JP3582339B2 - 3D modeling machine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄い素材シートを積層してこれを所定形状に切断する動作を繰り返すことにより3次元立体形状を造形する3次元造形装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
この種の3次元造形装置としては、例えば特開平6−278214号公報に開示された技術がある。これは加熱により溶融して接着力を生じる接着剤を裏面に塗布した紙シートを積層中の中間積層体の上面に送り込み、この紙シートをホットローラにより加熱すると同時に押圧して中間積層体の上面に接着してから、接着した紙シートをその位置に対応する造形物の輪郭形状(スライスデータ)に沿ってレーザビームにより切断するという動作を繰り返して3次元立体形状の造形を行うものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
このような3次元造形装置では、造形物の大きさ、輪郭形状の複雑さ、レーザビームによる切断速度(レーザの出力にほゞ比例)等により1枚の紙シートの切断時間が異なったものとなり、ホットローラによる各加熱の間の時間間隔が異なったものとなる。この時間間隔が短いと加熱の累積により中間積層体の上面の温度が上昇し、長いと放熱により温度が低下する。前者の場合は冷却して充分な接着力が生じるまでの時間が長くなるので、その間に積層される紙シートが熱歪みにより反ったりすると積層中の造形物の外周部に細かい剥がれが生じる。後者の場合は接着される紙シートの接着剤の溶融が不充分になるので接着が不完全になり、造形後にある程度以上力が加わったりすると造形物が接着面に沿って割れることがある。
【0004】
また、比較的大きな造形物の場合は、周辺部に比して中央部が放熱しにくいので中央部の温度が高くなり、熱膨張により中央部が厚く盛り上がる。一方、ホットローラは太さが一定の円筒状であるので、加熱押圧の都度、周辺部よりも中央部を強く押してその付近の溶融した接着剤の層を薄くする。このため冷却後の造形物は中央部が低くなって平坦度が悪くなり、また造形精度が低下する。
【0005】
本発明は、中間積層体の上面付近の温度を制御する温度制御手段を設けることにより、このような各問題を解決することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明による3次元造形装置は、加熱することにより溶融して接着力を生じる接着剤を裏面に塗布した素材シートを積層中の中間積層体の上面に送り込む素材シート供給手段と、素材シートを加熱し中間積層体の上面に押圧して接着する加熱押圧手段と、素材シートを所定の形状に切断する切断手段よりなる3次元立体形状を造形する3次元造形装置において、積層中の中間積層体の上面付近の温度を制御する温度制御手段を備えたことを特徴とするものである。温度制御手段は、接着に適した温度、あるいは均一な温度となるように、中間積層体の上面付近の温度を制御する。
【0007】
上述の温度制御手段は、加熱押圧手段が素材シートを加熱接着してからの時間を計測する計時手段と、この計時手段により計測された時間が所定時間に達するまでは素材シート供給手段により次の素材シートを送り込むことを停止させる計測停止手段よりなるものとしてもよい。この場合には、切断手段による切断時間が短い場合には、計測停止手段は素材シート供給手段による素材シートの供給を一時的に停止させることにより、加熱押圧手段が素材シートを加熱接着してから次の素材シートを送り込むまでの時間をほゞ一定とする。
【0008】
上述の温度制御手段は、加熱押圧手段が素材シートを加熱接着してからの時間を計測する計時手段と、この計時手段により計測された時間が所定時間を越えた場合は素材シート供給手段により次の素材シートを送り込む前に積層中の中間積層体の上面を加熱する再加熱手段よりなるものとしてもよい。この場合には、切断手段による切断時間が長い場合には、再加熱手段は素材シート供給手段が次の素材シートを送り込む前に、積層中の中間積層体の上面付近を再加熱する。
【0009】
上述の加熱押圧手段は素材シート供給手段により送り込まれた素材シートを中間積層体の上面に押圧しながら転動する所定温度に加熱された円筒状のホットローラを備え、温度制御手段は積層中の中間積層体の上面の中央部を冷却する冷却手段としてもよい。この場合には、周辺部に比して温度が高くなりがちな積層中の中間積層体の上面付近の中央部は冷却手段により部分的に冷却されるので、中間積層体の温度は比較的均一となる。
【0010】
【発明の実施の形態】
先ず図1〜図10により本発明の第1の実施の形態の説明をする。この実施の形態による3次元造形装置は、積層中の中間積層体Wの上側に素材シートPを送り込む素材シート供給手段20と、この素材シートPを加熱し中間積層体Wの上面に押圧して接着する加熱押圧手段30と、接着された素材シートPを所定の形状に切断する切断手段40を備えており、また計時手段と計測停止手段よりなる温度制御手段を含む制御装置55を備えている。
【0011】
積層中の中間積層体Wを支持する昇降テーブル11は、図4〜図8に示すように鉛直な軸線回りに回転自在に機枠(図示省略)に支持された4本の昇降送りねじ12に四隅がねじ係合され、各昇降送りねじ12がプーリ12a及びベルト14を介して昇降モータ13により連動して回転されることにより昇降される。この実施の形態の中間積層体Wの各層となる素材シートPは良質の紙であり、その裏面にはエチレン−酢酸ビニル共重合体のようなホットメルト接着剤が塗布されている。この接着剤は加熱することにより溶融して接着力を生じるものであり、常温では接着力を有していない。この素材シートPは紙に限らず、ポリエチレンテレフタレート等の合成樹脂シートでもよい。
