JP2021062583A - 造形装置、造形物の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 材料供給時のフィラーの沈殿分離を抑制でき、機械特性ばらつきの生じにくい造形物を提供すること。【解決手段】 材料を収容する容器と、前記材料を硬化させるための硬化光照射手段と、前記硬化させた硬化物を載置する加工テーブルと、前記加工テーブル上に前記材料を吐出する材料供給手段と、前記容器から前記材料供給手段に前記材料を搬送する供給管と、を有し、前記材料供給手段は、前記容器から搬送された材料を攪拌するための攪拌手段を有することを特徴とする。【選択図】 図1

Description

本発明は、樹脂材料に樹脂材料を硬化する硬化光を選択的に照射して硬化層を形成し、その硬化層を順次積層して三次元物体を製作する造形装置及び造形物の製造方法に関するものである。
強度に優れた造形物を製作する手段として、シリカ等の無機フィラーを混合した材料を用いる造形方法が知られている。
フィラー含有材料で製作した造形物は、フィラーを含まない材料で製作した造形物に比べて曲げ強度や引張強度が向上する一方で、部品ごとのフィラー含有量や同一部品内のフィラー分散状態の変化に伴う機械特性のばらつきが生じやすい問題があった。
フィラー含有材料を用いて機械特性ばらつきの生じにくい造形物を製作する手段として、撹拌機構を有するタンク内で撹拌した材料を供給ノズルに搬送し、供給ノズルから加工域に材料を一定量供給した後に光硬化する方法が知られている(特許文献1参照)。
特開平09−131800
しかしながら、上記特許文献1に記載の方法では、容器から供給ノズルへ材料搬送中、あるいは供給ノズル内でフィラーの沈殿分離が発生するという課題があった。
本発明はこのような点に鑑みなされたものであり、その目的は、造形加工中のフィラーの沈殿分離を抑えた造形装置および造形物の製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の造形装置は、材料供給手段から吐出させた材料に光を照射して前記材料を硬化させて造形物を造形するための造形装置であって、 前記材料供給手段は、吐出させる前の前記材料を攪拌するための攪拌手段を有することを特徴とする。
また、本発明の造形物の製造方法は、材料供給手段から材料を吐出する工程と、前記材料供給手段から材料の吐出を停止とともに、前記吐出した材料に硬化光を照射して硬化層を形成する工程と、を繰り返し、造形物を製造する造形物の製造方法であって、前記材料供給手段は、前記材料の吐出を停止している間、前記材料供給手段に収容されている前記材料を攪拌することを特徴とする。
材料供給手段に撹拌手段を有するため、材料を硬化させる直前まで材料を攪拌することができるため、材料供給時のフィラーの沈殿分離を抑制でき、機械特性ばらつきの生じにくい造形物を製造することが可能となる。
第一の実施形態である造形装置の概略断面図である。 第一の実施形態の変形例である造形装置の概略断面図である。 材料供給手段の概略断面図である。 第二の実施形態である造形装置の概略断面図である。 第二の実施形態の変形例である造形装置の概略断面図である。 実施例で製造したJIS規格に定められたダンベル形引張試験片を示す模式図である。 第一の実施形態に係る造形装置の制御系の構成例を示したブロック図である。 第二の実施形態に係る造形装置の制御系の構成例を示したブロック図である。
本発明の実施の形態を以下より詳細に説明する。
なお、以下に示す構成はあくまでも一例にすぎず、例えば細部の構成については本発明の趣旨を逸脱しない範囲において当業者が適宜変更することができる。
(第一の実施形態)
図1は、本発明の造形装置の一例である第一の実施形態を示す概略断面図である。図2は、第一の実施形態の変形例を示す概略断面図であり、図2は、図1と同様の構成には同じ符号を付し説明を省略する。図1において、1は本実施形態の造形装置によって造形される造形物である。2は容器であり、容器2中には、フィラーを含有する溶融(未硬化)状態の材料3が収容されている。
材料3は、光によって硬化する材料(材料)が好ましく、例えばラジカル重合系樹脂材料としては、アクリレート系の材料である。特にその場合、材料3の材質は、オリゴマーとしてはウレタンアクリレート系、エポキシアクリレート系、ポリエステルアクリレート系、アクリルアクリレート系などから選ぶことができる。
