JP2021045906A

JP2021045906A - 立体造形システム

Info

Publication number: JP2021045906A
Application number: JP2019170139A
Authority: JP
Inventors: 幸士木ノ村; Koji Kinomura; 哲村田; Satoru Murata; 達也岩本; Tatsuya Iwamoto; 森山　英明; Hideaki Moriyama; 英明森山
Original assignee: Taisei Corp; Institute of National Colleges of Technologies Japan
Current assignee: Taisei Corp; Institute of National Colleges of Technologies Japan
Priority date: 2019-09-19
Filing date: 2019-09-19
Publication date: 2021-03-25
Anticipated expiration: 2039-09-19
Also published as: JP7386474B2

Abstract

【課題】粘性材料を層状に積み重ねて造形物を形成する場合において、層間の界面に助剤を簡易に設置することを可能とした立体造形システムを提案する。【解決手段】粘性材料Ｃを積層して立体的な造形物を形成する立体造形システム１であって、粘性材料Ｃを吐出する主ノズル２と、主ノズル２の進行方向の後側に配設され、粘性材料Ｃの上面に助剤Ｒを散布する複数の補助ノズル４と、複数の補助ノズル４の中から主ノズル２の進行方向の後側に配設された補助ノズル４を選択する制御手段５とを備えている。【選択図】図３

Description

本発明は、粘性材料を層状に積み重ねることにより造形物を形成する立体造形システムに関する。

粘性材料であるセメント系材料（ペースト、モルタル、コンクリート等）を用いた３Ｄプリンタによる造形物の施工方法が知られている。３Ｄプリンタによる施工方法では、締固めを行わずに粘性材料を積み重ねるため、層間で十分な付着強度が得られずに、層同士の界面が不連続面になる可能性がある。
特許文献１には、セメント系材料により形成された下層の上面に、凝結遅延剤を塗布または噴霧してから、上層を設ける積層構造の製造方法が開示されている。この積層構造の製造方法によれば、凝結遅延剤により下層のセメント系材料の凝結時間を遅らせるため、下層と上層の付着性が向上する。
ところが、下層の上面に凝結遅延剤を塗布または噴霧する作業は手間がかかる。特に大規模な構造物を構築する場合において、各層の上面に凝結遅延剤を塗布または噴霧するためには、仮設足場等を組み立てる必要があり、手間と費用がかかる。

特開２０１７−１１９３６０号公報

本発明は、粘性材料を層状に積み重ねて造形物を形成する場合において、層間の界面に助剤を簡易に設置することを可能とした立体造形システムを提案することを課題とする。

このような課題を解決するために、本発明は、粘性材料を積層して立体的な造形物を形成する立体造形システムであって、前記粘性材料を吐出する主ノズルと、前記粘性材料の上面に助剤を散布する補助ノズルとを備えるものである。前記補助ノズルは、少なくとも前記主ノズルの進行方向の前側および／または後側に配設されている。
第一の発明では、複数の補助ノズルが前記主ノズルの周囲に配設されていて、複数の前記補助ノズルの中から前記主ノズルの進行方向の前側または後側に配設された前記補助ノズルを選択する制御手段を備え、前記制御手段に選択された前記補助ノズルから前記助剤を散布する。第一の発明の立体造形システムにおいて、主ノズルの周囲に配設する補助ノズルの数は、主ノズルの移動方向に追従可能となるように適宜設定すればよい。例えば、主ノズルが平面的に全方向に移動する場合には、八つの補助ノズルを主ノズルの周囲に配設するのが望ましい。
第二の発明では、前記補助ノズルが、前記主ノズルの移動に伴い当該主ノズルの進行方向の前側または後側に配置されるように、前記主ノズルの周囲を回動可能に設けられている。
第三の発明では、前記補助ノズルが前記主ノズルの進行方向の前側または後側に配設されていて、前記主ノズルは進行方向に応じて縦軸を中心に回動し、前記補助ノズルは前記主ノズルとともに回動する。
かかる立体造形システムによれば、主ノズルの近傍に設けられた補助ノズルにより助剤を散布するため、助剤を塗布または噴霧するための作業を別途実施する必要がなく、その作業の手間および費用を削減することができる。
補助ノズルは、主ノズルの前側または後側から助剤を散布するため、層間の界面の助剤を散布することができ、その結果、層間の付着性の向上を図ることができる。

本発明の立体造形システムによれば、粘性材料を層状に積み重ねて造形物を形成する場合において、層間の付着性を向上させるための助剤を界面に対して簡易に設置することが可能となる。

