JP6233001B2 - 造形装置および造形物の製造方法 - Google Patents
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Description
前記照射ユニットは、前記ステージ上に供給された材料の領域に選択的にエネルギー線を照射する。
前記移動機構は、少なくとも前記材料の積層方向で、前記ステージと前記照射ユニットとを相対的に移動させる。
前記ステージ回転機構は、前記ステージを回転させる。
前記第1の照射ユニットは、前記ステージ上に供給された材料の領域に選択的にエネルギー線を照射する。
前記移動機構は、前記材料の積層方向で、前記ステージと前記照射ユニットとを相対的に移動させる。
前記第2の照射ユニットは、前記第1の照射ユニットにより照射された前記材料に、エネルギー線を照射する。
前記露光ユニットは、複数の固体発光素子で構成された発光アレイを有し、前記ステージ上に供給された材料の領域に選択的に、前記発光アレイにより露光する。
前記移動機構は、少なくとも前記材料の積層方向で、前記ステージと前記発光アレイとを相対的に移動させる。
前記規制体は、前記ステージに向けて凸状の曲面でなる表面を有する。前記規制体は、前記ステージに対向することで、前記ステージと前記表面との間に、前記ステージに垂直な方向に形成される最小隙間の位置を含む保持領域を形成するように配置され得る。
前記照射ユニットは、前記保持領域内に保持された材料のうち、前記最小隙間の位置からずれた位置にある材料に、エネルギー線を照射する。
前記移動機構は、前記材料の積層方向で、前記ステージおよび前記規制体を相対的に移動させる。
前記規制体は、複数の領域に区画された表面を有する。前記規制体は、前記ステージに対向することで、前記表面の前記複数の領域のうち任意の1つの領域と前記ステージとの間に保持領域を形成するように配置され得る。
前記照射ユニットは、前記保持領域に保持された材料に、エネルギー線を照射する。
前記移動機構は、前記材料の積層方向で、前記ステージおよび前記規制体を相対的に移動させる。
前記規制体は、造形対象面に向けて凸状の曲面でなる表面を有する。前記規制体は、前記造形対象面に対向することで、前記造形対象面と前記表面との間の隙間を含む保持領域を形成するように配置され得る。
前記照射ユニットは、前記保持領域内に保持された材料の領域にエネルギー線を照射する。
前記走行体は、前記規制体および前記照射ユニットを搭載し、前記造形対象面上を走行する。
前記移動機構は、前記走行体に搭載され、前記材料の積層方向で前記規制体を移動させる。
前記第1の材料で構成される構造体は、外面と、第1の空隙と、前記第1の空隙の容積より大きい容積を有する第2の空隙と、前記外面および前記第1の空隙を連通する連通路とを含む。
前記第2の材料で構成される充填部は、前記連通路および前記第1の空隙内に充填され、前記第1の材料とは異なる固体の材料である。
前記ステージ上に供給された前記材料の領域にエネルギー線を照射することで、1層以上の前記材料が印刷される。
前記ステージを回転させることにより、または、吸引により、前記印刷で硬化した材料上に残る未硬化の材料が除去される。
前記未硬化の材料の除去後、前記材料の供給の工程、および前記1層以上の前記材料を硬化させる工程が順に行われる。
前記第1の空隙内に、前記第1の材料とは異なる第2の材料が、前記連通路を介して毛細管力により充填される。
前記充填された第2の材料が硬化される。
1.造形物の生産性を阻害する要因の考察
1)造形装置の全体構成
図1は、第1の実施形態に係る造形装置を模式的に示す斜視図である。造形装置100は、ワークプレート13、露光ヘッドユニット30、移動機構20、プレート回転機構12(ステージ回転機構)、θ回転機構14(規制体回転機構)を備える。
移動機構20およびθ回転機構14の動作により、ワークプレート13およびドラム35が、図2に示すような位置に配置される。ワークプレート13およびドラム35の表面の間の最小隙間g(図3参照)は、樹脂材料の印刷の1層分の厚さに対応する。すなわち、最小隙間gはz方向の造形の分解能に対応する。この分解能を低くする場合は最小隙間gが大きく設定され、分解能を高くする場合は最小隙間gを小さく設定される。作業者は、ホストコンピュータに適宜その設定を入力することができる。
