JP4639133B2 - 三次元造形方法 - Google Patents

Description

本発明は、三次元造形方法に関し、さらに詳細には、補助材料により形成される補助材層と造形材料により形成される造形材層とを用いて三次元造形物を作製する三次元造形方法に関する。

従来より、例えば、水溶性の補助材料で形成された補助材層の所定部分を、エンドミルなどの切削ツールなどで切削して除去した後に、当該除去された部分に、例えば、水に不溶の光硬化性樹脂などの造形材料によって造形材層を形成して、これらを繰り返し行うことにより、二次元的な断面形状を積層させるようにして所望の三次元造形物を得ることができるようにした三次元造形装置が知られている（例えば、特許文献１を参照する）。

ここで、図１（ａ）〜（ｇ）に概念的に示す例を参照しながら、こうした三次元造形装置により実施されている従来の三次元造形方法について詳細に説明すると、まず、テーブル２００上に補助材料を供給して当該供給された補助材料を切削ツール（図示せず。）により所望の形状に切削し、補助材層２０２を形成する（図１（ａ）参照）。

次に、この補助材層２０２上に造形材料を供給し、当該供給された造形材料を切削ツール（図示せず。）により所望の形状に切削し、造形材層２０４を形成する（図１（ｂ）参照）。

ここで、造形材層２０４を図１（ｂ）に示すような形状に形成しても、造形材料の硬化時における膨張や収縮あるいは反りなどにより、図１（ｃ）に示すように造形材層２０４の形状に変形が生じる。

次に、上記のように変形した造形材層２０４上に補助材料を供給し（図１（ｄ）参照）、当該供給された補助材料を切削ツール３００により所望の形状に切削して補助材層２０６を形成する（図１（ｅ）参照）。

次に、上記において形成された造形材層２０４および補助材層２０６上に造形材料を供給し（図１（ｆ）参照）、当該供給された造形材料を切削ツール３００により所望の形状に切削し、造形材層２０８を形成する（図１（ｇ）参照）。

その後に、補助材層を除去することにより、造形材層のみが複数積層された三次元造形物を得ることができる。

上記したように、従来の三次元造形方法によれば、補助材層や造形材層を形成する際に所定の寸法通りに形成しても、補助材料や造形材料の硬化時における膨張や収縮あるいは反りなどにより、補助材層や造形材層の形状に変形が生じることがあった。

そして、こうした変形が生じると、造形材層のみが複数積層された三次元造形物が得られたときに、図２および図３に示すように、積層された造形材層間における境界（以下、「分割面」と適宜に称する。）に凹みや隙間などの積層段差を生じさせるという問題点があった。

また、補助材層と造形材層との摩擦抵抗の差異などに起因して、切削ツールが両者の境界を通過する際に分割面を切削ツールにより欠いてしまって不要な欠けを発生し、図２および図３に示すように、分割面に凹みや隙間などの積層段差を生じさせるという問題点があった
従って、従来の三次元造形方法によれば、上記した問題点のため、作製された三次元造形物の造形精度に劣るということが指摘されていた。

なお、図２は、従来の三次元造形方法により作製された三次元造形物の分割面に生じた凹みや隙間などの積層段差の写真が示されており、図３は図２の拡大写真である。
特開平８−３１８５７３号公報

本発明は、上記したような従来の技術の有する種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、分割面における凹みや隙間などの積層段差の発生を防止して、作製する三次元造形物の造形精度を向上することを可能にした三次元造形方法を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明による三次元造形方法は、補助材料を切削して補助材層を形成する工程と造形材料を切削して造形材層を形成する工程とを繰り返し行った後に上記補助材層を除去し、上記造形材層のみが複数積層された三次元造形物を作製する三次元造形方法において、造形材層上に供給された補助材料を切削して補助材層を形成する際に、上記造形材層と上記造形層上に積層されることになる他の造形材層との境界よりも下方領域まで切削して補助材層を形成し、上記造形材層上に上記他の造形材層の造形材料を供給する際に、上記境界を越えて上記下方領域まで切削された補助材層上へも供給し、上記他の造形材層の造形材料を切削して上記他の造形材層を形成する際に、上記境界を越えて上記下方領域まで切削された補助材層に至るまで切削するようにしたものである。