【0012】
昇降送りねじ12の上部の左右両側には水平な1対の案内ローラ21a,21bが機枠により支持され、モータ23により回転駆動される送りローラ22が一方の案内ローラ21bと転がり接触するように設けられている。昇降送りねじ12の下部一側には、中間積層体Wとなるロール紙Pを所定幅の筒状に巻いた紙ロールPaが支持され、モータ24により回転される。この紙ロールPaから上方に引き出されたロール紙Pは案内ローラ21aにより水平な左右方向(X方向)に方向転換され、各昇降送りねじ12の間を通り、案内ローラ21bと送りローラ22により引き出され、モータ25により駆動される回収ロールPbにより巻き取られる。この各部材20〜25及び各ロールPa,Pbが素材シート供給手段20を構成している。
【0013】
次に主として図4〜図8により、昇降テーブル11及び素材シート供給手段20の上方に設けられる加熱押圧手段30の説明をする。機枠にはX方向に延びる前後1対の第1ガイドレール43が設けられている(図15及び図16参照)。加熱押圧手段30の移動台31はX方向と直交する水平なY方向に延びる細長い形状で、その両端は第1ガイドレール43により案内支持され、モータ34により回転駆動される送りねじ33によりX方向に往復平行移動される。移動台31にはその長手方向に沿って、ロール紙Pの幅よりも長くヒータにより所定温度(280〜300℃)に加熱される円筒状のホットローラ32が、回転自在でかつ多少上下動可能に支持されている。加熱されたホットローラ32は、移動台31の移動に伴い積層中の中間積層体Wの上側に送り込まれたロール紙Pの上を転動し、これを加熱しながら中間積層体Wの上面にホットローラ32の自重で押圧して接着する。移動台31の長手方向中央部一側にはリミットスイッチ36が設けられている。このリミットスイッチ36は、昇降テーブル11と共に上昇する中間積層体W及びロール紙Pの上面が所定の高さに達すればこれに当接して作動し、この作動に基づき制御装置55は昇降テーブル11の上昇を停止させる。
【0014】
この実施の形態の3次元造形装置は、レーザビームを用いた切断手段40を備えている。Y方向に延びる細長い第2ガイドレール44は両端が前述の第1ガイドレール43により案内支持されて(図15参照)、図1及び図4〜図8に示すように、モータ46により回転駆動される送りねじ45によりX方向に往復平行移動される。第2ガイドレール44には、レーザトーチ42とミラーボックス48bを設けた移動ヘッド41がY方向に沿って往復移動可能に案内支持され、駆動機構(図示省略)により往復動される。これによりレーザトーチ42は移動ヘッド41と共に、中間積層体Wを支持する昇降テーブル11に対しX方向及びY方向に移動され、その軌跡は制御装置55によりCNC制御される。図1に示すように、レーザ発振器47からのレーザビームLは、ミラーボックス48a,48b(ミラーボックス48aは第2ガイドレール44の一端部に取付け)に内蔵されたミラーにより反射されてレーザトーチ42から下向きに照射されて、中間積層体Wの上面に接着されたロール紙Pを切断する。切断手段40は、1枚分の厚さよりわずかに大きい深さまでロール紙Pを切断するように、レーザビームLの出力と切断速度などは調整されている。
【0015】
制御装置55には、以上に述べた各部分を次に述べるような所定の手順で作動させる制御プログラムが記憶されている。なお切断手段40は、上述のようにレーザを用いたものに限らず、例えば超音波カッタのような他の切断装置を用いたものでもよい。
【0016】
次にこの第1の実施の形態の作動の説明をする。造形に先立ち、図4に示すように下降させた昇降テーブル11の上面に基部となる紙Wd(図10参照)を両面テープにより接着し、図5に示すようにリミットスイッチ36が紙Wdにかかるように移動台31を前進させ、紙Wdがリミットスイッチ36と当接するように昇降テーブル11を上昇させると昇降テーブル11が停止する。次いで切断手段40を作動させて、レーザビームLにより紙Wdを中間積層体Wの最も外側となる四角い外輪郭線M1に沿って切断し、昇降テーブル11を下降させて、外輪郭線M1の外側となる部分を昇降テーブル11の上面からはがして取り去り、移動ヘッド41は図4等に示す基準位置まで後退させる。なお紙Wdは、この際に後述する内輪郭線M2、造形輪郭線M3及び分割線M4に沿って切断してもよい。
【0017】
次いで機枠にセットした紙ロールPaから引き出したロール紙Pを案内ローラ21a,21bの間に渡し、その先端の回収ロールPbを機枠にセットし、各モータ23〜25によりロール紙Pを軽く緊張させ、各部を図4及び図2(a) に示す状態とする。この状態から図9に示すフローチャートによる動作が、制御装置55により実行される。この第1の実施の形態は、造形物が比較的小形あるいは形状が簡単で切断手段40による切断時間が短く、従って切断が完了した時点では中間積層体Wの上面付近の温度が次のロール紙Pをホットローラ32により加熱接着するのに適した温度まで降下していない場合に適用されるものである。
【0018】
先ずモータ46が作動して移動台31と共にホットローラ32が前進して(ステップ101)図5に示すようにリミットスイッチ36だけが中間積層体Wにかかる位置で停止し、昇降モータ13により昇降テーブル11が上昇する(ステップ102)。中間積層体W(第1回目の上昇の場合は基部となる紙Wd)の上面がロール紙Pの下面に当接してこれをわずかに押し上げたところでリミットスイッチ36がロール紙Pの上面に当接してこれを検出し、昇降テーブル11は停止され、この停止位置は制御装置55内のメモリに記憶される。次いで所定温度に加熱されているホットローラ32は、一旦基準位置まで後退して(ステップ103)からX方向に図6の実線の位置まで前進し、次いで基準位置まで後退する(ステップ104、ステップ105)。これにより所定温度に加熱されているホットローラ32は、図2(b) に示すように、中間積層体W(第1回目の作動の場合は基部となる紙Wd)の上面に当接されたロール紙Pを押圧しながら往復転動し、ロール紙Pは加熱されて裏面のホットメルト接着剤が溶融すると共に中間積層体W(または紙Wd)の上面に押圧されて接着される。
