JP2020151937A - 立体造形物を造形する装置、立体造形物を造形する方法、プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】材料噴射造形を行うときの造形品質を向上する。【解決手段】造形物１０が載置される造形ステージ１１と、造形ステージ１１上に造形物１０を順次積層しながら造形する造形ユニット２０とを備え、造形ユニット２０は、複数の吐出手段として、モデル材２０１を吐出する吐出手段である第１ヘッド２１と、サポート材２０２を吐出する吐出手段である第２ヘッド２２とを備え、造形制御手段５０１は、ｎ層目と（ｎ＋１）層目とでＸ方向又はＹ方向の解像度を異ならせて造形材（モデル材、サポート材）を吐出させる制御をする。【選択図】図３

Description

本発明は立体造形物を造形する装置、立体造形物を造形する方法、プログラムに関する。

立体造形物（三次元造形物）を造形する装置として、立体造形物を形成する造形材（モデル材）と、モデル材の形状支持用のサポート材とを使用し、モデル材、サポート材の吐出、平坦化（平滑化）、硬化を繰り返し、最終的にサポート材を除去してモデル材からなる立体造形物を造形する材料噴射造形方式（マテリアルジェット方式）のものが知られている。

従来、造形ステージに対して相対的に第１走査方向及び第２走査方向に走査するヘッドユニットと、ヘッドユニットに配置され、造形ステージに向けて光硬化性のモデル材を吐出する第１吐出ヘッドと、ヘッドユニットに配置され、造形ステージに向けて光硬化性のサポート材を吐出する第２吐出ヘッドと、第１および第２走査方向において第１吐出ヘッドと第２吐出ヘッドとの間に配置され、第１吐出ヘッドにより吐出されたモデル材、および、第２吐出ヘッドにより吐出されたサポート材に光を照射することによって当該モデル材およびサポート材を硬化させる光源とを備えるものが知られている。（特許文献１）。

特開２０１５−２０８９０４号公報

ところで、吐出手段によって造形材を吐出するとき、滴量のばらつきによってスジ状の凹凸が発生し、造形品質が低下するという課題がある。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、立体造形物の造形品質を向上することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係る立体造形物を造形する装置は、
吐出手段から造形材を吐出して造形層を形成し、前記造形層を積層して立体造形物を造形する装置であって、
ｎ層目と（ｎ＋１）層目とでＸ方向又はＹ方向の解像度を異ならせて前記造形材を吐出させる制御をする手段を備えている
構成とした。

本発明によれば、立体造形物の造形品質を向上することができる。

本発明に係る立体造形物を造形する装置の一例の模式的説明図である。 同装置の造形動作の制御に係わる部分のブロック図である。 本発明の第１実施形態における造形動作の説明に供する断面説明図である。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。本発明に係る立体造形物を造形する装置の一例の概要について図１を参照して説明する。図１は同装置の模式的説明図である。

この立体造形物を造形する装置（立体造形装置という。）１００は、材料噴射造形装置であり、造形物１０が載置される造形ステージ１１と、造形ステージ１１上に造形物１０を順次積層しながら造形する造形ユニット２０とを備えている。

造形ステージ１１は、Ｚ方向に移動可能に構成されている。また、造形ユニット２０は、Ｘ方向及びＹ方向に移動可能に構成されている。なお、造形ステージ１１を、Ｘ、Ｙ、Ｚのいずれの方向にも移動可能とする構成、造形ユニット２０としてＹ方向の長さを一度に造形できるものを使用して、造形ユニット２０又は造形ステージ１１の移動方向をＸ方向のみとする構成などでもよい。

これにより、造形ステージ１１と造形ユニット２０とを相対的に移動させ、往路及び復路のすくなくともいずれかで造形動作を行うことができる。

造形ユニット２０は、複数の吐出手段として、モデル材２０１を吐出する吐出手段である第１ヘッド２１と、サポート材２０２を吐出する吐出手段である第２ヘッド２２とを備えている。

