JP2023149502A - 立体造形装置の性能維持方法 - Google Patents

Abstract

【課題】強化材分散液の粘度変化を防止し、強化材分散液の吐出性能を維持することができる立体造形装置の性能維持方法を提供する。【解決手段】液相材料中に強化材を分散せしめた強化材分散液１１６を吐出口１２０ａから吐出し、強化材分散液１１６からなる立体造形物を形成させる立体造形装置１００の性能維持方法であり、吐出口１２０ａからの強化材分散液１１６の吐出を行っていないときに強化材分散液１１６の吐出経路１２０内で強化材分散液１１６の流動を生じさせる流動性維持工程を実施する。【選択図】図３

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装置の性能を維持する方法に関する。

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（強化材分散液）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

ここで、上記の立体造形装置で用いるコア材は、炭素繊維などの強化材が分散された樹脂であり、流動が生じていない状態下では樹脂の粘度が上昇し、また、強化材が沈降する。そのため、立体造形装置においてコア材の吐出が実施されない時間が続くとコア材の吐出経路内でコア材の粘度上昇、強化材の沈降が生じることにより吐出経路内で詰まりが生じ、コア材の吐出性能が低下してしまうおそれがあった。

本願発明は、上記問題点を鑑み、強化材分散液の粘度変化を防止し、強化材分散液の吐出性能を維持することができる立体造形装置の性能維持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装置の性能維持方法は、液相材料中に強化材を分散せしめた強化材分散液を吐出口から吐出し、当該強化材分散液からなる立体造形物を形成させる立体造形装置の性能維持方法であり、前記吐出口からの前記強化材分散液の吐出を行っていないときに前記強化材分散液の吐出経路内で前記強化材分散液の流動を生じさせる流動性維持工程を実施することを特徴としている。

本発明の立体造形装置の性能維持方法によれば、吐出口からの前記強化材分散液の吐出を行っていないときにも強化材分散液を浪費することなくその粘度変化を防止することができる。

また、前記流動性維持工程は、前記強化材分散液の吐出方向に対して逆方向への流動を含むと良い。

こうすることにより、強化材分散液を吐出させず吐出経路内で強化材分散液を流動させることができる。

また、前記吐出経路に供給する前記強化材分散液を貯留するタンクが前記供給経路と接続されており、前記流動性維持工程は、前記強化材分散液のヘッドが前記供給経路内にある状態を維持した状態で実施されると良い。

こうすることにより、タンク内に強化材分散液以外のものが混入することを防ぐことができる。

また、前記強化材分散液を流動させるポンプが前記吐出経路内に位置し、前記流動性維持工程は、前記強化材分散液のヘッドが前記ポンプよりも下流側にある状態を維持した状態で実施されると良い。

こうすることにより、ポンプの性能を維持することができる。

また、前記立体造形物は、外殻層であるシェルを液相材料である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前記強化材分散液材を充填することによって前記コア部を前記シェル材から前記強化材分散液へ置換することにより形成され、前記流動性維持工程は、前記吐出口が前記シェル材内に位置する状態で実施されると良い。

こうすることにより、吐出経路内に立体造形物の形成に関わるもの以外が混入することを防ぐことができる。

また、前記流動性維持工程は、前記吐出口が前記吐出経路の外部に貯留された前記強化材分散液内に位置する状態で実施されると良い。

こうすることにより、吐出経路内に強化材分散液以外の物質が混入することを防ぐことができる。

また、前記流動性維持工程は、前記吐出口が前記吐出経路を洗浄するための洗浄液内に位置する状態で実施されると良い。

こうすることにより、強化材分散液の流動性維持と同時に吐出経路の洗浄も実施することができる。

本発明の立体造形方法により、強化材分散液の粘度変化を防止し、強化材分散液の吐出性能を維持することができる。

本発明の性能維持方法にかかる立体造形装置を説明する図である。 本発明にかかる立体造形装置で用いるコア材の概略図である。 本発明の一実施形態における立体造形装置の性能維持方法を説明する図である。 本発明の他の実施形態における立体造形装置の性能維持方法を説明する図である。 本発明の他の実施形態における立体造形装置の性能維持方法を説明する図である。

本発明の性能維持方法を実施する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と呼ぶ。このシェル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、シェルで囲われた部分のうち底面を有する部分をコア部と呼ぶ。

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の先端の吐出口１２０ａ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、本説明でいう強化材分散液であり、図２に示すように熱硬化性樹脂１１６ｂ中に炭素繊維、ガラス繊維などの強化材１１６ａ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。

