JP2022106313A

JP2022106313A - 立体物造形装置および立体物造形方法

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Publication number: JP2022106313A
Application number: JP2021001179A
Authority: JP
Inventors: 昭治見舘; Shoji Mitate
Original assignee: MITATE-KOBO Inc
Current assignee: MITATE-KOBO Inc
Priority date: 2021-01-07
Filing date: 2021-01-07
Publication date: 2022-07-20
Anticipated expiration: 2041-01-07
Also published as: WO2022149562A1; JP7123356B2

Abstract

【課題】立体物を造形すると同時に、表面状態をきれいな状態にして精度寸法を正確に仕上げることができるようにした立体物造形装置を提供する。【解決手段】立体形状を有するメ型２と、そのメ型２の表面に造形材料５を排出させるノズル４と、そのノズル４をメ型２の表面の法線方向に向けながら、その造形材料５を盛り付けるようにノズル４を移動させる移動機構６とを備えて構成する。そのメ型２には、加熱手段２２が設けられており、塗布された造形材料を加熱溶融させて、メ型２の表面に造形材料５をなじませて、表面をきれいな状態にして造形物を造形する。【選択図】図１

Description

本発明は、立体物を造形させる立体物造形装置に関するものであって、より詳しくは、樹脂などの造形材料をノズルから排出させて立体物を造形する際に、造形物の表面をきれいな状態に仕上げることができるようにした立体物造形装置に関するものである。

近年では、立体的な造形物を簡易的に造形する場合、３Ｄプリンターが使われることが多い（特許文献１など）。

このような３Ｄプリンターは、図７に示すように、平面状に構成されたベース台８１の上に、樹脂などを排出するノズル８２をＸＹ方向に移動させ、これをＺ軸方向に積層していくことによって立体物を造形できるようにしたものである。このような装置を用いれば、金型などを起こすことなく、比較的観点に立体物を造形することができるというメリットがあるため、サンプル品や、小ロットの製品などを製造する場合に有利である。

特開２０１８－９９８４５号公報

しかしながら、このような３Ｄプリンターを用いて立体物を造形する場合、次のような問題がある。

すなわち、従来の３Ｄプリンターは、平面状のベース台８１の上に樹脂などを積層して造形物を造形するため、どうしてもＺ軸方向に段差ができてしまう。このような段差を有する造形物を造形する場合、サンプル品などのような簡易的なものを製作するには良いが、工業製品（例えば、自動車部品など）のように、正確な寸法や表面形成状態が要求されるような製品を作るには余り適さない。

これに対して、３Ｄプリンターを用いて製作した製品を表面加工して段差をなくすようにする方法（上記特許文献１）もあるが、このような方法を用いた場合であっても、製造された製品に対して、後から大掛かりな表面処理をしなければならないため、製造に時間がかかり、また、寸法精度を向上させることが難しいといった問題もある。

そこで、本発明は、立体物を造形すると同時に、表面状態をきれいな状態にして寸法を正確に仕上げることができるようにした立体物の造形装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は上記課題を解決するために、立体形状を有するメ型の表面に対して、造形材料を排出させるノズルと、当該ノズルを前記メ型に対して相対的に３次元的に移動させて造形材料を盛り付ける移動機構とを備えるようにしたものである。

このように構成すれば、きれいな表面を有するメ型に造形材料に塗布して造形物を造形し、その後、その造形物をメ型から取り外すことによって、表面をきれいにした状態の造形物を造形することができる。

また、このような発明において、前記メ型に、コーティング剤を塗布した後、前記造形材料を盛り付けるようにする。

このように構成すれば、メ型から造形物を取り外しやすくすることができるようになり、また、そのメ型を何度も利用することができるようになる。

さらに、前記メ型に、前記ノズルによって塗布された造形材料を加熱させる加熱手段を備えるようにする。

このように構成すれば、ノズルによって塗布された造形材料をメ型の表面に沿わせることができ、表面をきれいな状態にすることができる。

また、前記メ型を覆うシートを備え、当該シートの表面に前記造形材料を塗布させるようにする。

このように構成すれば、シートをメ型から剥離することで、メ型から造形物を取り外しやすくすることができるとともに、そのシートが造形物の表面を形成することになるため、表面をきれいな状態に仕上げることができるようになる。