フィラーは、無機物粒子、有機高分子物粒子など、公知の材料を用いることができる。また、粉末状であっても繊維状であってもよい。具体的には、ガラス粉、シリカ粉、アルミナ、アルミナ水和物、酸化マグネシウム、水酸化マグネシウム、硫酸バリウム、硫酸カルシウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウムなどが使用される。また、ケイ酸塩鉱物、ケイソウ土、ケイ砂、ケイ石粉、酸化チタン、アルミ粉、ブロンズ、亜鉛粉、銅粉、鉛粉、金粉、銀粉、ガラス繊維などが使用される。さらに、チタン酸カリウムウィスカー、カーボンウィスカー、サファイアウィスカー、ベリリアウィスカー、炭化ホウ素ウィスカー、炭化ケイ素ウィスカー、窒化ケイ素ウィスカーなどが使用される。本明細書において、硬化後の造形物の強度や耐熱性を高める強化粒子をフィラーと称する。
13は、材料3を硬化させるための硬化光であり、本実施形態においては、容器2の上方から照射を行なう例を示している。5は加工テーブルであり、硬化光13によって材料3を硬化させた硬化物(造形物1)を支持する基台として機能する。加工テーブル5は、硬化物の固化、造形の進行に伴い、昇降装置(不図示)によって、下方に移動させることができる。
10は、材料3を加工テーブル5上に供給する材料供給手段である。図3は、材料供給手段10の拡大図である。図3において、12は例えばスクリュー機構を有する攪拌機構であり、19は撹拌機構の駆動モーター、20は材料投入口である。材料供給手段10には、後述する容器制御部613によりポンプ8を制御することで、収容されている容器2からフィラーを含有する溶融(未硬化)状態の材料3が吸い上げられて供給管7内部を通り材料投入口20から供給され収容される。材料供給手段10に攪拌機構12を備えることで、材料供給時のフィラーの沈殿分離を抑制することが可能となる。また、本実施形態においては、材料供給手段10に冷却機構103を備えている例を示すがこれに限るものではない。冷却機構103を備えていると、材料供給手段10内の材料を冷却することにより、粘度を調整することができる。104は冷却機構103の温度を測定し表示する装置である。材料供給手段10内の材料の粘度を測定するための粘度測定器(不図示)を取り付けておいてもよい。これにより、常に適正な粘度を保持したままの材料を加工テーブル5上あるいは硬化物の上に供給でき、供給後に光ビーム照射で硬化層を形成するまでの間に生じるフィラーの沈殿分離をより抑制できる。
容器2には、ヒーター101および/または撹拌機構4を備えていてもよいがこれに限るものではない。102は、ヒーター101の温度を測定し表示する装置である。ヒーター101および/または撹拌機構4は、後述する容器制御部613によって制御される。ヒーター101および/または撹拌機構4を容器制御部613によって制御されることで、フィラーがより均一に分散された状態で容器2内に材料3を収容しておくことができる。よって、材料供給手段10へ搬送される際、容器2からポンプ8で吸い上げられる材料3内のフィラーの分散状態を良好に保つことができる。ヒーター101は、材料を加熱可能であれば、いずれの設置場所、数でも良い。攪拌機構4も、材料3を攪拌可能であれば、いずれの設置場所、数でも良い。また、容器2に接続される供給管7は、材料供給手段10に搬送可能であれば、いずれの設置場所、数でも良い。また、材料供給手段10は、加工テーブル5上に材料供給可能であれば、加工テーブル5上を左右に移動可能であっても固定されていてもよい。
また、本実施形態における容器2は、加工テーブル5の下方に備えられている、あるいは容器2の中に加工テーブル5が備えられている例を示す。容器2が加工テーブル5の下方に備えられている、あるいは容器2の中に加工テーブル5が備えられている場合は、硬化されなかった材料3を下方に落下させるだけで容器2に収容されている材料と一緒に収容しておくことが可能となるため好ましい。しかし、これに限るものではない。例えば、第一の実施形態の変形例を示す図2のように外部容器17に収容しておいてもよい。つまり、図2に示すように、外部容器17に材料18を収容しておき、外部容器17から、後述する容器制御部613によりポンプ8等を駆動し、供給管7、材料投入口20から材料供給手段10に供給してもよい。外部容器17は、容器2と同様、ヒーター101および/または撹拌機構4を備えていてもよい。