また、造形ユニット２０は、吐出されたモデル材２０１及びサポート材２０２をそれぞれ平坦化（平滑化）する平坦化手段である１つの平坦化ローラ２３と、活性エネルギー線としての紫外線を照射してモデル材２０１及びサポート材２０２をそれぞれ硬化させる２つの硬化手段である硬化ユニット２４Ａ、２４Ｂとを備えている。

ここでは、Ｘ方向において、造形ユニット２０が相対的に往路方向に移動するとき、第１ヘッド２１の上流側に平坦化ローラ２３を、平坦化ローラ２３の上流側に硬化ユニット２４Ａをそれぞれ配置している。また、同じく、第１ヘッド２１の下流側に第２ヘッド２２を、第２ヘッド２２の下流側に硬化ユニット２４Ｂを並べて配置している。

次に、立体造形装置の造形動作の制御に係わる部分の概要について図２を参照して説明する。図２は同制御に係わる部分のブロック図である。

造形制御手段５０１は、造形動作を制御する手段であり、例えば、ＣＰＵ、ＣＰＵに本発明に係わる制御を含む造形動作の制御を実行させるための本発明に係るプログラムを含むプログラム、その他の固定データを格納するＲＯＭと、造形データ等を一時格納するＲＡＭなどで構成される。

造形制御手段５０１は、外部の造形データ作成装置６００から造形データを受信する。造形データ作成装置６００は、最終形態の造形物（立体造形物）をスライスしたスライスデータである造形データ（断面データ）を作成する装置であり、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置で構成されている。

造形制御手段５０１は、モデル材２０１を吐出する第１ヘッド２１を駆動制御するヘッド駆動制御部５０８に対して造形データを転送し、ヘッド駆動制御部５０８は第１ヘッド２１から造形データに従ってモデル材２０１を吐出させる。

造形制御手段５０１は、サポート材２０２を吐出する第２ヘッド２２を駆動制御するヘッド駆動制御部５０９に対して造形データを転送し、ヘッド駆動制御部５０９は第２ヘッド２２から造形データに従ってサポート材２０２を吐出させる。

造形制御手段５０１は、モータ駆動部５１０を介して造形ユニット２０Ｘ方向に移動させるＸ方向走査機構５５０を構成するモータを駆動し、造形ユニット２０を造形ステージ１１に対して相対的にＸ方向に往復移動させる。

造形制御手段５０１は、モータ駆動部５１１を介して造形ユニット２０をＹ方向に移動させるＹ方向走査機構５５１を構成するモータを駆動し、造形ユニット２０を造形ステージ１１に対して相対的にＹ方向に往復移動させる。

造形制御手段５０１は、モータ駆動部５１２を介して造形ステージ１１をＺ方向に移動（昇降）させるＺ方向走査機構５５２を構成するモータを駆動する。

造形制御手段５０１は、モータ駆動部５１６を介して平坦化ローラ２３を回転させるモータ５５６を回転駆動し、造形ステージ１１上で吐出されたモデル材２０１及びサポート材２０２の平坦化を行う。

造形制御手段５０１は、硬化制御部５１９を介して硬化ユニット２４Ａ、２４Ｂによる紫外線照射を制御して、吐出されたモデル材２０１及びサポート材２０２の硬化を制御する。

ここで、造形制御手段５０１は、本発明に係るプログラムに従って、第１ヘッド２１、第２ヘッド２２と造形ステージ１１とを相対移動させ、ｎ層目と（ｎ＋１）層目とでＸ方向又はＹ方向の解像度を異ならせて造形材（モデル材、サポート材）を吐出させる動作の制御を行う。

次に、本発明に第１実施形態における造形動作について図３を参照して説明する。図３は同造形動作の説明に供する断面説明図である。

第１ヘッド２１，第２ヘッド２２から吐出する造形材の吐出滴量にばらつきが生じた場合、図３に示すように凹部９０が発生し、これがＸ方向に沿ったスジ状の欠陥となる。

つまり、例えば、解像度Ａで造形して造形物１０を積層した場合、吐出滴量の少ない箇所に凹部９０が発生する。この凹部９０は、造形物１０が積層されるに従って増幅され、凹部９０の深さが大きくなる。

