JP2021126823A

JP2021126823A - 立体物形成装置

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Publication number: JP2021126823A
Application number: JP2020022807A
Authority: JP
Inventors: 翔切通; Sho Kiritoshi
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2020-02-13
Filing date: 2020-02-13
Publication date: 2021-09-02

Abstract

【課題】形成する立体物の強度異方性が改善可能であり、強度評価に適した立体物を形成することが可能である立体物形成装置を提供することを目的とする。【解決手段】立体物形成装置１０は、熱溶融性素材を吐出することが可能なノズル２０と、傾斜を有する形成面３０ｂを備えたサポート材３０と、サポート材３０に対してノズル２０を相対移動させる移動装置４０と、を有している。立体物形成装置１０は、ノズル２０によって熱溶融性素材を吐出させつつ、ノズル２０がサポート材３０の傾斜に沿うように、移動装置４０によってノズル２０とサポート材３０とを相対移動させることにより立体物６０を形成することができる。これにより、形成された立体物６０の強度異方性が改善され、強度評価に供することに適した立体物６０を提供することが可能である。【選択図】図１

Description

本発明は、熱溶融性素材を積層させることにより立体物を形成することが可能な立体物形成装置に関する。

従来、樹脂等を積層させることにより立体物を形成する装置が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１にかかる装置は、プリントヘッドをＸ方向、Ｙ方向に移動させながらプリントヘッドに搭載された噴射ノズルからプリント材料を噴射することにより材料層を形成している。また、特許文献１にかかる装置は、形成された材料層をＺ軸方向に複数積層することにより、対象物を形成している。

特表２０１９−５２５８５６号公報

上述した特許文献１の装置は、製品開発で試作品を作製する等の用途で主に利用されている。このような製品開発の段階においては、素材の選定や形状による強度テスト等に試作品を使用したいという要請もある。

しかしながら、上述した特許文献１の装置は、対象物の形状に関わらず、Ｚ軸方向に所定高さのプリント材料を積層して対象物を形成するようにしている。そのため、対象物は、射出成形などで製造された同形状の製品と比較して、特有の強度異方性（層の形成方向によって強度が異なる）を有している。従って、特許文献１の装置で対象物としての試作品を製作した場合、強度評価に供し難いという問題がある。また、噴射ノズルの移動方向に制約があり、形成できる対象物の自由度が低いという問題もある。

図５は、特許文献１のような従来装置を用いて作製した曲面形状部材８０の断面を表したものである。曲面形状部材８０は、部位によって材料層８０ａの積層状態が異なるため、部材の強度が均一とならず、強度異方性が生じる問題がある。そのため、強度テストが必要な試作品を製作するには適さない問題があった。また、かかる場合は、金型を製作し、射出成形等により、実際の製品とほぼ同等の試作品を製作する必要があり、コストや時間を要する問題があった。

そこで、本発明者等は、立体物の強度異方性について以下のような検証を行った。図６（ａ）及び図６（ｂ）は、特許文献１のような従来装置を用いて作製したダンベル状部材８１，８２の断面を表したものであり、層構造が異なる以外は同一の材質及び形状で形成されている。ダンベル状部材８１は、Ｘ軸方向が長軸となるように材料層８０ａが形成されたものであり、ダンベル状部材８２は、Ｘ軸方向が短軸となるように材料層８０ａが形成されたものである。ダンベル状部材８１については、Ｘ軸方向への引張試験と、Ｚ軸方向からのアイゾット衝撃試験とを行い、ダンベル状部材８２については、Ｚ軸方向への引張試験と、Ｘ軸方向からのアイゾット衝撃試験とを行った。なお、比較評価として、素材には、ＰＣ−ＡＢＳ（ポリカＡＢＳ）とＮｙｌｏｎ６の２種類を用いた。これらの強度比較結果は、図７に示すとおりである。

図７に示すように、材料層８０ａの形成方向により、形成された立体物が強度異方性を有することがわかる。従って、上述した曲面形状部材８０のように材料層８０ａの積層状態が、層毎に異なるものであると、部材の強度にばらつきが生じることがわかる。