硬化光13は、例えば光源14、ミラーユニット15、レンズユニット16から成る光照射部から照射される。本明細書において、光照射部を硬化光照射手段と称する場合がある。光源14は、例えばレーザ発振器などであり、材料3が例えば紫外線硬化型である場合には、光源14の照射光の波長は、例えば材料3の材質などの条件に適した200〜400nm程度の範囲で選択される。硬化光13の典型的な光波長としては、254nmや365nmが用いられる。ただし、光源14の照射光の波長は必ずしも紫外線領域に限定されるものではなく、材料3の材質によっては他の波長領域の照射光を用いてもよい。光源はレーザ以外にも、UVランプやLEDを用いる方式があるが、いずれの方式を用いても良い。
ミラーユニット15は、ガルバノミラーユニットなどから構成される走査光学系であってもよく、集光レンズ等からなるレンズユニット16を介してXY方向に光源14の照射スポットを走査する。これにより、材料3の造形物1の特定の高さに相当する部位を硬化させることができる。
造形方式としては、例えば硬化光の平面走査と、加工テーブル5の移動を交互に行う方式の他、昇降装置(不図示)によって加工テーブル5を連続的に移動させながら動画形態で硬化光を投影する連続造形方式が考えられる。この連続造形方式の場合には、光源14、ミラーユニット15、レンズユニット16から成る光照射部は動画像を面照射するような動画プロジェクタとして構成することができる。
次に、具体的な造形装置の制御系と、造形制御手順の一例につき説明する。図7は、図1の造形装置の制御系の構成を示している。なお、図7の制御系の構成は、第二の実施形態においても同様に実施できる。
図7の制御系において、制御装置の主体的機能を受け持つCPU601を中心にROM602、RAM603、インターフェース604、608、ネットワークインターフェース609などを配置してある。
CPU601には、ROM602、RAM603、および各種のインターフェース604、608、ないし609が接続される。ROM602には、BIOS等の基本プログラムが格納される。ROM602の記憶領域には、書き換え可能な例えばE(E)PROMのようなデバイスが含まれていてよい。RAM603は、CPU601の演算処理結果を一時的に記憶するワークエリアとして用いられる。CPU601は、ROM602に記録(格納)されたプログラムを実行することにより、後述の造形制御手順を実行する。
後述の造形制御手順を実行させるプログラムをROM602に記録(格納)する場合、この記録媒体は本発明を実施するための制御手順を格納したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を構成する。なお、後述の制御手順を実行させるプログラムは、ROM602のような固定的な記録媒体に格納する他、各種フラッシュメモリや光(磁気)ディスクのような着脱可能なコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納してもよい。このような格納形態は、本発明を実施する制御手順を実行させるプログラムをインストールしたり更新したりする場合に利用できる。また、このような制御プログラムをインストールしたり更新したりする場合、上記のような着脱可能な記録媒体を用いる他、ネットワークインターフェース609を介してネットワーク611からプログラムをダウンロードする方式を利用できる。
CPU601は、ネットワークインターフェース609を介して接続された、例えばTCP/IPのようなプロトコルを用いて通信を行うネットワーク(不図示)上の他の資源と通信することができる。ネットワークインターフェース609は、例えば有線接続(IEEE 802.3など)、無線接続(IEEE802.xxなど)などの各種のネットワーク通信方式によって構成することができる。ネットワーク611に配置されたサーバから後述の造形制御プログラムをダウンロードしてROM602やHDDのような不図示の外部記憶装置にインストールしたり、あるいは既にインストールされているプログラムを新版に更新したりすることもできる。
造形物1を積層的に3次元(3D)造形するための3次元(3D)データは、例えば3DCADのようなデータ形式で、上位のホスト装置610からインターフェース608を介して送信される。インターフェース608は各種の例えば各種のシリアルないしパラレルインターフェース規格に基づき構成することができる。また、ホスト装置610は、ネットワーク端末としてネットワーク611に接続することもできる。この場合も、ホスト装置610は上記同様に本造形装置に対して造形データを供給することができる。
