JP5592976B1 - 三次元造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱可塑性樹脂を高温で溶かし積層させて三次元造形物を成形する場合、冷却硬化時に収縮変形により土台が変形せずに、三次元造形物の土台接地面を意図する形状で成形することができる三次元造形装置の提供。
【解決手段】開示の三次元造形装置は、造形物を間接的に載置させる平板状の土台部と、土台部上に着脱可能に設置され、造形物を直に載置させる土台部プレート部６と、土台部の左右両端に設置され、土台部上に設置した土台部プレート部の左右両端を固定するレール状のプレート押え部と、を有し、土台プレート部が、樹脂製板部材で構成される土台プレート上部８を上層とし、金属製板部材で構成される土台プレート下部１０を下層として構成されると共に、土台プレート部の左右両側面に、プレート押え部が備えるレールに係止させ、土台プレート部を土台部上に固定するための溝状機構であるレール係止用溝部１２を有することを特徴とする。
【選択図】図６

Description

熱可塑性樹脂を高温で溶かし積層させることによって三次元造形物を成形する装置に関する技術であって、特に、製作中の造形物を載置させる土台となる部位の技術に関する。

近年、三次元の造形物を簡単に成形することができる三次元造形装置、所謂３Ｄプリンターの普及が進んでいる。三次元造形装置が三次元造形物を成形する場合、種々の成形方法があるが、ここではＡＢＳ（Acrylonitrile−Butadiene−Styrene）樹脂などの熱可塑性樹脂を高温で溶かし積層させることによって三次元造形物を成形する成形方法に着目する。

上記の成形方法で三次元造形物を成形する装置では、製作中の造形物を載置させる土台となる部位に樹脂製板状部材を使用するものがある。そういった装置では、当該樹脂製板状部材を複数回の使用した後、部品寿命が到来する毎に、新しい樹脂製板状部材に交換する形態を採用している。

しかしながら、上記のような従来技術においては、三次元造形物の材料となる熱可塑性樹脂が冷却され硬化する段階において、当該熱可塑性樹脂の体積が縮小し、その収縮時の力によって土台の樹脂製板状部材が変形してしまう。そして、それに伴って三次元造形物の土台との接地面（底面）が変形してしまうという問題点があった。具体的には、材料である熱可塑性樹脂の収縮に伴い、土台の樹脂製板状部材が上に凸な形状に変形し、三次元造形物の底面も上に凸な形状に変形するという問題点があった。

そこで本発明では、上記従来技術の問題点に鑑み、熱可塑性樹脂を高温で溶かし積層させることによって三次元造形物を成形する場合、三次元造形物の土台接地面を意図する形状で成形することができる三次元造形装置を提案することを目的とする。

開示する三次元造形装置の一形態は、熱可塑性樹脂を高温で溶かし積層させることによって三次元造形物を成形する三次元造形装置において、前記三次元造形物の材料である前記熱可塑性樹脂を吐出し、二次元平面的に動作する造形ヘッド部と、前記造形ヘッド部が動作する前記二次元平面と直交する上下方向に動作し、前記三次元造形物を間接的に載置させる平板状の土台部と、前記土台部上に着脱可能に設置され、前記三次元造形物を直に載置させる土台部プレート部と、前記土台部の左右両端に設置され、該土台部上に設置した前記土台部プレート部の左右両端を固定するレール状のプレート押え部と、を有する三次元造形装置であって、前記土台プレート部が、樹脂製板部材で構成される土台プレート上部を上層とし、金属製板部材で構成される土台プレート下部を下層として構成されると共に、前記土台プレート部の左右両側面に、前記プレート押え部が備える前記レールに係止させ、該土台プレート部を前記土台部上に固定するための溝状機構であるレール係止用溝部を有することを特徴とする。

また、開示する三次元造形装置の一形態は、上記の構成に加え、前記土台プレート上部及び前記土台プレート下部の形状が四角形であり、前記土台プレート上部と前記土台プレート下部とが、少なくとも、前記四角形の頂点付近、該四角形の辺の中間点付近及び該四角形の対角線の交点付近において固定されていることを特徴とする。

また、開示する三次元造形装置の一形態は、上記の構成に加え、前記土台プレート上部と前記土台プレート下部との固定手段がネジであり、前記ネジの頭部が、前記土台プレート上部の表面よりも低く位置することを特徴とする。
また、開示する三次元造形装置の一形態は、上記の構成に加え、前記土台プレート上部の表面全体には複数の穴が均一に設けられていることを特徴とする。
また、開示する三次元造形装置の一形態は、上記の構成に加え、前記金属製板部材の材料が、アルミ合金であることを特徴とする。

開示する三次元造形装置は、熱可塑性樹脂を高温で溶かし積層させることによって三次元造形物を成形する場合、三次元造形物の土台接地面を意図する形状で成形することができる。

