JP6582456B2 - 積層造形装置および積層造形方法 - Google Patents

Description

本発明は、３次元積層造形技術に関し、特に、複数の材料を用いて造形する積層造形装置および積層造形方法に関する。

３次元ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）データを層分割し、分割した層毎に層の上に層を積むように材料を付加しながら層間を付着させて、３次元形状の構造物を数値表現から製造する方法は、国際規格でＡｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇと定義されている。１９８０年代に発明されたこの製造方法は、一般的には３Ｄプリンタと呼ばれる。３Ｄプリンタは、３次元ＣＡＤデータがあれば、金型を使わずに複雑な形状を容易に製造できることから、近年、新たなものづくり手法として注目されている。

３Ｄプリンタでは、切削による除去的な加工や、型に材料を流し込んで固める成形加工とは異なり、メッシュ形状やポーラス形状をはじめとする、かつては製造が難しかった形状を容易に正確に製造できる。更には、複数の種類の材料を同一の層内に自由に配置させた造形を容易とすることも期待されている。複数の材料を用いた造形により、それぞれの材料の特性を活かした新たな機能を付与した３次元構造体が実現できるからである。

例えば、導電材料と絶縁材料とを複合させることで、電子回路の機能を有する３次元構造体が実現する。また、硬質な材料と柔軟な材料とを複合させることで、強度と柔軟性の両立した機能を有する３次元構造体が実現する。そして、これらの機能は新規材料の開発をせずとも容易に実現することができる。

特表２００４−５３２７５３号公報

特性の異なる材料を同一層内に造形する方法が、特許文献１に開示されている。この方法によれば、溶融形態の第１の熱凝固性材料を第１の押出し温度で所定のパターンで供給して三次元物品を規定し、同時に、溶融形態の第２の熱凝固性材料を第２の押出し温度で分配して該三次元物品のための支持構造を規定する。

しかしながら、特許文献１の方法では、それぞれの材料の融点の違いにより、融点の高い材料を溶融し固化して造形する際に、隣接する融点の低い材料が再溶解してしまい、目的とする形状が精度良く得られないという問題が生じている。また、この方法では、それぞれの材料の熱的性質の違いから、それぞれの材料が隣接して造形される場合に、熱による反りや変形や変質が起こるという問題がある。そのため、寸法精度が求められる構造体や反りや変形が起こりやすい薄肉の構造体の造形には使用できない。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数の材料を同一の層内に造形して積層する３次元積層造形において、反りや変形や変質を抑制した精度の良い造形を可能とすることにある。

本発明による積層造形装置は、第１の材料と第２の材料とを同一の層内に造形する積層造形装置において、前記第１の材料を前記層内の所定の位置に供給する第１の材料供給部と、前記第２の材料を前記層内の所定の位置に供給する第２の材料供給部と、前記第２の材料を振動させる振動部と、前記第２の材料を加圧する加圧部とを備えている。

本発明による積層造形方法は、第１の材料と第２の材料とを同一の層内に造形する積層造形方法において、前記第１の材料を所定の位置に供給して造形し、前記第２の材料を所定の位置に供給して造形し、前記第２の材料を造形する際に、前記第２の材料を振動させ加圧する。

本発明によれば、複数の材料を同一の層内に造形して積層する３次元積層造形において、反りや変形や変質を抑制した精度の良い造形が可能となる。

本発明の実施形態の積層造形装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態の積層造形装置により３次元構造体を造形する具体的な形態を説明する図である。 本発明の実施形態の積層造形装置により３次元構造体を造形する別の具体的な形態を説明する図である。

以下、図を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。

図１は、本発明の実施形態の積層造形装置の構成を示す図である。本実施形態の積層造形装置１０は、第１の材料と第２の材料とを同一の層内に造形する積層造形装置において、前記第１の材料を前記層内の所定の位置に供給する第１の材料供給部１と、前記第２の材料を前記層内の所定の位置に供給する第２の材料供給部２と、前記第２の材料を振動させる振動部５と加圧する加圧部６と、を備える。

