JP6597084B2 - ノズルと積層造形装置およびノズル動作方法と積層造形方法 - Google Patents

Description

本発明は、層を積層して３次元造形物を造形する積層造形技術に関する。

３次元ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）データを層分割し、分割した層ごとに層の上に層を積むようにして材料を付加して３次元の造形物を製造する方法は、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（スリー ディー 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可能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造形物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造形物が実現する。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造形物が実現する。そして、これらの機能は新規材料の開発をせずとも実現することができる。

特許文献１には、複数の材料の混合比を調整して造形物を積層造形する方法が開示されている。特許文献１の方法によれば、造形物の部位に応じて複数の造形材料の混合比をヘッド内で調整しても良いし、混合のための混合ユニットで混合した造形材料をヘッドから射出してもよい。この方法で粉末材料の混合比を制御することにより、造形対象物と同じ重量の造形物が可能であるとしている。材料の混合比を調整して造形する関連技術は、特許文献２や特許文献３にも開示されている。

特開２０１３−４３４０９号公報 特開２０１５−３９８８７号公報 特開２０１５−８５５４７号公報

しかしながら、特許文献１から３に開示された技術には、ヘッドもしくはノズルから造形材料を射出する際に、ヘッドもしくはノズルで材料の混合比と射出量の双方を調整して射出する技術は開示されていない。そのため、混合比とともに射出量を調整した材料を造形物に供給する場合、ヘッドもしくはノズルに材料を供給する供給源で材料の供給量を調整する機構を必要としている。また特に、ヘッドもしくはノズルを複数有し、複数の混合比の造形材料の射出量を各々同時に制御する必要のある造形装置では、装置が大掛かりなものになっている。

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、複数の造形材料の混合比と射出量とを調整可能なノズルと、これを用いた３次元造形物を積層造形する積層造形装置を提供することにある。

本発明によるノズルは、開口面積を任意に変えて第１と第２の材料の供給量を各々制御する第１と第２の開閉口と、前記第１と第２の開閉口から各々供給される前記第１と第２の材料を混合して造形部に供給する混合チャンバと、を有する。

本発明による積層造形装置は、開口面積を任意に変えて第１と第２の材料の供給量を各々制御する第１と第２の開閉口と、前記第１と第２の開閉口から各々供給される前記第１と第２の材料を混合して造形部に供給する混合チャンバと、を有するノズルと、前記材料供給ノズルが供給する材料を積層して３次元造形物を造形する造形部と、前記材料供給ノズルと前記造形部の前記３次元造形物の造形に関わる動作を制御する制御部と、を有する。

本発明によるノズル動作方法は、開口面積を任意に変える第１と第２の開閉口から第１と第２の材料の供給量を各々制御して供給し、供給された前記第１と第２の材料を混合し、前記混合した前記第１と第２の材料を射出する。

本発明による積層造形方法は、開口面積を任意に変える第１と第２の開閉口から第１と第２の材料の供給量を各々制御して供給し、供給された前記第１と第２の材料を混合し、前記混合した前記第１と第２の材料を射出する、ノズル動作方法により材料を射出し、射出した前記材料を積層し、積層した前記材料から３次元造形物を造形する。

本発明によれば、複数の造形材料の混合比と射出量とを調整可能なノズルと、これを用いた３次元造形物を積層造形する積層造形装置が提供される。

本発明の第１の実施形態のノズルの構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態の積層造形装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態のノズルの構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態のノズルの動作を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態のノズルの材料供給例を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態のノズルの具体的な構造例を示す図である。 本発明の第２の実施形態のノズルの具体的な構造例を示す図である。 本発明の第２の実施形態のノズルを複数有する構造を示す図である。 本発明の第２の実施形態の積層造形装置の動作を示すフローチャートである。

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。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態のノズルの構成を示すブロック図である。本実施形態のノズル１０は、開口面積を任意に変えて第１の材料と第２の材料の供給量を各々制御する第１の開閉口１１と第２の開閉口１２と、第１の開閉口１１と第２の開閉口１２から各々供給される前記第１の材料と前記第２の材料を混合して造形部に供給する混合チャンバ１３と、を有する。

本実施形態によれば、複数の造形材料の混合比と射出量とを調整可能なノズルと、これを用いた３次元造形物を積層造形する積層造形装置が提供される。
（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態の積層造形装置の構成を示すブロック図である。本実施形態の積層造形装置２０は、ノズル２１と、材料チャンバ２２と、造形部２３と、加熱部２４と、制御部２５とを有する。

