JP4911651B2 - 溶融プラスチック材料を選択的に堆積する装置と方法 - Google Patents
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Description
本発明は、溶融プラスチック材料を選択的に堆積する装置に関し、特に、溶融プラスチック材料を選択的に堆積する装置と、この装置が一体に組み込まれるプロトタイプとなる部品を製造する装置に関する。
本発明は、更にこの様な装置を用いて、プロトタイプの部品の製造方法に関する。この装置は、超音波振動をエネルギ源として用いて、堆積すべきプラスチック材料を制御しながら溶融する。これの部品は、複数の層を堆積することにより、三次元対象物を形成する。プラスチック材料は、ポリマー材料であり、ペレット、粉末、繊維状、シート、ゲルを含むいずれかの形態で供給される。
最新の文献によれば、プロトタイプの部品を製造する方法は、熱可塑性材料を半溶融状態でノズルを介して押し出し、目的とするモデル部品を、一層毎堆積する方法で、形成している。特許文献１によれば、三次元の対象物（プロトタイプの部品）を製造する装置と方法は、ＦＤＭ(Fused Deposition Modeling)の技術を用いて行うことを開示する。このＦＤＭ技術は、放出口を具備した可動の放出ヘッドを有し、その放出口から、その近傍に配置された電気抵抗加熱手段により溶融状態となったプラスチック材料を放出する。更にヘッドは、プラスチック材料を可塑化装置に供給する手段を具備する。
W.Michael, A. Spennenmann,R. Gaetner(2000), New plastificaion conceppt for micro injection moulding, Microsystem Technology 8, 55-57 Springer-Verlag 2002
現在の技術において必要とされる開発力の進歩により、最終製品に類似する特徴を具備するプロトタイプの製造は必須である。このプロトタイプは、今日まで機械加工で形成していた（特許文献１）。この様な装置の構造の複雑さと保守の必要性により、高い投資と高額な機械を必要とし、適宜の材料の使用を更に必要とし、これにより最終製品の価格に影響及ぼす。
非特許文献１は、超音波振動によりマイクロ部品を可塑化することを提案し、そのテスト装置を開示する。この様な機械の様々なパラメータ（例、超音波生成器の効率、ソノトロード（超音波振動要素の端部）の振幅と表面荒さと活性パワー）を、このテスト装置で測定したことが、開示されている。
特許文献２は、プラスチック微少部品をモールド成形する超音波振動装置を開示する。この超音波振動装置においては、超音波振動要素が、モールド用キャビィティに隣接するチェンバの隣に配置される。このチェンバは、プラスチック材料を供給する入口と、超音波振動要素の端部（即ちソノトロード）とを有し、この端部により、供給されたプラスチック材料と干渉しながら、そこに所定の圧力を加える。
特許文献３，４は、層を制御しながら堆積することにより、部品を製造する方法を開示する。この方法においては、超音波振動を、従来公知の堆積技術により、以前に形成された層に結合するためのエネルギーとして用いる。
本発明は、超音波振動装置により実現される新たな技術と、この超音波振動装置と一体に構成された装置と、プラスチック材料を溶融状態で供給する方法により、層を連続して積層する三次元の部品を製造する新たな技術を提供する。超音波振動装置は、溶融プラスチック材料を塑性化し供給する組立体に一体に組み立てられる。
本発明を使用することにより、初期投資を大幅に減らしながら（例、プロトタイプの）部品を製造することができる。その理由は、本発明の超音波振動装置は、あらゆる装置例えば機械加工装置、ロボット装置等に結合することができ、かつ三次元の自由度があるからである。