CPU601は、インターフェース604、および光照射制御部605を介して、光源14およびミラーユニット15を制御する。また、CPU601はインターフェース604、およびステージ制御部606を介して加工テーブル5の昇降を昇降装置(不図示)により制御する。また、CPU601はインターフェース604、および材料供給制御部607を介して、材料供給移動手段700、シャッター9、攪拌機構12、冷却機構103を制御する。また、CPU601はインターフェース604、および層厚制御部612を介してスキージ6を制御する。また、CPU601はインターフェース604、および容器制御部613を介してヒーター101、攪拌機構4を制御する。CPU601は、これらの各部を所定の造形シーケンスに応じて制御することにより、全体の造形工程を進行させる。
インターフェース604、608は、例えば各種のシリアルないしパラレルインターフェース規格に基づき構成できる。なお、図7では簡略化のためインターフェース604は1ブロックで示しているが、インターフェース604の右側に図示した各部の通信仕様などに応じてそれぞれ異なる通信方式を持つインターフェース回路によって構成されていてよい。
次に、上記の制御系を用いた造形制御方法について説明する。
まず、材料供給制御部607によって、材料供給移動手段700を駆動し、材料供給手段10を加工テーブル5上に移動させる。そして、材料供給制御部607によって、材料供給手段10のシャッター9を開いて材料3を加工テーブル5上に供給する。所定の時間の後、材料供給制御部607によって、シャッター9を閉じる。材料供給制御部607によって、材料供給手段10の吐出口のシャッター9が開き、加工テーブル5上に材料3が供給される。材料3の自重によって材料3が押し出され、シャッター9を開いている時間によって、材料の供給量が決定されてもよい。あるいは、ピストン等の駆動によって押し出し、材料の供給量を決定してもよい。
材料3を加工テーブル5上に供給した材料供給手段10は、材料供給制御部607によって、材料供給移動手段700を駆動し、硬化光の照射範囲外まで材料供給手段10を移動させ、退避させる。
材料供給制御部607は、シャッターが開くタイミングで攪拌機構12を停止させ、シャッター9が閉じるタイミングで攪拌機構12を稼働させることが好ましい。シャッター9の開閉のタイミングと攪拌機構12の停止稼働を連動させることで、材料3の供給量を安定化させることができる。また、気泡の巻込みを回避させることができる。
次に、層厚制御部612によってスキージ6を移動させ、供給された材料3を所定厚みΔtに均す。その後、光照射制御部605によって、光源14、ミラーユニット15を制御し、加工テーブル5の上方から、材料3を硬化させるための硬化光13の照射を行う。硬化光13を必要部分のみに照射することにより、供給された材料3を選択的に硬化させる。これにより、硬化物(造形物1)が形成される。つまり、加工テーブル5は造形物1の造形済み部位を支持する基台として機能する。
次に、ステージ制御部606によって昇降装置(不図示)を制御し、加工テーブル5を下方に移動させる。この時の加工テーブル5の移動距離は、例えば硬化光の照射により固化させる1層分の厚みΔtにほぼ対応し、例えば0.02mm〜0.2mm程度に設定される。なお、加工テーブル5上あるいは硬化物上に供給する材料(材料)は、加工テーブル5の全面に1層分の厚みΔtを形成可能な量の材料3を供給する。この場合、加工テーブル5の端部から材料3が容器2へ落下してしまい1層分の厚みΔtが変化してしまう場合が考えられる。この1層分の厚みの変化を抑制するために、硬化光の照射範囲外への材料流出を防ぐ堰となるダミー形状を、造形物1を造形するために硬化させた硬化物の外周に同時に造形しても良い。あるいは、加工テーブル5を容器2内の材料3の中に配置し、材料供給手段10による材料の供給は、硬化光の照射範囲およびその周辺のみとしそれ以外は容器2内の材料3を満たしておいても良い。
次に、また、材料供給制御部607によって、材料供給移動手段700を駆動し、材料供給手段10を加工テーブル5上に造形した硬化物(造形物1)上に移動させる。そして、材料供給制御部607によって、材料供給手段10のシャッター9を開いて材料3を加工テーブル5上の硬化物(造形物1)上に供給する。所定の時間の後、材料供給制御部607によって、シャッター9を閉じる。
