JP2023135436A - 立体造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シェルで囲われた部分であるコア部全体にコア材を充填し、立体造形物を造形することができる立体造形方法を提供する。【解決手段】立体造形物の外殻層であるシェル１２５をシェル材１２１を用いて先に造形し、次に造形済のシェル１２５に囲われた部分であるコア部１２６にノズル１２０から液相材料であるコア材１１６を吐出し、充填することによりコア材１１６を含む立体造形物を形成させる立体造形方法であって、少なくともシェル１２５の側壁面の底面と接する部分の傾斜角度βは、ノズル１２０から吐出されたコア材１１６とシェル材１２１との界面がシェル１２５の底面となす傾斜角度αよりも大きい。【選択図】図２

Description

本発明は、３Ｄプリンティングなどの付加製造技術を用いて立体造形物を形成させる立体造形方法に関する。

３Ｄプリンティング技術を用いた製造装置の名称として、広く３Ｄプリンタという言葉が使われている。３Ｄプリンタは、３次元のＣＡＤデータをもとにコンピュータで造形物の断面形状を計算し、該造形物を薄い輪切り状の断面構成要素に分割して、その断面構成要素を種々の方法で形成し、それを積層させて目的とする造形物を形成する立体造形装置である。３Ｄプリンティング技術は、国際的にはＡｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙと同義語として使われる場合が多く、日本語訳として、付加製造技術が用いられている。

近年は、３Ｄプリンタで形成した造形物に対しても、実製品の量産前の評価目的で外観だけでなく剛性や強度が要求されるようになり、金属３Ｄプリンタや複合材３Ｄプリンタが注目されている。特に、下記特許文献１に開示されている立体造形方法では、造形槽内で複数回のシェル層の造形とコア材の充填が繰り返された後、活性エネルギー線の照射または熱エネルギーの付与によりコア材を一括して硬化させることにより、コア材により形成される造形物には積層界面が存在しないため、剛性、強度に方向性が無い造形物を造形することができる。

特開２０１９－１３６９２３号公報

しかし、上記の立体造形方法では、シェルの形状によっては図４に示す非充填部１３１のようにシェル１２５の側壁面近傍でコア材１１６が行き届かずにシェル材１２１が閉じ込められる部分が形成されてコア部１２６全体へコア材１１６が充填されないおそれがあった。

本願発明は、上記問題点を鑑み、シェルで囲われた部分であるコア部全体にコア材を充填し、立体造形物を造形することができる立体造形方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の立体造形方法は、立体造形物の外殻層であるシェルをシェル材を用いて先に造形し、次に造形済の前記シェルに囲われた部分であるコア部にノズルから液相材料であるコア材を吐出し、充填することにより前記コア材を含む立体造形物を形成させる立体造形方法であって、少なくとも前記シェルの側壁面の底面と接する部分の傾斜角度は、前記ノズルから吐出された前記コア材と前記シェル材との界面が前記シェルの底面となす傾斜角度よりも大きいことを特徴としている。

この立体造形方法により、シェルの側壁面の底面と接する部分にもしっかりとコア材が到達し、その結果コア部全体にコア材を充填することができる。

本発明の立体造形方法により、シェルで囲われた部分であるコア部全体にコア材を充填し、立体造形物を造形することができる。

本発明の立体造形方法を実施するための立体造形装置を説明する図である。 本発明の一実施形態における立体造形方法を説明する図である。 本発明の一実施形態における立体造形方法を説明する図である。 従来の立体造形方法で起こりうる問題を説明する図である。

本発明の立体造形方法を実施するための立体造形装置について、図１を参照して説明する。

複合材３Ｄプリンタである立体造形装置１００は、紫外線硬化樹脂であるシェル材１２１が貯留されている造形槽１１１、レーザ光学系１１２、コア材供給系１１３を主たる構成要素とする。

造形槽１１１中には液相材料であるシェル材１２１が貯留されており、図示しないシェル材調整系により、その液面位置を所定位置に維持、調整可能となっている。シェル材１２１としてはエポキシ系、アクリル系など公知のものが使用可能である。造形槽１１１中には造形台１２８が設けられている。造形台１２８は立体造形物１０１を支持するためのもので、図示しない駆動機構により図中Ｚ軸方向の任意の位置に移動かつ設置可能となっている。

レーザ光学系１１２は紫外線レーザ光源１１４、走査光学系１１５とからなり、紫外線レーザ光源１１４から出射される紫外線レーザ光１３０は走査光学系１１５によりシェル材１２１の液面上（すなわちＸＹ平面）の所定範囲を走査することが可能となっている。

シェル材１２１は紫外線レーザ光１３０の照射により、図１にて硬化済み紫外線硬化樹脂１２３で示すように液面から所定の深さだけ硬化する。この硬化深さは０．１ｍｍから０．２ｍｍ程度が一般的である。もちろん紫外線レーザ光源１１４の出力を調整することによりこの硬化深さを調整することが可能である。