そこで、本実施形態では、途中で、解像度Ａから解像度をBに変更して造形物１０を造形して積層する。これにより、ＸＹ平面における滴量の分布が解像度Ａのときから変わるため、凹部９０を補正することができる。

この結果、凹部９０の欠陥が緩和されて（深さが浅くなり）造形物１０の表面が平滑化される。

本発明の一態様において、第ｎ層はラフト層を構成し、第（ｎ＋１）層はオブジェクト層を構成する。ここで「ラフト層」は、最上面がサポート材により形成されている層を意味し、「オブジェクト層」はモデル材により形成されている層を意味する。好ましい一態様において、ラフト層（すなわち第ｎ層）はオブジェクト層（すなわち第（ｎ＋１）層）より解像度が高い。

本発明の他の一態様において、主走査動作におけるヘッドの往路及び復路の両方において造形材を吐出する（すなわち造形動作を行う）。かかる態様においては、第ｎ層の形成時には往路及び復路で造形材の着弾位置を異ならせることが好ましい。一方、第（ｎ＋１）層の形成時には、造形材の着弾位置は同一であることが好ましい。

本発明の別の一態様において、第ｎ層も第（ｎ＋１）層もオブジェクト層を構成する。かかる態様においても、第ｎ層の解像度は第（ｎ＋１）層の解像度よりも高いことが好ましい。この場合においても、第ｎ層の形成時には往路及び復路で造形材の着弾位置を異ならせることが好ましい。一方、第（ｎ＋１）層の形成時には、造形材の着弾位置は同一であることが好ましい。

本発明は、上記立体造形装置のみならず、上記立体造形装置を用いて立体造形物を造形する方法、すなわちｎ層目の造形物と（ｎ＋１）層目の造形物とでＸ方向又はＹ方向の解像度を異ならせて前記造形材を吐出させることを特徴とする立体造形方法、及び、そのように立体造形装置を制御するプログラムもまた包含する。

次に、本発明の実施例１と比較例について説明する。

＜実施例１＞
（１）ラフト層の造形
造形テーブル１１に最初にラフト層を形成した。ラフト層は、厚さ０．５ｍｍのモデル材２０１の造形物１０（モデル層）の上に、厚さ０．５ｍｍのサポート材２０２の造形物（サポート層）を形成して作製した。

このとき、モデル層及びサポート層のいずれも、Ｘ方向の解像度を１２００ｄｐｉ、Ｙ方向の解像度を３００ｄｐｉにて造形材を吐出した。積層方向であるＺ方向のピッチは２０μｍとした。

（２）オブジェクト層の造形
上記のようにして造形したラフト層の上に、モデル材によるオブジェクト層を積層して、Ｘ：６０ｍｍ、Ｙ：６０ｍｍ、Ｚ：１０ｍｍの直方体の立体造形物を造形した。このとき、Ｘ方向の解像度は１２００ｄｐｉ、Ｙ方向の解像度は１５０ｄｐｉとした。Ｚ方向のピッチは２０μｍとした。

つまり、ｎ層目をラフト層と、（ｎ＋１）層目をオブジェクト層とし、Ｙ方向の解像度は、ｎ層目の解像度３００ｄｐｉ、（ｎ＋１）層目の解像度１５０ｄｐｉとして、解像度を異ならせた。

＜比較例１＞
（１）ラフト層の造形
実施例１と同様にして、ラフト層を造形した。
（２）オブジェクトの造形
上記のようにして造形したラフト層の上に、モデル材によるオブジェクト層を積層して、Ｘ：６０ｍｍ、Ｙ：６０ｍｍ、Ｚ：１０ｍｍの直方体の立体造形物を造形した。このとき、Ｘ方向の解像度は１２００ｄｐｉ、Ｙ方向の解像度は３００ｄｐｉとした。Ｚ方向のピッチは２０μｍとした。