図6は、回転による未硬化材料の除去の他の形態を示す。この造形装置は、プレート回転機構12を、ワークプレート13に対して傾斜させる傾斜機構16を備える。例えばプレート回転機構12とワークプレート13との間に、傾斜機構16が配置される。傾斜機構16は、所定の角度範囲内の任意の角度で、プレート回転機構12を傾斜させるように構成されている。これにより、z軸を傾斜させることができる。
次に第2の実施形態について説明する。これ以降の説明では、図1等に示した実施形態に係る造形装置100が含む部材や機能等について同様のものは説明を簡略化または省略し、異なる点を中心に説明する。
図9AおよびBは、第3の実施形態に係る造形装置の要部をx方向で見た図である。この造形装置は、露光ヘッドユニット30と一体で移動可能に、あるいは独立して移動可能に、除去機構の少なくとも一部としての吸引機構50が設けられている。吸引機構50は、図示しない減圧機構に接続されており、未硬化材料を吸引するように構成されている。
図10は、第4の実施形態に係る造形装置の要部を示す。この造形装置は、図1に示した造形装置100において、例えば長さが短く形成されたドラム135を用いている。照射ユニット140の長さもそれに合わせて短く形成されている。
図18は、第5の実施形態に係る造形装置の要部を示す。
dH:樹脂材料の収縮厚さ
Ht:樹脂材料の目標膜厚
Rg:円筒の半径
一般に、積層造形では、1つの材料で造形物が形成される。複数の材料で造形物を形成することができれば、その造形物の機能や用途の幅が広がると考えられる。第6の実施形態に係る技術の目的は、複数の材料を使用することができる造形装置およびその造形物の製造方法を提供することにある。
第7の実施形態に係る技術の目的は、複数の材料を用いて高機能な構造体を製造する方法を提供し、また、その構造体を提供することにある。本技術は、構造体内の複数の空隙のうち、樹脂材料を充填させる空隙と、充填させない空隙とを意図的に制御する「制御含浸」の技術である。
一般に、造形装置により形成される構造体として、人が手で持つことができるサイズから例えば自動車のボディようなサイズまで、幅広いサイズを適用可能である。しかし、構造体のサイズが大型化するほど、それに対応して造形ステージを大きくする必要があり、造形装置を大型化せざるを得ない。第8の実施形態に係る技術の目的は、造形装置を大型化することなく、あらゆるサイズの構造体を形成することができる造形装置を提供することにある。
本技術は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。
上記実施形態に係る照射ユニットとして、LEDアレイを有するものが用いられた。しかし、これに限られず、例えばx方向にライン状の光を照射可能な照射ユニットとして、例えばロッドレンズによりライン状の光を形成したり、ポリゴンミラーやガルバノミラー等を使用して、ライン方向に走査してライン状の光を形成したりする照射ユニットが用いられてもよい。
例えば図20で説明した、照射位置移動機構は、光源を移動させるのではなく、上記ポリゴンミラーの取り付け角度や別のミラーの角度を変えることにより、照射位置を変えるようにしてもよい。
(1)
ステージと、
前記ステージ上に供給された材料の領域に選択的にエネルギー線を照射する照射ユニットと、
少なくとも前記材料の積層方向で、前記ステージと前記照射ユニットとを相対的に移動させる移動機構と、
前記ステージを回転させるステージ回転機構と
を具備する造形装置。
(2)
(1)に記載の造形装置であって、
前記ステージに向けて凸状の曲面でなる表面を有し、前記ステージに対向することで、前記ステージと前記表面との間に保持領域を形成するように配置され得る規制体をさらに具備し、
前記照射ユニットは、前記保持領域内に保持された前記材料に、前記規制体を介して前記エネルギー線を照射する