造形台１２８上面をシェル材１２１の液面からこの硬化深さ程度まで沈めた深さに位置させ、シェル材１２１の液面の任意の位置へ紫外線レーザ光１３０を照射することにより、造形台１２８上に任意の面積の硬化済み紫外線硬化樹脂１２３が形成される。

造形台１２８上に硬化済み紫外線硬化樹脂１２３が形成された後、硬化深さ分だけ造形台１２８を下降させ、その後シェル材１２１の液面の任意の位置へ紫外線レーザ光１３０を照射することにより、硬化済み紫外線硬化樹脂１２３上に硬化済み紫外線硬化樹脂１２３が積層される。

そして、造形台１２８の下降とシェル材１２１液面への紫外線レーザ光１３０の照射とを繰り返し実施することにより、硬化済み紫外線硬化樹脂１２３の積層が進行し、三次元形状の硬化済み紫外線硬化樹脂１２３を得ることができる。本発明では、このようにして造形された造形物をシェル１２５と呼ぶ。このシェル１２５は中空形状を有するコア材１１６を充填するための外殻層であり、シェル１２５で囲われた部分のうち底面を有する部分をコア部１２６と呼ぶ。

コア材供給系１１３は液相材料であるコア材１１６をその内部に貯留するコア材タンク１１７中から、ポンプ１１９で配管系１１８ｂ、１１８ａを順に介してコア材１１６を送液、供給し、ノズル１２０の先端から吐出する。ノズル１２０は図示しない移動機構により、図中ＸＹＺ軸各方向に移動かつ固定可能となっている。このため配管系１１８ａはノズル１２０の移動に追随するようフレキシブルな構成及び材料となっている。コア材１１６は熱硬化性樹脂中に強化材が均一に分散されたもので、シェル材１２１同様エポキシ系、アクリル系など公知の熱硬化樹脂が使用可能である。また、コア材１１６の比重はシェル材１２１の比重よりも大きい。

シェル１２５が有するコア部１２６へコア材１１６を充填し、コア部１２６に充填された状態のコア材１１６へ熱エネルギーを付与することにより、コア材１１６は熱硬化する。熱硬化したコア材１１６が本説明における立体造形物であり、所望の形状を有するコア部１２６に充填してから熱硬化させることにより、所望の形状の立体造形物を得ることができる。また、本方法によるとコア材１１６により形成される立体造形物には積層界面が存在しないため、剛性、強度に方向性が無い立体造形物を造形することができる。

次に、上記の立体造形装置１００を用いた本発明の一実施形態における立体造形方法を図２、３を用いて説明する。

本発明の立体造形方法では、シェル材１２１への紫外線レーザ光１３０の照射によって造形台１２８上にシェル１２５が造形され、図２（ａ）もしくは図２（ｂ）に示すようにシェル１２５内に形成されたコア部１２６へ挿入されたノズル１２０からコア部１２６へコア材１１６が吐出され、コア材１１６の充填が進行する。ここで、本説明では、シェル１２５を造形する工程をシェル造形工程と呼び、シェル１２５に囲われた部分であるコア部１２６へコア材１１６を充填する工程をコア材充填工程と呼ぶ。また、コア材充填工程の後、図示しない加熱装置などでコア材１１６を硬化させて立体造形物を得る工程をコア材硬化工程と呼ぶ。

ここで、本発明では、コア材充填工程は、シェル１２５が造形槽１１１内のシェル材１２１に浸漬した状態で実施され、コア材１１６の充填前にはコア部１２６にはシェル材１２１が存在する。そして、シェル材１２１より比重が大きいコア材１１６が充填されていくにしたがって、シェル材１２１は押し上げられ、シェル１２５の上部に設けられた開口を経てコア部１２６からシェル１２５の外部へシェル材１２１が押し出される。すなわち、シェル材１２１からコア材１１６への置換が行われる。

特に、コア部１２６へのコア材１１６の充填開始時には、図２（ａ）もしくは図２（ｂ）に示す通りノズル１２０から吐出されたコア材１１６は、シェル１２５の底面と接しながら、この底面に沿って水平方向（図２（ａ）もしくは図２（ｂ）におけるＸＹ方向）に塗れ広がる。このとき、塗れ広がるコア材１１６の先端部とコア部１２６内のシェル材１２１との界面では、シェル１２５の底面に対して傾斜角度αが形成される。この傾斜角度αは、ノズル１２０からのコア材１１６の吐出速度などによって定まり、所定の吐出速度でノズル１２０からコア材１１６が吐出され続けた場合、所定の傾斜角度αを維持しながらシェル１２５の底面に沿ってコア材１１６は塗れ広がる。