そこで、本発明は、形成する立体物の強度異方性が改善可能であり、強度評価に適した立体物を形成することが可能である立体物形成装置を提供することを目的とする。

（１）上述した課題を解決すべく提供される本発明の立体物形成装置は、熱溶融性素材を吐出することが可能なノズルと、傾斜を有する形成面を備えたサポート材と、前記サポート材に対して前記ノズルを相対移動させる移動装置と、を有し、前記ノズルによって前記熱溶融性素材を吐出させつつ、ノズルがサポート材の形成面に沿うように、前記移動装置によって前記ノズルと前記サポート材とを相対移動させることにより、前記熱溶融性素材の素材層が、サポート材の形成面に沿って形成され、前記素材層が、前記形成面の傾斜に対して垂直な方向に積層されることで立体物を形成可能としたことを特徴とするものである。

本発明の立体物形成装置は、熱溶融性素材を吐出することが可能なノズルを有しているので、樹脂や金属など各種の熱溶融性素材を吐出することが可能である。従って、樹脂や金属などの素材を基にした立体物を形成することができる。また、本発明の立体形成装置は、傾斜を有する形成面を備えたサポート材を有しているので、当該サポート材の形成面に沿った様々な立体形状を形成することが可能である。ここで、形成面には、例えば一定に傾斜した面（傾斜面とも称する）や傾斜が変化する面（湾曲面とも称する）などの他、複数の傾斜面を組み合わせたものや傾斜面と湾曲面を組み合わせたものなどの各種の立体形状のものを採用することができる。これにより、予め型を用意することなく立体物を形成することができる。なお、予め型を用意し、当該型に沿って立体物が形成されるようにしても良い。また、本発明の立体形成装置は、サポート材に対してノズルを相対移動させる移動装置を有しているので、当該サポート材の形状に合わせて自在に熱溶融性素材を吐出させて、様々な形状の立体物を形成することができる。

また、本発明の立体形成装置は、ノズルによって熱溶融性素材を吐出させつつ、ノズルがサポート材の形成面に沿うように、前記移動装置によって前記ノズルと前記サポート材とを相対移動させることが可能である。かかる構成によれば、前記形成面に沿って形成される熱溶融性素材の形成層が、前記形成面と垂直な方向に順次積層形成される。これにより、形成された立体物の強度を全体的に均一化させることができるので、素材本来の強度を維持した熱溶融性素材部品を製造することができる。従って、金型を作製することなく、熱溶融性素材部品を製作できるので、試作品製作レベルの少量部品を安価に製造することができる。また、試作品製作レベルで、強度比較することが可能な部品を提供することができる。これにより、例えば素材の選定や強度テスト等を安価に実施することができる。

本発明の立体形成装置は、熱溶融性素材の素材層が、サポート材の傾斜に沿って形成されるので、素材層を広い面積で形成することができる。従って、素材層に、本来の素材に近い強度を持たせることができる。また、本発明の立体形成装置は、熱溶融性素材の素材層が、形成面の傾斜に対して垂直な方向に積層されることで、立体物が形成されるようにしている。従って、素材層間の面積を広く取ることができ、素材層間の結合強度を高めることができる。また、素材層と垂直な方向からの衝撃に対して、面で受け止めることができるので、形成された立体物の強度を高めることができる。また、熱溶融性素材の素材層が、形成面の傾斜に対して垂直な方向とすることで、より一層形成された立体物の強度を高めることができる。

（２）上述した課題を解決すべく提供される本発明の立体物形成装置は、前記移動装置が、多軸駆動可能であることが望ましい。

かかる構成によれば、移動装置を多彩な方向に駆動させることができるので、ノズルを多彩な方向に駆動させることができる。これにより、複雑な形状の立体物を形成することができる。

（３）上述した課題を解決すべく提供される本発明の立体物形成装置は、前記移動装置が４軸以上の駆動軸を有するものとすることが望ましい。

かかる構成によれば、移動装置を最小限のコストで導入することができるので、強度評価に供することが可能な立体物を安価に製造することができる。これにより、試作品を安価に製作することができ、例えば素材の選定や強度テスト等を安価に実施することができる。ここで、移動装置は、例えばＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向、傾斜方向θを有するものとすると良い。これにより、サポート材の形成面と沿うようにノズルとサポート材とを効率的に相対駆動させることができる。また、移動装置は、ノズルを駆動するものやサポート材を駆動するものなどを採用することができる。