材料3を加工テーブル5上に造形した硬化物(造形物1)上に供給した材料供給手段10は、材料供給制御部607によって、材料供給移動手段700を駆動し、硬化光の照射範囲外まで材料供給手段10を移動させ、退避させる。
次に、層厚制御部612によってスキージ6を移動させ、供給された材料3を硬化物(造形物1)上面からの厚みが所定厚みΔtになるように均す。その後、光照射制御部605によって、光源14、ミラーユニット15を制御し、加工テーブル5の上方から、材料3を硬化させるための硬化光13の照射を行う。これにより、硬化物(造形物1)の2層目が形成される。
この作業を繰り返し行うことで、加工テーブル5の上に載置された、所望の三次元形状物(造形物1)が製造される。
(第二の実施形態)
図4は、本発明の3次元造形装置の一例である第二の実施形態を示す概略断面図である。図5は、第二の実施形態の変形例を示す概略断面図である。図8は、第二の実施形態に係る造形装置の制御系の構成例を示したブロック図である。図4、図5、および図8は、第一の実施形態と同様の構成には同じ符号を付し説明を省略する。
本発明は、材料供給手段10に攪拌機構を有し、材料供給手段10に、攪拌機構12を備えることで、材料供給時のフィラーの沈殿分離を抑制することが可能となるものである。第一の実施形態では、材料供給手段10に、攪拌機構12を備えることに加えて、材料供給装置10に供給されるフィラーを含有する溶融(未硬化)状態の材料3が収容されている容器2にヒーター101と撹拌機構4を備えている例を示した。あるいは材料供給装置10に供給されるフィラーを含有する溶融(未硬化)状態の材料3が収容されている外部容器17にヒーター101と撹拌機構4を備えている例を示した。
本実施形態では、ヒーター101と撹拌機構4に変えて、あるいは、ヒーター101と撹拌機構4に加えて、容器2から材料供給手段10の間に、粘度調整機構を有する例を示す。
第一の実施形態同様、造形に使用する光硬化材料は、容器2内のフィラーを含む材料が、容器制御部613により、供給管7の入口に設置されたポンプ8を駆動することで吸い上げられて供給管7内部を通り材料供給手段10に搬送される。本実施形態では、容器2に少なくとも2つの供給管7を接続し、容器制御部613によって、少なくとも2つの供給管の入口に設置されたポンプからそれぞれ容器2内の材料を吸い上げることができるようにしている。少なくとも2つの供給管は、容器2の上部に一つ、下部にもう一つ設けることが好ましい。そして、供給管それぞれに粘度測定器202、203が設けられている。また、材料供給手段10にも粘度測定器201が設けられている。
材料供給手段10に搬送された材料は、撹拌機構12を有する材料供給手段10内の樹脂の粘度が粘度測定器201に表示される。供給管内の粘度および材料供給手段10内の粘度は、公知の粘度測定装置によって測定される。材料供給手段に設けた粘度測定器201は、撹拌機構12による攪拌抵抗、消費電力から算出される装置を用いてもよい。各供給管に設ける粘度測定器202、203は、振動式粘度計を用いてもよい。材料供給手段10内の材料の粘度の値は、材料供給制御部607によって、ROM602やHDDのような不図示の外部記憶装置に記憶される。2つの供給管に設けた粘度測定器202、203の値も、容器制御部613によって、ROM602やHDDのような不図示の外部記憶装置に記憶される。記憶された材料供給手段10内の材料の粘度の値が、所定の粘度に収まっていない場合、CPUは、2つの供給管に設けた粘度測定器202、203の値をもとに、各供給管に容器2からポンプによって吸い上げる材料の量(または混合比)を決定する。容器2から各供給管へ吸い上げる材料の量(または混合比)は、材料供給手段10内の粘度が所定の粘度(材料の加工に適した粘度)になるまで繰り返し行われる。搬送された材料は、冷却機構103と撹拌機構12を有する材料供給手段10内で冷却撹拌された状態で保持されてもよいがこれに限るものではない。
また、材料供給手段10への材料補充は、加工テーブル5を備える容器2に格納した材料3を利用しても良いし、図5に示すような加工テーブル5を備えていない外部容器17を利用しても良い。容器2に接続された供給管7は、2つ以上あればいずれの設置場所でもよいが、吸い上げられる材料の粘度の差が大きい場所に設置することが好ましい。例えば、容器の上方および下方に少なくとも一つずつ接続することが好ましい。
