JP2022072750A - 三次元造形装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】第１造形層と第２造形層との密着性、および第２造形層と第３造形層との密着性を高めることができる三次元造形装置を提供する。【解決手段】積層体を構成する複数の第２造形層のうち、第１層は、第１造形層と接し、第２層は、第３造形層と接し、第３層は、前記第１層と前記第２層との間に位置し、第４層は、前記第１層と前記第３層との間に位置し、前記第２造形層は、第１材料で形成される第１材料領域と、第２材料で形成される第２材料領域と、を有し、前記積層体の積層方向からみて、前記第１層の前記第１材料領域の面積は、前記第４層の前記第１材料領域の面積よりも大きく、前記第２層の前記第２材料領域の面積は、前記第３層の前記第２材料領域の面積よりも大きく、前記第３層の前記第１材料領域の面積は、前記第１層の前記第１材料領域の面積よりも大きい、三次元造形装置。【選択図】図３
Description
本発明は、三次元造形装置に関する。
複数の材料を用いて三次元造形物を造形する三次元造形装置が知られている。複数の材料を用いることで、単一の材料や合金では得られない特性を有する三次元造形物を造形することができる。
例えば特許文献１には、材料の積層方向に対して垂直な垂直方向に異種材料が交互に現
われる境界が形成される三次元造形物の造形方法が記載されている。
われる境界が形成される三次元造形物の造形方法が記載されている。
上記のように複数の材料を用いて三次元造形物を造形する場合、互いに異なる材料の界面における密着性が問題となる。
本発明に係る三次元造形装置の一態様は、
ステージと、
第１材料を供給する第１材料供給手段と、
前記第１材料と異なる第２材料を供給する第２材料供給手段と、
制御部と、
を含み、
前記制御部は、
前記第１材料供給手段を制御して、前記ステージ上に前記第１材料を供給し、第１造形層を形成する処理と、
前記第１材料供給手段を制御して、前記第１造形層の第１領域上に前記第１材料を供給し、前記第２材料供給手段を制御して、前記第１造形層の前記第１領域と異なる第２領域上に前記第２材料を供給し、第２造形層を形成する処理と、
前記第１材料の供給と、前記第２材料の供給と、を複数回繰り返し、複数の前記第２造形層からなる積層体を形成する処理と、
前記第２材料供給手段を制御して、前記積層体上に前記第２材料を供給し、第３造形層を形成する処理と、
を行い、
前記積層体を構成する複数の前記第２造形層のうち第１層は、前記第１造形層と接し、
前記積層体を構成する複数の前記第２造形層のうち第２層は、前記第３造形層と接し、
前記積層体を構成する複数の前記第２造形層のうち第３層は、前記第１層と前記第２層との間に位置し、
前記積層体を構成する複数の前記第２造形層のうち第４層は、前記第１層と前記第３層との間に位置し、
前記第２造形層は、
前記第１材料で形成される第１材料領域と、
前記第２材料で形成される第２材料領域と、
を有し、
前記積層体の積層方向からみて、
前記第１層の前記第１材料領域の面積は、前記第４層の前記第１材料領域の面積よりも大きく、
前記第２層の前記第２材料領域の面積は、前記第３層の前記第２材料領域の面積よりも大きく、
前記第３層の前記第１材料領域の面積は、前記第１層の前記第１材料領域の面積よりも大きい。
ステージと、
第１材料を供給する第１材料供給手段と、
前記第１材料と異なる第２材料を供給する第２材料供給手段と、
制御部と、
を含み、
前記制御部は、
前記第１材料供給手段を制御して、前記ステージ上に前記第１材料を供給し、第１造形層を形成する処理と、
前記第１材料供給手段を制御して、前記第１造形層の第１領域上に前記第１材料を供給し、前記第２材料供給手段を制御して、前記第１造形層の前記第１領域と異なる第２領域上に前記第２材料を供給し、第２造形層を形成する処理と、
前記第１材料の供給と、前記第２材料の供給と、を複数回繰り返し、複数の前記第２造形層からなる積層体を形成する処理と、
前記第２材料供給手段を制御して、前記積層体上に前記第２材料を供給し、第３造形層を形成する処理と、
を行い、
前記積層体を構成する複数の前記第２造形層のうち第１層は、前記第１造形層と接し、
前記積層体を構成する複数の前記第２造形層のうち第２層は、前記第３造形層と接し、
前記積層体を構成する複数の前記第２造形層のうち第３層は、前記第１層と前記第２層との間に位置し、
前記積層体を構成する複数の前記第２造形層のうち第４層は、前記第１層と前記第３層との間に位置し、
前記第２造形層は、
前記第１材料で形成される第１材料領域と、
前記第２材料で形成される第２材料領域と、
を有し、
前記積層体の積層方向からみて、
前記第１層の前記第１材料領域の面積は、前記第４層の前記第１材料領域の面積よりも大きく、
前記第２層の前記第２材料領域の面積は、前記第３層の前記第２材料領域の面積よりも大きく、