特許文献５は、ファイバを溶融する補助的な超音波手段を具備するファイバの押し出し装置を開示する。この装置は、通路と出口開口とを有する溶融チェンバを有する。溶融チェンバは、超音波手段でプラスチック材料を溶融する。通路は、加圧された溶融プラスチック材料を供給する。出口開口はこの様な材料の出口となる。
特許文献６は同様な装置を開示するが、この装置においては、溶融状態の材料をソノトロードが配置されたチェンバ内に注入する。
プラスチック材料を堆積するヘッドが三次元に移動できる様々装置が、従来公知であり、この様な装置は、特許文献７に記載されたのと同様な効果を有する。
本発明は、上記した従来技術とは異なり、機械の製造業者による要求の限界をなくし、バルクのプラスチック材料を用いることができる。この装置に供給されるプラスチック材料は、装置の使用者により調整され付加される。
本発明の目的は、溶融プラスチック材料を選択的に堆積する装置、特に、溶融プラスチック材料を選択的に堆積する装置と、この装置が一体に組み込まれるプロトタイプとなる部品を製造する装置を提供することである。
本発明によれば、溶融チェンバは、超音波トランデューサのソノトロードの振動部分と、プラスチック材料を供給する通路と、出口開口と連通する。この出口開口は、溶融プラスチック材料を滴状に或いは連続して供給する。この出口開口は、ノズルを有する供給本体に連結されている。
溶融チェンバは、ソノトロードを細かく動かすことにより、調整可能な容積を有し、前記溶融プラスチック材料を超音波エネルギーで塑性化する装置と一体にされる。この溶融チェンバが、供給機構を有する。供給機構が、溶融プラスチック材料の量を制御しながら、溶融チェンバに輸送する。
溶融チェンバは、ソノトロードを細かく動かすことにより、調整可能な容積を有し、前記溶融プラスチック材料を超音波エネルギーで塑性化する装置と一体にされる。この溶融チェンバが、供給機構を有する。供給機構が、溶融プラスチック材料の量を制御しながら、溶融チェンバに輸送する。
本発明は超音波トランデューサのソノトロードを組み込んだ装置を提供する。ソノトロードの垂直方向の配置においては、装置を包囲する細長いケーシングの先端を介してプラスチック材料を供給する。ソノトロードの水平方向の配置においては、プラスチック材料を、プラスチック材料を押し出しにより供給する端部に向かって開いたケーシングの側面出口を介して、供給する。
本発明の溶融プラスティック材料を選択的に堆積する方法は、
（Ａ）プラスチック材料を制御しながら溶融チェンバに供給するステップと、
前記溶融チェンバは、堆積領域にある製造装置の部品のヘッドに搭載される選択的堆積装置内に配置され
前記溶融チェンバは、超音波トランデューサのソノトロードの振動部分と、プラスチック材料を供給する通路と、出口開口と連通し、
（Ｂ）所定の時間ソノトロードを活性化するステップと、
このステップの間、前記ヘッドは、所定のソフトウエアにより提供される情報に基づいて数値制御により規定されるパスに応じて制御しながら移動し、
前記ソフトウエアは、製造すべき部品の三次元寸法の固体を規定し、
前記溶融プラスチック材料を、層を形成するまで表面上に出口開口を介して制御しながら、供給する
を有する。
本発明により、構造が簡単で使用範囲の広い装置を適用できる。簡単な三次元構造体を製造する方法が提供できる。
（Ａ）プラスチック材料を制御しながら溶融チェンバに供給するステップと、
前記溶融チェンバは、堆積領域にある製造装置の部品のヘッドに搭載される選択的堆積装置内に配置され
前記溶融チェンバは、超音波トランデューサのソノトロードの振動部分と、プラスチック材料を供給する通路と、出口開口と連通し、
（Ｂ）所定の時間ソノトロードを活性化するステップと、
このステップの間、前記ヘッドは、所定のソフトウエアにより提供される情報に基づいて数値制御により規定されるパスに応じて制御しながら移動し、
前記ソフトウエアは、製造すべき部品の三次元寸法の固体を規定し、
前記溶融プラスチック材料を、層を形成するまで表面上に出口開口を介して制御しながら、供給する
を有する。