本発明の実施形態に係る立体造形システム１の概要を示す斜視図である。第一の実施形態の主ノズルおよび補助ノズルを示す斜視図である。立体造形システム１の概要を示す模式図である。第一の実施形態の補助ノズルによる助剤散布の手順を示すフローチャートである。第二の実施形態の主ノズルおよび補助ノズルの概要を示す図であって、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。第三の実施形態の主ノズルおよび補助ノズルの概要を示す平面図である。

＜第一の実施形態＞
第一の実施形態では、セメント系材料を主材とする粘性材料Ｃをノズルから押し出しながら二次元形状を生成し、これを高さ方向に積層することにより三次元の造形物（立体的な造形物）を形成する場合について説明する。本実施形態では、図１に示す立体造形システム１を利用して造形物を形成する。立体造形システム１は、主ノズル２、ノズル支持手段３、補助ノズル４、制御手段５を備える、いわゆる３Ｄプリンタである。
主ノズル２は、粘性材料Ｃを吐出しながら平面移動する（図３参照）。主ノズル２は、平面移動により所定の二次元形状を形成したら、上方に移動する。すなわち、主ノズル２は、三次元的に移動可能に、ノズル支持手段３により支持されている。主ノズル２は、図２に示すように、漏斗状を呈しており、吐出口が下向きに設けられている。主ノズル２の吐出口の周囲には複数の補助ノズル４が取り付けられている。主ノズル２は、図３に示すように、制御手段５に接続されていて、制御手段５からの信号に応じて粘性材料Ｃの吐出を行う。

本実施形態のノズル支持手段３は、主ノズル２をＸ軸およびＹ軸に沿って平面移動させるとともに、Ｚ軸に沿って上下動させる。すなわち、立体造形システム１は、ノズル支持手段３を介して主ノズル２を３次元的に移動させることで、立体的な造形物を形成することを可能としている。本実施形態のノズル支持手段３は、図1に示すように、Ｘ軸に沿って配設されたＸ軸レール３１と、Ｙ軸に沿って配設された一対のＹ軸レール３２と、Ｚ軸に沿って立設されたＺ軸柱３３とを備えている。Ｘ軸レール３１は、主ノズル２を摺動可能に支持している。主ノズル２は、Ｘ軸レール３１に沿って移動することで、Ｘ軸方向に移動する。また、Ｘ軸レール３１は、一対のＹ軸レール３２に摺動可能に横架されている。Ｘ軸レール３１がＹ軸レール３２に沿って摺動することで、主ノズル２がＹ軸方向に移動する。また、主ノズル２がＸ軸レール３１に沿って移動するのと同時にＸ軸レール３１がＹ軸レール３２に沿って移動することで、主ノズル２が斜め方向に移動する。すなわち、Ｘ軸レール３１およびＹ軸レール３２により、主ノズル２を自由に平面移動させることができる。さらに、Ｙ軸レール３２は、Ｚ軸柱３３によって上下動可能に支持されている。Ｙ軸レール３２がＺ軸柱３３に沿って移動することで、主ノズル２が上下動する。
ノズル支持手段３は、図３に示すように、制御盤５１を介して制御手段５に接続されており、制御手段５から送信された信号に応じてＸ軸レール３１およびＹ軸レール３２を移動させることで、主ノズル２を所定の方向に移動させる。

補助ノズル４は、主ノズル２から吐出された粘性材料Ｃの上面に助剤Ｒを散布する。図２に示すように、本実施形態では、八つの補助ノズル４が主ノズル２の周囲に配設されている。補助ノズル４は、治具を介して主ノズル２に固定されている。すなわち、補助ノズル４は、主ノズル２とともに移動する。補助ノズル４同士の間隔は等間隔である。補助ノズル４は、図３に示すように、助剤Ｒを貯留するタンク４１から延設された送液管４２の先端に取り付けられていて、送液管４２を介して供給された助剤Ｒを散布する。本実施形態では、タンク４１から延設された送液管４２に電磁弁４３を介して分岐管４４が接続されていて、補助ノズル４は分岐管４４に接続されている。電磁弁４３は、制御手段５に電気的に接続されていて、制御手段５から送信された信号に応じて分岐管４４の弁の開閉を行う。タンク４１には、コンプレッサー４５が接続されていて、コンプレッサー４５からタンク４１に供給された圧縮空気によりタンク４１内の圧力を上昇させることで、送液管４２を介して助剤Ｒを圧送する。