シェルが有するコア部へコア材１１６を充填し、コア部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、もしくはそれとシェルの組み合わせ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における本発明の性能維持方法を図３を用いて説明する。

本発明にかかる立体造形装置の性能維持方法は、主に立体造形装置が立体造形物の製造に供さず吐出口１２０ａからのコア材１１６の吐出を行っていないとき、いわゆる待機時間中に実施されるものであり、コア材１１６の吐出経路（配管系１１８ａ、１１８ｂ、ノズル１２０）内でコア材１１６の流動を生じさせる流動性維持工程を有する。

本実施形態の流動性維持工程では、造形槽１１１とは別に設けられた槽に貯められたシェル材１２１中にノズル１２０の吐出口１２０ａが浸漬された状態において、ポンプ１１９の逆回転と順回転が交互に行われることにより、図３（ａ）の矢印が示すようにコア材１１６の吐出経路内でコア材１１６の吐出方向への進出と吐出方向に対する逆方向への後退が繰り返し行われ、すなわち、コア材１１６が流動する。

なお、本説明においてコア材１１６の吐出経路におけるタンク１１７に近い方を上流側、ノズル１２０の吐出口１２０ａに近い方を下流側と呼ぶ。また、本説明においてコア材１１６の吐出経路（配管系１１８ａ、１１８ｂ、ノズル１２０）内におけるコア材１１６の先端部をヘッドＨと呼ぶ。

本実施形態の流動性維持工程では、ノズル１２０の下流側にシェル材１２１が進入し、ポンプ１１９の順回転と逆回転が交互に行われることにより、ヘッドＨがノズル１２０内を往復する状態が維持される。すなわち、コア材１１６が吐出口１２０ａから吐出されることなく流動性維持工程が実施され、流動性維持工程によりコア材１１６が消費することを防止している。

ここで、流動性維持工程がシェル材１２１中にノズル１２０の吐出口１２０ａが浸漬された状態において実施されることにより、ヘッドＨが空気と触れることを防止し、ヘッドＨにおいてコア材１１６が乾燥することを防ぐことができる。

また、本実施形態の立体造形装置の性能維持方法では、立体造形物の製造を再開させるために流動性維持工程が終了する際、ノズル１２０の先端部にシェル材１２１が残った状態でノズル１２０を造形槽１１１へ移動させると良い。そうすることにより、このシェル材１２１が蓋となり、ノズル１２０が造形槽１１１内のシェル材１２１に浸漬される瞬間にノズル１２０内のコア材１１６が造形槽１１１内のシェル材１２１の液面にて拡散することを防ぎ、シェル材１２１の汚染を防ぐことができる。

なお、本実施形態では造形槽１１１とは異なる槽に貯められたシェル材１２１中にノズル１２０の吐出口１２０ａが浸漬された状態において立体造形装置の性能維持方法が実施されるが、造形槽１１１内で実施されても良い。

一方、シェル材１２１は上記の通り立体造形装置１００で用いられてシェル内のコア部においてコア材１１６との置換が行われる液体ではあるが、このシェル材１２１がノズル１２０内に進入することが好ましくない場合もある。その場合、シェル材１２１内で流動性維持工程を実施する場合には、図３（ｂ）に示すように、まず一定量のコア材１１６を吐出し、そのコア材１１６を吐出口１２０ａから出し入れするようにすることが好ましい。

次に、本発明の他の実施形態における立体造形装置の性能維持方法を図４を用いて説明する。

本実施形態では、シェル材１２１に代わりコア材１１６が貯められた槽内にノズル１２０が浸漬された状態で流動性維持工程が実施される。これにより、コア材１１６の吐出経路（配管系１１８ａ、１１８ｂ、ノズル１２０）内にコア材１１６以外の物質が混入することなく、また、ヘッドＨを乾燥させることなく、吐出経路内のコア材１１６の流動を行わせることができる。

次に、本発明のさらに他の実施形態における立体造形装置の性能維持方法を図５を用いて説明する。

本実施形態では、コア材１１６の吐出経路の洗浄に用いられる洗浄液１４０が貯められた槽内にノズル１２０が浸漬された状態で流動性維持工程が実施される。こうすることにより、コア材１１６の吐出経路内のコア材１１６における流動性確保と同時に、洗浄液１４０が進入した部分において吐出経路の洗浄が行われ、たとえば吐出経路内で固化した熱硬化性樹脂１１６ｂや吐出経路内にへばりついた強化材１１６ａなどを除去することができる。