本発明により、構造が簡単で使用範囲の広い装置を適用できる。簡単な三次元構造体を製造する方法が提供できる。
図１において、溶融プラスチック材料を選択的に供給機構は、供給口２０と、通路１３と、スピンドル１６から構成される。通路１３は、プラスチック材料をその側面部分に供給する。スピンドル１６は、前記プラスチック材料を溶融チェンバ１０に制御しながら供給する。この溶融チェンバ１０は、ソノトロード１２を包囲する細長いケーシング１５の端部に配置される。前記溶融チェンバ１０は、前記ソノトロード１２の先端部分１１をその中に有する。前記ソノトロード１２は、超音波トランデューサの一部を形成し、スピンドル１６に軸受１８を介して取り付けられ、ケーシング１５の長手方向に振動する。溶融チェンバ１０は出口開口１４を有する。この出口開口１４は、一実施例では溶融したプラスチック材料を一滴毎に供給する。他の実施例では連続的に供給する。
図１に示すように、供給機構全体は、前記ソノトロード１２の長手軸方向に同軸に構成される。スピンドル１６は管状空洞２１内に配置される。管状空洞２１は、ケーシング１５の内側表面と、内側部品（ソノトロード１２と軸受１８，１９）との間に形成される。これら内側部品は、全てソノトロード１２の長手軸方向に同軸に配置される。
本発明の装置は、先端部分１１の長手方向に限られた動きを提供する手段を有する。かくして、溶融チェンバ１０のプラスチック材料の量は、ソノトロード１２の先端部により調整される。
図２において、溶融チェンバ１０は、ソノトロード１２を包囲するケーシング１５の端部に配置される。出口開口１４はケーシング１５の側面に配置される。プラスチック材料は、ケーシング１５の開口端２２から入る。プラスチック材料Ｐは、ソノトロード１２の軸と整合する方向でアクセスできる。図２示す一実施例においては、装置内に導入されるプラスチック材料は、繊維状であり、ローラ４０によりガイドされ押され開口端２２内に入る。他の実施例においては、プラスチック材料は、ペレット、粉末、シート、ゲルのいずれでもよい。この実施例では、プラスチック材料は、溶融チェンバ１０内にケーシング１５の開口端２２内に、ローラシステム（ローラ４０はその一部である）により押し込まれる。
装置に供給されるプラスチック材料は、溶融チェンバ１０内に導入される、この溶融状態は、ソノトロード１２による超音波エネルギーにより得られる。これは溶融すべきプラスチック材料の種類と量に応じて、必要な超音波エネルギーの量を提供できるよう制御される。溶融プラスチック材料は、外部（成形）装置に出口開口１４を介して、供給される。この出口開口１４は、取り外し可能に、供給本体に取り付けられる、出口開口１４は、方向性のあるノズルを有する。
前記した放出機構は、材料を堆積する制御システム２３（図１）を有する。この制御システム２３は、出口開口１４内に一体に配置され、溶融チェンバ１０内の溶融量に応じて、堆積すべきプラスチック材料の量を制御し、これにより本発明の装置の動作と形成されるべき層の幅（厚さ）を制御する。図１においては、この制御システム２３は、コントロールバルブで形成される。制御システムに関する詳細は省いているが、制御システムは遠方にあり電子システムにより制御され、プラスチック材料を供給する制御システムと組み合わされたり、相互作用するよう構成される。
適宜の動作を行うために、図３，４に示すように、本発明による部品９を製造する装置は、適宜の組立連結装置により取り外し可能に、少なくとも三次元（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）の自由度を持つ製造装置のヘッド２４に結合される。
前記ヘッド２４は、ＣＭＭ(Control Measurement Machine)装置と、堆積層の形態で製造する装置と、加工装置を含むグループから、選択された装置に属する。
前記装置は、ミリングマシーンである。このミリングマシーンに、従来の装置の代わりに本発明の溶融プラスチック材料を選択的に堆積する装置が接続される。これにより、装置の大幅な変更は不要である。
