JP6552417B2 - 3次元造形装置及び3次元造形方法 - Google Patents
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(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1における3次元造形装置の構成を例示する斜視図、図2は本発明の実施の形態1における3次元造形装置の構成を例示する平面図である。図2において、図1と同じ構成については同じ符号を用い、説明を省略する。
ブロック106は、ブロック本体である高融点材料203上に高融点材料203より融点の低い低融点材料202が積層される構成である。高融点材料203は直方体形状であり、底面にはブロック凹部112を備える。低融点材料202は四角錐もしくは三角錐形状のブロック凸部111である。1つのブロック106におけるブロック凹部112とブロック凸部111とは、直上に積層した場合に対応する位置に形成されても良いが、ブロック凹部112は余分に形成されても良い。ブロック凹部112は余分に形成される場合はブロック106を互いにずらせて積層する際に、ブロック凸部111を挿入するブロック凹部112を選択することができ、積層構成の自由度が向上する。ブロック凹部112とブロック凸部111の形状及び体積が同一であると、ブロック106同士の接着強度が確保しやすく好ましい。ブロック106の外形寸法の関係は、例えば装着テーブル107の表面と平行な平面において短辺と長辺から構成され、ブロック106の高さは、高融点材料203を造形する時にブロック形状を維持できる容積とするために、ブロック106の短辺の1/2以上のブロックの高さとするのが望ましい。
自動サポート部105は、自動サポート部の先端部105aの形状が積層するブロック凸部111と同じ形状であり、先端部105aから下の部分は自動サポート部の軸部105bになり、その形状は三角柱もしくは四角柱形状等任意の形状である。自動サポート部105は、駆動部105cにより上下に駆動することができる。
図4において、3次元造形装置108の温度制御に係る構成は、装置テーブル部107の下部に高熱伝導材料402が配置され、その端部の一方あるいは両端にサポート温度制御部401が配置される。自動サポート部105は、高熱伝導材料402と常時接触している。サポート温度制御部401は、ヒータや冷却水等により高熱伝導材料402の温度を制御し、自動サポート部105を加熱冷却し、自動サポート部105の熱により装置テーブル部107は加熱冷却される。また、自動サポート部105にブロック凹部112を介して接するブロック106も加熱冷却される。更に加熱冷却効率を向上させるには自動サポート部105の内部に配管を設置し水や冷媒ガスなどを循環させても良い。なお、周囲の空気を加熱冷却しても良い。ここで、更にブロック106の内部の温度変化を促進するために、自動サポート部105の軸部105bの四角柱及び三角柱の部分がブロック106のブロック凹部112内部へ挿入できる形状とされても良い。
動作の概略は、始めに3D−CADデータを作成し(STEP1)、ブロック106の高さを1層の厚みとするスライスデータに変換する(STEP2)。次に、そのスライスデータから造形物を効率的に作るためのブロックの選定とブロックの配置を積層されるブロックの各層ごとに演算する(STEP3)。次に、多軸ロボット部104が動作してチャック部102にてブロック供給部110に必要なブロックを取りに行き、自動サポート部105を備える装置テーブル107上にブロック106を1層ずつ必要数積層するまで積層する動作を繰り返す。自動サポート部105は、装置テーブル部107に設けられたマス目の中央に予め自動サポート部の先端105aのみ突き出す態様で構成されている。配置された複数のブロック106からなる被造形物の底面全面が装置テーブル部107と接する場合は、先端105aのみが突き出された自動サポート部105が底面を構成する各ブロック106のブロック凹部112に挿入されて各ブロック106が固定される(STEP6〜STEP8)。ここで、造形物の形状によっては、配置された複数のブロック106からなる被造形物の底面の一部が装置テーブル部107に接しない場合がある。つまり、ブロック106が形成された領域において、装置テーブル部107の表面とブロック106との間に空間が形成される場合がある。この空間を中空と称し、例えば、図4の中空113のような状態である。このように、造形物201の下側に中空113が形成される場合は、別途、先端105aが中空113の直上のブロック106のブロック凹部112に挿入されるように、自動サポート部105を突き出してブロック106を支えながら造形を進める(STEP4,STEP5)。
ブロック106の積層が終了したら、雰囲気温度制御部101及び自動サポート部105により加温して低融点材料202の表面を溶かし(STEP9)、その後に雰囲気温度制御部101を送風にすると共に自動サポート部105によりブロック106を冷却することでブロック106同士を接着する。つまり、低融点材料202は積層された複数のブロック106を接着することに用いられる(STEP10)。