本実施形態の補助ノズル４は、図２に示すように、主ノズル２の吐出口よりも高い位置に配設されている。補助ノズル４は、噴射方向が斜め下向きになるように配設されている。また、補助ノズル４は、粘性材料Ｃの上方から粘性材料Ｃの上面の幅と同程度の幅に均等に助剤Ｒを散布する。補助ノズル４には、充円錐ノズル、空円錐ノズル等、様々な種類の中から選定したものを使用する。補助ノズル４の種類は、選定した助剤Ｒの標準散布量、安定的に散布できる噴霧圧力の範囲、ノズル固有の噴霧角度、対象とする粘性材料Ｃの積層幅等を考慮して、予備試験などを行って決定すればよい。なお、粘性材料Ｃの積層幅の外側に助剤Ｒを噴霧することがないように、積層幅内に均等に散布できる補助ノズル４を取り付けることが望ましい。また、補助ノズル４の噴射方向は限定されるものではなく、例えば、鉛直であってもよい。

助剤Ｒの散布は、八つの補助ノズル４のうちの制御手段５により選択された補助ノズル４のみから行われる。制御手段５により選択された補助ノズル４は、主ノズル２から粘性材料Ｃが吐出されている際に助剤Ｒを散布する。なお、主ノズル２から粘性材料Ｃが吐出されていない場合は、補助ノズル４から助剤Ｒは散布しない。ここで、助剤Ｒには、粘性材料Ｃ同士の接合性を向上するための材料を使用する。本実施形態では、吐出後の粘性材料Ｃの表面の硬化を遅延させることを目的として凝結遅延剤を使用する。なお、助剤Ｒには、凝結遅延剤等のコンクリート用化学混和剤の他、水等を使用することができる。

制御手段５は、主ノズル２および補助ノズル４を制御する。制御手段５は、図４に示すように、まず、製造する造形物の各データを取得する（Ｓ１）。制御手段５は、取得した造形物のデータに基づいて、主ノズル２の移動方向や主ノズル２からの粘性材料Ｃの吐出の制御を行う。また、制御手段５は、助剤Ｒを散布する補助ノズル４を選択する機能、選択した補助ノズル４に供給する助剤Ｒの量を制御する機能を備えている。本実施形態では、複数の補助ノズル４の中から主ノズル２の進行方向の後側に配設された補助ノズル４を選択する。制御手段５により選択された補助ノズル４から助剤Ｒが散布される。制御手段５は、造形物の各データに基づいて、式１を利用して主ノズル２の進行角度を算出する（Ｓ２）。次に、式２により、主ノズル２の移動方向の角度にπを加算して、主ノズル２の逆方向の角度を算出する（Ｓ３）。主ノズル２の逆方向の角度を算出したら、八個の補助ノズル４のうち、この角度の最も近い位置にある補助ノズル４を選出する（Ｓ４）。主ノズル２から粘性材料Ｃが吐出されている場合は、選出された補助ノズル４の弁を開いて、補助ノズル４から助剤Ｒを散布させる（Ｓ５）。

立体造形システム１を利用した造形物の形成方法では、ノズル支持手段３を用いて所定のルートに沿って主ノズル２を移動させつつ、主ノズル２から粘性材料Ｃを吐出する。このとき、主ノズル２の進行方向後側に配設された補助ノズル４から助剤Ｒを吐出し、主ノズル２から吐出された粘性材料Ｃの上面に助剤Ｒを散布する。主ノズル２の進行方向が変化した場合には、助剤Ｒを散布する補助ノズル４が変更される。
粘性材料Ｃにより所定の形状の二次元形状が生成されたら、主ノズル２を上方に移動させて、同様の動作を繰り返すことで、既設の粘性材料Ｃの二次元形状の層の上面に新たな粘性材料Ｃの二次元形状の層を生成する。同様に粘性材料Ｃを繰り返し積層することにより、三次元形状の造形物を形成する。