本実施の形態に係る三次元造形装置の正面図である。 本実施の形態に係る三次元造形装置の平面図である。 本実施の形態に係る土台部の正面図である。 本実施の形態に係る土台プレート部の平面図である。 本実施の形態に係る土台プレート部の側面図である。 本実施の形態に係る土台プレート部の正面図（背面図）である。

図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について説明する。
（本実施の形態に係る三次元造形装置の構造）

図１乃至６を用いて、本実施の形態に係る三次元造形装置（以下、単に「造形装置」という。）１の構造について説明する。造形装置１は、材料である熱可塑性樹脂２２（以下、単に「材料」という。）を高温で溶かし、溶かした材料２２を積層させることによって、三次元造形物（以下、単に「造形物」という。）２０を成形する装置である。例えば、材料２２は、ＡＢＳ樹脂などであることが好適である。

造形装置１は、材料２２を一旦高温で溶かした後、意図する位置に吐出された材料２２が硬化することによって、造形物２０を製作する構成である。そのとき、材料２２は、高温から室温へと温度変化する過程で、体積が収縮する性質を備えているため、造形物２０の底面が接する造形装置の台座部分ごと変形させてしまうという問題点があった。そうすると、造形物２０の底面も造形装置の台座部分の変形に伴って変形するため、造形物２０の最終形状、特に底面の形状が、意図した形状ではなくなってしまうという問題が生じていた。
そこで造形装置１は、造形物２０の形状、特に底面の形状が意図した形状となるようにするものである。
図１乃至６で示すように、造形装置１は、造形ヘッド部２、土台部４、土台プレート部６、プレート押え部１６を有する。

図１で示すように、造形ヘッド部２は、造形物２０の材料２２である熱可塑性樹脂を吐出し、二次元平面的に動作する部位である。また図２で示すように、材料２２が造形ヘッド部２へ供給され、造形ヘッド部２において材料２２が高温溶解され、造形物２０を形成するために吐出される。なお造形ヘッド部２の構成や制御方法などは、三次元造形装置に関する公知の技術を適用する。

図１で示すように、土台部４は、造形ヘッド部２が動作する二次元平面と直交する上下方向に動作し、造形物２０を土台プレート部６を介して載置させる平板である。なお土台部４の構成や制御方法などは、三次元造形装置に関する公知の技術を適用する。

図１及び３で示すように、プレート押え部１６は、土台部４の左右両端かつ所定の高さ浮いた位置に設置され、後述する土台プレート部６の左右両端を固定するためのレール状（爪状）の機構である。ここで、所定の厚みを備えた板状部材を土台部２の上、かつ、プレート押え部１６の下に挿入することによって、当該板状部材を造形物２０の台座部分として利用することも可能であるが、先に述べたような「底面の反り」の問題が生じる。

土台プレート部６は、土台部２上に着脱可能に設置され、造形物２０を直に載置させる、つまり、造形物２０の台座となる部位である。また図４乃至６で示すように、土台プレート部６は、土台プレート上部８、土台プレート下部１０、レール係止用溝部１２、プレート固定手段１４を有する。

土台プレート上部８は、例えば、電子回路基板のような樹脂製板部材で構成され、土台プレート部６の表面となる部位である。造形ヘッド部２によって材料２２は、土台プレート上部８上に吐出され、造形物２０が土台プレート上部８上へ直に載置される構成である。

図４で示すように、土台プレート上部８は、表面に均一に穴状機構を有する（図４上では便宜的に小さな黒点で表示）。当該穴状機構を備えるため、土台プレート上部８は、造形ヘッド部２から吐出された材料２２の接着状態を良くすることができる。

土台プレート下部１０は、例えば、アルミダイガストのような金属製板部材で構成され、土台プレート上部８の下層に配置される部材であって、土台プレート部６の反りに対する強度を向上させる役割を果たす部材である。

また図４で示すように、土台プレート上部８及び土台プレート下部１０は、平面形状（上方向から見た形状）が同じ四角形であることが好適である。そして、土台プレート上部８と土台プレート下部１０とは、少なくとも当該四角形の頂点付近（４点）、当該四角形が備える各辺の中間点付近（４点）及び当該四角形に係る２つの対角線の交点付近（１点）において固定されている。土台プレート上部８と土台プレート下部１０とを中央部が浮き上がらないようにしっかりと固定するためである。

また、土台プレート上部８と土台プレート下部１０との固定手段１４としてネジを使用するが、ネジの頭部は土台プレート上部８の表面よりも低い位置に（ネジ全体が土台プレート上部８に埋もれた状態で）設置される。造形ヘッド部２と固定手段１４との接触を防止するためである。

