JP3772762B2

JP3772762B2 - ラピッドプロトタイピング微細穴造形方法

Info

Publication number: JP3772762B2
Application number: JP2002051760A
Authority: JP
Inventors: 英俊松坂
Original assignee: 株式会社日立サイエンスシステムズ
Priority date: 2002-02-27
Filing date: 2002-02-27
Publication date: 2006-05-10
Anticipated expiration: 2022-02-27
Also published as: JP2003245982A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３次元ＣＡＤモデルデータを用いた光造形や粉末焼結、または粉末融着等のラピッドプロトタイピング微細穴造型方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の３次元ＣＡＤモデルデータを用いたラピッドプロトタイピングでの造形法を図５により説明する。まず３次元ＣＡＤで作成した立体データ（図５（Ａ）、ｅｘ．ｘ、ｙ、ｚ）をスライスし等高線データに変換（図５（Ｂ）ｅｘ．ｚ１に対するｘ１、ｙ１）する。その等高線データに基づいて造形素材を硬化させるビームの軌跡データに座標変換（図５（Ｃ））する。その後、等高線データの厚さ分（スライスピッチ）、造形素材、例えば粉末プラスチックを散布し薄膜を形成する（図５（Ｄ））。そしてビームを照射によることによって、前記粉末素材を硬化させる（図５（Ｅ））。これを順次、等高線データの枚数分（積層分）繰り返し（図５、（Ｄ）−（Ｅ）−（Ｆ））、粉末にあたかも埋まっているような製品Ｐを取り出すと（図５（Ｇ））、３次元ＣＡＤモデルデータと同様の造形品Ｐが生成される。
【０００３】
図５の右側に示した（ａ）〜（ｇ）は、図５の（Ａ）〜（Ｇ）に対応して、生成される造型品のイメージを示している。この例では、造型品Ｐを生成する過程を示している。
【０００４】
ここで、等高線データをビームの軌跡データに変換する際、等高線データの硬化領域に鋭角のエッジがある場合、照射する円形断面ビームの照射軌跡を硬化領域Ｈからはみ出さないようにしなければならない。例えば図６（Ａ）に示すように、ビーム照射ＴＲをおこなったとき、硬化領域Ｈのエッジの先端部までビームが届かず、結果的には図６（Ｂ）のように先端部の硬化が欠落してしまう。
【０００５】
そこで、従来技術では上記鋭角エッジ部の硬化欠落を防ぐため、硬化領域のエッジの角度が９０°未満の場合、エッジ先端部を包み込むような照射ビーム軌跡によりビームの照射をおこなうようにする。例えば、図６（Ｃ）に示すように、照射ビーム軌跡ＴＲ１により照射する。しかし結果的には、照射ビーム軌跡ＴＲ１が、硬化領域Ｈをはみ出すため、３次元ＣＡＤデータには存在しない不要な突起物が生成されてしまう（例えば、図６（Ｄ））。
【０００６】
これは特に微細穴がある場合などに顕著に現れる。このため、特に微細穴がある３次元ＣＡＤモデルデータを用いて積層造形した場合、穴周辺に対しモデルデータには存在しない突起物が形成され、場合によっては穴が塞がってしまう現象がある。
【０００７】
また、先行技術として特開２００１−２７７３６９号公報がある。この記載はモデルを所望の間隔で輪切りにして複数の断面輪郭線データを作成するスライス処理と、輪郭線の構成においてレーザーのスポット径に応じた寸法だけオフセット処理することが開示されている。また、隣接する線分がなす角度に対応するスポット径を変更することも記載されている。角度が小さいときは、スポット径を小さくすることが実施例に記載されている。
【０００８】