前記第３層の前記第１材料領域の面積は、前記第１層の前記第１材料領域の面積よりも大きい。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
１． 三次元造形装置
１．１． 全体の構成
まず、本実施形態に係る三次元造形装置について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る三次元造形装置１００を模式的に示す断面図である。なお、図１では、互いに直交する３軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を示している。Ｘ軸方向およびＹ軸方向は、例えば、水平方向である。Ｚ軸方向は、例えば、鉛直方向である。
１．１． 全体の構成
まず、本実施形態に係る三次元造形装置について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る三次元造形装置１００を模式的に示す断面図である。なお、図１では、互いに直交する３軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を示している。Ｘ軸方向およびＹ軸方向は、例えば、水平方向である。Ｚ軸方向は、例えば、鉛直方向である。
三次元造形装置１００は、図１に示すように、例えば、造形ユニット１０と、ステージ２０と、移動手段３０と、制御部４０と、を含む。
造形ユニット１０は、例えば、支持部材１１０と、第１材料供給手段１２０と、第２材料供給手段１３０と、レーザー１４０と、を含む。
支持部材１１０は、例えば、板状の部材である。支持部材１１０は、第１材料供給手段１２０、第２材料供給手段１３０、およびレーザー１４０を支持している。
第１材料供給手段１２０は、第１材料を供給する。第１材料は、例えば、金属材料である。金属材料としては、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）やクロム（Ｃｒ）、アルミニウム （Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）の単一の金属、もしくはこれらの金属を１つ以上含む合金、また、マルエージング鋼、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、コバルトクロムモリブデン、チタニウム合金、ニッケル合金、アルミニウム合金、コバルト合金、コバルトクロム合金が挙げられる。
第１材料供給手段１２０は、例えば、材料導入部１２１と、モーター１２２と、フラットスクリュー１２３と、バレル１２４と、ヒーター１２５と、ノズル１２６と、を有している。
第１材料供給手段１２０の材料導入部１２１は、フラットスクリュー１２３のバレル１２４側の面に設けられた溝１２３ａに第１材料を導入する。溝１２３ａに導入される第１材料は、例えば、粉末状である。フラットスクリュー１２３は、モーター１２２によって回転させる。ヒーター１２５は、バレル１２４に設けられている。ヒーター１２５の熱によって、第１材料は、溝１２３ａにおいて可塑化される。可塑化された第１材料は、バレル１２４に設けられた連通孔１２４ａを通って、ノズル１２６からステージ２０に向かって吐出される。吐出された第１材料は、ステージ２０において流動性を失った状態となる。
第２材料供給手段１３０は、第１材料と異なる第２材料を供給する。第２材料は、例えば、セラミック材料である。セラミック材料としては、例えば、二酸化ケイ素、二酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムなどの酸化物セラミックスや、窒化アルミニウムなどの非酸化物セラミックスなどが挙げられる。
第２材料供給手段１３０は、例えば、材料導入部１２１と、モーター１２２と、フラットスクリュー１２３と、バレル１２４と、ヒーター１２５と、ノズル１２６と、を有している。第２材料供給手段１３０は、例えば、第１材料供給手段１２０と同じ構成を有している。
レーザー１４０は、第１材料および第２材料にレーザー光を照射する。レーザーは、例えば、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザー、ファイバーレーザー、ＵＶ（ultraviolet）レーザーなどである。
ステージ２０は、造形ユニット１０の下方に設けられている。ステージ２０の造形面２２には、第１材料および第２材料が供給され、三次元造形物が形成される。