本発明の実施の形態1における3次元造形装置および3次元造形方法は、被造形物の造形領域となる装置テーブル107内に収納され、装置テーブル107表面から突出可能な自動サポート部を備え、被造形物は複数のブロック106から構成され、ブロック106の被造形部分は高融点材料203からなり、ブロック106の底面にはブロック凹部112が形成され、ブロック106の上面上には高融点材料203より融点の低い低融点材料202材料からなるブロック凸部111が形成され、ブロック106が積層される際には下段のブロック106のブロック凸部111が上段のブロック106のブロック凹部112内に挿入される構成である。そして、複数のブロック106を集めて被造形物を構成する際に、ブロック106が積層された状態で加熱によりブロック凹部112内の低融点材料202を溶融した後冷却することにより、低融点材料202で上下のブロック106を接着すると共に、装着テーブル107の表面から自動サポート部105を突出させることにより、最下段のブロック106のブロック凹部112内に自動サポート部105を挿入して、複数のブロック106からなる被造形物を固定しながら造形を行うことができる。これにより、造形された造形物は、ブロック106間の界面が面接触となり、さらに接着されているため、従来方法より衝撃強度が向上できる。また、自動サポート部105を有するために、積層中に造形物の下に中空部が存在しても自重により倒れることが無く構造を維持できる。このように、造形物の材料強度向上・精度向上を図ることができ、医療歯科技術分野の疑似歯等の製作用途にも適用できる。また、自動サポート部105は造形完了後の造形物取外しにも利用することができる。
(実施の形態2)
図1,図2,図4,図9,図10を用いて本発明の実施の形態2における3次元造形装置について説明する。図9は実施の形態2におけるハニカムブロックの構成を例示する図、図10は実施の形態2における3次元造形装置の装置テーブルの構成とハニカムブロックの配置状態を例示する図である。図9,図10において、図1,図2と同じ構成については同じ符号を用い、説明を省略する。
最後に、造形物301と接触している自動サポート部105を収納し、その後に0.2mm以上突き上げることで造形物の取外しが完了する。
(実施の形態3)
図11〜図13に、本実施の形態3で使用する複数種類の形状のブロックを例示する。実施の形態1、2では、1種類の形状のブロックを用いる3次元造形装置について説明した。本実施の形態3は、複数種類の形状のブロックを用いる点以外は、実施の形態1と同じである。
なお、実施の形態1,2,3に示したブロックを接着する際の温度上昇は、温風を吹き付けることや、周囲の雰囲気温度を上げるなどの方法を用いてもよい。また、温度下降は、冷風を吹き付けることや、周囲の雰囲気温度を下げるなどの方法を用いてもよく、冷却装置を設けずに加熱を停止することにより放冷してもよい。
102 チャック部
103 切削部
104 多軸ロボット部
105 自動サポート部
105a 自動サポート部の先端部
105b 自動サポート部の軸部
105c 自動サポート部の駆動部
106 ブロック
107 装置テーブル部
108 3次元造形装置
109 装置内雰囲気温度
110 ブロック供給部
111 ブロック凸部
112 ブロック凹部
113 中空
201 造形物
202 低融点材料
203 高融点材料
301 造形物(回転軸対象)
309 ハニカムブロック
401 サポート温度制御部
402 高熱伝導材料
403 造形物(表面)
404 造形物(内部)
TA 低融点材料が溶融する温度
TB 高融点材料が溶融する温度
Claims (8)
- 複数のブロックから成る被造形物を3次元造形して造形物を製造する3次元造形装置であって、
前記ブロックが配置されて造形領域となる装置テーブルと、
前記装置テーブルに設けられて前記ブロックを固定する構成の自動サポート部と、
あらかじめ用意された前記ブロックを前記装置テーブル上に供給して前記被造形物を配置するブロック供給装置と、
供給された前記被造形物を加工する加工装置と、
前記ブロックを加熱する温度制御部と
を有し、前記ブロックはブロック本体と前記ブロック本体より融点の低い材料で形成されるブロック凸部と前記ブロック本体に形成されるブロック凹部とから構成され、前記ブロックの積層状態で一方のブロックの前記ブロック凸部が他方のブロック凹部に挿入される構成であり、
前記自動サポート部は先端が前記ブロック凹部に挿入された状態で前記ブロックを固定する構成である
ことを特徴とする3次元造形装置。 - 前記ブロックは直方体であり、前記ブロック凸部および前記ブロック凹部は四角錐形状であることを特徴とする請求項1記載の3次元造形装置。
- 前記ブロックは六角柱形状であり、前記ブロック凸部および前記ブロック凹部は三角錐形状であることを特徴とする請求項1記載の3次元造形装置。
- 前記自動サポート部を前記装置テーブル内に収納し前記装置テーブルから突出させる自動サポート部駆動部をさらに有することを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の3次元造形装置。
- 前記ブロックを冷却する冷却部をさらに有することを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の3次元造形装置。
- 前記被造形物が複数種類の形状の前記ブロックから構成されることを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の3次元造形装置。
- 自動サポート部を備える装置テーブル上に配置される複数のブロックから成る被造形物を3次元造形して造形物を製造する3次元造形方法であって、
前記ブロックはブロック本体と前記ブロック本体より融点の低い材料で形成されるブロック凸部と前記ブロック本体に形成されるブロック凹部とから構成されており、
前記造形物の形状に対応する前記ブロックの配置を決定する工程と、
前記自動サポート部または前記ブロック凸部が上段のブロックの前記ブロック凹部に挿入されるように、決定した前記配置に応じて前記ブロックを配置する工程と、
前記ブロックを加熱して前記ブロック凸部を溶融する工程と、
前記ブロック凸部を冷却して積層される前記ブロックを互いに接着させて前記被造形物を形成する工程と、
前記被造形物を3次元造形して前記造形物を製造する工程と
を有することを特徴とする3次元造形方法。 - 前記造形物を製造した後に、
前記自動サポート部を前記造形物の方向に突き出す工程と
をさらに有することを特徴とする請求項7記載の3次元造形方法。
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