本発明によれば、形成する立体物の強度異方性を改善することが可能であり、強度評価に適した立体物を形成することが可能である立体物形成装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る立体物形成装置の概略図である。本発明におけるサポート材の形成過程を表す説明図である。本発明の立体物形成装置による立体物の形成過程を示す説明図である。本発明における立体物の形成過程を表す説明図である。従来の装置で作製した立体物の説明図である。（ａ）及び（ｂ）は、従来の装置で作製した立体物における熱溶融性素材の積層方向の違いと強度比較方向の説明図である。図６で作製した立体物の材質と積層方向の違いによる立体物の強度の比較結果を表す評価結果表である。

以下では、本発明の一実施形態に係る立体物形成装置１０ついて、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、説明を容易にするため、実際のスケールとは異なっていることに留意されたい。

図１に示すように立体物形成装置１０は、熱溶融性素材を吐出するノズル２０と、熱溶融性素材の吐出対象となるサポート材３０と、サポート材３０に対してノズル２０を相対移動させることが可能な移動装置４０等を有している。立体物形成装置１０は、ノズル２０とサポート材３０とを移動装置４０により相対的に移動させながら、ノズル２０から熱溶融性素材を吐出させることで、立体物６０を形成することができる。また、立体物形成装置１０は、制御部７０を有し、例えば予め用意した立体物６０の設計データに基づいて移動装置４０やノズル２０等を制御することで設計データに則った形状の立体物６０を形成することが可能である。

ノズル２０は、先端に吐出口が形成されており、図示しないポンプ等からの加圧によって前記吐出口から熱溶融性素材を吐出させることが可能である。また、ノズル２０は、吐出口の近傍に図示しない加熱ヒータを有し、熱溶融性素材を加熱して溶融させることが可能である。これにより、溶融された熱溶融性素材が加圧されて、ノズル２０の吐出口から熱溶融性素材が吐出する。ノズル２０からの熱溶融性素材の吐出量は、制御部７０からの制御情報に基づいて制御される。ここで、熱溶融性素材には、例えば、ＰＣ−ＡＢＳやナイロンなどの熱溶融性の樹脂や金属など各種の素材を用いることが可能である。

サポート材３０は、立体物６０を形成する立体形状の基となるものであり、予め用意した立体物６０の設計データに基づき、本発明の立体物形成装置１０等により、形成することができる。図２に示すように、サポート材３０は、機台１上に設けた支持テーブル５０上で形成することができる。

サポート材３０は、後述する立体物６０からの除去を考慮し、立体物６０よりも例えば０．５ｍｍ程度小さく形成すると良い。また、サポート材３０は、例えば、従来の装置と同様にノズル２０をＸ方向及びＹ方向（水平方向とも称する）に移動させて層３０ａを複数積層することで形成することができる。

また、サポート材３０は、表面に立体物６０を形成する際の基準となる形成面３０ｂを有している。形成面３０ｂは、傾斜を有するものとされている。ここで、形成面３０ｂには、例えば一定に傾斜した面（傾斜面とも称する）や傾斜が変化する面（湾曲面とも称する）などの他、複数の傾斜面を組み合わせたものや傾斜面と湾曲面を組み合わせたものなどの各種の立体形状のものを採用することができる。このように、立体物形成装置１０を用いてサポート材３０を形成することで、別途金型を製作する必要がなく、低コストで立体物６０を形成することが可能となる。

移動装置４０は、図１に示すように、機台１上に設けられたロボットアーム４１等で形成されている。ロボットアーム４１は、多軸の駆動軸を有し、ノズル２０を移動自在に支持している。詳細は後述するが、ロボットアーム４１は、ノズル２０の吐出方向がサポート材３０の形成面３０ｂに沿うようにノズル２０を移動させる関係上、４軸以上の自由度を有するものを採用することが望ましい。また、ロボットアーム４１は、制御部７０により、移動自在に制御される。なお、移動装置４０は、サポート材３０を支持する支持テーブル５０を含むものであっても良い。ノズル２０は、吐出した熱溶融性素材やサポート材３０と干渉しないように移動させることができる。また、熱溶融性素材の吐出方向が形成面３０ｂと交差する方向ようにノズル２０とサポート材３０とを相対移動させることで、熱溶融性素材の素材層６０ａを形成面３０ｂと垂直な方向に積層形成しても良い。これにより、素材層６０ａの強度をより一層高めることができる。

