、モデル材供給部７、光照射部８、サポート材供給部９を備える。また、モデル材供給部７、光照射部８、及び、サポート材供給部９は、ヘッド部１１に一体に備えられていてもよい。

３Ｄプリンタ４は、図３に示すように、モデル材５のオーバーハング部１７には、モデル材５を支える為にモデル材５の下部にサポート材６を射出して三次元造形物１を製造する。３Ｄプリンタ４は、所望する三次元造形物を形成するための材料（モデル材）と、三次元造形物のサポート（図３ではオーバーハング部１７）に使用する材料（サポート材）を別材料とすることができる。モデル材とサポート材を互いに異なる材料とすることで、サポート材６の除去の手間を軽減することができる。

３Ｄプリンタ４は、プラスチック材料を溶かし、押出成形して一層ごとにパーツを構築する熱溶解積層方式や、インクジェットのヘッドから光硬化性樹脂を射出し、ＵＶ光源で紫外線を照射して固めていくインクジェット方式の装置を採用しうる。以後、本実施形態における３Ｄプリンタ４は、インクジェット方式の装置を採用した場合について説明する。

モデル材５は、光を照射することによって硬化する光硬化性樹脂であり、例えば紫外線硬化樹脂を使用しうる。モデル材５は、モデル材供給部７よりモデル材５が射出されると、モデル材供給部７の近傍に設けられた光照射部８から照射される特定の波長の光により硬化する。本実施形態の３Ｄプリンタ４で用いられるモデル材５の材料は、透明又は半透明の熱可塑性樹脂等を使用する。モデル材５は、例えば、ＡＢＳ樹脂、ＰＬＡ樹脂、アクリル樹脂等を使用することができる。

サポート材６は、モデル材５から剥離して除去可能な材料として、水膨潤ゲル、ワックス、熱可塑性樹脂、水溶性材料等が使用できる。サポート材６は、モデル材供給部７の近傍に設けられたサポート材供給部９よりサポート材６が射出されて、モデル材５を支える為にモデル材５のオーバーハング部１７の下部に充填される。

なお、本実施形態において、モデル材５の材料の透過率とサポート材６の材料の透過率は異なっており、モデル材５の可視光に対する透過率よりも、サポート材６の可視光に対する透過率の方が低いものとする。また、モデル材５の材料は、透明又は半透明の熱可塑性樹脂等を使用するのに対し、サポート材６は、黒色又は灰色又は有色の材料とするができる。

（三次元造形物の製造方法について）
次に三次元造形物１の造形過程について詳細に説明する。

オペレータは、３Ｄ−ＣＡＤ２を用いて、三次元造形物１の設計図面にあたるＣＡＤデータを作成する。図２より、ＣＡＤデータは、三次元造形物１の内部に中空部１０が形成されており、その中空部１０によって、文字または画像等が表示されている。図２の場合、文字は、「ＡＢＣＤＥ」と形成され、一方向より認識できるように一意の方向に各文字群が配列されている。３Ｄ−ＣＡＤ２で設計が完了したＣＡＤデータは、オペレータの操作によりコントローラ３に送信される。

コントローラ３は、３Ｄプリンタ４で三次元造形物１を製作する為に必要なデータの変換を行う。具体的には、コントローラ３に入力されたＣＡＤデータ等を、ポリゴンまたはポリゴンメッシュ化して最適化し、さらにＳＴＬデータに変換する。さらに、コントローラ３は、三次元造形装置に応じてスライスデータに変換することができる。スライスデータとは、３Ｄプリンタ４に出力する為に必要な三次元データである。またコントローラ３は、所定のプログラムより、スライスデータに基づいて、モデル材５を射出する造形箇所と、サポート材６を射出するオーバーハング部１７や中空部１０を算出し、その算出結果を３Ｄプリンタ４に送信する。

３Ｄプリンタ４は、コントローラ３からの指令（三次元データ）に基づき三次元造形物１を造形する。図３に示すように、３Ｄプリンタ４は、ヘッド部１１に光照射部８とモデル材供給部７とサポート材供給部９を搭載している。３Ｄプリンタ４は、コントローラ３で得られたスライスデータに基づいて、ヘッド部１１を走査方向に往復動作させると同時にモデル材供給部７からモデル材５の射出を制御して、各層を造形ステージ１８の上に堆積（積層）していく。ここでは、ヘッド部１１が走査駆動する場合について説明するが、造形ステージ１８がヘッド部１１に対して走査駆動することによって三次元造形物を製造してもよい。３Ｄプリンタ４は、三次元データに基づく造形箇所にモデル材５を射出した後、光照射部８（ＵＶ光源）からの紫外線照射によりモデル材５を硬化させる。また、３Ｄプリンタ４は、サポート材供給部９を制御してオーバーハング部１７や中空部１０には、サポート材６を射出する。

三次元造形物１の造形作業が完了した状態では、透明又は半透明のモデル材５の内部に、モデル材５よりも可視光に対する透過率が低いサポート材６により文字情報または画像情報が形成されることで、文字または画像の情報を読み取ることが可能となる。

また、３Ｄプリンタ４のヘッド部１１の走査方向は、図３（ａ）に示すように左右方向に限らず、奥行き方向に走査させてもよい。図３（ｂ）は、ヘッド部１１および製造途中の三次元造形物１の側面図を示している。図３（ｂ）に示すように、塗布部から吐出されるモデル材やサポート材の液滴に対して奥行き方向に幅がある場合には、奥行き方向にもヘッド部１１を走査させてもよい。ヘッド部１１を奥行き方向に走査させる際にも同様に、モデル材供給部７とサポート材供給部９を切り替えて、中空部１０にサポート材６を供給することができる。