また、先行技術として特開平５−４２８４号公報がある。この記載は、プリント基板用基材の製造方法に関する。従来の垂直なスルーホールに加え、所望の形状、例えば、斜めのスルーホールやＬ字のスルーホールなどのスルーホールを有するプリント配線板用基材およびその製造方法に関するものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来技術は、硬化領域が鋭角の形状の場合、ビームの大きさによってその先端部（コーナ部）の硬化が出来ずに硬化の欠落部が生じてしまう。したがって、前記従来技術のように、鋭角の程度によってビームの大きさを可変にする方法もある。しかし、一般的には、予め与えられた大きさで照射硬化処理をする。また、ビームが小さすぎると硬化が十分でない場合があり、造形品の品質にも影響を与えることになるから、ある程度の大きさのビームスポットは必要である。
【００１０】
また前記の先行技術のようにプリント配線板用基材の場合には、斜めあるいはＬ字のスルーホールなどを対象にした技術であり、平行な微細孔を有する造形品を対象にしたものではない。前記いずれの先行技術においても、平面あるいは傾斜面に均等に微細穴を設ける造形品についての配慮はなされていない。
【００１１】
本発明の目的は、平面あるいは傾斜面にかかわらず、平行な微細穴を設ける光造形品において、目詰まりがなく良質のメッシュ造形品を得るラピッドプロトタイピング微細穴造形方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記課題は以下の手段によって解決することができる。
三次元ＣＡＤモデルにより造形品を複数の積層部分に分割し、分割した積層部分の造形素材を順次硬化し、積層部分を積み重ねることによって微細穴を有する造形品生成において、造形品に対して設けられる直線状微細穴の軸が平行な複数の微細穴とし、前記微細穴を有する造形品の前記三次元ＣＡＤモデルデータを前記積層面に平行な等高線データに変換し、前記変換された等高線データに基づいて微細穴を有する造型品を生成することに特徴がある。
【００１３】
また、前記微細穴の断面積は１ｍｍ^２以下でメッシュ状に配置されていること。また、前記微細穴は平面あるいは曲面に均等間隔に設けられた複数の微細穴であることに特徴がある。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、図面を用いて説明する。本発明は、三次元ＣＡＤで作成する立体データ（例えば、図５（Ａ），（ａ））が、微細穴を有する造形品を対象にする場合である。図１（Ａ）に示すように、三次元ＣＡＤ上で、全ての微細穴を直線的に、かつ平行にあけた造形品を生成する場合について説明する。
【００１６】
図１（Ａ）は穴ｈ１〜ｈ４を有する造形品を生成するために、三次元ＣＡＤデータから、スライス方向の等高線データに変換する例を示している。その際、積層面に対し微細穴の軸が平行になるように図１（Ｂ）に示すように、図１（Ａ）の三次元ＣＡＤデータを、９０度回転させたデータに変換して造形を行う。これ以降は従来技術で示したようにステップ（Ｃ）〜（Ｆ）の処理をおこない、ステップ（Ｇ）で造形品Ｐを取り出す。ここで９０度回転させることは、図１（Ａ）の例の場合であって、微細穴の軸と積層面の関係から、実際にはいろんな角度の場合がある。
【００１７】
図１は、ある任意の断面について示しているが、図１（Ａ）の矢印Ｓから見た平面図は図２（Ａ）のようになる。このように、通常は等間隔にメッシュ状に微細穴が設けられることが多い。微細穴の断面積は１ｍｍ^２以下である（前記のような問題は、微細穴の断面積が１ｍｍ^２以下の場合に発生し易い）。したがって、ここでは、穴の間隔も１ｍｍ以下のメッシュ状に穴を有する造形品を、対象にして説明する。微細穴は円形、正方形など任意の形状の場合があるが、ここでは正方形の場合についての例示である。図１の（Ｂ）に示したように穴の軸を積層面に平行に配置変換されたデータに基づいて（例えば図５（Ｃ）に示したように）、その等高線データにより造形素材を硬化させるビームの軌跡データに座標変換する。
【００１８】
それは、例えば図１（Ａ）において、三次元ＣＡＤデータがＸ，Ｙ，Ｚ，のデータとして作成され、Ｘ軸方向がスライス方向で、Ｚ軸が積層方向であれば、これを図１（Ｂ）のようにＺ’方向をスライス方向とするデータＸ’，Ｙ’，Ｚ’のデータに変換し、造形を行うことが本発明の造形方法である（この場合積層方向はＸ’方向である）。
【００１９】
その後、等高線データの厚さ分の（通常０．１５ｍｍ）造形粉末素材を図５（Ｄ）、（ｄ）のように薄膜散布し、図５の（Ｅ），（ｅ）のようにビーム照射による素材硬化を行う。これを等高線データの枚数分繰り返し（図５（Ｄ）〜（Ｆ））、あたかも埋まった製品を取り出すことになる（図５（Ｇ））。その結果、微細孔に不要な突起物のない、３次元ＣＡＤモデルと同様の造形品が生成される。