支持テーブル５０は、機台１の上部に形成されている。上述した支持テーブル５０は、サポート材３０を、上面で支持することが可能である。また、支持テーブル５０は、ノズル２０が干渉しないようにするために凸状に設けられており、ノズル２０の形状に応じて、適宜の形状に変更することが可能である。なお、上述した移動装置４０は、支持テーブル５０が、ノズル２０に対して相対的に移動可能となるような構成としても良い。この場合は、支持テーブル５０を多軸駆動としたり、支持テーブル５０を多軸駆動のロボットアーム４１に支持したりするものとしても良い。

以上が、本発明の立体物形成装置１０の構成であり、次に本発明の立体物形成装置１０を用いて、立体物６０を形成する形成過程について、図面を参照しながら以下に説明する。

図２に示すように、立体物６０の形成に先立ち、支持テーブル５０上にサポート材３０が形成される。サポート材３０の形成は、制御部７０に入力された設計データに基づき、移動装置４０やノズル２０を移動制御しながら、ノズル２０からの熱溶融性素材の吐出量を制御することで行われる。

サポート材３０は、立体物６０の型となるものであり、立体物６０の形成後に取り除くものであるので、強度は要求されないものである。従って、サポート材３０は、従来と同様に、ノズル２０を支持テーブル５０の上面に沿う方向に往復移動させながら、層３０ａを順次積層することにより形成される。サポート材３０は、例えば、立体物６０から離型しやすい素材としたり、立体物６０よりも僅かに小さい形状（例えば、０．５ｍｍ程度小さい形状）としたりすると良い。これにより、立体物６０の形成後に、サポート材３０を容易に除去することができる。

次に図３に示すように、ノズル２０からの熱溶融性素材の吐出方向がサポート材３０の形成面３０ｂに沿うようにロボットアーム４１を移動制御してノズル２０を移動させる。また、ノズル２０が移動することに伴い、ノズル２０の吐出口から溶融した熱溶融性素材を吐出させて、サポート材３０の形成面３０ｂに熱溶融性素材を吐出させる。ノズル２０は、熱溶融性素材の吐出方向がサポート材３０の形成面３０ｂに沿う状態を維持しながら、形成面３０ｂに沿って移動する。これにより、熱溶融性素材の素材層６０ａが、サポート材３０の形成面３０ｂの傾斜に沿って形成され、素材層６０ａが、形成面３０ｂの傾斜に対して垂直な方向に積層されることで所望の立体物６０が形成される。

次に、図４に示すように、形成された立体物６０から、サポート材３０が除去される。サポート材３０は、上述したように容易に除去することができる。形成された立体物６０は、上述したように複数の素材層６０ａが、形成面３０ｂに沿う方向に均一に積層されている。従って、立体物６０は、強度が全体に亘って均一化され、強度異方性が改善される。これにより、例えば、強度比較を行う場合などに好ましく試作品を供することができる。以上が、立体物６０を形成する形成過程の一実施形態であるが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲内で適宜の変更を行うことができる。

本実施形態においては、ノズル２０の形状が直線的なものであったが、ノズル２０の形状は、様々な形状のものを用いることができる。例えば、ノズル２０の先端部が曲げられた形状のものでも良い。この場合は、ノズル２０における熱溶融性素材の吐出方向が形成面３０ｂに沿うように移動装置４０によってノズル２０とサポート材３０とを相対移動させるようにすれば良い。また、ノズル２０の構造は、熱溶融性素材を吐出可能なものであれば、吐出口の形状、加圧方法及び加熱方法等は各種のものを採用することができる。

本実施形態においては、熱溶融性素材としてＰＣ−ＡＢＳやナイロンなどの他、形成する立体物６０に応じて、各種樹脂や各種金属を用いることが可能である。

本実施形態においては、サポート材３０が凸型の半球状のものを例示したが、サポート材３０は、形成する立体物６０の形状に応じて、各種の形状のものを採用できる。サポート材３０の形成面３０ｂは、例えば一定に傾斜した面（傾斜面とも称する）や傾斜が変化する面（湾曲面とも称する）などを有するものとすることできる。また、サポート材３０の形成面３０ｂは、複数の傾斜面を組み合わせたものや傾斜面と湾曲面を組み合わせたものなど各種の傾斜を有する立体形状を採用することができる。