なお、従来の３Ｄプリンタ４は、サポート材供給部９から吐出されるサポート材６は１種類のみの構成となるが、サポート材供給部９を複数備えて（サポート材供給部９ａ、９ｂ）いてもよい。例えば、サポート材供給部を複数備えることにより、互いに異なる色のサポート材を供給することが可能になる。例えば、本発明の異なる実施形態として、複数の色を有したサポート材６を構成してもよい。この場合、サポート材供給部９は、複数の色に対応した個数を構成すればよい。また、３Ｄプリンタ４に複数の色のサポート材６が複数の色を有している場合、オペレータはコントローラ３の入力部１２より、それぞれの中空部１０に供給される、所望の色のサポート材を選択することができる。

例えば、図４に示した三次元造形物１のように、文字ＡとＣとＥは黒色のサポート材６ａを選択し、文字ＢとＥは灰色のサポート材６ｂを選択するができる。図４は、複数のサポート材供給部９（サポート材供給部９ａ、９ｂ）を備えるヘッド部１１を走査させることによって、三次元造形物１を製造する場合を示したものである。この場合、サポート材供給部９ａ（サポート材供給部Ａ）は黒色のサポート材６ａを射出し、サポート材供給部９ｂ（サポート材供給部Ｂ）は灰色のサポート材６ｂを射出する。異なる色のサポート材を供給する場合、各層を積層する際にそれぞれの色ごとにヘッド部１１を走査して三次元造形物１を作成してもよいし、複数の種類（例えばモデル材とサポート材）の材料の液滴を平行して供給してもよい。

図４に示す三次元造形物１は、オーバーハング部１７が形成されていない場合について示したものである。図２に示したオーバーハング部が三次元造形物１に形成されている場合は、オーバーハング部１７にサポート材６を供給することになる。複数のサポート材が備わっている場合は、何れのサポート材供給部９（９ａ、９ｂ）から供給されたものであってもよい。また、複数のサポート材６を混ぜて使用してもよい。

なお、上述の実施形態では、中空部１０は文字であったが、画像でもよい。例えば、図５に示すように、中空部１５に１次元コードのバーコード情報１３を形成し、その中空部１５に黒色ないし灰色ないし有色のサポート材６を射出すればよい。また他の実施形態として、中空部１６に、不図示の２次元コード（ＱＲコード（登録商標））や、三次元造形物１の製造番号などを示すシリアルナンバー１４を形成してもよい。図５（ａ）はバーコード情報１３やシリアルナンバー１４が形成された三次元造形物１を正面から見た図を示している。

また、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示した三次元造形物１を側面から見た図を示している。図５（ｂ）に示すように、サポート材６で形成された文字情報や画像情報の認識し易さを向上させる為、文字情報や画像情報は三次元造形物１の外装面から５ｍｍ以下の位置に設けることが望ましい。

以上の構成より、三次元造形物に対して文字情報や画像情報を形成する加工工程において、モデル材５で三次元造形物１を製造する工程と並行して行うことができる。そのため、本実施形態の三次元造形装置は、従来の加工工程を低減して三次元造形物１を製造することを可能とする。

１ 三次元造形物
４ ３Ｄプリンタ（三次元造形装置）
５ モデル材
６ サポート材
７ モデル材供給部
９ サポート材供給部

Claims (12)

1. モデル材とサポート材を積層して三次元造形物を製造する三次元造形装置であって、
   前記モデル材と、前記モデル材よりも可視光に対する透過率が低いサポート材を供給する供給部と、
   前記三次元造形物に対して文字情報又は画像情報の少なくとも一方を形成する場合、前記サポート材によって前記少なくとも一方の情報を形成し、該少なくとも一方の情報を形成している前記サポート材を前記モデル材で覆うように、前記供給部を制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする三次元造形装置。
2. 前記供給部は、前記モデル材を供給するモデル材供給部と、前記サポート材を供給するサポート材供給部と、を有することを特徴とする請求項１に記載の三次元造形装置。
3. 前記供給部から供給されたモデル材に光を照射する光照射部と、を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の三次元造形装置。
4. 前記モデル材は、透明または半透明であって、前記サポート材は、黒色または灰色であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の三次元造形装置。
5. 前記供給部は、前記サポート材を供給するサポート材供給部を複数備え、該複数のサポート材供給部は互いに異なる色からなるサポート材を供給することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の三次元造形装置。
6. 前記制御部は、前記三次元造形物の形状を示すＣＡＤデータに基づき、前記供給部を制御することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の三次元造形装置。
7. 前記画像情報は、１次元コードまたは２次元コードであることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の三次元造形装置。
8. 前記サポート材は、前記モデル材を積層させて三次元造形物を製造する際に、前記モデル材を支えるために用いられることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の三次元造形装置。
9. モデル材とサポート材を積層して製造された三次元造形物であって、
   前記モデル材と、前記モデル材よりも可視光に対する透過率が低いサポート材と、を含み、
   前記サポート材によって文字情報または画像情報の少なくとも一方を形成し、該少なくとも一方の情報を形成している前記サポート材は前記モデル材で覆われていることを特徴とする三次元造形物。
10. 前記モデル材は、透明又は半透明であって、前記サポート材は、黒色または灰色であることを特徴とする請求項９に記載の三次元造形物。
11. 前記サポート材は、前記モデル材を積層させて三次元造形物を製造する際に、前記モデル材を支えるために用いられることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の三次元造形物。
12. 前記画像情報は、１次元コードまたは２次元コードであることを特徴とする請求項９乃至１１の何れか１項に記載の三次元造形物。

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