また、上記した本発明による三次元造形方法において、上記下方領域は、上記境界より０．２〜１．０ｍｍ下方に位置する領域であるようにしたものである。

従って、本発明による三次元造形方法によれば、分割面に生じる凹みや隙間などの積層段差を補償して、作製する三次元造形物の造形精度を向上することができる。

本発明は、以上において説明したように構成されているので、分割面における凹みや隙間などの積層段差の発生を防止することができ、作製する三次元造形物の造形精度の向上を図ることができるようになるという優れた効果を奏する。

以下、添付の図面に基づいて、本発明による三次元造形方法の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。

まず、図４および図５を参照しながら、本発明による三次元造形方法を実施する際に用いることが可能な三次元造形装置の一例について説明する。

この三次元造形装置１０は、上下方向に延長した略四角柱状の一対の支持部１２Ｌ、１２Ｒと、当該支持部１２Ｌ、１２Ｒを連結する底部１２Ｂとにより構成されたＵ字型状の門型アーム部１２を備えている。さらに一対の支持部１２Ｌ、１２Ｒの各々の上端部に支持されたレール部１４と、レール部１４にＸＹＺ直交座標系におけるＸ軸方向（図２の座標系を示す参考図参照）に所定範囲内で移動自在に配設されたキャリッジ１６を有する。

また、キャリッジ１６に対してＺ軸方向に所定範囲内で移動自在に設けられたヘッド（図２および図３参照）に、スピンドル２８と、補助材料を吐出するディスペンサー２４と、造形材料を吐出するディスペンサー２６とが併設されている。

また、フレーム部１８上には、Ｙ軸方向に所定範囲内で移動自在な上面が平面状のテーブル２２が配設されており、この上面２２ａにおいて、補助材料により形成される補助材層と造形材料により形成される造形材層とが積層されて三次元造形物が形作られるものである。

なお、三次元造形装置１０は、全体の動作をマイクロコンピュータにより制御されており、ディスペンサー２４、ディスペンサー２６ならびにスピンドル２８は、ヘッドの移動に伴ってＺ軸方向に、キャリッジ１６の移動に伴ってＸ軸方向に、またテーブル２２は、Ｙ軸方向に移動される。

従って、ディスペンサー２４、ディスペンサー２６ならびにスピンドル２８に支持されたエンドミル３０と、テーブル上面２２ａにおいて形作られる三次元造形物との相対的な位置関係は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の任意の方向で移動可能となっている。

次に、図５には、図４に示す三次元造形装置１０のキャリッジ１６部分を拡大して示した概略構成説明図（斜視図）が示されており、以下に詳細な説明を示す。

ディスペンサー２４は、図示しないタンクに収容された補助材料がヒーターを内蔵したシリンジ２４ｂに供給されるように設計されており、シリンジ内部に貯留された補助材料を所定の温度に加熱することができる。

なお、この実施の形態においては、補助材料として金属、特に、低融点合金を用いている。例えば、半田などである。

所定の温度まで加熱された低融点合金は、シリンジ２４ｂ内で溶融し、シリンジ２４ｂと連結されてディスペンサー２４の先端に位置する吐出口２４ａから１滴１滴吐出され、飛滴となって所定の位置に所定量塗布されるように制御されている。

ディスペンサー２６は、図示しないタンクに収容された造形材料がシリンジ２６ｂに供給されるように設計されており、シリンジ２６ｂと連結されてディスペンサー２６の先端に位置する吐出口２６ａから、造形材料が１滴１滴吐出され、飛滴となって所定の位置に所定量塗布されるように制御されている。

なお、この実施の形態においては、造形材料としては紫外線が照射されると硬化する紫外線硬化樹脂を用いている。

さらに、ディスペンサー２６の吐出口２６ａの外周側に位置するようにしてライトガイド部材４２が配設されている。このライトガイド部材４２は、導入管部４２ｃから引き込まれた紫外線を照射するための光ファイバー５０が連結部４２ｂを経てその先端部を傾斜面４２ｓに位置させるように設計されている。このため、光ファイバー５０の先端部から照射される紫外線は３６０°リング状に照射されて、本体部４２ａの略中央部位に穿設された貫通口４２ｈの直下にスポット状に集光される。