移動手段３０は、造形ユニット１０とステージ２０との相対的な位置を変化させる。移動手段３０は、例えば、ステージ２０と第１材料供給手段１２０との相対的な位置、ステージ２０と第２材料供給手段１３０との相対的な位置、およびステージ２０とレーザー１４０との相対的な位置を、同時に変化させる。図示の例では、ステージ２０は、固定されており、移動手段３０は、ステージ２０に対して、造形ユニット１０を移動させる。これにより、ステージ２０と、第１材料供給手段１２０、第２材料供給手段１３０、およびレーザー１４０と、の相対的な位置を変化させることができる。図示の例では、移動手段３０は、支持部材１１０に接続されており、支持部材１１０を移動させることにより、造形ユニット１０を移動させる。
移動手段３０は、例えば、図示しない３つのモーターの駆動力によって、造形ユニット１０をＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向に移動させる３軸ポジショナーによって構成される。移動手段３０のモーターは、制御部４０によって制御される。
なお、移動手段３０は、造形ユニット１０を移動させずに、ステージ２０を移動させる構成であってもよい。この場合、移動手段３０は、ステージ２０に接続されている。または、移動手段３０は、造形ユニット１０およびステージ２０の両方を移動させる構成であってもよい。この場合、移動手段３０は、造形ユニット１０およびステージ２０の両方に接続されている。
制御部４０は、例えば、プロセッサーと、主記憶装置と、外部との信号の入出力を行う入出力インターフェースと、を有するコンピューターによって構成されている。制御部４０は、例えば、主記憶装置に読み込んだプログラムをプロセッサーが実行することによって、種々の機能を発揮する。制御部４０は、造形ユニット１０および移動手段３０を制御する。制御部４０の具体的な処理は、後述する。なお、制御部４０は、コンピューターではなく、複数の回路の組み合わせによって構成されてもよい。
１．２． 三次元造形物の構成
図２は、三次元造形装置１００で造形される三次元造形物Ｍを模式的に示す断面図である。図３は、図２に示す三次元造形物Ｍの拡大図である。
図２は、三次元造形装置１００で造形される三次元造形物Ｍを模式的に示す断面図である。図３は、図２に示す三次元造形物Ｍの拡大図である。
三次元造形物Ｍは、図２および図３に示すように、第１積層体７０と、第２積層体７２と、第３積層体７４と、を含む。
第１積層体７０は、ステージ２０上に設けられ、複数の第１造形層６０から構成されている。第１造形層６０は、第１材料５０を含み、第２材料５２を含まない。第１積層体７０を構成する複数の第１造形層６０のうち、第２積層体７２と接する第１造形層６０は、第１領域６０ａと、第１領域６０ａと異なる第２領域６０ｂと、を有している。図示の例では、第２積層体７２と接する第１造形層６０は、６層の第１造形層６０を介して、ステージ２０上に設けられている。第１領域６０ａ上に、第２造形層６２の第１材料領域５１が形成される。第２領域６０ｂ上に、第２造形層６２の第２材料領域５３が形成される。
第２積層体７２は、第１積層体７０と第３積層体７４との間に設けられ、複数の第２造形層６２から構成されている。第２積層体７２は、複数の凸部７３を有している。凸部７３は、第１材料５０によって構成されている。凸部７３は、第１積層体７０から突出した形状を有している。第２造形層６２は、第1材料５０で形成される第1材料領域５１と、第２材料５２で形成される第２材料領域５３と、を有している。第1材料領域５１が凸部７３の一部を構成している。第２積層体７２を構成する複数の第２造形層６２のうち、第１積層体７０と接する第２造形層６２において、第１材料領域５１は第１領域６０ａ上に形成され、第２材料領域５３は第２領域６０ｂ上に形成される。
ここで、図４は、第２積層体７２の凸部７３を模式的に示す斜視図である。なお、便宜上、図４では、凸部７３を簡略化して図示している。凸部７３は、図４に示すように、複数設けられている。図示の例では、複数の凸部７３は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向にマトリックス状に設けられている。以下では、凸部７３の数をｎとする。ｎ個の凸部７３の形状および大きさは、例えば、互いに等しい。
図３に示すように、第２積層体７２を構成する複数の第２造形層６２のうち（以下、単に「第２積層体７２のうち」ともいう）第１層６２ａは、第１積層体７０と接している。第２積層体７２のうち第２層６２ｂは、第３積層体７４と接している。第２積層体７２のうち第３層６２ｃは、第１層６２ａと第２層６２ｂとの間に位置している。第２積層体７２のうち第４層６２ｄは、第１層６２ａと第３層６２ｃとの間に位置している。図示の例では、第４層６２ｄは、第１層６２ａと接している。
第２積層体７２の積層方向からみて（以下、単に「積層方向からみて」ともいう）、第１層６２ａの第１材料領域５１ａの面積ｎＳ１１は、第４層６２ｄの第１材料領域５１ｄの面積ｎＳ４１よりも大きい。第２層６２ｂの第２材料領域５３ｂの面積ｎＳ２２は、第３層６２ｃの第２材料領域５３ｃの面積ｎＳ３２よりも大きい。第３層６２ｃの第１材料領域５１ｃの面積ｎＳ３１は、第１層６２ａの第１材料領域５１ａの面積ｎＳ１１よりも大きい。図示の例では、積層方向は、Ｚ軸方向である。