造形装置。
(3)
(1)または(2)のうちいずれか1つにに記載の造形装置であって、
前記照射ユニットによる照射により形成される前記材料に、エネルギー線を照射する追加照射ユニットをさらに具備する
造形装置。
(4)
(1)から(3)のうちいずれか1つに記載の造形装置であって、
前記移動機構は、前記ステージが有するステージ面に直交する軸、および前記ステージ面に沿う互いに直交する2軸に沿って、前記ステージおよび前記照射ユニットを相対的に移動させる
造形装置。
(5)
(1)に記載の造形装置であって、
前記ステージが有するステージ面に沿う軸の周りで前記規制体を回転させる規制体回転機構をさらに具備する
造形装置。
(6)
ステージと、
前記ステージ上に供給された材料の領域に選択的にエネルギー線を照射する第1の照射ユニットと、
前記材料の積層方向で、前記ステージと前記照射ユニットとを相対的に移動させる移動機構と、
前記第1の照射ユニットにより照射された前記材料に、エネルギー線を照射する第2の照射ユニットと
を具備する造形装置。
(7)
(6)に記載の造形装置であって、
前記第2の照射ユニットは、前記第1の照射ユニットの照射による単位時間および単位立体角当たりのエネルギーより大きい、単位時間および単位立体角当たりのエネルギーを持つエネルギー線を前記材料に照射する
造形装置。
(8)
(6)に記載の造形装置であって、
前記照射ユニットによる照射により硬化した前記材料上に残る未硬化の材料を除去する除去機構をさらに具備する
造形装置。
(9)
ステージと、
複数の固体発光素子で構成された発光アレイを有し、前記ステージ上に供給された材料の領域に選択的に、前記発光アレイにより露光する露光ユニットと
少なくとも前記材料の積層方向で、前記ステージと前記発光アレイとを相対的に移動させる移動機構と
を具備する造形装置。
(10)
(9)に記載の造形装置であって、
前記複数の固体発光素子は、1次元状に配列され、
前記移動機構は、前記複数の固体発光素子の配列方向に直交する方向に沿って、前記ステージおよび前記発光アレイを相対的に移動させる機構をさらに有する
造形装置。
(11)
(9)に記載の造形装置であって、
前記複数の固体発光素子は、2次元状に配列されている
造形装置。
(12)
ステージと、
前記ステージに向けて凸状の曲面でなる表面を有し、前記ステージに対向することで、前記ステージと前記表面との間に、前記ステージに垂直な方向に形成される最小隙間の位置を含む保持領域を形成するように配置され得る規制体と、
前記保持領域内に保持された材料のうち、前記最小隙間の位置からずれた位置にある材料に、エネルギー線を照射する照射ユニットと、
前記材料の積層方向で、前記ステージおよび前記規制体を相対的に移動させる移動機構と
を具備する造形装置。
(13)
(12)に記載の造形装置であって、
前記照射ユニットによるエネルギー線の照射位置を、前記規制体に対して、前記最小隙間の位置からのずれの方向に移動させる照射位置移動機構をさらに具備する
造形装置。
(14)
(12)または(13)に記載の造形装置であって、
前記規制体の表面は、円筒状の面であり、
前記照射ユニットは、光を照射するように構成され、
前記材料が光硬化性樹脂である場合、前記光硬化性樹脂の厚さ方向の収縮率をα、その収縮厚さをdH、前記光硬化性樹脂の目標膜厚をHt、前記円筒の半径をRg、前記最小隙間の位置からのずれ量をdDとし、dD<<Rgの場合、以下の式を満たす
(15)
ステージと、
複数の領域に区画された表面を有し、前記ステージに対向することで、前記表面の前記複数の領域のうち任意の1つの領域と前記ステージとの間に保持領域を形成するように配置され得る規制体と、
前記保持領域に保持された材料に、エネルギー線を照射する照射ユニットと、
前記材料の積層方向で、前記ステージおよび前記規制体を相対的に移動させる移動機構と
を具備する造形装置。
(16)
(15)に記載の造形装置であって、