ここで、本発明の立体造形方法では、シェル１２５の側壁面の底面と接する部分の傾斜角度（図２（ａ）もしくは図２（ｂ）における傾斜角度β）がシェル１２５の底面を塗れ広がるコア材１１６の傾斜角度αよりも大きくなるよう形成されている。そのため、図３に示すように、傾斜角度αを有して塗れ広がるコア材１１６は、シェル１２５の側壁面の底面との交線、すなわち、コア部１２６の下方の隅部にまで問題無く到達する。コア材１１６がコア部１２６の下方の隅部にまで到達した後は、コア材１１６はシェル材１２１を上方に逃がしながら堆積していき、コア部１２６へ充填されていく。

一方、図４に示すように、仮にシェル１２５の側壁面の底面と接する部分の傾斜角度がシェル１２５の底面を塗れ広がるコア材１１６の傾斜角度αよりも小さかった場合、コア材１１６がコア部１２６の下方の隅部に到達する手前で、コア材１１６とシェル材１２１の界面とシェル１２５とで非充填部１３１のような閉じた空間を形成してしまう。この場合、この空間内のシェル材１２１の逃げ場は無くなり、コア材１１６との置換ができなくなる。すなわち、コア部１２６の一部分にコア材１１６が充填されないまま、コア材充填工程が終わってしまう。これに対し、本発明では図２に示す通り傾斜角度βが傾斜角度αよりも大きいことにより、このような問題を回避し、コア部１２６全体へコア材１１６が充填される。

なお、コア材１１６がコア部１２６の下方の隅部にまで到達し、コア材１１６が堆積していく段階では、シェル１２５の側壁面の傾斜が傾斜角度αより小さくても、コア材１１６がシェル１２５の内壁に接しながらシェル材１２１を押し上げていくことができる。すなわち、少なくともシェル１２５の側壁面の底面と接する部分の傾斜角度がシェル１２５の底面を塗れ広がるコア材１１６の傾斜角度よりも大きければ、コア部１２６全体にコア材１１６を充填することができる。

一方、本発明では、傾斜角度βが傾斜角度αよりも大きいというように、コア部１２６の形状に制約をかけることになる。これに対し、本発明において最終的に得られる立体造形物が硬化したコア材１１６とシェル１２５とで形成されるものであれば、立体造形物の外形はシェル１２５で形成されるため、図３に示すように傾斜角度αよりも小さい傾斜角度γをシェル１２５で形成することも可能であり、傾斜角度の制限が無い任意の形状の立体造形物を得ることが可能である。

なお、ノズル１２０からのコア材１１６の吐出が停止した後、既に吐出されたコア材１１６が扁平となろうとする働きにより若干の時間にかけて水平方向への若干の塗れ広がりが生じる。これを利用し、シェル１２５の底面と接しながら塗れ広がるコア材１１６がコア部１２６の下方の隅部に到達する手前で一度ノズル１２０からのコア材１１６の吐出速度を減少させ、既に吐出されたコア材１１６自体の働きによってコア材１１６がコア部１２６の下方の隅部に到達するようにしても良い。

また、ノズル１２０からのコア材１１６の吐出と併せてノズル１２０が水平方向に移動し、既に吐出されたコア材１１６の流動を補助するようにしても良い。

以上の立体造形方法により、シェルで囲われた部分であるコア部全体にコア材を充填し、立体造形物を造形することが可能である。

ここで、本発明の立体造形方法は、以上で説明した形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。たとえば、上記の説明では、コア材は熱硬化性を有し、コア部への充填後に熱エネルギーを付与されることにより硬化するが、それに限らず、たとえば室温で放置することにより硬化が進行しても良い。

また、上記の説明では、熱硬化したコア材とそれを囲うシェルとを合わせて立体造形物と呼んでいるが、熱硬化したコア材のみを立体造形物と呼び、コア材の熱硬化後にシェルが破壊されても良い。

１００ 立体造形装置
１１１ 造形槽
１１２ レーザ光学系
１１３ コア材供給系
１１４ 紫外線レーザ光源
１１５ 走査光学系
１１６ コア材
１１７ コア材タンク
１１８ａ 配管系
１１８ｂ 配管系
１１９ ポンプ
１２０ ノズル
１２１ シェル材
１２３ 硬化済み紫外線硬化樹脂
１２５ シェル
１２６ コア部
１２８ 造形台
１３０ 紫外線レーザ光
１３１ 非充填部

Claims (1)

1. 立体造形物の外殻層であるシェルをシェル材を用いて先に造形し、次に造形済の前記シェルに囲われた部分であるコア部にノズルから液相材料であるコア材を吐出し、充填することにより前記コア材を含む立体造形物を形成させる立体造形方法であって、
   少なくとも前記シェルの側壁面の底面と接する部分の傾斜角度は、前記ノズルから吐出された前記コア材と前記シェル材との界面が前記シェルの底面となす傾斜角度よりも大きいことを特徴とする、立体造形方法。

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