【００２０】
このようにステップ（Ｃ）以降は従来技術と同じであるが、ステップ（Ａ）、（Ｂ）において、図１に示したように、微細穴は全て直線状の穴であること、その直線状の穴は、輪切りにする積層面と平行になるスライス等高線データに変換してビームによる硬化処理を行うことに特徴がある。
【００２１】
図１（Ａ）で、矢印方向Ｓから見た場合を図２（Ａ）に示す。図１（Ａ）の穴、ｈ１〜ｈ４は図１（Ａ）に対応した微細穴を示している。図１（Ａ）は一断面の場合の説明図であるが、面で見ると図２（Ａ）のようにメッシュ状に穴があけられる場合を示している。この穴の断面積は前記のように１ｍｍ^２以下である。また穴の間隔も１ｍｍ以下である。その穴は図２（Ｂ）に示したように平面、曲面に係わらず等間隔にあけることが要求される。本発明によれば、その場合にも対応できる。
【００２２】
また、穴径がこの例の場合のように１ｍｍ^２以下の場合には、穴の目詰まりという現象が生じる。これを防ぐためには、例えば図３に示したように１ｍｍ^２以下の穴をもつ造形品の等高線データを作成するとき、９０°未満の鋭角エッジの硬化領域を生成させないことが不可欠である。円形の穴の場合は、半径０．６ｍｍ程度の穴をあける場合に問題になる。特に積層間燒結のような場合には、例えば、積層間剥離などの問題がある。
【００２３】
ここで、穴周辺に突起物が生成される原因、すなわち穴周辺に９０°未満の鋭角エッジが形成される過程を説明する。微細孔を有する３次元ＣＡＤデータを等高線データに変換する際、微細孔が傾斜していた場合、図３（Ａ）に示すように、スライス面は穴形状を分断することになる。そのスライス面から形成された等高線データの硬化領域には、穴の周辺に９０°未満の鋭角エッジが図３（Ｂ）のように必ず存在することになる。この硬化領域に基づいて照射ビームの軌跡を計算すると、図３（Ｃ）のように、硬化領域外に照射ビーム軌跡が生じ、図３（Ｄ）のように、結果的には穴の周りに不要な突起物が形成され、穴を塞いでしまう要因となっている。
【００２４】
これに対して本発明の場合は、図３（Ａ）〜（Ｄ）に対応して、図３（Ｅ）〜（Ｈ）に示した。図３（Ｅ）は微細穴に対して平行にスライス面を有していることの説明図、（Ｆ）は前記（Ｅ）のようにスライスしたときのエッジ部の説明図を、（Ｇ）は照射ビームの軌跡を示す図である。（Ｈ）はこのようにビームを照射したしたときの状態を示している。鋭角のエッジ部が形成されないため、角部におおいても、ビ−ム軌跡は（Ｇ）のようになって、（Ｈ）に示したようにビ−ムを照射しても、微細穴を塞いでしまうことがない。これは重要なことである。
【００２５】
前記図３（Ａ）〜（Ｄ）に示した現象を防ぐためには、３次元ＣＡＤデータを、生成しようとしている微細孔造形品をスライスし、等高線データを作成する際、微細孔に対して斜めに切断することを避け、不要な突起物を生じさせるような鋭角エッジの硬化領域を生じさせないようにすることである。そのためには、微細穴に対して直角に切断、または、水平に切断の２通り考えられるが、前者のように切断する手法は、曲面に穴があいている場合はどうしても鋭角ができてしまう欠点がある。したがって、後者が最もよい方法と考えられる。このことから、３次元ＣＡＤで微細孔をモデリングする際、穴を全て直線状にあけ、複数の穴の軸同士を全て平行に配置する必要がある。さらに３次元ＣＡＤモデルデータを等高線データに変換する際、積層面に対し３次元モデルの穴の軸方向を積層面に対して平行に配置するデータに変換することが重要となる。
【００２６】
すなわち、微細孔が密集する場合は、三次元ＣＡＤ上で穴を直線的にあけ、さらに微細孔の軸同士を全て平行に空ける（図１（Ａ））。そして、三次元ＣＡＤデータをスライスし等高線データに変換（図１（Ｂ））する際、積層面に対し微細孔の軸が平行になるように三次元ＣＡＤデータを回転変換し、ビームによる硬化処理が出きるように配置する（図１（Ｂ））。
【００２７】