ノズル２１は、複数の造形材料の混合比と射出量とを調整可能な材料供給ノズルである。材料チャンバ２２は、ノズル２１に複数の造形材料を各々供給する材料供給用のチャンバである。

造形部２３は、ノズル２１から射出される造形材料を積層して３次元造形物を造形する。造形部２３は、上下左右に移動可能なステージを有する。造形部２３は、回転や傾斜する機構を有していてもよい。

加熱部２４は、造形部２３に積層された造形材料の、造形物を形成する領域を加熱して焼結する。材料の焼結方法としては、ＡＳＴＭ（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）がＡｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇの方式として分類している粉末床溶融結合方式（Ｐｏｗｄｅｒ ｂｅｄ ｆｕｓｉｏｎ）を用いることができる。この方式の場合、加熱部２４は、レーザ照射機構または電子ビーム照射機構を備えることで、造形ステージ２３上の所定の領域を所定の時間、レーザ照射または電子ビーム照射することにより加熱して材料を焼結する。レーザとしては、Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇで使用されるファイバーレーザ等を用いることができる。

制御部２５は、ノズル２１や材料チャンバ２２や造形部２３や加熱部２４に接続する。制御部２５は、造形材料の混合比、材料の造形面への供給量や供給位置や供給タイミング、造形面の位置、加熱の温度や位置や時間など、造形物の積層造形に関わる制御を行なう。制御部２５は、サーバなどの情報処理装置をプログラムにより動作させて実現することができる。

前記プログラムによる動作は、造形物の３次元ＣＡＤデータに基づいて設定される。すなわち、制御部２５は、３次元ＣＡＤデータに基づき、所定の層に所定の混合比の材料を所定の量供給するノズル２１や材料チャンバ２２の調整、加熱部２４による造形部２３上の所定の領域の材料の焼結、造形部２３の昇降などの移動、などの制御を行う。以上の工程を繰り返すことで、３次元の造形物を形成することができる。

図３は、本実施形態のノズルの構成を示す図である。ノズル３０は、第１の開閉口３１と第２の開閉口３２と混合チャンバ３３とを有する。

第１の開閉口３１と第２の開閉口３２とは、各々、第１の材料と第２の材料とを各々供給する第１の材料チャンバ３４と第２の材料チャンバ３５とに設けられている。また、第１の開閉口３１と第２の開閉口３２とは、第１の材料チャンバ３４と第２の材料チャンバ３５とから配管などを介して離れた位置に設けられていても良い。なお、開閉口の数は２個に限定されず、取り扱う材料の種類に応じて任意の複数とすることができる。

第１の開閉口３１と第２の開閉口３２とは、複数の開閉板の駆動により開閉する。開閉板の材質としては、炭素鋼、アルミニウム、ステンレス鋼等が挙げられるが、これらには限定されない。

混合チャンバ３３は、第１の開閉口３１と第２の開閉口３２とから各々供給される第１の材料と第２の材料とを混合し、射出口３６から造形部２３へ射出する。射出口３６の径は、例えば粉末材料の粒径が５０μｍ程度の場合、２００μｍ程度とすることができるが、これには限定されない。混合チャンバ３３の材質としては、炭素鋼、アルミニウム、ステンレス鋼等が挙げられるが、これらには限定されない。

第１の材料と第２の材料は、例えば粉末とすることができるが、これには限定されない。第１の材料がプラスチック粉末で、第２の材料が金属粉末というように、２種類の材料の材質が極端に異なる場合なども可能である。なお、第１の材料と第２の材料は、各々、２種類以上の材料が予め所定の比率で混合された混合材料であっても良い。

第１の材料や第２の材料としては、例えば、プラスチック材料であれば、ナイロン、ポリ乳酸、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリエーテルエーテルケトン等が挙げられるが、これらに限定されない。これらの材料にガラスやカーボン等を所定量添加していても良い。また、金属材料であれば、銅、ステンレス、アルミ、チタン等が挙げられるが、これらに限定されない。また、セラミックやカーボン等の材料であってもよい。材料が粉末状であれば、粉末の粒径は、例えば、５μｍから５０μｍ程度の範囲とすることができるが、これには限定されない。