つまり、ｎ層目をラフト層と、（ｎ＋１）層目をオブジェクト層とし、Ｙ方向の解像度は、ｎ層目の解像度３００ｄｐｉ、（ｎ＋１）層目の解像度３００ｄｐｉとして、解像度を同じにした。

＜評価＞
実施例１及び比較例１で得られた立体造形物の最上面の表面粗さを計測した。測定機は東京精密製サーフコム１４００Ｄを用いた。触針径：２μｍ、カットオフ波長λｃ：２．５ｍｍ、走査速度：０．６ｍｍ／ｓｅｃ、評価長さ：１２．５ｍｍ、測定長さ：１５ｍｍとした。走査方向をＹ方向に平行な方向とし、任意の位置を５箇所測定し、表面粗さＲａを算出した。５箇所の最悪値をＲａ値とした。

この結果、実施例１は１．８μｍ、比較例１は５．２μｍとなり、実施例１は比較例１よりも造形品質が高くなることが確認された。

１００ 立体造形装置
１０ 造形物
１１ 造形ステージ
２０ 造形ユニット
２１ 第１ヘッド
２２ 第２ヘッド
２３ 平坦化ローラ（平坦化手段）
２４ 硬化ユニット（硬化手段）
２１０ 造形物の層
２１１ モデル材層
２１２ サポート材層
５０１ 造形制御手段

Claims (9)

1. 吐出手段から造形材を吐出して造形物を形成し、前記造形物を積層して立体造形物を造形する装置であって、
   ｎ層目の造形物と（ｎ＋１）層目の造形物とでＸ方向又はＹ方向の解像度を異ならせて前記造形材を吐出させる制御をする手段を備えている
   ことを特徴とする立体造形物を造形する装置。
2. 前記ｎ層目の造形物がラフト層を構成し、前記（ｎ＋１）層目の造形物が前記ラフト層上に形成するオブジェクトを構成する
   ことを特徴とする請求項１に記載の立体造形物を造形する装置。
3. 前記ラフト層の解像度は前記オブジェクトの解像度より高い
   ことを特徴とする請求項２に記載の立体造形物を造形する装置。
4. 前記ラフト層は双方向で前記造形材を吐出し、かつ、往路と復路で、前記造形材の着弾位置を異ならせ、
   前記オブジェクトは、前記造形材の着弾位置を同じにする
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載の立体造形物を造形する装置。
5. 前記ｎ層目の造形物及び前記（ｎ＋１）層目の造形物がいずれかもオブジェクトを構成する
   ことを特徴とする請求項１に記載の立体造形物を造形する装置。
6. ｎ層目の解像度が（ｎ＋１）層目の解像度よりも高い
   ことを特徴とする請求項５に記載の立体造形物を造形する装置。
7. 前記ｎ層目は双方向で前記造形材を吐出し、かつ、往路と復路で、前記造形材の着弾位置を異ならせ、
   前記（ｎ＋１）層目は、前記造形材の着弾位置を同じにする
   ことを特徴とする請求項５又は６に記載の立体造形物を造形する装置。
8. 吐出手段から造形材を吐出して造形物を形成し、前記造形物を積層して立体造形物を造形する方法であって、
   ｎ層目の造形物と（ｎ＋１）層目の造形物とでＸ方向又はＹ方向の解像度を異ならせて前記造形材を吐出させる
   ことを特徴とする立体造形物を造形する方法。
9. 吐出手段から造形材を吐出して造形物を形成し、前記造形物を積層して立体造形物を造形する造形動作の制御をコンピュータに行わせるためのプログラムであって、
   ｎ層目の造形物と（ｎ＋１）層目の造形物とでＸ方向又はＹ方向の解像度を異ならせて前記造形材を吐出させる動作の制御を前記コンピュータに行わせるプログラム。

Images