図５及び６で示すように、レール係止用溝部１２は、土台プレート部６の左右両側面に備えられる溝形状をした機構であり、プレート押え部１６が備えるレール１８に嵌め込むことによって、土台プレート部６をプレート押え部１６（土台部４）に係止・固定させるための機構である。土台プレート部６は、左右のレール係止用溝部１２を対応するプレート押え部１６のレール１８に合わせ、造形装置１の正面から土台部４上へ挿入し、造形装置１に装着させる構成である。

このように、造形装置１は、樹脂製板部材８と金属製板部材１０とをしっかりと重ね合わせ、土台プレート下部１０によって土台プレート部６の反りに対する強度を向上させている。そのため造形装置１は、材料２２の冷却過程における収縮が生じる場合でも、造形装置１の台座部分が変形せず、造形物２０の底面も台座部分の変形の影響を受けない。従って、造形装置１は、造形物２０の形状、特に底面の形状が意図した形状となるようにすることができる。なお、土台プレート上部８は、造形物２０の台座としての必要な性能を出すことができなくなる毎に、新しい別の土台プレート上部８と交換される。一方、土台プレート下部１０を交換する必要は無い。

また、上記機能を果たすため、土台プレート下部１０の反りに対する強度が、材料２２の冷却過程における収縮する力よりも強ければ、土台プレート下部１０の材料は金属以外のものであっても良い。一方で、土台プレート下部１０の反りに対する強度が、材料２２の冷却過程における収縮する力よりも弱ければ、材料が金属であっても土台プレート下部１０としては適さないことになる。
（本実施の形態に係る三次元造形装置の使用方法）

図１乃至６を用いて、造形装置１の使用方法について説明する。第一の手順として、土台プレート上部８と土台プレート下部１０とをネジ１４を用いて固定し、土台プレート部６のセッティングを行う。このとき、ネジ１４の頭が土台プレート上部８の表面より突き出た状態とならないように注意する。

次に第二の手順として、造形装置１の正面方向から、プレート押え部１６に土台プレート部６側面のレール係止用溝部１２を適合させ挿入し、土台プレート部６を土台部４上に設置する。

これで造形装置１を動作させる準備が完了したので、三次元造形装置の公知の技術に従って、例えば、情報処理装置から三次元データを造形装置１に転送し、転送されたデータに従い造形ヘッド部２及び土台部４を制御するなどして、造形物２０を土台プレート部６上に製作する。

以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲において、種々の変形・変更が可能である。

１ 三次元造形装置
２ 造形ヘッド部
４ 土台部
６ 土台プレート部
８ 土台プレート上部
１０ 土台プレート下部
１２ レール係止用溝部
１４ プレート固定手段（ネジ）
１６ プレート押え部
１８ レール
２０ 三次元造形物
２２ 熱可塑性樹脂（三次元造形物の材料）

Claims (5)

1. 熱可塑性樹脂を高温で溶かし積層させることによって三次元造形物を成形する三次元造形装置において、
   前記三次元造形物の材料である前記熱可塑性樹脂を吐出し、二次元平面的に動作する造形ヘッド部と、
   前記造形ヘッド部が動作する前記二次元平面と直交する上下方向に動作し、前記三次元造形物を間接的に載置させる平板状の土台部と、
   前記土台部上に着脱可能に設置され、前記三次元造形物を直に載置させる土台プレート部と、
   前記土台部の左右両端に設置され、該土台部上に設置した前記土台プレート部の左右両端を固定するレール状のプレート押え部と、を有する三次元造形装置であって、
   前記土台プレート部が、樹脂製板部材で構成される土台プレート上部を上層とし、金属製板部材で構成される土台プレート下部を下層として構成されると共に、前記土台プレート部の左右両側面に、前記プレート押え部が備える前記レールに係止させ、該土台プレート部を前記土台部上に固定するための溝状機構であるレール係止用溝部を有し、前記土台プレート上部と前記土台プレート下部とは固定手段によって固定されていることを特徴とする三次元造形装置。
2. 前記土台プレート上部及び前記土台プレート下部の形状が四角形であり、
   前記土台プレート上部と前記土台プレート下部とが、少なくとも、前記四角形の頂点付近、該四角形の辺の中間点付近及び該四角形の対角線の交点付近において固定されていることを特徴とする請求項１に記載の三次元造形装置。
3. 前記土台プレート上部と前記土台プレート下部との固定手段がネジであり、
   前記ネジの頭部が、前記土台プレート上部の表面よりも低く位置することを特徴とする請求項２に記載の三次元造形装置。
4. 前記土台プレート上部の表面全体には複数の穴が均一に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一に記載の三次元造形装置。
5. 前記金属製板部材の材料が、アルミ合金であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一に記載の三次元造形装置。
   

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