積層方向からみて、第３層６２ｃは、例えば、第１材料領域５１ｃの面積が第２積層体７２のうちで最大である。第３層６２ｃは、第２材料領域５３ｃの面積が第２積層体７２のうちで最小である。
積層方向からみて、第４層６２ｄは、例えば、第１材料領域５１の面積が第１層６２ａと第３層６２ｃとの間に位置する複数の第２造形層６２のうちで最小である。各第２造形層６２における第１材料領域５１の面積は、例えば、第４層６２ｄから第３層６２ｃまで、段々と大きくなっており、第３層６２ｃから第２層６２ｂまで、段々と小さくなっている。
積層方向からみて、第４層６２ｄは、例えば、第２材料領域５３の面積が第１層６２ａと第３層６２ｃとの間に位置する複数の第２造形層６２のうちで最大である。各第２造形層６２における第２材料領域５３の面積は、例えば、第４層６２ｄから第３層６２ｃまで、段々と小さくなっており、第３層６２ｃから第２層６２ｂまで、段々と大きくなっている。
なお、第１材料領域５１ａは、複数の第１材料領域５１のうち、第１層６２ａが有する第１材料領域５１である。第１材料領域５１ｂは、複数の第１材料領域５１のうち、第２層６２ｂが有する第１材料領域５１である。第１材料領域５１ｃは、複数の第１材料領域５１のうち、第３層６２ｃが有する第１材料領域５１である。第１材料領域５１ｄは、複数の第１材料領域５１のうち、第４層６２ｄが有する第１材料領域５１である。
また、第２材料領域５３ａは、複数の第２材料領域５３のうち、第１層６２ａが有する第２材料領域５３である。第２材料領域５３ｂは、複数の第２材料領域５３のうち、第２層６２ｂが有する第２材料領域５３である。第２材料領域５３ｃは、複数の第２材料領域５３のうち、第３層６２ｃが有する第２材料領域５３である。
積層方向からみて、第１層６２ａの第１材料領域５１ａの面積ｎＳ１１と、第２層６２ｂの第２材料領域５３ｂの面積ｎＳ２２とは、例えば、互いに等しい。ここで、図５は、第１層６２ａの一部を模式的に示す平面図である。図６は、第２層６２ｂの一部を模式的に示す平面図である。
図５に示すように、第１層６２ａにおいて、一辺の長さがＡの正方形の中に、半径Ｒ１の円を仮定する。第１層６２ａにおいて、円の面積を第１材料領域５１ａの面積Ｓ１１とし、正方形から面積Ｓ１１を引いた面積を第２材料領域５３ａの面積Ｓ１２とすると、面積Ｓ１１および面積Ｓ１２は、以下のように表される。
図６に示すように、第２層６２ｂにおいて、一辺の長さがＡの正方形の中に、半径Ｒ２の円を仮定する。第２層６２ｂにおいて、円の面積を第１材料領域５１ｂの面積Ｓ２１とし、正方形から面積Ｓ２１を引いた面積を第２材料領域５３ｂの面積Ｓ２２とすると、面積Ｓ２１および面積Ｓ２２は、以下のように表される。
したがって、面積Ｓ１１と面積Ｓ２２とが互いに等しい場合、半径Ｒ１は、以下のように表される。
第３積層体７４は、第２積層体７２上に設けられ、複数の第３造形層６４から構成されている。第３造形層６４は、第２材料５２を含み、第１材料５０を含まない。
１．３． 制御部の処理
制御部４０は、移動手段３０、第１材料供給手段１２０、第２材料供給手段１３０、およびレーザー１４０を制御する。図７は、制御部４０の処理を説明するためのフローチャートである。図８および図９は、三次元造形装置１００で製造される三次元造形物Ｍの製造工程を模式的に示す断面図である。
制御部４０は、移動手段３０、第１材料供給手段１２０、第２材料供給手段１３０、およびレーザー１４０を制御する。図７は、制御部４０の処理を説明するためのフローチャートである。図８および図９は、三次元造形装置１００で製造される三次元造形物Ｍの製造工程を模式的に示す断面図である。
ユーザーは、例えば、図示せぬ操作部を操作して、制御部４０に処理開始信号を送信する。操作部は、例えば、マウス、キーボード、タッチパネルなどによって実現される。制御部４０は、処理開始信号を受けると、図７に示すように、処理を開始する。
まず、制御部４０は、造形データを取得する処理を行う（ステップＳ１）。造形データは、三次元造形物を造形するための造形データである。造形データは、造形される三次元造形物の形状、大きさ、および材質などに関する情報を含む。以下に示す制御部４０の処理は、造形データに基づいて行われる。造形データは、例えば、三次元造形装置１００に接続されたコンピューターにインストールされたスライサーソフトによって生成される。制御部４０は、三次元造形装置１００に接続されたコンピューターや、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリーなどの記録媒体から造形データを取得する。
次に、制御部４０は、移動手段３０を制御して、ステージ２０に対して造形ユニット１０を移動させながら、第１材料供給手段１２０を制御して、ステージ２０上に第１材料５０を供給する処理を行う（ステップＳ２）。
