JP6485617B2

JP6485617B2 - 支持なしで水平にフィラメントを配列する３次元印刷方法

Info

Publication number: JP6485617B2
Application number: JP2014126753A
Authority: JP
Inventors: 泰金田
Original assignee: 泰金田
Priority date: 2014-06-20
Filing date: 2014-06-20
Publication date: 2019-03-20
Anticipated expiration: 2034-06-20
Also published as: JP2016002766A; US9878492B2; US20150367571A1

Description

本発明は冷却，加熱，光照射等の方法によって固化する材料を層状につみかさねることによって 3 次元形状を造形する積層型 3D プリンタ (3 次元プリンタ) による印刷法に関する．

ABS 樹脂，PLA 樹脂等の熱によって溶解する材料を糸状のフィラメントにしてそれを集積することによって 3 次元形状を造形するタイプの 3D プリンタすなわち熱溶解型 3D プリンタの基本は，特許文献１に記述されている．また，逆に常温ではゲル状だが熱や光によって固化する材料をフィラメントにして使用するタイプの 3D プリンタもある．これらの技術においては，印刷すなわち造形するべき物体 (モデル) を層状にスライスし，フィラメントを水平方向にならべることによって各層を形成し，それを積層することによって造形する．上層のフィラメントはプリント・ベッド (印刷台)，下層のフィラメント，またはサポート材によって支持される必要があるため，支持がなければ基本的には印刷できない．ただし，条件によってはななめ方向から支持することもできるためオーバハングすることができるが，その角度は 60〜75°程度にかぎられ，水平方向にフィラメントを配列することはできない．

Richard Helinski: 米国特許 US 5136515

熱溶解型 3D プリンタにおいては，フィラメントをプリント・ベッドに直接射出するか，すでに印刷したフィラメント上に射出するか，あるいはサポート材の上に射出して印刷すれば安定的に印刷することができる．しかし，サポート材以外に印刷直後のフィラメントを下方からささえるものがないときは，サポート材をつかうことで余分の資源をつかうが，それ以外にもつぎのような問題が生じうる．すなわち，第 1 にサポート材とフィラメントが同一材料であれば両者をはがすのが困難になり，第 2 にサポート材とフィラメントにことなる材料をつかうにはプリント・ヘッドが 2 個必要になるため使用できる 3D プリンタが限定されてコスト高になり，第 3 に印刷するのが閉曲面であるときにはその内側のサポート材は除去することができず，印刷物の重量が増加するうえ，フィラメントが透明であるときはサポート材が外部からみえて美観をそこなう．そのため，この発明によって解決するべき課題は，熱溶解型 3D プリンタ (fused-deposition-modeling (FDM) 型プリンタ) または他の積層型 3D プリンタにおいて，フィラメントが下方から支持されていないときでも水平方向にフィラメントを配列できるようにし，内側が空な平曲面の印刷を可能にすることである．

水平方向にフィラメントを配列することができないのは，水平方向に配列しようとしても，あらたに射出したフィラメントが隣接するフィラメントと接着せず，落下するためである．したがって，上記の課題を解決するためには，あらたに射出したフィラメントを隣接するフィラメントに押しつけるちからを作用させることにより，落下を防止すればよい．このような力を発生させるには，あらたに射出したフィラメントの断面積すなわち射出量を適切に制御したうえで，隣接するフィラメントの曲率や角度に応じて，あらたに射出したフィラメントを圧縮するちからや伸長するちからをくわえればよい．また，必要な精度をたもつために温度や光を制御することによりフィラメントの硬度を適切な値に制御すればよい．

本発明の方法を使用することにより，積層形 3D 印刷において，フィラメントが下方から支持されなくてもそれを水平方向に配列することが可能になる．

本発明の実施形態における 3D 印刷可能性が保存される条件および 3D 印刷可能性を保存するための方法の説明図である．本発明の実施形態における，変換・変形処理 102 において中回転角の回転をおこなったときの 3D 印刷可能性を保存するための方法の説明図である．本発明の実施形態における，プリント・ヘッドを回転することにより 3D 印刷可能性を保存するための方法の説明図である．本発明の実施形態における，支持されない底面を印刷する方法の説明図である．