前記任意の1つの領域である第1の領域と、前記ステージとの間に、第1の材料を供給可能であり、前記任意の1つの領域である、前記第1の領域とは異なる第2の領域と、前記ステージとの間に、前記第1の材料とは異なる第2の材料を供給可能な供給ユニットをさらに具備する
造形装置。
(17)
(15)または(16)に記載の造形装置であって、
前記規制体は、前記複数の領域を区画する区画壁を有する
造形装置。
(18)
造形対象面に向けて凸状の曲面でなる表面を有し、前記造形対象面に対向することで、前記造形対象面と前記表面との間の隙間を含む保持領域を形成するように配置され得る規制体と、
前記保持領域内に保持された材料の領域に選択的にエネルギー線を照射する照射ユニットと、
前記規制体および前記照射ユニットを搭載し、前記造形対象面を走行する走行体と、
前記材料の積層方向で前記規制体を移動させる移動機構と
を具備する造形装置。
(19)
外面と、第1の空隙と、前記第1の空隙の容積より大きい容積を有する第2の空隙と、前記外面および前記第1の空隙を連通する連通路とを含む第1の材料で構成される構造体と、
前記連通路および前記第1の空隙内に充填され、前記第1の材料とは異なる固体の第2の材料と
を具備する造形物。
(20)
外面と、第1の空隙と、前記第1の空隙の容積より大きい容積を有する第2の空隙と、前記外面および前記第2の空隙を連通する第1の連通路と、前記第1の空隙および前記第2の空隙を連通する第2の連通路とを含む第1の材料で構成される構造体と、
前記第2の連通路および前記第1の空隙内に充填され、前記第1の材料とは異なる固体の第2の材料とで構成される充填部と
を具備する造形物。
(21)
ステージ上に材料を供給し、
前記ステージ上に供給された前記材料の領域にエネルギー線を照射することで、1層以上の前記材料を印刷し、
前記ステージを回転させることにより、または、吸引により、前記印刷で硬化した材料上に残る未硬化の材料を除去し、
前記未硬化の材料の除去後、前記材料の供給の工程、および前記1層以上の前記材料を硬化させる工程を順に行う
造形物の製造方法。
(22)
(21)に記載の造形物の製造方法であって、
前記未硬化の材料の除去後、前記材料の供給前に、前記印刷で硬化した前記材料に、エネルギー線を照射することで、後硬化を行う工程をさらに具備する
造形物の製造方法。
(23)
エネルギー線を、第1の材料の領域に1層ごとに選択的に照射することにより、外面と、第1の空隙と、前記第1の空隙の容積より大きい容積を有する第2の空隙と、前記外面および前記第2の空隙を連通する第1の連通路と、前記第1の空隙および前記第2の空隙を連通する第2の連通路とを含む構造体を形成し、
前記第1の空隙内に、前記第1の材料とは異なる第2の材料を、前記第1の連通路および前記第2の連通路を介して毛細管力により充填し、
前記充填された第2の材料を硬化させる
造形物の製造方法。
(24)
エネルギー線を、第1の材料の領域に1層ごとに選択的に照射することにより、外面と、第1の空隙と、前記第1の空隙の容積より大きい容積を有する第2の空隙と、前記外面および前記第1の空隙を連通する連通路とを含む構造体を形成し、
前記第1の空隙内に、前記第1の材料とは異なる第2の材料を、前記連通路を介して毛細管力により充填し、
前記含浸された第2の材料を硬化させる
造形物の製造方法。
(25)
ステージ上に材料を供給し、
前記ステージ上に供給された前記材料の領域に選択的にエネルギー線を照射することで、1層以上の前記材料を印刷し、
前記印刷されて得られる前記材料にさらにエネルギー線を照射することで、後硬化を行い、
前記後硬化の後、前記ステージ上に供給された材料の領域に選択的にエネルギー線を照射することで、1層以上の前記材料を印刷する
造形物の製造方法。
(26)
ステージ上に材料を供給し、
複数の固体発光素子で構成された発光アレイにより、前記ステージ上に供給された前記材料の領域に選択的に露光し、
前記材料の積層方向で、前記ステージおよび前記発光アレイを相対的に移動させる
造形物の製造方法。
(27)
ステージと、
前記ステージに向けて凸状の曲面でなる表面を有し、前記ステージに対向することで、前記ステージと前記表面との間に、前記ステージに垂直な方向に形成される最小隙間の位置を含む保持領域を形成するように配置され得る規制体とを具備する造形装置による造形物の製造方法であって、