前記装置は、ミリングマシーンである。このミリングマシーンに、従来の装置の代わりに本発明の溶融プラスチック材料を選択的に堆積する装置が接続される。これにより、装置の大幅な変更は不要である。
本発明の溶融プラスティック材料を選択的に堆積する方法は、
（Ａ）プラスチック材料を溶融チェンバ１０に供給するステップと、
前記溶融チェンバ１０は、堆積領域にあり、三次元（Ｘ，Ｙ，Ｚ）方向に制御されながら移動可能な製造装置の部品のヘッド２４に搭載される選択的堆積装置内に配置され、
前記溶融チェンバ１０は、超音波トランデューサのソノトロード１２の振動部分と、プラスチック材料を供給する通路１３と、出口開口１４と連通し、
（Ｂ）所定の時間ソノトロード１２を活性化するステップと、
このステップの間、前記ヘッド２４は、所定のソフトウエアにより提供される情報に基づいて数値制御により規定されるパスに応じて制御されながら移動し、
前記ソフトウエアは、製造すべき部品９の三次元寸法の固体を規定し、
前記溶融プラスチック材料を、層を形成するために、表面上に出口開口１４を介して制御しながら、供給する
を有する。
（Ａ）プラスチック材料を溶融チェンバ１０に供給するステップと、
前記溶融チェンバ１０は、堆積領域にあり、三次元（Ｘ，Ｙ，Ｚ）方向に制御されながら移動可能な製造装置の部品のヘッド２４に搭載される選択的堆積装置内に配置され、
前記溶融チェンバ１０は、超音波トランデューサのソノトロード１２の振動部分と、プラスチック材料を供給する通路１３と、出口開口１４と連通し、
（Ｂ）所定の時間ソノトロード１２を活性化するステップと、
このステップの間、前記ヘッド２４は、所定のソフトウエアにより提供される情報に基づいて数値制御により規定されるパスに応じて制御されながら移動し、
前記ソフトウエアは、製造すべき部品９の三次元寸法の固体を規定し、
前記溶融プラスチック材料を、層を形成するために、表面上に出口開口１４を介して制御しながら、供給する
を有する。
制御センターとしてのコンピュータ８は、図３，４に示されている。本発明の方法よれば、
前記（Ａ）ステップは、前記溶融プラスティック材料の供給流速を制御しながら行う。
本発明の方法は、溶融チェンバ１０の容量を、プラスチック材料の種類あるいは堆積状態に依存して調整することは、装置のケーシング内のソノトロードの手段の動きにより、そしてこのソノトロードを溶融チェンバ１０に近づけたり離したりすることにより、達成できる。
前記（Ａ）ステップは、前記溶融プラスティック材料の供給流速を制御しながら行う。
本発明の方法は、溶融チェンバ１０の容量を、プラスチック材料の種類あるいは堆積状態に依存して調整することは、装置のケーシング内のソノトロードの手段の動きにより、そしてこのソノトロードを溶融チェンバ１０に近づけたり離したりすることにより、達成できる。
本発明によれば、１個の部品９を製造する際に、異なる堆積条件（堆積が連続的かあるは不連続か、堆積材料の密度、）で行える。更に、部品９の機能（支持部材か、内部部品か、外部部品か、カバーか）に応じて、複数の材料を使用できる。
溶融チェンバ１０から出口開口１４を介して堆積される材料の溶融は、ソノトロード１２の振動により得られるエネルギーに依存することを考慮すると、超音波トランデューサの生成器に加えられるエネルギーの制御は、使用されるプラスチック材料の供給及び種類の特性を考慮に入れて行われ、全てのパラメータを組み合わせながら操作される。
更に、溶融チェンバ１０の変化する条件を考慮すると、超音波トランデューサに加えられるエネルギーは、あらゆる時点で溶融チェンバ１０に対する作業容積を考慮に入れて行われる。
更に、溶融チェンバ１０の変化する条件を考慮すると、超音波トランデューサに加えられるエネルギーは、あらゆる時点で溶融チェンバ１０に対する作業容積を考慮に入れて行われる。