また、このようなシートでメ型を覆う場合、真空成形機でメ型にシートを吸着させる。

このように構成すれば、シートをメ型に密着させることができるため、メ型に沿った造形物の寸法精度を向上させることができるようになる。

また、前記移動機構を用いてノズルを相対的に移動させる場合、下層に塗布された造形材料の塗布方向に対して交叉する方向にノズルを移動させるようにする。

このように構成すれば、方向に依存して強度を有する造形材料を塗布する場合、交叉させることで、造形物の強度を向上させることができるようになる。

また、前記ノズルを用いて造形材料を排出させる場合、メ型の表面に対して法線方向に造形材料を排出させるようにノズルの方向を制御する。

このように構成すれば、メ型に対して均一な厚みで造形材料を塗布していくことができるようになる。

本発明によれば、立体形状を有するメ型の表面に対して、造形材料を排出させるノズルと、当該ノズルを前記メ型に対して相対的に３次元的に移動させて造形材料を盛り付ける移動機構とを備えるようにしたので、きれいな表面を有するメ型に造形材料を塗布して造形物を造形し、その後、その造形物をメ型から取り外すことによって、表面をきれいな状態にすることができる。

本発明の一実施の形態における立体物造形装置の概略図同形態におけるメ型にシートを貼り付けた状態を示す図他のメ型を示す図樹脂の塗布方向を示す図ノズルの排出方向を示す図他の実施の形態における六軸ロボットを示す図従来例における３Ｄプリンターを示す図

以下、本発明の第一の実施の形態における立体物造形装置１について、図面参照して説明する。

この実施の形態における立体物造形装置１は、図１に示すように、立体形状（凸状形状）を有するメ型２と、そのメ型２の表面に造形材料５を排出させるノズル４と、そのノズル４をＸＹＺ方向に移動させて造形材料５を盛り付ける移動機構６とを備えてなるものであって、制御手段７を用いてノズル４を移動させ、メ型２の表面に造形材料５を塗布することによって、立体的な造形物を造形できるようにしたものである。そして、このように造形された造形物に対して、熱を加えて真空空圧ブロー成形などを施し、メ型２から取り外すことによって、メ型２との接触部分における造形部分を滑らかな状態にした造形物を造形できるようにしたものである。以下、本実施の形態における立体物造形装置１について詳細に説明する。

まず、メ型２は、製品の型の一部を構成するものであって、表面を滑らかにした立体形状を有し、その表面に造形材料５を塗布させるとともに、その造形材料５によって形成された造形物を取り外せるように構成される。なお、図１では、凸状のメ型２を例に挙げて説明するが、図３に示すように、凹状のメ型２など、種々の立体形状のメ型を用いることができる。

このメ型２に造形材料５を塗布する場合、そのメ型２の表面にそのまま造形材料５を塗布するようにしてもよいが、その表面にゲルコートなどのコーティング剤を塗布するとともに、図１の破線に示すように、そのメ型２の内側に熱線などで構成された加熱手段２２を設けておき、その表面に塗布された造形材料５を溶融させるようにしてもよい。このような加熱手段２２を設ける場合、造形材料５の塗布時に高温状態にしておくと、ノズル４から排出された造形材料５が溶けてしまうため、その後に造形材料５を盛り付けていく際の土台となる造形部分がなくなってしまう。このため、好ましくは、メ型２の表面に造形材料５を塗布させる際には、加熱しないか、あるいは、低温で加熱させるようにしておき、盛り付けが進んだ際、あるいは、造形が完了した際に、加熱を行って、メ型２に接触している表面の造形材料５を溶融させるようにするとよい。そして、そのメ型２から造形物を取り外す際には、加熱を停止して低温にした後に、そのメ型２から造形物を取り外しやすくする。

また、メ型２に造形材料５を塗布する場合、図２に示すように、そのメ型２にフィルム３を貼り付けておき、そのフィルム３に造形材料５を塗布して盛り付けていくようにしてもよい。このようにフィルム３を貼り付ける際には、メ型２を真空成形機で構成しておき、メ型２に設けられた微小孔２１から空気を吸い込んで、そのメ型２の表面にフィルム３を密着させるようにする。このとき、そのフィルム３を加熱させてメ型２に密着させ、さらに、そのメ型２に設けられた加熱手段２２を用いてフィルム３を加熱させて、フィルム３を密着させるようにするとよい。