【0019】
ホットローラ32が基準位置まで後退して加熱接着が完了すると同時に制御装置55に内蔵されたタイマが計時を開始し(ステップ106)、また切断手段40が作動を開始して、レーザビームLはそれまでの中間積層体W(第1回目の作動の場合は基部となる紙Wd)の上面に新たに接着されたロール紙Pの切断を開始する(ステップ107)。レーザトーチ42を支持する移動ヘッド41は、制御装置55からの指令により、図3に示す外輪郭線M1、内輪郭線M2、造形輪郭線M3及びこの両輪郭線M2,M3の間に形成される分割線M4に沿って移動するように、昇降テーブル11に対しX方向及びY方向に移動される。この移動の際、レーザ発振器47からのレーザビームLは図1及び図7に示すようにミラーボックス48a,48bを通りレーザトーチ42に導かれてロール紙Pに向かって下方に照射され、これによりそれまでの中間積層体Wの上面に新たに接着されたロール紙Pは切断される。図2(c) はこの切断している状態を示している。
【0020】
図10は中間積層体Wの上面に接着したロール紙PをレーザビームLにより切断する状態を示す拡大断面図で、造形輪郭線M3、分割線M4、内輪郭線M2、外輪郭線M1の順で切断される。制御装置55は、基部となる紙Wdの場合における昇降テーブル11の停止位置と今回接着したロール紙Pにおける昇降テーブル11の停止位置(ステップ102参照)の差により与えられる高さ位置に対応する造形物の輪郭形状(スライスデータ)を演算し、レーザビームLの径よりも多少大きい幅を有する造形輪郭線M3の内縁がこのスライスデータと一致するようにレーザトーチ42をX方向及びY方向に移動させる。外輪郭線M1、内輪郭線M2及び分割線M4の軌跡は、中間積層体Wの全ての層について同一である。中間積層体Wを形成する各層の各切断線M1〜M4は上下方向に連続している。
【0021】
この実施の形態の場合は、前述のようにレーザビームLによるロール紙Pの切断が完了した時点では、ホットローラ32による加熱接着の完了からの経過時間は、必要な接着力が得られる温度まで低下する時間には達していない。そこでこの実施の形態では、そのような所定の時間に達するまでしばらく作動を中断させてから(ステップ108)、タイマを停止させ(ステップ109)、図8に示すようにホットローラ32を基準位置まで後退させ、昇降テーブル11を下降させて(ステップ110)図4に示す位置に戻す。ここで造形が完了したか否かの判断がなされ(ステップ111)、造形が完了していなければモータ23〜25を作動させてロール紙Pの切り抜かれた部分を回収ロールPb側に送り、新しい部分を中間積層体Wの上側に送り込んで(ステップ112)、制御動作をステップ101に戻し、ステップ101〜ステップ112を繰り返す。これを繰り返すことにより中間積層体Wは次第に厚くなり、基部となる紙Wdの場合における昇降テーブル11の停止位置と今回接着したロール紙Pにおける昇降テーブル11の停止位置(ステップ102参照)の差により与えられる高さは次第に増大する。そしてこの高さと造形物の高さの差がロール紙Pの厚さよりも小さくなれば、ステップ111において造形完了との判断がされて、図9のフローチャートによる造形は完了する。
【0022】
なお特許請求の範囲との関連において、制御装置55に記憶されて図9のフローチャートの作動を実行する制御プログラムのうち、ステップ106で計時を開始するタイマが計時手段を、ステップ108で所定時間経過するのを待つ部分が計測停止手段を構成している。
【0023】
前述のようにこの第1の実施の形態では、造形物が比較的小形あるいは形状が簡単で切断手段40による切断時間が短く、従って切断が完了した時点では中間積層体Wの上面付近の温度が充分な接着力を生じる温度までは降下していない。しかしこの実施の形態では、レーザビームLによりロール紙Pを切断した後に素材シート供給手段20によるロール紙Pの供給を一時的に停止させて、加熱押圧手段30がロール紙Pを加熱接着してから次のロール紙Pを送り込むまでの時間をほゞ一定としており、従って中間積層体の上面付近の温度が充分な接着力を生じる温度まで低下してから次のロール紙Pの加熱押圧による接着がなされるので、積層される紙シートの熱歪みなどにより積層中の造形物の外周部に細かい剥がれが生じたりすることはなくなる。
【0024】
図11は上記第1の実施の形態の変形例を示す。この変形例では、図11に示すように中間積層体Wの上方となる位置に放射温度計56が設けられ、図9のフローチャートからステップ106及びステップ109を除き、ステップ108を放射温度計56による検出温度が所定値になるまで次のステップへの移行を保留するステップで置き換えたものである。すなわちこの変形例は、ステップ107のレーザによるロール紙Pの切断の後に、放射温度計56により中間積層体Wの上面の温度を検出し、この検出温度が充分な接着力が生じる所定温度まで低下してから次のステップ110に移行するようにしたものである。第1の実施の形態と同様この変形例でも、積層される紙シートの熱歪みなどにより積層中の造形物の外周部に細かい剥がれが生じたりすることはなくなる。
【0025】
次に図12及び図13により第2の実施の形態の説明をする。この実施の形態は、造形物が比較的大形あるいは形状が複雑で切断手段40による切断時間が長く、従って切断が完了した時点では中間積層体Wの上面付近の温度が次のロール紙Pをホットローラ32により加熱接着するのに適した温度よりも低くなってしまう場合に適用されるものである。この第2の実施の形態は、装置それ自体は図1〜図8に示す第1の実施の形態のものと同じであり、図13に示す作動のフローチャートの一部が図9のフローチャートと異なっている。以下に、主としてこの相違する部分の説明をする。