次に、制御部４０は、移動手段３０を制御して、ステージ２０に対して造形ユニット１０を移動させながら、レーザー１４０を制御して、ステージ２０上の第１材料５０にレーザー光を照射し、第１造形層６０を形成する処理を行う（ステップＳ３）。第１材料５０にレーザー光を照射することにより、第１材料５０は、焼結または溶融され、平坦性の高い第１造形層６０を形成することができる。
次に、制御部４０は、取得した造形データに基づいて、第１造形層６０の積層数が所定数になったか否か判定する処理を行う（ステップＳ４）。第１造形層６０の積層数が所定数になっていないと判定した場合（ステップＳ４で「ＮＯ」の場合）、制御部４０は、ステップＳ２に戻り、第１造形層６０の積層数が所定数になるまで、ステップＳ２およびステップＳ３を繰り返す。これにより、図８に示すように、複数の第１造形層６０からなる第１積層体７０を形成することができる。第１造形層６０の積層数が所定数になったと判定した場合（ステップＳ４で「ＹＥＳ」の場合）、制御部４０は、ステップＳ５に移行する。
ステップＳ５では、制御部４０は、移動手段３０を制御して、ステージ２０に対して造形ユニット１０を移動させながら、第１材料供給手段１２０を制御して、第１造形層６０の第１領域６０ａ上に第１材料５０を供給し、第２材料供給手段１３０を制御して、第１造形層６０の第２領域６０ｂ上に第２材料５２を供給する処理を行う（ステップＳ５）。
次に、制御部４０は、移動手段３０を制御して、ステージ２０に対して造形ユニット１０を移動させながら、レーザー１４０を制御して、第１造形層６０上の第１材料５０および第２材料５２にレーザー光を照射し、第２造形層６２を形成する処理を行う（ステップＳ６）。
次に、制御部４０は、取得した造形データに基づいて、第２造形層６２の積層数が所定数になったか否か判定する処理を行う（ステップＳ７）。第２造形層６２の積層数が所定数になっていないと判定した場合（ステップＳ７で「ＮＯ」の場合）、制御部４０は、ステップＳ５に戻り、第２造形層６２の積層数が所定数になるまで、ステップＳ５とステップＳ６とを繰り返す。これにより、図９に示すように、複数の第２造形層６２からなる第２積層体７２を形成することができる。第２造形層６２の積層数が所定数になったと判定した場合（ステップＳ７で「ＹＥＳ」の場合）、制御部４０は、ステップＳ８に移行する。
ステップＳ８では、制御部４０は、移動手段３０を制御して、ステージ２０に対して造形ユニット１０を移動させながら、第２材料供給手段１３０を制御して、ステージ２０上に第２材料５２を供給する処理を行う（ステップＳ８）。
次に、制御部４０は、移動手段３０を制御して、ステージ２０に対して造形ユニット１０を移動させながら、レーザー１４０を制御して、ステージ２０上の第２材料５２にレーザー光を照射し、第３造形層６４を形成する処理を行う（ステップＳ９）。
次に、制御部４０は、取得した造形データに基づいて、第３造形層６４の積層数が所定数になったか否か判定する処理を行う（ステップＳ１０）。第３造形層６４の積層数が所定数になっていないと判定した場合（ステップＳ１０で「ＮＯ」の場合）、制御部４０は、ステップＳ８に戻り、第３造形層６４の積層数が所定数になるまで、ステップＳ８とステップＳ９とを繰り返す。これにより、図２に示すように、複数の第３造形層６４からなる第３積層体７４を形成することができる。第３造形層６４の積層数が所定数になったと判定した場合（ステップＳ１０で「ＹＥＳ」の場合）、制御部４０は、処理を終了する。
１．４． 作用効果
三次元造形装置１００では、第２積層体７２を構成する複数の第２造形層６２のうち、第１層６２ａは、第１造形層６０と接し、第２層６２ｂは、第３造形層６４と接し、第３層６２ｃは、第１層６２ａと第２層６２ｂとの間に位置し、第４層６２ｄは、第１層６２ａと第３層６２ｃとの間に位置する。第２造形層６２は、第１材料５０で形成される第１
材料領域５１と、第２材料５２で形成される第２材料領域５３と、を有する。積層方向からみて、第１層６２ａの第１材料領域５１ａの面積ｎＳ１１は、第４層６２ｄの第１材料領域５１ｄの面積ｎＳ４１よりも大きく、第２層６２ｂの第２材料領域５３ｂの面積ｎＳ２２は、第３層６２ｃの第２材料領域５３ｃの面積ｎＳ３２よりも大きく、第３層６２ｃの第１材料領域５１ｃの面積ｎＳ３１は、第１層６２ａの第１材料領域５１ａの面積ｎＳ１１よりも大きい。三次元造形装置１００では、第１層６２ａの第１材料領域５１ａの面積ｎＳ１１が第４層６２ｄの第１材料領域５１ｄの面積ｎＳ４１よりも大きいため、第１層６２ａは、第１材料領域５１の面積が第２積層体７２のうちで最小ではない。これにより、第１造形層６０と第２造形層６２との密着性を高めることができる。面積ｎＳ１１が第２積層体のうちで最小であると、第１造形層と接触する第２材料領域の面積が大きくなり、第１造形層と第２造形層との密着性が低くなる。