前記ステージ上に材料を供給し、
照射ユニットにより、前記保持領域内に保持された材料のうち、前記最小隙間の位置からずれた位置にある材料に、エネルギー線を照射し、
前記材料の積層方向で、前記ステージおよび前記規制体を相対的に移動させる
造形物の製造方法。
(28)
複数の領域に区画された表面を有する規制体を前記ステージに対向させることで、前記表面の前記複数の領域のうち任意の1つの領域である第1の領域と前記ステージとの間に保持領域を形成し、
前記保持領域内に第1の材料を供給し、
前記保持領域内に保持された前記第1の材料の領域に選択的にエネルギー線を照射することで、第1の材料で構成される1層以上の第1の構造体を形成し、
前記規制体を前記ステージに対向させることで、前記複数の領域のうち任意の1つの領域である、前記第1の領域とは異なる第2の領域と、前記ステージとの間に保持領域を形成し、
前記保持領域内に、前記第1の材料とは異なる第2の材料を供給し、
前記保持領域内に保持された前記第2の材料の領域に選択的にエネルギー線を照射することで、第2の材料で構成される1層以上の第2の構造体を前記第1の構造体上に形成する
造形物の製造方法。
(29)
造形対象面に向けて凸状の曲面でなる表面を有する規制体を、前記造形対象面に対向させることで、前記造形対象面と前記表面との間の隙間を含む保持領域を形成し、
前記保持領域内に保持された材料の領域に選択的にエネルギー線を照射しながら、前記規制体および前記照射ユニットを搭載した走行体を、前記造形対象面上を走行させ、
前記材料の積層方向で前記規制体を移動させる
造形物の製造方法。
13…ワークプレート
14…θ回転機構
15…供給ノズル
20…移動機構
22…x移動機構
24…y移動機構
26…z移動機構
30、130…露光ヘッドユニット
35、60、135…ドラム
35a…ドラムの表面
40、140…照射ユニット(第1の照射ユニット)
41…LED
45…LEDアレイ
46…照射ユニット(第2の照射ユニット)
50…吸引機構
60A、60B、60C…領域
61…区画壁
70…走行体
100、150…造形装置
400…構造体(造形物)
401…外面
402…微小空隙
403…空隙
404…充填部
Claims (12)
- ステージ面を有するステージと、
前記ステージ面上に供給された材料の領域に選択的にエネルギー線を照射する照射ユニットと、
第1の方向で前記ステージと前記照射ユニットのうちいずれか一方を、前記ステージ面に垂直な軸に沿って移動させる第1移動機構と、前記第1の方向に直交する第2の方向で前記ステージと前記照射ユニットのうち前記一方とは異なる他方を、前記ステージ面に沿う少なくとも1軸に沿って移動させる第2移動機構とを含む移動機構と、
前記ステージを回転させるステージ回転機構と、
前記ステージに向けて凸状の曲面でなる表面を有し、前記ステージに対向することで、前記ステージと前記表面との間に前記材料の保持領域を形成するように配置され得る保持体であって、前記保持領域内に保持された前記材料に、当該保持体を介して前記エネルギー線が照射されるように構成された保持体と、
前記ステージ面に沿う軸の周りで前記保持体を回転させる保持体回転機構と、
前記照射ユニット、前記移動機構、前記ステージ回転機構、および前記保持体回転機構の駆動をそれぞれ制御するコンピュータとを具備し、
前記コンピュータは、前記第1の方向に垂直な第1面およびその第1面に垂直な面として設けられた第2面を有する第1の硬化物を形成するために、前記第1の方向に前記材料を積層させるように前記照射ユニットおよび前記第1移動機構の駆動を制御し、前記第1の硬化物に第2の硬化物を形成するために、前記第2面上で前記第2の方向に前記材料を積層させるように前記照射ユニットおよび前記第2移動機構の駆動を制御する
造形装置。 - 請求項1に記載の造形装置であって、
前記照射ユニットによる照射により形成される前記材料に、エネルギー線を照射する追加照射ユニットをさらに具備する造形装置。 - 請求項2に記載の造形装置であって、