このメ型２に盛り付けられる造形材料５は、ポンプ４１を介してノズル４から線状あるいは帯状に排出されるものであって、ＡＢＳ樹脂や、ＡＳＡ樹脂、ＰＬＡ樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ナイロン樹脂などの樹脂材料の他、石膏、シリコンゴム、微小繊維（セルロースナノファイバー、カーボンナノファイバー、グラスファイバーなどの繊維）を含有する樹脂などの材料が用いられるが、これの材料に限定されるものではない。このような造形材料５を選択する際には、製品の使用用途や、使用環境に応じた材料が選択され、また、この造形材料５に応じてメ型２の材料や、そのメ型２に貼り付けられるフィルム３などが選択される。

このような造形材料５を塗布するノズル４は、造形材料５を加熱溶融させ、その状態で、ポンプ４１からの押し出しによって造形材料５を排出させるようにしたもので、移動機構６の一部を構成するロボット６５の先端に取り付けられる。

この移動機構６は、図１に示すように、メ型２を載せるベース６１台の左右側面に設けられたリニアレール６２と、このベース６１台の上方に設けられ、リニアレール６２に沿って前後方向（Ｙ方向）に移動するコの字状アーチ６３と、このコの字状アーチ６３の上部に設けられたビーム６４に沿って左右方向に移動するロボット６５などを設けて構成される。このロボット６５は、関節６６で連結された複数のアーム６７で構成されており、関節６６を中心としてアーム６７をＹ軸を中心として回動できるように構成されている。そして、このロボット６５のアーム６７の先端にノズル４を取り付けることによって、ノズル４の方向を全方向に向けられるようにしている。このようなノズル４は、制御手段７によって、メ型２の表面の少し離れた位置から造形材料５を排出させるように制御され、徐々に、造形材料５を盛り付けながら、メ型２から離れるように制御される。

制御手段７は、ノズル４の位置を、メ型２や、そのメ型２に盛り付けられた造形材料５の表面から僅かに離れた部分に位置させるように制御させるものであって、あらかじめメ型２の形状を入力しておき、原点位置を指示することによって、ノズル４の位置を制御し、造形材料５を盛り付けて行けるように構成される。

なお、このように造形材料５を盛り付ける場合、下層の造形材料５の塗布方向と、上層の造形材料５の塗布方向が一致してしまうと、造形物の強度が低下してしまう。このため、図４に示すように、下層の造形材料５の塗布方向と、上層の造形材料５の塗布方向とを交差させるようにして強度をもたせるようにするとよい。このように、塗布方向を交叉させる場合は、造形材料５として繊維を含有させた樹脂を用いる場合に特に有効である。なお、図４においては、模式的に、各層の造形材料５の塗布部分に間に隙間を設けるようにしているが、実際には、隙間のない状態で塗布される。また、図４においては、直交方向に塗布させる状態を図示しているが、所定の角度（３０度や４５度など）毎にずらして塗布するようにしてもよい。

また、このように移動機構６を用いてノズル４の位置を制御させる場合、ノズル４の軸方向（排出方向）と塗布面の法線方向に対して傾斜していると、造形材料５が塗布面に付着しにくくなり、また、塗布された際の造形材料５の盛り付け高さに差が出てしまう（図５（ｂ）参照）。このため、図５（ａ）に示すように、ノズル４の軸方向と塗布面の法線方向とを一致させるようにノズル４の向きを制御して、ノズル４から造形材料５を排出させるようにする。

そして、このようにして、移動機構６を用いてノズル４を全方向に移動させ、メ型２に造形材料５を盛り付けて造形物を造形する。

このように造形物を造形した後、メ型２の加熱手段２２を用いてメ型２表面の造形材料５を加熱溶融させ、メ型２の表面の造形材料５をメ型２に沿わせるようにする。そして、一定時間冷却させた後、その造形物をゲルコートの塗布されたメ型２から取り外す。すると、メ型２に密着した面が滑らかな造形物を造形することができるようになる。なお、微細な寸法精度が要求される場合は、盛り付け量を多くしておき、表面を研磨することによって、寸法精度を出せるようにしてもよい。