また、粘度の異なる材料が収容された容器2を複数備えていてもよい。あるいは粘度の異なる材料が収容された外部容器17を複数備えていてもよい。この場合は、粘度の異なる材料が収容された複数の容器のそれぞれから材料供給手段に材料を供給することができる。
本発明の実施例を以下より詳細に説明する。図1に示すような造形装置を用いて、およそ25℃の環境下で、試験片の造形実験を行った。試験片は、図4に示す、JIS規格に定められたダンベル形引張試験片を用いた。レーザ光13は波長355nm、最大出力1Wの紫外光を用いた。加工テーブル5上に集光する際のビームスポット径はΦ0.1〜0.3mmとした。容器2のサイズはおよそ500mm×500mm×300mmとした。加工テーブル5のサイズは400mm×400mmとした。材料供給手段10の吐出口のサイズはおよそΦ50×100mmとした。加工テーブル5の全面を使用して、サイズ20×170×4mmの試験片を一定間隔で、向きを変えて複数配置した。実験に使用した材料を表1に示す。
材料Aとして、DSM社製SOMOS(登録商標)PerFORMを用いた。また、材料Bとして、日本合成ゴム社製SCR−801を用いた。
Figure 2021062583
表中、粘度とは、室温25℃環境下で添加物が均一分散されている状態の平均粘度を指す。
(実施例1、実施例2、比較例1)
まず、材料Aを使用し、レオメータを用いて保持温度を変えた材料サンプルの粘度を測定した。粘度測定結果を表2に示す。
Figure 2021062583
次に、容器2を材料Aで満たした状態で、一定期間静置した後で、容器2内の材料温度を室温から5℃ずつ変化させて一定時間撹拌し、フィラーの分散状態を評価した。評価結果は、A:良好、B:容器底の一部にフィラー堆積あり、の2段階で記載した。結果を表3に示す。
Figure 2021062583
上記表3によれば、容器2内の材料を加熱した状態で撹拌すると、良好なフィラー分散状態を得ることができた。また、大量の材料を収容した容器内の材料を加熱せずに高粘度状態で撹拌した場合、容器内で粘度のばらつきが認められた。目視レベルでも、容器の底の一部にフィラー堆積が認められた。
次に、実施例1として、表3記載の(1)〜(6)の温度条件で撹拌した材料を、材料供給手段に搬送した。その後、材料供給手段内で撹拌しながら室温25℃に冷却し、粘度を1900[mPa・s]とした後、材料供給手段のシャッターを開けて加工テーブル5上に材料を供給し、試験片を製造し、試験片の形状精度を評価した。
実施例2として、表3記載の(1)〜(6)の温度条件で撹拌した材料を、材料供給手段に搬送した。その後、材料供給手段内で撹拌した後、材料供給手段のシャッターを開けて加工テーブル5上に材料を供給し、試験片を製造し、試験片の形状精度を評価した。
比較例1として、表3記載の(1)〜(6)の温度条件で撹拌した材料を、攪拌手段のない材料供給手段に搬送した。その後、材料供給手段のシャッターを開けて加工テーブル5上に材料を供給し、試験片を製造し、試験片の形状精度を評価した。
評価結果は、A:良好、B:比較例に比べればよいがAよりは劣る、C:不良、の3段階で評価した。評価結果を表4に示す。
Figure 2021062583
表4によれば、材料供給手段内で撹拌および冷却して粘度を調整した実施例1では、スキージ6による表面均し工程においてスジ、ムラなど不良が発生することなく、造形形状精度は良好であった。材料供給手段内で撹拌はしたが冷却は行わなかった実施例2では、比較例よりは良好ではあったものの、スジ、ムラの発生が少し見られたが問題ない程度であった。材料供給手段内で撹拌も冷却も行わなかった比較例1では、スジ、ムラなど不良が発生してしまった。
次に、実施例1、実施例2、比較例1で造形したダンベル形引張試験片21の機械特性を評価した。評価結果は、A:良好、B:比較例に比べればよいがAよりは劣る、C:不良、の3段階で評価した。結果を表5に示す。
Figure 2021062583
表5によれば、材料供給手段内で撹拌および冷却して粘度を調整した実施例1では、光硬化直前までフィラー分散状態を保つことができるので、良好な機械特性をもつ光造形部品を得ることができた。ただ、容器内の材料を55℃以上に加熱してしまうと、材料が熱劣化するために、機械強度が少し低下した。材料供給手段内で撹拌はしたが冷却は行わなかった実施例2では、比較例よりは良好ではあったものの、少し機械強度の低下が見られたが問題ない程度であった。材料供給手段内で撹拌も冷却も行わなかった比較例1では、機械強度が低下した。