以上、本実施形態の立体造形システム１を利用した造形物の形成方法によれば、主ノズル２の近傍に設けられた補助ノズル４により助剤Ｒを散布するため、既設の層の上面に助剤Ｒを塗布または噴霧するための作業を別途実施する必要がなく、その作業の手間および費用を削減することができる。
補助ノズル４は、主ノズル２の後側から助剤Ｒを散布するため、層間の界面の助剤Ｒを散布することができ、その結果、層間の付着性の向上を図ることができる。
助剤Ｒを散布する補助ノズル４は、主ノズル２の移動方向に応じて選択されるため、既設の粘性材料Ｃの層の上面に確実に助剤Ｒが散布される。
なお、補助ノズル４の数は、造形物の形状に応じて適宜決定すればよい。例えば、造形物の形状が四角形の場合には、補助ノズル４の数を四つにしてもよいし、造形物の形状が三角形の場合には補助ノズル４の数を三つにしてもよい。このとき、補助ノズル４同士の間隔は必ずしも等間隔である必要はなく、造形物の角に応じて適宜配置すればよい。また、造形物が壁状（直線状）である場合には、補助ノズル４は一つまたは二つであってもよい。

＜第二の実施形態＞
第二の実施形態では、第一の実施形態と同様に、立体造形システム１を利用して、セメント系材料を主材とする粘性材料Ｃを主ノズル２から押し出しながら二次元形状を生成し、これを高さ方向に積層することにより三次元の造形物（立体的な造形物）を形成する場合について説明する。本実施形態の立体造形システム１は、補助ノズル４が主ノズル２の周囲を回動する点で、第一の実施形態の立体造形システム１と異なっている。

補助ノズル４は、主ノズル２から吐出された粘性材料Ｃの上面に助剤Ｒを散布する。本実施形態の補助ノズル４は、主ノズル２の移動に伴い、主ノズル２の進行方向の後側に配置されるように、主ノズル２の周囲を回動可能に設けられている。補助ノズル４は、図５（ａ）および（ｂ）に示すように、ベアリング４６を介して、主ノズル２の外面に取り付けられている。補助ノズル４は、ベアリング４６の外輪に固定されており、ベアリング４６の内輪は主ノズル２の外面に固定されている。ベアリング４６の外輪には、補助ノズル回転用モータ４７から延設された回転伝達ベルト４８が周設されている。補助ノズル回転用モータ４７を駆動させると、回転伝達ベルト４８を介して回転力がベアリング４６に作用するため、補助ノズル４が主ノズル２の周囲に沿って回動する。本実施形態では、三つの補助ノズル４が等間隔で主ノズル２の周囲を囲うように設けられている。助剤Ｒの散布には、三つの補助ノズル４のうちの制御手段５により主ノズル２の進行方向の後ろ側に対し最近傍に位置する補助ノズル４を選択する。これは補助ノズル４が主ノズル２の周囲を回転するために要する時間を最小化し、主ノズル２の移動方向と補助ノズル４による助剤Ｒの散布位置に時間遅れに伴い発生するずれを抑制するためである。制御手段５により選択された補助ノズル４は、主ノズル２の進行方向の後側に位置するように主ノズル２の周囲を回動した後、助剤Ｒを散布する。

制御手段５は、主ノズル２の進行方向に応じて、補助ノズル４が主ノズル２の進行方向後側に位置するように補助ノズル回転用モータ４７を制御するとともに、当該補助ノズル４から助剤Ｒを散布する信号を送信する。
この他、主ノズル２、ノズル支持手段３、補助ノズル４および制御手段５の詳細は、第一の実施形態で示した内容と同様なため、詳細な説明は省略する。

以上、本実施形態の立体造形システム１を利用した造形物の形成方法によれば、主ノズル２の近傍に設けられた補助ノズル４により助剤Ｒを散布するため、既設の層の上面に助剤Ｒを塗布または噴霧するための作業を別途実施する必要がなく、その作業の手間および費用を削減することができる。
補助ノズル４は、主ノズル２の後側から助剤Ｒを散布するため、層間の界面の助剤Ｒを散布することができ、その結果、層間の付着性の向上を図ることができる。
助剤Ｒを散布する補助ノズル４は、主ノズル２の移動方向に応じて移動するため、既設の粘性材料Ｃの層の上面に確実に助剤Ｒが散布される。
なお、補助ノズル４の数は、製造する造形物の形状等を考慮して適宜決定すればよい。例えば、直線的な造形物を製造する場合には、補助ノズル４を一つとしてもよい。その場合には、補助ノズル４を主ノズル２の進行方向の後側に回動させて助剤Ｒを散布すればよい。