【0026】
造形に先立つ準備から図13のフローチャートのステップ207のレーザビームLによるロール紙Pの切断までの作動は、図9のフローチャートのステップ107までの作動と同じである。この第2の実施の形態では、ロール紙Pの切断の終了後すぐにタイマを停止し(ステップ208)、停止時におけるタイマの計時値が所定時間以上であるか否かを判断する(ステップ209)。この所定時間は、ステップ204及びステップ205においてホットローラ32により加熱された中間積層体Wの上面が、放冷により次のロール紙Pをホットローラ32により加熱接着するのに適した温度の下限まで低下する時間に設定する。この実施の形態が適用される場合は、通常は計時値が所定時間を越えているので、制御装置55は図12の実線で示す基準位置にあったホットローラ32を二点鎖線で示す位置まで前進させてから再び基準位置まで後退させ(ステップ210及びステップ211)、これにより中間積層体Wの上面は次のロール紙Pをホットローラ32により加熱接着するのに適した温度まで加熱される。この場合のホットローラ32の移動速度は中間積層体Wの上面が適切な温度に加熱されるように調節するものとし、この速度はステップ209における計時時間と設定時間の差に応じて変化させるのが好ましい。
【0027】
次いで図9のフローチャートのステップ110〜ステップ112と同様のステップ212〜ステップ214により、造形完了までは図13のフローチャートの作動を繰り返して造形を行い、造形が完了すれば作動を停止する。
【0028】
なお特許請求の範囲との関連において、制御装置55に記憶されて図13のフローチャートの作動を実行する制御プログラムのうち、ステップ206で計時を開始するタイマが計時手段を構成し、また加熱押圧手段30が再加熱手段を兼ねている。
【0029】
前述のようにこの第2の実施の形態では、造形物が比較的大形あるいは形状が複雑で切断手段40による切断時間が長く、従って切断が完了した時点では中間積層体Wの上面付近の温度は次のロール紙Pをホットローラ32により加熱接着するのに適した温度以下まで低下している。しかしこの実施の形態では、レーザビームLによりロール紙Pを切断した後にホットローラ32により積層中の中間積層体Wの上面付近を再加熱するので、中間積層体Wの上面付近の温度は次のロール紙Pを加熱接着するのに適切な温度となり、造形後の造形物が接着面に沿って割れたりすることはなくなる。
【0030】
この第2の実施の形態では放冷により温度が低下した中間積層体Wの上面を加熱する再加熱手段としてホットローラ32を兼用させたが、ホットローラ32とは別に昇降テーブル11の上方に赤外線ヒータなどをもうけ、これを再加熱手段としてもよい。
【0031】
次に図14により第3の実施の形態の説明をする。この実施の形態は第1及び第2の実施の形態を結合したものである。この実施の形態は、装置それ自体は図1〜図8に示す第1の実施の形態のものと同じであり、図14に示す作動のフローチャートの一部が図9及び図13のフローチャートと異なっているだけである。以下に、この相違する部分の説明をする。
【0032】
造形に先立つ準備から図14のフローチャートのステップ307のレーザビームLによるロール紙Pの切断までの作動は、図9のフローチャートのステップ107までの作動と同じである。この第3の実施の形態では、ロール紙Pの切断の終了後に造形が完了したか否かの判断がなされ(ステップ308)、造形が完了していなければそのときのタイマの実測時間を所定の目標時間に許容値αを加えた時間と比較する(ステップ309)。この目標時間は、ホットローラ32によるロール紙Pの加熱接着の終了時点から、中間積層体Wの上面の温度が必要な接着力が得られかつ次のロール紙Pをホットローラ32により加熱接着するのに適した温度まで低下するのに必要な時間の最適値である。
【0033】
ステップ309で実測時間の方が大、すなわちホットローラ32によるロール紙Pの加熱接着からの時間が長ければ、タイマを停止して(ステップ310)図13のフローチャートのステップ210及びステップ211と同様にホットローラ32を前進後退させて中間積層体Wの上面を次のロール紙Pを加熱接着するのに適した温度まで加熱し、昇降テーブル11を下降させ新しいロール紙Pを送り込んで(ステップ313及びステップ314)、制御動作をステップ301に戻して図14のフローチャートの作動を繰り返す。これにより中間積層体Wは次第に厚くなり、前述したような所定の厚さとなれば、ステップ308において造形完了との判断がされて、図14のフローチャートによる造形は完了する。
【0034】
またステップ309で実測時間の方が大でない、すなわちホットローラ32によるロール紙Pの加熱接着からの時間が短ければ、次第に増大するタイマの実測時間を所定の目標時間から許容値βを差し引いた時間と比較する(ステップ315)。そして実測時間の方が大、すなわち中間積層体Wの上面の温度が必要な接着力が得られる温度まで低下する時間に達したところでタイマを停止させ(ステップ316)、上記ステップ313及びステップ314を経て制御動作をステップ301に戻して図14のフローチャートの作動を繰り返し中間積層体Wが所定の厚さとなれば、ステップ308において造形完了との判断がされて、図14のフローチャートによる造形は完了する。ロール紙Pの切断が完了した時点におけるタイマによる実測時間が、目標時間+許容値αと目標時間−許容値βの間にあるときは、ステップ311及びステップ312による再加熱も、ステップ315による時間待ちも行われず、直ちにステップ313及びステップ314を経て制御動作をステップ301に戻す。
【0035】
この第3の実施の形態は、第1及び第2の実施の形態を結合したものであるので、この両実施の形態の効果は何れも得られる。