前記追加照射ユニットは、前記照射ユニットの照射による単位時間および単位立体角当たりのエネルギーより大きい、単位時間および単位立体角当たりのエネルギーを持つエネルギー線を前記材料に照射する
造形装置。 - 請求項1に記載の造形装置であって、
前記照射ユニットによる照射により硬化した前記材料上に残る未硬化の材料を除去する除去機構をさらに具備する造形装置。 - 請求項1に記載の造形装置であって、
前記照射ユニットは、複数の固体発光素子で構成された発光アレイを有し、前記材料の領域に選択的に、前記発光アレイにより露光する
造形装置。 - 請求項5に記載の造形装置であって、
前記複数の固体発光素子は、1次元状に配列されている
造形装置。 - 請求項5に記載の造形装置であって、
前記複数の固体発光素子は、2次元状に配列されている
造形装置。 - 請求項1に記載の造形装置であって、
前記曲面は、円筒面の少なくとも一部を構成し、
前記保持体は、前記保持領域として、前記ステージに垂直な方向に形成される最小隙間の位置を含む保持領域を形成するように配置され、
前記照射ユニットは、前記保持領域内に保持された材料のうち、前記材料の収縮後の硬化物の厚さが前記最小隙間と同じ厚さとなるような、前記最小隙間の位置からずれた位置にある材料に、エネルギー線を照射し、
αが前記材料の厚さ方向の収縮率、dHが前記材料の収縮厚さ、Htが前記材料の目標厚さ、Rgが前記円筒面の円の曲率半径である場合、前記最小隙間の位置からのずれ量dDは、
造形装置。 - 請求項1に記載の造形装置であって、
前記保持体は、複数の領域に区画された表面を有し、前記ステージに対向することで、前記表面の前記複数の領域のうち任意の1つの領域と前記ステージとの間に前記保持領域を形成する
造形装置。 - 請求項9に記載の造形装置であって、
前記任意の1つの領域である第1の領域と、前記ステージとの間に、第1の材料を供給可能であり、前記任意の1つの領域である、前記第1の領域とは異なる第2の領域と、前記ステージとの間に、前記第1の材料とは異なる第2の材料を供給可能な供給ユニットをさらに具備する造形装置。 - 請求項9に記載の造形装置であって、
前記保持体は、前記複数の領域を区画する区画壁を有する
造形装置。 - ステージ面を有するステージと、
前記ステージ面上に供給された材料の領域に選択的にエネルギー線を照射する照射ユニットと、
第1の方向で前記ステージと前記照射ユニットのうちいずれか一方を、前記ステージ面に垂直な軸に沿って移動させる第1移動機構と、前記第1の方向に直交する第2の方向で前記ステージと前記照射ユニットのうち前記一方とは異なる他方を、前記ステージ面に沿う少なくとも1軸に沿って移動させる第2移動機構とを含む移動機構と、
前記ステージを回転させるステージ回転機構と、
前記ステージに向けて凸状の曲面でなる表面を有し、前記ステージに対向することで、前記ステージと前記表面との間に前記材料の保持領域を形成するように配置され得る保持体であって、前記保持領域内に保持された前記材料に、当該保持体を介して前記エネルギー線が照射されるように構成された保持体と、
前記ステージ面に沿う軸の周りで前記保持体を回転させる保持体回転機構と、
前記照射ユニット、前記移動機構、前記ステージ回転機構、および前記保持体回転機構の駆動をそれぞれ制御するコンピュータとを具備する造形装置による造形物の製造方法であって、
前記ステージ上に前記材料を供給し、
前記第1の方向に垂直な第1面およびその第1面に垂直な面として設けられた第2面を有する第1の硬化物を形成するために、前記コンピュータにより、前記第1の方向に前記材料を積層させるように前記照射ユニットおよび前記第1移動機構の駆動を制御し、
前記第1の硬化物に第2の硬化物を形成するために、前記コンピュータにより、前記第2面上で前記第2の方向に前記材料を積層させるように前記照射ユニットおよび前記第2移動機構の駆動を制御する
造形物の製造方法。
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