[3D 印刷法の概要]

フィラメントを積層して印刷・造形する 3D 印刷においては，3D プリンタにおいて，プリント・ベッド (印刷台)，すでに印刷したフィラメント，サポート材 (すなわち，支持することだけが目的で，印刷完了後は除去する材料) などの支持体に密着するように，溶解したフィラメントをプリント・ヘッド先端のノズルから射出して印刷する．3D プリンタにおいては，プリント・ヘッドを移動させるために x, y, z 各方向の制御をおこなう 3 個のステッピング・モータまたは並列リンク機構を制御する 3 個のステッピング・モータを使用し，これらのモータの動作をギアまたはベルトによってプリント・ヘッドに伝達する．また，フィラメントを押しだすためにフィラメントをピンチローラによってはさみ，ステッピング・モータによりそれを駆動する．プリント・ヘッドおよびフィラメントの移動速度はステッピング・モータの制御系により電子的に制御される．

3D 印刷においては通常は支持体が射出されたフィラメントの下方にある状態で印刷するが，支持体がななめ下方にある状態すなわちオーバーハング状態でも，しかるべき方法をとれば印刷することができる．したがって，皿のような形状でもサポート材なしで印刷することが可能である．

[3D 印刷可能であるための条件]

3D 印刷可能であるための条件はつぎの 2 つである．第 1 は印刷時にすでに印刷されたフィラメントが印刷をさまたげないことである．プリント・ヘッドのノズルと印刷位置とのあいだにフィラメントがあると印刷することができない．第 2 は印刷したフィラメントが支持されることにより，設計された位置にとどまることである．フィラメントを支持する支持体はプリント・ベッド (印刷台)，既存のフィラメント，サポート材などのうちいずれであってもよい．また，支持体はかならずしも下方にある必要はなく，横方向に圧着することによって支持されるのでもよい．すなわち，下方から支持される必要はかならずしもない．支持体と接触しない位置にフィラメントが射出されると，フィラメントは設計位置からはずれ，下方または横方向にずれた位置に固定される．3D 印刷可能であるためにはこれらの条件がともにみたされなければならない．

[3D 印刷可能性の維持法]

3D 印刷可能性を維持するための方法について，図 1 を使用して説明する．フィラメントの配列が垂直方向であるときは，上位のフィラメント 511 が下位のフィラメント 512 に圧着させられるため接着する．射出直後のフィラメントの断面は円にちかいが，圧着させられることによってフィラメント 511 および 512 は楕円にちかい形状になっている．フィラメントの形状およびここで三角形 513 の下端がノズルの位置をあらわしている．

フィラメントの配列が垂直にちかいときの印刷 (図 1(b)) においては，フィラメント 521, 522 の上下関係は配列が垂直のときとほぼおなじであるため，フィラメントは接着し，3D 印刷に問題は生じない．しかし，フィラメントの配列が水平にちかく，かつフィラメントがなす角度が負のときすなわちあとで印刷するフィラメントのほうが下方にあるとき (図 1(c)) は，フィラメント 531, 532 の上下関係が逆転して接着しにくくなるため，順序を変更しないかぎり 3D 印刷は困難である．フィラメントがなす角度が正のとき (図 1(d)) でも，印刷時にフィラメントがあまって波打ったり，上位のフィラメントが下位のフィラメントに接することなく落下したりするという問題が発生する．また，フィラメントどうしが接触はするが圧着させられないため接着しないという問題が発生する．