(実施例3、実施例4、比較例2)
実施例1と同様の光造形装置を用いて、表1記載の材料Bを使用した実験を行った。まず初めに、レオメータを用いて保持温度を変えた材料サンプルの粘度を測定した。粘度測定結果を表6に示す。
Figure 2021062583
上記表6によれば、加熱により材料粘度が下がることが確認できた。
次に、容器2を材料Bで満たした状態で、一定期間静置した後で、容器内の材料温度を室温から5℃ずつ変化させて一定時間撹拌し、フィラーの分散状態を評価した。評価結果は、A:良好、B:容器底の一部にフィラー堆積あり、の2段階で記載した。結果を表7に示す。
Figure 2021062583
上記表7によれば、容器内の材料を加熱し、材料粘度が一定以下に下がった状態で撹拌すると、良好なフィラー分散状態を得ることができた。また、大量の材料を格納した容器内の材料の加熱温度が低い、もしくは加熱せずに高粘度状態で撹拌した場合、容器内で粘度のばらつきが認められた。目視レベルでも、容器底の一部にフィラー堆積が認められた。
次に、実施例3として、表7記載の(8)〜(11)の温度条件で撹拌した材料を材料供給手段に搬送した。その後、材料供給手段内で撹拌しながら(8)〜(10)は室温25℃に冷却し、粘度を5000[mPa・s]とした後、材料供給手段のシャッターを開けて加工テーブル5上に材料を供給し、試験片を製造し、試験片の形状精度を評価した。(11)は、室温20℃に冷却し、粘度を7000[mPa・s]とした後、材料供給手段のシャッターを開けて加工テーブル5上に材料を供給し、試験片を製造し、試験片の形状精度を評価した。
実施例4として、表7記載の(8)〜(11)の温度条件で撹拌した材料を、材料供給手段に搬送した。その後、材料供給手段内で撹拌した後、材料供給手段のシャッターを開けて加工テーブル5上に材料を供給し、試験片を製造し、試験片の形状精度を評価した。
比較例2として、表7記載の(8)〜(11)の温度条件で撹拌した材料を、攪拌手段のない材料供給手段に搬送した。その後、材料供給手段のシャッターを開けて加工テーブル5上に材料を供給し、試験片を製造し、試験片の形状精度を評価した。
評価結果は、A:良好、B:比較例に比べればよいがAよりは劣る、C:不良、の3段階で評価した。評価結果を表8に示す。
Figure 2021062583
表8によれば、材料供給手段内で撹拌および冷却して粘度を調整した実施例3では、スキージ6による表面均し工程においてスジ、ムラなど不良が発生することなく、造形形状精度は良好であった。ただし、冷却により材料粘度が7000[mPa・s]以上にあがってしまうと、比較例よりは良好ではあったものの、スジ、ムラの発生が少し見られたが問題ない程度であった。材料供給手段内で撹拌はしたが冷却は行わなかった実施例4では、比較例よりは良好ではあったものの、スジ、ムラの発生が少し見られたが問題ない程度であった。材料供給手段内で撹拌も冷却も行わなかった比較例2では、スジ、ムラなど不良が発生してしまった。
次に、実施例3、実施例4、比較例2で造形したダンベル形引張試験片21の機械特性を評価した。評価結果は、A:良好、B:比較例に比べればよいがAよりは劣る、C:不良、の3段階で評価した。結果を表9に示す。
Figure 2021062583
表9によれば、材料供給手段内で撹拌および冷却して粘度を7000[mPa・s]より小さく調整した実施例3では、光硬化直前までフィラー分散状態を保つことができるので、良好な機械特性をもつ光造形部品を得ることができた。ただ、容器内の材料を55℃以上に加熱してしまうと、材料が熱劣化するために、機械強度が少し低下した。材料供給手段内で撹拌はしたが冷却は行わなかった実施例4では、比較例よりは良好ではあったものの、少し機械強度の低下が見られたが問題ない程度であった。材料供給手段内で撹拌も冷却も行わなかった比較例2では、機械強度が低下した。
(実施例5)
本実験では、材料Aを使用した。まず初めに、容器2の攪拌手段を停止した直後、24時間経過後、48時間経過後の粘度測定結果を表10に示す。ここでの粘度とは、室温25℃環境下で上部供給管に取り付けられた粘度測定器202、下部供給管に取り付けられた粘度測定器203、材料供給手段に取り付けられた粘度測定器201の値である。