このように上記実施の形態によれば、立体形状を有するメ型２と、そのメ型２の表面に造形材料５を排出させるノズル４と、そのノズル４をメ型２の表面に沿って移動させて造形材料５を盛り付ける移動機構６とを備えるように構成したので、滑らかな表面を有するメ型２から造形物を取り外すことで、きれいな表面を有する造形物を造形することができるようになる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができるようになる。

例えば、上記実施の形態では、ビーム６４にロボット６５を２つ設けるようにしているが、図３に示すように、１つだけ設けるようにしてもよく、あるいは、ビーム６４を複数本平行に設けておき、それぞれのビーム６４に複数のロボット６５を取り付けて、複数のノズル４で並行作業を行えるようにしてもよい。

また、このような盛り付け作業を行う場合、曲率の大きな部分については、径の小さいノズル４を用い、曲率の小さな部分については、径の大きいノズル４を用いて盛り付け作業を行うようにしてもよい。この場合、複数のノズル４を用いて作業を行う場合は、ロボット６５ごとにノズル４の径を変えて盛り付け作業を行わせるようにしてもよい。

また、造形材料５を盛り付ける際に、光硬化性樹脂や熱硬化性樹脂、レーザー焼結などの材料を用いる場合は、盛り付け毎に、光や熱、レーザーなどを照射させて硬化させるようにするとよい。

また、上記実施の形態では、移動機構６として、リニアレール６２やアーチ６３などにロボット６５を取り付けて構成するようにしたが、図６に示すように、ベース６１台に隣接して設けられた六軸ロボット６５を用いて、ノズル４をＸＹＺ方向に移動させるようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、メ型２にフィルム３を貼り付けて造形材料５を盛り付けるようにしたが、最上層の造形材料５については、段差ができてしまう。このため、ラッピングテープ法やバッキング成形法、オートクレープ成形法などを用いて外側表面に熱を加え、加圧を行う方法や、ブロー成形によって、表面をきれいな状態にしてもよい。

また、上記実施の形態では、メ型２にゲルコートを塗布して盛り付けを行うようにしたが、ゲルコート以外に、メ型２から取り外すことが容易なコーティング剤を塗布して盛り付けるようにしてもよい。

１・・・造形物造形装置
２・・・メ型
２１・・・微小孔
２２・・・加熱手段
３・・・フィルム
４・・・ノズル
４１・・・ポンプ
５・・・造形材料
６・・・移動機構
６１・・・ベース
６２・・・リニアレール
６３・・・アーチ
６４・・・ビーム
６５・・・ロボット
６６・・・関節
６７・・・アーム
７・・・制御手段

Claims

すなわち、本発明は上記課題を解決するために、
立体形状を有するメ型の表面に対して、造形材料を排出させるノズルと、
当該ノズルを前記メ型に対して相対的に３次元的に移動させて造形材料を盛り付ける移動機構と、
を備えたことを特徴とする立体物の造形装置。
前記メ型に、コーティング剤を塗布した後、前記造形材料を盛り付けるようにした請求項１に記載の立体物の造形装置。
前記メ型が、前記ノズルによって塗布された造形材料を加熱させる加熱手段を備えてなるものである請求項１に記載の立体物の造形装置。
前記メ型を覆うシートを備え、当該シートの表面に前記造形材料を塗布させるようにした請求項１に記載の立体物の造形装置。
前記メ型が、真空成形機で構成されるものである請求項３に記載の立体物の造形装置。
前記移動機構が、下層に塗布された造形材料の塗布方向に対して交叉する方向にノズルを移動させるようにしたものである請求項１に記載の立体物の造形装置。
前記ノズルが、メ型の表面に対して法線方向から造形材料を塗布するように設けられるものである請求項１に記載の立体物の造形装置。
立体形状を有するメ型の表面に対して、ノズルから排出される造形材料を盛り付けて立体物を造形するようにした立体物の造形方法。
さらに、前記メ型を加熱させて、前記盛り付けられた造形材料を溶融させるようにした請求項８に記載の立体物の造形方法。