三次元造形装置１００では、第２積層体７２を構成する複数の第２造形層６２のうち、第１層６２ａは、第１造形層６０と接し、第２層６２ｂは、第３造形層６４と接し、第３層６２ｃは、第１層６２ａと第２層６２ｂとの間に位置し、第４層６２ｄは、第１層６２ａと第３層６２ｃとの間に位置する。第２造形層６２は、第１材料５０で形成される第１
材料領域５１と、第２材料５２で形成される第２材料領域５３と、を有する。積層方向からみて、第１層６２ａの第１材料領域５１ａの面積ｎＳ１１は、第４層６２ｄの第１材料領域５１ｄの面積ｎＳ４１よりも大きく、第２層６２ｂの第２材料領域５３ｂの面積ｎＳ２２は、第３層６２ｃの第２材料領域５３ｃの面積ｎＳ３２よりも大きく、第３層６２ｃの第１材料領域５１ｃの面積ｎＳ３１は、第１層６２ａの第１材料領域５１ａの面積ｎＳ１１よりも大きい。三次元造形装置１００では、第１層６２ａの第１材料領域５１ａの面積ｎＳ１１が第４層６２ｄの第１材料領域５１ｄの面積ｎＳ４１よりも大きいため、第１層６２ａは、第１材料領域５１の面積が第２積層体７２のうちで最小ではない。これにより、第１造形層６０と第２造形層６２との密着性を高めることができる。面積ｎＳ１１が第２積層体のうちで最小であると、第１造形層と接触する第２材料領域の面積が大きくなり、第１造形層と第２造形層との密着性が低くなる。
さらに、三次元造形装置１００では、積層方向からみて、第２層６２ｂの第２材料領域５３ｂの面積ｎＳ２２は、第３層６２ｃの第２材料領域５３ｃの面積ｎＳ３２よりも大きい。そのため、第２層６２ｂは、第２材料領域５３の面積が第２積層体７２のうちで最小ではない。これにより、第２造形層６２と第３造形層６４との密着性を高めることができる。
さらに、三次元造形装置１００では、積層方向からみて、第３層６２ｃの第１材料領域５１ｃの面積ｎＳ３１は、第１層６２ａの第１材料領域５１ａの面積ｎＳ１１よりも大きい。そのため、例えば、第１層から第２層まで段々と第１材料領域の面積が小さくなる場合に比べて、アンカー効果を発現し易く、第１造形層６０と第２造形層６２との密着性を高めることができる。
さらに、三次元造形装置１００では、積層方向からみて、第４層６２ｄの第１材料領域５１ｄの面積ｎＳ４１は、第１層６２ａの第１材料領域５１ａの面積ｎＳ１１よりも小さい。そのため、例えば、第１層から第３層まで段々と第１材料領域の面積が大きくなる場合に比べて、アンカー効果を発現し易く、第１造形層６０と第２造形層６２との密着性を高めることができる。
三次元造形装置１００では、積層方向からみて、第１層６２ａの第１材料領域５１ａの面積ｎＳ１１と、第２層６２ｂの第２材料領域５３ｂの面積ｎＳ２２とは、互いに等しい。そのため、三次元造形装置１００では、面積ｎＳ１１と面積ｎＳ２２とが互いに異なる場合に比べて、第１造形層６０と第２造形層６２との密着性と、第２造形層６２と第３造形層６４との密着性と、の差を小さくすることができる。当該２つの密着性の差が大きいと、密着性の小さい方において、負荷が集中しクラックや剥離が生じる。
２． 変形例
次に、本実施形態の変形例に係る三次元造形装置について、説明する。以下、本実施形態の変形例に係る三次元造形装置において、上述した本実施形態に係る三次元造形装置１００の例と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。
次に、本実施形態の変形例に係る三次元造形装置について、説明する。以下、本実施形態の変形例に係る三次元造形装置において、上述した本実施形態に係る三次元造形装置１００の例と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。
本実施形態の変形例に係る三次元造形装置では、第１層６２ａの第１材料領域５１ａの積層方向における引張強度Ｆ１１と、第２層６２ｂの第２材料領域５３ｂの積層方向における引張強度Ｆ２２とは、互いに等しい点において、上述した三次元造形装置１００と異なる。
例えば、１つの凸部７３において、第１材料領域５１ａの０．２％耐力をσ１とし、第２材料領域５３ｂの０．２％耐力をσ２とし、凸部７３の数をｎ個とすると、第１層６２ａの第１材料領域５１ａの積層方向における引張強度Ｆ１１と、第２層６２ｂの第２材料領域５３ｂの積層方向における引張強度Ｆ２２とは、以下のように表される。
したがって、引張強度Ｆ１１と引張強度Ｆ２２とが互いに等しい場合、半径Ｒ１は、以下のように表される。
本実施形態の変形例に係る三次元造形装置では、引張強度Ｆ１１と引張強度Ｆ２２とが互いに等しいため、第１造形層６０と第２造形層６２との密着性と、第２造形層６２と第３造形層６４との密着性と、を同じにすることができる。
なお、上記の例では、ステージ２０と、第１材料供給手段１２０、第２材料供給手段１３０、およびレーザー１４０と、の相対的な位置を同時に変化させることができる例について説明したが、第１材料供給手段１２０と、第２材料供給手段１３０と、レーザー１４０とは、別々に移動される構成であってもよい。また、レーザー１４０は、固定されており、ガルバノミラーを用いてレーザー光を移動させてもよい。この場合、ガルバノミラーは、制御部４０によって制御される。