Figure 2021062583
表10によれば、24時間経過後においても48時間経過後においても、供給管から材料供給手段に搬送された材料の材料供給手段における粘度は、造形に適した粘度に達していないことが確認された。
次に、供給管の粘度測定器202、203の値のフィードバックによって算出された混合比率をもとに、材料供給手段10に材料を再度供給した結果、材料供給手段10における粘度が造形適正範囲に収まることを確認し、造形品の形状精度を評価した。評価結果は、A:範囲内、B:範囲外、の2段階で評価した。
(実施例6)
実施例5と同様の造形装置を用いて、表1記載の材料Bを使用した実験を行った。まず初めに、容器2の攪拌手段を停止した直後、24時間経過後、48時間経過後の粘度測定結果を表11に示す。ここでの粘度とは、室温25℃環境下で上部供給管に取り付けられた粘度測定器202、下部供給管に取り付けられた粘度測定器203、材料供給手段に取り付けられた粘度測定器201の値である。
Figure 2021062583
表11によれば、24時間経過後においても48時間経過後においても、供給管から材料供給手段に搬送された材料の材料供給手段における粘度は、造形に適した粘度に達していないことが確認された。
次に、供給管の粘度測定器202、203の値のフィードバックによって算出された混合比率をもとに、材料供給手段10に材料を再度供給した結果、材料供給手段10における粘度が造形適正範囲に収まることを確認し、造形品の形状精度を評価した。評価結果は、A:範囲内、B:範囲外、の2段階で評価した。
1 造形物
2 容器
3 容器内の材料
4 容器内の攪拌機構
5 加工テーブル
6 スキージ
7 供給管
8 ポンプ
9 シャッター
10 材料供給手段

Claims (12)

  1. 材料供給手段から吐出させた材料に光を照射して前記材料を硬化させて造形物を造形するための造形装置であって、
    前記材料供給手段は、吐出させる前の前記材料を攪拌するための攪拌手段を有することを特徴とする造形装置。
  2. 前記材料供給手段は、前記吐出させる前の材料を冷却する冷却手段を有することを特徴とする請求項1記載の造形装置。
  3. 前記吐出させる前の材料は、前記材料を収容しておく容器から供給管を介して搬送され、
    前記容器は、前記収容された材料を加熱する加熱手段を有することを特徴とする請求項1または2記載の造形装置。
  4. 前記容器は、前記収容された材料を攪拌する攪拌手段を有することを特徴とする請求項3記載の造形装置。
  5. 前記材料供給手段は、前記容器から搬送された材料の粘度を測定する粘度測定器が備えられていることを特徴とする請求項3または4記載の造形装置。
  6. 前記供給管は、前記容器の上部および下部にそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項3乃至5いずれか一項記載の造形装置。
  7. 前記それぞれに接続された供給管それぞれに粘度測定器が備えられていることを特徴とする請求項6記載の造形装置。
  8. 前記それぞれの供給管に吸い上げられる前記材料の量が異なることを特徴とする請求項6または7記載の造形装置。
  9. 制御部をさらに有し、
    前記制御部は、前記材料供給手段の前記攪拌手段を停止させた後、前記材料を吐出させるためのシャッターを開き、前記シャッターを閉じた後、前記材料供給手段の前記攪拌手段を稼働させることを特徴とする請求項1乃至8いずれか一項記載の造形装置。
  10. 材料供給手段から材料を吐出する工程と、
    前記材料供給手段から材料の吐出を停止とともに、前記吐出した材料に硬化光を照射して硬化層を形成する工程と、を繰り返し、造形物を製造する造形物の製造方法であって、
    前記材料供給手段は、前記材料の吐出を停止している間、前記材料供給手段に収容されている前記材料を攪拌することを特徴とする造形物の製造方法。
  11. 前記材料供給手段に収容されている材料は、容器に収容されていた材料が搬送された材料であることを特徴とする請求項10記載の造形物の製造方法。
  12. 前記材料供給手段に収容されている材料は、冷却されていることを特徴とする請求項10または11記載の造形物の製造方法。
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