すなわち、積層造形装置１０は図１に示すように、３次元構造体３を造形するための造形ステージ７と、造形ステージ７上に第１の材料を所定の位置に供給して積層するための第１の材料供給部１と、造形ステージ７上に第２の材料を所定の位置に供給して積層するための第２の材料供給部２と、供給される第１の材料と第２の材料を加熱するための加熱部４と、を備えている。さらに、少なくとも第２の材料を造形する際に、第２の材料を振動させる振動部５と前記第２の材料を加圧する加圧部６とを備える。振動部５は、超音波振動などの振動を発生する機構とすることができる。加圧部６は、圧電素子や磁歪素子などを使用したアクチュエータにより、造形ステージ７表面に垂直方向の成分を有する圧力を印加することができる。

積層造形装置１０は、前記の各部に接続し、それぞれの材料の供給量、供給位置、供給タイミング、加熱温度、振動、加圧等の、３次元構造体３の造形に関わる制御を行なう制御部８を備えている。また、造形ステージ７は、制御部８により移動を制御する構成とすることもできる。

本実施形態では、第２の材料の融点の方が、第１の材料の融点よりも高いとする。よって、第２の材料を溶融する温度は第１の材料を溶融する温度よりも高くする必要がある。しかしながら、加熱部４が第２の材料を溶融する温度まで加熱すると、第１の材料も溶融してしまい、所望の形状が得られなくなってしまう。そこで、加熱部４は、第２の材料を加熱する場合には、第１の材料が溶融する温度より低い温度で第２の材料を加熱する。加熱部４は、第２の材料を加熱しない場合もある。

積層造形装置１０は、第２の材料を造形層に造形する際には、第２の材料の加熱を抑制し、振動部５で第２の材料に超音波などの振動を加え、加圧部６で第２の材料を造形ステージ７の方向に加圧する。これにより、第２の材料を溶融する温度よりも低い温度で、第２の材料を造形層に造形し、下層に存在する第２の材料による部分に接合させることができる。従って、第２の材料の造形の際にも、第１の材料が溶融しなくなるため、熱による反りや変形や変質が抑制される。

なお、図１の積層造形装置１０では、加熱部４は第１の材料と第２の材料とで共通としているが、それぞれ材料ごとに個別に設けることもできる。個別に設けた場合は、第１の材料の加熱部と第２の材料の加熱部とは、異なる加熱方法を用いることができる。また、加熱部４は第１の材料用にだけ設けることもできる。また、加熱部４を無くすこともできる。加熱部４を無くす場合は、振動部５と加圧部６とが、第１の材料を造形する際に、第１の材料にも振動と圧力とを与えるようにする。

材料の種類は、第１の材料と第２の材料との２種類には限定されず、複数の材料を使用することができる。そして、これら複数の材料に対応した材料供給部や加熱部や振動部や加圧部を設けることができる。

以下に説明する積層造形装置１０の具体的な形態では、３次元構造体３として電子回路の機能を有する３次元構造体を製造することを想定し、これに対応した第１の材料と第２の材料とを例としているが、本実施形態はこれには限定されない。

図２は、本実施形態の積層造形装置１０により３次元構造体３を造形する、具体的な形態を説明する図である。図２では、積層造形装置１０による第２の材料の具体的な造形方法を示している。

図２では、３次元構造体３は第１の材料による部分と第２の材料による部分とを有する。そして、第１の材料による部分と第２の材料による部分との上に、造形層を造形しているとする。造形層は、第１の材料の積層領域と第２の材料の積層領域とを有する。

第１の材料は、誘電体としての性質を有し、プラスチックが代表的な材料である。具体例としては、ＡＢＳ（Ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ Ｓｔｙｒｅｎｅ）、ポリカーボネート、ポリ乳酸、アクリル、ポリエーテルイミド、ポリフェニルスルホン、ナイロン、ポリエチレン、シリコーン、エポキシ等が挙げられるが、これらに限定されない。

第１の材料の積層方法としては、ＡＳＴＭ（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）がＡｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇの方式として分類している方式を用いることができる。例えば、加熱部４と第１の材料供給部１とを一体化し、第１の材料供給部１を加熱して溶融した第１の材料を、第１の材料供給部１に設けたノズルなどの開口部から選択的に押出し、造形ステージ７上に堆積する材料押出方式（Ｍａｔｅｒｉａｌ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ）が挙げられる。また、他の方法としては、第１の材料供給部１から第１の材料の液滴を噴射し、選択的に硬化させ堆積させる材料噴射方式（Ｍａｔｅｒｉａｌ ｊｅｔｔｉｎｇ）などが挙げられる。