図４は、本実施形態のノズル３０の動作を説明するための図である。第１の開閉口３１と第２の開閉口３２は、Ａ−Ａ’面を矢印の方向に見た図のように、複数の開閉板３７の駆動により開閉する。開閉板３７の材質としては、炭素鋼、アルミニウム、ステンレス鋼等が挙げられるが、これらには限定されない。

第１の開閉口３１と第２の開閉口３２とから供給された第１の材料と第２の材料とは、混合チャンバ３３で混合されて、射出口３６から造形部２３へ射出される。第１の材料と第２の材料とが粉末状の場合、例えば、第１の材料と第２の材料の粒径を変えることで、粒径の小さい材料が粒径の大きい材料の隙間に入り込みやすくなり、効率的に混合することができる。また、混合チャンバ３３では、第１の材料と第２の材料とを混練してもよい。

第１の材料と第２の材料との混合比は、第１の開閉口３１と第２の開閉口３２の開口面積によって制御することができる。例えば、第１の材料と第２の材料とを１：９の比率で混合する場合、第１の開閉口３１と第２の開閉口３２の開口面積の比率を１：９とする。ただし、開口面積の比率が供給される材料の比率と１：１にはならない場合、第１の材料と第２の材料との比率が１：９になるように開口面積の比率を予め求められた値に調整すればよい。例えば、第１の材料と第２の材料の粒径が異なる場合、粒径が小さい材料の方が高密度になるため、粒径が小さい材料の開口面積を粒径が大きい材料の開口面積に対して所定の割合だけ小さくする、といった対応が可能である。

図５は、本実施形態のノズル３０の材料供給例を説明するための図である。図５では、ノズル３０をＸ軸方向に移動させながら造形部に材料を供給する場合を示している。ノズル３０は、Ａ地点からＢ地点まで、第１の材料と第２の材料の混合比が８：２で一定の混合材料を供給する。Ｂ地点からＣ地点までは、混合比を８：２から３：７に直線的に連続的に変化させて供給する。さらに、Ｃ地点からは、混合比が３：７で一定の混合材料を供給し、Ｄ地点で終了する。

以上のように、ノズル３０によれば、第１の材料と第２の材料の混合比を、一定に保つことも、連続的に変化させることも可能である。これは、開閉口の開口面積を、複数の開閉板の駆動により、所望の時に任意に変えることができるためである。さらに、ノズル３０によれば、所定の混合比の材料の射出量を所望の時に任意に変えることもできる。

２種類の材料の混合比を連続的に変化させた混合比の傾斜構造を形成することで、２種類の材料が隣り合った界面に生じる応力を緩和することが可能となる。これにより、２種類の材料の界面で剥離や割れが発生しない信頼性の高い造形物が実現できる。

なお、図５において、第１の材料と第２の材料の混合比は、１０：０から０：１０まで、任意の混合比とすることが可能である。また、Ｂ地点からＣ地点までの混合比の連続的な変化は、直線的な変化の他にも、任意の曲線や段階的な変化、さらにはこれらの任意の組み合わせ、とすることも可能である。

図６は、本実施形態のノズルの具体的な構造例を示す図である。ノズル６０は、第１の開閉口６１と第２の開閉口６２と混合チャンバ６３とを有する。混合チャンバ６３の内側の第１の材料と第２の材料とを受ける面には、Ｂ−Ｂ’面の矢印方向の図に示すように、螺旋構造６４の溝もしくは突起が設けられている。この螺旋構造６４の溝もしくは突起により、第１の材料と第２の材料とは効率的に混合し、射出口から造形部に射出される。

図７は、本実施形態のノズルの別の具体的な構造例を示す図である。ノズル７０は、第１の開閉口７１と第２の開閉口７２と混合チャンバ７３とを有する。混合チャンバ７３の内側の第１の材料と第２の材料とを受ける面には、Ｃ−Ｃ’面の矢印方向の図に示すように、回転部７４が設けられている。この回転部７４が回転することにより、第１の材料と第２の材料とは撹拌されて効率的に混合し、射出口から造形部に射出される。回転部７４の回転速度は、制御部２５で制御することができ、例えば１００ｒｐｍ程度の速度が可能であるが、これには限定されない。また、回転部７４の回転により、第１の材料と第２の材料とを混練することもできる。