ここで、前述の実施形態では、コア材１１６の吐出経路内でのコア材１１６の流動が確保できれば充分であるため、コア材１１６のヘッドＨの移動はノズル１２０内で行われれば充分であるのに対し、本実施形態では、吐出経路をできるだけ広範囲で洗浄することが好ましく、ヘッドＨの移動量は可能な限り大きくとられることが好ましい。たとえば、ヘッドＨが吐出経路内のタンク１１７の手前の位置まで来るぐらいまで洗浄液１４０を進入させても良い。

一方、ポンプ１１９にコア材１１６以外の液体が進入することによってポンプ１１９の性能に悪影響が出る場合は、図５に示す通り吐出経路中のコア材１１６のヘッドＨはポンプ１１９よりも下流側に位置する状態が維持され、少なくとも配管系１１８ａおよびノズル１２０の内部が洗浄液１４０により洗浄されるようにすると良い。

以上の立体造形装置の性能維持方法により、強化材分散液の粘度変化を防止し、強化材分散液の吐出性能を維持することが可能である。

ここで、本発明の立体造形装置の性能維持方法は、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、流動性維持工程ではコア材の吐出方向および逆方向の流動が交互に行われるが、それに限らず、たとえばコア材のヘッドがポンプに到達するまでは逆方向の流動が所定時間毎に繰り返し行われるものであっても良い。

また、コア材の流動は、ポンプによる流動だけでなく、超音波などで吐出経路を振動させることによりコア材を流動させても良い。

また、流動性維持工程において、図１でいうノズル１２０の吐出口と配管系１１８ｂとをつなぐ別の配管を取り付け、配管系１１８ｂ、ポンプ１１９、１１８ａ、ノズル１２０を通ったコア材１１６をこの別の配管を通して配管系１１８ｂに戻すことにより、コア材１１６を循環させることによってコア材１１６の流動性を維持するようにしても良い。

また、上記の説明では、ノズルを液体に浸漬させた状態で流動性維持工程が行われているが、ノズルが大気中に配置された状態で流動性維持工程が行われても良い。この場合、ポンプへのエアの噛み込みを防ぐため、吐出経路中のコア材のヘッドはポンプよりも下流側に位置する状態を維持することが望まれる。

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
１１６ａ 強化材
１１６ｂ 熱硬化性樹脂
１１７ コア材タンク
１１８ａ 配管系
１１８ｂ 配管系
１１９ ポンプ
１２０ ノズル
１２０ａ 吐出口
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
１４０ 洗浄液
Ｈ ヘッド

Claims (7)

1. 液相材料中に強化材を分散せしめた強化材分散液を吐出口から吐出し、当該強化材分散液からなる立体造形物を形成させる立体造形装置の性能維持方法であり、
   前記吐出口からの前記強化材分散液の吐出を行っていないときに前記強化材分散液の吐出経路内で前記強化材分散液の流動を生じさせる流動性維持工程を実施することを特徴とする、立体造形装置の性能維持方法。
2. 前記流動性維持工程は、前記強化材分散液の吐出方向に対して逆方向への流動を含むことを特徴とする、請求項１に記載の立体造形装置の性能維持方法。
3. 前記吐出経路に供給する前記強化材分散液を貯留するタンクが前記供給経路と接続されており、前記流動性維持工程は、前記強化材分散液のヘッドが前記供給経路内にある状態を維持した状態で実施されることを特徴とする、請求項１もしくは２に記載の立体造形装置の性能維持方法。
4. 前記強化材分散液を流動させるポンプが前記吐出経路内に位置し、前記流動性維持工程は、前記強化材分散液のヘッドが前記ポンプよりも下流側にある状態を維持した状態で実施されることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の立体造形装置の性能維持方法。
5. 前記立体造形物は、外殻層であるシェルを液相材料である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前記強化材分散液材を充填することによって前記コア部を前記シェル材から前記強化材分散液へ置換することにより形成され、
   前記流動性維持工程は、前記吐出口が前記シェル材内に位置する状態で実施されることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の立体造形装置の性能維持方法。
6. 前記流動性維持工程は、前記吐出口が前記吐出経路の外部に貯留された前記強化材分散液内に位置する状態で実施されることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の立体造形装置の性能維持方法。
7. 前記流動性維持工程は、前記吐出口が前記吐出経路を洗浄するための洗浄液内に位置する状態で実施されることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の立体造形装置の性能維持方法。

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