【0036】
次に図15及び図16に示す第4の実施の形態の説明をする。造形物が比較的大形の場合には、積層中の中間積層体Wは上面付近の中央部が周辺部に比して放熱が悪くなるので温度が上昇して盛り上がり、前述のような理由で冷却後に中央部が低くなり造形精度が低下するという問題が生じるが、この第4の実施の形態はそのような場合に適用されるものであり、第1〜第3の実施の形態に使用する装置に冷却手段を設けたものである。
【0037】
図15及び図16は、この第4の実施の形態の昇降テーブル11の上方に位置する素材シート供給手段20、加熱押圧手段30及び切断手段40の一部、並びに冷却手段を示したものである。素材シート供給手段20、加熱押圧手段30及び切断手段40は第1〜第3実施の形態のものと同一であるので説明を省略し、冷却手段についてのみ説明する。
【0038】
この実施の形態の冷却手段はエアノズル50及びダクト51により構成されている。エアノズル50は昇降テーブル11の中心の上方に設けられて、冷却空気供給装置(図示省略)からの冷却空気を中間積層体Wの上面の中心部に集中するように下向きに吹き出すものであり、機枠に取り付けられている。ダクト51は長方形の枠形で第1ガイドレール43の上側に固定され、その内面と下面には多数の吸入口が開口され、その一部には排気装置(図示省略)に連結される吸出口51aが設けられている。
【0039】
中間積層体Wの上面に加熱接着したロール紙Pを上述の各実施の形態と同様にしてレーザビームLにより切断している間中、エアノズル50には冷却空気供給装置から冷却空気が供給され、ホットローラ32を移動させている間は冷却空気の供給は停止される。この冷却空気は図に示すように中間積層体Wの上面の中央部に集中して当たり、中央部を冷却して四方八方に分かれ、ダクト51内に吸引されて吸出口51aから外部に排出される。レーザビームLによりロール紙Pを切断する際に生じる煙も、冷却空気と共に吸引されて外部に排出される。エアノズル50からの冷却空気の温度と量は、造形の初期で中間積層体Wの高さが低いときは中央部の放熱の低下が少ないので常温で量も少なくてよいが、造形が進んで中間積層体Wの高さが増大するにつれて中央部の放熱が悪くなるのでスポットクーラにより冷却し量も増大させるようにする。このように冷却することにより、中間積層体Wの上面の温度は造形の全期間にわたりほゞ均一となり、従って中間積層体W全体の温度もほゞ均一となる。
【0040】
造形物が比較的大形の場合には、前述のようにそのままでは上面中央部の温度が上昇し、造形精度が低下するという問題がある。しかしこの第4の実施の形態では、冷却手段により中央部が冷却されるので、中間積層体Wの温度はほゞ均一となる。従って加熱押圧の際にホットローラ32が中間積層体Wの中央部付近を局部的に強く押すことがないので、冷却後の造形物の平坦度が悪くなったり精度が低下したりすることはなくなる。この第4の実施の形態は、第1〜第3の実施の形態と組み合わせて実施してもよい。
【0041】
図17及び図18は上記第4の実施の形態の変形例を示す。この変形例はダクトが各第1ガイドレール43の両側下側となる2つの部分51Aに分割されている点が第4の実施の形態と異なるだけである。その他の部分の構造と作用効果は第4の実施の形態と同一であるので詳細な説明は省略する。
【0042】
なお、上述の実施の形態においては、ロール紙Pを加熱接着した後にレーザビームLによる切断を行っているが、レーザビームLによる切断を行った後に加熱接着するものにも本発明は適用できる。
【0043】
【発明の効果】
本発明によれば、中間積層体の上面付近の温度は、接着に適した温度あるいは均一な温度となるように制御されるので、積層中の造形物の外周部に細かい剥がれが生じたり、造形後に割れたりすることはなくなり、また造形物の平坦度が悪くなったり精度が低下したりすることもなくなる。
【0044】
温度制御手段が計時手段と計測停止手段からなる請求項2の発明によれば、切断手段による切断時間が短い場合には、素材シート供給手段による供給を一時的に停止させることにより加熱押圧手段が素材シートを加熱接着してから次の素材シートを送り込むまでの時間はほゞ一定となるので、中間積層体の上面付近の温度が高くなりすぎることはなく、従って積層中の造形物の外周部に細かい剥がれが生じたりすることはなくなる。
【0045】
温度制御手段が計時手段と再加熱手段からなる請求項3の発明によれば、切断手段による切断時間が長い場合には、再加熱手段は素材シート供給手段が次の素材シートを送り込む前に積層中の中間積層体の上面付近を再加熱するので中間積層体の上面付近の温度は次の素材シートを加熱接着するのに適切な温度となり、造形後に割れたりすることはなくなる。
【0046】
加熱押圧手段がホットローラを備え、温度制御手段が冷却手段である請求項4の発明によれば、中間積層体は温度が比較的均一となって熱膨張により中央部付近が盛り上ることがなくなるので、加熱押圧の際にホットローラが中間積層体の中央部付近を局部的に強く押すことがない。従って冷却後の造形物の平坦度が悪くなったり精度が低下したりすることもなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による3次元造形装置の第1の実施形態の概略的構造を示す斜視図である。
【図2】第1の実施形態による中間積層体の成形サイクルの説明図である。
【図3】図2に示す中間積層体の切断手段による切断線を示す図である。
【図4】昇降テーブルを下降させた状態における第1の実施形態の全体正面図である。
【図5】昇降テーブルを上昇させてリミットスイッチに当接した状態を示す第1の実施形態の全体正面図である。
【図6】素材シートを加熱接着している状態を示す第1の実施形態の全体正面図である。