以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。特許請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、発明の容易なる理解の為に付したものであり、発明を限定的に解釈するために用いてはならない。また、同一番号でも明細書と特許請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。用語「又は」に関して、例えば「Ａ又はＢ」は、「Ａのみ」、「Ｂのみ」ならず、「ＡとＢの両方」を選択することも含む。特に記載のない限り、装置又は手段の数は、単数か複数かを問わない。
８ コンピュータ
９ 部品
１０ 溶融チェンバ
１１ 先端部分
１２ ソノトロード
１３ 通路
１４ 出口開口
１５ ケーシング
１６ スピンドル
１８ 軸受
１９ 軸受
２０ 供給口
２１ 管状空洞
２２ 開口端
２３ 制御システム
２４ ヘッド
９ 部品
１０ 溶融チェンバ
１１ 先端部分
１２ ソノトロード
１３ 通路
１４ 出口開口
１５ ケーシング
１６ スピンドル
１８ 軸受
１９ 軸受
２０ 供給口
２１ 管状空洞
２２ 開口端
２３ 制御システム
２４ ヘッド
Claims (24)
- 溶融プラスチック材料を選択的に堆積する装置において、
（Ａ）プラスチック材料を供給する通路（１３）と連通する溶融チェンバ（１０）と、
（Ｂ）溶融プラスチック材料を供給する出口開口（１４）と、
を有し、
前記溶融チェンバ（１０）は、超音波トランデューサのソノトロード（１２）の振動する先端部分（１１）を収納し、
前記溶融チェンバ（１０）は、前記溶融プラスチック材料を、前記溶融チェンバ（１０）に移送する供給機構を有し、
前記溶融チェンバ（１０）は、前記ソノトロード（１２）を包囲する管状空洞（２１）を有し、
前記供給機構は、前記ソノトロード（１２）の長手軸方向に同軸に配置され、
前記供給機構は、スピンドル（１６）を有し、
前記スピンドル（１６）は、前記管状空洞（２１）内に配置される
ことを特徴とする溶融プラスチック材料を選択的に堆積する装置。 - 前記溶融チェンバ（１０）は、前記ソノトロード（１２）を包囲するケーシング（１５）の端部に配置され、
前記ソノトロード（１２）は、前記ケーシング（１５）の長手方向に振動し、
前記溶融チェンバ（１０）の一端は、前記ソノトロード（１２）の先端と向かいあう
ことを特徴とする請求項１記載の装置。 - 前記管状空洞（２１）は、前記ケーシング（１５）の内面の円筒状壁と、前記ソノトロード（１２）と軸受（１８，１９）との間に、形成され、
前記ケーシング（１５）と前記軸受（１８，１９）は、前記ソノトロード（１２）の長手軸と同軸に配置される
ことを特徴とする請求項１記載の装置。 - （Ｃ）前記ソノトロード（１２）に限られた動きを提供する手段を更に有し、
前記手段により、前記ソノトロード（１２）の先端部により規定される前記溶融チェンバ（１０）のプラスチック材料の量を調整する
ことを特徴とする請求項２記載の装置。 - 超音波トランデューサが、スピンドル（１６）に、前記軸受（１８）を介して連結される
ことを特徴とする請求項２記載の装置。 - 前記供給機構は、ケーシング（１５）の側面に供給口（２０）を有し、
前記供給口（２０）は、前記溶融チェンバ（１０）の管状空洞（２１）と連通する
ことを特徴とする請求項２記載の装置。 - 前記溶融チェンバ（１０）は、前記ソノトロード（１２）を包囲するケース（１５）の先端部で、開口端（２２）内に形成され、
出口開口（１４）が、前記ケーシング（１５）の側面に形成される
ことを特徴とする請求項１記載の装置。 - （Ｄ）前記溶融プラスチック材料を、前記溶融チェンバ（１０）内に前記ケーシング（１５）の供給口（２０）を介して押し込むことにより供給するユニット
を更に有する
ことを特徴とする請求項７記載の装置。 - 前記ソノトロード（１２）は、前記溶融チェンバ（１０）内に供給するプラスチック材料を溶融するのに十分な超音波エネルギーの量を供給するよう、制御される