また、前記の実施例では、ビーム軌跡が鋭角にならない場合について説明したが、硬化材料あるいは造形品の表面形状によっては、鋭角ができてしまう場合がある。しかし、本発明によれば不用突起物の形成は従来技術に比較して軽減される。さらに微細穴の断面積が１ｍｍ^２以下に限定されるわけではなく、図４（Ｂ）に示したように不要な突起物による穴塞ぎが生じるような場合であれば、本発明を適用することによって効果をあげることができる。すなわち、穴塞ぎのない微細穴を形成することができる。
【００２８】
また、製品への応用例として、パルプモールドの抄造型を三次元ＣＡＤで設計製造する場合も前記と同様である。三次元ＣＡＤ上で直線的な微細穴を有し、さらに微細孔の軸同士を全て平行な場合を対象にする（図１（Ａ））。そして、三次元ＣＡＤデータをスライスし、等高線データに変換（図１（Ｂ））する際、積層面に対し微細孔の軸が平行になるように三次元ＣＡＤデータを回転変換し配置する（図１（Ｂ））ようにする。
【００２９】
また他の製品への適用として、通気口メッシュ部品、流路フィルタ、照明用ルーバなどに使用する微細穴を有する造形品を生成する場合にも、本発明を適用することによって品質が良い成形品を得ることができる。
【００３０】
本発明の効果の例を図４に示す。本発明により造形品を生成することによって、密集した微細穴であっても不要な突起物を生成させることなく、３次元ＣＡＤデータに対し忠実に造形できる。図４（Ａ）はそれを示している。ｈ_ｉ、ｊ、は微細穴を示している。この場合の特徴として、製品の表面が平面であってもまた曲面であっても、微細孔の造形が可能なことにある。全く同一のデータでも、三次元ＣＡＤデータをスライスし等高線データに変換する際、積層面に対し微細孔を平行に配置したデータに変換することによって、微細孔周辺に不要な突起物が生成されることなく、また穴が塞がることもない。
【００３１】
図４（Ｂ）は従来の方法で生成した場合で、ｈａ〜ｈｋが造形された微細穴であるが、所望の断面積よりも小さな微細穴になっていることを示している。場所によっては穴部が粉末造形素材によって全く塞がれてしまっているものがある。図４（Ｂ）のｈａ〜ｈｋはかろうじて穴部を保っているが、本来の微細穴よりも断面積が小さい微細穴である。これは、目標とする微細穴ではない。
【００３２】
本発明によれば、ラピッドプロトタイピング微細穴造形を行う際、三次元ＣＡＤデータをスライス面に対して微細穴の軸が平行なデータに変換して造形をおこなうことによって、目標とする断面積をもつ微細穴を有する造形品を容易に得ることができる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、ラピッドプロトタイピングにより、複数の微細孔を塞ぐことがない生成加工を実現し、微細穴を有する所望のメッシュ造形品を生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による、三次元ＣＡＤによる積層造形のデータ変換を説明する図である。
【図２】造形品面における微細穴メッシュの説明図である。
【図３】微細孔とスライス面が平行でない場合と、平行である場合の、ビームによる硬化ステップの対照説明図である。
【図４】微細孔を生成した場合の本発明の効果を説明する図である。
【図５】ラピッドプロトタイピングによる造形方法の説明図である。
【図６】従来例における不用突起物の生成過程を説明するための図である。
【符号の説明】
１；微細孔ｈ１〜ｈ４；微細穴３；造形粉末素材Ｈ；硬化領域ＴＲ，ＴＲ１；照射ビーム軌跡。

Claims

三次元ＣＡＤモデルにより造形品を複数の積層部分に分割し、分割した積層部分の造形素材を順次硬化し、積層部分を積み重ねることによって微細穴を有する造形品生成方法において、造形品に対して設けられる直線状微細穴の軸が積層面に対し平行な複数の微細穴とし、前記微細穴を有する造形品の前記三次元ＣＡＤモデルデータを前記積層面に平行な等高線データに変換し、前記変換された等高線データに基づいて微細穴を有する造型品を生成することを特徴とするラピッドプロトタイピング微細穴造形方法。
請求項１において、前記造形品は微細穴の断面積は１ｍｍ^２以下でメッシュ状に配置された微細穴を有する造形品であることを特徴とするラピッドプロトタイピング微細穴造形方法。
請求項２において、前記微細穴は平面あるいは曲面に均等間隔に設けられた複数の微細穴であることを特徴とするラピッドプロトタイピング微細穴造形方法。