上記の問題を解決するにはつぎの 2 つの方法のうちのいずれかを実施すればよい．第 1 に，フィラメントがなす角度が正のときにはつぎの方法を適用することによって 3D 印刷可能にすることができる．すなわち，断面積を調整し，上位のフィラメントが下位のフィラメントに接触するようにする．断面積を拡大する第 1 の方法はフィラメントの射出速度を増加させる方法である．しかし，断面積を拡大するためにフィラメントの射出速度を増加させるとフィラメントが波打ったり湾曲して接触しなくなるため，他の方法としてつぎの 2 つがある．断面積を拡大する第 2 の方法は射出量を増加させるかわりにノズルの移動速度を低下させることによって断面積を拡大させる方法である．この方法を使用すればフィラメントの射出速度を一定にしたまま断面積を拡大することができるため，フィラメントの射出速度の変化に遅延がある場合すなわち制御系で射出速度を調整してもすぐには射出速度が変化しないときに有効である．しかし，この方法ではフィラメントの波打ちを軽減させることはできても完全になくすことは困難である．断面積を拡大する第 3 の方法は，内径のことなる複数のノズルを 3D プリンタに装備し，おおきな断面積で印刷したいときはノズル先端の内径がおおきいノズルを選択する方法である．この方法によれば波打ちをなくすことが可能である．断面積を縮小するには逆にノズルの移動速度を上昇させるか，ノズル先端の内径がちいさいノズルを選択すればよい．

上記の問題を解決解決するには第 2 に，フィラメントの配列が水平にちかくかつフィラメントがなす角度が非負のとき (場合によっては負のちいさな角度もふくむ) には，印刷する際に図 1(c) のように隣接するフィラメントが水平にちかくなるため，フィラメントどうしを圧着させることができず接着するのが困難になる．このときは図 2 にしめす方法によってフィラメントを接着することができる．

まず図 2(a) のように下位のフィラメント 611 を左，上位のフィラメント 612 を右にみたときにフィラメントが左に凸であるとき (すなわち隣接するフィラメントが印刷中のフィラメントに対して凹であるとき，すなわち曲率半径の中心が右にあるとき) は，フィラメントがすこしあまるように，すなわちフィラメントの射出速度と比較してノズルの移動速度をややちいさくすることにより，フィラメントが左に圧着させられて接着する．すなわち，射出されたフィラメントが印刷・固定される点においてフィラメントを圧縮する力がかかるようにすることにより接着する．ただし，フィラメントの材質によって性質がことなるため，フィラメントの射出速度とノズルの移動速度との関係はその性質によって変化させる必要がある．

また図 2(b) のように同様に下位のフィラメント 621 を左，上位のフィラメント 622 を右にみたときにフィラメントが右に凸であるとき (すなわち隣接するフィラメントが印刷中のフィラメントに対して凸であるとき，すなわち曲率半径の中心が左にあるとき) は，フィラメントがすこし不足するように，すなわちフィラメントの射出速度と比較してノズルの移動速度をややおおきくすることにより，フィラメントが右に圧着させられて接着する．すなわち，射出されたフィラメントが印刷・固定される点においてフィラメントを伸張する力がかかるようにすることにより接着する．フィラメントの曲率が場所によって変化するときには，それぞれの場所においてフィラメントの過不足を調整すればよい．ただし，このときもフィラメントの材質によって性質がことなるため，フィラメントの射出速度とノズルの移動速度との関係はその性質によって変化させる必要がある．
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上記のようにフィラメントがなす角度が負のときは印刷可能性を保存するのは困難だが，そのときは印刷順序を逆転させれば，すなわちフィラメントの向きと順序を逆転させれば印刷可能になる．フィラメントがほぼ水平のときは，図 2 の方法を適用することによってフィラメントが接着し，印刷可能になる．

ただし，上記のフィラメント水平方向配列のための方法の適用時にはフィラメントの硬度がひくいと設計形状がえられなかったり，精度が低下したりする危険がある．これを防止するためにつぎの方法のうちのいずれかまたはくみあわせを使用することができる．

フィラメントの配列精度向上のための第 1 の方法は温度を制御する方法である．フィラメントが冷却によって固化するとき (熱溶解型プリンタのとき) はフィラメントを強制空冷することにより冷却することができるが，フィラメントのノズルを冷却しないよう，フィラメント・ノズル移動方向の数 mm 背後のフィラメントをエアー・ノズルで強力に冷却することにより，精度を向上させることができる．フィラメントが加熱・光照射等によって固化されるときも，ノズル先端から 0.1〜数 mm の点を固化させる．