＜第三の実施形態＞
第三の実施形態では、第一及び第二の実施形態と同様に、立体造形システム１を利用して、セメント系材料を主材とする粘性材料Ｃを主ノズル２から押し出しながら二次元形状を生成し、これを高さ方向に積層することにより三次元の造形物（立体的な造形物）を形成する場合について説明する。本実施形態の立体造形システム１は、主ノズル２が進行方向の変化に伴って縦軸を中心に回動する点で、第一及び第二の実施形態の立体造形システム１と異なっている。
主ノズル２は、図６に示すように、粘性材料Ｃを吐出しながら平面移動する。主ノズル２は、平面移動により所定の二次元形状を形成したら、上方に移動する。すなわち、主ノズル２は、三次元的に移動可能に、ノズル支持手段３により支持されている。主ノズル２は、制御手段５に接続されていて、制御手段５からの信号に応じて粘性材料Ｃの吐出を行う。本実施形態の主ノズル２は、断面視矩形状を呈していて、一定の幅に粘性材料Ｃを吐出する。また、主ノズル２は、進行方向の変化に伴い縦軸を中心に回転することで、常に同じ幅で粘性材料Ｃを吐出する。

補助ノズル４は、主ノズル２から吐出された粘性材料Ｃの上面に助剤Ｒを散布する。本実施形態の補助ノズル４は、主ノズル２の進行方向の後側に固定されていて、主ノズル２の回動とともに回動する。補助ノズル４は、主ノズル２の後側に治具を介して固定されている。補助ノズル４は、主ノズル２が粘性材料Ｃを吐出している際に、助剤Ｒを散布する。
この他、主ノズル２、ノズル支持手段３、補助ノズル４および制御手段５の詳細は、第一の実施形態で示した内容と同様なため、詳細な説明は省略する。

以上、本実施形態の立体造形システム１を利用した造形物の形成方法によれば、主ノズル２の後側に設けられた補助ノズル４により助剤Ｒを散布するため、既設の層の上面に助剤Ｒを塗布または噴霧するための作業を別途実施する必要がなく、その作業の手間および費用を削減することができる。
補助ノズル４は、主ノズル２の後側から助剤Ｒを散布するため、層間の界面の助剤Ｒを散布することができ、その結果、層間の付着性の向上を図ることができる。
助剤Ｒを散布する補助ノズル４は、主ノズル２の回動に伴って回動するため、既設の粘性材料Ｃの層の上面に確実に助剤Ｒが散布される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前述の実施形態に限られず、各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、下層の硬化を遅らせて下層と上層との付着強度を高めることを目的として、粘性材料Ｃを吐出した直後に、主材の上面に助剤Ｒを散布する場合について説明したが、助剤Ｒを散布する順序は、主材を吐出する直前であってもよい。例えば、自ら反応して硬化する断面修復用のプライマーやポリマーセメントモルタルなどのセメント系材料を助剤Ｒとして使用する場合には、主ノズル２の進行方向前側の補助ノズル４から助剤Ｒを散布するのが望ましい。
ノズル支持手段３の構成は、主ノズル２を３次元的に移動させることが可能であれば限定されるものではなく、例えば多軸式ロボットアームの先端に装着し支持してもよい。
また、前記実施形態では、主ノズル２を３次元的に移動させる立体造形システム１について説明したが、立体造形システム１の構成はこれに限定されるものではない。例えば、主ノズル２が平面移動するとともに造形物が形成される製作テーブルが上下動することで立体的な造形物が形成されるものであってもよい。
補助ノズル４の散布範囲は、円錐状であってもよいし扇状であってもよい。また、補助ノズル４の散布角度は適宜決定すればよい。

１立体造形システム
２主ノズル
３ノズル支持手段
４補助ノズル
５制御手段

Claims

粘性材料を積層して立体的な造形物を形成する立体造形システムであって、
前記粘性材料を吐出する主ノズルと、前記粘性材料の上面に助剤を散布する補助ノズルと、を備え、
前記補助ノズルは、少なくとも前記主ノズルの進行方向の前側および／または後側に配設されていることを特徴とする、立体造形システム。
前記補助ノズルが、前記主ノズルの周囲に複数配設されており、
複数の前記補助ノズルの中から前記主ノズルの進行方向の前側または後側に配設された前記補助ノズルを選択する制御手段と、
前記制御手段で選択された前記補助ノズルから前記助剤が散布されることを特徴とする、請求項１に記載の立体造形システム。
前記補助ノズルは、前記主ノズルの移動に伴い当該主ノズルの進行方向の前側または後側に配置されるように、前記主ノズルの周囲を回動可能に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の立体造形システム。
前記主ノズルは、進行方向に応じて縦軸を中心に回動し、
前記補助ノズルは、前記主ノズルとともに回動することを特徴とする、請求項１に記載の立体造形システム。