第１の材料の溶融、硬化については、熱可塑性樹脂であれば、加熱溶融させた材料を所定の位置に所定量供給し、空冷によって硬化させることができる。また、熱硬化や光硬化性樹脂の場合、材料の液滴を噴射し、熱硬化性樹脂であれば加熱、光硬化性樹脂であれば紫外線等を照射することで、第１の材料を積層することができる。

第２の材料は、電気伝導体としての性質を有する材料である。この材料は、例として、銅、銀、アルミが挙げられるが、これらに限定されない。また、通常、第２の材料の融点は、第１の材料の融点よりも高い。第２の材料は粒状とすることができる。第２の材料はまた、粉末状、フィラー状、線状、板状等に加工しておいてもよい。

第２の材料供給部２は、第２の材料を先端部に吸着して運搬する機能を備えた構成にすることができる。吸着方法としては、空気を吸引して吸着する方法や、静電気により吸着する方法が可能である。第２の材料が磁性体である場合には、磁力による吸着が可能である。第２の材料供給部２は、振動部５と加圧部６の少なくとも一方と一体化した構成とすることができる。図２では、第２の材料供給部２を、振動部５と加圧部６と一体化した構成を示している。

次に、第１の材料と第２の材料とを造形層に造形する動作を説明する。

まず、第２の材料供給部２は、その先端部に第２の材料を吸着する。次に、第２の材料供給部２は、造形層上を移動し、第２の材料の積層領域に第２の材料を供給する。このとき、第２の材料供給部２の先端部は、第２の材料供給部２に内蔵された振動部５と加圧部６とにより、第２の材料に、超音波などの振動と図面下方向への圧力とを加える。

またこのとき、第２の材料は、加熱部４により、第１の材料の溶融温度よりも低い温度で加熱されていてもよい。この温度は、例えば、第２の材料の再結晶温度の１／３程度の温度とすることができる。加熱の方法としては、ヒータによる輻射熱やレーザ照射などが可能である。以上により、第２の材料は造形層内の所定の積層領域に造形され、造形層の下層に存在する第２の材料による部分と接合することができる。

続いて、第１の材料の積層領域に第１の材料を積層し硬化することで、造形層が完成する。第１の材料の造形と第２の材料の造形の順序は、逆であっても良い。以上の動作を造形層毎に繰り返すことで、複合構造の３次元構造体３が完成する。

図３は、本実施形態の積層造形装置１０により３次元構造体３を造形する、別の具体的な形態を説明する図である。図３では、積層造形装置１０による第２の材料の具体的な造形方法を示している。

図３において、第２の材料供給部２は、先端に設けた開口部から粉末状態や溶融状態の第２の材料を、造形層の第２の材料の積層領域内に供給する。このとき、放電部９により積層領域内に供給される第２の材料に放電することで、第２の材料を溶融状態にする。この溶融状態の第２の材料に対して、第２の材料供給部２の先端部は、第２の材料供給部２に内蔵された振動部５と加圧部６とにより、超音波などの振動と図面下方向への圧力とを加える。以上により、第２の材料は造形層内の所定の積層領域に造形され、造形層の下層に存在する第２の材料による部分と接合することができる。

続いて、第１の材料の積層領域に第１の材料を積層し硬化することで、造形層が完成する。第１の材料の造形と第２の材料の造形の順序は、逆であっても良い。以上の動作を造形層毎に繰り返すことで、複合構造の３次元構造体３が完成する。

本実施形態では、融点の異なる複数の材料を同一の造形層に造形する際に、融点の高い材料の造形の際に、融点の高い材料に振動と圧力とを加えることにより、融点の低い材料の融点よりも低い温度で融点の高い材料の造形が可能となる。これにより、融点の高い材料の造形の際にも、融点の低い材料が溶融しなくなるため、熱による反りや変形や変質が抑制される。なお、融点の低い材料に対しても、造形時に振動と圧力とを加えることにより、融点の低い材料の融点よりもさらに低い温度での造形が可能である。