また、上記の例では、フラットスクリュー１２３を用いた例について説明したが、フラットスクリュー１２３の代わりにインラインスクリューまたはＦＤＭ方式のヘッドを用いてもよい。
また、上記の例では、第１材料５０が金属材料で、第２材料５２がセラミック材料である場合について説明したが、第１材料５０がセラミック材料で、第２材料５２が金属材料であってもよい。また、第１材料５０と第２材料５２が互いに異なる材料であれば、第１材料５０および第２材料５２ともに金属材料であってもよいし、第１材料５０および第２材料５２ともにセラミック材料であってもよいし、金属材料およびセラミック材料以外の材料であってもよい。
また、第１材料供給手段１２０および第２材料供給手段１３０は、第１材料５０および第２材料５２と一緒に混錬して供給される材料として、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）などの合成樹脂が挙げられる。溶剤としては、例えば、メタノール、エタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、酢酸メチル、酢酸エチル、ベンゼン、トルエン、キシレンなどが挙げられる。バインダーおよび溶剤は、例えば、レーザー光の照射によって気化される。なお、溶媒は、ランプなどにより塗布後の事前乾燥工程で気化されても構わない。
上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成、例えば、機能、方法及び
結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
上述した実施形態から以下の内容が導き出される。
三次元造形装置の一態様は、
ステージと、
第１材料を供給する第１材料供給手段と、
前記第１材料と異なる第２材料を供給する第２材料供給手段と、
制御部と、
を含み、
前記制御部は、
前記第１材料供給手段を制御して、前記ステージ上に前記第１材料を供給し、第１造形層を形成する処理と、
前記第１材料供給手段を制御して、前記第１造形層の第１領域上に前記第１材料を供給し、前記第２材料供給手段を制御して、前記第１造形層の前記第１領域と異なる第２領域上に前記第２材料を供給し、第２造形層を形成する処理と、
前記第１材料の供給と、前記第２材料の供給と、を複数回繰り返し、複数の前記第２造形層からなる積層体を形成する処理と、
前記第２材料供給手段を制御して、前記積層体上に前記第２材料を供給し、第３造形層を形成する処理と、
を行い、
前記積層体を構成する複数の前記第２造形層のうち第１層は、前記第１造形層と接し、
前記積層体を構成する複数の前記第２造形層のうち第２層は、前記第３造形層と接し、
前記積層体を構成する複数の前記第２造形層のうち第３層は、前記第１層と前記第２層との間に位置し、
前記積層体を構成する複数の前記第２造形層のうち第４層は、前記第１層と前記第３層との間に位置し、
前記第２造形層は、
前記第１材料で形成される第１材料領域と、
前記第２材料で形成される第２材料領域と、
を有し、
前記積層体の積層方向からみて、
前記第１層の前記第１材料領域の面積は、前記第４層の前記第１材料領域の面積よりも大きく、
前記第２層の前記第２材料領域の面積は、前記第３層の前記第２材料領域の面積よりも大きく、
前記第３層の前記第１材料領域の面積は、前記第１層の前記第１材料領域の面積よりも大きい。
ステージと、
第１材料を供給する第１材料供給手段と、
前記第１材料と異なる第２材料を供給する第２材料供給手段と、
制御部と、
を含み、
前記制御部は、
前記第１材料供給手段を制御して、前記ステージ上に前記第１材料を供給し、第１造形層を形成する処理と、
前記第１材料供給手段を制御して、前記第１造形層の第１領域上に前記第１材料を供給し、前記第２材料供給手段を制御して、前記第１造形層の前記第１領域と異なる第２領域上に前記第２材料を供給し、第２造形層を形成する処理と、
前記第１材料の供給と、前記第２材料の供給と、を複数回繰り返し、複数の前記第２造形層からなる積層体を形成する処理と、
前記第２材料供給手段を制御して、前記積層体上に前記第２材料を供給し、第３造形層を形成する処理と、
を行い、
前記積層体を構成する複数の前記第２造形層のうち第１層は、前記第１造形層と接し、
前記積層体を構成する複数の前記第２造形層のうち第２層は、前記第３造形層と接し、
前記積層体を構成する複数の前記第２造形層のうち第３層は、前記第１層と前記第２層との間に位置し、
前記積層体を構成する複数の前記第２造形層のうち第４層は、前記第１層と前記第３層との間に位置し、
前記第２造形層は、
前記第１材料で形成される第１材料領域と、
前記第２材料で形成される第２材料領域と、