従って上記のように、ディスペンサー２６の吐出口２６ａより所定の位置に塗布された紫外線硬化樹脂は、ライトガイド部材４２より照射する紫外線により硬化させることができるように制御されている。

エンドミル３０は回転するスピンドル２８に連結され、切削部３０ａによって補助材層や造形材層を切削成形するものである。

以上の構成において、図４および図５とともに図６（ａ）〜（ｆ）に概念的に示す例を参照しながら、上記した三次元造形装置１０を用いて本発明の三次元造形方法により、三次元造形物を作製する工程を詳細に説明する。

まず、テーブル２２の上面２２ａと所定の間隔を開けて位置するディスペンサー２４の吐出口２４ａから、マイクロコンピュータの制御によってテーブル上面２２ａの所定の位置に補助材料である低融点合金の飛滴を略ドット状で供給する。供給された補助材料が自然冷却により固化すると、固化した補助材料をエンドミル３０によって所望の形状に切削して仕上げ、補助材層１０２を形成する（図６（ａ）参照）。

次に、補助材層１０２の上面１０２ａと所定の間隔を開けて位置するディスペンサー２６の吐出口２６ａから、マイクロコンピュータの制御によって補助材層１０２上の所定の位置に造形材料である紫外線硬化樹脂の飛滴を略ドット状で供給する。この際、上記したようにライトガイド部４２により紫外線を照射して、紫外線硬化樹脂の硬化を同時に行う。そして、硬化した造形材料をエンドミル３０によって所望の形状に切削して仕上げ、造形材層１０４を形成する（図６（ｂ）参照）。

次に、上記した造形材層１０４上に補助材料を上記と同様にして供給して固化する（図６（ｃ）参照）。そして、エンドミル３０によって、固化した補助材料を分割面よりさらに下方領域まで切削して補助材層１０６を形成する（図６（ｄ）参照）。即ち、造形材層１０４上に供給された補助材料を切削して補助材層１０６を形成する際には、造形材層１０４と当該造形材層１０４上に積層されることになる造形材層１０８との境界たる分割面よりも下方領域まで切削して補助材層１０６を形成する。なお、造形材層１０４上に供給された補助材料を切削して補助材層１０６を形成する場合に、造形材層１０４と当該造形材層１０４上に積層されることになる造形材層１０８との境界たる分割面よりも下方領域は、分割面より距離Ｌだけ下方に位置する領域である。

ここで、距離Ｌは、本願発明者の実験によれば、例えば、０．２〜１．０ｍｍであることが好ましく、より好ましくは０．５ｍｍである。

次に、上記において形成された造形材層１０４および補助材層１０６上に造形材料を供給し、造形材料を上記と同様にして固化する（図６（ｅ）参照）。この際に、造形材料を分割面より下まで盛ることにより、造形材層１０４ならびに補助材層１０６における欠けや変形に伴って分割面に生じる凹みや隙間などの積層段差を補償する。即ち、造形材層１０４上に造形材層１０８の造形材料を供給する際には、分割面を越えて下方領域まで切削された補助材層１０６上へも供給し、分割面における凹みや隙間などの発生を防止する。

次に、固化した造形材料をエンドミル３０により所望の形状に切削し、造形材層１０８を形成する（図６（ｆ）参照）。即ち、造形材層１０８の造形材料を切削して造形材層１０８を形成する際には、分割面を越えて下方領域まで切削された補助材層１０６に至るまで切削する。

ここで、図７には、本発明による三次元造形方法により作製された三次元造形物の分割面の写真が示されている。この図７の写真に示されているように、本発明による三次元造形方法により形成された三次元造形物の分割面には凹みや隙間などの積層段差がなく、作製された三次元造形物の造形精度が著しく向上している。

なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（４）に説明するように変形してもよい。

（１）上記した実施の形態においては、補助材料として低融点合金を用い、造形材料として紫外線硬化樹脂を用いるようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、各種材料を補助材料あるは造形材料として用いるようにしてもよい。

例えば、補助材料としては、ワックスなどの熱可塑性樹脂を用いるようにしてもよいし、造形材料としては、紫外線とは異なる放射線の可視光や電子線あるいはその他の光によって硬化する光硬化樹脂や、補助材料と同様にワックスなどの熱可塑性樹脂を用いるようにしてもよい。

（２）上記した実施の形態においては、補助材料と造形材料とがいずれも略ドット状で供給されるようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、補助材料のみ、あるいは、造形材料のみが、略ドット状で供給されるようにしても、材料を高精度に塗布することができるものである。また、補助材料や造形材料の種類や塗布する範囲などに応じて、略ドット状とは異なる手法、例えば、線状に塗布したり、あるいは、所定量を流し込むように塗布してもよい。

（３）上記した実施の形態においては、図２ならびに図３に示す三次元造形装置１０を用いるようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、三次元造形装置１０に各種構成を付加したり、あるいは、その他の造形装置を用いるようにしてもよい。

従って、エンドミル３０とは異なるカッターなどのその他の切削ツールを用いたり、作製する三次元造形物とディスペンサー２４，２６などとの相対的な位置関係を三次元方向で変化させる構成も各種採用可能なものである。また、補助材料によって形成された部分を取り除いて三次元造形物を得る工程が、造形装置内のシステムにおいて実施されるようにしてもよい。

（４）上記した実施の形態ならびに上記（１）乃至（３）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。

本発明は、試作や量産での部品製作やデザインモデルを製作する際、モデリングマシンなど三次元加工装置や、ツールによって切削などを行う二次元彫刻装置などにおいて利用することができる。

図１（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）（ｆ）（ｇ）は、三次元造形装置により実施されている従来の三次元造形方法の概念的な説明図である。 図２は、従来の三次元造形方法により作製された三次元造形物の分割面に生じた凹みや隙間などの積層段差を撮影した写真である。 図３は、図２の拡大写真である。 図４は、本発明による三次元造形方法を実施する際に用いることが可能な三次元造形装置の一例を示す概略構成説明図である。 図５は、図４に示す三次元造形装置のキャリッジ部分を拡大して示した概略構成説明図（斜視図）である。 図６（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）（ｆ）は、本発明による三次元造形方法の概念的な説明図である。 図７は、本発明による三次元造形方法により作製された三次元造形物の分割面を撮影した写真である。

符号の説明

１０ 三次元造形装置
１２ 門型アーム部
１４ レール部
１６ キャリッジ
１８ フレーム部
２２ テーブル
２４ ディスペンサー
２６ ディスペンサー
２８ スピンドル
３０ エンドミル
４２ ライトガイド部材
５０ 光ファイバー
１０２ 補助材層
１０４ 造形材層
１０６ 補助材層
１０８ 造形材層
２００ テーブル
２０２ 補助材層
２０４ 造形材層
２０６ 補助材層
２０８ 造形材層
３００ 切削ツール

Claims (2)

1. 補助材料を切削して補助材層を形成する工程と造形材料を切削して造形材層を形成する工程とを繰り返し行った後に前記補助材層を除去し、前記造形材層のみが複数積層された三次元造形物を作製する三次元造形方法において、
   造形材層上に供給された補助材料を切削して補助材層を形成する際に、前記造形材層と前記造形層上に積層されることになる他の造形材層との境界よりも下方領域まで切削して補助材層を形成し、
   前記造形材層上に前記他の造形材層の造形材料を供給する際に、前記境界を越えて前記下方領域まで切削された補助材層上へも供給し、
   前記他の造形材層の造形材料を切削して前記他の造形材層を形成する際に、前記境界を越えて前記下方領域まで切削された補助材層に至るまで切削する
   ことを特徴とする三次元造形方法。
2. 請求項１に記載の三次元造形方法において、
   前記下方領域は、前記境界より０．２〜１．０ｍｍ下方に位置する領域である
   ことを特徴とする三次元造形方法。