フィラメント配列精度向上のための第 2 の方法は，フィラメント断面積の調整である．印刷するフィラメントの曲率にもとづいて上記のように増加・減少をおこなうが，過大な増加・減少により精度低下がおこるため，一定範囲におさえる．

上記の印刷可能性維持法はプリント・ヘッドが下方にだけフィラメントを射出するときに適用される方法だったが，プリント・ヘッドが回転するときにはつぎのような方法で解決することも可能である．すなわち，図 3 にしめすように，プリント・ヘッド 711 を回転させて，下位のフィラメント 712 と上位のフィラメント 713 の中心をむすぶ線の方向にフィラメントを射出すれば，フィラメント 713 をプリント・ヘッドによって圧着させることができ，フィラメントどうしを容易に接着させることができる．

[底面が接地しない容器の底面処理]

上記の印刷可能性維持法の応用として，底面が接地しない容器を印刷するときの底面の処理法について，図 4 を使用して説明する．水平にちかいフィラメント配列を必要とする場合として，容器の底面がある．3D プリンタおよび使用するフィラメントの種類によっては，プリント・ベッドの表面にこまかい凹凸があり，プリント・ベッドに密着して印刷すると透明性や光沢がうしなわれることがある．たとえば，PLA による印刷の際にプリント・ベッドによくはりつけられるテープとしていわゆるブルーテープすなわちペイント塗装時に使用されるマスキング・テープがあるが，その表面には凹凸がある．このようなときに皿，カップなどの底面を印刷する際に，最初に印刷する部分だけがプリント・ベッドに密着し，それ以降はプリント・ベッドからはなれてほぼ水平に印刷されるようにすれば，透明性や光沢を維持することができる．たとえば，図 4 のようにプリント・ベッドに円を 1 層または数層えがいたあとに，前記のフィラメント配列が水平にちかいときのための印刷方法にしたがって，水平方向にスパイラルをえがいて底面を印刷することができる．すなわち，えがいた円 801 の内側に矢印の方向にスパイラル状にプリント・ヘッドをうごかしながら円板または円板にちかい形状を印刷する．

このようなときには，皿 802，カップ 803 などの底面の印刷において，円形の接地部分 801 のうえにほぼ水平な底面を形成すればよい．このような底面の印刷は上記の円から印刷開始して内側にむかって螺旋をえがいて印刷するのが適当である．このとき，上記の第 1 の方法 (図 2(a)) を適用すればよい．

Claims

3 次元プリンタのノズルから射出されるフィラメントをかさねて 3 次元オブジェクトを印刷・造形する 3 次元印刷方法において，前記の射出中のフィラメントがサポート材により支持されず，
前記のノズルから射出中のフィラメントに隣接するフィラメントが前記の射出中のフィラメントに対して凸であるとき，
前記の射出中のフィラメントの射出速度が前記のノズルの移動速度と比較して相対的におおきくなるように制御し，
前記の射出中のフィラメントを前記の隣接するフィラメントに密着させ，
前記の射出中のフィラメントと前記の隣接するフィラメントとを接着させることを特徴とする 3 次元印刷方法．
3 次元プリンタのノズルから射出されるフィラメントをかさねて 3 次元オブジェクトを印刷・造形する 3 次元印刷方法において，前記の射出中のフィラメントがサポート材により支持されず，
前記のノズルから射出中のフィラメントに隣接するフィラメントが前記の射出中のフィラメントに対して凹であるとき，
前記の射出中のフィラメントの射出速度が前記のノズルの移動速度と比較して相対的にちいさくなるように制御し，
前記の射出中のフィラメントを前記の隣接するフィラメントに密着させ，
前記の射出中のフィラメントと前記の隣接するフィラメントとを接着させることを特徴とする 3 次元印刷方法．