を有し、
前記積層体の積層方向からみて、
前記第１層の前記第１材料領域の面積は、前記第４層の前記第１材料領域の面積よりも大きく、
前記第２層の前記第２材料領域の面積は、前記第３層の前記第２材料領域の面積よりも大きく、
前記第３層の前記第１材料領域の面積は、前記第１層の前記第１材料領域の面積よりも大きい。
この三次元造形装置によれば、第１造形層と第２造形層との密着性、および第２造形層と第３造形層との密着性を高めることができる。
前記三次元造形装置の一態様において、
前記積層方向からみて、前記第１層の前記第１材料領域の面積と、前記第２層の前記第２材料領域の面積とは、互いに等しくてもよい。
前記積層方向からみて、前記第１層の前記第１材料領域の面積と、前記第２層の前記第２材料領域の面積とは、互いに等しくてもよい。
この三次元造形装置によれば、第１造形層と第２造形層との密着性と、第２造形層と第３造形層との密着性と、の差を小さくすることができる。
前記三次元造形装置の一態様において、
前記第１層の前記第１材料領域の前記積層方向における引張強度と、前記第２層の前記第２材料領域の前記積層方向における引張強度とは、互いに等しくてもよい。
前記第１層の前記第１材料領域の前記積層方向における引張強度と、前記第２層の前記第２材料領域の前記積層方向における引張強度とは、互いに等しくてもよい。
この三次元造形装置によれば、第１造形層と第２造形層との密着性と、第２造形層と第３造形層との密着性と、を同じにすることができる。
１０…造形ユニット、２０…ステージ、２２…造形面、３０…移動手段、４０…制御部、５０…第１材料、５１，５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ…第１材料領域、５２…第２材料、５３，５３ａ，５３ｂ，５３ｃ…第２材料領域、６０…第１造形層、６０ａ…第１領域、６０ｂ…第２領域、６２…第２造形層、６２ａ…第１層、６２ｂ…第２層、６２ｃ…第３層、６２ｄ…第４層、６４…第３造形層、７０…第１積層体、７２…第２積層体、７３…凸部、７４…第３積層体、１００…三次元造形装置、１１０…支持部材、１２０…第１材料供給手段、１２１…材料導入部、１２２…モーター、１２３…フラットスクリュー、１２３ａ…溝、１２４…バレル、１２４ａ…連通孔、１２５…ヒーター、１２６…ノズル、１３０…第２材料供給手段、１４０…レーザー
Claims (3)
- ステージと、
第１材料を供給する第１材料供給手段と、
前記第１材料と異なる第２材料を供給する第２材料供給手段と、
制御部と、
を含み、
前記制御部は、
前記第１材料供給手段を制御して、前記ステージ上に前記第１材料を供給し、第１造形層を形成する処理と、
前記第１材料供給手段を制御して、前記第１造形層の第１領域上に前記第１材料を供給し、前記第２材料供給手段を制御して、前記第１造形層の前記第１領域と異なる第２領域上に前記第２材料を供給し、第２造形層を形成する処理と、
前記第１材料の供給と、前記第２材料の供給と、を複数回繰り返し、複数の前記第２造形層からなる積層体を形成する処理と、
前記第２材料供給手段を制御して、前記積層体上に前記第２材料を供給し、第３造形層を形成する処理と、
を行い、
前記積層体を構成する複数の前記第２造形層のうち第１層は、前記第１造形層と接し、
前記積層体を構成する複数の前記第２造形層のうち第２層は、前記第３造形層と接し、
前記積層体を構成する複数の前記第２造形層のうち第３層は、前記第１層と前記第２層との間に位置し、
前記積層体を構成する複数の前記第２造形層のうち第４層は、前記第１層と前記第３層との間に位置し、
前記第２造形層は、
前記第１材料で形成される第１材料領域と、
前記第２材料で形成される第２材料領域と、
を有し、
前記積層体の積層方向からみて、
前記第１層の前記第１材料領域の面積は、前記第４層の前記第１材料領域の面積よりも大きく、
前記第２層の前記第２材料領域の面積は、前記第３層の前記第２材料領域の面積よりも大きく、
前記第３層の前記第１材料領域の面積は、前記第１層の前記第１材料領域の面積よりも大きい、三次元造形装置。 - 請求項１において、
前記積層方向からみて、前記第１層の前記第１材料領域の面積と、前記第２層の前記第２材料領域の面積とは、互いに等しい、三次元造形装置。 - 請求項１において、
前記第１層の前記第１材料領域の前記積層方向における引張強度と、前記第２層の前記第２材料領域の前記積層方向における引張強度とは、互いに等しい、三次元造形装置。
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| JP2020182367A JP2022072750A (ja) | 2020-10-30 | 2020-10-30 | 三次元造形装置 |
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