ことを特徴とする請求項１−８のいずれかに記載の装置。 - 前記プラスチック材料は、ポリマー材料であり、ペレット、粉末、繊維状、シート、ゲルを含むいずれかの形態で供給される
ことを特徴とする請求項１−９のいずれかに記載の装置。 - 前記溶融チェンバ（１０）の出口開口（１４）は、方向性のあるノズルを有する放出本体に形成される
ことを特徴とする請求項１−１０のいずれかに記載の装置。 - 前記溶融チェンバ（１０）は、前記ソノトロード（１２）を包囲するケーシング（１５）の端部に配置され、
前記ソノトロード（１２）は、前記ケーシング（１５）の長手方向に振動し、
前記溶融チェンバ（１０）は、前記ソノトロード（１２）の先端と向かいあい、
（Ｅ）前記プラスチック材料の堆積を制御する制御システム（２３）を更に有し、
前記制御システム（２３）は、プラスチック材料の堆積の正確な操作と、堆積層の幅を決定する
ことを特徴とする請求項１又は７記載の装置。 - 前記制御システム（２３）は、前記出口開口（１４）に一体に形成され、
前記制御システム（２３）は、前記溶融チェンバ（１０）内の溶融プラスチック材料に応じて堆積量を制御する
ことを特徴とする請求項１２記載の装置。 - （Ｆ）三次元の自由度を有する製造装置の部品のヘッド（２４）を更に有し、
前記製造装置に、請求項１−１３のいずれかに記載の装置が、取り外し可能に取り付けられる
ことを特徴とする溶融プラスチック材料を選択的に堆積する装置。 - 前記ヘッド（２４）は、ＣＭＭ(Control Measurement Machine)装置と、堆積層の形態で製造する装置と、加工装置を含むグループから、選択された装置に属する
ことを特徴とする請求項１４記載の装置。 - 前記装置は、ミリングマシーンである
ことを特徴とする請求項１５記載の装置。 - 溶融プラスティック材料を選択的に堆積する方法において、
（Ａ）プラスチック材料を制御しながら溶融チェンバ（１０）に供給するステップと、
前記溶融チェンバ（１０）は、堆積領域にある製造装置の部品のヘッド（２４）に搭載される選択的堆積装置内に配置され
前記溶融チェンバ（１０）は、超音波トランデューサのソノトロード（１２）の振動部分と、プラスチック材料を供給する通路（１３）と、出口開口（１４）と連通し、
（Ｂ）所定の時間ソノトロード（１２）を活性化するステップと、
このステップの間、前記ヘッド（２４）は、所定のソフトウエアにより提供される情報に基づいて数値制御により規定されるパスに応じて制御されながら移動し、
前記ソフトウエアは、製造すべき部品（９）の三次元寸法の固体を規定し、
前記溶融プラスチック材料を、層を形成するために、表面上に出口開口（１４）を介して制御しながら、供給する
を有する
ことを特徴とする溶融プラスチック材料を選択的に堆積する方法。 - 前記（Ａ）ステップは、前記溶融プラスティック材料の供給流速を制御しながら行う
ことを特徴とする請求項１７記載の方法。 - 前記溶融チェンバ（１０）の容積の調整は、前記ソノトロード（１２）と溶融チェンバ（１０）との間の相対移動により、行う
ことを特徴とする請求項１７記載の方法。 - 異なる堆積条件で、１個の部品（９）を製造する
ことを特徴とする請求項１７記載の方法。 - 複数の材料で、１個の部品（９）を製造する
ことを特徴とする請求項１７記載の方法。 - 異なる堆積条件で、１個の部品（９）を製造する
ことを特徴とする請求項２１記載の方法。 - （Ｃ）前記超音波トランデューサに加えられるエネルギーの制御を行うステップと、
前記制御ステップは、使用されるプラスチック材料の供給量と種類と組み合わせて基づいて、行われる
ことを特徴とする請求項１７−２２のいずれかに記載の方法。 - （Ｃ）前記超音波トランデューサに加えられるエネルギーの制御を行うステップと、
前記制御ステップは、前記溶融チェンバ（１０）の容積に基づいて、行われる
ことを特徴とする請求項１９記載の方法。
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