【図7】加熱接着した素材シートを切断している状態を示す第1の実施形態の全体正面図である。
【図8】素材シートの加熱接着及び切断が終了した状態を示す第1の実施形態の全体正面図である。
【図9】第1の実施の形態の作動を説明するフローチャートである。
【図10】積層中の中間積層体の断面図である。
【図11】第1の実施形態の変形例を示す全体正面図である。
【図12】中間積層体の上面を再加熱している状態を示す第2の実施形態の全体正面図である。
【図13】第2の実施の形態の作動を説明するフローチャートである。
【図14】第3の実施の形態の作動を説明するフローチャートである。
【図15】第4の実施の形態の要部を示す部分拡大平面図である。
【図16】図15の正面図である。
【図17】第4の実施の形態の変形例の要部を示す部分拡大平面図である。
【図18】図17の正面図である。
【符号の説明】
20…素材シート供給手段、30…加熱押圧手段、32…ホットローラ、40…切断手段、P…素材シート(ロール紙)、W…中間積層体。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a three-dimensional modeling apparatus that forms a three-dimensional three-dimensional shape by repeating an operation of stacking thin material sheets and cutting the same into a predetermined shape.
[0002]
[Prior art]
As this type of three-dimensional printing apparatus, there is a technique disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-278214. In this method, a paper sheet coated on the back side with an adhesive that is melted by heating to produce an adhesive force is sent to the upper surface of the intermediate laminate being laminated, and the paper sheet is heated by a hot roller and pressed at the same time as the upper surface of the intermediate laminate. After that, the operation of cutting the bonded paper sheet with a laser beam along the contour shape (slice data) of the molded object corresponding to the position is repeated to form a three-dimensional three-dimensional shape.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In such a three-dimensional printing apparatus, the cutting time of one paper sheet varies depending on the size of the formed object, the complexity of the contour shape, the cutting speed by the laser beam (almost proportional to the laser output), and the like. The time interval between each heating by the hot roller is different. If the time interval is short, the temperature of the upper surface of the intermediate laminate increases due to accumulation of heating, and if the time interval is long, the temperature decreases due to heat radiation. In the former case, the time until cooling and sufficient adhesive strength is prolonged, so that if the paper sheets laminated during this time are warped due to thermal distortion, fine peeling will occur at the outer peripheral portion of the shaped object being laminated. In the latter case, the adhesive of the paper sheet to be bonded is insufficiently melted, so that the bonding becomes incomplete. If a force is applied to the paper sheet after molding to a certain degree or more, the molded article may crack along the bonding surface.