また、形成面３０ｂには、矩形状のもの、角部を有するもの、凹部を有するものなども採用することができる。また、本実施形態においては、立体物６０の形成に先立ち、サポート材３０を形成するようにしているが、サポート材３０は、予め別の装置で形成しても良い。この場合、射出成形等の他の手段でサポート材３０が形成されていても良い。また、サポート材３０に代え、支持テーブル５０等の形成面を基準として立体物６０が形成されるようにしても良い。この場合は、支持テーブル５０等の形成面を適宜の立体形状とすれば良い。

本実施形態においては、移動装置４０としてロボットアーム４１を用いたが、移動装置４０は、ノズル２０の吐出方向が形成面３０ｂと沿うようにノズル２０とサポート材３０とを相対的に移動させることができるものであれば各種のものを採用できる。例えば、サポート材３０側の支持テーブル５０を多軸駆動で移動自在とし、ノズル２０に対してサポート材３０が移動するものであっても良い。また、例えば、ロボットアーム４１に代えてＮＣ旋盤等の多軸駆動が可能なヘッドにノズル２０を保持させるものであっても良い。また、移動装置４０において、ノズル２０の吐出方向は、形成面３０ｂと交差する方向とすることができる。ノズル２０の吐出方向と形成面３０ｂが交差する方向は、形成する素材層６０ｂの積層方向に応じて、各種の交差角度を採用することができる。交差角度は、形成する立体物６０の用途や目的に応じて適宜変更することが可能である。なお、熱溶融性素材の強度異方性を軽減する上では、ノズル２０の吐出方向が形成面３０ｂと交差する方向が直交する方向又はノズル２０の先端が吐出した樹脂やサポート材３０と干渉しない程度に、直交方向に対して傾斜する方向であることが望ましい。

本実施形態においては、サポート材３０が、立体物６０の形成後に立体物６０から除去されるようにしたが、サポート材３０の除去は、各種の方法を採用することができる。例えば、立体物６０とサポート材３０とを異なる素材で形成しておき、温度変化等でサポート材３０が除去されるものや、サポート材３０のみが溶剤で溶かされて除去されるものであっても良い。また、サポート材３０が切削により除去されるものや、力を加えて立体物６０から剥離されるものであっても良い。また、サポート材３０が除去されないものであっても良い。

また、本実施形態においては、移動装置４０が、４軸以上の駆動軸を有することを例示したが、立体物６０を形成する際に、サポート材３０や支持テーブル５０等と、ノズル２０や移動装置４０等とが干渉しないものであれば、３軸以下の駆動軸を有する移動装置４０であっても良い。なお、複雑な形状の立体物６０を形成する場合は、４軸以上の駆動軸を有する移動装置４０を採用することが望ましい。

なお、本発明は上述した実施形態や変形例において例示したものに限定されるものではなく、特許請求の範囲を逸脱しない範囲でその教示及び精神から他の実施形態があり得ることは当業者に容易に理解できよう。

本発明は、各種形状の立体物の形成に利用することが可能である。また、本発明は、各種機械、自動車、その他各種の産業製品、家庭用品等における試作品の製造に好適に利用することが可能である。

１：機台
２：レール
１０：立体物形成装置
２０：ノズル
３０：サポート材
３０ａ：層
３０ｂ：形成面
４０：移動装置
５０：支持テーブル
６０：立体物
６０ａ：素材層
６１：立体物（ＸＺ方向品）
６２：立体物（ＺＸ方向品）

Claims

熱溶融性素材を吐出することが可能なノズルと、
傾斜を有する形成面を備えたサポート材と、
前記サポート材に対して前記ノズルを相対移動させる移動装置と、を有し、
前記ノズルによって前記熱溶融性素材を吐出させつつ、ノズルがサポート材の形成面に沿うように、前記移動装置によって前記ノズルと前記サポート材とを相対移動させることにより、
前記熱溶融性素材の素材層が、サポート材の形成面に沿って形成され、前記素材層が、前記形成面の傾斜に対して垂直な方向に積層されることで立体物を形成可能としたことを特徴とする立体物形成装置。