以上のように、本実施形態によれば、複数の材料を同一の層内に造形して積層する３次元積層造形において、反りや変形や変質を抑制した精度の良い造形が可能となる。

本発明は上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものである。

また、上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。

付記
（付記１）
第１の材料と第２の材料とを同一の層内に造形する積層造形装置において、
前記第１の材料を前記層内の所定の位置に供給する第１の材料供給部と、
前記第２の材料を前記層内の所定の位置に供給する第２の材料供給部と、
前記第２の材料を振動させる振動部と、前記第２の材料を加圧する加圧部と、を備えている積層造形装置。
（付記２）
前記振動部と前記加圧部とは、少なくとも前記第２の材料を造形するときに、各々、前記第２の材料を振動させ加圧する、付記１記載の積層造形装置。
（付記３）
前記第１の材料もしくは前記第２の材料を加熱する加熱部を備えている、付記１または２記載の積層造形装置。
（付記４）
前記加熱部は、前記第２の材料の融点が前記第１の材料の融点よりも高い時に、前記第２の材料供給部が前記第２の材料を供給する際に、前記第２の材料を前記第１の材料の融点以下の温度に加熱する、付記３記載の積層造形装置。
（付記５）
前記振動部と前記加圧部の少なくとも一方と、前記第２の材料供給部とは一体化した構成を有する、付記１から４の内の１項記載の積層造形装置。
（付記６）
前記第２の材料供給部は、前記第２の材料を吸着して搬送する、付記１から５の内の１項記載の積層造形装置。
（付記７）
前記第２の材料を溶融する放電部を有する、付記１から６の内の１項記載の積層造形装置。
（付記８）
前記加熱部と前記第１の材料供給部とは一体化した構成を有する、付記３から７の内の１項記載の積層造形装置。
（付記９）
第１の材料と第２の材料とを同一の層内に造形する積層造形方法において、
前記第１の材料を所定の位置に供給して造形し、
前記第２の材料を所定の位置に供給して造形し、
前記第２の材料を造形する際に、前記第２の材料を振動させ加圧する、積層造形方法。
（付記１０）
前記第２の材料の融点が前記第１の材料の融点よりも高い時に、
前記第２の材料を供給する際に、前記第２の材料を前記第１の材料の融点以下の温度に加熱する、付記９記載の積層造形方法。
（付記１１）
前記第２の材料を供給する際に、前記第２の材料を吸着して搬送する、付記９または１０記載の積層造形方法。
（付記１２）
前記第２の材料を供給する際に、放電により前記第２の材料を溶融する、付記９から１１の内の１項記載の積層造形方法。

１ 第１の材料供給部
２ 第２の材料供給部
３ ３次元構造体
４ 加熱部
５ 振動部
６ 加圧部
７ 造形ステージ
８ 制御部
９ 放電部
１０ 積層造形装置

Claims (6)

1. 第１の材料と第２の材料とを同一の層内に造形する積層造形装置において、
   前記第１の材料を前記層内の所定の位置に供給する第１の材料供給部と、
   前記第２の材料を前記層内の所定の位置に供給する第２の材料供給部と、
   前記第２の材料を振動させる振動部と、
   前記第２の材料を加圧する加圧部と、
   前記第１の材料もしくは前記第２の材料を加熱する加熱部とを備え、
   前記振動部と前記加圧部とは、少なくとも前記第２の材料を造形するときに、各々、前記第２の材料を振動させ加圧し、
   前記加熱部は、前記第２の材料の融点が前記第１の材料の融点よりも高い時に、前記第２の材料供給部が前記第２の材料を供給する際に、前記第２の材料を前記第１の材料の融点以下の温度に加熱することを特徴とする積層造形装置。
2. 前記振動部と前記加圧部の少なくとも一方と、前記第２の材料供給部とは一体化した構成を有する、請求項１に記載の積層造形装置。
3. 前記第２の材料供給部は、前記第２の材料を吸着して搬送する、請求項１または請求項２に記載の積層造形装置。
4. 前記第２の材料を溶融する放電部を有する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の積層造形装置。
5. 第１の材料と第２の材料とを同一の層内に造形する積層造形方法において、
   前記第１の材料を所定の位置に供給して造形し、
   前記第２の材料を所定の位置に供給して造形し、
   前記第２の材料を造形する際に、前記第２の材料を振動させ加圧し、
   前記第２の材料の融点が前記第１の材料の融点よりも高い時に、前記第２の材料を供給する際に、前記第２の材料を前記第１の材料の融点以下の温度に加熱する、積層造形方法。
6. 前記第２の材料を供給する際に、前記第２の材料を吸着して搬送する、請求項５に記載の積層造形方法。