[0004]
Further, in the case of a relatively large modeled object, the central portion is harder to dissipate heat than the peripheral portion, so that the temperature at the central portion becomes higher and the central portion becomes thicker due to thermal expansion. On the other hand, since the hot roller has a cylindrical shape with a constant thickness, each time the hot pressing is performed, the central portion is pressed harder than the peripheral portion to reduce the thickness of the molten adhesive layer in the vicinity. For this reason, the shaped object after cooling has a lower central portion, resulting in poor flatness, and reduced modeling accuracy.
[0005]
An object of the present invention is to solve each of these problems by providing a temperature control unit that controls the temperature near the upper surface of the intermediate laminate.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The three-dimensional modeling apparatus according to the present invention includes: a material sheet supply unit configured to feed a material sheet having a back surface coated with an adhesive that is melted by heating to generate an adhesive force to an upper surface of an intermediate laminate being stacked; In a three-dimensional modeling apparatus that forms a three-dimensional three-dimensional shape, the heating and pressing unit presses and adheres to the upper surface of the intermediate laminate and a cutting unit that cuts the material sheet into a predetermined shape. A temperature control means for controlling a temperature near the upper surface is provided. The temperature control means controls the temperature near the upper surface of the intermediate laminate so as to be a temperature suitable for bonding or a uniform temperature.
[0007]
The above-mentioned temperature control means is a time-measuring means for measuring the time after the heating and pressing means heat-bonds the material sheet, and the material sheet supply means until the time measured by the time-measuring means reaches a predetermined time. It may be constituted by a measurement stopping means for stopping feeding of the material sheet. In this case, if the cutting time by the cutting means is short, the measurement stopping means temporarily stops the supply of the material sheet by the material sheet supply means, so that the heating pressing means heats and bonds the material sheet. The time until the next material sheet is fed is almost constant.
[0008]
The above-mentioned temperature control means includes a time-measuring means for measuring a time after the heating / pressing means heat-bonds the material sheet, and a time-measurement means for measuring the time after the time-measurement means exceeds a predetermined time. It may be constituted by a reheating means for heating the upper surface of the intermediate laminate during lamination before feeding the material sheet. In this case, when the cutting time by the cutting means is long, the reheating means reheats the vicinity of the upper surface of the intermediate laminate during lamination before the material sheet supply means feeds the next material sheet.
[0009]
The above-described heating and pressing means includes a cylindrical hot roller heated to a predetermined temperature that rolls while pressing the material sheet fed by the material sheet supply means against the upper surface of the intermediate laminate, and the temperature control means includes Cooling means for cooling the central portion of the upper surface of the intermediate laminate may be used. In this case, the central portion near the upper surface of the intermediate laminate during lamination, which tends to have a higher temperature than the peripheral portion, is partially cooled by the cooling means, so that the temperature of the intermediate laminate is relatively uniform. It becomes.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The three-dimensional printing apparatus according to this embodiment includes a material
[0011]
As shown in FIGS. 4 to 8, the lifting table 11 for supporting the intermediate laminate W during lamination includes four
[0012]
A pair of
[0013]
Next, the heating and pressing means 30 provided above the elevating table 11 and the material sheet supply means 20 will be described mainly with reference to FIGS. The machine casing is provided with a pair of front and rear
[0014]
The three-dimensional printing apparatus according to this embodiment includes a cutting
[0015]
The
[0016]
Next, the operation of the first embodiment will be described. Prior to shaping, a base paper Wd (see FIG. 10) is adhered to the upper surface of the elevating table 11 lowered as shown in FIG. 4 with a double-sided tape, and the
[0017]
Next, the roll paper P pulled out from the paper roll Pa set in the machine frame is passed between the
[0018]
First, the
[0019]
At the same time when the
[0020]
FIG. 10 is an enlarged sectional view showing a state in which the roll paper P adhered to the upper surface of the intermediate laminate W is cut by the laser beam L, in the order of the molding contour M3, the dividing line M4, the inner contour M2, and the outer contour M1. Cut at The
[0021]
In the case of this embodiment, when the cutting of the roll paper P by the laser beam L is completed as described above, the elapsed time from the completion of the heat bonding by the
[0022]
In connection with the claims, in the control program stored in the
[0023]
As described above, in the first embodiment, the shaped object is relatively small or simple in shape, and the cutting time by the cutting means 40 is short. Therefore, when the cutting is completed, the temperature near the upper surface of the intermediate laminate W is reduced. It has not dropped to a temperature that produces sufficient adhesion. However, in this embodiment, after the roll paper P is cut by the laser beam L, the supply of the roll paper P by the material sheet supply means 20 is temporarily stopped, and the heating / pressing means 30 heats and bonds the roll paper P. And the time until the next roll paper P is fed is almost constant. Therefore, after the temperature near the upper surface of the intermediate laminated body is reduced to a temperature at which sufficient adhesive force is generated, the adhesion of the next roll paper P by heating and pressing is performed. Therefore, fine peeling does not occur on the outer peripheral portion of the shaped object being stacked due to thermal distortion or the like of the paper sheet to be stacked.