図８は、本実施形態のノズル３０を複数有する構造を示す正面図、上面図、側面図、Ｄ−Ｄ’断面図である。図８の構造は、各ノズル３０に第１の材料と第２の材料とを各々供給する、第１の材料チャンバ８４と第２の材料チャンバ８５とを有する。

各材料チャンバ内は、ノズル３０ごとに区分けされ、ノズル３０ごとに材料の残量を検知するセンサ８６が設けられている。各ノズル３０に対応した材料チャンバ内の材料が所定量以下になった場合、センサ８６がこれを検知し、材料供給源（図示省略）から材料チャンバに材料が供給される。このとき、材料チャンバ内に供給された材料の偏りを、スキージ８７で均一化することができる。

センサ８６は、例えば光学非接触式のセンサとすることができる。粉末材料がある場合、光が遮断されることで材料の存在を検出することができる。また、スキージ８７は、平スキージ、角スキージ、剣スキージ等から適切な形状を選択することができる。スキージ８７の材質は、ゴム、プラスチック、金属等から、適切な材料を選択することができる。

本構造によれば、ノズル３０ごとに材料の混合比と射出量とを変えた材料の供給が可能である。

図９は、本実施形態の積層造形装置２０の動作を示すフローチャートである。以下に、図２と図３に示す構造を用いて、積層造形装置２０の動作を説明する。

まず、制御部２５は、第１の材料と第２の材料を各々供給する第１の材料チャンバ３４と第２の材料チャンバ３５から、第１の材料と第２の材料を、各々、ノズル３０の第１の開閉口３１と第２の開閉口３２に供給する。制御部２５は、第１の材料と第２の材料の所望の混合比と供給量とに基づいて第１の開閉口３１と第２の開閉口３２の開口面積を制御して、第１の材料と第２の材料を混合チャンバ３３に供給する（ステップＳ１）。

混合チャンバ３３は、第１の材料と第２の材料とを混合する（ステップＳ２）。混合チャンバ３３は、混合した材料を射出口３６から造形部２３の所定の位置へ射出する（ステップＳ３）。このとき、制御部２５は、ノズル３０（２１）や造形部２３の位置を制御する。

次に、制御部２５は、加熱部２４を用いて、造形部２３に積層された材料の造形物となる領域を加熱し、造形領域の材料を焼結して造形物を形成する（ステップＳ４）。

次に、制御部２５は、造形部２３上に所定の層数を積層したか否かを確認する（ステップＳ５）。Ｓ５がＮＯの場合、制御部２５は、次の層を積層するために造形部２３を所定量、例えば次の層の層厚分、下降させて位置を設定する（ステップＳ６）。層厚としては、例えば３０μｍから５０μｍであるが、これには限定されない。造形ステージ２３の位置を設定した後、制御部２５は、ステップＳ１を繰り返し、造形物を完成して（ステップＳ５がＹＥＳ）、終了する。