[0024]
FIG. 11 shows a modification of the first embodiment. In this modification, a
[0025]
Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS. In this embodiment, the shaped article is relatively large or complicated in shape, and the cutting time by the cutting means 40 is long. Therefore, at the time when the cutting is completed, the temperature near the upper surface of the intermediate laminated body W causes the next roll paper P to move. This is applied when the temperature becomes lower than a temperature suitable for heat bonding by the
[0026]
The operation from preparation prior to modeling to cutting of the roll paper P by the laser beam L in
[0027]
Next, in
[0028]
In the context of the claims, of the control program stored in the
[0029]
As described above, in the second embodiment, the shaped object is relatively large or complicated in shape, and the cutting time by the cutting means 40 is long. Therefore, when the cutting is completed, the temperature near the upper surface of the intermediate laminate W is reduced. Has fallen below a temperature suitable for heating and bonding the next roll paper P by the
[0030]
In the second embodiment, the
[0031]
Next, a third embodiment will be described with reference to FIG. This embodiment is a combination of the first and second embodiments. In this embodiment, the device itself is the same as that of the first embodiment shown in FIGS. 1 to 8, and a part of the flowchart of the operation shown in FIG. 14 is different from the flowcharts of FIGS. It is just that. The difference will be described below.
[0032]
The operation from preparation prior to modeling to cutting of the roll paper P by the laser beam L in
[0033]
If the measured time is longer in
[0034]
In
[0035]
The third embodiment is a combination of the first and second embodiments, so that the effects of both embodiments can be obtained.
[0036]
Next, a fourth embodiment shown in FIGS. 15 and 16 will be described. In the case where the modeled object is relatively large, the middle laminated body W during lamination has a higher temperature because the central portion near the upper surface has a lower heat radiation than the peripheral portion, and the temperature rises and swells for the reason described above. There is a problem that the central portion is lowered after cooling and the modeling accuracy is reduced. However, the fourth embodiment is applied to such a case, and is used in the first to third embodiments. The apparatus is provided with cooling means.
[0037]
FIGS. 15 and 16 show the material sheet supply means 20, a part of the heating and
[0038]
The cooling means of this embodiment includes an
[0039]
While the roll paper P heated and bonded to the upper surface of the intermediate laminate W is cut by the laser beam L in the same manner as in the above-described embodiments, cooling air is supplied to the
[0040]
When the modeled object is relatively large, there is a problem that the temperature of the central portion of the upper surface increases as it is as described above, and the modeling accuracy decreases. However, in the fourth embodiment, since the central portion is cooled by the cooling means, the temperature of the intermediate laminate W is substantially uniform. Therefore, the
[0041]
FIGS. 17 and 18 show a modification of the fourth embodiment. This modification is different from the fourth embodiment only in that the duct is divided into two
[0042]
In the above-described embodiment, the cutting with the laser beam L is performed after the roll paper P is heated and bonded. However, the present invention is also applicable to a case where the bonding is performed after the cutting with the laser beam L.
[0043]
【The invention's effect】
According to the present invention, the temperature in the vicinity of the upper surface of the intermediate laminate is controlled so as to be a temperature suitable for bonding or a uniform temperature. It does not break later, and the flatness of the modeled object does not deteriorate and the accuracy does not decrease.
[0044]
According to the invention of
[0045]
According to the third aspect of the present invention, when the cutting time is long by the cutting means, the reheating means is stacked before the material sheet supply means feeds the next material sheet. Since the vicinity of the upper surface of the intermediate laminate is reheated, the temperature near the upper surface of the intermediate laminate becomes an appropriate temperature for heating and bonding the next material sheet, so that it does not break after molding.
[0046]
According to the invention of
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic structure of a first embodiment of a three-dimensional printing apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a molding cycle of the intermediate laminate according to the first embodiment.
FIG. 3 is a view showing a cutting line of the intermediate laminate shown in FIG. 2 by cutting means.
FIG. 4 is an overall front view of the first embodiment in a state where a lifting table is lowered.
FIG. 5 is an overall front view of the first embodiment showing a state in which the lifting table is raised and abutted against a limit switch.
FIG. 6 is an overall front view of the first embodiment showing a state in which the material sheets are bonded by heating.
FIG. 7 is an overall front view of the first embodiment, showing a state in which the heat-bonded material sheet is being cut.
FIG. 8 is an overall front view of the first embodiment showing a state in which the heat bonding and cutting of the material sheet have been completed.
FIG. 9 is a flowchart illustrating an operation of the first embodiment.
FIG. 10 is a cross-sectional view of an intermediate laminate during lamination.
FIG. 11 is an overall front view showing a modification of the first embodiment.
FIG. 12 is an overall front view of the second embodiment showing a state in which the upper surface of the intermediate laminate is being reheated.
FIG. 13 is a flowchart illustrating the operation of the second embodiment.
FIG. 14 is a flowchart illustrating the operation of the third embodiment.
FIG. 15 is a partially enlarged plan view showing a main part of the fourth embodiment.
FIG. 16 is a front view of FIG.
FIG. 17 is a partially enlarged plan view showing a main part of a modification of the fourth embodiment.
18 is a front view of FIG.
[Explanation of symbols]
20: Material sheet supply means, 30: Heat pressing means, 32: Hot roller, 40: Cutting means, P: Material sheet (roll paper), W: Intermediate laminate.
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