なお、造形部２３に供給された未焼結材料については回収し、分離して再利用することもできる。

以上のように、本実施形態によれば、複数の造形材料の混合比と射出量とを調整可能なノズルと、これを用いた３次元造形物を積層造形する積層造形装置が提供される。

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）
開口面積を任意に変えて第１と第２の材料の供給量を各々制御する第１と第２の開閉口と、
前記第１と第２の開閉口から各々供給される前記第１と第２の材料を混合して造形部に供給する混合チャンバと、を有するノズル。
（付記２）
前記第１と第２の開閉口は、複数の開閉板の駆動により開閉する、付記１記載のノズル。
（付記３）
前記第１と第２の開閉口は、前記第１と第２の材料を各々供給する第１と第２の材料チャンバに各々設けられている、付記１または２記載のノズル。
（付記４）
前記混合チャンバは、前記第１と第２の材料を混合する螺旋構造もしくは回転部を有する、付記１から３の内の１項記載のノズル。
（付記５）
付記１から４の内の１項記載のノズルと、
前記ノズルが供給する材料を積層して３次元造形物を造形する造形部と、
前記ノズルと前記造形部の前記３次元造形物の造形に関わる動作を制御する制御部と、を有する積層造形装置。
（付記６）
前記ノズルを複数有する、付記５記載の積層造形装置。
（付記７）
前記ノズルは、前記第１と第２の材料の混合比もしくは供給量を変えた複数の材料を供給する、付記５または６記載の積層造形装置。
（付記８）
前記ノズルは、前記第１と第２の材料の混合比もしくは供給量を連続的に変えた材料を供給する、付記５または６記載の積層造形装置。
（付記９）
前記造形部はステージを有する、付記５から８の内の１項記載の積層造形装置。
（付記１０）
前記造形部に供給された材料を加熱する加熱部を有する、付記５から９の内の１項記載の積層造形装置。
（付記１１）
複数の前記ノズルに材料を供給する材料チャンバ内の材料の偏りを均一化するスキージを有する、付記６記載の積層造形装置。
（付記１２）
開口面積を任意に変える第１と第２の開閉口から第１と第２の材料の供給量を各々制御して供給し、
供給された前記第１と第２の材料を混合し、
前記混合した前記第１と第２の材料を射出する、ノズル動作方法。
（付記１３）
前記第１と第２の開閉口は、複数の開閉板の駆動により開閉する、付記１２記載のノズル動作方法。
（付記１４）
前記第１と第２の開閉口は、前記第１と第２の材料を各々供給する第１と第２の材料チャンバに各々設けられている、付記１２または１３記載のノズル動作方法。
（付記１５）
螺旋構造もしくは回転部の回転により前記第１と第２の材料を混合する、付記１２から１４の内の１項記載のノズル動作方法。
（付記１６）
付記１２から１５の内の１項記載のノズル動作方法により材料を射出し、射出した前記材料を積層し、積層した前記材料から３次元造形物を造形する、積層造形方法。
（付記１７）
前記第１と第２の材料の混合比もしくは供給量を変えた複数の前記材料を射出する、付記１６記載の積層造形方法。
（付記１８）
前記第１と第２の材料の混合比もしくは供給量を徐々に変えた前記材料を射出する、付記１６または１７記載の積層造形方法。
（付記１９）
積層した前記材料を加熱する、付記１６から１８の内の１項記載の積層造形方法。
（付記２０）
前記ノズル動作をする複数のノズルで前記材料を射出する、付記１６から１９の内の１項記載の積層造形方法。

１０、３０、６０、７０ ノズル
１１、３１、６１、７１ 第１の開閉口
１２、３２、６２、７２ 第２の開閉口
１３、３３、６３、７３ 混合チャンバ
２０ 積層造形装置
２１ ノズル
２２ 材料チャンバ
２３ 造形部
２４ 加熱部
２５ 制御部
３４、８４ 第１の材料チャンバ
３５、８５ 第２の材料チャンバ
３６ 射出口
３７ 開閉板
６４ 螺旋構造
７４ 回転部
８６ センサ
８７ スキージ

Claims (9)

1. 開口面積を任意に変えて第１と第２の材料の供給量を各々制御する第１と第２の開閉口と、
   前記第１と第２の開閉口から各々供給される前記第１と第２の材料を混合して造形部に供給する混合チャンバと、を有し、
   前記混合チャンバは、前記第１と第２の材料を混合する螺旋構造を有する、
   ノズル。
2. 前記第１と第２の開閉口は、複数の開閉板の駆動により開閉する、請求項１記載のノズル。
3. 前記第１と第２の開閉口は、前記第１と第２の材料を各々供給する第１と第２の材料チャンバに各々設けられている、請求項１または２記載のノズル。
4. 請求項１から３の内の１項記載のノズルと、
   前記ノズルが供給する材料を積層して３次元造形物を造形する造形部と、
   前記ノズルと前記造形部の前記３次元造形物の造形に関わる動作を制御する制御部と、
   を有する積層造形装置。
5. 前記ノズルを複数有する、請求項４記載の積層造形装置。
6. 前記ノズルは、前記第１と第２の材料の混合比もしくは供給量を変えた複数の材料を供給する、
   請求項４または５記載の積層造形装置。
7. 前記ノズルは、前記第１と第２の材料の混合比もしくは供給量を連続的に変えた材料を供給する、
   請求項４または５記載の積層造形装置。
8. 開口面積を任意に変える第１と第２の開閉口から第１と第２の材料の供給量を各々制御して、前記第１と第２の材料を混合する螺旋構造を有する混合チャンバに供給し、
   供給された前記第１と第２の材料を混合し、
   前記混合した前記第１と第２の材料を射出する、
   ノズル動作方法。
9. 請求項８記載のノズル動作方法により材料を射出し、
   射出した前記材料を積層し、
   積層した前記材料から３次元造形物を造形する、
   積層造形方法。

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